JP2008249489A - 角速度センサ素子および角速度センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】横方向の加速度の影響を除去し易く、かつ固定部の固定が容易な、横置き型の角速度センサ素子を提供する。
【解決手段】ケース4のセンサ素子支持部51の上面に固定される固定部20と、固定部20の両側に連結されると共にセンサ素子支持部51の上面と平行な面に沿って延在する上検出腕21および下検出腕22と、上検出腕21を間にして固定部20に連結されると共に上検出腕21の延在方向に延在する一対の上振動腕23とを備える。固定部20は、少なくとも上検出腕21の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部20Aを有する。
【選択図】図3
【解決手段】ケース4のセンサ素子支持部51の上面に固定される固定部20と、固定部20の両側に連結されると共にセンサ素子支持部51の上面と平行な面に沿って延在する上検出腕21および下検出腕22と、上検出腕21を間にして固定部20に連結されると共に上検出腕21の延在方向に延在する一対の上振動腕23とを備える。固定部20は、少なくとも上検出腕21の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部20Aを有する。
【選択図】図3
Description
本発明は、物体の角速度を検出する角速度センサ素子およびそれを備えた角速度センサ装置に関する。
従来から、角速度センサ素子は、船舶、航空機、ロケット等の姿勢を自律制御する技術に使用されているが、最近では、カーナビゲーションシステム、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話等の小型の電子機器にも搭載されるようになってきている。それに伴い、角速度センサ素子の更なる小型化、低背化(薄型化)が要請されており、長手方向(検出軸方向)が鉛直方向と平行となっていた従来の縦置き型の角速度センサ素子(例えば特許文献1参照)に代わって、長手方向が鉛直方向と直交する横置き型の角速度センサ素子(例えば特許文献2,3参照)が提案されている。
特開2003−227719号公報
特開平8−128833号公報
特開2004−333460号公報
しかし、上記特許文献2,3の技術では、固定部を介して駆動腕と検出腕とが互いに連結されているので、固定部を、角速度センサ素子を支持する支持面などに強く固定すると、駆動腕に働いたコリオリ力によって発生した歪みが検出腕に効率よく伝達され難くなってしまう。逆に、固定部を支持面に弱く固定すると、駆動腕を駆動しているときに、固定部だけでなく検出腕までもがぐらついてしまうという問題がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、コリオリ力によって発生した歪みを効率よく伝達することの可能な横置き型の角速度センサ素子およびそれを備えた角速度センサ装置を提供することにある。
本発明の角速度センサ素子は、支持面に固定される固定部と、固定部に連結されると共に支持面と平行な面に沿って延在する検出腕と、固定部に連結されると共に支持面と平行な面に沿って延在する駆動腕とを備えている。ここで、固定部は、少なくとも検出腕の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部を有している。なお、「連結」とは、両者が機械的に接合されている場合や、一体に形成されている場合を含む概念であり、また、直接的にまたは間接的に連結されている場合を含むものである。
また、本発明の角速度センサ装置は、上記角速度センサ素子と、集積回路素子とを備えており、上記集積回路素子は、駆動腕に駆動信号を送信すると共に、検出腕から出力される検出信号を受信するようになっている。
本発明の角速度センサ素子および角速度センサ装置では、固定部が少なくとも駆動腕の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部を有しているので、固定部が歪み易くなっている。
ここで、検出腕を、固定部の両側に連結された上第1振動腕および下第1振動腕で構成し、かつ、駆動腕を、上第1振動腕を間にして固定部に連結されると共に上第1振動腕の延在方向に延在する上第2振動腕および上第3振動腕で構成することが可能である。
また、溝部を、固定部を貫通して形成することが可能である。また、溝部を、検出腕または上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成することが可能である。また、溝部を、角速度センサ素子の重心を含むように形成することが可能である。また、検出腕または上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成した場合には、溝部の検出腕または上第1振動腕の延在方向と交差する方向の幅をxとし、固定部の検出腕または上第1振動腕の延在方向と交差する方向の幅をWとすると、幅xが以下の関係式を満たすように、溝部を形成することが可能である。
x/W≧0.5
x/W≧0.5
また、固定部に複数の溝部を、上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成した場合には、各溝部を、角速度センサ素子の重心を取り囲むように形成することが可能である。なお、溝部を、直線状の形状や、L字型の形状、またはU字型の形状にすることが可能である。
また、上第1振動腕、上第2振動腕、上第3振動腕の固定部との各連結部を直線状に並べることが可能である。上第1振動腕、上第2振動腕、上第3振動腕および下第1振動腕を互いに平行な方向に延在して形成することが可能である。上第2振動腕および上第3振動腕を、上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成することが可能である。
また、上第1振動腕上に形成されると共に上第1振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第1電極と、下第1振動腕上に形成されると共に下振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第1電極と、上第2振動腕上に形成されると共に上第2振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第2電極と、上第3振動腕上に形成されると共に上第3振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第3電極とを形成することが可能である。
