JP2004093274A

JP2004093274A - 衝撃センサ

Info

Publication number: JP2004093274A
Application number: JP2002253373A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Shiratori; 白鳥　雅之
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】作動時に電源が不要で、電源を要せずに衝撃の記録を保持でき、かつその記録が電気的に検知できる衝撃センサの提供。
【解決手段】フレーム２と質量部３との間に接続された弾性のヒンジ４を長手方向に曲げた状態にし、質量部３をフレーム２の位置に対して上方または下方に偏在させるように座屈させておく。また、ベース１には電極５が形成されている。衝撃を受け、質量部３が上方に変位すると、ヒンジ４の座屈により質量部３はその新たな位置を保持する。衝撃の有無は、質量部３の位置として記憶される。この質量部３の位置変化による質量部３と電極５との間の静電容量の変化を検出することにより、衝撃の有無を検知できる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定値以上の衝撃を検知し、その衝撃が加わったことを記憶する衝撃センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来の衝撃センサとしては、液体式の衝撃センサがある。この液体式の衝撃センサでは、規定以上の衝撃が印加された場合、内蔵された液体に化学変化が生じさせ、その化学変化は液体に変色を伴ない、変化後の色を持続するものとし、変色の有無により衝撃の有無を検知し、その液体の色が衝撃を記憶する。
【０００３】
また、この種の別の従来の衝撃センサとして、コンピュータのハードディスク装置に設けられる衝撃センサがある。この衝撃センサは、印加された衝撃により圧電素子に発生する起電力を電気的に検出する圧電式加速度センサでなり、装置の使用中に衝撃を検知すると、装置における衝撃に弱い可動部を固定位置に自動的に移動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の液体式の衝撃センサは、液体の変色により衝撃の有無を記録するが、色の変化は電気的に検出することが難しい。衝撃の有無を電気的に容易に検知できない衝撃センサは、保存された記録を間違いなく迅速に収集する用途には不適である。
【０００５】
他方、圧電式加速度センサでは、衝撃を電気的に検出することは容易だが、作動には電源が必要である。また作動の有無を記録するには、別途センサの信号をラッチする電子回路が必要である。しかしながら、このラッチ回路も電源が遮断されると記憶を失ってしまう。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述の課題を解消し、作動時に電源が不要で、衝撃の記録を保持でき、かつその記録が電気的に検知できる衝撃センサの提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。
【０００８】
（１）ベースと、前記ベースに接合されるフレームと、質量部と、前記フレームと前記質量部との間に接続された弾性のあるヒンジとを有し、
前記質量部が前記フレームの位置に対して上方または下方に偏在するように、前記ヒンジに座屈を生じさせたことを特徴とする衝撃センサ。
【０００９】
（２）前記質量部と前記ヒンジと前記フレームとが導電性材料からなり、前記ベースに電極を設けたことを特徴とする前記（１）に記載の衝撃センサ。
【００１０】
（３）前記質量部と前記ベースとの間の静電容量の変化により衝撃の有無を検出することを特徴とする前記（２）に記載の衝撃センサ。
【００１１】
（４）前記質量部が前記電極の上方に位置し、前記質量部の下側が前記電極に接触しており、衝撃により前記質量部が移動したことを前記質量部と前記ベース間の導通がなくなることにより衝撃の有無を検出することを特徴とする前記（２）に記載の衝撃センサ。
【００１２】
（５）前記ヒンジ上にピエゾ素子を設けたことを特徴とする前記（１）に記載の衝撃センサ。
【００１３】
（６）前記ヒンジにピエゾ素子を固着し、前記ピエゾ素子の抵抗値を計測することによって衝撃の有無を検出することを特徴とする前記（１）に記載の衝撃センサ。
【００１４】
（７）前記フレーム、質量部及びヒンジを構成する部材と前記ベースとの熱膨張係数差が大きく、該熱膨張係数差に基づき前記ヒンジに前記座屈が生じていることを特徴とする前記（１）に記載の衝撃センサ。
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照し、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態の衝撃センサを模式的に示す断面図である。図１の衝撃センサは、ベース１と、フレーム２と、質量部３と、ヒンジ４と、電極５とでなる。図１及び他の図において、ベース１及びベース１上の電極５は、ハッチングを省略して描いてある。図１の衝撃センサでは、質量部３と電極５との間の静電容量の変化で衝撃を検出し、記憶する構造が採用されている。
【００１６】
この衝撃センサにおいて、フレーム２、質量部３及びヒンジ４は、質量部３の重心を通るＷＷ線に関し、対称の形をなしている。そして、フレーム２、質量部３及びヒンジ４は一体構造になっている。矢印１０３方向から見た衝撃センサの形、すなわち平面形、におけるフレーム２の左側部及び右側部はそれぞれ矩形をなし、また矢印１０３方向から見た質量部３の輪郭は正方形である。ヒンジ４は、薄い板状であり、矢印１０３方向から見たヒンジ４の左側部および右側部の輪郭は、それぞれ矩形である。
【００１７】
図１の衝撃センサのおけるフレーム２、質量部３及びヒンジ４は、例えば、シリコン微細加工技術により１つのシリコン基板に選択的にエッチング処理を施すことにより一体的に製作できる。またベース１は、例えば、ガラス基板にエッチング加工を施し、質量部３とのギャップに対応する凹部を形成し、その凹部の底にスパッタ等により電極５を設けることにより製作できる。ベース１とフレーム２は接着又は接合により固着される。
【００１８】
ヒンジ４は、弾性を有する薄い板状であり、図１の矢印１０１，１０２で示す方向に圧縮され、曲げられ、座屈している。ヒンジ４が座屈していない状態を仮想すれば、ヒンジ４は平板状であり、ヒンジ４及び質量部３の上下方向の中心は図１のＺＺ線にある。本実施の形態では、ヒンジ４は予め曲げられ、座屈させてあるので、質量部３の重心はＺＺ線より下方に変位している。フレーム２、質量部３およびヒンジ４は、図１の実施の形態では導電材料でなる。
