JP4687577B2 - 慣性センサ - Google Patents

Description

本発明は、３軸の角速度および３軸の加速度を検出する慣性センサに関する。

自動車産業や機械産業などでは、加速度や角速度といった物理量を正確に検出できるセンサの需要が高まっている。一般に、三次元空間内において自由運動をする物体には、任意の向きの加速度および任意の回転方向の角速度が作用する。このため、この物体の運動を正確に把握するためには、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向ごとの加速度と各座標軸まわりの角速度とをそれぞれ独立して検出する必要がある。このため、小型で精度が高く、しかも製造コストを抑えることができる多次元加速度センサや多軸角速度センサの需要が高まっている。

従来から多次元の加速度センサは種々のものが提案されている。たとえば、作用した加速度を各座標軸方向ごとに検出する加速度センサが開示されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。これらの加速度センサの特徴は、複数の抵抗素子／静電容量素子／圧電素子を、可撓性をもった基板の所定位置に配置し、抵抗素子の抵抗値の変化／静電容量素子の容量値の変化／圧電素子の発生電圧の変化に基づいて、作用した加速度を検出する点にある。可撓性をもった基板には、重錘体が取り付けられており、加速度が作用するとこの重錘体に力が加わり、可撓性基板に撓みが生じる。この撓みを上述した抵抗値／容量値／発生電荷の変化に基づいて検出すれば、加速度の各軸方向成分を求めることができる。

これに対して、多軸の角速度センサについての記述は、これまでの文献にはほとんど記述が見られず、実用化もされていない。通常、角速度センサは車両の動力軸などの角速度を検出するために利用されており、ある特定の一軸まわりの角速度を検出する機能しかもたない。このような動力軸の回転速度を求めるような場合には、一次元の角速度センサを用いれば十分である。しかしながら、三次元空間内において自由運動する物体についての角速度を検出するには、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（以下、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を３軸という）の各軸まわりの角速度をそれぞれ独立して検出する必要がある。従来利用されている一次元の角速度センサを用いて３軸の各軸まわりの角速度を検出するには、この一次元角速度センサを３組用意し、それぞれを各軸まわりの角速度を検出できるような特定の方向に取り付ける必要がある。このため、全体としての構造は複雑になり、コストも高いものになる。

３軸検出可能な角速度センサが提案されている（例えば、特許文献４参照）。これは、重錘体を周回運動させ、接線方向に対し垂直な２方向と軸方向で３軸の角速度を検出する方法である。この角速度センサでは、安定に周回運動させるため、２自由度の構造のばらつき制御と電気的な制御の困難さがある。すなわち、遠心力の分離、外乱加速度等によるノイズの抑制に技術的な難易度があり、従来の角速度センサ並みのＳＮを得る事は困難である。

また３軸の加速度および３軸に角速度を同時に検出するセンサが提案されている（例えば、特許文献５、６参照）。これらは、１つの重錘体から得られる加速度および角速度の変位を、信号処理により分離しているため、他軸感度や、外乱ノイズに対して、十分なＳＮを得ることができず、使用可能なアプリケーションが限定されてしまう。

一方、１軸や２軸の角速度検出装置としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた方法が実用化されている。これを２つもしくは３つを用いて３軸化することも可能ではある。例えば、３軸の加速度センサと１軸の角速度センサを複数個配置する構成例では、いずれも構造上、数ｃｍ³以上の大きさとなり、また、Ｘ−Ｙ軸方向とＺ軸方向を同時に作成することの技術的な難易度等から実現されていない。

多軸感度の慣性センサを携帯端末等のモバイル機器に搭載するには、さらなる小型化が必要とされているため、従来の多軸感度の慣性センサでは実現されていない。３軸の加速度と３軸の角速度が検出可能な慣性センサが小型・低価格化されれば、各種入力機器や携帯端末をはじめとするモバイル機器に搭載されるとことが期待されている。

