JP4626858B2 - 角速度センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、物体の角速度を検出する角速度センサ素子に関する。

従来から、角速度センサ素子は、船舶、航空機、ロケット等の姿勢を自律制御する技術に使用されているが、最近では、カーナビゲーションシステム、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話等の小型の電子機器にも搭載されるようになってきた。それに伴い、角速度センサ素子の更なる小型化、及び低背化（薄型化）が要請されている。

これに対し、振動型角速度センサの振動腕を、圧電材料の機械加工によって切削・成形して作製することが広く行なわれているが、その機械加工精度には自ずと限界があり、上述したような更なる小型化及び低背化という要求に応えることは困難であった。

そこで、角速度センサの更なる小型化及び低背化を企図して、単結晶薄板を微細加工することにより振動腕を形成する技術が提案されている。例えば、特許文献１の図２１には、振動腕を備える素子と、当該素子に固定された枠状の固定部とを備えた角速度センサ素子が開示されている。
特開平１１−７２３３４号公報

しかしながら、このような角速度センサ素子に外部から突発的な衝撃が与えられた場合には、この衝撃に起因する振動が固定部から素子部へと伝達され、素子部の検出系の振動腕によりノイズとして検出されるという問題があった。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部から突発的な振動が与えられた場合であっても、その振動を吸収して、素子部への振動の伝達を防止することができる角速度センサ素子を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の角速度センサ素子は、駆動系及び検出系の振動腕を備えた素子部と、素子部を包囲する枠状の第１固定部と、素子部及び第１固定部を連結する第１連結腕と、第１固定部の周囲の少なくとも一部に配置された第２固定部と、第１固定部及び第２固定部を連結する第２連結腕と、を有する。

このような構成では、外部から衝撃が与えられると、両持ち梁状の第２連結腕が振動吸収材として機能することから、このような衝撃に起因する振動が緩和又はフィルタリングされる。すなわち、外部から与えられた振動のうち、この第２連結腕の振動周波数に対応した振動成分のみが両持ち梁の振動を介して第１固定部へ伝達される。したがって、外部からの振動のうち、素子部へ伝達されるものは極一部となる。ここで、第２連結腕の振動周波数と、第１連結腕の振動周波数が異なっていれば、第２連結腕を介して第１固定部に伝達された振動が、第１連結腕の振動を誘起させることはないことから、素子部へ振動が伝達されてノイズとして検出されることが防止される。

好ましくは、第１固定部に対する、第１連結腕の連結位置および第２連結腕の連結位置が互いに異なる。これにより、第１連結腕の振動方向と第２連結腕の振動方向とが異なることとなり、外部の振動吸収に伴い誘起された第２連結腕の振動が、第１連結腕の振動を誘起することが抑制される。

例えば、素子部は、３つの第１連結腕を介して第１固定部に固定され、第１固定部は３つの第２連結腕を介して第２固定部に固定されている。これにより、素子部は３点で第１固定部に支持され、第１固定部は３点で第２固定部に支持される。１点又は２点支持は３点支持に比べて安定性が低く、４点支持以上は３点支持に比べて外部振動除去効果が低い。したがって、支持の安定性及び振動除去効果の双方を考慮した場合には、３点支持が好ましい。

例えば、素子部は、第１連結腕に連結された基部と、基部、第１固定部、及び第１連結腕により画成される領域に配置され、かつ基部に連結された駆動系及び検出系の振動腕と、を有する。さらに、例えば、振動腕は、基部に連結された検出腕と、検出腕の両側に配置され、かつ基部に連結された２つの駆動腕と、を有する。

例えば、第２連結腕上に、第２連結腕の変形を検出する圧電素子が形成されている。これにより、第２連結腕の内側の構造、すなわち素子部、第１連結腕、第１固定部を１つのおもり（振動子）と想定した場合に、第２連結腕の変形を検出することにより、振動子にかかる加速度が検出可能となる。このため、加速度センサとして兼用できる。

