(57)【要約】【課題】本発明は低背化を図った角速度センサを提供することを目的としている。【解決手段】第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム２を支持した支持部６と、支持部６に連結するとともに実装基板に固定した固定部９と、第２アーム４の先端部に連結した錘部１１とを有する検出素子１を備え、第２アーム４は第２アーム４自身と対向するまで折曲するとともに第２アーム４の対向方向に錘部１１を駆動振動させる駆動手段１７を設けており、折曲した第２アーム４の第１アーム２側から錘部１１側に向かって、第１駆動電極部１７ａおよび第２駆動電極部１７ｂを互いに交差させて配置した構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームの一端を支持した支持部と、前記第１アームの他端を連結するとともに実装基板に固定する固定部と、前記第２アームの先端部に連結した錘部と、前記錘部を駆動振動させる駆動手段とを有する検出素子を備え、
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、前記錘部をＸ軸方向に駆動振動させるように前記固定部をＸＹ平面に配置した場合、前記錘部のＹ軸方向への共振周波数と前記錘部のＹ軸方向への共振周波数とを異ならせた角速度センサ。
【請求項２】
前記第２アームは前記第２アーム自身と対向するまで折曲するとともに前記駆動手段により前記第２アームの対向方向に前記錘部を駆動振動させる請求項１記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度を検出する角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の角速度センサについて説明する。
【０００３】
従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種形状の検出素子を振動させ、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。
【０００４】
例えば、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、ナビゲーション装置用の角速度センサでは、車両のＺ軸周りの角速度を検出している。
【０００５】
図４は従来の角速度センサの斜視図、図５は同角速度センサのＡ−Ａ断面図である。
【０００６】
図４、図５において、従来の角速度センサの検出素子５１は音さ形状であって、２本のアーム５２と、このアーム５２を連結した基部５３とを有する。
【０００７】
２本のアーム５２にはアーム５２を駆動振動させる駆動電極部５４や角速度に起因したアーム５２の歪を感知する感知電極部５５が配置されており、例えば、各々の駆動電極部５４や感知電極部５５は圧電体５６を介在させた上部電極５７と下部電極５８から形成されている。また、この駆動電極部５４および感知電極部５５からは信号線５９が引き出され、基部５３に形成した電極パッド６０まで配置されている。さらに、電極パッド６０からワイヤボンディング等を介して検出素子５１を実装する実装基板（図示せず）の配線パターンに電気的に接続されている。
【０００８】
上記検出素子を、例えば、ＸＹ平面に対してＺ軸方向に立設し、アーム５２をＸ軸方向に駆動振動させ、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪をアーム５２で感知することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出していた。このような検出素子５１では、アーム５２の駆動振動面（ＸＺ平面）とアーム５２の歪面（ＹＺ平面）とは互いに略直交面となり、また、一方のアーム５２と他方のアーム５２では歪の方向が逆方向となる（一方のアーム５２が正のＹ軸方向に歪めば、他方のアーム５２は負のＹ軸方向に歪む）。
【０００９】
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。
【特許文献１】特開２００５−２０１６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記構成では、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合、検出素子５１をＺ軸方向に立設する必要があり、低背化を図れないという問題点を有していた。
【００１１】
本発明は上記問題点を解決し、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合でも低背化を図れる角速度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、第１アームを第２アームに略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの前記第１アームの一端を支持した支持部と、前記第１アームの他端を連結するとともに実装基板に固定する固定部と、前記第２アームの先端部に連結した錘部と、前記錘部を駆動振動させる駆動手段とを有する検出素子を備え、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、前記錘部をＸ軸方向に駆動振動させるように前記固定部をＸＹ平面に配置した場合、前記錘部のＸ軸方向への共振周波数と前記錘部のＹ軸方向への共振周波数とを異ならせた構成である。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成により、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子の第１アームをＸ軸方向に配置し第２アームをＹ軸方向に配置して、Ｚ軸周りに角速度が生じた場合は、錘部の駆動振動と同調して、錘部には駆動振動方向と直交した方向にコリオリ力が発生する。よって、第２アームにＺ軸周りの角速度に起因した歪を発生させることができ、この歪を検知することにより角速度を検出できるので、検出素子をＺ軸方向に立設せずに伏せた状態で、Ｚ軸周りの角速度を検出でき低背化を図れる。
