JP5519833B2

JP5519833B2 - センサ

Info

Publication number: JP5519833B2
Application number: JP2013113520A
Authority: JP
Inventors: ウンキム，ジョン; サンリ，ゼ; キュジョン，ウォン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: JP2014130164A; JP2013246179A; US20130327144A1; KR101299729B1; JP5816322B2

Description

本発明は、センサに関する。

最近、センサは、人工衛星、ミサイル、無人航空機などの軍需用を始め、エアバッグ（ＡｉｒＢａｇ）、ＥＳＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙＣｏｎｔｒｏｌ）、車両用ブラックボックス（ＢｌａｃｋＢｏｘ）などの車両用、カムコーダの手振れ防止用、携帯電話やゲーム機のモーションセンシング用、ナビゲーション用など、様々な用途に用いられている。

このようなセンサは、加速度、角速度または力などを測定するために、通常、メンブレイン（Ｍｅｍｂｒａｎｅ）などの弾性基板に質量体を接着した構成を採用している。上記の構成により、センサは質量体に印加される慣性力を測定して加速度を算出したり、質量体に印加されるコリオリ力を測定して角速度を算出して、質量体に直接印加される外力を測定して力を算出する。

センサを用いて加速度及び角速度を測定する過程を具体的に説明すると、次のとおりである。まず、加速度は、ニュートンの運動法則「Ｆ＝ｍａ」式によって求めることができる。ここで、「Ｆ」は質量体に作用する慣性力、「ｍ」は質量体の質量、「ａ」は測定しようとする加速度である。このうち、質量体に作用する慣性力（Ｆ）を検知して、一定値である質量体の質量（ｍ）で割ることで加速度（ａ）を求めることができる。また、角速度は、コリオリ力（ＣｏｒｉｏｌｉｓＦｏｒｃｅ）「Ｆ＝２ｍΩ×ｖ」式によって求めることができる。ここで、「Ｆ」は質量体に作用するコリオリ力、「ｍ」は質量体の質量、「Ω」は測定しようとする角速度、「ｖ」は質量体の運動速度である。このうち、質量体の運動速度（ｖ）と質量体の質量（ｍ）は、既に認知している値であるため、質量体に作用するコリオリ力（Ｆ）を検知することで角速度（Ω）を求めることができる。

一方、従来技術によるセンサは、特許文献１に開示されたように、質量体を駆動させたり、質量体の変位を検知するために、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に延長されたビーム（Ｂｅａｍ）を備える。しかし、従来技術によるセンサは、Ｘ軸方向に延長されたビームとＹ軸方向に延長されたビームが基本的に同じ剛性を有しているため、加速度を測定する際に、クロストルク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生したり、角速度を測定する際に共振モードの干渉が発生する恐れがある。このようなクロストルクや共振モードの干渉により、従来技術によるセンサは、所望しない方向の力が検出されて、感度が低下するという問題点を有する。

米国特許出願公開第２００９／０２８２９１８号明細書

本発明は上述の従来技術の問題点を解決するためのものであって、本発明の一側面は、質量体が特定方向に対してのみ運動できるように可撓部を形成することにより、質量体の変位が所望の方向の力に対してのみ発生するセンサを提供することをその目的とする。

本発明の実施例によるセンサは、質量体と、前記質量体と離隔されるように備えられた固定部と、Ｙ軸方向に前記質量体と前記固定部とを連結する第１可撓部と、Ｘ軸方向に前記質量体と前記固定部とを連結する第２可撓部と、を含み、前記第１可撓部はＸ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きく、前記第２可撓部はＺ軸方向の厚さがＹ軸方向の幅より大きいことを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記質量体は、Ｘ軸を基準に回転することを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記第１可撓部には曲げ応力が発生し、前記第２可撓部には捻り応力が発生することを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記第２可撓部は、Ｚ軸方向を基準に前記質量体の重心より上側に備えられることを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記第２可撓部は、Ｘ軸方向を基準に前記質量体の重心に対応する位置に備えられることを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記第２可撓部は、前記質量体と前記固定部を両方で連結することを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記第２可撓部は、前記質量体と前記固定部を一方で連結することを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記第１可撓部は、前記質量体と前記固定部を両方で連結することを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記固定部は、前記質量体を囲むことを特徴とする。

