(57)【要約】【課題】加速度を検出するにあたり、検出誤差の発生を抑制し、検出精度の向上を図ったセンサを提供することを目的としている。【解決手段】角速度検出部と加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、互いに対向する第１、第２対向基板５、１５と、各々の対向面に配置した第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０と第５〜第８対向電極１５、１７、１９、２１と、これら対向電極と静電容量結合するとともに第１、第２対向基板５、１５の各々の対向面に配置した接地電極３０とを有し、この接地電極３０を第１、第２対向基板５、１５の各々の対向面に配置された隣接する対向電極の間に設けた構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度検出部を有する検出素子を備え、
前記検出素子は、互いに対向する対向部と、前記対向部の対向面に配置した複数の対向電極と、前記対向電極と静電容量結合するとともに前記対向部の対向面に配置した接地電極とを有し、
前記加速度検出部は、加速度に起因した複数の前記対向電極間の静電容量変化に基づき加速度を検出するセンサ。
【請求項２】
前記接地電極は、前記対向部の対向面に配置された隣接する前記対向電極の間に配置した請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記検出素子は、第１アームと第２アームとを直交方向に連結して形成した直交アームと、前記第１アームの一端を支持する支持部と、前記直交アームと対向する対向基板とを有し、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸において、前記第１アームをＸ軸方向に配置し、前記第２アームをＹ軸方向に配置し、前記対向基板をＺ軸の方向に配置し、前記対向部は前記第２アームと前記対向基板とした請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記第２アームの先端部は錘部とした請求項３記載のセンサ。
【請求項５】
前記検出素子は角速度検出部を有し、前記角速度検出部は、前記第２アームをＸ軸方向に振動させ、角速度に起因した前記検出素子の状態変化に基づき角速度を検出する請求項１記載のセンサ。
【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加速度を検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来のセンサについて説明する。
【０００３】
図１１は従来のセンサの断面図、図１２は図１１のＡ−Ａ断面における対向電極の平面図である。
【０００４】
図１１、図１２において、従来のセンサは、円筒状の筐体４０と、この筐体４０の中に配置した円柱状の錘４１と、この錘４１と筐体４０の対向面に配置した４組の対向電極４２とを備えている。筐体４０の底面には凹部４３を設け、この凹部４３に錘４１のボス部４４を挿入して錘４１を支持している。
【０００５】
上記構成において、加速度により錘４１が変位すると、対向電極４２の間隔が変化し、対応する静電容量が変化する。この静電容量の変化によって、加速度の検出が可能となる。このような加速度を検出する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。
【０００６】
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２００２−５５１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記構成では、筐体４０または錘４１の対向面に配置した隣接する対向電極４２の間にも静電容量が発生するので、この静電容量に起因した浮遊容量によるノイズによって、加速度の検出誤差が生じ、検出精度が劣化するという問題点を有していた。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決し、加速度を検出するにあたり、検出誤差の発生を抑制し、検出精度の向上を図った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】
【０００９】
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、互いに対向する対向部と、前記対向部の対向面に配置した複数の対向電極と、前記対向電極と静電容量結合するとともに前記対向部の対向面に配置した接地電極とを有し、前記加速度検出部は、加速度に起因した複数の前記対向電極間の静電容量変化に基づき加速度を検出する構成である。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成により、検出素子は、対向部の対向面に配置した複数の対向電極と、前記対向電極と静電容量結合するとともに前記対向部の対向面に配置した接地電極とを有するので、対向面の同一面上に配置された隣接する対向電極の間に生じる静電容量を抑制できる。すなわち、対向面の同一面上に配置された対向電極は、接地電極との間に静電容量を生じるので、隣接する互いの対向電極との間に生じる静電容量が抑制されるものである。したがって、対向面に配置した隣接する対向電極の間に生じる浮遊した静電容量が抑制され、この静電容量に起因した浮遊容量によるノイズも抑制されて検出精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（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。
【００１２】
図１において、本発明の第１の実施の形態におけるセンサは、加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子１を備えている。
【００１３】
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、２つの第１アーム８の一端を支持部１２にて支持し、２つの第１アーム８の他端を枠体形状の第１固定部４に連結し、枠体形状の第１固定部４の内方に２つの直交アームを配置させている。