また、下第1振動腕を間にして固定部に連結されると共に下第1振動腕の延在方向に延在する下第2振動腕および下第3振動腕を設けた場合には、以下の(1)から(7)のいずれかのようにすることが可能である。(1)溝部を、上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成する。(2)溝部を、固定部の中心部を通り上第1振動腕の延在方向と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成する。(3)下第1振動腕、下第2振動腕、下第3振動腕の固定部との各連結部を直線状に並べて形成する。(4)上第1振動腕、上第2振動腕、上第3振動腕、下第1振動腕、下第2振動腕および下第3振動腕を互いに平行な方向に延在して形成する。(5)下第2振動腕および下第3振動腕を、下第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成する。(6)上第1振動腕と下第1振動腕とを、固定部を通り当該上第1振動腕と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成し、上第2振動腕および上第3振動腕と、下第2振動腕および下第3振動腕とを、固定部を通り当該上第1振動腕と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成する。(7)上第1振動腕上に形成されると共に上第1振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第1電極と、下第1振動腕上に形成されると共に下振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第1電極と、上第2振動腕上に形成されると共に上第2振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第2電極と、上第3振動腕上に形成されると共に上第3振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第3電極と、下第2振動腕上に形成されると共に下第2振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第2電極と、記下第3振動腕上に形成されると共に下第3振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第3電極とを形成する。
本発明の角速度センサ素子および角速度センサ装置によれば、固定部が少なくとも駆動腕の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部を有しているので、駆動腕に働いたコリオリ力によって発生した歪みを、固定部を介して検出腕に容易に伝達することができる。
ここで、検出腕を、固定部の両側に連結された上第1振動腕および下第1振動腕で構成し、かつ、駆動腕を、上第1振動腕を間にして固定部に連結されると共に上第1振動腕の延在方向に延在する上第2振動腕および上第3振動腕で構成した場合には、下第1振動腕が上第1振動腕、上第2振動腕および上第3振動腕のそれぞれの延在方向とは反対側に延在して形成されていることになる。これにより、横置き型でありながら、上第1振動腕および下振動腕において、コリオリ力に起因して発生する振動と、横方向から受けた加速度によって生じる振動とを区別し易くなる。これにより、横方向の加速度の影響が取り除き易くなる。特に、上第2振動腕および上第3振動腕に働いたコリオリ力によって発生した歪みを、固定部を介して上第1振動腕に伝えるとこが容易となる。
また、溝部を、固定部を貫通して形成した場合には、固定部がより一層、歪み易くなるので、コリオリ力によって発生した歪みを、検出腕、または上第1振動腕および下第1振動腕へ伝達する効率をより一層、高くすることができる。また、溝部を、検出腕または上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成した場合には、駆動振動が左右対称に発生し易くなるので、駆動腕、または上第2振動腕および上第3振動腕を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、検出腕、または上第1振動腕および下第1振動腕の不要振動を低減することができる。
また、検出腕または上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成すると共に、溝部を固定部に1つだけ形成した場合に、溝部の幅xおよび固定部の幅Wが上記した関係式を満たすときには、検出電圧が高まり、感度、検出精度、分解能などの角速度センサ特性が向上する。
また、上第1振動腕、上第2振動腕、上第3振動腕の固定部との各連結部を直線状に並べた場合には、上第1振動腕の形状と、上第2振動腕および上第3振動腕の形状とをほぼ同一にすることができるので、周波数の調整が容易になる。また、製造時の形状加工が容易となるので、個々の角速度センサ素子の形状のばらつきが抑えられ、特性の均一な素子が作成しやすくなる。また、上第1振動腕、上第2振動腕、上第3振動腕および下第1振動腕を互いに平行な方向に延在して形成した場合には、コリオリ力によるモーメントを最大にすることができるので、角速度の検出精度が向上する。また、上第2振動腕および上第3振動腕を、上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成した場合には、左右対称の駆動振動が発生し易くなるので、上第2振動腕および上第3振動腕を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、上第1振動腕および下第1振動腕の不要振動を低減することができる。
また、溝が重心を含むときや、溝が重心を囲むとき、溝がL字型の形状となっているとき、または溝がU字型の形状となっているときには、振動腕、または上第2振動腕および上第3振動腕に働いたコリオリ力によって発生した歪みを、固定部を介して、検出腕、または上第1振動腕および下第1振動腕にさらに容易に伝達することができる。
また、下第1振動腕を間にして固定部に連結されると共に下第1振動腕の延在方向に延在する下第2振動腕および下第3振動腕を設けた場合には、コリオリ力が発生した時にコリオリ力をより大きなモーメントとして上第2振動腕、上第3振動腕、下第2振動腕および下第3振動腕にかけることができ、それにより上第1振動腕および下第1振動腕を比較的に大きな振幅で振動させることができる。その結果、角速度の検出精度が向上する。
また、下第2振動腕および下第3振動腕を設けた場合に、溝部を、上第1振動腕を基準線として線対称に延在して形成すると共に、固定部の中心部を通り上第1振動腕の延在方向と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成したときには、駆動振動が左右対称に発生し易くなるので、上第2振動腕、上第3振動腕、下第2振動腕および下第3振動腕を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、上第2振動腕、上第3振動腕、下第2振動腕および下第3振動腕の不要振動を低減することができる。
