JP4858215B2

JP4858215B2 - 複合センサ

Info

Publication number: JP4858215B2
Application number: JP2007038992A
Authority: JP
Inventors: 智大内; 宏幸相澤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: CN101617198B; CN101617198A; JP2008203071A

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度や加速度を検出する複合センサに関するものである。

以下、従来の複合センサについて説明する。

従来、角速度や加速度を検出するセンサを用いる場合は、角速度を検出するには専用の角速度センサを用い、加速度を検出するには専用の加速度センサを用いていた。

したがって、各種電子機器において、角速度と加速度とを複合して検出する場合は、複数の角速度センサと加速度センサを各種電子機器の実装基板に各々実装していた。

一般に、角速度センサは、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種の形状の検出素子を振動させて、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出するものであり、加速度センサは、錘部を有し、加速度に伴う錘部の可動を、可動前と比較検知して加速度を検出するものである。

このような角速度センサや加速度センサを検出したい検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１および特許文献２が知られている。
特開２００１−２０８５４６号公報特開２００１−７４７６７号公報

上記構成では、検出したい角速度や加速度の検出軸に対応させて、角速度センサおよび加速度センサを実装基板に各々実装するので実装面積を確保する必要があり、小型化を図れないという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決し、角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減して小型化を図ったセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、特に、検出素子は、第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームの一端を支持する支持部と、前記第２アームの先端に連結した錘部とを有し、前記第２アームには前記第２アームを駆動振動させる駆動信号を入力する駆動電極と、前記第２アームの歪を感知して感知信号を出力する感知電極とを有し、前記加速度検出部は、前記錘部の厚み方向の可動に起因した状態変化を検出して加速度を検出し、前記角速度検出部は、コリオリ力に起因した状態変化を検出して角速度を検出しており、前記第１アームの厚みを前記第２アームの厚みよりも薄くし、かつ、前記第１アームの他端にて実装基板に固定した構成である。

上記構成により、加速度検出部によって、第１アームの歪に伴う錘部の可動に起因した状態変化を検出して加速度を検出し、角速度検出部によって、コリオリ力に起因した状態変化を検出して角速度を検出し、一つの検出素子で加速度と角速度を検出できるので、実装面積を低減して小型化を図れる。

特に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アームをＸ軸方向に配置し、第２アームをＹ軸方向に配置した場合、加速度の検出では、例えば、Ｘ軸方向への加速度に対して、錘部は支持部を中心にしてＹ軸周りに回転しようとするが、第１アームの厚みを第２アームの厚みよりも薄くしているのでＹ軸周りに回転しやすくなって、加速度の検出感度を向上できる。

また、角速度の検出では、第２アームを駆動振動させた状態において、コリオリ力に起因した第２アームの歪を感知して角速度を検出するが、第１アームの他端にて実装基板に固定し、第１アーム８および第２アーム１０は検出素子１の中心に対して対称配置しているので、第２アームの駆動振動に伴う不要な振動が発生しにくく、角速度の検出精度を向上できる。

例えば、第１アームの他端を方形状の枠体に連結する場合は、連結された枠体の辺部にて実装基板に固定すれば、実装基板と確実に固定できるとともに、連結部分の近傍部分に発生しやすい歪を抑制でき、検出精度を向上できる。

図１は本発明の一実施の形態におけるセンサの分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

図１において、本発明の一実施の形態におけるセンサは、加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子１を備え、この検出素子１は、第１アーム８を第２アーム１０に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム８の一端を支持する支持部１２と、２つの第１アーム８の他端を連結した方形状の固定部４とを有し、第１アーム８の他端を連結した固定部４の辺部にて固定している。この第１アーム８の厚みは第２アーム１０の厚みよりも非常に薄く形成しており、第２アーム１０は第２アーム１０自身と対向するまで折曲し、折曲した第２アーム１０の先端部に錘部２を連結している。なお、第１アーム８と支持部１２とは略同一直線上に配置し、第１アーム８および第２アーム１０は検出素子１の中心に対して対称配置している。

また、錘部２と対向するように基板６を対向配置し、錘部２と基板６の各々の対向面には、対向電極として第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置している。

さらに、互いに対向する一方の２つの第２アーム１０には錘部２を駆動振動させる駆動電極として、駆動電極２２および検知電極２４を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム１０には、感知電極として、第２アーム１０の歪を感知する第１感知電極２６、第２感知電極２８を設けている。

上記の第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、駆動電極２２、検知電極２４、第１感知電極２６、第２感知電極２８は、図２に示すように、圧電層３０を介在させた上部電極３２と下部電極３４とを有している。

