JP2020122730A - 慣性センサー、電子機器および移動体 - Google Patents

慣性センサー、電子機器および移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】ストッパーの変位を抑制し、ストッパーとしての機能をより確実に発揮することのできる慣性センサー、電子機器および移動体を提供する。【解決手段】互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、慣性センサーは、基板と、前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動する可動体と、前記可動体を支持し、前記基板に固定されている固定部と、前記基板に固定され、前記可動体と接触することにより、前記可動体の前記Ｚ軸まわりの回転変位を規制するストッパーと、を有し、前記ストッパーと前記基板とが接合されているストッパー接合領域は、前記Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、前記可動体を前記Ｙ軸に沿う方向に延長した第１領域内に位置し、前記ストッパーの前記第１領域外に位置する部分は、前記基板から離間している。【選択図】図１

Description

本発明は、慣性センサー、電子機器および移動体に関するものである。
例えば、特許文献１に記載された慣性センサーは、Ｚ軸方向の加速度を検出可能なセンサーであり、基板と、基板に対してＹ軸方向に沿う揺動軸まわりにシーソー揺動する可動体と、基板に設けられた固定検出電極と、を有する。また、可動体は、揺動軸を挟んで設けられ、互いに揺動軸まわりの回転モーメントが異なる第１可動部および第２可動部を有する。また、固定検出電極は、可動部の第１可動部と対向して基板に配置された第１固定検出電極と、可動部の第２可動部と対向して基板に配置された第２固定検出電極と、を有する。
このような構成の慣性センサーでは、Ｚ軸方向の加速度が加わると可動体が揺動軸まわりにシーソー揺動し、それに伴って、第１可動部と第１固定検出電極との間の静電容量および第２可動部と第２固定検出電極との間の静電容量が互いに逆相で変化する。そのため、この静電容量の変化に基づいてＺ軸方向の加速度を検出することができる。
また、特許文献１に記載された慣性センサーは、基板に固定され、可動体の回転変位を抑制するためのストッパーを有する。
特開２０１５−０１７８８６号公報
しかしながら、特許文献１に記載された慣性センサーでは、ストッパーが可動体よりも揺動軸から遠い位置において基板に固定されている。そのため、例えば、熱膨張等によって基板に反りが生じると、その反りに起因して、ストッパーが可動体に対して変位し易く、その変位量も大きくなり易い。そのため、例えば、ストッパーが可動体に接近し過ぎて、可動体の揺動軸まわりの揺動を阻害するおそれがある。また、反対に、ストッパーが可動体から離間し過ぎて、可動体が回転変位してもストッパーに接触せず、ストッパーとしての機能を発揮できなくなるおそれがある。
実施形態に記載の慣性センサーは、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、
基板と、
前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動する可動体と、
前記可動体を支持し、前記基板に固定されている固定部と、
前記基板に固定され、前記可動体と接触することにより、前記可動体の前記Ｚ軸まわりの回転変位を規制するストッパーと、を有し、
前記ストッパーと前記基板とが接合されているストッパー接合領域は、前記Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、前記可動体を前記Ｙ軸に沿う方向に延長した第１領域内に位置し、
前記ストッパーの前記第１領域外に位置する部分は、前記基板から離間していることを特徴とする慣性センサー。
第１実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。 図１中のＡ−Ａ線断面図。 図１中のＢ−Ｂ線断面図。 センサー素子およびストッパーの基板との固定部を示す平面図。 従来構成の問題を説明するための断面図。 本実施形態の効果を説明するための断面図。 図１に示す慣性センサーの変形例を示す平面図。 図１に示す慣性センサーの変形例を示す平面図。 図１に示す慣性センサーの変形例を示す平面図。 図１に示す慣性センサーの変形例を示す平面図。 図１に示す慣性センサーの変形例を示す平面図。 図１に示す慣性センサーの変形例を示す平面図。 第２実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。 図１３中のＣ−Ｃ線断面図。 第３実施形態に係る電子機器としてのスマートフォンを示す平面図。 第４実施形態に係る電子機器としての慣性計測装置を示す分解斜視図。 図１６に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図。 第５実施形態に係る電子機器としての移動体測位装置の全体システムを示すブロック図。 図１８に示す移動体測位装置の作用を示す図。 第６実施形態に係る移動体を示す斜視図。
以下、本発明の慣性センサー、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１中のＢ−Ｂ線断面図である。図４は、センサー素子およびストッパーの基板との固定部を示す平面図である。図５は、従来構成の問題を説明するための断面図である。図６は、本実施形態の効果を説明するための断面図である。図７ないし図１２は、それぞれ、図１に示す慣性センサーの変形例を示す平面図である。
