JP5807381B2 - 物理量センサー、および電子機器 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載のセンサーは、センサー面に平行なフレームと、横方向に配置された2つの質量部と、フレーム内側にあり2つの質量部に接続された連結部と、駆動するためのアクチュエーターと、検出のための変換器と、を備え、連結部は質量部が垂直方向へ動くように制限する構成となっている。
また、本適用例に係る物理量センサーは、基板と、前記基板の一方の側であって、第1軸の方向に並んで配置された第1質量部と第2質量部と、前記第1質量部および前記第2質量部のそれぞれに設けられ、前記第1軸と平面視で垂直な第2軸を回転軸とする第1捻りバネと、前記第1質量部と前記第2質量部との間に設けられ、前記第2軸を回転軸とする第2捻りバネに接続され、前記第1質量部側と前記第2質量部側で反対方向に振動可能な駆動部と、
前記駆動部と前記第1質量部とを接続している第1接続部と、前記駆動部と前記第2質量部とを接続している第2接続部と、前記第1捻りバネを介して前記第1質量部および前記第2質量部の少なくとも一方に接続され、前記質量部から受ける力を伝達する力伝達部と、前記力伝達部に設けられ、前記力に応じた変位量を電気信号として検出する検出部と、を有し、前記第1接続部は、前記第1質量部に設けられている第1捻りバネに対して、前記第2捻りバネとは反対側に設けられ、前記第2接続部は、前記第2質量部に設けられている第1捻りバネに対して、前記第2捻りバネとは反対側に設けられている、ことを特徴とする。
また、本適用例に係る物理量センサーにおいて、前記第1質量部および前記第2質量部は、前記第2捻りバネに対して互いに対称な位置に配置されているが好ましい。
[適用例9]上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記検出部は、前記力伝達部に設けられている可動電極部と、前記基板上に設けられ且つ前記可動電極部に対向する位置に設けられている固定電極部と、を含むことが好ましい。
なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示している。また、以下では、X軸(第1軸)に平行な方向を「X軸方向」、Y軸(第2軸)に平行な方向をY軸方向、Z軸(第3軸)に平行な方向を「Z軸方向」と言う。以下では、本発明の物理量センサーに関し、X軸(第1軸)まわりの角速度を検知する角速度センサーに適用させ、詳しく述べる。なお、ばね類は、便宜的に線で表している。
図1に示すように、物理量センサー1は、基板2に平行なセンサー面3上に形成されており、X軸方向に対向配置された一対の質量部(2つの質量部)4と、それぞれの質量部4内に設けられ、Y軸に平行な第1捻りばね8で形成された回転軸J1,J2と、対向する2つの質量部4を第1の周波数を用いて互いに逆相で回転軸J1,J2まわりに回動させる駆動部5と、回転軸8を介して質量部4に発生した力を伝達する力伝達部6と、力伝達部6に接続されており、受けた力に応じた変位量を電気信号として検出する検出部7と、を有している。さらに駆動部5は、第2捻りばね9からなる回転軸J3を有し、その回転軸J3まわりに回転運動をする際に、接続部10を介してその回転運動を質量部4へ伝達できるような構成をとっている。
以下、物理量センサー1について図2を用いて更に具体的に説明する。基板2に平行なセンサー面3が設けられ、物理量センサー1が形成されている。物理量センサー1は、センサー面3に平行でX軸方向に対向配置された第1質量部210と、第2質量部310を有している。2つの質量部210,310は隣接して設置されており、それぞれの質量部210,310には捻りばね219,220から成る回転軸J1と、捻りばね319,320から成る回転軸J2が形成されている。即ち、2つの質量部210,310はそれぞれ回転軸J1,J2について回動することが可能な構造となっている。
一方、第1質量部210に隣接して設けられた第1力伝達部211と第2力伝達部212は、それぞれ板ばね253,254、板ばね251,252、により、基板固定部(アンカー)242,31、基板固定部(アンカー)241,30、へ固定されている。この時、板ばね251〜254は全てX軸方向へは硬く、Y軸方向へは柔らかく設計されている。更に、第1力伝達部211と第2力伝達部212は、捻りばね219,220により第1質量部210に機械的に接続されている。捻りばね219,220は、回転軸J1まわりには柔らかくY軸方向には硬く設計されており、捻りばね219,220がY軸方向に力F1を受けると、その力F1をそのまま第1力伝達部211と第2力伝達部212へ伝達する構造となっている。
