JP5205725B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、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る角速度を検出す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説明する。

従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種形状の検出素子を振動させて、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。

例えば、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、ナビゲーション装置用の角速度センサでは、車両のＸ軸周りや、Ｚ軸周りの角速度を検出する必要がある。

従来、複数の検出軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の角速度を検出する場合は、検出軸の数に対応するように複数の角速度センサを用いていた。また、Ｚ軸周りの角速度を検出するためには、ＹＸ平面に対して、検出素子を立設して用いていた。

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２００１−２０８５４６号公報

上記構成では、複数の検出軸の角速度を検出する場合、各々の検出軸に対応させて、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装基板に実装するための実装面積を確保する必要があり、各種電子機器の小型化を図れな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し、複数の検出軸の角速度を検出する場合、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、各種電子機器の小型化を図れる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、検出素子は、支持部と、前記支持部からＸ軸方向に延在した２つの第１アームと、前記支持部からＹ軸方向に延在した４つの第２アームと、２つの前記第１アームのそれぞれに連結するとともに、実装基板に固定した２つの固定用アームと、４つの前記第２アームのそれぞれの先端部に連結した錘部とを備え、前記錘部のそれぞれには凹部を設けるとともに、前記凹部のそれぞれに前記第２アームの先端部を連結しており、前記第２アームのそれぞれは、Ｙ−Ｘ−Ｙと各３方向に延在するように屈曲するとともに、前記錘部をＸ軸方向に駆動振動させる構成である。

上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アームをＸ軸方向に配置し、第２アームをＹ軸方向に配置した場合、例えば、錘部をＸ軸方向に駆動振動させれば、Ｙ軸周りまたはＺ軸周りの角速度に起因した歪を第２アームに発生させることができ、この歪を検知すれば各々の軸周りの角速度を検出できる。したがって、複数の検出軸の角速度を検出する場合、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、１つの検出素子を実装するための実装面積を確保すればよく、各種電子機器の小型化を図ることができる。

特に、錘部には凹部を設けるとともに凹部に第２アームの先端部を連結しており、第２アームを対向するまで折曲するとともに第２アームの対向方向に錘部を駆動振動させるので、駆動振動数を低くすることが可能である。一般的に、駆動振動数は検出素子の共振周波数に設定されるが、この共振周波数が大きくなるほど感度が低下する。上記構成によれば、検出素子の共振周波数を小さくできるので、第２アームの駆動振動数を低くすることができ、回路側の位相設計が容易となり、感度を向上させることができる。

図１は本発明の一実施の形態における慣性力センサの一つである角速度センサの検出素子の斜視図、図２は同検出素子の動作状態図である。

図１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、角速度を検出する検出素子１を備え、この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム２を支持する支持部６と、支持部６に一端を連結するとともに他端を実装基板（図示せず）に固定する２つの固定用アーム８とを有する。固定用アーム８の第１アーム２と支持部６とは略同一直線上に配置している。

また、固定用アーム８は第１アーム２に第３アーム１０を略直交方向に連結して形成した直交アームとするとともに、第３アーム１０の両端に形成した固定部９にて検出素子１を実装基板に固定している。この際、固定部９どうしを連結して、第３アーム１０を枠体形状にしてもよい。

さらに、第２アーム４には第２アーム４自身と対向するまで折曲した対向部１６を設け、第２アーム４の先端部には錘部１１を連結している。この錘部１１には凹部１２を設け、この凹部１２に第２アーム４の先端部を連結している。錘部１１の凹部１２の深さ（Ｄ）は錘部１１の長さ（Ｌ）の０．２５倍から０．４倍としている。

４つの第２アーム４の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム４の支持部６側には錘部１１を駆動振動させる第１駆動手段１７、第２駆動手段１８を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム４の支持部６側には第２アーム４の歪を感知する第１感知手段１９、第２感知手段２０を設けている。

この第１駆動手段１７および第２駆動手段１８は、２つの第２アーム４の錘部１１を駆動させるための電極部であり、一方の第２アーム４に第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第３、第４駆動電極部１８ａ、１８ｂを対向配置させて形成している。これら第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂは、圧電体を介在させた下部電極と上部電極とからなる。

第１感知手段１９および第２感知手段２０は、２つの第２アーム４の歪を感知させるための電極部であり、一方の第２アーム４に第１、第２感知電極部１９ａ、１９ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第３、第４感知電極部２０ａ、２０ｂを対向配置させて形成している。これら第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、圧電体を介在させた下部電極と上部電極とからなる。

上記の第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂおよび第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、シリコン基板上にＰｔからなる下部電極を高周波スパッタにて形成し、この下部電極の上部にＰＺＴ圧電体を高周波スパッタにて形成し、ＰＺＴ圧電体の上部にＡｕからなる上部電極を蒸着にて形成すればよい。

図２は同検出素子１の動作状態図である。

互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１駆動手段１７および第２駆動手段１８が配置された第２アーム４を起点に第２アーム４が駆動振動し、それに伴って錘部１１も第２アーム４の対向方向（実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動する。また、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して第２アーム４の対向方向に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。

このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。この検出素子１のコリオリ方向はＹ軸方向となる。

実線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが設けられた第２アーム４において、第１感知電極部１９ａと第３感知電極部２０ａが第２アーム４の縮みを感知するとともに第２感知電極部１９ｂと第４感知電極部２０ｂが第２アーム４の伸びを感知し、点線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、その逆方向の伸び縮みを感知する。

そして、感知した伸び縮みに応じて、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂから電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

一方、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合とは正反対に、第２アーム４が伸び縮みし、この伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知するので、同様に角速度が検出される。

