JPWO2013061558A1

JPWO2013061558A1 - 角速度センサとそれに用いられる検出素子

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Publication number: JPWO2013061558A1
Application number: JP2013540646A
Authority: JP
Inventors: 藤井　剛; 剛藤井
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: US20140238129A1; JP5942097B2; WO2013061558A1

Abstract

互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも１軸周りにおいて角速度を検出する検出素子は、支持体と、第１〜第４振動アームと、第１〜第４錘と、重量調整部とを有する。各振動アームの第１端は支持体に接続され、第２端にはそれぞれの錘が接続されている。各振動アームはＸＹ平面内に延伸している。第１振動アーム及び第１錘と第２振動アーム及び第２錘とは支持体を通るＸ軸に対して対称である。第１振動アーム及び第１錘と第３振動アーム及び第３錘とは支持体を通るＹ軸に対して対称である。第２振動アーム及び第２錘と第４振動アーム及び第４錘とは支持体を通るＹ軸に対して対称である。重量調整部は第１〜第４錘または第１〜第４振動アームのうち対角位置の２つのみに設けられている。

Description

本発明は、携帯端末や車両等に用いられる角速度センサとそれに用いられる検出素子に関する。

図８は従来の角速度センサに用いられる検出素子１０１の平面図である。検出素子１０１は支持体１０２と、振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄと、錘１０４Ａ〜１０４Ｄとを有する。振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄは支持体１０２の側面に接続されている。振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄの他端にはそれぞれ錘１０４Ａ〜１０４Ｄが接続されている。振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄは例えば圧電材料で形成されている。

振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄには図示しない駆動部が形成されている。この駆動部に交流の駆動電圧を印加することによって、振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄおよび錘１０４Ａ〜１０４ＤがＸＹ平面内で振動する。Ｘ軸またはＹ軸周りに角速度が加わった際には、ＸＹ平面と直交するＺ軸方向のコリオリの力が検出素子１０１に働く。その際に生じる検出素子１０１の歪みに基づいて角速度を検出できる。また、Ｚ軸周りに角速度が加わった際には、ＸＹ平面内の振動方向に直交する方向のコリオリの力が検出素子１０１に働く。その際に生じる検出素子１０１の歪みに基づいて角速度を検出できる。このように、検出素子１０１は一つの振動子で直交する３軸の周りの角速度を検出することができる。

Ｚ軸周りの角速度を検出するためには各振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄ上に歪み検出用の検出電極１０５〜１１２を配置するのが良い。しかし、駆動振動時にはアーム１０３Ａ〜１０３Ｄがそれぞれ歪むために、検出電極１０５〜１１２には、角速度を検出する以外に常に電極上に不要な信号が発生する。このような不要信号を打ち消すために、検出電極１０５〜１１２を適切な組み合わせで信号の差分を取るような信号処理回路と接続することが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−０４６０５８号公報

本発明による検出素子は互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも１軸の周りにおいて角速度を検出する。この検出素子は支持体と、第１〜第４振動部と、重量調整部とを有する。第１振動部は、第１振動アームと、第１錘とを有する。第１振動アームは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体に接続され、Ｘ軸とＹ軸とで形成されるＸＹ平面内に延伸している。第１錘は第１振動アームの第２端に接続されている。第２振動部は第２振動アームと第２錘とを有する。第２振動アームは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体に接続され、ＸＹ平面内に延伸している。第２振動アームは支持体を通るＸ軸に対して第１振動アームと線対称である。第２錘は第２振動アームの第２端に接続され、支持体を通るＸ軸に対して第１錘と線対称である。第３振動部は第３振動アームと第３錘とを有する。第３振動アームは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体に接続され、ＸＹ平面内に延伸している。第３振動アームは支持体を通るＹ軸に対して第１振動アームと線対称である。第３錘は第３振動アームの第２端に接続され、支持体を通るＹ軸に対して第１錘と線対称である。第４振動部は第４振動アームと第４錘とを有する。第４振動アームは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体に接続され、ＸＹ平面内に延伸している。第４振動アームは支持体を通るＹ軸に対して第２振動アームと線対称である。第４錘は第４振動アームの第２端に接続され、支持体を通るＹ軸に対して第２錘と線対称である。重量調整部は第１振動部と第４振動部、第２振動部と第３振動部のうちのいずれか一方の組の二つの振動部のみに設けられている。また本発明による角速度センサは上記検出素子と、検出素子の検出部より出力された信号を受けて、前記信号を処理する検出回路とを有する。

