CN101501448A

CN101501448A - 惯性力传感器

Info

Publication number: CN101501448A
Application number: CNA2007800299280A
Authority: CN
Inventors: 植村猛
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2027-09-18
Also published as: US8074517B2; EP2037217A1; WO2008035649A1; CN101501448B; EP2037217A4; US20100199761A1; EP2037217B1; JP2008076265A

Abstract

本发明提供一种惯性力传感器，在检测元件(1)中，检测角速度时，在产生角速度时基于第一加法值、第二加法值、第三加法值及第四加法值进行检测，该第一加法值为将从相互为正极的第二感应电极部(19b)的上部电极和第四感应电极部(20b)的上部电极输出的输出值相加的值，该第二加法值为将从相互为负极的第一感应电极部(19a)的上部电极和第三感应电极部(20a)的上部电极输出的输出值相加的值，该第三加法值为将从相互为正极的第一感应电极部(19a)的下部电极和第三感应电极部(20a)的下部电极输出的输出值相加的值，该第四加法值为将从相互为负极的第二感应电极部(19b)的下部电极和第四感应电极部(20b)的下部电极输出的输出值相加的值。根据以上的结构，提高检测灵敏度。

Description

惯性力传感器

技术领域

本发明涉及一种惯性力传感器，其用于飞机、汽车、机器人、船舶、车辆等移动体的姿势控制及导航等各种电子设备中，检测惯性力。

背景技术

下面，对现有惯性力传感器进行说明。作为惯性力传感器，有角速度传感器及加速度传感器等。通常，角速度传感器具有音叉形状或H形状或T形状等各种形状的检测元件，使该检测元件振动，对伴随着科里奥利力的产生而引起检测元件的变形进行电感应，检测角速度。加速度传感器具有连结有锤部的检测元件，对伴随着锤部的活动而引起的检测元件的变形进行电感应，检测加速度。为了感应变形，将由隔着压电体的上部电极和下部电极构成的感应电极部配置在检测元件上，随着检测元件的变形，基于从感应电极部输出的电流，检测角速度及加速度。

使这种角速度传感器及加速度传感器等多个惯性力传感器与要检测的惯性力及检测轴对应，在车辆等移动体的姿势控制装置及导航装置等中使用。另外，作为与该发明申请的相关联的现有技术文献信息，例如公知有专利文献1。在这种现有惯性力传感器中，具有如下问题点：在基于从感应电极部输出的电流来检测角速度或加速度时，检测元件的变形非常微小，从感应电极部输出的电流也非常微小，检测灵敏度低。

专利文献1：(日本)特开2005-249395号公报

发明内容

本发明提供一种提高检测灵敏度的惯性力传感器。本发明的结构为：感应部具有由隔着压电体的上部电极和下部电极构成的感应电极部，检测电路部基于将从感应电极部的上部电极输出的输出值、和从感应电极部的下部电极输出的输出值相加的值，检测作用于挠性体的惯性力。根据该结构，由于基于将从感应电极部的上部电极输出的输出值、和从感应电极部的下部电极输出的输出值相加的约为现有的二倍大小的值，检测作用于挠性体的惯性力，因此，能够提高检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明一实施方式的角速度传感器的检测元件的立体图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是本发明一实施方式的角速度传感器的检测元件的工作状态图；

图4是表示本发明一实施方式的角速度传感器的驱动处理及角速度检测处理的电路方框图；

图5是本发明一实施方式的角速度传感器的角速度检测处理的电路图；

图6是本发明一实施方式的角速度传感器的角速度检测处理的电路图。

图7是本发明一实施方式的角速度传感器的角速度检测处理的电路图；

图8是表示本发明另一实施方式的角速度传感器的驱动处理及角速度检测处理的电路方框图。

附图标记说明

1 检测元件

2 第一臂

4 第二臂

6 支承部

8 固定用臂

10 第三臂

11 锤部

12 凹部

13 压电体

14 下部电极

15 上部电极

17 第一驱动部

17a第一驱动电极部

17b第二驱动电极部

18 第二驱动部

18a第三驱动电极部

18b 第四驱动电极部

19 第一感应部

19a 第一感应电极部

19b 第二感应电极部

20 第二感应部

20a 第三感应电极部

20b 第四感应电极部

具体实施方式

(实施方式1)

