(57)【要約】      （修正有）【課題】多軸センサ装置の実装角度をフリーとする。【解決手段】検出軸が互いに直交する力センサを備え、第１の力センサの検出軸が、被検出応力Ａxが与えられる軸方向と角度θを成し、前記被検出応力Ａxが与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＡzとする時、前記第１の力センサの軸方向の出力Ａpxを、Ａpx＝αx (Ａx×cosθ＋Ａz×sinθ)として求め、前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzを、Ａpz＝αz (Ａx×sinθ＋Ａz×cosθ)として求め、さらに、前記αx, αzはそれぞれ前記第１と、第２の力センサの検出感度係数であるとき、前記第２の力センサの検出感度係数αz を αz＝αxtanθ として、前記出力Ａpxと出力Ａpzの差分Ａpx−Ａpzを求め、前記差分から前記被検出応力Ａxを、Ａx＝（Ａpx−Ａpz）／αx(cosθ−tanθ×sinθ)  として求める 。【選択図】図３
2005315826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多軸センサを有する力センサ装置における応力検出方法であって、
前記多軸センサとして、互いに検出軸が直交する第１と、第２の力センサを備え、
前記第１の力センサの検出軸が、被検出応力Ａxが与えられる軸方向と角度θを成し、前記被検出応力Ａxが与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＡzとする時、
前記第１の力センサの軸方向の出力Ａpxを、
Ａpx＝αx (Ａx×cosθ＋Ａz×sinθ)として求め、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzを、
Ａpz＝αz (Ａx×sinθ＋Ａz×cosθ)として求め、
さらに、前記αx, αzはそれぞれ前記第１と、第２の力センサの検出感度係数であるとき、前記第２の力センサの検出感度係数αz を αz＝αxtanθ として、
前記出力Ａpxと出力Ａpzの差分Ａpx−Ａpzを求め、
前記差分から前記被検出応力Ａxを、
Ａx＝（Ａpx −Ａpz）／αx (cosθ−tanθ×sinθ)  として求める
ことを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置の応力検出方法。
【請求項２】
多軸センサを有する力センサ装置における応力検出方法であって、
前記多軸センサとして、被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と互いに反対方向に角度Φを成す第１及び第２の力センサと、前記第１及び第２の力センサの検出軸の成す平面と垂直方向に検出軸を有する第３の力センサを備え、前記第１及び第２の力センサの成す平面が、前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と角度θを成し、
前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＦ２とする時、
前記第１の力センサの軸方向の出力Ｆxを、
Ｆx＝αx×(Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ)として求め、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆyを、
Ｆy＝αy×(Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ)として求め、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆzを、
Ｆz＝αz×（Ｆ１×sinθ−Ｆ２×cosθ）として求め、
前記出力Ｆx，Ｆy，Ｆzの合成出力Ｆを、Ｆ＝Ｆx＋Ｆy−Ｆzとして求め、
前記αx, αy, αzはそれぞれ前記第１、第２及び第３の力センサの検出感度係数であるとき、前記第３の力センサの検出感度係数αzをαz＝（αx＋αy）×tanθとして、
次いで、前記合成出力Ｆから前記前記被検出応力Ｆ１を、
Ｆ１＝Ｆ／{（αx＋αy）cosΦ×cosθ−αz×sinθ}として求める
ことを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置の応力検出方法。
【請求項３】
多軸センサを有する力センサ装置であって、
互いに検出軸が直交する第１及び第２の力センサと、
前記第１と、第２の力センサの出力を処理する回路を有し、
前記回路は、前記第１の力センサの検出軸が、被検出応力Ａxが与えられる軸方向と角度θを成し、前記被検出応力Ａxが与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＡzとする時、
前記第１の力センサの軸方向の出力Ａpxとして、
Ａpx＝αx （Ａx×cosθ＋Ａz×sinθ）を出力し、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzとして、
Ａpz＝αz （Ａx×sinθ＋Ａz×cosθ）を出力し、
但し、前記αx, αzはそれぞれ前記第１と、第２の力センサの検出感度係数であり、前記第２の力センサの検出感度係数αz は αz＝αxtanθ に設定され、
前記出力Ａpxと出力Ａpzの差分Ａpx−Ａpzを求め、
前記差分から前記被検出応力Ａxを、
Ａx＝（Ａpx −Ａpz）／αx (cosθ−tanθ×sinθ)として検出出力する
ことを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置。
【請求項４】
多軸センサを有する力センサ装置であって、
前記多軸センサとして、被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と互いに反対方向に角度Φを成す第１及び第２の力センサと、前記第１及び第２の力センサの検出軸の成す平面と垂直方向に検出軸を有する第３の力センサを備え、前記第１及び第２の力センサの成す平面が、前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と角度θを成し、
更に、前記第１、第２及び第３の力センサの出力を処理する回路を有し、
前記回路は、前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＦ２とする時、前記第１の力センサの軸方向の出力Ｆxを、
Ｆx＝αx×（Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ）として出力し、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆyを、
Ｆy＝αy×（Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ）として出力し、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆzを、
Ｆz＝αz×（Ｆ１×sinθ−Ｆ２×cosθ ）として出力し、
前記出力Ｆx，Ｆy，Ｆzの合成出力Ｆを、Ｆ＝Ｆx＋Ｆy−Ｆzとして出力し、
前記αx, αy, αzはそれぞれ前記第１、第２及び第３の力センサの検出感度係数であるとき、前記第３の力センサの検出感度係数αzをαz＝（αx＋αy）×tanθ            として、
前記合成出力Ｆから前記前記被検出応力Ｆ１を、
Ｆ１＝Ｆ／{（αx＋αy）osΦ×cosθ−αz×sinθ}として検出出力する
ことを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置。
【請求項５】
被検出軸方向に与えられる応力を検出する力センサ装置であって、
矩形状を成す装置の辺に並行する被検出軸方向に対し、互いに反対方向に所定角Φを成すように配置された第１及び第２の力センサを有し、
さらに、前記第１及び第２の力センサの検出軸に形成される平面に垂直な検出軸を有する第３の力センサを有する
ことを特徴とする力センサ装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記所定角Φが４５°であることを特徴とする力センサ装置。
【請求項７】
被検出軸方向に与えられる応力を検出する力センサ装置であって、
矩形状の外辺を有する枠体部と、
前記枠体部内に配置される重りと、
