JP2008261772A - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度を大きくした慣性力センサを提供することを目的としている。
【解決手段】加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子１を備え、この検出素子１は、第１アーム８を第２アーム１０に略直交方向に連結した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム８の一端が支持部１２にて支持され、２つの第１アーム８の他端が第１固定部４に連結され、第２アーム１０の先端部に錘部が連結され、第１固定部４は固定アーム７にて第２固定部６と連結され、第１アーム８をＸ軸方向に配置するとともに第１固定部４にはＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部９を設け、第２連結部である固定アームをＹ軸方向に配置するとともに第２固定部６にはＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部１１を設けた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いるセンサに関するものである。

以下、従来の慣性力センサの一つである加速度センサについて説明する。

図９は従来の加速度センサの検出素子の平面図、図１０は同検出素子のＡ−Ａ断面図、図１１は同検出素子のＢ−Ｂ断面図である。

図９〜図１１において、従来の加速度センサは、加速度を検出する検出素子５１と、この検出素子５１から出力される加速度信号を演算処理して加速度を検出する処理回路（図示せず）を備えている。この検出素子５１は、錘部５２を支持した支持部５４と、可撓部５６を介して支持部５４と連結された固定部５９（５８は歪抵抗で使用のため）とを有しており、この固定部５９によって検出素子５１が実装基板に実装されている。

また、可撓部５６はアーム形状であって、この可撓部５６は支持部５４を中心にして十字状に配置し、一対の可撓部５６と支持部５４とが同一直線上に配置されるようにしている。

可撓部５６には歪抵抗素子５８を設けており、錘部５２の可動に起因して撓む可撓部５６の状態変化に基づき、歪抵抗素子５８の抵抗値変化を加速度信号として出力している。

次に、加速度の検出について説明する。

互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｘ軸方向とＹ軸方向に十字状のアームからなる可撓部５６を配置した場合、図１２に示すように、例えば、Ｘ軸方向に加速度が生じると、錘部５２が加速度の生じた軸方向に移動しようとするために、Ｘ軸方向に配置された２つの可撓部５６の内、一方の可撓部５６にはＺ軸の正の方向に撓みが発生し、他方の可撓部５６にはＺ軸の負の方向に撓みが発生する（支持部５４を中心にして、錘部５２がＺ軸方向に回転しようとして撓みが発生する）。そうすると、２つの可撓部５６に設けた２つの歪抵抗素子５８も、可撓部５６の撓みに応じてＺ軸の正負の方向に撓むので、歪抵抗素子５８の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を加速度信号として出力して加速度を検出するものである。

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

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１０−４８２４３号公報

上記構成では、アーム形状の可撓部５６が、支持部５４を中心にして、十字状に配置されているので、加速度が生じた軸方向に配置されている可撓部５６によって、錘部５２の移動が規制される。Ｘ軸方向に配置された２つの可撓部５６の内、一方の可撓部５６にはＺ軸の正の方向に撓みが発生し、他方の可撓部５６にはＺ軸の負の方向に撓みが発生する。

このとき、図１２において、Ｘ軸方向へ加速度が生じた場合、錘部５２がＸ軸方向に移動しようとするが、Ｘ軸方向に配置された可撓部５６によって、錘部５２の移動が規制される。この規制によって、錘部５２は支持部５４を中心にしてＺ軸方向に回転しようとするので、可撓部５６に撓みが生じるが、この撓み量は小さい。これは、錘部５２にかかる直線方向への力が、回転方向への力に変換されることに起因すると考えられる。

したがって、可撓部５６に配置された歪抵抗素子５８の抵抗値変化も小さくなり、検出感度が小さいという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するもので、検出感度を大きくした慣性力センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、
特に、検出素子は、第１連結部を介して錘部を連結した第１固定部と、第２連結部を介して前記第１固定部を連結した第２固定部と、前記錘部の表面側と対向させた第１対向基板と、前記錘部の裏面側と対向させた第２対向基板と、前記錘部と前記第１対向基板の各々の対向面に配置した第１対向電極と、前記錘部と前記第２対向基板の各々の対向面に配置した第２対向電極とを有し、前記加速度検出部では、前記第１対向電極部の静電容量変化量および前記第２対向電極部の静電容量変化量を検出して加速度を検出しており、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、前記第１連結部をＸ軸方向に配置するとともに前記第１連結部または前記第１固定部にＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部を設け、前記第２連結部をＹ軸方向に配置するとともに前記第２連結部または前記第２固定部にＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部を設け、前記第２固定部にて実装基板に実装した構成である。

