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WO2010073576A1 - 角速度センサ - Google Patents

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Publication number
WO2010073576A1
WO2010073576A1 PCT/JP2009/007043 JP2009007043W WO2010073576A1 WO 2010073576 A1 WO2010073576 A1 WO 2010073576A1 JP 2009007043 W JP2009007043 W JP 2009007043W WO 2010073576 A1 WO2010073576 A1 WO 2010073576A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lower electrode
electrode
upper electrode
angular velocity
voltage signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/007043
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
相澤宏幸
大内智
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Publication of WO2010073576A1 publication Critical patent/WO2010073576A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity sensor used for automobile control, a car navigation device, a digital camera, and the like.
  • This element has a base 1, a first drive arm 3A, a second drive arm 3B, a first sense arm 5A, and a second sense arm 5B.
  • the first drive arm 3A and the second drive arm 3B are connected to the base 1 and formed symmetrically with each other.
  • the first sense arm 5A is connected to the base 1 and extends in a direction substantially opposite to the first drive arm 3A.
  • the second sense arm 5B is also connected to the base 1 and extends in a direction substantially opposite to the second drive arm 3B.
  • the first drive arm 3A and the second drive arm 3B vibrate in a direction substantially perpendicular to their extending direction.
  • the first sense arm 5A includes a first substrate 6, a first lower electrode 7, a second lower electrode 8, a first piezoelectric body 10A, and a second piezoelectric body 10B.
  • the first upper electrode 11 and the second upper electrode 12 are provided.
  • the lower electrodes 7 and 8 are formed on the first substrate 6.
  • the piezoelectric bodies 10A and 10B are formed on the lower electrodes 7 and 8, respectively.
  • the upper electrodes 11 and 12 are formed on the piezoelectric bodies 10A and 10B, respectively.
  • the second sense arm 5B includes the second substrate 13, the third lower electrode 14, the fourth lower electrode 15, the third piezoelectric body 16A, the fourth piezoelectric body 16B, and the third upper electrode. 18 and a fourth upper electrode 19.
  • the third lower electrode 14 and the fourth lower electrode 15 are formed on the second substrate 13.
  • the third piezoelectric body 16 A is formed on the third lower electrode 14, and the fourth piezoelectric body 16 B is formed on the fourth lower electrode 15.
  • the third upper electrode 18 is formed on the third piezoelectric body 16A, and the fourth upper electrode 19 is formed on the fourth piezoelectric body 16B.
  • the second upper electrode 12 is disposed on the side close to the second sense arm 5B, and the first upper electrode 11 is disposed on the opposite side to the second sense arm 5B.
  • the third upper electrode 18 is disposed on the side close to the first sense arm 5A, and the fourth upper electrode 19 is disposed on the opposite side to the first sense arm 5A.
  • the angular velocity around the axis about the Z direction shown in FIG. 8 is detected as follows.
  • the drive arms 3A and 3B vibrate so as to be parallel to the surface constituting the base 1 and to approach and separate from each other.
  • the sense arms 5A and 5B also vibrate in synchronization.
  • the drive arm 3A and the sense arm 5A vibrate in the same phase
  • the drive arm 3B and the sense arm 5B vibrate in the same phase.
  • the drive arm 3A and the drive arm 3B vibrate in opposite phases.
  • a current (drive current) due to this vibration is generated in the electrodes provided on the sense arms 5A and 5B.
  • the current generated in the upper electrodes of the sense arms 5A and 5B in this way is then converted into a voltage. Then, the sum of the voltage of the second upper electrode 12 and the voltage of the fourth upper electrode 19 is obtained. On the other hand, the sum of the voltage of the first upper electrode 11 and the sum of the voltage of the third upper electrode 18 is obtained.
  • the angular velocity in the direction perpendicular to the plane forming the base 1 is detected from the difference between the two sums. Specifically, the voltage line from the second upper electrode 12 and the voltage line from the fourth upper electrode 19 are connected, and the voltage line of the first upper electrode 11 and the voltage line of the third upper electrode 18 are connected to each other. Connect. These outputs are input to the amplifier. Thus, in this calculation, the angular velocity around the axis about the Z direction can be detected.
  • the out-of-plane angular velocity cannot be accurately detected. That is, it is impossible to accurately detect the angular velocity around the axis with the sense arm 5A, 5B extending from the base 1, that is, the Y direction in FIG.
  • the voltage line from the upper electrode is connected. Therefore, in order to obtain the angular velocity around the axis with the Y direction as an axis, it is necessary to input a voltage caused by the drive current to the amplifier. As a result, the S / N ratio decreases.
  • Patent Document 1 is known as prior art document information relating to this application.
  • the angular velocity sensor of the present invention has an element and a calculation unit.
  • the element includes a base, first and second drive arms, and first and second sense arms.
  • the first and second drive arms have portions connected to the base and extending parallel to each other from the base.
  • the first and second sense arms are connected to the base and have portions extending from the base in opposite directions to the first and second drive arms and extending in parallel with each other from the base.
  • the first sense arm has a first substrate, first and second lower electrodes, first and second piezoelectric bodies, and first and second upper electrodes.
  • the first and second lower electrodes are formed on the first substrate.
  • the second lower electrode is formed closer to the second sense arm than the first lower electrode.
  • the first and second piezoelectric bodies are respectively formed on the first and second lower electrodes, and the first and second upper electrodes are respectively formed on the first and second piezoelectric bodies.
  • the second sense arm has a second substrate, third and fourth lower electrodes, third and fourth piezoelectric bodies, and third and fourth upper electrodes.
  • the third and fourth lower electrodes are formed on the second substrate.
  • the fourth lower electrode is formed on the side farther from the first sense arm than the third lower electrode.
  • the third and fourth piezoelectric bodies are respectively formed on the third and fourth lower electrodes, and the third and fourth upper electrodes are respectively formed on the third and fourth piezoelectric bodies.
  • the computing unit includes a sum of a voltage signal of the first lower electrode with respect to the first upper electrode and a voltage signal of the second lower electrode with respect to the second upper electrode, and the third lower electrode with respect to the third upper electrode.
  • the difference between the voltage signal and the sum of the voltage signal of the fourth lower electrode with respect to the fourth upper electrode is calculated.
  • the sum of the voltage signal of the fourth upper electrode with respect to the fourth lower electrode is calculated.
  • FIG. 1 is a perspective view of an element of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of the element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a voltage detection method in the calculation unit of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a perspective view showing a driving state of the element shown in FIG. 5B is a perspective view showing a state in which an angular velocity around the Y axis is applied to the element shown in FIG.
  • FIG. 5A is a perspective view showing a driving state of the element shown in FIG.
  • FIG. 5C is a perspective view showing a state in which an angular velocity around the Z-axis is applied to the element shown in FIG.
  • FIG. 6 shows the voltage phase of each electrode in a state where an angular velocity around the Y axis is applied and an angular velocity around the Z axis is applied when the element shown in FIG. 1 is driven.
  • FIG. 7A is a conceptual diagram illustrating a method of detecting an angular velocity around the Y axis by the calculation unit of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a conceptual diagram illustrating a method of detecting an angular velocity around the Z axis by the calculation unit of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of an element of a conventional angular velocity sensor.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the element shown in FIG. 8 taken along line 9-9.
  • FIG. 1 is a perspective view of an element of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • the element 20 has a base 21, a first drive arm 22, a second drive arm 23, a first sense arm 24, and a second sense arm 25.