下第1振動腕、下第2振動腕、下第3振動腕の固定部との各連結部を直線状に並べた場合には、下第1振動腕の形状と、下第2振動腕および下第3振動腕の形状とをほぼ同一にすることができるので、周波数の調整が容易になる。また、製造時の形状加工が容易となるので、個々の角速度センサ素子の形状のばらつきが抑えられ、特性の均一な素子が作成しやすくなる。また、上第1振動腕、上第2振動腕、上第3振動腕、下第1振動腕、下第2振動腕および下第3振動腕を互いに平行な方向に延在して形成したときには、コリオリ力によるモーメントを最大にすることができるので、角速度の検出精度がより一層向上する。
また、上第1振動腕と下第1振動腕とを、固定部を通り当該上第1振動腕と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成し、上第2振動腕および上第3振動腕と、下第2振動腕および下第3振動腕とを、固定部を通り当該上第1振動腕と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成した場合には、横方向の加速度による振動と角速度による振動とが区別し易くなるので、角速度の検出精度が向上する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態に係る角速度センサ装置1の構成について以下に説明する。図1は本実施の形態に係る角速度センサ装置1の内部構成を分解して表す斜視図であり、図2は角速度センサ装置1のA−A矢視方向の断面構成を表す断面図である。
本発明の第1の実施の形態に係る角速度センサ装置1の構成について以下に説明する。図1は本実施の形態に係る角速度センサ装置1の内部構成を分解して表す斜視図であり、図2は角速度センサ装置1のA−A矢視方向の断面構成を表す断面図である。
この角速度センサ装置1は、例えば、互いに重ね合わされたケース4および中蓋部5により形成される内部空間G1(図2参照)に角速度センサ素子2を配置し、さらに、互いに重ね合わされたケース4および上蓋部6により形成される内部空間G2(図2参照)に集積回路素子3を配置したものである。
集積回路素子3は、後述するように、角速度センサ素子2の各駆動腕に設けられた各圧電素子に駆動信号を送信すると共に、角速度センサ素子2の各検出腕に設けられた各圧電素子から出力される検出信号を受信するためのものである。ケース4は、例えば複数のセラミック薄板を積層して形成されており、角速度センサ素子2および集積回路素子3を収容することの可能な階段状の窪みを有している。また、中蓋部5および上蓋部6は、例えばケース4と同様のセラミック材料により形成されている。
図1に示したように、ケース4の窪みの最も深いところに環状の集積回路支持部41が形成されており、この集積回路支持部41上に集積回路素子3が配置されている。また、この集積回路支持部41の周囲であって、かつ集積回路支持部41よりも浅いところに環状の中蓋部支持部42が形成されており、この中蓋部支持部42上に中蓋部5が両持梁状に配置されている。さらに、この中蓋部5の中央部にセンサ素子支持部51(支持面)が形成されており、このセンサ素子支持部51上に角速度センサ素子2が配置されている。また、中蓋部支持部42の周囲であって、かつ窪みの外縁をなす環状の上蓋部支持部43が形成されており、この上蓋部支持部43と上蓋部6とがケース4の窪みを外部から密閉し、内部空間G2(図2参照)を形成するように互いに重ね合わされている。
角速度センサ素子2は、図1および図2に示したように、中蓋部5のセンサ素子支持部51を含む面と平行な面内に沿って形成されたものである。つまり、この角速度センサ素子2は、いわゆる横置き型の素子である。
図3は角速度センサ素子2の上面構成の一例を表す平面図であり、図4は図3のB−B、C−CおよびD−D矢視方向の断面構成の一例をまとめて1つに表した断面図である。この角速度センサ素子2は、センサ素子支持部51に固定された固定部20と、固定部20の両側(図3では紙面の上側および下側)にそれぞれ連結された上検出腕21(上第1振動腕)および下検出腕22(下第1振動腕)と、上検出腕21を間にして固定部20に連結された一対の上駆動腕23(上第2振動腕および上第3振動腕)とを有している。
ここで、上検出腕21および上駆動腕23のそれぞれの名称に含まれる「上」とは、固定部20の中心を対称軸として図3における紙面の上側を指すために便宜的に用いられたものであり、高さ方向を指すものではない。また、下検出腕22の名称に含まれる「下」とは、固定部20の中心を対称軸として図3における紙面の下側を指すために便宜的に用いられたものであり、高さ方向を指すものではない。
また、以下において、「左右対称」、「上下対称」、「上下左右対称」と称した場合についても、紙面における左右や上下を指すために便宜的に用いられたものである。本明細書において、「左右」とは、上検出腕21の延在方向と直交する方向を指しており、「上下」とは、上検出腕21の延在方向を指している。また、「左右対称」とは、上検出腕21を基準線として線対称となっていることを指しており、「上下対称」とは、固定部20の中心部を通り上検出腕21の延在方向と直交する直線を基準線として線対称となっていることを指しており、「上下左右対称」は、左右対称であると共に上下対称であることを指している。
固定部20は、上検出腕21、下検出腕22および一対の上駆動腕23を内部空間G2の中空に保持するためのものである。この固定部20は溝部20Aを有している。
溝部20Aは、固定部20の剛性を下げ、固定部20を歪み易く、変形し易くするためのものであり、少なくとも固定部20を貫通しない程度に窪ませて形成されており、好ましくは固定部20を貫通して形成されている。溝部20Aは、少なくとも上検出腕21の延在方向と交差する方向に延在する部分を有している。溝部20Aは、上検出腕21を基準線として線対称に延在して形成されていることが好ましく、さらに、固定部20の中心部を通り上検出腕21の延在方向と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成されていることがより好ましい。つまり、溝部20Aは、左右対称に形成されていることが好ましく、さらに、上下対称に形成されていることがより好ましい。
溝部20Aは、例えば、図3に示したように、U字型の形状を有しており、U字の開口部分を角速度センサ素子2の重心Pに向け、重心Pを上検出腕21の延在方向と交差する方向(左右方向)から挟み込むと共に、上下左右対称となるように配置されている。ここで、図3において、固定部20のうち溝部20Aで囲まれた部分(中央部20B)が、センサ素子支持部51に直接固定されており、固定部20のうち溝部20Aの外周部分(外縁部20C)は、中央部20Bと梁部20Dを介して連結されている。
