WO2005078387A1 - 角速度センサおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

　角速度センサは、音叉型振動子と、音叉型振動子上に設けられた駆動部と、音叉型振動子の撓む量を検知する検知部とを備える。音叉型振動子は、第１端と第２端とを有して基本振動周波数を有する第１の振動腕部と、第１端と第２端とを有して基本振動周波数を有する第２の振動腕部と、第１の振動腕部の第１端と第２の振動腕部の第１端とを連結する連結部とを有する。駆動部は、第１の振動腕部上に設けられ、第１の振動腕部を振動させて、駆動抵抗を有する。検知部は、第１の振動腕部と第２の振動腕部とのうちの一方に設けられ、音叉型振動子に印加された角速度により第１の振動腕部と第２の振動腕部とのうちの一方の撓む量を検知する。基本振動周波数における駆動抵抗の値Ｒ１の基本振動周波数と異なる周波数における駆動抵抗の値Ｒ２に対する比Ｒ１／Ｒ２が１より小さい。この角速度センサは外乱があっても不要な信号を出力しない。

Description

明 細 書

角速度センサおよびその設計方法

技術分野

[0001] 本発明は音叉型振動子を有する角速度センサ及びその設計方法に関する。

背景技術

[0002] 角速度センサは、近年、車載に用いられている。特にこの用途では、角速度センサ は小型で外部力 突発的に加わる振動いわゆる外乱に対して安定で高い信頼性が 要求されてきている。

[0003] 米国特許第 5438231号に開示されている従来の角速度センサは、下端が連結部 により連結された一対の振動腕部を有する音叉型振動子と、振動腕部上に設けられ たて振動腕部を振動方向に駆動するための駆動電極と、印加された角速度により振 動腕部に生じる橈みを検知するための検知電極とを備える。振動腕部はそれを駆動 する際の駆動抵抗を小さくすることで消費電力を抑制することを重視して設計されて いる。

[0004] 駆動抵抗のみを重視して設計されて!、る振動腕部はそれ自体が有する振動方向 における基本振動周波数以外の固有振動周波数の振動が外乱として入力されること により不要な振動を起こす。これにより角速度センサは不要な信号を出力する場合が ある。

発明の開示

[0005] 角速度センサは、音叉型振動子と、音叉型振動子上に設けられた駆動部と、音叉 型振動子の橈む量を検知する検知部とを備える。音叉型振動子は、第 1端と第 2端と を有して基本振動周波数を有する第 1の振動腕部と、第 1端と第 2端とを有して基本 振動周波数を有する第 2の振動腕部と、第 1の振動腕部の第 1端と第 2の振動腕部の 第 1端とを連結する連結部とを有する。駆動部は、第 1の振動腕部上に設けられ、第 1の振動腕部を振動させて、駆動抵抗を有する。検知部は、第 1の振動腕部と第 2の 振動腕部とのうちの一方に設けられ、音叉型振動子に印加された角速度により第 1の 振動腕部と第 2の振動腕部とのうちの一方の橈む量を検知する。基本振動周波数に おける駆動抵抗の値 Rlの基本振動周波数と異なる周波数における駆動抵抗の値 R 2に対する比 R1ZR2が 1より小さい。

