JP2000258165A - 角速度センサ - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 検出確度が高く、感度変動の小さな、静電容
量型の角速度センサを提供する。 【解決手段】 角速度センサ１は、センサ素子１０と支
持基板２を備える。この支持基板２におけるセンサ素子
１０の面実装部分の周囲部には、センサ素子１０を四角
く囲うように４本の貫通した溝６が形成されている。溝
６は使用環境の変化や角速度センサ１の外部から印加さ
れる衝撃，振動などの力により、支持基板２に生じるた
わみやねじれなどの変形応力を、センサ素子１０の実装
部に伝搬するのを防止する防止手段として機能するもの
である。つまり、支持基板２が変形した場合、溝６が貫
通していることにより、溝６の存在する部分で屈曲など
の変形がほぼ完全に吸収されるため、センサ素子１０の
実装部まで変形応力が伝搬しない構造となる。
量型の角速度センサを提供する。 【解決手段】 角速度センサ１は、センサ素子１０と支
持基板２を備える。この支持基板２におけるセンサ素子
１０の面実装部分の周囲部には、センサ素子１０を四角
く囲うように４本の貫通した溝６が形成されている。溝
６は使用環境の変化や角速度センサ１の外部から印加さ
れる衝撃，振動などの力により、支持基板２に生じるた
わみやねじれなどの変形応力を、センサ素子１０の実装
部に伝搬するのを防止する防止手段として機能するもの
である。つまり、支持基板２が変形した場合、溝６が貫
通していることにより、溝６の存在する部分で屈曲など
の変形がほぼ完全に吸収されるため、センサ素子１０の
実装部まで変形応力が伝搬しない構造となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、角速度センサに関
し、詳しくは、支持基板によってセンサ素子が支持固定
されてなる静電容量型の角速度センサに関するものであ
る。
し、詳しくは、支持基板によってセンサ素子が支持固定
されてなる静電容量型の角速度センサに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の静電容量型の角速度センサを、図
８，図９を用いて説明する。図８および図９に示す角速
度センサ１００は、センサ素子１０を含む。センサ素子
１０は、単結晶シリコン材料からなる固定基板１１を備
える。この固定基板１１の表面には、略矩形状の平面振
動子１２が形成され、平面振動子１２の四隅には４本の
支持梁１４が配置され、支持梁１４は、折り曲げ加工さ
れて固定基板１１に固定されている。
８，図９を用いて説明する。図８および図９に示す角速
度センサ１００は、センサ素子１０を含む。センサ素子
１０は、単結晶シリコン材料からなる固定基板１１を備
える。この固定基板１１の表面には、略矩形状の平面振
動子１２が形成され、平面振動子１２の四隅には４本の
支持梁１４が配置され、支持梁１４は、折り曲げ加工さ
れて固定基板１１に固定されている。
【０００３】平面振動子１２の二辺には櫛歯状の駆動用
可動電極１５が形成されている。そして、平面振動子１
２の前記二辺に対向する位置には、固定板１６が配置さ
れ、固定板１６からは、櫛歯状の駆動用可動電極１５と
噛み合うように櫛歯状の駆動用固定電極１７が形成され
ている。この駆動用可動電極１５と駆動用固定電極１７
とをあわせて、駆動電極１８とする。
可動電極１５が形成されている。そして、平面振動子１
２の前記二辺に対向する位置には、固定板１６が配置さ
れ、固定板１６からは、櫛歯状の駆動用可動電極１５と
噛み合うように櫛歯状の駆動用固定電極１７が形成され
ている。この駆動用可動電極１５と駆動用固定電極１７
とをあわせて、駆動電極１８とする。
【０００４】また、平面振動子１２の他の二辺には、検
出用可動電極１９が形成されている。そして、平面振動
子１２の前記他の二辺に対向する位置には固定板２０が
配置され、固定板２０には、検出用可動電極１９と噛み
合うように検出用固定電極２１が形成されている。この
検出用可動電極１９と検出用固定電極２１とをあわせ
て、検出電極２２とする。
出用可動電極１９が形成されている。そして、平面振動
子１２の前記他の二辺に対向する位置には固定板２０が
配置され、固定板２０には、検出用可動電極１９と噛み
合うように検出用固定電極２１が形成されている。この
検出用可動電極１９と検出用固定電極２１とをあわせ
て、検出電極２２とする。
【０００５】そして、固定基板１１の表面および裏面側
には、平面振動子１２などを保護し封止するため、ガラ
ス板からなる包囲部材２３が配置されて、平板状のセン
サ素子１０が構成される。
には、平面振動子１２などを保護し封止するため、ガラ
ス板からなる包囲部材２３が配置されて、平板状のセン
サ素子１０が構成される。
【０００６】このセンサ素子１０は、例えばアルミナ基
板やガラスエポキシ基板などの平坦な支持基板２４に、
センサ素子１０の底面全面が水平を保つように接触し、
接着剤２５で底面全面が固着されて、角速度センサ１０
０が構成される。
板やガラスエポキシ基板などの平坦な支持基板２４に、
