JP5849190B2 - 角速度センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサ素子に関する。

従来の角速度センサ素子は、図１０に示されるように、固定部１を中心として十字方向に設けられたアーム２ａ，２ｂと、この４つのアーム２ａ、２ｂのうち対称配置された一対のアーム２ａを検出アーム２ａとし、残る一対のアーム２ｂを支持アーム２ｂとして、この支持アーム２ｂの先端に駆動アーム３を設け、駆動アーム３を矢印で示すように振動させることで、角速度が加わることで駆動アーム３にコリオリ力が働き、このコリオリ力に伴う応力が支持アーム２ｂを介して検出アーム２ａに伝達され、検出アーム２ａを矢印で示す方向に振動させることになり、この振動による検出アーム２ａの撓みを電気信号に変換し出力する構造が知られている。

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２００３−３３７０２５号公報

しかしながら、このような角速度センサ素子は、駆動アーム３の中央部分を支持アーム２ｂに固定した片持ち梁構造であるため、駆動アーム３の振動基点となる支持アーム２ｂの先端部分と駆動アーム３の先端部分とで大きく振動速度が異なり、この振動速度に比例してコリオリ力が発生するため、駆動アーム３の振動基点近傍におけるコリオリ力を得ることが難しく、検出アーム２ａに伝達する応力が小さなものとなってしまうことから、部品形状の制約がある中で角速度センサ素子における検出レベルを上げることが課題となっていた。

そこで、本発明はこのような課題を解決し、角速度センサ素子の検出レベルを向上させることを目的とする。

この目的を達成するために本発明は角速度センサ素子の構造を、固定部と錘部の間を駆動アームで接続するとともに、錘部を固定部と錘部を結ぶ方向に振動させる駆動電極と、駆動アームに加わる角速度を検出する検出電極とを駆動アームに設け、駆動アームの形状を錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたものである。

この構成により本発明は、角速度センサ素子の検出レベルを向上できるのである。

本発明の一実施形態の角速度センサを示す分解斜視図 同角速度センサを構成する角速度センサ素子を示す上面図 同角速度センサ素子の駆動振動状態を示す模式図 同角速度センサ素子の検出振動状態を示す模式図 同角速度センサ素子に設けられた電極の伸縮原理を示す模式図 同角速度センサ素子の駆動原理を示す模式図 同角速度センサ素子の検出原理を示す模式図 同角速度センサ素子の駆動振動時の検出電極のノイズ低減原理を示す模式図 同角速度センサ素子の形状寸法図 従来の角速度センサ素子の模式図

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。

図１は角速度センサを示したものであり、その基本構造はパッケージ４内に角速度センサ素子５と、この角速度センサ素子５に駆動信号を印加する駆動制御回路および角速度センサ素子５から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＡＳＩＣ６を配置し、パッケージ４の開口をリッド７で封口した構造となっている。なお、ＡＳＩＣ６および角速度センサ素子５は防振対策用のＴＡＢテープ８を介してパッケージ４に取り付けられている。

また、角速度センサ素子５は図２に示されるように、固定部９と、この固定部９を挟む両側に錘部１０を対称配置し、それぞれの錘部１０を一対の駆動アーム１１で接続した形状となっており、駆動アーム１１上には後述する駆動電極１２、検出電極１３及びモニタ電極１４が適宜配置され、固定部９に設けられたパッド電極１５と接続配線１６を介して接続されている。なお、それぞれの駆動アーム１１は固定部９と錘部１０を結ぶ方向（Ｘ軸方向）と直交する向き（Ｙ軸方向）に延びるアーム辺１１ａ，１１ｂの折り返し構造としている。

そして、ＡＳＩＣ６で形成された駆動信号をパッド電極１５、接続配線１６を介して駆動電極１２に駆動信号を印加することで、図３に示すよう錘部１０をＸ軸方向に伸縮するように振動させ、この駆動振動状態において角速度センサ素子５の基板面（ＸＹ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に回転軸を有する角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により駆動アーム１１が図４に示すようにＹ軸方向に振動するようになり、この検出振動による駆動アーム１１の変形を図２に示す検出電極１３で検知し電気信号に変換し、この検出信号を接続配線１６、パッド電極１５を介してＡＳＩＣ６に出力する構造となっている。また、モニタ電極１４は駆動アーム１１の振幅や駆動周期を検出してその情報をＡＳＩＣ６にフィードバックさせ検出精度を制御するために設けている。

