JP2008203070A - Composite sensor - Google Patents
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Abstract
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や加速度を検出する複合センサに関するものである。 The present invention relates to a composite sensor that detects angular velocities and accelerations used in various electronic devices such as attitude control and navigation of moving bodies such as aircraft, automobiles, robots, ships, and vehicles.
以下、従来の複合センサについて説明する。 Hereinafter, a conventional composite sensor will be described.
従来、角速度や加速度を検出する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。 Conventionally, when a sensor that detects angular velocity or acceleration is used, a dedicated angular velocity sensor is used to detect angular velocity, and a dedicated acceleration sensor is used to detect acceleration.
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。 Therefore, when various angular velocity and acceleration are detected in various electronic devices, a plurality of angular velocity sensors and acceleration sensors are mounted on the mounting boards of the various electronic devices.
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。 In general, an angular velocity sensor detects an angular velocity by electrically detecting a distortion of a detection element caused by the generation of Coriolis force by vibrating a detection element having various shapes such as a sound shape, an H shape, and a T shape. The acceleration sensor has a weight part, and detects acceleration by comparing and detecting the movement of the weight part accompanying the acceleration with that before the movement.
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。 Such an angular velocity sensor or an acceleration sensor is used for a posture control device, a navigation device, or the like of a moving body such as a vehicle corresponding to a detection axis to be detected.
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。
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。 In the above configuration, since the angular velocity sensor and the acceleration sensor are mounted on the mounting substrate in correspondence with the detection axis of the angular velocity and acceleration to be detected, it is necessary to secure a mounting area, and there is a problem that the size cannot be reduced. It was.
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センサを提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a sensor that is reduced in size by reducing the mounting area when detecting angular velocity and acceleration.
上記目的を達成するために本発明は、加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子を備え、検出素子は、可撓部を介して錘部を連結した固定部と、前記錘部と対向させた基板と、前記錘部と前記基板の各々の対向面に配置した第1電極と、前記可撓部に配置した第2電極とを有し、前記加速度検出部では、前記錘部と前記基板の各々の対向面に配置した第1電極間の静電容量を検出して加速度を検出しており、前記角速度検出部ではコリオリ力に起因して撓む前記可撓部の状態変化を前記第2電極で検出して角速度を検出しており、前記錘部に配置した前記第1電極を延長して引き出した信号線を、前記可撓部を介して前記固定部まで配置し、前記錘部に配置した第1電極およびそれを延長して引き出した前記信号線は圧電層を介在させた上部電極と下部電極で形成するとともに、前記下部電極間に生じる不要静電容量による検出精度のばらつきを抑制する抑制手段を設けた構成である。 In order to achieve the above object, the present invention includes a detection element having an acceleration detection unit and an angular velocity detection unit, and the detection element is opposed to the weight unit and a fixed unit in which a weight unit is connected via a flexible unit. A first electrode disposed on the opposing surface of each of the weight portion and the substrate, and a second electrode disposed on the flexible portion, and the acceleration detecting portion includes the weight portion and the substrate. The acceleration is detected by detecting the capacitance between the first electrodes arranged on the opposing surfaces of each of the first and second angular velocities, and the angular velocity detecting unit changes the state change of the flexible unit due to the Coriolis force. An angular velocity is detected by detecting with two electrodes, and a signal line extending from the first electrode arranged on the weight part is extended to the fixed part via the flexible part, and the weight part The first electrode disposed on the first electrode and the signal line extended from the first electrode have a piezoelectric layer interposed therebetween. Thereby forming in parts and lower electrodes, a structure in which a suppression means for suppressing variations in detection accuracy due to unnecessary electrostatic capacitance generated between the lower electrode.
上記構成により、加速度検出部によって、錘部と基板の各々の対向面に配置した第1電極間の静電容量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2電極で検出し、一つの検出素子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。特に、加速度検出部の第1電極と角速度検出部の第2電極とは、圧電層を介在させた上部電極と下部電極とを有しており、同一工程で形成できるので、生産性を向上しつつ小型化を図れる。 With the above configuration, the acceleration detection unit detects the capacitance between the first electrodes arranged on the opposing surfaces of the weight unit and the substrate to detect the acceleration, and the angular velocity detection unit deflects due to the Coriolis force. The change in the state of the flexible portion can be detected by the second electrode, and the acceleration and angular velocity can be detected by one detection element, so that the mounting area can be reduced and the size can be reduced. In particular, the first electrode of the acceleration detection unit and the second electrode of the angular velocity detection unit have an upper electrode and a lower electrode with a piezoelectric layer interposed therebetween, and can be formed in the same process, improving productivity. It can be downsized.