  • the first drive arm 22 has a U-shaped bent portion 22A and a weight portion 22B provided at the tip of the bent portion 22A.
  • the second drive arm 23 has a bending portion 23A and a weight portion 23B.
  • the first sense arm 24 has a bent portion 24A and a weight portion 24B
  • the second sense arm 25 has a bent portion 25A and a weight portion 25B.
  • the bending portions 22A, 23A, 24A, and 25A are connected to the base portion 21.
  • the bent portions 22A and 23A are parallel on the side connected to the base portion 21.
  • bent portions 24 ⁇ / b> A and 25 ⁇ / b> A are parallel on the side connected to the base portion 21. That is, the drive arms 22 and 23 have a portion connected to the base portion 21 and extending in parallel from the base portion 21.
  • the sense arms 24 and 25 are connected to the base 21 and extend in the opposite direction from the base 21 to the drive arms 22 and 23 and have portions extending in parallel from the base 21.
  • the first sense arm 24 and the second sense arm 25 are formed in substantially opposite directions with respect to the first drive arm 22 and the second drive arm 23. That is, the first drive arm 22 and the second drive arm 23 are provided symmetrically with respect to the Y axis in the X axis direction, and the first drive arm 22 and the first sense arm 24 are in the X axis direction in the Y axis direction. With respect to the line symmetry. Similarly, the first sense arm 24 and the second sense arm 25 are provided symmetrically with respect to the Y axis in the X-axis direction, and the second drive arm 23 and the second sense arm 25 are X-directional in the Y-axis direction. It is provided in line symmetry with respect to the axis.
  • the bending portion 24 ⁇ / b> A of the first sense arm 24 includes a first substrate 26, a first lower electrode 27, a second lower electrode 28, a first piezoelectric body 29, and a second piezoelectric element. Piezoelectric body 30, first upper electrode 31, and second upper electrode 32.
  • the first lower electrode 27 and the second lower electrode 28 are formed on the first substrate 26.
  • the second lower electrode 28 is formed closer to the second sense arm 25 than the first lower electrode 27.
  • the first piezoelectric body 29 is formed on the first lower electrode 27, and the second piezoelectric body 30 is formed on the second lower electrode 28.
  • the first upper electrode 31 is formed on the first piezoelectric body 29, and the second upper electrode 32 is formed on the second piezoelectric body 30.
  • the flexible portion 25A of the second sense arm 25 includes a second substrate 33, a third lower electrode 34, a fourth lower electrode 35, a third piezoelectric body 36, and a fourth piezoelectric body 37. And a third upper electrode 38 and a fourth upper electrode 39.
  • the lower electrodes 34 and 35 are formed on the second substrate 33.
  • the fourth lower electrode 35 is formed on the side farther from the first sense arm 24 than the third lower electrode 34.
  • the piezoelectric bodies 36 and 37 are formed on the lower electrodes 34 and 35, respectively, and the upper electrodes 38 and 39 are formed on the piezoelectric bodies 36 and 37, respectively.
  • the bent portions 22A and 23A also have a similar laminated structure.
  • the base of the element 20, such as the base 21, the first substrate 26, and the second substrate 33, is formed of silicon or the like.
  • the piezoelectric bodies 29, 30, 36 and 37 are made of lead zirconate titanate (PZT) or the like.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the base portion 21, the first substrate 26, the second substrate 33, etc., the element 20 and the piezoelectric materials 29, 30, 36, 37 are formed. You may form as one.
  • the element 20 configured as described above is connected to the drive unit 50 and the calculation unit 70 to form an angular velocity sensor as shown in FIG.
  • the output of the drive part 50 is connected to each electrode formed in the bending parts 22A and 23A.
  • each electrode of the element 20 is connected to the calculation unit 70. That is, the first lower electrode 27, the second lower electrode 28, the first upper electrode 31, and the second upper electrode 32 are connected to the output lines 27A, 28A, 31A, and 32A, respectively, and the third lower electrode 34 is connected.
  • the fourth lower electrode 35, the third upper electrode 38, and the fourth upper electrode 39 are connected to output lines 34A, 35A, 38A, and 39A, respectively.
  • Output lines 80 and 90 are provided on the output side of the arithmetic unit 70.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a voltage detection method in the calculation unit 70.
  • a set of the first lower electrode 27 and the first upper electrode 31 will be described as an example.
  • FIG. 5A is a perspective view showing a driving state of the element 20
  • FIG. 5B is a perspective view showing a state where an angular velocity around the Y axis is applied to the element 20
  • FIG. 5C is a state where an angular velocity around the Z axis is applied to the element 20
  • FIG. 6 shows the voltage phase of each electrode when the element 20 is driven in a state where an angular velocity around the Y axis is applied and in a state where an angular velocity around the Z axis is applied.
  • FIG. 6 shows the voltage phase of each electrode when the element 20 is driven in a state where an angular velocity around the Y axis is applied and in a state where an angular velocity around the Z axis is applied.
  • FIG. 7A is a conceptual diagram illustrating a method for detecting an angular velocity around the Y axis by the calculation unit 70
  • FIG. 7B is a conceptual diagram illustrating a method for detecting the angular velocity around the Z axis by the calculation unit 70.
  • the material constituting the substrate such as the first substrate 26 is combined with the pair of the lower electrode and the upper electrode provided on the first drive arm 22 and the second drive arm 23 from the drive unit 50 shown in FIG.
  • An AC voltage with a unique resonance frequency is applied.
  • the drive arms 22 and 23 vibrate in a direction substantially perpendicular to the direction in which the bent portions 22 ⁇ / b> A and 23 ⁇ / b> A extend from the base portion 21 in a direction parallel to the surface forming the base portion 21.
  • the sense arms 24 and 25 also vibrate in synchronization. That is, for example, the drive vibration 42 is generated in the sense arm 25 in synchronization with the drive vibration 41 of the drive arm 23.
  • the first drive arm 22 and the first sense arm 24 vibrate in the same phase
  • the second drive arm 23 and the second sense arm 25 vibrate in the same phase
  • the first drive arm 22 and the second drive arm 23 vibrate in opposite phases.
  • a current (drive current) due to this vibration is generated in the electrodes provided on the sense arms 24 and 25.
  • the phase of the output signal in each of the above states is shown in FIG.
  • the first sense arm 24 and the second sense arm 25 are driven in a direction away from each other, the first piezoelectric body 29 is compressed and the second piezoelectric body 30 is stretched. Therefore, the phase of the voltage signal of the first lower electrode 27 with respect to the first upper electrode 31 is +, and the phase of the voltage signal of the second lower electrode 28 with respect to the second upper electrode 32 is ⁇ . Similarly, + and-indicate whether the phase is the same or opposite.
  • lower 1 indicates a voltage signal of the first lower electrode 27 with respect to the first upper electrode 31.
  • Upper 4 indicates a voltage signal of the fourth upper electrode 39 with respect to the fourth lower electrode 35.
  • the leftmost column indicates the voltage signal of the electrode with respect to the pair of electrodes in each pair of the upper electrode and the lower electrode.
  • the calculating unit 70 When calculating the angular velocity around the Y axis, as shown in FIG. 7A, the calculating unit 70 first obtains the sum of the voltage output 27B of “lower 1” and the voltage output 28B of “lower 2”. On the other hand, the sum of the voltage output 34B of the “lower 3” and the voltage output 35B of the “lower 4” is obtained. Then, the difference between the two is obtained. As apparent from FIG.
