JP2009222475A - 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】角速度検出部と加速度検出部とを有し、検出素子２は、第１アーム４と第２アーム６とを直交方向に連結して形成した直交アームと、第１アーム４の一端を支持する支持部８とを有し、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸において、第１アーム４をＸ軸方向に配置し、第２アーム６をＹ軸方向に配置し、角速度検出部は、第２アーム６をＸ軸方向に振動させ、角速度に起因した検出素子２の状態変化に基づき角速度を検出しており、加速度検出部は、加速度に起因した検出素子２の状態変化に基づき加速度を検出しており、第１アーム４の厚みを支持部８の厚みよりも薄くした構成である。
【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直交アームと、前記第１アームの一端を支持する支持部とを有し、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、前記第１アームの厚みを前記支持部の厚みよりも薄くした構成である。

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、第１アームの厚みを支持部の厚みよりも薄くしているので、加速度がＺ軸方向に生じた際、第１アームがＺ軸方向に撓みやすく、それに伴って第２アームもＺ軸方向に変位しやすくなる。すなわち、第１アームに歪抵抗素子を配置して抵抗値変化を検出したり、第２アームと対向するように対向電極を配置して静電容量変化を検出したりすれば、加速度に起因した検出素子の状態変化に基づく加速度を容易に検出できる。

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Ｂ−Ｂ断面図である。

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つの直交アームと、２つの第１アーム４の一端を支持する支持部８とを有している。第２アーム６の先端部は中央部よりも幅を広くした錘部１４とし、第１アーム４と支持部８とを略同一直線上に配置するとともに、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ている。

この第１アーム４は支持部８の厚みおよび第２アーム６の厚みよりも薄く形成するとともに、第２アーム６は一方の先端部の錘部１４から他方の先端部の錘部１４まで同等の厚みとし、支持部８にて実装している。

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、Ｘ軸方向に配置した第１アーム４には、第１アーム４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３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、一定の間隔を確保するようにしている。

次に、角速度の検出について説明する。

図４は図１の（Ａ）部の拡大平面図、図５（ａ）（ｂ）は図１の（Ａ）部の駆動状態を示す拡大平面図、図６（ａ）（ｂ）は図１の（Ａ）部にコリオリ力が発生した際の駆動状態を示す拡大平面図である。

互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、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。図５（ａ）（ｂ）に示すように、２つの第１駆動電極１６には互いに同位相の交流電圧を印加し、２つの第２駆動電極１８には互いに同位相の交流電圧を印加し、第１駆動電極１６と第２駆動電極１８とは互いに逆位相の交流電圧を印加し、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（駆動振動方向）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。

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６（ａ）（ｂ）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１アーム４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、コリオリ力のかかる方向はＹ軸方向となる。コリオリ力が発生した場合、第１アーム４に配置した各々の感知電極２０により第１アーム４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１アーム４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１アーム４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ればよい。第１アーム４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１アーム４の歪を感知すればよい。このように、角速度検出部は角速度に起因した検出素子２の状態変化を第１アーム４の歪として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７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（Ｈ１）が小さくなり、Ｙ軸の正の方向に配置されたすべての対向電極２２間の静電容量が大きくなるように変化し、第２対向基板２６と錘部１４との対向距離（Ｈ２）が大きくなり、Ｙ軸の負の方向に配置されたすべての対向電極２６間の静電容量が小さくなるように変化する。

このように、加速度検出部は、加速度に起因した検出素子２の状態変化を対向電極２２間の静電容量の変化として感知することにより加速度を検出することができる。

上記構成により、本発明の一実施の複合センサでは、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、第１アーム４の厚みを支持部８の厚みよりも薄くしているので、加速度がＺ軸方向に生じた際、第１アーム４がＺ軸方向に撓みやすく、それに伴って第２アーム６もＺ軸方向に変位しやすくなる。すなわち、第２アーム６と対向するように配置した対向電極２２の静電容量変化を検出すれば、加速度に起因した検出素子２の状態変化に基づく加速度を容易に検出できる。または、第１アーム４に歪抵抗素子を配置して抵抗値変化を検出してもよい。

さらに、本発明の実施の形態では、図１に示すように、第２アーム６の厚みを第１アーム４の厚みよりも厚くし、第２アーム６の一方の先端部の錘部１４から他方の先端部の錘部１４まで同等の厚みとしている。これによって、検出素子２における角速度検出部の検出精度の劣化を抑制している。

上記構成では、図１のＢ−Ｂ断面図である図８に示すように、錘部１４の間における第２アーム６の厚み方向の重心位置（Ｇ１）と、錘部１４の重心位置（Ｇ２）とが同一の高さとなる。一方、他の実施の形態として、図８における第２アーム６の先端部の両錘部１４の間における厚みを、図９に示すように第１アーム４の厚みと同様に薄くした構成では、錘部１４の間における第２アーム６の厚み方向の重心位置（Ｇ１）と、錘部１４の重心位置（Ｇ２）とが同一の高さでなくなってしまう。

すなわち、図９において、錘部１４の間における第２アーム６の厚み方向の重心位置（Ｇ１）と、錘部１４の重心位置（Ｇ２）とが同一の高さに位置していないので、錘部１４がＸ軸方向に駆動振動する際に、撓み振動を発生しやすくなる。すなわち、駆動振動面が少し傾斜して、角速度センサとしての検出精度が劣化しやすくなる恐れがある。

