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技術 慣性センサー、電子機器および移動体

出願人 セイコーエプソン株式会社
発明者 瀧澤照夫田中悟紙透真一
出願日 2019年3月27日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-060671
公開日 2020年10月1日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-159917
状態 未査定
技術分野 圧力センサ 加速度、衝撃の測定
主要キーワード 被装着装置 ガラスフリット材 横断面形 シーソー揺動 湾曲凸面 被装着体 可動体側 無人飛行機
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年10月1日)のものです。
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図面 (20)

課題

優れた検出精度慣性センサー電子機器および移動体を提供すること。

解決手段

慣性センサーは、基板と、前記基板に対して前記揺動軸まわりに揺動する可動体と、前記基板に設けられ、平面視で前記可動体と重なっている検出電極と、前記基板に設けられ、平面視で前記可動体と重なり、前記可動体と同電位であるダミー電極と、前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なり、前記可動体側に突出し、前記可動体の前記揺動軸まわりの変位規制する突起と、を有し、前記ダミー電極は、前記突起と前記検出電極との間に位置し、かつ、前記突起の周囲の少なくとも一部を囲んで設けられ、前記突起の前記可動体との接触部は、絶縁材料で構成されている。

概要

背景

例えば、特許文献1に記載された慣性センサーは、揺動軸まわりにシーソー揺動する可動体と、可動体の直下に配置されている第1検出電極および第2検出電極と、を有する。この慣性センサーでは、Z軸方向の加速度が加わると、可動体が揺動軸まわりにシーソー揺動し、これにより、可動体と第1検出電極との間の静電容量および可動体と第2検出電極との間の静電容量が逆相変位する。そのため、静電容量の変化量に基づいて、Z軸方向の加速度を検出することができる。

また、第1、第2検出電極にはそれぞれ突起が形成されており、可動体を突起に接触させることにより、可動体のそれ以上の変位を規制している。

概要

優れた検出精度の慣性センサー、電子機器および移動体を提供すること。慣性センサーは、基板と、前記基板に対して前記揺動軸まわりに揺動する可動体と、前記基板に設けられ、平面視で前記可動体と重なっている検出電極と、前記基板に設けられ、平面視で前記可動体と重なり、前記可動体と同電位であるダミー電極と、前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なり、前記可動体側に突出し、前記可動体の前記揺動軸まわりの変位を規制する突起と、を有し、前記ダミー電極は、前記突起と前記検出電極との間に位置し、かつ、前記突起の周囲の少なくとも一部を囲んで設けられ、前記突起の前記可動体との接触部は、絶縁材料で構成されている。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

基板と、揺動軸を挟んで配置され、前記揺動軸まわりの回転モーメントが互いに異なる第1可動部および第2可動部を備え、前記基板に対して前記揺動軸まわりに揺動する可動体と、前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なっている検出電極と、前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なり、前記可動体と同電位であるダミー電極と、前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なり、前記可動体側に突出し、前記可動体の前記揺動軸まわりの変位規制する突起と、を有し、前記ダミー電極は、前記突起と前記検出電極との間に位置し、かつ、前記突起の周囲の少なくとも一部を囲んで設けられ、前記突起の前記可動体との接触部は、絶縁材料で構成されていることを特徴とする慣性センサー

請求項2

前記基板は、前記可動体側に開口する凹部を有し、前記凹部は、第1凹部と第1凹部より深い第2凹部を有し、前記第1凹部の底面に前記検出電極が設けられ、前記第2凹部の底面に前記ダミー電極が設けられ、前記第2凹部の底面から前記突起が突出している請求項1に記載の慣性センサー。

請求項3

前記突起の前記接触部ではない領域にも前記ダミー電極が設けられている請求項1または2に記載の慣性センサー。

請求項4

前記可動体と前記突起との離間距離は、前記可動体と前記検出電極との離間距離よりも大きい請求項1ないし3のいずれか1項に記載の慣性センサー。

請求項5

前記接触部は、丸み付けされている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の慣性センサー。

請求項6

前記突起は、前記基板と一体である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の慣性センサー。

請求項7

前記突起および前記基板の構成材料は、ガラスである請求項6に記載の慣性センサー。

請求項8

前記突起の構成材料のヤング率は、前記可動体の構成材料のヤング率よりも小さい請求項1ないし7のいずれか1項に記載の慣性センサー。

請求項9

請求項1ないし8のいずれか1項に記載の慣性センサーと、前記慣性センサーから出力される検出信号に基づいて制御を行う制御回路と、を有することを特徴とする電子機器

請求項10

請求項1ないし8のいずれか1項に記載の慣性センサーと、前記慣性センサーから出力される検出信号に基づいて制御を行う制御回路と、を有することを特徴とする移動体

技術分野

0001

本発明は、慣性センサー電子機器および移動体に関するものである。

背景技術

0002

例えば、特許文献1に記載された慣性センサーは、揺動軸まわりにシーソー揺動する可動体と、可動体の直下に配置されている第1検出電極および第2検出電極と、を有する。この慣性センサーでは、Z軸方向の加速度が加わると、可動体が揺動軸まわりにシーソー揺動し、これにより、可動体と第1検出電極との間の静電容量および可動体と第2検出電極との間の静電容量が逆相変位する。そのため、静電容量の変化量に基づいて、Z軸方向の加速度を検出することができる。