  • the calculation unit 70 outputs the difference signal 80B obtained in this way from the output line 80 to an external circuit.
  • the external circuit calculates the angular velocity applied around the Y axis based on the amplitude of the difference signal 80B.
  • the calculation unit 70 may include such a function and output an electrical signal corresponding to the angular velocity.
  • Coriolis force is proportional to the angular velocity.
  • the magnitude of deflection of the sense arms 24 and 25 changes according to the Coriolis force, and a current having a magnitude corresponding to the magnitude of the deflection. Are generated from each electrode. Therefore, the angular velocity can be calculated by knowing the magnitude of the amplitude of the voltage difference signal 80B.
  • the first sense arm 24 moves to the negative side in the Z-axis direction
  • the second sense arm 25 moves to the positive side in the Z-axis direction.
  • the output amplitude of the sum of the voltage output of the first lower electrode 27 with respect to the first upper electrode 31 and the voltage output of the second lower electrode 28 with respect to the second upper electrode 32 decreases.
  • the output amplitude of the sum of the voltage output of the third lower electrode 34 to the third upper electrode 38 and the voltage output of the fourth lower electrode 35 to the fourth upper electrode 39 increases.
  • the angular velocity around the axis about the direction in which the flexures 24A and 24B, which are a part of the sense arms 24 and 25, extend from the base 21, that is, the Y direction shown in FIG. can do.
  • the calculation unit 70 when calculating the angular velocity around the Z axis, the calculation unit 70 first obtains the sum of the voltage output 31B of the upper part 1 and the voltage output 38B of the upper part 3 as shown in FIG. 7B. On the other hand, the sum of the voltage output 32B of the upper part 2 and the voltage output 39B of the upper part 4 is obtained. Then, the difference between the two is obtained. As apparent from FIG. 6, when an angular velocity is applied around the Z axis, the upper part 1 and the upper part 3 are in phase, the upper part 2 and the upper part 4 are in phase, and the upper part 1 is in antiphase. Therefore, the difference signal 90B output to the output line 90 in FIG. 3 has an amplitude four times that of a single voltage output.
  • the calculation unit 70 outputs the difference signal 90B thus obtained to the external circuit, and the external circuit calculates the angular velocity around the Z axis based on the amplitude of the difference signal 90B.
  • the calculation unit 70 may include such a function and output an electrical signal corresponding to the angular velocity.
  • the first and second sense arms 24 and 25 move to the negative side in the X axis direction. Accordingly, the output amplitude of the sum of the voltage output of the second upper electrode 32 with respect to the second lower electrode 28 and the voltage output of the fourth upper electrode 39 with respect to the fourth lower electrode 35 increases. On the other hand, the output amplitude of the sum of the voltage output of the first upper electrode 31 with respect to the first lower electrode 27 and the voltage output of the third upper electrode 38 with respect to the third lower electrode 34 decreases.
  • the angular velocity sensor according to the present embodiment can perform multi-axis detection.
  • the angular velocity around the axis with the Z direction as the axis can also be obtained as follows. That is, the arithmetic unit 70 first obtains the sum of the voltage output 28B of the lower part 2 and the voltage output 35B of the lower part 4. On the other hand, the sum of the voltage output 27B of the lower part 1 and the voltage output 34B of the lower part 3 is obtained. Then, the difference between the two is obtained. However, in this case, since the angular velocity around the Y axis and the angular velocity around the Z axis are calculated using the same signal, it is necessary to perform all calculations using an amplifier. Therefore, many amplifiers are required for the arithmetic unit 70.
  • the calculating part 70 can be comprised simply.
  • Drive current is 10 6 times the current due to the angular velocity, because the driving current can be canceled before entering into the amplifier, this arrangement is effective from the viewpoint of S / N ratio.
  • the lower electrodes 27, 28, 34, and 35 are preferably formed of platinum.
  • a platinum electrode is essential.
  • the upper electrodes 31, 32, 38, and 39 are preferably formed of gold.
  • the angular velocity is detected by finally obtaining the difference in voltage output. Therefore, occurrence of phase shift can be suppressed.
  • the material of the upper electrode and the lower electrode is not limited to this combination.
  • the upper electrodes 31, 32, 38 and 39 are used for calculation in angular velocity detection around the axis with the Z direction as an axis shown in FIG.
  • the lower electrodes 27, 28, 34, and 35 are used for calculation in angular velocity detection around an axis with the Y direction shown in FIG. 1 as an axis.
  • the upper electrodes 31, 32, 38, and 39 can be formed using gold of the same material, and the lower electrodes 27, 28, 34, and 35 can be formed of platinum of the same material. Thus, even when the lower electrodes 27, 28, 34, and 35 and the upper electrodes 31, 32, 38, and 39 are formed of different materials, the occurrence of phase shift can be suppressed.
  • the drive current is 10 6 times the current due to the angular velocity as described above.
  • the first lower electrode 27 and the second lower electrode 28 may be electrically connected on the first substrate 26.
  • the third lower electrode 34 and the fourth lower electrode 35 may be electrically connected on the second substrate 33.
  • the first lower electrode 27 and the second lower electrode 28 are integrally formed, and the third lower electrode 34 and the fourth lower electrode 35 are integrally formed.
  • the arithmetic unit 70 obtains the sum of the voltage signal of the first lower electrode 27 for the first upper electrode 31 and the voltage signal of the second lower electrode 28 for the second upper electrode 32.
  • the sum of the voltage signal of the third lower electrode 34 for the third upper electrode 38 and the voltage signal of the fourth lower electrode 35 for the fourth upper electrode 39 is obtained.
  • the difference between the two sums is obtained. Based on this difference, it is possible to detect the angular velocity around the axis with the direction in which the sense arms 24 and 25 extend from the base 21 as the axis. That is, the angular velocity around the axis with the Y direction shown in FIG. 1 as an axis can be detected. However, the angular velocity about the axis about the Y direction shown in FIG. 1 can be detected even if the same calculation is performed using the voltage signal of each corresponding upper electrode for each lower electrode.
  • the arithmetic unit 70 obtains the sum of the voltage signal of the first upper electrode 31 for the first lower electrode 27 and the voltage signal of the second upper electrode 32 for the second lower electrode 28.
  • the sum of the voltage signal of the third upper electrode 38 for the third lower electrode 34 and the voltage signal of the fourth upper electrode 38 for the fourth lower electrode 35 is obtained.
  • the difference between the two sums is obtained. Based on this difference, it is possible to detect the angular velocity around the axis with the direction in which the sense arms 24 and 25 extend from the base 21 as the axis.
  • the calculation unit 70 may be configured in this way.
  • the arithmetic unit 70 calculates the sum of the voltage signal of the second lower electrode 28 for the second upper electrode 31 and the voltage signal of the fourth lower electrode 35 for the fourth upper electrode 39, and the first upper electrode 31.
  • the difference between the voltage signal of the first lower electrode 27 for the electrode 31 and the sum of the voltage signal of the third lower electrode 34 for the third upper electrode 38 may be calculated. From this difference, it is also possible to detect an angular velocity around an axis about the direction perpendicular to the plane forming the base 21, that is, the Z direction shown in FIG.
  • the angular velocity around the axis with the Y direction as the axis and the angular velocity around the axis with the Z direction as the axis are obtained separately using the upper electrode for the lower electrode and the upper electrode for the lower electrode, respectively. . Therefore, it is possible to accurately detect the biaxial angular velocity while suppressing the influence of the drive current.
