JP5025965B2 - Inertial sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、航空機、船舶、自動車などの姿勢制御や位置検出、カメラの手振れ補正などに用いる慣性センサに関するものである。 The present invention relates to an inertial sensor used for attitude control, position detection, camera shake correction, and the like of an aircraft, a ship, an automobile, and the like.
慣性センサには様々な種類があるが、組み込むために薄く小型にし、且つ軽量にするという要求を満たすものとして、振動型の角速度センサがある。従来よりある振動型の慣性センサは、四角柱を振動させて回転に伴って働くコリオリの力を検出するものである。 There are various types of inertial sensors, but there is a vibration type angular velocity sensor that satisfies the requirement of being thin, small and lightweight for incorporation. A conventional vibration type inertial sensor detects a Coriolis force that works with rotation by vibrating a quadrangular prism.
このような従来の慣性センサの一例として、音叉型振動素子を用いたものがある(特許文献1又は2を参照)。また、回転軸に対して交差する面内に延在する複数の支持部と、核支持部の先端に支持された複数の屈曲振動片とを備えた振動素子も提案されている(特許文献3を参照)。特許文献2に開示の振動素子によれば、上記面内の回転速度が検出でき、ジャイロスコープの低背化を可能としている。
As an example of such a conventional inertial sensor, there is one using a tuning fork type vibration element (see
一方、検出すべき運動の自由度に多軸化が求められるようになり、直交する2軸または3軸の各成分(角速度)を検出する角速度センサが提案されている。例えば、振動素子により3軸化を図ろうとする場合、角速度の検出原理であるコリオリの力を3軸のすべてについて発生させることになるため、素子は、駆動変位として少なくとも直交する2方向成分を有する必要がある。これを実現する技術として、1つの慣性体要素を直交した2相駆動により円運動させる方式が提案されている(非特許文献1参照)。 On the other hand, multi-axiality is required for the degree of freedom of motion to be detected, and an angular velocity sensor that detects each component (angular velocity) of two or three axes that are orthogonal has been proposed. For example, when three axes are to be achieved by a vibration element, Coriolis force, which is an angular velocity detection principle, is generated for all three axes, so the element has at least two orthogonal components as drive displacements. There is a need. As a technique for realizing this, a method in which one inertial body element is circularly moved by orthogonal two-phase driving has been proposed (see Non-Patent Document 1).
上記のような慣性センサ素子については、以下のような先行技術文献情報が開示されている。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。 The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
以上に説明したように、従来では、複数の振動素子を組み合わせることで、直交する空間軸の内の2軸(例えば2次元のX軸及びY軸)あるいは3軸(例えば3次元のX軸、Y軸及びZ軸)の各成分を検出するようにしているため、多軸角速度センサの構成が複雑化し、素子を作成することが煩雑になるという問題があった。また1つの慣性体要素を直交した2相駆動により円運動させる方式では、圧電振動材料の板(振動素子)に均整な円運動を与えることが困難であり、他軸信号との直交性が乱れ、異なる成分の信号の分離が容易ではないという問題があった。 As described above, conventionally, by combining a plurality of vibration elements, two of the orthogonal space axes (for example, the two-dimensional X axis and the Y axis) or three axes (for example, the three-dimensional X axis, Since each component of the Y axis and the Z axis) is detected, there is a problem that the configuration of the multi-axis angular velocity sensor is complicated and it is complicated to create an element. In addition, in the method in which one inertial body element is circularly moved by orthogonal two-phase driving, it is difficult to give a uniform circular motion to the plate (vibrating element) of the piezoelectric vibration material, and the orthogonality with other axis signals is disturbed. There is a problem that separation of signals of different components is not easy.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、簡易に形成可能な形状の慣性センサ素子により、空間軸方向の内2軸以上の方向の角速度が検出できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an inertial sensor element having a shape that can be easily formed can detect angular velocities in two or more of the spatial axis directions. The purpose is to do.
