JP2009074826A - Multifunctional tuning fork type vibrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は少なくとも音叉振動を生ずる音叉型振動子を技術分野とし、特に角速度検出機能に加えて加速度検出機能を付加した多機能型の音叉型振動子に関する。 The present invention relates to a tuning fork vibrator that generates at least a tuning fork vibration, and more particularly to a multi-function tuning fork vibrator that has an acceleration detection function in addition to an angular velocity detection function.
(発明の背景)
角速度検出機能を備えた音叉型振動子(所謂角速度検出素子)は、例えば自動車等の誘導装置(ナビゲータ)やカメラの手振れ防止装置内に組み込まれ、角速度を検出する素子として知られている。近年では、特に自動車においては、ナビゲータ用の角速度検出素子のみならず、加速度検出素子をも搭載して例えば高速道路と側道との区別をすることが行われている。
(Background of the Invention)
A tuning fork vibrator (so-called angular velocity detection element) having an angular velocity detection function is incorporated in, for example, a guidance device (navigator) such as an automobile or a camera shake prevention device of a camera, and is known as an element that detects angular velocity. In recent years, especially in automobiles, not only an angular velocity detecting element for navigators but also an acceleration detecting element is mounted to distinguish, for example, a highway and a side road.
(従来技術の一例)
第4図は一従来例を説明する角速度検出機能を有する音叉型振動子の図で、同図(a)は音叉型振動子(音叉状水晶片)の外観図、同図(b)は上面から見た結線図である。
(Example of conventional technology)
FIG. 4 is a diagram of a tuning fork type vibrator having an angular velocity detecting function for explaining a conventional example. FIG. 4 (a) is an external view of the tuning fork type vibrator (tuning fork crystal piece), and FIG. It is the connection diagram seen from.
音叉型振動子は、音叉基部1から一対の音叉腕2(ab)が長さ方向に延出し、例えばZカットとした音叉状水晶片3を備える。音叉状水晶片3は、結晶軸(XYZ)におけるX軸の±方向を逆向きとした2枚の水晶片3(ab)を直接接合してなる。音叉状水晶片の長さはY軸、幅はX軸、厚みはZ軸方向に一致する。
The tuning fork vibrator includes a tuning fork crystal piece 3 having a pair of tuning fork arms 2 (ab) extending in the length direction from the
音叉状水晶片3の一対の音叉腕2(ab)には駆動電極(D±、D0)、及びモニタ電極(M)を有する。駆動電極(D0)はセンサ電極(S±)を兼用し、駆動電極(D±)の基準電極として機能する。以下では、駆動電極(D0)を基準電極(D0)又はセンサ電極(S±)とも呼ぶ。そして、各電極(D±、D0、M)からは音叉状水晶片3の例えば一主面に引出部4が延出し、外部接続用の図示しない電極パッドとなる。 The pair of tuning fork arms 2 (ab) of the tuning fork crystal piece 3 have drive electrodes (D ±, D0) and monitor electrodes (M). The drive electrode (D0) also serves as the sensor electrode (S ±) and functions as a reference electrode for the drive electrode (D ±). Hereinafter, the drive electrode (D0) is also referred to as a reference electrode (D0) or a sensor electrode (S ±). Then, from each electrode (D ±, D0, M), a lead-out portion 4 extends to, for example, one main surface of the tuning-fork crystal piece 3, and becomes an electrode pad (not shown) for external connection.
