JP7192437B2 - 慣性センサー、電子機器および移動体 - Google Patents

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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に記載されている角速度センサーは、可動駆動電極と、可動駆動電極を振動させる固定駆動電極と、振動量増幅部を介して可動駆動電極に接続された可動検出電極と、可動検出電極と対向配置された固定検出電極と、を有する。このような構成の角速度センサーでは、可動駆動電極と固定駆動電極との間に静電引力を発生させることにより可動駆動電極と共に可動検出電極をＹ軸方向に振動させ（この振動モードを「駆動振動モード」と言う）、この状態でＸ軸まわりの角速度が加わると、コリオリの力によって可動検出電極がＺ軸方向に振動し（この振動モードを「検出振動モード」と言う）、それに伴って変化する可動検出電極と固定検出電極との間の静電容量に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出することができる。
このような角速度センサーは、例えば、特許文献２に記載されているシリコンの深溝エッチング技術であるボッシュ・プロセスを用いて形成することができる。シリコンの深溝エッチング技術とは、エッチング用ガスであるＳＦ６と側壁保護膜形成用ガスＣ４Ｆ８の２系統のガスを交互に切り替えて、エッチング工程と側壁保護膜形成工程とを交互に繰り返すことにより、シリコンに深溝を形成する技術である。このような深溝エッチング技術によれば、溝側面の垂直性に優れ、高いアスペクト比の溝を形成することができる。
特開２００９－１７５０７９号公報 特表平７－５０３８１５号公報
しかしながら、特許文献２に記載の深溝エッチング技術を用いた場合、例えば、被エッチングウェーハのチャンバー内の位置等によっては、被エッチングウェーハのエッチング面の法線方向に対して傾斜した斜め方向に貫通孔が形成されてしまう場合がある。このように、貫通孔が斜めに形成されてしまうと、振動量増幅部の断面形状が矩形からずれてしまう。このように、振動量増幅部の断面形状が矩形からずれてしまうと、駆動振動モードにおいて可動検出電極がＹ軸方向のみならずＺ軸方向にも振動してしまい、角速度の検出特性が低下する。
なお、駆動振動モード時の可動検出電極のＺ軸方向への振動（不要な振動）は、「クアドラチャ」とも呼ばれており、このクアドラチャに起因したノイズ信号は、「クアドラチャ信号」とも呼ばれている。
本発明の慣性センサーは、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、
前記基板と前記Ｚ軸に沿う方向に重なり、前記Ｘ軸に沿う方向に並んで配置されている第１検出可動体および第２検出可動体と、
前記第１検出可動体を前記Ｘ軸に沿う方向に変位可能に支持する第１検出ばねと、
前記第２検出可動体を前記Ｘ軸に沿う方向に変位可能に支持する第２検出ばねと、
前記第１検出可動体を前記Ｘ軸に沿う方向の駆動成分を有して駆動する第１駆動部と、
前記第２検出可動体を前記Ｘ軸に沿う方向の駆動成分を有して駆動する第２駆動部と、
前記基板に配置され、前記第１検出可動体と対向している第１固定検出電極と、
前記基板に配置され、前記第２検出可動体と対向している第２固定検出電極と、
を備え、
前記第１検出ばねおよび前記第２検出ばねには、前記第１検出可動体および前記第２検出可動体の前記Ｚ軸に沿う方向の厚さよりも薄い第１薄肉部が設けられてい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である。 図１中のＡ－Ａ線断面図である。 図１の慣性センサーが有するセンサー素子を示す平面図である。 図１の慣性センサーに印加する電圧を示す図である。 図３中のＢ－Ｂ線断面図で、センサー素子の駆動振動モードを示す図である。 内側検出ばねを示す平面図である。 図６中のＣ－Ｃ線断面図である。 内側検出ばねが有する複数の梁を全体で１つの梁として捉えた状態を示す断面図である。 内側検出ばねの変形例を示す平面図である。 内側検出ばねの変形例を示す平面図である。 クアドラチャ抑制効果を示す表である。 第２実施形態に係る慣性センサーの外側検出ばねを示す平面図である。 図１２中のＤ－Ｄ線断面図である。 第３実施形態に係る慣性センサーの接続ばねを示す平面図である。 図１４中のＥ－Ｅ線断面図である。 第４実施形態に係る慣性センサーの駆動ばねを示す平面図である。 図１６中のＦ－Ｆ線断面図である。 第５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６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１９に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。 第７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２１に示す移動体測位装置の作用を示す図である。 第８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、図１の慣性センサーが有するセンサー素子を示す平面図である。図４は、図１の慣性センサーに印加する電圧を示す図である。図５は、図３中のＢ－Ｂ線断面図で、センサー素子の駆動振動モードを示す図である。図６は、内側検出ばねを示す平面図である。図７は、図６中のＣ－Ｃ線断面図である。図８は、内側検出ばねが有する複数の梁を全体で１つの梁として捉えた状態を示す断面図である。図９および図１０は、内側検出ばねの変形例を示す平面図である。図１１は、クアドラチャ抑制効果を示す表である。
各図には、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が図示されている。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軸に沿う方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ軸方向」とも言う。また、各軸の矢印先端側を「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、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°以内の範囲で交わっている場合も含むものである。
図１に示す慣性センサー１は、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出することのできる角速度センサーである。慣性センサー１は、基板２と、蓋３と、センサー素子４と、を有する。
基板２は、上面に開放する凹部２１を有する。凹部２１は、センサー素子４と基板２との接触を抑制するための逃げ部として機能する。また、基板２は、凹部２１の底面から突出する複数のマウント２２１、２２２、２２４を有する。そして、これらマウント２２１、２２２、２２４の上面にセンサー素子４が接合されている。
