JP2010169498A - 角速度センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、出力感度が大きくなる角速度センサ素子を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の角速度センサ素子は、第１の検出電極振動体２８と第１の駆動電極振動体３１との接続部に屈曲部３３を設けるとともに、第２の検出電極振動体３５と第２の駆動電極振動体３８との接続部に屈曲部３３を設け、第１の検出電極振動体２８、第１の駆動電極振動体３１、第２の検出電極振動体３５および第２の駆動電極振動体３８の双方が大きく撓む構成としたものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される角速度センサ素子に関するものである。

従来のこの種の角速度センサ素子は図６に示すような構成となっていた。この図６において、１は水晶からなる正方形状の固定部で、この固定部１はＸ軸方向に向かって延出される第１の延出腕２と第２の延出腕３を設けている。４は水晶製の第１の検出電極振動体で、この第１の検出電極振動体４は一端が前記固定部１に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の検出電極振動体４の４つの外側面にはそれぞれ検出電極５を設けているものである。そして、これと同様に、前記固定部１からは前記第１の検出電極振動体４を延出した方向と反対側のＹ軸方向に第２の検出電極振動体６を設けており、かつこの第２の検出電極振動体の４つの外側面にもそれぞれ検出電極５を設けているものである。

７は水晶製の第１の駆動電極振動体で、この第１の駆動電極振動体７は一端が前記第１の振動腕２に接続され、かつ他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の駆動電極振動体７の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。９は水晶製の第２の駆動電極振動体で、この第２の駆動電極振動体９は一端が前記第１の延出腕２に接続されるとともに、他端が前記第１の駆動電極振動体７を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第２の駆動電極振動体９の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。１０は水晶製の第３の駆動電極振動体で、この第３の駆動電極振動体１０は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第３の駆動電極振動体１０の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。１１は水晶製の第４の駆動電極振動体で、この第４の駆動電極振動体１１は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端が前記第３の駆動電極振動体１０を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第４の駆動電極振動体１１の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。

以上のように構成された従来の角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。

第１の駆動電極振動体７、第２の駆動電極振動体９、第３の駆動電極振動体１０および第４の駆動電極振動体１１のそれぞれの駆動電極８に交流電圧を印加することにより、駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。そして、この第１の駆動電極振動体７、第２の駆動電極振動体９、第３の駆動電極振動体１０および第４の駆動電極振動体１１が駆動振動している状態において、角速度センサ素子を設けた平面と垂直な方向であるＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、第１の駆動電極振動体７、第２の駆動電極振動体９、第３の駆動電極振動体１０および第４の駆動電極振動体１１にＦ＝２ｍｖ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力を第１の延出腕２および第２の延出腕３および固定部１を介して第１の検出電極振動体４および第２の検出電極振動体６に伝えることにより、それぞれの検出電極５から角速度に応じた出力信号を出力するものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００１−２６４０６７号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、第１の駆動電極振動体７および第２の駆動電極振動体９の一端を第１の延出部に固定するとともに、第３の駆動電極振動体１０および第４の駆動電極振動体１１の一端を第２の延出部３に固定しているため、片持ち梁構造の振動駆動をすることになり、これにより、第１の駆動電極振動体７、第２の駆動電極振動体９、第３の駆動電極振動体１０および第４の駆動電極振動体１１の自由端側の変位量は少なくなるため、発生するコリオリ力も小となり、その結果、角速度センサ素子の出力感度が小さくなってしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、出力感度が大きくなる角速度センサ素子を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、固定部と、この固定部に一端が接続されるとともに上面の辺側に少なくとも１つの検出電極を設けかつ側面にＧＮＤ電極を設けた四角柱状の検出電極振動体と、一端が前記検出電極振動体の他端に接続されるとともに４面のうちの２面に少なくとも一対の駆動電極を設けた四角柱状の駆動電極振動体と、この駆動電極振動体の他端に接続された錘部とを備え、前記検出電極振動体と駆動電極振動体との接続部に屈曲部を設けたもので、この構成によれば、検出電極振動体と駆動電極振動体との接続部に屈曲部を設けているため、この屈曲部を支点として駆動電極振動体と検出電極振動体の双方が大きく撓むことになり、これにより、検出電極振動体に発生するコリオリ力が大きくなるため、検出電極振動体における検出電極から発生する出力信号は大きくなり、その結果、角速度センサ素子の出力感度が大きくなるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、駆動電極振動体と検出電極振動体との接続部を折返し形状とすることにより、駆動電極振動体と検出電極振動体とが互いに相似形状に変形するようにしたもので、この構成によれば、駆動電極振動体と検出電極振動体との接続部を折返し形状とすることにより、駆動電極振動体と検出電極振動体とが互いに相似形状に変形するようにしているため、駆動電極振動体と検出電極振動体の双方の振動駆動は安定することになり、これにより、コリオリ力により発生する出力信号の精度が向上するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、検出電極振動体における検出電極と駆動電極振動体における駆動電極に電気的に接続される電極ランドを固定部に設けたもので、この構成によれば、検出電極振動体における検出電極と駆動電極振動体における駆動電極に電気的に接続される電極ランドを固定部に設けているため、外部回路との信号の入出力を容易に行うことができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサ素子は、固定部と、この固定部に一端が接続されるとともに上面の辺側に少なくとも１つの検出電極を設けかつ側面にＧＮＤ電極を設けた四角柱状の検出電極振動体と、一端が前記検出電極振動体の他端に接続されるとともに４面のうちの２面に少なくとも一対の駆動電極を設けた四角柱状の駆動電極振動体と、この駆動電極振動体の他端に接続された錘部とを備え、前記検出電極振動体と駆動電極振動体との接続部に屈曲部を設けているため、この屈曲部を支点として駆動電極振動体と検出電極振動体の双方が大きく撓むことになり、これにより、検出電極振動体に発生するコリオリ力が大きくなるため、検出電極振動体における検出電極から発生する出力信号は大きくなり、その結果、出力感度の大きな角速度センサ素子を提供することができるという優れた効果を有するものである。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサ素子の上面図、図２は同角速度センサ素子における検出電極振動体と駆動電極振動体の断面図、図３は同角速度センサ素子における検出電極振動体とモニター電極振動体の側断面図である。

