CN1782714B

CN1782714B - 加速度传感器

Info

Publication number: CN1782714B
Application number: CN2005101315156A
Authority: CN
Inventors: 大内智; 野添利幸; 相泽宏幸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: EP1655575A2; JP2006133004A; EP1655575A3; CN1782714A; US20060090565A1; US7363815B2

Abstract

本发明涉及一种角速度传感器，其具备振动元件，该振动元件包括相互平行延伸的一对驱动臂、连接设置这些驱动臂的一个端部的基部、从该基部向与所述驱动臂相反方向延伸的弯曲臂。另外在该角速度传感器上还设置有：使得所述一对驱动臂在相互接近或者离开的方向上振动的驱动装置；检测所述驱动臂振动方向上的所述弯曲臂畸变的畸变检测装置。

Description

加速度传感器

技术领域

本发明涉及在飞机、汽车、机器人、船舶、车辆等移动物体的姿势控制和导航等各种电子仪器中使用的角速度传感器。

背景技术

下面，对以往的角速度传感器进行说明。

以往的角速度传感器例如是使类似音叉形状、H形状或者T形状等各种形状的振动元件发生振动，并电检测随着科里奥利(Coriolis)力的产生而导致的振动元件畸变(distortion)，计算角速度。这样的角速度传感器被使用在车辆上所配备的导航装置或者车辆控制装置等之中。

例如，在导航装置用角速度传感器中，在相互正交的X轴和Y轴以及Z轴处，在将车辆配置在由X轴和Y轴构成的XY平面上的情况下，需要计算出车辆围绕Z轴(偏航轴)的角速度。

该角速度传感器中使用的振动元件通常被配置为朝向Z轴方向竖立在车辆的上方，。一旦在Z轴周围产生了角速度，由于在XY平面上的振动元件在与振动方向正交的方向上产生了由科里奥利力引起的畸变，故通过对其进行检测能够计算出角速度。

而且，作为与本申请的发明相关的在先技术文献信息，已知的就有例如特开2003-227844号公报。

上述结构的振动元件由于必须竖立在基本上与要计算的角速度的旋转中心轴正交的平面上，故在谋求该旋转中心轴方向上的角速度传感器的高度降低时，存在受到振动元件高度的限制，无法实现高度降低要求的问题。

发明内容

本发明目的在于，为了解决上述问题，提供一种能够实现角速度旋转中心轴方向上的低高度化要求的角速度传感器。

为了解决上述问题，本发明的角速度传感器其特征在于包括：振动元件，该振动元件具有相互平行延伸的一对驱动臂、连接设置这些驱动臂的一端的基部、从该基部与所述驱动臂平行延伸并且其中心线通过所述一对驱动臂之间的弯曲臂；驱动装置，其使所述一对驱动臂在相互接近或者离开的方向上振动；以及畸变检测装置，其检测所述驱动臂的振动方向上的所述弯曲臂的畸变，所述振动元件具有方形的框体，在该框体的一边外侧上以留出框体的角部的方式连接设置有所述一对驱动臂，并且在所述一边内侧上连接设置有所述弯曲臂，使得该一边成为所述基部。

根据上述结构，即使在相互正交的X轴和Y轴以及Z轴处，使得振动元件倒下而与由X轴和Y轴构成的XY平面相对的情况下，在驱动臂沿X轴方向驱动振动的状态下，一旦围绕Z轴产生角速度，则在2个驱动臂上交互产生Y轴方向上的应力，由此使得基部向Y轴方向弯曲振动。由于该基部的弯曲振动传到弯曲臂之后，弯曲臂在X轴方向上弯曲振动，故通过检测随着该弯曲振动而产生的弯曲臂的畸变，就能够计算出角速度。

结果是，即使振动元件在与角速度旋转中心轴正交的平面上倒下，也能够计算出角速度，从而能够提供实现了在角速度旋转中心轴方向上的低高度化的角速度传感器。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的未安装外壳的角速度传感器的立体图。