また、凹部２１の底面には固定検出電極７１、７２が配置されている。また、基板２は、上面に開放する溝を有し、この溝には配線７３、７４、７５、７６、７７、７８が配置されている。また、配線７３、７４、７５、７６、７７、７８の一端部は、それぞれ、蓋３の外側に露出し、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。
このような基板２としては、例えば、ナトリウムイオン等のアルカリ金属イオンを含むガラス材料、具体的にはテンパックスガラス（登録商標）、パイレックスガラス（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の構成材料としては、特に限定されず、シリコン基板、セラミックス基板等を用いてもよい。
図２に示すように、蓋３は、下面に開放する凹部３１を有する。蓋３は、凹部３１内にセンサー素子４を収納し、基板２の上面に接合されている。そして、蓋３および基板２によって、その内側に、センサー素子４を収納する収納空間Ｓが形成されている。収納空間Ｓは、減圧状態、特に真空状態であることが好ましい。これにより、粘性抵抗が減り、センサー素子４を効率的に振動させることができる。
このような蓋３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３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３との接合方法としては、特に限定されず、基板２や蓋３の材料によって適宜選択すればよいが、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部材による接合、基板２の上面および蓋３の下面に成膜した金属膜同士を接合する拡散接合等が挙げられる。本実施形態では、低融点ガラスであるガラスフリット３９を介して基板２と蓋３とが接合されている。
センサー素子４は、収納空間Ｓに配置され、各マウント２２１、２２２、２２４の上面に接合されている。センサー素子４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４０を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ている。ただし、センサー素子４の形成方法は、ボッシュ・プロセスに限定されない。シリコン基板４０は、後述する検出ばね４６Ａ、４６Ｂの一部を除き、全域で等しい厚さｔとなっている。
以下、センサー素子４の構成を図３に基づいて説明する。なお、以下では、Ｚ軸方向からの平面視で、センサー素子４の中心Ｏと交わり、Ｙ軸方向に延びる直線を「仮想直線α」とも言う。
図３に示すように、センサー素子４の形状は、仮想直線αに対して対称である。このようなセンサー素子４は、仮想直線αの両側に配置された２つの駆動部４１Ａ、４１Ｂを有する。なお、駆動部４１Ａが本実施形態における第１駆動部であり、駆動部４１Ｂが本実施形態における第２駆動部である。
駆動部４１Ａは、第１可動駆動電極としての櫛歯状の可動駆動電極４１１Ａと、櫛歯状をなし可動駆動電極４１１Ａと噛み合って配置された第１固定駆動電極としての固定駆動電極４１２Ａと、を有する。同様に、駆動部４１Ｂは、第２可動駆動電極としての櫛歯状の可動駆動電極４１１Ｂと、櫛歯状をなし可動駆動電極４１１Ｂと噛み合って配置された第２固定駆動電極としての固定駆動電極４１２Ｂと、を有する。
固定駆動電極４１２Ａ、４１２Ｂは、それぞれ、マウント２２１の上面に接合され、基板２に固定されている。また、固定駆動電極４１２Ａ、４１２Ｂは、それぞれ、配線７４と電気的に接続されている。
また、センサー素子４は、駆動部４１Ａの周囲に配置された４つの固定部４２Ａと、駆動部４１Ｂの周囲に配置された４つの固定部４２Ｂと、を有する。そして、各固定部４２Ａ、４２Ｂは、マウント２２２の上面に接合され、基板２に固定されている。また、センサー素子４は、各固定部４２Ａと可動駆動電極４１１Ａとを連結する第１駆動ばねとしての４つの駆動ばね４３Ａと、各固定部４２Ｂと可動駆動電極４１１Ｂとを連結する第２駆動ばねとしての４つの駆動ばね４３Ｂと、を有する。
また、センサー素子４は、駆動部４１Ａと仮想直線αとの間に位置する検出部４４Ａと、駆動部４１Ｂと仮想直線αとの間に位置する検出部４４Ｂと、を有する。検出部４４Ａは、第１検出可動体である板状の可動検出電極４４１Ａから構成されている。同様に、検出部４４Ｂは、第２可動検出可動体である板状の可動検出電極４４１Ｂから構成されている。また、凹部２１の底面には、可動検出電極４４１Ａと対向し、配線７５と電気的に接続された第１固定検出電極としての固定検出電極７１と、可動検出電極４４１Ｂと対向し、配線７６と電気的に接続された第２固定検出電極としての固定検出電極７２と、が配置されている。そして、慣性センサー１の駆動時には、可動検出電極４４１Ａと固定検出電極７１との間に静電容量Ｃａが形成され、可動検出電極４４１Ｂと固定検出電極７２との間に静電容量Ｃｂが形成される。
また、センサー素子４は、その中央部であって検出部４４Ａ、４４Ｂの間に位置する連結部としてのフレーム４８を有する。フレーム４８は、「Ｈ」形状をなし、Ｙ軸方向プラス側に位置する欠損部４８１と、Ｙ軸方向マイナス側に位置する欠損部４８２と、を有する。そして、欠損部４８１の内外に亘ってＹ軸方向に伸びる固定部４５１が配置されており、欠損部４８２の内外に亘ってＹ軸方向に伸びる固定部４５２が配置されている。固定部４５１、４５２は、それぞれ、配線７３と電気的に接続されている。
また、センサー素子４は、可動検出電極４４１Ａと固定部４２Ａ、４５１、４５２とを連結する第１検出ばねとしての４つの検出ばね４６Ａと、可動検出電極４４１Ｂと固定部４２Ｂ、４５１、４５２とを連結する第２検出ばねとしての４つの検出ばね４６Ｂと、を有する。
ここで、４つの検出ばね４６Ａのうち、可動検出電極４４１Ａに対してＸ軸方向マイナス側すなわち可動検出電極４４１Ｂ側に位置し、固定部４５１、４５２と可動検出電極４４１Ａとを接続するものを第１内側検出ばねとしての「内側検出ばね４６Ａ’」とも言い、可動検出電極４４１Ａに対してＸ軸方向プラス側すなわち可動検出電極４４１Ｂと反対側に位置し、固定部４２Ａと可動検出電極４４１Ａとを接続するものを第１外側検出ばねとしての「外側検出ばね４６Ａ”」とも言う。同様に、４つの検出ばね４６Ｂのうち、可動検出電極４４１Ｂに対してＸ軸方向プラス側すなわち可動検出電極４４１Ａ側に位置し、固定部４５１、４５２と可動検出電極４４１Ｂとを接続するものを第２内側検出ばねとしての「内側検出ばね４６Ｂ’」とも言い、可動検出電極４４１Ｂに対してＸ軸方向マイナス側すなわち可動検出電極４４１Ａと反対側に位置し、固定部４２Ｂと可動検出電極４４１Ｂとを接続するものを第２外側検出ばねとしての「外側検出ばね４６Ｂ”」とも言う。
このように、検出ばね４６Ａが内側検出ばね４６Ａ’および外側検出ばね４６Ａ”を有することにより、検出ばね４６Ａで可動検出電極４４１Ａを両側から支持することができ、可動検出電極４４１Ａの姿勢が安定する。同様に、検出ばね４６Ｂが内側検出ばね４６Ｂ’および外側検出ばね４６Ｂ”を有することにより、検出ばね４６Ｂで可動検出電極４４１Ｂを両側から支持することができ、可動検出電極４４１Ｂの姿勢が安定する。
