JP2021001853A - 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】所望の周波数帯域を確保しつつ、優れた検出感度を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】慣性センサーは、基板と、揺動軸まわりに揺動する可動体と、基板に配置されている電極と、を有する。可動体は、揺動軸を挟んで設けられた第１可動部および第２可動部を有し、第１可動部は、揺動軸に対して第２可動部と対称的な対称部と、対称部よりも揺動軸から遠い側に位置する非対称部と、を有する。電極は、対称部と重なる第１検出電極と、対称部および非対称部と重なり、可動体と同電位である第１ダミー電極と、を有する。対称部は、第１検出電極と重なる第１部分に設けられた第１開口と、第１ダミー電極と重なる第２部分に設けられた第２開口と、を有する。そして、第１部分に対する第１開口の開口率は、第２部分に対する第２開口の開口率よりも小さい。【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に記載されている慣性センサーは、Ｚ軸方向の加速度を検出可能な加速度センサーであり、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、基板に設けられている検出電極と、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、検出電極は、第１可動部と対向して基板に配置されている第１検出電極と、第２可動部と対向して基板に配置されている第２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検出電極との間の静電容量および第２可動部と第２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では、可動体の揺動時に生じる空気抵抗を低減してダンピングを抑制し、所望の周波数特性を得るために、可動体の全域にわたって一様に複数の貫通孔が形成されている。
特開２０１９−４５１７２号公報
しかしながら、可動体の全域に一様に複数の貫通孔を形成すると、ダンピングが抑制されて所望の周波数特性が得られる代わりに、第１可動部と第１検出電極との対向面積および第２可動部と第２検出電極との対向面積がそれぞれ低下し、これらの間で生じる静電容量が小さくなり、加速度の検出感度が低下してしまう。すなわち、特許文献１に記載された慣性センサーでは、所望の周波数帯域を確保しつつ、優れた検出感度を発揮することが困難であるという課題があった。
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、
前記基板に配置され、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記可動体と重なっている電極と、を有し、
前記可動体は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記揺動軸を挟んで設けられている第１可動部および第２可動部を有し、
前記第１可動部は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記揺動軸に対して前記第２可動部と対称的に設けられている対称部と、前記対称部よりも前記揺動軸から遠い側に位置する非対称部と、を有し、前記揺動軸まわりの回転モーメントが前記第２可動部よりも大きく、
前記電極は、Ｚ軸方向からの平面視で、前記第１可動部の前記対称部と重なって設けられている第１検出電極と、前記第１検出電極よりも前記揺動軸から遠い側で前記第１可動部の前記対称部および前記非対称部と重なって設けられ、前記可動体と同電位である第１ダミー電極と、を有し、
前記対称部は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記第１検出電極と重なる第１部分に設けられている第１開口と、前記第１ダミー電極と重なる第２部分に設けられている第２開口と、を有し、
前記第１部分に対する前記第１開口の開口率は、前記第２部分に対する前記第２開口の開口率よりも小さいことを特徴とする。
第１実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 第２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。 第３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４に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。 第４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６に示す移動体測位装置の作用を示す図である。 第５実施形態に係る移動体を示す斜視図である。
