JP2005114423A - 角速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な構成で量産効果が期待でき、振動子の寸法精度も比較的容易に満足できる検出感度に優れた角速度センサを提供する。
【解決手段】
基体2と圧電体3とを積層してなる四角柱状の振動子1aと、上記圧電体3の対向する一方の主面3Aであって上記基体2と接合される面に形成され、基準電位に接続される基準電極3aと、上記圧電体3の対向する他方の主面3Bに上記振動子1aの長手方向に沿って形成され、上記振動子1aを振動させるための信号が供給される少なくとも1つの駆動電極3bと、上記圧電体3の対向する他方の主面3Bに上記駆動電極3bを挟む形で互いに平行に形成され、上記振動子1aに生じるコリオリ力に応じた信号を出力するための少なくとも1対の検出電極3c1,3c2とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】
基体2と圧電体3とを積層してなる四角柱状の振動子1aと、上記圧電体3の対向する一方の主面3Aであって上記基体2と接合される面に形成され、基準電位に接続される基準電極3aと、上記圧電体3の対向する他方の主面3Bに上記振動子1aの長手方向に沿って形成され、上記振動子1aを振動させるための信号が供給される少なくとも1つの駆動電極3bと、上記圧電体3の対向する他方の主面3Bに上記駆動電極3bを挟む形で互いに平行に形成され、上記振動子1aに生じるコリオリ力に応じた信号を出力するための少なくとも1対の検出電極3c1,3c2とを備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置における動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方向検知等に用いられる角速度センサに関する。
従来より、民生用の角速度センサとしては、棒状の振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子等で検出することによって角速度を検出する、いわゆる振動ジャイロ型の角速度センサが広く使用されている。
このような角速度センサにおいて、振動子を駆動する方法としては、他励発振型駆動回路による方法と、自励発振型駆動回路による方法とがある。しかしながら、他励発振型駆動回路による方法は、振動子等の温度特性によって発振周波数と振動子の共振周波数とにずれが生じると急激にコリオリ力の検出感度が低下するという問題があり、実用化に至っていない。
そこで現在は、移相発振回路のループに振動子を組み入れた自励発振型駆動回路による角速度センサが一般的になっている。このような角速度センサでは、振動子の共振周波数で自励発振するので、温度特性による感度変化が少なく、広温度範囲において感度の安定した角速度出力を得ることができる(例えば、特許文献1参照)。
図7に示す従来の角速度センサは、三角柱状の恒弾性振動子100の側面に、電極101a及び圧電体101bからなる第1の圧電素子101と、電極102a及び圧電体102bからなる第2の圧電素子102と、電極103a及び圧電体103bからなる第3の圧電素子103とがそれぞれ取り付けられた三角柱状の振動子104を備えている。例えば、恒弾性振動子100は、恒弾性金属振動子である。
この従来の角速度センサは、第1の圧電素子101に接続された増幅器105と、増幅器105に接続された移相器106と、第2の圧電素子102及び第3の圧電素子103に接続された差動増幅器107と、差動増幅器107に接続された同期検波器108と、同期検波器108に接続されたローパスフィルタ109とを備えている。この従来の角速度センサにおいて、第2 の圧電素子102及び第3の圧電素子103は、自励発振のために振動子104の振動を検出するとともに、振動子104に生じるコリオリ力を検出する。
このような三角柱状の振動子104を用いた角速度センサは、現在のところ最も感度が高く、主流となっている。しかしながら、このような角速度センサでは、構造が複雑なために、製造工程における量産効果を出すことが難しいという問題があった。例えば、三角形状に形成されている恒弾性振動子の一つ一つに圧電素子を接着する工程が必要になり、量産効果を出すことができないといった問題がある。また、小型化に伴い支持機構の精度や恒弾性金属振動子への圧電素子の接着精度が要求され、且つその接着による接着層の当該振動子に与える影響が増大するため、小型化による生産効率が悪く、コストアップが著しくなるという問題があった。
