JP2008190887A - Sensor - Google Patents
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Abstract
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慣性力を検出するセンサに関するものである。 The present invention relates to a sensor that detects inertial force used in various electronic devices such as attitude control and navigation of moving bodies such as aircraft, automobiles, robots, ships, and vehicles.
以下、センサの一つである角速度センサについて説明する。 Hereinafter, an angular velocity sensor which is one of the sensors will be described.
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。 Conventional angular velocity sensors, for example, vibrate detection elements of various shapes such as sound shape, H shape, T shape, etc., and electrically detect distortion of the detection elements accompanying the generation of Coriolis force to detect the angular velocity.
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。 For example, when a vehicle is arranged on the XY plane of the X axis and the Y axis on the X axis, the Y axis, and the Z axis substantially orthogonal to each other, the angular velocity sensor for the navigation device detects the angular velocity around the Z axis of the vehicle. ing.
図6は従来の角速度センサの斜視図、図7は同角速度センサのA−A断面図である。 FIG. 6 is a perspective view of a conventional angular velocity sensor, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AA of the angular velocity sensor.
図6、図7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。
6 and 7, the
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は圧電層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。
The two
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)。
For example, the detection element is erected in the Z-axis direction with respect to the XY plane, the
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。
上記構成では、駆動電極部54や感知電極部55は圧電層56を介在させた上部電極57と下部電極58から形成されており、この上部電極57および下部電極58からは各々信号線59が引き出されている。
In the above configuration, the
すなわち、上部電極57から引き出された信号線59と下部電極58から引き出された信号線59とは、圧電層56を介在させて上下に互いに対向しており、引き廻しの距離が長くなるにつれて、上下に対向する信号線59の間に静電容量が発生し、この静電容量がノイズ成分となって、S/N比を劣化するという問題点を有していた。
That is, the
本発明は上記問題点を解決し、信号線に発生する静電容量を低減して、S/N比の向上を図ったセンサを提供することを目的としている。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a sensor that improves the S / N ratio by reducing the capacitance generated in a signal line.
上記問題点を解決するために本発明は、特に、検出素子は、可撓部と、前記可撓部に配置し前記可撓部を駆動させる駆動電極部と、前記可撓部に配置し前記可撓部の撓みを感知させる感知電極部と、前記駆動電極部および前記感知電極部から各々引き出した信号線とを有し、前記駆動電極部および前記感知電極部は、上部電極と下部電極との間に圧電層を介在させて形成し、前記信号線は前記上部電極および前記下部電極から引き出して形成し、かつ、前記信号線は上下に対向させずに引き出した構成である。 In order to solve the above-described problems, the present invention particularly provides a detection element, a flexible portion, a drive electrode portion that is disposed in the flexible portion and drives the flexible portion, and is disposed in the flexible portion. A sensing electrode unit that senses flexure of the flexible unit; and a signal line drawn from each of the driving electrode unit and the sensing electrode unit. The driving electrode unit and the sensing electrode unit include an upper electrode and a lower electrode, The signal line is formed by being drawn out from the upper electrode and the lower electrode, and the signal line is drawn without facing up and down.
上記構成により、上部電極および下部電極から引き出して形成する信号線は上下に対向させずに引き出しているので、上部電極から引き出す信号線と下部電極から引き出す信号線との間には静電容量が発生しにくく、静電容量に起因したS/N比の劣化を抑制できる。特に、信号線が長くなったとしても、S/N比の劣化を抑制でき、検出精度を向上できるものである。 With the above configuration, the signal lines drawn from the upper electrode and the lower electrode are drawn without being opposed to each other, so that there is a capacitance between the signal line drawn from the upper electrode and the signal line drawn from the lower electrode. It is difficult to generate and S / N ratio deterioration due to capacitance can be suppressed. In particular, even if the signal line becomes longer, the deterioration of the S / N ratio can be suppressed and the detection accuracy can be improved.