図１〜図３において、２１はＴ字形状の水晶からなる第１の固定部で、この第１の固定部２１の上面には駆動電極ランド２２、一対の検出電極ランド２３およびＧＮＤ電極ランド２４を設けている。また、前記第１の固定部２１と同一平面上にはＴ字形状の水晶からなる第２の固定部２５を設けており、そして、この第２の固定部２５の上面には一対の駆動電極ランド２６ａ、モニター電極ランド２６ｂおよびＧＮＤ電極ランド２７を設けているものである。

そしてまた、前記第１の固定部２１には、第１の検出電極振動体２８における第１の検出電極２９と第２の検出電極振動体３５における第２の検出電極３６と電気的に接続される検出電極ランド２３と、第１の駆動電極振動体３１における第１の駆動電極３２ａと第２の駆動電極振動体３８における第２の駆動電極３２ｂに電気的に接続される駆動電極ランド２２を設け、さらに第２の固定部２５には、第３の駆動電極振動体４３における第１の駆動電極３２ａと第４の駆動電極振動体４７における第２の駆動電極３２ｂに電気的に接続される駆動電極ランド２６ａを設けているもので、このような構成にすれば、外部回路（図示せず）との信号の入出力を容易に行うことができるという効果が得られるものである。

２８は水晶製の第１の検出電極振動体で、この第１の検出電極振動体２８は、一端が第１の固定部２１に接続され、そして、図２に示すように、上面の辺側に第１の検出電極２９を設けるとともに、側面にＧＮＤ電極３０を設けている。３１は水晶製の第１の駆動電極振動体で、この駆動電極振動体３１は、一端が前記第１の検出電極振動体２８における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極３２ａを設けるとともに、上下面に一対の第２の駆動電極３２ｂを設けている。そしてまた、前記第１の検出電極振動体２８と第１の駆動電極振動体３１との接続部には折返し形状の屈曲部３３を設けることにより、第１の検出電極振動体２８と第１の駆動電極振動体３１とが互いに相似形状に変形するように構成されているものである。

