(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つの角部を有する方形状の枠状固定基部と、
前記枠状固定基部の４つの角部に４つの接続部によって接続された中央基部と、
前記中央基部を中心に、一軸方向において対称配置した２つの角速度センサと、
前記中央基部を中心に、前記角速度センサとは異なる他軸の方向において対称配置した２つの加速度センサとを備え、
互いに略直行したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、
前記中央基部を中心に、Ｙ軸方向において対称配置した２つの角速度センサと、
前記中央基部を中心に、Ｘ軸方向において対称配置した２つの加速度センサとを備え、
前記角速度センサは、Ｙ軸方向に配置した第１アームの一端を前記中央基部に連結し、他端を第２アームの中央に連結し、前記第２アームをＸ軸方向に配置したＴ形状とするとともに、前記第１アームに第１の検出正電極および第１の検出負電極を配置し、
前記第２アームに第１の駆動正電極および第１の駆動負電極を配置した第１圧電素子であり、
前記加速度センサは、錘部と前記中央基部を、第２の駆動正電極、第２の駆動負電極、第２の検出正電極、第２の検出負電極を備えた第２圧電素子によって連結する構成とし、
前記角速度センサにおいて前記第２アームはＹ軸方向に駆動振動し、
前記加速度センサにおいて前記第２圧電素子はＺ軸方向に駆動振動する
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、４つの角部を有する方形状の枠状固定基部と、枠状固定基部の４つの角部に４つの接続部によって接続された中央基部と、中央基部を中心に、一軸方向において対称配置した２つの角速度センサと、中央基部を中心に、角速度センサとは異なる他軸の方向において対称配置した２つの加速度センサとを備え、互いに略直行したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、中央基部を中心に、Ｙ軸方向において対称配置した２つの角速度センサと、中央基部を中心に、Ｘ軸方向において対称配置した２つの加速度センサとを備え、角速度センサは、Ｙ軸方向に配置した第１アームの一端を前記中央基部に連結し、他端を第２アームの中央に連結し、前記第２アームをＸ軸方向に配置したＴ形状とするとともに、第１アームに第１の検出正電極および第１の検出負電極を配置し、第２アームに第１の駆動正電極および第１の駆動負電極を配置した第１圧電素子であり、加速度センサは、錘部と中央基部を、第２の駆動正電極、第２の駆動負電極、第２の検出正電極、第２の検出負電極を備えた第２圧電素子によって連結する構成とし、前記角速度センサにおいて前記第２アームはＹ軸方向に駆動振動し、前記加速度センサにおいて前記第２圧電素子はＺ軸方向に駆動振動するものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明は、４つの角部を有する方形状の枠状固定基部と、枠状固定基部の４つの角部に４つの接続部によって接続された中央基部と、中央基部を中心に、一軸方向において対称配置した２つの角速度センサと、中央基部を中心に、角速度センサとは異なる他軸の方向において対称配置した２つの加速度センサとを備え、互いに略直行したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、中央基部を中心に、Ｙ軸方向において対称配置した２つの角速度センサと、中央基部を中心に、Ｘ軸方向において対称配置した２つの加速度センサとを備え、角速度センサは、Ｙ軸方向に配置した第１アームの一端を前記中央基部に連結し、他端を第２アームの中央に連結し、前記第２アームをＸ軸方向に配置したＴ形状とするとともに、第１アームに第１の検出正電極および第１の検出負電極を配置し、第２アームに第１の駆動正電極および第１の駆動負電極を配置した第１圧電素子であり、加速度センサは、錘部と中央基部を、第２の駆動正電極、第２の駆動負電極、第２の検出正電極、第２の検出負電極を備えた第２圧電素子によって連結する構成とし、前記角速度センサにおいて前記第２アームはＹ軸方向に駆動振動し、前記加速度センサにおいて前記第２圧電素子はＺ軸方向に駆動振動するものであるので、角速度センサと加速度センサが枠状固定基部内に設けられることとなり、その結果として実装基板の小型化を図ることができる。
【００１２】
また、２つの角速度センサは中央基部を中心に、一軸方向において対称配置されているので、互いの振動を相殺し、吸収することができ、その結果精度を向上させることが出来る。さらに、２つの加速度センサは中央基部を中心に、一軸方向において対称配置されているので、互いの振動を相殺し、吸収することができ、その結果精度を向上させることが出来る。さらにまた、これらの２つの角速度センサと２つの加速度センサは、４つの角部を有する方形状の枠状固定基部内において、異なる軸方向に配置されたものであるので、この点からも互いの干渉を抑制することができ、その結果として両者の検出精度を高めることができるものである。
【００１３】
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】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。まずは、図１から図９を用いて本発明の前提例を説明する。
【００１５】
図１に示す複合センサは、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、枠状固定基部１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の周囲に配置した錘部６と、錘部６と中央基部３とを連結した第２圧電素子８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と接触させても非接触させても良い。
【００１６】
