JP2010197061A - 慣性力検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性力を検出する感度と精度を向上させることを目的としている。
【解決手段】錘部７と、可撓性を有し錘部７を支持し、所定の厚みを有し同一平面に形成され、前記厚み方向において対称である第１アーム２、第２アーム３と、前記第１アーム２、第２アーム３を介して前記錘部７を保持する枠体６と、前記錘部７を駆動させる第１駆動電極８、第２駆動電極９と、前記錘部７に作用する慣性力を検出するための感知電極１０とを備え、前記第１アーム２、第２アーム３が、前記第１アーム２、第２アーム３が形成された平面に対する垂直な方向における前記錘部７の厚みよりも薄い箇所を有し、前記錘部７が、前記第１アーム２、第２アーム３が形成された平面に対する垂直な方向において対称であるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度を検出することのできる慣性力検出素子に関するものである。

慣性力検出素子としては、角速度検出素子や加速度検出素子、あるいは角速度と加速度の両方を検出可能な検出素子などが知られている。

このような技術の中では、慣性力を検出可能とするのに十分な質量を備える質量部と、この質量部を保持、固定するための固定部と、固定部と質量部とを連結する連結部とを備え、この連結部が可撓性を有し、慣性力が作用することによる連結部の変形、あるいは、慣性力検出素子内における質量部の位置の変化を利用して慣性力を検出するものが知られている。

慣性力の検出原理は、例えば、加速度の検出に関しては、加速度により質量部が加速度の印加方向と反対の方向へ慣性力が働き、慣性力検出素子内での質量部の位置の変化や連結部の撓みを検知することで行うことができる。また、角速度の検出に関しては、質量部を駆動、振動させ、角速度の回転軸方向と質量部の駆動振動方向の両方に対する垂直な方向にコリオリの力が発生することによって生じる、慣性力検出素子内での質量部の位置の変化や連結部の撓みを検知することで行うことができる。

そして、複数軸方向の加速度や、複数の軸周りの角速度の検出が可能な慣性力検出素子も知られている（例えば、特許文献１）。

一方、加速度や角速度の検出に関し、高感度が慣性力検出素子に求められるようになってきている。感度を高めるためには、質量を大きくし、連結部を撓み易くする方法がある。具体的には、質量部の厚みより、連結部の厚みを薄くする構成が知られている（例えば、特許文献２）。
特開２００８−０４６０５８号公報 特開平８−１６００６７号公報

しかし、上記従来の慣性力検出素子は、質量部と連結部とが同じ厚みであったり、また、質量部の方が厚い構成であっても質量部の重心が連結部から離れた場所になるなどの構成であった。前者の構成においては、検出感度を高くすることができず、また、後者の構成においては、質量部が慣性力を受けた際に、連結部の変形が複雑になったり、あるいは、角速度を検出するために質量部を駆動、振動させた際の質量部の挙動が駆動、振動を加えた方向ではない方向に移動する等の現象が生じるおそれがあり、慣性力の検出精度の低下を招く一因になっていた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、慣性力を検出する感度と精度を向上させることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

請求項１に記載の発明は、質量部と、可撓性を有し前記質量部を支持し、所定の厚みを有し同一平面に形成され、前記厚み方向において対称である連結部と、前記連結部を介して前記質量部を保持する固定部と、前記質量部を駆動させる駆動部と、前記質量部に作用する慣性力を検出するための検出部とを備え、前記連結部が、前記連結部が形成された平面に対する垂直な方向における前記質量部の厚みよりも薄い箇所を有し、前記質量部が、前記連結部が形成された平面に対する垂直な方向において対称である構成を備えている。

この構成により、請求項１に記載の発明は、質量部の重心が連結部の厚み方向の中心に位置するので、慣性力や、外部からの衝撃、あるいは質量部自身の駆動の方向が、連結部が形成されている平面方向に作用しても、質量部はこの平面方向にのみ移動するので、検出精度を向上させることができる。また、連結部に質量部より薄い箇所を設けているので、感度が向上する、という作用効果を有する。

