WO2006082752A1 - 複合センサ - Google Patents

Abstract

　角速度センサと加速度センサとを複合して実装面積を低減し、実装基板の小型化を図った複合センサを提供する。枠体（１２）に連結した２つの駆動アーム（２）と、枠体（１２）と駆動アーム（２）とが連結する枠体（１２）の連結部（１６）に連結した屈曲アーム（４）とを設ける。枠体（１２）は、連結部（１６）に対向する対向部（１８）と、対向部（１８）と連結部（１６）とを接続する２つの接続部（２２）を有する。接続部（２２）および駆動アーム（２）を互いに駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する屈曲アーム（４）の屈曲振動を検知して角速度を算出し、接続部（２２）に加わる応力に起因して変化する接続部（２２）の駆動振動を検知して加速度を算出する構成である。

Description

明 細 書

複合センサ

技術分野

[0001] 本発明は、航空機， 自動車，ロボット，船舶及び車両等の移動体の姿勢制御ゃナ ピゲーシヨン等、各種電子機器に用いる角速度センサおよび加速度センサを複合ィ匕 した複合センサに関するものである。

背景技術

[0002] 従来の複合センサは、角速度センサ及び加速度センサの 2つを基板に各別に実装 している。

[0003] 角速度センサは、例えば、音さ形， H字状， T字状等、各種の形状をもたせた振動 子を振動させて、コリオリカの発生に伴う振動子の歪を電気的に検知して角速度を算 出する。

[0004] また、従来の加速度センサは、錘 (つむ)部を有し、加速度に伴う錘部の動きの前後 の大きさを比較検知して加速度を算出している。このような角速度センサや加速度セ ンサは、車両に搭載したナビゲーシヨン装置や車両制御装置等に用いられる。

[0005] 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、 日本特許 公開、特開 2001— 208546号公報および特開 2001— 74767号公報が知られてい る。

[0006] 上記従来の複合センサは、角速度センサと加速度センサの 2つのセンサを基板に 各別に実装したものである。このため、角速度センサ及び加速度センサの実装面積 を確保する必要があり、実装基板の小型化を図れな ヽと ヽぅ不具合を有して ヽた。 発明の開示

[0007] 本発明は、角速度センサと加速度センサとを複合ィ匕して基板に実装する面積を低 減させ、実装基板の小型化を図った複合センサを提供するものである。

[0008] 本発明の複合センサは、枠体と、枠体に連結した少なくとも 2つの駆動振動用の駆 動アームと、枠体と駆動アームとが連結する枠体の連結部に連結した屈曲アームを 有する。枠体は、連結部に対向する対向部と、対向部と連結部とを接続する 2つの接 続部を有する。接続部及び駆動アームを互いに駆動振動させ、角速度センサは、コ リオリカに起因して変化する屈曲アームの屈曲振動を検知して角速度を算出する。 加速度センサは、接続部に加わる応力に起因して変化する接続部の駆動振動を検 知して加速度を算出する。

[0009] 上記構成により、角速度センサとしては、コリオリカに起因して変化する屈曲アーム の屈曲振動を検知して角速度を算出することができる。また、加速度センサとしては、 接続部に加わる応力に起因して変化する接続部の駆動振動を検知して加速度を算 出することができる。角速度センサと加速度センサとを複合ィ匕することによって、これ らを実装する面積を低減させ、実装基板の小型化を図ることができる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]図 1は、図 1は本発明の一実施の形態に力かるケース未装着の複合センサの斜 視図である。