[0006] この角速度センサは外乱があっても不要な信号を出力しない。

図面の簡単な説明

[0007] [図 1 A]図 1 Aは本発明の実施の形態による角速度センサの音叉型振動子の正面図 である。

[図 1B]図 1Bは図 1Aに示す角速度センサの線 1B— 1Bにおける断面図である。

[図 1C]図 1Cは図 1Aに示す角速度センサの線 1C 1Cにおける断面図である。

[図 2]図 2は実施の形態による角速度センサの駆動抵抗と電極の寸法との関係を示 す。

[図 3]図 3は実施の形態による角速度センサの音叉型振動子の外乱による振動を示 す。

符号の説明

[0008] 1 音叉型振動子

la 振動腕部

lb 振動腕部

lc 連結部

2 駆動部

3 検知部

発明を実施するための最良の形態

[0009] 図 1Aは本発明の実施の形態における角速度センサの正面図である。角速度セン サは音叉型振動子 1を備える。振動子 1はシリコン等の剛性材料よりなりよりなり、互 いに平行に配された振動腕部 la, lbと、振動腕部 la, lbのそれぞれの下端 101a、 10 lbを連結する連結部 lcを含む。振動腕部 la上には 2つの駆動部 2が設けられて いる。 2つの駆動部 2の間で振動腕部 la上には検知部 3が設けられている。振動腕 部 lb上には検知部 13が設けられている。振動腕部 lbにはさらに、検知部 13に平行 に配されたモニタ部 4とダミー電極 8とが設けられている。

[0010] 図 1Bは図 1Aに示す角速度センサの線 1B— 1Bにおける断面図である。駆動部 2は 、駆動腕部 la上に設けられた駆動電極 2Aと、駆動電極 2A上に設けられた圧電層 2 Cと、圧電層 2C上に設けられた駆動電極 2Bよりなる。駆動部 2は振動腕部 laの下端 101aから上端 102aに向けて設けられている。検知部 3は振動腕部 la上に設けられ た検知電極 3Aと、検知電極 3A上に設けられた圧電層 3Cと、圧電層 3C上に設けら れた検知電極 3Bよりなる。検知電極 3Bは振動腕部 laの下端 101aから上端 102aに 向けて設けられている。検知電極 3Bは駆動電極 2Bとほぼ同じ長さである。

[0011] 検知部 13は、振動腕部 lb上に設けられた検知電極 13Aと、検知電極 13A上に設 けられた圧電層 13Cと、圧電層 13C上に設けられた検知電極 13Bよりなる。モニタ部 4は振動腕部 lb上に設けられたモニタ電極 4Aと、モニタ電極 4A上に設けられた圧 電層 4Cと、圧電層 4C上に設けられたモニタ電極 4Bよりなる。ダミー部 8は、振動腕 部 lb上のダミー電極 8Aと、ダミー電極 8A上の圧電部 8Cと、圧電部 8上のダミー電 極 8Bよりなる。

[0012] 連結部 lcには駆動部 2、検知部 3、モニタ部 4の上記の電極に接続されて外部と接 続するための接続電極 5が設けられて 、る。

[0013] 駆動部 2の駆動電極 2A、 2B間に電圧を印加すると振動腕部 laが X軸の方向 6に 振動し、この振動に振動腕部 lbが共振して振動腕部 laの振動の周波数と同じ周波 数で振動する。モニタ部 4のモニタ電極 4A、 4Bから振動腕部 la, lbの振動の振幅 に対応した信号が出力され、この信号は駆動電極 2A、 2Bに印加する駆動電圧を制 御する制御回路にフィードバックされる。制御回路はフィードバックされた信号に基づ き駆動電極 2A、 2Bに印加する信号の周波数、電圧、位相を調整し、振動子 1の振 動を持続させる。検知部 3の検知電極 3A、 3Bは、 Y軸を中心として振動子 1に印加 された角速度により振動腕部 laに Z軸方向に発生するコリオリカにより橈み、このコリ オリ力に対応する振動腕部 laの橈む量に応じた信号を出力する。同様に、検知部 1 3の検知電極 13A、 13Bは、 Y軸を中心として振動子 1に印加された角速度により振 動腕部 lbに Z軸方向に発生するコリオリカにより橈み、このコリオリカに対応する振動 腕部 lbの橈む量に応じた信号を出力する。

[0014] 角速度センサは、振動子 1の駆動における伝達インピーダンスである駆動抵抗 Rd を有する。駆動抵抗 Rdは、駆動電極 2A、 2B間に印加する電圧 Vdの、振動子 1の振 動によってモニタ電極 4A、 4Bに発生する電流 Imに対する比 VdZlmにより定義され る。実施の形態による角速度センサの音叉振動子 1の振動腕部 la, lbと駆動部 2は 、振動腕部 la, lbの振動方向 6の基本振動周波数における駆動抵抗 Rdの値 R1と、 基本振動周波数とは異なる外乱振動周波数における駆動抵抗 Rdの値 R2に対する 比 R1ZR2にもとづき設計する。すなわち、角速度センサの設計において、振動腕部 la, lbと駆動部 2のサイズは比 R1ZR2にもとづき決定する。

