JP2006226802A - 複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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、固定基部４に連結した２つの錘部８と、一方の錘部８に一端を連結するとともに、他方の錘部８に他端を連結した第１振動素子１０と、錘部８に一端を連結した第２振動素子１２とを設け、第１振動素子１０および第２振動素子１２を互いに駆動振動させ、錘部８の可動に起因して変化する第１振動素子１０の駆動振動を検知して加速度を検出するとともに、コリオリ力に起因して変化する第２振動素子１２の屈曲振動を検知して角速度を検出する構成である。
【選択図】図１

Description

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。

以下、従来の複合センサについて説明する。

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。

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検出する。

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検出する。

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。

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。
特開２００１−２０８５４６号公報 特開２００１−７４７６７号公報

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。

本発明は上記問題点を解決し、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。

上記目的を達成するために本発明は、特に、固定基部に連結した２つの錘部と、一方の前記錘部に一端を連結するとともに他方の前記錘部に他端を連結した第１振動素子と、前記錘部に一端を連結した第２振動素子とを設け、前記第１振動素子および前記第２振動素子を互いに駆動振動させ、前記錘部の可動に起因して変化する前記第１振動素子の駆動振動を検知して加速度を検出するとともに、コリオリ力に起因して変化する前記第２振動素子の屈曲振動を検知して角速度を検出する構成としたものである。

上記構成により、固定基部に連結した２つの錘部と、一方の錘部に一端を連結するとともに、他方の錘部に他端を連結した第１振動素子と、錘部に一端を連結した第２振動素子とを設け、これら第１振動素子および第２振動素子を互いに駆動振動させるので、加速度センサとしては、錘部の可動に起因して変化する第１振動素子の駆動振動を検知して加速度を検出することができ、角速度センサとしては、第２振動素子の屈曲振動を検知して角速度を検出することができる。

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。

以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサの斜視図、図２は図１のＡ部の斜視図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図１のＢ部の斜視図、図５は図４のＡ−Ａ断面図、図６は図４のＢ−Ｂ断面図、図７は図１のＡ部の駆動状態と動作状態を示す斜視図、図８は加速度検出回路図、図９は第１振動素子の駆動時における駆動信号の波形図、図１０は図１のＢ部の駆動状態を示す斜視図、図１１は図１のＢ部の動作状態を示す斜視図、図１２は図１のＢ部の駆動状態を示す斜視図、図１３は角速度検出回路図である。

図１〜図３において、本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサは、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、基板実装用の２つの支軸部２を有する固定基部４と、この２つの支軸部２の間に連結するとともに、外周縁から２つの支軸部２の間に向かって溝６を設けた２つの錘部８と、一方の錘部８に一端を連結するとともに、他方の錘部８に他端を連結した２つの第１振動素子１０と、錘部８に設けた溝６の底部に一端を連結した２つの第２振動素子１２と、信号処理回路が搭載され固定基部４の２つの支軸部２を取り付け支持した基板１４とを備えている。そして、第１振動素子１０および前記第２振動素子１２を互いに駆動振動させ、錘部８の可動に起因して変化する第１振動素子１０の駆動振動を検知して加速度を検出するとともに、コリオリ力に起因して変化する第２振動素子１２の屈曲振動を検知して角速度を検出している。

この第１振動素子１０は３つの線条体１６を併設したスリット形状とし、第２振動素子１２は互いに略直交させ連結した第１アーム１８と第２アーム２０とを有するＴ形状としており、２つの錘部８、２つの第１振動素子１０、２つの第２振動素子１２は、互いに固定基部４に対して対向配置するとともに、２つの第１振動素子１０、２つの第２振動素子１２は、２つの第１振動素子１０と固定基部４とを結ぶ直線と、２つの第２振動素子１２と固定基部４とを結ぶ直線とが略直交になるように配置している。このような配置により、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、２つの第１振動素子１０をＸ軸上に配置するとともに２つの第２振動素子１２をＹ軸上に配置すると、２つの錘部８はＸ軸に対して線対称に配置される。

