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【発明の名称】 傾斜測定センサ
【発明者】 【氏名】鈴木 臣介

【要約】 【課題】傾斜測定センサの可撓部の破損を防止して全ての傾斜の傾斜方向を検出する手段を提供する。

【解決手段】傾斜測定センサが、十字型に配置された梁体からなる可撓部と、梁体に形成された測定素子と、可撓部の端部を固定する本体部と、可撓部の中央部に配置され、梁体に接合された重錘収容部を有する重錘容器と、この重錘容器の重錘収容部に装填された重錘ボールとを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
十字型に配置された梁体からなる可撓部と、前記梁体に形成された測定素子と、前記可撓部の端部を固定する本体部と、前記可撓部の中央部に配置され、前記梁体に接合された重錘収容部を有する重錘容器と、該重錘容器の重錘収容部に装填された重錘ボールとを備えたことを特徴とする傾斜測定センサ。
【請求項2】
請求項1において、
前記重錘容器の開口と同じ開口を有する重錘カバーを設け、
該重錘カバーを前記梁体を挟んで対向配置し、前記重錘カバー内に前記重錘ボールを装填したことを特徴とする傾斜測定センサ。
【請求項3】
枠体に台板と下蓋を設けたケース体と、前記台板の中央部に設置された本体部と、該本体部の前記台板の反対側に固定され、おもて面に十字型に測定素子を形成した可撓部と、前記下蓋に設けられ、前記それぞれの測定素子を先端部により支持する錘状突起と、前記台板と前記本体部と前記可撓部とにより形成される空間に装填された重錘ボールとを備えたことを特徴とする傾斜測定センサ。
【請求項4】
発光体と、該発光体に対向配置された複数の太陽電池と、前記発光体と前記太陽電池との間に配置された2重透明板と、該2重透明板の平行な隙間に封入された遮光板とを備えたことを特徴とする傾斜測定センサ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、搭載された装置等の傾斜の測定に用いられる傾斜測定センサに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、半導体加速度センサは、自動車や航空機等の輸送機器等に搭載されてその加速度の測定に用いられるが、その重り部の傾きによる可撓部の変形をピエゾ素子で検出して搭載された装置等の傾斜を測定する傾斜測定センサとして用いることもできる。
このような従来の半導体加速度センサは、十字型に配置された梁体からなる可撓部の端部を本体部に固定し、可撓部の中央部に分銅型の重り部を設置し、重り部の外周縁部をエッチング除去することにより重り部と梁体との間の間隔を重り部の外周縁部に向かって広くなるように形成し、梁体に形成されたピエゾ素子による加速度の測定範囲を大きくしている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
また、加速度センサにおいて、テーパ面からなる凹部と裏面中心に設けた突起軸とを有する導電性のテーブルを、中心に突起軸を遊嵌するガイド穴を有する穴付きスペーサに弾性体を介して保持して円筒状の容器の内部に設置し、容器の側板および下板の内面に側面導電性フィルムおよび下面導電性フィルムを設けると共にテーパ面からなる凹部に導電性の球を載置し、垂直方向の過大な振動をテーブルの突起軸と下面導電性フィルムとの接触により、水平方向の過大な振動と傾きをテーブルに載置した球と側面導電性フィルムとの接触により電気的に検出し、これを安全装置として用いているものがある(例えば、特許文献2参照。)。
【0004】
更に、集光式太陽電池装置において、蓋板に複数のフレネルレンズを設け、このフレネルレンズに対応させて配置された太陽電池の一つを発電センサとして機能させ、発電センサの出力が最大となるように太陽電池をX−Y−Z方向に駆動モータおよびカム体により移動させて太陽光の入射角の変化に追従させているものがある(例えば、特許文献3参照。)。
【特許文献1】特開2000−164889号公報(主に第5頁段落0025−段落0028、第3図、第4図)
【特許文献2】特開2004−333313号公報(主に第3頁段落0011、第1図)
