(57)【要約】【課題】角速度センサが小型化しても、アームの強度が劣化することのない角速度センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】振動子１１の第１のアーム１２または第２のアーム１３の裏面に金属と樹脂の混合物からなる付着部３３を設け、第１のアーム１２と第２のアーム１３との重量バランスが互いに均等になる構成としたものであり、第１、第２のアーム１２、１３のうちの一方をトリミングするということがなくなり、これにより、角速度センサが小型化しても、強度が劣化することがないという作用効果を有するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のアームとこのアームを連結する接続部とを有する振動子と、この振動子の一方のアームの主面に設けられた内側駆動部と、この一方のアームの主面に設けられるとともに前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側駆動部と、前記振動子の一方のアームの主面に設けられた検知部とを備え、前記振動子の一対のアームのうちのいずれか一方のアームの裏面に金属と樹脂の混合物からなる付着部を設け、前記一対のアームの重量バランスが互いに均等になるように構成した角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、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られる角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の角速度センサは、図７、図８に示すような構成を有していた。
【０００３】
図７は従来の角速度センサの上面図、図８は同角速度センサの側面図を示したもので、この図７、図８において、１は圧電材料からなる水晶製の第１のアームで、この第１のアーム１は上面から外側面にわたって第１の駆動電極２を設けている。また、前記第１のアーム１の外側面には、図８に示すように、第１の検知電極３および第２の検知電極４を互いに離間させて、すなわち距離をおいて設けている。５は圧電材料からなる水晶製の第２のアームで、この第２のアーム５は上面から外側面にわたって第２の駆動電極６を設けている。そしてまた、前記第２のアーム５の外側面には、第３の検知電極（図示せず）および第４の検知電極（図示せず）を互いに離間させて設けている。そして、前記第１のアーム１の一端と第２のアーム５の一端を接続部７で接続することにより、第１のアーム１、第２のアーム５および接続部７からなる振動子形状の角速度センサを一体に構成している。
【０００４】
以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。
【０００５】
図７、図８に示すように、第１のアーム１における第１の駆動電極２および第２のアーム５における第２の駆動電極６に交流電圧を印加すると、振動子を構成している第１のアーム１および第２のアーム５が閉じたり、開いたりする。そして、この状態において、振動子のＺ軸方向を中心として、振動子に角速度が加わると、第１のアーム１および第２のアーム５にコリオリ力が発生する。このコリオリ力の発生により、図８に示す第１のアーム１における第１の検知電極３が位置する振動子の部分が伸びた場合には、第１の検知電極３に正の電荷が発生するとともに、第２の検知電極４が位置する振動子の部分は縮むことになり、第２の検知電極４に負の電荷が発生する。そして、この第１の検知電極３および第２の検知電極４に発生する電荷を差動増幅器（図示せず）により、両者の差をとることにより、角速度センサに加わる角速度を検出するようにしていた。
【０００６】
そしてこのとき、第１のアーム１における第１の検知電極３および第２の検知電極４が第１のアーム１の外側面に対称に配置されている場合には、第１のアーム１および第２のアーム５が閉じたり、開いたりする場合に、第１の検知電極３および第２の検知電極４に発生する電荷が同一となるため、両者の差は零となり、第１の検知電極３および第２の検知電極４から誤差となる出力信号が発生しないものであった。
【０００７】
ここで、従来の角速度センサにおいて、第１のアーム１または第２のアーム５における第１の検知電極３および第２の検知電極４の面積がパターンズレにより異なる場合を考えて見ると、そのような場合には、角速度が加わっていない状態においても、第１の検知電極３および第２の検知電極４に発生する電荷は異なることになり、両者の差は零でなくなる。そこで、従来の角速度センサにおいては、第１の検知電極３または第２の検知電極４をレーザによるトリミングによって除去することにより、出力信号を補正するようにしていた。
【０００８】
なお、この出願の発明に関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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−２５６７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した従来の構成においては、第１の検知電極３または第２の検知電極４をレーザによるトリミングによって除去していたため、角速度センサの小型化に伴い第１のアーム１または第２のアーム５が小型化すると、トリミングによる除去により、第１のアーム１または第２のアーム５の強度が劣化することとなり、これにより、角速度センサの強度が劣化してしまうという課題を有していた。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、角速度センサが小型化しても、アームの強度が劣化することのない角速度センサを提供することを目的とするものである。
