JP2007292470A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】実装部の長辺を縮小することが可能な角速度センサを提供する。
【解決手段】本発明は、それぞれがベース部とベース部から延びる複数のアーム部を有する第１および第２音叉型振動子（１０ａ、１０ｂ）と、第１および第２音叉型振動子を実装する実装部（３０）と、を具備し、第１音叉型振動子（１０ａ）のアーム部の先端は第２音叉型振動子（１０ｂ）の側面に対向しており、第１音叉型振動子（１０ａ）と実装部（３０）を接続する第１ワイヤ（４２ａ）は第１音叉型振動子（１０ａ）の幅方向に引き出されることを特徴とする角速度センサである。
【選択図】図５

Description

本発明は角速度センサに関し、特に複数の音叉型振動子を有する角速度センサに関する。

角速度センサは回転時の角速度を検知するセンサであり、カメラの手ぶれ防止やカーナビゲーションなどのシステム、自動車、ロボットの姿勢制御システムなどに利用されている。特許文献１には、円柱状振動子が複数設けられた角速度センサが開示されている。特許文献２には、円柱状振動子をホルダには二点支持した複数軸検知の角速度センサが開示されている。このように円柱状あるいは棒状の振動子を音片型振動子と称している。また、特許文献３には、ベース部とベース部から延びる複数のアーム部を有する音叉型振動子が開示されている。
特開平９−２９２２２９号公報 特許第３４１８２４５号明細書 国際公開第ＷＯ０３／１００３５０号パンフレット

音片型振動子は外部からの振動に対し、振動のバランスを取り、振動をキャンセルすることができない。このため、特許文献１および特許文献２のように、１つのパッケージに２つの音片型振動子を配置した場合、外部振動に起因した各音片型振動子の不要振動（漏れ振動）が互いに干渉し（干渉ノイズ）、角速度の検出精度を劣化させる。また、音片型振動子は固有振動周波数における不動エリアが狭い。このため、各音片型振動子を支持する際、不動エリア以外を支持してしまうと、一方の音片型振動子の駆動振動が他方の音片型振動子に伝搬し干渉ノイズが発生し、角速度検出精度が劣化する。さらに、音片型振動子は全体が振動するため２箇所で支持することが必要である。このため、２箇所の支持部の位置精度やバランスを保持するのが難しい。

一方、音叉型振動子は、外部からの振動を左右のアーム部でキャンセルする構造を有している。このため、音叉型振動子を複数用いた角速度センサにおいては、角速度の検出精度の劣化や干渉ノイズを抑制することができる。しかしながら、音叉型振動子はアーム部とベース部とからなりベース部から電気信号を入出力する構成となってしまう。角速度センサはこのような音叉型振動子を複数個有するため、実装面積が大きくなってしまう。そこで、音叉型振動子を複数個有する角速度センサの小型化が求められている。特に、角速度センサの実装部の長辺を縮小することが求められている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、実装部の長辺を縮小することが可能な角速度センサを提供することを目的とする。

本発明は、それぞれがベース部とベース部から延びる複数のアーム部を有する第１および第２音叉型振動子と、前記第１および第２音叉型振動子を実装する実装部と、を具備し、前記第１音叉型振動子の前記アーム部の先端は前記第２音叉型振動子の側面に対向しており、前記第１音叉型振動子と前記実装部とを接続する第１ワイヤは前記第１音叉型振動子の幅方向に引き出されることを特徴とする角速度センサである。本発明によれば、縮小が求められる第１音叉型振動子の長手方向の実装部の寸法を削減することができる。

上記構成において、前記第１ワイヤは前記実装部の内側に引き出される構成とすることができる。この構成によれば、第１音叉型振動子のベース部と第２音叉型振動子のベース部を離すことができるため、音叉型振動子の振動の干渉をより抑制することができる。

上記構成において、前記第２音叉型振動子と前記実装部とを接続する第２ワイヤは前記第２音叉型振動子の長手方向に引き出される構成とすることができる。

上記構成において、前記第２音叉型振動子と前記実装部とを接続する第２ワイヤは前記第２音叉型振動子の幅方向に引き出される構成とすることができる。この構成によれば、第１音叉型振動子の幅方向の実装部の寸法を削減することができる。

