JPH06347473A - 姿勢センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構成が簡単で多方向の姿勢変化を検知するこ
とができる姿勢センサ。 【構成】 １０１は第１の重り部、１０２は検出用の第
１の梁部、１０３は第２の重り部、１０４は検出用の第
２の梁部、１０５はシリコン単結晶基板、１０６は枠
部、１０７はエッチング除去して形成した空隙部、１０
８は検知部、１０９は第１の梁の歪方向、１１０は第２
の梁の歪方向である。第１の梁部１０２及び第２の梁部
１０４には重力により、静的力が加わっており、センサ
の向きを変えることにより、各梁の変位量が変わる。第
１の梁部１０２は１０９の方向に重力を受けたとき最大
となり、第２の梁部１０４は１１０の方向に重力を受け
たとき歪量が最大となる。第１の梁部１０２は、歪の中
立面の両側に形成した検出部１０８である圧電体の起電
力により歪量を、第２の梁部１０４は第２の重り部１０
３の対抗する面に設けた電極と、第２の重り部１０３と
の間の容量変化を検出することにより歪量を求めた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の姿勢を簡便に検
知可能な小型の姿勢センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の姿勢を検知する方法としては、加
速度センサ、速度センサ、変位センサなど物体の相対変
化を検知するセンサを複数個用い、その相対変化より姿
勢検知する手段が知られている。また、重力を利用して
物体の姿勢変化を検知する姿勢センサも知られている。
図１２は、物体の姿勢変化を２値により検知する姿勢セ
ンサである。ガラス容器１２１の中には、水銀１２２が
封入されており、物体の姿勢変化に伴ってこの水銀が移
動して、両方の金属探子１２３，１２４に触れると金属
探子１２３，１２４間の抵抗が下がり、物体の姿勢変化
を検知することができる。この姿勢センサを複数個用い
ることにより、多方向への物体の姿勢変化を検知するこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】小型機器に登載する姿
勢センサについては、小型であることが望ましい。しか
しながら、従来の姿勢センサは大型であり、かつ複数の
方向にたいしての姿勢変化を検知する場合には、多数個
のセンサを別個に組み込まなければならないという問題
点があった。また、水銀を用いる場合には、安全性・環
境性の面から用途が限られるという問題があった。

【０００４】本発明はかかる課題を解決するためになさ
れたもので、水銀を用いることなく、簡単な構成で、多
方向の姿勢変化を検知することができる姿勢センサを提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、以上
の問題点を解決するものであり、特定方向に歪変形しや
すい構造をなす第１の梁部と第１の梁部に結合し、第１
の梁部の変形方向と異なる向きに歪変形し易い構造をな
す少なくとも一つ以上の梁部で構成されており、かつ各
々の梁部が基体のエッチングにより一体形成されてお
り、各々の梁部の歪量を検出する検出部からの歪信号を
ローパスフィルタを透過させた後、各々の信号値を比較
することにより物体の向きを検知することに、多方向の
姿勢変化の検知が可能な小型の姿勢センサを提供するも
のである。

【０００６】また、本発明は基体をフォトリングラフィ
法及びエッチング技術を用いて加工することにより、従
来の機械加工では難しかった加工精度の向上に伴うセン
サの小型化、多方向の姿勢変化の検知、高い量産性を同
時に実現するものである。

【０００７】尚、フォトリングラフィ法及びエッチング
技術が適用できる加工材料としては、シリコン単結晶体
の他、感光性ガラス、水晶等の高いエッチング加工精度
をもつ材料が使用可能である。

【０００８】また、本発明のもう一つの特徴としては、
第１の検出梁の歪方向が、基体のエッチング面内方向に
あることである。エッチングは表面より深さ方向に進行
する。このため、エッチング面と平行な方向に変形し易
い構造体は、エッチング面に対して垂直な構造体の形成
方法に比べ、作製精度が低下する。本発明の構成におい
ては、第２の梁部及びそれと結合する重り部は、第１の
梁部の重りとして作用する。このため、作製精度の低い
梁を第１の梁とすることにより、容易に二つのセンシン
グ方向に対して同等のセンサ特性とすることができる。
このとき、センササイズは個々のセンサを別々に形成す
る場合や、第１の梁部と第２の梁部の検出方向が逆の場
合に比べ、大幅な小型化が可能である。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例に基づいてよ
り詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるもので
はない。