上記課題を解決するために本発明に係る慣性センサ素子は、、基部と、この基部の一辺より延設された角柱状の第1脚部及び第2脚部を有する第1の音叉振動部と、この第1の音叉振動部に対し基部を挟んで180°対向する基部の一辺より延設された角柱状の第3脚部及び第4脚部を有する第2の音叉振動部と、第1の音叉振動部に対し基部を挟んで90°の位置の基部の一辺より延設された角柱状の第5脚部及び第6脚部とを有する第3の音叉振動部と、この第3の音叉振動部に対し基部を挟んで180°対向する基部の一辺より延設された角柱状の第7脚部及び第8脚部を有する第4の音叉振動部から構成され、基部,第1の音叉振動部,第2の音叉振動部,第3の音叉振動部及び第4の音叉振動部が圧電材により一体で形成されており、第1脚部及び第2脚部に各々設けられた第1の励振電極と、第3脚部及び第4脚部に各々設けられた第1の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で第3脚部及び第4脚部が延在する方向のY軸を中心とした慣性センサ素子の回転により起こる第1振動を検出するための第1の検出電極と、第5脚部及び第6脚部に各々設けられた第2の励振電極と、第7脚部及び第8脚部に各々設けられて第2の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で第7脚部及び第8脚部が配設された平面のX軸を中心とした慣性センサ素子の回転により起こる第2振動を検出するための第2の検出電極とを備えていることを特徴とする上記記載の慣性センサ素子でもある。 In order to solve the above-described problems, an inertial sensor element according to the present invention includes: a base; a first tuning fork vibration part having a prismatic first leg part and a second leg part extending from one side of the base part; A second tuning fork vibrating part having a prismatic third leg part and a fourth leg part extending from one side of the base part opposed to the first tuning fork vibrating part by 180 ° across the base part; A third tuning fork vibration part having a prismatic fifth leg part and a sixth leg part extending from one side of the base part at a position of 90 ° across the base part with respect to the tuning fork vibration part, The tuning fork vibrating portion is composed of a fourth tuning fork vibrating portion having a prismatic seventh leg portion and an eighth leg portion extending from one side of the base portion that is 180 ° opposite to the tuning fork vibrating portion. The tuning fork vibration part, the second tuning fork vibration part, the third tuning fork vibration part, and the fourth tuning fork vibration part are integrally formed of a piezoelectric material. The bending vibration is driven by the first excitation electrodes provided on the first leg and the second leg and the first excitation electrodes provided on the third leg and the fourth leg, respectively. The first detection electrode for detecting the first vibration caused by the rotation of the inertial sensor element around the Y axis in the direction in which the third leg portion and the fourth leg portion extend, the fifth leg portion, A second excitation electrode provided on each of the six legs, and a seventh leg and an eighth in a state where bending vibration is driven by the second excitation electrode provided on each of the seventh and eighth legs. And a second detection electrode for detecting a second vibration caused by the rotation of the inertial sensor element about the X axis of the plane on which the eight legs are disposed. It is also a sensor element.
又、上記記載の慣性センサ素子において、第1脚部、第2脚部、第5脚部及び第6脚部には脚部長さ方向に延びるX軸方向の主面間を貫通する貫通穴を有しており、この貫通穴の穴内の長さ方向の2つの側面には、電気的極性が同極となる電極が各々形成され、且つ貫通穴内の各々の側面と対向するよう形成した各々の脚部外側面の電極が、貫通穴内の各々の側面に形成した電極と電気的極性が異なる電極が形成されていることを特徴とする慣性センサ素子でもある。 In the inertial sensor element described above, the first leg, the second leg, the fifth leg, and the sixth leg are provided with through-holes passing through the principal surfaces in the X-axis direction extending in the leg length direction. The electrodes having the same electrical polarity are formed on the two side surfaces in the length direction of the through hole, and each of the electrodes formed so as to face each side surface in the through hole. The electrode on the outer side of the leg is also an inertial sensor element characterized in that an electrode having an electrical polarity different from that of the electrode formed on each side surface in the through hole is formed.
以上説明したように、本発明の慣性センサ素子により、2軸以上の空間軸方向の角速度が、作成が簡易な形状の一素子で検出できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, the inertial sensor element of the present invention provides an excellent effect that the angular velocity in the spatial axis direction of two or more axes can be detected with one element having a simple shape.