上記構成において、前記第２ワイヤは前記実装部の内側に引き出される構成とすることができる。この構成によれば、第１音叉型振動子のベース部と第２音叉型振動子のベース部を離すことができるため、音叉型振動子の振動の干渉をより抑制することができる。

上記構成において、前記実装部に設けられ前記第１および第２音叉型振動子の振動を吸収するための吸音部を具備する構成とすることができる。この構成によれば、第１および第２音叉型振動子間の干渉ノイズを低減することができる。

上記構成において、前記吸音部は、前記第１および第２音叉型振動子を制御するための制御回路を前記実装部に接合する接合部材である構成とすることができる。この構成によれば、吸音部を新たに設ける必要がなく実装面積を縮小させることができる。

本発明によれば、実装部の長辺を縮小することが可能な角速度センサを提供することができる。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

実施例１は、２つの音叉型振動子を実装部であるパッケージ上に実装した角速度センサの例である。図１は実施例１に係る角速度センサの斜視図であり、図２（ａ）は上視図（キャップは不図示）、図２（ｂ）は音叉型振動子１０と支持部２０の斜視図である。図１および図２（ａ）を参照に、２本のアーム部を有する第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂが支持部２０ａおよび２０ｂを介しキャビティタイプのパッケージ３０に固着され実装されている。第１および第２音叉型振動子１０ａおよび１０ｂは互いに直交しており、それぞれ各長手方向（アーム部の方向）を検知軸とし、検知軸を中心とした角速度を検知する。パッケージ３０には例えば基板に電子部品が実装された制御回路４６が実装されている。制御回路４６は、音叉型振動子１０ａおよび１０ｂを制御する回路であり、音叉型振動子１０ａおよび１０ｂに駆動信号を供給し、音叉型振動子１０ａおよび１０ｂより検出信号が入力する。パッケージ３０にはキャップ４０により蓋がされる。

図２（ｂ）を参照に、第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂである音叉型振動子１０は、ベース部１３とベース部１３から延びる２本（複数）のアーム部１１および１２を有する。音叉型振動子１０を支持するための支持部２０は音叉型振動子１０を支持するための支持面２２と、パッケージ３０に実装されるための実装面２４を有する。音叉型振動子１０は例えば接着剤等の接合部材により支持面２２に固着される。支持部２０の実装面２４は例えば接着剤等の接合部材によりパッケージ３０に固着される。接着剤としては例えばエポキシ樹脂等の接着剤を用いることができる。また、接合部材としては接着剤以外にも、例えば低融点ガラス、鉛フリ半田やＡｕ−Ｓｎ半田等の半田を用いることができる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は音叉型振動子１０の電極パターンを示す図である。音叉型振動子１０は例えばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）またはＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）等の圧電性材料より形成されている。例えばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）またはＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）を用いる場合は、１３０°から１４０°Ｙ板を用いることにより、高ｋ２３電気機械結合係数を得ることができる。音叉型振動子１０の表面にはＡｕ、ＡｌまたはＣｕ等の金属膜を用いた電極が形成されている。

図３（ａ）は音叉型振動子１０の表側を示し、図３（ｂ）は裏側を示す。アーム部１１には検出電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃが設けられている。検出電極１１ａと１１ｂは電極１１ｄで接続されている。検出電極１１ａには引出し電極１１ｆが設けられている。電極１１ｃは、引出し電極１１ｅに接続されている。同様に、アーム部１２には、検出電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。検出電極１２ａと１２ｂは電極１２ｄで接続されている。電極１２ａには引出し電極１２ｆが設けられている。電極１２ｃは、引出し電極１２ｅに接続されている。音叉型振動子１０の表面には駆動電極１４ａが設けられ、引出し電極１４ｂに接続されている。同様に、裏面には駆動電極１５ａが設けられ、引出し電極１５ｂに接続されている。

