JP2009175064A - Angular velocity sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、角速度の大きさに応じて生じる遠心力により誘電体ブロックの位置を容量電極間で変化させ、この誘電体ブロックの位置を容量電極間の静電容量の変化により検知して角速度を算出する角速度センサ装置に関するものである。 In the present invention, the position of the dielectric block is changed between the capacitive electrodes by the centrifugal force generated according to the magnitude of the angular velocity, and the angular velocity is detected by detecting the position of the dielectric block by the change in the capacitance between the capacitive electrodes. The present invention relates to an angular velocity sensor device to be calculated.
従来、角速度を検知するための角速度センサ装置として、長方形状等の板状の振動部を振動させておいて、この振動部に作用するコリオリ力を検知して角速度を検知するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１，２を参照。）。
Conventionally, as an angular velocity sensor device for detecting an angular velocity, a plate-like vibrating portion such as a rectangular shape is vibrated, and the angular velocity is detected by detecting the Coriolis force acting on the vibrating portion. (For example, refer to
このような角速度センサ装置は、一般に、振動用の電極を備えた振動部と、振動部の一方の端を固定する固定部（基板）と、振動部の変位を検出する検出部とを備えている。検出部は、例えば、振動部の表面と固定部の表面とに互いに対向するように容量電極を配置したり、振動部に圧電素子を接着したりすること等により構成される。 In general, such an angular velocity sensor device includes a vibration unit including an electrode for vibration, a fixing unit (substrate) that fixes one end of the vibration unit, and a detection unit that detects displacement of the vibration unit. Yes. The detection unit is configured, for example, by disposing a capacitive electrode on the surface of the vibration unit and the surface of the fixed unit so as to face each other, or by bonding a piezoelectric element to the vibration unit.
そして、角速度センサ装置が搭載されている機器に回転運動が生じて角速度が作用すると、回転系において振動している物体に作用する周知のコリオリ力が生じて振動部の振動に歪みが生じる。この歪みの大きさを容量電極間の静電容量の変化や圧電素子に生じる電流により検知して、振動部に作用しているコリオリ力、つまり角速度センサ装置に作用している角速度が検知される。 When a rotational motion is generated in the device on which the angular velocity sensor device is mounted and an angular velocity is applied, a well-known Coriolis force acting on an object vibrating in the rotating system is generated, and distortion of the vibration unit is distorted. The magnitude of this distortion is detected by the change in capacitance between the capacitive electrodes and the current generated in the piezoelectric element, and the Coriolis force acting on the vibration part, that is, the angular velocity acting on the angular velocity sensor device is detected. .
このような角速度センサ装置としては、シリコン基板等の半導体基板にエッチング加工等の微細加工技術を適用してなる素子（いわゆるＭＥＭＳ素子）の形態で製作されたものが多用されるようになってきている。
しかしながら、従来の角速度センサ装置においては、振動部を振動させ続ける必要があるため、一定の電力を供給し続ける必要がある。 However, in the conventional angular velocity sensor device, it is necessary to continue to vibrate the vibration unit, and thus it is necessary to continue to supply constant power.
また、半導体基板にエッチング加工等の微細加工技術を適用して製作するため、製作には高度な技術が必要であり、また検出手段の位置合わせ等の加工精度を確保することが難しいという問題があった。 In addition, since the semiconductor substrate is manufactured by applying a fine processing technique such as etching, a high level of technology is required for manufacturing, and it is difficult to ensure processing accuracy such as alignment of the detection means. there were.
本発明はこのような従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、簡易な構造で製作が容易であり、振動部を振動させ続けるための一定の電力を供給し続けるような必要がなく、かつ信頼性の高い角速度センサ装置を提供することにある。 The present invention has been completed in view of the above-described conventional problems, and the object thereof is to make it easy to manufacture with a simple structure, and to continuously supply a certain amount of electric power to keep the vibrating part oscillating. Therefore, an object of the present invention is to provide a highly reliable angular velocity sensor device.
本発明の角速度センサ装置は、円柱状の空間を間に配して上下に対向する電極が前記空間の中心部から外周部にかけて複数個配列されてなる容量電極と、前記空間の中心部に配置された誘電体ブロックと、該誘電体ブロックの周囲の前記空間に充填された弾性部材とを具備することを特徴とするものである。 The angular velocity sensor device according to the present invention includes a capacitor electrode in which a plurality of electrodes facing each other with a cylindrical space in between are arranged from the center to the outer periphery of the space, and the electrode is disposed at the center of the space. The dielectric block is formed, and an elastic member filled in the space around the dielectric block.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、前記誘電体ブロックの重心が偏心していることを特徴とするものである。 Moreover, the angular velocity sensor device of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the center of gravity of the dielectric block is eccentric.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、前記空間が絶縁容器に形成され、前記容量電極が前記空間を挟んで配置されていることを特徴とするものである。 Moreover, the angular velocity sensor device of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the space is formed in an insulating container, and the capacitive electrode is arranged with the space interposed therebetween.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、前記誘電体ブロックの比誘電率が、前記絶縁容器のうち前記容量電極と前記空間との間に位置する部位の比誘電率よりも大きいことを特徴とするものである。 In the angular velocity sensor device of the present invention, in the above configuration, the dielectric block has a relative dielectric constant greater than that of a portion of the insulating container located between the capacitive electrode and the space. It is characterized by.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、上下の前記電極が平行に配置されており、前記誘電体ブロックが前記電極に平行な上下面を有することを特徴とするものである。 The angular velocity sensor device of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the upper and lower electrodes are arranged in parallel, and the dielectric block has upper and lower surfaces parallel to the electrodes.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、複数個の前記電極は、隣接するもの同士の間隔が前記誘電体ブロックを平面視したときの外形寸法よりも小さいことを特徴とするものである。 Moreover, the angular velocity sensor device of the present invention is characterized in that, in the above-described configuration, the plurality of the electrodes are arranged such that the distance between adjacent electrodes is smaller than the outer dimension when the dielectric block is viewed in plan. is there.