請求項２に記載の発明は、前記固定部が、前記連結部が形成された平面方向に対する垂直な方向において対称であり、かつ前記連結部よりも厚いものである。

この構成により、請求項２に記載の発明は、連結部の厚み方向において、固定部の強度が向上し、また、質量部、連結部、固定部の全てが厚み方向で対称となるため、質量部の挙動および連結部の変形が厚み方向で偏りのないものとなり、検出精度をより向上させることができるという作用効果を有するものである。

本発明は、質量部と、可撓性を有し前記質量部を支持し、所定の厚みを有し同一平面に形成され、前記厚み方向において対称である連結部と、前記連結部を介して前記質量部を保持する固定部と、前記質量部を駆動させる駆動部と、前記質量部に作用する慣性力を検出するための検出部とを備え、前記連結部が、前記連結部が形成された平面に対する垂直な方向における前記質量部の厚みよりも薄い箇所を有し、前記質量部が、前記連結部が形成された平面に対する垂直な方向において対称であるもので、この構成によって、慣性力を検出する感度と精度を向上させることができるという効果を有する。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の請求項１、２に記載の発明について説明する。

図１は本発明の実施の形態１における慣性力検出素子の平面図、図２は同検出素子の正面図、図３は同検出素子の分解斜視図、図４は本発明の実施の形態１における第１の検出素子片の斜視図である。

本発明の実施の形態１における慣性力センサは、角速度を検出する機能を有する慣性力検出素子１を備えている。この慣性力検出素子１は図３に示すように第１の検出素子片１ａと第２の検出素子片１ｂとを貼り合せたものである。慣性力検出素子１は、その厚み方向に対して対称の形状を有しており、また第１の検出素子片１ａと第２の検出素子片１ｂとは互いに厚み方向に対して対称である。

この慣性力検出素子１は、２つの第１アーム２と、この２つの第１アーム２の１つに対し２個の第２アーム３が接続されている。第２アーム３は第１アーム２に対し、略直角方向に連結している。２つの第１アーム２の一端は第３アーム４に支持し、２つの第１アーム２の他端はスリット５が設けられた形状の枠体６（固定部）に連結している。

第２アーム３は、第１アーム２から直角方向に伸びた後に、さらに直角方向、即ち、第１アーム２に平行な方向に伸び、さらにその後、その直角方向、即ち、第１アーム２と連結している部分の第２アーム３の延伸方向と平行な方向に延伸するようにＵ字状に折曲し、折曲した第２アーム３の先端部に錘部７（質量部）を連結している。第１アーム２の厚みは錘部７よりも薄いものとしており、より撓み易くなっている。

第１アーム２と第３アーム４とは略同一直線上に配置され、第１アーム２および第２アーム３を慣性力検出素子１の中心に対して対称配置している。第１アーム２および第２アーム３により連結部を構成する。

互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、第１アーム２をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム３をＹ軸方向に配置した場合、Ｙ軸の正側における互いに対向する第２アーム３の一方には、Ｙ軸の正側における錘部７を駆動振動させる第１駆動電極８（駆動部）を配置し、Ｙ軸の負側における互いに対向する第２アーム３の一方には、Ｙ軸の負側における錘部７を駆動振動させる第２駆動電極９（駆動部）を配置している。また、全ての第２アーム３には、それぞれ、第２アーム３の歪を感知する感知電極１０（検出部）を配置している。これら第１、第２駆動電極８、９、感知電極１０は、圧電層を介在させた上部電極と下部電極とから形成している。なお、第１アーム２および第２アーム３は、ＸＹ平面に平行な平面内に配置されている。また、図４に示すように、第１の検出素子片１ａは、第１アーム片２ａ、第２アーム片３ａ、第３アーム片４ａ、スリット５、枠体片６ａおよび錘部片７ａを備えている。第１アーム片２ａ、第２アーム片３ａ、第３アーム片４ａ、枠体片６ａおよび錘部片７ａは、それぞれ第２の検出素子片１ｂにおける対応する構成要素ともに、第１アーム２、第２アーム３、第３アーム４、枠体６および錘部７を構成している。また、第１の検出素子片１ａと第２の検出素子片１ｂの貼り付ける方向は、図４における第１駆動電極８、第２駆動電極９、感知電極１０が形成された面を貼り付ける面としている。この場合、第１駆動電極８、第２駆動電極９、感知電極１０は慣性力検出素子１の内部に形成されることになる。なお、第１駆動電極８、第２駆動電極９、感知電極１０は第１の検出素子片１ａと第２の検出素子片１ｂの両方に形成する必要はなく、いずれか一方にのみ形成すればよく、本実施の形態においては第１の検出素子片１ａにのみ形成している。また、第１駆動電極８、第２駆動電極９、感知電極１０は慣性力検出素子１の内部に形成するのではなく、表面に現れる位置に形成してもよい。例えば、図４においてこれらの電極が形成されている面の反対側の面に形成してもよい。

