JP2010266321A - 多軸角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、各種電子機器に用いられる多軸角速度センサに関し、多軸角速度センサを低背化することを目的とする。
【解決手段】本発明は、一端が固定部に接続され他端が錘部に接続された駆動アームからなる多軸角速度センサにおいて、駆動アームの形状を固定部から錘部の方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造とし、アーム辺の延出方向に対して検出電極をアーム辺の中央部（撓み変曲点）から対称形状としたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる多軸角速度センサに関する。

一般的な角速度センサの構成は、パッケージの内部に角速度を検出する振動型角速度センサ素子と、この角速度センサを制御するＩＣを配置する構成が知られている。また、振動型角速度センサ素子は振動させる駆動アーム部分が音叉型やＨ型というような角速度の検出軸に平行に配置され、検出軸を中心として加わる角速度に対して駆動アームがコリオリ力により撓み振動が発生し、この撓み振動を電気信号に変換してＩＣに出力する構造が知られている。

また、このような角速度センサに対しては複数の検出軸に対応する構造の検討が始められており、現在においては、２個の振動型角速度センサ素子をそれぞれの検出軸が直交するようにパッケージ内に実装する構造が知られている。

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が知られている。

特開２００８−２３２８８９号公報

しかしながら、このような２軸対応の角速度センサにさらに検出軸を増やそうとした場合、つまり互いに直交する３軸を検出軸とした角速度センサを構成する場合、２つの検出軸までは１つの平面内で配置できるのであるが３つ目の検出軸が先の２軸で形成する平面に対して直交してしまうため、３つの振動型角速度センサ素子の内で１つの振動型角速度センサ素子の駆動アームの延出方向が部品高さ方向と一致してしまうことになり角速度センサの低背化が困難な構造となっていた。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、多軸角速度センサの低背化を目的とする。

この目的を達成するために本発明は、互いに直交する第１乃至第３の検出軸に対する角速度を検出する多軸角速度センサにおいて、第１の検出軸と振動平面が平行な第１の振動型角速度センサ素子と、第２の検出軸と振動平面が平行な第２の振動型角速度センサ素子と、第３の検出軸と振動平面が直交する第３の振動型角速度センサ素子とを組み合わせた構造としたのである。

この構成により本発明は多軸角速度センサの低背化を実現できるのである。

本発明の一実施形態の多軸角速度センサを示す分解斜視図 同多軸角速度センサの内部構造を示す上面図 同多軸角速度センサを構成する検出軸と振動平面が平行な振動型角速度センサ素子の上面図 同多軸角速度センサを構成する検出軸と振動平面が直交する振動型角速度センサ素子の上面図 同振動型角速度センサ素子の電極構造を示す断面図 検出軸と振動平面が平行な他の振動型角速度センサ素子を示す模式図 検出軸と振動平面が平行なさらに他の振動型角速度センサ素子を示す模式図 検出軸と振動平面が直交する他の振動型角速度センサ素子を示す模式図

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。

図１および図２は３つの振動型角速度センサ素子１，２，３とこれら振動型角速度センサ素子１，２，３を制御するＩＣ４をパッケージ５の内部に収納しリッド６で封口した多軸角速度センサの構造を示した図であり、３つの振動型角速度センサ素子１，２，３は互いに直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を検出軸７，８，９とした角速度情報を電気信号として出力するものである。

また、振動型角速度センサ素子１，２と振動型角速度センサ素子３は検出方式が異なり、振動型角速度センサ素子１，２は図３に示すように、支持部１０から検出軸７（８）を中心として対称配置された駆動アーム１１上に駆動電極１２および検知電極１３を設けた音叉型の振動型角速度センサ素子１，２であり、振動型角速度センサ素子３は図４に示すように、破線で囲んだ支持部１４を中心として錘部１５を対称に配置しこれらを破線で囲んだ蛇行状の駆動アーム１６で接続し、この駆動アーム１６上に駆動電極１７および検知電極１８を設けたジャバラ型の振動型角速度センサ素子３を用いている。

