(57)【要約】【課題】角速度や加速度等の互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、各種電子機器の小型化を図れる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】慣性力を検出する検出素子１と処理回路とを備え、この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム２を支持する支持部６を有し、第１アーム２には、第１アーム２の歪を感知する感知電極３０を設け、一方の第１アーム２には第１アーム２に対して直交方向に第５、第６感知電極３２，３４を対向配置させ、他方の第１アーム２には第１アーム２に対して直交方向に第７、第８感知電極３６，３８を対向配置させた構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性力を検出する検出素子を備え、
前記検出素子は、第１アームを第２アームに略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、前記支持部に連結するとともに実装基板に固定した固定用アームと、前記第２アームの先端部に配置した錘部とを備え、前記固定用アームは少なくとも一部が前記第１アームを兼ねており、前記第１アームには前記第１アームの歪を感知する感知電極を設けた慣性力センサ。
【請求項２】
２つの前記第１アームと前記支持部とを略同一直線上に配置した請求項１記載の慣性力センサ。
【請求項３】
前記感知電極は第１〜第４感知電極からなり、２つの前記第１アームの内、一方の前記第１アームには前記第１アームに対して直交方向に前記第１、第２感知電極を対向配置させ、他方の前記第１アームには前記第１アームに対して直交方向に前記第３、第４感知電極を対向配置させた請求項１記載の慣性力センサ。
【請求項４】
前記第２アームを駆動振動させ、前記第１アームまたは前記第２アームの歪を検知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５】
前記第１アーム、前記第２アーム、前記固定用アームの内、前記第１アームの厚みを薄くした請求項１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慣性力を検出する慣性力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について説明する。
【０００３】
従来、角速度や加速度等の慣性力を検出する慣性力センサを用いる場合は、角速度を検出するには専用の角速度センサを用い、加速度を検出するには専用の加速度センサを用いていた。また、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、複数の検出軸の角速度や加速度を検出する場合には、検出軸の数に対応するように、複数の角速度センサや加速度センサを用いていた。
【０００４】
したがって、各種電子機器において、角速度と加速度とを複合して検出したり、複数の検出軸に対して角速度や加速度を検出したりする場合は、複数の角速度センサと加速度センサを各種電子機器の実装基板に各々実装していた。
【０００５】
一般に、角速度センサは、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種の形状の検出素子を振動させて、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ものであり、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検出するものである。
【０００６】
このような角速度センサや加速度センサ等の複数の慣性力センサを、検出したい慣性力や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。
【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】
上記構成では、各種電子機器の慣性力を検出するにあたって、検出したい慣性力や検出軸に対応させて、角速度センサや加速度センサ等の複数の慣性力センサを各種電子機器の実装基板に実装するので、複数の慣性力センサを実装するための実装面積を確保する必要があり、各種電子機器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し、複数の慣性力センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、角速度や加速度等の互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、各種電子機器の小型化を図れる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】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、特に、前記検出素子は、第１アームを第２アームに略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、前記支持部に連結するとともに実装基板に固定した固定用アームと、前記第２アームの先端部に配置した錘部とを備え、前記固定用アームは少なくとも一部が前記第１アームを兼ねており、前記第１アームには前記第１アームの歪を感知する感知電極を設けた構成である。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アームをＸ軸方向に配置し、第２アームをＹ軸方向に配置した場合、角速度については、例えば、第２アームをＸ軸方向に駆動振動させれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪は第１アームのＸ軸方向に発生させることができ、Ｙ軸回りの角速度に起因した歪は第１アームまたは第２アームのＺ軸方向に発生させることができ、この歪を検知すれば検出できる。
