JP2010230346A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】角速度センサにおいて、その小型化を図る。
【解決手段】検出素子１１は、基部１２と駆動信号が入力される駆動用電極１３を有し基部１２に接続された駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂと、基部１２に接続され検出信号を出力する第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂとを有し、第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂは互いに並走するよう形成され、第１の検出用アーム１５Ａには第１、第２の検出電極１７Ａ、１７Ｂが、第２の検出用アーム１５Ｂには第３、第４の検出電極１７Ｃ、１７Ｄが形成され、第１の検出用アーム１５Ａにおいて、第１の検出電極１７Ａは第２の検出用アーム１５Ｂと反対側に形成され、第２の検出電極１７Ｂは第２の検出用アーム１５Ｂ側に形成され、第２の検出用アーム１５Ｂにおいて、第３の検出電極１７Ｃは第１の検出用アーム１５Ａ側に形成され、第４の検出電極１７Ｄは第１の検出用アーム１５Ａと反対側に形成された構成とする。
【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センサに関するものである。

一般に、角速度センサは、検出素子の歪みを電気的に検知することにより、角速度の検出を行う。このような角速度センサは、角速度の発生に伴って生じるコリオリ力を利用し、検出素子に歪みを発生させている。振動している検出素子に角速度が生じると、コリオリ力が発生する。したがって、角速度を検出する場合、検出素子は振動させた状態にする。

従来、この種の角速度センサにおける検出素子には、例えば、音叉形状やＴ形状等、各種形状の検出素子が用いられており、一般に、このような各種形状の検出素子は、角速度の検出軸が１軸である。しかしながら、電子機器によっては、複数の検出軸に対して角速度を検出することが求められる。したがって、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸回りの角速度を検出するために、複数の角速度センサを各検出軸に対してそれぞれ実装する、もしくは、図３に示すごとく、角速度センサを複数の検出軸に対応させるように、各検出軸に対してそれぞれ検出素子１Ａ、１Ｂを備える構成にして、複数の検出軸における角速度の同時検出を実現していた。

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２００８−１８０５１１号公報

このような従来の角速度センサでは、小型化が難しいことが問題となっていた。

即ち、上記従来の構成では、複数の検出軸を有する角速度センサを実現するために、各検出軸に対応する検出素子をそれぞれ実装する必要があるため、それに伴って検出素子の実装面積も拡大してしまい、角速度センサの小型化を図ることができないという問題を有していた。

そこで本発明では、複数の検出軸回りの角速度を検出可能な角速度センサにおいて、その小型化を図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、駆動信号の入力に伴い駆動振動をするとともに、コリオリ力の検出に伴い検出信号を出力する検出素子を備え、前記検出素子は、基部と、前記駆動信号が入力される駆動用電極を有するとともに前記基部に接続された駆動用アームと、前記基部に接続されるとともに前記検出信号を出力する第１、第２の検出用アームとを有し、前記第１、第２の検出用アームは互いに並走するよう形成され、前記第１の検出用アームには第１、第２の検出電極が形成され、前記第２の検出用アームには第３、第４の検出電極が形成され、前記第１の検出用アームにおいて、前記第１の検出電極は前記第２の検出用アームと反対側に形成され、前記第２の検出電極は前記第２の検出用アーム側に形成され、前記第２の検出用アームにおいて、前記第３の検出電極は前記第１の検出用アーム側に形成され、前記第４の検出電極は前記第１の検出用アームと反対側に形成された構成としたものである。

上記構成により、前記第１、第２の検出用アームの形成方向をＹ軸方向とし、前記第１、第２の検出用アーム形成平面に垂直な方向をＺ軸方向とし、前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向に垂直な方向をＸ軸とした場合において、Ｘ軸回りの角速度に起因するコリオリ力は、第１と第２の検出用アームをＹ軸方向に駆動振動させればＺ軸方向に発生させることができ、Ｙ軸回りの角速度に起因するコリオリ力は、第１と第２の検出用アームをＸ軸方向に駆動振動させればＺ軸方向に発生させることができ、Ｚ軸回りの角速度に起因するコリオリ力は、第１と第２の検出用アームをＸ軸方向、もしくはＹ軸方向に駆動振動させればＹ軸方向、もしくはＸ軸方向に発生させることができ、このコリオリ力によって検出用アームに生じる歪を検知すれば角速度を検出することが可能である。

