JP2021006794A - 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】不要振動の発生を抑制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、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、 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、前記基板に固定されている固定部と、前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動する可動体と、前記固定部と前記可動体とを連結し、前記可動体の揺動によって捩じり変形する第１梁および第２梁と、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検出電極と、を有し、前記第１梁および前記第２梁は、互いに形状が異なり、かつ、互いに捩じりバネ定数が等しい。【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。
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センサーであり、基板と、基板に固定されている固定部と、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、固定部と可動体とを接続する一対の梁と、基板に設けられた検出電極と、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た第１検出電極と、第２可動部と対向して基板に配置された第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、可動体が梁を捩じり変形させつつ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。
特開２０１９−４５１７２号公報
しかしながら、特許文献１の慣性センサーでは、一対の梁が互いに同じ形状であるため、検出振動であるシーソー揺動の周波数に対して、検出振動とは異なる不要振動の周波数が近くなる。そのため、不要振動が生じ易く、その分、慣性センサーの検出感度が低下す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、
前記基板に固定されている固定部と、
前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動する可動体と、
前記固定部と前記可動体とを連結し、前記可動体の揺動によって捩じり変形する第１梁および第２梁と、
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検出電極と、を有し、
前記第１梁および前記第２梁は、互いに形状が異なり、かつ、互いに捩じりバネ定数が等し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１梁および第２梁を示す斜視図である。 第２実施形態に係る慣性センサー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スマートフォンを示す平面図である。 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６に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。 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８に示す移動体測位装置の作用を示す図である。 第６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。図３は、第１梁および第２梁を示す斜視図である。
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。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、その上面に開口する溝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検出電極８１、第２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、ダミー電極８３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、これに特に限定されず、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とを接続する第１梁３３および第２梁３４と、を有する。そして、後述するように、センサー素子３に加速度Ａｚが加わると、可動体３２が第１、第２梁３３、３４を捩じり変形させつつ、揺動軸Ｊまわりにシーソー揺動する。
可動体３２は、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸方向を長手方向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軸方向の長さが長く、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。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との間に位置する貫通孔からなる開口３２４を有する。そして、開口３２４内に固定部３１および第１、第２梁３３、３４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および第１、第２梁３３、３４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、その全域にわたって均一に形成されている複数の貫通孔３２５を有する。これにより、空気抵抗による可動体３２のダンピングを低減することができる。ただし、貫通孔３２５は、省略してもよいし、その配置が均一でなくてもよい。
