JP2008076265A

JP2008076265A - 慣性力センサ

Info

Publication number: JP2008076265A
Application number: JP2006256654A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Uemura; 猛植村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-03
Also published as: EP2037217B1; EP2037217A1; EP2037217A4; WO2008035649A1; US20100199761A1; CN101501448A; CN101501448B; US8074517B2

Abstract

【課題】本発明は検出感度を向上した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】上記検出素子１において角速度を検出する際は、角速度発生時に、互いに正極となる第２感知電極部１９ｂの上部電極１５と第４感知電極部２０ｂの上部電極１５から出力された出力値を加算した第１加算値と、互いに負極となる第１感知電極部１９ａの上部電極１５と第３感知電極部２０ａの上部電極１５から出力された出力値を加算した第２加算値と、互いに正極となる第１感知電極部１９ａの下部電極１４と第３感知電極部２０ａの下部電極１４から出力された出力値を加算した第３加算値と、互いに負極となる第２感知電極部１９ｂの下部電極１４と第４感知電極部２０ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算した第４加算値に基づき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慣性力を検出する慣性力センサに関するものである。

以下、従来の慣性力センサについて説明する。

慣性力センサとしては、角速度センサや加速度センサ等がある。

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有し、こ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感知し角速度を検出するものであり、加速度センサは、錘部を連結した検出素子を有し、錘部の可動に伴う検出素子の歪を電気的に感知し加速度を検出するものである。

歪を感知するためには、例えば、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる感知電極部を検出素子に配置し、検出素子の歪に伴って感知電極部から出力される電流に基づき角速度や加速度を検出すればよい。

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。

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。
特開２００５−２４９３９５号公報

上記構成では、感知電極部から出力される電流に基づき角速度や加速度を検出するが、検出素子の歪は非常に微小であり、感知電極部から出力される電流も非常に微小であり、検出感度が低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するもので、検出感度を向上させた慣性力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、感知手段は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる感知電極部を有し、検出回路部は、前記感知電極部の上部電極から出力される出力値と、前記感知電極部の下部電極から出力される出力値に基づいて、前記可撓体に係る慣性力を検出する構成である。

上記構成により、感知電極部の上部電極から出力される出力値と、感知電極部の下部電極から出力される出力値に基づいて、可撓体に係る慣性力を検知するので、検出感度を向上させることができる。

図１は本発明の一実施の形態における慣性力センサの一つである角速度センサの検出素子の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は同検出素子の動作状態図である。

図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度を検出する可撓体からなる検出素子１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つの直交アームと、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。この固定用アーム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９にて検出素子１を実装基板に固定している。この際、固定用アーム８の第１アーム２と支持部６とは略同一直線上に配置している。なお、固定部９どうしを互いに連結して、第３アーム１０を枠体形状にしてもよい。

また、第２アーム４には第２アーム４自身と対向するまで折曲した対向部１６を設け、第２アーム４の先端部には錘部１１を連結している。この錘部１１には凹部１２を設け、この凹部１２に第２アーム４の先端部を連結している。

４つの第２アーム４の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム４の支持部６側には錘部１１を駆動振動させる第１駆動手段１７、第２駆動手段１８を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム４の支持部６側には第２アーム４の歪を感知する第１感知手段１９、第２感知手段２０を設けている。

この第１駆動手段１７および第２駆動手段１８は、２つの第２アーム４の錘部１１を駆動させるための電極部であり、一方の第２アーム４に第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第３、第４駆動電極部１８ａ、１８ｂを対向配置させて形成している。これら第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂは、図２に示すように、圧電体１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。

第１感知手段１９および第２感知手段２０は、２つの第２アーム４の歪を感知させるための電極部であり、一方の第２アーム４に第１、第２感知電極部１９ａ、１９ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第３、第４感知電極部２０ａ、２０ｂを対向配置させて形成している。これら第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂと同様に、図２に示すように、圧電体１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。

