WO2007111289A1 - 慣性力センサ - Google Patents

Description

明 細 書

慣性力センサ

技術分野

[0001] 本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両などの移動体の姿勢制御、また は、ナビゲーシヨン (navigation)装置などの各種電子機器に用いられる、慣性力を 検出するための慣性力センサに関する。

背景技術

[0002] 従来、角速度または加速度などの慣性力を検出するための慣性力センサが使用さ れている。従来の慣性力センサが使用される場合、角速度を検出するためには専用 の角速度センサが用いられ、加速度を検出するためには専用の加速度センサが用 いられている。また、互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸の、複数の検出軸に対応する角 速度と加速度とを検出する場合、検出軸の数に応じた、複数の角速度センサと加速 度センサとが用いられて 、る。

[0003] 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、 または、複数の検出軸に対して角速度と加速度とを検出する場合、複数の角速度セ ンサと加速度センサとが電子機器の実装基板にそれぞれ実装される。

[0004] たとえば、角速度センサは、音さ形状、または、 H形状、 T形状などの、各種の形状 の検出素子を振動させて、コリオリカ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。また、たとえば、加速度センサは、錘部を有し、加速度に伴う 錘部の動きが、動作前と比較して検知され、加速度を検出する。

[0005] このような、従来の角速度センサと加速度センサなどの種々の慣性力センサは、検 出対象の慣性力、または、検出軸に応じて、車両などの移動体の姿勢制御装置、ま たは、ナビゲーシヨン装置などに用いられて 、る。

[0006] なお、従来の慣性力センサは、たとえば、日本特許の特開 2001— 208546号公報

(特許文献 1)、または、日本特許の特開 2001— 74767号公報 (特許文献 2)などに 開示されている。

特許文献 1：特開 2001— 208546号公報 特許文献 2：特開 2001 - 74767号公報

発明の開示

[0007] 本発明は、複数の慣性力センサを実装するための大きな実装面積が不要で、角速 度または加速度などの互いに異なる複数の慣性力、または、複数の検出軸の慣性力 を検出することができる、小型の慣性力センサを提供する。

[0008] 本発明の慣性力センサは、慣性力を検出するための検出素子を含み、検出素子は 、 2つの第 1直交アームと支持部と固定用アームと錘部とを有し、第 1直交アームは、 第 1アームと第 2アームとが実質的に直交方向に連結され、支持部は 2つの第 1ァー ムを支持し、固定用アームの端部が検出素子の実装される実装基板に固定され、錘 部は第 2アームの端部に形成されている。さらに、第 2アームは、折曲部と、折曲部で 折曲されて第 2アームと対向する対向部と、支持部を基準として、同一方向の 2つの 対向部に設けられ、対向部を駆動振動する駆動電極と、支持部を基準として、前記 駆動電極が設けられた前記対向部と反対方向の 2つの対向部に設けられ、対向部 の歪を検知する検知電極と、を有する。この構成によって、互いに異なる複数の慣性 力の検出と、複数の検出軸の慣性力の検出と、を実現する小型の慣性力センサを提 供する。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]図 1は本発明の実施の形態における慣性力センサに用いられる検出素子を示 す斜視図である。

