JP2011047852A

JP2011047852A - 慣性センサ

Info

Publication number: JP2011047852A
Application number: JP2009197830A
Authority: JP
Inventors: Takami Ishida; 貴巳石田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】本発明は、慣性センサの検知精度を向上させることを目的とする。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、支持梁１１と、前記支持梁１１により一端を支持された圧電体からなる駆動梁１２と、前記支持梁１１により一端を支持された圧電体からなる検出梁１３と、前記駆動梁１２及び前記検出梁１３の他端に設けられた錘１４とを備え、前記支持梁１１がＸ軸方向及び前記Ｘ軸に直交するＹ軸方向へと伸びる略十文字形状をし、且つ前記略十文字形状の４つの先端が固定されている構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラやカーナビゲーション装置などの電子機器や自動車の制御などに用いられる慣性センサに関するものである。

従来この種の慣性センサは、図６に示すごとく、両端が固定部１により支持された略直線形状の支持梁２と、前記支持梁２により一端を支持された圧電体からなる駆動梁３と、前記支持梁２により一端を支持された圧電体からなる検出梁４とを備える構成としていた。

なお、この出願に関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２００７−１９８７７４号公報

このような従来の慣性センサでは、慣性力の検知精度が低いことが問題となっていた。

すなわち、上記従来の構成においては、支持梁２が略直線形状をしており、図６に示すＸ軸方向のみに伸びる構成としていたため、不要振動などに起因するＹ軸方向の変位を抑制することができず、その結果として、慣性力の検知精度が低くなってしまうことが問題となっていた。

そこで本発明は、慣性センサの検知精度を向上させることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、支持梁と、前記支持梁により一端を支持された圧電体からなる駆動梁と、前記支持梁により一端を支持された圧電体からなる検出梁と、前記駆動梁及び前記検出梁の他端に設けられた錘とを備え、前記支持梁がＸ軸方向及び前記Ｘ軸に直交するＹ軸方向へと伸びる略十文字形状をし、且つ前記略十文字形状の４つの先端が固定されている構成としたものである。

この構成により、前記略十文字形状の支持梁におけるＹ軸方向へ伸びる部分が、上述した不要振動などによるＹ軸方向の変位を抑制し、その結果として、慣性力の検知精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における慣性センサの上面図図１のＡ−ＡＡ断面図図１のＢ−ＢＢ断面図本発明の実施の形態１における慣性センサの他の実施例を示す上面図図４のＣ−ＣＣ断面図従来の慣性センサの上面図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における慣性センサについて図面を参照しながら説明する。

図１に示すごとく、本実施の形態における慣性センサは、支持梁１１と、前記支持梁１１により一端を支持された圧電体からなる駆動梁１２と、前記支持梁１１により一端を支持された圧電体からなる検出梁１３と、前記駆動梁１２及び前記検出梁１３の他端に設けられた錘１４とを備え、前記支持梁１１がＸ軸方向及び前記Ｘ軸に直交するＹ軸方向へと伸びる略十文字形状をし、且つ前記略十文字形状の４つの先端が枠体１５により固定されている。

より具体的には、前記駆動梁１２及び前記検出梁１３は、前記支持梁１１においてＸ軸方向に伸びる部分により支持されており、形状としてはＹ軸方向に伸びるとともに、途中で略１８０度折り返す構成としている。

このような構成により、前記略十文字形状の支持梁１１におけるＹ軸方向へ伸びる部分が、不要振動などによるＹ軸方向の変位を抑制し、その結果として、慣性力の検知精度を向上させることができるのである。

続いて電極配置としては、前記駆動梁１２の任意の一面には駆動用電極１６が設けられ、前記検出梁１３の任意の一面には検出用電極１７及びモニタ電極１８が設けられている。前記駆動用電極１６に交流電圧が印加されることにより圧電体からなる駆動梁１２が振動し、この振動に伴い検出梁１３が振動するとともに、外部からの角速度などの慣性力を受け、その振動状態を変化させる。そして、この変化した振動状態を検出梁１３に設けた検出用電極１７が交流電圧として検知する。

