(57)【要約】  慣性力センサ用検出素子は、質量部と、励振部と、検出部とを有する。励振部は、互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、第３方向に質量部を励振させる。検出部は、第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への質量部の変位に応じた信号を出力する。第１方向および第２方向の共振周波数Ｆｓｘ，Ｆｓｙは、第３方向の共振周波数Ｆｚｄよりも大きく設定されている。
2010092806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量部と、
互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
前記第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を備え、
前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくした、
慣性力センサ用検出素子。
【請求項２】
前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にした、
請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
【請求項３】
前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを直交方向に連結して形成した複数の直交アームを有し、複数の前記直交アームの前記第１アームが互いに連結されるとともに、前記第２アームの先端に前記質量部が形成された、
請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
【請求項４】
前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを交差するように連結して形成した交差アームを有し、前記交差アームの中央に前記質量部が形成された、
請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
【請求項５】
前記励振部と前記検出部は、平板状の基盤を有し、前記基盤の中央に前記質量部が形成された、
請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
【請求項６】
検出素子と駆動部と処理回路とを備え、
前記検出素子は、
質量部と、
互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を有し、
前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくされ、
前記駆動部は前記励振部に接続され、前記励振部に駆動信号を入力し、
前記処理回路は前記検出部に接続され、前記検出部から出力される信号に基づき前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位を検出する、
慣性力センサ。
【請求項７】
前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にした、
請求項６記載の慣性力センサ。
【請求項８】
前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを直交方向に連結して形成した複数の直交アームを有し、複数の前記直交アームの前記第１アームが互いに連結されるとともに、前記第２アームの先端に前記質量部が形成された、
請求項６記載の慣性力センサ。
【請求項９】
前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを交差するように連結して形成した交差アームを有し、前記交差アームの中央に前記質量部が形成された、
請求項６記載の慣性力センサ。
【請求項１０】
前記励振部と前記検出部は、平板状の基盤を有し、前記基盤の中央に前記質量部が形成された、
請求項６記載の慣性力センサ。
【請求項１１】
前記処理回路は、前記質量部の第２方向への変位に基づいて第１方向回りの慣性力を検出するとともに、前記質量部の第１方向への変位に基づいて第２方向回りの慣性力を検出する、
請求項６記載の慣性力センサ。
【請求項１２】
前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にするとともに、
前記処理回路は、第１の時間において、前記第１方向への前記質量部の変位を検出し、前記第１の時間とは異なる第２の時間において、前記第２方向への前記質量部の変位を検出する、
請求項６記載の慣性力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶等の移動体の姿勢制御や、ゲーム機やナビゲーションの位置検出等、各種電子機器に用いられる慣性力センサとそれに用いる検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の慣性力センサの一つである角速度センサについて説明する。従来の角速度センサは、音さ形状やＨ形状やＴ形状や円盤形状等の検出素子を有する。この検出素子を振動させ、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。例えば、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、ナビゲーション装置用の角速度センサでは、車両のＺ軸周りの角速度を検出している。【０００３】