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。
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、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、Ｚ軸方向からの平面視で、センサー素子３と重なっている第１検出電極８１、第２検出電極８２、第１ダミー電極８３および第２ダミー電極８４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、平面視で蓋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および第１、第２ダミー電極８３、８４と電気的に接続され、配線７６は、第１検出電極８１と電気的に接続され、配線７７は、第２検出電極８２と電気的に接続されている。つまり、第１、第２ダミー電極８３、８４は、可動体３２と同電位である。
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。
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、Ｙ軸に沿う揺動軸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。
凹部２１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検出電極８１は、第１可動部３２１の根元側の部分と重なって配置され、第２検出電極８２は、第２可動部３２２の根元側の部分と重なって配置されている。ここで根元側とは、揺動梁３３側を意味する。なお、これら第１、第２検出電極８１、８２は、Ｚ軸方向からの平面視で、揺動軸Ｊに対して対称的に設けられている。
また、第１ダミー電極８３は、第１検出電極８１よりもＸ軸方向プラス側に位置し、第１可動部３２１の先端側の部分と重なって配置され、第２ダミー電極８４は、第２検出電極８２よりもＸ軸方向マイナス側に位置し、第２可動部３２２の先端側の部分と重なって配置されている。すなわち、第１ダミー電極８３は、第１検出電極８１よりも揺動軸Ｊから遠い側で、第１可動部３２１と対向し、第２ダミー電極８４は、第２検出電極８２よりも揺動軸Ｊから遠い側で、第２可動部３２２と対向している。
このように、第１、第２検出電極８１、８２の周囲に可動体３２と同電位の第１、第２ダミー電極８３、８４を設けることにより、可動体３２と重なっている領域内における凹部２１の底面の露出を抑制することができる。これにより、基板２内でのアルカリ金属イオン（Ｎａ＋）の移動に起因して凹部２１の底面が帯電し、さらに、この底面の帯電に起因して凹部２１の底面と可動体３２との間に不要な静電引力が生じてしまうのを効果的に抑制することができる。そのため、検出対象である加速度Ａｚ以外の力による可動体３２の揺動を効果的に抑制することができ、加速度Ａｚの検出特性の低下を抑制することができる。
図示しないが、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検出電極８１とＱＶアンプとが配線７６により接続され、第２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検出電極８１とのギャップと、第２可動部３２２と第２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。
以上、慣性センサー１の構成について簡単に説明した。次に、可動体３２の構成について詳細に説明する。前述したように、可動体３２は、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を有し、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。
また、図１に示すように、第１可動部３２１は、Ｚ軸方向からの平面視で、揺動軸Ｊに対して第２可動部３２２と対称的に設けられている対称部３２５と、対称部３２５よりも揺動軸Ｊから遠い側に位置し、揺動軸Ｊに対して第２可動部３２２と非対称である非対称部３２６と、を有する。第２可動部３２２の揺動軸Ｊからの長さをＬ２とすると、第１可動部３２１の揺動軸Ｊからの距離が長さＬ２と等しくなる部分が対称部３２５と非対称部３２６との境界となり、当該部分よりも揺動軸Ｊ側が対称部３２５であり、揺動軸Ｊと反対側が非対称部３２６となる。なお、非対称部３２６は、第１可動部３２１の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントを第２可動部３２２の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントよりも大きくするためのトルク発生部として機能する。