【００１４】
第２アーム１０は、第２アーム１０自身と対向するまでＵ字状に折曲し、折曲した第２アーム１０の先端部に錘部３を連結している。枠体形状の第１固定部４は固定アーム７にて第２固定部６と連結し、第２固定部６の内方に第１固定部４を配置している。第１アーム８と支持部１２とを略同一直線上に配置し、第１アーム８および第２アーム１０を検出素子１の中心に対して対称配置している。
【００１５】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム８をＸ軸方向に配置するとともに第１固定部４にはＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部９を設け、固定アーム７をＹ軸方向に配置するとともに第２固定部６にはＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部１１を設け、第２固定部６にて実装基板に実装している。
【００１６】
この第１弾性部９は、第１アーム８と直交する第１固定部４の一部に、Ｙ軸方向にスリット１３を形成して設けており、第２弾性部１１は、第２アーム１０と直交する第２固定部６の一部に、Ｘ軸方向にスリット１３を形成して設けている。
【００１７】
また、錘部３の表面側に第１対向基板５を対向させるとともに、錘部３と第１対向基板５の各々の対向面に、第１対向電極部として、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置しており、錘部３の裏面側に第２対向基板１５を対向させるとともに、錘部３と第２対向基板１５の各々の対向面に、第２対向電極部として、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３を配置している。錘部３、第１、第２対向基板５、１５が対向部となる。
【００１８】
互いに対向する一方の２つの第２アーム１０には錘部３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。
【００１９】
そして、これら第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３、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）が固定アーム７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。
【００２０】
第１対向基板５の対向面に配置された互いに隣接する第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０の間には、接地電極３０を配置している。この接地電極３０は、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０とは接触させずに、それらを取囲むように全面に配置している。同様に、第２対向基板１５の対向面に配置された互いに隣接する第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３の間にも、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３とは接触させずに、それらを取囲むように全面に接地電極３０を配置している。
【００２１】
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。
【００２２】
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３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３の全てが同調して第２アーム１０の対向方向（駆動振動方向）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。
【００２３】
このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部３の駆動振動と同調して、錘部３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軸の左回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。
【００２４】
次に、加速度検出部について説明する。
【００２５】
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、第１対向基板５、第２対向基板１５をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第２対向電極１６の対向端部（Ｘ２）は互いに少しずれた位置にあり、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第６対向電極１９の対向端部（Ｘ２）も互いに少しずれた位置にある。図示していないが、第３対向電極１８の対向端部と第４対向電極２０の対向端部も互いに少しずれた位置にあり、第７対向電極２１の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も少しずれた位置にある。
【００２６】
すなわち、錘部３のＸ軸方向の移動時に、第１対向電極１４の静電容量変化量と、第２対向電極１６の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第３対向電極１８の静電容量変化量と、第４対向電極２０の静電容量変化量とを異なるようにし、第５対向電極１７の静電容量変化量と、第６対向電極１９の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第７対向電極２１の静電容量変化量と、第８対向電極２３の静電容量変化量とを異なるようにしている。このように静電容量が変化することによって、錘部３がＸ軸方向移動したことが区別でき、また、静電容量の変化量の違いによって、錘部３の移動が、Ｘ軸の正の方向への移動なのか、負の方向への移動なのかを区別できる。