[0015] 図 2Bは駆動電極 2A、 2Bの長さ Dの振動腕部 la, lbの長さ Lに対する比 DZU 横軸）と駆動抵抗 Rdの比 R1ZR2 (縦軸）との関係を示す。図 2Bに示すように、これ らは最小値を有する 2次曲線に類似した関係となる。

[0016] 振動腕部 la, lbは複数のモードにおいて固有振動周波数で振動する。駆動抵抗 Rdの値 R1の基本振動周波数では、振動の節は下端 101aのみに位置する。図 3は 実施の形態による音叉型振動子 1の上記で考慮している駆動抵抗の値 R2の外乱振 動周波数による振動を示す。駆動抵抗の値 R2は振動腕部 la, lbの持つ固有振動 周波数の中でも、方向 6で振動腕部 la, lbの中折れを引き起こす周波数の振動に 対応する。すなわち駆動抵抗の値 R2の外乱周波数では、振動の節が振動腕部 la の下端 101aと上端 102aとの間の点 103aと下端 101aとに位置し、振動の節が振動 腕部 lbの下端 101bの上端 102bとの間の点 103bと下端 101bとに位置する。この外 乱周波数の振動は基本振動周波数に次いで起こりやすい。この外乱周波数の振動 のモードを、振動腕部 la, lbの X軸に沿って同じ方向に振動するモードや、 Z軸の沿 つて同じ方向に振動するモードなど、他のモードに加えて新たに設計の際に考慮す ることで角速度センサの信頼性を向上できる。

[0017] 比 R1ZR2を 1以下とすることで、振動腕部 la, lbが外乱の影響を受けに《できる 。したがって、図 3に示す振動を防ぐために、図 2Bに基づき比 R1ZR2が 1以下とな る Jう【こ itD/Lを 0. 38<D/L<0. 46【こ設定する。

[0018] 上記の説明では駆動電極 2A、 2Bの長さ Dと振動腕部 laの長さ Lとの関係に着目 した。検知電極 3A、 3Bについても同様に、検知電極の長さ Dも DZLを 0. 38<D/ L<0. 46に設定してもよい。

[0019] 好ましくは、振動腕部 laの駆動部 2、検知部 3が配置されていない部分 103a上に は付加質量部 7aが設けられ、同様に、振動腕部 lbのモニタ部 4、検知部 13、ダミー 部 8が配置されていない部分 103b上には付加質量部 7bが設けられる。振動腕部 la 、 lbに設けられる電極は、音叉型振動子 1となるシリコン基板上に電極を形成するべ ース電極を全面に形成し、ベース電極力も不要な部分をエッチングにより除去して形 成する。このエッチングによりシリコン基板の表面を不要に傷つけることで角速度セン サの特性がばらつく。付加質量部 7a、 7bにより振動腕部 la、 lbの露出する面を少な くすることで角速度センサの特性のばらつきを抑制できる。振動腕部 la、 lbに設けら れる圧電層は、ベース電極上にベース圧電層を全面に形成し、ベース圧電層から不 要な部分をエッチングにより除去して形成する。圧電層のエッチングについてもいえ る。

[0020] 図 1Cに図 1Aに示す角速度センサの線 1C 1Cにおける断面図である。振動腕部 la上に設けられた付加質量部 7aは、駆動部 2や検知部 3と同様に、振動腕部 la上 の電極 107Aと電極 107a上の圧電層 107Cと、圧電層 107C上の 107Bよりなる。振 動腕部 lb上に設けられた付加質量部 7bは、モニタ部 4や検知部 4と同様に、振動腕 部 lb上の電極 207Aと電極 207a上の圧電層 207Cと、圧電層 207C上の 207Bより なる。付加質量部 7a、 7bが駆動部 2、検知部 3、モニタ部 4や検知部 4と同様の構造 を有することで、これらと同時にかつ特に付加的な工程無しで容易に形成できる。付 加質量部 7aは、駆動部 2や検知部 3から分離しており、付加質量部 7bはモニタ部 4 や検知部 4、ダミー部 8から分離している。

