WO2010092806A1 - 慣性力センサとそれに用いる検出素子 - Google Patents

慣性力センサとそれに用いる検出素子 Download PDF

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    • G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up

Definitions

  • the present invention relates to inertial force sensors used in various electronic devices such as attitude control of moving objects such as aircraft, automobiles, robots, and ships, position detection of game machines and navigation, and detection elements used therefor.
  • the conventional angular velocity sensor has a detection element such as a pitch shape, an H shape, a T shape, or a disk shape.
  • the detection element is vibrated, and distortion of the detection element accompanying the generation of the Coriolis force is electrically detected to detect an angular velocity.
  • the angular velocity sensor for the navigation device detects the angular velocity around the Z axis of the vehicle. ing.
  • FIG. 11 is a perspective view of a detection element of a conventional angular velocity sensor
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG.
  • the detection element 51 has a tonality shape, and includes two arms 52 (52A, 52B) and a base 53 to which the arms 52 are connected.
  • the arm 52 is provided with a drive electrode 54 for driving and vibrating the arm 52 and a sensing electrode 55 for sensing distortion of the arm 52 caused by the angular velocity.
  • each driving electrode 54 and each sensing electrode 55 are formed of an upper electrode 57 and a lower electrode 58 in which a piezoelectric body 56 is interposed.
  • the detection element 51 is, for example, disposed upright in the Z-axis direction with respect to the XY plane.
  • the arm 52 is driven to vibrate in the X-axis direction, and the distortion due to the angular velocity around the Z-axis is sensed by the arm 52.
  • the angular velocity around the Z axis is detected.
  • the driving vibration plane (XZ plane) of the arm 52 and the strain plane (YZ plane) of the arm 52 are orthogonal to each other, and the direction of strain is opposite between the arm 52A and the arm 52B.
  • the arm 52A is distorted in the positive direction of the Y axis
  • the arm 52B is distorted in the negative direction of the Y axis.
  • Such an angular velocity sensor is disclosed, for example, in Patent Document 1.
  • the excitation frequency and the sensing frequency are designed to be the resonance frequency of the detection element 51, respectively. However, there are cases where sufficient gain can not be obtained if the detection element 51 is designed based on these indices.
  • the present invention relates to a detection element in which the gain in detecting an inertial force of a detection axis is enhanced and the sensitivity characteristic is improved, and an inertial force sensor using the same.
  • a detection element for an inertial force sensor according to the present invention has a mass portion, an excitation portion, and a detection portion.
  • the excitation unit excites the mass portion in a third direction among a first direction, a second direction, and a third direction orthogonal to each other.
  • the detection unit outputs a signal according to the displacement of the mass portion in at least one of the first direction and the second direction.
  • the resonant frequency in the first direction and the second direction is set larger than the resonant frequency in the third direction.
  • the sensitivity efficiency of the detection sensitivity can be improved, and the variation of the detection sensitivity can be suppressed. Therefore, the sensitivity characteristic can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view of a detection element of an angular velocity sensor which is one of inertial force sensors according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a partial cross-sectional view of the detection element shown in FIG.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the other detection element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram of an inertial force sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an operation state diagram of the detection element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing a resonant admittance characteristic wave of the detection element of the angular velocity sensor.
  • FIG. 6 is a figure which shows the resonance admittance characteristic wave of the detection element in this Embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view of a detection element of an angular velocity sensor which is one of inertial force sensors according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a partial cross-sectional view of the detection element shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the calculation process of the angular velocity in the processing circuit of the angular velocity sensor in the present embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view of another detection element of the inertial force sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a top view of another detection element of the inertial force sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of another detection element of the inertial force sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view of a detection element of a conventional angular velocity sensor.
  • 12 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of a detection element of an angular velocity sensor which is one of inertial force sensors according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a partial cross-sectional view of the detection element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an operation state diagram of the detection element shown in FIG.
  • this angular velocity sensor has a detection element 1, a drive unit 81 and a processing circuit 82.
  • the detection element 1 is vertically disposed from the side of the support 6 of each first arm 2 and the two first arms 2 (2A and 2B) extending in the left and right (Z-axis direction) And two second arms 4 extending in the Y-axis direction).
  • the second arm 4 extending from the first arm 2A is composed of the upper second arm 41A and the lower second arm 42A
  • the second arm 4 extending from the first arm 2B is the upper second arm 41B and the lower It is comprised by the 2nd arm 42B.
  • this detection element 1 has two orthogonal arms formed by connecting the first arm 2 and the second arm 4 in the orthogonal direction. In the two orthogonal arms, one ends of the first arms 2 are connected to each other by the support 6.
  • the other end of the first arm 2 is connected to a mounting arm 8 (8A, 8B) for mounting on a substrate.
  • the two first arms 2 and the support portion 6 are disposed on a straight line, and the mounting arm 8 is disposed to be orthogonal to the first arm 2. That is, the first arms 2A, 2B and the support portion 6 are disposed on a straight line.
  • the mounting arms 8A and 8B are disposed orthogonal to the first arms 2A and 2B.
  • the second arms 4 are arranged so as to be very close to each other, and are bent in a U shape so as to approach the mounting arm 8, and a mass portion 10 is formed at the tip thereof. That is, the second arm 41A and the second arm 41B, and the second arm 42A and the second arm 42B are disposed so as to be very close to each other. Then, the second arms 41A and 41B are bent in a U shape so as to approach the mounting arm 8A, and the second arms 41B and 42B are bent in a U shape so as to approach the mounting arm 8B. Further, mass portions 101A, 102A, 101B and 102B are formed at the tips of the second arms 41A, 41B, 41B and 42B, respectively.
  • the detection element 1 has a mass unit 10, an excitation unit, and a detection unit.
  • the excitation unit excites the mass unit 10 in the Z-axis direction among the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction orthogonal to each other.