以下、本発明の実施の形態について各図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明おける慣性センサ素子を、慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図2は、図1に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図2(a)は仮想切断線a−a′,図2(b)は仮想切断線b−b′,図2(c)は仮想切断線c−c′及び図2(d)は仮想切断線d−d′に各々対応している。尚、図面の各図は、説明を明りょうにするため部品又は構成体の一部を図示していない。特に図1,図4及び図6には慣性センサ素子の外観形状を明りょうに図示するため慣性センサ素子表面に形成してある電極を図示していない。又、図面内の各寸法も一部誇張して図示しており、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。 FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of an external configuration of an inertial sensor element according to the present invention, illustrating an angular velocity sensor element that is one of the inertial sensor elements. 2A and 2B are cross-sectional views taken along the virtual cutting lines shown in FIG. 1, respectively. FIG. 2A shows a virtual cutting line aa ′ and FIG. 2B shows a virtual cutting line bb. 2 (c) corresponds to the virtual cutting line cc 'and FIG. 2 (d) corresponds to the virtual cutting line dd'. In addition, each figure of drawing does not show a part of components or a structure for clarity of explanation. In particular, FIGS. 1, 4 and 6 do not show the electrodes formed on the surface of the inertial sensor element in order to clearly show the appearance of the inertial sensor element. In addition, each dimension in the drawings is partially exaggerated, and the same reference numerals denote the same objects in each figure.
図1に示す慣性センサ素子100は、構成部材として水晶からなり、基部101より一方に延在(図8中のYl方向に延在)して配設された第1脚部102及び第2脚部103から構成される第1の音叉振動部110と、基部101を挟んで110は反対の方向に基部101より延在(図8中のY′1方向に延在)して配設された第3脚部104及び第4脚部105から構成される第2の音叉振動部111とを備え、更に慣性センサ素子100の同一主面内で、110及び第2の音叉振動部111が設けられた基部101の2側面と垂直に交わる2面の一方に、第5脚部106(図8中のY′3方向に延在)及び第6脚部107(図8中のY2方向に延在)から構成される第3の音叉振動部112を、もう一方の側面に第7脚部108(図8中のY′2方向に延在)及び第8脚部109(図8中のY3方向に延在)から構成される第4の音叉振動部113から構成されている。各々の脚部は、角柱状に形成されている。また、慣性センサ素子100は、基部101の側面部で外部のパッケージなどに固定(支持)される。また、素子の構成部材としては実施例の水晶に限らず他の圧電材料から慣性センサ素子を構成してもよい。
The
慣性センサ素子100は、水晶結晶軸の電気軸、機械軸に対してそれぞれ0°乃至15°回転し、光軸を法線とする水晶板から切り出すことで形成する。各図中の方位線X1は、電気軸より所定角度回転した軸であり、方位線Y1は、機械軸より所定角度回転した軸であり、方位線Zは光軸とほぼ一致した軸である。
The
慣性センサ素子100は水晶から構成されており、水晶は光軸に対して3回対称構造であるので、第5脚部106(Y′3方向),第6脚部107(Y2方向),第7脚部108(Y′2方向)及び第8脚部109(Y3方向)は、第1脚部102,第2脚部103,第3脚部104及び第4脚部105が延在している方向Y1−Y′1軸から、120゜回転した方向(Y2−Y′2)と、−120度回転した方向(Y3−Y′3)に延在している。更に第5脚部106,第6脚部107,第7脚部108及び第8脚部109の各々の先端部は、X1軸と平行な方向に更に延長している。
The
即ち、慣性センサ素子100において、第5脚部106,第6脚部107,第7脚部108及び第8脚部109は、慣性センサ素子100を形成する圧電材料の結晶軸の対称性に依存しており、厚み方向の軸に対して3回対称の結晶材料の場合であると、第5脚部106及び第8脚部109は、第1脚部102,第2脚部103,第3脚部104及び第4脚部105とは時計廻りに120度回転した軸上に延在しており、第6脚部107及び第7脚部108は、第1脚部102,第2脚部103,第3脚部104及び第4脚部105とは反時計廻りに120度回転した軸上に延在している。また、慣性センサ素子100を形成する圧電材料が厚み方向の軸に対して4回対称の結晶材料の場合であると、第5脚部106,第6脚部107,第7脚部108及び第8脚部109は、第1脚部102,第2脚部103,第3脚部104及び第4脚部105とは垂直となる方向に延在している。
That is, in the
