JP2006226799A - Mechanical quantity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体に作用する力学量を検出する力学量センサに関し、特に、発生するコリオリ力に基づいて物体の角速度を検出する力学量センサに関する。 The present invention relates to a mechanical quantity sensor that detects a mechanical quantity acting on an object, and more particularly to a mechanical quantity sensor that detects an angular velocity of an object based on a generated Coriolis force.
ビデオカメラの手ぶれ補正装置や車載用のエアバッグ装置、ロボットの姿勢制御装置などの広い分野において、物体の回転運動を検出するためのジャイロと呼ばれるセンサが用いられている。
ジャイロは、物体の回転運動、即ち角速度を検出するセンサであり、取り付け部位や回転の中心位置に関わらず作用する角速度を検出することができる。
ジャイロは、その動作原理の違いによりいくつかの種類に分類され、振動体を用いたものは、振動式角速度センサと呼ばれている。
A sensor called a gyro for detecting the rotational motion of an object is used in a wide range of fields such as a camera shake correction device for a video camera, an in-vehicle airbag device, and a posture control device for a robot.
The gyroscope is a sensor that detects a rotational motion of an object, that is, an angular velocity, and can detect an acting angular velocity regardless of an attachment site or a rotation center position.
The gyro is classified into several types depending on the difference in operating principle, and a gyro using a vibrating body is called a vibrating angular velocity sensor.
振動式角速度センサ(以下、角速度センサとする)は、可撓性を有する部材に支持された錘体を一定の周期で振動させ、発生するコリオリ力を検出することによって作用する角速度を検出する。
詳しくは、質量mの錘体をz軸方向に速度vで振動させた状態で、x軸またはy軸周りに角速度Ωが働くと、錘体の中心部には、“F=2mvΩ”のコリオリ力Fが発生する。
そして、発生するコリオリ力Fの作用によりねじれが生じるため、錘体は、振動方向と直交する面に対して傾く。
角速度センサは、この錘体の傾きの方向、傾き量を検出し、これらの検出された値に基づいて錘体に作用する角速度を算出する。
A vibration type angular velocity sensor (hereinafter referred to as an angular velocity sensor) detects an angular velocity acting by vibrating a weight body supported by a flexible member at a constant period and detecting a generated Coriolis force.
Specifically, when an angular velocity Ω acts around the x-axis or y-axis in a state where a mass m is vibrated at a velocity v in the z-axis direction, “F = 2 mvΩ” Coriolis is formed at the center of the mass. A force F is generated.
And since a twist arises by the effect | action of the Coriolis force F which generate | occur | produces, a weight body inclines with respect to the surface orthogonal to a vibration direction.
The angular velocity sensor detects the direction and amount of inclination of the weight body, and calculates the angular velocity acting on the weight body based on these detected values.
錘体に作用する角速度Ωは、錘体の質量mおよび速度vに比例したコリオリ力Fとして現れる。従って、角速度Ωの検出精度(感度)は、錘体の質量m、速度vを増大させることにより向上する。
錘体の速度vを増大するためには、振動周波数を高くしたり、振動振幅を大きくしたりなど、錘体の駆動力を向上させなければならない。
例えば、静電力を用いて錘体を振動させる駆動方式においては、静電力を作用させる電極の面積を大きくしたり、電極間の隙間(ギャップ)を狭めたりすることにより、作用させる静電力を増大させることができる。
しかし、電極の面積を大きくすると、結果的に可動部である錘体も大きくせざるを得なくなり、センサが大型化してしまう。また、電極間の隙間(ギャップ)を狭めることにより、電極間の静電容量は増大するが、錘体の可動領域が制限されるため、振動振幅を大きくすることができない。
The angular velocity Ω acting on the weight body appears as a Coriolis force F proportional to the mass m and the speed v of the weight body. Therefore, the detection accuracy (sensitivity) of the angular velocity Ω is improved by increasing the mass m and the velocity v of the weight body.
In order to increase the speed v of the weight body, it is necessary to improve the driving force of the weight body by increasing the vibration frequency or increasing the vibration amplitude.
For example, in a drive system that vibrates a weight body using electrostatic force, the electrostatic force to be applied is increased by increasing the area of the electrode on which the electrostatic force is applied or by narrowing the gap between the electrodes. Can be made.
However, when the area of the electrode is increased, the weight, which is a movable part, must be increased, resulting in an increase in the size of the sensor. In addition, the capacitance between the electrodes increases by narrowing the gap (gap) between the electrodes, but the movable region of the weight body is limited, so that the vibration amplitude cannot be increased.
さらに、錘体に形成された可動電極と、可動電極に対向した固定電極と間の静電容量の変化量に基づいて、錘体の傾きを検出する静電容量検出型の角速度センサがある。
このような静電容量検出型の角速度センサでは、駆動用の電極と検出用の電極とが同一素子に形成されると、駆動用の信号と検出用の信号が互いに干渉し、センサの検出精度(感度)を低下させるおそれがある。
そこで、従来、下記の特許文献1に開示されているような、センサ素子の外部に設けられた圧電素子によって、センサ素子全体を振動させる技術が提案されている。
In such a capacitance detection type angular velocity sensor, when the drive electrode and the detection electrode are formed in the same element, the drive signal and the detection signal interfere with each other, and the detection accuracy of the sensor (Sensitivity) may be reduced.
Therefore, conventionally, a technique for vibrating the entire sensor element with a piezoelectric element provided outside the sensor element as disclosed in
ところで、特許文献1に示すようなセンサ素子全体を振動させる駆動方式、即ち、外部励振方式を用いるセンサは、センサ素子の外装部、即ち、可撓性を有していない部位に圧電素子を取り付ける構成となっている。
そのため、圧電素子の取り付け部位には、圧電効果により応力が作用する。圧電素子の駆動力を増大させた場合には、この応力も増大してしまう。
圧電素子の取り付け部に作用する応力が増大すると、即ち、センサ素子にかかる負荷力が増大すると、センサ素子の耐久性が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、外部励振方式を用いて錘体を振動させる力学量センサにおいてセンサ素子の耐久性を向上させることを目的とする。
By the way, in a sensor using the driving method for vibrating the entire sensor element as shown in
Therefore, stress acts on the attachment site of the piezoelectric element due to the piezoelectric effect. When the driving force of the piezoelectric element is increased, this stress also increases.
