JP2012242260A - Physical quantity sensor and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物理量センサー、およびこれを用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a physical quantity sensor and an electronic device using the same.
近年、デジタルカメラ等の撮像機器の手ぶれ補正や、GPS信号を用いた車両等の移動体ナビゲーションシステムなどの姿勢制御として、角速度を検出する角速度センサーが多く用いられている。また、角速度センサーとして、センサー面内の角速度を検出できるようなものも知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載のセンサーは、センサー面に平行なフレームと、横方向に配置された2つの質量部と、フレーム内側にあり2つの質量部に接続された連結部と、駆動するためのアクチュエーターと、検出のための変換器と、を備え、連結部は質量部が垂直方向へ動くように制限する構成となっている。
2. Description of the Related Art In recent years, angular velocity sensors that detect angular velocities are often used for camera shake correction of imaging devices such as digital cameras and attitude control of mobile navigation systems such as vehicles using GPS signals. Further, an angular velocity sensor that can detect an angular velocity in the sensor surface is also known (see, for example, Patent Document 1).
The sensor described in Patent Document 1 includes a frame parallel to the sensor surface, two mass parts arranged in the lateral direction, a coupling part inside the frame and connected to the two mass parts, and an actuator for driving And a converter for detection, and the connecting part is configured to restrict the mass part to move in the vertical direction.
しかしながら、特許文献1に記載されている構成では、質量部の振幅変位量を確保することが難しい。質量部の振幅変位量が少ないと、角速度センサーの検出感度が低下してしまう。また、必要な振幅変位量を得るために高い駆動能力の駆動部が必要となり、センサーの大型化を招いてしまう。 However, in the configuration described in Patent Document 1, it is difficult to ensure the amplitude displacement amount of the mass part. When the amplitude displacement amount of the mass part is small, the detection sensitivity of the angular velocity sensor is lowered. In addition, in order to obtain a necessary amplitude displacement amount, a drive unit having a high drive capability is required, resulting in an increase in the size of the sensor.
本発明の目的は、質量部の振幅変位量を確保し、高い検出感度を有する小型の物理量センサーおよびこれを用いた電子機器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a small physical quantity sensor that secures an amplitude displacement amount of a mass part and has high detection sensitivity, and an electronic apparatus using the same.
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 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 forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る物理量センサーは、基板と、前記基板の上方であって、第1軸の方向に並んで配置された2つの質量部と、前記2つの質量部のそれぞれに設けられ、前記第1軸と平面視で垂直な第2軸の方向に設けられた第1捻りバネと、前記第1捻りバネを軸として、前記2つの質量部を互いに反対方向に回動振動させる駆動部と、前記第1捻りバネを介して前記2つの質量部のそれぞれに接続され、前記質量部から受ける力を伝達する力伝達部と、前記力伝達部のそれぞれに設けられ、前記力に応じた変位量を電気信号として検出する検出部と、を備えることを特徴とする。 [Application Example 1] A physical quantity sensor according to this application example includes a substrate, two mass parts arranged above the substrate in the direction of the first axis, and each of the two mass parts. The first torsion spring provided in the direction of the second axis perpendicular to the first axis in plan view, and the two mass parts rotating in the opposite directions with the first torsion spring as an axis A drive unit that is connected to each of the two mass units via the first torsion spring, the force transmission unit that transmits the force received from the mass unit, and the force transmission unit, And a detector that detects a displacement amount corresponding to the electric signal as an electrical signal.
本適用例によれば、2つの質量部を第1捻りバネを回転軸として回動振動させるため、少ない駆動電力により充分な振幅変位量を確保することができる。2つの質量部が、回転軸まわりに互いに第3軸(Z軸)方向に逆位相で回動振動する際に、第1軸(X軸)まわりに角速度が入力されると、2つの質量部が受けるコリオリ力により力伝達部が第2軸(Y軸)方向に変位し、力伝達部に設けた検出部を用いて第1軸回りの角速度を検出することができる。角速度センサーの場合、振幅変位を得られれば振幅速度をも速く設定できるため、微小なコリオリ力の検出が可能となる(高感度化)。従って、高い検出感度の高性能な物理量センサーを提供できる。 According to this application example, since the two mass portions are rotated and vibrated using the first torsion spring as the rotation axis, a sufficient amplitude displacement amount can be ensured with a small driving power. When an angular velocity is input around the first axis (X axis) when the two mass parts rotate and vibrate in the third axis (Z axis) direction around the rotation axis, the two mass parts The force transmission unit is displaced in the second axis (Y-axis) direction by the Coriolis force received by the sensor, and the angular velocity around the first axis can be detected using the detection unit provided in the force transmission unit. In the case of the angular velocity sensor, if the amplitude displacement can be obtained, the amplitude velocity can be set fast, so that a minute Coriolis force can be detected (high sensitivity). Therefore, a high-performance physical quantity sensor with high detection sensitivity can be provided.
[適用例2]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記駆動部は、前記第2軸の方向に設けられた第2捻りバネを介して前記基板に固定され、前記第2捻りバネを軸として回動振動することが好ましい。 Application Example 2 In the physical quantity sensor according to the application example, the drive unit is fixed to the substrate via a second torsion spring provided in the direction of the second axis, and the second torsion spring is used as an axis. It is preferable to vibrate.
