CN101506617B - 惯性力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种惯性力传感器，其具备检测元件(1)，该检测元件(1)具有：在正交方向上将第一臂(2)连接于第二臂(4)而形成的两个正交臂；支承两个第一臂(2)的支承部(6)；以及一端与支承部(6)连接且另一端固定在安装基板上的两个固定用臂(8)，第二臂(4)上设有弯折至与第二臂(4)本身相对的相对部(16)，锤部(11)连接于第二臂(4)的前端部，该锤部(11)上设有凹部(12)且第二臂(4)的前端部连接于该凹部(12)。

Description

惯性力传感器
技术领域
本发明涉及一种在飞机、汽车、机器人、船舶、车辆等运动物体的姿态控制或者导航等各种电子设备中使用的、检测角速度的角速度传感器。
背景技术
以下，对于现有的角速度传感器进行说明。现有的角速度传感器使例如音叉形状、H形状、或者T形状等各种形状的检测元件振动，电探测因科里奥利力的产生而引起的检测元件的变形，从而检测角速度，
例如，在相互大致正交的X轴、Y轴和Z轴中，将车辆配置在X轴与Y轴的XY平面的情况下，导航装置用角速度传感器需要检测车辆绕X轴、绕Z轴的角速度。
目前，检测多个检测轴(X轴、Y轴、Z轴)的角速度的情况下，与检测轴的数量对应地使用多个角速度传感器。此外，为了检测绕Z轴的角速度，相对于YX平面而立设检测元件并使用。
另外，作为与该申请的发明相关的现有技术文献资料，已知有例如专利文献1。
但是，上述结构中，检测多个检测轴的角速度的情况下，需要确保用于与各检测轴对应地将多个检测元件、多个角速度传感器安装在安装基板上的安装面积，从而不能实现各种电子设备的小型化。
专利文献1：日本专利特开2001-208546号公报
发明内容
本发明提供一种在检测多个检测轴的角速度的情况下，无需确保用于安装多个检测元件或多个角速度传感器的安装面积，从而实现各种电子设备的小型化的角速度传感器。
本发明中，检测元件具备：在大致正交方向上将第一臂连接于第二臂而形成的两个正交臂；支承两个第一臂的支承部；连接于支承部并固定在安装基板上的固定用臂；以及连接于第二臂的前端部的锤部。并且，在锤部设置凹部，且使第二臂的前端部连接于该凹部，使第二臂弯折至与本身相对，使锤部在第二臂的相对方向上驱动振动。
通过这种结构，相对于相互正交的X轴、Y轴、Z轴，将第一臂配置在X轴方向上，将第二臂配置在Y轴方向上的情况下，只要使锤部在X轴方向上驱动振动，则能使第二臂产生由绕Y轴或绕Z轴的角速度引起的变形。并且，只要检测该变形，则能检测绕各轴的角速度。因此，检测多个检测轴的角速度的情况下，无需确保用于安装多个检测元件、多个角速度传感器的安装面积，只要确保用于安装一个检测元件的安装面积即可，从而能够实现各种电子设备的小型化。
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3是表示本发明一实施方式的角速度传感器的检测元件的锤部的凹部的深度和锤部的长度所引起的谐振频率的变化的图。
图4是表示本发明一实施方式的角速度传感器的检测元件的下部电极以及压电体的配置部位所引起的谐振频率的变化的图。
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
9    固定部
10   第三臂
11   锤部
12   凹部
16   相对部
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)
图1是本发明一实施方式的惯性力传感器的一种即角速度传感器的检测元件的立体图。图2是本发明一实施方式的惯性力传感器的一种即角速度传感器的检测元件的工作状态图。
图1中，本发明一实施方式的角速度传感器具备检测角速度的检测元件1。该检测元件1具有在大致正交方向上将第一臂2连接于第二臂4而形成的两个正交臂；支承部6；以及固定用臂8。支承部6支承两个第一臂2。固定臂8是在大致正交方向上将第三臂10连接于第一臂2而形成的正交臂。第一臂2和支承部6配置在大致同一直线上，第一臂2的一端与支承部6连接，另一端与第三臂10连接。另外，通过形成在第三臂10的两端上的固定部9，检测元件1被固定在安装基板(未图示)上。此外，将固定部9彼此之间连接，将第三臂10形成为框体形状也可。
