JP2007178300A - Tuning-fork type vibrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、1つの素子で角速度と加速度を検出する音叉型振動子に関する。 The present invention relates to a tuning fork vibrator that detects angular velocity and acceleration with a single element.
従来、音叉型振動子を用いた角速度/加速度センサにおいては、図11に示すような構成を有していた。図11において、2つの平行なアーム33、アーム34とからなる音叉型振動子を構成する水晶板35を両側から2枚の水晶板36、水晶板37とにより僅かの間隙を保持して挟み込み、アーム33、アーム34の両面に設けられた検出電極38,39,40,41と両側の2枚の水晶板36、水晶板37に設けられた検出電極42,43,44,45との間の静電容量変化にて角速度および加速度を検出する構成となっていた。
Conventionally, an angular velocity / acceleration sensor using a tuning fork vibrator has a configuration as shown in FIG. In FIG. 11, a
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。
しかしながら、図11に示す構成では、同一の検出電極の静電容量変化により角速度、加速度を検出する構成になっているため、角速度と加速度を検出する際の切り分けが複雑化し、高精度な検出が難しいという問題点を有していた。 However, in the configuration shown in FIG. 11, since the angular velocity and acceleration are detected by the capacitance change of the same detection electrode, the separation when detecting the angular velocity and acceleration is complicated, and high-precision detection is possible. It had the problem of being difficult.
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、角速度と加速度の検出時の切り分けを容易にし角速度、加速度を高精度で検出可能な音叉型振動子を提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a tuning fork vibrator that can easily detect angular velocities and accelerations while easily detecting angular velocities and accelerations. .
上記目的を達成するために本発明の音叉型振動子は、2つの平行なアームと、これらのアームを連結する少なくとも1つの基部と、この基部と連結した支持部を有し、前記アームに角速度検出部を設け、前記基部に加速度検出部を設けたものである。 In order to achieve the above object, a tuning fork vibrator according to the present invention has two parallel arms, at least one base connecting these arms, and a support connected to the base, and the angular velocity of the arms. A detection unit is provided, and an acceleration detection unit is provided at the base.
本発明の音叉型振動子は、角速度および加速度の検出部を個別に設けたことにより、各出力の干渉を抑制することができ、角速度と加速度を高精度に検出することができるという効果を奏する。 The tuning fork vibrator according to the present invention has an effect that interference between outputs can be suppressed and angular velocity and acceleration can be detected with high accuracy by providing an angular velocity and acceleration detection unit individually. .
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における音叉型振動子について図1〜図6を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the tuning fork vibrator according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本発明の実施の形態1における音叉型振動子の斜視図、図2は同振動子のアームのA−A断面図、図3は同振動子のアームのB−B断面図、図4は同実施の形態における駆動モードの斜視図、図5は同実施の形態における角速度検出モードの斜視図、図6は同実施の形態における加速度検出モードの斜視図である。
1 is a perspective view of a tuning fork vibrator according to
図1〜図6において、1は音叉型振動子(以下、振動子と呼ぶ)、2,3は振動子1のアームであり、平行に配置されている。4は振動子1の基部であり、前記アーム2,3を連結している。5は振動子1の支持部であり、前記基部4に連結されている。6は振動子1の主面、7,8はアーム2の主面6上に設けられた第1、第2の電極、9,10はアーム3の主面6上に設けられた第1、第2の電極、11,13は第1の電極7,9上にそれぞれ設けられた第1の圧電薄膜、12,14は第2の電極8,10上にそれぞれ設けられた第2の圧電薄膜、15,17は第1の圧電薄膜11,13上にそれぞれ設けられた第3の電極、16,18は第2の圧電薄膜12,14上にそれぞれ設けられた第4の電極、19,20はアーム2およびアーム3の主面6上で、かつ、第1と第2の電極7,8および9,10の間にそれぞれ設けられた第5の電極、21,22は第5の電極19,20上にそれぞれ設けられた第3の圧電薄膜、23,24は第3の圧電薄膜21,22上にそれぞれ設けられた第6の電極、25は基部4の主面6上に設けられた歪抵抗である。
1 to 6,
振動子1は2つのアーム2,3と、アーム2,3を連結する基部4と、基部4と連結する支持部5とを有したシリコン(Si)から構成されている。
The
また、第1の圧電薄膜11,13、第2の圧電薄膜12,14、第3の圧電薄膜21,22は、いずれもチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)である。
Further, the first piezoelectric thin films 11 and 13, the second piezoelectric
以下に、振動子1の動作原理について説明する。
Hereinafter, the operation principle of the
図4は振動子1の駆動モード、図5は振動子1の角速度検出モードの斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view of the driving mode of the
予め、図2の第1の圧電薄膜11,13、第2の圧電薄膜12,14、第3の圧電薄膜21,22をそれぞれの上下に設けた第1の電極7,9と第3の電極15,17の間、第2の電極8,10と第4の電極16,18の間、第5の電極19,20と第6の電極23,24との間それぞれにDC電圧を印加し、分極ベクトルの方向が揃うようにしておく。
First and
