JP2012163386A

JP2012163386A - 角速度センサユニットおよびその信号検出方法

Info

Publication number: JP2012163386A
Application number: JP2011022381A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Kobayashi; 康展小林; Takashi Kawai; 孝士川井; Tomohiro Mitani; 朋弘三谷
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】本発明は、コリオリ力を利用した角速度センサユニットおよびその信号検出方法に関し、角速度センサユニットの検出精度の劣化を抑制することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、角速度を検出する振動型のセンサ素子１およびそれを制御するＩＣ２を内蔵するパッケージとからなる角速度センサユニットにおいて、センサ素子１は駆動アーム５にドライブ電極６、モニタ電極７、センス電極８を設けるとともに、駆動アーム５を支持する支持アーム１６に設けられたモニタ電極７の配線電極１９に補正電極２０を設け、不要振動によりモニタ電極７に形成された不要信号を、同じ不要振動により補正電極２０に形成された補正信号で減衰させる構造としたのである。
【選択図】図２

Description

本発明は、コリオリ力を利用した角速度センサユニットおよびその信号検出方法に関する。

角速度センサユニットは、図１に示すように角速度を検出するセンサ素子１および制御用のＩＣ２をパッケージ３の内部に収容した構造であり、角速度センサユニットの低背化のため、センサ素子１をＸ軸方向に基本振動させ、検出軸（Ｚ軸）回りに角速度が印加されることでセンサ素子１にコリオリ力が働きＹ軸方向の振動が励起されるというように、基本振動と検出振動が同一平面となる構造が検討されている。

そして、このようなセンサ素子１の素子構造としては、図９に示すように、検出軸４を中心として左右対称につづら折れ形状の駆動アーム５を配置するとともに、この駆動アーム５の一主面に駆動アーム５をつづら折れ方向（Ｘ軸方向）に基本振動させるドライブ電極６と、駆動アーム５の基本振動状態を検出するためのモニタ電極７と、コリオリ力による検出振動から検出信号を形成するセンス電極８を適宜設けた構造としている。

なお、センサ素子１の検出信号は基本振動の振幅に比例するため、この振幅を一定に保つことが重要であることから、この振幅の制御はセンサ素子１の基本振動状態を検出するモニタ電極７から出力されるモニタ信号を基にドライブ電極６に印加する駆動信号の信号レベルを制御している。

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２００６−２７５８７８号公報

そして、駆動アーム５に設けられる各電極は図１０に示すように圧電体層９を上部電極１０と下部電極１１で挟んだ積層電極構造であり、下部電極１１を接地し上部電極１０に正電圧を印加することで積層電極に積層方向の圧縮力１２が発生して積層電極に伸びが生じ、これとは逆に負電圧を印加することで積層電極に積層方向の引張力１３が発生して積層電極に縮みが生じるもので、この伸縮作用を利用して図９に示すセンサ素子１の駆動アーム５をＸ軸方向に基本振動させている。

しかしながら、このＸ軸方向の基本振動を得るためにドライブ電極６の伸縮作用を利用するのであるが、この場合、ドライブ電極６に対して積層方向の力である圧縮力１２や引張力１３が同時に働くため、Ｘ軸方向の基本振動の他にＺ軸方向（検出軸方向）に不要な振動（以下、Ｚ軸振動と称す）を励起してしまう。

そして、このＺ軸振動は、駆動アーム５の基本振動を検出するモニタ電極７にも不要な信号を形成してしまうことから、モニタ電極７から出力されるモニタ信号の出力レベルを変動させてしまい、基本振動を制御する駆動信号のレベル制御に悪影響を及ぼし、結果として角速度センサユニットの検出精度を劣化させてしまうという問題があった。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、角速度センサユニットの検出精度の劣化を抑制することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、角速度を検出する振動型のセンサ素子およびそれを制御するＩＣを内蔵するパッケージとからなる角速度センサユニットにおいて、センサ素子は駆動アームにドライブ電極、モニタ電極、センス電極を設けるとともに、駆動アームを支持する支持アームに設けられたモニタ電極の配線電極に補正電極を設け、Ｚ軸振動によりモニタ電極に形成された不要信号を、同じＺ軸振動により補正電極に形成された補正信号で減衰させる構造としたのである。