本適用例によれば、駆動部は、第2捻りバネを軸とした回転軸を備え、例えば、前記回転軸まわりに回動振動を許容しその他の運動を制限する少なくとも1本以上のアームを介して前記基板に固定されるので、当該回転軸まわりにのみ運動することができる。この回動振動を、接続部を介して隣接する2つの質量部へ伝達することで、少ない駆動エネルギーを効率的に2つの質量部の振動エネルギーに変換することができる。従って、少ない消費電力で高効率な物理量センサーを提供することができる。 According to this application example, the drive unit includes a rotation shaft with the second torsion spring as an axis, and includes, for example, at least one arm that allows rotational vibration around the rotation shaft and restricts other movements. Since it is fixed to the substrate via, it can move only around the rotation axis. By transmitting this rotational vibration to two adjacent mass parts via the connecting part, it is possible to efficiently convert a small amount of drive energy into vibration energy of the two mass parts. Therefore, a highly efficient physical quantity sensor with low power consumption can be provided.
[適用例3]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記駆動部は、前記駆動部に設けた電極と前記基板に設けた電極との間の静電力により回動振動することが好ましい。 Application Example 3 In the physical quantity sensor according to the application example described above, it is preferable that the driving unit is rotated and vibrated by an electrostatic force between an electrode provided on the driving unit and an electrode provided on the substrate.
本適用例によれば、例えば、駆動部に設けた電極にプラスの電圧を印加し、駆動部の電極に対向する基板の電極にマイナスの電圧を印加することにより静電力が働き、駆動部がシーソーのように揺れ動き、それにより質量部のそれぞれを互いに反対方向に回動振動させることができる。 According to this application example, for example, a positive voltage is applied to the electrode provided in the drive unit, and a negative voltage is applied to the electrode of the substrate facing the electrode of the drive unit. It swings like a seesaw, so that each of the mass parts can be rotated and vibrated in opposite directions.
[適用例4]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記2つの質量部のそれぞれは、接続部を介して前記駆動部に接続されていることが好ましい。 Application Example 4 In the physical quantity sensor according to the application example described above, it is preferable that each of the two mass units is connected to the driving unit via a connection unit.
本適用例によれば、2つの質量部を互いに隣接させ駆動部と接続器により機械的に接続させることで、駆動部からの駆動力を効率良く伝達させることができる。さらに2つの質量部、駆動部、接続器を小面積範囲内に設置することができ、物理量センサーを小型にすることができる。 According to this application example, the driving force from the driving unit can be efficiently transmitted by causing the two mass units to be adjacent to each other and mechanically connected by the driving unit and the connector. Furthermore, two mass parts, a drive part, and a connector can be installed in a small area range, and a physical quantity sensor can be reduced in size.
[適用例5]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記力伝達部のそれぞれは、前記質量部の周囲の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。 Application Example 5 In the physical quantity sensor according to the application example described above, it is preferable that each of the force transmission units is provided at least at a part around the mass unit.
本適用例によれば、力伝達部を駆動部および2つの質量部の周囲の少なくとも一部に設けることにより、力伝達部の外部に検出部を接続すれば省スペース化を図ることができる。このような形態にすることで、力伝達部内側の質量部の面積を大きく取ることができ、即ち、質量部の質量を大きくすることができる。角速度により発生するコリオリ力は質量に比例するので、質量を大きくすることで高感度化が図られる。また、力伝達部は一体化されている必要は無く、複数の質量体と機械ばねで構成されていても良い。力伝達部を複数の質量体と機械ばねに分割することにより、コリオリ検出に必要な力の伝達を効率よく行い、それ以外の不要な力や振動の伝達を抑制することができる。 According to this application example, by providing the force transmission unit at least at a part of the periphery of the drive unit and the two mass units, space can be saved by connecting the detection unit to the outside of the force transmission unit. By setting it as such a form, the area of the mass part inside a force transmission part can be taken large, ie, the mass of a mass part can be enlarged. Since the Coriolis force generated by the angular velocity is proportional to the mass, the sensitivity can be increased by increasing the mass. Moreover, the force transmission part does not need to be integrated, and may be composed of a plurality of mass bodies and mechanical springs. By dividing the force transmission unit into a plurality of mass bodies and mechanical springs, it is possible to efficiently transmit force necessary for Coriolis detection and to suppress transmission of other unnecessary force and vibration.
[適用例6]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記第1捻りバネは、前記質量部の前記第2軸上の対向する側面の各々に設けられたことが好ましい。 Application Example 6 In the physical quantity sensor according to the application example, it is preferable that the first torsion spring is provided on each of the opposing side surfaces of the mass unit on the second axis.
本適用例によれば、質量部内に設けられた第1捻りバネを、対向する側面の各々に設け、質量部と力伝達部とを接続する複数の捻りばねによって形成したことで、質量部を効率よく回動振動させることができる。特に、2つの捻りばねで回転軸を形成した場合、回動振動のQ値を高くすることができ、質量部にエネルギーロスの少ない振動を与えることができる。振動のQ値が高いほど、少ない駆動エネルギーで質量部の大きな変位量が得られるので、物理量センサーの高感度化に繋がる。従って、高性能な物理量センサーを得ることができる。 According to this application example, the first torsion spring provided in the mass part is provided on each of the opposing side surfaces, and the mass part is formed by the plurality of torsion springs connecting the mass part and the force transmission unit. It is possible to efficiently rotate and vibrate. In particular, when the rotating shaft is formed by two torsion springs, the Q value of the rotational vibration can be increased, and vibration with less energy loss can be given to the mass portion. The higher the Q value of vibration, the greater the displacement of the mass part can be obtained with less drive energy, leading to higher sensitivity of the physical quantity sensor. Therefore, a high-performance physical quantity sensor can be obtained.