よって、互いに異なる複数の角速度を１つの検出素子によって検出することができるため、複数の検出軸回りにおける角速度を検出する場合に必要な検出素子の個数を減らすことができ、その結果として、実装面積を低減して角速度センサの小型化を図ることができるのである。

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

図１に示すごとく、本発明の一実施の形態における角速度センサは、駆動信号を出力し、検出素子１１からの検出信号が入力される処理回路（図示せず）と、前記処理回路からの駆動信号の入力に伴い駆動振動をするとともに、コリオリ力の検出に伴い前記検出信号を出力する検出素子１１を備えている。

そして、この検出素子１１は、基部１２と、前記駆動信号が入力される駆動用電極１３を有するとともに、前記基部１２に接続された駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂと、前記基部１２に接続されるとともに前記検出信号を出力する第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂとを有し、前記第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂは互いに並走するよう形成され、前記第１の検出用アーム１５Ａには第１、第２の検出電極１７Ａ、１７Ｂが形成され、前記第２の検出用アーム１５Ｂには第３、第４の検出電極１７Ｃ、１７Ｄが形成され、前記第１の検出用アーム１５Ａにおいて、前記第１の検出電極１７Ａは前記第２の検出用アーム１５Ｂと反対側に形成され、前記第２の検出電極１７Ｂは前記第２の検出用アーム１５Ｂ側に形成され、前記第２の検出用アーム１５Ｂにおいて、前記第３の検出電極１７Ｃは前記第１の検出用アーム１５Ａ側に形成され、前記第４の検出電極１７Ｄは前記第１の検出用アーム１５Ａと反対側に形成されており、これら検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが、第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂに生じる歪を電気的に検出する。

続いて動作原理について説明する。

図１のＡ−ＡＡ断面図である図２に示すのは、前記駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂの断面であり、当該駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂは、シリコン基板１９と、このシリコン基板１９上に設けられた下部電極１８Ｂと、この下部電極１８Ｂのさらに上方に設けられた上部電極１８Ａと、前記下部電極１８Ｂと前記上部電極１８Ａとの間に介在された圧電体１８Ｃとを備えている。

そして、前記処理回路（図示せず）から前記下部電極１８Ｂと前記上部電極１８Ａとの間に、前記シリコン基板１９が共振する周波数の駆動信号を入力することにより、前記駆動用アーム１４Ａ，１４Ｂを駆動振動させ、それに伴い、図１に示した検出用アーム１５Ａ、１５Ｂが共振により同調して駆動振動する。

ここで、前記第１、第２の検出用アームの形成方向をＹ軸方向とし、前記第１、第２の検出用アーム形成平面に垂直な方向をＺ軸方向とし、前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向に垂直な方向をＸ軸とした場合において、駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂ、検出用アーム１５Ａ、１５Ｂは、前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向の長さ成分を有しているため、これらの駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂ、検出用アーム１５Ａ、１５Ｂを振動させることによって、これら駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂの先端に連結された錘２０、検出用アーム１５Ａ、１５Ｂの先端に連結された錘２１Ａ、２１Ｂ（図１参照）には、Ｘ軸方向とＹ軸方向の速度が発生する。

Ｘ軸の正側に配置された駆動用アーム１４Ｂの錘２０がＸ軸の正方向及びＹ軸の正方向に振動している場合、Ｘ軸の負側に配置された駆動用アーム１４Ａの錘２０がＸ軸の負方向及びＹ軸の正方向に振動し、Ｘ軸の正側に配置された第２の検出用アーム１５Ｂの錘２１ＢはＸ軸の正方向及びＹ軸の負方向に振動し、Ｘ軸の負側に配置された第１の検出用アーム１５Ａの錘２１ＡはＸ軸の負方向及びＹ軸の負方向に振動する。

そして、検出素子１１に角速度が加わると、この角速度に起因して、前記第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂにおいて歪が生じる。この歪を前記第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが電圧として出力し、この出力電圧に基づく検出信号により前記処理回路が角速度を検出するのである。