また、センサー素子４は、可動駆動電極４１１Ａと可動検出電極４４１Ａとの間に位置し、これらを接続する第１梁としての連結梁４７Ａと、可動駆動電極４１１Ｂと可動検出電極４４１Ｂとの間に位置し、これらを接続する第２梁としての連結梁４７Ｂと、を有する。連結梁４７Ａ、４７Ｂは、それぞれ、その途中で屈曲しており、Ｚ軸方向に弾性変形可能となっている。なお、以下では、可動駆動電極４１１Ａ、可動検出電極４４１Ａおよび連結梁４７Ａの集合体を「可動体４Ａ」とも言い、可動駆動電極４１１Ｂ、可動検出電極４４１Ｂおよび連結梁４７Ｂの集合体を「可動体４Ｂ」とも言う。
また、センサー素子４は、固定部４５１とフレーム４８との間に位置し、これらを接続するフレームばね４８８と、固定部４５２とフレーム４８との間に位置し、これらを接続するフレームばね４８９と、を有する。
また、センサー素子４は、フレーム４８と可動検出電極４４１Ａとを接続する第１接続ばねとしての接続ばね４０Ａと、フレーム４８と可動検出電極４４１Ｂとを接続する第２接続ばねとしての接続ばね４０Ｂと、を有する。接続ばね４０Ａは、検出ばね４６Ａと共に可動検出電極４４１Ａを支持し、接続ばね４０Ｂは、検出ばね４６Ｂと共に可動検出電極４４１Ｂを支持する。検出ばね４６Ａ、４６Ｂに加えて接続ばね４０Ａ、４０Ｂを配置することにより、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂをより安定した姿勢で支持することができ、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂの不要振動を低減することができる。
例えば、配線７３を介して図４に示す電圧Ｖ１を可動体４Ａ、４Ｂに印加し、配線７４を介して図４に示す電圧Ｖ２を固定駆動電極４１２Ａ、４１２Ｂに印加すると、これらの間に作用する静電引力によって、可動体４Ａと可動体４ＢとがＸ軸方向に接近・離間を繰り返すように互いに逆相で振動する。なお、以下では、この振動モードを「駆動振動モード」とも言う。そして、可動体４Ａと可動体４Ｂとを駆動振動モードで駆動させている状態で、センサー素子４に角速度ωｙが加わると、コリオリの力により、可動検出電極４４１Ａ、４４１ＢがＺ軸方向に互いに逆相で振動し、この振動に伴って、静電容量Ｃａ、Ｃｂがそれぞれ変化する。なお、以下では、この振動モードを「検出振動モード」とも言う。そのため、静電容量Ｃａ、Ｃｂの変化に基づいて、センサー素子４が受けた角速度ωｙを求めることができる。
検出振動モードでは、静電容量Ｃａが大きくなると静電容量Ｃｂが小さくなり、反対に、静電容量Ｃａが小さくなると静電容量Ｃｂが大きくなる。そのため、配線７５から得られる検出信号（静電容量Ｃａの大きさに応じた信号）と、配線７６から得られる検出信号（静電容量Ｃｂの大きさに応じた信号）とを差動演算すなわち減算処理（Ｃａ－Ｃｂ）することによりノイズをキャンセルすることができ、より精度よく角速度ωｙを検出することができる。
なお、駆動振動モードを励振することができれば、電圧Ｖ１、Ｖ２としては、特に限定されない。また、本実施形態の慣性センサー１では、静電引力によって駆動振動モードを励振させる静電駆動方式となっているが、駆動振動モードを励振させる方式は、特に限定されず、例えば、圧電駆動方式、磁場のローレンツ力を利用した電磁駆動方式等を適用することもできる。
また、センサー素子４は、駆動振動モードでの可動体４Ａ、４Ｂの振動状態を検出するためのモニター部４９Ａ、４９Ｂを有する。モニター部４９Ａは、可動検出電極４４１Ａに配置された櫛歯状の可動モニター電極４９１Ａと、櫛歯状をなし可動モニター電極４９１Ａと噛み合って配置された固定モニター電極４９２Ａ、４９３Ａと、を有する。同様に、モニター部４９Ｂは、可動検出電極４４１Ｂに配置された櫛歯状の可動モニター電極４９１Ｂと、櫛歯状をなし可動モニター電極４９１Ｂと噛み合って配置された固定モニター電極４９２Ｂ、４９３Ｂと、を有する。また、固定モニター電極４９２Ａ、４９３Ａ、４９２Ｂ、４９３Ｂは、それぞれ、凹部２１の外側まで引き出されて基板２の上面に接合され、基板２に固定されている。
固定モニター電極４９２Ａ、４９２Ｂは、配線７７と電気的に接続され、固定モニター電極４９３Ａ、４９３Ｂは、配線７８と電気的に接続されている。そして、慣性センサー１の駆動時には、可動モニター電極４９１Ａと固定モニター電極４９２Ａとの間および可動モニター電極４９１Ｂと固定モニター電極４９２Ｂとの間に静電容量Ｃｃが形成され、可動モニター電極４９１Ａと固定モニター電極４９３Ａとの間および可動モニター電極４９１Ｂと固定モニター電極４９３Ｂとの間に静電容量Ｃｄが形成される。駆動振動モードにおいて可動体４Ａ、４ＢがＸ軸方向に振動すると、それに伴って静電容量Ｃｃ、Ｃｄがそれぞれ変化する。そのため、静電容量Ｃｃ、Ｃｄの変化に基づいて検出信号が出力され、出力された検出信号に基づいて可動体４Ａ、４Ｂの振動状態を検出することができる。
なお、モニター部４９Ａ、４９Ｂからの出力によって検出された可動体４Ａ、４Ｂの振動状態は、例えば、固定駆動電極４１２Ａ、４１２Ｂに電圧Ｖ２を印加する駆動回路にフィードバックされる。前記駆動回路は、可動体４Ａ、４Ｂの振幅が目標値となるように、電圧Ｖ２の周波数、振幅、Ｄｕｔｙ比等を変更する。これにより、可動体４Ａ、４Ｂを目標の振動状態で振動させることができ、角速度ωｙの検出精度が向上する。
ここで、駆動振動モードの際、理想的には、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂは、Ｘ軸方向に平行移動することが好ましい。言い換えると、駆動振動モードの際、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂは、Ｚ軸方向に変位しないことが好ましい。これは、可動検出電極４４１Ａ、４４１ＢがＺ軸方向に変位すると、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂと固定検出電極７１、７２とのギャップが変化してしまうため、角速度ωｙが加わっていないにも関わらず静電容量Ｃａ、Ｃｂが変化してしまう。これにより、ノイズ信号であるクアドラチャ信号が出力され、このクアドラチャ信号が検出信号に混入し、角速度ωｙの検出精度が低下する。
可動検出電極４４１Ａ、４４１ＢのＺ軸方向の振動すなわちクアドラチャを抑制するためには、各ばね４０Ａ、４０Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、４６Ａ、４６ＢがＺ軸方向の振動成分を有さない設計とすることが好ましい。具体的には、例えば、図５に示すように、各ばね４０Ａ、４０Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、４６Ａ、４６Ｂの横断面形状を矩形、特にＺ軸方向に長い長方形に設計することが好ましい。これにより、各ばね４０Ａ、４０Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、４６Ａ、４６Ｂが実質的にＺ軸方向の振動成分を含まず、クアドラチャを抑制することができる。
