JP2009047712A - 振動型角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動型角速度センサを構成する質量部が変位の際に受ける空気抵抗の低減、検出感度の向上、かつ小型化。
【解決手段】 基板１０上に、質量部１１と、質量部１１を支持する梁１４と、質量部を駆動する駆動用電極１５，１６と、駆動された状態の質量部１１が角速度により変位し、その変位量を検出する検出部１１ｆ、２６を有し、これら質量部１１、駆動用電極１５，１６、及び検出部１１ｆ、２６を被ってなるケース１９を備えた振動型角速度センサにおいて、ケース１９の質量部１１に対応する部分に空気逃げ用の開口穴２９を形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、振動型角速度センサを構成する質量部が変位の際に受ける空気抵抗の低減を図り、検出感度を向上させ、かつ小型化可能にした振動型角速度センサに関する。

図５（Ａ）、（Ｂ）は第１の従来例を示す図である。図５（Ａ）はケースを取り外して見た振動型角速度センサ１を示す平面図で、１０は絶縁性の基板、１１は開口穴１１ａ、側方に櫛形電極１１ｂ、１１ｃが形成された導電性平板状の質量部、１４は一端が固定部１３によって基板１０に固定され、他端が質量部１１と一体に形成された図面上下方向に直線状に延在する梁、１５、１６は一端が基板１０に固定され、他端が櫛形電極１１ｂ、１１ｃと交互の間挿される櫛形電極１５ａ、１６ａを有する固定の駆動電極である。ここで、櫛形電極１１ｂ、１１ｃは、質量部１１ｂ、１１ｃと共動し、固定の櫛形電極１５ａ、１６ａと共に駆動部１７、１８を形成する。

図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図で、１９は質量部１１、駆動部１７、１８、及び固定部１３を被う絶縁性のケースである。基板１０、ケース１９には質量部１１がＺ軸方向に変位する際に検出する検出電極２０、２１が設けられている。図５（Ｂ）に示されるように、質量部１１、櫛形電極１５ａ、１６ａは基板１０から浮いて形成され、また図示されていないが、櫛形電極１１ｂ、１１ｃも同様に、基板１０から浮いて形成されている。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、第２の従来例を示す図である。同図において、上記第１の従来例と対応する部分は同一符号を付す。図６（Ａ）はケースを取り外して見た振動型角速度センサ２を示す平面図で、１０は絶縁性の基板、１１は開口穴１１ａ、側方に櫛形電極１１ｂ、１１ｃ、上、下側に櫛形電極１１ｄ，１１ｅが形成された導電性平板状の質量部、１４は一端が固定部１３によって基板１０に固定され、他端が質量部１１と一体に形成された梁、１５、１６は一端が基板１０に固定され、他端が櫛形電極１１ｂ、１１ｃと交互の間挿される櫛形電極１５ａ、１６ａを有する固定の駆動電極、２２、２３は一端が基板１０に固定され、他端が櫛形電極１１ｄ、１１ｅと交互の間挿される櫛形電極２２ａ、２３ａを有する固定の検出電極である。ここで、櫛形電極１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは、質量部１１と共動し、櫛形電極１１ｂ、１１ｃは固定の櫛形電極１５ａ、１６ａと共に駆動部１７、１８を形成し、櫛形電極１１ｄ、１１ｅは、固定の櫛形電極２２ａ、２３ａと共にＹ軸方向の変位を検出する検出部２４、２５を形成する。

図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図で、１９は質量部１１、駆動部１７、１８、検出部２４、２５及び固定部１３を被うケースである。基板１０、ケース１９には質量部１１がＺ軸方向に変位する際に検出する検出電極２０、２１が設けられている。図５（Ｂ）に示されるように、質量部１１、櫛形電極１５ａ、１６ａは基板１０から浮いて形成され、また図示されていないが、櫛形電極１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅも同様に、基板１０から浮いて形成されている。

しかるに、上記第１の従来例においては、図５（Ａ）に示す如く、梁１４が直線状に形成されているため、梁１４の両側に空間が出来てしまい、基板１０の面積に対する質量部の面積を大きくとれず、また、空気の粘性抵抗対策用の気体の逃げ穴１１ａを設けているため、さらに質量部１１の質量が軽くなってしまいセンサの感度、及び小型化に適さないという課題があった。

また、図５（Ｂ）に示す如く、質量部１１の厚みは、ケース１９と基板１０との間のギャップ寸法により制限されて振動子を厚くできず、さらに、質量部１１は基板１０と面で接触するため、スティッキングという固着現象が発生し、検出不能になる場合があり、センサの感度、及び安定性に適さないという課題があった。

上記第２の従来例においては、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、角型の質量部１１の４辺に櫛型電極１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅを設けると、基板１０の面積に対する質量部１１の面積を大きくとれず、また、空気の粘性抵抗対策用の気体の逃げ穴１１ａを設けると、さらに質量部１１の質量が軽くなってしまい、センサの感度、及び小型化に適さないという課題があった。

