(57)【要約】【課題】本発明は、第１及び第２の検出電極で検出することにより加速度及び角速度を検出する加速度角速度センサに関し、外乱の混入による検出信号への影響を低減し精度の高い加速度（G）及び角速度（Yaw）の検出を行うことを課題とする。【解決手段】駆動方向及び検出方向に変位可能な構成とされると共に、互いに対称となるよう対向配置された第１及び第２の振動子１１，１２と、この第１及び第２の振動子１１，１２を駆動方向に振動させる第１及び第２の駆動電極１３，１４と、第１及び第２の振動子１１，１２の検出方向に対する変位を静電容変化として検出する第１及び第２の検出電極１５，１６とを有する加速度角速度センサにおいて、前記第１の振動子１１と前記第２の振動子１２とを、駆動方向に連結する連結リンクばね２５を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動方向及び検出方向に変位可能な構成とされると共に、互いに対称となるよう対向配置された第１及び第２の振動子と、
該第１及び第２の振動子を駆動方向に振動させる第１及び第２の駆動部と、
前記第１及び第２の振動子内に配設されており、前記第１及び第２の振動子の前記検出方向に対する変位を静電容量変化として検出する第１及び第２の検出電極と、
を有する加速度角速度センサにおいて、
前記第１の振動子と前記第２の振動子とを、前記駆動方向に連結する連結ばね部材を設けたことを特徴とする加速度角速度センサ。
【請求項２】
前記連結ばね部材は、
一端が前記第１の振動子に固定されると共に前記駆動方向に弾性変形可能とされた第１のリンクばね部と、
一端が前記第２の振動子に固定されると共に前記駆動方向に弾性変形可能とされた第２のリンクばね部と、
前記第１のリンクばね部の他端と前記第２のリンクばね部の他端とを連結するよう配設されると共に、前記検出方向に弾性変形可能とされた第３のリンクばね部とを有することを特徴とする請求項１記載の加速度角速度センサ。
【請求項３】
駆動方向及び検出方向に変位可能な構成とされると共に、互いに対称となるよう対向配置された第１及び第２の振動子と、
該第１及び第２の振動子を駆動方向に振動させる第１及び第２の駆動部と、
前記第１及び第２の振動子の前記検出方向に対する変位を静電容量変化として検出する第１及び第２の検出電極と、
を有する加速度角速度センサにおいて、
前記第１及び第２の検出電極を前記第１及び第２の振動子の外部位置に配設すると共に、該第１の検出電極と該第２の検出電極とを、前記駆動方向に連結する連結ばね部材を設けたことを特徴とする加速度角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度角速度センサに係り、特にコリオリ力に基づき変位する第１及び第２の振動子の変位を第１及び第２の検出電極で検出することにより加速度及び角速度を検出する加速度角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から車載用のセンサとして、車両の加速度（G）を検出する加速度センサ及び車両の角速度（Yaw）を検出する角速度センサが知られている。また近年では、一つのセンサで車両の加速度及び角速度を共に検出できる加速度角速度センサも提供されている（特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来の一例である加速度角速度センサ５０を示している。この加速度角速度センサ５０は、第１及び第２の振動子５１，５２、第１及び第２の駆動電極５３，５４、及び第１及び第２の検出電極５５，５６等により構成されている。
【０００４】
第１の振動子５１は第１の検出ばね５８を介して第１のメインフレーム６３に接続されていれる。また、第２の振動子５２は第２の検出ばね５９を介して第２のメインフレーム６４に接続されていれる。この第１の振動子５１と第２の振動子５２は分離され、それぞれ独立した構成とされている。第１及び第２の検出ばね５８，５９は、この第１及び第２の振動子５１，５２を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向（検出方向という）に変位可能に支持している。
