WO2014092060A1 - センサ素子、および複合センサ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a sensor element that detects angular velocity and acceleration, and a composite sensor including the sensor element.
- the sensor element of the composite sensor described in Patent Document 1 includes a mass portion supported by a support beam so as to have a gap with respect to the substrate.
- the mass portion is supported so as to be displaceable in two axial directions (for example, the X-axis direction and the Y-axis direction) that are parallel to the substrate surface and orthogonal to each other.
- This composite sensor detects the angular velocity in a state where the mass part is vibrated in the X-axis direction. In this state, when an angular velocity around the Z axis orthogonal to the X axis and the Y axis acts on the mass portion, a Coriolis force in the Y axis direction is generated. By detecting this Coriolis force with an electric signal, the angular velocity around the Z-axis is detected.
- this composite sensor includes an acceleration detection unit that detects an acceleration in the Y-axis direction using an electric signal in a region different from the mass unit that detects the angular velocity.
- the angular velocity detection unit that detects the angular velocity and the acceleration detection unit that detects the acceleration are formed in different regions on the substrate. Thereby, it is not easy to reduce the size of the sensor element.
- the composite sensor disclosed in Patent Document 1 includes a damping unit that further reduces the Q value of the acceleration detection unit in addition to the angular velocity detection unit and the acceleration detection unit.
- a damping unit that further reduces the Q value of the acceleration detection unit in addition to the angular velocity detection unit and the acceleration detection unit.
- the angular velocity detection unit and the acceleration detection unit are provided in one mass unit.
- the acceleration detection unit is caused by the relationship of the Q value described above. If it is detected excessively or if the Q value of the acceleration detection unit is lowered, the detection sensitivity of the angular velocity detection unit is lowered, and the detection performance is deteriorated.
- an object of the present invention is to provide a sensor element that can be formed in a small size while detecting both angular velocity and acceleration with sufficient sensitivity, and a composite sensor using this sensor element.
- the sensor element according to the present invention is arranged in a first direction parallel to the first surface of the substrate and with a gap between the substrate and the substrate, and is parallel to the first surface of the substrate and in the first direction. And a first mass part and a second mass part that vibrate in opposite phases along a second direction orthogonal to each other.
- the first mass unit outputs an angular velocity detection unit that outputs a first angular velocity detection signal based on an angular velocity around an axis in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, and an acceleration detection signal based on acceleration parallel to the first direction.
- At least one first mass unit side detection unit having an acceleration detection unit for outputting is provided.
- the second mass unit includes at least an angular velocity detection unit that outputs a second angular velocity detection signal based on an angular velocity around an axis in the third direction, and an acceleration detection unit that outputs a second acceleration detection signal based on acceleration parallel to the first direction.
- One second mass unit side detection unit is provided.
- the angular velocity detection signal and the acceleration detection signal can be separated by adding or subtracting the output signals.
- an angular velocity detection part and an acceleration detection part can be provided in one mass part.
- the sensor element of the present invention preferably has the following configuration.
- the first mass unit includes a first detection unit and a second detection unit which are first mass unit side detection units.
- the second mass unit includes a third detection unit and a fourth detection unit, which are second mass unit side detection units.
- the phase of the first detection signal obtained by adding the output signal of the first detection unit and the output signal of the third detection unit, and the phase of the second detection signal obtained by adding the output signal of the second detection unit and the output signal of the fourth detection unit.
- the first to fourth detection units are configured so that the angular velocity detection signal has an opposite phase relationship and the acceleration detection signal has the same phase relationship.
- This configuration shows a specific configuration example of the first mass portion and the second mass portion.
- the sensor element of the present invention preferably has the following configuration.
- the output terminal for the angular velocity detection signal and the output terminal for the acceleration detection signal are the same terminal.
- the sensor element can be made smaller.
- the sensor element of the present invention preferably has the following configuration.
- the angular velocity detection unit and the acceleration detection unit include a movable side conductor provided in the first mass unit and the second mass unit, and a fixed side conductor that is disposed to face the movable side conductor and is fixed to the substrate.
- the fixing part for fixing the fixed-side conductor to the substrate is disposed inside the first mass part and the second mass part.
- the sensor element since the fixed portion fixed to the substrate is not formed outside the first mass portion and the second mass portion, the sensor element can be formed more compactly.
- the angular velocity detection unit and the acceleration detection unit include a movable side conductor provided in the first mass unit and the second mass unit, and a fixed side conductor that is disposed to face the movable side conductor and is fixed to the substrate.
- the fixing part for fixing the fixed-side conductor to the substrate is disposed inside the first mass part and the second mass part.
- the fixed part is a terminal for outputting an angular velocity detection signal and an acceleration detection signal.
- the fixed portion serves as an output terminal for the angular velocity detection signal and the acceleration detection signal, it is not necessary to form the output terminal separately from the fixed portion, and the sensor element can be miniaturized.
- the angular velocity detection part of the sensor element of the present invention has a structure that attenuates the resonance amplitude of the first mass part and the second mass part due to acceleration.
- the damping required at the time of detecting the acceleration can be suppressed by the angular velocity detection unit, and no additional damping suppression unit is required, and the sensor element can be downsized.
- the movable-side conductor and the fixed-side conductor constituting the angular velocity detection unit have a long shape along the second direction and are arranged so as to face each other along the first direction. It is preferable.
- This configuration shows a specific structural example of the angular velocity detection unit that can obtain the above-described damping effect.
- the sensor element of the present invention supports the first mass portion and the second mass portion so as to vibrate so that their vibrations are in opposite phases along the second direction parallel to the main surface of the substrate.
- Support beams may be provided.
- the present invention also relates to a composite sensor and has the following characteristics.
- the composite sensor includes any one of the sensor elements described above, a first detection signal including a first angular velocity detection signal and a first acceleration detection signal, and a second detection signal including a second angular velocity detection signal and a second acceleration detection signal. And an addition unit that calculates the difference between the first detection signal and the second detection signal.
- This configuration utilizes the fact that the phase relationship between the first and second angular velocity detection signals output from the sensor element described above and the phase relationship between the first and second acceleration detection signals are opposite to each other. By adding or subtracting the detection signal and the second detection signal, either the first or second angular velocity detection signal or the first or second acceleration detection signal can be canceled. Thereby, only the angular velocity detection signal or only the acceleration detection signal can be output.
- the composite sensor of the present invention preferably has the following configuration.
- the composite sensor includes a drive unit that generates a drive signal that vibrates the first mass unit and the second mass unit, and a monitor that monitors vibration generated when the drive signal is applied to the first mass unit and the second mass unit.
- a monitor unit that outputs a signal
- a synchronous detection unit that synchronously detects the addition signal output from the addition unit and the difference signal output from the subtraction unit using the monitor signal.
- This configuration shows a specific configuration example for extracting the angular velocity detection signal or acceleration detection signal, and the angular velocity detection signal or acceleration detection signal can be extracted by synchronous detection using a monitor signal.
- the composite sensor of the present invention preferably has the following configuration.
- the composite sensor includes a phase adjusting unit that adjusts the phase of the monitor signal by 90 °.
- the synchronous detection unit synchronously detects the addition signal with the monitor signal, and synchronously detects the difference signal with the phase adjustment monitor signal output from the phase adjustment unit.
- This configuration shows a more specific configuration of synchronous detection, in which the acceleration detection signal is in phase with the monitor signal (drive signal), and the angular velocity detection signal is delayed in phase by 90 ° with respect to the monitor signal (drive signal). I use that.
- the angular velocity detection signal and the acceleration detection signal can be accurately synchronously detected.
- the basic configurations of the acceleration detection and angular velocity detection detection circuits can be shared, it is not necessary to prepare detection circuits having different basic configurations for acceleration detection and angular velocity detection.
- FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a sensor element according to an embodiment of the present invention. Note that the sensor element is hermetically included in a casing (not shown), and the atmosphere in the casing in which the sensor element is arranged is maintained in a reduced-pressure atmosphere, for example.
- the sensor element 1 includes a rectangular substrate 2.
- the substrate 2 is formed of an insulating semiconductor such as silicon.
- the short direction of the rectangular substrate 2 is defined as the X-axis direction
- the long direction is defined as the Y-axis direction.
- the sensor element 1 includes a first mass unit 10, a second mass unit 20, a third mass unit 300, and a fourth mass unit 400. These mass parts are made of a conductive semiconductor such as low-resistance silicon. Further, the portions other than the substrate 2 constituting the sensor element 1 are made of a conductive semiconductor such as low-resistance silicon, similarly to each mass portion.
- the first mass unit 10, the second mass unit 20, the third mass unit 300, and the fourth mass unit 400 are arranged in the Y-axis direction at intervals. As a more specific arrangement order, the first mass unit 10 and the second mass unit 20 are arranged at the center along the arrangement direction (Y-axis direction).
- the third mass unit 300 is disposed on the opposite side of the first mass unit 10 from the second mass unit 20 side.
- the fourth mass unit 400 is disposed on the opposite side of the second mass unit 20 from the first mass unit 10 side.
- the first mass unit 10, the second mass unit 20, the third mass unit 300, and the fourth mass unit 400 are supported by the support beams 4A and 4B with a gap from the substrate 2.
- the support beams 4A and 4B have a long shape extending along the Y-axis direction.
- the width (length in the X-axis direction) of the support beams 4A and 4B is set so as to be strong enough to be bent while being partially displaced in the X-axis direction due to vibration described later.
- the support beam 4A is disposed on one end side in the X-axis direction with respect to the region where the first mass unit 10, the second mass unit 20, the third mass unit 300, and the fourth mass unit 400 are arranged.
- the support beam 4B is disposed on the other end side in the X-axis direction with respect to the region where the first mass unit 10, the second mass unit 20, the third mass unit 300, and the fourth mass unit 400 are arranged. That is, the support beams 4A and 4B are arranged so as to sandwich the first mass unit 10, the second mass unit 20, the third mass unit 300, and the fourth mass unit 400 along the X-axis direction.
- the first mass part 10 and the support beam 4A are connected by a connecting part 5A.
- the second mass part 20 and the support beam 4A are connected by a connecting part 5B.
- the third mass part 300 and the support beam 4A are connected by a connecting part 5C.
- the fourth mass part 400 and the support beam 4A are connected by a connecting part 5D.
- the first mass part 10 and the support beam 4B are connected by a connecting part 5E.
- the 2nd mass part 20 and support beam 4B are connected by connecting part 5F.
- the third mass unit 300 and the support beam 4B are coupled by a coupling unit 5G.
- the fourth mass part 400 and the support beam 4B are connected by a connecting part 5H.
- the connecting part 5A and the connecting part 5E pass through the center of gravity G of the first mass part 10, the second mass part 20, the third mass part 300, and the fourth mass part 400 arranged in an array, and the Y axis is the axis of symmetry. It is arranged in a symmetrical position.
- the connecting portion 5B and the connecting portion 5F are arranged at line-symmetric positions with the Y axis as an axis of symmetry.
- the connecting portion 5C and the connecting portion 5G are arranged at line-symmetric positions with the Y axis as an axis of symmetry.
- the connecting part 5D and the connecting part 5H are arranged in line-symmetric positions with the Y axis as the symmetry axis.
- the support beam 4A is connected to the fixing portions 3A, 3B, 3C.
- Each of the fixing portions 3A, 3B, 3C has a three-pronged shape, and has a shape in which one branch extends toward the support beam 4A and two branches extend in a direction opposite to the one branch.
- Each of the fixing portions 3A, 3B, 3C has one branch connected to the support beam 4A and two branches connected to the substrate 2.
- the support beam 4B is connected to the fixing portions 3D, 3E, and 3F.
- the fixing portions 3D, 3E, and 3F have a three-pronged shape, and one branch extends toward the support beam 4B, and two branches extend in a direction opposite to the one branch.
- Each of the fixing portions 3D, 3E, 3F has one branch connected to the support beam 4B and two branches connected to the substrate 2.
- the positions where the fixing portions 3A to 3F are connected to the support beams 4A and 4B are points (nodes) where the displacement of the support beams 4A and 4B in the X-axis direction does not occur when each mass portion vibrates in the X-axis direction.
- the fixed portions 3A to 3F are connected to the support beams 4A and 4B at positions where the vibration periods of the mass portions are the same.
- the first mass unit 10 includes an inner frame portion 101A and an outer frame portion 102A.
- the inner frame portion 101A is a rectangle that is long in the X-axis direction and short in the Y-axis direction, and has a space inside.
- the outer frame portion 102A is also a rectangle that is long in the X-axis direction and short in the Y-axis direction, and has a space inside.
- the outer frame portion 102A has a shape surrounding the inner frame portion 101A.
- the outer frame portion 102A is connected to the support beams 4A and 4B by the connecting portions 5A and 5E described above.
- the inner frame portion 101A is connected to the outer frame portion 102A at a substantially central position in the X-axis direction. More specifically, a long connecting member 103A is formed on the side on the center of gravity G side of the inner frame portion 101A.
- the connecting member 103A has a shape extending along the X-axis direction, and is connected to the inner frame portion 101A at both ends in the X-axis direction.
- a connecting member 104A is formed at the center of the connecting member 103A in the longitudinal direction.
- the connecting member 104A has a short shape in the Y-axis direction, one end in the Y-axis direction is connected to the outer frame portion 102A, and the other end in the Y-axis direction is connected to the connecting member 103A.
- the connecting member 104A has a shape in which the length in the X-axis direction is longer than the length in the Y-axis direction and is sufficiently shorter than the length in the longitudinal direction (X-axis direction) of the
- a long connecting member 103B is formed on the side opposite to the center of gravity G side of the inner frame portion 101A.
- the connecting member 103B has a shape extending along the X-axis direction, and is connected to the inner frame portion 101A at both ends in the X-axis direction.
- a connecting member 104B is formed at the center of the connecting member 103B in the longitudinal direction.
- the connecting member 104B has a short shape in the Y-axis direction, one end in the Y-axis direction is connected to the outer frame portion 102A, and the other end in the Y-axis direction is connected to the connecting member 103B.
- the connecting member 104B has a shape in which the length in the X-axis direction is longer than the length in the Y-axis direction and is sufficiently shorter than the length in the longitudinal direction (X-axis direction) of the connecting member 103B.
- the inner frame portion 101A includes a central axis 101C.
- the central axis 101C has a shape extending along the Y-axis direction, and has a predetermined length (width) also in the X-axis direction.
- the central axis 101C is disposed at the center in the X-axis direction of the inner frame 101A.
- the central axis 101C is arranged at a position where the extending axis substantially coincides with the Y axis.
- the inner space of the inner frame portion 101A is divided into two regions in the X-axis direction by the central axis 101C. These two regions are generally line symmetric with respect to the Y axis except for the arrangement order of the conductor portions described later.
- a fixed portion 111, an acceleration detection portion 112, and an angular velocity detection portion 113 are formed in one inner space of the inner frame portion 101A.
- the fixed portion 111 has substantially the same length in both the X-axis direction and the Y-axis direction, and has a shape having a relatively large plane area in the sensor element 1.
- the fixing unit 111 is fixedly installed on the substrate 2.
- the acceleration detection unit 112 and the angular velocity detection unit 113 include a conductor part connected to the fixed part 111 and a conductor part connected to the inner frame part 101A.
- the first detection unit 11 is configured by the fixing unit 111, the first mass unit 10, and the conductor units that constitute the acceleration detection unit 112 and the angular velocity detection unit 113.
- a fixed portion 121 In the other inner space of the inner frame portion 101A, a fixed portion 121, an acceleration detection portion 122, and an angular velocity detection portion 123 are formed.
- the fixing portion 121 has substantially the same length in both the X-axis direction and the Y-axis direction, and has a shape having a relatively large plane area in the sensor element 1.
- the fixing part 121 is fixedly installed on the substrate 2.
- the fixed part 121 has a shape symmetrical with the fixed part 111 with respect to the Y axis.
- the acceleration detection unit 122 and the angular velocity detection unit 123 include a conductor part connected to the fixed part 121 and a conductor part connected to the inner frame part 101A.
- the acceleration detection unit 122 is generally symmetrical with the acceleration detection unit 112 with respect to the Y axis, but a conductor connected to the inner frame 101A for acceleration detection and a conductor connected to the fixed unit 121.
- the arrangement order with respect to the parts is not line symmetric but the same order along the X-axis direction.
- the angular velocity detection unit 123 has the same conductor extension direction as the angular velocity detection unit 113 with respect to the Y axis, but the arrangement order of the conductor parts is different from the angular velocity detection unit 113.
- the second detection unit 12 is configured by the fixing unit 121, the first mass unit 10, and the conductor units that constitute the acceleration detection unit 122 and the angular velocity detection unit 123.
- the second mass unit 20 includes an inner frame portion 101B and an outer frame portion 102B.
- the inner frame portion 101B is a rectangle that is long in the X-axis direction and short in the Y-axis direction, and has a space inside.
- the outer frame portion 102B is also a rectangle that is long in the X-axis direction and short in the Y-axis direction, and has a space inside.
- the outer frame portion 102B has a shape surrounding the inner frame portion 101B.
- the outer frame portion 102B is coupled to the support beams 4A and 4B by the coupling portions 5B and 5F described above.
- the inner frame portion 101B passes through the center of gravity G and is arranged in a line-symmetrical position with respect to the inner frame portion 101A of the first mass unit 10 with respect to the X axis, and has a line-symmetric shape.
- the outer frame portion 102B passes through the center of gravity G and is arranged at a line-symmetrical position with respect to the outer frame portion 102A of the first mass unit 10 with respect to the X axis, and has a line-symmetric shape.
- the inner frame portion 101B is connected to the outer frame portion 102B at a substantially central position in the X-axis direction. More specifically, a long connecting member 103C is formed on the side of the inner frame portion 101B on the center of gravity G side.
- the connecting member 103C has a shape extending along the X-axis direction, and is connected to the inner frame portion 101B at both ends in the X-axis direction.
- a connecting member 104C is formed at the center of the connecting member 103C in the longitudinal direction.