この構造により本発明は、角速度センサユニットの検出精度の劣化を抑制することが出来るのである。

角速度センサユニットを示す分解斜視図本発明の角速度センサユニットを構成するセンサ素子を示す上面図同センサ素子の基本振動状態を示す模式図同センサ素子の検出振動状態を示す模式図同基本振動に対するドライブ電極の動作状態を示す模式図同基本振動に対するモニタ電極の検出状態を示す模式図同検出振動に対するセンス電極の検出状態を示す模式図同センサ素子のＺ軸振動を示す模式図従来のセンサ素子を示す上面図センサ素子に設ける電極の動作原理を示す模式図

以下、本発明の角速度センサユニットについて図を用いて説明する。なお上述した従来のものと同様の構成については同じ符号を付して説明する。

図１は角速度センサユニットを示したものであり、その基本構造はパッケージ３の内部に角速度を検出する振動型のセンサ素子１と、このセンサ素子１に駆動信号を印加する駆動制御回路およびセンサ素子１から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＩＣ２を配置し、パッケージ３の開口をリッド１４で封口した構造となっている。

また、センサ素子１は図２に示すように、外部接続部１５およびその中央部分からセンサ素子１の中心部分に向けて延出された支持アーム１６と、この支持アーム１６を挟むように錘部１７を対称配置し、それぞれの錘部１７を一対の駆動アーム５で接続した形状としており、駆動アーム５上には後述するドライブ電極６、センス電極８及びモニタ電極７を配置し、外部接続部１５に設けた電極パッド１８と配線電極１９を介して接続している。なお、支持アーム１６の先端部分と錘部１７を接続する各駆動アーム５は、Ｙ軸方向に延びる複数のアーム片５ａ，５ｂを折り返し接続したつづら折れ構造としている。

そして、ＩＣ２から出力された駆動信号を電極パッド１８、配線電極１９を介してドライブ電極６に駆動信号を印加することで、図３に示すように錘部１７をＸ軸方向に伸縮するように基本振動させ、この基本振動の状態においてＺ軸方向回りの角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により駆動アーム５が図４に示すようにＹ軸方向に振動するようになる。そして、このＹ軸方向の振動による駆動アーム５の変形をセンス電極８で検知し電気信号に変換し、この検出信号を配線電極１９、電極パッド１８を介してＩＣ２に出力する構造としている。また、モニタ電極７は駆動アーム５の振幅や駆動周期を検出してその情報をＩＣ２にフィードバックして検出精度を制御するために設けている。

なお、センサ素子１はＳｉからなる基板上に上述したドライブ電極６、センス電極８、モニタ電極７を設けられた構造であり、各電極の構造は図１０を用いて説明したように基板上に設けられたＰｔからなる下部電極１１と、この下部電極１１上に設けられたＰＺＴからなる圧電体層９と、この圧電体層９上に設けられたＡｕからなる上部電極１０とからなる積層電極構造であり、下部電極１１をグランド接続した状態で上部電極１０に正電圧を印加すると積層方向に圧縮力１２が働き積層電極に伸びが生じ、上部電極１０に負電圧を印加すると積層方向に引張力１３が働き積層電極に縮みが生じる。また、これとは逆に駆動アーム５を撓ませて積層電極を縮ませれば負電圧が生じ、積層電極を伸ばせば正電圧が生じる。

そして、このセンサ素子１を基本振動させるドライブ電極６は、図５に示すように駆動アーム５の錘部１７の側に配置されたアーム片５ｂを破線で示すように撓みの変曲点Ａを中心として４分割して錘部１７に近接する側とその対角位置に配置し、これら一対のドライブ電極６に対して共に正電圧を印加することで共に圧縮力が発生し伸びが生じてアーム片５ｂがＳ字状に撓もうとし、共に負電圧を印加することで共に引張力が発生し縮みが生じてアーム片５ｂが逆に撓もうとするので、この動作を繰り返すことで錘部１７をＸ軸方向に基本振動させることが出来る。