图1是惯性力传感器之一的角速度传感器的本发明一实施方式的检测元件的立体图，图2是图1的A-A剖面图，图3是同检测元件的工作状态图。角速度传感器具备由检测角速度的挠性体构成的检测元件1。图1中，该检测元件1具有在正交方向上连结形成的正交的第一臂2和第二臂4。还具有将两个第一臂2和四个第二臂4连结支承的支承部6。还具有与第一臂2垂直连接、其端部固定在安装基板上(未图示)的第三臂10。将第一臂2和第三臂10合称为固定用臂8。此时，两个第一臂2和支承部6大致配置在同一直线上。另外，作为形状的变更，也可以将固定部9彼此之间连结，使第三臂10成为四方的框体形状。

另外，在第二臂4上设置弯曲了180度的相对部16，将锤部11连结在其顶端部。该锤部11具有凹部12。

在四个第二臂4内、彼此相对的一侧的两个第二臂4的支承部6侧设置驱动锤部11振动的第一驱动部17、第二驱动部18，并且在彼此相对的另一侧的两个第二臂4的支承部6侧设置感应第二臂4的变形的第一感应部19、第二感应部20。

该第一驱动部17及第二驱动部18为用于驱动两个第二臂4的锤部11的电极部，形成为：在一个第二臂4上使第一、第二驱动电极部17a、17b相对配置，在另一个第二臂4上使第三、第四驱动电极部18a、18b相对配置。如图2所示，这些第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b由隔着压电体13的下部电极14和上部电极15构成。

第一感应部19及第二感应部20为用于检测两个第二臂4的变形的电极部，形成为：在一个第二臂4上使第一、第二感应电极部19a、19b相对配置，在另一个第二臂4上使第三、第四感应电极部20a、20b相对配置。如图2所示，这些第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b和第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b同样，由隔着压电体13的上部电极14和下部电极15构成。

如图2所示，上述的第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b及第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b的制作如下：在由硅基板构成的第二臂4上，通过高频溅射形成由Pt构成的下部电极14，在该下部电极14的上部，通过高频溅射形成由PZT构成的压电体13，在由PZT构成的压电体13的上部，通过蒸镀形成由Au构成的上部电极15。

图3是同检测元件1的工作状态图。在相互正交的X轴、Y轴、Z轴上，在将检测元件1的第一臂2沿X轴方向配置且将第二臂4沿Y轴方向配置的情况下，对第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b施加共振频率的交流电压后，第二臂4以配置有第一驱动部17及第二驱动部18的第二臂4为起点进行驱动振动，随之，锤部11也沿第二臂4的相对方向(用实线箭头和虚线箭头标记的D方向)进行驱动振动。另外，四个第二臂4及四个锤部11全部同步且沿第二臂4的相对方向进行驱动振动。该检测元件1的驱动振动方向为X轴方向。在本实施例中，在驱动振动引起的图3中D方向的共振的时刻或瞬间，四个第二臂4全部在图中实线方向振动，在不同的瞬间，四个第二臂4全部在图中虚线方向振动。

此时，例如，在绕Z轴逆时针旋转(CCW)产生了角速度的情况下，与锤部11的驱动振动同步，相对于锤部11沿与驱动振动方向正交的方向(用实线的箭头标记的C方向)产生科里奥利力，因此，能够在第二臂4上产生绕Z轴逆时针旋转的角速度引起的变形。该检测元件1的科里奥利方向为Y轴方向。

在用实线箭头标记的科里奥利方向(C方向)上产生科里奥利力的情况下，在设置有第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b的第二臂4上，第一感应电极部19a和第三感应电极部20a感应第二臂4的缩短，且第二感应电极部19b和第四感应电极部20b感应第二臂4的伸长。在用虚线箭头标记的科里奥利方向上产生了科里奥利力的情况下，检测其反方向的伸长、缩短。

而且，根据已检测的伸长、缩短，在第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b上产生电荷且输出电流，基于该输出的电流检测角速度。

另一方面，在绕Z轴顺时针旋转(CW)产生了角速度的情况下，和在绕Z轴逆时针旋转(CCW)产生角速度的情况正好相反，第二臂4进行伸长缩短，第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b感应该伸长、缩短，因此，同样检测角速度。

另外，在绕Y轴产生了角速度的情况下，也和锤部11的驱动振动同步，相对于锤部11沿与驱动振动方向正交的方向(Z轴方向)产生科里奥利力，因此，能够在第二臂4上产生绕Y轴的角速度引起的变形。通过第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b感应第二臂4的伸长、缩短来检测角速度。

