JP2005227215A - 角速度センサおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は角速度センサ及びその設計方法に関するものであり、外乱に対するノイズの発生を抑制するものである。
【解決手段】角速度センサの振動部１ａ，１ｂを設計するにあたり、振動部１ａ，１ｂの音叉振動方向の基本駆動周波数における駆動抵抗Ｒ１と、振動部１ａ，１ｂにおける基本駆動周波数とは異なる外乱振動周波数における振動抵抗Ｒ２の比を設計要素として取り入れるのである。このように設計することで、外乱に強い角速度センサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に角速度センサ及びその設計方法に関するものである。

一般に角速度センサは、下端が連結部により連結された一対の振動部を有する音叉型振動子と、振動部上の下端側から導出され振動部を音叉振動方向に駆動するために設けられた駆動電極と、印加された角速度により振動部に生じる撓みを検知するために設けられた検知電極とを備えた構造となっており、この中でも特に振動部を設計するにあたっては、振動部における駆動抵抗を小さくすることのみ重要視した設計となっていた。

なお、この出願の発明に関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。
米国特許第５４３８２３１号明細書

そして、このように構成される角速度センサにおいては、近年、特に車載用途において小型でありながら高い信頼性が要求されるようになってきていることから、外部から突発的に加わる振動、いわゆる外乱に対する特性の向上は急務である。

しかしながら、振動部の設計において、従来、駆動抵抗のみを重要視して設計が行われていたため振動部自体が有する音叉振動方向における基本駆動周波数以外の固有振動周波数成分が外乱として振動部に入力されることにより振動部が不要な振動を起こしてしまい角速度センサから不要信号を出力してしまうという問題を有していた。

そこで、本発明はこのような問題を解決し外乱に強い角速度センサおよびその設計方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、特に、角速度センサの振動部を設計するにあたり、振動部の音叉振動方向の基本駆動周波数における駆動抵抗と、振動部における基本駆動周波数とは異なる外乱振動周波数における振動抵抗との比を設計要素として取り入れたのである。

このように角速度センサを設計することで、外乱に強い角速度センサを提供することができるのである。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。

図１は角速度センサに用いられる音叉型振動子を示す正面図であり、基本構造は例えばシリコンから構成され２本の並設された振動部１ａ，１ｂがその下端において連結部１ｃにより連結された音叉型振動子１から構成されている。

また、振動部１ａには一対の駆動部２を有し、駆動部２の構成としては特に図示していないが圧電体層の上下面に駆動電極が設けられ、駆動部２として示された上面の駆動電極は振動部１ａにおいて下端から上端側に向けて設けられている。

また、一対の駆動部２の間には検知部３が設けられ、駆動部２と同様に特に図示していないが圧電体層の上下面に検知電極が設けられ、検知部３として示された上面の検知電極は振動部１ａにおいて下端から上端側に向け、駆動電極とほぼ同じ長さとなるように設けられている。

振動部１ｂには振動部１ａに設けられた検知部３と同じ構造の検知部３が設けられ、この検知部３に並設されるようにモニタ部４が設けられている。なお、このモニタ部４も検知部３と同様に圧電体層の上下面にモニタ電極を設けた構成となっている。

また、連結部１ｃには駆動部２、検知部３、モニタ部４の各電極を外部に引き出すための接続電極５が設けられている。

そして、駆動部２の駆動電極に対する電圧の印加を制御することにより振動部１ａが矢印６（Ｘ軸方向）で示す音叉振動方向に振動し、この振動に伴って振動部１ｂが共振する構造となっている。なお、モニタ部４から出力されるモニタ信号は振動部１ａ，１ｂにおける駆動振幅を検知するものであり、モニタ部４からの信号を駆動電圧制御回路（特に図示せず）にフィードバックするものである。また、各振動部１ａ，１ｂに設けられた検知部３は、Ｙ軸周りに印加された角速度により振動部１ａ，１ｂに加わったコリオリ力（Ｚ軸方向に発生する）を電気信号に変換し出力するものである。

このように構成される角速度センサにおいて、振動部１ａ，１ｂを設計するのにあたり振動部１ａ，１ｂの音叉振動方向の基本駆動周波数における駆動抵抗Ｒ１と、振動部１ａ，１ｂにおける基本駆動周波数とは異なる外乱振動周波数における振動抵抗Ｒ２の比を設計要素として取り入れたのである。