なお、溝部20Aは、上記の形態に限定されるものではなく、例えば、図5に示したように、U字型の形状を有しており、U字の開口部分を角速度センサ素子2の重心Pに向け、重心Pを上検出腕21の延在方向(上下方向)から挟み込むと共に、上下左右対称となるように配置されていてもよい。また、溝部20Aは、例えば、図6に示したように、L字型の形状を有しており、L字の開口部分を重心Pに向けて、上下左右対称となるように配置されていてもよい。
また、溝部20Aは、上下対称に延在して形成されていなくてもよい。例えば、図7〜12に示したように、左右対称を維持しつつ、上検出腕21の延在方向と交差する方向に延在する部分の長さが不揃いになっていてもよいし、例えば、 図13〜16に示したように、左右対称を維持しつつ、上検出腕21の延在方向に延在する部分の長さが不揃いになっていてもよい。
また、溝部20Aは、重心Pを取り囲むように形成されていなくてもよく、例えば、重心Pを含むように形成されていてもよい。具体的には、溝部20Aは、例えば、図17に示したように、左右方向に延在する直線状の形状(ストライプ形状)となっていてもよい。このとき、溝部20Aの左右方向の幅をxとし、固定部20の左右方向の幅をWとすると、溝部20Aは、幅xが以下の関係式を満たすように形成されていることが好ましい。
x/W≧0.5
x/W≧0.5
なお、固定部20に複数の溝部20Aが設けられている場合に、そのうちの1つが重心Pを含むように形成されていてもよいし、図18に示したように、いずれの溝部20Aも重心Pを含まないように形成されていても。また、溝部20Aは、例えば、図17に示したように固定部20内に1つ形成されていてもよいし、図18に示したように、左右方向に延在すると共に、上下方向に並列配置されていてもよい。また、溝部20Aは、例えば、図19に示したように、上検出腕21の延在方向と0度より大きく90度より小さな角度で交差する方向(斜め方向)に延在する直線状の形状を有していてもよい。
なお、固定部20は、図3に示したように、固定部20のうち溝部20Aで囲まれた部分(中央部20B)において、センサ素子支持部51に直接固定される構成に限られるものではない。例えば、固定部20は、図20に示したように、外縁部20Cの両端に連結された一対の矩形状の固定梁部20Dと、一対の固定梁部20Dのそれぞれの端部に連結された一対の矩形状の固定端部20Eとを有し、例えば、図21に示したように、中蓋部5を取り除き、各固定端部20Eの底部をケース4の中蓋部支持部42の上面に固定するようにしてもよい。また、固定部20が、例えば、図22に示したように、一対の固定端部20Eの代わりに、中央部20Bを取り囲むように形成された環状の固定端部20Fを有し、固定端部20Fの底部をケース4の中蓋部支持部42の上面に固定するようにしてもよい。
なお、固定部20は図3、図20〜図22に例示した形状および大きさに限られるものではなく、上検出腕21、下検出腕22および一対の上駆動腕23を中空に保持することが可能であればどのような形状および大きさであってもよい。
上検出腕21および下検出腕22は、一対の上駆動腕23に働いたコリオリ力によって発生した固定部20の歪みが当該上検出腕21および下検出腕22に伝達されてきたときに、この歪みの大きさに応じた振動を発生させるためのものである。上検出腕21は、固定部20の一の側面(図3では外縁部20Cの一の側面)に連結されており、センサ素子支持部51を含む面と平行な面内に延在すると共に固定部20から遠ざかる方向に延在して形成されている。他方、下検出腕22は、固定部20の上検出腕21とは反対側の他の側面(図3では外縁部20Cの他の側面)に連結されており、センサ素子支持部51を含む面と平行な面内に延在すると共に固定部20から遠ざかる方向に延在して形成されている。
なお、上検出腕21および下検出腕22は、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。また、上検出腕21および下検出腕22は、固定部20を通り上検出腕21の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称に延在して形成されていることが好ましいが、そのように形成されていなくてもよい。
上駆動腕23は、角速度センサ装置1の搭載された物体がセンサ素子支持部51を含む面と直交する方向(図3では紙面の垂直方向)を回転軸とする回転運動を行っているときに、この上駆動腕23にコリオリ力を生じさせるためのものである。各上駆動腕23は、固定部20のうち上検出腕21の連結された側面(図3では外縁部20Cの一の側面)に連結されており、センサ素子支持部51を含む面と平行な面内に延在すると共に固定部20から遠ざかる方向に延在して形成されている。つまり、上検出腕21および一対の上駆動腕23の固定部20との各連結部Nは、左右方向に直線状に並んでいる。なお、図23に示したように、各連結部Nが袴を持っている場合であっても、各連結部Nは、左右方向に直線状に並んでいると言える。
なお、各上駆動腕23は、各上駆動腕23および上検出腕21が同時に振動しているときに互いに衝突することの無い程度に上検出腕21から離れて配置されている。また、各上駆動腕23は、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。また、各上駆動腕23は、上検出腕21を対称軸として線対称(左右対称)に延在して形成されていることが好ましいが、そのように形成されていなくてもよい。また、上検出腕21、下検出腕22および一対の上駆動腕23が、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。
ここで、固定部20、上検出腕21、下検出腕22および一対の上駆動腕23はそれぞれ、例えば、共通の材料(例えばシリコン)からなり、ウェハをパターニングすることにより一括形成することが可能である。
上検出腕21の表面には、上検出腕21の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子21A,21Bが形成されている。これら一対の圧電素子21A,21Bは、上検出腕21がケース4のセンサ素子支持部51を含む面と平行な面に沿って振動したときに、その振動を検出するためのものであり、上検出腕21の延在方向と交差する方向に配置されていることが好ましい。
また、下検出腕22の表面には、下検出腕22の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子22A,22Bが形成されている。これら一対の圧電素子22A,22Bは、上記した圧電素子21A,21Bと同様、下検出腕22がケース4のセンサ素子支持部41を含む面と平行な面に沿って振動したときに、その振動を検出するためのものであり、下検出腕22の延在方向と交差する方向に配置されていることが好ましい。
また、各上駆動腕23の表面には、各上駆動腕23の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子23A,23Bが形成されている。これら一対の圧電素子23A,23Bは、各上駆動腕23をケース4のセンサ素子支持部51を含む面と平行な面に沿って振動させるためのものであり、上駆動腕23の延在方向と交差する方向に配置されていることが好ましい。
