JP2008122262A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は低背化を図った角速度センサを提供することを目的としている。
【解決手段】第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム２を支持した支持部６と、支持部６に連結するとともに実装基板に固定した固定部９と、第２アーム４の先端部に連結した錘部１１とを有する検出素子１を備え、第２アーム４は第２アーム４自身と対向するまで折曲するとともに第２アーム４の対向方向に錘部を駆動振動させる駆動手段１７を設けており、折曲した第２アーム駆動電極部１７ｂを互いに交差させて配置した構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度を検出する角速度センサに関するものである。

以下、従来の角速度センサについて説明する。

従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種形状の検出素子を振動させ、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。

例えば、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、ナビゲーション装置用の角速度センサでは、車両のＺ軸周りの角速度を検出している。

図４は従来の角速度センサの斜視図、図５は同角速度センサのＡ−Ａ断面図である。

図４、図５において、従来の角速度センサの検出素子５１は音さ形状であって、２本のアーム５２と、このアーム５２を連結した基部５３とを有する。

２本のアーム５２にはアーム５２を駆動振動させる駆動電極部５４や角速度に起因したアーム５２の歪を感知する感知電極部５５が配置されており、例えば、各々の駆動電極部５４や感知電極部５５は圧電体５６を介在させた上部電極５７と下部電極５８から形成されている。また、この駆動電極部５４および感知電極部５５からは信号線５９が引き出され、基部５３に形成した電極パッド６０まで配置されている。さらに、電極パッド６０からワイヤボンディング等を介して検出素子５１を実装する実装基板（図示せず）の配線パターンに電気的に接続されている。

上記検出素子を、例えば、ＸＹ平面に対してＺ軸方向に立設し、アーム５２をＸ軸方向に駆動振動させ、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪をアーム５２で感知することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出していた。このような検出素子５１では、アーム５２の駆動振動面（ＸＺ平面）とアーム５２の歪面（ＹＺ平面）とは互いに略直交面となり、また、一方のアーム５２と他方のアーム５２では歪の方向が逆方向となる（一方のアーム５２が正のＹ軸方向に歪めば、他方のアーム５２は負のＹ軸方向に歪む）。

なお、この出願の発明に関連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。
特開２００５−２０１６５２号公報

上記構成では、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合、検出素子５１をＺ軸方向に立設する必要があり、低背化を図れないという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決し、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合でも低背化を図れる角速度センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームの一端を支持した支持部と、前記第１アームの他端を連結するとともに実装基板に固定する固定部と、前記第２アームの先端部に連結した錘部と、前記錘部を駆動振動させる駆動手段とを有する検出手段を備え、前記固定部は枠体形状とするとともに、前記固定部の一部のみにおいて実装基板と固定した構成である。

上記構成により、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子の第１アームをＸ軸方向に配置し第２アームをＹ軸方向に配置して、Ｚ軸周りに角速度が生じた場合は、錘部の駆動振動と同調して、錘部には駆動振動方向と直交した方向にコリオリ力が発生する。よって、第２アームにＺ軸周りの角速度に起因した歪を発生させることができ、この歪を検知することにより角速度を検出できるので、検出素子をＺ軸方向に立設せずに伏せた状態で、Ｚ軸周りの角速度を検出でき低背化を図れる。

特に、検出素子はその固定部の一部のみにおいて実装基板と固定しているので、実装基板と検出素子との線膨張係数が異なり、環境温度の変化に起因して実装基板および検出素子が膨張または収縮をした場合でも、その影響を受けにくくして、特性劣化を抑制できる。固定部の全体によって検出素子が実装基板に実装されていると、実装基板との線膨張係数の違いにより、固定部の全体が四方に膨張または収縮するため、固定部の全体に引張応力または圧縮応力が加わり、検出素子の共振周波数が変化して検出精度に影響を与えるが、上記構成によれば、線膨張係数の影響を受けにくいので、検出精度の劣化を抑制できる。

