JP2010261889A - Inertial sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、慣性センサーに関する。 The present invention relates to an inertial sensor.
加速度センサーおよび角速度センサー(ジャイロセンサー)等の慣性センサーは、たとえば、自動車、航空機、ロケット、カメラ、ゲーム機等の位置や姿勢を制御するために利用されている。たとえば、カーナビゲーション装置において、車両の現在位置を検出する際には、車両の移動方向および移動距離を自立的に測位するために慣性センサーが用いられている。近年、慣性センサーの精度を高める要請は、非常に強くなってきている。 Inertial sensors such as an acceleration sensor and an angular velocity sensor (gyro sensor) are used to control the position and orientation of, for example, an automobile, an aircraft, a rocket, a camera, and a game machine. For example, in a car navigation apparatus, when detecting the current position of a vehicle, an inertial sensor is used to autonomously measure the moving direction and moving distance of the vehicle. In recent years, the demand for increasing the accuracy of inertial sensors has become very strong.
慣性センサーの一例として、バネ(梁)によって支えられたおもり(錐)の変位を感知するものがある。そして、錐の変位を感知する方式としては、振動子の共振周波数を利用する方式(振動型)、電気容量の変化を利用する方式(容量型)、電気抵抗の変化を利用する方式(抵抗型)などがある。 One example of an inertial sensor is one that senses the displacement of a weight (cone) supported by a spring (beam). As a method of detecting the displacement of the cone, a method using the resonance frequency of the vibrator (vibration type), a method using a change in electric capacitance (capacitance type), a method using a change in electric resistance (resistance type) )and so on.
たとえば、特開2008−261839号公報には、片持ち梁状に支持された錐の変位を双音叉型の振動子によって感知し、加速度を検知する加速度検知ユニット(加速度センサー)が開示されている。同公報の加速度センサーは、加速度を受けると、錐が加速度の方向とは逆の方向に慣性力を受け、これにより、錐を支えるバネ(梁)が撓む構造を有している。この梁の撓みにより、双音叉振動子が圧縮力、伸張力を受け、振動周波数が変化する。同公報の加速度センサーは、該振動周波数の変化を検知することによって与えられた加速度を検知する。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-261839 discloses an acceleration detection unit (acceleration sensor) that detects a displacement by detecting a displacement of a cone supported in a cantilever shape with a double tuning fork vibrator. . The acceleration sensor disclosed in the publication has a structure in which when the acceleration is received, the cone receives an inertial force in a direction opposite to the direction of the acceleration, whereby a spring (beam) supporting the cone is bent. Due to the bending of the beam, the double tuning fork vibrator receives a compression force and an extension force, and the vibration frequency changes. The acceleration sensor disclosed in the publication detects the applied acceleration by detecting a change in the vibration frequency.
上述のように、一般的な慣性センサーは、錐の慣性力を利用している。したがって、錐は、バネ等の復元力を有する部材に支持される。そのため、慣性センサーは、バネおよび錐によって構成される振動系(バネ・錐振動系)を有することとなる。 As described above, a general inertial sensor uses the inertial force of a cone. Therefore, the cone is supported by a member having a restoring force such as a spring. Therefore, the inertial sensor has a vibration system (spring / cone vibration system) composed of a spring and a cone.
このような慣性センサーに入力される加速度等の物理量が、インパルス状であると、バネ・錐振動系の共振モードが励起される場合がある。バネ・錐振動系の共振モードが励起されると、これに基づく不要な信号(バネ・錐振動系の共振周波数の信号)が、物理量を検知するための信号に重畳して出力されることがある。不要な信号が、物理量を検知するための信号に重畳すると、慣性センサーによって測定される物理量の測定精度が低下することがあった。また、バネ・錐振動系の共振モードに基づく不要な信号は、余韻を有している。そのため、慣性センサーの測定精度は、該余韻によってさらに低下することがあった。また、慣性センサーにバネ・錐振動系の共振モードを励起する入力(物理量)が入り続ける場合は、バネ・錐振動系の振幅が増大する。そうすると、慣性センサーが破壊されたり、出力信号が飽和したりすることがあった。 If the physical quantity such as acceleration input to such an inertial sensor is impulse-like, the resonance mode of the spring / cone vibration system may be excited. When the resonance mode of the spring / cone vibration system is excited, an unnecessary signal based on this (a signal of the resonance frequency of the spring / cone vibration system) may be superimposed on the signal for detecting the physical quantity. is there. When an unnecessary signal is superimposed on a signal for detecting a physical quantity, the measurement accuracy of the physical quantity measured by the inertial sensor may be lowered. An unnecessary signal based on the resonance mode of the spring / cone vibration system has a reverberation. For this reason, the measurement accuracy of the inertial sensor may be further reduced by the reverberation. In addition, when the input (physical quantity) for exciting the resonance mode of the spring / cone vibration system continues to enter the inertial sensor, the amplitude of the spring / cone vibration system increases. As a result, the inertial sensor may be destroyed or the output signal may be saturated.
特に振動型の慣性センサーにおいては、錐の変位を感知する振動子等の振動状態を良好に保ったまま、バネ・錐振動系の振動を抑制しなければならないという技術的な困難性がある。 Particularly in a vibration type inertial sensor, there is a technical difficulty that it is necessary to suppress the vibration of the spring / cone vibration system while maintaining a good vibration state of a vibrator or the like that senses the displacement of the cone.
本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、バネ・錐振動系の振動を効率的に減衰させることができる慣性センサーを提供することにある。 One of the objects according to some embodiments of the present invention is to provide an inertial sensor that can efficiently attenuate the vibration of a spring-cone vibration system.
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following aspects or application examples.
[適用例1]
本発明にかかる慣性センサーの一態様は、
基部、前記基部に連続する弾性部、および、前記弾性部に連続し前記弾性部によって支持され、慣性力によって変位可能な質量部を有する基体と、
前記弾性部の歪みを電界に変換する圧電変換構成と、
前記電界を熱に変換する電熱変換部と、
前記基部と前記質量部との間に発生した力に反応する検出部と、
を含む。
[Application Example 1]
One aspect of the inertial sensor according to the present invention is:
A base, an elastic part continuous to the base, and a base having a mass part that is continuous with the elastic part and supported by the elastic part and is displaceable by an inertial force;
A piezoelectric conversion structure for converting the distortion of the elastic portion into an electric field;
An electrothermal conversion section for converting the electric field into heat;
A detection unit that reacts to a force generated between the base and the mass unit;
including.
このような慣性センサーは、基体に形成されるバネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。これにより、不要な信号の発生が抑制され、加速度、角速度等の計測の精度を高めることができる。 Such an inertial sensor can efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system formed on the base as heat energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system. Thereby, generation | occurrence | production of an unnecessary signal is suppressed and the precision of measurement, such as an acceleration and an angular velocity, can be improved.
[適用例2]
適用例1において、
前記弾性部に形成された抵抗層を含み、
前記弾性部は、圧電性を有し、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記弾性部の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗層の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。
[Application Example 2]
In application example 1,
Including a resistance layer formed on the elastic portion;
The elastic part has piezoelectricity,
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the elastic part,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance layer.
このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。また、この適用例の慣性センサーは、弾性部に抵抗層が形成されるため、構造が比較的単純となるため、たとえば製造を容易化することができる。 Such an inertial sensor can efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system as thermal energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system. In addition, the inertial sensor of this application example has a relatively simple structure because a resistance layer is formed on the elastic portion, and thus, for example, manufacturing can be facilitated.
[適用例3]
適用例1において、
前記弾性部に形成された圧電膜と、
前記圧電膜に形成された抵抗層と、
を含み、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記圧電膜の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗層の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。
[Application Example 3]
In application example 1,
A piezoelectric film formed on the elastic portion;
A resistance layer formed on the piezoelectric film;
Including
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the piezoelectric film,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance layer.
このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。 Such an inertial sensor can efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system as thermal energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system.
[適用例4]
適用例1において、
前記弾性部に形成され、互いに離間している一対の導電層と、
前記一対の導電層に電気的に接続された抵抗素子と、
を含み、
前記弾性部は、圧電性を有し、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記弾性部の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗素子の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。
[Application Example 4]
In application example 1,
A pair of conductive layers formed on the elastic portion and spaced apart from each other;
A resistance element electrically connected to the pair of conductive layers;
Including
The elastic part has piezoelectricity,
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the elastic part,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance element.
このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。 Such an inertial sensor can efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system as thermal energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system.
なお、本明細書では、「電気的に接続」という文言を、例えば、「特定の部材(以下「A部材」という)に「電気的に接続」された他の特定の部材(以下「B部材」という)」などと用いている。本明細書では、この例のような場合に、A部材とB部材とが、直接接して電気的に接続されているような場合と、A部材とB部材とが、他の部材を介して電気的に接続されているような場合とが含まれるものとして、「電気的に接続」という文言を用いている。 In the present specification, the term “electrically connected” refers to, for example, another specific member (hereinafter referred to as “B member”) that is “electrically connected” to a “specific member (hereinafter referred to as“ A member ”)”. ")"). In this specification, in the case of this example, the case where the A member and the B member are directly connected and electrically connected, and the A member and the B member are connected via other members. The term “electrically connected” is used to include cases where the terminals are electrically connected.
[適用例5]
適用例4において、
前記一対の導電層の間の最近接部位は、前記質量部が前記基部に対して変位したときの、前記弾性部における前記歪みの集中領域にある、慣性センサー。
[Application Example 5]
In application example 4,
The closest part between the pair of conductive layers is an inertial sensor in a region where the strain is concentrated in the elastic part when the mass part is displaced with respect to the base part.
このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとしてより効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。 Such an inertial sensor can more efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system as thermal energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system.
[適用例6]
適用例1において、
前記弾性部に形成された圧電素子と、
前記圧電素子に電気的に接続された抵抗素子と、
を含み、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記圧電素子の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗素子の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。
[Application Example 6]
In application example 1,
A piezoelectric element formed on the elastic part;
A resistive element electrically connected to the piezoelectric element;
Including
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the piezoelectric element,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance element.
このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。 Such an inertial sensor can efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system as thermal energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system.
[適用例7]
適用例4ないし適用例6のいずれか一例において、
さらに、前記慣性センサーを収納するパッケージを含み、
前記抵抗素子は、前記パッケージの外部に設けられた、慣性センサー。
[Application Example 7]
In any one of Application Example 4 to Application Example 6,
In addition, a package for storing the inertial sensor,
The resistance element is an inertial sensor provided outside the package.
このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。その上、この適用例の慣性センサーは、弾性部の振動エネルギーをパッケージ外に熱として散逸させることができるため、当該慣性センサーへの当該熱の影響を小さく抑えることができ、さらに精度を高めることができる。また、このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動を減衰させるとともに、パッケージ内を減圧状態にすることができ、熱雑音や部材の劣化を抑えることができる。 Such an inertial sensor can efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system as thermal energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system. In addition, since the inertial sensor of this application example can dissipate the vibration energy of the elastic portion as heat outside the package, the influence of the heat on the inertial sensor can be kept small, and the accuracy can be further improved. Can do. In addition, such an inertial sensor can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system and reduce the pressure in the package, thereby suppressing thermal noise and member deterioration.
[適用例8]
適用例1ないし適用例7のいずれか一例において、
前記検出部は、前記基部および前記質量部に架橋して設けられた双音叉型振動片を含み、前記双音叉型振動片の共振周波数が、前記基部と前記質量部との間に発生した力に反応する、慣性センサー。
[Application Example 8]
In any one of Application Examples 1 to 7,
The detection unit includes a double tuning fork type vibration piece provided by bridging the base part and the mass part, and the resonance frequency of the double tuning fork type vibration piece is generated between the base part and the mass part. Inertial sensor that reacts to
このような慣性センサーは、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして効率よく散逸させることができ、バネ・錐振動系の振動を減衰させることができる。その上、このような慣性センサーは、双音叉型振動片の共振周波数の変化を利用するため、極めて精度が高い。 Such an inertial sensor can efficiently dissipate the vibration energy of the spring / cone vibration system as thermal energy, and can attenuate the vibration of the spring / cone vibration system. In addition, such an inertial sensor uses a change in the resonance frequency of the double tuning fork resonator element, and thus has a very high accuracy.
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明にかかる慣性センサーは、基部、弾性部、および質量部を有する基体と、圧電変換構成と、電熱変換部と、検出部と、を含む。本発明にかかる慣性センサーは、多くの実施形態を有する。以下に説明する実施形態は、多くの実施形態のうちのいくつかの好適な実施形態を例示するものである。なお、検出部は、応力に反応するものであり、以下は変位にともなう応力に反応する変位検出部を適用した実施形態を例示したものである。またなお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含む。 The inertial sensor according to the present invention includes a base body having a base portion, an elastic portion, and a mass portion, a piezoelectric conversion configuration, an electrothermal conversion portion, and a detection portion. The inertial sensor according to the present invention has many embodiments. The embodiments described below exemplify some preferred embodiments of the many embodiments. The detection unit responds to stress, and the following is an example in which a displacement detection unit that reacts to stress accompanying displacement is applied. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, Various modifications implemented in the range which does not change the summary of this invention are included.
1.第1実施形態
本実施形態は、基体の弾性部が圧電性を有し、弾性部が圧電変換構成である場合の例である。また、本実施形態は、電熱変換部が、抵抗層によって構成される場合の例である。
1. 1st Embodiment This embodiment is an example in case the elastic part of a base | substrate has piezoelectricity and an elastic part is a piezoelectric conversion structure. Moreover, this embodiment is an example in case an electrothermal conversion part is comprised by a resistance layer.
