JP2009092430A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子本体及び重錘と支持部材との接合が容易で、しかも両者をしっかりと接合できる角速度センサを提供する。
【解決手段】 振動子本体３のＸ軸方向の両端にＸ軸方向とＹ軸方向とに広がる一対の板状の重錘５を配置する。振動子本体３が３次元方向に動くように、一対の重錘５のそれぞれのＹ軸方向の両端部を４つのバネ状部材７でベース部材１に支持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子により角速度を測定する角速度センサ（ジャイロスコープ）に関するものである。

特開平３−３４６１３号公報（特許文献１）等には、細長い三角柱状の振動子と、該振動子の三角柱の面上にそれぞれ形成されて振動子の角速度を検出する第１〜第３の圧電素子と、振動子本体をベース部材に支持する支持部材とを有する角速度センサが示されている。この角速度センサでは、駆動信号により、振動子を第１の圧電素子と直交する方向に振動させる。この状態で振動子が該振動子の軸を中心にして回転すると、コリオリ力により振動子の振動方向が変化する。そのため、第２及び第３の圧電素子の間に出力差が生じる。この出力差を測定することによって、振動子の角速度を検出する。このような角速度センサでは、装置を小型化を図るために、振動子の長さ寸法を小さくすることが求められていた。しかしながら、振動子の長さ寸法を小さくすると振動子の共振周波数が高くなってしまう。そのため、駆動時に揺らぎが発生したり、検出回路にノイズが発生しやすくなる。

そこで、特開平８−２３２５８号公報（特許文献２）に示すように、振動子の長手方向の両端に一対の重錘をそれぞれ配置し、一対の重錘と該一対の重錘の間に位置する振動子本体とから振動子を構成する角速度センサが提案された。このように一対の重錘を配置すると、共振周波数を高くすることなく、振動子の長さ寸法を小さくすることができる。
特開平３−３４６１３号公報 特開平８−２３２５８号公報

しかしながら、従来の角速度センサでは、一対の重錘の間に位置する振動子本体の幅寸法等を小さくした場合、振動子本体と支持部材とを接合し難くなり、振動子本体をベース部材に支持させるのが困難になる。また、振動子本体と支持部材との接合が弱くなることがある。

本発明の目的は、振動子本体及び重錘と支持部材との接合が容易で、しかも両者をしっかりと接合できる角速度センサを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、振動子本体及び重錘の厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）を小さくできる角速度センサを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、外部からの衝撃に対する応力を小さくできる角速度センサを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、単純な加工で簡単に製造できる角速度センサを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、振動子本体及び一対の重錘が必要以上に動いて損傷するのを防止できる角速度センサを提供することにある。

本発明の角速度センサは、互いに直交するＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向のＸ軸方向に延びる細長い振動子本体と、振動子本体の上に形成されて振動子本体の角速度を検出する圧電素子と、振動子本体のＸ軸方向の両端に配置されて、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに広がる一対の板状の重錘と、振動子本体が３次元方向に動くように、一対の重錘のそれぞれのＹ軸方向の両端部をベース部材に支持する４つのバネ性を有するバネ状部材とを有している。本発明では、板状の重錘のＹ軸方向の両端部を支持部材（バネ状部材）によりベース部材に支持させるため、重錘のＹ軸方向に対向する２箇所以上がバネ状部材に接続されることになる。そのため、振動子本体及び重錘とバネ状部材との接合を容易に且つしっかりと行うことができる。また、振動子本体は細長く延びており、重錘は板状を呈しているので、振動子本体及び重錘の厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）を小さくできる。なお、重錘をベース部材に支持させるには、重錘上にノード点（重量のバランス点）が位置するように、振動子本体及び一対の重錘の形状及び寸法を設定し、ノード点の近傍で重錘をバネ状部材によりベース部材に支持させればよい。

