JP2008224262A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ軸またはＹ軸の加速度の検出精度を向上した加速度センサを提供することを目的としている。
【解決手段】錘部２と基板６の各々の対向面に第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置して形成した対向電極部を有し、第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０に基準電圧を印加し、第２、第４対向電極１６、２０における対向距離の拡大変位に起因した静電容量変化と、第１、第３対向電極１４、１８における対向距離の縮小変位に起因した静電容量変化とに基づいて加速度を検出しており、第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０の全ての対向距離が、拡大変位または縮小変位した場合は基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を印加する構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる加速度センサに関するものである。

以下、従来の加速度センサについて説明する。

図９は従来の加速度センサの断面図である。

従来の加速度センサは、固定基板６１と、固定基板６１上に配置した台座ガラス６２と、台座ガラス６２上に配置した可撓基板６３と、可撓基板６３の下面に配置した錘部６４とを有する。

また、可撓基板６３の上方には可撓基板６３と対向するようにガラス基板６５を配置し、可撓基板６３とガラス基板６５の対向面には、それぞれ対向電極６６を設けている。

次に、加速度の検出について説明する。

加速度が生じると、錘部６４が加速度の生じた軸方向に移動しようとするために、錘部６４を配置した可撓基板６３に撓みが発生する。そうすると、可撓基板６３とガラス基板６５との対向距離が変化するので、この対向距離の変化に起因した対向電極６６間の静電容量の変化に基づいて、加速度を検出するものである。

このような加速度センサを検出したい検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１０−１７７０３４号公報

上記構成では、対向電極６６間の静電容量の変化（出力される加速度検出信号）に基づいて加速度を検出するが、錘部６４は固定基板６１の上方に中空上に浮いた状態で可撓基板６３の下面に配置されているので、錘部６４はＺ軸方向に変位しやすい。例えば、対向電極６６間が離れるようにＺ軸方向に錘部６４が変位した場合、対向電極６６間の静電容量の値は小さくなる。したがって、この状態において、Ｘ軸またはＹ軸方向に加速度が生じたとしても、この加速度に起因した対向電極６６間の静電容量の変化も小さくなり、Ｘ軸またはＹ軸の加速度の検出精度を劣化させるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決し、Ｘ軸またはＹ軸の加速度の検出精度を向上した加速度センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、特に、検出素子は、可撓部を介して固定部と連結した錘部と、前記錘部と対向させた基板と、前記錘部と前記基板の各々の対向面に電極を配置して形成した対向電極部とを有し、前記対向電極部として、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、前記Ｘ軸上に２つのＸ対向電極部を配置し、加速度検出部は、全ての前記Ｘ対向電極部に基準電圧を印加し、一方の前記Ｘ対向電極部における対向距離の拡大変位に起因した静電容量変化と、他方の前記Ｘ対向電極部における対向距離の縮小変位に起因した静電容量変化に基づいてＸ方向への加速度を検出しており、全ての前記Ｘ対向電極部の対向距離が拡大変位または縮小変位した場合は、前記基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を印加する構成である。

上記構成により、全てのＸ対向電極部に基準電圧を印加し、一方のＸ対向電極部における対向距離の拡大変位に起因した静電容量変化（出力される加速度検出信号の変化）と、他方のＸ対向電極部における対向距離の縮小変位に起因した静電容量変化（出力される加速度検出信号の変化）とに基づいてＸ方向への加速度を検出する際に、全てのＸ対向電極部の対向距離が拡大変位または縮小変位した場合、基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を印加するので、加速度の検出精度の劣化を抑制できる。

静電容量変化に基づいて加速度を検出する際、対向電極部に印加される電圧に応じて加速度検出信号が影響を受ける。対向電極部に印加される電圧が大きければ前記加速度検出信号が大きくなり、対向電極部に印加される電圧が小さければ加速度が小さくなる。

全ての対向電極部の対向距離が拡大変位または縮小変位した場合は、加速度に基づかずに静電容量変化が生じた場合であり、前記対向距離が拡大変位した場合に加速度が生じた場合は、検出される前記加速度検出信号が実際の加速度よりも小さくなり、前記対向距離が縮小変位した場合に加速度が生じた場合は、検出される前記加速度検出信号が実際の加速度よりも大きくなる。