また、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合も、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（Ｚ軸方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＹ軸周りの角速度に起因した歪を発生させ、第２アーム４の伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知することにより、角速度が検出される。

なお、Ｚ軸、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合に発生する歪は、第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４にも同様に発生するので、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを第１〜第４駆動電極部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４に配置することも可能である。

上記構成により、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２をＸ軸方向に配置し、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、例えば、錘部１１を第２アーム４の対向方向に駆動振動させれば、Ｙ軸周りまたはＺ軸周りの角速度に起因した歪を第２アーム４に発生させることができ、この歪を検知すれば各々の軸周りの角速度を検出できる。したがって、複数の検出軸の角速度を検出する場合、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、１つの検出素子を実装するための実装面積を確保すればよく、各種電子機器の小型化を図ることができる。

特に、錘部１１には凹部１２を設けるとともに凹部１２に第２アーム４の先端部を連結しており、第２アーム４を対向するまで折曲するとともに第２アーム４の対向方向に錘部１１を駆動振動させるので、駆動振動数を低くすることが可能である。

一般的に、駆動振動数は検出素子１の共振周波数に設定されるが、この共振周波数が大きくなるほど感度が低下する。上記構成によれば、検出素子１の共振周波数を小さくできるので、第２アーム４の駆動振動数を低くすることができ、回路側の位相設計が容易となり、感度を向上させることができる。

図３は、図１における検出素子１の錘部１１の凹部１２の深さ（Ｄ）と錘部１１の長さ（Ｌ）に起因した共振周波数の変化を示すグラフである。

図３によれば、錘部１１の凹部１２の深さ（Ｄ）は錘部１１の長さ（Ｌ）の０．２５倍から０．４倍が望ましい。

なお、第１、第２駆動手段１７、１８および第１、第２感知手段１９、２０を形成する下部電極および圧電体を、検出素子１の全てのアーム上に配置した場合は、より駆動振動数を低くすることができ、感度を向上させることができる。

図４は、第２アーム４の幅に対して、第１、第２駆動手段１７、１８および第１、第２感知手段１９、２０のみに下部電極および圧電体を配置した場合と、検出素子１の全てのアーム上に下部電極および圧電体を配置した場合の第２アーム４の共振周波数の変化を示すグラフである。

図４によれば、第１、第２駆動手段１７、１８を配置した第２アーム４については、第１、第２駆動手段１７、１８および第１、第２感知手段１９、２０のみに配置するよりも、検出素子１の全てのアーム上に下部電極および圧電体を配置した方が、共振周波数が小さくなるので、駆動振動数を低くすることができる。

また、第１、第２感知手段１９、２０を配置した第２アーム４については、第１、第２駆動手段１７、１８および第１、第２感知手段１９、２０のみに配置するよりも、検出素子１の全てのアーム上に下部電極および圧電体を配置した方が、共振周波数が小さくなるので、駆動振動数を低くすることができる。

この際、第２アーム４の幅を細くすれば、第１、第２感知手段１９、２０を配置した第２アーム４の共振周波数をより小さくでき、駆動振動数をより低くすることができる。

本発明に係る慣性力センサは、複数の検出軸の慣性力を検出でき、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図 同検出素子の動作状態図 図検出素子の錘部の凹部の深さと錘部の長さに起因した共振周波数の変化を示すグラフ 同検出素子の下部電極および圧電体の配置箇所に起因した共振周波数の変化を示すグラフ

符号の説明

１ 検出素子
２ 第１アーム
４ 第２アーム
６ 支持部
８ 固定用アーム
９ 固定部
１０ 第３アーム
１１ 錘部
１２ 凹部
１６ 対向部
１７ 第１駆動手段
１７ａ 第１駆動電極部
１７ｂ 第２駆動電極部
１８ 第２駆動手段
１８ａ 第３駆動電極部
１８ｂ 第４駆動電極部
１９ 第１感知手段
１９ａ 第１感知電極部
１９ｂ 第２感知電極部
２０ 第２感知手段
２０ａ 第３感知電極部
２０ｂ 第４感知電極部

Claims (5)

1. 互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、
   Ｙ軸回りの角速度又はＺ軸回りの角速度を検出する検出素子を備え、
   前記検出素子は、
   支持部と、
   前記支持部からＸ軸方向に延在した２つの第１アームと、
   前記支持部からＹ軸方向に延在した４つの第２アームと、
   ２つの前記第１アームのそれぞれに連結するとともに、実装基板に固定した２つの固定用アームと、
   ４つの前記第２アームのそれぞれの先端部に連結した錘部とを備え、
   前記錘部のそれぞれには凹部を設けるとともに、前記凹部のそれぞれに前記第２アームの先端部を連結しており、
   前記第２アームのそれぞれは、Ｙ−Ｘ−Ｙと各３方向に延在するように屈曲するとともに、前記錘部をＸ軸方向に駆動振動させる角速度センサ。
2. 前記錘部の凹部の深さは前記錘部の長さの０．２５倍から０．４倍とした請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記第１アームに第３アームを略直交方向に連結するとともに、前記第３アームの両端にて前記実装基板に固定した請求項１記載の角速度センサ。
4. ２つの前記第２アームには前記錘部を駆動振動させる駆動手段を配置し、他の２つの前記第２アームには前記第２アームの歪を感知する感知手段を配置し、前記駆動手段および前記感知手段は圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる請求項１記載の角速度センサ。
5. 前記下部電極および前記圧電体は、全ての前記第２アーム上に配置した請求項４記載の角速度センサ。

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