JP2004085237A - Piezoelectric material utilizing sensor, gyro sensor, acceleration sensor, and pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料の振動や変位等を検出することで、角速度や加速度等の種々の計測を行うためのジャイロセンサや加速度センサ、圧力センサ等のセンサの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、圧電材料の振動や変位等を利用して、加速度や角速度等を検出する各種のセンサが広く利用されている。
図9は、このような圧電材料を利用したセンサの簡単な構成例を示している。図において、センサ1は、圧電材料により形成された四角柱状の検出体4を備えている。図10は、図9のS−S線切断断面図であり、検出体4の各外面には、それぞれ電極2,2と電極3,3とが形成されており、図10に示すように電極2,2と電極3,3どうしを接続し、これらの電位差を取り出すように接続されている。
【0003】
図11は、このようなセンサ1について、例えば、矢印の方向に、振動Tが加えられた場合が示されており、図11(a)のセンサ1の検出体4の部分が、図11(b)に示されている。
図において、矢印方向に振動Tが働くと、センサ1の検出体4は、図11(b)に示すように変位(変形)する。つまり、検出体4の右側4aは延びて、左側4bは縮むように振動もしくは変位(変形)する。
【0004】
この検出体4の振動もしくは変位(変形)により、図11のU−U線切断断面図である図12(a)に示すように、検出体4の外面の各電極2,2,3,3間には、矢印で示すような電界が生じる。この検出体4の振動もしくは変位(変形)に基づく電界は、図12(b)に示すように、それぞれ電位差を持った、検出体4の外面における各電極2,3の並列回路として構成されるという原理に基づいて、信号として取り出され、かくして振動Tの検出を行うことができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、センサ1により検出する振動Tが小さい場合には、発生する電位差も小さいことから、その分検出が困難となる。また、装置を小型化すると、センサ本体である検出体4も小さくなり、電位差がより小さくなることから、その検出がますます困難となる。
【0006】
ところが、従来のセンサ1では、図12(b)の等価回路に示されているように、複数対の電極2,2,3,3が、並列に接続されているために、検出される電圧が大きくならない。このため、検出する振動Tが小さかったり、小型のセンサである場合には、検出が難しくなる。
【0007】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、センサの検出感度を向上させることができ、小型に構成しても十分な検出感度を得ることができるジャイロセンサや加速度センサ、圧力センサ等のセンサを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、請求項1の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動や変位もしくは変形等(以下、これらを全て「振動」という)を検出するセンサであって、前記圧電材料の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、これら複数対の電極が直列に接続されている、圧電材料を利用したセンサにより、達成される。
請求項1の構成によれば、このセンサの検出部を構成する圧電材料には、複数対の電極を形成している。しかもこの複数対の電極が直列に接続されている。
これにより、検出部を構成する圧電材料が、検出対象としての圧力や、角速度等の所定方向に作用する力に応じて、振動すると、この部分に設けられた前記複数対の複数の電極が、対とされた電極の数に応じて、高いレベルの検出信号を生成することができるので、検出感度を向上させることができる。
【0009】
請求項2の発明は、請求項1の構成において、前記検出部として、一方向に延びるように形成した検出腕を備えて、この検出腕に設けた電極が、腕の方向と平行に、複数対に分割されることで複数対の電極とされており、これら複数対の電極を直列に接続したことを特徴とする。
請求項2の構成によれば、振動検出用に圧電材料で形成した検出腕を設ける。検出腕は加速度を受けると変形し易く容易に電荷が発生するので、この検出腕に関して、その腕と平行に電極を分割して直列に接続するようにすれば、分割した分だけ検出電圧を高くすることができる。
【0010】
請求項3の発明は、請求項1または2のいずれかの構成において、前記圧電材料が単結晶材料であることを特徴とする。
請求項3の構成によれば、圧電材料が単結晶材料である場合には、一般に単結晶材料は多結晶材料に比べて安定性は高いが電気的結合係数が低いので、電極を分割して直列に接続することで、検出信号のレベルを高めて高い検出感度を得ることができるという利点がある。
【0011】
請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれかの構成において、前記圧電材料が水晶であることを特徴とする。
請求項4の構成によれば、水晶は、電気機械結合係数が低いので、特に、電極を分割して、直列に接続することで、検出信号のレベルを高めて、高い検出感度を得ることができる。
【0012】
上記目的は、請求項5の発明にあっては、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、センサ本体を励振する手段と、前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、前記センサ本体の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、これら複数対の電極が直列に接続されている構成としたジャイロセンサにより、達成される。
請求項5の構成によれば、センサ本体の検出部を構成する圧電材料には、複数対の電極を形成している。しかもこの複数対の電極が直列に接続されていることにより、対とされた電極の数に応じて、検出電圧を高くすることができるので、ジャイロセンサの検出感度を向上させることができる。