第１圧電素子４および第２圧電素子８は互いに駆動振動させ、角速度センサとしては、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し、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第２圧電素子８の駆動振動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を中央基部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Ｅ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としており、錘部６の連結部１６を介して錘部６と中央基部３とを連結している。この錘部６の連結部１６の両側には２つの第２圧電素子８を配置し、錘部６と第２圧電素子８とを共に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の厚みは第２圧電素子８の厚みよりも厚くしている。第２圧電素子８は、第１圧電素子４と同様に、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圧電素子８が駆動振動する。
【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、第２圧電素子８、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い。
【００２４】
次に、第１圧電素子４および第２圧電素子８の駆動振動と動作状態について説明する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
加速度センサは、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加速度を算出する。
【００２９】
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。すると、錘部６と固定基部とを連結した２つの第２圧電素子８には、それぞれ、錘部６の可動に応じて異なる張力が加わる。すなわち、錘部６の（−Ｘ）方向側の第２圧電素子８はＹ軸方向に縮むように張力が加わり、錘部６の（＋Ｘ）方向側の第２圧電素子８はＹ軸方向に伸びるように張力が加わる。
【００３０】
このとき、例えば、２つの第２圧電素子８の固有振動の共振周波数（固有値）が、錘部６の可動前の状態と比較すると変化する（一方の第２圧電素子８の駆動振動周波数が高くなり、他方の第２圧電素子８の駆動振動周波数が低くなる）ので、これを検知すればよい。すなわち、下部電極２８と上部電極３２は駆動正電極、駆動負電極、検出正電極、検出負電極を兼用するものとなっている。
【００３１】
上記構成により、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、この枠状固定基部１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の周囲に配置した錘部６と、この錘部６と中央基部３とを連結した第２圧電素子８とを有し、第１圧電素子４および第２圧電素子８を互いに駆動振動させるので、角速度センサは、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、加速度センサは、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加速度を算出できる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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とともに、第２圧電素子８の駆動振動に伴う駆動振動周波数を検知して加速度を算出するので、検知も容易である。
【００３７】
なお、本発明の一実施の形態では、加速度センサの算出において、第２圧電素子８の駆動振動に伴う駆動振動周波数を検知して加速度を算出したが、第２圧電素子８の駆動振動に伴う駆動正電極２０と駆動負電極１８間の静電容量を検知して加速度を算出してもよい。
【００３８】
すなわち、第２圧電素子８の駆動振動に伴い駆動正電極２０と駆動負電極１８間の距離が変化するので、これを静電容量の変化として検知し、算出するものである。
【００３９】
また、枠状固定基部１と中央基部３との位置は、図１に示した以外の形態でも良い。例えば、図１０に示す形態である。図１０では、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しており、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。
【００４０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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】
【００４２】
【図１】本発明の前提例となる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Ａ−Ａ断面図
【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】本発明の一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】
【００４３】
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
８  第２圧電素子
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】
0004774733.tif 000002
【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】
0004774733.tif 000009
【図９】
0004774733.tif 000010
【図１０】
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