WO2011158348A1 - 複合センサ - Google Patents

複合センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2011158348A1
WO2011158348A1 PCT/JP2010/060227 JP2010060227W WO2011158348A1 WO 2011158348 A1 WO2011158348 A1 WO 2011158348A1 JP 2010060227 W JP2010060227 W JP 2010060227W WO 2011158348 A1 WO2011158348 A1 WO 2011158348A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
detection
unit
vibrators
vibrator
composite sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/060227
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
勝俊 成田
英彦 山岡
Original Assignee
トヨタ自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by トヨタ自動車株式会社 filed Critical トヨタ自動車株式会社
Priority to EP10853230.0A priority Critical patent/EP2584312B1/en
Priority to PCT/JP2010/060227 priority patent/WO2011158348A1/ja
Priority to JP2012520207A priority patent/JP5617921B2/ja
Priority to CN201080040181.0A priority patent/CN102510995B/zh
Priority to US13/241,942 priority patent/US8997569B2/en
Publication of WO2011158348A1 publication Critical patent/WO2011158348A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0888—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values for indicating angular acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/14—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of gyroscopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/02—Devices characterised by the use of mechanical means
    • G01P3/16—Devices characterised by the use of mechanical means by using centrifugal forces of solid masses
    • G01P3/22—Devices characterised by the use of mechanical means by using centrifugal forces of solid masses transferred to the indicator by electric or magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration

Definitions

  • the present invention relates to a composite sensor, and more particularly, to a composite sensor having a vibrator that can be displaced in a drive direction and a detection direction.
  • the angular velocity sensor is often used by being mounted on a moving body such as a vehicle.
  • the angular velocity sensor is installed on an elastic member such as a damper in order to remove vibrations different from the motion of the vehicle from the detection component.
  • an elastic member such as a damper
  • the damper when the damper is deformed, the angular velocity sensor itself vibrates and rotates, and excessive angular acceleration is detected, which again makes it difficult to accurately detect the angular velocity.
  • an object of the present invention is to provide a composite sensor that can eliminate inertial force other than the detection purpose and can detect a component for detection with high accuracy.
  • a composite sensor comprising: A first unit including first and second vibrators disposed symmetrically to each other and displaceable in a driving direction and a detection direction; A second unit including third and fourth vibrators arranged symmetrically to each other and displaceable in the same axial direction as the drive direction and the detection direction; The first and second vibrators, the third and fourth vibrators vibrate in opposite phases, and the first unit and the second unit vibrate in opposite phases.
  • a drive unit for driving the first, second, third and fourth vibrators; And a detector that detects displacement in the detection direction of the first, second, third, and fourth vibrators.
  • the component to be detected can be detected with high accuracy by separating it from other components.
  • FIG. 3B is a table showing a method of calculating angular velocity, acceleration, generated force due to angular acceleration, and centrifugal force from the resultant forces F1 to F4 in FIG. 3A. It is the figure which showed an example of the structure of the conventional composite sensor as a comparative reference example. It is the figure which showed the composite sensor which concerns on Example 1 in the format similar to FIG. 4A.
  • FIG. 3B is a table showing a method of calculating angular velocity, acceleration, generated force due to angular acceleration, and centrifugal force from the resultant forces F1 to F4 in FIG. 3A.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram when oblique vibration due to vertical variation occurs in the composite sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram when diagonal vibration due to left-right variation occurs in the composite sensor according to the first embodiment.
  • Example 4 of this invention It is the figure which showed an example of the structure of the composite sensor which concerns on Example 4 of this invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional configuration of a composite sensor according to a fifth embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of the overall configuration of the composite sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the composite sensor according to the first embodiment includes a vibrator 10, a detection unit 20, a drive unit 30, a drive spring 40, a drive monitoring unit 50, a detection spring 60, a terminal 70, and a wiring 80. And an arithmetic processing unit 90 and a frame 100.
  • the vibrator 10 includes four vibrators 11 to 14 symmetrically. Specifically, the first vibrator 11 is located at the upper left position in FIG. 1, and the second vibrator 12 is located at the upper right position. The third vibrator 13 is provided at the lower left position, and the fourth vibrator 14 is provided at the lower right position.
  • the detection unit 20, the drive unit 30, the drive spring 40, the drive monitoring unit 50, the detection spring 60, and the terminal 70 correspond to the first, second, third, and fourth vibrators 11 to 14, respectively. Is provided. That is, the detection unit 20 includes first to fourth detection units 21, 22, 23, and 24 corresponding to the first to fourth vibrators 11 to 14, respectively.
  • the drive unit 30 is the first to fourth drive units 31 to 34
  • the drive spring 40 is the first to fourth drive springs 41 to 44
  • the drive monitoring unit 50 is the first to fourth drive monitoring unit 51.
  • the detection spring 60 includes first to fourth detection springs 61 to 64
  • the terminal 70 includes first detection terminals 71 to 74. Further, the terminals 70 are not all terminals, but only the detection terminals 71 to 74 connected to the detection units 21 to 24 are provided with reference numerals.
  • the reference numerals 11 to 14 attached thereto are used. Is not specified, and the term “vibrator 10” may be displayed when the generic name of the vibrator or the single element of the vibrator is unspecified. The same display method is applied to the other detection unit 20, the drive unit 30, the drive spring 40, the drive monitoring unit 50, and the detection spring 60. Further, for more detailed components corresponding to the components of the vibrator 10, the detection unit 20, the drive unit 30, and the monitoring unit 50, the first vibrator 11 on the upper left side in FIG. Only the detection unit 21, the first drive unit 31, and the first monitoring unit 51 are provided with reference numerals. The second to fourth corresponding constituent elements are not provided with reference numerals, but the second to fourth corresponding constituent elements are assumed to have similar component constituent elements.
  • the vibrator 10 includes a detection unit 20 inside and is connected and supported by a detection spring 60.
  • the detection spring 60 is connected to and supported by the drive beam 39.
  • the drive beam 39 is configured integrally with the movable unit 35 of the drive unit 30 and is integrally configured with the movable unit 51 of the drive monitoring unit 50 as a whole.
  • a drive spring 40 is provided between the drive unit 30 and the drive monitoring unit 50.
  • the detection unit 20 in the vibrator 10 is connected to a terminal 70, and the terminal 70 is connected to the arithmetic processing unit 90 via a wiring 80.
  • the entire composite sensor is surrounded by a frame 100.
  • the composite sensor according to the present embodiment may be formed of various materials.
  • the composite sensor may be formed as a micro structure of MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems) using a semiconductor substrate.
  • the vibrator 10 is a mass body for detecting physical quantities such as angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force.
  • the first to fourth vibrators are driven in the horizontal direction to detect displacement in the vertical direction.
  • the drive direction and the displacement direction are different directions, and are set in directions orthogonal to each other, for example, as shown in FIG.
  • the vibrator 10 is configured to be displaceable in both the driving direction and the detection direction.
  • the vibrator 10 is driven in the driving direction and is displaced in the detection direction to detect a predetermined physical quantity.
  • the composite sensor according to the first embodiment is mounted on a moving body such as a vehicle and detects the angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force of the moving body, but a predetermined detection direction is determined, and a physical quantity in the detection direction is determined. The component will be detected.
  • the vibrator 10 includes a detection unit 20 inside and functions as a mass body as a whole including the detection unit 20.
  • the vibrator 10 includes a movable part 17 and a fixed part 18.
  • the movable portion 17 is a portion that can be displaced.
  • the fixing portion 18 is a portion fixed to the frame 100. Therefore, the vibrator 10 is configured such that the outer frame is surrounded by the movable portion 17 and can be displaced as a whole.
  • the vibrator 10 has first to fourth vibrators 11 to 14, and each is arranged symmetrically. Although the specific operation will be described later, the four transducers 11 to 14 are provided, and by appropriately setting the phase in the driving direction, the angular velocity generated by the vibration of the composite sensor itself when detecting the angular velocity. Acceleration and the like can be separated, and each component of angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force can be detected independently.
  • the detection unit 20 is detection means for detecting the displacement of the vibrator 10 in the detection direction.
  • the detection direction is the vertical direction in FIG.
  • the detection unit 20 includes four first to fourth detection units 21 to 24 in each of the transducers 11 to 14 corresponding to each of the first to fourth transducers 11 to 14.
  • Each detection unit 21 to 24 includes a detection electrode 25.
  • the detection electrode 25 has a movable electrode 27 connected to the movable part 17 of the vibrators 11 to 14 and a fixed electrode 28 connected to the fixed part 18. There are a plurality of both the movable electrode 27 and the fixed electrode 28, and they are arranged so as to face each other and overlap each other.
  • the displacement of the first to fourth vibrators 11 to 14 can be detected by detecting the change in capacitance. Further, based on the detected displacements of the first to fourth vibrators 11 to 14, the forces in the detection direction applied to the first to fourth vibrators 11 to 14 can be obtained.
  • the detection electrode 25 is provided with four blocks. As the number of detection electrodes 25 increases, the S / N (Signal / Noise) improves, but the space increases. Therefore, the number of detection electrodes 25 may be set to an appropriate number depending on the relationship between S / N and space.
  • the positional relationship between the movable electrode 27 and the fixed electrode 28 in the detection direction is constant. That is, in the first detection unit 21, all the movable electrodes 27 are arranged above the fixed electrode 28 (back side). As a result, when the first vibrator 11 is displaced in one of the detection directions, the change in one of the increase and decrease of the electrostatic capacitance is caused in all the pairs of the movable electrode 27 and the fixed electrode 28. To do. Although details of this point will be described later with reference to an enlarged view, a high S / N can be obtained in a space-saving manner due to the arrangement relationship.
  • the movable electrode 27 is entirely above (the back side) from the fixed electrode 28, similarly to the first detection unit 21, and conversely, the third detection unit 23 and the fourth detection unit 22.
  • the detection unit 24 all the fixed electrodes 28 are arranged on the upper side (back side) of the movable electrode 27.
  • the driving unit 30 is a driving unit for vibrating the vibrator 10 in the driving direction.
  • the drive unit 30 may include four first to fourth drive units 30 corresponding to the first to fourth vibrators 11 to 14, but the first to fourth vibrators 11 to 14 are provided. As long as it can be driven with an appropriate phase, it does not necessarily have to be divided into four parts, and may be integrated. However, in the present embodiment, an example in which the driving unit 30 is provided as the first to fourth driving units 31 to 34 corresponding to each of the first to fourth vibrators 11 to 14 will be described. To do.
  • Each of the first to fourth drive units 31 to 34 includes a movable unit 35 and a fixed unit 36.
  • the movable portion 35 is provided with a movable electrode 37
  • the fixed portion 36 is provided with a fixed electrode 38.
  • the movable electrode 37 on both sides of the movable portion 35 and the fixed electrode 38 of the fixed portion 36 that sandwiches the movable portion 35 from both sides are configured to face each other in the vertical direction, and are opposite to the left and right fixed electrodes 38.
  • a phase alternating current By applying a phase alternating current, a suction force in the left-right direction is alternately generated, and the movable portion 35 is vibrated in the lateral direction. Since the movable portion 35 is connected to the drive beam 39 described above, the vibration transmitted to the drive beam 39 is transmitted to the first to fourth vibrators 11 to 14 via the detection spring 60, and each is driven by vibration. It is the composition to do.
  • the drive spring 40 is a spring for assisting the drive of the vibrator 10 by the drive unit 30.
  • a plate spring is formed extending in a plate shape in a direction perpendicular to the paper surface.
  • the drive spring 40 also corresponds to the first to fourth vibrators 11 to 14 and the first to fourth drive units 31 to 34, and may include first to fourth drive springs 41 to 44. .
  • the drive monitoring unit 50 is a means for monitoring displacement in the drive direction.
  • the detection operation is performed while monitoring the displacement in the driving direction.
  • the drive monitoring unit 50 may include first to fourth drive monitoring units 51 to 54 corresponding to the first to fourth vibrators 11 to 14 and the first to fourth drive units 31 to 34.
  • Each of the first to fourth drive monitoring units 51 to 54 includes a movable portion 55, a fixed portion 56, a movable electrode 57 connected to the movable portion 55, and a fixed electrode 58 connected to the fixed portion 56. From the change in capacity, the direction and amount of drive displacement is detected and monitored.
  • the detection spring 60 is a spring for allowing the vibrator 10 to be displaced in the detection direction. Since the detection spring 60 is a plate spring extending like a plate in a direction perpendicular to the paper surface, the detection spring 60 has elasticity, and the transducer 10 is moved in a state in which the transducer 10 can move in the detection direction (vertical direction). Elastic support. The detection spring 60 also plays a role of transmitting the vibration generated by the drive unit 30 from the drive beam 39 to the vibrator 10.
  • the detection spring 60 also includes first to fourth detection springs 60 corresponding to the first to fourth vibrators 11 to 14.
  • the terminal 70 is an electrode for electrical connection with the outside. Since electric power is supplied to the composite sensor from the outside and it is necessary to output the detected result to the outside, the terminal 70 is provided for connection to the outside.
  • the first to fourth detection units 21 to 24 are connected to the first to fourth detection terminals 71 to 74 so that the electrical signals detected by the detection units 21 to 24 can be output to the outside. Has been.
  • the arithmetic processing unit 90 is arithmetic processing means for calculating physical quantities of angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force from the detection results detected by the first to fourth detection units 21 to 24.
  • an electronic circuit may be used as long as predetermined arithmetic processing is possible, or a microcomputer having a CPU (Central Processing Unit) and operated by a program is used. Also good.
  • CPU Central Processing Unit
  • the arithmetic processing unit 90 is connected to the first to fourth detection terminals 71 to 74 by the wiring 80, and is configured to receive the detection results of the first to fourth detection units 21 to 24.
  • the arithmetic processing unit 90 is provided outside the frame 100, that is, outside the composite sensor, but may be provided on a substrate of the composite sensor, for example.
  • an ECU Electro Control Unit
  • the arithmetic processing unit 90 provided in the external ECU may perform arithmetic processing.
  • the arithmetic processing unit 90 may be provided inside the frame 100. In this way, the arithmetic processing unit 90 can be provided in various places depending on the application.
  • the frame 100 is an outer frame that serves as a support for the composite sensor.
  • a thick portion of the semiconductor substrate may be used.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the composite sensor according to the first embodiment in a simplified manner as compared with FIG.
  • the first to fourth vibrators 11e to 14e have a larger shape than the first to fourth vibrators 11 to 14 of the composite sensor according to FIG. This is because the number of detection electrodes inside the first to fourth vibrators 11e to 14e of the composite sensor according to FIG. 2 is the same as that of the first to fourth vibrators 11 to 14 of the composite sensor according to FIG. This is because the number of detection electrodes 25 is larger.
  • the composite sensor according to FIG. 2 is different from the electrode arrangement of the composite sensor according to FIG. 1 in that both the electrode whose capacity is increased and the detection electrode 25 whose capacity is decreased due to the displacement of the movable electrode 17 in one detection unit.
  • the sensor can be configured as a composite sensor according to the first embodiment. . That is, the composite sensor according to the first embodiment can be configured regardless of the configuration of the detection unit 20 inside the first to fourth transducers 11 to 14 and 11e to 14e. Therefore, in the first embodiment, the first to fourth vibrators 11 to 14 will be described as representative examples.
  • the first embodiment is applicable to a composite sensor having the vibrator 10 including various detection units 20. explain. Since the other components have also been described with reference to FIG. 1, the same reference numerals are assigned and description thereof is omitted.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining a driving method and a detection method of the composite sensor according to the first embodiment.
  • the first to fourth vibrators 11 to 14 are extracted and shown in a simplified manner.
  • Four first to fourth vibrators 11 to 14 are arranged symmetrically.
  • a combination of the first vibrator 11 and the second vibrator 12 is a first unit 111
  • a combination of the third vibrator 13 and the fourth vibrator 14 is a second unit 112.
  • the driving direction is a horizontal direction
  • a right direction is a positive direction
  • a left direction is a negative direction.
  • the detection direction is the vertical direction, upward (backward direction) is positive, and downward (frontward) is negative.
  • the description will be made in the same coordinate system unless otherwise specified.
  • the direction of driving by vibration of the first vibrator 11 is V1
  • the direction of vibration driving of the second vibrator 12 is V2
  • the third direction The vibration drive direction of the vibrator 13 is V3, and the vibration drive direction of the fourth vibrator 14 is V4.
  • the generated force acting on the first vibrator 11 is F1
  • the generated force acting on the second vibrator 12 is F2
  • the third The generated force acting on the vibrator 13 is represented by F3
  • the generated force acting on the fourth vibrator 14 is represented by F4.
  • the first vibrator 11 and the second vibrator 12 included in the first unit 111 are driven to vibrate in mutually opposite phases. Specifically, when the first vibrator 11 is moving leftward, the second vibrator 12 is moving rightward and away from each other.
  • the third vibrator 13 and the fourth vibrator 14 included in the second unit 112 are also driven to vibrate in mutually opposite phases. Specifically, when the third vibrator 13 is moving in the right direction, the fourth vibrator 14 is moved in the left direction and moved in a direction approaching each other.
  • the phase between the first unit 111 and the second unit 112 is also the second when the first vibrator 11 and the second vibrator 12 in the first unit 111 are moving in a direction away from each other.
  • the third vibrator 13 and the fourth vibrator 14 in the unit 112 are close to each other, they are in opposite phases. As a result, the first vibrator 11 and the fourth vibrator 14 have the same phase, and the second vibrator 12 and the third vibrator 13 have the same phase.
  • the vibrators 11 and 12 in the first unit 111 are driven to vibrate in opposite phases, and the vibrators 13 and 14 in the second unit 112 are in opposite phases. While being driven to vibrate, the first unit 111 and the second unit 112 are also vibrated and driven in opposite phases.
  • the first vibrator 11 is F1
  • the second vibrator 12 is F2
  • the third vibrator 13 is F3
  • the fourth vibrator 14 is driven.
  • the force F4 is generated.
  • the components of each force are the first to fourth vibrators 11 to 14. For each, it works in the orientation shown in FIG. 3A. That is, in FIG.
  • Coriolis force Fr due to angular velocity acting on the first to fourth vibrators is Fr1 to Fr4
  • inertial force Fa due to acceleration is Fa1 to Fa4
  • inertial force Fra due to angular acceleration is Fra1 to Fra4
  • centrifugal force is indicated by Fc1 to Fc4.
  • the Coriolis force Fr1 is a positive direction in the detection direction
  • the Coriolis force Fr2 is a negative direction in the detection direction
  • the Coriolis force Fr3 is a negative direction in the detection direction
  • the Coriolis force Fr4 is a positive direction in the detection direction. ing.
  • the force Fa generated by acceleration is applied to all the vibrators 11 to 14 in the same direction
  • the force Fa1 to Fa4 generated by acceleration acting on the first to fourth vibrators 11 to 14 is The same direction is the positive direction of detection.
  • the generated force Fra due to the angular acceleration is a rotational force applied regardless of the direction of motion of the vibrators 11 to 14, and therefore, the force Fra1 has the same direction as the resultant forces F1 to F4 acting on the vibrators 11 to 14.
  • ⁇ Fra4 Specifically, inertial force Fra1 is a positive direction in the detection direction, inertial force Fra2 is a negative direction in the detection direction, inertial force Fra3 is a positive direction in the detection direction, and inertial force Fra4 is a negative direction in the detection direction. ing.
  • the centrifugal force is a force that always acts outward from the center irrespective of the driving direction of each of the vibrators 11 to 14, and therefore, the first to fourth as in Fc1 to Fc4 shown in FIG. 3A.
  • the direction of force is outward from the center C of the vibrators 11 to 14.
  • the outward force from the center C is directed to the left upper first vibrator 11 from the center C to the upper left
  • the upper right second vibrator 12 is directed from the center C to the upper right, the lower left.
  • the third vibrator 13 acts on the lower left side from the center C
  • the lower right side fourth vibrator 14 acts on the lower right side from the center C. Accordingly, the components in the detection direction are positive for the centrifugal force Fc1, positive for the centrifugal force Fc2, negative for the centrifugal force Fc3, and negative for the centrifugal force Fc4.
  • FIG. 3B shows the generated force Fr due to angular velocity, the generated force Fa due to acceleration, the generated force Fra due to angular acceleration, and the generated force Fc due to centrifugal force from the resultant forces F1 to F4 acting on the vibrators 11 to 14 shown in FIG. 3A. It is the table
  • the generated force Fr due to the angular velocity is obtained by adding the forces F1 to F4 in the directions of Fr1 to Fr4 shown in FIG.
  • the generated force Fa due to acceleration is obtained by adding the forces F1 to F4 in the directions Fa1 to Fa4 shown in FIG.
  • unnecessary force components are canceled out from the forces to be detected from the forces F1 to F4 applied to the first to fourth vibrators 11 to 14. be able to.
  • the generated force Fr caused by the angular velocity, the generated force Fa caused by the acceleration, the generated force Fra caused by the angular acceleration, and the generated force Fc caused by the centrifugal force can be separated and detected, and each physical quantity can be detected with high accuracy.
  • the detection unit 20 detects a displacement that can be converted into a force, an arithmetic process for canceling and removing such an unnecessary inertial force is performed based on the displacement.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of a configuration of a conventional angular velocity / acceleration sensor as a comparative reference example.
  • the conventional angular velocity / acceleration sensor includes four driving units 231 to 234, driving springs 241 to 244, driving monitoring units 251 to 254, and detection springs 261 to 264, respectively. Only one vibrator 211 and second vibrator 212 are provided. In this configuration, the physical quantity is detected in a state in which the first vibrator 211 and the second vibrator 212 are driven to vibrate in opposite phase driving directions V1 and V2. As shown in FIG.
  • the Coriolis force Fr1 due to the angular velocity acting on the first vibrator 211 is Both inertial forces Fra1 due to angular acceleration are positive in the detection direction.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating the composite sensor according to the first embodiment in the same format as FIG. 4A. Since each component is the same as in FIG. 1, the same reference numerals are given to the same components as in FIG. 1, and the description thereof is omitted. Further, the driving force direction V1 for driving the first vibrator 11 and the driving force direction V2 for driving the second vibrator 12 are in opposite phases, and the third vibrator 13 is driven. The direction V3 of the driving force to be driven and the direction V4 of the driving force to drive the fourth vibrator 14 are in opposite phases, the first and second vibrators 11 and 12, and the third and fourth vibrators 13. , 14 are driven in opposite phases as in FIG. 3A. Further, it is assumed that forces F1 to F4 are applied to the vibrators 11 to 14.
  • the force acting on the first to fourth vibrators 11 to 14 or the displacement proportional to the force may be detected by the detection unit 20, and the arithmetic processing described in FIGS. 3A to 4B is performed by the arithmetic processing unit. 90 may be performed.
  • the detection of the displacement performed by the detection unit 20 has been described with reference to the example in FIG. 1 in which the first to fourth detection units 21 to 24 detect the variable capacitance using the comb-like comb-teeth electrodes.
  • other methods such as a method using a piezoelectric material and an optical displacement detection method may be used.
  • each of the four physical quantities of angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force can be separated and detected independently, and the detection accuracy can be improved. Can be very high.
  • the composite sensor according to the first embodiment can improve robustness against manufacturing variations.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operation when the first to fourth vibrators 11 to 14 of the composite sensor according to the first embodiment have an oblique vibration due to vertical variation.
  • consideration is given to the case where the first vibrator 11a and the second vibrator 12a vibrate obliquely with some components in the upper and lower detection directions, rather than in the horizontal direction, due to manufacturing variations. To do.
  • an oblique vibration driving force for driving the first vibrator 11a is V1a, so that a negative minute displacement ( ⁇ Y) is generated in the detection direction of the first detection unit 21. .
  • an oblique vibration driving force for driving the second vibrator 12a is V2a, and that a positive minute displacement ⁇ Y is generated in the detection direction of the second detection unit 22. Furthermore, Y is the displacement due to the Coriolis force.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation when the first to fourth vibrators 11 to 14 of the composite sensor according to the first embodiment generate oblique vibration due to left-right variation.
  • FIG. 6 consider a case where the second vibrator 12b and the fourth vibrator 14b vibrate diagonally, including some components in the upper and lower detection directions, rather than the lateral direction, due to manufacturing variations.
  • a minute displacement ⁇ Y is generated in the positive direction of the detection direction by the oblique vibration drive V2b of the second vibrator 12b, and the negative direction of the detection direction is caused by the oblique vibration drive V4b of the fourth vibrator 14b.
  • FIG. 3 shows a state in which a minute displacement ( ⁇ Y) has occurred.
  • each vibrator The displacement of 11, 12b, 13, 14b is as follows.
  • the composite sensor according to the first embodiment it is possible to eliminate the influence on the detection of the angular velocity even when the vertical variation or the horizontal variation in the chip caused by the production occurs. Thereby, the robustness with respect to manufacturing variation can be improved.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of the composite sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • the first vibrator 11, the second vibrator 12, the third vibrator 13, and the fourth vibrator 14 are extracted and shown.
  • the same components as those of the composite sensor according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • the arrangement of the detection units 20 inside the first to fourth vibrators 11 to 14 is not limited, and for example, the first to fourth of FIG. It is assumed that the vibrators 11e to 14e may be configured. Further, this concept can be similarly applied to Examples 3 to 7.
  • the first vibrator 11 and the second vibrator 12 are symmetrically arranged to face each other to form the first unit 111a, and the third vibrator 13 and the fourth vibrator. 14 is symmetrically arranged oppositely to constitute the second unit 112a, which is the same as that of the composite sensor according to the first embodiment.
  • the composite sensor according to the second embodiment is different from the composite sensor according to the first embodiment in that the first unit 111a and the second unit 112a are not arranged close to each other.