[図 2]図 2は、本発明の一実施の形態に力かる複合センサの支持体取付け時にかか る振動子の斜視図である。

[図 3]図 3は、本発明の一実施の形態にかかり、図 2における A部の拡大平面図であ る。

[図 4]図 4は、本発明の一実施の形態にかかり、図 2における B部の拡大平面図であ る。

[図 5]図 5は、本発明の一実施の形態にかかり、図 1に示した複合センサの振動子の 斜視図である。

[図 6]図 6は、本発明の一実施の形態にかかり、図 5における 5A— 5A断面図である。

[図 7]図 7は、本発明の一実施の形態にかかり、図 5における 5B— 5B断面図である。

[図 8]図 8は、本発明の一実施の形態にかかり、図 5における 5C— 5C断面図である。

[図 9]図 9は、本発明の一実施の形態にかかり、駆動アームが駆動振動する状態を示 す振動子の斜視図である。

[図 10A]図 10Aは、本発明の一実施の形態にかかり、 2つの駆動アームが X軸に対し て互いに内側に駆動された場合の屈曲アームが屈曲振動する状態を示す振動子の 斜視図である。 [図 10B]図 10Bは、本発明の一実施の形態にかかり、 2つの駆動アームが X軸に対し て互いに外側に駆動された場合の屈曲アームが屈曲振動する状態を示す振動子の 斜視図である。

[図 11]図 11は、本発明の一実施の形態にかかり、 Z軸の左周りに角速度が生じた場 合の図 10Aにおける C部の拡大図である。

[図 12]図 12は、本発明の一実施の形態にかかり、 Z軸の右周りに角速度が生じた場 合の図 10Bにおける C部の拡大図である。

[図 13]図 13は、本発明の一実施の形態にかかり、接続部が駆動振動する状態を示 す図 2にかかる B部の拡大斜視図である。

[図 14]図 14は、本発明の他の実施の形態に力かる振動子の斜視図である。

[図 15]図 15は、本発明の他の実施の形態に力かる振動子の斜視図である。

[図 16]図 16は、本発明の他の実施の形態に力かる振動子の斜視図である。

符号の説明

2 駆動アーム

4 屈曲アーム

6 振動子

8 支持体

10 基台

12 枠体

14 角部

16 連結部

18 対向部

22 接続部

24 線条体

28 駆動用電極

30 圧電膜

34 基板

36 歪検知用電極 38 錘部

発明を実施するための最良の形態

[0012] 図 1は本発明の一実施の形態にかかり、ケースに未装着状態の複合センサの斜視 図である。図 2は同複合センサの支持体取付け時に力かる振動子の斜視図である。 図 3は図 2における A部の拡大平面図である。図 4は図 2における B部の拡大平面図 である。図 5は同複合センサの振動子の斜視図である。図 6は図 5にかかる 5A—5A 断面図、図 7は図 5にかかる 5B— 5B断面図、図 8は図 5にかかる 5C— 5C断面図で ある。

[0013] 図 1〜図 5において、本発明の一実施の形態に力かる複合センサは、方形状の枠 体 12と、枠体 12に連結した 2つの駆動アーム 2と、 1つの屈曲アーム 4とを有する振 動子 6を有する。振動子 6を支持体 8に取り付けるとともに、互いに略直交する X軸と Y軸と Z軸において、 X軸と Y軸との XY平面に伏せた状態で基台 10に装着して配置 する。

[0014] 2つの駆動アーム 2は、枠体 12の角部 14とその隣の角部 14の間に連結するととも に、屈曲アーム 4は、 2つの駆動アーム 2と枠体 12とが連結する連結部 16間に連結 する。駆動アーム 2と屈曲アーム 4とは互いに反対方向に向力つて枠体 12に連結す る。駆動アーム 2から枠体 12の角部 14までの距離 W1を、駆動アーム 2から連結部 1 6間の中心部までの距離 W2よりも長くする。枠体 12の連結部 16間の長さ W3を屈曲 アーム 4の幅 W4と略同じ大きさにする。

[0015] 枠体 12は、連結部 16間に対向する対向部 18と、この対向部 18と連結部 16間とを 接続した 2つの接続部 22を有する。枠体 12の接続部 22はスリット状に形成された 3 つの線条体 24を有し、枠体 12の対向部 18は振動子 6を支持体 8に取り付けるため の固定基部としている。

[0016] 接続部 22および駆動アーム 2を互いに駆動振動させ、コリオリカに起因して変化す る屈曲アーム 4の屈曲振動を検知して角速度を算出する。また、接続部 22に加わる 応力に起因して変化する接続部 22の駆動振動を検知して加速度を算出する。

