JP2016095176A - Angular velocity sensor and electronic apparatus using the angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサに関するものである。 The present invention relates to an angular velocity sensor used in various electronic devices.
従来、角速度センサとして、コリオリの力を利用する振動型角速度センサが知られている。例えば、
錘を駆動振動させた状態で、角速度が加わると、錘に対して、コリオリの力が加わる。その結果、コリオリの力の向きに対応する検出振動が発生し、この検出振動を電気信号として検出することによって角速度を検出することができる。
Conventionally, as an angular velocity sensor, a vibration type angular velocity sensor using Coriolis force is known. For example,
When an angular velocity is applied while the weight is driven to vibrate, a Coriolis force is applied to the weight. As a result, a detection vibration corresponding to the direction of Coriolis force is generated, and the angular velocity can be detected by detecting this detection vibration as an electric signal.
なお、この出願の発明に関する先行文献情報としては、例えば、特許文献1が知られる。 For example, Patent Document 1 is known as prior document information related to the invention of this application.
しかしながら、上記のような従来の構成では、錘が完全に水平振動せず、振動漏れを起こすことがわかっている。 However, it has been found that in the conventional configuration as described above, the weight does not completely oscillate horizontally, causing vibration leakage.
このような振動漏れが生じると、角速度出力が不安定になるという課題があった。 When such vibration leakage occurs, there is a problem that the angular velocity output becomes unstable.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、角速度検出素子からの振動漏れを低減し、角速度出力の安定した角速度センサを提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that reduces vibration leakage from the angular velocity detection element and has a stable angular velocity output.
上記目的を達成するために、本発明の角速度センサは、角速度検出素子を備えた角速度センサであって、前記角速度検出素子は、基部と、前記基部から延出する一対のアームと、前記一対のアームに接続する枠部と、を有し、前記角速度検出素子は圧電効果により駆動振動し、前記角速度検出素子の駆動振動時の最大変位箇所の90%以上の変位箇所には圧電体を配置しないことを特徴としている。 In order to achieve the above object, an angular velocity sensor according to the present invention is an angular velocity sensor including an angular velocity detection element, and the angular velocity detection element includes a base, a pair of arms extending from the base, and the pair of pairs. A frame portion connected to the arm, the angular velocity detection element is driven to vibrate by a piezoelectric effect, and a piezoelectric body is not disposed at a displacement location of 90% or more of the maximum displacement location during the drive vibration of the angular velocity detection element. It is characterized by that.
上記構成により、角速度検出素子は駆動振動時の最大変位箇所の90%以上の変位箇所には圧電体を配置しないため、角速度検出素の厚み方向の振動(不要振動)を低減することができる。したがって、角速度検出素子から外部への漏れ振動を低減することができ、外乱の影響で角速度検出素子の共振振動が変動しにくいために、角速度出力の安定した角速度センサを提供することが可能となる。 With the configuration described above, the angular velocity detection element does not have a piezoelectric body disposed at a displacement location of 90% or more of the maximum displacement location at the time of driving vibration, so that vibration in the thickness direction (unnecessary vibration) of the angular velocity detection element can be reduced. Therefore, leakage vibration from the angular velocity detection element to the outside can be reduced, and the resonance vibration of the angular velocity detection element is less likely to fluctuate due to the influence of the disturbance. Therefore, it is possible to provide an angular velocity sensor with stable angular velocity output. .
(実施の形態1)
以下、本実施の形態の角速度センサについて図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the angular velocity sensor of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
図1は本実施の形態における角速度センサが備える角速度検出素子の上面図である。 FIG. 1 is a top view of an angular velocity detecting element provided in the angular velocity sensor according to the present embodiment.
図1において、本実施の形態の角速度センサは、角速度検出素子101を備えた角速度センサであって、前記角速度検出素子101は、基部102と、前記基部から延出する第1のアーム103a及び第2のアーム103bと、前記それぞれのアームに接続する枠部104と、を備える。ここで、前記角速度検出素子101は圧電効果により駆動振動し、前記駆動振動時に最も変位の大きくなる部分の変位を最大変位と定義したとき、前記角速度検出素子101上で、前記駆動振動時の変位が、前記最大変位の90%以上となる部分は前記圧電体を設けない構成である。
In FIG. 1, the angular velocity sensor of the present embodiment is an angular velocity sensor provided with an angular
以下、各構成要素について説明する。 Hereinafter, each component will be described.