本発明の角速度センサ装置によれば、円柱状の空間を間に配して上下に対向する電極が空間の中心部から外周部にかけて複数個配列されてなる容量電極と、空間の中心部に配置された誘電体ブロックと、誘電体ブロックの周囲の空間に充填された弾性部材とを具備することから、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性の高い角速度センサ装置を提供することができる。 According to the angular velocity sensor device of the present invention, a capacitive electrode in which a plurality of electrodes facing each other with a cylindrical space in between are arranged from the center to the outer periphery of the space, and disposed at the center of the space. Since the dielectric block and the elastic member filled in the space around the dielectric block are provided, it is possible to provide an angular velocity sensor device that is easy to manufacture with a simple structure and has high reliability. it can.
すなわち、ある角速度で空間に回転運動が生じたときに、角速度の大きさに応じた遠心力が誘電体ブロックに作用し、この遠心力により空間内を移動しようとする誘電体ブロックには弾性部材から応力（弾性力）が作用する。そして、この遠心力と応力とがつり合った位置（遠心力と応力とが同じ大きさで逆方向になる位置）で誘電体ブロックが空間に対して静止し、この位置で上下の容量電極間に生じる静電容量を変化させる。そのため、空間のどの位置で、つまり弾性部材がどの程度変形（圧縮）している位置で遠心力と応力とがつり合っているかを容易に検知することができる。 That is, when a rotational motion occurs in a space at a certain angular velocity, a centrifugal force corresponding to the magnitude of the angular velocity acts on the dielectric block, and the dielectric block that attempts to move in the space by this centrifugal force has an elastic member. Stress (elastic force) is applied. The dielectric block is stationary with respect to the space at the position where the centrifugal force and the stress are balanced (the position where the centrifugal force and the stress are the same magnitude and in the opposite direction). To change the capacitance generated. Therefore, it is possible to easily detect at which position in the space, that is, at which position the elastic member is deformed (compressed), the centrifugal force and the stress are balanced.
従って、あらかじめ弾性部材を変形させるのに要する力（弾性部材から加わる応力）を測定しておくことにより、その静止位置（容量電極の位置）で誘電体ブロックに作用する遠心力を検知することができ、誘電体ブロックの質量および位置と遠心力とから角速度の大きさを算出することができる。 Therefore, by measuring in advance the force required to deform the elastic member (stress applied from the elastic member), it is possible to detect the centrifugal force acting on the dielectric block at its static position (capacitance electrode position). In addition, the magnitude of the angular velocity can be calculated from the mass and position of the dielectric block and the centrifugal force.
このような角速度センサ装置は、容量電極を構成する電極が上下に配された空間内に誘電体ブロックが配置されるとともに誘電体ブロックの周囲の空間に弾性部材が充填されているだけであるため、構造が簡易であり、振動部等の可動部分を形成する微細加工は特に必要なく製作が容易である。また、容量電極の間に生じる静電容量の変化を利用して、角速度に応じた遠心力を弾性体からの応力として高い精度で検知することができるため、角速度の検知の信頼性精度が高い。また、微細な可動部分を備えていないので、角速度センサ装置としての機能を妨げるような機械的な破壊が生じにくいという効果もある。さらに、振動させ続けなければならないような部材がないので、振動のための一定の電力を供給し続ける必要もない。従って、本発明の角速度センサ装置によれば、簡易な構造で製作が容易であり、振動部を振動させ続けるための一定の電力を供給し続けるような必要がなく、かつ信頼性の高い角速度センサ装置を提供することができる。 In such an angular velocity sensor device, the dielectric block is disposed in the space where the electrodes constituting the capacitive electrode are arranged above and below, and the space around the dielectric block is only filled with an elastic member. The structure is simple, and the microfabrication for forming the movable part such as the vibration part is not particularly necessary and is easy to manufacture. In addition, since the centrifugal force according to the angular velocity can be detected as a stress from the elastic body with high accuracy by utilizing the change in capacitance generated between the capacitive electrodes, the reliability of the angular velocity detection is high. . In addition, since there are no fine movable parts, there is an effect that mechanical destruction that hinders the function of the angular velocity sensor device is unlikely to occur. Furthermore, since there is no member that must continue to vibrate, there is no need to continue to supply constant power for vibration. Therefore, according to the angular velocity sensor device of the present invention, it is easy to manufacture with a simple structure, and it is not necessary to continuously supply constant power for continuously vibrating the vibrating portion, and the angular velocity sensor is highly reliable. An apparatus can be provided.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、誘電体ブロックの重心が偏心している場合には、空間の中心に誘電体ブロックが位置していたとしても、その重心は空間の中心から離れて位置することになる。また、空間が回転運動したときに誘電体ブロックに作用する遠心力は空間の中心と誘電体ブロックの重心との間の距離に比例する。そのため、空間が回転したときに、より確実に誘電体ブロックに遠心力が作用して誘電体ブロックを移動させることが可能で、角速度の検知がより確実な角速度センサ装置とすることができる。 In the above configuration, when the center of gravity of the dielectric block is eccentric, the center of gravity of the angular velocity sensor device of the present invention is separated from the center of the space even if the dielectric block is located at the center of the space. Will be located. Further, the centrifugal force that acts on the dielectric block when the space rotates is proportional to the distance between the center of the space and the center of gravity of the dielectric block. Therefore, when the space rotates, the dielectric block can be moved by the centrifugal force acting on the dielectric block more reliably, and the angular velocity sensor device can detect the angular velocity more reliably.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、空間が絶縁容器に形成され、容量電極が空間を挟んで配置されている場合には、絶縁容器内の空間に誘電体ブロックを封入するとともに、空間の上下に位置する絶縁容器の内部に容量電極を形成することにより、次のような効果を得ることができる。 In the angular velocity sensor device of the present invention, in the above configuration, when the space is formed in the insulating container and the capacitive electrode is arranged with the space in between, the dielectric block is sealed in the space in the insulating container. The following effects can be obtained by forming the capacitive electrode inside the insulating container positioned above and below the space.
