JP2002277248A - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
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- JP2002277248A JP2002277248A JP2001082157A JP2001082157A JP2002277248A JP 2002277248 A JP2002277248 A JP 2002277248A JP 2001082157 A JP2001082157 A JP 2001082157A JP 2001082157 A JP2001082157 A JP 2001082157A JP 2002277248 A JP2002277248 A JP 2002277248A
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 駆動振動方向に直角に作用するコリオリ力が
駆動する力に比較して極めて小さいため、質量部の駆動
振動方向以外の振動成分とコリオリ力による振動成分と
を区別することが難しい。 【解決手段】 第1の梁110と、この梁と同一平面上
で左右両側に平行に配置され前記第1の梁110と同一
長の第2の梁111、第3の梁112と、前記第1、第
2、第3の梁の各々の端部を接続する第4の梁113、
第5の梁114とから構成され、前記第1の梁110の
中心部が支持固定されている検出素子を備えたものであ
る。
駆動する力に比較して極めて小さいため、質量部の駆動
振動方向以外の振動成分とコリオリ力による振動成分と
を区別することが難しい。 【解決手段】 第1の梁110と、この梁と同一平面上
で左右両側に平行に配置され前記第1の梁110と同一
長の第2の梁111、第3の梁112と、前記第1、第
2、第3の梁の各々の端部を接続する第4の梁113、
第5の梁114とから構成され、前記第1の梁110の
中心部が支持固定されている検出素子を備えたものであ
る。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は航空機、自動車、ロ
ボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーシ
ョンあるいはカメラやビデオカメラ等の手振れ防止用、
遠隔操作用のリモコン用等に用いる角速度センサに関す
るものである。
ボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーシ
ョンあるいはカメラやビデオカメラ等の手振れ防止用、
遠隔操作用のリモコン用等に用いる角速度センサに関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来における角速度センサとしては、振
動体としての質量部とこれに対向する電極を設け、電極
間に働く静電引力により質量部を振動させ、角速度が与
えられた時、コリオリ力が質量部に発生しその方向は印
加角速度の軸と質量部の振動方向に直角であり、このコ
リオリ力により質量部が変位し対向する電極間の距離が
変化し、この距離の変化により質量部と対向電極間の静
電容量を用いて角速度情報を検出する構造(特開平10
−170276号公報)や同様の梁構造体にて静電力に
より質量部を駆動し、コリオリ力による質量部の変位を
梁構造体の歪ゲージにて検出する構造(特開平11−2
6777号公報)の半導体角速度センサがある。
動体としての質量部とこれに対向する電極を設け、電極
間に働く静電引力により質量部を振動させ、角速度が与
えられた時、コリオリ力が質量部に発生しその方向は印
加角速度の軸と質量部の振動方向に直角であり、このコ
リオリ力により質量部が変位し対向する電極間の距離が
変化し、この距離の変化により質量部と対向電極間の静
電容量を用いて角速度情報を検出する構造(特開平10
−170276号公報)や同様の梁構造体にて静電力に
より質量部を駆動し、コリオリ力による質量部の変位を
梁構造体の歪ゲージにて検出する構造(特開平11−2
6777号公報)の半導体角速度センサがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】これら従来例において
は、質量部を振動させてコリオリ力による質量部の変位
を対向する電極間の静電容量変化や質量部につながる梁
に設けられた歪みゲージにて角速度情報を検出してい
た。ところがこれらの方法によると駆動した時の駆動変
位成分の一部がコリオリ力成分の中に混入するため、コ
リオリの成分のみを抽出することが困難であった。すな
わち駆動振動方向に直角に作用するコリオリ力が駆動す
る力に比較して極めて小さいため、質量部の駆動振動方
向以外の振動成分とコリオリ力による振動とを区別する
ことが難しく、結果として角速度検出精度の低下を招い
ていた。
は、質量部を振動させてコリオリ力による質量部の変位
を対向する電極間の静電容量変化や質量部につながる梁
に設けられた歪みゲージにて角速度情報を検出してい
た。ところがこれらの方法によると駆動した時の駆動変
位成分の一部がコリオリ力成分の中に混入するため、コ
リオリの成分のみを抽出することが困難であった。すな
わち駆動振動方向に直角に作用するコリオリ力が駆動す
る力に比較して極めて小さいため、質量部の駆動振動方
向以外の振動成分とコリオリ力による振動とを区別する
ことが難しく、結果として角速度検出精度の低下を招い
ていた。
【0004】また、一般的に対向する電極と質量部を静
電力にて駆動したり、対向する電極間の静電容量の変化
を測定する場合、効率的に駆動し、静電容量を検出する
ためには、電極間距離は2〜3ミクロンから数ミクロン
とされている。ところがこのギャップには異物やゴミ等
が付着して電極間のショートを発生させる可能性があ
る。特に効率的に駆動したり検出するために多数の電極
を櫛の歯のように設けている場合には、たった1箇所で