ここで、第２可動部３２２と対称部３２５とが揺動軸Ｊに対して対称とは、Ｚ軸方向からの平面視で、第２可動部３２２の外形形状と対称部３２５の外形形状とが揺動軸Ｊに対して対称であることを意味している。また、対称とは、第２可動部３２２と対称部３２５の外形形状同士が完全に対称である場合の他、例えば、これらの外形形状に製造上、設計上生じ得る誤差を含む場合も含まれる意味である。
電極８の説明に戻って、Ｚ軸方向からの平面視で、第１検出電極８１は、第１可動部３２１の対称部３２５と重なって設けられており、第１ダミー電極８３は、第１可動部３２１の対称部３２５および非対称部３２６と重なって設けられている。また、Ｚ軸方向からの平面視で、第２検出電極８２は、第２可動部３２２の根元側の部分と重なって設けられており、第２ダミー電極８４は、第２可動部３２２の先端側の部分すなわち第２検出電極８２よりも揺動軸Ｊから遠い側の部分と重なって設けられている。
また、図２に示すように、凹部２１は、Ｚ軸方向からの平面視で、非対称部３２６と重なっている部分が他の部分よりも深く形成されている。つまり、非対称部３２６と基板２との離間距離Ｄ１は、対称部３２５および第２可動部３２２と基板２との離間距離Ｄ２よりも大きい。これにより、第１可動部３２１と第１検出電極８１との離間距離および第２可動部３２２と第２検出電極８２との離間距離を小さくして静電容量Ｃａ、Ｃｂを大きくしつつ、可動体３２と基板２との接触を抑制することができる。
第１可動部３２１の説明に再び戻り、図１に示すように、Ｚ軸方向からの平面視で、対称部３２５の第１検出電極８１と重なる部分を第１部分としての基端部３２５Ａとし、第１ダミー電極８３と重なる部分を第２部分としての先端部３２５Ｂとし、これらの間に位置し、第１検出電極８１と第１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と重なる部分を中間部３２５Ｃとしたとき、対称部３２５は、基端部３２５Ａに形成された第１開口としての開口６１と、先端部３２５Ｂに形成された第２開口としての開口６２と、中間部３２５Ｃに形成された開口６６と、を有する。なお、開口６１、６２、６６は、それぞれ、可動体３２をその厚さ方向であるＺ軸方向に貫通する貫通孔で形成されている。
本実施形態では、開口６１は、開口形状が略正方形であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って行列状に複数設けられている。また、開口６２は、開口形状がＹ軸方向を長手とする略長方形であり、Ｙ軸方向に沿って一列に２つ設けられている。また、開口６６は、開口形状がＹ軸方向を長手とする略長方形であり、Ｙ軸方向の中央部に１つ設けられている。ただし、開口６１、６２、６６の開口形状、数および配置は、それぞれ、特に限定されない。
これら開口６１、６２、６６は、それぞれ、空気抵抗による可動体３２のダンピングを低減する機能を有する。これにより、慣性センサー１は、所望の周波数帯域を確保することができる。また、開口６６は、空気抵抗によるダンピングを低減する機能に加えて、第１可動部３２１と部分２１１との対向面積を減少させる機能を有する。これにより、部分２１１と第１可動部３２１との間に生じる不要な静電引力を低減することができる。そのため、検出対象である加速度Ａｚ以外の力による可動体３２の揺動を効果的に抑制することができ、加速度Ａｚの検出特性の低下を抑制することができる。
そして、基端部３２５Ａにおける開口６１の開口率Ｒ１（％）は、先端部３２５Ｂにおける開口６２の開口率Ｒ２（％）よりも小さい。すなわち、Ｒ１＜Ｒ２の関係を満足している。なお、開口率Ｒ１は、Ｚ軸方向からの平面視で、｛（全開口６１の総面積）／（基端部３２５Ａの面積）｝×１００で表され、開口率Ｒ２は、Ｚ軸方向からの平面視で、｛（全開口６２の総面積）／（先端部３２５Ｂの面積）｝×１００で表される。このような構成によれば、所望の周波数帯域を確保しつつ、優れた検出感度を発揮することのできる慣性センサー１となる。具体的には、対称部３２５に開口６１、６２を形成することにより、可動体３２の揺動時の空気抵抗が減り、可動体３２のダンピングを低減することができる。そして、Ｒ１＜Ｒ２の関係を満足することにより、第１可動部３２１と第１検出電極８１との対向面積を十分に大きく確保することができるため、これらの間に生じる静電容量Ｃａを十分に大きくすることができる。そのため、加速度Ａｚの検出感度がより優れたものとなる。
開口率Ｒ１、Ｒ２としては、Ｒ１＜Ｒ２であればよいが、０．１≦Ｒ１／Ｒ２≦０．８であることが好ましく、０．２≦Ｒ１／Ｒ２≦０．５であることがより好ましい。これにより、上述した効果をより顕著に発揮することができる。また、開口率Ｒ１としては、特に限定されないが、５％≦Ｒ１≦４５％であることが好ましく、１０％≦Ｒ１≦３０％であることがより好ましい。これにより、第１可動部３２１と第１検出電極８１との間に生じる静電容量Ｃａを十分に大きくすることができ、加速度Ａｚの検出感度がより優れたものとなる。一方、開口率Ｒ２としては、特に限定されないが、５０％≦Ｒ２≦９０％であることが好ましく、６０％≦Ｒ２≦８０％であることがより好ましい。これにより、先端部３２５Ｂの機械的強度を確保しつつ、当該部分での空気抵抗を十分に低減することができる。そのため、可動体３２のダンピングをより効果的に低減することができ、より効果的に所望の周波数帯域を確保することができる。