【0013】
また、上述の目的は、請求項6の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から与えられる加速に基づいて前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、前記圧電材料の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、これら複数対の電極が直列に接続されている、加速度センサにより、達成される。
請求項6の構成によれば、このセンサの検出部を構成する圧電材料には、複数対の電極を形成している。しかもこの複数対の電極が直列に接続されている。
これにより、対とされた電極の数に応じて、検出電圧を高くすることができるので、加速度センサの検出感度を向上させることができる。
【0014】
また、上述の目的は、請求項7の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から与えられる振動に基づいて前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、前記圧電材料の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、これら複数対の電極が直列に接続されている、圧力センサにより、達成される。
請求項7の構成によれば、このセンサの検出部を構成する圧電材料には、複数対の電極を形成している。しかもこの複数対の電極が直列に接続されている。
これにより、対とされた電極の数に応じて、検出電圧を高くすることができるので、圧力センサの検出感度を向上させることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本実施形態による圧電材料を利用したセンサの第1の実施形態としてのジャイロセンサの概略構成を示すブロック図である。
図において、ジャイロセンサ10は、センサ本体20と、このセンサ本体20を励振させ駆動するための回路及び、センサ本体20からの信号を検出する回路を備えている。
センサ本体20は、例えば、圧電材料等で形成され図示しないパッケージやケース内で、その振動を妨げないように、固定されている。
このセンサ本体20は、励振部としての一対の励振用振動片22,22と、検出部としての一対の検出用振動片23,23とを固定部21により一体に形成することで、ほぼH字状の形態を備えている。固定部21は、接着剤等により、上述のパッケージ等へ固定されている。
【0016】
そして、ジャイロセンサ10は、励振手段としての励振回路11により、励振用振動片22,22に駆動電圧を印加して、矢印Xの方向に沿って、所謂音叉振動させるようになっている。この際に、Y軸の回りに回転角速度ωが作用すると、励振用振動片22,22は、X軸方向の振動の方向と、回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリの力Fcを受けて、次式にしたがって、Z軸に沿って(プラスZ方向とマイナスZ方向に交互に)振動するようになっている(ウオーク振動)。この振動はY方向に検出用振動片23,23に伝えられる。
Fc=2mV・ω(mは、駆動用振動片22,22の振動部分の質量、Vは駆動用振動片22,22の速度)・・・・・・(1)式
【0017】
検出用振動片23,23の振動による検出信号は、その処理手段を経て出力されるようになっている。この検出信号の処理手段として、例えば、検出バランス調整回路14と、この検出バランス調整回路14の処理信号が入力される増幅回路15と、増幅された信号が入力される同期検波回路16と、同期検波回路16により同期を取った信号が入力される積分回路17と、積分回路17の処理信号が入力される増幅出力回路18とを備えている。
【0018】
すなわち、検出用振動片23,23の各振動による検出信号は、検出バランス調整回路14により、バランス調整される。このバランス調整後の信号は増幅回路15により増幅され同期検波回路16に入力される。同期検波回路16は、励振回路11と接続されており、励振回路11からの出力信号に基づいて、その交流電圧を負の部分を反転して整流することで、同期検波を行い積分回路17に入力される。積分回路17では、正電圧化された電気信号を整流電圧の電気信号とし、この電気信号は増幅出力回路18によって、所定の信号レベルで出力される。
特に、このジャイロセンサ10では、後述する構成により、検出用振動片23,23の検出信号レベルが高められることで、高感度な回転角度検出を行うことができるようになっている。
【0019】
図2は、センサ本体20を示す概略斜視図である。
図において、センサ本体20は、圧電材料で形成されており、好ましくは、単結晶の圧電材料で、例えば、タンタル酸リチウムが使用されている。この場合、タンタル酸リチウム以外の圧電材料として、例えば、水晶,ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。本実施形態のジャイロセンサを小型化する場合、検出信号のレベルが低くなるが、以下の構成とすることで、検出感度を向上させることができるものである。
【0020】
図2において、X方向はタンタル酸リチウムのX軸、Y、Z方向はタンタル酸リチウムのY,Z方向をX軸まわりに40度回転した方向を示している。
図において、センサ本体20は一方向(図において右斜めの方向)に延びる固定部21と、この固定部21から、励振部として、図において左方に平行に延びる一対の励振用振動片22,22と、固定部21から、検出部として、図において右方に平行に延びる一対の検出用振動片23,23とを備えている。
【0021】
励振用振動片22,22の表面には、駆動電圧を印加するための励振電極24,24が形成されている。この励振用電極24,24は、種々の形態があるが、励振用振動片22,22に所謂音叉振動を生じさせるものであれば、特に特定の形態である必要はない。
検出部である検出用振動片23,23には、それぞれ検出用電極25,26が形成されている。
各検出用振動片23,23にそれぞれ形成された検出用電極25,26は同じ構成なので、手前側の一方の検出用振動片23の検出用電極25,26についてだけ説明する。
【0022】