【０００５】
第１の検出ばね５８は第１のメインフレーム６３に設けられており、この第１のメインフレーム６３は第１の振動子５１を挟んで図中上下に配設されている。また、第１のメインフレーム６３は、第１の駆動ばね６０により矢印Ｙ１，Ｙ２方向（駆動方向という）に変位可能とされている。更に、第１のメインフレーム６３は、第１の駆動電極５３により矢印Ｙ１，Ｙ２方向に振動付勢される構成となっている。
【０００６】
第２の検出ばね５９は第２のメインフレーム６４に設けられており、この第２のメインフレーム６４は第２の振動子５２を挟んで図中上下に配設されている。また、第２のメインフレーム６４は、第２の駆動ばね６１により矢印Ｙ１，Ｙ２方向に変位可能とされている。更に、第２のメインフレーム６４は、第２の駆動電極５４により矢印Ｙ１，Ｙ２方向に振動付勢される構成となっている。
【０００７】
第１の検出電極５５は第１の振動子５１の内部に配設されており、また第２の検出電極５６は第２の振動子５２の内部に配設されている。この第１及び第２の検出電極５５，５６は、第１及び第２の振動子５１，５２の変位を静電容量変化として検出できる構成とされている。
【０００８】
上記構成とされた加速度角速度センサ５０の加速度（G）及び角速度（Yaw）の検出原理について説明する。加速度角速度センサ５０を用いて加速度（G）及び角速度（Yaw）の検出を行うには、第１及び第２の駆動電極５３，５４により第１及び第２のメインフレーム６３，６４及び第１及び第２の検出ばね５８，５９を介して第１及び第２の振動子５１，５２をＹ１，Ｙ２方向（駆動方向）に振動させておく。
【０００９】
この状態で加速度角速度センサ５０に加速度（G）が印加されると、第１及び第２の振動子５１，５２には慣性力が発生し、図９に示すように第１及び第２の振動子５１，５２はＸ１，Ｘ２方向（検出方向）に同相で変位する。よって、第１の検出電極５５で検出される検出信号と、第２の検出電極５６で検出される検出信号の和をとることにより、加速度（G）を求めることができる。
【００１０】
一方、上記の加振状態で加速度角速度センサ５０に角速度（Yaw）が印加されると、この場合は第１及び第２の振動子５１，５２にはコリオリ力が発生し、この場合には図１０に示すように第１及び第２の振動子５１，５２はＸ１，Ｘ２方向（検出方向）に逆相で変位する。よって、第１の検出電極５５で検出される検出信号と、第２の検出電極５６で検出される検出信号の差をとることにより、角速度（Yaw）を求めることができる。
【特許文献１】特開２００４−２８８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
車両振動による外乱となる加速度（いわゆる、外乱Ｇ）の耐性を向上させるためには、前記した加速度角速度センサ５０のように、２つの振動子５１，５２を音叉振動させる手法が有効である。
【００１２】
しかしながら、加速度角速度センサ５０の製造工程において、第１及び第２の振動子５１，５２を支持している第１及び第２の検出ばね５８，５９の寸法がばらついたときに、左右の振動子５１，５２を支持しているばね定数が異なってしまう。具体的には、製造ばらつきによって検出ばね５８，５９のばね定数kがΔkばらついた場合、重りの変位ばらつき割合Δx／xは、（Δx／x）=−（Δk／k）となるため、製造ばらつきがそのまま振動子５１，５２の変位のばらつきへと反映されてしまう。
【００１３】
また、従来では第１及び第２の振動子５１，５２が分離して独立した構成とされていたため、検出モードの共振周波数fは、振動子５１，５２の重さをm、検出ばね５８，５９のばね定数kとした場合、f=(1/2π)・√(k/m）に従って一意に決まってしまうため、共振周波数で加速度（G）と角速度（Yaw）の信号を分離させることができない。
【００１４】
