JP2007064746A - 慣性センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 精度良く角速度を検出する。
【解決手段】 圧電素子からなり、基部１０と、基部１０から延出する一対の励振用腕部２０と、励振用腕部２０と反対側に基部１０から延出する一対の検出用腕部３０とを備え、各励振用腕部２０が、基部１０側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される励振テーパ部２１と、励振テーパ部２１側から所定の幅で形成される励振定幅部２２とを備え、各検出用腕部３０が、基部１０側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される第一検出テーパ部３１と、第一検出テーパ部３１側から所定の幅で形成される第一検出定幅部３２と、第一検出定幅部３２側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される第二検出テーパ部３３と、第二検出テーパ部３３側から所定の幅で形成される第二検出定幅部３４とを備えて構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、慣性センサ素子に関する。

一般に、慣性センサ素子の形状としてＨ型の形状となる構造（以下、「Ｈ型構造」という。）のものが知られている。
図４に示すように、Ｈ型構造の慣性センサ素子２００は、基部２１０と、この基部２１０から延出する一対の励振用腕部２２０と、この励振用腕部２２０とは反対側に当該基部２１０から延出する一対の検出用腕部２３０とから構成され、当該検出用腕部２３０の幅ＪＷＡが励振用腕部２２０の幅ＪＷＢより広く形成されている。この基部２１０にはパッケージに固定するための支持部２４０が一対の検出用腕部２３０の間に設けられている（例えば、特許文献１参照）。

この慣性センサ素子２００の励振用腕部２２０をＸＹ平面内の１次屈曲振動（励振モード）で振動させた場合、検出用腕部２３０が振動しないのが理想的である。これを実現するために、従来の慣性センサ素子２００は、検出用腕部２３０の幅ＪＷＡを励振用腕部２２０の幅ＪＷＢより広くしている。これにより、励振振動時における、励振用腕部２２０のＸＹ平面内の１次屈曲振動モード（励振モード）と検出用腕部２３０のＸＹ平面内の１次屈曲振動モードとのカップリングを避けつつ振動を基部２１０より下の方、つまり検出用腕部２３０と支持部２４０とへ伝播しないようにしている。言い換えれば、検出用腕部２３０の幅ＪＷＡが励振用腕部２２０の幅ＪＷＢより広く形成されるのは、励振モード動作時（無回転時）に検出用腕部２３０への振動の伝播（以下、「振動漏れ」という場合がある。）を抑える必要があるためである。

また、１次屈曲振動の状態でＹ軸周りの回転角速度Ωが加わると、励振用腕部２２０はＺ軸方向にコリオリの力が加わり、Ｚ軸方向成分の振動が生じる。これによって、検出用腕部２３０も振動（歪み）が生じ、検出用腕部２３０に設けられた検出用電極（図示せず）により角速度の向きと大きさとを検出することができる。
特開２０００−１４６５９４号公報

しかしながら、従来のＨ型の慣性センサ素子２００では、等価回路における角速度検出モードの抵抗値Ｒ１が大きく、Ｑが小さかったために、角速度検出感度が小さかった。
また、コリオリの力が加わって、Ｚ軸方向に歪みが生じる際に、検出用腕部２３０の幅ＪＷＡが励振用腕部２２０の幅ＪＷＢより広いために、歪みが小さくなっていた。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、精度良く角速度を検出する慣性センサ素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、圧電素子からなり、基部と、当該基部から延出する一対の励振用腕部と、当該励振用腕部と反対側に当該基部から延出する一対の検出用腕部とを備え、前記各励振用腕部が、前記基部側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される励振テーパ部と、当該励振テーパ部側から所定の幅で形成される励振定幅部とを備え、前記各検出用腕部が、前記基部側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される第一検出テーパ部と、当該第一検出テーパ部側から所定の幅で形成される第一検出定幅部と、当該第一検出定幅部側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される第二検出テーパ部と、当該第二検出テーパ部側から所定の幅で形成される第二検出定幅部とを備えて構成されることを特徴とする。

また、本発明は、前記第二検出定幅部の幅が、前記第一検出定幅部の幅より狭く、かつ、前記励振定幅部の幅より狭く形成され、前記第一検出定幅部の幅が、前記励振定幅部の幅の２倍以上広く形成されても良い。