しかしながら、加工誤差や加工装置の特性等に起因して、センサー素子４の形状にずれが生じ、例えば、各ばね４０Ａ、４０Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、４６Ａ、４６Ｂの横断面形状が矩形から崩れた平行四辺形、台形、樽型等となってしまう場合がある。このように、各ばね４０Ａ、４０Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、４６Ａ、４６Ｂの横断面形状が矩形から崩れてしまうと、つまり、Ｚ軸に対して非対称形状となってしまうと、各ばね４０Ａ、４０Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、４６Ａ、４６ＢがＸ軸方向の振動成分と共にＺ軸方向の振動成分を含んでしまい、図５に示すように、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂの振動方向がＸ軸に対して傾斜し、クアドラチャが生じ易くなる。
このような問題に対して、慣性センサー１では、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’の形状を工夫することにより、駆動振動モードにおけるクアドラチャを抑制している。以下、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’の構成について詳細に説明する。なお、以下では、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’をまとめて「内側検出ばね４６’」とも言う。また、４つの内側検出ばね４６’は、それぞれ、同様の構成であるため、以下では、１つの内側検出ばね４６’について代表して説明し、その他の内側検出ばね４６’については、その説明を省略する。
図６に示すように、内側検出ばね４６’は、蛇行形状をなし、Ｘ軸方向に並び、それぞれＹ軸方向に延在する複数の梁４６１’を有する。また、図７に示すように、Ｙ軸方向から見た各梁４６１’の横断面形状は、Ｚ軸方向の厚さｔがＸ軸方向の幅Ｗよりも大きい略平行四辺形となっており、その長軸ＬがＺ軸に対して傾斜している。なお、梁４６１’の数としては、特に限定されないが、本実施形態では４つである。ここで、設計段階から各梁４６１’の横断面形状が略平行四辺形等の矩形から崩れた形状となっていてもよいし、設計では矩形であったが、前述したような加工誤差や加工装置の特性等により各梁４６１’の横断面形状が矩形から崩れた形状、具体的には平行四辺形、台形、樽形等となってしまってもよい。
また、４つの梁４６１’のうちの少なくとも１つの梁には、シリコン基板４０の厚さｔよりも薄い第１薄肉部である薄肉部４６０’が形成されている。本実施形態では、梁４６１ａ’、４６１ｂ’の上面側に切り欠きＫが形成されており、この切り欠きＫと重なる部分が薄肉部４６０’を構成している。薄肉部４６０’のＺ軸方向に沿う厚さｔ１は、切り欠きＫの深さＤ１だけシリコン基板４０の厚さｔよりも薄い。つまり、ｔ１＝ｔ－Ｄ１である。このように、４つの梁４６１’の一部に薄肉部４６０’を設けることにより、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部４６０’がない構成と比較して、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂのクアドラチャを低減することができる。
具体的には、４つの梁４６１’のうち、長軸Ｌの傾き方向（Ｘ軸方向）の先端側であるＸ軸方向プラス側に位置する梁４６１ａ’、４６１ｂ’の少なくとも１つに薄肉部４６０’を設けることにより、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を減少させることができ、反対に、長軸Ｌの傾き方向の後端側であるＸ軸方向マイナス側に位置する梁４６１ｃ’、４６１ｄ’の少なくとも１つに薄肉部４６０’を設けることにより、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を増大させることができる。
これは、図８に示すように、４つの梁４６１’を一体の梁として捉えた場合、平行四辺形の角部のうちの鋭角部分を除去することにより、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を減少させることができ、鈍角部分を除去することにより、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を増大させることができるのと同じ理由であると考えられる。
そこで、本実施形態では、梁４６１ａ’、４６１ｂ’に薄肉部４６０’を設けて内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を減少させ、クアドラチャを低減させている。なお、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を減少させることができれば、薄肉部４６０’の配置は、特に限定されず、例えば、梁４６１ａ’だけに設けられていてもよいし、梁４６１ｂ’にだけ設けられていてもよい。また、梁４６１ｃ’、４６１ｄ’の下面側に切り欠きＫを形成して、薄肉部４６０’を設けてもよい。
このように、薄肉部４６０’の配置は、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分を減少させることができれば、特に限定されないが、少なくとも、長軸Ｌの傾き方向であるＸ軸方向プラス側の最も先端側に位置する梁４６１ａ’に設けることが好ましい。これは、薄肉部４６０’を設けることによる内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分の減少量は、長軸Ｌの傾き方向の先端側に位置する梁ほど大きいためである。すなわち、梁４６１ａ’に薄肉部４６０を設けた方が、梁４６１ｂ’に薄肉部４６０’を設けるよりも、Ｚ軸方向の振動成分を大きく減少させることができる。
なお、本実施形態では、図６に示すように、梁４６１ａ’に設けられた薄肉部４６０’は、梁４６１ａ’の延在方向のほぼ全域にわたって設けられているが、薄肉部４６０’の形成領域は、特に限定されない。例えば、図９に示すように、薄肉部４６０’は、梁４６１ａ’の延在方向の一部に設けられていてもよいし、図１０に示すように、梁４６１ａ’に、間欠的に複数設けられていてもよい。梁４６１ｂ’に薄肉部４６０’を設ける場合も同様である。薄肉部４６０’の形成領域すなわちＹ軸方向の長さが長くなる程、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分が減少するため、内側検出ばね４６’が有するＺ軸方向の振動成分の大きさに応じて、薄肉部４６０’の形成領域を調整すればよい。