駆動電極(D±)のうちの(D−)は、一方の音叉腕2aの一主面及び他方の音叉腕2bの他主面に形成されて共通接続され、(D+)は一方の音叉腕2aの他主面に形成される。センサ電極(S±)を兼用する駆動電極(D0)は、各音叉腕2(ab)の両側面に形成され、基準電圧Eo(直流)が印加される。そして、内側面同士をセンサ電極(S+)、外側面同士をセンサ電極(S−)として共通接続される。モニタ電極(M)は他方の音叉腕2bの一主面に形成される。
Of the drive electrodes (D ±), (D−) is formed on one main surface of one
このようなものでは、第5図に示したように、反転及び非反転信号が駆動回路5から駆動電極(D±)に印加される。そして、基準電極(D0)との間に生ずる矢印(実線)で示す電界によって、音叉振動が励起される「第4図(b)」。これにより、モニタ電極(M)と基準電極(D0)との間には音叉振動による電界(点線)を生じ、これに基づく電荷をチャージアンプ(オペアンプ、電流・電圧変換回路)6にて増幅する。
In such a case, as shown in FIG. 5, inverted and non-inverted signals are applied from the
この場合、チャージアンプ6の一方の入力端にはモニタ電極(M)からの電荷(電流)が流入し、他方の入力端には基準電圧(E0)が印加される。これにより、モニタ電圧が出力される。そして、音叉振動の振幅(モニタ電圧)に応じてAGC7が機能し、モニタ電圧を一定にする電圧が駆動回路5に印加される。なお、符号Rfは帰還抵抗である。
In this case, the charge (current) from the monitor electrode (M) flows into one input terminal of the
また、センサ電極(S±)には、コリオリの力(角速度)に基づく板面に直交した垂直振動によって異符号の電荷を生じる。これら異符号の電荷はそれぞれチャージアンプ6によって増幅され、差動増幅器(合成器)8によって加算される。なお、センサ電極(S±)に生ずる電荷は音叉振動の振動周波数と同一の交流成分となる。そして、同期検波回路9及びローパスフィルタ(LPF)10を経て、直流成分として検出される。
(従来技術の問題点)
しかしながら、上記構成の音叉型振動子では、センサ電極S(±)を設けることによって角速度検出機能を有するものの、加速度検出機能を有するまでには至っていない。この点、角速度及び加速度検出機能のいずれをも備えた音叉型振動子は多数存在するが、簡易な構成によって加速度検出機能をも備えた音叉型振動子は存在しなかった。
(Problems of conventional technology)
However, although the tuning fork vibrator having the above configuration has an angular velocity detection function by providing the sensor electrode S (±), it does not yet have an acceleration detection function. In this regard, there are many tuning fork vibrators having both angular velocity and acceleration detection functions, but there are no tuning fork vibrators having an acceleration detection function with a simple configuration.
(発明の目的)
本発明は加速度検出機能に加え、簡易構成として加速度をも検出し得る音叉型振動子を提供することを目的とする。
(Object of invention)
An object of the present invention is to provide a tuning fork vibrator capable of detecting acceleration as a simple configuration in addition to an acceleration detection function.
本発明は、特許請求の範囲に示したように、音叉基部から少なくとも2本の音叉腕が延出して前記音叉腕には少なくとも音叉振動を励振する駆動電極を備えた音叉型振動子であって、前記音叉基部は前記音叉腕が延出した第1基部と前記第1基部から延長した第2基部からなり、前記第2基部には主面方向に沿って外周側から内部に向かう厚み方向を貫通した切り込みが設けられ、前記切り込みの前記内部の根元部からは可動棒が延出し、前記可動棒における前記第2基部の主面方向に沿った対向する両主面には第1及び第2電極を有し、前記可動棒の両主面に対向した前記切り込みの各内周面には前記第1及び第2電極に対向して第1及び第2コンデンサを形成する第3及び第4電極を有し、前記可動棒の変位による前記第1及び第2コンデンサの容量値の変化に基づく加速度検出機能を設けた構成とする。 The present invention is a tuning fork type vibrator having at least two tuning fork arms extending from a tuning fork base and having a drive electrode for exciting at least tuning fork vibrations, as indicated in the claims. The tuning fork base includes a first base extending from the tuning fork arm and a second base extending from the first base. The second base has a thickness direction from the outer peripheral side to the inside along the main surface direction. A through-cut is provided, a movable bar extends from the inner root of the cut, and the first and second main surfaces of the movable bar facing each other along the main surface direction of the second base are first and second. Third and fourth electrodes having electrodes and forming first and second capacitors facing the first and second electrodes on the inner peripheral surfaces of the cuts facing both the main surfaces of the movable rod And the first and second connectors by displacement of the movable rod A structure in which an acceleration detecting function based on the change of the capacitance value of the capacitor.
