JP2009156603A - 複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減して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】第１、第２アーム４、６、錘部１４をＺ軸方向で挟むように、Ｚ軸の正方向に配置した第１対向基板２４とＺ軸の負方向に配置した第２対向基板２６とを設け、第１アーム４により第２アーム６および支持部８を中空保持して、第１、第２対向基板２４、２６が互いに接触しないように一定の間隔を設けるとともに、錘部１４と第１対向基板２４の各々の対向面に対向電極２２を配置し、支持部８のＺ軸方向における変位を抑制するストッパーを支持部８のＺ軸方向に設けた構成である。
【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角速度や加速度を検出する複合センサに関する。

以下、従来の複合センサについて説明する。

従来、角速度と加速度を検出する場合は、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。

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状態変化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、加速度に伴う検出素子の状態変化を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を検出したい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、検出したい角速度や加速度の検出軸に対応させて、角速度センサおよび
加速度センサを実装基板に各々実装するので実装面積を確保する必要があり、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、角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減し
て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。

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アームと第２アームとを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アームの一端を支持する支持部と、２つの前記第１アームの他端を固定する固定部とを有し、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸において、前記第１アームをＸ軸方向に配置し、前記第２アームをＹ軸方向に配置し、前記角速度検出部は、前記第２アームをＸ軸方向に振動させ、角速度に起因した前記検出素子の状態変化に基づき角速度を検出しており、前記加速度検出部は、加速度に起因した前記検出素子の状態変化に基づき加速度を検出しており、前記支持部を前記第１アームによって中空保持するとともに、前記支持部のＺ軸方向の変位を抑制するストッパーを前記支持部または前記第２アームのＺ軸方向に設け、前記支持部のＺ軸方向の変位量が前記第１アームの抗折強度を超えない変位量になるように、前記ストッパーによって前記支持部のＺ軸方向の変位を抑制した構成である。

上記構成により、角速度を検出するための角速度検出部と加速度を検出するための加速度検出部とを１つの検出素子に形成しているので、実装面積を低減でき小型化を図れる。

また、支持部を第１アームによって中空保持するとともに、支持部のＺ軸方向の変位を抑制するストッパーを支持部または第２アームのＺ軸方向に設けているので、通常の使用範囲を超えるような過度の加速度がＺ軸方向に加わったとしても、ストッパーによって支持部のＺ軸方向における変位を抑制できる。特に、支持部のＺ軸方向の変位量が第１アームの抗折強度を超えない変位量になるように、ストッパーによって支持部のＺ軸方向の変位を抑制するので、第１アームの抗折強度を越えるまで支持部が変位して、第１アームが破壊され、検出素子が破壊されることを抑制できる。

さらに、上記検出素子では、第２アームが駆動振動するので、第２アームのＺ軸方向にストッパーを設けた場合、空気の粘性の影響を受けて駆動効率が悪化するが、支持部のＺ軸方向にストッパーを設けることにより、第２アームの駆動振動に影響が生じず、第２アームの駆動効率の悪化を抑制できる。

図１は本発明の一実施の形態における複合センサの検出素子の分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＡ部の拡大斜視図である。

本発明の一実施の形態における複合センサは、角速度検出部と加速度検出部を有する検出素子２を備えている。

図１、図３において、検出素子２は、第１アーム４を第２アーム６に直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム４の一端を支持部８にて支持し、２つの第１アーム４の他端をスリット１０が設けられた方形状の枠体１２に連結している。第１アーム４は第２アーム６の厚みよりも薄くした形状とし、第２アーム６は第２アーム６自身と対向するまでＵ字状に折曲して、折曲した先端部に錘部１４を連結した形状としている。そして、第１アーム４と支持部８とは略同一直線上に配置し、第１アーム４および第２アーム６を検出素子２の中心に対して対称配置し、枠体１２の一部にて実装基板に実装している。

また、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、第１アーム４をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム６をＹ軸方向に配置した場合、Ｙ軸の正側における互いに対向する第２アーム６には、Ｙ軸の正側における２つの錘部１４を互いに逆方向に駆動振動させる第１駆動電極１６と第２駆動電極１８を配置し、Ｙ軸の負側における互いに対向する第２アーム６には、第２アーム６の歪を感知する感知電極２０を配置している。これら第１、第２駆動電極１６、１８、感知電極２０は、圧電層を介在させた上部電極と下部電極とから形成している。