また、本発明の実施例によるセンサにおいて、前記第１可撓部に備えられ、前記質量体の変位を検知する検知手段をさらに含むことを特徴とする。

本発明によると、質量体が特定方向に対してのみ運動できるように可撓部を形成することにより、所望の方向の力に対してのみ質量体の変位を発生させて、加速度または力を測定する際にクロストルク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生することを防止することができ、角速度を測定する際に共振モードの干渉を除去することができる。

本発明の第１実施例によるセンサの平面図である。図１に図示されたセンサの側面図である。図１に図示された質量体の運動可能な方向を図示した平面図である。図２に図示された質量体の運動可能な方向を図示した側面図である。図２に図示された質量体がＸ軸を基準に回転する過程を図示した側面図である。図２に図示された質量体がＸ軸を基準に回転する過程を図示した側面図である。本発明の第２実施例によるセンサの平面図である。図６に図示されたセンサの側面図である。

本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例によるセンサの平面図であり、図２は、図１に図示されたセンサの側面図であり、図３は、図１に図示された質量体の運動可能な方向を図示した平面図であり、図４は、図２に図示された質量体の運動可能な方向を図示した側面図である。

図１及び図２に図示されたように、本実施例によるセンサ１００は、質量体１１０と、質量体１１０と離隔されるように備えられた固定部１２０と、Ｙ軸方向に質量体１１０と固定部１２０とを連結する第１可撓部１３０と、Ｘ軸方向に質量体１１０と固定部１２０とを連結する第２可撓部１４０と、を含む構成である。ここで、第１可撓部１３０は、Ｘ軸方向の幅ｗ_１がＺ軸方向の厚さｔ_１より大きく、第２可撓部１４０はＺ軸方向の厚さｔ_２がＹ軸方向の幅ｗ_２より大きいことを特徴とする。

前記質量体１１０は、慣性力、コリオリ力、外力などによって変位されるものであり、第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０を介して固定部１２０に連結される。ここで、質量体１１０は、力が作用する際に、第１可撓部１３０の曲げと第２可撓部１４０の捻りによって固定部１２０を基準に変位される。この際、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に回転されるが、これについての具体的な説明は後述する。一方、質量体１１０は、四角柱状に図示されているが、これに限定されるものではなく、円柱状やファン（Ｆａｎ）形状など、当業界に公知された全ての形状に形成されることができるということは勿論である。

前記固定部１２０は、第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０を支持して、質量体１１０が変位されることができる空間を確保する役割をし、質量体１１０が変位される際に基準となる。ここで、固定部１２０は、質量体１１０を囲むように形成され、その中心に質量体１１０が配置される。

前記第１、２可撓部１３０、１４０は、固定部１２０を基準に質量体１１０が変位されるように、固定部１２０と質量体１１０とを連結する役割をするものであり、第１可撓部１３０と第２可撓部１４０は、互いに垂直に形成される。即ち、第１可撓部１３０は、Ｙ軸方向に質量体１１０と固定部１２０とを連結し、第２可撓部１４０は、Ｘ軸方向に質量体１１０と固定部１２０とを連結する。この際、第１可撓部１３０と第２可撓部１４０は、それぞれ、質量体１１０と固定部１２０を両方で連結することができる。また、第１可撓部１３０は、Ｘ軸方向の幅ｗ_１がＺ軸方向の厚さｔ_１より大きく、第２可撓部１４０は、Ｚ軸方向の厚さｔ_２がＹ軸方向の幅ｗ_２より大きい。

このように、第２可撓部１４０のＺ軸方向の厚さｔ_２がＹ軸方向の幅ｗ_２より大きいため、図４に図示されたように、質量体１１０は、Ｙ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される反面、Ｘ軸を基準に相対的に自由に回転することができる。