前記重りの中心点を通る直交する軸方向に配置され、それぞれ一端が前記重りに接続され、他端が前記外辺と４５°を成す向きに前記枠体部に接続された４つの可撓性を有するビームとを有し、
前記４つの可撓性を有するビームのそれぞれには、前記重りに応力が与えられる際に前記ビームの可撓性によって物理量が変化する検出素子を有する
ことを特徴とする力センサ装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記物理量が変化する検出素子は、ピエゾ抵抗素子であって、前記重りの中心点を通る互いに直交する２つの軸方向にそれぞれ、前記枠体部との接続部及び、前記重りとの接続部に配置される４つのピエゾ抵抗素子を有し、
前記４つのピエゾ抵抗素子は、ホイートストンブリッジに接続されることを特徴とする力センサ装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記直交する２つの軸方向の何れか一方の軸方向に、前記４つのピエゾ抵抗素子を２組有し、
一方の組の４つのピエゾ抵抗素子により前記一方の軸方向の応力を検出し、他方の組の４つのピエゾ抵抗素子により前記直交する２つの軸方向に垂直方向の応力を検出することを特徴とする力センサ装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記直交する２つの軸方向の何れか一方の軸方向に配置される４つのピエゾ抵抗素子の二つの抵抗素子の前記ホイートストンブリッジに接続される配置を反対に切り替えるスイッチ手段を有し、
前記スイッチ手段による接続切替により、前記一方の軸方向の応力検出又は、前記垂直方向の応力の検出を可能とすることを特徴とする力センサ装置。
【請求項１１】
被検出軸方向に与えられる応力を検出する力センサ装置であって、
矩形状の外辺を有する枠体部と、
前記枠体部内に配置される重りと、
前記重りの中心点を通る直交する軸方向に配置され、それぞれ一端が前記重りに接続され、他端が前記外辺と４５°を成す向きに前記枠体部に接続された４つの可撓性を有するビームとを有し、
前記重りと前記４つの可撓性を有するビームのそれぞれに第１の電極部が形成され、更に、
前記第１の電極部と絶縁体を介して対向する様に配置された対向電極部を有し、
前記重りに応力が与えられる際に、前記ビームの可撓性によって、前記第１の電極部と前記対向電極部間の容量が変化する
ように構成されていることを特徴とする力センサ装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzと、前記角度θとの対応関係を予め記憶し、
前記第１の軸方向が水平方向となるようにして静止し、
その際、求められる前記第２の力センサの出力から、前記記憶された対応関係に基づき対応する角度θを求め、
前記求められた角度θを記憶するとともに、前記求められた角度θから対応する前記第２の力センサの検出感度係数を求める
ことを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置の応力検出方法。
【請求項１３】
請求項２において、
前記第３の力センサの軸方向の出力Ｆｚと、前記角度θとの対応関係を予め記憶し、
前記第１及び第２の力センサの検出軸の成す平面が水平方向となるようにして静止し、
その際、求められる前記第３の力センサの出力から、前記記憶された対応関係に基づき対応する角度θを求め、
前記求められた角度θを記憶するとともに、前記求められた角度θから対応する前記第３の力センサの検出感度係数を求める
ことを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置の応力検出方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３において、
前記前記求められた角度θの記憶をリセット可能とすることを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置の応力検出方法。
【請求項１５】
請求項３において、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzと、前記角度θとの対応関係を予め記憶し、
前記被検出軸が水平方向となるようにして静止し、
その際、求められる前記第２の力センサの出力から、前記記憶された対応関係に基づき対応する角度θを求め、
前記求められた角度θを記憶するとともに、前記求められた角度θに対する前記検出感度係数が設定されたことを
特徴とする多軸センサを有する力センサ装置。
【請求項１６】
請求項４において、
前記第３の力センサの軸方向の出力Ｆｚと、前記角度θとの対応関係を予め記憶し、
前記第１及び第２の力センサの検出軸の成す平面が水平方向となるようにして静止し、
その際、求められる前記第３の力センサの出力から、前記記憶された対応関係に基づき対応する角度θを求め、
前記求められた角度θを記憶するとともに、前記求められた角度θから対応する前記第３の力センサの検出感度係数が設定されたことを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置。
【請求項１７】
請求項１５乃至１６において、
前記前記求められた角度θの記憶をリセット可能とすることを特徴とする多軸センサを有する力センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多軸センサを有する力センサ装置における応力検出方法及び、この方法を用いる力センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、船舶等の移動体、ロボット、機械製造装置あるいは、使用者により把持されて使用される移動機器、例えばノートＰＣ、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant），ＤＶＣ（Digital Video Camera），ＤＳＣ(Digital Still Camera)等において、種々の制御のために、その制御の目的に対応して対象物全体又はその一部に与えられる応力を検出することが重要である。この応力を対象物全体又はその一部に作用する加速度に基づくものとして検知することにより、当該加速度を検知することができる。
【０００３】
かかる応力あるいは加速度の検出装置として、従来種々開発され、その一つとして、半導体基板上にゲージ抵抗を形成し、ピエゾ抵抗効果により、外部から与えられる力に基づいて生じる機械的な歪を電気信号に変換する装置が知られている（非特許文献１）。さらに、前記ゲージ抵抗におけるピエゾ抵抗効果の利用に代えて、歪に対応する静電容量の変化を利用することも可能であることが上記非特許文献１に解説されている。
【０００４】
特に、かかる非特許文献１において説明される発明の特徴は、半導体基板上に形成した複数軸方向の力センサにより、一つの装置で、複数種類のセンサ即ち、３軸力センサ、３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、６軸モーションセンサの４種のセンサを構成することを可能とすることにある。
【０００５】
また、車両の加速度を検知するための加速度センサが、車両の制動制御等に使用される場合に、加速度センサの障害が不要な制動を引き起こし、あるいは、車両スピン等の不安定な状態にあると判断してしまう。したがって、かかる不都合を防止するべく、加速度センサの異常を検出する装置が提案されている（特許文献１）。かかる特許文献1に記載の発明では、車両の前後方向に向かう軸にそれぞれ等角度を成すように２つの加速度センサを配し、何れか一方の加速度センサの検出加速度の変動幅が所定値未満の状態が所定時間継続し、同時に他方の加速度センサの検出角速度の変動幅が所定値を越えた時に、前記一方の加速度センサの異常と判断する判定手段を設けることを特徴としている。
【０００６】
さらに、別の発明として、加速度センサが検出する検出軸の方向と、実際にセンサに加わる物理量の方向とが一致しないときの問題を解決する一つの技術が提示されている（特許文献２）。
【０００７】
加速度センサが検出する検出軸の方向と、実際にセンサに加わる物理量の方向とが一致しないときの問題は、例えば、次のような場合に生じる。
【０００８】
すなわち、車両に搭載されるナビゲーション装置において、加速度センサが車両の現在位置を測位し、基準点からの車両の移動方向又は、速度変化を検出する際の基準として、センサに対し、一定方向に定められている検出軸を有している。
【０００９】