【００２７】
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、第１弾性部９がＸ軸方向に変位し、加速度の生じた直線方向への力が回転方向への力に変換されることもなく、第１弾性部９は、加速度の生じたＸ軸方向と同方向にのみ変位する。この結果、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第２対向電極１６の対向端部（Ｘ２）は互いに（Ｗ）だけ位置がずれ、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第２対向基板１５と錘部３との対向面の第６対向電極１９の対向端部（Ｘ２）も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。図示していないが、第３対向電極１８の対向端部と第４対向電極２０の対向端部、第７対向電極２１の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。
【００２８】
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、第１対向基板５をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第３対向電極１８の対向端部（Ｘ２）は互いに少しずれた位置にあり、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第２対向基板１５と錘部３との対向面の第７対向電極２１の対向端部（Ｘ２）も互いに少しずれた位置にある。図示していないが、第２対向電極１６の対向端部と第４対向電極２０の対向端部も互いに少しずれた位置にあり、第６対向電極１９の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も互いに少しずれた位置にある。
【００２９】
すなわち、錘部３のＹ軸方向の移動時に、第１対向電極１４の静電容量変化量と、第３対向電極１８の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第２対向電極１６の静電容量変化量と、第４対向電極２０の静電容量変化量とを異なるようにし、第５対向電極１７の静電容量変化量と、第７対向電極２１の静電容量変化量とを異なるようにするとともに、第６対向電極１９の静電容量変化量と、第８対向電極２３の静電容量変化量とを異なるようにしている。このように静電容量が変化することによって、錘部３がＹ軸方向移動したことが区別でき、また、静電容量の変化量の違いによって、錘部３の移動が、Ｙ軸の正の方向への移動なのか、負の方向への移動なのかを区別できる。
【００３０】
このとき、例えば、Ｙ軸方向に加速度が生じた場合、図１、図８に示すように、第２弾性部１１がＹ軸方向に変位し、加速度の生じた直線方向への力が回転方向への力に変換されることもなく、第２弾性部１１は、加速度の生じたＹ軸方向と同方向にのみ変位する。この結果、第１対向基板５と錘部３の対向面の第１対向電極１４の対向端部（Ｘ１）と、第１対向基板５と錘部３との対向面の第３対向電極１８の対向端部（Ｘ２）は互いに（Ｗ）だけ位置がずれ、第２対向基板１５と錘部３の対向面の第５対向電極１７の対向端部（Ｘ１）と、第２対向基板１５と錘部３との対向面の第７対向電極２１の対向端部（Ｘ２）も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。図示していないが、第２対向電極１６の対向端部と第４対向電極２０の対向端部、第６対向電極１９の対向端部と第８対向電極２３の対向端部も互いに（Ｗ）だけ位置がずれる。
【００３１】
さらに、第１対向基板５の対向面に配置された第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０と、これらの電極とは接触せずに取囲むように全面に配置された接地電極３０とが互いに静電容量結合（Ｃ１〜Ｃ１２）しており、図９に示すような静電容量結合の状態となる。同様に、第２対向基板１５の対向面に配置された第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３と、これらの電極とは接触せずに取囲むように全面に配置された接地電極３０とが互いに静電容量結合（Ｃ１〜Ｃ１２）しており、図１０に示すような静電容量結合の状態となる。
【００３２】
上記構成により、検出素子１は、図９に示すように、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０が配置された第１対向基板５の対向面に接地電極３０を配置するとともに、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３が配置された第２対向基板１５の対向面に接地電極３０を配置しているので、第１対向基板５に配置された隣接する対向電極に生じる静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）を抑制でき、第２対向基板に配置された隣接する対向電極の間に生じる静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）を抑制できる。
【００３３】
すなわち、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０は隣接する互いの対向電極との間に静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）を生じるものの、接地電極３０との間にも静電容量（Ｃ１〜Ｃ１２）を生じるので、隣接する互いの対向電極との間に生じる静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）は抑制される。第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３も隣接する互いの対向電極との間に静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）を生じるものの、接地電極３０との間にも静電容量（Ｃ１〜Ｃ１２）を生じるので、隣接する互いの対向電極との間に生じる静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）は抑制される。