も異物、ゴミ等によって電極間がショートすれば静電力
による駆動も静電容量の検出もできなくなってしまい、
これら多数の電極を形成して駆動や検出する方法の角速
度センサにおいては量産上の大きな課題となっていた。
電力にて駆動したり、対向する電極間の静電容量の変化
を測定する場合、効率的に駆動し、静電容量を検出する
ためには、電極間距離は2〜3ミクロンから数ミクロン
とされている。ところがこのギャップには異物やゴミ等
が付着して電極間のショートを発生させる可能性があ
る。特に効率的に駆動したり検出するために多数の電極
を櫛の歯のように設けている場合には、たった1箇所で
も異物、ゴミ等によって電極間がショートすれば静電力
による駆動も静電容量の検出もできなくなってしまい、
これら多数の電極を形成して駆動や検出する方法の角速
度センサにおいては量産上の大きな課題となっていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は第1の梁と、こ
の梁の左右両側に平行に配置された第2、第3の梁と、
前記第1、第2、第3の梁の各々の端部を接続する第
4、第5の梁から構成され、前記第1の梁の中心部が支
持固定されていることを特徴とするものである。
の梁の左右両側に平行に配置された第2、第3の梁と、
前記第1、第2、第3の梁の各々の端部を接続する第
4、第5の梁から構成され、前記第1の梁の中心部が支
持固定されていることを特徴とするものである。
【0006】この構成により静電力を利用した従来のも
のとは異なり、簡単な構成で精度よく角速度を検出する
角速度センサが得られる。
のとは異なり、簡単な構成で精度よく角速度を検出する
角速度センサが得られる。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、第1の梁と、この梁の左右両側に平行に配置された
第2、第3の梁と、前記第1、第2、第3の梁の各々の
端部を接続する第4、第5の梁から構成され、前記第1
の梁の中心部を支持固定されている構造の角速度センサ
であり、この構成により左右の駆動用の第2、第3の梁
は中央の第1の梁を基準として左右対称であるので第
2、第3の梁を振動させた時、中央の第1の梁には全く
振動のモードが発生せず、駆動部の振動が検出部である
第1の梁に漏れない状態で第1、第2、第3の梁を含む
面に直交する軸の周りに角速度を加えると初めて第2、
第3の梁がその長手方向にコリオリ力を受け、第2、第
3の梁に付加された質量部に作用するコリオリ力により
第1の梁がS字状に歪み、この歪を検出することにより
角速度情報を検出することができるので角速度が加わっ
ていない時は駆動振動が検出側に漏れず、検出精度が向
上するという作用を有する。
は、第1の梁と、この梁の左右両側に平行に配置された
第2、第3の梁と、前記第1、第2、第3の梁の各々の
端部を接続する第4、第5の梁から構成され、前記第1
の梁の中心部を支持固定されている構造の角速度センサ
であり、この構成により左右の駆動用の第2、第3の梁
は中央の第1の梁を基準として左右対称であるので第
2、第3の梁を振動させた時、中央の第1の梁には全く
振動のモードが発生せず、駆動部の振動が検出部である
第1の梁に漏れない状態で第1、第2、第3の梁を含む
面に直交する軸の周りに角速度を加えると初めて第2、
第3の梁がその長手方向にコリオリ力を受け、第2、第
3の梁に付加された質量部に作用するコリオリ力により
第1の梁がS字状に歪み、この歪を検出することにより
角速度情報を検出することができるので角速度が加わっ
ていない時は駆動振動が検出側に漏れず、検出精度が向
上するという作用を有する。
【0008】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の発明において、第2、第3の梁の外側中央部にそれぞ
れ付加質量を設け、前記第2、第3の梁の共振周波数と
第1の梁の共振周波数とを近接させたことによりコリオ
リ力を高感度に検出できるという作用を有する。
の発明において、第2、第3の梁の外側中央部にそれぞ
れ付加質量を設け、前記第2、第3の梁の共振周波数と
第1の梁の共振周波数とを近接させたことによりコリオ
リ力を高感度に検出できるという作用を有する。
【0009】請求項3に記載の発明は、請求項2に記載
の発明において、梁や付加質量とこれらを支持する支持
部を同一の振動部材で形成したことを特徴とするもので
あり、これは駆動する梁と検出する梁との機械的結合度
が上がり、剛性が増し、その結果振動が安定し、外乱振
動に対しても安定した角速度検出を行うことができる。
の発明において、梁や付加質量とこれらを支持する支持
部を同一の振動部材で形成したことを特徴とするもので
あり、これは駆動する梁と検出する梁との機械的結合度
が上がり、剛性が増し、その結果振動が安定し、外乱振
動に対しても安定した角速度検出を行うことができる。
【0010】請求項4に記載の発明は、請求項2に記載
の発明において、付加質量をT字型からなるものであ
り、加わった角速度により振動しているT字型の付加質
量にはコリオリの力が作用するので第2、第3の梁に生
じるコリオリ力を増加させることができセンサ感度を向
上させるという作用を有する。
の発明において、付加質量をT字型からなるものであ
り、加わった角速度により振動しているT字型の付加質
量にはコリオリの力が作用するので第2、第3の梁に生
じるコリオリ力を増加させることができセンサ感度を向
上させるという作用を有する。
【0011】請求項5に記載の発明は、請求項3に記載
の発明において、第1、第2、第3の梁の端部を接続す
る第4、第5の梁の外側中央部に切り込みを入れたもの
であり、この構成により第2、第3の梁の振動振幅をと
ることができ結果としてセンサ感度を向上させることが
できるという作用を有する。
の発明において、第1、第2、第3の梁の端部を接続す
る第4、第5の梁の外側中央部に切り込みを入れたもの
