角加速度檢測元件的制作方法
【專利摘要】角加速度檢測元件(1)具備旋轉錘(2)、固定部(4)、支撐梁(3)和檢測部(5)。旋轉錘(2)在圍繞Z軸的角加速度所引起的慣性力的作用下相對于固定部(4)圍繞Z軸旋轉。固定部(4)設置在與旋轉錘(2)分離的位置。支撐梁(3)設置在X-Y面中的固定部(4)與旋轉錘(2)之間，相對于固定部(4)彈性支撐旋轉錘(2)。檢測部(5)輸出在支撐梁(3)產生的應力所對應的檢測信號。關于旋轉錘(2)，從Z軸方向觀察到的旋轉錘(2)的重心位置與支撐梁(3)重合。
【專利說明】角加速度檢測元件
【技術領域】
[0001]本發明涉及對圍繞檢測軸作用的角加速度進行檢測的角加速度檢測元件。
【背景技術】
[0002]一種角加速度檢測元件被構成為具備旋轉錘、支撐梁和檢測部(例如參照專利文獻I以及2。)。支撐梁在垂直于檢測軸的方向上延伸設置，兩端部與旋轉錘和固定部連接。若圍繞檢測軸的角加速度作用于角加速度檢測元件，則旋轉錘在伴隨于此的旋轉慣性力的作用下相對于固定部進行旋轉(擺動)。支撐梁隨著旋轉錘的旋轉而變形，檢測部檢測支撐梁產生的應力。支撐梁所產生的應力根據作用于旋轉錘的圍繞檢測軸的角加速度而變化，所以能根據檢測部的檢測信號來測量圍繞檢測軸的角加速度。
[0003]在這樣的角加速度檢測元件中，旋轉錘的圍繞檢測軸的旋轉平衡被破壞，在并進慣性力的作用下旋轉錘會發生旋轉。于是，并進慣性力成為檢測信號的噪聲的重要因素，圍繞檢測軸的角加速度的檢測精度降低。
[0004]通常，為了取得旋轉錘的旋轉平衡，以旋轉錘的重心位置為中心以對稱形狀形成角加速度檢測元件。在專利文獻I中，通過以重心位置為中心對稱配置的多個支撐梁，從內側支撐環狀的旋轉錘。在專利文獻2中，通過以重心位置為中心對稱配置的多個支撐梁，從外側支撐旋轉錘。
[0005]在先技術文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻I JP特許第2602300號公報
[0008]專利文獻2 JP特開2010-139263號公報
【發明內容】
[0009]發明要解決的課題
[0010]在現有技術中，由于多個支撐梁分散接受旋轉錘受到的慣性力，所以在以規定的固有振動頻率來構成角加速度檢測元件的情況下，存在每個角加速度下的梁上產生的應力變小，角加速度的檢測靈敏度變低的問題。
[0011]因此，為了在角加速度檢測元件中得到高的檢測靈敏度，考慮減少支撐梁的數量，但是為了確保旋轉錘的旋轉平衡，支撐梁的數量和配置存在很強的制約，支撐梁的數量的減少存在界限。
[0012]本發明的目的在于提供一種能確保旋轉錘的旋轉平衡的同時降低實質的支撐梁的數量，并能實現高的檢測靈敏度的角加速度檢測元件。
[0013]用于解決課題的手段
[0014]本發明涉及具備旋轉錘、固定部、支撐梁與檢測部的角加速度檢測元件。旋轉錘在圍繞規定的檢測軸的旋轉慣性力的作用下圍繞檢測軸旋轉。固定部設置在與上述旋轉錘分離的位置。支撐梁設置在與上述檢測軸正交的正交面中的上述固定部與上述旋轉錘之間，相對于上述固定部彈性支撐上述旋轉錘。檢測部輸出在上述支撐梁產生的應力所對應的檢測信號。另外，旋轉錘在上述正交面中的重心位置與上述支撐梁重合。
[0015]在該構成中，僅利用與旋轉錘的重心位置重合的單一的支撐梁就能夠取得旋轉錘的旋轉平衡。
[0016]或者，本發明的角加速度檢測元件具備伴隨圍繞檢測軸的上述旋轉錘的旋轉而進行作用的應力的中立面一致的多個支撐梁，旋轉錘在上述正交面中的重心位置與上述中立
面重合。
[0017]在在該構成中，由于分別作用于多個支撐梁的應力的中立面一致，所以作為多個支撐梁的總體的應力分布，與單一的支撐梁的應力分布實質是等效的。因此，僅通過實質單一的支撐梁就能取得旋轉錘的旋轉平衡。
[0018]上述的角加速度檢測元件的旋轉錘優選構成為以沿著上述檢測軸的方向為厚度方向的薄板狀。
[0019]在該構成中，由于圍繞檢測軸的旋轉錘的慣性力矩變大，所以能增大每個角加速度下的旋轉慣性力。于是，為了保持固有振動頻率所需的支撐梁的寬度變寬并且支撐梁的長度變短。這有助于提高角加速度的檢測靈敏度。
[0020]上述的角加速度檢測元件的旋轉錘優選由具有沿著上述正交面的長軸方向與短軸方向的形狀構成。
[0021]在該構成中，由于圍繞檢測軸的旋轉錘的慣性力矩進一步變大，所以能進一步增大每個角加速度下的旋轉慣性力。因此，能降低為了得到相同的角加速度檢測靈敏度所需的元件占有面積，能推進低成本化和小型化。