すなわち、誘電体ブロックを確実に空間内に収めておくことができるとともに、誘電体ブロックと容量電極との間に絶縁容器の一部が介在することにより、容量電極の誘電体ブロックとの直接の接触による磨耗や欠け等を効果的に防止することができる。また、絶縁容器に、隣接するもの同士の電気絶縁性を良好に確保しながら、容量電極を構成する複数個の電極を形成することができる。従って、この場合には、角速度センサ装置としての信頼性や生産性を向上させることができる。 That is, the dielectric block can be surely stored in the space, and a part of the insulating container is interposed between the dielectric block and the capacitor electrode, so that the capacitor electrode can be directly connected to the dielectric block. It is possible to effectively prevent wear or chipping due to contact. In addition, a plurality of electrodes constituting the capacitive electrode can be formed in the insulating container while ensuring good electrical insulation between adjacent ones. Therefore, in this case, reliability and productivity as the angular velocity sensor device can be improved.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、誘電体ブロックの比誘電率が、絶縁容器のうち容量電極と空間との間に位置する部位の比誘電率よりも大きい場合には、絶縁容器の一部および空間を間に挟んで対向する容量電極の間の静電容量について、誘電体ブロックが介在したときの変化をより大きなものとすることが容易である。そのため、例えば空間およびその内部の誘電体ブロックの高さを抑えることによる薄型化や、角速度の検知精度の向上が容易な角速度センサ装置とすることができる。 Further, the angular velocity sensor device of the present invention has the above-described configuration, in which the dielectric block is insulated when the relative permittivity of the dielectric block is larger than the relative permittivity of the portion of the insulating container located between the capacitive electrode and the space. With respect to the capacitance between the capacitive electrodes facing each other with a part of the container and the space in between, it is easy to make the change larger when the dielectric block is interposed. Therefore, for example, the angular velocity sensor device can be easily reduced in thickness by suppressing the height of the space and the dielectric block in the space and the detection accuracy of the angular velocity can be easily improved.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、上下の電極が平行に配置されており、誘電体ブロックが電極に平行な上下面を有する場合には、例えば誘電体ブロックが球状であるような場合に比べて、上下の電極の間に誘電体ブロックが介在したときに、容量電極に生じる静電容量をより効果的に変化させることができる。そのため、静電容量の変化による角速度の検知がより確実な角速度センサ装置とすることができる。 In the angular velocity sensor device of the present invention, in the above configuration, when the upper and lower electrodes are arranged in parallel and the dielectric block has upper and lower surfaces parallel to the electrode, for example, the dielectric block seems to be spherical. Compared to the case, the capacitance generated in the capacitor electrode can be changed more effectively when the dielectric block is interposed between the upper and lower electrodes. For this reason, the angular velocity sensor device can more reliably detect the angular velocity due to the change in capacitance.
また、本発明の角速度センサ装置は、上記構成において、複数個の電極は、隣接するもの同士の間隔が誘電体ブロックを平面視したときの外形寸法よりも小さい場合には、角速度の大きさに応じて移動した誘電体ブロックが、隣接する容量電極（複数個の電極）の間に偶然に入り込み、いずれの容量電極においても静電容量の変化が生じないというようなことが効果的に防止される。そのため、回転運動をしているにもかかわらず、いずれの容量電極においても静電容量が変化せず、回転運動をしていないと誤検知されるようなことが効果的に防止され、より検知精度の高い角速度センサ装置とすることができる。 In the angular velocity sensor device of the present invention, in the above configuration, when the distance between adjacent electrodes is smaller than the outer dimension when the dielectric block is viewed in plan, the angular velocity sensor device has the size of the angular velocity. It is effectively prevented that the dielectric block that has moved in response accidentally enters between adjacent capacitive electrodes (a plurality of electrodes), and no change in capacitance occurs in any capacitive electrode. The For this reason, the capacitance does not change in any of the capacitive electrodes in spite of the rotational motion, and it is effectively prevented from being erroneously detected that the rotational motion is not occurring. A highly accurate angular velocity sensor device can be obtained.
本発明の角速度センサ装置について、添付の図面を参照しつつ説明する。 The angular velocity sensor device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の角速度センサ装置の実施の形態の一例を示す平面図（透視図）である。図１において、１は絶縁容器５の内部に設けられた空間、２は電極２ａ，２ｂが上下に対向してなる容量電極、３は誘電体ブロック、４は弾性部材、９は角速度センサ装置である。
FIG. 1 is a plan view (perspective view) showing an example of an embodiment of an angular velocity sensor device of the present invention. In FIG. 1, 1 is a space provided inside the insulating
角速度センサ装置９は、各種加工装置に使われる回転アームの回転軸や車軸等の回転運動する機器に搭載され、その機器の角速度を検知し、必要に応じてディスプレイ等の表示装置に電気信号を送って角速度の数値を表示させたり、その角速度センサ装置９が搭載された機器の停止や減速等の制御を行なったりするのに用いられる。 The angular velocity sensor device 9 is mounted on a rotationally moving device such as a rotating arm or axle used for various processing devices, detects the angular velocity of the device, and sends an electrical signal to a display device such as a display as necessary. It is used for sending and displaying numerical values of angular velocities, and for controlling the stop or deceleration of the equipment on which the angular velocity sensor device 9 is mounted.