上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｘ軸方向に加速度が生じると第１弾性部がＸ軸方向に変位し、Ｙ軸方向に加速度が生じると第２弾性部がＹ軸方向に変位する。すなわち、加速度の生じた直線方向への力が回転方向への力に変換されることもなく、第１弾性部または第２弾性部は、加速度の生じた方向と同方向にのみ変位するので変位しやすく、第１対向電極部、第２対向電極部の静電容量の変化量を容易に大きくでき、検出感度を向上できる。

特に、Ｘ軸方向とＹ軸方向の加速度を検出するにあたって、Ｘ軸方向の加速度は第１弾性部がＸ軸方向にのみ変位することにより検出され、Ｙ軸方向の加速度は第２弾性部がＹ軸方向にのみ変位することにより検出され、各々、一方の加速度の影響を受けることなく独立して加速度を検出することができ、検出感度を向上できる。

さらに、第１対向電極部は、錘部の表面側と対向させた第１対向基板と錘部の各々の対向面に配置し、第２対向電極部は、錘部の裏面側と対向させた第２対向基板と錘部の各々の対向面に配置しているので、例えば、Ｚ軸方向へ錘部が変位したとしても、第１対向電極部の対向距離が広がれば、第２対向電極部の対向距離が縮まり、第１対向電極部の対向距離が縮めば、第２対向電極部の対向距離が広がる。

すなわち、第１対向電極部の対向距離および第２対向電極部の対向距離の総対向距離が変わらないので、振動等によって、Ｚ軸方向へ錘部が変位したとしても、第１、第２対向電極部の全体の静電容量の変化量が大きく変化することがなく、Ｘ軸またはＹ軸の加速度の検出精度を劣化させずに検出精度を向上できる。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における複合センサの検出素子の分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。

図１において、本発明の第１の実施の形態における複合センサは、加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子１を備えている。

この検出素子１は、第１連結部を介して錘部３を連結した第１固定部４と、錘部３と対向させた対向基板５と、第２連結部を介して前記第１固定部４を連結した第２固定部６とを有する。

具体的には、この検出素子１は、第１アーム８を第２アーム１０に略直交方向に連結した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム８の一端を支持部１２にて支持し、２つの第１アーム８の他端を枠体形状の第１固定部４に連結し、錘部３を枠体形状の第１固定部４の内方に配置している。第２アーム１０は、第２アーム１０自身と対向するまでＵ字状に折曲し、折曲した第２アーム１０の先端部に錘部３を連結している。第１固定部４は固定アーム７にて第２固定部６と連結し、第１固定部４を第２固定部６の内方に配置している。第１アーム８と支持部１２とを略同一直線上に配置し、第１アーム８および第２アーム１０を検出素子１の中心に対して対称配置している。第１アーム８が錘部３を連結する第１連結部に相当し、固定アーム７が第２連結部に相当する。

互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１連結部である第１アーム８をＸ軸方向に配置するとともに第１固定部４にはＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部９を設け、第２連結部である固定アームをＹ軸方向に配置するとともに第２固定部６にはＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部１１を設け、第２固定部６にて実装基板に実装している。

この第１弾性部９は、第１アーム８と直交する第１固定部４の一部に、Ｙ軸方向にスリット１３を形成して設けており、第２弾性部１１は、第２アーム１０と直交する第２固定部６の一部に、Ｘ軸方向にスリット１３を形成して設けている。

また、錘部３の表面側に第１対向基板５を対向させるとともに、錘部３と第１対向基板５の各々の対向面に、第１対向電極部として、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置しており、錘部３の裏面側に第２対向基板１５を対向させるとともに、錘部３と第２対向基板１５の各々の対向面に、第２対向電極部として、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３を配置している。

さらに、互いに対向する一方の２つの第２アーム１０には錘部３を駆動振動させる駆動電極２２およびその駆動を検知する検知電極２４を配置するとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム１０には、第２アーム１０の歪を感知する第１感知電極２６、第２感知電極２８を配置している。これらの電極の内、少なくとも、駆動電極２２、検知電極２４、第１感知電極２６、第２感知電極２８は、圧電層を介在させた上部電極と下部電極とからなる。

そして、これら第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３、駆動電極２２、検知電極２４、第１、第２感知電極２６、２８からは信号線（図示せず）が固定部７まで引き出され、この信号線の端部にてワイヤーボンディング等を介して実装基板の配線パターンに電気的に接続される。

次に、角速度検出部および加速度検出部について説明する。

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

このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部３の駆動振動と同調して、錘部３に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向（Ｙ軸方向））にコリオリ力が発生するので、第２アーム１０にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。すなわち、コリオリ力に起因して撓むこの第２アーム１０の状態変化（第２アーム１０に発生した歪）によって、第１、第２感知電極２６、２８から電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

