JP4929918B2 - 複合センサ - Google Patents

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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複合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複合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、角速度検出素子と加速度検出素子とを互いに積層配置するとともに前記加速度検出素子の錘部と離隔させて前記加速度検出素子の上方に前記角速度検出素子を配置し、かつ、前記角速度検出素子には前記加速度検出素子の錘部の上方可動を抑制する抑制手段を設けた構成である。
上記構成により、角速度を検出するための角速度検出素子と加速度を検出するための加速度検出素子とを互いに積層配置した複合検出素子を設けているので、実装面積を低減でき小型化を図れる。
特に、加速度検出素子の錘部と離隔させて加速度検出素子の上方に角速度検出素子を配置し、かつ、角速度検出素子には加速度検出素子の錘部の上方可動を抑制する抑制手段を設けているので、錘部の可動許容範囲を超えるような加速度が加わったとしても、可動を抑制する抑制手段によって可動範囲を特定範囲に制限し、加速度検出素子の破壊防止を図れる。この際、上下可動を抑制することによって、加速度検出素子と角速度検出素子の両方の破壊防止が図れる。
図１は本発明の一実施の形態における複合検出素子の分解斜視図、図２は同複合検出素子の斜視図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
図１〜図３において、本発明の一実施の形態における複合センサは、加速度を検出する加速度検出素子２と角速度を検出する角速度検出素子４とを有する複合検出素子６を備えている。
加速度検出素子２は、実装基板に固定する枠状の固定用アーム８と、一端を互いに連結し他方を固定用アーム８に連結した４つの連結用アーム１０と、４つの連結用アーム１０の一端に連結し４つの連結用アーム１０の間に配置した加速度検出用の錘部１２とを有する。４つの連結用アーム１０は、錘部１２の可動に起因して撓む。
角速度検出素子４は、第１アーム１６を第２アーム１８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１６を支持した支持部１９と、第１アーム１６に第３アーム２０を略直交方向に連結して形成した２つの直交アームとを有する。この２つの第３アーム２０の端部はともに連結しており、第３アーム２０は枠状に形成している。
第２アーム１８には第２アーム１８自身と対向するまで折曲した対向部２２を設け、第２アーム１８の先端部には溝部２３を設けた角速度検出用の錘部２４を連結している。
図２、図３に示すように、この加速度検出素子２と角速度検出素子４を互いに積層配置するとともに加速度検出素子２の錘部１２と離隔させて加速度検出素子２の上方に角速度検出素子４を配置し、かつ、角速度検出素子４には角速度検出素子２の錘部１２の上方可動を抑制する抑制手段を設けている。また、角速度検出素子４は、加速度検出素子２の錘部１２と対向する対向面に、加速度検出素子２の錘部１２と離隔させる凹部２６を設けるとともに、この凹部２６の少なくとも一部は錘部１２の可動範囲（Ｈ）を超えない深さ（Ｄ）を有している。この構成が加速度検出素子２の錘部１２の上方可動を抑制する抑制手段となる。
具体的には、図３に示すように、加速度検出素子２の固定用アーム８上に加速度検出素子４の第３アーム２０を積層配置して固定しており、第３アーム２０の厚みよりも錘部２４および第１、第２アーム１６、１８の厚みを薄くするとともに第３アーム２０の一部を切り欠いて切欠部２７を設けている。第３アーム２０の一部に設けた切欠部２７が加速度検出素子４の錘部１２の可動範囲（Ｈ）を超えない深さ（Ｄ）を有している。
上記の複合検出素子６において、加速度検出素子２は、４つの連結用アーム１０が錘部１２の可動に起因して撓むアームとして機能するので、この連結用アーム１０の状態変化に基づき加速度を検出している。連結用アーム１０の状態変化を検知するために、図１に示すように、４つの連結用アーム１０に感知手段２８を設けている。この感知手段２８は、連結用アーム１０の歪を感知させるための感知電極部であり、ピエゾ抵抗素子や圧電素子を用いて形成すればよい。
