JP2009250955A - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】加速度を検出するにあたり、検出誤差の発生を抑制し、検出精度の向上を図ったセンサを提供することを目的としている。
【解決手段】検出素子１は、第１検出用素子１ａと、第１検出用素子１ａを挟んで、互いに対向する第２検出用素子１ｂおよび第３検出用素子１ｃとを有し、これら各々の対向面には第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０と第５〜第８対向電極１７、１９、２１、２３を配置し、加速度検出部は、第１、第２検出用素子１ａ、１ｂの対向電極間の静電容量変化による第１容量信号と、第１、第３検出用素子１ａ、１ｃの対向電極間の静電容量変化による第２容量信号との差動検知信号に基づいて加速度を検出しており、第１容量信号と第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる手段を設けた構成である。
【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加速度を検出する慣性力センサに関する。

以下、従来のセンサについて説明する。

図１１は従来のセンサの断面図、図１２は図１１のＡ−Ａ断面図である。

図１１、図１２において、従来のセンサは、円筒状の筐体４０と、この筐体４０の中に配置した円柱状の錘４１と、この錘４１と筐体４０の対向面に配置した４組の対向電極４２とを備えている。筐体４０の底面には凹部４３を設け、この凹部４３に錘４１のボス部４４を挿入して錘４１を支持している。

上記構成において、加速度により錘４１が変位すると、対向電極４２の間隔が変化し、対応する静電容量が変化する。この静電容量の変化によって、加速度の検出が可能となる。このような加速度を検出する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が知られている。
特開２００２−５５１１７号公報

上記構成では、対向電極４２は筐体４０と錘４１の対向面にのみ配置されているので、対向電極４２で発生する静電容量は小さく検出感度が小さ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、検出感度を大きくした慣性力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検出用素子と、前記第１検出用素子を挟んで、互いに対向する第２検出用素子および第３検出用素子とを有し、前記第１、第２、第３検出用素子の各々の対向面には対向電極を配置し、前記加速度検出部は、前記第１、第２検出用素子の前記対向電極間の静電容量変化による第１容量信号と、前記第１、第３検出用素子の前記対向電極間の静電容量変化による第２容量信号との差動検知信号に基づいて加速度を検出しており、前記第１容量信号と前記第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる手段を設けた構成である。

上記構成により加速度検出部は、第１、第２検出用素子の対向電極間の静電容量変化による第１容量信号と、第１、第３検出用素子の対向電極間の静電容量変化による第２容量信号との差動検知信号に基づいて加速度を検出している。例えば、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１、第２、第３検出用素子をＸＹ平面に配置した場合、加速度がＺ軸方向に発生すると、第１、第２検出用素子の対向電極間の静電容量変化による第１容量信号が大きくなれば、第１、第３検出用素子の対向電極間の静電容量変化による第２容量信号が小さくなり、第１容量信号が小さくなれば、第２容量信号が大きくなる。すなわち、これら第１容量信号と第２容量信号の差動検知信号に基づいて加速度を検出するので、静電容量変化の感度が大きくなって検出感度を向上できる。

また、第１容量信号と第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる手段を設けているので、検出誤差を小さくして検出精度を向上できる。上記構成では、第１容量信号と第２容量信号は互いに逆比例の関係であって、対向電極間の距離に対して指数的に変化する。対向電極間距離が小さくなるにつれて、または、対向電極間距離が大きくなるにつれて、静電容量変化は大きくなる。すなわち、第１容量信号と第２容量信号との差動検知信号に基づく出力電圧は入力加速度に対して曲線状に変化し、これが検出精度を劣化させる可能性があるが、出力電圧が入力加速度に対して直線状になるように直線近似させる手段を設けているので、非常に高精度の検出が可能である。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における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。

図１において、本発明の第１の実施の形態におけるセンサは、加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子１を備えている。検出素子１は、第１検出用素子１ａ、第２検出用素子１ｂ、第３検出用素子１ｃを有する。

第１検出用素子１ａは、第１アーム８を第２アーム１０に略直交方向に連結した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム８の一端を支持部１２にて支持し、２つの第１アーム８の他端を枠体形状の第１固定部４に連結し、枠体形状の第１固定部４の内方に２つの直交アームを配置させて形成している。