次に、加速度検出部について説明する。

まず、Ｘ軸方向の加速度について説明する。図１、図５に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１対向基板５、第２対向基板１５をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第２対向電極１６の対向端部（Ｘ２）は互いに少しずれた位置にあり、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第６対向電極１９の対向端部（Ｘ２）も互いに少しずれた位置にある。図示していないが、第３対向電極１８の対向端部と第４対向電極２０の対向端部も互いに少しずれた位置にあり、第７対向電極２１の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も少しずれた位置にある。

すなわち、錘部３のＸ軸方向の移動時に、第１対向電極１４の静電容量変化量と、第２対向電極１６の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第３対向電極１８の静電容量変化量と、第４対向電極２０の静電容量変化量とを異なるようにし、第５対向電極１７の静電容量変化量と、第６対向電極１９の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第７対向電極２１の静電容量変化量と、第８対向電極２３の静電容量変化量とを異なるようにしている。

このとき、例えば、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、図１、図６に示すように、第１弾性部９がＸ軸方向に変位し、加速度の生じた直線方向への力が回転方向への力に変換されることもなく、第１弾性部９は、加速度の生じたＸ軸方向と同方向にのみ変位する。この結果、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第２対向電極１６の対向端部（Ｘ２）は互いに（Ｗ）だけ位置がずれ、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第２対向基板１５と錘部３との対向面の第６対向電極１９の対向端部（Ｘ２）も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。図示していないが、第３対向電極１８の対向端部と第４対向電極２０の対向端部、第７対向電極２１の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。

次に、Ｙ軸方向の加速度について説明する。図１、図７に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１対向基板５をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第３対向電極１８の対向端部（Ｘ２）は互いに少しずれた位置にあり、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第２対向基板１５と錘部３との対向面の第７対向電極２１の対向端部（Ｘ２）も互いに少しずれた位置にある。図示していないが、第２対向電極１６の対向端部と第４対向電極２０の対向端部も互いに少しずれた位置にあり、第６対向電極１９の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も互いに少しずれた位置にある。

すなわち、錘部３のＹ軸方向の移動時に、第１対向電極１４の静電容量変化量と、第３対向電極１８の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第２対向電極１６の静電容量変化量と、第４対向電極２０の静電容量変化量とを異なるようにし、第５対向電極１７の静電容量変化量と、第７対向電極２１の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第６対向電極１９の静電容量変化量と、第８対向電極２３の静電容量変化量とを異なるようにしている。

このとき、例えば、Ｙ軸方向に加速度が生じた場合、図１、図８に示すように、第２弾性部１１がＹ軸方向に変位し、加速度の生じた直線方向への力が回転方向への力に変換されることもなく、第２弾性部１１は、加速度の生じたＹ軸方向と同方向にのみ変位する。この結果、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第３対向電極１８の対向端部（Ｘ２）は互いに（Ｗ）だけ位置がずれ、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第２対向基板１５と錘部３との対向面の第７対向電極２１の対向端部（Ｘ２）も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。図示していないが、第２対向電極１６の対向端部と第４対向電極２０の対向端部、第６対向電極１９の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。

すなわち、各々の電極間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化に基づいてＸ軸方向またはＹ軸方向の加速度を検出するものである。

上記構成により、加速度検出部によって、錘部３と第１対向基板５の各々の対向面に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、錘部３と第２対向基板１５の各々の対向面に配置した第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３の静電容量変化を検出して加速度を検出し、角速度検出部によって、コリオリ力に起因して撓む可撓部の状態変化を第１、第２感知電極２６、２８で検出し、一つの検出素子１で加速度と角速度を検出できるので、実装面積を低減して小型化を図れる。

特に、Ｘ軸方向とＹ軸方向の加速度を検出するにあたって、Ｘ軸方向の加速度は第１弾性部９がＸ軸方向にのみ変位することにより検出され、Ｙ軸方向の加速度は第２弾性部１１がＹ軸方向にのみ変位することにより検出され、各々、一方の加速度の影響を受けることなく独立して加速度を検出することができ、検出感度を向上できる。

また、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０は、Ｚ軸方向からみると、各々、錘部３に配置した電極と第１対向基板５に配置した電極は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に位置ずれし、かつ、いずれか一方の電極によって覆われていないので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に錘部３が可動した際、可動範囲においては、各々の静電容量が連続的に異なるように変化し、かつ、各々の静電容量が異なるので、錘部３がＸ軸方向の正の方向へ移動したのか、負の方向へ移動したのかを区別できる。例えば、図６によれば、第１対向電極１４は加速度に応じて静電容量が連続的に減少し、第２対向電極１６は加速度に応じて静電容量が連続的に増大するので、Ｘ軸方向の負の方向へ移動したことがわかる。第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３、およびＹ軸方向についても同様に移動方向を区別できる。