第１振動素子１０において、３つの線条体１６の２つには、駆動振動を与えるための駆動電極を配置し、残りの１つには駆動振動を検知する検出電極を配置し、共に、シリコン板２２の上にＰｔの下部電極２４を高周波スパッタにて形成し、この下部電極２４の上部に高周波スパッタにてＰＺＴ圧電体２６を形成し、さらに、上部にＡｕ蒸着で上部電極２８を形成している。この駆動電極に対して、下部電極２４と上部電極２８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、ＰＺＴ圧電体２６の伸縮が生じ、２つの線条体１６が駆動振動する。線条体１６が駆動振動する際は、３つの線条体１６が互いに影響し合うので、検出電極を配置した線条体１６から駆動振動を検知する。

また、図４〜図６において、第２振動素子１２には，第１振動素子１０と同様に、駆動振動を与えるための駆動電極を配置し、さらに、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１８には、駆動負電極３０を２つの駆動正電極３２で挟むように、駆動正電極３２および駆動負電極３０を配置するとともに、これら、駆動正電極３２と駆動負電極３０を挟むように、検出正電極３４と検出負電極３６を配置している。第２アーム２０には、第１アーム１８に配置した駆動負電極３０をＴ形状に配置し、駆動正電極３２をＬ形状に配置している。２つの駆動正電極３２の内、一方の駆動正電極３２は駆動振動をモニタするモニタ正電極とし、駆動負電極３０をモニタ負電極として共用してもよい。

この第２振動素子１２は、シリコン板２２の上にＰｔの下部電極２４を高周波スパッタにて形成し、この下部電極２４の上部に高周波スパッタにてＰＺＴ圧電体２６を形成し、さらに、上部にＡｕ蒸着で上部電極２８を形成している。上部電極２８は駆動正電極３２と駆動負電極３０からなり、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３２側と駆動負電極３０側の各々において、ＰＺＴ圧電体２６の伸縮が生じ、第２アーム２０が駆動振動する。

次に、第１振動素子１０の駆動振動と加速度が生じた場合の動作について説明する。

図７に示すように、第１振動素子１０を矢印方向に互いに駆動振動させる。第１振動素子１０は、３つの線条体１６の内、隣接する線条体１６の駆動方向を互いに逆方向にしており、線条体１６を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。この駆動振動をさせた状態で、錘部８の可動に起因して変化する第１振動素子１０の駆動振動を検知して加速度を検出する。

例えば、図１、図７に示すように、Ｘ軸の（−Ｘ）方向側へ加速度が生じる（２つの錘部８がＸ軸の（＋Ｘ）方向へ可動しようとする）と、（＋Ｘ）方向側の第１振動素子１０には矢印方向（Ａ）に圧縮応力が生じる。このとき、（−Ｘ）方向側の第１振動素子１０には、逆に引張応力が生じる。

また、Ｘ軸の（＋Ｘ）方向側へ加速度が生じる（２つの錘部８がＸ軸の（−Ｘ）方向へ可動しようとする）と、（＋Ｘ）方向側の第１振動素子１０には矢印方向（Ｂ）に引張応力が生じる。このとき、（−Ｘ）方向側の第１振動素子１０には、逆に圧縮応力が生じる。

２つの第１振動素子１０には、錘部８の可動に応じて互いに異なる張力が加わり、２つの第１振動素子１０の固有共振周波数が、錘部８の可動前の状態と比較すると変化する（一方の第１振動素子１０の駆動振動波の周波数が高くなり、他方の第１振動素子１０の駆動振動波の周波数が低くなる）ので、この固有共振周波数の差を検知すれば加速度を検出することができる。

また、２つの第１振動素子１０の駆動振動波の位相が、錘部８の可動前の状態と比較すると変化する（−方の第１振動素子１０の駆動振動波の位相が進み、他方の第１振動素子１０の駆動振動波の位相が遅れる）ので、この駆動振動波の差を検知しても加速度を検出することができる。