图2是同一个角速度传感器的支撑体安装时的振动元件的立体图。

图3是图2的A部放大平面图。

图4是图2的B部放大平面图。

图5是同一个角速度传感器的振动元件立体图。

图6是图5的I-I线剖面图。

图7是图5的II-II线剖面图。

图8是表示同一个角速度传感器的振动元件的驱动臂为驱动振动状态的振动元件的立体图。

图9是表示同一个角速度传感器的振动元件的弯曲臂为弯曲振动状态的振动元件的立体图。

图10是在Z轴的左旋转方向上产生角速度的情况下的图9的C部放大图。

图11是在Z轴的右旋转方向上产生角速度的情况下的图9的C部放大图。

图12是在弯曲臂的前端上设置了重锤部的振动元件的立体图。

具体实施方式

下面，参考附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的一个实施方式的未安装外壳的角速度传感器的立体图，图2是同一个角速度传感器的支撑体安装时的振动元件的立体图，图3是图2的A部放大平面图，图4是图2的B部放大平面图，图5是同一个角速度传感器的振动元件立体图，图6是图5的I-I线剖面图，图7是图5的II-II线剖面图。

在图1至图4中，本发明的一个实施方式的角速度传感器具备振动元件1，该振动元件1具有驱动振动用的一对驱动臂12和弯曲振动用的弯曲臂14，该振动元件1安装在支撑体2上，并装配在基台3上。在基台3上配置有驱动振动元件1的同时、将用后述的畸变检测装置5检测出的畸变作为角速度进行计算的回路，并用外壳等覆盖(未图示)。

以在相互正交的X轴、Y轴和Z轴中，在由X轴和Y轴构成的XY平面上倒下的状态来配置上述振动元件，其是在该状态下，用来计算围绕Z轴的角速度的元件，其是由硅等形成的基板构成的。

该振动元件1的驱动臂12以及弯曲臂14从在X轴方向上延伸的基部16a的中央部分，分别朝向相反方向在Y轴方向上延伸。驱动臂12和弯曲臂14的位置关系在后面详细描述，弯曲臂14背连接设置在连接设置基部16a中的驱动臂12的一端部的部分之间的部分上。

上述基部16a由夹持弯曲臂14的对置的对置部16b、和一对连接部16c构成方形的框体16，该一对连接部16c在弯曲臂14的两侧沿着Y轴方向延伸，并连接基部16a和对置部16b的各个端部。换句话说，一对驱动臂12与框体16的一边(基部16a)的外侧连接设置，以使留出框体16的角部16e(参考图3)，弯曲臂14与上述一边的内侧连接设置，以使向与该边对置的一边(对置部16b)延伸。而且，对置部16b成为用于将振动元件1固定在支撑体2上的固定用固定基部。

如图3所示，上述驱动臂12和弯曲臂14配置成，从框体16的角部16e到驱动臂12的距离(W1)比从驱动臂12到基部16a的中心部的距离(W2)长，驱动臂12之间的距离(W3＝W2×2)设定成与弯曲臂14的宽度尺寸(W4)大致相等。

在连接上述基部16a的两个端部和对置部16b的两个端部的连接部16c上，形成有吸收框体16的振动的振动吸收部16d。该振动吸收部16d在连接部16c上形成多个在Y轴方向上延伸的槽部。而且，也可以是设置多个在Y轴方向上延伸的狭缝(slit)来形成该振动吸收部16d。

如图6所示，在上述一对驱动臂12的一个面上，还设置有使得该驱动臂12在相互接近或者远离的方向，也就是X轴方向上振动的驱动装置4。该驱动装置4具有在X轴方向上并列的3条压电膜42。这些压电膜42由PZT(锆钛酸铅)等构成，左右的压电膜42由驱动用电极44夹持，中央的压电膜42由检测围绕Y轴的角速度的检测用电极46夹持，以上述状态将其层叠在驱动臂12的一个面上。而且，压电膜42还可以是水晶等。