上記の第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂおよび第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、図２に示すように、シリコン基板からなる第２アーム４の上にＰｔからなる下部電極１４を高周波スパッタにて形成し、この下部電極１４の上部にＰＺＴからなる圧電体１３を高周波スパッタにて形成し、ＰＺＴからなる圧電体１３の上部にＡｕからなる上部電極１５を蒸着にて形成すればよい。

図３は同検出素子１の動作状態図である。

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軸方向に配置した場合、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１駆動手段１７および第２駆動手段１８が配置された第２アーム４を起点に第２アーム４が駆動振動し、それに伴って錘部１１も第２アーム４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４および４つの錘部１１の全てが同調して第２アーム４の対向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。

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１１の駆動振動と同調して、錘部１１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４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。この検出素子１のコリオリ方向はＹ軸方向となる。

実線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが設けられた第２アーム４において、第１感知電極部１９ａと第３感知電極部２０ａが第２アーム４の縮みを感知するとともに第２感知電極部１９ｂと第４感知電極部２０ｂが第２アーム４の伸びを感知し、点線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、その逆方向の伸び縮みを感知する。

そして、感知した伸び縮みに応じて、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ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。

一方、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合とは正反対に、第２アーム４が伸び縮みし、この伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知するので、同様に角速度が検出される。

また、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合も、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（Ｚ軸方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＹ軸周りの角速度に起因した歪を発生させ、第２アーム４の伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知することにより、角速度が検出される。

なお、Ｚ軸、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合に発生する歪は、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４にも同様に発生するので、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４に配置することも可能である。

次に、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの感知について具体的に説明する。

図４は、同角速度センサの駆動処理および角速度検出処理を示す回路ブロック図である。図４において、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂと、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂには、角速度が発生していない通常時における上部電極１５の極性と、角速度が発生している角速度発生時における上部電極１５の極性の関係を示す。また、下部電極１４の極性は上部電極１５の極性とは対称極性となる。このような極性関係において、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂに入力される交流信号に応じて、上部電極１５の極性および下部電極１４の極性が正負を交互に繰り返し、検出回路部によって角速度を検出するものである。

上記検出素子１において角速度を検出する際は、角速度発生時に、
第１感知手段１９の第１、第２感知電極部１９ａ、１９ｂおよび第２感知手段２０の第３、第４感知電極部２０ａ、２０ｂの内、
互いに正極となる第２感知電極部１９ｂの上部電極１５と第４感知電極部２０ｂの上部電極１５から出力された出力値を加算した第１加算値と、
互いに負極となる第１感知電極部１９ａの上部電極１５と第３感知電極部２０ａの上部電極１５から出力された出力値を加算した第２加算値と、
互いに正極となる第１感知電極部１９ａの下部電極１４と第３感知電極部２０ａの下部電極１４から出力された出力値を加算した第３加算値と、
互いに負極となる第２感知電極部１９ｂの下部電極１４と第４感知電極部２０ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算した第４加算値に基づき、第１加算値と第２加算値との差動増幅値および第３加算値と第４加算値との差動増幅値から検出している。

この際、第３加算値には、第１駆動手段１７の第２駆動電極部１７ｂの下部電極１４と第２駆動手段１８の第２駆動電極部１８ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算しており、第４加算値には、第１駆動手段１７の第１駆動電極部１７ａの下部電極１４と第３駆動電極部１８ａの下部電極１４から出力された出力値を加算している。

また、第２アーム４の伸縮に起因して極性は正極と負極を交互に繰り返すので、極性が反対になった場合は、
互いに正極となる第１感知電極部１９ａの上部電極１５と第３感知電極部２０ａの上部電極１５から出力された出力値を加算した第１加算値と、
互いに負極となる第２感知電極部１９ｂの上部電極１５と第４感知電極部２０ｂの上部電極１５から出力された出力値を加算した第２加算値と、
互いに正極となる第２感知電極部１９ｂの下部電極１４と第４感知電極部２０ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算した第３加算値と、
互いに負極となる第１感知電極部１９ａの下部電極１４と第３感知電極部２０ａの下部電極１４から出力された出力値を加算した第４加算値に基づき、第１加算値と第２加算値との差動増幅値および第３加算値と第４加算値との差動増幅値から検出している。