さらに、図１、図２において、第１、第２アーム４、６、錘部１４をＺ軸方向で挟むように、Ｚ軸の正側に配置した第１対向基板２４とＺ軸の負側に配置した第２対向基板２６とを設けている。これら第１、第２対向基板２４、２６は、第２アーム６の錘部１４と対向する対向部となる。第１アーム４により第２アーム６および支持部８を中空保持して、第１、第２対向基板２４、２６が互いに接触しないように一定の間隔を設けるとともに、錘部１４と第１対向基板２４の各々の対向面に対向電極２２を配置している。第２アーム６の錘部１４と第１対向基板２４との間隔は、対向電極２２により静電容量変化を検出するために、近接させるようにしている。第２アーム６の錘部１４と第２対向基板２６との間隔は、錘部１４をＸ軸方向に円滑に振動させるために、第２対向基板２６にキャビティ３０を設けて、一定の間隔を確保して近接させないようにしている。

そして、支持部８のＺ軸方向の変位量が第１アーム４の抗折強度を超えない変位量になるように、支持部８のＺ軸方向にストッパーを設け、このストッパーによって支持部８のＺ軸方向の変位を抑制している。具体的なストッパーとしては、支持部８と対向する第２対向基板２６の対向箇所に突起部２８を設け、支持部８と突起部２８との対向距離（ｈ）が、第１アーム４の抗折強度を越えない間隔にしてＺ軸の負方向への変位を抑制し、かつ、支持部８と突起部２８との対向距離（ｈ）よりも第１対向基板２４と錘部１４との対向距離（Ｈ）を小さくなるようにしてＺ軸の正方向への変位を抑制している。

次に、角速度の検出について説明する。

図４は図１のＡ部の錘部の駆動振動状態を示す拡大斜視図である。

互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、図３、図４に示すように、第１アーム４をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム６をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極１６、１８に共振周波数の交流電圧を印加して、第１、第２駆動電極１６、１８が配置された第２アーム６を起点に第２アーム６を駆動振動させ、それに伴って錘部１４も第２アーム６の対向方向（実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動させている。第１駆動電極１６に印加する交流電圧と、第２駆動電極１８に印加する交流電圧とは互いに逆位相に印加しており、Ｙ軸の正側の各々の第２アーム６の幅が広がったり狭まったりするように互いに逆方向に振動させている。これに同調して、Ｙ軸の負側に配置された２つの第２アーム６も互いに逆方向に振動し、Ｙ軸を中心に対称に振動することになる。すなわち、４つの第２アーム６および４つの錘部１４の全てが同調して第２アーム６の対向方向（駆動信号方向）に駆動振動し、この検出素子２における駆動振動方向はＸ軸方向となっている。

具体的な角速度の検出について説明する。

このような検出素子２において、例えば、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、錘部１４の駆動振動と同調して、図４に示すように、錘部１４に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム６にはＺ軸の右回りの角速度に起因した歪が発生する。このとき、検出素子２のコリオリ方向はＹ軸方向となる。コリオリ力が発生した場合、第２アーム６に配置した各々の感知電極２０により第２アーム６の歪を感知し、この感知電極２０の極性によってコリオリ力の発生方向を見極められる。例えば、第２アーム６の内側と外側に感知電極２０をそれぞれ２つずつ配置し、第２アーム６の内側の歪と外側の歪の違いを感知させて、コリオリ力の発生方向を見極めてもよい。第２アーム６の内側における歪の伸び率と外側における歪の伸び率とは異なるので、歪の違いを感知できる。Ｚ軸の左回りの角速度が生じた場合も同様に第２アーム６の歪を感知すればよい。このように、角速度に起因した第２アーム６の歪を感知することにより角速度を検出することができる。

次に、加速度の検出について説明する。

互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、第１アーム４をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム６をＹ軸方向に配置し、Ｚ軸方向に加速度が生じた場合は、図５に示すように、錘部１４の全てがＺ軸方向に変位しようとする。このとき、第１対向基板２４と錘部１４との対向距離（Ｈ）が小さくなり、すべての対向電極２２間の静電容量が大きくなるように変化する。

Ｘ軸方向に加速度が生じた場合は、図６に示すように、第１アーム４に歪が生じつつ、第１対向基板２４とＸ軸の正側の錘部１４との対向距離（Ｈ１）と、第１対向基板２４とＸ軸の負側の錘部１４との対向距離（Ｈ２）において、一方の対向距離（Ｈ１）が大きくなれば他方の対向距離（Ｈ２）が小さくなる。すなわち、一方の対向電極２２間の静電容量が大きくなり、他方の対向電極２２間の静電容量が小さくなるように変化する。