図４（ａ）および図４（ｂ）は音叉型振動子１０の駆動モードと検出モードを説明するための図である。図４（ａ）を参照に、音叉型振動子１０の駆動電極１４ａおよび１５ａに駆動信号を印加することによりアーム部１１および１２が互いに開閉するような振動モードを発生させる。この振動はアーム部１１および１２方向の面に平行な振動であり、これを面内振動モードという。ここで検知軸に対し角速度が加わると、コリオリ力により図４（ｂ）のようなアーム部１１および１２が前後に振動する振動モードが現れる。この振動はアーム部１１および１２方向の面に垂直なツイスト振動であり、これを面垂直振動モードという。検出電極１１ａから１１ｃおよび１２ａから１２ｃによりこの振動モードを検知することにより検知軸を中心とした角速度を検知することができる。駆動に用いる振動モードを駆動モード、検知に用いる振動モードを検出モードという。駆動モード、検出モードは図４（ａ）および図４（ｂ）に示した振動モードには限られない。駆動モードに対しコリオリ力により検出モードが現れればよい。各振動モードにおいて、振動しない領域をノードという。図４（ａ）においては、音叉型振動子１０の対称面がノードＡとなる。図４（ｂ）においては、音叉型振動子１０の中心軸がノードＢとなる。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例および実施例１の第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂとパッケージ３０のパッド４４ａおよび４４ｂとを接続するワイヤ４２ａおよび４２ｂを示した図である。図５（ａ）を参照に、比較例においては、第１音叉型振動子１０ａの先端（アーム部の先端）は第２音叉型振動子１０ｂのアーム部の側面に対向している。パッケージ３０のパッド４４ａは第１音叉型振動子１０ａの長手方向（つまりアーム部の延びる方向）の後方（つまりベース部の方向）に設けられている。このため、第１音叉型振動子１０ａとパッド４４ａとを接続する第１ワイヤ４２ａは第１音叉型振動子１０ａの長手方向に引き出されている。なお、図５（ａ）では図示しないが第１ワイヤ４２ａはそれぞれ第１音叉型振動子１０ａの図３（ａ）で図示した引き出し電極１１ｅ、１１ｆ、１２ｅ、１２ｆおよび１４ｂに接続されている。同様に、第２音叉型振動子１０ｂとパッケージ３０のパッド４４ｂとを接続する第２ワイヤ４２ｂは、第２音叉型振動子１０ｂの長手方向の後方に引き出されている。

図５（ｂ）を参照に、実施例１においては、比較例に比べ、パッド４４ａが第１音叉型振動子１０ａの幅方向に設けられており、第１音叉型振動子１０ａとパッド４４ａとを接続する第１ワイヤ４２ａが、第１音叉型振動子１０ａの幅方向の両側に引き出されている。第２音叉型振動子１０ｂとパッド４４ｂとを接続する第２ワイヤ４２ｂは、比較例１と同様に第２音叉型振動子１０ｂの長手方向に引き出されている。

２つの音叉型振動子１０を設けた角速度センサにおいては、２つの音叉型振動子１０の検知軸はほぼ直交している。この場合、最も実装面積を小さくしようとすると、図５（ａ）のように、第１音叉型振動子１０ａの先端が第２音叉型振動子１０ｂの側面に対向するように配置する場合である。この場合、第１音叉型振動子１０ａの長手方向のパッケージ寸法Ｌ１は第１音叉型振動子１０ａの長さＬａと第２音叉型振動子１０ｂの幅Ｗａとの和以上の寸法が必要である。一方、第１音叉型振動子１０ａの幅方向のパッケージ寸法Ｌ２は第２音叉型振動子１０ｂの長さＬｂ以上の寸法が必要である。このように、パッケージ３０の寸法Ｌ１はＬ２より長くなる。

