(57)【要約】【課題】角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減して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】互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸において、第１アーム４をＸ軸方向に配置し、第２アーム６をＹ軸方向に配置し、角速度検出部は、第２アーム６をＸ軸方向に振動させ、角速度に起因した検出素子２の状態変化に基づき角速度を検出しており、加速度検出部は、加速度に起因した検出素子２の状態変化に基づき加速度を検出しており、対向部２１はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した対向部２１の可動によって変化する対向電極２２間の静電容量に基づき加速度を検出する構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子を備え、
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第１支持部と、前記第２アームに対向する対向部と、前記第２アームと前記対向部の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、
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しており、
前記加速度検出部は、加速度に起因した前記第２アームと前記対向部の対向電極間の静電容量変化に基づき加速度を検出しており、
前記対向部はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した前記対向部の可動によって変化する前記対向電極間の静電容量に基づき加速度を検出する複合センサ。
【請求項２】
前記第１、第２アームの厚みを同等にした請求項１記載の複合センサ。
【請求項３】
複数の直交アームを設け、前記検出素子は対称形状とした請求項１記載の複合センサ。
【請求項４】
前記第２アームの先端部および前記対向部は錘部とした請求項１記載の複合センサ。
【請求項５】
前記対向部は複数設け、第１連結部を介して複数の前記対向部を支持する前記第２支持部と、第２連結部を介して前記第２支持部を中空保持する固定部とを有し、前記第１連結部と前記第２連結部は互いに直交配置するとともに、前記第２連結部の厚みを前記第１連結部の厚みよりも薄くした請求項１記載の複合センサ。
【請求項６】
前記対向部と対向する対向基板を配置し、前記対向部と前記対向基板の各々の対向面に第２対向電極を配置し、前記加速度検出部は、加速度に起因した前記対向部の可動によって変化する前記対向電極間の静電容量および前記第２対向電極間の静電容量変化に基づき加速度を検出する請求項１記載の複合センサ。
【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や加速度を検出する複合センサに関する。
【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、角速度と加速度を検出する場合は、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。
【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状態変化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、加速度に伴う検出素子の状態変化を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。
【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、検出したい角速度や加速度の検出軸に対応させて、角速度センサおよび
加速度センサを実装基板に各々実装するので実装面積を確保する必要があり、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、角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減し
て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】
上記目的を達成するために本発明は、特に、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第１支持部と、前記第２アームに対向する対向部と、前記第２アームと前記対向部の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、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しており、前記加速度検出部は、加速度に起因した前記第２アームと前記対向部の対向電極間の静電容量変化に基づき加速度を検出しており、前記対向部はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した前記対向部の可動によって変化する前記対向電極間の静電容量に基づき加速度を検出する構成である。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、角速度を検出するための角速度検出部と加速度を検出するための加速度検出部とを１つの検出素子に形成しているので、実装面積を低減でき小型化を図れる。
