JP5968265B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、角速度センサに関する。

近年、角速度センサは、人工衛星、ミサイル、無人航空機などの軍需用を始め、エアバッグ（Ａｉｒ Ｂａｇ）、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、車両用ブラックボックス（Ｂｌａｃｋ Ｂｏｘ）などの車両用、カムコーダの手振れ防止用、携帯電話やゲーム機のモーションセンシング用、ナビゲーション用など、様々な用途に用いられている。

このような角速度センサは、角速度を測定するために、通常、メンブレイン（Ｍｅｍｂｒａｎｅ）などの弾性基板に質量体を接着した構成を採用している。上記の構成により、角速度センサは、質量体に印加されるコリオリ力を測定して角速度を算出する。

角速度センサを用いて角速度を測定する方式を具体的に説明すると、以下のとおりである。まず、角速度は、コリオリ力（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ Ｆｏｒｃｅ）「Ｆ＝２ｍΩ×ｖ」式によって求めることができる。ここで、「Ｆ」は質量体に作用するコリオリ力、「ｍ」は質量体の質量、「Ω」は測定しようとする角速度、「ｖ」は質量体の運動速度である。このうち、質量体の運動速度（ｖ）と質量体の質量（ｍ）は、既に認知している値であるため、質量体に作用するコリオリ力（Ｆ）を検知することで角速度（Ω）を求めることができる。

一方、従来技術による角速度センサは、特許文献１に開示されたように、質量体を駆動させたり、質量体の変位を検知するために、メンブレイン（ダイアフラム）の上部に圧電体を備える。このような角速度センサで角速度を測定するためには、駆動モードの共振周波数と検知モードの共振周波数とをほぼ一致させることが好ましい。しかし、形状／応力／物性などによる微細な製作誤差により、駆動モードと検知モードとの間に非常に大きい干渉が発生する。従って、角速度信号より遥かに大きなノイズ（Ｎｏｉｓｅ）信号が出力されるため、角速度信号の回路増幅が制限され、角速度センサの感度が低下するという問題点が発生する。

米国特許出願公開２０１１／０１４６４０４号明細書

本発明は上述の従来技術の問題点を解決するためのものであって、本発明の一側面は、二つのフレームを備えて質量体の駆動変位と検知変位を個別的に発生させて、特定方向に対してのみ質量体が運動できるように可撓部を形成することにより、駆動モードと検知モードとの間の干渉を除去し、製作誤差による影響を低減させることができる角速度センサを提供することをその目的とする。

本発明の実施例による角速度センサは、質量体と、前記質量体と離隔されるように前記質量体の外側に備えられた第１フレームと、Ｘ軸方向に前記質量体と前記第１フレームとを連結する第１可撓部と、Ｙ軸方向に前記質量体と前記第１フレームとを連結する第２可撓部と、前記第１フレームと離隔されるように前記第１フレームの外側に備えられた第２フレームと、Ｘ軸方向に前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する第３可撓部と、Ｙ軸方向に前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する第４可撓部と、を含み、前記第１可撓部はＹ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きく、前記第２可撓部はＺ軸方向の厚さがＸ軸方向の幅より大きく、前記第３可撓部はＺ軸方向の厚さがＹ軸方向の幅より大きく、前記第４可撓部はＸ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きいことを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記質量体は、前記第１フレームに対してＹ軸を基準に回転することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第１フレームは、前記第２フレームに対してＸ軸を基準に回転することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部には曲げ応力が発生し、前記第２可撓部には捻り応力が発生することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第３可撓部には捻り応力が発生し、前記第４可撓部には曲げ応力が発生することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第２可撓部は、Ｚ軸方向を基準に前記質量体の重心より上側に備えられることを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第２可撓部は、Ｙ軸方向を基準に前記質量体の重心に対応する位置に備えられることを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部は、前記質量体と前記第１フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第２可撓部は、前記質量体と前記第１フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第３可撓部は、前記第１フレームと前記第２フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第４可撓部は、前記第１フレームと前記第２フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部に備えられ、前記質量体の変位を検知する検知手段をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記検知手段は、前記質量体がＹ軸を基準に回転する際に発生する変位を検知することを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第４可撓部に備えられ、前記第１フレームを駆動させる駆動手段をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記駆動手段は、前記第１フレームをＸ軸を基準に回転するように駆動させることを特徴とする。
また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記質量部の重心が、前記第１可撓部及び第４可撓部よりも、Ｚ軸方向を基準として下方に位置していることを特徴とする。
また、本発明の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部及び第４可撓部が、Ｚ軸方向を基準にして、前記質量体、前記第１フレーム、前記第２可撓部及び前記第３可撓部の上端の位置に配置されている。
また、本発明の他の実施例による角速度センサは、質量体と、前記質量体と離隔されるように前記質量体の外側に備えられた第１フレームと、前記質量体と前記第１フレームとを連結する第１可撓部と、前記質量体と前記第１フレームとを連結する第２可撓部と、前記第１フレームと離隔されるように前記第１フレームの外側に備えられた第２フレームと、前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する第３可撓部と、前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する第４可撓部と、を含み、前記第１可撓部及び第４可撓部はビームであり、前記第２可撓部は前記質量体の変異を制限するヒンジであり、前記第３可撓部は前記第１フレームの変異を制限するヒンジであることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第２可撓部と第３可撓部は互いに直交する方向に配置されることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部と第２可撓部は互いに直交する方向に配置され、前記第３可撓部と第４可撓部は互いに直交する方向に配置されることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、第１可撓部は、Ｘ軸方向に前記質量体と前記第１フレームとを連結し、第２可撓部は、Ｙ軸方向に前記質量体と前記第１フレームとを連結し、第３可撓部は、Ｘ軸方向に前記第１フレームと前記第２フレームとを連結し、第４可撓部は、Ｙ軸方向に前記第１フレームと前記第２フレームとを連結し、前記第１可撓部はＹ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きく、前記第２可撓部はＺ軸方向の厚さがＸ軸方向の幅より大きく、前記第３可撓部はＺ軸方向の厚さがＹ軸方向の幅より大きく、前記第４可撓部はＸ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きいことを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記質量体は、前記第１フレームに対してＹ軸を基準に回転することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第１フレームは、前記第２フレームに対してＸ軸を基準に回転することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部には曲げ応力が発生し、前記第２可撓部には捻り応力が発生することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第３可撓部には捻り応力が発生し、前記第４可撓部には曲げ応力が発生することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第２可撓部は、Ｚ軸方向を基準に前記質量体の重心より上側に備えられることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第２可撓部は、Ｙ軸方向を基準に前記質量体の重心に対応する位置に備えられることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部は、前記質量体と前記第１フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第２可撓部は、前記質量体と前記第１フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第３可撓部は、前記第１フレームと前記第２フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第４可撓部は、前記第１フレームと前記第２フレームを両方または一方で連結することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部に備えられ、前記質量体の変位を検知する検知手段をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記検知手段は、前記質量体がＹ軸を基準に回転する際に発生する変位を検知することを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第４可撓部に備えられ、前記第１フレームを駆動させる駆動手段をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記駆動手段は、前記第１フレームをＸ軸を基準に回転するように駆動させることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記質量体の重心が、前記第１可撓部及び第４可撓部よりも、Ｚ軸方向を基準として下方に位置していることを特徴とする。
また、本発明の他の実施例による角速度センサにおいて、前記第１可撓部及び第４可撓部が、Ｚ軸方向を基準にして、前記質量体、前記第１フレーム、前記第２可撓部及び前記第３可撓部の上端の位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によると、二つのフレームを備えて質量体の駆動変位と検知変位を個別的に発生させて、特定方向に対してのみ質量体が運動できるように可撓部を形成する。従って、駆動モードと検知モードとの間の干渉を除去して回路増幅比の上昇による感度の向上を実現することができ、製作誤差による影響を低減させて、収率を向上させることができる。