薄肉部４６０’の厚さｔ１としては、特に限定されないが、０．５≦ｔ１／ｔ≦０．９であることが好ましく、０．６≦ｔ１／ｔ≦０．８であることがより好ましい。これにより、内側検出ばね４６’のＺ軸方向の振動成分が効果的に減少すると共に、薄肉部４６０’の機械的強度の過度な低下を抑制することができる。なお、厚さｔ１は、梁４６１ａ’、４６１ｂ’の長手方向または幅方向に沿って同一でも、変化していてもよい。後者の場合、厚さｔ１の数値は、その平均値とする。なお、後述するｔ２についても同様である。
以上、１つの内側検出ばね４６’について代表して説明した。本実施形態の慣性センサー１は、４つの内側検出ばね４６’を有するため、これら各内側検出ばね４６’に対して、それぞれ、Ｚ軸方向の振動成分が十分に小さくなるように、好ましくは０となるように、薄肉部４６０’を形成すればよい。すなわち、薄肉部４６０’の形状は、複数の内側検出ばね４６’毎に異なる場合もあるし、互いに同じ場合もある。また、Ｚ軸方向の振動成分を実質的に有していない内側検出ばね４６’については、薄肉部４６０’を形成しなくてもよい。また、例えば、薄肉部４６０’は、梁４６１’だけではなく、隣り合う梁４６１’同士を接続する接続部に配置されていてもよい。
なお、４つの内側検出ばね４６’に形成される全ての薄肉部４６０’の厚さｔ１は、互いに同じであることが好ましい。これにより、全ての薄肉部４６０’を同一工程内で形成することができるため、慣性センサー１の製造工程の削減を図ることができる。
以上、本実施形態の慣性センサー１について説明した。上述したように、本実施形態の慣性センサー１では、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’に薄肉部４６０’を形成しているが、これは、その他の外側検出ばね４６Ａ”、４６Ｂ”、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂ、接続ばね４０Ａ、４０Ｂに同じような薄肉部を形成する場合と比べて、クアドラチャを抑制する効果が高いためである。図１１に示す表は、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’に薄肉部を形成した場合、外側検出ばね４６Ａ”、４６Ｂ”に薄肉部を形成した場合、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂに薄肉部を形成した場合、接続ばね４０Ａ、４０Ｂに薄肉部を形成した場合に、どの程度クアドラチャが低減されたかを示すシミュレーション結果である。この表から、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’に薄肉部を形成した場合に最もクアドラチャが低減されることが分かる。
また、図１１から分かるように、各ばね４６Ａ’、４６Ｂ’、４６Ａ”、４６Ｂ”、４３Ａ、４３Ｂ、４０Ａ、４０Ｂのうち、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂへの薄肉部の形成は、他のばね４６Ａ’、４６Ｂ’、４６Ａ”、４６Ｂ”、４０Ａ、４０Ｂへ薄肉部を形成した場合と比較してクアドラチャの低減に対する効果が最も低い。また、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂに薄肉部を形成すると、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂが捩じれ易くなり、可動駆動電極４１１Ａ、４１１Ｂの駆動が不安定化するおそれもある。このように、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂに薄肉部を形成することは、クアドラチャ低減というメリットと比べて、可動駆動電極４１１Ａ、４１１Ｂの振動の不安定化というデメリットの方が大きい。そこで、本実施形態では、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂに薄肉部を設けていない。つまり、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂは、その全域がシリコン基板４０の厚さｔと等しい。
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、基板２とＺ軸に沿う方向に重なり、Ｘ軸に沿う方向に並んで配置されている第１検出可動体としての可動検出電極４４１Ａおよび第２検出可動体としての可動検出電極４４１Ｂと、可動検出電極４４１ＡをＸ軸に沿う方向に変位可能に支持する第１検出ばねとしての検出ばね４６Ａと、可動検出電極４４１ＢをＸ軸に沿う方向に変位可能に支持する第２検出ばねとしての検出ばね４６Ｂと、可動検出電極４４１ＡをＸ軸に沿う方向の駆動成分を有して駆動する第１駆動部としての駆動部４１Ａと、可動検出電極４４１ＢをＸ軸に沿う方向の駆動成分を有して駆動する第２駆動部としての駆動部４１Ｂと、基板２に配置され、可動検出電極４４１Ａと対向している第１固定検出電極としての固定検出電極７１と、基板２に配置され、可動検出電極４４１Ｂと対向している第２固定検出電極としての固定検出電極７２と、を備える。そして、検出ばね４６Ａ、４６Ｂには、可動検出電極４４１Ａ、４４１ＢのＺ軸に沿う方向の厚さｔよりも薄い第１薄肉部である薄肉部４６０’が設けられている。これにより、駆動振動モード時のクアドラチャを効果的に抑制することができる。そのため、角速度ωｙの検出精度が向上する。
また、前述したように、検出ばね４６Ａは、可動検出電極４４１Ａの可動検出電極４４１Ｂ側に位置する第１内側検出ばねとしての内側検出ばね４６Ａ’と、可動検出電極４４１Ａの可動検出電極４４１Ｂと反対側に位置する第１外側検出ばねとしての外側検出ばね４６”と、を備える。また、同様に、検出ばね４６Ｂは、可動検出電極４４１Ｂの可動検出電極４４１Ａ側に位置する第２内側検出ばねとしての内側検出ばね４６Ｂ’と、可動検出電極４４１Ｂの可動検出電極４４１Ａと反対側に位置する第２外側検出ばねとしての外側検出ばね４６”と、を備える。これにより、検出ばね４６Ａで可動検出電極４４１Ａを両側から支持することができ、可動検出電極４４１Ａの姿勢が安定する。また、検出ばね４６Ｂで可動検出電極４４１Ｂを両側から支持することができ、可動検出電極４４１Ｂの姿勢が安定する。
また、前述したように、内側検出ばね４６Ａ’および内側検出ばね４６Ｂ’に第１薄肉部である薄肉部４６０’が設けられている。これにより、より効果的に、クアドラチャを抑制することができる。
また、駆動部４１Ａは、第１梁としての連結梁４７Ａを介して可動検出電極４４１Ａと連結されている第１可動駆動電極としての可動駆動電極４１１Ａと、基板２に固定され、可動駆動電極４１１Ａと対向配置されている第１固定駆動電極としての固定駆動電極４１２Ａと、を備える。同様に、駆動部４１Ｂは、第２梁としての連結梁４７Ｂを介して可動検出電極４４１Ｂと連結されている第２可動駆動電極としての可動駆動電極４１１Ｂと、基板２に固定され、可動駆動電極４１１Ｂと対向配置されている第２固定駆動電極としての固定駆動電極４１２Ｂと、を備える。慣性センサー１は、さらに、可動駆動電極４１１ＡをＸ軸に沿う方向に変位可能に支持する第１駆動ばねとしての駆動ばね４３Ａと、可動駆動電極４１１ＢをＸ軸に沿う方向に変位可能に支持する第２駆動ばねとしての駆動ばね４３Ｂと、を備える。そして、駆動ばね４３Ａおよび駆動ばね４３ＢのＺ軸方向に沿う厚さは、可動検出電極４４１Ａ、４４１ＢのＺ軸方向に沿う厚さｔと等しい。つまり、駆動ばね４３Ａおよび駆動ばね４３Ｂは、薄肉部を有していない。これにより、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂが捩じれ難くなり、可動駆動電極４１１Ａ、４１１Ｂの駆動が安定する。