When the stress acting on the attachment portion of the piezoelectric element increases, that is, when the load force applied to the sensor element increases, the durability of the sensor element may decrease.
Accordingly, an object of the present invention is to improve the durability of a sensor element in a mechanical quantity sensor that vibrates a weight body using an external excitation method.
請求項1記載の発明では、圧電素子と、所定の周波数の交流電圧を印加して前記圧電素子を振動させる振動手段と、端部が固定された可撓性を有する可撓部と、前記可撓部で支持され所定の方向に振動する錘部と、を内包したハウジングと、前記圧電素子と前記ハウジングとの間に配置され、第1の面と、前記第1の面と対向して配設され、前記第1の面の面積以下の面積を有し、かつ、前記ハウジングの加振面または前記圧電素子の振動面のうち小さい方の面積よりも小さい面積を有する第2の面と、を備え、前記第1の面と前記第2の面のうち一方が前記ハウジングに固定され、他方が前記圧電素子に固定された伝動部と、前記錘部の振動方向と直交する面に対する前記錘部の傾きを検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記錘部の傾きを角速度に変換する変換手段と、を備えることにより前記目的を達成する。 According to the first aspect of the present invention, the piezoelectric element, the vibration means that vibrates the piezoelectric element by applying an alternating voltage of a predetermined frequency, the flexible portion having flexibility with an end fixed, and the allowable portion. A housing that includes a weight portion that is supported by the flexure portion and vibrates in a predetermined direction, and is disposed between the piezoelectric element and the housing. The first surface and the first surface are disposed to face each other. A second surface having an area equal to or smaller than the area of the first surface and having an area smaller than the smaller one of the vibration surface of the housing or the vibration surface of the piezoelectric element; A transmission portion in which one of the first surface and the second surface is fixed to the housing and the other is fixed to the piezoelectric element, and the weight with respect to a surface orthogonal to the vibration direction of the weight portion Detecting means for detecting the inclination of the part, and the detection means detected by the detecting means Conversion means for converting the inclination of the parts to the angular velocity, to achieve the above object by providing a.
請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明において、前記第2の面の中心が、前記ハウジングの重心位置と一致する。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the center of the second surface coincides with the position of the center of gravity of the housing.
請求項3記載の発明では、請求項1または請求項2記載の発明において、前記伝動部は、前記ハウジングまたは前記圧電素子の向きに凸出した凸出部を有し、前記第2の面は、前記凸出部の端面により構成されている。 According to a third aspect of the invention, in the first or second aspect of the invention, the transmission portion has a protruding portion protruding in the direction of the housing or the piezoelectric element, and the second surface is The end surface of the protruding portion is configured.
請求項4記載の発明では、請求項3記載の発明において、前記凸出部における凸出方向の長さは、前記圧電素子の振動面における最大振幅長より長い。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the length in the protruding direction of the protruding portion is longer than the maximum amplitude length of the vibration surface of the piezoelectric element.
請求項5記載の発明では、請求項1乃至請求項4のいずれか一の請求項に記載の発明において、前記圧電素子における振動周波数と、前記錘部の共振周波数とは、同一、あるいは近傍の周波数である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the vibration frequency of the piezoelectric element and the resonance frequency of the weight portion are the same or in the vicinity. Is the frequency.
請求項6記載の発明では、請求項1乃至請求項5のいずれか一の請求項に記載の発明において、前記圧電素子の共振周波数と、前記錘部の共振周波数とは、同一、あるいは近傍の周波数である。
The invention according to
請求項7記載の発明では、請求項1乃至請求項6のいずれか一の請求項に記載の発明において、前記ハウジングを前記圧電素子が配設されている向きに付勢する付勢手段を備える。 According to a seventh aspect of the invention, there is provided the urging means for urging the housing in a direction in which the piezoelectric element is disposed in the invention according to any one of the first to sixth aspects. .
請求項8記載の発明では、請求項1乃至請求項7のいずれか一の請求項に記載の発明において、前記圧電素子は、前記ハウジングを介して対向して設けられている。 According to an eighth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to seventh aspects, the piezoelectric elements are provided to face each other with the housing interposed therebetween.