また、図8に示す従来の角速度センサは、円柱状の圧電セラミック振動子110の側面に6つの電極111,112,113,114,115,116 が印刷された振動子117を備えている。ここで、第1 乃至第3 の電極111,112,113はそれぞれ独立した電極とされ、第4 乃至第6の電極114,115,116は共通のグランド電位に接続される。また、この角速度センサーは、第1の電極111に接続された増幅器118と、増幅器118に接続された移相器119と、移相器119に接続された加算機120と、第2及び第3の電極112 ,113に接続された差動増幅器121と、差動増幅器121に接続された同期検波器122と、同期検波器122に接続されたローパスフィルタ123 とを備えている。この角速度センサーでは、第1 の電極111に電圧を印加することにより、振動子117を振動させるとともに、第2及び第3の電極112,113 によって、振動子117に生じるコリオリ力を検出する。
この従来の角速度センサでは、上述したように電極111,112,113,114,115,116が振動子117に印刷されているために、振動子117に圧電素子を接着する必要がなく、比較的にシンプルな構造となっている。しかしながら、この従来の角速度センサでは、特に小型化を図った場合に、圧電セラミック振動子110の製造、並びに当該圧電セラミック振動子110への電極の印刷を精度良く行うことが難しいという問題があった。
すなわち、この従来の角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子110を用いているが、三角柱状や四角柱状のものに比べて、円柱状の圧電セラミック振動子110を精度良く製造することは難しい。しかも、この角速度センサでは、曲面上に電極を精度良く印刷することは容易ではない。このように、この角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子110を用いるために製造が難しく、量産効果が期待できない構造となっており、たとえ量産したとしても低コスト化を図ることは難しい。
さらに、図9に示す従来の角速度センサは、フェライト部202と圧電体である圧電セラミック部203aとを積層してなる四角柱状の振動子201aと、振動子201aにおいて対向するフェライト部202の側面202aの電極204及び圧電セラミック部203aの側面203a1に配される電極203b,203cと当該圧電セラミック部203aとにより構成される圧電素子203とを備えている。そして、この角速度センサ201は、電極204及び電極203b,203cとの間に電圧を印加して、圧電素子203により振動子201aを振動させる。さらに角速度センサ201は、加算器210と、増幅器211と、移相器212とを備えており、これらと、圧電素子203の電極203b,203cが、振動子201aを振動させる振動駆動部として機能する。また、この角速度センサ201は、差動増幅器213と、加算器210の出力に接続されている同期検波器214と、ローパスフィルタ215とを備えており、これらと、圧電素子203の外側電極203b,203cとが、フェライト部202の振動を検出する検出部として機能する。すなわち、角速度センサ201の圧電素子203は、振動駆動機能及びその振動を検出する機能を合わせ持っている。この構成にて、角速度センサ201は、振動子201aに生じるコリオリ力を圧電素子203により検出することで、角速度を検出する。
この角速度センサでは、一面にのみ圧電素子を設ければよく、比較的にシンプルな構造となっている。しかしながら、この従来の角速度センサでは、駆動電極と検出電極が兼用されているため駆動電極の形状または寸法にて駆動効率を所望の値としようとすると検出効率も変化してしまい、駆動効率と検出効率を共に所望の値に調整することが難しいという問題があった。
すなわち、図7に示したような従来の角速度センサでは恒弾性金属振動子への圧電素子の接着や振動子支持機構などの構造が複雑になってしまう。また、図8に示すような従来の角速度センサでは円柱状の圧電セラミック振動子を用いるため、振動子を精度良く製造することは難しく、しかも、曲面上に電極を精度良く印刷することは容易ではない。 そこで、本発明は、上述の如き従来の実情に鑑みて提案されたものであり、より簡単な構成で量産効果が期待でき、角速度センサとして本質的な特性を左右する振動子の寸法精度も比較的容易に満足できる検出感度に優れた角速度センサを提供することを目的とする。
本発明に係る角速度センサは、基体と圧電体とを積層してなる四角柱状の振動子と、上記圧電体の対向する一方の主面であって上記基体と接合される面に形成され、基準電位に接続される基準電極と、上記圧電体の対向する他方の主面に上記振動子の長手方向に沿って形成され、上記振動子を振動させるための信号が供給される少なくとも1つの駆動電極と、上記圧電体の対向する他方の主面に上記駆動電極を挟む形で互いに平行に形成され、上記振動子に生じるコリオリ力に応じた信号を出力するための少なくとも1対の検出電極とを備え、上記駆動電極と上記基準電極との間に電圧を印加して上記圧電体により上記振動子を振動させるとともに上記振動子に生じるコリオリ力を上記圧電体により検出し、上記検出電極から上記コリオリ力に応じた信号として角速度検出信号を出力することを特徴とする。