＜第２実施形態＞
図１２は、第２実施形態に係る慣性センサーの外側検出ばねを示す平面図である。図１３は、図１２中のＤ－Ｄ線断面図である。
本実施形態は、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’と同様に、外側検出ばね４６Ａ”、４６Ｂ”にも薄肉部４６０”が形成されていること以外は、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１２および図１３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。
以下、外側検出ばね４６Ａ”、４６Ｂ”の構成について詳細に説明する。なお、以下では、外側検出ばね４６Ａ”、４６Ｂ”をまとめて「外側検出ばね４６”」とも言う。また、４つの外側検出ばね４６”は、それぞれ、同様の構成であるため、以下では、１つの外側検出ばね４６”について代表して説明し、その他の外側検出ばね４６”については、その説明を省略する。
図１２に示すように、外側検出ばね４６”は、蛇行形状をなし、Ｘ軸方向に並び、それぞれＹ軸方向に延在する複数の梁４６１”を有する。また、図１３に示すように、Ｙ軸方向から見た各梁４６１”の横断面形状は、Ｚ軸方向の厚さｔがＸ軸方向の幅Ｗよりも大きい略平行四辺形となっており、その長軸ＬがＺ軸に対して傾斜している。なお、梁４６１”の数としては、特に限定されないが、本実施形態では２つである。
また、２つの梁４６１”のうちの少なくとも１つの梁にはシリコン基板４０の厚さｔよりも薄い薄肉部４６０”が形成されている。本実施形態では、長軸Ｌの傾き方向の先端側に位置する梁４６１ａ”の上面側に切り欠きＫが形成されており、この切り欠きＫと重なる部分が薄肉部４６０”を構成している。これにより、前述した第１実施形態で述べた内側検出ばね４６’と同じ理由によって、外側検出ばね４６”のＺ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部４６０”がない構成と比較して、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂのクアドラチャを低減することができる。
以上、１つの外側検出ばね４６”について代表して説明した。本実施形態の慣性センサー１は、４つの外側検出ばね４６”を有するため、これら各外側検出ばね４６”に対して、それぞれ、Ｚ軸方向の振動成分が十分に小さくなるように、好ましくは０となるように、薄肉部４６０”を形成すればよい。薄肉部４６０”の形状は、外側検出ばね４６”毎に異なる場合もあるし、互いに同じ場合もある。また、Ｚ軸方向の振動成分を実質的に有していない外側検出ばね４６”については、薄肉部４６０”を形成しなくてもよい。また、例えば、薄肉部４６０”は、梁４６１”だけではなく、隣り合う梁４６１”同士を接続する接続部に配置されていてもよい。
図１１に示したように、外側検出ばね４６”に薄肉部４６０”を形成することは、内側検出ばね４６’に薄肉部４６０’を形成すること程ではないが、クアドラチャを抑制する効果がある。したがって、内側検出ばね４６’に薄肉部４６０’を形成すると共に、外側検出ばね４６”に薄肉部４６０”を形成することにより、より効果的に、クアドラチャを抑制することができる。
このように、本実施形態の慣性センサー１では、外側検出ばね４６Ａ”および外側検出ばね４６Ｂ”に薄肉部４６０”が設けられている。これにより、より効果的に、クアドラチャを抑制することができる。
＜第３実施形態＞
図１４は、第３実施形態に係る慣性センサーの接続ばねを示す平面図である。図１５は、図１４中のＥ－Ｅ線断面図である。
本実施形態は、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’と同様に、接続ばね４０Ａ、４０Ｂにも第２薄肉部である薄肉部４００が形成されていること以外は、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１４および図１５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。
以下、接続ばね４０Ａ、４０Ｂの構成について詳細に説明する。接続ばね４０Ａ、４０Ｂは、互いに同様の構成であるため、以下では、接続ばね４０Ａについて代表して説明し、接続ばね４０Ｂについては、その説明を省略する。
図１４に示すように、接続ばね４０Ａは、蛇行形状をなし、Ｘ軸方向に並び、それぞれＹ軸方向に延在する複数の梁４０１を有する。また、図１５に示すように、Ｙ軸方向から見た各梁４０１の横断面形状は、Ｚ軸方向の厚さｔがＸ軸方向の幅Ｗよりも大きい略平行四辺形となっており、その長軸ＬがＺ軸に対して傾斜している。なお、梁４０１の数としては、特に限定されないが、本実施形態では３つである。
また、３つの梁４０１のうちの少なくとも１つの梁にはシリコン基板４０の厚さｔよりも薄い厚さｔ２の薄肉部４００が形成されている。本実施形態では、長軸Ｌの傾き方向の先端側に位置する梁４０１ａの上面側に深さＤ２の切り欠きＫが形成されており、この切り欠きＫと重なる部分が薄肉部４００を構成している。これにより、前述した第１実施形態で述べた内側検出ばね４６’と同じ理由によって、接続ばね４０ＡのＺ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部４００がない構成と比較して、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂのクアドラチャを低減することができる。
以上、接続ばね４０Ａについて代表して説明した。本実施形態の慣性センサー１は、２つの接続ばね４０Ａ、４０Ｂを有するため、接続ばね４０Ａ、４０Ｂに対して、それぞれ、Ｚ軸方向の振動成分が十分に小さくなるように、好ましくは０となるように、薄肉部４００を形成すればよい。薄肉部４００の形状は、接続ばね４０Ａ、４０Ｂで異なる場合もあるし、同じ場合もある。また、Ｚ軸方向の振動成分を実質的に有していない接続ばね４０Ａ、４０Ｂについては、薄肉部４００を形成しなくてもよい。また、例えば、薄肉部４００は、梁４０１だけではなく、隣り合う梁４０１同士を接続する接続部に配置されていてもよい。
図１１に示したように、接続ばね４０Ａ、４０Ｂに薄肉部４００を形成することは、内側検出ばね４６’に薄肉部４６０’を形成すること程ではないが、クアドラチャを抑制する効果がある。したがって、内側検出ばね４６’に薄肉部４６０’を形成すると共に、接続ばね４０Ａ、４０Ｂに薄肉部４００を形成することにより、より効果的に、クアドラチャを抑制することができる。
