(57)【要約】【課題】角速度センサと加速度センサとを複合して実装面積を低減し、実装基板の小型化を図った複合センサを提供することを目的としている。【解決手段】枠状固定基部１と、この枠状固定基部１の内側に配置するとともに、接続部２を介して接続した中央基部３と、この中央基部３に連結した第１圧電素子４と、中央基部３に連結した錘部６と、錘部６と枠状固定基部１との間に配置した互いに対向する対向電極７とを有する振動子１０を備え、第１圧電素子４を駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する第１圧電素子４の屈曲振動を検知して角速度を算出し、錘部６の可動に起因して変化する対向電極の静電容量を検知して加速度を算出する構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
角速度センサと加速度センサを有する複合センサであって、基板と、前記基板に取付支持した枠状固定基部と、前記枠状固定基部の内側に配置した中央基部と、前記中央基部に連結した第１圧電素子と、前記中央基部に連結した錘部と、前記錘部と前記基板との間または前記錘部と前記枠状固定基部との間に配置した互いに対向する対向電極とを有し、前記角速度センサは、前記第１圧電素子を駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する前記第１圧電素子の屈曲振動を検知して角速度を算出し、前記加速度センサは、前記錘部の可動に起因して変化する前記対向電極の静電容量を検知して加速度を算出する複合センサ。
【請求項２】
前記枠状固定基部に連結部を介して前記中央基部を連結し、前記枠状固定基部は４つの角部を有する方形状にするとともに、４つの前記角部と前記中央基部とを４つの前記連結部で連結した請求項１記載の複合センサ。
【請求項３】
前記連結部には、振動吸収部を形成した請求項２記載の複合センサ。
【請求項４】
前記第１圧電素子は、互いに略直交させ連結した第１アームと第２アームとを有するＴ形状であって、前記第１アームを前記中央基部に連結しており、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、前記第１アームをＹ軸方向に配置するとともに、Ｙ軸方向に前記第２アームを駆動振動させ、Ｚ軸周りの角速度は、Ｘ軸方向への前記第１アームの屈曲振動を検知して算出する請求項１記載の複合センサ。
【請求項５】
前記第１圧電素子は、互いに略直交させ連結した第１アームと第２アームとを有するＴ形状であって、前記第１アームを前記中央基部に連結しており、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、前記第１アームをＹ軸方向に配置するとともに、Ｙ軸方向に前記第２アームを駆動振動させ、Ｘ軸周りの角速度は、Ｚ軸方向への前記第１アームの屈曲振動を検知して算出する請求項１記載の複合センサ。
【請求項６】
前記第１圧電素子は、互いに略直交させ連結した第１アームと第２アームとを有するＴ形状であって、前記枠状固定基部に前記第１アームを連結するとともに、第２アームの端部に錘部を連結しており、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、前記第１アームをＹ軸方向に配置するとともに、Ｙ軸方向に前記第２アームを駆動振動させる請求項１記載の複合センサ。
【請求項７】
前記対向電極は互いに櫛歯形状とした請求項１記載の複合センサ。
【請求項８】
前記対向電極は２組配置し、一方の対向電極が近づき、他方の対向電極が遠ざかることにより、前記錘部の可動に起因して変化する前記対向電極の静電容量を検知する請求項１記載の複合センサ。
【請求項９】
互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、前記錘部をＹ軸方向に配置するとともに、前記対向電極を前記錘部と前記枠状固定基部に配置し、Ｘ軸方向への加速度は、Ｘ軸方向への前記錘部の可動に起因して変化する前記対向電極の静電容量を検知して算出する請求項１記載の複合センサ。
