CN101501505B - 复合传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的复合检测元件(6)的结构是：将加速度检测元件(2)和角速度检测元件(4)相互层叠配置，且使其与加速度检测元件(2)的锤部(12)隔开地将角速度检测元件(4)配置在加速度检测元件(2)的上方，并且，角速度检测元件(4)在与加速度检测元件(2)的锤部(12)相对的相对面上设置有使其与加速度检测元件(2)的锤部(12)隔开的凹部(26)。该凹部(26)的至少一部分的深度不超过锤部(12)的运动范围，抑制加速度检测元件(2)的锤部(12)的上方运动。

Description

复合传感器
技术领域
本发明涉及一种在飞机、汽车、机器人、船舶、车辆等运动物体的姿态控制或者导航等各种电子设备中使用的、检测角速度和加速度的复合传感器。
背景技术
以下，对于现有的复合传感器进行说明。目前，当使用检测角速度和加速度的复合传感器时，为了检测角速度而使用专用角速度传感器，为了检测加速度而使用专用加速度传感器。
因此，在各种电子设备中，对角速度和加速度进行综合检测时，将多个角速度传感器和加速度传感器分别安装在各种电子设备的安装基板上。
通常，角速度传感器使音叉形状、H形状、或者T形状等各种形状的检测元件振动，电探测因科里奥利力的产生而引起的角速度检测元件的变形，从而检测角速度，加速度传感器具有锤部，利用加速度检测元件，与运动前相比较地检测伴随加速度的锤部的运动，从而检测加速度。此外，复合传感器包括例如角速度传感器以及加速度传感器，将它们组合从而同时检测角速度和加速度。
使这种角速度传感器、加速度传感器或复合传感器与要检测的检测轴对应，用于车辆等运动物体的姿态控制装置或者导航装置等。
另外，作为与本申请的发明相关的现有技术文献资料，已知有例如专利文献1以及专利文献2。
上述结构中，使其与要检测的角速度或加速度的检测轴对应，将角速度传感器以及加速度传感器分别安装在安装基板上，因此需要确保安装面积，有不能实现小型化的问题。
专利文献1：日本特开2001-208546号公报
专利文献2：日本特开2001-74767号公报
发明内容
本发明解决上述问题，提供一种复合传感器，其检测角速度、加速度，且减小安装面积从而实现小型化。
即，本发明的复合检测元件的结构是：将角速度检测元件和加速度检测元件相互层叠配置，使角速度检测元件与加速度检测元件的锤部隔开，且将角速度检测元件配置在加速度检测元件的上方，并且，在角速度检测元件上设置抑制加速度检测元件的锤部的上方运动的抑制部。通过这种结构，设置将用于检测角速度的角速度检测元件和用于检测加速度的加速度检测元件相互层叠配置的复合检测元件，因此能够减小安装面积，从而能够实现小型化。
特别是，使其与加速度检测元件的锤部隔开地将角速度检测元件配置在加速度检测元件的上方，且在角速度检测元件上设置抑制加速度检测元件的锤部的上方运动的抑制部，因此即使施加了超过锤部的运动容许范围的加速度，也能通过抑制上下运动的抑制部将运动范围限制在特定范围，从而能够防止加速度检测元件的损坏。此时，通过抑制上下运动，能够防止加速度检测元件和角速度检测元件两者的损坏。另外，通过对加速度检测元件检测出的加速度信号进行电处理，作为加速度传感器而工作，通过对角速度检测元件检测出的角速度信号进行电处理，作为角速度传感器而工作。因此，本发明的复合检测元件构成为将角速度检测元件和加速度检测元件相互层叠配置，因此通过对各检测元件检测出的信号进行电处理，能够作为加速度传感器、角速度传感器而工作，作为包括加速度传感器以及角速度传感器的复合传感器而工作。