また、本発明は、前記第二検出定幅部の長さと前記励振定幅部の長さとの比が−１％〜＋１％となるように形成されても良い。

このような慣性センサ素子によれば、精度よく角速度を検出することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る慣性センサ素子の一例を示す図である。図２（ａ）は図１のＡ−Ａ部端面図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ端面図である。
なお、本実施形態において、圧電素子を水晶として説明する。また、厚みは、素子全体で所定の厚さで一定となっている場合について説明する。

図１に示すように、本発明に係る慣性センサ素子１００は、Ｘ´軸に沿って長辺を有する矩形形状の基部１０と、この基部１０から延出し、Ｙ´軸に沿って形成される一対の励振用腕部２０と、この励振用腕部２０とは反対側に基部１０から延出する検出用腕部３０とから主に構成されている。

なお、励振用腕部２０には励振用電極（図示せず）が形成され、図２に示すように、検出用腕部３０には検出用電極Ｋが形成されている。これにより、Ｘ´Ｙ´平面内の１次屈曲振動の状態（以下、「励振時」という。）でＹ´軸周りの回転角速度Ωが加わると、励振用腕部２０にコリオリの力がＺ´軸方向に加わってＺ´軸方向成分の振動が生じる。すると、検出用腕部３０も振動（歪み）が生じ、検出用腕部３０に設けられた検出用電極により角速度の向きと大きさとを検出することができる。

基部１０は、矩形形状となっており、Ｘ´軸に沿う長辺側に励振用腕部２０及び検出用腕部３０が延出するようになっている。また、一対の検出用腕部の間に支持部４０を設けられており、パッケージ（図示せず）に固定できるようになっている。

一対の励振用腕部２０，２０は、それぞれ励振テーパ部２１と励振定幅部２２とから構成され、それぞれが所定の間隔をあけて、前記支持部４０とは反対側となる基部１０の長辺側から互いに平行となるようにＹ´軸に沿って延出している。

励振テーパ部２１は、基部１０から延出しており、当該基部１０から離れる方向に幅が狭くなるように形成されている。
なお、本実施形態では、この励振テーパ部２１は、幅が狭くなる変化率を２段階に分けて形成されている。つまり、励振テーパ部２１のテーパとなる辺が、基部１０の長辺に対して緩やかな傾斜となる部分と、急な傾斜となる部分とからなり、基部１０の長辺に対して緩やかな傾斜となる部分が基部１０側に位置するようになっている。

励振定幅部２２は、励振テーパ部２１の幅が狭くなっている側の端部から所定の幅Ｗ３でかつ所定の長さＬ３で形成されている。

一対の検出用腕部３０，３０は、それぞれ第一検出テーパ部３１，第一検出定幅部３２，第二検出テーパ部３３，第二検出定幅部３４から構成され、所定の間隔をあけて、前記支持部４０を間に挟んで、前記励振用腕部２０とは反対側となる基部１０の長辺側から互いに平行となるようにＹ´軸に沿って延出している。

第一検出テーパ部３１は、基部１０から延出しており、当該基部１０から離れる方向に幅が狭くなるように形成されている。
なお、前記励振テーパ部２１と同様に、この第一検出テーパ部３１は、幅が狭くなる変化率を２段階に分けて形成されている。また、第二検出テーパ部３３も前記励振テーパ部２１と同様に幅が狭くなる変化率を２段階に分けて形成されている。

第一検出定幅部３２は、第一検出テーパ部３１の幅が狭くなっている側の端部から所定の幅Ｗ１でかつ所定の長さＬ１で形成され、励振用腕部２０からの振動の伝播を防ぐ役割を果たす。

ここで、第一検出定幅部３２の幅Ｗ１は、励振用腕部２０の励振定幅部２２の幅Ｗ３の２倍以上となっている。
また、第一検出定幅部３２の長さＬ１は、励振用腕部２０の励振定幅部２２の長さＬ３の３分の１となっている。

つまり、第一検出定幅部３２の長さＬ１が励振定幅部２２の長さＬ３の３分の１とならない場合、第一検出定幅部３２の幅Ｗ１が励振定幅部２２の幅Ｗ３の２倍より小さいと、励振時の振動を検出用腕部３０への伝播が大きく（十分に抑えきれず）、振動漏れが増大してしまう。したがって、第一検出定幅部３２を前記のごとく形成することにより、励振時における振動漏れを抑制できるため、精度良く角速度を検出することができる。

