角速度センサ素子
【課題】本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサに用いられる角速度センサ素子に関し、出力感度の大きな角速度センサ素子を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の角速度センサ素子は、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂの形状を錘部１０の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたものであり、この構成によれば、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの振動方向への変位量が大きくなり、これにより、出力感度が大きな角速度センサ素子を提供することができる。
【解決手段】本発明の角速度センサ素子は、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂの形状を錘部１０の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたものであり、この構成によれば、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの振動方向への変位量が大きくなり、これにより、出力感度が大きな角速度センサ素子を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサ素子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素子は、図１１に示されるように構成されていた。
【０００３】
図１１は従来の角速度センサ素子の上面図である。
【０００４】
図１１において、固定部１を中心として十字方向に設けられたアーム２ａ，２ｂと、この４つのアーム２ａ、２ｂのうち対称配置された一対のアーム２ａを検出アーム２ａとし、残る一対のアーム２ｂを支持アーム２ｂとして、この支持アーム２ｂの先端に駆動アーム３を設け、駆動アーム３を矢印で示すように振動させることで、角速度が加わることで駆動アーム３にコリオリ力が働き、このコリオリ力に伴う応力がアーム２ｂを介して検出アーム２ａに伝達され、検出アーム２ａを矢印で示す方向に振動させることになり、この振動による検出アーム２ａの撓みを電気信号に変換し出力する構造が知られている。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３３７０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来の角速度センサ素子においては、駆動アーム３の中央部分を支持アーム２ｂに固定した片持ち梁構造であるため、駆動アーム３の振動基点となる支持アーム２ｂの先端部分と駆動アーム３の先端部分との変形量が少なくなり、これにより、角速度センサ素子の出力感度が小さくなってしまうという課題を有していた。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、出力感度の大きな角速度センサ素子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】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の請求項１に記載の発明は、一対の固定部と、この一対の固定部のうちの一方の固定部に一端が支持された第１の駆動アームと、他方の固定部に一端が支持されるとともに前記第１の駆動アームと連設された第２の駆動アームと、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの他端に支持された錘部と、前記一対の固定部の双方を連結する連結部と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に前記錘部を駆動振動させる圧電体層を設けた駆動電極と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて第１の駆動アームおよび第２の駆動アームに発生するコリオリ力を検出する圧電体層を設けた検出電極とを備え、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたもので、この構成によれば、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたため、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの振動方向への変位量が大きくなり、これにより、出力感度が大きくなるという作用効果を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、角速度センサの周囲の温度が変化すると、一対の固定部の各々に弾性部を設けたため、弾性部が弾性変形することとなり、これにより、弾性部以外の固定部に引張応力が加わらなくなるから、温度変化による角速度センサ素子の駆動振動数および検出振動数の上昇が同程度となり、その結果、離調振動数が変化しづらくなるため、温度変化