JP2008190887A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】信号線に発生する静電容量を低減して、特性向上を図ったセンサを提供することを目的としている。
【解決手段】第１アーム２を第２アーム４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２の一端を支持する支持部６とを備え、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを第２アームに配置し、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、上部電極１５と下部電極１４との間に圧電層１３を介在させて形成し、上部電極１５から上部信号線１５ａを引き出すとともに下部電極１４から下部信号線１４ａを引き出し、かつ、互いに対向させずに引き出した構成である。
【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慣性力を検出するセンサに関するものである。

以下、センサの一つである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６は従来の角速度センサの斜視図、図７は同角速度センサのＡ−Ａ断面図である。

図６、図７において、従来の角速度センサの検出素子５１は音さ形状であって、２本のアーム５２と、このアーム５２を連結した基部５３とを有する。

２本のアーム５２にはアーム５２を駆動振動させる駆動電極部５４や角速度に起因したアーム５２の歪を感知する感知電極部５５が配置されており、例えば、各々の駆動電極部５４や感知電極部５５は圧電層５６を介在させた上部電極５７と下部電極５８から形成されている。また、この駆動電極部５４および感知電極部５５からは信号線５９が引き出され、基部５３に形成した電極パッド６０まで配置されている。さらに、電極パッド６０からワイヤボンディング等を介して検出素子５１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５２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５２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５１では、アーム５２の駆動振動面（ＸＺ平面）とアーム５２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５２と他方のアーム５２では歪の方向が逆方向となる（一方のアーム５２が正のＹ軸方向に歪めば、他方のアーム５２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、駆動電極部５４や感知電極部５５は圧電層５６を介在させた上部電極５７と下部電極５８から形成されており、この上部電極５７および下部電極５８からは各々信号線５９が引き出されている。

すなわち、上部電極５７から引き出された信号線５９と下部電極５８から引き出された信号線５９とは、圧電層５６を介在させて上下に互いに対向しており、引き廻しの距離が長くなるにつれて、上下に対向する信号線５９の間に静電容量が発生し、この静電容量がノイズ成分となって、Ｓ／Ｎ比を劣化す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、信号線に発生する静電容量を低減して、Ｓ／Ｎ比の向上を図ったセンサを提供することを目的としている。

上記問題点を解決するために本発明は、特に、検出素子は、可撓部と、前記可撓部に配置し前記可撓部を駆動させる駆動電極部と、前記可撓部に配置し前記可撓部の撓みを感知させる感知電極部と、前記駆動電極部および前記感知電極部から各々引き出した信号線とを有し、前記駆動電極部および前記感知電極部は、上部電極と下部電極との間に圧電層を介在させて形成し、前記信号線は前記上部電極および前記下部電極から引き出して形成し、かつ、前記信号線は上下に対向させずに引き出した構成である。

上記構成により、上部電極および下部電極から引き出して形成する信号線は上下に対向させずに引き出しているので、上部電極から引き出す信号線と下部電極から引き出す信号線との間には静電容量が発生しにくく、静電容量に起因したＳ／Ｎ比の劣化を抑制できる。特に、信号線が長くなったとしても、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑制でき、検出精度を向上できるものである。

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平面図である。

図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度を検出する検出素子１を備え、この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４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２の一端を支持部６にて支持しており、２つの第１アーム２の他端を実装基板（図示せず）に固定している。また、第２アーム４はＵ字状に折曲して第２アーム４自身と対向する対向部１６を設け、その先端には錘部１１を連結している。第１アーム２の厚みは第２アーム４の厚みよりも薄く、第１アーム２および第２アーム４は可撓性を有する可撓部である。

この検出素子１は、第１アーム２と支持部６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２をＸ軸方向に配置した場合、第２アーム４がＹ軸方向に配置される。

さらに、４つの第２アーム４の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム４には錘部１１を駆動振動させる第１駆動手段１７および前記第２アーム４の駆動振動状態を検知する第１検知手段１８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４には第２アーム４の歪を感知する第１感知手段１９、第２感知手段２０を設けている。

第１駆動手段１７は第２アーム４の錘部１１を駆動させるための電極部を有し、第１検知手段１８は第２アーム４の駆動状態を検知するための電極部を有し、一方の第２アーム４には、その内周部側に第１駆動電極部１７ａを配置するとともに外周部側に第２駆動電極部１７ｂを配置し、他方の第２アーム４には、その内周部側に第１検知電極部１８ａを配置するとともに外周部側に第２検知電極部１８ｂを配置している。また、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂは互いに対向配置させるとともに、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂは互いに対向配置させている。この第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂは、図２に示すように、圧電層１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。

第１感知手段１９および第２感知手段２０は、２つの第２アーム４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４には、その内周部側に第１感知電極部１９ａを配置するとともに外周部側に第２感知電極部１９ｂを配置しており、他方の第２アーム４には、その内周部側に第３感知電極部２０ａを配置するとともに外周部側に第４感知電極部２０ｂを配置している。また、第１、第２感知電極部１９ａ、１９ｂは互いに対向配置させるとともに、第３、第４感知電極部２０ａ、２０ｂは互いに対向配置させている。この第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、図２に示すように、圧電層１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。