これに対して加速度角速度センサ５０は、前記ように加速度（G）は左右の振動子５１，５２の変位の和をとると共に、角速度（Yaw）は左右の振動子５１，５２の変位の和をとることにより信号の分離を行っているため、左右の振動子５１，５２の変位に差異があると、この差分を角速度（Yaw）として誤検出してしまう可能性がある。このため、従来の加速度角速度センサ５０では、耐外乱Ｇの性能が悪化してしまうという問題点があった。
【００１５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、外乱の混入を防止し精度の高い加速度（G）及び角速度（Yaw）の検出を行いうる加速度角速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１記載の発明は、
駆動方向及び検出方向に変位可能な構成とされると共に、互いに対称となるよう対向配置された第１及び第２の振動子と、
該第１及び第２の振動子を駆動方向に振動させる第１及び第２の駆動部と、
前記第１及び第２の振動子内に配設されており、前記第１及び第２の振動子の前記検出方向に対する変位を静電容量変化として検出する第１及び第２の検出電極と、
を有する加速度角速度センサにおいて、
前記第１の振動子と前記第２の振動子とを、前記駆動方向に連結する連結ばね部材を設けたことを特徴とするものである。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の加速度角速度センサにおいて、
前記連結ばね部材は、
一端が前記第１の振動子に固定されると共に前記駆動方向に弾性変形可能とされた第１のリンクばね部と、
一端が前記第２の振動子に固定されると共に前記駆動方向に弾性変形可能とされた第２のリンクばね部と、
前記第１のリンクばね部の他端と前記第２のリンクばね部の他端とを連結するよう配設されると共に、前記検出方向に弾性変形可能とされた第３のリンクばね部とを有することを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項３記載の発明は、
駆動方向及び検出方向に変位可能な構成とされると共に、互いに対称となるよう対向配置された第１及び第２の振動子と、
該第１及び第２の振動子を駆動方向に振動させる第１及び第２の駆動部と、
前記第１及び第２の振動子の前記検出方向に対する変位を静電容量変化として検出する第１及び第２の検出電極と、
を有する加速度角速度センサにおいて、
前記第１及び第２の検出電極を前記第１及び第２の振動子の外部位置に配設すると共に、該第１の検出電極と該第２の検出電極とを、前記駆動方向に連結する連結ばね部材を設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、第１及び第２の検出電極を内設した第１及び第２の振動子の間を駆動方向に連結する連結ばね部材、或いは第１及び第２の振動子から分離された第１及び第２の検出電極の間を駆動方向に連結する連結ばね部材を設けたことにより、第１及び第２の振動子等に製造誤差が含まれていたとしても、第１及び第２の振動子の変位ばらつきを低減でき、加速度及び角速度の検出精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例である加速度角速度センサ１０を示している。この加速度角速度センサ１０は、第１及び第２の振動子１１，１２、第１及び第２の駆動電極１３，１４、及び第１及び第２の検出電極１５，１６等により構成されている。
【００２３】
第１の振動子１１は第１の検出ばね１８を介して第１のメインフレーム２３に接続されていれる。また、第２の振動子１２は第２の検出ばね１９を介して第２のメインフレーム２４に接続されていれる。この第１の振動子１１と第２の振動子１２は分離され、それぞれ独立した構成とされている。第１及び第２の検出ばね１８，１９は、この第１及び第２の振動子１１，１２を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向（検出方向という）に変位可能に支持している。
【００２４】