- the connecting member 104C has a short shape in the Y-axis direction, one end in the Y-axis direction is connected to the outer frame portion 102B, and the other end in the Y-axis direction is connected to the connecting member 103C.
- the connecting member 104C has a shape in which the length in the X-axis direction is longer than the length in the Y-axis direction and is sufficiently shorter than the length in the longitudinal direction (X-axis direction) of the connecting member 103C.
- the connecting member 103C and the connecting member 104C are symmetrical with the connecting member 103A and the connecting member 104A, respectively, with respect to the X axis.
- a long connecting member 103D is formed on the side opposite to the center of gravity G side of the inner frame portion 101B.
- the connecting member 103D has a shape extending along the X-axis direction, and is connected to the inner frame portion 101B at both ends in the X-axis direction.
- a connecting member 104D is formed at the center of the connecting member 103D in the longitudinal direction.
- the connecting member 104D has a short shape in the Y-axis direction, one end in the Y-axis direction is connected to the outer frame portion 102B, and the other end in the Y-axis direction is connected to the connecting member 103D.
- the connecting member 104D has a shape in which the length in the X-axis direction is longer than the length in the Y-axis direction and is sufficiently shorter than the length in the long direction (X-axis direction) of the connecting member 103D.
- the connecting member 103D and the connecting member 104D are symmetrical with the connecting member 103B and the connecting member 104B, respectively, with respect to the X axis.
- the inner frame portion 101B includes a central axis 101D.
- the central axis 101D has a shape extending along the Y-axis direction, and has a predetermined length (width) also in the X-axis direction.
- the center axis 101D is disposed at the center of the inner frame 101B in the X-axis direction.
- the central axis 101D is disposed at a position where the extending axis substantially coincides with the Y axis.
- the inner space of the inner frame portion 101B is divided into two regions in the X-axis direction by the central axis 101D. These two regions are generally symmetrical with respect to the Y axis except for the arrangement order of the conductor portions.
- the central axis 101D has a shape symmetrical with the central axis 101C with respect to the X axis.
- a fixed part 131, an acceleration detection part 132, and an angular velocity detection part 133 are formed in one inner space of the inner frame part 101B.
- the fixed portion 131 has substantially the same length in both the X-axis direction and the Y-axis direction, and has a shape having a relatively large plane area in the sensor element 1.
- the fixing part 131 is fixedly installed on the substrate 2.
- the fixed part 131 has a shape symmetrical with the fixed part 111 with respect to the X axis.
- the acceleration detection unit 132 and the angular velocity detection unit 133 include a conductor portion connected to the fixed portion 131 and a conductor portion connected to the inner frame portion 101B.
- the acceleration detection unit 132 has a shape symmetrical with the acceleration detection unit 112 with respect to the X axis.
- the angular velocity detection unit 133 is generally symmetrical with the angular velocity detection unit 113 with respect to the X axis, but an angular velocity detector connected to the inner frame portion 101B and an angular velocity detector connected to the fixing unit 131 Are not line-symmetric and are arranged in the same order along the Y-axis direction.
- the third detection unit 13 is configured by the fixing unit 131, the second mass unit 20, and the conductors that form the acceleration detection unit 132 and the angular velocity detection unit 133.
- a fixed portion 141 In the other inner space of the inner frame portion 101B, a fixed portion 141, an acceleration detection portion 142, and an angular velocity detection portion 143 are formed.
- the fixed portion 141 has substantially the same length in both the X-axis direction and the Y-axis direction, and has a shape having a relatively large plane area in the sensor element 1.
- the fixing portion 141 is fixedly installed on the substrate 2.
- the fixed portion 141 has a shape symmetrical with the fixed portion 131 with respect to the Y axis, and has a shape symmetrical with the fixed portion 121 with respect to the X axis.
- the acceleration detection unit 142 and the angular velocity detection unit 143 include a conductor part connected to the fixed part 141 and a conductor part connected to the inner frame part 101B.
- the angular velocity detection unit 143 has a shape symmetrical to the angular velocity detection unit 133 with respect to the Y axis.
- the acceleration detection unit 142 is arranged at a position symmetrical to the acceleration detection unit 132 with respect to the Y axis.
- the schematic shape of the acceleration detection unit 142 is symmetrical with the acceleration detection unit 132 with respect to the Y axis, but the projection connected to the inner frame 101B for acceleration detection and the projection connected to the fixing unit 141.
- the arrangement order with respect to the parts is not line symmetric but the same order along the X-axis direction.
- 4th detection part 14 is constituted by fixed part 141, 2nd mass part 20, and a conductor part which constitutes acceleration detection part 142 and angular velocity detection part 143.
- the third mass unit 300 is disposed away from the first mass unit 10.
- the third mass unit 300 has a rectangular shape extending along the X-axis direction.
- One end of the third mass part 300 in the longitudinal direction is connected to the support beam 4A by a connecting part 5C.
- the other end in the longitudinal direction of the third mass unit 300 is connected to the support beam 4B by a connecting part 5G.
- the fixing unit 31 is disposed between the third mass unit 300 and the first mass unit 10.
- the fixing part 31 has a shape having a predetermined area, like the fixing parts 111, 121, 131, 141, and is fixed to the substrate 2.
- the fixed portion 31 is disposed at the center position in the X-axis direction.
- the support member 32 has a substantially rectangular shape extending along the X-axis direction with the fixed portion 31 as the center.
- a plurality of comb teeth 33 ⁇ / b> A are formed on the outer frame 102 ⁇ / b> A side of the first mass unit 10 in the support member 32.
- a plurality of comb teeth 34 ⁇ / b> A are formed between the support member 32 and the outer frame portion 102 ⁇ / b> A of the first mass unit 10.
- the plurality of comb teeth portions 34A are connected to the outer frame portion 102A.
- the comb tooth portion 33A and the comb tooth portion 34A are arranged so as to mesh with each other.
- a plurality of comb teeth portions 33B are formed on the third mass portion 300 side of the support member 32.
- a plurality of comb teeth portions 34 ⁇ / b> B are formed between the support member 32 and the third mass portion 300.
- the comb tooth portion 33B and the comb tooth portion 34B are arranged so as to mesh with each other.
- the first drive unit 30 is configured by the comb teeth 33A and the comb teeth 34A, and the comb teeth 33B and the comb teeth 34B that mesh with each other.
- the fixed part 500 is arranged on the opposite side of the third mass part 300 from the first mass part 10.
- the fixing unit 500 is disposed away from the third mass unit 300.
- the fixed part 500 has a rectangular shape extending along the X-axis direction. One end in the extending direction of the fixing portion 500 is connected to the substrate 2.
- the fixing unit 500 is fixed to the substrate 2 in the same manner as the fixing units 111, 121, 131, 141, and 31.
- a plurality of comb teeth portions 51 and 52 are formed on the third mass portion 300 side of the fixing portion 500.
- the plurality of comb teeth portions 51 are connected to the third mass portion 300, and the plurality of comb teeth portions 52 are connected to the fixed portion 500.
- the comb-tooth part 51 and the comb-tooth part 52 are arrange
- the comb-tooth portion 51 and the comb-tooth portion 52 that mesh with each other constitute a first monitor unit 50.
- the fourth mass unit 400 is disposed away from the second mass unit 20.
- the fourth mass unit 400 has a rectangular shape extending along the X-axis direction.
- One end of the fourth mass part 400 in the longitudinal direction is connected to the support beam 4A by a connecting part 5D.
- the other end in the longitudinal direction of the fourth mass part 400 is connected to the support beam 4B by the connecting part 5H.
- the fixed part 41 is disposed between the fourth mass part 400 and the second mass part 20.
- the fixing portion 41 has a shape having a predetermined area, like the fixing portion 31, and is fixed to the substrate 2.
- the fixed portion 41 is disposed at the center position in the X-axis direction.
- the support member 42 has a substantially rectangular shape extending along the X-axis direction with the fixed portion 41 as the center.
- a plurality of comb-tooth portions 43A are formed on the support member 42 on the outer frame portion 102B side of the second mass portion 20.
- a plurality of comb teeth 44 ⁇ / b> A are formed between the support member 42 and the outer frame 102 ⁇ / b> B of the second mass unit 20.
- the plurality of comb-tooth portions 44A are connected to the outer frame portion 102B.
- the comb tooth portion 43A and the comb tooth portion 44A are arranged so as to mesh with each other.
- a plurality of comb-tooth portions 43B are formed on the support member 42 on the fourth mass portion 400 side.
- a plurality of comb teeth 44 ⁇ / b> B are formed between the support member 42 and the fourth mass part 400.
- the comb tooth portion 43B and the comb tooth portion 44B are disposed so as to mesh with each other.
- the second drive unit 40 is configured by the comb teeth 43A and the comb teeth 44A, and the comb teeth 43B and the comb teeth 44B that mesh with each other.
- the fixed part 600 is arranged on the opposite side of the fourth mass part 400 from the second mass part 20.
- the fixed part 600 is disposed away from the fourth mass part 400.
- the fixed part 600 has a rectangular shape extending along the X-axis direction. One end in the extending direction of the fixing portion 600 is connected to the substrate 2. Thereby, the fixing part 600 is fixed to the substrate 2 in the same manner as the fixing part 500.
- a plurality of comb teeth portions 61 and 62 are formed on the fourth mass portion 400 side of the fixed portion 600.
- the plurality of comb teeth portions 61 are connected to the fourth mass portion 400, and the plurality of comb teeth portions 62 are connected to the fixing portion 600.
- the comb-tooth part 61 and the comb-tooth part 62 are arrange
- the comb-tooth portion 61 and the comb-tooth portion 62 that mesh with each other constitute a second monitor portion 60.
- FIG. 2 is an enlarged plan view showing the configuration of the first detection unit 11 according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is an enlarged plan view showing configurations of the acceleration detection unit and the angular velocity detection unit of the first detection unit 11 according to the embodiment of the present invention.
- the fixed portion 111 is disposed in one internal space divided by the central axis 101C in the internal space of the inner frame portion 101A.
- the length of the fixed portion 111 in the X-axis direction is shorter than the length of the internal space in the X-axis direction.
- the fixed portion 111 is located near the second mass portion 20 side (the connecting members 103A and 104A), and is shifted from the center of the internal space along the Y-axis direction so as to be separated from the third mass portion 300 side. Is arranged.
- predetermined spaces are formed on the support beam 4A side, the central axis 101C side, and the third mass unit 300 side (the coupling portions 103B and 104B side) of the fixed portion 111.
- Acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, 202D1, 202E1, 202F1, 202G1, 202H1, 202I1, 202J1, 202K1, 202L1, 202M1, 202N1 and acceleration detectors 204A1, 204B1, 204C1, 204D1, 204E1, 204F1, 204G1, 204H1 , 204I1 and 204J1 are arranged in a space on the third mass unit 300 side of the fixed part 111 including the vicinity of the end of the fixed part 111 on the third mass unit 300 side.
- the acceleration detectors 202A1 to 202N1 correspond to the fixed-side conductor for acceleration detection of the present invention
- the acceleration detectors 204A1 to 204J1 correspond to the movable-side conductor for acceleration detection of the present invention.
- the fixing part 111 includes long detector holding parts 201A1 and 201B1 that protrude toward the third mass part 300 side.
- the detector holding part 201A1 is disposed at a corner where the end of the fixed part 111 on the support beam 4A side and the end of the third mass part 300 intersect.
- the detector holding part 201B1 is disposed at a corner where the end of the fixed part 111 on the central axis 101C side and the end of the third mass part 300 intersect.
- the side of the inner frame portion 101A on the third mass unit 300 side includes a long detector holding portion 2051 that protrudes toward the fixed portion 111 side.
- the detector holding unit 2051 is arranged at an intermediate position between the detector holding units 201A1 and 201B1 along the X-axis direction.
- the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, 202D1 are connected to the support beam 4A side of the detector holding portion 201A1 and have a shape protruding to the support beam 4A side.
- the acceleration detector 202A1 includes a main shaft portion for detection 220A1 and a plurality of protrusions 222A1.
- the detection main shaft portion 220A1 has a long shape extending along the X-axis direction, and one end thereof is connected to the detector holding portion 201A1.
- the plurality of protrusions 222A1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 222A1 are arranged at predetermined intervals along the direction (X-axis direction) in which the main shaft portion 220A1 extends on the side on the second mass portion 20 side of the main shaft portion 220A1.
- the acceleration detector 202B1 includes a detection main shaft 220B1, a plurality of protrusions 221B1, and a plurality of protrusions 222B1.
- the detection main shaft portion 220B1 has a long shape extending along the X-axis direction, and one end thereof is connected to the detector holding portion 201A1.
- the plurality of protrusions 221B1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 221B1 are arranged on the side of the detection main shaft portion 220B1 on the third mass unit 300 side at a predetermined interval along the direction in which the detection main shaft portion 220B1 extends (X-axis direction).
- the plurality of protrusions 222B1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 222B1 are arranged at predetermined intervals along the direction (X-axis direction) in which the detection main shaft portion 220B1 extends on the side of the detection main shaft portion 220B1 on the second mass unit 20 side.
- the acceleration detector 202C1 includes a detection main shaft 220C1, a plurality of protrusions 221C1, and a plurality of protrusions 222C1.
- the main shaft portion for detection 220C1 has a long shape extending along the X-axis direction, and one end thereof is connected to the detector holding portion 201A1.
- the plurality of protrusions 221C1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 221C1 are arranged on the side of the detection main shaft portion 220C1 on the third mass unit 300 side at predetermined intervals along the direction in which the detection main shaft portion 220C1 extends (X-axis direction).
- the plurality of protrusions 222C1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 222C1 are arranged at predetermined intervals along the direction in which the main shaft portion for detection 220C1 extends (X-axis direction) on the second mass portion 20 side of the main shaft portion for detection 220C1.
- the acceleration detector 202D1 includes a main shaft portion for detection 220D1 and a plurality of protrusion portions 221D1.
- the detection main shaft portion 220D1 has an elongated shape extending along the X-axis direction, and one end thereof is connected to the detector holding portion 201A1.
- the plurality of protrusions 221D1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 221D1 are arranged on the side of the detection main shaft 220D1 on the third mass unit 300 side at a predetermined interval along the direction in which the detection main shaft 220D1 extends (X-axis direction).
- the plurality of protrusions 222D1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the acceleration detectors 204A1, 204B1, 204C1 are connected to the fixed portion 111 side of the inner frame 101A and have a shape protruding to the fixed portion 111 side.
- the acceleration detector 204A1 includes a detection main shaft 240A1, a plurality of protrusions 241A1, and a plurality of protrusions 242A1.
- the main shaft portion for detection 240A1 has a long shape extending along the X-axis direction, and one end thereof is connected to the inner frame portion 101A.
- the plurality of protrusions 241A1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 241A1 are arranged on the side of the detection main shaft portion 240A1 on the third mass unit 300 side at predetermined intervals along the direction in which the detection main shaft portion 240A1 extends (X-axis direction).
- the plurality of protrusions 242A1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 242A1 are arranged at predetermined intervals along the direction in which the detection main shaft portion 240A1 extends (X-axis direction) on the side of the detection main shaft portion 240A1 on the second mass unit 20 side.
- the acceleration detector 204B1 includes a detection main shaft 240B1, a plurality of protrusions 241B1, and a plurality of protrusions 242B1.
- the main shaft portion for detection 240B1 has a long shape extending along the X-axis direction, and one end thereof is connected to the inner frame portion 101A.
- the plurality of protrusions 241B1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 241B1 are arranged on the side of the detection main shaft portion 240B1 on the third mass unit 300 side at a predetermined interval along the direction in which the detection main shaft portion 240B1 extends (X-axis direction).
- the plurality of protrusions 242B1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 242B1 are arranged at predetermined intervals along the direction in which the detection main shaft portion 240B1 extends (X-axis direction) on the second mass portion 20 side of the detection main shaft portion 240B1.
- the acceleration detector 204C1 includes a detection main shaft 240C1, a plurality of protrusions 241C1, and a plurality of protrusions 242C1.
- the main shaft portion for detection 240C1 has a long shape extending along the X-axis direction, and one end thereof is connected to the inner frame portion 101A.
- the plurality of protrusions 241C1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 241C1 are arranged on the side of the detection main shaft portion 240C1 on the third mass unit 300 side at a predetermined interval along the direction in which the detection main shaft portion 240C1 extends (X-axis direction).
- the plurality of protrusions 242C1 have a rectangular shape having a predetermined width in the X-axis direction.
- the plurality of protrusions 242C1 are arranged at predetermined intervals along the direction (X-axis direction) in which the detection main shaft portion 240C1 extends on the side of the detection main shaft portion 240C1 on the second mass unit 20 side.
- the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, 202D1 and the acceleration detectors 204A1, 204B1, 204C1 are alternately arranged along the Y-axis direction. Specifically, the acceleration detector 204A1 is disposed between the acceleration detectors 202A1 and 202B1. The acceleration detector 204B1 is disposed between the acceleration detectors 202B1 and 202C1. The acceleration detector 204C1 is disposed between the acceleration detectors 202C1 and 202D1.
- the projections of the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, and 202D1 and the projections of the acceleration detectors 204A1, 204B1, and 204C1 are arranged to face each other with a predetermined area.
- the protrusion 222A1 of the acceleration detector 202A1 and the protrusion 241A1 of the acceleration detector 204A1 face each other.
- the protrusion 242A1 of the acceleration detector 204A1 and the protrusion 221B1 of the acceleration detector 202B1 face each other.
- the protrusion 222B1 of the acceleration detector 202B1 and the protrusion 241B1 of the acceleration detector 204B1 face each other.
- the protrusion 242B1 of the acceleration detector 204B1 and the protrusion 221C1 of the acceleration detector 202C1 face each other.
- the protrusion 222C1 of the acceleration detector 202C1 and the protrusion 241C1 of the acceleration detector 204C1 face each other.
- the protrusion 242C1 of the acceleration detector 204C1 and the protrusion 221D1 of the acceleration detector 202D1 face each other.
