JP2008180511A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】実装体積の小さな３軸の角速度センサを提供すること。
【解決手段】本発明は、第１ベース部と前記第１ベース部から第１方向に延びる複数の第１アーム部とを有する第１音叉型振動子１０ａと、第２ベース部と前記第２ベース部から第２方向に延びる複数の第２アーム部とを有する第２音叉型振動子１０ｂと、第４方向に延びる軸を支点に振動する駆動ジンバル部と、第５方向に延びる軸を支点に振動する検出ジンバル部とを有し第３方向に延びる軸の角速度を検出するダブルジンバル部と、を具備する角速度センサである。
【選択図】図１

Description

本発明は角速度センサに関し、特に３軸の角速度を検知する角速度センサに関する。

角速度センサは回転時の角速度を検知するセンサであり、カメラの手ぶれ防止やカーナビゲーションなどのシステム、自動車、ロボットの姿勢制御システムなどに利用されている。角速度センサとして、音叉型振動子を有する角速度センサが知られている。音叉型振動子は、ベース部とベース部から延びる複数のアーム部とを有しており、アーム部の延在する方向を検知軸とする角速度を検知することができる。特許文献１及び特許文献２には、２つの方向をそれぞれ軸とする２つの角速度センサにそれぞれ音叉型振動子を用い検出する技術が開示されている。
特開２００６−３００５７７号公報 特開２００６−３０８５４３号公報

しかしながら、３つの音叉型振動子を用い３軸の角速度を検知しようとすると、３つの方向に３つの音叉型振動子のそれぞれのアーム部が延在するように配置することとなる。このため、角速度センサの実装体積が大きくなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、実装体積の小さな３軸の角速度センサを提供することを目的とする。

本発明は、第１ベース部と前記第１ベース部から第１方向に延びる複数の第１アーム部とを有する第１音叉型振動子と、第２ベース部と前記第２ベース部から第２方向に延びる複数の第２アーム部とを有する第２音叉型振動子と、第４方向に延びる軸を支点に振動する駆動ジンバル部と、第５方向に延びる軸を支点に振動する検出ジンバル部とを有し第３方向に延びる軸の角速度を検出するダブルジンバル部と、を具備することを特徴とする角速度センサである。本発明によれば、第１方向に延びる軸の角速度を第１音叉型振動子、第２方向に延びる軸の角速度を第２音叉型振動子、第３方向に延びる軸の角速度をダブルジンバル部を用い検知することができる。よって、３軸の角速度を検知する角速度センサを実現することができ、かつ角速度センサの実装体積を削減することができる。

上記構成において、前記第１方向、前記第２方向及び前記第３方向はそれぞれ直交している構成とすることができる。この構成によれば、直交する３つの方向を軸とする角速度をそれぞれ検知することができる。

上記構成において、前記第４方向と前記第５方向とは直交している構成とすることができる。この構成によれば、検出ジンバル部により、第３方向に延びる軸の角速度を効率よく検出することができる。

上記構成において、前記第１音叉型振動子と前記第２音叉型振動子とは、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に水平な方向に対し少なくとも一部が重なるように設けられている構成とすることができる。この構成によれば、実装体積をより削減することができる。

上記構成において、前記ダブルジンバル部は前記第１音叉型振動子及び前記第２音叉型振動子に対し前記第３方向に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、実装体積をより削減することができる。

上記構成において、前記ダブルジンバル部、前記第１音叉型振動子及び前記第２音叉型振動子は、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に水平な方向に対し少なくとも一部が重なるように設けられている構成とすることができる。この構成によれば、実装体積をより削減することができる。

上記構成において、前記第１音叉型振動子及び前記第２音叉型振動子はＬ字状に設けられ、前記ダブルジンバル部は前記第１音叉型振動子の側方かつ前記第２音叉型振動子の側方に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、実装体積をより削減することができる。

上記構成において、前記検出ジンバル部を保持するため、前記検出ジンバル部の相対する側面に設けられた第１トーションバーを具備し、前記検出ジンバル部の前記相対する側面間の最大幅は、前記第１トーションバーが設けられた前記検出ジンバル部の前記相対する側面間の幅より広い構成とすることができる。この構成によれば、検出ジンバル部の慣性モーメントを大きくし角速度の検知感度を向上させることができる。

上記構成において、前記駆動ジンバル部を保持するため、前記駆動ジンバル部の相対する側面に設けられた第２トーションバーを具備し、前記駆動ジンバル部の前記相対する側面間の最大幅は、前記第２トーションバーが設けられた前記駆動ジンバル部の前記相対する側面間の幅より広い構成とすることができる。