【００１９】
図１の衝撃センサの動作原理を図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して説明する。
【００２０】
図２（Ａ）に示すように、下方に向かう加速度１０４が衝撃センサに入力されると、質量部３には上向きの慣性力１０５が作用する。このとき加速度１０４が、ヒンジ４の座屈により質量部３を変位させている力を超えるとき、図２（Ｂ）に示すように、質量部３は、ヒンジ４が座屈していない仮定したときの位置（ヒンジ４の厚み方向の中心面が図１のＺＺ線にあるときのヒンジ４の位置）に対して対称な、ヒンジ４の座屈によるもう１つの変形位置に移動する。また一度変位した質量部３は、ヒンジ４の座屈により質量部３を変位させている力を超える慣性力が発生する加速度が加速度１０４の逆方向に入力されない限り、容易に元の位置［（図２（Ａ）の位置）には戻らない。つまり、衝撃の印加の有無は質量部３の位置として保持され、記憶されている。
【００２１】
衝撃センサの作動により、質量部３と電極５との距離はＤ１からＤ２へ変化するので、質量部３と電極５間の静電容量は、減少する。この静電容量の変化を検出することにより、衝撃の有無を検知できる。
【００２２】
衝撃センサが作動する衝撃力は、主に下記の項目により決定される。
（１）質量部３の質量
（２）ヒンジ４の厚み、幅、長さ、ヤング率
（３）ヒンジ４に作用する圧縮力の大きさ
上述の本発明による衝撃センサの組立てにおいて、ヒンジ４に座屈を発生させるために必要な圧縮力を得る方法の一例を、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示す。
【００２３】
図３（Ａ）に示すように、質量部３と、質量部３に関して対称に配置し質量部３を弾性支持するヒンジ４とフレーム２からなる一体構造の部品を、ベース１の長さＬよりも２△Ｌだけ長くしておく。図３（Ｂ）に示すように、治具１および治具２によりベース１の長さＬになるように固定にして、ベース１とフレーム２とを接着または接合で固定する。このとき、左右の各ヒンジ４は△Ｌだけ長手方向に常に圧縮されることになる。
【００２４】
また、質量部３と、質量部３に関して対称に配置し質量部３を弾性支持するヒンジ４とフレーム２からなる一体構造の部品とベース１とに、熱膨張係数差が大きい材料を使用し、これらを高温で接着または接合すると、室温時において熱応力が発生する。この熱応力を、ヒンジ４に座屈を発生させるために必要な圧縮力とする方法も一例として挙げられる。例えば、フレーム２、質量部３及びヒンジ４をなす一体構造をシリコンで作製し、ベース１を熱膨張係数がシリコンよりはるかに大きいガラスで作製する。そして、両者を高温環境下で接合し、図１の如くに一体構造がベース１より上に位置する姿勢で、一体構造及びベース１を常温環境に戻すならば、重力により質量部３が下方に力を受けながら、ベース１が一体構造より多く縮むので、ヒンジ４は図１の圧縮力１０１，１０２を受け、質量部３が図１の如くＺＺ線より下側に変位した状態でヒンジ４は座屈し、図１の衝撃センサが製作できる。
【００２５】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。図４の衝撃センサは、図１の衝撃センサと同じ構成要素を有しているが、図１では質量部３と電極５は離れているのに対し、図４では衝撃センサの非作動時に質量部３と電極５は接触している。この構成の違いにより、図１では上述したように衝撃により質量部３と電極５との間の静電容量が変化することで衝撃を検出する構造となっているのに対して、図４では、衝撃により衝撃センサが作動した時に導電材料からなる質量部３が電極５から離れることから、これら質量部３と電極５間の導通の有無により衝撃を検出する構造となっている。
【００２６】
図５は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。図５の衝撃センサは、ベース１と、フレーム２と、質量部３と、ヒンジ４と、ピエゾ素子６とで構成される。この実施の形態では、ピエゾ素子６がヒンジ４に固着してある。一定値以上の衝撃により、ヒンジ４の座屈状態が反転したとき、ピエゾ素子６に作用する応力は引張りから圧縮に変化する。ピエゾ素子６では応力により抵抗値が変化するので、抵抗値の変化として衝撃を記憶し、ピエゾ素子６の抵抗値の測定により、衝撃の有無を検出できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に詳しく説明したように、本発明によれば、ヒンジの座屈により予め変位していた質量部が、所定値以上の衝撃力により反対側へ強制的に変位させられ、また変位した質量部は入力と逆方向に所定値以上の衝撃が印加されない限り、容易に元の位置には戻らないので、この質量部の変位を衝撃力の有無として記憶でき、記憶された質量部の変位は保存され、電気的に検出される。このように質量部が変位は、電源を要せず記憶され、保存される。質量部の変位を電気的に検知することは、ベース上に電極を設けたり、ヒンジ上にピエゾ素子を形成したりすることによって、容易に検知できる。このように、本発明によれば、作動時に電源が不要で、電源を要せずに衝撃の記録を保持でき、かつその記録が電気的に検知できる衝撃センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である衝撃センサを模式的に示す断面図である。
【図２】図１の衝撃センサの動作原理を説明するための図であり、（Ａ）は衝撃を受ける前の状態を示す図で、（Ｂ）は衝撃を受けたあとの状態を示す図である。
【図３】本発明の衝撃センサの組立てにおいて、ヒンジに座屈を発生させるための圧縮力を得る方法の一例を示す図であり、（Ａ）は組み立て前の状態を示す図で、（Ｂ）は冶具を用いてヒンジに座屈を発生させる状態を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である衝撃センサを模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態である衝撃センサを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１：　ベース
２：　フレーム
３：　質量部
４：　ヒンジ
５：　電極
６：　ピエゾ素子
１０１，１０２：　圧縮力
１０３：　衝撃センサの平面形を見る方向
１０４：　加速度
１０５：　慣性力