本発明によれば、外部から突発的な振動が与えられた場合であっても、その振動を緩和ないし吸収することができ、素子部への振動の伝達を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る角速度センサ素子１の一例を示す平面図である。
この角速度センサ素子１は、３つのセンサユニット１０ａ〜１０ｂ及び基部４からなる素子部と、素子部を包囲し、第１連結腕５ａ〜５ｃを介して素子部に連結された枠状の第１固定部６と、第１固定部６の外側に配置され、第２連結腕７ａ〜７ｃを介して第１固定部６に連結された枠状の第２固定部８とを備える。

基部４は、角速度センサ素子１の中心に配置されており、正三角形状の部材からなる。この基部４の正三角形の角部にそれぞれセンサユニット１０ａ〜１０ｃが設けられている。センサユニット１０ａは、検出腕２ａと、検出腕２ａの両側に配置された２つの駆動腕３ａ，３ａにより構成されている。また、センサユニット１０ｂは、検出腕２ｂと、検出腕２ｂの両側に配置された２つの駆動腕３ｂ，３ｂにより構成されている。さらに、センサユニット１０ｃは、検出腕２ｃと、検出腕２ｃの両側に配置された２つの駆動腕３ｃ，３ｃにより構成されている。

各検出腕２ａ〜２ｃは、基部４の角部に連結されている。したがって、検出腕２ａ，２ｂ，２ｃは、互いに１２０°離れた方向に延在している。検出腕２ａ〜２ｃは、その先端が幅広に形成されており、この幅広な部位は錘として機能する。検出腕２ａ〜２ｃの共振周波数は、検出腕２ａ〜２ｃの長さ及び錘の重量により調整される。

各駆動腕３ａ〜３ｃは、基部４に連結されており、さらに、隣接するいずれかの第１連結腕５ａ〜５ｃと平行に延在している。各駆動腕３ａ〜３ｃは、その先端が幅広に形成されており、この幅広な部位は錘として機能する。駆動腕３ａ〜３ｃの共振周波数は、駆動腕３ａ〜３ｃの長さ、幅及び錘の重量により調整される。

第１連結腕５ａ〜５ｃは、その一端が基部４に連結され、他端が第１固定部６に連結されている。より具体的には、各第１連結腕５ａ〜５ｃは、基部４の正三角形の辺の中心に連結されている。このため、第１連結腕５ａ〜５ｃは、互いに１２０°離れた方向に延在している。第１連結腕５ａ〜５ｃの振動周波数は、第１連結腕５ａ〜５ｃの長さ及び幅により調整される。

第１固定部６は、３つのセンサユニット１０ａ〜１０ｃを包囲する枠からなり、例えば正六角形の枠からなる。この第１固定部６の正六角形状の枠のうち、互いに隣接しない３辺の中央部に第１連結腕５ａ〜５ｃが連結されている。また、第１連結腕５ａ〜５ｃが連結されていない残りの３辺の中央部に第２連結腕７ａ〜７ｃが連結されている。このため、第２連結腕７ａ〜７ｃは、互いに１２０°離れた方向に延在している。第２連結腕７ａ〜７ｃの振動周波数は、第２連結腕７ａ〜７ｃの長さ及び幅により調整される。

この第２連結腕７ａ〜７ｃは、後述するように、外部からの振動を緩和又はフィルタリングする振動吸収材として機能する。ここで、好ましくは、第２連結腕７ａ〜７ｃの振動周波数を素子部の振動腕（検出腕２ａ〜２ｃ及び駆動腕３ａ〜３ｃ）及び第１連結腕５ａ〜５ｃの振動周波数と異ならせることが好ましい。

第２固定部８は、第１固定部６の周囲に配置された枠からなり、例えば正六角形の枠からなる。この第２固定部８の正六角形状の枠のうち、互いに隣接しない３辺の中央部に第２連結腕７ａ〜７ｂが連結されている。第２固定部８は、角速度センサ素子１の設置面に接着剤等を用いて固定される。