【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、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センサおよび加速度センサを複合した複合センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の複合センサについて説明する。
【０００３】
従来の複合センサは、角速度センサと加速度センサとを実装基板に各々実装して、複合センサとしていた。
【０００４】
従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種の形状の振動子を振動させて、コリオリ力の発生に伴う振動子の歪を電気的に検知して角速度を算出する。
【０００５】
また、従来の加速度センサは、錘部を有し、加速度に伴う錘部の可動を、可動前と比較検知して加速度を算出する。
【０００６】
このような角速度センサや加速度センサは、車両に搭載したナビゲーション装置や車両制御装置等に用いられる。
【０００７】
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および特許文献２が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２０８５４６号公報
【特許文献２】特開２００１−７４７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記構成の複合センサは、角速度センサと加速度センサとを各々実装基板に実装したものであり、角速度センサの実装面積と加速度センサの実装面積とを確保する必要があり、実装基板の小型化を図れないという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するために、角速度センサの実装面積と加速度センサの実装面積とを必要とせず、角速度センサと加速度センサとを複合して実装面積を低減し、実装基板の小型化を図った複合センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記問題点を解決するために、角速度センサと加速度センサを有する複合センサであって、基板と、前記基板に取付支持した枠状固定基部と、前記枠状固定基部の内側に配置した中央基部と、前記中央基部に連結した第１圧電素子と、前記中央基部に連結した錘部と、前記錘部と前記基板との間または前記錘部と前記枠状固定基部との間に配置した互いに対向する対向電極とを有し、前記角速度センサは、前記第１圧電素子を駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する前記第１圧電素子の屈曲振動を検知して角速度を算出し、前記加速度センサは、前記錘部の可動に起因して変化する前記対向電極の静電容量を検知して加速度を算出する構成である。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、基板に取付支持した枠状固定基部と、この枠状固定基部の内側に配置した中央基部と、この中央基部に連結した第１圧電素子と、中央基部に連結した錘部と、錘部と基板との間または錘部と枠状固定基部との間に配置した互いに対向する対向電極とを有し、角速度センサとしては、第１圧電素子を駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する第１圧電素子の屈曲振動を検知して角速度を算出することができ、加速度センサとしては、錘部の可動に起因して変化する対向電極の静電容量を検知して加速度を算出することができる。
【００１２】
すなわち、角速度センサと加速度センサとを複合でき、実装面積を低減して実装基板の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサの斜視図、図２は図１のＡ部の拡大斜視図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図、図５は図１のＢ部の拡大平面図、図６は同複合センサの駆動状態を示す斜視図、図７は同複合センサの動作状態を示す図６のＡ部の斜視図、図８は同複合センサの動作状態を示す図６のＡ部の斜視図、図９は同複合センサの動作状態を示す図６のＢ部の斜視図である。