又、第1脚部102の延在方向の中心軸と第3脚部104の延在方向の中心軸は一致し、第2脚部103の延在方向の中心軸と第4脚部105の延在方向の中心軸は一致する。このように構成された各脚部において、まず、第1脚部102にはY軸励振電極121,122,123及び124が設けられ、第2脚部103にはY軸励振電極131,132,133及び134が設けられている。また、第3脚部104にはY軸検出電極141,142,143及び144が設けられ、第4脚部105にはY軸検出電極151,152,153及び154が設けられている。加えて、第5脚部106にはX軸励振電極161,162,163及び164が設けられ、第6脚部107にはX軸励振電極171,172,173及び174が設けられている。また、第7脚部108にはX軸検出電極181,182,183及び184が設けられ、第8脚部109にはX軸検出電極191,192,193及び194が設けられている。
In addition, the central axis in the extending direction of the
第1脚部102及び第2脚部103において、Y軸の励振電極121,123,132及び134は同じ電気的極性(以下、同極という)とし、Y軸励振端子E11に接続され、Y軸の励振電極122,124,131及び133は同極とし、Y軸励振端子E12に接続される。第3脚部104及び第4脚部105において、Y軸の検出電極141,144,152及び153は同極とし、Y軸検出端子E13に接続され、Y軸の検出電極142,143,151及び154は同極とし、Y軸検出端子E14に接続される。第5脚部106及び第6脚部107において、X軸の励振電極161,163,171及び173は同極とし、X軸励振端子E15に接続され、X軸の励振電極162,164,172及び174は同極とし、X軸励振端子E16に接続される。第7脚部108及び第8脚部109において、X軸の検出電極181,184,191及び194は同極とし、X軸検出端子E17に接続され、X軸の検出電極182,183,192及び193は同極とし、X軸検出端子E18に接続される。
In the
このような電極構成の慣性センサ素子では、例えば、図3に示すように、Y軸励振端子E11及びY軸励振端子E12は、発振回路301に接続し、発振回路301により第1脚部102及び第2脚部103に屈曲振動が駆動される。また、Y軸検出端子E13及びY軸検出端子E14は、差動増幅回路302に接続されている。また、発振回路301の駆動周波数に基づいた基準位相信号が、位相回路303から出力される。
In the inertial sensor element having such an electrode configuration, for example, as shown in FIG. 3, the Y-axis excitation terminal E11 and the Y-axis excitation terminal E12 are connected to the
差動増幅回路302には、測定すべき角速度に基づいて発生した検出信号が各々入力される。入力された検出信号は、差動増幅回路302により増幅されて同期検波回路304に出力される。同期検波回路304は、位相回路303の出力信号を基準とし、差動増幅回路302により入力した検出信号を同期検波し、角速度信号として出力する。
Detection signals generated based on the angular velocity to be measured are input to the
図1に示す慣性センサ素子において、Y軸の励振電極121,122,123,124,131,132,133及び134により第1脚部102及び第2脚部103に対して励振信号を印加すると、逆圧電効果により、第1脚部102及び第2脚部103はX−Y平面内で屈曲振動(励振)を起こす。ここで、第1脚部102及び第2脚部103が屈曲振動を起こしても、第3脚部104及び第4脚部105は屈曲振動を起こさない。このように励振している状態で、Y軸を回転軸とする回転運動のコリオリの力による歪みが図1の慣性センサ素子100に加わると、第3脚部104及び第4脚部105はY−Z平面内で屈曲振動を起こすようになり、この屈曲振動の歪み(角速度)の大きさに比例した電荷が、Y軸の検出電極141,142,143,144,151,152,153及び154に発生する(圧電効果)。
In the inertial sensor element shown in FIG. 1, when excitation signals are applied to the
従って、Y軸の検出電極141,142,143,144,151,152,153及び154により検出される電気信号を図3に示すような回路により処理して角速度信号として検出すれば、Y軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能となる。
Therefore, if the electric signals detected by the Y-
同様に、X軸の励振電極161,162,163,164,171,172,173及び174により、第5脚部106及び第6脚部107に対して励振信号を印加すると、第5脚部106及び第6脚部107は、X−Y平面内で屈曲振動(励振)を起こす。ここで、第5脚部106及び第6脚部107が屈曲振動を起こしても、第7脚部108及び第8脚部109は屈曲振動を起こさない。このように励振している状態で、X軸を回転軸とする回転運動のコリオリの力による歪みが図1の慣性センサ素子100に加わると、第7脚部108及び第8脚部109はX−Z平面内で屈曲振動を起こすようになり、この屈曲振動の歪み(角速度)の大きさに比例した電荷が、X軸の検出電極181,182,183,184,191,192,193及び194に発生する(圧電効果)。
Similarly, when an excitation signal is applied to the
従って、X軸の検出電極181,182,183,184,191,192,193及び194により検出される電気信号を図3に示すような回路により処理して角速度信号として検出すれば、X軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検地することが可能となる。以上に説明したように、図1に示す慣性センサ素子100によれば、Y軸とX軸との2軸の方向の角速度が検出できるようになる。