この検出軸の方向と、実際加速度の加わる方向とが一致する場合には問題が生じない。しかし、一般にナビゲーション装置が車両に搭載される場合は、車両への取り付け構造による制限及び、インテリア等の関係から傾斜して取り付けられる場合が多い。かかる場合は、検出軸の方向と実際加速度の加わる方向とが不一致となり、検出軸の方向に垂直な方向の検出成分がノイズとして表れ、結果として検出誤差が生じ正確な位置測定が困難となる。したがって、これに対応するべく、車両への取り付け角度を予め規定し、内蔵したプログラムにより規定された取り付け角度における誤差を補正することが行われている。
【００１０】
特許文献２に記載の発明は、かかる点に鑑みて、ナビゲーション装置に搭載されるセンサの取り付けの際に、ナビゲーション装置の車両への規定された取り付け角度を打ち消し、検出軸の方向と実際加速度の加わる方向とが一致するように、予め角度を有してセンサを取り付けるように構成したものである。
【非特許文献１】“３軸センサの開発” 雑誌「発明」５２頁〜６３頁、2003. 9 発明協会発行
【特許文献１】特開平９−１１３５３５号公報
【特許文献２】特開２００３-２２７８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の非特許文献１及び特許文献１には、検出軸の方向と垂直方向への不要な出力による測定誤差が生じる問題については全く触れられていない。一方、特許文献２には、規定される取り付け角度に対応してセンサをセンサ装置へ実装する際に、センサの搭載角度を予め調整しておくものである。
【００１２】
したがって、特許文献２による場合は、規定される取り付け角度毎に、対応したセンサの搭載角度を有するセンサ装置を用意することが必要となり、規定される種々の取り付け角度に対して汎用的に使用することはできない。
【００１３】
かかる点から本発明の目的は、多軸センサを有する力センサ装置における応力検出方法及び、この方法を用いる力センサ装置を提供し、特にセンサ装置の実装角度をフリーとすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置における応力検出方法は第１の態様として、前記多軸センサとして、互いに検出軸が直交する第１と、第２の力センサを備え、
前記第１の力センサの検出軸が、被検出応力Ａxが与えられる軸方向と角度θを成し、前記被検出応力Ａxが与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＡzとする時、
前記第１の力センサの軸方向の出力Ａpxを、
Ａpx＝αx (Ａx×cosθ＋Ａz×sinθ)として求め、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzを、
Ａpz＝αz (Ａx×sinθ＋Ａz×cosθ)として求め、
さらに、前記αx, αzはそれぞれ前記第１と、第２の力センサの検出感度係数であるとき、前記第２の力センサの検出感度係数αz を αz＝αxtanθ として、
前記出力Ａpxと出力Ａpzの差分Ａpx−Ａpzを求め、
前記差分から前記被検出応力Ａxを、
Ａx＝（Ａpx−Ａpz）／αx(cosθ−tanθ×sinθ)  として求める
ことを特徴とする。
【００１５】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置における応力検出方法は第２の態様として、多軸センサを有する力センサ装置における応力検出方法であって、
前記多軸センサとして、被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と互いに反対方向に角度Φを成す第１及び第２の力センサと、前記第１及び第２の力センサの検出軸の成す平面と垂直方向に検出軸を有する第３の力センサを備え、前記第１及び第２の力センサの成す平面が、前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と角度θを成し、  前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＦ２とする時、
前記第１の力センサの軸方向の出力Ｆxを、
Ｆx＝αx×(Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ)として求め、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆyを、
Ｆy＝αy×(Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ)として求め、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆzを、
Ｆz＝αz×（Ｆ１×sinθ−Ｆ２×cosθ）として求め、
前記出力Ｆx，Ｆy，Ｆzの合成出力Ｆを、Ｆ＝Ｆx＋Ｆy−Ｆzとして求め、
前記αx, αy, αzはそれぞれ前記第１、第２及び第３の力センサの検出感度係数であるとき、前記第３の力センサの検出感度係数αzをαz＝（αx＋αy）×tanθ            として、
次いで、前記合成出力Ｆから前記前記被検出応力Ｆ１を、
Ｆ１＝Ｆ／{（αx＋αy）cosΦ×cosθ−αz×sinθ}として求める
ことを特徴とする。
【００１６】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第１の態様として、
互いに検出軸が直交する第１及び第２の力センサと、
前記第１と、第２の力センサの出力を処理する回路を有し、
前記回路は、前記第１の力センサの検出軸が、被検出応力Ａxが与えられる軸方向と角度θを成し、前記被検出応力Ａxが与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＡzとする時、
前記第１の力センサの軸方向の出力Ａpxとして、
Ａpx＝αx （Ａx×cosθ＋Ａz×sinθ）を出力し、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzとして、
Ａpz＝αz （Ａx×sinθ＋Ａz×cosθ）を出力し、
但し、前記αx, αzはそれぞれ前記第１と、第２の力センサの検出感度係数であり、前記第２の力センサの検出感度係数αz は αz＝αxtanθ に設定され、
前記出力Ａpxと出力Ａpzの差分Ａpx−Ａpzを求め、
前記差分から前記被検出応力Ａxを、
Ａx＝（Ａpx−Ａpz）／αx（cosθ−tanθ×sinθ）  として検出出力する
ことを特徴とする。
【００１７】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第２の態様として、
多軸センサを有する力センサ装置であって、
前記多軸センサとして、被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と互いに反対方向に角度Φを成す第１及び第２の力センサと、前記第１及び第２の力センサの検出軸の成す平面と垂直方向に検出軸を有する第３の力センサを備え、前記第１及び第２の力センサの成す平面が、前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸方向と角度θを成し、
更に、前記第１、第２及び第３の力センサの出力を処理する回路を有し、
前記回路は、前記被検出応力Ｆ１が与えられる軸と垂直な軸方向の応力成分をＦ２とする時、前記第１の力センサの軸方向の出力Ｆxを、
Ｆx＝αx×（Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ）として出力し、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆyを、
Ｆy＝αy×（Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ）として出力し、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ｆzを、
Ｆz＝αz×（Ｆ１×sinθ−Ｆ２×cosθ）として出力し、
前記出力Ｆx，Ｆy，Ｆzの合成出力Ｆを、Ｆ＝Ｆx＋Ｆy−Ｆzとして出力し、
前記αx, αy, αzはそれぞれ前記第１、第２及び第３の力センサの検出感度係数であるとき、前記第３の力センサの検出感度係数αzをαz＝（αx＋αy）×tanθとして、
前記合成出力Ｆから前記前記被検出応力Ｆ１を、
Ｆ１＝Ｆ／{（αx＋αy）cosΦ×cosθ−αz×sinθ}として検出出力する
ことを特徴とする。