この点については、背景技術において説明したように従来の振動部１ａ，１ｂの設計は、音叉振動方向における駆動抵抗Ｒ１をいかに減少させ消費電力を抑制するかを追求していたものであるのに対し、近年のさらなる外乱に対する高信頼性つまり出力信号の高精度化の要望に応えるべく鋭意検討した結果、図２に示すごとく基本駆動周波数における振動部１ａ，１ｂの音叉振動方向の駆動抵抗をＲ１、基本駆動周波数とは異なる外乱振動周波数における振動部１ａ，１ｂの振動抵抗Ｒ２、振動部１ａ，１ｂの長さをＬ、駆動電極の長さをＤとし、Ｒ１／Ｒ２を縦軸に、Ｄ／Ｌを横軸にとることで、これらの相関関係が２次曲線的な軌跡をとることを初めて見出し、これに基づき角速度センサを設計することで外乱に強い構造とすることができたのである。

また、この図２に示された振動抵抗Ｒ２は振動部１ａ，１ｂの持つ固有振動周波数の中でも図３に示されるような音叉振動方向に対する振動部１ａ，１ｂの中折れを引き起こす振動に対するもので、この振動は角速度センサにおいて基本駆動周波数に次いで起こりやすい現象であるため、振動部１ａ，１ｂがＸ軸方向において同じ方向に振動してしまうモードや、Ｚ軸方向において同じ方向に振動してしまうモードなど、他のモードに加えて新たに設計要素として取り入れることにより、信頼性を向上させることができたのである。

なお、この中折れ振動における具体的な対策としては、先に延べたＲ１／Ｒ２の値が１以下となるＤ／Ｌの値が０．３８〜０．４６の範囲、つまり駆動電極Ｄの長さが振動部１ａ，１ｂの長さＬの４〜５割となる範囲に設定すれば良いのである。ここで、Ｒ１／Ｒ２の値が１以下としているのは、Ｒ１が基本駆動周波数における振動部１ａ，１ｂの音叉振動方向の駆動抵抗で、Ｒ２が外乱振動周波数における振動部１ａ，１ｂの振動抵抗Ｒ２であることから、この比の値を１以下に設定することで、振動部１ａ，１ｂが外乱の影響を受けにくいものとできるからである。

また、振動部１ａ，１ｂの一部分に駆動部２、検知部３やモニタ部４等を設けることで振動部１ａ，１ｂの表面が露出してしまうのであるが、この部分においては図１に示されるよう各電極等とは独立した付加質量部７を設けることが望ましい。

この構成は振動部１ａ，１ｂに対する各電極等の形成に起因するもので、一般的な電極形成として音叉型振動子１を形成するシリコン基板上に各電極を形成するベース電極を一面に形成しこのベース電極から不要な電極をエッチングにより除去しそれぞれの電極パターンを形成するもので、このエッチングによりシリコン基板の表面を不要に傷つけることは角速度センサの特性バラツキに繋がってしまうため、この露出面を極力少なくすることが重要となるからである。同様のことは圧電体層のエッチングについてもいえる。

また、この付加質量部７の構造は、駆動部２や検知部３と同様で、圧電体層の上下面に付加質量電極を設けた構成とすることで、他の駆動部２や検知部３と同時に形成でき、特に付加的な工程を設けることなく容易に形成できるものである。

なお、検知部３における上面に設けられた検知電極の長さは、同じく駆動部２における上面に設けられた駆動電極の長さに合わせ、その端面位置を揃えることで対峙する付加質量部７の端面を直線的に形成することができシリコン基板表面の露出をより抑制できるのである。

また、この付加質量部７を設けることで振動部１ａ，１ｂに錘が付加された状態となり、基本駆動周波数が低くなるため、所望の駆動周波数に合わせるためには、振動部１ａ，１ｂの長さを短くするか、振動部１ａ，１ｂの幅を大きくする必要がある。言い換えれば、この付加質量部７を設けることによって、振動部１ａ，１ｂを短くすることで角速度センサの小型化が実現でき、また、振動部１ａ，１ｂの幅を大きくすることで、そこに設けられる駆動部２や検知部３の面積を拡大し、駆動効率や検知効率を向上させることができるのである。