特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ８８／０８５２２号公報（米国特許（２）、特許３７４７０４４第４９６７６０５号／同第５１８２５１５号） 特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９１／１０１１８号公報（米国特許第５２９５３８６号） 特許協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９２／１７７５９号公報（米国特許第５４９２０２０号） 特開２００４-２９４４５０号公報 特許第３５４９５９０号 特許第３５８５９５９号

解決しようとする問題点は、３軸加速度と３軸角速度が検出可能な慣性センサが小型化が実現されていない点であり、他軸感度や外乱ノイズに対して、十分なＳＮ比を得ることができない点である。

本発明は、慣性センサのＳＮを高めるとともに小型化を可能にすることを課題とする。

本発明の慣性センサは、ＸＹ面内で一つの基準振動をする駆動構造体と、前記駆動構造体のＸ軸上およびＹ軸上のそれぞれの原点に対して対称な位置に一組ずつ配置された複数の検出軸を持つ力検出構造体とを備え、前記力検出構造体が少なくとも一つの基準振動に直交する方向の検出軸を含む複数の検出軸を有することで３軸の角速度および３軸の加速度を検出することを特徴とする。

本発明の慣性センサでは、駆動構造体のＸ軸上およびＹ軸上のそれぞれの原点に対して対称な位置に複数の検出軸を持つ力検出構造体が一組ずつ配置され、それぞれの組の力検出構造体が直交する方向に振動することから、力検出構造体が複数軸の力を検出することで、１軸角速度センサ２個分の面積で、角速度センサ３軸と加速度３軸が検出される。また、それぞれの組内で前記力検出構造体が反位相に振動することにより、コリオリ力は逆方向に加わり、この差分をとることで、高精度に角速度が検出される。さらに、加速度の外乱がキャンセルされる。

本発明の慣性センサによれば、１つの基準振動のみの１つの力検出構造体で３軸の角速度と３軸の加速度が同時に、高精度に検出することができる。また、検出変位に遠心力等の不要な外乱変位が入らず、検出のダイナミックレンジが大きくとれ、ＳＮ比を高めることができる。さらに、１駆動振動で３軸の角速度を検出できるので、駆動回路が１式で済み、回路を小型化でき、パッドや配線の面積も省略でき素子も小型化できるので、低価格なものとなり、小型かつ薄くなる。

本発明の慣性センサに係わる一実施の形態（実施例）を、図１の平面レイアウト図によって説明する。

図１に示すように、慣性センサ１は、一つの駆動構造体１１のＸ軸上とＹ軸上のそれぞれに、原点Ｏと対象な位置に、１組ずつの力検出構造体１２（１２−１と１２−３、１２−２と１２−４）を配置し、Ｘ軸上とＹ軸上で、力検出構造体１２（１２−１、１２−３）と力検出構造体１２（１２−２、１２−４）とが、直交する向きに振動するような基準振動を与えるものである。このような基準振動には、駆動構造体１を回転方向に振動させる回転振動と、Ｘ軸、Ｙ軸の反位相振動がある。

ここで、Ｘ軸、Ｙ軸の反位相振動について、図２の平面レイアウト図によって説明する。

図２（１）に示すように、慣性センサ１は、環状の駆動構造体１１のＸ軸上とＹ軸上のそれぞれに、原点Ｏと対象な位置に、１組ずつの力検出構造体１２（１２−１と１２−３、１２−２と１２−４）を配置し、Ｘ軸上とＹ軸上で、力検出構造体１２（１２−１、１２−３）と力検出構造体１２（１２−２、１２−４）とが、直交する向きに振動するような基準振動を与えるものである。

