JP4830681B2

JP4830681B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP4830681B2
Application number: JP2006188883A
Authority: JP
Inventors: 毅山本; 真二郎上田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: JP2008014887A

Description

本発明は、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、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。

従来のこの種の角速度センサは、図６、図７に示すような構成を有していた。

図６は従来の角速度センサの上面図、図７は同角速度センサの側面図を示したもので、この図６、図７において、１は圧電材料からなる水晶製の第１のアームで、この第１のアーム１は上面から外側面にわたって第１の駆動電極２を設けている。また、前記第１のアーム１の外側面には、図７に示すように、第１の検知電極３および第２の検知電極４を互いに離間させて、すなわち距離をおいて設けている。５は圧電材料からなる水晶製の第２のアームで、この第２のアーム５は上面から外側面にわたって第２の駆動電極６を設けている。そしてまた、前記第２のアーム５の外側面には、第３の検知電極（図示せず）および第４の検知電極（図示せず）を互いに離間させて設けている。そして、前記第１のアーム１の一端と第２のアーム５の一端を接続部７で接続することにより、第１のアーム１、第２のアーム５および接続部７からなる音叉形状の角速度センサを一体に構成している。

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。

図６、図７に示すように、第１のアーム１における第１の駆動電極２および第２のアーム５における第２の駆動電極６に交流電圧を印加すると、音叉を構成している第１のアーム１および第２のアーム５が閉じたり、開いたりする。そして、この状態において、音叉のＺ軸方向を中心として、音叉に角速度が加わると、第１のアーム１および第２のアーム５にコリオリ力が発生する。このコリオリ力の発生により、図７に示す第１のアーム１における第１の検知電極３が位置する音叉１の部分が伸びた場合には、第１の検知電極３に正の電荷が発生するとともに、第２の検知電極４が位置する音叉１の部分は縮むことになり、第２の検知電極４に負の電荷が発生する。そして、この第１の検知電極３および第２の検知電極４に発生する電荷を差動増幅器（図示せず）により、両者の差をとることにより、角速度センサに加わる角速度を検出するようにしていた。

そしてこのとき、第１のアーム１における第１の検知電極３および第２の検知電極４が第１のアーム１の外側面に対称に配置されている場合には、第１のアーム１および第２のアーム５が閉じたり、開いたりする場合に、第１の検知電極３および第２の検知電極４に発生する電荷が同一となるため、両者の差は零となり、第１の検知電極３および第２の検知電極４から誤差となる出力信号が発生しないものであった。

ここで、従来の角速度センサにおいて、第１のアーム１または第２のアーム５における第１の検知電極３および第２の検知電極４の面積がパターンズレにより異なる場合を考えて見ると、そのような場合には、角速度が加わっていない状態においても、第１の検知電極３および第２の検知電極４に発生する電荷は異なることになり、両者の差は零でなくなる。そこで、従来の角速度センサにおいては、第１の検知電極３または第２の検知電極４をレーザによるトリミングによって除去することにより、出力信号を補正するようにしていた。

ここでさらに、音叉からなる角速度センサの小形化を達成するために、非圧電材料からなる音叉（図示せず）の主面に、電極（図示せず）および圧電薄膜（図示せず）を蒸着して、検知電極（図示せず）および圧電薄膜（図示せず）を設ける場合を考えると、電極（図示せず）を設ける主面は角速度により、全体にわたって同一方向に撓むため、検知電極（図示せず）も極性の異なる２つの電極に分けることなしに、１つの極性の検知電極を設ける形となる。

なお、この出願の発明に関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。
特開平４−１５６７１３号公報

