JP2008209253A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の検出軸の慣性力を検出でき、各種電子機器の小型化を図れる慣性力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とを有する検出素子１を備え、第２アーム４には第２アーム４自身と対向するまで折曲した対向部１６を設け、第２アーム４の先端部には錘部１１を連結し、この錘部１１に凹部１２を設けるとともにこの凹部１２に第２アーム４の先端部を連結した構成である。
【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５は従来の角速度センサの検出素子の斜視図、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。

図５、図６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５５が配置されており、例えば、各々の駆動電極５４や感知電極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５４および感知電極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、特に、検出素子は、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アームを支持する支持部とを有し、前記第２アームには、前記第２アームを駆動させる駆動信号を入力する駆動電極と、前記第２アームの駆動状態を検知して検知信号を出力する検知電極と、角速度に起因した前記第２アームの歪を感知して感知信号を出力する感知電極とを配置しており、前記駆動電極と前記検知電極は、互いに反対方向へ駆動する前記第２アームに配置し、前記駆動信号と前記検知信号との位相関係が変化した場合に、前記駆動信号の入力を停止する停止手段を設けた構成である。

上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アームをＸ軸方向に配置し、第２アームをＹ軸方向に配置した場合、例えば、前記第２アームをＸ軸方向に駆動振動させれば、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪を第２アームに発生させることができ、この歪を検知すればＺ軸周りの角速度を検出できる。したがって、検出素子をＺ軸方向に立設する必要がなく、低背化を図れる。

特に、駆動電極と検知電極は、互いに反対方向へ駆動する第２アームに配置し、駆動信号と検知信号との位相関係が変化した場合（例えば、外乱ノイズ等が加わった時）に、駆動信号の入力を停止する停止手段を設けているので、角速度の誤検出を抑制できる。上記構成では、Ｙ軸方向に配置した第２アームは全部で４つあり、Ｙ軸を中心にして２つの第２アームが互いに反対方向（Ｘ軸の正側と負側）に駆動振動する。このとき、駆動信号と検知信号の位相関係が、例えば、逆位相であったとすると、この位相関係がずれた時は、２つの第２アームが互いに反対方向に駆動振動していない状態となり、適切な駆動状態ではなくなって、角速度を誤検出する恐れがある。しかし、この駆動信号と検知信号の位相関係が変化した時は、駆動信号の入力を停止するので、角速度の誤検出を抑制できる。

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、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。

図１〜図３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つの直交アームと、２つの第１アーム２の一端を支持する支持部６を有し、２つの第１アーム２の他端を方形状の枠体８に連結して、この枠体８にて実装基板（図示せず）に固定している。

また、第２アーム４には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、その先端部には錘部１１を連結している。この錘部１１には凹部１２を設け、この凹部１２に第２アーム４の先端部を連結している。さらに、第１アーム２の厚みは、図２、図３に示すように、第２アーム４の厚みよりも非常に薄く形成している。

この検出素子１は、図１に示すように、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の支持部６側には錘部１１を駆動振動させる駆動手段１７、第２アームの駆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の支持部６側には角速度に起因した第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を配置している。

この駆動手段１７は、第２アーム４の錘部１１を駆動振動させる駆動信号を入力する電極であり、検知手段１８は、第２アーム４の駆動状態を検知して検知信号を出力する電極であり、一方の第２アーム４に第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂを対向配置させて形成している。これら第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極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。

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の歪を感知して感知信号を出力する電極であって、一方の第２アーム４に第１、第２感知電極１９ａ、１９ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第３、第４感知電極２０ａ、２０ｂを対向配置させて形成している。これら第１〜第４感知電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂと同様に、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。

上記の第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂ、第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂ、第１〜第４感知電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、例えば、シリコン基板上にＰｔからなる下部電極１４を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をスパッタにて形成すればよい。

図４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１７ａ、１７ｂには駆動信号として、互いに逆位相の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の支持部６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軸方向となり、Ｙ軸を中心にして２つの第２アームが互いに反対方向（実線の矢印と点線の矢印で記したＸ軸の正側と負側）に駆動振動する。

また、この駆動状態は第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂから検知信号として出力される。これら第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂに入力される駆動信号、第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂから出力される検知信号、第１〜第４感知電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂから出力される感知信号は、交流波信号となる。このとき、第１駆動電極１７ａに入力される駆動信号と第１検知電極１８ａから出力される検知信号は互いに逆位相の交流波信号となり、第２駆動電極１７ｂに入力される駆動信号と第２検知電極１８ｂから出力される検知信号も互いに逆位相の交流波信号となり、検知信号の振幅量に応じて、駆動信号の振幅量の増減を調整しながら、第２アーム４の駆動振動を安定させている。検知信号の振幅が規定の振幅よりも小さいときは駆動信号の振幅を大きくし、検知信号の振幅が規定の振幅よりも大きいときは駆動信号の振幅を小さくしている。

さらに、第１駆動電極１７ａに入力される駆動信号の位相と第１検知電極１８ａから出力される検知信号の位相が変化した時（逆位相からずれた時）、または、第２駆動電極１７ｂに入力される駆動信号の位相と第２検知電極１８ｂから出力される検知信号の位相が変化した時（逆位相からずれた時）は、停止手段によって駆動信号の入力を停止している。駆動信号の位相と検知信号の位相が変化した時（逆位相からずれた時）は、Ｙ軸を中心にして２つの第２アームが互いに反対方向（Ｘ軸の正側と負側）に駆動振動するのではなく、同方向（Ｘ軸の正側または負側の同方向）に駆動振動するので、角速度が誤検出される恐れがあり、これを抑制している。この停止手段は、駆動信号の位相および検知信号の位相を比較し、この比較状態に応じて、駆動信号の発生を停止する手段とすればよい。特に位相関係が逆位相関係になった場合、停止してもよい。