このように、本実施形態の慣性センサー１は、可動検出電極４４１Ａと可動検出電極４４１Ｂとの間に位置している連結部としてのフレーム４８と、可動検出電極４４１Ａとフレーム４８とを接続する第１接続ばねとしての接続ばね４０Ａと、可動検出電極４４１Ｂとフレーム４８とを接続する第２接続ばねとしての接続ばね４０Ｂと、を備える。そして、接続ばね４０Ａおよび接続ばね４０Ｂに第２薄肉部である薄肉部４００が設けられている。薄肉部４００のＺ軸方向に沿う厚さｔ２は、ｔ２＝ｔ－Ｄ２であり、厚さｔよりも薄い。これにより、より効果的に、クアドラチャを抑制することができる。
なお、薄肉部４００の厚さｔ２としては、前述した厚さｔ１と同一でも異なっていてもよいが、例えば、ｔ２／ｔ１が０．８以上、１．２以下であることが好ましい。
＜第４実施形態＞
図１６は、第４実施形態に係る慣性センサーの駆動ばねを示す平面図である。図１７は、図１６中のＦ－Ｆ線断面図である。
本実施形態は、内側検出ばね４６Ａ’、４６Ｂ’と同様に、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂにも第３の薄肉部である薄肉部４３０が形成されていること以外は、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１６および図１７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。
以下、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂの構成について詳細に説明する。なお、以下では、駆動ばね４３Ａ、４３Ｂをまとめて「駆動ばね４３」とも言う。また、８つの駆動ばね４３は、それぞれ、同様の構成であるため、以下では、１つの駆動ばね４３について代表して説明し、その他の駆動ばね４３については、その説明を省略する。
図１６に示すように、駆動ばね４３は、蛇行形状をなし、Ｘ軸方向に並び、それぞれＹ軸方向に延在する複数の梁４３１を有する。また、図１７に示すように、Ｙ軸方向から見た各梁４３１の横断面形状は、Ｚ軸方向の厚さｔがＸ軸方向の幅Ｗよりも大きい略平行四辺形となっており、その長軸ＬがＺ軸に対して傾斜している。なお、梁４３１の数としては、特に限定されないが、本実施形態では２つである。
また、２つの梁４３１のうちの少なくとも１つの梁にはシリコン基板４０の厚さｔよりも薄い厚さｔ３の薄肉部４３０が形成されている。本実施形態では、長軸Ｌの傾き方向の先端側に位置する梁４３１ａの上面側に深さＤ３の切り欠きＫが形成されており、この切り欠きＫと重なる部分が薄肉部４３０を構成している。これにより、前述した第１実施形態で述べた内側検出ばね４６’と同じ理由によって、駆動ばね４３のＺ軸方向の振動成分を減少させることができる。そのため、薄肉部４３０がない構成と比較して、可動検出電極４４１Ａ、４４１Ｂのクアドラチャを低減することができる。
以上、１つの駆動ばね４３について代表して説明した。本実施形態の慣性センサー１は、８つの駆動ばね４３を有するため、これら各駆動ばね４３に対して、それぞれ、Ｚ軸方向の振動成分が十分に小さくなるように、好ましくは０となるように、薄肉部４３０を形成すればよい。薄肉部４３０の形状は、駆動ばね４３毎に異なる場合もあるし、互いに同じ場合もある。また、Ｚ軸方向の振動成分を実質的に有していない駆動ばね４３については、薄肉部４３０を形成しなくてもよい。また、例えば、薄肉部４３０は、梁４３１だけではなく、隣り合う梁４３１同士を接続する接続部に配置されていてもよい。
図１１に示したように、駆動ばね４３に薄肉部４３０を形成することは、内側検出ばね４６’に薄肉部４６０’を形成すること程ではないが、クアドラチャを抑制する効果がある。したがって、内側検出ばね４６’に薄肉部４６０’を形成すると共に、駆動ばね４３に薄肉部４３０を形成することにより、より効果的に、クアドラチャを抑制することができる。
＜第５実施形態＞
図１８は、第５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１８に示すスマートフォン１２００は、実施形態に記載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、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６実施形態＞
図１９は、第６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２０は、図１９に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。
図１９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、を有している。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との接触を抑制するための凹部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を介してアウターケース２１００に接合されている。また、インナーケース２３１０の下面には接着剤を介して基板２３２０が接合されている。
図２０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、これら各センサーとして、実施形態に記載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７実施形態＞
図２１は、第７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２２は、図２１に示す移動体測位装置の作用を示す図である。
図２１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、を有している。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、を有している。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を介して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２２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８実施形態＞
図２３は、第８実施形態に係る移動体を示す斜視図である。
図２３に示す自動車１５００は、実施形態に記載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、制御装置１５０２に供給され、制御装置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。例えば、内側検出ばねに加えて、外側検出ばね、接続ばねおよび駆動ばねから選択される２種以上のばねに薄肉部が形成されていてもよい。
また、前述した実施形態では、慣性センサーとして、角速度を検出する構成について説明したが、これに限定されず、例えば、加速度を検出する構成であってもよい。