なお、駆動電極１２，１７および検知電極１３，１８の電極構造は、図５に示すようにＡｕからなる上部電極１９とＰｔからなる下部電極２０と、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層２１により形成され、下部電極２０をグランド接続した状態で上部電極１９に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、この圧縮力により電極パターンが延びる方向に応力が発生し、これとは逆に負電圧を印加すると電極に引張力が働き、この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生するものである。また、これとは逆に電極が撓み圧縮応力を受けることで負電圧を発生し、電極が延び引張応力を受けることで正電圧を発生させるものである。なお、上部電極１９と圧電体層２１の間には特に図示していないが層間の密着力を高めるためＴｉからなる密着層を介在している。

そして、図３に示す音叉型の振動型角速度センサ素子１，２を用いた角速度の検出は、駆動電極１２にＩＣ４から駆動電圧を印加することにより駆動アーム１１が矢印２２で示すよう並設方向に振動し、この振動状態において検出軸７，８回りに角速度が加わることでコリオリ力により駆動アーム１１が図３における前後方向（Ｚ軸方向）に撓み振動が生じ、この撓み振動を検知電極１３により電気信号に変換しＩＣ４に出力する。

また、図４に示すジャバラ型の振動型角速度センサ素子３を用いた角速度の検出は、駆動電極１７にＩＣ４から駆動電圧を印加することにより駆動アーム１６を矢印２３で示すようジャバラの伸縮方向に振動させ、この振動状態において振動平面（ＸＹ平面）に直交する検出軸９回りに角速度が加わることでコリオリ力により駆動アーム１６側方（図における上下方向）に撓み振動が生じ、この撓み振動を検知電極１８により電気信号に変換しＩＣ４に出力する。

つまり、互いに直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を検出軸７，８，９とする多軸角速度センサを構成するにあたり、振動平面（ＸＹ平面）と検出軸７，８が平行な振動型角速度センサ素子１，２を、検出軸７と検出軸８が直交するようにパッケージ５内に配置するとともに、振動平面（ＸＹ平面）と検出軸９が直交する振動型角速度センサ素子３をパッケージ５内に配置することで、３つの振動型角速度センサ素子１，２，３の振動平面が一致もしくは平行な状態でパッケージ５の内部に配置できるので、結果として多軸角速度センサの低背化ができるのである。

また、パッケージ５の内部における振動型角速度センサ素子１，２，３及びＩＣ４の実装レイアウトは、図１，図２に示されるように、パッケージ５の内部に段差５ａが設けられ、この段差５ａの内側の下段面５ｂにＩＣ４を実装するとともに、このＩＣ４の上面に振動型角速度センサ素子３を実装し、段差５ａの外側の上段面５ｃに振動型角速度センサ素子１，２を実装した構造としている。

なお、振動型角速度センサ素子３はＩＣ４の上面において駆動アーム１６の振動性を確保するため支持部１４から延出された接続部１４ａとＩＣ４の間にスペーサ層（特に図示せず）を介在させ駆動アーム１６を浮かせた構造としており、振動型角速度センサ素子１，２は上段面５ｃに支持部１０を実装し駆動アーム１１を下段面５ｂの上方に浮かせその振動性を確保している。

そして、振動型角速度センサ素子１，２は互いの検出軸７，８が直交するように隣接するパッケージ５の内壁に沿った上段面５ｃに配置されており、パッケージ５における振動型角速度センサ素子１，２の実装ポイントとなる支持部１０が物理的に離れた位置に配置しているとともに、それぞれの振動方向（図３における矢印２２）が直交することから、振動型角速度センサ素子１，２が相互干渉し難い構造としている。

