JP2009250956A - Inertial force 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加速度を検出する慣性力センサに関する。
The present invention relates to an inertial force sensor that detects 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、従来のセンサについて説明する。 Hereinafter, a conventional sensor will be described.
図15は従来のセンサの断面図、図16は図15のA−A断面図である。 15 is a cross-sectional view of a conventional sensor, and FIG. 16 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
図15、図16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。
15 and 16, the conventional sensor includes a
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。
In the above configuration, when the
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。
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。
In the above configuration, since the
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。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide an inertial force sensor with increased detection sensitivity.
上記目的を達成するために本発明は、特に、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸において、第1、第2検出用素子のいずれか一方に配置した対向電極および第1、第3検出用素子のいずれか一方に配置した対向電極として、X軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状としたX対向電極を設けており、X軸方向の加速度は、前記対向電極のX軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出し、Z軸方向の加速度は、前記対向電極のZ軸方向における対向距離の変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出する構成である。 In order to achieve the above-described object, the present invention particularly provides a counter electrode and first and third detection electrodes arranged on one of the first and second detection elements in the X, Y, and Z axes orthogonal to each other. As the counter electrode disposed on either one of the elements for use, an X counter electrode having a X-axis cross section in a square shape and a Y-axis cross section in a concavo-convex shape is disposed so as not to be partially opposed in the X-axis direction. The acceleration in the X-axis direction is detected by detecting a capacitance change based on a change in the facing area of the counter electrode in the X-axis direction, and the acceleration in the Z-axis direction is determined by the Z of the counter electrode. In this configuration, the acceleration is detected by detecting a change in capacitance based on a change in the facing distance in the axial direction.
上記構成により、Z軸方向の加速度は、第1、第2検出用素子に配置した対向電極のZ軸方向における対向距離と、第1、第3検出用素子に配置した対向電極のZ軸方向における対向距離との変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出している。 With the above configuration, the acceleration in the Z-axis direction is such that the opposing distance in the Z-axis direction of the counter electrode arranged in the first and second detection elements and the Z-axis direction of the counter electrode arranged in the first and third detection elements. The acceleration is detected by detecting a change in capacitance based on a change from the facing distance at.
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、例えば、第1、第2検出用素子に配置した対向電極のZ軸方向における対向距離が大きくなり静電容量が小さくなる。同時に、第1、第3検出用素子に配置した対向電極のZ軸方向における対向距離が小さくなり静電容量が大きくなる。または、その逆の現象が生じる。 When the first, second, and third detection elements are arranged on the XY plane in the X axis, Y axis, and Z axis that are orthogonal to each other, if acceleration occurs in the Z axis direction, for example, the first and second detection elements The opposing distance in the Z-axis direction of the counter electrode arranged in the element increases and the capacitance decreases. At the same time, the opposing distance in the Z-axis direction of the opposing electrodes arranged in the first and third detection elements is reduced and the capacitance is increased. Or the reverse phenomenon occurs.
すなわち、第1、第2検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化の2つの静電容量変化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。 That is, there are two capacitance changes: a capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and second detection elements, and a capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and third detection elements. Since acceleration is detected based on this, the sensitivity of capacitance change is increased, and the detection sensitivity can be improved.
特に、対向電極としては、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状としたX対向電極を設けているので、2つの静電容量変化に基づいて加速度を検出する際に、検出精度を向上できる。第1、第2検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化は、互いに反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。 In particular, as the counter electrode, an X counter electrode having an X-axis cross section in a rectangular shape and a Y-axis cross section in a concavo-convex shape is provided. Therefore, when detecting acceleration based on two capacitance changes, detection accuracy is improved. It can be improved. The capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and second detection elements and the capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and third detection elements are in inverse proportion to each other, It varies exponentially with the distance between the counter electrodes. The capacitance change increases as the distance between the counter electrodes decreases or as the distance between the counter electrodes increases.
この結果、例えば、2つの静電容量変化を差動検出した場合、その差動検出された出力信号は入力加速度に対して曲線状に変化し、これが誤差検出となる可能性があるが、X対向電極はX軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状とすることによって、出力信号を入力加速度に対して直線状にすることができ、誤差検出が抑制されて非常に高精度の検出が可能となる。 As a result, for example, when two capacitance changes are differentially detected, the differentially detected output signal changes in a curve with respect to the input acceleration, which may result in error detection. The counter electrode has a rectangular X-axis cross section and a concave / convex Y-axis cross section, so that the output signal can be linear with respect to the input acceleration, and error detection is suppressed, so that highly accurate detection is possible. It becomes possible.
