JP2004354109A

JP2004354109A - 回転振動式角速度センサ

Info

Publication number: JP2004354109A
Application number: JP2003149753A
Authority: JP
Inventors: Takumi Taura; 巧田浦
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】対向する電極が接触した場合に電流リークが発生せず、センサの破損を防止した回転振動式角速度センサを提供する。
【解決手段】円筒体の振動部１と、振動部１の上端面に設けた振動部側駆動電極２と、振動部１の下端面に設けた振動部側検出電極３と、振動部１の内周内に配置されたトーションバーから成る中心軸４と、中心軸４の周囲に振動部１を連結する円板状のメンブレンフレーム５と、振動部１の上下端面に各々対向する円形のガラス基板６，７と、振動部１の上端面に対向するガラス基板６下面に形成した基板側駆動電極８と、振動部１の下端面に対向するガラス基板７の上面に形成した基板側検出電極９とを備え、基板側駆動電極８と基板側検出電極９には、その各表面を覆うように薄膜状の絶縁膜１０が形成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転振動式角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転振動式角速度センサは、図６に示す分解斜視図、図７に示す図６のＡ−Ａ’に沿った側面断面図のように、円筒体の振動部１と、振動部１の上端面で周方向に設けた複数の略扇形の振動部側駆動電極２と、振動部１の下端面で周方向に設けた複数の振動部側検出電極３と、円筒体の振動部１の内周内で円筒体と同一の軸方向に配置されたトーションバーから成る中心軸４と、中心軸４の周囲に振動部１を連結する円板状のメンブレンフレーム５と、振動部１の上下方向で中心軸４を軸支するとともに振動部１の上下端面に各々対向する円形のガラス基板６，７と、振動部側駆動電極２に対向するガラス基板６下面に中心角略９０°の扇形に形成した４つのスリット形状の基板側駆動電極８と、振動部側検出電極３に対向するガラス基板７の上面に中心角略９０°の扇形に形成した４つの基板側検出電極９とから構成され、振動部側駆動電極２と基板側駆動電極８との間、及び振動部側検出電極３と基板側検出電極９との間には静電容量が各々生じている。なお図６においては、基板側駆動電極８の形状を明確にするため、基板側駆動電極８より上方のガラス基板６は省略している。
【０００３】
次にこの回転振動式角速度センサの動作について説明する。まず、４つの基板側駆動電極８は、各々１８０°回転対称位置にある基板側駆動電極８と対を成しており、互いに９０°回転した２対の電極構造を有している。（２対の電極のうち一方が駆動用電極、他方が参照振動振幅の検出用電極を形成してもよい。）そして基板側駆動電極８に交流電圧を印加すると、基板側駆動電極８と振動部側駆動電極２との間に静電引力が働き、メンブレンフレーム５によって中心軸４に連結された振動部１は、中心軸４を中心としてＺ軸回りの回転参照振動が発生する。このとき、Ｘ軸回りの角速度が本回転振動式角速度センサに印加されると、振動部１はＺ軸回りの回転参照振動に同期してＹ軸回りに発生するコリオリ力によりＹ軸回りに検出振動を発生し、上下方向に振動する。同様にＹ軸回りの角速度が本回転振動式角速度センサに印加されると、振動部１はＸ軸回りに検出振動を発生し、上下方向に振動する。
【０００４】
この振動部１の検出振動による振動部側検出電極３と基板側検出電極９とのギャップの変化を静電容量の差動変化として計測し、角速度を検出する。（例えば、非特許文献１参照）
【０００５】
【非特許文献１】
井奥淳、外６名、「シリコン円筒振動型ジャイロ」、２００２年１１月２７日〜２８日、電気学会、センサマイクロマシン準部門、マイクロマシン・センサシステム研究会、ＰＨＳ−０２−１６
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の回転振動式角速度センサの構造では、振動部１を駆動する振動部側駆動電極２と基板側駆動電極８との互いの対向面、及び静電容量が励起される振動部側検出電極３と基板側検出電極９との互いの対向面が剥き出しになっているため、振動部１の過変位により振動部側駆動電極２と基板側駆動電極８、または振動部側検出電極３と基板側検出電極９とが接触すると電流リークが発生し、大電流が流れることによって回転振動式角速度センサの破損を招く恐れがあった。
【０００７】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、対向する電極が接触した場合に電流リークが発生せず、センサの破損を防止した回転振動式角速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、円筒体の振動部と、振動部の内周内で円筒体と同一の軸方向に配置されたトーションバーから成る中心軸と、中心軸と振動部とを連結する板状のフレームと、振動部の一端面に形成した振動部側駆動電極と、振動部の他端面に形成した振動部側検出電極と、振動部を静電駆動して振動させるために振動部側駆動電極に対向した基板側駆動電極を有する第１のガラス基板と、振動部側検出電極との間で構成される静電容量により振動部の変位を検出するために振動部側検出電極に対向した基板側検出電極を有する第２のガラス基板とを備え、振動部の一端と第１のガラス基板と、振動部の他端と第２のガラス基板とのうち、少なくとも一方の振動部の端とガラス基板との互いに対向する各面の少なくともいずれかの面に、対向する電極同士が当接しない絶縁構造を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、前記絶縁構造は、前記振動部の一端と第１のガラス基板と、振動部の他端と第２のガラス基板とのうち、少なくとも一方の振動部の端とガラス基板との互いに対向する各面の少なくともいずれかの面に設けた電極上に形成される窒化膜から成ることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１において、前記絶縁構造は、前記振動部の一端と第１のガラス基板と、振動部の他端と第２のガラス基板とのうち、少なくとも一方の振動部の端とガラス基板との互いに対向する各面の少なくともいずれかの面に設けた電極上に形成される突起状の絶縁体から成ることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１において、前記絶縁構造は、前記円筒体の振動部の端面に形成した前記振動部側電極と対向する第１のガラス基板及び第２のガラス基板の各面のうち少なくとも一方の面上に、対向する振動部側電極の円筒体の半径方向の幅より小さい幅の開口を有する凹部を設け、前記基板側電極は凹部の底面上に凹部の開口より突出しないように配置されて成ることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４において、変位した前記振動部側電極が当接する前記凹部の周縁に凹凸形状を形成することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
