專利名稱：慣性力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在飛機、汽車、機器人、船舶、車輛等運動物體的姿 態(tài)控制或者導航等各種電子設(shè)備中使用的、檢測角速度的角速度傳感器。
背景技術(shù)：
以下，對于現(xiàn)有的角速度傳感器進行說明?，F(xiàn)有的角速度傳感器使例
如音叉形狀、H形狀、或者T形狀等各種形狀的檢測元件振動，電探測因 科里奧利力的產(chǎn)生而引起的檢測元件的變形，從而檢測角速度，
例如，在相互大致正交的X軸、Y軸和Z軸中，將車輛配置在X軸與 Y軸的XY平面的情況下，導航裝置用角速度傳感器需要檢測車輛繞X 軸、繞Z軸的角速度。
目前，檢測多個檢測軸(X軸、Y軸、Z軸)的角速度的情況下，與 檢測軸的數(shù)量對應地使用多個角速度傳感器。此外，為了檢測繞Z軸的角 速度，相對于YX平面而立設(shè)檢測元件并使用。
另外，作為與該申請的發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)文獻資料，已知有例如專 利文獻1 。
但是，上述結(jié)構(gòu)中，檢測多個檢測軸的角速度的情況下，需要確保用 于與各檢測軸對應地將多個檢測元件、多個角速度傳感器安裝在安裝基板 上的安裝面積，從而不能實現(xiàn)各種電子設(shè)備的小型化。
專利文獻1:日本專利特開2001—208546號公報
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在檢測多個檢測軸的角速度的情況下，無需確保用于 安裝多個檢測元件或多個角速度傳感器的安裝面積，從而實現(xiàn)各種電子設(shè) 備的小型化的角速度傳感器。
本發(fā)明中，檢測元件具備在大致正交方向上將第一臂連接于第二臂而形成的兩個正交臂；支承兩個第一臂的支承部；連接于支承部并固定在 安裝基板上的固定用臂；以及連接于第二臂的前端部的錘部。并且，在錘 部設(shè)置凹部，且使第二臂的前端部連接于該凹部，使第二臂彎折至與本身 相對，使錘部在第二臂的相對方向上驅(qū)動振動。
通過這種結(jié)構(gòu)，相對于相互正交的X軸、Y軸、Z軸，將第一臂配置 在X軸方向上，將第二臂配置在Y軸方向上的情況下，只要使錘部在X 軸方向上驅(qū)動振動，則能使第二臂產(chǎn)生由繞Y軸或繞Z軸的角速度引起的 變形。并且，只要檢測該變形，則能檢測繞各軸的角速度。因此，檢測多 個檢測軸的角速度的情況下，無需確保用于安裝多個檢測元件、多個角速 度傳感器的安裝面積，只要確保用于安裝一個檢測元件的安裝面積即可， 從而能夠?qū)崿F(xiàn)各種電子設(shè)備的小型化。
圖1是本發(fā)明一實施方式的角速度傳感器的檢測元件的立體圖。 圖2是本發(fā)明一實施方式的角速度傳感器的檢測元件的工作狀態(tài)圖。 圖3是表示本發(fā)明一實施方式的角速度傳感器的檢測元件的綞部的凹 部的深度和錘部的長度所引起的諧振頻率的變化的圖。
圖4是表示本發(fā)明一實施方式的角速度傳感器的檢測元件的下部電極
以及壓電體的配置部位所引起的諧振頻率的變化的圖。 附圖標記說明
1檢測元件
2第一臂
4第二臂
6支承部
8固定用臂
9固定部
10第三臂
11錘部
12凹部
16相對部17第--驅(qū)動部
17a第--驅(qū)動電極部
17b第二二驅(qū)動電極部
18第二二驅(qū)動部
18a第三l驅(qū)動電極部
18b第四驅(qū)動電極部19第--感應部
19a第--感應電極部
19b第二二感應電極部
20第二二感應部
20a^r二:感應電極部
20b第四感應電極部
具體實施例方式
(實施方式)
圖1是本發(fā)明一實施方式的慣性力傳感器的一種即角速度傳感器的檢