であり、この構成により第2、第3の梁の振動振幅をと
ることができ結果としてセンサ感度を向上させることが
できるという作用を有する。
【0012】請求項6に記載の発明は、請求項3に記載
の発明において、第1の梁がS字状に撓む振動モードで
検出を用い、第2、第3の梁は1次の振動モードを用い
たものであり、これにより外部より衝撃や振動等が加わ
った時、第2、第3の梁は1次振動モードで撓み、コリ
オリ力を検出する第1の梁も1次の振動モードで撓むが
この第1の梁はS字状に撓んだ時にのみ出力し1次の振
動モードの撓みでは出力せず、外部からの衝撃、振動に
よる影響を受けないという作用を有する。
の発明において、第1の梁がS字状に撓む振動モードで
検出を用い、第2、第3の梁は1次の振動モードを用い
たものであり、これにより外部より衝撃や振動等が加わ
った時、第2、第3の梁は1次振動モードで撓み、コリ
オリ力を検出する第1の梁も1次の振動モードで撓むが
この第1の梁はS字状に撓んだ時にのみ出力し1次の振
動モードの撓みでは出力せず、外部からの衝撃、振動に
よる影響を受けないという作用を有する。
【0013】請求項7に記載の発明は、請求項3に記載
の発明において、第1、第2、第3の梁とほぼ直交する
第4、第5の梁の長手方向の端部を前記第2、第3の梁
と交差する部分より延出させた構成であり、第2、第3
の梁が振動する時、振動の節となる第2、第3の梁の端
部に質量が集中しているのでこれらの梁をバランスよく
振動させることができ、センサ感度を向上させるという
作用を有する。
の発明において、第1、第2、第3の梁とほぼ直交する
第4、第5の梁の長手方向の端部を前記第2、第3の梁
と交差する部分より延出させた構成であり、第2、第3
の梁が振動する時、振動の節となる第2、第3の梁の端
部に質量が集中しているのでこれらの梁をバランスよく
振動させることができ、センサ感度を向上させるという
作用を有する。
【0014】請求項8に記載の発明は、請求項3に記載
の発明において、第1の梁と第4、第5の梁との接続部
で第1の梁に一部にくびれを設けた構成であり、第1の
梁の剛性が下がり第1の梁に振動振幅を大きくすること
ができ、センサ感度を向上させるという作用を有する。
の発明において、第1の梁と第4、第5の梁との接続部
で第1の梁に一部にくびれを設けた構成であり、第1の
梁の剛性が下がり第1の梁に振動振幅を大きくすること
ができ、センサ感度を向上させるという作用を有する。
【0015】請求項9に記載の発明は、請求項3に記載
の発明において、第2、第3の梁と第4、第5の梁との
接続部において第2、第3の梁の一部にくびれ部を設け
た構成であり、第2、第3の梁の剛性を下げ、第2、第
3の梁に振動振幅を大きくすることができ、センサ感度
を向上させるという作用を有する。
の発明において、第2、第3の梁と第4、第5の梁との
接続部において第2、第3の梁の一部にくびれ部を設け
た構成であり、第2、第3の梁の剛性を下げ、第2、第
3の梁に振動振幅を大きくすることができ、センサ感度
を向上させるという作用を有する。
【0016】請求項10に記載の発明は、請求項3に記
載の発明において、第1の梁の中央部からそれぞれ第
2、第3の梁の中央部の方向に向かう梁をそれぞれひと
つずつ設け、これら2つの梁の先端を支持固定した構成
であり、検出梁としての第1の梁の振動する部分の長さ
を大きくとることができセンサ感度を向上させるという
作用を有する。
載の発明において、第1の梁の中央部からそれぞれ第
2、第3の梁の中央部の方向に向かう梁をそれぞれひと
つずつ設け、これら2つの梁の先端を支持固定した構成
であり、検出梁としての第1の梁の振動する部分の長さ
を大きくとることができセンサ感度を向上させるという
作用を有する。
【0017】請求項11に記載の発明は、請求項10に
記載の発明において、第1の梁の中央部に形成した2つ
の梁の端部に付加質量を設け、この付加質量全体あるい
はその一部を支持固定した構成であり、この振動系より
外部に漏れる振動がこの付加質量部分にて吸収され、同
様に外部からの振動や衝撃の一部もこの質量部分にて吸
収されるので結果として外部からの衝撃や振動に対して
影響を受けにくいという作用を有する。
記載の発明において、第1の梁の中央部に形成した2つ
の梁の端部に付加質量を設け、この付加質量全体あるい
はその一部を支持固定した構成であり、この振動系より
外部に漏れる振動がこの付加質量部分にて吸収され、同
様に外部からの振動や衝撃の一部もこの質量部分にて吸
収されるので結果として外部からの衝撃や振動に対して
影響を受けにくいという作用を有する。
【0018】請求項12に記載の発明は、請求項3に記
載の発明において、振動する部材を圧電体で構成してい
るので、梁の駆動やコリオリ力の検出において効率的な
配置構成が可能となり、センサを小型化できるという作
用を有する。
載の発明において、振動する部材を圧電体で構成してい
るので、梁の駆動やコリオリ力の検出において効率的な
配置構成が可能となり、センサを小型化できるという作
用を有する。
【0019】請求項13に記載の発明は、請求項3に記
載の発明において梁の駆動およびコリオリ力の検出に部
分的に圧電体を設けているので、駆動用の振動部材と検
出部の圧電体とを別々に設定することができ、すなわち
一般的には圧電定数の大きい材料は機械的共振先鋭度が
低く、反対に圧電定数が小さい材料は機械的共振先鋭度
が高いので駆動用には機械的共振先鋭度の高い材料を用
い、コリオリ力検出には圧電定数の高い材料を用いると
いうふうに組合せることにより、全体としてセンサ感度
を向上させるという作用を有する。
載の発明において梁の駆動およびコリオリ力の検出に部
分的に圧電体を設けているので、駆動用の振動部材と検
出部の圧電体とを別々に設定することができ、すなわち
一般的には圧電定数の大きい材料は機械的共振先鋭度が
低く、反対に圧電定数が小さい材料は機械的共振先鋭度