このような構成であれば、音叉型振動子の音叉基部に簡易構成の加速度検出機能を設ける。すなわち、従来の音叉基部(第1基部)から第2基部を延長して切り込みを設けて、錘部を有する可動棒を切り込みの根元部から延出する。そして、可動棒の両主面と切り込みの各内周面との間による第1及び第2コンデンサを形成する。 With such a configuration, a simple configuration acceleration detection function is provided at the tuning fork base of the tuning fork vibrator. That is, the second base is extended from the conventional tuning fork base (first base) to provide a cut, and the movable rod having the weight is extended from the base of the cut. And the 1st and 2nd capacitor | condenser by between the both main surfaces of a movable rod and each inner peripheral surface of a notch | incision is formed.
これにより、音叉基部の底面を含む外周側面から加速度が加わると、特に可動棒の両主面に対して直交方向の加速度が加わると、加速度に応じて可動棒が変位する。これにより、第1及び第2コンデンサの容量値が加速度に応じて変化する。したがって、容量値の変化を検出することによって、特に可動棒の両主面方向からの加速度を検出できる。 Thereby, when acceleration is applied from the outer peripheral side surface including the bottom surface of the tuning fork base, particularly when acceleration in the orthogonal direction is applied to both main surfaces of the movable rod, the movable rod is displaced according to the acceleration. Thereby, the capacitance values of the first and second capacitors change according to the acceleration. Therefore, by detecting the change in the capacitance value, it is possible to detect the acceleration particularly from both main surface directions of the movable rod.
(実施態様項)
本発明の請求項2では、請求項1において、前記音叉腕にはコリオリの力による角速度を検出するセンサ電極を備える。これにより、単一の音叉型振動子によって角速度及び加速度のいずれをも検出できる。
(Embodiment section)
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the tuning fork arm is provided with a sensor electrode for detecting an angular velocity due to a Coriolis force. Thereby, both angular velocity and acceleration can be detected by a single tuning fork vibrator.
同請求項3では、請求項1において、前記切り込みは前記第2音叉基部の外周側を幅広部として前記第2基部の内部を幅狭部とし、前記可動棒の先端側には錘部を有する。これにより、幅広部によって先端側の変位を容易にし、さらに錘部によって加速度に対する検出感度を高められる。 In the third aspect of the present invention, in the first aspect, the notch has a wide portion on the outer peripheral side of the second tuning fork base portion, a narrow portion on the inside of the second base portion, and a weight portion on the distal end side of the movable rod. . Thereby, the displacement of the front end side is facilitated by the wide portion, and the detection sensitivity to the acceleration can be enhanced by the weight portion.
同請求項4では、請求項3において、前記錘部は前記幅広部に対応して幅広とする。これにより、可動棒の先端側を簡単に錘部にできる。 In the fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the weight portion is wide corresponding to the wide portion. Thereby, the front end side of a movable rod can be made into a weight part easily.
同請求項5では、請求項3又は4において、前記錘部は前記幅広部内に設けられる。これにより、可動棒を第2基部内とするので、音叉型振動子を小型に維持できる。 In the fifth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect, the weight portion is provided in the wide portion. Thereby, since the movable bar is in the second base, the tuning fork vibrator can be kept small.
同請求項6では、請求項1において、前記切り込みは、前記第2基部の幅方向又は高さ方向に設けられる。これにより、特に、幅方向及び高さ方向に直交方向の加速度を検出できる。 In the sixth aspect of the present invention, in the first aspect, the cut is provided in a width direction or a height direction of the second base portion. Thereby, in particular, acceleration in a direction orthogonal to the width direction and the height direction can be detected.
同請求項7では、請求項1において、前記第2基部は前記第1基部の下方に延長し、前記第2基部との境界領域である前記第1基部の少なくとも下端部を固定部とする。これにより、第1の基部の下端部を固定部とするので、加速度検出機構を音叉型振動子から実質的に分離し、音叉型振動子の特性をそのまま維持できる。 According to the seventh aspect, in the first aspect, the second base portion extends below the first base portion, and at least a lower end portion of the first base portion, which is a boundary region with the second base portion, is a fixing portion. Accordingly, since the lower end portion of the first base portion is a fixed portion, the acceleration detection mechanism can be substantially separated from the tuning fork vibrator, and the characteristics of the tuning fork vibrator can be maintained as they are.