[図 2]図 2は図 1に示す検出素子の要部拡大図である。

[図 3]図 3は図 2に示す検出素子の 3— 3線における断面図である。

[図 4]図 4は図 1に示す検出素子の動作状態図である。

[図 5]図 5は本発明の実施の形態における慣性力センサに用いられる他の態様の検 出素子を示す平面図である。

[図 6]図 6は本発明の実施の形態における慣性力センサに用いられる他の態様の検 出素子を示す斜視図である。

符号の説明

[0010] 1 検出素子 2 第 1アーム

4 第 2アーム

4a 折曲部

4b, 10b 端部

6 支持部

8 固定用アーム

10 第 3アーム

12 固定部

14 錘部

16 対向部

18 駆動電極

20, 30 検知電極

22 第 1検知電極

24 第 2検知電極

26 第 3検知電極

28 第 4検知電極

32 第 5検知電極

34 第 6検知電極

36 第 7検知電極

38 第 8検知電極

40 シリコン基板

42 薄膜抵抗

50 慣性力センサ

52 第 1直交アーム

54 第 2直交アーム

56, 58 信号線

発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明の実施の形態における慣性力センサ 50の検出素子 1の斜視図を示 す。また、図 2は図 1の部分 60の拡大図であり、図 3は図 2の 3— 3線における断面図 である。さらに、図 4は図 1に示す検出素子 1の動作状態図である。

[0012] 図 1〜図 3において、慣性力センサ 50は、慣性力を検出するための検出素子 1と処 理回路（図示せず)とを有している。検出素子 1は、 2つの第 1直交アーム 52と支持部 6と 2つの固定用アーム 8とを有する。直交アームである 2つの第 1直交アーム 52は、 それぞれ、 1つの第 1アーム 2と 2つの第 2アーム 4とを有し、第 1アーム 2が第 2アーム 4と実質的に直交方向に連結されて形成されて!ヽる。

[0013] さらに、支持部 6は 2つの第 1アーム 2を支持する。このことによって、 2つの第 2ァー ム 4は、支持部 6を挟んで、互いに同一直線上に配置されて連結されている。 2つの 固定用アーム 8は、それぞれ、第 1アーム 2が第 3アーム 10と実質的に直交方向に連 結されて形成されている。また、固定用アーム 8は、第 2直交アーム 54でもあり、直交 アームを構成する。すなわち、第 1アーム 2は、固定用アーム 8の一部を兼ねるととも に、第 1直交アーム 52の一部を兼ねている。固定用アーム 8は、一端が支持部 6に連 結され、他端である端部 10bに固定部 12が形成されている。すなわち、第 3アーム 1 0の両側の端部 10bに、固定部 12が形成されている。さらに、固定部 12は、検出素 子 1が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。

[0014] また、それぞれの第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲されている。第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲されることによって、第 2アーム 4自身と対向する対向部 16が設けられてい る。さら〖こ、第 2アーム 4の端部 4bに、錘部 14が形成されている。また、第 2アーム 4が 折曲部 4aで折曲されることによって、対向部 16は第 3アーム 10とも対向する。

[0015] また、検出素子 1は、 2つの第 1アーム 2と支持部 6とが実質的に同一直線上に配置 されている。なお、互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸に対して、第 1アーム 2の長手方 向が X軸方向に配置され、第 2アーム 4の長手方向が Y軸方向に配置されて 、る。

[0016] なお、実質的に直交するとは、それぞれのアームが 89度から 91度の角度を有して 交差することを意味し、望ましくは、 89. 5度から 90. 5度の角度を有して交差すること を意味する。さらに望ましくは、 89. 9度から 90. 1度の角度を有して交差することを 意味する。また、実質的に同一直線上に配置されるとは、 2つの第 1アーム 2が支持 部 6において、 179度から 181度の角度を有して連結されることを意味し、望ましくは 、 179. 5度から 180. 5度の角度を有して連結されることを意味する。さらに望ましく は、 179. 9度から 180. 9度の角度を有して連結されることを意味する。

[0017] また、 4つの第 2アーム 4において、互いに対向する第 2アーム 4の一方の側の 2つ の対向部 16には、駆動電極 18が設けられている。これとともに、互いに対向する第 2 アーム 4の他方の側の 2つの対向部 16には、検知電極 20が設けられている。すなわ ち、駆動電極 18が設けられている側の 2つの対向部 16は、支持部 6を基準として、 第 2アーム 4の長手方向に関して、同一方向に配置されて!、る第 2アーム 4に設けら れた対向部 16である。また、同様に、検知電極 20が設けられている側の 2つの対向 部 16は、支持部 6を基準として、駆動電極 18が設けられている側の 2つの対向部 16 に対して、反対方向に配置されている第 2アーム 4に設けられた対向部 16である。

