JP2008107084A - 複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】角速度センサと加速度センサとを複合して実装面積を低減し、実装基板の小型化を図った複合センサを提供することを目的としている。
【解決手段】枠体１２に連結した２つの駆動アーム２と、枠体１２と駆動アーム２とが連結する枠体１２の連結部１６間に連結した屈曲アーム４とを設け、枠体１２は、連結部１６間に対向する対向部１８と、対向部１８と連結部１６間とを接続する２つの接続部２２を有し、接続部２２および駆動アーム２を互いに駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する屈曲アーム４の屈曲振動を検知して角速度を算出し、接続部２２に加わる応力に起因して変化する接続部２２の駆動振動を検知して加速度を算出する構成である。
【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角速度センサおよび加速度センサを複合した複合センサに関するものである。

以下、従来の複合センサについて説明する。

従来の複合センサは、角速度センサと加速度センサとを実装基板に各々実装して、複合センサとしていた。

従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種の形状の振動子を振動させて、コリオリ力の発生に伴う振動子の歪を電気的に検知して角速度を算出する。

また、従来の加速度センサは、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算出する。

このような角速度センサや加速度センサは、車両に搭載したナビゲーション装置や車両制御装置等に用いられる。

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

上記構成の複合センサは、角速度センサと加速度センサとを各々実装基板に実装したものであり、角速度センサの実装面積と加速度センサの実装面積とを確保する必要があり、実装基板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するために、角速度センサの実装面積と加速度センサの実装面積とを必要とせず、角速度センサと加速度センサとを複合して実装面積を低減し、実装基板の小型化を図った複合センサを提供することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決するために、特に、枠体と、前記枠体に連結した少なくとも２つの駆動振動用の駆動アームと、前記枠体と前記駆動アームとが連結する前記枠体の連結部間に連結した屈曲アームとを設け、前記枠体は、前記連結部間に対向する対向部と、前記対向部と前記連結部間とを接続する２つの接続部を有し、前記接続部および前記駆動アームを互いに駆動振動させ、前記角速度センサは、コリオリ力に起因して変化する前記屈曲アームの屈曲振動を検知して角速度を算出し、前記加速度センサは、前記接続部に加わる応力に起因して変化する前記接続部の駆動振動を検知して加速度を算出する構成である。

上記構成により、角速度センサとしては、コリオリ力に起因して変化する屈曲アームの屈曲振動を検知して角速度を算出することができ、加速度センサとしては、接続部に加わる応力に起因して変化する接続部の駆動振動を検知して加速度を算出することができるので、角速度センサと加速度センサとを複合でき、実装面積を低減して実装基板の小型化を図ることができる。

以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサの斜視図、図２は同複合センサの支持体取付け時における振動子の斜視図、図３は図２におけるＡ部の拡大平面図、図４は図２におけるＢ部の拡大平面図、図５は同複合センサの振動子の斜視図、図６は図５におけるＡ−Ａ断面図、図７は図５におけるＢ−Ｂ断面図、図８は図５におけるＣ−Ｃ断面図である。

図１〜図５において、本発明の一実施の形態における複合センサは、方形状の枠体１２と、この枠体１２に連結した２つの駆動アーム２と、１つの屈曲アーム４とを有する振動子６を備え、この振動子６を支持体８に取り付けるとともに、互いに略直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に伏せた状態で基台１０に装着配置している。

２つの駆動アーム２は、枠体１２の２つの角部１４間に連結するとともに、屈曲アーム４は、２つの駆動アーム２と枠体１２とが連結する連結部１６間に連結している。駆動アーム２と屈曲アーム４とは互いに反対方向に向かって枠体１２に連結し、駆動アーム２から枠体１２の角部１４までの距離（Ｗ１）を、駆動アーム２から連結部１６間の中心部までの距離（Ｗ２）よりも長くするとともに、枠体１２の連結部１６間の長さ（Ｗ３）を屈曲アーム４の幅（Ｗ４）と略同等にしている。

また、枠体１２は、連結部１６間に対向する対向部１８と、この対向部１８と連結部１６間とを接続した２つの接続部２２とを有し、枠体１２の接続部２２はスリット状に形成して３つの線条体２４を設け、枠体１２の対向部１８は振動子６を支持体８に取り付けるための固定基部としている。

そして、上記の接続部２２および駆動アーム２を互いに駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する屈曲アーム４の屈曲振動を検知して角速度を算出し、接続部２２に加わる応力に起因して変化する接続部２２の駆動振動を検知して加速度を算出する。

この振動子６はシリコンからなる基板３４上に、駆動アーム２や屈曲アーム４や接続部２２に電極を積層して形成している。

この駆動アーム２は、図６に示すように、駆動用電極２８で挟んだＰＺＴ等の圧電膜３０をシリコンからなる基板３４に積層している。

また、屈曲アーム４は、図７に示すように、コリオリ力に起因した屈曲アーム４の歪みを検知する歪検知用電極３６で挟んだＰＺＴ等の圧電膜３０をシリコンからなる基板３４に積層している。