また、第１可動部３２１の非対称部３２６は、第５開口としての開口６５を有する。開口６５は、可動体３２をその厚さ方向であるＺ軸方向に貫通する貫通孔で形成されている。本実施形態では、開口６５は、開口形状が略正方形であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って行列状に複数設けられている。ただし、開口６５の開口形状、数および配置は、それぞれ、特に限定されない。
このような開口６５は、前述した開口６１、６２、６６と同様に、空気抵抗による可動体３２のダンピングを低減する機能を有する。これにより、慣性センサー１は、所望の周波数帯域を確保することができる。
また、非対称部３２６における開口６５の開口率Ｒ５（％）は、開口率Ｒ２よりも小さい。すなわち、Ｒ５＜Ｒ２である。なお、開口率Ｒ５は、Ｚ軸方向からの平面視で、｛（全開口６５の総面積）／（非対称部３２６の面積）｝×１００で表される。これにより、非対称部３２６の質量の過度な減少を抑制することができ、前述したトルク発生部としての機能をより効果的に発揮することができる。すなわち、より効果的に、第１可動部３２１の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントを第２可動部３２２の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントよりも大きくすることができる。さらに、開口率Ｒ５（％）は、開口率Ｒ１よりも小さい。すなわち、Ｒ５＜Ｒ１である。これにより、非対称部３２６の質量の過度な減少をより効果的に抑制することができ、前述したトルク発生部としての機能をさらに効果的に発揮することができる。なお、開口率Ｒ５としては、特に限定されないが、５％≦Ｒ５≦５０％であることが好ましく、７％≦Ｒ５≦４０％であることがより好ましい。これにより、非対称部３２６の質量を十分に確保することができ、加速度Ａｚの検出感度の低下を抑制することができる。また、非対称部３２６での空気抵抗が十分に低減され、可動体３２のダンピングをより効果的に低減することができ、より効果的に所望の周波数帯域を確保することができる。
なお、開口率Ｒ１として５％の好ましい開口率を選択した場合、開口率Ｒ５は、当然のこと＜５％を選択することは言うまでもない。同様に開口率Ｒ２として５０％の好ましい開口率を選択した場合は、開口率Ｒ５は、５％≦Ｒ５≦５０％の範囲が選択範囲としても、Ｒ５＜５０％を選択することも言うまでもない。
次に、第２可動部３２２について説明する。Ｚ軸方向からの平面視で、第２可動部３２２の第２検出電極８２と重なる部分を第３部分としての基端部３２２Ａとし、第２ダミー電極８４と重なる部分を第４部分としての先端部３２２Ｂとし、これらの間に位置し、第２検出電極８２と第２ダミー電極８４との間から凹部２１の底面が露出している部分２１２と重なる部分を中間部３２２Ｃとしたとき、第２可動部３２２は、基端部３２２Ａに形成された第３開口としての開口６３と、先端部３２２Ｂに形成された第４開口としての開口６４と、中間部３２２Ｃに形成された開口６７と、を有する。開口６３、６４、６７は、それぞれ、可動体３２をその厚さ方向であるＺ軸方向に貫通する貫通孔で形成されている。
本実施形態では、開口６３は、開口形状が略正方形であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って行列状に複数設けられている。また、開口６４は、開口形状がＹ軸方向を長手とする略長方形であり、Ｙ軸方向に沿って一列に２つ設けられている。また、開口６７は、開口形状がＹ軸方向を長手とする略長方形であり、Ｙ軸方向の中央部に１つ設けられている。ただし、開口６３、６４、６７の開口形状、数および配置は、それぞれ、特に限定されない。
これら開口６３、６４、６７は、前述した開口６１、６２、６６と同様に、空気抵抗による可動体３２のダンピングを低減する機能を有する。これにより、慣性センサー１は、所望の周波数帯域を確保することができる。また、開口６７は、空気抵抗によるダンピングを低減する機能に加えて、第２可動部３２２と部分２１２との対向面積を減少させる機能を有する。これにより、部分２１２と第２可動部３２２との間に生じる不要な静電引力を低減することができる。そのため、検出対象である加速度Ａｚ以外の力による可動体３２の揺動を効果的に抑制することができ、加速度Ａｚの検出特性の低下を抑制することができる。