上記駆動構造体１１上に配置された各力検出構造体１２は、複数軸の検出軸をもち、そのうち１つの検出軸が基準振動と垂直方向であるような構造を持つものである。

いま、図２（２）に示すように、駆動構造体１１において、Ｘ軸上の力検出構造体１２−１、１２−３が原点Ｏから遠ざかる方向に振動するとき、Ｙ軸の力検出構造体１２−２、１２−４は、原点Ｏに近づく方向に振動する。また、図２（３）に示すように、Ｘ軸上の力検出構造体１２−１、１２−３が原点Ｏに近づく方向に振動するとき、Ｙ軸の力検出構造体１２−２、１２−４は、原点Ｏから遠ざかる方向に振動する。これは、駆動構造体１１の共振モードを最適化することで実現できる。

駆動力の印加は、静電力、圧電素子、電磁力等の手段があるが、半導体製造プロセスで形成することが比較的容易なのものとしては、静電力を使った検出手段がある。駆動させたい方向に数μｍから数十μｍの間隔をおいて平行平板電極を形成し、その電極と駆動振動体１１との間に上記共振モードを励起する周波数の電圧を印加することで駆動構造体１１を振動させることができる。十分な駆動力を確保するために、平行平板電極の代わりに櫛歯電極を用いることも可能である。

このように本発明の慣性センサ１では、３軸方向の角速度検出に必要な２軸方向の基準振動を１つの駆動構造体１１に複数の力検出構造体１２を適切に配置し、その駆動構造体１１を回転振動もしくはＸ軸方向、Ｙ軸方向に反位相振動することにより実現している。この慣性センサ１では、本来３組ないし２組必要とされる駆動回路が１組ですみ、回路の削減、駆動周波数の調整機構と工数の削減といった利点がある。また、複数軸の駆動振動機構をもつ駆動構造体にありがちな、１つの駆動振動が他軸へ漏れて機械的ノイズになるといった悪影響も排除できるという利点がある。

次に、上記力検出構造体１２を、図３によって説明する。図３は、（１）図に平面レイアウト図を示し、（２）図に（１）図中のＡ−Ａ’線断面図を示す。

図３に示すように、力検出構造体１２は、支持部２１に一端側が支持された弾性支持体２２（２２−１〜２２−６）と、各弾性支持体２２の他端側に支持された振動子２３と、図示はしていないが、上記振動子２３の変位を検出して信号を出力する変位検出部とを備えている。上記支持部２１、弾性支持体２２および振動子２３は、例えばＳＯＩ基板を使用して形成されている。例えば、このＳＯＩ基板は、例えば下層より、ベースシリコン層３１、絶縁層（一例としてＢＯＸ層）３２、シリコン活性層３３を積層したものである。上記支持部２１および振動子２３は、ベースシリコン層３１、絶縁層３２、シリコン活性層３３の３層で形成され、上記弾性支持体２２はシリコン活性層３３で形成されている。したがって、振動子２３は、シリコン活性層３３の弾性支持体２２によって、吊り下げられるように支持されているため、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に平行な方向および各軸の回転方向に自由度を有するものとなっている。

上記力検出構造体１２では、Ｘ軸方向に力が加わると振動子２３が傾き、その傾きを検出することによって、印加力を検出することができる。Ｙ軸方向に力が加わった場合もＸ軸方向に力が加わった場合と同様である。またＺ軸方向に力が加わった場合は、振動子２３がＺ軸方向に変位し、その変位量を検出することで印加力を検出することができる。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の傾きやＺ軸方向の変位を検出する方法は、静電検出、ピエゾ検出、圧電検出もしくは磁気検出を使った方法があり、変位を検出する様々な方法が使用できる。ここでは、半導体プロセスでイオン注入法等により比較的容易に形成できる静電検出とピエゾ検出の場合の例を示す。

次に、静電容量検出を用いた場合の構造例を、図４によって説明する。

図４（１）に示すように、振動子２３〔前記図３参照〕の上部に配置される検出基板４１には、その検出基板４１の前記振動子２３と対向する面に、例えば２枚の検出電極４２、４３が形成されている。図４（２）に示すように、この検出電極４２、４３と振動子２３との容量の差分を検出することでＸ軸方向の傾きが検出でき、図４（３）に示すように、上記検出電極４２、４３と振動子２３との間の容量和を検出することでＺ軸方向の変位が検出できる。