以下では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とする。また、Ｘ軸に沿う方向すなわちＸ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」とも言う。また、各軸の矢印方向先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」とも言い、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。また、本願明細書において、「直交」とは、９０°で交わっている場合の他、９０°から若干傾いた角度、例えば９０°±５°程度の範囲内で交わっている場合も含むものである。同様に、「平行」についても、両者のなす角度が０°の場合の他、±５°程度の範囲内の差を有する場合も含まれる。
図１に示す慣性センサー１は、Ｚ軸方向の加速度Ａｚを検出する加速度センサーである。このような慣性センサー１は、基板２と、基板２上に配置されたセンサー素子３と、センサー素子３の不要な変位を抑制するストッパー４と、センサー素子３およびストッパー４を覆うように基板２に接合された蓋５と、を有する。
図１に示すように、基板２は、上面側に開口する凹部２１を有する。また、Ｚ軸方向からの平面視で、凹部２１は、センサー素子３およびストッパー４を内側に内包するように、センサー素子３およびストッパー４よりも大きく形成されている。また、図２および図３に示すように、基板２は、凹部２１の底面２１１から突出して設けられた突起状の第１マウント２２および第２マウント２３を有する。そして、第１マウント２２の上面にセンサー素子３が接合され、第２マウント２３の上面にストッパー４が接合されている。また、図１に示すように、基板２は、上面側に開放する溝２５、２６、２７を有する。
基板２としては、例えば、Ｎａ＋等の可動イオンであるアルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックスガラス、テンパックスガラス（いずれも登録商標）のような硼珪酸ガラスで構成されたガラス基板を用いることができる。ただし、基板２としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板やセラミックス基板を用いてもよい。
また、図１に示すように、基板２には電極８が設けられている。電極８は、凹部２１の底面２１１に配置された第１固定検出電極８１、第２固定検出電極８２およびダミー電極８３を有する。また、基板２は、溝２５、２６、２７に配置された配線７５、７６、７７を有する。
各配線７５、７６、７７の一端部は、蓋５外に露出し、外部装置との電気的な接続を行う電極パッドＰとして機能する。また、配線７５は、センサー素子３、ストッパー４およびダミー電極８３と電気的に接続され、配線７６は、第１固定検出電極８１と電気的に接続され、配線７７は、第２固定検出電極８２と電気的に接続されている。
図２に示すように、蓋５は、下面側に開口する凹部５１を有する。蓋５は、凹部５１内にセンサー素子３およびストッパー４を収納するように、基板２の上面に接合されている。そして、蓋５および基板２によって、その内側に、センサー素子３およびストッパー４を収納する収納空間Ｓを形成している。収納空間Ｓは、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入され、使用温度（−４０℃〜１２０℃程度）で、ほぼ大気圧となっていることが好ましい。ただし、収納空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。
蓋５としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。ただし、蓋５としては、特に限定されず、例えば、ガラス基板やセラミックス基板を用いてもよい。また、基板２と蓋５との接合方法としては、特に限定されず、基板２や蓋５の材料によって適宜選択すればよく、例えば、陽極接合、プラズマ照射によって活性化させた接合面同士を接合させる活性化接合、ガラスフリット等の接合材による接合、基板２の上面および蓋５の下面に成膜した金属膜同士を接合する拡散接合等を用いることができる。本実施形態では、低融点ガラスからなるガラスフリット５９によって基板２と蓋５とが接合されている。
センサー素子３は、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をエッチング、深溝エッチング技術であるボッシュ・プロセスによってパターニングすることにより形成される。このセンサー素子３は、図１に示すように、第１マウント２２の上面に接合された固定部３１と、固定部３１に対してＹ軸に沿う揺動軸Ｊまわりに揺動可能な可動体３２と、固定部３１と可動体３２とを接続する梁３３と、を有する。第１マウント２２と固定部３１とは、例えば、陽極接合されている。
可動体３２は、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸方向を長手とする長方形状となっている。また、可動体３２は、Ｚ軸方向からの平面視で、揺動軸Ｊを間に挟んで配置された第１可動部３２１および第２可動部３２２を有する。第１可動部３２１は、揺動軸Ｊに対してＸ軸方向プラス側に位置し、第２可動部３２２は、揺動軸Ｊに対してＸ軸方向マイナス側に位置する。また、第１可動部３２１は、第２可動部３２２よりもＸ軸方向に長く、加速度Ａｚが加わったときの揺動軸Ｊまわりの回転モーメントが第２可動部３２２よりも大きい。この回転モーメントの差によって、加速度Ａｚが加わった際に可動体３２が揺動軸Ｊまわりにシーソー揺動する。なお、シーソー揺動とは、第１可動部３２１がＺ軸方向プラス側に変位すると、第２可動部３２２がＺ軸方向マイナス側に変位し、反対に、第１可動部３２１がＺ軸方向マイナス側に変位すると、第２可動部３２２がＺ軸方向プラス側に変位することを意味する。
また、可動体３２は、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔３２５を有する。また、可動体３２は、第１可動部３２１と第２可動部３２２との間に位置する開口３２４を有する。そして、開口３２４内に固定部３１および梁３３が配置されている。このように、可動体３２の内側に固定部３１および梁３３を配置することにより、センサー素子３の小型化を図ることができる。ただし、貫通孔３２５は、省略してもよい。また、固定部３１や梁３３の配置は、特に限定されず、例えば、後述する別の実施形態のように、可動体３２の外側に位置していてもよい。