如图7所示，另外，在弯曲臂14的一个面上，设置有检测由科里奥利力引起的弯曲臂14的畸变的畸变检测装置5。该畸变检测装置5具有在X轴方向上并列的2条压电膜52。这些压电膜52由PZT等构成，以被畸变检测用电极54夹持的状态，层叠在弯曲臂14的一个面上。

下面对上述角速度传感器的振动元件1的驱动状态以及弯曲状态进行说明。

图8是表示角速度传感器的振动元件的驱动臂为驱动振动状态的振动元件的立体图，图9是表示同一个角速度传感器的振动元件的弯曲臂为弯曲振动状态的振动元件的立体图，图10是在Z轴的左旋转方向上产生角速度的情况下的图9的C部放大图，图11是在Z轴的右旋转方向上产生角速度的情况下的图9的C部放大图。

如图8所示，振动元件1的驱动臂12在相互正交的X轴、Y轴和Z轴中，在X轴方向上，相互在外侧向内侧交互被驱动振动。该驱动振动以如下方式进行，即通过在图6中夹持左右压电膜42的驱动用电极44中上侧的驱动用电极44上按照相互成反相位的方式施加正弦波电压来使得压电膜42扭曲的方法，而使驱动臂12在X轴方向上驱动。而且，电压施加并不限于这种方式，还可以对下侧的驱动用电极44来进行。

在使得驱动臂按照上述方式驱动振动的状态下，如图9所示，一旦产生向左转的角速度ω，则2个驱动臂12受到由科里奥利力引起的Y轴方向的力。此时，一个驱动臂12与另一个驱动臂12受到Y轴方向的相反方向，即箭头方向上由科里奥利力引起的力。

与此相应的，由于弯曲臂14向X轴方向的箭头方向扭曲并进行弯曲振动，故可以利用图7中的夹持压电膜52的畸变检测电极54来检测电压变化。

该弯曲振动状态正如将图9中的C部放大的图10和图11所示，在产生向Z轴左方旋转的角速度ω的情况下，如图10所示，2个驱动臂12在箭头方向上受到科里奥利力引起的力，弯曲臂14在箭头方向上弯曲振动。另外，在产生向Z轴右方旋转的角速度ω的情况下，如图11所示，2个驱动臂12在箭头方向上受到科里奥利力引起的力，所以弯曲臂14在箭头方向上弯曲振动。也就是说，如果将该弯曲臂14的弯曲振动当作畸变来检测的话，就能够计算出角速度。

这样，根据本发明的一个实施方式，即使振动元件1在与角速度ω的旋转中心轴正交的平面上倒下也能够计算出角速度，从而能够提供实现了在角速度ω的旋转中心轴方向上的低高度化的角速度传感器。换句话说，在相互大致正交的X轴和Y轴以及Z轴上，即使在按照与由X轴和Y轴构成的XY平面对置的方式使振动元件1倒下的情况下，在驱动臂12处于在X轴方向上驱动振动的状态下，一旦产生围绕Z轴的角速度，2个驱动臂12就会在Y轴方向上交互产生应力，基部16a在Y轴方向上弯曲振动。该基部16a的弯曲振动传送到弯曲臂14，由于弯曲臂14在X轴方向上弯曲振动，故通过检测伴随该弯曲振动的弯曲臂14的畸变，就能够计算出角速度。

另外，由于将与框体16的基部16a对置的对置部16b当作固定用的固定基部，在驱动臂12驱动振动、弯曲臂14弯曲振动时，能够提高损失减少的特性。通常，由于这些振动经过将振动元件1固定装配在基台3上的固定基部(对置部16b)而漏到基台3和外壳等，所以必须减少这些漏掉的振动，但是根据上述结构，能够减少经过固定基部(对置部16b)而漏向外部的振动，从而提高了特性。尤其是，由于将弯曲臂14按照从基部16a向对置部16b延伸的方式来设置，故必然增加了连接部16c的长度，通过该连接部16c能够有效的减少漏出的振动。另外，在将基部16a的两个端部固定在支撑体2上的情况下，虽然基部16a的移动受到了限制，且弯曲臂14的弯曲振动仅由基部16a的变形引起，但是通过将和基部16a对置的固定部16b当作固定基部，使得基部16a能够移动，由于弯曲臂14的弯曲振动通过基部16a的变形和移动来引发，故也能够提高检测弯曲臂14的畸变的灵敏度。