【００１２】
また、第２アームと対向部の各々の対向面に配置した対向電極とを有し、対向部はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した対向部の可動によって変化する対向電極間の静電容量に基づき加速度を検出するので、加速度の検出感度を向上できる。
【００１３】
すなわち、第２アームと対向する対向部は、角速度の検出に対しては機能せず、加速度の検出に対してのみ機能するので、対向部の可動の際に、角速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、特に第１連結部や第２連結部の設計自由度を確保できる。例えば、対向部が非常に可動しやすい構成にできるので、加速度に起因してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの軸方向に対向部が可動する際、静電容量変化が大きくなって加速度の検出感度を向上できる。
【００１４】
さらに、第１アームと直交方向に連結された第２アームをＸ軸方向に振動させ、角速度に起因した検出素子の状態変化に基づき角速度を検出する際、加速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、設計自由度を確保できる。例えば、第１アームと第２アームの厚みを同等にして、Ｚ軸方向への撓みを抑制する構成にできるので、角速度に起因して第１アームや第２アームの状態が変化する際、Ｚ軸方向への状態の変化が抑制されて角速度検出精度の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明の一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２Ａ部の拡大斜視図である。
【００１６】
本発明の一実施の形態における複合センサは、角速度検出部と加速度検出部を有する検出素子２を備えている。
【００１７】
図１、図３において、検出素子２は、第１アーム４を第２アーム６に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４の一端を支持部８にて支持し、２つの第１アーム４の他端を方形状の枠体部１２に連結している。第１アーム４と第２アーム６と支持部８は共に厚みを同等にした形状にするとともに、第２アーム６は第２アーム６自身と対向するまでＵ字状に折曲して、折曲した先端部に錘部１４を連結した形状としている。そして、第１アーム４と支持部８とは略同一直線上に配置し、第１アーム４、第２アーム６を検出素子２の中心に対して対称配置している。
【００１８】
互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、第１アーム４をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム６をＹ軸方向に配置した場合、Ｙ軸の正側における互いに対向する第２アーム６には、Ｙ軸の正側における２つの錘部１４を互いに逆方向に駆動振動させる第１駆動電極１６と第２駆動電極１８を配置し、Ｙ軸の負側における互いに対向する第２アーム６には、第２アーム６の歪を感知する感知電極２０を配置している。またこれら第１駆動電極１６，第２駆動電極１８と感知電極２０とは対称に配置されていてもよい。
【００１９】
これら第１、第２駆動電極１６、１８、感知電極２０は、圧電層を介在させた上部電極と下部電極とから形成している。
【００２０】
また、図１、図２において、第１、第２アーム４、６、錘部１４と対向するように、Ｚ軸の正側に配置した２つの対向部２１を設けている。この対向部２１は錘部であって、第１連結部２３を介してこれら２つの対向部２１を第２支持部２５にて支持し、第２連結部２７を介してこの第２支持部２５を固定部２９にて固定している。固定部２９は枠体形状とし、第１連結部２３と第２連結部２７はアーム形状とし、第１連結部２３と第２連結部２７とは互いに直交配置するとともに、第２連結部２７の厚みを第１連結部２３の厚みよりも薄くしている。固定部２９は、図２に示すように、バンプ部３１を介して枠体部１２上に形成しており、このバンプ部３１の厚みによって、対向部２１と第１、第２アーム４、６、錘部１４とが互いに接触しないように第２連結部２７にて第２支持部２５を中空保持している。また本発明ではバンプ部３１により第１、第２アーム４、６、錘部１４と対向部２１とがお互いに接触しないように中空保持されているが、バンプ部３１においては、めっきなどにより、枠体１２に形成された凸形状の保持部でも同様の効果を得ることが可能である。対向部２１と錘部１４の各々の対向面には対向電極２２を配置し、第２アーム６の錘部１４と対向部２１との間隔（Ｈ）は、対向電極２２により静電容量変化を検出するために、近接させるようにしている。
【００２１】
さらに、対向部２１、第２支持部２５、第１、第２連結部２３、２７と対向するように、Ｚ軸の正側に第１対向基板２４を配置し、第１、第２アーム４、６、錘部１４と対向するように、Ｚ軸の負側に第２対向基板２６を配置している。第１対向基板２４は対向部２１と接触しないように対向部２１との対向面に第１凹部３３を設け、第２対向基板２６は錘部１４と接触しないように錘部１４との対向面に第２凹部３５を設けている。この第１対向基板２４を固定部２９に積層配置し、第２対向基板２６に枠体１２を積層配置している。
