(57)【要約】【課題】  励振電極に交流電圧を印加することによって音叉型振動子が振動している時、音叉型振動子の脚部の伸縮方向の回りに作用する回転角速度の大きさとその回転方向を検出しながら、音叉型振動子の厚み方向に加わる加速度を検出する音叉型角速度加速度検出センサを構成することを目的とする。【解決手段】  課題を解決するために、少なくとも一本の振動脚部を持つ屈曲振動型振動子と、前記屈曲振動型振動子の少なくとも一本に形成された励振電極、および、検出電極とを備え、前記励振電極に交流電圧を印加することによって前記屈曲振動型振動子を振動させながら、前記検出電極に生ずる電気信号に基づいて前記脚部の延伸方向に平行な軸を中心に回転したとき、その角速度の大きさと方向を検出すると共に、前記屈曲振動型振動子の基部に前記基部の一部を固定端とする可動部片を設け、加速度印加による撓み運動を抵抗薄膜の抵抗値変化で検知することにより課題を解決する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一本の振動脚部を持つ屈曲振動型振動子と、前記屈曲振動型振動子の少なくとも一本に形成された励振電極、および、検出電極とを備え、前記励振電極に交流電圧を印加することによって前記屈曲振動型振動子を振動させながら、前記検出電極に生ずる電気信号に基づいて前記脚部の延伸方向に平行な軸を中心に回転したとき、その角速度の大きさと方向を検出すると共に、前記屈曲振動型振動子の基部に前記基部の一部を固定端とし、撓み運動をすることが可能な可動部片を一体的に形成し、前記可動部片上に抵抗薄膜を形成することで、加速度の大きさと方向をそれぞれ独立して検出することを特徴とする屈曲振動型角速度−加速度複合センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記屈曲振動型振動子と一体化して形成され、撓み運動が可能な可動部片の周囲は前記屈曲振動型振動子の基部の内部に貫通穴を設けて構成され、前記基部との接合部を固定端とし、その対辺方向に錘を形成した形状を特徴とする屈曲振動型角速度−加速度複合センサ。
【請求項３】
請求項１および請求項２において、前記可動部片の錘部分を除く箇所の厚み、或いは、幅は周囲の厚みより薄く形成されていることを特徴とする屈曲振動型角速度−加速度複合センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励振電極に交流電圧を印加することにより、屈曲振動型振動子が一方向に屈曲振動している状態で、屈曲振動型振動子の脚部の延伸方向に平行な軸を中心に回転したとき、角速度の大きさとその回転方向を検出すると同時に、前記振動子の基部に備えた片持ち梁センサ部により前記振動子の厚み、或いは、幅と平行の方向に加わる加速度を検出することを可能とする屈曲振動型角速度加速度検出複合センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
所定方向に沿って振動している振動子、例えば直交座標軸平面（Ｘ−Ｚ平面）におけるＸ軸に沿って振動している振動子がこのＸ−Ｚ平面と直交するＹ軸を中心に回転すると、その角速度の大きさに応じて振動子のＺ軸方向にコリオリの力が生じる。このコリオリの力は角速度の大きさに比例して定まることから、コリオリの力により生じた振動子の撓み変位量を電気的、或いは、歪量として圧電素子の圧電効果、歪ゲージの抵抗変化などで検出すれば、角速度の大きさを求めることができる。従って、この様に構成された振動子を角速度検出素子として車両や航空機等に搭載し航路軌跡を記録したり、移動体の旋回時に発生するヨーレイトを検出することが行われている。また、この角速度センサ素子をロボットに搭載してその姿勢制御等にも応用されている。（特許文献１参照）
【０００３】
また、最近ではカーナビゲーションシステムの普及が進んでおり、このシステムには位置検出を可能とするＧＰＳ（Global Positioning System）信号を専用衛星から受信できない場合でも、自車位置を正確に認識するために、本体内に自律航法システムを内臓しており、この情報を利用することによりＧＰＳ信号を受信できない環境であっても自車位置を正確に認識することができる。
【０００４】