- the projections of the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, and 202D1 and the projections of the acceleration detectors 204A1, 204B1, and 204C1 do not face each other, but each of the projections that face each other has an X axis. Opposite in the direction. At this time, the protrusions of the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, and 202D1 are displaced in different directions in the X-axis direction with respect to the protrusions of the acceleration detectors 204A1, 204B1, and 204C1 that are sandwiched therebetween.
- each protrusion 222A1 of the fixed-side acceleration detector 202A1 is positioned on the detector holding portion 201A1 side along the X-axis direction with respect to each protrusion 241A1 of the movable-side acceleration detector 204A1.
- the protrusions 221B1 of the fixed-side acceleration detector 202B1 are shifted toward the inner frame 101A adjacent to the protrusions 242A1 of the movable-side acceleration detector 204A1 along the X-axis direction.
- each protrusion is formed so that the amount of deviation is the same. More preferably, each protrusion is formed such that the amount of deviation is half of the protrusion in the X-axis direction.
- the acceleration sensors 204A1, 204B1, 204C1 on the movable side vibrate in the X-axis direction by adding these capacitances. Even so, it is possible to prevent a change in capacitance due to the vibration.
- the acceleration detectors 202E1, 202F1, 202G1 are connected to the center axis 101C side of the detector holding portion 201A1 and have a shape projecting toward the center axis 101C side.
- the acceleration detector 202E1 is formed symmetrically with the acceleration detector 202A1 with respect to the detector holder 201A1.
- the acceleration detector 202F1 is formed symmetrically with the acceleration detector 202B1 with respect to the detector holder 201A1.
- the acceleration detector 202G1 is formed at a position symmetrical to the acceleration detector 202C1 with respect to the detector holder 201A1, and the shape of the acceleration detector 202G1 is the same as that of the acceleration detector 202D1 projected in line symmetry. .
- the acceleration detectors 204D1 and 204E1 are connected to the detector holding unit 201A1 side of the detector holding unit 2051 and have a shape protruding to the detector holding unit 201A1 side.
- the acceleration detector 204D1 has a shape symmetrical with the acceleration detector 204A1 with respect to the detector holder 201A1.
- the acceleration detector 204E1 has a shape symmetrical with the acceleration detector 204B1 with respect to the detector holder 201A1.
- Acceleration detectors 202E1, 202F1, 202G1 and acceleration detectors 204D1, 204E1 are alternately arranged along the Y-axis direction. Specifically, the acceleration detector 204D1 is disposed between the acceleration detectors 202E1 and 202F1. An acceleration detector 204E1 is disposed between the acceleration detectors 202F1 and 202G1. The projections of the acceleration detectors 202E1, 202F1, 202G1 and the projections of the acceleration detectors 204D1, 204E1 are the projections of the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, 202D1, and the acceleration detectors 204A1, 204B1, 204C1. As in the projections of FIG. 2, they face each other in a state shifted in the X-axis direction, and the arrangement order thereof is the same along the X-axis direction.
- the acceleration detectors 204F1 and 204G1 are connected to the detector holding unit 201B1 side of the detector holding unit 2051 and have a shape protruding to the detector holding unit 201B1 side.
- the acceleration detector 204F1 has a shape symmetrical with the acceleration detector 204D1 with respect to the detector holder 2051.
- the acceleration detector 204G1 has a shape symmetrical with the acceleration detector 204E1 with respect to the detector holder 2051.
- the acceleration detectors 202H1, 202I1, and 202J1 are connected to the detector holding unit 2051 side of the detector holding unit 201B1 and have a shape protruding to the detector holding unit 2051 side.
- the acceleration detector 202H1 is formed symmetrically with the acceleration detector 202E1 with respect to the detector holder 2051.
- the acceleration detector 202I1 is formed symmetrically with the acceleration detector 202F1 with respect to the detector holder 2051.
- the acceleration detector 202J1 is formed symmetrically with the acceleration detector 202G1 with respect to the detector holder 2051.
- Acceleration detectors 202H1, 202I1, 202J1 and acceleration detectors 204F1, 204G1 are alternately arranged along the Y-axis direction. Specifically, the acceleration detector 204F1 is disposed between the acceleration detectors 202H1 and 202I1. An acceleration detector 204G1 is disposed between the acceleration detectors 202I1 and 202J1.
- the projections of the acceleration detectors 202H1, 202I1, 202J1 and the projections of the acceleration detectors 204F1, 204G1 are the projections of the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, 202D1, and the acceleration detectors 204A1, 204B1, 204C1. As in the projections of FIG. 2, they face each other in a state shifted in the X-axis direction, and the arrangement order thereof is the same along the X-axis direction.
- the acceleration detectors 202K1, 202L1, 202M1, and 202N1 are connected to the center axis 101C side of the detector holding portion 201B1 and have a shape protruding toward the center axis 101C side.
- the acceleration detector 202K1 is formed symmetrically with the acceleration detector 202A1 with reference to an axis passing through the center in the width direction of the detector holder 2051 and extending in the Y-axis direction.
- the acceleration detector 202L1 is formed in line symmetry with the acceleration detector 202B1 with reference to an axis that passes through the center in the width direction of the detector holder 2051 and extends in the Y-axis direction.
- the acceleration detector 202M1 is formed in line symmetry with the acceleration detector 202C1 with reference to an axis that passes through the center in the width direction of the detector holder 2051 and extends in the Y-axis direction.
- the acceleration detector 202N1 is formed in line symmetry with the acceleration detector 202D1 with reference to an axis passing through the center in the width direction of the detector holder 2051 and extending in the Y-axis direction.
- the acceleration detectors 204H1, 204I1, and 204J1 are connected to the fixed portion 111 side of the central axis 101C and have a shape that protrudes toward the fixed portion 111 side.
- the acceleration detector 204H1 is formed in line symmetry with the acceleration detector 204A1 with reference to an axis passing through the center in the width direction of the detector holder 2051 and extending in the Y-axis direction.
- the acceleration detector 204I1 is formed in line symmetry with the acceleration detector 204B1 with reference to an axis that passes through the center in the width direction of the detector holder 2051 and extends in the Y-axis direction.
- the acceleration detector 204J1 is formed in line symmetry with the acceleration detector 204C1 with reference to an axis that passes through the center in the width direction of the detector holder 2051 and extends in the Y-axis direction.
- Acceleration detectors 202K1, 202L1, 202M1, 202N1 and acceleration detectors 204H1, 204I1, 204J1 are alternately arranged along the Y-axis direction. Specifically, the acceleration detector 204H1 is disposed between the acceleration detectors 202K1 and 202L1. An acceleration detector 204I1 is disposed between the acceleration detectors 202L1 and 202M1. An acceleration detector 204J1 is disposed between the acceleration detectors 202M1 and 202N1.
- the projections of the acceleration detectors 202K1, 202L1, 202M1, and 202N1 and the projections of the acceleration detectors 204H1, 204I1, and 204J1 are the projections of the acceleration detectors 202A1, 202B1, 202C1, and 202D1, and the acceleration detector 204A1.
- 204B1 and 204C1 are opposed to each other while being displaced in the X-axis direction, and the arrangement order thereof is the same along the X-axis direction.
- the acceleration detectors 202A1 to 202N1 and 204A1 to 204J1 are vibrated.
- the opposing distance of the protrusions of the slab changes. Since the capacitance changes when the facing distance changes in this way, the acceleration can be detected by detecting the amount of change. Since the direction of change in capacitance (capacitance from large to small, or from small to large) varies depending on the direction of acceleration, the direction of acceleration can also be detected.
- a plurality of angular velocity detectors 3011 and 3021 are formed in the space on the support beam 4A side and the space on the central axis 101C side of the fixed portion 111.
- the angular velocity detector 3011 has a long shape with one end connected to the fixed portion 111.
- the angular velocity detector 3021 has a long shape with one end connected to the central axis 101C.
- the angular velocity detector 3011 on the support beam 4 ⁇ / b> A side and the angular velocity detector 3011 on the central axis 101 ⁇ / b> C side are arranged at symmetrical positions via the fixing portion 111.
- the angular velocity detector 3011 corresponds to the fixed-side conductor for detecting the angular velocity of the present invention
- the angular velocity detector 3021 corresponds to the movable-side conductor for detecting the angular velocity of the present invention.
- the angular velocity detectors 3011 and 3021 are alternately arranged along the Y-axis direction. At this time, the distance to the angular velocity detector 3021 on the second mass unit 20 side is set wider than the interval to the angular velocity detector 3021 on the third mass unit 300 side based on one angular velocity detector 3011. .
- the angular velocity detectors 3011 and 3021 By configuring the angular velocity detectors 3011 and 3021 in such a structure, the angular velocity ⁇ with the Z-axis direction (the direction orthogonal to the X-axis and the Y-axis) as an axis is applied to the sensor element 1 in a state of vibrating in the X-axis direction.
- the Coriolis force in the Y-axis direction is applied to the inner frame portion 101A of the first mass unit 10, and the capacitance between the angular velocity detectors 3011 and 3021 changes. By detecting this amount of change, the angular velocity ⁇ can be detected.
- the Y axis If the Coriolis force is applied in the negative direction, the capacitance decreases, and if the Coriolis force is applied in the positive direction of the Y axis, the capacitance increases. Therefore, the direction of the angular velocity ⁇ can also be detected.
- the angular velocity detectors 3011 and 3021 are elongated in the X-axis direction, have a large area with respect to the Y-axis direction, and have a large area facing each other, so that the mechanical Q value in the acceleration application direction is reduced. be able to. Thereby, the damping effect with respect to acceleration detection can be obtained.
- FIG. 4 is an enlarged plan view showing the configuration of the second detection unit 12 according to the embodiment of the present invention.
- the second detector 12 includes a fixed part 121, acceleration detectors 202A2, 202B2, 202C2, 202D2, 202E2, 202F2, 202G2, 202H2, 202I2, 202J2, 202K2, 202L2, 202M2, 202N2, and acceleration detectors 204A2, 204B2.
- the fixing part 121 is arranged in the other internal space divided by the central axis 101C in the internal space of the inner frame part 101A.
- the fixed part 121 has a shape symmetrical with the fixed part 111 with respect to the Y axis passing through the center of gravity G.
- the detector holders 201A2 and 201B2 connected to the fixed part 121 are symmetrical with the detector holders 201A1 and 201B1, respectively, with respect to the Y axis.
- the detector holding unit 2052 connected to the inner frame 103B has a shape symmetrical with the detector holding unit 2051 with respect to the Y axis.
- Acceleration detectors 202A2 to 202N2 have line-symmetric shapes with respect to the acceleration detectors 202A1 to 202N1 with respect to the Y axis, respectively, except for the arrangement order of the protruding conductor portions.
- the acceleration detectors 204A2 to 204J2 have shapes symmetrical to the acceleration detectors 204A1 to 204J1 with respect to the Y axis, respectively.
- the protrusions of the acceleration detectors 202A2 to 202N2 and the acceleration detectors 204A2 to 204J2 The arrangement order of the protrusions is not symmetrical with the arrangement order of the protrusions of the acceleration detectors 202A1 to 202N1 and the protrusions of the acceleration detectors 204A1 to J1, but is the same order along the X-axis direction. .
- acceleration detection signals having the same amplitude and the same phase as the acceleration detectors 202A1 to 202N1 and 204A1 to 204J1 can be obtained.
- the arrangement group of the plurality of angular velocity detectors 3012 and 3022 is substantially symmetrical with the arrangement group of the plurality of angular velocity detectors 3011 and 3021 with respect to the Y axis, but the arrangement order along the arrangement direction is reversed. It is.
- an angular velocity detection signal having the same amplitude as that of the angular velocity detectors 3011 and 3021 can be obtained.
- FIG. 5 is an enlarged plan view showing the configuration of the third detection unit 13 according to the embodiment of the present invention.
- the third detector 13 includes a fixed portion 131, acceleration detectors 202A3, 202B3, 202C3, 202D3, 202E3, 202F3, 202G3, 202H3, 202I3, 202J3, 202K3, 202L3, 202M3, 202N3 and acceleration detectors 204A3, 204B3.
- 204C3, 204D3, 204E3, 204F3, 204G3, 204H3, 204I3, 204J3 are provided.
- the fixed portion 131 is disposed in one internal space divided by the central axis 101D in the internal space of the inner frame portion 101B.
- the fixed portion 131 has a shape symmetrical with the fixed portion 111 with respect to the X axis passing through the center of gravity G.
- the detector holders 201A3 and 201B3 connected to the fixed part 131 are symmetrical with the detector holders 201A1 and 201B1, respectively, with respect to the X axis.
- the detector holding unit 2053 connected to the inner frame portion 103D has a shape symmetrical with the detector holding unit 2051 with respect to the X axis.
- the acceleration detectors 202A3 to 202N3 each have a shape symmetrical with the acceleration detectors 202A1 to 202N1 with respect to the X axis.
- the acceleration detectors 204A3 to 204J3 have line-symmetric shapes with respect to the acceleration detectors 204A1 to 204J1, respectively, with respect to the X axis.
- the projections of the acceleration detectors 202A3 to 202N3 and the projections of the acceleration detectors 204A3 to 204J3 are similar to the projections of the acceleration detectors 202A1 to 202N1 and the projections of the acceleration detectors 204A1 to J1, respectively. Opposing in a state shifted in the X-axis direction.
- acceleration detection signals having the same amplitude and the same phase as the acceleration detectors 202A1 to 202N1 and 204A1 to 204J1 can be obtained.
- the plurality of angular velocity detectors 3013 and 3023 have line-symmetric shapes with the plurality of angular velocity detectors 3011 and 3021, respectively, with respect to the X axis.
- an angular velocity detection signal having the same amplitude and the same phase as the angular velocity detectors 3011 and 3021 can be obtained.
- FIG. 6 is an enlarged plan view showing the configuration of the fourth detection unit 14 according to the embodiment of the present invention.
- the fourth detector 14 includes a fixed portion 141, acceleration detectors 202A4, 202B4, 202C4, 202D4, 202E4, 202F4, 202G4, 202H4, 202I4, 202J4, 202K4, 202L4, 202M4, 202N4 and acceleration detectors 204A4, 204B4.
- 204C4, 204D4, 204E4, 204F4, 204G4, 204H4, 204I4, 204J4 are provided.
- the fixed portion 141 is disposed in the other internal space divided by the central axis 101D in the internal space of the inner frame portion 101B.
- the fixed portion 141 has a shape symmetrical to the fixed portion 113 with respect to the Y axis passing through the center of gravity G.
- the detector holders 201A4 and 201B4 connected to the fixed part 141 have line-symmetric shapes with respect to the detector holders 201A3 and 201B3, respectively, with respect to the Y axis.
- the detector holding unit 2054 connected to the inner frame portion 103D has a shape symmetrical with the detector holding unit 2053 with respect to the Y axis.
- the acceleration detectors 202A4 to 202N4 generally have a shape symmetrical with the acceleration detectors 202A3 to 202N3 with respect to the Y axis.
- the acceleration detectors 204A4 to 204J4 generally have a shape symmetrical to the acceleration detectors 204A3 to 204J3 with respect to the Y axis, but the protrusions of the acceleration detectors 202A4 to 202N4 and the acceleration detectors.
- the arrangement order of the projections 204A4 to 204J4 is not symmetrical with the arrangement order of the projections of the acceleration detectors 202A3 to 202N3 and the projections of the acceleration detectors 204A3 to J3, but along the X-axis direction. The order is the same.
- acceleration detection signal having the same amplitude and the same phase as the acceleration detectors 202A3 to 202N3 and 204A3 to 204J3 can be obtained.
- the arrangement group of the plurality of angular velocity detectors 3014 and 3024 is substantially symmetrical to the arrangement group of the plurality of angular velocity detectors 3013 and 3023 with respect to the Y axis, but the arrangement order along the arrangement direction is reversed. It is. By configuring the plurality of angular velocity detectors 3014 and 3024 in such a configuration, an angular velocity detection signal having the same amplitude as that of the angular velocity detectors 3013 and 3023 can be obtained.
- FIG. 7 is an enlarged plan view showing the configuration of the drive unit and the monitor unit according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 7 only the portions of the second drive unit 40 and the second monitor unit 60 that are close to the third detection unit 13 are enlarged and displayed.
- the structure of a drive part and a monitor part is demonstrated to this part as an example.
- the basic detailed structure of each of the comb teeth adjacent to the other detectors (the first detector 11, the second detector 12, and the fourth detector 14) is comb teeth 43A, 44A, 43B described below. 44B, the description is omitted.
- the plurality of comb teeth 43A are connected to the support member 42.
- the comb tooth portion 43A includes a shaft portion 431A and a plurality of tooth portions 432A.
- the shaft portion 431A has a long shape extending along the Y-axis direction.
- the plurality of tooth portions 432A are arranged at intervals along the axial direction of the shaft portion 431A.
- the plurality of tooth portions 432A are formed on the shaft portion 431A so as to protrude toward the comb tooth portion 44A.
- the plurality of comb tooth portions 44A are connected to the outer frame portion 102B.
- the comb tooth portion 44A includes a shaft portion 441A and a plurality of tooth portions 442A.
- the shaft portion 441A has a long shape extending along the Y-axis direction.
- the plurality of tooth portions 442A are arranged at intervals along the axial direction of the shaft portion 441A.
- the plurality of tooth portions 442A are formed on the shaft portion 441A so as to protrude toward the comb tooth portion 43A.
- the plurality of tooth portions 432A and the plurality of tooth portions 442A are alternately arranged in the Y-axis direction at intervals. At this time, the plurality of tooth portions 432A and the plurality of tooth portions 442A are arranged so that the surfaces orthogonal to the Y-axis direction face each other.
- the plurality of comb teeth 43B are connected to the support member 42.
- the comb tooth portion 43B includes a shaft portion 431B and a plurality of tooth portions 432B.
- the shaft portion 431B has a long shape extending along the Y-axis direction.
