CN1764822B - 角速度传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种角速度传感器，其包括：音叉型振子；设于音叉型振子上的驱动部；检测音叉型振子的挠变量的检测部。音叉型振子包括：具有第一端和第二端并具有基本振动频率的第一振动腕部、具有第一端和第二端并具有所述基本振动频率的第二振动腕部、以及将所述第一振动腕部的第一端和所述第二振动腕部的第一端连结的连结部。驱动部设置在所述第一振动腕部上，使所述第一振动腕部振动，具有驱动阻抗。检测部设置在所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的一个上，由所述音叉型振子上施加的角速度来检测第一振动腕部和第二振动腕部中的一个的挠变量。所述基本振动频率中驱动阻抗的值R1与同所述基本振动频率不同的频率的所述驱动阻抗的值R2的比R1/R2小于1。该角速度传感器即使受到外部干扰也不会输出不需要的信号。

Description

角速度传感器及其设计方法

技术领域

本发明涉及具有音叉型振子的角速度传感器及其设计方法。

背景技术

角速度传感器近年用于车载中。特别是该用途中，逐渐要求角速度传感器小型、对从外部突然施加的振动的所谓外部干扰稳定、高可靠性。

美国专利第5438231号公开的现有的角速度传感器包括：具有下端由连结部连结的一对振动腕部的音叉型振子；设置在振动腕部上的使振动腕部在振动方向驱动的驱动电极；检测由所施加的角速度而在振动腕部产生的挠变的检测电极。振动腕部设计重视通过减小其被驱动时的驱动阻抗来抑制消耗电力。

仅重视驱动阻抗设计的振动腕部由于其自身所具有的振动方向的基本振动频率以外的固有的振动频率的振动作为外部干扰而引起不需要的振动。由此，角速度传感器有时输出不需要的信号。

发明内容

本发明的角速度传感器包括：音叉型振子；音叉型振子上设置的驱动部；检测音叉型振子的挠变量的检测部；附加质量部。音叉型振子包括：具有第一端和第二端并具有基本振动频率的第一振动腕部；具有第一端和第二端并具有基本振动频率的第二振动腕部；连结第一振动腕部的第一端和第二振动腕部的第一端的连结部。驱动部设置在第一振动腕部上，使第一振动腕部振动，具有驱动阻抗。检测部设置在第一振动腕部和第二振动腕部中的一个上，由音叉型振子上施加的角速度检测第一振动腕部和第二振动腕部中的一个的挠变量。所述附加质量部自所述驱动部和所述检测部分离，在所述驱动部和所述第一振动腕部的所述第二端之间设置在所述第一振动腕部上，所述附加质量部具有：设置在所述第一振动腕部的电极、设置在所述电极上的压电层、设置在所述压电层上的其他的电极，基本振动频率的驱动阻抗的值R1与同基本振动频不同的频率的驱动阻抗的值R2的比R1/R2小于1。

该角速度传感器即使受到外部干扰也不会输出不需要的信号。

附图说明

图1A是本发明的实施方式的角速度传感器的音叉型振子的正面图；

图1B是图1A所示的角速度传感器的线1B-1B的剖面图；

图1C是图1A所示的角速度传感器的线1C-1C的剖面图；

图2表示实施方式的角速度传感器的驱动阻抗和电极的尺寸的关系；

图3表示实施方式的角速度传感器的音叉型振子的外部干扰引起的振动。

符号说明

1音叉型振子

1a振动腕部

1b振动腕部

1c连结部

2驱动部

3检测部

具体实施方式

图1A是本发明的实施方式的角速度传感器的正面图。角速度传感器具有音叉型振子1。振子1由硅等的刚性材料构成，包含相互平行设置的振动腕部1a、1b和连结振动腕部1a、1b各下端101a、101b的连结部1c。振动腕部1a上设置两个驱动部2。两个驱动部2之间，在振动腕部1a上设置检测部3。振动腕部1b上设置检测部13。振动腕部1b还设置有与检测部13平行配置的监视部4和虚部8。