上記の角速度センサ素子１は、一体的に形成されており、たとえば、シリコンからなる。この角速度センサ素子１は、例えば、シリコン基板のうち素子として残す部位以外の部位を物理的又は化学的にエッチング等して除去することにより、一括形成することが可能である。このように形成された角速度センサ素子１は、低背化の要求に応えたものとなる。

この角速度センサ素子１のうち、各検出腕２ａ〜２ｃ及び駆動腕３ａ〜３ｃの表面には、それぞれ一対の圧電素子が配置されている。図２は、圧電素子の配置を説明するための平面図である。

図２に示すように、各検出腕２ａ〜２ｃの腕部（錘を除く部位）の表面には２つの圧電素子２１，２２が形成されており、この２つの圧電素子２１，２２は検出腕２ａ〜２ｃの幅方向に並んで形成されている。２つの圧電素子２１，２２は、検出腕２ａ〜２ｃが最も大きく歪む箇所に配置されている。この圧電素子２１，２２から各検出腕２ａ〜２ｃの変形に応じた信号が出力される。

また、各駆動腕３ａ〜３ｃの表面には、３つの圧電素子３１，３２，３３が形成されている。このうち２つの圧電素子３１，３２は駆動腕３ａ〜３ｃの幅方向に並んで形成されており、駆動腕３ａ〜３ｃを角速度センサ素子１を含む面と平行な面に沿って駆動振動させる。残りの１つの圧電素子３３は駆動腕３ａ〜３ｃの中央部に形成されており、駆動腕３ａ〜３ｃが角速度センサ素子２を含む面に垂直な方向に振動したときに、その振動を検出する。

上記の各圧電素子２１，２２，３１，３２，３３は、下部電極、圧電体膜、上部電極の積層体からなる。下部電極及び上部電極は、例えばＰｔ膜からなる。圧電体は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含んで形成されている。

次に、上記の角速度センサ素子１の動作について、図３を参照して説明する。

各センサユニット１０ａ〜１０ｃにおいて、駆動腕３ａ〜３ｃが矢印Ｖで示す方向に駆動振動を行っている状態で、角速度センサ素子１の面に垂直な回転軸Ｒ１を中心とする回転角速度が加わると、駆動振動の方向及び回転軸Ｒ１に直交する方向のコリオリ力Ｆが各駆動腕３ａ〜３ｃに作用する。このコリオリ力Ｆが、回転モーメントｆに変換されて、検出腕２ａ〜２ｃが左右に振動ないし変形する。したがって、この検出腕２ａ〜２ｃに設けられた圧電素子２１，２２からの出力信号により各検出腕２ａ〜２ｃに作用する回転モーメントｆが検出され、最終的に回転角速度が求められる。

上述した本実施形態に係る角速度センサ素子１は、外部から突発的な振動が与えられた場合であっても、その振動を吸収して、素子部への振動の伝達を防止することができるという効果を奏する。これについて、図４を参照して説明する。

本実施形態に係る角速度センサ素子１は、図４に示すように、第１固定部６およびその内側の構造体からなる振動子３０が、第２固定部８に第２連結腕７ａを介して連結されているとみなすことができる。したがって、この角速度センサ素子１に対して外部から衝撃が与えられると、この衝撃に起因する振動が第２連結腕７ａ〜７ｃにより緩和又はフィルタリングされる。この結果、振動子３０の不要振動が抑制される。外部から与えられた振動のうち、第２連結腕７ａ〜７ｃの振動周波数に対応した振動成分は、第２連結腕７ａ〜７ｃの振動を介して振動子３０へ伝達され得るが、第２連結腕７ａ〜７ｃの振動周波数と第１連結腕５ａ〜５ｃの振動周波数が異なっていれば、第２連結腕７ａ〜７ｃを介して伝達された振動が、第１連結腕５ａ〜５ｃの振動を誘起することはないことから、不要振動が素子部に伝達されてノイズとして検出されることが防止される。