また、Ｚ軸方向からの平面視で、可動体３２のＹ軸方向の中心を通り、Ｘ軸方向に延在する直線を仮想中心線Ｒとしたとき、可動体３２は、Ｚ軸方向からの平面視で、仮想中心線Ｒに対して対称な形状となっている。これにより、仮想中心線Ｒに対して一方側の部分と他方側の部分との形状バランスおよび質量バランスをとることができ、可動体３２をよりスムーズに揺動軸Ｊまわりにシーソー揺動させることができる。そのため、加速度Ａｚの検出感度の低下を効果的に抑制することができる。なお、前記対称とは、完全な対称だけではなく、例えば、製造上生じ得る誤差や機能的な低下を実質的に伴わない程度の誤差を含む意味である。
可動体３２の内側に設けられている固定部３１は、例えば、マウント２２に陽極接合されている。ただし、固定部３１とマウント２２との接合方法は、特に限定されない。また、固定部３１は、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｈ型をなしており、第１、第２梁３３、３４が接続されている基部３１１と、基部３１１のＸ軸方向プラス側に位置し、Ｙ軸方向に延びる脚部３１２と、基部３１１のＸ軸方向マイナス側に位置し、Ｙ軸方向に延びる脚部３１３と、を有する。Ｚ軸方向からの平面視で、基部３１１は、揺動軸Ｊと重なり、脚部３１２は、揺動軸ＪからＸ軸方向プラス側にずれて設けられ、脚部３１３は、揺動軸ＪからＸ軸方向マイナス側にずれて設けられている。
このような形状の固定部３１は、脚部３１２、３１３においてマウント２２に接合されている。すなわち、脚部３１２、３１３がマウント２２との接合部を構成している。これにより、固定部３１とマウント２２との接合面積を十分に広く確保して、これらの接合強度を十分に高めることができる。一方、基部３１１は、マウント２２に接合されていない。言い換えると、固定部３１の第１、第２梁３３、３４の間の部分は、マウント２２に接合されていない。さらに、基部３１１は、マウント２２から離間している。そのため、基部３１１とマウント２２との間には空隙Ｇが形成されている。これにより、基部３１１が第１、第２梁３３、３４と共に変形し易くなり、可動体３２の揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動がより安定する。さらに、当該部分への応力集中が低減され、センサー素子３の破損を効果的に抑制することもできる。
また、第１、第２梁３３、３４は、Ｚ軸方向からの平面視で、基部３１１を間に挟んで設けられており、基部３１１のＹ軸方向プラス側に第１梁３３が設けられ、Ｙ軸方向マイナス側に第２梁３４が設けられている。また、第１、第２梁３３、３４は、それぞれ、Ｙ軸方向に沿って延在する棒状すなわち長手形状をなし、かつ、互いに揺動軸Ｊ上に同軸的に設けられている。第１、第２梁３３、３４のこれ以上の説明は後述する。
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。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、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ている。
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。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、第１、第２梁３３、３４について詳細に説明する。第１、第２梁３３、３４は、揺動軸Ｊまわりの捩じりバネ定数Ｋｔが互いに等しく、かつ、形状が互いに異なっている。第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることにより、加速度Ａｚの検出振動である揺動軸Ｊまわりの可動体３２のシーソー揺動をスムーズに行うことができる。また、第１、第２梁３３、３４の形状を互いに異ならせることにより、加速度Ａｚの検出振動である揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動以外の振動、すなわち不要振動の発生を効果的に抑制することができる。具体的には、このような構成とすることにより、従来のように第１、第２梁３３、３４の形状が互いに同じで、揺動軸Ｊまわりの捩じりバネ定数Ｋｔも互いに等しい構成と比べて、検出振動の周波数と不要振動の周波数との差すなわち離調周波数が大きくなる。そのため、その分、検出振動に不要振動が結合し難くなり、不要振動の発生が抑制される。
なお、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔが互いに等しいとは、第１梁３３の捩じりバネ定数Ｋｔと、第２梁３４の捩じりバネ定数Ｋｔとが一致している場合だけではなく、例えば、製造上生じ得る誤差や機能的な低下を実質的に伴わない程度の誤差、例えば、±１０％以内の誤差を有する場合も含む意味である。
ここで、不要振動には種々のモードが存在するが、特に、検出振動に近い周波数を有するモードとして、例えば、次の２つが挙げられる。１つ目は、固定部３１を中心として可動体３２がＺ軸まわりに面内回転する面内回転振動モードである。２つ目は、可動体３２がＸ軸方向に並進振動する並進振動モードである。ただし、不要振動のモードは、これに限定されず、センサー素子３の設計によっても異なり、これら以外のモードの周波数が検出振動モードの周波数と近くなっていてもよい。
次に、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔについて説明すると、捩じりバネ定数Ｋｔは、下記の式（１）で表すことができる。
Figure 2021006794
なお、上記式（１）中の各記号は、次の意味を有する。
ｂ…第１、第２梁３３、３４のＹ軸方向長さ（以下「長さｂ」とも言う）
ｈ…第１、第２梁３３、３４のＺ軸方向長さ（以下「厚さｈ」とも言う）
ｗ…第１、第２梁３３、３４のＸ軸方向長さ（以下「幅ｗ」とも言う）
Ｇ…第１、第２梁３３、３４の横弾性係数