この角速度センサ装置９は、空間１に作用する角速度に応じて移動する誘電体ブロック３の位置を空間１の上下にそれぞれ複数個配列される電極２ａ，２ｂにより構成される容量電極２において生じる静電容量の変化により検知し、その位置を求めることで、誘電体ブロック３に弾性部材４から作用する応力を基に角速度を算出するものである。
This angular velocity sensor device 9 is a static electrode formed in a
すなわち、この角速度センサ装置９によれば、空間１が回転運動したときに、その回転の角速度に応じた遠心力と、遠心力で移動しようとする誘電体ブロック３に反発する弾性部材４からの応力とが誘電体ブロック３に作用する。誘電体ブロック３は、この遠心力と応力とがつり合った位置で空間１に対して静止し、この位置で容量電極２（電極２ａ，２ｂ）の間に生じている静電容量を変化させる。
That is, according to the angular velocity sensor device 9, when the
そのため、あらかじめ誘電体ブロック３の質量および弾性部材４を変形させるのに要する力（弾性部材４から加わる応力）を測定しておくことにより、その静止位置（対応する容量電極２の位置）を検出することで誘電体ブロック３に作用する遠心力を検知することができ、誘電体ブロック３の質量および位置と遠心力とから誘電体ブロック３に作用する角速度を算出することができる。
Therefore, by measuring the mass of the
例えば、角速度をω、誘電体ブロック３の質量をｍ、空間１の中心から誘電体ブロック３の重心までの距離をｒ、角速度に応じた遠心力をＦ１とすると、Ｆ１＝ｍ×ｒ×ω２であり、前述した静止位置における弾性部材４からの応力をＦ２とすると、Ｆ１＝Ｆ２＝ｍ×ｒ×ω２、つまりω＝√（Ｆ２／（ｍ×ｒ））である。距離ｒの値としては静電容量の変化により検知した誘電体ブロック３の位置を用いることができるため、あらかじめ誘電体ブロック３の質量ｍと弾性部材４を変形させるのに要する力Ｆ２とを測定しておくことにより、誘電体ブロック３に作用する角速度ωを算出することができる。
For example, assuming that the angular velocity is ω, the mass of the
なお、実際には、誘電体ブロック３には摩擦等の抵抗が加わるので、その分を補正することが好ましい。例えば、誘電体ブロック３の底面と空間１の底面との間の摩擦力をＦ３とすると、角速度ａに応じて生じる本来の遠心力Ｆ１は、みかけの遠心力Ｆ１１に摩擦力Ｆ３を加えた大きさ（Ｆ１＝Ｆ１１＋Ｆ３）である。みかけの遠心力Ｆ１１と応力Ｆ２とがつり合っているので、Ｆ１１＝Ｆ２、つまりＦ１＝Ｆ２＋Ｆ３であり、正しい角速度ωは、ω＝√（Ｆ１／（ｍ×ｒ））より、ω＝√（（Ｆ２＋Ｆ３）／（ｍ×ｒ））となる。
Actually, since resistance such as friction is applied to the
このような角速度センサ装置９は、上下に対向するそれぞれ複数個の電極２ａ，２ｂが配列された空間１内に誘電体ブロック３が収容されているだけの構造であるため、構造が簡易であり、例えば振動部等の微細な可動部分を形成する微細加工は特に必要はなく、製作が容易である。また、微細な可動部分を備えていないので、角速度センサ装置としての機能を妨げるような機械的な破壊が生じにくく、信頼性が高い。さらに、振動させ続けなければならない可動部分を備えていないので、振動させるための一定の電力を供給し続けなければならないようなこともない。また、電極２ａと電極２ｂとの間に生じる静電容量の変化を利用して、角速度に起因する遠心力を弾性部材４から作用する応力として高い精度で検知することができるため、角速度の検知の精度が高い。従って、本発明の角速度センサ装置９によれば、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性が高い角速度センサ装置９を提供することができる。
Since such an angular velocity sensor device 9 has a structure in which the
空間１は、誘電体ブロック３および弾性部材４を収容するためのものであり、収容した誘電体ブロック３が空間１の角速度に応じた遠心力と弾性部材４から作用する弾性力とに応じて内部を移動することができるような形状および寸法を有するものである。
The
空間１は、この角速度センサ装置９が機器に搭載されたときの位置、つまり遠心力が作用する方向にかかわらず、その遠心力に応じて誘電体ブロック３が移動することを可能とするために、電極２ａ，２ｂが配列される側を上下端面とする円柱状に形成されている。
The
空間１を間に配して上下に対向するそれぞれ複数個の電極２ａ，２ｂは、空間１を間に挟んで静電容量を生じるものであり、これら複数個の電極２ａ，２ｂにより容量電極２が構成されている。容量電極２（電極２ａ，２ｂ）は、前述したように、間の空間１に誘電体ブロック３が介在して静電容量が変化することにより空間１内での誘電体ブロック３の位置を検知し、その位置を基に、空間１の角速度を検知するためのものである。
A plurality of
容量電極２は、角速度の大きさに応じた誘電体ブロック３の移動を静電容量の変化として検知し、これにより角速度の大きさを検知するものであるため、空間１の中心部から外周部にかけて配列されたそれぞれ複数個の電極２ａ，２ｂにより構成されている。
Since the
すなわち、容量電極２は、空間１の中心部から外周部にかけて（遠心力による誘電体ブロック３の移動距離に対応して）上下にそれぞれ複数個の電極２ａ，２ｂが配列されてなるものであることから、どの電極２ａ，２ｂで静電容量が変化しているかを検知することにより、空間１内における誘電体ブロック３の位置を容易に、かつ確実に検知することができる。なお、容量電極２に生じる静電容量の変化は、例えば、上下に対向し合う電極２ａ，２ｂ間の電位を測定して、電位の変化として検知することができる。
That is, the
容量電極２を構成する電極２ａ，２ｂについて、空間１の中心部から外周部にかけて配列する個数は、必要な角速度の測定精度や測定範囲等に応じて適宜設定すればよい。例えば、この実施の形態の例では、電極２ａ，２ｂは、空間１の中心部から外周部に向かって放射状に８列に（ほぼ45°の間隔で）配列されている。これらの電極２ａ，２ｂは、各列毎に空間１のできるだけ広い範囲で静電容量を検知するために、外形寸法が、空間１の中心部では小さく、外周部では大きくなっている。この場合には、空間１内でより確実にいずれかの電極２ａ，２ｂの間に誘電体ブロック３を介在させて、誘電体ブロック３の位置を検知することができる。