ここで、各圧電素子21A,22A,23Aは、例えば、図4に示したように、上検出腕21、下検出腕22または上駆動腕23上に、絶縁層21A1,22A1,23A1と、下部電極21A2,22A2,23A2と、圧電体21A3,22A3,23A3と、上部電極21A4,22A4,23A4とをこの順に積層して形成されたものである。他方、各圧電素子21B,22B,23Bは、例えば、図4に示したように、上検出腕21、下検出腕22または上駆動腕23上に、絶縁層21B1,22B1,23B1と、下部電極21B2,22B2,23B2と、圧電体21B3,22B3,23B3と、上部電極21B4,22B4,23B4とをこの順に積層して形成されたものである。つまり、各圧電素子21A,22A,23Aと、各圧電素子21B,22B,23Bとは、互いに別体に形成されている。
なお、例えば、図24に示したように、絶縁層21A1,22A1,23A1と絶縁層21B1,22B1,23B1とを共通の絶縁層21−1、22−1、23−1で形成し、下部電極21A2,22A2,23A2と下部電極21B2,22B2,23B2とを共通の下部電極21−2、22−2、23−2で形成し、圧電体21A3,22A3,23A3と圧電体21B3,22B3,23B3とを共通の圧電体21−3、22−3、23−3で形成してもよい。
ここで、絶縁層21A1,22A1,23A1、21B1,22B1,23B1,21−1,22−1および23−1は、例えばZrO2膜およびY2O3膜をこの順に積層して形成されている。下部電極21A2,22A2,23A2、21B2,22B2,23B2,21−2,22−2および23−2は、例えばPt(100)配向膜からなる。圧電体21A3,22A3,23A3、21B3,22B3,23B3,21−3,22−3および23−3は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含んで形成されている。また、上部電極21A4,22A4,23A4、21B4,22B4,23B4は、例えばPt(100)配向膜からなる。
本実施の形態の角速度センサ装置1およびその変形例では、角速度センサ装置1の搭載された物体が回転運動をしていない場合に、例えば、圧電素子23A,23Bを用いて一対の上駆動腕23を駆動したときには、図25に示したように、一対の上駆動腕23が上駆動腕23の延在方向と交差する方向aに主に振動する。
このとき、例えば、図26に示したように、角速度センサ装置1の搭載された物体がセンサ素子支持部51を含む面と直交する方向を回転軸とする回転運動rを開始すると、コリオリ力fが一対の上駆動腕23にそれぞれ反対向きに働き、上検出腕21および下検出腕22が上検出腕21の延在方向と交差する方向bおよび下検出腕22の延在方向と交差する方向cに左右非対称に振動し始める。これにより、このときの上検出腕21の振動に応じた検出信号を圧電素子21A,21Bから取り出すと共に、下検出腕22の振動に応じた検出信号を圧電素子22A,22Bから取り出すことにより、角速度を検出することができる。
ところで、本実施の形態およびその変形例では、固定部20が少なくとも上検出腕21の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部20Bを有しており、かつ上検出腕21および一対の上駆動腕23が、固定部20において溝部20Aの延在方向に並列配置されているので、一対の上駆動腕23に働いたコリオリ力によって発生する歪みを、固定部20を介して上検出腕21および下検出腕22に容易に伝達することができる。これにより、固定部20の構造を複雑にしなくても、固定部20の支持面への固定を容易にすることができる。
また、本実施の形態およびその変形例では、下検出腕22が上検出腕21および一対の上駆動腕23のそれぞれの延在方向とは反対側に延在して形成されているので、上記のようにして角速度を検出している場合、または角速度センサ装置1の搭載された物体が停止もしくは等速運動をしている場合に、例えば、図27に示したように、横方向から加速度dを受けたときには、上検出腕21および下検出腕22が同じ方向に変位し、上検出腕21および下検出腕22には上検出腕21の延在方向と交差する方向bおよび下検出腕22の延在方向と交差する方向cに同位相の振動が発生する。そのため、圧電素子21A,21Bから取り出される検出信号と、圧電素子22A,22Bから取り出される検出信号との差をとることにより、横方向の加速度による振動の出力を相殺し、ノイズを低減することができる。このように、横置き型でありながら、コリオリ力に起因して発生する振動と、横方向から受けた加速度によって生じる振動とを区別することができるので、横方向の加速度の影響をほとんどなくすることができる。
ここで、溝部20Aを、上検出腕21を基準線として線対称(左右対称)に延在して形成した場合には、駆動振動が左右対称に発生し易くなるので、一対の上駆動腕23を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、上検出腕21および下検出腕22の不要振動を低減することができる。
また、溝部20Aを左右対称に延在して形成すると共に、溝部20Aを固定部に1つだけ形成した場合には、例えば、図28に示したように、溝部20Aの幅xを固定部20の幅Wで割った値(x/W)が0.5以上となったときに、検出電圧が最大となることがわかる。これにより、溝部20Aの幅xが上記の関係式(x/W≧0.5)を満たすときには、検出電圧が高まり、感度、検出精度、分解能などの角速度センサ特性が向上する。なお、図28の結果は、固定部20の幅Wを2.0mmとしたときの検出電圧を表したものである。
また、溝部20Aを、重心を含むようにして形成したときや、重心を囲むようにして形成したとき、L字型の形状としたとき、またはU字型の形状としたときには、一対の上駆動腕23に働いたコリオリ力によって発生した歪みを、固定部20を介して、上検出腕21および下検出腕22にさらに容易に伝達することができる。
また、溝部20Aを、固定部20を貫通して形成した場合には、固定部20がより一層、歪み易く、変形し易くなるので、コリオリ力によって発生した歪みの上検出腕21および下検出腕22への伝達効率をより一層、高くすることができる。
また、上検出腕21および一対の上駆動腕23の固定部との各連結部を直線状に並べた場合には、上検出腕21の形状と、一対の上駆動腕23の形状とをほぼ同一にすることができるので、周波数の調整が容易になる。また、製造時の形状加工が容易となるので、個々の角速度センサ素子1の形状のばらつきが抑えられ、特性の均一な素子が作成しやすくなる。
また、上検出腕21、一対の上駆動腕23および下検出腕22を互いに平行な方向に延在して形成した場合には、コリオリ力によるモーメントを最大にすることができるので、角速度の検出精度が向上する。