上記した従来の構成においては、角速度センサの小形化を達成するために、音叉の主面に検知電極を設けた場合には、極性の異なる２つの検知電極を設けることができないため、出力信号の補正をすることが困難になってしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、音叉の主面に検知電極を設けた場合でも出力信号の補正をすることができる角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、少なくとも２つのアームとこのアームを連結する接続部とを有する音叉と、この音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられた内側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられるとともに前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられた検知部とを備え、前記検知部と連続して音叉の少なくとも１つのアームの長手方向の一端にこのアームの内側および外側に分岐する内側分岐部と外側分岐部を設けるとともに、この内側分岐部と外側分岐部の一方に調整部を設けたもので、この構成によれば、検知部と連続して音叉の少なくとも１つのアームの長手方向の一端にこのアームの内側および外側に分岐する内側分岐部と外側分岐部を設けるとともに、この内側分岐部と外側分岐部の一方に調整部を設けているため、音叉の主面に検知電極を設けた場合でも出力信号の補正をすることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、調整部をトリミングによって検知部の一部を除去することにより形成したもので、この構成によれば、調整部をトリミングによって前記検知部の一部を除去することにより形成しているため、一方向のレーザ照射のみで調整部を設けることができ、これにより、容易に出力信号の補正をすることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、少なくとも２つのアームとこのアームを連結する接続部とを有する非圧電材料からなる音叉と、この音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられ、かつ内側下部電極とこの内側下部電極の上面に設けられた内側圧電薄膜とこの内側圧電薄膜の上面に設けられた内側上部電極とからなる内側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられ、かつ前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側下部電極とこの外側下部電極の上面に設けられた外側圧電薄膜とこの外側圧電薄膜の上面に設けられた外側上部電極とからなる外側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられ、かつ検知下部電極とこの検知下部電極の上面に設けられた検知圧電薄膜とこの検知圧電薄膜の上面に設けられた検知上部電極とからなる検知部とを備え、前記検知部と連続して音叉の少なくとも１つのアームの長手方向の一端にこのアームの内側および外側に分岐する内側分岐部と外側分岐部を設けるとともに、この内側分岐部と外側分岐部の一方に調整部を設けたもので、この構成によれば、検知部と連続して音叉の少なくとも１つのアーム長手方向の一端にこのアームの内側および外側に分岐する内側分岐部と外側分岐部を設けるとともに、この内側分岐部と外側分岐部の一方に調整部を設けているため、音叉の主面に検知電極を設けた場合でも出力信号の補正をすることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項４に記載の発明は、特に、調整部をトリミングによって検知上部電極を除去することにより形成したもので、この構成によれば、調整部をトリミングによって検知上部電極を除去することにより形成しているため、一方向のレーザ照射のみで調整部を設けることができ、これにより、容易に出力信号の補正をすることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサは、少なくとも２つのアームとこのアームを連結する接続部とを有する音叉と、この音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられた内側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられるとともに前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられた検知部とを備え、前記検知部と連続して音叉の少なくとも１つのアームの長手方向の一端にこのアームの内側および外側に分岐する内側分岐部と外側分岐部を設けるとともに、この内側分岐部と外側分岐部の一方に調整部を設けているため、音叉の主面に検知電極を設けた場合でも出力信号の補正をすることができるという優れた効果を奏するものである。

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の一部断面斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。