[0021] なお、検知部 3の検知電極 3Bを駆動部 2の駆動電極 2Bと同じ長さにして端面 3D、 2Dの位置を揃えることで、端面 3D、 2Dに対畤する付加質量部 7aの端面 307aを直 線的に形成でき振動腕部 laの表面の露出をより抑制できる。同様に、検知部 13の 検知電極 13Bとモニタ部 4のモニタ電極 4Bとダミー部 8の電極 8Bとを同じ長さにして それらの端面 13D、 4D、 8Dの位置を揃えることで、端面 13D、 4D、 8Dに対畤する 付加質量部 7bの端面 307bを直線的に形成でき振動腕部 lbの表面の露出をより抑 制できる。

[0022] 付加質量部 7a、 7bにより振動腕部 la, lbの基本振動周波数が低くなる。所望の基 本振動周波数に合わせるためには、振動腕部 la, lbを短くするか、振動腕部 la, 1 bの幅を大きくする必要がある。すなわち、所望の基本振動周波数において付加質 量部 7a、 7bを設けて振動腕部 la, lbを短くすることで角速度センサを小さくでき、ま た、振動腕部 la, lbの幅を大きくすることで、そこに設けられる駆動部 2や検知部 3の 面積を拡大し、駆動効率ゃ検知効率を向上できる。

[0023] 付加質量部 7aの形状をレーザ等のトリミングによって調整することで振動腕部 la, lbの質量や重心位置を調節できるので、振動周波数や振動方向が調整でき、よりノ ィズの少ないさらに高精度な角速度センサが得られる。

[0024] 実施の形態による振動子 1では、振動腕部 la、 lbのうち振動腕部 laのみに駆動部 2が設けられて振動腕部 laのみが駆動される。振動腕部 lbは振動腕部 laと同じ共 振周波数を有するために振動腕部 laと対称の構造を有することが好ましい。ダミー 部 8は振動腕部 lbが振動腕部 laと対称の構造を有するために設けられている。

[0025] 実施の形態における角速度センサでは、駆動部 2により振動腕部 laのみが駆動さ れるが、駆動部 2と同じ構造のダミー部 8とモニタ部の少なくとも一方により振動腕部 1 bも振動腕部 laと共に駆動してもよぐ同様の効果を有する。

[0026] 実施の形態による角速度センサでは、駆動部 2において最上層の駆動電極 2Aの 長さを振動腕部 laの長さに対して規定している。駆動部 2において、圧電体 2C、駆 動電極 2Bの長さを駆動電極 2Aと同じにしてもよいし、駆動電極 2Aより長くしてもよ Vヽ。圧電体 2Cで駆動電極 2Aが添付されて電圧が印加される領域のみが駆動に寄 与する。したがって、最上層の駆動電極 2Aの長さを規定すれば、圧電体 2Cの有効 エリアが決定され、所望の特性が得られる。

産業上の利用可能性

[0027] 本発明による角速度センサは外乱に対してノイズの発生が抑制され、特に車載等 の振動する物に装着される用途において有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1端と第 2端とを有して基本振動周波数を有する第 1の振動腕部と、第 1端と第 2端 とを有して前記基本振動周波数を有する第 2の振動腕部と、前記第 1の振動腕部の 前記第 1端と前記第 2の振動腕部の前記第 1端とを連結する連結部とを有する音叉 型振動子と、

前記第 1の振動腕部上に設けられ、前記第 1の振動腕部を振動させて、駆動抵抗を 有する駆動部と、

前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部とのうちの一方に設けられ、前記音叉型 振動子に印加された角速度により前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部とのう ちの前記一方の橈む量を検知する検知部と、

を備え、前記基本振動周波数における前記駆動抵抗の値 R1の前記基本振動周波 数と異なる周波数における前記駆動抵抗の値 R2に対する比 R1ZR2が 1より小さい 角速度センサ。