図１１は従来の角速度センサの検出素子の斜視図、図１２は図１１の１２−１２線における断面図である。検出素子５１は音さ形状であって、２本のアーム５２（５２Ａ、５２Ｂ）と、アーム５２を連結した基部５３とを有する。【０００４】
アーム５２にはそれぞれ、アーム５２を駆動振動させる駆動電極５４や角速度に起因したアーム５２の歪を感知する感知電極５５が配置されている。例えば、各々の駆動電極５４や感知電極５５は圧電体５６を介在させた上部電極５７と下部電極５８から形成されている。【０００５】
検出素子５１は、例えば、ＸＹ平面に対してＺ軸方向に立てて配置される。この状態でアーム５２をＸ軸方向に駆動振動させ、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪をアーム５２で感知する。この検出により、Ｚ軸周りの角速度が検出される。アーム５２の駆動振動面（ＸＺ平面）とアーム５２の歪面（ＹＺ平面）とは互いに直交しており、アーム５２Ａとアーム５２Ｂでは歪の方向が逆である。例えば、アーム５２ＡがＹ軸の正方向に歪めば、アーム５２ＢはＹ軸の負方向に歪む。このような角速度センサは例えば、特許文献１に開示されている。【０００６】
一般的に、角速度を検出する際、励振用の周波数と感知用の周波数との周波数差（離調周波数）を小さくする方が、感知用電極５５の感度を向上できるので有利である。このようにすれば、結果として角速度の検出感度も向上する。また、励振用の周波数と感知用の周波数は、それぞれ、検出素子５１の共振周波数になるように設計される。しかしながらこれだけの指標に基づいて検出素子５１を設計すると充分なゲインが得られない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２０８５４６号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明は検出軸の慣性力を検出する場合のゲインを高め、感度特性を向上した検出素子とそれを用いた慣性力センサである。本発明の慣性力センサ用検出素子は質量部と、励振部と、検出部とを有する。励振部は互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、第３方向に質量部を励振させる。検出部は第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への質量部の変位に応じた信号を出力する。第１方向および第２方向の共振周波数は前記第３方向の共振周波数よりも大きく設定されている。
【０００９】
この構成により、第１方向回りや第２方向回りの慣性力を検出する際に、検出感度の感度効率を向上できるとともに、検出感度のバラツキを抑制できる。よって、感度特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明の実施の形態における慣性力センサの一つである角速度センサの検出素子の斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは図１に示す検出素子の部分断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは図１に示す他の検出素子の断面図である。
【図３】図３は本発明の実施の形態における慣性力センサのブロック図である。
【図４】図４は図１に示す検出素子の動作状態図である。
【図５】図５は角速度センサの検出素子の共振アドミタンス特性波を示す図である。
【図６】図６は本実施の形態における検出素子の共振アドミタンス特性波を示す図である。
【図７】図７は本実施の形態における角速度センサの処理回路における角速度の算出処理の一例を説明するための図である。
【図８】図８は本実施の形態における慣性力センサの他の検出素子の斜視図である。
【図９】図９は本実施の形態における慣性力センサの他の検出素子の上面図である。
【図１０】図１０は本実施の形態における慣性力センサの他の検出素子の断面図である。
【図１１】図１１は従来の角速度センサの検出素子の斜視図である。
【図１２】図１２は図１１の１２−１２線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明の実施の形態における慣性力センサの一つである角速度センサの検出素子の斜視図である。図２Ａは図１に示す検出素子の部分断面図である。図３は本発明の実施の形態における角速度センサのブロック図である。図４は図１に示す検出素子の動作状態図である。
【００１２】