図１〜図３において、１１は例えばＳｉ等の非圧電材料からなる音叉で、この音叉１１は、第１のアーム１２および第２のアーム１３と、前記第１のアーム１２の一端と第２のアーム１３の一端を接続する接続部１４とで構成されている。１５は前記音叉１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３の主面の内側に設けられた一対の内側駆動部で、この内側駆動部１５は、図２に示すように、前記音叉１１の主面に設けられた一対のＰｔからなる内側下部電極１６と、この内側下部電極１６の上面に設けられた内側圧電薄膜１７と、この内側圧電薄膜１７の上面に設けられ、かつＴｉおよびＡｕを層状に設けた内側上部電極１８とで構成されている。そして、前記内側圧電薄膜１７はチタン酸鉛膜１９と、このチタン酸鉛膜１９の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜２０とで構成されている。２１は前記音叉１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３における主面の外側に前記内側駆動部１５と距離をおいて並設された一対の外側駆動部で、この外側駆動部２１は、前記内側駆動部１５と同様に、前記音叉１１の主面に設けられた一対のＰｔからなる外側下部電極２２と、この外側下部電極２２の上面に設けられた外側圧電薄膜２３と、この外側圧電薄膜２３の上面に設けられ、かつＴｉおよびＡｕを層状に設けた外側上部電極２４とで構成されている。そして、前記外側圧電薄膜２３はチタン酸鉛膜２５と、このチタン酸鉛膜２５の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜２６とで構成されている。２７は前記音叉１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３の主面に前記内側駆動部１５と外側駆動部２１との間に位置して設けられた検知部で、この検知部２７は前記音叉１１の主面に設けられた一対のＰｔからなる検知下部電極２８と、この検知下部電極２８の上面に設けられた検知圧電薄膜２９と、この検知圧電薄膜２９の上面に設けられ、かつＴｉおよびＡｕを層状に設けた検知上部電極３０とで構成されている。そして、前記検知圧電薄膜２９はチタン酸鉛膜３１と、このチタン酸鉛膜３１の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜３２とで構成されている。そしてまた、前記音叉１１における第１のアーム１２の長手方向の一端には、前記検知部２７と連続して第１のアーム１２の内側に分岐する内側分岐部３３と外側に分岐する外側分岐部３４を設けており、さらに、前記外側分岐部３４にはレーザトリミングによって、検知上部電極３０および検知圧電薄膜２９の一部を除去することにより形成された第１の調整部３５を設けている。また、これと同様に、前記第２のアーム１３の長手方向の一端にも、前記検知部２７と連続して第２のアーム１３の内側に分岐する内側分岐部３６および外側に分岐する外側分岐部３７を設けており、さらに、前記内側分岐部３６にはレーザトリミングによって検知上部電極３０および検知圧電薄膜２９の一部を除去することにより形成された第２の調整部３８を設けている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその製造方法を説明する。

まず、略厚さ０．２ｍｍの（１１０）面のシリコン（Ｓｉ）ウエハを準備し、このシリコン（Ｓｉ）ウエハ上にＰｔをスパッタもしくは蒸着により略１００Åの厚さとなるように成膜することにより、音叉１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３の上面の内側下部電極１６、外側下部電極２２および検知下部電極２８が設けられる位置に下部電極（図示せず）を形成する。

次に、ＰＺＴ等の圧電薄膜の良好な配向を得るための製造条件の許容範囲を広くすることができるランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛膜（図示せず）をスパッタにより略２００Åの厚さとなるように成膜した後、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をスパッタにより、略２〜３μｍの厚さとなるように成膜することにより、内側圧電薄膜１７、外側圧電薄膜２３および検知圧電薄膜２９が設けられる位置に圧電薄膜（図示せず）を形成する。

次に、Ｔｉをスパッタもしくは蒸着により略１５Åの厚さとなるように成膜した後、その上面にＡｕの材料をスパッタもしくは蒸着により略２０００Åの厚さとなるように成膜することにより、内側上部電極１８、外側上部電極２４および検知上部電極３０が設けられる位置に上部電極（図示せず）を形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、図１および図２に示すような形状の内側下部電極１６、外側下部電極２２、検知下部電極２８、内側圧電薄膜１７、外側圧電薄膜２３、検知圧電薄膜２９、内側上部電極１８、外側上部電極２４および検知上部電極３０を形成する。

最後に、音叉１１に角速度を付加しない状態において、検知部２７における検知上部電極３０に電荷が発生しないように、第１のアーム１２における内側分岐部３３と外側分岐部３４の一方（一実施の形態では外側分岐部３４）と、第２のアーム１３における内側分岐部３６と外側分岐部３７の一方（一実施の形態では内側分岐部３６）の検知上部電極３０および検知圧電薄膜２９の一部をレーザトリミングによって除去することにより、第１の調整部３５および第２の調整部３８を形成する。