本発明は、振動型角速度センサを構成する質量部が変位の際に受ける空気抵抗の低減を図り、検出感度を向上させ、かつ小型化可能にした振動型角速度センサを得ることを目的とする。

本発明の上記目的は、基板上に、質量部と、前記質量部を支持する梁と、前記質量部を駆動する駆動用電極と、駆動された状態の前記質量部が角速度により変位し、その変位量を検出する検出部を有し、これら質量部、駆動用電極、及び検出部を被ってなるケースを備えた振動型角速度センサにおいて、前記ケースの前記質量部に対応する部分に空気逃げ用の開口穴を形成したことによって達成できる。

また、前記開口穴は、前記質量部の大きさと同程度としたことによって達成できる。

本発明によれば、振動型角速度センサを構成する質量部が変位の際に受ける空気抵抗の低減を図り、検出感度を向上させ、かつ小型化可能にした振動型角速度センサを提供できる。

以下、図面に示した実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る振動型角速度センサの第１の実施形態を示す、それぞれケースを取り外してセンサを上から見た概略平面図、及び図１（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。同図において、上記第１、及び第２の従来例と対応する部分は同一符号を付してある。

シリコン材料からなる質量部１１と、質量部１１の変位に応じて３軸方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）変形可能なＬ字形の梁１４を有する。このＬ字形の梁１４は、質量部１１の図面で、上、下側から左右に延在し、中間部で基板１０の上下の中央部側に折曲された形状となっている。梁１４をＬ字形状にすることにより、質量部１１が、図面に示す如く、上、下方向に延びた長形の大きな面積の形状に構成されている。

駆動部１７、１８は、質量部１１の側方に形成された櫛形電極１１ｂ、１１ｃと、固定された駆動電極１５、１６に形成され、櫛形電極１１ｂ、１１ｃと交互に間挿された櫛形電極１５ａ、１５ｂとで構成されている。

符号２６は検出電極である。後述する如く、質量部１１が図１（Ａ）のＢ方向へ変位したときに、質量部１１の開口穴１１ａの端縁１１ｆと、検出電極２６との間の距離が変化し、これに伴う電気容量値の変化を検出する検出部を構成している。

図１（Ｂ）に示す如く、櫛形電極１５ａ、１６ａ、質量部１１、また図示されていないが、質量部１１に形成されている櫛型電極１１ｂ、１１ｃ、梁部１４は、基板１０上には固定されず浮いた状態で、物理量により変位出来る構成になっている。

駆動用電極１５、１６、質量部１１の開口穴１１ａ内に配置されている検出電極２６、梁１４の固定部１３は基板１０に固定されている。

図１（Ｂ）に示す如く、基板１０とケース１９には、質量部１１に対応する距離が大きくなるように、段差２７、２８が形成されている。この段差２７、２８により、質量部１１に厚み寸法を大きくとれ、空気の粘性抵抗を軽減することができ、感度を向上させる。また、質量部１１と基板１０、ケース１９との距離を大きくとれることから、上述したスティッキング防止に効果的である。

次にこの装置の動作を説明する。角速度の検出は、例として、X軸方向に対向する外側の櫛型電極（１１ｂ、１５ａ）、（１１ｃ、１６ａ）それぞれにＶt＋Ｖdｓｉｎ（ωｔ）、Ｖt−Ｖdｓｉｎ（ωｔ）の電圧（Ｖt：直流バイアス電圧、Ｖdｓｉｎ（ωｔ）：駆動用交流電圧）を印加すると、内側との櫛型電極１１ｂ、１１ｃに静電気力が生じ、駆動周波数を、Ｘ軸方向の共振周波数と等しくすると質量部１１は、X軸方向に共振する。この状態で、Ｚ軸回りに角速度（Ωｚ）が加わると、振動しているＸ軸と垂直方向のＹ軸方向にもコリオリ力により共振が起き、質量部１１が矢印Ｂ方向へ変位する。この振動の大きさは角速度に比例し、質量部１１の開口穴１１ａの端縁１１ｆと、検出電極２６との距離が変化して、静電容量の変化となり、角速度（Ωｚ）を検出できる。

検出信号には加速度、角速度、振動成分が、足されたものとなる場合があり、角速度成分は、ＨＰＦで加速度成分除去した後、加振周波数で同期検波することにより分離、検出できる。

ここで、小さな質量を持つ可動する質量部を備えた角速度センサでは、質量部にかかる重力などの体積力よりも、空気の粘性抵抗などの表面力がその動作に大きく影響を与えている。よって静電容量で検出する場合、検出可能な静電容量を確保するため、静電駆動する場合は駆動力を大きくするために質量部１１と基板１０（またはケース１９）との電極間ギャップを狭くする必要があるので、ギャップに存在する気体のスクイズ膜によるダンピングを考慮した設計が必要となってくる。