  • the detection unit detects the displacement of the mass unit 10 in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the processing circuit 82 detects the angular velocity around the X-axis by the output from the detection unit based on the displacement of the mass unit 10 in the Y-axis direction. Do. Further, the angular velocity around the Y axis is detected by the output from the detection unit based on the displacement of the mass unit 10 in the X axis direction.
  • the excitation part is a first excitation electrode 12 and a second excitation electrode on the side of the support part 6 of the second arms 41A and 41B which are the second arms 4 disposed on the positive side of the Y axis. It arranges 14 and is formed.
  • the detection unit arranges the first sensing electrode 16 and the second sensing electrode 18 on the supporting unit 6 side of the second arms 42A and 42B which are the second arms 4 disposed on the negative side of the Y axis. It is formed.
  • the first sensing electrode 16 senses the strain of the second arm 42A
  • the second sensing electrode 18 senses the strain of the second arm 42B.
  • the excitation unit and the detection unit are formed on the YZ plane of the detection element 1.
  • the detection element 1 also has electrode pads 70 to 73.
  • the electrode pad 70 is electrically connected to the first excitation electrode 12, and the electrode pad 71 is electrically connected to the second excitation electrode 14.
  • the electrode pad 72 is electrically connected to the first sensing electrode 16, and the electrode pad 73 is electrically connected to the second sensing electrode 18.
  • the drive unit 81 is electrically connected to the electrode pads 70 and 71 via the wirings 74 and 75. Further, the processing circuit 82 is electrically connected to the electrode pads 72 and 73 through the wirings 76 to 79. Therefore, the drive unit 81 is electrically connected to the first and second excitation electrodes 12 and 14, and the processing circuit 82 is electrically connected to the first and second sensing electrodes 16 and 18.
  • the first and second excitation electrodes 12 and 14 and the first and second sensing electrodes 16 and 18 are formed of electrodes 21 and 23 in which a piezoelectric body 22 is interposed.
  • the lid 25 covering the detection element 1 may be provided, and the counter electrode 26 capacitively coupled to the lid 25 and the mass portion 101B may be disposed.
  • the drive unit 81 applies an alternating voltage between the electrodes 21 and 23 to change the piezoelectric state of the piezoelectric body 22.
  • the first and second excitation electrodes 12 and 14 excite the detection element 1.
  • the piezoelectric state of the piezoelectric body 22 of the first and second sensing electrodes 16 and 18 is changed by the angular velocity applied to the detection element 1 and the first and second sensing electrodes 16 and 18 output current signals generated thereby Do.
  • a capacitance change generated between the opposing electrodes 26 by the acceleration applied to the detection element 1 may be used as a signal.
  • the configuration using the counter electrode 26 is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2008-203070.
  • the first arm 2 of the detection element 1 is disposed in the Z-axis direction and the second arm 4 is disposed in the Y-axis direction on the X axis, the Y axis, and the Z axis orthogonal to one another.
  • the second arms 41A and 41B are excited, and the mass units 101A and 101B are also excited synchronously.
  • the vibration of the mass parts 101A and 101B is transmitted to the mass parts 102A and 102B to excite the mass parts 102A and 102B, and as a result, the second arms 42A and 42B are also excited.
  • the excitation direction 31 of the mass unit 10 is the Z-axis direction, and the four mass units 10 are tuned and excited in the direction in which the mass units 10 move away from each other. That is.
  • the mass portion 101A and the mass portion 101B are excited in the direction away from each other, and the mass portion 102A and the mass portion 102B are excited in the direction away from each other. Further, the mass portion 101A and the mass portion 102A are tuned and excited in the same direction.
  • the Coriolis force 32 is generated in the Y axis direction orthogonal to the excitation direction with respect to the mass portion 10 in synchronization with the excitation of the mass portion 10 Distortion in the Y-axis direction occurs in the two arms 41B and 42B.
  • a current signal corresponding to this distortion is generated at the first and second sensing electrodes 16 and 18.
  • the processing circuit 82 detects the angular velocity around the X axis based on this output.
  • Coriolis force is generated in the X axis direction orthogonal to the excitation direction with respect to the mass unit 10 in synchronization with the excitation of the mass unit 10, and the second arms 41B and 42B. Distortion occurs in the X-axis direction. A current signal corresponding to this distortion is generated at the first and second sensing electrodes 16 and 18.
  • the processing circuit 82 detects the angular velocity around the Y axis based on this output.
  • a combination of signs (positive and negative) of signals generated in each of the first and second sensing electrodes 16 and 18 is different between the case where angular velocity occurs around the X axis and the case where angular velocity occurs around the Y axis. Therefore, the processing circuit 82 can distinguish whether the angular velocity has occurred around the X axis or whether the angular velocity has occurred around the Y axis. Depending on the application, only one of the angular velocity around the X axis and around the Y axis may be detected.
  • the sensitivity of the first and second sensing electrodes 16 and 18 can be improved by reducing the frequency difference (detuning frequency) between the excitation frequency and the sensing frequency. It is advantageous. By doing this, as a result, the detection sensitivity of the angular velocity is also improved.
  • the excitation frequency and the sensing frequency are designed to be the resonance frequency of the detection element 1 respectively. That is, in FIG. 4, the frequency for excitation is the resonance frequency (Fzd) in the Z-axis direction of the excitation direction, and the frequency for sensing is the resonance frequency (Fsx) in the X-axis direction, which is the distortion generation direction, and the Y-axis. It is designed to be the resonant frequency (Fsy) of the direction.
  • resonance admittance characteristic waves in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of the detection element 1 are as shown in FIG.
  • the relationship between Fzd, Fsx, and Fsy is Fzd> Fsx> Fsy.
  • the sensitivity output values (gains) of the first and second sensing electrodes 16 and 18 are Gsx when the strain generation direction is the X-axis direction, and Gsy when the strain generation direction is the Y-axis direction. is there.
