CN102292615A

CN102292615A - 惯性力传感器及其使用的检测元件

Info

Publication number: CN102292615A
Application number: CN2010800049094A
Authority: CN
Inventors: 植村猛
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: EP2385343A4; US20110265567A1; EP2385343A1; CN102292615B; EP2385343B1; WO2010092806A1; JPWO2010092806A1; US8689630B2

Abstract

该惯性力传感器用检测元件具有质量部、激励部、检测部。激励部在相互正交的第一方向、第二方向、第三方向中的第三方向激励质量部。检测部输出与质量部向第一方向、第二方向的至少任一方向的位移相对应的信号。第一方向及第二方向的共振频率Fsx、Fsy设为比第三方向的共振频率Fzd大。

Description

惯性力传感器及其使用的检测元件

技术领域

本发明涉及用于航空器、汽车、机器人、船舶等移动体的姿势控制、或者游戏机或导航仪的位置检测等各种电子设备的惯性力传感器及其使用的检测元件。

背景技术

下面，对现有的惯性力传感器之一即角速度传感器进行说明。现有的角速度传感器具有音叉形状或H形状或T形状或圆盘形状等的检测元件。使该检测元件振动，电气探测伴随科里奥利力的发生的检测元件的应变而检测出角速度。例如，在相互大致正交的X轴和Y轴和Z轴上，在X轴和Y轴的XY平面上配置车辆的情况下，通过导航装置用角速度传感器检测车辆围绕Z轴的角速度。

图11是现有的角速度传感器的检测元件的立体图，图12是图11的12-12线的剖面图。检测元件51为音叉形状，具有将两个臂52(52A、52B)和臂52连结的基部53。

在臂52上分别配置有使臂52驱动振动的驱动电极54及感应起因于角速度的臂52的应变的感应电极55。例如，各驱动电极54及感应电极55由介设有压电体56的上部电极57和下部电极58形成。

检测元件51例如相对于XY平面在Z轴方向竖立配置。该状态下，使臂52在X轴方向上驱动振动，由臂52感应起因于围绕Z轴的角速度的应变。通过该检测，检测围绕Z轴的角速度。臂52的驱动振动面(XZ平面)和臂52的应变面(YZ平面)相互正交，在臂52A和臂52B上应变的方向相反。例如，如果臂52A在Y轴的正方向上发生应变，则臂52B在Y轴的负方向上发生应变。这样的角速度传感器例如公开于专利文献1。

通常，在检测角速度时，减小激励用的频率和感应用的频率的频率差(失谐频率)，能够有利于提高感应用电极55的灵敏度。据此，其结果是角速度的检测灵敏度也提高。另外，激励用的频率和感应用的频率分别以成为检测元件51的共振频率的方式被设计。但是，基于仅这些指标来设计检测元件51时，有时得不到充分的增益。

专利文献1：(日本)特开2001-208546号公报

发明内容

本发明为一种提高了对检测轴的惯性力进行检测时的增益并提高了灵敏度特性的检测元件和使用该检测元件惯性力传感器。本发明的惯性力传感器用检测元件具有质量部、激励部、检测部。激励部在相互正交的第一方向、第二方向、第三方向中的第三方向激励质量部。检测部输出与质量部向第一方向、第二方向的至少任一方向的位移相对应的信号。第一方向及第二方向的共振频率被设定为比所述第三方向的共振频率大。