上記の加速度を検出する際、例えば、図８に示すような加速度検出回路を用い、２つの第１振動素子１０の駆動振動波に基づく各々の駆動信号を同期検波して検出する。この加速度検出回路の第１振動素子１０には、抵抗３８、増幅器４０、バンドパスフィルタ４２、ＡＧＣ回路４４、同期検波回路４６、ローパスフィルタ４８とを接続しており、第１振動素子１０の共振周波数の変化に起因する位相差を検出して加速度を検出する。このとき、図９に示すように、錘部８の可動前における駆動信号の駆動信号波を駆動信号波Ａとすると、錘部８の可動後における駆動信号の駆動信号波は、一方の第１振動素子１０に対応するものは位相が遅れて駆動信号波Ｂとなり、他方の第１振動素子１０に対応するものは位相が進んで駆動信号波Ｃとなる。

次に、第２振動素子１２の駆動振動と角速度が生じた場合の動作について説明する。

図１０に示すように、第２振動素子１２は、第２アーム２０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る。この駆動振動をさせた状態で、コリオリ力に起因して変化する第２振動素子１２の屈曲振動を検知して角速度を検出する。第２振動素子１２に屈曲振動が生じると、シリコン板２２に形成したＰＺＴ圧電体２６が歪み、検出正電極３４と検出負電極３６に電荷が発生するのでこれを検知する。

例えば、図１１に示すように、Ｘ軸周りに角速度が生じると、Ｚ軸方向への第１アーム１８の屈曲振動を検知して角速度を検出する。第２アーム２０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１８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。

例えば、図１２に示すように、Ｚ軸周りに角速度が生じると、Ｘ軸方向への第１アーム１８の屈曲振動を検知して角速度を検出する。第２アーム２０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１８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。

上記の角速度を検出する際、例えば、図１３に示すような角速度検出回路を用い、２つの第２振動素子１２の屈曲振動波に基づく各々の屈曲信号を同期検波して検出する。この角速度検出回路の第２振動素子１２には、抵抗３８、増幅器４０、バンドパスフィルタ４２、ＡＧＣ回路４４、同期検波回路４６、ローパスフィルタ４８とを接続しており、第２振動素子１２の固有共振周波数の差、または、駆動振動波の位相差を検出して角速度を検出する。

上記構成により、固定基部４に連結した２つの錘部８と、一方の錘部８に一端を連結するとともに、他方の錘部８に他端を連結した第１振動素子１０と、錘部８に一端を連結した第２振動素子１２とを設け、これら第１振動素子１０および第２振動素子１２を互いに駆動振動させるので、加速度センサとしては、錘部８の可動に起因して変化する第１振動素子１０の駆動振動を検知して加速度を検出することができ、角速度センサとしては、第２振動素子１２の屈曲振動を検知して角速度を検出することができる。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１４の小型化を図ることができる。

加速度の検出に当っては、第１振動素子１０の駆動振動における固有共振周波数の差、
または、２つの第１振動素子１０の駆動振動における駆動振動波の位相差を検知すれば、容易に精度良く検出できる。このとき、第１振動子は複数の線条体１６を併設したスリット形状とし、隣接する線条体１６を互いに逆方向に駆動振動させれば、感度が増幅して非常に精度良く検出できる。特に、外周縁から固定基部４に向かって溝６を有し、この溝６の底部に第２振動素子１２を連結すれば、第２振動素子１２の駆動振動と屈曲振動に影響を与えることなく、第１振動素子１０の感度をさらに増幅することができる。

角速度の検出に当っては、第２振動子は互いに略直交させ連結した第１アーム１８と第２アーム２０とを有するＴ形状とし、第１アーム１８を錘部８に連結し、第２アーム２０を駆動振動させることにより、２軸方向の角速度を検出できるとともに低背化できる。