  • Gsx and Gsy mean the gains of resonant admittance characteristic waves in the X axis and Y direction at the resonant frequency (Fzd).
  • the resonant admittance characteristic waves in the X-axis and Y-axis directions have steep waveforms on the antiresonance frequency side (high frequency range side) centering on the resonance frequencies Fsx and Fsy.
  • the side away from the resonance frequency (low frequency side) has a gentle waveform.
  • Fzd ⁇ Fsy ⁇ Fsx If Fzd ⁇ Fsy ⁇ Fsx, the resonant admittance characteristic waves in the X-axis and Y-axis directions become gentle, so sufficient gains can be obtained even if the detuning frequencies of Fzd and Fsx and Fzd and Fsy are reduced. Cheap. Also, even when Fsx and Fsy deviate to the low frequency side, the gain is not significantly reduced.
  • the relationship between Fzd, Fsx, and Fsy may be Fzd ⁇ Fsx ⁇ Fsy, and it is sufficient that Fsx and Fsy be larger than Fzd.
  • the relationship between the sizes of Fsx, Fsy, and Fzd can be set, for example, by changing the aspect ratio of the cross section of the second arm 4.
  • the second arm 4 is bent so as to approach the mounting arm 8 with a thickness 4B in the X-axis direction, a width 4C of a portion extending from the support portion 6 in the Y-axis direction, and extends in the Z-axis direction And the width 4A of the part.
  • values of the width 4A, the thickness 4B, and the width 4C are respectively a, b, and c.
  • Fsx increases as b / c increases, and decreases as b / c decreases.
  • Fsy increases as a / c increases, and decreases as a / c decreases. Further, Fzd becomes large as c / a increases and c / b increases, and c / a decreases and c / b decreases. Therefore, Fsx and Fsy can be made larger than Fzd by setting a, b and c appropriately based on these relationships.
  • the detection element 1 is designed such that the resonance frequency has the relationship as described above, the sensitivity efficiency of the detection sensitivity is improved, the variation in the detection sensitivity is suppressed, and the sensitivity characteristic is improved.
  • FIG. 7 is a view for explaining an example of the calculation process of the angular velocity in the processing circuit of the angular velocity sensor.
  • the processing circuit 82 receives sensing signals output from the first sensing electrode 16 and the second sensing electrode 18 through the wirings 76 to 79, and calculates and processes an angular velocity. At this time, if Fsx and Fsy have the same frequency, the processing circuit 82 can calculate the angular velocity around the X axis and the angular velocity around the Y axis by time division.
  • the processing circuit 82 performs processing for calculating the angular velocity around the X axis between times t0 and t1 and between times t2 and t3. Then, processing for calculating the angular velocity around the Y axis is performed between time t1 and time t2 and between time t3 and time t4. That is, the processing circuit 82 detects the displacement of the mass portions 102A and 102B in the first direction at the first time. The displacement of the mass portions 102A and 102B in the second direction is detected at a second time different from the first time. By time-dividing the processing in this manner, it is possible to realize both the processing of calculating the angular velocity around the X axis by the single processing circuit 82 and the processing of calculating the angular velocity around the Y axis.
  • the sum (sum A) of the signal (S77) input from the wiring 77 and the signal (S79) input from the wiring 79 is calculated between t0 and t1 and between t2 and t3.
  • the sum (sum B) of the signal (S76) input from the wiring 76 and the signal (S78) input from the wiring 78 is calculated.
  • the angular velocity Yx around the X axis can be calculated by calculating the difference between the sum A and the sum B. That is, the angular velocity Yx around the X axis can be calculated by (Expression 1).
  • Yx (S77 + S79)-(S76 + S78) (Formula 1)
  • the sum (sum C) of the signal (S 76) input from the wiring 76 and the signal (S 77) input from the wiring 77 is calculated between t 1 and t 2 and between t 3 and t 4.
  • the sum (sum D) of the signal (S78) input from the wiring 78 and the signal (S79) input from the wiring 79 is calculated.
  • the angular velocity Yy about the Y axis can be calculated by calculating the difference between the sum C and the sum D. That is, the angular velocity Yy around the Y axis can be calculated by (Expression 2).
  • a switching time T is required to transition from the state of the processing circuit for calculating the angular velocity around the X axis to the state of the processing circuit for calculating the angular velocity around the Y axis. If Fsx and Fsy differ significantly, it is necessary to switch the gain of the processing circuit 82, the constant of the filter, etc. during the switching time T. In addition, it is necessary to switch the processing circuit 82 between the configuration for calculating (Expression 1) and the configuration for calculating (Expression 2). Therefore, it is necessary to set the switching time T to be somewhat long.
  • the processing circuit 82 is generally realized by a logic IC or the like, but is not limited to this. That is, all or some of the functions of the processing circuit 82 may be realized by software using a digital signal processor, a microcomputer or the like.
  • the difference between Fsx and Fsy may be within the range (for example, within 1%) of the variation of the resonance frequency due to the manufacturing variation.
  • the processing circuit that calculates the angular velocity around the X axis and the processing circuit that calculates the angular velocity around the Y axis are shared or shared, the calculation error of the angular velocity around the X axis and the processing error around the Y axis The difference between the calculation error of the angular velocity and the manufacturing variation can be suppressed.
  • the excitation direction of the mass portion 10 of the detection element 1 is taken as the Z axis direction in the X axis, the Y axis, and the Z axis orthogonal to each other.
  • the inertial force around the X axis is detected based on the displacement of the mass unit 10 in the Y axis direction
  • the inertial force around the Y axis is detected based on the displacement of the mass unit 10 in the X axis direction.
  • the inertial force of a plurality of detection axes can be detected by one detection element 1.