この自律航法に必要な情報とは、自車の旋回、加速度や、傾斜などの情報であり、システムがＧＰＳ信号を受信できない場合、これらの信号データが補助情報として使用されている。この場合、自律航法すなわち、上述する旋回情報、加速度情報や自車の傾斜情報は、各々独立して検出する必要があり、それぞれの検出機能を持ったセンサ素子を複数個搭載することによって実現している。なお、角速度と加速度を検出するセンサ素子としては特許文献２に示すような技術がある。
【特許文献１】特開平０９−２８０８６８号公報
【特許文献２】特開平１１−３２５９１２号公報  なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本出願までに発見するに至らなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように自律航法に必要な情報としては、自車の旋回情報や加速度情報が中心となってくる。旋回情報（角速度検出）は特許文献１で、また旋回情報と加速度情報の両方を検出する技術については、特許文献２に示すような水晶材料から成る振動子を用いて実現することができる。
しかし、それぞれのセンサを独立してシステム内に搭載することは、大きなスペースが必要となるし、コスト高にの原因にもなっている。
【０００６】
また、水晶材料などの圧電材料を用いて加速度検出を行う場合は、その圧電効果を利用して加速度を検出しようとすると自然落下のような等加速度運動が継続している時の加速度検出は不可能となることが知られている。それは、圧電効果による電荷発生は、センサ部構造体がまさに変動しているときのみに発生するからで、等加速度運動時は加速度が印加された瞬時段階には構造体の変動による電荷発生が認められるものの、等加速度状態となって変動が停止した状態では電荷の発生が見られないことによるものである。
【０００７】
そのため、加速度が加わる瞬間での加速度の検出は可能であるが、加わっている加速度に変化量が無い場合は認識できないことから、仮にカーナビゲーションシステムの自立航法に導入しようとする場合には、変動状態を維持しておくために受け側と成る回路に演算回路など余分な構成が必要となるという現状の課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで上述する課題を解決するため本発明について屈曲振動をする振動脚部（以下、脚部）は一本で良いが、実際上の検出効率や、屈曲振動の代表として
音叉型振動子を例に、本センサ素子について説明を加えると、脚部と基部とを一体化して形成された音叉型振動子と、この音叉型振動子の脚部の少なくとも一方に形成された励振電極および検出電極とを備え、前記励振電極に交流電圧を印加することにより前記音叉型振動子を振動させながら、前記検出電極に生ずる電気信号に基づいて前記脚部の延伸方向に平行な軸の回りに作用する角速度を検出すると共に、前記音叉形振動子の基部に前記基部の一部を固定端として撓み運動をすることが可能な可動部片を一体的に形成し、前記可動部片に抵抗薄膜を形成することで、加速度をそれぞれ独立して検出する音叉型角速度加速度複合センサを構成する。
【０００９】
更に細述すると、この加速度感知部の構成については、前記音叉型振動子と一体化して形成され、撓み運動が可能な可動部片（センサ部）の周囲は接合部を除いて前記音叉型振動子の基部の内側に貫通孔を設けて切離して構成され、前記基部との接合部を固定端とし、その対辺側に錘を形成した形状となっており、加速度が印加されたときに撓みが発生しやすい構造となっている。また、本発明では小型化を目的とするため、可動部片を基部内に収納したが基部周辺部を固定端として、外方向に延長する構造でも同様な効果を得ることが出来る。
【００１０】
そして、このセンサ部の前記錘部分の厚みは音叉型振動子の厚みと同等か、それ以上にして、前記センサ部の錘部分を除く箇所の厚み、或いは、幅は周囲の厚みより薄く形成することにより、前者では、「厚み」に平行方向の加速度、後者では、「幅」に平行方向の加速度を感度良く検出する事が可能となる。従って、厚み、幅共に薄く加工すれば2方向の加速度を同時に独立して計測することが可能となるが、この時、2方向の撓み振動（屈曲振動となる）の固有周波数を１０％以上離調して設計しないと縮退現象により感度の低下を招く。図1には厚み方向の加速度を検出する場合の概念図を示した。
【００１１】
