JP4687643B2 - 角速度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、各種電子機器等に用いる角速度センサに関するものである。
以下、従来の角速度センサについて図面を参照しながら説明する。
図７は従来の角速度センサに用いる検出素子の平面図、図８は同角速度センサに用いる検出素子のアーム部のＡ−Ａ断面図である。
図７、図８において、従来の角速度センサは、角速度検出用の検出素子１と、この検出素子１と接続された電子回路（図示せず）と、この検出素子１および電子回路とを収納するケース（図示せず）とを備えている。
この検出素子１は、軸部２に一対のアーム部３を有する音叉形状としたものであって、アーム部３から軸部２までドライブ電極部４とセンシング電極部５とを設け、軸部２に近接したアーム部３から軸部２までモニタ電極部６を設けている。
ドライブ電極部４は、検出素子１を駆動させるドライブ信号を入力する電極であり、モニタ電極部６は、検出素子１の駆動状態を検知してモニタ信号を出力する電極であり、センシング電極部５は、検出素子１に与えられた角速度に起因して発生するセンシング信号を出力する電極である。
これらのドライブ電極部４およびモニタ電極部６およびセンシング電極部５は、図８に示すように、音叉形状の基板に形成した下部電極７と、この下部電極７に形成した圧電材料からなる圧電膜８と、この圧電膜８に形成した上部電極９とを有しており、シリコンの基台１０上に下部電極７となる導体層を形成し、この導体層に圧電膜８を形成し、この圧電膜８に上部電極９となる導体層を形成し、ドライエッチングにより所定形状に加工していた。
微細な検出素子１を形成する場合、ウェットエッチングでは、エッチング液によって下部電極７や上部電極９となる導体層や圧電膜８が必要以上にエッチングされて特性を劣化させるので、必要な部分のみを精度良くエッチングすることが比較的可能なドライエッチングによって加工していた。
上記角速度センサの動作状態について説明する。
ドライブ電極部４にドライブ信号を入力すると、一対のアーム部３が駆動振動する。この一対のアーム部３を駆動振動させている状態において、検出素子１に角速度が与えられると、一対のアーム部３がコリオリ力を受けた方向に撓み、センシング電極部５からセンシング信号が出力される。また、一対のアーム部３の駆動振動と同期したモニタ信号が、モニタ電極部６から出力される。
検出素子１に角速度が与えられた場合、アーム３が撓んで検出素子１のセンシング電極部５からセンシング信号が出力される。このセンシング信号はモニタ電極部６から出力されるモニタ信号から生成された検波信号を基準に検波されて角速度信号が検出される。
このとき、センシング信号には角速度成分だけでなく、ノイズ成分が重畳して出力される。図９は検出素子１に角速度が与えられていない状態（角速度成分が生じていない状態）のノイズ成分除去にかかる信号処理の特性波形を示している。
図９に示すように、モニタ信号（図９（ａ））から検波信号（図９（ｂ））が生成され、センシング信号（図９（ｃ））から差動増幅信号（図９（ｄ））が生成され、この差動増幅信号から位相シフタ信号（図９（ｅ））および反転増幅信号（図９（ｆ））が生成され、これらの位相シフタ信号および反転増幅信号は検波信号を基準に検波されて同期検波信号（図９（ｇ））が生成され、この同期検波信号を平滑して角速度信号（図９（ｈ））が検出される。上記の角速度信号には角速度成分が生じていないので、角速度信号は出力されない（出力信号は「０」となる）。
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２００２−２５７５４９号公報
一般的に、センシング電極部５やモニタ電極部６は圧電膜８を介在させた下部電極７と上部電極９を有しているので、下部電極７と上部電極９との間で静電容量を持つ。この静電容量によって、センシング電極部５から出力されるセンシング信号に位相ずれが生じるとともに、モニタ電極部６から出力されるモニタ信号に位相ずれが生じ、温度変化が大きくなるにつれて位相ずれ量も大きくなる。また、センシング信号とモニタ信号は温度変化に対する位相ずれ量が異なり、温度変化が大きくなるにつれてセンシング信号とモニタ信号の位相ずれ量の差も大きくなる。
この位相ずれ量の差が大きくなった際のノイズ成分除去にかかる信号処理の特性波形は、図１０に示すようになる。位相ずれ量の差が大きくなると、センシング信号（図１０（ｃ））の位相がずれるので、検波信号（図１０（ｂ））を基準に検波される位相シフタ信号（図１０（ｅ））および反転増幅信号（図１０（ｆ））の位相もずれてしまい、適正な同期検波ができない。すなわち、角速度信号には角速度成分が生じていないにもかかわらず、角速度信号（図１０（ｈ））が出力されてしまう。