  • 3 may be configured not to be included in the angular velocity sensor but to provide a terminal electrically connected to each drive arm and to supply a drive signal from an external circuit to each drive arm.
  • the angular velocity sensor of the present invention can detect the angular velocity around the axis with the direction in which the first and second sense arms extend from the base as an axis. This angular velocity sensor is useful in automobile control, car navigation devices, digital cameras, and the like.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

　第１のセンスアーム２４は、第１の基板２６と、その上に形成された第１、第２の下部電極２７、２８と、さらにその上に形成された第１、第２の圧電体２９、３０と、さらにその上に形成された第１、第２の上部電極３１、３２を有する。第２のセンスアーム２５は、第２の基板３３と、その上に形成された第３、第４の下部電極３４、３５と、さらにその上に形成された第３、第４の圧電体３６、３７と、さらにその上に形成された第３、第４の上部電極３８、３９を有する。演算部は第１、第２の下部電極２７、２８の各電圧の和と第３、第４の下部電極３４、３５の各電圧の和との差を演算する。求められた差から第１、第２のセンスアーム２４、２５が基部から伸びる方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。

Description

角速度センサ
　本発明は、自動車制御やカーナビゲーション装置、デジタルカメラ等に用いられる角速度センサに関する。
　図８、図９はそれぞれ従来の角速度センサの素子の斜視図と断面図である。この素子は、基部１と、第１のドライブアーム３Ａと第２のドライブアーム３Ｂと、第１のセンスアーム５Ａと第２のセンスアーム５Ｂとを有する。第１のドライブアーム３Ａと第２のドライブアーム３Ｂは基部１に接続され互いに線対称に形成されている。第１のセンスアーム５Ａは基部１に接続されるとともに第１のドライブアーム３Ａに対し略反対方向へ伸びている。第２のセンスアーム５Ｂも基部１に接続されるとともに第２のドライブアーム３Ｂに対し略反対方向へ伸びている。第１のドライブアーム３Ａと第２のドライブアーム３Ｂはそれらの延伸方向に略垂直な方向に振動する。
　図９に示すように、第１のセンスアーム５Ａは第１の基板６と、第１の下部電極７と第２の下部電極８と、第１の圧電体１０Ａと第２の圧電体１０Ｂと、第１の上部電極１１と第２の上部電極１２とを有する。下部電極７、８は第１の基板６上に形成されている。圧電体１０Ａ、１０Ｂはそれぞれ下部電極７、８の上に形成されている。上部電極１１、１２はそれぞれ圧電体１０Ａ、１０Ｂの上に形成されている。
　また第２のセンスアーム５Ｂは第２の基板１３と、第３の下部電極１４と第４の下部電極１５と、第３の圧電体１６Ａと第４の圧電体１６Ｂと、第３の上部電極１８と第４の上部電極１９とを有する。第３の下部電極１４と第４の下部電極１５は第２の基板１３上に形成されている。第３の圧電体１６Ａは第３の下部電極１４の上に形成され、第４の圧電体１６Ｂは第４の下部電極１５の上に形成されている。第３の上部電極１８は第３の圧電体１６Ａの上に形成され、第４の上部電極１９は第４の圧電体１６Ｂの上に形成されている。
　第１のセンスアーム５Ａにおいて、第２の上部電極１２は第２のセンスアーム５Ｂに近い側に配置され、第１の上部電極１１は第２のセンスアーム５Ｂと反対側に配置されている。第２のセンスアーム５Ｂにおいて、第３の上部電極１８は第１のセンスアーム５Ａに近い側に配置され、第４の上部電極１９は第１のセンスアーム５Ａと反対側に配置されている。
　この素子を用いた角速度センサでは、以下のようにして図８に示すＺ方向を軸とした軸周りの角速度を検出する。ドライブアーム３Ａ、３Ｂに設けられた上部電極、下部電極の組に交流電圧を印加するとドライブアーム３Ａ、３Ｂは、基部１を構成する面に平行で、かつ互いに近づいたり離れたりするように振動する。この振動に伴ってセンスアーム５Ａ、５Ｂも同調して振動する。このとき、ドライブアーム３Ａとセンスアーム５Ａは同位相で振動し、ドライブアーム３Ｂとセンスアーム５Ｂは同位相で振動する。そしてドライブアーム３Ａとドライブアーム３Ｂは互いに逆位相で振動する。その結果、センスアーム５Ａ、５Ｂ上に設けられた電極にこの振動による電流（駆動電流）が生じる。
　この状態でＺ軸の周りに角速度が生じると、基部１を構成する面に平行で、かつ振動方向と直交する方向にコリオリ力が発生する。そのためセンスアーム５Ａ、５ＢにＺ軸の周りの角速度に起因した歪が発生する。これに伴い、コリオリ力に起因して撓むセンスアーム５Ａ、５Ｂの状態変化によって、センスアーム５Ａ、５Ｂ上に設けられた電極に角速度に応じた電流が、上記駆動電流に重畳して発生する。このとき例えば、第２の上部電極１２の駆動電流成分の位相と第４の上部電極１９の駆動電流成分の位相は逆になっている。
　このようにしてセンスアーム５Ａ、５Ｂの各上部電極に生じる電流を、次に電圧に変換する。そして第２の上部電極１２の電圧と第４の上部電極１９の電圧との和を求める。一方、第１の上部電極１１の電圧と第３の上部電極１８の電圧との和との和を求める。この２つの和の差から基部１を形成する平面に垂直な方向の角速度を検出する。具体的には第２の上部電極１２からの電圧線と第４の上部電極１９からの電圧線とを接続し、第１の上部電極１１の電圧線と第３の上部電極１８の電圧線とを接続する。そしてこれらの出力をアンプに入力する。このように、この演算ではＺ方向を軸とした軸周りの角速度を検出することができる。
　しかしながら面外角速度を精度よく検知することはできない。すなわち、センスアーム５Ａ、５Ｂが基部１から伸びる方向、すなわち図８におけるＹ方向を軸とした軸周りの角速度を精度よく検知することはできない。その理由を簡単に説明する。上述のように上部電極からの電圧線が接続されている。そのため、Ｙ方向を軸とした軸周りの角速度を求めるには駆動電流に起因する電圧をアンプに入力する必要がある。その結果、Ｓ／Ｎ比が低下する。
　なお、この出願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。
国際公開第２００８／１０２５３７号
　本発明の角速度センサは素子と演算部とを有する。素子は、基部と、第１、第２のドライブアームと、第１、第２のセンスアームと、を含む。第１、第２のドライブアームは基部に接続され基部から互いに平行に伸びる部分を有する。第１、第２のセンスアームは、基部に接続され、基部から前記第１、第２のドライブアームに対し反対方向へ伸びるとともに、基部から互いに平行に伸びる部分を有する。