第１の検出ばね１８は第１のメインフレーム２３に設けられており、この第１のメインフレーム２３は第１の振動子１１を挟んで図中上下に配設されている。また、第１のメインフレーム２３は、第１の駆動ばね２０により矢印Ｙ１，Ｙ２方向（駆動方向という）に変位可能とされている。更に、第１のメインフレーム２３は、第１の駆動電極１３により矢印Ｙ１，Ｙ２方向に振動付勢される構成となっている。
【００２５】
第２の検出ばね１９は第２のメインフレーム２４に設けられており、この第２のメインフレーム２４は第２の振動子１２を挟んで図中上下に配設されている。また、第２のメインフレーム２４は、第２の駆動ばね２１により矢印Ｙ１，Ｙ２方向に変位可能とされている。更に、第２のメインフレーム２４は、第２の駆動電極１４により矢印Ｙ１，Ｙ２方向に振動付勢される構成となっている。
【００２６】
第１の検出電極１５は第１の振動子１１の内部に配設されており、また第２の検出電極１６は第２の振動子１２の内部に配設されている。この第１及び第２の検出電極１５，１６は、第１及び第２の振動子１１，１２の変位を静電容量変化として検出できる構成とされている。
【００２７】
本実施例では、上記構成において、更に連結リンクばね２５を設けたことを特徴としている。この連結リンクばね２５は第１の振動子１１と第２の振動子１２とを、駆動方向（Ｙ１，Ｙ２方向）に連結するものであり、本実施例では図中上下に対向するよう１対配設されている。
【００２８】
これにより、図４に等価的に示されるように、第１の振動子１１と第２の振動子１２は、連結リンクばね２５により連結された構成となる。即ち、従来では、第１の振動子１１は第１の検出ばね１８により第１のメインフレーム２３と連結され、第２の振動子１２は第２の検出ばね１９を介して第２のメインフレーム２４に連結されたのみで構成であったが、本実施例では、更に連結リンクばね２５により第１の振動子１１と第２の振動子１２は連結された構成となる。
【００２９】
この連結リンクばね２５は板バネ材により形成されており、第１のリンクばね部２６、第２のリンクばね部２７、及び第３のリンクばね部２８により構成されている。第１のリンクばね部２６は、第１の振動子１１から矢印Ｙ１，Ｙ２方向に延在するよう設けられた片持ち梁構造とされている。また、第２のリンクばね部２７は、第１の振動子１１に矢印Ｙ１，Ｙ２方向に延在するよう設けられた片持ち梁構造とされている。
【００３０】
更に、第３のリンクばね部２８は、片持ち梁構造とされた第１のリンクばね部２６の自由端側と第２のリンクばね部２７の自由端側とを連結するように設けられている。従って、連結リンクばね２５は、全体とてコ字状のリンク形状を有したばねとなる。
【００３１】
次に、上記構成とされた加速度角速度センサ１０の加速度（G）及び角速度（Yaw）の検出原理について、図２，図３，及び図５を参照して説明する。加速度角速度センサ１０を用いて加速度（G）及び角速度（Yaw）の検出を行うには、第１及び第２の駆動電極１３，１４により第１及び第２のメインフレーム２３，２４及び第１及び第２の検出ばね１８，１９を介して第１及び第２の振動子１１，１２をＹ１，Ｙ２方向（駆動方向）に振動させておく。
【００３２】
図２及び図５（Ａ）は、加速度角速度センサ１０に加速度（G）が印加されたときの状態及び処理を示している。加速度角速度センサ１０に加速度（G）が印加されると（図５（Ａ）のステップ１０）、第１及び第２の振動子１１，１２には慣性力が発生し、図２に示すように第１及び第２の振動子１１，１２はＸ１，Ｘ２方向（検出方向）に同相で変位する（図５（Ａ）のステップ１２）。
【００３３】
この時、第１の検出ばね１８，１９（ばね定数ｋ）は変形するが、連結リンクばね２５（ばね定数Ｋ）は変形することはない（図５（Ａ）のステップ１４）。よって、加速度（G）の検出時における共振周波数は、第１の検出ばね１８，１９のばね定数ｋで決まることとなる（図５（Ａ）のステップ１６）。また、加速度（G）の値は、第１の検出電極１５で検出される検出信号と、第２の検出電極１６で検出される検出信号の和をとることにより求めることができる。
【００３４】