また、駆動アーム５の基本振動を検出するモニタ電極７は、アーム片５ａが基本振動に対して撓み方向が反転する撓みの変曲点Ｂを有するため、図６に示すようにこの撓み変曲点Ｂを跨がないようアーム片５ａを破線で示すように撓みの変曲点Ｂを中心として４分割した内の１つの領域に形成しており、基本振動によるアーム片５ａの撓みに応じ起電することによりモニタ信号を形成する。

また、このセンサ素子１に生じる検出振動から検出信号を形成するセンス電極８は、図７で示したようにコリオリ力によりアーム片５ａの全体が弓なりに撓むので、この弓なりの撓みに対して検出信号を形成するため、センス電極８をアーム片５ａの中心軸より右側半分に偏芯させて設けており、アーム片５ａが図中において左側に撓む場合にはアーム片５ａの右半分に設けたセンス電極８に対して伸びの力が加わり正電圧が生じ、アーム片５ａが図中において右側に撓む場合にはアーム片５ａの右半分に設けたセンス電極８に対して縮みの力が加わり負電圧が生じるというようにして検出信号を形成する。

そして、この角速度センサユニットで角速度を検出するにあたっては、センサ素子１の基本振動がＸＹ平面内で行われることが基本となるのであるが、駆動アーム５に基本振動を励起させるドライブ電極６が図１０で説明したように上部電極１０、下部電極１１と圧電体層９の積層電極構造であり、駆動信号により積層方向に生じる圧縮力１２、引張力１３を利用しているため積層電極の積層方向にもＺ軸振動が励起されてしまい、モニタ電極７から出力される検出信号にＺ軸振動により励起された不要信号が付加されてしまい、結果的に角速度センサユニットの検出精度の劣化に繋がっていた。

そこで、この一実施形態の角速度センサユニットにおいては、図２に示すように支持アーム１６に設けられたモニタ電極７と電極パッド１８を接続する配線電極１９に補正電極２０を設け、Ｚ軸振動時にモニタ電極７に生じる不要信号を同じＺ軸振動で補正電極２０に生じる補正信号で減衰させ、モニタ電極７に対するＺ軸振動の影響を抑制する構成としている。

すなわち、補正電極２０によりＺ軸振動で生じる不要信号を減衰させる条件としては、補正電極２０が基本振動に対して信号の形成を行わず、且つ、Ｚ軸振動でモニタ電極７に生じる不要信号に対して逆電位の信号を形成することであるから、補正電極２０は、基本振動の対称軸となりその影響を受けにくい支持アーム１６上で、且つ、Ｚ軸振動においてモニタ電極７の撓みと逆方向の撓みが生じる部分としている。

具体的には、モニタ電極７をアーム片５ａの外部接続部１５側に配置し、補助電極２０を支持アーム１６の外部接続部１５側に配置することで、図８に示すようにＺ軸振動により錘部１７が下方に振動した場合、モニタ電極７が設けられた部分はアーム片５ａが凹状に撓みモニタ電極７に対して縮みの力が働くためモニタ電極７に負電圧が生じる。また、補正電極２０が設けられた部分は支持アーム１６が凸状に撓み補正電極２０に対して伸びの力が働くため補正電極２０に正電圧が生じる。

従って、Ｚ軸振動によりモニタ電極７に生じる不要信号と補正電極２０で生じる補正信号は逆電位の信号となり、これらの信号を図２に示すように配線電極１９を介して同じパッド電極１８に接続するので、パッド電極１８から出力されるモニタ信号はＺ軸振動による不要信号が補正信号により減衰される。