次に、ピエゾ検出を用いた慣性センサ１の一例を、図５によって説明する。図５（２）は図５（１）中のＢ−Ｂ’線断面図であり、図５（３）、（４）は図５（１）中のＢ−Ｂ’線断面での変位をみたものである。

図５（１）に示すように、振動子２３を支える弾性支持体２２−１〜２２−４上のそれぞれに、ピエゾ素子５１（５１−１〜５１−４）を形成したものであり、ピエゾ素子５１（５１−１〜５１−４）の抵抗変化を検出することで、傾きや変位による曲げが検出できる。

図５（２）に示すように、力検出構造体１２は初期状態にある。すなわち、弾性支持体２２は定常状態にあり、振動子２３は傾いていない。よって、ピエゾ素子５１には抵抗変化は起きていない。

このとき、例えば力検出構造体１２がＸ軸方向に力を受けたとき、図５（３）に示すように、振動子２３はＸ軸方向に傾く振動を発現する。このとき、Ｘ軸方向に配置されたピエゾ素子５１−１の一方には圧縮方向（または引張方向）の応力がかかり、他方のピエゾ素子５１−４には前記ピエゾ素子５１−１とは逆の引張方向（または圧縮方向）の応力がかかる。この引張応力と圧縮応力とを検出することによって、Ｘ軸方向の傾きが検出できる。

また、例えば力検出構造体１２がＺ軸方向に力を受けたとき、図５（４）に示すように、振動子２３がＺ軸方向へ変位する。このとき、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に配置されたピエゾ素子５１−１、５１−４には引張方向の応力または圧縮方向の応力がかかる。この引張応力または圧縮応力を検出することによって、Ｚ軸方向の変位が検出できる。

ここで、角速度の検出原理について説明する。ある質量を持った振動子が、Ｚ軸方向に往復運動をするような振動をしているときに、Ｚ軸に鉛直な方向、例えばＸ軸に角速度ωの回転運動を行うと、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。Ｙ軸に角速度ωの回転運動を行っても、同様に、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。この現象は、フーコーの振り子として古くから知られている力学現象であり、発生するコリオリ力Ｆは、Ｆ＝２ｍ・ｖ・ωで表される。ここで、ｍは振動子の質量、ｖは振動子の運動についての瞬時の速度、ωは振動子の瞬時の角速度である。このコリオリ力は、振動に対して垂直な向きに発生するので、その原理上、振動方向にはコリオリ力は発生しない。したがって、従来の振動型角速度検出装置では、１軸振動で最大で２軸までの角速度しか検出できないか、２次元に楕円運動（２軸同時に振動と同等）させることで３軸方向に検出可能にするかであった。

本発明の慣性センサ１における角速度と加速度の検出原理を、以下に説明する。

前述のような基準振動を与えられた１つの駆動構造体１１上に配置された、複数の力検出振動体１２によって、３軸の角速度と３軸の加速度を検出することが可能となる。

最低２つの駆動検出構造体１２があれば、３軸角速度と３軸加速度を検出可能であるが、ここでは、外乱をキャンセルし、高精度に角速度と加速度を検出できる構成例として、Ｘ軸上、Ｙ軸上の原点に対称な位置に、計４つの力検出構造体１２（１２−１〜１２−４を配置した例を説明する。

先ず、反位相モードで駆動し、静電容量検出を用いた力検出構造体１２を使用した例を、図６の平面レイアウト図によって説明する。

図６に示すように、力検出構造体１２は、複数軸の検出可能とするが、ここでは、不要な機械的振動を抑え、精度よく検出するため、Ｚ軸への平行移動と、ＸＹ面内の軸と直交する方向（Ｘ軸またはＹ軸）を検出軸とする。検出軸の共振周波数は、振動周波数の±２０％以内とする。利得（ゲイン）を大きくとるためには、±５％前後が望ましい。その他の軸は、不要な機械的ノイズを抑えるため、振動周波数の±２０％以上の共振周波数となるように弾性支持体２２〔前記図３参照〕の構造を設定する。これは、弾性支持体２２のばね定数を設定することによる。例えば弾性支持体２２の厚み、幅、長さ、形状でばね定数あ制御可能である。もしくは材質を変更することによっても制御可能である。