以下、具体的に説明する。

先ず、Ｘ軸回りに角速度が生じた場合、コリオリ力は、前記第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂにおいて、駆動振動方向であるＸ軸、Ｙ軸方向の合成振動方向の中でもＹ軸方向の振動方向に対して直行方向に発生し、駆動振動と同調する。

Ｘ軸方向に対して右回りの角速度が生じた場合においては、第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂに形成された第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが、縮み方向の歪みを感知するため、前記第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄにより検出された信号の総和から、当該Ｘ軸方向に対して右回りの角速度を検出することができる。

また、Ｘ軸方向に対して左回りの角速度が生じた場合においては、第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが、伸び方向の歪みを感知するため、前記第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄにより検出された信号の総和から、当該Ｘ軸方向に対して右回りの角速度を検出することができる。

なお、駆動用電極１３が形成された駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂは、第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが形成された第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂの動きに同調して対称な動きをしている。

続いて、Ｙ軸回りに角速度が生じた場合、コリオリ力は、前記第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂにおいて、駆動振動方向であるＸ軸、Ｙ軸方向の合成振動方向の中でもＸ軸方向の振動方向に対して直行方向に発生し、駆動振動と同調する。

Ｙ軸方向に対して右回り角速度が生じた場合においては、第１の検出用アーム１５Ａに形成された第１、第２の検出電極１７Ａ、１７Ｂが縮み方向の歪みを感知し、第２の検出用アーム１５Ｂに形成された第３、第４の検出電極１７Ｃ、１７Ｄが伸び方向の歪みを感知するため、前記第１、第２の検出電極１７Ａ、１７Ｂにより検出された信号の和と、前記第３、第４の電極１７Ｃ、１７Ｄにより検出された信号の和との差から、当該Ｙ軸方向に対して右回りの角速度を検出することができる。

また、Ｙ軸方向の左回りの角速度が生じた場合、第１の検出用アーム１５Ａに形成された第１、第２の検出電極１７Ａ、１７Ｂが伸び方向の歪みを感知し、第２の検出用アーム１５Ｂに形成された第３、第４の検出電極１７Ｃ、１７Ｄが縮み方向の歪みを感知するため、前記第１、第２の検出電極１７Ａ、１７Ｂにより検出された信号の和と、前記第３、第４の電極１７Ｃ、１７Ｄにより検出された信号の和との差から、当該Ｙ軸方向に対して右回りの角速度を検出することができる。

なお、駆動用電極１３が形成された駆動用アーム１４Ａ、１４Ｂは、第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが形成された第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂの動きに同調して対称な動きをしている。

そして、Ｚ軸回りに角速度が生じた場合、コリオリ力は、前記第１、第２の検出用アーム１５Ａ、１５Ｂにおいて、駆動振動方向であるＸ軸、Ｙ軸方向の合成振動方向に対して直行方向に発生し、駆動振動と同調する。

Ｚ軸方向に対して右回りの角速度が生じた場合においては、第１の検出用アーム１５Ａに形成された第１の検出電極１７Ａと、第２の検出用アーム１５Ｂに形成された第３の検出電極１７Ｃとが縮み方向の歪みを感知し、第１の検出用アーム１５Ａに形成された第２の検出電極１７Ｂと、第２の検出用アーム１５Ｂに形成された第４の検出電極１７Ｄとが伸び方向の歪みを感知するため、前記第１、第３の検出電極１７Ａ、１７Ｃにより検出された信号の和と、前記第２、第４の電極１７Ｂ、１７Ｄにより検出された信号の和との差から、当該Ｚ軸方向に対して右回りの角速度を検出することができる。

Ｚ軸方向に対して右回りの角速度が生じた場合においては、第１の検出用アーム１５Ａに形成された第１の検出電極１７Ａと、第２の検出用アーム１５Ｂに形成された第３の検出電極１７Ｃとが伸び方向の歪みを感知し、第１の検出用アーム１５Ａに形成された第２の検出電極１７Ｂと、第２の検出用アーム１５Ｂに形成された第４の検出電極１７Ｄとが縮み方向の歪みを感知するため、前記第１、第３の検出電極１７Ａ、１７Ｃにより検出された信号の和と、前記第２、第４の電極１７Ｂ、１７Ｄにより検出された信号の和との差から、当該Ｚ軸方向に対して右回りの角速度を検出することができる。