３４は第１の錘部で、この第１の錘部３４は前記第１の駆動電極振動体３１の他端に接続されている。３５は水晶製の第２の検出電極振動体で、この第２の検出電極振動体３５は、一端が前記第１の固定部２１と、前記第１の検出電極振動体２８を設けた側と反対側に接続され、そして、図２に示すように、上面の辺側に第２の検出電極３６を設けるとともに、側面にＧＮＤ電極３７を設けている。３８は水晶製の第２の駆動電極振動体で、この第２の駆動電極振動体３８は、一端が前記第２の検出電極振動体３５における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極３２ａを設けるとともに、上下面に一対の第２の駆動電極３２ｂを設けている。３９は第２の錘部で、この第２の錘部３９は前記第２の駆動電極振動体３８の他端に接続されている。

４０は水晶製の第１のモニター電極振動体で、この第１のモニター電極振動体４０は、一端が前記第２の固定部２５に接続され、そして、図３に示すように、一側面に第１のモニター電極４１を設けるとともに、上下面に一対のＧＮＤ電極４２を設けている。４３は水晶製の第３の駆動電極振動体で、この第３の駆動電極振動体４３は、一端が前記第１のモニター電極振動体４０における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極３２ａを設け、かつ上下面に一対の第２の駆動電極３２ｂを設けている。そしてまた、この第３の駆動電極振動体４３の他端には第２の錘部３９を接続している。４４は水晶製の第２のモニター電極振動体で、この第２のモニター電極振動体４４は、一端が前記第２の固定部２５に接続され、そして、図３に示すように、一側面に第２のモニター電極４５を設けるとともに、上下面にＧＮＤ電極４６を設けている。４７は水晶製の第４の駆動電極振動体で、この第４の駆動電極振動体４７は、一端が前記第２のモニター電極振動体４４における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極３２ａを設けるとともに、上下面に一対の第２の駆動電極３２ｂを設けている。そしてまた、前記第４の駆動電極振動体４７の他端は第１の錘部３４と接続しているものである。また、前記第１の駆動電極振動体３１、第２の駆動電極振動体３８、第３の駆動電極振動体４３および第４の駆動電極振動体４７の各々は、それぞれに設けた一対の第１の駆動電極振動体３１に向かって分極しているものである。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその組立方法を説明する。

まず、第１の固定部２１、第１の検出電極振動体２８、第１の駆動電極振動体３１、第１の錘部３４、第２の検出電極振動体３５、第２の駆動電極振動体３８、第２の錘部３９、第３の駆動電極振動体４３、第１のモニター電極振動体４０、第２の固定部２５、第２のモニター電極振動体４４および第４の駆動電極振動体４７を一体に構成した角速度センサ素子における基体を準備する。

次に、第１の駆動電極振動体３１、第２の駆動電極振動体３８、第３の駆動電極振動体４３および第４の駆動電極振動体４７の各々に、第１の駆動電極３２ａおよび第２の駆動電極３２ｂを金を蒸着することにより形成する。

次に、第１の検出電極振動体２８に第１の検出電極２９およびＧＮＤ電極３０を金を蒸着することにより形成すると同時に、第２の検出電極振動体３５に第２の検出電極３６およびＧＮＤ電極３７を金を蒸着することにより形成する。

次に、第１のモニター電極振動体４０に第１のモニター電極４１およびＧＮＤ電極４２を金を蒸着することにより形成すると同時に、第２のモニター電極振動体４４に、第２のモニター電極４５およびＧＮＤ電極４６を金を蒸着することにより形成する。

最後に、第１の固定部２１に駆動電極ランド２２、検出電極ランド２３およびＧＮＤ電極ランド２４を、第２の固定部２５に駆動電極ランド２６ａ、モニター電極ランド２６ｂおよびＧＮＤ電極ランド２７を金を蒸着することにより形成する。

以上のようにして組み立てられた本発明の一実施の形態における角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。

第１の駆動電極振動体３１、第２の駆動電極振動体３８、第３の駆動電極振動体４３および第４の駆動電極振動体４７の各々の第１の駆動電極３２ａおよび第２の駆動電極３２ｂに交流電圧を印加することにより、第１の駆動電極３２ａと第２の駆動電極３２ｂとの間に流れる電流が、第１の駆動電極振動体３１、第２の駆動電極振動体３８、第３の駆動電極振動体４３および第４の駆動電極振動体４７の分極の方向と同じ方向の場合には引張応力が発生し、一方、反対の方向の場合には、圧縮応力が発生する。そうすると、交流電圧の位相に応じて、図４に示すように、角速度センサ素子が第１の錘部３４と第２の錘部３９とを結ぶ方向の駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。この駆動振動は屈曲部３３を介して第１の検出電極振動体２８および第２の検出電極振動体３５にも伝わり、そしてこの第１の検出電極振動体２８および第２の検出電極振動体３５も駆動方向の固有振動数で駆動方向に速度ｖで駆動振動する。