【００１８】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第３の態様として、
矩形状を成す装置の辺に並行する被検出軸方向に対し、互いに反対方向に所定角Φを成すように配置された第１及び第２の力センサを有し、
さらに、前記第１及び第２の力センサの検出軸に形成される平面に垂直な検出軸を有する第３の力センサを有することを特徴とする。
【００１９】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第４の態様として、
前記所定角Φが４５°であることを特徴とする。
【００２０】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第５の態様として、
矩形状の外辺を有する枠体部と、
前記枠体部内に配置される重りと、
前記重りの中心点を通る直交する軸方向に配置され、それぞれ一端が前記重りに接続され、他端が前記外辺と４５°を成す向きに前記枠体部に接続された４つの可撓性を有する支持体(以下、ビームという)とを有し、
前記４つの可撓性を有するビームのそれぞれには、前記重りに応力が与えられる際に前記ビームの可撓性によって物理量が変化する検出素子を有することを特徴とする。
【００２１】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第６の態様として、
第５の態様において、
前記物理量が変化する検出素子は、ピエゾ抵抗素子であって、前記重りの中心点を通る互いに直交する２つの軸方向にそれぞれ、前記枠体部との接続部及び、前記重りとの接続部に配置される４つのピエゾ抵抗素子を有し、
前記４つのピエゾ抵抗素子は、ホイートストンブリッジに接続されることを特徴とする。
【００２２】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第７の態様として、
第５の態様において、
前記直交する２つの軸方向の何れか一方の軸方向に、前記４つのピエゾ抵抗素子を２組有し、
一方の組の４つのピエゾ抵抗素子により前記一方の軸方向の応力を検出し、他方の組の４つのピエゾ抵抗素子により前記直交する２つの軸方向に垂直方向の応力を検出することを特徴とする。
【００２３】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第８の態様として、
前記第７の態様において、
前記直交する２つの軸方向の何れか一方の軸方向に配置される４つのピエゾ抵抗素子の二つの抵抗素子の前記ホイートストンブリッジに接続される配置を反対に切り替えるスイッチ手段を有し、
前記スイッチ手段による接続切替により、前記一方の軸方向の応力検出又は、前記垂直方向の応力の検出を可能とすることを特徴とする。
【００２４】
上記の本発明の課題を解決する多軸センサを有する力センサ装置の第９の態様として、
被検出軸方向に与えられる応力を検出する力センサ装置であって、
矩形状の外辺を有する枠体部と、
前記枠体部内に配置される重りと、
前記重りの中心点を通る直交する軸方向に配置され、それぞれ一端が前記重りに接続され、他端が前記外辺と４５°を成す向きに前記枠体部に接続された４つの可撓性を有するビームとを有し、
前記重りと前記４つの可撓性を有するビームのそれぞれに第１の電極部が形成され、更に、
前記第１の電極部と絶縁体を介して対向する様に配置された対向電極部を有し、
前記重りに応力が与えられる際に、前記ビームの可撓性によって、前記第１の電極部と前記対向電極部間の容量が変化する
ように構成されていることを特徴とする。
【００２５】
さらに、前記多軸センサを有する力センサ装置及び、それによる力検出方法は更なる態様として、それぞれ前記第１の態様において、
前記第２の力センサの軸方向の出力Ａpzと、前記角度θとの対応関係を予め記憶し、
前記第１の軸方向が水平方向となるようにして静止し、
その際、求められる前記第２の力センサの出力から、前記記憶された対応関係に基づき対応する角度θを求め、
前記求められた角度θを記憶するとともに、前記求められた角度θから対応する前記第２の力センサの検出感度係数を求める
ことを特徴とする。
【００２６】
さらに、前記多軸センサを有する力センサ装置及び、それによる力検出方法は更なる態様として、それぞれ前記第２の態様において、
前記第３の力センサの軸方向の出力Ｆｚと、前記角度θとの対応関係を予め記憶し、
前記第１及び第２の力センサの検出軸の成す平面が水平方向となるようにして静止し、
その際、求められる前記第３の力センサの出力から、前記記憶された対応関係に基づき対応する角度θを求め、
前記求められた角度θを記憶するとともに、前記求められた角度θから対応する前記第３の力センサの検出感度係数を求める
ことを特徴とする。
【００２７】
さらにまた、前記多軸センサを有する力センサ装置及び、それによる力検出方法は更なる態様として、前記前記求められた角度θの記憶をリセット可能とすることを特徴とする。
【００２８】
本発明の特徴は、以下に図面に従い説明される実施の形態例から更に明らかになる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、検出軸方向と垂直な方向の応力成分を消去可能であるので、本発明に従うセンサ装置は、被検出装置への実装に際し、規定される取り付け角度を問わず、設置角度θの入力のみで使用が可能である。また、取り付け角度を外部から入力することなく、取り付け角度を自律的に検知して、入力するように構成することも可能である。したがって、本発明を適用するセンサ装置は、汎用的に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に図面に従い、本発明の実施の形態例を説明する。なお、説明される実施の形態例は本発明の理解のためのものであって、本発明の技術的範囲は、これらに限定されるものではない。
【００３１】
ここで、本発明の正しい理解のために、実施の形態例の説明に先立って、上記特許文献２において示されている解決すべき問題について図１を参照して説明する。
【００３２】
力センサ１の応力検出軸を１ａとし、被検出軸方向をＸ、それに垂直な軸方向をＺとする。
【００３３】
図１Ａに示すように、力センサ１の応力検出軸１aが被検出軸方向Ｘと成す角度をθとすると、
力センサ１の検出出力Ａpxは、
Ａpx＝αx（Ａx×cosθ＋Ａz×sinθ）              式（１）
で表される。
【００３４】
但し、Ａx：被検出軸方向Ｘに与えられる応力成分、Ａz：被検出軸方向Ｘと垂直軸方向Ｚに与えられる応力成分、αxは力センサ１の検出感度係数
１）検出軸と応力方向が一致する場合：
この場合は、図１Ｂに示すように、応力検出軸１aが被検出軸方向Ｘと成す角度は、θ＝０°であるから、式(１)により、Ｘ軸方向の応力成分Ａxのみが検出され、Ｚ軸方向に応力成分Ａzが印可されてもＡzは検出されない。したがって、目的とする被検出軸方向Ｘに与えられる応力を正しく検出することができる。
２）検出軸と応力の方向が一致しない場合：
一方、図１Ａに示すようにＸ軸に一致する応力成分の方向に対してθだけ傾斜して実装された場合の力センサ１の出力Ａpxは、式（１）のとおりであるから、例えば、重力によるＺ軸方向の応力成分Ａzに基づく、αx×Ａz×sinθがノイズとして検出される。すなわち、Ｚ方向の上記成分が力センサ１の応力検出軸１a方向の検出において現れることなる。
【００３５】
したがって、このようなＡz成分が検出されないようにするために、特許文献２に示される発明では、基板に力センサ装置を実装する際に、力センサ装置の検出軸が上記１）に示したように、応力が与えられる方向と一致するように、予め傾斜させておくことが必要がある。
【００３６】
図２は、かかる基板実装時を考慮した場合の力センサ１の断面概念図である。被測定装置に取り付ける際に、力センサ１の実装される基板２が角度θを成して取り付けられるように規定される場合、基板２は、検出すべき応力の方向Ｘとθの角度を有することになる。
【００３７】
したがって、力センサ１を基板１０にそのまま実装する場合は、力センサ１の応力検出軸１ａは、応力の方向Ｘと一致しないこととなる。そこで、図２に示すように、角度θを有する台座３を力センサ１の下側に設けるように構成する。
【００３８】
これにより、図１Ｂに示したように、力センサ１の応力検出軸１ａは、応力の方向Ｘと一致することになる。したがって、Ｘ方向の応力成分Ａxのみが検出され、Ｚ方向の応力成分Ａzが検出されないので、ノイズの発生を防ぐことができる。
【００３９】