に対する角速度センサの出力信号が変動しないという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、一対の固定部の各々に孔を設けることにより孔の近傍に弾性部を設けたため、弾性部が弾性変形することとなり、これにより、弾性部以外の固定部に引張応力が加わらなくなるから、温度変化による角速度センサ素子の駆動振動数および検出振動数の上昇が同程度となり、その結果、離調振動数が変化しづらくなるため、温度変化に対する角速度センサの出力信号が変動しないとともに、一対の固定部の各々の孔以外の箇所で、一対の固定部を確実に、ＡＳＩＣに固定することが出来るから、角速度センサ素子をＡＳＩＣに固定する強度が向上するという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明の角速度センサ素子は、一対の固定部と、この一対の固定部のうちの一方の固定部に一端が支持された第１の駆動アームと、他方の固定部に一端が支持されるとともに前記第１の駆動アームと連設された第２の駆動アームと、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの他端に支持された錘部と、前記一対の固定部の双方を連結する連結部と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に前記錘部を駆動振動させる圧電体層を設けた駆動電極と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて第１の駆動アームおよび第２の駆動アームに発生するコリオリ力を検出する圧電体層を設けた検出電極とを備え、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたもので、この構成によれば、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたため、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの振動方向への変位量が大きくなり、これにより、出力感度が大きな角速度センサ素子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】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における角速度センサ素子を用いた角速度センサを示す分解斜視図
【図２】同角速度センサ素子の上面図
【図３】同角速度センサ素子の駆動振動状態を示す模式図
【図４】同角速度センサ素子の検出振動状態を示す模式図
【図５】同角速度センサ素子に設けられた電極の伸縮原理を示す模式図
【図６】同角速度センサ素子の駆動原理を示す模式図
【図７】同角速度センサ素子の検出原理を示す模式図
【図８】本発明の実施の形態２における角速度センサ素子の上面図
【図９】同角速度センサ素子の弾性部が変形する状態を示す上面図
【図１０】同実施の形態２における他の角速度センサ素子の例を示す上面図
【図１１】従来の角速度センサ素子の模式図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態１における角速度センサ素子を用いた角速度センサを示す分解斜視図、図２は同角速度センサ素子の上面図である。
【００１７】
図１，図２において、角速度センサ素子を用いた角速度センサの基本構造はパッケージ４内に角速度センサ素子５と、この角速度センサ素子５に駆動信号を印加する駆動制御回路および角速度センサ素子５から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＡＳＩＣ６を配置し、パッケージ４の開口をリッド７で封口した構造となっている。なお、ＡＳＩＣ６および角速度センサ素子５は防振対策用のＴＡＢテープ８を介してパッケージ４に取り付けられている。
【００１８】
また、角速度センサ素子５は図２に示されるように、９ａは第１の固定部で、この第１の固定部９ａは第２の固定部９ｂと連結部９ｃにより連結されている。そして、前記第１の固定部９ａと第２の固定部９ｂとを挟む両側に錘部１０を対称配置し、それぞれの錘部１０を第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂで各々接続した形状となっており、第１の駆動アーム１１ａ上には後述する駆動電極１２を設けている。一方、第２の駆動アーム１１ｂには駆動電極１２、検出電極１３およびモニタ電極１４が適宜配置され、前記第１の固定部９ａおよび第２の固定部９ｂに設けられたパッド電極１５と接続配線１６を介して接続されている。なお、それぞれの第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂは第１の固定部９ａおよび第２の固定部９ｂと錘部１０を結ぶ方向（Ｘ軸方向）と直交する向き（Ｙ軸方向）に延びるアーム辺の折り返し構造となっている。
【００１９】
