JP2020183870A - 慣性センサー、電子機器および移動体 - Google Patents

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、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を含む面をＸ−Ｙ面としたとき、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し、前記揺動軸を挟んで配置されている第１可動部と第２可動部とを備える可動体と、前記可動体を支持し、第１可動部と第２可動部との間で前記基板に固定されている固定部と、前記可動体と前記固定部とを繋ぐ揺動梁と、前記固定部からＸ軸方向に延出している梁と、前記梁に設けられ、前記可動体と接触することにより、前記可動体の前記Ｘ−Ｙ面方向の変位を規制するストッパーと、を有する。【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。したがって、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、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を含む面をＸ−Ｙ面としたとき、
基板と、
前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動し、前記揺動軸を挟んで配置されている第１可動部と第２可動部とを備える可動体と、
前記可動体を支持し、第１可動部と第２可動部との間で前記基板に固定されている固定部と、
前記可動体と前記固定部とを繋ぐ揺動梁と、
前記固定部からＸ軸方向に延出している梁と、
前記梁に設けられ、前記可動体と接触することにより、前記可動体の前記Ｘ−Ｙ面方向の変位を規制するストッパーと、を有することを特徴とする。

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。 慣性センサーが有するストッパーの機能を説明するための平面図。 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。 第２実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。 第３実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。 第４実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。 第５実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。 第６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７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１１に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図。 第８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１３に示す移動体測位装置の作用を示す図。 第９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、慣性センサーが有するストッパーの機能を説明するための平面図である。図４は、従来構成の問題を説明するための断面図である。図５は、本実施形態の効果を説明するための断面図である。

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軸に沿う方向すなわちＹ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿う方向すなわちＺ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」とも言う。また、Ｘ軸およびＹ軸を含む面を「Ｘ−Ｙ面」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、技術常識的に見て直交と同視できるもの、具体的には、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。同様に、「平行」についても、技術常識的に見て平行と同視できるもの、具体的には、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む。

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、基板２に接合され、センサー素子３を覆う蓋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を内側に内包し、センサー素子３よりも大きく形成されている。また、図２に示すように、基板２は、凹部２１の底面から突出しているマウント２２を有する。そして、マウント２２の上面にセンサー素子３が接合されている。また、図１に示すように、基板２は、上面に開口する溝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の底面に配置され、平面視で、センサー素子３と重なっている第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を収納する収納空間Ｓが形成されている。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℃〜１２５℃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。

また、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、特に、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。センサー素子３は、図１に示すように、マウント２２の上面に接合されているＨ型の固定部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とを接続する揺動梁３３と、を有する。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、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および揺動梁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および揺動梁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。また、可動体３２は、平面視で、第１固定検出電極８１とダミー電極８３との間から凹部２１の底面が露出している部分２１１と重なっている開口３２９を有する。これにより、部分２１１と可動体３２との間に静電引力が作用するのを効果的に抑制することができる。また、可動体３２は、その全域に均一に形成された複数の貫通孔３２５を有する。ただし、開口３２９や貫通孔３２５は、省略してもよい。

基板２の底面に配置された電極８の説明に戻ると、図１および図２に示すように、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。すなわち、ダミー電極８３は、第１固定検出電極８１よりも固定部３１から遠い側で、第１可動部３２１と対向している。

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（以下、この揺動を「検出振動」とも言う）。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。

慣性センサー１では、平面視で、第１固定検出電極８１の第１可動部３２１と重なっている部分の面積Ｓ１と、第２固定検出電極８２の第２可動部３２２と重なっている部分の面積Ｓ２と、が等しい。これにより、加速度Ａｚが加わっていない初期状態において、静電容量Ｃａ、Ｃｂが実質的にほぼ等しくなるため、加速度Ａｚをより検出し易くなる。なお、面積Ｓ１、Ｓ２が等しいとは、製造上生じ得る僅かな誤差等、技術常識的に等しいと同視できる程度のずれ、例えば、±５％以内のずれを含む意味である。

また、第２固定検出電極８２の第２可動部３２２と重なっている部分のＸ軸方向の長さＬ２は、第１固定検出電極８１の第１可動部３２１と重なっている部分のＸ軸方向の長さＬ１よりも短い。すなわち、Ｌ２＜Ｌ１である。後述するように、第１可動部３２１には、梁３４およびストッパー３５が位置する開口３２６が形成されているため、その分、第１固定検出電極８１の面積Ｓ１が小さくなる。そこで、第２固定検出電極８２の長さＬ２を長さＬ１よりも短くし、第２固定検出電極８２の面積Ｓ２を小さくすることにより、簡単に、面積Ｓ１、Ｓ２を等しくすることができる。