本発明によれば、第１方向に延びる軸の角速度を第１音叉型振動子、第２方向に延びる軸の角速度を第２音叉型振動子、第３方向に延びる軸の角速度をダブルジンバル部を用い検知することができる。よって、３軸の角速度を検知する角速度センサを実現することができ、かつ角速度センサの実装体積を削減することができる。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

図１は実施例１に係る角速度センサにおいて、パッケージ３０にダブルジンバル部を含む第３角速度検知部４０を実装する前の斜視図である。図１を参照に、２本のアーム部を有する第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂがそれぞれ支持部２０ａ及び２０ｂを介しキャビティタイプのパッケージ３０に固着され実装されている。第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂは互いに直交しており、それぞれ各長手方向（アーム部の方向）を検知軸１及び検知軸２とし、検知軸１及び検知軸２を中心とした角速度を検知する。パッケージ３０には例えば基板に電子部品が実装された制御回路３４が実装されている。制御回路３４は、第１音叉型振動子１０ａ、第２音叉型振動子１０ｂ及びダブルジンバル部５０（図２を参照）を制御する回路であり、第１音叉型振動子１０ａ、第２音叉型振動子１０ｂ及びダブルジンバル部５０に駆動信号を供給し、第１音叉型振動子１０ａ、第２音叉型振動子１０ｂ及びダブルジンバル部５０より検出信号が入力する。

図２は第３角速度検知部４０の断面模式図である。ダブルジンバル部５０の両側にガラス板４２及び４４が設けられている。ダブルジンバル部５０のジンバル部の振動を妨げないように、ガラス板４２及び４４のダブルジンバル部５０側には空間４６が形成されており、少なくともガラス板４２及び４４の一方には貫通電極（不図示）が形成されている。

図３はパッケージ３０に第３角速度検知部４０を実装した後の斜視図である。第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂの上に第３角速度検知部４０が実装されている。第３角速度検知部４０は検知軸１及び検知軸２とそれぞれ直交する検知軸３の角速度を検知するダブルジンバル部を有している。第３角速度検知部４０上に蓋部３２を設け、実施例１に係る角速度センサが完成する。

図４は第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂの構造を説明するための音叉型振動子１０の斜視図である。音叉型振動子１０は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の圧電材料からなり、ベース部１３とベース部１３から延びる２本（複数）のアーム部１１及び１２とを有する。ベース部１３は振動が小さいため、図１のように、音叉型振動子１０はベース部１３において支持部２０ａまたは２０ｂを介しパッケージ３０に実装される。アーム部１１及び１２が振動することにより角速度を検知する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は音叉型振動子１０の駆動モードと検出モードを説明するための図である。図５（ａ）を参照に、音叉型振動子１０の駆動電極（不図示）に駆動信号を印加することによりアーム部１１及び１２が互いに開閉するような振動モードを発生させる。この振動はアーム部１１及び１２方向の面に平行な振動である。ここで検知軸に対し角速度が加わると、コリオリ力により図５（ｂ）のようなアーム部１１及び１２が前後に振動する振動モードが現れる。この振動はアーム部１１及び１２方向の面に垂直なツイスト振動である。検出電極（不図示）によりこの振動モードを検出することにより検知軸を中心とした角速度を検知することができる。駆動に用いる振動モードを駆動モード、検知に用いる振動モードを検出モードという。このように、音叉型振動子１０はアーム部１１及び１２の延在方向を軸とする角速度を検知する。なお、駆動モード、検出モードは図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した振動モードには限られない。駆動モードに対しコリオリ力により検出モードが現れればよい。また、音叉型振動子１０はアーム部を３以上の複数有していてもよい。

図６はダブルジンバル部５０の平面図である。図６を参照に、ダブルジンバル部５０は、それぞれ四角形のフレーム部８０、駆動ジンバル部７０及び検出ジンバル部６０を有している。検出ジンバル部６０は、相対する１組の側面に設けられたトーションバー６２により駆動ジンバル部７０に機械的に接続している。このように、トーションバー６２は検出ジンバル部６０を保持する部材である。また、検出ジンバル部６０は、他の１組の相対する側面に各々１対の平行平板電極６５を有する。各１対の平行平板電極６５は、１方が検出ジンバル部６０、もう一方が駆動ジンバル部７０に固定されている。

駆動ジンバル部７０は、相対する１組の外側の側面に設けられたトーションバー７２によりフレーム部８０に機械的に接続している。他の１組の相対する外側の側面に各々１対の櫛歯電極７５を有している。各櫛歯電極７５は一方の電極群が駆動ジンバル部７０に、もう一方の電極群がフレーム部８０に固定されている。