另外，由于绕Z轴、Y轴产生了角速度时产生的变形在设置有第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b的第二臂4上也同样产生，因此，也可以将第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b配置在设置有第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b的第二臂4上。

下面，对第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b的感应进行具体说明。

图4是表示本实施方式的角速度传感器的驱动处理及角速度检测处理的检测电路部的电路方框图。图4中，由驱动处理电路30对第一驱动部17及第二驱动部18施加驱动用电压。将在第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b和第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b上不产生角速度的通常时刻的上部电极15、下部电极14的极性表示在用Pd包围的虚线内。另外，将产生角速度的角速度产生时的上部电极15和下部电极14的极性表示在用Pc包围的虚线内。下部电极14的极性和上部电极15的极性成为对称极性。在这样的极性关系中，根据输入到第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b的交流信号，上部电极15的极性及下部电极14的极性交替地重复正负，利用检测电路部检测角速度。

在检测角速度产生时的角速度时，对第一感应部19的第一、第二感应电极部19a、19b及第二感应部20的第三、第四感应电极部20a、20b的输出进行如下处理。

(1)将从相互为正极的第二感应电极部19b的上部电极15和第四感应电极部20b的上部电极15输出的输出值相加，作为第一加法值。

(2)将从相互为负极的第一感应电极部19a的上部电极15和第三感应电极部20a的上部电极15输出的输出值相加，作为第二加法值。

(3)将从相互为正极的第一感应电极部19a的下部电极14和第三感应电极部20a的下部电极14输出的输出值相加，作为第三加法值。图4中对电流加法的电路进行例示。

(4)将从相互为负极的第二感应电极部19b的下部电极14和第四感应电极部20b的下部电极14输出的输出值相加，作为第四加法值。图4中对电流加法的电路进行例示。

(5)检测第一加法值与第二加法值的差动增幅值S1及第三加法值与第四加法值的差动增幅值S2。

(6)将从第一驱动部17的第二驱动电极部17b的下部电极14和第二驱动部18的第二驱动电极部18b的下部电极14输出的输出值与第三加法值相加。图4中对电流加法的电路进行例示。

(7)将从第一驱动部17的第一驱动电极部17a的下部电极14和第三驱动电极部18a的下部电极14输出的输出值与第四加法值相加。图4中对电流加法的电路进行例示。

作为进一步的处理，由于极性因第二臂4的伸缩而交替地重复正极和负极，因此，在极性相反的情况下，对输出进行如下处理。

(1)将从相互为正极的第一感应电极部19a的上部电极15和第三感应电极部20a的上部电极15输出的输出值相加，作为第一加法值。

(2)将从相互为负极的第二感应电极部19b的上部电极15和第四感应电极部20b的上部电极15输出的输出值相加，作为第二加法值。

(3)将从相互为正极的第二感应电极部19b的下部电极14和第四感应电极部20b的下部电极14输出的输出值相加，作为第三加法值。

(4)将从相互为负极的第一感应电极部19a的下部电极14和第三感应电极部20a的下部电极14输出的输出值相加，作为第四加法值。

(5)检测第一加法值与第二加法值的差动增幅值及第三加法值与第四加法值的差动增幅值。

(6)将从第一驱动部17的第一驱动电极部17a的下部电极14和第三驱动电极部18a的下部电极14输出的输出值与第三加法值相加。

(7)将从第一驱动部17的第二驱动电极部17b的下部电极14和第二驱动部18的第二驱动电极部18b的下部电极14输出的输出值与第四加法值相加。

另外，在本实施例中，表示了在驱动振动引起的图3中D方向的共振的时刻或瞬间，四个第二臂全部在图中实线方向振动，在不同的瞬间，四个第二臂全部在图中虚线方向振动的例子，但也可应用其他的驱动振动。即，在驱动振动引起的图3中D方向的共振的时刻或瞬间，上面的两个第二臂全部在图中实线方向振动，并且下面的两个第二臂全部在图中虚线方向振动，即使在不同的瞬间，上面的两个第二臂全部在图中虚线方向振动，且下面的两个第二臂全部在实线方向进行接触那样的共振的时刻，也和本实施例同样，能够进行精度良好地检测。