また、一対の上駆動腕23を、上検出腕21を基準線として線対称に延在して形成した場合には、左右対称の駆動振動が発生し易くなるので、一対の上駆動腕23を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、上検出腕21および下検出腕22の不要振動を低減することができる。
また、上検出腕21と下検出腕22とを、固定部20を通り上検出腕21の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称に延在して形成した場合には、横方向の加速度による振動と角速度による振動とが区別し易くなるので、角速度の検出精度が向上する。
なお、横方向の加速度の除去を容易にするためには、上検出腕21および下検出腕22の振幅および共振周波数を等しくすることが好ましい。こうすることによって、横方向からの加速度によって励振される振動が効率よく打ち消され、ノイズの低減が容易になる。また、横方向の加速度の除去を容易にするためには、各上駆動腕23の振幅および共振周波数もお互いに等しくすることが好ましい。
具体的には、図29に示したように、振動する部分の幅W(図3では上検出腕21の幅W1,下検出腕22の幅W2,一対の上駆動腕23の一方の幅W3,一対の上駆動腕23の他方の幅W4)や、長さL(図3では上検出腕21の長さL1,下検出腕22の長さL2,一対の上駆動腕23の一方の長さL3,一対の上駆動腕23の他方の長さL4)を変えることによって共振周波数や振幅を調整することが可能となるので、これらの調整によって、上検出腕21および下検出腕22同士、あるいは一対の上駆動腕23同士の振幅および共振周波数を等しくすることが望ましい。例えば、幅Wおよび長さLを図30に示したような関係に調整することにより、上検出腕21および下検出腕22同士、あるいは一対の上駆動腕23同士の振幅および共振周波数を等しくすることが可能である。このとき、上検出腕21と下検出腕22とを固定部20に対して線対称な形状とし、さらに、一対の上駆動23を上検出腕21対して線対称な形状とすることが最も好ましい。線対称にすることにより、振動がお互いに同じくなるため、ノイズを最も低減しやすくできる。
また、本実施の形態およびその変形例では、固定部20には4本の足(上検出腕21、下検出腕22および一対の上駆動腕23)しか設けられておらず、特許3694160や特開2005−106481等に記載されているような上下対称な構造よりも足の数が2本少なくて済むので、足の数が減った分だけ製造工程での歩留りが向上する。
また、本実施の形態およびその変形例では、固定部20のうち、上検出腕21および一対の上駆動腕23が連結された側面とは反対側の側面には下検出腕22だけしか形成されておらず、角速度センサ素子2が上下非対称な構造となっているので、特許3694160や特開2005−106481等に記載されているような上下対称な構造にする必要がない。これにより、上検出腕21と下検出腕22とを同じ形状や大きさにする必要がないので、下検出腕22の長さを短くした場合には、角速度センサ素子2を小型化することができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る角速度センサ装置7について説明する。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る角速度センサ装置7について説明する。
上記実施の形態およびその変形例では、一対の上駆動腕23が上検出腕21を間にして固定部20に直接連結されていたが、本実施の形態では、図31、図32に示したように、一対の下駆動腕24(下第2振動腕、下第3振動腕)が下検出腕22を間にして固定部20に直接連結されている。
下駆動腕24は、角速度センサ装置1の搭載された物体がセンサ素子支持部51を含む面と直交する方向(図32では紙面の垂直方向)を回転軸とする回転運動を行っているときに、この下駆動腕24にコリオリ力を生じさせるためのものである。各下駆動腕24は、固定部20のうち下検出腕22の連結された側面(図32では外縁部20Cの一の側面)に連結されており、センサ素子支持部51を含む面と平行な面内に延在すると共に固定部20から遠ざかる方向に延在して形成されている。つまり、下検出腕22および一対の下駆動腕24の固定部20との各連結部Nは、左右方向に直線状に並んでいる。なお、図33に示したように、各連結部Nが袴を持っている場合であっても、各連結部Nは、左右方向に直線状に並んでいると言える。
なお、各下駆動腕24は、各下駆動腕24および下検出腕22が同時に振動しているときに互いに衝突することの無い程度に下検出腕22から離れて配置されている。また、各下駆動腕24は、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。また、各下駆動腕24は、下検出腕22を対称軸として線対称(左右対称)に延在して形成されていることが好ましいが、そのように形成されていなくてもよい。また、上検出腕21、一対の上駆動腕23、下検出腕22および一対の下駆動腕24が、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。
ここで、下駆動腕24は、例えば、上駆動腕23などと共通の材料(例えばシリコン)からなり、ウェハをパターニングすることにより一括形成することが可能である。
また、各下駆動腕24の表面には、図34に示したように、各下駆動腕24の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子24A,24Bが形成されている。これら一対の圧電素子24A,24Bは、各下駆動腕24をケース4のセンサ素子支持部51を含む面と平行な面に沿って振動させるためのものであり、下駆動腕24の延在方向と交差する方向に配置されていることが好ましい。
ここで、各圧電素子24Aは、例えば、図34に示したように、下駆動腕24上に絶縁層24A1と、下部電極24A2と、圧電体24A3と、上部電極24A4とをこの順に積層して形成されたものである。他方、各圧電素子21B,22B,23Bは、例えば、図34に示したように、下駆動腕24上に、絶縁層24B1と、下部電極24B2と、圧電体24B3と、上部電極24B4とをこの順に積層して形成されたものである。つまり、各圧電素子24Aと、各圧電素子24Bとは、互いに別体に形成されている。
なお、例えば、図35に示したように、絶縁層24A1と絶縁層24B1とを共通の絶縁層24−1で形成し、下部電極24A2と下部電極24B2とを共通の下部電極24−2で形成し、圧電体24A3と圧電体24B3とを共通の圧電体24−3で形成してもよい。
ここで、絶縁層24A1、24B1,24−1は、例えばZrO2膜およびY2O3膜をこの順に積層して形成されている。下部電極24A2,24B2,24−2は、例えばPt(100)配向膜からなる。圧電体24A3、24B3,24−3は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含んで形成されている。また、上部電極24A4、21A4は、例えばPt(100)配向膜からなる。