（実施形態１）
本実施形態の回転振動式角速度センサの基本構成は従来例と同様に図６に示され、同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。以下、本実施形態の要旨となる構成について図１の側面断面図を用いて説明する。ここでは、基板側駆動電極８と基板側検出電極９には、その各表面を覆うように薄膜状の窒化膜から成る絶縁膜１０が形成されており、基板側駆動電極８及び基板側検出電極９と振動部側駆動電極２及び振動部側検出電極３との各間には絶縁膜１０が存在する。そして振動部１の過変位時、振動部側駆動電極２及び振動部側検出電極３は対向する絶縁膜１０に各々接触し、基板側駆動電極８及び基板側検出電極９には接触しない。
【００１５】
したがって、振動部側駆動電極２と基板側駆動電極８、及び振動部側検出電極３と基板側検出電極９とは互いに直接接触することがないので、電流のリークは発生せず、回転振動式角速度センサの破損を防止することができる。また、絶縁膜１０を形成することで絶縁構造を容易に実現することができる。
【００１６】
また、この絶縁膜１０は、振動部側駆動電極２及び振動部側検出電極３の各表面を覆うように形成しても上記同様の効果を奏する。
【００１７】
（実施形態２）
本実施形態の回転振動式角速度センサの基本構成は従来例と同様に図６に示され、同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。以下、本実施形態の要旨となる構成について側面断面を示す図２を用いて説明する。ここでは、振動部側駆動電極２及び振動部側検出電極３の各表面上には、振動部１の外周端側に窒化膜あるいは酸化膜を突起状に形成した絶縁体１１を形成しており、振動部１の過変位時、基板側駆動電極８及び基板側検出電極９には対向する絶縁体１１が各々接触し、振動部側駆動電極２及び振動部側検出電極３が接触することはない。
【００１８】
したがって、振動部側駆動電極２と基板側駆動電極８、及び振動部側検出電極３と基板側検出電極９とは互いに直接接触することがないので、電流のリークは発生せず、回転振動式角速度センサの破損を防止することができる。また、絶縁体１１を突起状に形成することで、基板側駆動電極８及び基板側検出電極９との固着を防止することができる。
【００１９】
この絶縁体１１の配置箇所は、振動部１の過変位時に振動部側駆動電極２及び振動部側検出電極３より先に基板側駆動電極８及び基板側検出電極９に接触する箇所であれば、図２に示される箇所に限らない。
【００２０】
また、この絶縁体１１は、基板側駆動電極８及び基板側検出電極９の各表面に形成しても上記同様の効果を奏する。
【００２１】
（実施形態３）
本実施形態の回転振動式角速度センサの基本構成は従来例と同様に図６に示され、同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。以下、本実施形態の要旨となる構成について側面断面を示す図３を用いて説明する。ここでは、ガラス基板７の上面で振動部側検出電極３に対向する箇所、すなわち基板側検出電極９を形成する箇所を掘り込んで凹部１２を形成し、凹部１２の底面に基板側検出電極９を配置している。凹部１２の円筒体（振動部１）の半径方向の幅は、対向する振動部側検出電極３の幅より小さく形成されている。また、基板側検出電極９の膜厚は凹部１２の深さ未満であり、ガラス基板７の上面より突出しないように形成される。そして振動部１の過変位時には図４の破線に示すように、撓んだメンブレンフレーム５’に連結した振動部１’の下端面に設けた振動部側検出電極３’は凹部１２の開口の周縁部に当接する。
【００２２】
したがって、振動部側検出電極３´と基板側検出電極９とは互いに直接接触することがないので、電流のリークは発生せず、回転振動式角速度センサの破損を防止することができる。さらに、振動部側検出電極３と基板側検出電極９とのギャップは従来例と比較して略同様にでき、電極間の静電容量を低減させずに、電流リークを防止することができる。
【００２３】
また、ガラス基板６の下面で振動部側駆動電極２に対向する箇所、すなわち基板側駆動電極８を形成する箇所を掘り込んで同様な凹部を形成し、この凹部の底面に基板側駆動電極８を配置しても上記同様の効果を奏する。
【００２４】
（実施形態４）
本実施形態の回転振動式角速度センサは、実施形態３の振動部側検出電極３’が当接するガラス基板７の凹部１２の開口周縁部の表面を粗くした凹凸部１３を設けたもので、ガラス基板７の表面を粗くすることにより振動部側検出電極３’とガラス基板７との固着を防止することができる。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電極同士が直接接触することがなく、電流のリークは発生せず、センサの破損を防止することができるという効果がある。
【００２６】
請求項２の発明によれば、絶縁構造を容易に形成することができるという効果がある。
【００２７】
請求項３の発明によれば、電極と絶縁体との固着を防止することができるという効果がある。
【００２８】
請求項４の発明によれば、電極間の静電容量を低減させずに電流リークを防止することができるという効果がある。
【００２９】
請求項５の発明によれば、振動部側電極とガラス基板との固着を防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す側面断面図である。
【図２】本発明の実施形態２を示す側面断面図である。
【図３】本発明の実施形態３を示す側面断面図である。
【図４】同上の過変位時の状態を示す一部拡大図である。
【図５】本発明の実施形態４の過変位時の状態を示す一部拡大図である。
【図６】従来の全体構成を示す分解斜視図である。
【図７】同上の側面断面図である。
【符号の説明】
１振動部
２振動部側駆動電極
３振動部側検出電極
４中心軸
５メンブレンフレーム
６，７ガラス基板
８基板側駆動電極
９基板側検出電極
１０絶縁膜