Ｙ軸方向に加速度が生じた場合は、図示していないが、第１対向基板２４とＹ軸の正側の錘部１４との対向距離と第１対向基板２４とＹ軸の負側の錘部１４との対向距離において、一方の対向距離が大きくなれば他方の対向距離が小さくなる。すなわち、対向電極２２間の静電容量も一方が大きくなれば他方の静電容量変化が小さくなるように変化する。

このように、加速度に起因した対向電極２２間の静電容量の変化を感知することにより加速度を検出することができる。特に、加速度の生じる向きによって、第１対向基板２４と４つの錘部１４との対向距離（Ｈ）が各々変化するので、これを感知することにより加速度の方向も同時に検出することができる。

ここで、通常の使用範囲を超えるような過度の加速度がＺ軸方向に加わった場合、例えば、Ｚ軸の負側に支持部８が変位した場合、図７に示すように、第２対向基板２６に設けた突起部２８に支持部８が当たる。すなわち、突起部２８がストッパーとして機能し、支持部８のＺ軸方向における変位が抑制される。一方、Ｚ軸の正側に支持部８が変位した場合、図８に示すように、第１対向基板２４に支持部８が当たる。第１対向基板２４と錘部１４との対向距離は、各々の対向面に設けた対向電極２２の静電容量の変化を検出するために、狭く設定しているからである。すなわち、第１対向基板２４がストッパーとして機能し、支持部８のＺ軸方向における変位が抑制される。

特に、支持部８と突起部２８との対向距離（ｈ）と、第１対向基板２４と錘部１４との対向距離（Ｈ）とは、第１アーム４の抗折強度を越えない間隔であり、支持部８と突起部２８との対向距離（ｈ）よりも第１対向基板２４と錘部１４との対向距離（Ｈ）を小さくなるようにして、第１アーム４が破壊される前に支持部８のＺ軸方向における変位を抑制している。

上記構成により、本発明の一実施の慣性力センサでは、角速度を検出するための角速度検出部と加速度を検出するための加速度検出部とを１つの検出素子に形成しているので、実装面積を低減でき小型化を図れる。

また、支持部８を第１アーム４によって中空保持するとともに、支持部８のＺ軸方向の変位を抑制するストッパーを支持部８または第２アーム６のＺ軸方向に設けているので、通常の使用範囲を超えるような過度の加速度がＺ軸方向に加わったとしても、ストッパーによって支持部８のＺ軸方向における変位を抑制できる。特に、支持部８のＺ軸方向の変位量が第１アーム４の抗折強度を超えない変位量になるように、ストッパーによって支持部８のＺ軸方向の変位を抑制するので、第１アーム４の抗折強度を越えるまで支持部８が変位して、第１アーム４が破壊され、検出素子２が破壊されることを抑制できる。

さらに、上記検出素子２では、第２アーム６が駆動振動するので、第２アーム６のＺ軸方向にストッパーを設けた場合、空気の粘性の影響を受けて駆動効率が悪化するが、支持部８のＺ軸方向にストッパーを設けることにより、第２アーム６の駆動振動に影響が生じず、第２アーム６の駆動効率の悪化を抑制できる。

図９は、錘部１４と第２対向基板２６との対向距離に対する第２アーム６の駆動振動効率を示す特性図であるが、図９に示すように、対向距離が小さくなると駆動効率が悪化し、対向距離が大きくなると駆動効率が向上する。ここで、図９におけるＡ線よりも対向距離が大きくなると、第１アーム４が破壊されてしまう。また、図９におけるＢ線よりも駆動効率が悪くなると、第２アーム６を正常に駆動振動させることができない。駆動効率を満足するためには、図９におけるＣ線よりも対向距離を大きくする必要があるが、それでは、第１アーム４が破壊されてしまう。そこで、本発明では、支持部８と対向する第２対向基板２４の対向箇所に突起部２８を設けることにより、支持部８のＺ軸方向における変位を抑制し、第１アーム４が破壊されるのを抑制している。これにより、錘部１４と第２対向基板２６との対向距離を小さくすることもないので、駆動効率も悪化しないものである。駆動効率が悪化すると、角速度が生じても検出感度が低下するが、上記構成により、角速度の検出感度の低下を抑制できる。また、第１アーム４の抗折強度を越えないように支持部８と突起部２８との対向距離を最も大きくした場合が、駆動効率の悪化を抑制しつつ、検出素子２の破壊も抑制できるので望ましい。