本実施形態の例である慣性センサー100は、基体10と、圧電変換構成20と、電熱変換部30と、変位検出部40と、を含む。図1は、慣性センサー100を模式的に示す平面図である。図2は、慣性センサー100の要部(弾性部14付近)を模式的に示す平面図である。図2では、変位検出部40(双音叉型振動片42)を省略して描いている。図3および図4は、慣性センサー100の要部の断面の模式図である。図3および図4は、それぞれ、図2のA−A線の断面およびB−B線の断面に相当する。図5は、変形例にかかる慣性センサー200を模式的に示す平面図である。図6は、変形例にかかる慣性センサー300の断面の模式図である。
The
1.1.基体
基体10は、慣性センサー100に加速度、角速度等の物理量が与えられたときに、撓む部材である。すなわち基体10は、慣性センサー100に加速度等の物理量が加えられたとき、質量部16に慣性力が作用することによって撓むことができる。
1.1. Substrate The
基体10は、基部12、基部12に連続する弾性部14、および弾性部14に連続し弾性部14によって支持された質量部16を有する。そして、該質量部16は、慣性力が作用することによって、基部12に対して変位可能である。
The
基体10の形状は、基部12、弾性部14および質量部16を有するかぎり何ら限定されない。基体10の平面的な外形形状は、たとえば、矩形、円形等とすることができ、切り欠きやくびれ等を有してもよい。また、基体10の外形は、たとえば、板状、枠状(図5参照)、容器状(図6参照)などとすることができる。図1に示す慣性センサー100の例では、基体10の形状は、平面的に見て矩形の外形形状を有する板状となっている。図5に示す慣性センサー200では、基体10は、平面的に見て枠状の基部12および内側に形成された質量部16からなる形状を有している。また、図6に示す慣性センサー300では、基体10は、質量部16を内部に収容する容器状の基部12からなる形状を有している。ここで例示している基体10の外形形状は、他の実施形態においても適用することができる。
The shape of the
本実施形態では、基体10の弾性部14は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料、およびポリフッ化ビニリデン等の圧電性高分子材料の少なくとも一種で形成される。基体10は、全体が同じ材質で一体的に形成されてもよく、また各部は、互いに異なる材質で形成されてもよい。基体10の弾性部14以外の部分の材質としては、特に限定されないが、ケイ酸ガラス等のガラス、シリコン、砒化ガリウム等の半導体材料、ステンレス鋼等の金属材料、各種のゴム、高分子材料、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料などとすることができる。基体10の全体が同じ材質で一体的に形成される場合は、たとえば、製造を容易にすることができる。慣性センサー100の例では、基体10は、基部12、弾性部14および質量部16ともに水晶で一体的に形成されている。
In the present embodiment, the
基部12は、基体10を支持する部位である。基部12は、慣性センサーを自動車、航空機、カメラ、ゲーム機などの装置に搭載するときに、該装置に機械的に固定される部位である。基部12の形状は限定されない。基部12の機能としては、弾性部14を介して質量部16を支持すること、および、慣性センサー100に加速度等の物理量が入力されたときに生じる弾性部14の変位に対する基準となることなどが挙げられる。基部12に採用しうる材質は上述の通りである。慣性センサー100の例では、基部12は、水晶で形成されている。
The
弾性部14は、基部12および質量部16を連結し、基部12が質量部16を支持するようにさせる部位である。弾性部14は、基体10に複数設けられてもよい。たとえば、基部12が平面的に見て枠状の外形を有する場合、基部12の内側に質量部16を懸下するように複数の弾性部14が存在してもよい。たとえば図5に例示した慣性センサー200では、4つの弾性部14が存在する。
The
弾性部14の形状は、特に限定されない。弾性部14の形状としては、たとえば、板バネ状、弦巻バネ(コイル)状、屈曲形状などが挙げられる。慣性センサー100の例では、弾性部14は、板状の基体10において、基部12と質量部16との間の基体10の厚みの小さい部分(断面視における厚みのくびれている部分)が相当する。図5の慣性センサー200の例では、弾性部14は、枠状の基部12と質量部16との間を連結する部分が相当する。図6の慣性センサー300の例では、弾性部14は、基部12に質量部16を片持ち梁状に連結させている部分が相当する。
The shape of the
弾性部14は、弾性を有する。すなわち、弾性部14は、質量部16に慣性力が発生したときに、屈曲して質量部16を変位させる柔軟性と、質量部16が基部12に対して変位したときに、質量部16を変位する前の位置に戻そうとする復元力を有する。弾性部14の弾性率は、質量部16を支持することができるかぎり限定されない。また、弾性部14の歪み量は、弾性部14の弾性限界内となるように適宜設計されることができる。
The
本実施形態では、弾性部14は圧電性を有する。そのため、本実施形態においては、弾性部14が圧電変換構成20に相当する。よって本実施形態では、必ずしも他の圧電変換のための構成(たとえば圧電素子等)を含む必要がない。なお、本実施形態において、圧電変換構成20として、圧電素子等の他の構成が含まれても差し支えない。
In this embodiment, the
本実施形態では弾性部14は、上述した圧電性を有する材料によって構成され、慣性センサーに加速度等が入力されたときに弾性部14に生じる歪みを電界に変換することができる。このような電界は、たとえば、弾性部14に形成された導電性を有する部材等に電位差を生じさせることができる。したがって、導電性を有する部材を適宜配置することにより、該部材を介して電流(電力)を取り出すことができる。
In the present embodiment, the
弾性部14の圧電材料は、弾性部14の歪みおよび導電性の部材等の配置を考慮して、結晶軸の方向等を選択して配置されることができる。慣性センサー100の例では、弾性部14は、水晶で形成され、図1ないし図4に矢印で示すように、基部12から質量部16に向かう方向に沿って、水晶のY軸(機械軸)が配置され、かつ、弾性部14の延びる方向に沿って、水晶のX軸(電気軸)が配置されている。これにより、基体10が厚み方向(水晶のZ軸(光学軸)方向)に屈曲したときに、弾性部14において、水晶のX軸(電気軸)方向に電界が生じるようになっている。慣性センサー100では、このような結晶軸の配置を採っているため、電界を利用して電流を取り出し易くなっている。弾性部14を他の圧電材料で形成した場合も同様に、電流を取り出し易いように結晶軸等の配置を選択することができる。慣性センサー200および慣性センサー300の場合も同様に、弾性部14の電界を電流として取り出し易くなるように、適宜、結晶軸を配置することができる。
The piezoelectric material of the
質量部16は、弾性部14に連続し、弾性部14によって支持された部位である。質量部16の形状は特に限定されない。質量部16が支持される形態としては、たとえば、片持ち梁状、両持ち梁状、弾性部14によって懸下される形態などが挙げられる。質量部16は、慣性センサーに加速度等が印加されたときに、慣性抵抗(質量)となる。そのため、バネ・錐振動系に慣性力が生じると、質量部16の作用によって弾性部14に歪みを生じさせることができる。また、慣性センサーに加速度等が印加されたとき、質量部16の慣性によって、質量部16の基部12に対する相対的な位置が変化する。したがって、慣性センサーは、質量部16の基部12に対する相対的な位置の変化を検知することにより、印加された加速度等を測定することができる。慣性センサー100の例では、質量部16は、弾性部14に連続し、片持ち梁状の形状で保持されている。この例では、基体10の厚み方向に加速度が印加されることによって、弾性部14に歪みが生じ、質量部16の基部12に対する位置が変化する(図7および図8参照、後述する。)。
The
質量部16の質量は限定されず、慣性センサーが測定する物理量の種類、大きさ、および弾性部14の弾性の少なくとも一つを考慮して、適した質量とすることができる。質量部16の材質は上述の通りである。なお、質量部16には、質量を調節するために、金、白金、鉛、鉄等の比重の大きい物質などで形成されたおもりに相当する構成が含まれてもよい。
The mass of the
以上のように、基体10は、基部12、弾性部14および質量部16を有する。よって基体10は、バネ・錐振動系を構成している。これにより、基体10は、慣性センサーにおいて、仮想的な力である慣性力を、変位検出部40へ働くY軸方向の応力へと変換可能な程度の、質量部16の基部12に対する位置変化として現出させることができる。