【特許文献3】特開平11−224955号公報(第2頁段落0011−第3頁段落0018、第1図、第2図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述した特許文献1の技術においては、重り部の外周縁部をエッチング除去することにより重り部と梁体との間の間隔を重り部の外周縁部に向かって広くなるように形成しているため、限られたスペースに配置される重り部の質量が軽くなり、可撓部を変形させることが困難になるという問題がある。
このことは、傾斜測定センサとして用いる場合に特に重要である。
【0006】
このため、可撓部の梁体の幅および/もしくは厚さを縮小して梁体の剛性を低くし可撓性を高めると、梁体の強度が低下して搭載した装置等の振動等による外力により梁体が破損しやすくなるという問題がある。
また、特許文献2の技術においては、テーパ面からなる凹部に導電性の球を載置して円筒状の側面導電性フィルムとの接触により傾斜を検出しているため、テーパ面のテーパ角に満たない傾斜を検出することができない他、円筒面との接触により傾斜を検出するので、傾斜の方向を測定することができないという問題がある。
【0007】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、可撓部の破損を防止して全ての傾斜の傾斜方向を検出する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上記課題を解決するために、傾斜測定センサが、十字型に配置された梁体からなる可撓部と、前記梁体に形成された測定素子と、前記可撓部の端部を固定する本体部と、前記可撓部の中央部に配置され、前記梁体に接合された重錘収容部を有する重錘容器と、該重錘容器の重錘収容部に装填された重錘ボールとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
このように、本発明は、重錘ボールの移動により重錘容器の重心位置を移動させることができ、梁体の剛性を高めて強度を高めた梁体を容易に撓ませることができ、振動等の外力による梁体の破損することが防止できると共に、重錘ボールが移動する重錘収容部の底面を平面として形成することができ、全ての傾斜方向を感度よく検出することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下に、図面を参照して本発明による傾斜測定センサの実施例について説明する。
【実施例1】
【0011】
図1は実施例1の傾斜測定センサの上面を示す説明図、図2は図1のA−A断面図である。
図1、図2において、1は傾斜測定センサである。
2は本体部であり、シリコンからなる本体側壁3で略正方形に形成された枠体であって、その中央部の略正方形のハブ部4と本体側壁3とを可撓性を有する矩形断面の4つの梁体5で十字型に接続して一体に形成された可撓部6が異方性エッチング等により形成されている。
【0012】
また、本体側壁3の上面と可撓部6のおもて面6aとは同一面に形成される。
シリコンで形成されている梁体5には、不純物を添加拡散させて形成された測定素子としてのピエゾ素子7が各梁体5毎に梁体5の両端部の近傍にそれぞれ1つずつ計2つ形成され、図3に示すようにハブ部4を挟んで図1において水平方向に直列に配置された2つの梁体5に直線状に配置された4つのピエゾ素子7の抵抗(ピエゾ抵抗という。)をそれぞれピエゾ抵抗R1、R2、R3、R4とすると、一方の梁体5に配置され、図3に破線で示す配線により直列に接続されたピエゾ抵抗R1とR2および他方の梁体5に配置され、直列に接続されたピエゾ抵抗R3とR4に所定の電圧が印可されるように並列に接続して配線され、図4に示すブリッジ回路からなる等価回路が構成される。図1において垂直方向に直列に配置された2つの梁体5においても同様である。
【0013】
8は重錘容器であり、シリコン等で形成された底面を平面とした重錘収容部9を有する枡状部材であって、その開口側の端部が開口の中心とハブ部4の中心とを一致させて梁体5の裏面の梁体5に形成された2つのピエゾ素子7の間に接着等により接合されて取付けられる。