进而，第二臂4上设有弯折至与第二臂4本身相对的相对部16，将锤部11连接于第二臂4的前端部。该锤部11上设有凹部12，将第二臂4的前端部连接于该凹部12。使锤部11的凹部12的深度(D)是锤部11的长度(L)的0.25倍至0.4倍。
图1中，在四个第二臂4中，在相互相对的一侧的两个第二臂4的支承部6侧设置使锤部11驱动振动的第一驱动部17、第二驱动部18，并在相互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以及第二驱动部18是用于使两个第二臂4的锤部11驱动的电极部，在一个第二臂4上相对配置第一驱动电极部17a、第二驱动电极部17b，在另一个第二臂4上相对配置第三驱动电极部18a、第四驱动电极部18b而形成。这些第一驱动电极部～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b由隔着压电体(未图示)的下部电极(未图示)和上部电极(未图示)构成。
第一感应部19以及第二感应部20是用于感应两个第二臂4的变形的电极部，在一个第二臂4上相对配置第一感应电极部19a、第二感应电极部19b，在另一个第二臂4上相对配置第三感应电极部20a、第四感应电极部20b而形成。这些第一感应电极部～第四感应电极部19a、19b、20a、20b由隔着压电体的下部电极和上部电极构成。
如下所述制作上述第一驱动电极部～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b以及第一感应电极部～第四感应电极部19a、19b、20a、20b。即，通过高频溅射，在硅基板上形成由铂(Pt)构成的下部电极，通过高频溅射，在该下部电极的上部形成锆钛酸铅(PZT)压电体，通过蒸镀在PZT压电体的上部形成由金(Au)构成的上部电极。
图2是本发明一实施方式的惯性力传感器的一种即角速度传感器的检测元件1的工作状态图。如图2所示，在相互正交的X轴、Y轴、Z轴中，将检测元件1的第一臂2配置在X轴方向上，将第二臂4配置在Y轴方向上。该状态下，对第一驱动电极部～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b施加谐振频率的交流电压，则第二臂4以配置有第一驱动部17以及第二驱动部18的第二臂4为起点进行驱动振动，随之锤部11也在第二臂4的相对方向(实线箭头和虚线箭头标记的驱动振动方向)上驱动振动。进而，四个第二臂4以及四个锤部11全部同步，在第二臂4的相对方向上驱动振动。该检测元件1的驱动振动方向为X轴方向。
此时，在Z轴的逆时针方向上产生角速度的情况下，与锤部11的驱动振动同步，并在与驱动振动方向正交的方向(实线箭头和虚线箭头标记的科里奥利力方向)上对锤部11产生科里奥利力。因此，能够使第二臂4产生Z轴的逆时针方向上的角速度引起的变形。该检测元件1的科里奥利力方向为Y轴方向。
在实线箭头标记的科里奥利力方向上产生科里奥利力的情况下，设有第一感应电极部～第四感应电极部19a、19b、20a、20b的第二臂4中，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。此外，虚线箭头标记的科里奥利力方向上产生科里奥利力的情况下，感应其反方向的伸长、缩短。并且，对应感应到的伸长、缩短，从第一感应电极部～第四感应电极部19a、19b、20a、20b输出电压，根据该输出电压检测角速度。
另一方面，在Z轴的顺时针方向上产生角速度的情况下，第二臂4与在Z轴的逆时针方向上产生角速度的情况正相反地伸长、缩短，第一感应电极部～第四感应电极部19a、19b、20a、20b感应该伸长、缩短，因此同样地检测角速度。
此外，绕Y轴而产生角速度的情况下也是与锤部11的驱动振动同步，在与驱动振动方向正交的方向(Z轴方向)上对锤部11产生科里奥利力。因此，使第二臂4产生绕Y轴的角速度引起的变形，第一感应电极部～第四感应电极部19a、19b、20a、20b感应第二臂4的伸长、缩短，由此检测角速度。
另外，绕Z轴、Y轴而产生角速度的情况下产生的变形也同样在设有第一驱动电极部～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b的第二臂4上产生。因此，也可以在设有第一驱动电极部～第四驱动电极部17a、17b、18a、18b的第二臂4上配置第一感应电极部～第四感应电极部19a、19b、20a、20b。