[0018] 駆動電極 18は、対向部 16を対向方向に駆動振動させ、検知電極 20は、対向部 1 6の対向方向の歪を検知する。すなわち、駆動電極 18は、第 2アーム 4の長手方向 に関して、実質的に直交方向に、対向部 16を駆動振動させ、検知電極 20は、第 2ァ ーム 4の長手方向に関して、実質的に対向方向の対向部 16の歪を検知する。検知 電極 20は、角速度検知用の角速度検知電極であって、第 1検知電極 22と第 2検知 電極 24と第 3検知電極 26と第 4検知電極 28とを含む。検知電極 20が設けられて!/、 る側の 2つの対向部 16の内、一方の対向部 16には、第 1検知電極 22と第 2検知電 極 24とがそれぞれが対向して配置されている。さらに、他方の対向部 16には、第 3検 知電極 26と第 4検知電極 28とがそれぞれが対向して配置されている。

[0019] 駆動電極 18と検知電極 20とは、たとえば、シリコン基板 40の上に、下部電極と圧 電体と上部電極とがそれぞれ積層されて形成される。下部電極は、たとえば、 Ptが高 周波スパッタによって形成される。また、圧電体は、たとえば、下部電極の上部に高 周波スパッタによって PZT圧電体が形成される。さら〖こ、上部電極は、たとえば、圧電 体の上部に Au蒸着によって形成される。

[0020] 下部電極と上部電極とに、検出素子 1を構成するシリコン基板 40が共振する共振 周波数の交流電圧が印加されると、駆動電極 18が配置された対向部 16が駆動振動 される。これに伴って、 4つの第 2アーム 4と 4つの対向部 16との全てが同調して駆動 振動される。また、角速度に起因して第 2アーム 4が歪むことによって、歪んだ第 2ァ ーム 4に配置されている検知電極 20から、歪に応じた電圧が出力される。検知電極 2 0から出力される出力電圧に基づいて、処理回路が角速度を検出する。

[0021] さらに、図 2に示すように、第 1アーム 2には、第 1アーム 2の歪を検知する検知電極 30が設けられている。検知電極 30は、加速度検知用の加速度検知電極であって、 第 5検知電極 32と第 6検知電極 34と第 7検知電極 36と第 8検知電極 38とを含む。一 方の第 1アーム 2には、第 5検知電極 32と第 6検知電極 34と力 第 1アーム 2の長手 方向に対して、直交する方向にそれぞれが対向して配置されている。また、他方の第 1アーム 2には、第 7検知電極 36と第 8検知電極 38と力 第 1アーム 2の長手方向に 対して、直交する方向にそれぞれが対向して配置されて 、る。

[0022] なお、図 3に示すように、シリコン基板 40の上に、薄膜抵抗 42が積層されている。さ らに、薄膜抵抗 42の上に検知電極 30が積層されて形成されている。このこと〖こよつ て、加速度に起因して第 1アーム 2が歪むことによって、歪んだ第 1アーム 2に配置さ れている検知電極 30から、歪に応じた電圧が出力される。検知電極 30から出力され る出力電圧に基づいて、処理回路が加速度を検出する。

[0023] 上記構成によって、角速度については、たとえば、図 4に示すように、第 2アーム 4の 対向部 16を、対向方向である X軸方向（矢印 62方向）に駆動振動すれば、 Z軸回り の角速度に起因した歪が第 2アーム 4の対向部 16の X軸方向に発生する。すなわち 、駆動振動に対応したコリオリカ（Force de Coriolis)が第 2アーム 4の Y軸方向に 発生するためである。同時に、 Υ軸回りの角速度に起因した歪が第 2アーム 4の対向 部 16の Ζ軸方向に発生する。同様に、駆動振動に対応したコリオリカが第 2アーム 4 の Ζ軸方向に発生するためである。したがって、少なくとも第 2アーム 4の X軸方向と Ζ 軸方向とのいずれか一方に発生する歪が検知されることによって、検出素子 1に生ず る角速度が検出される。なお、対向部 16の X軸方向の駆動振動は、たとえば、図 4に 示すように、矢印 62の実線の方向と点線の方向との振動が交互に繰り返される駆動 振動である。