- the plurality of tooth portions 432B are arranged at intervals along the axial direction of the shaft portion 431B.
- the plurality of tooth portions 432B are formed on the shaft portion 431B so as to protrude toward the comb tooth portion 44B.
- the plurality of comb teeth portions 44B are connected to the fourth mass portion 400.
- the comb tooth portion 44B includes a shaft portion 441B and a plurality of tooth portions 442B.
- the shaft portion 441B has a long shape extending along the Y-axis direction.
- the plurality of tooth portions 442B are arranged at intervals along the axial direction of the shaft portion 441B.
- the plurality of tooth portions 442B are formed on the shaft portion 441B so as to protrude toward the comb tooth portion 43B.
- the plurality of tooth portions 432B and the plurality of tooth portions 442B are alternately arranged in the Y-axis direction at intervals. At this time, the plurality of tooth portions 432B and the plurality of tooth portions 442B are arranged so that the surfaces orthogonal to the Y-axis direction face each other.
- the comb-tooth portions 43A and 44A are attracted or separated along the X-axis direction according to the amplitude of the drive signal, and the comb-tooth portion 43B. 44B are attracted or separated along the X-axis direction.
- the movement between the comb teeth 43A and 44A and the movement between the comb teeth 43B and 44B are the same.
- the fourth mass unit 400 and the second mass unit 20 vibrate in the opposite phases in the X-axis direction.
- the same operation also occurs in the third mass unit 300 and the first mass unit 10.
- the support beams 4A and 4B are distorted by setting the vibration of the third mass unit 300, the vibration of the fourth mass unit 400, and the vibration of the first mass unit 10 and the vibration of the second mass unit 20 to opposite phases.
- the first mass unit 10 vibrates in phase with the fourth mass unit 400
- the second mass unit 20 vibrates in phase with the third mass unit 300. In this way, vibration along the X-axis direction can be applied to the first mass unit 10 and the second mass unit 20.
- the plurality of comb tooth portions 61 are connected to the fourth mass portion 400.
- the comb tooth portion 61 includes a shaft portion 611 and a plurality of tooth portions 612.
- the shaft portion 611 has a long shape extending along the Y-axis direction.
- the plurality of tooth portions 612 are arranged at intervals along the axial direction of the shaft portion 611.
- the plurality of tooth portions 612 are formed on the shaft portion 611 so as to protrude toward the comb tooth portion 62 side.
- the plurality of comb teeth portions 62 are connected to the fixed portion 600.
- the comb tooth portion 62 includes a shaft portion 621 and a plurality of tooth portions 622.
- the shaft portion 621 has a long shape extending along the Y-axis direction.
- the plurality of tooth portions 622 are arranged at intervals along the axial direction of the shaft portion 621.
- the plurality of tooth portions 622 are formed on the shaft portion 621 so as to protrude toward the comb tooth portion 61 side.
- the plurality of tooth portions 612 and the plurality of tooth portions 622 are arranged alternately at intervals in the Y-axis direction. At this time, the plurality of tooth portions 612 and the plurality of tooth portions 622 are arranged so that the surfaces orthogonal to the Y-axis direction face each other.
- the sensor element 1 having the above configuration functions as a composite sensor when combined with a detection IC 8 shown below, and detects angular velocity and acceleration separately.
- FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the composite sensor according to the embodiment of the present invention.
- the composite sensor includes a sensor element 1 and a detection IC 8.
- the circuit includes the first detection unit 11, the second detection unit 12, the third detection unit 13, the fourth detection unit 14, the first drive unit 30, the first 2 drive part 40, the 1st monitor part 50, and the 2nd monitor part 60 are comprised.
- the first detection unit 11, the second detection unit 12, the third detection unit 13, the fourth detection unit 14, the first drive unit 30, the second drive unit 40, the first and second monitor units 50 and 60 are variable. It consists of a capacitive element.
- the first detection unit 11, the second detection unit 12, the third detection unit 13, the fourth detection unit 14, the first drive unit 30, the second drive unit 40, and the first and second monitor units 50 and 60 are connected in common.
- the terminal to be connected is connected to the ground. This ground is also connected to the ground of the detection IC 8.
- the detection IC 8 includes a control unit 80, a filter 81, a driving non-inverting amplifier 82A, a driving inverting amplifier 82B, monitoring amplifiers 83A and 83B, a differential amplifier 840, a filter 84, a phase shifter 85, amplifiers 91A and 91B, and addition. And a subtractor 93, filters 94A and 94B, detectors 95A and 95B, output circuits 96A and 96B, and output terminals OUTa and OUT ⁇ .
- a drive voltage Vcc is applied to the detection IC 8.
- the control unit 80 generates an alternating drive voltage signal and outputs it to the filter 81. At this time, the control unit 80 drives the drive voltage signal so that the vibration amplitude of each mass part of the sensor element 1 becomes a specified value according to the voltage value of the monitor voltage signal output from the filter 84 formed of a high-pass filter. Set the voltage value of.
- the filter 81 is formed of, for example, a low-pass filter, and in combination with the high-pass filter 84, functions as a band-pass filter that selectively passes the element vibration frequency (for example, noise cut), and the phase of the monitor output is approximately 90.
- the output is output to the driving non-inverting amplifier 82A and the driving inverting amplifier 82B with a delay.
- the driving non-inverting amplifier 82A amplifies the driving voltage signal with a predetermined gain and outputs the amplified signal to the driving unit 30.
- the driving inverting amplifier 82B amplifies the driving voltage signal with a predetermined gain (the same gain as the driving non-inverting amplifier 82A) and inverts it to output it to the driving unit 40.
- the gain of the driving non-inverting amplifier 82A and the driving inverting amplifier 82B may be 1, and in this case, the driving non-inverting amplifier 82A and the driving inverting amplifier 82B are synchronized with the driving units 30 and 40. Functions as a buffer circuit for inputting a driving voltage signal having a reverse phase.
- the electrostatic capacity of the first and second monitor units 50 and 60 changes due to this vibration. At this time, the polarities of the two capacitance changes are different from each other.
- the capacitance changes of the first and second monitor units 50 and 60 are input to the amplifiers 83A and 83B.
- the amplifiers 83A and 83B are capacitance / voltage conversion circuits (so-called C / V circuits) and output monitor voltage signals corresponding to the capacitance.
- the two monitor voltage signals are added by the differential amplifier 840. Thereby, the amplitude of the monitor signal can be increased.
- the monitor signal that is added to form one signal is input to the filter 84.
- the monitor signal filtered by the filter 84 is fed back to the control unit 80 and output to the detector 95A and the phase shifter 85.
- the phase shifter 85 delays the phase of the monitor voltage signal by 90 ° and outputs it to the detector 95B.
- each acceleration of the first detection unit 11, the second detection unit 12, the third detection unit 13, and the fourth detection unit 14 changes.
- the capacitance changes of the first detection unit 11 and the third detection unit 13 due to application of angular velocity or acceleration are the same.
- the first detection unit 11 and the third detection unit 13 are connected by electrodes outside the sensor element. Therefore, the capacitance change obtained by adding the capacitance change of the first detection unit 11 and the capacitance change of the third detection unit 13 is twice that of the first or third detection unit 11 or 13. A change in capacitance can be obtained.
- the capacitance changes of the first and third detectors 11 and 13 are input to the amplifier 91A.
- the amplifier 91A is a capacitance / voltage conversion circuit (so-called C / V circuit) and outputs a first detection signal corresponding to the capacitance.
- the first detection signal is output to the adder 92 and the subtracter 93.
- the capacitance changes of the second detection unit 12 and the fourth detection unit 14 due to application of angular velocity or acceleration are the same.
- the second detection unit 12 and the fourth detection unit 14 are connected by electrodes outside the sensor element. Therefore, the capacitance change obtained by adding the capacitance change of the second detection unit 12 and the capacitance change of the fourth detection unit 14 is 2 of either the second or fourth detection unit 12 or 14. Double capacitance change is obtained.
- the capacitance changes of the second and fourth detection units 12 and 14 are input to the amplifier 91B.
- the amplifier 91B is a capacitance / voltage conversion circuit (so-called C / V circuit) and outputs a second detection signal corresponding to the capacitance.
- the second detection signal is output to the adder 92 and the subtracter 93.
- the adder 92 adds the first detection signal and the second detection signal, and outputs the result to the filter 94A.
- the subtractor 93 calculates the difference between the first detection signal and the second detection signal and outputs the difference to the filter 94B.
- the filter 94A is composed of, for example, a high-pass filter, filters the added signal, and outputs it to the detector 95A.
- the filter 94B is composed of, for example, a high-pass filter, filters the difference signal (subtraction signal), and outputs the filtered signal to the detector 95B.
- the detector 95A synchronously detects the addition signal with the monitor voltage signal and outputs the first detection signal to the output circuit 96A.
- the output circuit 96A includes an amplitude adjustment circuit and a low-pass filter, performs predetermined processing on the first detection signal, and outputs it to the output terminal OUTa.
- the detector 95B synchronously detects the addition signal with the monitor voltage signal and outputs the second detection signal to the output circuit 96B.
- the output circuit 96B has the same circuit configuration as the output circuit 96A and includes an amplitude adjustment circuit and a low-pass filter.
- the output circuit 96B performs predetermined processing on the second detection signal and outputs the second detection signal to the output terminal OUT ⁇ .
- FIG. 9 is a diagram showing the behavior when the angular velocity ⁇ is applied to the sensor element according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 9A shows a state in which the drive voltage signal is not applied
- FIGS. 9B and 9C show a state in which the drive voltage signal is applied.
- FIG. 9B shows that the first mass unit 10 and the fourth mass unit 400 move in the positive direction of the X axis, and the second mass unit 20 and the third mass unit 300 move in the negative direction of the X axis. It shows the state.
- FIG. 9C shows that the first mass unit 10 and the fourth mass unit 400 move in the negative direction of the X axis, and the second mass unit 20 and the third mass unit 300 move in the positive direction of the X axis. It shows the state.
- a Coriolis force is applied, and displacement occurs in the negative direction of the Y axis.
- the electrostatic capacity decreases in the angular velocity detectors 113 and 133 in the first and second mass units 10 and 20, and the electrostatic capacity increases in the angular velocity detectors 123 and 143.
- Each angular velocity detecting unit 113, 133 is electrically connected outside the sensor element before circuit input.
- the angular velocity detection units 123 and 143 are also electrically connected outside the sensor element before circuit input.
- the capacitance change of the angular velocity detection units 113 and 133 in the first and second mass units 10 and 20 and the capacitance change of the angular velocity detection units 123 and 143 are added.
- the change in capacitance between the two is opposite to each other and cancels out, so that the change in capacitance due to the angular velocity ⁇ becomes zero.
- the difference in capacitance between the angular velocity detectors 113 and 133 in the first and second mass units 10 and 20 is different from the capacitance change in the angular velocity detectors 123 and 143.
- the capacitance change between the two is added, so that the capacitance change due to the angular velocity ⁇ is doubled.
- FIG. 11 is a waveform diagram of each signal when only the angular velocity ⁇ is applied to the sensor element 1 according to the embodiment of the present invention.
- the first output in FIG. 11 is a voltage conversion of the capacitance change of each angular velocity detection unit 113, 133 in the first and second mass units 10, 20, and the second output is the first,
- the capacitance change of each angular velocity detection part 123,143 in the 2nd mass part 10,20 is voltage-converted. As shown in FIG. 11, the first output and the second output are always in reverse phase.
- a signal obtained by adding the first output and the second output that is, the first detection signal is a signal obtained by canceling the first output and the second output, and OUT1 (addition output) is 0 (or reference potential).
- a signal obtained by subtracting the first output and the second output that is, the second detection signal is a signal obtained by adding the first output and the second output, and OUT2 (addition output) is the first output or the second output. Twice as much. Thereby, the angular velocity ⁇ can be detected by the second detection signal. At this time, since the amplitude increases, the angular velocity ⁇ can be detected reliably and accurately.
- FIG. 10 is a diagram showing the behavior when the acceleration a is applied to the sensor element according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 10A shows a state in which the drive voltage signal is not applied
- FIGS. 10B and 10C show a state in which the drive voltage signal is applied.
- FIG. 10B the first mass part 10 and the fourth mass part 400 have moved in the positive direction of the X axis
- the second mass part 20 and the third mass part 300 have moved in the negative direction of the X axis.
- FIG. 10C the first mass unit 10 and the fourth mass unit 400 move in the negative direction of the X axis
- the second mass unit 20 and the third mass unit 300 move in the positive direction of the X axis.
- each acceleration detection part 112,122,132,142 in the 1st, 2nd mass parts 10 and 20 the space
- the capacitance changes in synchronization with the monitor signal.
- the phases of the acceleration detectors 112, 122, 132, 142 are all equal.
- Each acceleration detector 112, 132 is electrically connected outside the sensor element before circuit input.
- the acceleration detection units 122 and 142 are also electrically connected outside the sensor element before circuit input.
- the capacitance change of the acceleration detection units 112 and 132 in the first and second mass units 10 and 20 and the capacitance change of the acceleration detection units 122 and 142 are added.
- the phase of both is equal, and the capacitance change due to the acceleration a is doubled by adding the capacitance change.
- the difference in capacitance between the acceleration detection units 112 and 132 in the first and second mass units 10 and 20 is different from the capacitance change in the acceleration detection units 122 and 142.
- the change in capacitance between the two cancels out, and the change in capacitance due to acceleration a becomes zero.
- FIG. 12 is a waveform diagram of each signal when only the acceleration a is applied to the sensor element 1 according to the embodiment of the present invention. Note that the first output in FIG. 12 is obtained by voltage-converting the capacitance change of each acceleration detection unit 112, 132 in the first and second mass units 10, 20, and the second output is the first, The capacitance change of each acceleration detection part 122,142 in the 2nd mass part 10,20 is voltage-converted.
- the first output and the second output are always in phase. Therefore, a signal obtained by adding the first output and the second output, that is, the first detection signal is a signal obtained by adding the first output and the second output, and OUT1 (addition output) is the first output or the second output. Twice as much.
- a signal obtained by subtracting the first output and the second output that is, the second detection signal is a signal obtained by canceling the first output and the second output, and OUT2 (addition output) is 0 (or reference potential). Become. Thereby, the acceleration a can be detected by the first detection signal. At this time, since the amplitude increases, the acceleration a can be detected reliably and accurately.
- the capacitance change obtained from the first detection unit 11 and the third detection unit 13 and the capacitance change obtained from the second detection unit 12 and the fourth detection unit 14 are both accelerations.
- the component due to a and the component due to angular velocity ⁇ are mixed.
- the adder 92 and subtracter 93 the component caused by the acceleration a and the component caused by the angular velocity ⁇ can be reliably separated and output.
- the signal due to the acceleration a and the angular velocity can be detected and output more reliably.
- FIG. 13 is a waveform diagram of each signal when acceleration a and angular velocity ⁇ are applied to the sensor element 1 according to the embodiment of the present invention.
- the 1st output of FIG. 13 converts the electrostatic capacitance change of each acceleration detection part 112,132 and each angular velocity detection part 113,133 in the 1st, 2nd mass parts 10 and 20, into voltage
- the second output is obtained by voltage-converting the capacitance changes of the acceleration detection units 122 and 142 and the angular velocity detection units 123 and 143 in the first and second mass units 10 and 20.
- the capacitance change due to the acceleration a and the capacitance change due to the angular velocity ⁇ are the same is shown.
- the first output and the second output have a predetermined phase shift with respect to the drive voltage signal according to the ratio of the capacitance change due to the acceleration a and the capacitance change due to the angular velocity ⁇ . .