バネ状部材は、種々の形状のものを採用することができる。例えば、蛇行パターンを形成するように、Ｙ軸方向に延びる４以上の延伸部と、Ｘ軸方向に延びて延伸部の端部を接続する接続部と、Ｘ軸方向の中央に位置する接続部に一端が接続されて延伸部と平行に延びる支持延伸部とを有するように構成することができる。この場合、バネ状部材のＸ軸方向の両端の延伸部をベース部材に接続し、支持延伸部の他端を重錘に接続すればよい。このようにすれば、振動子本体及び重錘と同様にバネ状部材の厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）を小さくすることができる。また、バネ状部材のＸ軸方向の両端の延伸部がベース部材に接続されるため、１つのバネ状部材がベース部材に２箇所で接続されることになる。そのため、角速度センサの外部からの衝撃に対する応力を小さくでき、角速度センサの強度を高めることができる。

このような角速度センサは、Ｚ軸方向を厚み方向とする板材料に切削加工を施こして、振動子本体と一対の重錘と４つのバネ状部材とベース部材とを一体に成形することができる。このようにすれば、板材料の切削加工だけで角速度センサを容易に量産することができる。

ベース部材が振動子本体と一対の重錘と４つのバネ状部材とを囲む枠形形状を呈している場合、ベース部材は、振動子本体及び一対の重錘が必要以上にＸ軸方向及びＹ軸方向に動いたときに、振動子本体及び一対の重錘と当接して、振動子本体及び一対の重錘の運動を停止する寸法及び形状を有しているのが好ましい。このようにすれば、振動子本体及び一対の重錘が必要以上にＸ軸方向及びＹ軸方向に動いて損傷するのを防止することができる。このような構造は、板材料の切削位置を調整することにより、容易に形成することができる。

本発明によれば、板状の重錘のＹ軸方向の両端部をバネ状部材によりベース部材に支持させるため、重錘のＹ軸方向に対向する２箇所以上がバネ状部材に接続されることになる。そのため、振動子本体及び重錘と支持部材との接合を容易に且つしっかりと行うことができる。また、振動子本体は細長く延びており、重錘は板状を呈しているので、振動子本体及び重錘の厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）を小さくできる。その結果、振動子本体及び重錘と支持部材との接合を容易に且つしっかりと行うことができ、しかも角速度センサの小型化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の角速度センサの平面図であり、図２は図１のII-II線断面図であり、図３は図１のIII−III線断面図である。各図に示すように、本例の角速度センサは、ベース１と振動子本体３と一対の重錘５と４つの支持部材（バネ状部材）７とを有しており、シリコン（Ｓｉ）により一体に形成されている。ベース１は、振動子本体３、一対の重錘５及び４つのバネ状部材７を囲む矩形の枠形形状を有している。振動子本体３は、一方向（Ｘ軸方向）に延びる断面が矩形の細長い棒状の形状を有している。なお、図１〜図３には、互いに直交するＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向を併せて記載している。図４（図１のIV部拡大図）及び図５（図４のV−V線断面図）に示すように、振動子本体３の１つの表面３ａ上には、圧電素子９が形成されている。なお、理解を容易にするため、図５においては、圧電素子９の厚み寸法を誇張して描いている。圧電素子９は、下部電極１１と誘電体層１３と上部電極１５とを有している。下部電極１１は、例えば、Ｔｉ薄膜層上にＰｔ薄膜層が形成された多層構造、またはＴｉ薄膜層上にＩｒ薄膜層が形成された多層構造により形成することができる。誘電体層１３は、下部電極１１上に形成されており、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）からなり２μｍの厚み寸法を有している。上部電極１５は、誘電体層１３上に形成されており、例えば、Ｔｉ薄膜層上にＰｔ薄膜層が形成された多層構造、Ｔｉ薄膜層上にＩｒ薄膜層が形成された多層構造、Ｃｒ薄膜層上にＡｕ薄膜層が形成された多層構造またはＡｌ薄膜層により形成することができる。この上部電極１５は、Ｘ軸方向に並行に並ぶ中央電極１５Ａと２つの側方電極１５Ｂ，１５Ｃとを有している。２つの側方電極１５Ｂ，１５Ｃは、中央電極１５Ａの両側に並んで配置されている。圧電素子９の作用については、後に詳細に説明する。