次に、角速度の検出について説明する。

図５は慣性力検出素子１の駆動振動状態図である。

互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、第１アーム２をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム３をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極８、９に共振周波数の交流電圧を印加して、第１、第２駆動電極８、９が配置された第２アーム３を起点に第２アーム３を駆動振動させ、それに伴って錘部７も第２アーム３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）に駆動振動させている。４つの第２アーム３および４つの錘部７の全てが同調して第２アーム３の対向方向（駆動振動方向）に駆動振動し、この慣性力検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となっている。

このとき、本発明では、例えば、第１駆動電極８に印加する交流電圧と、第２駆動電極９に印加する交流電圧とを互いに逆位相にして印加して、Ｙ軸の正側の第２アーム３の駆動振動状態とＹ軸の負側の第２アーム３の駆動振動状態とをちょうど逆の状態になるようにしている。すなわち、Ｙ軸の正側の第２アーム３の距離が狭まる状態のときは、Ｙ軸の負側の第２アーム３の距離は広がる状態になるようにしている。

この結果、上記の慣性力検出素子１では、Ｘ軸の正側に配置された２つの第２アーム３は互いに逆方向に振動し、Ｘ軸の負側に配置された２つの第２アーム３も互いに逆方向に振動し、Ｙ軸の正側に配置された第２アーム３とＹ軸の負側に配置された第２アーム３も互いに逆方向に振動することになる。

具体的な角速度の検出について説明する。

このような慣性力検出素子１において、例えば、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、錘部７の駆動振動と同調して、図６に示すように、錘部７に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム３にＺ軸の右回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。この慣性力検出素子１のコリオリ方向はＹ軸方向となる。コリオリ力が発生した場合、第２アーム３に配置した各々の感知電極１０により第２アーム３の歪を感知し、この感知電極１０の極性によってコリオリ力の発生方向を見極める。例えば、第２アーム３の各々に配置した感知電極１０をそれぞれ２つずつ設けて、第２アーム３の内側の歪と外側の歪の違いを感知させて、コリオリ力の発生方向を見極めてもよい。第２アーム３の内側における歪の伸び率と外側における歪の伸び率が異なるので、歪の違いを感知できる。Ｚ軸の左回りの角速度が生じた場合も同様に第２アーム３の歪を感知すればよい。

また、Ｙ軸の右回りに角速度が生じた場合は、錘部７の駆動振動と同調して、図７に示すように、錘部７に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム３にＹ軸の右回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。この慣性力検出素子１のコリオリ方向はＺ軸方向となる。コリオリ力が発生した場合、第２アーム３に配置した各々の感知電極１０により第２アーム３の歪を感知し、この感知電極１０の極性によってコリオリ力の発生方向を見極める。例えば、第２アーム３のＺ軸の正側の歪とＺ軸の負側の歪の違いを感知させて、コリオリ力の発生方向を見極めてもよい。第２アーム３のＺ軸の正側の歪の伸び率とＺ軸の負側の歪の伸び率が異なるので、歪の違いを感知できる。Ｙ軸の左回りの角速度が生じた場合も同様に第２アーム３の歪を感知すればよい。