【００１５】
図１において、本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサは、角速度センサと加速度センサを有する複合センサであって、枠状固定基部１と、この枠状固定基部１の内側に配置するとともに、接続部２を介して接続した中央基部３と、この中央基部３に連結した第１圧電素子４と、中央基部３に連結した錘部６と、錘部６と枠状固定基部１との間に配置した互いに対向する対向電極７とを有する振動子１０を備え、この振動子１０の枠状固定基部１を信号処理回路が搭載された基板１１に取付支持している。中央基部３は基板１１と接触しても非接触しても良い。
【００１６】
角速度センサとしては、第１圧電素子４を駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する第１圧電素子４の屈曲振動を検知して角速度を算出することができ、加速度センサとしては、錘部６の可動に起因して変化する対向電極７の静電容量を検知して加速度を算出することができる。
【００１７】
この枠状固定基部１と中央基部３とを接続する接続部２は、枠状固定基部１の幅と略同等にし、振動吸収部を形成している。この振動吸収部は、ダンパー機能（振動吸収機能）の役割を果たし、振動吸収部としては単なる線状物体でも良いが、網目や溝や凹部等を設けても良い。特に、枠状固定基部１は４つの角部を有する方形状にするとともに、４つの角部と中央基部３とを４つの接続部２で接続すると良い。
【００１８】
第１圧電素子４は、互いに略直交させ連結した第１アーム１２と第２アーム１４とを有するＴ形状であって、第１アーム１２を固定基部３に連結しており、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、第１アーム１２をＹ軸方向に配置している。錘部６はＩ形状であって、錘部６の一部を中央基部３と連結するための連結部１６とし、Ｙ軸方向に配置している。
【００１９】
図２〜図４において、第１圧電素子４には、駆動振動を与えるための駆動電極や、角速度に起因する屈曲振動を検出するための検出電極を配置している。第１アーム１２には、駆動負電極１８を２つの駆動正電極２０で挟むように、駆動正電極２０および駆動負電極１８を配置するとともに、これら、駆動正電極２０と駆動負電極１８を挟むように、検出正電極２２と検出負電極２３を配置している。第２アーム１４には、第１アーム１２に配置した駆動負電極１８をＴ形状に配置し、駆動正電極２０をＬ形状に配置している。２つの駆動正電極２０の内、一方の駆動正電極２０は駆動振動をモニタするモニタ正電極とし、駆動負電極１８をモニタ負電極として共用してもよい。
【００２０】
この第１圧電素子４は、シリコン板２６の上にＰｔの下部電極２８を高周波スパッタにて形成し、この下部電極２８の上部には高周波スパッタにてＰＺＴ圧電体３０を形成し、さらに、上部にはＡｕ蒸着で上部電極３２を形成している。下部電極２８と上部電極３２によって、ＰＺＴ圧電体３０を挟み込んだ、駆動正電極２０と駆動負電極１８に、シリコンが共振する共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動正電極２０側と駆動負電極１８側の各々において、ＰＺＴ圧電体３０の伸縮が生じ、第２アーム１４が駆動振動する。
【００２１】
そして、角速度に起因して、コリオリ力を受け、シリコン板２６に歪（屈曲振動）が生じた場合、ＰＺＴ圧電体３０に電荷が発生して、これを検出正電極２２と検出負電極２３で検出する。
【００２２】
図５において、錘部６の枠状固定基部１との間には、互いに対向する対向電極７を２組配置している。
【００２３】
これら、枠状固定基部１、中央基部３、接続部２、第１圧電素子４、錘部６はシリコン板２６から一体化して形成することが好ましく、錘部６の厚みは中央基部３の厚みよりも厚くすることが好ましい。
【００２４】
図６に示すように、第１圧電素子４および第２圧電素子８は矢印方向に互いに駆動振動させる。第１圧電素子４は、第２アーム１４の両端を互いにＹ軸の（＋Ｙ）方向と（−Ｙ）方向とに交互に繰り返すように駆動振動させ、第２圧電素子８は、互いにＺ軸の（＋Ｚ）方向と(-Ｚ)方向とに交互に繰り返すように駆動振動させる。