この構成により、検出素子に発生するＸＹ平面外方向への振動を抑えつつ、加工ばらつきに起因する不要信号のばらつきを抑制することができる。その結果、Ｘ軸周りやＹ軸周りの角速度を検出する信号に影響を与えることなく、不要信号を打ち消すことができる。

図１は本実施の形態における角速度センサを含む、角速度検出のための構成を示すブロック図である。図２は図１に示す角速度センサにおける検出素子の平面図である。図３は図２に示す検出素子の駆動振動の説明図である。図４は図２に示す検出素子の検出振動の説明図である。図５は駆動振動時、検出振動時それぞれの際に図２に示す検出素子の検出電極上に発生する電荷の極性を表す図である。図６は図２に示す検出素子において重量調整部が対角に設けられていない場合の駆動振動時の変位量コンター図である。図７は図２に示す検出素子において重量調整部が対角に設けられている場合の駆動振動時の変位量コンター図である。図８は従来の角速度センサの検出素子の平面図である。

本発明の実施の形態の説明に先立ち、図８に示す従来の構成における問題点について説明する。Ｚ軸周りの角速度を検出する検出電極１０５〜１１２を適切に組み合わせれば、駆動振動による不要信号を打ち消すことができる。しかし、実際に振動子を作製すると、わずかな加工のばらつきから４本の振動アーム１０３Ａ〜１０３Ｄの駆動振動時の振幅の大きさに差が生じる。これによって検出電極１０３Ａ〜１０３Ｄ上の不要信号にもばらつきが生じるため、不要信号を打ち消すことができない。この不要信号が原因となって、角速度検出信号のノイズが検出素子ごとにばらつく。

以下、本発明の実施の形態による角速度センサと、この角速度センサに用いられる検出素子について図面を参照しながら説明する。図１は本実施の形態における角速度センサを含む、角速度検出のための構成を示すブロック図である。図２は本実施の形態における角速度センサの検出素子の平面図である。

図１において、検出回路５０と角速度を検出する検出素子１とは、角速度センサを構成している。検出回路５０は検出素子１から出力された信号を受けて処理する。検出回路５０で処理された信号は、外部回路７０へ出力される。駆動回路６０は検出素子１に交流電圧を供給する。

図２に示す検出素子１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りにおいて角速度を検出する。検出素子１は、支持体２と、第１振動部２３Ａと、第２振動部２３Ｂと、第３振動部２３Ｃと、第４振動部２３Ｄと、重量調整部１３、１４とを有する。

第１振動部２３Ａは第１振動アーム（以下、アーム）３Ａと、第１錘（以下、錘）４Ａとを有する。アーム３Ａは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体２に接続されている。また第２端には錘４Ａが接続されている。

同様に、第２振動部２３Ｂは第２振動アーム（以下、アーム）３Ｂと、第２錘（以下、錘）４Ｂとを有する。アーム３Ｂは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体２に接続されている。また第２端には錘４Ｂが接続されている。アーム３Ｂは支持体２を通るＸ軸に対してアーム３Ａと線対称であり、錘４ＢはこのＸ軸に対して錘４Ａと線対称である。

第３振動部２３Ｃは第３振動アーム（以下、アーム）３Ｃと、第３錘（以下、錘）４Ｃとを有する。アーム３Ｃは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体２に接続されている。また第２端には錘４Ｃが接続されている。アーム３Ｃは支持体２を通るＹ軸に対してアーム３Ａと線対称であり、錘４ＣはこのＹ軸に対して錘４Ａと線対称である。

第４振動部２３Ｄは第４振動アーム（以下、アーム）３Ｄと、第４錘（以下、錘）４Ｄとを有する。アーム３Ｄは第１端と第２端とを有し、第１端が支持体２に接続されている。また第２端には錘４Ｄが接続されている。アーム３Ｄは支持体２を通るＹ軸に対してアーム３Ｂと線対称であり、錘４ＤはこのＹ軸に対して錘４Ｂと線対称である。

各アーム３Ａ〜３ＤはＸ軸とＹ軸とで形成されるＸＹ平面内に延伸している。各アーム３Ａ〜３Ｄ上にはＺ軸周りの角速度を検出するために歪み検出用の検出電極５〜１２が配置されている。検出電極５〜１２は図１に示す検出回路５０に接続されている。また各アーム３Ａ〜３Ｄ上には各アーム３Ａ〜３Ｄを駆動するための駆動部２１Ａ〜２１Ｄがそれぞれ形成されている。駆動部２１Ａ〜２１Ｄは図１に示す駆動回路６０に接続されている。