图1B是图1A所示的角速度传感器的线1B-1B的剖面图。驱动部2由驱动腕部1a上设置的驱动电极2A、驱动电极2A上设置的压电层2B、压电层2B上设置的驱动电极2C构成。驱动部2自振动腕部1a的下端101a朝向上端102a设置。检测部3由振动腕部1a上设置的检测电极3A、检测电极3A上设置的压电层3C、压电层3C上设置的检测电极3B构成。检测电极3B自振动腕部1a的下端101a朝向上端102a设置。检测电极3B长度与振动电极2C大致相同。

检测部13由振动腕部1b上设置的检测电极13A、检测电极13A上设置的压电层13C、压电层13C上设置的检测电极13B构成。监视部4由振动腕部1b上设置的监视电极4A、监视电极4A上设置的压电层4B、压电层4B上设置的监视电极4C构成。虚部8由振动腕部1b上的虚电极8A、虚电极8A上的压电部8B、压电部8B上的虚电极8C构成。

连结部1c上设置用于与驱动部2、检测部3、监视部4的上述的电极连接并且与外部连接的连接电极5。

驱动部2的驱动电极2A、2C间施加电压，则振动腕部1a在X轴的方向6上振动，振动腕部1b与该振动共振，以与振动腕部1a的振动频率相同的频率振动。从监视部4的监视电极4A、4C输出与振动腕部1a、1b的振动的振幅对应的信号，该信号反馈给控制对驱动电极2A、2C施加的驱动电压的控制电路。控制电路根据反馈的信号调整对驱动电极2A、2C施加的信号的频率、电压、相位，使振子1的振动持续。检测部3的检测电极3A、3B通过以Y轴为中心施加到振子1上的由角速度在振动腕部1a上Z轴方向发生的科里奥利力(コリオリ力)而挠变，输出基于对应该科里奥利力的振动腕部1a的挠变的量的信号。同样，检测部13的检测电极13A、13B通过以Y轴为中心施加到振子1上的由角速度在振动腕部1b在Z轴方向发生的科里奥利力而挠变，输出基于对应该科里奥利力的振动腕部1b的挠变的量的信号。

角速度传感器具有振子1的驱动的传递阻抗(伝達インピ一ダンス)即驱动阻抗Rd。驱动阻抗Rd由驱动电极2A、2C间施加的电压Vd与由振子1的振动而在监视电极4A、4C产生的电流Im的比Vd/Im来定义。实施方式的角速度传感器的音叉振子1的振动腕部1a、1b和驱动部2根据振动腕部1a、1b的振动方向6的基本振动频率的驱动阻抗Rd的值R1与同基本振动频率不同的外部干扰频率的驱动阻抗Rd的值R2的比R1/R2来设计。即，角速度传感器的设计中，振动腕部1a、1b和驱动部2的尺寸根据比R1/R2来决定。

图2B表示驱动电极2A、2C的长度D与振动腕部1a、1b的长度L的比D/L(横轴)和驱动阻抗Rd的比R1/R2(纵轴)的关系。如图2C所示，这些是与具有最小值的二次曲线类似的关系。

振动腕部1a、1b在多个模式下以固有振动频率振动。驱动阻抗Rd的值R1的基本振动频中，振动的点(莭)仅位于下端101a。图3表示实施方式的音叉型振子1的上述考虑的驱动阻抗的值R2的外部干扰振动频率引起的振动。驱动阻抗的值R2在振动腕部1a、1b所具有的固有振动频率中也与在方向6上引起振动腕部1a、1b的中部弯曲的频率的振动对应。即，在驱动阻抗的值R2的外部干扰频率中，振动的点(莭)位于振动腕部1a的下端101a与上端102a之间的点103a和下端101a，振动的点(莭)位于振动腕部1b的下端101b的上端102b之间的点103b和下端101b。该外部干扰频率的振动容易接着基本振动频率而产生。该外部干扰频率的振动的模式，在振动腕部1a、1b的沿X轴在同方向振动的模式、沿Z轴在同方向振动的模式等其他模式的基础上进行新的设计时考虑，从而提高角速度传感器的可靠性。

比R1/R2小于或等于1时，振动腕部1a、1b难以受外部干扰的影响。由此，为防止图3所示的振动，根据图2C将比D/L设定为0.38＜D/L＜0.46，使比R1/R2小于或等于1。