また、X軸方向の加速度は、第1、第2検出用素子に配置した対向電極のX軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化と、第1、第3検出用素子に配置した対向電極のX軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出している。この対向電極としては、X軸方向において、その一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状としたX対向電極を設けているので、加速度がX軸方向に発生すると、例えば、対向しないようにずらして配置していた部分が互いに対向し、対向面積が大きくなって静電容量が大きくなる。または、その逆の現象が生じる。 The acceleration in the X-axis direction is arranged in the capacitance change based on the change in the facing area in the X-axis direction of the counter electrode arranged in the first and second detection elements, and in the first and third detection elements. The acceleration is detected by detecting a change in capacitance based on a change in the facing area of the counter electrode in the X-axis direction. As this counter electrode, in the X-axis direction, the X-electrode is arranged so as not to be partly opposed, and is provided with an X-counter electrode having a rectangular X-axis cross section and a Y-axis cross-section. Is generated in the X-axis direction, for example, the portions that are shifted so as not to face each other face each other, and the facing area increases and the capacitance increases. Or the reverse phenomenon occurs.
すなわち、第1、第2検出用素子の対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子の対向電極間の静電容量変化の2つの静電容量変化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。 That is, the acceleration is calculated based on two capacitance changes: a capacitance change between the opposing electrodes of the first and second detection elements and a capacitance change between the opposing electrodes of the first and third detection elements. Since it detects, the sensitivity of a capacitance change becomes large and a detection sensitivity can be improved.
特に、対向電極としては、X軸方向において、その一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状としたX対向電極を設けているので、加速度がX軸方向に発生した際、そのX軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化は比例の関係であって直線的に変化する。 In particular, as the counter electrode, in the X axis direction, the X counter electrode is arranged so as not to be opposed to each other, and the X counter electrode having a rectangular X-axis cross section and a Y-axis cross section is provided. When acceleration occurs in the X-axis direction, the change in capacitance based on the change in the facing area in the X-axis direction has a proportional relationship and changes linearly.
この結果、第1、第2検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化の2つの静電容量変化を検出した場合、その検出された出力信号は入力加速度に対して直線状にすることができ、誤差検出が抑制されて非常に高精度の検出が可能となる。 As a result, two capacitance changes, that is, a capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and second detection elements and a capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and third detection elements. When the signal is detected, the detected output signal can be made linear with respect to the input acceleration, and error detection is suppressed, and detection with very high accuracy becomes possible.
したがって、検出感度を大きくするだけでなく、Z軸方向とX軸方向の両方の加速度を高精度に検出することが可能である。 Therefore, not only can the detection sensitivity be increased, but also acceleration in both the Z-axis direction and the X-axis direction can be detected with high accuracy.
(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。
(Embodiment 1)
1 is an exploded perspective view of a detection element of a sensor according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
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。
In FIG. 1, the sensor according to the first embodiment of the present invention includes a
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。
The
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。
The
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。
The
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。この第2検出用素子1bに配置した第1対向電極〜第4対向電極14、16、18、20として、X軸方向において、その一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状とした第1X対向電極〜第4X対向電極14a、16a、18a、20aを設けており、Y軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、Y軸断面を方形状としX軸断面を凹凸形状とした第1Y対向電極〜第4Y対向電極14b、16b、18b、20bを設けている。
The
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。この第3検出用素子1cに配置した第5対向電極〜第8対向電極17、19、21、23として、X軸方向において、その一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状とした第5X対向電極〜第8X対向電極17a、19a、21a、23aを設けている。また、Y軸方向において、その一部が対向しないようにずらして配置するとともに、Y軸断面を方形状としX軸断面を凹凸形状とした第5Y対向電極〜第8Y対向電極17b、19b、21b、23bを設けている。これらの凹凸形状は、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。
The
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。
In the
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。 Next, the angular velocity detection unit and the acceleration detection unit will be described.
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。
First, the angular velocity detection unit will be described. As shown in FIG. 5, when the
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。
At this time, for example, when an angular velocity is generated in the counterclockwise direction of the Z axis, a direction (solid line arrow and dotted line arrow) perpendicular to the drive vibration direction with respect to the
次に、加速度検出部について説明する。 Next, the acceleration detection unit will be described.
まず、Z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。
First, acceleration in the Z-axis direction will be described. As shown in FIGS. 1 and 6, the
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。すなわち、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。
At this time, for example, when acceleration occurs in the Z-axis direction, the
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。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a change in capacitance with respect to a change in the facing distance (X1) of the
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。 Here, as shown in FIG. 10, since the differential detection signal has an S-shaped curved shape in the portion A of FIG. 9, the differential detection signal is approximated to a straight line. In FIG. 10, when an acceleration A is applied as an input acceleration to a differential detection signal (solid line), a voltage A is output as an output voltage. In the acceleration detection processing circuit, this is a differential approximation that approximates a straight line. Since the acceleration B that intersects the signal (dotted line) is calculated, an error is detected.