[適用例7]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記第1捻りバネは、前記第2捻りバネと平行に設けられていることが好ましい。 Application Example 7 In the physical quantity sensor according to the application example, it is preferable that the first torsion spring is provided in parallel with the second torsion spring.
本適用例によれば、質量部内に設けられた回転軸を駆動部の回転軸と平行にすることにより、駆動部による振動エネルギーを効率良く質量部の振動エネルギーに変換することができる。これにより、駆動部の低消費電力化が行える。 According to this application example, the vibration energy generated by the drive unit can be efficiently converted into the vibration energy of the mass unit by making the rotation axis provided in the mass unit parallel to the rotation axis of the drive unit. Thereby, the power consumption of the drive unit can be reduced.
[適用例8]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記2つの質量部は、前記第2捻りバネに対して互いに対称な位置に配置されていることが好ましい。 Application Example 8 In the physical quantity sensor according to the application example described above, it is preferable that the two mass parts are arranged at positions symmetrical to each other with respect to the second torsion spring.
本適用例によれば、質量部が第2捻りバネに対して対称な位置に配置されることにより、一方の質量部と他方の質量部との回動振動の変位量を等しくすることができ、物理量検出の精度を向上することができる。
[適用例9]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記検出部は、前記力伝達部に設けられている可動電極部と、前記基板上に設けられ且つ前記可動電極部に対向する位置に設けられている固定電極部と、を含むことが好ましい。
According to this application example, by disposing the mass portion in a symmetrical position with respect to the second torsion spring, it is possible to equalize the amount of displacement of rotational vibration between one mass portion and the other mass portion. The accuracy of physical quantity detection can be improved.
Application Example 9 In the physical quantity sensor according to the application example described above, the detection unit is provided at a position where the detection unit is provided on the substrate and the movable electrode unit provided on the substrate and is opposed to the movement electrode unit. It is preferable to include a fixed electrode portion.
本適用例によれば、第1軸(X軸)回りに角速度が入力され、コリオリ力により力伝達部が第2軸(Y軸)の方向に変位すると、力伝達部に設けた可動電極部と、基板に設けられ可動電極部と対向する位置に設けられた固定電極部との間の距離が変位することにより静電容量が変化し、それにより第1軸回りの角速度を検出することができる。 According to this application example, when an angular velocity is input around the first axis (X axis) and the force transmission unit is displaced in the direction of the second axis (Y axis) by the Coriolis force, the movable electrode unit provided in the force transmission unit And the capacitance between the fixed electrode portion provided on the substrate and the fixed electrode portion provided at a position facing the movable electrode portion is changed, whereby the angular velocity around the first axis can be detected. it can.
[適用例10]本適用例に係る電子機器は、適用例1ないし9のいずれか一例に記載の物理量センサーを搭載したことを特徴とする。 Application Example 10 An electronic apparatus according to this application example is characterized in that the physical quantity sensor described in any one of Application Examples 1 to 9 is mounted.
本適用例によれば、高感度で且つ小型化を実現した電子機器を提供することができる。 According to this application example, it is possible to provide an electronic device with high sensitivity and reduced size.
以下、本発明の物理量センサーおよびこれを用いた電子機器を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。 Hereinafter, a physical quantity sensor of the present invention and an electronic apparatus using the same will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings. In the following drawings, the scale of each layer and each member is made different from the actual scale so that each layer and each member can be recognized.
図1は、本発明の物理量センサーの第1実施形態に係る模式概略平面図、図2は本発明の物理量センサーの第1実施形態に係る詳細な模式平面図である。図3は、図2に示した物理量センサーの動作を説明する模式斜視図(a)と模式側面図(b)である。
なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示している。また、以下では、X軸(第1軸)に平行な方向を「X軸方向」、Y軸(第2軸)に平行な方向をY軸方向、Z軸(第3軸)に平行な方向を「Z軸方向」と言う。以下では、本発明の物理量センサーに関し、X軸(第1軸)まわりの角速度を検知する角速度センサーに適用させ、詳しく述べる。なお、ばね類は、便宜的に線で表している。
FIG. 1 is a schematic plan view according to the first embodiment of the physical quantity sensor of the present invention, and FIG. 2 is a detailed schematic plan view according to the first embodiment of the physical quantity sensor of the present invention. FIG. 3 is a schematic perspective view (a) and a schematic side view (b) for explaining the operation of the physical quantity sensor shown in FIG.
In each figure, for convenience of explanation, an X axis, a Y axis, and a Z axis are illustrated as three axes orthogonal to each other. In the following, the direction parallel to the X axis (first axis) is the “X axis direction”, the direction parallel to the Y axis (second axis) is the Y axis direction, and the direction is parallel to the Z axis (third axis). Is referred to as “Z-axis direction”. Hereinafter, the physical quantity sensor of the present invention will be described in detail by applying it to an angular velocity sensor that detects an angular velocity around the X axis (first axis). The springs are represented by lines for convenience.
