JP2008191034A

JP2008191034A - 複合センサ

Info

Publication number: JP2008191034A
Application number: JP2007026721A
Authority: JP
Inventors: Yuki Nakamura; 友騎中村; Masahiro Yasumi; 正博安見
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減して小型化を図った複合センサを提供することを目的とする。
【解決手段】コリオリ力に起因して撓む第２アーム４に形成した角速度検出部と、錘部１１の可動に起因して撓む第１アーム２に形成した加速度検出部とを有する検出素子１を備え、検出素子１は、相互作用を抑制する抑制層を介在させて積層した圧電層と歪抵抗層とを設け、角速度検出部は、コリオリ力に起因して撓む第２アーム４の状態変化を圧電層で検出して角速度を検出し、加速度検出部は、錘部１１の可動に起因して撓む第１アーム２の状態変化を歪抵抗素子３０で検出して加速度を検出する。
【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や加速度を検出する複合センサに関するものである。

以下、従来の複合センサについて説明する。

従来、角速度や加速度を検出する複合センサを用いる場合は、角速度を検出するには専用の角速度センサを用い、加速度を検出するには専用の加速度センサを用いていた。

したがって、各種電子機器において、角速度と加速度とを複合して検出する場合は、複数の角速度センサと加速度センサを各種電子機器の実装基板に各々実装していた。

一般に、角速度センサは、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種の形状の検出素子を振動させて、コリオリ力に起因して撓む可撓部の撓みを検知して角速度を検出するものであり、加速度センサは、錘部の可動に起因して撓む可撓部の撓みを検知して加速度を検出するものである。

このような角速度センサや加速度センサを検出したい検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いている。

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および特許文献２が知られている。
特開２００１−２０８５４６号公報特開２００１−７４７６７号公報

上記構成では、検出したい角速度や加速度の検出軸に対応させて、角速度センサおよび加速度センサを実装基板に各々実装するので実装面積を確保する必要があり、小型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、角速度や加速度を検出するにあたり、実装面積を低減して小型化を図った複合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、コリオリ力に起因して撓む可撓部に形成した角速度検出部と、錘部の可動に起因して撓む可撓部に形成した加速度検出部とを有する検出素子を備え、前記検出素子は、相互作用を抑制する抑制層を介在させて積層した圧電層と歪抵抗層とを設け、前記角速度検出部は、コリオリ力に起因して撓む前記可撓部の状態変化を前記圧電層で検出して角速度を検出し、前記加速度検出部は、錘部の可動に起因して撓む前記可撓部の状態変化を前記歪抵抗素子で検出して加速度を検出する構成である。

上記構成により、角速度を検出するための角速度検出部と加速度を検出するための加速度検出部とを有する検出素子を設けているので、実装面積を低減でき小型化を図れる。

特に、検出素子は、相互作用を抑制する抑制層を介在させて積層した圧電層と歪抵抗層とを設けているので、角速度検出部と加速度検出部とを検出素子の任意の位置に形成でき小型化を図りやすい。すなわち、圧電層と歪抵抗層とは互いに積層しているので、検出素子上において圧電層を形成する部分と歪抵抗層とを形成する部分とを分ける必要がなく、特性を維持した小型化形状の検出素子の設計が容易である。また、圧電層と歪抵抗層との間には相互作用を抑制する抑制層を介在させているので、圧電層と歪抵抗層とを積層しても特性に悪影響を与えることもない。

以下、本発明の一実施の形態における複合センサについて図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における複合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、角速度を検出する角速度検出部と、加速度を検出する加速度検出部とを有する検出素子１を備えている。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を支持する支持部６と、支持部６に一端を連結するとともに他端を実装基板（図示せず）に固定する２つの固定用アーム８とを有する。固定用アーム８は第１アーム２に第３アーム１０を略直交方向に連結して形成した直交アームとするとともに、第３アーム１０の両端に形成した固定部９にて実装基板に固定している。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。ここで、第１アーム２と第２アーム４とが可撓部に相当する。

この検出素子１は、固定用アーム８の第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軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置している。

次に、角速度検出部と加速度検出部について説明する。

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の撓みを感知する第１感知手段１９、第２感知手段２０を設けている。この第１感知手段１９および第２感知手段２０が角速度検出部に相当する。また、２つの第１アーム２には第１アーム２の撓みを感知する第３〜６感知手段２５〜２８を設けている。この第３〜第６感知手段２５〜２８が加速度検出部に相当する。

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、検知手段１８は第２アーム４の駆動振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、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まで引き出して電極パッドに接続している。なお、第１検知電極部１８ａ、第２検知電極部１８ｂからも、上記と同様に、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が引き出されている。

