JP2000180175A - 多軸検出型角速度、加速度センサ - Google Patents

多軸検出型角速度、加速度センサ

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JP2000180175A
JP2000180175A JP10355276A JP35527698A JP2000180175A JP 2000180175 A JP2000180175 A JP 2000180175A JP 10355276 A JP10355276 A JP 10355276A JP 35527698 A JP35527698 A JP 35527698A JP 2000180175 A JP2000180175 A JP 2000180175A
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axis
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Makoto Abe
誠 阿部
Takayoshi Kashiwagi
隆芳 柏木
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Mitsumi Electric Co Ltd
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Mitsumi Electric Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type

Abstract

(57)【要約】 【課題】センサ装置の小型化、出力誤差の減少。 【解決手段】基板上(20)に、平面角型形状の質量部
(21)と、質量部(21)を支持する梁(24)と、
質量部()21を駆動する駆動用電極と、駆動された状
態の質量部が直交する3つの軸(X,Y,Z)で構成さ
れる三次元系での軸回りの角速度や軸方向の加速度によ
り変位し、その変位量を検出する検出部を備えた多軸検
出型角速度、加速度センサにおいて、検出部は、質量部
(21)の側方に形成された第1の検出部(21b,2
7a、21d、28a、21e、29a、21g、30
a)と、質量部(21)に開口穴(21a)が形成さ
れ、開口穴(21a)と、基板(21)に一端が固定さ
れ、開口穴(21a)内に配された第1の固定電極(3
1)とで形成された第2の検出部と、質量部(21)と
質量部(21)を被うケース、及び基板(20)に固定
された第2の固定電極(33)とで形成された第3の検
出部とから構成され、第1、第2、及び第3の検出部に
よって、2軸回りの角速度、及び3軸方向の加速度を検
出し得る構成にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、1つの素子で多軸
の検出を可能にした多軸検出型角速度、加速度センサに
関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、従来例を示す図である。図中、
1、2、3は、直交してX,Y,Zの3つの軸を構成す
る基板、4、5、6は、それぞれ基板1、2、3に支持
され、側面にそれぞれ圧電素子4a、5a、6a貼付し
た正三角柱状の金属等の振動体、7、8、9は、それぞ
れ基板1、2、3に搭載された信号処理回路である。こ
れら、基板1、2、3、圧電素子4a、5a、6a、振
動体7、8、9、及び信号処理回路7はケース10に収
納され、ケース10に収納された加速度センサ12と共
に多軸検出型角速度、加速度センサ11を構成してい
る。
【0003】多軸検出型角速度、加速度センサ11は、
X軸回りの角速度、及びX軸方向の加速度は、振動体5
によって検出され、Y軸回りの角速度、及びY軸方向の
加速度は、振動体4によって検出され、Z軸回りの角速
度、及びZ軸方向の加速度は、振動体6によって検出さ
れる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
例においては、多軸の加速度、角速度検出には独立した
3つの振動部を1つのケース10内に3次元方向に立体
的に収めて構成しているため、大型化し、また、振動体
7、8、9の構造が複雑なため高精度に制作することが
難しく振動体7、8、9の固有振動数をそれぞれ一致さ
せ、同一に駆動することが困難となり、出力誤差が生じ
易いという課題があった。
【0005】本発明は、小型、かつ高精度に適した構造
の多軸検出型角速度、加速度センサを得ることを目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、基