10は重錘容器8の重錘収容部9に装填された重錘ボールであり、シリコン等で形成された球体であって、その直径は重錘容器8の接合により、重錘容器8の側板と梁体5により形成される略正方形の穴の内接円の直径より大きく形成されており、重錘ボール9が移動したときに重錘容器8の外部に飛び出さないように構成されている。
【0014】
11はチップ電極であり、アルミニウム等でそれぞれの本体側壁3の上面に複数形成されており、それぞれのピエゾ素子7間を接続する内部配線の所定の部位と電気的に接続され、図示しない制御装置等との間の信号の送受や電源電圧等を中継する中継端子として機能する。
上記の構成の傾斜測定センサ1は、重錘ボール10を重錘収容部9に収容した重錘容器8の端部を可撓部6の各梁体5に接合して組付けられる。これにより重錘ボール10が重錘収容部9内部に装填され、平面である重錘容器8の重錘収容部9の底面に移動自在に支持される。
【0015】
このような傾斜測定センサ1は、初期設定において重錘ボール10が重錘収容部9の底面の中心にあるときに各ピエゾ素子7のピエゾ抵抗は同一の抵抗値に設定され、図4に示す電流I1、I2が同一の電流値となって図4にVで示す電位差が0Vとなるように設定される。
平面である重錘容器8の重錘収容部9の底面に載置されている球体である重錘ボール10は、重錘容器8が傾くと重力により低い方に向かって転動しながら移動し、重錘収容部9の側面に当接して停止する。
【0016】
このとき、重錘容器8の重心位置が重錘ボール10の停止位置の側に移動し、重錘容器8が接合している梁体5が重心位置に応じて変形し、それぞれのピエゾ素子7のピエゾ抵抗の抵抗値が変化して電位差Vが有限な値になり、十字型に配置された4つの梁体5に形成されたピエゾ素子7の抵抗値の変化により、重錘容器8の傾斜している方向(傾斜方向という。)、つまり可撓部6のおもて面6aの平面における角度位置を検出することができる。
【0017】
このようにして、傾斜測定センサ1の傾斜方向が検出される。
この場合に、本実施例では、重錘ボール10を移動させることによって重錘容器8の重心位置を移動させるので、可撓部6の梁体5を容易に撓ませることができ、梁体5の幅および/もしくは厚さを拡大して比較的剛性の高い梁を形成しても、梁5を容易に撓ませることができ、振動等による外力より可撓部6の梁体5が破損することはない。
【0018】
また、本実施例の重錘収容部9はその底面を平面として形成しているので、全ての傾斜方向を感度よく、かつ精度よく検出することができる。
以上説明したように、本実施例では、十字型に配置された4つの梁体にピエゾ素子を形成した可撓部の端部を本体部に固定し、重錘収容部に重錘ボールを装填した重錘容器を各梁体に接合するようにしたことによって、重錘ボールの移動により重錘容器の重心位置を移動させることができ、梁体の剛性を高めて強度を高めた梁体を容易に撓ませることができ、振動等の外力による梁体の破損することが防止できると共に、重錘ボールが移動する重錘収容部の底面を平面として形成することができ、全ての傾斜方向を感度よく検出することができる。
【実施例2】
【0019】
図5は実施例2の傾斜測定センサの上面を示す説明図、図6は図5のB−B断面図である。
なお、上記実施例1と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図5、図6において、15は重錘カバーであり、シリコン等で形成された重錘容器8と同一の開口を有し、カバー収容部16が形成された枡状部材であって、その開口側の端部が梁体5を挟んで重錘容器8の開口の対向するように配置され、可撓部6の梁体5のおもて面6aに接着等により接合されて取付けらており、カバー収容部16に重錘ボール10が装填される。
【0020】
上記の構成の傾斜測定センサ1は、実施例1と同様にして重錘容器8を組付けた後に、重錘ボール10をカバー収容部16に収容した重錘カバー15の端部を可撓部6の各梁体5に接合して組付けられる。これにより2つの重錘ボール10が重錘収容部9および重錘カバー15の内部に装填され、重錘収容部9の底面および可撓部6のおもて面6aにそれぞれ移動自在に支持される。
【0021】
このような傾斜測定センサ1のピエゾ抵抗の初期設定および傾斜方向の検出における作動は、実施例1と同様であるのでその説明を省略する。
