(57)【要約】【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、第１アーム８は、第１連結アーム１１を第２連結アーム１３に直交させたＴ字状の直交アームであって、この第１連結アーム１１の一端が、支持部１２にて支持されるとともに第２アーム１０を介して錘部２に連結されており、第１連結アーム１１の他端が直交する第２連結アーム１３に連結されており、第２連結アーム１３の両端部が枠体部４に連結され、第１アーム８および第２連結アーム１３の厚みを第２アーム１０や錘部２の厚みよりも非常に薄く形成し、かつ、第１アーム８と第２アーム１０とは互いに直交方向に配置した構成である。【選択図】図１
2008232703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、連結部を介して錘部を連結し、前記錘部を内方に配置した枠体部と、前記錘部と対向させた対向基板と、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、前記加速度検出部では、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極間の静電容量変化を検出して加速度を検出しており、
前記連結部は、第１連結アームを第２連結アームに直交させた直交アームであって、前記第１連結アームの一端を前記錘部に連結するとともに前記第２アームの両端部を前記枠体部に連結し、かつ、前記第１連結アームの厚みおよび前記第２連結アームの厚みを前記錘部の厚みよりも薄くした慣性力センサ。
【請求項２】
前記第２連結アームの両端部は、前記第１連結アームと同方向に延長して、前記枠体部に連結した請求項１記載の慣性力センサ。
【請求項３】
前記第２連結アームの両端部は、前記第１連結アームと直交方向に延長して、前記枠体部に連結した請求項１記載の慣性力センサ。
【請求項４】
前記検出素子は、対称形状とした請求項１記載の慣性力センサ。
【請求項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連結アーム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。
【請求項６】
前記第２アームを対向するまで折曲し、前記第２アームの状態変化を検出して角速度を検出する請求項５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、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
図１２は従来の加速度センサの検出素子の平面図、図１３は同検出素子のＡ−Ａ断面図、図１４は同検出素子のＢ−Ｂ断面図である。
【０００４】
図１２〜図１４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５８とを有しており、この固定部５８によって検出素子５１が実装基板に実装されている。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
次に、加速度の検出について説明する。
【０００８】
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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【特許文献１】特開平１０−４８２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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ため、可撓部５６に撓みが生じるが、この撓み量は小さく歪抵抗素子５８の抵抗値変化も小さいものであり、検出感度が小さいという問題点を有していた。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明は、特に、検出素子は、連結部を介して錘部を連結し、前記錘部を内方に配置した枠体部と、前記錘部と対向させた対向基板と、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、前記加速度検出部では、前記錘部と前記対向基板の各々の対向面に配置した対向電極間の静電容量変化を検出して加速度を検出しており、前記連結部は、第１連結アームを第２連結アームに直交させた直交アームであって、前記第１連結アームの一端を前記錘部に連結するとともに前記第２アームの両端部を前記枠体部に連結し、かつ、前記第１連結アームの厚みおよび前記第２連結アームの厚みを前記錘部の厚みよりも薄くした構成である。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、例えば、Ｘ軸方向に第１連結アームを配置しＹ軸方向に第２連結アームを配置した場合、Ｙ軸方向に加速度が生じると、第１連結アームを軸にして錘部はＸ軸周りに回転しようとするため、錘部と対向基板の対向電極間の静電容量が変化する。錘部がＺ軸方向に回転するのは、第１連結アームの厚みが錘部の厚みよりも薄いので、Ｚ軸方向における錘部の重心位置と第１連結アームの重心位置がずれ、錘部の重心が第１連結アームの周りを回転しようとして、第１連結アームがねじれることに起因する。この第１連結アームのねじれは、加速度が生じれば容易に発生するので、対向電極間の静電容量の変化も生じやすく、検出感度を向上できるものである。
【００１６】
また、Ｘ軸方向に加速度が生じると、第１連結アームと直交方向に配置した第２連結アームを軸にして、錘部はＺ軸方向に回転しようとするため、錘部と対向基板の対向電極間の静電容量が変化する。上記と同様に、錘部がＺ軸方向に回転するのは、第２連結アームの厚みが錘部の厚みよりも薄いので、Ｚ軸方向における錘部の重心位置と第２連結アームの重心位置がずれ、錘部の重心が第２連結アームの周りを回転しようとして、第２連結アームがねじれることに起因する。この第２連結アームのねじれは、加速度が生じれば容易に発生するので、対向電極間の静電容量の変化も生じやすく、検出感度を向上できるものである。
【００１７】