【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、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項１に記載の発明は、一対のアームとこのアームを連結する接続部とを有する振動子と、この振動子の一方のアームの主面に設けられた内側駆動部と、この一方のアームの主面に設けられるとともに前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側駆動部と、前記振動子の一方のアームの主面に設けられた検知部とを備え、前記振動子の一対のアームのうちのいずれか一方のアームの裏面に金属と樹脂の混合物からなる付着部を設け、前記一対のアームの重量バランスが互いに均等になるようにしたもので、この構成によれば、振動子の一対のアームのうちのいずれか一方のアームの裏面に金属と樹脂の混合物からなる付着部を設け、前記一対のアームの重量バランスが互いに均等になるようにしたため、一対のアームのうちの一方をトリミングするということがなくなり、これにより、角速度センサが小型化しても、強度が劣化することがないという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明の角速度センサは、一対のアームとこのアームを連結する接続部とを有する振動子と、この振動子の一方のアームの主面に設けられた内側駆動部と、この一方のアームの主面に設けられるとともに前記内側駆動部と距離をおいて並設された外側駆動部と、前記振動子の一方のアームの主面に設けられた検知部とを備え、前記振動子の一対のアームのうちのいずれか一方のアームの裏面に金属と樹脂の混合物からなる付着部を設け、前記一対のアームの重量バランスが互いに均等になるようにしたもので、この構成によれば、振動子の一対のアームのうちのいずれか一方のアームの裏面に金属と樹脂の混合物からなる付着部を設け、前記一対のアームの重量バランスが互いに均等になるようにしたため、一対のアームのうちの一方をトリミングするということがなくなり、これにより、角速度センサが小型化しても、強度が劣化することのない角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図
【図４】本発明の一実施の形態における角速度センサを裏側からみた状態を示す斜視図
【図５】同角速度センサの駆動部の動作状態を説明するための斜視図
【図６】同角速度センサの駆動部の動作状態を説明するための斜視図
【図７】従来の角速度センサの上面図
【図８】同角速度センサの側面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４は角速度センサを裏側からみた状態を示す斜視図である。
【００１８】
図１〜図４において、１１は例えばＳｉ等の非圧電材料からなる振動子で、この振動子１１は、第１のアーム１２および第２のアーム１３と、前記第１のアーム１２の一端と第２のアーム１３の一端を接続する接続部１４とで構成されている。１５は前記振動子１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３の主面の内側に設けられた一対の内側駆動部で、この内側駆動部１５は、図２に示すように、前記振動子１１の主面に設けられた一対のＰｔからなる内側下部電極１６と、この内側下部電極１６の上面に設けられた内側圧電薄膜１７と、この内側圧電薄膜１７の上面に設けられ、かつＴｉおよびＡｕを層状に設けた内側上部電極１８とで構成されている。そして、前記内側圧電薄膜１７はチタン酸鉛膜１９と、このチタン酸鉛膜１９の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜２０とで構成されている。２１は前記振動子１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３における主面の外側に前記内側駆動部１５と距離をおいて並設された一対の外側駆動部で、この外側駆動部２１は、前記内側駆動部１５と同様に、前記振動子１１の主面に設けられた一対のＰｔからなる外側下部電極２２と、この外側下部電極２２の上面に設けられた外側圧電薄膜２３と、この外側圧電薄膜２３の上面に設けられ、かつＴｉおよびＡｕを層状に設けた外側上部電極２４とで構成されている。そして、前記外側圧電薄膜２３はチタン酸鉛膜２５と、このチタン酸鉛膜２５の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜２６とで構成されている。２７は前記振動子１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３の主面に前記内側駆動部１５と外側駆動部２１との間に位置して設けられた検知部で、この検知部２７は前記振動子１１の主面に設けられた一対のＰｔからなる検知下部電極２８と、この検知下部電極２８の上面に設けられた検知圧電薄膜２９と、この検知圧電薄膜２９の上面に設けられ、かつＴｉおよびＡｕを層状に設けた検知上部電極３０とで構成されている。