この場合に、重錘ボール10が2つ同時に移動するので梁5を更に容易に撓ませることができ、ピエゾ素子7による傾斜方向の測定感度をより高めることが可能になる。
以上説明したように、本実施例では、上記実施例1と同様の効果に加えて、可撓部の梁体を挟んで重錘カバーを対抗配置し、重錘カバー内に重錘ボールを装填するようにしたことによって、重錘ボールを2つ用いて重錘容器等の重心位置を移動させることができ、傾斜方向の測定感度をより高めることが可能になる。
【0022】
なお、上記実施例1および実施例2においては、傾斜測定センサは、その組立後に制御装置に直接接続するとして説明したが、傾斜測定センサを後述するケース体の内部に収納してチップ電極とケース体の外部端子とをワイヤにより接続した後に傾斜測定センサとして用いるようにしてもよい。
【実施例3】
【0023】
図6は実施例3の傾斜測定センサの断面を示す説明図である。
なお、上記実施例1と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図6において、21はケース体であり、セラミックスや樹脂材料等の薄板で製作された枠体22に、台板23および下蓋24を接着等により接合して形成されており、これらより形成される空間に本体部2等を収容して外部からの塵埃等の侵入等を防止する機能を有している。
【0024】
25は可撓部であり、シリコン等で本体部2と一体に形成された可撓性を有する薄い平板であって、可撓部25の中心から等配に4方向に配置された、つまり十字型に配置されたピエゾ素子7が可撓部25のおもて面25aに形成されおり、本体側壁3のチップ電極11が形成されている上面と可撓部25のおもて面25aとは同一面に形成される。
本実施例のピエゾ素子7は、可撓部25の中心から本体側壁3の間に2つ直線状に配置され、実施例1のピエゾ素子7と同様に十字型に配置され、配線されている。
【0025】
26は錘状突起であり、下蓋24の可撓部25に形成された各ピエゾ素子7に対向する位置に形成された円錐状の突起であって、その先端部は小さなR形状(本実施例では小さな球面)に形成され、対向するピエゾ素子7の中心部を支持している。
28は台板23に設けられた外部端子であり、台板23を貫通する導電体によりケース体21の外部に電気的に接続した端子であって、金属細線等のワイヤ29で所定のチップ電極11と接続される。
【0026】
上記の構成の傾斜測定センサ1は、内部に重錘ボール10を収容した本体部2の可撓部25とは反対側の端部を台板23の内面に接着等により接合して組付けられ、ダイボンダ等により所定のチップ電極11と外部端子28との間をワイヤ29で接続した後に、錘状突起26を形成した下蓋24をその錘状突起26の先端をピエゾ素子7に当接させて接着等により枠体22に接合して組立てられ、台板23を上にして用いられる。これにより重錘ボール10が台板23と本体部2の本体側壁3と可撓部25との内面により形成される空間に装填され、平面である可撓部25の裏面に移動自在に支持される。
【0027】
このような傾斜測定センサ1のピエゾ抵抗の初期設定は、実施例1と同様であるのでその説明を省略する。
平面である可撓部25の裏面に載置されている重錘ボール10は、可撓部25が傾くと重力により低い方に向かって転動しながら移動し、本体側壁3の内面に当接して停止する。
【0028】
このとき、可撓部25がその可撓性により、重錘ボール10が停止した位置を谷として変形し、重錘ボール10が停止した位置に近いピエゾ素子7が錘状突起26の先端より他のピエゾ素子7より強く押圧され、抵抗値のより大きな変化が生じ、十字型に配置された各ピエゾ素子7の抵抗値の変化により可撓部25の傾斜方向、つまり傾斜測定センサ1の傾斜方向を検出することができる。
【0029】
この場合に、本実施例では、錘状突起26を設けて重錘ボール10の移動に伴うピエゾ素子7の変形を大きくするので、ピエゾ素子7の抵抗値の変化をより大きくすることができ、傾斜方向の測定感度を更に高めることができると共に、可撓部6を平板で構成するので可撓部25の強度をより高めることができ、振動等による外力より可撓部6が破損することはない。
【0030】