【００１０】（実施例１）図１から図５は、本発明の姿
勢センサの第１の実施例を示すものであり、図１は本実
施例の姿勢センサの構造図、図２は本実施例の姿勢セン
サの作製工程図、図３は本実施例の姿勢センサの信号処
理法を説明する図、図４及び図５は本実施例の姿勢セン
サの応用例として、カメラの姿勢センサに用いた場合の
説明図である。

【００１１】図１及び図２において、１０１は第１の重
り部、１０２は検出用の第１の梁部、１０３は第２の重
り部、１０４は検出用の第２の梁部、１０５はシリコン
単結晶基板、１０６は枠部、１０７はエッチング除去し
て形成した空隙部、１０８は検知部、１０９は第１の梁
の歪方向、１１０は第２の梁の歪方向である。

【００１２】本実施例において、第１の梁部１０２及び
第２の梁部１０４には重力により、静的力が加わってお
り、センサの向きを変えることにより、各梁の変位量が
変わる。この時、第１の梁部１０２は１０９の方向に重
力を受けたとき最大となり、第２の梁部１０４は１１０
の方向に重力を受けたとき歪量が最大となる。尚、本実
施例においては、第１の梁部１０２は、歪の中立面の両
側に形成した検出部１０８である圧電体の起電力により
歪量を、第２の梁部１０４は第２の重り部１０３の対抗
する面に設けた電極（図示せず）と、第２の重り部１０
３との間の容量変化を検出することにより歪量を求め
た。尚、第１の梁部１０２の長さは２ｍｍ、幅は１００
μｍ、第２の梁部１０４の長さは１ｍｍ、幅は１０μｍ
とした。

【００１３】ここで、図２を用いて、本実施例の姿勢セ
ンサの作製方法を示す。図２において、２０１は窒化シ
リコン膜、２０２はシリコン（１１１）面、２０３はシ
リコン（１００）面、２０４は第２の梁部形成用のエッ
チング部、２０５は垂直エッチング面、２０６はエッチ
ング部、２０７はガラス部、２０８は電極部、２０９は
圧電体部である。

【００１４】本実施例においては、シリコン基板１０５
としては、４ｍｍ厚の〈１００〉方位のｎ型単結晶シリ
コン基板を用い、異方性エッチングにより構造体を一体
的に形成した。図２（ａ）において、単結晶基板１０５
に、ジクロロシラン及びアンモニアガスを原料としたＬ
ＰＣＶＤ成膜法を用いて、窒化シリコン膜２０１を０．
２μｍの厚さに堆積させた。

【００１５】次に、両面マスクアライナー装置を用いた
フォトリングラフィ法により、基板両面のエッチング除
去する空隙部１０７の窒化シリコン膜を除去する。尚、
窒化シリコン膜の除去は四フッ化炭素を用いた反応性イ
オンエッチング法により行った。

【００１６】次に、この基板を約１１０°に加熱した水
酸化カリウム水溶液で所望時間エッチングを行い、図２
（ｂ）の状態を得た。ここで、シリコンの（１１１）結
晶面２０２は、シリコンの（１００）面２０３との結晶
面によるエッチング速度との違いにより出現する。ここ
で、窒化シリコン膜の一部を上述の方法を用いて除去
し、第２の梁部の形成のためのエッチング２０４を形成
する。

【００１７】次に、再び加熱した水酸化カリウム水溶液
によりエッチングを行い、図２（ｄ）に示す構造体を形
成した。図２（ｄ）において、第２の梁部１０４は、エ
ッチング時において、他のエッチング部がエッチングに
より、略垂直断面が得られる時間と、所望の第２の梁部
の厚みが得られる時間を一致させることにより、所望の
構造体の形成が可能となる。また、本実施例では、エッ
チング溶液として、水酸化カリウム水溶液を用いたが、
ヒドラジン、アンモニア、テトラメチルアンモニウムハ
イドロオキサイド等のシリコンの異方性エッチングを示
すエッチング液を用いることができる。

【００１８】次に、図２（ｅ）に示すように、基板裏面
の枠部１０６以外の部分を１μｍの深さにエッチングし
た。なお、エッチングには、六フッ化硫黄ガスを用い、
反応性イオンスパッタ法により形成した。