センサ素子１０の底面全面が水平を保つように接触し、
接着剤２５で底面全面が固着されて、角速度センサ１０
０が構成される。
【０００７】この角速度センサ１００において、平面振
動子１２は、駆動電極１８に交流電圧が印加されると、
駆動電極１８における駆動用可動電極１５と駆動用固定
電極１７の間に発生する静電力によって、平面振動子１
２と同一平面内でｙ軸方向に励振する。このとき、ｚ軸
を中心とした回転角速度が加わると、ｙ軸とｚ軸に直交
する方向、すなわちｘ軸方向にコリオリ力が発生し、平
面振動子１２がｘ軸方向に振動する。この振動による振
幅の大きさの変化を検出電極２２における静電容量変化
に対応させて検出し、ｚ軸回りの回転角速度の大きさを
検出するものである。
動子１２は、駆動電極１８に交流電圧が印加されると、
駆動電極１８における駆動用可動電極１５と駆動用固定
電極１７の間に発生する静電力によって、平面振動子１
２と同一平面内でｙ軸方向に励振する。このとき、ｚ軸
を中心とした回転角速度が加わると、ｙ軸とｚ軸に直交
する方向、すなわちｘ軸方向にコリオリ力が発生し、平
面振動子１２がｘ軸方向に振動する。この振動による振
幅の大きさの変化を検出電極２２における静電容量変化
に対応させて検出し、ｚ軸回りの回転角速度の大きさを
検出するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の角速度センサでは、使用環境の変化や、角速度セン
サの外部から印加される衝撃，振動などの力により、支
持基板には、たわみやねじれなどの変形が生じる。この
支持基板の変形により、センサ素子には変形応力が作用
することになる。
来の角速度センサでは、使用環境の変化や、角速度セン
サの外部から印加される衝撃，振動などの力により、支
持基板には、たわみやねじれなどの変形が生じる。この
支持基板の変形により、センサ素子には変形応力が作用
することになる。
【０００９】その結果、センサ素子全体に歪みが生じ、
検出電極において歪みによる静電容量の変化が検出され
る。これにより、コリオリ力とは無関係の検出信号を得
ることになり、センサの検出確度の低下の要因となって
いた。
検出電極において歪みによる静電容量の変化が検出され
る。これにより、コリオリ力とは無関係の検出信号を得
ることになり、センサの検出確度の低下の要因となって
いた。
【００１０】また、変形応力は平面振動子を支持する支
持梁にも作用し、支持梁のバネ定数の変化により平面振
動子の固有振動数が変化し、感度が変化してしまう要因
ともなっていた。
持梁にも作用し、支持梁のバネ定数の変化により平面振
動子の固有振動数が変化し、感度が変化してしまう要因
ともなっていた。
【００１１】これらの変形応力の発生を抑えるために
は、比較的強固で、たわみやねじれなどの変形が生じに
くいアルミナ等のセラミックス基板を利用することが考
えられる。しかし、セラミックス基板はガラスエポキシ
基板などに比べて高価であり、角速度センサのコストダ
ウンという市場の要望に沿うことが困難となる。
は、比較的強固で、たわみやねじれなどの変形が生じに
くいアルミナ等のセラミックス基板を利用することが考
えられる。しかし、セラミックス基板はガラスエポキシ
基板などに比べて高価であり、角速度センサのコストダ
ウンという市場の要望に沿うことが困難となる。
【００１２】したがって、本発明の目的は、上述の問題
点を解消するためになされたもので、検出確度が高く、
感度変動の小さな、静電容量型の角速度センサを提供す
ることにある。
点を解消するためになされたもので、検出確度が高く、
感度変動の小さな、静電容量型の角速度センサを提供す
ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の角速度センサにおいては、平板状のセンサ
素子と、センサ素子を支持する支持基板とを備え、セン
サ素子に加わった角速度に応じてセンサ素子内における
静電容量の変化を検知することによって角速度を検出す
る角速度センサであって、センサ素子は支持基板に面実
装され、支持基板におけるセンサ素子が面実装された周
囲部には、支持基板に加わった変形応力をセンサ素子の
面実装部分に伝搬するのを防止するための防止手段を備
えたことを特徴としている。
に、本発明の角速度センサにおいては、平板状のセンサ
素子と、センサ素子を支持する支持基板とを備え、セン
サ素子に加わった角速度に応じてセンサ素子内における
静電容量の変化を検知することによって角速度を検出す
る角速度センサであって、センサ素子は支持基板に面実
装され、支持基板におけるセンサ素子が面実装された周
囲部には、支持基板に加わった変形応力をセンサ素子の
面実装部分に伝搬するのを防止するための防止手段を備
えたことを特徴としている。
【００１４】また、防止手段は、支持基板におけるセン
サ素子が面実装された周囲部に溝または孔を設けてなる
ことを特徴としている。
サ素子が面実装された周囲部に溝または孔を設けてなる
ことを特徴としている。
【００１５】また、溝または孔は、支持基板を貫通する