このような検出素子１において、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１９ａと第４感知電極２０ｂが第２アーム４の伸びを感知するとともに第２感知電極１９ｂと第３感知電極２０ａが第２アーム４の縮みを感知し、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が伸び縮みし、この伸び縮みを第１〜第４感知電極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１７ａ、１７ｂが設けられた第２アーム４にも同様に発生するので、第１〜４感知電極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極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、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２をＸ軸方向に配置し、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、例えば、錘部１１を第２アーム４の対向方向（駆動振動方向）に駆動振動させれば、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪を第２アーム４に発生させることができ、この歪を検知すればＺ軸周りの角速度を検出できる。したがって、検出素子をＺ軸方向に立設する必要がなく、低背化を図れる。

特に、第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂと第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂは、互いに反対方向へ駆動する第２アームに配置し、駆動信号と検知信号との位相関係が変化した場合（例えば、外乱ノイズ等が加わった時）に、駆動信号の入力を停止する停止手段を設けているので、角速度の誤検出を抑制できる。外乱ノイズ等が加わって、駆動振動数が共振周波数とは異なる振動数となった場合に、角速度が生じてこれを第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂにより検出すると、検出される検知信号の出力周波数も通常とは異なってしまう。上記構成では、Ｙ軸方向に配置した第２アームは全部で４つあり、Ｙ軸を中心にして２つの第２アーム４が互いに反対方向（Ｘ軸の正側と負側）に駆動振動する。このとき、駆動信号と検知信号の位相関係が、例えば、逆位相であったとすると、この位相関係がずれた時は、２つの第２アーム４が互いに反対方向に駆動振動していない状態となり、適切な駆動状態ではなくなって、角速度を誤検出する恐れがある。しかし、この駆動信号と検知信号の位相関係が変化した時は、駆動信号の入力を停止するので、角速度の誤検出を抑制できる。

なお、駆動信号の入力を停止後、検知信号が出力されなくなったら、再度、駆動信号を入力して第２アーム４を駆動させれば、角速度の誤検出を抑制しつつ、継続して角速度を検出することができる。また、第２アーム４は折曲して第２アーム４と対向させるとともに、その先端に錘部１１を設けているので、効率的に第２アーム４を駆動振動できるとともに角速度の発生時におけるコリオリ力を効率的に受けることができ、角速度の感度を向上できるものである。

また、第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂと第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂは、互いに反対方向へ駆動する第２アーム４に配置しているが、特に、第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂに加えて、第１、第２感知電極１９ａ、１９ｂが配置されているアームに、第３、第４検知電極を配置すれば、第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂを配置した第２アーム４と、第３、第４検知電極を配置した第２アーム４との駆動振動状態が適切であるかどうかも、これらの位相関係より判断でき、角速度の誤検出をより抑制できる。これら２つの第２アーム４は図４に示すように、第１、第２駆動電極１７ａ、１７ｂの駆動振動方向とは逆向きに駆動振動するが、上記構成により、第１、第２検知電極１８ａ、１８ｂを配置した第２アーム４の駆動振動方向と、第３、第４検知電極を配置した第２アーム４との駆動振動方向が、互いにずれて駆動振動しているかどうかを判断できるものである。

本発明に係る慣性力センサは、複数の検出軸の慣性力を検出でき、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 図１のＢ−Ｂ断面図 同検出素子の動作状態図 従来の角速度センサの検出素子の斜視図 図５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
８ 枠体
１１ 錘部
１２ 凹部
１３ 圧電体
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
１７ｂ 第２駆動電極
１８ 検知手段
１８ａ 第１検知電極
１８ｂ 第２検知電極
１９ 第１感知手段
１９ａ 第１感知電極
１９ｂ 第２感知電極
２０ 第２感知手段
２０ａ 第３感知電極
２０ｂ 第４感知電極

Claims (5)

1. 角速度を検出する検出素子を備え、
   前記検出素子は、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アームを支持する支持部とを有し、
   前記第２アームには、前記第２アームを駆動させる駆動信号を入力する駆動電極と、前記第２アームの駆動状態を検知して検知信号を出力する検知電極と、角速度に起因した前記第２アームの歪を感知して感知信号を出力する感知電極とを配置しており、
   前記駆動電極と前記検知電極は、互いに反対方向へ駆動する前記第２アームに配置し、
   前記駆動信号と前記検知信号との位相関係が変化した場合に、前記駆動信号の入力を停止する停止手段を設けた角速度センサ。
2. 前記駆動信号と前記検知信号との位相関係が逆位相関係になった場合に、前記駆動信号の入力を停止する請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記駆動信号の入力を停止後、前記検知信号が出力されなくなったら、再度、前記駆動信号を入力して前記第２アームを駆動させる請求項１記載の角速度センサ。
4. 前記第２アームは折曲して前記第２アームと対向させるとともに、その先端に錘部を設けた請求項１記載の角速度センサ。
5. 前記駆動電極および前記検知電極は圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる請求項１記載の角速度センサ。

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