第1図は本発明の一実施形態を説明する音叉型振動子の図で、同図(a)は概観図、同図(b)は点線枠部の拡大図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。 FIG. 1 is a diagram of a tuning fork vibrator for explaining an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is an overview and FIG. 1 (b) is an enlarged view of a dotted frame. In addition, the same number is attached | subjected to the same part as a prior art example, and the description is simplified or abbreviate | omitted.
音叉型振動子「前第3図及び第4図参照」は、前述したように、X軸方向を逆向きとした2枚の音叉状水晶片を直接接合してなり、一対の音叉腕2(ab)には駆動電極(D±、D0)、センサ電極(S±)及びモニタ電極(M)を有する。駆動電極(D±)には、反転及び非反転信号が駆動回路5から印加され、基準電極(D0)との間に生ずる矢印(実線)で示す電界によって、音叉振動が励起される。
As described above, the tuning fork vibrator “refer to FIG. 3 and FIG. 4” is formed by directly joining two tuning fork crystal pieces with the X-axis direction reversed, and a pair of tuning fork arms 2 ( ab) includes drive electrodes (D ±, D0), sensor electrodes (S ±), and monitor electrodes (M). Inverted and non-inverted signals are applied to the drive electrode (D ±) from the
これにより、モニタ電極(M)と基準電極(D0)との間には音叉振動による電界(点線)を生じ、これに基づく電荷をチャージアンプ(オペアンプ、電流・電圧変換回路)6にて増幅して前述同様にモニタ電圧が出力される。そして、音叉振動の振幅(モニタ電圧)に応じてAGC7が機能し、モニタ電圧を一定にする。
As a result, an electric field (dotted line) due to tuning fork vibration is generated between the monitor electrode (M) and the reference electrode (D0), and the charge based on this is amplified by the charge amplifier (op amp, current / voltage conversion circuit) 6. As described above, the monitor voltage is output. Then, the
センサ電極(S±)には、コリオリの力(角速度)に基づく板面に直交した垂直振動によって異符号の電荷を生じる。そして、チャージアンプ5によって増幅され、差動増幅器(合成器)8によって加算され、同期検波回路9及びローパスフィルタ(LPF)10を経て、直流成分として検出される。
On the sensor electrode (S ±), charges having different signs are generated by vertical vibration perpendicular to the plate surface based on Coriolis force (angular velocity). Then, it is amplified by the
そして、この実施形態では、音叉基部1は第1基部1aと第2基部1bとからなる。第1基部1aは従来の音叉基部に相当して一対の音叉腕2(ab)が延出し、第2基部1bは第1基部1aの下方に延長する。第2基部1bとの境界となる第1基部1aの下端側を接着剤等による固定部とする。第2基部1bのX軸である幅方向には、外周側(一端側の側面)から内部に向かう切込み11が設けられる。
In this embodiment, the
切り込み11は外周側を幅広として除々に狭くなるスリバチ状として、内部では間隔が一定となる幅狭とする。そして、切り込み11の内部の根元部からは第2基部1bと一体とした可動棒12が延出する。可動棒12は根元部から幅狭として外周側に延出し、幅広としたスリバチ状に対応した三角状の錘部12aを先端側に有する。
The
可動棒12の内部における幅狭部12bの両主面には第1及び第2電極13(ab)を有し、これらと対面する切り込み11の各内周面には第3及び第4電極13(cd)を有する。これにより、それぞれ対向する第1及び第3電極13(ac)は第1コンデンサC1を、第2及び第4電極13(bd)は第2コンデンサC2を形成する。そして、可動棒12の両主面の第1及び第2電極13(ab)は共通接続されて、第3及び第4電極13(cd)とともに第2基部1bの一主面の図示しない電極パッドに延出する。
Both main surfaces of the
このようなものでは、第2図に示したように、第1及び第2コンデンサC1、C2の第1及び第2電極13(ab)の共通接続点には例えば音叉振動に基づく交流電圧Vdが印加される。そして、第1及び第2コンデンサC1、C2の第3及び第4電極13(cd)には電流−電圧変換器としての、帰還抵抗Rfを有する第1及び第2オペアンプ(チャージアンプ)6(ab)が接続する。 In such a case, as shown in FIG. 2, an AC voltage Vd based on, for example, tuning fork vibration is applied to the common connection point of the first and second electrodes 13 (ab) of the first and second capacitors C1, C2. Applied. The third and fourth electrodes 13 (cd) of the first and second capacitors C1 and C2 have first and second operational amplifiers (charge amplifiers) 6 (ab) having feedback resistors Rf as current-voltage converters. ) Connect.