  • the resonance frequency in the X-axis direction and the Y-axis direction is set to be larger than the resonance frequency in the Z-axis direction. Therefore, when detecting an inertial force around the X axis or around the Y axis, the efficiency of detection sensitivity can be improved. Moreover, the variation in detection sensitivity can be suppressed. Therefore, the sensitivity characteristic can be improved.
  • the detection element may be configured to have three or more orthogonal arms formed by connecting the first arm 2 and the second arm 4 in the orthogonal direction. In these orthogonal arms, the first arm 2 is connected to each other, and a mass 10 is formed at the tip of the second arm 4.
  • the detection elements 1 disclosed in these are formed using three or more orthogonal arms.
  • the detection element may be configured to have a cross arm formed by connecting the first arm 2 and the second arm 4 so as to cross each other. And the mass part 10 is formed in the center of this cross arm.
  • the first arm 2 and the second arm 4 are formed as beams.
  • the detection element may have a structure in which a flat base 91 and a mass 10 are formed at the center of the base 91.
  • a diaphragm flat base 91 is formed instead of the first arm 2 and the second arm 4.
  • the processing circuit 82 calculates an angular velocity around the Z-axis and around the X-axis. That is, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are a first direction, a second direction, and a third direction orthogonal to one another.
  • the angular velocity is detected in this embodiment, the acceleration may be detected using a detection element.
  • the inertial force sensor has been described focusing on an angular velocity sensor, but the present invention is also applicable to an acceleration sensor or the like.
  • the inertial force sensor according to the present invention can detect inertial forces of a plurality of detection axes, and can be applied to various electronic devices.

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Abstract

　慣性力センサ用検出素子は、質量部と、励振部と、検出部とを有する。励振部は、互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、第３方向に質量部を励振させる。検出部は、第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への質量部の変位に応じた信号を出力する。第１方向および第２方向の共振周波数Ｆｓｘ，Ｆｓｙは、第３方向の共振周波数Ｆｚｄよりも大きく設定されている。

Description

慣性力センサとそれに用いる検出素子
　本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶等の移動体の姿勢制御や、ゲーム機やナビゲーションの位置検出等、各種電子機器に用いられる慣性力センサとそれに用いる検出素子に関する。
　以下、従来の慣性力センサの一つである角速度センサについて説明する。従来の角速度センサは、音さ形状やＨ形状やＴ形状や円盤形状等の検出素子を有する。この検出素子を振動させ、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。例えば、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、ナビゲーション装置用の角速度センサでは、車両のＺ軸周りの角速度を検出している。
　図１１は従来の角速度センサの検出素子の斜視図、図１２は図１１の１２－１２線における断面図である。検出素子５１は音さ形状であって、２本のアーム５２（５２Ａ、５２Ｂ）と、アーム５２を連結した基部５３とを有する。
　アーム５２にはそれぞれ、アーム５２を駆動振動させる駆動電極５４や角速度に起因したアーム５２の歪を感知する感知電極５５が配置されている。例えば、各々の駆動電極５４や感知電極５５は圧電体５６を介在させた上部電極５７と下部電極５８から形成されている。