上記従来の構成では、温度変化に対して、センシング信号とモニタ信号に位相ずれが生じたり、センシング信号とモニタ信号の位相ずれ量の差が変化したりするので、モニタ信号から生成された検波信号を基準にセンシング信号から角速度を検出する際、角速度の検出誤差が発生しやすいという問題点を有していた。
本発明は上記問題点を解決するもので、角速度の検出精度を向上した角速度センサを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために本発明は、モニタ電極部の上部、下部電極間における静電容量値とセンシング電極部の上部、下部電極間における静電容量値とを等しくするとともに、モニタ電極部の両端部間における抵抗値とセンシング電極部の両端部間における抵抗値とを等しくした構成である。
上記構成により、モニタ電極部およびセンシング電極部の容量値を等しくしているので、センシング電極部から出力されるセンシング信号およびモニタ電極部から出力されるモニタ信号に位相ずれが生じるものの、温度変化に対する各々の位相ずれ量を等しくできる。すなわち、温度変化に対する位相ずれ量が等しいので、モニタ信号を基準にセンシング信号を検波する際も、位相ずれ量の差は変化しないので、温度変化に対する角速度の検出誤差を抑制できる。
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施の形態における角速度センサに用いる検出素子の平面図、図２は同検出素子の軸部の拡大図、図３は同角速度センサの一部透視斜視図である。
図１から図３において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度検出用の検出素子２１と、この検出素子２１と接続された電子回路２２と、この検出素子２１および電子回路２２とを収納するケース２３とを備えている。
この検出素子２１は、軸部２４に一対のアーム部２５を有する音叉形状としたものであって、アーム部２５から軸部２４までドライブ電極部２６とセンシング電極部２７とを設け、軸部２４に近接したアーム部２５から軸部２４までモニタ電極部２８を設けている。
ドライブ電極部２６は、検出素子２１を駆動させるドライブ信号を入力する電極であり、モニタ電極部２８は、検出素子２１の駆動状態を検知してモニタ信号を出力する電極であり、センシング電極部２７は、検出素子２１に与えられた角速度に起因して発生するセンシング信号を出力する電極である。
これらのドライブ電極部２６およびモニタ電極部２８およびセンシング電極部２７は、図４に示すように、音叉形状の基板２９に形成した下部電極３０と、この下部電極３０に形成した例えば、ＰＺＴからなる圧電材料からなる圧電膜３１と、この圧電膜３１に形成した上部電極３２とを有しており、シリコンの基板２９上に下部電極３０となる導体層を形成し、この導体層に圧電膜３１を形成し、この圧電膜３１に上部電極３２となる導体層を形成し、所定形状に加工している。この際、モニタ電極部２８の上部、下部電極３２、３０間における静電容量値とセンシング電極部２７の上部、下部電極３２、３０間における静電容量値とを等しくするとともに、モニタ電極部２８の両端部（Ａ部とＢ部との間）における抵抗値とセンシング電極部２７の両端部（Ａ部とＢ部との間）における抵抗値とを等しくなるように加工している。
静電容量値を等しくするためには、モニタ電極部２８とセンシング電極部２７の面積を等しくすればよい。図１における音叉形状の検出素子２１では、モニタ電極部２８の軸部２４における引き回し距離が短いので、軸部２４に対応するモニタ電極部２８の一部２８ａの引き回し距離を長くするとともに所定の面積を確保できるような大きさにしている。
微細な検出素子２１を形成する場合、ウエットエッチングでは、エッチング液によって下部電極３０や上部電極３２となる導体層や圧電膜３１が必要以上にエッチングされて特性を劣化させるので、必要な部分のみを精度良くエッチングすることが比較的可能なドライエッチングによって加工している。
上記角速度センサの動作状態について説明する。
ドライブ電極部２６にドライブ信号を入力すると、一対のアーム部２５が駆動振動する。この一対のアーム部２５を駆動振動させている状態において、検出素子２１に角速度が与えられると、一対のアーム部２５がコリオリ力を受けた方向に撓み、センシング電極部２７からセンシング信号が出力される。また、一対のアーム部２５の駆動振動と同期した信号が、モニタ電極部２８から出力される。