また、上述する可動部片には検出する加速度の方向と垂直な面（薄く加工した面）の片方、或いは、双方に、チタン（Ｔｉ）や、クロム（Ｃｒ）などを抵抗薄膜をスパッタなどにより出力端子に接続するように構築、更に、感度向上のため、端子間抵抗値を大きくする手段として、フォトリソ法によるエッチング加工を用いて「つづら折れ状」にして航路長が長くなるように形成すると、加速度印加時の可動部片の撓みによる抵抗薄膜の抵抗値変化が増大する効果がある。また、可動部片の撓み変形の状態（度合）は、加速度印加に応じて維持されるため、変形により変化した抵抗値もその値を維持することになる。
【００１２】
上述のようなセンサを構築することにより、ひとつの構造体素子から角速度の検出と、最大2方向の加速度の検出、そして更には演算回路を使用しなくてもリアルで連続した加速度の変化を検出することが可能となり、前記の課題を解決することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、1個の圧電単結晶センサ素子を使用して、角速度と加速度を独立して計測する事が可能となるので、システム設計時の自由度と搭載効率改善の実現、低コスト化が可能となるばかりではなく、角速度検知には、圧電単結晶材料の得意点である安定な固有振動周波数、簡便な励振手法、変動の少ない温度特性を確保すると共に、加速度検知では、感受性部分に撓み量依存可変抵抗体を形成することで、圧電単結晶材料の不得意点とする検出不能領域に於いても変化した抵抗値がそのまま維持されるためこれを直接計測すれば良く、演算回路のような余計な回路構成を必要としない。また、この加速度センサを駆動するための電源も必要としないため、省電力化にも大きく貢献することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。図１に示すのは、本発明の対象と成る屈曲振動型角速度加速度複合センサの一例として記載した音叉型角速度加速度複合センサの概念図である。同図において、音叉形振動子Ａは、一方向に平行して延伸する振動脚部Ａ１、Ａ２（脚部：センサ部）を1対として、その片端を固定端とし基部Ｂと一体化して接続され、他端は自由端として開放された構造をもつ音叉型センサ素子である。センサ材料の設定は、恒弾性金属、ＰＺＴ、単結晶などの弾性体材料が好ましく、ここでは説明を簡略化するため代表して圧電単結晶である水晶を用いた場合について述べる。
【００１５】
この脚部は、音叉形振動子Ａの主面に対し平行、及び、それと垂直の２方向の屈曲振動ができる様に電極を構成、そして、２者間の固有振動周波数離調度を数％程度に調整しておき、脚部の延伸方向に平行な直線を軸として回転運動したときの角速度の大きさと方向を、コリオリの力を用いて検出する角速度センサである。
従って、それぞれの脚部にはコリオリの力を発生させるのに必要な基本振動となる励振電極と、コリオリの力発生により変更された振動モードを検出する検出電極をそれぞれ独立して備える。これら電極からは電気的導通端子を介して外部回路に接続される。図１ではこの電極構成を省略している。
【００１６】
次に、上記音叉形振動子Ａの基部Ｂに構築する加速度センサについて述べる。
この音叉形振動子Ａの基部Ｂにはその基部Ｂの一部を固定端１とする前記音叉型振動子Ａの厚み方向に揺動する可動部片３を一体的に形成することにより、音叉形振動子Ａの厚み方向に加わる加速度に応じて可動部片３が撓み変形したその変化量を検出すること、その為には、可動部片３に抵抗薄膜２を形成することで、加速度の変化量を継続して検出可能な音叉型角速度加速度検出センサを実現することができる。また、加速度印加の方向をＺ方向として説明をしたが、可動部片の幅方向寸法を加速度に対応して（薄く）加工すれば、幅方向の加速度もそれぞれ独立して検知できるので、最大２方向の加速度を検知する事が出来る。
【００１７】
なお、音叉型振動子Ａの厚み方向に一体的に形成し揺動する可動部片３の周囲は音叉型振動子Ａの基部Ｂに貫通穴を形成して、その一部を固定端１として可動部片３が一体化して形成され、その対辺方向に錘４を形成した形状を有し、可動部片３の錘４部分は音叉型振動子Ａの厚みと同じで、前記可動部片３の錘４部分を除く箇所は薄く形成されている。また上述の様に、２方向の加速度を検出する場合は、薄く形成した部分の幅方向寸法も錘幅寸法より小さくすることが望ましい。
【００１８】