　検出素子５１は、例えば、ＸＹ平面に対してＺ軸方向に立てて配置される。この状態でアーム５２をＸ軸方向に駆動振動させ、Ｚ軸周りの角速度に起因した歪をアーム５２で感知する。この検出により、Ｚ軸周りの角速度が検出される。アーム５２の駆動振動面（ＸＺ平面）とアーム５２の歪面（ＹＺ平面）とは互いに直交しており、アーム５２Ａとアーム５２Ｂでは歪の方向が逆である。例えば、アーム５２ＡがＹ軸の正方向に歪めば、アーム５２ＢはＹ軸の負方向に歪む。このような角速度センサは例えば、特許文献１に開示されている。
　一般的に、角速度を検出する際、励振用の周波数と感知用の周波数との周波数差（離調周波数）を小さくする方が、感知用電極５５の感度を向上できるので有利である。このようにすれば、結果として角速度の検出感度も向上する。また、励振用の周波数と感知用の周波数は、それぞれ、検出素子５１の共振周波数になるように設計される。しかしながらこれだけの指標に基づいて検出素子５１を設計すると充分なゲインが得られない場合がある。
特開２００１－２０８５４６号公報
　本発明は検出軸の慣性力を検出する場合のゲインを高め、感度特性を向上した検出素子とそれを用いた慣性力センサである。本発明の慣性力センサ用検出素子は質量部と、励振部と、検出部とを有する。励振部は互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、第３方向に質量部を励振させる。検出部は第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への質量部の変位に応じた信号を出力する。第１方向および第２方向の共振周波数は前記第３方向の共振周波数よりも大きく設定されている。
　この構成により、第１方向回りや第２方向回りの慣性力を検出する際に、検出感度の感度効率を向上できるとともに、検出感度のバラツキを抑制できる。よって、感度特性を向上できる。
図１は本発明の実施の形態における慣性力センサの一つである角速度センサの検出素子の斜視図である。 図２Ａは図１に示す検出素子の部分断面図である。 図２Ｂは図１に示す他の検出素子の断面図である。 図３は本発明の実施の形態における慣性力センサのブロック図である。 図４は図１に示す検出素子の動作状態図である。 図５は角速度センサの検出素子の共振アドミタンス特性波を示す図である。 図６は本実施の形態における検出素子の共振アドミタンス特性波を示す図である。 図７は本実施の形態における角速度センサの処理回路における角速度の算出処理の一例を説明するための図である。 図８は本実施の形態における慣性力センサの他の検出素子の斜視図である。 図９は本実施の形態における慣性力センサの他の検出素子の上面図である。 図１０は本実施の形態における慣性力センサの他の検出素子の断面図である。 図１１は従来の角速度センサの検出素子の斜視図である。 図１２は図１１の１２－１２線における断面図である。
　図１は本発明の実施の形態における慣性力センサの一つである角速度センサの検出素子の斜視図である。図２Ａは図１に示す検出素子の部分断面図である。図３は本発明の実施の形態における角速度センサのブロック図である。図４は図１に示す検出素子の動作状態図である。
　図３に示すように、この角速度センサは検出素子１と駆動部８１と処理回路８２とを有する。検出素子１は図１に示すように、支持部６から左右（Ｚ軸方向）に伸びる２本の第１アーム２（２Ａ、２Ｂ）と、各第１アーム２の支持部６側から上下（Ｙ軸方向）に伸びる２本の第２アーム４とを有する。第１アーム２Ａから伸びる第２アーム４は上側の第２アーム４１Ａと下側の第２アーム４２Ａで構成され、第１アーム２Ｂから伸びる第２アーム４は上側の第２アーム４１Ｂと下側の第２アーム４２Ｂで構成されている。このようにこの検出素子１は第１アーム２と第２アーム４とを直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有する。この２つの直交アームでは、第１アーム２の一端が支持部６にて互いに連結されている。
　また第１アーム２の他端は基板に実装するための実装用アーム８（８Ａ、８Ｂ）に連結されている。２つの第１アーム２と支持部６とは一直線上に配置され、実装用アーム８は第１アーム２に対して直交するように配置されている。すなわち、第１アーム２Ａ、２Ｂと支持部６とは一直線上に配置されている。そして実装用アーム８Ａ、８Ｂは第１アーム２Ａ、２Ｂに対して直交するように配置されている。
　また、第２アーム４は互いに非常に近接するように配置され、実装用アーム８に近づくようにＵ字形状に折曲し、その先端には質量部１０が形成されている。すなわち、第２アーム４１Ａと第２アーム４１Ｂ、第２アーム４２Ａと第２アーム４２Ｂは互いに非常に近接するように配置されている。そして第２アーム４１Ａ、４１Ｂは実装用アーム８Ａに近づくようにＵ字形状に折曲し、第２アーム４１Ｂ、４２Ｂは実装用アーム８Ｂに近づくようにＵ字形状に折曲している。さらに第２アーム４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｂ、４２Ｂの先端にはそれぞれ質量部１０１Ａ、１０２Ａ、１０１Ｂ、１０２Ｂが形成されている。
　検出素子１は、質量部１０と、励振部と、検出部とを有する。励振部は、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のうち、Ｚ軸方向に質量部１０を励振させる。検出部は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の少なくともいずれかの方向への質量部１０の変位を検出する。角速度を検出する際、質量部１０の励振方向がＺ軸方向である時、処理回路８２は、質量部１０のＹ軸方向への変位に基づく検出部からの出力によりＸ軸回りの角速度を検出する。また質量部１０のＸ軸方向への変位に基づく検出部からの出力によりＹ軸回りの角速度を検出する。
　具体的には、励振部は、Ｙ軸の正側に配置された第２アーム４である第２アーム４１Ａ、４１Ｂの支持部６側にそれぞれ、第１励振用電極１２、第２励振用電極１４を配置して形成されている。一方、検出部は、Ｙ軸の負側に配置された第２アーム４である第２アーム４２Ａ、４２Ｂの支持部６側にそれぞれ、第１感知用電極１６、第２感知用電極１８を配置して形成されている。第１感知用電極１６は第２アーム４２Ａの歪を感知し、第２感知用電極１８は第２アーム４２Ｂの歪を感知する。励振部、検出部は検出素子１のＹＺ平面上に形成される。
　また、検出素子１は、電極パッド７０～７３を有する。電極パッド７０は第１励振用電極１２と、電極パッド７１は第２励振用電極１４と、それぞれ電気的に接続されている。また電極パッド７２は第１感知用電極１６と、電極パッド７３は第２感知用電極１８と、それぞれ電気的に接続されている。