具体的には、第２可撓部１４０がＸ軸を基準に回転する際の剛性に比べＹ軸を基準に回転する際の剛性が大きいほど、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に自由に回転することができる反面、Ｙ軸を基準に回転することが制限される。これと同様に、第２可撓部１４０がＸ軸を基準に回転する際の剛性に比べＺ軸方向に並進する際の剛性が大きいほど、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に自由に回転することができる反面、Ｚ軸方向に並進することが制限される。従って、第２可撓部１４０の（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性）値が増加するほど、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に自由に回転する反面、Ｙ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される。

図１及び図２を参照して、第２可撓部１４０のＺ軸方向の厚さｔ_２、Ｘ軸方向の長さＬ及びＹ軸方向の幅ｗ_２と方向毎の剛性との関係をまとめると、次のようになる。

（１）第２可撓部１４０のＹ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性∝ ｗ_２×ｔ_２ ^３／Ｌ^３

（２）第２可撓部１４０のＸ軸を基準に回転する際の剛性∝ ｗ_２ ^３×ｔ_２／Ｌ

前記二つの式によると、第２可撓部１４０の（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性）値は、（ｔ_２／（ｗ_２Ｌ））^２に比例する。ところが、本実施例による第２可撓部１４０はＺ軸方向の厚さｔ_２がＹ軸方向の幅ｗ_２より大きいため（ｔ_２／（ｗ_２Ｌ））^２が大きく、従って、第２可撓部１４０の（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性）値は増加される。このような第２可撓部１４０の特性により、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に自由に回転する反面、Ｙ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される（図４参照）。

一方、第１可撓部１３０は、長さ方向（Ｙ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、質量体１１０がＺ軸を基準に回転したり、Ｙ軸方向に並進することを制限することができる（図３参照）。また、第２可撓部１４０は、長さ方向（Ｘ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、質量体１１０がＸ軸方向に並進することを制限することができる（図３参照）。

結局、上述した第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０の特性により、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に回転することができるが、Ｙ軸またはＺ軸を基準に回転したりＺ軸、Ｙ軸またはＸ軸方向に並進することが制限される。即ち、質量体１１０の運動可能な方向をまとめると、下記の表１のようになる。

このように、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に回転することができる反面、その他の方向に運動することが制限されるため、質量体１１０の変位を所望の方向（Ｘ軸を基準に回転）の力に対してのみ発生させることができる。結局、本実施例によるセンサ１００は、加速度または力を測定する際にクロストルク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生することを防止することができ、角速度を測定する際に共振モードの干渉を除去することができる効果がある。

一方、図５Ａ及び図５Ｂは、図２に図示された質量体がＸ軸を基準に回転する過程を図示した側面図である。

図５Ａ及び図５Ｂに図示されたように、質量体１１０がＸ軸を回転軸Ｒとして回転するため、第１可撓部１３０には、圧縮応力と引張応力が組み合わされた曲げ応力が発生し、第２可撓部１４０には、Ｘ軸を基準に捻り応力が発生する。この際、質量体１１０にトルク（ｔｏｒｑｕｅ）を発生させるために、第２可撓部１４０は、Ｚ軸方向を基準に質量体１１０の重心Ｃより上側に備えることができる。また、図１に図示されたように、質量体１１０がＸ軸を基準に正確に回転されるように、第２可撓部１４０は、Ｘ軸方向を基準に質量体１１０の重心Ｃに対応する位置に備えることができる。

さらに、ＸＹ平面を基準として（図１参照）、第１可撓部１３０は相対的に広い反面、第２可撓部１４０は相対的に狭いため、第１可撓部１３０には、質量体１１０の変位を検知する検知手段１５０を備えることができる。ここで、検知手段１５０は、Ｘ軸を基準に回転する質量体１１０の変位を検知することができる。この際、検知手段１５０は、特に限定されるものではないが、圧電方式、ピエゾ抵抗方式、静電容量方式、光学方式などを用いて形成することができる。