図３に示すように、この角速度センサは検出素子１と駆動部８１と処理回路８２とを有する。検出素子１は図１に示すように、支持部６から左右（Ｚ軸方向）に伸びる２本の第１アーム２（２Ａ、２Ｂ）と、各第１アーム２の支持部６側から上下（Ｙ軸方向）に伸びる２本の第２アーム４とを有する。第１アーム２Ａから伸びる第２アーム４は上側の第２アーム４１Ａと下側の第２アーム４２Ａで構成され、第１アーム２Ｂから伸びる第２アーム４は上側の第２アーム４１Ｂと下側の第２アーム４２Ｂで構成されている。このようにこの検出素子１は第１アーム２と第２アーム４とを直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有する。この２つの直交アームでは、第１アーム２の一端が支持部６にて互いに連結されている。
【００１３】
また第１アーム２の他端は基板に実装するための実装用アーム８（８Ａ、８Ｂ）に連結されている。２つの第１アーム２と支持部６とは一直線上に配置され、実装用アーム８は第１アーム２に対して直交するように配置されている。すなわち、第１アーム２Ａ、２Ｂと支持部６とは一直線上に配置されている。そして実装用アーム８Ａ、８Ｂは第１アーム２Ａ、２Ｂに対して直交するように配置されている。
【００１４】
また、第２アーム４は互いに非常に近接するように配置され、実装用アーム８に近づくようにＵ字形状に折曲し、その先端には質量部１０が形成されている。すなわち、第２アーム４１Ａと第２アーム４１Ｂ、第２アーム４２Ａと第２アーム４２Ｂは互いに非常に近接するように配置されている。そして第２アーム４１Ａ、４１Ｂは実装用アーム８Ａに近づくようにＵ字形状に折曲し、第２アーム４１Ｂ、４２Ｂは実装用アーム８Ｂに近づくようにＵ字形状に折曲している。さらに第２アーム４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｂ、４２Ｂの先端にはそれぞれ質量部１０１Ａ、１０２Ａ、１０１Ｂ、１０２Ｂが形成されている。
【００１５】
検出素子１は、質量部１０と、励振部と、検出部とを有する。励振部は、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のうち、Ｚ軸方向に質量部１０を励振させる。検出部は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の少なくともいずれかの方向への質量部１０の変位を検出する。角速度を検出する際、質量部１０の励振方向がＺ軸方向である時、処理回路８２は、質量部１０のＹ軸方向への変位に基づく検出部からの出力によりＸ軸回りの角速度を検出する。また質量部１０のＸ軸方向への変位に基づく検出部からの出力によりＹ軸回りの角速度を検出する。
【００１６】
具体的には、励振部は、Ｙ軸の正側に配置された第２アーム４である第２アーム４１Ａ、４１Ｂの支持部６側にそれぞれ、第１励振用電極１２、第２励振用電極１４を配置して形成されている。一方、検出部は、Ｙ軸の負側に配置された第２アーム４である第２アーム４２Ａ、４２Ｂの支持部６側にそれぞれ、第１感知用電極１６、第２感知用電極１８を配置して形成されている。第１感知用電極１６は第２アーム４２Ａの歪を感知し、第２感知用電極１８は第２アーム４２Ｂの歪を感知する。励振部、検出部は検出素子１のＹＺ平面上に形成される。
【００１７】
また、検出素子１は、電極パッド７０〜７３を有する。電極パッド７０は第１励振用電極１２と、電極パッド７１は第２励振用電極１４と、それぞれ電気的に接続されている。また電極パッド７２は第１感知用電極１６と、電極パッド７３は第２感知用電極１８と、それぞれ電気的に接続されている。
【００１８】
図３に示すように、駆動部８１は配線７４、７５を介して電極パッド７０、７１に電気的に接続されている。また処理回路８２は配線７６〜７９を介して電極パッド７２、７３に電気的に接続されている。したがって駆動部８１は第１、第２励振用電極１２、１４に電気的に接続され、処理回路８２は第１、第２感知用電極１６、１８に電気的に接続されている。
【００１９】
図２Ａに示すように、第１、第２励振用電極１２、１４や第１、第２感知用電極１６、１８は、圧電体２２を介在させた電極２１、２３で形成されている。あるいは、図２Ｂの断面図に示すように、検出素子１を覆う蓋２５を設けるとともに、蓋２５と質量部１０１Ｂに容量結合させた対向電極２６を配置してもよい。駆動部８１は、電極２１、２３間に交流電圧を印加して圧電体２２の圧電状態を変化させる。これによって第１、第２励振用電極１２、１４は検出素子１を励振する。検出素子１に印加された角速度によって第１、第２感知用電極１６、１８の圧電体２２の圧電状態が変化し、第１、第２感知用電極１６、１８はこれによって生じる電流信号を出力する。あるいは、検出素子１に印加された加速度によって対向電極２６間に生じる容量変化を信号として用いてもよい。対向電極２６を用いた構成は例えば特開２００８−２０３０７０号公報に開示されている。
【００２０】
次に図３、図４を参照しながら、本実施の形態による角速度センサの動作を説明する。互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、例えば、検出素子１の第１アーム２をＺ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置する。この場合、駆動部８１から第１、第２励振用電極１２、１４に交流電圧を印加すると、第２アーム４１Ａ、４１Ｂが励振するとともに、質量部１０１Ａ、１０１Ｂも同調して励振する。そして質量部１０１Ａ、１０１Ｂの振動が質量部１０２Ａ、１０２Ｂに伝わって質量部１０２Ａ、１０２Ｂも励振し、その結果、第２アーム４２Ａ、４２Ｂも励振する。