検出用電極25は、図において、検出用振動片23の両側面の各面にひとつずつ形成されている。これに対して、検出用電極26は、検出用電極25と分離されていて、検出用振動片23の上面と下面にそれぞれ形成されている。検出用電極25と検出用電極26は分離されており、検出用電極25が一方の極(例えば、正極)となり、検出用電極26が他方の極(例えば、負極)となる。そして、各検出用振動片23の上下面において、それぞれ、振動と直交する方向(図において、X方向)に沿って複数、この場合は2つずつに分割されて、分割電極26a、26bとされている。
【0023】
図3は、このようなジャイロセンサ本体20のひとつの検出用振動片23の部分を拡大して示した図であり、図3(a)は電極が形成された状態で、図2における検出用振動片23の上面部を正面に位置させて、電極の分割の様子を示し、図3(b)は、検出用振動片23の検出体である圧電材料だけを示している。
また、図4(a)は、図1のジャイロセンサ本体20に角速度が作用した場合に、各電極間に生じる電界の様子を、図3(a)のC−C線断面図として矢印により示したもので、図4(b)は、図4(a)の等価回路である。
【0024】
これらを参照しながら、ジャイロセンサ本体20の動作を説明する。
ジャイロセンサ本体20の励振用振動片22,22は、図1で説明した駆動手段としての励振回路11から、駆動用電圧が印加されることにより、図2において矢印Aに示すように、その先端部どうしが接近したり離間したりするようにして、X方向に沿って音叉振動する。この際に、Y軸回りに、回転角速度ωが働くと、コリオリの力Fcを受けて、上述した(1)式にしたがって、駆動用振動片22,22は、図2のZ方向に振動する。この振動は、固定部21を介して、Y方向に伝えられ、検出用振動片23,23も矢印Bに示す方向に振動する。
【0025】
これを図3(a)について見ると、検出用振動片23の上記B方向の振動によって、図4(a)に示すように、検出用振動片23の検出用電極25と分割された電極26aの間、及び検出用電極25と分割された他の電極26bの間には、矢印で示すような電界が生じる。この検出用振動片23の振動に基づく電界は、図4(b)に示すように、検出用振動片23の外面における各電極26aと25、電極26bと25とがそれぞれ電位差を持って、直列に接続された回路として構成されるという原理に基づいて、信号として取り出される。このようにして、回転角速度ωの検出を行うことができる。
【0026】
したがって、本実施形態によれば、このジャイロセンサ本体20の検出部である検出用振動片23が回転角速度ωに応じて振動すると、複数対とされた検出用電極25と26aと、検出用電極25と26bが直列に接続された構成に基づいて、高い電圧の検出信号を生成することができるので、検出感度を向上させることができる。このため、全体を小型に構成しても十分な検出感度を得ることができる。
【0027】
図5は、本発明による圧電材料を利用したセンサの第2の実施形態としてのジャイロセンサの概略構成を示す概略平面図であり、圧電材料としては水晶が使用されている。本実施形態で使用する水晶は電気機械結合係数が低いので、検出信号のレベルが低くなるが、以下の構成とすることで、検出感度を向上させることができるものである。図5において、X方向は水晶の電気軸、Y方向は水晶の機械軸、方向は水晶の光軸(成長軸)を示している。特に、図5では、図1のようなブロック構成を省略し、圧電材料で形成されたセンサ本体だけを示している。図6(a)は、図5のジャイロセンサ30に角速度ωが作用した場合に、各電極間に生じる電界の様子を、図5のD−D線断面図として矢印により示したもので、図6(b)は、図6(a)の等価回路である。
これらの図において、第1の実施形態と共通の符号を付した箇所は、第1の実施形態と同じ構成であるから、重複する説明は省略する。
【0028】
図5において、ジャイロセンサ30は、センサ本体31が、圧電材料等を使用したパッケージ28内に収容されており、このパッケージ28内は、第1の実施形態で説明したのとほぼ同様に、センサ本体31を励振する励振回路等の駆動手段と、センサ本体31からの振動を検出する回路等を備えている。
【0029】
センサ本体31は、第1の実施形態と同様の圧電材料で形成されており、図5において、ほぼ正方形の固定部32がパッケージ28に対して固定されている。固定部32からは、それぞれ左右の方向に固定部32と一体に形成された支持部33,33が延びている。
各支持部33,33の端部には、各支持部33,33の延びる方向と直交する方向に、各支持部33,33の端部を起点として、両方向に延出された励振用振動片34,34が設けられている。そして、各励振用振動片34,34には、それぞれ励振用電極24,24が設けられている。
【0030】
さらに、図5において固定部32の上下の辺のほぼ中央部には、上記各支持部33,33の延びる方向と直交する方向に、2つの検出用振動片35,35が形成されている。一方の検出用振動片35は、図5において上方に延びており、他方の検出用振動片35は、図5において下方に延びていて、検出用振動片35,35と、各支持部33,33の端部に設けられた各励振用振動片34,34は、互いに平行とされている。
【0031】
図5において、ジャイロセンサ30の励振用振動片34,34は、駆動手段としての図示しない励振回路から、駆動用電圧が印加されることにより、矢印E,Eに示すように、その先端部どうしが接近したり離間したりするようにして振動する。この際に、図5に示すように、紙面の平面内で固定部32の中心Oの回りに、回転角速度ωが働くと、コリオリの力Fcは、図5のF,Fの方向に働く。この振動は、支持部33,33と固定部32を介して検出用振動片35,35に伝えられる。このため、上述の(1)式にしたがって、検出用振動片35,35は、図5の矢印H,Hに示す方向に振動する。
【0032】
これを図6(a)について見ると、検出用振動片35の上記H方向の振動によって、検出用振動片35の検出用電極25と分割された電極26aの間、及び検出用電極25と分割された他の電極26bの間には、矢印で示すような電界が生じる。この検出用振動片35の振動に基づく電界は、図6(b)の等価回路で示す原理に基づいて、信号として取り出され、かくして回転角速度ωの検出を行うことができる。