第二検出テーパ部３３は、第一検出定幅部３２の端部に、基部１０から離れる方向に幅が狭くなるように形成されている。

第二検出定幅部３４は、第二検出テーパ部３３の幅が狭くなっている側の端部から所定の幅Ｗ２でかつ所定の長さＬ２で形成され、角速度検出感度を向上させる役割を果たす。

ここで、第二検出定幅部３４の幅Ｗ２は、第一検出定幅部３２の幅Ｗ１より狭く、かつ、励振用腕部２０の励振定幅部２２の幅Ｗ３より狭く形成される。
また、第二検出定幅部３４の長さＬ２は、当該第二検出定幅部３４の長さＬ２と励振用腕部２０の励振定幅部２２の長さＬ３との比が＋１％となるように形成されている。

このように、第二検出定幅部３４が当該第二検出定幅部３４の長さＬ２と励振用腕部２０の励振定幅部２２の長さＬ３との比が±１％となるように形成されることで、検出振動時において、振動の節が基部１０中央部に位置するので、角速度の誤検出がなくなり、また、検出誤差を小さくすることができる。また、第二検出定幅部３４が当該第二検出定幅部３４の長さＬ２と励振用腕部２０の励振定幅部２２の長さＬ３との比が±１％を超えて形成されると、振動の節が基部１０中央部に位置しなくなり、振動バランスが悪くなる。
なお、このように、振動の節が基部１０にある場合を振動バランスが良いという。

このような慣性センサ素子１００において、第二検出定幅部３４の幅Ｗ２が励振定幅部２２の幅Ｗ３より狭いために、第二検出定幅部３４の歪みが大きくなり、また、この歪みが第一検出定幅部３２に応力を加えるため、第一検出定幅部３２に歪が生じる。

したがって、第一検出テーパ部３１側の第一検出定幅部３２の端部部分と、第二検出テーパ部３３側の第二検出定幅部３４の端部部分とに電荷が集中しやすくなるので、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、検出電極Ｋを第一検出定幅部３２と第二検出定幅部３４とに設ければ、検出電極の有効電極面積が大きくなり、角速度検出感度を向上させることができる。
なお、検出電極Ｋは、厚さ方向に異なる極性を並べつつ、幅方向に異なる極性を対向させて設けられている。

ここで、長さＬ１と幅Ｗ１となる第一検出定幅部３２と、長さＬ２と幅Ｗ２となる第二検出定幅部３４と、長さＬ３と幅Ｗ３となる励振定幅部２２の各周波数について説明する。図３は、励振用定幅部の長さと第二検出用幅部の長さとの比に対する検出振動時の基部中心部の変位の一例を示すグラフである。

まず、励振時の励振定幅部２２の周波数Ｆ３は、（１）式で現される。
Ｆ３＝Ｋｆ×λ^２×Ｗ３／（Ｌ３）^２ ・・・ （１）
ここで、Ｋｆは周波数定数であり、λは、境界条件である。
また、励振時の第一検出定幅部３２の周波数Ｆ１は、（２）式で現される。
Ｆ１＝Ｋｆ×λ^２×Ｗ１／（Ｌ１）^２ ・・・ （２）
また、励振時の第二検出定幅部３４の周波数Ｆ２は、（３）式で現される。
Ｆ２＝Ｋｆ×λ^２×Ｗ２／（Ｌ２）^２ ・・・ （３）

このとき、励振時に第一検出定幅部３２と第二検出定幅部３４とが振動しにくくなるようにする場合は、検出振動時の第一検出定幅部３２の振動Ｆ１（検出振動時の第二検出定幅部３４の振動Ｆ２）と励振時の励振定幅部２２の振動Ｆ３とが異なるようにする。つまり、この第一検出定幅部３２の振動Ｆ１（検出振動時の第二検出定幅部３４の振動Ｆ２）と励振時の励振定幅部２２の振動Ｆ３との差が大きくなるにつれて励振時に第一検出定幅部３２と第二検出定幅部３４とが振動しにくくなる。

したがって、第一検出定幅部３２の幅Ｗ１が励振定幅部２２の幅Ｗ３の２倍となっており、第一検出定幅部３２の長さＬ１が励振定幅部２２の長さＬ３の３分の１倍となっているので、励振時における第一検出定幅部３２の周波数は励振定幅部２２と異なり、振動の伝播による影響が従来に比べて小さくなる。

また、第二検出定幅部３４の幅Ｗ２が励振定幅部２２の幅Ｗ３の２分の１倍となっており、第一検出定幅部３４の長さＬ１が励振定幅部２２の長さＬ３の＋１％分長くなっているので、励振時における第一検出定幅部３２の周波数は励振定幅部２２と異なり、振動の伝播による影響が従来に比べて小さくなる。