Regarding the
なお、電極２ａ，２ｂは、例えば図２（ａ）に示すような同心円状に配列された環状のものや、図２（ｂ）に示すような、同心円状に配列された環状のものがそれぞれ周方向に分割されたもの等でもよい。電極２ａ，２ｂをそれぞれ環状に形成した場合には、誘電体ブロック３に作用する遠心力が同じときには空間１の全周において同じ円周上に位置する電極２ａ，２ｂの間で静電容量が変化するため、誘電体ブロック３の位置をより容易に検知することができる。
The
誘電体ブロック３は、空間１の角速度に対応して生じる遠心力と弾性部材４から加わる弾性力とに応じて空間１内を移動し、その移動した部分に位置している上下の電極２ａ，２ｂの間の静電容量を大きくするためのものである。
The
この誘電体ブロック３が収容された空間１に対して、容量電極２に生じる静電容量を測定し、静電容量の変化を検知することにより、誘電体ブロック３の位置、つまり遠心力と弾性力とがつり合った位置を検知することができる。そして、あらかじめ弾性部材４をその位置まで変形させるのに要する力および誘電体ブロック３の質量を測定しておくことにより、遠心力を検知して角速度を算出することができる。
By measuring the capacitance generated in the
また、角速度が生じていないときや、生じていた角速度がなくなったときには、誘電体ブロック３が空間１の中央部に位置していたり中央部に戻ったりするため、空間１に角速度が生じていないということを容易に検知することができる。空間１の中央部に誘電体ブロック３が位置しているということを検知するためには、例えば空間１の中央部にも容量電極２を配置すればよい。
In addition, when the angular velocity is not generated or when the generated angular velocity disappears, the
誘電体ブロック３は、遠心力が作用する方向に弾性部材４を変形（圧縮）させながら移動できるような形状および寸法で形成されて、空間１内に収容されている。空間１内での誘電体ブロック３の移動は、空間１の下面（底面）上を、空間１の角速度に起因して作用する遠心力によって滑り、または転がることによるものである。
The
このような移動を容易とするために、誘電体ブロック３は、例えば円柱状や四角柱状（直方体状）等の多角形の柱状や、楕円柱状等に形成されている。なお、誘電体ブロック３は、これらの形状であって側面の一部に凹凸部分が形成されているものでもよい。
In order to facilitate such movement, the
また、誘電体ブロック３は、上下の電極２ａ，２ｂの間に介在して、その間に生じている静電容量を検知が容易な程度に変化させることができるような材料および寸法で形成されている。
The
このような誘電体ブロック３は、例えば、チタン酸バリウム，チタン酸ストロンチウム，チタン酸マグネシウムまたはこれらの混合系材料等のセラミック材料や、エポキシ樹脂，スチロ−ル樹脂，ポリプロピレン樹脂，ポリフェニレンスルフィド樹脂等の樹脂材料等の、比誘電率の高い材料からなる。これらの樹脂材料の比誘電率は約３〜５（20℃）程度であり、チタン酸バリウムの比誘電率は約500以上（20℃）である。誘電体ブロック３は、容量電極２間の静電容量を大きく変化させる上では、比誘電率が約500以上のチタン酸バリウムまたはその混合系等の誘電体材料からなることが好ましい。
Such a
また、誘電体ブロック３の厚さ（上下方向の寸法）は、上下に対向する電極２ａ，２ｂ間の静電容量を大きく変化させる上では、空間１内において厚いほど好ましい。
Further, the thickness (dimension in the vertical direction) of the
この実施の形態の例において、誘電体ブロック３は、空間１の高さよりも若干低い厚さの円柱状に形成されている。
In the example of this embodiment, the
誘電体ブロック３は、例えば、円柱状の場合であれば、チタン酸バリウムの粉末を有機溶剤，バインダとともにシート状に加工して複数のセラミックグリーンシートを作製し、所定寸法の円板状に切断するとともに積層して円柱状とした後、焼成することにより作製することができる。
For example, if the
なお、誘電体ブロック３は、その重心が偏心していることが好ましい。すなわち、この場合には、空間１の中心に誘電体ブロック３が位置していたとしても、その重心は空間１の中心から外れて位置することになる。また、空間１が回転運動したときに誘電体ブロック３に作用する遠心力は、空間１の中心と誘電体ブロック３の重心との間の距離に比例する。そのため、空間１が回転したときに、より確実に誘電体ブロック３に遠心力が作用して誘電体ブロック３を移動させることが可能であり、角速度の検知がより確実な角速度センサ装置９とすることができる。
The
誘電体ブロック３の重心を偏心させるには、例えば誘電体ブロック３の外周部分の一部を、誘電体ブロック３を構成する誘電体材料と密度が異なる材料に置き換えればよい。また、誘電体ブロック３の外周部分に穴（非貫通のものまたは貫通孔）を設けたり、切り欠きを設けたりしてもよい。
In order to decenter the center of gravity of the
また、弾性部材４は、誘電体ブロック３に応力（弾性力）を加える機能を有している。空間１が一定の角速度で回転運動しているときには、角速度に起因する遠心力により空間１内を移動しようとする誘電体ブロック３に対して弾性部材４から逆向きに応力（弾性力）が加わる。応力は、弾性部材４の変形（圧縮）が大きくなるにつれて大きくなり、遠心力と弾性力とがつりあった位置で誘電体ブロック３が空間１に対して相対的に静止する。また、空間１に角速度が生じていないとき（誘電体ブロック３に遠心力が作用していないとき）には、弾性部材４の弾性力により誘電体ブロック３が空間１の中心部まで移動して保持される。
The
このような弾性部材４としては、ゴムやスポンジゴム等のヤング率の低い材料（ヤング率が約0.01〜１ＭＰａ程度）を用いることができる。
