(57)【要約】【課題】駆動用の電極と検出用の電極をそれぞれ駆動や検出の効率の高い箇所に配置することで、検出精度を高めることができるセンサと、ジャイロセンサを提供すること。【解決手段】圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ２０であって、固定されるための基部２１と、この基部から延びる複数の振動腕２２，２２とを有しており、前記振動腕に駆動用の電極２５ａ，２５ｂが設けられるとともに、前記基部２１に検出用の電極２７ａ，２７ｂを設けた。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、
固定されるための基部と、この基部から延びる複数の振動腕とを有しており、前記振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けた
ことを特徴とする、圧電材料を利用したセンサ。
【請求項２】
前記圧電材料が単結晶材料であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項３】
前記圧電材料が水晶であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項４】
前記基部から延びる少なくとも一対の振動腕が形成され、この一対の振動腕の間に位置する股部を避けて、前記基部に前記検出用電極を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項５】
前記振動腕に長手方向に沿って溝が形成されており、この溝に前記駆動用電極が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項６】
前記基部には複数の溝が形成され、これら複数の溝の圧電材料を挟んで対向する壁面に前記検出用電極を形成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項７】
圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、
センサ本体を励振する手段と、
前記センサ本体からの検出信号を処理する手段と
を有し、
前記センサ本体が、
固定されるための基部と、この基部から延びる複数の振動腕とを有しており、前記振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けた
ことを特徴とする、ジャイロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料の振動や変位等を検出することで、加速度を検出するセンサ及びジャイロセンサの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電材料の振動や変位等を利用して、加速度や角速度等を検出する各種のセンサが広く利用されている。
図７は、従来の圧電材料を利用したセンサの簡単な構成例を示しており、図８は図７のＡ−Ａ線断面図、図９は図７のＢ−Ｂ線断面図である（特許文献１参照）。
図７において、センサ１は、圧電材料により形成された矩形の基部２と、この基部２から図においてＹ１の方向に平行に延びる振動腕３，４を備えている。
各振動腕３，４には駆動用の電極と検出用の電極が形成されており、図７では簡略化のため一方の振動腕４にだけ表されている。
【０００３】
すなわち、振動腕３の根元付近には、図７及び図９に示されているように駆動用電極５，５，５，５が形成されている。振動腕４の先端付近には、図７及び図８に示されているように検出用電極６，６，６，６が形成されている。
このようなセンサ１の駆動用電極５，５，５，５に駆動電圧を与えることで、振動腕３，４は図７の矢印Ｃに示すように、その各先端が互いに接近，離間するように屈曲振動する。この状態において、図７のＹ１軸の回りに、角速度ωが作用すると、コリオリの力によって、振動腕３，４には、矢印Ｄに示すＹ１−Ｚ１面内の変位が生じる。
この変位は、振動腕３，４がＹ１−Ｚ１面内で矢印Ｄ方向に交互に屈曲振動する所謂ウオーク振動であり、この変位により圧電材料に生じる電界が検出用電極６，６，６，６により信号として取り出され、かくして角速度ωを検出することができるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような、センサ１においては、ひとつの振動腕４の先端側と根元側に、それぞれ駆動用電極と検出用電極を形成している。つまり、ひとつの振動腕４に駆動用電極と検出用電極とをともに形成している。
ところが、センサ１では、振動腕３，４が駆動されることで矢印Ｃ方向に屈曲振動する場合にも、センサ１に角速度ωが作用することで生じる矢印Ｄ方向に屈曲振動する場合にも、圧電材料としては、振動腕３，４の付け根の箇所が最も応力が大きくなる。
このため、駆動用電極と検出用電極のうち、振動腕の付け根に近い電極では、駆動もしくは検出の効率が高いが、先端側に設けた方は効率が落ちる。つまり、駆動用電極と検出用電極の少なくとも一方の効率が、低下するという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特許第２９７７１３６号