ように形成されてなることを特徴としている。
ように形成されてなることを特徴としている。
【００１６】これにより、センサ素子の周囲部の防止手
段が、支持基板の変形の伝搬を防止するため、支持基板
のセンサ素子固着部の変形が低減される。
段が、支持基板の変形の伝搬を防止するため、支持基板
のセンサ素子固着部の変形が低減される。
【００１７】また、この防止手段は溝や孔などを形成す
ることで構成されるため、簡単な構成でかつ他の物質を
付加する必要がない。
ることで構成されるため、簡単な構成でかつ他の物質を
付加する必要がない。
【００１８】また、溝や孔を支持基板を貫通するように
形成することにより、変形応力の伝搬を防止する効果が
更に大きくなる。
形成することにより、変形応力の伝搬を防止する効果が
更に大きくなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、センサ素子について
は、従来例と同一のものを例示して説明するため、同一
番号を付し、センサ素子の内部の構造および角速度検出
の原理についての説明は省略する。
を参照して詳細に説明する。なお、センサ素子について
は、従来例と同一のものを例示して説明するため、同一
番号を付し、センサ素子の内部の構造および角速度検出
の原理についての説明は省略する。
【００２０】図１，図２に示す本発明の第１の実施の形
態に係る角速度センサ１は、センサ素子１０と支持基板
２を備える。この支持基板２は、例えばガラスエポキシ
基板や金属基板などの、安価で加工が容易な材質からな
り電気配線が可能なものであればよい。この支持基板２
の略中央部には、接着剤５を介してセンサ素子１０が固
着されて面実装される。
態に係る角速度センサ１は、センサ素子１０と支持基板
２を備える。この支持基板２は、例えばガラスエポキシ
基板や金属基板などの、安価で加工が容易な材質からな
り電気配線が可能なものであればよい。この支持基板２
の略中央部には、接着剤５を介してセンサ素子１０が固
着されて面実装される。
【００２１】この支持基板２における、センサ素子１０
の面実装部分の周囲部には、センサ素子１０を四角く囲
うように、４本の貫通した溝６が形成されている。これ
らの溝６は、たとえば、パンチなどの非常に簡易な機械
的加工方法によって形成されるものである。そして、セ
ンサ素子１０は、支持基板２における４箇所の架橋部７
で支持されることになる。これらの溝６は、使用環境の
変化や角速度センサ１の外部から印加される衝撃，振動
などの力により、支持基板２に生じるたわみやねじれな
どの変形応力を、センサ素子１０の実装部に伝搬するの
を防止する防止手段として機能するものである。つま
り、図３に示すように、支持基板２が変形した場合、溝
６が貫通していることにより、溝６の存在する部分で屈
曲などの変形がほぼ完全に吸収されるため、センサ素子
１０の実装部まで変形応力が伝搬しない構造となる。
の面実装部分の周囲部には、センサ素子１０を四角く囲
うように、４本の貫通した溝６が形成されている。これ
らの溝６は、たとえば、パンチなどの非常に簡易な機械
的加工方法によって形成されるものである。そして、セ
ンサ素子１０は、支持基板２における４箇所の架橋部７
で支持されることになる。これらの溝６は、使用環境の
変化や角速度センサ１の外部から印加される衝撃，振動
などの力により、支持基板２に生じるたわみやねじれな
どの変形応力を、センサ素子１０の実装部に伝搬するの
を防止する防止手段として機能するものである。つま
り、図３に示すように、支持基板２が変形した場合、溝
６が貫通していることにより、溝６の存在する部分で屈
曲などの変形がほぼ完全に吸収されるため、センサ素子
１０の実装部まで変形応力が伝搬しない構造となる。
【００２２】また、この角速度センサ１では、支持基板
２における架橋部７でセンサ素子１０が支持固定されて
おり、架橋部７は、架橋部７の物理的な構造（寸法な
ど）と材料の持つ物性によって決まるバネ定数によっ
て、固有の共振周波数ｆs を有する。ここで、センサ素
子１０内の平面振動子１２の共振周波数ｆ0 と架橋部７
の共振周波数ｆs とが近い値となる場合、平面振動子１
２の共振エネルギーが架橋部７へ伝達し、支持基板２に
おけるセンサ素子１０の実装部の全体が平面振動子１２
の共振周波数で励振されてしまい、平面振動子１２の振
動エネルギーのロスが発生し、平面振動子１２のＱ値が
下がり、センサとしての感度低下をもたらす可能性があ
る。したがって、このような感度低下を防止するため、
平面振動子１２の共振周波数ｆ0 と架橋部７の共振周波
数ｆs とが十分に乖離（かいり）するように、架橋部７
の幅や長さなどの寸法が設計される必要がある。たとえ
ば、架橋部７の共振周波数ｆs と平面振動子１２の共振
周波数ｆ0 との関係は、ｆs ＜０．１ｆ0 、または、１
０ｆ0 ＜ｆs となるように設計されることが望ましい。
２における架橋部７でセンサ素子１０が支持固定されて
おり、架橋部７は、架橋部７の物理的な構造（寸法な
ど）と材料の持つ物性によって決まるバネ定数によっ
て、固有の共振周波数ｆs を有する。ここで、センサ素
