JP2009222476A - Compound 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角速度や加速度を検出する複合センサに関する。
The present invention relates to a composite sensor that detects angular velocity and acceleration 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、従来の複合センサについて説明する。 Hereinafter, a conventional composite sensor will be described.
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。 Conventionally, when detecting angular velocity and acceleration, a dedicated angular velocity sensor is used to detect the angular velocity, and a dedicated acceleration sensor is used to detect the acceleration.
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。
Therefore, when various angular velocity and acceleration are detected in various electronic devices, a plurality of angular velocity sensors and acceleration sensors are mounted on the mounting boards of the various electronic devices.
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。
In general, an angular velocity sensor vibrates detection elements of various shapes such as a sound shape, an H shape, a T shape, and the like, and detects an angular velocity by electrically detecting a change in the state of the detection element accompanying the generation of Coriolis force. The acceleration sensor detects the acceleration by detecting the change in the state of the detection element associated with the acceleration.
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。
Such an angular velocity sensor or an acceleration sensor is used for a posture control device, a navigation device, or the like of a moving body such as a vehicle corresponding to a 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、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。
In the above configuration, since the angular velocity sensor and the acceleration sensor are mounted on the mounting substrate in correspondence with the detection axis of the angular velocity and acceleration to be detected, it is necessary to secure a mounting area, and there is a problem that the size cannot be reduced. It was.
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。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a composite sensor that is reduced in size by reducing the mounting area when detecting angular velocity and acceleration.
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第1支持部と、前記第2アームに対向する対向部と、前記第2アームと前記対向部の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、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しており、前記対向部はX、Y、Z軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した前記対向部の可動によって変化する前記対向電極間の静電容量に基づき加速度を検出する構成である。 In order to achieve the above object, in particular, the present invention provides a detection element comprising a first arm and a second arm that are formed by connecting a first arm and a second arm in a perpendicular direction, and a first support that supports one end of the first arm. An X-axis, a Y-axis, and a Z-axis perpendicular to each other, and a counter electrode disposed on a counter surface of each of the second arm and the counter section. One arm is arranged in the X-axis direction, the second arm is arranged in the Y-axis direction, and the angular velocity detector vibrates the second arm in the X-axis direction, and the state change of the detection element due to the angular velocity The acceleration detection unit detects an acceleration based on a change in capacitance between the second arm and the counter electrode of the counter unit due to the acceleration, and the counter unit is X Acceleration in the axial direction of any of the Y, Z, and Z axes A freely movable in either axial direction In to a configuration for detecting acceleration based on electrostatic capacitance between the counter electrode varies by the movable of the facing portion caused by the acceleration.
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。 With the above configuration, since the angular velocity detection unit for detecting the angular velocity and the acceleration detection unit for detecting the acceleration are formed in one detection element, the mounting area can be reduced and the size can be reduced.
また、第2アームと対向部の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、対向部はX、Y、Z軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した対向部の可動によって変化する対向電極間の静電容量に基づき加速度を検出するので、加速度の検出感度を向上できる。 In addition, the second arm and a counter electrode disposed on each of the opposing surfaces of the counter part, the counter part is in any axial direction due to acceleration in any of the X, Y, and Z axis directions Since the acceleration is detected based on the capacitance between the opposed electrodes that changes due to the movement of the opposed portion caused by the acceleration, the acceleration detection sensitivity can be improved.
すなわち、第2アームと対向する対向部は、角速度の検出に対しては機能せず、加速度の検出に対してのみ機能するので、対向部の可動の際に、角速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、特に第1連結部や第2連結部の設計自由度を確保できる。例えば、対向部が非常に可動しやすい構成にできるので、加速度に起因してX、Y、Z軸方向のいずれかの軸方向に対向部が可動する際、静電容量変化が大きくなって加速度の検出感度を向上できる。 That is, the opposing portion that faces the second arm does not function for detecting the angular velocity, but only functions for detecting the acceleration. Therefore, when the opposing portion is movable, the configuration in consideration of the detection of the angular velocity is adopted. In particular, it is possible to ensure the degree of freedom of design of the first connecting part and the second connecting part. For example, since the opposing portion can be configured to be very movable, when the opposing portion moves in any of the X, Y, and Z axis directions due to acceleration, the capacitance change increases and the acceleration Detection sensitivity can be improved.
さらに、第1アームと直交方向に連結された第2アームをX軸方向に振動させ、角速度に起因した検出素子の状態変化に基づき角速度を検出する際、加速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、設計自由度を確保できる。例えば、第1アームと第2アームの厚みを同等にして、Z軸方向への撓みを抑制する構成にできるので、角速度に起因して第1アームや第2アームの状態が変化する際、Z軸方向への状態の変化が抑制されて角速度検出精度の劣化を抑制することができる。 Furthermore, the second arm connected in a direction orthogonal to the first arm is vibrated in the X-axis direction, and it is necessary to adopt a configuration that considers the detection of acceleration when detecting the angular velocity based on the state change of the detection element caused by the angular velocity. And there is no design freedom. For example, since the thickness of the first arm and the second arm can be made equal to suppress the bending in the Z-axis direction, when the state of the first arm or the second arm changes due to the angular velocity, the Z A change in the state in the axial direction is suppressed, and deterioration of the angular velocity detection accuracy can be suppressed.