よって、検出基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を対向電極部に印加すれば、加速度に基づかずに静電容量変化が生じたとしても、適正な加速度を検出することができ、検出精度の劣化を抑制できる。

図１は本発明の一実施の形態における複合センサの分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

図１において、本発明の一実施の形態におけるセンサは、加速度検出部と角速度検出部を有する検出素子１を備え、この検出素子１は、可撓部を介して錘部２を連結した固定部４と、錘部２と対向させた基板６と、錘部２と基板６の各々の対向面に電極を配置して形成した対向電極部とを有する。

具体的には、この検出素子１は、第１アーム８を第２アーム１０に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム８の一端を支持する支持部１２と、２つの第１アーム８の他端を接続した枠体形状の固定部４とを有する。第１アーム８の厚みは第２アーム１０の厚みよりも非常に薄く形成しており、第２アーム１０は第２アーム１０自身と対向するまで折曲し、折曲した第２アーム１０の先端部に錘部２を連結している。第１アーム８と支持部１２とは略同一直線上に配置し、第１アーム８および第２アーム１０は検出素子１の中心に対して対称配置している。ここで、可撓部は固定部４と錘部２とを連結する部分を指しており、第１アーム８、第２アーム１０が可撓部に相当する。

また、錘部２に対向させて基板６を配置し、錘部２と基板６の各々の対向面には、第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０を配置して形成した４つの対向電極部を形成している。この対向電極部として、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｘ軸上に２つのＸ対向電極部を配置するとともにＸ軸に平行なＸ平行軸上に２つのＸ対向電極部を配置し、Ｙ軸上に２つのＹ対向電極部を配置するとともにＹ軸に平行なＹ平行軸上に２つのＹ対向電極部を配置している。例えば、一対の対向電極１４、１６がＸ軸上に配置された２つのＸ対向電極部となり、一対の対向電極１８、２０がＸ軸に平行なＸ平行軸上に配置された２つのＸ対向電極部となる。また、一対の対向電極１４、１８がＹ軸上に配置された２つのＹ対向電極部となり、一対の対向電極１６、２０がＹ軸に平行なＹ平行軸上に配置された２つのＹ対向電極部となる。

さらに、互いに対向する一方の２つの第２アーム１０には錘部２を駆動振動させる駆動電極２２および駆動電極２４を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム１０には、第２電極部として第２アーム１０の歪を感知する第１感知電極２６、第２感知電極２８を設けている。

上記の錘部２に配置した第１対向電極〜第４対向電極１４、１６、１８、２０、駆動電極２２、検知電極２４、第１感知電極２６、第２感知電極２８は、図２に示すように、圧電層３０を介在させた上部電極３２と下部電極３４とを有している。

そして、基板６と固定部４と第１アーム８と第２アーム１０と錘部２とは、シリコンを主成分とする材料（ガラスまたは線膨張係数がシリコンに近似した材料も含む）からなり、固定部４と第１アーム８と第２アーム１０と錘部２とを一体成形して、基板６と固定部４とを直接接合して互いに固定している。直接接合の替わりに、接着剤やバンプ等を用いて接合してもよいが、直接接合の方が接着剤やバンプ等の厚みを考慮する必要がないので、錘部２および基板６の各々の対向面の対向距離を正確に保つことができる。

次に、角速度検出部および加速度検出部について説明する。

まず、角速度検出部について説明する。

図３に示すように、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム８をＸ軸方向に配置して、第２アーム１０をＹ軸方向に配置した場合、駆動電極２２に共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動電極２２が配置された第２アーム１０を起点に第２アーム１０が駆動振動し、それに伴って錘部２も第２アーム１０の対向方向（実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動する。また、４つの第２アーム１０および４つの錘部２の全てが同調して第２アーム１０が駆動振動方向に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。

このとき、例えば、Ｚ軸の左周りに角速度が生じた場合は、錘部２の駆動振動と同調して、錘部２に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向（Ｙ軸方向））にコリオリ力が発生するので、第２アーム１０にＺ軸の左周りの角速度に起因した歪を発生させることができる。すなわち、コリオリ力に起因して撓むこの第２アーム１０の状態変化（第２アーム１０に発生した歪）によって、第１、第２感知電極２６、２８から電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

次に、加速度検出部について説明する。

図４に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、基板６をＸＹ平面に配置した場合、加速度が発生していなければ、基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４の対向距離（ｄ１）と、基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６の対向距離（ｄ２）は等しい。図示していないが、第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も等しくなる。