【００２１】
質量部１０の励振方向３１はＺ軸方向であって、質量部１０が互いに遠ざかる方向と近づく方向に、４つの質量部１０が同調して励振する。すなわち。質量部１０１Ａと質量部１０１Ｂは互いに遠ざかる方向と近づく方向に励振し、質量部１０２Ａと質量部１０２Ｂは互いに遠ざかる方向と近づく方向に励振する。また質量部１０１Ａと質量部１０２Ａは同じ方向に同調して励振する。
【００２２】
この状態で、例えば、Ｘ軸回りに角速度が生じた場合は、質量部１０の励振と同調して、質量部１０に対して励振方向と直交したＹ軸方向にコリオリ力３２が発生し、第２アーム４１Ｂ、４２ＢにＹ軸方向への歪が発生する。この歪に応じた電流信号が第１、第２感知用電極１６、１８に生じる。処理回路８２はこの出力に基づきＸ軸回りの角速度を検出する。
【００２３】
また、Ｙ軸回りに角速度が生じた場合は、質量部１０の励振と同調して、質量部１０に対して励振方向と直交したＸ軸方向にコリオリ力が発生し、第２アーム４１Ｂ、４２ＢにＸ軸方向への歪が発生する。この歪に応じた電流信号が第１、第２感知用電極１６、１８に生じる。処理回路８２はこの出力に基づきＹ軸回りの角速度を検出する。
【００２４】
なおＸ軸回りに角速度が生じた場合とＹ軸回りに角速度が生じた場合とでは、第１、第２感知用電極１６、１８の各電極に生じる信号の符号（正負）の組み合わせが異なる。そのため処理回路８２はＸ軸回りに角速度が生じたのか、Ｙ軸回りに角速度が生じたのかを区別することができる。なお用途によってはＸ軸回り、Ｙ軸回りのいずれか一方の角速度のみを検出してもよい。
【００２５】
一般的に、角速度を検出する際、励振用の周波数と感知用の周波数との周波数差（離調周波数）を小さくする方が、第１、第２感知用電極１６、１８の感度を向上できるので有利である。このようにすれば、結果として角速度の検出感度も向上する。
【００２６】
また、励振用の周波数と感知用の周波数は、それぞれ、検出素子１の共振周波数になるように設計される。すなわち、図４では、励振用の周波数は、励振方向のＺ軸方向における共振周波数（Ｆｚｄ）とし、感知用の周波数は、歪の発生方向であるＸ軸方向の共振周波数（Ｆｓｘ）およびＹ軸方向の共振周波数（Ｆｓｙ）となるように設計される。
【００２７】
このとき、例えば、検出素子１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振アドミタンス特性波は図５に示すようになる。そしてＦｚｄ、Ｆｓｘ、Ｆｓｙの関係はＦｚｄ＞Ｆｓｘ＞Ｆｓｙとなる。
【００２８】
第１、第２感知用電極１６、１８の感度出力値（ゲイン）は、歪の発生方向がＸ軸方向である場合はＧｓｘであり、歪の発生方向がＹ軸方向である場合はＧｓｙである。ここで、ＧｓｘとＧｓｙは、共振周波数（Ｆｚｄ）におけるＸ軸、Ｙ方向の共振アドミタンス特性波のゲインを意味する。Ｘ軸、Ｙ軸方向の共振アドミタンス特性波は、図５に示すように、共振周波数であるＦｓｘ、Ｆｓｙを中心にして、反共振周波数側（高周波数域側）は急峻な波形であり、反共振周波数と遠ざかる側（低周波数域側）は緩やかな波形となる。すなわち、Ｆｚｄ＞Ｆｓｘ＞Ｆｓｙであれば、ＦｚｄとＦｓｘおよびＦｓｙとの離調周波数を小さくしても、急峻な波形なので、充分なゲインが得られにくい。また、ＦｓｘおよびＦｓｙが低周波数域側にずれた場合は、著しくゲインが低下する。
【００２９】
したがって、本実施の形態では、図６に示すように、Ｆｚｄ＜Ｆｓｙ＜Ｆｓｘとしている。Ｆｚｄ＜Ｆｓｙ＜Ｆｓｘであれば、Ｘ軸、Ｙ軸方向の共振アドミタンス特性波が緩やかになるので、ＦｚｄとＦｓｘおよびＦｚｄとＦｓｙとの離調周波数を小さくしても、充分なゲインが得られやすい。また、ＦｓｘおよびＦｓｙが低周波数側にずれた場合でも、ゲインを著しく低下させることもない。なお、ＦｚｄとＦｓｘとＦｓｙの関係は、Ｆｚｄ＜Ｆｓｘ＜Ｆｓｙでもよく、ＦｓｘとＦｓｙがＦｚｄよりも大きければよい。
【００３０】
Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｚｄの大きさの関係は、例えば第２アーム４の断面の縦横比を変えることによって設定することができる。図１に示すように第２アーム４は、Ｘ軸方向の厚み４Ｂと、支持部６からＹ軸方向に伸びる部分の幅４Ｃと、実装用アーム８に近づくように折れ曲がり、Ｚ軸方向に伸びる部分の幅４Ａとを有する。ここで幅４Ａ、厚み４Ｂ、幅４Ｃの値をそれぞれａ、ｂ、ｃとする。Ｆｓｘは、ｂ／ｃを大きくすれば大きくなり、ｂ／ｃを小さくすれば小さくなる。Ｆｓｙは、ａ／ｃを大きくすれば大きくなり、ａ／ｃを小さくすれば小さくなる。またＦｚｄは、ｃ／ａを大きくし、かつ、ｃ／ｂを大きくすれば大きくなり、ｃ／ａを小さくし、かつ、ｃ／ｂを小さくすれば小さくなる。したがってこれらの関係に基づきａ、ｂ、ｃを適切に設定すればＦｓｘとＦｓｙをＦｚｄよりも大きくすることができる。
【００３１】
共振周波数が以上のような関係になるよう検出素子１を設計すれば、検出感度の感度効率が向上し、かつ、検出感度のバラツキが抑制され、感度特性が向上する。