- OUT1 additional output
- OUT2 difference output
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Abstract
センサ素子(1)は、互いに逆位相で振動する第1質量部(10)、第2質量部(20)を備える。第1、第2質量部(10,20)には、それぞれ加速度検出部と角速度検出部が備えられている。第1、第2質量部(10,20)から得られる第1検出信号の加速度aに起因する静電容量変化と、同じく第1、第2質量部(10,20)から得られる第2検出信号の加速度aに起因する静電容量変化は同相且つ同レベルになり、第1、第2質量部10,20)から得られる第1検出信号の角速度ωに起因する静電容量変化と、同じく第1、第2質量部10,20)から得られる第2検出信号角速度ωに起因する静電容量変化は逆相且つ同レベルになるように、第1、第2質量部(10,20)には加速度検出部および角速度検出部が形成されている。
Description
本発明は、角速度および加速度を検出するセンサ素子、および当該センサ素子を備えた複合センサに関する。
従来、素子に加わる角速度や加速度を検出する複合センサが各種考案されている。例えば、特許文献1に記載の複合センサのセンサ素子では、基板に対して隙間を有するように支持梁によって支持された質量部を備える。質量部は、基板表面に平行な互いに直交する2軸方向(例えば、X軸方向およびY軸方向)に変位可能に支持されている。
この複合センサは、質量部をX軸方向に振動させた状態で角速度を検出する。この状態で、X軸とY軸に直交するZ軸周りの角速度が質量部に作用するとY軸方向へのコリオリの力が生じる。このコリオリの力を電気信号で検出することにより、Z軸周りの角速度を検出する。
さらに、この複合センサは、角速度を検出する質量部とは別の領域に、Y軸方向の加速度を電気信号で検出する加速度検出部を備えている。
しかしながら、上述の複合センサのセンサ素子では、角速度を検出する角速度検出部と、加速度を検出する加速度検出部とが、基板上の異なる領域に形成されている。これにより、センサ素子を小型化することが容易ではない。
また、一般的に、上述のように質量部を振動させながら角速度を検出する場合には、質量部を減圧雰囲気下に配置している。この場合、加速度検出部が同じ減圧雰囲気下にあると加速度検出部の機械的Q値が高くなり、加速度検出信号が過度に大きく変動してしまうことがある。特許文献1の複合センサでは、この問題を解決するため、角速度検出部と加速度検出部とは、別にさらに加速度検出部のQ値を低下させるダンピング部を設けている。しかしながら、この構成では、さらにダンピング部を備えることにより、より一層小型化が容易ではなくなる。
また、従来、角速度検出部と加速度検出部とを一つの質量部に備える構成もあるが、この構成では、角速度検出部の検出感度を上げようとすると前述のQ値の関係から加速度検出部が過度に検出してしまったり、加速度検出部のQ値を下げようとすると、逆に角速度検出部の検出感度が低下し、検出性能が劣化してしまっていた。
したがって、本発明の目的は、角速度および加速度をともに十分な感度で検出しながら、小型に形成できるセンサ素子、およびこのセンサ素子を用いた複合センサを提供することにある。
この発明のセンサ素子は、基板と、該基板に対して隙間を有した状態で基板の第1の面に平行な第1方向に配列され、基板の第1の面に平行であり第1方向と直交する第2方向に沿って互いに逆位相で振動する第1質量部および第2質量部と、を備える。第1質量部は、第1方向および第2方向に直交する第3方向の軸周りの角速度による第1角速度検出信号を出力する角速度検出部および、第1方向に平行な加速度による加速度検出信号を出力する加速度検出部を有する少なくとも一つの第1質量部側検出部を備える。第2質量部は、第3方向の軸周りの角速度による第2角速度検出信号を出力する角速度検出部および、第1方向に平行な加速度による第2加速度検出信号を出力する加速度検出部を有する少なくとも一つの第2質量部側検出部を備える。
この構成では、角速度検出信号と加速度検出信号とが単一の質量部から出力されても、出力信号を加算もしくは差分すれば、角速度検出信号と加速度検出信号とを分離することができる。これにより、一つの質量部に角速度検出部と加速度検出部とを備えさせることができる。
また、この発明のセンサ素子は、次の構成であることが好ましい。第1質量部は、第1質量部側検出部である第1検出部及び第2検出部を備える。第2質量部は、第2質量部側検出部である第3検出部及び第4検出部を備える。第1検出部の出力信号と第3検出部の出力信号を加算した第1検出信号の位相と、第2検出部の出力信号と第4検出部の出力信号を加算した第2検出信号の位相とが、角速度検出信号において逆位相の関係になり、加速度検出信号において同位相の関係になるように、第1乃至第4検出部が構成されている。
この構成では、第1質量部と第2質量部との具体的な構成例を示している。
また、この発明のセンサ素子は、次の構成であることが好ましい。第1乃至第4検出部の角速度検出部および加速度検出部において、角速度検出信号の出力端子と加速度検出信号の出力端子とが同一の端子である。
この構成では、角速度検出信号の出力端子と加速度検出信号の出力端子が共通化されるので、センサ素子をより小型に形成できる。
また、この発明のセンサ素子は次の構成であることが好ましい。角速度検出部と加速度検出部は、第1質量部および第2質量部に設けられた可動側導体と、該可動側導体と対向して配置され、基板に固定された固定側導体とを備える。固定側導体を基板に固定する固定部は、第1質量部および第2質量部の内側に配置されている。
この構成では、基板に固定される固定部を第1質量部および第2質量部の外側に形成しないので、センサ素子をより小型に形成できる。
また、この発明のセンサ素子は、次の構成であることが好ましい。角速度検出部と加速度検出部は、第1質量部および第2質量部に設けられた可動側導体と、可動側導体と対向して配置され、基板に固定された固定側導体とを備える。固定側導体を基板に固定する固定部は、第1質量部および第2質量部の内側に配置されている。固定部は、角速度検出信号と加速度検出信号を出力するための端子である。
この構成では、固定部が角速度検出信号と加速度検出信号の出力端子となるので、当該出力端子を固定部とは別に形成しなくてもよく、センサ素子を小型化することができる。
また、この発明のセンサ素子の角速度検出部は、加速度による第1質量部および第2質量部の共振振幅を減衰させる構造からなることが好ましい。
この構成では、加速度検出時に必要とするダンピングを角速度検出部で抑制することができ、別途ダンピング抑制部を設けなくてもよく、センサ素子を小型化することができる。
また、この発明のセンサ素子は、角速度検出部を構成する可動側導体および固定側導体は、第2方向に沿った長尺形状であり、第1方向に沿って対向するように配置されていることが好ましい。
この構成では、上述のダンピング効果を得られる角速度検出部の具体的な構造例を示している。
また、この発明のセンサ素子は、基板の主面に平行であり第2方向に沿って、第1質量部と第2質量部とを互いの振動が逆位相になるように振動可能に支持する支持梁を備えていてもよい。
この構成では、第1、第2質量部を支持する具体的な構造例を示している。
また、この発明は複合センサに関するものであり、次の特徴を有する。この複合センサは、上述のいずれかのセンサ素子と、第1角速度検出信号および第1加速度検出信号を含む第1検出信号と、第2角速度検出信号および第2加速度検出信号を含む第2検出信号とを加算する加算部と、第1検出信号と第2検出信号との差分を算出する減算部と、を備える。
この構成では、上述のセンサ素子から出力される第1、第2角速度検出信号の位相関係と、第1、第2加速度検出信号の位相関係が逆相であることを利用しており、第1検出信号と第2検出信号とを加算もしくは差分することで、第1、第2角速度検出信号もしくは第1、第2加速度検出信号のいずれかを相殺することができる。これにより、角速度検出信号のみ、もしくは加速度検出信号のみを出力することができる。
また、この発明の複合センサは、次の構成であることが好ましい。この複合センサは、第1質量部および第2質量部を振動させる駆動信号を発生する駆動部と、駆動信号が第1質量部および第2質量部に印加されることで生じる振動をモニタするモニタ信号を出力するモニタ部と、モニタ信号を用いて、加算部から出力される加算信号と、減算部から出力される差分信号とを同期検波する同期検波部と、を備える。
この構成では、角速度検出信号もしくは加速度検出信号を抽出するための具体的な構成例を示しており、モニタ信号による同期検波で角速度検出信号もしくは加速度検出信号を抽出することができる。
また、この発明の複合センサは、次の構成であることが好ましい。複合センサは、モニタ信号を90°位相調整する位相調整部を備える。同期検波部は、加算信号をモニタ信号で同期検波し、差分信号を位相調整部から出力される位相調整モニタ信号で同期検波する。
この構成では、同期検波のより具体的な構成を示しており、加速度検出信号がモニタ信号(駆動信号)と同相であり、角速度検出信号がモニタ信号(駆動信号)に対して90°位相が遅れることを利用している。そして、この構成を用いることで、角速度検出信号と加速度検出信号を正確に同期検波することができる。また、加速度検出用と角速度検出用の検出回路の基本構成を共通化することができるので、加速度検出用と角速度検出用のそれぞれに基本構成の異なる検出回路を用意する必要が無くなる。
この発明によれば、角速度および加速度の検出感度が良好であり且つ小型のセンサ素子および複合センサを実現できる。
本発明の実施形態に係るセンサ素子および複合センサについて、図を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係るセンサ素子の構成を示す平面図である。なお、当該センサ素子は、図示しない筐体によって気密に内包されており、センサ素子が配置される筐体内の雰囲気は、例えば減圧雰囲気に保たれている。
センサ素子1は、矩形状の基板2を備える。基板2は、例えばシリコン等の絶縁性半導体によって形成されている。なお、以下では、矩形状の基板2の短手方向をX軸方向とし、長手方向をY軸方向として説明する。
センサ素子1は、第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、第4質量部400を備える。これらの質量部は例えば低抵抗シリコン等の導電性半導体からなる。また、センサ素子1を構成する基板2以外の部分は、各質量部と同様に、低抵抗シリコン等の導電性半導体からなる。
第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、および第4質量部400は、それぞれに間隔をあけて、Y軸方向に配列して設置されている。より具体的な配置順としては、第1質量部10、第2質量部20は、配列方向(Y軸方向)に沿った中央に配置されている。第3質量部300は、第1質量部10の第2質量部20側と反対側に配置されている。第4質量部400は、第2質量部20の第1質量部10側と反対側に配置されている。
第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、および第4質量部400は、支持梁4A,4Bによって、基板2から隙間を空けた状態で支持されている。
支持梁4A,4Bは、Y軸方向に沿って延びる長尺状である。支持梁4A,4Bの幅(X軸方向の長さ)は、後述する振動により、X軸方向に部分的に変位しながら湾曲する程度の強度となるように設定されている。
支持梁4Aは、第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、および第4質量部400が配列された領域に対してX軸方向の一方端側に配置されている。支持梁4Bは、第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、および第4質量部400が配列された領域に対してX軸方向の他方端側に配置されている。すなわち、支持梁4A,4Bは、X軸方向に沿って、第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、および第4質量部400を挟むように配置されている。
第1質量部10と支持梁4Aは、連結部5Aによって連結されている。第2質量部20と支持梁4Aは、連結部5Bによって連結されている。第3質量部300と支持梁4Aは、連結部5Cによって連結されている。第4質量部400と支持梁4Aは、連結部5Dによって連結されている。
第1質量部10と支持梁4Bは、連結部5Eによって連結されている。第2質量部20と支持梁4Bは、連結部5Fによって連結されている。第3質量部300と支持梁4Bは、連結部5Gによって連結されている。第4質量部400と支持梁4Bは、連結部5Hによって連結されている。
連結部5Aと連結部5Eは、配列設置された第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、第4質量部400の重心Gを通り、Y軸を対称軸として、線対称の位置に配置されている。連結部5Bと連結部5Fは、当該Y軸を対称軸として線対称の位置に配置されている。連結部5Cと連結部5Gは、当該Y軸を対称軸として線対称の位置に配置されている。連結部5Dと連結部5Hは、当該Y軸を対称軸として線対称の位置に配置されている。
支持梁4Aは、固定部3A,3B,3Cに接続されている。固定部3A,3B,3Cは、三つ叉形状であり、支持梁4A側に一枝が伸び、当該一枝と反対方向に二枝が延びる形状からなる。各固定部3A,3B,3Cはそれぞれの一枝が支持梁4Aに接続し、二枝が基板2に接続している。
支持梁4Bは、固定部3D,3E,3Fに接続されている。固定部3D,3E,3Fは、三つ叉形状であり、支持梁4B側に一枝が伸び、当該一枝と反対方向に二枝が延びる形状からなる。各固定部3D,3E,3Fはそれぞれの一枝が支持梁4Bに接続し、二枝が基板2に接続している。
支持梁4A,4Bに固定部3A~3Fが接続する位置は、各質量部がX軸方向に振動する際に、支持梁4A,4BのX軸方向の変位が生じない点(節)となる。そして、固定部3A~3Fは、各質量部の振動周期が同じになる位置で支持梁4A,4Bに接続されている。
第1質量部10は、内枠部101A、および外枠部102Aを備える。内枠部101Aは、X軸方向に長く、Y軸方向に短い長方形であり、内側に空間を有する。外枠部102Aも、X軸方向に長く、Y軸方向に短い長方形であり、内側に空間を有する。外枠部102Aは、内枠部101Aを囲む形状である。外枠部102Aは、上述の連結部5A,5Eによって、支持梁4A,4Bに連結されている。
内枠部101Aは、X軸方向の略中心位置において、外枠部102Aと接続している。より具体的には、内枠部101Aの重心G側の辺には、長尺状の連結部材103Aが形成されている。連結部材103Aは、X軸方向に沿って延びる形状であり、当該X軸方向の両端で内枠部101Aに連結している。連結部材103Aの長尺方向の中心には、連結部材104Aが形成されている。連結部材104Aは、Y軸方向に短い形状であり、当該Y軸方向の一方端が外枠部102Aに連結されており、当該Y軸方向の他方端が連結部材103Aに連結されている。連結部材104Aは、X軸方向の長さがY軸方向の長さよりも長く、連結部材103Aの長尺方向(X軸方向)の長さよりも十分に短い形状からなる。
内枠部101Aの重心G側と反対側の辺には、長尺状の連結部材103Bが形成されている。連結部材103Bは、X軸方向に沿って延びる形状であり、当該X軸方向の両端で内枠部101Aに連結している。連結部材103Bの長尺方向の中心には、連結部材104Bが形成されている。連結部材104Bは、Y軸方向に短い形状であり、当該Y軸方向の一方端が外枠部102Aに連結されており、当該Y軸方向の他方端が連結部材103Bに連結されている。連結部材104Bは、X軸方向の長さがY軸方向の長さよりも長く、連結部材103Bの長尺方向(X軸方向)の長さよりも十分に短い形状からなる。
内枠部101Aは、中心軸101Cを備える。中心軸101Cは、Y軸方向に沿って延びる形状であり、X軸方向にも所定の長さ(幅)を有する。中心軸101Cは、内側枠101AのX軸方向の中心に配置されている。言い換えれば、中心軸101Cは、延びる方向の軸がY軸に略一致する位置に配置されている。これにより、内枠部101Aの内側空間は、中心軸101Cによって、X軸方向に二つの領域に分割されている。そして、これら二つの領域は、後述する導体部の配列順を除き、概ねY軸を基準に線対称である。
内枠部101Aの一方の内側空間内には、固定部111と、加速度検出部112、角速度検出部113が形成されている。固定部111は、X軸方向にもY軸方向にも略同等の長さからなり、センサ素子1内においては比較的大きな平面積を有する形状からなる。固定部111は、基板2に固定設置されている。
また、具体的な構成は後述するが、加速度検出部112および角速度検出部113は、固定部111に接続する導体部と、内枠部101Aに接続する導体部とからなる。
固定部111と、第1質量部10と、加速度検出部112および角速度検出部113を構成する導体部とにより、第1検出部11が構成される。
内枠部101Aの他方の内側空間内には、固定部121と、加速度検出部122、角速度検出部123が形成されている。固定部121は、X軸方向にもY軸方向にも略同等の長さからなり、センサ素子1内においては比較的大きな平面面積を有する形状からなる。固定部121は、基板2に固定設置されている。固定部121は、Y軸を基準として固定部111と線対称の形状からなる。
また、具体的な構成は後述するが、加速度検出部122および角速度検出部123は、固定部121に接続する導体部と、内枠部101Aに接続する導体部とからなる。加速度検出部122は、概略的には、Y軸を基準として加速度検出部112と線対称の形状であるが、加速度検出用の内枠部101Aに接続する導体部と固定部121に接続する導体部との配列順が、線対称ではなく、X軸方向に沿って同じ順になっている。角速度検出部123は、Y軸を基準として、導体部が延びる方向が角速度検出部113と同じであるが、導体部の配列順が角速度検出部113と異なっている。
固定部121と、第1質量部10と、加速度検出部122および角速度検出部123を構成する導体部とにより、第2検出部12が構成される。
第2質量部20は、内枠部101B、および外枠部102Bを備える。内枠部101Bは、X軸方向に長く、Y軸方向に短い長方形であり、内側に空間を有する。外枠部102Bも、X軸方向に長く、Y軸方向に短い長方形であり、内側に空間を有する。外枠部102Bは、内枠部101Bを囲む形状である。外枠部102Bは、上述の連結部5B,5Fによって、支持梁4A,4Bに連結されている。
内枠部101Bは、重心Gを通りX軸を基準として、第1質量部10の内枠部101Aと線対称の位置に配置され、線対称の形状からなる。外枠部102Bは、重心Gを通りX軸を基準として、第1質量部10の外枠部102Aと線対称の位置に配置され、線対称の形状からなる。
内枠部101Bは、X軸方向の略中心位置において、外枠部102Bと接続している。より具体的には、内枠部101Bの重心G側の辺には、長尺状の連結部材103Cが形成されている。連結部材103Cは、X軸方向に沿って延びる形状であり、当該X軸方向の両端で内枠部101Bに連結している。連結部材103Cの長尺方向の中心には、連結部材104Cが形成されている。連結部材104Cは、Y軸方向に短い形状であり、当該Y軸方向の一方端が外枠部102Bに連結されており、当該Y軸方向の他方端が連結部材103Cに連結されている。連結部材104Cは、X軸方向の長さがY軸方向の長さよりも長く、連結部材103Cの長尺方向(X軸方向)の長さよりも十分に短い形状からなる。連結部材103C、連結部材104Cは、それぞれX軸を基準にして、連結部材103A、連結部材104Aと線対称の形状である。
内枠部101Bの重心G側と反対側の辺には、長尺状の連結部材103Dが形成されている。連結部材103Dは、X軸方向に沿って延びる形状であり、当該X軸方向の両端で内枠部101Bに連結している。連結部材103Dの長尺方向の中心には、連結部材104Dが形成されている。連結部材104Dは、Y軸方向に短い形状であり、当該Y軸方向の一方端が外枠部102Bに連結されており、当該Y軸方向の他方端が連結部材103Dに連結されている。連結部材104Dは、X軸方向の長さがY軸方向の長さよりも長く、連結部材103Dの長尺方向(X軸方向)の長さよりも十分に短い形状からなる。連結部材103D、連結部材104Dは、それぞれX軸を基準にして、連結部材103B、連結部材104Bと線対称の形状である。
内枠部101Bは、中心軸101Dを備える。中心軸101Dは、Y軸方向に沿って延びる形状であり、X軸方向にも所定の長さ(幅)を有する。中心軸101Dは、内側枠101BのX軸方向の中心に配置されている。言い換えれば、中心軸101Dは、延びる方向の軸がY軸に略一致する位置に配置されている。これにより、内枠部101Bの内側空間は、中心軸101Dによって、X軸方向に二つの領域に分割されている。そして、これら二つの領域は、導体部の配列順を除き、概ねY軸を基準に線対称である。また、中心軸101Dは、X軸を基準にして中心軸101Cと線対称の形状である。
