JP2008046056A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は各種電子機器の小型化を図れる角速度センサを提供することを目的としている。
【解決手段】検出素子１１は、第２アーム１４の駆動振動面と第２アーム１４の歪面とが同一平面であって、前記第１、第２感知手段は、圧電体４１を介在させた上部電極２３と下部電極２２とからなる第１、第２感知電極部２９、３０を有し、圧電体４１には分極方向を異ならせた２つの分極部を並べて配置しており、第１、第２感知電極部２９、３０は各々１つの感知信号を出力するとともに、この感知信号に基づく加算信号から角速度を検出する構成である。
【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角速度を検出する角速度センサに関するものである。

以下、従来の角速度センサについて説明する。

従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種形状の検出素子を振動させ、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。

例えば、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、ナビゲーション装置用の角速度センサでは、車両のＺ軸周りの角速度を検出している。

図８は従来の角速度センサの斜視図、図９は同角速度センサのＡ−Ａ断面図である。

図８、図９において、従来の角速度センサの検出素子１は音さ形状であって、２本のアーム２と、このアーム２を連結した基部３とを有する。

２本のアーム２にはアーム２を駆動振動させる駆動電極部４や角速度に起因したアーム２の歪を感知する感知電極部５が配置されており、例えば、各々の駆動電極部４や感知電極部５は圧電体６を介在させた上部電極７と下部電極８から形成されている。また、この駆動電極部４および感知電極部５からは信号線９が引き出され、基部３に形成した電極パッド１０まで配置されている。さらに、電極パッド１０からワイヤボンディング等を介して検出素子１を実装する実装基板（図示せず）の配線パターンに電気的に接続されている。

上記検出素子を、例えば、ＸＹ平面に対してＺ軸方向に立設し、アーム２をＸ軸方向に駆動振動させ、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪をアーム２で感知することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出していた。このような検出素子１では、アーム２の駆動振動面（ＸＺ平面）とアーム２の歪面（ＹＺ平面）とは互いに略直交面となり、また、一方のアーム２と他方のアーム２では歪の方向が逆方向となる（一方のアーム２が正のＹ軸方向に歪めば、他方のアーム２は負のＹ軸方向に歪む）。

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２００５−２０１６５２号公報

上記構成では、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合、検出素子１をＺ軸方向に立設する必要があり、低背化を図れない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、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合でも低背化を図れる角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、アームの駆動振動面とアームの歪面とが同一平面であって、第１、第２感知手段は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる感知電極部を有し、前記圧電体には分極方向を異ならせた２つの分極部を並べて配置しており、前記第１、第２感知手段は各々１つの感知信号を出力するとともに、前記第１、第２感知手段から出力される感知信号に基づく加算信号から角速度を検出する構成である。

上記構成により、検出素子は、アームの駆動振動面とアームの歪面とが同一平面なので、互いに略直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪を検出する場合、アームの駆動振動面と歪面とをＸＹ平面とすればよい。すなわち、検出素子とＺ軸方向に立設する必要がなく、低背化を図れる。

この際、第１、第２感知手段は、ＸＹ平面上におけるアームの伸び部と縮み部とを感知するために各々２つの感知電極部を設け２本の信号線を引き出す必要があるが、上記構成によれば、分極方向を異ならせた２つの分極部を並べて配置しているので、感知電極部から出力される感知信号は２つの分極部の差動信号となり、感知電極部から引き出す信号線を１本にできるとともに、この差動信号に基づく加算信号から角速度も検出できる。

すなわち、感知電極部から引き出されアームに配置する信号線の数を少なくでき、アームの幅を細くして検出素子の小型化を図れる。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図である。

図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度を検出する検出素子１１を備え、この検出素子１１は、第１アーム１２を第２アーム１４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム１２を支持する支持部１６と、支持部１６に一端を連結するとともに他端を実装基板（図示せず）に固定する２つの固定用アーム１８とを有する。固定用アーム１８は第１アーム１２に第３アーム２０を略直交方向に連結して形成した直交アームとするとともに、第３アーム２０の両端に形成した固定部１９にて実装基板に固定している。また、第２アーム１４は折曲して第２アーム１４自身と対向する対向部２６を設け、その先端には錘部２１を連結している。

この検出素子１１は、固定用アーム１８の第１アーム１２と支持部１６とを略同一直線上に配置しており、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム１２をＸ軸方向に配置した場合、第２アーム１４がＹ軸方向に配置される。