　図３に示すように、駆動部８１は配線７４、７５を介して電極パッド７０、７１に電気的に接続されている。また処理回路８２は配線７６～７９を介して電極パッド７２、７３に電気的に接続されている。したがって駆動部８１は第１、第２励振用電極１２、１４に電気的に接続され、処理回路８２は第１、第２感知用電極１６、１８に電気的に接続されている。
　図２Ａに示すように、第１、第２励振用電極１２、１４や第１、第２感知用電極１６、１８は、圧電体２２を介在させた電極２１、２３で形成されている。あるいは、図２Ｂの断面図に示すように、検出素子１を覆う蓋２５を設けるとともに、蓋２５と質量部１０１Ｂに容量結合させた対向電極２６を配置してもよい。駆動部８１は、電極２１、２３間に交流電圧を印加して圧電体２２の圧電状態を変化させる。これによって第１、第２励振用電極１２、１４は検出素子１を励振する。検出素子１に印加された角速度によって第１、第２感知用電極１６、１８の圧電体２２の圧電状態が変化し、第１、第２感知用電極１６、１８はこれによって生じる電流信号を出力する。あるいは、検出素子１に印加された加速度によって対向電極２６間に生じる容量変化を信号として用いてもよい。対向電極２６を用いた構成は例えば特開２００８－２０３０７０号公報に開示されている。
　次に図３、図４を参照しながら、本実施の形態による角速度センサの動作を説明する。互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、例えば、検出素子１の第１アーム２をＺ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置する。この場合、駆動部８１から第１、第２励振用電極１２、１４に交流電圧を印加すると、第２アーム４１Ａ、４１Ｂが励振するとともに、質量部１０１Ａ、１０１Ｂも同調して励振する。そして質量部１０１Ａ、１０１Ｂの振動が質量部１０２Ａ、１０２Ｂに伝わって質量部１０２Ａ、１０２Ｂも励振し、その結果、第２アーム４２Ａ、４２Ｂも励振する。
　質量部１０の励振方向３１はＺ軸方向であって、質量部１０が互いに遠ざかる方向と近づく方向に、４つの質量部１０が同調して励振する。すなわち。質量部１０１Ａと質量部１０１Ｂは互いに遠ざかる方向と近づく方向に励振し、質量部１０２Ａと質量部１０２Ｂは互いに遠ざかる方向と近づく方向に励振する。また質量部１０１Ａと質量部１０２Ａは同じ方向に同調して励振する。
　この状態で、例えば、Ｘ軸回りに角速度が生じた場合は、質量部１０の励振と同調して、質量部１０に対して励振方向と直交したＹ軸方向にコリオリ力３２が発生し、第２アーム４１Ｂ、４２ＢにＹ軸方向への歪が発生する。この歪に応じた電流信号が第１、第２感知用電極１６、１８に生じる。処理回路８２はこの出力に基づきＸ軸回りの角速度を検出する。
　また、Ｙ軸回りに角速度が生じた場合は、質量部１０の励振と同調して、質量部１０に対して励振方向と直交したＸ軸方向にコリオリ力が発生し、第２アーム４１Ｂ、４２ＢにＸ軸方向への歪が発生する。この歪に応じた電流信号が第１、第２感知用電極１６、１８に生じる。処理回路８２はこの出力に基づきＹ軸回りの角速度を検出する。
　なおＸ軸回りに角速度が生じた場合とＹ軸回りに角速度が生じた場合とでは、第１、第２感知用電極１６、１８の各電極に生じる信号の符号（正負）の組み合わせが異なる。そのため処理回路８２はＸ軸回りに角速度が生じたのか、Ｙ軸回りに角速度が生じたのかを区別することができる。なお用途によってはＸ軸回り、Ｙ軸回りのいずれか一方の角速度のみを検出してもよい。
　一般的に、角速度を検出する際、励振用の周波数と感知用の周波数との周波数差（離調周波数）を小さくする方が、第１、第２感知用電極１６、１８の感度を向上できるので有利である。このようにすれば、結果として角速度の検出感度も向上する。
　また、励振用の周波数と感知用の周波数は、それぞれ、検出素子１の共振周波数になるように設計される。すなわち、図４では、励振用の周波数は、励振方向のＺ軸方向における共振周波数（Ｆｚｄ）とし、感知用の周波数は、歪の発生方向であるＸ軸方向の共振周波数（Ｆｓｘ）およびＹ軸方向の共振周波数（Ｆｓｙ）となるように設計される。
　このとき、例えば、検出素子１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振アドミタンス特性波は図５に示すようになる。そしてＦｚｄ、Ｆｓｘ、Ｆｓｙの関係はＦｚｄ＞Ｆｓｘ＞Ｆｓｙとなる。
　第１、第２感知用電極１６、１８の感度出力値（ゲイン）は、歪の発生方向がＸ軸方向である場合はＧｓｘであり、歪の発生方向がＹ軸方向である場合はＧｓｙである。ここで、ＧｓｘとＧｓｙは、共振周波数（Ｆｚｄ）におけるＸ軸、Ｙ方向の共振アドミタンス特性波のゲインを意味する。Ｘ軸、Ｙ軸方向の共振アドミタンス特性波は、図５に示すように、共振周波数であるＦｓｘ、Ｆｓｙを中心にして、反共振周波数側（高周波数域側）は急峻な波形であり、反共振周波数と遠ざかる側（低周波数域側）は緩やかな波形となる。すなわち、Ｆｚｄ＞Ｆｓｘ＞Ｆｓｙであれば、ＦｚｄとＦｓｘおよびＦｓｙとの離調周波数を小さくしても、急峻な波形なので、充分なゲインが得られにくい。また、ＦｓｘおよびＦｓｙが低周波数域側にずれた場合は、著しくゲインが低下する。
　したがって、本実施の形態では、図６に示すように、Ｆｚｄ＜Ｆｓｙ＜Ｆｓｘとしている。Ｆｚｄ＜Ｆｓｙ＜Ｆｓｘであれば、Ｘ軸、Ｙ軸方向の共振アドミタンス特性波が緩やかになるので、ＦｚｄとＦｓｘおよびＦｚｄとＦｓｙとの離調周波数を小さくしても、充分なゲインが得られやすい。また、ＦｓｘおよびＦｓｙが低周波数側にずれた場合でも、ゲインを著しく低下させることもない。なお、ＦｚｄとＦｓｘとＦｓｙの関係は、Ｆｚｄ＜Ｆｓｘ＜Ｆｓｙでもよく、ＦｓｘとＦｓｙがＦｚｄよりも大きければよい。
　Ｆｓｘ、Ｆｓｙ、Ｆｚｄの大きさの関係は、例えば第２アーム４の断面の縦横比を変えることによって設定することができる。図１に示すように第２アーム４は、Ｘ軸方向の厚み４Ｂと、支持部６からＹ軸方向に伸びる部分の幅４Ｃと、実装用アーム８に近づくように折れ曲がり、Ｚ軸方向に伸びる部分の幅４Ａとを有する。ここで幅４Ａ、厚み４Ｂ、幅４Ｃの値をそれぞれａ、ｂ、ｃとする。Ｆｓｘは、ｂ／ｃを大きくすれば大きくなり、ｂ／ｃを小さくすれば小さくなる。Ｆｓｙは、ａ／ｃを大きくすれば大きくなり、ａ／ｃを小さくすれば小さくなる。またＦｚｄは、ｃ／ａを大きくし、かつ、ｃ／ｂを大きくすれば大きくなり、ｃ／ａを小さくし、かつ、ｃ／ｂを小さくすれば小さくなる。したがってこれらの関係に基づきａ、ｂ、ｃを適切に設定すればＦｓｘとＦｓｙをＦｚｄよりも大きくすることができる。