Claims

ベースと、前記ベースに接合されるフレームと、質量部と、前記フレームと前記質量部との間に接続された弾性のあるヒンジとを有し、
前記質量部が前記フレームの位置に対して上方または下方に偏在するように、前記ヒンジに座屈を生じさせたことを特徴とする衝撃センサ。
前記質量部と前記ヒンジと前記フレームとが導電性材料からなり、前記ベースに電極を設けたことを特徴とする請求項１に記載の衝撃センサ。
前記質量部と前記ベースとの間の静電容量の変化により衝撃の有無を検出することを特徴とする請求項２に記載の衝撃センサ。
前記質量部が前記電極の上方に位置し、前記質量部の下側が前記電極に接触しており、衝撃により前記質量部が移動したことを前記質量部と前記ベース間の導通がなくなることにより衝撃の有無を検出することを特徴とする請求項２に記載の衝撃センサ。
前記ヒンジ上にピエゾ素子を設けたことを特徴とする請求項１記載の衝撃センサ。
前記ヒンジにピエゾ素子を固着し、前記ピエゾ素子の抵抗値を計測することによって衝撃の有無を検出することを特徴とする請求項１に記載の衝撃センサ。
前記フレーム、質量部及びヒンジを構成する部材と前記ベースとの熱膨張係数差が大きく、該熱膨張係数差に基づき前記ヒンジに前記座屈が生じていることを特徴とする請求項１に記載の衝撃センサ。