As described above, the
1.2.圧電変換構成
本発明にかかる慣性センサーは、圧電変換構成を有する。本実施形態では、基体10の弾性部14が、圧電変換構成20である。圧電変換構成20は、基体10の弾性部14に生じた歪みを電界に変換することができる。
1.2. Piezoelectric Conversion Configuration The inertial sensor according to the present invention has a piezoelectric conversion configuration. In the present embodiment, the
圧電変換構成20である弾性部14に歪みが生じると、弾性部14に電界が生じる。このとき、弾性部14の表面に導電性の部材が設けられていると、該部材に、圧電体の電界に従った電位差(微小区間における電位差も含む)を生じさせることができる。すなわち、弾性部14に形成された導電性の部材は、弾性部14の歪みに依存した異なる電位を有する部分を生じることができる。そして、これらの部分が互いに電気的に接続されると、その接続経路に電流を生じさせることができる。
When distortion occurs in the
ここで、導電性の部材に生じる電位差とは、弾性部14に1つの導電性の部材が設けられた場合の該部材の複数の微小部分の間で生じる電位差、および、弾性部14に複数の導電性の部材が設けられた場合の、該部材の間で生じる電位差の少なくとも一方のことを指す。
Here, the potential difference generated in the conductive member means a potential difference generated between a plurality of minute portions of the
慣性センサー100の例では、弾性部14の表面に1つの導電性の部材(本実施形態では抵抗層32(後述する))が設けられている。そして、弾性部14に歪みが発生することによって、該部材の微小区間において電位差が生じ、該部材の内部に電流が発生するようになっている。慣性センサー200および慣性センサー300の例では、弾性部14の表面に複数の導電性の部材(本実施形態では抵抗層32)が設けられている。そして、弾性部14に歪みが発生することによって、該部材の微小区間において電位差が生じ、該部材の内部に電流が発生するようになっている。
In the example of the
1.3.電熱変換部
本発明にかかる慣性センサーは、電熱変換部を有する。本実施形態では、弾性部14に設けられた抵抗層32が、電熱変換部30に相当する。電熱変換部30は、基体10の弾性部14に生じた歪みに基づく電界を熱に変換する手段である。本実施形態においては、電気抵抗を有する抵抗層32に電流が流れることによって電界を熱に変換する。
1.3. Electrothermal Conversion Unit The inertial sensor according to the present invention includes an electrothermal conversion unit. In the present embodiment, the
本実施形態の慣性センサーは、電熱変換部30として、抵抗層32を有する。抵抗層32は電気抵抗を有する。抵抗層32は、弾性部14の表面に設けられている。抵抗層32の各部分(微小部分を仮定してもよい)には、弾性部14が歪むことによって生じる電界に従った電位差を生じさせることができる。この電位差に従って、抵抗層32内に電流が生じる。これにより、抵抗層32は、いわゆるジュール熱を発生させることができる。すなわち、抵抗層32(電熱変換部30)は、弾性部14(圧電変換構成20)によって生成した電気エネルギーを熱エネルギーに変換することができる。
The inertial sensor of this embodiment includes a
抵抗層32の材質としては、炭素等の無機材料、タングステン等の金属、導電性の合金、導電性高分子、などが挙げられる。また、銅、金、クロム、白金などの抵抗率の小さい金属であっても、抵抗層32の厚みを小さくするなどして、電気抵抗を有する抵抗層32とすることができる。抵抗層32は、金属の薄膜や導電性高分子などの弾性率の比較的小さい材質とすると、弾性部14の変形を束縛しにくくすることができる。
Examples of the material of the
抵抗層32は、弾性部14の表面の複数箇所に設けられてもよい。慣性センサー100の例では、抵抗層32は、基体10の一方の主面の側のみに形成されているが、基体10の他方の主面および両側面の少なくとも一箇所に設けられてもよい。また、複数の抵抗層32は、互いに電気的に独立に設けられてもよいし、複数の抵抗層32が互いに電気的に接続していてもよい。上述のように、抵抗層32内には、弾性部14に発生する電界に従った電流が発生するため、複数の抵抗層32が設けられることによって、広い面積の抵抗層32を実現することができるため、さらに電熱変換部30としての効率を高めることができる。また、抵抗層32は、必要な箇所にだけ形成することができるため、このようにした場合は、弾性部14の全体に抵抗層32を形成した場合と比較して弾性部14の変形を束縛しにくくすることができる。
The
慣性センサー100は、基体10の弾性部14が圧電体で形成され、かつ、弾性部14の表面に1つの抵抗層32が設けられている例を示している。また、慣性センサー200および慣性センサー300の例では、弾性部14の側面に複数の抵抗層32が設けられている。
The
1.4.変位検出部
変位検出部40は、たとえば、基部12に対する質量部16の変位に反応するものであり、変位によって生じたY軸方向の応力に応じて物理量を検出する構成である。変位検出部40の構成としては、たとえば、質量部16の変位によって静電容量が変化するように設けられた一対または複数の電極(図5および図6の例における電極48)、質量部16の変位によって振動周波数が変化するように設けられた振動子(振動片)、質量部16の変位によって電気抵抗が変化するように設けられた抵抗変化素子などを挙げることができる。これらのうち、変位検出部40が、振動子(振動片)で構成されると、質量部16の変位を非常に精度よく検出することができる。慣性センサー100の例では、変位検出部40は、双音叉型振動片42によって構成されている。以下、変位検出部40が双音叉型振動片42によって構成された慣性センサー100を例にとって説明する。
1.4. Displacement Detection Unit The
双音叉型振動片42は、変位検出部40として機能する。双音叉型振動片42が圧電性を有する材質で形成される場合には、適宜、双音叉型振動片42を駆動できるように励振電極等(図示せず)を配置することにより、双音叉型振動片42を振動させることができる。双音叉型振動片42が圧電性を有さない材質で形成される場合には、適宜、双音叉型振動片42に圧電素子等を設けることによって、双音叉型振動片42を振動させることができる。
The double tuning fork
慣性センサー100では、双音叉型振動片42は、基体10に両端が支持されている。すなわち、双音叉型振動片42の一方の端は、基体10の基部12に固定され、他方の端は、基体10の質量部16に固定され、基体10の基部12および質量部16を架橋するように設けられている。双音叉型振動片42は、基体10と別体で形成された後、基体10に接続されてもよいし、基体10に一体的に形成されてもよい。慣性センサー100では、双音叉型振動片42は、基体10に一体的に形成されている。したがって、慣性センサー100では、双音叉型振動片42の材質は、基体10の材質と同様であり、双音叉型振動片42の延びている方向が水晶の結晶のY軸方向となっている。
In the
基体10上において、双音叉型振動片42が形成される平面的な位置は、基体10が加速度等を受けて撓んだときに、双音叉型振動片42の長手方向の引張または圧縮の応力が生じるように配置されるかぎり限定されない。双音叉型振動片42は、慣性センサー100の基体10が加速度等を受けて厚み方向に撓んだときに、長手方向に引張または圧縮の応力が生じるように配置されている。
On the
図7および図8は、慣性センサー100の断面の模式図である。図7および図8は、図1のC−C線の断面に相当する。図7および図8は、慣性センサー100が加速度を受けたときの振る舞いを模式的に示している。図7に示すように、−Z方向の加速度αが慣性センサー100に印加されたときには、質量部16の慣性によって、基体10は、+Z方向に撓む。このとき、双音叉型振動片42は、圧縮の応力を受ける。同様に、図8に示すように、+Z方向の加速度が慣性センサー100に印加されたときには、質量部16の慣性によって、基体10は、−Z方向に撓む。このとき、双音叉型振動片42は、伸張の応力を受ける。