重量調整部１３、１４は第１振動部２３Ａと第４振動部２３Ｄ、第２振動部２３Ｂと第３振動部２３Ｃのうちのいずれか一方の組の二つの振動部のみに設けられている。すなわち、第１振動部２３Ａ〜第４振動部２３Ｄのうち、対角に位置する２つの振動部のみに重量調整部１３、１４が設けられている。図２に示す例では錘４Ｂ、４Ｃのみに重量調整部１３、１４が設けられている。

以下、各構成要素について説明する。支持体２は検出素子１を支持する固定部材である。支持体２は、検出素子１を格納するパッケージ（図示せず）に別の支持部材や接着剤等を用いて固定される。

アーム３Ａ〜３Ｄは支持体２の側面にそれぞれ第１端が接続される略Ｊ字状の形状をしており、それぞれの第２端に錘４Ａ〜４Ｄが接続されている。アーム３Ａ〜３Ｄおよび錘４Ａ〜４ＤはＸＹ平面内で駆動振動させることができ、また、Ｚ軸方向にも撓ませることができる。

支持体２、アーム３Ａ〜３Ｄ及び錘４Ａ〜４Ｄは、水晶、ＬｉＴａＯ_３又はＬｉＮｂＯ_３等の圧電材料を用いて形成しても良いし、シリコン、ダイアモンド、溶融石英、アルミナ又はＧａＡｓ等の非圧電材料を用いて形成しても良い。特に、シリコンを用いることにより、微細加工技術を用いて非常に小型に形成することが可能になるとともに、回路等のＩＣと一体に形成することも可能となる。

支持体２、アーム３Ａ〜３Ｄ及び錘４Ａ〜４Ｄは、それぞれ異なる材料又は同一の材料から形成した後に組み立てて形成しても良いし、同一の材料を用いて一体に形成しても良い。同一の材料を用いて一体に形成する場合、ドライエッチング又は、ウェットエッチングを用いることにより、支持体２、アーム３Ａ〜３Ｄ及び錘４Ａ〜４Ｄを同一プロセスで形成することができる。そのため、検出素子１を効率的に製造することができる。

アーム３Ａ〜３Ｄ上には前述のように圧電素子と駆動電極で構成された駆動部２１Ａ〜２１Ｄがそれぞれ配置されている。駆動部２１Ａ〜２１Ｄに交流の駆動電圧を印加すると、アーム３Ａ〜３Ｄ及び錘４Ａ〜４ＤがＸＹ平面内に駆動振動する。一方、角速度検出用の検出電極５〜１２は、アーム３Ａ〜３Ｄ上に設けられた圧電素子からなる検出部上に配置されている。検出電極５〜１２は角速度が加わった際の歪みを電荷として検出する。

重量調整部１３、１４は錘４Ｂ、４Ｃのみに設けられている。重量調整部１３は錘４Ｃの２箇所に設けられている。このように重量調整部は一つの錘の複数の箇所に設けられていても良い。重量調整部１３、１４は、例えばレーザートリミングなどの手法で錘の一部を除去して重量を減らして形成しても良いし、印刷やマスク蒸着などの手法で錘の重量を増やして形成しても良い。すなわち、重量調整部１３、１４は錘４Ｂ、４Ｃの重量を調整した痕跡である。

次に、角速度センサの原理を説明しながら、本実施の形態による効果を説明する。圧電素子からなるアーム上の駆動部２１Ａ〜２１Ｄに外部の駆動回路６０から交流の電圧を印加されると、各アーム３Ａ〜３Ｄと各錘４Ａ〜４Ｄが図３に示すような駆動時錘振動方向にＸＹ平面上で振動する。

このとき、Ｚ軸周りに角速度が加わると、図４に示すように各錘４Ａ〜４Ｄに対して、駆動時錘振動方向とＸＹ平面上で直交した方向にコリオリ力が発生する。以下、このコリオリ力の発生する方向をコリオリ力方向Ｚと称す。発生したコリオリ力により、コリオリ力方向Ｚに検出振動が励振される。検出電極５〜１２は、このコリオリ力によって発生した各アーム３Ａ〜３Ｄの歪みを検出する。このようにしてＺ軸周りの角速度を検出できる。

ただし、検出電極５〜１２には駆動振動時に常に各アーム３Ａ〜３Ｄの歪みが検出される。以下、角速度の検出以外で検出される信号を「不要信号」と呼ぶ。不要信号は角速度を検出するときの信号に比べてはるかに大きい。そのため、角速度出力を外部の回路で増幅する際にノイズとなる。