上記したように本発明の一実施の形態においては、第１のアーム１２における外側分岐部３４に、検知部２７を構成する検知上部電極３０および検知圧電薄膜２９の一部をレーザトリミングによって除去することにより第１の調整部３５を形成するとともに、第２のアーム１３における内側分岐部３６に、検知部２７を構成する検知上部電極３０および検知圧電薄膜２９の一部をレーザトリミングによって除去することにより第２の調整部３８を形成しているため、一方向のレーザ照射のみで、第１の調整部３５および第２の調整部３８を設けることができ、これにより、容易に出力信号の補正をすることができるという効果が得られるものである。

次に、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、その動作を図面を参照しながら説明する。

図４、図５において、３９は分極方向を示す矢印、４０、４１は内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３の伸縮方向を示す矢印である。この図４、図５において、内側下部電極１６と内側上部電極１８との間、および外側下部電極２２と外側上部電極２４との間にＤＣ約２０Ｖを印加すると、内側圧電薄膜１７、外側圧電薄膜２３および検知圧電薄膜２９の分極ベクトルの方向は一方向に揃う。例えば、内側下部電極１６および外側下部電極２２がプラス側に、内側上部電極１８および外側上部電極２４がマイナス側になるようにＤＣ電圧を印加すると、矢印３９に示すような方向に分極ベクトルが向く。このような内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３に対して図４に示すように、内側上部電極１８および外側上部電極２４が内側下部電極１６および外側下部電極２２よりも高電位になるように電圧を印加すると内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３は矢印に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印４０の方向に伸びる。逆に、図５に示すように、内側上部電極１８および外側上部電極２４が内側下部電極１６および外側下部電極２２よりも低電位になるように電圧を印加すると内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３は矢印３９に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印４１の方向に縮む。

したがって、内側下部電極１６および外側下部電極２２をＧＮＤ電極または仮想ＧＮＤ電極とし、そして内側上部電極１８および外側上部電極２４に交流電圧を印加すると、内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３は、矢印４０、４１に示すように伸び縮みする。

また、図２に示す内側上部電極１８および外側上部電極２４に互いに位相が１８０°異なる交流電圧を印加することにより、内側圧電薄膜１７が伸びる場合は、外側圧電薄膜２３は縮む。逆に、内側圧電薄膜１７が縮む場合は、外側圧電薄膜２３は伸びる。

以上の原理に基づき、音叉１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３は互いに逆方向（Ｘ方向）に音叉共振する。

そして、この状態において、音叉１１からなる角速度センサにおける音叉１１の長手方向の軸方向周りに角速度が付加されると、音叉１１の第１のアーム１２および第２のアーム１３の主面に直角な方向（Ｚ方向）に発生するコリオリ力に起因した振動によって、第１のアーム１２と第２のアーム１３とが互いに逆方向に撓む。そしてこの逆方向への撓みにより、第１のアーム１２における検知圧電薄膜２９と第２のアーム１３における検知圧電薄膜２９とに発生する電荷が互いに逆となる。そこで、その電荷を検知上部電極３０により検出し、そして、差動アンプ（図示せず）により差動をとることにより、出力信号を出力し、角速度を検出するものである。

ここで、音叉１１の製造のバラツキにより、角速度センサに角速度が付加されていない状態においても、音叉１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３が駆動方向に対して斜めに振動する場合を考えて見ると、このような場合には、角速度が付加されていない状態においても、第１のアーム１２が検知部２７を設けた側と反対側に撓むため、第１のアーム１２における検知上部電極３０には正の電荷が発生することになる。一方、第２のアーム１３は検知部２７を設けた側に撓むことになるため、第２のアーム１３における検知上部電極３０には負の電荷が発生することになる。そして、この電荷の差動をとるため、あたかも角速度が生じているかのような出力信号が角速度センサから出力されることになってしまうものである。