图1是本发明一实施方式的构成复合传感器的复合检测元件的立体分解图。
图2是本发明一实施方式的构成复合传感器的复合检测元件的立体图。
图3是本发明一实施方式的构成复合传感器的复合检测元件的从图2的3-3线观察到的剖面图。
图4是表示本发明一实施方式的复合检测元件的工作状态的图，是构 成复合检测元件的加速度检测元件的平面图。
图5是表示本发明一实施方式的复合检测元件的工作状态的剖面图。
图6是表示本发明一实施方式的复合检测元件的另一工作状态的剖面图。
图7是表示本发明一实施方式的复合检测元件的工作状态的图，是构成复合检测元件的角速度检测元件的平面图。
附图标记说明
2        加速度检测元件
4        角速度检测元件
6        复合检测元件
8        固定用臂
10       连接用臂
12、24   锤部
16       第一臂
18       第二臂
19       支承部
20       第三臂
22       相对部
23       槽部
25       抑制部
26       凹部
27       缺口部
28、32   感应部
30       驱动部
具体实施方式
下面，使用附图对本发明一实施方式进行说明。以下附图中，为了便于理解结构将各尺寸放大表示。并且对相同部件标注相同标记，因此会有省略说明的情况。
(第一实施方式)
图1是本发明一实施方式的构成复合传感器的复合检测元件的立体分解图，图2是该复合检测元件的立体图，图3是从图2的3-3线观察到的复合检测元件的剖面图。另外，本发明的复合传感器构成为包括复合检测元件以及对来自该复合检测元件的检测信号进行电处理的信号处理部(未图示)。
因此，图1～图3中的本实施方式的复合传感器具备复合检测元件6，该复合检测元件6具有检测加速度的加速度检测元件2和检测角速度的角速度检测元件4。
加速度检测元件2具有：固定于安装基板的框状固定用臂8；一端相互连接且另一端连接于固定用臂8的四个连接用臂10；连接于四个连接用臂10的一端且配置在四个连接用臂10之间的加速度检测用锤部12。四个连接用臂10由于锤部12的运动而挠曲。
角速度检测元件4具有：由两个第二臂18在大致正交方向上夹持并连接第一臂16而形成的T字形的两个第一正交臂；在它们的中央支承该两个邻接的第一正交臂的支承部19；以及将第三臂20在大致正交方向上连接于第一臂16而形成的两个第二正交臂。该两个第三臂20的端部均向垂直方向延伸，结果是连接成框形状。
在第二臂18设置弯折至与第二臂18本身相对的相对部22，第二臂18的前端部连接有设置了槽部23的角速度检测用锤部24。
如图2以及图3所示，将该加速度检测元件2和角速度检测元件4相互层叠配置，并与加速度检测元件2的锤部12隔开地在加速度检测元件2的上方配置角速度检测元件4。进而，在角速度检测元件4上设置抑制加速度检测元件2的锤部12的上方运动的抑制部25(后述)。此外，角速度检测元件4在与加速度检测元件2的锤部12相对的相对面上设置有使其与加速度检测元件2的锤部12隔开的凹部26，并且该凹部26的至少一部分具有不超过锤部12的运动范围(H)的深度(D)。该结构成为抑制加速度检测元件2的锤部12的上方运动的抑制部25。
具体的是，如图3所示，在加速度检测元件2的固定用臂8上层叠配置并固定角速度检测元件4的第三臂20，使锤部24、第一臂16以及第二臂18的厚度比第三臂20的厚度薄，并将第三臂20的一部分切除从而设置 缺口部27。第三臂20的一部分上设置的缺口部27具有不超过加速度检测元件2的锤部12的运动范围(H)的深度(D)。