また、振動型角速度センサ素子１，２と振動型角速度センサ素子３の漏れ振動による相互干渉については、振動型角速度センサ素子１，２がパッケージ５の上段面５ｃに実装されているのに対して振動型角速度センサ素子３がパッケージ５の下段面５ｂに実装されたＩＣ４の上面に実装しており、振動型角速度センサ素子１，２と振動型角速度センサ素子３がパッケージ５の内部における異なる面上に実装されたことにより相互干渉を抑制できるとともに、振動型角速度センサ素子３が下段面５ｂに対してＩＣ４を介して実装しているので、ＩＣ４の弾性によるダンパー効果に加え振動型角速度センサ素子１，２に至るまでの延面距離も長くなり振動型角速度センサ素子１，２と振動型角速度センサ素子３の間における漏れ振動による相互干渉を抑制した構造となっている。

また、振動型角速度センサ素子３をＩＣ４に実装する際に接着剤（特に図示せず）を用いて固着させることで接着剤の弾性により相互干渉の抑制効果をさらに高められる。なお、接着剤としては弾性が大きいシリコン系の接着剤を用いることが望ましい。

なお、上述した一実施形態においては検出軸が振動平面（ＸＹ平面）と平行な振動型角速度センサ素子として音叉型の振動型角速度センサ素子１，２を挙げ、検出軸が振動平面（ＸＹ平面）と直交する振動型角速度センサ素子としてジャバラ型の振動型角速度センサ素子３を挙げて説明したが、本発明はこの一実施形態に限定されるものではなく、図６に示す検出軸２４が振動平面（ＸＹ平面）と平行なＨ型の振動型角速度センサ素子２５や図７に示すＩ型の振動型角速度センサ素子２６といった検出軸２４が振動平面（ＸＹ平面）と平行な素子を用いることができ、また、図８に示すよう検出軸２７が振動平面（ＸＹ平面）と直交する王字型の振動型角速度センサ素子２８といった検出軸２７が振動平面（ＸＹ平面）に直交する素子を用いることで同様の効果を得ることができる。

なお、これらの振動型角速度センサ素子２５，２６，２８を用いた角速度の検出は、振動型角速度センサ素子２５，２６で有れば上述した振動型角速度センサ素子１，２と同様に、駆動アーム２８を矢印２９で示すよう側方に振動させコリオリ力による撓み振動を電気信号に変換し出力し、振動型角速度センサ素子２８で有れば両外側に位置する駆動アーム３０を矢印３１で示すよう側方に振動させコリオリ力によって生じる振動モードを検出アーム３２で検出し電気信号に変換し出力するものである。

本発明は、多軸角速度センサを低背化出来るという効果を有し、特にナビゲーションシステムなどの低背化が進められる電子機器に用いられる多軸角速度センサにおいて有用となるものである。

１ 第１の振動型角速度センサ素子
２ 第２の振動型角速度センサ素子
３ 第３の振動型角速度センサ素子
４ ＩＣ
５ パッケージ
７ 第１の検出軸
８ 第２の検出軸
９ 第３の検出軸

Claims (4)

1. 互いに直交する第１乃至第３の検出軸に対する角速度を検出する多軸角速度センサであって、前記第１の検出軸に対する角速度を検出する第１の振動型角速度センサ素子と、前記第２の検出軸に対する角速度を検出する第２の振動型角速度センサ素子と、前記第３の検出軸に対する角速度を検出する第３の振動型角速度センサ素子と、前記第１乃至第３の振動型角速度センサ素子を制御するＩＣと、前記第１乃至第３の振動型角速度センサ素子および前記ＩＣを収納するパッケージを備え、
   前記第１の振動型角速度センサ素子の振動平面と前記第１の検出軸が平行であり、前記第２の振動型角速度センサ素子の振動平面と前記第２の検出軸が平行であり、前記第３の振動型角速度センサ素子の振動平面と前記第３の検出軸が直交することを特徴とした多軸角速度センサ。
2. 第１、第２の振動型角速度センサ素子およびＩＣをパッケージに実装し、第３の振動型角速度センサ素子を前記ＩＣに実装することを特徴とした請求項１に記載の多軸角速度センサ。
3. 第３の振動型角速度センサ素子をＩＣの接着剤を用いて実装することを特徴とした請求項２に記載の多軸角速度センサ。
4. 接着剤としてシリコン系接着剤を用いたことを特徴とした請求項３に記載の多軸角速度センサ。

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