さらに、第１対向電極部として、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０は、錘部３の表面側と対向させた第１対向基板５と錘部３の各々の対向面に配置し、第２対向電極部として、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３は、錘部３の裏面側と対向させた第２対向基板１５と錘部３の各々の対向面に配置しているので、例えば、Ｚ軸方向へ錘部３が変位したとしても、第１対向電極部の対向距離が広がれば、第２対向電極部の対向距離が縮まり、第１対向電極部の対向距離が縮めば、第２対向電極部の対向距離が広がる。

すなわち、第１対向電極部の対向距離および第２対向電極部の対向距離の総対向距離が変わらないので、振動等によって、Ｚ軸方向へ錘部３が変位したとしても、第１、第２対向電極部の全体の静電容量の変化量が大きく変化することがなく、Ｘ軸またはＹ軸の加速度の検出精度を劣化させずに検出精度を向上できる。

なお、第１固定部に第１弾性部９を設ける替わりに、第１連結部にＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部９を設けたり、第２固定部に第２弾性部１１を設ける替わりに、第２連結部にＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部１１を設けたりしてもよい。また、駆動電極、検知電極、感知電極については、上記実施の形態以外にも任意に設定可能である。

本発明に係る慣性力センサは、検出感度を向上できるので、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の第１の実施の形態における複合センサの検出素子の分解斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 図１のＢ−Ｂ断面図 角速度検出時における同検出素子の動作状態図 対向基板配置時のＡ−Ａ断面図 Ｘ軸方向の加速度検出時における同検出素子の動作状態図 対向基板配置時のＢ−Ｂ断面図 Ｙ軸方向の加速度検出時における同検出素子の動作状態図 従来の検出素子の平面図 図９のＡ−Ａ断面図 図９のＢ−Ｂ断面図 同検出素子の動作状態図

符号の説明

１ 検出素子
３ 錘部
４ 第１固定部
５ 対向基板
６ 第２固定部
７ 固定アーム
８ 第１アーム
９ 第１弾性部
１０ 第２アーム
１１ 第２弾性部
１２ 支持部
１３ スリット
１４ 第１対向電極
１５ 第２対向基板
１６ 第２対向電極
１７ 第５対向電極
１８ 第３対向電極
１９ 第６対向電極
２０ 第４対向電極
２１ 第７対向電極
２２ 駆動電極
２３ 第８対向電極
２４ 検知電極
２６ 第１感知電極
２８ 第２感知電極

Claims (5)

1. 加速度検出部を有する検出素子を備え、
   前記検出素子は、第１連結部を介して錘部を連結した第１固定部と、第２連結部を介して前記第１固定部を連結した第２固定部と、前記錘部の表面側と対向させた第１対向基板と、前記錘部の裏面側と対向させた第２対向基板と、前記錘部と前記第１対向基板の各々の対向面に配置した第１対向電極部と、前記錘部と前記第２対向基板の各々の対向面に配置した第２対向電極部とを有し、前記加速度検出部では、前記第１対向電極部の静電容量の変化量および前記第２対向電極部の静電容量の変化量を検出して加速度を検出しており、
   互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、
   前記第１連結部をＸ軸方向に配置するとともに前記第１連結部または前記第１固定部にＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部を設け、
   前記第２連結部をＹ軸方向に配置するとともに前記第２連結部または前記第２固定部にＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部を設け、前記第２固定部にて実装基板に実装した慣性力センサ。
2. 前記第１弾性部はＹ軸方向にスリットを設けて形成し、前記第２弾性部はＸ軸方向にスリットを設けて形成した請求項１記載の慣性力センサ。
3. 前記第１固定部を枠体部とし、２つの第１連結部を介して前記錘部を連結するとともに前記錘部を前記第１固定部の内方に配置した請求項１記載の慣性力センサ。
4. 前記第１対向電極部および前記第２対向電極部は複数の対向電極を有し、前記錘部のＸ軸方向またはＹ軸方向の移動時に、前記第１対向電極部の一方の対向電極の静電容量の変化量と、他方の対向電極の静電容量の変化量を異ならせ、前記第２対向電極部の一方の対向電極の静電容量の変化量と、他方の対向電極の静電容量の変化量を異ならせた請求項１記載の慣性力センサ。
5. 前記検出素子に角速度検出部を設け、
   前記検出素子は、第１アームを第２アームに直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームを支持した支持部とを有し、前記第１アームを前記第１連結部とするとともに前記第２アームの先端部に前記錘部を連結しており、前記角速度検出部では、前記錘部を駆動振動させ、コリオリ力に起因した前記検出素子の状態変化を検出して角速度を検出する請求項１記載の慣性力センサ。

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