子１０内の平面振動子１２の共振周波数ｆ0 と架橋部７
の共振周波数ｆs とが近い値となる場合、平面振動子１
２の共振エネルギーが架橋部７へ伝達し、支持基板２に
おけるセンサ素子１０の実装部の全体が平面振動子１２
の共振周波数で励振されてしまい、平面振動子１２の振
動エネルギーのロスが発生し、平面振動子１２のＱ値が
下がり、センサとしての感度低下をもたらす可能性があ
る。したがって、このような感度低下を防止するため、
平面振動子１２の共振周波数ｆ0 と架橋部７の共振周波
数ｆs とが十分に乖離（かいり）するように、架橋部７
の幅や長さなどの寸法が設計される必要がある。たとえ
ば、架橋部７の共振周波数ｆs と平面振動子１２の共振
周波数ｆ0 との関係は、ｆs ＜０．１ｆ0 、または、１
０ｆ0 ＜ｆs となるように設計されることが望ましい。
【００２３】次に、本発明の第２の実施の形態を、図
４，図５を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と
同一の構成については同一番号を付し、その説明を省略
する。図４および図５に示す角速度センサ１において、
支持基板２におけるセンサ素子１０の面実装部分の周囲
部には、センサ素子１０を四角く囲うように、変形応力
伝搬の防止手段としての４本の有底の溝８が形成されて
いる。これらの溝８は、たとえば、リュータやエンドミ
ル，レーザ切除などの機械的加工や、エッチングなどの
化学的加工など一般的な加工方法によって形成されるも
のである。
４，図５を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と
同一の構成については同一番号を付し、その説明を省略
する。図４および図５に示す角速度センサ１において、
支持基板２におけるセンサ素子１０の面実装部分の周囲
部には、センサ素子１０を四角く囲うように、変形応力
伝搬の防止手段としての４本の有底の溝８が形成されて
いる。これらの溝８は、たとえば、リュータやエンドミ
ル，レーザ切除などの機械的加工や、エッチングなどの
化学的加工など一般的な加工方法によって形成されるも
のである。
【００２４】このように、溝８が有底であるため、支持
基板２の表面を削るだけでよく、本第２の実施の形態
は、支持基板２に硬度の高い材質を使用した場合に、特
に有効となる。
基板２の表面を削るだけでよく、本第２の実施の形態
は、支持基板２に硬度の高い材質を使用した場合に、特
に有効となる。
【００２５】次に、本発明の第３の実施の形態を図６，
図７を用いて説明する。なお、第１の実施の形態や第２
の実施の形態と同一の構成については同一番号を付し、
その説明を省略する。図６および図７に示す角速度セン
サ１において、支持基板２におけるセンサ素子１０の面
実装部分の周囲部には、センサ素子１０を四角く囲うよ
うに、変形応力伝搬の防止手段としての複数個の貫通し
た孔９が形成されている。これらの孔９は、たとえば、
ドリルなどの機械的加工方法によって形成されるもので
ある。
図７を用いて説明する。なお、第１の実施の形態や第２
の実施の形態と同一の構成については同一番号を付し、
その説明を省略する。図６および図７に示す角速度セン
サ１において、支持基板２におけるセンサ素子１０の面
実装部分の周囲部には、センサ素子１０を四角く囲うよ
うに、変形応力伝搬の防止手段としての複数個の貫通し
た孔９が形成されている。これらの孔９は、たとえば、
ドリルなどの機械的加工方法によって形成されるもので
ある。
【００２６】このように、孔９はドリルなどで簡単に構
成できるため、第１の実施の形態で示した溝６をパンチ
加工で形成する場合と比較して、支持基板２の材質がよ
り硬い場合にも適用可能となる。
成できるため、第１の実施の形態で示した溝６をパンチ
加工で形成する場合と比較して、支持基板２の材質がよ
り硬い場合にも適用可能となる。
【００２７】以上の第１〜第３の実施の形態に示した角
速度センサ１では、溝６，８や孔９などの防止手段が、
支持基板２におけるセンサ素子１０の周囲部を四角く囲
うように形成されているが、例えば円形状や多角形状に
囲って形成されてもよい。
速度センサ１では、溝６，８や孔９などの防止手段が、
支持基板２におけるセンサ素子１０の周囲部を四角く囲
うように形成されているが、例えば円形状や多角形状に
囲って形成されてもよい。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、本発明による角速度セン
サでは、センサ素子の周囲部の防止手段が、支持基板の
変形応力の伝搬を防止するため、支持基板のセンサ素子
固着部の変形が低減され、センサ素子に、コリオリ力と
関係のない他の信号が発生せず、確度の高いコリオリ信
号が得られる角速度センサとなる。
サでは、センサ素子の周囲部の防止手段が、支持基板の
変形応力の伝搬を防止するため、支持基板のセンサ素子
固着部の変形が低減され、センサ素子に、コリオリ力と
関係のない他の信号が発生せず、確度の高いコリオリ信
号が得られる角速度センサとなる。
【００２９】また、この防止手段は溝や孔などを形成す