図７はダブルジンバル部５０が角速度を検知する原理を説明するための図である。なお、図７にはフレーム部８０、平行平板電極６５、櫛歯電極７５は図示していない。図７を参照に、トーションバー６２を結ぶ方向をｘ軸、トーションバー７２を結ぶ方向をｙ軸、ダブルジンバル部５０に垂直な方向をｚ軸とする。櫛歯電極７５を用い、駆動ジンバル部７０を検出ジンバル部６０とともにｙ軸（駆動振動軸）を中心に振動（揺動）させる。この状態で、ｚ軸（検知軸３）を中心に回転角速度が加わると、ｙ軸に直交方向にコリオリ力が発生する。このため、駆動ジンバル部７０は、ｙ軸と直交するｘ軸（検出振動軸）を中心に振動しようとする。しかし、駆動ジンバル部７０はトーションバー７２でフレーム部８０に固定されており、振動できない。このため、検出ジンバル部６０が、ｘ軸を中心に振動する。検出ジンバル部６０の振動の大きさを平行平板電極６５が検出する。検出ジンバル部６０の振動の大きさにより検知軸３を中心とする角速度の検知を行うことができる。

図８（ａ）は図６に図示したダブルジンバル部５０のＡ−Ａ断面模式図、図８（ｂ）はＢ−Ｂ断面模式図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照に、ダブルジンバル部５０は、シリコン基板８２、酸化膜８４及びシリコン層８６が順次積層したＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板８８からなる。検出ジンバル部６０、駆動ジンバル部７０及びフレーム部８０は、シリコン基板８２、酸化膜８４及びシリコン層８６の積層からなる。図８（ａ）を参照に、櫛歯電極７５は、シリコン基板８２で構成されフレーム部８０に機械的に接続された電極群７４とシリコン層８６で構成され駆動ジンバル部７０に機械的に接続された電極群７６とからなる。電極群７４と電極群７６との間に電圧を印加することにより、図８（ａ）の２点鎖線のように駆動ジンバル部７０を振動させることができる。

図８（ｂ）を参照に、平行平板電極６５は、シリコン基板８２で構成され駆動ジンバル部７０に機械的に接続された下部電極６４とシリコン層８６で構成され検出ジンバル部に機械的に接続された上部電極６６とからなる。検出ジンバル部６０が図８（ｂ）の２点鎖線のように振動すると、下部電極６４と上部電極６６との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することにより、検出ジンバル部６０の振動の大きさを検出することができる。

ダブルジンバル部５０の内側のジンバル部が検出ジンバル部６０、外側が駆動ジンバル部７０の例を示したが、ダブルジンバル部の内側のジンバル部が駆動ジンバル部、外側が検出ジンバル部でもよい。また、駆動ジンバル部７０を振動させる電極が櫛歯電極７５、検出ジンバル部６０の振動を検出する電極が平行平板電極６５の例を説明したが、駆動ジンバル部７０を振動させる電極及び検出ジンバル部６０の振動を検出する電極は、櫛歯電極及び平行平板電極のいずれでもよい。しかしながら、駆動ジンバル部７０の振動を大きくし、角速度の検出感度を大きくするためには、駆動ジンバル部７０を振動させる電極は櫛歯電極７５であることが好ましい。

実施例１に係る角速度センサにおいては、図１を参照に、第１音叉型振動子１０ａは、第１ベース部と第１アーム部を有し、第１アーム部が検知軸１方向（第１方向）に延びている。また、第２音叉型振動子２０は第２ベース部と第２アーム部を有し、第２アーム部が検知軸２方向（第２方向）に延びている。これにより、図５（ａ）及び図５（ｂ）を用い説明したように、第１音叉型振動子１０ａにより検知軸１の角速度を、第２音叉型振動子２０ａにより検知軸２の角速度をそれぞれ検知することができる。図７を用い説明したように、ダブルジンバル部５０は、駆動振動軸（第４方向に延びる軸）を支点に振動する駆動ジンバル部７０と、検出振動軸（第５方向に延びる軸）を支点に振動する検出ジンバル部６０とを有している。これにより、ダブルジンバル部５０は、検知軸３（第３方向に延びる軸）を軸とする角速度を検出することができる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）のように、音叉型振動子１０はアーム部１１及び１２の延在方向を軸とする角速度を検知するのに対し、ダブルジンバル部５０は検出ジンバル部６０及び駆動ジンバル部７０が拡がる平面に垂直な軸の角速度を検知する。そこで、図３のように、ダブルジンバル部５０を第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂ上に実装する。つまり、ダブルジンバル部は第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂに対し検知軸３の方向（第３方向）に実装されている。これにより、３軸の角速度を検知する角速度センサの実装体積を削減することができる。