【００２５】
この駆動振動をさせた状態で、角速度の算出と加速度の算出は次のように行う。
【００２６】
角速度センサは、コリオリ力に起因して変化する第１圧電素子４の屈曲振動を検知して角速度を算出するが、Ｘ軸周りの角速度は、図７に示すように、Ｚ軸方向への第１アーム１２の屈曲振動を検知して算出し、Ｚ軸周りの角速度は、図８に示すように、Ｘ軸方向への第１アーム１２の屈曲振動を検知して算出する。図７において、第２アーム１４は全体がＺ軸の（＋Ｚ）方向と（−Ｚ）方向とに交互に繰り返すように屈曲振動するので、第１アーム１２もそれに伴いＺ軸の（＋Ｚ）方向と（−Ｚ）方向とに交互に繰り返すように屈曲振動する。図８において、第２アーム１４は全体がＸ軸の（＋Ｘ）方向と（−Ｘ）方向とに交互に繰り返すように屈曲振動するので、第１アーム１２もそれに伴いＸ軸の（＋Ｘ）方向と（−Ｘ）方向とに交互に繰り返すように屈曲振動する。
【００２７】
加速度センサは、錘部６の可動に起因して変化する対向電極７の静電容量を検知して加速度を算出する。図９に示すように、例えば、Ｘ軸の（＋Ｘ）方向側へ加速度が生じる（錘部６がＸ軸の（−Ｘ）方向へ可動しようとする）と、錘部６の（−Ｘ）方向側の端部はＹ軸の（＋Ｙ）方向側に、錘部６の（＋Ｘ）方向側の端部はＹ軸の（−Ｙ）方向側に応力が発生する。すなわち、錘部６の（−Ｘ）方向側の対向電極７は、枠状固定基部１の対向電極７から遠ざかり、錘部６の（＋Ｘ）方向側の対向電極７は、枠状固定基部１の対向電極７に近づき、２組の対向電極７の静電容量が変化するので、これを検知すればよい。
【００２８】
また、Ｘ軸の（−Ｘ）方向側へ加速度が生じる（錘部６がＸ軸の（＋Ｘ）方向へ可動しようとする）と、錘部６の（＋Ｘ）方向側の端部にはＹ軸の（−Ｙ）方向側に、錘部６の（−Ｘ）方向側の端部にはＹ軸の（＋Ｙ）方向側に応力が発生する。すなわち、錘部６の（＋Ｘ）方向側の対向電極７は、枠状固定基部１の対向電極７から遠ざかり、錘部６の（−Ｘ）方向側の対向電極７は、枠状固定基部１の対向電極７に近づき、２組の対向電極７の静電容量が変化するので、これを検知すればよい。
【００２９】
上記構成により、基板１１に取付支持した枠状固定基部１と、この枠状固定基部１の内側に配置した中央基部３と、この中央基部３に連結した第１圧電素子４と、中央基部３に連結した錘部６と、錘部６と基板１１との間または錘部６と枠状固定基部１との間に配置した互いに対向する対向電極７とを有し、角速度センサとしては、第１圧電素子４を駆動振動させ、コリオリ力に起因して変化する第１圧電素子４の屈曲振動を検知して角速度を算出することができ、加速度センサとしては、錘部６の可動に起因して変化する対向電極７の静電容量を検知して加速度を算出することができる。
【００３０】
すなわち、角速度センサと加速度センサとを複合でき、実装面積を低減して実装基板１１の小型化を図ることができる。
【００３１】
特に、枠状固定基部１と中央基部３とを接続する接続部２は、枠状固定基部１の幅と略同等にし、振動吸収部を形成するので、振動吸収部は、ダンパー機能（振動吸収機能）の役割を果たし、衝撃やノイズ等が複合センサに加わっても、この衝撃やノイズを吸収することができ、振動子１０の破壊を抑制したり、検知精度を向上したりできる。振動吸収部としては単なる線状物体でも良いが、網目や溝や凹部等を設けても良い。特に、枠状固定基部１は４つの角部を有する方形状にするとともに、４つの角部と中央基部３とを４つの接続部２で接続すると良い。
【００３２】
また、第１圧電素子４は互いに略直交させ連結した第１アーム１２と第２アーム１４とを有するＴ形状であって、第１アーム１２をＹ軸方向に配置するとともにＹ軸方向に第２アーム１４を駆動振動させ、Ｚ軸周りの角速度はＸ軸方向への第１アーム１２の屈曲振動を検知して算出し、Ｘ軸周りの角速度はＺ軸方向への第１アーム１２の屈曲振動を検知して算出し、錘部６および２つの第２圧電素子８はＹ軸方向に配置するとともに第２圧電素子８を駆動振動させ、Ｘ軸方向への加速度はＸ軸方向への錘部６の可動に起因して変化する第２圧電素子８の駆動振動を検知して算出している。よって、第１圧電素子４および第２圧電素子８は伏せて用いることができ低背化が可能である。
【００３３】