　第１のセンスアームは、第１の基板と第１、第２の下部電極と第１、第２の圧電体と、第１、第２の上部電極とを有する。第１、第２の下部電極は第１の基板の上に形成されている。第２の下部電極は第１の下部電極よりも第２のセンスアームに近い側に形成されている。第１、第２の圧電体はそれぞれ第１、第２の下部電極の上に形成され、第１、第２の上部電極はそれぞれ第１、第２の圧電体の上に形成されている。
　第２のセンスアームは、第２の基板と、第３、第４の下部電極と、第３、第４の圧電体と、第３、第４の上部電極とを有する。第３、第４の下部電極は第２の基板の上に形成されている。第４の下部電極は第３の下部電極よりも前記第１のセンスアームから遠い側に形成されている。第３、第４の圧電体はそれぞれ第３、第４の下部電極の上に形成され、第３、第４の上部電極はそれぞれ第３、第４の圧電体の上に形成されている。
　演算部は、第１の上部電極に対する第１の下部電極の電圧信号と第２の上部電極に対する第２の下部電極の電圧信号との和と、第３の上部電極に対する第３の下部電極の電圧信号と第４の上部電極に対する第４の下部電極の電圧信号との和との差を演算する。または、第１の下部電極に対する第１の上部電極の電圧信号と第２の下部電極に対する第２の上部電極の電圧信号との和と、第３の下部電極に対する第３の上部電極の電圧信号と第４の下部電極に対する第４の上部電極の電圧信号との和との差を演算する。この構成により、第１、第２のセンスアームが基部から伸びる方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。
図１は本発明の実施の形態における角速度センサの素子の斜視図である。 図２は図１に示す素子の２－２線における断面図である。 図３は本発明の実施の形態における角速度センサの構成を示すブロック図である。 図４は本発明の実施の形態における角速度センサの演算部における電圧検出方法を示す概念図である。 図５Ａは図１に示す素子の駆動状態を示す斜視図である。 図５Ｂは図１に示す素子にＹ軸周りの角速度が印加された状態を示す斜視図である。 図５Ｃは図１に示す素子にＺ軸周りの角速度が印加された状態を示す斜視図である。 図６は図１に示す素子の駆動時、Ｙ軸周りの角速度が印加された状態、Ｚ軸周りの角速度が印加された状態における、各電極の電圧の位相を示す。 図７Ａは本発明の実施の形態における角速度センサの演算部でＹ軸周りの角速度を検出する方法を示す概念図である。 図７Ｂは本発明の実施の形態における角速度センサの演算部でＺ軸周りの角速度を検出する方法を示す概念図である。 図８は従来の角速度センサの素子の斜視図である。 図９は図８に示す素子の９－９線における断面図である。
　図１は本発明の実施の形態における角速度センサの素子の斜視図、図２は図１の２－２線における断面図である。図３は本発明の実施の形態における角速度センサ全体の構成を示すブロック図である。
　図１に示すように、素子２０は基部２１と、第１のドライブアーム２２と、第２のドライブアーム２３と、第１のセンスアーム２４と、第２のセンスアーム２５とを有する。第１のドライブアーム２２はＵ字型の撓み部２２Ａと撓み部２２Ａの先端に設けられた錘部２２Ｂとを有する。同様に、第２のドライブアーム２３は撓み部２３Ａと錘部２３Ｂとを有する。また第１のセンスアーム２４は撓み部２４Ａと錘部２４Ｂとを有し、第２のセンスアーム２５は撓み部２５Ａと錘部２５Ｂとを有する。撓み部２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａは基部２１に接続されている。撓み部２２Ａ、２３Ａは基部２１に接続されている辺で平行になっている。同様に撓み部２４Ａ、２５Ａは基部２１に接続されている辺で平行になっている。すなわち、ドライブアーム２２、２３は基部２１に接続され基部２１から互いに平行に伸びる部分を有する。センスアーム２４、２５は、基部２１に接続され、基部２１からドライブアーム２２、２３に対し反対方向へ伸びるとともに、基部２１から互いに平行に伸びる部分を有する。
　第１のセンスアーム２４、第２のセンスアーム２５は第１のドライブアーム２２、第２のドライブアーム２３に対し略反対方向に形成されている。すなわち、第１のドライブアーム２２と第２のドライブアーム２３はＸ軸方向においてＹ軸に対し線対称に設けられ、第１のドライブアーム２２と第１のセンスアーム２４はＹ軸方向においてＸ軸に対し線対称に設けられている。同様に、第１のセンスアーム２４と第２のセンスアーム２５はＸ軸方向においてＹ軸に対し線対称に設けられ、第２のドライブアーム２３と第２のセンスアーム２５はＹ軸方向においてＸ軸に対し線対称に設けられている。
　図２に示すように、第１のセンスアーム２４の撓み部２４Ａは、第１の基板２６と、第１の下部電極２７と第２の下部電極２８と、第１の圧電体２９と第２の圧電体３０と、第１の上部電極３１と第２の上部電極３２とを有する。第１の下部電極２７、第２の下部電極２８は第１の基板２６の上に形成されている。第２の下部電極２８は第１の下部電極２７よりも第２のセンスアーム２５に近い側に形成されている。第１の圧電体２９は第１の下部電極２７の上に形成され、第２の圧電体３０は第２の下部電極２８の上に形成されている。第１の上部電極３１は第１の圧電体２９の上に形成され、第２の上部電極３２は第２の圧電体３０の上に形成されている。
　同様に、第２のセンスアーム２５の撓み部２５Ａは、第２の基板３３と、第３の下部電極３４と第４の下部電極３５と、第３の圧電体３６と第４の圧電体３７と、第３の上部電極３８と第４の上部電極３９とを有する。下部電極３４、３５は第２の基板３３の上に形成されている。第４の下部電極３５は第３の下部電極３４よりも第１のセンスアーム２４から遠い側に形成されている。圧電体３６、３７はそれぞれ下部電極３４、３５の上に形成され、上部電極３８、３９はそれぞれ圧電体３６、３７の上に形成されている。なお図示しないが、撓み部２２Ａ、２３Ａも同様の積層構造を有している。
　なお、基部２１、第１の基板２６、第２の基板３３等、素子２０のベースはシリコン等で形成されている。圧電体２９、３０、３６、３７はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等で形成されている。なお、水晶、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）等からなる圧電体用いることにより、基部２１、第１の基板２６、第２の基板３３等、素子２０と圧電体２９、３０、３６、３７とを一体として形成してもよい。
　以上のように構成された素子２０は、図３に示すように駆動部５０と演算部７０に接続されて角速度センサが構成される。駆動部５０の出力は撓み部２２Ａ、２３Ａに形成された各電極に接続されている。一方、素子２０の各電極は演算部７０に接続されている。すなわち、第１の下部電極２７、第２の下部電極２８、第１の上部電極３１、第２の上部電極３２はそれぞれ出力線２７Ａ、２８Ａ、３１Ａ、３２Ａに接続され、第３の下部電極３４、第４の下部電極３５、第３の上部電極３８、第４の上部電極３９はそれぞれ出力線３４Ａ、３５Ａ、３８Ａ、３９Ａに接続されている。演算部７０の出力側には出力線８０、９０が設けられている。
　次に図４を参照しながら演算部７０において、各電極からの出力電圧を検出する構成を説明する。図４は演算部７０における電圧検出方法を示す概念図である。なおここでは代表して第１の下部電極２７、第１の上部電極３１の組を例に説明する。