検出電極５〜１２に駆動振動時とＺ軸周りに角速度が加わったときの検出振動時に発生する電荷は、それぞれ圧電素子に加わる力が圧縮方向か引っ張り方向かの違いから図５のような極性になる。ここで、Ｚ軸周りに角速度が加わったときに各検出電極５〜１２から出力される信号を、数式（１）を用いて演算する。すると、駆動振動時には電荷の＋と−が相殺されて不要信号が打ち消される。一方、検出振動時には電荷の＋と−で差分を取る関係になるので角速度検出による信号は検出される。ここで、（電極Ｘ）は、各検出電極から出力される電荷量を表している。

理想的にアーム３Ａ〜３Ｄや錘４Ａ〜４Ｄが駆動振動時に完全に同振幅であれば各歪み検出用の検出電極５〜１２に発生する電荷は値が同じで極性が逆になるので打ち消される。しかし、わずかにアームや錘の加工形状にばらつきが発生すると、アームや錘の振動量にばらつきが生じる。そのため、検出電極５〜１２上に発生する電荷量もばらつき、結果として不要信号は差分でも打ち消されなくなる。実際に検出素子を作製して数式（１）にしたがって不要信号を評価すると、不要信号は完全には打ち消されずに検出素子ごとにばらつきが発生する。

この加工ばらつきに起因する不要信号のばらつきを低減するために、本実施の形態では重量調整部１３、１４が設けられている。重量調整部１３、１４において、錘の重量を削減することで強制的にアームや錘の振動量を増やすことができる。あるいは、錘の重量を付加することでアームや錘の振動量を減らすことができる。その結果、各アームや錘の振動量ばらつきを低減させ、不要信号のばらつきを抑えることができる。

ここで、検出素子を作製後に実際に不要信号量を計測してから、その値に応じて重量調整量を決定しても良い。すなわち、加工のばらつきで不要信号が発生した検出素子でも、重量調整部１３、１４を設けることで強制的にアーム３Ａ〜３Ｄの駆動振動時の振幅量をそろえ、不要信号を打ち消すことができる。また、あらかじめ不要信号量が予測できるならば、その値に応じて検出素子を作製する段階で重量調整を行っても良い。

不要信号を調整するだけであれば、重量調整部を必ずしも対角箇所に設ける必要はない。しかしながら、対角箇所にそれぞれ重量調整部を設けることによって、検出素子１に発生するＸＹ平面外方向の振動を抑えることができる。これを有限要素法によるシミュレーション解析の結果に基づいて説明する。

図６、図７は解析で得られた駆動振動時の検出素子１のＺ軸方向への変位量のコンター図である。図６、図７において、変位量が大きい箇所ほど密度の高いハッチングで示している。図６では、錘４Ｃの一部を除去して錘４Ｃのみに重量調整部１３を設けている。すなわち、錘４Ａ〜４Ｄのうち錘４Ｃのみ軽くなっている。そのために、アーム３Ａ〜３Ｄ及び錘４Ａ〜４ＤはＸＹ平面内のみの振動のみではバランスが取れず、錘４Ａ〜４Ｄが大きくＺ軸方向へと振動している。このようなＺ軸方向への錘４Ａ〜４Ｄの動きは検出素子１において、Ｘ軸周りやＹ軸周りの角速度を検出する際の不要信号の発生要因となり、Ｚ軸周りの不要信号と同様に多軸角速度センサにおいて望ましくない。

一方、図７に示すように対角位置にある錘４Ｂ、４Ｃにそれぞれ重量調整部１３、１４を設けると、錘４Ｂ、４Ｃがバランスを取り合う。そして重量調整を施していない錘４Ａ、４Ｄもバランスを取り合う。その結果、Ｚ軸方向への錘の動きを大きく抑制できる。そのため、Ｘ軸周りやＹ軸周りの角速度を検出する際の不要信号への影響を抑えることができる。

錘４Ａ〜４Ｄの面積は比較的大きいために重量調整部１３、１４を配置しやすい。また錘４Ａ〜４Ｄには圧電素子による駆動部や検出部がない。そのため、以上の説明では、錘４Ａ〜４Ｄに重量調整部１３、１４が設けられている。しかしながら、対角に位置するアーム３Ａ、３Ｄのみ、またはアーム３Ｂ、３Ｃのみに重量調整部が設けられていてもよい。この場合にも上記の効果は得られる。すなわち、第１振動部２３Ａと第４振動部２３Ｄ、第２振動部２３Ｂと第３振動部２３Ｃのうちのいずれか一方の組の二つの振動部のみに重量調整部が設けられていればよい。