7 and 8 are schematic views of a cross section of the
双音叉型振動片42は、長手方向の引張または圧縮の応力が印加されると、振動の周波数が変化する。したがって、この振動の周波数変化を検出することで、基体10の質量部16が基部12に対して変位した変位量を測定することができる。
When the tensile or compressive stress in the longitudinal direction is applied to the double tuning fork
このように、慣性センサー100における変位検出部40である双音叉型振動片42は、特定の周波数で振動し、この状態における周波数の変化によって質量部16の変位を信号化することができる。双音叉型振動片42の振動の周波数の変化は、たとえば基準周波数と比較することによって、測定することができる。また、双音叉型振動片42の振動の周波数と基準周波数との差と、加速度等の大きさとの相関を予め算出してテーブル化しておけば、より容易に慣性センサー100に印加された加速度等の大きさを測定することができる。
Thus, the double tuning fork
1.5.作用効果等
上述したように、本実施形態の慣性センサー100は、基部12、圧電性を有する弾性部14(圧電変換構成20)および質量部16を有する基体10と、弾性部14に形成された抵抗層32(電熱変換部30)と、変位検出部40とを含む。これにより、慣性センサーに加速度等の物理量が印加されたとき、弾性部14に発生する歪みに関する機械エネルギーを、熱エネルギーに変換された分だけ小さくすることができるので、弾性部14に発生する振動を抑制することができる。そのため、特に、慣性センサーにインパルス状の加速度が印加され、バネ・錐振動系の共振モードが励起された場合に、基体10の振動を抑制し、バネ・錐振動系の振動エネルギーを熱エネルギーとして散逸させて、余分な振動を停止させること、および余韻を小さく抑制することの少なくとも一方を達成できる。これにより、変位検出部20からの信号にバネ・錐振動系の振動による不要な信号を混入させにくくすることができ、慣性センサーの加速度等の測定精度を向上することができる。
1.5. As described above, the
1.6.変形例
本実施形態の慣性センサーは、さらに、次のような変形が可能である。図9は、変形例にかかる慣性センサーの要部の平面図である。図10は、変形例にかかる慣性センサーの要部の断面の模式図である。図10は、図9のA−A線の断面に相当する。
1.6. Modifications The inertial sensor of the present embodiment can be further modified as follows. FIG. 9 is a plan view of a main part of an inertial sensor according to a modification. FIG. 10 is a schematic diagram of a cross section of a main part of an inertial sensor according to a modification. FIG. 10 corresponds to a cross section taken along line AA in FIG.
慣性センサー110は、弾性部14に凸部14aを有する。そして凸部14aの表面(すなわち、弾性部14の表面)に沿って、抵抗層32が形成されている。凸部14aの断面形状は特に限定されず、三角形、四角形、円弧状などとすることができる。図10の例では、凸部14aは矩形状の断面を有する。また凸部14aの平面的な形状については特に限定されない。
The inertial sensor 110 has a
凸部14aは、弾性部14に歪みが生じたときに、抵抗層32に生じる電流を大きくする機能を有する。すなわち、凸部14aの側面は、弾性部14の電気軸(X軸)に交差するため、該側面に形成された抵抗層32は、弾性部14に生じる電界をより効率よく取り出すことができる(図中矢印は、電界の方向を模式的に示している。)。これにより、弾性部14が歪んだときに、抵抗層32により多くの電流を生じさせることができる。
The
凸部14aは、弾性部14が歪んだときに生じる電界の方向に対して直交する側面を有することがさらに好ましい。また、凸部14aは、複数形成されることによって、弾性部14の電界を取り出す効率を高めることができる。
More preferably, the
図11は、複数の凸部14aが形成された場合の弾性部14の断面の模式図である。図11に示すように、複数の凸部14aを有すると、各凸部14aによって、弾性部14の電界に従った電流を取り出すことができる。凸部14aの平面的な形状は、弾性部14が歪んだときに生じる電界の方向に対して直交する方向に延びる線状の形状がより好ましい。すなわち、凸部14aが複数設けられる場合は、弾性部14が歪んだときに生じる電界の方向(X軸方向)に対して直交する方向(Y軸方向)に延びるストライプ状の形状であることがより好ましい。
FIG. 11 is a schematic diagram of a cross section of the
上記のような変形により、弾性部14の歪みエネルギーを熱エネルギーに変換する効率をさらに高めることができる。こういった変形は、他の実施形態(たとえば、第2実施形態、および第3実施形態(圧電変換構成20が圧電膜22で構成される場合))においても適用することができ、歪みエネルギーを熱エネルギーに変換する効率をさらに高めることができる。
By the above deformation, the efficiency of converting the strain energy of the
2.第2実施形態
本実施形態は、電熱変換部が、導電層と抵抗素子とを含んで構成される場合の例である。なお、本実施形態は、基体の弾性部が圧電性を有し、弾性部が圧電変換構成である場合の例である。本実施形態は、電熱変換部が、導電層と抵抗素子とを含んで構成される点で、第1実施形態と異なっている。それ以外の点については、第1実施形態およびその変形例と同様である。したがって、実質的に同様の部材については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
2. 2nd Embodiment This embodiment is an example in case an electrothermal conversion part is comprised including a conductive layer and a resistive element. This embodiment is an example in which the elastic portion of the base body has piezoelectricity and the elastic portion has a piezoelectric conversion configuration. The present embodiment is different from the first embodiment in that the electrothermal conversion unit includes a conductive layer and a resistance element. About other points, it is the same as that of a 1st embodiment and its modification. Therefore, substantially the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
本実施形態の例である慣性センサー400は、基体10と、圧電変換構成20と、電熱変換部30と、変位検出部40と、導電層34と、抵抗素子36と、を含む。慣性センサー400は、電熱変換部30が、導電層34および抵抗素子34を含んで構成され、基体10の弾性部14が圧電性を有する。以下、電熱変換部30以外の構成についての詳細な説明を省略して述べる。
An
図12は、慣性センサー400の要部(弾性部14付近)を模式的に示す平面図である。図13は、慣性センサー400の要部の断面の模式図である。図13は、図12のB−B線の断面に相当する。図14および図15は、変形例にかかる慣性センサーの要部を模式的に示す平面図である。