As the
このような材料としては、例えば天然ゴムやウレタンゴム，ブチルゴム，ネオプレンゴム，スチレンブタジエンゴム等のゴム材料や、これらのゴム材料（特に天然ゴム以外のゴム材料）に炭酸ナトリウムや重炭酸ナトリウム，炭酸アンモニウム等の発泡剤を添加して多孔質（いわゆるスポンジ状）としたスポンジゴム等の材料が挙げられる。 Examples of such materials include rubber materials such as natural rubber, urethane rubber, butyl rubber, neoprene rubber, and styrene butadiene rubber, and these rubber materials (particularly rubber materials other than natural rubber). Examples thereof include materials such as sponge rubber which is made porous (so-called sponge-like) by adding a foaming agent such as ammonium.
弾性部材４は、円柱状の空間１に、誘電体ブロック３の周囲を充填するように配置されている。
The
弾性部材４は、この角速度センサ装置９で検知しようとする角速度の範囲の上限に相当する遠心力が作用したときに、誘電体ブロック３が空間１のいずれかの端にまで移動してしまわない程度のヤング率や寸法（長さや応力が作用する面積）を有するものであることが好ましい。
The
例えば、誘電体ブロック３の質量が0.05ｋｇ（50ｇ）で、空間１の中心から誘電体ブロック３の重心までの距離がｒ（ｍ）で、想定される角速度の最大値が約63rad／ｓ（１秒間に約10回転）の場合であれば、遠心力の最大値は0.05×ｒ×63２（Ｎ）であるので、約２×ｒ（Ｎ）である。このとき、この遠心力と応力とがつり合う位置である距離ｒが１ｃｍ（１×10−２ｍ）になるような弾性部材４を使用したとすると遠心力の最大値は約２（Ｎ）であり、応力が作用する面積を１ｃｍ２（１×10−４ｍ２）に設定したとすると単位面積あたりの応力σはσ＝２（Ｎ）／１×10−４（ｍ２）＝２×10４（Ｎ／ｍ２）＝２×10−２（ＭＰａ）になる。
For example, the mass of the
周知のようにε（ひずみ）＝σ（単位面積あたりの応力、単位：ＭＰａ）／Ｅ（ヤング率、単位：ＭＰａ）なので、例えばεを0.5に設定する（弾性部材４が半径の半分程度に圧縮される）場合には、弾性部材４のヤング率Ｅは、0.5＝２×10−２／Ｅより、Ｅ＝２×10−２／0.5＝４×10−２（ＭＰａ）となる。
As is well known, since ε (strain) = σ (stress per unit area, unit: MPa) / E (Young's modulus, unit: MPa), for example, ε is set to 0.5 (the
つまり、この場合には、弾性部材４にはヤング率が約４×10−２（ＭＰａ）程度の材料が適しているということになる。また、より大きな角速度が加わる場合や、空間１の長さ（半径）を短くする場合であれば、弾性部材４にはヤング率がより大きな（変形しにくい）材料が適し、より小さな角速度が加わる場合や空間１の長さ（半径）を長くする場合であれば、ヤング率がより小さな（変形しやすい）材料が適している。
That is, in this case, a material having a Young's modulus of about 4 × 10 −2 (MPa) is suitable for the
なお、弾性部材４としてゴム材料等の電気絶縁性の材料を用いる場合には、弾性部材４の比誘電率に比べて誘電体ブロック３の比誘電率が十分に大きなものであることが好ましい。誘電体ブロック３の比誘電率と弾性部材４の比誘電率との差が小さければ、例えば電極２ａ，２ｂ間に介在している弾性部材４に代わって誘電体ブロック３が容量電極２（２ａ，２ｂ）間に介在したときの静電容量の変化が小さくなる可能性があり、誘電体ブロック３の位置による角速度の検知が難しくなる可能性がある。そのため、誘電体ブロック３は、前述したチタン酸バリウムのように、比誘電率が約500以上程度に大きなセラミック材料で形成することが好ましい。
In the case where an electrically insulating material such as a rubber material is used as the
このような角速度センサ装置９は、例えば図３に断面図として示す例のように、空間１が絶縁容器５に形成され、容量電極２（電極２ａ，２ｂ）が空間１を挟んで絶縁容器５の内部に配置されている場合には、次のような効果がある。なお、図３は、本発明の角速度センサ装置９の実施の形態の一例について、円柱状の空間１の直径部分における断面を示す断面図である。図３において図１と同様の部位には同様の符号を付している。
In such an angular velocity sensor device 9, for example, a
すなわち、絶縁容器５内の空間１に誘電体ブロック３を封入するとともに、容量電極２を構成する複数個の電極２ａ，２ｂのそれぞれを、空間１の上下に位置する絶縁容器５の内部に形成することにより、誘電体ブロック３を確実に空間１内に収めることができる。
That is, the
また、誘電体ブロック３と容量電極２との間に絶縁容器５の一部が介在することにより、容量電極２の誘電体ブロック３との直接の接触による磨耗や欠け等を効果的に防止することができる。また、絶縁容器５の内部には、隣接するもの同士の電気絶縁性を良好に確保して複数個の電極２ａ，２ｂを形成することができる。従って、この場合には、角速度センサ装置９としての信頼性や生産性を向上させることができる。
In addition, since a part of the insulating
絶縁容器５は、この角速度センサ装置９を機器に搭載したり搬送したりする際の作業性や破損の抑制等を考慮して、外側面の一部に凹凸を設けたり、角（稜）部分を面取りしたりしてもよい。
The insulating