  • the units 111a and 112a may not be arranged close to each other, or may not be arranged in rows in the vertical and horizontal directions. Even in such a configuration, the first vibrator 11 and the second vibrator 12 in the first unit 111a, and the third vibrator 13 and the fourth vibrator 14 in the second unit 112a.
  • the first to fourth vibrators 11 to 11 are arranged as long as they are symmetrically arranged and driven by oscillating in opposite phases and the first unit 111a and the second unit 112a are also driven in opposite phases. From the displacement detected at 14, four different components can be separated and calculated. That is, angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force can be detected with high accuracy.
  • the angular velocity, the acceleration, the angular acceleration, and the centrifugal force can be detected with high accuracy while the first unit 111a and the second unit 112a are variously arranged according to the application.
  • the composite sensor can be used flexibly for various applications.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the configuration of the composite sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • the composite sensor according to the third embodiment has a configuration in which the first to fourth vibrators 11 to 14 are arranged in a point-symmetric cross direction. Since the first to fourth vibrators 11 to 14 themselves may have the same configuration as the first to fourth vibrators 11 to 14 according to the first embodiment, the components corresponding to the first embodiment include The same reference numerals as those in the first embodiment are given. Further, the components of the first to fourth vibrators 11 to 14 are omitted in FIG.
  • the first vibrator 11 and the second vibrator 12 are symmetrical in the lateral direction (both line symmetric and point symmetric) at a slightly separated position. Opposed. Further, the third vibrator 13 and the fourth vibrator are arranged opposite to each other symmetrically in the longitudinal direction at a position slightly apart. As a whole, the center C has a cross arrangement which is point-symmetric with respect to each other.
  • the first and second vibrators 11 and 12 are driven to vibrate in opposite phases in the driving direction.
  • the third and fourth vibrators 13 and 14 are not arranged on the same line with respect to the driving direction, but the driving direction itself is the same axial direction and is common in the lateral direction.
  • the third and fourth vibrators 13 and 14 are also driven to vibrate in opposite phases.
  • the first unit 111b including the first and second vibrators 11 and 12 and the second unit 112b including the third and fourth vibrators 13 and 14 are also oscillated and driven in opposite phases.
  • the first to fourth detection units 21 to 24 can be arranged inside the first to fourth transducers 11 to 14, and the drive unit 30 Also, the first to fourth vibrators 11 to 14 can be provided at positions suitable for driving.
  • the first to fourth vibrators 11 to 14 are arranged in a point-symmetric cross as a whole, and the first unit 111b and the second unit 112b are orthogonal to each other.
  • the whole can be configured in a square or a shape close to a diamond shape, and the demand for such a shape can be met.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the configuration of the composite sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the composite sensor according to the fourth embodiment is generally similar to the composite sensor according to the third embodiment, and has a planar configuration in which the first to fourth vibrators 11 to 14 are arranged point-symmetrically with respect to the center C. ing.
  • the first vibrator 11 and the second vibrator 12 of the combination driven in the opposite phase are arranged obliquely to each other, and similarly, the first vibrator 11 driven in the opposite phase.
  • the third transducer 13 and the fourth transducer 14 are different from the composite sensor according to the third embodiment in that they are arranged obliquely to each other.
  • the first and second vibrators 11 and 12 and the third and fourth vibrators 13 and 14 may be arranged obliquely as long as the driving directions are in the same axial direction and are parallel to each other. .
  • the first vibrator 11 and the second vibrator 12 are in a point-symmetric relationship and are disposed to face each other diagonally.
  • the driving direction is common in the horizontal direction and is driven in the opposite phase, and therefore satisfies the condition that they are arranged symmetrically and driven to vibrate in the opposite phase.
  • the driving directions of the third vibrator 13 and the fourth vibrator 14 are the same in the horizontal direction, and are driven to vibrate in the opposite phase. Satisfy the condition of being.
  • first unit 111c and the second unit 112c also have the third and fourth in the second unit 112c when the first and second vibrators 11 and 12 in the first unit 111c are separated from each other. Since the vibrators 13 and 14 are close to each other, the condition that different units have opposite phases is also satisfied. Therefore, angular velocities, accelerations, angular accelerations, and centrifugal forces can be detected separately and independently by the equations (1) to (4) of the first embodiment.
  • the angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force are separated and independently using the vibrators 11 to 14 disposed obliquely in the units 111c and 112c. Even if only such an arrangement is allowed, it is possible to detect a physical quantity with high accuracy.
  • the first to fourth vibrators 11 to 14, 11a to 14, and 11 to 14b are all disposed on the same substrate surface. As described above, the first to fourth vibrators 11 to 14, 11a to 14, and 11 to 14b can have various arrangement configurations in accordance with the use within the same substrate surface.
  • FIG. 10A is a perspective view showing an example of the configuration of a composite sensor according to Example 5 of the present invention.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating an example of a cross-sectional configuration of the composite sensor according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the composite sensor according to the fifth embodiment has a configuration in which the first to fourth vibrators 11c to 14c are three-dimensionally arranged on the support substrate 120.
  • the first vibrator 11c and the second vibrator 12c are symmetrically disposed on the support substrate 120, and the third vibrator 13c and the fourth vibrator are further disposed thereon. 13d is symmetrically arranged oppositely.
  • the first vibrator 11c and the first vibrator 12c constitute a first unit 111d
  • the third vibrator 13c and the fourth vibrator 14c constitute a second unit 112d. That is, the first and second vibrators 11c and 12c included in the first unit 111d and the third and fourth vibrators 13c and 14c included in the second unit 112d are in the same substrate plane.
  • the first unit 111d and the second unit 112d are not in the same substrate plane, and the second unit 112d is present on the first unit 111d.
  • the vibrators 11 to 14 in the same unit are on the same substrate surface, the units do not necessarily exist on the same substrate surface.
  • the first and second vibrators 11 and 12 and the third and fourth vibrators 13 and 14 that form a basic opposite phase pair detect the Coriolis force on the plane in cooperation with each other. Therefore, it is necessary to detect a pair of rotational displacements in the plane.
  • the value used in the combination of the units 111d and 112d is a value used for the arithmetic processing after detection, and therefore does not require strictness to the level required for direct physical measurement.
  • the detection unit 20 can arrange the first to fourth detection units 21 to 24 inside the first to fourth transducers 11c to 14c, respectively.
  • the drive unit 30 can also be provided at an appropriate position in the support substrate 120 depending on the application.
  • the units 111d and 112d can be variously arranged in three dimensions.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a planar configuration of the composite sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the composite sensor according to the eleventh embodiment further includes a fifth vibrator 15 and a sixth vibrator 16 in addition to the first to fourth vibrators 11 to 14.
  • the first, second, and fifth vibrators 11, 12, and 15 constitute the first unit 111e
  • the third, fourth, and sixth vibrators 13, 14, and 16 constitute the second unit 112e. is doing.
  • more than four vibrators 11 to 16 may be provided.
  • the same number of vibrators 15 and 16 are added to the first unit 111e and the second unit 112e.
  • one fifth vibrator 15 is added to the first unit 111e
  • one sixth unit 16 is added to the second unit 112e.
  • the vibrators 15 and 16 to be added are arranged so as to maintain a symmetrical relationship with the existing vibrators 11 to 14 in the same unit 111e and 112e.
  • the detection values from the symmetrically arranged vibrators 10 can be increased while maintaining the same relationship, and the force detection accuracy can be increased.
  • the drive unit 30 adds the vibrators 15 and 16 to be added in the same phase if there is a smaller one of the two phases in the same unit 111 e and 112 e. To drive. That is, when the number of the same units 111e and 112e including the added vibrators 15 and 16 is an even number, the added vibrators 15 and 16 have the same number of the opposite-phase vibrators 10 in the same units 111e and 112e. The additional vibrators 15 and 16 are driven so that In addition, when the two phases of the existing vibrators 11 to 14 are the same in the same units 111e and 112e, the drive unit 30 adds the added vibrators 15 and 16 in the same units 111e and 112e.
  • the vibrators 12 and 14 arranged closest to each other are driven to vibrate so as to have an opposite phase in the driving direction.
  • the driving balance including the phase balance of the vibrator 10 in each of the units 111e and 112e is kept good, and the unit 111e and 112e as a whole is a vibration type acceleration sensor that detects Coriolis force by antiphase vibration.
  • the function can be fulfilled. Then, the number of detection values useful for obtaining each component of the generated forces Fr, Fa, Fra, and Fc can be increased, and the detection accuracy can be further increased.
  • the first vibrator 11 and the second vibrator 12 are driven in opposite phases, and the two phases are the same number.
  • the vibrator 15 is driven so as to have an opposite phase to the second vibrator 12 arranged closest.
  • the existing third and fourth vibrators 13 and 14 are driven in opposite phases, so that the added sixth vibrator 16 is arranged closest.
  • the fourth vibrator 14 is driven in the opposite phase.
  • FIG. 11 the example in which the vibrators 15 and 16 are added one by one to the first unit 111e and the second unit 112e has been described. However, more vibrators may be added. .
  • the first and fifth vibrators 11 and 15 are in the driving direction in the first unit 111e. Since the second vibrator 12 is in the same phase in the negative direction and the second vibrator 12 is in the positive direction in the driving direction and in the opposite phase to the first and fifth vibrators 11 and 15, the vibrator to be added to balance Is driven in the same phase as the second vibrator 12. The same applies to the second unit 112e.
  • the vibrator 10 is further added from the state of FIG. 11, the second unit 112e is driven in the same phase as the fourth vibrator 14.
  • the number of the vibrators 10 is increased by the same number to the first unit 111e and the second unit 112e in consideration of the phase balance, and the even number of vibrators 10 is maintained as a whole. Detection accuracy can be increased, and angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force can be detected with higher accuracy.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of the composite sensor according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the composite sensor according to the seventh embodiment includes first to fourth transducers 11d to 14d, first to fourth detection units 21a to 24a, first to fourth driving units 31a to 34a, To fourth connection springs 131 to 134.
  • the composite sensor according to the seventh embodiment is different from the first embodiment in that the first to fourth detection units 21a to 24a are provided outside the first to fourth transducers 11d to 14d. It is different from the composite sensor according to .about.6.
  • the first to fourth detection units 21a to 24a are provided outside the first to fourth transducers 11d to 14d.
  • the first to fourth vibrators 11d to 14d are connected to the first to fourth detection units 21a to 24a by first to fourth connection springs 131 to 134, respectively.
  • the displacement in the detection direction of the first to fourth vibrators 11d to 14d is detected by the first to fourth detection units 21a to 24a via the first to fourth connection springs 131 to 134.
  • the first and second vibrators 11d and 12d constituting the first unit are driven in the opposite phases by the first drive unit 31a and the second drive unit 32a.
  • the third drive unit 33a and the fourth drive unit 34a drive the third vibrator 13d and the fourth vibrator 14d constituting the two units in opposite phases, and the first unit and the second unit are in opposite phases.
  • the calculation processing can be performed in the same manner as in the first embodiment, and the angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force can be detected separately and independently.
  • the composite sensor according to the seventh embodiment even when the detection unit 20a and the vibrator 10d are provided separately, angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force are separated and detected with high accuracy. can do.
  • the driving units having the same driving direction may be rigidly mechanically connected. Therefore, the variation of the displacement amount due to the manufacturing variation at the time of drive displacement can be reduced, and a more accurate composite sensor can be provided.
  • the internal configuration of the detection unit 20 will be described.
  • the overall configuration of the composite sensor according to the eighth embodiment may be the same as that of the composite sensor according to FIG. 1 described in the first embodiment.
  • the operations of the first to fourth vibrators 11 to 14, 11a, 12a, 12b, 14b, 11c to 14c, 11d to 14d, and 11e to 14e have been described. Now, the configuration and operation of the detection unit 20 will be described in detail.
  • FIG. 13A is a diagram illustrating an overall configuration of an angular velocity / acceleration sensor including two conventional vibrators 211 and 212 described as a comparative reference example in FIG. 4A.
  • FIG. 13B is a diagram showing the overall configuration of the composite sensor when the number of vibrators is increased as it is from the conventional angular velocity / acceleration sensor shown in FIG. 13A.
  • the chip size increases.
  • angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force can be detected separately, but the chip size of the composite sensor increases. If a small composite sensor is desired, increasing chip size problems can arise.
  • FIG. 14A is an enlarged view showing a part of the internal configuration of the detection unit 220 of the conventional angular velocity / acceleration sensor of FIG. 13A.
  • the movable electrode 227 supported by the movable part 217 and the fixed electrode 228 supported by the fixed part 218 are arranged so that the comb-like electrodes have a predetermined interval and face each other.
  • the fixed portion 218 is divided into an upper fixed portion 218a and a lower fixed portion 218b, but the movable portion 217 has a single continuous configuration.
  • FIG. 14A shows an equilibrium state in which the variable capacitance change is zero.
  • FIG. 14B is a diagram showing a state where the movable portion 217 is displaced downward by ⁇ Y from the equilibrium state shown in FIG.
  • the interval between the upper fixed electrode 228a and the movable electrode 217 is narrowed, and the capacitance is increased.
  • the distance between the lower fixed electrode 228b and the movable electrode 217 is increased, and the capacitance is reduced.
  • the capacitance change is ⁇ C
  • the upper fixed electrode 228a and the movable electrode 227 are (+ ⁇ C ⁇ ⁇ c)
  • the lower fixed electrode 228b and the movable electrode 227 are ( ⁇ C ⁇ ⁇ c).
  • a noise component ( ⁇ ⁇ c) is generated.
  • Such a noise component ( ⁇ ⁇ c) is generated separately on both the capacity increasing side and the capacity decreasing side, so that the calculation becomes very complicated in consideration of the noise component. Further, when calculating the change in capacitance, the increase in capacitance and the decrease in capacitance are respectively calculated and the capacitances are further obtained, so that the calculation processing itself becomes complicated. In particular, as described in the first to seventh embodiments, when the number of the vibrators 10 becomes four, the overall calculation becomes more complicated.
  • the dielectric constant is ⁇
  • the electrode thickness is T
  • the electrode interval is d
  • the electrode length is L
  • the number of electrodes is N
  • the relational expression between the displacement ⁇ Y of the movable portion 217 and the capacitance change ⁇ C. Is as shown in equation (5).
  • FIG. 14C is a diagram for explaining a phenomenon when the number of electrodes of the detection unit 220 is decreased so that the increase in space described in FIG. 13B does not occur.
  • ⁇ C of the signal component becomes 1/2 and becomes 1 / 2 ⁇ C, but the noise itself remains ( ⁇ ⁇ c), and the signal component As a result, the noise component increases and the S / N decreases.
  • the composite sensor according to the eighth embodiment is configured to reduce the S / N while realizing space saving in consideration of the points described in FIGS. 13A to 14C in the detection unit 20.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an overall configuration of the composite sensor according to the eighth embodiment and a configuration in which a part of the detection unit 20 is enlarged.
  • the overall configuration of the composite sensor according to the eighth embodiment is the same as the configuration illustrated in FIG. 1, and is a simplified diagram of FIG. 1. Therefore, the same reference numerals are used for the same components as in FIG. 1. The description is omitted.
  • an enlarged configuration diagram of a part of the first to fourth detection units 21 to 24 is shown around the entire configuration diagram.
  • the displacement sensor according to the eighth embodiment only one fixing unit 18 is provided in the transducers 11 to 14 without being divided in the detection direction.
  • the fixed portion 18 and the movable portion 17 correspond one-to-one, and thus the fixed electrode 18 and the movable electrode 17 also correspond one-to-one. This indicates that when the movable portion 17 is displaced either up or down, the capacitances of all the movable electrodes 17 and the fixed electrodes 18 change to one of increase or decrease.
  • the movable electrode 27 is on the upper side (positive side) in the detection direction with respect to the fixed electrode 28, and the second detection unit 22 has the same arrangement.
  • the fixed electrode 28 is on the upper side (positive side) in the detection direction with respect to the movable electrode 27, and the fourth detection unit 24 is similarly arranged. That is, a pair of the first detection unit 21 and the second detection unit 22 and a pair of the third detection unit 23 and the fourth detection unit 24 have the same electrode arrangement, and the first and second detection units The detection units 21 and 22 and the third and fourth detection units 23 and 24 have different electrode arrangements.
  • the drive unit 30 vibrates and drives the first vibrator 11 and the second vibrator 12 in opposite phases, and drives the third vibrator 13 and the fourth vibrator.
  • the vibrator 14 is vibrated in the opposite phase and driven.
  • the first vibrator 11 and the second vibrator 12 are the first unit 111
  • the third vibrator 13 and the fourth vibrator 14 are the second unit 112
  • the second units 112 are also driven to have opposite phases.
  • the movable portion 17 of the first vibrator 11 faces upward, and the movable portion 17 of the second vibrator 12 faces downward.
  • a downward force acts on the movable portion 17 of the third vibrator 13 and an upward force acts on the movable portion 17 of the fourth vibrator 14.
  • the movable electrode 27 changes in a direction away from the fixed electrode 28 in the first detection unit 21, so that the capacitance is reduced.
  • the movable electrode 27 is fixed electrode. Since it changes in the direction approaching 28, it changes so that the capacity increases.
  • the capacity decreases because the movable electrode 27 is separated from the fixed electrode 28.
  • the fourth detection unit 24 the capacity increases because the movable electrode 27 approaches the fixed electrode 28. .
  • the capacitance change of the first to fourth vibrators 11 to 14 are represented by C1 to C4, the capacitance decrease amount is represented by ( ⁇ C), and the capacitance increase amount is represented by (+ ⁇ C), the entire capacitance is represented.
  • the detection units 23 and 24 of the first and second detection units 23 and 24 are made to have the same electrode arrangement, and the pairs have different electrode arrangements. This is because the same change in the capacity of the same sign is generated between the fourth detection units 22 and 24.
  • the first to fourth detection units 21 to 24 of the detection unit 20 shown in FIG. 1 have the same arrangement relationship as the arrangement of the movable electrode 27 and the fixed electrode 28 described in FIG.
  • the contents described in FIG. 15 can be directly executed by the composite sensor according to FIG.
  • FIG. 16 is an enlarged view of the overall configuration of the composite sensor and a partial configuration of the detection unit according to the ninth embodiment of the present invention.
  • the first to fourth vibrators 11 to 14 of the composite sensor according to the ninth embodiment are shown in a simplified manner, and a partial configuration of the first to fourth detection units 20a is shown in an enlarged manner. ing.
  • the detection unit 21 a inside the first vibrator 11 has the fixed electrode 28 above the movable electrode 27 in the detection direction, and the detection unit inside the second vibrator 12. Also in 22 a, the fixed electrode 28 is arranged above the movable electrode 27. This is an arrangement configuration in which the vertical relationship is opposite to that of the eighth embodiment.
  • the third detection unit 23 a inside the third vibrator 13 has an arrangement relationship in which the movable electrode 27 is located above the fixed electrode 28 in the detection direction.
  • the fourth detection unit 24 a has an arrangement relationship in which the movable electrode 27 is located above the fixed electrode 28. This is also an arrangement configuration in which the vertical relationship is opposite to that of the eighth embodiment.
  • the first detection unit 21a and the second detection unit 22a are paired in an arrangement relationship opposite to that in the eighth embodiment, and the third detection unit 23a and the fourth detection unit 24a are also arranged in an arrangement opposite to that in the eighth embodiment. Paired with.
  • the driving unit 20 drives the first to fourth vibrators 11 to 14 with the same phase as in the first embodiment and detects the angular velocity.
  • the Coriolis force due to the angular velocity is the same as that of the first embodiment because the driving direction of the driving unit 20 is the same as that of the first embodiment, and the first movable portion 17 is upward in the detection direction as shown in FIG.
  • the second movable portion 17 faces downward
  • the third movable portion 17 faces downward
  • the fourth movable portion 17 faces upward. Therefore, corresponding to the direction of movement, the first detector 21a increases in capacity, the second detector 22a decreases in capacity, the third detector 23a increases in capacity, and the fourth detector 24a decreases in capacity. It becomes.
  • the capacity changes of the first to fourth detection units 21a to 22a are C1 to C4
  • the capacity increase amount is ⁇ C
  • the capacity decrease amount is ( ⁇ C)
  • the angular velocity, the acceleration, the angular acceleration, and the centrifugal force are compatible with the space saving and the high S / N while maintaining the positional relationship between the fixed electrode 28 and the movable electrode 27 different from the first embodiment. Can be requested.
  • FIG. 17 is an enlarged view of the overall configuration of the composite sensor and a partial configuration of the detection unit according to the tenth embodiment of the present invention. 17 is the same as the ninth embodiment in that the schematic configuration of the first to fourth vibrators 11 to 14 of the composite sensor according to the tenth embodiment is shown. Further, the driving direction by the driving unit 20 is set in the same manner as in the ninth embodiment.
  • the first detection unit 21b and the third detection unit 23b have the same arrangement configuration in which the movable electrode 27 has an arrangement configuration above the fixed electrode 28. Yes.
  • the fixed electrode 28 is above the variable electrode 27 and has the same electrode arrangement configuration.
  • the pair of the first and third detection units 21b and 23b and the pair of the second and fourth detection units 22b and 24b have different electrode arrangement configurations.
  • the first detection unit 21b and the third detection unit 23b may be used as one pair
  • the second detection unit 22b and the third detection unit 24b may be used as the other pair.
  • the first vibrator 11 and the third vibrator 13 have opposite directions in the drive direction and are driven in opposite phases. Therefore, since the Coriolis force generated by the angular velocity is also reversed, the first detection unit 21b and the third detection unit 23b are described in the eighth embodiment in that different capacitance changes can be detected with the same electrode arrangement configuration. It becomes the same as the state. Similarly, the second vibrator 12 and the fourth vibrator are also driven in opposite phases and the Coriolis force is in the opposite direction, so that different capacitance changes can be detected with the same electrode arrangement configuration. Then, in this case, the capacity of the first detection unit 21b and the second detection unit 23b is decreased, and the capacity of the third detection unit 23b and the fourth detection unit 24b is increased.
  • the capacitance changes of the first to fourth detection units 21b to 24b are represented by C1 to C4 and the capacitance increase / decrease amount is represented by ⁇ C and ( ⁇ C)
  • the angular velocity can be easily calculated.
  • the vibrators 11 to 14 that are driven in opposite phases can form pairs with the same electrode arrangement and can be configured to have different electrode arrangements between the pairs, the drive unit and the pair are not necessarily matched. May be.
  • the composite unit according to the tenth embodiment it is possible to achieve both space saving and high S / N while adopting a pair arrangement different from the drive unit.
  • FIG. 18 is an enlarged view of the overall configuration of the composite sensor according to Example 11 of the present invention and a partial configuration of the detection unit.
  • the entire configuration diagram including the drive phase and the direction of the Coriolis force is the same as in the ninth and tenth embodiments, and thus the description thereof is omitted.
  • the first detection unit 21c and the third detection unit 23c are identical in the electrode arrangement configuration in which the fixed electrode 18 is above the movable electrode 17 in the detection direction.
  • the second detection unit 22c and the fourth detection unit 24c are the same in the electrode arrangement configuration in which the movable electrode 17 is above the fixed electrode 18.
  • the first and third detection units 21c and 23c and the second and fourth detection units 22c and 24c have different electrode arrangement configurations.
  • the compound sensor according to Example 11 is paired with the first detection unit 21c and the third detection unit 23c, and paired with the second detection unit 22c and the fourth detection unit 24c.
  • the composite sensor which concerns on Example 10 it differs from the composite sensor which concerns on Example 10 by the point that the arrangement
  • the vertical relationship between the movable electrode 27 and the fixed electrode 28 can be variously changed according to the application.
  • the composite sensor according to the eleventh embodiment it is possible to realize both space saving and high S / N while setting a pair different from the drive unit.
  • angular velocity, acceleration, angular acceleration, and centrifugal force can be detected separately and independently, and highly accurate physical quantity detection is possible. It can be performed.
  • the embodiments according to the embodiments 1 to 11 can be combined with each other within a consistent range.
  • various arrangements shown in the embodiments 2 to 7 and detections shown in the embodiments 8 to 11 can be used.
  • the contents of the sections 20, 20a to 20c can be implemented in combination with each other.
  • the present invention can be applied to a sensor that measures a physical quantity, and in particular, can be applied to a composite sensor that is mounted on a moving body such as a vehicle and detects the angular velocity, acceleration, angular acceleration, or centrifugal force of the moving body.