なお、角速度センサ素子５はＳｉからなる基板上に駆動電極１２、検出電極１３、モニタ電極１４などが設けられた構造であり、各電極構造は図５に示すように基板１７上に設けられたＰｔからなる下部電極１８と、この下部電極１８上に設けられたＰＺＴからなる圧電体層１９と、この圧電体層１９上に設けられたＡｕからなる上部電極２０とからなる積層電極であり、下部電極１８をグランド接続した状態で上部電極２０に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、下部電極１８が基板１７に固定された状態でこの圧縮力を受けることで電極が基板１７の面内方向で伸びが生じ、上部電極２０に負電圧を印加すると電極の積層方向に対して引張力が働き、下部電極１８が基板１７に固定された状態でこの引張力を受けることで電極が基板１７の面内方向で縮みが生じるのである。また、この逆の現象として、駆動アーム１１を撓ませ、電極を縮ませれば負電圧が生じ、電極を伸ばせば正電圧が生じるのである。なお、上部電極２０と圧電体層１９の間や下部電極１８と圧電体層１９との間には特に図示していないが層間の密着力を高めるためＴｉからなる密着層が介在している。

そして、この角速度センサ素子５を駆動させるにあたっては、図６に示されるよう錘部１０側に接続されたアーム辺１１ｂを破線２１ａ，２１ｂで示すよう縦横の中心軸（縦の中心軸はアーム辺１１ｂの延伸方向の中心軸２１ａとし、横の中心軸はアーム辺１１ｂの撓みの変曲点を含む延伸方向と直交する中心軸２１ｂとする）で４分割し、駆動電極１２を錘部１０に近接する側とその対角位置に配置し、これらを同じ電位の駆動信号を印加するように制御することで、共に正電圧を印加すれば共に圧縮力が発生し伸びが生じ、アーム辺１１ｂがＳ字状に撓もうとし、負電圧を印加すれば共に引張応力が発生し縮みが生じ、アーム辺１１ｂが逆に撓もうとするので、この動作を繰り返すことで錘部１０を駆動振動させることが出来るのである。

なお、駆動アーム１１を錘部１０の振動方向と直交するアーム辺１１ａ，１１ｂの折り返し構造とし、このアーム辺１１ａ，１１ｂの撓みにより駆動アーム１１の振幅を確保したことで、図１０に示す従来の片持ち梁構造の駆動アーム３の振幅より多くの振幅が得られるとともに、アーム辺１１ａ，１１ｂが振動方向と直交する方向に延出していることから、個々のアーム辺１１ａ，１１ｂの全体で撓み振動するので駆動アーム１１内での振動速度の差が小さい構造であり、従来の先端部分と固定端部分とで振動速度の差が大きい構造に比べコリオリ力を受けやすい構造であり、結果として角速度センサ素子５の検出レベルを向上させている。

また、上述したように固定部９に対して錘部１０を駆動振動させることで、振動面（ＸＹ平面）に垂直な軸（Ｚ軸）を中心とする角速度により駆動アーム１１にコリオリ力が働き検出振動を起こすため、このときに生じるアーム辺１１ａの撓みを検出電極１３にて電気信号に変換してＡＳＩＣ６の検出回路に出力する構造であり、この角速度センサ素子５をパッケージ４に収納した場合パッケージ４の実装面と角速度センサ素子５の基板面が一致し、角速度センサ素子５における角速度の検出軸が実装面に対して直交する方向となるため、従来の角速度センサと同様に角速度センサを実装面に対して低背化した構造となっている。

また、この角速度センサ素子５において図４に示す検出振動から検出信号を形成するにあたっては、図７に示すように検出電極１３をアーム辺１１ａの延伸方向の中心軸２２ａに対して偏芯させた位置に配置することで、コリオリ力によるアーム辺１１ａの撓み成分を効率よく電気信号に変換できるのである。