また、第２アーム１０は、第２アーム１０自身と対向するまでＵ字状に折曲し、折曲した第２アーム１０の先端部に錘部３を連結している。枠体形状の第１固定部４は固定アーム７にて第２固定部６と連結し、第２固定部６の内方に第１固定部４を配置している。第１アーム８と支持部１２とを略同一直線上に配置し、第１アーム８および第２アーム１０を検出素子１の中心に対して対称配置している。

そして、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム８をＸ軸方向に配置するとともに第１固定部４にはＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部９を設け、固定アーム７をＹ軸方向に配置するとともに第２固定部６にはＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部１１を設け、第２固定部６にて実装基板に実装している。この第１弾性部９は、第１アーム８と直交する第１固定部４の一部に、Ｙ軸方向にスリット１３を形成して設けており、第２弾性部１１は、第２アーム１０と直交する第２固定部６の一部に、Ｘ軸方向にスリット１３を形成して設けている。

第２検出用素子１ｂは、錘部３の表面側に対向させ、各々の対向面に、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置して形成している。

第３検出用素子１ｃは、錘部３の裏面側に対向させ、各々の対向面に、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３を配置して形成している。

上記の第１検出用素子１ａ、第２検出用素子１ｂ、第３検出用素子１ｃにおいて、互いに対向する一方の２つの第２アーム１０には錘部３を駆動振動させる駆動電極２２およびその駆動を検知する検知電極２４を配置するとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム１０には、第２アーム１０の歪を感知する第１感知電極２６、第２感知電極２８を配置している。これらの電極の内、少なくとも、駆動電極２２、検知電極２４、第１感知電極２６、第２感知電極２８は、圧電層を介在させた上部電極と下部電極とからなる。そして、これら第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３、駆動電極２２、検知電極２４、第１、第２感知電極２６、２８からは信号線（図示せず）が固定アーム７まで引き出され、この信号線の端部にてワイヤーボンディング等を介して実装基板の配線パターンに電気的に接続されている。

さらに、第２検出用素子１ｂ、第３検出用素子１ｃの対向面に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３を凹凸形状としている。例えば、図４（ａ）〜（ｄ）に示すような形状の金属導体を配置して形成すればよい。その他、第２検出素子１ｂ、第３検出素子１ｃの対向面そのものを凹凸形状にして金属導体を沿わせて形成したり、それらを組み合わせて凹凸形状の電極を形成したりしてもよい。

次に、角速度検出部および加速度検出部について説明する。

まず、角速度検出部について説明する。図５に示すように、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム８をＸ軸方向に配置して、第２アーム１０をＹ軸方向に配置した場合、駆動電極２２に共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動電極２２が配置された第２アーム１０を起点に第２アーム１０が駆動振動し、それに伴って錘部３も第２アーム１０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）に駆動振動する。また、４つの第２アーム１０および４つの錘部３の全てが同調して第２アーム１０の対向方向（駆動信号方向）に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。

このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部３の駆動振動と同調して、錘部３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（Ｙ軸方向））にコリオリ力が発生するので、第２アーム１０にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。すなわち、コリオリ力に起因して撓むこの第２アーム１０の状態変化（第２アーム１０に発生した歪）によって、第１、第２感知電極２６、２８から電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

次に、加速度検出部について説明する。

まず、Ｘ軸方向の加速度について説明する。図１、図６に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１検出用素子１ａと第２検出用素子１ｂと第３検出用素子１ｃをＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、第１検出用素子１ａと第２検出用素子１ｂの対向面に配置した第１対向電極１４の対向距離（Ｘ１）と、第１検出用素子１ａと第２検出用素子１ｂの対向面に配置した第２対向電極１６の対向距離（Ｘ２）は所定の同間隔を有している。第５対向電極１７の対向距離（Ｘ１）と、第６対向電極１９の対向距離（Ｘ２）も同様であり、図示していないが、第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も同様であり、第７対向電極２１の対向距離と第８対向電極２３の対向距離も同様である。