請求項9記載の発明では、請求項1乃至請求項8のいずれか一の請求項に記載の発明において、前記ハウジングは、内部が真空であり、貫通孔と、前記貫通孔に形成された導体からなる引出部と、内壁面に設けられ前記引出部と電気的に接合された固定電極と、を備え、前記検出手段は、前記固定電極と前記錘部とにより形成された静電容量素子の静電容量の変化に基づいて前記錘部の傾きを検出する。
The invention according to claim 9 is the invention according to any one of
本発明によれば、伝動部を介して圧電素子をハウジングに固定することにより、直接圧電素子とハウジングとを固定する場合と比較して、圧電素子の変形に伴いハウジングに作用する応力を低減することができる。これによりハウジングの耐久性を向上させることができる。 According to the present invention, by fixing the piezoelectric element to the housing via the transmission portion, the stress acting on the housing due to the deformation of the piezoelectric element is reduced as compared with the case where the piezoelectric element and the housing are directly fixed. be able to. Thereby, the durability of the housing can be improved.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1〜図7を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、角速度を検出する力学量センサの一例として静電容量検出型角速度センサ(以下、角速度センサとする)を用いて説明する。
図1は、本実施の形態に係る角速度センサの概略構成を示した図である。
図1に示すように、角速度センサは、検出部1、伝動部2および駆動部3を備えている。
さらに、検出部1には、制御部(図示せず)との信号の入出力を行うための信号線4が配線されている。また、駆動部3にも、制御部(図示せず)との信号の入出力を行うための信号線5が配線されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the present embodiment, a capacitance detection type angular velocity sensor (hereinafter referred to as an angular velocity sensor) will be described as an example of a mechanical quantity sensor that detects angular velocity.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an angular velocity sensor according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the angular velocity sensor includes a
Further, the
図2は、検出部1の概略構成を示した断面図である。
検出部1は、実際に作用する角速度を検出するセンサ素子である。この検出部1は、半導体基板を加工して形成された半導体センサ素子である。なお、半導体基板の加工は、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル−システム)技術を用いて行うことができる。
本実施の形態に係る角速度センサにおいては、検出部1を構成する基板の積層方向と同一方向を上下方向、即ちz軸(方向)と定義する。そして、このz軸と直交し、かつ互いの軸と直交する軸をx軸(方向)およびy軸(方向)と定義する。つまり、x軸、y軸、z軸は、それぞれ互いに直交する3軸となる。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the
The
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the same direction as the stacking direction of the substrates constituting the
検出部1は、可動部構造体11、上部硝子基板12および下部硝子基板13を備えている。詳しくは、可動部構造体11を上部硝子基板12および下部硝子基板13によって上下方向から挟み込んだ3層構造となっている。
図3は、可動部構造体11の構成を示した平面図である。なお、図2の断面図は、図3に示す線分A−A’の位置、即ちx軸方向における検出部1の断面を示した図である。
可動部構造体11は、シリコン基板から形成されている。そして、このシリコン基板をエッチングすることによって、フレーム111、梁112および錘体113が形成されている。なお、錘体113は、可動部として機能する。
The
FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the
The
フレーム111は、錘体113を囲むように可動部構造体11の周縁部に設けられた固定部であり、可動部構造体11の枠組みを構成する。このフレーム111、上部硝子基板12および下部硝子基板13によって、検出部1のハウジング(外装体)が構成されている。
梁112は、錘体113の中心から放射方向に(フレーム111の方向に)十字方向に延びる4つの帯状の薄部材であり、可撓性を有している。
錘体113は、4つの梁112によってフレーム111に固定された質量体である。錘体113は、梁112の作用により、外部より加わる力により振動させたり、捩れる動きが可能となっている。
The
The
The
図2の説明に戻り、梁112および錘体113の上面(上部硝子基板12との対向面)と上部硝子基板12との間には、錘体113を可動にするための空間である可動隙間114が形成されている。上部硝子基板12は、この可動隙間114を封止するように接合されている。
梁112の下面(下部硝子基板13との対向面)および錘体113の底面、即ち下面(下部硝子基板13との対向面)と下部硝子基板13との間、さらに錘体113の周部においても、錘体113を可動にするための空間である可動隙間115が形成されている。下部硝子基板13は、この可動隙間115を封止するように接合されている。
なお、可動隙間114、115は真空状態となっている。真空状態とすることで、錘体113が動作する際の空気抵抗を低減することができる。
Returning to the description of FIG. 2, a movable gap which is a space for moving the
On the lower surface of the beam 112 (the surface facing the lower glass substrate 13) and the bottom surface of the
The
なお、可動部構造体11におけるフレーム111、梁112、錘体113を形成する際には、シリコン基板をプラズマによる深いトレンチエッチングを施すD−RIE(ディープ−リアクティブ・イオン・エッチング)技術を利用して行う。
また、本実施の形態に係る角速度センサでは、可動部構造体11の本体部をシリコン基板を用いて形成しているが、可動部構造体11の形成部材はこれに限られるものではない。例えば、シリコン基板の中間層に酸化膜を埋め込んだSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板を用いて形成してもよい。
この場合、梁112や錘体113を加工する際のエッチング処理において、中間の酸化膜層がエッチング遮断層(ストップ層)として機能するため、厚み方向に対する加工精度を向上させることができる。
When forming the
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the main body of the
In this case, in the etching process for processing the
上部硝子基板12および下部硝子基板13は、可動部構造体11を封止するように接合された硝子基板である。上部硝子基板12および下部硝子基板13は、それぞれ、可動部構造体11のフレーム111において陽極接合によって接合されている。
陽極接合とは、硝子基板(上部硝子基板12、下部硝子基板13)側に陰極電圧を与え、硝子−シリコン間の静電引力を利用して接合する接合方法である。
なお、硝子基板と可動部構造体11との接合方法は、陽極接合に限定されるものではない。例えば、接合面に金属を積層させて接合する共晶接合等を用いるようにしてもよい。