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平面図である。 FIG. 1 is a plan view of a detection element of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
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の一端を支持部6にて支持しており、2つの第1アーム2の他端を実装基板(図示せず)に固定している。また、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。第1アーム2の厚みは第2アーム4の厚みよりも薄く、第1アーム2および第2アーム4は可撓性を有する可撓部である。
In FIG. 1, an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention includes a
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。
In this
さらに、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および前記第2アーム4の駆動振動状態を検知する第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。
Further, of the four
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、その内周部側に第1駆動電極部17aを配置するとともに外周部側に第2駆動電極部17bを配置し、他方の第2アーム4には、その内周部側に第1検知電極部18aを配置するとともに外周部側に第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、圧電層13を介在させた下部電極14と上部電極15とからなる。
The first drive means 17 has an electrode part for driving the
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、その内周部側に第1感知電極部19aを配置するとともに外周部側に第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、その内周部側に第3感知電極部20aを配置するとともに外周部側に第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、圧電層13を介在させた下部電極14と上部電極15とからなる。
The first sensing means 19 and the second sensing means 20 are electrode portions for sensing the strain of the two
さらに、第1、第2駆動電極部17a、17bの下部電極14と上部電極15、第1、第2検知電極部18a、18bの下部電極14と上部電極15、第1〜第4感知電極部19a、19b、20a、20bの下部電極14と上部電極15からは、各々、下部信号線14a、上部信号線15aを引き出している。これらの信号線14a、15aは互いに上下に対向しないように、支持部6の近傍から第1アーム2の他端に向かって、略同一平面上に引き出しており、その端部を電極パッド等(図示せず)に接続している。
Further, the
特に、第1駆動電極部17aの下部信号線14aと、第2駆動電極部17bの下部信号線14aと、第1感知電極部19aの下部信号線14aと、第2感知電極部19bの下部信号線14aとは互いに同一信号線としており、この下部信号線14aを挟むように、第1、第2駆動電極部17a、17bの上部信号線15aと、第1、第2感知電極部19a、19bの上部信号線15aとを互いに平行に引き出している。
In particular, the
また、第1検知電極部18aの下部信号線14aと、第2検知電極部18bの下部信号線14aと、第3感知電極部20aの下部信号線14aと、第4感知電極部20bの下部信号線14aとは互いに同一信号線としており、この下部信号線14aを挟むように、第1、第2検知電極部18a、18bの上部信号線15aと、第3、第4感知電極部20a、20bの上部信号線15aとを互いに平行に引き出している。
Further, the
次に、同検出素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the detection element will be described.
第1に、図3(a)〜(d)に示すように、シリコンからなる基板30上にPtからなる第1導体層31を形成し、この第1導体層31上にPZTからなる圧電層13を形成し、この圧電層13上にAuからなる第2導体層32を形成する。これら、第1導体層31、圧電層13、第2導体層32は、スパッタや蒸着等で形成すればよい。
First, as shown in FIGS. 3A to 3D, a
第2に、図3(e)に示すように、圧電層13を介在させた第1導体層31および第2導体層32にエッチングを施して、所望形状の圧電層13を介在させた下部電極14および上部電極15を形成する。この所望形状の圧電層13を介在させた下部電極14および上部電極15は、上述した検出素子1における第1、第2駆動電極部17a、17b、第1、第2検知電極部18a、18b、第1〜第4感知電極部19a、19b、20a、20bに対応する。
Secondly, as shown in FIG. 3 (e), the
第3に、図4(a)に示すように、第2導体層32および圧電層13にエッチングを施して、下部電極14の一部を露出させる。
Third, as shown in FIG. 4A, the
第4に、図4(b)〜(c)に示すように、上部電極15および下部電極14上にCVDやスパッタ、蒸着などにより、SiO2やSiN等の絶縁層33を形成し、この絶縁層33にエッチングを施して、上部電極15の一部および下部電極14の一部を露出させて引き出し部34を形成する。
Fourth, as shown in FIGS. 4B to 4C, an insulating
第5に、図4(c)における引き出し部34を露出させた絶縁層33上に、スパッタ等で導体層を全面に形成するとともにエッチングを施して、図4(d)に示すように、引き出し部34から所定形状の上部信号線15aおよび下部信号線14aを形成する。上部電極15から引き出した上部信号線15aと、下部電極14から引き出した下部信号線14aとが上下対向することなく形成される。
Fifth, a conductor layer is formed on the entire surface of the insulating
この際、図4(b)〜(d)のエッチングの施す位置や形状、上部信号線15aおよび下部信号線14aの引き出し方法によって、第1、第2駆動電極部17a、17bの下部電極14から引き出す下部信号線14aと、第1、第2検知電極部18a、18bの下部電極から引き出す上部信号線15aとを同一の信号線としたり、第1、第2駆動電極部17a、17bの各々の下部電極14から引き出す下部信号線14aを同一の信号線としたり、第1〜第4感知電極部19a、19b、20a、20bの各々の下部電極14から引き出す下部信号線14aを同一の信号線としたりできる。
At this time, from the
上記のように角速度を検出するための駆動・感知信号の特性に問題が無い範囲で、信号線を同一化することにより、端部に形成される電極PAD部の数を必要最小限に留めることが可能となり、素子の小型化を実現することが可能となる。 As described above, the number of electrode PAD portions formed at the end portion is kept to the minimum necessary by making the signal lines the same as long as there is no problem in the characteristics of the driving / sensing signal for detecting the angular velocity. Therefore, it is possible to reduce the size of the element.