さらに、４つの第２アーム１４の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム１４の支持部１６に近接した部分には錘部２１を駆動振動させる駆動手段および駆動状態を検知する検知手段を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム１４の支持部１６に近接した部分には第２アーム１４の歪を感知する第１感知手段、第２感知手段を設けている。

上記の駆動手段は第２アーム１４の錘部２１を駆動させるための電極部であり、検知手段は第２アーム１４の駆動状態を検知するための電極部であり、一方の第２アーム１４に駆動電極部２７を配置させ、他方の第２アーム１４に検知電極部２８を配置させて形成している。

第１感知手段および第２感知手段は、２つの第２アーム１４の歪を感知させるための電極部であり、一方の第２アーム１４に第１感知電極部２９を配置させ、他方の第２アーム１４に第２感知電極部３０を配置させて形成している。

上記の駆動電極部２７、検知電極部２８、第１、第２感知電極部２９、３０は、図２に示すように圧電体４１を介在させた下部電極２２と上部電極２３とからなる。この圧電体４１には分極方向を異ならせた分極部２４ａ、２４ｂと分極部２５ａ、２５ｂを並べて配置しており、分極部２４ａ、２４ｂと分極部２５ａ、２５ｂは各々下部電極２２と上部電極２３間において互いに反対方向に分極させている。

これら駆動電極部２７、検知電極部２８、第１、第２感知電極部２９，３０は、シリコン基板上にＰｔからなる下部電極２２を高周波スパッタにて形成し、この下部電極２２の上部にＰＺＴ圧電体４１を高周波スパッタにて形成し、ＰＺＴ圧電体４１の上部にＡｕからなる上部電極２３を蒸着にて形成すればよい。

駆動電極部２７に共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動電極部２７が配置された第２アーム１４の支持部１６に近接した部分を起点に第２アーム１４が駆動振動するとともに、それに伴って、４つの第２アーム１４および４つの錘部２１の全てが同調して駆動振動する。また、角速度に起因して第２アーム１４が歪めば、第１、第２感知電極部２９、３０から歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき、角速度を検出できる。この検出素子１１では、第２アーム１４の駆動振動面と第２アーム１４の歪面とが同一平面となる。

図３は同検出素子１１の動作状態図である。

互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１１の第１アーム１２をＸ軸方向に配置して、第２アーム１４をＹ軸方向に配置した場合、駆動電極部２７に共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動電極部２７が配置された第２アーム１４の支持部１６に近接した部分を起点に第２アーム１４が駆動振動し、それに伴って錘部２１も第２アーム１４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１４および４つの錘部２１の全てが同調して第２アーム１４の対向方向に駆動振動する。この検出素子１１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軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部２１の駆動振動と同調して、錘部２１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）にコリオリ力が発生するので、第２アーム１４にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。この検出素子１１のコリオリ方向はＹ軸方向となる。

実線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、第１、第２感知電極部２９、３０が設けられた第２アーム１４の支持部１６に近接した部分において、第１感知電極部２９の分極部２４ａと第２感知電極部３０の分極部２５ａが第２アーム１４の縮みを感知するとともに第１感知電極部２９の分極部２４ｂと第２感知電極部３０の分極部２５ｂが第２アーム１４の伸びを感知し、点線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、その逆方向の伸び縮みを感知する。

そして、感知した伸び縮みに応じて、第１、第２感知電極部２９、３０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。

一方、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合とは正反対に、第２アーム１４が伸び縮みし、この伸び縮みを第１、第２感知電極部２９、３０が感知するので、同様に角速度が検出される。

図４は、同角速度センサの駆動処理および角速度検出処理を示す回路ブロック図である。

図４において、４つの第２アーム１４の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム１４に配置された駆動電極部２７と検知電極部２８は駆動回路部３１に接続されており、他方の２つの第２アーム１４に配置された第１感知電極部２９と第２感知電極部３０は検出回路部３５に接続されている。

検出回路部３５において、第１感知電極部２９および第２感知電極部３０から出力される２つの感知信号の信号処理について説明する。

図２に示すように、下部電極２２と上部電極２３との間に介在させた圧電体４１は、下部電極２２と上部電極２３間において互いに反対方向に分極方向を異ならせた分極部２４ａ、２４ｂと分極部２５ａ、２５ｂを並べて配置しているので、図３に示すように、感知電極部から出力される感知信号は２つの分極部２４ａ、２４ｂの差動信号と分極部２５ａ、２５ｂの差動信号となる。

すなわち、第１、第２感知電極部２９、３０から出力される感知信号は各々１つとなり、これら各々１つの感知信号が増幅器３２、３３および差動増幅器３４、３６により増幅される。