そして、前記検知圧電薄膜２９はチタン酸鉛膜３１と、このチタン酸鉛膜３１の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜３２とで構成されている。そしてまた、前記振動子１１における第１のアーム１２の裏面には、図２および図４に示すように、例えばＡｕと、テトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂との混合物からなる半径約２０μｍの半球状の付着部３３を設けており、この付着部３３により、第１のアーム１２と第２のアーム１３との重量バランスが互いに均等になるように構成されている。
【００１９】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその製造方法を説明する。
【００２０】
まず、略厚さ０．２ｍｍの（１１０）面のシリコン（Ｓｉ）ウエハを準備し、このシリコン（Ｓｉ）ウエハ上にＰｔをスパッタもしくは蒸着により略１００Åの厚さとなるように成膜することにより、振動子１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３の上面の内側下部電極１６、外側下部電極２２および検知下部電極２８が設けられる位置に下部電極（図示せず）を形成する。
【００２１】
次に、ＰＺＴ等の圧電薄膜の良好な配向を得るための製造条件の許容範囲を広くすることができるランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛膜（図示せず）をスパッタにより略２００Åの厚さとなるように成膜した後、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をスパッタにより、略２〜３μｍの厚さとなるように成膜することにより、内側圧電薄膜１７、外側圧電薄膜２３および検知圧電薄膜２９が設けられる位置に圧電薄膜（図示せず）を形成する。
【００２２】
次に、Ｔｉをスパッタもしくは蒸着により略１５Åの厚さとなるように成膜した後、その上面にＡｕの材料をスパッタもしくは蒸着により略２０００Åの厚さとなるように成膜することにより、内側上部電極１８、外側上部電極２４および検知上部電極３０が設けられる位置に上部電極（図示せず）を形成する。
【００２３】
次に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、図１および図２に示すような形状の内側下部電極１６、外側下部電極２２、検知下部電極２８、内側圧電薄膜１７、外側圧電薄膜２３、検知圧電薄膜２９、内側上部電極１８、外側上部電極２４および検知上部電極３０を形成する。
【００２４】
最後に、振動子１１に角速度を付加しない状態において、検知部２７における検知上部電極３０に電荷が発生しないように、第１のアーム１２または第２のアーム１３の裏面に、Ａｕ、テトラフルオロエチレン樹脂、水および有機溶剤の混合物からなるインクジェットプリント用インクを、インクジェットプリント方式により、塗布した後、常温で乾燥させて、付着部３３を第１のアーム１２または第２のアーム１３に形成する。
【００２５】
上記したように本発明の一実施の形態においては、第１のアーム１２または第２のアーム１３の裏面に、Ａｕ、テトラフルオロエチレン樹脂、水および有機溶剤の混合物からなるインクジェットプリント用インクを、インクジェットプリント方式により、塗布した後、常温で乾燥させて、付着部３３を設けているため、第１のアーム１２と第２のアーム１３との重量バランスが互いに均等になることとになり、その結果、一対のアームのうちの一方をトリミングするということがなくなるから、角速度センサが小型化しても、強度が劣化することのないという作用効果を有するものである。
【００２６】
次に、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、その動作を図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図５、図６において、３９は分極方向を示す矢印、４０、４１は内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３の伸縮方向を示す矢印である。この図５、図６において、内側下部電極１６と内側上部電極１８との間、および外側下部電極２２と外側上部電極２４との間にＤＣ約２０Ｖを印加すると、内側圧電薄膜１７、外側圧電薄膜２３および検知圧電薄膜２９の分極ベクトルの方向は一方向に揃う。例えば、内側下部電極１６および外側下部電極２２がプラス側に、内側上部電極１８および外側上部電極２４がマイナス側になるようにＤＣ電圧を印加すると、矢印３９に示すような方向に分極ベクトルが向く。このような内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３に対して図５に示すように、内側上部電極１８および外側上部電極２４が内側下部電極１６および外側下部電極２２よりも高電位になるように電圧を印加すると内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３は矢印に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印４０の方向に伸びる。逆に、図６に示すように、内側上部電極１８および外側上部電極２４が内側下部電極１６および外側下部電極２２よりも低電位になるように電圧を印加すると内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３は矢印３９に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印４１の方向に縮む。