The
The anodic bonding is a bonding method in which a cathode voltage is applied to the glass substrate (
In addition, the joining method of a glass substrate and the
図4は、上部硝子基板12の構成を示した平面図である。なお、図4は、上部硝子基板12を可動部構造体11側から見た図である。
上部硝子基板12には、固定電極121〜124、引出端子125〜128、共通端子129、引出パッド130〜133、共通パッド134、スルーホール135〜139を備えている。
固定電極121〜124は、上部硝子基板12の側面に配置されたアルミ等の導体の部材によって構成されている。
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the
The
The fixed
また、固定電極121〜124は、互いに同形状、同面積の電極によって形成されている。電極の形状は、直角二等辺三角形であり、それぞれの電極の直角をなす二辺の頂点が、錘体113の中心方向に向くように、中心を取り囲んで90°ごとに配置されている。
同一平面上の対向する電極同士、即ち中央を挟んで反対側に位置する電極同士が対となり、錘体113の姿勢状態の各軸方向成分を検出する際に用いられる。
ここでは、固定電極121と固定電極122が対になりx軸方向の錘体113の姿勢状態を検出する。また、固定電極123と固定電極124が対になりy軸方向の錘体113の姿勢状態を検出するようになっている。
The fixed
Opposing electrodes on the same plane, that is, electrodes positioned on the opposite side across the center, are used as a pair, and are used when detecting each axial component of the posture state of the
Here, the fixed
引出端子125〜128は、固定電極121〜124とそれぞれ導電性のパターンを介して電気的に接続された端子である。この引出端子125〜128は、上部硝子基板12の下面(可動部構造体11と対向する面)から、上面(可動部構造体11と対向しない方の面)に、固定電極121〜124の電位を引き出すための端子である。
共通端子129は、上部硝子基板12の下面(可動部構造体11と対向する面)から、上面(可動部構造体11と対向しない方の面)に、錘体113の電位を引き出すための端子である。
The
The
引出パッド130〜133は、引出端子125〜128と同電位となるように形成された導電性のパッド(パターン)である。
共通パッド134は、共通端子129と同電位になるように形成された導電性のパッド(パターン)である。
引出パッド130〜133および共通パッド134に信号線4(図1に示す)が接続されることにより、検出部1と制御部とを電気的に接続することができる。
The
The
By connecting the signal line 4 (shown in FIG. 1) to the
スルーホール135〜139は、引出端子125〜128、共通端子129を形成するために形成された、上部硝子基板12を貫通するテーパ形状の貫通孔である。スルーホール135〜139は、開口部の面積が上部硝子基板12の外壁側より内壁側が小さくなるように形成されている。
共通端子129は、スルーホール139の底面(可動部構造体11と対抗する端面)が、可動部構造体11と接しているため、上面(可動部構造体11と対向しない方の面)から導電材料(Al等)を蒸着するなどして、形成することができる。スルーホール139底面の周辺は、すべて可動部構造物11と完全に密着しているため、気密性を保持することが可能である。
The through
The
一方、引出端子125も、共通端子129と同様にスルーホール135の内周壁面に沿って形成された導電性の薄膜である。しかし、スルーホール135の下面は開いているため、共通端子129と同じように形成することはできない。そのため、あらかじめ導電性の板状部材(図示せず)をスルーホール135の下面に、固定電極121と導通するように接合することで、共通端子129と同様に、上方(可動部構造体11と対向しない方の面)からの蒸着により形成することが可能となる。あるいは、初めにスルーホール135の内周壁面に導電膜を形成した後、その導電膜と固定電極121が導通するように、半田や導電性樹脂などで、スルーホール135底面の穴を埋めればよい。その他の引出端子126〜128も、引出端子125と同様に形成されている。
On the other hand, the lead-out
図1の説明に戻り、伝動部2の説明をする。
伝動部2は、本体部21と凸出部22から構成されている。
本体部21は、その底面が駆動部3に固定(接合)された、六面体の部材である。
凸出部22は、本体部21の底面と対向する上面のほぼ中心部(中央部)から垂直方向に凸出した角柱状の部位であり、その凸出端面22aは検出部1(下部硝子基板13)に固定(接合)されている。
凸出部22の形状は、凸出端面22aが加振面13aよりも小さい面積であればよく、例えば、底面が本体部21の底面と対向する上面における長手方向または短手方向に延びる長方形となるように形成されていてもよい。
伝動部2は、当然のことながら、他の部材と強固に固定する必要があるが、特に検出部1側は固定面積が小さいため、注意が必要である。実際には下部硝子基板13との接合(あるいは接着)となるため、42合金(鉄−ニッケル合金)や、コバール(鉄―ニッケル−コバルト合金)などの硝子と熱膨張係数の近い材料が望ましい。あるいは、伝動部2をSiで形成し、陽極接合してもよい。
Returning to the description of FIG. 1, the
The
The
The protruding
The shape of the protruding
Needless to say, the
以下、検出部1(下部硝子基板13)における伝動部2が固定(接合)される面、即ち検出部1(下部硝子基板13)における駆動部3(圧電素子)との対向面を振動が加えられる加振面13aとする。
凸出端面22aは、検出部1における下部硝子基板13の下端面(加振面13a)よりも小さい面積となっている。
伝動部2の本体部21における駆動部3との固定面は、第1の固定面として機能し、凸出部22における検出部1との固定面(凸出端面22a)は、第2の固定面として機能する。
また、凸出端面22aの中心は、検出部1の下部硝子基板13の中心に位置するように
バランスをとった状態で接合される。
Hereinafter, vibration is applied to the surface of the detection unit 1 (lower glass substrate 13) to which the
The
The fixed surface of the
Further, the center of the
次に、駆動部3について説明する。
駆動部3は、圧電素子からなり、圧電素子の圧電効果により所定の振動を生じさせることができる圧電発振器である。
圧電効果とは、圧縮または伸延すると帯電し、電圧を加えると歪む性質を示し、この圧電効果を有する素子が圧電素子(電歪素子)である。
圧電素子(ピエゾ素子)としては、例えば、水晶、圧電セラミクス、ロッシェル塩、チタン酸バリウム、EDT等がある。
なお、圧電素子における振動(歪み)特性は、圧電素子を形成する結晶の配列や電圧の印加方法により異なる。
Next, the
The driving
The piezoelectric effect indicates a property of being charged when compressed or stretched and distorted when a voltage is applied. An element having this piezoelectric effect is a piezoelectric element (electrostrictive element).
Examples of the piezoelectric element (piezo element) include quartz, piezoelectric ceramics, Rochelle salt, barium titanate, EDT, and the like.
The vibration (strain) characteristics of the piezoelectric element vary depending on the arrangement of crystals forming the piezoelectric element and the voltage application method.