(実施形態1)
図1に示すように、物理量センサー1は、基板2に平行なセンサー面3上に形成されており、X軸方向に対向配置された一対の質量部(2つの質量部)4と、それぞれの質量部4内に設けられ、Y軸に平行な第1捻りばね8で形成された回転軸J1,J2と、対向する2つの質量部4を第1の周波数を用いて互いに逆相で回転軸J1,J2まわりに回動させる駆動部5と、回転軸8を介して質量部4に発生した力を伝達する力伝達部6と、力伝達部6に接続されており、受けた力に応じた変位量を電気信号として検出する検出部7と、を有している。さらに駆動部5は、第2捻りばね9からなる回転軸J3を有し、その回転軸J3まわりに回転運動をする際に、接続部10を介してその回転運動を質量部4へ伝達できるような構成をとっている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the physical quantity sensor 1 is formed on a
このような物理量センサー1によれば、質量部4は回転軸J1,J2まわりに回動振動するので、センサー面3に対して垂直に変位させるよりも振幅変位を得やすい。角速度センサーの場合、振幅変位と同時に振幅速度も速くなるため、それに応じたコリオリ力の検出が容易となる(高感度化)。さらに、回転軸J1,J2と接続部10との位置関係を自由に設定できる点を活かし、梃子の原理を用いて少ない駆動力で最大かつ最適な振幅変位量を設定することができる。少ない駆動力で駆動できれば、物理量センサー1のサイズを小さくすることができる。したがって、高い検出感度を有する小型の物理量センサー1を提供することができる。
According to such a physical quantity sensor 1, the
(振動系構造体)
以下、物理量センサー1について図2を用いて更に具体的に説明する。基板2に平行なセンサー面3が設けられ、物理量センサー1が形成されている。物理量センサー1は、センサー面3に平行でX軸方向に対向配置された第1質量部210と、第2質量部310を有している。2つの質量部210,310は隣接して設置されており、それぞれの質量部210,310には捻りばね219,220から成る回転軸J1と、捻りばね319,320から成る回転軸J2が形成されている。即ち、2つの質量部210,310はそれぞれ回転軸J1,J2について回動することが可能な構造となっている。
(Vibration structure)
Hereinafter, the physical quantity sensor 1 will be described more specifically with reference to FIG. A
また、第1質量部210と第2質量部310との中間領域には、駆動部5が設置されている。この駆動部5は、基板2に固定された基板固定部(アンカー)30,31にそれぞれ機械的に接続された捻りばね40,41により懸架されている。更にこの駆動部5は、基板2上に設けられた電極260,360に所定の周波数にて電圧を交互に加えることにより、捻りばね40,41から形成される回転軸J3を中心にシーソー運動を行うよう設計されている。なお、図示しないが、基板2上の電極260,360に対向する位置には駆動用の下部電極が形成されている。そして、第1質量部210へは第1接続部221、第2質量部310へは第2接続部321、を介して運動を伝達することができる。即ち、この駆動部5を用いて、第1質量部210と第2質量部310とを、所定の周波数を用いて逆位相で運動させることができるようになっている。
Further, the
(検出系構造体)
一方、第1質量部210に隣接して設けられた第1力伝達部211と第2力伝達部212は、それぞれ板ばね253,254、板ばね251,252、により、基板固定部(アンカー)242,31、基板固定部(アンカー)241,30、へ固定されている。この時、板ばね251〜254は全てX軸方向へは硬く、Y軸方向へは柔らかく設計されている。更に、第1力伝達部211と第2力伝達部212は、捻りばね219,220により第1質量部210に機械的に接続されている。捻りばね219,220は、回転軸J1まわりには柔らかくY軸方向には硬く設計されており、捻りばね219,220がY軸方向に力F1を受けると、その力F1をそのまま第1力伝達部211と第2力伝達部212へ伝達する構造となっている。
(Detection system structure)
On the other hand, the first
そして、力F1は、X軸方向へは柔らかく、Y軸方向へは硬く設計された板ばね222,223により、第1力伝達部211と第2力伝達部212から、第3力伝達部213へと伝達される。第3力伝達部213には、力F1に応じた変位量を電気信号として検出する第1検出部218が接続されている。より詳細には、第1検出部218は、第3力伝達部213に繋がれY軸方向に可動な第1検出櫛歯の第1電極215と、基板2に固定され互いに異なる電位に接続された第1検出櫛歯の第2電極216、および第3電極217、とにより構成された櫛歯ユニット214を複数個有している。
The force F1 is soft in the X-axis direction and hard in the Y-axis direction by the
力F1に応じた変位量は、第1電極215と他の2つの電極(第2電極216、第3電極217)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。但し、第1検出部218は、第3力伝達部213および第1電極215がX軸方向へ変位したとしても、容量変化の差分は生じないので、検出信号は発生しない。つまりY軸方向のみの変位量を検出することができる。なお、第1力伝達部211、第2力伝達部212、および第3力伝達部213は、見かけ上、第1質量部210を囲むフレームを形成しているとも言える。
The amount of displacement corresponding to the force F1 changes the capacitance between the
また、第2質量部310に隣接して設けられた第4力伝達部311と第5力伝達部312は、それぞれ板ばね353,354、板ばね351,352、により、基板固定部(アンカー)344,31、基板固定部(アンカー)343,30、へ固定されている。この時、板ばね353,354,351,352、は全てX軸方向へは硬く、Y軸方向へは柔らかく設計されている。更に、第4力伝達部311と第5力伝達部312は、捻りばね319,320により第2質量部310に機械的に接続されている。捻りばね319,320は、回転軸J2まわりには柔らかくY軸方向には硬く設計されており、捻りばね319,320がY軸方向に力F2を受けると、その力F2をそのまま第4力伝達部311と第5力伝達部312へ伝達する構造となっている。
Further, the fourth
そして、力F2は、X軸方向へは柔らかく、Y軸方向へは硬く設計された板ばね322,323により、第4力伝達部311と第5力伝達部312から、第6力伝達部313へと伝達される。第6力伝達部313には、力F2に応じた変位量を電気信号として検出する第2検出部318が接続されている。より詳細には、第2検出部318は、第6力伝達部313に繋がれY軸方向に可動な第2検出櫛歯の第1電極315と、基板2に固定され互いに異なる電位に接続された第2検出櫛歯の第2電極316、および第3電極317、とにより構成された櫛歯ユニット314を複数個有している。
The force F2 is soft in the X-axis direction and hard in the Y-axis direction by the