角速度センサは、第１圧電素子４の第２アーム１４の端部を重くしたり、アーム用錘部６を連結したりすることにより、角速度が生じた際のコリオリ力を大きくして検知精度を向上できるとともに、共振周波数を低下させることができる。
【００３４】
加速度センサは、錘部６の連結部１６の厚みを第２圧電素子８の厚みよりも厚くすることにより、Ｚ軸方向への錘部６の可動を抑制し、Ｚ軸方向への撓みによる影響を受けにくくすることができる。
【００３５】
なお、枠状固定基部１、中央基部３、第１圧電素子４、錘部６の配置は、本実施の形態で示した以外の構成でも良い。
【００３６】
例えば、図１０に示すように、枠状固定基部１と中央基部３とは接続しなくてもよい。また、２つの第１圧電素子４と２つの錘部６とを中央基部３に対して対称に配置すれば、Ｚ軸周り、Ｘ軸周りの角速度と、Ｙ軸方向の加速度を算出することができる。特に、中央基部３を中心に２つの第１圧電素子４を対称に配置し、２つの第２圧電素子８、錘部６を対称に配置するので、駆動振動時における振動を互いに相殺して吸収することができ、精度を向上できる。
【００３７】
その他、図１１〜図１２に示すような構成でも良く、本実施の形態と同様に、接続部２で枠状固定基部１と中央基部３とを接続している。図１２では、第１圧電素子４の第１アーム１２の両側にも錘部６を２つ設けているので検知精度を向上できる。図１０〜図１２のＡ部における対向電極７の構成としては、図１３に示すような本実施の形態の他、図１４に示すような、櫛歯状のものでも良い。櫛歯状の対向電極７を用いた場合、対向電極７間の静電容量を大きくとることができ、検知精度を向上できる。
【００３８】
また、本実施の形態における対向電極７は錘部６と枠状固定基部１との間に配置したが、錘部６と基板１１との間に対向電極７を配置しても良い。この場合、図１０〜図１２のＡ−Ａ断面を示した図１５、図１０〜図１２のＢ−Ｂ断面を示した図１６に示すように、錘部６の底面と基板１１の表面に対向電極７を配置すれば良い。
【００３９】
特に、錘部６と基板１１との間に対向電極７を配置する場合、図１７に示すような構成にすると、Ｚ軸方向への変位が容易となり、検知精度を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明にかかる複合センサは、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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサの斜視図
【図２】図１のＡ部の拡大斜視図
【図３】図２のＡ−Ａ断面図
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図
【図５】図１のＢ部の拡大平面図
【図６】同複合センサの駆動状態を示す斜視図
【図７】同複合センサの動作状態を示す図６のＡ部の斜視図
【図８】同複合センサの動作状態を示す図６のＡ部の斜視図
【図９】同複合センサの動作状態を示す図６のＢ部の斜視図
【図１０】他の実施の形態における複合センサの振動子の平面図
【図１１】他の実施の形態における複合センサの振動子の平面図
【図１２】他の実施の形態における複合センサの振動子の平面図
【図１３】他の実施の形態における図１０〜図１２のＡ部の拡大平面図
【図１４】他の実施の形態における図１０〜図１２のＡ部の拡大平面図
【図１５】他の実施の形態における図１０〜図１２のＡ−Ａ断面図
【図１６】他の実施の形態における図１０〜図１２のＢ−Ｂ断面図
【図１７】他の実施の形態における複合センサの振動子の平面図
【符号の説明】
【００４２】
１  枠状固定基部
２  接続部
３  中央基部
４  第１圧電素子
６  錘部
７  対向電極
１０  振動子
１１  基板
１２  第１アーム
１４  第２アーム
１６  連結部
１８  駆動負電極
２０  駆動正電極
２２  検出正電極
２３  検出負電極
２６  シリコン板
２８  下部電極
３０  ＰＺＴ圧電体
３２  上部電極
【図１】
2006162314.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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