が高いので駆動用には機械的共振先鋭度の高い材料を用
い、コリオリ力検出には圧電定数の高い材料を用いると
いうふうに組合せることにより、全体としてセンサ感度
を向上させるという作用を有する。
【0020】(実施の形態1)図1は本発明の角速度セ
ンサの実施の形態1の構造を示す斜視図で、1は水晶で
構成されたセンサ素子で駆動部分と検出部分からなる。
2はコバルト・ニッケル・鉄の合金からできているハー
メチックシール用の気密板で長さ12mm、幅8mm、
厚み0.6mmである。
ンサの実施の形態1の構造を示す斜視図で、1は水晶で
構成されたセンサ素子で駆動部分と検出部分からなる。
2はコバルト・ニッケル・鉄の合金からできているハー
メチックシール用の気密板で長さ12mm、幅8mm、
厚み0.6mmである。
【0021】センサ素子1と気密板2の断面図を図2に
示す。図2において3は気密板2に電気的に絶縁、保持
された電気端子である。電気端子3はセンサ素子1に設
けた電極端子(図示せず)と金ワイヤ5で結線されてい
る。4はスペーサであり、気密板2とセンサ素子1を若
干浮上させてセンサ素子1の中心を接着にて支持固定さ
れている。6は気密板2上に構成したセンサ素子1を真
空にて封止するためのカバーである。このカバー6の材
質としては気密板2と熱膨張係数の等しいコバルト・ニ
ッケル・鉄の合金が望ましい。
示す。図2において3は気密板2に電気的に絶縁、保持
された電気端子である。電気端子3はセンサ素子1に設
けた電極端子(図示せず)と金ワイヤ5で結線されてい
る。4はスペーサであり、気密板2とセンサ素子1を若
干浮上させてセンサ素子1の中心を接着にて支持固定さ
れている。6は気密板2上に構成したセンサ素子1を真
空にて封止するためのカバーである。このカバー6の材
質としては気密板2と熱膨張係数の等しいコバルト・ニ
ッケル・鉄の合金が望ましい。
【0022】図3はセンサ素子1の平面図である。図3
において110は第1の梁で中心部にて支持され両端に
は第4の梁113、第5の梁114が形成されている。
第1の梁110と平行に第2の梁111、第3の梁11
2が形成され第4の梁113、第5の梁114により第
1の梁110と一体化されている。101は第4の梁1
13、第5の梁114の中央部分の外側に設けられた切
欠き部、102は第2の梁111、第3の梁112の中
央部外側に設けられた付加質量、103は空間孔部、1
04はコリオリ力の検出部、105はセンサ中心支持
部、106は駆動部、107はモニター部である。
において110は第1の梁で中心部にて支持され両端に
は第4の梁113、第5の梁114が形成されている。
第1の梁110と平行に第2の梁111、第3の梁11
2が形成され第4の梁113、第5の梁114により第
1の梁110と一体化されている。101は第4の梁1
13、第5の梁114の中央部分の外側に設けられた切
欠き部、102は第2の梁111、第3の梁112の中
央部外側に設けられた付加質量、103は空間孔部、1
04はコリオリ力の検出部、105はセンサ中心支持
部、106は駆動部、107はモニター部である。
【0023】駆動部106と検出部104の共振周波数
の差Δfが小さいほどセンサとしての感度は高くなる
が、この差Δfはセンサの応答性にも深く関係し、この
差Δfはおよそ200Hz〜300Hz程度離すことが
望ましい。また差Δfを300Hz以上離すと角速度の
検出感度が低下してしまう。
の差Δfが小さいほどセンサとしての感度は高くなる
が、この差Δfはセンサの応答性にも深く関係し、この
差Δfはおよそ200Hz〜300Hz程度離すことが
望ましい。また差Δfを300Hz以上離すと角速度の
検出感度が低下してしまう。
【0024】図4は図3の駆動部106すなわち第2の
梁111のA−A断面図である。図4の右向き矢印は第
2の梁111の材料である水晶の電気軸であり、この電
気軸に電界が加わるように駆動部106すなわち第2の
梁111の上面に電極7,8,9、下面に電極10,1
1,12を配置して構成している。13は交流電界を印
加する駆動回路である。
梁111のA−A断面図である。図4の右向き矢印は第
2の梁111の材料である水晶の電気軸であり、この電
気軸に電界が加わるように駆動部106すなわち第2の
梁111の上面に電極7,8,9、下面に電極10,1
1,12を配置して構成している。13は交流電界を印
加する駆動回路である。
【0025】図5は図3のモニター部107すなわち第
3の梁112のB−B断面図で、中央の矢印は水晶の電
気軸である。モニター部107すなわち第3の梁112
の上面に電極14,15,16、下面に電極17,1
8,19が配置されており、振動振幅に比例した電荷を
検出している。
3の梁112のB−B断面図で、中央の矢印は水晶の電
気軸である。モニター部107すなわち第3の梁112
の上面に電極14,15,16、下面に電極17,1
8,19が配置されており、振動振幅に比例した電荷を
検出している。
【0026】図6はコリオリ力の検出部104のC−C
断面図を示す。図6の20,21,22,23,24,
25は電極でありコリオリ力の検出部104すなわち第
1の梁110のS字状の撓みを電荷として検出する。
断面図を示す。図6の20,21,22,23,24,
25は電極でありコリオリ力の検出部104すなわち第
1の梁110のS字状の撓みを電荷として検出する。
【0027】図8はセンサ素子からの信号を処理する回
路の一例である。図8において1はセンサ素子、26は
チャージアンプであり、センサ素子1からの信号を増幅
し同時に信号の位相を90度遅らせる。13はセンサ素
子1を駆動する回路である。27は検波回路であり、チ
ャージアンプ26からの信号を駆動回路13からの駆動
信号に同期して検波し、角速度によるコリオリ力信号成
分を抽出する。28はローパスのフィルター回路であり
コリオリ力信号成分から駆動信号成分を除去する。29
は出力端子であり、コリオリ力信号すなわち角速度に比
例した信号を出力する。