ここで、検出素子２１に角速度が与えられた場合、アーム部２５が撓んで検出素子２１のセンシング電極部２７からセンシング信号が出力される。このセンシング信号はモニタ電極部２８から出力されるモニタ信号を基準に検波されて角速度が検出される。
このとき、センシング信号には角速度成分だけでなく、ノイズ成分が重畳して出力される。図５は検出素子１に角速度が与えられていない状態（角速度成分が生じていない状態）のノイズ成分除去にかかる信号処理の特性波形を示している。
図５に示すように、モニタ信号（図５（ａ））から検波信号（図５（ｂ））が生成され、センシング信号（図５（ｃ））から差動増幅信号（図５（ｄ））が生成され、この差動増幅信号から位相シフタ信号（図５（ｅ））および反転増幅信号（図５（ｆ））が生成され、これらの位相シフタ信号および反転増幅信号は検波信号を基準に検波されて同期検波信号（図５（ｇ））が生成され、この同期検波信号を平滑して角速度信号（図５（ｈ））が検出される。上記の角速度信号には角速度成分が生じていないので、角速度信号は出力されない（出力信号は「０」となる）。
センシング信号（図５（ｃ））から差動増幅信号（図５（ｄ））が生成される際には、例えば、図６に示すように、センシング電極部２７に接続された増幅回路３３を用いる。この際、センシング電極部２７の上部、下部電極３２、３０には抵抗成分と容量成分が発生しているが、これらセンシング電極部２７の容量値と抵抗値とを、モニタ電極部２８の容量値と抵抗値と等しくしている。センシング信号をＶｉとして、差動増幅信号をＶｏとすると、センシング信号における位相ずれ角（θio）は、次式（数１）で表される。
Figure 0004687643
上記構成により、モニタ電極部２８およびセンシング電極部２７の容量値を等しくしているので、センシング電極部２７から出力されるセンシング信号およびモニタ電極部２８から出力されるモニタ信号に位相ずれが生じるものの、温度変化に対する各々の位相ずれ量を等しくできる。すなわち、温度変化に対する位相ずれ量が等しいので、モニタ信号波から生成される検波信号を基準にセンシング信号を検波する際も、位相ずれの差は変化しないので、適正な同期検波ができ、温度変化に対する角速度の検出誤差を抑制できる。
また、モニタ電極部２８の両端部の抵抗値とセンシング電極部２７の両端部の抵抗値を等しくしているので、各々のセンシング信号波およびモニタ信号波の感度を大きくでき、検出感度も向上できる。
本発明にかかる角速度センサは検出精度を向上でき、各種電子機器に有用である。
本発明の一実施の形態における角速度センサに用いる検出素子の平面図 同角速度センサに用いる検出素子の軸部の拡大図 同角速度センサの一部透視斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 同角速度センサのノイズ成分除去にかかる信号処理の特性波形図 増幅回路に接続したセンシング電極部の抵抗成分と容量成分とを示す説明図 従来の角速度センサに用いる検出素子のアーム部の平面図 図７のＡ−Ａ断面図 同角速度センサのノイズ成分除去にかかる信号処理の特性波形図 同角速度センサのノイズ成分除去にかかる信号処理の特性波形図
符号の説明
２１ 検出素子
２２ 電子回路
２３ ケース
２４ 軸部
２５ アーム部
２６ ドライブ電極部
２７ センシング電極部
２８ モニタ電極部
２８ａ 一部
２９ 基板
３０ 下部電極
３１ 圧電膜
３２ 上部電極
３３ 増幅回路

Claims (3)

  1. 角速度検出用の検出素子を備え、前記検出素子には、前記検出素子を駆動させるドライブ信号を入力するドライブ電極部と、前記検出素子の駆動状態を検知してモニタ信号を出力するモニタ電極部と、前記検出素子に与えられた角速度に起因して発生するセンシング信号を出力するセンシング電極部とを設け、前記ドライブ電極部および前記モニタ電極部および前記センシング電極部は、基板上に形成した下部電極と、前記下部電極上に形成した圧電材料からなる圧電膜と、前記圧電膜上に形成した上部電極とを有し、
    前記モニタ電極部の上部、下部電極間における静電容量値と前記センシング電極部の上部、下部電極間における静電容量値とを等しくするとともに、前記モニタ電極部の両端部間の抵抗値と前記センシング電極部の両端部間の抵抗値とを等しくした角速度センサ。
  2. 前記振動子は、軸部に一対のアーム部を有する音叉形状としたものであって、前記アーム部に前記ドライブ電極部と前記センシング電極部とを設け、前記軸部に近接した前記アーム部に前記モニタ電極部を設けた請求項１記載の角速度センサ。
  3. 前記基板の主材料はシリコンとし、前記圧電材料はＰＺＴとした請求項１記載の角速度センサ。
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