第1及び第2オペアンプ6(ab)は、交流電圧Vdに起因した第1及び第2コンデンサC1、C2を流れる信号を検出する。そして、第1及び第2オペアンプ6(ab)の出力Vc1、Vc2が、点線枠で示す差動増幅器14によって合成される。差動増幅器14は第3オペアンプ6c及び各抵抗Rから形成され、合成出力Vc3を得る。そして、合成出力Vc3は交流電圧Vdに基づく同期信号によって同期検波され、積分回路等によるLPF10によって平滑して直流化された加速度に対応した検出電圧Vsaを得る。なお、符号9は同期検波回路である。
The first and second operational amplifiers 6 (ab) detect signals flowing through the first and second capacitors C1 and C2 due to the AC voltage Vd. Then, the outputs Vc1 and Vc2 of the first and second operational amplifiers 6 (ab) are combined by a differential amplifier 14 indicated by a dotted frame. The differential amplifier 14 is formed by the third operational amplifier 6c and each resistor R, and obtains a combined output Vc3. The synthesized output Vc3 is synchronously detected by a synchronization signal based on the AC voltage Vd, and a detection voltage Vsa corresponding to the acceleration converted to DC by being smoothed by the
これらにより、第1及び第2コンデンサC1、C2の容量値が等しい場合は、差動増幅器14の同相成分の除去機能により、合成出力Vc3は実質的にゼロになる。加速度が及んで第1コンデンサC1、C2がアンバランスになると、合成電圧Vc3に信号が生じる。また、加速度の方向が逆になれば合成出力Vc3の位相も逆になる。したがって、加速度の大小と方向を検出できる。 Accordingly, when the capacitance values of the first and second capacitors C1 and C2 are equal, the combined output Vc3 becomes substantially zero by the common-mode component removing function of the differential amplifier 14. When acceleration is applied and the first capacitors C1 and C2 become unbalanced, a signal is generated in the composite voltage Vc3. If the direction of acceleration is reversed, the phase of the composite output Vc3 is also reversed. Therefore, the magnitude and direction of acceleration can be detected.