特に、図１のように、第１音叉型振動子１０ａと第２音叉型振動子１０ｂとは同じパッケージ３０の同じ実装面に支持部２０ａ及び２０ｂを介し実装されている。つまり、第１音叉型振動子１０ａと第２音叉型振動子１０ｂとは、検知軸１の方向（第１方向）と検知軸２の方向（第２方向）とを含む平面（つまり、パッケージ３０の実装面）に水平な方向に設けられている。これにより、パッケージ３０の高さを小さくすることができる。なお、第１音叉型振動子１０ａと第２音叉型振動子１０ｂとは、検知軸１方向と検知軸２方向とを含む平面に水平な方向に対し少なくとも一部が重なるように設けられていればよい。

検知軸１の方向（第１方向）、検知軸２の方向（第２方向）及び検知軸３の方向（第３方向）はそれぞれ異なっていればよく、それぞれ角速度を検知する任意の方向とすることができる。しかしながら、これらの方向がそれぞれ直交することにより、直交する３つの方向を軸とする角速度をそれぞれ検知することができる。特に、検知軸３はダブルジンバル部５０の検出ジンバル部６０及び駆動ジンバル部７０が拡がる平面に垂直である。よって、検知軸３は検知軸１及び検知軸２とそれぞれ直交していることが好ましい。これにより、実装体積を最も削減することができる。

図７のように、駆動振動軸の方向（第４方向）と検出振動軸の方向（第５方向）とは直交していることが好ましい。これにより、検出ジンバル部６０により、検知軸３の角速度を効率よく検出することができる。

図９は実施例２に係る角速度センサの蓋部３２を外した斜視図である。実施例１の図１に対し、ダブルジンバル部５０を含む第３角速度検知部４０ａは制御回路３４（不図示)を介し第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂと同じ実装面に実装されている。つまり、ダブルジンバル部、第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂは、検知軸１の方向（第１方向）と検知軸２の方向（第２方向）とを含む平面に実装されている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例２によれば、実施例１に比べ実装体積をより小さくできる。なお、ダブルジンバル部、第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂは、検知軸１の方向と検知軸２の方向とを含む平面の水平方向において、少なくとも一部が重なるように実装されていればよい。

第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂがダブルジンバル部５０に対し比較的小さい場合は実施例１を、第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂがダブルジンバル部５０に対し比較的大きな場合は実施例２を選択することが好ましい。

第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂをパッケージ３０に設ける場合、図９のように、第１音叉型振動子１０ａの先端が第２音叉型振動子１０ｂの側面に対向するように配置する場合が最も実装面積が小さい。この場合、第１音叉型振動子１０ａの先端を第２音叉型振動子１０ｂの先端の側面に対向するように配置することが好ましい。つまり、第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂはＬ字状に設けられることが好ましい。これにより、ダブルジンバル部５０を実装する領域を確保することができ、ダブルジンバル部５０を第１音叉型振動子１０ａの側方かつ第２音叉型振動子１０ｂの側方に設けることができる。さらに、第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂのそれぞれのベース部は離れていることが好ましい。これにより、第１音叉型振動子１０ａ及び第２音叉型振動子１０ｂのそれぞれの振動が互いに干渉することを抑制することができる。

実施例３は検出ジンバル部及び駆動ジンバル部がＨ形状を有する例である。図１０は実施例３に用いるダブルジンバル部５０ａの平面図である。実施例１の図６に対し、検出ジンバル部６０ａ及び駆動ジンバル部７０ａがＨ形状をしている。また、１つの側面に設けられたトーションバー６２ａ及び７２ａは一本ずつである。その他の構成は図６と同じであり説明を省略する。

実施例３によれば、トーションバー６２ａ（第１トーションバー）は、検出ジンバル部６０ａを保持するため、検出ジンバル部６０ａの相対する側面に設けられている。検出ジンバル部６０ａはＨ形状を有しており、トーションバー６２ａが設けられた側面間の最大幅Ｗ１は、トーションバー６２ａが設けられた検出ジンバル部６２ａの相対する側面間の幅Ｗ２より広い。これにより、検出ジンバル部６０ａの慣性モーメントを大きくし、実施例１より角速度の検知感度を向上させることができる。