また、２つの第１振動素子１０を固定基部４に対して対向配置し、２つの第１振動素子１０と固定基部４とを一直線上に配置しているので、第１振動素子１０の駆動に起因したノイズを抑制するとともに、２つの第２振動素子１２を固定基部４に対して対向配置し、２つの第２振動素子１２と固定基部４とを一直線上に配置しているので、第２振動素子１２の駆動に起因したノイズを抑制し、加速度と角速度をより精度良く検出できる。特に、２つの第１振動素子１０と固定基部４とを結ぶ直線と、２つの第２振動素子１２と固定基部４とを結ぶ直線とを略直交させているので、対称形状となり、第１振動素子１０および第２振動素子１２の駆動に起因したノイズをより抑制できる。

さらに、固定基部４は、基板１４実装用の２つの支軸部２を有し、この支軸部２の間に錘部８を連結すれば、基板１４に固定基部４を的確に実装できるとともに、錘部８の可動に起因したノイズを抑制できる。

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。

本発明の一実施の形態におけるケース未装着の複合センサの斜視図 図１のＡ部の拡大斜視図 図２のＡ−Ａ断面図 図１のＢ部の拡大斜視図 図４のＡ−Ａ断面図 図４のＢ−Ｂ断面図 図１のＡ部の駆動状態と動作状態を示す斜視図 加速度検出回路図 駆動信号の波形図 図１のＢ部の駆動状態を示す斜視図 図１のＢ部の動作状態を示す斜視図 図１のＢ部の駆動状態を示す斜視図 角速度検出回路図

符号の説明

２ 支軸部
４ 固定基部
６ 溝
８ 錘部
１０ 第１振動素子
１２ 第２振動素子
１４ 基板
１６ 線条体
１８ 第１アーム
２０ 第２アーム
２２ シリコン板
２４ 下部電極
２６ ＰＺＴ圧電体
２８ 上部電極
３０ 駆動負電極
３２ 駆動正電極
３４ 検出正電極
３６ 検出負電極
３８ 抵抗
４０ 増幅器
４２ バンドパスフィルタ
４４ ＡＧＣ回路
４６ 同期検波回路
４８ ローパスフィルタ

Claims (10)

1. 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、固定基部に連結した２つの錘部と、一方の前記錘部に一端を連結するとともに、他方の前記錘部に他端を連結した第１振動素子と、前記錘部に一端を連結した第２振動素子とを設け、前記第１振動素子および前記第２振動素子を互いに駆動振動させ、前記錘部の可動に起因して変化する前記第１振動素子の駆動振動を検知して加速度を検出するとともに、コリオリ力に起因して変化する前記第２振動素子の屈曲振動を検知して角速度を検出する複合センサ。
2. ２つの前記第１振動素子を前記固定基部に対して対向配置し、２つの前記第１振動素子と前記固定基部とを一直線上に配置した請求項１記載の複合センサ。
3. ２つの前記第１振動素子の駆動振動における固有共振周波数の差を検知して加速度を検出する請求項２記載の複合センサ。
4. ２つの前記第１振動素子の駆動振動における駆動振動波の位相差を検知して加速度を検出する請求項２記載の複合センサ。
5. ２つの前記第２振動素子を前記固定基部に対して対向配置し、２つの前記第２振動素子と前記固定基部とを一直線上に配置した請求項１記載の複合センサ。
6. ２つの前記第１振動素子を前記固定基部に対して対向配置するとともに、２つの前記第２振動素子を前記固定基部に対して対向配置し、２つの前記第１振動素子と前記固定基部とを結ぶ直線と、２つの前記第２振動素子と前記固定基部とを結ぶ直線とを略直交させた請求項１記載の複合センサ。
7. 前記錘部は外周縁から前記固定基部に向かって溝を有し、前記溝の底部に前記第２振動素子を連結した請求項１記載の複合センサ。
8. 前記第１振動素子は複数の線条体を併設したスリット形状であって、隣接する前記線条体を互いに逆方向に駆動振動させた請求項１記載の複合センサ。
9. 第２振動素子は互いに略直交させ連結した第１アームと第２アームとを有するＴ形状であって、前記第１アームを前記錘部に連結し、前記第２アームを駆動振動させた請求項１記載の複合センサ。
10. 前記固定基部は、基板実装用の２つの支軸部を有し、前記支軸部の間に前記錘部を連結した請求項１記載の複合センサ。

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