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2A部の拡大斜視図である。
1 is an exploded perspective view of a detection element of a composite sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is an enlarged perspective view of a
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。
The composite sensor in one embodiment of the present invention includes a
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の他端を方形状の枠体部12に連結している。第1アーム4と第2アーム6と支持部8は共に厚みを同等にした形状にするとともに、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、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。
In FIG. 1 and FIG. 3, the
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。またこれら第1駆動電極16,第2駆動電極18と感知電極20とは対称に配置されていてもよい。
When the
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。
The first and
また、図1、図2において、第1、第2アーム4、6、錘部14と対向するように、Z軸の正側に配置した2つの対向部21を設けている。この対向部21は錘部であって、第1連結部23を介してこれら2つの対向部21を第2支持部25にて支持し、第2連結部27を介してこの第2支持部25を固定部29にて固定している。固定部29は枠体形状とし、第1連結部23と第2連結部27はアーム形状とし、第1連結部23と第2連結部27とは互いに直交配置するとともに、第2連結部27の厚みを第1連結部23の厚みよりも薄くしている。固定部29は、図2に示すように、バンプ部31を介して枠体部12上に形成しており、このバンプ部31の厚みによって、対向部21と第1、第2アーム4、6、錘部14とが互いに接触しないように第2連結部27にて第2支持部25を中空保持している。また本発明ではバンプ部31により第1、第2アーム4、6、錘部14と対向部21とがお互いに接触しないように中空保持されているが、バンプ部31においては、めっきなどにより、枠体12に形成された凸形状の保持部でも同様の効果を得ることが可能である。対向部21と錘部14の各々の対向面には対向電極22を配置し、第2アーム6の錘部14と対向部21との間隔(H)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。
In FIG. 1 and FIG. 2, two
さらに、対向部21、第2支持部25、第1、第2連結部23、27と対向するように、Z軸の正側に第1対向基板24を配置し、第1、第2アーム4、6、錘部14と対向するように、Z軸の負側に第2対向基板26を配置している。第1対向基板24は対向部21と接触しないように対向部21との対向面に第1凹部33を設け、第2対向基板26は錘部14と接触しないように錘部14との対向面に第2凹部35を設けている。この第1対向基板24を固定部29に積層配置し、第2対向基板26に枠体12を積層配置している。
Furthermore, the
なお第一凹部33および第2凹部35は、測定範囲外の大きな加速度が素子部2に加わったとき、その加速度による慣性力により、第2連結部27が破壊しないように、ストッパーとなる程度の深さを有している。
The first
次に、角速度の検出について説明する。 Next, detection of angular velocity will be described.
図4は図1の2A部の駆動振動状態を示す拡大斜視図である。
FIG. 4 is an enlarged perspective view showing a driving vibration state of the
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。
When the
具体的な角速度の検出について説明する。 A specific angular velocity detection will be described.
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。
In such a
次に、加速度の検出について説明する。 Next, detection of acceleration will be described.
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、2つの対向部21がZ軸方向に変位しようとする。このとき、対向部21と錘部14との対向距離(H)が大きくなり、すべての対向電極22間の静電容量が小さくなるように変化する。
When the
X軸方向に加速度が生じた場合は、図6に示すように、第2連結部27に歪が生じつつ、対向部21とX軸の正側の錘部14との対向距離(H1)と、対向部21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)が小さくなれば他方の対向距離(H2)が大きくなる。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。
When acceleration occurs in the X-axis direction, as shown in FIG. 6, the opposing distance (H1) between the opposing
Y軸方向に加速度が生じた場合は、図示していないが、2つの対向部21の内、対向部21とY軸の正側の錘部14との対向距離と対向部21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。
When acceleration occurs in the Y-axis direction, although not shown, the facing distance between the facing
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、2つの対向部21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。
Thus, the acceleration can be detected by sensing the change in the capacitance between the
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を1つの検出素子2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。
With the above configuration, the angular velocity detection unit for detecting the angular velocity and the acceleration detection unit for detecting the acceleration are formed in one
また、第2アーム6と対向部21の各々の対向面に配置した対向電極22とを有し、対向部21はX、Y、Z軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した対向部21の可動によって変化する対向電極22間の静電容量に基づき加速度を検出するので、加速度の検出感度を向上できる。
Moreover, it has the
すなわち、第2アーム6と対向する対向部21は、角速度の検出に対しては機能せず、加速度の検出に対してのみ機能するので、対向部21の可動の際に、角速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、特に第1連結部23や第2連結部27の設計自由度を確保できる。例えば、本発明の実施の形態のように、対向部21を錘部とし、第1連結部23を介して2つの対向部21を第2支持部25にて支持し、第2連結部27を介してこの第2支持部25を固定部29にて固定し、固定部29を枠体形状とし、第1連結部23と第2連結部27はアーム形状とし、第1連結部23と第2連結部27とは互いに直交配置するとともに、第2連結部27の厚みを第1連結部23の厚みよりも薄くした場合、対向部21は、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に可動しやすくなる。