このような構成であれば、角速度検出機能を備えた音叉型振動子の従来の音叉基部1に対応した第1基部1aに第2基部1bを設けて、第1及び第2コンデンサC1、C2を形成する切り込み11及び可動棒12を形成するのみで加速度検出機能を得られる。したがって、角速度検出機能に加えて、簡易構成とした加速度検出機能を得られる。
With such a configuration, the
また、切り込み11は第2音叉基部1bの外周側を幅広部として、第2基部1bの内部を幅狭部とし、可動棒12の先端側には幅広部に応じた錘部12aを有する。この場合、先端側の錘部12aによって、矢印で示したように、可動棒12の上下方向での変位を容易にする。
Further, the
これにより、錘部12aによって加速度に対する検出感度を高められる。そして、可動棒12の先端側を幅広とするのみで簡単に錘部12aを設けられる。また、この例では、錘部12aは切り込み11の幅広部内とするので、音叉型振動子の幅を従来同様に維持して、音叉基部1の長さ(高さ)を大きくするのみで小型化を図れる。
Thereby, the detection sensitivity with respect to acceleration can be improved by the
そして、ここでの切り込み11は、前記第2基部1bの幅方向に設けるので、特に、幅方向に直交方向した高さ方向の加速度を検出できる。したがって、音叉主面を進行方向に対して垂直方向として設置される自動車用の場合、上下方向の加速度を検出して例えば高速道路への乗り降りを検出できる。
And since the notch |
また、第2基部1bとの境界領域である第1基部1aの少なくとも下端部を固定部とするので、加速度検出機構を音叉型振動子から実質的に分離する。したがって、角速度検出機能と加速度検出機能との緩衝はなく、それぞれ独立的に機能して角速度及び加速度を高精度に検出する音叉型振動子を得られる。
Further, since at least the lower end portion of the
(他の事項)
上記実施形態では第2基部1bの幅方向に切り込み11及び可動棒12を設けたが、これらは第2基部1bの底面から内部に向けて設けてもよい。この場合、幅方向の加速度を検出して例えば車の横ぶれを感知できる。要は、切り込み11及び可動棒12は第2基の主面方向に沿って外周側から内部に向かって形成され、特にこれらに直交方向の加速度を検出できる。
(Other matters)
In the above embodiment, the
また、可動棒12は第2基部1bの板面内としたが、第2基部1bの外周側面から突出してもよい。この場合、可動棒12が長くなるので加速度に対する変位も大きくなって、検出感度を高められる。但し、小型化を維持するには本実施形態のように第2基部1bの板面内した方がよい。
Moreover, although the
また、可動棒12の先端側に幅広とした錘部12aを設けたが、例えば第3図に示したように、第2基部1bの根元部から除々に広がる切り込み11として、これに応じて除々に広がる可動棒12とする。この場合でも、先端側に錘部12aを設けたと同様の効果を奏する。
In addition, the
そして、例えば可動棒1の両主面及び各対向面に全面的に第1〜第4電極13(abcd)を設ける。この場合、電極13(ac)及び13(bd)の対向面積を大きくするので、検出感度をさらに高める。なお、必ずしも、錘部12a及びこれに相当する構成とすることなく、可動棒12を同一幅として錘部がなくても基本的に動作する。
Then, for example, the first to fourth electrodes 13 (abcd) are provided on both the main surfaces of the
また、音叉型振動子は2枚の水晶片3(ab)からなる接合型として説明したが、音叉型水晶振動子を単一の水晶片から形成した場合でも同様に適用できる。但し、この場合は特にセンサ電極S±の配置構造が異なる。さらには、既存の角速度検出機能を有する音叉型水晶振動子あるいは単なる音叉振動を生じる音叉型振動子に適用できる。 Although the tuning fork type vibrator has been described as a junction type composed of two crystal pieces 3 (ab), the present invention can be similarly applied even when the tuning fork type crystal vibrator is formed from a single crystal piece. However, in this case, the arrangement structure of the sensor electrodes S ± is particularly different. Furthermore, the present invention can be applied to a tuning fork type crystal resonator having an existing angular velocity detection function or a tuning fork type resonator that generates a simple tuning fork vibration.
また、音叉型振動子は材料として水晶を用いた例を示したが、シリコン等の他の材料を用いた場合でも適用できる。また、音叉腕は一対(2本)としたが、3本以上とした場合でも適用できる。 In addition, the tuning fork vibrator has been described using quartz as a material. However, the tuning fork vibrator can be applied even when other materials such as silicon are used. Further, although a pair of tuning fork arms (two) is used, the present invention can be applied to a case where three or more tuning fork arms are used.
1 音叉基部、2 音叉腕、3 音叉状水晶片(音叉型振動子)、5 駆動回路、6 オペアンプ、7 AGC、8 差動増幅器、9 同期検波回路、10 ローパスフィルタ、11 切り込み、12 可動棒、13 電極。 1 tuning fork base, 2 tuning fork arm, 3 tuning fork crystal piece (tuning fork type vibrator), 5 drive circuit, 6 operational amplifier, 7 AGC, 8 differential amplifier, 9 synchronous detection circuit, 10 low pass filter, 11 cut, 12 movable bar , 13 electrodes.
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