　第１の圧電体２９が歪むと第１の上部電極３１からＩｓ、第１の下部電極２７から－Ｉｓの電流が発生する。第１の上部電極３１の出力線３１Ａ、第１の下部電極２７の出力線２７Ａはそれぞれ抵抗Ｒｆに接続されて電流信号が電圧信号に変換される。これらの電圧信号がそれぞれ基準電圧Ｖｒｅｆと比較され、基準電圧Ｖｒｅｆを基準とした電圧波形に変換される。このとき、出力線３１Ａ、２７Ａにおける変換波形は逆位相で同じ振幅になっているので、両者の差の信号の振幅は元の信号の振幅の２倍になる。そのため検出感度が向上する。
　次に図１におけるＹ軸周りの角速度、Ｚ軸周りの角速度を検出する方法について、図５Ａ～図７Ｂを参照しながら説明する。図５Ａは素子２０の駆動状態を示す斜視図、図５Ｂは素子２０にＹ軸周りの角速度が印加された状態を示す斜視図、図５Ｃは素子２０にＺ軸周りの角速度が印加された状態を示す斜視図である。図６は素子２０の駆動時、Ｙ軸周りの角速度が印加された状態、Ｚ軸周りの角速度が印加された状態における、各電極の電圧の位相を示している。図７Ａは演算部７０でＹ軸周りの角速度を検出する方法を示す概念図、図７Ｂは演算部７０でＺ軸周りの角速度を検出する方法を示す概念図である。
　まず図３に示す駆動部５０から第１のドライブアーム２２、第２のドライブアーム２３にそれぞれ設けられた下部電極と上部電極との組に、第１の基板２６等の基板を構成する材料に固有な共振周波数の交流電圧を印加する。すると、図５Ａに示すようにドライブアーム２２、２３が基部２１から撓み部２２Ａ、２３Ａの伸びる方向に略垂直な方向で、基部２１を形成する面に平行な方向に振動する。この振動に伴ってセンスアーム２４、２５も同調して振動する。すなわち例えばドライブアーム２３の駆動振動４１に同調してセンスアーム２５に駆動振動４２が生じる。
　このとき、第１のドライブアーム２２と第１のセンスアーム２４は同位相で振動し、第２のドライブアーム２３と第２のセンスアーム２５は同位相で振動する。そして第１のドライブアーム２２と第２のドライブアーム２３は互いに逆位相で振動する。その結果、センスアーム２４、２５上に設けられた電極にこの振動による電流（駆動電流）が生じる。
　この状態で図５Ｂに示すようにＹ軸の周りに角速度が生じると、振動方向と直交した方向に例えばドライブアーム２３にコリオリ力４３が、センスアーム２５にコリオリ力４４が発生する。その結果、センスアーム２４、２５にＹ軸の周りの角速度に起因した歪が発生する。すなわち、撓み部２４Ａ、２５Ａが基部２１から伸びる方向を軸とした軸周りの角速度に起因した歪が発生する。これに伴い、コリオリ力に起因して撓むセンスアーム２４、２５の状態変化によって、センスアーム２４、２５上に設けられた電極に角速度に応じた電流が、上記駆動電流に重畳して発生する。
　一方、Ｚ軸の周りに角速度が生じた場合も振動方向と直交した方向にコリオリ力４５、４６が発生するので、図５Ｃに示すようにセンスアーム２４、２５にＺ軸の周りの角速度に起因した歪が発生する。すなわち、基部２１を形成する平面に垂直な方向を軸とした軸周りの角速度に起因した歪が発生する。これに伴い、コリオリ力に起因して撓むセンスアーム２４、２５の状態変化によって、センスアーム２４、２５上に設けられた電極に角速度に応じた電流が、上記駆動電流に重畳して発生する。
　以上の各状態における出力信号の位相を図６に示す。例えば、第１のセンスアーム２４と第２のセンスアーム２５が離れる方向に駆動されているときには、第１の圧電体２９は圧縮され、第２の圧電体３０は引き伸ばされる。そのため第１の上部電極３１に対する第１の下部電極２７の電圧信号の位相は＋、第２の上部電極３２に対する第２の下部電極２８の電圧信号の位相は－になる。以下同様に＋、－は位相が同じか、逆かを示している。
　なお図６において例えば「下部１」とは第１の上部電極３１に対する第１の下部電極２７の電圧信号を示す。「上部４」とは第４の下部電極３５に対する第４の上部電極３９の電圧信号を示す。このように左端の欄は、各上部電極、下部電極の組において、対になる電極に対する当該電極の電圧信号を示している。
　次に、図７Ａ、図７Ｂも参照しながら演算部７０がＹ軸、Ｚ軸の周りに角速度を演算する方法について説明する。Ｙ軸の周りの角速度を演算する場合、図７Ａに示すように演算部７０はまず「下部１」の電圧出力２７Ｂと「下部２」の電圧出力２８Ｂとの和を求める。一方、「下部３」の電圧出力３４Ｂと「下部４」の電圧出力３５Ｂとの和を求める。そしてこの両者の差を求める。図６から明らかなように、Ｙ軸の周りに角速度が印加された場合、「下部１」と「下部２」は同位相、「下部３」と「下部４」は同位相でかつ「下部１」の逆位相である。そのため、図３における出力線８０に出力される差信号８０Ｂは単独の電圧出力の４倍の振幅になる。またこれらの演算によって駆動電流に基づく信号成分は相殺され、角速度に起因する成分だけが求められる。
　演算部７０はこのようにして得られる差信号８０Ｂを出力線８０から外部回路に出力する。外部回路は差信号８０Ｂの振幅を基にＹ軸の周りに印加された角速度を算出する。あるいは演算部７０がこのような機能を含んでいて、角速度に対応する電気信号を出力してもよい。
　コリオリの力は角速度の大きさに比例する。一方、Ｙ軸の周りまたはＺ軸の周りに角速度が印加されると、コリオリの力に応じてセンスアーム２４、２５の撓みの大きさが変化し、撓みの大きさに応じた大きさの電流が各電極から発生する。したがって電圧の差信号８０Ｂの振幅の大きさを知ることで角速度を算出することができる。
　すなわち、Ｙ方向を軸とした軸周りに、例えば時計回りの角速度が発生すると、第１のセンスアーム２４はＺ軸方向における負側へ、第２のセンスアーム２５はＺ軸方向における正側へ移動する。それに伴い、第１の上部電極３１に対する第１の下部電極２７の電圧出力と第２の上部電極３２に対する第２の下部電極２８の電圧出力との和の出力の振幅は減少する。一方、第３の上部電極３８に対する第３の下部電極３４の電圧出力と第４の上部電極３９に対する第４の下部電極３５の電圧出力との和の出力の振幅は増加する。そのため、それらの差を演算することにより、センスアーム２４、２５の一部である撓み部２４Ａ、２４Ｂが基部２１から伸びる方向、すなわち図１に示すＹ方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。
　同様にＺ軸の周りに角速度を演算する場合、図７Ｂに示すように演算部７０はまず上部１の電圧出力３１Ｂと上部３の電圧出力３８Ｂとの和を求める。一方、上部２の電圧出力３２Ｂと上部４の電圧出力３９Ｂとの和を求める。そしてこの両者の差を求める。図６から明らかなように、Ｚ軸の周りに角速度が印加された場合、上部１と上部３は同位相、上部２と上部４は同位相でかつ上部１の逆位相である。そのため、図３における出力線９０に出力される差信号９０Ｂは単独の電圧出力の４倍の振幅になる。
　演算部７０はこのようにして得られる差信号９０Ｂを外部回路に出力し、外部回路は差信号９０Ｂの振幅を基にＺ軸の周りに角速度を算出する。あるいは演算部７０がこのような機能を含んでいて、角速度に対応する電気信号を出力してもよい。