上述复合检测元件6中，四个连接用臂10作为由于锤部12的运动而挠曲的臂而工作，因此加速度检测元件2根据该连接用臂10的状态变化检测加速度。为了检测连接用臂10的状态变化，如图1所示，在四个连接用臂10上设置感应部28。该感应部28是用于感应连接用臂10的变形的感应电极部，使用压敏电阻元件或压电元件形成即可。
第二臂18作为驱动振动用臂而工作并且作为因科里奥利力而挠曲的臂工作，因此角速度检测元件4根据该第二臂18的状态变化检测角速度。该角速度检测元件4中，在四个第二臂18内的相互相对的一侧的两个第二臂18的支承部19侧设置使锤部24驱动振动的驱动部30。该驱动部30是用于使两个第二臂18驱动振动并且使锤部24驱动振动的驱动电极部，由隔着压电体的下部电极和上部电极构成。此外，为了检测第二臂18的状态变化，在另一侧的两个第二臂18的支承部19侧设置感应部32。该感应部32是用于感应两个第二臂18的变形的感应电极部，使用压敏电阻元件或压电元件形成即可。
图4、图5、图6以及图7是表示复合检测元件6的工作状态的图，图4是构成该复合检测元件6的加速度检测元件2的平面图，图5是表示该复合检测元件6的工作状态的剖面图。此外，图6是表示复合检测元件6的另一个工作状态的剖面图，图7是构成复合检测元件6的角速度检测元件4的平面图。
首先，对构成复合检测元件6的加速度检测元件2的工作进行说明。
如图4～图6所示，考虑在相互正交的X轴、Y轴、Z轴中，将加速度检测元件2的四个连接用臂10配置在X轴方向以及Y轴方向的情况。该情况下，例如在Z轴方向上施加加速度αz，则如图5所示，锤部12在Z轴方向上位移并能够使连接用臂10产生由于Z轴方向的加速度αz而引起的变形。
此外，如果在Y轴方向上施加加速度αy，则如图6所示，锤部12在Y轴方向上位移并能够使连接用臂10产生由于Y轴方向的加速度αy而引起的变形。此时，因为锤部12由连接用臂10固定，所以锤部12旋转同时 在Z轴方向上位移。
并且，通过如图4所示配置在连接用臂10上的感应部28感应上述连接用臂10的变形(连接用臂10的状态变化)，从而检测加速度。
上述加速度检测元件2中，例如在Z轴方向上施加了过大的加速度αz的情况下，如图5所示，锤部12要在Z轴方向上运动，但是在角速度检测元件4的缺口部27中，锤部12与角速度检测元件4接触，从而锤部12的上方运动被抑制。这是由于缺口部27具有不超过加速度检测元件2的锤部12在凹部26中的空间的运动范围(H)的深度(D)。假设缺口部27的深度(D)超过锤部12的运动范围(H)，虽然锤部12不与角速度检测元件4接触，但是连接锤部12的连接用臂10有可能被损坏。
此外，缺口部27被设置在角速度检测元件4的第三臂20的一部分上，该第三臂20配置在加速度检测元件2的固定用臂8上，因此，即使锤部12与第三臂20接触，也能够抑制此接触引起的对角速度检测元件4的影响。即，第三臂20作为用于固定加速度检测元件2的固定用臂而工作，由于是即使受到科里奥利力也不会变形的臂，因此不会影响角速度检测元件4的锤部24的驱动振动，从而不会使角速度检测元件4的灵敏度降低。
同样地，在Y轴方向上施加了过大的加速度αy的情况下，如图6所示，由于锤部12被连接用臂10固定，锤部12旋转并要在Z轴方向上运动，但是，在角速度检测元件4的缺口部27中，锤部12与角速度检测元件4接触，锤部12的上方运动被抑制。
接着，对构成复合检测元件6的角速度检测元件4的工作进行说明。
如图7所示，考虑在相互正交的X轴、Y轴以及Z轴中，将角速度检测元件4的第一臂16配置在X轴方向上，将第二臂18配置在Y轴方向上的情况。该情况下，对驱动部30施加谐振频率的交流电压，则第二臂18以配置有驱动部30的第二臂18为起点进行驱动振动，锤部24也随之在与第二臂18垂直的方向上即在实线箭头和与其连续的虚线箭头所标记的驱动振动方向上进行驱动振动。