力F2に応じた変位量は、第1電極315と他の2つの電極(第2電極316、第3電極317)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。但し、第2検出部318についても、第6力伝達部313および第1電極315がX軸方向へ変位したとしても、容量変化の差分は生じないので、検出信号は発生しない。つまり第1検出部218と同様にY軸方向のみの変位量を検出することができる。なお、第4力伝達部311、第5力伝達部312、および第6力伝達部313は、見かけ上、第2質量部310を囲むフレームを形成しているとも言える。
The amount of displacement corresponding to the force F2 changes the capacitance between the
このような構成によれば、物理量センサー1は、X軸まわりの角速度に応じて発生するコリオリ力を、力F1およびF2へ変換し、第1検出部218と第2検出部318における静電容量変化として検出することができる。以下に、図3を用いてその動作原理を詳細に説明する。
According to such a configuration, the physical quantity sensor 1 converts the Coriolis force generated according to the angular velocity around the X axis into the forces F1 and F2, and the electrostatic capacitance in the
(動作原理)
図3は、物理量センサー1の動作原理を説明する模式図であり、(a)は模式斜視図、(b)は模式側面略図である。物理量センサー1内に設けられた駆動部5が、図示しない基板2上に形成された駆動用下部電極に駆動電圧を加えることにより、回転軸J3まわりに回動振動している。つまり、駆動部5はセンサー面上で回転軸J3を支点にシーソー運動を行っている。駆動部5と第1質量部210および第2質量部310とは、第1接続部221および第2接続部321を介して物理的に接続されているため、駆動部5の運動が第1質量部210と第2質量部310へ伝達される。
(Operating principle)
3A and 3B are schematic diagrams for explaining the operation principle of the physical quantity sensor 1. FIG. 3A is a schematic perspective view, and FIG. 3B is a schematic side view. The
駆動部5の運動がこれら2つの質量部210,310へ伝達されると、それぞれの質量部210,310は各々の回転軸J1,J2と一致する捻りばね(図示せず)で力伝達部6に接続されているため、それぞれの回転軸J1,J2を中心に回動振動を行う。このとき、第1質量部210と第2質量部310は、各接続部221,321と回転軸J1,J2の位置関係から、梃子の原理を利用して回動振動の振幅変位量をより大きく取ることができる(図3(b)参照)。
When the movement of the
このような回動振動を行っている第1質量部210と第2質量部310に、X軸まわりの角速度が入力されると、その回動方向(V1、V2)に応じてコリオリ力(図2中の力F1およびF2)が生じる。発生したコリオリ力F1,F2は、図示しない捻りばねによって力伝達部6へと伝達される。この伝達された力に応じた変位量を検出部7により検出する。このようにして、物理量センサー1が形成された面内の軸、例えばX軸やY軸に対する角速度を計測することができる。
When an angular velocity around the X axis is input to the
(実施形態2)
図4は、本発明の第2実施形態に係る模式平面図である。なお、実施形態1と重複する部材には、実施形態1と同じ図番を付している。基板2に平行なセンサー面3が設けられ、物理量センサー11が形成されている。物理量センサー11は、センサー面3に平行でX軸方向に対向配置された第1質量部410と、第2質量部510を有している。2つの質量部410,510は隣接して設置されており、それぞれの質量部410,510には捻りばね419,420から成る回転軸J1と、捻りばね519,520から成る回転軸J2が形成されている。即ち、2つの質量部410,510は、それぞれ回転軸J1,J2について回動することが可能な構造となっている。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic plan view according to the second embodiment of the present invention. Note that the same reference numerals as those in the first embodiment are assigned to members that overlap those in the first embodiment. A
また、第1質量部410と第2質量部510との中間領域には、駆動部51が設置されている。この駆動部51は、基板2に固定された基板固定部(アンカー)30,31にそれぞれ機械的に接続された捻りばね40,41により懸架されている。更にこの駆動部51は、基板2上に設けられた電極260,360に所定の周波数にて電圧を交互に加えることにより、捻りばね40,41から形成される回転軸J3を中心にシーソー運動を行うよう設計されている。なお、図示しないが、基板2上の電極260,360に対向する位置には駆動用の下部電極が形成されている。そして、第1質量部410へは第1接続部421、第2質量部510へは第2接続部521、を介して運動を伝達することができる。即ち、この駆動部51を用いて、第1質量部410と第2質量部510とを、所定の周波数を用いて逆位相で運動させることができるようになっている。
In addition, the
この駆動部51は、第1実施形態の駆動部5と比して小型に形成されている。その代わりに、第1質量部410との第1接続部421、第2質量部510との第2接続部521を、捻りばね419,420から成る回転軸J1と捻りばね519,520から成る回転軸J2より内側に、即ち駆動部51に近接して、設けられている。
The
物理量センサー11の第1力伝達部211と第2力伝達部212には、力に応じた変位量を電気信号として検出する第1検出部418が接続されている。より詳細には、第1検出部418は、第1力伝達部211と第2力伝達部212に繋がれY軸方向に可動な可動電極部としての第1検出櫛歯の第1電極415と、基板2に固定され互いに異なる電位に接続された固定電極部としての第1検出櫛歯の第2電極416、および第3電極417、とにより構成された櫛歯ユニット414を複数個有している。
力F1に応じた変位量は、第1電極415と他の2つの電極(第2電極416、第3電極417)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。なお、第3力伝達部213は、第1力伝達部211、第2力伝達部212に接続され、見かけ上、三者で第1質量部410を囲むフレームを形成しているとも言える。
A
The amount of displacement corresponding to the force F1 changes the capacitance between the
物理量センサー11の第4力伝達部311と第5力伝達部312には、力F2に応じた変位量を電気信号として検出する第2検出部518が接続されている。より詳細には、第2検出部518は、第4力伝達部311と第5力伝達部312に繋がれY軸方向に可動な第2検出櫛歯の第1電極515と、基板2に固定され互いに異なる電位に接続された第2検出櫛歯の第2電極516、および第3電極517、とにより構成された櫛歯ユニット514を複数個有している。