基板２の底面２１１に配置された電極８の説明に戻ると、図１および図２に示すように、第１固定検出電極８１は、第１可動部３２１の基端部と対向して配置され、第２固定検出電極８２は、第２可動部３２２と対向して配置され、ダミー電極８３は、第１可動部３２１の先端部と対向して配置されている。言い換えると、Ｚ軸方向からの平面視で、第１固定検出電極８１は、第１可動部３２１の基端部と重なって配置され、第２固定検出電極８２は、第２可動部３２２と重なって配置され、ダミー電極８３は、第１可動部３２１の先端部と重なって配置されている。
慣性センサー１の駆動時には、配線７５を介してセンサー素子３に駆動電圧が印加され、第１固定検出電極８１とＱＶアンプとが配線７６により接続され、第２固定検出電極８２と別のＱＶアンプとが配線７７により接続される。これにより、第１可動部３２１と第１固定検出電極８１との間に静電容量Ｃａが形成され、第２可動部３２２と第２固定検出電極８２との間に静電容量Ｃｂが形成される。
慣性センサー１に加速度Ａｚが加わると、可動体３２が揺動軸Ｊを中心にしてシーソー揺動する。この可動体３２のシーソー揺動により、第１可動部３２１と第１固定検出電極８１とのギャップと、第２可動部３２２と第２固定検出電極８２とのギャップと、が逆相で変化し、これに応じて静電容量Ｃａ、Ｃｂが互いに逆相で変化する。そのため、慣性センサー１は、静電容量Ｃａ、Ｃｂの差分（変化量）に基づいて加速度Ａｚを検出することができる。
ストッパー４は、上述のような可動体３２の揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動以外の不要な変位、特に、Ｘ軸方向への変位、Ｙ軸方向への変位、固定部３１を中心としたＺ軸まわりの回転変位等のＸ−Ｙ面内方向への変位を抑制する機能を有する。このようなストッパー４を設けることにより、可動体３２の不要な方向への過度な変位を効果的に抑制することができ、センサー素子３の破損を効果的に抑制することができる。このようなストッパー４は、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をエッチング、深溝エッチング技術であるボッシュ・プロセスによってパターニングすることにより形成される。特に、本実施形態では、同一のシリコン基板からセンサー素子３とストッパー４とが一括形成されている。これにより、ストッパー４の形成が容易となる。
また、前述したように、ストッパー４は、センサー素子３と同様に、配線７５と電気的に接続されている。そのため、ストッパー４とセンサー素子３とが同電位となり、これらの間に寄生容量や静電引力が生じるおそれが実質的にない。そのため、ストッパーに起因した加速度Ａｚの検出特性の低下を効果的に抑制することができる。ただし、これに限定されず、ストッパー４は、センサー素子３と同電位でなくてもよい。例えば、ストッパー４は、グランド電位となってもよいし、電気的に浮いていてもよい。
また、図１に示すように、ストッパー４は、Ｚ軸方向からの平面視で、センサー素子３の周囲を囲む枠状の支持部４１と、支持部４１の内側に位置し、支持部４１に支持されたストッパー本体４２と、を有する。このようなストッパー４は、Ｚ軸方向からの平面視で、凹部２１よりも小さく形成されており、凹部２１の内側に内包されている。
また、ストッパー本体４２は、可動体３２の第１可動部３２１の先端部に位置する一方の角部３２３と対向して配置されている。また、可動体３２とストッパー本体４２との間には、可動体３２の揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動を許容できる程のギャップＧが形成されている。角部３２３は、可動体３２の内で固定部３１から最も遠位に位置し、前述したＺ軸まわりの回転変位が生じた際に最も変位量が大きい。そのため、角部３２３と対向してストッパー本体４２を形成することにより、ストッパー本体４２に可動体３２が接触し易くなり、ストッパーとしての効果をより確実に発揮することができる。また、ギャップＧを比較的大きく形成することもできるため、ストッパー４の形成やギャップ管理が容易となる。なお、ギャップＧの大きさとしては、特に限定されず、センサー素子３のサイズ等によっても異なるが、例えば、１〜５μｍ程度とすることができる。
また、ストッパー本体４２は、角部３２３とＸ軸方向に対向するＸ変位規制部４２１と、角部３２３とＹ軸方向に対向するＹ変位規制部４２２と、を有する。例えば、可動体３２がＸ軸方向に変位すると、角部３２３がＸ変位規制部４２１と接触して、可動体３２のそれ以上の変位が規制され、可動体３２がＹ軸方向に変位すると、角部３２３がＹ変位規制部４２２と接触して、可動体３２のそれ以上の変位が規制される。また、可動体３２がＺ軸まわりに回転変位しても、角部３２３がＸ変位規制部４２１またはＹ変位規制部４２２と接触して、可動体３２のそれ以上の変位が規制される。なお、Ｘ変位規制部４２１と可動体３２とのギャップＧと、Ｙ変位規制部４２２と可動体３２とのギャップとは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。なお、Ｘ変位規制部４２１とＹ変位規制部４２２とは図１に示すように互いに接続される必要は無く、それぞれ別に設けられた突起であってもよい。
このような構成のストッパー４は、図１および図３に示すように、支持部４１において、第２マウント２３の上面に接合されている。以下、ストッパー４と第２マウント２３との接合領域であるストッパー接合領域４０について詳細に説明する。なお、ストッパー４は、ストッパー接合領域４０以外の部分では、基板２から離間して遊離した状態となっている。