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の撓み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感知部１９ａを配置するとともに外周部の錘部１１側に第１感知部１９ａを配置し、外周部の第１アーム２側に第２感知部１９ｂを配置するとともに内周部の錘部１１側に第２感知部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感知部２０ａを配置するとともに内周部の錘部１１側に第３感知部２０ａを配置し、内周の第１アーム２側に第４感知部２０ｂを配置するとともに外周部の錘部１１側に第４感知部２０ｂを配置している。

また、錘部１１側に配置した第１感知部１９ａ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感知部１９ｂ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感知部１９ａと、第１アーム２側に配置した第２感知部１９ｂ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感知部１９ａから第３引き出し線２１ｃを引き出し、第２感知部１９ｂ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まで引き出して電極パッドに接続している。なお、第３感知部２０ａ、第４感知部２０ｂからも、上記と同様に、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が引き出されている。

第３〜第６感知手段２５〜２８は、２つの第１アーム２の撓みを感知させるための電極部であり、第１〜第４引き出し線２１ａ〜２１ｄのいずれか一つに積層して形成している。

次に、駆動手段１７、検知手段１８、第１感知手段１９、第２感知手段２０、第１〜第４引き出し線２１ａ〜２１ｄ、第３〜第６感知手段２５〜２８について、具体的に説明する。

図２において、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引き出し線２１ａ〜２１ｄは、第２アーム４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の上部に高周波スパッタにて圧電層１３を形成し、この圧電層１３の上部にＡｕからなる上部電極１５を形成している。この圧電層１３としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Pb（Zr_1-xTi_x）O₃：PZT）が好ましい。なお、第１感知部１９ａ、第２感知部１９ｂ、第３感知部２０ａ、第４感知部２０ｂも同様の構成となる。

図３において、第３〜第６感知手段２５〜２８は、第１アーム２上における第１〜第４引き出し線２１ａ〜２１ｄのいずれか一つに抑制層２９を介して歪抵抗層３０を形成するとともに歪抵抗層３０の両端部に端部電極を形成している。

歪抵抗層３０としては、例えば、金属材料では高温での特性安定性に優れたクロム酸化物、半導体材料では、バンドギャップが広く、高温での特性安定性に優れた窒化ガリウム（GaN）や炭化珪素（SiC）や酸化亜鉛（ZnO）や窒化アルミ（AlN）が好ましい。

抑制層２９としては、ＰＺＴからなる圧電層１３と上記材質からなる歪抵抗層３０との相互反応が抑制できるものを選択すればよい。例えば、二酸化珪素（SiO₂）やSiONなどが好ましい。

このように検出素子１には、相互作用を抑制する絶縁体からなる抑制層２９を介在させて積層した圧電層１３と歪抵抗層３０とを設けている。

そして、角速度検出部は、コリオリ力に起因して撓む第２アーム４の状態変化を第１、第２感知手段で検出して角速度を検出し、加速度検出部は、錘部１１の可動に起因して撓む第１アーム２の状態変化を歪抵抗層３０で検出して加速度を検出する。

次に、角速度検出部と加速度検出部の形成方法について具体的に説明する。

角速度検出部としては、下部電極１４上に形成する圧電層１３を配向制御するために、下部電極１４のPtは<111>に配向させてある。下部電極１４の上に圧電層１３をスパッタリング法や化学溶液堆積法などを用いて圧電効率の最も高い方向に配向させて形成する。圧電特性の観点から、この圧電層１３にはチタン酸ジルコン酸鉛（Pb（Zr_1-xTi_x）O₃：PZT）が好ましいが、その結晶方向は最も圧電効率の高い<001>が好ましい。その後、圧電層１３上に上部電極１５を真空蒸着やスパッタリング法などを用いて形成する。

加速度検出部としては、上部電極１５上に抑制層２９を介在させて歪抵抗層３０を形成し、歪抵抗３０上には必要に応じて絶縁層を形成する。この際、圧電層１３上に直接歪抵抗層３０を形成した場合には、圧電層１３と歪抵抗層３０の相互反応が懸念されるので望ましくない。また、歪抵抗層３０に撓みが生じた際の電気抵抗変化を検出するために、この歪抵抗層３０の端部に形成した端部電極以外の導体が歪抵抗層３０に接続しないようにする必要もある。

この方法以外に、歪抵抗層３０を形成する方法としては、図４に示すように、少なくとも圧電層１３上の上部電極１５の無い部分に抑制層２９を形成した後に歪抵抗層３０を形成する方法や、少なくとも下部電極１４上の圧電層１３および上部電極１５の無い部分に抑制層２９を形成した後に歪抵抗層３０を形成する方法や、下部電極１４、圧電層１３、上部電極１５の無い部分に抑制層２９を形成した後に歪抵抗層３０を形成する方法等がある。