　共振周波数が以上のような関係になるよう検出素子１を設計すれば、検出感度の感度効率が向上し、かつ、検出感度のバラツキが抑制され、感度特性が向上する。
　特に、ＦｓｘとＦｓｙを同等にすれば、ＧｓｘとＧｓｙの感度出力値を信号処理や増幅処理する際も、処理回路の共有化や共通化が可能となる。これによって、別々の処理回路を設ける必要がないので、処理回路における誤差（バラツキ）の影響を受けることがなく、検出誤差（検出バラツキ）を抑制して検出感度を向上できる。
　このようにＸ軸回りの角速度、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理回路を共通化する場合のセンサにおける処理について図７を用いて説明する。図７はこの角速度センサの処理回路における角速度の算出処理の一例を説明するための図である。
　図３に示すように、処理回路８２は第１感知用電極１６及び第２感知用電極１８から出力される感知信号を配線７６～７９を介して受け取り、角速度を算出処理する。その際、ＦｓｘとＦｓｙとを同等の周波数にすれば、処理回路８２はＸ軸周りの角速度とＹ軸周りの角速度とを時分割で算出することができる。
　図７に示すように、処理回路８２は、時刻ｔ０と時刻ｔ１との間及び時刻ｔ２と時刻ｔ３の時間にＸ軸回りの角速度を算出する処理を行う。そして時刻ｔ１と時刻ｔ２との間及び時刻ｔ３と時刻ｔ４との間にＹ軸回りの角速度を算出する処理を行う。すなわち、処理回路８２は、第１の時間において、第１方向への質量部１０２Ａ、１０２Ｂの変位を検出する。そして第１の時間とは異なる第２の時間において、第２方向への質量部１０２Ａ、１０２Ｂの変位を検出する。このように処理を時分割することにより、単一の処理回路８２でＸ軸回りの角速度を算出する処理と、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理を共に実現することができる。
　具体的には、ｔ０－ｔ１間及びｔ２－ｔ３間には、配線７７から入力される信号（Ｓ７７）と配線７９から入力される信号（Ｓ７９）との和（和Ａ）を算出する。一方、配線７６から入力される信号（Ｓ７６）と配線７８から入力される信号（Ｓ７８）との和（和Ｂ）を算出する。そして、和Ａと和Ｂとの差を算出することでＸ軸回りの角速度Ｙｘを算出することができる。すなわち、Ｘ軸回りの角速度Ｙｘは（式１）により算出することができる。
　Ｙｘ＝（Ｓ７７＋Ｓ７９）－（Ｓ７６＋Ｓ７８）　　　（式１）
　また、ｔ１－ｔ２間及びｔ３－ｔ４間には、配線７６から入力される信号（Ｓ７６）と配線７７から入力される信号（Ｓ７７）との和（和Ｃ）を算出する。一方、配線７８から入力される信号（Ｓ７８）と配線７９から入力される信号（Ｓ７９）との和（和Ｄ）を算出する。そして、和Ｃと和Ｄとの差を算出することでＹ軸回りの角速度Ｙｙを算出することができる。すなわち、Ｙ軸回りの角速度Ｙｙは（式２）により算出することができる。
　Ｙｙ＝（Ｓ７６＋Ｓ７７）－（Ｓ７８＋Ｓ７９）　　　（式２）
　ここで、Ｘ軸回りの角速度を算出するための処理回路の状態から、Ｙ軸回りの角速度を算出するための処理回路の状態へ遷移するためには、切替時間Ｔが必要となる。ＦｓｘとＦｓｙとが著しく異なる場合、切替時間Ｔの間に処理回路８２のゲインやフィルタの定数などを切り替える必要がある。また、処理回路８２を、（式１）を算出する構成と（式２）を算出する構成とに切り替える必要がある。そのため、切替時間Ｔをある程度長く設定する必要がある。
　しかしながら、検出素子１においてＦｓｘとＦｓｙとを同等にすれば、処理回路８２のゲインやフィルタの定数などを切り替える必要がない。したがって、処理回路８２における切替時間Ｔを短縮することができる。
　なお、処理回路８２はロジックＩＣ等で実現されるのが一般的であるが、これに限るものではない。すなわち、デジタルシグナルプロセッサやマイコン等を用いてソフトウェアで処理回路８２の全ての機能又は一部の機能を実現してもよい。
　なお、ＦｓｘとＦｓｙとは全く同一ではなくても、ＦｓｘとＦｓｙとの差が所定の範囲内であれば、処理回路の共有化や共通化が可能となる。例えば、処理回路のゲインばらつきの許容値は一般的に５％であるため、感度出力値（ゲイン）の差が５％以内となる範囲の周波数差とすればよい。これにより、Ｘ軸回りの角速度を算出する処理回路と、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理回路との共有化や共通化を行ったとしても、ＦｓｘとＦｓｙとの差の影響を小さくすることができる。また、ＦｓｘとＦｓｙとの差は、製造ばらつきに起因する共振周波数のばらつきの範囲内（例えば、１％以内）とすればよい。これにより、Ｘ軸回りの角速度を算出する処理回路と、Ｙ軸回りの角速度を算出する処理回路とを共有化したり共通化したりしても、Ｘ軸周りの角速度の算出誤差とＹ軸周りの角速度の算出誤差との差を製造ばらつきの範囲内に抑えることができる。
　以上のように、本実施の形態によれば、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の質量部１０の励振方向をＺ軸方向とする。この時、質量部１０のＹ軸方向への変位に基づいてＸ軸回りの慣性力を検出し、質量部１０のＸ軸方向への変位に基づいてＹ軸回りの慣性力を検出する。このように、１つの検出素子１で複数の検出軸の慣性力を検出することができる。よって、複数の検出軸の慣性力を検出する場合でも、複数の検出素子１や複数の慣性力センサを実装する必要がないので、実装面積が小さくなり、慣性力センサを搭載する各種電子機器を小型化することができる。
　また、検出素子１では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数がＺ軸方向の共振周波数よりも大きく設定されている。そのため、Ｘ軸回りやＹ軸回りの慣性力を検出する際に、検出感度の効率を向上できる。また、検出感度のバラツキを抑制できる。よって、感度特性を向上することができる。
　なお、検出素子１の形状としては、本実施の形態以外の形状でも、同様の効果を得ることができる。例えば、図８に示すように検出素子は、第１アーム２と第２アーム４とを直交方向に連結して形成した３つ以上の直交アームを有する構造で構成されていてもよい。それらの直交アームでは、第１アーム２が互いに連結されるとともに、第２アーム４の先端に質量部１０が形成されている。この形状に関連する先行技術文献情報としては、特開２００４－２４５６０５号公報や特開２００５－２２１３６１号公報がある。これらに開示された検出素子１は直交アームを３つ以上用いて形成される。