ストッパー接合領域４０は、可動体３２のＹ軸方向両側に１つずつ設けられている。つまり、可動体３２のＹ軸方向プラス側に１つのストッパー接合領域４０が位置し、可動体３２のＹ軸方向マイナス側に１つのストッパー接合領域４０が位置している。このように、２つのストッパー接合領域４０を設けることによって、ストッパー４を安定した姿勢で支持することができる。ただし、ストッパー接合領域の数は、特に限定されず、後述する実施形態のように１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
また、図４に示すように、Ｚ軸方向からの平面視で、可動体３２をＹ軸方向に延長した領域を第１領域Ｑ１とすると、各ストッパー接合領域４０は、第１領域Ｑ１内に位置している。そして、ストッパー４のストッパー接合領域４０以外の部分、特に、第１領域Ｑ１外の部分は、基板２から離間している。つまり、図２に示すように、ストッパー４の下面と凹部２１の底面との間にギャップＧ１が形成されている。なお、第１領域Ｑ１は、言い換えると、可動体３２のＸ軸方向プラス側の端を通りＹ軸に平行な第１仮想線Ｌ１と、可動体３２のＸ軸方向マイナス側の端を通りＹ軸に平行な第２仮想線Ｌ２と、の間の領域とも言える。そして、第１領域Ｑ１外に位置する部分とは、第１仮想線Ｌ１よりＸ軸方向プラス側および第２仮想線Ｌ２よりＸ軸方向マイナス側の部分である。
ストッパー接合領域４０をこのような配置とすることにより、例えば、基板２と蓋５との熱膨張係数差に起因して基板２に反りが生じても、可動体３２とストッパー本体４２との位置ずれが生じ難くなる。そのため、基板２の反り状態によらず、ストッパー４としての機能をより確実に発揮することができる。
以下、具体的に説明すると、例えば、図５に示すように、ストッパー４が第１領域Ｑ１外において基板２に固定されている場合、基板２が反ると、それに伴ってストッパー本体４２が変位し、可動体３２とストッパー本体４２との位置関係が大きくずれてしまう。ストッパー本体４２が可動体３２に接近してしまうと、ストッパー本体４２が可動体３２の揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動を阻害するおそれがあり、反対に、ストッパー本体４２が可動体３２から離間してしまうと、可動体３２がＸ−Ｙ面内に不要な変位をした際にストッパー本体４２に接触することができないおそれがある。つまり、ストッパー４としての機能を発揮することができなくなる。これに対して、図６に示すように、ストッパー４が第１領域Ｑ１内において基板２に固定されている場合、基板２の反りに伴うストッパー本体４２の変位が図５よりも抑制され、その分、可動体３２とストッパー本体４２との位置ずれを抑制することができる。そのため、本実施形態の慣性センサー１によれば、基板２の反りに関係なく、ストッパー４としての機能をより確実に発揮することができる。
また、図４に示すように、各ストッパー接合領域４０は、Ｚ軸方向からの平面視で、揺動軸Ｊと重なって配置されている。これにより、ストッパー接合領域４０を、固定部３１により接近させることができる。このように、センサー素子３と基板２との接合領域である固定部接合領域３１０と、ストッパー接合領域４０とを近接させることにより、基板２の反りに伴う固定部接合領域３１０とストッパー接合領域４０との位置ずれがより小さくなる。そのため、センサー素子３に対するストッパー４の位置ずれがより効果的に抑制され、基板２の反りに関係なく、ストッパー４としての機能をより確実に発揮することができる。
さらに、図４に示すように、固定部３１をＹ軸方向に延長した領域を第２領域Ｑ２とすると、各ストッパー接合領域４０は、第２領域Ｑ２内に位置している。そして、ストッパー４のストッパー接合領域４０以外の部分は、その全域、特に第２領域Ｑ２外に位置する部分が基板２から離間している。なお、第２領域Ｑ２は、言い換えると、固定部３１のＸ軸方向プラス側の端を通りＹ軸に平行な第３仮想線Ｌ３と、固定部３１のＸ軸方向マイナス側の端を通りＹ軸に平行な第４仮想線Ｌ４と、の間の領域とも言える。そして、第２領域Ｑ２外に位置する部分とは、第３仮想線Ｌ３よりＸ軸方向プラス側および第４仮想線Ｌ４よりＸ軸方向マイナス側の部分である。このような構成によれば、ストッパー接合領域４０を固定部接合領域３１０により近接させることができると共に、ストッパー接合領域４０の面積がより小さくなる。そのため、基板２の反りに伴う、ストッパー本体４２と可動体３２との位置ずれがより効果的に抑制され、基板２の反りに関係なく、ストッパー４としての機能をより確実に発揮することができる。
さらに、図４に示すように、梁３３をＹ軸方向に延長した領域を第３領域Ｑ３とすると、各ストッパー接合領域４０は、第３領域Ｑ３内に位置している。そして、ストッパー４のストッパー接合領域４０以外の部分は、その全域、特に第３領域Ｑ３側に位置する部分が基板２から離間している。なお、第３領域Ｑ３は、言い換えると、梁３３のＸ軸方向プラス側の端を通りＹ軸に平行な第５仮想線Ｌ５と、梁３３のＸ軸方向マイナス側の端を通りＹ軸に平行な第６仮想線Ｌ６と、の間の領域とも言える。そして、第３領域Ｑ３外に位置する部分とは、第５仮想線Ｌ５よりＸ軸方向プラス側および第６仮想線Ｌ６よりＸ軸方向マイナス側の部分である。このような構成によれば、ストッパー接合領域４０を固定部接合領域３１０にさらに近接させることができると共に、ストッパー接合領域４０の面積をさらに小さくなる。そのため、基板２の反りに伴う、ストッパー本体４２と可動体３２との位置ずれがさらに効果的に抑制され、基板２の反りに関係なく、ストッパー４としての機能をさらに確実に発揮することができる。