この状態で、第1の電極7,9と第2の電極8,10をGND電極又は仮想GND電極とし、第3の電極15,17と第4の電極16,18に互いに位相が180°異なる交流電圧を印加することで、第1の圧電薄膜11,13が延びる場合は、第2の圧電薄膜12,14は縮む。逆に、第1の圧電薄膜11,13が縮む場合は、第2の圧電薄膜12,14は伸びる。
In this state, the
以上の原理に基づき、振動子1のアーム2,3は互いに逆方向(X方向)に音叉共振し図4に示した駆動モードで発振する。
Based on the above principle, the
上記で説明したようにアーム2,3がX方向に共振している状態でY軸回りに角速度が印加されると、アーム2,3はコリオリ力によりZ方向に互に逆向きに撓み図5に示した角速度検出モードが励振される。この撓みによりアーム2,3上にそれぞれ設けられている第3の圧電薄膜21,22には、それぞれ逆向きの電荷が発生する。この逆向きの電荷を第6の電極23,24より検出することにより、印加された角速度に対応した出力が得られる。
As described above, when an angular velocity is applied around the Y axis while the
また、Z方向に加速度が印加されると、この加速度により振動子1の基部4は図6に示すようZ方向に歪む。この歪により基部4に設けられている歪抵抗25の抵抗値が変化する。この抵抗変化を検出することにより、印加された加速度に応じた出力が得られる。
When acceleration is applied in the Z direction, the base 4 of the
ここでは、振動子1の基部4に歪抵抗を用いた構成について説明してきたが、歪抵抗の代わりに圧電薄膜を設け、この圧電薄膜の上下電極間の静電容量の変化にて加速度を検出することも可能である。この場合、上記、圧電薄膜を第1、第2、第3の圧電薄膜11,13,12,14,21,22と同一のプロセスにて形成できるため、プロセスの簡素化が可能となる。
Here, the configuration using the strain resistance in the base 4 of the
また、ここではZ方向の検出に限定して説明してきたが、X方向の加速度が加わった場合、歪抵抗25が面内で撓むことにより、上記構成にてX方向の加速度検出も可能である。
Although the description has been limited to the detection in the Z direction here, when the acceleration in the X direction is applied, the
(実施の形態2)
以下、本実施の形態2における音叉型振動子について図7、図8(a)を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the tuning fork vibrator according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8A.
本実施の形態は実施の形態1で述べた音叉の形状と同一であり、駆動原理は同じであるため、それらに関する詳細な説明は省略し、実施の形態1と異なる部分についてのみ説明する。 Since the present embodiment is the same as the tuning fork described in the first embodiment and the driving principle is the same, detailed description thereof will be omitted, and only the parts different from the first embodiment will be described.
なお図7、図8(a)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。 In FIG. 7 and FIG. 8 (a), the same numbers are assigned to components having the same functions as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
図7は本発明の実施の形態における音叉型振動子の斜視図、図8(a)は同振動子のC−C断面図を表している。 FIG. 7 is a perspective view of a tuning fork vibrator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8A is a cross-sectional view taken along the line CC of the vibrator.
図7、図8(a)において、26は基部4に設けられた棒状振動子、27は棒状振動子26の主面6上に設けられた第7の電極、28は第7の電極27上に設けられた第4の圧電薄膜、29は第4の圧電薄膜28上に設けられた第8の電極である。
7 and FIG. 8A, 26 is a rod-like vibrator provided on the
実施の形態1で説明した原理と同様に、圧電薄膜28をZ方向に伸び縮みさせ棒状振動子26を共振させておく。
Similar to the principle described in the first embodiment, the piezoelectric
この状態で、Z方向に加速度が印加されると、棒状振動子26は共振周波数が変化する。この周波数の変化を検出することにより、印加された加速度に応じた出力が得られる。
In this state, when acceleration is applied in the Z direction, the resonance frequency of the rod-
同様に、Z方向の加速度検出のみならず、棒状振動子26をX方向に共振させ加速度を検出することも可能である。
Similarly, it is possible not only to detect acceleration in the Z direction but also to detect acceleration by resonating the rod-
この場合、棒状振動子26上には図8(b)に示すように左右に第1、第2の電極41,42を設け、この第1、第2の電極41,42上に第1、第2の圧電薄膜43,44を設け、この第1、第2の圧電薄膜43,44上に第3、第4の電極45,46を設ける。そして、第1電極41、第2電極42をGNDとして、第3電極45と第4電極46に180度異なる交流電圧を印加することにより棒状振動子26をX方向に共振させ、X方向の加速度が加わった場合の棒状振動子26の共振周波数の変化を検出することによりX方向の加速度を検出する。
In this case, first and
(実施の形態3)
以下、本実施の形態3における音叉型振動子について図9を用いて説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, the tuning fork vibrator according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
本実施の形態は実施の形態1もしくは実施の形態2で述べた音叉の形状と同一であり、駆動原理は同じであるため、それらに関する詳細な説明は省略し、実施の形態1もしくは実施の形態2と異なる部分についてのみ説明する。 Since the present embodiment is the same as the tuning fork shape described in the first embodiment or the second embodiment and the driving principle is the same, detailed description thereof will be omitted, and the first embodiment or the first embodiment will be omitted. Only the parts different from 2 will be described.