このとき、例えば、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、図５に示すように、錘部２は支持部１２を中心にしてＹ軸周りに回転しようとする。この結果、基板６と錘部２の対向面の第１対向電極１４の対向距離（ｄ１）が小さくなり、基板６と錘部２との対向面の第２対向電極１６の対向距離（ｄ２）が大きくなる。図示していないが、第３対向電極１８の対向距離と第４対向電極２０の対向距離も同様である。すなわち、一対の第１、第４対向電極１４、２０で形成される一方のＸ対向電極部における対向距離の拡大変位と、一対の第２、第３対向電極１６、１８で形成される他方のＸ対向電極部における対向距離の縮小変位とに基づいてＸ方向への加速度を検出している。拡大変位と縮小変位が逆になっても同様である。

一方、Ｙ軸方向に加速度が生じた場合も同様に、錘部２は支持部１２を中心にしてＸ軸周りに回転しようとするため、図示しないが、例えば、第３、第４対向電極１８、２０間の対向距離が大きくなり、第１、第２対向電極１４、１６間の対向距離が小さくなる。すなわち、各々の電極間の静電容量が変化するので、この静電容量変化に基づいてＸ軸方向またはＹ軸方向の加速度を検出するものである。すなわち、一対の第１、第３対向電極１４、１８で形成される一方のＹ対向電極部における対向距離の拡大変位と、一対の第２、第４対向電極１６、２０で形成される他方のＹ対向電極部における縮小変位とに基づいてＹ方向への加速度を検出している。拡大変位と縮小変位が逆になっても同様である。

加速度検出部における検出回路は、図６に示すように、一対の第１対向電極１４と、一対の第２対向電極１６とを有し、第１、第２対向電極１４、１６には基準電圧部２１から所定の基準電圧が印加されている。このとき、基準電圧を「Ｖｒｅｆ」、第１、第２対向電極１４、１６の電極面積を「Ｓ」、対向距離を「ｄ」、電極間の誘電率を「ε」、変位量を「σ」とすると、感度電流（Ｉ）は（数式１）で表され、この感度電流に基づいて加速度が検出される。

また、全ての第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０の対向距離（全てのＸ対向電極部またはＹ対向電極部の対向距離）が拡大変位または縮小変位した場合には、基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を制御電圧部２３から印加している。拡大変位した場合における検出回路を図７に示す。

全ての第１〜第４対向電極１４、１６、１８、２０の対向距離が全く変位しない静止時における基準電流を「Ｉｂ₀」、対向距離が「δ」だけ変位した場合における基準電流を「Ｉｂ」とすると、この制御電圧（Ｖ）は（数式２）で表され、基準電流（Ｉｂ₀）は（数式３）で表され、基準電流（Ｉｂ）は（数式４）で表され、制御電圧（Ｖ）によって制御された感度電流（Ｉｖ）は、（数式５）で表される。

特に、加速度検出部は、全てのＸ対向電極部の対向距離と全てのＹ対向電極部の対向距離とが、拡大変位した場合は基準電圧（ｖｒｅｆ）を上昇させ、縮小変位した場合は基準電圧（ｖｒｅｆ）を下降させた制御電圧を印加すればよい。

また、Ｘ軸およびＸ平行軸の正側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値と、Ｘ軸およびＸ平行軸の負側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値に基づいてＸ方向への加速度を検出し、Ｙ軸およびＹ平行軸の正側に配置された２つのＹ対向電極部における静電容量の和算値と、Ｙ軸およびＹ平行軸の負側に配置された２つのＹ対向電極部における静電容量の和算値に基づいてＹ方向への加速度を検出してもよい。例えば、Ｘ軸およびＸ平行軸の正側に配置された２つのＸ対向電極部とは、第１、第３対向電極１６、２０となり、Ｘ軸およびＸ平行軸の負側に配置された２つのＸ対向電極部とは、第２、第４対向電極１４、１８となり、Ｙ軸およびＹ平行軸の正側に配置された２つのＹ対向電極部とは、第３、第４対向電極１８、２０となり、Ｙ軸およびＹ平行軸の負側に配置された２つのＹ対向電極部とは、第１、第２対向電極１４、１６となる。本実施の形態では、４つの対向電極部が方形状に配置されているので、４つの対向電極部はＸ対向電極部とＹ対向電極部とを互いに兼ねているものである。