基部102は、角速度検出素子101を支持するための固定部材である。角速度検出素子101を格納するパッケージ(図示せず)に接着剤等を用いて固定される。第1のアーム103a及び第2のアーム103bは、図1中のY軸方向に沿って、基部102から互いに反対の方向に延出している。
The
枠部104は、基部102を取り囲むように配され、第1のアーム103a及び第2のアーム103bの一端と接続している。一対の錘部(第1の錘部105a、及び第2の錘部105b)は、それぞれが枠部104と接続しており、基部102を挟んで互いにX軸上の対称の位置に配置される。
The
ここで、好適には、角速度検出素子101に不要な方向の共振を引き起こさないために、基部102は枠部104の略中心に配置されることが望ましい。また、第1の錘部105a、及び第2の錘部105bは基部102の中心を通る図中のY軸に対して対称形状であることが望ましい。
Here, preferably, the
図1の網掛けを付した箇所と無地の箇所とについて説明する。まず、角速度検出素子101の上で駆動振動時に最も変位の大きくなる部分の変位を最大変位と定義する。このとき、図1中の網掛け部は、角速度検出素子101の上で、駆動振動時の変位が最大変位の90%以下となる部分(以下、「最大変位の90%以下の部分」と記載)である。同様に、図1中の無地の部分は、駆動振動時の変位が最大変位の90%以上となる部分(以下、「最大変位の90%以上の部分」と記載)を示している。
The shaded area and the plain area in FIG. 1 will be described. First, the displacement of the portion having the largest displacement on the angular
図2を用いて、図1中のA−A′部の断面構造を示す。最大変位の90%以上の部分では、基板110上に圧電体108は配置されていない、すなわち、角速度検出素子101の上で、駆動振動時の変位が、最大変位の90%以上となる部分に圧電体108を設けない、のに対して、最大変位の90%以下の部分では、基板110の上に圧電体108が配置されている。後述するが、必ずしも最大変位箇所の90%以下の変位箇所すべてに圧電体108が配置されている必要はない。この圧電体108に駆動もしくは検出の機能を持たせるためには、圧電体108を挟むように上部電極107及び下部電極109を設ける必要がある。
2 is used to show a cross-sectional structure of the AA ′ portion in FIG. In the portion where 90% or more of the maximum displacement is reached, the
ここで、基板110の材料にシリコンウェハを用いることにより、微細加工技術を用いて非常に小型に角速度検出素子101を形成することができるとともに、大量生産によるコストダウンが可能になる。また、下部電極109には白金、圧電体108にはチタン酸ジルコン酸鉛、上部電極107には金を材料に用いることで、圧電特性の安定した電極部106を形成することができる。
Here, by using a silicon wafer as the material of the
角速度検出素子101の駆動振動について図3を用いて説明する。図3(a)は2つの錘同士が開いている状態を示し、図3(b)は2つの錘同士が閉じている状態を示している。
The drive vibration of the angular
駆動振動は第1の錘部105aと第2の錘部105bが図中のX軸に沿って、互いに逆方向に振動し、2つの錘同士が開いたり、閉じたりする動きである。この例においては、第1の錘部105aまたは第2の錘部105bの先端部分Pが駆動振動時の最も変位の大きい部分になる。以下、先端部分Pの変位を「最大変位」と記載する。角速度検出素子101の駆動振動においては、2つの錘部及び枠部104の一部が最大変位の90%以上の部分となり、残りの領域が最大変位の90%以下の部分になる。このため、角速度検出素子101の断面構造は図4のようになり、最大変位の90%以上の部分であつ各錘部には圧電体は配置されていない。
The drive vibration is a movement in which the
駆動振動の様子を図5に示す。図5(a)は2つの錘同士が開いている状態を示し、図5(b)は2つの錘同士が閉じている状態を示している。 The state of drive vibration is shown in FIG. FIG. 5A shows a state where two weights are open, and FIG. 5B shows a state where two weights are closed.
最大変位の90%以上の部分において、圧電体108と基板110の積層構造という密度勾配を持たないために、駆動振動時に錘部は従来構成よりもX軸方向に水平に振動しやすくなる。そのため、Z軸方向への振動(不要振動)は抑制され、角速度検出素子101から外部に漏れる漏れ振動も抑制することができる。特に、圧電体を配置しない領域は最大変位の90%以上の部分に限るのが望ましい。これは、最大変位の90%以下の部分まで圧電体108を除去してしまうと、角速度検出素子101の駆動や検出に必要な電極部が極端に小さくなり、駆動や検出の効率が悪くなるためである。
In the portion of 90% or more of the maximum displacement, since there is no density gradient of the laminated structure of the
また、第1の錘部105aと第2の錘部105bのY軸方向の幅(図1中のW1)より、圧電体108を設けない部分のY軸方向の幅(図1中のW2)が小さい。すなわち、一対の錘部の、軸(基部102の中心を通り、一対のアームを通る軸)方向の幅より、枠部104の上の圧電体108を設けない部分のY軸方向の幅が小さい。
Further, the width in the Y-axis direction of the portion where the
次に、角速度検出素子101の動作を説明する。
Next, the operation of the angular
角速度検出素子101は基部102を介して、図示しない角速度センサパッケージに固定されている。
The angular
角速度検出素子101は、図示しない外部の駆動用回路から駆動電圧信号を与えられ、圧電効果によって図3のX軸方向に沿って第1の錘部105a、及び第2の錘部105bが基部102を挟んで互いに逆方向に駆動振動する。このとき、角速度検出素子101に対して、図中のZ軸周りの角速度(ΩZ)が加わると、第1の錘部105a、及び第2の錘部105bに対して、図中のY軸方向に互いに逆方向にコリオリの力(Fc)が加わる。その結果、コリオリの力の向きに対応する検出振動が角速度検出素子101に発生し、第1のアーム103a及び第2のアーム103bに歪みが加わる。この歪みを圧電効果によって電気信号として検出し、角速度検出素子101に接続された図示しない検出回路によって角速度信号として出力することができる。すなわち、駆動振動時に角速度に起因して生じるコリオリ力を検出する検出する。
The angular
以上の効果により、本実施の形態の角速度検出素子を備えた角速度センサは、駆動振動時の漏れ振動を低減することができ、外乱の影響による駆動共振振動の変動を抑制することができる。そのため、角速度出力の安定した角速度センサを提供することが可能となる。 Due to the above effects, the angular velocity sensor provided with the angular velocity detecting element of the present embodiment can reduce leakage vibration during driving vibration, and can suppress fluctuations in driving resonance vibration due to the influence of disturbance. Therefore, it is possible to provide an angular velocity sensor with stable angular velocity output.