上述说明中着重于驱动电极2A、2C的长度D与振动腕部1a的长度L之间关系。关于检测电极3A、3B也同样可以将检测电极的长度D设定为0.38＜D/L＜0.46。

理想的是，振动腕部1a的未配置驱动部2、检测部3的部分103a上设置附加质量部7a，同样，振动腕部1b的未设置监视部4、检测部13、虚部8的部分103b上设置附加质量部7b。振动腕部1a、1b上设置的电极将在构成音叉型振子1的硅基板上形成电极的基电极在整个面上形成，利用蚀刻从基电极除去不需要的部分而形成。该蚀刻使硅基板的表面不必要地破损，导致角速度传感器的特性产生偏差。由附加质量部7a、7b减少振动腕部1a、1b的露出的面，从而可抑制角速度传感器的特性的偏差。振动腕部1a、1b上设置的压电层通过在基电极整个面上形成基极压电层，从基极压电层蚀刻除去不要的部分而形成。也可以说是压电层的蚀刻。

图1C是图1A所示的角速度传感器的线1C-1C的剖面图。振动腕部1a上设置的附加质量部7a与驱动部2和检测部3同样，由振动腕部1a上的电极107A和电极107a上的压电层107C和压电层107C上的电极107B构成。振动腕部1b上设置的附加质量部7b与监视部4和检测部4同样，由振动腕部1b上的电极207A和电极207a上的压电层207C和压电层207C上的电极207B构成。附加质量部7a、7b具有与驱动部2、检测部3、监视部4和检测部13同样的结构，由此与它们同时形成并且没有特别附加加工而容易形成。附加质量部7a从驱动部2和检测部3分离，附加质量部7b从监视部4和检测部13、虚部8分离。

另外，检测部3的检测电极3B与驱动部2的驱动电极2B形成同样长度，使端面3D、2D的位置一致，从而能够直线形成与端面3D、2D对峙的附加质量部7a的端面307a，进一步抑制振动腕部1a的表面露出。同样，检测部13的检测电极13B和监视部4的监视电极4C和虚部8的电极8C形成相同长度，使它们的端面13D、4D、8D的位置一致，从而能够直线形成与端面13D、4D、8D对峙的附加质量部7b的端面307b，进一步抑制振动腕部1b的表面露出。

由附加质量部7a、7b使振动腕部1a、1b的基本振动频率降低。为与希望的基本振动频率吻合，必须缩短振动腕部1a、1b，或增大振动腕部1a、1b的宽度。即，在希望的基本振动频率中通过设置附加质量部7a、7b缩短振动腕部1a、1b来减小角速度传感器，另外，通过增大振动腕部1a、1b的宽度，将设于其上的驱动部2和检测部3的面积增大，提高驱动效率和检测效率。

附加质量部7a的形状由激光等的微调来进行调节，从而能够调节振动腕部1a、1b的质量和重心位置，所以能够调节振动频率和振动方向，得到杂音更少的高精度的角速度传感器。

在实施方式的振子1中，振动腕部1a、1b中仅振动腕部1a设置驱动部2，仅振动腕部1a被驱动。振动腕部1b由于具有与振动腕部1a相同的共振频率，所以最好具有与振动腕部1a对称的结构。虚部8是为使振动腕部1b具有与振动腕部1a对称的结构而设置的。

在实施方式的角速度传感器中，由驱动部2仅驱动振动腕部1a，也可以由与驱动部2相同结构的虚部8和监视部的至少一个将振动腕部1b与振动腕部1a一同驱动，其具有同样的效果。

在实施方式的角速度传感器中，驱动部2中最上层的驱动电极2A的长度相对振动腕部1a的长度被规定。驱动部2中，压电层2B、驱动电极2C的长度可以与驱动电极2A相同，也可以比驱动电极2A长。压电层2B中仅添设驱动电极2A而仅是施加有电压的区域有助于驱动。因此，若规定最上层的驱动电极2a的长度，则决定了压电体2C的有效区域，得到希望的特性。

产业上的可利用性

本发明的角速度传感器对外部干扰能够抑制杂音的产生，特别是适用于安装在车载等振动的物体上。

Claims (8)

1.一种角速度传感器，其包括：

音叉型振子，其包含：具有第一端和第二端并具有基本振动频率的第一振动腕部、具有第一端和第二端并具有所述基本振动频率的第二振动腕部、以及将所述第一振动腕部的所述第一端和所述第二振动腕部的所述第一端连结的连结部；