【００２８】
したがって、内側下部電極１６および外側下部電極２２をＧＮＤ電極または仮想ＧＮＤ電極とし、そして内側上部電極１８および外側上部電極２４に交流電圧を印加すると、内側圧電薄膜１７および外側圧電薄膜２３は、矢印４０、４１に示すように伸び縮みする。
【００２９】
また、図２に示す内側上部電極１８および外側上部電極２４に互いに位相が１８０°異なる交流電圧を印加することにより、内側圧電薄膜１７が伸びる場合は、外側圧電薄膜２３は縮む。逆に、内側圧電薄膜１７が縮む場合は、外側圧電薄膜２３は伸びる。
【００３０】
以上の原理に基づき、振動子１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３は互いに逆方向（Ｘ方向）に振動子共振する。
【００３１】
そして、この状態において、振動子１１からなる角速度センサにおける振動子１１の長手方向の軸方向周りに角速度が付加されると、振動子１１の第１のアーム１２および第２のアーム１３の主面に直角な方向（Ｚ方向）に発生するコリオリ力に起因した振動によって、第１のアーム１２と第２のアーム１３とが互いに逆方向に撓む。そしてこの逆方向への撓みにより、第１のアーム１２における検知圧電薄膜２９と第２のアーム１３における検知圧電薄膜２９とに発生する電荷が互いに逆となる。そこで、その電荷を検知上部電極３０により検出し、そして、差動アンプ（図示せず）により差動をとることにより、出力信号を出力し、角速度を検出するものである。
【００３２】
ここで、振動子１１の製造のバラツキにより、角速度センサに角速度が付加されていない状態においても、振動子１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３が駆動方向に対して斜めに振動する場合を考えて見ると、このような場合には、角速度が付加されていない状態においても、第１のアーム１２が検知部２７を設けた側と反対側に撓むため、第１のアーム１２における検知上部電極３０には正の電荷が発生することになる。一方、第２のアーム１３は検知部２７を設けた側に撓むことになるため、第２のアーム１３における検知上部電極３０には負の電荷が発生することになる。そして、この電荷の差動をとるため、あたかも角速度が生じているかのような出力信号が角速度センサから出力されることになってしまうものである。
【００３３】
しかしながら、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、第１のアーム１２または第２のアーム１３の裏面に、Ａｕ、テトラフルオロエチレン樹脂、水および有機溶剤の混合物からなるインクジェットプリント用インクを、インクジェットプリント方式により、塗布した後、常温で乾燥させて、付着部３３を第１のアーム１２または第２のアーム１３に形成したため、振動子１１における第１のアーム１２および第２のアーム１３は駆動方向に対して斜めに振動する際に発生する電荷を相殺することになるため、角速度センサからの出力信号の調整をすることができるものである。
【００３４】
なお、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、振動子１１における第１のアーム１２にＡｕと、テトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂との混合物からなる付着部３３を設ける構成としたが、Ａｕの代わりに、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属としたり、テトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂の代わりに、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂類、あるいはオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂との混合物としても良いものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る角速度センサは、角速度センサが小型化しても、アームの強度が劣化することのない角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、各種電子機器に用いる角速度センサとして有用となるものである。
【符号の説明】
【００３６】
１１  振動子
１２  第１のアーム
１３  第２のアーム
１４  接続部
１５  内側駆動部
２１  外側駆動部
２７  検知部
３３  付着部
【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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