通过该构成，在检测围绕第一方向或围绕第二方向的惯性力时，能够提高检测灵敏度的灵敏度效率，且能够抑制检测灵敏度的偏差。因此，能够提高灵敏度特性。

附图说明

图1是本发明实施方式的惯性力传感器之一即角速度传感器的检测元件的立体图；

图2A是图1所示的检测元件的局部剖面图；

图2B是图1所示的其它检测元件的剖面图；

图3是本发明实施方式的惯性力传感器的方块图；

图4是图1所示的检测元件的动作状态图；

图5是表示角速度传感器的检测元件的共振导纳特性波的图；

图6是表示本实施方式中的检测元件的共振导纳特性波的图；

图7是用于说明本实施方式中的角速度传感器的处理电路的角速度的计算处理之一例的图；

图8是本实施方式中的惯性力传感器的其它检测元件的立体图；

图9是本实施方式中的惯性力传感器的其它检测元件的俯视图；

图10是本实施方式中的惯性力传感器的其它检测元件的剖面图；

图11是现有的角速度传感器的检测元件的立体图；

图12是图11的12-12线的剖面图。

符号说明

1检测元件

2，2A，2B第一臂

4，41A，41B，42A，42B第二臂

4A，4C宽度

4B厚度

6支承部

8，8A，8B安装用臂

10，101A，101B，102A，102B质量部

12第一激励用电极

14第二激励用电极

16第一感应用电极

18第二感应用电极

21，23电极

22压电体

25盖

26对向电极

31激励方向

32科里奥利力

70，71，72，73电极焊盘

74，75，76，77，78，79配线

81驱动部

82处理电路

91基座

具体实施方式

图1是本发明实施方式的惯性力传感器之一即角速度传感器的检测元件的立体图。图2A是图1所示的检测元件的局部剖面图。图3是本发明实施方式的角速度传感器的方块图。图4是图1所示的检测元件的动作状态图。

如图3所示，该角速度传感器具有检测元件1、驱动部81和处理电路82。如图1所示，检测元件1具有从支承部6向左右(Z轴方向)延伸的两个第一臂2(2A、2B)、从各第一臂2的支承部6侧向上下(Y轴方向)延伸的两个第二臂4。从第一臂2A延伸的第二臂4由上侧的第二臂41A和下侧的第二臂42A构成，从第一臂2B延伸的第二臂4由上侧的第二臂41B和下侧的第二臂42B构成。这样，该检测元件1具有将第一臂2和第二臂4在正交方向上连结形成的两个正交臂。该两个正交臂中，第一臂2的一端通过支承部6相互连结。

另外，第一臂2的另一端与用于安装于基板的安装用臂8(8A、8B)连结。两个第一臂2和支承部6配置于一直线上，安装用臂8以相对于第一臂2正交的方式配置。即，第一臂2A、2B和支承部6配置于一直线上。而且，安装用臂8A、8B以相对于第一臂2A、2B正交的方式配置。

另外，第二臂4以相互非常接近的方式配置，以接近安装用臂8的方式弯曲成U字形状，在其前端形成有质量部10。即，第二臂41A和第二臂41B、第二臂42A和第二臂42B以相互非常接近的方式配置。而且，第二臂41A、41B以接近安装用臂8A的方式弯曲成U字形状，第二臂41B、42B以接近安装用臂8B的弯曲成U字形状。进一步在第二臂41A、41B、41B、42B的前端分别形成有质量部101A、102A、101B、102B。

检测元件1具有质量部10、激励部、检测部。激励部在相互正交的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向中的、Z轴方向激励质量部10。检测部检测质量部10向X轴方向、Y轴方向的至少任一方向的位移。检测角速度时，在质量部10的激励方向为Z轴方向时，处理电路82基于质量部10向Y轴方向的位移并通过来自检测部的输出来检测围绕X轴的角速度。另外，基于质量部10向X轴方向的位移并通过来自检测部的输出来检测围绕Y轴的角速度。

具体而言，激励部是在配置于Y轴的正侧的第二臂4即第二臂41A、41B的支承部6侧分别配置第一激励用电极12、第二激励用电极14而形成。另一方面，检测部是在配置于Y轴的负侧的第二臂4即第二臂42A、42B的支承部6侧分别配置第一感应用电极16、第二感应用电极18而形成。第一感应用电极16感应第二臂42A的应变，第二感应用电极18感应第二臂42B的应变。激励部、检测部形成于检测元件1的YZ平面上。

另外，检测元件1具有电极焊盘70～73。电极焊盘70与第一激励用电极12电连接，电极焊盘71与第二激励用电极14电连接。另外，电极焊盘72与第一感应用电极16电连接，电极焊盘73与第二感应用电极18电连接。