That is, the facing
図1において、対向部21がX軸方に可動する際は、一方の第2連結部27が下方に容易に歪むとともに他方の第2連結部27が上方に容易に歪んで、X軸方向において対向部21が傾斜して対向電極22間の静電容量が容易に変化する。対向部21がY軸方向に可動する際は、第2連結部27が容易にねじれて、Y軸方向において対向部21が傾斜して対向電極22間の静電容量が容易に変化する。対向部21がZ軸方向に可動する際は、第2連結部27がZ軸方向に引っ張られて、Z軸方向において対向部21の位置が変動して対向電極22間の静電容量が容易に変化する。特に、第2連結部27の厚みを第1連結部23の厚みよりも薄くしているので、第2連結部27が容易に歪んだりねじれたり引っ張られたりしやすい。
In FIG. 1, when the facing
このように、対向部21が非常に可動しやすい構成にできるので、加速度に起因してX、Y、Z軸方向のいずれかの軸方向に対向部21が可動する際、静電容量変化が大きくなって加速度の検出感度を向上できる。
In this way, since the facing
さらに、第1アーム4と直交方向に連結された第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する際、加速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、設計自由度を確保できる。例えば、本発明の実施の形態のように、第1アーム4と第2アーム6の厚みを同等にした場合、第2アーム6の錘部14が駆動振動する際に、第1アーム4および第2アーム6はZ軸方向へ撓みにくくなる。
In addition, the
図4において、第2アーム6の錘部14がX軸方向に駆動振動する際は、角速度に起因して錘部14はY軸方向にコリオリの力を受けてアーム6が歪むが、第2アーム6の厚みが第1アーム4と同等の厚みなので、駆動振動する際やコリオリの力を受ける際に、Z軸方向に撓みにくく、Z軸方向の撓みの分だけ感度の損失を抑制できる。
In FIG. 4, when the
このように、Z軸方向への撓みを抑制する構成にできるので、角速度に起因して第1アーム4や第2アーム6の状態が変化する際、Z軸方向への状態の変化が抑制されて検出感度を向上できる。
Thus, since it can be set as the structure which suppresses the bending to a Z-axis direction, when the state of the
なお、本発明の実施の形態の他にも、例えば、対向部21と対向する第1対向基板24の各々の対向面にも対向電極22を配置し、加速度検出部は、加速度に起因した対向部21の可動によって変化する対向部21と錘部14との対向面に配置された対向電極22間の静電容量変化と、対向部21と第1対向基板24の各々の対向面に配置された対向電極22間の静電容量変化に基づき加速度を検出するようにしてもよい。
In addition to the embodiment of the present invention, for example, the
また、検出素子2の構成も、本発明の実施の形態に限らず、他の構成でもよい。
Further, the configuration of the
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。 The inertial force sensor according to the present invention can be applied to various electronic devices because the mounting area can be reduced and the size can be reduced when detecting angular velocity and acceleration.
2 検出素子
4 第1アーム
6 第2アーム
8 支持部
12 枠体部
14 錘部
16 第1駆動電極
18 第2駆動電極
20 感知電極
21 対向部
22 対向電極
23 第1連結部
24 第1対向基板
25 第2支持部
26 第2対向基板
27 第2連結部
29 固定部
31 バンプ部
33 第1凹部
35 第2凹部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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第1支持部と、前記第2アームに対向する対向部と、前記第2アームと前記対向部の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、
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しており、
前記対向部はX、Y、Z軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した前記対向部の可動によって変化する前記対向電極間の静電容量に基づき加速度を検出する複合センサ。 A detection element having an acceleration detection unit and an angular velocity detection unit;
The detection element includes an orthogonal arm formed by connecting a first arm and a second arm in an orthogonal direction, a first support portion that supports one end of the first arm, and a facing portion that faces the second arm. And a counter electrode disposed on each of the opposing surfaces of the second arm and the opposing portion,
In the X, Y, and Z axes orthogonal to each other, the first arm is disposed in the X-axis direction, the second arm is disposed in the Y-axis direction,
The angular velocity detection unit vibrates the second arm in the X-axis direction and detects an angular velocity based on a state change of the detection element caused by the angular velocity,
The acceleration detection unit detects acceleration based on a capacitance change between the second arm and the counter electrode of the counter unit due to the acceleration,
The opposing portion is movable in any axial direction due to acceleration in any axial direction of the X, Y, and Z axes, and the opposing electrode changes depending on the movement of the opposing portion due to acceleration A composite sensor that detects acceleration based on the capacitance between the two.
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
US20090266163A1 (en) * | 2006-11-14 | 2009-10-29 | Panasonic Corporation | Sensor |
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2008
- 2008-03-14 JP JP2008065384A patent/JP2009222476A/en active Pending
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