上述构成产生的角速度的检测如图5～图7中进行例示的那样，可以基于从隔着压电体13的下部电极14和上部电极15输出的输出值双方、将信号S作为电压进行检测。图5为决定电压输出值的差动增幅器的基准电压接地即零伏时的电路构成例。图6为决定电压输出值的差动增幅器的基准电压为一定的基准电压时的电路构成例。图7为用于得到图6所示的一定的基准电压而实际使用的放大器和电阻的组合例。

(实施方式2)

图8是同角速度传感器的驱动处理及角速度检测处理的检测电路部的另一电路方框图。图8中，由驱动处理电路30对第一驱动部17及第二驱动部18施加驱动用电压。将在第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b和第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b上不产生角速度的通常时刻的上部电极15和下部电极14的极性表示在用Pd包围的虚线内。另外，将产生角速度的角速度产生时的上部电极15的极性和下部电极14的极性表示在用Pc包围的虚线内。在这样的极性关系中，根据输入第一～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b的交流信号，上部电极15的极性及下部电极14的极性交替地重复正负，利用检测电路部检测角速度。

在角速度产生时检测角速度时，对第一感应部19的第一、第二感应电极部19a、19b及第二感应部20的第三、第四感应电极部20a、20b的输出进行如下处理。

(1)将从第一感应部19的相互为正极的第二感应电极部19b的上部电极15和第一感应电极部19a的下部电极14输出的输出值相加，作为第一加法值。

(2)将从第一感应部19的相互为负极的第一感应电极部19a的上部电极15和第二感应电极部19b的下部电极14输出的输出值相加，作为第二加法值。

(3)将从第二感应部20的相互为正极的第四感应电极部20b的上部电极15和第三感应电极部20a的下部电极14输出的输出值相加，作为第三加法值。

(4)将从第二感应部20的相互为负极的第三感应电极部20a的上部电极15和第四感应电极部20b的下部电极14输出的输出值相加，作为第四加法值。

(5)检测将第一加法值与第三加法值相加的加法值、和将第二加法值与第四加法值相加的加法值的差动增幅值。

(6)将从第一驱动部17的第一驱动电极部17a的上部电极15和第一驱动部17的第二驱动电极部17b的下部电极14输出的输出值与第三加法值相加。

(7)将从第二驱动部18的第三驱动电极部18a的下部电极14和第四驱动电极部18b的上部电极15输出的输出值与第二加法值相加。

另外，图8中，上述(5)以外的各加法运算对将电流相加的电路进行了例示。

作为进一步的处理，由于极性因第二臂4的伸缩而交替地重复正极和负极，因此，在极性相反的情况下，进行如下处理。

(1)将从第一感应部19的相互为正极的第一感应电极部19a的上部电极15和第二感应电极部19b的下部电极14输出的输出值相加，作为第一加法值。

(2)将从第一感应部19的相互为负极的第二感应电极部19b的上部电极15和第一感应电极部19a的下部电极14输出的输出值相加，作为第二加法值。

(3)将从第二感应部20的相互为正极的第三感应电极部20a的上部电极15和第四感应电极部20b的下部电极14输出的输出值相加，作为第三加法值。

(4)将从第二感应部20的相互为负极的第四感应电极部20b的上部电极15和第三感应电极部20a的下部电极14输出的输出值相加，作为第四加法值。

(5)检测将第一加法值与第二加法值相加的加法值和、将第二加法值与第四加法值相加的加法值的差动增幅值。

(6)将从第一驱动部17的第一驱动电极部17a的上部电极15和第一驱动部17的第二驱动电极部17b的下部电极14输出的输出值与第四加法值相加。

(7)将从第二驱动部18的第三驱动电极部18a的下部电极14和第四驱动电极部18b的上部电极15输出的输出值与第一加法值相加。

如图5～图7所示，上述结构的角速度的检测基于从隔着压电体13的下部电极14和上部电极15输出的输出值双方进行检测。

根据上述结构，由于基于从第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b的上部电极15输出的输出值、和从第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b的下部电极14输出的输出值，检测施加到由挠性体构成的检测元件1的角速度，因此，即使从第一～第四感应电极部19a、19b、20a、20b输出的电流非常微小，也能够提高检测灵敏度。