そして、ＡＳＩＣ６で形成された駆動信号をパッド電極１５、接続配線１６を介して駆動電極１２に駆動信号を印加することで、図３に示すように錘部１０をＸ軸方向に伸縮するように振動させ、この駆動振動状態において角速度センサ素子５の基板面（ＸＹ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に回転軸を有する角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂが図４に示すようにＹ軸方向に振動するようになり、この検出振動による第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂの変形を図２に示す検出電極１３で検知し電気信号に変換し、この検出信号を接続配線１６、パッド電極１５を介してＡＳＩＣ６に出力する構造となっている。また、モニタ電極１４は駆動アーム１１の振幅や駆動周期を検出してその情報をＡＳＩＣ６にフィードバックさせ駆動信号および検出信号を制御するために設けている。
【００２０】
なお、角速度センサ素子５はＳｉからなる基板上に駆動電極１２、検出電極１３、モニタ電極１４などを設けた構造であり、各電極構造は図５に示すように基板１７上に設けられたＰｔからなる下部電極１８と、この下部電極１８上に設けられたＰＺＴからなる圧電体層１９と、この圧電体層１９上に設けられたＡｕからなる上部電極２０とからなる積層電極であり、下部電極１８をグランド接続した状態で上部電極２０に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、基板１７が面内方向で伸びるものである。一方、上部電極２０に負電圧を印加すると電極の積層方向に対して引張力が働き、基板１７が面内方向に縮むものである。また、この逆の現象として、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを撓ませ、圧電体層１９を縮ませれば負電圧が生じ、圧電体層１９を伸ばせば正電圧が生じる。なお、上部電極２０と圧電体層１９の間や下部電極１８と圧電体層１９との間には特に図示していないが層間の密着力を高めるためＴｉからなる密着層（図示せず）が介在している。
【００２１】
そして、この角速度センサ素子５を駆動させるにあたっては、図６に示されるように錘部１０側に接続されたアーム辺を一点鎖線２１ａ，２１ｂで示すように縦横の中心軸（縦の中心軸はアーム辺の延伸方向の中心軸２１ａとし、横の中心軸はアーム辺の撓みの変曲点を含む延伸方向と直交する中心軸２１ｂとする）で４分割する。そして、駆動電極１２を錘部１０に近接する側とその対角位置に配置し、これらに同じ電位の駆動信号を印加するように制御することで、共に正電圧を印加すれば共に圧縮力が発生し伸びが生じ、アーム辺がＳ字状に撓む。一方、負電圧を印加すれば共に引張応力が発生し縮みが生じ、アーム辺が正電圧を印加した場合と逆に撓もうとするので、この動作を繰り返すことで錘部１０を駆動振動させることが出来るものである。
【００２２】
なお、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを錘部１０の振動方向と直交するアーム辺の折り返し構造とし、このアーム辺の撓みにより第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂの振幅を確保したことで、図１１に示す従来の片持ち梁構造の駆動アーム３の振幅より多くの振幅が得られるとともに、アーム辺が振動方向と直交する方向に延出していることから、個々のアーム辺の全体で撓み振動するのでコリオリ力を受けやすい構造であり、結果として角速度センサ素子５の検出レベルを向上させている。
【００２３】
また、この角速度センサ素子５において図４に示す検出振動から検出信号を形成するにあたっては、図７に示すように検出電極１３をアーム辺の延伸方向の中心軸２２ａに対して偏芯させた位置に配置することで、コリオリ力によるアーム辺の撓み成分を効率よく電気信号に変換できる。
【００２４】
すなわち、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを構成するアーム辺は、図４で示したように、角速度が印加された状態で弓なりに撓むので、この弓なりの撓みに対して検出信号を形成しなければならず、図７に示すように検出電極１３がアーム辺の中心軸２２ａより右側に偏芯させて設ければ、アーム辺が図中左側に撓む場合、アーム辺の右半分には検出電極１３を伸ばす力が加わるので正電圧が誘起され、アーム辺が図中右側に撓む場合、アーム辺の右半分には検出電極１３を縮ませる力が加わるので負電圧が誘起されるものである。
【００２５】
また、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂをアーム辺の折り返し構造としたことで、１つの錘部１０に対して第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを連設し、第１の駆動アーム１１ａを第２の駆動アーム１１ｂと対称形状とすることで、駆動振動の方向性を高めることが出来る。なお、各第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂに設けられる駆動電極１２についても同様に対称配置することで、より駆動振動の方向性を高めることができる。
【００２６】
