JP2007198776A - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】角速度や加速度等の互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、各種電子機器の小型化を図れる慣性力センサを提供することを目的としている。
【解決手段】慣性力を検出する検出素子１を備え、この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム２を平行に近接させて支持するとともに実装基板に固定する基部６とを有する。特に、第２アーム４と基部６とは略同一直線上に配置した構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる慣性力を検出する慣性力センサに関するものである。

以下、従来の慣性力センサについて説明する。

従来、角速度や加速度等の慣性力を検出する慣性力センサを用いる場合は、角速度を検出するには専用の角速度センサを用い、加速度を検出するには専用の加速度センサを用いていた。また、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、複数の検出軸の角速度や加速度を検出する場合は、検出軸の数に対応するように、複数の角速度センサや加速度センサを用いていた。

したがって、各種電子機器において、角速度と加速度とを複合して検出したり、複数の検出軸に対して角速度や加速度を検出したりする場合は、複数の角速度センサと加速度センサを各種電子機器の実装基板に各々実装していた。

一般に、角速度センサは、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種の形状の検出素子を振動させて、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出するものであり、加速度センサは、錘部を有し、加速度に伴う錘部の可動を、可動前と比較検知して加速度を検出するものである。

このような角速度センサや加速度センサ等の複数の慣性力センサを、検出したい慣性力や検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１および特許文献２が知られている。
特開２００１−２０８５４６号公報 特開２００１−７４７６７号公報

上記構成では、各種電子機器の慣性力を検出するにあたって、検出したい慣性力や検出軸に対応させて、角速度センサや加速度センサ等の複数の慣性力センサを各種電子機器の実装基板に実装するので、複数の慣性力センサを実装するための実装面積を確保する必要があり、各種電子機器の小型化を図れないという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決し、複数の慣性力センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、角速度や加速度等の互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、各種電子機器の小型化を図れる慣性力センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、特に、検出素子は、第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームを互いに対向させて、２つの前記第１アームを支持するとともに実装基板に固定した基部とを有する構成である。

上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アームをＹ軸方向に配置し、第２アームをＸ軸方向に配置した場合、角速度については、例えば、第１アームの両端部をＸ軸方向に駆動振動させれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪は第２アームのＹ軸方向に発生させることができ、Ｘ軸回りの角速度に起因した歪は第１アームのＺ軸方向に発生させることができ、この歪を検知すれば検出できる。

加速度については、例えば、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪は第１アームに発生させることができ、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪は第２アームに発生させることができ、これらの歪を検知すれば検出できる。

よって、互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりできるので、実装面積を低減して小型化を図ることができる。

図１は本発明の一実施の形態における慣性力センサの検出素子の斜視図、図２は同検出素子の平面図である。

図１、図２において、本発明の一実施の形態における慣性力センサは、慣性力を検出する検出素子１と処理回路（図示せず）とを備えている。この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム２を近接するように互いに対向させて、２つの第１アーム２を支持するとともに実装基板に固定した基部６とを有する。特に、第２アーム４と基部６とは略同一直線上に配置している。

また、この検出素子１は、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム２をＹ軸方向に配置し、第２アーム４をＸ軸方向に配置している。

さらに、検出素子１はシリコン基板から一体成形されており、このシリコン基板上に、駆動振動させるアームには駆動電極を配置し、歪を検知させるアームには検知電極を配置している。この検出素子１では、駆動振動させるアームは第１アーム２の両端部とし、歪を検知させるアームは第２アーム４としている。

駆動電極および検知電極は、例えば、シリコン基板上にＰｔの下部電極を高周波スパッタにて形成し、この下部電極の上部に高周波スパッタにてＰＺＴ圧電体を形成し、さらに、上部にＡｕ蒸着で上部電極を形成することによって形成すればよい。

下部電極と上部電極にシリコンが共振する共振周波数の交流電圧を印加すると駆動電極が配置されたアームは駆動振動し、また、角速度や加速度に起因してアームが歪めば、歪んだアームに配置された検知電極から歪に応じた電圧が出力される。この出力電圧に基づき、処理回路で角速度および加速度を検出できる。

上記構成により、角速度については、例えば、図２に示すように、第１アーム２の両端部をＸ軸方向に駆動振動（実線の矢印と点線の矢印を交互に繰り返す）させれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪は第２アーム４のＹ軸方向に発生させることができ（コリオリ力が駆動振動に対応して第１アーム２のＹ軸方向に発生するため）、Ｘ軸回りの角速度に起因した歪は第１アーム２のＺ軸方向に発生させることができ（コリオリ力が駆動振動に対応して第１アーム２のＺ軸方向に発生するため）、この歪を検知することにより検出が可能である。

加速度については、例えば、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪は第１アーム２に発生させることができ（第１アーム２の自重が第１アーム２に加わるため）、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪は第２アーム４に発生させることができ（第２アーム４の自重が第２アーム４に加わるため）、この歪を検知することにより検出が可能である。

よって、互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、実装面積を低減して小型化を図ることができる。

なお、第１アーム２の端部に錘部を連結した場合は、駆動振動における振幅が大きくなり角速度に起因した第２アーム４の歪を大きくして角速度の検知感度をより向上させることができ、第２アーム４の端部に錘部を連結した場合は、加速度の検知感度をより向上させることができる。

本発明に係る慣性力センサは、複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における慣性力センサの検出素子の斜視図 同慣性力センサの検出素子の動作状態図

符号の説明

１ 検出素子
２ 第１アーム
４ 第２アーム
６ 基部

Claims (5)

1. 慣性力を検出する検出素子を備え、
   前記検出素子は、第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームを互いに対向させて、２つの前記第１アームを支持するとともに実装基板に固定した基部とを有する慣性力センサ。
2. 前記第２アームと前記基部とを略同一直線上に配置した請求項１記載の慣性力センサ。
3. 前記第１アームを駆動振動させ、前記第２アームの歪を検知して角速度を検出する請求項１記載の慣性力センサ。
4. 前記第２アームの歪を検知して加速度を検出する請求項１記載の慣性力センサ。
5. 前記第１アームの端部または前記第２アームの端部に錘部を連結した請求項１記載の慣性力センサ。

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