一方、図３及び図５（Ｂ）は、加速度角速度センサ１０に角速度（Yaw）が印加されたときの状態及び処理を示している。加速度角速度センサ１０に角速度（Yaw）が印加されると（図５（Ｂ）のステップ２０）、この場合も第１及び第２の振動子１１，１２にはコリオリ力が発生し、図３に示すように第１及び第２の振動子１１，１２はＸ１，Ｘ２方向（検出方向）に逆相で変位する（図５（Ｂ）のステップ２２）。
【００３５】
このように、第１及び第２の振動子１１，１２が逆相で変位することにより、第１の検出ばね１８，１９（ばね定数ｋ）と共に、連結リンクばね２５（ばね定数Ｋ）も変形する（図５（Ｂ）のステップ２４）。よって、角速度（Yaw）の検出時における共振周波数は、各検出ばね１８，１９のばね定数ｋと、連結リンクばね２５のばね定数Ｋの双方により決まることとなる（図５（Ｂ）のステップ２６）。また、角速度（Yaw）の値は、第１の検出電極１５で検出される検出信号と、第２の検出電極１６で検出される検出信号の差をとることにより求められる。
【００３６】
上記構成とされた加速度角速度センサ１０は、重りとなる第１の振動子１１と第２の振動子１２を連結リンクばね２５で連結した構成としたことにより、駆動時における第１の振動子１１と第２の振動子１２の変位ばらつきを低減することができる。これについて、図４を参照して説明する。
【００３７】
前記したように、連結リンクばね２５が存在しない従来の構成の加速度角速度センサ５０（図８参照）では、加速度角速度センサ５０の製造工程等において、各振動子５１，５２や各検出ばね５８，５９に製造ばらつきが発生し、検出ばね５８，５９のばね定数kがΔkばらついた場合、重りの変位ばらつき割合（Δx／x）は、
（Δx／x）=−（Δk／k）・・・（１）
となるため、製造ばらつきがそのまま振動子５１，５２の変位のばらつきへと反映されてしまうことは前述した通りである。
【００３８】
これに対して本実施例に係る加速度角速度センサ１０は、第１の振動子１１と第２の振動子１２が連結リンクばね２５（ばね定数Ｋ）で連結されているため、重り（第１の振動子１１,第２の振動子１２）のばね定数kがΔkばらついた場合、重りの変位ばらつき割合（Δx／x）は下記の（２）式のようになる。
【００３９】
（Δx／x）=−｛（Δk／（k＋2・K）｝・・・（２）
この（２）式を前記の（１）式と比べることより、本実施例のようにばね定数Ｋの大きな連結リンクばね２５で各振動子１１，１２（重り）を連結することにより、各振動子１１，１２の変位のばらつきを低減することができることがわかる。
【００４０】
また、前記したように従来の加速度角速度センサ５０では第１及び第２の振動子５１，５２が分離して独立した構成とされていたため、検出モードの共振周波数fは一意に決まってしまい、加速度（G）と角速度（Yaw）で共振周波数を分離させることができなかった。
【００４１】
しかしながら、本実施例に係る加速度角速度センサ１０では、加速度（G）については各検出ばね１８，１９のばね定数ｋで決まり、角速度（Yaw）のについては各検出ばね１８，１９のばね定数ｋと連結リンクばね２５のばね定数Ｋの双方により決まることとなる。よって、連結リンクばね２５のばね定数を調整することにより、加速度（G）と角速度（Yaw）で共振周波数を分離させ、それぞれを遠ざけることが可能となり、よって加速度（G）と角速度（Yaw）の検出精度を高めることができる。
【００４２】
次に、上記した実施例の変形例について説明する。図６は第１変形例である加速度角速度センサ３０Ａであり、図７は第２変形例である加速度角速度センサ３０Ｂを示している。尚、図６及び図７において、図１に示した構成と対応する構成については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
上記した実施例に係る加速度角速度センサ１０は、各振動子１１，１２の内部に検出電極１５，１６が配設された構成とされていた。これに対して図６及び図７に示す第１及び第２変形例に係る加速度角速度センサ３０Ａ，３０Ｂは、第１及び第２の検出電極３５，３６を振動子１１，１２から分離し、振動子１１，１２の外部位置に配設したことを特徴とするものである。
【００４４】