Abstract

　互いに対称に配置され、駆動方向及び検出方向に変位可能な第１及び第２の振動子を含む第１ユニットと、　互いに対称に配置され、前記駆動方向及び前記検出方向と同一軸方向に変位可能な第３及び第４の振動子を含む第２ユニットと、　前記第１及び第２の振動子同士、前記第３及び第４の振動子同士が互いに逆位相に振動し、前記第１ユニット及び前記第２ユニット同士も互いに逆位相に振動するように前記第１、第２、第３及び第４の振動子を駆動する駆動部と、　前記第１、第２、第３及び第４の振動子の前記検出方向の変位を検出する検出部と、を有する。

Description

複合センサ
　本発明は、複合センサに関し、特に、駆動方向及び検出方向に変位可能な振動子を有する複合センサに関する。
　従来から、４個の振動子が基板の水平面内の所定点について点対称に配置され、各振動子には検出電極を設けた角速度センサが知られている（特許文献１参照）。かかる角速度センサにおいては、隣接する総ての振動子同士を、所定点を中心とした円周方向の逆相で駆動振動させ、基板と垂直な軸周りに角速度が発生したとき、各振動子の検出錘が駆動振動と直交する方向に変位する。この変位による検出錘と振動子との間の容量変化を演算処理して、各検出錘に対して基板の水平面内に作用する外部加速度をキャンセルし、コリオリ力による信号を取り出すようにしている。
特開２０００－１８０１７４号公報
　しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、遠心力が検出軸方向に加わってしまうため、正確な角速度を検出するためには、遠心力をキャンセルする必要があるが、この点については何らの対策も施されておらず、正確な角速度の検出が困難であるという問題があった。
　また、角速度センサは、車両等の移動体に搭載されて用いられる場合が多いが、車両の運動とは異なる振動等を検出成分から除去するために、ダンパ等の弾性部材上に設置される場合が多い。かかる場合に、ダンパが変形すると、角速度センサ自体が振動・回転してしまい、余分な角加速度を検出してしまい、やはり正確な角速度の検出が困難であるという問題があった。
　そこで、本発明は、検出目的以外の慣性力を排除し、検出目的の成分を高精度で検出することができる複合センサを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、複合センサであって、
　互いに対称に配置され、駆動方向及び検出方向に変位可能な第１及び第２の振動子を含む第１ユニットと、
　互いに対称に配置され、前記駆動方向及び前記検出方向と同一軸方向に変位可能な第３及び第４の振動子を含む第２ユニットと、
　前記第１及び第２の振動子同士、前記第３及び第４の振動子同士が互いに逆位相に振動し、前記第１ユニット及び前記第２ユニット同士も互いに逆位相に振動するように前記第１、第２、第３及び第４の振動子を駆動する駆動部と、
　前記第１、第２、第３及び第４の振動子の前記検出方向の変位を検出する検出部と、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、検出目的とする成分を、他の成分から分離して高精度に検出することができる。
本発明の実施例１に係る複合センサの全体構成の一例を示した図である。 実施例１に係る複合センサを、図１よりも簡略化して示した図である。 実施例１に係る複合センサの駆動方法及び検出方法を説明する図である。 図３Ａの合力Ｆ１～Ｆ４から、角速度、加速度、角加速度による発生力及び遠心力の算出方法を示した表である。 比較参考例として従来の複合センサの構成の一例を示した図である。 実施例１に係る複合センサを、図４Ａと同様な形式で示した図である。 実施例１に係る複合センサにおいて、上下バラツキによる斜め振動が発生した場合の動作説明図である。 実施例１に係る複合センサにおいて、左右バラツキによる斜め振動が発生した場合の動作説明図である。 本発明の実施例２に係る複合センサの構成の一例を示した図である。 本発明の実施例３に係る複合センサの構成の一例を示した図である。 本発明の実施例４に係る複合センサの構成の一例を示した図である。 本発明の実施例５に係る複合センサの構成の一例を示した斜視図である。 実施例５に係る複合センサの断面構成の一例を示した図である。 本発明の実施例６に係る複合センサの構成の一例を示した図である。 本発明の実施例７に係る複合センサの全体構成の一例を示した図である。 比較参考例として従来の２つの振動子を備えた角速度・加速度センサの全体構成を示した図である。 図１３Ａの角速度・加速度センサから振動子の数を増やした複合センサの全体構成を示した図である。 図１３Ａの従来の角速度・加速度センサの検出部の構成の一部を拡大して示した図である。 図１４Ａの平衡状態から可動部が変位した状態を示した図である。 検出部の電極の数を減少させた場合の現象を説明する図である。 本発明の実施例８に係る複合センサの検出部の一部の拡大構成図である。 本発明の実施例９に係る複合センサの検出部の一部の拡大構成図である。 本発明の実施例１０に係る複合センサの検出部の一部の拡大構成図である。 本発明の実施例１１に係る複合センサの検出部の一部の拡大構成図である。
１０、１１～１４、１１ａ、１２ａ、１２ｂ、１４ｂ、１１ｃ～１４ｃ、１１ｄ～１４ｄ、１１ｅ～１４ｅ、１５、１６　　振動子
２０、２１～２４、２１ａ～２４ａ、２１ｂ～２４ｂ、２１ｃ～２４ｃ　　検出部
３０、３１～３４、３１ａ～３４ａ　　駆動部
４０、４１～４４　　駆動ばね
５０、５１～５４　　駆動監視部
６０、６１～６４　　検出ばね
７０、７１～７４　　端子
８０　　配線
９０　　演算処理部
１００　　フレーム
１１１、１１１ａ～１１１ｄ、１１２、１１２ａ～１１２ｄ　　ユニット
１２０　　支持基板
　以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
　図１は、本発明の実施例１に係る複合センサの全体構成の一例を示した平面図である。図１において、実施例１に係る複合センサは、振動子１０と、検出部２０と、駆動部３０と、駆動ばね４０と、駆動監視部５０と、検出ばね６０と、端子７０と、配線８０と、演算処理部９０と、フレーム１００とを備える。
　振動子１０は、対称に４つの振動子１１～１４を備えており、具体的には、図１の左上側の位置に第１の振動子１１、右上側の位置に第２の振動子１２、左下側の位置に第３の振動子１３、及び右下の位置に第４の振動子１４が設けられている。ここで、検出部２０、駆動部３０、駆動ばね４０、駆動監視部５０、検出ばね６０、端子７０は、第１、第２、第３及び第４の振動子１１～１４に各々対応して設けられている。つまり、検出部２０は、第１～第４の振動子１１～１４に各々対応して、第１～第４の検出部２１、２２、２３、２４を含んでいる。同様に、駆動部３０は第１～第４の駆動部３１～３４、駆動ばね４０は第１～第４の駆動ばね４１～４４、駆動監視部５０は第１～第４の駆動監視部５１～５４、検出ばね６０は第１～第４の検出ばね６１～６４、端子７０は第１の検出端子７１～７４を含んでいる。また、端子７０は、総ての端子ではなく、検出部２１～２４に接続された検出端子７１～７４のみに参照符号が付されている。
　なお、以後の説明において、第１、第２、第３及び第４の振動子１１、１２、１１４を個別に特定する場合には、各々に付した参照番号１１～１４を用いるが、特に位置を特定せず、振動子の総称、又は振動子の単体を不特定に指す場合には、振動子１０と表示してもよいこととする。他の検出部２０、駆動部３０、駆動ばね４０、駆動監視部５０、検出ばね６０にも同様な表示の仕方を適用するものとする。また、振動子１０、検出部２０、駆動部３０及び監視部５０の部品に該当するより詳細な構成要素については、紙面の都合上、図１中左上側の第１の振動子１１、第１の検出部２１、第１の駆動部３１及び第１の監視部５１にのみ参照符号を付している。第２～第４の各対応構成要素には参照符号を付さないが、第２～第４の各対応構成要素も、同様の部品的な構成要素を備えているものとする。
　振動子１０は、内部に検出部２０を含んでおり、検出ばね６０によって連結支持されている。検出ばね６０は、駆動梁３９に連結支持されている。駆動梁３９は、駆動部３０の可動部３５と連結して一体的に構成されるとともに、駆動監視部５０の可動部５１とも連結して全体で一体的に構成されている。また、駆動部３０と駆動監視部５０との間には、駆動ばね４０が設けられている。一方、振動子１０内の検出部２０は、端子７０に接続されており、端子７０は、配線８０を介して演算処理部９０に接続されている。そして、複合センサの全体は、フレーム１００により囲まれた構成となっている。なお、本実施例に係る複合センサは、種々の材料から構成されてよいが、例えば、半導体基板を用いて、ＭＥＭＳ（Micro Electronic Mechanical Systems）の微小構造体として構成されてもよい。
　次に、個々の構成要素について説明する。
　振動子１０は、角速度、加速度、角加速度、遠心力といった物理量の検出を行うための質量体である。第１～第４の振動子は、図１においては、横方向に駆動され、縦方向の変位を検出する。このように、駆動方向と変位方向は異なる方向であり、例えば図１に示すように、互いに直交する方向に設定される。振動子１０は、駆動方向と検出方向の双方に変位が可能に構成されており、駆動方向に駆動されるとともに、検出方向に変位して所定の物理量を検出する。実施例１に係る複合センサは、例えば、車両等の移動体に搭載され、移動体の角速度、加速度、角加速度、遠心力を検出するが、所定の検出方向が定められ、検出方向における物理量の成分を検出することになる。
　振動子１０は、内部に検出部２０を含み、検出部２０を含んだ全体で質量体として機能する。振動子１０は、可動部１７と、固定部１８とを有する。可動部１７は、変位が可能な部分である。一方、固定部１８は、フレーム１００に固定された部分である。よって、振動子１０は、外枠は可動部１７に囲まれ、全体として変位が可能な構成となっている。
　振動子１０は、第１～第４の振動子１１～１４を有し、各々が対称に配置されている。その具体的な動作については後述するが、４つの振動子１１～１４を備え、これらの駆動方向の位相を適切に設定することにより、角速度を検出する際、複合センサ自身の振動により発生する角加速度等を分離することができ、角速度、加速度、角加速度及び遠心力の各成分について、各々を独立して検出することができる。
　検出部２０は、振動子１０の検出方向における変位を検出する検出手段である。ここで、検出方向は、図１においては、縦方向である。検出部２０は、第１～第４の振動子１１～１４の各々に対応して、第１～第４の検出部２１～２４の４つが各振動子１１～１４内に設けられる。各々の検出部２１～２４は、検出電極２５を備える。検出電極２５は、振動子１１～１４の可動部１７に連結された可動電極２７と、固定部１８に連結された固定電極２８とを有する。可動電極２７及び固定電極２８の双方とも複数存在し、各々が対向して重なり合うように配置される。可動電極２７が、対向する固定電極２８と離れる向きに移動すれば、検出電極２５の静電容量は減少し、可動電極２７が、対向する固定電極２８と近付く向きに移動すれば、検出電極３５の静電容量は増加する。そして、この静電容量の変化を検出することより、第１～第４の振動子１１～１４の変位を検出することができる。更に、検出された第１～第４の振動子１１～１４の変位に基づいて、第1～第４の振動子１１～１４に加わった検出方向の力を求めることができる。
　各検出部２１～２４内において、検出電極２５は、４つのブロックが備えられている。検出電極２５の電極数が多い程、Ｓ／Ｎ（Signal／Noise）は向上するが、スペースが大きくなってしまう。よって、検出電極２５の数は、Ｓ／Ｎとスペースとの関係で、適切な数に設定されてよい。
　各検出部２１～２４内において、可動電極２７と固定電極２８との検出方向における配置関係は、一定とされている。つまり、第１の検出部２１においては、総て可動電極２７が固定電極２８より上側（奥側）の配置となっている。これにより、第１の振動子１１が検出方向の一方に変位した場合には、総ての可動電極２７と固定電極２８の対において、静電容量が増加するか減少するかの一方の変化をする。この点の詳細は、拡大図を用いて後述するが、かかる配置関係より、省スペースで高Ｓ／Ｎを得ることができる構成となっている。なお、第２の検出部２２については、第１の検出部２１と同様に可動電極２７が固定電極２８より総て上側（奥側）であり、逆に、第３の検出部２３及び第４の検出部２４においては、総て固定電極２８が可動電極２７よりも上側（奥側）の配置となっている。
　このような電極の配置と、駆動方向を適切に組み合わせることにより、角速度を高精度で求めることが可能となるが、この点の詳細については、後述する。
　駆動部３０は、振動子１０を駆動方向に振動させるための駆動手段である。駆動部３０は、第１～第４の振動子１１～１４に対応して、４つの第１～第４の駆動部３０を備えてよいが、第１～第４の振動子１１～１４を適切な位相で駆動させることができれば、必ずしも４つに分かれて設けられていなくてもよく、一体的に構成されていてもよい。但し、本実施例においては、駆動部３０は、第１～第４の振動子１１～１４の各々に対応して、第１～第４の駆動部３１～３４として設けられている例について説明する。
　各々の第１～第４の駆動部３１～３４は、可動部３５と、固定部３６とを備える。また、可動部３５には、可動電極３７が設けられ、固定部３６には、固定電極３８が設けられる。可動部３５の両側にある可動電極３７と、可動部３５を両側から挟む固定部３６の固定電極３８は、互いに対向して縦方向に挟み合う構成となっており、左右の固定電極３８に逆位相の交流を印加することにより、左右方向への吸引力が交互に発生し、可動部３５を横方向に振動させる構成となっている。可動部３５は、上述の駆動梁３９と連結しているので、駆動梁３９に伝達された振動は検出ばね６０を経て第１～第４の振動子１１～１４に伝達され、各々が振動駆動する構成となっている。
　駆動ばね４０は、駆動部３０による振動子１０の駆動を助けるためのばねである。紙面に垂直な方向に板状に延び、板ばねを構成している。なお、駆動ばね４０も、第１～第４の振動子１１～１４及び第１～第４の駆動部３１～３４に対応し、第１～第４の駆動ばね４１～４４を有してよい。
　駆動監視部５０は、駆動方向における変位を監視するための手段である。本実施例に係る複合センサにおいては、駆動時の位相が物理量の検出に影響を及ぼすため、駆動方向の変位を監視しながら検出動作を行う。
　駆動監視部５０は、第１～第４の振動子１１～１４及び第１～第４の駆動部３１～３４に対応して、第１～第４の駆動監視部５１～５４を備えてよい。第１～第４の駆動監視部５１～５４の各々は、可動部５５と、固定部５６と、可動部５５に連結された可動電極５７と、固定部５６に連結された固定電極５８を備え、容量変化から、駆動変位の向きと量を検出して監視する。
　検出ばね６０は、振動子１０に検出方向の変位を可能とさせるためのばねである。検出ばね６０は、紙面と垂直な方向に板のように延びた板ばねであるため、弾性を有し、振動子１０の検出方向（縦方向）への移動が可能な状態で振動子１０を弾性支持する。また、検出ばね６０は、駆動部３０で発生した振動を、駆動梁３９から振動子１０に伝達する役割も果たす。
　検出ばね６０も、第1～第４の振動子１１～１４に対応して、第１～第４の検出ばね６０を備える。
　端子７０は、外部との電気的接続を行うための電極である。外部から複合センサに電力が供給されるとともに、検出した結果を外部に出力する必要があるので、外部との接続を行うために端子７０は設けられる。
　なお、第１～第４の検出部２１～２４には、第１～第４の検出端子７１～７４が接続され、各検出部２１～２４で検出した電気信号を外部に出力できるように構成されている。
　演算処理部９０は、第１～第４の検出部２１～２４で検出した検出結果から、角速度、加速度、角加速度及び遠心力の各物理量を算出するための演算処理手段である。演算処理手段９０には、所定の演算処理が可能であれば、電子回路が用いられてもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）を備え、プログラムにより動作するマイクロコンピュータが用いられてもよい。