上記式（１）から分かるように、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔは、第１、第２梁３３、３４の長さｂ、厚さｈおよび幅ｗに依存しており、これらの値を適宜調整することにより、第１、第２梁３３、３４の形状を互いに異ならせつつ、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることが可能となる。そこで、センサー素子３では、長さｂ、幅ｗおよび厚さｈのうちの少なくとも２つについて第１、第２梁３３、３４で互いに異ならせている。これにより、より簡単かつより確実に、第１、第２梁３３、３４の形状を互いに異ならせつつ、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることができる。
特に、本実施形態では、図３に示すように、長さｂ、幅ｗについては第１、第２梁３３、３４で互いに異なっており、残りの厚さｈについては第１、第２梁３３、３４で互いに等しい。前述したように、センサー素子３は、板状のシリコン基板をボッシュ・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。そのため、平面寸法である長さｂおよび幅ｗについては容易に設計することが可能であるが、厚さｈについては、厚さｈがシリコン基板の厚さに依存するため設計し難い。また、厚さｈを制御しようとすると、第１、第２梁３３、３４の部分だけを別のエッチング工程によって薄肉化する必要が生じ、製造プロセスが煩雑となる。したがって、上述のように、長さｂ、幅ｗを第１、第２梁３３、３４で互いに異ならせ、厚さｈについては第１、第２梁３３、３４で互いに等しくすることにより、より容易に、第１、第２梁３３、３４の形状を互いに異ならせつつ、捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることができる。
また、第１、第２梁３３、３４は、下記式（２）の値が互いに等しい。上記式（１）から分かるように、このような関係を満足することにより、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることができるため、第１、第２梁３３、３４の設計が容易となる。
Figure 2021006794
なお、特に限定されないが、ｂ≧３ｈであることが好ましい。これにより、上記式（１）がより正確に当てはまることとなり、より精度よくかつ簡単に、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることができる。
次に、本実施形態のように第１、第２梁３３、３４の形状が互いに異なり、捩じりバネ定数Ｋｔが互いに等しい構成の慣性センサー（実施例）と、従来のように第１、第２梁３３、３４の形状が互いに同じで、捩じりバネ定数Ｋｔも互いに等しい構成の慣性センサー（比較例）とで、検出振動モードの周波数と、不要振動モードである面内回転振動モードの周波数およびＸ軸方向への並進振動モードの周波数との差がどれだけ変化するかをシミュレーションした結果を下記の表１および表２に示す。なお、表１は、第１、第２梁３３、３４の寸法を示す表であり、表２は、シミュレーションの結果を示す表である。また、表２中の括弧内は、検出振動モードとの周波数差すなわち離調周波数の値である。
Figure 2021006794
Figure 2021006794
表２から分かるように、本発明の実施例によれば、比較例に対して、検出振動モードと各不要振動モードとの周波数差（離調周波数）を大きくすることができる。したがって、前述したように、実施例によれば、比較例に対して、検出振動に不要振動が結合し難くなり、不要振動の発生が抑制される。
ここで、表１にも示すように、本実施形態では、第１梁３３の幅ｗが第２梁３４の幅ｗよりも大きい。これに関係し、図１に示すように、固定部３１に含まれる脚部３１２、３１３のうち、第１梁３３と対向する部分すなわち第１梁３３とＸ軸方向に並ぶ部分３１２ａ、３１３ａの幅を、第２梁３４と対向する部分すなわち第２梁３４とＸ軸方向に並ぶ部分３１２ｂ、３１３ｂの幅よりも小さくし、第１梁３３と部分３１２ａ、３１３ａとの離間距離Ｄ１と、第２梁３４と部分３１２ｂ、３１３ｂとの離間距離Ｄ２と、を等しくしている。これにより、シリコン基板をボッシュ・プロセスによってエッチングする際のマイクロローディング効果によるエッチング速度を第１、第２梁３３、３４で揃えることができる。そのため、第１、第２梁３３、３４でエッチング量を揃えることができ、第１、第２梁３３、３４の設計値からの形状ずれを抑制することができる。その結果、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔをより確実に等しくすることができる。
以上、慣性センサー１について説明した。このような慣性センサーは、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、基板２に固定されている固定部３１と、Ｙ軸に沿う揺動軸Ｊまわりに揺動する可動体３２と、固定部３１と可動体３２とを連結し、可動体３２の揺動によって捩じり変形する第１梁３３および第２梁３４と、基板２に配置され、Ｚ軸方向からの平面視で可動体３２と重なっている検出電極としての第１、第２検出電極８１、８２と、を有する。そして、第１梁３３および第２梁３４は、互いに形状が異なり、かつ、互いに捩じりバネ定数Ｋｔが等しい。第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることにより、加速度Ａｚの検出振動である揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動をスムーズに行うことができる。そして、第１、第２梁３３、３４の形状を互いに異ならせることにより、加速度Ａｚの検出振動である揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動以外の振動すなわち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、第１梁３３および第２梁３４は、それぞれ、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸方向の長さである幅ｗ、Ｙ軸方向の長さである長さｂおよびＺ軸方向の長さである厚さｈのうちの少なくとも２つが互いに異なっている。第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔは、第１、第２梁３３、３４の長さｂ、厚さｈおよび幅ｗに依存しているため、これらの値を適宜調整することにより、第１、第２梁３３、３４の形状を互いに異ならせつつ、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることが可能となる。