【００１９】次に、図２（ｆ）に示すように、第２の重
り部１０３に対する面に形成され、第２の梁部１０４の
歪を検出するための電極部２０８を形成したガラス部２
０７とシリコン枠部２０７とを接合した。尚、ガラスに
は、コーニング＃７０５９（商標：コーニング社）を用
い、接合は、陽極接合法を用いた。

【００２０】次に、図２（ｇ）に示すように、第１の梁
部の歪量を検出する検出部の圧電体である酸化亜鉛２０
９をスパッタリング法を用いて形成した。酸化亜鉛２０
９の上下には、金電極（図示せず）を真空蒸着法を用い
て形成しており、二つの金電極はそれぞれの引き出し電
極部（図示せず）が接続されている。

【００２１】ここで、センサの向きにより１０９の方向
に歪む検出用の第１の梁部１０２は中立面を境にして、
検出部１０８は両側で伸縮と伸張変形し、各々逆の電位
を発生する。この時、片方の出力電圧を判定し、両方の
電圧を加算することにより、重力による梁の歪を検出す
ることができる。また、二つの電位の出力方向を判断す
ることにより、伸張と伸縮を検知し、どちらが上か検知
することも可能である。

【００２２】ここで、本実施例の姿勢センサの信号取り
出し方法について、図３を用いて説明する。図３におい
て、３０１は姿勢センサ、３０２は容量−電圧変換回
路、３０３，３０５はローパスフィルム回路、３０４，
３０６，３０７は比較回路を示す。

【００２３】第１の梁部１０２の検出部１０８からの電
圧信号及び第２の両部１０４からの容量信号は、容量−
電圧変換回路３０２で電圧信号に変換された後、ローパ
スフィルタ３０５，３０３で各々高周波成分が除去され
る。このローパスフィルタによって、梁部の固有振動数
に伴う信号を除去することができ、衝撃等の加速度が加
わった際にも安定に姿勢を検知できる。ローパスフィル
タ３０５，３０３を通過した信号は、比較回路３０４で
予め設定した電圧値と比較し１０９方向、１１０方向が
下向きにあるかどうかを判断する。この二つの２値出力
により、比較回路３０７で姿勢方向を判断し出力する。
本実施例において、比較回路３０７では１０９方向、１
１０方向及び二つの方向以外とする三種類の出力を行っ
た。

【００２４】次に、本実施例をカメラの姿勢センサに用
いた例を、図４と図５により説明する。図４は、本実施
例の姿勢センサを用いたカメラ図、図５はこのカメラの
ファインダの様子を示す。

【００２５】図４及び図５において、４０１はカメラ、
４０２はフレキシブル基板の一部、４０３は姿勢セン
サ、５０１はファインダ枠、５０２はファインダ内表示
領域、５０３から５０７はオートフォーカス測定距離領
域を示す表示である。

【００２６】図４に示すように、本実施例において姿勢
センサ４０３はフレキシブル基板４０２に固定されてお
り、カメラの構えを横位置と縦位置にしたときのカメラ
の姿勢を検知し、カメラの制御系に信号を出力して、様
々な撮影条件に対応できるようになっている。

【００２７】ここで、図５を用いてオートフォーカス時
の縦位置と横位置での測定距離点の選択を自動的に変え
るモードを説明する。図５（ａ）は横位置、図５（ｂ）
は縦位置を示す。横位置では５０６，５０４，５０７の
３点を、縦位置では５０３，５０４，５０５の３点を選
択するようにし、オートフォーカスの合焦確率が向上す
るようにした。また、分割センサを用いた評価測定にも
縦位置と横位置の条件を変えて適正露出が得られる確率
を高くすることが可能である。

【００２８】次に、図６を用いて本実施例の姿勢センサ
の他の形態を示す。図６において、６０１は第１の重り
部、６０２は検出用の第１の梁部、６０３は第２の重り
部、６０４は検出用の第２の梁部、６０５はシリコン単
結晶基板、６０６は枠部、６０７はエッチング除去して
形成した空隙部、６０８は検知部である。

【００２９】本形態においては、第１の梁部６０２を２
本としており、外力に対して、ねじれにくい構造を有し
ている。なお、検出部（図示せず）は、上述姿勢センサ
と同様に形成されており、第１の梁部６０２の検出部は
２本の梁とも形成されており、二つの梁の出力値の和を
とっている。この形態においても、上述センサと同様に
姿勢をセンシングすることができた。