角速度検出素子４は、第２アーム１８が駆動振動用のアームとして機能するとともにコリオリ力に起因して撓むアームとして機能するので、この第２アーム１８の状態変化に基づき角速度を検出している。この角速度検出素子４において、４つの第２アーム１８の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム１８の支持部１９側には錘部２４を駆動振動させる駆動手段３０を設けている。この駆動手段３０は、２つの第２アーム１８を駆動振動させるとともに錘部２４を駆動振動させるための駆動電極部であり、圧電体を介在させた下部電極と上部電極とからなる。また、他方の２つの第２アーム１８の支持部１９側には第２アーム１８の状態変化を検知するために感知手段３２を設けている。この感知手段３２は、２つの第２アーム４の歪を感知させるための感知電極部であり、ピエゾ抵抗素子や圧電素子を用いて形成すればよい。
図４は複合検出素子の動作状態を示す加速度検出素子の平面図、図５は同複合検出素子の動作状態を示す図２のＡ−Ａ断面図、図６は同複合検出素子の他の動作状態を示す図２のＡ−Ａ断面図、図７は同複合検出素子の動作状態を示す角速度検出素子の平面図である。
まず、複合検出素子６の加速度検出素子２の動作について説明する。
図４〜図６に示すように、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、加速度検出素子２の４つの連結用アーム１０をＸ軸方向およびＹ軸方向に配置した場合、例えば、Ｚ軸方向に加速度が加わると、図５に示すように、錘部１２がＺ軸方向に変移しようとして連結用アーム１０にＺ軸方向の加速度に起因した歪を発生させることができる。
また、Ｙ軸方向に加速度が加わると、図６に示すように、錘部１２がＹ軸方向に変移しようとして連結用アーム１０にＹ軸方向の加速度に起因した歪を発生させることができる。このとき、錘部１２は連結用アーム１０によって固定されているので、錘部１２は回転しつつＺ軸方向に変移しようとする。
そして、上記の連結用アーム１０の歪（連結用アーム１０の状態変化）を、図４に示すように、連結用アーム１０に配置した感知手段２８が感知することにより、加速度を検出している。
上記の加速度検出素子２において、例えば、Ｚ軸方向に過度な加速度が加わった場合、図５に示すように、錘部１２はＺ軸方向に可動しようとするが、加速度検出素子４の切欠部２７において、錘部１２が角速度検出素子４に接触して、錘部１２の上方可動が抑制される。これは、切欠部２７が加速度検出素子４の錘部１２の可動範囲（Ｈ）を超えない深さ（Ｄ）を有しているからである。仮に、切欠部２７の深さ（Ｄ）が錘部１２の可動範囲（Ｈ）を超えていると、錘部１２は角速度検出素子４に接触しないけれども、錘部１２を連結する連結用アーム１０が破壊される恐れがある。
また、切欠部２７は角速度検出素子４の第３アーム２０の一部に設けており、この第３アーム２０は加速度検出素子２の固定用アーム８上に配置しているので、錘部１２が第３アーム２０に接触したとしても、その接触に起因した角速度検出素子４への影響を抑制できる。すなわち、第３アーム２０は加速度検出素子２と固定するための固定用のアームとして機能しており、コリオリ力を受けても歪まないアームのため、角速度検出素子４の錘部２４の駆動振動に影響を与えず、角速度検出素子４の感度を低下させない。
同様に、Ｙ軸方向に過度な加速度が加わった場合、図６に示すように、錘部１２は連結用アーム１０によって固定されているので、錘部１２は回転しつつＺ軸方向に可動しようとするが、角速度検出素子４の切欠部２７において、錘部１２が角速度検出素子４に接触して、錘部１２の上方可動が抑制される。
次に、複合検出素子６の角速度検出素子４の動作について説明する。
図７に示すように、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、角速度検出素子４の第１アーム１６をＸ軸方向に配置して、第２アーム１８をＹ軸方向に配置した場合、駆動手段３０に共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動手段３０が配置された第２アーム１８を起点に第２アーム１８が駆動振動し、それに伴って錘部２４も第２アーム１８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。
この際、４つの第２アーム１８および４つの錘部２４の全てが同調して第２アーム１８の対向部２２の対向方向に駆動振動する。この角速度検出素子４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２４の駆動振動と同調して、錘部２４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）にコリオリ力が発生するので、第２アーム１８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。そして、この第２アーム１８の歪（第２アーム１８の状態変化）を感知手段３２が感知することにより、角速度を検出している。