基端部３２２Ａにおける開口６３の開口率Ｒ３（％）は、先端部３２２Ｂにおける開口６４の開口率Ｒ４（％）よりも小さい。すなわち、Ｒ３＜Ｒ４の関係を満足している。なお、開口率Ｒ３は、Ｚ軸方向からの平面視で、｛（全開口６３の総面積）／（基端部３２２Ａの面積）｝×１００で表され、開口率Ｒ４は、Ｚ軸方向からの平面視で、｛（全開口６４の総面積）／（先端部３２２Ｂの面積）｝×１００で表される。このような構成によれば、所望の周波数帯域を確保しつつ、優れた検出感度を発揮することのできる慣性センサー１となる。具体的には、第２可動部３２２に開口６３、６４を形成することにより、可動体３２の揺動時の空気抵抗が減り、可動体３２のダンピングを低減することができる。そして、Ｒ３＜Ｒ４の関係を満足することにより、第２可動部３２２と第２検出電極８２との対向面積を十分に大きく確保することができるため、これらの間に生じる静電容量Ｃｂを十分に大きくすることができる。そのため、加速度Ａｚの検出感度がより優れたものとなる。
開口率Ｒ３、Ｒ４としては、Ｒ３＜Ｒ４であればよいが、０．１≦Ｒ３／Ｒ４≦０．８であることが好ましく、０．２≦Ｒ３／Ｒ４≦０．５であることがより好ましい。これにより、上述した効果をより顕著に発揮することができる。また、開口率Ｒ３としては、特に限定されないが、５％≦Ｒ３≦４５％であることが好ましく、１０％≦Ｒ３≦３０％であることがより好ましい。これにより、第２可動部３２２と第２検出電極８２との間に生じる静電容量Ｃｂを十分に大きくすることができ、加速度Ａｚの検出感度がより優れたものとなる。一方、開口率Ｒ４としては、特に限定されないが、５０％≦Ｒ４≦９０％であることが好ましく、６０％≦Ｒ４≦８０％であることがより好ましい。これにより、先端部３２２Ｂの機械的強度を確保しつつ、当該部分での空気抵抗を十分に低減することができる。そのため、可動体３２のダンピングをより効果的に低減することができ、より効果的に所望の周波数帯域を確保することができる。
また、Ｚ軸方向からの平面視で、開口６３は、揺動軸Ｊに対して開口６１と対称的に設けられており、開口６４は、揺動軸Ｊに対して開口６２と対称的に設けられており、開口６７は、揺動軸Ｊに対して開口６６と対称的に設けられている。これにより、第１可動部３２１と第２可動部３２２とのバランスが向上し、可動体３２がより安定して揺動軸Ｊまわりに揺動する。すなわち、可動体３２の検出振動であるシーソー揺動以外の不要振動の発生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、開口６３は、揺動軸Ｊに対して開口６１と非対称であってもよいし、開口６４は、揺動軸Ｊに対して開口６２と非対称であってもよいし、開口６７は、揺動軸Ｊに対して開口６６と非対称であってもよい。
以上、慣性センサー１について説明した。このような慣性センサー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、基板２に配置され、Ｚ軸方向からの平面視で、可動体３２と重なっている電極８と、を有する。また、可動体３２は、Ｚ軸方向からの平面視で、揺動軸Ｊを挟んで設けられている第１可動部３２１および第２可動部３２２を有する。また、第１可動部３２１は、Ｚ軸方向からの平面視で、揺動軸Ｊに対して第２可動部３２２と対称的に設けられている対称部３２５と、対称部３２５よりも揺動軸Ｊから遠い側に位置する非対称部３２６と、を有し、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。また、電極８は、Ｚ軸方向からの平面視で、第１可動部３２１の対称部３２５と重なって設けられている第１検出電極８１と、第１検出電極８１よりも揺動軸Ｊから遠い側で第１可動部３２１の対称部３２５および非対称部３２６と重なって設けられ、可動体３２と同電位である第１ダミー電極８３と、を有する。また、対称部３２５は、Ｚ軸方向からの平面視で、第１検出電極８１と重なる第１部分としての基端部３２５Ａに設けられている第１開口としての開口６１と、第１ダミー電極８３と重なる第２部分としての先端部３２５Ｂに設けられている第２開口としての開口６２と、を有する。そして、基端部３２５Ａに対する開口６１の開口率Ｒ１は、先端部３２５Ｂに対する開口６２の開口率Ｒ２よりも小さい。
このような構成によれば、所望の周波数帯域を確保しつつ、優れた検出感度を発揮することのできる慣性センサー１となる。具体的には、対称部３２５に開口６１、６２を形成することにより、可動体３２の揺動時の空気抵抗が減り、可動体３２のダンピングを低減することができる。そして、Ｒ１＜Ｒ２の関係を満足することにより、第１可動部３２１と第１検出電極８１との対向面積を十分に大きく確保することができるため、これらの間に生じる静電容量Ｃａを十分に大きくすることができる。そのため、加速度Ａｚの検出感度がより優れたものとなる。