この際、第３加算値には、第１駆動手段１７の第１駆動電極部１７ａの下部電極１４と第３駆動電極部１８ａの下部電極１４から出力された出力値を加算しており、第４加算値には、第１駆動手段１７の第２駆動電極部１７ｂの下部電極１４と第２駆動手段１８の第２駆動電極部１８ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算している。

上記構成による角速度の検出は、図５〜図７に示すように、圧電体１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５から出力される出力値の両方に基づいて検出しているものである。

図８は、同角速度センサの駆動処理および角速度検出処理を示す他の回路ブロック図である。図８において、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂと、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂに、角速度が発生していない通常時における上部電極１５の極性と、角速度が発生している角速度発生時における上部電極１５の極性の関係を表している。また、下部電極１４の極性は上部電極１５の極性とは対称極性となる。このような極性関係において、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂに入力される交流信号に応じて、上部電極１５の極性および下部電極１４の極性が正負を交互に繰り返し、検出回路部によって角速度を検出するものである。

上記検出素子１において角速度を検出する際は、角速度発生時に、
第１感知手段１９の第１、第２感知電極部１９ａ、１９ｂおよび第２感知手段２０の第３、第４感知電極部２０ａ、１０ｂの内、
第１感知手段１９の互いに正極となる第２感知電極部１９ｂの上部電極１５と第１感知電極部１９ａの下部電極１４から出力された出力値を加算した第１加算値と、
前記第１感知手段の互いに負極となる第１感知電極部１９ａの上部電極１５と第２感知電極部１９ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算した第２加算値と、
第２感知手段２０の互いに正極となる第４感知電極部２０ｂの上部電極１５と第３感知電極部２０ａの下部電極１４から出力された出力値を加算した第３加算値と、
第２感知手段２０の互いに負極となる第３感知電極部２０ａの上部電極１５と第４感知電極部２０ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算した第４加算値に基づき、第１加算値と第３加算値とを加算した加算値と、第２加算値と第４加算値とを加算した加算値との差動増幅値から検出している。

この際、第３加算値には、第１駆動手段１７の第１駆動電極部１７ａの上部電極１５と第１駆動手段１７の第２駆動電極部１７ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算しており、第２加算値には、第２駆動手段１８の第３駆動電極部１７ｂの下部電極１４と第４駆動電極部１８ｂの上部電極１５から出力された出力値を加算している。

また、第２アーム４の伸縮に起因して極性は正極と負極を交互に繰り返すので、極性が反対になった場合は、
第１感知手段１９の互いに正極となる第１感知電極部１９ａの上部電極１５と第２感知電極部１９ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算した第１加算値と、
前記第１感知手段の互いに負極となる第２感知電極部１９ｂの上部電極１５と第１感知電極部１９ａの下部電極１４から出力された出力値を加算した第２加算値と、
第２感知手段２０の互いに正極となる第３感知電極部２０ａの上部電極１５と第４感知電極部２０ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算した第３加算値と、
第２感知手段２０の互いに負極となる第４感知電極部２０ｂの上部電極１５と第３感知電極部２０ａの下部電極１４から出力された出力値を加算した第４加算値に基づき、第１加算値と第２加算値とを加算した加算値と、第２加算値と第４加算値とを加算した加算値との差動増幅値から検出している。

この際、第４加算値には、第１駆動手段１７の第１駆動電極部１７ａの上部電極１５と第１駆動手段１７の第２駆動電極部１７ｂの下部電極１４から出力された出力値を加算しており、第１加算値には、第２駆動手段１８の第３駆動電極部１７ｂの下部電極１４と第４駆動電極部１８ｂの上部電極１５から出力された出力値を加算している。

上記構成により、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの上部電極１５から出力される出力値と、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの下部電極１４から出力される出力値に基づいて、可撓体からなる検出素子１に係る角速度を検出するので、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂから出力される電流が非常に微小であっても、検出感度を向上させることができる。