ただし、第１固定検出電極８１および第２固定検出電極８２の構成としては、特に限定されず、面積Ｓ１、Ｓ２が異なっていてもよいし、Ｌ２≧Ｌ１であってもよい。

慣性センサー１は、さらに、固定部３１からＸ軸方向プラス側に延出する梁３４と、この梁３４の先端部すなわちＸ軸方向プラス側の端部に設けられているストッパー３５と、を有する。第１可動部３２１には、開口３２４に連通し、開口３２９を貫いてＸ軸方向に延在する略矩形の開口３２６が形成されており、これら開口３２４、３２６内に梁３４が配置されている。そして、この梁３４の先端部にストッパー３５が設けられ、ストッパー３５と開口３２６の内面３２６ａとが対向している。

ストッパー３５は、上述のような可動体３２の検出振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。ストッパー３５は、可動体３２が検出振動するときには可動体３２と接触しないが、図３に示すように、可動体３２がＸ−Ｙ面方向に変位するときには可動体３２と接触する。このようなストッパー３５を設けることにより、可動体３２の検出振動を許容しつつ、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る。そのため、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。

特に、ストッパー３５が可動体３２を基板２に固定する固定部３１に接続されているため、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３５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３５としての機能をより効果的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４に示すように、ストッパー３５が基板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３５が可動体３２に対して変位し、可動体３２とストッパー３５との位置関係が大きくずれてしまう。ストッパー３５が可動体３２に接近してしまうと、ストッパー３５が可動体３２の検出振動を阻害するおそれがあり、反対に、ストッパー３５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３５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３５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５に示すように、ストッパー３５が固定部３１に接続されている場合には、基板２の反りに伴うストッパー３５の可動体３２に対する変位が図４よりも抑制され、その分、可動体３２とストッパー３５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の反りに影響されることなく、ストッパー３５としての機能をより効果的に発揮することができる。

図１に示すように、ストッパー３５は、梁３４の先端部からＹ軸方向両側に突出している突起３５０で構成されている。そのため、ストッパー３５の構成が簡単となる。本実施形態では、突起３５０のＹ軸方向プラス側に突出している部分およびＹ軸方向マイナス側に突出している部分は、共に半円形状となっているが、これらの形状は、特に限定されない。また、突起３５０と内面３２６ａとのＹ軸方向の離間距離Ｄ１は、梁３４と内面３２６ａとのＹ軸方向の離間距離Ｄ２よりも小さい。これにより、可動体３２がＸ−Ｙ面内方向へ変位した際に、より効果的に、可動体３２が梁３４と接触する前にストッパー３５と接触させることができる。したがって、ストッパー３５は、その機能をより効果的に発揮することができる。

前述したように、第２可動部３２２よりも第１可動部３２１の方がＸ軸方向に長い。そのため、第１可動部３２１内にストッパー３５を配置することにより、第２可動部３２２内にストッパー３５を配置する場合と比べて、ストッパー３５を固定部３１からより離間させて配置することができる。より具体的には、ストッパー３５は、第１可動部３２１内に位置するととともに、第２可動部３２２の揺動軸ＪからのＸ軸方向の長さより揺動軸Ｊから遠い位置に設けられている。そのため、その分、ストッパー３５と可動体３２とのギャップ、すなわち、前述の離間距離Ｄ１を大きく設定することができる。その結果、センサー素子３の形成が容易となり、離間距離Ｄ１の管理が容易となる。なお、離間距離Ｄ１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。

特に、本実施形態のストッパー３５は、平面視で、ダミー電極８３と重なっている。これにより、揺動軸Ｊとストッパー３５との離間距離Ｄ３が、揺動軸Ｊと第２可動部３２２の先端との離間距離Ｄ４よりも大きくなる。そのため、慣性センサー１は、上述の効果をより顕著に発揮することができる。ただし、これに限定されず、例えば、ストッパー３５は、平面視で、第１固定検出電極８１と重なっていてもよい。