このとき、第１の検出電極振動体２８と第１の駆動電極振動体３１との接続部に屈曲部３３を設けるとともに、第２の検出電極振動体３５と第２の駆動電極振動体３８との接続部にも屈曲部３３を設けているため、この屈曲部３３を支点として第１の検出電極振動体２８、第１の駆動電極振動体３１、第２の検出電極振動体３５、第２の駆動電極振動体３８の双方が大きく撓むことになり、これにより、第１の検出電極振動体２８および第２の検出電極振動体３５に発生するコリオリ力が大きくなるため、第１の検出電極振動体２８における第１の検出電極２９および第２の検出電極振動体３５における第２の検出電極３６から発生する出力信号は大きくなり、その結果、角速度センサ素子の出力感度が大きくなるという効果が得られるものである。

そして、本発明の一実施の形態においては、前記第１の検出電極振動体２８および第２の検出電極振動体３５が駆動振動している状態において、角速度センサ素子を設けた平面と垂直な方向を中心軸として角速度センサ素子が角速度ωで回転すると、図５に示すように、第１の検出電極振動体２８および第２の検出電極振動体３５にＦ＝２ｍｖ×ωのコリオリ力が発生し、そして、このコリオリ力により、前記第１の検出電極振動体２８における第１の検出電極２９および第２の検出電極振動体３５における第２の検出電極３６に発生する電荷を第１の固定部２１における一対の検出電極ランド２３を介して外部に出力することにより、角速度を検出するものである。

また、上記本発明の一実施の形態においては、第１の検出電極振動体２８と第１の駆動電極振動体３１との接続部を折返し形状とするとともに、第２の検出電極振動体３５と第２の駆動電極振動体３８との接続部も折返し形状としているため、第１の検出電極振動体２８と第１の駆動電極振動体３１とが相似形状に変形するとともに、第２の検出電極振動体３５と第２の駆動電極振動体３８も相似形状に変形することになり、これにより、第１の検出電極振動体２８、第１の駆動電極振動体３１、第２の検出電極振動体３５および第２の駆動電極振動体３８の双方の振動駆動は安定することになるため、コリオリ力により発生する出力信号の精度が向上するという効果が得られるものである。

本発明に係る角速度センサ素子は、出力感度の大きな角速度センサ素子を提供することができるという効果を有するものであり、特に各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される角速度センサ素子として有用なものである。

本発明の一実施形態における角速度センサ素子の上面図 同角速度センサ素子における検出電極振動体および駆動電極振動体の断面図 同角速度センサ素子における検出電極振動体およびモニター電極振動体の側断面図 同角速度センサ素子が駆動振動する状態を示す上面図 同角速度センサ素子にコリオリ力が発生することにより動作する状態を示す上面図 従来の角速度センサ素子の上面図

２１，２５ 固定部
２２，２３，２４，２６ａ，２６ｂ，２７ 電極ランド
２８，３５ 検出電極振動体
２９，３６ 検出電極
３１，３８，４３，４７ 駆動電極振動体
３２ａ，３２ｂ 駆動電極
３３ 屈曲部
３４，３９ 錘部

Claims (3)

1. 固定部と、この固定部に一端が接続されるとともに上面の辺側に少なくとも１つの検出電極を設けかつ側面にＧＮＤ電極を設けた四角柱状の検出電極振動体と、一端が前記検出電極振動体の他端に接続されるとともに４面のうちの２面に少なくとも一対の駆動電極を設けた四角柱状の駆動電極振動体と、この駆動電極振動体の他端に接続された錘部とを備え、前記検出電極振動体と駆動電極振動体との接続部に屈曲部を設けた角速度センサ素子。
2. 駆動電極振動体と検出電極振動体との接続部を折返し形状とすることにより、駆動電極振動体と検出電極振動体とが互いに相似形状に変形するようにした請求項１記載の角速度センサ素子。
3. 検出電極振動体における検出電極と駆動電極振動体における駆動電極に電気的に接続される電極ランドを固定部に設けた請求項１記載の角速度センサ素子。