また、固定部は枠体形状なので剛性があり、錘部の駆動振動によって検出素子が撓んで検出精度を劣化させたりすることもない。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図である。

図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度を検出する検出素子１を備え、この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム２の一端を支持する支持部６と、第１アーム２の他端を連結するとともに実装基板（図示せず）に固定する固定部９とを有する。

第２アーム４はＵ字状に折曲して第２アーム４自身と対向する対向部１６を設け、その先端には錘部１１を連結している。固定部９は４つの稜部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを有する四角形状であって、その一つの稜部９ａのみにおいて実装基板と固定している。

この検出素子１は、第１アーム２と支持部６とを略同一直線上に配置しており、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム２をＸ軸方向に配置した場合、第２アーム４がＹ軸方向に配置される。

４つの第２アーム４の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム４には錘部１１を駆動振動させる第１駆動手段１７および第１検知手段１８を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム４には第２アーム４の歪を感知する第１感知手段１９、第２感知手段２０を設けている。

この第１駆動手段１７は第２アーム４の錘部１１を駆動させるための電極部を有し、第１検知手段１８は第２アーム４の駆動状態を検知するための電極部を有し、一方の第２アーム４には、その内周部の第１アーム２側に第１駆動電極部１７ａを配置するとともに外周部の錘部１１側に第１駆動電極部１７ａを配置し、外周部の第１アーム２側に第２駆動電極部１７ｂを配置するとともに内周部の錘部１１側に第２駆動電極部１７ｂを配置しており、他方の第２アーム４には、その外周部の第１アーム２側に第１検知電極部１８ａを配置するとともに内周部の錘部１１側に第１検知電極部１８ａを配置し、内周部の第１アーム２側に第２検知電極部１８ｂを配置するとともに外周部の錘部１１側に第２検知電極部１８ｂを配置している。

また、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂは互いに対向配置させるとともに、第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂは互いに対向配置させている。これによって、Ｕ字状に折曲した第２アーム４の第１アーム２側から錘部１１側に向かって、第１駆動電極部１７ａおよび第２駆動電極部１７ｂが互いに交差して配置されるとともに、第１検知電極部１８ａおよび第２検知電極部１８ｂが互いに交差して配置される。この第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂは、図２に示すように、圧電体１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。

さらに、錘部１１側に配置した第１駆動電極部１７ａから第１引き出し線２１ａを引き出すとともに、錘部１１側に配置した第２駆動電極部１７ｂから第２引き出し線２１ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１駆動電極部１７ａと、第１アーム２側に配置した第２駆動電極部１７ｂとの間から、第１引き出し線２１ａおよび第２引き出し線２１ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１駆動電極部１７ａから第３引き出し線２１ｃを引き出し、第２駆動電極部１７ｂから第４引き出し線２１ｄを引き出し、これら第１引き出し線２１ａ、第２引き出し線２１ｂ、第３引き出し線２１ｃ、第４引き出し線２１ｄを固定部９まで引き出している。

第１感知手段１９および第２感知手段２０は、２つの第２アーム４の歪を感知させるための電極部であり、一方の第２アーム４には、その内周部の第１アーム２側に第１感知電極部１９ａを配置するとともに外周部の錘部１１側に第１感知電極部１９ａを配置し、外周部の第１アーム２側に第２感知電極部１９ｂを配置するとともに内周部の錘部１１側に第２感知電極部１９ｂを配置しており、他方の第２アーム４には、その外周部の第１アーム２側に第３感知電極部２０ａを配置するとともに内周部の錘部１１側に第３感知電極部２０ａを配置し、内周の第１アーム２側に第４感知電極部２０ｂを配置するとともに外周部の錘部１１側に第４感知電極部２０ｂを配置している。

また、第１、第２感知電極部１９ａ，１９ｂは互いに対向配置させるとともに、第３、第４感知電極部２０ａ，２０ｂは互いに対向配置させている。これによって、Ｕ字状に折曲した第２アーム４の第１アーム２側から錘部１１側に向かって、第１感知電極部１９ａおよび第２感知電極部１９ｂが互いに交差して配置されるとともに、第３感知電極部２０ａおよび第４感知電極部２０ｂが互いに交差して配置される。この第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂは、図２に示すように、圧電体１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。