この角速度センサは、さらに、上記圧電体の主面と対向する上記基体の2つの主面と該2つの主面に連続する少なくとも1つの側面に形成され、上記基準電極と導通する電極を備える構成とするができる。
また、この角速度センサは、上記振動子の幅方向の電極寸法を上記駆動電極と上記検出電極とで異ならしめたことを特徴とする。
ここで、上記駆動電極の幅をW1、上記検出電極の幅をW2とし、W1とW2との比率は1<W1/W2≦2.6とする。好ましくは、上記W1とW2との比率は1.8<W1/W2≦2.0とする。
本発明に係る角速度センサでは、圧電体の対向する一方の主面であって上記基体と接合される面に形成された基準電極と上記圧電体の対向する他方の主面に上記振動子の長手方向に沿って形成された駆動電極との間に電圧を印加して上記圧電体により上記振動子を振動させるとともに上記振動子に生じるコリオリ力を上記圧電体により検出し、上記圧電体の対向する他方の主面に上記駆動電極を挟む形で互いに平行に形成された1対の検出電極から上記コリオリ力に応じた信号として角速度検出信号を出力する。
この角速度センサでは、対向されて配されている電極の間の振動子が所定の質量をもつ基体部分を含んで構成しているのでコリオリ力の検出効率がよく、また基体の対向する2つの電極の間で導通があるために圧電体部分に当該振動子の駆動のための駆動電界を効率よく印加することができる。
また、この角速度センサは、基体と圧電体とを積層してなる四角柱状の振動子と、この振動子の対向される基体及び圧電体の各主面に配した電極とからなる構成としているので、恒弾性金属振動子に圧電体を接着したり、曲面に電極を印刷するといった工程を要することなく製造される。さらに、圧電セラミック等といった圧電体の母材とされるウェハ及び基体の母材とされるウェハに電極メッキを施すことにより電極を形成して張り合わせた後、四角柱振動子として個々に切り出すだけで、非常に精度の高い振動子を製造することができる。また、駆動効率と検出効率を各々調整が可能である。そして、これにより、駆動効率と検出効率を各々調整し所望の感度特性を得ることができる。
さらに、本発明では、圧電体の主面に配した、振動子を駆動させる駆動電極と、振動子に生じるコリオリ力を検出する検出電極の、振動子の幅方向の電極寸法を駆動電極と検出電極とで異ならせることによって、高感度の角速度センサを実現することができる。
さらに、圧電体と基体を積層した非常にシンプルな構造により構成されることから、この角速度センサは、小型化を進めても精度を損なわず量産効果も期待でき、コストパフォーマンスが高い。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
図1は本発明を適用した角速度センサ1に備わる振動子1aの外観斜視図であり、また、図2は上記角速度センサ1を使用するための回路の一例を示すブロック図である。
この実施の形態における角速度センサ1は、図1及び図2に示すように、振動ジャイロとして動作する振動子1aを備えている。
振動子1aは、基体2と圧電体3とを積層してなり、長手方向に対して垂直な平面で切断したときの断面の形状(以下、単に断面形状と称する)が矩形となる四角柱状に形成されている。この振動子1aの基体2は、例えばアモルファスカーボンからなる。
圧電体3は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電セラミックスや水晶、LiTaO3などの圧電単結晶などからなり、通常、分極処理により生成されている。
圧電体3には、その対向する一方の主面3Aであって上記基体と接合される面に基準電極3aが形成されている。さらに、この圧電体3には、その対向する他方の主面3Bに、駆動電極3bと、この駆動電極3bを挟む形で1対の検出電極3c1,3c2が、上記振動子1aの長手方向に沿って互いに平行に分割されて形成されている。
この角速度センサ1において、圧電体3の厚さは基体2の厚さより薄く、例えば、圧電体3の厚さを0.2mm、基体2の厚さを0.8mmとしている。
この角速度センサ1は、上記基体2と圧電体3とを積層して接合なる振動子1aの上記圧電体3の対向する一方の主面3Aに設けられている基準電極3aと他方の主面3Bに設けられている駆動電極3bとの間に電圧を印加することにより上記振動子1aを振動させるとともに上記振動子1aに生じるコリオリ力を圧電体3により検出し、上記他方の主面3Bに設けられている検出電極3c1,3c2から上記コリオリ力に応じた信号として角速度検出信号を出力する。