0003

また、第1、第2検出電極にはそれぞれ突起が形成されており、可動体を突起に接触させることにより、可動体のそれ以上の変位を規制している。

先行技術

0004

特開2017−146312号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、特許文献1の慣性センサーの場合、突起の周囲を検出電極が取り囲んでおり、可動体と検出電極との間には電位差が発生している。この場合、可動体が突起に貼り付くと可動体と検出電極との間の電位差に起因する静電引力により、貼り付きが解除されにくくなるおそれがある。

課題を解決するための手段

0006

本実施形態に記載の慣性センサーは、基板と、
揺動軸を挟んで配置され、前記揺動軸まわりの回転モーメントが互いに異なる第1可動部および第2可動部を備え、前記基板に対して前記揺動軸まわりに揺動する可動体と、
前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なっている検出電極と、
前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なり、前記可動体と同電位であるダミー電極と、
前記基板に設けられ、平面視で前記第1可動部と重なり、前記可動体側に突出し、前記可動体の前記揺動軸まわりの変位を規制する突起と、を有し、
前記ダミー電極は、前記突起と前記検出電極との間に位置し、かつ、前記突起の周囲の少なくとも一部を囲んで設けられ、
前記突起の前記可動体との接触部は、絶縁材料で構成されていることを特徴とする。

図面の簡単な説明

0007

第1実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。
図1中のA−A線断面図。
図1中のB−B線断面図。
図1中のC−C線断面図。
図1の慣性センサーの平面図。
図1の慣性センサーの変形例を示す平面図。
第2実施形態に係る慣性センサーを示す断面図。
第2実施形態に係る慣性センサーを示す断面図。
第3実施形態に係る慣性センサーを示す断面図。
第3実施形態に係る慣性センサーを示す断面図。
第4実施形態に係る慣性センサーを示す断面図。
第4実施形態に係る慣性センサーを示す断面図。
第5実施形態に係る慣性センサーを示す平面図。
第6実施形態に係るスマートフォンを示す平面図。
第7実施形態に係る慣性計測装置を示す分解斜視図。
図15に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図。
第8実施形態に係る移動体測位装置の全体システムを示すブロック図。
図17に示す移動体測位装置の作用を示す図。
第9実施形態に係る移動体を示す斜視図。

実施例

0008

以下、本発明の慣性センサー、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

0009

<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。図2は、図1中のA−A線断面図である。図3は、図1中のB−B線断面図である。図4は、図1中のC−C線断面図である。図5は、図1の慣性センサーの平面図である。図6は、図1の慣性センサーの変形例を示す平面図である。以下では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸をX軸、Y軸およびZ軸とし、X軸に平行な方向を「X軸方向」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」とも言う。また、各軸の矢印方向先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Z軸方向プラス側を「上」とも言い、Z軸方向マイナス側を「下」とも言う。また、Z軸方向から見た平面視を単に「平面視」とも言う。

0010

図1および図2に示す慣性センサー1は、Z軸方向の加速度Azを検出することのできるセンサーである。このような慣性センサー1は、基板2と、基板2の上側に設けられているセンサー素子3と、センサー素子3を覆って基板2の上面に接合されている蓋5と、を有する。

0011

基板2は、上面に開口する凹部21を有する。凹部21は、平面視で、センサー素子3を内包するように、センサー素子3よりも大きく形成されている。また、凹部21は、基板2の上面に開口する第1凹部211と、第1凹部211の底面に開口する第2凹部212と、を有する。第2凹部212は、第1凹部211のX軸方向マイナス側の端部に開口している。言い換えると、凹部21は、第1の深さの第1凹部211と第1の深さより深い第2の深さの第2凹部212と、を有する。そして、第2凹部212は、第1凹部211のX軸方向マイナス側に位置している。

0012

また、基板2は、第1凹部211の底面から上側に向けて突出しているマウント22を有する。そして、マウント22の上面にセンサー素子3が接合されている。また、基板2は、第2凹部212の底面から上側に向けて突出している2つの突起23、24を有する。つまり、突起23、24は、基板2と一体である。また、突起23、24は、平面視で、センサー素子3が有する後述する可動体32と重なって設けられている。これら突起23、24は、可動体32が過度に変位すなわち揺動した際に、可動体32と接触し、可動体32のそれ以上の変位を規制するストッパーとして機能する。可動体32の揺動が停止しているかまたは適正範囲で行われているときには、可動体32は、突起23、24に接触しない。なお、突起23、24については、後に詳細に説明する。