また、平行平板電極６５の幅Ｗ１も幅Ｗ２より広い。これにより、検出ジンバル部６０ａの振動振幅が実施例１と同じ場合であっても、検出信号の振幅をより大きくすることができ、角速度の検知感度を向上させることができる。なお、検出ジンバル部６２ａの電極が櫛歯電極の場合も同様である。

同様に、駆動ジンバル部７０ａはＨ形状を有しており、トーションバー７２ａ（第２トーションバー）が設けられた側面間の最大幅は、トーションバー７２ａが設けられた駆動ジンバル部７２ａの相対する側面間の幅より広い。また、櫛歯電極７５の幅もトーションバー７２ａが設けられた駆動ジンバル部７２ａの相対する側面間の幅より広い。これにより、駆動信号の振幅が実施例１と同じ場合であっても、駆動ジンバル部７２ａの振動の振幅をより大きくすることができる。なお、駆動ジンバル部７２ａの電極が平行平板電極の場合も同様である。

検出ジンバル部と駆動ジンバル部との少なくとも一方において、ジンバル部の最大幅がトーションバーが設けられた領域の幅より広ければよい。また、ジンバル部の形状はＨ形状でなくとも、ジンバル部の最大幅がトーションバーが設けられた領域の幅より広ければよい。さらに、ジンバル部の１つの側面に設けられたトーションバーは実施例１のように２本のＶ字でも、実施例３のように１本でもよい。さらに３本以上でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は実施例１係る角速度センサの斜視図（その１）である。 図２は第３角速度検知部の断面図である。 図３は実施例１係る角速度センサの斜視図（その２）である。 図４は音叉型振動子の斜視図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は音叉型振動子の振動モードを示す図である。 図６はダブルジンバル部の平面図である。 図７はダブルジンバル部の動作を説明するための図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）はダブルジンバル部の断面模式図である。 図９は実施例２に係る角速度センサの斜視図である。 図１０は実施例３のダブルジンバル部の平面図である。

符号の説明

１０ 音叉型振動子
１０ａ 第１音叉型振動子
１０ｂ 第２音叉型振動子
１１、１２ アーム部
１３ ベース部
２０ａ、２０ｂ 支持部
３０ パッケージ
３２ 蓋部
３４ 制御回路
４０ 第３角速度検知部
５０，５０ａ ダブルジンバル部
６０、６０ａ 検出ジンバル部
６２、６２ａ トーションバー
７０、７０ａ 駆動ジンバル部
７２、７２ａ トーションバー

Claims (9)

1. 第１ベース部と前記第１ベース部から第１方向に延びる複数の第１アーム部とを有する第１音叉型振動子と、
   第２ベース部と前記第２ベース部から第２方向に延びる複数の第２アーム部とを有する第２音叉型振動子と、
   第４方向に延びる軸を支点に振動する駆動ジンバル部と、第５方向に延びる軸を支点に振動する検出ジンバル部とを有し第３方向に延びる軸の角速度を検出するダブルジンバル部と、を具備することを特徴とする角速度センサ。
2. 前記第１方向、前記第２方向及び前記第３方向はそれぞれ直交していることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記第４方向と前記第５方向とは直交していることを特徴とする請求項１または２記載の角速度センサ。
4. 前記第１音叉型振動子と前記第２音叉型振動子とは、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に水平な方向に対し少なくとも一部が重なるように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の角速度センサ。
5. 前記ダブルジンバル部は、前記第１音叉型振動子及び前記第２音叉型振動子に対し前記第３方向に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の角速度センサ。
6. 前記ダブルジンバル部、前記第１音叉型振動子及び前記第２音叉型振動子は、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に水平な方向に対し少なくとも一部が重なるように設けられていることを特徴とする請求項請求項１から５のいずれか一項記載の角速度センサ。
7. 前記第１音叉型振動子及び前記第２音叉型振動子はＬ字状に設けられ、前記ダブルジンバル部は前記第１音叉型振動子の側方かつ前記第２音叉型振動子の側方に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の角速度センサ。
8. 前記検出ジンバル部を保持するため、前記検出ジンバル部の相対する側面に設けられた第１トーションバーを具備し、
   前記検出ジンバル部の前記相対する側面間の最大幅は、前記第１トーションバーが設けられた前記検出ジンバル部の前記相対する側面間の幅より広いことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の角速度センサ。
9. 前記駆動ジンバル部を保持するため、前記駆動ジンバル部の相対する側面に設けられた第２トーションバーを具備し、
   前記駆動ジンバル部の前記相対する側面間の最大幅は、前記第２トーションバーが設けられた前記駆動ジンバル部の前記相対する側面間の幅より広いことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の角速度センサ。

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