CN101405568A - 惯性力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种惯性力传感器(50)，其包括用以检测惯性力的检测元件(1)，检测元件(1)具有：两个第1正交臂(52)，其在实质正交方向上连结有第1臂(2)和第2臂(4)；支承部(6)，其支承两个第1臂(2)；固定用臂(8)；以及锤部(14)。并且，第2臂(4)具有：弯折部(4a)；相对部(16)，其在弯折部(4a)处弯折，并与第2臂(4)相对；驱动电极(18)，其设置在彼此相对的其中两个相对部(16)处，并对相对部(16)进行驱动振动；以及检测电极(20)，其设在另外两个相对部(16)处，并检测相对部(16)的变形。根据此结构，能够获得小型惯性力传感器(50)，其能够检测互不相同的多个惯性力且能够检测多个检测轴的惯性力。

Description

惯性力传感器

技术领域

本发明涉及航空器、汽车、机器人、船舶、车辆等移动物体的姿态控制、或者导航(navigation)装置等各种电子设备所使用的、用于检测惯性力的惯性力传感器。

背景技术

目前，使用惯性力传感器检测角速度或者加速度等的惯性力。当使用现有的惯性力传感器时，为了检测角速度，而使用专用的角速度传感器，为了检测加速度，而使用专用的加速度传感器。而且，当对与彼此正交的X轴、Y轴、Z轴等多个检测轴相对应的角速度和加速度进行检测时，要使用和检测轴数量相应的多个角速度传感器和加速度传感器。

因此，在各种电子设备中，当对角速度和加速度两者进行综合检测时，或者，对多个检测轴的角速度和加速度进行检测时，将多个角速度传感器和加速度传感器分别安装在电子设备的安装衬底上。

例如，角速度传感器使音叉状或者H形、T形等各种形状的检测元件振动，电检测伴随科里奥利力(Force de Coriolis)的产生而出现的检测元件的变形，从而检测角速度。而且，例如，加速度传感器具有锤部，将伴随加速度而出现的锤部的运动与工作前加以比较，并进行检测，从而检测加速度。

这种现有的角速度传感器和加速度传感器等各种惯性力传感器，根据检测对象的惯性力或者检测轴，而用于车辆等移动物体的姿态控制装置或者导航装置等。

另外，现有的惯性力传感器，例如在日本专利特开2001-208546号公报(专利文献1)、或者日本专利特开2001-74767号公报(专利文献2)等中被公开。

专利文献1：日本专利特开2001-208546号公报

专利文献2：日本专利特开2001-74767号公报

发明内容

本发明提供一种小型惯性力传感器，其无需用于安装多个惯性力传感器的较大安装面积，便能检测角速度或者加速度等互不相同的多个惯性力、或者多个检测轴的惯性力。

本发明的惯性力传感器包括用以检测惯性力的检测元件，检测元件具有两个第1正交臂、支承部、固定用臂和锤部，第1正交臂在实质正交的方向上连结有第1臂和第2臂，支承部支承两个第1臂，固定用臂的端部固定在安装有检测元件的安装衬底上，锤部形成在第2臂的端部上。并且，第2臂具有弯折部、相对部、驱动电极和检测电极，相对部在弯折部处弯折且与第2臂相对，驱动电极以支承部为基准，设置在同一方向的两个相对部处，且对相对部进行驱动振动，检测电极以支承部为基准，设置在与设置有所述驱动电极的所述相对部反方向的两个相对部处，且检测相对部的变形。根据此结构，可提供一种小型惯性力传感器，其能够检测互不相同的多个惯性力且能够检测多个检测轴的惯性力。

附图说明

图1是表示用于本发明的实施方式中的惯性力传感器的检测元件的立体图。

图2是图1所示的检测元件的主要部分放大图。

图3是图2所示的检测元件的线3-3的剖面图。

图4是图1所示的检测元件的工作状态图。

图5是表示用于本发明的实施方式中的惯性力传感器的另一形态的检测元件的平面图。

图6是表示用于本发明实施方式中的惯性力传感器的另一形态的检测元件的立体图。

附图标记说明

1    检测元件

2    第1臂

4    第2臂

4a   弯折部

4b、10b   端部

6         支承部

8         固定用臂

10        第3臂

12        固定部

14        锤部

16        相对部

18        驱动电极

20、30    检测电极

22        第1检测电极

24        第2检测电极

26        第3检测电极

28        第4检测电极

32        第5检测电极

34        第6检测电极

36        第7检测电极

38        第8检测电极

40        硅衬底

42        薄膜电阻

50        惯性力传感器

52        第1正交臂

54        第2正交臂

56、58    信号线

具体实施方式

图1表示本发明实施方式中的惯性力传感器50的检测元件1的立体图。图2是图1的局部60的放大图，图3是图2的线3-3的剖面图。并且，图4是图1所示的检测元件1的工作状态图。

