JP2007198780A - Inertial force sensor - Google Patents

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Hiroyuki Aizawa
宏幸 相澤
Jiro Terada
二郎 寺田
Takami Ishida
貴巳 石田
Hideo Oogoshi
偉生 大越
Satoshi Ouchi
智 大内
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inertial force sensor for detecting a plurality of inertial forces different in angular velocities or acceleration etc., capable of detecting the inertial forces of a plurality of detector axes, or capable of miniaturizing various electronic equipment. <P>SOLUTION: The inertial sensor is provided with the detector element 1 for detecting the inertial force. The detector element 1 is provided with two orthogonal axis type arms formed by approximately orthogonally connecting the first arm 2 and second arm 4, and the supporting part 8 for supporting two first arms 2, and two fixing arms 10 connecting to the supporting part 8 with one end and to the mounted substrate (not illustrated) with the other end. The fixing arm 10 is a orthogonal axis type arm formed by connecting the third arm 12 to the fourth arm 14 approximately in a orthogonal direction, and both ends of the fourth arm 14 are bent so as to oppose to the third arm 12, and fixed to the mounted substrate at both the ends of the fourth arm 14. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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。
特開2001−208546号公報 特開2001−74767号公報
For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 are known as prior art document information related to the invention of this application.
JP 2001-208546 A JP 2001-74767 A

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、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アームを支持する支持部と、前記支持部に連結するとともに実装基板に固定する2つの固定用アームとを有し、前記固定用アームは第3アームを第4アームに略直交方向に連結して形成した直交アームとし、前記第4アームの両端部を折曲して前記第3アームと対向させるとともに前記第4アームの両端部にて前記実装基板に固定した構成である。   In order to achieve the above object, the present invention particularly provides a detection element that supports two orthogonal arms formed by connecting a first arm to a second arm in a substantially orthogonal direction, and supports the two first arms. And two fixing arms that are connected to the support portion and fixed to the mounting substrate, and the fixing arm is an orthogonal arm formed by connecting the third arm to the fourth arm in a substantially orthogonal direction. Further, both ends of the fourth arm are bent so as to face the third arm and fixed to the mounting substrate at both ends of the fourth arm.

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アームと第4アームをY軸方向に配置し、第2アームと第3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2アームをY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1アームのX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、第2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 first arm and the fourth arm are arranged in the Y-axis direction and the second arm and the third arm are arranged in the X-axis direction with respect to the X axis, the Y axis, and the Z axis orthogonal to each other, As for the angular velocity, for example, if the second arm is driven to vibrate in the Y-axis direction, the distortion caused by the angular velocity around the Z-axis can be generated in the X-axis direction of the first arm. The resulting distortion can be generated in the Z-axis direction of the first and second arms, and can be detected by detecting this distortion.

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 the acceleration, for example, distortion caused by acceleration in the X-axis direction can be generated in the first arm, and distortion caused by acceleration in the Y-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平面図、図2は同検出素子の動作状態図である。   FIG. 1 is a plan 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、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を支持する支持部8と、支持部8に一端を連結するとともに他端を実装基板(図示せず)に固定する2つの固定用アーム10とを有する。固定用アーム10は第3アーム12を第4アーム14に略直交方向に連結して形成した直交アームとし、第4アーム14の両端部を折曲して第3アーム12と対向させるとともに第4アーム14の両端部にて実装基板に固定している。また、第2アーム4の両端部には錘部16を連結している。   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 includes two orthogonal arms formed by connecting the first arm 2 to the second arm 4 in a substantially orthogonal direction, a support portion 8 that supports the two first arms 2, and one end on the support portion 8. And two fixing arms 10 for fixing the other end to a mounting substrate (not shown). The fixing arm 10 is an orthogonal arm formed by connecting the third arm 12 to the fourth arm 14 in a substantially orthogonal direction, and both ends of the fourth arm 14 are bent so as to face the third arm 12 and the fourth arm 14. The arm 14 is fixed to the mounting board at both ends. Further, weight portions 16 are connected to both ends of the second arm 4.

この検出素子1は、第1アーム2と支持部8とを略同一直線上に配置するとともに第3アーム12と支持部8とを略同一直線上に配置し、第1アーム2と第3アーム12とを互いに略直交方向に配置しており、互いに直交したX軸、Y軸、Z軸において、第1アーム2と第4アーム14をY軸方向に配置し、第2アーム4と第3アーム12をX軸方向に配置している。   In this detection element 1, the first arm 2 and the support portion 8 are arranged on substantially the same straight line, the third arm 12 and the support portion 8 are arranged on substantially the same straight line, and the first arm 2 and the third arm are arranged. 12 are arranged in a substantially orthogonal direction, and the first arm 2 and the fourth arm 14 are arranged in the Y axis direction on the X axis, the Y axis, and the Z axis orthogonal to each other, and the second arm 4 and the third arm The arm 12 is arranged in the X-axis direction.