そして、これらの感知信号に基づいて加算器３８により加算信号が出力されるとともに、この加算信号が検波回路部４２で検波され、ローパスフィルタ部４６を介して、角速度信号として検出される。

ここで、同検出素子１１の動作状態において、検出回路部３５の各信号点（ａ）〜（ｅ）における特性波形は図５〜図７に示す通りとなる。

図５は角速度が生じていない場合の各信号点における特性波形図、図６はＺ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図、図７はＹ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図である。特に、図６、図７は、コリオリ成分のみを抽出した特性波形図である。

角速度が生じていない場合は、図５に示すように、信号点（ｅ）には、信号特性波がゼロとなり出力されない。

Ｚ軸周りに角速度が生じている場合は、図６、図７に示すように、信号点（ｅ）において、信号特性波が出力される。図６はＺ軸の左回りに角速度が生じている場合であり、図７はＺ軸の右回りに角速度が生じている場合であり、信号点（ｅ）において、互いに極性が反対となる。

上記構成によって、検出素子１１は、第２アーム１４の駆動振動面と第２アーム１４の歪面とが同一平面なので、互いに略直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪を検出する場合、第２アーム１４の駆動振動面と歪面とをＸＹ平面とすればよい。すなわち、検出素子１１をＺ軸方向に立設する必要がなく、低背化を図れる。

また、分極方向を異ならせた２つの分極部２４ａ、２４ｂと分極部２５ａ、２５ｂを並べて配置しているので、第１、第２感知電極部２９、３０から出力される感知信号は２つの分極部２４ａ、２４ｂの差動信号と分極部２５ａ、２５ｂの差動信号となり、第１、第２感知電極部２９、３０から引き出す信号線を１本にできるとともに、この差動信号に基づく加算信号から角速度も検出できる。

すなわち、第１、第２感知電極部２９、３０から引き出され第１アーム１２や第２アーム１４に配置する信号線の数を少なくでき、第１アーム１２や第２アーム１４の幅を細くして検出素子の小型化を図れる。

なお、本発明の一実施の形態では、駆動電極部２７、検知電極部２８、第１、第２感知電極部２９、３０は、第２アーム１４の支持部１６に近接した部分に配置したが、第２アーム１４の対向部２６に配置してもよい。

この場合、対向部２６を起点に第２アーム１４が駆動振動するとともに、それに伴って、４つの第２アーム１４および４つの錘部２１の全てが同調して駆動振動する。

本発明に係る角速度センサは、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合でも低背化を図れ、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角速度センサの検出素子の斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 同角速度センサの検出素子の動作状態図 同角速度センサの駆動処理および角速度検出処理を示す回路ブロック図 角速度が生じていない場合の各信号点における特性波形図 Ｚ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図 Ｙ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図 従来の角速度センサの検出素子の斜視図 図８のＡ−Ａ断面図

符号の説明

１１ 検出素子
１２ 第１アーム
１４ 第２アーム
１６ 支持部
１８ 固定用アーム
１９ 固定部
２０ 第３アーム
２１ 錘部
２６ 対向部
２７ 駆動電極部
２８ 検知電極部
２９ 第１感知電極部
３０ 第２感知電極部
３１ 駆動回路部
３２ 増幅器
３３ 増幅器
３４ 差動増幅器
３５ 検出回路部
３６ 差動増幅器
４２ 検波回路部
４６ ローパスフィルタ部

Claims (3)

1. 複数のアームと、前記アームに配置し前記アームを駆動振動させる駆動手段と、
   前記アームに配置し前記アームの歪を感知させる第１、第２感知手段を有する検出素子を備え、前記検出素子は、前記アームの駆動振動面と前記アームの歪面とが同一平面であって、
   前記第１、第２感知手段は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる感知電極部を有し、前記圧電体には分極方向を異ならせた２つの分極部を並べて配置しており、
   前記第１、第２感知手段は各々１つの感知信号を出力するとともに、前記第１、第２感知手段から出力される感知信号に基づく加算信号から角速度を検出する角速度センサ。
2. ２つの前記分極部は前記上部電極と前記下部電極間において互いに反対方向に分極させた請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記検出素子は、第１アームを第２アーム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つの前記第１アームを支持した支持部と、前記支持部に連結するとともに実装基板に固定した固定用アームと、前記第２アームの先端部に配置した錘部とを有し、互いに対向する２つの前記第２アームの一方に前記第１感知手段を設けるとともに前記第２アームの他方に前記第２感知手段を設けた請求項１記載の角速度センサ。

Images