　演算処理部９０は、第１～第４の検出端子７１～７４と、配線８０で接続され、第１～第４の検出部２１～２４の検出結果が入力されるように構成されている。
　なお、図１において、演算処理部９０は、フレーム１００の外部、つまり複合センサの外部に設けられているが、例えば、複合センサの基板上に設けるようにしてもよい。また、例えば、複合センサの外部にＥＣＵ（Electro Control Unit、電子制御ユニット）が設けられて、外部のＥＣＵ内に設けた演算処理部９０で演算処理を行うような構成としてもよい。更に、フレーム１００内にスペースがあれば、フレーム１００の内部に演算処理部９０を設けるようにしてもよい。このように、演算処理部９０は、用途に応じて種々の場所に設けることができる。
　フレーム１００は、複合センサの支持台となる外枠である。例えば、半導体基板の厚く構成された部分等が用いられてよい。
　次に、図２～図４Ｂを用いて、実施例１に係る複合センサの動作について説明する。図２は、実施例１に係る複合センサを、図１よりも簡略化して示した図である。以後、紙面の都合と理解の容易のため、このような簡略化した図面を用いて説明する。また、図２に係る複合センサは、第１～第４の振動子１１ｅ～１４ｅが、図１に係る複合センサの第１～第４の振動子１１～１４よりも大きな形状となっている。これは、図２に係る複合センサの第１～第４の振動子１１ｅ～１４ｅの内部の検出電極の数が、図１に係る複合センサの第１～第４の振動子１１～１４の内部の検出電極２５よりも多いためである。図２に係る複合センサは、図１に係る複合センサの電極配置と異なり、１つの検出部の内部に、可動電極１７の変位により、容量が増加する電極と容量が減少する検出電極２５の双方を含んでいるが、そのような電極配置の構成であっても、４つの第１～第４の振動子１１ｅ～１４ｅを備えていれば、実施例１に係る複合センサとして構成することができる。つまり、実施例１に係る複合センサは、第１～第４の振動子１１～１４、１１ｅ～１４ｅの内部の検出部２０の構成とは無関係に構成することができる。よって、実施例１においては、代表的に第１～第４の振動子１１～１４を用いて説明するが、種々の検出部２０を含む振動子１０を有する複合センサに適用可能であるものとして説明する。なお、その他の各構成要素についても、図１において説明したので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
　図３Ａは、実施例１に係る複合センサの駆動方法及び検出方法を説明するための図である。図３Ａにおいて、第１～第４の振動子１１～１４が抽出されて、簡略化されて示されている。第１～第４の振動子１１～１４は、４個が対称に配置されている。ここで、第１の振動子１１と第２の振動子１２との組み合わせを第１ユニット１１１とし、第３の振動子１３と第４の振動子１４との組み合わせを第２ユニット１１２とする。また、駆動方向は横方向とし、右向きを正の向き、左向きを負の向きとする。同様に、検出方向は縦方向とし、上向き(奥側向き)を正の向き、下向き（手前向き）を負の向きとする。以後の実施例においても、特に断りが無い限り、同様の座標系で説明を行う。
　また、第１～第４の振動子１１～１４の駆動方向において、第１の振動子１１の振動による駆動の向きをＶ１、第２の振動子１２の振動駆動の向きをＶ２、第３の振動子１３の振動駆動の向きをＶ３、第４の振動子１４の振動駆動の向きをＶ４とする。同様に、第1～第４の振動子１１～１４の検出方向において、第１の振動子１１に作用する発生力をＦ１、第２の振動子１２に作用する発生力をＦ２、第３の振動子１３に作用する発生力をＦ３、第４の振動子１４に作用する発生力をＦ４で表すものとする。
　図３Ａにおいて、第１ユニット１１１内に含まれる第１の振動子１１と第２の振動子１２は、互いに逆位相に振動駆動される。具体的には、第１の振動子１１が左向きに移動している時には、第２の振動子１２は右向きに移動し、互いに離れる向きに移動している。同様に、第２ユニット１１２内に含まれる第３の振動子１３と第４の振動子１４も、互いに逆位相に振動駆動される。具体的には、第３の振動子１３が右向きに移動している時には、第４の振動子１４は左向きに移動し、互いに接近する向きに移動している。そして、第１ユニット１１１と第２ユニット１１２同士の位相も、第１ユニット１１１内の第１の振動子１１と第２の振動子１２同士が離間する方向に移動しているときに、第２ユニット１１２内の第３の振動子１３と第４の振動子１４同士は接近しているので、互いに逆位相である。この結果、第１の振動子１１と第４の振動子１４は同位相となり、第２の振動子１２と第３の振動子１３同士は同位相となる。
　このように、実施例１に係る複合センサにおいては、第１ユニット１１１内の振動子１１、１２同士が逆位相で振動駆動され、第２ユニット１１２内の振動子１３、１４同士が逆位相で振動駆動されるとともに、第1ユニット１１１と第２ユニット１１２同士も逆位相で振動駆動される。
　かかる振動子１１～１４の駆動が行われている場合に、第１の振動子１１にＦ１、第２の振動子１２にＦ２、第３の振動子１３にＦ３及び第４の振動子１４にＦ４の力が発生したとする。このとき、角速度によるコリオリ力をＦｒ、加速度による慣性力をＦａ、角加速度による慣性力をＦｒａ、遠心力をＦｃとすると、各力の成分は、第１～第４の振動子１１～１４の各々に対して、図３Ａに示す向きに働く。つまり、図３Ａにおいて、第１～第４の振動子に作用する角速度によるコリオリ力ＦｒはＦｒ１～Ｆｒ４、加速度による慣性力ＦａはＦａ１～Ｆａ４、角加速度による慣性力ＦｒａはＦｒａ１～Ｆｒａ４、遠心力ＦｃはＦｃ１～Ｆｃ４で示されている。
　ここで、角速度ωによるコリオリ力Ｆｒは、運動する物体の質量をｍ、運動速度をＶとすると、ωとＶの外積で与えられ、Ｆｒ＝２ｍω×Ｖとなるので、Ｖベクトルからωの向きに右ねじを回したときのねじの進む向きに一致する。よって、図３Ａに示すように、第１～第４の振動子１１～１４に作用するコリオリ力Ｆｒ１～Ｆｒ４は、第１～第４の振動子１１～１４が駆動されて運動している向きＶ１～Ｖ４と、各振動子１１～１４に作用する力Ｆ１～Ｆ４の外積で定まる向きとなる。具体的には、コリオリ力Ｆｒ１が検出方向の正の向き、コリオリ力Ｆｒ２が検出方向の負の向き、コリオリ力Ｆｒ３が検出方向の負の向き、コリオリ力Ｆｒ４が検出方向の正の向きとなっている。
　また、加速度による発生力Ｆａは、総ての振動子１１～１４に同じ向きの力が加わるので、第１～第４の振動子１１～１４に作用する加速度による発生力Ｆａ１～Ｆａ４は、総て同じ向きで検出方向の正の向きとなっている。
　また、角加速度による発生力Ｆｒａは、振動子１１～１４の運動方向には関係なく加わる回転力であるので、総て各振動子１１～１４に作用する合力Ｆ１～Ｆ４と同じ向きの力Ｆｒａ１～Ｆｒａ４となっている。具体的には、慣性力Ｆｒａ１は検出方向の正の向き、慣性力Ｆｒａ２は検出方向の負の向き、慣性力Ｆｒａ３は検出方向の正の向き、慣性力Ｆｒａ４は検出方向の負の向きとなっている。
　同様に、遠心力も、各振動子１１～１４の駆動の向きとは関係なく、中心から常に外側に作用する力であるので、図３Ａに示すＦｃ１～Ｆｃ４のように、第１～第４の振動子１１～１４の中心Ｃから外側に向かう力の向きとなっている。具体的には、中心Ｃから外側に向かう力は、左上側の第１の振動子１１には中心Ｃから左上向き、右上側の第２の振動子１２には中心Ｃから右上向き、左下側の第３の振動子１３には中心Ｃから左下向き、右下側の第４の振動子１４には中心Ｃから右下向きに作用する。よって、検出方向の成分は、遠心力Ｆｃ１が正、遠心力Ｆｃ２が正、遠心力Ｆｃ３が負、遠心力Ｆｃ４が負となる。
　図３Ｂは、図３Ａに示した各振動子１１～１４に作用する合力Ｆ１～Ｆ４から、角速度による発生力Ｆｒ、加速度による発生力Ｆａ、角加速度による発生力Ｆｒａ及び遠心力による発生力Ｆｃの合力の算出方法を示した表である。
　図３Ｂに示すように、角速度による発生力Ｆｒは、図３Ａに示したＦｒ１～Ｆｒ４の向きで力Ｆ１～Ｆ４を加算すればよく、（１）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　同様に、加速度による発生力Ｆａは、図３Ａに示したＦａ１～Ｆａ４の向きで力Ｆ１～Ｆ４を加算し、（２）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　同様に、角加速度による発生力Ｆｒａは、（３）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　また、遠心力による発生力Ｆｃは、（４）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　このように、実施例１に係る複合センサによれば、第１～第４の振動子１１～１４に作用した力Ｆ１～Ｆ４から、検出対象となる力から不要な力の成分を相殺除去することができる。そして、角速度による発生力Ｆｒ、加速度による発生力Ｆａ、角加速度による発生力Ｆｒａ及び遠心力による発生力Ｆｃを総て分離して検出することができ、各物理量について、高精度な検出が可能となる。なお、検出部２０で検出されるのは、力に換算可能な変位であるので、変位に基づいて、このような不要な慣性力を相殺除去する演算処理を行うことになる。
　図４Ａは、比較参考例として、従来の角速度・加速度センサの構成の一例を示した図である。従来の角速度・加速度センサは、駆動部２３１～２３４、駆動ばね２４１～２４４、駆動監視部２５１～２５４及び検出ばね２６１～２６４については、各々４つずつ備えているが、振動子については、第１の振動子２１１と第２の振動子２１２の２つしか備えていない。この構成において、第１の振動子２１１と第２の振動子２１２が逆位相の駆動方向Ｖ１、Ｖ２で振動駆動された状態で、物理量を検出する。図４Ａに示すように、第１の振動子２１１から力Ｆ１が検出され、第２の振動子２１２から力Ｆ２が検出されたとすると、第１の振動子２１１に作用する角速度によるコリオリ力Ｆｒ１と角加速度による慣性力Ｆｒａ１は、ともに検出方向の正の向きとなる。また、第２の振動子２１２に作用する角速度によるコリオリ力Ｆｒ２と角加速度による慣性力Ｆｒａ２は、ともに検出方向の負の向きとなる。よって、角速度Ｆｒａの合力は、Ｆｒ＝Ｆ１＋Ｆ２となるが、これには角加速度の成分も含まれており、結局、角速度によるコリオリ力Ｆｒａは、角加速度による慣性力の成分も含まれたＦｒ＋Ｆｒａ＝Ｆ１＋Ｆ２しか算出できない。よって、検出対象となる車両の運動とは別に、複合センサ自体が回転して角加速度が加わった場合には、角加速度を分離して正確な角速度を検出することができない。つまり、従来の角速度・加速度センサは、本実施例に係る複合センサのように、角加速度を角加速度と分離独立して検出することができない。また、従来の角速度・加速度センサにおいては、遠心力についても検出することができない。
　なお、従来の角速度・加速度センサにおいても、加速度による慣性力Ｆａについては、Ｆａ＝Ｆ１－Ｆ２となり、他の成分は含まずに求めることができる。
　図４Ｂは、実施例１に係る複合センサを、図４Ａと同様な形式で示した図である。各構成要素については、図１と同様であるので、図１と同様の構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。また、駆動力が、第１の振動子１１を駆動する駆動力の向きＶ１と第２の振動子１２を駆動する駆動力の向きＶ２とが逆位相であり、第３の振動子１３を駆動する駆動力の向きＶ３と第４の振動子１４を駆動する駆動力の向きＶ４が逆位相である点と、第１及び第２の振動子１１、１２と第３及び第４の振動子１３、１４同士が逆位相に駆動されている点は、図３Ａと同様である。また、各振動子１１～１４には、力F１～Ｆ４が作用しているものとする。
　図４Ｂにおいて、角速度によるコリオリ力Ｆｒの各振動子１１～１４における成分Ｆｒ１～Ｆｒ４と、角加速度による慣性力Ｆｒａの各振動子１１～１４における成分Ｆｒａ１～Ｆｒａ４とは、第２の振動子１２及び第３の振動子１３において、互いの向きが異なっている。また、他の総ての組み合わせを見ても、第１の振動子１１～第４の振動子１４で総て同じ向きとなっている力の成分は存在しない。よって、角速度によるコリオリ力Ｆａと、加速度による慣性力Ｆａと、角加速度による慣性力Ｆｒａと、遠心力Ｆｃとは、総て独立に求めることができることが分かる。実際に、各力は、図３Ａ、図３Ｂにおいて説明した通り、（１）～（４）式の通りとなり、重複する式は存在しないので、総ての成分について、他の成分から分離して別個独立に検出することができる。
　なお、第１～第４の振動子１１～１４に作用する力又は力に比例する変位は、検出部２０で検出を行えばよく、図３Ａ～図４Ｂで説明した演算処理は、演算処理部９０で行うようにしてよい。
　また、検出部２０で行う変位の検出は、図１においては、第１～第４の検出部２１～２４において、櫛状の櫛歯電極による可変容量の検出の例を挙げて説明したが、その他、圧電材料を用いた方法や、光学的な変位検出方法等の他の方法を用いるようにしてもよい。
　このように、実施例１に係る複合センサによれば、角速度、加速度、角加速度及び遠心力の４つの物理量について、各々の成分を分離させ、独立して検出を行うことができ、検出精度を非常に高くすることができる。
　次に、図５及び図６を用いて、実施例１に係る複合センサの他の機能について説明する。具体的には、実施例１に係る複合センサは、製造ばらつきに対するロバスト性を向上させることができる。
　図５は、実施例１に係る複合センサの第１～第４の振動子１１～１４において、上下バラツキによる斜め振動が発生した場合の動作を説明するための図である。図５に示すように、製造バラツキにより、第１の振動子１１ａと、第２の振動子１２ａが、横方向ではなく、上下の検出方向の成分をやや含んで、斜めに振動する場合について考察する。図５において、第１の振動子１１ａを駆動する斜めの振動駆動力をＶ１ａとし、これにより第１の検出部２１の検出方向に負の微小変位（－δＹ）が発生していることとする。また、第２の振動子１２ａを駆動する斜めの振動駆動力をＶ２ａとし、これにより、第２の検出部２２の検出方向に正の微小変位δＹが発生していることとする。更に、コリオリ力による変位をＹとする。
　この場合において、コリオリ力による変位Ｙと、斜め振動による微小変位δＹは、逆向きに作用するため、打ち消し合い、第１の振動子１１ａと第２の振動子１２ａの変位は小さくなる。具体的には、第１の振動子１１ａの変位をＹ１、第２の振動子１２ａの変位をＹ２、第３の振動子１３の変位をＹ３、第４の振動子１４の変位をＹ４とすると、Ｙ１～Ｙ４は、以下のようになる。
　Ｙ１＝Ｙ－δＹ
　Ｙ２＝（－Ｙ＋δＹ）
　Ｙ３＝（－Ｙ）
　Ｙ４＝Ｙ
　次に、ＦをＹに置き換えて（１）式の角速度成分を取り出す演算を実行すると、
（Ｙ１＋Ｙ４）－（Ｙ２＋Ｙ３）＝（２Ｙ－δＹ）－（－２Ｙ＋δＹ）＝４Ｙ
となる。つまり、上下方向（検出方向）の製造バラツキによる変位（δＹ）は打ち消し合い、角速度成分のみを取り出すことができる。
　なお、下側の第３の振動子１３及び第４の振動子１４のみにバラツキが生じた場合、上下の第１の振動子１１及び第２の振動子１２と、第３の振動子１３及び第４の振動子１４との双方で上下バラツキが生じた場合にも、同様の考え方で微小変位δＹを打ち消し合うことができる。
　図６は、実施例１に係る複合センサの第１～第４の振動子１１～１４において、左右バラツキによる斜め振動が発生した場合の動作を説明するための図である。図６に示すように、製造バラツキにより、第２の振動子１２ｂと、第４の振動子１４ｂとが、横方向ではなく、上下の検出方向の成分を少し含み、斜めに振動する場合について考える。図６において、第２の振動子１２ｂの斜め振動駆動Ｖ２ｂにより、検出方向の正の向きに微小変位δＹが発生し、第４の振動子１４ｂの斜め振動駆動Ｖ４ｂにより、検出方向の負の向きに微小変位（－δＹ）が発生した状態が示されている。
　この場合において、コリオリ力による変位をＹとし、第１、第２、第３及び第４の振動子１１、１２ｂ、１３、１４ｂの変位をそれぞれＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４とすると、各振動子１１、１２ｂ、１３、１４ｂの変位は以下のようになる。
　Ｙ１＝Ｙ
　Ｙ２＝（－Ｙ＋δＹ）
　Ｙ３＝（－Ｙ）
　Ｙ４＝Ｙ－δＹ
　これらを、角速度成分を取り出す（１）式にＦをＹに置き換えて代入すると、
　（Ｙ１＋Ｙ４）－（Ｙ２＋Ｙ３）＝２Ｙ－δＹ－（－２Ｙ＋δＹ）＝４Ｙ