FIG. 12 is a plan view schematically showing the main part (near the elastic part 14) of the
2.1.基体
基体10は、慣性センサー400に加速度、角速度等の物理量が与えられたときに、撓む部材である。基体10の構成、形状、機能、材質、変形等は、第1実施形態で述べたと同様である。
2.1. Base Body The
2.2.圧電変換構成
本実施形態は、第1実施形態と同様に、基体10の弾性部14が、圧電変換構成20に相当する。圧電変換構成20は、基体10の弾性部14に生じた歪みを電界に変換することができる。圧電変換構成20の構成、形状、機能、材質、変形等は、第1実施形態で述べたと同様である。
2.2. Piezoelectric Conversion Configuration In this embodiment, the
2.3.電熱変換部
慣性センサー400では、電熱変換部30は、一対の導電層34と、抵抗素子36とを含む。
2.3. Electrothermal Conversion Unit In the
導電層34は、弾性部14に設けられる。導電層34は、互いに電気的に離間して複数設けられる。導電層34は、導電性を有し、弾性部14に生じた電界に従った電位を有することができる。これにより複数の導電層34のうちの任意の2つの導電層34(一対の導電層34)の間に電位差を生じさせることができる。すなわち、弾性部14に形成された一対の導電層34を電気的に接続することにより、該接続経路に電流を発生させることができる。
The
導電層34の機能としては、弾性部14に発生する電界を電流として取り出すことが挙げられる。導電層34の形状および配置は、弾性部14に発生する電界を取り出すことができるかぎり特に限定されない。たとえば、導電層34は、薄膜状の形状とすることができる。導電層34を薄膜状とする場合は、導電層34は、単層構造であっても多層構造であってもよい。導電層34を単層構造とする場合は、金等の化学的に安定な金属で形成することができる。導電層34を多層構造とする場合は、たとえば、基体10側から、クロム層および金層が積層した構造とすることができる。導電層34がクロム層および金層の積層構造であれば、弾性部14と導電層34との密着性を高めることができる。
A function of the
抵抗素子36は、一対の導電層34に電気的に接続される。このような電気的な接続を構成するために、さらに配線等が形成されてもよい。抵抗素子36は電気抵抗を有するため、弾性部14に歪みが発生することによって、抵抗素子36に電流が流れて、熱を発生することができる。抵抗素子36としては、炭素皮膜抵抗器、金属皮膜抵抗器等の固定抵抗器、可変抵抗器、半固定抵抗器などの抵抗器を挙げることができる。また、抵抗素子34の形態としては、素子型、チップ型などが挙げられる。また、抵抗素子34として、第1実施形態で述べた抵抗層32を適用してもよい。
The
抵抗素子36が設けられる位置は、配線(導電性の薄膜やワイヤなど)によって上記の接続が実現できるかぎり特に限定されない。抵抗素子36は、たとえば、基体10の基部12または質量部16に設けられることができる。これらの箇所のうち、抵抗素子36が基部12に設けられると、電熱変換部30による発熱を、基部12を介して外部へ散逸させやすくすることができる(図12を参照)。図12および図13に示す慣性センサー400においては、一対の導電層34からそれぞれ配線35が引き出され、基部12の表面に抵抗素子36が設けられている。
The position where the
さらに、図14に示すように、抵抗素子36を慣性センサーの外部(基体から離間した位置、および、慣性センサーがパッケージ内に納められる場合には、該パッケージの外など)に、適宜な配線35を利用して設置すると、抵抗素子36で発生する熱が慣性センサーの特性に及ぼす影響を極めて小さくすることができる。すなわち、弾性部14の歪みエネルギーを慣性センサーから十分に離間した場所において熱エネルギーとして散逸させることができる。
Further, as shown in FIG. 14, the
一対の導電層34と、抵抗素子36とからなる組は、複数設けられてもよい。図12および図13に示す例では、一対の導電層34および抵抗素子36の組が一組形成されているが、図15に示すように複数形成されていてもよい。また図示しないが弾性部14の裏面側に設けられてもよい。このようにすれば、弾性部14に生じる電界をさらに効率よく取り出すことができる。なお、図15のように、一対の導電層34と、抵抗素子36とからなる組が複数形成される場合であって、1つの組の寸法を零に近づけ、かつ、組の個数を無限に増す極限は、第1実施形態で述べた抵抗層32と実質的に同じとみなすことができる。
A plurality of sets including the pair of
2.4.変位検出部
変位検出部40は、基部12に対する質量部16の変位を検出する。本実施形態の変位検出部40は、第1実施形態と同様であり、振動片、容量が変化するように設けられた電極、抵抗変化素子等とすることができる。
2.4. Displacement Detection Unit The
2.5.作用効果等
本実施形態の慣性センサーは、基部12、圧電性を有する弾性部14(圧電変換構成20)および質量部16を有する基体10と、一対の導電層34および抵抗素子36(電熱変換部30)と、変位検出部40とを含む。これにより、慣性センサーに加速度等の物理量が印加されたとき弾性部14に発生する歪みを熱エネルギーとしてバネ・錐振動系外に逃がすことができる。これにより、変位検出部20からの信号に、バネ・錐振動系の振動による不要な信号を混入させにくくすることができ、慣性センサーの加速度等の測定精度を向上することができる。また、これに加えて、本実施形態では、電熱変換部30が、一対の導電層34および抵抗素子36によって構成される。そのため、熱エネルギーをバネ・錐振動系の系外に排出することができる。これにより、慣性センサーの熱的な安定性を向上することができる。
2.5. Effects and the like The inertial sensor of the present embodiment includes a
なお、図示しないが、慣性センサーが収容されるパッケージとしては、セラミックスのパッケージベース(容器)にリッド(蓋)が設けられたもの等を挙げることができる。このようなパッケージによれば、慣性センサーを減圧空間内に封止することができる。これによれば、変位検出部20が双音叉型振動片42である場合に、該振動片のQ値を高め、熱雑音や部材の劣化を抑えることができる。ここで、パッケージ内が減圧空間であると、バネ・錐振動系の減衰のための気体分子との摩擦抵抗も低下することになるが、本実施形態の慣性センサーによれば、双音叉型振動片42のQ値を高くできると同時に、バネ・錐振動系の振動エネルギーのみを系外に排出することができる。
Although not shown, examples of the package that accommodates the inertial sensor include a ceramic package base (container) provided with a lid (lid). According to such a package, the inertial sensor can be sealed in the decompression space. According to this, when the displacement detection unit 20 is the double tuning fork
2.6.変形例
本実施形態の慣性センサーは、さらに、次のような変形が可能である。図16は、変形例にかかる慣性センサーの要部を模式的に示す平面図である。図17は、変形例にかかる慣性センサーの要部の断面の模式図である。図17は、図16のA−A線の断面に相当する。
2.6. Modifications The inertial sensor of the present embodiment can be further modified as follows. FIG. 16 is a plan view schematically showing the main part of an inertial sensor according to a modification. FIG. 17 is a schematic diagram of a cross section of a main part of an inertial sensor according to a modification. FIG. 17 corresponds to a cross section taken along line AA of FIG.