ここで、前記駆動用電極１６、前記検出用電極１７、前記モニタ電極１８の引き回し線を前記支持梁１１におけるＸ軸方向に伸びる梁とＹ軸方向へ伸びる梁とに分散させて配置した構成としている。このような構成とすることにより、駆動用電極１６、検出用電極１７、前記モニタ電極１８の引き回し線の配置に自由度を向上させることができる。さらに、引き回し線の９間隔をあけて配置することが可能となるため、浮遊容量成分による出力信号への悪影響の発生を抑制することができ、その結果として、慣性センサのＳ／Ｎ比を向上させることができるのである。

なお、本実施の形態においては、図１に示すごとくＹ軸正方向に駆動梁１２を設け、Ｙ軸負方向に検出梁１３を設ける構成としたが、Ｙ軸負方向に駆動梁１２を設けると共に、Ｙ軸正方向に検出梁１３を設ける構成としてもよく、またＹ軸正方向の一方に駆動梁１２、他方に検出梁１３を設けると共にＹ軸負方向の一方に駆動梁１２、他方に検出梁１３を設ける構成としてもかまわない。

なお、前記錘１４上面には下部電極１９を設けるとともに、前記錘１４の上方には前記下部電極１９に対向する上部電極（図示せず）を設け、当該上部電極（図示せず）と下部電極１９との静電容量の変化を検知することにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検知することができる。

その際においても、前記支持梁１１がＸ軸方向及び前記Ｘ軸に直交するＹ軸方向へと伸びる略十文字形状をし、且つ前記略十文字形状の４つの先端が枠体１５により固定されている構成としたために、錘１４に対して加速度などの慣性力が印加された時に発生するＸ軸方向及びＹ軸方向への変位量を略均一にすることができるため、より高精度な加速度検知を行うことができるという利点を有するのである。

また、前記駆動用電極１６、前記検出用電極１７、前記モニタ電極１８の引き回し線を前記支持梁１１におけるＸ軸方向に伸びる梁とＹ軸方向へ伸びる梁とに分散させて配置した構成としていることにより、引き回し線間の浮遊容量の発生を考慮に入れても、支持梁１１の幅を狭く形成することが可能となるため、支持梁１１の可撓性を向上させることができ、その結果として、加速度センサの感度を向上させることができるのである。

なお、支持梁１１を図１のＡ−ＡＡ断面図である図２および、図１のＢ−ＢＢ断面図である図３に示すごとく、駆動梁１２あるいは検出梁１３よりも薄くすることにより、加速度検知の感度を向上させることができる。

なお、加速度センサとしては、上述した静電容量型のもの以外で、例えば歪抵抗素子を利用したものでもかまわない。

具体的には、図１における支持梁１１の少なくとも一部に歪抵抗素子（図示せず）を配置するような構成である。

より具体的には、例えば支持梁１１のＸ軸方向に伸びる部分に、前記歪抵抗素子（図示せず）を配置すればＸ軸方向の加速度を検知することができる。

また例えば支持梁１１のＹ軸方向に伸びる部分に、前記歪抵抗素子（図示せず）を配置すればＹ軸方向の加速度を検知することができる。

更に支持梁１１のＸ軸方向に伸びる部分およびＹ軸方向に伸びる部分に前記歪抵抗素子（図示せず）を配置すればＸ軸方向とＹ軸方向の加速度だけでなくＺ軸方向の加速度を検知することも可能となる。

その際、前記歪抵抗素子（図示せず）の配置方法としては、前記支持梁１１における前記枠体１５との付け根あるいは、駆動梁１２あるいは検出梁１３との付け根に配置することにより、加速度検知の感度を向上させることができる。

なお歪抵抗素子の形成方法としては、ＣｒＯなどに代表される歪抵抗薄膜を支持梁１１上面に形成し、歪抵抗素子を形成する。

もしくは、支持梁１１がＳｉの場合、ボロン等の不純物をドーピングすることにより半導体型歪抵抗素子を形成する方法があげられる。

なお、加速度センサとしては、上述した静電容量型および歪抵抗型のもの以外で、振動型のものでもかまわない。

具体的には、図４における支持梁１１の少なくとも一部に加速度用駆動電極２０Ｘ，２０Ｙおよび加速度用検出電極２１Ｘ，２１Ｙを配置するような構成である。

より具体的には、例えば支持梁１１のＸ軸方向に伸びる部分に、前記加速度用駆動電極２０Ｘおよび加速度用検出電極２１Ｘを配置すればＸ軸方向の加速度を検知することができる。また例えば支持梁１１のＹ軸方向に伸びる部分に、前記加速度用駆動電極２０Ｙおよび加速度用検出電極２１Ｙを配置すればＹ軸方向の加速度を検知することができる。更に支持梁１１のＸ軸方向に伸びる部分およびＹ軸方向に伸びる部分に、前記加速度用駆動電極２０Ｘ，２０Ｙおよび加速度用検出電極２１Ｘ，２１Ｙを配置すればＺ軸方向の加速度も検知することができる。