　すなわち、Ｚ方向を軸とした軸周りに、例えば時計回りの角速度が発生すると、第１、第２のセンスアーム２４、２５はＸ軸方向における負側へ移動する。それに伴い、第２の下部電極２８に対する第２の上部電極３２の電圧出力と第４の下部電極３５に対する第４の上部電極３９の電圧出力との和の出力の振幅は増加する。一方、第１の下部電極２７に対する第１の上部電極３１の電圧出力と第３の下部電極３４に対する第３の上部電極３８との電圧出力の和の出力の振幅は減少する。そのため、それらの差を演算することにより、基部２１を形成する平面に垂直な方向、すなわち図１に示すＺ方向を軸とした軸周りの角速度を検出することができる。このように本実施の形態による角速度センサは多軸検知をすることができる。
　なお、Ｚ方向を軸とした軸周りの角速度は以下のようにしても求めることができる。すなわち、演算部７０がまず下部２の電圧出力２８Ｂと下部４の電圧出力３５Ｂとの和を求める。一方、下部１の電圧出力２７Ｂと下部３の電圧出力３４Ｂとの和を求める。そしてこの両者の差を求める。しかしながら、この場合にはＹ軸周りの角速度、Ｚ軸周りの角速度を同じ信号を用いて演算するため、アンプを用いて全ての演算を行う必要がある。そのため、演算部７０に多くのアンプが必要になる。
　しかしながら上述のようにＺ方向を軸とした軸周りの角速度に上部電極の電圧を用いることによって、アンプを用いず結線のみで和演算することができる。したがって演算部７０を簡素に構成することができる。駆動電流は角速度に起因する電流の１０６倍程度であり、アンプに入力する前に駆動電流が相殺できるため、この構成はＳ／Ｎ比の観点からも有効である。
　なお、圧電体２９、３０、３６、３７の配向性を考慮して、下部電極２７、２８、３４、３５は白金で形成することが好ましい。圧電体をＰＺＴで形成する場合、白金電極は必須である。一方、電気的接続信頼性を考慮して、上部電極３１、３２、３８、３９は金で形成することが好ましい。このように、上部電極と下部電極とを異種材料で形成すると材料に固有の比抵抗が異なるため、位相ずれが発生することが懸念される。しかしながら上述のように本実施の形態では最終的に電圧出力の差を求めて角速度を検出する。そのため、位相ずれの発生を抑制することができる。なお、上部電極、下部電極の材料はこの組み合わせに限定されない。
　上部電極３１、３２、３８、３９は図１に示したＺ方向を軸とした軸周りの角速度検知における演算に用いる。下部電極２７、２８、３４、３５は図１に示したＹ方向を軸とした軸周りの角速度検知における演算に用いる。そして上部電極３１、３２、３８、３９を全て同一材料の金を用いて形成し、下部電極２７、２８、３４、３５を全て同一材料の白金を用いて形成することができる。このように下部電極２７、２８、３４、３５と上部電極３１、３２、３８、３９とを異種材料で形成したような場合においても位相ずれの発生を抑制することができる。
　なお、センスアーム２４、２５の各電極から生じる電流は基部２１から細い配線部により素子２０の端部に導出される。そのため、これらの電流が大きいと電圧降下が大きくなり、位相ずれが起こりやすくなる。特に駆動電流は、前述のように角速度に起因する電流の１０６倍程度である。このような位相ずれを抑制するために、第１の下部電極２７と第２の下部電極２８を第１の基板２６上で電気的に接続してもよい。また第３の下部電極３４と第４の下部電極３５を第２の基板３３上で電気的に接続してもよい。特に、第１の下部電極２７と第２の下部電極２８を一体に形成し、第３の下部電極３４と第４の下部電極３５を一体に形成することが好ましい。これらの構成により、ドライブアーム２２、２３に同調して生じるセンスアーム２４、２５の駆動によって生じる大きな電流が各基板２６、３３上でキャンセルされる。そのため、配線上を流れる電流が小さくなり、位相ずれの影響を小さくすることができる。
　なお、以上の説明では、演算部７０は第１の上部電極３１に対する第１の下部電極２７の電圧信号と第２の上部電極３２に対する第２の下部電極２８の電圧信号との和を求める。一方、第３の上部電極３８に対する第３の下部電極３４の電圧信号と第４の上部電極３９に対する第４の下部電極３５の電圧信号との和を求める。そしてこの２つの和の差を求める。この差を基に基部２１からセンスアーム２４、２５の伸びる方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。すなわち図１に示すＹ方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。しかしながら、各下部電極に対する、対応する各上部電極の電圧信号を用いて同様の演算をしても図１に示すＹ方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。
　すなわち、この場合、演算部７０は第１の下部電極２７に対する第１の上部電極３１の電圧信号と第２の下部電極２８に対する第２の上部電極３２の電圧信号との和を求める。一方、第３の下部電極３４に対する第３の上部電極３８の電圧信号と第４の下部電極３５に対する第４の上部電極３８の電圧信号との和を求める。そしてこの２つの和の差を求める。この差を基に基部２１からセンスアーム２４、２５の伸びる方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。演算部７０はこのように構成されていてもよい。
　またその際、演算部７０は第２の上部電極３１に対する第２の下部電極２８の電圧信号と第４の上部電極３９に対する第４の下部電極３５の電圧信号との和と、第１の上部電極３１に対する第１の下部電極２７の電圧信号と第３の上部電極３８に対する第３の下部電極３４の電圧信号との和との差を演算してもよい。この差から基部２１を形成する平面に垂直な方向、すなわち図１に示すＺ方向を軸とした軸周りの角速度も検出することができる。
　このように本実施の形態ではＹ方向を軸とした軸周りの角速度とＺ方向を軸とした軸周りの角速度を、それぞれ下部電極に対する上部電極、下部電極に対する上部電極を別々に利用して求める。そのため、駆動電流の影響を抑制して２軸の角速度を精度よく検出することができる。
　演算部７０がこのような演算を行う場合でも、下部電極と上部電極の材料構成や、同一センスアームに設けられた２つの下部電極の一体化などによる効果は上述の場合と同様である。
　なお図３における駆動部５０は角速度センサに含めず、各ドライブアームに電気的に接続された端子を設けておいて、各ドライブアームに外部回路から駆動信号を供給する構成でもよい。
　本発明の角速度センサでは、基部から第１、第２のセンスアームの伸びる方向を軸とした軸周りの角速度を検知することができる。この角速度センサは自動車制御やカーナビゲーション装置、デジタルカメラ等において有用である。
２０　　素子
２１　　基部
２２　　第１のドライブアーム
２３　　第２のドライブアーム
２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ，２５Ａ　　撓み部
２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂ，２５Ｂ　　錘部
２４　　第１のセンスアーム
２５　　第２のセンスアーム
２６　　第１の基板
２７　　第１の下部電極
２８　　第２の下部電極
２７Ａ，２８Ａ，３１Ａ，３２Ａ，３４Ａ，３５Ａ，３８Ａ，３９Ａ，８０，９０　　出力線
２７Ｂ，２８Ｂ，３１Ｂ，３２Ｂ，３４Ｂ，３５Ｂ，３８Ｂ，３９Ｂ　　電圧出力
２９　　第１の圧電体
３０　　第２の圧電体
３１　　第１の上部電極
３２　　第２の上部電極
３３　　第２の基板
３４　　第３の下部電極
３５　　第４の下部電極
３６　　第３の圧電体
３７　　第４の圧電体
３８　　第３の上部電極
３９　　第４の上部電極