図６は、本発明の第２実施例によるセンサの平面図であり、図７は、図６に図示されたセンサの側面図である。

図６及び図７に図示されたように、本実施例によるセンサ２００は、上述の第１実施例によるセンサ１００と比較して、第２可撓部１４０のみが異なって、その他の構成は同様である。従って、本実施例によるセンサ２００については、第２可撓部１４０を中心に説明する。

第１実施例によるセンサ１００の第２可撓部１４０は、質量体１１０と固定部１２０を両方で連結する反面、本実施例によるセンサ２００の第２可撓部１４０は、質量体１１０と固定部１２０を一方でのみ連結する（図６参照）。但し、本実施例によるセンサ２００は、第１実施例によるセンサ１００と同様に、第１可撓部１３０のＸ軸方向の幅ｗ_１がＺ軸方向の厚さｔ_１より大きく、第２可撓部１４０のＺ軸方向の厚さｔ_２がＹ軸方向の幅ｗ_２より大きい。

このように、第２可撓部１４０のＺ軸方向の幅ｗ_２がＹ軸方向の厚さｔ_２より大きいため、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に相対的に自由に回転することができる反面、Ｙ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される。

また、第１可撓部１３０は、長さ方向（Ｙ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、質量体１１０がＺ軸を基準に回転したり、Ｙ軸方向に並進することを制限することができる。また、第２可撓部１４０は、長さ方向（Ｘ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、質量体１１０がＸ軸方向に並進することを制限することができる。

結局、上述した第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０の特性により、質量体１１０は、Ｘ軸を基準に回転することができるが、Ｙ軸やＺ軸を基準に回転したりＺ軸、Ｙ軸またはＸ軸方向に並進することが制限される。従って、本実施例によるセンサ２００は、質量体１１０の変位を所望の方向（Ｘ軸を基準に回転）の力に対してのみ発生させることができる。結局、本実施例によるセンサ２００は、加速度または力を測定する際にクロストルク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生することを防止することができ、角速度を測定する際に共振モードの干渉を除去することができる効果がある。

一方、本発明によるセンサ１００、２００は、その適用対象が特に限定されるものではないが、例えば、加速度センサ、角速度センサまたは力センサなどに適用することができる。

以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。特に、本発明は、「Ｘ軸」、「Ｙ軸」及び「Ｚ軸」を基準として説明したが、これは説明の便宜のために定義したものに過ぎないため、本発明の権利範囲がこれに制限されるものではない。

本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。

本発明は、センサに適用可能である。

１００、２００センサ
１１０質量体
１２０固定部
１３０第１可撓部
１４０第２可撓部
１５０検知手段
Ｃ質量体の重心
ｔ_１第１可撓部の厚さ
ｗ_１第１可撓部の幅
ｔ_２第２可撓部の厚さ
Ｌ第２可撓部の長さ
ｗ_２第２可撓部の幅
Ｒ回転軸

Claims

質量体と、
前記質量体と離隔されるように備えられた固定部と、
Ｙ軸方向に前記質量体と前記固定部とを連結する第１可撓部と、
Ｘ軸方向に前記質量体と前記固定部とを連結する第２可撓部と、を含み、
前記第１可撓部はＸ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きく、
前記第２可撓部はＺ軸方向の厚さがＹ軸方向の幅より大きいことを特徴とするセンサ。
前記質量体は、Ｘ軸を基準に回転することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記第１可撓部には曲げ応力が発生し、前記第２可撓部には捻り応力が発生することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
前記第２可撓部は、Ｚ軸方向を基準に前記質量体の重心より上側に備えられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記第２可撓部は、Ｘ軸方向を基準に前記質量体の重心に対応する位置に備えられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記第２可撓部は、前記質量体と前記固定部を両方で連結することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記第２可撓部は、前記質量体と前記固定部を一方で連結することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記第１可撓部は、前記質量体と前記固定部を両方で連結することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記固定部は、前記質量体を囲むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記第１可撓部に備えられ、前記質量体の変位を検知する検知手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。