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、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を含む面をＸ−Ｙ面としたとき、基板２と、Ｙ軸に沿う揺動軸Ｊまわりに揺動し、揺動軸Ｊを挟んで配置されている第１可動部３２１と第２可動部３２２とを備える可動体３２と、可動体３２を支持し、第１可動部３２１と第２可動部３２２との間で基板２に固定されている固定部３１と、可動体３２と固定部３１とを繋ぐ揺動梁３３と、固定部３１からＸ軸方向に延出している梁３４と、梁３４に設けられ、可動体３２と接触することにより、可動体３２のＸ−Ｙ面方向の変位を規制するストッパー３５と、を有する。このように、ストッパー３５を固定部３１に接続することにより、基板２の反りに伴うストッパー３５の可動体３２に対する変位が抑制され、可動体３２とストッパー３５との位置ずれを効果的に抑制することができる。そのため、ストッパー３５は、基板２の反りに影響されることなく、その機能をより効果的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３５と可動体３２との離間距離Ｄ１は、梁３４と可動体３２との離間距離Ｄ２よりも小さい。これにより、可動体３２がＸ−Ｙ面内に変位した際、より効果的に、ストッパー３５と可動体３２とを接触させることができる。また、前述したように、ストッパー３５は、梁３４からＹ軸方向に向けて突出する突起３５０で構成されている。これにより、ストッパー３５の構成が簡単なものとなる。

また、前述したように、揺動軸Ｊまわりの回転モーメントは、第１可動部３２１よりも第２可動部３２２が小さい。また、ストッパー３５は、固定部３１に対して第１可動部３２１側に設けられ、ストッパー３５は、第２可動部３２２の揺動軸ＪからのＸ軸方向の長さより、揺動軸Ｊから遠い位置に設けられている。これにより、第２可動部３２２側にストッパー３５を配置する場合と比べて、ストッパー３５を固定部３１からより離間させて配置することができる。そのため、その分、離間距離Ｄ１を大きく設定することができる。その結果、センサー素子３の形成が容易となり、離間距離Ｄ１の管理が容易となる。

また、前述したように、慣性センサー１は、基板２に配置され、平面視で、第１可動部３２１と重なっている第１固定検出電極８１と、基板２に配置され、平面視で、第１固定検出電極８１に対して固定部３１の反対側に位置し、第１可動部３２１と重なっているダミー電極８３と、基板２に配置され、第２可動部３２２と重なっている第２固定検出電極８２と、を有し、平面視で、ストッパー３５は、ダミー電極８３と重なっている。これにより、ストッパー３５を固定部３１からより離間させて配置することができる。そのため、その分、離間距離Ｄ１を大きく設定することができる。その結果、センサー素子３の形成が容易となり、離間距離Ｄ１の管理が容易となる。

また、前述したように、第１固定検出電極８１の第１可動部３２１と重なっている部分の面積Ｓ１と、第２固定検出電極８２の第２可動部３２２と重なっている部分の面積Ｓ２と、が等しい。これにより、加速度Ａｚが加わっていない初期状態において、静電容量Ｃａ、Ｃｂが実質的にほぼ等しくなるため、加速度Ａｚをより検出し易くなる。

また、前述したように、第２固定検出電極８２の第２可動部３２２と重なっている部分のＸ軸方向の長さＬ２は、第１固定検出電極８１の第１可動部３２１と重なっている部分のＸ軸方向の長さＬ１よりも短い。これにより、簡単な構成で、面積Ｓ１、Ｓ２を等しくすることができる。

＜第２実施形態＞
図６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。

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６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６に示す慣性センサー１では、可動体３２は、開口３２６の内面３２６ａから突起３５０に向けて突出する一対の可動体側突起３２８を有する。一方の可動体側突起３２８は、突起３５０のＹ軸方向プラス側に位置し、他方の可動体側突起３２８は、突起３５０のＹ軸方向マイナス側に位置している。また、一対の可動体側突起３２８は、それぞれ、半円形状である。そして、可動体３２がＹ軸方向に変位した際には、これら可動体側突起３２８がストッパー３５を構成する突起３５０と接触する。このように、可動体３２に突起３５０と接触させるための可動体側突起３２８を設けることにより、接触時の衝撃を緩和することができ、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。

以上のように、本実施形態の慣性センサー１は、可動体３２に設けられ、突起３５０と対向している可動体側突起３２８を有する。これにより、接触時の衝撃を緩和することができ、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。

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７は、第３実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。