本実施の形態では、駆動部3の圧電素子に所定の周波数の交流(交番)電圧を印加することにより振動を生じさせている。
圧電素子に交流電圧を印加すると、圧電素子の全側面において歪みが生じる。図1に示すように、実際に検出部1に振動を加える場合には、検出部1と対向する面、即ち、伝動部2を接合する面における歪み作用を利用している。
駆動部3(圧電素子)における伝動部2が固定される面、即ち検出部2を振動させる作用面を振動面3aとする。
なお、駆動部3(圧電素子)への交流電圧は、信号線5を介して制御部から印加されるようになっている。
In the present embodiment, vibration is generated by applying an alternating voltage (alternating voltage) having a predetermined frequency to the piezoelectric element of the
When an AC voltage is applied to the piezoelectric element, distortion occurs on all sides of the piezoelectric element. As shown in FIG. 1, when a vibration is actually applied to the
A surface of the driving unit 3 (piezoelectric element) to which the
The AC voltage to the drive unit 3 (piezoelectric element) is applied from the control unit via the
次に、このように構成される本実施の形態に係る角速度センサの動作について説明する。
本実施の形態に係る角速度センサでは、駆動部3に信号線5を介して高い周波数(例えば、3kHz程度)の交流電圧を印加して駆動部3をz軸方向に振動させ、この駆動部3で発生させた振動を伝動部2を介して検出部1に加える。
なお、図示しない制御部が駆動部3(圧電素子)に交流電圧を印加する振動手段として機能する。
検出部1は、下部硝子基板13に接合された伝動部2を介して駆動部3の振動が加えられると、ハウジング(外装体)全体が振動する。この振動は、可動部構造体11のフレーム111から梁112を介して錘体113に伝わる。これにより、錘体113は、強制的にz軸方向に振動させられる。
なお、錘体113における振動周波数は、駆動部3の振動周波数と一致する。
Next, the operation of the angular velocity sensor according to this embodiment configured as described above will be described.
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, an AC voltage having a high frequency (for example, about 3 kHz) is applied to the
A control unit (not shown) functions as a vibration unit that applies an AC voltage to the drive unit 3 (piezoelectric element).
When the vibration of the
Note that the vibration frequency of the
本実施の形態に係る角速度センサでは、検出部1における錘体113の振動振幅を増大させるために、錘体113の共振周波数で振動させる。なお、共振周波数は、錘体113の振動に関する梁112および錘体113の有する固有振動数に基づいて決定する周波数である。固有振動数とは、あらゆる物体が持つ振動周波数であり物体の剛性や質量などの要素によって決定される、物体が最も共振しやすい(揺れやすい)振動数である。
このように錘体113を共振させることにより、即ち、駆動部3の振動周波数を錘体113の共振周波数に設定することにより、少ないエネルギーで錘体113の振動振幅を大きくすることができる。さらに、駆動部3(圧電素子)固有の共振周波数と、錘体113の共振周波数とを、一致、あるいは近傍の周波数に設定することで、より少ないエネルギーで振動振幅を大きくすることができる。
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, in order to increase the vibration amplitude of the
By resonating the
速度vでz軸方向に振動している質量mの錘体113の周りに角速度Ωが加わると、錘体113の中心には、“F=2mvΩ”のコリオリ力Fが錘体113の運動方向に対して直交する方向に発生する。
このコリオリ力Fが発生すると、錘体113にねじれが加わり錘体113の姿勢が変化する。詳しくは、錘体113の振動方向と直交する面、即ち、x−y平面に対して、錘体113が傾く。
本実施の形態に係る角速度センサでは、この角速度が作用した時の錘体113の姿勢変化(傾き量および傾き方向)を検出し、検出された錘体113の姿勢変化量を角速度に変換する。
When an angular velocity Ω is applied around the
When this Coriolis force F is generated, the
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the posture change (inclination amount and inclination direction) of the
ここで、錘体113の姿勢変化の検出方法について説明する。
上述したように、梁112および錘体113は、導電性を有するシリコンにより形成されている。そのため、梁112および錘体113における上部硝子基板12と対向する領域は、可動電極として機能する。
本実施の形態では、この錘体113の可動電極と、固定電極121〜124とにより形成される静電容量素子の静電容量の変化量に基づいて錘体113の姿勢変化を検出する。 錘体113がx−y平面に対して傾きを生じた場合には、可動電極と固定電極121〜124との間隔(ギャップ長)が変化する。電極間のギャップ長が変化すると、静電容量素子の静電容量が変化する。
Here, a method for detecting the posture change of the
As described above, the
In the present embodiment, the posture change of the
本実施の形態では、固定電極121と可動電極、固定電極122と可動電極によって形成される静電容量素子の静電容量の変化を測定することによって、x軸方向における錘体113の傾きを検出している。
同様に、固定電極123と可動電極、固定電極124と可動電極によって形成される静電容量素子の静電容量の変化を測定することによって、y軸方向における錘体113の傾きを検出している。
なお、電極間の静電容量は、静電容量/電圧変換(C/V変換)回路を用いて電気的に検出することができる。
In the present embodiment, the inclination of the
Similarly, the inclination of the
The capacitance between the electrodes can be electrically detected using a capacitance / voltage conversion (C / V conversion) circuit.
C/V変換回路としては、例えば、十分周波数の高いキャリア信号(参照信号)を静電容量素子に印加し、その出力信号の振幅の変化量を静電容量として検出する方法がある。
静電容量素子に印加されたキャリア信号の出力は、その振幅が静電容量に比例する。そのため、入力キャリア信号と出力キャリア信号の振幅を比較することによって、静電容量を検出することができるようになっている。
本実施の形態に係る角速度センサでは、電極にキャリア信号として、周波数帯域が数百kHz〜数MHzである交流信号が印加されている。
角速度センサは、検出された錘体113の姿勢の変化(傾斜方向、傾斜度合い等)に基づいて発生したコリオリ力Fを検出する。そして、検出されたコリオリ力Fに基づいて、角速度Ωを算出(導出)する。つまり、錘体113の姿勢の変化量を角速度に変換する。
錘体113の姿勢の変化量は、予め制御装置に記憶されている角速度算出プログラムを起動し、所定の演算処理を行うことによって角速度に変換される。
As the C / V conversion circuit, for example, there is a method in which a carrier signal (reference signal) having a sufficiently high frequency is applied to a capacitance element, and the amount of change in the amplitude of the output signal is detected as capacitance.