ることで構成されるため、簡単に且つ安価に構成でき、
他の物質を付加する必要がないため、実用性に優れる。
ることで構成されるため、簡単に且つ安価に構成でき、
他の物質を付加する必要がないため、実用性に優れる。
【００３０】また、溝や孔を支持基板を貫通するように
形成することにより、変形応力の伝搬を防止する効果が
更に大きくなり、支持基板のセンサ素子固着部の変形が
起こらなくなり、角速度センサのコリオリ信号の確度が
さらに向上する。
形成することにより、変形応力の伝搬を防止する効果が
更に大きくなり、支持基板のセンサ素子固着部の変形が
起こらなくなり、角速度センサのコリオリ信号の確度が
さらに向上する。
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る角速度センサ
の構造を示す平面図である。
の構造を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る角速度センサ
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る角速度センサ
における、変形応力が加わった際の状態を示す断面説明
図である。
における、変形応力が加わった際の状態を示す断面説明
図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る角速度センサ
の構造を示す平面図である。
の構造を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る角速度センサ
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る角速度センサ
の構造を示す平面図である。
の構造を示す平面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る角速度センサ
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
【図８】センサ素子における包囲部材を備えない状態で
の構造を示す平面図である。
の構造を示す平面図である。
【図９】従来の角速度センサの構造を示す断面図であ
る。
る。
１ 角速度センサ ２ 支持基板 ５ 接着剤 ６，８ 溝 ７ 架橋部 ９ 孔 １０ センサ素子 １８ 平面振動子
Claims (3)
- 【請求項１】 平板状のセンサ素子と、前記センサ素子
を支持する支持基板と、を備え、前記センサ素子に加わ
った角速度に応じて、前記センサ素子内における静電容
量の変化を検知することによって前記角速度を検出する
角速度センサであって、前記センサ素子は、前記支持基
板に面実装され、前記支持基板における前記センサ素子
が面実装された周囲部には、前記支持基板に加わった変
形応力を前記センサ素子の面実装部分に伝搬するのを防
止するための防止手段を備えたことを特徴とする、角速
度センサ。 - 【請求項２】 前記防止手段は、前記支持基板における
前記センサ素子が面実装された周囲部に、溝または孔を
設けてなることを特徴とする、請求項１に記載の角速度
センサ。 - 【請求項３】 前記溝または孔は、前記支持基板を貫通
するように形成されてなることを特徴とする、請求項２
に記載の角速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11063486A JP2000258165A (ja) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | 角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11063486A JP2000258165A (ja) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | 角速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000258165A true JP2000258165A (ja) | 2000-09-22 |
Family
ID=13230636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11063486A Pending JP2000258165A (ja) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | 角速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000258165A (ja) |
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1999
- 1999-03-10 JP JP11063486A patent/JP2000258165A/ja active Pending
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