しかし、かかる構成では、被測定装置毎に取り付け規定される角度θに対応する台座３が必要となる。さらに台座３の存在により、力センサ１を覆うカバー部４を含む高さｈが大きくなり、力センサ装置の小型化という要求に応え得ないものとなる。したがって、本発明はかかる問題の解決を提示するものである。
【００４０】
［第１の実施の形態例］
図３は、本発明の第１の実施の形態例の動作原理を説明する図である。
【００４１】
図１に示した従来例では、目的とする被検出軸方向の応力を検出するために一つの検出軸のみを有する力センサを用いている。これに対し、本発明に従う第１の実施の形態例では、２軸の検出出力を利用するものである。
【００４２】
実施例として、図３に示される例では、水平方向の軸(Ｘ軸)と垂直方向の軸(Ｚ軸)の２軸の検出出力を用いている。
【００４３】
すなわち、図３に示すように力センサ１は、Ｘ軸およびＺ軸方向に対応する応力成分を検知する力センサ１a、１ｂを有している。検出対象とする被検出軸Ｘ方向に対して、θだけ傾斜して実装された場合、Ｘ軸方向成分Ａx、Ｚ軸方向成分Ａzを有する応力Ａに対し、力センサ１aにより検知される応力成分Ａpxと、力センサ１bにより検知される応力成分Ａpzが生じる。
【００４４】
すなわち、力センサ１ａの検出出力Ａpxは、
Ａpx＝αx（Ａx×cosθ＋Ａz×sinθ）                  式（２）
Ｚ軸方向力センサ１ｂの出力Ａpzは、
Ａpz＝αz（Ａx×sinθ＋Ａz×cosθ）                  式（３）
となる。
【００４５】
ここで、本発明の応力検出方法の特徴として、目的とする被検出軸Ｘ方向の応力検出のために用意される二つの力センサ１a、１ｂの各々の検出感度係数であるαx とαzの関係を
αz ＝αx tanθ                                      式（４）
と設定する。
【００４６】
これにより、力センサ１aにより検知される被検出軸方向の応力成分ＡpxからＡzの成分を消去することができる。
【００４７】
すなわち、力センサ１ａ、１ｂの出力の差 Ａpx−Ａpzを求めると、
Ａpx −Ａpz ＝Ａｘ(αx×cosθ−αz×sinθ)
＋Ａｚ(αx×sinθ−αz×cosθ)           式（５）
となる。
【００４８】
式（４）により、αz ＝αx tanθ であるから、式（５）は、
Ａpx −Ａpz＝Ａx(αx×cosθ−αz×sinθ) 
＝Ａxαx (cosθ−tanθ×sinθ)   となる。
【００４９】
したがって、求める被検出軸Ｘ方向の応力検出出力Ａxは、
Ａx＝（Ａpx −Ａpz）／αx (cosθ−tanθ×sinθ)      式（６）
であり、Ａzの成分が消去されている。
【００５０】
例えば、傾斜角θ＝１０°の場合
αz＝ ０．１７６×αx                             式（７）
Ａx＝（Ａpx −Ａpz）／０．９５４αx               式（８）
となり、検出出力は、凡そ５％低下するがＸ軸およびＺ軸方向の二軸センサを使用し、Ｚ軸方向の検出感度を適正化することによってＸ軸方向のみの応力検出が可能となる。
【００５１】
なお、上記式(２)〜式（８）において、Ｘ軸方向とＺ軸方向の検出軸を考慮したが、被検出軸方向がＹ軸方向である場合、Ｙ軸方向とＺ軸方向の検出軸においても同様であることは、容易に理解できる。
【００５２】
すなわち、図４は、例えば、非特許文献１により紹介された多軸センサを使用したときの本発明の適用における組み合わせを説明する図である。図において、態様Iは、上記第１の実施の形態例に対応し、Ｘ軸とＺ軸方向の力センサを用い、Ｘ軸方向の応力従って、加速度を検知する場合であり、そのときの条件として各センサの感度条件は、
αz＝ αx tanθ である。
【００５３】
同様に、態様IIは、Ｙ軸とＺ軸方向の力センサを用い、Ｙ軸方向の応力従って、加速度を検知する場合であり、そのときの条件として各センサの感度条件は、
αz＝ αy tanθ
である。
【００５４】
［第２の実施の形態］
図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の第２の実施の形態例の動作原理を説明する図である。この実施の形態例は、被検出軸に対する応力を、３つの力センサを用いて検出するものである。
【００５５】
図５Ａは、被検出軸Ｘ(又は、Ｙ軸、以下Ｘ軸として説明する)に応力Ｆ１が付与されるとき、被検出軸Ｘに対し、相互に反対方向に角度Φを有する方向の二軸、ｘ、ｙ軸の応力成分を説明する図である。このｘ、ｙ軸に対する応力成分をそれぞれ検出する２つの力センサａ、ｂが備えられる。
【００５６】
力センサａ、ｂのそれぞれで検出される応力成分Ｆx1、Ｆy 1は、次のようになる。
【００５７】
Ｆx1＝ αx×Ｆ1×cosΦ
Ｆy1＝ αy×Ｆ1×cosΦ
さらに、３つ目の力センサとして、Ｚ軸方向の応力を検知する力センサｃを有する。図５Ｂは、力センサｃの応力検出を説明する図である。
【００５８】
Ｚ軸方向の応力として重力(Ｆ2)が力センサｃに与えられる。したがって、力センサｃでＺ軸方向に検出される応力成分Ｆz1は、次のようになる。
【００５９】
Ｆz1＝αz×（−Ｆ2）
ここで、図５Ｃは、ｘ、ｙ軸で形成される平面がθ傾くときの応力Ｆ1に対する各力センサの検出成分を示す図である。図５Ｃに示すように、ｘ、ｙ軸で形成される平面がθ傾くと、応力Ｆ1に対する各力センサの検出成分は、
力センサａによる検出成分：Ｆx11＝ αx×Ｆ1×cosΦ×cosθ
力センサｂによる検出成分：Ｆy11＝ αy×Ｆ1×cosΦ×cosθ
力センサｃによる検出成分：Ｆz11＝ αz×Ｆ1×sinθ
さらに、応力（重力）−Ｆ2に対する各センサの検出成分は、
力センサａによる検出成分：Ｆx2＝αx×(−Ｆ2×sinθ)
力センサｂによる検出成分：Ｆy2＝αy×(−Ｆ2×sinθ)
力センサｃによる検出成分：Ｆz2＝αz×(−Ｆ2×cosθ)
となる。αx ，αy ，αz はそれぞれ、力センサａ，ｂ，ｃの検出感度係数である。
【００６０】
したがって、被検出軸Ｘ方向の応力Ｆ１と、重力Ｆ２によるＺ軸方向に受ける応力に対する各力センサの検出出力は、
力センサａによる検出出力：
Ｆx＝Ｆx11+Ｆx2＝αx×(Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ)
力センサｂによる検出出力：
Ｆy＝Ｆy11+Ｆy2＝αy×(Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ)
力センサｃによる検出出力：
Ｆz＝Ｆz11+Ｆz2＝αz×(Ｆ１×sinθ−Ｆ２×cosθ)
となる。
【００６１】
ここで、力センサａ，ｂ，ｃの検出出力から被検出軸Ｘ方向の合成出力Ｆを以下のように求める
Ｆ＝Ｆx＋Ｆy−Ｆz
＝（αx＋αy）×(Ｆ１×cosΦ×cosθ−Ｆ２×sinθ)
−αz×(Ｆ１×sinθ−Ｆ２×cosθ)
となる。
【００６２】
したがって、Ｆ２成分が消去できるようにする為の条件は
Ｆ２×（αz×cosθ−（αx＋αy）×sinθ）＝０
すなわち、αz＝（αx＋αy）×tanθ                            式（９）
とすれば良い。
【００６３】
このときの被検出軸方向の応力Ｆ１は、
Ｆ１＝Ｆ／{（αx＋αy）cosΦ×cosθ−αz×sinθ}                式（１０）
となる。
【００６４】
上記式（１０）の通り、第２の実施の形態例においても、検出出力Ｆを応力Ｆ1のみに基づくものとすることができる。
【００６５】
かかるｘ,ｙ,Ｚの３軸の力センサａ，ｂ，ｃを使用してＦ２をキャンセルする第２の実施の形態例は、先に説明した、Ｘ軸とＺ軸またはＹ軸とＺ軸の二軸センサを使用する第１の実施の形態例（図４の表に示す態様I，II参照）に対して、Ｘ軸力センサ又は、Ｙ軸力センサを２つのサブセンサとして力センサａ，ｂに置き換えることに対応する（図４の表に示す態様III参照）。
【００６６】
さらに、上記式（１０）で求められる第２の実施の形態例による被検出軸方向に対する応力検出出力Ｆ１は、第１の実施の形態例における場合と比較すると、次の特徴を有する。
【００６７】
一例として、Φ=４５°、α=αx=αy、θ=１０°とした時、
第２の実施の形態例では、
Ｆ１＝Ｆ／{（αx＋αy）×cosΦ×cosθ−αz×sinθ}
＝Ｆ／{２α（√２／２）×cosθ−２α×tanθ×sinθ}
＝（２Ｆx−Ｆz）／1.33α
一方、２軸センサを使用する第１の実施の形態例では、前述の式（４）より
α=αx ， αz= α×tanθ