[0022]上述的角加速度檢測元件的支撐梁優選將上述旋轉錘的長軸方向作為長度方向而構成。
[0023]該構成的旋轉錘，圍繞短軸的慣性力矩大，干擾振動引起的圍繞短軸的旋轉慣性力變大。因此，若旋轉錘的短軸方向為支撐梁的長度方向，則支撐梁因為圍繞短軸的旋轉慣性力而扭曲，在支撐梁的邊緣部分產生過大的應力集中，使得耐沖擊性能降低。為此，通過如上述那樣將支撐梁的長度方向設為旋轉錘的長軸方向，從而能防止支撐梁因圍繞短軸的旋轉慣性力而扭曲，能避免應力集中于支撐梁的邊緣部分。
[0024]發明效果
[0025]根據本發明，由于僅通過支撐旋轉錘的實質單一的支撐梁就可取得旋轉錘的旋轉平衡，所以即使作用并進慣性力也不會產生旋轉錘的旋轉，另外，為了減少實質的支撐梁的數量而在支撐梁所產生的應力變大。由此，能提高角加速度的檢測精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是對第I實施方式所涉及的角加速度檢測元件的構成進行說明的圖。
[0027]圖2是對角加速度檢測元件中的應力分布的模擬進行說明的圖。
[0028]圖3是對角加速度檢測元件中的檢測電路的構成進行說明的圖。
[0029]圖4是對檢測電路的動作進行說明的圖。
[0030]圖5是對本構成與比較構成的有限要素解析進行說明的圖。
[0031]圖6是對第2實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。[0032]圖7是對角加速度檢測元件中的應力分布的模擬進行說明的圖。
[0033]圖8是對第3實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0034]圖9是對第4實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0035]圖10是對第5實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0036]圖11是對第6實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0037]圖12是對第7實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0038]圖13是對第8實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0039]圖14是對第9實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0040]圖15是對第10實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0041]圖16是對第11實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0042]圖17是對第12實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0043]圖18是對第13實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0044]圖19是對第14實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0045]圖20是對第15實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0046]圖21是對第16實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0047]圖22是對角加速度檢測元件中的檢測電路的構成進行說明的圖。
[0048]圖23是對第17實施方式所涉及的角加速度檢測元件進行說明的圖。
[0049]圖24是對角加速度檢測元件中的檢測電路的構成進行說明的圖。
[0050]圖25是對第18實施方式所涉及的角加速度檢測元件的檢測電路的構成進行說明的圖。
【具體實施方式】
[0051]在以下的說明中，將角加速度檢測元件的厚度方向設為直角坐標系的Z軸，將支撐梁的長度方向設為Y軸方向，將支撐梁的寬度方向設為X軸方向。
[0052]《第I實施方式》
[0053]圖1 (A)是表示本發明的第I實施方式所涉及的角加速度檢測元件I的構成的立體圖，圖1 (B)是角加速度檢測元件I的俯視圖。