最後に、図4(e)に示すように、シリコンからなる基板30にエッチングを施して、上述した形状を有する検出素子1を形成すればよい。第1アーム2および第2アーム4が可撓性を有する可撓部となり、この可撓部に第1、第2駆動電極部17a、17b、第1、第2検知電極部18a、18b、第1〜第4感知電極部19a、19b、20a、20bが配置される。
Finally, as shown in FIG. 4E, the
なお、上記工程において、エッチングを施す位置や形状を制御すれば、上記形状の検出素子1に限らず、様々な形状の検出素子1を形成できる。
In addition, if the position and shape which etch is controlled in the said process, not only the
図5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動作状態図である。 FIG. 5 is an operation state diagram of the detection element of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
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。
When the
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。
At this time, for example, when an angular velocity is generated in the counterclockwise direction of the Z axis, a direction (solid line arrow and dotted line arrow) perpendicular to the drive vibration direction with respect to the
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。
When the Coriolis force is generated in the Coriolis direction indicated by the solid line arrow, the first
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。
A voltage is output from the first to fourth
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。
On the other hand, when the angular velocity is generated clockwise around the Z axis, the
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。
Also, when an angular velocity occurs around the Y axis, Coriolis force is generated in a direction (Z axis direction) perpendicular to the drive vibration direction with respect to the
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。
The distortion that occurs when angular velocities occur around the Z-axis and Y-axis is the second arm provided with the first and second
上記構成により、下部電極14から引き出して形成する下部信号線14aおよび上部電極15から引き出して形成する上部信号線15aは上下に対向させずに引き出しているので、下部電極14から引き出す下部信号線14aと上部電極15から引き出す上部信号線15aとの間には静電容量が発生しにくく、静電容量に起因したS/N比の劣化を抑制できる。特に、下部信号線14aや上部信号線15aの引き廻し距離が長くなっても、S/N比を劣化させることがない。
With the above configuration, since the
また、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、第2駆動電極部17a、17b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、それに伴って錘部も第2アーム4のX軸方向に駆動振動する。
Further, when the
このとき、Z軸周りに角速度が生じた場合、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ので、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。よって、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。
At this time, when an angular velocity is generated around the Z axis, Coriolis force is generated in the
本発明の実施の形態における検出素子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の一端を支持部6にて支持し、2つの第1アーム2の他端を実装基板(図示せず)に固定した形状としたが、図6、図7に示すような、従来の角速度センサにおける検出素子51の形状、すなわち、2本のアーム52と、このアーム52を連結した基部53とを有する音さ形状であっても同様な効果を生じる。
The
さらに、本発明の実施の形態における検出素子1は、角速度を検出するものであるが、加速度を検出する部分を形成し、角速度と加速度の両方を検出するものであってもよい。この場合、図1において、アーム2に加速度を検出する加速度検出部を形成すればよい。加速度検出部は、例えば、歪によって抵抗値が変化する歪抵抗素子をアーム2上に配置して、加速度に起因したアーム2の歪を歪抵抗素子で検出することにより加速度を検出させればよい。アーム2が歪やすいように、アーム2の厚みを他の箇所よりも薄く形成しておくことが望ましい。図3において、X軸方向に加速度が生じると、錘部11がX軸方向に可動するので、アーム2が歪んで検出できるものである。
Furthermore, although the
本発明に係るセンサは、信号線間による静電容量に起因した特性劣化が低減され、各種電子機器に適用できるものである。 The sensor according to the present invention can be applied to various electronic devices with reduced characteristic deterioration due to capacitance between signal lines.
1 検出素子
2 第1アーム
4 第2アーム
6 支持部
11 錘部
13 圧電層
14 下部電極
14a 下部信号線
15 上部電極
15a 上部信号線
16 対向部
17a 第1駆動電極部
17b 第2駆動電極部
18a 第1検知電極部
18b 第2検知電極部
19a 第1感知電極部
19b 第2感知電極部
20a 第3感知電極部
20b 第4感知電極部
30 基板
31 第1導体層
32 第2導体層
33 絶縁層
34 引き出し部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記検出素子は、可撓部と、前記可撓部に配置し前記可撓部を駆動させる駆動電極部と、前記可撓部に配置し前記可撓部の撓みを感知させる感知電極部と、前記駆動電極部および前記感知電極部から各々引き出した信号線とを有し、
前記駆動電極部および前記感知電極部は、上部電極と下部電極との間に圧電層を介在させて形成し、前記信号線は前記上部電極および前記下部電極から引き出して形成し、かつ、前記信号線は上下に対向させずに引き出したセンサ。 It has a detection element that detects inertial force,
The detection element includes a flexible portion, a drive electrode portion that is disposed in the flexible portion and drives the flexible portion, a sensing electrode portion that is disposed in the flexible portion and senses bending of the flexible portion, Each having a signal line drawn from the drive electrode part and the sensing electrode part,
The drive electrode portion and the sensing electrode portion are formed by interposing a piezoelectric layer between an upper electrode and a lower electrode, the signal line is formed by being drawn from the upper electrode and the lower electrode, and the signal The sensor is pulled out without facing up and down.
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JP5503796B1 (en) * | 2013-10-04 | 2014-05-28 | 株式会社トライフォース・マネジメント | Angular velocity detector |
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