[0017] 振動子 6はシリコン力もなる基板 34上に、駆動アーム 2や屈曲アーム 4や接続部 22 に電極を積層して形成する。 [0018] 図 6は、図 5にかかる、駆動アーム 2の 5A— 5A断面図である。駆動アーム 2は、駆 動用電極 28で挟んだ PZT等の圧電膜 30をシリコン力もなる基板 34に積層する。

[0019] 図 7は図 5にかかる屈曲アーム 4の 5B— 5B断面図である。コリオリカに起因した屈 曲アーム 4の歪みを検知する歪検知用電極 36で挟んだ PZT等の圧電膜 30をシリコ ンカもなる基板 34に積層する。

[0020] 図 8は図 5にかかる接続部 22の 5C-5C断面図である。駆動用電極 28で挟んだ PZ T等の圧電膜 30をシリコン力もなる基板 34に積層する。これらの駆動アーム 2および 接続部 22は、シリコンが共振する共振周波数の交流電圧を駆動用電極 28に印加す ることにより圧電膜 30を伸縮させて駆動振動させている。

[0021] 図 9は駆動アームが駆動振動する状態を示す振動子の斜視図である。図 10A,図 10Bは屈曲アームが屈曲振動する状態を示す振動子の斜視図、図 11は Z軸の左周 りに角速度 ωが生じた場合の図 10Aに力かる C部の拡大図、図 12は Ζ軸の右周りに 角速度 ωが生じた場合の図 10Bにかかる C部の拡大図である。

[0022] これらの図面を用いて、まず、角速度 ωの検出時における振動子 6の駆動状態およ び屈曲状態について説明する。図 9に示すように、駆動アーム 2は、互いに略直交す る X軸と Υ軸と Ζ軸において、 X軸方向に対して、方向 P1と Ρ2、方向 SIと S2で示すよ うに、互いに反対方向へ交互に駆動振動させる。この駆動振動は、図 6にかかる圧電 膜 30を挟んだ駆動用電極 28に電圧を印加して、圧電膜 30を歪ませることにより、基 板 34を X軸方向に駆動させて行う。

[0023] 図 10A及び図 10Bは、屈曲アーム 2の屈曲振動状態を示している。駆動アーム 2を 駆動振動させた状態において、 Z軸の周りに角速度 ωが生じると、図 10Α、図 10Bに 示すように、一方の駆動アーム 2と他方の駆動アーム 2は、 Υ軸方向に対して、方向 Q 1, R1及び方向 Q2, R2で示すように、互いに反対方向へコリオリカに起因した力を 受ける。これに伴って、屈曲アーム 4が X軸の方向 S3及び S4に歪む。

[0024] 図 10Aは、 2つの駆動アーム 2が X軸方向に対して互いに内側に駆動させる場合を 示す。図 10Bは、 2つの駆動アーム 2が X軸方向に対して互いに外側に駆動させる場 合を示す。屈曲アーム 4は X軸方向に対して互いに反対方向に歪むために屈曲ァー ム 4が屈曲振動する。 [0025] 図 11は、前にも述べたように、図 10Aに示した C部の拡大図である。 Z軸の左周り に角速度 ωが生じた場合を示している。一方の駆動アーム 2と他方の駆動アーム 2は Υ軸方向に対して、方向 Ql, R1で示すように、互いに反対方向にコリオリカに起因 した力を受ける。このとき屈曲アーム 4は方向 S3に歪み、 Ζ軸に対して左周り（反時計 回転方向）となる。

[0026] 図 12は、前にも述べたように、図 10Bに示した C部の拡大図である。 Ζ軸の右周りに 角速度 ωが生じた場合を示している。一方の駆動アーム 2と他方の駆動アーム 2は Υ 軸方向に対して、方向 Q2, R2で示すように、互いに反対方向にコリオリカに起因し た力を受ける。このとき屈曲アーム 4は方向 S4に歪み、 Ζ軸に対して右周り（時計回 転方向）となる。