板上に、平面角型形状の質量部と、前記質量部を支持す
る梁と、前記質量部を駆動する駆動用電極と、駆動され
た状態の前記質量部が、直交する3つの軸で構成される
三次元系での軸回りの角速度や軸方向の加速度により変
位し、その変位量を検出する検出部を備えた多軸検出型
角速度、加速度センサにおいて、3軸回りの角速度、及
び3軸方向の加速度を2つのセンサ素子の組み合わせで
検出し得る構成にすることによって達成できる。
【0007】本発明の好ましい実施形態によれば、基板
上に、平面角型形状の質量部と、前記質量部を支持する
梁と、前記質量部を駆動する駆動用電極と、駆動された
状態の前記質量部が直交する3つの軸で構成される三次
元系での軸回りの角速度や軸方向の加速度により変位
し、その変位量を検出する検出部を備えた多軸検出型角
速度、加速度センサにおいて、前記検出部は、前記質量
部の側方に形成された第1の検出部と、前記質量部に開
口穴が形成され、前記開口穴と、前記基板に一端が固定
され、前記開口穴内に配された第1の固定電極とで形成
された第2の検出部と、前記質量部と前記質量部を被う
ケース、及び前記基板に固定された第2の固定電極とで
形成された第3の検出部とから構成され、前記第1、第
2、及び第3の検出部によって、2軸回りの角速度、及
び3軸方向の加速度を検出し得る構成とすることによっ
て達成できる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態を参
照して、本発明を詳細に説明する。図1、図2、図3は
本発明に係る多軸検出型角速度、加速度センサ素子40
の実施形態を示し、図1は、ケースを取り外してセンサ
を上から見た概略平面図、図2は図1のA−A'線断面
図、図3は図1のB−B'線断面図である。
【0009】図中、20は絶縁性の基板、21は開口穴
21a、側方に櫛形電極21b、21c、21d、21
e、21f、21g、上下側に電極部21h、21iが
形成されたシリコン材からなる導電性平板状の質量部、
24は一端が固定部23によって基板20に固定され、
他端が質量部21と一体に形成されたL字形の梁、2
5、26は一端が基板20に固定され、他端が櫛形電極
21c、21fと交互の間挿される櫛形電極25a、2
6aを有する固定の駆動電極、27、28、29、30
は一端が基板20に固定され、他端が櫛形電極21b、
21d、21e、21gとそれぞれ交互の間挿される櫛
形電極27a、28a、29a、30aを有するX軸の
検出電極、31は基板21に固定され、質量部21の開
口穴21a内に配されたY軸の検出電極である。ここ
で、櫛形電極21c、21fは、質量部21と共動し、
櫛形電極25a、26と共に駆動部を形成する。
【0010】図2において、32は前記基板20上に形
成された質量部21などを被う絶縁性のケースである。
図3に示す如く、ケース32には電極33が形成され、
この電極33と質量部21に形成された電極部21h、
21iとでZ軸の検出を行う。
【0011】図2、図3に示されるように、質量部2
1、櫛形電極25a、26a、28a、30aは基板2
0から浮いて形成され、また図示されていないが、櫛形
電極21b、21c、21d、21e、21f、21
g、27a、29a、電極部21h、21i、梁23、
電極部21h、21iも同様に、基板20から浮いて形
成されている。
【0012】次にこの装置の動作を説明する。角速度の
検出は、例として、X軸方向に対向する外側の櫛型電極
25a、26aそれぞれにVt+Vdsin(ωt)、V
t−Vdsin(ωt)の電圧(Vt:直流バイアス電
圧、Vdsin(ωt):駆動用交流電圧)を印加する
と、内側との櫛型電極21c、21fに静電気力が生
じ、駆動周波数を、X軸方向の共振周波数と等しくする
と質量部21は、X軸方向に共振する。この状態で、Z
軸回りに角速度(Ωz)が加わると、振動しているX軸
と垂直方向のY軸方向にもコリオリ力により共振が起
き、この振動の大きさは角速度に比例した櫛型電極21
b、27a間、、21d、28a間、21e、29a
間、及び21g、30a間のY軸方向の容量変化とな
り、角速度(Ωz)を検出する。
【0013】また、X軸方向に共振した状態で、Y軸周
りに角速度(ΩY)が加わるとZ軸方向にコリオリ力が
発生し、この振動は角速度に比例した質量部21の電極
部21h、21iと基板20、ケース32に形成した電
極部33との間の容量変化となり、角速度(Ωy)を検
出する。
【0014】加速度の検出は、X軸方向に加速度が加わ
ると、質量部21の中央部に慣性力fx=−mαx
(m:質量)がX軸に働く。ここでX軸方向に生じる変
