JP2012042479A - 角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の一実施形態に係る角速度センサは、環状のフレーム10と、駆動部と、検出部とを具備する。フレームは、第1の梁11a、11bの組と、第2の梁12a、12bの組とを有する。第1の梁の組は、a軸方向に延在し、a軸方向と直交するb軸方向に相互に対向する。第2の梁の組は、b軸方向に延在し、a軸方向に相互に対向する。上記駆動部は、第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間する振動モードで、フレームをa軸及びb軸が属するXY平面内において振動させる。上記検出部は、上記振動モードで振動するフレームのXY面内における変形量に基づいて、XY平面と直交するZ軸方向の軸回りの角速度を検出する。
【選択図】図5
Description
上記環状のフレームは、第1の梁の組と、第2の梁の組と、複数の接続部とを有する。上記第1の梁の組は、第1の方向に延在し、上記第1の方向と直交する第2の方向に相互に対向する。上記第2の梁の組は、上記第2の方向に延在し、上記第1の方向に相互に対向する。上記接続部は、上記第1の梁と上記第2の梁との間を接続する。
上記駆動部は、上記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときに上記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームを上記第1及び第2の方向が属する第1の面内において振動させる。
上記第1の検出部は、上記振動モードで振動する上記フレームの上記第1の面内における変形量に基づいて、上記第1及び第2の方向と直交する第3の方向の軸回りの角速度を検出する。
上記支持部は、上記接続部に接続され、上記フレームを支持する。
上記第1の振り子部は、上記第1の面内において上記第1及び第2の方向と交差する第4の方向に延在するように上記接続部に設けられ、上記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する。
上記第2の振り子部は、上記第1の面内において上記第1、第2及び第4の方向と交差する第5の方向に延在するように上記接続部に設けられ、上記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する。
上記第2の検出部は、上記第1の面と直交する方向への上記第1及び第2の振り子部の変形量に基づいて、上記第1の面内における所定の2つの方向の軸回りの角速度を検出する。
第3の方向の軸回りに角速度が作用すると、コリオリ力により、第1及び第2の梁を含むフレーム全体が第1の面内において歪み変形を受ける。したがって、少なくともひとつの梁に、当該梁の歪み変形を検出する検出部が配置されることで、上記角速度の検出が実現可能となる。上記第1の検出部は、当該梁の変形を電気的に検出する圧電層を含むことができる。
上記第1の振り子部は、上記第1の面内において上記第1及び第2の方向と交差する第4の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第1の振り子部は、上記第1の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第3の検出部は、上記第1の面と直交する方向への上記第1の振り子部の変形量に基づいて、上記第4の方向の軸回りの角速度を検出する。
上記第2の振り子部は、上記第1の面内において上記第1、第2及び第4の方向と交差する第5の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第2の振り子部は、上記第1の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第4の検出部は、上記第1の面と直交する方向への上記第2の振り子部の変形量に基づいて、上記第5の方向の軸回りの角速度を検出する。
この構成により、上記振動モードでのフレームの振動を阻害することなく、またコリオリ力によるフレーム及び振り子部の歪み変形を阻害することなく、フレームを固定部へ固定することができる。
上記フレームは、第1の梁の組と、第2の梁の組と、複数の接続部とを有する。上記第1の梁の組は、第1の方向に延在し上記第1の方向と直交する第2の方向に相互に対向する。上記第2の梁の組は、上記第2の方向に延在し上記第1の方向に相互に対向する。上記接続部は、上記第1の梁と上記第2の梁との間を接続する。
上記駆動部は、上記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームを上記第1及び第2の方向が属する第1の面内において振動させる。