さらに、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂの下部電極１４と上部電極１５、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂの下部電極１４と上部電極１５、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの下部電極１４と上部電極１５からは、各々、下部信号線１４ａ、上部信号線１５ａを引き出している。これらの信号線１４ａ、１５ａは互いに上下に対向しないように、支持部６の近傍から第１アーム２の他端に向かって、略同一平面上に引き出しており、その端部を電極パッド等（図示せず）に接続している。

特に、第１駆動電極部１７ａの下部信号線１４ａと、第２駆動電極部１７ｂの下部信号線１４ａと、第１感知電極部１９ａの下部信号線１４ａと、第２感知電極部１９ｂの下部信号線１４ａとは互いに同一信号線としており、この下部信号線１４ａを挟むように、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂの上部信号線１５ａと、第１、第２感知電極部１９ａ、１９ｂの上部信号線１５ａとを互いに平行に引き出している。

また、第１検知電極部１８ａの下部信号線１４ａと、第２検知電極部１８ｂの下部信号線１４ａと、第３感知電極部２０ａの下部信号線１４ａと、第４感知電極部２０ｂの下部信号線１４ａとは互いに同一信号線としており、この下部信号線１４ａを挟むように、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂの上部信号線１５ａと、第３、第４感知電極部２０ａ、２０ｂの上部信号線１５ａとを互いに平行に引き出している。

次に、同検出素子の製造方法について説明する。

第１に、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、シリコンからなる基板３０上にＰｔからなる第１導体層３１を形成し、この第１導体層３１上にＰＺＴからなる圧電層１３を形成し、この圧電層１３上にＡｕからなる第２導体層３２を形成する。これら、第１導体層３１、圧電層１３、第２導体層３２は、スパッタや蒸着等で形成すればよい。

第２に、図３（ｅ）に示すように、圧電層１３を介在させた第１導体層３１および第２導体層３２にエッチングを施して、所望形状の圧電層１３を介在させた下部電極１４および上部電極１５を形成する。この所望形状の圧電層１３を介在させた下部電極１４および上部電極１５は、上述した検出素子１における第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂ、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂ、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂに対応する。

第３に、図４（ａ）に示すように、第２導体層３２および圧電層１３にエッチングを施して、下部電極１４の一部を露出させる。

第４に、図４（ｂ）〜（ｃ）に示すように、上部電極１５および下部電極１４上にＣＶＤやスパッタ、蒸着などにより、ＳｉＯ₂やＳｉＮ等の絶縁層３３を形成し、この絶縁層３３にエッチングを施して、上部電極１５の一部および下部電極１４の一部を露出させて引き出し部３４を形成する。

第５に、図４（ｃ）における引き出し部３４を露出させた絶縁層３３上に、スパッタ等で導体層を全面に形成するとともにエッチングを施して、図４（ｄ）に示すように、引き出し部３４から所定形状の上部信号線１５ａおよび下部信号線１４ａを形成する。上部電極１５から引き出した上部信号線１５ａと、下部電極１４から引き出した下部信号線１４ａとが上下対向することなく形成される。

この際、図４（ｂ）〜（ｄ）のエッチングの施す位置や形状、上部信号線１５ａおよび下部信号線１４ａの引き出し方法によって、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂの下部電極１４から引き出す下部信号線１４ａと、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂの下部電極から引き出す上部信号線１５ａとを同一の信号線としたり、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂの各々の下部電極１４から引き出す下部信号線１４ａを同一の信号線としたり、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの各々の下部電極１４から引き出す下部信号線１４ａを同一の信号線としたりできる。

上記のように角速度を検出するための駆動・感知信号の特性に問題が無い範囲で、信号線を同一化することにより、端部に形成される電極ＰＡＤ部の数を必要最小限に留めることが可能となり、素子の小型化を実現することが可能となる。

最後に、図４（ｅ）に示すように、シリコンからなる基板３０にエッチングを施して、上述した形状を有する検出素子１を形成すればよい。第１アーム２および第２アーム４が可撓性を有する可撓部となり、この可撓部に第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂ、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂ、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが配置される。

なお、上記工程において、エッチングを施す位置や形状を制御すれば、上記形状の検出素子１に限らず、様々な形状の検出素子１を形成できる。

図５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１の第１アーム２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第２アーム４を起点に第２アーム４が駆動振動し、それに伴って錘部１１も第２アーム４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４および４つの錘部１１の全てが同調して第２アーム４の対向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軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１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４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１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４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが設けられた第２アーム４において、第１感知電極部１９ａと第３感知電極部２０ａが第２アーム４の縮みを感知するとともに第２感知電極部１９ｂと第４感知電極部２０ｂが第２アーム４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４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ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４の対向部１６が伸び縮みし、この伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知するので、同様に角速度が検出される。