絶縁容器５は、酸化アルミニウム質焼結体（酸化アルミニウム質セラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ガラスセラミック焼結体等のセラミック材料や、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，アクリル樹脂等の樹脂材料、セラミック材料等の無機材料と樹脂材料との複合材料等の電気絶縁性の材料により形成されている。
The insulating
この実施の形態の例において、絶縁容器５は、上面に凹部（符号なし）を有する絶縁基体５ａの上面に、平板状の蓋体５ｂが接合されて形成されている。絶縁基体５ａの凹部と蓋体５ｂとにより、誘電体ブロック３を収容する空間１が構成されている。なお、蓋体５ｂは、絶縁基体５ａの凹部と対向するような凹部（図示せず）を有しているものでもよい。
In the example of this embodiment, the insulating
また、絶縁容器５（絶縁基体５ａ）のうち空間１の下面となる面（凹部の底面）は、誘電体ブロック３が滑って移動することを容易とするために、研磨加工（例えば、いわゆる鏡面研磨加工）を施して平滑度を高めておいてもよい。空間１の下面の平滑度を高めておくと、前述したような摩擦力の分の補正も小さく抑えることができる。この場合、絶縁基体５ａを平板状とし、蓋体５ｂを下面（空間１の上面）側に凹部（図示せず）を有しているものとしておくと、空間１の下面に相当する、絶縁基体５ａの上面の研磨加工がより容易に行なえる。そのため、誘電体ブロック３の滑りによる移動が容易で、角速度の検知の精度が高い角速度センサ装置９の生産性を高める上で有効である。
In addition, the surface (the bottom surface of the recess) of the insulating container 5 (insulating
絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、酸化アルミニウムの粉末を主成分とし、酸化ケイ素や酸化カルシウム等を添加してなる原料粉末を、有機溶剤，バインダとともにシート状に加工して複数のセラミックグリーンシートを作製し、積層した後焼成することにより、絶縁基体５ａおよび蓋体５ｂを作製し、その後、絶縁基体５ａと蓋体５ｂとをろう材や樹脂接着剤を介して接合することにより製作することができる。
If the insulating container 5 (insulating
また、絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）は、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂材料からなる場合であれば、これらの樹脂材料の未硬化物を、金型を用いて所定の絶縁基体５ａや蓋体５ｂの形状に成型し、硬化させることにより絶縁基体５ａや蓋体５ｂを作製し、これらを樹脂接着剤で接合することにより製作することができる。
Further, if the insulating container 5 (insulating
容量電極２を構成する複数個の電極２ａ，２ｂは、例えば絶縁容器５の内部に、空間１を上下から挟むように形成されている。これらの電極２ａ，２ｂは、タングステンやモリブデン，マンガン，銅，銀，パラジウム，金，白金等の金属材料により形成される。このような金属材料は、メタライズ層やめっき層，金属箔，蒸着層等の形態で絶縁容器５の絶縁基体５ａや蓋体５ｂに被着される。
The plurality of
上下に対向する電極２ａ，２ｂのそれぞれは、例えば、タングステンの金属ペーストを絶縁基体５ａや蓋体５ｂとなるセラミックグリーンシートに印刷しておいて、この印刷した金属ペーストが内部に位置するようにセラミックグリーンシートを積層することにより形成することができる。
Each of the vertically opposed
なお、絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）には、容量電極２（電極２ａ，２ｂ）から上面および下面にかけて、容量電極２を外部の電気回路と電気的に接続するための導電路として配線導体（図示せず）を形成しておいてもよい。この配線導体の露出部分を外部の電気回路に接続して、上下の電極２ａ，２ｂの間の静電容量を測定することにより、静電容量の変化を検知して誘電体ブロック３の位置を検知し、前述したように誘電体ブロック３の位置を基にして空間１に生じている角速度つまり角速度センサ装置９が搭載されている機器の角速度を検知することができる。
The insulating container 5 (insulating
この場合の外部の電気回路は、例えば、各種加工装置に使われる回転アームの回転軸や、車軸等の回転運動する機器に実装される回路基板に形成されている。そして、角速度センサ装置９が部品として搭載されると、回転軸の回転運動の角速度を検知し、アームの移動速度（回転速度）の調節を行なったり、その角速度の大きさを表示したりすることができる。また、角速度（ｒａｄ／ｓや°／ｓ等）を基に、回転数（ｒ／ｓ等）を算出して表示するようにしてもよい。 In this case, the external electric circuit is formed on a circuit board mounted on a rotating arm of a rotating arm used in various processing apparatuses, a rotating device such as an axle, and the like. When the angular velocity sensor device 9 is mounted as a component, the angular velocity of the rotational movement of the rotary shaft is detected, and the moving speed (rotational speed) of the arm is adjusted or the magnitude of the angular velocity is displayed. Can do. Further, the rotational speed (r / s, etc.) may be calculated and displayed based on the angular velocity (rad / s, ° / s, etc.).