上記構成により、加速度を検出するための加速度検出素子２と角速度を検出するための角速度検出素子４とを互いに積層配置した複合検出素子６を設けているので、加速度および角速度の専用のセンサを配置する必要がなく、実装面積を低減でき小型化を図れる。
特に、加速度検出素子２の錘部１２と離隔させて加速度検出素子２の上方に角速度検出素子４を配置し、かつ、角速度検出素子４には加速度検出素子２の錘部１２の上方可動を抑制する抑制手段を設けているので、錘部１２の可動範囲を超えるような加速度が加わったとしても、可動を抑制する抑制手段によって可動範囲を特定範囲に制限し、加速度検出素子２の破壊防止を図れる。この際、上方可動を抑制することによって、加速度検出素子２と角速度検出素子４の両方の破壊防止が図れる。
なお、本発明の一実施例における複合センサの角速度検出素子４では、４つの第２アーム１８の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム１８に駆動手段３０を設け、他方の２つの第２アーム１８に感知手段３２を設けているが、駆動手段３０や感知手段３２は４つの第２アーム１８の内、少なくとも１つの第２アーム１８に設ければよい。
本発明に係る複合センサは、加速度と角速度を検出できるので、実装面積を低減でき小型化を図れ、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複合検出素子の分解斜視図 同複合検出素子の斜視図 図２のＡ−Ａ断面図 複合検出素子の動作状態を示す加速度検出素子の平面図 同複合検出素子の動作状態を示す図２のＡ−Ａ断面図 同複合検出素子の他の動作状態を示す図２のＡ−Ａ断面図 複合検出素子の動作状態を示す角速度検出素子の平面図
符号の説明
２ 加速度検出素子
４ 角速度検出素子
６ 複合検出素子
８ 固定用アーム
１０ 連結用アーム
１２ 錘部
１６ 第１アーム
１８ 第２アーム
１９ 支持部
２０ 第３アーム
２２ 対向部
２３ 溝部
２４ 錘部
２６ 凹部
２８ 感知手段
３０ 駆動手段
３２ 感知手段

Claims (5)

  1. 角速度検出素子と加速度検出素子を有する複合検出素子を備え、
    前記加速度検出素子は、錘部と、前記錘部に連結され前記錘部の可動に起因して撓むアー
    ムとを有し、前記錘部の可動に起因して撓むアームの状態変化に基づき加速度を検出して
    おり、
    前記角速度検出素子と前記加速度検出素子とを互いに積層配置するとともに前記加速度検
    出素子の錘部と離隔させて前記加速度検出素子の上方に前記角速度検出素子を配置し、か
    つ、前記角速度検出素子には前記加速度検出素子の錘部の上方可動を抑制する抑制手段を
    設けた複合センサ。
  2. 前記角速度検出素子は、駆動振動用のアームと、コリオリ力に起因して撓むアームとを有し、コリオリ力に起因して撓むアームの状態変化に基づき角速度を検出する
    請求項１に記載の複合センサ。
  3. 前記角速度検出素子は、前記加速度検出素子の錘部と対向する対向面に、前記加速度検出
    素子の錘部と離隔させる凹部を設けるとともに、前記凹部の少なくとも一部は前記錘部の
    可動範囲を超えない深さを有する請求項１又は２に記載の複合センサ。
  4. 前記角速度検出素子は、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アームを支持した支持部と、前記第１アームに第３アーム
    を略直交方向に連結して形成した２つの直交アームとを有し、前記第３アームにて前記加
    速度検出素子に固定し、前記第３アームの厚みよりも前記錘部および前記第１、第２アー
    ムの厚みを薄くするとともに前記第３アームの一部を切り欠いて前記凹部を設け、前記第
    ３アームの一部に設けた前記凹部は前記加速度検出素子の錘部の可動範囲を超えない深さ
    を有する請求項３記載の複合センサ。
  5. 前記加速度検出素子は、前記錘部に連結され前記錘部の可動に起因して撓むアームを連結
    するとともに実装基板に固定する固定用アームを有し、前記加速度検出素子の固定用アー
    ム上に前記角速度検出素子の第３アームを積層配置して固定した請求項４記載の複合セン
    サ。
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