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2アーム4とし、歪を検知させるアームは第1アーム2、第2アーム4、第3アーム12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 arm for driving vibration is the second arm 4, and the arm for detecting distortion is the first arm 2, the second arm 4, and the third arm 12.

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2アーム4をY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1アーム2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2アーム4のX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2アーム4、第3アーム12、第4アーム14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2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 second arm 4 is driven to vibrate in the Y-axis direction (along with a solid line arrow and a dotted line arrow) as shown in FIG. Can be generated in the X-axis direction of the first arm 2 (because Coriolis force is generated in the X-axis direction of the second arm 4 in response to driving vibration), and is caused by the angular velocity around the X-axis. Can be generated in the Z-axis direction of the second arm 4, the third arm 12, and the fourth arm 14 (because Coriolis force is generated in the Z-axis direction of the second arm 4 in response to the drive vibration). Detection is possible by detecting this distortion.

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3アーム12に発生させることができ(第2アーム4の自重が第3アーム12に加わるため)、Y軸方向の加速度に起因した歪は第4アーム14に発生させることができ(第2アーム4、第3アーム12の自重が第4アーム14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 X-axis direction can be generated in the third arm 12 (because the weight of the second arm 4 is applied to the third arm 12), and is caused by acceleration in the Y-axis direction. This distortion can be generated in the fourth arm 14 (because the weights of the second arm 4 and the third arm 12 are added to the fourth arm 14), and can be detected 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4の両端部に錘部16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 the weight part 16 is connected to both ends of the second arm 4, the acceleration detection sensitivity can be improved, and the amplitude in the drive vibration can be increased to improve the angular velocity detection sensitivity.

また、第2アーム4の両端部は折曲して第2アーム4と対向させたり、さらに、第2アーム4の両端部はメアンダー状に折曲して第2アーム4と対向させたりすれば、上記効果をより向上させることができる。   Moreover, if both ends of the second arm 4 are bent to face the second arm 4, and further, both ends of the second arm 4 are bent in a meander shape to face the second arm 4. The above effects can be further 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.

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平面図The top view of the detection element of the inertial force sensor in one embodiment of this invention 同慣性力センサの検出素子の動作状態図Operation state diagram of detection element of the same inertial force sensor

符号の説明Explanation of symbols

1 検出素子
2 第1アーム
4 第2アーム
8 支持部
10 固定用アーム
12 第3アーム
14 第4アーム
16 錘部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Detection element 2 1st arm 4 2nd arm 8 Support part 10 Fixing arm 12 3rd arm 14 4th arm 16 Weight part

Claims (8)

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アームを支持する支持部と、前記支持部に連結するとともに実装基板に固定する2つの固定用アームとを有し、前記固定用アームは第3アームを第4アームに略直交方向に連結して形成した直交アームとし、前記第4アームの両端部を折曲して前記第3アームと対向させるとともに前記第4アームの両端部にて前記実装基板に固定した慣性力センサ。
It has a detection element that detects inertial force,
The detection element includes two orthogonal arms formed by connecting the first arm to the second arm in a substantially orthogonal direction, a support portion that supports the two first arms, a support substrate that is connected to the support portion, and a mounting substrate. Two fixing arms that are fixed to each other, the fixing arm being an orthogonal arm formed by connecting the third arm to the fourth arm in a substantially orthogonal direction, and bending both ends of the fourth arm. An inertial force sensor that is opposed to the third arm and is fixed to the mounting substrate at both ends of the fourth arm.
前記第4アームの両端部を折曲して前記第4アームと対向させた請求項1記載の慣性力センサ。 The inertial force sensor according to claim 1, wherein both end portions of the fourth arm are bent so as to face the fourth arm. 前記第1アームと前記支持部とを略同一直線上に配置するとともに前記第3アームと前記支持部とを略同一直線上に配置し、前記第1アームと前記第3アームとを互いに略直交方向に配置した請求項1記載の慣性力センサ。 The first arm and the support portion are arranged on substantially the same straight line, the third arm and the support portion are arranged on substantially the same straight line, and the first arm and the third arm are substantially orthogonal to each other. The inertial force sensor according to claim 1 arranged in a direction. 前記第2アームを駆動振動させ、前記固定用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。 The inertial force sensor according to claim 1, wherein the second arm is driven to vibrate, and the angular velocity is detected by detecting distortion of the fixing arm. 前記第4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。 The inertial force sensor according to claim 1, wherein acceleration is detected by detecting distortion of the fourth arm. 前記第2アームの両端部に錘部を連結した請求項1記載の慣性力センサ。 The inertial force sensor according to claim 1, wherein weight portions are connected to both end portions of the second arm. 前記第2アームの両端部を折曲して前記第2アームと対向させた請求項1記載の慣性力センサ。 The inertial force sensor according to claim 1, wherein both end portions of the second arm are bent so as to face the second arm. 前記第2アームの両端部をメアンダー状に折曲して前記第2アームと対向させた請求項1記載の慣性力センサ。 The inertial force sensor according to claim 1, wherein both end portions of the second arm are bent in a meander shape so as to face the second arm.
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