[0054]角加速度檢測元件I由形成了在與Z軸垂直的上下表面間貫通的槽的一體的矩形板構成，具備旋轉錘2、支撐梁3、固定部4以及檢測部5 (未圖示)。矩形板是通過半導體晶片的面加工而切出得到的。半導體晶片的面加工在加工技術、加工裝置的性能方面已經很成熟，能高效、高精度制造多個矩形板。
[0055]固定部4為矩形，被設置在從矩形板的X-Y面中心錯開的位置，利用上表面與下表面的至少一方固定在未圖示的筐體。旋轉錘2按照在X-Y面包圍固定部4的方式在矩形板設置矩形開口而構成。支撐梁3在X-Y面上的固定部4與旋轉錘2之間，在Y軸正方向上以長方形延伸設置，在使旋轉錘2的上下表面從未圖示的筐體浮起的狀態下，使固定部4支撐旋轉錘2。檢測部5 (未圖示)輸出與作用于支撐梁3的應力所對應的檢測信號。
[0056]支撐梁3、固定部4各自在X軸坐標中的中心位置與旋轉錘2的中心位置一致。固定部4在Y軸坐標中的中心位置在Y軸負方向上從旋轉錘2的中心位置錯開。支撐梁3在Y軸坐標中的中心位置在Y軸正方向上從旋轉錘2的中心位置錯開，與旋轉錘2在Y軸坐標中的重心一致。
[0057]圍繞Z軸的旋轉慣性力作用，旋轉錘2在X-Y面中相對于固定部4圍繞Z軸旋轉(擺動)，由此這樣構成的角加速度檢測元件I以Z軸為檢測軸檢測角加速度。
[0058]圖2是對圍繞Z軸的旋轉慣性力作用的情況下的、在支撐梁3上產生的應力分布進行說明的圖。圖中表示了從Z軸正方向觀察角加速度檢測元件I順時針旋轉的狀態。
[0059]在該情況下，從Z軸正方向觀察，旋轉錘2以固定部4為基準逆時針旋轉，在支撐梁3上作用從Z軸正方向觀察逆時針的旋轉慣性力。由此，支撐梁3在X軸負方向的側面附近的區域作用壓縮應力，在X軸正方向的側面附近的區域作用拉伸應力，在X軸負方向撓曲。支撐梁3的寬度方向的中心面(以點劃線進行圖示)成為拉伸應力與壓縮應力的邊界，是應力不作用的中立面，在X-Y面觀察，在該中心面上旋轉錘2的重心位置(以X進行圖示。)重合。
[0060]圖3是對檢測部5的構成進行說明的圖。圖3(A)是支撐梁3的附近的俯視圖，圖3(B)是檢測部5的電路圖。
[0061]檢測部5在支撐梁3的上表面具備以Y軸方向為長邊的壓電電阻5A、5B。壓電電阻5A、5B通過采用半導體工藝形成在半導體晶片上，從而能高精度地實現微細的位置、形狀。這些壓電電阻5A、5B平行地配置在支撐梁3的中立面的兩側，相互串聯連接并與恒壓源連接。以支撐梁3的中立面為邊界，一方的區域作用壓縮應力，另一方的區域作用拉伸應力，所以壓電電阻5A、5B的伸縮相反。壓電電阻5A、5B在伸長時電阻值增大，在縮短時電阻值減少。因此，由于由壓電電阻5A、5B引起的分壓比變動，所以根據壓電電阻5A、壓電電阻5B的兩端電壓能夠檢測作用于支撐梁3的應力。
[0062]圖4是對各種加速度的作用所引起的支撐梁的變形與壓電電阻的變化進行說明的圖。
[0063]圖4(A)表示了從Z軸正方向觀察在該角加速度檢測元件I上作用了逆時針的旋轉慣性力的狀態。在該狀態下，支撐梁3在XY面彎曲，壓電電阻5A伸長，壓電電阻5B縮短。伸長了的壓電電阻5A電阻值增大，縮短了的壓電電阻5B電阻值降低。因此，在檢測部5中，壓電電阻5A的兩端電壓增加，壓電電阻5B的兩端電壓減少。
[0064]此外，圖4(B)表示了從X軸正方向觀察，在角加速度檢測元件I作用了逆時針的旋轉慣性力的狀態。在該狀態下，支撐梁3在Y-Z面彎曲，壓電電阻5A、5B都縮短，電阻值降低。因此，在檢測部5中，壓電電阻5A的電阻值的變化與壓電電阻5B的電阻值的變化被抵消，維持分壓電壓。
[0065]圖4(C)表示了從Y軸正方向觀察，在角加速度檢測元件I作用了逆時針的旋轉慣性力的狀態。在該狀態下，支撐梁3在X-Z面扭曲。于是，在壓電電阻5A、5B產生相同的扭曲，電阻值的變化一致。因此，在檢測部5中，壓電電阻5A內的電阻值的變化以及壓電電阻5B內的電阻值的變化分別都被抵消，維持分壓電壓。
[0066]圖4(D)表示了在角加速度檢測元件I上作用了 X軸正方向的并進慣性力的狀態。在該狀態下，支撐梁3在X-Y面彎曲。于是，在壓電電阻5A、5B產生相同的彎曲，電阻值的變化一致。因此，在檢測部5中，壓電電阻5A內的電阻值的變化以及壓電電阻5B內的電阻值的變化分別都被抵消，維持分壓電壓。
[0067]圖4(E)表示了在角加速度檢測元件I上作用了 Y軸正方向的并進慣性力的狀態。在該狀態下，支撐梁3在Y軸方向上伸長。于是，壓電電阻5A、5B同樣伸長，電阻值的變化一致。因此，在檢測部5中，壓電電阻5A的電阻值的變化與壓電電阻5B電阻值的變化被抵消，維持分壓電壓。