１…慣性センサー、２…基板、２１…凹部、２２１、２２２、２２４…マウント、３…蓋、３１…凹部、３９…ガラスフリット、４…センサー素子、４Ａ、４Ｂ…可動体、４０…シリコン基板、４０Ａ、４０Ｂ…接続ばね、４００…薄肉部、４０１、４０１ａ…梁、４１Ａ、４１Ｂ…駆動部、４１１Ａ、４１１Ｂ…可動駆動電極、４１２Ａ、４１２Ｂ…固定駆動電極、４２Ａ、４２Ｂ…固定部、４３、４３Ａ、４３Ｂ…駆動ばね、４３０…薄肉部、４３１、４３１ａ…梁、４４Ａ、４４Ｂ…検出部、４４１Ａ、４４１Ｂ…可動検出電極、４５１、４５２…固定部、４６Ａ、４６Ｂ…検出ばね、４６’、４６Ａ’、４６Ｂ’…内側検出ばね、４６”、４６Ａ”、４６Ｂ”…外側検出ばね、４６０’、４６０”…薄肉部、４６１’、４６１”…梁、４６１ａ’、４６１ａ”、４６１ｂ’、４６１ｃ’、４６１ｄ’…梁、４７Ａ、４７Ｂ…連結梁、４８…フレーム、４８１、４８２…欠損部、４８８、４８９…フレームばね、４９Ａ、４９Ｂ…モニター部、４９１Ａ、４９１Ｂ…可動モニター電極、４９２Ａ、４９２Ｂ、４９３Ａ、４９３Ｂ…固定モニター電極、７１、７２…固定検出電極、７３～７８…配線、１２００…スマートフォン、１２０８…表示部、１２１０…制御回路、１５００…自動車、１５０２…制御装置、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、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…深さ、Ｋ…切り欠き、Ｌ…長軸、Ｏ…中心、Ｐ…電極パッド、Ｓ…収納空間、ｔ、ｔ１、ｔ２、ｔ３…厚さ、Ｖ１、Ｖ２…電圧、α…仮想直線、θ…傾斜、ωｙ…角速度

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、
    前記基板と前記Ｚ軸に沿うＺ軸方向に重なり、前記Ｘ軸に沿うＸ軸方向に並んでいる第１検出可動体および第２検出可動体と、
    前記第１検出可動体を前記Ｘ軸方向に変位可能に支持している第１検出ばねと、
    前記第２検出可動体を前記Ｘ軸方向に変位可能に支持している第２検出ばねと、
    前記第１検出可動体を駆動する第１駆動部と、
    前記第２検出可動体を駆動する第２駆動部と、
    前記基板に配置され、前記第１検出可動体と対向している第１固定検出電極と、
    前記基板に配置され、前記第２検出可動体と対向している第２固定検出電極と、
    を含み、
    前記第１検出ばねおよび前記第２検出ばねには、
    前記第１検出可動体および前記第２検出可動体の前記Ｚ軸方向の厚さよりも薄い第１薄肉部が配置され、
    前記第１検出ばねは、
    前記第１検出可動体の前記第２検出可動体の側に配置されている第１内側検出ばねと、
    前記第１検出可動体の前記第２検出可動体の側とは反対側に配置されている第１外側検出ばねと、
    を含み、
    前記第２検出ばねは、
    前記第２検出可動体の前記第１検出可動体の側に配置されている第２内側検出ばねと、
    前記第２検出可動体の前記第１検出可動体の側とは反対側に配置されている第２外側検出ばねと、
    を含み、
    前記第１内側検出ばねは、
    前記Ｘ軸方向に並び、前記Ｙ軸に沿うＹ軸方向に延在している複数の第１内側検出梁を含み、
    前記複数の第１内側検出梁のうち、少なくとも１つの前記第１内側検出梁に、前記第１薄肉部が配置され、
    前記複数の第１内側検出梁のうち、少なくとも１つの前記第１内側検出梁には前記第１薄肉部が設けられておらず、
    前記第２内側検出ばねは、
    前記Ｘ軸方向に並び、前記Ｙ軸方向に延在している複数の第２内側検出梁を含み、
    前記複数の第２内側検出梁のうち、少なくとも１つの前記第２内側検出梁に、前記第１薄肉部が配置され、
    前記複数の第２内側検出梁のうち、少なくとも１つの前記第２内側検出梁には前記第１薄肉部が設けられておらず、
    前記Ｙ軸方向からの平面視で、前記第１内側検出梁は、前記Ｚ軸に対して傾斜している第１長軸を有する形状をなし、
    前記Ｙ軸方向からの平面視で、前記第２内側検出梁は、前記Ｚ軸に対して前記第１長軸と同じ方向に傾斜している第２長軸を有する形状をなし、
    前記第１薄肉部が設けられていない前記第１内側検出梁及び前記第２内側検出梁の前記Ｚ軸方向に沿う厚さをｔとし、
    前記第１薄肉部の前記Ｚ軸方向に沿う厚さをｔ１としたとき、
    ０．５≦ｔ１／ｔ≦０．９
    を満たしていることを特徴とする慣性センサー。
  2. 請求項１において、
    ０．６≦ｔ１／ｔ≦０．８
    を満たしていることを特徴とする慣性センサー。
  3. 請求項１または２において、
    前記第１外側検出ばねおよび前記第２外側検出ばねに前記第１薄肉部が設けられている慣性センサー。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記第１検出可動体と前記第２検出可動体との間に位置している連結部と、
    前記第１検出可動体と前記連結部とを接続する第１接続ばねと、
    前記第２検出可動体と前記連結部とを接続する第２接続ばねと、
    を含み、
    前記第１接続ばねおよび前記第２接続ばねに、前記第１検出可動体および前記第２検出可動体の前記Ｚ軸方向の厚さよりも薄い第２薄肉部が設けられている慣性センサー。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記第１駆動部は、
    第１梁を介して前記第１検出可動体と連結されている第１可動駆動電極と、
    前記基板に固定され、前記第１可動駆動電極と対向配置されている第１固定駆動電極と、
    を含み、
    前記第２駆動部は、
    第２梁を介して前記第２検出可動体と連結されている第２可動駆動電極と、
    前記基板に固定され、前記第２可動駆動電極と対向配置されている第２固定駆動電極と、
    を含み、
    前記第１可動駆動電極を前記Ｘ軸方向に変位可能に支持している第１駆動ばねと、
    前記第２可動駆動電極を前記Ｘ軸方向に変位可能に支持している第２駆動ばねと、
    を備え、
    前記第１駆動ばねおよび前記第２駆動ばねの前記Ｚ軸方向に沿う厚さは、
    前記第１検出可動体および前記第２検出可動体の前記Ｚ軸方向に沿う厚さと等しい慣性センサー。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記Ｚ軸方向からの平面視で、
    前記第１検出可動体と前記第２検出可動体との間に固定部が配置され、
    前記固定部は、前記第１内側検出ばね及び前記第２内側検出ばねと接続されている慣性センサー。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の慣性センサーを含むことを特徴とする電子機器。
  8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の慣性センサーを含むことを特徴とする移動体。
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