The amplitude of the output of the carrier signal applied to the capacitance element is proportional to the capacitance. Therefore, the capacitance can be detected by comparing the amplitudes of the input carrier signal and the output carrier signal.
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, an AC signal having a frequency band of several hundred kHz to several MHz is applied to the electrode as a carrier signal.
The angular velocity sensor detects the Coriolis force F generated based on the detected change in the posture of the weight body 113 (inclination direction, degree of inclination, etc.). Then, the angular velocity Ω is calculated (derived) based on the detected Coriolis force F. That is, the amount of change in the posture of the
The amount of change in the posture of the
図1に示すように本実施の形態に係る角速度センサでは、伝動部2を介して検出部1と駆動部3を接合している。
ここで、伝動部2の働きについて説明する。
駆動部3を構成する圧電素子は、交流電圧が印加されると圧電効果の作用により伸縮を繰り返す。圧電素子は、その素子を形成する材料特性のばらつきなどによって、図7に示すような変形が生じる可能性がある。
なお、図7は、あくまで変形状態を分かり易く表現するために、歪み状態を単純に、且つ誇張して示したものであり、変形が必ずしも図のような状態であると限定するものではない。
As shown in FIG. 1, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, the
Here, the function of the
The piezoelectric element constituting the
Note that FIG. 7 shows the distortion state simply and exaggerated for easy understanding of the deformation state, and the deformation is not necessarily limited to the state shown in the figure.
このように、圧電効果による電圧素子の側面の歪みの度合いが大きい圧電素子(駆動部3)を直接検出部1に固定してしまうと、検出部1と圧電素子(駆動部3)との接合部において、圧電素子が撓む方向に応力が作用してしまう。
また、駆動部3(圧電素子)を検出部1に直接固定した場合、検出部1における駆動部3との接触領域には、端部が固定された状態の固定端振動が生じ、この振動の影響を接触領域全面で受けてしまう。即ち、検出部1の接合面の全領域において、電圧素子の歪み変形に対する応力が作用してしまう。
このような応力が検出部1に作用すると、角速度の検出誤差が生じるおそれがある。また、この応力の作用により、検出部1の耐久性が低下するおそれがある。
Thus, if a piezoelectric element (driving unit 3) having a large degree of distortion on the side surface of the voltage element due to the piezoelectric effect is directly fixed to the detecting
In addition, when the driving unit 3 (piezoelectric element) is directly fixed to the
When such stress acts on the
そこで、本実施の形態に係る角速度センサでは、このような圧電素子(駆動部3)の伸縮変形により検出部1に作用する応力の影響を抑制するために、伝動部2を介して検出部1と駆動部3を固定している。
伝動部2を介して固定(接合)することにより、駆動部3(圧電素子)を検出部1に直接固定する場合と比較して、歪み(撓み)変形する領域との接触領域を低減させることができる。これにより、検出部1に作用する応力の値を低減することができる。
Therefore, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, the
By fixing (joining) via the
また、図7に示すように、伝動部2における検出部1との接合面、即ち凸出端面22aの面積を、検出部1における加振面13aおよび駆動部3(圧電素子)の振動面3aよりも十分に小さくなくなるように構成する。なお、凸出端面22aは、可能な限り小さくなるように(一点で)形成されることが望ましい。
その場合、検出部1の重量が一点に集中して支持されるため、支持部1の重量バランスの釣り合った位置、つまり重心位置で固定しないと、振動方向がz軸に対してずれる可能性がある。そのため本実施の形態では、前述のように支持部1のxy方向における中心位置で固定する構成となっている。
Further, as shown in FIG. 7, the area of the joint surface of the
In this case, since the weight of the
詳しくは、検出部1との接合部である凸出端面22aの領域分だけに圧電素子の歪み変形の影響、即ち検出部1の応力が作用する領域を低減させることができる。
検出部1の加振面3aと凸出端面22aとの接合部における振動は固定端振動ではなく自由端振動状態となるため、歪み(変形)の度合いも抑えることができる。
そして、検出部1と圧電素子を直接接合した場合に受ける振動方向の振れによる変形の影響、つまり駆動部3(圧電素子)における振動方向の変形(撓み)の影響を、検出部1全体を振動させることにより解消することができる。
そのため、駆動部3(圧電素子)における振動方向の変形(撓み)により、加振面3aに生じる応力を抑制することができる。
Specifically, it is possible to reduce the influence of the distortion of the piezoelectric element, that is, the region where the stress of the
Since the vibration at the joint between the
Then, the influence of the deformation caused by the vibration in the vibration direction when the
Therefore, it is possible to suppress stress generated on the
また、駆動部3(圧電素子)の変形により、検出部1の加振面13aにおける凸出端面22aと接合されていない領域(例えば、加振面13aの周縁部など)と、伝動部2の本体部21の一部が接触するおそれがある。
このような接触が生じた場合には、加振面13aの接触部に外力が加わり、検出部1に応力が作用するおそれがある。