【００１４】
特に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、錘部をＸ軸方向に駆動振動させるように固定部をＸＹ平面に配置した場合、前記錘部のＸ軸方向への共振周波数と前記錘部のＹ軸方向への共振周波数とを異ならせているので、錘部を的確にＸ軸方向へ駆動振動させることができる。Ｘ軸方向への共振周波数とＺ軸方向への共振周波数とが等しい場合は、Ｘ軸方向へ駆動振動させようとしてもＺ軸方向にも変位して、駆動振動方向が安定せず、角速度の検出ができない恐れがある。
【００１５】
なお、第２アームの幅を大きくすると錘部のＸ軸方向への共振周波数とＹ軸方向への共振周波数との周波数差が小さくなり、第２アームの幅を小さくすると錘部のＸ軸方向への共振周波数とＹ軸方向への共振周波数との周波数差が大きくなる。この周波数差が大きくなりすぎると感度が低下するので、周波数差は１００〜５００Ｈｚになるようにするのが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図である。
【００１７】
図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度を検出する検出素子１を備え、この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム２の一端を支持する支持部６と、支持部６の他端を連結するとともに実装基板（図示せず）に固定する固定部９とを有する。
【００１８】
第２アーム４はＵ字状に折曲して第２アーム４自身と対向する対向部１６を設け、その先端には錘部１１を連結している。
【００１９】
この検出素子１は、第１アーム２と支持部６とを略同一直線上に配置しており、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム２をＸ軸方向に配置した場合、第２アーム４がＹ軸方向に配置される。特に、錘部１１のＸ軸方向への共振周波数と錘部１１のＹ軸方向への共振周波数とを異ならせている。
【００２０】
４つの第２アーム４の内、互いに対向する一方の２つの第２アーム４には錘部１１を駆動振動させる第１駆動手段１７および第１検知手段１８を設けるとともに、互いに対向する他方の２つの第２アーム４には第２アーム４の歪を感知する第１感知手段１９、第２感知手段２０を設けている。
【００２１】
この第１駆動手段１７は第２アーム４の錘部１１を駆動させるための電極部を有し、第１検知手段１８は第２アーム４の駆動状態を検知するための電極部を有し、一方の第２アーム４には、その内周部の第１アーム２側に第１駆動電極部１７ａを配置するとともに外周部の錘部１１側に第１駆動電極部１７ａを配置し、外周部の第１アーム２側に第２駆動電極部１７ｂを配置するとともに内周部の錘部１１側に第２駆動電極部１７ｂを配置しており、他方の第２アーム４には、その外周部の第１アーム２側に第１検知電極部１８ａを配置するとともに内周部の錘部１１側に第１検知電極部１８ａを配置し、内周部の第１アーム２側に第２検知電極部１８ｂを配置するとともに外周部の錘部１１側に第２検知電極部１８ｂを配置している。
【００２２】
また、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂは互いに対向配置させるとともに、第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂは互いに対向配置させている。これによって、Ｕ字状に折曲した第２アーム４の第１アーム２側から錘部１１側に向かって、第１駆動電極部１７ａおよび第２駆動電極部１７ｂが互いに交差して配置されるとともに、第１検知電極部１８ａおよび第２検知電極部１８ｂが互いに交差して配置される。この第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂは、図２に示すように、圧電体１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。
【００２３】
さらに、錘部１１側に配置した第１駆動電極部１７ａから第１引き出し線２１ａを引き出すとともに、錘部１１側に配置した第２駆動電極部１７ｂから第２引き出し線２１ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１駆動電極部１７ａと、第１アーム２側に配置した第２駆動電極部１７ｂとの間から、第１引き出し線２１ａおよび第２引き出し線２１ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１駆動電極部１７ａから第３引き出し線２１ｃを引き出し、第２駆動電極部１７ｂから第４引き出し線２１ｄを引き出し、これら第１引き出し線２１ａ、第２引き出し線２１ｂ、第３引き出し線２１ｃ、第４引き出し線２１ｄを固定部９まで引き出して電極パッドに接続している。