さらに、接続部２２は、図８に示すように、駆動用電極２８で挟んだＰＺＴ等の圧電膜３０をシリコンからなる基板３４に積層している。

これらの駆動アーム２および接続部２２は、シリコンが共振する共振周波数の交流電圧を駆動用電極２８に印加することにより圧電膜３０を伸縮させて駆動振動させている。

次に上記の振動子６の駆動状態および屈曲状態について説明する。

まず、角速度検出時における振動子６の駆動状態および屈曲状態について説明する。

図９は駆動アームが駆動振動する状態を示す振動子の斜視図、図１０は屈曲アームが屈曲振動する状態を示す振動子の斜視図、図１１はＺ軸の左周りに角速度が生じた場合の図１０におけるＣ部の拡大図、図１２はＺ軸の右周りに角速度が生じた場合の図１０におけるＣ部の拡大図である。

図９に示すように、駆動アーム２は、互いに略直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸方向に対して、互いに反対方向（矢印方向）へ交互に駆動振動させる。この駆動振動は、図６における圧電膜３０を挟んだ駆動用電極２８に電圧を印加して、圧電膜３０を歪ませることにより、基板３４をＸ軸方向に駆動させて行う。

上記のように駆動アーム２を駆動振動させた状態において、Ｚ軸の周りに角速度が生じると、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、一方の駆動アーム２と他方の駆動アーム２は、Ｙ軸方向に対して、互いに反対方向（矢印方向）へコリオリ力に起因した力を受け、これに伴って、屈曲アーム４がＸ軸方向の矢印方向に歪む。この際、２つの駆動アーム２がＸ軸方向に対して互いに内側に駆動する場合（図１０（ａ））と、互いに外側に駆動する場合（図１０（ｂ））において、屈曲アーム４はＸ軸方向に対して互いに反対方向に歪むために屈曲アーム４が屈曲振動する。

Ｚ軸に対して左周りであるか右周りであるかは、２つの駆動アーム２がＸ軸方向に対して互いに内側に駆動する場合と、互いに外側に駆動する場合において、Ｘ軸方向に対する屈曲アーム４の歪方向が反対となるために判断できる。図１１および図１２に示すように、２つの駆動アーム２が互いに内側に駆動した際、屈曲アーム４の歪方向は互いに反対方向（矢印方向）となり、屈曲アーム４の歪を電圧変化として検知すれば、左周りまたは右周りの角速度として算出することができる。

次に、加速度検出時における振動子６の駆動状態および屈曲状態について説明する。

図１３は接続部２２が駆動振動する状態を示す図２におけるＢ部の拡大斜視図である。

図１３に示すように、接続部２２の３つの線条体２４を矢印方向に互いに駆動振動させる。３つの線条体２４は、隣接する線条体２４の駆動方向を互いに逆方向にしており、３つの線条体２４をＺ軸方向に対して互いに反対方向に交互に繰り返すように駆動振動させる。この駆動振動をさせた状態で、接続部２２に加わる応力に起因して変化する接続部２２の駆動振動を検知して加速度を算出する。

例えば、図１３において、Ｘ軸方向へ加速度が生じると、図２における振動子６全体の重量に起因して、接続部２２には圧縮方向または引張方向に応力が生じる。この際、２つの接続部２２には、互いに異なる方向に応力が生じており、一方の接続部２２には圧縮方向に応力が生じ、他方の接続部２２には引張方向に応力が生じる。

すなわち、２つの接続部２２の駆動振動数が、加速度の生じる前の状態と比較すると変化する（圧縮方向に応力が生じると駆動振動数が低くなり、引張方向に応力が生じると駆動振動数が高くなる）ので、この駆動振動数の差を検知すれば加速度を算出することができる。駆動振動数の差の検知としては、加速度の生じる前後において、２つの接続部２２の各々の駆動振動数の差を検知したり、一方の接続部２２と他方の接続部２２との駆動振動数の差を検知したりすればよい。

上記構成により、角速度センサと加速度センサとを複合でき、実装面積を低減して実装基板の小型化を図った複合センサを提供することができる。

特に、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面と対向するように振動子６を伏せた場合でも、角速度と加速度を算出でき、低背化を図った複合センサを提供することができる。

また、枠体１２の連結部１６間と対向する枠体１２の対向部１８を固定用の固定基部とするので、駆動アーム２が駆動振動し、屈曲アーム４とが屈曲振動する際に、ロスが少なくなり特性を向上できる。通常、駆動アーム２や屈曲アーム４の振動は、基台１０に振動子６を装着するための固定基部を通じて、基台１０やケース等に漏れやすいため、この漏れ振動を低減することが必要であるが、上記構成によれば、この漏れ振動を低減して特性を向上できる。この際、屈曲アーム４を固定基部に向かって連結し、駆動アーム２と屈曲アーム４とを互いに反対方向に連結しても同様の効果を得ることができる。さらに、枠体１２を方形状とし、駆動アーム２は枠体１２の２つの角部１４間に設け、枠体１２の連結部１６間の長さを屈曲アーム４の幅と略同等にしても同様の効果を得ることができる。