測元件的立體圖。圖2是本發(fā)明一實施方式的慣性力傳感器的一種即角速 度傳感器的檢測元件的工作狀態(tài)圖。
圖1中，本發(fā)明一實施方式的角速度傳感器具備檢測角速度的檢測元 件1。該檢測元件1具有在大致正交方向上將第一臂2連接于第二臂4而 形成的兩個正交臂；支承部6;以及固定用臂8。支承部6支承兩個第一 臂2。固定臂8是在大致正交方向上將第三臂10連接于第一臂2而形成的 正交臂。第一臂2和支承部6配置在大致同一直線上，第一臂2的一端與 支承部6連接，另一端與第三臂IO連接。另外，通過形成在第三臂10的 兩端上的固定部9，檢測元件1被固定在安裝基板(未圖示)上。此外， 將固定部9彼此之間連接，將第三臂IO形成為框體形狀也可。
進而，第二臂4上設(shè)有彎折至與第二臂4本身相對的相對部16，將錘 部11連接于第二臂4的前端部。該錘部11上設(shè)有凹部12，將第二臂4的 前端部連接于該凹部12。使錘部11的凹部12的深度(D)是錘部11的長 度(L)的0.25倍至0.4倍。圖1中，在四個第二臂4中，在相互相對的一側(cè)的兩個第二臂4的支 承部6側(cè)設(shè)置使錘部11驅(qū)動振動的第一驅(qū)動部17、第二驅(qū)動部18，并在 相互相對的另一側(cè)的兩個第二臂4的支承部6側(cè)設(shè)置感應第二臂4的變形 的第一感應部19、第二感應部20。
該第一驅(qū)動部17以及第二驅(qū)動部18是用于使兩個第二臂4的錘部11 驅(qū)動的電極部，在一個第二臂4上相對配置第一驅(qū)動電極部17a、第二驅(qū) 動電極部17b，在另一個第二臂4上相對配置第三驅(qū)動電極部18a、第四驅(qū) 動電極部18b而形成。這些第一驅(qū)動電極部 第四驅(qū)動電極部17a、 17b、 18a、 18b由隔著壓電體(未圖示)的下部電極(未圖示)和上部電極(未 圖示)構(gòu)成。
第一感應部19以及第二感應部20是用于感應兩個第二臂4的變形的 電極部，在一個第二臂4上相對配置第一感應電極部19a、第二感應電極 部19b，在另一個第二臂4上相對配置第三感應電極部20a、第四感應電極 部20b而形成。這些第一感應電極部 第四感應電極部19a、 19b、 20a、 20b由隔著壓電體的下部電極和上部電極構(gòu)成。
如下所述制作上述第一驅(qū)動電極部 第四驅(qū)動電極部17a、 17b、 18a、 18b以及第一感應電極部 第四感應電極部19a、 19b、 20a、 20b。 即，通過高頻濺射，在硅基板上形成由鉑(Pt)構(gòu)成的下部電極，通過高 頻濺射，在該下部電極的上部形成鋯鈦酸鉛(PZT)壓電體，通過蒸鍍在 PZT壓電體的上部形成由金(Au)構(gòu)成的上部電極。
圖2是本發(fā)明一實施方式的慣性力傳感器的一種即角速度傳感器的檢 測元件1的工作狀態(tài)圖。如圖2所示，在相互正交的X軸、Y軸、Z軸 中，將檢測元件1的第一臂2配置在X軸方向上，將第二臂4配置在Y軸 方向上。該狀態(tài)下，對第一驅(qū)動電極部 第四驅(qū)動電極部17a、 17b、 18a、 18b施加諧振頻率的交流電壓，則第二臂4以配置有第一驅(qū)動部17 以及第二驅(qū)動部18的第二臂4為起點進行驅(qū)動振動，隨之錘部11也在第 二臂4的相對方向(實線箭頭和虛線箭頭標記的驅(qū)動振動方向)上驅(qū)動振 動。進而，四個第二臂4以及四個錘部ll全部同步，在第二臂4的相對方 向上驅(qū)動振動。該檢測元件1的驅(qū)動振動方向為X軸方向。
此時，在Z軸的逆時針方向上產(chǎn)生角速度的情況下，與錘部11的驅(qū)動振動同步，并在與驅(qū)動振動方向正交的方向(實線箭頭和虛線箭頭標記