【００２４】
第１感知手段１９および第２感知手段２０は、２つの第２アーム４の歪を感知させるための電極部であり、一方の第２アーム４には、その内周部の第１アーム２側に第１感知電極部１９ａを配置するとともに外周部の錘部１１側に第１感知電極部１９ａを配置し、外周部の第１アーム２側に第２感知電極部１９ｂを配置するとともに内周部の錘部１１側に第２感知電極部１９ｂを配置しており、他方の第２アーム４には、その外周部の第１アーム２側に第３感知電極部２０ａを配置するとともに内周部の錘部１１側に第３感知電極部２０ａを配置し、内周の第１アーム２側に第４感知電極部２０ｂを配置するとともに外周部の錘部１１側に第４感知電極部２０ｂを配置している。
【００２５】
また、第１、第２感知電極部１９ａ，１９ｂは互いに対向配置させるとともに、第３、第４感知電極部２０ａ，２０ｂは互いに対向配置させている。これによって、Ｕ字状に折曲した第２アーム４の第１アーム２側から錘部１１側に向かって、第１感知電極部１９ａおよび第２感知電極部１９ｂが互いに交差して配置されるとともに、第３感知電極部２０ａおよび第４感知電極部２０ｂが互いに交差して配置される。この第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂは、図２に示すように、圧電体１３を介在させた下部電極１４と上部電極１５とからなる。
【００２６】
さらに、錘部１１側に配置した第１感知電極部１９ａから第１引き出し線２２ａを引き出すとともに、錘部１１側に配置した第２感知電極部１９ｂから第２引き出し線２２ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１感知電極部１９ａと、第１アーム２側に配置した第２感知電極部１９ｂとの間から、第１引き出し線２２ａおよび第２引き出し線２２ｂを引き出し、第１アーム２側に配置した第１感知電極部１９ａから第３引き出し線２２ｃを引き出し、第２感知電極部１９ｂから第４引き出し線２２ｄを引き出し、これら第１引き出し線２２ａ、第２引き出し線２２ｂ、第３引き出し線２２ｃ、第４引き出し線２２ｄを固定部９まで引き出して電極パッドに接続している。
【００２７】
この結果、第１引き出し線２２ａおよび第２引き出し線２２ｂを互いに交差させることなく固定部９まで引き出せ、第１引き出し線２２ａと第２引き出し線２２ｂとの絶縁を図る必要もなく、容易に引き出すことができる。
【００２８】
なお、第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂ、第３、第４感知電極部２０ａ，２０ｂも同様である。
【００２９】
上記の第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂおよび第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂは、シリコン基板上にＰｔからなる下部電極１４を高周波スパッタにて形成し、この下部電極１４の上部にＰＺＴからなる圧電体１３を高周波スパッタにて形成し、ＰＺＴからなる圧電体１３の上部にＡｕからなる上部電極１５を蒸着にて形成すればよい。
【００３０】
第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１駆動手段１７が配置された対向部１６を起点に第２アーム４が駆動振動するとともに、それに伴って、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して駆動振動する。また、角速度に起因して第２アーム４が歪めば、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂから歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき、角速度を検出できる。
【００３１】
図３は同検出素子１の動作状態図である。
【００３２】
互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１駆動手段１７が配置された第２アーム４を起点に第２アーム４が駆動振動し、それに伴って錘部１１も第２アーム４の対向方向（実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動する。また、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して第２アーム４の対向方向に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。
【００３３】
このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。この検出素子１のコリオリ方向はＹ軸方向となる。
【００３４】
実線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが設けられた第２アーム４において、第１感知電極部１９ａと第３感知電極部２０ａが第２アーム４の縮みを感知するとともに第２感知電極部１９ｂと第４感知電極部２０ｂが第２アーム４の伸びを感知し、点線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、その逆方向の伸び縮みを感知する。
【００３５】