このような構成により、互いに異なる複数の角速度を１つの検出素子１１によって検出できるため、複数の検出軸回りにおける角速度を検出する場合に必要な検出素子の個数を減らすことがで、その結果として、実装面積を低減して角速度センサの小型化を図ることができるのである。

なお、上記の検出素子１の構造体は、図２に示したシリコン基板１９上にフォトリソグラフィでマスクを形成した後に、ドライエッチングによって加工することにより形成することが可能である。

なお、上記の駆動用電極１３、及び第１、第２、第３、第４の検出電極１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄの形成方法としては、シリコン基板１９上にＰｔの下部電極１８Ｂを高周波スパッタにて形成し、この下部電極１８Ｂの上方に高周波スパッタにてＰＺＴからなる圧電体１８Ｃを形成し、さらにその上方に、Ａｕ蒸着で上部電極１８Ａを形成することができる。

本発明に係る角速度センサは、単一の素子によって複数の検出軸における角速度を検出でき、角速度センサの小型化が図れるので、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の実施の形態１における角速度センサにおける検出素子の斜視図 図１のＡ−ＡＡ断面図 従来の角速度センサの斜視図

１１ 検出素子
１２ 基部
１３ 駆動用電極
１４Ａ、１４Ｂ 駆動用アーム
１５Ａ 第１の検出用アーム
１５Ｂ 第２の検出用アーム
１７Ａ 第１の検出電極
１７Ｂ 第２の検出電極
１７Ｃ 第３の検出電極
１７Ｄ 第４の検出電極

Claims (4)

1. 駆動信号の入力に伴い駆動振動をするとともに、
   コリオリ力の検出に伴い検出信号を出力する検出素子を備え、
   前記検出素子は、
   基部と、
   前記駆動信号が入力される駆動用電極を有するとともに
   前記基部に接続された駆動用アームと、
   前記基部に接続されるとともに
   前記検出信号を出力する第１、第２の検出用アームとを有し、
   前記第１、第２の検出用アームは互いに並走するよう形成され、
   前記第１の検出用アームには第１、第２の検出電極が形成され、
   前記第２の検出用アームには第３、第４の検出電極が形成され、
   前記第１の検出用アームにおいて、
   前記第１の検出電極は前記第２の検出用アームと反対側に形成され、
   前記第２の検出電極は前記第２の検出用アーム側に形成され、
   前記第２の検出用アームにおいて、
   前記第３の検出電極は前記第１の検出用アーム側に形成され、
   前記第４の検出電極は前記第１の検出用アームと反対側に形成された
   角速度センサ。
2. 前記第１、第２の検出用アームの形成方向をＹ軸方向とし、
   前記第１、第２の検出用アーム形成平面に垂直な方向をＺ軸方向とし、
   前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向に垂直な方向をＸ軸とした場合において、
   前記Ｘ軸回りの角速度は前記第１、第２、第３、第４の検出電極により検出された信号の総和から検出し、
   前記Ｙ軸回りの角速度は前記第１、第２の検出電極により検出された信号の和と、
   前記第３、第４の電極により検出された信号の和との差から検出し、
   前記Ｚ軸回りの角速度は前記第１、第３の検出電極により検出された信号の和と、
   前記第２、第４の電極により検出された信号の和との差から検出する
   請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記第１、第２の検出用アームの形成方向をＹ軸方向とし、
   前記第１、第２の検出用アーム形成平面に垂直な方向をＺ軸方向とし、
   前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向に垂直な方向をＸ軸とした場合において、
   前記第１、第２の検出用アームが前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向の振動速度を有する
   請求項１または２に記載の角速度センサ。
4. 前記第１、第２の検出用アームの形成方向をＹ軸方向とし、
   前記第１、第２の検出用アーム形成平面に垂直な方向をＺ軸方向とし、
   前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向に垂直な方向をＸ軸とした場合において、
   前記第１、第２の検出用アームは、
   前記基部から前記Ｙ軸方向へと並走するとともに
   前記Ｘ軸方向へと屈曲する構成とし、
   前記第１の検出用アームの屈曲方向と
   前記第２の検出用アームの屈曲方向とを逆方向とした
   請求項１乃至３に記載の角速度センサ。

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