【００３２】
特に、ＦｓｘとＦｓｙを同等にすれば、ＧｓｘとＧｓｙの感度出力値を信号処理や増幅処理する際も、処理回路の共有化や共通化が可能となる。これによって、別々の処理回路を設ける必要がないので、処理回路における誤差（バラツキ）の影響を受けることがなく、検出誤差（検出バラツキ）を抑制して検出感度を向上できる。
【００３３】
このようにＸ軸回りの角速度、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理回路を共通化する場合のセンサにおける処理について図７を用いて説明する。図７はこの角速度センサの処理回路における角速度の算出処理の一例を説明するための図である。
【００３４】
図３に示すように、処理回路８２は第１感知用電極１６及び第２感知用電極１８から出力される感知信号を配線７６〜７９を介して受け取り、角速度を算出処理する。その際、ＦｓｘとＦｓｙとを同等の周波数にすれば、処理回路８２はＸ軸周りの角速度とＹ軸周りの角速度とを時分割で算出することができる。
【００３５】
図７に示すように、処理回路８２は、時刻ｔ０と時刻ｔ１との間及び時刻ｔ２と時刻ｔ３の時間にＸ軸回りの角速度を算出する処理を行う。そして時刻ｔ１と時刻ｔ２との間及び時刻ｔ３と時刻ｔ４との間にＹ軸回りの角速度を算出する処理を行う。すなわち、処理回路８２は、第１の時間において、第１方向への質量部１０２Ａ、１０２Ｂの変位を検出する。そして第１の時間とは異なる第２の時間において、第２方向への質量部１０２Ａ、１０２Ｂの変位を検出する。このように処理を時分割することにより、単一の処理回路８２でＸ軸回りの角速度を算出する処理と、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理を共に実現することができる。
【００３６】
具体的には、ｔ０−ｔ１間及びｔ２−ｔ３間には、配線７７から入力される信号（Ｓ７７）と配線７９から入力される信号（Ｓ７９）との和（和Ａ）を算出する。一方、配線７６から入力される信号（Ｓ７６）と配線７８から入力される信号（Ｓ７８）との和（和Ｂ）を算出する。そして、和Ａと和Ｂとの差を算出することでＸ軸回りの角速度Ｙｘを算出することができる。すなわち、Ｘ軸回りの角速度Ｙｘは（式１）により算出することができる。
【００３７】
Ｙｘ＝（Ｓ７７＋Ｓ７９）−（Ｓ７６＋Ｓ７８）      （式１）
また、ｔ１−ｔ２間及びｔ３−ｔ４間には、配線７６から入力される信号（Ｓ７６）と配線７７から入力される信号（Ｓ７７）との和（和Ｃ）を算出する。一方、配線７８から入力される信号（Ｓ７８）と配線７９から入力される信号（Ｓ７９）との和（和Ｄ）を算出する。そして、和Ｃと和Ｄとの差を算出することでＹ軸回りの角速度Ｙｙを算出することができる。すなわち、Ｙ軸回りの角速度Ｙｙは（式２）により算出することができる。
【００３８】
Ｙｙ＝（Ｓ７６＋Ｓ７７）−（Ｓ７８＋Ｓ７９）      （式２）
ここで、Ｘ軸回りの角速度を算出するための処理回路の状態から、Ｙ軸回りの角速度を算出するための処理回路の状態へ遷移するためには、切替時間Ｔが必要となる。ＦｓｘとＦｓｙとが著しく異なる場合、切替時間Ｔの間に処理回路８２のゲインやフィルタの定数などを切り替える必要がある。また、処理回路８２を、（式１）を算出する構成と（式２）を算出する構成とに切り替える必要がある。そのため、切替時間Ｔをある程度長く設定する必要がある。
【００３９】
しかしながら、検出素子１においてＦｓｘとＦｓｙとを同等にすれば、処理回路８２のゲインやフィルタの定数などを切り替える必要がない。したがって、処理回路８２における切替時間Ｔを短縮することができる。
【００４０】
なお、処理回路８２はロジックＩＣ等で実現されるのが一般的であるが、これに限るものではない。すなわち、デジタルシグナルプロセッサやマイコン等を用いてソフトウェアで処理回路８２の全ての機能又は一部の機能を実現してもよい。
【００４１】
なお、ＦｓｘとＦｓｙとは全く同一ではなくても、ＦｓｘとＦｓｙとの差が所定の範囲内であれば、処理回路の共有化や共通化が可能となる。例えば、処理回路のゲインばらつきの許容値は一般的に５％であるため、感度出力値（ゲイン）の差が５％以内となる範囲の周波数差とすればよい。これにより、Ｘ軸回りの角速度を算出する処理回路と、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理回路との共有化や共通化を行ったとしても、ＦｓｘとＦｓｙとの差の影響を小さくすることができる。また、ＦｓｘとＦｓｙとの差は、製造ばらつきに起因する共振周波数のばらつきの範囲内（例えば、１％以内）とすればよい。これにより、Ｘ軸回りの角速度を算出する処理回路と、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理回路とを共有化したり共通化したりしても、Ｘ軸周りの角速度の算出誤差とＹ軸周りの角速度の算出誤差との差を製造ばらつきの範囲内に抑えることができる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態によれば、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の質量部１０の励振方向をＺ軸方向とする。この時、質量部１０のＹ軸方向への変位に基づいてＸ軸回りの慣性力を検出し、質量部１０のＸ軸方向への変位に基づいてＹ軸回りの慣性力を検出する。このように、１つの検出素子１で複数の検出軸の慣性力を検出することができる。よって、複数の検出軸の慣性力を検出する場合でも、複数の検出素子１や複数の慣性力センサを実装する必要がないので、実装面積が小さくなり、慣性力センサを搭載する各種電子機器を小型化することができる。