力F2に応じた変位量は、第1電極515と他の2つの電極(第2電極516、第3電極517)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。なお、第6力伝達部313は、第4力伝達部311、第5力伝達部312に接続され、見かけ上、三者で第2質量部510を囲むフレームを形成しているとも言える。
A
The amount of displacement corresponding to the force F2 changes the capacitance between the
(動作原理)
図5は、物理量センサー11の動作原理を説明する模式図であり、(a)は模式斜視図、(b)は模式側面略図である。物理量センサー11内に設けられた駆動部51が、図示しない基板2上に形成された駆動用下部電極に駆動電圧を加えることにより、回転軸J3まわりに回動振動している。つまり、駆動部51はセンサー面上で回転軸J3を支点にシーソー運動を行っている。駆動部51と第1質量部410および第2質量部510とは、第1接続部421および第2接続部521を介して物理的に接続されているため、駆動部51の運動が第1質量部410と第2質量部510へ伝達される。
(Operating principle)
5A and 5B are schematic diagrams for explaining the operation principle of the
駆動部51の運動がこれら2つの質量部410,510へ伝達されると、それぞれの質量部410,510は各々の回転軸J1,J2と一致する捻りばね(図示せず)で力伝達部6に接続されているため、それぞれの回転軸J1,J2を中心に回動振動を行う。このとき、第1質量部410と第2質量部510は、接続部421,521と回転軸J1,J2の位置関係から、梃子の原理を利用して回動振動の振幅変位量をより大きく取ることができる(図5(b)参照)。
When the movement of the
このような回動振動を行っている第1質量部410と第2質量部510に、X軸まわりの角速度が入力されると、その回動方向(V1,V2)に応じてコリオリ力F1,F2が生じる。発生したコリオリ力F1,F2は、図示しない捻りばねによって力伝達部6へと伝達される。この伝達された力に応じた変位量を検出部7により検出する。このようにして、物理量センサー11面内の軸、例えばX軸やY軸に対する角速度を計測することができる。
When an angular velocity around the X axis is input to the
図4および図5に示した第2実施形態では、駆動部51は第1実施形態の駆動部5と比して小型に形成されているが、回転軸J1,J2の位置関係から、梃子の原理を利用して各質量部410,510の振幅変位量を自在に設定することができる。更に、物理量センサー11の力伝達部6に対し、Y軸方向に検出部7を延在させたので、X軸方向の占有幅を少なくすることができる。
In the second embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the
(変形例1)
図6は、実施形態1の物理量センサーにおける検出部の変形例を示す模式平面図である。物理量センサー1において力伝達部6は、より詳細には第1力伝達部211、第2力伝達部212、第3力伝達部213により構成されている。検出部7は、3つの力伝達部のうち第3力伝達部213に接続された第1検出部618から成っている。更に、第1検出部618は、第3力伝達部213に繋がれY軸方向に可動な第1検出容量の第1電極615と、基板2に固定され互いに異なる電位に接続された第1検出容量の第2電極616、および第3電極617、とにより構成された静電容量ユニット614(第1の検出容量部)を複数個有している。
力に応じた変位量は、第1電極615と他の2つの電極(第2電極616、第3電極617)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。但し、第1検出部618は、第3力伝達部213および第1電極615がX軸方向へ変位したとしても、容量変化の差分は生じないので、検出信号は発生しない。つまりY軸方向のみの変位量を検出することができる。
(Modification 1)
FIG. 6 is a schematic plan view illustrating a modification of the detection unit in the physical quantity sensor according to the first embodiment. More specifically, in the physical quantity sensor 1, the
The amount of displacement corresponding to the force changes the capacitance between the
検出部7をこのような構成としたことで、信号検出に必要な静電容量の面積を大きくすることができる。即ち、コリオリ力による容量変化の差分を大きく取ることができ、物理量センサー1の感度を高めることができる。なお、上記では実施形態1の検出部7の変形例について説明したが、実施形態2の検出部においても同様に適用できる。
Since the
(変形例2)
図7は、実施形態1の物理量センサーにおける検出部の変形例を示す模式平面図である。物理量センサー1において力伝達部6は、「コ」の字型をした一体型の力伝達部611により構成されている。力伝達部611が力を受けたときに応力が集中する部位に、圧電体による第1の検出部711が形成されている。圧電体を用いた応力検出では、圧縮応力による容量変化と引張応力による容量変化を比較することで検出することができる。
本変形例では、第1圧電体712と第2圧電体713を設け、その差分を検出することでコリオリ力から伝達される力量を検知する構成とした。この場合でも、力伝達部611が単純にX軸方向へ変位したとしても、その差分は生じないので検出信号は発生しない。つまりY軸方向のみの変位量を検出することができる。
(Modification 2)
FIG. 7 is a schematic plan view illustrating a modification of the detection unit in the physical quantity sensor according to the first embodiment. In the physical quantity sensor 1, the
In this modification, the first
検出部7をこのような構成としたことで、信号検出に必要な面積を小さくすることができる。即ち、物理量センサー1の小型化が可能となる。なお、上記では実施形態1の検出部7の変形例について説明したが、実施形態2の検出部においても同様に適用できる。
Since the
(変形例3)
図8は、本発明の変形例を示す模式平面図である。物理量センサー14は、基板2に平行なセンサー面3内に、X軸に関するX軸物理量センサー12、Y軸に関するY軸物理量センサー13、を有している。X軸物理量センサー12は、第2実施形態の物理量センサー11の構成を具備しており、X軸方向の必要面積が小さい形態で配置されている。このX軸物理量センサー12は、X軸まわりの角速度を高感度に検出することができる。一方、Y軸物理量センサー13は、第1実施形態の物理量センサー1の構成を具備しており、90度回転させて配置されているため、X軸方向の必要面積が小さい形態で配置されている。このY軸物理量センサー13は、Y軸まわりの角速度を高感度に検出することができる。
(Modification 3)
FIG. 8 is a schematic plan view showing a modification of the present invention. The
