JP2010501834A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

回転センサは、表面音響波が励起される少なくとも１つの電気音響共振器を有して明示される。回転軸に関する共振器の回転は、波の伝搬速度を変化させる。これは、共振器の共振周波数を変化させる。回転センサは、好ましくは、波の伝搬方向とその横方向に振動可能な振動構造体３０を含む。
【選択図】図１

Description

回転センサは、技術文献においてジャイロセンサとも呼ばれ、例えば非特許文献１で知られている。別のセンサが特許文献１で知られている。

米国特許第６２３７４１４号明細書

ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Jpn. J. Appl. Phys.）第４２巻（２００３年）、第３１１５−３３１９頁

解決すべき課題は、回転運動に対して高感度で、かつ寸法が小さい回転センサを明示することである。

明示される回転センサは、表面音響波が励起される少なくとも１つの電気音響共振器を備える。回転軸回りの前記共振器の回転は、前記共振器の共振周波数を変化させる。

回転軸回りの前記共振器の回転を増加させると、前記波の伝搬、特に前記波の伝搬速度が変化し、その結果として前記共振周波数の変化をもたらす。

前記波の伝搬速度の変化は、前記共振器の共振周波数の変化を引き起こす。前記周波数の変化は、非常に正確に測定され、また、多大な回路設計のコストを必要としない。回転速度の値は、そのような測定から決定される。

表面波とともに動作する回転センサは、小さい寸法であることを特徴とする。

本センサの効果（ジャイロ効果）は、コリオリ力が回転系において運動する物体に作用するという事実に基づく。コリオリ力は、その物体の直線速度及びその系の回転速度と垂直方向を示す。

本回転センサは、例えば、自動車分野やカメラにおいて使用されうる。本回転センサは、特にナビゲーション・システムをサポートするために使用されうる。

前記共振器は、圧電基板上に平行に配列されている電極ストリップの配置を有する。前記電極ストリップは、好ましくは代替的に２つのバス・バーと接続されている。このようにして、変換器が形成されている。前記共振器は、２つの音響反射器を有し、そして、それらの間に（波の伝搬方向に）前記変換器が配置されてもよい。各反射器は、好ましくは、基本的に前記電極ストリップのように形成され同じ周期性をもって置かれている反射ストリップを有する。

本回転センサは、好ましくは、波の伝搬方向に振動可能な振動構造体を有する。前記振動構造体は、好ましくは横方向にも振動可能である。波が伝搬する横の面内にあって波の伝搬方向と垂直な方向は、横方向と呼ばれる。

前記振動構造体は、表面波が通り過ぎる際の表面上の原子の偏向により振動する。前記波のモードによる各場合において、前記振動構造体は、波の伝搬方向ではレイリー波のように、または横方向ではせん断波のように振動する。本センサが回転するとき、コリオリ力が本センサの座標系で振動する前記振動構造体に作用し、元の振動方向及び回転軸方向と垂直な方向に向かうさらなる振動要素が生じる。

下記のことが想定される。本センサの回転において、その回転軸は、その表面の法線に沿う方向を持つ。前記振動構造体の元の振動が波の伝搬方向に生じるならば、本センサの回転時に、横方向に振動要素が生じる。前記振動構造体の元の振動が横方向に生じるならば、本センサの回転時に、波の伝搬方向に振動要素が生じる。

コリオリ力から生じる前記振動要素は、音響波の速度を変化させる。さらに、この振動要素は、前記共振器内の波の反射条件に影響を与える。

前記振動構造体と関連する本センサの効果は、その特性に依存する。前記振動構造体の特性は、材料の組成や、高さや横方向に測った幅や長さといった幾何学的なパラメータ等を特に意味するとして理解されている。

前記振動構造体の少なくとも一部は、前記変換器の領域内、すなわち前記波が最初に伝搬する領域内に配置される。しかし、前記振動構造体の別の部分は、前記反射器の領域内に配置されてもよい。

前記振動構造体は、特におおきなアスペクト比、すなわち波長に対する高さの比が特に大きい電極ストリップ又は反射ストリップにより形成される。電極ストリップと反射ストリップの高さは、例えば、少なくとも１波長分である。電極ストリップと反射ストリップの高さはまた、波長の２倍またはそれ以上でもありうる。前記振動構造体が高ければ高いほど、ジャイロ効果は大きくなる。十分に高い振動構造体は、以下で説明される前記共振器内の有利な場所でその表面が運動することにより振動する。

