JP5287722B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、移動体の姿勢制御やナビゲーション等の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。

特許文献１に開示された、従来のこの種の角速度センサを、図５〜図８を用いて説明する。図５は、従来の角速度センサの上面図であり、図６は、図５のＡ部拡大平面図である。図７は、図６の７−７線における断面図である。図８は、従来の角速度センサの斜視図である。

従来の角速度センサは、図５に示すごとく、枠状の固定部１と、この固定部１内方側に可撓部２を介して連結された錘部１０とを備えている。可撓部２は少なくとも一箇所の屈曲部２Ａを有している。また、従来の角速度センサの可撓部２は、図６に示すごとく、屈曲部２Ａにおいて、外側に配置される第１電極部３と内側に配置される第２電極部４とを有している。第１電極部３および第２電極部４は、それぞれ図７に示すごとく、上部電極３Ａ、４Ａと下部電極３Ｂ、４Ｂとの間に圧電層３Ｃ、４Ｃが介在する構成となっている。なお、第１電極部３および第２電極部４の間に配置された第３電極１５は、加速度を検出する電極に接続される配線電極であり、第１電極部３、第２電極部４と同じ構成である。

このような構成の従来の角速度センサは、以下の理由から、検知精度が低いことが問題となっていた。

従来の構成においては、電極幅が同一に形成されていたために、図６に示すごとく、屈曲部２Ａにおいて、外側に配置される第１電極部３の面積は、内側に配置される第２電極部４の面積よりも必然的に大きくなってしまう。そのため、図８に示すごとく、固定部１に対して垂直方向に錘部１０へ力が加わるような場合においても、図７に示した第１電極部３において圧電層３Ｃの歪みに起因して発生する電荷の量が、第２電極部４において圧電層４Ｃの歪みに起因して発生する電荷の量よりも大きくなる。その結果として、固定部１に対して垂直方向ではなく、固定部１に対して垂直方向の軸のまわりの角速度が発生したものと誤って検出してしまっていた。

すなわち、固定部１に対して垂直方向の軸のまわりの角速度は、本来、図７に示した第１電極部３の上部電極３Ａにおいて発生する電荷と第２電極部４の下部電極４Ｂにおいて発生する電荷との和から、第１電極部３の下部電極３Ｂにおいて発生する電荷と第２電極部４の上部電極４Ａにおいて発生する電荷との和を差し引いた値から検知する。

しかし、上述のごとく、固定部１に対して垂直方向へ力が加わるような場合においては、図７に示した上部電極３Ａと下部電極４Ｂとで発生する電荷が相殺されず、また上部電極４Ａと下部電極３Ｂとで発生する電荷が相殺されない。そのため、屈曲部２Ａの外側に配置される第１電極部３において圧電層３Ｃの歪みに起因して発生する電荷の量が、屈曲部２Ａの内側に配置される第２電極部４において圧電層４Ｃの歪みに起因して発生する電荷の量よりも大きく発生する。

このことにより、従来の角速度センサでは、固定部１に対して垂直方向へ力が加わるような場合においても、固定部１に対して垂直方向の軸まわりの角速度が発生したものと誤検出してしまい、その精度が低くなってしまうことが問題となっていた。

特開２００５−３５８８号公報

本発明は、誤検出をすることがなく、検知精度の高い角速度センサを提供するものである。

本発明の角速度センサは、固定部と、屈曲部を有する可撓部を介して固定部と連結された錘部と、屈曲部において外側に配置された第１電極部と、屈曲部において内側に配置された第２電極部とを有し、第１電極部および第２電極部は、それぞれ、圧電層を間に介在させた上部電極と下部電極とを備え、第１電極部の幅は第２電極部の幅よりも狭い構成を備えている。

この構成によれば、固定部に対して垂直方向に錘部へ力が加わるような場合において、外側に位置する第１電極部において発生する電荷の量と内側に位置する第２電極部において発生する電荷の量との差を抑制することができる。その結果、検知精度を向上させることができる。