このとき、例えば、Ｚ軸方向に加速度が生じた場合、図１、図７に示すように、錘部３がＺ軸方向に変位しようとして、第１アーム８や第２アーム１０がＺ軸方向に撓む。この結果、第１対向電極１４の対向距離（Ｘ１）と、第２対向電極１６の対向距離（Ｘ２）が変化する。この結果、第１、第２検出用素子１ａ、１ｂの第１対向電極１４の静電容量変化による第１容量信号と、第１、第２検出用素子１ａ、１ｂの第２対向電極１６間の静電容量変化による第２容量信号とが変化する。第１容量信号が大きくなれば、第２容量信号が小さくなり、これらの差動検知信号に基づいて加速度を検出できる。

図８は、第１対向電極１４の対向距離（Ｘ１）と、第２対向電極１６の対向距離（Ｘ２）の変化に対する静電容量変化を示す特性図であり、図９は、入力加速度に対する出力電圧の変化を示す特性図、図１０は図９のＡ部の拡大図である。図９に示すように、第１対向電極１４の対向距離（Ｘ１）の変化に対する第１容量信号は特性波Ａとして示され、第２対向電極１６の対向距離（Ｘ２）の変化に対する第２容量信号は特性波Ｂとして示され、その合成特性波Ｃに基づいて加速度は検出される。図９によれば、出力電圧の基準値に対する大小によって、加速度の向きと大きさが検出されるものである。

ここで、図１０に示すように、図９のＡ部において、差動検知信号はＳ字状の曲線形状となるので、この差動検知信号を直線状に近似している。図１０において、差動検知信号（実線）に対して、入力加速度として加速度Ａが加わると出力電圧として電圧Ａが出力されるが、加速度の検出処理回路では、これは、直線近似した差動検知信号（点線）と交差する加速度Ｂであると算出するので、誤差検出されてしまう。

そこで、差動検知信号（実線）を直線近似して、直線近似した差動検知信号（点線）に基づいて算出するようにしている。直線近似した差動検知信号（点線）に対して、入力加速度Ａが加わると、出力電圧として電圧Ｂが出力されるので、加速度Ｂが入力されたと誤差検出することはない。

この差動検知信号を直線近似する手段としては、例えば、上述した構成とすればよい。すなわち、第２検出用素子１ｂ、第３検出用素子１ｃの対向面に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３を凹凸形状とすればよい。図４（ａ）〜（ｄ）に示すような形状の金属導体を配置して形成すればよい。その他、第２検出用素子１ｂ、第３検出用素子１ｃの対向面そのものを凹凸形状にして金属導体を沿わせて形成したり、それらを組み合わせて凹凸形状の電極を形成したりしてもよい。この結果、対向する電極間の距離に対する静電容量の変化量を自由に制御できるので、差動検知信号が直線近似されるように、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３の形状を、所望の静電容量の変化量を得られる形状にすればよい。

上記構成により、例えば、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１、第２、第３検出用素子１ａ、１ｂ、１ｃをＸＹ平面に配置した場合、加速度がＺ軸方向に発生すると、第１、第２検出用素子１ａ、１ｂの対向電極間の静電容量変化による第１容量信号が大きくなれば、第１、第３検出用素子１ａ、１ｃの対向電極間の静電容量変化による第２容量信号が小さくなり、第１容量信号が小さくなれば、第２容量信号が大きくなる。すなわち、これら第１容量信号と第２容量信号の差動検知信号に基づいて加速度を検出するので、静電容量変化の感度が大きくなって検出感度を向上できる。

また、第１容量信号と第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる手段を設けているので、検出誤差を小さくして検出精度を向上できる。上記構成では、図９に示すように、第１容量信号と第２容量信号は互いに逆比例の関係であって、対向電極間の距離に対して指数的に変化する。対向電極間距離が小さくなるにつれて、または、対向電極間距離が大きくなるにつれて、静電容量変化は大きくなる。すなわち、図１０に示すように、第１容量信号と第２容量信号との差動検知信号に基づく出力電圧は入力加速度に対して曲線状に変化し、これが検出精度を劣化させる可能性があるが、出力電圧が入力加速度に対して直線状になるように直線近似させる手段を設けているので、非常に高精度の検出が可能である。