本実施形態において、導電層34は、弾性部14の電界を効率よく取り出すために、平面的な形状を選択することができる。図16は、導電層34の形状を変形した例である。図16に例示した一対の導電層34は、平面的に見て三角形の形状を有している。そして、一組の三角形の頂点34aが、弾性部14のY方向における中央付近の領域で互いに向かい合っている。これにより、弾性部14の電界をさらに取り出しやすくなっている。すなわち、図16および図17に示すように、弾性部14が歪むとき、弾性部14のY方向における中央付近に応力集中領域14b(図中破線で囲んだ領域)が存在する。この例では、一対の導電層34が最も接近する部位(図示の例では、三角形の頂点34aの間)は、質量部16が基部12に対して変位したときに弾性部14に生じる歪みが集中する応力集中領域14bに配置されている。これにより、弾性部14に生じる電界を極めて効率よく取り出すことができる。ここでは導電層34の平面形状は、三角形の形状で例示されているが、これに限定されず、弾性部14の応力集中領域14bに、一対の導電層34が最も接近する部位が配置されるかぎり同様の効果を奏することができる。
In the present embodiment, the
図18は、変形例にかかる慣性センサーの要部を模式的に示す平面図である。図19は、変形例にかかる慣性センサーの要部の断面の模式図である。図19は、図18のB−B線の断面に相当する。 FIG. 18 is a plan view schematically showing the main part of an inertial sensor according to a modification. FIG. 19 is a schematic diagram of a cross section of a main part of an inertial sensor according to a modification. FIG. 19 corresponds to a cross section taken along line BB in FIG.
図18は、導電層34の形状を変形した他の例である。図18に例示した一対の導電層34は、平面的に見て櫛形の形状を有している。そして、一対の導電層34は、互いに櫛形を噛み合わせるように配置されている。これにより、弾性部14の電界をさらに取り出しやすくしている。導電層34の櫛形形状のピッチ、本数などは限定されない。この変形においては、さらに、第1実施形態の「1.6.変形例」で述べた変形が組み合わされている。すなわち、図19に示すように、導電層34の形状を、図11の例と同様に弾性部14に凸部14aを形成する変形を加えたものである。このようにすれば、さらに導電層34によって、弾性部14の電界を取り出しやすくすることができる。
FIG. 18 is another example in which the shape of the
導電層34は、複数設けられてもよい。慣性センサー400の例、および図14、図16等に示した変形例では、導電層34は、基体10の一方の面の側のみに形成されているが、基体10の他方の面にも設けられてもよい。また、導電層34は、基体10の側面に設けられてもよい。導電層34が複数設けられる場合は、各導電層34は、互いに離間して設けられる。そして、複数の導電層34のうちの少なくとも一対の導電層34に抵抗素子36が接続されることができる。これにより、さらに電熱変換部30としての効率を高めることができる。
A plurality of
図20は、変形例にかかる慣性センサーの弾性部14の断面の模式図である。弾性部14の上面および下面の両方の面にそれぞれ2つずつ導電層34が設けられた例を示している。図20に示す例では、4つの導電層34a、34b、34c、34dが基体10の上面側および下面側にそれぞれ2つずつ設けられている。図示の例は、弾性部14が歪んだ状態を示しており、図中の矢印は、ある瞬間において、弾性部14に生じている電界を模式的に示している。このとき、弾性部14には、上面側と下面側とで互いに反対を向く歪みが発生するため、生じる電界も反対向きになっている。各導電層は、弾性部14の電界に従った電位を有する。すなわち、図示の例では、導電層34aに対して導電層34bが高い電位を有し、導電層34cに対して導電層34dが高い電位を有している。したがって、導電層を抵抗素子36に電気的に接続する場合、一対の導電層として、導電層34aおよび導電層34bを選択することにより、抵抗素子36に熱を発生させることができる。同様に、一対の導電層として、導電層34dおよび導電層34cを選択することにより、抵抗素子36に熱を発生させることができる。また、一対の導電層として、導電層34aおよび導電層34cを選択することや、導電層34dおよび導電層34bを選択することによっても抵抗素子36に熱を発生させることができる。これら例示した導電層34の接続は、適宜組み合わせてもよいことは容易に理解されよう。
FIG. 20 is a schematic diagram of a cross section of the
3.第3実施形態
本実施形態は、基体の弾性部が圧電性を有さず、圧電膜が圧電変換構成である場合の例である。本実施形態は、基体の弾性部が圧電性を有さない点で、第1および第2実施形態と異なっている。それ以外の点については、第1実施形態および第2実施形態およびそれらの変形例と同様である。したがって、実質的に同様の部材には同様の符号を付して説明を省略する。
3. Third Embodiment This embodiment is an example in which the elastic portion of the substrate does not have piezoelectricity and the piezoelectric film has a piezoelectric conversion configuration. This embodiment is different from the first and second embodiments in that the elastic part of the base body does not have piezoelectricity. About other points, it is the same as that of 1st Embodiment, 2nd Embodiment, and those modifications. Therefore, substantially the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施形態の慣性センサー500は、基体10と、圧電変換構成20と、電熱変換部30と、変位検出部40と、を含む。慣性センサー500は、圧電変換構成20が、圧電膜22を含んで構成される。以下、圧電変換構成20以外の構成についての詳細な説明は省略して述べる。図21は、慣性センサー500の要部(弾性部14付近)を模式的に示す平面図である。図22および図23は、慣性センサー500の要部の断面の模式図である。図22および図23は、それぞれ図21のA−A線の断面およびB−B線の断面に相当する。
The
3.1.基体
本実施形態では、基体10の弾性部14は、圧電性を有さない。基体10のその他の構成、形状、機能、変形等は、第1実施形態で述べたと同様である。基体10の弾性部14は、たとえば、ケイ酸ガラス等のガラス、シリコン、砒化ガリウム等の半導体材料、ステンレス鋼等の金属材料、各種のゴム、高分子材料とすることができる。慣性センサー500の例では、基体10は、基部12、弾性部14および質量部16ともにシリコンで一体的に形成された例である。基体10の外形形状等は、第1実施形態で述べたと同様とすることができる。
3.1. Base In this embodiment, the
3.2.圧電変換構成
慣性センサー500では、圧電変換構成20は、圧電膜22によって構成される。
3.2. Piezoelectric Conversion Configuration In the
圧電膜22は、弾性部14の表面に設けられている。圧電膜22が設けられる位置は、弾性部14の歪みが伝達される範囲であれば限定されない。圧電膜22の厚みは、特に限定されないが、0.1μm以上、10μm以下とすることができる。圧電膜22の平面的な形状についても特に限定されない。
The
圧電膜22としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、ZnO(酸化亜鉛)、AlN(窒化アルミニウム)等の薄膜を挙げることができる。圧電膜22は、圧電性を有し、応力を受けて歪むことによって電界を発生することができる。そして、圧電膜22の表面に導電部材が形成されることによって、該導電部材に電流を生じさせることができる。
Examples of the
慣性センサー500は、弾性部14の表面に圧電膜22が形成されている。これにより、圧電膜22は、弾性部14の変形にしたがって応力を受けて歪むことができる。そして、圧電膜22は、歪みによって電界を発生することができる。
In the
3.3.電熱変換部
慣性センサー500は、圧電膜22に接する抵抗層32を有している。この抵抗層32によって、第1実施形態で述べたと同様に、弾性部14の歪みエネルギーを熱エネルギーに変換することができる。
3.3. Electrothermal Conversion Unit The
すなわち、本実施形態では、弾性部14が歪むことによって、圧電膜22が応力を受けて歪む。これにより、圧電膜22に電界が生じる。圧電膜22に生じた電界に従って、抵抗層32に電流が生じ、該抵抗層32の電気抵抗によって、ジュール熱が発生する。本実施形態では、第1実施形態で述べたと同様の抵抗層32が電熱変換部30となっているが、第2実施形態で述べたと同様に一対の導電層34および抵抗素子36を含んで電熱変換部30を構成してもよい。
That is, in the present embodiment, the
3.4.作用効果等
本実施形態の慣性センサーは、基体10と、圧電変換構成20と、電熱変換部30と、変位検出部40と、を含む。本実施形態の慣性センサーは、圧電変換構成20が、圧電膜22を含んで構成される。これにより、第1実施形態で述べた特徴に加えて、本実施形態では、基体10の弾性部14が圧電性を有さなくても、効率よく弾性部14に生じる歪みエネルギーを熱エネルギーとして排出することができる。
3.4. Operational Effect, etc. The inertial sensor of the present embodiment includes a
3.5.変形例
本実施形態の慣性センサー500において、圧電膜22は、複数設けられることができる。図24は、変形例にかかる慣性センサーの要部の断面の模式図である。この例では、慣性センサーは、2つの圧電膜22を有する。各圧電膜22は、抵抗層32によって電気的に接続されている。各圧電膜22が歪むことによって生じる電界の方向は、歪みの方向および各圧電膜22の結晶の配向によって設計されることができる。この例の慣性センサーでは、弾性部14が歪むことによって、圧電膜22が歪み、抵抗層32に電流が流れるようになっている。圧電膜22を複数設けることにより、弾性部14の歪みをより効率よく熱に変換することができる。また図示はしないが、圧電膜22の表面に凹凸を形成すれば、第1実施形態の変形例で述べたと同様に電界を取り出しやすくすることができる。
3.5. Modification In the