0013

また、基板2には電極8が設けられている。電極8は、第1凹部211の底面に配置されている第1検出電極81および第2検出電極82と、第2凹部212の底面に配置されているダミー電極83と、を有する。また、基板2は、上面に開口する溝部を有し、溝部には、配線75、76、77が設けられている。また、配線75は、センサー素子3およびダミー電極83と電気的に接続され、配線76は、第1検出電極81と電気的に接続され、配線77は、第2検出電極82と電気的に接続されている。また、各配線75、76、77の一端部は、蓋5外に露出し、外部装置との電気的な接続を行う電極パッドとして機能する。

0014

このような基板2の構成材料としては、例えば、Na+等の可動イオンであるアルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックスガラステンパックガラス(いずれも登録商標)のような硼珪酸ガラスを用いることができる。このように、基板2をガラス材料で構成することにより、基板2の加工が容易となる。また、センサー素子3の母材であるシリコン基板陽極接合により基板2に接合することができるため、センサー素子3の形成が容易となる。また、透明な基板2が得られるため、基板2を介して収納空間S内を視認することともできる。ただし、基板2の構成材料としては、特に限定されず、例えば、シリコン水晶石英等を用いてもよい。

0015

また、蓋5は、下面に開口する凹部51を有する。蓋5は、凹部51内にセンサー素子3を収納するようにして、基板2の上面に接合されている。そして、蓋5および基板2によって、その内側に、センサー素子3を収納する収納空間Sが形成されている。また、図2に示すように、蓋5は、収納空間Sの内外を連通する貫通孔52を有し、貫通孔52は、封止材53によって封止されている。この貫通孔52を介して、収納空間Sの雰囲気を所望の雰囲気に置換することができる。収納空間Sは、気密空間であり、窒素ヘリウムアルゴン等の不活性ガス封入されており、使用温度、例えば、−40℃〜125℃程度で、ほぼ大気圧となっていることが好ましい。ただし、収納空間Sの雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。

0016

このような蓋5の構成材料としては、例えば、シリコンを用いることができる。ただし、蓋5の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶、石英等を用いてもよい。また、基板2と蓋5との接合方法としては、特に限定されず、基板2や蓋5の材料によって適宜選択すればよく、例えば、陽極接合、プラズマ照射によって活性化させた接合面同士を接合させる活性化接合ガラスフリット等の接合材による接合、基板2の上面および蓋5の下面に成膜した金属膜同士を接合する金属共晶接合等を用いることができる。本実施形態では、蓋5の下面の全周にわたって形成されている接合部材59を介して接合されている。接合部材59としては、例えば、低融点ガラスであるガラスフリット材を用いることができる。

0017

センサー素子3は、例えば、リン(P)、ボロン(B)、砒素(As)等の不純物がドープされている導電性のシリコン基板をドライエッチング、特に、ボッシュ・プロセスによってパターニングすることにより形成されている。このようなセンサー素子3は、マウント22の上面に陽極接合されている固定部31と、固定部31に対して変位可能な可動体32と、固定部31と可動体32とを接続する梁33と、を有する。なお、マウント22と固定部31との接合方法は、陽極接合に限定されない。

0018

センサー素子3に加速度Azが作用すると、可動体32が基板2に対して梁33で形成される揺動軸Jまわりに梁33を捩り変形させつつシーソー揺動する。可動体32は、平面視で、X軸方向を長手とする長手形状である。また、可動体32は、平面視で、揺動軸Jを間に挟んで配置された第1可動部321および第2可動部322を有する。第1可動部321は、揺動軸Jに対してX軸方向のマイナス側に位置し、第2可動部322は、揺動軸Jに対してX軸方向のプラス側に位置する。また、第1可動部321は、第2可動部322よりもX軸方向に長く、加速度Azが加わったときの揺動軸Jまわりの回転モーメントが第2可動部322のそれよりも大きい。

0019

この回転モーメントの差によって、加速度Azが加わった際に可動体32が揺動軸Jまわりにシーソー揺動する。なお、シーソー揺動とは、第1可動部321がZ軸方向プラス側に変位すると、第2可動部322がZ軸方向マイナス側に変位し、反対に、第1可動部321がZ軸方向マイナス側に変位すると、第2可動部322がZ軸方向プラス側に変位するように揺動することを意味する。

0020

また、可動体32は、その厚さ方向に貫通する複数のダンピング孔325を有する。複数のダンピング孔325は、第1可動部321および第2可動部322の全域に亘って均一に配置され、特に、本実施形態では、X軸方向とY軸方向とに並ぶ行列状に配置されている。また、複数のダンピング孔325は、それぞれ、横断面形状が正方形であり、互いに同じ形状および大きさとなっている。

0021

また、可動体32は、第1可動部321と第2可動部322との間に位置する貫通孔324を有する。そして、貫通孔324内に固定部31および梁33が配置されている。このような構成とすることにより、センサー素子3の小型化を図ることができる。ただし、固定部31や梁33の配置は、特に限定されず、例えば、後述する実施形態のように、可動体32の外側にあってもよい。