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７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７に示す慣性センサー１では、ストッパー３５は、平面視で、第１固定検出電極８１と重なっている。このような構成によれば、前述した第１実施形態と比べて、ストッパー３５が位置する開口３２６の面積を小さくすることができる。そのため、可動体３２の剛性の低下を抑制することができる。特に、本実施形態では、開口３２６は、開口３２９に連通しておらず、これらの間にも第１可動部３２１が存在している。そのため、当該部分が開口３２６の両側を繋ぐ梁のように機能し、可動体３２の剛性の低下をより効果的に抑制することができる。

以上のような第３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４実施形態＞
図８は、第４実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。

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８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８に示す慣性センサー１では、ストッパー３５は、可動体３２がＸ−Ｙ面内に変位した際、第１可動部３２１と接触する第１ストッパー３５Ａと、第２可動部３２２と接触する第２ストッパー３５Ｂと、を有する。これにより、固定部３１を挟んだ両側で、可動体３２のＸ−Ｙ面内への変位を規制することができる。そのため、可動体３２のＸ−Ｙ面内への変位を、より効果的に規制することができる。

第１ストッパー３５Ａは、固定部３１よりもＸ軸方向プラス側に位置している。具体的には、慣性センサー１は、固定部３１からＸ軸方向プラス側に延出する梁３４Ａを有し、この梁３４Ａの先端部に第１ストッパー３５Ａが設けられている。第１可動部３２１には、開口３２４に連通し、Ｘ軸方向に延在する略矩形の開口３２６が形成されており、この開口３２６内に梁３４Ａが配置されている。そして、この梁３４Ａの先端部に第１ストッパー３５Ａが設けられ、第１ストッパー３５Ａは、開口３２６の内面３２６ａと対向している。

第２ストッパー３５Ｂは、固定部３１よりもＸ軸方向マイナス側に位置している。具体的には、慣性センサー１は、固定部３１からＸ軸方向マイナス側に延出する梁３４Ｂを有し、この梁３４Ｂの先端部に第２ストッパー３５Ｂが設けられている。第２可動部３２２には、開口３２４に連通し、Ｘ軸方向に延在する略矩形の開口３２７が形成されており、この開口３２７内に梁３４Ｂが配置されている。そして、この梁３４Ｂの先端部に第２ストッパー３５Ｂが設けられ、第２ストッパー３５Ｂは、開口３２７の内面３２７ａと対向している。

また、第１、第２ストッパー３５Ａ、３５Ｂは、揺動軸Ｊに対して線対称である。つまり、揺動軸Ｊと第１ストッパー３５Ａとの離間距離Ｄ５と、揺動軸Ｊと第２ストッパー３５Ｂとの離間距離Ｄ６と、が等しい。そのため、可動体３２が固定部３１を中心にＺ軸まわりに回転変位したとき、可動体３２が第１、第２ストッパー３５Ａ、３５Ｂに同時に接触する。これにより、接触時の衝撃を緩和することができ、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。なお、第１、第２ストッパー３５Ａ、３５Ｂの構成は、特に限定されず、例えば、揺動軸Ｊに対して非対称であってもよい。

以上のように、本実施形態のストッパー３５は、固定部３１よりも第１可動部３２１側に位置し、第１可動部３２１と接触する第１ストッパー３５Ａと、固定部３１よりも第２可動部３２２側に位置し、第２可動部３２２と接触する第２ストッパー３５Ｂと、を有する。これにより、固定部３１を挟んだ両側で、可動体３２のＸ−Ｙ面内への変位を規制することができる。そのため、可動体３２のＸ−Ｙ面内への変位をバランスよく、より効果的に規制することができる。

以上のような第４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５実施形態＞
図９は、第５実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。

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９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９に示す慣性センサー１では、第２可動部３２２に、一端が開口３２４に連通し、他端が第２可動部３２２の先端に開放し、Ｘ軸方向に延在する略矩形の開口３２７が形成されている。この開口３２７の幅Ｗ２は、開口３２６の幅Ｗ１と等しい。また、慣性センサー１は、開口３２７内に配置され、固定部３１からＸ軸方向マイナス側に延出する梁３４Ｂを有する。梁３４Ｂの幅Ｗ４は、梁３４Ａの幅Ｗ３と等しい。