すなわち、駆動アーム１１を構成するアーム辺１１ａは、図４で示したように、角速度が印加された状態で弓なりに撓むので、この弓なりの撓みに対して検出信号を形成しなければならず、図７に示すように検出電極１３がアーム辺１１ａの中心軸２２ａより右側に偏芯させて設ければ、アーム辺１１ａが図中左側に撓む場合、アーム辺１１ａの右半分には検出電極１３を伸ばす力が加わるので正電圧が起電され、アーム辺１１ａが図中右側に撓む場合、アーム辺１１ａの右半分には検出電極１３を縮ませる力が加わるので負電圧が起電されるというように検出信号が形成できる。

なお、アーム辺１１ａが弓なりに撓む際、アーム辺１１ａの中心軸２２ａを境に一方側が電極を伸ばす力が働けば他方側は電極を縮ませる力が働くため、検出電極１３はアーム辺１１ａの延出方向における中心軸２２ａに対して左右均等の幅でパターンニングすれば、左半分の圧縮応力により形成された負電圧と右半分で形成された正電圧とが検出電極１３内でキャンセルしてしまい検出信号が出力されなくなる。

また、検出電極１３内でのキャンセル作用をより小さくして更に大きな検出信号を得るには、検出電極１３が中心軸２２ａを跨ぐことなく片側に偏芯させて配置することが望ましい。

また、検出電極１３は、角速度が印加されていない基本状態つまり駆動振動している状態において検出電極１３から信号を出力することはノイズ信号を出力することとなるので、基本状態におけるアーム辺のＳ字撓みに対して検出電極１３内で形成された信号をキャンセルするため、図８に示すように検出電極１３をアーム辺１１ａの撓み変曲点２２ｂを中心として延出方向に対称形状としている。

この構成によれば、駆動振動によりアーム辺１１ａがＳ字状に撓んだ際、この撓み変曲点２２ｂを境に検出電極１３に生じる応力が圧縮応力と伸張応力に分かれ、これらの電極形状が対称形状であることから撓みにより生じる正電圧と負電圧も等しくなるので、結果として駆動振動により生じるＳ字撓みによる信号の発生が抑制でき、角速度センサ素子の検出精度を高めることが出来る。

なお、駆動電極１２の配置については、検出電極１３の近傍に用いると駆動電極１２に印加される駆動信号が検出電極１３と不要結合しノイズ信号を形成してしまうことから、駆動電極１２は検出電極１３が設けられたアーム辺１１ａと異なるアーム辺１１ｂに設けることが望ましい。

また、駆動アーム１１をアーム辺１１ａ，１１ｂの折り返し構造としたことで、１つの錘部１０に１つの駆動アーム１１とした構造では振動方向が安定し難くなることから、１つの錘部１０に対して駆動アーム１１を並設し、一方の駆動アーム１１の形状を他方の駆動アーム１１の対称形状とすることで、駆動振動の方向性を高めることが出来る。なお、各駆動アーム１１に設けられる駆動電極１２についても同様に対称配置することで、より駆動振動の方向性を高めることができる。

さらに、図２に示すように、１つの錘部１０に対して一対の駆動アーム１１を並設することで、駆動電極１２に接続された接続配線１６の引き回し経路と、検出電極１３に接続された接続配線１６の引き回し経路とを異なる駆動アーム１１上で配線出来るため、駆動電極１２を含む駆動信号経路と検出電極１３を含む検出信号経路の不要結合を低減でき角速度センサ素子の検出精度を高めることができる。

また、検出電極１３を固定部９側のアーム辺１１ａに設けることで、検出信号の出力経路を短くできるため出力経路におけるノイズ発生をより抑制できるとともに、駆動電極１２を他方の駆動アーム１１における錘部１０側のアーム辺１１ｂに設けることで、より検出電極１３と駆動電極１２との間隔を大きくできるため、これらの電極間の不要結合をさらに低減できる。

また、この角速度センサ素子５は各錘部１０に接続された一対の駆動アーム１１が支持される固定部９を駆動アーム１１ごとに分離した構造としており、このように一対の駆動アーム１１の支持部分を分割することで、一つの錘部１０に接続された一対の駆動アーム１１が巨視的に両持ち梁構造となり、さらに、駆動アーム１１と固定部９の接続部分の柔軟性を高められるので、検出振動時の振幅を大きくすることができ、結果として角速度センサ素子５の検出レベルをさらに高められるのである。