【００３４】
したがって、対向面に配置した隣接する対向電極の間に生じる静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）が抑制され、この静電容量（Ｃ２１〜Ｃ２８）に起因したノイズも抑制されて検出精度が向上する。なお、静電容量（Ｃ２５〜Ｃ２８）は実装基板に実装した際に、実装用のランドパターン３２との間に生ずる静電容量であってノイズの要因となるが、接地電極３０の配置より、静電容量（Ｃ９〜Ｃ１２）が生じるので、ノイズは抑制される。
【００３５】
また、加速度検出部によって、錘部３と第１対向基板５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、錘部３と第２対向基板１５の各々の対向面に配置した第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３の静電容量変化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】
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、Ｘ軸方向の加速度は第１弾性部９がＸ軸方向にのみ変位することにより検出され、Ｙ軸方向の加速度は第２弾性部１１がＹ軸方向にのみ変位することにより検出され、各々、一方の加速度の影響を受けることなく独立して加速度を検出することができ、検出感度を向上できる。
【００３７】
このとき、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０は、Ｚ軸方向からみると、各々、錘部３に配置した電極と第１対向基板５に配置した電極は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に位置ずれし、かつ、いずれか一方の電極によって覆われていないので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に錘部３が可動した際、可動範囲においては、各々の静電容量が連続的に異なるように変化し、かつ、各々の静電容量が異なるので、錘部３がＸ軸方向の正の方向へ移動したのか、負の方向へ移動したのかを区別できる。例えば、図６によれば、第１対向電極１４は加速度に応じて静電容量が連続的に減少し、第２対向電極１６は加速度に応じて静電容量が連続的に増大するので、Ｘ軸方向の負の方向へ移動したことがわかる。第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３、およびＹ軸方向についても同様に移動方向を区別できる。
【００３８】
さらに、第１対向電極部として、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０は、錘部３の表面側と対向させた第１対向基板５と錘部３の各々の対向面に配置し、第２対向電極部として、第５対向電極〜第８対向電極１７、１９、２１、２３は、錘部３の裏面側と対向させた第２対向基板１５と錘部３の各々の対向面に配置しているので、例えば、Ｚ軸方向へ錘部３が変位したとしても、第１対向電極部の対向距離が広がれば、第２対向電極部の対向距離が縮まり、第１対向電極部の対向距離が縮めば、第２対向電極部の対向距離が広がる。
【００３９】
すなわち、第１対向電極部の対向距離および第２対向電極部の対向距離の総対向距離が変わらないので、振動等によって、Ｚ軸方向へ錘部３が変位したとしても、第１、第２対向電極部の全体の静電容量の変化量が大きく変化することがなく、Ｘ軸またはＹ軸の加速度の検出精度を劣化させずに検出精度を向上できる。
【００４０】
なお、第１固定部に第１弾性部９を設ける替わりに、第１連結部にＸ軸方向のみに弾性変形する第１弾性部９を設けたり、第２固定部に第２弾性部１１を設ける替わりに、第２連結部にＹ軸方向のみに弾性変形する第２弾性部１１を設けたりしてもよい。また、駆動電極、検知電極、感知電極については、上記実施の形態以外にも任意に設定可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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】
【００４２】
【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】同検出素子の第１対向基板における静電容量の結合状態を示す説明図
【図１０】同検出素子の第２対向基板における静電容量の結合状態を示す説明図
【図１１】従来のセンサの平面図
【図１２】図１１のＡ−Ａ断面における対向電極の平面図
【符号の説明】
【００４３】
１  検出素子
３  錘部
４  第１固定部
５  第１対向基板
６  第２固定部
７  固定アーム
８  第１アーム
９  第１弾性部
１０  第２アーム
１１  第２弾性部
１２  支持部
１３  スリット
１４  第１対向電極
１５  第２対向基板
１６  第２対向電極
１７  第５対向電極
１８  第３対向電極
１９  第６対向電極
２０  第４対向電極
２１  第７対向電極
２２  駆動電極
２３  第８対向電極
２４  検知電極
２６  第１感知電極
２８  第２感知電極
３０  接地電極
３２  ランドパターン
【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６】
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【図７】
2009192234.tif 000009
【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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