したがって、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、ジャイロセンサ30の検出部である検出用振動片35,35が回転角速度ωに応じて振動すると、複数対とされた検出用電極25と26aと、検出用電極25と26bが直列に接続された構成に基づいて、高い電圧の検出信号を生成することができるので、検出感度を向上させることができる。このため、全体を小型に構成しても十分な検出感度を得ることができる。
特に、本実施形態のように、使用している圧電材料が水晶である場合には、水晶は、電気機械結合係数が低いので、特に、電極を分割して、直列に接続することで、検出信号のレベルを高めて、高い検出感度を得ることができる。したがって、電極が、さらに多数に分割されることで、より検出信号のレベルを高めることができる。
そして、第1及び第2の実施形態に示されたように、ジャイロセンサを構成する場合に、圧電材料によるセンサ本体の形態がどのような形態であっても、検出用の電極を、振動方向に沿って複数に分割し、直列に接続することにより、高い電圧の検出信号を生成することができるので、検出感度を向上させることができる。
【0033】
図7は、本発明による圧電材料を利用したセンサの第3の実施形態としての加速度センサの要部を示す正面図である。
図8(a)は、図7の加速度センサ40に加速度が作用した場合に、各電極間に生じる電界の様子を、図7のG−G線断面図として矢印により示したもので、図8(b)は、図8(a)の等価回路である。
これらの図において、第1及び第2の実施形態と共通の符号を付した箇所は、第1の実施形態と同じ構成であるから、重複する説明は省略する。
【0034】
図7において、加速度センサ40は、圧電材料により形成された四角柱状の検出体41を備えており、図示しないパッケージやケース内で、加速度の働く方向Iが、検出体41の延びる方向と直交する方向となるように支持されている。
検出体41の図において左右の側面には、検出用電極25,25が形成されている。また、検出体41の図において手前の面と、紙面の背面側に位置する面(図示せず)には、それぞれもうひとつの検出用電極26がそれぞれ設けられている。検出用電極25と検出用電極26は分離されており、検出用電極25が一方の極(例えば、正極)となり、検出用電極26が他方の極(例えば、負極)となる。また、一方の検出用電極26は、加速度の方向Iと一致する振動方向に関して、複数、この場合2つに分割されている。これにより、検出用電極26は、電極26aと電極26bに分割されている。
【0035】
図7において、加速度がI方向に働くと、加速度センサ40は、点線で示すように振動する。つまり、加速度センサ40を構成する検出体41の右側と左側が交互に延びたり縮んだりする。
この検出体41の振動により、図8(a)に示すように、検出体41内で矢印で示すような電界が生じる。この検出体41の振動に基づく電界は、図8(b)に示すように、検出体41の外面における各電極26aと25、電極26bと25とがそれぞれ電位差を持って、直列に接続された回路として構成されるという原理に基づいて、信号として取り出される。このようにして、加速度の検出を行うことができる。
【0036】
したがって、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、加速度センサ40が加速度に応じて振動すると、複数対とされた検出用電極25と26aと、検出用電極25と26bが直列に接続された構成に基づいて、高い電圧の検出信号を生成することができるので、検出感度を向上させることができる。このため、全体を小型に構成しても十分な検出感度を得ることができる。
尚、この図7および図8の構成と同様の構成により、図7の矢印I方向に働く圧力を検出対象とした圧力センサを構成した場合においても、第3の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0037】
本発明は上述の実施形態に限定されない。センサに働くなんらかの力に対して、検出電極を直列に接続する構成のものであれば、ジャイロセンサ、加速度センサ、圧力センサ等のいかなる名称のセンサにも適用される。
【0038】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、センサの検出感度を向上させることができ、小型に構成しても十分な検出感度を得ることができるジャイロセンサや加速度センサ、圧力センサ等のセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態によるジャイロセンサの構成を示すブロック図。
【図2】図1のジャイロセンサのセンサ本体部分の概略斜視図。
【図3】図1のジャイロセンサの検出用振動片の部分的構成を示す図であり、(a)は電極配置を示す概略斜視図、(b)は電極を省略した検出体の概略斜視図。
【図4】図1のジャイロセンサ10に角速度が作用した場合の説明図であり、(a)は図1のジャイロセンサ10に角速度が作用した場合に、各電極間に生じる電界の様子を、図3(a)のC−C線断面図として矢印により示した図、(b)は(a)の等価回路図。
【図5】本発明の第2の実施形態によるジャイロセンサの構成を示す概略平面図。
【図6】図5のジャイロセンサ30に角速度が作用した場合の説明図であり、(a)は図5のジャイロセンサ30に角速度が作用した場合に、各電極間に生じる電界の様子を、図5のD−D線断面図として矢印により示した図、(b)は(a)の等価回路図。
【図7】本発明の第3の実施形態による加速度センサの要部を示す正面図。
【図8】図7の加速度センサに加速度が作用した場合の説明図であり、(a)は図7の加速度センサに加速度が作用した場合に、各電極間に生じる電界の様子を、図7のG−G線断面図として矢印により示した図、(b)は(a)の等価回路図。
【図9】従来の圧電材料を利用したセンサの概略斜視図。
【図10】図9のS−S線断面図。
【図11】図9のセンサに矢印の方向に、振動Tが加えられた場合の説明図であり、(a)は図9のセンサの電極配置を示す概略斜視図、(b)は電極を省略した検出体の概略斜視図。
【図12】センサに対して矢印の方向に、振動Tが加えられた場合の説明図であり、(a)は図9のセンサに振動Tが作用した場合に、各電極間に生じる電界の様子を、図11のU−U線断面図として矢印により示した図、(b)は(a)の等価回路図。