【００１２】
加速度については、例えば、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪は第１アームに発生させることができ、この歪を検知すれば検出できる。
【００１３】
よって、互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりできるので、実装面積を低減して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】
図１は本発明の一実施の形態における慣性力センサの検出素子の斜視図、図２は図１のＡ部の拡大図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は同検出素子の動作状態図である。
【００１５】
図１〜図３において、本発明の一実施の形態における慣性力センサは、慣性力を検出する検出素子１と処理回路（図示せず）とを備えている。この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム２を支持する支持部６と、支持部６に一端を連結するとともに他端を実装基板（図示せず）に固定する２つの固定用アーム８とを有する。固定用アーム８は第１アーム２に第３アーム１０を略直交方向に連結して形成した直交アームとするとともに、第３アーム１０の両端に形成した固定部１２にて実装基板に固定している。また、第２アーム４は折曲して第２アーム４自身と対向する対向部１６を設け、その先端には錘部１４を連結している。
【００１６】
この検出素子１は、固定用アーム８の第１アーム２と支持部６とを略同一直線上に配置しており、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置している。
【００１７】
また、４つの第２アーム４において、互いに対向する一方の２つの対向部１６には対向方向に対向部１６を駆動振動させる駆動電極１８を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの対向部１６には対向方向に対向部１６の歪を感知する感知電極２０を設けている。この感知電極２０は角速度検知用の電極であって、第１〜第４感知電極２２，２４，２６，２８からなり、他方の２つの対向部１６の内、一方の対向部１６には第１、第２感知電極２２，２４を対向配置させ、他方の対向部１６には第３、第４感知電極２６，２８を対向配置させている。
【００１８】
上記の駆動電極１８、感知電極２０は、シリコン基板上にＰｔの下部電極を高周波スパッタにて形成し、この下部電極の上部に高周波スパッタにてＰＺＴ圧電体を形成し、さらに、上部にＡｕ蒸着で上部電極を形成することによって形成すればよい。
【００１９】
下部電極と上部電極にシリコン基板が共振する共振周波数の交流電圧を印加すると駆動電極１８が配置された対向部１６は駆動振動し、それに伴い、４つの第２アーム４および４つの対向部１６の全てが同調して駆動振動する。また、角速度に起因してアームが歪めば、感知電極２０から歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき、処理回路で角速度を検出できる。
【００２０】
さらに、図２に示すように、第１アーム２には、第１アーム２の歪を感知する感知電極３０を設けており、この感知電極３０は加速度検知用の電極であって、第５〜第８感知電極からなり、一方の第１アーム２には第１アーム２に対して直交方向に第５、第６感知電極３２，３４を対向配置させ、他方の第１アーム２に対して直交方向に第７、第８感知電極３６，３８を対向配置させている。図３において、シリコン基板４０上に、薄膜抵抗４２を積層し、さらに、感知電極３０を積層して形成している。加速度に起因してアームが歪めば、感知電極３０から歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき処理回路で加速度を検出できる。
【００２１】
上記構成により、角速度については、例えば、図４に示すように、第２アーム４の対向部１６をＸ軸方向に駆動振動（実線の矢印と点線の矢印を交互に繰り返す）させれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪は第２アーム４の対向部１６のＸ軸方向に発生させることができ（コリオリ力が駆動振動に対応して第２アーム４のＹ軸方向に発生するため）、Ｙ軸回りの角速度に起因した歪は第２アーム４の対向部１６のＺ軸方向に発生させることができ（コリオリ力が駆動振動に対応して第２アーム４のＺ軸方向に発生するため）、この歪を検知することにより検出が可能である。特に、一方の２つの対向部に駆動振動させる駆動電極１８を設けるとともに、他方の２つの対向部１６に歪を感知する感知電極２０を設けているので、共振周波数（駆動振動数）を低くすることができ、回路設計が容易になり検出精度を向上できる（支持部６の近傍の第２アーム４に駆動電極１８を配置した場合は、共振周波数（駆動振動数）が高くなって、上記効果が得られない）。また、駆動電極１８に結線された信号線と感知電極２０に結線された信号線との信号干渉も起こりにくく、より検出精度を向上できる。
【００２２】