また、本実施形態では、基部４及び３つのセンサユニット１０ａ〜１０ｃからなる素子部は３つの第１連結腕５ａ〜５ｃを介して第１固定部６により支持され、この第１固定部６は３つの第２連結腕７ａ〜７ｃを介して第２固定部８に支持されている。このように、素子部は３点で第１固定部６に支持され、第１固定部６は３点で第２固定部８に支持される。１点又は２点支持は３点支持に比べて安定性（重心バランス）が低く、４点支持以上は３点支持に比べて外部振動除去効果が低い。このため、３点支持は支持の安定性及び振動除去効果の双方の面から好ましいといえる。

また、本実施形態では、３つの検出腕２ａ〜２ｂが互いに１２０°ずれて配置されていることにより、併進加速度による誤差がなくなるという利点がある。これについて、図５を参照して説明する。図５では、角速度センサ素子１の要部のみ抽出して図解している。図５に示すように、角速度センサ素子１に併進加速度Ｘがかかると、３つの検出腕２ａ〜２ｃには回転モーメントｆに加えてそれぞれ図中に示す加速度の成分がノイズとして作用する。しかしながら、全ての検出腕２ａ〜２ｃの出力を加算すると、下記式に示すように、併進加速度の成分が打ち消し合うことから、回転モーメントｆのみが検出される。この結果、精度の高い角速度センサ素子１を実現することができる。

さらに、本実施形態に係る角速度センサ素子１は、３軸の角速度を検出可能であるという効果を奏する。これについて、図６を参照して説明する。角速度センサ素子１の素子面に垂直な軸回りの角速度の検出については上述した通りである。以下では、角速度センサ素子１の素子面に平行な２軸回りの角速度の検出方法について説明する。

図６に示すように、本実施形態に係る角速度センサ素子１は、この２軸回りの角速度のセンサユニットとして、第１連結腕５ａの両側の駆動腕３ａ，３ｂからなるセンサユニット２０ａと、第１連結腕５ｂの両側の駆動腕３ｂ，３ｃからなるセンサユニット２０ｂと、第１連結腕５ｃの両側の駆動腕３ｃ，３ａからなるセンサユニット２０ｃを備える。

このセンサユニット２０ａ〜２０ｃによる２軸検出方法は、音叉と同じである。すなわち、各センサユニット２０ａ〜２０ｃにおいて、駆動腕３ａ〜３ｃが素子面内において左右方向に駆動振動を行っている状態で、素子面に平行な回転軸を中心とする回転角速度が加わると、各駆動腕３ａ〜３ｃには素子面に直交する方向のコリオリ力が作用する。このコリオリ力Ｆが、駆動腕３ａ〜３ｃの素子面に直交する方向の振動を誘起する。したがって、この駆動腕３ａ〜３ｃの素子面に直交する方向の振動が圧電素子３３により検出されて、最終的に素子面に平行な２軸の角速度が求められる。

また、本実施形態に係る角速度センサ素子１は、３軸方向の加速度を検出可能であるという効果を奏する。これについて、図７及び図８を参照して説明する。図８は、第２連結腕７ａの平面図である。

図８に示すように、各第２連結腕７ａ〜７ｃの表面には２つの圧電素子７１，７２が形成されている。この２つの圧電素子７１，７２の差動信号により第２連結腕７ａ〜７ｃの素子面内における曲がり具合が検知され、圧電素子７１，７２の同相信号により第２連結腕７ａ〜７ｃの素子面に垂直な方向における曲がり具合が検知される。