さらに、付加質量部７をトリミング加工などによってその形状を調整することで、振動部１ａ，１ｂの質量や重心位置を調節できるので、よりノイズの少ないさらに高精度な角速度センサを提供できるのである。

なお、上述した説明においては、振動部１ａ上の駆動部２を主に説明したものであるが、これは駆動部２を片側の振動部１ａにのみ設けたいわゆる片側駆動の構造となっているためであり、他方の振動部１ｂの設計においても、振動部１ａの設計を配慮しモニタ部４や検知部３を振動部１ａ上の電極レイアウトと対称的なレイアウトに設定し、さらにその対称性を向上させるべくダミー電極８を設けた設計としている。

また、この一実施形態において角速度センサは駆動部２を片側の振動部１ａにのみ設け片側駆動の構造となっているが、本発明はこのような形態にとらわれるものではなく、駆動部２を両側の振動部１ａ，１ｂに設ける、いわゆる両側駆動の構造においても同様の効果を奏するものである。

本発明にかかる角速度センサは、外乱に対するノイズの発生を抑制するという効果を有し、特に車載向け用途において有用である。

本発明の一実施形態における角速度センサの音叉型振動子の正面図 同角速度センサにおける振動部の設計概念を示すグラフ 同角速度センサにおける音叉型振動子の外乱振動の状態を示す図

符号の説明

１ 音叉型振動子
１ａ，１ｂ 振動部
１ｃ 連結部
２ 駆動部
３ 検知部

Claims (9)

1. 下端が連結部により連結された一対の振動部を有した音叉型振動子と、前記振動部上の下端側から導出され前記振動部を音叉振動方向に駆動するために設けられた駆動部と、印加された角速度により前記振動部に生じる撓みを検知するために前記振動部上に設けられた検知部とを備えた角速度センサの設計方法において、前記振動部の音叉振動方向における基本駆動周波数における駆動抵抗Ｒ１と、前記振動部における前記基本駆動周波数とは異なる外乱振動周波数における振動抵抗Ｒ２の比を用いて、前記Ｒ１／Ｒ２が略１より小さくなるように設計することを特徴とした角速度センサの設計方法。
2. 外乱振動周波数における振動は、振動部における音叉振動方向に対する中折れを引き起こす振動であることを特徴とした請求項１に記載の角速度センサの設計方法。
3. 振動部は上下面に駆動電極を有した圧電体層からなり少なくとも上面に設けられた駆動電極の導出方向における長さをＤ、振動部の延出方向における長さをＬとしＤ／Ｌの範囲を０．３８〜０．４６に設定することを特徴とした請求項１に記載の角速度センサの設計方法。
4. 下端が連結部により連結された一対の振動部を有した音叉型振動子と、前記振動部上の下端側から導出され前記振動部を音叉振動方向に駆動するために設けられた駆動部と、印加された角速度により前記振動部に生じる撓みを検知するために前記振動部上に設けられた検知部とを備えた角速度センサにおいて、前記振動部の音叉振動方向における基本駆動周波数における駆動抵抗Ｒ１と、前記振動部における前記基本駆動周波数とは異なる外乱振動周波数における振動抵抗Ｒ２の比を用いて、前記Ｒ１／Ｒ２が略１より小さくなるように構成されたことを特徴とする角速度センサ。
5. 外乱振動周波数における振動は、振動部における音叉振動方向に対する中折れを引き起こす振動であることを特徴とした請求項４に記載の角速度センサ。
6. 振動部は上下面に駆動電極を有した圧電体層からなり、少なくとも上面に設けられた駆動電極の導出方向における長さをＤ、振動部の延出方向における長さをＬとし、Ｄ／Ｌの範囲を０．３８〜０．４６に設定したことを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
7. 検知部は上下面に検知電極を有した圧電体層からなり、少なくとも上面に設けられた検知電極の導出方向における長さをＤ、振動部の延出方向における長さをＬとし、Ｄ／Ｌの範囲を０．３８〜０．４６に設定したことを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
8. 振動部上における駆動部の上端から振動部の先端の間に、前記駆動部および検知部とは独立した付加質量部を設けたことを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
9. 付加質量部の形状を調節することで振動部の駆動方向を調節したことを特徴とする請求項８に記載の角速度センサ。

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