另外，对于加法值而言，在相互为正极的输出彼此之间中，通过直接将两个输出连线而输入到放大器，能够得到作为电流值加倍的输出。在相互为负极的两个输出彼此之间也同样，通过直接连线，可以将输出值加倍。这样，只要电流方向相同，通过简单的连线就能使输出加倍。但是，将输出加倍的方法即使不用直接连线的方法也可以实现。无论来自正极的输出还是来自负极的输出，为了仅仅将其输出的绝对值的大小相加，通过设计下一级的电路就能够容易实现。

另外，如上所述，对输出相对于输入的惯性力的正负符号和将输出加倍的方法进行了叙述，但输出中不需要的信号成分往往被重叠，在这种情况下，因不需要的信号成分的正负符号相反，通过将绝对值大约相等的输出相加，就可以将不需要信号成分抵消。在不需要信号成分的正负符号相同的情况下，通过相减，同样可以抵消。

产业上的可利用性

本发明的惯性力传感器即使从感应电极部输出的电流非常微小也能够提高检测灵敏度，可以适用于各种电子设备。

Claims

1、一种惯性力传感器，其具备：检测元件，其配置在挠性体上且具有检测所述挠性体的变形的多个感应部；检测电路部，其与所述感应部连接且检测作用于所述挠性体的惯性力，

所述感应部具有由隔着压电体的上部电极和下部电极构成的感应电极部，

所述检测电路部基于从两个所述感应电极部的上部电极或下部电极输出的两个输出值的加法值，检测作用于所述挠性体的惯性力。

2、如权利要求1所述的惯性力传感器，其中，通过从相互为正极或相互为负极的两个所述感应电极部的上部电极或下部电极输出的两个输出电流的加法运算，得出所述两个输出值的加法值。

3、如权利要求1所述的惯性力传感器，其中，设有配置在所述挠性体上且使所述挠性体驱动振动的驱动部，

所述驱动部具有由隔着压电体的上部电极和下部电极构成的驱动电极部，

所述检测电路部基于从两个所述感应电极部的上部电极或下部电极输出的两个输出值的加法值、和从所述驱动电极部的上部电极或下部电极输出的输出值的加法值，检测作用于所述挠性体的惯性力。

4、如权利要求3所述的惯性力传感器，其中，通过从相互为正极或相互为负极的所述感应电极部的上部电极或下部电极、或者从所述驱动电极部的上部电极或下部电极输出的输出电流的加法运算，得出所述输出值的加法值。

5、如权利要求1所述的惯性力传感器，其中，所述挠性体具有多个第二臂，在一个所述第二臂上配置有第一感应部，在另一个所述第二臂上配置有第二感应部，

所述第一感应部及所述第二感应部分别具有两个感应电极部，

基于四个所述感应电极部内的、

将从相互为正极的两个上部电极输出的输出值相加的加法值、

将从相互为负极的两个上部电极输出的输出值相加的加法值、

将从相互为正极的两个下部电极输出的输出值相加的加法值、和

将从相互为负极的两个下部电极输出的输出值相加的加法值而检测作用于所述挠性体的惯性力。

6、如权利要求1所述的惯性力传感器，其中，所述挠性体具有多个第二臂，在一个所述第二臂上配置有第一感应部，在另一个所述第二臂上配置有第二感应部，

所述第一感应部及所述第二感应部分别配置两个感应电极部，

基于所述第一感应部的两个所述感应电极部内的、

将从所述第一感应部的相互为正极的上部电极和下部电极输出的输出值相加的加法值、和

将从所述第一感应部的相互为负极的上部电极和下部电极输出的输出值相加的加法值、及

所述第二感应部的两个所述感应电极部内的、

将从所述第二感应部的相互为正极的上部电极和下部电极输出的输出值相加的加法值、和

将从所述第二感应部的相互为负极的上部电极和下部电极输出的输出值相加的加法值而检测作用于所述挠性体的惯性力。

7、如权利要求5或6所述的惯性力传感器，其中，平行设置两个所述第二臂，在一所述第二臂上设置所述第一感应部，并且在另一所述第二臂上设置所述第二感应部。

8、如权利要求3所述的惯性力传感器，其中，在所述挠性体上平行设置两个第二臂，在一所述第二臂上设置所述第一感应部，并且在另一所述第二臂上设置所述第二感应部，在所述第二臂上设置共用的支承部，在所述一第二臂及另一第二臂的关于支承部的相反侧进一步设置其他的第二臂，在所述其他的第二臂上设置所述驱动部。