前記振動構造体は、好ましくは塔のような形状に設計される。これは、前記振動構造体の高さが、その幅又は長さよりも大きいことを意味する。好ましくは、その高さは、波の伝搬方向に測った幅の少なくとも３倍の長さである。

各場合における前記振動構造体は、少なくともλの高さを有する。ここでλは、前記変換器内で励起される音響波の波長である。波の伝搬方向に測った振動構造体の幅は、好ましくは、最大４分の１波長であり、これは通常前記電極ストリップの幅と一致する。横方向長さ、つまり横方向に測った前記振動構造体の長さは、好ましくは最大２λである。前記振動構造体は、好ましくは横方向に延びている、すなわち、横方向長さがその幅よりも長い。

前記共振器内で励起される波は、せん断波、レイリー波、又は漏えい波である。せん断波の場合、原子の偏位が波の伝搬方向と実質的に垂直な方向に起こる。レイリー波の場合、基板原子の偏位は、高さ方向と、波の伝搬方向に起こる。漏えい波の場合、原子の偏位は、基本的に波の伝搬方向と垂直な方向に起こる。

原子の最大偏位は、結果として波の腹となり、通常、（同じ幅を有する電極ストリップが周期的に配置される）電極ストリップの大体中央で起こる。他方、波の節は、電極の間に位置する。

前記振動構造体の元の振動における振幅が大きくなればなるほど、ジャイロ効果により発生し元の振動と垂直方向の振動における振幅が大きくなる。そして、このようにして有益な効果が大きくなる。これが、前記振動構造体の長さが、前記共振器内で利用される表面波のモードによる各場合において、最大振動が達成されるように選択される理由である。

せん断波の場合の原子の偏位は、波の伝搬方向と実質的に垂直方向に起こる。このため、前記振動構造体もまた、本センサが回転する場合を除いて、波の伝搬方向と垂直に、すなわち前記電極ストリップと平行に振動する。表面の法線について回転する場合、コリオリ力は前記振動構造体に作用し、その振動の垂直方向、従って波の伝搬方向にさらなる振動要素を発生させる。せん断波の場合、前記振動構造体は前記電極ストリップ上に位置することが好ましい。これは、表面原子に最大偏位がそこで起こり、従って横方向の最大振幅が達成されるからである。本センサの効果を決定する垂直方向の振動振幅もまたこれにより増加するため、本センサの効果を高めることが可能である。

レイリー波の場合もまた、前記振動構造体の位置は、前記電極ストリップ上が好ましい。これは波の伝搬方向の最大振幅がこの地点で達成されるためである。表面の法線についての本センサの回転は、コリオリ力の結果として、元の振動方向と垂直な前記振動構造体のさらなる振動を引き起こし、前記電極と平行に振動要素が生じる。この場合も同様に、表面波の伝搬速度と反射条件はコリオリ効果により影響を受ける。

前記振動構造体を前記電極ストリップの間に位置させることもまた想定される。

前記振動構造体は、まとまって振動配列を形成する。横方向に連続するいくつかの振動構造体は、例えば、行を形成する。波の伝搬方向に連続するいくつかの振動構造体は、列を形成する。前記振動配列は、いくつかの列及び／又は行を有する。有利な変形において、前記振動配列は、横方向及び／又は波の伝搬方向に周期的である。しかし、前記振動構造体は原則として、前記共振器の波の伝搬方向に、任意の態様で分布する。すなわち、それらの位置や隣接する前記振動構造体との距離は望み通りに選択可能である。前記振動構造体はさらに、その幅、長さ、高さ、材料及び／又は層状構造に関して、異なりうる。

波の伝搬方向に連なる前記振動構造体は、例えば、横方向に互い違いである。その互い違いの配置のずれは、前記振動構造体の横方向長さよりも小さい。そのずれはまた、前記振動構造体の横方向長さと等しくてもよく、この場合前記振動構造体の少なくとも２つの行がチェッカーボードの配列を形成する。波の伝搬方向に１波長よりも長いギャップを持たないように分布する前記共振器表面上の塔のような形状の前記振動構造体は、（横方向に）全体として、波の均一な伝搬が生じるという長所を有する。そのため、互いに外れた伝搬速度の部分的なトレースが形成されない。