内枠部101Bの一方の内側空間内には、固定部131と、加速度検出部132、角速度検出部133が形成されている。固定部131は、X軸方向にもY軸方向にも略同等の長さからなり、センサ素子1内においては比較的大きな平面積を有する形状からなる。固定部131は、基板2に固定設置されている。固定部131は、X軸を基準として固定部111と線対称の形状からなる。
また、具体的な構成は後述するが、加速度検出部132および角速度検出部133は、固定部131に接続する導体部と、内枠部101Bに接続する導体部とからなる。加速度検出部132は、X軸を基準として、加速度検出部112と線対称の形状からなる。角速度検出部133は、概略的には、X軸を基準として角速度検出部113と線対称の形状であるが、内枠部101Bに接続する角速度検出子と固定部131に接続する角速度検出子との配列が、線対称ではなく、Y軸方向に沿って同じ順になっている。
固定部131と、第2質量部20と、加速度検出部132および角速度検出部133を構成する導体部とにより、第3検出部13が構成される。
内枠部101Bの他方の内側空間内には、固定部141と、加速度検出部142、角速度検出部143が形成されている。固定部141は、X軸方向にもY軸方向にも略同等の長さからなり、センサ素子1内においては比較的大きな平面積を有する形状からなる。固定部141は、基板2に固定設置されている。固定部141は、Y軸を基準として固定部131と線対称の形状からなり、X軸を基準として固定部121と線対称の形状からなる。
また、具体的な構成は後述するが、加速度検出部142および角速度検出部143は、固定部141に接続する導体部と、内枠部101Bに接続する導体部とからなる。角速度検出部143は、Y軸を基準として角速度検出部133と線対称の形状からなる。加速度検出部142は、Y軸を基準として加速度検出部132と線対称の位置に配置されている。加速度検出部142の概略的な形状は、Y軸を基準として加速度検出部132と線対称の形状であるが、加速度検出用の内枠部101Bに接続する突起部と固定部141に接続する突起部との配列順が、線対称ではなく、X軸方向に沿って同じ順になっている。
固定部141と、第2質量部20と、加速度検出部142および角速度検出部143を構成する導体部とにより、第4検出部14が構成される。
第3質量部300は、第1質量部10から離間して配置されている。第3質量部300は、X軸方向に沿って延びる矩形状からなる。第3質量部300の長手方向の一方端は、連結部5Cによって支持梁4Aに連結されている。第3質量部300の長手方向の他方端は、連結部5Gによって支持梁4Bに連結されている。
第3質量部300と第1質量部10との間には、固定部31が配置されている。固定部31は、固定部111,121,131,141と同様に所定の面積を有する形状からなり基板2に固定されている。固定部31は、X軸方向の中心の位置に配置されている。支持部材32は、固定部31を中心としてX軸方向に沿って伸延する略矩形状である。
支持部材32における第1質量部10の外枠部102A側には、複数の櫛歯部33Aが形成されている。支持部材32と第1質量部10の外枠部102Aとの間には、複数の櫛歯部34Aが形成されている。複数の櫛歯部34Aは外枠部102Aに接続している。櫛歯部33Aと櫛歯部34Aは、噛合するように配置されている。
支持部材32の第3質量部300側には、複数の櫛歯部33Bが形成されている。支持部材32と第3質量部300との間には、複数の櫛歯部34Bが形成されている。櫛歯部33Bと櫛歯部34Bは、噛合するように配置されている。
これら互いに噛合する、櫛歯部33Aと櫛歯部34A、および、櫛歯部33Bと櫛歯部34Bによって第1駆動部30が構成される。
第3質量部300における第1質量部10と反対側には、固定部500が配置されている。固定部500は、第3質量部300から離間して配置されている。固定部500は、X軸方向に沿って延びる矩形状からなる。固定部500の延びる方向の一方端は、基板2に接続されている。固定部500は、固定部111,121,131,141,31と同様に、基板2に固定されている。
固定部500における第3質量部300側には、複数の櫛歯部51,52が形成されている。複数の櫛歯部51は第3質量部300に接続しており、複数の櫛歯部52は固定部500に接続されている。櫛歯部51と櫛歯部52は、噛合するように配置されている。これら噛合する櫛歯部51と櫛歯部52によって第1モニタ部50が構成される。
第4質量部400は、第2質量部20から離間して配置されている。第4質量部400は、X軸方向に沿って延びる矩形状からなる。第4質量部400の長手方向の一方端は、連結部5Dによって支持梁4Aに連結されている。第4質量部400の長手方向の他方端は、連結部5Hによって支持梁4Bに連結されている。
第4質量部400と第2質量部20との間には、固定部41が配置されている。固定部41は、固定部31と同様に所定の面積を有する形状からなり基板2に固定されている。固定部41は、X軸方向の中心の位置に配置されている。支持部材42は、固定部41を中心としてX軸方向に沿って伸延する略矩形状である。
支持部材42における第2質量部20の外枠部102B側には、複数の櫛歯部43Aが形成されている。支持部材42と第2質量部20の外枠部102Bとの間には、複数の櫛歯部44Aが形成されている。複数の櫛歯部44Aは外枠部102Bに接続している。櫛歯部43Aと櫛歯部44Aは、噛合するように配置されている。
支持部材42の第4質量部400側には、複数の櫛歯部43Bが形成されている。支持部材42と第4質量部400との間には、複数の櫛歯部44Bが形成されている。櫛歯部43Bと櫛歯部44Bは、噛合するように配置されている。
これら互いに噛合する、櫛歯部43Aと櫛歯部44A、および、櫛歯部43Bと櫛歯部44Bによって第2駆動部40が構成される。
第4質量部400における第2質量部20と反対側には、固定部600が配置されている。固定部600は、第4質量部400から離間して配置されている。固定部600は、X軸方向に沿って延びる矩形状からなる。固定部600の延びる方向の一方端は、基板2に接続されている。これにより、固定部600は、固定部500と同様に、基板2に固定されている。
固定部600における第4質量部400側には、複数の櫛歯部61,62が形成されている。複数の櫛歯部61は第4質量部400に接続しており、複数の櫛歯部62は固定部600に接続されている。櫛歯部61と櫛歯部62は、噛合するように配置されている。これら噛合する櫛歯部61と櫛歯部62によって第2モニタ部60が構成される。
次に、第1検出部11の具体的構成について、図を参照して説明する。図2は、本発明の実施形態に係る第1検出部11の構成を示す拡大平面図である。図3は、本発明の実施形態に係る第1検出部11の加速度検出部および角速度検出部の構成を示す拡大平面図である。
固定部111は、内枠部101Aの内部空間における中心軸101Cで分割される一方の内部空間内に配置されている。固定部111のX軸方向の長さは、当該内部空間のX軸方向の長さよりも短い。固定部111は、第2質量部20側(連結部材103A,104A)側に近接し、第3質量部300側から離間するように、この内部空間の中心からY軸方向に沿ってずれた位置に配置されている。これにより、固定部111の支持梁4A側、中心軸101C側と、第3質量部300側(連結部103B,104B側)に所定の空間が形成される。
加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1,202E1,202F1,202G1,202H1,202I1,202J1,202K1,202L1,202M1,202N1および、加速度検出子204A1,204B1,204C1,204D1,204E1,204F1,204G1,204H1,204I1,204J1は、固定部111の第3質量部300側の端部付近を含み、固定部111の第3質量部300側の空間に配置されている。加速度検出子202A1~202N1が本発明の加速度検出用の固定側導体に相当し、加速度検出子204A1~204J1が本発明の加速度検出用の可動側導体に相当する。
固定部111は、第3質量部300側に突出する長尺状の検出子保持部201A1,201B1を備える。検出子保持部201A1は、固定部111の支持梁4A側の端辺と第3質量部300側の端辺が交わる角部に配置されている。検出子保持部201B1は、固定部111の中心軸101C側の端辺と第3質量部300側の端辺が交わる角部に配置されている。
内枠部101Aの第3質量部300側の辺は、固定部111側に突出する長尺状の検出子保持部2051を備える。検出子保持部2051は、X軸方向に沿って検出子保持部201A1,201B1との中間位置に配置されている。
加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1は、検出子保持部201A1の支持梁4A側に接続し、当該支持梁4A側に突出する形状からなる。
加速度検出子202A1は、検出用主軸部220A1と複数の突起部222A1とを備える。検出用主軸部220A1は、X軸方向に沿って延びる長尺状からなり、一方端が検出子保持部201A1に接続されている。複数の突起部222A1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部222A1は、主軸部220A1の第2質量部20側の辺に、主軸部220A1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。
加速度検出子202B1は、検出用主軸部220B1と複数の突起部221B1と複数の突起部222B1とを備える。検出用主軸部220B1は、X軸方向に沿って延びる長尺状からなり、一方端が検出子保持部201A1に接続されている。複数の突起部221B1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部221B1は、検出用主軸部220B1の第3質量部300側の辺に、検出用主軸部220B1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。複数の突起部222B1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部222B1は、検出用主軸部220B1の第2質量部20側の辺に、検出用主軸部220B1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。
加速度検出子202C1は、検出用主軸部220C1と複数の突起部221C1と複数の突起部222C1とを備える。検出用主軸部220C1は、X軸方向に沿って延びる長尺状からなり、一方端が検出子保持部201A1に接続されている。複数の突起部221C1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部221C1は、検出用主軸部220C1の第3質量部300側の辺に、検出用主軸部220C1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。複数の突起部222C1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部222C1は、検出用主軸部220C1の第2質量部20側の辺に、検出用主軸部220C1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。
加速度検出子202D1は、検出用主軸部220D1と複数の突起部221D1とを備える。検出用主軸部220D1は、X軸方向に沿って延びる長尺状からなり、一方端が検出子保持部201A1に接続されている。複数の突起部221D1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部221D1は、検出用主軸部220D1の第3質量部300側の辺に、検出用主軸部220D1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。複数の突起部222D1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。
加速度検出子204A1,204B1,204C1は、内側枠101Aの固定部111側に接続し、当該固定部111側に突出する形状からなる。
加速度検出子204A1は、検出用主軸部240A1と複数の突起部241A1と複数の突起部242A1とを備える。検出用主軸部240A1は、X軸方向に沿って延びる長尺状からなり、一方端が内枠部101Aに接続されている。複数の突起部241A1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部241A1は、検出用主軸部240A1の第3質量部300側の辺に、検出用主軸部240A1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。複数の突起部242A1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部242A1は、検出用主軸部240A1の第2質量部20側の辺に、検出用主軸部240A1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。
加速度検出子204B1は、検出用主軸部240B1と複数の突起部241B1と複数の突起部242B1とを備える。検出用主軸部240B1は、X軸方向に沿って延びる長尺状からなり、一方端が内枠部101Aに接続されている。複数の突起部241B1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部241B1は、検出用主軸部240B1の第3質量部300側の辺に、検出用主軸部240B1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。複数の突起部242B1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部242B1は、検出用主軸部240B1の第2質量部20側の辺に、検出用主軸部240B1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。
加速度検出子204C1は、検出用主軸部240C1と複数の突起部241C1と複数の突起部242C1とを備える。検出用主軸部240C1は、X軸方向に沿って延びる長尺状からなり、一方端が内枠部101Aに接続されている。複数の突起部241C1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部241C1は、検出用主軸部240C1の第3質量部300側の辺に、検出用主軸部240C1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。複数の突起部242C1は、X軸方向に所定の幅を有する矩形状である。複数の突起部242C1は、検出用主軸部240C1の第2質量部20側の辺に、検出用主軸部240C1の延びる方向(X軸方向)に沿って所定の間隔で配置されている。
加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1と、加速度検出子204A1,204B1,204C1は、Y軸方向に沿って、交互に配置されている。具体的には、加速度検出子202A1,202B1間に、加速度検出子204A1が配置される。加速度検出子202B1,202C1間に、加速度検出子204B1が配置される。加速度検出子202C1,202D1間に、加速度検出子204C1が配置される。
この際、加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1の各突起部と、加速度検出子204A1,204B1,204C1の各突起部とが、所定面積で対向するように配置される。
より具体的には、加速度検出子202A1の突起部222A1と、加速度検出子204A1の突起部241A1が対向する。加速度検出子204A1の突起部242A1と加速度検出子202B1の突起部221B1が対向する。加速度検出子202B1の突起部222B1と加速度検出子204B1の突起部241B1が対向する。加速度検出子204B1の突起部242B1と加速度検出子202C1の突起部221C1が対向する。加速度検出子202C1の突起部222C1と加速度検出子204C1の突起部241C1が対向する。加速度検出子204C1の突起部242C1と加速度検出子202D1の突起部221D1が対向する。
そして、加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1の各突起部と、加速度検出子204A1,204B1,204C1の各突起部とは、全面が対向するのではなく、それぞれの対向する突起部がX軸方向にずれて対向している。この際、加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1の各突起部は、それぞれがはさみ込む加速度検出子204A1,204B1,204C1の各突起部に対して、X軸方向の異なる方向にずれている。
例えば、図3に示すように、固定側の加速度検出子202A1の各突起部222A1が、可動側の加速度検出子204A1の各突起部241A1に対してX軸方向に沿って検出子保持部201A1側にずれている場合、固定側の加速度検出子202B1の各突起部221B1は、可動側の加速度検出子204A1の各突起部242A1に対してX軸方向に沿って近接する内側枠101A側にずれている。この際、ズレ量は同じになるように各突起部が形成されている。より好ましくは、ズレ量が突起部のX軸方向の半分になるように、各突起部が形成されている。
このような構成とすることで、可動側の各加速度検出子204A1,204B1,204C1がX軸方向に振動しても、可動側の各加速度検出子204A1,204B1,204C1のY軸方向の一方側に配置された固定側の加速度検出子との間で生じる静電容量(キャパシタンス)の変化と、可動側の各加速度検出子204A1,204B1,204C1のY軸方向の他方側に配置された固定側の加速度検出子との間で生じる静電容量(キャパシタンス)の変化とが逆の変化をする。例えば、一方の静電容量が増加すれば、他方の静電容量は減少する。したがって、加速度が加わっていない状態のように、両者の突起の間隔が等しい場合は、これらの静電容量を加算すれば、可動側の各加速度検出子204A1,204B1,204C1がX軸方向に振動しても、当該振動による静電容量の変化を防ぐことができる。
加速度検出子202E1,202F1,202G1は、検出子保持部201A1の中心軸101C側に接続し、当該中心軸101C側に突出する形状からなる。加速度検出子202E1は、検出子保持部201A1を基準として、加速度検出子202A1と線対称に形成されている。加速度検出子202F1は、検出子保持部201A1を基準として、加速度検出子202B1と線対称に形成されている。加速度検出子202G1は、検出子保持部201A1を基準として、加速度検出子202C1と対称の位置に形成され、加速度検出子202G1の形状は、加速度検出子202D1を線対称に射影したものと同じである。
加速度検出子204D1,204E1は、検出子保持部2051の検出子保持部201A1側に接続し、当該検出子保持部201A1側に突出する形状からなる。加速度検出子204D1は、検出子保持部201A1を基準にして、加速度検出子204A1と線対称の形状からなる。加速度検出子204E1は、検出子保持部201A1を基準にして、加速度検出子204B1と線対称の形状からなる。
加速度検出子202E1,202F1,202G1と加速度検出子204D1,204E1はY軸方向に沿って、交互に配置されている。具体的には、加速度検出子202E1,202F1間に、加速度検出子204D1が配置されている。加速度検出子202F1,202G1間に、加速度検出子204E1が配置されている。そして、加速度検出子202E1,202F1,202G1の各突起部と加速度検出子204D1,204E1の各突起部は、加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1の各突起部と加速度検出子204A1,204B1,204C1の各突起部と同様に、X軸方向にずれた状態で対向しており、その配列順もX軸方向に沿って同じ順になっている。
加速度検出子204F1,204G1は、検出子保持部2051の検出子保持部201B1側に接続し、当該検出子保持部201B1側に突出する形状からなる。加速度検出子204F1は、検出子保持部2051を基準にして、加速度検出子204D1と線対称の形状からなる。加速度検出子204G1は、検出子保持部2051を基準にして、加速度検出子204E1と線対称の形状からなる。