音叉型振動子１０はその構造上、主に振動する機能を有するアーム部１１、１２と、アーム部１１、１２を保持しかつパッケージ３０に保持される機能を有するベース部１３に分かれている。そのため、２つの音叉型振動子１０のベース部１３は離れてパッケージ３０に支持されることが好ましい。ベース部１３が近接して支持されると２つの音叉型振動子１０の振動が干渉するためである。よって、第１音叉型振動子１０ａのアーム部の先端を第２音叉型振動子１０ｂのアーム部の側面に対向するように配置することが好ましい。これにより、ベース部１３が離れて実装されるため、２つの音叉型振動子１０の振動が干渉することを低減することができる。

音叉型振動子１０においては、音叉型振動子１０とパッケージ３０とを接続するワイヤもベース部１３から引き出される。また、２つの音叉型振動子１０のベース部１３が離れて実装される。このような状況下で、図５（ａ）の比較例のように、第１ワイヤ４２ａおよび第２ワイヤ４２ｂがそれぞれ第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂの長手方向の後方に引き出されると、第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂのそれぞれ後方にパッド４４ａおよび４４ｂが必要となる。よって、パッケージ３０の寸法Ｌ１、Ｌ２として、さらにパッド４２ａ、４２ｂの寸法Ｌｐが必要となってしまう。

前述のように、パッケージ３０の寸法Ｌ１はＬ２に比べ長くなるため、特にＬ１を縮小することが求められている。実施例１によれば、第１ワイヤ４２ａが、第１音叉型振動子１０ａの幅方向に引き出されている。これにより、第１音叉型振動子１０ａの後方にパッド４４ａを配置する必要がなく、パッケージ３０の寸法Ｌ１をパッド４４ａの寸法Ｌｐ分小さくすることができる。

図６（ａ）および図６（ｂ）のように、第１ワイヤ４２ａは第１音叉型振動子１０ａの幅方向であって、パッケージ３０の外側にも内側にも引き出すことができる。しかし、第１ワイヤ４２ａは、パッケージ３０の内側に引き出すことが好ましい。これにより、第１音叉型振動子１０ａのベース部と第２音叉型振動子１０ｂのベース部を離すことができるため、音叉型振動子の振動の干渉をより抑制することができる。

図５（ｂ）のように、第２ワイヤ４２ｂは、第２音叉型振動子１０ｂの長手方向に引き出されてもよいが、図６（ｃ）のように、第２ワイヤ４２ｂは、第２音叉型振動子１０ｂの幅方向に引き出されることが好ましい。これにより、パッケージ３０の寸法Ｌ２をパッド４４ｂの寸法Ｌｐ分縮小することができる。さらに、第２ワイヤ４２ｂは、パッケージ３０の内側に引き出すことが好ましい。これにより、第１音叉型振動子１０ａのベース部と第２音叉型振動子１０ｂのベース部を離すことができるため、音叉型振動子の振動の干渉をより抑制することができる。なお、ここで、ワイヤを音叉型振動子１０の長手方向および幅方向に引き出すとは、それぞれ音叉型振動子の長手方向および幅方向に設けられた例えばパッド４４に接続するようにワイヤを引き出すことである。

実施例２は、実施例１の構成に加え実装部であるプリント基板上に吸音部を設けた例である。図７（ａ）および図７（ｂ）を参照に、実施例１と同様に、実装部としてプリント基板３１に２つの直交する第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂが実装されている。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）においては、第１ワイヤおよび第２ワイヤは図示していない。図７（ａ）を参照に、プリント基板３１上に音叉型振動子１０ａまたは１０ｂの振動を吸収するための吸音部として吸音材３２が設けられている。吸音材３２はプリント基板３１の振動を吸収する柔らかい材料であり、例えばエポキシ樹脂やシリコン樹脂等の樹脂を用いることができる。図７（ｂ）を参照に、吸音部として吸音材３２上に錘３４が設けられている。その他の構成は図７（ａ）と同じである。吸音材３２は錘３４を接着する接着剤としての機能も有している。図７（ｂ）は錘によりプリント基板３１の振動をより吸収させることができる。実施例２によれば、一方の音叉型振動子１０ａまたは１０ｂから他方の音叉型振動子１０ａまたは１０ｂへのプリント基板３１を伝搬する振動を吸音部が吸収することにより、干渉ノイズを低減することができる。吸音部は一方の音叉型振動子１０ａまたは１０ｂから他方の音叉型振動子１０ｂまたは１０ａへの振動を吸収するため、音叉型振動子１０ａおよび１０ｂの間に配置することが好ましい。吸音部としては、プリント基板３１等の実装部の厚さを部分的に厚くし慣性モーメントを大きくし音叉型振動子１０ａまたは１０ｂの振動を伝搬し難くすることにより、振動を吸収してもよい。