此时，四个第二臂18以及四个锤部24全部同步，在与第二臂18的相对部22垂直的方向上驱动振动。该角速度检测元件4的驱动振动方向为X 轴方向。此时，例如在Z轴的逆时针方向上产生了角速度的情况下，与锤部24的驱动振动同步，对于锤部24，与驱动振动方向正交的方向，即相互分离的实线箭头与虚线箭头所标记的方向为科里奥利力方向。这样，在该科里奥利力方向上产生科里奥利力，因此使第二臂18产生因Z轴的逆时针方向上的角速度引起的变形。并且，通过感应部32感应由该第二臂18的状态变化引起的变形，检测角速度。
通过上述结构，设置将用于检测加速度的加速度检测元件2和用于检测角速度的角速度检测元件4相互层叠配置的复合检测元件6，因此，不需要配置加速度以及角速度专用的检测元件，从而能够减少安装面积，实现小型化。通过对该复合检测元件6检测出的加速度信号以及角速度信号进行电处理，作为复合传感器而工作。因此，复合传感器也能够减少安装面积并实现小型化。
特别是，使其与加速度检测元件2的锤部12隔开地将角速度检测元件4配置在加速度检测元件2的上方，并且，在角速度检测元件4上设置抑制加速度检测元件2的锤部12的上方运动的抑制部，因此，即使施加超过锤部12的运动范围的加速度，也能够通过抑制运动的抑制部将运动范围限制在特定范围，从而实现防止加速度检测元件2的损坏。此时，通过抑制上方运动，实现防止加速度检测元件2和角速度检测元件4两者的损坏。
另外，本发明一实施例中的复合传感器的角速度检测元件4中，在四个第二臂18内的相互相对的一侧的两个第二臂18上设置驱动部30，在另一侧的两个第二臂18上设置感应部32，但是，驱动部30、感应部32设置在四个第二臂18内的至少一个第二臂18上也可。
工业利用可能性
本发明涉及的复合传感器能够检测加速度和角速度，因此，能够减少安装面积，实现小型化，能够用于各种电子设备。

Claims (4)

1.一种复合传感器，其具备：
具有角速度检测元件和加速度检测元件的复合检测元件，
所述加速度检测元件具有锤部、以及连接于所述锤部并挠曲的臂，
所述角速度检测元件具有驱动振动用臂、以及因科里奥利力而挠曲的臂，
将所述角速度检测元件和所述加速度检测元件相互层叠配置，使所述角速度检测元件与所述加速度检测元件的锤部隔开，且将所述角速度检测元件配置在所述加速度检测元件的上方，并且，在所述角速度检测元件上设置抑制所述加速度检测元件的锤部的上方运动的抑制部。
2.根据权利要求1所述的复合传感器，其中，
所述角速度检测元件在与所述加速度检测元件的锤部相对的相对面上设置有使其与所述加速度检测元件的锤部隔开的凹部，并且所述凹部的至少一部分具有不超过所述锤部的运动范围的深度。
3.根据权利要求1所述的复合传感器，其中，
所述角速度检测元件具有在正交方向上将第一臂连接于第二臂而形成的两个正交臂；支承两个所述第一臂的支承部；以及在正交方向上将第三臂连接于所述第一臂而形成的两个正交臂，通过所述第三臂固定于所述加速度检测元件，使所述锤部、所述第一臂以及所述第二臂的厚度比所述第三臂的厚度薄，并且切除所述第三臂的一部分而设置缺口部，所述第三臂的一部分上设置的所述缺口部具有不超过所述加速度检测元件的锤部的运动范围的深度。
4.根据权利要求3所述的复合传感器，其中，
所述加速度检测元件具有连接于所述锤部且挠曲的臂，并且具有固定于安装基板的固定用臂，在所述加速度检测元件的固定用臂上层叠配置并固定所述角速度检测元件的第三臂。
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