0022

ここで、凹部21に設けられている電極8の説明に戻る。図1および図2に示すように、第1検出電極81は、第1可動部321の基端部と対向して配置され、第2検出電極82は、第2可動部322と対向して配置され、ダミー電極83は、第1可動部321の先端部と対向して配置されている。言い換えると、Z軸方向からの平面視で、第1検出電極81は、第1可動部321の基端部と重なって配置され、第2検出電極82は、第2可動部322と重なって配置され、ダミー電極83は、第1可動部321の先端部と重なって配置されている。

0023

慣性センサー1の駆動時には、配線75を介してセンサー素子3に駆動電圧印加され、配線76、77を介して第1、第2検出電極81、82がチャージアンプに接続される。これにより、第1可動部321と第1検出電極81との間に静電容量Caが形成され、第2可動部322と第2検出電極82との間に静電容量Cbが形成される。慣性センサー1に加速度Azが加わって、可動体32がシーソー揺動すると、第1可動部321と第1検出電極81とのギャップおよび第2可動部322と第2検出電極82とのギャップが互いに逆相で変化し、これに応じて静電容量Ca、Cbが互いに逆相で変化する。そのため、これら静電容量Ca、Cbの変化に基づいて、加速度Azを検出することができる。

0024

なお、加速度Azの検出に用いないダミー電極83は、次の機能を有する。例えば、基板2の表面が凹部21の底面から露出していると、基板2に含まれるアルカリ金属イオンの移動に起因して凹部21の底面が帯電することにより、凹部21の底面と可動体32との間に静電引力が生じる。そのため、当該静電引力すなわち検出対象である加速度Az以外の力によって可動体32が揺動してしまい、加速度Azの検出精度が低下するおそれがある。そこで、基板2の表面が凹部21の底面からなるべく露出しないように、第1、第2検出電極81、82以外の領域にダミー電極83を配置している。なお、ダミー電極83は、センサー素子3と同電位であるため、ダミー電極83と可動体32との間には実質的に静電引力が作用しない。

0025

また、突起23、24の周囲を第1検出電極81が取り囲んでいる場合、可動体32と第1検出電極81との間に電位差が発生している。この場合、可動体32が突起23、24に貼り付くと電位差に起因する静電引力により、貼り付きが解除されにくくなる。そこで、上述したように、基板2の表面が凹部21の底面からなるべく露出しないように、第1、第2検出電極81、82以外の領域にダミー電極83を配置している。なお、ダミー電極83は、センサー素子3と同電位であるため、ダミー電極83と可動体32との間には実質的に静電引力が作用しない。

0026

ここで、衝撃等の過度な加速度Azが加わって、可動体32が揺動軸Jまわりに過度に揺動すると、図3および図4に示すように、第1可動部321が、第1検出電極81と接触する前に、突起23、24の頂面231、241と接触し、それ以上の揺動が規制される。これにより、可動体32と第1検出電極81との接触が阻止され、検出不具合の発生を抑制することができる。また、梁33に過度なストレスが加わるのを抑制することができ、センサー素子3の破損を抑制することもできる。また、梁33の復元力(第1可動部321をZ軸方向プラス側に引き付ける力)よりも第1可動部321と第1検出電極81との間の静電引力(第1可動部321をZ軸方向マイナス側に引き付ける力)が大きくなる前に、可動体32を突起23、24に接触させることにより、可動体32のプルインを抑制することもできる。なお、プルインとは、第1可動部321と第1検出電極81との間の静電引力によって、第1可動部321が第1検出電極81側に引き付けられた状態が維持される状態を言う。

0027

また、突起23、24は、第1可動部321の先端部と接触するように設けられている。そのため、第1検出電極81を突起23、24に邪魔されることなく配置することができ、第1検出電極81の面積を十分に大きく確保することができる。また、後述するように、突起23、24の周囲にダミー電極83を配置し易くもなる。また、図5に示すように、突起23、24は、Y軸方向に並んで、互いに離間して配置されている。そして、突起23は、第1可動部321のY軸方向プラス側の角部と接触し、突起24は、第1可動部321のY軸方向マイナス側の角部と接触する。これにより、突起23、24によって可動体32をバランスよく受け止めることができ、突起23、24との接触時における可動体32の姿勢の変化や変形を効果的に抑制することができる。

0028

また、突起23、24の表面には電極8が設けられていない。つまり、突起23、24の頂面231、241は、基板2が露出し、剥き出しになっている。そのため、頂面231、241が直接、可動体32と接触する。例えば、従来技術のように、頂面231、241に膜が設けられていると、可動体32との接触時に当該膜が剥がれるおそれがあり、剥がれた膜が他の部分と接触したり、付着したりすることにより、慣性センサー1の故障や、性能劣化を招くおそれがある。これに対して、本実施形態のように、頂面231、241に膜を設けず、基板2を露出させることにより、上述の問題が生じず、高い性能を経時的に維持することができる。