しかしながら、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、検知部２７と連続して音叉１１を構成する第１のアーム１２の長手方向の一端にこの第１のアーム１２の内側および外側に分岐する内側分岐部３３と外側分岐部３４を設けるとともに、外側分岐部３４に、レーザトリミングにより第１の調整部３５を設けているため、駆動時において、第１のアーム１２における外側分岐部３４が伸びるとき、内側分岐部３３は縮み、そして両者の電荷のバランスにより、第１のアーム１２における検知上部電極３０に負の電荷が発生する。また、これと同様に、第２のアーム１３における外側分岐部３７が伸びるとき、内側分岐部３６は縮み、そして両者の電荷のバランスにより、第２のアーム１３における検知上部電極３０に正の電荷が発生する。したがって、前述した音叉１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３は駆動方向に対して斜めに振動する際に発生する電荷を相殺することになるため、角速度センサからの出力信号の調整をすることができるものである。

すなわち、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、検知部２７と連続して音叉１１を構成する第１のアーム１２の長手方向の一端にこの第１のアーム１２の内側および外側に分岐する内側分岐部３３と外側分岐部３４を設けるとともに、外側分岐部３４にレーザトリミングによって検知上部電極３０および検知圧電薄膜２９の一部を除去することにより第１の調整部３５を設けているため、音叉１１の主面に検知上部電極３０を設けた場合でも出力信号の補正をすることができるという効果が得られるものである。

本発明に係る角速度センサは、音叉の主面に検知電極を設けた場合でも出力信号の補正をすることができるという効果を有するものであり、各種電子機器に用いる角速度センサとして有用となるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの一部断面斜視図図１のＡ−Ａ線断面図図１のＢ−Ｂ線断面図同角速度センサの駆動部の動作状態を説明するための斜視図同角速度センサの駆動部の動作状態を説明するための斜視図従来の角速度センサの上面図同角速度センサの側面図

符号の説明

１１音叉
１２第１のアーム
１３第２のアーム
１４接続部
１５内側駆動部
１６内側下部電極
１７内側圧電薄膜
１８内側上部電極
２１外側駆動部
２２外側下部電極
２３外側圧電薄膜
２４外側上部電極
２７検知部
２８検知下部電極
２９検知圧電薄膜
３０検知上部電極
３３，３６内側分岐部
３４，３７外側分岐部
３５第１の調整部
３８第２の調整部

Claims

少なくとも２つのアームとこのアームを連結する接続部とを有する音叉と、この音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられた内側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられるとともに前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられた検知部とを備え、前記検知部と連続して前記音叉の少なくとも１つのアームの長手方向の一端にこのアームの内側および外側に分岐する内側分岐部と外側分岐部を設けるとともに、この内側分岐部と外側分岐部の一方に調整部を設けた角速度センサ。
調整部をトリミングによって検知部の一部を除去することにより形成した請求項１記載の角速度センサ。
少なくとも２つのアームとこのアームを連結する接続部とを有する非圧電材料からなる音叉と、この音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられ、かつ内側下部電極とこの内側下部電極の上面に設けられた内側圧電薄膜とこの内側圧電薄膜の上面に設けられた内側上部電極とからなる内側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられ、かつ前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側下部電極とこの外側下部電極の上面に設けられた外側圧電薄膜とこの外側圧電薄膜の上面に設けられた外側上部電極とからなる外側駆動部と、前記音叉の少なくとも１つのアームの主面に設けられ、かつ検知下部電極とこの検知下部電極の上面に設けられた検知圧電薄膜とこの検知圧電薄膜の上面に設けられた検知上部電極とからなる検知部とを備え、前記検知部と連続して前記音叉の少なくとも１つのアームの長手方向の一端にこのアームの内側および外側に分岐する内側分岐部と外側分岐部を設けるとともに、この内側分岐部と外側分岐部の一方に調整部を設けた角速度センサ。
調整部をトリミングによって検知上部電極を除去することにより形成した請求項３記載の角速度センサ。