また、加速度検出部によって、錘部３と第１対向基板５の各々の対向面に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、錘部３と第２対向基板１５の各々の対向面に配置した第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３の静電容量変化を検出して加速度を検出し、角速度検出部によって、コリオリ力に起因して撓む可撓部の状態変化を第１、第２感知電極２６、２８で検出し、一つの検出素子１で加速度と角速度を検出できるので、実装面積を低減して小型化を図れる。このとき、第２アームの先端部は錘部３として、この錘部３に対向電極を配置するので、慣性力が大きくなって、検出感度が向上する。

特に、第２、第３検出用素子１ｂ、１ｃの対向面に配置した対向電極面のみを凹凸形状とし、第１容量信号と第２容量信号との差動検知信号を直線近似させれば、角速度検出部となる第１検出用素子１ａに影響を与えることがないので、角速度検出部における角速度の検出精度を劣化させることがない。また、第２、第３検出用素子１ｂ、１ｃの対向面のみを凹凸形状とし、第１容量信号と第２容量信号との差動検知信号を直線近似させてもよい。

本発明に係る慣性力センサは、検出感度を向上できるので、各種電子機器に適用できる
ものである。

本発明の第１の実施の形態における慣性力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 本慣性力センサに用いる対向電極の断面図 Ｘ軸方向の加速度検出時における同検出素子の動作状態図 対向基板配置時のＡ−Ａ断面図 Ｚ軸方向の加速度検出時における同検出素子の動作状態図 対向電極間距離の変化に対する静電容量変化を示す特性図 入力加速度に対する出力電圧の変化を示す特性図 図９のＡ部の拡大図 従来の検出素子の平面図 図１１のＡ−Ａ断面図

符号の説明

１ 検出素子
１ａ 第１検出用素子
１ｂ 第２検出用素子
１ｃ 第３検出用素子
３ 錘部
４ 第１固定部
５ 第１対向基板
６ 第２固定部
７ 固定アーム
８ 第１アーム
９ 第１弾性部
１０ 第２アーム
１１ 第２弾性部
１２ 支持部
１３ スリット
１４ 第１対向電極
１５ 第２対向基板
１６ 第２対向電極
１７ 第５対向電極
１８ 第３対向電極
１９ 第６対向電極
２０ 第４対向電極
２１ 第７対向電極
２２ 駆動電極
２３ 第８対向電極
２４ 検知電極
２６ 第１感知電極
２８ 第２感知電極

Claims (7)

1. 加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検出用素子と、前記第１検出用素子を挟んで、互いに対向する第２検出用素子および第３検出用素子とを有し、
   前記第１、第２、第３検出用素子の各々の対向面には対向電極を配置し、
   前記加速度検出部は、前記第１、第２検出用素子の前記対向電極間の静電容量変化による第１容量信号と、前記第１、第３検出用素子の前記対向電極間の静電容量変化による第２容量信号との差動検知信号に基づいて加速度を検出しており、
   前記第１容量信号と前記第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる手段を設けた慣性力センサ。
2. 前記対向電極面を凹凸形状とし、前記第１容量信号と前記第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる請求項１記載の慣性力センサ。
3. 前記第１、第２、第３検出用素子の対向面を凹凸形状とし、前記第１容量信号と前記第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる請求項１記載の慣性力センサ。
4. 前記検出素子は、角速度検出部を有し、
   前記第１検出用素子は、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する請求項１記載の慣性力センサ。
5. 前記第２、第３検出用素子の対向面に配置した対向電極面のみを凹凸形状とし、前記第１容量信号と前記第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる請求項３記載の慣性力センサ。
6. 前記第２、第３検出用素子の対向面のみを凹凸形状とし、前記第１容量信号と前記第２容量信号との差動検知信号を直線近似させる請求項３記載の慣性力センサ。
7. 前記第２アームの先端部は錘部とし、前記錘部に前記対向電極を配置した請求項３記載の慣性力センサ。

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