図3は、物理量センサー1の動作原理を説明する模式図であり、(a)は模式斜視図、(b)は模式側面略図である。物理量センサー1内に設けられた駆動部5が、図示しない基板2上に形成された駆動用下部電極に駆動電圧を加えることにより、回転軸J3まわりに回動振動している。つまり、駆動部5はセンサー面上で回転軸J3を支点にシーソー運動を行っている。駆動部5と第1質量部210および第2質量部310とは、第1接続部221および第2接続部321を介して物理的に接続されているため、駆動部5の運動が第1質量部210と第2質量部310へ伝達される。
図4は、本発明の第2実施形態に係る模式平面図である。なお、実施形態1と重複する部材には、実施形態1と同じ図番を付している。基板2に平行なセンサー面3が設けられ、物理量センサー11が形成されている。物理量センサー11は、センサー面3に平行でX軸方向に対向配置された第1質量部410と、第2質量部510を有している。2つの質量部410,510は隣接して設置されており、それぞれの質量部410,510には捻りばね419,420から成る回転軸J1と、捻りばね519,520から成る回転軸J2が形成されている。即ち、2つの質量部410,510は、それぞれ回転軸J1,J2について回動することが可能な構造となっている。
力F1に応じた変位量は、第1電極415と他の2つの電極(第2電極416、第3電極417)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。なお、第3力伝達部213は、第1力伝達部211、第2力伝達部212に接続され、見かけ上、三者で第1質量部410を囲むフレームを形成しているとも言える。
力F2に応じた変位量は、第1電極515と他の2つの電極(第2電極516、第3電極517)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。なお、第6力伝達部313は、第4力伝達部311、第5力伝達部312に接続され、見かけ上、三者で第2質量部510を囲むフレームを形成しているとも言える。
図5は、物理量センサー11の動作原理を説明する模式図であり、(a)は模式斜視図、(b)は模式側面略図である。物理量センサー11内に設けられた駆動部51が、図示しない基板2上に形成された駆動用下部電極に駆動電圧を加えることにより、回転軸J3まわりに回動振動している。つまり、駆動部51はセンサー面上で回転軸J3を支点にシーソー運動を行っている。駆動部51と第1質量部410および第2質量部510とは、第1接続部421および第2接続部521を介して物理的に接続されているため、駆動部51の運動が第1質量部410と第2質量部510へ伝達される。
図6は、実施形態1の物理量センサーにおける検出部の変形例を示す模式平面図である。物理量センサー1において力伝達部6は、より詳細には第1力伝達部211、第2力伝達部212、第3力伝達部213により構成されている。検出部7は、3つの力伝達部のうち第3力伝達部213に接続された第1検出部618から成っている。更に、第1検出部618は、第3力伝達部213に繋がれY軸方向に可動な第1検出容量の第1電極615と、基板2に固定され互いに異なる電位に接続された第1検出容量の第2電極616、および第3電極617、とにより構成された静電容量ユニット614(第1の検出容量部)を複数個有している。
力に応じた変位量は、第1電極615と他の2つの電極(第2電極616、第3電極617)間の静電容量を変化させるので、この容量変化の差分を用いて変位量を検出することができる。但し、第1検出部618は、第3力伝達部213および第1電極615がX軸方向へ変位したとしても、容量変化の差分は生じないので、検出信号は発生しない。つまりY軸方向のみの変位量を検出することができる。
図7は、実施形態1の物理量センサーにおける検出部の変形例を示す模式平面図である。物理量センサー1において力伝達部6は、「コ」の字型をした一体型の力伝達部611により構成されている。力伝達部611が力を受けたときに応力が集中する部位に、圧電体による第1の検出部711が形成されている。圧電体を用いた応力検出では、圧縮応力による容量変化と引張応力による容量変化を比較することで検出することができる。
本変形例では、第1圧電体712と第2圧電体713を設け、その差分を検出することでコリオリ力から伝達される力量を検知する構成とした。この場合でも、力伝達部611が単純にX軸方向へ変位したとしても、その差分は生じないので検出信号は発生しない。つまりY軸方向のみの変位量を検出することができる。