このように、第２可動部３２２側に、第１可動部３２１側に配置されている開口３２６および梁３４Ａに対応する開口３２７および梁３４Ｂを配置することにより、第１可動部３２１の第１固定検出電極８１と重なっている部分と、第２可動部３２２の第２固定検出電極８２と重なっている部分とが、揺動軸Ｊに対して線対称となる。そのため、例えば、前述した第１実施形態のように、第２固定検出電極８２の第２可動部３２２と重なっている部分のＸ軸方向の長さＬ２と、第１固定検出電極８１の第１可動部３２１と重なっている部分のＸ軸方向の長さＬ１と、を異ならせなくても、すなわち、Ｌ１＝Ｌ２とすることにより、面積Ｓ１、Ｓ２を等しくすることができる。その結果、慣性センサー１の設計が容易となる。

以上のような第５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６実施形態＞
図１０は、第６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１０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７実施形態＞
図１１は、第７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１２は、図１１に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。

図１１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、後述する角速度センサーや加速度センサー等の電子部品を収容するための凹部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１２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８実施形態＞
図１３は、第８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１４は、図１３に示す移動体測位装置の作用を示す図である。

図１３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１４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９実施形態＞
図１５は、第９実施形態に係る移動体を示す斜視図である。

図１５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からの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…部分、２２…マウント、２５、２６、２７…溝、３…センサー素子、３１…固定部、３２…可動体、３２１…第１可動部、３２２…第２可動部、３２４…開口、３２５…貫通孔、３２６…開口、３２６ａ…内面、３２７…開口、３２７ａ…内面、３２８…可動体側突起、３２９…開口、３３…揺動梁、３４、３４Ａ、３４Ｂ…梁、３５…ストッパー、３５Ａ…第１ストッパー、３５Ｂ…第２ストッパー、３５０…突起、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、Ｃａ、Ｃｂ…静電容量、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６…離間距離、Ｊ…揺動軸、Ｐ…電極パッド、Ｓ…収納空間、Ｓ１…面積、Ｓ２…面積、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４…幅、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、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を含む面をＸ−Ｙ面としたとき、
   基板と、
   前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動し、前記揺動軸を挟んで配置されている第１可動部と第２可動部とを備える可動体と、
   前記可動体を支持し、第１可動部と第２可動部との間で前記基板に固定されている固定部と、
   前記可動体と前記固定部とを繋ぐ揺動梁と、
   前記固定部からＸ軸方向に延出している梁と、
   前記梁に設けられ、前記可動体と接触することにより、前記可動体の前記Ｘ−Ｙ面方向の変位を規制するストッパーと、を有することを特徴とする慣性センサー。
2. 前記ストッパーと前記可動体との離間距離は、前記梁と前記可動体との離間距離よりも小さい請求項１に記載の慣性センサー。
3. 前記ストッパーは、前記梁から前記Ｙ軸方向に突出する突起で構成されている請求項１または２に記載の慣性センサー。
4. 前記可動体に設けられ、前記突起と対向している可動体側突起を有する請求項３に記載の慣性センサー。
5. 前記揺動軸まわりの回転モーメントは前記第１可動部よりも前記第２可動部が小さく、
   前記ストッパーは、前記固定部に対して前記第１可動部側に設けられ、
   前記ストッパーは、前記第２可動部の前記揺動軸からの前記Ｘ軸方向の長さより、前記揺動軸から遠い位置に設けられている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の慣性センサー。
6. 前記基板に配置され、平面視で、前記第１可動部と重なっている第１固定検出電極と、
   前記基板に配置され、平面視で、前記第１固定検出電極に対して前記固定部の反対側に位置し、前記第１可動部と重なっているダミー電極と、
   前記基板に配置され、前記第２可動部と重なっている第２固定検出電極と、を有し、
   平面視で、前記ストッパーは、前記ダミー電極と重なっている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の慣性センサー。
7. 前記第１固定検出電極の前記第１可動部と重なっている部分の面積と、前記第２固定検出電極の前記第２可動部と重なっている部分の面積と、が等しい請求項６に記載の慣性センサー。
8. 前記第２固定検出電極の前記第２可動部と重なっている部分の前記Ｘ軸方向の長さは、前記第１固定検出電極の前記第１可動部と重なっている部分の前記Ｘ軸方向の長さよりも短い請求項６または７に記載の慣性センサー。
9. 前記ストッパーは、前記固定部よりも前記第１可動部側に位置し、前記第１可動部と接触する第１ストッパーと、前記固定部よりも前記第２可動部側に位置し、前記第２可動部と接触する第２ストッパーと、を有する請求項１ないし７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、
    前記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、
    前記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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