另外，由于在连接框体16的基部16a和对置部16b的连接部16c上，还形成有吸收框体16的振动的振动吸收部16d，故能够得到更好的上述效果。该振动吸收部16d可以用仅在连接部16c上设置槽部或者狭缝的简单结构来形成。

而且，将框体16设置为方形的同时，将驱动臂12设置在框体16的2个角部16e之间，如果驱动臂12之间的距离(W3)与弯曲臂14的宽度尺寸(W4)大致相同的话，还能够更有效地实现减少漏出振动的效果。

而且，驱动臂12之间的距离(W3)与弯曲臂14的宽度尺寸(W4)也不一定需要如上所述是大致相同的，也可以将弯曲臂14的宽度尺寸(W4)设置得比驱动臂12之间的距离(W3)大。该情况下，不能将弯曲臂14与基部16a中的驱动臂12一端部所连接设置的部分之间的部分连接设置，但是可以让弯曲臂14的中心线通过一对驱动臂12之间。

反过来说，在将弯曲臂14的宽度尺寸(W4)设置得比驱动臂12之间的距离(W3)小的情况下，可以将弯曲臂14配置在一对驱动臂12之间，并且使得弯曲臂14在从基部16a向与驱动臂12相同的方向延伸。但是，该情况下，为了让驱动振动的驱动臂12和弯曲振动的弯曲臂14相互之间不产生干涉，需要在一定程度上保证它们之间的距离，由此增加了X轴方向上的振动元件1的宽度尺寸。

而且，基部16a也不一定要构成框体16，比如还可以在省略对置部16b和连接部16c的同时，将基部16a进一步在X轴方向上延伸，并且将该基部16a的两个端部固定在支撑体2上。但是，通过用基部16a，对置部16b以及连接部16c构成围绕弯曲臂14的框体16的方法，能够通过框体16对弯曲臂14进行保护。

另外，在本发明的一个实施方式中，虽然从框体16的角部16e到驱动臂12的距离(W1)与从驱动臂12到基部16a的中心部的距离(W2)并不大致相同，但是它们之间的距离也可以大致相同。换句话说，将上述距离(W1)设置为驱动臂12之间的距离(W3)的大致2分之1。该情况下，以各个驱动臂12为中心，从框体16的角部16e到基部16a的中心部成线对称，能够在驱动振动时使得左右的驱动振动的平衡相同，能够提高驱动振动的精度。

另外，如图12所示，如果在弯曲臂14的前端设置重锤部18，能够提高畸变的检测灵敏度。该重锤部18从平面上看成大约U字状的形状，其中央与弯曲臂14的前端连接。为了形成该重锤部18，只要在形成振动元件1时一体形成即可。而且，重锤部18的形状虽然不限于U字状，但是如果是U字状的话，由于有效的利用了框体16内的空隙，故能够增大重锤部18。

而且，也可以将加速度传感器或各种传感器与该角速度传感器连接，形成复合传感器。该情况下，如果用固定基部支撑各种传感器，则两者之间不易产生干涉。

如上所述，本发明的角速度传感器其特征在于，具备振动元件，该振动元件包括相互平行延伸的一对驱动臂、连接设置这些驱动臂的一个端部的基部、从该基部与上述驱动臂平行延伸并且其中心线通过上述一对驱动臂之间的弯曲臂，所述角速度传感器还具备：使上述一对驱动臂在相互接近或者离开的方向上振动的驱动装置；检测上述驱动臂的振动方向上的上述弯曲臂的畸变的畸变检测装置。