以上のように、物理量センサー14は、第1実施形態の物理量センサー1と第2実施形態の物理量センサー11をうまく組み合わせることで、X軸まわりとY軸まわりの各物理量センサーを最小の面積で構成することができる。従って、物理量センサー14は、小型で高感度な多軸物理量センサーを提供できる。
As described above, the
図9は、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。
この図9において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。
このようなパーソナルコンピューター1100には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する本発明の物理量センサー1が内蔵されている。
FIG. 9 is a perspective view illustrating a configuration of a mobile (or notebook) personal computer to which an electronic device including the physical quantity sensor of the present invention is applied.
In FIG. 9, a
Such a
図10は、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。
この図10において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部100が配置されている。
このような携帯電話機1200には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する本発明の物理量センサー1が内蔵されている。
FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of a mobile phone (including PHS) to which an electronic device including the physical quantity sensor of the present invention is applied.
In FIG. 10, a
Such a
図11は、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図11には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部100は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。
また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
FIG. 11 is a perspective view illustrating a configuration of a digital still camera to which an electronic device including the physical quantity sensor of the present invention is applied. Note that FIG. 11 also shows a simple connection with an external device.
Here, a normal camera sensitizes a silver halide photographic film with a light image of a subject, whereas a
A
A
撮影者が表示部100に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。
また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。
このようなディジタルスチルカメラ1300には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する本発明の物理量センサー1が内蔵されている。
When the photographer confirms the subject image displayed on the
In the
Such a
なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、図9のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図10の携帯電話機、図11のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等に適用することができる。 In addition to the personal computer of FIG. 9 (mobile personal computer), the mobile phone of FIG. 10, and the digital still camera of FIG. Inkjet printers), laptop personal computers, televisions, video cameras, video tape recorders, car navigation devices, pagers, electronic notebooks (including those with communication functions), electronic dictionaries, calculators, electronic game devices, word processors, workstations, televisions Telephone, crime prevention TV monitor, electronic binoculars, POS terminal, medical equipment (for example, electronic thermometer, blood pressure monitor, blood glucose meter, electrocardiogram measuring device, ultrasonic diagnostic device, electronic endoscope), fish detector, various measuring devices, instruments Type (e.g., vehicle, Sky machine, gauges of a ship), can be applied to a flight simulator or the like.
以上、本発明の物理量センサーを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。
また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。
The physical quantity sensor of the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part may be replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.
In addition, any other component may be added to the present invention. Further, the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the above embodiments.