【００３０】また、本実施例においては、歪量を検出す
る手段を第１の梁部に対しては圧電体の歪に伴う発生電
位、第２の梁部については、静電容量変化により検知し
たが、ピエゾ抵抗素子、光こて法等の歪を検知する他の
手段の適用が可能である。

【００３１】（実施例２）図７及び図８は、本発明の姿
勢センサの第２の実施例を示すものであり、図７は、本
発明の第２の実施例の姿勢センサの構造部、図８は図７
の本実施例の姿勢センサをノート型コンピュータの入力
デバイスに使用した例を示す図である。

【００３２】図７において、７０１は第１の重り部、７
０２は検出用に第１の梁部、７０３は第２の重り部、７
０４は検出用の第２の梁部、７０５はシリコン単結晶基
板、７０６は枠部、７０７はエッチング除去して形成し
た空隙部、７０８は第３の重り部、７０９は第３の梁
部、７１０，７１１，７１２は第１から第３までの梁の
歪方向、７１３は検知部である。

【００３３】本実施例の姿勢センサは、第１の実施例と
同様の方法を用いて作製した。また、第１の梁部７０２
及び第３の梁部７０９の検出部７１３は、第１の実施例
と同様の方法を用いて酸化亜鉛により作製した。このと
き、本実施例においては、形成領域を梁の片側だけとし
た。本実施例において、第１の実施例と同様の信号検出
手段を用いることにより３方向の姿勢検出が可能となっ
た。

【００３４】次に、図８を用いてコンピュータの入力装
置に本実施例の姿勢センサを用いた例を示す。図８にお
いて、８０１はマルチタスクが可能なコンピュータ、８
０２は画面Ａ、８０３は画面Ｂ、８０４は画面Ｃ、８０
５は入力装置、８０６はオンオフスイッチ、８０７はト
ラックボールである。図８において、本入力装置８０５
に姿勢センサを組み込んであり、入力装置の姿勢が変化
し、かつオン・オフスイッチ８０６が１ｓｅｃ以内に押
されると７１０，７１１，７１２の方向の姿勢に対応し
て、画面Ａから画面Ｃを切り替えるようにした。本実施
例の入力装置により、スムーズなタスクの移動が可能と
なり、特に、電車や船などの振動の多い場所や使用スペ
ースの限られた場所においても簡便かつ良好に入力が行
えるようになった。

【００３５】（実施例３）図９から図１１は、本発明の
第３の実施例を示す図であり、図９は姿勢センサの斜視
図、図１０は姿勢センサの検出部を示す図、図１１は信
号処理方法を示す図である。

【００３６】図９及び図１１において、９０１は重り
部、９０２は検出用の第１の梁部、９０３は検出用の第
２の梁部、９０４はシリコン単結晶基板、９０５は枠
部、９０６はエッチング除去して形成した空隙部、９０
６から９０８は梁の歪方向、１００１から１００４は第
１の梁部に形成された検出部、１００５から１０１２は
第２の梁部に形成された検出部、１１０１及び１１０４
は加算回路、１１０２及び１１０５は加算及び反転回路
１１０３，１１０６，１１０７は加算及び比較回路を示
す。本実施例においては、二つの梁上に形成された検出
部の信号処理により３軸方向の姿勢を検知可能用にし
た。

【００３７】図９及び図１０における姿勢センサは、実
施例と同様な方法を用いて単結晶シリコンから作製して
おり、検出部１００１から１０１２は酸化亜鉛を用いて
形成した。検出部１００１から１０１２は、いずれも梁
の中立面に対して片側に等価な位置にある梁上に形成さ
れている。また、第１の梁部９０２は９０６及び９０７
の方向に、第２の梁部９０３は９０８の方向にそれぞれ
歪やすい構造とした。

【００３８】次に、本実施例における３方向の姿勢検知
方法について、図１１を用いて説明する。図１１（ａ）
において、検出部１００１から１００４の信号は、ロー
パスフィルタ（図示せず）を通過した後１１０１及び１
１０２の回路で加算された後、１１０３及び１１０４の
加算信号のみを反転させ、歪に対する出力方向を一致さ
せた。次に、１１０３の回路において加算された後、設
定値と比較して９０８方向の向きにセンサがあるかどう
かを判断する。同様に、図１１（ｂ）において９０６方
向、図１１（ｃ）において９０７方向の歪を検知し、セ
ンサの向きを判定した。本実施例を、第２の実施例で説
明した入力装置に使用したところ、第２の実施例同様、
良好に動作した。