動作原理について説明する。まず前記加速度用駆動電極２０Ｘ，２０Ｙに一定の交流電圧を印加し、支持梁１１を一定の固有モードで振動させる。

その際において、例えば、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合、前記支持梁１１における前記加速度用駆動電極２０Ｘの一方が配置された部分の共振周波数が前記加速度用検出電極２１Ｘの他方が配置された部分の共振周波数よりも高くなる。

この共振周波数の差異を前記加速度用検出電極２１Ｘで検出することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出する。

例えば、Ｙ軸方向に加速度が加わった場合、前記支持梁１１における前記加速度用駆動電極２０Ｙの一方が配置された部分の共振周波数が前記加速度用検出電極２１Ｙの他方が配置された部分の共振周波数よりも高くなる。

この共振周波数の差異を前記加速度用検出電極２１Ｙで検出することにより、Ｙ軸方向の加速度を検出する。

またＺ軸方向に加速度が加わった場合、前記支持梁１１における前記加速度用検出電極２１Ｘおよび前記加速度用検出電極２１Ｙの配置部の共振周波数の和が変化する。

この共振周波数の変化を前記加速度用検出電極２１Ｘおよび前記加速度用検出電極２１Ｙが検出し、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。

なお前記支持梁１１における前記加速度用駆動電極２０Ｘ，２０Ｙ配置部を圧電体で構成する。

あるいは、前記加速度用駆動電極２０Ｘ，２０Ｙをそれぞれ上面電極および下面電極で形成し、その間に圧電体を介在させる構成とすることにより、駆動効率を向上させ、加速度センサとしての感度を向上させることができる。

なお、支持梁１１を図４のＣ−ＣＣ断面図である図５に示すごとく、駆動梁１２あるいは検出梁１３よりも薄くすることにより、加速度検知の感度を向上させることができる。

本発明の慣性センサは、慣性力の検知精度を向上させることができるという効果を有し、デジタルカメラやカーナビゲーション装置などの電子機器や自動車の制御などにおいて有用である。

１１支持梁
１２駆動梁
１３検出梁
１４錘
１５枠体

Claims

支持梁と、
前記支持梁により一端を支持された圧電体からなる駆動梁と、
前記支持梁により一端を支持された圧電体からなる検出梁と、
前記駆動梁及び前記検出梁の他端に設けられた錘とを備え、
前記支持梁がＸ軸方向及び前記Ｘ軸に直交するＹ軸方向へと伸びる略十文字形状をし、
且つ前記略十文字形状の４つの先端が固定されている
慣性センサ。
前記駆動梁の任意の一面には駆動用電極が設けられ、
前記検出梁の任意の一面には検出用電極が設けられた
請求項１に記載の慣性センサ。
前記駆動用電極と前記検出用電極の引き回し線を
前記支持梁におけるＸ軸方向に伸びる梁とＹ軸方向へ伸びる梁とに配置した
請求項２に記載の慣性センサ。
前記駆動梁及び前記検出梁は
前記支持梁においてＸ軸方向に伸びる部分により支持されるとともに
Ｙ軸方向に伸びる構成とした
請求項１に記載の慣性センサ。
前記駆動梁及び前記検出梁がＹ軸方向へ伸びるとともに
途中で略１８０度折り返す構成とした
請求項４に記載の慣性センサ。
前記錘上面には下部電極を設けるとともに
前記錘の上方には前記下部電極に対向する上部電極を設けた
請求項１乃至５に記載の慣性センサ。
前記支持梁の少なくとも一部に歪抵抗素子を配置した請求項１乃至請求項５に記載の慣性センサ。
前記支持梁の少なくとも一部に加速度を検知するための駆動電極および検出電極を配置した請求項１乃至請求項５に記載の慣性センサ。