上記第1の振り子部は、上記第1の面内において上記第1及び第2の方向と交差する第3の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第1の振り子部は、上記第1の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第2の振り子部は、上記第1の面内において上記第1、第2及び第3の方向と交差する第4の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第2の振り子部は、上記第1の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記検出部は、上記第1の面と直交する方向への上記第1及び第2の振り子部の変形量に基づいて、上記第1の面内における所定の2つの方向の軸回りの角速度を検出する。
上記支持部は、上記接続部に接続され、上記フレームを支持する。
上記環状のフレームは、第1の梁の組と、第2の梁の組と、複数の接続部とを有する。上記第1の梁の組は、第1の方向に延在し、上記第1の方向と直交する第2の方向に相互に対向する。上記第2の梁の組は、上記第2の方向に延在し、上記第1の方向に相互に対向する。上記接続部は、上記第1の梁と上記第2の梁との間を接続する。
上記駆動部は、上記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームを上記第1及び第2の方向が属する第1の面内において振動させる。
上記検出部は、上記振動モードで振動する上記フレームの上記第1の面内における変形量に基づいて、上記第1及び第2の方向と直交する第3の方向の軸回りの角速度を検出する。
上記支持部は、上記接続部に接続され、上記フレームを支持する。
上記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときに上記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームは、上記第1及び第2の方向が属する第1の面内において振動させられる。
上記振動モードで振動する上記フレームの上記第1の面内における変形量に基づいて、上記第1及び第2の方向と直交する第3の方向の軸回りの角速度が検出される。
図1は、本発明の一実施形態に係る角速度センサの駆動部分の基本構成を示す平面図である。図1では、角速度センサのフレーム及び駆動部の構成例が示されており、角速度の検出部の構成例は図6、図9、図13等に示されている。以下、図1を参照して、この角速度センサの駆動部分の基本構成を説明する。
本実施形態の角速度センサ1は、四辺を有する環状のフレーム10を備える。フレーム10は、a軸方向に横方向、b軸方向に縦方向、c軸方向に厚み方向を有する。一方、図1において、X軸方向は、c軸を中心としてa軸を反時計まわりに45度回転させたときの軸方向に相当し、Y軸方向は、c軸を中心としてb軸を反時計まわりに45度回転させたときの軸方向に相当する。Z軸方向は、c軸方向と平行な軸方向である。
角速度センサ1は、フレーム10を振動させる駆動部として、圧電駆動層を有する。圧電駆動層は、第1の梁の組11a、11bにそれぞれ設けられた第1の圧電駆動層31a、31bと、第2の梁の組12a、12bにそれぞれ設けられた第2の圧電駆動層32a、32bとを有する。圧電駆動層31a、31b、32a、32bは、入力電圧に応じて機械的に変形し、その変形の駆動力で梁11a、11b、12a、12bを振動させる。変形の方向は、入力電圧の極性で制御される。
図3は、図1の第2の梁の組12a、12bの振動の態様を説明する模式図である。第1の駆動電極301と第2の駆動電極302とは、一方が伸びたとき他方が縮むように相互に逆位相の電圧が印加される。これにより、梁12a、12bは、両端が接続部13a〜13dに支持された状態でa軸方向に撓み変形を受け、XY平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。図1の第1の梁の組11a、11bも同様に、両端が接続部13a〜13dに支持された状態でb軸方向に撓み変形を受け、XY平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。
なお、実際には入力信号が印加されてからフレームが変化(変位)するまでには圧電体の応答時間や入力動作周波数、フレーム共振周波数などの影響で遅延時間が存在する。本例においては、上記遅延時間は十分に小さいものとして図4の時間変化を説明している。
図6に示す角速度センサ2は、第1の梁の組11a、11bのうち一方の梁11bに形成される電極構造が、図1に示した角速度センサ1と異なる。すなわち本実施形態では、第2の駆動電極302に代えて、圧電検出層51が配置されている。圧電検出層51は、第1の圧電検出体51aと第2の圧電検出体51bとを有する。第1及び第2の圧電検出体51a、51bは、第1の梁11bの軸線方向の中央部に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。第1及び第2の圧電検出体51a、51bは、圧電駆動体301、302と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電材料層と、上部電極層との積層体(図2)で構成され、梁11bの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。