本発明の一実施の形態における角速度センサの上面図 図１のＡ部拡大上面図 図２の３−３線における断面図 同実施の形態における角速度センサの斜視図 従来の角速度センサの上面図 図５のＡ部拡大上面図 図６の７−７線における断面図 従来の角速度センサの斜視図

（実施の形態）
以下、本発明の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。

本実施の形態に示す角速度センサは、図１に示すごとく、枠状の固定部５と、この固定部５の内方側に可撓部６を介して連結された錘部９とを備え、可撓部６は少なくとも一箇所の屈曲部６Ａを有している。そして、図１のＡ部拡大図である図２に示すごとく、可撓部６は、屈曲部６Ａにおいて外側に配置される第１電極部７と、屈曲部６Ａにおいて内側に配置される第２電極部８とを有している。第１電極部７と第２電極部８は、それぞれ、図３に示すごとく、上部電極７Ａ、８Ａと下部電極７Ｂ、８Ｂとの間に圧電層７Ｃ、８Ｃを介在させた構成を、シリコン基板もしくはシリコン オン インシュレーター基板などの基板１７上に有している。ここで、第１電極部７の幅Ｗ１は第２電極部８の幅Ｗ２よりも狭く設定されている。なお、図２において、第１電極部７と第２電極部８の間に設けられた第３電極１６は、錘部９に形成された加速度検出用の電極（図示せず）に接続される配線電極である。図３に示すように、第３電極１６も、第１電極７および第２電極８と同様に、上部電極１６Ａと下部電極１６Ｂの間に圧電層１６Ｃを介在させた構成を有している。なお、各上部電極７Ａ、８Ａ、１６Ａおよび各下部電極７Ｂ、８Ｂ、１６Ｂには金などが用いられ、各圧電層７Ｃ、８Ｃ、１６Ｃにはチタン酸ジルコン酸鉛などが用いられる。

なお、以上の説明では、電極幅Ｗ１、Ｗ２として、それぞれ上部電極幅で説明したが、これは、圧電層の歪に起因して発生する電荷は、上下の電極間に発生するので幅の狭い電極幅で決定されるためである。

このような構成からなる角速度センサが載置された乗用車等が左右へその進行方向を変化させた場合、即ち、図１に示した固定部５に対して垂直方向の軸の回りの角速度が発生した場合、以下の手順により、その角速度を検知する。

まず、固定部５に対して垂直方向の軸のまわりの角速度が発生した場合には、図３に示した第１電極部７の上部電極７Ａと下部電極７Ｂにおいて圧電層７Ｃの歪みに起因した電荷が発生する。同様に、図３に示した第２電極部８の上部電極８Ａと下部電極８Ｂにおいて圧電層８Ｃの歪みに起因した電荷が発生する。

これにより、角速度センサの制御回路（図示せず）が、図３に示した第１電極部７の上部電極７Ａにおいて発生する電荷と第２電極部８の下部電極８Ｂにおいて発生する電荷との和から、第１電極部７の下部電極７Ｂにおいて発生する電荷と第２電極部８の上部電極８Ａにおいて発生する電荷との和を差し引いた値を算出し、その値から発生した角速度を検知する。

この際、本実施の形態によれば、第１電極部７の幅Ｗ１を第２電極部８の幅Ｗ２よりも狭くした構成を備えている。このことにより、図１に示した屈曲部６Ａにおいて外側に配置される第１電極部７の面積と、内側に配置される第２電極部８の面積との差を減少させることができる。すなわち、外側に配置される第１電極部７の面積と、内側に配置される第２電極部８の面積をほぼ同じにすることができる。

そのため、図４に示すごとく、固定部５に対して垂直方向に錘部９へ力が加わるような場合においても、第１電極部７において発生する電荷の量と第２電極部８において発生する電荷の量との差を、ほぼ無くすように抑制することができる。したがって、固定部５に対して垂直方向に錘部９へ力が加わるような場合においては、固定部５に対して垂直方向の軸のまわりの角速度が発生したものと誤検出することはなく、検知精度を向上させることができる。

ここで、第１電極部７と第２電極部８の面積は、完全に等しくするのではなく、やや第１電極部の面積の方を大きくしておくことが望ましい。これは、屈曲部６Ａにおける内側と外側とによって、図３に示した圧電層７Ｃ、８Ｃにおける歪みの発生量が異なるためである。