如图3所示，驱动部81经由配线74、75与电极焊盘70、71电连接。另外，处理电路82经由配线76～79与电极焊盘72、73电连接。因此，驱动部81与第一、第二激励用电极12、14电连接，处理电路82与第一、第二感应用电极16、18电连接。

如图2A所示，第一、第二激励用电极12、14及第一、第二感应用电极16、18由介设有压电体22的电极21、23形成。或者，如图2B的剖面图所示，也可以设置覆盖检测元件1的盖25，且配置与盖25和质量部101B电容耦合的对向电极26。驱动部81在电极21、23间施加交流电压而使压电体22的压电状态变化。由此，第一、第二激励用电极12、14激励检测元件1。第一、第二感应用电极16、18的压电体22的压电状态因对检测元件1施加的角速度而发生变化，第一、第二感应用电极16、18输出由此产生的电流信号。或者，也可以将因施加于检测元件1的加速度而在对向电极26间产生的电容变化作为信号使用。使用对向电极26的构成例如公开于(日本)特开2008-203070号公报。

接着，参照图3、图4，对本实施方式的角速度传感器的动作进行说明。在相互正交的X轴、Y轴、Z轴上，例如，在Z轴方向上配置检测元件1的第一臂2，在Y轴方向上配置第二臂4。该情况下，在从驱动部81向第一、第二激励用电极12、14施加交流电压时，第二臂41A、41B进行激励，同时，质量部101A、101B也同步进行激励。而且，质量部101A、101B的振动向质量部102A、102B传递，质量部102A、102B也进行激励，其结果，第二臂42A、42B也进行激励。

质量部10的激励方向31为Z轴方向，在与质量部10相互远离的方向接近的方向上，四个质量部10同步进行激励。即。质量部101A和质量部101B在与相互远离的方向接近的方向上进行激励，质量部102A和质量部102B在与相互远离的方向接近的方向上进行激励。另外，质量部101A和质量部102A在同一方向上同步进行激励。

该状态下，例如在围绕X轴产生角速度的情况下，与质量部10的激励同步，相对于质量部10在与激励方向正交的Y轴方向上产生科里奥利力32，在第二臂41B、42B上产生向Y轴方向的应变。在第一、第二感应用电极16、18产生对应该应变的电流信号。处理电路82基于该输出检测围绕X轴的角速度。

另外，在围绕Y轴产生了角速度的情况下，与质量部10的激励同步，相对于质量部10在与激励方向正交的X轴方向上产生科里奥利力，在第二臂41B、42B上产生向X轴方向的应变。在第一、第二感应用电极16、18产生对应该应变的电流信号。处理电路82基于该输出检测围绕Y轴的角速度。

另外，在围绕X轴产生了角速度的情况和围绕Y轴产生了角速度的情况下，在第一、第二感应用电极16、18的各电极产生的信号的符号(正负)的组合不同。因此，能够区分处理电路82是围绕X轴产生角速度还是围绕Y轴产生角速度。另外，根据用途，也可以只检测围绕X轴或围绕Y轴的任一方的角速度。

通常，在检测角速度时，将激励用的频率和感应用的频率的频率差(失谐频率)减小，能够有利于提高第一、第二感应用电极16、18的灵敏度。其结果是角速度的检测灵敏度也提高。

另外，激励用的频率和感应用的频率分别被设计为检测元件1的共振频率。即，图4中，激励用的频率被设计为激励方向的Z轴方向上的共振频率(Fzd)，感应用的频率被设计为应变的发生方向即X轴方向的共振频率(Fsx)及Y轴方向的共振频率(Fsy)。