次に、振動子２３の上部に配置された静電容量検出用の電極例を、図７の平面レイアウト図によって説明する。

図７に示すように、振動子（図示せず）の上部に配置した検出基板４１の振動子と対向する側の面に検出電極４２、４３が配置されている。この例では、振動子上部のみに配置したが、もちろん、振動子下部もしくは振動子の両側に検出電極を設置することもできる。

前記図６に示すように、Ｘ軸上の力検出構造体１２−１、１２−３が原点Ｏ方向へ移動する時、Ｙ軸上の力検出構造体１２−２、１２−４は、原点Ｏから遠ざかるように移動する。この時、Ｘ軸まわりに角速度Ωが印加されるとＹ軸上の２個の力検出構造体１２−２、１２−４のＺ方向にコリオリ力Ｆｃ＝２ｍＡωΩが印加される。Ａは基準振動の最大振幅、ωは基準振動の周波数、ｍは力検出構造体の重錘体の質量である。Ｙ軸上の２つの力検出構造体１２−２、１２−４は、Ｘ軸周りの角速度に対し、逆方向（反位相）に振動しているので、コリオリ力の向きは、Ｚ軸方向で逆向きである。この２つ力検出構造体１２−２、１２−４の差分、すなわち図７に示した（Ｙ１＋Ｙ２）−（Ｙ３＋Ｙ４）をとれば、Ｘ軸まわりの角速度が検出できる。Ｙ１〜Ｙ４は各電極の検出容量である。

Ｙ軸まわりの角速度についてもＸ軸上の２つの力検出構造体１２−１、１２−３のＺ軸方向の変位を検出することにより、同様に検出できる。すなわち図７に示した（Ｘ１＋Ｘ２）−（Ｘ３＋Ｘ４）をとれば、Ｘ軸まわりの角速度が検出できる。Ｘ１〜Ｘ４は各電極の検出容量である。

次に、Ｚ軸まわりの角速度が印加された場合について、図８の平面レイアウト図によって説明する。

図８に示すように、各力検出構造体１２−１〜１２−４の各振動子２３〔前記図３参照〕は、それぞれＺ軸と直行する方向にコリオリ力を受け、各力検出構造体１２−１〜１２−４はＺ軸と直交する方向（例えば矢印の方向）に傾く。この傾きによる変位は、Ｘ軸、Ｙ軸の各軸上、２つの力検出構造体１２−１と１２−３が逆向きであり、力検出構造体１２−２と１２−４が逆向きなので、その差分を検出すれば、Ｚ軸周りの角速度が検出できる。４個の力検出構造体１２−１〜１２−４のうち、反位相となる２つ以上力検出構造体の差分をとればよい。４個の全部を使っても検出できる。例えば、前記図７に示した電極構成の場合、｛（Ｙ２−Ｙ１）−（Ｙ３−Ｙ４）｝＋｛（Ｘ１−Ｘ２）−（Ｘ４−Ｘ３）｝となる。Ｘ１〜Ｘ４、Ｙ１〜Ｙ４は各電極の検出容量である。

また、Ｘ軸方向に加速度が印加された場合、Ｙ軸上の２つの力検出振動体１２−２、１２−４がＸ軸方向に傾く。このときは、Ｙ軸上の２つの力検出構造体１２−２、１２−４は、同方向に傾くので、その和をとれば、加速度となる。