４１，４２　　駆動振動
４３，４４，４５，４６　　コリオリ力
５０　　駆動部
７０　　演算部
８０Ｂ，９０Ｂ　　差信号

Claims (14)

  1. 素子と演算部とを備えた角速度センサであって、
    前記素子は、
    基部と、
    前記基部に接続され前記基部から互いに平行に伸びる部分を有する第１、第２のドライブアームと、
    前記基部に接続され、前記基部から前記第１、第２のドライブアームに対し反対方向へ伸びるとともに、前記基部から互いに平行に伸びる部分を有する第１、第２のセンスアームと、を含み、
    前記第１のセンスアームは、第１の基板と、前記第１の基板の上に形成された第１の下部電極と、前記第１の基板の上に、前記第１の下部電極よりも前記第２のセンスアームに近い側に形成された第２の下部電極と、前記第１の下部電極の上に形成された第１の圧電体と、前記第２の下部電極の上に形成された第２の圧電体と、前記第１の圧電体の上に形成された第１の上部電極と、前記第２の圧電体の上に形成された第２の上部電極と、を有し、
    前記第２のセンスアームは、第２の基板と、前記第２の基板の上に形成された第３の下部電極と、前記第２の基板の上に、前記第３の下部電極よりも前記第１のセンスアームから遠い側に形成された第４の下部電極と、前記第３の下部電極の上に形成された第３の圧電体と、前記第４の下部電極の上に形成された第４の圧電体と、前記第３の圧電体の上に形成された第３の上部電極と、前記第４の圧電体の上に形成された第４の上部電極と、を有し、
    前記演算部は、
    前記第１の上部電極に対する前記第１の下部電極の電圧信号と前記第２の上部電極に対する前記第２の下部電極の電圧信号との和と、前記第３の上部電極に対する前記第３の下部電極の電圧信号と前記第４の上部電極に対する前記第４の下部電極の電圧信号との和との差を演算する、
    角速度センサ。
  2. 前記演算部は、前記第１の上部電極に対する前記第１の下部電極の電圧信号と前記第２の上部電極に対する前記第２の下部電極の電圧信号との前記和と、前記第３の上部電極に対する前記第３の下部電極の電圧信号と前記第４の上部電極に対する前記第４の下部電極の電圧信号との前記和との前記差から、前記基部から前記第１、第２のセンスアームの伸びる方向を軸とした軸周りの角速度を検知する、
    請求項１記載の角速度センサ。
  3. 前記演算部は、
    前記第２の下部電極に対する前記第２の上部電極の電圧信号と前記第４の下部電極に対する前記第４の上部電極の電圧信号との和と、前記第１の下部電極に対する第１の上部電極の電圧信号と前記第３の下部電極に対する前記第３の上部電極の電圧信号との和との差を演算する、
    請求項１記載の角速度センサ。
  4. 前記演算部は、前記第２の下部電極に対する前記第２の上部電極の電圧信号と前記第４の下部電極に対する前記第４の上部電極の電圧信号との前記和と、前記第１の下部電極に対する第１の上部電極の電圧信号と前記第３の下部電極に対する前記第３の上部電極の電圧信号との前記和との前記差から、前記基部を形成する平面に垂直な方向を軸とした軸周りの角速度を検出する、
    請求項３記載の角速度センサ。
  5. 前記第１、第２、第３、第４の上部電極は同一の材料で形成され、
    前記第１、第２、第３、第４の下部電極は同一の材料で形成され、
    前記第１、第２、第３、第４の上部電極と前記第１、第２、第３、第４の下部電極とは異種材料で形成された、
    請求項１記載の角速度センサ。
  6. 前記第１、第２の下部電極が電気的に接続された、
    請求項１記載の角速度センサ。
  7. 前記第１、第２の下部電極が一体に形成された、
    請求項１記載の角速度センサ。
  8. 前記第３、第４の下部電極が電気的に接続された、
    請求項１記載の角速度センサ。
  9. 前記第３、第４の下部電極が一体に形成された、
    請求項１記載の角速度センサ。
  10. 素子と演算部とを備えた角速度センサであって、
    前記素子は、
    基部と、
    前記基部に接続され前記基部から互いに平行に伸びる部分を有する第１、第２のドライブアームと、
    前記基部に接続され、前記基部から前記第１、第２のドライブアームに対し反対方向へ伸びるとともに、前記基部から互いに平行に伸びる部分を有する第１、第２のセンスアームと、を含み、
    前記第１のセンスアームは、第１の基板と、前記第１の基板の上に形成された第１の下部電極と、前記第１の基板の上に、前記第１の下部電極よりも前記第２のセンスアームに近い側に形成された第２の下部電極と、前記第１の下部電極の上に形成された第１の圧電体と、前記第２の下部電極の上に形成された第２の圧電体と、前記第１の圧電体の上に形成された第１の上部電極と、前記第２の圧電体の上に形成された第２の上部電極と、を有し、
    前記第２のセンスアームは、第２の基板と、前記第２の基板の上に形成された第３の下部電極と、前記第２の基板の上に、前記第３の下部電極よりも前記第１のセンスアームから遠い側に形成された第４の下部電極と、前記第３の下部電極の上に形成された第３の圧電体と、前記第４の下部電極の上に形成された第４の圧電体と、前記第３の圧電体の上に形成された第３の上部電極と、前記第４の圧電体の上に形成された第４の上部電極と、を有し、
    前記演算部は、
    前記第１の下部電極に対する前記第１の上部電極の電圧信号と前記第２の下部電極に対する前記第２の上部電極の電圧信号との和と、前記第３の下部電極に対する前記第３の上部電極の電圧信号と前記第４の下部電極に対する前記第４の上部電極の電圧信号との和との差を演算する、
    角速度センサ。
  11. 前記演算部は、前記第１の下部電極に対する前記第１の上部電極の電圧信号と前記第２の下部電極に対する前記第２の上部電極の電圧信号との前記和と、前記第３の下部電極に対する前記第３の上部電極の電圧信号と前記第４の下部電極に対する前記第４の上部電極の電圧信号との前記和との前記差から、前記基部から前記第１、第２のセンスアームの伸びる方向を軸とした軸周りの角速度を検知する、
    請求項１０記載の角速度センサ。
  12. 前記演算部は、
    前記第２の上部電極に対する第２の下部電極の電圧信号と前記第４の上部電極に対する前記第４の下部電極の電圧信号との和と、前記第１の上部電極に対する第１の下部電極の電圧信号と前記第３の上部電極に対する前記第３の下部電極の電圧信号との和との差を演算する、
    請求項１０記載の角速度センサ。
  13. 前記演算部は、前記第２の上部電極に対する第２の下部電極の電圧信号と前記第４の上部電極に対する前記第４の下部電極の電圧信号との前記和と、前記第１の上部電極に対する第１の下部電極の電圧信号と前記第３の上部電極に対する前記第３の下部電極の電圧信号との前記和との前記差から、前記基部を形成する平面に垂直な方向を軸とした軸周りの角速度を検出する、
    請求項１２記載の角速度センサ。
  14. 前記第１、第２、第３、第４の上部電極は同一の材料で形成され、
    前記第１、第２、第３、第４の下部電極は同一の材料で形成され、
    前記第１、第２、第３、第４の上部電極と前記第１、第２、第３、第４の下部電極とは異種材料で形成された、
    請求項１０記載の角速度センサ。
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