特に、下部電極間に生じる不要静電容量による検出精度のばらつきを抑制する抑制手段を設けているので、不要静電容量に起因したS/N比の劣化を抑制できる。特に、信号線が長くなったとしても、S/N比の劣化を抑制でき、検出精度を向上できるものである。 In particular, since suppression means for suppressing variation in detection accuracy due to unnecessary capacitance generated between the lower electrodes is provided, deterioration of the S / N ratio due to unnecessary capacitance can be suppressed. In particular, even if the signal line becomes longer, the deterioration of the S / N ratio can be suppressed and the detection accuracy can be improved.
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断面図である。 FIG. 1 is an exploded perspective view of a detection element of a composite sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
図1において、本発明の一実施の形態における複合センサは、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、この検出素子1は、可撓部を介して錘部2を連結した固定部4と、錘部2と対向させた基板6と、錘部2と基板6の各々の対向面に配置した第1電極と、可撓部に配置した第2電極とを有する。
In FIG. 1, a composite sensor according to an embodiment of the present invention includes a
具体的には、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て形成した2つの直交アームと、2つの第1アーム8の一端を支持する支持部12と、2つの第1アーム8の他端を接続した枠体形状の固定部4とを有する。第1アーム8の厚みは第2アーム10の厚みよりも非常に薄く形成しており、第2アーム10は第2アーム10自身と対向するまで折曲し、折曲した第2アーム10の先端部に錘部2を連結している。第1アーム8と支持部12とは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は検出素子1の中心に対して対称配置している。ここで、可撓部は固定部4と錘部2とを連結する部分を指しており、第1アーム8、第2アーム10が可撓部に相当する。
Specifically, the
また、錘部2に対向させて基板6を配置し、錘部2と基板6の各々の対向面には、第1電極として第1対向電極〜第4対向電極14、16、18、20を配置している。さらに、互いに対向する一方の2つの第2アーム10には錘部2を駆動振動させる駆動電極22および検知電極24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10には、第2電極として第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を設けている。
Further, the
さらに、錘部2に配置した第1対向電極〜第4対向電極14、16、18、20を延長して引き出した信号線(図示せず)を、第2アーム10および第1アーム8を介して固定部4に設けた電極パッドまで配置している。
Further, a signal line (not shown) extended from the first counter electrode to the
上記の錘部2に配置した第1対向電極〜第4対向電極14、16、18、20、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、図2に示すように、圧電層30を介在させた上部電極32と下部電極34とを有し、信号線も同様の構成である。
The first counter electrode to the
そして、基板6と固定部4と第1アーム8と第2アーム10と錘部2とは、下部電極34よりも高抵抗のシリコン等からなる非金属材料からなり、固定部4と第1アーム8と第2アーム10と錘部2とを一体成形して、基板6と固定部4とを接合して互いに固定している。
The
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。 Next, the angular velocity detection unit and the acceleration detection unit will be described.
まず、角速度検出部について説明する。 First, the angular velocity detection unit will be described.
図3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の支持部12を起点に第2アーム10が駆動振動し、それに伴って錘部2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2の全てが同調して第2アーム10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。
As shown in FIG. 3, when the first arm 8 of the
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2の駆動振動と同調して、錘部2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。
At this time, for example, when an angular velocity is generated in the counterclockwise direction of the Z axis, a direction (solid line arrow and dotted line arrow) perpendicular to the drive vibration direction with respect to the
次に、加速度検出部について説明する。 Next, the acceleration detection unit will be described.