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、Ｙ軸方向の加速度は第１連結アームを軸にして錘部がＺ軸方向に回転することにより検出され、Ｘ軸方向の加速度は第２連結アームを軸にして錘部がＺ軸方向に回転することにより検出され、各々、独立して検出することができ、検出低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（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。
【００１９】
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と、この検出素子１から出力される加速度信号および角速度信号を演算処理して加速度および角速度を検出する処理回路（図示せず）を備えている。
【００２０】
この検出素子１は、連結部を介して錘部２を連結し、この錘部２を内方に配置した枠体状の枠体部４と、錘部２と対向させた対向基板６とを有し、枠体部４にて実装基板に固定している。
【００２１】
具体的には、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の他端が枠体部４に連結されている。第２アーム１０は第２アーム１０自身と対向するまでＵ字状に折曲され、折曲された第２アーム１０の先端部に錘部２が連結されている。
【００２２】
第１アーム８は、第１連結アーム１１を第２連結アーム１３に直交させたＴ字状の直交アームであって、この第１連結アーム１１の一端が、支持部１２にて支持されるとともに第２アーム１０を介して錘部２に連結されており、第１連結アーム１１の他端が直交する第２連結アーム１３に連結されており、第２連結アーム１３の両端部が枠体部４に連結されている。このとき、第２連結アーム１３の両端部は、第１連結アーム１１と直交方向に延長されて枠体部４に連結されている。
【００２３】
第１連結アーム１１と支持部１２とは略同一直線上に配置するとともに、第１アーム８および第２アーム１０は検出素子１の中心に対して対称配置し、第１連結アーム１１の厚みおよび第２連結アーム１３の厚みを錘部２の厚みよりも非常に薄く形成している。
【００２４】
さらに、錘部２に対向させて対向基板６を配置し、錘部２と対向基板６の各々の対向面には、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０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２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。
【００２５】
そして、これら第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、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）が枠体部４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。
【００２６】
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。
【００２７】
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２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２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。
【００２８】
このとき、例えば、Ｚ軸の左周りに角速度が生じた場合は、錘部２の駆動振動と同調して、錘部２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軸の左周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。
【００２９】
次に、加速度検出部について説明する。
【００３０】
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、対向基板６をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４の対向距離（Ｈ１）と、基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６の対向距離（Ｈ２）は等しい、図示していないが、第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も等しくなる。
【００３１】
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、錘部２はＹ軸方向に配置された第２連結アーム１３を軸にしてＹ軸周りに回転しようとする。この結果、基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４の対向距離（Ｈ１）が小さくなり、基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６の対向距離（Ｈ２）が大きくなる。第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も同様である。
【００３２】
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、対向基板６をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４の対向距離（Ｈ１）と、基板６と錘部２との対向面の第３対向電極１８の対向距離（Ｈ２）は等しい。図示していないが、第２対向電極１６の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も等しくなる。
【００３３】
このとき、Ｙ軸方向に加速度が生じた場合、図１、図８に示すように、錘部２はＸ軸方向に配置された第１連結アーム１１を軸にしてＸ軸周りに回転しようとするため、例えば、第３、第４対向電極１８、２０の対向距離が大きくなり、第１、第２対向電極１４、１６の対向距離が小さくなる。
【００３４】