そのため本実施の形態に係る伝動部2における凸出部22の凸出方向、即ち駆動部3(圧電素子)の振動方向の長さβは、少なくとも駆動部3(圧電素子)の最大振幅αよりも大きくなるように構成されている。
このように凸出部22の高さを設定することにより、振動時における検出部1と伝動部2との好ましくない接触を避けることができる。
Further, due to deformation of the drive unit 3 (piezoelectric element), the region of the
When such contact occurs, an external force is applied to the contact portion of the
Therefore, the length β of the projecting direction of the projecting
By setting the height of the protruding
本実施の形態では、検出部1における加振面13aが駆動部3(圧電素子)の振動面3aよりも小さく構成された角速度センサについて説明した。
なお、検出部1における加振面13aが駆動部3(圧電素子)の振動面3aよりも大きく構成された角速度センサにおいては、伝動部2を凸出部22の凸出端面22aの面積が、駆動部3(圧電素子)の振動面3aよりも小さくなるように構成することが好ましい。
このように、加振面13aが振動面3aよりも大きく構成された角速度センサにおいて、凸出端面22aの面積を振動面3aよりも小さく構成することにより、直接駆動部3(圧電素子)を検出部1に固定した場合と比較して、歪み(撓み)変形する領域との接触領域を低減させることができる。これにより、検出部1に作用する応力の値を低減することができる。
In the present embodiment, the angular velocity sensor in which the
In the angular velocity sensor in which the
In this way, in the angular velocity sensor in which the
本実施の形態では、本体部21と凸出部22から構成される伝動部2について説明したが、伝動部2の形状や配置方法はこれに限定されるものではない。
伝動部2は、駆動部3(圧電素子)に固定される駆動側固定面と、検出部1の下部硝子基板13に固定される検出側固定面とを有し、駆動側固定面と検出側固定面の少なくとも一方の面積が、検出部1の加振面13aまたは駆動部(圧電素子)の振動面3aの面積のうちいずれか小さい方より小さくなるように構成されていればよい。
例えば、伝動部2をちょうど逆さまにした状態に設けるようにしてもよい。詳しくは、伝動部2の本体部21の底面を検出部1の加振面13aに固定し、凸出部22の凸出端面22aを駆動部3(圧電素子)の振動面3aに固定するように配設するようにしてもよい。
Although the
The
For example, the
また、検出部1と駆動部3(圧電素子)との間で固定される伝動部2の形状は、例えば、円柱や多角柱、切頭円錐や切頭多角錐であってもよい。
伝動部2が円柱や多角柱の形状の部材で構成される場合には、その底面が、検出部1における加振面13aまたは駆動部3(圧電素子)の振動面3aのいずれか小さい方の面積よりも小さくなるように形成されていることが好ましい。
切頭円錐や切頭多角錐の形状の部材で構成される場合には、その上端面(切頭側の端面)が検出部1における加振面13aまたは駆動部3(圧電素子)の振動面3aのいずれか小さい方の面積よりも小さくなるように形成されていることが好ましい。
また、円柱や多角柱、切頭円錐や切頭多角錐の高さは、少なくとも駆動部3(圧電素子)の最大振幅αよりも大きくなるように構成されていることが好ましい。
Moreover, the shape of the
When the
In the case of a truncated cone or truncated polygonal pyramid shaped member, the upper end surface (the end surface on the truncated side) is the
Moreover, it is preferable that the height of the cylinder, the polygonal column, the truncated cone, and the truncated polygonal pyramid is at least larger than the maximum amplitude α of the drive unit 3 (piezoelectric element).
また、本実施の形態に係る角速度センサでは、駆動部3における振動の制御回路と、検出部1における錘体113の姿勢変化の検出回路とは、それぞれ独立した異なる制御系として形成されている。
駆動部3が検出部1の外部に設けられているため、駆動部3の駆動信号と、錘体113の姿勢変化の検出信号とを容易に分離することができる。
そのため、駆動部3の制御回路における駆動信号が、錘体113の姿勢の検出回路に回り込むといったクロストーク(相互干渉)の発生を抑制することができる。
これにより、角速度センサにおける制御系が適切な状態に安定するため、角速度の高い検出精度を保つことができる。
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the vibration control circuit in the
Since the
Therefore, it is possible to suppress the occurrence of crosstalk (mutual interference) in which the drive signal in the control circuit of the
Thereby, since the control system in the angular velocity sensor is stabilized in an appropriate state, detection accuracy with a high angular velocity can be maintained.
次に、本実施の形態に係る角速度センサの変形例について説明する。
駆動部3を形成する圧電素子は、縮む方向への応力(圧縮応力)に対しての強度は比較的に高いが、伸びる方向への応力(引張応力)に対してはその強度が低くなる性質を有している。
そこで、本実施の形態に係る角速度センサの変形例は、常に圧電素子(駆動部3)に対して圧縮応力が作用する状態に、即ち圧電素子に予備圧力(付勢力)を加えた状態で駆動(振動)させるように構成されている。
Next, a modification of the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described.
The piezoelectric element forming the
Therefore, the angular velocity sensor according to the present embodiment is driven in a state in which a compressive stress is always applied to the piezoelectric element (driving unit 3), that is, in a state where a preliminary pressure (biasing force) is applied to the piezoelectric element. It is configured to (vibrate).