Ｆ1＝(Ａpx−Ａpz)／（αx×cosθ−αx×tanθ×sinθ）
＝(Ａpx−Ａpz)／0.954α
となる。
【００６８】
したがって、(２Ｆx＞Ａpx，Ｆz＝Ａpz) であるから３軸センサを使用する第２の実施の形態例を適用する場合、第１の実施の形態例よりも検出出力が大きくなると考えることができる。
【００６９】
次に上記各実施の形態例に基づく、実施例を説明する。
【００７０】
［実施例１］
図６は、本発明を適用する力センサ装置を多軸抵抗型力センサチップで構成する実施例の説明図である。
【００７１】
図６Ａは、作成されたセンサチップの上面図であり、力センサ装置のパッケージ１０内に実装される。図６Ｂは、Ａ−Ａ’線に沿う断面図である。
【００７２】
作成工程として、先ず図に示すように熱酸化膜SiO2 １０１を形成したＳｉ基板１００を陽極接合により第２のＳｉ基板１０２と張合わせて得られるＳＯＩ基板表面にピエゾ抵抗素子１４およびＡｌ配線を形成する。なお、図には、ピエゾ抵抗１４のみが示されている。
【００７３】
次に、第２のＳｉ層１０２をDeep  RIEなどにより領域１６をエッチングする。さらに、第１のＳｉ基板１００側からエッチングを行う。このとき酸化膜層（ＳｉＯ2）１０１は第２のＳｉ層１０２に対するエッチングを阻止するので、前記上面図のパターニング形状に対応して領域１６が削られる。これにより、固定枠部１１と、重り部１２及び、固定枠部１１と重り部１２を繋ぐビーム１３が形成される。さらに、固定枠部１１にパイレックスガラス板１７を張り合わせて底面部１０３を形成する。
【００７４】
第２のＳｉ層１０２の表側に形成されたピエゾ抵抗素子１４は、重り部１２を中心に直交する軸方向に位置するビーム１３の、固定枠１１との接続部及び、重り部１２との接続部に配置される。
【００７５】
後に説明するように、水平方向の応力により重り部１２の変位が生じ、これに応じて、直交する軸方向のビーム１３が変位する。したがって、ピエゾ抵抗素子１４の抵抗値の変化を検出することにより、応力の大きさ及び方向を検知することが可能である。したがって、ピエゾ抵抗素子１４が形成される直交する方向のビーム１３により、２つの力センサ（１，２）が得られる。
【００７６】
さらに、重り部１２の上下方向の応力に対しても、ピエゾ抵抗素子１４に抵抗変化が生じ、これを検知することにより上下方向即ち、紙面に垂直なＺ軸方向の応力を検知する３つ目の力センサが得られる。
【００７７】
図６Ａには、水平方向にビーム１３に、平行に並んだピエゾ抵抗Ｒx1-Ｒx4とＲz1-Ｒz4が形成され(図６Ｂ参照)、垂直方向のビーム１３にピエゾ抵抗Ｒy1-Ｒy4が形成されている。
【００７８】
後に説明するように、ピエゾ抵抗Ｒx1-Ｒx4が、Ｘ(ｘ)軸方向の応力成分検出用センサに、ピエゾ抵抗Ｒz1-Ｒz4x4が、Ｚ軸方向の応力成分検出用センサに、ピエゾ抵抗Ｒy1-Ｒy4が、Ｙ（ｙ）軸方向の応力成分検出用センサに使用される。
【００７９】
上記の３つの力センサを有する構成は、先に言及した非特許文献１に記載される構成と同様である。しかし、非特許文献１に記載の発明では、３軸方向のセンサをそれぞれ独立に対応する軸の応力の検出に用いるものである。
【００８０】
これに対し、本発明実施例では、一つの軸方向の応力を、２または３軸の力センサを用いて検出するものである。すなわち、３軸方向の３個の力センサのうち、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の力センサと、Ｚ軸方向の３つ目の力センサを用いることにより、第１の実施の形態例の力センサ装置が実現できる。
【００８１】
さらに、図６Ａに示す多軸抵抗型力センサチップを、Ａ−Ａ’線と４５°をなす方向を応力の被検出軸Ｘ方向に対応させ、紙面に水平方向で直交する２軸をｘ、ｙ軸方向の２つの力センサと、紙面に垂直なＺ軸方向の応力を検知する力センサを用いることにより第２の実施の形態例の力センサ装置が実現できる。なお、この場合は、第２の実施の形態例において、角度Φを４５°とする場合である。
【００８２】
図７は、第２の実施の形態例を力センサ装置として構成する場合、パッケージの小型化を実現する構成例を説明する図である。図６Ａにおいて、枠線２０に沿って切断して形成したセンサチップの上平面を示す図である。特徴として、図６Ａに示すパッケージ１０に比べパッケージの大きさを小さくでき、小型化の要望に沿えるものである。
【００８３】
図７において、図５Ａに示したＸ軸方向の応力Ｆ１に対し、水平方向の２軸ｘ、ｙ方向の応力成分を検知する第１、第２の２つの力センサａ、ｂと、紙面に垂直方向(Ｚ軸方向)の応力を検知する第３の力センサが得られる。
【００８４】
したがって、この第１、第２の２つの力センサａ，ｂと、第３の力センサを用いることにより、応力Ｆ１を検出する、先に説明した第２の実施の形態例を構成することができる。
【００８５】
図８は、図６、図７における３軸方向の応力センサにおける応力に対応するピエゾ抵抗変化を説明する図である。
【００８６】
図８Ａは、Ｘ（Ｙ）軸に沿う水平方向に応力が与えられるときのピエゾ抵抗変化を説明する図である。Ｘ（Ｙ）軸方向の応力により、ピエゾ抵抗Ｒx1，Ｒx3が、伸ちょくして抵抗値が大きくなり、ピエゾ抵抗Ｒx2，Ｒx4は、圧縮して抵抗値が小さくなる。
【００８７】
図８Ｂは、Ｚ軸に沿う垂直方向に応力が与えられるときのピエゾ抵抗変化を説明する図である。Ｚ軸の上方向への応力により、重り部１２が下がり、従ってピエゾ抵抗Ｒz1，Ｒz4が伸ちょくして抵抗値が大きくなり、ピエゾ抵抗Ｒz2，Ｒz3は、圧縮して抵抗値が小さくなる。
【００８８】
これらの抵抗値の変化の組み合わせを判定することにより、応力の方向と大きさが得られる。
【００８９】
図９は、図６Ｂの断面図に示したセンサチップのビーム１３に形成されるピエゾ抵抗の接続例である。これらの接続は更に、図１０に示すように、力センサａ、ｂ、ｃに対応して、それぞれ図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃに示すホイートストンブリッジに接続される。
【００９０】
ここで、ブリッジ抵抗の出力電圧Ｖoutは、
【００９１】
【数１】
2005315826.tif 000003
【００９２】
として与えられる。
【００９３】
したがって、図８Ａ、図８Ｂのように応力が与えられると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向力センサに対して、それぞれ図１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃのブリッジ抵抗が対応するので、Ｖｐ−Ｖｎ間の電圧が出力電圧Ｖoutとなり、次のようになる。
Ｘ軸方向センサ出力：
【００９４】
【数２】
2005315826.tif 000004
【００９５】
Ｙ軸方向センサ出力：
【００９６】
【数３】
2005315826.tif 000005
【００９７】
Ｚ軸方向センサ出力：
【００９８】
【数４】
2005315826.tif 000006
【００９９】
このような、各センサの検出電圧は、実施例として、図１１に示す出力回路ブロック１００を通して出力される。
【０１００】
なお、３つの力センサに対して共通であるので、図１１は、一つの力センサ１についての出力回路ブロック１００における構成のみを示している。
【０１０１】
出力回路ブロック１００は、入力アンプ部１１０と出力アンプ部１２０更に、ルックアップテーブル１３０を有している。
【０１０２】
入力アンプ部１１０により、図１０に示したホイートストンブリッジの出力電圧Ｖｐ−Ｖｎを出力し、これを出力アンプ１２１で増幅して出力する。
【０１０３】
ルックアップテーブル１３０は、力センサ装置が設置される際の被検出軸方向に対する複数の傾斜角度θのそれぞれに対応して力センサの検出感度係数αを得るために、アンプの入力ゲイン調整抵抗１１１と、出力ゲイン調整抵抗１２１の調整値が記憶されている。
【０１０４】
傾斜角θと、力センサの検出感度係数αの対応関係は、第１の実施の形態例では、
αz ＝αx tanθ である（式（４）参照）。また、第２の実施の形態例では、
αz＝（αx＋αy）×tanθである（式（９）参照）。
【０１０５】
したがって、傾斜角θによりルックアップテーブル１３０をアクセスして読み出される調整値で、入力ゲイン調整抵抗１１１及び出力ゲイン調整抵抗１２１を調整することにより所定の増幅ゲインが得られる。
【０１０６】