[0068]圖4(F)表示了在角加速度檢測元件I上作用了 Z軸正方向的并進慣性力的狀態。在該狀態下，支撐梁3在Y-Z面彎曲。于是，壓電電阻5A、5B同樣伸縮，電阻值的變化一致。因此，在檢測部5中，壓電電阻5A內的電阻值的變化以及壓電電阻5B內的電阻值的變化分別都被抵消，維持分壓電壓。
[0069]因此，根據該角加速度檢測元件I，僅在作用了圍繞Z軸的旋轉慣性力的狀態下，輸出電壓變化。
[0070]在此，對作用于支撐梁3的應力的大小進行說明。
[0071]旋轉錘2相對于固定部4的圍繞Z軸的旋轉角0如下式所示那樣與圍繞Z軸的角加速度P成正比，與由旋轉錘2、支撐梁3與固定部4構成的構造體的圍繞Z軸的固有振動頻率&的平方成反比。
[0072][數學式I]
[0073]
【權利要求】
1.一種角加速度檢測元件，其具備: 旋轉錘，其在圍繞規定的檢測軸的角加速度所引起的慣性力的作用下，圍繞上述檢測軸旋轉； 固定部，其設置在與上述旋轉錘分離的位置； 支撐梁，其設置于正交面中的上述固定部與上述旋轉錘之間，相對于上述固定部彈性支撐上述旋轉錘，其中該正交面與上述檢測軸正交；和 檢測部，其檢測在上述支撐梁產生的應力所對應的檢測信號， 從上述檢測軸方向觀察到的上述旋轉錘的重心位置與上述支撐梁重合。
2.一種角加速度檢測元件，其具備: 旋轉錘，其在圍繞規定的檢測軸的角加速度所引起的慣性力的作用下，圍繞上述檢測軸旋轉； 固定部，其設置在與上述旋轉錘分離的位置； 多個支撐梁，設置在正交面中的上述固定部與上述旋轉錘之間，相對于上述固定部彈性支撐上述旋轉錘，其中該正交面與上述檢測軸正交；和 檢測部，其檢測在上述多個支撐梁產生的應力所對應的檢測信號， 從上述檢測軸方向觀察到的上述旋轉錘的重心位置，與伴隨圍繞上述檢測軸的上述旋轉錘的旋轉而作用于上述多個支撐梁的應力的中立面重合。
3.根據權利要求1或2所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述旋轉錘由具有沿上述正交面的長軸方向與短軸方向的形狀構成。
4.根據權利要求3所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述支撐梁或者上述多個支撐梁以上述旋轉錘的長軸方向為長度方向來構成。
5.根據權利要求1~4的任一項所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述固定部具備內裝上述支撐梁或者上述多個支撐梁以及上述旋轉錘的開口。
6.根據權利要求1~5的任一項所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述檢測部具備橋接電路，該橋接電路在四邊設置有輸出作用于上述支撐梁或者上述多個支撐梁的應力所對應的檢測信號， 上述橋接電路的相鄰的邊的元件，相對于上述支撐梁或者上述多個支撐梁的中立面設置在不同側。
7.根據權利要求1~6的任一項所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述檢測部由電阻值根據作用于上述支撐梁或者上述多個支撐梁的應力而變化的電阻元件構成。
8.根據權利要求1~7的任一項所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述支撐梁、上述固定部和上述旋轉錘由同一薄板狀構件加工形成，或者上述多個支撐梁、上述固定部和上述旋轉錘由同一薄板狀構件加工形成。
9.根據權利要求8所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述薄板狀構件由半導體晶片構成。
10.根據權利要求8或9所述的角加速度檢測元件，其特征在于， 上述旋轉錘的上述檢測軸在上述薄板狀構件的厚度方向上構成。
11.根據權利要求10所述的角加速度檢測元件，其特征在于，上述支撐梁或者上述多個支撐梁在上述薄板狀構件的厚度方向上具備比上述旋轉錘突出的突 起部。
【文檔編號】G01P15/12GK103534597SQ201180070708
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2011年12月16日 優先權日:2011年5月12日
【發明者】市丸正幸 申請人:株式會社村田制作所