通过上述结构，相对于相互正交的X轴、Y轴、Z轴，将第一臂2配置在X轴方向上，将第二臂4配置在Y轴方向上的情况下，只要使锤部11在第二臂4的相对方向上驱动振动，则能使第二臂4产生由绕Y轴或绕Z轴的角速度引起的变形。并且，只要检测该变形，则能检测绕各轴的角速度。因此，检测多个检测轴的角速度的情况下，无需确保用于安装多个检测元件或多个角速度传感器的安装面积，只要确保用于安装一个检测元件的安装面积即可，从而能够实现各种电子设备的小型化。
特别是，在锤部11上设置凹部12并将第二臂4的前端部连接于凹部12，使第二臂4弯折至与锤部11相对并使锤部11在第二臂4的相对方向上驱动振动，因此能够降低驱动振动频率。另外，此时，锤部11以悬垂于第二臂4的状态进行振动。
通常，驱动振动频率被设定为检测元件1的谐振频率，但该谐振频率越大灵敏度越低。通过上述结构，能够维持锤部11悬垂于第二臂4的状态，并能够减小检测元件1的谐振频率，因此能够减小第二臂4的驱动振动频率，较容易进行电路侧的相位设计，能够提高灵敏度。
图3是表示图1中的检测元件1的锤部11的凹部12的深度(D)和锤部11的长度(L)所引起的谐振频率的变化的图。根据图3可知，期望锤部11的凹部12的深度(D)是锤部11的长度(L)的0.25倍至0.4倍。这是因为谐振频率几乎接近最小值。另外，形成第一驱动部17、第二驱动部18以及第一感应部19、第二感应部20的下部电极以及压电体配置在检测元件1的所有臂上时，能够使驱动振动频率更低，从而能够提高灵敏度。
图4是表示在仅在第一驱动部17、第二驱动部18以及第一感应部19、第二感应部20上配置下部电极以及压电体的情况和在检测元件1的所有臂上配置下部电极以及压电体的情况下，相对于第二臂4的宽度，第二臂4的谐振频率的变化的图。根据图4可知，关于配置有第一驱动部17、第二驱动部18的第二臂4，与仅配置在第一驱动部17、第二驱动部18以及第一感应部19、第二感应部20上的情况相比，将下部电极以及压电体配置在检测元件1的所有臂上的情况下的谐振频率变小，因此能够降低驱动振动频率。
此外，关于配置有第一感应部19、第二感应部20的第二臂4，与仅配置在第一驱动部17、第二驱动部18以及第一感应部19、第二感应部20上的情况相比，将下部电极以及压电体配置在检测元件1的所有臂上的情况下的谐振频率变小，因此能够降低驱动振动频率。
进而，只要使第二臂4的宽度变窄，则能使配置有第一感应部19、第二感应部20的第二臂4的谐振频率更小，从而能够使驱动振动频率更低。
工业利用可能性
本发明涉及的惯性力传感器能够检测多个检测轴的惯性力，能够适用于各种电子设备。

Claims (5)

1.一种惯性力传感器，其具备：
检测惯性力的检测元件，
所述检测元件具备：
在两个第一臂的任何一个上将两个第二臂分别配置在同一直线上，并将所述两个第二臂在正交方向上连接于所述第一臂而形成的两个正交臂；
通过连接支承配置在同一直线上的两个所述第一臂而将两个所述正交臂连接支承在同一平面状的支承部；
连接于所述第一臂并将所述检测元件固定在安装基板上的固定用臂；以及
连接于四个所述第二臂的前端部的四个锤部，
所述锤部上分别设有凹部，所述第二臂的前端部连接于所述凹部的底部，所述第二臂在所述第一臂与所述第二臂正交的平面弯折至与所述第二臂相对，所述锤部在所述第二臂的相对方向上驱动振动。
2.根据权利要求1所述的惯性力传感器，其中，所述锤部的凹部的深度是所述锤部的长度的0.25倍至0.4倍。
3.根据权利要求1所述的惯性力传感器，其中，
所述固定用臂是所述第一臂和第三臂在正交方向上连接而形成的正交臂，
所述安装基板通过所述第三臂的两端被固定。
4.根据权利要求1所述的惯性力传感器，其中，
使所述锤部驱动振动的驱动部配置在一侧相对的所述第二臂上，
感应所述第二臂的变形的感应部配置在另一侧相对的所述第二臂上，
所述驱动部以及所述感应部由隔着压电体的上部电极和下部电极构成。
5.根据权利要求4所述的惯性力传感器，其中，
所述下部电极以及所述压电体配置在所述检测元件的所有臂上。
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