具体的には、Ｚ軸回り（左回り）に角速度が生じた場合、図４において、コリオリ力（実線の矢印と点線の矢印）は駆動振動の方向であるＸ軸方向に対して直交方向に発生し、駆動振動（実線の矢印と点線の矢印）と同調する。このＺ軸の左回りの場合、第１〜第４感知電極２２，２４，２６，２８が設けられた第２アーム４の対向部１６において、第１感知電極２８が対向部１６の縮みを感知する。また、Ｚ軸の右回りの場合、第１感知電極２２と第３感知電極２６が対向部１６の縮みを感知し、第２感知電極２４と第４感知電極２８が対向部１６の伸びを感知する。一方、駆動電極１８が設けられた第２アーム４は、第１〜第４感知電極２２，２４，２６，２８が設けられた第２アーム４の動きに同調して対称な動きをする。
【００２３】
加速度については、例えば、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪は第１アーム２に発生させることができ（第２アーム４の自重が第１アーム２に加わるため）、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪は第３アーム１４に発生させることができ（第１アーム２、第２アーム４の自重が第３アーム１４に加わるため）、この歪を検知すれば検出できる。特に、図３に示すように、第１アーム２の厚みは第２アーム４や第３アーム１０の厚みよりも薄く形成し、この第１アーム２の上に薄膜抵抗４２を積層し、この薄膜抵抗４２の上に加速度検知用の感知電極３０を形成している。
【００２４】
具体的には、Ｙ軸方向に加速度が生じた場合、図２において、第５感知電極３２と第７感知電極３６とが第１アーム２の伸びを感知し、第６感知電極３４と第８感知電極３８とが第１アーム２の縮みを感知するか、第５感知電極３２と第７感知電極３６とが第１アーム２の縮みを感知し、第６感知電極３４と第８感知電極３８とが第１アーム２の伸びを感知する。
【００２５】
Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、第５感知電極３２と第６感知電極３４とがＺ軸の（正）方向に第１アーム２の伸びを感知し、第７感知電極３６と第８感知電極３８とがＺ軸の（負）方向に第１アーム２の伸びを感知するか、第５感知電極３２と第６感知電極３４とがＹ軸の（負）方向に第１アーム２の伸びを感知し、第７感知電極３６と第８感知電極３８とがＹ軸の（正）方向に第１アーム２の伸びを感知する。
【００２６】
Ｚ軸方向に加速度が生じた場合、第５〜第８感知電極３２、３４、３６、３８がＺ軸の（正）方向または（負）方向に第１アーム２の伸びを感知する。このとき、図１において、固定部１２の上に薄膜抵抗４２と同一の抵抗を積層して、基準用の感知電極４４を形成しておき、第５〜第８の感知電極３２，３４，３６，３８と感知電極４４とを比較して検出する。基準用の感知電極４４が配置された固定部１２はＺ軸方向の加速度に対して伸び縮みがほとんどないので検出が可能であり、薄膜抵抗４２と同一の抵抗を用いることにより、温度特性等の材料特性も等しくなり検出精度も向上できる。
【００２７】
図３において、第１アーム２はＹ軸方向（実線の矢印と点線の矢印）に伸び縮みする。第１アーム２の厚みは第２アーム４や第３アーム１０の厚みよりも薄く形成し、この第１アーム２の上に薄膜抵抗４２を積層し、この薄膜抵抗４２の上に加速度検知用の感知電極３０を形成しているので、第１アーム２が歪みやすく、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の加速度に対する歪を受けやすくなって感度が向上する。
【００２８】
よって、互いに異なる複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、実装面積を低減して小型化を図ることができる。
【００２９】
また、本発明では、第２アーム４の両端部は折曲して第２アーム４と対向させているので、駆動振動における振幅を大きくして角速度の検知速度を向上させることができる。特に、第２アーム４の先端には錘部１４を連結しているので、駆動振動における振幅をより大きくして角速度の検知感度を向上させることができる。また、錘部１６の連結により、加速度の検知角度も向上させることができる。さらに、第２アーム４の両端部はメアンダー状に折曲して第２アーム４と対向させてもよい。
【００３０】
さらに、支持部６は、図１に示すように、支持部６の幅が第１アーム２や第２アーム４の幅よりも大きくなっているが、図５に示すように、支持部６の幅（Ｗ１）が第１アーム２や第２アーム４の幅（Ｗ２）と同等なものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る慣性力センサは、複数の慣性力を検出したり、複数の検出軸の慣性力を検出したりでき、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】
【００３２】
【図１】本発明の一実施の形態における慣性力センサの検出素子の斜視図
【図２】図１のＡ部の拡大図
【図３】図２のＡ−Ａ断面図
【図４】同慣性力センサの検出素子の動作状態図
【図５】同慣性力センサの他の検出素子の斜視図
【符号の説明】
【００３３】
１  検出素子
２  第１アーム
４  第２アーム
６  支持部
８  固定用アーム
１０  第３アーム
１２  固定部
１４  錘部
１６  対向部
１８  駆動電極
２０  感知電極
２２  第１感知電極
２４  第２感知電極
２６  第３感知電極
２８  第４感知電極
３０  感知電極
３２  第５感知電極
３４  第６感知電極
３６  第７感知電極
３８  第８感知電極
４０  シリコン基板
４２  薄膜抵抗
４４  感知電極
【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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