次に、以上のように構成される角速度センサ2の駆動回路について説明する。図7は、角速度センサ2の駆動回路100Aを示すブロック図である。駆動回路100Aは、例えば、ICチップ、あるいは1チップ化されたIC部品で構成される。
図9は、本発明の第2の実施形態に係る角速度センサを示している。本実施形態に係る角速度センサは、X軸方向及びY軸方向に平行な軸まわりの角速度を検出可能な構造を有する。
図13は、本発明の第3の実施形態に係る角速度センサを示している。本実施形態に係る角速度センサは、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に平行な軸まわりの角速度を検出可能な構造を有する。
図15及び図16は、本発明の第4の実施形態に係る角速度センサを示している。フレーム10の構成及びフレーム10上の電極配置例は、第1〜第3の実施形態で説明したいずれの例をも採用可能である。本実施形態では、フレーム10上の電極配置例は、図13に示した電極配置例と同一とした。
しかしフレームと連結部とベースの厚みとは必ずしも同じである必要はなく、例えばベースの厚さをフレームや連結部の厚さよりも大きくしてもよい。これにより角速度センサ製造時のハンドリング性が向上する。また当該角速度センサを回路基板等に実装する際に、ベースの変形や破損を防止することができる。
図19〜図22は、本発明の第5の実施形態に係る角速度センサをそれぞれ示している。各図において、フレーム10の構成及びフレーム10上の電極配置例は、第1〜第3の実施形態で説明したいずれの例をも採用可能である。本実施形態では、フレーム10上の電極配置例は、図13に示した電極配置例と同一とした。
また、図21に示す角速度センサ6Cは、各梁11a、11b、12a、12bの中央部の内側と外側に重錘部93a、93bを有する。本例では、各重錘部93a、93bは大きさが異なり、重錘部93bよりも重錘部93aが重く形成されている。
さらに、図22に示す角速度センサ6Dは、各梁11a、11b、12a、12bの中央部の内側と外側に重錘部94a、94bを有する。本例では、各重錘部94a、94bは形状及び大きさが同一であり、同一の重さで形成されている。
図23〜図25は、本発明の第6の実施形態に係る角速度センサを示している。以下、第1〜第3の実施形態と異なる構成について主に説明し、上記各実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。
すなわち本実施形態の角速度センサ7は、a軸に平行はY軸まわりの角速度と、b軸に平行なX軸まわりの角速度とを出力する。
図26は、本発明の第7の実施形態に係る角速度センサの平面図である。以下、第1〜第4の実施形態と異なる構成について主に説明し、上記各実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。
フレーム10に形成される各種電極(駆動電極、検出電極、参照電極)は、フレーム10の一方の表面にのみ形成される場合に限られない。例えば、フレーム10の表面、裏面、側面などに電極を振り分けて配置されてもよい。
図6等に示した実施形態では、参照電極61を梁12aの中心部外側に配置したが、第2の駆動電極302の形成位置に参照電極が形成されてもよい。また、参照電極が形成される梁は特に限定されず、梁11a、11b、12a、12bのいずれであってもよい。
Z軸まわりの角速度を検出するための検出電極51a、51bも同様に、第1及び第2の駆動電極301、301のいずれかに代えて形成される例に限られない。図31及び図32に示すように、検出電極51a、51bは、駆動電極301、302とともに形成されてもよい。図31は、第2の駆動電極302が第1の駆動電極301と一対の検出電極51a、51bとで挟まれるように各電極を配置した例を示し、図32は、第2の駆動電極302が一対の検出電極51a、51bで挟まれるように各電極を配置した例を示している。また図33に示すように、少なくとも一組の検出電極51a、51bを梁11a、11b、12a、12bを跨ぐように振り子部21a、21b、22a、22b上に形成されてもよい。
接続部から梁に沿って延びる検出電極は、歪の検出効率を上げる観点から、フレームの1辺の長さの1/4を超えない範囲で接続部周辺に配置するとよい。
一方、単一のジャイロセンサでX、Y及びZの各軸まわりの角速度を安定に検出するために、駆動周波数と各軸の検出周波数との間の調整を図る必要がある。一般的にジャイロセンサは、駆動周波数fdと検出周波数fsとがほぼ等しくなるように設計されるが、特性を安定させるなどの理由で、fdとfsを完全に一致させずに、0.95<(fd/fs)<1.05の範囲でfdとfsの値が調整される。ここで図40及び図41のプロットで示すようにフレーム10の各梁の幅をW1、厚みをH1としたとき、W1:H1=1:1の場合、フレーム10や振り子部21a、21b、22a、22bの大きさを変えても、1.15<(fd/fs)<1.25となり、離調度が大きいためX軸及びY軸まわりの角速度の検出感度がとれないことが有限要素法による計算で明らかとなった。