また、小型化、高感度化として空間利用効率向上、変位する質量部１１の空気抵抗の低減を図る構成が必要である。

図２（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る振動型角速度センサ第２の実施形態を示で、ケースを取り外してセンサを上から見た概略平面図、及び図２（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。同図において、上記第１、及び第２の従来例、及び第１の実施形態と対応する部分は同一符号を付してある。

振動型センサ４の角速度の検出は、上述した第１の実施形態と同じくX軸方向に対向する外側の櫛型電極（１１ｂ、１５ａ）、（１１ｃ、１６ａ）それぞれに駆動電圧を印加し、Ｚ軸回りに角速度（Ωｚ）が加わると、Ｙ軸方向のコリオリ力により共振が起き、質量部１１が矢印Ｃ方向へ変位させるものである。従って、質量部１１のＺ軸方向への変位はない。

本実施形態においては、変位しない方向に位置するケース１９に質量部１１と同程度の開口穴２９を形成した構成である。この構成により、質量部１１がＹ軸方向へ変位した際、圧縮された空気を開口穴２９から逃がし、質量部１１の空気の粘性抵抗の軽減に効果を得る。

図３（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る振動型角速度センサ第３の実施形態を示し、ケースを取り外してセンサを上から見た概略平面図、及び図３（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。同図において、上記第１、及び第２の従来例、第１の実施形態及び第２の実施形態と対応する部分は同一符号を付してある。

振動型センサ５の角速度の検出は、X軸方向に対向する外側の櫛型電極（１１ｂ、１５ａ）、（１１ｃ、１６ａ）それぞれに駆動電圧を印加し、Ｙ軸回りに角速度（Ωｚ）が加わると、Ｚ軸方向のコリオリ力により共振が起き、図３（Ｂ）に示す如く、質量部１１を矢印Ｄ方向へ変位させるものである。

本実施形態においては、質量部１１の空気逃げ用の開口穴１１ａに対応してケース１９に同程度の穴３０を形成した構成である。この穴３０により、空気の粘性抵抗対策用の気体の逃げをつくり検出感度を向上させている。

図４（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る振動型角速度センサ第４の実施形態を示し、ケースを取り外してセンサを上から見た概略平面図、及び図４（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。同図において、上記第１の実施形態と対応する部分は同一符号を付してある。

振動型センサ６の角速度の検出は、上述した第１の実施形態と同じくX軸方向に対向する外側の櫛型電極（１１ｂ、１５ａ）、（１１ｃ、１６ａ）それぞれに駆動電圧を印加して、Ｚ軸回りに角速度（Ωｚ）が加わると、Ｙ軸方向のコリオリ力により共振が起き、質量部１１が矢印Ｅ方向へ変位させるものである。

第１の実施形態で、基板１０およびケース１９に段差２８、２９をつけて、質量部１１の厚さ寸法を大きくできることを説明したが、本実施形態においては、基板１０及びケース１９に段差２８、２９をつけるのみで、質量部１１とのギャップを広くして、空気の粘性抵抗を下げ、感度を向上させている。

本発明に係る振動型角速度センサの第１の実施形態を示し、(Ａ)は平面図で、(Ｂ)は（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。 本発明に係る振動型角速度センサの第２の実施形態を示し、(Ａ)は平面図で、(Ｂ)は（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。 本発明に係る振動型角速度センサの第３実施形態を示し、(Ａ)は平面図で、(Ｂ)は（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。 本発明に係る振動型角速度センサの第４施形態を示し、(Ａ)は平面図で、(Ｂ)は（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。 第１の従来例に係る振動型角速度センサを示し、(Ａ)は平面図で、(Ｂ)は（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。 第１の従来例に係る振動型角速度センサを示し、(Ａ)は平面図で、(Ｂ)は（Ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。

符号の説明

１、２、３、４、５、６ 振動型角速度センサ１０ 基板１１ 質量部１３ 固定部１４ 梁１５、１６ 固定の駆動電極１７、１８ 駆動部１９ ケース２０、２１、２２、２３、２６ 検出電極２４、２５ 検出部２７、２８ 段差２９、３０ 穴

Claims (2)

1. 基板上に、質量部と、前記質量部を支持する梁と、前記質量部を駆動する駆動用電極と、駆動された状態の前記質量部が角速度により変位し、その変位量を検出する検出部と、前記質量部、前記駆動用電極、及び前記検出部を被ってなるケースを備えた振動型角速度センサにおいて、前記ケースの前記質量部の対向する部分に空気逃げ用の開口穴を形成したことを特徴とする振動型角速度センサ。
2. 前記開口穴は、前記質量部の大きさと同程度としたことを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。

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