在图1～图3中，惯性力传感器50具有用于检测惯性力的检测元件1和处理电路(未图示)。检测元件1具有两个第1正交臂52、支承部6和两个固定用臂8。作为正交臂的两个第1正交臂52分别具有一个第1臂2和两个第2臂4，第1臂2形成为与第2臂4在实质正交的方向上连结。

并且，支承部6支承两个第1臂2。由此，两个第2臂4夹持支承部6，彼此配置连结在同一直线上。两个固定用臂8分别是将第1臂2和第3臂10在实质正交的方向上连结而形成的。而且，固定用臂8也作为第2正交臂54，且构成正交臂。即，第1臂2兼作固定用臂8的一部分，并且兼作第1正交臂52的一部分。固定用臂8的一端连结在支承部6上，而在作为另一端的端部10b上形成有固定部12。即，在第3臂10的两侧端部10b上形成有固定部12。并且，固定部12固定在安装有检测元件1的安装衬底(未图示)上。

而且，各个第2臂4在弯折部4a处弯折。通过第2臂4在弯折部4a处弯折而设置与第2臂4自身相对的相对部16。并且，在第2臂4的端部4b上形成有锤部14。而且，第2臂4在弯折部4a处弯折，由此相对部16也与第3臂10相对。

而且，检测元件1在实质相同的直线上配置有两个第1臂2和支承部6。另外，相对于彼此正交的X轴、Y轴、Z轴，第1臂2的长度方向配置在X轴方向上，第2臂4的长度方向配置在Y轴方向上。

另外，所谓实质正交，是指各个臂以89度到91度的角度进行交叉，较理想的是以89.5度到90.5度的角度进行交叉。更理想的是以89.9度到90.1度的角度进行交叉。而且，所谓配置在实质相同的直线上，是指两个第1臂2在支承部6处以179度到181度的角度连结，较理想的是以179.5度到180.5度的角度连结。更理想的是，以179.9度到180.9度的角度连结。

而且，在四个第2臂4中，彼此相对的第2臂4的其中一侧的两个相对部16上设置有驱动电极18。并且，在彼此相对的第2臂4的另一侧的两个相对部16上设置有检测电极20。即，设置有驱动电极18的一侧的两个相对部16是，以支承部6为基准，设置在与第2臂4的长度方向相同的方向上所配置的第2臂4上的相对部。而且，同样地，设有检测电极20的一侧的两个相对部16是，以支承部6为基准，设置在与设置有驱动电极18的一侧的两个相对部16的反方向上所配置的第2臂4上的相对部。

驱动电极18使相对部16在相对方向上驱动振动，检测电极20检测相对部16在相对方向上的变形。即，驱动电极18使相对部16在与第2臂4的长度方向实质正交的方向上驱动振动，检测电极20检测相对部16在与第2臂4的长度方向实质相对的方向上的变形。检测电极20是用于角速度检测的角速度检测电极，包括第1检测电极22、第2检测电极24、第3检测电极26和第4检测电极28。设有检测电极20的一侧的两个相对部16中，在其中一个相对部16上，分别相对配置有第1检测电极22和第2检测电极24。并且，在另一个相对部16上，分别相对配置有第3检测电极26和第4检测电极28。

驱动电极18和检测电极20是，例如在硅衬底40上，分别层压下部电极、压电体和上部电极而形成的。下部电极是例如通过对Pt实施高频溅射而形成的。而且，压电体是例如通过在下部电极的上部利用高频溅射形成PZT压电体而形成的。并且，上部电极是例如通过Au蒸镀而形成在压电体的上部。