なお、加速度検出部は、上記の検出素子２において、第２アーム６よりも薄く形成した第１アーム４にて、加速度に起因した第１アーム４のＺ軸方向の歪を感知させ、加速度を検出するようにしてもよい。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれの軸方向に加速度が発生しても、錘部１４の変位によって、第１アーム４がＺ軸方向に歪むので、これを感知すれば加速度を検出することができる。

また、支持部８のＺ軸方向の変位を抑制するストッパーを第２アーム６のＺ軸方向に設け、支持部８のＺ軸方向の変位量が第１アーム４の抗折強度を超えない変位量になるように、ストッパーによって支持部８のＺ軸方向の変位を抑制してもよい。具体的には、錘部１４と対向する第２対向基板２６の対向箇所に突起部２８を設ければよい。ただし、駆動効率については、支持部８と対向する第２対向基板２６の対向箇所に設けた方がよい。駆動効率の低減を図るために、支持部８や錘部１４と対向する突起部２８の対向面積はできるだけ小さい方がよく、突起部２８の形状は針状等が望ましい。突起部２８の強度を考慮する場合は、突起部２８を複数設ければよい。

本発明に係る慣性力センサは、角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減して小型化を図れるので、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複合センサの検出素子の分解斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 図１のＡ部の拡大斜視図 図１のＡ部の第２アームの駆動振動状態を示す拡大斜視図 Ｚ軸方向の加速度が発生した状態を示す図１のＡ−Ａ断面図 Ｘ軸方向の加速度が発生した状態を示す図１のＡ−Ａ断面図 Ｚ軸の負側方向に過度な加速度が発生した状態を示す図１のＡ−Ａ断面図 Ｚ軸の正側方向に過度な加速度が発生した状態を示す図１のＡ−Ａ断面図 第２アームの駆動振動効率を示す特性図

符号の説明

２ 検出素子
４ 第１アーム
６ 第２アーム
８ 支持部
１０ スリット
１２ 枠体
１４ 錘部
１６ 第１駆動電極
１８ 第２駆動電極
２０ 感知電極
２２ 対向電極
２４ 第１対向基板
２６ 第２対向基板
２８ 突起部
３０ キャビティ

Claims (6)

1. 加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子を備え、
   前記検出素子は、第１アームと第２アームとを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アームの一端を支持する支持部と、２つの前記第１アームの他端を固定する固定部とを有し、
   互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸において、前記第１アームをＸ軸方向に配置し、前記第２アームをＹ軸方向に配置し、
   前記角速度検出部は、前記第２アームをＸ軸方向に振動させ、角速度に起因した前記検出素子の状態変化に基づき角速度を検出しており、
   前記加速度検出部は、加速度に起因した前記検出素子の状態変化に基づき加速度を検出しており、
   前記支持部を前記第１アームによって中空保持するとともに、前記支持部のＺ軸方向の変位を抑制するストッパーを前記支持部または前記第２アームのＺ軸方向に設け、前記支持部のＺ軸方向の変位量が前記第１アームの抗折強度を超えない変位量になるように、前記ストッパーによって前記支持部のＺ軸方向の変位を抑制した複合センサ。
2. 前記支持部のＺ軸方向の変位を抑制するストッパーは前記支持部のＺ軸方向に設けた請求項１記載の複合センサ。
3. 前記第２アームは先端部に錘部を有する形状とした請求項１記載の複合センサ。
4. 前記第２アームに対向する対向部を設け、前記第２アームと前記対向部の各々の対向面に対向電極を配置し、前記加速度検出部は、加速度に起因した前記第２アームと前記対向部の対向電極間の静電容量変化に基づき、加速度を検出する請求項１記載の複合センサ。
5. 前記対向部は、前記第２アームをＺ軸方向で挟むように、Ｚ軸の正方向に配置した第１対向基板とＺ軸の負方向に配置した第２対向基板であって、前記第１、第２対向基板の少なくともいずれか一方と前記第２アームとの対向面に前記対向電極を設け、前記ストッパーとして前記第１、第２対向基板の少なくともいずれか一方に突起部を形成した請求項４記載の複合センサ。
6. 前記対向部は、前記第２アームをＺ軸方向で挟むように、Ｚ軸の正方向に配置した第１対向基板とＺ軸の負方向に配置した第２対向基板であって、前記第１対向基板と前記錘部との対向面に前記対向電極を設け、前記ストッパーとして前記第２対向基板に突起部を形成し、前記第１対向基板と前記錘部との対向距離は前記支持部と前記突起部との対向距離よりも小さくした請求項４記載の複合センサ。

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