(57)【要約】【課題】部材に加わる圧力をより正確に測定可能なセンサを提供することを目的とする。【解決手段】固定部及び空洞部を有する支持基板と、固定部に接続され、かつ、空洞部上に配置された振動梁と、固定部に配置された第１の溝とを有し、第１の溝の内側面に部材が接触するように、第１の溝が配置されているセンサを提供する。なお、固定部は第２の溝を有しており、第２の溝の内側面に部材が接触するように、第２の溝は配置されており、第１の溝及び第２の溝は、振動梁を軸として線対称に配置されていることが好ましい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部及び空洞部を有する支持基板と、
前記固定部に接続され、かつ、前記空洞部上に配置された振動梁と、
前記固定部に配置された第１の溝とを有し、
前記第１の溝の内側面に部材が接触するように、前記第１の溝が配置されている、センサ。
【請求項２】
前記第１の溝は前記支持基板の下面から上面にわたって貫通している、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記第１の溝の下開口面積は、前記空洞部の下開口面積よりも小さい、請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１の溝は前記支持基板の側面に露出している、請求項１〜３のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項５】
前記支持基板の側面は、前記振動梁の延伸方向と平行である、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記第１の溝の内側面は前記振動梁の延伸方向に対して垂直な面である、請求項１〜５のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項７】
前記固定部は第２の溝を有しており、
前記第２の溝の内側面に前記部材が接触するように、前記第２の溝は配置されており、
前記第１の溝及び前記第２の溝は、前記振動梁を軸として線対称に配置されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項８】
前記固定部は第３の溝及び第４の溝を有しており、
前記第３の溝の内側面及び前記第４の溝の内側面に前記部材が接触するように、前記第３の溝及び前記第４の溝は配置されており、
前記第１の溝、前記第２の溝、前記第３の溝、及び前記第４の溝は、前記振動梁の中心を軸として点対称に配置されている、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記第１の溝における前記部材と接触するための内側面は、前記第１の溝における複数の内側面の中で最も外側に配置されており、
前記第３の溝における前記部材と接触するための内側面は、前記第３の溝における複数の内側面の中で最も外側に配置されている、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記支持基板における高さ方向の長さは、前記部材における高さ方向の長さよりも短い、請求項１〜９のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項１１】
前記固定部には、前記振動梁の延伸方向に平行なスリットが設けられており、
前記スリットは、前記空洞部に到達している、請求項１〜１０のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項１２】
前記支持基板及び前記振動梁はシリコンから構成されている、請求項１〜１１のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記振動梁は、前記部材に発生する歪みを検知する、請求項１〜１２のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項１４】
前記振動梁と前記固定部との接続部上に駆動部が配置され、
前記振動梁の中心における前記振動梁上に、前記部材に発生する歪みを検知する検知部が配置される、請求項１３に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材に加わる圧力を歪みとして検知することが可能なセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部材に加わる圧力を歪みとして検知することが可能なセンサとして、例えば、特許文献１に記載されているセンサがある。ここで、特許文献１は、異種材料を積層した構造体を有するセンサによって部材に加わる圧力を歪みとして検知する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２１４７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のセンサは、センサ自身の異種材料間で発生する線膨張係数差に起因する内部応力も検知可能である。そのため、検知対象である部材のセンサへの荷重方向とセンサ自身の内部応力方向とが一致した場合、内部応力は分離することが困難な誤差となる。そのため、検知対象である部材のセンサへの荷重を正確に測定できないという課題がある。そこで、本願においては、部材のセンサへの荷重を正確に測定することで、部材に加わる圧力をより正確に測定可能なセンサ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】
【０００５】
本発明に係るセンサは、固定部及び空洞部を有する支持基板と、固定部に接続され、かつ、空洞部上に配置された振動梁と、固定部に配置された第１の溝とを有し、第１の溝の内側面に部材が接触するように、第１の溝が配置されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のセンサによると、部材に加わる圧力をより正確に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態に係るセンサの概略図
【図２】本実施の形態に係るセンサに部材を接触させた構造体の概略図
【図３】本実施の形態に係るセンサに部材を接触させる方法の一例を示す概略図
【図４】本実施の形態に係るセンサに部材を接触させる方法のその他の例を示す概略図