本発明に係る角速度センサは、感知電極部から出力される電流が非常に微小であっても検出感度を向上させることができ、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図図１のＡ−Ａ断面図同検出素子の動作状態図同角速度センサの駆動処理および角速度検出処理を示す回路ブロック図同角速度センサの角速度検出処理の回路図同角速度センサの角速度検出処理の他の回路図同角速度センサの角速度検出処理の他の回路図同角速度センサの駆動処理および角速度検出処理を示す他の回路ブロック図

符号の説明

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
１１錘部
１２凹部
１３圧電体
１４下部電極
１５上部電極
１７第１駆動手段
１７ａ第１駆動電極部
１７ｂ第２駆動電極部
１８第２駆動手段
１８ａ第３駆動電極部
１８ｂ第４駆動電極部
１９第１感知手段
１９ａ第１感知電極部
１９ｂ第２感知電極部
２０第２感知手段
２０ａ第３感知電極部
２０ｂ第４感知電極部

Claims

可撓体に配置され前記可撓体の歪を感知させる感知手段を有する検出素子と、
前記感知手段に接続され前記可撓体に係る慣性力を検出する検出回路部を備え、
前記感知手段は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる感知電極部を有し、前記検出回路部は、前記感知電極部の上部電極から出力される出力値と、前記感知電極部の下部電極から出力される出力値に基づいて、前記可撓体に係る慣性力を検出する慣性力センサ。
前記可撓体に配置され前記可撓体を駆動振動させる駆動手段を設け、
前記駆動手段は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる駆動電極部を有し、
前記検出回路部は、前記感知電極部の上部電極から出力される出力値と、前記感知電極部の下部電極から出力される出力値と、前記駆動電極部の下部電極から出力される出力値に基づいて、前記可撓体に係る慣性力を検出する請求項１記載の慣性力センサ。
前記可撓体に配置され前記可撓体を駆動振動させる駆動手段と、前記可撓体に配置され前記可撓体の駆動状態を検知する検知手段を設け、前記検知手段は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる検知電極部を有し、前記検出回路部は、前記感知電極部の上部電極から出力される出力値と、前記感知電極部の下部電極から出力される出力値と、前記検知電極部の下部電極から出力される出力値に基づいて、前記可撓体に係る慣性力を検出する請求項１記載の慣性力センサ。
前記可撓体は複数のアームを有し、一方の前記アームには第１感知手段を配置し、他方の前記アームには第２感知手段を配置しており、
前記第１感知手段および前記第２感知手段は各々２つの感知電極部を有し、
４つの前記感知電極部の内、
互いに正極の２つの上部電極から出力された出力値を加算した加算値と、
互いに負極の２つの上部電極から出力された出力値を加算した加算値と、
互いに正極の２つの下部電極から出力された出力値を加算した加算値と、
互いに負極の２つの上部電極から出力された出力値を加算した加算値に基づいて、
前記可撓体に係る慣性力を検出する請求項１記載の慣性力センサ。
前記可撓体は複数のアームを有し、一方の前記アームには第１感知手段を配置し、他方の前記アームには第２感知手段を配置しており、
前記第１感知手段および前記第２感知手段は各々２つの感知電極部を配置し、
前記第１感知手段の２つの前記感知電極部の内、
前記第１感知手段の互いに正極の上部電極と下部電極から出力された出力値を加算した加算値と、
前記第１感知手段の互いに負極の上部電極と下部電極から出力された出力値を加算した加算値と、
前記第２感知手段の２つの前記感知電極部の内、
前記第２感知手段の互いに正極の上部電極と下部電極から出力された出力値を加算した加算値と、
前記第２感知手段の互いに負極の上部電極と下部電極から出力された出力値を加算した加算値に基づいて、前記可撓体に係る慣性力を検出する請求項１記載の慣性力センサ。
前記可撓体は、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を有し、互いに対向する２つの前記第２アームの一方に第１感知手段を設けるとともに前記第２アームの他方に第２感知手段を設けた請求項４または請求項５記載の慣性力センサ。