如果对下部电极和上部电极施加使构成检测元件1的硅衬底40进行共振的共振频率的交流电压，则配置有驱动电极18的相对部16将被驱动振动。随之，四个第2臂4和四个相对部16均被同步驱动振动。而且，通过因角速度使第2臂4产生变形，而从已变形的第2臂4上配置的检测电极20输出与变形相应的电压。处理电路根据从检测电极20输出的输出电压对角速度进行检测。

并且，如图2所示，在第1臂2中，设置有检测第1臂2的变形的检测电极30。检测电极30是用于加速度检测的加速度检测电极，其包括第5检测电极32、第6检测电极34、第7检测电极36和第8检测电极38。在其中一个第1臂2上，在与第1臂2的长度方向正交的方向上分别相对配置有第5检测电极32和第6检测电极34。而且，另一个第1臂2中，在第1臂2的长度方向的正交的方向上分别相对配置有第7检测电极36和第8检测电极38。

另外，如图3所示，在硅衬底40上层压有薄膜电阻42。并且，在薄膜电阻42上层压形成有检测电极30。由此，通过因加速度使第1臂2产生变形，从在已变形的第1臂2上所配置的检测电极30输出与变形对应的电压。处理电路根据由检测电极30输出的输出电压，检测加速度。

通过上述结构，就角速度来说，例如图4所示，如果在作为相对方向的X轴方向(箭头62方向)上，使第2臂4的相对部16驱动振动，则由围绕Z轴的角速度引起的变形将在第2臂4的相对部16的X轴方向上产生。即，是因为在第2臂4的Y轴方向上产生与驱动振动相应的科里奥利力。同时，在第2臂4的相对部16的Z轴方向上产生由围绕Y轴的角速度引起的变形。同样地，是因为在第2臂4的Z轴方向上产生与驱动振动相应的科里奥利力。因此，通过检测至少第2臂4的X轴方向和Z轴方向中的任一个方向上产生的变形，检测出检测元件1中产生的角速度。另外，例如图4所示，相对部16的X轴方向的驱动振动是箭头62的实线方向与虚线方向的振动交替重复进行的驱动振动。

尤其是，在彼此相对的第2臂4的其中一侧的两个相对部16上设置有驱动电极18，并且在另一侧的两个相对部16上设置有检测电极20。由此，可将作为共振频率的驱动振动数设定得较低，从而用于对驱动电极18进行驱动的电路(未图示)的设计变得容易。并且，检测精度得到提高。即，例如，当在支承部6的附近的第2臂4处配置驱动电极18时，难以将共振频率设定得较低，从而无法获得上述效果。而且，由于检测元件1具有上述结构，使得与驱动电极18接线的信号线56及与检测电极20接线的信号线58之间也不易产生信号干扰。由此，惯性力传感器50的检测精度进一步提高。

而且，例如当围绕Z轴(箭头66所示的方向)产生角速度时，如图4所示，在与作为驱动振动方向的X轴方向正交的方向上产生科里奥利力，且与箭头62方向的驱动振动同步。即，与箭头62方向的驱动振动的频率同步，而产生由实线和虚线表示的箭头64方向的科里奥利力。另外，当产生由箭头66所示的逆时针围绕Z轴的角速度时，第1检测电极22和第3检测电极26检测到相对部16的拉伸，第2检测电极24和第4检测电极28检测相对部16的收缩。而且，当在与箭头66相反方向的顺时针围绕Z轴的方向产生角速度时，第1检测电极22和第3检测电极26检测相对部16的收缩，第2检测电极24和第4检测电极28检测相对部16的拉伸。另一方面，设有驱动电极18的一侧的第2臂4，与设有检测电极20的一侧的第2臂4的运动同步，且与设有检测电极20的一侧的第2臂4对称运动。

而且，就加速度来说，例如同样地，在第1臂2上产生由Y轴方向的加速度引起的变形。即，由第2臂4的自重引起的力作用于第1臂2上。同时，在第3臂10上产生由X轴方向的加速度引起的变形。即，由第1臂2的自重和第2臂4的自重引起的力作用于第3臂10上。所以，通过检测至少第1臂2和第3臂10中的任一个臂上产生的变形，检测出检测元件1中产生的加速度。