【００２２】
なお第一凹部３３および第２凹部３５は、測定範囲外の大きな加速度が素子部２に加わったとき、その加速度による慣性力により、第２連結部２７が破壊しないように、ストッパーとなる程度の深さを有している。
【００２３】
次に、角速度の検出について説明する。
【００２４】
図４は図１の２Ａ部の駆動振動状態を示す拡大斜視図である。
【００２５】
互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、図４に示すように、第１アーム４をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム６をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極１６、１８に共振周波数の交流電圧を印加して、第１、第２駆動電極１６、１８が配置された第２アーム６を起点に第２アーム６を駆動振動させ、それに伴って錘部１４も第２アーム６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）に駆動振動させている。第１駆動電極１６に印加する交流電圧と、第２駆動電極１８に印加する交流電圧とは互いに逆位相に印加しており、Ｙ軸の正側の各々の第２アーム６の幅が広がったり狭まったりするように互いに逆方向に振動させている。これに同調して、Ｙ軸の負側に配置された２つの第２アーム６も互いに逆方向に振動し、Ｙ軸を中心に対称に振動することになる。すなわち、４つの第２アーム６および４つの錘部１４の全てが同調して第２アーム６の対向方向（駆動振動方向）に駆動振動し、この検出素子２における駆動振動方向はＸ軸方向となっている。
【００２６】
具体的な角速度の検出について説明する。
【００２７】
このような検出素子２において、例えば、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、錘部１４の駆動振動と同調して、図４に示すように、錘部１４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）にコリオリ力が発生するので、第２アーム６にはＺ軸の右回りの角速度に起因した歪が発生する。このとき、検出素子２のコリオリ方向はＹ軸方向となる。コリオリ力が発生した場合、第２アーム６に配置した各々の感知電極２０により第２アーム６の歪を感知し、この感知電極２０の極性によってコリオリ力の発生方向を見極められる。例えば、第２アーム６の内側と外側に感知電極２０をそれぞれ２つずつ配置し、第２アーム６の内側の歪と外側の歪の違いを感知させて、コリオリ力の発生方向を見極めてもよい。第２アーム６の内側における歪の伸び率と外側における歪の伸び率とは異なるので、歪の違いを感知できる。Ｚ軸の左回りの角速度が生じた場合も同様に第２アーム６の歪を感知すればよい。このように、角速度に起因した第２アーム６の歪を感知することにより角速度を検出することができる。
【００２８】
次に、加速度の検出について説明する。
【００２９】
互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、第１アーム４をＸ軸方向に配置するとともに第２アーム６をＹ軸方向に配置し、Ｚ軸方向に加速度が生じた場合は、図５に示すように、２つの対向部２１がＺ軸方向に変位しようとする。このとき、対向部２１と錘部１４との対向距離（Ｈ）が大きくなり、すべての対向電極２２間の静電容量が小さくなるように変化する。
【００３０】
Ｘ軸方向に加速度が生じた場合は、図６に示すように、第２連結部２７に歪が生じつつ、対向部２１とＸ軸の正側の錘部１４との対向距離（Ｈ１）と、対向部２１とＸ軸の負側の錘部１４との対向距離（Ｈ２）において、一方の対向距離（Ｈ１）が小さくなれば他方の対向距離（Ｈ２）が大きくなる。すなわち、一方の対向電極２２間の静電容量が大きくなり、他方の対向電極２２間の静電容量が小さくなるように変化する。
【００３１】
Ｙ軸方向に加速度が生じた場合は、図示していないが、２つの対向部２１の内、対向部２１とＹ軸の正側の錘部１４との対向距離と対向部２１とＹ軸の負側の錘部１４との対向距離において、一方の対向距離が大きくなれば他方の対向距離が小さくなる。すなわち、対向電極２２間の静電容量も一方が大きくなれば他方の静電容量変化が小さくなるように変化する。
【００３２】
このように、加速度に起因した対向電極２２間の静電容量の変化を感知することにより加速度を検出することができる。特に、加速度の生じる向きによって、２つの対向部２１と４つの錘部１４との対向距離（Ｈ）が各々変化するので、これを感知することにより加速度の方向も同時に検出することができる。
【００３３】
上記構成により、角速度を検出するための角速度検出部と加速度を検出するための加速度検出部を１つの検出素子２に形成しているので、実装面積を低減でき小型化を図れる。
【００３４】