位ΔXは加速度に比例するので、櫛型電極21b、27
a間、、21d、28a間、21e、29a間、及び2
1g、30a間のX軸方向の容量変化となり、加速度
(αx)を検出する。
【0015】Y軸方向に加速度が加わると、質量部21
の中央部に慣性力fy=−mαy(m:質量)がY軸に
働く。ここでY軸方向に生じる変位ΔYは加速度に比例
するので、質量部21の開口穴21aと検出電極31と
の間の容量変化となり、加速度(αy)を検出する。
【0016】Z軸方向に加速度が加わると、質量部21
の電極部21h、21iと基板20、ケース32に形成
した電極部33との間の容量変化となり、加速度(Ω
z)を検出する。
【0017】ここで検出信号は加速度、角速度、振動成
分が、足されたものとなり、角速度成分は、HPFで加
速度成分を除去し、加振周波数、変調周波数で同期検
波、平滑、増幅することにより分離、検出できる。加速
度成分は、LPFで角速度成分を除去し、変調周波数で
同期検波、平滑、増幅することにより検出できる。
【0018】上記センサ素子40の構成においては、角
速度はΩY、ΩZの2軸、加速度はαX、αY、αZの
3軸の計5軸の慣性力が、1素子で検出できるものであ
る。そして、上記従来と同様、6軸を検出するには上記
構成のセンサ2素子を互いに直角配置することによって
達成され得る。
【0019】そして、上記従来と同様、6軸を検出する
には上記構成のセンサ2素子を互いに直角配置すること
によって達成され得る。また、上述の構成においては、
1つのセンサ素子で5軸の検出を可能にしたが、各々3
軸可能なセンサ素子を2つ組み合わせて6軸の検出を可
能とするものである
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、セン
サ素子を1素子で角速度2軸、加速度3軸の計5軸が検
出できる構成であり、2つの素子の組み合わせで6軸の
検出を得ることができるので、センサ装置が小型化にな
り、また、製造工程においては、シリコンのエッチング
等の半導体加工技術を利用して形成することができるた
め、同時に多数個製造でき、バラツキが少く出力誤差の
少ない多軸検出型角速度、加速度センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る多軸検出型角速度、加速度セン
サの第1の実施形態を示す平面図である。
【図2】 図1のA−A'線断面図である。
【図3】 図1のB−B'線断面図である。
【図4】 従来例に係る多軸検出型角速度、加速度セン
サを示す平面図である。
【符号の説明】
20 基板 21 質量部 21a 開口穴 21b,21c,21d,21e、21f、21g、2
7a,28a,29a,30a 櫛形電極 31 検出電極 32 ケース 33 電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、平面角型形状の質量部と、前
    記質量部を支持する梁と、前記質量部を駆動する駆動用
    電極と、駆動された状態の前記質量部が、直交する3つ
    の軸で構成される三次元系での軸回りの角速度や軸方向
    の加速度により変位し、その変位量を検出する検出部を
    備えた多軸検出型角速度、加速度センサにおいて、3軸
    回りの角速度、及び3軸方向の加速度を2つのセンサ素
    子の組み合わせで検出し得る構成にしたことを特徴とす
    る多軸検出型角速度、加速度センサ。
  2. 【請求項2】 基板上に、平面角型形状の質量部と、前
    記質量部を支持する梁と、前記質量部を駆動する駆動用
    電極と、駆動された状態の前記質量部が直交する3つの
    軸で構成される三次元系での軸回りの角速度や軸方向の
    加速度により変位し、その変位量を検出する検出部を備
    えた多軸検出型角速度、加速度センサにおいて、前記検
    出部は、前記質量部の側方に形成された第1の検出部
    と、前記質量部に開口穴が形成され、前記開口穴と、前
    記基板に一端が固定され、前記開口穴内に配された第1
    の固定電極とで形成された第2の検出部と、前記質量部
    と前記質量部を被うケース、及び前記基板に固定された
    第2の固定電極とで形成された第3の検出部とから構成
    され、前記第1、第2、及び第3の検出部によって、2
    軸回りの角速度、及び3軸方向の加速度を検出し得る構
    成にしたことを特徴とする多軸検出型角速度、加速度セ
    ンサ。
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