したがって、図８に示すように、錘部１４の間における第２アーム６の厚み方向の重心位置（Ｇ１）と、錘部１４の重心位置（Ｇ２）とを同一高さになるようにした方が、角速度検出部としての検出精度の劣化を抑制できるものである。その他の点については、本発明の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また図９において、加速度検出部としては、錘部１４の間における第２アーム６の厚み方向の重心位置（Ｇ１）と、錘部１４の重心位置（Ｇ２）とが同一の高さでないため、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に加速度が加わった場合、第１アーム４および第２アーム６が撓みやすくなり、加速度検知感度を向上させることができる。

なお、本発明の実施の形態の他にも、例えば、図１０〜図１４に示す構成でも同様の効果を得ることができる。

図１０における検出素子２において、本発明の実施の形態と異なる点は、支持部８に第３アーム２８を連結し、この第３アーム２８と第１、第２対向基板２４、２６と対向する各々の対向面に対向電極２２を設けた点である。第３アーム２８は第２アーム６と同様に、第３アーム２８の両先端部を錘部１４とし、第１アーム４と同様に支持部８の厚みよりも薄く形成している。これにより、加速度の検出の際は、第３アーム２８と第１、第２対向基板２４、２６との対向電極２２間の静電容量変化を検出でき、加速度の検出精度を向上できる。また、角速度の検出の際は、第１アーム４の歪に伴って、第３アーム２８にも歪が伝達され、第３アーム２８がＸ軸方向に振動するので、この第３アーム２８の歪から角速度を検出してもよい。

図１１における検出素子２において、本発明の実施の形態と異なる点は、図１０と同様の構成であるが、図１１における検出素子２では、第２アーム６の厚みを第１アーム４の厚みと同様に薄くしている。この場合、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に加速度が加わった場合、第１アーム４および第２アーム６が撓みやすくなり、各軸の加速度検知感度を向上することができる。

図１２における検出素子２において、本発明の実施の形態と異なる点は、図１０における構成に加えて、第３アーム２８と対向するように、支持部８に第４アーム３０を連結し、この第４アーム３０と第１、第２対向基板２４、２６と対向する各々の対向面に対向電極２２を設けた構成である。第４アーム３０は第２アーム６と同様に、第４アーム３０の両先端部を錘部１４とし、第１アーム４と同様に支持部８の厚みよりも薄く形成している。これにより、加速度の検出の際は、第３、第４アーム２８、３０と第１、第２対向基板２４、２６との対向電極２２間の静電容量変化を検出でき、加速度の検出精度を向上できる。また、角速度の検出の際は、第１アーム４の歪に伴って、第３、第４アーム２８、３０にも歪が伝達され、第３、第４アーム２８、３０がＸ軸方向に振動するので、この第３、第４アーム２８、３０の歪から角速度を検出してもよい。

図１３における検出素子２において、本発明の実施の形態と異なる点は、第１アーム４と第２アーム６とを直交した直交アームにおいて、第１アーム４は、第２アーム６の交差部分から第１アーム４の一端側までの距離がほとんどなく、この第１アーム４の一端を支持部８に連結し、第２アーム６の交差部分から第１アーム４の他端側までの距離が非常に長く、この第１アーム４の他端を枠体３２に連結した点と、第２アーム６の交差部分から第１アーム４の他端側までの厚みを薄く形成した点である。なお、第１アーム４は、第２アーム６の交差部分から第１アーム４の一端側までの距離を、第２アーム６の交差部分から第１アーム４の他端側までの距離よりも短く設定しておけばよい。

図１４における検出素子２において、本発明の実施の形態と異なる点は、図１３の構成において、第２アーム６をＵ字形状、コ字形状に折曲し、その先端部を錘部１４とした点である。これにより、錘部１４が駆動振動する際に、コリオリ力を受けやすくなり、角速度の検出精度を向上できる。

このように、検出素子２は本発明の実施の形態の他にも、図９〜図１４に示す構成でもよく、同様の効果を得ることができる。

また、図１３、図１４の検出素子２は、第１アーム４によって支持部８を中空保持しているが、本発明の実施の形態における検出素子２や、図９〜図１２に示す検出素子２においても、支持部８をリード端子やアーム等によって、中空保持するように配置してもよい。加速度検出時や角速度検出時に、検出素子２の状態が変化しても検出ができる程度に配置しておけばよい。

なお、本発明の実施の形態では、第２アーム６の先端部を錘部１４としたが、錘部１４を設けない構成としてもよい。

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Ｂ−Ｂ断面図 図１の（Ａ）部の拡大平面図 図１の（Ａ）部の駆動振動状態を示す拡大平面図 図１の（Ａ）部にコリオリ力が発生した際の駆動振動状態を示す拡大平面図 加速度が発生した際の錘部の変位状態を示す図１のＡ−Ａ断面図 重心位置を示す図１のＢ−Ｂ断面図 他の実態の形態における重心位置を示す検出素子の断面図 他の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 他の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 他の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 他の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 他の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

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
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 第３アーム
３０ 第４アーム
３２ 枠体

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直交アームと、前記第１アームの一端を支持する支持部とを有し、
   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、
   前記第１アームの厚みを前記支持部の厚みよりも薄くした複合センサ。
2. 複数の直交アームを設け、前記検出素子は対称形状とした請求項１記載の複合センサ。
3. 前記第２アームの厚みを前記第１アームの厚みよりも厚くした請求項１記載の複合センサ。
4. 前記第２アームの先端部は錘部とし、前記第２アームは一方の先端部の錘部から他方の先端部の錘部まで同等の厚みとした請求項３記載の複合センサ。
5. 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。
6. 前記対向部は、Ｚ軸の方向に配置した対向基板であって、前記対向基板と前記第２アームとの対向面に前記対向電極を設けた請求項５記載の複合センサ。

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