[0027] 以上説明したように、 Ζ軸に対して左周りである力右周りであるかは、 2つの駆動ァ ーム 2が X軸方向に対して互いに内側に駆動する場合と、互いに外側に駆動する場 合にぉ 、て、 X軸方向に対する屈曲アーム 4の歪方向が反対となるために判断する ことができる。図 11および図 12に示すように、 2つの駆動アーム 2が互いに内側に駆 動した際、屈曲アーム 4の歪方向は互いに反対方向（方向 S3, S4)となり、屈曲ァー ム 4の歪を電圧変化として検知すれば、左周りまたは右周りの角速度 ωとして算出す ることがでさる。

[0028] 図 13は接続部 22が駆動振動する状態を示し、図 2における Β部の拡大斜視図であ る。

[0029] 次に、加速度 Gの検出時における振動子 6の駆動状態および屈曲状態について説 明する。接続部 22の 3つの線条体 24を方向 Zl, Ζ2及び Ζ3で示す方向に駆動振動 させる。 3つの線条体 24の動きは、隣接する線条体 24の駆動方向を互いに逆方向 にしている。

[0030] すなわち、方向 Z1と方向 Ζ2は互いに逆方向であり、方向 Ζ2と方向 Ζ3も互いに逆 方向に置かれる。こうした 3つの線条体 24を Ζ軸方向に対して互いに反対方向に交 互に繰り返すように駆動振動させる。この駆動振動をさせた状態で、接続部 22に加 わる応力に起因して変化する接続部 22の駆動振動を検知して加速度 Gを算出する [0031] 例えば、図 13において、 X軸方向へ加速度 Gが生じると、図 2における振動子 6の 全体の重量に起因して、接続部 22には圧縮方向 132または引張方向 134に応力が 生じる。この際、 2つの接続部 22には、互いに異なる方向に応力が生じており、一方 の接続部 22には圧縮方向 132に応力が生じ、他方の接続部 22には引張方向 134 に応力が生じる。

[0032] すなわち、 2つの接続部 22の駆動振動数は、加速度 Gの生じる前と、生じた後によ つて異なる。すなわち、圧縮方向 132に応力が生じると駆動振動数が高くなり、引張 方向 134に応力が生じると駆動振動数が低くなる。この駆動振動数の差を検知すれ ば加速度 Gを算出することができる。駆動振動数の差の検知としては、加速度 Gの生 じる前後において、 2つの接続部 22の各々の駆動振動数の差を検知したり、或いは 、一方の接続部 22と他方の接続部 22との駆動振動数の差を検知したりすればょ 、。

[0033] 上記構成により、角速度センサと加速度センサとを複合ィ匕することができ、これらを 実装する基板に占める実装面積を低減させて、実装基板の小型化を図った複合セ ンサを提供することができる。

[0034] 特に、互いに略直交した X軸と Y軸と Z軸において、 X軸と Y軸との XY平面と対向 するように振動子 6を伏せた場合でも、角速度 ωと加速度 Gを算出することができ、低 背化を図った複合センサを提供することができる。

[0035] また、枠体 12の連結部 16と対向する枠体 12の対向部 18を固定用の固定基部とす るので、駆動アーム 2が駆動振動し、屈曲アーム 4とが屈曲振動する際に、ロスが少 なくなり特性を向上できる。通常、駆動アーム 2や屈曲アーム 4の振動は、基台 10に 振動子 6を装着するための固定基部を通じて、基台 10やケース等に漏れやすいた め、この漏れ振動を低減することが必要である。上記構成によれば、この漏れ振動を 低減して特性を向上することができる。この際、屈曲アーム 4を固定基部、すなわち、 対向部 18に向力つて連結し、駆動アーム 2と屈曲アーム 4とを互いに反対方向に連 結しても同様の効果を得ることができる。さらに、枠体 12を方形状とし、駆動アーム 2 は枠体 12の 2つの角部 14間に設け、枠体 12の連結部 16間の長さを屈曲アーム 4の 幅と略同じにしても同様の効果を得ることができる。

[0036] なお、本発明の一実施の形態では、駆動アーム 2から角部 14までの距離と、駆動 アーム 2から連結部 16の中心部までの距離をあえて、異ならせるものとした力 略同 じにしてもよい。この場合、各々の駆動アーム 2を中心にして、枠体 12の角部 14と連 結部 16の中心部までが線対称となり、駆動振動時における左右の駆動振動のバラ ンスを同等にでき、駆動振動の精度を向上することができる。