なお、本発明の一実施の形態では、駆動アーム２から角部１４までの距離と、駆動アーム２から連結部１６間の中心部までの距離とを略同等にしていないが、略同等にしてもよい。この場合、各々の駆動アーム２を中心にして、枠体１２の角部１４と連結部１６の中心部までが線対称となり、駆動振動時における左右の駆動振動のバランスを同等にでき、駆動振動の精度を向上できる。

さらに、振動子６の形状としては図１４〜図１６に示すものでもよい。

図１４は、屈曲アーム４の端部に錘部３８を設けたものであって、コリオリ力に起因する屈曲アーム４の歪の変化量を大きくするので、角速度の検知感度を向上できる。錘部３８の形態は各種の形状があるが、Ｕ形状やコ形状にして、Ｕ形状やコ形状の窪み部分の中央に接続するとよい。

図１５は、枠体１２の角部１４にＵ形状やコ形状の錘部３８を設けたものであり、加速度に伴う接続部２２の駆動振動数の変化量を大きくするので、加速度の検知感度を向上できる。

図１６は、図１に示す振動子の駆動アーム２と屈曲アーム４の連結方向を反対にし、屈曲アーム４の端部にＵ形状やコ形状の錘部３８を設けたものであり、コリオリ力に起因する屈曲アーム４の歪の変化量を大きくするとともに、加速度に伴う接続部２２の駆動振動数の変化量を大きくするので、角速度および加速度の検知感度を向上できる。

なお、錘部３８はシリコンからなる基板３４で一体形成すればよく、図１４〜図１６の構成を組み合わせたものでもよい。

以上のように、本発明にかかる角速度センサは、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ことができる。

本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサの斜視図 同複合センサの支持体取付け時における振動子の斜視図 図２におけるＡ部の拡大平面図 図２におけるＢ部の拡大平面図 同複合センサの振動子の斜視図 図５におけるＡ−Ａ断面図 図５におけるＢ−Ｂ断面図 図５におけるＣ−Ｃ断面図 駆動アームが駆動振動する状態を示す振動子の斜視図 屈曲アームが屈曲振動する状態を示す振動子の斜視図 Ｚ軸の左周りに角速度が生じた場合の図１０におけるＣ部の拡大図 Ｚ軸の右周りに角速度が生じた場合の図１０におけるＣ部の拡大図 接続部が駆動振動する状態を示す図２におけるＢ部の拡大斜視図 本発明の他の実施の形態における振動子の斜視図 本発明の他の実施の形態における振動子の斜視図 本発明の他の実施の形態における振動子の斜視図

符号の説明

２ 駆動アーム
４ 屈曲アーム
６ 振動子
８ 支持体
１０ 基台
１２ 枠体
１４ 角部
１６ 連結部
１８ 対向部
２２ 接続部
２４ 線条体
２８ 駆動用電極
３０ 圧電膜
３４ 基板
３６ 歪検知用電極
３８ 錘部

Claims (10)

1. 角速度センサと加速度センサを有する複合センサであって、枠体と、前記枠体に連結した少なくとも２つの駆動振動用の駆動アームと、前記枠体と前記駆動アームとが連結する前記枠体の連結部間に連結した屈曲アームとを設け、前記枠体は、前記連結部間に対向する対向部と、前記対向部と前記連結部間とを接続する２つの接続部を有し、前記接続部および前記駆動アームを互いに駆動振動させ、前記角速度センサは、コリオリ力に起因して変化する前記屈曲アームの屈曲振動を検知して角速度を算出し、前記加速度センサは、前記接続部に加わる応力に起因して変化する前記接続部の駆動振動を検知して加速度を算出する複合センサ。
2. 前記加速度センサは、前記接続部の駆動振動に伴う駆動振動数を検知して加速度を算出する請求項１記載の複合センサ。
3. 前記加速度センサは、前記接続部の駆動振動に伴う駆動振動数の差を検知して加速度を算出する請求項１記載の複合センサ。
4. 前記枠体に錘部を連結した請求項１記載の複合センサ。
5. 前記錘部は、両端部間に湾曲部を有するＵ字形状であって、前記錘部の端部を前記枠体の連結部間の両側部に連結した請求項４記載の複合センサ。
6. 前記枠体は方形状であって、前記駆動アームは前記枠体の２つの角部間に設けた請求項１記載の複合センサ。
7. 前記錘部は、両端部間に湾曲部を有するＵ字形状であって、前記錘部の端部を前記枠体の２つの角部に連結した請求項６記載の複合センサ。
8. 前記駆動アームから前記角部までの距離と、前記駆動アームから前記連結部間の中心部までの距離とを略同等にした請求項６記載の角速度センサ。
9. 前記枠体の連結部間の長さは前記屈曲アームの幅と略同等にした請求項１記載の角速度センサ。
10. 前記屈曲アームの端部に錘部を設けた請求項１記載の角速度センサ。

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