Ｙ軸方向に加速度が印加された場合も、Ｘ軸同様に、Ｘ軸上の２つの力検出構造体１２−１、１２−３の和をとることで、Ｙ軸方向成分の加速度を検出できる。

Ｚ軸方向に加速度が印加された場合は、４つの力検出構造体１２−１〜１２−４の全てが、同一方向に平行移動するので、その総容量変化（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４＋Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４）、もしくは、最低１つの力検出構造体、例えば力検出構造体１２−１の容量変化（Ｘ１＋Ｘ２等）をモニタすることでＺ軸方向の加速度を検出できる。

このように、本発明の慣性センサ１では、組になる振動子同士で演算することで、加速度、角速度を検出可能であるが、それに加えて、従来から行われているように、角速度の出力は、基準振動に同期し加速度信号は独立で、かつ、検出する周波数も概ね２００Ｈｚ以下なので、得られた信号を２００Ｈｚ以下とそれ以上で分別したのちに演算を行う事により、ＳＮ比を上げることもできる。

力検出構造体１２を反位相で駆動することで、加速度外乱をキャンセルし、高精度に角速度を検出できる。また、反位相モードの場合、検出変位に遠心力等の不要な外乱変位が入らず、検出のダイナミックレンジが大きくとれ、高精度な角速度と加速度センサが実現できる。また、回転駆動の場合、容易に駆動を実現でき、力検出構造体２２の位相遅れなく反位相を実現でき、高精度に角速度が検出できる。さらに、一つの力検出構造体２２で複数軸検出するにも関わらず、軸間の干渉が少なく、高精度に検出できる。このように、１駆動振動で３軸の角速度を検出できるので、駆動回路が１式で済み、回路を小型化でき、パッドや配線の面積も省略でき素子も小型化できるので、低価格なものとなり、小型かつ薄くなる。

上記慣性センサ１は、ロボットの機構制御、入力インターフェース、ビデオカメラやスチルカメラの手ブレ補正、落下防止手段等に適用できる。

本発明の慣性センサに係わる一実施の形態（実施例）を示した平面レイアウト図である。 Ｘ軸、Ｙ軸の反位相振動を示した平面レイアウト図である。 上記力検出構造体を示した平面レイアウト図およびＡ−Ａ’線断面図である。 静電容量検出を用いた慣性センサの一例を示した図面である。 ピエゾ検出を用いた慣性センサの一例を示した図面である。 反位相モードで駆動する場合を示した慣性センサの平面レイアウト図である。 静電容量検出用の電極配置例を示した平面レイアウト図である。 Ｚ軸まわりの角速度が印加された場合を示した慣性センサの平面レイアウト図である。

符号の説明

１…慣性センサ、１１…駆動構造体、１２（１２−１〜１２−４）…力検出構造体

Claims (7)

1. ＸＹ面内で一つの基準振動をする駆動構造体と、
   前記駆動構造体のＸ軸上およびＹ軸上のそれぞれの原点に対して対称な位置に一組ずつ配置された複数の検出軸を持つ力検出構造体とを備え、
   前記力検出構造体が少なくとも一つの基準振動に直交する方向の検出軸を含む複数の検出軸を有することで３軸の角速度および３軸の加速度を検出する
   ことを特徴とする慣性センサ。
2. 前記それぞれの一組の力検出構造体は、駆動振動が反位相である
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
3. 前記Ｘ軸上の力検出構造体が原点から遠ざかる向きに振動するとき、前記Ｙ軸の力検出構造体は原点に近づく方向に振動し、
   前記Ｘ軸上の力検出構造体が原点から近づく向きに振動するとき、前記Ｙ軸の力検出構造体は原点から遠ざかる方向に振動する
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
4. 前記駆動構造体は前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の原点を中心とする回転方向に単振動する
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
5. 前記力検出構造体の駆動方式が静電駆動、圧電駆動または電磁駆動である
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
6. 前記力検出構造体の検出軸がＺ軸方向の平行移動と駆動方向に直行する回転方向である
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
7. 前記力検出構造体の力検出が静電検出、圧電検出、ピエゾ検出または電磁検出である
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
   

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