また、本実施例の可撓部6は裏面を平面として形成しているので、全ての傾斜方向を感度よく、かつ精度よく検出することができる。
以上説明したように、本実施例では、十字型に配置されたピエゾ素子を形成した可撓部の端部を本体部に固定し、下蓋に設けた錘状突起の先端をピエゾ素子に当接させ、台板と本体部と可撓部とにより形成される空間に重錘ボールを装填するようにしたことによって、重錘ボールの移動により錘状突起が当接したピエゾ素子を強く押圧してその変形を大きくすることができ、ピエゾ素子の抵抗値の変化をより大きくして傾斜方向の測定感度を更に高めることができる他、可撓部6を平板で構成することができ、可撓部の強度をより高めて振動等による外力より可撓部が破損することを更に防止することができると共に、重錘ボールが移動する可撓部の裏面を平面として形成することができ、全ての傾斜方向を感度よく検出することができる。
【0031】
なお、本実施例においては、錘状突起は円錐状の突起として説明したが、錘状突起の形状は前記に限らず、多角錐上、楕円錘状等どのような錘状の形状であってもよい。要は規格的小さな接触面積でピエゾ素子に当接させることができればよく、例えば細い円柱状であってもよい。
また、本実施例においては、可撓部は平板で構成するとして説明したが、実施例1と同様の十字型に配置した梁体を有する可撓部であってもよい。
【0032】
上記実施例1および実施例2、実施例3においては、初期設定におけるピエゾ抵抗の抵抗値は全て同一に設定するとして説明したが、組立後の電位差Vを電気的にキャンセルするキャリブレーションによって零点調整を行い、そこからの電位差Vの変化量により傾斜方向を検出するようにしてもよい。
また、上記実施例1および実施例2、実施例3においては、本体部は個別に形成するとして説明したが、複数の本体部を形成した半導体ウェハを本体部毎に個片に分割して形成するようにしてもよい。
【実施例4】
【0033】
図8は実施例4の傾斜測定センサの断面を示す説明図である。
なお、上記実施例1および実施例3と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図8において、31は太陽電池であり、ケース体21の台板23に接着等により接合されて設置されたチップ本体32のチップ上面32aに複数取付けられ、チップ上面32aに複数形成されたチップ電極11にそれぞれ電気的に接続している。
【0034】
33は発光ダイオード等の発光体であり、ケース体21の枠体22の上部に接着等により接合されたシリコン等からなる上蓋34に太陽電池31と対向して設けられ、太陽電池31が発電するための光を供給する機能を有している。
35は2重透明板であり、2枚の石英ガラス等で形成された平板である透明板36を図8にSで示す平行な隙間を介して配置して形成され、受台37に接着等により接合して対向配置された発光体33と太陽電池31との間に配置される。
【0035】
38は液体であり、エタノール等の比較的粘度の低い液体である。
39は遮光板であり、液体38より比重の小さい、つまり液体38に浮かせることができる材料で形成された碁石状の円盤であって、2重透明板35の平行な隙間Sの間に液体38と共に封入される。これにより遮光板39が2重透明板35の内部に液体38に浮遊する状態で装填され、2重透明板35の平行な隙間Sの間に移動自在に支持される。
【0036】
なお、本実施例の台板23は枠体22と一体に形成されている。
上記の構成の傾斜測定センサ1の組立は、ケース体21の台板23に上面に太陽電池31を取付けたチップ本体32の下面を接合して設置し、ダイボンダ等により所定のチップ電極11と外部端子28との間をワイヤ29で接続した後に、遮光板39と液体38を封入した2重透明板35を受台37に接合して取付け、枠体22の上部に発光体33を設けた上蓋34を発光体33を太陽電池31に対向させて接合して組立てられ、台板23を下にして用いられる。これにより発光体33と太陽電池31との間に遮光板39を封入した2重透明板35が配置される。
【0037】
このような傾斜測定センサ1は、初期設定において各太陽電池31が発光体33からの影のない光を受けたときに発生させる電圧値(発電電圧値という。)が同一になるように設定される。