0029

突起23、24の頂面231、241が露出しているため、基板2に含まれるアルカリ金属イオンの移動に起因して頂面231、241が帯電し、頂面231、241と可動体32との間に静電引力が生じて可動体32が不本意に揺動、さらには可動体32が突起23、24に貼り付くおそれがある。また、可動体32と突起23、24との接触が繰り返されることでも突起23、24が帯電し、頂面231、241と可動体32との間に静電引力が生じて可動体32が不本意に揺動、さらには可動体32が突起23、24に貼り付くおそれもある。そこで、慣性センサー1では、可動体32と同電位であるダミー電極83によって突起23、24の全周を囲んでいる。これにより、突起23、24の帯電が抑制され、上述した可動体32の不本意な揺動を効果的に抑制することができる。また、ダミー電極83により突起23、24の帯電が抑制されるので、可動体32の突起23、24への貼り付きを抑制することができる。また、突起23、24の周囲をダミー電極83が取り囲んでいるため、可動体32と突起23、24を引き付ける静電引力を抑制することができ、可動体32の突起23、24への貼り付きを抑制することができる。

0030

特に、本実施形態では、突起23、24と第1検出電極81との間にダミー電極83が設けられているため、第1検出電極81からの静電引力を抑制することができる。ダミー電極83は可動体32と同じ電位を供給されているため、ダミー電極83を突起23、24に近接させて設けることができる。そのため、上述した効果をより顕著に発揮することができる。なお、ダミー電極83は、平面視で、突起23、24の周囲の少なくとも一部を囲んでいればよく、例えば、図6に示す構成であってもよい。

0031

なお、慣性センサー1に、振動・衝撃などの高い耐環境性能が求められる場合は、第1凹部211に突起23、24を設けてもよい。これにより、可動体32が揺動軸Jまわりの揺動を早い段階で規制することができ、センサー素子3の破損を抑制することができる。このとき、突起23、24は、ダミー電極83を延長したダミー電極83により、全周がダミー電極83で囲まれている。これにより、突起23、24の帯電が抑制され、上述した可動体32の不本意な揺動を効果的に抑制することができる。また、ダミー電極83により突起23、24の帯電が抑制されるので、可動体32の突起23、24への貼り付きを抑制することができる。

0032

また、図2に示すように、突起23、24の頂面231、241と可動体32との離間距離D1は、第1検出電極81と可動体32との離間距離D2よりも大きい。つまり、D1>D2である。これにより、頂面231、241と可動体32とを十分に離間させることができる。そのため、仮に、前述したような原因によって突起23、24が帯電してしまったとしても、突起23、24と可動体32との間に生じる静電引力を十分に小さくすることができる。そのため、可動体32の不本意な揺動をより効果的に抑制することができる。

0033

特に、本実施形態では、突起23、24の頂面231、241は、第1凹部211の底面と面一である。言い換えると、頂面231、241は、第1凹部211の底面の一部として構成されている。これにより、突起23、24の形成が容易となる。ただし、突起23、24の高さは、特に限定されず、D1≦D2であってもよい。また、突起23、24の頂面231、241は、第1凹部211の底面よりも上側に位置していてもよいし、下側に位置していてもよい。

0034

また、前述したように、突起23、24は、基板2と一体である。そのため、突起23、24の形成が容易となる。また、突起23、24の靭性を高めることができ、突起23、24の損傷を効果的に抑制することもできる。ただし、突起23、24は、基板2と別体で形成し、接着剤等によって基板2に接合されていてもよい。

0035

また、突起23、24の構成材料は、ガラス材料であり、そのヤング率は、80GPa程度である。一方、可動体32の構成材料は、シリコンであり、そのヤング率は、185GPa程度である。つまり、突起23、24の構成材料のヤング率は、可動体32の構成材料のヤング率よりも小さい。そのため、突起23、24を可動体32に対して柔らかくすることができ、接触時の衝撃を緩和することができ、可動体32の破損を抑制することができる。ただし、これに限定されず、突起23、24の構成材料のヤング率は、可動体32の構成材料のヤング率と等しくてもよいし、可動体32の構成材料のヤング率よりも大きくてもよい。なお、突起23、24の形状、寸法、配置、形成個数、構成材料等の諸条件は、前述のものに限定されない。例えば、突起23、24の平面視形状は、X軸方向またはY軸方向に延在する長手形状であってもよい。

0036

可動体32の説明に戻って、図3および図4に示すように、第1可動部321は、その厚さ方向に貫通する2つの貫通孔326、327を有する。また、貫通孔326は、平面視で、突起23と重なって設けられ、貫通孔327は、平面視で、突起24と重なって設けられている。また、貫通孔326、327の下側開口の幅W1は、突起23、24の頂面231、241の幅W2よりも小さい。すなわち、W1<W2である。このような関係とすることにより、平面視で、頂面231、241の中央部が貫通孔326、327と重なり、頂面231、241の外縁部が第1可動部321の下面と重なる。そのため、突起23、24の靱性を低下させることなく、突起23、24と可動体32とを小面積で接触させることができる。その結果、突起23、24と可動体32との貼り付きをより効果的に抑制することができる。