路の一例である。図8において1はセンサ素子、26は
チャージアンプであり、センサ素子1からの信号を増幅
し同時に信号の位相を90度遅らせる。13はセンサ素
子1を駆動する回路である。27は検波回路であり、チ
ャージアンプ26からの信号を駆動回路13からの駆動
信号に同期して検波し、角速度によるコリオリ力信号成
分を抽出する。28はローパスのフィルター回路であり
コリオリ力信号成分から駆動信号成分を除去する。29
は出力端子であり、コリオリ力信号すなわち角速度に比
例した信号を出力する。
【0028】次に本実施の形態1の角速度センサの動作
を説明する。図4において電極7〜12に交流信号を印
加する。電極間に加えられた電界の方向(図4の両方向
矢印)が電気軸と同じ方向であれば電界印加部分は図4
の紙面方向に延び、逆に電極間に加えられた電界の方向
と電気軸の方向とが逆方向であれば図4の紙面方向に縮
む。言いかえると電極間に交流信号を印加することによ
り駆動部106すなわち第2の梁111はその長手方向
に伸縮するようになる。図7において梁の振動を説明す
ると、交流信号を駆動部106に印加することにより第
2の梁111はその長手方向に伸縮し、結果的に第2の
梁111、第3の梁112、第4の梁113、第5の梁
114で形成される長方形の縦の辺に相当する第2の梁
111と第3の梁112が図7の破線で示すように左右
に振動をする。
を説明する。図4において電極7〜12に交流信号を印
加する。電極間に加えられた電界の方向(図4の両方向
矢印)が電気軸と同じ方向であれば電界印加部分は図4
の紙面方向に延び、逆に電極間に加えられた電界の方向
と電気軸の方向とが逆方向であれば図4の紙面方向に縮
む。言いかえると電極間に交流信号を印加することによ
り駆動部106すなわち第2の梁111はその長手方向
に伸縮するようになる。図7において梁の振動を説明す
ると、交流信号を駆動部106に印加することにより第
2の梁111はその長手方向に伸縮し、結果的に第2の
梁111、第3の梁112、第4の梁113、第5の梁
114で形成される長方形の縦の辺に相当する第2の梁
111と第3の梁112が図7の破線で示すように左右
に振動をする。
【0029】第2の梁111に交流信号が印加されて第
2の梁111、第3の梁112が左右に振動している
時、モニター部107すなわち第3の梁112は長手方
向に伸縮しているので水晶の圧電効果により図5に示す
電極14,16,17,19に電荷が発生し、電極1
5,18には逆極性の電荷が発生する。このモニター部
107からの信号が一定になるよう駆動信号を制御する
ことによって第2の梁111と第3の梁112の振幅は
常に一定に保たれている。
2の梁111、第3の梁112が左右に振動している
時、モニター部107すなわち第3の梁112は長手方
向に伸縮しているので水晶の圧電効果により図5に示す
電極14,16,17,19に電荷が発生し、電極1
5,18には逆極性の電荷が発生する。このモニター部
107からの信号が一定になるよう駆動信号を制御する
ことによって第2の梁111と第3の梁112の振幅は
常に一定に保たれている。
【0030】図7において紙面に垂直な軸のまわりに角
速度が印加された場合、付加質量102、第2の梁11
1、第3の梁112には図7に示すように上下方向にコ
リオリ力が発生する。このコリオリ力により第2の梁1
11、第3の梁112、第4の梁113、第5の梁11
4で形成される四角形にはセンサ中心支持部105を中
心として左右に回転しようとする。第1の梁110はセ
ンサ中心支持部105にて支持固定されているので第1
の梁110はセンサ中心支持部105をセンタとしてS
字状に撓み振動する。このS字状の撓みを検出すること
により角速度情報が得られる。
速度が印加された場合、付加質量102、第2の梁11
1、第3の梁112には図7に示すように上下方向にコ
リオリ力が発生する。このコリオリ力により第2の梁1
11、第3の梁112、第4の梁113、第5の梁11
4で形成される四角形にはセンサ中心支持部105を中
心として左右に回転しようとする。第1の梁110はセ
ンサ中心支持部105にて支持固定されているので第1
の梁110はセンサ中心支持部105をセンタとしてS
字状に撓み振動する。このS字状の撓みを検出すること
により角速度情報が得られる。
【0031】図8で示した回路において、センサ素子1
に角速度が加わるとセンサ素子1に発生したコリオリ力
の信号成分がチャージアンプ26に入力される。チャー
ジアンプ26の出力信号を駆動信号に同期して検波回路
27により検波し、この検波信号のうち駆動信号成分を
フィルター回路28で除去し、コリオリ成分信号のみを
通過させると角速度信号が出力端子29から出力され
る。これは角速度によるコリオリ力はセンサ素子1の振
動している速度に比例し、コリオリ力信号の位相は駆動
信号と90度ずれているので駆動信号に同期して検波す
るとコリオリの力成分のみを抽出することができるから
である。
に角速度が加わるとセンサ素子1に発生したコリオリ力
の信号成分がチャージアンプ26に入力される。チャー
ジアンプ26の出力信号を駆動信号に同期して検波回路
27により検波し、この検波信号のうち駆動信号成分を
フィルター回路28で除去し、コリオリ成分信号のみを
通過させると角速度信号が出力端子29から出力され
る。これは角速度によるコリオリ力はセンサ素子1の振
動している速度に比例し、コリオリ力信号の位相は駆動
信号と90度ずれているので駆動信号に同期して検波す
るとコリオリの力成分のみを抽出することができるから
である。
【0032】本実施の形態1に示す構造によれば第2の
梁111、第3の梁112が左右に振動していても角速
度が印加されない時は中央の第1の梁110にはコリオ
リ力が発生しない。すなわち駆動部分による振動が検出
部分にまったく漏れてこない。角速度が印加されコリオ
リ力が発生した時のみ検出部分に撓みが生じるのでS/