また、前述したように、第１梁３３および第２梁３４は、幅ｗおよび長さｂが互いに異なり、厚さｈが互いに等しい。第１、第２梁３３、３４は、板状のシリコン基板をボッシュ・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。そのため、平面寸法である長さｂおよび幅ｗについては容易に設計することが可能であるが、厚さｈについては、厚さｈがシリコン基板の厚さに依存するため設計し難い。また、厚さｈを制御しようとすると、第１、第２梁３３、３４の部分だけを別のエッチング工程によって薄肉化する必要が生じ、製造プロセスが煩雑となる。したがって、長さｂ、幅ｗを第１、第２梁３３、３４で互いに異ならせ、厚さｈについては第１、第２梁３３、３４で互いに等しくすることにより、より容易に、第１、第２梁３３、３４の形状を互いに異ならせつつ、捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることができる。
また、前述したように、第１梁３３および第２梁３４は、上記式（２）の値が互いに等しい。このような関係を満足することにより、第１、第２梁３３、３４の捩じりバネ定数Ｋｔを互いに等しくすることができるため、第１、第２梁３３、３４の設計が容易となる。
また、前述したように、可動体３２は、開口３２４を有し、固定部３１、第１梁３３および第２梁３４は、それぞれ、開口３２４内に配置されている。そして、固定部３１のＹ軸方向の一方側に第１梁３３が位置し、他方側に第２梁３４が位置している。このように、可動体３２の内側に固定部３１および第１、第２梁３３、３４を設けることにより、慣性センサー１の小型化を図ることができる。また、固定部３１の両側に第１、第２梁３３、３４を設けることにより、可動体３２をバランスよく支持することができる。
また、前述したように、可動体３２のＹ軸方向の中心を通り、Ｘ軸方向に延在する直線を仮想中心線Ｒとしたとき、可動体３２は、Ｚ軸方向からの平面視で、仮想中心線Ｒに対して対称な形状である。これにより、仮想中心線Ｒに対して一方側の部分と他方側の部分との形状バランスおよび質量バランスをとることができ、可動体３２をよりスムーズに揺動軸Ｊまわりにシーソー揺動させることができる。そのため、加速度Ａｚの検出感度の低下を効果的に抑制することができる。
また、前述したように、固定部３１の基板２との接合部すなわち脚部３１２、３１３は、Ｚ軸方向からの平面視で、固定部３１と第１梁３３との接続部と、固定部３１と第２梁３４との接続部と、の間の領域からずれている。言い換えると、第１梁３３と第２梁３４との間に位置する基部３１１は、基板２と接合されていない。これにより、基部３１１が第１、第２梁３３、３４と共に変形し易くなり、可動体３２の揺動軸Ｊまわりのシーソー揺動がより安定する。さらに、当該部分への応力集中が低減され、センサー素子３の破損を効果的に抑制することもできる。
＜第２実施形態＞
図４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４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４に示す慣性センサー１では、固定部３１は、前述した第１実施形態で述べた基部３１１および脚部３１２、３１３のうちの基部３１１から構成されている。そして、基部３１１がマウント２２に接合されている。すなわち、固定部３１の基板２との接合部は、基部３１１と第１梁３３との接続部と、基部３１１と第２梁３４との接続部と、の間に位置している。これにより、固定部３１を小さくすることができ、慣性センサー１を小型化したり、可動体３２と第１、第２検出電極８１、８２を大きくすることで、慣性センサー１を高感度化したりすることができる。つまり、慣性センサー１の設計の自由度を大きくすることができる。
また、Ｚ軸方向からの平面視で、基部３１１の中心Ｏは、仮想中心線Ｒ上に位置している。言い換えると、基部３１１と第１梁３３との接続部と、基部３１１と第２梁３４との接続部と、の中心が仮想中心線Ｒ上に位置している。これにより、外部応力や温度変化によって基板２が反ったときの、仮想中心線Ｒに対して一方側の部分の第１可動部３２１と第１検出電極８１との間の静電容量Ｃａの変動と、他方側の部分の静電容量Ｃａの変動をほぼ同一にできる。同様に、仮想中心線Ｒに対して一方側の部分の第２可動部３２２と第２検出電極８２との間の静電容量Ｃｂの変動と、他方側の部分の静電容量Ｃｂの変動をほぼ同一にできる。その結果、慣性センサー１を高精度化することができる。なお、固定部３１を可動体３２のＹ軸方向の中心に配置するため、可動体３２の形状、特に、第１、第２梁３３、３４との接続部の形状が仮想中心線Ｒに対して非対称となっている。
以上のように、本実施形態の慣性センサー１では、可動体３２のＹ軸方向の中心を通り、Ｘ軸方向に延在する直線を仮想中心線Ｒとしたとき、Ｚ軸方向からの平面視で、固定部３１と第１梁３３との接続部と、固定部３１と第２梁３４との接続部と、の中心は、仮想中心線Ｒ上に位置している。これにより、外部応力や温度変化によって基板２が反ったときの、仮想中心線Ｒに対して一方側の部分の第１可動部３２１と第１検出電極８１との間の静電容量Ｃａの変動と、他方側の部分の静電容量Ｃａの変動をほぼ同一にできる。同様に、仮想中心線Ｒに対して一方側の部分の第２可動部３２２と第２検出電極８２との間の静電容量Ｃｂの変動と、他方側の部分の静電容量Ｃｂの変動をほぼ同一にできる。その結果、慣性センサー１を高精度化することができる。