0037

なお、本実施形態では、貫通孔326、327が円形であるため、幅W1は、直径と等しい。同様に、本実施形態では、頂面231、241が円形であるため、幅W2は、直径と等しい。ただし、貫通孔326、327の形状は、円形に限定されず、例えば、楕円形長円形三角形四角形五角形以上の多角形異形等であってもよい。同様に、頂面231、241の形状は、円形に限定されず、例えば、楕円形、長円形、三角形、四角形、五角形以上の多角形、異形等であってもよい。また、貫通孔326、327と頂面231、241の形状は、互いに異なっていてもよい。

0038

以上、慣性センサー1について説明した。このような慣性センサー1は、前述したように、基板2と、揺動軸Jを挟んで配置され、揺動軸Jまわりの回転モーメントが互いに異なる第1可動部321および第2可動部322を備え、基板2に対して揺動軸Jまわりに揺動する可動体32と、基板2に設けられ、平面視で第1可動部321と重なっている検出電極としての第1検出電極81と、基板2に設けられ、平面視で第1可動部321と重なり、可動体32と同電位であるダミー電極83と、基板2に設けられ、平面視で第1可動部321と重なり、可動体32側に突出し、可動体32の揺動軸Jまわりの変位を規制する突起23、24と、を有する。そして、ダミー電極83は、突起23、24と第1検出電極81との間に位置し、かつ、突起23、24の周囲の少なくとも一部、本実施形態では全周を囲んで設けられている。また、突起23、24の可動体32との接触部である頂面231、241は、絶縁材料、本実施形態ではガラス材料で構成されている。

0039

このような構成によれば、ダミー電極83によって突起23、24の帯電が抑制されるため、突起23、24と可動体32との間に静電引力が生じるのを抑制することができる。また、ダミー電極83により突起23、24の帯電が抑制されるので、可動体32の突起23、24への貼り付きを抑制することができる。また、突起23、24の周囲をダミー電極83が取り囲んでいるため、可動体32と突起23、24を引き付ける静電引力を抑制することができ、可動体32の突起23、24への貼り付きを抑制することができる。そのため、検出対象である加速度Az以外の力による可動体32の揺動を抑制することができ、加速度Azの検出精度が向上する。

0040

また、前述したように、基板2は、可動体32側の主面である上面に開口する第1凹部211と、第1凹部211の底面に開口する第2凹部212と、を有する。言い換えると、基板2は、可動体32側に開口する凹部を有し、この凹部は、第1凹部211と第1凹部211より深い第2凹部212を有する。そして、第1凹部211の底面に第1検出電極81が設けられ、第2凹部212の底面にダミー電極83が設けられ、第2凹部212の底面から突起23、24が突出している。これにより、基板2の構成が簡単なものとなる。

0041

また、前述したように、可動体32と突起23、24との離間距離D1は、可動体32と第1検出電極81との離間距離D2よりも大きい。つまり、D1>D2である。これにより、突起23、24と可動体32とを十分に離間させることができる。そのため、仮に、突起23、24が帯電してしまったとしても、突起23、24と可動体32との間に生じる静電引力を十分に小さくすることができる。そのため、可動体32の不本意な揺動をより効果的に抑制することができる。

0042

また、前述したように、突起23、24は、基板2と一体である。これにより、突起23、24の形成が容易となる。また、突起23、24の靭性を高めることができ、突起23、24の損傷を効果的に抑制することもできる。

0043

また、前述したように、突起23、24および基板2の構成材料は、ガラスである。これにより、突起23、24を基板2と一体形成し易くなる。

0044

また、前述したように、突起23、24の構成材料のヤング率は、可動体32の構成材料のヤング率よりも小さい。これにより、突起23、24を可動体32に対して十分に柔らかくすることができる。そのため、突起23、24との接触による可動体32の破損を効果的に抑制することができる。

0045

<第2実施形態>
図7および図8は、第2実施形態に係る慣性センサーを示す断面図である。

0046

本実施形態は、ダミー電極83の配置が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図7および図8において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。また、図7は、図1中のB−B線断面に相当し、図8は、図1中のC−C線断面に相当する。

0047

図7および図8に示すように、ダミー電極83は、突起23、24の側面232、242にも設けられている。つまり、突起23、24の可動体32との接触部である頂面231、241以外の領域にもダミー電極83が設けられている。このように、突起23、24にもダミー電極83を配置することにより、突起23、24の帯電をより効果的に抑制することができる。

0048

このように、本実施形態の慣性センサー1では、突起23、24の接触部としての頂面231、241ではない領域である側面232、242にもダミー電極83が設けられている。これにより、突起23、24の帯電をより効果的に抑制することができる。

0049

<第3実施形態>
図9および図10は、第3実施形態に係る慣性センサーを示す断面図である。

0050

本実施形態は、突起23、24の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図9および図10において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。また、図9は、図1中のB−B線断面に相当し、図10は、図1中のC−C線断面に相当する。

0051

図9および図10に示すように、突起23、24の頂面231、241は、丸み付けされており、曲面、具体的には湾曲凸面で構成されている。これにより、例えば、前述した第1実施形態と比べて、頂面231、241と可動体32との接触面積が減り、突起23、24と可動体32との貼り付きをより効果的に抑制することができる。