また、第２アーム６と対向部２１の各々の対向面に配置した対向電極２２とを有し、対向部２１はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの軸方向の加速度に起因していずれかの軸方向に可動自在であって、加速度に起因した対向部２１の可動によって変化する対向電極２２間の静電容量に基づき加速度を検出するので、加速度の検出感度を向上できる。
【００３５】
すなわち、第２アーム６と対向する対向部２１は、角速度の検出に対しては機能せず、加速度の検出に対してのみ機能するので、対向部２１の可動の際に、角速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、特に第１連結部２３や第２連結部２７の設計自由度を確保できる。例えば、本発明の実施の形態のように、対向部２１を錘部とし、第１連結部２３を介して２つの対向部２１を第２支持部２５にて支持し、第２連結部２７を介してこの第２支持部２５を固定部２９にて固定し、固定部２９を枠体形状とし、第１連結部２３と第２連結部２７はアーム形状とし、第１連結部２３と第２連結部２７とは互いに直交配置するとともに、第２連結部２７の厚みを第１連結部２３の厚みよりも薄くした場合、対向部２１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に可動しやすくなる。
【００３６】
図１において、対向部２１がＸ軸方に可動する際は、一方の第２連結部２７が下方に容易に歪むとともに他方の第２連結部２７が上方に容易に歪んで、Ｘ軸方向において対向部２１が傾斜して対向電極２２間の静電容量が容易に変化する。対向部２１がＹ軸方向に可動する際は、第２連結部２７が容易にねじれて、Ｙ軸方向において対向部２１が傾斜して対向電極２２間の静電容量が容易に変化する。対向部２１がＺ軸方向に可動する際は、第２連結部２７がＺ軸方向に引っ張られて、Ｚ軸方向において対向部２１の位置が変動して対向電極２２間の静電容量が容易に変化する。特に、第２連結部２７の厚みを第１連結部２３の厚みよりも薄くしているので、第２連結部２７が容易に歪んだりねじれたり引っ張られたりしやすい。
【００３７】
このように、対向部２１が非常に可動しやすい構成にできるので、加速度に起因してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの軸方向に対向部２１が可動する際、静電容量変化が大きくなって加速度の検出感度を向上できる。
【００３８】
さらに、第１アーム４と直交方向に連結された第２アーム６をＸ軸方向に振動させ、角速度に起因した検出素子２の状態変化に基づき角速度を検出する際、加速度の検出を考慮した構成にする必要がなく、設計自由度を確保できる。例えば、本発明の実施の形態のように、第１アーム４と第２アーム６の厚みを同等にした場合、第２アーム６の錘部１４が駆動振動する際に、第１アーム４および第２アーム６はＺ軸方向へ撓みにくくなる。
【００３９】
図４において、第２アーム６の錘部１４がＸ軸方向に駆動振動する際は、角速度に起因して錘部１４はＹ軸方向にコリオリの力を受けてアーム６が歪むが、第２アーム６の厚みが第１アーム４と同等の厚みなので、駆動振動する際やコリオリの力を受ける際に、Ｚ軸方向に撓みにくく、Ｚ軸方向の撓みの分だけ感度の損失を抑制できる。
【００４０】
このように、Ｚ軸方向への撓みを抑制する構成にできるので、角速度に起因して第１アーム４や第２アーム６の状態が変化する際、Ｚ軸方向への状態の変化が抑制されて検出感度を向上できる。
【００４１】
なお、本発明の実施の形態の他にも、例えば、対向部２１と対向する第１対向基板２４の各々の対向面にも対向電極２２を配置し、加速度検出部は、加速度に起因した対向部２１の可動によって変化する対向部２１と錘部１４との対向面に配置された対向電極２２間の静電容量変化と、対向部２１と第１対向基板２４の各々の対向面に配置された対向電極２２間の静電容量変化に基づき加速度を検出するようにしてもよい。
【００４２】
また、検出素子２の構成も、本発明の実施の形態に限らず、他の構成でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る慣性力センサは、角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減して小型化を図れるので、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】
【００４４】
【図１】本発明の一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２Ａ部の拡大斜視図
【図４】図１の２Ａ部の駆動振動状態を示す拡大斜視図
【図５】Ｚ軸方向への加速度が発生した際の図１のＡ−Ａ断面図
【図６】Ｘ軸方向への加速度が発生した際の図１のＡ−Ａ断面図
【符号の説明】
【００４５】
２  検出素子
４  第１アーム
６  第２アーム
８  支持部
１２  枠体部
１４  錘部
１６  第１駆動電極
１８  第２駆動電極
２０  感知電極
２１  対向部
２２  対向電極
２３  第１連結部
２４  第１対向基板
２５  第２支持部
２６  第２対向基板
２７  第２連結部
２９  固定部
３１  バンプ部
３３  第１凹部
３５  第２凹部
【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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