なお、前述したような角速度の算出や、算出された角速度に応じた電気信号の解析や増幅等の処理を行なう電子部品（半導体集積回路素子やコンデンサ素子，インダクタ素子等）（図示せず）を、絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）の表面や内部に搭載するようにしてもよい。また、コンデンサ素子やインダクタ素子に相当する電気回路（図示せず）を、絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）の内部や表面に形成するようにしてもよい。これらの電気回路は、電極２ａ，２ｂを形成するのと同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。
An electronic component (semiconductor integrated circuit element, capacitor element, inductor element, etc.) (not shown) that performs processing such as calculation of angular velocity as described above and analysis and amplification of electrical signals according to the calculated angular velocity is provided. The insulating container 5 (insulating
また、このように絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）に空間１を形成するとともに容量電極２を配置してなる角速度センサ装置９においては、誘電体ブロック３の比誘電率が、絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）のうち容量電極２と空間１との間に位置する部位の比誘電率よりも大きい場合には、絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）の一部および空間１を間に挟んで対向する電極２ａ，２ｂ間の静電容量について、誘電体ブロック３が介在したときの変化をより大きなものとすることが容易である。そのため、例えば空間１に生じる角速度が小さく、誘電体ブロック３のうち一部のみが電極２ａ，２ｂの間に介在しているような場合でも、対向する上下の電極により構成される容量電極２に生じる静電容量を検知が可能な程度に変化させることができ、角速度の検知の精度が向上する。
Further, in the angular velocity sensor device 9 in which the
また、この角速度センサ装置９は、上下の電極２ａ，２ｂが平行に配置されており、誘電体ブロック３が電極２ａ，２ｂに平行な上下面を有する場合には、例えば誘電体ブロック３が球状であるような場合に比べて、対向する上下の電極２ａ，２ｂ間に誘電体ブロック３が介在したときに、電極２ａ，２ｂ間に生じる静電容量をより効果的に変化させることができる。そのため、静電容量の変化の検知、およびその静電容量の変化に基づく角速度の算出がより確実な角速度センサ装置９とすることができる。
In the angular velocity sensor device 9, when the upper and
また、この角速度センサ装置９は、複数個の電極２ａ，２ｂは、隣接するもの同士の間隔が誘電体ブロック３を平面視したときの外形寸法よりも小さい場合には、遠心力と弾性力とがつり合う位置に移動した誘電体ブロック３が隣接する電極２ａ，２ｂの間に偶然に入り込み、いずれの容量電極２においても静電容量の変化が生じないというようなことが効果的に防止される。そのため、空間１が回転運動しているにもかかわらず、いずれの容量電極２においても静電容量が変化せず、角速度が生じていないと誤検知されるようなことが効果的に防止され、より検知精度の高い角速度センサ装置９とすることができる。
In addition, the angular velocity sensor device 9 has a plurality of
なお、このような角速度センサ装置９は、例えば、まず、前述のようにして作製した絶縁基体５ａの凹部の中心部に誘電体ブロック３を入れるとともに、その周囲の空間１に弾性部材４を充填し、その後、凹部を塞ぐように蓋体５ｂを絶縁基体５ａの上面に接合することにより製作することができる。
In such an angular velocity sensor device 9, for example, first, the
蓋体５ｂと絶縁基体５ａとの接合は、例えば、有機樹脂接着剤やガラス，ろう材等の接合材を介して接合することにより行なうことができる。この場合、あらかじめ両者の接合面に金属層（図示せず）を形成しておき、この金属層の間をろう材で接合するようにしてもよい。なお、金属層は、容量電極２を構成する電極２ａ，２ｂと同様の金属材料を用い、同様の方法で形成することができる。
The
なお、本発明は上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、絶縁容器５（絶縁基体５ａ，蓋体５ｂ）の少なくとも一部をガラスやアクリル系樹脂，メタクリル系樹脂等の透光性の材料で形成しておいて、外側から誘電体ブロック３の位置を視認できるようにしておいてもよい。この場合には、空間１の角速度に応じて誘電体ブロック３が正常に移動しているか否かを容易に確認することができ、より高精度で、かつ点検の容易な角速度センサ装置９とすることができる。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, at least a part of the insulating container 5 (insulating
また、容量電極２を構成する電極２ａ，２ｂについて、いずれか一方を他方よりも面積が大きくなるようにしておいて、絶縁基体５ａと蓋体５ｂとを接合して絶縁容器５を製作するときの位置ずれによる静電容量への影響を緩和するようにしてもよい。
In addition, when one of the
１・・・・・空間
２・・・・・容量電極
２ａ・・・・電極
２ｂ・・・・電極
３・・・・・誘電体ブロック
４・・・・・弾性部材
５・・・・・絶縁容器
５ａ・・・・絶縁基体
５ｂ・・・・蓋体
９・・・・・角速度センサ装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008015809A JP2009175064A (en) | 2008-01-28 | 2008-01-28 | Angular velocity sensor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008015809A JP2009175064A (en) | 2008-01-28 | 2008-01-28 | Angular velocity sensor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=41030304
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009175064A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5617921B2 (en) * | 2010-06-16 | 2014-11-05 | トヨタ自動車株式会社 | Compound sensor |
| JP2016153745A (en) * | 2015-02-20 | 2016-08-25 | セイコーエプソン株式会社 | Circuit device, physical quantity detection device, electronic apparatus, and mobile entity |
-
2008
- 2008-01-28 JP JP2008015809A patent/JP2009175064A/en active Pending
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