この実施の形態における角速度センサ1では、上記圧電体3の主面と対向する上記基体2の2つの主面2A,2Bと該2つの主面2A,2Bに連続する少なくとも1つの側面2Cに互いに 導通する電極2a,2b,2cが形成されており、上記電極2b と基準電極3aが接合されることで上記基準電極3aと上記電極2a,2b,2cが導通し、上記基体2と圧電体3が積層された振動子1aを構成している。なお、上記基体2の全周面に導電性材料をメッキして電極を形成するようにしても良い。
そして、この角速度センサ1は、上記圧電体3の他方の主面3Bに形成された駆動電極3bと1対の検出電極3c1,3c2から、各々端子A,B,Cが導出されているとともに、上記圧電体3の一方の主面3Aに形成された基準電極3aと導通する上記基体2の主面2Aに設けられた電極2aから端子Dが導出されている。
この角速度センサ1の圧電体3は、振動駆動機能及びその振動を検出する機能を合わせ持っている。これにより、角速度センサ1は、振動駆動機能により振動しているときに振動子1aが回転することによって生じたコリオリ力を検出機能により検出する。
すなわち、この角速度センサ1は、図2に示すように、上記1対の検出電極3c1,3c2から導出された端子B,Cに加算器10と差動増幅器13が接続され、また、上記加算器10の加算出力が増幅器11により増幅されて供給される移相器12の出力端が上記駆動電極3bから導出された端子Aに接続されることにより、これらが振動子1aを振動させる振動駆動部として機能するようになっている。なお、上記圧電体3の一方の主面3Aに形成された基準電極3aと導通する上記基体2の主面2Aに設けられた電極2aから導出されている端子Dは、所定の電位を持つ基準電圧端子に接続されている。
この角速度センサ1では、上記加算器10、増幅器11、移相器12及び振動子1aによって所謂移相発振回路を構成しており、この移相発振回路によって振動子1aを自励振動させる。この自励振動による振動子1aの振動方向は、駆動電極3bが設けられている圧電体3の主面3Bに対して垂直な方向であり、以下、単に振動方向と称する。
また、この角速度センサ1では、上記1対の検出電極3c1,3c2から導出された端子B,Cに接続された上記加算器10及び上記差動増幅器13の出力端が、同期検波器14に接続され、この同期検波器14がローパスフィルタ15に接続されており、これらと圧電体3が、振動子1aの回転を検出する検出部として機能する。
すなわち、角速度センサ1では、振動子1aを振動方向に振動させているときに、振動子1aが回転することによって当該振動子1aに生じたコリオリ力を、圧電体3によって検出し、検出電極3c1,3c2から互いに逆極性の信号として出力し、差動増幅器13に入力する。そして、差動増幅器13にて増幅された出力は、同期検波器14に入力され、同期検波が行われる。このとき、同期検波器14には、同期検波を行うために、加算器10からの出力が同期信号として供給される。そして、同期検波器14からの出力が、ローパスフィルタ15を介して、振動子1aに生じたコリオリ力を検出することにより得られた角速度信号として出力される。
以上のように、この角速度センサ1では、圧電体3を用いて振動子1aを振動させるとともに、そのときに振動子1aに生じるコリオリ力を当該圧電体3によって検出し、この圧電体3によって検出されたコリオリ力に基づいて角速度を検出することができる。
このような構造の角速度センサ1では、同一面に検出電極3c1,3c2と駆動電極3bが配されているので、図3(A)に示すように、導電性材料をメッキすることにより全周面に電極を形成した基体の母体であるウェハ20と両面電極メッキを施すことにより各電極を形成した圧電体の母体であるウェハ30とを積層させてこれらを接着し、図3(B)に示すように、四角柱状として個々に切り出すことにより、図3(C)に示すように、振動子1aを製造することができる。このような工程により製造される振動子1aは、非常に精度が高く、かつ超小型化が可能となる。さらに量産効果も得やすい構造とされる。また、圧電体の接着位置ずれにといった問題も解決することができる。また、基体は、上記圧電体と略同様の切削加工性を有していることから、基体のウェハと圧電体のウェハとから上述したように、振動子としての切り出しが容易とされる。
さらに、従来のように、恒弾性金属振動子に圧電素子を接着したり、曲面に電極を印刷するといった難しい工程を設ける必要がなくなる。
この角速度センサ1では、上記圧電体3の対向する一方の主面3A であって上記基体2と接合される面に基準電極3aが 形成されているが、上記基体2に導電性がある材料をメッキして、上記圧電体3の主面3Aと対向する上記基体2の2つの主面2A,2Bと該2つの主面2A,2Bに連続する少なくとも1つの側面2Cに上記基準電極3aと導通する電極2a,2b,2cを形成することによって、圧電体3に効率よく駆動電界を印加することが可能になり、感度向上を図ることが可能になる。なお、基体2を導電性がある材料で形成してもよい。