另外，尤其如图3所示，第1臂2的厚度t2形成得比第2臂4和第3臂10的厚度t薄。并且，在第1臂2上层压有薄膜电阻42，并在薄膜电阻42上形成有用于加速度检测的检测电极30。由此，第1臂2易于产生变形，接受对于Y轴方向的加速度的变形的灵敏度较高。因此，加速度的检测灵敏度得以提高。

如上所述，检测出向检测元件1施加的互不相同的多个惯性力。并且，检测出向检测元件1施加的、作用于互不相同的多个检测轴上的惯性力。这样，能够得到安装面积减小且小型化的检测元件1。

另外，本发明的检测元件1中，第2臂4具有在弯折部4a处弯折的形状。由此，第2臂4具有彼此相对的相对部16。而且，因相对部16被驱动振动，由此振幅被设定得较大。因此，角速度的检测灵敏度提高。

并且，在第2臂4的端部4b上形成有锤部14。因锤部14的质量效应，驱动振动中的端部4b的振幅增大，从而角速度的检测灵敏度得以提高。这些效应的原因在于，通过锤部14使乘积常数(质量×移动速度)变大，因此，由于驱动振动产生的科里奥利力变大。而且，通过形成锤部14，也使得加速度的检测灵敏度得以提高。

而且，由于第2臂4具有在弯折部4a处弯折的形状，所以能够实现安装面积小的小型化检测元件1。并且，被驱动振动的第2臂4的端部4b和固定有检测元件1的固定部12的距离实质变长。由此，各方向的角速度和加速度的检测灵敏度得以提高。所以，可使用小型化检测元件1，以高灵敏度检测多个不同的角速度和加速度。

并且，如图5所示，第2臂4也可以以如下方式构成，即，在多个弯折部4a处弯折成蜿蜒(meander)状，且端部4b与第2臂4相对。检测元件1以上述方式构成，由此被驱动振动的第2臂4的端部4b和固定有检测元件1的固定部12的距离实质变长。由此，上述作用和效应进一步提高。因此，获得安装面积小且小型化的具有高检测灵敏度的检测元件1。

并且，如图1所示，也可以使支承部6的宽度W0大于第1臂2的宽度W1和第2臂4的宽度W2(W0＞W1＞W2)。而且，如图6所示，也可以使支承部6的宽度W1等于第1臂2和第2臂4的宽度W2(W0＝W1＝W2)。

工业利用可能性

本发明的惯性力传感器能够检测多个惯性力且能够检测作用于多个检测轴上的惯性力，可应用于各种电子设备。

Claims (5)

1、一种惯性力传感器，其具备：

用以检测惯性力的检测元件，其中，

所述检测元件具备：

两个第1正交臂，其分别具有第1臂和第2臂，并且是将所述第1臂和所述第2臂在实质正交方向上连结而形成的；

支承部，其支承两个所述第1臂；

固定用臂，其一端连结有所述支承部，并且另一端固定有被安装所述检测元件的安装衬底，所述固定用臂至少一部分兼作所述第1臂；以及

锤部，其形成在所述第2臂的端部，

所述第2臂具有：

弯折部，其将所述第2臂弯折；

相对部，其在所述弯折部处弯折，并与所述第2臂相对；

驱动电极，其以所述支承部为基准，设置在同一方向的两个所述相对部上，对所述相对部进行驱动振动；以及

检测电极，其以所述支承部为基准，设置在与设置有所述驱动电极的所述相对部反方向的两个所述相对部上，检测所述相对部的变形。

2、根据权利要求1所述的惯性力传感器，其中，

所述两个第1臂和所述支承部配置在实质相同的直线上。

3、根据权利要求1所述的惯性力传感器，其中，

所述固定用臂是在实质正交的方向上连结所述第1臂和第3臂而形成的第2正交臂，

在所述第3臂的端部固定有所述安装衬底。

4、根据权利要求1所述的惯性力传感器，其中，

所述检测电极包括第1检测电极、第2检测电极、第3检测电极和第4检测电极，

在设置有所述检测电极的两个所述相对部中，

在其中一个所述相对部上，所述第1检测电极和所述第2检测电极相对地配置，

在另一个所述相对部上，所述第3检测电极和所述第4检测电极相对地配置。

5、根据权利要求1所述的惯性力传感器，其中，

通过检测所述第1臂的变形或者所述第3臂的变形，检测加速度。

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