図１に示すように、一対の重錘５は、振動子本体３の長手方向（Ｘ軸方向）の両端にそれぞれ配置されている。一対の重錘５は、Ｘ軸方向と該Ｘ軸方向に直交する方向（Ｙ軸方向）とに広がる矩形の板状の形状を有している。

４つのバネ状部材７は、振動子本体３が３次元方向に動くように、一対の重錘５のそれぞれのＹ軸方向の端部をベース部材１に支持している。４つのバネ状部材７は、いずれも同じ形状を有している。図６に示すように、１つのバネ状部材７は、蛇行パターンの形状を有しており、２８本の延伸部１７と２７本の接続部１９と１本の支持延伸部２１とを有している。延伸部１７は、Ｙ軸方向に延びている。接続部１９は、バネ状部材７が蛇行パターンを形成するように、Ｘ軸方向に延びて隣接する２つの延伸部１７の端部を接続している。支持延伸部２１は、Ｘ軸方向の中央に位置する接続部１９に一端２１ａが接続されて延伸部１７と平行に延びている。Ｘ軸方向の両端の延伸部１７のベース部材１に対向する端部１７ａは、ベース部材１に向かうにしたがって幅寸法（Ｘ軸方向の寸法）が大きくなる形状を有している。そして、これらの端部１７ａは、ベース部材１に接続されている。これにより、１つのバネ状部材７は、ベース部材１に２箇所で接続されることになる。支持延伸部２１の他端２１ｂは、重錘５に向かうにしたがって幅寸法（Ｘ軸方向の寸法）が大きくなる形状を有している。そして、この他端２１ｂは重錘５に接続されている。なお、振動子本体３及び一対の重錘５は、重錘５の支持延伸部２１に接続された位置（他端２１ｂに接続された位置）が振動子本体３及び一対の重錘５のノード点の近傍になるように、その形状及び寸法が設定されている。

本例では、Ｚ軸方向を厚み方向とするシリコン（Ｓｉ）の板材料に切削加工を施こして、ベース１と振動子本体３と一対の重錘５と４つのバネ状部材７とを一体に成形した。

本例の角速度センサは、以下のようにして角速度を検出する。まず、中央電極１５Ａと下部電極１１との間に電圧を印加して、振動子本体３をＺ軸方向に振動させる。この状態で振動子本体３がＸ軸を中心にして回転すると、コリオリ力により振動子本体３の振動方向が変化する。そのため、側方電極１５Ｂと、側方電極１５Ｃとの間に出力差が生じる。この出力差を測定することによって、振動子本体３の角速度を検出する。

本例の角速度センサによれば、板状の重錘５のＹ軸方向の両端部をバネ状部材７によりベース部材に支持させるため、重錘５のＹ軸方向に対向する２箇所以上がバネ状部材７に接続されることになる。そのため、振動子本体３及び重錘５の厚み寸法（Ｚ軸方向の寸法）を小さくした上で、振動子本体３及び重錘５とバネ状部材７との接合を容易に且つしっかりと行うことができる。

次に、１つのバネ状部材がベース部材に２箇所で接続されている本例の角速度センサ（以下、単に２点接続角速度センサという）と、１つのバネ状部材がベース部材に１箇所で接続されている角速度センサ（以下、単に１点接続角速度センサという）を製造し、各角速度センサに衝撃が加わった際の応力を調べた。１点接続角速度センサは、４つのバネ状部材１０７が図７に示す形状を有しており、その他は、図１〜図６に示す２点接続角速度センサと同じ構造を有している。バネ状部材１０７は、２点接続角速度センサのバネ状部材７のほぼ半分の大きさを有しており、１５本の延伸部１１７と１４本の接続部１１９とを有している。そして、Ｘ軸方向の一方の端部の延伸部１１７のベース部材１０１に対向する端部１１７ａは、ベース部材１０１に接続されており、Ｘ軸方向の他方の端部の延伸部１１７の重錘１０５に対向する端部１１７ｂは、重錘１０５に接続されている。次に各角速度センサにＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向からそれぞれ１Ｇの衝撃を加え、各角速度センサの各軸方向における応力を測定した。表１は、その測定結果を示している。なお、表１において、２点接続角速度センサは２点と表示し、１点接続角速度センサは１点と表示している。