図41に、W:H=1:1のときのfdとfsの関係((fd/fs)≒1.2)を実線で示す。1.1≦W/H≦1.3とすることで、図41に破線で示すように0.95<(fd/fs)<1.05の関係を得ることができる。
重錘部は各梁の内縁側、外縁側のどちらかに設けてもよいし、両方に設けてもよい。しかし角速度センサを小型化する観点から、内縁側のみに設けることが望ましい。
以上の実施形態では、フレーム10を単結晶シリコンで構成し、その上に薄膜の圧電駆動層を形成したが、これに限られず、カーボンやエリンバー合金など他の材料で構成してよいし、水晶やニオブ酸リチウム等の圧電材料で構成されてもよい。また、フレーム10を振動させる圧電駆動層は、全ての梁に形成される場合に限られず、例えば、各梁の組のうちそれぞれ一方側にのみ形成されてもよい。また、圧電駆動層は第1及び第2の駆動電極301、302で構成される例に限られず、単一の圧電駆動体で形成されてもよい。さらに、フレーム10を振動させる駆動源は、圧電駆動だけに限られず、例えば、電磁駆動や静電駆動等の他の駆動方式が採用されてもよい。
10…フレーム
11a、11b、12a、12b、111a、111b、112a、112b…梁
13a、13b、13c、13d…接続部
21a、21b、22a、22b…振り子部
31a、31b…圧電駆動層
51…圧電駆動層
51a、51b…(Z軸まわりの角速度検出用の)検出電極
61…参照電極
71a、71b…(X軸まわりの角速度検出用の)検出電極
72a、72b…(Y軸まわりの角速度検出用の)検出電極
81、84…ベース
82a〜82d、83a〜83d、84a〜84d…連結部
91、92a、92b、93a、93b、94a、94b、95…重錘部
100A〜100D…駆動回路
150…回路基板
301、302…駆動電極
303…下部電極層
304…圧電材料層
305…上部電極層
Claims (18)
- 第1の方向に延在し前記第1の方向と直交する第2の方向に相互に対向する第1の梁の組と、前記第2の方向に延在し前記第1の方向に相互に対向する第2の梁の組と、前記第1の梁と前記第2の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第1及び第2の方向が属する第1の面内において振動させる駆動部と、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記第1の面内における変形量に基づいて、前記第1及び第2の方向と直交する第3の方向の軸回りの角速度を検出する第1の検出部と、
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を具備する角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記第1の面内において前記第1及び第2の方向と交差する第4の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第1の振り子部と、
前記第1の面内において前記第1、第2及び第4の方向と交差する第5の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第2の振り子部と、
前記第1の面と直交する方向への前記第1及び第2の振り子部の変形量に基づいて、前記第1の面内における所定の2つの方向の軸回りの角速度を検出する第2の検出部と
をさらに具備する角速度センサ。 - 請求項2に記載の角速度センサであって、
前記第2の検出部は、前記第1及び第2の方向の軸回りの角速度を検出する
角速度センサ。 - 請求項2に記載の角速度センサであって、
前記第2の検出部は、前記第1及び第2の振り子上に配置され前記第1の面と直交する方向への前記第1及び第2の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記駆動部は、前記第1及び第2の梁にそれぞれ配置された圧電駆動層を含む
角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記第1及び第2の梁の少なくとも一方に配置され、前記振動モードでの振動による前記梁の変形を検出するための圧電層を含む参照部をさらに具備する
角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記支持部は、
固定部に機械的に固定されるベースと、
前記ベースと前記接続部との間を連結し変形可能な連結部とを有する
角速度センサ。 - 請求項7に記載の角速度センサであって、
前記ベースは、前記フレームの外側を囲む枠状に形成される
角速度センサ。 - 請求項7に記載の角速度センサであって、
前記ベースは、前記固定部に電気的に接続される電極パッドを有する