なお、図9における各部品の番号は実施の形態1もしくは実施の形態2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。 In FIG. 9, the same reference numerals are assigned to parts having the same functions as those in the first or second embodiment, and the description thereof is omitted.
図9は本発明の実施の形態における薄膜微小機械式共振子ジャイロの斜視図である。 FIG. 9 is a perspective view of a thin film micromechanical resonator gyro according to an embodiment of the present invention.
図9において、30は基部4に設けられた錘であり、アーム2,3を囲むように配置されている。
In FIG. 9,
加速度検出原理に関しては実施の形態1もしくは実施の形態2と同様であるが、基部4に付加された錘30により加速度が印加されたときの基部4の歪量が大きくなり、検出感度の向上が可能となる。また、錘30の質量を調整することにより検出感度の調整が可能である。
The acceleration detection principle is the same as in the first embodiment or the second embodiment, but the amount of distortion of the base 4 when the acceleration is applied by the
なお、付加する錘の位置、形状については任意に設計可能である。 The position and shape of the weight to be added can be arbitrarily designed.
(実施の形態4)
以下、本実施の形態4における音叉型振動子について図10を用いて説明する。
(Embodiment 4)
Hereinafter, the tuning fork vibrator according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
本実施の形態は実施の形態1もしくは実施の形態2で述べた音叉の形状と同一であり、駆動原理は同じであるため、それらに関する詳細な説明は省略し、実施の形態1もしくは実施の形態2と異なる部分についてのみ説明する。 Since the present embodiment is the same as the tuning fork shape described in the first embodiment or the second embodiment and the driving principle is the same, detailed description thereof will be omitted, and the first embodiment or the first embodiment will be omitted. Only the parts different from 2 will be described.
なお、図10における各部品の番号は実施の形態1もしくは実施の形態2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。 10, the same numbers are assigned to components having the same functions as those in the first or second embodiment, and the description thereof is omitted.
図10は本発明の実施の形態における音叉型振動子の斜視図である。 FIG. 10 is a perspective view of a tuning fork vibrator according to an embodiment of the present invention.
図10において、31,32はアーム2,3の先端に設けられた錘である。
In FIG. 10, 31 and 32 are weights provided at the tips of the
アーム先端に錘31,32を付加することにより、実施の形態3と同様の効果を得ることが可能である。
By adding the
なお、付加する錘の位置、形状については任意に設計可能である。 The position and shape of the weight to be added can be arbitrarily designed.
本発明の音叉型振動子は、角速度および加速度の検出精度を高めることができるという効果を有し、車両用の姿勢制御等に用いられるセンサとして有用である。 The tuning fork vibrator according to the present invention has an effect that the detection accuracy of angular velocity and acceleration can be improved, and is useful as a sensor used for vehicle attitude control and the like.
1 音叉型振動子(振動子)
2,3 アーム
4 基部
5 支持部
6 主面
7,8,9,10,19,20,27 下部電極
11,12,13,14,21,22,28 圧電薄膜
15,16,17,18,23,24,29 上部電極
25 歪抵抗
26 棒状振動子
30,31,32 錘
1 Tuning fork type vibrator (vibrator)
2, 3 Arm 4
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005377941A JP2007178300A (en) | 2005-12-28 | 2005-12-28 | Tuning-fork type vibrator |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005377941A JP2007178300A (en) | 2005-12-28 | 2005-12-28 | Tuning-fork type vibrator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2007178300A true JP2007178300A (en) | 2007-07-12 |
Family
ID=38303631
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2005377941A Pending JP2007178300A (en) | 2005-12-28 | 2005-12-28 | Tuning-fork type vibrator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007178300A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010043870A (en) * | 2008-08-08 | 2010-02-25 | Sony Corp | Angular velocity sensor element, angular velocity sensor, and electronic apparatus |
JP2018084480A (en) * | 2016-11-24 | 2018-05-31 | セイコーエプソン株式会社 | Physical quantity sensor, electronic apparatus, and mobile body |
-
2005
- 2005-12-28 JP JP2005377941A patent/JP2007178300A/en active Pending
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