また、前述したように、電極８は、Ｚ軸方向からの平面視で、第２可動部３２２と重なって設けられている第２検出電極８２と、第２検出電極８２よりも揺動軸Ｊから遠い側で第２可動部３２２と重なって設けられ、可動体３２と同電位である第２ダミー電極８４と、を有する。また、第２可動部３２２は、Ｚ軸方向からの平面視で、第２検出電極８２と重なる第３部分としての基端部３２２Ａに設けられている第３開口としての開口６３と、第２ダミー電極８４と重なる第４部分としての先端部３２２Ｂに設けられている第４開口としての開口６４と、を有する。そして、基端部３２２Ａに対する開口６３の開口率Ｒ３は、先端部３２２Ｂに対する開口６４の開口率Ｒ４よりも小さい。
このように、第２可動部３２２に開口６３、６４を形成することにより、可動体３２の揺動時の空気抵抗が減り、可動体３２のダンピングを低減することができる。そして、Ｒ３＜Ｒ４の関係を満足することにより、第２可動部３２２と第２検出電極８２との対向面積を十分に大きく確保することができるため、これらの間に生じる静電容量Ｃｂを十分に大きくすることができる。そのため、加速度Ａｚの検出感度がより優れたものとなる。
また、前述したように、開口６１および開口６３は、揺動軸Ｊに対して対称に設けられ、開口６２および開口６４は、揺動軸Ｊに対して対称に設けられている。これにより、第１可動部３２１と第２可動部３２２とのバランスが向上し、可動体３２がより安定して揺動軸Ｊまわりに揺動する。すなわち、可動体３２の検出振動であるシーソー揺動以外の不要振動の発生を効果的に抑制することができる。
また、前述したように、非対称部３２６は、第５開口としての開口６５を有する。そして、非対称部３２６に対する開口６５の開口率Ｒ５は、先端部３２５Ｂに対する開口６２の開口率Ｒ２よりも小さい。これにより、非対称部３２６の質量の過度な減少を抑制することができ、前述したトルク発生部としての機能をより効果的に発揮することができる。すなわち、より効果的に、第１可動部３２１の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントを第２可動部３２２の揺動軸Ｊまわりの回転モーメントよりも大きくすることができる。
また、前述したように、非対称部３２６に対する開口６５の開口率Ｒ５は、基端部３２５Ａに対する開口６１の開口率Ｒ１よりも小さい。これにより、非対称部３２６の質量の過度な減少を抑制することができ、前述したトルク発生部としての機能をさらに効果的に発揮することができる。
また、前述したように、非対称部３２６と基板２との離間距離Ｄ１は、対称部３２５と基板２との離間距離Ｄ２よりも大きい。これにより、第１可動部３２１と第１検出電極８１との離間距離および第２可動部３２２と第２検出電極８２との離間距離を小さくして静電容量Ｃａ、Ｃｂを大きくしつつ、可動体３２と基板２との接触を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
図３は、第２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３に示すスマートフォン１２００は、本発明の電子機器を一実施例として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ー、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、スマートグラス、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、ドライブレコーダー、ページャ、電子手帳、電子辞書、電子翻訳機、電卓、電子ゲーム機器、玩具、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、鉄道車輌、航空機、ヘリコプター、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３実施形態＞
図４は、第３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５は、図４に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。
図４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の下面には接着剤によって基板２３２０が接合されている。
図５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４実施形態＞
図６は、第４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７は、図６に示す移動体測位装置の作用を示す図である。
図６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、特に農業用トラクター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７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５実施形態＞
