JP2007198777A - Inertia force sensor - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an inertial force sensor that detects an inertial force used in various electronic devices such as attitude control and navigation of a moving body such as an aircraft, an automobile, a robot, a ship, and a vehicle.
以下、従来の慣性力センサについて説明する。 Hereinafter, a conventional inertial force sensor will be described.
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。 Conventionally, when an inertial force sensor that detects an inertial force such as an angular velocity or acceleration is used, a dedicated angular velocity sensor is used to detect the angular velocity, and a dedicated acceleration sensor is used to detect the acceleration. In addition, when detecting angular velocities and accelerations of a plurality of detection axes with respect to the X axis, Y axis, and Z axis orthogonal to each other, a plurality of angular velocity sensors and acceleration sensors are used so as to correspond to the number of detection axes. It was.
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。 Therefore, when various angular velocity and acceleration are detected in combination with various electronic devices, or when angular velocity and acceleration are detected for multiple detection axes, multiple angular velocity sensors and acceleration sensors are mounted on various electronic devices. Each was mounted on a board.
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。 In general, an angular velocity sensor detects an angular velocity by electrically detecting a distortion of a detection element caused by the generation of Coriolis force by vibrating a detection element having various shapes such as a sound shape, an H shape, and a T shape. The acceleration sensor has a weight part, and detects acceleration by comparing and detecting the movement of the weight part accompanying the acceleration with that before the movement.
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。 A plurality of inertial force sensors such as an angular velocity sensor and an acceleration sensor are used in an attitude control device, a navigation device, and the like of a moving body such as a vehicle, corresponding to the inertial force and detection axis to be detected.
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。
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。 In the above configuration, when detecting the inertial force of various electronic devices, a plurality of inertial force sensors such as an angular velocity sensor and an acceleration sensor are mounted on the mounting board of the various electronic devices corresponding to the inertial force and detection axis to be detected. Therefore, it is necessary to secure a mounting area for mounting a plurality of inertial force sensors, and there is a problem that various electronic devices cannot be reduced in size.
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。 The present invention solves the above problems and does not require a mounting area for mounting a plurality of inertial force sensors, detects a plurality of different inertial forces such as angular velocity and acceleration, or detects a plurality of detection axes. An object of the present invention is to provide an inertial force sensor that can detect inertial force and can reduce the size of various electronic devices.
上記目的を達成するために本発明は、特に、検出素子は、両端部を実装基板に固定した固定用アームと、前記固定用アームに略直交方向に連結した2つの第1アームおよび第2アームとを有し、前記第2アームは2つの前記第1アームの間に連結した構成である。 In order to achieve the above object, the present invention particularly provides a detection element having a fixing arm having both ends fixed to a mounting substrate, and two first and second arms connected to the fixing arm in a substantially orthogonal direction. And the second arm is connected between the two first arms.
上記構成により、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸に対して、固定用アームをX軸方向に配置し、第1、第2アームをY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固定用アームのY軸方向または第2アームのX軸方向に発生させることができ、Y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。 With the above configuration, when the fixing arm is arranged in the X-axis direction and the first and second arms are arranged in the Y-axis direction with respect to the X-axis, Y-axis, and Z-axis orthogonal to each other, If both ends of the first arm are driven and oscillated in the X-axis direction, distortion caused by the angular velocity around the Z-axis can be generated in the Y-axis direction of the fixing arm or the X-axis direction of the second arm, Strain caused by the angular velocity around the Y axis can be generated in the Z-axis direction of the first arm, and can be detected by detecting this strain.
加速度については、例えば、Y軸方向の加速度に起因した歪は固定用アームに発生させることができ、X軸方向の加速度に起因した歪は第3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。 As for acceleration, for example, distortion caused by acceleration in the Y-axis direction can be generated in the fixing arm, and distortion caused by acceleration in the X-axis direction can be generated in the third arm. It can be detected if it is detected.
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。 Therefore, a plurality of different inertia forces can be detected, or the inertia forces of a plurality of detection shafts can be detected, so that the mounting area can be reduced and the size can be reduced.
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は同検出素子の動作状態図である。 FIG. 1 is a perspective view of a detection element of an inertial force sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an operation state diagram of the detection element.