また、当然、小型化に伴って技術的な難しさが増し、精度を確保することが困難になると考えられるが、既にLSIやヘッド加工などで確立されている微細加工技術を応用することにより、このような問題はクリアできる。従って、高精度の寸法精度が得られるため、振動子の周波数調整も簡略化することが可能になる。
また、自励発振型駆動回路を応用することにより、非常に簡単な回路によって高精度な角速度センサ1を構成することができる。
そして、この角速度センサ1は、自励発振型なので、他励発振型の角速度センサのように温度特性の影響によって感度が低下してしまうようなこともない。
また、この角速度センサ1では、同一面に形成された検出電極3c1,3c2と駆動電極3bの振動子1の幅方向の電極寸法を、図4に示すように、検出電極3c1,3c2と駆動電極3bとで異ならしめることによって、検出特性を最適化することができる。すなわち、駆動電極3bの形状や寸法を調整することで駆動効率を調整することができ、また、検出電極3c1,3c2の形状や寸法を調整することで検出効率を調整が可能になる。
上記角速度センサ1において、駆動電極3bの幅をW1、検出電極3c1,3c2の幅をW2とし、W1/W2を1〜2.8の範囲で変えた場合の感度を測定した結果を図5に示す。
この図5に示す感度特性から明らかなように、上記角速度センサ1は、W1とW2との比率が1<W1/W2≦2.6の範囲でW1/W2=1と同等以上の感度を示す。特に、1.8<W1/W2≦2.0の範囲では、W1/W2=1の場合と比較して2倍以上の感度が得られる。
また、感度と離調度の関係を図6に示す。
ここで、離調度とは、縦方向の共振周波数と横方向の共振周波数の差であり、離調度が小さい程感度は高くなる。TYPE1はW1/W2=1の場合を示しており、TYPE2はW1/W2=1.9の場合を示している。この図6から明らかなように、離調度がどの範囲にあっても、W1/W2=1の場合よりもW1/W2=1.9の場合の方が圧倒的に感度が高い。
以上のような説明から明らかなように、この角速度センサ1は、非常にシンプルな構造を有し、小型化を進めても、精度を損なわず、量産効果も期待でき、コストパフォーマンスが高く、高感度のものとなる。また、角速度センサ1は、低コスト化、小型化、高感度化をさらに推進することを可能にするので、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置等のさらなる小型化・ハイコストパフォーマンスの要求に応えることができる。
なお、基体2は、材料そのものに導電性があれば、本例のように導電性材料をメッキして電極を形成する必要は必ずしもない。また、コリオリ力は、振動子1aの重さ(質量)に比例して大きくなるので、基体2の質量が大きい方がセンサとして感度が上がることとなる。このようなことを考慮に入れて基体2の材料を選択してもよい。
1 角速度センサ、1a 振動子、2 基体、2A,2B 主面、2C 側面、2a,2b,2c 電極、3 圧電体、3A,3B 主面、3a 基準電極、3b 駆動電極、3c1,3c2 検出電極、10 加算器、11 増幅器、12 移相器、13 差動増幅器、14 同期検波器、15 ローパスフィルタ、20,30 ウェハ
Claims (5)
- 基体と圧電体とを積層してなる四角柱状の振動子と、
上記圧電体の対向する一方の主面であって上記基体と接合される面に形成され、基準電位に接続される基準電極と、
上記圧電体の対向する他方の主面に上記振動子の長手方向に沿って形成され、上記振動子を振動させるための信号が供給される少なくとも1つの駆動電極と、
上記圧電体の対向する他方の主面に上記駆動電極を挟む形で互いに平行に形成され、上記振動子に生じるコリオリ力に応じた信号を出力するための少なくとも1対の検出電極とを備え、
上記駆動電極と上記基準電極との間に電圧を印加して上記圧電体により上記振動子を振動させるとともに上記振動子に生じるコリオリ力を上記圧電体により検出し、上記検出電極から上記コリオリ力に応じた信号として角速度検出信号を出力することを特徴とする角速度センサ。 - さらに、上記圧電体の主面と対向する上記基体の2つの主面と該2つの主面に連続する少なくとも1つの側面に形成され、上記基準電極と導通する電極を備えることを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
- 上記振動子の幅方向の電極寸法を上記駆動電極と上記検出電極とで異ならしめたことを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
- 上記駆動電極の幅をW1、上記検出電極の幅をW2とし、W1とW2との比率が1<W1/W2≦2.6であることを特徴とする請求項3記載の角速度センサ。
- 上記駆動電極の幅をW1、上記検出電極の幅をW2とし、W1とW2との比率が1.8<W1/W2≦2.0であることを特徴とする請求項3記載の角速度センサ。
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