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。
【００３５】
上記構成により、加速度検出部によって、錘部２と基板６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の静電容量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。
【００３６】
また、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、例えば、Ｘ軸方向に第１連結アーム１１を配置しＹ軸方向に第２連結アーム１３を配置した場合、Ｙ軸方向に加速度が生じると、第１連結アーム１１を軸にして錘部２はＸ軸周りに回転しようとするため、錘部２と対向基板６の対向電極間の静電容量が変化する。錘部２がＸ軸周りに回転するのは、第１連結アーム１１の厚みが錘部２の厚みよりも薄いので、Ｚ軸方向における錘部の重心位置と第１連結アーム１１の重心位置がずれ、錘部２の重心が第１連結アーム１１の周りを回転しようとして、第１連結アーム１１がねじれることに起因する。この第１連結アーム１１のねじれは、加速度が生じれば容易に発生するので、対向電極間の静電容量の変化も生じやすく、検出感度を向上できるものである。
【００３７】
さらに、Ｘ軸方向に加速度が生じると、第１連結アーム１１と直交方向に配置した第２連結アーム１３を軸にして、錘部２はＹ軸周りに回転しようとするため、錘部２と対向基板６の対向電極間の静電容量が変化する。上記と同様に、錘部２がＹ軸周りに回転するのは、第１連結アーム１１の厚みが錘部２の厚みよりも薄いので、Ｚ軸方向における錘部２の重心位置と第１連結アーム１１の重心位置がずれ、錘部２の重心が第２連結アーム１３の周りを回転しようとして、第２連結アーム１３がねじれることに起因する。この第２連結アーム１３のねじれは、加速度が生じれば容易に発生するので、対向電極間の静電容量の変化も生じやすく、検出感度を向上できるものである。このとき、第２連結アーム１３は対向して２つ配置されているので、例えば、第１連結アーム１１に引張圧縮力が加わりながら、一方の第２連結アーム１３は上方にねじれようとし、他方の第２連結アーム１３は下方にねじれようとして、全体として、回転しようとする。
【００３８】
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、Ｙ軸方向の加速度は第１連結アーム１１を軸にして錘部２がＸ軸周りに回転することにより検出され、Ｘ軸方向の加速度は第２連結アーム１３を軸にして錘部２がＹ軸周りに回転することにより検出され、各々、独立して検出することができるので、検出低下を抑制できる。
【００３９】
（実施の形態２）
図９は本発明の第２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１０は図９のＡ−Ａ断面図、図１１は図９のＢ−Ｂ断面図である。
【００４０】
本発明の第２の実施の形態における複合センサの検出素子は、第１の実施の形態における複合センサの検出素子において、第２連結アーム１３を改良したものである。
【００４１】
図９〜図１１において、第１アーム８は、第１連結アーム１１を第２連結アーム１３に直交させたＴ字状の直交アームであって、この第１連結アーム１１の一端が、支持部１２にて支持されるとともに第２アーム１０を介して錘部２に連結されており、第１連結アーム１１の他端が直交する第２連結アーム１３に連結されており、第２連結アーム１３の両端部が枠体部４に連結されている。このとき、第２連結アーム１３の両端部は、第１連結アーム１１と同方向に延長して、枠体部４に連結されている。角速度の検出および加速度の検出については、実施の形態１と同様である。上記構成により、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態における複合センサと同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】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】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図
【図４】角速度検出時における同検出素子の動作状態図
【図５】対向基板配置時のＡ−Ａ断面図
【図６】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
【図７】対向基板配置時のＢ−Ｂ断面図
【図８】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
【図９】本発明の第２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１０】図９のＡ−Ａ断面図
【図１１】図９のＢ−Ｂ断面図
【図１２】従来の検出素子の平面図
【図１３】図９のＡ−Ａ断面図
【図１４】図９のＢ−Ｂ断面図
【符号の説明】
【００４４】
１  検出素子
２  錘部
４  枠体部
６  対向基板
８  第１アーム
１０  第２アーム
１１  第１連結アーム
１２  支持部
１３  第２連結アーム
１４  第１対向電極
１６  第２対向電極
１８  第３対向電極
２０  第４対向電極
２２  駆動電極
２４  検知電極
２６  第１感知電極
２８  第２感知電極
【図１】
2008232703.tif 000003
【図２】
2008232703.tif 000004
【図３】
2008232703.tif 000005
【図４】
2008232703.tif 000006
【図５】
2008232703.tif 000007
【図６】
2008232703.tif 000008
【図７】
2008232703.tif 000009
【図８】
2008232703.tif 000010
【図９】
2008232703.tif 000011
【図１０】
2008232703.tif 000012
【図１１】
2008232703.tif 000013
【図１２】
2008232703.tif 000014
【図１３】
2008232703.tif 000015
【図１４】
2008232703.tif 000016