さらに、本発明の実施の形態１における角速度センサ素子においては、第１の固定部９ａと第２の固定部９ｂとを連結部９ｃで連結しているため、角速度センサ素子に角速度が働かない状態において、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂが駆動方向と垂直な方向であるコリオリ力が生じる方向に移動することを防止することができるという作用効果を有するものである。
【００２７】
なお、上述した角速度センサにおいては、角速度センサ素子５としてＳｉからなる基板１７上にＰＺＴを用いた積層電極を配置した構造を挙げて説明したが、基板１７を水晶などの圧電体で構成し基板１７の対向面に対向電極を形成した構造としても、角速度センサ素子５における駆動振動の振幅を大きくでき、検出レベルが高められる構成に変わりはなく同様の効果を奏することが出来る。
【００２８】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図８は本発明の実施の形態２における角速度センサ素子の上面図である。
【００３０】
実施の形態１の図２と同じものは同一符号を付し説明を省略する。
【００３１】
実施の形態１の図２と相違するのは、第１の固定部３１に第１の孔３２を設けることにより、第１の孔３２の近傍に第１の弾性部３３を設けるとともに、第２の固定部３４に第２の孔３５を設けることにより、第２の孔３５の近傍に第２の弾性部３６を設けた点である。
【００３２】
ここで、角速度センサの周囲の温度が２５℃〜−４０℃まで変化する場合を考える。図１に示すように、本発明の実施の形態１におけるＡＳＩＣ６に角速度センサ素子５を固定すると、角速度センサ素子５およびＡＳＩＣ６の熱膨張係数の差により、ＡＳＩＣ６よりも、角速度センサ素子５の方が大きく収縮する。そうすると、角速度センサ素子５における第１の固定部９ａおよび第２の固定部９ｂに引張応力が加わる。そして、（表１）に示すように、角速度センサ素子５の駆動振動数ｆｄが約１０７Ｈｚ上昇し、一方、検出振動数ｆｓが３３Ｈｚ上昇する。そのため、角速度センサ素子５の離調振動数Δｆが７４Ｈｚ変化する。この離調振動数Δｆの変化により、角速度センサの出力信号が変化する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
本発明の実施の形態２における角速度センサ素子においては、第１の固定部３１に第１の孔３２を設けることにより第１の孔３２の近傍に第１の弾性部３３を設けるとともに、第２の固定部３４に第２の孔３５を設けることにより第２の孔３５の近傍に第２の弾性部３６を設けたため、図９に示すように、第１の弾性部３３および第２の弾性部３６が弾性変形することとなり、これにより、第１の弾性部３３および第２の弾性部３６以外の第１の固定部３１および第２の固定部３４に引張応力が加わらなくなるから、（表２）に示すように、角速度センサ素子５の駆動振動数の上昇が１０７Ｈｚ、一方、検出振動数の上昇が９４Ｈｚと、両者の上昇が同程度となる。
【００３５】
【表２】
【００３６】
その結果、離調振動数Δｆの変化が１２Ｈｚと小さくなるため、温度変化に対する角速度センサの出力信号の変化量が小さくなるとともに、第１の固定部３１の第１の孔３２以外の箇所および第２の固定部３４の第２の孔３５以外の箇所で、第１の固定部３１および第２の固定部３４を確実に、ＡＳＩＣ６に固定することが出来るから、角速度センサ素子５をＡＳＩＣ６に固定する強度が向上するという作用効果を有するものである。
【００３７】
なお、本発明の実施の形態２における角速度センサ素子５においては、第１の固定部３１に第１の孔３２を設けることにより第１の孔３２の近傍に第１の弾性部３３を設けるとともに、第２の固定部３４に第２の孔３５を設けることにより第２の孔３５の近傍に第２の弾性部３６を設ける構成としたが、図１０に示すように、第１の固定部３７に切欠部３８を設けることにより、第１の弾性部３９を設けるとともに、第２の固定部４０に切欠部４１を設けることにより、第２の弾性部４２を設けても同様の効果を有するものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、角速度センサ素子の検出レベルを高めるという効果を有し、特にナビゲーションシステムなどの小型で高感度な特性を要求する角速度センサに用いる角速度センサ素子として有用なものである。
【符号の説明】
【００３９】
９ａ，３１，３７ 第１の固定部
９ｂ，３４，４０ 第２の固定部
９ｃ 連結部
１０ 錘部
１１ａ 第１の駆動アーム
１１ｂ 第２の駆動アーム
１２ 駆動電極
１３ 検出電極
１９ 圧電体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサ素子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素子は、図１１に示されるように構成されていた。
【０００３】
図１１は従来の角速度センサ素子の上面図である。
【０００４】