【０００６】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、駆動用の電極と検出用の電極をそれぞれ駆動や検出の効率の高い箇所に配置することで、検出精度を高めることができるセンサと、ジャイロセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第１の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、固定されるための基部と、この基部から延びる複数の振動腕とを有しており、前記振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けた、圧電材料を利用したセンサにより、達成される。
【０００８】
第１の発明の構成によれば、圧電材料で形成されていて、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサに適用される。この場合、「振動」とは外部から作用する力に基づいて、圧電材料に生じる「振動や変位もしくは変形等」を全て含む。
この発明のセンサでは、前記振動腕に駆動用の電極が設けられている。すなわち、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕の付け根や股部に近い箇所には、駆動用の電極が設けられることで、センサの駆動効率が向上する。また、センサの振動腕が外部から加えられる力に基づいて、屈曲振動を生じると、これにともない基部の箇所に大きな応力が加わることが見いだされた。したがって、このような応力が加わる基部に検出用の電極を設けることで、検出信号を効率よく取り出すことができる。
かくして、本発明は、駆動用の電極と検出用の電極をそれぞれ駆動や検出の効率の高い箇所に配置することで、検出精度を高めることができるという効果を発揮することができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記圧電材料が単結晶材料であることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、圧電材料が単結晶材料である場合には、一般に単結晶材料は多結晶材料に比べて安定性は高いが電気的結合係数が低いので、検出信号のレベルを高めて高い検出感度を得ることができるという利点がある。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２のいずれかの発明の構成において、前記圧電材料が水晶であることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、水晶は、電気機械結合係数が低いので、特に検出信号のレベルを高めて、高い検出感度を得ることができる。
【００１１】
第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明の構成において、前記基部から延びる少なくとも一対の振動腕が形成され、この一対の振動腕の間に位置する股部を避けて、前記基部に前記検出用電極を設けたことを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、前記股部は、駆動電圧の印加による振動腕の屈曲振動に際して最も大きな応力が働く箇所である。この箇所に近接して検出用の電極を設けると、検出信号に乗るノイズが大きくなりＳ／Ｎ比が悪化する。このため、検出用の電極は、前記股部を避けるようにして、完全に基部の領域に設けると、検出信号の質が向上する。
【００１２】
第５の発明は、第１ないし第４のいずれかの発明の構成において、前記振動腕に長手方向に沿って溝が形成されており、この溝に前記駆動用電極が形成されていることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、前記振動腕に長手方向に沿って溝を形成して、駆動用の電極を設けると、振動腕の電界効率が向上する。
【００１３】
第６の発明は、第１ないし第５のいずれかの発明の構成において、前記基部には複数の溝が形成され、これら複数の溝の圧電材料を挟んで対向する壁面に前記検出用電極を形成することを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、基部の圧電材料において、検出信号を得るための電界効率が向上し、検出効率を高めることができる。
【００１４】
上述の目的は、第７の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、センサ本体を励振する手段と、前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、前記センサ本体が、固定されるための基部と、この基部から延びる複数の振動腕とを有しており、前記振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けた、ジャイロセンサにより、達成される。
【００１５】