【符号の説明】
10,30・・・ジャイロセンサ、20,31・・・センサ本体、21・・・固定部、22,22・・・励振用振動片、23,23・・・検出用振動片、25,26・・・検出用電極、32・・・固定部、33,33・・・支持部、34,34・・・励振用振動片、35,35・・・検出用振動片、40・・・加速度センサ(圧力センサ)。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to improvements in sensors such as a gyro sensor, an acceleration sensor, and a pressure sensor for performing various measurements such as angular velocity and acceleration by detecting vibration, displacement, and the like of a piezoelectric material.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, various sensors that detect acceleration, angular velocity, and the like by using vibration, displacement, and the like of a piezoelectric material have been widely used.
FIG. 9 shows a simple configuration example of a sensor using such a piezoelectric material. In the figure, a sensor 1 includes a quadrangular prism-shaped detection body 4 formed of a piezoelectric material. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line S--S of FIG. 9, in which
[0003]
FIG. 11 shows a case in which a vibration T is applied to such a sensor 1 in the direction of an arrow, for example, and the portion of the detection body 4 of the sensor 1 in FIG. This is shown in b).
In the figure, when the vibration T acts in the direction of the arrow, the detection body 4 of the sensor 1 is displaced (deformed) as shown in FIG. That is, the
[0004]
Due to the vibration or displacement (deformation) of the detector 4, the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the vibration T detected by the sensor 1 is small, the generated potential difference is small, so that it becomes difficult to detect the potential difference. Further, when the size of the apparatus is reduced, the size of the detection body 4 as the sensor body also becomes smaller and the potential difference becomes smaller, so that the detection becomes more difficult.
[0006]
However, in the conventional sensor 1, since a plurality of pairs of
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and can improve the detection sensitivity of a sensor, and can achieve a sufficient detection sensitivity even when configured in a small size, such as a gyro sensor or an acceleration sensor. It is an object to provide a sensor such as a pressure sensor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, the above object is made of a piezoelectric material, and vibration, displacement or deformation of the piezoelectric material based on an externally applied force (hereinafter, these are all referred to as “vibration”). A sensor for detecting a piezoelectric material, wherein at least a detecting portion of the piezoelectric material has a plurality of pairs of electrodes formed therein, and the plurality of pairs of electrodes are connected in series. You.