以上、慣性センサー１について説明した。慣性センサー１は、前述したように、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、基板２と、Ｙ軸に沿う揺動軸Ｊまわりに揺動する可動体３２と、可動体３２を支持し、基板２に固定されている固定部３１と、基板２に固定され、可動体３２と接触することにより、可動体３２のＺ軸まわりの回転変位を規制するストッパー４と、を有する。そして、ストッパー４と基板２とが接合されているストッパー接合領域４０は、Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、可動体３２をＹ軸に沿う方向に延長した第１領域Ｑ１内に位置し、ストッパー４の第１領域Ｑ１外に位置する部分は、基板２から離間している。ストッパー４を、このような構成とすることにより、基板２の反りに伴うストッパー４の変位が抑制され、その分、可動体３２とストッパー４との位置ずれを抑制することができる。そのため、ストッパー４は、基板２の反りに影響されることなく、その機能をより確実に発揮することができる。
また、前述したように、ストッパー接合領域４０は、Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、固定部３１をＹ軸に沿う方向に延長した第２領域Ｑ２内に位置し、ストッパー４の第２領域Ｑ２外に位置する部分は、基板２から離間している。ストッパー４を、このような構成とすることにより、基板２の反りに伴うストッパー４の変位がより効果的に抑制され、その分、可動体３２とストッパー４との位置ずれをより効果的に抑制することができる。
また、前述したように、ストッパー接合領域４０は、Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、揺動軸Ｊと重なっている。そのため、ストッパー接合領域４０を固定部３１により接近させることができ、基板２の反りに伴う固定部接合領域３１０とストッパー接合領域４０との位置ずれがより小さくなる。そのため、センサー素子３に対するストッパー４の位置ずれがより効果的に抑制され、基板２の反りに関係なく、ストッパー４としての機能をより確実に発揮することができる。
また、前述したように、可動体３２と固定部３１とを接続する梁３３を有し、ストッパー接合領域４０は、Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、梁３３をＹ軸に沿う方向に延長した第３領域Ｑ３内に位置し、ストッパー４の第３領域Ｑ３外に位置する部分は、基板２から離間している。ストッパー４を、このような構成とすることにより、基板２の反りに伴うストッパー４の変位がさらに効果的に抑制され、その分、可動体３２とストッパー４との位置ずれをさらに効果的に抑制することができる。
また、前述したように、ストッパー４は、固定部３１と別体であり、ストッパー接合領域４０は、固定部３１と基板２とが接合されている固定部接合領域３１０と異なる位置にある。このような構成によれば、センサー素子３およびストッパー４の設計自由度が高まる。
また、前述したように、固定部３１は、平面視で、可動体３２の内側に位置している。そのため、センサー素子３の小型化を図ることができる。
また、前述したように、可動体３２は、揺動軸Ｊを挟んで配置されている第１可動部３２１および揺動軸Ｊまわりの回転モーメントが第１可動部３２１と異なる第２可動部３２２を備える。また、慣性センサー１は、基板２に配置され、第１可動部３２１と対向している第１固定検出電極８１と、基板２に配置され、第２可動部３２２と対向している第２固定検出電極８２と、を有する。このような構成によれば、Ｚ軸方向の加速度Ａｚを検出可能な慣性センサー１となる。具体的には、Ｚ軸方向の加速度Ａｚが加わると、可動体３２が揺動軸まわりに揺動し、それに伴って、第１可動部３２１と第１固定検出電極８１との間の静電容量Ｃａおよび第２可動部３２２と第２固定検出電極８２との間の静電容量Ｃｂが変化するため、これら静電容量Ｃａ、Ｃｂの変化に基づいて加速度Ａｚを検出することができる。
なお、本実施形態では、ストッパー接合領域４０の全域が第３領域Ｑ３内に位置している構成について説明したが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、第３領域Ｑ３をはみ出して第２領域Ｑ２内に位置していてもよいし、図８に示すように、第２領域Ｑ２内でかつ第３領域Ｑ３外に位置していてもよいし、図９に示すように、第１領域Ｑ１内でかつ第２領域Ｑ２外に位置していてもよい。このような構成によっても、本実施形態と同様の効果を発揮することができる。
また、本実施形態では、ストッパー４の支持部４１がセンサー素子３を囲む枠状となっているが、これに限定されない。例えば、図１０に示すように、支持部４１は、第１可動部３２１だけを囲むように配置されたＵ字状、具体的には、第１可動部３２１のＸ軸方向プラス側に位置しＹ軸方向に延在する部分４１１と、部分４１１の一端部からＸ軸方向マイナス側に延出する部分４１２と、部分４１１の他端部からＸ軸方向マイナス側に延出する部分４１３と、を有する形状をなし、その両端部にストッパー接合領域４０が位置する構成であってもよい。このような構成によれば、本実施形態と比べて、ストッパー４の小型化を図ることができる。また、例えば、図１１に示すように、第１可動部３２１の半分だけを囲むように配置されたＬ字状、具体的には、第１可動部３２１のＸ軸方向プラス側に位置しＹ軸方向に延在する部分４１１と、部分４１１の一端部からＸ軸方向マイナス側に延出する部分４１２と、を有する形状をなし、その一端部にストッパー接合領域４０が位置する構成であってもよい。このような構成によれば、本実施形態と比べて、ストッパー４の小型化を図ることができる。また、ストッパー接合領域４０が１つであるため、ストッパー４は、基板２の反りの影響をより受け難くなる。
また、固定部３１としては、特に限定されず、例えば、図１２に示すように、揺動軸Ｊに対して一方側に位置する第１固定部３１１と、他方側に位置する第２固定部３１２と、を有し、第１、第２固定部３１１、３１２のそれぞれで第１マウント２２に接合された構成であってもよい。このような形状とすることにより、固定部接合領域３１０の面積をより大きくすることができ、センサー素子３と基板２との接合強度が増す。
＜第２実施形態＞
図１３は、第２実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。図１４は、図１３中のＣ−Ｃ線断面図である。