加速度検出子202H1,202I1,202J1は、検出子保持部201B1の検出子保持部2051側に接続し、当該検出子保持部2051側に突出する形状からなる。加速度検出子202H1は、検出子保持部2051を基準として、加速度検出子202E1と線対称に形成されている。加速度検出子202I1は、検出子保持部2051を基準として、加速度検出子202F1と線対称に形成されている。加速度検出子202J1は、検出子保持部2051を基準として、加速度検出子202G1と線対称に形成されている。
加速度検出子202H1,202I1,202J1と加速度検出子204F1,204G1はY軸方向に沿って、交互に配置されている。具体的には、加速度検出子202H1,202I1間に、加速度検出子204F1が配置されている。加速度検出子202I1,202J1間に、加速度検出子204G1が配置されている。そして、加速度検出子202H1,202I1,202J1の各突起部と加速度検出子204F1,204G1の各突起部は、加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1の各突起部と加速度検出子204A1,204B1,204C1の各突起部と同様に、X軸方向にずれた状態で対向しており、その配列順もX軸方向に沿って同じ順になっている。
加速度検出子202K1,202L1,202M1,202N1は、検出子保持部201B1の中心軸101C側に接続し、当該中心軸101C側に突出する形状からなる。加速度検出子202K1は、検出子保持部2051の幅方向に中心を通りY軸方向に延びる軸を基準として、加速度検出子202A1と線対称に形成されている。加速度検出子202L1は、検出子保持部2051の幅方向に中心を通りY軸方向に延びる軸を基準として、加速度検出子202B1と線対称に形成されている。加速度検出子202M1は、検出子保持部2051の幅方向に中心を通りY軸方向に延びる軸を基準として、加速度検出子202C1と線対称に形成されている。加速度検出子202N1は、検出子保持部2051の幅方向に中心を通りY軸方向に延びる軸を基準として、加速度検出子202D1と線対称に形成されている。
加速度検出子204H1,204I1,204J1は、中心軸101Cの固定部111側に接続し、当該固定部111側に突出する形状からなる。加速度検出子204H1は、検出子保持部2051の幅方向に中心を通りY軸方向に延びる軸を基準として、加速度検出子204A1と線対称に形成されている。加速度検出子204I1は、検出子保持部2051の幅方向に中心を通りY軸方向に延びる軸を基準として、加速度検出子204B1と線対称に形成されている。加速度検出子204J1は、検出子保持部2051の幅方向に中心を通りY軸方向に延びる軸を基準として、加速度検出子204C1と線対称に形成されている。
加速度検出子202K1,202L1,202M1,202N1と加速度検出子204H1,204I1,204J1はY軸方向に沿って、交互に配置されている。具体的には、加速度検出子202K1,202L1間に、加速度検出子204H1が配置されている。加速度検出子202L1,202M1間に、加速度検出子204I1が配置されている。加速度検出子202M1,202N1間に、加速度検出子204J1が配置されている。そして、加速度検出子202K1,202L1,202M1,202N1の各突起部と加速度検出子204H1,204I1,204J1の各突起部は、加速度検出子202A1,202B1,202C1,202D1の各突起部と加速度検出子204A1,204B1,204C1の各突起部と同様に、X軸方向にずれた状態で対向しており、その配列順もX軸方向に沿って同じ順になっている。
加速度検出子202A1~202N1,204A1~204J1をこのような構成とすることで、X軸方向に振動した状態で、Y軸方向に加速度が加わると、隣接する加速度検出子202A1~202N1,204A1~204J1の突起部の対向距離が変化する。このように対向距離が変化すると静電容量が変化するので、この変化量を検出することで、加速度を検出することができる。そして、加速度の方向によって静電容量の変化方向(静電容量大から小、もしくは静電容量小から大)が変わるので、加速度の方向も検出することができる。
角速度検出子3011,3021は、固定部111の支持梁4A側の空間および中心軸101C側の空間に複数形成されている。角速度検出子3011は、固定部111に一方端が接続する長尺状である。角速度検出子3021は、中心軸101Cに一方端が接続する長尺状である。支持梁4A側の角速度検出子3011と、中心軸101C側の角速度検出子3011は、固定部111を介して対称の位置に配置されている。角速度検出子3011が本発明の角速度検出用の固定側導体に相当し、角速度検出子3021が本発明の角速度検出用の可動側導体に相当する。
角速度検出子3011,3021は、Y軸方向に沿って交互に配置されている。この際、一つの角速度検出子3011を基準として、第2質量部20側の角速度検出子3021までの間隔は、第3質量部300側の角速度検出子3021までの間隔よりも広く設定されている。
角速度検出子3011,3021をこのような構造とすることで、X軸方向に振動した状態で、Z軸方向(X軸およびY軸に直交する方向)を軸とする角速度ωがセンサ素子1に加わると、Y軸方向のコリオリ力が第1質量部10の内枠部101Aに加わり、角速度検出子3011,3021間の静電容量が変化する。この変化量を検出することで、角速度ωを検出することができる。この際、一つの角速度検出子3011を基準とする第2質量部20側の角速度検出子3021までの間隔と第3質量部300側の角速度検出子3021までの間隔とが異なることから、Y軸の負の方向にコリオリ力が加われば静電容量が低下し、Y軸の正の方向にコリオリ力が加われば静電容量が増加するので、角速度ωの方向も検出することができる。
さらに、角速度検出子3011、3021は、X軸方向に長尺状であり、Y軸方向に対して大きな面積を有し、対向する面積が広いので、加速度印加方向に対する機械的Q値を低下させることができる。これにより、加速度検出に対するダンピング効果を得ることができる。
次に、第2検出部12の具体的構成については、図を参照して説明する。図4は、本発明の実施形態に係る第2検出部12の構成を示す拡大平面図である。
第2検出部12は、固定部121、加速度検出子202A2,202B2,202C2,202D2,202E2,202F2,202G2,202H2,202I2,202J2,202K2,202L2,202M2,202N2および、加速度検出子204A2,204B2,204C2,204D2,204E2,204F2,204G2,204H2,204I2,204J2を備える。
固定部121は、内枠部101Aの内部空間における中心軸101Cで分割される他方の内部空間内に配置されている。固定部121は、重心Gを通るY軸を基準にして、固定部111と線対称の形状からなる。
固定部121に接続する検出子保持部201A2,201B2は、Y軸を基準にして、それぞれ検出子保持部201A1,201B1と線対称の形状からなる。内枠部103Bに接続する検出子保持部2052は、Y軸を基準にして、検出子保持部2051と線対称の形状からなる。
加速度検出子202A2~202N2は、突起する導体部の配列順を除き、Y軸を基準にして、それぞれ加速度検出子202A1~202N1と線対称の形状からなる。加速度検出子204A2~204J2は、Y軸を基準にして、それぞれ加速度検出子204A1~204J1と線対称の形状からなるが、加速度検出子202A2~202N2の各突起部と加速度検出子204A2~204J2の各突起部との配列順が、加速度検出子202A1~202N1の各突起部と加速度検出子204A1~J1の各突起部との配列順と線対称ではなく、X軸方向に沿って同じ順になっている。
加速度検出子202A2~202N2,204A2~204J2をこのような構成とすることで、加速度検出子202A1~202N1,204A1~204J1と同じ振幅で同じ位相の加速度検出信号を得ることができる。
複数の角速度検出子3012、3022の配列群は、Y軸を基準にして、複数の角速度検出子3011、3021の配列群と略対称な位置関係にあるが、配列方向に沿った配置順は逆である。複数の角速度検出子3012,3022をこのような構成とすることで、角速度検出子3011、3021と同じ振幅で逆位相の角速度検出信号を得ることができる。
次に、第3検出部13の具体的構成については、図を参照して説明する。図5は、本発明の実施形態に係る第3検出部13の構成を示す拡大平面図である。
第3検出部13は、固定部131、加速度検出子202A3,202B3,202C3,202D3,202E3,202F3,202G3,202H3,202I3,202J3,202K3,202L3,202M3,202N3および、加速度検出子204A3,204B3,204C3,204D3,204E3,204F3,204G3,204H3,204I3,204J3を備える。
固定部131は、内枠部101Bの内部空間における中心軸101Dで分割される一方の内部空間内に配置されている。固定部131は、重心Gを通るX軸を基準にして、固定部111と線対称の形状からなる。
固定部131に接続する検出子保持部201A3,201B3は、X軸を基準にして、それぞれ検出子保持部201A1,201B1と線対称の形状からなる。内枠部103Dに接続する検出子保持部2053は、X軸を基準にして、検出子保持部2051と線対称の形状からなる。
加速度検出子202A3~202N3は、X軸を基準にして、それぞれ加速度検出子202A1~202N1と線対称の形状からなる。加速度検出子204A3~204J3は、X軸を基準にして、それぞれ加速度検出子204A1~204J1と線対称の形状からなる。そして、加速度検出子202A3~202N3の各突起部と加速度検出子204A3~204J3の各突起部は、加速度検出子202A1~202N1の各突起部と加速度検出子204A1~J1の各突起部と同様に、X軸方向にずれた状態で対向している。
加速度検出子202A3~202N3,204A3~204J3をこのような構成とすることで、加速度検出子202A1~202N1,204A1~204J1と同じ振幅で同位相の加速度検出信号を得ることができる。
複数の角速度検出子3013,3023は、X軸を基準にして、それぞれ複数の角速度検出子3011、3021と線対称の形状からなる。複数の角速度検出子3013,3023をこのような構成とすることで、角速度検出子3011、3021と同じ振幅で同位相の角速度検出信号を得ることができる。
次に、第4検出部14の具体的構成については、図を参照して説明する。図6は、本発明の実施形態に係る第4検出部14の構成を示す拡大平面図である。
第4検出部14は、固定部141、加速度検出子202A4,202B4,202C4,202D4,202E4,202F4,202G4,202H4,202I4,202J4,202K4,202L4,202M4,202N4および、加速度検出子204A4,204B4,204C4,204D4,204E4,204F4,204G4,204H4,204I4,204J4を備える。
固定部141は、内枠部101Bの内部空間における中心軸101Dで分割される他方の内部空間内に配置されている。固定部141は、重心Gを通るY軸を基準にして、固定部113と線対称の形状からなる。
固定部141に接続する検出子保持部201A4,201B4は、Y軸を基準にして、それぞれ検出子保持部201A3,201B3と線対称の形状からなる。内枠部103Dに接続する検出子保持部2054は、Y軸を基準にして、検出子保持部2053と線対称の形状からなる。
加速度検出子202A4~202N4は、概略的には、Y軸を基準にして、それぞれ加速度検出子202A3~202N3と線対称の形状からなる。加速度検出子204A4~204J4は、概略的には、Y軸を基準にして、それぞれ加速度検出子204A3~204J3と線対称の形状からなるが、加速度検出子202A4~202N4の各突起部と加速度検出子204A4~204J4の各突起部との配列順が、加速度検出子202A3~202N3の各突起部と加速度検出子204A3~J3の各突起部との配列順と線対称ではなく、X軸方向に沿って同じ順になっている。
加速度検出子202A4~202N4,204A4~204J4をこのような構成とすることで、加速度検出子202A3~202N3,204A3~204J3と同じ振幅で同位相の加速度検出信号を得ることができる。
複数の角速度検出子3014,3024の配列群は、Y軸を基準にして、複数の角速度検出子3013、3023の配列群と略対称な位置関係にあるが、配列方向に沿った配置順は逆である。複数の角速度検出子3014,3024をこのような構成とすることで、角速度検出子3013,3023と同じ振幅で逆位相の角速度検出信号を得ることができる。
次に、駆動部およびモニタ部の具体的構成については、図を参照して説明する。図7は、本発明の実施形態に係る駆動部およびモニタ部の構成を示す拡大平面図である。なお、図7では、第3検出部13に近接する第2駆動部40および第2モニタ部60の部分のみを拡大して表示している。そして、この部分を例に駆動部およびモニタ部の構成を説明する。他の検出部(第1検出部11、第2検出部12、第4検出部14)に近接する各櫛歯部の基本的な詳細構造は、以下に説明する櫛歯部43A,44A,43B,44Bと同じであるので、説明は省略する。
複数の櫛歯部43Aは、支持部材42に接続されている。櫛歯部43Aは、軸部431Aと、複数の歯部432Aとを備える。軸部431Aは、Y軸方向に沿って延びる長尺状である。複数の歯部432Aは、軸部431Aの軸方向に沿って間隔をおいて配置されている。複数の歯部432Aは、櫛歯部44A側に突出するように、軸部431Aに形成されている。
複数の櫛歯部44Aは、外枠部102Bに接続されている。櫛歯部44Aは、軸部441Aと、複数の歯部442Aとを備える。軸部441Aは、Y軸方向に沿って延びる長尺状である。複数の歯部442Aは、軸部441Aの軸方向に沿って間隔をおいて配置されている。複数の歯部442Aは、櫛歯部43A側に突出するように、軸部441Aに形成されている。
この構成において、複数の歯部432Aと複数の歯部442AとがY軸方向にそれぞれ間隔をおいて交互に並ぶようにして配置されている。この際、複数の歯部432Aと複数の歯部442Aは、Y軸方向に直交する面が対向するように配置されている。
複数の櫛歯部43Bは、支持部材42に接続されている。櫛歯部43Bは、軸部431Bと、複数の歯部432Bとを備える。軸部431Bは、Y軸方向に沿って延びる長尺状である。複数の歯部432Bは、軸部431Bの軸方向に沿って間隔をおいて配置されている。複数の歯部432Bは、櫛歯部44B側に突出するように、軸部431Bに形成されている。
複数の櫛歯部44Bは、第4質量部400に接続されている。櫛歯部44Bは、軸部441Bと、複数の歯部442Bとを備える。軸部441Bは、Y軸方向に沿って延びる長尺状である。複数の歯部442Bは、軸部441Bの軸方向に沿って間隔をおいて配置されている。複数の歯部442Bは、櫛歯部43B側に突出するように、軸部441Bに形成されている。
この構成において、複数の歯部432Bと複数の歯部442BとがY軸方向にそれぞれ間隔をおいて交互に並ぶようにして配置されている。この際、複数の歯部432Bと複数の歯部442Bは、Y軸方向に直交する面が対向するように配置されている。
このような構成からなる駆動部40に対して、駆動信号を印加すると、駆動信号の振幅に応じて、櫛歯部43A,44AがX軸方向に沿って引き合ったり離れたりし、櫛歯部43B,44BがX軸方向に沿って引き合ったり離れたりする。櫛歯部43A,44A間の動きと、櫛歯部43B,44B間の動きは同じである。
これにより、第4質量部400と第2質量部20がX軸方向に互いに逆位相で振動する。これと同じ動作が第3質量部300と第1質量部10でも生じる。この際、第3質量部300の振動と第4質量部400の振動および第1質量部10の振動と第2質量部20の振動を逆位相にすることで、支持梁4A,4Bが歪み、第1質量部10が第4質量部400と同相で振動し、第2質量部20が第3質量部300と同相で振動する。このようにして、第1質量部10及び第2質量部20に、X軸方向に沿った振動を与えることができる。
複数の櫛歯部61は、第4質量部400に接続されている。櫛歯部61は、軸部611と、複数の歯部612とを備える。軸部611は、Y軸方向に沿って延びる長尺状である。複数の歯部612は、軸部611の軸方向に沿って間隔をおいて配置されている。複数の歯部612は、櫛歯部62側に突出するように、軸部611に形成されている。
複数の櫛歯部62は固定部600に接続されている。櫛歯部62は、軸部621と、複数の歯部622とを備える。軸部621は、Y軸方向に沿って延びる長尺状である。複数の歯部622は、軸部621の軸方向に沿って間隔をおいて配置されている。複数の歯部622は、櫛歯部61側に突出するように、軸部621に形成されている。
この構成において、複数の歯部612と複数の歯部622とがY軸方向にそれぞれ間隔をおいて交互に並ぶようにして配置されている。この際、複数の歯部612と複数の歯部622は、Y軸方向に直交する面が対向するように配置されている。
このような構成では、駆動部60に駆動信号が印加されて第4質量部400が振動すると、櫛歯部61,62間の距離が変化し、静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することで、駆動信号をモニタすることができる。
以上のような構成からなるセンサ素子1は、次に示す検出用IC8と組み合わせることで、複合センサとして機能し、角速度と加速度を分離して検出する。図8は、本発明の実施形態に係る複合センサの構成を示すブロック図である。
複合センサは、センサ素子1と検出用IC8とを備える。センサ素子1は機構的には上述の構成であるが、回路としては、第1検出部11、第2検出部12、第3検出部13、第4検出部14、第1駆動部30、第2駆動部40、第1モニタ部50、および第2モニタ部60から構成されている。第1検出部11、第2検出部12、第3検出部13、第4検出部14、第1駆動部30、第2駆動部40、第1、第2モニタ部50,60は、それぞれ可変容量素子からなる。第1検出部11、第2検出部12、第3検出部13、第4検出部14、第1駆動部30、第2駆動部40、第1、第2モニタ部50,60が共通に接続する端子は、グランドに接続されている。このグランドは、検出用IC8のグランドにも接続されている。
検出用IC8は、制御部80、フィルタ81、駆動用非反転増幅器82A、駆動用反転増幅器82B、モニタ用増幅器83A,83B、差動増幅器840、フィルタ84、位相シフタ85、増幅器91A,91B、加算器92、減算器93、フィルタ94A,94B、検波器95A,95B、出力回路96A,96Bおよび出力端子OUTa,OUTωを備える。検出用IC8には、駆動電圧Vccが印加されている。
制御部80は、交流の駆動電圧信号を発生し、フィルタ81へ出力する。この際、制御部80は、ハイパスフィルタからなるフィルタ84から出力されるモニタ電圧信号の電圧値に応じて、センサ素子1の各質量部の振動振幅が規定した値になるように、駆動電圧信号の電圧値を設定する。
フィルタ81は、例えばローパスフィルタからなり、ハイパスフィルタのフィルタ84と組み合わせて、素子振動周波数を選択的に通過させるバンドパスフィルタとしての機能(例えばノイズカット)を果たすとともに、モニタ出力の位相をおおよそ90°遅延させて、駆動用非反転増幅器82Aおよび駆動用反転増幅器82Bに出力する。
駆動用非反転増幅器82Aは、駆動電圧信号を所定ゲインで増幅して、駆動部30に出力する。駆動用反転増幅器82Bは、駆動電圧信号を所定ゲイン(駆動用非反転増幅器82Aと同じゲイン)で増幅して反転出力することで、駆動部40に出力する。なお、駆動用非反転増幅器82Aおよび駆動用反転増幅器82Bのゲインは1であってよく、この場合、これらの駆動用非反転増幅器82Aおよび駆動用反転増幅器82Bは、同期して駆動部30,40に逆相の駆動電圧信号を入力するバッファ回路として機能する。
駆動部30と駆動部40に、互いに逆相となる駆動電圧信号が印加されると、上述のように、第1質量部10、第2質量部20、第3質量部300、および第4質量部400は、X軸方向に振動する。
この振動により、第1、第2モニタ部50,60の静電容量が変化する。この時、二つの静電容量の変化の極性は互いに異なる。この第1、第2モニタ部50,60の静電容量変化は、増幅器83A,83Bに入力される。増幅器83A,83Bは、静電容量/電圧変換回路(所謂C/V回路)であり、静電容量に応じたモニタ電圧信号を出力する。二つのモニタ電圧信号は、差動増幅器840で加算される。これにより、モニタ信号の振幅を増大させることができる。加算され一つの信号になったモニタ信号は、フィルタ84に入力される。フィルタ84によりフィルタ処理されたモニタ信号は、制御部80にフィードバックされるとともに、検波器95Aおよび位相シフタ85に出力される。
位相シフタ85は、モニタ電圧信号の位相を90°遅延させて、検波器95Bに出力する。