Claims

円筒体の振動部と、振動部の内周内で円筒体と同一の軸方向に配置されたトーションバーから成る中心軸と、中心軸と振動部とを連結する板状のフレームと、振動部の一端面に形成した振動部側駆動電極と、振動部の他端面に形成した振動部側検出電極と、振動部を静電駆動して振動させるために振動部側駆動電極に対向した基板側駆動電極を有する第１のガラス基板と、振動部側検出電極との間で構成される静電容量により振動部の変位を検出するために振動部側検出電極に対向した基板側検出電極を有する第２のガラス基板とを備え、振動部の一端と第１のガラス基板と、振動部の他端と第２のガラス基板とのうち、少なくとも一方の振動部の端とガラス基板との互いに対向する各面の少なくともいずれかの面に、対向する電極同士が当接しない絶縁構造を設けたことを特徴とする回転振動式角速度センサ。
前記絶縁構造は、前記振動部の一端と第１のガラス基板と、振動部の他端と第２のガラス基板とのうち、少なくとも一方の振動部の端とガラス基板との互いに対向する各面の少なくともいずれかの面に設けた電極上に形成される窒化膜から成ることを特徴とする請求項１記載の回転振動式角速度センサ。
前記絶縁構造は、前記振動部の一端と第１のガラス基板と、振動部の他端と第２のガラス基板とのうち、少なくとも一方の振動部の端とガラス基板との互いに対向する各面の少なくともいずれかの面に設けた電極上に形成される突起状の絶縁体から成ることを特徴とする請求項１記載の回転振動式角速度センサ。
前記絶縁構造は、前記円筒体の振動部の端面に形成した前記振動部側電極と対向する第１のガラス基板及び第２のガラス基板の各面のうち少なくとも一方の面上に、対向する振動部側電極の円筒体の半径方向の幅より小さい幅の開口を有する凹部を設け、前記基板側電極は凹部の底面上に凹部の開口より突出しないように配置されて成ることを特徴とする請求項１記載の回転振動式角速度センサ。
変位した前記振動部側電極が当接する前記凹部の周縁に凹凸形状を形成することを特徴とする請求項４記載の回転振動式角速度センサ。