さらに、錘部１１側に配置した第１感知電極部１９ａから第１引き出し線２２ａを引き出すとともに、錘部１１側に配置した第２感知電極部１９ｂから第２引き出し線２２ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１感知電極部１９ａと、第１アーム２側に配置した第２感知電極部１９ｂとの間から、第１引き出し線２２ａおよび第２引き出し線２２ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１感知電極部１９ａから第３引き出し線２２ｃを引き出し、第２感知電極部１９ｂから第４引き出し線２２ｄを引き出し、これら第１引き出し線２２ａ、第２引き出し線２２ｂ、第３引き出し線２２ｃ、第４引き出し線２２ｄを固定部９まで引き出している。

なお、第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂ、第３、第４感知電極部２０ａ，２０ｂも同様である。

上記の第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂおよび第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂは、シリコン基板上にＰｔからなる下部電極１４を高周波スパッタにて形成し、この下部電極１４の上部にＰＺＴからなる圧電体１３を高周波スパッタにて形成し、ＰＺＴからなる圧電体１３の上部にＡｕからなる上部電極１５を蒸着にて形成すればよい。また、実装基板との電気的接続をするために、固定部の４つの稜部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの内、実装基板と固定した稜部９ａまで第１引き出し線２１ａ，２２ａ、第２引き出し線２１ｂ，２２ｂ、第３引き出し線２１ｃ，２２ｃ、第４引き出し線２１ｄ，２２ｄを引き廻し、この稜部９ａに設けた電極パッド１０に接続している。この電極パッド１０からワイヤボンディングを介して実装基板に設けた配線パターンに接続する。

そして、実装基板の配線パターンおよび固定部の稜部９ａに設けた電極パッド１０を介して第１駆動手段１７に通電する。第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１駆動手段１７が配置された対向部１６を起点に第２アーム４が駆動振動するとともに、それに伴って、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して駆動振動する。また、角速度に起因して第２アーム４が歪めば、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂから歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき、角速度を検出できる。

図３は同検出素子１の動作状態図である。

互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１駆動手段１７が配置された第２アーム４を起点に第２アーム４が駆動振動し、それに伴って錘部１１も第２アーム４の対向方向（実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動する。また、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して第２アーム４の対向方向に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。

このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。この検出素子１のコリオリ方向はＹ軸方向となる。

実線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが設けられた第２アーム４において、第１感知電極部１９ａと第３感知電極部２０ａが第２アーム４の縮みを感知するとともに第２感知電極部１９ｂと第４感知電極部２０ｂが第２アーム４の伸びを感知し、点線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、その逆方向の伸び縮みを感知する。

そして、感知した伸び縮みに応じて、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂから電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

一方、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合とは正反対に、第２アーム４の対向部１６が伸び縮みし、この伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが感知するので、同様に角速度が検出される。

また、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合も、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（Ｚ軸方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＹ軸周りの角速度に起因した歪を発生させ、第２アーム４の伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが感知することにより、角速度が検出される。

なお、Ｚ軸、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合に発生する歪は、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂが設けられた第２アーム４にも同様に発生するので、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂを第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂが設けられた第２アーム４に配置することも可能である。

上記構成により、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム２をＸ軸方向に配置し第２アーム４をＹ軸方向に配置して、Ｚ軸周りに角速度が生じた場合は、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１には駆動振動方向と直交した方向にコリオリ力が発生する。よって、第２アーム４にＺ軸周りの角速度に起因した歪を発生させることができ、この歪を検出することにより角速度を検出できるので、検出素子１をＺ軸方向に立設せずに伏せた状態で、Ｚ軸周りの角速度を検出でき低背化を図れる。