前記振動構造体は、それぞれ、前記電極ストリップのうちの１つに少なくとも部分的に配置される。前記振動構造体はまた、前記電極ストリップの間に少なくとも部分的に配置されうる。しかし、好ましくは、関連する振動構造体の基本表面（base surface）は前記電極ストリップを超えて、又は２つの隣接する前記電極ストリップの間の空間を超えて突出しない。

前記振動構造体は、原則として、例えば金属、金属合金やプラスチックのいずれかの材料を含む。ＳＵ−８材料のような光子構造（photostructured）のポリマーは、特にこれによく適している。この材料は、ノボラックエポキシ樹脂を基本として、多機能ビスフェノールＡと光開始剤を硬化剤として含む。金属化されているポリマー材料は、前記振動構造体に有利である。

前記振動構造体は、それぞれ２つまたはそれ以上の層を有する。最上層の材料は、好ましくは関連する前記振動構造体の下層よりも高密度である。これにより、本センサの効果は高められる。

自由振動する前記振動構造体は、ある振動周波数範囲において特に大きな振幅を有し、この範囲は共振周波数付近にある。周波数に対してプロットされた振幅は、共振曲線と呼ばれる。

振動共振の特性、すなわち最大振幅と共振曲線の半分の高さにおける帯域幅は、前記振動構造体の幅、長さ、高さ、質量、層の並び等の機械的なパラメータにより調節される。半分の値における帯域幅は、好ましくは本センサのプリセットの動作周波数範囲がこの帯域幅内にあるように選択される。

前記振動構造体は、電気的に導通しない少なくとも１つの層を有する。この非導電層は、特に、前記電極ストリップの間に位置する前記振動構造体の層の並びのうち、下層にある。

前記振動構造体はまた、電気的に導通する少なくとも１つの層を有する。関連する前記振動構造体が前記電極ストリップ上に配置されるならば、前記振動構造体の層の並びの下層も電気的に導通する。

前記振動構造体の層の並びの下層に特に適するものは、前記基板または前記電極ストリップと前記振動構造体の間を良好に接着する接着層である。

前記振動構造体は、リソグラフ工程（lithographic process）において生成される。電気的に導通する振動構造体は電気めっき過程で生成される。

振動構造体は、また、ＬＩＧＡ技術により生成される。ＬＩＧＡは、Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ−Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍ−Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ（リソグラフィー、電気めっき、鋳造）を意味する。

本センサは第１の共振器と直に垂直な少なくとも１つのさらなる共振器を有する。好ましくは、３次元の回転運動を記録するため、互いに垂直に配置される３つの共振器が備えられる。

第２の共振器は、例えば、参照共振器として動作する。第２の共振器は好ましくは実質的に第１の共振器と同様に製造され、例えばその振動構造体のみが異なって設計され、そのために２つの共振器が有益な効果に関して別々に振る舞う。第１の共振器と第２の共振器の信号を比較することにより、有益な効果、すなわち本センサの回転のように、音響波の伝搬に影響を与える副次的作用を考慮することができる。副次的作用は、主に温度ドリフトやセンサの経年劣化を含む。

本回転センサは概略的で実寸大ではない図により説明される。

表面波により動作する変換器の電極ストリップ上の振動構造体の配置を示す。 変換器と反射器の領域に配置される振動構造体を有し、表面波により動作する共振器を示す。

図１及び図２は、それぞれ変換器１０を有するＳＡＷ共振器の断面図を示す。変換器１０は横方向ｙに延びる電極ストリップ２０を有する。電極ストリップ２０は、図２に示すように、好ましくは代替的にバス・バー４１、４２と接続されている。音響波は２つの電極ストリップの間で異なる極性をもって励起され、波の伝搬方向ｘ、すなわち電極ストリップと垂直方向に伝搬する。

変換器１０は、反射器１１と１２の間に配置される。各反射器は、好ましくは電極ストリップと実質的に同じ幅と配置を有する反射ストリップ２１を有する。

塔のような形状の振動構造体３０は、電極ストリップ及び反射ストリップ上に配置される。振動構造体３０はまた、電極ストリップの間または反射ストリップの間にも配置されうる。

図１の変形における振動構造体３０は、列と行を有する規則的な配列を形成する。しかし、原則として、図２で示すように、それらは共振器内で任意の態様で配置されうる。

共振器は振動構造体に関して異なる特性を有する異なる共振器領域を有する。これは、共振器構造を励起された波の波形に適合させるために重要である。共振器を振動構造体に関して異なる特性を有する共振器領域に分けることにより、導波路が作り出される。