このような構成を備えた角速度センサ装置7では、角速度センサ装置7の搭載された物体が回転運動をしていない場合に、例えば、圧電素子23A,23B,24A,24Bを用いて一対の上駆動腕23および一対の下駆動腕24を駆動したときには、図36に示したように、一対の上駆動腕23および一対の下駆動腕24が上駆動腕23および下駆動腕24の延在方向と交差する方向aに主に振動する。
このとき、例えば、図37に示したように、角速度センサ装置7の搭載された物体がセンサ素子支持部51を含む面と直交する方向を回転軸とする回転運動rを開始すると、コリオリ力fが一対の上駆動腕23にそれぞれ反対向きに働くと共に、コリオリ力fが一対の上駆動腕23および一対の下駆動腕24にそれぞれ反対向きに働き、上検出腕21および下検出腕22が上検出腕21の延在方向と交差する方向bおよび下検出腕22の延在方向と交差する方向cに左右非対称に振動し始める。これにより、このときの上検出腕21の振動に応じた検出信号を圧電素子21A,21Bから取り出すと共に、下検出腕22の振動に応じた検出信号を圧電素子22A,22Bから取り出すことにより、角速度を検出することができる。
ところで、本実施の形態では、コリオリ力が発生した時にコリオリ力をより大きなモーメントとして一対の上駆動腕23および一対の下駆動腕24にかけることができ、それにより上検出腕21および下検出腕22を比較的に大きな振幅で振動させることができる。その結果、角速度の検出精度が向上する。
また、一対の下駆動腕24を設けた場合に、溝部20Aを、上検出腕21を基準線として線対称に延在して形成すると共に、固定部20の中心部を通り上検出腕21の延在方向と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成したときには、駆動振動が左右対称に発生し易くなるので、一対の上駆動腕23および一対の下駆動腕24を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、一対の上駆動腕23および一対の下駆動腕24の不要振動を低減することができる。
また、下検出腕22および一対の下駆動腕24の固定部20との各連結部Nを直線状に並べた場合には、下検出腕22の形状と、一対の下駆動腕24の形状とをほぼ同一にすることができるので、周波数の調整が容易になる。また、製造時の形状加工が容易となるので、個々の角速度センサ素子1の形状のばらつきが抑えられ、特性の均一な素子が作成しやすくなる。
また、上検出腕21、一対の上駆動腕23、下検出腕22および一対の下駆動腕24を互いに平行な方向に延在して形成したときには、コリオリ力によるモーメントを最大にすることができるので、角速度の検出精度がより一層向上する。
また、上検出腕21と下検出腕22とを、固定部20を通り当該上検出腕21と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成し、一対の上駆動腕23と、一対の下駆動腕24とを、固定部20を通り当該上検出腕21と直交する直線を基準線として線対称に延在して形成した場合には、横方向の加速度による振動と角速度による振動とが区別し易くなるので、角速度の検出精度が向上する。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらの実施の形態等に限定されず、種々変形可能である。
1,7…角速度センサ装置、2…角速度センサ素子、3…集積回路素子、4…ケース、5…中蓋部、6…上蓋部、20…固定部、20A…溝部、20B…中央部、20C…外縁部、20D…梁部、21…上検出腕、21A,21B,22A,22B,23A,23B,24A,24B…圧電素子、22…下検出腕、23…上駆動腕、21A1,22A1,23A1,21B1,22B1,23B1,21−1,22−1,23−1…絶縁層、21A2,22A2,23A2,21B2,22B2,23B2,21−2,22−2,23−2…下部電極、21A3,22A3,23A3,21B3,22B3,23B3,21−3,22−3,23−3…圧電体、21A4,22A4,23A4,21B4,22B4,23B4…上部電極、24…下駆動部、41…センサ素子支持部、42…集積回路支持部、43…上蓋部支持部、a,b,c,d…振動方向、f…コリオリ力、G1,G2…内部空間、N…連結部、P…重心、r…回転運動方向。
Claims (25)
- 支持面に固定される固定部と、
前記固定部に連結されると共に前記支持面と平行な面に沿って延在する検出腕と、
前記固定部に連結されると共に前記支持面と平行な面に沿って延在する駆動腕と
を備え、
前記固定部は、少なくとも前記検出腕の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部を有する
ことを特徴とする角速度センサ素子。 - 前記検出腕は、前記固定部の両側に連結された上第1振動腕および下第1振動腕を有し、
前記駆動腕は、前記上第1振動腕を間にして前記固定部に連結されると共に前記上第1振動腕の延在方向に延在する上第2振動腕および上第3振動腕を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、前記固定部を貫通している
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、前記検出腕または前記上第1振動腕を基準線として線対称に延在している
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、当該角速度センサ素子の重心を含んでいる
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部の前記検出腕または前記上第1振動腕の延在方向と交差する方向の幅をxとし、前記固定部の前記検出腕または前記上第1振動腕の延在方向と交差する方向の幅をWとすると、幅xおよび幅Wは以下の関係式を満たす
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
x/W≧0.5 - 前記溝部は、前記固定部に複数設けられ、
前記各溝部は、当該角速度センサ素子の重心を取り囲んでいる
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、直線状の形状を有する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、L字型の形状を有する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4ならびに請求項7のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、U字型の形状を有する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4ならびに請求項7のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記上第1振動腕、前記上第2振動腕、前記上第3振動腕の前記固定部との各連結部は、直線状に並んでいる