【００３９】尚、本実施例においては、これらの三つの
信号の内、一つのみがその方向にあると判断した場合に
のみ、姿勢信号を出力し、衝撃等により二つ以上の方向
にセンサの歪方向があると判断された場合には、その信
号を無効とした。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、多
方向の姿勢変化の検知が可能な姿勢センサの提供が可能
となった。また、シリコン基体をフォトリングラフィ法
及びエッチング技術を用いて加工することにより、従来
の機械加工では難しかった加工精度の向上に伴うセンサ
の小型化と高い量産性を同時に実現する効果がある。

【００４１】また、水銀等安全性、環境性に問題のある
構成材料を使用していないため、幅広い分野での使用が
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の姿勢センサの構造図で
ある。

【図２】本発明の第１の実施例の姿勢センサの作製工程
図である。

【図３】本発明の第１の実施例の姿勢センサの信号処理
法を説明するブロック図である。

【図４】カメラに本発明の第１の実施例の姿勢センサを
用いた場合の説明図である。

【図５】カメラに本発明の第１の実施例の姿勢センサを
用いた場合の説明図である。

【図６】本発明の第１の実施例における別の形態の姿勢
センサの構造図である。

【図７】本発明の第２の実施例の姿勢センサの構造図で
ある。

【図８】本発明の第２の実施例の姿勢センサを用いた入
力装置を説明する図である。

【図９】本発明の第３の実施例の姿勢センサの構造図で
ある。

【図１０】姿勢センサの検出部を示す図である。

【図１１】信号処理方法を示す図である。

【図１２】従来の姿勢センサを説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１０１，６０１，７０１，９０１ 第１の重り部 １０２，６０２，７０２，９０２ 第１の検出用梁部 １０３，６０３，７０３ 第２の重り部 １０４，６０４，７０４，９０３ 第２の検出用梁部 １０５，６０５，７０５，９０４ シリコン単結晶基板 １０６，６０６，７０６，９０５ 枠部 １０７，６０７，７０７，９０６ エッチング除去して
形成した空隙部 １０８，６０８，７１３，１００１〜１０１２ 歪の検
知部 １０９，１１０，７１０，７１１，７１２，９０７，９
０８，９０９ 歪方向 ２０１ 窒化シリコン膜 ２０２ シリコン（１１１）面 ２０３ シリコン（１００）面 ２０４ 第２の梁部形成用のエッチング部 ２０５ 垂直エッチング面 ２０６ エッチング部 ２０７ ガラス部 ２０８ 電極部 ２０９ 圧電体部 ３０１ 姿勢センサ ３０２ 容量−電圧変換回路 ３０３，３０５ ローパスフィルタ回路 ３０４，３０６，３０７ 比較回路 ４０１ カメラ ４０２ フレキシブル基板の一部 ４０３ 姿勢センサ ５０１ ファインダ枠 ５０２ ファインダ内表示領域 ５０３〜５０７ オートフォーカス測定距離領域 ７０８ 第３の重り部 ７０９ 第３の梁部 ８０１ コンピュータ ８０２，８０３ タスク画面 ８０５ 入力装置 ８０６ オン・オフスイッチ ８０７ トラックボール １１０１，１１０４ 加算回路 １１０２，１１０５ 加算及び反転回路 １１０３，１１０６，１１０７ 加算及び比較回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特定方向に歪変形しやすい構造をなす第
   １の梁部、該第１の梁部に結合し、第１の梁部の変形方
   向と異なる向きに歪変形し易い構造をなす少なくとも一
   つ以上の梁部で構成され、各々の梁部が基体のエッチン
   グにより一体形成されて成る構造であって、各々の梁部
   の歪量を検出する検出部を有し、各々の検出部の歪信号
   をローパスフィルタを透過させた後、この信号値を比較
   することにより、センサの向きを検知することを特徴と
   する姿勢センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の姿勢センサにおいて、第
   １の梁部の歪変形し易い方向が基体のエッチング面に対
   して略平行であることを特徴とする姿勢センサ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の姿勢センサにおいて、基
   体がシリコンの単結晶基板であることを特徴とする姿勢
   センサ。