ここで、Z軸周りの角速度やY軸方向の加速度がセンサ素子1に印加されると、第1検出部11、第2検出部12、第3検出部13、第4検出部14の各加速度検出部と各角速度検出部の静電容量が変化する。
上述の構成により、角速度または加速度の印加による第1検出部11、第3検出部13の静電容量変化は同じである。これらの第1検出部11、第3検出部13は、センサ素子外部の電極で接続されている。したがって、第1検出部11の静電容量変化と第3検出部13の静電容量変化とを加算した静電容量変化としては、第1、第3検出部11,13いずれか一方の2倍の静電容量変化が得られる。この第1、第3検出部11,13の静電容量変化は、増幅器91Aに入力される。増幅器91Aは、静電容量/電圧変換回路(所謂C/V回路)であり、静電容量に応じた第1検出信号を出力する。第1検出信号は、加算器92および減算器93に出力される。
上述の構成により、角速度または加速度の印加による第2検出部12、第4検出部14の静電容量変化は同じである。これらの第2検出部12、第4検出部14は、センサ素子外部の電極で接続されている。したがって、第2検出部12の静電容量変化と、第4検出部14の静電容量変化とを加算した静電容量変化としては、第2、第4検出部12,14いずれか一方の2倍の静電容量変化が得られる。この第2、第4検出部12,14の静電容量変化は、増幅器91Bに入力される。増幅器91Bは、静電容量/電圧変換回路(所謂C/V回路)であり、静電容量に応じた第2検出信号を出力する。第2検出信号は、加算器92および減算器93に出力される。
加算器92は、第1検出信号と第2検出信号とを加算して、フィルタ94Aに出力する。減算器93は、第1検出信号と第2検出信号との差分を算出して、フィルタ94Bに出力する。
フィルタ94Aは、例えばハイパスフィルタからなり、加算信号をフィルタ処理して、検波器95Aに出力する。フィルタ94Bは、例えばハイパスフィルタからなり、差分信号(減算信号)をフィルタ処理して、検波器95Bに出力する。
検波器95Aは、加算信号をモニタ電圧信号で同期検波して、第1検波信号を出力回路96Aに出力する。出力回路96Aは、振幅調整回路やローパスフィルタを備えており、第1検波信号に所定の処理を施して、出力端子OUTaに出力する。
検波器95Bは、加算信号をモニタ電圧信号で同期検波して、第2検波信号を出力回路96Bに出力する。出力回路96Bは、出力回路96Aと同じ回路構成であって、振幅調整回路やローパスフィルタを備えており、第2検波信号に所定の処理を施して、出力端子OUTωに出力する。
このような構成からなる複合センサのセンサ素子1がX軸方向に振動中に、Z軸周りの角速度ωやY軸方向の加速度aが印加されると、次のように作用する。
図9は、本発明の実施形態に係るセンサ素子に角速度ωが印加された場合の挙動を示す図である。図9(A)は駆動電圧信号が印加されていない状態を示し、図9(B),(C)は駆動電圧信号が印加された状態を示す。図9(B)は、第1質量部10と第4質量部400がX軸の正の方向に運動し、第2質量部20と第3質量部300がX軸の負の方向に運動している状態を示す。図9(C)は、第1質量部10と第4質量部400がX軸の負の方向に運動し、第2質量部20と第3質量部300がX軸の正の方向に運動している状態を示す。
上述のように、駆動部30と駆動部40に逆相の駆動電圧信号を印加すると、図9(B)に示すように、隣り合う質量部が常時X軸の逆方向に移動するように振動する。このような状態において、Z軸周りの角速度ωが印加されると、図9(B)の第1質量部10および第2質量部20に示すように、X軸の負の方向に移動中の質量部には、Y軸の正の方向のコリオリ力が加わり、Y軸の正の方向に変位して、X軸の正の方向に移動中の質量部には、Y軸の負の方向のコリオリ力が加わり、Y軸の負の方向に変位する。これにより、第1、第2質量部10,20内の各角速度検出部113,133では、静電容量が減少し、各角速度検出部123,143では、静電容量が増加する。なお、各角速度検出部113,133は、回路入力前にセンサ素子外部で電気的に接続される。同じく、各角速度検出部123,143も、回路入力前にセンサ素子外部で電気的に接続される。
したがって、振動状態によらず、第1、第2質量部10,20内の各角速度検出部113,133の静電容量変化と各角速度検出部123,143の静電容量変化とを加算してなる第1検出信号では、両者の静電容量変化が互いに逆の変位であって相殺されることにより、角速度ωによる静電容量変化分は0となる。
一方、振動状態によらず、第1、第2質量部10,20内の各角速度検出部113,133の静電容量変化と各角速度検出部123,143の静電容量変化とを差分してなる第2検出信号では、両者の静電容量変化が加算されることにより、角速度ωによる静電容量変化分は、2倍となる。
図11は、本発明の実施形態に係るセンサ素子1に角速度ωのみが印加された場合の各信号の波形図である。なお、図11の第1出力は、第1、第2質量部10,20内の各角速度検出部113,133の静電容量変化を電圧変換したものであり、第2出力は、第1、第2質量部10,20内の各角速度検出部123,143の静電容量変化を電圧変換したものである。図11に示すように、第1出力と第2出力は常時逆相となる。したがって、これら第1出力と第2出力を加算した信号、すなわち第1検出信号は、第1出力と第2出力とが相殺された信号となり、OUT1(加算出力)は0(もしくは基準電位)となる。一方、これら第1出力と第2出力を差分した信号、すなわち第2検出信号は、第1出力と第2出力とが加算された信号となり、OUT2(加算出力)は第1出力や第2出力の2倍となる。これにより、第2検出信号によって角速度ωを検出することができる。この際、振幅が大きくなるので、確実且つ正確に角速度ωを検出することができる。
図10は、本発明の実施形態に係るセンサ素子に加速度aが印加された場合の挙動を示す図である。図10(A)は駆動電圧信号が印加されていない状態を示し、図10(B),(C)は駆動電圧信号が印加された状態を示す。図10(B)は、第1質量部10と第4質量部400がX軸の正の方向に移動し、第2質量部20と第3質量部300がX軸の負の方向に移動した状態を示す。図10(C)は、第1質量部10と第4質量部400がX軸の負の方向に移動し、第2質量部20と第3質量部300がX軸の正の方向に移動した状態を示す。
上述のように、駆動部30と駆動部40に逆相の駆動電圧信号を印加すると、図10(B),図10(C)に示すように、隣り合う質量部が常時X軸の逆方向に移動するように振動する。このような状態において、Y軸の正の方向の加速度aが印加されると、図10(B)の第1質量部10および第2質量部20に示すように、X軸の正の方向に移動中の質量部もX軸の負の方向に移動中の質量部も、Y軸の正の方向に変位する。これにより、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部112,122,132,142では、各突起する導体部の片側の間隔が減少し、反対側の間隔が増加することで、モニタ信号に同期した静電容量の変化が発生する。この時、各加速度検出部112,122,132,142の位相は全て等しい。なお、各加速度検出部112,132は、回路入力前にセンサ素子外部で電気的に接続される。同じく、各加速度検出部122,142も、回路入力前にセンサ素子外部で電気的に接続される。
一方、Y軸の負の方向の加速度aが印加されると、X軸の正の方向に移動中の質量部もX軸の負の方向に移動中の質量部も、Y軸の負の方向に変位する。これにより、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部112,122,132,142では、各突起する導体部の片側の間隔が増加し、反対側の間隔が減少することで、モニタ信号に同期した静電容量の変化が発生する。この時、各加速度検出部112,122,132,142の位相は全て等しい。
したがって、振動状態によらず、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部112,132の静電容量変化と各加速度検出部122,142の静電容量変化とを加算してなる第1検出信号では、両者の位相が等しく、静電容量変化が加算されることにより、加速度aによる静電容量変化分は、2倍となる。
一方、振動状態によらず、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部112,132の静電容量変化と各加速度検出部122,142の静電容量変化とを差分してなる第2検出信号では、両者の静電容量変化が互いに相殺されことにより、加速度aによる静電容量変化分は0となる。
図12は、本発明の実施形態に係るセンサ素子1に加速度aのみが印加された場合の各信号の波形図である。なお、図12の第1出力は、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部112,132の静電容量変化を電圧変換したものであり、第2出力は、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部122,142の静電容量変化を電圧変換したものである。
図12に示すように、第1出力と第2出力は常時同相となる。したがって、これら第1出力と第2出力を加算した信号、すなわち第1検出信号は、第1出力と第2出力とが加算された信号となり、OUT1(加算出力)は第1出力や第2出力の2倍となる。一方、これら第1出力と第2出力を差分した信号、すなわち第2検出信号は、第1出力と第2出力とが相殺された信号となり、OUT2(加算出力)は0(もしくは基準電位)となる。これにより、第1検出信号によって加速度aを検出することができる。この際、振幅が大きくなるので、確実且つ正確に加速度aを検出することができる。
なお、上述の構成では、第1検出部11および第3検出部13から得られる静電容量変化と、第2検出部12および第4検出部14から得られる静電容量変化は、いずれも加速度a起因の成分と角速度ω起因の成分が混合された状態からなる。しかしながら、上述の加算器92、減算器93を介することで、加速度a起因の成分と角速度ω起因の成分を、確実に分離して出力することができる。
さらに、角速度ωによる静電容量変化が駆動電圧信号に対して位相が90°ずれていることを利用し、上述の90°位相がずれた同期検波を行うことで、加速度aによる信号と、角速度ωによる信号とを、より確実に検出して出力することができる。
図13は、本発明の実施形態に係るセンサ素子1に加速度aと角速度ωが印加された場合の各信号の波形図である。なお、図13の第1出力は、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部112,132と各角速度検出部113,133の静電容量変化を電圧変換したものであり、第2出力は、第1、第2質量部10,20内の各加速度検出部122,142と各角速度検出部123,143の静電容量変化を電圧変換したものである。なお、ここでは、加速度aによる静電容量変化と角速度ωによる静電容量変化が同じ場合を示している。
図13に示すように、第1出力および第2出力は、加速度aによる静電容量変化と角速度ωによる静電容量変化との比に応じて、駆動電圧信号に対して所定の位相ずれが生じる。しかしながら、OUT1(加算出力)には加速度aによる成分しか残らず、OUT2(差分出力)には角速度ωによる成分しか残らない。
1:センサ素子、
2:基板、
3A,3B,3C,3D,3E,3F:固定部、
4A,4B:支持梁、
5A,5B,5C,5D,5E,5F,5G,5H:連結部、
8:検出用IC、
10:第1質量部、
20:第2質量部、
11:第1検出部、
12:第2検出部、
13:第3検出部、
14:第4検出部、
30:第1駆動部、
31:固定部、
32:支持部材、
33A,33B,34A,34B,43A,43B,44A,44B,51,52,61,62:櫛歯部、
431A,431B,441A,441B,661:軸部、
432A,432B,442A,442B,662:歯部
40:第2駆動部、
41:固定部、
42:支持部材、
50:第1モニタ部、
60:第2モニタ部、
101A,101B:内枠部、
101C,101D:中心軸、
102A,102B:外枠部、
103A,103B,104A,104B,103C,103D,104C,104D:連結部材、
111,121,131,141:固定部、
112,122,132,142:加速度検出部、
113,123,133,143:角速度検出部、
201A1,201B1,201A2,201B2,201A3,201B3,201A4,201B1,2051,2052,2053,2054:検出子保持部、
202A1~202N1,204A1~204J1,202A2~202N2,204A2~204J2,202A3~202N3,204A3~204J3,202A4~202N4,204A4~204J4:加速度検出子、
220A1~220D1,240A1~240C1:検出用主軸部、
221B1,221C1,221D1,222A1,222B1,222C1,241A1,241B1,241C1,242A1,242B1,242C1:突起部、
300:第3質量部、
400:第4質量部、
500,600:固定部、
3011,3021,3012,3022,3013,3023,3014,3024:角速度検出子、
80:制御部、
81:フィルタ、
82A:駆動用非反転増幅器、
82B:駆動用反転増幅器、
83A,83B:モニタ用増幅器、
84:フィルタ、
840:差動増幅器、
85:位相シフタ、
91A,91B:増幅器、
92:加算器、
93:減算器、
94A,94B:フィルタ、
95A,95B:検波器、
96A,96B:出力回路、
OUTa,OUTω:出力端子
2:基板、
3A,3B,3C,3D,3E,3F:固定部、
4A,4B:支持梁、
5A,5B,5C,5D,5E,5F,5G,5H:連結部、
8:検出用IC、
10:第1質量部、
20:第2質量部、
11:第1検出部、
12:第2検出部、
13:第3検出部、
14:第4検出部、
30:第1駆動部、
31:固定部、
32:支持部材、
33A,33B,34A,34B,43A,43B,44A,44B,51,52,61,62:櫛歯部、
431A,431B,441A,441B,661:軸部、
432A,432B,442A,442B,662:歯部
40:第2駆動部、
41:固定部、
42:支持部材、
50:第1モニタ部、
60:第2モニタ部、
101A,101B:内枠部、
101C,101D:中心軸、
102A,102B:外枠部、
103A,103B,104A,104B,103C,103D,104C,104D:連結部材、
111,121,131,141:固定部、
112,122,132,142:加速度検出部、
113,123,133,143:角速度検出部、
201A1,201B1,201A2,201B2,201A3,201B3,201A4,201B1,2051,2052,2053,2054:検出子保持部、
202A1~202N1,204A1~204J1,202A2~202N2,204A2~204J2,202A3~202N3,204A3~204J3,202A4~202N4,204A4~204J4:加速度検出子、
220A1~220D1,240A1~240C1:検出用主軸部、
221B1,221C1,221D1,222A1,222B1,222C1,241A1,241B1,241C1,242A1,242B1,242C1:突起部、
300:第3質量部、
400:第4質量部、
500,600:固定部、
3011,3021,3012,3022,3013,3023,3014,3024:角速度検出子、
80:制御部、
81:フィルタ、
82A:駆動用非反転増幅器、
82B:駆動用反転増幅器、
83A,83B:モニタ用増幅器、
84:フィルタ、
840:差動増幅器、
85:位相シフタ、
91A,91B:増幅器、
92:加算器、
93:減算器、
94A,94B:フィルタ、
95A,95B:検波器、
96A,96B:出力回路、
OUTa,OUTω:出力端子
Claims (11)
- 基板と、
該基板に対して隙間を有した状態で、前記基板の第1の面に平行な第1方向に配列され、前記基板の前記第1の面に平行であり前記第1方向と直交する第2方向に沿って互いに逆位相で振動する第1質量部および第2質量部と、
を備え、
前記第1質量部は、
前記第1方向および前記第2方向に直交する第3方向の軸周りの角速度による角速度検出信号を出力する角速度検出部および、前記第1方向の加速度による加速度検出信号を出力する加速度検出部を有する、少なくとも一つの第1質量部側検出部を備え、
前記第2質量部は、
前記第3方向の軸周りの角速度による角速度検出信号を出力する角速度検出部および、前記第1方向の加速度による加速度検出信号を出力する加速度検出部を有する、少なくとも一つの第2質量部側検出部を備える、
センサ素子。 - 前記第1質量部は、第1質量部側検出部である第1検出部及び第2検出部を備え、
前記第2質量部は、第2質量部側検出部である第3検出部及び第4検出部を備え、
前記第1検出部の出力信号と前記第3検出部の出力信号を加算した第1検出信号の位相と、前記第2検出部の出力信号と前記第4検出部の出力信号を加算した第2検出信号の位相とが、前記角速度検出信号において逆位相の関係になり、前記加速度検出信号において同位相の関係になるように、前記第1乃至第4検出部が構成されている、請求項1に記載のセンサ素子。 - 前記第1乃至第4検出部の角速度検出部および加速度検出部において、前記角速度検出信号の出力端子と前記加速度検出信号の出力端子とが同一の端子である、
請求項1または請求項2に記載のセンサ素子。 - 前記角速度検出部と前記加速度検出部は、
前記第1質量部および前記第2質量部に設けられた可動側導体と、
該可動側導体と対向して配置され、前記基板に固定された固定側導体と、を備え、
前記固定側導体を前記基板に固定する固定部は、前記第1質量部および前記第2質量部の内側に配置されている、
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のセンサ素子。 - 前記角速度検出部と前記加速度検出部は、
前記第1質量部および前記第2質量部に設けられた可動側導体と、
該可動側導体と対向して配置され、前記基板に固定された固定側導体と、
前記固定側導体を前記基板に固定する固定部は、前記第1質量部および前記第2質量部の内側に配置されており、
前記固定部は、前記角速度検出信号と加速度検出信号とを出力する端子である、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のセンサ素子。 - 前記角速度検出部は、前記加速度による前記第1質量部および前記第2質量部の共振変位を減衰させる構造からなる、
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のセンサ素子。 - 前記角速度検出部を構成する前記可動側導体および前記固定側導体は、前記第2方向に沿った長尺形状であり、前記第1方向に沿って対向するように配置されている、請求項5に記載のセンサ素子。
- 前記基板の主面に平行であり前記第2方向に沿って、前記第1質量部と前記第2質量部とを互いの振動が逆位相になるように振動可能に支持する支持梁を備えた請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のセンサ素子。
- 請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載のセンサ素子と、
前記第1検出信号と前記第2検出信号とを加算する加算部と、
前記第1検出信号と前記第2検出信号との差分を算出する減算部と、
を備えた複合センサ。 - 前記第1質量部および前記第2質量部を振動させる駆動信号を発生する駆動部と、
前記駆動信号が前記第1質量部および前記第2質量部に印加されることで生じる振動をモニタするモニタ信号を出力するモニタ部と、
前記モニタ信号を用いて、前記加算部から出力される加算信号と、前記減算部から出力される差分信号とを同期検波する同期検波部と、を備える請求項8に記載の複合センサ。 - 前記モニタ信号を90°位相調整する位相調整部を備え、
前記同期検波部は、
前記加算信号を前記モニタ信号で同期検波し、
前記差分信号を前記位相調整部から出力される位相調整モニタ信号で同期検波する、請求項10に記載の複合センサ。
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WO (1) | WO2014092060A1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2013
- 2013-12-10 WO PCT/JP2013/083021 patent/WO2014092060A1/ja active Application Filing
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