　あるいは、図９に示すように、検出素子は、第１アーム２と第２アーム４とを交差するように連結して形成した交差アームを有する構造で構成されていてもよい。そして、この交差アームの中央に質量部１０が形成されている。この形状に関連する先行技術文献情報としては、特開平６－１７４７３９号公報や特開平７－１９０７８２号公報がある。この構造では第１アーム２および第２アーム４が梁として形成される。
　あるいは、図１０に示すように、検出素子は、平板状の基盤９１と、基盤９１の中央に質量部１０を形成した構造を有していてもよい。この形状に関連する先行技術文献情報としては、特開平８－１４５６８３号公報や特開平１０－１８５５８２号公報がある。この構造では第１アーム２および第２アーム４の代わりにダイヤフラム（平板状の基盤９１）が形成されている。
　いずれの場合も、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数がＺ軸方向の共振周波数よりも大きく設定されていれば、図１に示す検出素子１と同様の効果を奏する。
　なお、以上の説明では質量部１０の励振方向をＺ軸方向とした場合を説明したが検出素子の配置はこれに限定されない。例えば質量部１０の励振方向をＹ軸方向とする場合、処理回路８２はＺ軸まわり、Ｘ軸まわりの角速度を算出する。すなわち、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向である。また本実施の形態では角速度を検出しているが、検出素子を用いて加速度を検出してもよい。
　また以上の説明では慣性力センサとして角速度センサを中心に説明したが、加速度センサ等にも適用可能である。
　本発明に係る慣性力センサは、複数の検出軸の慣性力を検出でき、各種電子機器に適用できる。
１　　検出素子
２，２Ａ，２Ｂ　　第１アーム
４，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ　　第２アーム
４Ａ，４Ｃ　　幅
４Ｂ　　厚み
６　　支持部
８，８Ａ，８Ｂ　　実装用アーム
１０，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ　　質量部
１２　　第１励振用電極
１４　　第２励振用電極
１６　　第１感知用電極
１８　　第２感知用電極
２１，２３　　電極
２２　　圧電体
２５　　蓋
２６　　対向電極
３１　　励振方向
３２　　コリオリ力
７０，７１，７２，７３　　電極パッド
７４，７５，７６，７７，７８，７９　　配線
８１　　駆動部
８２　　処理回路
９１　　基盤

Claims (12)

  1. 質量部と、
    互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
    前記第１方向、第２方向の少なくともいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を備え、
    前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくした、
    慣性力センサ用検出素子。
  2. 前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にした、
    請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
  3. 前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを直交方向に連結して形成した複数の直交アームを有し、複数の前記直交アームの前記第１アームが互いに連結されるとともに、前記第２アームの先端に前記質量部が形成された、
    請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
  4. 前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを交差するように連結して形成した交差アームを有し、前記交差アームの中央に前記質量部が形成された、
    請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
  5. 前記励振部と前記検出部は、平板状の基盤を有し、前記基盤の中央に前記質量部が形成された、
    請求項１記載の慣性力センサ用検出素子。
  6. 検出素子と駆動部と処理回路とを備え、
    前記検出素子は、
    質量部と、
    互いに直交する第１方向、第２方向、第３方向のうち、前記第３方向に前記質量部を励振させる励振部と、
    前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位に応じた信号を出力する検出部と、を有し、
    前記第１方向および前記第２方向の共振周波数を前記第３方向の共振周波数よりも大きくされ、
    前記駆動部は前記励振部に接続され、前記励振部に駆動信号を入力し、
    前記処理回路は前記検出部に接続され、前記検出部から出力される信号に基づき前記第１方向、第２方向のいずれかの方向への前記質量部の変位を検出する、
    慣性力センサ。
  7. 前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にした、
    請求項６記載の慣性力センサ。
  8. 前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを直交方向に連結して形成した複数の直交アームを有し、複数の前記直交アームの前記第１アームが互いに連結されるとともに、前記第２アームの先端に前記質量部が形成された、
    請求項６記載の慣性力センサ。
  9. 前記励振部と前記検出部は、第１アームと第２アームとを交差するように連結して形成した交差アームを有し、前記交差アームの中央に前記質量部が形成された、
    請求項６記載の慣性力センサ。
  10. 前記励振部と前記検出部は、平板状の基盤を有し、前記基盤の中央に前記質量部が形成された、
    請求項６記載の慣性力センサ。
  11. 前記処理回路は、前記質量部の第２方向への変位に基づいて第１方向回りの慣性力を検出するとともに、前記質量部の第１方向への変位に基づいて第２方向回りの慣性力を検出する、
    請求項６記載の慣性力センサ。
  12. 前記第１方向の共振周波数と前記第２方向の共振周波数を同等にするとともに、
    前記処理回路は、第１の時間において、前記第１方向への前記質量部の変位を検出し、前記第１の時間とは異なる第２の時間において、前記第２方向への前記質量部の変位を検出する、
    請求項６記載の慣性力センサ。
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