このように検出素子１では、対角に位置する２つの振動部に重量調整部１３、１４を設けることで錘４Ａ〜４Ｄの振動バランスを取っている。そのため、重量調整部１３、１４は、アーム３Ａ〜３Ｄと錘４Ａ〜４Ｄとを含むすべての重心点に対して点対称に設けることが好ましい。すなわち、重量調整部１３、１４は検出素子１の重心点に対して点対称に設けられていることが好ましい。このような配置により、Ｚ軸方向への錘の動きを最も抑制できる。

以上のように、角速度センサにおいて、Ｘ軸周りやＹ軸周りの角速度検出時の不要信号を抑えながら、Ｚ軸周りの角速度検出時の不要信号を打ち消すことができる。そのため、角速度センサのノイズばらつきを小さくすることができる。

なお、以上の説明において、検出素子１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りにおいて角速度を検出する。しかしながら必ずしもＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの角速度全てを検出する必要はない。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちのいずれか１軸周り、もしくは２軸周りの角速度を検出する場合にも本実施の形態による構成は有効である。

本発明による角速度センサは、角速度出力のノイズばらつきを抑制できることから、カメラの手振れ補正用途から車両制御用途まで適用できる。

１検出素子
２支持体
３Ａ第１振動アーム（アーム）
３Ｂ第２振動アーム（アーム）
３Ｃ第３振動アーム（アーム）
３Ｄ第４振動アーム（アーム）
４Ａ第１錘（錘）
４Ｂ第２錘（錘）
４Ｃ第３錘（錘）
４Ｄ第４錘（錘）
５，６，７，８，９，１０，１１，１２検出電極
１３，１４重量調整部
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ駆動部
２３Ａ第１振動部
２３Ｂ第２振動部
２３Ｃ第３振動部
２３Ｄ第４振動部
５０検出回路
６０駆動回路
７０外部回路

次に、角速度センサの原理を説明しながら、本実施の形態による効果を説明する。アーム上の、圧電素子からなる駆動部２１Ａ〜２１Ｄに外部の駆動回路６０から交流の電圧を印加されると、各アーム３Ａ〜３Ｄと各錘４Ａ〜４Ｄが図３に示すような駆動時錘振動方向にＸＹ平面上で振動する。

Claims

互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも１軸周りにおいて角速度を検出する検出素子であって、
支持体と、
第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記支持体に接続され、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸とで形成されるＸＹ平面内に延伸した第１振動アームと、前記第１振動アームの前記第２端に接続された第１錘と、を有する第１振動部と、
第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記支持体に接続され、前記ＸＹ平面内に延伸し、前記支持体を通るＸ軸に対して前記第１振動アームと線対称な第２振動アームと、前記第２振動アームの前記第２端に接続され、前記支持体を通る前記Ｘ軸に対して前記第１錘と線対称な第２錘と、を有する第２振動部と、
第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記支持体に接続され、前記ＸＹ平面内に延伸し、前記支持体を通るＹ軸に対して前記第１振動アームと線対称な第３振動アームと、前記第３振動アームの前記第２端に接続され、前記支持体を通る前記Ｙ軸に対して前記第１錘と線対称な第３錘と、を有する第３振動部と、
第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記支持体に接続され、前記ＸＹ平面内に延伸し、前記支持体を通る前記Ｙ軸に対して前記第２振動アームと線対称な第４振動アームと、前記第４振動アームの前記第２端に接続され、前記支持体を通る前記Ｙ軸に対して前記第２錘と線対称な第４錘と、を有する第４振動部と、
前記第１振動部と前記第４振動部、前記第２振動部と前記第３振動部のうちのいずれか一方の組の二つの振動部のみに設けられた重量調整部と、を備えた、
検出素子。
前記重量調整部は前記第１錘と前記第４錘、前記第２錘と前記第３錘のうちのいずれか一方の組の二つの錘のみに設けられた、
請求項１記載の検出素子。
前記重量調整部は前記第１振動アームと前記第４振動アーム、前記第２振動アームと前記第３振動アームのうちのいずれか一方の組の二つの振動アームのみに設けられた、
請求項１記載の検出素子。
前記重量調整部は前記検出素子の重心点に対して点対称に設けられた、
請求項１記載の検出素子。
請求項１記載の検出素子と、
前記検出素子の検出部より出力された信号を受けて、前記信号を処理する検出回路と、を備えた、
角速度センサ。