上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２をＸ軸方向に配置し、第２アーム３をＹ軸方向に配置した場合、第２アーム３をＸ軸方向に駆動振動させれば、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪を第２アーム３に発生させることができ、この歪を感知すればＺ軸周りの角速度を検出できる。また、Ｙ軸周りの角速度に起因した歪を第２アーム３に発生させることもでき、この歪を感知すればＹ軸周りの角速度も検出できる。

特に、上記慣性力検出素子１では、第２アーム３をＸ軸方向に振動させて角速度に起因した第２アーム３の歪を感知するが、この第２アーム３の歪は、第２アーム３のＸ軸方向の振動にともなって、角速度に起因したＹ軸方向への振動またはＺ軸方向への振動として形成される。したがって、第２アーム３には、Ｘ軸方向の振動と、角速度に起因したＹ軸方向またはＺ軸方向の振動が発生し、このとき、第２アーム３のＸ軸方向の振動周波数とＹ軸方向の振動周波数とＺ軸方向の振動周波数とは、それぞれ、第２アーム３のＸ軸方向の共振周波数とＹ軸方向の共振周波数とＺ軸方向の共振周波数となっている。第２アーム３の歪を感知する際は、第２アーム３のＸ軸方向の振動周波数を基準にして感知するので、第２アーム３のＸ軸方向の共振周波数とＹ軸方向またはＺ軸方向の共振周波数の周波数差は小さい方が感度を向上させることができる。

なお、本発明の慣性力センサの慣性力検出素子１に加速度検出部を形成してもよい。

加速度検出部は、上記の慣性力検出素子１において、第２アーム３よりも薄く形成した第１アーム２にて、加速度に起因した第１アーム２の歪を感知させ、加速度を検出するようにすればよい。

上記構成により、角速度センサとしての機能を保持しつつ、加速度センサとしての機能も保持することができる。

また、加速度検出部は次のように形成してもよい。

錘部７と対向する対向基板を配置するとともに錘部７と対向基板の各々の対向面に対向電極を配置し、第１アーム２の厚みを第２アーム３よりも薄くして、加速度に起因した対向電極間の静電容量変化を感知して加速度を検出してもよい。

本実施の形態の慣性力検出素子１は、錘部７が、第１アーム２および第２アーム３が形成されたＸＹ方向の平面に対し対称であるので、錘部７の重心も第１アーム２および第２アーム３が形成されたＸＹ方向の平面内に存在することになる。したがって、角速度を検出するために錘部７をＸＹ平面方向に駆動、振動させた場合に、錘部７の駆動、振動自体によるＺ軸方向での重心の移動はないので、錘部７の駆動、振動によって外部に漏れるＸＹ平面方向の振動を低下あるいは無くすことが可能となるので、外部に漏れた振動が反射して慣性力検出素子１に作用することによる慣性力の検出精度の悪化を低減または防止することができる。

また、枠体６が第１アーム２および第２アーム３が形成されたＸＹ方向の平面に対し対称であり、第１アーム２および第２アーム３よりも厚いので、Ｚ軸方向の強度に異方性がなく強固になり、錘部７の駆動、振動や慣性力、あるいは外力に対しても変形し難い構造となり、慣性力の検出精度を向上させることができる。

（実施の形態２）
図８〜図１０は、本発明の実施の形態２を説明する図面であり、図８は本発明の実施の形態２における慣性力検出素子の平面図、図９は同慣性力検出素子の平面断面図、図１０は同慣性力検出素子の分解斜視図である。