1…物理量センサー、2…基板、3…センサー面、4…質量部、5…駆動部、6…力伝達部、7…検出部、8,9…捻りばね、10…接続部、11…物理量センサー(第2実施形態)、12…X軸物理量センサー、13…Y軸物理量センサー、14…X軸およびY軸の物理量センサー、30,31…基板固定部(アンカー)、40,41…捻りばね、51…駆動部、210…第1質量部、211…第1力伝達部、212…第2力伝達部、213…第3力伝達部、214…第1検出部の櫛歯ユニット、215…第1検出櫛歯の第1電極、216…第1検出櫛歯の第2電極、217…第1検出櫛歯の第3電極、218…第1検出部、219,220…捻りばね、221…第1接続部(接続部)、222,223…板ばね、241,242…基板固定部(アンカー)、251〜254…板ばね、260…電極、310…第2質量部、311…第4力伝達部、312…第5力伝達部、313…第6力伝達部、314…第2検出櫛歯、315…第2検出櫛歯の第1の電極、316…第2検出櫛歯の第2の電極、317…第2検出櫛歯の第3の電極、318…第2検出部、319,320…捻りばね、321…第2接続部(接続部)、322,323…板ばね、341,342…基板固定部(アンカー)、351〜354…板ばね、360…電極、410…第1質量部、414…第1の検出櫛歯部、415…第1検出櫛歯の第1の電極、416…第1検出櫛歯の第2の電極、417…第1検出櫛歯の第3の電極、418…第1検出部、419,420…捻りばね、421…第1接続部(接続部)、510…第1質量部、514…第1の検出櫛歯部、515…第1検出櫛歯の第1の電極、516…第1検出櫛歯の第2の電極、517…第1検出櫛歯の第3の電極、518…第1検出部、519,420…捻りばね、521…第1接続部(接続部)、614…第1の検出容量部、615…第1検出容量の第1の電極、616…第1検出容量の第2の電極、617…第1検出容量の第3の電極、618…第1検出部、711…第1の検出部、712…第1圧電体、713…第2圧電体、100…表示部、1100…パーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1300…ディジタルスチルカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1312…ビデオ信号出力端子、1314…入出力端子、1430…テレビモニター、1440…パーソナルコンピューター、J1…第1質量部内の回転軸、J2…第2質量部内の回転軸、J3…駆動部の回転軸、V1…第1質量部の回動方向、V2…第2質量部の回動方向、F1,F2…コリオリ力。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Physical quantity sensor, 2 ... Board | substrate, 3 ... Sensor surface, 4 ... Mass part, 5 ... Drive part, 6 ... Force transmission part, 7 ... Detection part, 8, 9 ... Torsion spring, 10 ... Connection part, 11 ... Physical quantity Sensor (second embodiment), 12 ... X-axis physical quantity sensor, 13 ... Y-axis physical quantity sensor, 14 ... X-axis and Y-axis physical quantity sensor, 30, 31 ... Substrate fixing part (anchor), 40, 41 ... Torsion spring , 51... Drive unit, 210... First mass unit, 211... First force transmission unit, 212... Second force transmission unit, 213. First electrode of first detection comb teeth, 216... Second electrode of first detection comb teeth, 217... Third electrode of first detection comb teeth, 218... First detection portion, 219, 220. 1st connection part (connection part), 222,223 ... leaf spring, 241,242 ... board fixed Part (anchor), 251 to 254 ... leaf spring, 260 ... electrode, 310 ... second mass part, 311 ... fourth force transmission part, 312 ... fifth force transmission part, 313 ... sixth force transmission part, 314 ... first 2 detection comb teeth, 315... First electrode of second detection comb teeth, 316... Second electrode of second detection comb teeth, 317... Third electrode of second detection comb teeth, 318. 319, 320 ... torsion spring, 321 ... second connection part (connection part), 322, 323 ... leaf spring, 341, 342 ... substrate fixing part (anchor), 351-354 ... leaf spring, 360 ... electrode, 410 ... 1st mass part, 414 ... 1st detection comb tooth part, 415 ... 1st electrode of 1st detection comb tooth, 416 ... 2nd electrode of 1st detection comb tooth, 417 ... 1st detection
Claims (10)
前記基板の上方であって、第1軸の方向に並んで配置された2つの質量部と、
前記2つの質量部のそれぞれに設けられ、前記第1軸と平面視で垂直な第2軸の方向に設けられた第1捻りバネと、
前記第1捻りバネを軸として、前記2つの質量部を互いに反対方向に回動振動させる駆動部と、
前記第1捻りバネを介して前記2つの質量部のそれぞれに接続され、前記質量部から受ける力を伝達する力伝達部と、
前記力伝達部のそれぞれに設けられ、前記力に応じた変位量を電気信号として検出する検出部と、を備えることを特徴とする物理量センサー。 A substrate,
Two mass parts arranged above the substrate and aligned in the direction of the first axis;
A first torsion spring provided in each of the two mass parts and provided in the direction of a second axis perpendicular to the first axis in plan view;
A drive unit configured to rotate and vibrate the two mass units in opposite directions around the first torsion spring;
A force transmitting part connected to each of the two mass parts via the first torsion spring to transmit a force received from the mass part;
A physical quantity sensor, comprising: a detection unit provided in each of the force transmission units and detecting a displacement amount corresponding to the force as an electrical signal.
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