第７の発明の構成によれば、この発明のジャイロセンサのセンサ本体を構成するための前記振動腕に駆動用の電極が設けられている。すなわち、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕の股部や付け根に近い箇所には、駆動用の電極が設けられることで、ジャイロセンサの駆動効率が向上する。また、ジャイロセンサの振動腕が外部から加えられる力に基づいて、屈曲振動を生じる際に大きな応力が加わる前記基部に、検出用の電極を設けることで、検出信号を効率よく取り出すことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るセンサの概略平面図であり、図２は図１のＥ−Ｅ線切断端面図、図３は図１のＦ−Ｆ線切断端面図である。
これらの図において、符号２０で示すセンサ本体は、後述するジャイロセンサのセンサ本体として利用されたり、例えば、流水中のプロペラの回転等を検出してフローセンサ等に応用できるセンサとして利用されるものである。以下の説明では、符号２０に対応するセンサはジャイロセンサのセンサ本体として説明する。
【００１７】
図１において、センサ本体２０は、圧電材料で形成されており、好ましくは、単結晶の圧電材料で、例えば、水晶が使用されている。この場合、水晶以外の圧電材料として、例えば、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。
図１において、Ｘ方向は水晶のＸ軸（電機軸）、Ｙ，Ｚ方向は水晶のＹ軸（機械軸），Ｚ軸（光軸）を示している。
図において、センサ本体２０は一方向（図においてＹ方向）に延びるほぼ矩形の基部２１と、この基部２１から、股部２４を挟んで、図においてＹ方向に平行に延びる一対の振動腕２２，２２とを有する、所謂音叉型の圧電振動片の形態を備えている。
【００１８】
振動腕２２，２２には、それぞれの根元部、もしは付け根２２ａ，２２ａの箇所に近接して、長さ方向に延びる溝２３，２３が形成されている。この溝２３，２３は、図２に示すように、振動腕２２の表裏に同様の形状となるように形成されている。
また、各溝２３，２３には、そのほぼ全長にわたって、センサ２０に駆動電圧を印加するための駆動用の電極である励振電極が形成されている。具体的には、溝２３の各側壁と、各側壁に近接した振動腕２２の各側壁とで互いに対の異極となる励振電極２５ａ，２５ｂが形成されている。この励振電極２５ａ，２５ｂは、例えば、圧電材料の表面にスパッタリング・蒸着法を用いてクロム及び金を成膜することで形成されている。
【００１９】
そして、図１に示されているように、励振電極２５ａ，２５ｂは、例えば基部２１の長さ方向の中央付近で、幅方向の両端に、それぞれ設けた引き出し電極３１，３１と接続されている。
さらに、センサ本体２０の基部２１の長さ方向の中央付近で、幅方向の両端には、くびれ部もしくは切欠き部３３，３３が形成されている。これにより、振動腕２２，２２からの振動の基部２１側への漏れ込みを抑制するようになっている。
【００２０】
また、基部２１には、各振動腕２２，２２に対応して、例えば、各振動腕２２，２２を長さ方向に基部２１へ向かって延長した領域に、それぞれ検出用の電極２７ａ，２７ｂと２７ａ，２７ｂを備えている。
この実施形態では、好ましくは、図１及び図３に示されているように、振動腕２２，２２の間の股部２４から所定距離だけ離間させて、基部２１の各振動腕２２，２２を長さ方向に延長した領域に、それぞれ、Ｙ方向に延びる平行な各一対の検出用溝２６，２６，２６，２６を形成している。図３に示すように、基部２１の検出用溝２６，２６は、基部２１の表面と裏面に同様の構成で、それぞれ形成されている。
【００２１】
そして、図３に示すように、これらの各一対の検出用溝２６，２６においては、圧電材料を挟んで対向する壁面に検出用電極２７ａ，２７ｂを形成している。検出用電極２７ａ，２７ｂは、互いに異極となるようにされている。このような検出用電極２７ａ，２７ｂは、検出用溝を形成せずに基部２１の表面に設けても、検出用電極２７ａと検出用電極２７ｂとの間で電界が形成されるので、信号検出を行うことができる。しかしながら、図３のように各一対の検出用溝２６，２６を形成して、検出用電極２７ａ，２７ｂを設けるのが好ましい。
これにより、基部２１を構成する圧電材料においては、その表面もしくは裏面において電界が形成されるだけでなく、溝の厚み方向にわたり、検出用電極２７ａ，２７ｂの間で、矢印で示すように電界が形成されることで、検出信号を得るための電界効率が向上し、検出効率を高めることができる。
【００２２】
ここで、基部２１に形成する検出用電極２７ａ，２７ｂと、これを形成するための検出用溝２６，２６は、基部２１の表面もしくは裏面のどちらか一方に形成してもよい。
しかしながら、本実施形態のように、基部２１の表面及び裏面にそれぞれ検出用溝２６，２６を設けると、基部２１の構造を表面と裏面でバランスさせることができ、屈曲振動がより適切に行われる。また、基部２１の表面と裏面に検出用電極２７ａ，２７ｂを設けて、圧電材料の振動（変形もしくは変位）をそれぞれ検出することで、所定の信号処理によって振動レベルを向上させることができる。
さらに、検出用電極２７ａ，２７ｂは、好ましくは、基部２１の図５で説明する領域Ａ１に対応する箇所（後述）であって、図１の股部２４や各振動腕２２，２２の付け根２２ａ，２２ａから可能な限り離れた箇所に設けるとよい。