[2] 前記基本周波数と異なる前記周波数において、前記第 1の振動腕部の振動の節は 前記第 1端と前記第 1端と前記第 2端との間に位置する、請求項 1に記載の角速度セ ンサ。

[3] 前記駆動部は、

前記第 1の振動腕部上に設けられて、前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前 記第 2端に向力つて設けられた第 1の電極と、

前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前記第 2端に向かって前記第 1の電極上 に設けられた圧電層と、

前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前記第 2端に向かって前記圧電層上に 設けられ、前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前記第 2端への方向の長さ Dを有 する第 2の電極と、

を備え、前記第 1の振動腕部は前記第 1端と前記第 2端との間の長さ Lを有し、 0. 38 < D/L< 0. 46を満たす、請求項 1に記載の角速度センサ。

[4] 前記検知部は、

前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部のうちの前記一方上に設けられて、 前記第 1の振動腕部前記第 2の振動腕部のうちの前記一方の前記第 1端から前記第 2端に向力つて設けられた第 1の電極と、

前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部のうちの前記一方の前記第 1端から 前記第 2端に向力つて前記第 1の電極上に設けられた圧電層と、

前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部のうちの前記一方の前記第 1端から 前記第 2端に向かって前記圧電層上に設けられ、前記第 1の振動腕部と前記第 2の 振動腕部のうちの前記一方の前記第 1端から前記第 2端への方向の長さ Dを有する 第 2の電極と、

を備え、前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部のうちの前記一方は前記第 1端 と前記第 2端との間の長さ Lを有し、 0. 38< D/L< 0. 46を満たす、請求項 1に記 載の角速度センサ。

[5] 前記駆動部と前記検知部から分離し、前記駆動部と前記第 1の振動腕部の前記第 2 端との間で前記第 1の振動腕部上に設けられた付加質量部をさらに備えた、請求項 1に記載の角速度センサ。

[6] 前記付加質量部は形状を調節することで前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部 の振動方向が調節できる、請求項 5に記載の角速度センサ。

[7] 第 1端と第 2端とを有して基本振動周波数を有する第 1の振動腕部と、第 1端と第 2端 とを有して前記基本振動周波数を有する第 2の振動腕部と、前記第 1の振動腕部の 前記第 1端と前記第 2の振動腕部の前記第 1端とを連結する連結部とを有する音叉 型振動子と、

前記第 1の振動腕部上に設けられ、前記第 1の振動腕部を振動させ駆動抵抗を有す る駆動部と、

前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部とのうちの一方に設けられ、前記音叉型 振動子に印加された角速度により前記第 1の振動腕部と前記第 2の振動腕部とのう ちの前記一方の橈む量を検知する検知部と、

を含む角速度センサの設計方法であって、

前記第 1の振動腕部のサイズを決定するステップと、

前記基本振動周波数における前記駆動抵抗の値 R1の前記基本振動周波数と異な る周波数における前記駆動抵抗の値 R2に対する比 R1ZR2が 1より小さくなるように 、前記駆動部のサイズを決定するステップと、

を含む設計方法。

[8] 前記基本周波数と異なる前記周波数において、前記第 1の振動腕部の振動の節は 前記第 1端と前記第 1端と前記第 2端との間に位置する、請求項 7に記載の設計方法

[9] 前記駆動部は、

前記第 1の振動腕部上に設けられて、前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前 記第 2端に向力つて設けられた第 1の電極と、

前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前記第 2端に向かって前記第 1の電極上 に設けられた圧電層と、

前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前記第 2端に向かって前記圧電層上に 設けられ、前記第 1の振動腕部の前記第 1端から前記第 2端への方向の長さ Dを有 する第 2の電極と

を備え、

前記第 1の振動腕部は前記第 1端と前記第 2端との間の長さ Lを有し、

前記駆動部の前記サイズを決定するステップは、 0. 38< D/L< 0. 46を満たすよ うに前記駆動部の前記長さ Dを決定するステップを含む、請求項 7に記載の設計方 法。