[0037] 図 14は本発明に力かる振動子 6の別の形状を示す。屈曲アーム 4の端部に錘部 3 8を設けたものである。こうした構成を採用すれば、コリオリカに起因する屈曲アーム 4 の歪の変化量を大きくすることができるので、角速度の検知感度を向上することがで きる。錘部 38の形態は各種の形状が考えられる力 U字状や C字状にして、それらの 窪みの中央部に接続するとよい。なお、 U字状や C字状なる語句をそのまま解釈す れば、曲線部を有するものとなる力 必ずしもこれに限定されるものではない。これら の曲線部が直線部であってもよ 、。本来曲線部である部分を直線部に変えるならば 、本来の U字状から少し逸脱するかも知れない。しかし、本願明細書においては、こ れらの形状も含めて U字状と称して 、る。

[0038] 図 15は、本発明に力かる振動子 6の他の形状を示す。枠体 12の角部 14に U字状 の錘部 38を設けたものである。加速度に伴う接続部 22の駆動振動数の変化量を大 きくすることができるので、加速度の検知感度を向上させることができる。

[0039] 図 16は、図 1に示す振動子の駆動アーム 2と屈曲アーム 4の連結方向を反対にし、 屈曲アーム 4の端部に U字状の錘部 38を設けたものである。コリオリカに起因する屈 曲アーム 4の歪の変化量を大きくするとともに、加速度に伴う接続部 22の駆動振動数 の変化量を大きくすることができるので、角速度および加速度の検知感度を向上する ことができる。

[0040] なお、錘部 38はシリコン力もなる基板 34で一体的に形成すればょ 、。また、錘部 3 8は、図 14〜図 16の構成を組み合わせたものであってもよい。

産業上の利用可能性

[0041] 以上のように、本発明にかかる復号センサは、航空機， 自動車，ロボット，船舶及び 車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーシヨン等、各種電子機器に用いることができ るので、その産業上も利用可能性は高い。

Claims

請求の範囲

[1] 角速度センサと加速度センサを有する複合センサであって、枠体と、前記枠体に連 結した少なくとも 2つの駆動振動用の駆動アームと、前記枠体と前記駆動アームとが 連結する前記枠体の連結部間に連結した屈曲アームとを設け、前記枠体は、前記連 結部間に対向する対向部と、前記対向部と前記連結部間とを接続する 2つの接続部 を有し、前記接続部および前記駆動アームを互いに駆動振動させ、前記角速度セン サは、コリオリカに起因して変化する前記屈曲アームの屈曲振動を検知して角速度 を算出し、前記加速度センサは、前記接続部に加わる応力に起因して変化する前記 接続部の駆動振動を検知して加速度を算出する複合センサ。

[2] 前記加速度センサは、前記接続部の駆動振動に伴う駆動振動数を検知して加速度 を算出する請求項 1に記載の複合センサ。

[3] 前記加速度センサは、前記接続部の駆動振動に伴う駆動振動数の差を検知してカロ 速度を算出する請求項 1に記載の複合センサ。

[4] 前記枠体に錘部を連結した請求項 1に記載の複合センサ。

[5] 前記錘部は、両端部間が湾曲部を有する U字状であって、前記錘部の端部を前記 枠体の連結部間の両側部に連結した請求項 4に記載の複合センサ。

[6] 前記枠体は方形状であって、前記駆動アームは前記枠体の 2つの角部間に設けた 請求項 1に記載の複合センサ。

[7] 前記錘部は、両端部間が湾曲部を有する U字状であって、前記錘部の端部を前記 枠体の 2つの角部に連結した請求項 6に記載の複合センサ。

[8] 前記駆動アーム力 前記角部までの距離と、前記駆動アーム力 前記連結部間の中 心部までの距離とを同じにした請求項 6に記載の複合センサ。

[9] 前記枠体の連結部間の長さは前記屈曲アームの幅と同じにした請求項 1に記載の複 合センサ。

[10] 前記屈曲アームの端部に錘部を設けた請求項 1に記載の複合センサ。