出力アンプ部１２０の出力は、図示しない回路において、第１の実施の形態例を実施する場合は上記式（６）を、第２の実施の形態例を実施する場合は上記式（１０）を演算して求める被検出軸方向の応力がもとめられる。
【０１０７】
ここで、上記式（１２）、（１３）、（１４）において、
【０１０８】
【数５】
2005315826.tif 000007
【０１０９】
【数６】
2005315826.tif 000008
【０１１０】
【数７】
2005315826.tif 000009
【０１１１】
であると、上記式（１２）、（１３）、（１４）はそれぞれ下記の式（１５）、（１６）、（１７）のようになる。
【０１１２】
【数８】
2005315826.tif 000010
【０１１３】
【数９】
2005315826.tif 000011
【０１１４】
【数１０】
2005315826.tif 000012
【０１１５】
上記式（１５）〜（１７）から理解できるように、式（１７）は、式（１５）又は式（１６）のＲ3とＲ4のみを置き換えることにより得られる。
【０１１６】
したがって、図１２に示すように図９に対して、直交するビーム１３にＸ軸センサ及びＹ軸センサ用に抵抗Ｒx1-Ｒx4,Ｒy1-Ｒy4のみを形成する。そして、出力回路ブロック１００において、抵抗Ｒx3とＲx4又は、抵抗Ｒy3とＲy4の接続を、図１０Ａ又は、図１０Ｂから図１０Ｃに時分割に切り替えることにより、Ｚ軸センサ用のピエゾ抵抗素子をＸ軸センサ又は、Ｙ軸センサ用ピエゾ抵抗素子と共通に用いることができる。
【０１１７】
かかる構成による効果は、直交する方向に形成されるピエゾ抵抗素子及び接続配線をバランスすることができる。この結果、検出特性の向上も期待できる。
【０１１８】
すなわち、図１２に示すようにピエゾ抵抗及び配線を直交するビーム上に形成することにより、ビームの応力が均一化されるので、オフセットの低減や温度特性のフラット化が可能となる。
【０１１９】
図１３は、更にビームの応力の均一化を考えた時のピエゾ抵抗の別の形成例を説明する図である。
【０１２０】
図１３Ａは、先に説明した図１２に対応する例であり、直交するビーム上には、４つの抵抗と図１３では省略されている配線が形成される構成である。これに対し、図１３Ｂは別の形成例であり、図９におけるＺ軸方向の検出用の抵抗Ｒz1〜Ｒz4に相当する抵抗と対応する配線を、直交するビームの双方に形成した例である。かかる態様による場合も、ビームの応力が均一化される。さらに、図１３Ｂの例では、Ｘ，Ｙ軸用応力検出と、Ｚ軸用応力検出とを時分割で切替える必要はなく、処理は先に説明した図９におけると同様である。
【０１２１】
図１４は、図１２に示した実施例に対応する出力回路ブロック１００の構成例である。基本的構成は、図１１の構成と同様であるので、再度の詳細説明は省略する。異なる点は、力センサ１のピエゾ抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の接続を時分割に切替えるスイッチ回路１０１を通して入力アンプ部１１０に検出電圧を入力する構成である。
【０１２２】
先に言及したように、力センサ１のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の接続を、Ｒ３及びＲ４の接続を反対となるように切替える、即ち、Ｘ軸又はＹ軸応力検出用の接続態様（図１０Ａ又は図Ｂ）とＺ軸応力検出用の接続態様（図１０Ｃ）とをクロック１０２の時分割タイミングに従い、スイッチ回路１０１により切替えて入力アンプ部１１０に力センサ１の検出出力を入力する。
【０１２３】
図１５は、さらに詳細にスイッチ回路１０１の動作を説明する図である。図１５Ａにおけるブリッジ接続(図１０Ａ又は１０Ｂ参照)  において、抵抗Ｒ１とＲ４、Ｒ２とＲ３の接続を切り離し、抵抗Ｒ４とＲ３の接続を切り離された側をスイッチ回路１０１に接続する。
【０１２４】
スイッチ回路１０１は、図１５Ｂのような構成であり、スイッチがｂ側にあると Ｘ軸検出、ａ側にあるとＺ軸検出になる。スイッチ回路１０１に供給する切替クロック１０２の供給を外部から制御し、出力アンプ部１２０の出力を、ｂ側の時はＸ軸、ａ側の時はＺ軸として読み取る。
【０１２５】
ここで、スイッチ回路１０１を直流的に切り替えると単独の測定になるが、高速の切替クロック１０２で切替動作させ、同期して出力を読むことで、Ｘ、Ｚ軸応力の同時測定が実現できる。
【０１２６】
これまでは、ピエゾ抵抗素子を用い、その抵抗値変化で応力の変化を検知する力センサ装置の例を説明したが、本発明の適用はこれに限定されない。図１６は、本発明に従うセンサ装置の他の構成例である。抵抗の変化ではなく容量の変化を検知するものである。
【０１２７】
すなわち、図１６Ａに示す断面構成を示すように、重り部１２とビーム１３に共通の電極板Ｍ0を形成し、これと対向する固定板部３０に電極板Ｍ1、Ｍ2、Ｍ3を配置し、独立した容量値をえる。これにより、図１６Ｂ，図１６Ｃに示すように、重り部１２の変位により、対向する電極板間の容量が変動する。したがって、これらの容量変化を図１０に示したと同様にホイートストンブリッジに構成して検知することにより、応力の方向と大きさを検知することが可能である。
【０１２８】
また、上記のビーム１３の応力に対する物理量変化として、上気した抵抗変化、容量変化によらずに、他の方法として磁気的変化等を検知するように構成することも可能である。
【０１２９】
図１７は、上記した各実施の形態例に共通するセンサ装置のパッケージ構造の実施例を説明する図である。図１７Ａは、蓋部４０を外した上面図、図１７Ｂは、図１７ＡのＢ−Ｂ’に沿う横断面図である。
【０１３０】
特徴として、図１７Ｂに示すように、センサチップ１を搭載する領域と、図１１に示した出力回路ブロック１００を実装する制御用チップ２０を搭載する領域が、配線基板４１により、上下２段に実装されている。センサチップ１は、周囲の電極端子４２とボンディングワイヤ４３により接続されている。さらに、制御用チップ２０は、フリップチップ４２で配線基板４１に接続されている。
【０１３１】
なお、図１７Ａの上面図に見られる様に、この実施例では、センサチップ１の直交するビームに形成されたピエゾ抵抗素子は、図１３Ｂに示されるＺ軸方向の検出用の抵抗Ｒz1〜Ｒz4に相当する抵抗と対応する配線を、直交するビームの双方に形成した例が示されている。
【０１３２】
ここで、制御用チップ２０には出力回路ブロック１００の機能のみを搭載して、各力センサの検出出力を外部に置かれる図示しない演算回路に導き、そこで第１の実施の形態例では式(６)の演算処理を、第２の実施の形態例では式(１０)の演算処理を行うようン構成する。あるいは制御用チップ２０に、出力回路ブロック１００の出力に基づき、上記式（（６）又は、式（１０）の演算を行う機能回路を含め様に構成してもよい。
【０１３３】
図１８は、上記した本発明に従う力センサ装置による効果を説明する図である。応力の与えられる方向Ａに対し、傾斜角θを有してセンサ装置が実装される場合であっても、先に説明したように本発明によりＺ軸方向成分が消去される。したがって、従来、このＺ軸方向成分を除去するために、センサチップ１の下に台座３を置くような必要はなく、力センサ装置が小型化可能である。
【０１３４】
さらに、図１１において説明したように、センサ装置が実装される傾斜角θに従って、当該傾斜角データを入力することにより対応する条件とする検出感度係数(式（４）、式（９）)を得るためのアンプのゲインを調整することができる。これにより、Ｚ軸方向成分が検出出力にノイズとして表れるのを阻止することができる。これによりセンサ装置が実装される傾斜角θに制限されず、しかも実装作業における工数を著しく削減することが可能である。
【０１３５】
ここで、先の図１１の実施例説明において、本発明に従う力センサ装置を、カーナビ等の応用機器に取り付けた際の傾斜角θに基づき、ルックアップテーブル１３０をアクセスして力センサの検出感度係数αを得て、入力アンプ部１１０の入力ゲイン調整抵抗１１１と、出力アンプ部１２０の出力ゲイン調整抵抗１２１を調整することを説明した。
【０１３６】
この傾斜角θは、応用機器への取り付け工程の際に、組立工程で予め定められている取り付け角度として入力することが可能である。
【０１３７】
一方、本発明に従う力センサ装置が取り付けられた状態の傾斜角θを自律的に求め、これを用いて、ルックアップテーブル１３０を参照するように構成することも可能である。かかる場合、取り付け工程の際に傾斜角θを入力することは、必要でなくなり、従って応用機器への力センサ装置の取り付け作業のより効率化が図られる。
【０１３８】