図８は、第５実施形態に係る移動体を示す斜視図である。
図８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、鉄道車輌、飛行機、ヘリコプター、ロケット、人工衛星、船舶、ＡＧＶ（無人搬送車）、エレベーター、エスカレーター、ラジコン模型、鉄道模型、その他玩具、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、２１２…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、３２２Ａ…基端部、３２２Ｂ…先端部、３２２Ｃ…中間部、３２４…開口、３２５…対称部、３２５Ａ…基端部、３２５Ｂ…先端部、３２５Ｃ…中間部、３２６…非対称部、３３…揺動梁、５…蓋、５１…凹部、５９…ガラスフリット、６１〜６７…開口、７５〜７７…配線、８…電極、８１…第１検出電極、８２…第２検出電極、８３…第１ダミー電極、８４…第２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…離間距離、Ｊ…揺動軸、Ｐ…電極パッド、Ｓ…収納空間、θ…傾斜

Claims (8)

  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、
    前記基板に配置され、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記可動体と重なっている電極と、を有し、
    前記可動体は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記揺動軸を挟んで設けられている第１可動部および第２可動部を有し、
    前記第１可動部は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記揺動軸に対して前記第２可動部と対称的に設けられている対称部と、前記対称部よりも前記揺動軸から遠い側に位置する非対称部と、を有し、前記揺動軸まわりの回転モーメントが前記第２可動部よりも大きく、
    前記電極は、Ｚ軸方向からの平面視で、前記第１可動部の前記対称部と重なって設けられている第１検出電極と、前記第１検出電極よりも前記揺動軸から遠い側で前記第１可動部の前記対称部および前記非対称部と重なって設けられ、前記可動体と同電位である第１ダミー電極と、を有し、
    前記対称部は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記第１検出電極と重なる第１部分に設けられている第１開口と、前記第１ダミー電極と重なる第２部分に設けられている第２開口と、を有し、
    前記第１部分に対する前記第１開口の開口率は、前記第２部分に対する前記第２開口の開口率よりも小さいことを特徴とする慣性センサー。
  2. 前記電極は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記第２可動部と重なって設けられている第２検出電極と、前記第２検出電極よりも前記揺動軸から遠い側で前記第２可動部と重なって設けられ、前記可動体と同電位である第２ダミー電極と、を有し、
    前記第２可動部は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記第２検出電極と重なる第３部分に設けられている第３開口と、前記第２ダミー電極と重なる第４部分に設けられている第４開口と、を有し、
    前記第３部分に対する前記第３開口の開口率は、前記第４部分に対する前記第４開口の開口率よりも小さい請求項１に記載の慣性センサー。
  3. 前記第１開口および前記第３開口は、前記揺動軸に対して対称に設けられ、
    前記第２開口および前記第４開口は、前記揺動軸に対して対称に設けられている請求項２に記載の慣性センサー。
  4. 前記非対称部は、第５開口を有し、
    前記非対称部に対する前記第５開口の開口率は、前記第２部分に対する前記第２開口の開口率よりも小さい請求項１ないし３のいずれか１項に記載の慣性センサー。
  5. 前記非対称部に対する前記第５開口の開口率は、前記第１部分に対する前記第１開口の開口率よりも小さい請求項４に記載の慣性センサー。
  6. 前記非対称部と前記基板との離間距離は、前記対称部と前記基板との離間距離よりも大きい請求項１ないし５のいずれか１項に記載の慣性センサー。
  7. 請求項１ないし６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。
  8. 請求項１ないし６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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