ここで、図７に示すように、第１固定部６およびその内側の構造体からなる振動子３０に加速度がかかると、その加速度の方向に応じて第２連結腕７ａ〜７ｃが上下左右方向のいずれかに曲がる。すなわち、素子面内に平行な２軸方向の加速度がかかった場合には、第２連結腕７ａ〜７ｃは、素子面内において曲がることとなることから、３組の圧電素子７１，７２の差動信号に基づいて２軸方向の加速度が求められる。また、素子面に垂直な１軸方向の加速度がかかった場合には、第２連結腕７ａ〜７ｃは素子面に垂直な方向に曲がることとなることから、３組の圧電素子７１，７２の同相信号に基づいてこの１軸方向の加速度が求められる。このように、３組の圧電素子２１，２２からの差動信号及び同相信号により、３軸の加速度を検出することができる。

さらに、本実施形態に係る角速度センサ素子１は、図９に示すように１つのウエハ１００から多くの角速度センサ素子１を形成できることから、ウエハ１００の利用効率が高いという効果がある。

なお、上述したとおり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、素子部を構成するセンサユニット１０ａ〜１０ｃの数及び配置に限定はなく、かつ、センサユニット１０ａ〜１０ｃを構成する検出腕２ａ〜２ｃおよび駆動腕３ａ〜３ｃの配置及び構造に限定はない。また、第１連結腕５ａ〜５ｃ及び第２連結腕７ａ〜７ｃの本数に限定はない。さらに、第２固定部８は枠状でなくてもよい。

本発明の角速度センサ素子は、角速度の検知が必要なあらゆる装置および機器に搭載することができ、例えば、ビデオカメラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置における動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに利用することができる。

本実施形態に係る角速度センサ素子１の平面図である。 角速度センサ素子１における圧電素子の配置を示す平面図である。 角速度センサ素子１の動作を説明するための図である。 角速度センサ素子１の不要信号除去動作を説明するための図である。 角速度センサ素子１の動作における併進加速度の影響を説明するための図である。 ３軸の角速度の検出動作を説明するための図である。 角速度センサ素子１による加速度検出動作を説明するための図である。 第２連結腕上の圧電素子の配置を示す平面図である。 製造面における角速度センサ素子１の効果を説明するための図である。

符号の説明

１…角速度センサ素子、２ａ，２ｂ，２ｃ…検出腕、３ａ，３ｂ，３ｃ…駆動腕、４…基部、５ａ，５ｂ，５ｃ…第１連結腕、６…第１固定部、７ａ，７ｂ，７ｃ…第２連結腕、８…第２固定部、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…センサユニット、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…センサユニット、３０…振動子、２１，２２，３１，３２，３３，７１，７２…圧電素子、１００…ウエハ。

Claims (3)

1. 駆動系及び検出系の振動腕を備えた素子部と、
   前記素子部を包囲する正六角形の枠状の第１固定部と、
   前記素子部及び前記第１固定部を連結する３つの第１連結腕と、
   前記第１固定部の周囲の少なくとも一部に配置された第２固定部と、
   前記第１固定部及び前記第２固定部を連結する３つの第２連結腕と、
   を有し、
   前記素子部は、
   前記第１連結腕に連結された基部と、
   前記基部、前記第１固定部、及び前記第１連結腕により画成される領域に配置され、かつ前記基部に連結された、素子面内で振動する駆動系の振動腕及びコリオリ力により素子面内で振動する検出系の振動腕と、
   を有し、
   前記基部は、素子の中心に位置し、
   前記振動腕は、
   基板と、
   前記基板上に形成された圧電素子と、
   を有し、
   ３つの前記第１連結腕は、前記第１固定部の正六角形の枠のうち、互いに隣接しない３辺の中央部にそれぞれ連結され、
   ３つの前記第２連結腕は、前記第１固定部の正六角形の枠のうち、３つの前記第１連結腕が連結されていない残りの３辺の中央部にそれぞれ連結されている、
   角速度センサ素子。
2. 前記振動腕は、
   前記基部に連結された検出腕と、
   前記検出腕の両側に配置され、かつ前記基部に連結された２つの駆動腕と、
   を有する請求項１に記載の角速度センサ素子。
3. 前記第２連結腕上に、前記第２連結腕の変形を検出する圧電素子が形成されている、
   請求項１又は２に記載の角速度センサ素子。

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