这时，例如，检测元件1的X轴、Y轴、Z轴方向的共振导纳特性波如图5所示。而且，Fzd、Fsx、Fsy的关系为Fzd＞Fsx＞Fsy。

第一、第二感应用电极16、18的灵敏度输出值(增益)在应变的发生方向是X轴方向的情况下为Gsx，在应变的发生方向是Y轴方向的情况下为Gsy。在此，Gsx和Gsy是指共振频率(Fzd)下的X轴、Y方向的共振导纳特性波的增益。X轴、Y轴方向的共振导纳特性波如图5所示，以共振频率即Fsx、Fsy为中心，反共振频率侧(高频率域侧)为陡峭的波形，远离反共振频率的侧(低频率域侧)为缓和的波形。即，如果Fzd＞Fsx＞Fsy，则即使减小Fzd和Fsx及Fsy的失谐频率，由于是陡峭的波形，所以也难以得到充分的增益。另外，在Fsx及Fsy偏离至低频率域侧的情况下，增益显著降低。

因此，本实施方式中，如图6所示，设为Fzd＜Fsy＜Fsx。如果Fzd＜Fsy＜Fsx，则X轴、Y轴方向的共振导纳特性波变缓和，因此，即使减小Fzd和Fsx及Fzd和Fsy的失谐频率，也能够容易得到充分的增益。另外，即使在Fsx及Fsy偏离至低频率侧的情况下，也不会使增益显著降低。另外，Fzd和Fsx和Fsy的关系可以是Fzd＜Fsx＜Fsy，Fsx和Fsy只要比Fzd大即可。

Fsx、Fsy、Fzd的大小关系例如可通过改变第二臂4的截面的纵横比进行设定。如图1所示，第二臂4具有X轴方向的厚度4B、从支承部6向Y轴方向延伸的部分的宽度4C、以接近安装用臂8的方式弯曲且在Z轴方向延伸的部分的宽度4A。在此，将宽度4A、厚度4B、宽度4C的值分别设为a、b、c。b/c越大则Fsx越大，b/c越小则Fsx越小。a/c越大则Fsy越大，a/c越小则Fsy越小。另外，c/a越大且c/b越大则Fzd越大，c/a越小且c/b越小则Fzd越小。因此，如果基于这些关系适当地设定a、b、c，则能使Fsx和Fsy比Fzd大。

如果以使共振频率成为以上的关系的方式设计检测元件1，则检测灵敏度的灵敏度效率提高，且检测灵敏度的偏差被抑制，灵敏度特性提高。

尤其是，如果将Fsx和Fsy设为相等，则在对Gsx和Gsy的灵敏度输出值进行信号处理或放大处理时，也可以实现处理电路的共有化或共通化。由此，由于没有必要设置各自的处理电路，所以不会受到处理电路中的误差(偏差)的影响，能够抑制检测误差(检测偏差)，从而提高检测灵敏度。

这样，利用图7对将计算围绕X轴的角速度、围绕Y轴的角速度的处理电路共通化的情况下的传感器中的处理进行说明。图7是用于说明该角速度传感器的处理电路的角速度的计算处理之一例的图。

如图3所示，处理电路82经由配线76～79接收从第一感应用电极16及第二感应用电极18输出的感应信号，计算处理角速度。这时，如果将Fsx和Fsy设为相同的频率，则处理电路82能够分时计算出围绕X轴的角速度和围绕Y轴的角速度。

如图7所示，处理电路82在时刻t0和时刻t1之间及时刻t2和时刻t3的时间进行计算围绕X轴的角速度的处理。而且，在时刻t1和时刻t2之间及时刻t3和时刻t4之间进行计算围绕Y轴的角速度的处理。即，处理电路82在第一时间检测质量部102A、102B向第一方向的位移。而且，在与第一时间不同的第二时间检测质量部102A、102B向第二方向的位移。通过这样对处理进行分时，可利用单独一个的处理电路82同时实现计算围绕X轴的角速度的处理、计算围绕Y轴的角速度的处理。

具体而言，在t0-t1间及t2-t3间，计算出从配线77输入的信号(S77)和从配线79输入的信号(S79)之和(和A)。另一方面，计算从配线76输入的信号(S76)和从配线78输入的信号(S78)之和(和B)。而且，通过计算和A与和B的差，能够计算围绕X轴的角速度Yx。即，围绕X轴的角速度Yx可通过(式1)计算。