的科里奧利力方向)上對錘部ll產(chǎn)生科里奧利力。因此，能夠使第二臂4 產(chǎn)生Z軸的逆時針方向上的角速度引起的變形。該檢測元件1的科里奧利 力方向為Y軸方向。
在實線箭頭標記的科里奧利力方向上產(chǎn)生科里奧利力的情況下，設(shè)有 第一感應電極部 第四感應電極部19a、 19b、 20a、 20b的第二臂4中，第 一感應電極部19a和第三感應電極部20a感應第二臂4的縮短，且第二感 應電極部19b和第四感應電極部20b感應第二臂4的伸長。此外，虛線箭 頭標記的科里奧利力方向上產(chǎn)生科里奧利力的情況下，感應其反方向的伸 長、縮短。并且，對應感應到的伸長、縮短，從第一感應電極部 第四感 應電極部19a、 19b、 20a、 20b輸出電壓，根據(jù)該輸出電壓檢測角速度。
另一方面，在Z軸的順時針方向上產(chǎn)生角速度的情況下，第二臂4與 在Z軸的逆時針方向上產(chǎn)生角速度的情況正相反地伸長、縮短，第一感應 電極部 第四感應電極部19a、 19b、 20a、 20b感應該伸長、縮短，因此同 樣地檢測角速度。
此外，繞Y軸而產(chǎn)生角速度的情況下也是與錘部11的驅(qū)動振動同 歩，在與驅(qū)動振動方向正交的方向(Z軸方向)上對錘部ll產(chǎn)生科里奧利 力。因此，使第二臂4產(chǎn)生繞Y軸的角速度引起的變形，第一感應電極 部 第四感應電極部19a、 1%、 20a、 20b感應第二臂4的伸長、縮短，由 此檢測角速度。
另外，繞Z軸、Y軸而產(chǎn)生角速度的情況下產(chǎn)生的變形也同樣在設(shè)有 第一驅(qū)動電極部 第四驅(qū)動電極部17a、 17b、 18a、 18b的第二臂4上產(chǎn) 生。因此，也可以在設(shè)有第一驅(qū)動電極部 第四驅(qū)動電極部17a、 17b、 18a、 18b的第二臂4上配置第一感應電極部 第四感應電極部19a、 19b、 20a、 20b。
通過上述結(jié)構(gòu)，相對于相互正交的X軸、Y軸、Z軸，將第一臂2配 置在X軸方向上，將第二臂4配置在Y軸方向上的情況下，只要使錘部 11在第二臂4的相對方向上驅(qū)動振動，則能使第二臂4產(chǎn)生由繞Y軸或繞 Z軸的角速度引起的變形。并且，只要檢測該變形，則能檢測繞各軸的角 速度。因此，檢測多個檢測軸的角速度的情況下，無需確保用于安裝多個檢測元件或多個角速度傳感器的安裝面積，只要確保用于安裝一個檢測元 件的安裝面積即可，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各種電子設(shè)備的小型化。
特別是，在錘部11上設(shè)置凹部12并將第二臂4的前端部連接于凹部 12，使第二臂4彎折至與錘部11相對并使錘部11在第二臂4的相對方向 上驅(qū)動振動，因此能夠降低驅(qū)動振動頻率。另外，此時，錘部11以懸垂 于第二臂4的狀態(tài)進行振動。
通常，驅(qū)動振動頻率被設(shè)定為檢測元件1的諧振頻率，但該諧振頻率 越大靈敏度越低。通過上述結(jié)構(gòu)，能夠維持錘部11懸垂于第二臂4的狀 態(tài)，并能夠減小檢測元件1的諧振頻率，因此能夠減小第二臂4的驅(qū)動振 動頻率，較容易進行電路側(cè)的相位設(shè)計，能夠提高靈敏度。
圖3是表示圖1中的檢測元件1的錘部11的凹部12的深度(D)和 錘部11的長度(L)所引起的諧振頻率的變化的圖。根據(jù)圖3可知，期望 錘部11的凹部12的深度(D)是錘部11的長度(L)的0.25倍至0.4 倍。這是因為諧振頻率幾乎接近最小值。另外，形成第一驅(qū)動部17、第二 驅(qū)動部18以及第一感應部19、第二感應部20的下部電極以及壓電體配置 在檢測元件1的所有臂上時，能夠使驅(qū)動振動頻率更低，從而能夠提高靈 敏度。