そして、感知した伸び縮みに応じて、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂから電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。
【００３６】
一方、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合とは正反対に、第２アーム４の対向部１６が伸び縮みし、この伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが感知するので、同様に角速度が検出される。
【００３７】
また、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合も、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（Ｚ軸方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＹ軸周りの角速度に起因した歪を発生させ、第２アーム４の伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが感知することにより、角速度が検出される。
【００３８】
なお、Ｚ軸、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合に発生する歪は、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂが設けられた第２アーム４にも同様に発生するので、第１〜第４感知電極部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂを第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ，１８ｂが設けられた第２アーム４に配置することも可能である。
【００３９】
上記構成により、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、第１、第２駆動電極部１７ａ，１７ｂが配置された第２アーム４を起点に第２アーム４が駆動振動し、それに伴って錘部も第２アーム４のＸ軸方向に駆動振動する。
【００４０】
このとき、Ｚ軸周りに角速度が生じた場合、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１には駆動振動方向と直交した方向にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＺ軸周りの角速度に起因した歪を発生させることができ、この歪を検出することにより角速度を検出できる。よって、検出素子１をＺ軸方向に立設せずに伏せた状態で、Ｚ軸周りの角速度を検出でき、低背化を図れる。
【００４１】
特に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、錘部１１をＸ軸方向に駆動振動させるように固定部９をＸＹ平面に配置した場合、錘部１１のＸ軸方向への共振周波数と錘部１１のＹ軸方向への共振周波数とを異ならせているので、錘部１１を的確にＸ軸方向へ駆動振動させることができる。Ｘ軸方向への共振周波数とＹ軸方向への共振周波数とが等しい場合は、Ｘ軸方向へ駆動振動させようとしてもＺ軸方向にも変位して、駆動振動方向が安定せず、角速度の検出ができない恐れがある。
【００４２】
なお、第２アーム４の幅を大きくすると錘部１１のＸ軸方向への共振周波数とＹ軸方向への共振周波数との周波数差が小さくなり、第２アーム４の幅を小さくすると錘部１１のＸ軸方向への共振周波数とＹ軸方向への共振周波数との周波数差が大きくなる。この周波数差が大きくなりすぎると感度が低下するので、周波数差は１００〜５００Ｈｚになるようにするのが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る角速度センサは、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合でも低背化が可能なので各種電子機器の小型化が図れ、各種電子機器に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】同角速度センサの動作状態図
【図４】従来の角速度センサの検出素子の斜視図
【図５】図４のＡ−Ａ断面図
【符号の説明】
【００４５】
１  検出素子
２  第１アーム
４  第２アーム
６  支持部
９  固定部
１１  錘部
１３  圧電体
１４  下部電極
１５  上部電極
１６  対向部
１７  第１駆動手段
１７ａ  第１駆動電極部
１７ｂ  第２駆動電極部
１８  第１検知手段
１８ａ  第１検知電極部
１８ｂ  第２検知電極部
１９  第１感知手段
１９ａ  第１感知電極部
１９ｂ  第２感知電極部
２０  第２感知手段
２０ａ  第３感知電極部
２０ｂ  第４感知電極部
２１ａ  第１引き出し線
２１ｂ  第２引き出し線
２１ｃ  第３引き出し線
２１ｄ  第４引き出し線
２２ａ  第１引き出し線
２２ｂ  第２引き出し線
２２ｃ  第３引き出し線
２２ｄ  第４引き出し線
【図１】
2008122263.tif 000003
【図２】
2008122263.tif 000004
【図３】
2008122263.tif 000005
【図４】
2008122263.tif 000006
【図５】
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