According to the configuration of the first aspect, a plurality of pairs of electrodes are formed on the piezoelectric material constituting the detection unit of the sensor. Moreover, the plural pairs of electrodes are connected in series.
Accordingly, when the piezoelectric material constituting the detection unit vibrates according to the pressure acting as a detection target or a force acting in a predetermined direction such as an angular velocity, the plurality of pairs of the plurality of electrodes provided in this portion, Since a high-level detection signal can be generated according to the number of pairs of electrodes, detection sensitivity can be improved.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the detection unit includes a detection arm formed so as to extend in one direction, and a plurality of electrodes provided on the detection arm are provided in parallel with the direction of the arm. By being divided into pairs, a plurality of pairs of electrodes are formed, and the plurality of pairs of electrodes are connected in series.
According to the configuration of the second aspect, a detection arm formed of a piezoelectric material is provided for vibration detection. The detection arm is easily deformed and easily generates an electric charge when it is subjected to acceleration, so if this detection arm is divided in parallel with the arm and connected in series, the detection voltage is increased by the divided amount. can do.
[0010]
According to a third aspect of the invention, in any one of the first and second aspects, the piezoelectric material is a single crystal material.
According to the configuration of
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the piezoelectric material is quartz.
According to the configuration of the fourth aspect, since the crystal has a low electromechanical coupling coefficient, in particular, it is possible to increase the level of the detection signal and obtain high detection sensitivity by dividing the electrodes and connecting them in series. it can.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a gyro sensor including a sensor body formed of a piezoelectric material and detecting vibration of the piezoelectric material based on an externally applied force. Means for exciting, and means for processing a detection signal from the sensor main body, at least a detecting portion of the sensor main body is formed with a plurality of pairs of electrodes, and the plurality of pairs of electrodes are connected in series. This is achieved by the gyro sensor configured as described above.
According to the configuration of the fifth aspect, a plurality of pairs of electrodes are formed on the piezoelectric material constituting the detection unit of the sensor main body. Moreover, since the plurality of pairs of electrodes are connected in series, the detection voltage can be increased in accordance with the number of paired electrodes, so that the detection sensitivity of the gyro sensor can be improved.
[0013]
Further, according to the invention of claim 6, the above-mentioned object is a sensor formed of a piezoelectric material and detecting vibration of the piezoelectric material based on externally applied acceleration, wherein at least a detecting portion of the piezoelectric material is provided. Is achieved by an acceleration sensor in which a plurality of pairs of electrodes are formed, and the plurality of pairs of electrodes are connected in series.
According to the configuration of the sixth aspect, a plurality of pairs of electrodes are formed on the piezoelectric material constituting the detection unit of the sensor. Moreover, the plural pairs of electrodes are connected in series.
Thus, the detection voltage can be increased in accordance with the number of paired electrodes, so that the detection sensitivity of the acceleration sensor can be improved.
[0014]
Further, according to the invention of claim 7, the above-mentioned object is a sensor formed of a piezoelectric material and detecting vibration of the piezoelectric material based on externally applied vibration, wherein at least a detecting portion of the piezoelectric material is provided. This is achieved by a pressure sensor in which a plurality of pairs of electrodes are formed, and the plurality of pairs of electrodes are connected in series.
According to the configuration of the seventh aspect, a plurality of pairs of electrodes are formed on the piezoelectric material constituting the detection unit of the sensor. Moreover, the plural pairs of electrodes are connected in series.
Thus, the detection voltage can be increased in accordance with the number of paired electrodes, so that the detection sensitivity of the pressure sensor can be improved.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a gyro sensor as a first embodiment of a sensor using a piezoelectric material according to the present embodiment.
In the figure, the gyro sensor 10 includes a sensor main body 20, a circuit for exciting and driving the sensor main body 20, and a circuit for detecting a signal from the sensor main body 20.
The sensor main body 20 is formed of, for example, a piezoelectric material and fixed in a package or a case (not shown) so as not to hinder the vibration.
The sensor main body 20 is substantially H-shaped by forming a pair of
[0016]
The gyro sensor 10 is configured to apply a driving voltage to the
Fc = 2 mV · ω (m is the mass of the vibrating portion of the
A detection signal due to the vibration of the detecting vibrating
[0018]
That is, the detection signals due to the vibrations of the detecting vibrating
In particular, in the gyro sensor 10, the detection signal level of the detecting vibrating
[0019]
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the sensor main body 20.