なお、上述した角速度センサ素子５は図９に示すように、Ｓｉ基板１７は厚みｔが０．１ｍｍで、最外形の幅ａが１．００４ｍｍ、幅ｂが２．２ｍｍであり、固定部９は中央で分割されたＴ字形状であり、中央部分の分割幅ｃが０．０５５ｍｍ、幅ｄが０．１３４ｍｍ、幅ｅが０．１２５ｍｍであり、各駆動アーム１１は折り返し構造を形成するアーム辺１１ａ，１１ｂの幅ｆが１．８４ｍｍ、幅ｇが０．６ｍｍ、ギャップ幅ｈが０．０５５ｍｍであり、錘部１０は幅ｉが０．１５ｍｍ、幅ｊが１．５８ｍｍである。また、アーム辺１１ｂと錘部１０の接続部分は幅ｋが０．０５５ｍｍ、幅ｌが０．２４ｍｍであり、アーム辺１１ａと固定部９の接続は分割部分をはさんで幅ｍが０．２４ｍｍとなっている。なお、アーム辺１１ａ，１１ｂの折り返し部分等の角部においては振動による応力集中による破損を防止するためフィレット形状としており、各内側フィレット半径ｎを０．０２ｍｍ、外側フィレット半径ｏを０．０４ｍｍとしている。

なお、上述した角速度センサにおいては、角速度センサ素子５としてＳｉからなる基板１７上にＰＺＴを用いた積層電極を配置した構造を挙げて説明したが、基板１７を水晶などの圧電体で構成し基板１７の対向面に対向電極を形成した構造としても、角速度センサ素子５における駆動振動の振幅を大きくでき、検出レベルが高められる構成に変わりはなく同様の効果を奏することが出来る。

本発明は、角速度センサの検出レベルを高めるという効果を有し、特にナビゲーションシステムなどの小型で高感度な特性を要求する電子機器に用いる角速度センサにおいて有用となるものである。

５ 角速度センサ素子
９ 固定部
１０ 錘部
１１ 駆動アーム
１１ａ，１１ｂ アーム辺
１２ 駆動電極
１３ 検出電極

Claims (5)

1. 固定部と、
   前記固定部を挟む両側に対称配置した錘部と、を備え、
   前記錘部のそれぞれは一対のアームで支持され、
   前記一対のアームの一方のアームの形状は、前記固定部と前記錘部とを結ぶ方向に延びる軸を対称軸として、前記一対のアームの他方のアームの形状と対称形状であり、
   前記固定部と前記錘部を結ぶ方向をＸ軸方向、前記Ｘ軸と直交する方向をＹ軸方向とし、
   前記アームのそれぞれは、
   前記Ｙ方向に延びる第１アーム辺と、
   前記第１アーム辺から前記Ｘ方向に延びる第２アーム辺と、
   前記第２アーム辺から前記Ｙ方向に延びる第３アーム辺と、を有し、
   前記固定部は、
   前記Ｙ方向に延びる第１の部分と前記第１の部分から前記Ｘ方向に延びる第２アーム辺とからなるＴ字状の部分を一組有する角速度センサ素子。
2. 前記第１アーム辺と前記第３アーム辺との間の幅が、前記第３アーム辺と前記錘部と間の幅に略等しい請求項１に記載の角速度センサ素子。
3. 角速度センサ素子に駆動信号を印加する駆動電極を更に備え、
   前記錘部は、前記駆動信号が印加されることで、前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に伸縮するように振動し、
   前記振動状態において前記角速度センサ素子が受ける角速度に起因して生じるコリオリ力を検出する請求項１に記載の角速度センサ素子。
4. 角速度センサ素子はシリコンで形成される請求項１に記載の角速度センサ素子。
5. 請求項１乃至４に記載の角速度センサ素子と、
   前記角速度センサ素子に駆動信号を印加する駆動回路と前記角速度センサ素子から出力された検出信号を処理する検出回路とを包含するＡＳＩＣと、
   前記角速度センサ素子と前記ＡＳＩＣとを配置するパッケージと、
   を備える角速度センサ。

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