0052

このように、本実施形態の慣性センサー1では、接触部としての頂面231、241は、丸み付けされている。これにより、例えば、前述した第1実施形態と比べて、頂面231、241と可動体32との接触面積が減り、突起23、24と可動体32との貼り付きをより効果的に抑制することができる。

0053

<第4実施形態>
図11および図12は、第4実施形態に係る慣性センサーを示す断面図である。

0054

本実施形態は、突起23、24の構成が異なること以外は、前述した第3実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図11および図12において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。また、図11は、図1中のB−B線断面に相当し、図12は、図1中のC−C線断面に相当する。

0055

図11および図12に示すように、慣性センサー1は、突起23、24の表面を覆う絶縁膜9を有する。これにより、基板2に含まれるアルカリ金属イオンが表面に露出するのを抑制することができ、突起23、24と可動体32との間に静電引力が生じるのを効果的に抑制することができる。なお、絶縁膜9としては、特に限定されず、例えば、酸化シリコン窒化シリコンで構成することができる。

0056

<第5実施形態>
図13は、第5実施形態に係る慣性センサーを示す平面図である。

0057

本実施形態は、センサー素子3の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図13において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

0058

図13に示すように、本実施形態のセンサー素子3では、固定部31が可動体32の外側に位置しており、可動体32を囲む枠状をなしている。そして、固定部31は、基板2の上面に陽極接合されている。このように、固定部31が基板2の上面に接合されているため、基板2からはマウント22が省略されている。また、梁33は、固定部31と可動体32との間に位置している。

0059

<第6実施形態>
図14は、第6実施形態に係るスマートフォンを示す平面図である。

0060

図14に示す電子機器としてのスマートフォン1200は、慣性センサー1と、慣性センサー1から出力される検出信号に基づいて制御を行う制御回路1210と、が内蔵されている。慣性センサー1によって検出された検出データは、制御回路1210に送信され、制御回路1210は、受信した検出データからスマートフォン1200の姿勢や挙動を認識して、表示部1208に表示されている表示画像を変化させたり、警告音効果音を鳴らしたり、振動モーターを駆動して本体を振動させることができる。

0061

このような電子機器としてのスマートフォン1200は、慣性センサー1と、慣性センサー1から出力される検出信号に基づいて制御を行う制御回路1210と、を有する。そのため、前述した慣性センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

0063

<第7実施形態>
図15は、第7実施形態に係る慣性計測装置を示す分解斜視図である。図16は、図15に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。

0064

図15に示す電子機器としての慣性計測装置2000(IMU:Inertial Measurement Unit)は、自動車や、ロボットなどの被装着装置の姿勢や、挙動を検出する慣性計測装置である。慣性計測装置2000は、3軸加速度センサーおよび3軸角速度センサーを備えた6軸モーションセンサーとして機能する。

0065

慣性計測装置2000は、平面形状が略正方形直方体である。また、正方形の対角線方向に位置する2ヶ所の頂点近傍に固定部としてのネジ穴2110が形成されている。この2ヶ所のネジ穴2110に2本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置2000を固定することができる。なお、部品選定設計変更により、例えば、スマートフォンや、デジタルスチールカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。

0066

慣性計測装置2000は、アウターケース2100と、接合部材2200と、センサーモジュール2300と、を有し、アウターケース2100の内部に、接合部材2200を介在させて、センサーモジュール2300を挿入した構成となっている。アウターケース2100の外形は、前述した慣性計測装置2000の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する2ヶ所の頂点近傍に、それぞれネジ穴2110が形成されている。また、アウターケース2100は、箱状であり、その内部にセンサーモジュール2300が収納されている。

0067

センサーモジュール2300は、インナーケース2310と、基板2320と、を有している。インナーケース2310は、基板2320を支持する部材であり、アウターケース2100の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース2310には、基板2320との接触を抑制するための凹部2311や後述するコネクター2330を露出させるための開口2312が形成されている。このようなインナーケース2310は、接合部材2200を介してアウターケース2100に接合されている。また、インナーケース2310の下面には接着剤を介して基板2320が接合されている。

0068

図16に示すように、基板2320の上面には、コネクター2330、Z軸まわりの角速度を検出する角速度センサー2340z、X軸、Y軸およびZ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサー2350などが実装されている。また、基板2320の側面には、X軸まわりの角速度を検出する角速度センサー2340xおよびY軸まわりの角速度を検出する角速度センサー2340yが実装されている。そして、加速度センサー2350として、本発明の慣性センサーを用いることができる。

0069

また、基板2320の下面には、制御IC2360が実装されている。制御IC2360は、MCU(Micro Controller Unit)であり、慣性計測装置2000の各部を制御する。記憶部には、加速度および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。なお、基板2320にはその他にも複数の電子部品が実装されている。