In the figure, the sensor body 20 is formed of a piezoelectric material, and is preferably a single-crystal piezoelectric material, for example, lithium tantalate. In this case, as the piezoelectric material other than lithium tantalate, for example, a piezoelectric material such as quartz or lithium niobate can be used. When the gyro sensor according to the present embodiment is downsized, the level of the detection signal is low. However, the following configuration can improve the detection sensitivity.
[0020]
In FIG. 2, the X direction indicates the X axis of lithium tantalate, and the Y and Z directions indicate directions obtained by rotating the Y and Z directions of lithium tantalate by 40 degrees around the X axis.
In the figure, a sensor body 20 has a fixed
[0021]
Since the detecting
[0022]
In the figure, one
[0023]
FIG. 3 is an enlarged view of one
FIG. 4A shows an electric field generated between the electrodes when an angular velocity acts on the gyro sensor main body 20 shown in FIG. 1 by arrows as a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 3A. FIG. 4 (b) is an equivalent circuit of FIG. 4 (a).
[0024]
The operation of the gyro sensor main body 20 will be described with reference to these.
The
[0025]
Referring to FIG. 3A, the
[0026]
Therefore, according to the present embodiment, when the
[0027]
FIG. 5 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a gyro sensor as a second embodiment of a sensor using a piezoelectric material according to the present invention, wherein quartz is used as the piezoelectric material. Although the crystal used in the present embodiment has a low electromechanical coupling coefficient, the detection signal level is low. However, the following configuration can improve the detection sensitivity. In FIG. 5, the X direction indicates the electric axis of the crystal, the Y direction indicates the mechanical axis of the crystal, and the direction indicates the optical axis (growth axis) of the crystal. In particular, FIG. 5 omits the block configuration as in FIG. 1 and shows only a sensor main body formed of a piezoelectric material. FIG. 6A is a cross-sectional view taken along line DD in FIG. 5 showing the state of the electric field generated between the electrodes when the angular velocity ω acts on the gyro sensor 30 in FIG. 6 (b) is an equivalent circuit of FIG. 6 (a).
In these drawings, the portions denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment have the same configuration as those in the first embodiment, and thus redundant description will be omitted.
[0028]
In FIG. 5, a gyro sensor 30 has a sensor main body 31 housed in a
[0029]
The sensor main body 31 is formed of the same piezoelectric material as in the first embodiment, and a substantially square fixing
Exciting vibrating reeds extending in both directions starting from the ends of the
[0030]
Further, in FIG. 5, two
[0031]
In FIG. 5, the
[0032]
6A, the vibration of the detecting vibrating
Therefore, according to the present embodiment, as in the first embodiment, when the detecting vibrating
In particular, when the piezoelectric material used is quartz as in the present embodiment, the quartz has a low electromechanical coupling coefficient. By increasing the signal level, high detection sensitivity can be obtained. Therefore, the level of the detection signal can be further increased by dividing the electrode into a larger number.
Then, as shown in the first and second embodiments, when configuring the gyro sensor, regardless of the form of the sensor body made of a piezoelectric material, the detection electrode is moved in the vibration direction. , A high-voltage detection signal can be generated, and the detection sensitivity can be improved.
[0033]
FIG. 7 is a front view showing a main part of an acceleration sensor as a third embodiment of the sensor using the piezoelectric material according to the present invention.
FIG. 8A shows the state of the electric field generated between the electrodes when an acceleration acts on the
In these drawings, the portions denoted by the same reference numerals as those in the first and second embodiments have the same configuration as those in the first embodiment, and thus redundant description will be omitted.
[0034]
7, the
[0035]
In FIG. 7, when the acceleration acts in the I direction, the
Due to the vibration of the
[0036]
Therefore, according to the present embodiment, as in the first embodiment, when the
It should be noted that the same operation and effect as in the third embodiment can be obtained even when a pressure sensor that detects the pressure acting in the direction of arrow I in FIG. Obtainable.
[0037]
The invention is not limited to the embodiments described above. The present invention can be applied to any type of sensor such as a gyro sensor, an acceleration sensor, and a pressure sensor as long as the detection electrodes are connected in series for any force acting on the sensor.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a sensor such as a gyro sensor, an acceleration sensor, and a pressure sensor, which can improve the detection sensitivity of a sensor and can obtain sufficient detection sensitivity even when configured small, can be used. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a gyro sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view of a sensor main body of the gyro sensor of FIG. 1;
3A and 3B are diagrams showing a partial configuration of a detecting vibrating reed of the gyro sensor of FIG. 1, wherein FIG. 3A is a schematic perspective view showing an electrode arrangement, and FIG. .
4A and 4B are explanatory diagrams when an angular velocity acts on the gyro sensor 10 in FIG. 1; FIG. 4A shows a state of an electric field generated between the electrodes when the angular velocity acts on the gyro sensor 10 in FIG. 1; FIG. 3A is a diagram indicated by an arrow as a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 3B, and FIG. 3B is an equivalent circuit diagram of FIG.