抑制層２９の形成方法としてはスパッタリング法やCVD法、歪抵抗層３０の形成方法としてはスパッタリング法やCVD法や真空蒸着法などが代表的である。その後、歪抵抗層３０上に電極を真空蒸着やスパッタリング法などを用いて形成する。その後、熱処理を施すことで歪抵抗層３０を高性能化し、加速度検出精度を向上させることができる。この際、保護膜を形成しておけば、熱処理雰囲気において、歪抵抗層３０が残存するガスと反応したり、酸化還元反応したりして、その特性が劣化することを防ぐことができる。

上記構成により、角速度については、例えば、図５に示すように、第２アーム４の対向
部１６をＸ軸方向に駆動振動（実線の矢印と点線の矢印を交互に繰り返す）させれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した撓みは第２アーム４の対向部１６のＸ軸方向に発生させることができ（コリオリ力が駆動振動に対応して第２アーム４のＹ軸方向に発生するため）、Ｙ軸回りの角速度に起因した撓みは第２アーム４の対向部１６のＺ軸方向に発生させることができ（コリオリ力が駆動振動に対応して第２アーム４のＺ軸方向に発生するため）、これらの撓みを検知することにより検出が可能である。

加速度については、例えば、Ｙ軸方向の加速度に起因した撓みは第１アーム２に発生させることができ（第２アーム４の自重が第１アーム２に加わるため）、この撓みを検知することにより検出が可能である。

以上のように本発明の一実施の形態では、角速度を検出するための角速度検出部と加速度を検出するための加速度検出部とを有する検出素子１を設けているので、実装面積を低減でき小型化を図れる。

特に、検出素子１は、相互作用を抑制する抑制層２９を介在させて積層した圧電層１３と歪抵抗層３０とを設けているので、角速度検出部と加速度検出部とを検出素子１の任意の位置に形成でき小型化を図りやすい。すなわち、圧電層１３と歪抵抗層３０とは互いに積層しているので、検出素子１上において圧電層１３を形成する部分と歪抵抗層３０とを形成する部分とを分ける必要がなく、特性を維持した小型化形状の検出素子の設計が容易である。また、圧電層１３と歪抵抗層３０との間には相互作用を抑制する抑制層２９を介在させているので、圧電層１３と歪抵抗層３０とを積層しても特性に悪影響を与えることもない。

なお、本発明の一実施の形態では、歪抵抗層３０は、第１駆動電極部１７ａ、第２駆動電極部１７ｂ、第１検知電極部１８ａ、第２検知電極部１８ｂから引き出した第１〜第４引き出し線２１ａ〜２１ｄのいずれかに抑制層２９を介在させて積層したり、第１感知部１９ａ、第２感知部１９ｂ、第３感知部２０ａ、第４感知部２０ｂから引き出した第１〜第４引き出し線２１ａ〜２１ｄのいずれかに抑制層２９を介在させて積層したりしたが、これらの引き出し線とは異なる部分において、設けてもよい。

本発明に係る複合センサは、実装面積を低減して小型化を図れるので、各種電子機器に有用である。

本発明の一実施の形態における複合センサの検出素子の斜視図図１のＡ−Ａ断面図図１のＢ−Ｂ断面図他の感知手段を用いた場合における図１のＢ−Ｂ断面図同複合センサの検出素子の動作状態図

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
８固定用アーム
９固定部
１０第３アーム
１１錘部
１３圧電層
１４下部電極
１５上部電極
１６対向部
１７駆動手段
１７ａ第１駆動電極部
１７ｂ第２駆動電極部
１８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感知部
１９ｂ第２感知部
２０第２感知手段
２０ａ第３感知部
２０ｂ第４感知部
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
２５第３感知手段
２６第４感知手段
２７第５感知手段
２８第６感知手段
２９抑制層
３０歪抵抗層

Claims

コリオリ力に起因して撓む可撓部に形成した角速度検出部と、錘部の可動に起因して撓む可撓部に形成した加速度検出部とを有する検出素子を備え、
前記検出素子は、相互作用を抑制する抑制層を介在させて積層した圧電層と歪抵抗層とを設け、前記角速度検出部は、コリオリ力に起因して撓む前記可撓部の状態変化を前記圧電層で検出して角速度を検出し、前記加速度検出部は、錘部の可動に起因して撓む前記可撓部の状態変化を前記歪抵抗素子で検出して加速度を検出する複合センサ。
前記抑制層は絶縁体とした請求項１記載の複合センサ。
前記可撓部上に前記圧電層を積層し、前記圧電層上に前記抑制層を積層し、前記抑制層上に前記歪抵抗層を積層した請求項１記載の複合センサ。