図１１において、固定部１を中心として十字方向に設けられたアーム２ａ，２ｂと、この４つのアーム２ａ、２ｂのうち対称配置された一対のアーム２ａを検出アーム２ａとし、残る一対のアーム２ｂを支持アーム２ｂとして、この支持アーム２ｂの先端に駆動アーム３を設け、駆動アーム３を矢印で示すように振動させることで、角速度が加わることで駆動アーム３にコリオリ力が働き、このコリオリ力に伴う応力がアーム２ｂを介して検出アーム２ａに伝達され、検出アーム２ａを矢印で示す方向に振動させることになり、この振動による検出アーム２ａの撓みを電気信号に変換し出力する構造が知られている。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３３７０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来の角速度センサ素子においては、駆動アーム３の中央部分を支持アーム２ｂに固定した片持ち梁構造であるため、駆動アーム３の振動基点となる支持アーム２ｂの先端部分と駆動アーム３の先端部分との変形量が少なくなり、これにより、角速度センサ素子の出力感度が小さくなってしまうという課題を有していた。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、出力感度の大きな角速度センサ素子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】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の請求項１に記載の発明は、一対の固定部と、この一対の固定部のうちの一方の固定部に一端が支持された第１の駆動アームと、他方の固定部に一端が支持されるとともに前記第１の駆動アームと連設された第２の駆動アームと、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの他端に支持された錘部と、前記一対の固定部の双方を連結する連結部と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に前記錘部を駆動振動させる圧電体層を設けた駆動電極と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて第１の駆動アームおよび第２の駆動アームに発生するコリオリ力を検出する圧電体層を設けた検出電極とを備え、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたもので、この構成によれば、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたため、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの振動方向への変位量が大きくなり、これにより、出力感度が大きくなるという作用効果を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、角速度センサの周囲の温度が変化すると、一対の固定部の各々に弾性部を設けたため、弾性部が弾性変形することとなり、これにより、弾性部以外の固定部に引張応力が加わらなくなるから、温度変化による角速度センサ素子の駆動振動数および検出振動数の上昇が同程度となり、その結果、離調振動数が変化しづらくなるため、温度変化に対する角速度センサの出力信号が変動しないという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、一対の固定部の各々に孔を設けることにより孔の近傍に弾性部を設けたため、弾性部が弾性変形することとなり、これにより、弾性部以外の固定部に引張応力が加わらなくなるから、温度変化による角速度センサ素子の駆動振動数および検出振動数の上昇が同程度となり、その結果、離調振動数が変化しづらくなるため、温度変化に対する角速度センサの出力信号が変動しないとともに、一対の固定部の各々の孔以外の箇所で、一対の固定部を確実に、ＡＳＩＣに固定することが出来るから、角速度センサ素子をＡＳＩＣに固定する強度が向上するという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明の角速度センサ素子は、一対の固定部と、この一対の固定部のうちの一方の固定部に一端が支持された第１の駆動アームと、他方の固定部に一端が支持されるとともに前記第１の駆動アームと連設された第２の駆動アームと、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの他端に支持された錘部と、前記一対の固定部の双方を連結する連結部と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に前記錘部を駆動振動させる圧電体層を設けた駆動電極と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて第１の駆動アームおよび第２の駆動アームに発生するコリオリ力を検出する圧電体層を設けた検出電極とを備え、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたもので、この構成によれば、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたため、第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの振動方向への変位量が大きくなり、これにより、出力感度が大きな角速度センサ素子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】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における角速度センサ素子を用いた角速度センサを示す分解斜視図