加速度角速度センサ１０のように各振動子１１，１２の内部に検出電極１５，１６が配設された構成では、検出電極１５，１６は検出方向（Ｘ１，Ｘ２方向）ばかりでなく駆動方向（Ｙ１，Ｙ２方向）にも変位するため、検出信号に外乱が侵入するおそれがある。しかしながら、検出電極３５，３６を振動子１１，１２の外部位置に配置することにより、検出電極３５，３６が駆動方向（Ｙ１，Ｙ２方向）に変位しない構成とすることができ、検出精度を高めることができる。
【００４５】
具体的には、第１の振動子１１と第１の検出電極３５連結する第１の接続ばね４０及び第２の振動子１２と第２の検出電極３６を連結する第２の接続ばね４１は、各振動子１１，１２の検出方向（Ｘ１，Ｘ２方向）の変位のみを検出電極３５，３６に伝え、駆動方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の変位は遮断するよう構成されている。これにより、検出電極３５，３６は検出方向のみの変位が可能となる。
【００４６】
上記構成の第１及び第２変形例に係る加速度角速度センサ３０Ａ，３０Ｂも、加速度（G）が印加された場合には慣性力により第１及び第２の検出電極３５，３６はＸ１，Ｘ２方向（検出方向）に同相で変位し、また角速度（Yaw）が印加されたときにはコリオリ力により逆相で変位する。よって、加速度角速度センサ３０Ａ，３０Ｂの製造工程等において、各検出電極３５，３６に製造ばらつきが発生した場合、この製造ばらつきがそのまま各検出電極３５，３６の変位のばらつきへと反映されてしまう。
【００４７】
そこで、図６に示す加速度角速度センサ３０Ａでは第１の検出電極３５と第２の検出電極３６を連結ばね３７で連結し、図７に示す加速度角速度センサ３０Ｂでは第１の検出電極３５と第２の検出電極３６を連結リンクばね３８で連結した構成としている。この構成とすることにより、先に述べた加速度角速度センサ１０と同様に、加速度（G）と角速度（Yaw）の検出精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の一実施例である加速度角速度センサの構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例である加速度角速度センサの動作を説明するための図である（その１）。
【図３】図２は、本発明の一実施例である加速度角速度センサの動作を説明するための図である（その２）。
【図４】図４は、本発明の一実施例である加速度角速度センサのモデル図である。
【図５】図５は、加速度検出及び角速度検出の原理を説明するための図である。
【図６】図６は、第１変形例である加速度角速度センサの構成図である。
【図７】図７は、第２変形例である加速度角速度センサの構成図である。
【図８】図８は、従来の一例である加速度角速度センサの構成図である。
【図９】図９は、従来の一例である加速度角速度センサの動作を説明するための図である（その１）。
【図１０】図１０は、従来の一例である加速度角速度センサの動作を説明するための図である（その１）。
【符号の説明】
【００４９】
１０，３０Ａ，３０Ｂ  加速度角速度センサ
１１  第１の振動子
１２  第２の振動子
１３  第１の駆動電極
１４  第２の駆動電極
１５，３５  第１の検出電極
１６，３６  第２の検出電極
１８  第１の検出ばね
１９  第２の検出ばね
２０  第１の駆動ばね
２１  第２の駆動ばね
２３  第１のメインフレーム
２４  第２のメインフレーム
２５  連結リンクばね
２６  第１のリンクばね部
２７  第２のリンクばね部
２８  第３のリンクばね部
３０  基板
３７  連結ばね
３８  連結リンクばね
【図１】
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【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７】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図８】
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