図8は、本発明の変形例を示す模式平面図である。物理量センサー14は、基板2に平行なセンサー面3内に、X軸に関するX軸物理量センサー12、Y軸に関するY軸物理量センサー13、を有している。X軸物理量センサー12は、第2実施形態の物理量センサー11の構成を具備しており、X軸方向の必要面積が小さい形態で配置されている。このX軸物理量センサー12は、X軸まわりの角速度を高感度に検出することができる。一方、Y軸物理量センサー13は、第1実施形態の物理量センサー1の構成を具備しており、90度回転させて配置されているため、X軸方向の必要面積が小さい形態で配置されている。このY軸物理量センサー13は、Y軸まわりの角速度を高感度に検出することができる。
この図9において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。
このようなパーソナルコンピューター1100には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する本発明の物理量センサー1が内蔵されている。
この図10において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部100が配置されている。
このような携帯電話機1200には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する本発明の物理量センサー1が内蔵されている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部100は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。
また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。
このようなディジタルスチルカメラ1300には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する本発明の物理量センサー1が内蔵されている。
また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。
Claims (9)
- 基板と、
前記基板の一方の側であって、第1軸の方向に並んで配置された第1質量部と第2質量部と、
前記第1質量部および前記第2質量部のそれぞれに設けられ、前記第1軸と平面視で垂直な第2軸を回転軸とする第1捻りバネと、
前記第1質量部と前記第2質量部との間に設けられ、前記第2軸を回転軸とする第2捻りバネに接続され、前記第1質量部側と前記第2質量部側で反対方向に振動可能な駆動部と、
前記駆動部と前記第1質量部とを接続している第1接続部と、
前記駆動部と前記第2質量部とを接続している第2接続部と、
前記第1捻りバネを介して前記第1質量部および前記第2質量部の少なくとも一方に接続され、前記質量部から受ける力を伝達する力伝達部と、
前記力伝達部に設けられ、前記力に応じた変位量を電気信号として検出する検出部と、を有し、
前記第1接続部は、前記第1質量部に設けられている第1捻りバネに対して、前記第2捻りバネとは反対側に設けられ、
前記第2接続部は、前記第2質量部に設けられている第1捻りバネに対して、前記第2捻りバネとは反対側に設けられている、
ことを特徴とする物理量センサー。 - 前記駆動部は、前記第2軸の方向に設けられた前記第2捻りバネを介して前記基板に固定され、前記第2捻りバネを軸として回動振動することを特徴とする請求項1に記載の物理量センサー。
- 前記駆動部は、前記駆動部に設けた電極と前記基板に設けた電極との間の静電力により回動振動することを特徴とする請求項1または2に記載の物理量センサー。
- 前記力伝達部のそれぞれは、前記質量部の周囲の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の物理量センサー。
- 前記第1捻りバネは、前記質量部の前記第2軸上の対向する側面の各々に設けられたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の物理量センサー。
- 前記第1捻りバネは、前記第2捻りバネと平行に設けられていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の物理量センサー。
- 前記第1質量部および前記第2質量部は、前記第2捻りバネに対して互いに対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の物理量センサー。
- 前記検出部は、前記力伝達部に設けられている可動電極部と、前記基板上に設けられ且つ前記可動電極部に対向する位置に設けられている固定電極部と、を含むことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の物理量センサー。
- 請求項1ないし8のいずれか一項に記載の物理量センサーを搭載したことを特徴とする電子機器。
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