Yx＝(S77+S79)-(S76+S78) (式1)

另外，在t1-t2间及t3-t4间，计算从配线76输入的信号(S76)和从配线77输入的信号(S77)之和(和C)。另一方面，计算从配线78输入的信号(S78)和从配线79输入的信号(S79)之和(和D)。而且，通过计算和C与和D的差，能够计算围绕Y轴的角速度Yy。即，围绕Y轴的角速度Yy可通过(式2)计算。

Yy＝(S76+S77)-(S78+S79) (式2)

在此，为了从用于计算围绕X轴的角速度的处理电路的状态过渡到用于计算围绕Y轴的角速度的处理电路的状态，需要切换时间T。当Fsx和Fsy显著不同的情况下，需要在切换时间T之间切换处理电路82的增益及滤波器的常数等。另外，需要将处理电路82切换为计算(式1)的构成和计算(式2)的构成。因此，需要将切换时间T设定为一定程度长。

但是，若在检测元件1中将Fsx和Fsy设为相等，则不需要切换处理电路82的增益及滤波器的常数等。因此，能够缩短处理电路82的切换时间T。

另外，处理电路82一般是利用逻辑IC等来实现，但并不限定于此。即，也可以使用数字信号处理器或微机等通过软件实现处理电路82的全部功能或部分功能。

另外，即使Fsx和Fsy完全不同，如果Fsx和Fsy之差在规定的范围内，则也可以实现处理电路的共有化或共通化。例如，处理电路的增益偏差的容许值一般为5％，因此，只要是灵敏度输出值(增益)的差为5％以内的范围的频率差即可。由此，即使进行了计算围绕X轴的角速度的处理电路和计算围绕Y轴的角速度的处理电路的共有化或共通化，也能够减小Fsx和Fsy之差的影响。另外，Fsx和Fsy之差只要在起因于制造偏差的共振频率的偏差的范围内(例如，1％以内)即可。由此，即使将计算围绕X轴的角速度的处理电路和计算围绕Y轴的角速度的处理电路共有化或共通化，也能够将围绕X轴的角速度的计算误差和围绕Y轴的角速度的计算误差的差值抑制在制造偏差的范围内。

以上，根据本实施方式，在相互正交的X轴、Y轴、Z轴，将检测元件1的质量部10的激励方向设为Z轴方向。此时，基于质量部10向Y轴方向的位移检测围绕X轴的惯性力，基于质量部10向X轴方向的位移检测围绕Y轴的惯性力。这样，可利用一个检测元件1检测多个检测轴的惯性力。因此，即使在检测多个检测轴的惯性力的情况下，也不需要安装多个检测元件1或多个惯性力传感器，因此，能够使安装面积减小，使搭载惯性力传感器的各种电子设备小型化。

另外，检测元件1中，X轴方向及Y轴方向的共振频率设定为比Z轴方向的共振频率大。因此，当检测围绕X轴或围绕Y轴的惯性力时，能够提高检测灵敏度的效率。另外，能够抑制检测灵敏度的偏差。因此，能够提高灵敏度特性。

另外，作为检测元件1的形状，即使是本实施方式以外的形状也能够得到同样的效果。例如图8所示，检测元件也可以通过具有将第一臂2和第二臂4在正交方向上连结而形成的三个以上的正交臂的构造而构成。在这些正交臂中，第一臂2相互连结，同时在第二臂4的前端形成有质量部10。作为与该形状相关的现有技术文献信息，有(日本)特开2004-245605号公报及(日本)特开2005-221361号公报。这些公报中公开的检测元件1使用三个以上的正交臂而形成。

或者，如图9所示，检测元件也可以通过具有将第一臂2和第二臂4以交叉的方式连结而形成的交叉臂的构造而构成。而且，在该交叉臂的中央形成有质量部10。作为与该形状相关的现有技术文献信息，有(日本)特开平6-174739号公报及(日本)特开平7-190782号公报。该构造以第一臂2及第二臂4作为梁而形成。