また、検出振動時の励振定幅部２２の周波数Ｆｓ３は、（４）式で現される。
Ｆｓ３＝Ｋｆ×λ^２×ｔ／（Ｌ３）^２ ・・・ （４）
ここで、ｔは、厚さである。
また、検出振動時の第一検出定幅部３２の周波数Ｆｓ１は、（５）式で現される。
Ｆｓ１＝Ｋｆ×λ^２×ｔ／（Ｌ１）^２ ・・・ （５）
また、検出振動時の第二検出定幅部３４の周波数Ｆｓ２は、（６）式で現される。
Ｆｓ２＝Ｋｆ×λ^２×ｔ／（Ｌ２）^２ ・・・ （６）

検出振動時に、励振定幅部２２の周波数と第二検出定幅部３４の周波数とをカップリングさせる場合は、振動の節が基部１０にあるようにする。

一例として、図３に示すように、第二検出定幅部３４の長さＬ２と励振定幅部２２の長さＬ３との比が±０．５％で形成される場合、検出振動時の基部１０中央部の変位がほぼ０となり、振動バランスが良い状態となっている。
したがって、第二検出定幅部３４の長さＬ２と励振定幅部２２の長さＬ３との比が±１％で形成されることで検出振動時の振動バランスが良くなり、精度良く角速度を検出することができる。

また、第一検出定幅部３２の長さＬ１は、励振定幅部２２の長さＬ３の３分の１倍となっているので、検出振動時の第二検出定幅部３４の周波数Ｆｓ２と励振定幅部２２の周波数Ｆｓ３とのカップリングに影響することがない。

このように慣性センサ素子１００を構成したことにより、励振時に検出用腕部３０が振動しにくくなるので、誤検出等をなくすことができる。
また、検出振動時に検出用腕部３０が励振用腕部２０の振動とカップリングすることができるので、振動漏れが増大し、精度良く角速度を検出することができる。

なお、本発明に係る慣性センサ素子１００の支持部４０も含めた最大の長さＬの一例としては、例えば、３．５ｍｍであり、また、本発明に係る慣性センサ素子１００の支持部４０も含めた最大の幅Ｗの一例としては、例えば、１ｍｍとなっている。したがって、このような慣性センサ素子１００を収納可能な、例えば、５０ｍｍ×３２ｍｍサイズ以下のパッケージが適用可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態では、圧電素子を水晶として説明したがこれに限定されるものではなく、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電効果のある材質を適宜用いることができる。

本発明に係る慣性センサ素子の一例を示す図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ部端面図であり、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ端面図である。 励振用定幅部の長さと第二検出用幅部の長さとの比に対する検出振動時の基部中心部の変位の一例を示すグラフである。 従来の慣性センサ素子を示す図である。

符号の説明

１００ 慣性センサ素子
１０ 基部
２０ 励振用腕部
２１ 励振テーパ部
２２ 励振定幅部
３０ 検出用腕部
３１ 第一検出テーパ部
３２ 第一検出定幅部
３３ 第二検出テーパ部
３４ 第二検出定幅部
Ｋ 検出電極
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 幅
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 長さ

Claims (3)

1. 圧電素子からなり、基部と、当該基部から延出する一対の励振用腕部と、当該励振用腕部と反対側に当該基部から延出する一対の検出用腕部とを備え、
   前記各励振用腕部が、
   前記基部側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される励振テーパ部と、
   当該励振テーパ部側から所定の幅で形成される励振定幅部とを備え、
   前記各検出用腕部が、
   前記基部側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される第一検出テーパ部と、
   当該第一検出テーパ部側から所定の幅で形成される第一検出定幅部と、
   当該第一検出定幅部側から離れる方向に幅が狭くなるように形成される第二検出テーパ部と、
   当該第二検出テーパ部側から所定の幅で形成される第二検出定幅部とを備えて構成されることを特徴とする慣性センサ素子。
2. 前記第二検出定幅部の幅が、前記第一検出定幅部の幅より狭く、かつ、前記励振定幅部の幅より狭く形成され、
   前記第一検出定幅部の幅が、前記励振定幅部の幅の２倍以上広く形成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ素子。
3. 前記第二検出定幅部の長さと前記励振定幅部の長さとの比が−１％〜＋１％となるように形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の慣性センサ素子。

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