0070

<第8実施形態>
図17は、第8実施形態に係る移動体測位装置の全体システムを示すブロック図である。図18は、図17に示す移動体測位装置の作用を示す図である。

0071

図17に示す移動体測位装置3000は、移動体に装着して用い、当該移動体の測位を行うための装置である。なお、移動体としては、特に限定されず、自転車、自動車、自動二輪車電車飛行機等のいずれでもよいが、本実施形態では移動体として四輪自動車を用いた場合について説明する。

0072

移動体測位装置3000は、慣性計測装置3100(IMU)と、演算処理部3200と、GPS受信部3300と、受信アンテナ3400と、位置情報取得部3500と、位置合成部3600と、処理部3700と、通信部3800と、表示部3900と、を有している。なお、慣性計測装置3100としては、例えば、前述した慣性計測装置2000を用いることができる。

0073

慣性計測装置3100は、3軸の加速度センサー3110と、3軸の角速度センサー3120と、を有している。演算処理部3200は、加速度センサー3110からの加速度データおよび角速度センサー3120からの角速度データを受け、これらデータに対して慣性航法演算処理を行い、移動体の加速度および姿勢を含む慣性航法測位データを出力する。

0074

また、GPS受信部3300は、受信アンテナ3400を介してGPS衛星からの信号を受信する。また、位置情報取得部3500は、GPS受信部3300が受信した信号に基づいて、移動体測位装置3000の位置(緯度経度、高度)、速度、方位を表すGPS測位データを出力する。このGPS測位データには、受信状態受信時刻等を示すステータスデータも含まれている。

0075

位置合成部3600は、演算処理部3200から出力された慣性航法測位データおよび位置情報取得部3500から出力されたGPS測位データに基づいて、移動体の位置、具体的には移動体が地面のどの位置を走行しているかを算出する。例えば、GPS測位データに含まれている移動体の位置が同じであっても、図18に示すように、地面の傾斜θ等の影響によって移動体の姿勢が異なっていれば、地面の異なる位置を移動体が走行していることになる。そのため、GPS測位データだけでは移動体の正確な位置を算出することができない。そこで、位置合成部3600は、慣性航法測位データを用いて、移動体が地面のどの位置を走行しているのかを算出する。

0076

位置合成部3600から出力された位置データは、処理部3700によって所定の処理が行われ、測位結果として表示部3900に表示される。また、位置データは、通信部3800によって外部装置に送信されるようになっていてもよい。

0077

<第9実施形態>
図19は、第9実施形態に係る移動体を示す斜視図である。

0078

図19に示す移動体としての自動車1500は、エンジンシステムブレーキシステムおよびキーレスエントリーシステムの少なくとも何れかのシステム1510と、慣性センサー1と、制御回路1502と、が内蔵されており、慣性センサー1によって車体の姿勢を検出することができる。慣性センサー1の検出信号は、制御回路1502に供給され、制御回路1502は、その信号に基づいてシステム1510を制御することができる。

0079

このように、移動体としての自動車1500は、慣性センサー1と、慣性センサー1から出力される検出信号に基づいて制御を行う制御回路1502と、を有する。そのため、自動車1500は、前述した慣性センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

0080

なお、慣性センサー1は、他にも、カーナビゲーションシステムカーエアコンアンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロールハイブリッド自動車電気自動車電池モニター等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。また、移動体としては、自動車1500に限定されず、例えば、飛行機、ロケット人工衛星、船舶、AGV無人搬送車)、二足歩行ロボットドローン等の無人飛行機等にも適用することができる。

0081

以上、本発明の慣性センサー、電子機器および移動体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

0082

1…慣性センサー、2…基板、21…凹部、211…第1凹部、212…第2凹部、22…マウント、23…突起、231…頂面、232…側面、24…突起、241…頂面、242…側面、3…センサー素子、31…固定部、32…可動体、321…第1可動部、322…第2可動部、324…貫通孔、325…ダンピング孔、326…貫通孔、327…貫通孔、33…梁、5…蓋、51…凹部、52…貫通孔、53…封止材、59…接合部材、75、76、77…配線、8…電極、81…第1検出電極、82…第2検出電極、83…ダミー電極、9…絶縁膜、1200…スマートフォン、1208…表示部、1210…制御回路、1500…自動車、1502…制御回路、1510…システム、2000…慣性計測装置、2100…アウターケース、2110…ネジ穴、2200…接合部材、2300…センサーモジュール、2310…インナーケース、2311…凹部、2312…開口、2320…基板、2330…コネクター、2340x…角速度センサー、2340y…角速度センサー、2340z…角速度センサー、2350…加速度センサー、2360…制御IC、3000…移動体測位装置、3100…慣性計測装置、3110…加速度センサー、3120…角速度センサー、3200…演算処理部、3300…GPS受信部、3400…受信アンテナ、3500…位置情報取得部、3600…位置合成部、3700…処理部、3800…通信部、3900…表示部、Az…加速度、Ca、Cb…静電容量、D1、D2…離間距離、J…揺動軸、S…収納空間、W1、W2…幅、θ…傾斜

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