さらに、圧電膜22は、一対の導電層38によって挟持されることができる。図25および図26は、他の変形例にかかる慣性センサーの要部の断面の模式図である。この例の慣性センサーの弾性部14には、一対の導電層38によって圧電膜22が挟まれた圧電素子24が設けられている。この変形例においても、圧電膜22が圧電変換構成20に相当する。圧電膜22は、弾性部14が歪むことにより、弾性部14に接する側の導電層38が歪み、該導電層38の歪みによって歪むことができる。これにより、圧電膜22に電界が発生し、圧電膜22を挟持する一対の導電層38の間に電位差を生じさせることができる。そして、図示の例では、一対の導電層38に抵抗素子36が電気的に接続され、一対の導電層38の間の電位差によって生じる電流が抵抗素子36によって熱に変換される。
Further, the
このように圧電膜22を挟持するように導電層38を設けることにより、すなわち、圧電素子24を形成することにより、圧電膜22に生じた電界を非常に効率よく取り出すことができる。これにより、圧電変換構成20の効率をさらに高めることができる。圧電素子24は、複数設けられてもよい。また、圧電素子24の平面的な形状も限定されない。
Thus, by providing the
以上の説明において、各実施形態で例示した態様および変形は、単独あるいは複数を互いに組み合わせて、他の実施形態の慣性センサーに対して適用することができる。これにより慣性センサーにおいて各変形の単独の効果または各変形の組み合わせによる相乗的な効果を奏することができる。 In the above description, the aspects and modifications exemplified in each embodiment can be applied to the inertial sensors of other embodiments singly or in combination with each other. Thereby, in the inertial sensor, a single effect of each deformation or a synergistic effect by a combination of each deformation can be obtained.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same purposes and effects). In addition, the present invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
10…基体、12…基部、14…弾性部、14a…突部、14b…応力集中領域、
16…質量部、20…圧電変換構成、22…圧電膜、24…圧電素子、
30…電熱変換部、32…抵抗層、34,38…導電層、35…配線、36…抵抗素子、
40…変位検出部、42…双音叉型振動片、
100,200,300,400,500…慣性センサー
DESCRIPTION OF
16 ... Mass part, 20 ... Piezoelectric conversion structure, 22 ... Piezoelectric film, 24 ... Piezoelectric element,
30: Electrothermal conversion section, 32: Resistance layer, 34, 38 ... Conductive layer, 35 ... Wiring, 36 ... Resistance element,
40: Displacement detection unit, 42: Double tuning fork type resonator element,
100, 200, 300, 400, 500 ... inertial sensor
Claims (8)
前記弾性部の歪みを電界に変換する圧電変換構成と、
前記電界を熱に変換する電熱変換部と、
前記基部と前記質量部との間に発生した力に反応する検出部と、
を含む、慣性センサー。 A base, an elastic part continuous to the base, and a base having a mass part that is continuous with the elastic part and supported by the elastic part and is displaceable by an inertial force;
A piezoelectric conversion structure for converting the distortion of the elastic portion into an electric field;
An electrothermal conversion section for converting the electric field into heat;
A detection unit that reacts to a force generated between the base and the mass unit;
Including inertial sensor.
前記弾性部に形成された抵抗層を含み、
前記弾性部は、圧電性を有し、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記弾性部の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗層の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。 In claim 1,
Including a resistance layer formed on the elastic portion;
The elastic part has piezoelectricity,
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the elastic part,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance layer.
前記弾性部に形成された圧電膜と、
前記圧電膜に形成された抵抗層と、
を含み、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記圧電膜の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗層の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。 In claim 1,
A piezoelectric film formed on the elastic portion;
A resistance layer formed on the piezoelectric film;
Including
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the piezoelectric film,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance layer.
前記弾性部に形成され、互いに離間している一対の導電層と、
前記一対の導電層に電気的に接続された抵抗素子と、
を含み、
前記弾性部は、圧電性を有し、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記弾性部の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗素子の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。 In claim 1,
A pair of conductive layers formed on the elastic portion and spaced apart from each other;
A resistance element electrically connected to the pair of conductive layers;
Including
The elastic part has piezoelectricity,
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the elastic part,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance element.
前記一対の導電層の間の最近接部位は、前記質量部が前記基部に対して変位したときの、前記弾性部における前記歪みの集中領域にある、慣性センサー。 In claim 4,
The closest part between the pair of conductive layers is an inertial sensor in a region where the strain is concentrated in the elastic part when the mass part is displaced with respect to the base part.
前記弾性部に形成された圧電素子と、
前記圧電素子に電気的に接続された抵抗素子と、
を含み、
前記圧電変換構成は、前記歪みを前記圧電素子の圧電性によって前記電界に変換し、
前記電熱変換部は、前記電界を前記抵抗素子の電気抵抗によって前記熱に変換する、慣性センサー。 In claim 1,
A piezoelectric element formed on the elastic part;
A resistive element electrically connected to the piezoelectric element;
Including
The piezoelectric conversion configuration converts the strain into the electric field by the piezoelectricity of the piezoelectric element,
The electrothermal conversion unit is an inertial sensor that converts the electric field into the heat by an electric resistance of the resistance element.
さらに、前記慣性センサーを収納するパッケージを含み、
前記抵抗素子は、前記パッケージの外部に設けられた、慣性センサー。 In any one of Claims 4 thru | or 6,
In addition, a package for storing the inertial sensor,
The resistance element is an inertial sensor provided outside the package.
前記検出部は、前記基部および前記質量部に架橋して設けられた双音叉型振動片を含み、前記双音叉型振動片の共振周波数が、前記基部と前記質量部との間に発生した力に反応する、慣性センサー。 In any one of Claims 1 thru | or 7,
The detection unit includes a double tuning fork type vibration piece provided by bridging the base part and the mass part, and the resonance frequency of the double tuning fork type vibration piece is generated between the base part and the mass part. Inertial sensor that reacts to
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