図１９は、かかる自律的に傾斜角θを求める実施例構成のブロック図である。図１９において、力センサ装置の出力回路ブロック１００の一部として、あるいは、力センサ装置と独立に設けた演算部１４０を有している。
【０１３９】
第２の実施の形態例に対応させる場合、ｘ，ｙ，Ｚ軸方向の応力成分の検出に対応してｘ，ｙ，Ｚ軸方向センサ１ｘ，１ｙ，１Ｚの３つの出力回路ブロック１００ｘ、１００ｙ及び、１００Ｚを有している。
【０１４０】
第１の実施の形態例に対応するものである場合は、ｘ，ｙ軸に対応して、２つの出力回路ブロックのみを備えるようにしてもよい。
【０１４１】
図１９において、出力回路ブロック１００ｘ、１００ｙ及び、１００Ｚのそれぞれは、図１１において説明した機能動作を有している。演算部１４０は、出力回路ブロックの出力をインタフェース１４３を通して入力し、これに基づき、第１の実施の形態例として、式(６)に従い被検出軸方向の応力検出出力Ａｘを、あるいは、第２の実施の形態例として、式（１０）に従い被検出軸方向の応力Ｆ１をＣＰＵ１４２により演算し、インタフェース１４５から出力し、力センサ装置を搭載する装置の目的に対応して利用される。
【０１４２】
図１９において、自律的に傾斜角θを求める説明に戻る。図２０は、かかる自律的に傾斜角θを求める場合の実施例の動作フローである。前提として、本発明に従う力センサ装置を搭載した機器を水平状態に置く（ステップＳ１）。このとき、与えられる力は、自然重力のみである。ここで、自然重力のみ与えられた時のＺ軸方向の力センサ１Ｚに注目すると、力センサ１Ｚが水平向きになる状態の時(傾き角度０度)の出力は０であり、垂直向きになる状態の時((傾き角度９０度)の出力が最大で、傾き角度θに対応してサインカーブに沿うように変化する。この様子が、図２１に示される。
【０１４３】
かかる事実を利用し、演算部１４０のメモリ１４１に予め力センサ１Ｚの出力と、垂直方向に対する力センサ１Ｚの傾き、従って水平方向に対する力センサ装置が搭載されたときの傾斜角度θとの対応をテーブルに格納しておく。
【０１４４】
力センサ装置を搭載した機器を水平においた状態で、力センサ装置に電源を供給する（処理工程Ｐ２）。
【０１４５】
このとき、力センサ装置に対する初めての電源供給である場合（ステップＳ２）、演算部１４０において、力センサ１Ｚに対応する出力回路ブロック１００Ｚの出力を演算部１４０に取り込み、メモリ１４１に格納された対応テーブルを参照して、対応する角度θの情報が求められる（ステップＳ４）。
【０１４６】
このとき求められた角度θの情報は、設置傾斜角度としてメモリ１４１に記憶される（ステップＳ５）。
【０１４７】
ついで、角度情報の新たな取り込みが必要でなければ（ステップＳ６、Ｎ）、メモリ１４１に記憶された設置傾斜角度θが、利用される（ステップＳ７）。この設置傾斜角度θの利用の一態様として、図１１において説明したようにルックアップテーブル１３０を参照して、入力アンプ部１１０の入力ゲイン調整抵抗１１１及び、出力アンプ部１２０の出力ゲイン調整抵抗１２１が調整される。
【０１４８】
また、ステップＳ６で、角度情報の新たな取り込みが必要であれば（ステップＳ６、Ｙ）、角度情報の記憶をリセットしてステップＳ２に戻る（ステップＳ８）。
【０１４９】
さらに、図２０において、ステップＳ３で、力センサ装置に対する初めての電源供給でない場合（ステップＳ３、Ｎ）、更に角度情報がメモリ１４１からリセットされていなければ、継続して取り込まれた角度情報がそのまま使用される（ステップＳ９、Ｎ）。
【０１５０】
このように図１９に示す演算部１４０を備える構成により、力センサ装置自身が設置された傾斜角度を測定し、これを入力アンプ部１１０及び、出力アンプ部１２０の感度調整に用いることができ、より効率的な組立工程が得られる。
【０１５１】
ここで、先に図２０のフローにおいて、ステップＳ６、Ｙ及びステップＳ８で一旦メモリ１４１に記憶した角度情報をリセットし、新たな角度情報の取り込みを行う場合の例を説明する。
【０１５２】
本発明の力センサ装置がカーナビゲーション装置に組み込まれ、自動車に搭載された場合、当該車の盗難防止に用いる例である。
【０１５３】
自動車に搭載されるときの傾斜角度は、先の説明により、力センサ装置自身が自律的に求め、これにより入力アンプ部１１０の入力ゲイン調整抵抗１１１及び、出力アンプ部１２０の出力ゲイン調整抵抗１２１が調整されている。
【０１５４】
そして、運転者が車から離れる時に、エンジンキーのＯＦＦに伴って、前記の傾斜角度θの情報をメモリ１４１からリセットする。この後、車盗難にあうことを想定すると、車の前後輪の何れかがジャックアップされ、車自体が傾斜する。これに伴って、車が水平に置かれた状態と異なる状態に対応する力センサ装置のＺ軸方向センサ１Ｚの出力が得られる。
【０１５５】
したがって、かかる自動車が静止状態であって、力センサ装置のＺ軸方向センサ１Ｚの出力が変化する場合は、異常であるので、図示しない制御部において、これを検知して、アラーム等を発生することにより車盗難に対する防止が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
以上図面に従い、発明の実施の形態例を説明したように、本発明に従うセンサ装置は、被検出装置への実装に際し、規定される取り付け角度を問わず、プログラムの設定のみで使用が可能である。したがって、作業及びコストも削減でき産業上寄与するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】従来技術における解決すべき問題点を説明する図である。
【図２】基板実装時を考慮した場合の力センサ装置１の断面概念図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態例の動作原理を説明する図である。
【図４】非特許文献１により紹介された多軸センサを使用したときの本発明の適用における組み合わせを説明する図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施の形態例の動作原理を説明する図である。
【図５Ｂ】力センサｃの応力検出を説明する図である。
【図５Ｃ】ｘ、ｙ軸で形成される平面がθ傾くときの応力Ｆ1に対する各力センサの検出成分を示す図である。
【図６】本発明を適用する力センサ装置を多軸抵抗型力センサチップで構成する実施例の説明図である。
【図７】第２の実施の形態例を力センサ装置として構成する場合、パッケージの小型化を実現する構成例を説明する図である。
【図８】図６、図７における３軸方向の応力センサにおける応力に対応するピエゾ抵抗変化を説明する図である。
【図９】図６Ｂの断面図に示したセンサチップのビーム１３に形成されるピエゾ抵抗の接続例である。
【図１０】力センサａ、ｂ、ｃに対応するホイートストンブリッジの接続を示す図である。
【図１１】出力回路ブロック１００の構成を説明する。
【図１２】Ｚ軸センサ用のピエゾ抵抗素子をＸ軸センサ又は、Ｙ軸センサ用ピエゾ抵抗素子と共通に用いるピエゾ抵抗の接続例を説明する図である。
【図１３】ビームの応力の均一化を考えた時のピエゾ抵抗の別の形成例を説明する図である。
【図１４】図１２に示した実施例に対応する出力回路ブロック１００の構成例である。
【図１５】スイッチ回路１０１の動作を説明する図である。
【図１６】本発明に従うセンサ装置の他の構成例を示す図である。
【図１７】各実施の形態例に共通するセンサ装置のパッケージ構造の実施例を説明する図である。
【図１８】本発明に従う力センサ装置による効果を説明する図である。
【図１９】自律的に傾斜角θを求める実施例構成のブロック図である。
【図２０】図１９において、自律的に傾斜角θを求める場合の実施例の動作フローである。
【図２１】Ｚ軸方向力センサの出力と、傾き角度θの関係について説明する図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１，１ａ、１ｂ、１ｃ  力センサ
２  装置基板
１０，２０  パッケージ
１１  固定枠
１２  重り
１３  ビーム
１４  ピエゾ抵抗素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005315826.tif 000029
【図１６】
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【図１７】
2005315826.tif 000031
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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