驱动部，其设置在所述第一振动腕部上，使所述第一振动腕部振动，具有驱动阻抗；

检测部，其设置在所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的一个上，由所述音叉型振子上施加的角速度来检测所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个的挠变量；

附加质量部，其自所述驱动部和所述检测部分离，在所述驱动部和所述第一振动腕部的所述第二端之间设置在所述第一振动腕部上，

所述附加质量部具有：设置在所述第一振动腕部的电极、设置在所述电极上的压电层、设置在所述压电层上的其他的电极，

所述基本振动频率中所述驱动阻抗的值R1与同所述基本振动频率不同的频率中的所述驱动阻抗的值R2的比R1/R2小于1。

2.如权利要求1所述的角速度传感器，其中，在与所述基本振动频率不同的所述频率中，所述第一振动腕部的振动的点位于所述第一端和所述第二端之间。

3.如权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述驱动部包括：

第一电极，其设置在所述第一振动腕部上，自所述第一振动腕部的所述第一端朝向所述第二端设置；

其他的压电层，其自所述第一振动腕部的所述第一端朝向所述第二端设置在所述第一电极上；

第二电极，其自所述第一振动腕部的所述第一端朝向所述第二端设置在所述其他的压电层上，并具有自所述第一振动腕部的所述第一端向所述第二端的方向上的长度D，

所述第一振动腕部具有所述第一端和所述第二端之间的长度L，其满足0.38＜D/L＜0.46。

4.如权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述检测部包括：

第一电极，其设置在所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个上，自所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个的所述第一端朝向所述第二端设置；

其他的压电层，其自所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个的所述第一端朝向所述第二端设置在所述第一电极上；

第二电极，其自所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个的所述第一端朝向所述第二端设置在所述其他的压电层上，具有自所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个的所述第一端向所述第二端的方向的长度D，

所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个具有所述第一端和所述第二端之间的长度L，其满足0.38＜D/L＜0.46。

5.如权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述附加质量部通过调节形状来调节所述第一振动腕部和所述第二振动腕部的振动方向。

6.一种角速度传感器的设计方法，所述角速度传感器包括：

音叉型振子，其包含：具有第一端和第二端并具有基本振动频率的第一振动腕部、具有第一端和第二端并具有所述基本振动频率的第二振动腕部、以及将所述第一振动腕部的所述第一端和所述第二振动腕部的所述第一端连结的连结部；

驱动部，其设置在所述第一振动腕部上，使所述第一振动腕部振动，具有驱动阻抗；

检测部，其设置在所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的一个上，由所述音叉型振子上施加的角速度来检测所述第一振动腕部和所述第二振动腕部中的所述一个的挠变量；

附加质量部，其自所述驱动部和所述检测部分离，在所述驱动部和所述第一振动腕部的所述第二端之间设置在所述振动腕部上，

所述附加质量部具有：设置在所述第一振动腕部的电极、设置在所述电极上的压电层、设置在所述压电层上的其他的电极，

该方法具有以下步骤：

决定所述第一振动腕部的尺寸；

决定所述驱动部的尺寸，使得所述基本振动频率中所述驱动阻抗的值R1与同所述基本振动频率不同的频率中的所述驱动阻抗的值R2的比R1/R2小于1。

7.如权利要求6所述的角速度传感器的设计方法，其中，在与所述基本振动频率不同的所述频率中，所述第一振动腕部的振动的点位于所述第一端和所述第二端之间。

8.如权利要求6所述的角速度传感器的设计方法，其中，所述驱动部包括：

第一电极，其设置在所述第一振动腕部上，自所述第一振动腕部的所述第一端朝向所述第二端设置；

其他的压电层，其自所述第一振动腕部的所述第一端朝向所述第二端设置在所述第一电极上；

第二电极，其自所述第一振动腕部的所述第一端朝向所述第二端设置在所述其他的压电层上，并具有自所述第一振动腕部的所述第一端向所述第二端的方向上的长度D，

所述第一振动腕部具有所述第一端和所述第二端之间的长度L，决定所述驱动部的所述长度D的步骤包含，决定所述驱动部的所述长度D，以满足0.38＜D/L＜0.46。

Images