となる。つまり、左右方向（駆動方向）の製造バラツキによる変位（δＹ）は打ち消し合い、角速度成分のみを取り出すことが可能である。
　なお、左側のみバラツキが生じた場合、左右の両方で同様なバラツキが生じた場合にも、同様の考え方で微小変位（δＹ）は打ち消し合う。
　このように、実施例１に係る複合センサによれば、製造起因のチップ内での上下バラツキや左右バラツキが発生した場合であっても、角速度の検出に対する影響を無くすことができる。これにより、製造バラツキに対するロバスト性を向上させることができる。
　図７は、本発明の実施例２に係る複合センサの構成の一例を示した図である。図７において、第１の振動子１１と、第２の振動子１２と、第３の振動子１３と、第４の振動子１４のみが抽出して示してある。なお、実施例１に係る複合センサと同様の構成要素については、同一の参照符号を付している。また、実施例２においても、図２において説明したように、第１～第４の振動子１１～１４内部の検出部２０の配置構成は問わず、例えば、図２の第１～第４の振動子１１ｅ～１４ｅのような構成でもよいものとする。更に、この考え方は、実施例３～７についても同様に適用できるものとする。
　実施例２に係る複合センサにおいて、第１の振動子１１と第２の振動子１２とが対称に対向配置されて第１ユニット１１１ａを構成し、第３の振動子１３と第４の振動子１４が対称に対向配置されて第２ユニット１１２ａを構成している点は、実施例１に係る複合センサと同様である。しかしながら、実施例２に係る複合センサは、第１ユニット１１１ａと第２ユニット１１２ａ同士が、互いに近接して配置されていない点で、実施例１に係る複合センサと異なっている。
　このように、各ユニット１１１ａ、１１２ａ同士は、互いに近接に配置されていなくても、また、上下左右に列をなして配置されていなくてもよい。このような構成であっても、第１ユニット１１１ａ内の第１の振動子１１と第２の振動子１２同士、及び第２ユニット１１２ａ内の第３の振動子１３と第４の振動子１４同士が対称に配置され、かつ、互いに逆位相に振動して駆動され、更に第１ユニット１１１ａと第２ユニット１１２ａ同士も逆位相に駆動されている限り、第１～第４の振動子１１～１４で検出された変位から、４つの異なる成分を分離して算出することができる。つまり、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を高精度に検出することができる。
　なお、検出部２０、駆動部３０等の構成要素については、第１～第４の振動子１１～１４の配置に対応させて移動させた配置として構成すれば、実施例１と同様に複合センサを動作させることができる。
　実施例２に係る複合センサによれば、第１ユニット１１１ａ及び第２ユニット１１２ａを、用途に合わせて種々の配置としながらも、高精度に角速度、加速度、角加速度及び遠心力を検出することができ、種々の用途に対して柔軟に複合センサを用いることができる。
　図８は、本発明の実施例３に係る複合センサの構成の一例を示した図である。実施例３に係る複合センサは、第１～第４の振動子１１～１４を、点対称の十字方向に配置した構成を有している。なお、第１～第４の振動子１１～１４自体は、実施例１に係る第１～第４の振動子１１～１４と同様の構成でよいので、実施例１と対応する構成要素には、実施例１と同一の参照符号を付している。また、第１～第４の振動子１１～１４の構成要素については、図８においては省略されている。
　図８において、実施例３に係る複合センサは、第１の振動子１１と第２の振動子１２は、少し離れた位置で、横方向に対称（線対称でもあり、点対称でもある）に対向配置されている。また、第３の振動子１３と第４の振動子は、やはり少し離れた位置で、縦方向に対称に対向配置されている。そして、全体としては、中心Ｃについて、互いに点対称な十字の配置となっている。
　第１及び第２の振動子１１、１２同士は、駆動方向において、互いに逆位相に振動駆動されている。また、第３及び第の４振動子１３、１４同士は、駆動方向に関して同一線上に配置はされていないが、駆動方向自体は同一軸方向であり、横方向で共通している。そして、第３及び第４の振動子１３、１４同士も、互いに逆位相に振動駆動されている。更に、第１及び第２の振動子１１、１２を含む第１ユニット１１１ｂと、第３及び第４の振動子１３、１４を含む第２ユニット１１２ｂ同士も、逆位相で振動駆動されている。
　よって、このような、全体として点対称で十字の配置においても、実施例１において説明した（１）～（４）式を用いて、角速度、加速度、角加速度及び遠心力の各物理量について、分離独立して検出することができる。
　なお、検出部２０については、実施例１と同様に、第１～第４の検出部２１～２４を第１～第４の振動子１１～１４の内部に配置することができ、駆動部３０についても、第１～第４の振動子１１～１４を駆動するのに適切な位置に設けることができる。
　このように、実施例３に係る複合センサによれば、第１～第４の振動子１１～１４を全体として点対称の十字に配置するとともに、第１ユニット１１１ｂと第２ユニット１１２ｂを直交させる配置とすることにより、全体を正方形又はダイヤ型に近い形状に構成することができ、そのような形状の要請に応えることができる。
　図９は、本発明の実施例４に係る複合センサの構成の一例を示した図である。実施例４に係る複合センサは、全体としては、実施例３に係る複合センサに類似し、第１～第４の振動子１１～１４が、中心Ｃについて点対称に配置された平面構成となっている。しかしながら、実施例４に係る複合センサは、逆位相に駆動される組み合わせの第１の振動子１１と第２の振動子１２が、互いに斜めに配置され、同様に、逆位相に駆動される第３の振動子１３と第４の振動子１４が互いに斜めに配置されている点で、実施例３に係る複合センサと異なっている。
　このように、第１及び第２の振動子１１、１２同士、第３及び第４の振動子同士１３、１４は、駆動方向が同一軸方向にあり平行であれば、斜めの配置としてもよい。この場合、第１の振動子１１と第２の振動子１２は、点対称の関係にあり、また、斜めに対向配置されているとも言える。駆動方向は、横方向で共通しており、また逆位相に駆動しているので、対称に配置されて逆位相に振動駆動されるという条件を満たしている。同様に、第３の振動子１３と第４の振動子１４についても、駆動方向は横方向の同一軸方向であり、逆位相に振動駆動しているので、対称配置されて逆位相に振動駆動されるという条件を満たしている。また、第１ユニット１１１ｃと第２ユニット１１２ｃ同士も、第１ユニット１１１ｃ内の第１及び第２の振動子１１、１２が離間しているときに、第２ユニット１１２ｃ内の第３及び第４の振動子１３、１４が接近しているので、異なるユニット同士が逆位相という条件も満たしている。よって、実施例１の（１）～（４）式により、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を分離独立して検出することができる。
　このように、実施例３に係る複合センサによれば、各ユニット１１１ｃ、１１２ｃ内で斜めに配置された振動子１１～１４を用いて、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を分離独立して検出することができ、そのような配置しか許容されない場合であっても、高精度な物理量の検出を行うことができる。
　なお、実施例１～４に係る複合センサにおいては、第１～第４の振動子１１～１４、１１ａ～１４、１１～１４ｂは、総て同一基板面内に配置されている。このように、第１～第４の振動子１１～１４、１１ａ～１４、１１～１４ｂは、同一基板面内で、用途に応じて、種々の配置構成をとることができる。
　図１０Ａは、本発明の実施例５に係る複合センサの構成の一例を示した斜視図である。図１０Ｂは、本発明の実施例５に係る複合センサの断面構成の一例を示した図である。実施例５に係る複合センサは、第１～第４の振動子１１ｃ～１４ｃを、支持基板１２０上に立体配置した構成となっている。
　図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、支持基板１２０の上に、第１の振動子１１ｃ及び第２の振動子１２ｃが対称に対向配置され、更にその上に第３の振動子１３ｃ及び第４の振動子１３ｄが対称に対向配置されている。第１の振動子１１ｃと第１の振動子１２ｃは、第１ユニット１１１ｄを構成し、第３の振動子１３ｃと第４の振動子１４ｃは、第２ユニット１１２ｄを構成する。つまり、第１ユニット１１１ｄに含まれる第１及び第２の振動子１１ｃ、１２ｃ同士と、第２ユニット１１２ｄに含まれる第３及び第４の振動子１３ｃ、１４ｃ同士は同一基板面内にあるが、第１ユニット１１１ｄと第２ユニット１１２ｄは、同一基板面内にはなく、第１ユニット１１１ｄ上に第２ユニット１１２ｄが存在する構成となっている。
　このように、同一ユニット内の振動子１１～１４が同一基板面内にあれば、ユニット同士は、必ずしも同一基板面内に存在しなくてもよい。基本的な逆位相の対となる第１及び第２の振動子１１、１２同士、第３及び第４の振動子１３、１４同士は、平面上のコリオリ力を両者で協働して検出するため、平面内での回転的な変位を対となって検出する必要がある。しかしながら、ユニット１１１ｄ、１１２ｄ同士の組み合わせで用いる値は、検出後の演算処理に用いる値であるから、直接的な物理的測定に要求されるレベルまでの厳密さを要求しないからである。
　なお、実施例５に係る複合センサにおいても、検出部２０は、第１～第４の検出部２１～２４を第１～第４の振動子１１ｃ～１４ｃの内部に各々配置することができ、駆動部３０についても、用途に応じて、支持基板１２０内の適切な位置に設けることができる。
　このように、同一ユニット１１１ｄ、１１２ｄ内の振動子１１ｃ～１４ｃ同士が同一平面内にあれば、ユニット１１１ｄ、１１２ｄ間では、立体的にも種々の配置構成とすることができる。
　図１１は、本発明の実施例６に係る複合センサの平面構成の一例を示した図である。実施例１１に係る複合センサにおいては、第１～第４の振動子１１～１４に加えて、更に第５の振動子１５と第６の振動子１６を備えている。そして、第１、第２及び第５の振動子１１、１２、１５で第１ユニット１１１ｅを構成し、第３、第４及び第６の振動子１３、１４、１６で第２ユニット１１２ｅを構成している。
　このように、振動子１１～１６は、４つよりも多く設けられていてもよい。この場合、追加する振動子１５、１６は、第１ユニット１１１ｅと第２ユニット１１２ｅに同数追加するようにする。図１１においては、第１ユニット１１１ｅには第５の振動子１５が１つ、第２ユニット１１２ｅには第６ユニット１６が１つ追加されている。両方のユニット１１１ｅ、１１２ｅに同数の振動子１５、１６を追加することにより、角速度等の各成分の力を求める演算処理を複雑化することなく、複合センサを構成することができる。
　また、追加する振動子１５、１６は、近接する既存の振動子１１～１４と、同一ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内で、対称の関係を保つように配置する。これにより、対称配置された振動子１０からの検出値を同一の関係を維持しながら増加させることができ、力の検出精度を高めることができる。
　更に、駆動部３０は、振動子１５、１６を追加する際、同一ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内で、２つの位相のうち、少ない方の位相があれば、その位相で追加する振動子１５、１６を駆動するようにする。つまり、追加する振動子１５、１６を含めて、同一ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内が偶数となるときには、追加する振動子１５、１６は、同一ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内における逆位相の振動子１０が同数となるように追加振動子１５、１６を駆動する。また、駆動部３０は、同一ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内で、既存の振動子１１～１４の２つの位相が同数である場合には、追加された振動子１５、１６が、同一ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内で最も近くに配置された振動子１２、１４と、駆動方向において逆位相となるように振動駆動させる。これにより、各ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内の振動子１０の位相バランスを含む駆動バランスを良好に保ち、ユニット１１１ｅ、１１２ｅ全体として、逆位相の振動によりコリオリ力を検出するという振動型の加速度センサとしての機能を果たさせることができる。そして、発生力Ｆｒ、Ｆａ、Ｆｒａ、Ｆｃの各成分を得るために有用な検出値の数を増加させ、検出精度を更に高めることが可能となる。
　なお、図１１においては、第１ユニット１１１ｅについては、第１の振動子１１と第２の振動子１２が逆位相に駆動されており、２つの位相は同数であるので、追加された第５の振動子１５は、最も近くに配置された第２の振動子１２と逆位相となるように駆動される。同様に、第２ユニット１１２ｅについても、既存の第３及び第４の振動子１３、１４同士が逆位相に駆動されているので、追加される第６の振動子１６は、最も近くに配置された第４の振動子１４と逆位相に駆動される。
　また、図１１においては、第１ユニット１１１ｅ及び第２ユニット１１２ｅに、１個ずつ振動子１５、１６を追加した例を挙げて説明したが、更に多くの振動子を追加するようにしてもよい。例えば、図１１において、更に第１ユニット１１１ｅ及び第２ユニット１１２ｅに振動子１０を追加する場合には、第１ユニット内１１１ｅ内では、第１及び第５の振動子１１、１５が駆動方向における負の向きで同位相であり、第２の振動子１２が駆動方向における正の向きで第１及び第５の振動子１１、１５と逆位相であるので、バランスをとるべく、追加する振動子は、第２の振動子１２と同位相に駆動する。この点は、第２ユニット１１２ｅに関しても同様であり、図１１の状態から、更に振動子１０を追加する場合には、第４の振動子１４と同位相に駆動するようにする。
　このように、位相のバランスを考慮しつつ、振動子１０を第１ユニット１１１ｅと第２ユニット１１２ｅに同数ずつ増やし、全体として偶数個の振動子１０を維持することにより、ユニット１１１ｅ、１１２ｅ内における検出精度を高めることができ、更に高精度に角速度、加速度、角加速度及び遠心力を検出することができる。
　図１２は、本発明の実施例７に係る複合センサの全体構成の一例を示した図である。実施例７に係る複合センサは、第１～第４の振動子１１ｄ～１４ｄと、第１～第４の検出部２１ａ～２４ａと、第１～第４の駆動部３１ａ～３４ａと、第１～第４の接続ばね１３１～１３４とを備える。実施例７に係る複合センサは、第１～第４の検出部２１ａ～２４ａが、第１～第４の振動子１１ｄ～１４ｄの内部ではなく、外部に設けられている点で、実施例１～６に係る複合センサと異なっている。
　実施例７に係る複合センサにおいては、第１～第４の検出部２１ａ～２４ａは、第１～第４の振動子１１ｄ～１４ｄの外側に設けられている。そして、第１～第４の振動子１１ｄ～１４ｄは、第１～第４の接続ばね１３１～１３４により、第１～第４の検出部２１ａ～２４ａに接続されている。かかる構成により、第１～第４の振動子１１ｄ～１４ｄの検出方向の変位は、第１～第４の接続ばね１３１～１３４を介して第１～第４の検出部２１ａ～２４ａで検出される。
　かかる構成の複合センサにおいても、第１～第４の振動子１１ｄ～１４ｄを４つ対称に設けることにより、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を分離独立して検出することができる。つまり、図１２に示すように、第１ユニットを構成する第１の振動子１１ｄと第２の振動子１２ｄを第１の駆動部３１ａ及び第２の駆動部３２ａが逆位相に駆動させ、第２ユニットを構成する第３の振動子１３ｄと第４の振動子１４ｄを第３の駆動部３３ａ及び第４の駆動部３４ａが逆位相に駆動させるとともに、第１ユニットと第２ユニットを逆位相で駆動させることにより、実施例１と同様に演算処理を行い、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を分離独立して検出することができる。