さらに、Ｚ軸振動に対して不要信号を形成する要素としては上述したモニタ電極７の他に配線電極１９においても同様に不要信号を形成するため、補正電極２０で形成する補正信号はこの配線電極１９による不要信号を含め減衰させるように電極設計することで、より角速度センサユニットの検出精度を向上させることができる。

このように、このセンサ素子１では基本振動に対して補正電極２０が不要な信号を生成せず、Ｚ軸振動が生じた際にモニタ電極７に生じる不要信号を減衰させる補正信号を補正電極２０で生成するので、センサ素子１からＩＣ２に出力されるモニタ信号の検出精度が高まり、この検出精度の高いモニタ信号によりセンサ素子１の基本振動を制御することができ、結果として角速度センサユニットの検出精度を高めることができる。

なお、このようにＺ軸振動に対する不要信号を抑制出来ることから、センサ素子１をパッケージ３に組み付ける際にＺ軸方向の外乱振動対策としてのＴＡＢテープ等の防振手段を排除することが可能となる。

本発明は、角速度センサユニットの検出精度を高め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小型で高感度な特性を要求する電子機器に用いる角速度センサにおいて有用となるものである。

１センサ素子
２ＩＣ
３パッケージ
５駆動アーム
６ドライブ電極
７モニタ電極
８センス電極
１５外部接続部
１６支持アーム
１７錘部
１８電極パッド
１９配線電極
２０補正電極

Claims

角速度を検出する振動型のセンサ素子と、前記センサ素子の基本振動および検出信号の処理を行うＩＣと、これらセンサ素子およびＩＣを内蔵するパッケージとからなる角速度センサユニットにおいて、
前記センサ素子は、前記パッケージに接続する外部接続部と、この外部接続部から延出された支持アームと、一端が前記支持アームの先端部分に接続され他端が錘部に接続されたつづら折れ状の駆動アームと、前記駆動アームに設けられ前記ＩＣから出力される駆動信号に応じて前記駆動アームをつづら折れ方向に基本振動させるドライブ電極と、前記駆動アームに設けられ前記基本振動により電荷を形成し前記ＩＣに出力するモニタ電極と、角速度の印加により前記駆動アームが側方に振動することで電荷を形成し前記ＩＣに出力するセンス電極と、前記外部接続部に設けられ複数の電極パッドと、前記電極パッドと前記ドライブ電極、前記センス電極または前記モニタ電極を接続する配線電極を備え、前記モニタ電極と電極パッドを接続する配線電極における前記支持アーム部分に補正電極を設け、前記基本振動および前記角速度の検出振動と直交する方向の撓み振動により前記モニタ電極に生じる不要信号を前記撓み振動により前記補正電極に生じる補正信号で減衰させることを特徴とした角速度センサユニットの信号検出方法。
撓み振動により、モニタ電極に接続された配線電極に生じる不要信号を補正電極に生じる補正信号で減衰させることを特徴とした請求項１に記載の角速度センサユニットの信号検出方法。
角速度を検出する振動型のセンサ素子と、前記センサ素子の基本振動および検出信号の処理を行うＩＣと、これらセンサ素子およびＩＣを内蔵するパッケージとからなる角速度センサユニットにおいて、
前記センサ素子は、前記パッケージに接続する外部接続部と、この外部接続部から延出された支持アームと、一端が前記支持アームの先端部分に接続され他端が錘部に接続されたつづら折れ状の駆動アームと、前記駆動アームに設けられ前記ＩＣから出力される駆動信号に応じて前記駆動アームをつづら折れ方向に基本振動させるドライブ電極と、前記駆動アームに設けられ前記基本振動を検出し前記ＩＣに出力するモニタ電極と、前記駆動アームに設けられ角速度の検出信号を前記ＩＣに出力するセンス電極と、前記外部接続部に設けられた複数の電極パッドと、前記電極パッドと前記ドライブ電極、前記センス電極または前記モニタ電極を接続する配線電極を備え、前記モニタ電極と前記電極パッドを接続する前記配線電極の前記支持アーム部分に補正電極を設けたことを特徴とする角速度センサユニット。