【図２】同角速度センサ素子の上面図
【図３】同角速度センサ素子の駆動振動状態を示す模式図
【図４】同角速度センサ素子の検出振動状態を示す模式図
【図５】同角速度センサ素子に設けられた電極の伸縮原理を示す模式図
【図６】同角速度センサ素子の駆動原理を示す模式図
【図７】同角速度センサ素子の検出原理を示す模式図
【図８】本発明の実施の形態２における角速度センサ素子の上面図
【図９】同角速度センサ素子の弾性部が変形する状態を示す上面図
【図１０】同実施の形態２における他の角速度センサ素子の例を示す上面図
【図１１】従来の角速度センサ素子の模式図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態１における角速度センサ素子を用いた角速度センサを示す分解斜視図、図２は同角速度センサ素子の上面図である。
【００１７】
図１，図２において、角速度センサ素子を用いた角速度センサの基本構造はパッケージ４内に角速度センサ素子５と、この角速度センサ素子５に駆動信号を印加する駆動制御回路および角速度センサ素子５から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＡＳＩＣ６を配置し、パッケージ４の開口をリッド７で封口した構造となっている。なお、ＡＳＩＣ６および角速度センサ素子５は防振対策用のＴＡＢテープ８を介してパッケージ４に取り付けられている。
【００１８】
また、角速度センサ素子５は図２に示されるように、９ａは第１の固定部で、この第１の固定部９ａは第２の固定部９ｂと連結部９ｃにより連結されている。そして、前記第１の固定部９ａと第２の固定部９ｂとを挟む両側に錘部１０を対称配置し、それぞれの錘部１０を第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂで各々接続した形状となっており、第１の駆動アーム１１ａ上には後述する駆動電極１２を設けている。一方、第２の駆動アーム１１ｂには駆動電極１２、検出電極１３およびモニタ電極１４が適宜配置され、前記第１の固定部９ａおよび第２の固定部９ｂに設けられたパッド電極１５と接続配線１６を介して接続されている。なお、それぞれの第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂは第１の固定部９ａおよび第２の固定部９ｂと錘部１０を結ぶ方向（Ｘ軸方向）と直交する向き（Ｙ軸方向）に延びるアーム辺の折り返し構造となっている。
【００１９】
そして、ＡＳＩＣ６で形成された駆動信号をパッド電極１５、接続配線１６を介して駆動電極１２に駆動信号を印加することで、図３に示すように錘部１０をＸ軸方向に伸縮するように振動させ、この駆動振動状態において角速度センサ素子５の基板面（ＸＹ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に回転軸を有する角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂが図４に示すようにＹ軸方向に振動するようになり、この検出振動による第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂの変形を図２に示す検出電極１３で検知し電気信号に変換し、この検出信号を接続配線１６、パッド電極１５を介してＡＳＩＣ６に出力する構造となっている。また、モニタ電極１４は駆動アーム１１の振幅や駆動周期を検出してその情報をＡＳＩＣ６にフィードバックさせ駆動信号および検出信号を制御するために設けている。
【００２０】
なお、角速度センサ素子５はＳｉからなる基板上に駆動電極１２、検出電極１３、モニタ電極１４などを設けた構造であり、各電極構造は図５に示すように基板１７上に設けられたＰｔからなる下部電極１８と、この下部電極１８上に設けられたＰＺＴからなる圧電体層１９と、この圧電体層１９上に設けられたＡｕからなる上部電極２０とからなる積層電極であり、下部電極１８をグランド接続した状態で上部電極２０に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、基板１７が面内方向で伸びるものである。一方、上部電極２０に負電圧を印加すると電極の積層方向に対して引張力が働き、基板１７が面内方向に縮むものである。また、この逆の現象として、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを撓ませ、圧電体層１９を縮ませれば負電圧が生じ、圧電体層１９を伸ばせば正電圧が生じる。なお、上部電極２０と圧電体層１９の間や下部電極１８と圧電体層１９との間には特に図示していないが層間の密着力を高めるためＴｉからなる密着層（図示せず）が介在している。
【００２１】