【図５】本実施の形態に係るセンサに配置される駆動部及び検知部の配置図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態に係るセンサについて、図１〜図５を参照して説明する。図１〜図５において、同一部分に対する符号の付与を省略し、その説明を適宜省略することがある。また、図１〜図５は好ましい形態の一例を示すものであり、それぞれの構成・形状に限定されるわけではない。また、実施の形態中で説明する各要素技術を矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることは可能である。
【０００９】
＜実施の形態＞
図１（ａ）、図１（ｂ）は、本実施の形態に係るセンサの概略図である。図１（ａ）はセンサ２０の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。  
【００１０】
また、図２（ａ）〜図２（ｌ）は、本実施の形態に係るセンサ２０に部材１２を接触させた構造体の概略図である。図２（ａ）は構造体の上面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図である。図２（ｃ）は図２（ａ）の下面図である。図２（ｄ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。図２（ｅ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。図２（ｆ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ’線における断面図である。図２（ｇ）は図２（ａ）のＤ−Ｄ’線における断面図である。図２（ｈ）は図２（ａ）のＥ−Ｅ’線における断面図である。図２（ｉ）は図２（ａ）のＦ−Ｆ’線における断面図である。図２（ｊ）は図２（ａ）のＧ−Ｇ’線における断面図である。図２（ｋ）は図２（ａ）のＨ−Ｈ’線における断面図である。図２（ｌ）は図２（ａ）のＩ−Ｉ’線における断面図である。
【００１１】
また、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施の形態に係るセンサ２０に部材１２を接触させる方法の一例を示す概略図である。図３（ａ）は構造体の上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【００１２】
また、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本実施の形態に係るセンサ２０に部材１２を接触させる方法のその他の例を示す概略図である。図４（ａ）は構造体の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【００１３】
また、図５は、本実施の形態に係るセンサ２０に配置される駆動部１０及び検知部１１の配置図である。
【００１４】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、センサ２０は、固定部２及び空洞部３を有する支持基板１と、固定部２に接続され、かつ、空洞部３上に配置された振動梁４と、固定部２に配置された第１の溝５とを有している。そして、第１の溝５の内側面５Ａに部材１２が接触するように、第１の溝５が配置されている。このような構成により、部材１２に加わる圧力は、第１の溝５の内側面５Ａを介してセンサ２０に伝達する。ここで、部材１２及びセンサ２０に熱が加わった際には、部材１２とセンサ２０との間の線膨張係数差に起因する内部応力の方向（第１の溝５の内側面５Ａ方向）は、部材１２に加わる圧力のセンサ２０への荷重方向に対して垂直となる。つまり、内部応力の方向が振動梁４の延伸方向に対して垂直となるため、内部応力に起因する振動梁４の振動を振動梁４の延伸方向に加わる荷重に起因する振動から分離することができる。そのため、部材１２に加わる圧力を正確に測定することが可能となる。なお、本明細書中において、「垂直」とは、設計上のズレを許容する程度のことを言い、実質的に垂直であることを意味する。
【００１５】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、内側面５Ａと反対側の内側面５Ｂは部材１２と接触しないように、第１の溝５がセンサ２０内に配置されることが好ましい。部材１２が第１の溝５で挟み込まれるように接触していると、部材１２に熱が加わり膨張することにより、荷重方向に対して平行に内部応力が加わる。そのため、内部応力を検知したい荷重から分離することが難しくなる。従って、部材１２と接触することとなる第１の溝５の内側面５Ａと反対側の内側面５Ｂは部材１２と接触しないように構成されることが好ましい。なお、本明細書中において、「平行」とは、設計上のズレを許容する程度のことを言い、実質的に平行であることを意味する。
【００１６】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ｄ）に示すように、第１の溝５は支持基板１の下面から上面にわたって貫通していることが好ましい。部材１２を第１の溝５にはめ込む際には、第１の溝５の上側又は下側からはめ込むことになる。その際、第１の溝の上面と下面の両方が開口していれば、はめ込みの自由度が高いからである。
【００１７】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ｄ）に示すように、第１の溝５の下開口面積は、空洞部３の下開口面積よりも小さいことが好ましい。振動梁４が十分に振動できるようにするために、空洞部３直下の開口面積は広いほうが好ましい。一方、第１の溝の下開口部はそれほど大きな面積を必要としないからである。
【００１８】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、第１の溝５は支持基板１の側面１Ａに露出していることが好ましい。そして、第１の溝５が露出することとなる支持基板１の側面１Ａは、振動梁４の延伸方向と平行であることが好ましい。支持基板１側面１Ａの露出部から部材１２を挟み込むことが容易となるからである。なお、第１の溝５は支持基板１の側面１Ａに露出してない構成としても構わない。例えば、第１の溝５の深さ方向から挟み込むようにすることも可能である。