そこで、誤差検出を抑制するために、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。 Therefore, in order to suppress error detection, the differential detection signal (solid line) is approximated by a straight line, and is calculated based on the differential detection signal (dotted line) approximated by a straight line. When an input acceleration A is applied to a linearly-approximate differential detection signal (dotted line), a voltage B is output as an output voltage. Therefore, no error is detected as the acceleration B is input.
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1X対向電極〜第4X対向電極14a、16a、18a、20a、第1Y対向電極〜第4Y対向電極14b、16b、18b、20b、第5X対向電極〜第8X対向電極17a、19a、21a、23a、第5Y対向電極〜第8Y対向電極17b、19b、21b、23b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フォトリソグラフィーによるエッチング加工で形成配置すればよい。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。
For example, the above-described configuration may be used as means for linearly approximating the differential detection signal. That is, the first X counter electrode to the fourth
次に、X軸方向の加速度について説明する。図1、図11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。
Next, the acceleration in the X-axis direction will be described. As shown in FIGS. 1 and 11, when the
このとき、例えば、X軸方向に加速度が生じた場合、図1、図12に示すように、錘部3がX軸方向に(W)だけ変位しようとして、第1弾性部材9がX軸方向に変位する。この結果、第1対向電極14、第2対向電極16、第5対向電極17、第6対向電極19の対向面積が変化する。すなわち、第1、第2検出用素子1a、1bの第1対向電極14、第2対向電極16の静電容量変化と、第1、第3検出用素子1a、1cの第5対向電極17、第6対向電極19の静電容量変化に基づいて加速度を検出できる。
At this time, for example, when acceleration occurs in the X-axis direction, as shown in FIGS. 1 and 12, the
特に、X軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状としているので、加速度がX軸方向に発生した際、そのX軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化は比例の関係であって直線的に変化する。この結果、検出された出力信号は入力加速度に対して直線状となり、誤差出力が抑制されるので、非常に高精度の検出が可能となる。 In particular, in the X-axis direction, the X-axis cross section is arranged so as not to be opposed to each other, and the X-axis cross section is rectangular and the Y-axis cross section is uneven. Therefore, when acceleration occurs in the X-axis direction, The capacitance change based on the change in the facing area in the direction is a proportional relationship and changes linearly. As a result, the detected output signal is linear with respect to the input acceleration, and the error output is suppressed, so that detection with very high accuracy is possible.
次に、Y軸方向の加速度について説明する。図1、図13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3対向電極18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7対向電極21の対向距離(X2)も同様であり、図示していないが、第2対向電極16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6対向電極19の対向距離と第8対向電極23の対向距離も同様である。
Next, the acceleration in the Y-axis direction will be described. As shown in FIGS. 1 and 13, the
このとき、例えば、Y軸方向に加速度が生じた場合、図1、図14に示すように、錘部3がX軸方向に(W)だけ変位しようとして、第2弾性部材11がY軸方向に変位する。この結果、第1対向電極14、第3対向電極18、第5対向電極17、第7対向電極21の対向面積が変化する。すなわち、第1、第2検出用素子1a、1bの第1対向電極14、第3対向電極18の静電容量変化と、第1、第3検出用素子1a、1cの第5対向電極17、第7対向電極21の静電容量変化に基づいて加速度を検出できる。
At this time, for example, when acceleration occurs in the Y-axis direction, as shown in FIGS. 1 and 14, the
特に、Y軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、Y軸断面を方形状としX軸断面を凹凸形状としているので、加速度がY軸方向に発生した際、そのY軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化は比例の関係であって直線的に変化する。この結果、検出された出力信号は入力加速度に対して直線状となり、誤差出力が抑制されるので、非常に高精度の検出が可能となる。 In particular, in the Y-axis direction, the Y-axis cross section is arranged so as not to be opposed to each other, and the Y-axis cross section is rectangular and the X-axis cross section is uneven. Therefore, when acceleration occurs in the Y-axis direction, the Y axis The capacitance change based on the change in the facing area in the direction is a proportional relationship and changes linearly. As a result, the detected output signal is linear with respect to the input acceleration, and the error output is suppressed, so that detection with very high accuracy is possible.