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1の角速度センサを搭載した電子機器について、図6を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an electronic device on which the angular velocity sensor of Embodiment 1 is mounted will be described with reference to FIG.
図6の電子機器170(例えば、デジタルカメラ)は、角速度検出素子101を備える角速度センサと、表示部171と、CPU等の処理部172と、メモリ173と、操作部174と、を有している。
An electronic apparatus 170 (for example, a digital camera) in FIG. 6 includes an angular velocity sensor including the angular
角速度検出素子101を備える角速度センサは、図1等に示される通り、角速度検出素子101、角速度検出素子101を駆動振動させる駆動回路3、および、角速度検出素子101からの信号を処理して角速度信号を出力する検出回路4を含む。角速度検出素子101は、漏れ振動を低減できるという優れた特性をもつ。 従って、角速度検出素子101を備える角速度センサを内蔵する電子機器170は、電子機器170が、例えばビデオカメラやデジタルスチルカメラである場合、高精度の手振れ補正等の処理が可能となり、電子機器170の性能が向上する。なお、電子機器170は、デジタルカメラの他、カーナビゲーションシステムや車両、航空機やロボットであってもよい。
As shown in FIG. 1 and the like, the angular velocity sensor including the angular
本発明に関する角速度センサは、静止時の角速度出力や角速度感度の安定した角速度センサを提供することが可能となることから、カメラの手ブレ補正用途から車両制御用途まで適用できるものである。 The angular velocity sensor according to the present invention can provide an angular velocity sensor having a stable angular velocity output and angular velocity sensitivity at rest, and can be applied from camera shake correction use to vehicle control use.
101 角速度検出素子
102 基部
103a 第1のアーム
103b 第2のアーム
104 枠部
105a 第1の錘部
105b 第2の錘部
107 上部電極
108 圧電体
109 下部電極
110 基板
170 電子機器
171 表示部
172 処理部
173 メモリ
174 操作部
101 Angular
Claims (8)
前記角速度検出素子は、
基部と、
前記基部から延出する一対のアームと、
前記一対のアームに接続する枠部と、
前記角速度検出素子を駆動振動させる駆動電極と、
前記駆動振動時に角速度に起因して生じるコリオリ力を検出する検出電極と、
前記角速度検出素子の上に設けた圧電体と、を備え、
前記駆動電極、及び前記検出電極は、前記圧電体の上に設けた電極であり、
前記角速度検出素子上で、前記駆動振動時に最も変位の大きくなる部分の変位を最大変位と定義したとき、
前記角速度検出素子上で、前記駆動振動時の変位が、前記最大変位の90%以上となる部分に前記圧電体を設けない角速度センサ。 An angular velocity sensor including an angular velocity detection element,
The angular velocity detecting element is
The base,
A pair of arms extending from the base;
A frame portion connected to the pair of arms;
A drive electrode for driving and vibrating the angular velocity detection element;
A detection electrode for detecting a Coriolis force generated due to an angular velocity during the driving vibration;
A piezoelectric body provided on the angular velocity detection element,
The drive electrode and the detection electrode are electrodes provided on the piezoelectric body,
On the angular velocity detection element, when the displacement of the portion where the displacement is greatest during the driving vibration is defined as the maximum displacement,
An angular velocity sensor in which the piezoelectric body is not provided in a portion where the displacement during the driving vibration is 90% or more of the maximum displacement on the angular velocity detection element.
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WO2018021167A1 (en) * | 2016-07-26 | 2018-02-01 | 京セラ株式会社 | Angular velocity sensor, sensor element, and multi-axis angular velocity sensor |
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