実施の形態２における慣性力検出素子は、図１０に示すように、第３の検出素子片１ｃ、第４の検出素子片１ｄおよび第５の検出素子片１ｅを貼り合せたものである。第３の検出素子片１ｃは実施の形態１における第１の検出素子片１ａの厚みを一定にしたもので、第４の検出素子片１ｄと第５の検出素子片１ｅは、実施の形態１における第１の検出素子片１ａの第１アーム片２ａ、第２アーム片３ａおよび錘部片７ａを一定の厚みにしたものである。なお、慣性力検出素子１は厚み方向に対称である。この場合においても、錘部７が、第１アーム２および第２アーム３が形成されたＸＹ方向の平面に対し対称であるので、錘部７の重心も第１アーム２および第２アーム３が形成されたＸＹ方向の平面内に存在することになる。したがって、角速度を検出するために錘部７をＸＹ平面方向に駆動、振動させた場合に、この駆動、振動自体によって錘部７がＺ軸方向に移動することはなく、角速度の検出を精度良く行うことができる。

（実施の形態３）
図１１〜図１３は、本発明の実施の形態３を説明する図面であり、図１１は本発明の実施の形態３における慣性力検出素子の平面図、図１２は同慣性力検出素子の平面断面図、図１３は同慣性力検出素子の分解斜視図である。

実施の形態３における慣性力検出素子１は、図１３に示すように実施の形態１における第１の検出素子片１ａに第６の検出素子片１ｆを貼り付けたものである。第６の検出素子片１ｆは実施の形態２における第４の検出素子片１ｄと形状が似ているが、厚みが異なっている。錘部７が、第１アーム２および第２アーム３が形成されたＸＹ方向の平面に対し対称となるように第６の検出素子片１ｆの厚みを設定している。これにより、錘部７の重心が第１アーム２および第２アーム３が形成されたＸＹ方向の平面内に存在することになる。したがって、角速度を検出するために錘部７をＸＹ平面方向に駆動、振動させた場合に、この駆動、振動自体によって錘部７がＺ軸方向に移動することはなく、角速度の検出を精度良く行うことができる。

本発明にかかる慣性力検出素子は、慣性力を検出する感度と精度を向上させることができるという優れた効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１における慣性力検出素子の平面図 同検出素子の正面図 同検出素子の分解斜視図 本発明の実施の形態１における第１の検出素子片の斜視図 同慣性力検出素子の駆動振動状態図 Ｚ軸周りの角速度に起因した同慣性力検出素子の歪振動状態図 Ｙ軸周りの角速度に起因した同慣性力検出素子の歪振動状態図 本発明の実施の形態２における慣性力検出素子の平面図 同慣性力検出素子の平面断面図 同慣性力検出素子の分解斜視図 本発明の実施の形態３における慣性力検出素子の平面図 同慣性力検出素子の平面断面図 同慣性力検出素子の分解斜視図

１ 慣性力検出素子
１ａ 第１の検出素子片
１ｂ 第２の検出素子片
１ｃ 第３の検出素子片
１ｄ 第４の検出素子片
１ｅ 第５の検出素子片
１ｆ 第６の検出素子片
２ 第１アーム（連結部）
２ａ 第１アーム片
３ 第２アーム（連結部）
３ａ 第２アーム片
４ 第３アーム
４ａ 第３アーム片
５ スリット
６ 枠体（固定部）
６ａ 枠体片
７ 錘部（質量部）
７ａ 錘部片
８ 第１駆動電極
９ 第２駆動電極
１０ 感知電極

Claims (2)

1. 質量部と、
   可撓性を有し前記質量部を支持し、所定の厚みを有し同一平面に形成され、前記厚み方向において対称である連結部と、
   前記連結部を介して前記質量部を保持する固定部と、
   前記質量部を駆動させる駆動部と、
   前記質量部に作用する慣性力を検出するための検出部とを備え、
   前記連結部が、前記連結部が形成された平面に対する垂直な方向における前記質量部の厚みよりも薄い箇所を有し、
   前記質量部が、前記連結部が形成された平面に対する垂直な方向において対称である慣性力検出素子。
2. 前記固定部が、前記連結部が形成された平面方向に対する垂直な方向において対称であり、かつ前記連結部よりも厚い請求項１記載の慣性力検出素子。

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