根据上述结构，即使在大致相互正交的X轴和Y轴以及Z轴处，使得振动元件倒下而与由X轴和Y轴构成的XY平面相对的情况下，在驱动臂沿X轴方向驱动振动的状态下，一旦围绕Z轴产生角速度，则在2个驱动臂上交互产生Y轴方向上的应力，由此使得基部向Y轴方向弯曲振动。由于该基部的弯曲振动传到弯曲臂之后，弯曲臂在X轴方向上弯曲振动，故通过检测随着该弯曲振动而产生的弯曲臂的畸变，就能够计算出角速度。

上述角速度传感器中，优选上述弯曲臂从上述基部开始在与上述驱动臂相反的方向上延伸。

根据该结构，能够减小驱动臂的振动方向上振动元件的宽度尺寸。

上述角速度传感器中，优选上述振动元件具有方形的框体，在该框体的一边外侧上以留出框体的角部的方式连接设置有上述一对驱动臂，同时在上述一边的内侧上连接设置有上述弯曲臂，使得该一边成为上述基部。

根据该结构，能够用框体保护弯曲臂。

上述角速度传感器中，优选进一步具备支撑上述振动元件的支撑体，且在该支撑体上固定与上述框体的基部相对的一边。

根据该结构，由于在传播中，基部的振动在框体剩下的两个边上被减少了，故合理的利用了上述框体，使得能够抑制向外部漏出的振动。另外，由于使基部能够移动，故能够提高检测弯曲臂的畸变的灵敏度。

上述角速度传感器中，优选在上述框体剩下的两个边的每一个上，形成吸收振动元件的振动的振动吸收部。

根据该结构，能够进一步减少上述漏出的振动。

优选上述振动吸收部是在上述剩下的两个边上形成的槽部或者狭缝。

根据该结构，能够用简单的结构形成振动吸收部。

上述角速度传感器中，从上述框体的角部到上述驱动臂的距离优选设定为上述一对驱动臂之间的距离的大约2分之1。

根据该结构，以各个驱动臂为中心，使得从基部的两个端部到基部的中心部成线对称，在驱动振动时能够使得左右的驱动振动的平衡相等，能够提高驱动振动的精度。

上述角速度传感器中，上述一对驱动臂之间的距离优选设定为与上述弯曲臂的宽度尺寸大致相等。

根据该结构，能够进一步得到更好地减少漏出振动的效果。

上述角速度传感器中，优选在上述弯曲臂的前端上，设置重锤部。

根据该结构，能够提高检测畸变的灵敏度。

Claims

1.一种角速度传感器，其特征在于包括：

振动元件，该振动元件具有相互平行延伸的一对驱动臂、连接设置这些驱动臂的一端的基部、从该基部与所述驱动臂平行延伸并且其中心线通过所述一对驱动臂之间的弯曲臂；

驱动装置，其使所述一对驱动臂在相互接近或者离开的方向上振动；以及

畸变检测装置，其检测所述驱动臂的振动方向上的所述弯曲臂的畸变，

所述振动元件具有方形的框体，在该框体的一边外侧上以留出框体的角部的方式连接设置有所述一对驱动臂，并且在所述一边内侧上连接设置有所述弯曲臂，使得该一边成为所述基部。

2.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述弯曲臂从所述基部向与所述驱动臂的相反方向延伸。

3.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：进一步具备支撑所述振动元件的支撑体，与所述框体基部相对的一边固定在该支撑体上。

4.如权利要求3所述的角速度传感器，其特征在于：在所述框体剩下的两个边上分别形成吸收振动元件的振动的振动吸收部。

5.如权利要求4所述的角速度传感器，其特征在于：所述振动吸收部是形成在所述剩下的两个边上的槽部或者狭缝。

6.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：从所述框体的角部到所述驱动臂的距离大约设定为所述一对驱动臂之间距离的2分之1。

7.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述一对驱动臂之间的距离大约设定为与所述弯曲臂的宽度尺寸相同。

8.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：在所述弯曲臂的前端上设置有重锤部。