上記構成により、全てのＸ対向電極部に基準電圧を印加し、一方のＸ対向電極部における対向距離の拡大変位に起因した静電容量変化と、他方のＸ対向電極部における対向距離の縮小変位に起因した静電容量変化とに基づいてＸ方向への加速度を検出する際に、全てのＸ対向電極部の対向距離が拡大変位または縮小変位した場合、基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を印加するので、加速度の検出精度の劣化を抑制できる。

すなわち、静電容量変化に基づいて加速度を検出する際、対向電極部に印加される電圧に応じて加速度が影響を受ける。対向電極部に印加される電圧が大きければ加速度が大きくなり、対向電極部に印加される電圧が小さければ加速度が小さくなる。

全ての対向電極部の対向距離が拡大変位または縮小変位した場合は、Ｘ軸、Ｙ軸加速度に基づかずに、Ｚ軸方向の加速度（振動等）によって静電容量変化が生じた場合であり、前記対向距離が拡大変位した場合に前記Ｘ軸、Ｙ軸加速度が生じた場合は検出される前記加速度検出信号が実際の加速度よりも小さくなり、前記対向距離が縮小変位した場合に加速度が生じた場合は検出される前記加速度検出信号が実際の加速度よりも大きくなる。

よって、基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を対向電極部に印加すれば、加速度に基づかずに静電容量変化が生じたとしても、適正な加速度を検出することができ、検出精度の劣化を抑制できる。

なお、Ｙ軸上およびＹ軸に平行なＹ平行軸上に対向電極部を配置せずに、Ｘ軸上に２つのＸ対向電極部を配置したり、Ｘ軸に平行なＸ平行軸上に対向電極部を配置したりするだけでもよい。Ｘ軸上に２つのＸ対向電極部を配置し、Ｘ軸に平行なＸ平行軸上に２つのＸ対向電極部を配置した場合は、Ｘ軸およびＸ平行軸の正側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値と、Ｘ軸およびＸ平行軸の負側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値に基づいて、Ｘ方向への加速度を検出すればよい。

また、本発明の実施の形態に用いる具体的な回路ブロックとして、図８に示すものを用いればよい。図８における複合センサは、一対の第１対向電極１４と、一対の第２対向電極１６とを有し（第１対向電極１４と第２対向電極１６は入れ替えてもよい）、第１、第２対向電極１４、１６には制御電圧Vが印加される。この制御電圧Vは基準電圧部２１から供給される基準電圧Ｖｒｅｆを元に生成されており、その構成として基準電圧部２１の出力はレベル調整回路５３に接続され、このレベル調整回路５３の出力はオートゲインコントロール回路５４（ＡＧＣ回路５４）に接続され、ＡＧＣ回路５４の出力は前記第１、第２対向電極１４、１６の接続点に接続されている。加算処理回路５２は複数のＣＶ変換アンプ５０の出力を加算処理する。この加算処理回路５２の出力はレベル検出回路５５に入力され信号電圧レベルを検出出力される。このレベル検出回路５５はＤＣ変換回路や全波整流回路が適しており、信号電圧の電圧振幅レベルを平滑しＤＣ電圧のような安定電圧にする。前記レベル検出回路５５の出力はＡＧＣ回路５４に印加され、前記基準電圧Ｖを基にした信号制御の制御信号として前記ＡＧＣ回路５４の入出力ゲインを調節する。クロック生成回路５６は前記加算処理回路５２の出力を接続し前記基準電圧Ｖと同期したクロック信号を生成する。差動アンプ５１は複数の前記ＣＶ変換アンプ５０を接続し、その差を出力して所望の軸における加速度信号成分を抽出する。検波・出力処理部５７は前記差動アンプ５１を接続し、前記クロック信号のタイミングで前記差動アンプ５１の前記加速度信号成分の検波処理を行い、平滑処理し、増幅、調整し、出力端子５８から出力される。

本発明に係る加速度センサは、加速度の検出精度を向上できるので、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における複合センサの分解斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 基板配置前の同検出素子の斜視図 同検出素子の断面図 加速度発生時における同検出素子の動作状態を示す説明図 制御電圧を印加しない場合における加速度検出部の検出回路図 制御電圧を印加する場合における加速度検出部の検出回路図 同検出回路のブロック図 従来の加速度センサの断面図