Therefore, if the electric signals detected by the
また、図1に示す慣性センサ素子100では、第1脚部102及び第2脚部103の外形寸法と、第3脚部104及び第4脚部105の外形寸法、又は、第5脚部106及び第6脚部107の外形寸法と、第7脚部108及び第8脚部109との外形寸法が各々異なる状態とした。加えて、Y軸の励振電極121,122,123,124,131,132,133及び134による第1脚部102及び第2脚部103に印加する励振信号の周波数と、X軸の励振電極161,162,163,164,171,172,173及び174による第5脚部106及び第6脚部107に印加する励振信号の周波数とを異なる状態とした。各脚部に印加する励振信号の周波数Fsは、「Fs=kf×λ2×(脚部の幅)÷(脚部の長さ)2」(kfは周波数定数、λは境界条件)の式により決定すればよい。このように、脚部の寸法を異なる状態とし、異なる軸方向に対応する異なる励振電極により異なる周波数の励振信号が励振対象の脚部に印加されることで、各々の軸方向における各該励振電極を形成した各脚部より構成される励振用音叉振動部と、この励振用音叉振動部と組を成す各検出電極を形成した各該脚部より構成される検出用音叉振動部との間の共振周波数が、各々の軸方向毎に異なることとなり、異なる軸を中心とした回転により起こる各々の振動が、より精度よく区別された状態で検出できるようになる。
Further, in the
次に、本発明おける慣性センサ素子の他の実態の形態について説明する。図4は、本発明おける慣性センサ素子を慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図5は、図4に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図5(a)は仮想切断線e−e′,図2(b)は仮想切断線f−f′,図2(c)は仮想切断線g−g′及び図2(d)は仮想切断線h−h′に各々対応している。図4に示す慣性センサ素子400は、構成部材として水晶からなり、基部401より一方に延在(図8中のYl方向に延在)して配設された第1脚部402及び第2脚部403から構成される411と、基部401を挟んで411とは反対の方向に基部101より延在(図8中のY′1方向に延在)して配設された第3脚部404及び第4脚部405、更に第3脚部404と第4脚部との間に第3脚部404と第4脚部405と平行に延在した第9脚部406から構成される第2の音叉振動部412とを備え、更に慣性センサ素子400の同一主面内で、411及び第2の音叉振動部412が設けられた基部401の2側面と垂直に交わる2面の一方に、第5脚部407(図8中のY′3方向に延在)及び第6脚部408(図8中のY2方向に延在)から構成される第3の音叉振動部413を、もう一方の側面に第7脚部409(図8中のY′2方向に延在)及び第8脚部410(図8中のY3方向に延在)から構成される第4の音叉振動部414から構成されている。各々の脚部は、角柱状に形成されている。
Next, another embodiment of the inertial sensor element according to the present invention will be described. FIG. 4 is a perspective view illustrating an example of the external configuration of an inertial sensor element according to the present invention, illustrating an angular velocity sensor element that is one of the inertial sensor elements. 5A and 5B are cross-sectional views taken along the virtual cutting lines shown in FIG. 4. FIG. 5A is a virtual cutting line ee ′, and FIG. 2B is a virtual cutting line ff. 2 (c) corresponds to the virtual cutting line gg 'and FIG. 2 (d) corresponds to the virtual cutting line hh'. The
慣性センサ素子400は、水晶結晶軸の電気軸、機械軸に対してそれぞれ0°乃至15°回転し、光軸を法線とする水晶板から切り出すことで形成する。各図中の方位線X1は、電気軸より所定角度回転した軸であり、方位線Y1は、機械軸より所定角度回転した軸であり、方位線Zは光軸とほぼ一致した軸である。
The
上記慣性センサ素子において、第5脚部407,第6脚部408,第7脚部409及び第8脚部410は慣性センサ素子を形成する圧電材料の結晶軸の対称性に依存しており、厚み方向の軸に対して3回対称の結晶材料の場合であると、第5脚部407及び第8脚部410は、第1脚部402,第2脚部403,第3脚部404,第4脚部405及び第9脚部406とは時計廻りに120度回転した軸上に延在しており、第6脚部408及び第7脚部409は、第1脚部402,第2脚部403,第3脚部404,第4脚部405及び第9脚部406とは反時計廻りに120度回転した軸上に延在している。また、慣性センサ素子を形成する圧電材料が厚み方向の軸に対して4回対称の結晶材料の場合であると、第5〜第8脚部は第1脚部402,第2脚部403,第3脚部404,第4脚部405及び第9脚部406とは垂直となる方向に延在している。
In the inertial sensor element, the