このようにすることで、駆動電圧を印加することで生じる図４で説明する屈曲振動における応力の集中箇所を避けることができ、検出用電極２７ａ，２７ｂにノイズが乗ることを防止し、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２３】
図４と図５は、センサ２０に対応した音叉型振動片２０−１に関して、その屈曲振動により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いてコンピュータによる解析にを行った図である。
図４は、振動腕２２−１，２２−１が、駆動電圧を印加された場合に、矢印Ｈに示すように交互に接近離間するように屈曲振動を行う様子を示しており、図５は振動腕２２−１，２２−１が、図４の駆動が行われ、かつ所定の角速度が作用した状態で、コリオリ力が作用して、矢印Ｉに示すように、ウオーク振動による屈曲振動を行う様子を示している。
【００２４】
これらの図において、アルファベットの小文字の符号ａないしｉを付した各領域が応力の大きさによる境界で仕切られた領域の区分を示し、アルファベットの順序にしたがって、応力が大きくなっている。
図４に示されているように、振動腕２２−１，２２−１が、駆動電圧を印加された場合には、振動腕２２−１，２２−１の間の股部２４−１付近に最も大きな応力が集中されており、順次、振動腕２２−１，２２−１の各付け根２２ａ−１，２２ａ−１が応力集中が大きく、振動腕の先端にむかって次第に応力は小さくなっている。
また、図５に示されているように、ウオーク振動時においては、振動腕２２−１，２２−１の各付け根２２ａ−１，２２ａ−１が応力集中が大きく、振動腕の先端にむかって次第に応力は小さくなっている点は、図４と共通する。図５が、図４と異なるのは、ウオーク振動時には、基部２１−１の振動腕側の領域Ａ１においても作用する応力が比較的大きくなっている点である。図５では、領域Ａ１は基部２１−１の左側に現れているが、右側の振動腕２２−１が紙面において遠ざかる位置に来た際には、領域Ａ１は基部２１の右側に現れる。
【００２５】
このような検討を通じて、本発明者等は、音叉型振動片２０−１の駆動電圧を印加した屈曲振動時（図４）の場合には、ほとんど基部２１−１に応力が働かないが、ウオーク振動時（図５）には、基部２１−１の領域Ａ１には、比較的大きな応力が作用していることを見いだした。
このような知見に基づいて、図１に示すように、センサ２０は、駆動用の電極である励振電極２５ａ，２５ｂは、各振動腕２２，２２の付け根２２ａ，２２ａから近い位置で、各振動腕２２，２２に設けた溝２３，２３内に形成し、検出用電極２７ａ，２７ｂは、基部２１の図５で説明した領域Ａ１に対応した位置に形成した検出用溝２６，２６，２６，２６内に設けるようにしたものである。
【００２６】
これにより、図１のセンサ２０では、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕２２，２２の付け根２２ａ，２２ａに近い箇所には、駆動用の電極２５ａ，２５ｂが設けられることで、センサの駆動効率が向上する。また、センサ２０の振動腕２２，２２が外部から加えられる角速度ωに基づいて、コリオリ力の作用により、矢印Ｇに示す屈曲振動を生じると、これにともない、図５で説明したように基部２１−１に大きな応力が加わることが見いだされた。したがって、このような応力が加わる基部２１に検出用の電極２７ａ，２７ｂを設けることで、検出信号を効率よく取り出すことができる。
このようにして、センサ２０では、駆動用の電極と検出用の電極をそれぞれ駆動や検出の効率の高い箇所に配置することで、検出精度を高めることができる。
【００２７】
図６は、本実施形態による圧電材料を利用したセンサ２０をセンサ本体として利用したジャイロセンサの概略構成例を示すブロック図である。
図において、ジャイロセンサ１０は、センサ本体２０と、このセンサ本体２０を励振させ駆動するための回路及び、センサ本体２０からの信号を検出する回路を備える処理回路５１を有している。
センサ本体２０は、例えば、セラミック等の絶縁材料等で形成された図示しないパッケージやケースに収容され、外部との導通を行う端子である引き出し電極３１，３１が導電性接着剤やワイヤボンディング等によりパッケージ内の端子と接続される。
処理回路５１は、図示されているように、後述する各回路を集積したひとつまたは複数の集積回路で形成されており、あるいは処理回路５１に含まれる一部の回路だけ集積回路と別に構成してもよい。
【００２８】
処理回路５１の発振回路５６は、センサ本体２０の励振電極２５ａ，２５ｂに接続された引き出し電極３１に接続され、センサ本体２０の振動腕２２，２２を駆動するための駆動電圧を印加するものである。ＡＧＣ（オート・ゲイン・コントローラ）５５は、発振回路５６の出力信号のゲインを調整して、振動腕２２，２２が一定の振幅で振動するように制御するものである。増幅回路５２，５３は、センサ本体２０の引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ，３２ｂと接続されている。これにより、増幅回路５２，５３は、センサ本体２０の後述するウオーク振動による検出用電極２７ａ，２７ｂの出力信号が引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ，３２ｂを介して入力され、この出力信号を増幅して、増幅回路５２，５３と接続された差動回路５４に与えるものである。