特に、検出素子１はその固定部９の一つの稜部のみにおいて実装基板と固定しているので、実装基板と検出素子１との線膨張係数が異なり、環境温度の変化に起因して実装基板および検出素子１が膨張または収縮をした場合でも、その影響を受けにくくして、特性劣化を抑制できる。固定部９の全体によって検出素子１が実装基板に実装されていると、実装基板１との線膨張係数の違いにより、固定部９の全体が四方に膨張または収縮するため、固定部９の全体に引張応力または圧縮応力が加わり、検出素子１の共振周波数が変化して検出精度に影響を与えるが、上記構成によれば、線膨張係数の影響を受けにくいので、検出精度の劣化を抑制できる。

また、固定部９は枠体形状なので剛性があり、錘部１１の駆動振動によって検出素子１が撓んで検出精度を劣化させたりすることもない。実装基板に実装する固定部９は、図１に示すような第２アーム４の対向方向と平行な稜部９ａの他に、第２アーム４の対向方向と垂直な稜部９ｂ，９ｄでもよい。第２アーム４の対向方向と平行な稜部９ａにおいて実装基板と固定すれば、第１、第２感知手段１９，２０と稜部９ａが平行配置されるので外乱ショックに対して影響を受けにくい。

なお、本発明の実施の形態では、固定部９は４つの稜部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを持つ四角形状としたが、枠体形状であってもよく、その枠体形状の固定部９の一部のみにおいて実装基板と固定されていればよい。

本発明に係る角速度センサは、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合でも低背化が可能なので各種電子機器の小型化が図れ、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 同角速度センサの動作状態図 従来の角速度センサの検出素子の斜視図 図４のＡ−Ａ断面図

符号の説明

１ 検出素子
２ 第１アーム
４ 第２アーム
６ 支持部
９ 固定部
９ａ 稜部
９ｂ 稜部
９ｃ 稜部
９ｄ 稜部
１０ 電極パッド
１１ 錘部
１３ 圧電体
１４ 下部電極
１５ 上部電極
１６ 対向部
１７ 第１駆動手段
１７ａ 第１駆動電極部
１７ｂ 第２駆動電極部
１８ 第１検知手段
１８ａ 第１検知電極部
１８ｂ 第２検知電極部
１９ 第１感知手段
１９ａ 第１感知電極部
１９ｂ 第２感知電極部
２０ 第２感知手段
２０ａ 第３感知電極部
２０ｂ 第４感知電極部
２１ａ 第１引き出し線
２１ｂ 第２引き出し線
２１ｃ 第３引き出し線
２１ｄ 第４引き出し線
２２ａ 第１引き出し線
２２ｂ 第２引き出し線
２２ｃ 第３引き出し線
２２ｄ 第４引き出し線

Claims (5)

1. 第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームの一端を支持した支持部と、前記第１アームの他端を連結するとともに実装基板に固定する固定部と、前記第２アームの先端部に連結した錘部と、前記錘部を駆動振動させる駆動手段とを有する検出素子を備え、
   前記固定部は枠体形状とするとともに、前記固定部の一部のみにおいて実装基板と固定した角速度センサ。
2. 前記固定部は４つの稜部を有する四角形状であって、４つの前記稜部の内、その一つの稜部のみにおいて前記実装基板と固定した請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記実装基板と固定する前記固定部の一部に、前記駆動手段に通電する電極を形成した請求項１記載の角速度センサ。
4. 前記第２アームは前記第２アーム自身と対向するまで折曲するとともに前記駆動手段により前記第２アームの対向方向に前記錘部を駆動振動させ、かつ、前記実装基板と固定する前記固定部の一部は、前記第２アームの対向方向と平行な部分とした請求項１記載の角速度センサ。
5. 前記第２アームは前記第２アーム自身と対向するまで折曲するとともに前記駆動手段により前記第２アームの対向方向に前記錘部を駆動振動させ、かつ、前記実装基板と固定する前記固定部の一部は、前記第２アームの対向方向と垂直な部分とした請求項１記載の角速度センサ。

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