実施例３は吸音材を制御回路４６を保持するために用いる例である。図８は実施例３の斜視図である。図８を参照に、実装部であるキャビティタイプのパッケージ３０に、実施例１と同様に第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂが実装されている。パッケージ３０上に実施例２の図７（ａ）と同様の吸音材３２が設けられている。吸音材３２上には実施例１と同様の機能を有する制御回路４６が実装されている。吸音材３２は制御回路４６をパッケージ３０に保持する接着剤としての機能も有する。実施例３では、吸音材３２(吸音部）は、第１および第２音叉型振動子１０ａおよび１０ｂを制御するための制御回路４６をパッケージ３０に接合する接合部材である。これにより、吸音部を新たに設ける必要がなく実装面積を縮小させることができる。

実装部として、実施例１および実施例３はパッケージ３０、実施例２はプリント基板３１を用いた例であったが、音叉型振動子１０ａおよび１０ｂを実装する機能を有していれば、その他の部材であっても良い。第１音叉型振動子１０ａおよび第２音叉型振動子１０ｂはアーム部１１、１２が２本の例であったがアーム部が複数の音叉型振動子であってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は実施例１係る角速度センサの斜視図である。 図２（ａ）は実施例１に係る角速度センサの上視図であり、図２（ｂ）は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子および支持部の斜視図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は音叉型振動子の表面の電極パターンを示す図である 図４（ａ）および図４（ｂ）は音叉型振動子の振動モードを示す図である。 図５（ａ）は比較例に係る角速度センサの上視図、図５（ｂ）は実施例１に係る角速度センサの上視図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は実施例１に係る角速度センサの別の例である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は実施例２に係る角速度センサの斜視図である。 図８は実施例３に係る角速度センサの斜視図である。

符号の説明

１０ 音叉型振動子
１０ａ 第１音叉型振動子
１０ｂ 第２音叉型振動子
１１、１２ アーム部
１３ ベース部
２０ 支持部
３０ パッケージ
３１ プリント基板
３２ 吸音材
３４ 錘
４０ キャップ
４２ａ 第１ワイヤ
４２ｂ 第２ワイヤ
４４ａ、４４ｂ パッド
４６ 制御回路

Claims (7)

1. それぞれがベース部とベース部から延びる複数のアーム部を有する第１および第２音叉型振動子と、
   前記第１および第２音叉型振動子を実装する実装部と、を具備し、
   前記第１音叉型振動子の前記アーム部の先端は前記第２音叉型振動子の側面に対向しており、
   前記第１音叉型振動子と前記実装部とを接続する第１ワイヤは前記第１音叉型振動子の幅方向に引き出されることを特徴とする角速度センサ。
2. 前記第１ワイヤは前記実装部の内側に引き出されることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記第２音叉型振動子と前記実装部とを接続する第２ワイヤは前記第２音叉型振動子の長手方向に引き出されることを特徴とする請求項１または２記載の角速度センサ。
4. 前記第２音叉型振動子と前記実装部とを接続する第２ワイヤは前記第２音叉型振動子の幅方向に引き出されることを特徴とする請求項１または２記載の角速度センサ。
5. 前記第２ワイヤは前記実装部の内側に引き出されることを特徴とする請求項４記載の角速度センサ。
6. 前記実装部に設けられ前記第１および第２音叉型振動子の振動を吸収するための吸音部を具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の角速度センサ。
7. 前記吸音部は、前記第１および第２音叉型振動子を制御するための制御回路を前記実装部に接合する接合部材であることを特徴とする請求項６記載の角速度センサ。
   

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