本実施形態は、センサー素子３の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１３において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１３および図１４に示すように、本実施形態の慣性センサー１では、センサー素子３とストッパー４とが一体形成されている。また、固定部３１は、可動体３２の外側に位置し、可動体３２を間に挟んで一対設けられている。また、各固定部３１は、ストッパー４の支持部４１と共通化されている。言い換えると、支持部４１の一部から固定部３１が構成されている。また、各固定部３１と基板２との接合領域である固定部接合領域３１０は、ストッパー４と基板２との接合領域であるストッパー接合領域４０を兼ねている。つまり、固定部接合領域３１０とストッパー接合領域４０とが同じ場所にある。そのため、ストッパー接合領域４０を固定部接合領域３１０により近接させることができ、ストッパー本体４２と可動体３２との位置ずれがより効果的に抑制される。したがって、基板２の反りに関係なく、ストッパー４としての機能をより確実に発揮することができる。また、慣性センサー１の小型化を図ることもできる。
このように、本実施形態の慣性センサー１では、ストッパー４は、固定部３１と一体であり、固定部３１と基板２とが接合されている固定部接合領域３１０は、ストッパー接合領域４０を兼ねている。そのため、ストッパー接合領域４０を固定部接合領域３１０により近接させることができ、ストッパー本体４２と可動体３２との位置ずれがより効果的に抑制される。したがって、基板２の反りに関係なく、ストッパー４としての機能をより確実に発揮することができる。また、慣性センサー１の小型化を図ることもできる。
また、前述したように、固定部３１は、平面視で、可動体３２の外側に位置している。これにより、固定部３１とストッパー４とを一体化し易くなる。
以上のような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の構成を発揮することができる。
＜第３実施形態＞
図１５は、本発明の第３実施形態に係る電子機器としてのスマートフォンを示す平面図である。
図１５に示すスマートフォン１２００は、本発明の電子機器を適用したものである。スマートフォン１２００には、慣性センサー１と、慣性センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御回路１２１０と、が内蔵されている。慣性センサー１によって検出された検出データは、制御回路１２１０に送信され、制御回路１２１０は、受信した検出データからスマートフォン１２００の姿勢や挙動を認識して、表示部１２０８に表示されている表示画像を変化させたり、警告音や効果音を鳴らしたり、振動モーターを駆動して本体を振動させることができる。
このような電子機器としてのスマートフォン１２００は、慣性センサー１と、慣性センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御回路１２１０と、を有する。そのため、前述した慣性センサー１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、本発明の電子機器は、前述したスマートフォン１２００の他にも、例えば、パーソナルコンピューター、デジタルスチールカメラ、タブレット端末、時計、スマートウォッチ、インクジェットプリンタ、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、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、電子手帳、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、魚群探知機、各種測定機器、移動体端末基地局用機器、車両、航空機、船舶等の各種計器類、フライトシミュレーター、ネットワークサーバー等に適用することができる。
＜第４実施形態＞
図１６は、本発明の第４実施形態に係る電子機器としての慣性計測装置を示す分解斜視図である。図１７は、図１６に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。
図１６に示す電子機器としての慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車や、ロボットなどの被装着装置の姿勢や、挙動を検出する慣性計測装置である。慣性計測装置２０００は、３軸加速度センサーおよび３軸角速度センサーを備えた６軸モーションセンサーとして機能する。
慣性計測装置２０００は、平面形状が略正方形の直方体である。また、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に固定部としてのネジ穴２１１０が形成されている。この２ヶ所のネジ穴２１１０に２本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置２０００を固定することができる。なお、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンや、デジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。
慣性計測装置２０００は、アウターケース２１００と、接合部材２２００と、センサーモジュール２３００と、を有し、アウターケース２１００の内部に、接合部材２２００を介在させて、センサーモジュール２３００を挿入した構成となっている。アウターケース２１００の外形は、前述した慣性計測装置２０００の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、それぞれネジ穴２１１０が形成されている。また、アウターケース２１００は、箱状であり、その内部にセンサーモジュール２３００が収納されている。