そして、この角速度センサ素子５を駆動させるにあたっては、図６に示されるように錘部１０側に接続されたアーム辺を一点鎖線２１ａ，２１ｂで示すように縦横の中心軸（縦の中心軸はアーム辺の延伸方向の中心軸２１ａとし、横の中心軸はアーム辺の撓みの変曲点を含む延伸方向と直交する中心軸２１ｂとする）で４分割する。そして、駆動電極１２を錘部１０に近接する側とその対角位置に配置し、これらに同じ電位の駆動信号を印加するように制御することで、共に正電圧を印加すれば共に圧縮力が発生し伸びが生じ、アーム辺がＳ字状に撓む。一方、負電圧を印加すれば共に引張応力が発生し縮みが生じ、アーム辺が正電圧を印加した場合と逆に撓もうとするので、この動作を繰り返すことで錘部１０を駆動振動させることが出来るものである。
【００２２】
なお、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを錘部１０の振動方向と直交するアーム辺の折り返し構造とし、このアーム辺の撓みにより第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂの振幅を確保したことで、図１１に示す従来の片持ち梁構造の駆動アーム３の振幅より多くの振幅が得られるとともに、アーム辺が振動方向と直交する方向に延出していることから、個々のアーム辺の全体で撓み振動するのでコリオリ力を受けやすい構造であり、結果として角速度センサ素子５の検出レベルを向上させている。
【００２３】
また、この角速度センサ素子５において図４に示す検出振動から検出信号を形成するにあたっては、図７に示すように検出電極１３をアーム辺の延伸方向の中心軸２２ａに対して偏芯させた位置に配置することで、コリオリ力によるアーム辺の撓み成分を効率よく電気信号に変換できる。
【００２４】
すなわち、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを構成するアーム辺は、図４で示したように、角速度が印加された状態で弓なりに撓むので、この弓なりの撓みに対して検出信号を形成しなければならず、図７に示すように検出電極１３がアーム辺の中心軸２２ａより右側に偏芯させて設ければ、アーム辺が図中左側に撓む場合、アーム辺の右半分には検出電極１３を伸ばす力が加わるので正電圧が誘起され、アーム辺が図中右側に撓む場合、アーム辺の右半分には検出電極１３を縮ませる力が加わるので負電圧が誘起されるものである。
【００２５】
また、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂをアーム辺の折り返し構造としたことで、１つの錘部１０に対して第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂを連設し、第１の駆動アーム１１ａを第２の駆動アーム１１ｂと対称形状とすることで、駆動振動の方向性を高めることが出来る。なお、各第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂに設けられる駆動電極１２についても同様に対称配置することで、より駆動振動の方向性を高めることができる。
【００２６】
さらに、本発明の実施の形態１における角速度センサ素子においては、第１の固定部９ａと第２の固定部９ｂとを連結部９ｃで連結しているため、角速度センサ素子に角速度が働かない状態において、第１の駆動アーム１１ａおよび第２の駆動アーム１１ｂが駆動方向と垂直な方向であるコリオリ力が生じる方向に移動することを防止することができるという作用効果を有するものである。
【００２７】
なお、上述した角速度センサにおいては、角速度センサ素子５としてＳｉからなる基板１７上にＰＺＴを用いた積層電極を配置した構造を挙げて説明したが、基板１７を水晶などの圧電体で構成し基板１７の対向面に対向電極を形成した構造としても、角速度センサ素子５における駆動振動の振幅を大きくでき、検出レベルが高められる構成に変わりはなく同様の効果を奏することが出来る。
【００２８】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図８は本発明の実施の形態２における角速度センサ素子の上面図である。
【００３０】
実施の形態１の図２と同じものは同一符号を付し説明を省略する。
【００３１】
実施の形態１の図２と相違するのは、第１の固定部３１に第１の孔３２を設けることにより、第１の孔３２の近傍に第１の弾性部３３を設けるとともに、第２の固定部３４に第２の孔３５を設けることにより、第２の孔３５の近傍に第２の弾性部３６を設けた点である。
【００３２】
ここで、角速度センサの周囲の温度が２５℃〜−４０℃まで変化する場合を考える。図１に示すように、本発明の実施の形態１におけるＡＳＩＣ６に角速度センサ素子５を固定すると、角速度センサ素子５およびＡＳＩＣ６の熱膨張係数の差により、ＡＳＩＣ６よりも、角速度センサ素子５の方が大きく収縮する。そうすると、角速度センサ素子５における第１の固定部９ａおよび第２の固定部９ｂに引張応力が加わる。そして、（表１）に示すように、角速度センサ素子５の駆動振動数ｆｄが約１０７Ｈｚ上昇し、一方、検出振動数ｆｓが３３Ｈｚ上昇する。そのため、角速度センサ素子５の離調振動数Δｆが７４Ｈｚ変化する。この離調振動数Δｆの変化により、角速度センサの出力信号が変化する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