また、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合も、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（Ｚ軸方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＹ軸周りの角速度に起因した歪を発生させ、第２アーム４の伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知することにより、角速度が検出される。

なお、Ｚ軸、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合に発生する歪は、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４にも同様に発生するので、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４に配置することも可能である。

上記構成により、下部電極１４から引き出して形成する下部信号線１４ａおよび上部電極１５から引き出して形成する上部信号線１５ａは上下に対向させずに引き出しているので、下部電極１４から引き出す下部信号線１４ａと上部電極１５から引き出す上部信号線１５ａとの間には静電容量が発生しにくく、静電容量に起因したＳ／Ｎ比の劣化を抑制できる。特に、下部信号線１４ａや上部信号線１５ａの引き廻し距離が長くなっても、Ｓ／Ｎ比を劣化させることがない。

また、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２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂが配置された第２アーム４を起点に第２アーム４が駆動振動し、それに伴って錘部も第２アーム４のＸ軸方向に駆動振動する。

このとき、Ｚ軸周りに角速度が生じた場合、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１には駆動振動方向と直交した方向にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＺ軸周りの角速度に起因した歪を発生させることができ、この歪を検出することにより角速度を検出できる。よって、検出素子１をＺ軸方向に立設せずに伏せた状態で、Ｚ軸周りの角速度を検出でき、低背化を図れる。

本発明の実施の形態における検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４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２の一端を支持部６にて支持し、２つの第１アーム２の他端を実装基板（図示せず）に固定した形状としたが、図６、図７に示すような、従来の角速度センサにおける検出素子５１の形状、すなわち、２本のアーム５２と、このアーム５２を連結した基部５３とを有する音さ形状であっても同様な効果を生じる。

さらに、本発明の実施の形態における検出素子１は、角速度を検出するものであるが、加速度を検出する部分を形成し、角速度と加速度の両方を検出するものであってもよい。この場合、図１において、アーム２に加速度を検出する加速度検出部を形成すればよい。加速度検出部は、例えば、歪によって抵抗値が変化する歪抵抗素子をアーム２上に配置して、加速度に起因したアーム２の歪を歪抵抗素子で検出することにより加速度を検出させればよい。アーム２が歪やすいように、アーム２の厚みを他の箇所よりも薄く形成しておくことが望ましい。図３において、Ｘ軸方向に加速度が生じると、錘部１１がＸ軸方向に可動するので、アーム２が歪んで検出できるものである。

本発明に係るセンサは、信号線間による静電容量に起因した特性劣化が低減され、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平面図 図１のＡ−Ａ断面図 同検出素子の製造工程図 同検出素子の製造工程図 同検出素子の動作状態図 従来の角速度センサの検出素子の斜視図 同検出素子のＡ−Ａ断面図

符号の説明

１ 検出素子
２ 第１アーム
４ 第２アーム
６ 支持部
１１ 錘部
１３ 圧電層
１４ 下部電極
１４ａ 下部信号線
１５ 上部電極
１５ａ 上部信号線
１６ 対向部
１７ａ 第１駆動電極部
１７ｂ 第２駆動電極部
１８ａ 第１検知電極部
１８ｂ 第２検知電極部
１９ａ 第１感知電極部
１９ｂ 第２感知電極部
２０ａ 第３感知電極部
２０ｂ 第４感知電極部
３０ 基板
３１ 第１導体層
３２ 第２導体層
３３ 絶縁層
３４ 引き出し部

Claims (5)

1. 慣性力を検出する検出素子を備え、
   前記検出素子は、可撓部と、前記可撓部に配置し前記可撓部を駆動させる駆動電極部と、前記可撓部に配置し前記可撓部の撓みを感知させる感知電極部と、前記駆動電極部および前記感知電極部から各々引き出した信号線とを有し、
   前記駆動電極部および前記感知電極部は、上部電極と下部電極との間に圧電層を介在させて形成し、前記信号線は前記上部電極および前記下部電極から引き出して形成し、かつ、前記信号線は上下に対向させずに引き出したセンサ。
2. 前記駆動電極部の下部電極から引き出した信号線と、前記感知電極部の下部電極から引き出した信号線とは、同一の信号線とした請求項１記載のセンサ。
3. 前記駆動電極部を複数設け、前記駆動電極部の複数の下部電極から引き出した信号線は、同一の信号線とした請求項１記載のセンサ。
4. 前記感知電極部を複数設け、前記感知電極部の複数の下部電極から引き出した信号線は、同一の信号線とした請求項１記載のセンサ。
5. 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アームを支持する支持部と、前記支持部に連結するとともに実装基板に固定する２つの固定用アームとを有し、前記第２アームを折曲して前記第２アームと対向させており、前記駆動電極部を前記第２アームに配置するとともに前記第２アームの対向方向に前記第２アームの端部を駆動振動させ、前記感知電極部を前記第１アームまたは前記第２アームまたは前記固定用アームのいずれかに配置するとともにその歪を検知して角速度を検出する請求項１記載のセンサ。

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