N比の良い角速度検出が可能となる。
梁111、第3の梁112が左右に振動していても角速
度が印加されない時は中央の第1の梁110にはコリオ
リ力が発生しない。すなわち駆動部分による振動が検出
部分にまったく漏れてこない。角速度が印加されコリオ
リ力が発生した時のみ検出部分に撓みが生じるのでS/
N比の良い角速度検出が可能となる。
【0033】また、梁の駆動とコリオリ力の検出に多数
の櫛歯電極を必要とする静電引力、静電容量検出を用い
ず、圧電効果を用いているのでセンサの構成が簡単にな
り量産も容易である。
の櫛歯電極を必要とする静電引力、静電容量検出を用い
ず、圧電効果を用いているのでセンサの構成が簡単にな
り量産も容易である。
【0034】センサ素子1全体に衝撃等の加速度が加わ
った場合について説明する。図7においてセンサ素子1
の左右方向すなわち第4の梁113、第5の梁114に
平行な方向に加速度が加わった場合、第1の梁110は
加速度が加わった方向にCの字状に撓む。この時センサ
中心支持部105を境とする上下部分の梁より得られる
信号の差分を検出すれば加速度による信号はキャンセル
でき角速度信号のみを検出することができ、加速度の影
響を除去できる。
った場合について説明する。図7においてセンサ素子1
の左右方向すなわち第4の梁113、第5の梁114に
平行な方向に加速度が加わった場合、第1の梁110は
加速度が加わった方向にCの字状に撓む。この時センサ
中心支持部105を境とする上下部分の梁より得られる
信号の差分を検出すれば加速度による信号はキャンセル
でき角速度信号のみを検出することができ、加速度の影
響を除去できる。
【0035】センサ素子1の上下方向すなわち第1の梁
110に平行に加速度が加わった場合は第1の梁110
の長手方向に圧縮と引張の応力が発生するが、その信号
の差分を検出すれば加速度による信号はキャンセルでき
る。図7において紙面の垂直方向に加速度が加わった場
合も同様で第1の梁110が紙面に垂直方向に撓むが第
1の梁から得られる信号の差分を検出することにより加
速度による信号はキャンセルできる。
110に平行に加速度が加わった場合は第1の梁110
の長手方向に圧縮と引張の応力が発生するが、その信号
の差分を検出すれば加速度による信号はキャンセルでき
る。図7において紙面の垂直方向に加速度が加わった場
合も同様で第1の梁110が紙面に垂直方向に撓むが第
1の梁から得られる信号の差分を検出することにより加
速度による信号はキャンセルできる。
【0036】図9は図8の回路構成の本発明の実施の形
態1での入力角速度と角速度センサ出力信号との関係を
示した図である。これより入力角速度とその出力信号は
ほぼ直線の関係にあることがわかる。
態1での入力角速度と角速度センサ出力信号との関係を
示した図である。これより入力角速度とその出力信号は
ほぼ直線の関係にあることがわかる。
【0037】(実施の形態2)図10は本発明の角速度
センサの実施の形態2における振動子の斜視図である。
本実施の形態2は実施の形態1で述べた角速度センサと
振動する梁の形状は同一であり、また駆動方法、コリオ
リ力の検出方法も同じであるのでそれらに関する詳細な
説明を省略する。実施の形態1と異なる構造部分につい
てのみ説明する。なお図10における各部品の番号は実
施の形態1と同一機能の部品には同じ番号を付与し説明
を省略している。
センサの実施の形態2における振動子の斜視図である。
本実施の形態2は実施の形態1で述べた角速度センサと
振動する梁の形状は同一であり、また駆動方法、コリオ
リ力の検出方法も同じであるのでそれらに関する詳細な
説明を省略する。実施の形態1と異なる構造部分につい
てのみ説明する。なお図10における各部品の番号は実
施の形態1と同一機能の部品には同じ番号を付与し説明
を省略している。
【0038】図10において31は外形が四角で内側に
図3の空間孔部103と同一形状の孔部を有するセラミ
ックスの薄板状の圧電体であり、恒弾性金属からなる振
動子32の上側に貼り付けられている。なお図10の構
成では振動子32を駆動し、角速度によるコリオリ力を
検出するために、図4、図5、図6で示す実施の形態1
の電極構成とは若干変更する必要があるが、基本的に駆
動部の梁を伸び縮みさせて図7のような振動をさせて、
コリオリ力を検出する点において同じである。
図3の空間孔部103と同一形状の孔部を有するセラミ
ックスの薄板状の圧電体であり、恒弾性金属からなる振
動子32の上側に貼り付けられている。なお図10の構
成では振動子32を駆動し、角速度によるコリオリ力を
検出するために、図4、図5、図6で示す実施の形態1
の電極構成とは若干変更する必要があるが、基本的に駆
動部の梁を伸び縮みさせて図7のような振動をさせて、
コリオリ力を検出する点において同じである。
【0039】本実施の形態2においては圧電体31を振
動子32に接合し、振動子32の特性と圧電体31の材
料の個別の優れた共振特性および圧電定数の特性を組み
合わせてセンサ特性をさらに改善することができた。
動子32に接合し、振動子32の特性と圧電体31の材
料の個別の優れた共振特性および圧電定数の特性を組み
合わせてセンサ特性をさらに改善することができた。
【0040】なお本実施の形態2において振動子32の
上側に圧電体31を設けて振動子32の駆動とコリオリ
力の検出を説明してきたが、振動子32の上下両面に圧
電体31を設けて振動子32の駆動、コリオリ力の検出
を行っても本発明の効果は得られる。また圧電体31は
薄板状の圧電セラミックスを用いたが、圧電セラミック
ス以外に単結晶の圧電材料や振動子上に直接圧電膜を形
成してもよいことはいうまでもない。
上側に圧電体31を設けて振動子32の駆動とコリオリ
力の検出を説明してきたが、振動子32の上下両面に圧
電体31を設けて振動子32の駆動、コリオリ力の検出
を行っても本発明の効果は得られる。また圧電体31は
薄板状の圧電セラミックスを用いたが、圧電セラミック