【００１９】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ｄ）に示すように、第１の溝５の内側面５Ａは振動梁４の延伸方向に対して垂直な面であることが好ましい。部材１２と内側面５Ａとが完全に接触し、部材１２から内側面５Ａに伝わる荷重方向を振動梁４の波打つ方向と一致させることにより、より正確に部材１２に加わる圧力を測定することが可能だからである。
【００２０】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、固定部２は第２の溝６を有しており、第２の溝６の内側面６Ａに部材１２が接触するように第２の溝６がセンサ２０内に配置され、第１の溝５及び第２の溝６は、振動梁４を軸として線対称に配置されていることが好ましい。このように構成することで、部材１２及びセンサ２０に熱が加わった際の線膨張係数差に起因する内部応力が打ち消される。そのため、部材１２に加わる圧力をより正確に測定することが可能となる。
【００２１】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、固定部２は第３の溝７及び第４の溝８を有しており、第３の溝７の内側面７Ａ及び第４の溝８の内側面８Ａに部材１２が接触するように第３の溝７と第４の溝８がセンサ２０内に配置され、第１の溝５、第２の溝６、第３の溝７、及び第４の溝８は、振動梁４の中心を軸として点対称に配置されていることが好ましい。このように構成することで、応力のバランスが保たれ、部材１２に加わる圧力をより正確に測定することが可能となる。
【００２２】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、第１の溝５における部材１２と接触するための内側面５Ａは、第１の溝５における複数の内側面の中で最も外側に配置されており、第３の溝７における部材１２と接触するための内側面７Ａは、第３の溝７における複数の内側面の中で最も外側に配置されていることが好ましい。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、部材１２をセンサ２０のそれぞれの溝５、６、７、８に引っ掛けた上で、部材１２を振動梁４の延びる方向において外側方向に引っ張り合うことで、該構成を実現することができる。こうすることで、センサの測定精度を向上可能な構造を、容易に実現することができる。なお、他にも、例えば、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、部材１２をセンサ２０のそれぞれの溝５、６、７、８に引っ掛けた上で、部材１２を振動梁４の延びる方向において内側方向に引っ張り合うことで、部材１２と溝５、６、７、８の接触部を異なる位置とすることも可能である。その場合、第１の溝５の内側面５Ａと内側面５Ｂの位置関係は図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す場合とは、逆になる。
【００２３】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、支持基板１における高さ方向の長さは、部材１２における高さ方向の長さよりも短いことが好ましい。このような構成とすることで、センサ２０の小型化を実現することが可能となる。
【００２４】
ここで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、固定部２には、振動梁４の延伸方向に平行なスリット９が設けられており、スリット９は、空洞部３に到達していることが好ましい。このような構成とすることで、振動梁４の振動を実現することができる。
【００２５】
ここで、図５に示すように、振動梁４と固定部２との接続部上に駆動部１０が配置され、振動梁４の中心における振動梁４上に、部材１２に発生する歪みを検知する検知部１１が配置されることが好ましい。
【００２６】
なお、支持基板１及び振動梁４はシリコンから構成されていることが好ましい。支持基板１と振動梁４とを同一材料から構成することで、形成が容易となり、コスト削減が可能となる。
【００２７】
また、振動梁４に設けられる駆動部１０及び検知部１１は、下部電極、圧電体層、上部電極の順番に積層された構造を有することが好ましい。そして、下部電極の材料としては、例えば、白金等の金属材料であることが好ましい。そして、圧電体層の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料であることが好ましい。そして、上部電極の材料としては、例えば、金等の金属材料であることが好ましい。なお、駆動部１０に電圧を印加すると、圧電体層が逆圧電効果によって伸縮し、駆動部１０が面と垂直な方向に曲げ変位し、振動梁４は厚み方向に弦振動する。また、駆動部１０に電圧が印加され振動梁４が振動すると、圧電効果により振動梁４の固有振動数ｆに応じた交流信号が、検知部１１に接続された処理回路（図示せず）に入力される。処理回路に入力された交流信号は、処理回路において位相調整、増幅されて駆動部１０にフィードバックされる。これにより、振動梁４は固有振動数ｆに等しい周波数で弦振動を持続することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
部材に加わる圧力をより正確に検知することが可能なセンサを提供することで、例えば、タイヤの軸に加わる回転方向の歪みを正確に検知することなどが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１  支持基板
１Ａ  支持基板の側面
２  固定部
３  空洞部
４  振動梁
５  第１の溝
５Ａ  第１の溝における部材１２と接触する内側面
５Ｂ  第１の溝における部材１２と接触しない内側面
６  第２の溝
６Ａ  第２の溝における部材１２と接触する内側面
７  第３の溝
７Ａ  第３の溝における部材１２と接触する内側面
８  第４の溝
８Ａ  第４の溝における部材１２と接触する内側面
９  スリット
１０  駆動部
１１  検知部
１２  部材
１３  第５の溝
１４  第６の溝
２０  センサ
【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５】
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