【００２９】
差動回路５４は同期検波回路５７と発振回路５６に接続されている。差動回路５４は、図１で説明したように、複数対、この場合二対の検出用電極２７ａ，２７ｂの出力差を取る。これによりセンサ本体２０に加わった衝撃（加速度）によって生じた不要な検出信号を打ち消すことができる。すなわち、センサ本体２０に角速度が加わると、振動腕はＺ方向に振動し、検出用電極２７ａ，２７ｂからは逆相の信号が出力されるため、差を取ると信号の振幅が倍になる。Ｚ方向に加速度が加わると検出用電極２７ａ，２７ｂから同相信号が出力されるため、差を取るとことで打ち消すことができるものである。差動回路５４の出力信号は、同期検波回路５７に与えられる。同期検波回路５７は、発振回路５６から得られる周波数を基準として、差動回路５４からの出力信号を同期検波するものである。
【００３０】
ジャイロセンサ１０は、以上のように構成されており、このジャイロセンサ１０は、励振手段としての発振回路５６により、振動腕２２，２２に駆動電圧を印加して、矢印Ｇの方向に沿って、所謂音叉振動させる。この際に、Ｙ方向の回りに回転角速度ωが作用すると、振動腕２２，２２は、Ｘ方向の振動の方向と、回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリの力を受けて、ＹＺ平面に沿ってウオーク振動する。
【００３１】
このウオーク振動は、基部２１に伝えられ、基部２１の応力に基づく逆圧電現象により、検出用電極２７ａ，２７ｂに電圧が生じる。この電圧が引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ，３２ｂを介して増幅回路５２，５３に与えられる。増幅回路５２，５３は、増幅した出力信号を差動回路５４に与えると、差動回路５４は検出用電極２７ａ，２７ｂからの出力信号の差を取ることで、センサ本体２０に加わった角速度ωによる出力信号を増幅すると共に加速度による不要な信号を打ち消す。この差動回路５４の出力信号は同期検波回路５７に与えられ、同期検波回路５７は、発振回路５６から得られる周波数を基準として、差動回路５４からの出力信号を同期検波する。これにより、直流電圧に変換し、不要なノイズを除去して、回転角速度ωに対応した電圧を出力する。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば、ジャイロセンサ１０のセンサ本体２０を構成するための振動腕２２，２２に駆動用の励振電極２５ａ，２５ｂが設けられている。すなわち、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕２２，２２の股部２４や付け根２２ａに近い箇所には、駆動用の電極が設けられることで、ジャイロセンサ１０の駆動効率が向上する。また、ジャイロセンサ１０の振動腕２２，２２が外部から加えられる力である角速度ωに基づいて、屈曲振動を生じる際に大きな応力が加わる基部２１に、検出用の電極２７ａ，２７ｂを設けることで、検出信号を効率よく取り出すことができる。
【００３３】
本発明は上述の実施形態に限定されない。センサに働く角速度を検出する構成のものであれば、ジャイロセンサ等に限らずいかなる名称のセンサにも適用される。
本発明は、基部に対して、一対の振動腕を形成したセンサに限らず、例えば、基部２１を中心として、互いに反対方向に各一対、もしくは複数の数の振動腕が延びる構成のセンサに対しても、同様の原理に基づいて適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサの概略平面図。
【図２】図１のＥ−Ｅ線切断端面図。
【図３】図１のＦ−Ｆ線切断端面図。
【図４】図１のセンサに対応した音叉型振動片に関して、駆動電圧に基づく屈曲振動により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図５】図１のセンサに対応した音叉型振動片に関して、ウオーク振動により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図６】本発明の第１の実施形態によるジャイロセンサの構成例を示すブロック図。
【図７】従来のジャイロセンサの構成を示す概略斜視図。
【図８】図７のＡ−Ａ線断面図。
【図９】図７のＢ−Ｂ線断面図。
【符号の説明】
１０・・・ジャイロセンサ、２０・・・センサ，センサ本体、２１・・・基部２２，２２・・・振動腕、２３，２３・・・溝、２４・・・股部、２５ａ，２５ｂ・・・駆動用電極（励振電極）、２６，２６・・・検出用溝、２７ａ，２７ｂ・・・検出用電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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