上記構成により、Z軸方向の加速度は、第1、第2検出用素子1a、1bに配置した対向電極のZ軸方向における対向距離と、第1、第3検出用素子1a、1cに配置した対向電極のZ軸方向における対向距離との変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出できる。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、例えば、第1、第2検出用素子1a、1bに配置した対向電極のZ軸方向における対向距離が大きくなり静電容量が小さくなる。同時に、第1、第3検出用素子1a、1cに配置した対向電極のZ軸方向における対向距離が小さくなり静電容量が大きくなる。または、その逆の現象が生じる。
With the above configuration, the acceleration in the Z-axis direction is arranged in the opposing distance in the Z-axis direction of the counter electrode arranged in the first and
すなわち、第1、第2検出用素子1a、1bに配置した対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子1a、1cに配置した対向電極間の静電容量変化の2つの静電容量変化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。
That is, 2 of the capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and
第1X対向電極〜第4X対向電極14a、16a、18a、20a、第1Y対向電極〜第4Y対向電極14b、16b、18b、20b、第5X対向電極〜第8X対向電極17a、19a、21a、23a、第1Y対向電極〜第4Y対向電極17b、19b、21b、23bを凹凸形状とすればよい。
First X counter electrode to fourth
特に、対向電極としては、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状とした第1X対向電極〜第4X対向電極14a、16a、18a、20aおよび第5X対向電極〜第8X対向電極17a、19a、21a、23aを設けているので、2つの静電容量変化に基づいて加速度を検出する際に、検出精度を向上できる。第1、第2検出用素子1a、1bに配置した対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子1a、1cに配置した対向電極間の静電容量変化は、互いに反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。
In particular, as the counter electrode, the first X counter electrode to the fourth
この結果、例えば、2つの静電容量変化を差動検出した場合、その差動検出された出力信号は入力加速度に対して曲線状に変化し、これが誤差検出となる可能性があるが、第1X対向電極〜第4X対向電極14a、16a、18a、20aおよび第5X対向電極〜第8X対向電極17a、19a、21a、23aはX軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状とすることによって、出力信号を入力加速度に対して直線状にすることができ、誤差検出が抑制されて非常に高精度の検出が可能となる。
As a result, for example, when two capacitance changes are differentially detected, the differentially detected output signal changes in a curve with respect to the input acceleration, which may result in error detection. 1X counter electrode to 4X
なお、第1Y対向電極〜第4Y対向電極14b、16b、18b、20bおよび第5Y対向電極〜第8Y対向電極17b、19b、21b、23bについては、Y軸断面を方形状としX軸断面を凹凸形状としているので、同様の効果を得ることができ、より一層高精度の検出が可能となる。
For the first Y counter electrode to the fourth
また、X軸方向の加速度は、第1、第2検出用素子1a、1bの対向電極のX軸方向における対向面積と、第1、第3検出用素子1a、1cの対向電極のX軸方向における対向面積との変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出している。この対向電極としては、X軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状とした第1X対向電極〜第4X対向電極14a、16a、18a、20aおよび第5X対向電極〜第8X対向電極17a、19a、21a、23aを設けているので、加速度がX軸方向に発生すると、例えば、対向しないようにずらして配置していた部分が互いに対向し、対向面積が大きくなって静電容量が大きくなる。または、その逆の現象が生じる。
Further, the acceleration in the X-axis direction includes the opposing area in the X-axis direction of the counter electrodes of the first and
すなわち、第1、第2検出用素子1a、1bの対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子1a、1cの対向電極間の静電容量変化の2つの静電容量変化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。
That is, two electrostatic capacitances, that is, a capacitance change between the opposing electrodes of the first and
特に、対向電極としては、X軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状とした1X対向電極〜第4X対向電極14a、16a、18a、20aおよび第5X対向電極〜第8X対向電極17a、19a、21a、23aを設けているので、加速度がX軸方向に発生した際、そのX軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化は比例の関係であって直線的に変化する。
In particular, as the counter electrode, in the X-axis direction, the X-axis direction is arranged so as not to be opposed to each other, the X-axis cross section is rectangular, and the Y-axis cross section is uneven. 16a, 18a, 20a and the fifth to eighth
この結果、第1、第2検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化と、第1、第3検出用素子に配置した対向電極間の静電容量変化の2つの静電容量変化を検出した場合、その検出された出力信号を入力加速度に対して直線状にすることができ、非常に高精度の検出が可能となる。 As a result, two capacitance changes, that is, a capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and second detection elements and a capacitance change between the counter electrodes arranged in the first and third detection elements. Is detected, the detected output signal can be linear with respect to the input acceleration, and detection with very high accuracy is possible.