本発明の実施の形態２における角速度センサ素子においては、第１の固定部３１に第１の孔３２を設けることにより第１の孔３２の近傍に第１の弾性部３３を設けるとともに、第２の固定部３４に第２の孔３５を設けることにより第２の孔３５の近傍に第２の弾性部３６を設けたため、図９に示すように、第１の弾性部３３および第２の弾性部３６が弾性変形することとなり、これにより、第１の弾性部３３および第２の弾性部３６以外の第１の固定部３１および第２の固定部３４に引張応力が加わらなくなるから、（表２）に示すように、角速度センサ素子５の駆動振動数の上昇が１０７Ｈｚ、一方、検出振動数の上昇が９４Ｈｚと、両者の上昇が同程度となる。
【００３５】
【表２】
【００３６】
その結果、離調振動数Δｆの変化が１２Ｈｚと小さくなるため、温度変化に対する角速度センサの出力信号の変化量が小さくなるとともに、第１の固定部３１の第１の孔３２以外の箇所および第２の固定部３４の第２の孔３５以外の箇所で、第１の固定部３１および第２の固定部３４を確実に、ＡＳＩＣ６に固定することが出来るから、角速度センサ素子５をＡＳＩＣ６に固定する強度が向上するという作用効果を有するものである。
【００３７】
なお、本発明の実施の形態２における角速度センサ素子５においては、第１の固定部３１に第１の孔３２を設けることにより第１の孔３２の近傍に第１の弾性部３３を設けるとともに、第２の固定部３４に第２の孔３５を設けることにより第２の孔３５の近傍に第２の弾性部３６を設ける構成としたが、図１０に示すように、第１の固定部３７に切欠部３８を設けることにより、第１の弾性部３９を設けるとともに、第２の固定部４０に切欠部４１を設けることにより、第２の弾性部４２を設けても同様の効果を有するものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、角速度センサ素子の検出レベルを高めるという効果を有し、特にナビゲーションシステムなどの小型で高感度な特性を要求する角速度センサに用いる角速度センサ素子として有用なものである。
【符号の説明】
【００３９】
９ａ，３１，３７ 第１の固定部
９ｂ，３４，４０ 第２の固定部
９ｃ 連結部
１０ 錘部
１１ａ 第１の駆動アーム
１１ｂ 第２の駆動アーム
１２ 駆動電極
１３ 検出電極
１９ 圧電体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の固定部と、この一対の固定部のうちの一方の固定部に一端が支持された第１の駆動アームと、他方の固定部に一端が支持されるとともに前記第１の駆動アームと連設された第２の駆動アームと、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの他端に支持された錘部と、前記一対の固定部の双方を連結する連結部と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に前記錘部を駆動振動させる圧電体層を設けた駆動電極と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて第１の駆動アームおよび第２の駆動アームに発生するコリオリ力を検出する圧電体層を設けた検出電極とを備え、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造とした角速度センサ素子。
【請求項２】
一対の固定部の各々に弾性部を設けた請求項１記載の角速度センサ素子。
【請求項３】
一対の固定部の各々に孔を設けることにより孔の近傍に弾性部を設ける構成とした請求項２記載の角速度センサ素子。
【請求項１】
一対の固定部と、この一対の固定部のうちの一方の固定部に一端が支持された第１の駆動アームと、他方の固定部に一端が支持されるとともに前記第１の駆動アームと連設された第２の駆動アームと、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの他端に支持された錘部と、前記一対の固定部の双方を連結する連結部と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に前記錘部を駆動振動させる圧電体層を設けた駆動電極と、前記第１の駆動アームと第２の駆動アームとのいずれか一方または両方に設けられて第１の駆動アームおよび第２の駆動アームに発生するコリオリ力を検出する圧電体層を設けた検出電極とを備え、前記第１の駆動アームおよび第２の駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造とした角速度センサ素子。
【請求項２】
一対の固定部の各々に弾性部を設けた請求項１記載の角速度センサ素子。
【請求項３】
一対の固定部の各々に孔を設けることにより孔の近傍に弾性部を設ける構成とした請求項２記載の角速度センサ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２０９２７０（Ｐ２０１１−２０９２７０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５８７（Ｐ２０１１−３５８７）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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