或者，如图10所示，检测元件也可以具有平板状的基座91、和在基座91的中央形成了质量部10的构造。作为与该形状相关的现有技术文献信息，有(日本)特开平8-145683号公报及(日本)特开平10-185582号公报。该构造中，代替第一臂2及第二臂4形成有隔膜(平板状的基座91)。

在任一种情况下，如果将X轴方向及Y轴方向的共振频率设定为比Z轴方向的共振频率大，则可实现与图1所示的检测元件1同样的效果。

另外，以上的说明中，对将质量部10的激励方向设为Z轴方向的情况进行了说明，但检测元件的配置并不限定于此。例如，将质量部10的激励方向设为Y轴方向的情况下，处理电路82计算围绕Z轴的角速度、围绕X轴的角速度。即，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向为相互正交的第一方向、第二方向、第三方向。另外，本实施方式中检测角速度，但也可以使用检测元件检测加速度。

另外，以上的说明中，作为惯性力传感器以角速度传感器为中心进行了说明，但也可以适用于加速度传感器等。

产业上的可利用性

本发明的惯性力传感器可以检测多个检测轴的惯性力，可以适用于各种电子设备。

Claims

1.一种惯性力传感器用检测元件，具备：

质量部；

激励部，其在相互正交的第一方向、第二方向、第三方向中的所述第三方向激励所述质量部；

检测部，其输出与所述质量部向所述第一方向、第二方向的至少任一方向的位移相对应的信号，

将所述第一方向及所述第二方向的共振频率设为比所述第三方向的共振频率大。

2.如权利要求1所述的惯性力传感器用检测元件，其中，

将所述第一方向的共振频率和所述第二方向的共振频率设为相等。

3.如权利要求1所述的惯性力传感器用检测元件，其中，

所述激励部和所述检测部具有将第一臂和第二臂在正交方向连结而形成的多个的正交臂，多个的所述正交臂的所述第一臂相互连结，而且，在所述第二臂的前端形成有所述质量部。

4.如权利要求1所述的惯性力传感器用检测元件，其中，

所述激励部和所述检测部具有将第一臂和第二臂以交叉的方式连结而形成的交叉臂，在所述交叉臂的中央形成有所述质量部。

5.如权利要求1所述的惯性力传感器用检测元件，其中，

所述激励部和所述检测部具有平板状的基座，在所述基座的中央形成有所述质量部。

6.一种惯性力传感器，具备：检测元件、驱动部和处理电路，

所述检测元件具有：

质量部；

检测部，其输出与所述质量部向所述第一方向、第二方向的任一方向的位移相对应的信号，

将所述第一方向及所述第二方向的共振频率设为比所述第三方向的共振频率大，

所述驱动部与所述激励部连接，向所述激励部输入驱动信号，

所述处理电路与所述检测部连接，基于从所述检测部输出的信号检测所述质量部向所述第一方向、第二方向的任一方向的位移。

7.如权利要求6所述的惯性力传感器，其中，

8.如权利要求6所述的惯性力传感器，其中，

所述激励部和所述检测部具有将第一臂和第二臂在正交方向连结而形成的多个的正交臂，多个的所述正交臂的所述第一臂相互连结，而且，所述第二臂的前端形成有所述质量部。

9.如权利要求6所述的惯性力传感器，其中，

所述激励部和所述检测部具有将第一臂和第二臂以交叉的方式连结而形成的交叉臂，且在所述交叉臂的中央形成有所述质量部。

10.如权利要求6所述的惯性力传感器，其中，

11.如权利要求6所述的惯性力传感器，其中，

所述处理电路基于所述质量部向第二方向的位移来检测围绕第一方向的惯性力，而且，基于所述质量部向第一方向的位移来检测围绕第二方向的惯性力。

12.如权利要求6所述的惯性力传感器，其中，

将所述第一方向的共振频率和所述第二方向的共振频率设为相等，而且，所述处理电路在第一时间检测所述质量部向所述第一方向的位移，在与所述第一时间不同的第二时间检测所述质量部向所述第二方向的位移。