ことを特徴とする請求項2ないし請求項10のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記上第1振動腕、前記上第2振動腕、前記上第3振動腕および前記下第1振動腕は互いに平行な方向に延在している
ことを特徴とする請求項2ないし請求項11のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記上第2振動腕および前記上第3振動腕は、前記上第1振動腕を基準線として線対称に延在している
ことを特徴とする請求項2ないし請求項12のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記上第1振動腕上に形成されると共に前記上第1振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第1電極と、
前記下第1振動腕上に形成されると共に前記下振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第1電極と、
前記上第2振動腕上に形成されると共に前記上第2振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第2電極と、
前記上第3振動腕上に形成されると共に前記上第3振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第3電極と
を備えることを特徴とする請求項2ないし請求項13のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記駆動腕は、前記下第1振動腕を間にして前記固定部に連結されると共に前記下第1振動腕の延在方向に延在する下第2振動腕および下第3振動腕を有する
ことを特徴とする請求項2に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、前記上第1振動腕を基準線として線対称に延在している
ことを特徴とする請求項15に記載の角速度センサ素子。 - 前記溝部は、前記固定部の中心部を通り前記上第1振動腕の延在方向と直交する直線を基準線として線対称に延在している
ことを特徴とする請求項15または請求項16に記載の角速度センサ素子。 - 前記下第1振動腕、前記下第2振動腕、前記下第3振動腕の前記固定部との各連結部は、直線状に並んでいる
ことを特徴とする請求項15ないし請求項17のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記上第1振動腕、前記上第2振動腕、前記上第3振動腕、前記下第1振動腕、前記下第2振動腕および前記下第3振動腕は互いに平行な方向に延在している
ことを特徴とする請求項15ないし請求項18のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記下第2振動腕および前記下第3振動腕は、前記下第1振動腕を基準線として線対称に延在している
ことを特徴とする請求項15ないし請求項19のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記上第1振動腕と前記下第1振動腕とは、前記固定部を通り当該上第1振動腕と直交する直線を基準線として線対称に延在し、
前記上第2振動腕および前記上第3振動腕と、前記下第2振動腕および前記下第3振動腕とは、前記固定部を通り当該上第1振動腕と直交する直線を基準線として線対称に延在している
ことを特徴とする請求項15ないし請求項20のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 前記上第1振動腕上に形成されると共に前記上第1振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第1電極と、
前記下第1振動腕上に形成されると共に前記下振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第1電極と、
前記上第2振動腕上に形成されると共に前記上第2振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第2電極と、
前記上第3振動腕上に形成されると共に前記上第3振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の上第3電極と
前記下第2振動腕上に形成されると共に前記下第2振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第2電極と、
前記下第3振動腕上に形成されると共に前記下第3振動腕の延在方向と交差する方向に並列配置された一対の下第3電極と
を備えることを特徴とする請求項15ないし請求項21のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。 - 角速度センサ素子および集積回路素子を備えた角速度センサ装置であって、
前記角速度センサ素子は、
支持面に固定される固定部と、
前記固定部に連結されると共に前記支持面と平行な面に沿って延在する検出腕と、
前記固定部に連結されると共に前記支持面と平行な面に沿って延在する駆動腕と
を備え、
前記固定部は、少なくとも前記検出腕の延在方向と交差する方向に延在する1または複数の溝部を有し、
前記集積回路素子は、前記駆動腕に駆動信号を送信すると共に、前記検出腕から出力される検出信号を受信する
ことを特徴とする角速度センサ素子。 - 前記検出腕は、前記固定部の両側に連結された上第1振動腕および下第1振動腕を有し、
前記駆動腕は、前記上第1振動腕を間にして前記固定部に連結されると共に前記上第1振動腕の延在方向に延在する上第2振動腕および上第3振動腕を有し、
前記集積回路素子は、前記上第2振動腕および前記上第3振動腕に駆動信号を送信すると共に、前記上第1振動腕および前記下振動腕から出力される検出信号を受信する
ことを特徴とする請求項23に記載の角速度センサ装置。 - 前記駆動腕は、前記下第1振動腕を間にして前記固定部に連結されると共に前記下第1振動腕の延在方向に延在する下第2振動腕および下第3振動腕を有し、
前記集積回路素子は、前記上第2振動腕、前記上第3振動腕、前記下第2振動腕および前記下第3振動腕に駆動信号を送信すると共に、前記上第1振動腕および前記下振動腕から出力される検出信号を受信する
ことを特徴とする請求項24に記載の角速度センサ装置。
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