センサーモジュール２３００は、インナーケース２３１０と、基板２３２０と、を有する。インナーケース２３１０は、基板２３２０を支持する部材であり、アウターケース２１００の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース２３１０には、基板２３２０との接触を防止するための凹部２３１１や後述するコネクター２３３０を露出させるための開口２３１２が形成されている。このようなインナーケース２３１０は、接合部材２２００によってアウターケース２１００に接合されている。また、インナーケース２３１０の下面は接着剤によって基板２３２０が接合されている。
図１７に示すように、基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｚ、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサー２３５０などが実装されている。また、基板２３２０の側面には、Ｘ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘおよびＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｙが実装されている。そして、加速度センサー２３５０として、本発明の慣性センサーを用いることができる。
また、基板２３２０の下面には、制御ＩＣ２３６０が実装されている。制御ＩＣ２３６０は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、慣性計測装置２０００の各部を制御する。記憶部には、加速度および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。なお、基板２３２０にはその他にも複数の電子部品が実装されている。
＜第５実施形態＞
図１８は、本発明の第５実施形態に係る電子機器としての移動体測位装置の全体システムを示すブロック図である。図１９は、図１８に示す移動体測位装置の作用を示す図である。
図１８に示す移動体測位装置３０００は、移動体に装着して用い、当該移動体の測位を行うための装置である。なお、移動体としては、特に限定されず、自転車、自動車、自動二輪車、電車、飛行機、船等のいずれでもよいが、本実施形態では移動体として四輪自動車を用いた場合について説明する。
移動体測位装置３０００は、慣性計測装置３１００（ＩＭＵ）と、演算処理部３２００と、ＧＰＳ受信部３３００と、受信アンテナ３４００と、位置情報取得部３５００と、位置合成部３６００と、処理部３７００と、通信部３８００と、表示部３９００と、を有する。なお、慣性計測装置３１００としては、例えば、前述した慣性計測装置２０００を用いることができる。
慣性計測装置３１００は、３軸の加速度センサー３１１０と、３軸の角速度センサー３１２０と、を有する。演算処理部３２００は、加速度センサー３１１０からの加速度データおよび角速度センサー３１２０からの角速度データを受け、これらデータに対して慣性航法演算処理を行い、移動体の加速度および姿勢を含む慣性航法測位データを出力する。
また、ＧＰＳ受信部３３００は、受信アンテナ３４００でＧＰＳ衛星からの信号を受信する。また、位置情報取得部３５００は、ＧＰＳ受信部３３００が受信した信号に基づいて、移動体測位装置３０００の位置（緯度、経度、高度）、速度、方位を表すＧＰＳ測位データを出力する。このＧＰＳ測位データには、受信状態や受信時刻等を示すステータスデータも含まれている。
位置合成部３６００は、演算処理部３２００から出力された慣性航法測位データおよび位置情報取得部３５００から出力されたＧＰＳ測位データに基づいて、移動体の位置、具体的には移動体が地面のどの位置を走行しているかを算出する。例えば、ＧＰＳ測位データに含まれている移動体の位置が同じであっても、図１９に示すように、地面の傾斜θ等の影響によって移動体の姿勢が異なっていれば、地面の異なる位置を移動体が走行していることになる。そのため、ＧＰＳ測位データだけでは移動体の正確な位置を算出することができない。そこで、位置合成部３６００は、慣性航法測位データを用いて、移動体が地面のどの位置を走行しているのかを算出する。
位置合成部３６００から出力された位置データは、処理部３７００によって所定の処理が行われ、測位結果として表示部３９００に表示される。また、位置データは、通信部３８００によって外部装置に送信されるようになっていてもよい。
＜第６実施形態＞
図２０は、本発明の第６実施形態に係る移動体を示す斜視図である。
図２０に示す自動車１５００は、本発明の移動体を適用した自動車である。この図において、自動車１５００は、エンジンシステム、ブレーキシステムおよびキーレスエントリーシステムの少なくとも何れかのシステム１５１０を含んでいる。また、自動車１５００には、慣性センサー１が内蔵されており、慣性センサー１によって車体の姿勢を検出することができる。慣性センサー１の検出信号は、制御回路１５０２に供給され、制御回路１５０２は、その信号に基づいてシステム１５１０を制御することができる。
このように、移動体としての自動車１５００は、慣性センサー１と、慣性センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御回路１５０２と、を有する。そのため、前述した慣性センサー１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、慣性センサー１は、他にも、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）に広く適用できる。また、移動体としては、自動車１５００に限定されず、例えば、飛行機、ロケット、人工衛星、船舶、ＡＧＶ（無人搬送車）、二足歩行ロボット、ドローン等の無人飛行機等にも適用することができる。
以上、本発明の慣性センサー、電子機器および移動体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、前述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。