【００４３】
また、検出素子１では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数がＺ軸方向の共振周波数よりも大きく設定されている。そのため、Ｘ軸回りやＹ軸回りの慣性力を検出する際に、検出感度の効率を向上できる。また、検出感度のバラツキを抑制できる。よって、感度特性を向上することができる。
【００４４】
なお、検出素子１の形状としては、本実施の形態以外の形状でも、同様の効果を得ることができる。例えば、図８に示すように検出素子は、第１アーム２と第２アーム４とを直交方向に連結して形成した３つ以上の直交アームを有する構造で構成されていてもよい。それらの直交アームでは、第１アーム２が互いに連結されるとともに、第２アーム４の先端に質量部１０が形成されている。この形状に関連する先行技術文献情報としては、特開２００４−２４５６０５号公報や特開２００５−２２１３６１号公報がある。これらに開示された検出素子１は直交アームを３つ以上用いて形成される。
【００４５】
あるいは、図９に示すように、検出素子は、第１アーム２と第２アーム４とを交差するように連結して形成した交差アームを有する構造で構成されていてもよい。そして、この交差アームの中央に質量部１０が形成されている。この形状に関連する先行技術文献情報としては、特開平６−１７４７３９号公報や特開平７−１９０７８２号公報がある。この構造では第１アーム２および第２アーム４が梁として形成される。
【００４６】
あるいは、図１０に示すように、検出素子は、平板状の基盤９１と、基盤９１の中央に質量部１０を形成した構造を有していてもよい。この形状に関連する先行技術文献情報としては、特開平８−１４５６８３号公報や特開平１０−１８５５８２号公報がある。この構造では第１アーム２および第２アーム４の代わりにダイヤフラム（平板状の基盤９１）が形成されている。
【００４７】
いずれの場合も、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数がＺ軸方向の共振周波数よりも大きく設定されていれば、図１に示す検出素子１と同様の効果を奏する。
【００４８】
なお、以上の説明では質量部１０の励振方向をＺ軸方向とした場合を説明したが検出素子の配置はこれに限定されない。例えば質量部１０の励振方向をＹ軸方向とする場合、処理回路８２はＺ軸まわり、Ｘ軸まわりの角速度を算出する。すなわち、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向である。また本実施の形態では角速度を検出しているが、検出素子を用いて加速度を検出してもよい。
【００４９】
また以上の説明では慣性力センサとして角速度センサを中心に説明したが、加速度センサ等にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る慣性力センサは、複数の検出軸の慣性力を検出でき、各種電子機器に適用できる。
【符号の説明】
【００５１】
１    検出素子
２，２Ａ，２Ｂ    第１アーム
４，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ    第２アーム
４Ａ，４Ｃ    幅
４Ｂ    厚み
６    支持部
８，８Ａ，８Ｂ    実装用アーム
１０，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ    質量部
１２    第１励振用電極
１４    第２励振用電極
１６    第１感知用電極
１８    第２感知用電極
２１，２３    電極
２２    圧電体
２５    蓋
２６    対向電極
３１    励振方向
３２    コリオリ力
７０，７１，７２，７３    電極パッド
７４，７５，７６，７７，７８，７９    配線
８１    駆動部
８２    処理回路
９１    基盤
【図１】
2010092806.tif 000003
【図２Ａ】
2010092806.tif 000004
【図２Ｂ】
2010092806.tif 000005
【図３】
2010092806.tif 000006
【図４】
2010092806.tif 000007
【図５】
2010092806.tif 000008
【図６】
2010092806.tif 000009
【図７】
2010092806.tif 000010
【図８】
2010092806.tif 000011
【図９】
2010092806.tif 000012
【図１０】
2010092806.tif 000013
【図１１】
2010092806.tif 000014
【図１２】