また、前述したように、固定部３１の基板２との接合部は、Ｚ軸方向からの平面視で、固定部３１と第１梁３３との接続部と、固定部３１と第２梁３４との接続部と、の間に位置している。これにより、固定部３１を小さくすることができ、慣性センサー１を小型化したり、可動体３２と第１、第２検出電極８１、８２を大きくすることで、慣性センサー１を高感度化したりすることができる。つまり、慣性センサー１の設計の自由度を大きくすることができる。
以上のような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第３実施形態＞
図５は、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５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慣性計測装置を示す分解斜視図である。図７は、図６に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。
図６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７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８は、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９は、図８に示す移動体測位装置の作用を示す図である。
図８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９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１０は、第６実施形態に係る移動体を示す斜視図である。
図１０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、二足歩行ロボット、ドローン等の無人飛行機、ラジコン模型、鉄道模型、その他玩具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、２２…マウント、２５〜２７…溝、３…センサー素子、３１…固定部、３１１…基部、３１２、３１３…脚部、３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂ…部分、３２…可動体、３２１…第１可動部、３２２…第２可動部、３２４…開口、３２５…貫通孔、３３…第１梁、３４…第２梁、５…蓋、５１…凹部、５９…ガラスフリット、７５〜７７…配線、８…電極、８１…第１検出電極、８２…第２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…離間距離、Ｇ…空隙、Ｊ…揺動軸、Ｏ…中心、Ｐ…電極パッド、Ｒ…仮想中心線、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、
    前記基板に固定されている固定部と、
    前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動する可動体と、
    前記固定部と前記可動体とを連結し、前記可動体の揺動によって捩じり変形する第１梁および第２梁と、
    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検出電極と、を有し、
    前記第１梁および前記第２梁は、互いに形状が異なり、かつ、互いに捩じりバネ定数が等しいことを特徴とする慣性センサー。
  2. 前記第１梁および前記第２梁は、それぞれ、前記Ｙ軸方向に延在し、
    前記Ｘ軸方向の長さである幅ｗ、前記Ｙ軸方向の長さである長さｂおよび前記Ｚ軸方向の長さである厚さｈのうちの少なくとも２つが互いに異なっている請求項１に記載の慣性センサー。
  3. 前記第１梁および前記第２梁は、前記幅ｗおよび前記長さｂが互いに異なり、前記厚さｈが互いに等しい請求項２に記載の慣性センサー。
  4. 前記第１梁および前記第２梁は、
    Figure 2021006794
    の値が互いに等しい請求項２または３に記載の慣性センサー。
  5. 前記可動体は、開口を有し、
    前記固定部、前記第１梁および前記第２梁は、それぞれ、前記開口内に配置され、
    前記固定部の前記Ｙ軸方向の一方側に前記第１梁が位置し、他方側に前記第２梁が位置している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の慣性センサー。
  6. 前記可動体の前記Ｙ軸方向の中心を通り、前記Ｘ軸方向に延在する直線を仮想中心線としたとき、
    前記可動体は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記仮想中心線に対して対称な形状である請求項５に記載の慣性センサー。
  7. 前記固定部の前記基板との接合部は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記固定部と前記第１梁との接続部と、前記固定部と前記第２梁との接続部と、の間の領域からずれている請求項６に記載の慣性センサー。
  8. 前記可動体の前記Ｙ軸方向の中心を通り、前記Ｘ軸方向に延在する直線を仮想中心線としたとき、
    前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記固定部と前記第１梁との接続部と、前記固定部と前記第２梁との接続部と、の中心は、前記仮想中心線上に位置する請求項５に記載の慣性センサー。
  9. 前記固定部の前記基板との接合部は、前記Ｚ軸方向からの平面視で、前記固定部と前記第１梁との接続部と、前記固定部と前記第２梁との接続部と、の間に位置している請求項８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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