次に、角速度検出部および加速度検出部について説明する。

まず、角速度検出部について説明する。

図３に示すように、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム８をＸ軸方向に配置して、第２アーム１０をＹ軸方向に配置した場合、駆動電極２２に共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動電極２２が配置された第２アーム１０の支持部１２を起点に第２アーム１０が駆動振動し、それに伴って錘部２も第２アーム１０の対向方向（実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動する。また、４つの第２アーム１０および４つの錘部２の全てが同調して第２アーム１０の対向方向に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。

このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部２の駆動振動と同調して、錘部２に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向（Ｙ軸方向））にコリオリ力が発生するので、第２アーム１０にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。すなわち、コリオリ力に起因して撓むこの第２アーム１０の状態変化（第２アーム１０に発生した歪）によって、第１、第２感知電極２６、２８から電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

次に、加速度検出部について説明する。

図４に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、基板６をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４の対向距離（Ｈ１）と、基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６の対向距離（Ｈ２）は等しい。図示していないが、第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も等しくなる。

このとき、例えば、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、図５に示すように、錘部２は支持部１２を中心にしてＹ軸周りに回転しようとする。この結果、基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４の対向距離（Ｈ１）が小さくなり、基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６の対向距離（Ｈ２）が大きくなる。図示していないが、第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も同様である。

一方、Ｙ軸方向に加速度が生じた場合も同様に、錘部２は支持部１２を中心にしてＸ軸周りに回転しようとするため、例えば、第３、第４対向電極１８、２０の対向距離が大きくなり、第１、第２対向電極１４、１６の対向距離が小さくなる。すなわち、各々の電極間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化に基づいてＸ軸方向またはＹ軸方向の加速度を検出するものである。

上記構成により、加速度検出部によって、錘部２の厚み方向の可動に起因した状態変化を検出して加速度を検出し、角速度検出部によって、コリオリ力に起因した状態変化を検出して角速度を検出し、一つの検出素子１で加速度と角速度を検出できるので、実装面積を低減して小型化を図れる。

特に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム８をＸ軸方向に配置し、第２アーム１０をＹ軸方向に配置した場合、加速度の検出では、例えば、Ｘ軸方向への加速度に対して、錘部２は支持部１２を中心にしてＹ軸周りに回転しようとするが、第１アーム８の厚みを第２アーム１０の厚みよりも薄くしているのでＹ軸周りに回転しやすくなって、加速度の検出感度を向上できる。

また、角速度の検出では、第２アーム１０を駆動振動させた状態において、コリオリ力に起因した第２アーム１０の歪を感知して角速度を検出するが、第１アーム８の他端にて実装基板に固定し、第１アーム８および第２アーム１０は検出素子１の中心に対して対称配置しているので、第２アーム１０の駆動振動に伴う不要な振動が発生しにくく、角速度の検出精度を向上できる。

例えば、第１アーム８の他端を方形状の枠体に連結する場合は、連結された固定部４の辺部にて実装基板に固定すれば、実装基板と確実に固定できるとともに、図６に示すように、連結部分３６の近傍部分に発生しやすい歪を抑制でき、検出精度を向上できる。

なお、本発明の実施の形態では、固定部４の辺部にて実装基板に固定したが、第１アーム８の他端にて実装基板に固定してもよい。

本発明に係る加速度センサは、加速度の検出精度を向上できるので、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態におけるセンサの分解斜視図図１のＡ−Ａ断面図基板配置前の同検出素子の斜視図同検出素子の断面図加速度発生時における同検出素子の動作状態を示す説明図同検出素子の第１アームと枠体の連結部分における歪を示す説明図

符号の説明

１検出素子
２錘部
４固定部
６基板
８第１アーム
１０第２アーム
１２支持部
１４第１対向電極
１６第２対向電極
１８第３対向電極
２０第４対向電極
２２駆動電極
２４検知電極
２６第１感知電極
２８第２感知電極
３０圧電層
３２上部電極
３４下部電極
３６連結部分

Claims

加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子を備え、
前記検出素子は、第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームの一端を支持する支持部と、前記第２アームの先端に連結した錘部とを有し、前記第２アームには前記第２アームを駆動振動させる駆動信号を入力する駆動電極と、前記第２アームの歪を感知して感知信号を出力する感知電極とを有し、
前記加速度検出部は、前記錘部の厚み方向の可動に起因した状態変化を検出して加速度を検出し、前記角速度検出部は、コリオリ力に起因した状態変化を検出して角速度を検出しており、
前記第１アームの厚みを前記第２アームの厚みよりも薄くし、かつ、前記第１アームの他端にて実装基板に固定した複合センサ。
前記第２アームは折曲して前記第２アームと対向させた請求項１記載の複合センサ。
前記第１アームの他端を枠体に連結した請求項１記載の複合センサ。
前記枠体は方形状とし、前記第１アームの他端が連結された前記枠体の辺部にて、前記実装基板に固定した請求項３記載の複合センサ。