即ち、屈曲部６Ａにおける外側は可撓性が高いため、同じ力が加わったとしてもその歪みの発生量が小さいのに対し、屈曲部６Ａにおける内側は可撓性が低いため、歪みの発生量が大きくなる。そのため、単位面積当たりに発生する電荷の量は、屈曲部６Ａにおける内側に比べて外側の方が小さくなる。従って、屈曲部６Ａにおける外側に配置される第１電極部７の幅を第２電極部８の幅よりも細くするとともに、第１電極部７の面積を第２電極部８の面積よりも大きい構成とすることにより、より高精度な検知を可能とすることができるのである。

ところで、本実施の形態では、第１電極部７および第２電極部８を、ホトリソ技術を用いたドライエッチングにより形成した。ホトリソを用いると、電極パターンをマスクで一括形成できるため、全ての可撓部の電極幅を設計どおりに高精度に形成することが可能である。また、通常の電極パターン作成工程と同じ工程で任意の電極幅に形成できるため、工数が増えることもなく実現可能である。しかし、これ以外に、電極トリミングにより第１電極部７または第２電極部８の幅などを調整して、固定部５に対して垂直方向に錘部９へ力が加わるような場合においても、第１電極部７および第２電極部８において発生する電荷の量の差を無くすように抑制することができる。

なお、従来の一般の電極トリミングでは、１つの可撓部６の第１電極部７または第２電極部８の幅などを調整して、４つの可撓部６の第１電極部７および第２電極部８で発生する電荷の合計の量を制御することが考えられる。しかし、この電極トリミングでは、ある特定の振動モード（例えば、固定部５の垂直方向の振動モード）での第１電極部７および第２電極部８で発生する電荷の量を制御できるが、他のさまざまな振動モード（例えば、固定部５の水平方向の振動モードや固定部５の垂直方向に直行する軸の回りの振動モードなど）全てに対応できない。

したがって、電極トリミングで誤検出を無くそうとする場合、本実施の形態では、４つの可撓部６のそれぞれについて、固定部５に対して垂直方向に錘部９へ力が加わるような場合において、第１電極部７および第２電極部８で発生する電荷の量を制御するように電極トリミングをしなければならず、生産性が悪化する。

これに対し、本実施の形態では、第１電極部７の幅を第２電極部８の幅よりも細くするという構成とすることにより、ホトリソ技術を用いたエッチングなどにより、生産性を高めることができる。しかも、全ての可撓部６それぞれにおける第１電極部７および第２電極部８で発生する電荷の差をキャンセルして誤検出をなくすことができる。

以上説明した本実施の形態では、屈曲部６Ａにおける第１電極部７の幅Ｗ１を第２電極部８の幅Ｗ２よりも細くした。しかしながら、屈曲部６Ａ以外の他の可撓部６における第１電極部７を第２電極部８よりも細く形成しても良い。

以上のように、本発明の角速度センサは、誤検出をすることがなく、高い検知精度を有するので、移動体の姿勢制御やナビゲーション等の各種電子機器において有用である。

５ 固定部
６ 可撓部
７ 第１電極部
７Ａ，８Ａ，１６Ａ 上部電極
７Ｂ，８Ｂ，１６Ｂ 下部電極
７Ｃ，８Ｃ，１６Ｃ 圧電層
８ 第２電極部
９ 錘部
１６ 第３電極部
１７ 基板

Claims (3)

1. 固定部と、屈曲部を有する可撓部を介して前記固定部と連結された錘部と、前記屈曲部において外側に配置された第１電極部と、前記屈曲部において内側に配置された第２電極部とを有し、前記第１電極部および前記第２電極部は、それぞれ、圧電層を間に介在させた上部電極と下部電極とを備え、前記第１電極部の幅は前記第２電極部の幅よりも狭い角速度センサ。
2. 前記固定部が枠状であって、前記錘部が前記枠状の固定部の内方側に配置された請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記第１電極部の面積は前記第２電極部の面積よりも大きい請求項１に記載の角速度センサ。

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