ス以外に単結晶の圧電材料や振動子上に直接圧電膜を形
成してもよいことはいうまでもない。
【0041】また、恒弾性金属からなる振動子の代わり
にアルミナセラミックスからなる振動子の上に圧電セラ
ミックスを貼りつけても同様の効果が得られた。
にアルミナセラミックスからなる振動子の上に圧電セラ
ミックスを貼りつけても同様の効果が得られた。
【0042】(実施の形態3)図11は本発明の実施の
形態3における振動子の平面図である。この振動子にお
いて実施の形態1、実施の形態2と同一機能の部品につ
いては同じ番号を付与して説明を省略し、異なる部分に
ついてのみ説明する。
形態3における振動子の平面図である。この振動子にお
いて実施の形態1、実施の形態2と同一機能の部品につ
いては同じ番号を付与して説明を省略し、異なる部分に
ついてのみ説明する。
【0043】図11において108は第1の梁110の
中央部より左右にでている支持梁で、それらの先端には
支持質量部109が形成されており、この支持質量部1
09の部分にてセンサ素子1が保持されている。第1の
梁110の両端部にはくびれ部110aが設けられてい
る。第2の梁111にも同様のくびれ部111a、第3
の梁112にもくびれ部112aが設けられている。第
4の梁113はその両端部が第2の梁111、第3の梁
112よりも突き出た突出部113aを有する。同様に
第5の梁114もその両端に突出部114aを有する。
なおセンサ素子1は実施の形態1と同じく水晶からでき
ている。
中央部より左右にでている支持梁で、それらの先端には
支持質量部109が形成されており、この支持質量部1
09の部分にてセンサ素子1が保持されている。第1の
梁110の両端部にはくびれ部110aが設けられてい
る。第2の梁111にも同様のくびれ部111a、第3
の梁112にもくびれ部112aが設けられている。第
4の梁113はその両端部が第2の梁111、第3の梁
112よりも突き出た突出部113aを有する。同様に
第5の梁114もその両端に突出部114aを有する。
なおセンサ素子1は実施の形態1と同じく水晶からでき
ている。
【0044】次に本実施の形態3の角速度センサの動作
について説明するが駆動、モニター用の電極の配置、角
速度信号検出方法は実施の形態1と同じであるので説明
を省略し、ここでは本実施の形態3での梁の振動と角速
度の検出について説明する。
について説明するが駆動、モニター用の電極の配置、角
速度信号検出方法は実施の形態1と同じであるので説明
を省略し、ここでは本実施の形態3での梁の振動と角速
度の検出について説明する。
【0045】図11において、第4の梁113の突出部
113a、第5の梁114の突出部114aが設けられ
ているので、第2の梁111、第3の梁112が左右に
振動する際、その振動の節である部分すなわち第2の梁
111、第3の梁112それぞれの梁の延長線上に質量
が集中しているので第2の梁111、第3の梁112を
バランスよく振動させることができ感度が向上する。
113a、第5の梁114の突出部114aが設けられ
ているので、第2の梁111、第3の梁112が左右に
振動する際、その振動の節である部分すなわち第2の梁
111、第3の梁112それぞれの梁の延長線上に質量
が集中しているので第2の梁111、第3の梁112を
バランスよく振動させることができ感度が向上する。
【0046】また、第2の梁111、第3の梁112の
両端にくびれ部111a,112aを設けて梁の剛性を
下げているので振動振幅を大きくすることができる。第
1の梁110の両端にもくびれ部110aを設けている
ので第1の梁110のコリオリ力による撓みを大きくと
ることができ、センサ感度が向上する。
両端にくびれ部111a,112aを設けて梁の剛性を
下げているので振動振幅を大きくすることができる。第
1の梁110の両端にもくびれ部110aを設けている
ので第1の梁110のコリオリ力による撓みを大きくと
ることができ、センサ感度が向上する。
【0047】センサ素子1を保持するのに支持梁108
を用いているので、検出梁として第1の梁110の撓む
部分の長さをより長くとることができる。また支持梁1
08の先端に支持質量部109を設けこの支持質量部1
09でもってセンサ素子1を支持固定しているので、こ
の振動系より外部に漏れる振動がこの支持質量部109
で吸収される。同様に外部からの振動や衝撃の一部もこ
の支持質量部109で吸収されるので結果として外部か
らの衝撃や振動による影響を受けにくくなっている。
を用いているので、検出梁として第1の梁110の撓む
部分の長さをより長くとることができる。また支持梁1
08の先端に支持質量部109を設けこの支持質量部1
09でもってセンサ素子1を支持固定しているので、こ
の振動系より外部に漏れる振動がこの支持質量部109
で吸収される。同様に外部からの振動や衝撃の一部もこ
の支持質量部109で吸収されるので結果として外部か
らの衝撃や振動による影響を受けにくくなっている。
【0048】
【発明の効果】以上のように本発明は、第1の梁と、こ
の梁と同一平面上で左右両側に平行に配置され前記第1
の梁と同一長の第2、第3の梁と、前記第1、第2、第
3の梁の各々の端部を接続する第4、第5の梁から構成
され、前記第1の梁の中心部が支持固定されている検出
素子を有していることにより、駆動された梁の変位成分
の一部がコリオリ力検出成分の中に混入することなく、
コリオリ力の成分のみを抽出することができるので角速
度の検出精度を向上させることができる。
の梁と同一平面上で左右両側に平行に配置され前記第1
の梁と同一長の第2、第3の梁と、前記第1、第2、第
3の梁の各々の端部を接続する第4、第5の梁から構成
され、前記第1の梁の中心部が支持固定されている検出
素子を有していることにより、駆動された梁の変位成分
の一部がコリオリ力検出成分の中に混入することなく、
コリオリ力の成分のみを抽出することができるので角速
度の検出精度を向上させることができる。