FIG. 5 is a schematic plan view showing a configuration of a gyro sensor according to a second embodiment of the present invention.
6A and 6B are explanatory diagrams when an angular velocity acts on the gyro sensor 30 in FIG. 5; FIG. 6A illustrates a state of an electric field generated between the electrodes when the angular velocity acts on the gyro sensor 30 in FIG. 5; The figure shown by the arrow as a DD sectional view taken on the line of FIG. 5, (b) is an equivalent circuit diagram of (a).
FIG. 7 is a front view showing a main part of an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention.
8A and 8B are explanatory diagrams when acceleration acts on the acceleration sensor shown in FIG. 7. FIG. 8A shows the state of an electric field generated between the electrodes when acceleration acts on the acceleration sensor shown in FIG. (B) is an equivalent circuit diagram of (a).
FIG. 9 is a schematic perspective view of a sensor using a conventional piezoelectric material.
FIG. 10 is a sectional view taken along the line SS in FIG. 9;
11A and 11B are explanatory views of a case where a vibration T is applied to the sensor of FIG. 9 in the direction of an arrow, where FIG. 11A is a schematic perspective view showing the electrode arrangement of the sensor of FIG. 9 and FIG. FIG. 4 is a schematic perspective view of the omitted detection body.
12A and 12B are explanatory diagrams when a vibration T is applied to a sensor in a direction of an arrow. FIG. 12A is a diagram illustrating an electric field generated between electrodes when the vibration T acts on the sensor of FIG. FIG. 12B is a diagram showing the state by arrows as a cross-sectional view taken along the line UU of FIG. 11, and FIG. 12B is an equivalent circuit diagram of FIG.
[Explanation of symbols]
10, 30, a gyro sensor, 20, 31, a sensor main body, 21 a fixed portion, 22, 22, a vibration piece for excitation, 23, 23, a vibration piece for detection, 25, 26 ... Detection electrode, 32 ... Fixed part, 33,33 ... Support part, 34,34 ... Exciting vibration piece, 35,35 ... Detection vibration piece, 40 ... Acceleration Sensor (pressure sensor).
Claims (7)
前記圧電材料の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、
これら複数対の電極が直列に接続されている
ことを特徴とする、圧電材料を利用したセンサ。A sensor that is formed of a piezoelectric material and detects vibration of the piezoelectric material based on an externally applied force,
At least a detecting portion of the piezoelectric material has a plurality of pairs of electrodes formed thereon,
A sensor using a piezoelectric material, wherein the plurality of pairs of electrodes are connected in series.
センサ本体を励振する手段と、
前記センサ本体からの検出信号を処理する手段と
を有し、
前記センサ本体の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、
これら複数対の電極が直列に接続されている構成とした
ことを特徴とする、ジャイロセンサ。A gyro sensor comprising a sensor body formed of a piezoelectric material and detecting vibration of the piezoelectric material based on an externally applied force,
Means for exciting the sensor body;
Means for processing a detection signal from the sensor body,
A plurality of pairs of electrodes are formed on at least the detection unit of the sensor body,
A gyro sensor, wherein the plurality of pairs of electrodes are connected in series.
前記圧電材料の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、
これら複数対の電極が直列に接続されている
ことを特徴とする、加速度センサ。A sensor formed of a piezoelectric material and detecting vibration of the piezoelectric material based on externally applied acceleration,
At least a detecting portion of the piezoelectric material has a plurality of pairs of electrodes formed thereon,
An acceleration sensor, wherein the plurality of pairs of electrodes are connected in series.
前記圧電材料の少なくとも検出部に、複数対の電極が形成されており、
これら複数対の電極が直列に接続されている
ことを特徴とする、圧力センサ。A sensor formed of a piezoelectric material and detecting vibration of the piezoelectric material based on externally applied vibration,
At least a detecting portion of the piezoelectric material has a plurality of pairs of electrodes formed thereon,
A pressure sensor comprising a plurality of pairs of electrodes connected in series.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002243477A JP2004085237A (en) | 2002-08-23 | 2002-08-23 | Piezoelectric material utilizing sensor, gyro sensor, acceleration sensor, and pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002243477A JP2004085237A (en) | 2002-08-23 | 2002-08-23 | Piezoelectric material utilizing sensor, gyro sensor, acceleration sensor, and pressure sensor |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007322200A (en) * | 2006-05-31 | 2007-12-13 | Kyocera Kinseki Corp | Inertial sensor element |
-
2002
- 2002-08-23 JP JP2002243477A patent/JP2004085237A/en not_active Withdrawn
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