共振器は、波が伝搬する音響トレース（acoustic trace）を有する。音響トレースは、平行な部分トレースに分けられる。そして、部分トレースは、横方向の共振器領域として見られる。

異なる共振器領域に属する振動構造体は、例えば、互いに異なる横方向長さを有する。それらはまた、異なる高さを有する。振動構造体は異なる材料から、又は互いに異なる層の並びから構成される。振動構造体の配置密度は、共振器領域により異なる。好ましくは、中央の領域内にある振動構造体の方が端の領域内にあるものよりも密度が高い。

好ましくは、共振器の横方向の端の領域で用いられている振動構造体は、共振器の内側の領域で用いられているものよりも小さい。好ましくは、共振器の横方向の端の領域にある振動構造体の高さと横方向長さ、またはそのどちらかが、共振器領域の内側にあるものよりも小さいものが選択される。有利な変形において、共振器の横方向の端領域で用いられている振動構造体の配置密度は、共振器領域の内側で用いられているものよりも、低い。この場合の振動構造体は、内側の領域にあるものよりも端の領域にあるものの方が小さくなるように選ばれる。このようにして、内側の領域よりも端の領域のほうが速い伝搬速度を達成することができ、励起する輪郭を達成すべき波形に適合させるという意味において、導波路の形成に有利である。

図２の変形における振動構造体３０は、それぞれ、部分的に電極ストリップと反射ストリップ上に配置され、また部分的にそれらの間に配置される。大きい、好ましくは、長い構造体が共振器領域の中央に置かれ、小さい、好ましくは短い振動構造体が共振器の横方向及び／又は長手方向の端領域に置かれる。

１０ 変換器
１１、１２ 反射器
２０ 電極ストリップ
２１ 反射ストリップ
３０ 振動構造体
４１、４２ バス・バー
ｘ 波の伝搬方向
ｙ 横方向

Claims (16)

1. 表面音響波が励起される少なくとも１つの電気音響反射器を有し、
   前記反射器の回転軸回りの回転が、前記反射器の共振周波数を変化させる、
   ことを特徴とする回転センサ。
2. 波の伝搬方向（ｘ）とその横方向（ｙ）、またはそのどちらかに振動可能な振動構造体（３０）を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
3. 前記振動構造体（３０）は塔のような形状に設計される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転センサ。
4. 前記振動構造体（３０）は長手方向よりも横方向（ｙ）に大きく延びている、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の回転センサ。
5. 前記振動構造体（３０）のそれぞれは、変換器内で励起される音響波の波長を示すλの高さを少なくとも有する、
   ことを特徴とする請求項２乃至４のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
6. 前記表面波はせん断波である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
7. 前記表面波はレイリー波である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
8. 複数の振動構造体（３０）が、横方向に連なる、
   ことを特徴とする請求項２乃至７のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
9. 前記共振器は圧電基板上に配置されている電極ストリップの配列を有し、
   前記振動構造体（３０）は、少なくとも部分的に前記電極ストリップ上に配置されている、
   ことを特徴とする請求項２乃至８のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
10. 前記共振器は圧電基板上に配置されている電極ストリップ（２０）の配列を有し、
    前記振動構造体（３０）は、少なくとも部分的に前記電極ストリップ（２０）の間に配置されている、
    ことを特徴とする請求項２乃至８のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
11. 前記振動構造体（３０）は、それぞれ少なくとも２つの層を有し、
    最も上の前記層の材料は、関連する前記振動構造体の下層の材料よりも密度が高い、
    ことを特徴とする請求項２乃至１０のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
12. 前記振動構造体（３０）の特徴的な振動特性を示す共振曲線の半分の値の帯域幅は、前記センサのために指定された動作周波数の範囲がこの帯域幅内にあるように選ばれる、
    ことを特徴とする請求項２乃至１０のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
13. 互いに異なる幾何学的なパラメータを有する少なくとも２つの振動構造体（３０）を備える、
    ことを特徴とする請求項２乃至１２のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
14. 前記振動構造体（３０）は、電気的に導通していない少なくとも１つの層を有する、
    ことを特徴とする請求項２乃至１３のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
15. 前記振動構造体（３０）は、電気的に導通している少なくとも１つの層を有する、
    ことを特徴とする請求項２乃至１４のうちいずれか１項に記載の回転センサ。
16. 回転軸に関する前記共振器の回転は、前記共振器内で励起される音響波の伝搬速度を変化させる、
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のうちいずれか１項に記載の回転センサ。

Images