2重透明板35の隙間Sの平行な空間に満たされた液体38に浮遊する遮光板39は、2重透明板35が図9(b)に示すように反時計方向に傾くと、浮力により高い方に向かって発光体33からの光を遮りながら移動し、図9(a)に示すように2重透明板35の端部に当接して停止する。
【0038】
このとき、該当する部位に位置する太陽電池31の発電電圧値が遮光板39により形成された影の面積に相当する分低下し、図10に示す電圧管理回路40が発電電圧値の低下の分布を計測し、直線補完等によって遮光板39による影の位置を特定し、その反対側の方向を2重透明板35の傾斜方法、つまり傾斜測定センサ1の傾斜方向として検出する。
図10の例では、遮光板39により光を遮られた太陽電池31の発電電圧値V6が低下するので、傾斜方法は図10において垂直方向上から反時計方向に90度として検出される。
【0039】
この場合に、本実施例の傾斜測定センサ1は、可撓部6や可撓部25を形成する必要がないので、振動等による外力より傾斜測定センサ1が破損することはない。
また、本実施例の2重透明板35に平行な隙間Sを形成しているので、全ての傾斜方向を精度よく検出することができる。
更に、2重透明板35の平行な隙間Sに遮光板39を浮遊させる比較的粘度の低い液体38を封入したので、遮光板39の移動の際の粘性抵抗を低減して遮光板39を円滑に移動させることができ、傾斜方向を感度よく検出することができる。
【0040】
以上説明したように、本実施例では、2重透明板の平行な隙間Sに封入された液体に浮遊する遮光板により発光体からの光を遮って太陽電池に影を形成するようにしたことによって、可撓部を省略することができ、振動等の外力による傾斜測定センサの破損することが防止できると共に、平行な隙間Sの間に遮光板を移動させるので、全ての傾斜方向を検出することができる。
【0041】
なお、本実施例においては、2重透明板の平行な隙間Sの間に液体に浮遊する遮光板を封入するとして説明したが、平行な隙間Sの空間に遮光板のみを封入し、重力により移動させるようにしてもよい。この場合に傾斜方向は特定した影の方向として検出される。
また、初期設定における太陽電池の発電電圧値は全て同一に設定するとして説明したが、組立後の各太陽電池の影がない場合の発電電圧値を測定し、それを初期値として用い、そこからの発電電圧値の変化量により傾斜方向を検出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】実施例1の傾斜測定センサの上面を示す説明図
【図2】図1のA−A断面図
【図3】実施例1のピエゾ素子間の配線を示す説明図
【図4】実施例1のピエゾ素子配線の等価回路を示す説明図
【図5】実施例2の傾斜測定センサの上面を示す説明図
【図6】図5のB−B断面図
【図7】実施例3の傾斜測定センサの断面を示す説明図
【図8】実施例4の傾斜測定センサの断面を示す説明図
【図9】実施例4の傾斜方向測定時の状態を示す説明図
【図10】実施例4の傾斜方向の測定方法を示す説明図
【符号の説明】
【0043】
1 傾斜測定センサ
2 本体部
3 本体側壁
4 ハブ部
5 梁体
6、25 可撓部
6a、25a おもて面
7 ピエゾ素子
8 重錘容器
9 重錘収容部
10 重錘ボール
11 チップ電極
15 重錘カバー
16 カバー収容部
21 ケース体
22 枠体
23 台板
24 下蓋
26 錘状突起
28 外部端子
29 ワイヤ
31 太陽電池
32 チップ本体
32a チップ上面
33 発光体
34 上蓋
35 2重透明板
36 透明板
37 受台
38 液体
39 遮光板
40 電圧管理回路
【出願人】 【識別番号】000000295
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
【識別番号】390008855
【氏名又は名称】宮崎沖電気株式会社
【出願日】 平成17年9月2日(2005.9.2)
【代理人】 【識別番号】100069615
【弁理士】
【氏名又は名称】金倉 喬二


【公開番号】 特開2007−64929(P2007−64929A)
【公開日】 平成19年3月15日(2007.3.15)
【出願番号】 特願2005−254911(P2005−254911)