　このように、実施例７に係る複合センサによれば、検出部２０ａと振動子１０ｄを、別に設けた場合であっても、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を分離して高精度に検出することができる。
　なお、４つ以上の変位検出部、質量体部、駆動部を配置するセンサ構造において、駆動方向が同じ駆動部同士を剛に機械的に接続してもよい。これにより、駆動変位時の製造バラツキによる変位量のバラツキを低減することができ、より精度の高い複合センサを提供することができる。
　本発明の実施例８に係る複合センサにおいては、検出部２０の内部構成について説明する。実施例８に係る複合センサは、全体構成は、実施例１において説明した図１に係る複合センサと同じ構成であってよい。実施例１～７においては、第１～第４の振動子１１～１４、１１ａ、１２ａ、１２ｂ、１４ｂ、１１ｃ～１４ｃ、１１ｄ～１４ｄ、１１ｅ～１４ｅの動作について説明したが、実施例８以降においては、検出部２０の構成と動作について詳細に説明する。
　図１３Ａは、図４Ａにおいて比較参考例として説明した従来の２つの振動子２１１、２１２を備えた角速度・加速度センサの全体構成を示した図である。
　図１３Ｂは、図１３Ａに示した従来の角速度・加速度センサから、そのまま振動子の数を増やした場合の複合センサの全体構成を示した図である。図１３Ｂに示すように、単純に２個の振動子２１１、２１２を４個の振動子１１ｅ～１４ｅに増加させると、増加した２個の振動子１３ｅ、１４ｅの分だけ横幅が増加し、全体のチップサイズが増加してしまうことが分かる。実施例１～７において説明したように、図１３Ｂの構成で、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を分離独立して検出することができるが、複合センサのチップサイズが増大してしまうので、小型の複合センサが望まれる場合には、増加するチップサイズの問題が生じ得る。
　図１４Ａは、図１３Ａの従来の角速度・加速度センサの検出部２２０の内部構成の一部を拡大して示した図である。図１４Ａに示すように、可動部２１７に支持された可動電極２２７と、固定部２１８に支持された固定電極２２８は、櫛歯状の電極同士が、所定の間隔を有し、対向して配置されている。また、固定部２１８は、上側の固定部２１８ａと下側の固定部２１８ｂで分割されているが、可動部２１７は、総て連続した１本の構成となっている。ここで、対向する可動電極２２７と固定電極２２８との配置関係に着目すると、上側の固定部２１８ａに支持された固定電極２２８ａは可動電極２２７より下側、下側の固定部２１８ｂに支持された固定電極２２８ｂは可動電極２２７より上側に配置された構成となっている。言い換えれば、固定電極２２８ａ及び固定電極２２８ｂの双方とも、可動電極２２７よりも内側に配置された構成となっている。なお、図１４Aは、可変容量変化がゼロの平衡状態を示している。
　図１４Bは、図１４に示した平衡状態から、可動部２１７が△Y下方に変位した状態を示した図である。この場合、上側の固定電極２２８ａと可動電極２１７との間隔は狭まり、静電容量は増加する。一方、下側の固定電極２２８ｂと可動電極２１７との間隔は広がり、静電容量は減少する。このとき、容量変化を△Ｃとすると、上側の固定電極２２８ａと可動電極２２７は（＋△Ｃ±δｃ）、下側の固定電極２２８ｂと可動電極２２７は（－△Ｃ±δｃ）となり、双方にノイズ成分（±δｃ）が発生する。かかるノイズ成分（±δｃ）は、容量増加側と容量減少側の双方で別々に発生するので、ノイズ成分も考慮すると、計算が非常に複雑になる。また、容量変化を計算する際にも、容量の増加分と、容量の減少分を各々計算し、更にそれらの静電容量を求めるので、それ自体で演算処理が複雑となる。特に、実施例１～７において説明したように、振動子１０が４つになると、それだけ全体の計算は複雑になる。
　参考までに、誘電率をε、電極の厚さをＴ、電極間隔をｄ、電極の長さをＬ、電極本数をＮとすると、可動部２１７の変位△Ｙと容量変化△Ｃの関係式は、（５）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　図１４Ｃは、図１３Ｂで説明したスペースの増加が発生しないように、検出部２２０の電極の数を減少させた場合の現象を説明するための図である。図１４Ｃに示すように、電極２２８の数を減少させると、信号成分の△Ｃは１／２となり１／２△Ｃとなるが、ノイズ自体は（±δｃ）のままとなり、信号成分に対してノイズ成分が大きくなり、Ｓ／Ｎが低下するという問題を生ずる。
　そこで、実施例８に係る複合センサは、検出部２０における図１３Ａ～図１４Ｃで説明した点を考慮し、省スペースを実現しつつ、Ｓ／Ｎを低下させない構成とされている。
　図１５は、実施例８に係る複合センサの全体構成と、検出部２０の一部を拡大して構成を示した図である。図１５において、実施例８に係る複合センサの全体構成は、図１に示した構成と同様であり、図１を簡略化した図であるから、図１と同様の構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。
　図１５において、全体構成図の周囲には、第１～第４の検出部２１～２４の一部の拡大構成図が示されている。まず、実施例８に係る変位センサにおいては、固定部１８は、１つの振動子１１～１４内で検出方向において分割されておらず、１つだけ設けられている。これにより、固定部１８と可動部１７は１対１に対応し、よって、固定電極１８と可動電極１７も１対１に対応する。これは、可動部１７が上下のいずれかに変位したときには、総ての可動電極１７と固定電極１８との静電容量が、増加又は減少の一方に変化することを示している。
　また、図１５において、第１の検出部２１は、可動電極２７が固定電極２８よりも検出方向において上側（正側）にあり、第２の検出部２２においても、同様の配置となっている。一方、第３の検出部２３は、固定電極２８が、可動電極２７よりも検出方向において上側（正側）にあり、第４の検出部２４も同様の配置となっている。つまり、第１の検出部２１と第２の検出部２２のペア、及び、第３の検出部２３と第４の検出部２４のペアが互いに同じ電極配置であるとともに、第１及び第２の検出部２１、２２と第３及び第４の検出部２３、２４同士は、異なる電極配置となっている。
　そして、実施例１における説明と同様に、駆動部３０は、第１の振動子１１と第２の振動子１２とを逆位相に振動して駆動するとともに、第３の振動子１３と第４の振動子１４とを逆位相に振動して駆動する。その際、第１の振動子１１と第２の振動子１２を第１ユニット１１１、第３の振動子１３と第４の振動子１４を第２ユニット１１２としたときに、第１ユニット１１１と第２ユニット１１２同士も逆位相となるように駆動する。
　ここで、角速度により発生するコリオリ力Ｆｒを考えると、実施例１において説明したように、第１の振動子１１の可動部１７には上向き、第２の振動子１２の可動部１７には下向き、第３の振動子１３の可動部１７には下向き、第４の振動子１４の可動部１７には上向きの力が働く。よって、図１５に示すように、第１の検出部２１においては可動電極２７が固定電極２８から離れる向きに変化するので容量が減少し、第２の検出部２２においては可動電極２７が固定電極２８に近付く向きに変化するので容量が増加するように変化する。同様に、第３の検出部２３においては可動電極２７が固定電極２８から離間するので容量は減少し、第４の検出部２４においては固定電極２８に可動電極２７が接近するので容量は増加する。
　ここで、第１～第４の振動子１１～１４の容量変化分をＣ１～Ｃ４とし、容量減少量を（－△Ｃ）、容量増加量を（＋△Ｃ）として表すと、全体の容量変化量は、
　（Ｃ１＋Ｃ３）－（Ｃ２＋Ｃ４）＝（－２△Ｃ）－（２△Ｃ）＝－４△Ｃ
となる。つまり、コリオリ力が加わった時の複合センサ全体の容量変化量は、（－４△Ｃ）であり、図１３Ａに示した従来の振動子２１１、２１２が２つある場合と同じになり、計算を複雑化させることなく、角速度に対応する容量変化を算出し、角速度を検出することができる。これは、逆位相に駆動され、逆向きのコリオリ力が加わる第１及び第２の振動子１１、１２に対応する第１及び第２の検出部２１、２２同士、同様に第３及び第４の検出部２３、２４同士を同じ電極配置のペアとし、かつペア同士は異なる電極配置とすることにより、駆動方向左側の第１及び第３の検出部２１、２３同士、駆動方向右側の第２及び第４の検出部２２、２４同士で同じ符号の容量変化を発生させているためである。
　また、１つの振動子１０内において、総ての可動電極１７と固定電極１８のペアは、容量の増加又は減少のいずれか一方にのみ寄与しているので、容量の増加と減少で相殺し合うことがなく、電極数を従来の検出部２２０より減少させても、必要な信号量は維持することができ、従来と同等の高いＳ／Ｎを実現することができる。
　なお、図１に示した検出部２０の第１～第４の検出部２１～２４は、図１５で説明した可動電極２７と固定電極２８の配置と同様の配置関係となっているので、図１５で説明した内容は、図１に係る複合センサでそのまま実行することができる。
　実施例８に係る複合センサによれば、省スペースを実現しつつ、高Ｓ／Ｎで各種物理量を検出することができ、小型で高精度な複合センサとすることができる。
　図１６は、本発明の実施例９に係る複合センサの全体構成と検出部の一部の構成を拡大して示した図である。図１６において、実施例９に係る複合センサの第１～第４の振動子１１～１４が簡略化して示され、第１～第４の検出部２０ａの一部の構成が拡大されて示されている。
　実施例９に係る複合センサにおいては、第１の振動子１１の内部の検出部２１ａは、検出方向において固定電極２８が可動電極２７よりも上側にあり、第２の振動子１２内部の検出部２２ａも、固定電極２８が可動電極２７よりも上側の配置構成となっている。これは、実施例８の場合と上下関係が逆の配置構成である。一方、第３の振動子１３の内部の第３の検出部２３ａは、検出方向において可動電極２７が固定電極２８よりも上側にある配置関係となっており、第４の振動子１４の内部の第４の検出部２４ａも、同様に可動電極２７が固定電極２８よりも上側にある配置関係となっている。こちらも、実施例８の場合と上下関係が逆の配置構成である。つまり、第１の検出部２１ａと第２の検出部２２ａが実施例８と逆の配置関係でペアとなり、第３の検出部２３ａと第４の検出部２４ａも実施例８と逆の配置関係でペアとなっている。
　この場合においても、駆動部２０が実施例１と同様の位相で第１～第４の振動子１１～１４を駆動させ、角速度を検出する例について考察する。角速度によるコリオリ力は、駆動部２０による駆動方向が実施例１と同様であるので、実施例１と同様な向きとなり、図１６のように、第１の可動部１７は検出方向において上向き、第２の可動部１７は下向き、第３の可動部１７は下向き、第４の可動部１７は上向きとなる。よって、これらの移動の向きに対応し、第１の検出部２１ａは容量増加、第２の検出部２２ａは容量減少、第３の検出部２３ａは容量増加、第４の検出部２４ａは容量減少となる。
　ここで、第１～第４の検出部２１ａ～２２ａの容量変化をＣ１～Ｃ４とし、容量増加量を△Ｃ、容量減少量を（－△Ｃ）とすると、角速度を検出したときの全体の容量変化は、
　（Ｃ１＋Ｃ３）－（Ｃ２＋Ｃ４）＝２△Ｃ－（－２△Ｃ）＝４△Ｃ
となり、符号が異なるだけで、実施例８と同様に求められる。
　実施例９に係る複合センサによれば、実施例１と異なる固定電極２８と可動電極２７の配置関係としながらも、省スペースと高Ｓ／Ｎを両立させつつ角速度、加速度、角加速度及び遠心力を求めることができる。
　図１７は、本発明の実施例１０に係る複合センサの全体構成と検出部の一部の構成を拡大して示した図である。図１７において、実施例１０に係る複合センサの第１～第４の振動子１１～１４の概略構成が示されている点は、実施例９と同様である。また、駆動部２０による駆動方向も、実施例９と同様に設定されている。
　実施例１０に係る複合センサにおいては、第１の検出部２１ｂと第３の検出部２３ｂとが、可動電極２７が固定電極２８より上側の配置構成を有し、同一の配置構成を有している。一方、第２の検出部２２ｂと第４の検出部２４ｂとが、固定電極２８が可変電極２７よりも上側にあり、同一の電極配置構成を有している。そして、第１及び第３の検出部２１ｂ、２３ｂのペアと、第２及び第４の検出部２２ｂ、２４ｂのペア同士は、異なる電極配置構成となっている。このように、第１の検出部２１ｂと第３の検出部２３ｂを一方のペアとし、第２の検出部２２ｂと第３の検出部２４ｂを他方のペアとするようにしてもよい。
　第１の振動子１１と第３の振動子１３は、図１７に示すように、駆動方向における向きが逆向きであり、逆位相に駆動されている。よって、角速度により発生するコリオリ力も逆向きになるので、第１の検出部２１ｂと第３の検出部２３ｂは、同じ電極配置構成で、異なる容量変化を検出できる点で、実施例８で説明した状態と同様となる。同様に、第２の振動子１２と第４の振動子も、逆位相に駆動され、コリオリ力は逆向きとなるので、同じ電極配置構成を有して、異なる容量変化を検出できる。そうすると、この場合には、第１の検出部２１ｂと第２の検出部２３ｂが容量減少となり、第３の検出部２３ｂと第４の検出部２４ｂが容量増加となる。
　この場合、第１～第４の検出部２１ｂ～２４ｂの容量変化をＣ１～Ｃ４で表し、容量増減量を△Ｃ、（－△Ｃ）で表すと、全体の容量変化は、
　（Ｃ１＋Ｃ２）－（Ｃ３＋Ｃ４）＝（－２△Ｃ）－（２△Ｃ）＝（－４△Ｃ）
となり、実施例８及び実施例９と同様に、角速度を容易に算出することができる。
　このように、逆位相の駆動が行われる振動子１１～１４同士で同一電極配置のペアを組むことができ、かつペア同士で異なる電極配置に構成できれば、必ずしも駆動のユニットとペアを一致させなくてもよい。
　実施例１０に係る複合ユニットによれば、駆動のユニットと異なるペア配置としつつ、省スペースと高Ｓ／Ｎを両立させることができる。
　図１８は、本発明の実施例１１に係る複合センサの全体構成と検出部の一部の構成を拡大して示した図である。全体構成図については、駆動の位相及びコリオリ力の向きも含めて、実施例９及び１０と同様であるので、その説明を省略する。
　実施例１１に係る複合センサにおいては、第１の検出部２１ｃと第３の検出部２３ｃが、検出方向において固定電極１８の方が可動電極１７よりも上側にある電極配置構成で同一であるとともに、第２の検出部２２ｃと第４の検出部２４ｃが可動電極１７の方が固定電極１８よりも上側にある電極配置構成で同一となっている。また、第１及び第３の検出部２１ｃ、２３ｃと、第２及び第４の検出部２２ｃ、２４ｃ同士は、互いに異なる電極配置構成となっている。
　つまり、実施例１１に係る複合センサは、第１の検出部２１ｃと第３の検出部２３ｃ同士でペアとなり、第２の検出部２２ｃと第４の検出部２４ｃ同士でペアとなる点は、実施例１０に係る複合センサと同様であるが、互いのペア内で、可動電極１７と固定電極１８の配置関係が逆となっている点で、実施例１０に係る複合センサと異なっている。
　このように、可動電極２７と固定電極２８との上下関係は、用途に応じて種々変更することができる。
　なお、実施例１０と同様に、Ｃ１～Ｃ４及び（±△Ｃ）を規定すると、全体の容量変化の合計は、
　（Ｃ１＋Ｃ２）－（Ｃ３＋Ｃ４）＝２△Ｃ－（－２△Ｃ）＝４△Ｃ
となり、やはり容易に角速度を検出できることが分かる。
　このように、実施例１１に係る複合センサによれば、駆動のユニットと異なるペアを設定しつつ、省スペースと高Ｓ／Nの両方を実現することができる。
　以上、実施例１～１１において説明したように、本発明に係る複合センサによれば、角速度、加速度、角加速度及び遠心力を、分離独立して検出することができ、高精度な物理量の検出を行うことができる。
　また、かかる高精度の検出は、省スペースを維持しつつ、高S／Nで行うことができる。
　なお、実施例１～１１に係る実施例は、矛盾のない範囲で互いに組み合わせることが可能であり、例えば、実施例２～７に示した種々の配置と、実施例８～１１に示した検出部２０、２０ａ～２０ｃの内容は、互いに組み合わせて実施することができる。
　本発明は、物理量を測定するセンサに適用可能であり、特に、車両等の移動体に搭載され、移動体の角速度、加速度、角加速度又は遠心力を検出する複合センサに適用可能である。