１…慣性センサー、２…基板、２１…凹部、２１１…底面、２２…第１マウント、２３…第２マウント、２５…溝、２６…溝、２７…溝、３…センサー素子、３１…固定部、３１０…固定部接合領域、３１１…第１固定部、３１２…第２固定部、３２…可動体、３２１…第１可動部、３２２…第２可動部、３２３…角部、３２４…開口、３２５…貫通孔、３３…梁、４…ストッパー、４０…ストッパー接合領域、４１…支持部、４１１、４１２、４１３…部分、４２…ストッパー本体、４２１…Ｘ変位規制部、４２２…Ｙ変位規制部、５…蓋、５１…凹部、５９…ガラスフリット、７５、７６、７７…配線、８…電極、８１…第１固定検出電極、８２…第２固定検出電極、８３…ダミー電極、１２００…スマートフォン、１２０８…表示部、１２１０…制御回路、１５００…自動車、１５０２…制御回路、１５１０…システム、２０００…慣性計測装置、２１００…アウターケース、２１１０…ネジ穴、２２００…接合部材、２３００…センサーモジュール、２３１０…インナーケース、２３１１…凹部、２３１２…開口、２３２０…基板、２３３０…コネクター、２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚ…角速度センサー、２３５０…加速度センサー、２３６０…制御ＩＣ、３０００…移動体測位装置、３１００…慣性計測装置、３１１０…加速度センサー、３１２０…角速度センサー、３２００…演算処理部、３３００…ＧＰＳ受信部、３４００…受信アンテナ、３５００…位置情報取得部、３６００…位置合成部、３７００…処理部、３８００…通信部、３９００…表示部、Ａｚ…加速度、Ｇ、Ｇ１…ギャップ、Ｊ…揺動軸、Ｌ１…第１仮想線、Ｌ２…第２仮想線、Ｌ３…第３仮想線、Ｌ４…第４仮想線、Ｌ５…第５仮想線、Ｌ６…第６仮想線、Ｐ…電極パッド、Ｑ１…第１領域、Ｑ２…第２領域、Ｑ３…第３領域、Ｓ…収納空間、θ…傾斜

Claims (11)

  1. 互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、
    基板と、
    前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動する可動体と、
    前記可動体を支持し、前記基板に固定されている固定部と、
    前記基板に固定され、前記可動体と接触することにより、前記可動体の前記Ｚ軸まわりの回転変位を規制するストッパーと、を有し、
    前記ストッパーと前記基板とが接合されているストッパー接合領域は、前記Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、前記可動体を前記Ｙ軸に沿う方向に延長した第１領域内に位置し、
    前記ストッパーの前記第１領域外に位置する部分は、前記基板から離間していることを特徴とする慣性センサー。
  2. 前記ストッパー接合領域は、前記Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、前記固定部を前記Ｙ軸に沿う方向に延長した第２領域内に位置し、
    前記ストッパーの前記第２領域外に位置する部分は、前記基板から離間している請求項１に記載の慣性センサー。
  3. 前記ストッパー接合領域は、前記Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、前記揺動軸と重なっている請求項２に記載の慣性センサー。
  4. 前記可動体と前記固定部とを接続する梁を有し、
    前記ストッパー接合領域は、前記Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、前記梁を前記Ｙ軸に沿う方向に延長した第３領域内に位置し、
    前記ストッパーの前記第３領域外に位置する部分は、前記基板から離間している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の慣性センサー。
  5. 前記ストッパーは、前記固定部と一体であり、
    前記固定部と前記基板とが接合されている固定部接合領域は、前記ストッパー接合領域を兼ねている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の慣性センサー。
  6. 前記固定部は、前記可動体の外側に位置している請求項５に記載の慣性センサー。
  7. 前記ストッパーは、前記固定部と別体であり、
    前記ストッパー接合領域は、前記固定部と前記基板とが接合されている固定部接合領域と異なる位置にある請求項１ないし４のいずれか１項に記載の慣性センサー。
  8. 前記固定部は、前記可動体の内側に位置している請求項７に記載の慣性センサー。
  9. 前記可動体は、前記揺動軸を挟んで配置されている第１可動部および前記揺動軸まわりの回転モーメントが前記第１可動部と異なる第２可動部を備え、
    前記基板に配置され、前記第１可動部と対向している第１固定検出電極と、
    前記基板に配置され、前記第２可動部と対向している第２固定検出電極と、を有する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の慣性センサー。
  10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の慣性センサーと、
    慣性センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御回路と、を有することを特徴とする電子機器。
  11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の慣性センサーと、
    慣性センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御回路と、を有することを特徴とする移動体。
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