[0024] 特に、互いに対向する第 2アーム 4の一方の側の 2つの対向部 16に駆動電極 18が 設けられるとともに、他方の側の 2つの対向部 16に検知電極 20が設けられている。こ のことによって、共振周波数である駆動振動数を低く設定することが可能であり、駆 動電極 18を駆動するための回路（図示せず)の設計が容易になる。さらに、検出精 度が向上する。すなわち、たとえば、支持部 6の近傍の第 2アーム 4に駆動電極 18が 配置される場合、共振周波数を低く設定することが難しぐ上記の効果が得られない 。また、検出素子 1がこのような構成を有することによって、駆動電極 18に結線される 信号線 56と検知電極 20に結線される信号線 58との間の信号干渉も起こりにくい。こ のことによって、さらに慣性力センサ 50の検出精度が向上する。

[0025] また、たとえば、 Z軸回り（矢印 66で示す方向）に角速度が生じた場合、図 4に示す ように、コリオリカは、駆動振動の方向である X軸方向に対して、直交する方向に発生 し、矢印 62方向の駆動振動と同調する。すなわち、矢印 62方向の駆動振動の周波 数と同調し、実線と点線とによって表示される矢印 64方向のコリオリカが発生する。 なお、矢印 66で示す Z軸の左回りに角速度が生じる場合、第 1検知電極 22と第 3検 知電極 26とが対向部 16の伸びを検知し、第 2検知電極 24と第 4検知電極 28とが対 向部 16の縮みを検知する。また、矢印 66と反対の方向の Z軸の右回りに角速度が生 じる場合、第 1検知電極 22と第 3検知電極 26とが対向部 16の縮みを検知し、第 2検 知電極 24と第 4検知電極 28とが対向部 16の伸びを検知する。一方、駆動電極 18が 設けられて 、る側の第 2アーム 4は、検知電極 20が設けられて!/、る側の第 2アーム 4 の動きに同調して、検知電極 20が設けられている側の第 2アーム 4とは対称な動きを する。

[0026] また、加速度については、たとえば、同様に、 Y軸方向の加速度に起因した歪が第 1アーム 2に発生する。すなわち、第 2アーム 4の自重に起因する力が第 1アーム 2に カロわるためである。同時に、 X軸方向の加速度に起因した歪が第 3アーム 10に発生 する。すなわち、第 1アーム 2の自重と第 2アーム 4の自重とに起因する力が第 3ァー ム 10に加わるためである。したがって、少なくとも、第 1アーム 2と第 3アーム 10とのい ずれかのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子 1に生ずる加速度 が検出される。

[0027] なお、特に、図 3に示すように、第 1アーム 2の厚み t2は、第 2アーム 4と第 3アーム 1 0との厚みはりも薄く形成されている。さらに、第 1アーム 2の上に薄膜抵抗 42が積層 され、薄膜抵抗 42の上に加速度検知用の検知電極 30が形成されている。このこと〖こ よって、第 1アーム 2が歪みやすぐ Y軸方向の加速度に対する歪を受ける感度が高 い。このため、加速度の検出感度が向上している。

[0028] 以上のように、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出される。さら に、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の検出軸に働く慣性力が検出される。こ のようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子 1が実現される。

[0029] なお、本発明の検出素子 1は、第 2アーム 4が折曲部 4aにおいて折曲された形状を 有する。このことによって、第 2アーム 4同士が対向する対向部 16を有する。また、対 向部 16が、駆動振動されることによって、振幅が大きく設定される。このため、角速度 の検知感度が向上する。