第1脚部402の延在方向の中心軸と第3脚部404の延在方向の中心軸は一致し、第2脚部403の延在方向の中心軸と第4脚部405の延在方向の中心軸は一致する。また、第9脚部406は第3脚部404と第5脚部405との間の中心部に配設されている。このように構成された各脚部において、図4に示す慣性センサ素子では、まず、第1脚部402にはY軸の励振電極421,422,423及び424が設けられ、第2脚部403にはY軸の検出電極431,432,433及び434が設けられている。また、第3脚部404にはZ軸の励振電極441,442,443及び444が、第4脚部405にはZ軸の励振電極451,452,453,454が設けられ、第9脚部406にはZ軸の検出電極461,462,463及び464が設けられ、第5脚部407にはX軸の励振電極471,472,473及び474が、第6脚部408にはX軸の励振電極481,482,483及び484が設けられ、第7脚部409にはX軸の検出電極491,492,493及び494が、第8脚部410にはX軸の検出電極411,412,413及び414が設けられている。
The central axis of the extending direction of the
第1脚部402において、Y軸の励振電極421及び423は同極とされ、Y軸の励振電極422及び424は同極とされている。一方、第2脚部403において、Y軸の検出電極431及び434は同極とされ、Y軸の検出電極432及び433は同極とされている。また、第3脚部404及び第4脚部405においてZ軸の励振電極441,443,452及び454は同極とされ、Z軸の励振電極442,444,451及び453は同極とされている。一方、第9脚部406においてZ軸の検出電極461及び463は同極とされ、Z軸の検出電極463及び464は同極とされている。また、第5脚部407及び第6脚部408において、X軸の励振電極471,473,481及び483は同極とされ、X軸の励振電極472,474,482及び484は同極とされている。一方、第7脚部409及び第8脚部410において、X軸の検出電極491,494,415,418は同極とされ、X軸の検出電極492,493,416,417は同極となっている。
In the
図4に示す慣性センサ素子400では、Y軸の励振電極421,422,423及び424に対して励振信号を印加し、第1脚部402及び第2脚部403を励振させる。この状態で、Y軸の検出電極431,432,433及び434により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Y軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度が発生している方向も検知することが可能となる。
In the
また、Z軸の励振電極441,442,443,444,451,452,453及び454に対して励振信号を印加し、第3脚部404及び第4脚部405を励振させる。この状態で、Z軸の検出電極461,462,463,464により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Z軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能である。
Further, excitation signals are applied to the Z-
また、X軸の励振電極471,472,473,474,481,482,483及び484に対して励振信号を印加し、第5脚部407及び第6脚部408を励振させる。この状態で、X軸の検出電極491,492,493,494,415,416,417及び418により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、X軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能である。図4に示す慣性センサ素子400によれば、X軸、Y軸、及びZ軸の3軸の方向の角速度が検出できるようになる。
Further, excitation signals are applied to the
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図6は、本発明おける慣性センサ素子を慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図7は、図6に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図7(a)は仮想切断線i−i′,図2(b)は仮想切断線j−j′,図2(c)は仮想切断線k−k′及び図2(d)は仮想切断線m−m′に各々対応している。図6に示す慣性センサ素子600は、図1に示した慣性センサ素子100の脚部102,103,106,107の各脚部付け根の根元部分に脚部の長さ方向に伸び且つ素子の表裏両主面間を貫通する穴を設けた構造である。慣性センサ素子600は水晶から構成されており、基部601より一方に延在(図8中のYl方向に延在)して配設された第1脚部602及び第2脚部603から構成される614と、基部601を挟んで614は反対の方向に基部601より延在(図8中のY′1方向に延在)して配設された第3脚部604及び第4脚部605から構成される第2の音叉振動部615とを備え、更に慣性センサ素子600の同一主面内で、614及び第2の音叉振動部615が設けられた基部601の2側面と垂直に交わる他の2側面の一方に、第5脚部606(図8中のY′3方向に延在)及び第6脚部607(図8中のY2方向に延在)から構成される第3の音叉振動部616を、もう一方の側面に第7脚部608(図8中のY′2方向に延在)及び第8脚部609(図8中のY3方向に延在)から構成される第4の音叉振動部617から構成されている。各々の脚部は、角柱状に形成されており、第1脚部602の根元部分には貫通穴610を、第2脚部603の根元部分には貫通穴611を、第5脚部606の根元部分には貫通穴612を、第6脚部607の根元部分には貫通穴613を備えた構造となっている。
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a perspective view illustrating an example of an external configuration of an inertial sensor element according to the present invention, illustrating an angular velocity sensor element that is one of the inertial sensor elements. 7A and 7B are cross-sectional views taken along the virtual cutting lines shown in FIG. 6, respectively. FIG. 7A shows a virtual cutting line ii ′, and FIG. 2B shows a virtual cutting line j-j. 2 (c) corresponds to the virtual cutting line kk ′ and FIG. 2 (d) corresponds to the virtual cutting line mm ′. An
このように構成された各脚部において、Y軸の励振電極621,622,633及び634は同極とされ、Y軸の励振電極623,624,631及び632は同極とされている。Y軸の検出電極641,644,652及び653は同極とされ、Y軸の検出電極642,643,651及び654は同極とされている。X軸の励振電極661,662,671及び672は同極とされ、X軸の励振電極663,664,673及び674は同極とされている。又、X軸の検出電極681,684,691及び694は同極とされ、X軸の検出電極682,683,692及び693は同極とされている。
In each leg portion configured as described above, the Y-
図6に示す慣性センサ素子600では、Y軸の励振電極621,622,623,624,631,632,633及び634に対して励振信号を印加し、第1脚部602及び第2脚部603を励振させる。第1脚部602及び第2脚部603の根元部分に貫通穴610及び611を設け、上記及び図7(a)に示したように電極を構成することで、電気軸方向に平行に電界をかけることが可能であり、且つ励振脚部全範囲に電界を分布することができるので、効率良く電界をかけることができるため、等価直列抵抗Rlが小さく、Q値が高く、大きい角速度検出感度の慣性センサ素子を得られる。この状態で、Y軸の検出電極641,642,643,644,651,652,653及び654により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Y軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度が発生している方向も検知することが可能となる。
In the
また、X軸の励振電極661,662,663,664,671,672,673及び674に対して励振信号を印加し、第5脚部606及び第6脚部607を励振させる。この場合においても、同様に第5脚部606及び第6脚部607の根元部分に貫通穴612及び613を設けることで、上記第1脚部602及び第2脚部603と同様な作用を奏し、等価直列抵抗Rlが小さく、Q値が高く、大きい角速度検出感度の慣性センサ素子を得られる。X軸の検出電極681,682,683,684,691,692,693及び694により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、X軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能である。図6に示す慣性センサ素子によれば、X軸及びY軸の2つの空間軸方向の角速度が検出できるようになる。
Further, an excitation signal is applied to the X-axis excitation electrodes 661, 662, 663, 664, 671, 672, 673, and 674, and the
尚、上述した各実施例では、X軸及びY軸の2つの空間軸方向の慣性力(角速度)が検出できる慣性センサ素子の形態を開示したが、本発明は上記実施例に開示の形態に限定されるものではなく、X軸、Y軸及びZ軸の3つの空間軸方向の慣性力(角速度)を検出できる形態の慣性センサ素子も含まれることは自明である。又、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等は可能である。 In each of the embodiments described above, the form of the inertial sensor element that can detect the inertial forces (angular velocities) in the two spatial axis directions of the X axis and the Y axis has been disclosed. However, the present invention is disclosed in the form disclosed in the above examples. It is obvious that the present invention includes an inertial sensor element that can detect inertial forces (angular velocities) in the three spatial axis directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis. Various changes and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
100,400,600・・・慣性センサ素子
101,401,601・・・基部
102,402,602・・・第1脚部
103,403,603・・・第2脚部
104,404,604・・・第3脚部
105,405,605・・・第4脚部
106,407,606・・・第5脚部
107,408,607・・・第6脚部
108,409,608・・・第7脚部
109,410,609・・・第8脚部
406・・・第9脚部
110,411,614・・・第1の音叉振動部
111,412,615・・・第2の音叉振動部
112,413,616・・・第3の音叉振動部
113,414,617・・・第4の音叉振動部
121,122,123,124,131,132,133,134,421,422,423,424,441,442,443,444,451,452,453,454,471,472,473,474,481,482,483,484,621,622,623,624,631,632,633,634,661,662,663,664,671,672,673,674・・・励振電極
141,142,143,144,151,152,153,154,431,432,433,434,461,462,463,464,491,492,493,494,415,416,417,418,641,642,643,644,651,652,653,654,681,682,683,684,691,692,693,694・・・検出電極
610,611,612,613・・・貫通穴
100, 400, 600 ...
Claims (2)
該第1脚部及び該第2脚部に各々設けられた第1の励振電極と、該第3脚部及び該第4脚部に各々設けられた該第1の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で該第3脚部及び該第4脚部が延在する方向のY軸を中心とした該慣性センサ素子の回転により起こる第1振動を検出するための第1の検出電極と、該第5脚部及び該第6脚部に各々設けられた第2の励振電極と、該第7脚部及び第8脚部に各々設けられて該第2の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で該第7脚部及び該第8脚部が配設された平面のX軸を中心とした該慣性センサ素子の回転により起こる第2振動を検出するための第2の検出電極とを備えていることを特徴とする慣性センサ素子。 A base, a first tuning fork vibrating part having a prismatic first leg and a second leg extending from one side of the base, and a 180 ° sandwiching the base with respect to the first tuning fork vibrating part A second tuning-fork vibration part having a prismatic third leg part and a fourth leg part extending from one side of the base part facing each other, and a 90 ° position with the base part sandwiched between the first tuning-fork vibration part; A third tuning fork vibrating portion having a prismatic fifth leg portion and a sixth leg portion extending from one side of the base portion, and opposite to the third tuning fork vibrating portion by 180 ° across the base portion And a fourth tuning fork vibrating portion having a prismatic seventh leg portion and an eighth leg portion extending from one side of the base portion, the base portion, the first tuning fork vibrating portion, and the second tuning fork vibrating portion. , The third tuning fork vibrating part and the fourth tuning fork vibrating part are integrally formed of a piezoelectric material,
Bending vibration is driven by the first excitation electrodes provided on the first leg and the second leg, respectively, and the first excitation electrodes provided on the third leg and the fourth leg, respectively. A first detection electrode for detecting a first vibration caused by rotation of the inertial sensor element about the Y axis in a direction in which the third leg and the fourth leg extend in a state where the third leg and the fourth leg extend. A second excitation electrode provided on each of the fifth leg portion and the sixth leg portion; and a flexural vibration driven by the second excitation electrode provided on the seventh leg portion and the eighth leg portion, respectively. A second detection electrode for detecting a second vibration caused by rotation of the inertial sensor element about the X axis of the plane on which the seventh leg portion and the eighth leg portion are disposed inertial sensor element characterized that you have provided and.
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