2010092806.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月13日(2010.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量部と、
第１アームと第２アームとを直交方向に連結して形成した複数の直交アームと、
互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
前記第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を備え、
前記複数の前記直交アームの前記第１アームが互いに連結されるとともに、前記第２アームの先端に前記質量部が形成され、
前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくした、
慣性力センサ用検出素子。
【請求項２】
前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にした、
請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
質量部と、
第１アームと第２アームとを交差するように連結して形成した交差アームと、
互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
前記第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を備え、
前記交差アームの中央に前記質量部が形成され、
前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくした、
慣性力センサ用検出素子。
【請求項５】
前記第２アームの断面の縦横比により、前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくした請求項１又は請求項４記載の慣性力センサ用検出素子。
【請求項６】
検出素子と駆動部と処理回路とを備え、
前記検出素子は、
質量部と、
第１アームと第２アームとを直交方向に連結して形成した複数の直交アームと、
互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を有し、
前記複数の前記直交アームの前記第１アームが互いに連結されるとともに、前記第２アームの先端に前記質量部が形成され、
前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくされ、
前記駆動部は前記励振部に接続され、前記励振部に駆動信号を入力し、
前記処理回路は前記検出部に接続され、前記検出部から出力される信号に基づき前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位を検出する、
慣性力センサ。
【請求項７】
前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にした、
請求項６記載の慣性力センサ。
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
検出素子と駆動部と処理回路とを備え、
前記検出素子は、
質量部と、
第１アームと第２アームとを交差するように連結して形成した交差アームと、
互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を有し、
前記交差アームの中央に前記質量部が形成され、
前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくされ、
前記駆動部は前記励振部に接続され、前記励振部に駆動信号を入力し、
前記処理回路は前記検出部に接続され、前記検出部から出力される信号に基づき前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位を検出する、
慣性力センサ。
【請求項１０】
前記第２アームの断面の縦横比により、前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくした請求項６又は請求項９記載の慣性力センサ用検出素子。
【請求項１１】
前記処理回路は、前記質量部の第２方向への変位に基づいて第１方向回りの慣性力を検出するとともに、前記質量部の第１方向への変位に基づいて第２方向回りの慣性力を検出する、
請求項６又は請求項９記載の慣性力センサ。
【請求項１２】
前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にするとともに、
前記処理回路は、第１の時間において、前記第１方向への前記質量部の変位を検出し、前記第１の時間とは異なる第２の時間において、前記第２方向への前記質量部の変位を検出する、
請求項６又は請求項９記載の慣性力センサ。
【国際調査報告】
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2010092806.tif 000017
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