図4に示すように、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸において、基板6をXY平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、基板6と錘部2の対向面の第1対向電極14の対向距離(H1)と、基板6と錘部2との対向面の第2対向電極16の対向距離(H2)は等しい。図示していないが、第3対向電極18の対向距離と第4対向電極20の対向距離も等しくなる。
As shown in FIG. 4, when the
このとき、例えば、X軸方向に加速度が生じた場合、図5に示すように、錘部2は支持部12を中心にしてY軸周りに回転しようとする。この結果、基板6と錘部2の対向面の第1対向電極14の対向距離(H1)が小さくなり、基板6と錘部2との対向面の第2対向電極16の対向距離(H2)が大きくなる。第3対向電極18の対向距離と第4対向電極20の対向距離も同様である。
At this time, for example, when acceleration occurs in the X-axis direction, the
一方、Y軸方向に加速度が生じた場合も同様に、錘部2は支持部12を中心にしてX軸周りに回転しようとするため、例えば、第3、第4対向電極18、20の対向距離が大きくなり、第1、第2対向電極14、16の対向距離が小さくなる。すなわち、各々の電極間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化に基づいてX軸方向またはY軸方向の加速度を検出するものである。
On the other hand, when acceleration occurs in the Y-axis direction, similarly, the
上記構成により、加速度検出部によって、錘部2と基板6の各々の対向面に配置した第1電極の静電容量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2電極で検出し、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。また、加速度検出部の第1電極と角速度検出部の第2電極とは、圧電層30を介在させた上部電極32と下部電極34とを有しており、同一工程で形成できるので、生産性を向上しつつ小型化を図れる。
With the above configuration, the acceleration detection unit detects the capacitance of the first electrode disposed on the opposing surfaces of the
特に、下部電極34間に生じる不要静電容量による検出精度のばらつきを抑制する抑制手段を設けているので、不要静電容量に起因したS/N比の劣化を抑制できる。信号線が長くなったとしても、S/N比の劣化を抑制でき、検出精度を向上できるものである。
In particular, since suppression means for suppressing variation in detection accuracy due to unnecessary capacitance generated between the
なお、不要静電容量が下部電極34間に発生することによる検出精度のばらつきを抑制する抑制手段としては、可撓部と錘部2と固定部4とを下部電極34よりも高抵抗の非金属材料で形成する他に、錘部2に配置した第1対向電極〜第4対向電極14、16、18、20およびそれらを延長して形成した信号線の下部電極34を同電位にしたり、隣接する信号線の間にアース線を配置したりして、抑制してもよい。
As a suppression means for suppressing variation in detection accuracy due to generation of unnecessary capacitance between the
本発明に係る加速度センサは、加速度の検出精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。 Since the acceleration sensor according to the present invention can improve the detection accuracy of acceleration, it can be applied to various electronic devices.
1 検出素子
2 錘部
4 固定部
6 基板
8 第1アーム
10 第2アーム
12 支持部
14 第1対向電極
16 第2対向電極
18 第3対向電極
20 第4対向電極
22 駆動電極
24 検知電極
26 第1感知電極
28 第2感知電極
30 圧電層
32 上部電極
34 下部電極
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記検出素子は、可撓部を介して錘部を連結した固定部と、前記錘部と対向させた基板と、前記錘部と前記基板の各々の対向面に配置した第1電極と、前記可撓部に配置した第2電極とを有し、
前記加速度検出部では、前記錘部と前記基板の各々の対向面に配置した第1電極間の静電容量を検出して加速度を検出しており、前記角速度検出部ではコリオリ力に起因して撓む前記可撓部の状態変化を前記第2電極で検出して角速度を検出しており、
前記錘部に配置した前記第1電極を延長して引き出した信号線を、前記可撓部を介して前記固定部まで配置し、
前記錘部に配置した第1電極およびそれを延長して引き出した信号線は圧電層を介在させた上部電極と下部電極で形成するとともに、前記下部電極間に生じる不要静電容量による検出精度のばらつきを抑制する抑制手段を設けた複合センサ。 A detection element having an acceleration detection unit and an angular velocity detection unit;
The detection element includes a fixed portion that connects a weight portion via a flexible portion, a substrate that faces the weight portion, a first electrode that is disposed on each of the opposing surfaces of the weight portion and the substrate, and A second electrode disposed in the flexible part,
In the acceleration detection unit, an acceleration is detected by detecting a capacitance between first electrodes arranged on the opposing surfaces of the weight unit and the substrate, and the angular velocity detection unit is caused by Coriolis force. The angular velocity is detected by detecting a change in the state of the flexible portion that is bent by the second electrode,
A signal line that extends and extends the first electrode disposed on the weight portion is disposed up to the fixed portion via the flexible portion,
The first electrode arranged on the weight part and the signal line extended from the first electrode are formed by an upper electrode and a lower electrode with a piezoelectric layer interposed therebetween, and detection accuracy due to unnecessary capacitance generated between the lower electrodes is increased. A composite sensor provided with suppression means for suppressing variations.
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