符号の説明

１ 検出素子
２ 錘部
４ 固定部
６ 基板
８ 第１アーム
１０ 第２アーム
１２ 支持部
１４ 第１対向電極
１６ 第２対向電極
１８ 第３対向電極
２０ 第４対向電極
２１ 基準電圧部
２２ 駆動電極
２３ 制御電圧部
２４ 検知電極
２６ 第１感知電極
２８ 第２感知電極
３０ 圧電層
３２ 上部電極
３４ 下部電極
５０ ＣＶ変換アンプ
５１ 差動アンプ
５２ 加算処理回路
５３ レベル調整回路
５４ オートゲインコントロール回路（ＡＧＣ回路）
５５ レベル検出回路
５６ クロック生成回路
５７ 検波・出力処理部
５８ 出力端子

Claims (6)

1. 加速度検出部を有する検出素子を備え、
   前記検出素子は、可撓部を介して固定部と連結した錘部と、前記錘部と対向させた基板と、前記錘部と前記基板の各々の対向面に電極を配置して形成した対向電極部とを有し、
   前記対向電極部として、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、前記Ｘ軸上に２つのＸ対向電極部を配置し、
   前記加速度検出部は、
   全ての前記Ｘ対向電極部に基準電圧を印加し、一方の前記Ｘ対向電極部における対向距離の拡大変位に起因した静電容量変化と、他方の前記Ｘ対向電極部における対向距離の縮小変位に起因した静電容量変化とに基づいてＸ方向への加速度を検出しており、
   全ての前記Ｘ対向電極部の対向距離が、拡大変位または縮小変位した場合は前記基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を印加する加速度センサ。
2. 前記加速度検出部は、全ての前記Ｘ対向電極部の対向距離が、拡大変位した場合は前記基準電圧を上昇させ、縮小変位した場合は前記基準電圧を下降させた前記制御電圧を印加する請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記Ｘ軸に平行なＸ平行軸上に２つのＸ対向電極部を配置し、前記Ｘ軸および前記Ｘ平行軸の正側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値と、前記Ｘ軸および前記Ｘ平行軸の負側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値に基づいて、Ｘ方向への加速度を検出する請求項１記載の加速度センサ。
4. 前記対向電極部として、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、前記Ｘ軸上に２つのＸ対向電極部を配置するとともに前記Ｙ軸上に２つのＹ対向電極部を配置し、
   前記加速度検出部は、全てのＸ対向電極部および全てのＹ対向電極部に基準電圧を印加し、
   一方の前記Ｘ対向電極部における対向距離の拡大変位と、他方の前記Ｘ対向電極部における対向距離の縮小変位とに基づいてＸ方向への加速度を検出し、
   一方の前記Ｙ対向電極部における対向距離の拡大変位と、他方の前記Ｙ対向電極部における縮小変位とに基づいてＹ方向への加速度を検出しており、
   全ての前記Ｘ対向電極部の対向距離と全ての前記Ｙ対向電極部の対向距離とが、拡大変位または縮小変位した場合は、前記基準電圧を上昇または下降させた制御電圧を印加する請求項１記載の加速度センサ。
5. 前記加速度検出部は、全ての前記Ｘ対向電極部の対向距離と全ての前記Ｙ対向電極部の対向距離とが、拡大変位した場合は前記基準電圧を上昇させ、縮小変位した場合は前記基準電圧を下降させた前記制御電圧を印加する請求項４記載の加速度センサ。
6. 前記Ｘ軸に平行なＸ平行軸上に２つのＸ対向電極部を配置し、前記Ｘ軸および前記Ｘ平行軸の正側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値と、前記Ｘ軸および前記Ｘ平行軸の負側に配置された２つのＸ対向電極部における静電容量の和算値に基づいてＸ方向への加速度を検出し、前記Ｙ軸に平行なＹ平行軸上に配置された２つのＹ対向電極部を有し、前記Ｙ軸および前記Ｙ平行軸の正側に配置された２つのＹ対向電極部における静電容量の和算値と、前記Ｘ軸および前記Ｙ平行軸の負側に配置された２つのＹ対向電極部における静電容量の和算値に基づいてＹ方向への加速度を検出する請求項４記載の加速度センサ。

Images