表１より、２点接続角速度センサは、１点接続角速度センサに比べて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれの方向から衝撃が加わっても、各角速度センサの各軸方向における応力を小さくできるのがわかる。

図８は、本発明の他の実施の形態の角速度センサの平面図である。本例の角速度センサは、ベースを除いて、図１〜図６に示す角速度センサと同じ構造を有している。そこで、図１〜図６に示す角速度センサと同じ構造を有する部分については、図１〜図６に付した符号に２００を加えた符号を付して、その説明を省略する。本例の角速度センサのベース２０１は、Ｘ方向に延びる一対の枠部２３１，２３３と、Ｙ方向に延びる一対の枠部２３５，２３７と、一対の枠部２３１，２３３から振動子本体２０３側にそれぞれ突出する突出部２３９，２４１とを有している。一対の枠部２３５，２３７の一対の重錘２０５とそれぞれ対向する面２３５ａ，２３７ａは、振動子本体２０３及び一対の重錘２０５が必要以上にＸ軸方向に動いたときに、一対の重錘２０５と当接する。突出部２３９，２４１の振動子本体２０３とそれぞれ対向する面２３９ａ，２４１ａは、振動子本体２０３及び一対の重錘２０５が必要以上にＹ軸方向に動いたときに、振動子本体２０３と当接する。このように、本例の角速度センサのベース２０１は、振動子本体２０３及び一対の重錘２０５が必要以上にＸ軸方向及びＹ軸方向に動いたときに、振動子本体２０３及び一対の重錘２０５の運動を停止する寸法及び形状を有している。

本例の角速度センサによれば、振動子本体２０３及び一対の重錘２０５が必要以上にＸ軸方向及びＹ軸方向に動いて損傷するのを防止することができる。

本発明の一実施の形態の角速度センサの平面図である。 図１のII-II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 図１のIV部の部分拡大図である。 図４のV−V線断面図である。 図１の角速度センサのバネ状部材の平面図である。 試験に用いた比較例の角速度センサのバネ状部材の平面図である。 本発明の他の実施の形態の角速度センサの平面図である。

符号の説明

１ ベース
３ 振動子本体
５ 重錘
７ バネ状部材
９ 圧電素子
１７ 延伸部
１９ 接続部
２１ 支持延伸部

Claims (4)

1. 互いに直交するＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向の前記Ｘ軸方向に延びる細長い振動子本体と、
   前記振動本体の上に形成されて前記振動本体の角速度を検出する圧電素子と、
   前記振動本体のＸ軸方向の両端に配置されて、前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向とに広がる一対の板状の重錘と、
   前記振動子本体が３次元方向に動くように、前記一対の重錘のそれぞれの前記Ｙ軸方向の両端部をベース部材に支持する４つのバネ性を有するバネ状部材とを有する角速度センサ。
2. 前記バネ状部材は、蛇行パターンを形成するように、前記Ｙ軸方向に延びる４以上の延伸部と、前記Ｘ軸方向に延びて前記延伸部の端部を接続する接続部と、前記Ｘ軸方向の中央に位置する前記接続部に一端が接続されて前記延伸部と平行に延びる支持延伸部とを有しており、
   前記バネ状部材の前記Ｘ軸方向の両端の延伸部が前記ベース部材に接続されており、
   前記支持延伸部の他端が前記重錘に接続されている請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記Ｚ軸方向を厚み方向とする板材料に切削加工が施されて、前記振動子本体と前記一対の重錘と前記４つのバネ状部材と前記ベース部材とが一体に成形されている請求項２に記載の角速度センサ。
4. 前記ベース部材は、前記振動子本体と前記一対の重錘と前記４つのバネ状部材とを囲む枠形形状を呈しており、
   前記ベース部材は、前記振動子本体及び前記一対の重錘が必要以上に前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向に動いたときに、前記振動子本体及び前記一対の重錘と当接して、前記振動子本体及び前記一対の重錘の運動を停止する寸法及び形状を有している請求項３に記載の角速度センサ。

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