図２に示すのは可動部片３に注目した要部拡大図である。可動部片３は音叉型振動子Ａの基部Ｂの一部に形成するもので、基部Ｂの一部を固定端１として音叉形振動子Ａの厚み方向に加わる加速度に対応して、可動部片３に撓み変形が発生する、その撓みの変化量を圧電効果で検出する方法もあるが、本発明は加速度変化のリアルタイム連続計測を可能とする目的で、可動部片の感応部上に前記手法により構築した抵抗薄膜の抵抗値変化から加速度を検知することを特徴としている。
【００１９】
図２は、可動部片３が音叉形水晶振動子Ａの板厚み分の錘４部を有し、固定端１から錘４部に至る主面は音叉形水晶振動子Ａの板厚みより薄い形状としていることを表記したもので、この様な加工処理を施すことで、音叉形水晶振動子Ａの板厚み方向の加速度に対して撓み変形することを容易として、感度向上を計っている。
【００２０】
図３は、加速度について「本発明の加速度センサ」と「圧電式加速度センサ」の２種類のセンサで計測した場合、その結果を比較して示すグラフである。
図３の（ａ）は、実際に印加した加速度の形態で、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の加速度センサと、従来の圧電式加速度センサであり、縦軸をそれぞれの出力状態、横軸を時間軸として揃えて記載したものである。これから判明する様に従来型の圧電式センサは、加速度が変化したときのみ電荷が発生し、それを検知するが、一定の加速度が維持されている間は検出できない。従って、センサとしては時間で積分をするような演算回路が必要となる。また、地球上で静止している時の１Ｇ（重力加速度）を検知できない問題もある。それと比較して本発明のセンサでは、抵抗変化の様子が絶対値で検知できるので加速度の状態をリアルに計測する事が可能であり、重力加速度でも初期抵抗値をオフセットすることで検知することが可能となる。
【００２１】
この加速度センサ部の電極構成について、板厚方向の加速度を検知する場合の形態を図４に示す。可動部片３は感度良く加速度を検知できるように撓みが最大となる固定端部から錘方向に向かう部分の板厚を周囲板厚寸法より薄く、数十から数百ミクロン程度に加工しておき、この部分に蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などでチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）及び、その合金などの高抵抗薄膜を形成し、外部接続端子と導通接続できる構成とする。この時、加速度を受けて撓み変形により伸縮する方向を長手となる様に、フォトリソ法を用いたエッチング技術などを利用して「つづら折れ」状に形成すると、撓みに対する抵抗変化率が大きくなり感度の向上が可能となる。なお、電極構築については可動部片の片側のみでも、両方の面に構築してもかまわない。
【００２２】
以上の様に、「つづら折れ」状に形成された高抵抗薄膜は、外部接続端子を介して外部の検知回路に接続され、加速度の状態を直接抵抗値で直読したり、或いは、ブリッジ回路に導入されて電圧値や、電流値に返還して検知することが出来る。なお、一本の振動脚部を持つ屈曲振動型振動子の場合の概念図としては図５に示す斜視図のようになるが、この場合一本の振動脚部で励振と検出の両方を実現する電極を形成することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施の形態を示す音叉型角速度複合センサの概念図である。
【図２】図１に示す要部を拡大する平面図である。
【図３】加速度の量を検知する状態比較を示すグラフである。
【図４】本発明の可動部片に抵抗薄膜を形成する状態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例である一本の振動脚部を持つ屈曲振動型角速度複合センサの概念図である。
【符号の説明】
【００２４】
Ａ・・・・・・・・屈曲振動型振動子（音叉型振動子、センサ素子）
Ａ１、Ａ２・・・・振動脚部（脚部）
Ｂ・・・・・・・・基部
１・・・・・・・・固定端
２・・・・・・・・抵抗薄膜
３・・・・・・・・可動部片
４・・・・・・・・錘
【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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