[0030] さらに、第 2アーム 4の端部 4bには、錘部 14が形成されている。錘部 14の質量の効 果によって、駆動振動における端部 4bの振幅が大きくなり、角速度の検知感度が向 上する。これらの効果は、錘部 14によって、積定数 (質量 X移動速度）が大きくなるた め、駆動振動によって発生するコリオリカが大きくなるからである。また、錘部 14が形 成されることによって、加速度の検知感度も向上する。

[0031] また、第 2アーム 4が折曲部 4aにおいて折曲された形状を有することによって、実装 面積が小さく小型化された検出素子 1が実現される。さらに、駆動振動される第 2ァー ム 4の端部 4bと検出素子 1が固定される固定部 12との距離が実質的に長くなる。この ことによって、各方向の角速度と加速度との検出感度が高められる。したがって、小 型化された検出素子 1を用いて、複数の異なる角速度と加速度とが高感度で検出さ れる。

[0032] さらに、第 2アーム 4は、図 5に示すように、複数の折曲部 4aでメアンダー（meande r)状に折曲されて、端部 4bが第 2アーム 4と対向する構成であってもよい。検出素子 1が、このように構成されることによって、駆動振動される第 2アーム 4の端部 4bと検出 素子 1が固定される固定部 12との距離が実質的に長くなる。このことによって、上記 の作用と効果とがより向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出 感度を有する検出素子 1が実現される。

[0033] さらに、図 1に示すように、支持部 6の幅 WOが第 1アーム 2の幅 W1と第 2アーム 4の 幅 W2よりも大きくてもよい (W0>W1 >W2)。また、図 6に示すように、支持部 6の幅 Wlが第 1アーム 2と第 2アーム 4との幅 W2と等しくてもよい (W0=W1 =W2)。 産業上の利用可能性

本発明に係る慣性力センサは、複数の慣性力の検出と、複数の検出軸に働く慣 力の検出とが可能で、各種電子機器に適用される。

Claims

請求の範囲

[1] 慣性力を検出するための検出素子を備え、

前記検出素子は、

それぞれ、第 1アームと第 2アームとを有し、前記第 1アームと前記第 2アームとが実 質的に直交方向に連結されて形成された 2つの第 1直交アームと、

2つの前記第 1アームを支持する支持部と、

一端に前記支持部が連結されるとともに、他端に前記検出素子の実装される実装 基板が固定され、少なくとも一部が前記第 1アームを兼ねる固定用アームと、 前記第 2アームの端部に形成された錘部と、を備え、

前記第 2アームは、

前記第 2アームが折曲される折曲部と、

前記折曲部で折曲されて、前記第 2アームと対向する対向部と、

前記支持部を基準として、同一方向の 2つの前記対向部に設けられ、前記対向部を 駆動振動する駆動電極と、

前記支持部を基準として、前記駆動電極が設けられた前記対向部と反対方向の 2つ の前記対向部に設けられ、前記対向部の歪を検知する検知電極と、を有する 慣性力センサ。

[2] 前記 2つの第 1アームと前記支持部とは実質的に同一直線上に配置された

請求項 1記載の慣性力センサ。

[3] 前記固定用アームは、前記第 1アームと第 3アームとが実質的に直交方向に連結さ れて形成された第 2直交アームであって、

前記第 3アームの端部に前記実装基板が固定される

請求項 1記載の慣性力センサ。

[4] 前記検知電極は、第 1検知電極と第 2検知電極と第 3検知電極と第 4検知電極とを含 み、

前記検知電極が設けられた 2つの前記対向部の内、

一方の前記対向部には前記第 1検知電極と前記第 2検知電極とが対向して配置さ れ、 他方の前記対向部には前記第 3検知電極と前記第 4検知電極とが対向して配置さ れた

請求項 1記載の慣性力センサ。

前記第 1アームの歪、または、前記第 3アームの歪が検知されることによって、加速度 が検出される

請求項 1記載の慣性力センサ。