角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記フレームは、前記第1及び第2の梁のうち少なくとも一方に形成された重錘部をさらに有する
角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記第1の面内において前記第1及び第2の方向と交差する第4の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第1の振り子部と、
前記第1の面と直交する方向への前記第1の振り子部の変形量に基づいて、前記第4の方向の軸回りの角速度を検出する第3の検出部と
をさらに具備する角速度センサ。 - 請求項11に記載の角速度センサであって、
前記第1の面内において前記第1、第2及び第4の方向と直交する第5の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第2の振り子部と、
前記第1の面と直交する方向への前記第2の振り子部の変形量に基づいて、前記第5の方向の軸回りの角速度を検出する第4の検出部と
をさらに具備する角速度センサ。 - 請求項12に記載の角速度センサであって、
前記第3の検出部は、前記第1の振り子部上に配置され、前記第1の面と直交する方向への前記第1の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含み、
前記第4の検出部は、前記第2の振り子部上に配置され、前記第1の面と直交する方向への前記第2の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記第1の検出部は、前記第1及び第2の梁の少なくとも一方に配置され、前記梁の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサであって、
前記第1及び第2の梁は、前記フレームの内方側に突出する突出部を有する
角速度センサ。 - 第1の方向に延在し前記第1の方向と直交する第2の方向に相互に対向する第1の梁の組と、前記第2の方向に延在し前記第1の方向に相互に対向する第2の梁の組と、前記第1の梁と前記第2の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第1及び第2の方向が属する第1の面内において振動させる駆動部と、
前記第1の面内において前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第1の振り子部と、
前記第1の面内において前記第1、第2及び第3の方向と交差する第4の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第1の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第2の振り子部と、
前記第1の面と直交する方向への前記第1及び第2の振り子部の変形量に基づいて、前記第1の面内における所定の2つの方向の軸回りの角速度を検出する検出部と
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を具備する角速度センサ。 - 第1の方向に延在し前記第1の方向と直交する第2の方向に相互に対向する第1の梁の組と、前記第2の方向に延在し前記第1の方向に相互に対向する第2の梁の組と、前記第1の梁と前記第2の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第1及び第2の方向が属する面内において振動させる駆動部と、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記面内における変形量に基づいて、前記第1及び第2の方向と直交する第3の方向の軸回りの角速度を検出する検出部と、
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を有する角速度センサを備えた電子機器。 - 第1の方向に延在し前記第1の方向と直交する第2の方向に相互に対向する第1の梁の組と、前記第2の方向に延在し前記第1の方向に相互に対向する第2の梁の組と、前記第1の梁と前記第2の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームを、前記接続部に接続した支持部で支持し、
前記第1及び第2の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第1及び第2の方向が属する第1の面内において振動させ、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記第1の面内における変形量に基づいて、前記第1及び第2の方向と直交する第3の方向の軸回りの角速度を検出する
角速度の検出方法。
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