圖4是表示在僅在第一驅(qū)動部17、第二驅(qū)動部18以及第一感應部 19、第二感應部20上配置下部電極以及壓電體的情況和在檢測元件1的 所有臂上配置下部電極以及壓電體的情況下，相對于第二臂4的寬度，第 二臂4的諧振頻率的變化的圖。根據(jù)圖4可知，關(guān)于配置有第一驅(qū)動部 17、第二驅(qū)動部18的第二臂4，與僅配置在第一驅(qū)動部17、第二驅(qū)動部 18以及第一感應部19、第二感應部20上的情況相比，將下部電極以及壓 電體配置在檢測元件1的所有臂上的情況下的諧振頻率變小，因此能夠降 低驅(qū)動振動頻率。
此外，關(guān)于配置有第一感應部19、第二感應部20的第二臂4，與僅 配置在第一驅(qū)動部17、第二驅(qū)動部18以及第一感應部19、第二感應部20 上的情況相比，將下部電極以及壓電體配置在檢測元件1的所有臂上的情 況下的諧振頻率變小，因此能夠降低驅(qū)動振動頻率。
進而，只要使第二臂4的寬度變窄，則能使配置有第一感應部19、第二感應部20的第二臂4的諧振頻率更小，從而能夠使驅(qū)動振動頻率更 低。
工業(yè)利用可能性
本發(fā)明涉及的慣性力傳感器能夠檢測多個檢測軸的慣性力，能夠適用 于各種電子設(shè)備。
權(quán)利要求
1、一種慣性力傳感器，其具備檢測慣性力的檢測元件，所述檢測元件具備在正交方向上將第一臂連接于第二臂而形成的兩個正交臂；支承兩個所述第一臂的支承部；連接于所述支承部并固定在安裝基板上的固定用臂；以及連接于所述第二臂的前端部的錘部，所述錘部上設(shè)有凹部，所述第二臂的前端部連接于所述凹部，所述第二臂彎折至與本身相對，所述錘部在所述第二臂的相對方向上驅(qū)動振動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性力傳感器，其中，所述錘部的凹部的 深度是所述錘部的長度的0.25倍至0.4倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的慣性力傳感器，其中，所述固定用臂是所述第一臂和第三臂在正交方向上連接而形成的正交臂，所述安裝基板通過所述第三臂的兩端被固定。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性力傳感器，其中， 使所述錘部驅(qū)動振動的驅(qū)動部配置在一側(cè)相對的所述第二臂上， 感應所述第二臂的變形的感應部配置在另一側(cè)相對的所述第二臂上， 所述驅(qū)動部以及所述感應部由隔著壓電體的上部電極和下部電極構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的慣性力傳感器，其中， 所述下部電極以及所述壓電體配置在所述檢測元件的所有臂上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種慣性力傳感器，其具備檢測元件(1)，該檢測元件(1)具有在正交方向上將第一臂(2)連接于第二臂(4)而形成的兩個正交臂；支承兩個第一臂(2)的支承部(6)；以及一端與支承部(6)連接且另一端固定在安裝基板上的兩個固定用臂(8)，第二臂(4)上設(shè)有彎折至與第二臂(4)本身相對的相對部(16)，錘部(11)連接于第二臂(4)的前端部，該錘部(11)上設(shè)有凹部(12)且第二臂(4)的前端部連接于該凹部(12)。
文檔編號G01C19/56GK101506617SQ20078003082
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月21日
發(fā)明者大內(nèi)智, 相澤宏幸 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社