【0049】また、振動子の駆動やコリオリ力の検出
に、多数の櫛歯状の電極を必要とする静電引力や静電容
量を検出するという方法を用いておらず圧電体材料を用
いているので容易に製造することが可能である。
に、多数の櫛歯状の電極を必要とする静電引力や静電容
量を検出するという方法を用いておらず圧電体材料を用
いているので容易に製造することが可能である。
【図1】本発明の角速度センサの実施の形態1の構造を
示す斜視図
示す斜視図
【図2】同角速度センサの断面図
【図3】同角速度センサのセンサ素子部分の平面図
【図4】図3のA−A断面図
【図5】図3のB−B断面図
【図6】図3のC−C断面図
【図7】センサ素子の振動状態を示す模式図
【図8】信号処理回路のブロック図
【図9】入力角速度とセンサ出力信号との関係を表す図
【図10】本発明の実施の形態2のセンサ素子の斜視図
【図11】本発明の実施の形態3のセンサ素子の平面図
1 センサ素子 2 気密板 3 電気端子 4 スペーサ 5 金ワイヤ 6 カバー 7〜12 電極 13 駆動回路 14〜25 電極 26 チャージアンプ 27 検波回路 28 フィルター回路 29 出力端子 31 圧電体 32 振動子 101 切欠き部 102 付加質量 103 空間孔部 104 検出部 105 センサ中心支持部 106 駆動部 107 モニター部 108 支持梁 109 支持質量部 110 第1の梁 110a くびれ部 111 第2の梁 111a くびれ部 112 第3の梁 112a くびれ部 113 第4の梁 113a 突出部 114 第5の梁 114a 突出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 毅 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2F105 AA02 AA03 AA06 AA08 BB02 CC04 CD02 CD06 CD13
Claims (13)
- 【請求項1】 第1の梁と、この梁と同一平面上で左右
両側に平行に配置され前記第1の梁と同一長の第2、第
3の梁と、前記第1、第2、第3の梁の各々の端部を接
続する第4、第5の梁から構成され、前記第1の梁の中
心部が支持固定されている検出素子を有する角速度セン
サ。 - 【請求項2】 第2、第3の梁の中央部に付加質量を設
け、前記第2、第3の梁の振動共振周波数と第1の梁の
共振周波数が近接するように構成された請求項1に記載
の角速度センサ。 - 【請求項3】 第1〜第5の梁、付加質量とこれらを支
持する支持部をすべて同一部材でかつ同一面内で形成し
た請求項2に記載の角速度センサ。 - 【請求項4】 第2、第3の梁に設けられた付加質量は
略T字型である請求項3に記載の角速度センサ。 - 【請求項5】 第2、第3の梁それぞれの端部で接続さ
れている第4、第5の梁の外側の中央部に切り込みを設
けた請求項3に記載の角速度センサ。 - 【請求項6】 第1の梁はS字状の振動モードで検出を
行い、第2、第3の梁の駆動を1次振動モードにて行う
請求項3に記載の角速度センサ。 - 【請求項7】 第1、第2、第3の梁とほぼ直交する第
4、第5の梁の長手方向の端部を前記第2、第3の梁と
交差する部分より延出させた請求項3に記載の角速度セ
ンサ。 - 【請求項8】 第1の梁と第4、第5の梁との接続部に
おいて第1の梁の一部にくびれ部を設けた請求項3に記
載の角速度センサ。 - 【請求項9】 第2、第3の梁と第4、第5の梁との接
続部において第2、第3の梁の一部にくびれ部を設けた
請求項3に記載の角速度センサ。 - 【請求項10】 第1の梁の中央部からそれぞれ第2、
第3の梁の中央部の方向に向かう梁をそれぞれひとつず
つ設け、これら2つの梁の先端を支持固定した請求項3
に記載の角速度センサ。 - 【請求項11】 第1の梁の中央部に形成した2つの梁
の端部に付加質量を設け、この付加質量そのものあるい
はその一部を支持固定した請求項10に記載の角速度セ
ンサ。 - 【請求項12】 梁の材料が圧電体で構成されている請
求項3に記載の角速度センサ。 - 【請求項13】 第2、第3の梁に駆動用の圧電体およ
び第1の梁に検出用の圧電体を設けた請求項3に記載の
角速度センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001082157A JP2002277248A (ja) | 2001-03-22 | 2001-03-22 | 角速度センサ |
| US10/100,737 US6598476B2 (en) | 2001-03-22 | 2002-03-19 | Angular velocity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001082157A JP2002277248A (ja) | 2001-03-22 | 2001-03-22 | 角速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002277248A true JP2002277248A (ja) | 2002-09-25 |
Family
ID=18938142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001082157A Pending JP2002277248A (ja) | 2001-03-22 | 2001-03-22 | 角速度センサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6598476B2 (ja) |
| JP (1) | JP2002277248A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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