Claims (12)

  1. 　互いに対称に配置され、駆動方向及び検出方向に変位可能な第１及び第２の振動子を含む第１ユニットと、
    　互いに対称に配置され、前記駆動方向及び前記検出方向と同一軸方向に変位可能な第３及び第４の振動子を含む第２ユニットと、
    　前記第１及び第２の振動子同士、前記第３及び第４の振動子同士が互いに逆位相に振動し、前記第１ユニット及び前記第２ユニット同士も互いに逆位相に振動するように前記第１、第２、第３及び第４の振動子を駆動する駆動部と、
    　前記第１、第２、第３及び第４の振動子の前記検出方向の変位を検出する検出部と、を有することを特徴とする複合センサ。
  2. 　前記検出部で検出した前記第１、第２、第３及び第４の振動子の前記変位から不要な慣性力成分を相殺除去し、加速度、角速度、角加速度及び遠心力を各々独立して検出することを特徴とする請求項１に記載の複合センサ。
  3. 　前記駆動部及び前記検出部は、前記第１、第２、第３及び第４の振動子に各々対応して、第１、第２、第３及び第４の駆動部と、第１、第２、第３及び第４の検出部とを各々有することを特徴とする請求項１に記載の複合センサ。
  4. 　前記第１ユニットと前記第２ユニットは、線対称となる位置に対向配置されたことを特徴とする請求項１に記載の複合センサ。
  5. 　前記第１、第２、第３及び第４の振動子は、それぞれ点対称となる位置に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の複合センサ。
  6. 　前記第１、第２、第３及び第４の振動子は、同一基板上に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の複合センサ。
  7. 　前記第１ユニットと前記第２ユニットは、重ねられて配置されたことを特徴とする請求項１に記載の複合センサ。
  8. 　前記第１ユニット及び前記第２ユニットは、前記第１、第２、第３及び第４の振動子以外に、各々同数の追加振動子を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の複合センサ。
  9. 　前記駆動部は、前記追加振動子を追加するときに、前記第１ユニット内及び前記第２ユニット内の振動子が全体で偶数となるときには、逆位相の振動子が同数となるように前記追加振動子を駆動し、前記第１ユニット内及び前記第２ユニット内の振動子が全体で奇数となるときには、前記第１ユニット内及び前記第２ユニット内で最も近くに配置された振動子の位相と逆位相に振動するように駆動することを特徴とする請求項８に記載の複合センサ。
  10. 　前記第１、第２、第３及び第４の検出部は、支持体に固定された櫛歯状の複数の固定電極と複数の可動電極同士を交互に対向配置させ、容量の増減で前記変位を検出する検出電極を各々有し、
    　前記固定電極と前記可動電極の交互配置の前記検出方向における位置関係は、前記変位が発生したときに、各々の前記検出部内において前記複数の固定電極と前記複数の可動電極が容量の増加又は減少の一方の変化のみを発生させる配置であるとともに、前記第１、第２、第３及び第４の振動子のうち、前記駆動部による駆動方向が逆位相である前記振動子に対応する前記検出部同士で共通の配置を有するペアをなし、かつ該ペア同士は異なる配置を有することを特徴とする請求項３に記載の複合センサ。
  11. 　前記第１、第３の振動子同士が前記駆動方向において同じ側、前記第２、第４の振動子同士が前記駆動方向において同じ側に配置され、前記第１、第２の検出部同士と、前記第３、第４の検出部同士が各々前記ペアをなす場合において、
    　前記第１、第３の検出部の前記検出電極は、前記第１、第３の振動子が変位したときに容量が増加又は減少する一方の配置であり、
    　前記第２、第４の検出部の前記検出電極は、前記第２、第４の振動子が変位したときに、前記第１、第３の検出部の前記検出電極の容量変化と反対の容量変化をする配置であることを特徴とする請求項１０に記載の複合センサ。
  12. 　前記第１、第３の振動子同士が前記駆動方向において同じ側、前記第２、第４の振動子同士が前記駆動方向において同じ側に配置され、前記第１、第３の検出部同士と、前記第２、第４の検出部同士が各々前記ペアをなす場合において、
    　前記第１、第２の検出部の前記検出電極は、前記第１、第２の振動子が変位したときに容量が増加又は減少する一方の配置であり、
    　前記第３、第４の検出部の前記検出電極は、前記第３、第４の振動子が変位したときに、前記第１、第２の検出部の前記検出電極の容量変化と反対の容量変化をする配置であることを特徴とする請求項１０に記載の複合センサ。
PCT/JP2010/060227 2010-06-16 2010-06-16 複合センサ WO2011158348A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10853230.0A EP2584312B1 (en) 2010-06-16 2010-06-16 Composite sensor
PCT/JP2010/060227 WO2011158348A1 (ja) 2010-06-16 2010-06-16 複合センサ
JP2012520207A JP5617921B2 (ja) 2010-06-16 2010-06-16 複合センサ
CN201080040181.0A CN102510995B (zh) 2010-06-16 2010-06-16 复合传感器
US13/241,942 US8997569B2 (en) 2010-06-16 2011-09-23 Compound sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2010/060227 WO2011158348A1 (ja) 2010-06-16 2010-06-16 複合センサ

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/241,942 Continuation US8997569B2 (en) 2010-06-16 2011-09-23 Compound sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011158348A1 true WO2011158348A1 (ja) 2011-12-22

Family

ID=45347770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/060227 WO2011158348A1 (ja) 2010-06-16 2010-06-16 複合センサ

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8997569B2 (ja)
EP (1) EP2584312B1 (ja)
JP (1) JP5617921B2 (ja)
CN (1) CN102510995B (ja)
WO (1) WO2011158348A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013145232A (ja) * 2011-12-23 2013-07-25 Maxim Integrated Products Inc マイクロジャイロスコープ、マイクロジャイロスコープの制御方法
WO2014092059A1 (ja) * 2012-12-10 2014-06-19 株式会社村田製作所 センサ素子、および複合センサ

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI124020B (fi) * 2011-03-04 2014-02-14 Murata Electronics Oy Jousirakenne, resonaattori, resonaattorimatriisi ja anturi
CN103398708B (zh) * 2013-07-15 2015-10-21 哈尔滨工程大学 一种双敏感模态的微机械陀螺
JP6206651B2 (ja) * 2013-07-17 2017-10-04 セイコーエプソン株式会社 機能素子、電子機器、および移動体
US9995583B2 (en) * 2014-05-15 2018-06-12 Hanking Electronics, Ltd. Systems and methods for MEMS gyroscope shock robustness
JP2016042074A (ja) 2014-08-13 2016-03-31 セイコーエプソン株式会社 物理量センサー、電子機器および移動体
US10371520B2 (en) * 2014-12-18 2019-08-06 Rise Acreo Ab Quadrature compensation method for MEMS gyroscopes and a gyroscope sensor
FI20155095A (fi) 2015-02-11 2016-08-12 Murata Manufacturing Co Mikromekaaninen kulmanopeusanturi
FI20155094A (fi) * 2015-02-11 2016-08-12 Murata Manufacturing Co Mikromekaaninen kulmanopeusanturi
ITUB20159197A1 (it) * 2015-12-29 2017-06-29 St Microelectronics Srl Giroscopio microelettromeccanico con reiezione di disturbi e metodo di rilevamento di una velocita' angolare
US10696541B2 (en) * 2016-05-26 2020-06-30 Honeywell International Inc. Systems and methods for bias suppression in a non-degenerate MEMS sensor
US10466053B2 (en) * 2017-04-04 2019-11-05 Invensense, Inc. Out-of-plane sensing gyroscope robust to external acceleration and rotation
US11193771B1 (en) 2020-06-05 2021-12-07 Analog Devices, Inc. 3-axis gyroscope with rotational vibration rejection

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0868637A (ja) * 1994-08-29 1996-03-12 Murata Mfg Co Ltd 捩れ振動型ジャイロ
JPH10511775A (ja) * 1995-05-31 1998-11-10 リテフ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング マイクロメカニカル回転速度センサ
JP2001515201A (ja) * 1997-09-02 2001-09-18 アナログ デバイセス インコーポレーテッド マイクロマシン加工デバイス
JP2008537114A (ja) * 2005-04-14 2008-09-11 アナログ デバイシス， インコーポレイテッド クロスした４個の縦方向に連結された慣性センサ

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5554806A (en) * 1994-06-15 1996-09-10 Nippondenso Co., Ltd. Physical-quantity detecting device
JPH11101816A (ja) * 1997-09-29 1999-04-13 Mazda Motor Corp 角加速度センサ及び角加速度検出方法
DE19828424C1 (de) * 1998-06-25 1999-12-02 Litef Gmbh Mikromechanischer Drehratensensor
JP3796991B2 (ja) * 1998-12-10 2006-07-12 株式会社デンソー 角速度センサ
JP3870895B2 (ja) * 2002-01-10 2007-01-24 株式会社村田製作所 角速度センサ
DE03707756T1 (de) * 2002-02-06 2005-05-04 Analog Devices Inc Mikrohergestellter kreisel
JP4120779B2 (ja) 2002-06-27 2008-07-16 トヨタ自動車株式会社 加速度角速度検出装置
US7240552B2 (en) * 2005-06-06 2007-07-10 Bei Technologies, Inc. Torsional rate sensor with momentum balance and mode decoupling
EP1832841B1 (en) * 2006-03-10 2015-12-30 STMicroelectronics Srl Microelectromechanical integrated sensor structure with rotary driving motion
JP2008014727A (ja) 2006-07-04 2008-01-24 Toyota Motor Corp 加速度角速度センサ
DE102007030119A1 (de) * 2007-06-29 2009-01-02 Litef Gmbh Corioliskreisel
JP2009175064A (ja) * 2008-01-28 2009-08-06 Kyocera Corp 角速度センサ装置
JP2010008300A (ja) 2008-06-30 2010-01-14 Hitachi Ltd 慣性センサ
EP2515076A1 (en) * 2009-12-17 2012-10-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Angular velocity detection device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0868637A (ja) * 1994-08-29 1996-03-12 Murata Mfg Co Ltd 捩れ振動型ジャイロ
JPH10511775A (ja) * 1995-05-31 1998-11-10 リテフ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング マイクロメカニカル回転速度センサ
JP2001515201A (ja) * 1997-09-02 2001-09-18 アナログ デバイセス インコーポレーテッド マイクロマシン加工デバイス
JP2008537114A (ja) * 2005-04-14 2008-09-11 アナログ デバイシス， インコーポレイテッド クロスした４個の縦方向に連結された慣性センサ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013145232A (ja) * 2011-12-23 2013-07-25 Maxim Integrated Products Inc マイクロジャイロスコープ、マイクロジャイロスコープの制御方法
WO2014092059A1 (ja) * 2012-12-10 2014-06-19 株式会社村田製作所 センサ素子、および複合センサ

Also Published As

Publication number Publication date
US8997569B2 (en) 2015-04-07
EP2584312A1 (en) 2013-04-24
EP2584312B1 (en) 2020-02-05
JPWO2011158348A1 (ja) 2013-08-15
CN102510995A (zh) 2012-06-20
CN102510995B (zh) 2015-03-04
JP5617921B2 (ja) 2014-11-05
US20120013355A1 (en) 2012-01-19
EP2584312A4 (en) 2014-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5617921B2 (ja) 複合センサ
JP4687577B2 (ja) 慣性センサ
US9038461B2 (en) Gyro sensor and electronic device
US8555718B2 (en) Piezoelectric transducers
WO2013179647A2 (ja) 物理量センサ
JP4868027B2 (ja) 加速度角速度センサ
JP5425211B2 (ja) マイクロメカニクスによるコリオリ式回転速度センサ
CN1867832A (zh) Z轴角速度传感器
JP2010078500A (ja) 慣性センサ
JP2016530542A (ja) 改良されたジャイロスコープ構造体およびジャイロスコープ
KR101365096B1 (ko) 물리량 센서 및 전자 기기
CN103900546A (zh) 一种微机电六轴惯性传感器
JP2008014727A (ja) 加速度角速度センサ
CN116907466B (zh) 微机电三轴陀螺仪和电子设备
CN102353370B (zh) 压电驱动电容检测微固体模态陀螺
WO2018003692A1 (ja) 物理量センサ
CN102288173B (zh) 静电驱动电容检测微固体模态陀螺
JP4710926B2 (ja) 角速度センサ
JP2010008300A (ja) 慣性センサ
JP4234734B2 (ja) 角速度センサ
CN102297689A (zh) 静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺
JP2007309946A (ja) 角速度センサ
JP3873266B2 (ja) 三次元角速度センサ
JP4134136B2 (ja) 角速度センサ
KR20140106247A (ko) Ｍｅｍｓ 디바이스

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201080040181.0

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012520207

Country of ref document: JP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10853230

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010853230

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE