KR20140001223A

KR20140001223A - 각속도 센서

Info

Publication number: KR20140001223A
Application number: KR1020137013867A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 후지이; 겐사쿠 야마모토
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2014-01-06
Also published as: JP6078901B2; US10119821B2; JPWO2012090452A1; US9303993B2; US20160195395A1; US20130239681A1; CN103250028A; WO2012090452A1

Abstract

각속도 센서는, XYZ공간으로 정의되는 형상을 가지고 또한 Z축 둘레의 각속도를 검출할 수 있는 검출 소자를 구비한다. 검출 소자는, X축 방향으로 연장되는 지지체와, 지지체에 접속된 아암과, 그 아암에 접속된 추를 가진다. 아암은, 지지체에 접속된 제1 단과, 아암에 접속된 제2 단을 가진다. 아암은, 제1 단으로부터 Y축 방향으로 제1 각부까지 연장되는 제1 아암부와, 제1 각부로부터 X축 방향으로 제2 각부까지 연장되는 제2 아암부와, 제2 각부로부터 Y축 방향으로 제2 단까지 연장되는 제3 아암부로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암의 X축 방향의 길이는 추의 X축 방향의 길이보다 크다. 이 각속도 센서는, Z축 둘레의 각속도에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.

Description

각속도 센서{ANGULAR VELOCITY SENSOR}

본 발명은, 휴대 단말이나 차량 등에 이용되는 각속도 센서에 관한 것이다.

도 11은 종래의 각속도 센서의 검출 소자(101)의 상면도이다. 검출 소자(101)는, XYZ공간에 있어서, X축 방향으로 연신(延伸)한 지지체(102)와, 지지체(102)에 일단(103A)이 접속된 아암(103)과, 아암(103)의 타단(103D)에 접속된 추(199)를 구비한다. 아암(103)의 일단(103A)은 지지체(102)의 측면에 접속되어 있다. 아암(103)은 각부(角部)(103B, 103C)를 가지는 J자형상을 가진다. 추(199)는 XY평면 내에서 구동 진동된다.

검출 소자(101)를 구비한 각속도 센서와 유사한 종래의 각속도 센서는, 예를 들어, 특허 문헌 1에 개시되어 있다.

검출 소자(101)에서는 Z축 둘레의 각속도의 검출 감도를 향상시키는 것이 어렵다.

일본국 특허 공개 2008-46058호 공보

각속도 센서는, XYZ공간으로 정의되는 형상을 가지고 또한 Z축 둘레의 각속도를 검출할 수 있는 검출 소자를 구비한다. 검출 소자는, X축 방향으로 연장되는 지지체와, 지지체에 접속된 아암과, 그 아암에 접속된 추를 가진다. 아암은, 지지체에 접속된 제1 단과, 아암에 접속된 제2 단을 가진다. 아암은, 제1 단으로부터 Y축 방향으로 제1 각부까지 연장되는 제1 아암부와, 제1 각부로부터 X축 방향으로 제2 각부까지 연장되는 제2 아암부와, 제2 각부로부터 Y축 방향으로 제2 단까지 연장되는 제3 아암부로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암의 X축 방향의 길이는 추의 X축 방향의 길이보다 크다.

이 각속도 센서는, Z축 둘레의 각속도에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자의 상면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 검출 소자의 선2-2에 있어서의 단면도이다.
도 3은 실시 형태 1에 있어서의 검출 소자의 구동 진동과 검출 진동을 도시하는 상면도이다.
도 4는 실시 형태 2에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자의 상면도이다.
도 5는 실시 형태 2에 있어서의 검출 소자의 구동 진동을 도시하는 상면도이다.
도 6은 실시 형태 3에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자의 상면도이다.
도 7은 실시 형태 3에 있어서의 다른 각속도 센서의 다른 검출 소자의 상면도이다.
도 8은 실시 형태 4에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자의 상면도이다.
도 9는 실시 형태 4에 있어서의 각속도 센서의 다른 검출 소자의 상면도이다.
도 10은 실시 형태 4에 있어서의 각속도 센서의 또 다른 검출 소자의 상면도이다.
도 11은 종래의 각속도 센서의 검출 소자의 상면도이다.

(실시 형태 1)

도 1은 실시 형태 1에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자(1)의 상면도이다. 도 1에 있어서 서로 직각인 X축과 Y축과 Z축을 정의한다. 각속도 센서는, Z축 둘레의 각속도를 검출하는 검출 소자(1)를 구비한다. 검출 소자(1)는 XYZ공간으로 정의되는 형상을 가진다. 검출 소자(1)는, X축 방향으로 연신한 지지체(8)와, 지지체(8)의 측면에 접속된 단(3A)을 가지는 아암(3)과, 단(3A)의 반대측 아암(3)의 단(3D)에 접속된 추(4)를 구비한다. 아암(3)은 각부(3B, 3C)를 가지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(3)의 X축 방향의 길이(W1)는 추(4)의 X축 방향의 길이(W2)보다 크다.

실시 형태 1에 있어서의 각속도 센서에서는, 검출 소자(1)의 구동 진동의 공진 주파수와 Z축 둘레의 각속도 검출 진동의 공진 주파수를 근접시킬 수 있으므로, 검출 소자(1)의 Z축 둘레의 각속도의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.

도 11에 도시하는 종래의 검출 소자(101)에 있어서는, 아암(103)의 X축 방향의 길이(W101)가 추(199)의 X축 방향의 길이(W102)에 비해 작다. 이러한 경우에는, 검출 소자(101)의 구동 진동의 공진 주파수와 Z축 둘레의 각속도가 더해졌을 때의 검출 진동의 공진 주파수가 떨어져 있으므로, 검출 소자(101)의 Z축 둘레의 각속도의 검출 감도를 향상시키는 것이 어렵다는 것을 발명자는 찾아냈다.

실시 형태 1에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자(1)의 구성을 상세하게 설명한다.

지지체(8)는 검출 소자(1)를 지지하는 고정 부재이다. 지지체(8)는, 검출 소자(1)를 격납하는 패키지에 다른 지지 부재나 접착제 등을 이용하여 고정된다.

아암(3)은, 지지체(8)의 측면에 단(3A)으로부터, 추(4)에 접속된 단(3D)까지 연장된다. 구체적으로는, 아암(3)은, Y축 정방향(Y1)으로 단(3A)으로부터 각부(3B)까지 연장되는 아암부(3E)와, X축 정방향(X1)으로 각부(3B)로부터 각부(3C)까지 연장되는 아암부(3F)와, Y축 음방향(Y2)으로 각부(3C)로부터 단(3D)까지 연장되는 아암부(3G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(3) 및 추(4)는 X축과 Y축을 포함하는 XY평면 내에서 구동 진동시킬 수 있고, 또한, Z축 방향으로 휘게 할 수 있다.

지지체(8), 아암(3) 및 추(4)는, 수정, LiTaO₃ 또는 LiNbO₃ 등의 압전 재료를 이용하여 형성해도 되고, 실리콘, 다이아몬드, 용융 석영, 알루미나 또는 GaAs 등의 비압전 재료를 이용하여 형성해도 된다. 특히, 실리콘을 이용함으로써, 미세 가공 기술을 이용해 매우 소형으로 검출 소자(1)를 형성하는 것이 가능해짐과 더불어, 회로 등의 IC와 일체로 형성하는 것도 가능해진다.

지지체(8), 아암(3) 및 추(4)는, 각각 상이한 재료 또는 동일한 재료로부터 형성한 후에 조립하여 형성해도 되고, 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성해도 된다. 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성하는 경우는, 드라이 에칭 또는, 웨트 에칭을 이용함으로써, 지지체(8), 아암(3) 및 추(4)를 동일 프로세스로 형성할 수 있기 때문에, 효율적으로 검출 소자(1)를 제조할 수 있다.

아암(3)의 아암부(3E)에는, J자형상의 내측 둘레측과 외측 둘레측에 위치하는 2개의 구동부(5)가 설치되어 있다. 2개의 구동부(5)에 서로 역위상의 전압을 인가함으로써, 아암(3)과 추(4)를 XY평면 내에 진동시킬 수 있다. 실시 형태 1에 있어서는, 구동부(5)에는 티탄산지르콘산연(PZT)으로 이루어지는 피에조 소자를 이용한 압전 방식을 채용하고 있으나, 전극간의 정전(靜電) 용량을 이용한 정전 방식을 이용할 수도 있다.

도 2는 도 1에 도시하는 검출 소자(1)의 선2-2에 있어서의 단면도이며, 구동부(5)를 도시한다. 구동부(5)는, 아암(3)상에 설치된 하부 전극(11A)과, 하부 전극(11A)상에 설치된 피에조 소자(11B)와, 피에조 소자(11B)상에 설치된 상부 전극(11C)을 가지고, 피에조 소자(11B)는 하부 전극(11A) 및 상부 전극(11C)에 끼워져 있다. 하부 전극(11A) 및 상부 전극(11C)으로서, 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 이들을 주성분으로 한 합금 또는 산화물을 이용할 수 있다. 또한, 하부 전극(11A)으로서 백금(Pt)을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, PZT를 일 방향으로 배향시킬 수 있다. 여기서, 하부 전극(11A)에 기준 전위를 인가한다. 상부 전극(11C)에 서로 역위상의 교류의 구동 전압을 인가함으로써, 아암(3)을 XY평면 내에서 진동시킬 수 있다. 또한, 하부 전극(11A)에 기준 전위를 인가하지 않고, 하부 전극(11A) 및 상부 전극(11C)에 더불어 교류의 구동 전압을 인가해도 된다. 이에 의해, 큰 진폭으로 아암(3)과 추(4)를 진동시킬 수 있어, 구동 효율을 개선할 수 있다.

아암(3)의 아암부(3F)에는, J자형상의 내측 둘레측과 외측 둘레측에 위치하는 2개의 검출부(6)가 설치되어 있다. 검출부(6)는, 아암(3)에 각속도가 더해졌을 때의 변형을 검출함으로써 추(4)의 진동을 검출한다. 검출부(6)는 피에조 소자를 이용한 압전 방식을 채용하고 있으나, 전극간의 정전 용량을 이용한 정전 방식을 이용할 수도 있다. 피에조 소자를 이용한 압전 방식을 채용하는 경우에는, 구동부(5)와 같은 구조의, 피에조 소자를 하부 전극 및 상부 전극에 끼워 형성할 수 있다.

이하, 실시 형태 1에 있어서의 각속도 센서의 동작에 대해 설명한다.

도 3은 검출 소자(1)의 구동 진동과 검출 진동을 도시하는 상면도이다. 외부의 구동 회로로부터 구동부(5)에 구동 진동의 공진 주파수의 교류 전압이 인가되면, 아암(3)과 추(4)가 구동 진동 방향(D1)을 따라 XY평면 내에서 구동 진동한다. 이때, Z축 둘레에 각속도가 더해지면, 구동 진동 방향(D1)과 직교한 방향에 코리올리힘이 발생한다. 이 코리올리힘에 의해, 검출 진동 방향(D2)으로 구동 진동과 동조한 검출 진동이 추(4)에 발생한다. 검출 진동에 의해 발생한 아암(3)의 뒤틀림을 검출부(6)에서 아암(3)의 변형으로서 검출함으로써 각속도를 검출한다.

검출 진동 방향(D2)의 검출 진동 공진 주파수는, 구동 진동 방향(D1)의 구동 진동 공진 주파수의 근방으로 설정하는 것이 바람직하다. 이는, 각속도가 더해졌을 때에 발생하는 검출 진동은 구동 진동과 동조하므로, 검출 진동의 공진 주파수가 구동 진동의 공진 주파수에 근접하면, 그만큼 검출 진동이 크게 여기되기 쉽기 때문이다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 구동 진동 방향(D1)과 검출 진동 방향(D2)은 상이하므로, 일반적으로는 구동 진동 공진 주파수와 검출 진동 공진 주파수를 근접시키는 것이 어렵다. 예를 들어, 도 11에 도시하는 종래의 검출 소자(101)의 구동 진동 공진 주파수를 40kHz 정도로 설계하면, 검출 진동 공진 주파수는 65kHz 부근이 되고, 서로의 공진 주파수가 25kHz나 떨어져 버린다. 이로 인해, 종래의 검출 소자(101)에서는 Z축 둘레의 각속도에 대한 감도가 낮아진다.

실시 형태 1에 있어서의 검출 소자(1)에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 아암(3)의 X축 방향의 길이(W1)는, 추의 X축 방향의 길이(W2)보다 크다. 이에 의해 아암(3)의 각부(3C) 부근의 강성이 작아진다. 각부(3C)에는 Z축 둘레의 각속도의 인가시의 검출 공진 진동시에 응력이 집중하기 쉬우므로, 각부(3C)에서의 강성을 작게 함으로써, Z축 둘레 각속도의 인가시의 검출 공진 진동의 공진 주파수를 낮추는 것이 가능해진다. 실시 형태 1에 있어서의 검출 소자(1)에서는, 구동 진동 공진 주파수 40kHz에 대해, 검출 진동 공진 주파수는 45kHz 정도의 설계가 가능해져, 공진 주파수의 차를 5kHz 이내로 할 수 있다. 이에 의해, 종래의 검출 소자(1)에 비해 약 5배의 Z축 둘레의 각속도의 감도가 얻어진다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 아암부(3F)의 Y축 방향의 폭(WF)은, 아암부(3E)의 X축 방향의 폭(WE)보다 작게 하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 각부(3C) 부근의 강성을 낮출 수 있으므로, 구동 진동 공진 주파수와 검출 진동 공진 주파수를 근접시킬 수 있다. 또, 아암부(3G)의 X축 방향의 폭(WG)은, 아암부(3F)의 Y축 방향의 폭(WF)보다 작께 하는 것으로도 각부(3C) 부근의 강성을 낮출 수 있으므로, 구동 진동 공진 주파수와 검출 진동 공진 주파수를 근접시킬 수 있다. 또, 각부(3B)의 내측 둘레의 곡률 반경을 각부(3C)의 내측 둘레의 곡률 반경보다 크게 해도 되고, 이에 의해서도 각부(3C) 부근의 강성을 낮출 수 있으므로, 구동 진동 공진 주파수와 검출 진동 공진 주파수를 근접시킬 수 있다. 이들 구성은 각각 단독으로도 효과가 얻어지나, 조합함으로써 더 구동 진동 공진 주파수와 검출 진동 공진 주파수를 근접시킬 수 있어, 그 결과, Z축 둘레의 각속도의 감도를 더 높일 수 있다.

또한, 도 3에 도시하는 구동 진동 방향(D1)으로 아암(3)과 추(4)를 구동 진동시킨 경우, 아암부(3E)에 뒤틀림이 집중하기 쉽다. 따라서, 아암부(3E)에 구동부(5)를 설치함으로써 구동 효율을 개선할 수 있다.

마찬가지로, 도 3에 도시하는 검출 진동 방향(D2)으로 아암(3)과 추(4)를 검출 진동시킨 경우, 아암부(3F)에 뒤틀림이 집중하기 쉽다. 따라서, 아암부(3F)에 검출부(6)를 설치함으로써, 검출 효율을 개선할 수 있다.

아암(3)의 단(3D)은 추(4)의 Y축 방향의 폭의 실질적으로 중앙에 접속되어 있다.

또, 아암(3)의 단(3D)은 추(4)의 X축 정방향(X1)의 단에 접속되어 있다. 이 구성에 의해 추(4)가 아암(3)의 J자형상의 내측으로 들어가므로, 소형의 검출 소자(1)가 얻어진다.

(실시 형태 2)

도 4는 실시 형태 2에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자(10)의 상면도이다. 도 4에 있어서 도 1 내지 도 3에 도시하는 검출 소자(1)와 같은 부분에는 같은 참조 번호를 붙인다.

실시 형태 2에 있어서의 각속도 센서는, 각속도를 검출하는 검출 소자(10)를 구비한다. 검출 소자(10)는, Y축 방향으로 연장되는 2개의 세로보(7)와, X축 방향으로 연신하는 가로보인 지지체(8)와, 지지체(8)로부터 Y축 정방향(Y1)에 위치하는 진동부(9A, 9B)와, 지지체(8)로부터 Y축 음방향(Y2)에 위치하는 진동부(9C, 9D)를 구비한다. 지지체(8)의 양단부(8A, 8B)는 2개의 세로보(7)의 대략 중앙부에 각각 접속되어 있다.

진동부(9B)는, 도 1~도 3에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 검출 소자(1)와 마찬가지로, 지지체(8)의 측면에 접속된 아암(3)과, 아암(3)의 단(3D)에 접속된 추(4)를 구비한다. 실시 형태 1과 마찬가지로, 아암(3)의 X축 방향의 길이는, 추(4)의 X축 방향의 길이보다 크다. 진동부(9A)는, 지지체(8)에 접속된 아암(53)과, 아암(53)에 접속된 추(54)를 구비한다. 진동부(9C)는, 지지체(8)에 접속된 아암(63)과, 아암(63)에 접속된 추(64)를 구비한다. 진동부(9D)는, 지지체(8)에 접속된 아암(73)과, 아암(73)에 접속된 추(74)를 구비한다. 아암(53, 63, 73)은 도 1에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 아암(3)과 같은 형상을 가지고 있다. 아암(3, 53, 63, 73)은 지지체(8)의 중앙에 위치하는 중간부(8C)에 접속되어 있다. 추(54, 64, 74)는 도 1에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 추(4)와 같은 형상을 가지고 있다.

즉, 아암(53)은, 지지체(8)의 중간부(8C)에 접속된 단(53A)과, 단(53A)의 반대측의 단(53D)을 가진다. 추(54)는 아암(53)의 단(53D)에 접속되어 있다. 아암(53)은, 단(53A)으로부터 Y축 정방향(Y1)으로 각부(53B)까지 연장되는 아암부(53E)와, 각부(53B)로부터 X축 음방향(X2)으로 각부(53C)까지 연장되는 아암부(53F)와, 각부(53C)로부터 Y축 음방향(Y2)으로 단(53D)까지 연장되는 아암부(53G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(53)의 X축 방향의 길이는 추(54)의 X축 방향의 길이보다 크다. 아암부(53F)의 Y축 방향의 폭은 아암부(53E)의 X축 방향의 폭보다 작다. 아암부(53G)의 X축 방향의 폭은 아암부(53F)의 Y축의 폭보다 작다. 각부(53B)의 내측 둘레의 곡률 반경은 각부(53C)의 내측 둘레의 곡률 반경보다 크다.

마찬가지로, 아암(63)은, 지지체(8)의 중간부(8C)에 접속된 단(63A)과, 단(63A)의 반대측의 단(63D)을 가진다. 추(64)는 아암(63)의 단(63D)에 접속되어 있다. 아암(63)은, 단(63A)으로부터 Y축 음방향(Y2)으로 각부(63B)까지 연장되는 아암부(63E)와, 각부(63B)로부터 X축 음방향(X2)으로 각부(63C)까지 연장되는 아암부(63F)와, 각부(63C)로부터 Y축 정방향(Y1)으로 단(63D)까지 연장되는 아암부(63G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(63)의 X축 방향의 길이는 추(64)의 X축 방향의 길이보다 크다. 아암부(63F)의 Y축 방향의 폭은 아암부(63E)의 X축 방향의 폭보다 작다. 아암부(63G)의 X축 방향의 폭은 아암부(63F)의 Y축의 폭보다 작다. 각부(63B)의 내측 둘레의 곡률 반경은 각부(63C)의 내측 둘레의 곡률 반경보다 크다.

마찬가지로, 아암(73)은, 지지체(8)의 중간부(8C)에 접속된 단(73A)과, 단(73A)의 반대측의 단(73D)을 가진다. 추(74)는 아암(73)의 단(73D)에 접속되어 있다. 아암(73)은, 단(73A)으로부터 Y축 음방향(Y2)으로 각부(73B)까지 연장되는 아암부(73E)와, 각부(73B)로부터 X축 정방향(X1)으로 각부(73C)까지 연장되는 아암부(73F)와, 각부(73C)로부터 Y축 정방향(Y1)으로 단(73D)까지 연장되는 아암부(73G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(73)의 X축 방향의 길이는 추(74)의 X축 방향의 길이보다 크다. 아암부(73F)의 Y축 방향의 폭은 아암부(73E)의 X축 방향의 폭보다 작다. 아암부(73G)의 X축 방향의 폭은 아암부(73F)의 Y축의 폭보다 작다. 각부(73B)의 내측 둘레의 곡률 반경은 각부(73C)의 내측 둘레의 곡률 반경보다 크다.

아암(3)의 단(3D)은 추(4)의 Y축 방향의 폭의 실질적으로 중앙에 접속되어 있다. 마찬가지로, 아암(53, 63, 73)은 추(54, 64, 74)의 Y축 방향의 폭의 실질적으로 중앙에 각각 접속되어 있다.

아암(53)의 아암부(53E)와 아암부(53F)에는, 도 1과 도 2에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 구동부(5)와 검출부(6)와 같은 구동부(55)와 검출부(56)가 각각 설치되어 있다. 구동부(55)는 아암(53)을 구동하여 아암(53)과 추(54)를 XY평면 내에서 진동시킨다. 검출부(56)는 아암(53)의 진동을 검출하여 추(54)의 진동을 검출한다. 아암(63)의 아암부(63E)와 아암부(63F)에는, 도 1과 도 2에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 구동부(5)와 검출부(6)와 같은 구동부(65)와 검출부(66)가 각각 설치되어 있다. 구동부(65)는 아암(63)을 구동하여 아암(63)과 추(64)를 XY평면 내에서 진동시킨다. 검출부(66)는 아암(63)의 진동을 검출하여 추(64)의 진동을 검출한다. 아암(73)의 아암부(73E)와 아암부(73F)에는, 도 1과 도 2에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 구동부(5)와 검출부(6)와 같은 구동부(75)와 검출부(76)가 각각 설치되어 있다. 구동부(75)는 아암(73)을 구동하여 아암(73)과 추(74)를 XY평면 내에서 진동시킨다. 검출부(76)는 아암(73)의 진동을 검출하여 추(74)의 진동을 검출한다.

4개의 진동부(9A, 9B, 9C, 9D)는 X축, Y축애 대해 대칭으로 만들어져 있다. 즉, 진동부(9A, 9B)는 지지체(8)의 중간부(8C)를 통과하고 Y축에 평행한 중심축(AY)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다. 진동부(9C, 9D)는 중심축(AY)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다. 또, 진동부(9A, 9C)는 지지체(8)의 중간부(8C)를 통과하고 X축에 평행한 중심축(AX)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다. 진동부(9B, 9D)는 중심축(AX)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다.

2개의 세로보(7)는 검출 소자(10)를 지지하는 고정 부재이며, 검출 소자(10)를 격납하는 패키지에 다른 지지 부재나 접착제 등을 이용하여 고정된다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 검출 소자(10)는, 2개의 세로보(7)의 단에 각각 접속된 2개의 가로보(57)를 가지고 있어도 된다. 2개의 세로보(7)와 2개의 가로보(57)는 프레임형상의 고정 부재를 구성한다.

아암(3, 73)은 추(4, 74)의 X축 정방향(X1)의 단에 각각 접속되어 있다. 또, 아암(53, 63)은 추(54, 64)의 X축 음방향(X2)의 단에 각각 접속되어 있다. 이 구성에 의해 추(4, 54, 64, 74)가 아암(3, 53, 63, 73)의 J자형상의 내측으로 들어가므로, 2개의 세로보(7)와 2개의 가로보(57)로 이루어지는 프레임형상을 작게 할 수 있어, 소형의 검출 소자(10)가 얻어진다.

지지체(8)는 세로보(7)와 진동부(9A~9D)를 접속하고, 대칭성의 관점으로부터, 세로보(7)의 중앙부에 접속되는 것이 바람직하다. 세로보(7) 및 지지체(8)는, 실시 형태 1과 마찬가지로, 진동부(9A~9D)와 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성하면, 효율적으로 제조할 수 있다.

도 5는 검출 소자(10)의 구동 진동을 도시하는 상면도이다. 검출 소자(10)의 진동부(9A~9D)에서는, 구동부(5, 55, 65, 75)에 교류 신호를 인가함으로써 아암(3, 53, 63, 73)을 구동 진동 방향(D1)으로 구동 진동시킴으로써 추(4, 54, 64, 74)를 XY평면 내에서 구동 진동 방향(D1)으로 진동시킬 수 있다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 4개의 진동부(9A~9D)의 진동은 XY평면 내에서 서로 상쇄하여, 검출 소자(10)의 외부로 새는 진동을 저감시킬 수 있다. 특히, 진동부(9A~9D), 세로보(7) 및 지지체(8)를 중심축(AX, AY)에 관하여 대칭으로 설계함으로써, 원리상 완전히 누설 진동을 없앨 수 있다. 이에 의해, 누설 진동에 의한 구동 진동의 Q값의 저감도 막을 수 있는데다가, 검출부(6)에서 불필요한 신호를 잡는 것을 막을 수 있다.

이상과 같이 4개의 진동부(9A~9D)를 가지는 검출 소자(10)는, 진동의 Q값의 저감을 막을 수 있으므로 구동 효율이 높고, 또한, 불필요한 신호를 잡기 어려운 정도가 높은 각속도 센서를 실현할 수 있다.

(실시 형태 3)

도 6은 실시 형태 3에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자(110)의 상면도이다. 도 6에 있어서, 도 1에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 검출 소자(1)와 같은 부분에는 같은 참조 번호를 붙인다.

도 1에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 검출 소자(1)에서는, 아암(3)의 단(3D)은 추(4)의 Y축 방향의 폭의 실질적으로 중앙에 접속되어 있다.

도 6에 도시하는 실시 형태 3에 있어서의 검출 소자(110)에서는, 아암(3)의 단(3D)은 추(4)의 Y축 음방향(Y2)의 단에 접속되어 있다. 이 구조에 의해, 각부(3C)로부터 단(3D)까지 연장되는 아암부(3G)의 Y축 방향의 길이를 추(4)의 Y축 방향의 폭의 1/2 이상으로 할 수 있다. 이에 의해 구동 진동의 공진 주파수와 검출 진동의 공진 주파수를 더 근접시킬 수 있어, 검출 진동의 진폭이 커져 각속도 센서의 Z축 둘레의 각속도에 대한 감도를 높게 할 수 있다.

도 7은 실시 형태 3에 있어서의 각속도 센서의 다른 검출 소자(210)의 상면도이다. 도 7에 있어서, 도 6에 도시하는 검출 소자(110)와 같은 부분에는 같은 참조 번호를 붙인다. 도 7에 도시하는 검출 소자(210)는, 도 6에 도시하는 검출 소자(110)의 구동부(5)와 검출부(6) 대신에 구동부(185, 285, 385, 485)와 검출부(186, 286, 486)를 구비하고, 모니터부(386)를 더 구비한다. 구동부(185, 285, 385, 485)와 검출부(186, 286, 486)와 모니터부(386)는 도 2에 도시하는 실시 형태 1에 있어서의 구동부(5)와 같은 구조를 가진다.

구동부(185, 285)는 아암(3)의 단(3A)의 근방으로부터 아암부(3E)를 거쳐 각부(3B)를 넘어 아암부(3F)까지 아암(3)을 따라 연장되고 있다. 구동부(185)는 아암(3)의 J자형상의 외측 둘레측에 설치되어 있다. 구동부(185)에 비해 구동부(285)는 J자형상의 내측 둘레측에 위치하고 있다. 검출부(186, 286)는 아암(3)의 단(3D)의 근방으로부터 아암부(3G)를 거쳐 각부(3C)를 넘어 아암부(3F)까지 아암(3)을 따라 연장되고 있다. 검출부(186)는 아암(3)의 J자형상의 외측 둘레측에 설치되어 있다. 검출부(186)에 비해 검출부(286)는 J자형상의 내측 둘레측에 위치하고 있다.

구동부(385, 485)는 아암부(3F)를 따라 아암부(3F)에 설치되어 있다. 구동부(385)는 아암(3)의 J자형상의 외측 둘레측에 설치되어 있다. 구동부(385)에 비해 구동부(485)는 J자형상의 내측 둘레측에 위치하고 있다. 모니터부(386)와 검출부(486)는 아암부(3F)를 따라 아암부(3F)에 설치되어 있다. 모니터부(386)는 아암(3)의 J자형상의 외측 둘레측에 설치되어 있다. 모니터부(386)에 비해 검출부(486)는 J자형상의 내측 둘레측에 위치하고 있다. 구동부(385)와 모니터부(386)는 구동부(185)와 검출부(186)의 사이에 위치하고, 구동부(485)와 검출부(486)는 구동부(285)와 검출부(286)의 사이에 위치하고 있다. 모니터부(386)는 구동부(185)와 구동부(385)의 사이에 위치하고, 검출부(486)는 구동부(285)와 구동부(485)의 사이에 위치하고 있다.

구동부(185, 285, 385, 485)는 도 1에 도시하는 구동부(5)와 마찬가지로 동작한다. 검출부(186, 286, 486)는 도 1에 도시하는 검출부(6)와 마찬가지로 동작한다. 모니터부(386)는 추(4)의 구동 진동에 동기하는 신호를 출력한다. 추(4)가 일정한 진폭과 주파수로 구동 진동하도록, 구동 회로는 그 신호에 따라 구동부(185, 285, 385, 485)에 인가하는 교류 전압을 제어한다. 검출 소자(210)는, Z축 둘레의 각속도를 더 고감도로 안정적으로 검출할 수 있다.

(실시 형태 4)

도 8은 실시 형태 4에 있어서의 각속도 센서의 검출 소자(310)의 상면도이다. 도 8에 있어서, 도 4에 도시하는 실시 형태 2에 있어서의 검출 소자(10)와 같은 부분에는 같은 참조 번호를 붙인다.

도 8에 도시하는 검출 소자(310)는, 도 4에 도시하는 실시 형태 2에 있어서의 검출 소자(10)의 추(4, 54, 64, 74) 대신에 추(104, 154, 164, 174)를 구비한다. 추(104, 154, 164, 174)는, 추(104, 154, 164, 174)의 X축 방향의 중앙부에서 아암(3, 53, 63, 73)의 단(3D, 53D, 63D, 73D)에 각각 접속되어 있다. 아암(3)(53, 63, 73)의 X축 방향의 길이(W1)는 추(104)(154, 164, 174)의 X축 방향의 길이(W102)보다 크다.

아암(53, 3, 63, 73)과 추(154, 104, 164, 174)는 진동부(109A, 109B, 109C, 109D)를 각각 구성한다. 4개의 진동부(109A, 109B, 109C, 109D)는 X축, Y축에 대해 대칭으로 만들어져 있다. 즉, 진동부(109A, 109B)는 지지체(8)의 중간부(8C)를 통과하고 Y축에 평행한 중심축(AY)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다. 진동부(109C, 109D)는 중심축(AY)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다. 또, 진동부(109A, 109C)는 지지체(8)의 중간부(8C)를 통과하고 X축에 평행한 중심축(AX)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다. 진동부(109B, 109D)는 중심축(AX)에 관하여 서로 대칭으로 설치되어 있다.

검출 소자(310)는 실시 형태 2에 있어서의 검출 소자와, Z축 둘레의 각속도에 대한 감도에 관하여 같은 효과를 가진다.

도 9는 실시 형태 4에 있어서의 다른 각속도 센서의 검출 소자(410)의 상면도이다. 도 9에 있어서, 도 4에 도시하는 실시 형태 2에 있어서의 검출 소자(10)와 같은 부분에는 같은 참조 번호를 붙인다.

도 9에 도시하는 검출 소자(410)는, 도 4에 도시하는 검출 소자(10)의 지지체(8) 대신에 지지체(208)를 구비하고 있고, 도 4에 도시하는 검출 소자(10)의 2개의 세로보(7)와 2개의 가로보(57)를 구비하고 있지 않았다. 도 4에 도시하는 검출 소자(10)는, 2개의 세로보(7)와 2개의 가로보(57)로 구성되는 프레임형상의 고정 부재로 지지된다. 도 9에 도시하는 검출 소자(410)는, 지지체(208)가 고정 부재로 지지됨으로써 검출 소자(410)를 지지한다. 아암(3, 53, 63, 73)은 지지체(208)의 중간부(208C)에 접속되어 있다. 도 9에 도시하는 지지체(208)의 Y축 방향의 폭은 도 4에 도시하는 지지체(8)의 그것보다 크다. 이에 의해 4개의 아암(3, 53, 63, 73)과 4개의 추(4, 54, 64, 74)를 구비하는 검출 소자(410)를 강고하게 지지할 수 있다.

도 10은 실시 형태 4에 있어서의 또 다른 각속도 센서의 검출 소자(510)의 상면도이다. 도 10에 있어서, 도 4에 도시하는 실시 형태 2에 있어서의 검출 소자(10)와 같은 부분에는 같은 참조 번호를 붙인다.

도 4에 도시하는 검출 소자(10)에서는, 아암(3, 53, 63, 73)의 단(3A, 53A, 63A, 73A)은 지지체(8)의 중간부(8C)에 접속되어 있다. 도 10에 도시하는 검출 소자(510)에서는, 아암부(53, 63)의 단(53A, 63A)은 지지체(8)의 세로보(7)에 접속되어 있는 단부(8A)에 접속되고, 아암부(3, 73)의 단(3A, 73A)은 지지체(8)의 세로보(7)에 접속되어 있는 단부(8B)에 접속되어 있다.

도 10에 도시하는 검출 소자(510)에서는, 아암(3, 53, 63, 73)의 J자형상이, 도 4에 도시하는 검출 소자(10)의 반대로 되어 있다. 즉, 아암(53)은, 단(53A)으로부터 Y축 정방향(Y1)으로 각부(53B)까지 연장되는 아암부(53E)와, 각부(53B)로부터 X축 정방향(X1)으로 각부(53C)까지 연장되는 아암부(53F)와, 각부(53C)로부터 Y축 음방향(Y2)으로 단(53D)까지 연장되는 아암부(53G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(3)은, 단(3A)으로부터 Y축 정방향(Y1)으로 각부(3B)까지 연장되는 아암부(3E)와, 각부(3B)로부터 X축 음방향(X2)으로 각부(53C)까지 연장되는 아암부(3F)와, 각부(3C)로부터 Y축 음방향(Y2)으로 단(3D)까지 연장되는 아암부(3G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(63)은, 단(63A)으로부터 Y축 음방향(Y2)으로 각부(63B)까지 연장되는 아암부(63E)와, 각부(63B)로부터 X축 정방향(X1)으로 각부(63C)까지 연장되는 아암부(63F)와, 각부(63C)로부터 Y축 정방향(Y1)으로 단(63D)까지 연장되는 아암부(63G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다. 아암(73)은, 단(73A)으로부터 Y축 음방향(Y2)으로 각부(73B)까지 연장되는 아암부(73E)와, 각부(73B)로부터 X축 음방향(X2)으로 각부(73C)까지 연장되는 아암부(73F)와, 각부(73C)로부터 Y축 정방향(Y1)으로 단(73D)까지 연장되는 아암부(73G)로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가진다.

검출 소자(510)의 진동부(9A~9D)에서는, 구동부에 교류 신호를 인가함으로써 아암(3, 53, 63, 73)을 구동 진동 방향(D301)으로 구동 진동시킴으로써 추(4, 54, 64, 74)를 XY평면 내에서 구동 진동 방향(D1)으로 진동시킬 수 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 4개의 진동부(9A~9D)의 진동은 XY평면 내에서 서로 상쇄하여, 검출 소자(10)의 외부로 새는 진동을 저감시킬 수 있다. 특히, 진동부(9A~9D), 세로보(7) 및 지지체(8)를 중심축(AX, AY)에 관하여 대칭으로 설계함으로써, 원리상 완전히 누설 진동을 없앨 수 있다. 이에 의해, 누설 진동에 의한 구동 진동의 Q값의 저감도 막을 수 있는데다가, 검출부에서 불필요한 신호를 잡는 것을 막을 수 있다.

이상과 같이, 도 10에 도시하는 검출 소자(510)는, 도 4에 도시하는 검출 소자(10)와 같은 진동의 Q값의 저감을 막을 수 있으므로 구동 효율이 높고, 또한, 불필요한 신호를 잡기 어려운 정도가 높은 각속도 센서를 실현할 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명에 관한 각속도 센서는 고감도로 각속도를 검출할 수 있으므로, 휴대 단말 용도로부터 차량 제어 용도까지 적용할 수 있다.

1 검출 소자
3 아암(제1 아암)
3A 단(제1 단)
3B 각부(제1 각부)
3C 각부(제2 각부)
3D 단(제2 단)
3E 아암부(제1 아암부)
3F 아암부(제2 아암부)
3G 아암부(제3 아암부)
4 추(제1 추)
5 구동부(제1 구동부)
6 검출부(제1 검출부)
7 세로보(제1 세로보, 제2 세로보)
8 지지체
9A 진동부(제2 진동부)
9B 진동부(제1 진동부)
9C 진동부(제4 진동부)
9D 진동부(제3 진동부)
53 아암(제2 아암)
53A 단(제3 단)
53B 각부(제3 각부)
53C 각부(제4 각부)
53D 단(제4 단)
53E 아암부(제4 아암부)
53F 아암부(제5 아암부)
53G 아암부(제6 아암부)
54 추(제2 추)
55 구동부(제2 구동부)
56 검출부(제2 검출부)
63 아암(제4 아암)
63A 단(제7 단)
63B 각부(제7 각부)
63C 각부(제8 각부)
63D 단(제8 단)
63E 아암부(제10 아암부)
63F 아암부(제11 아암부)
63G 아암부(제12 아암부)
64 추(제4 추)
65 구동부(제4 구동부)
66 검출부(제4 검출부)
73 아암(제3 아암)
73A 단(제5 단)
73B 각부(제5 각부)
73C 각부(제6 각부)
73D 단(제6 단)
73E 아암부(제7 아암부)
73F 아암부(제8 아암부)
73G 아암부(제9 아암부)
74 추(제3 추)
75 구동부(제3 구동부)
76 검출부(제3 검출부)
AX 중심축(제2 중심축)
AY 중심축(제1 중심축)

Claims

서로 직각인 X축과 Y축과 Z축을 가지는 XYZ공간으로 정의되는 형상을 가지고 또한 상기 Z축 둘레의 각속도를 검출할 수 있는 검출 소자를 구비하며,
상기 검출 소자는,
상기 X축 방향으로 연장되는 지지체와,
상기 지지체에 접속된 제1 단과, 상기 제1 단의 반대측의 제2 단을 가지는 제1 아암과,
상기 제1 아암의 상기 제2 단에 접속된 제1 추를 가지고,
상기 제1 아암은,
상기 제1 단으로부터 상기 Y축 방향으로 제1 각부(角部)까지 연장되는 제1 아암부와,
상기 제1 각부로부터 상기 X축 방향으로 제2 각부까지 연장되는 제2 아암부와,
상기 제2 각부로부터 상기 Y축 방향으로 상기 제2 단까지 연장되는 제3 아암부로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가지며,
상기 제1 아암의 상기 X축 방향의 길이는 상기 제1 추의 상기 X축 방향의 길이보다 긴, 각속도 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 아암부의 상기 Y축 방향의 폭은 상기 제1 아암부의 상기 X축 방향의 폭보다 좁은, 각속도 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제3 아암부의 상기 X축 방향의 폭은 상기 제2 아암부의 상기 Y축 방향의 폭보다 좁은, 각속도 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 각부의 곡률 반경은 상기 제2 각부의 곡률 반경보다 큰, 각속도 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 아암부에 설치되어 상기 제1 추를 진동시키는 구동부와,
상기 제2 아암부에 설치되어 상기 제1 추의 진동을 검출하는 검출부를 더 구비한, 각속도 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 검출 소자는,
상기 지지체에 접속된 제3 단과, 상기 제3 단의 반대측의 제4 단을 가지는 제2 아암과,
상기 제2 아암의 상기 제4 단에 접속된 제2 추와,
상기 지지체에 접속된 제5 단과, 상기 제5 단의 반대측의 제6 단을 가지는 제3 아암과,
상기 제3 아암의 상기 제6 단에 접속된 제3 추와,
상기 지지체에 접속된 제7 단과, 상기 제7 단의 반대측의 제8 단을 가지는 제4 아암과,
상기 제4 아암의 상기 제8 단에 접속된 제4 추를 더 가지고,
상기 제2 아암은,
상기 제3 단으로부터 상기 Y축 방향으로 제3 각부까지 연장되는 제4 아암부와,
상기 제3 각부로부터 상기 X축 방향으로 제4 각부까지 연장되는 제5 아암부와,
상기 제4 각부로부터 상기 Y축 방향으로 상기 제4 단까지 연장되는 제6 아암부로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가지며,
상기 제3 아암은,
상기 제5 단으로부터 상기 Y축 방향으로 제5 각부까지 연장되는 제7 아암부와,
상기 제5 각부로부터 상기 X축 방향으로 제6 각부까지 연장되는 제8 아암부와,
상기 제6 각부로부터 상기 Y축 방향으로 상기 제6 단까지 연장되는 제9 아암부로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가지고,
상기 제4 아암은,
상기 제7 단으로부터 상기 Y축 방향으로 제7 각부까지 연장되는 제10 아암부와,
상기 제7 각부로부터 상기 X축 방향으로 제8 각부까지 연장되는 제11 아암부와,
상기 제8 각부로부터 상기 Y축 방향으로 상기 제8 단까지 연장되는 제12 아암부로 이루어지는 J자형상을 실질적으로 가지며,
상기 제2 아암의 상기 X축 방향의 길이는 상기 제2 추의 상기 X축 방향의 길이보다 길고,
상기 제3 아암의 상기 X축 방향의 길이는 상기 제3 추의 상기 X축 방향의 길이보다 길며,
상기 제4 아암의 상기 X축 방향의 길이는 상기 제4 추의 상기 X축 방향의 길이보다 긴, 각속도 센서.
청구항 6에 있어서,
상기 Y축 방향으로 연장되는 제1과 제2 세로보를 더 구비하고,
상기 지지체는 상기 X축 방향으로 연장되며, 또한 상기 제1과 제2 세로보의 대략 중앙부에 각각 접속된 양단부를 가지는, 각속도 센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 아암과 상기 제1 추는 제1 진동부를 구성하고,
상기 제2 아암과 상기 제2 추는 제2 진동부를 구성하며,
상기 제1 진동부와 상기 제2 진동부는, 상기 지지체를 통과하고 또한 상기 Y축에 평행한 제1 중심축에 관하여 대칭으로 설치되어 있는, 각속도 센서.
청구항 8에 있어서,
상기 제3 아암과 상기 제3 추는 제3 진동부를 구성하고,
상기 제1 진동부와 상기 제3 진동부는, 상기 지지체를 통과하고 또한 상기 X축에 평행한 제2 중심축에 관하여 대칭으로 설치되어 있는, 각속도 센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 아암과 상기 제1 추는 제1 진동부를 구성하고,
상기 제2 아암과 상기 제2 추는 제2 진동부를 구성하며,
상기 제3 아암과 상기 제3 추는 제3 진동부를 구성하고,
상기 제1 진동부와 상기 제3 진동부는, 상기 지지체를 통과하고 또한 상기 X축에 평행한 제2 중심축에 관하여 대칭으로 설치되어 있는, 각속도 센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 아암의 상기 제2 아암부의 상기 Y축 방향의 폭은 상기 제1 아암부의 상기 X축 방향의 폭보다 좁고,
상기 제2 아암의 상기 제5 아암부의 상기 Y축 방향의 폭은 상기 제4 아암부의 상기 X축 방향의 폭보다 좁으며,
상기 제3 아암의 상기 제8 아암부의 상기 Y축 방향의 폭은 상기 제7 아암부의 상기 X축 방향의 폭보다 좁고,
상기 제4 아암의 상기 제11 아암부의 상기 Y축 방향의 폭은 상기 제10 아암부의 상기 X축 방향의 폭보다 좁은, 각속도 센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 아암의 상기 제3 아암부의 상기 X축 방향의 폭은 상기 제2 아암부의 상기 Y축의 폭보다 좁고,
상기 제2 아암의 상기 제6 아암부의 상기 X축 방향의 폭은 상기 제5 아암부의 상기 Y축의 폭보다 좁으며,
상기 제3 아암의 상기 제9 아암부의 상기 X축 방향의 폭은 상기 제8 아암부의 상기 Y축의 폭보다 좁고,
상기 제4 아암의 상기 제12 아암부의 상기 X축 방향의 폭은 상기 제11 아암부의 상기 Y축의 폭보다 좁은, 각속도 센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 아암의 상기 제1 각부의 곡률 반경은 상기 제2 각부의 곡률 반경보다 크고,
상기 제2 아암의 상기 제3 각부의 곡률 반경은 상기 제4 각부의 곡률 반경보다 크며,
상기 제3 아암의 상기 제5 각부의 곡률 반경은 상기 제6 각부의 곡률 반경보다 크고,
상기 제4 아암의 상기 제7 각부의 곡률 반경은 상기 제8 각부의 곡률 반경보다 큰, 각속도 센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 아암의 상기 제1 아암부에 설치되어 상기 제1 추를 진동시키는 제1 구동부와,
상기 제1 아암의 상기 제2 아암부에 설치되어 상기 제1 추의 진동을 검출하는 제1 검출부와,
상기 제2 아암의 상기 제4 아암부에 설치되어 상기 제2 추를 진동시키는 제2 구동부와,
상기 제2 아암의 상기 제5 아암부에 설치되어 상기 제2 추의 진동을 검출하는 제2 검출부와,
상기 제3 아암의 상기 제7 아암부에 설치되어 상기 제3 추를 진동시키는 제3 구동부와,
상기 제3 아암의 상기 제8 아암부에 설치되어 상기 제3 추의 진동을 검출하는 제3 검출부와,
상기 제4 아암의 상기 제10 아암부에 설치되어 상기 제4 추를 진동시키는 제4 구동부와,
상기 제4 아암의 상기 제11 아암부에 설치되어 상기 제4 추의 진동을 검출하는 제4 검출부를 더 구비한, 각속도 센서.