なお、Y軸方向の加速度は、第1、第2検出用素子1a、1bの対向電極のY軸方向における対向面積と、第1、第3検出用素子1a、1cの対向電極のY軸方向における対向面積との変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出している。この対向電極としては、Y軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、Y軸断面を方形状としX軸断面を凹凸形状とした第1Y対向電極〜第4Y対向電極14b、16b、18b、20bおよび第1Y対向電極〜第4Y対向電極17b、19b、21b、23bを設けているので、加速度がY軸方向に発生すると、例えば、対向しないようにずらして配置していた部分が互いに対向し、対向面積が大きくなって静電容量が大きくなる。または、その逆の現象が生じる。すなわち、X軸方向の検出と同様に、Y軸方向の検出においても、非常に高精度の検出が可能となる。
It should be noted that the acceleration in the Y-axis direction includes the opposing area in the Y-axis direction of the counter electrodes of the first and
したがって、本発明の実施形態では、検出感度を大きくするだけでなく、Z軸方向とX軸方向とY軸方向の3つの加速度を高精度に検出することが可能である。 Therefore, in the embodiment of the present invention, not only the detection sensitivity is increased, but also three accelerations in the Z-axis direction, the X-axis direction, and the Y-axis direction can be detected with high accuracy.
さらに、本発明の実施形態では、加速度検出部によって、第1対向電極〜第4対向電極14、16、18、20および第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が図れる。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。
Further, in the embodiment of the present invention, the acceleration detection unit causes the first counter electrode to the
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。
Since the inertial force sensor according to the present invention can improve the detection sensitivity, it can be applied to various electronic devices.
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
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
14a 第1X対向電極
14b 第1Y対向電極
16 第2対向電極
16a 第2X対向電極
16b 第2Y対向電極
17 第5対向電極
17a 第5X対向電極
17b 第5Y対向電極
18 第3対向電極
18a 第3X対向電極
18b 第3Y対向電極
19 第6対向電極
19a 第6X対向電極
19b 第6Y対向電極
20 第4対向電極
20a 第4X対向電極
20b 第4Y対向電極
21 第7対向電極
21a 第7X対向電極
21b 第7X対向電極
22 駆動電極
23 第8対向電極
23a 第8X対向電極
23b 第8Y対向電極
24 検知電極
26 第1感知電極
28 第2感知電極
DESCRIPTION OF
Claims (7)
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ており、
互いに直交するX軸、Y軸、Z軸において、
前記第1、第2検出用素子のいずれか一方に配置した前記対向電極および前記第1、第3検出用素子のいずれか一方に配置した前記対向電極として、X軸方向において、一部が対向しないようにずらして配置するとともに、X軸断面を方形状としY軸断面を凹凸形状としたX対向電極を設けており、
X軸方向の加速度は、前記対向電極のX軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出し、
Z軸方向の加速度は、前記対向電極のZ軸方向における対向距離の変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出する慣性力センサ。 A detection element having an acceleration detection unit;
The detection element includes a first detection element and a second detection element and a third detection element facing each other across the first detection element. The first, second, and third detection elements A counter electrode is arranged on each counter surface of the detection element,
In the X axis, Y axis, and Z axis orthogonal to each other,
A part of the counter electrode arranged in one of the first and second detection elements and the counter electrode arranged in either the first or third detection element are opposed in the X-axis direction. And an X counter electrode having an X-axis cross section in a square shape and a Y-axis cross section in a concavo-convex shape.
The acceleration in the X-axis direction is detected by detecting a change in capacitance based on a change in the facing area of the counter electrode in the X-axis direction,
The acceleration in the Z-axis direction is an inertial force sensor that detects an acceleration by detecting a change in capacitance based on a change in the facing distance of the counter electrode in the Z-axis direction.
Y軸方向の加速度は、前記対向電極のY軸方向における対向面積の変化に基づく静電容量変化を検出して加速度を検出する請求項1記載の慣性力センサ。 A part of the counter electrode arranged in one of the first and second detection elements and the counter electrode arranged in one of the first and third detection elements are opposed in the Y-axis direction. And a Y counter electrode having a Y-axis cross section having a rectangular shape and an X-axis cross section having an uneven shape,
The inertial force sensor according to claim 1, wherein the acceleration in the Y-axis direction is detected by detecting a change in capacitance based on a change in a facing area of the counter electrode in the Y-axis direction.
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。 The detection element has an angular velocity detection unit,
The first detection element includes an orthogonal arm formed by connecting a first arm and a second arm in an orthogonal direction, and a support portion that supports one end of the first arm,
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, and the angular velocity detection unit is configured to move the second arm in the X-axis direction. The inertial force sensor according to claim 1, wherein the angular velocity is detected based on a state change of the detection element caused by the angular velocity.
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