(変形例1)
図5は、本実施の形態に係る角速度センサの変形例1の構成を示した図である。なお、上述した角速度センサと重複する部位には同一の符号を用い、その説明を省略する。
図に示すように角速度センサの変形例1は、検出部1、第1伝動部102、第1駆動部103、第2伝動部202、第2駆動部203を備え、これらの装置は角速度センサの筐体6の内部に配設されている。
第1伝動部102および第2伝動部202は、上述した伝動部2と同じ構成を有し、第1駆動部103および第2駆動部203は、上述した駆動部3と同じ構成を有する。
(Modification 1)
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of
As shown in the figure, the
The
角速度センサの変形例1は、検出部1をz軸上の2方向(上下方向)から同時に振動させるように構成されている。即ち、検出部1は、錘体113の振動方向と同じ方向から振動させるように構成されている。
詳しくは、検出部1の上部端面に第1伝動部102を介して第1駆動部103を固定し、検出部1の下部端面に第2伝動部202を介して第2駆動部203を固定する。
第1駆動部103および第2駆動部203は、それぞれ角速度センサの筐体6(固定部位)に固定されている。なお、第1駆動部103および第2駆動部203は、検出部1と対向する側面の反対の側面が筐体6の内壁面に固定されている。
Specifically, the
The
このように、検出部1を第1駆動部103および第2駆動部203で挟持し、筐体6と密着させた状態で検出部1に振動を加える。
検出部1に振動を加える際には、第1駆動部103と第2駆動部203にそれぞれ逆位相の交流電圧を印加する。
このように密着(挟持)した状態で固定された角速度センサにおいては、常に、第1駆動部103および第2駆動部203に対して、予備圧力(付勢力)がかかる(加えられる)構造となる。
これにより第1駆動部103および第2駆動部203を形成する圧電素子が伸延方向に大きく変形する場合であっても、変形時の変位量が制限されるため、作用する引張応力を抑制することができる。従って、圧電素子の耐久性を向上させることができるため、角速度センサの耐久性を向上させることができる。
In this manner, the
When vibration is applied to the
In the angular velocity sensor fixed in such a close contact (clamping) state, a preliminary pressure (biasing force) is always applied (applied) to the
As a result, even when the piezoelectric elements forming the
(変形例2)
図6は、本実施の形態に係る角速度センサの変形例2の構成を示した図である。なお、上述した角速度センサと重複する部位には同一の符号を用い、その説明を省略する。
図6に示すように角速度センサの変形例2は、検出部1、伝動部2、駆動部3、バネ7を備え、これらの装置は角速度センサの筐体6の内部に配設されている。
駆動部3は、角速度センサの筐体6(固定部位)の内壁面に固定されている。そして、駆動部3は、伝動部2を介して検出部1に固定されている。さらに、検出部1の上部端面、即ち、駆動部3と対向する側面の反対の側面と筐体6との間に、付勢手段として機能するバネ7が配設されている。
バネ7は、自然長よりも短い状態、即ち縮められた状態で検出部1と筐体6との間に固定されている。そのため、常に、検出部1には、駆動部3の方向に予備圧力(付勢力)がかかる(加えられる)構造となる。バネ7により検出部1に加えられた予備圧力(付勢力)は、伝動部2を介して駆動部3に作用する。
(Modification 2)
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of
As shown in FIG. 6, the second modified example of the angular velocity sensor includes a
The
The
これにより駆動部3を形成する圧電素子が伸延方向に大きく変形する場合であっても、変形時の変位量が制限されるため、作用する引張応力を抑制することができる。従って、圧電素子の耐久性を向上させることができるため、角速度センサの耐久性を向上させることができる。
なお、検出部1に予備圧力(付勢力)を加える付勢手段は、バネ7に限定されるものではない。適切に予備圧力を加えることが可能であれば、他の弾性部材を用いてもよい。
Accordingly, even when the piezoelectric element forming the
The biasing means for applying the preliminary pressure (biasing force) to the
1 検出部
2 伝動部
3 駆動部
4 信号線
5 信号線
6 筐体
7 バネ
11 可動部構造体
12 上部硝子基板
13 下部硝子基板
21 本体部
22 凸出部
111 フレーム
112 梁
113 錘体
114 可動隙間
115 可動隙間
121〜124 固定電極
125〜128 引出端子
129 共通端子
130〜133 引出パッド
134 共通パッド
135〜139 スルーホール
DESCRIPTION OF
Claims (9)
所定の周波数の交流電圧を印加して前記圧電素子を振動させる振動手段と、
端部が固定された可撓性を有する可撓部と、前記可撓部で支持され所定の方向に振動する錘部と、を内包したハウジングと、
前記圧電素子と前記ハウジングとの間に配置され、第1の面と、前記第1の面と対向して配設され、前記第1の面の面積以下の面積を有し、かつ、前記ハウジングの加振面または前記圧電素子の振動面のうち小さい方の面積よりも小さい面積を有する第2の面と、を備え、前記第1の面と前記第2の面のうち一方が前記ハウジングに固定され、他方が前記圧電素子に固定された伝動部と、
前記錘部の振動方向と直交する面に対する前記錘部の傾きを検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された前記錘部の傾きを角速度に変換する変換手段と、
を備えたことを特徴とする力学量センサ。 A piezoelectric element;
Vibration means for vibrating the piezoelectric element by applying an alternating voltage of a predetermined frequency;
A housing that includes a flexible portion having a fixed end and a weight portion that is supported by the flexible portion and vibrates in a predetermined direction;
The housing is disposed between the piezoelectric element and the housing, has a first surface, and is disposed to face the first surface, and has an area equal to or smaller than an area of the first surface, and the housing And a second surface having an area smaller than the smaller one of the vibration surfaces of the piezoelectric element, and one of the first surface and the second surface is in the housing. A transmission portion fixed and the other fixed to the piezoelectric element;
Detecting means for detecting an inclination of the weight portion with respect to a plane orthogonal to the vibration direction of the weight portion;
Conversion means for converting the inclination of the weight portion detected by the detection means into an angular velocity;
A mechanical quantity sensor characterized by comprising:
前記第2の面は、前記凸出部の端面により構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の力学量センサ。 The transmission portion has a protruding portion protruding in the direction of the housing or the piezoelectric element,
The mechanical quantity sensor according to claim 1, wherein the second surface is configured by an end surface of the protruding portion.
前記検出手段は、前記固定電極と前記錘部とにより形成された静電容量素子の静電容量の変化に基づいて前記錘部の傾きを検出することを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一の請求項に記載の力学量センサ。 The housing has a vacuum inside, and includes a through hole, a lead portion made of a conductor formed in the through hole, and a fixed electrode provided on an inner wall surface and electrically connected to the lead portion,
The said detection means detects the inclination of the said weight part based on the change of the electrostatic capacitance of the electrostatic capacitance element formed with the said fixed electrode and the said weight part. The mechanical quantity sensor according to claim 1.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008128879A (en) * | 2006-11-22 | 2008-06-05 | Seiko Instruments Inc | Angular velocity sensor |
CN110849315A (en) * | 2018-12-26 | 2020-02-28 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | Dynamic strain tracing calibration method |
-
2005
- 2005-02-17 JP JP2005040042A patent/JP2006226799A/en active Pending
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