図1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、両端部を固定した固定用アーム2と、固定用アーム2に略直交方向に連結した2つの第1アーム4および第2アーム6とを有し、第2アーム6は2つの第1アーム4の間に連結した構成である。特に、第1アーム4および第2アーム6は、固定用アーム2に対して、互いに反対方向に延設している。
In FIG. 1, an inertial force sensor according to an embodiment of the present invention includes a detection element 1 for detecting inertial force and a processing circuit (not shown). The detection element 1 has a
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、固定用アーム2をX軸方向に配置し、第1アーム4、第2アーム6をY軸方向に配置している。
In addition, the detection element 1 has a
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4の両端部とし、歪を検知させるアームは固定用アーム2、第1アーム4、第2アーム6としている。
Further, the detection element 1 is integrally formed from a silicon substrate. On this silicon substrate, a drive electrode is disposed on an arm for driving vibration, and a detection electrode is disposed on an arm for detecting strain. In this detection element 1, the arms for driving vibration are the both ends of the first arm 4, and the arms for detecting distortion are the
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。 For the drive electrode and the detection electrode, for example, a lower electrode of Pt is formed on a silicon substrate by high frequency sputtering, a PZT piezoelectric body is formed on the upper portion of this lower electrode by high frequency sputtering, and an upper portion is formed by Au evaporation on the upper portion. What is necessary is just to form by forming an electrode.
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。 When an alternating voltage with a resonance frequency at which silicon resonates is applied to the lower electrode and the upper electrode, the arm on which the drive electrode is arranged vibrates and if the arm is distorted due to angular velocity or acceleration, it is placed on the distorted arm. A voltage corresponding to the strain is output from the detected electrode. Based on this output voltage, the processing circuit can detect the angular velocity and acceleration.
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4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固定用アーム2のY軸方向または第2アーム4のX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)、Y軸回りの角速度に起因した歪は第1アーム4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4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。
With the above configuration, for example, as shown in FIG. 2, if the angular velocity is driven and vibrated in the X axis direction at both ends of the first arm 4 (solid arrows and dotted arrows are alternately repeated), the Z axis Distortion caused by the rotational angular velocity can be generated in the Y-axis direction of the
加速度については、例えば、Y軸方向の加速度に起因した歪は固定用アーム2に発生させることができ(第1アーム4、第2アーム6の自重が固定用アーム2に加わるため)、X軸方向の加速度に起因した歪は第1アーム4または第2アーム6に発生させることができ(第1アーム4、第2アーム6の自重が各々第1アーム4、第2アーム6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。 As for acceleration, for example, distortion caused by acceleration in the Y-axis direction can be generated in the fixing arm 2 (because the weights of the first arm 4 and the second arm 6 are applied to the fixing arm 2), and the X-axis Distortion due to direction acceleration can be generated in the first arm 4 or the second arm 6 (because the weights of the first arm 4 and the second arm 6 are applied to the first arm 4 and the second arm 6, respectively). Detection is possible by detecting this distortion.
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。 Therefore, a plurality of different inertia forces can be detected, or the inertia forces of a plurality of detection shafts can be detected, and the mounting area can be reduced and the size can be reduced.
なお、第2アーム6の両端部に錘部を連結した場合、加速度の検知感度を向上させることができるとともに、駆動振動における振幅が大きくなり角速度の検知感度を向上させることができる。 In addition, when a weight part is connected to the both ends of the 2nd arm 6, while being able to improve the detection sensitivity of an acceleration, the amplitude in a drive vibration becomes large and the detection sensitivity of an angular velocity can be improved.
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。 The inertial force sensor according to the present invention can detect a plurality of inertial forces or detect inertial forces of a plurality of detection shafts, and can be applied to various electronic devices.
2 固定用アーム
4 第1アーム
6 第2アーム
2 Fixing arm 4 First arm 6 Second arm
Claims (4)
前記検出素子は、両端部を実装基板に固定した固定用アームと、前記固定用アームに略直交方向に連結した2つの第1アームおよび第2アームとを有し、前記第2アームは2つの前記第1アームの間に連結した慣性力センサ。 It has a detection element that detects inertial force,
The detection element includes a fixing arm whose both ends are fixed to a mounting substrate, and two first and second arms connected to the fixing arm in a substantially orthogonal direction, and the second arm includes two An inertial force sensor connected between the first arms.
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