本発明の実施例による角速度センサの斜視図である。 図１に図示された角速度センサの平面図である。 図２に図示されたＡ−Ａ´線に沿った角速度センサの断面図である。 図２に図示されたＢ−Ｂ´線に沿った角速度センサの断面図である。 本発明の実施例による角速度センサの変形例を図示した斜視図である。 図２に図示された質量体の運動可能な方向を図示した平面図である。 図３に図示された質量体の運動可能な方向を図示した断面図である。 図３に図示された質量体が第１フレームに対してＹ軸を基準に回転する過程を図示した断面図である。 図３に図示された質量体が第１フレームに対してＹ軸を基準に回転する過程を図示した断面図である。 図２に図示された第１フレームの運動可能な方向を図示した平面図である。 図４に図示された第１フレームの運動可能な方向を図示した断面図である。 図４に図示された第１フレームが第２フレームに対してＸ軸を基準に回転する過程を図示した断面図である。 図４に図示された第１フレームが第２フレームに対してＸ軸を基準に回転する過程を図示した断面図である。 本実施例による角速度センサが角速度を測定する過程を図示した断面図である。 本実施例による角速度センサが角速度を測定する過程を図示した断面図である。 本実施例による角速度センサが角速度を測定する過程を図示した断面図である。 本実施例による角速度センサが角速度を測定する過程を図示した断面図である。 本発明の実施例による角速度センサの他の変形例を図示した斜視図である。

本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例による角速度センサの斜視図であり、図２は、図１に図示された角速度センサの平面図であり、図３は、図２に図示されたＡ−Ａ´線に沿った角速度センサの断面図であり、図４は、図２に図示されたＢ−Ｂ´線に沿った角速度センサの断面図であり、図５は、本発明の実施例による角速度センサの変形例を図示した斜視図である。

図１から図４に図示されたように、本実施例による角速度センサ１００は、質量体１１０と、質量体１１０と離隔されるように質量体１１０の外側に備えられた第１フレーム１２０と、Ｘ軸方向に質量体１１０と第１フレーム１２０とを連結する第１可撓部１３０と、Ｙ軸方向に質量体１１０と第１フレーム１２０とを連結する第２可撓部１４０と、第１フレーム１２０と離隔されるように第１フレーム１２０の外側に備えられた第２フレーム１５０と、Ｘ軸方向に第１フレーム１２０と第２フレーム１５０とを連結する第３可撓部１６０と、Ｙ軸方向に第１フレーム１２０と第２フレーム１５０とを連結する第４可撓部１７０と、を含む構成である。

ここで、第１可撓部１３０は、Ｙ軸方向の幅ｗ_１がＺ軸方向の厚さｔ_１より大きく、第２可撓部１４０は、Ｚ軸方向の厚さｔ_２がＸ軸方向の幅ｗ_２より大きい。また、第３可撓部１６０は、Ｚ軸方向の厚さｔ_３がＹ軸方向の幅ｗ_３より大きく、第４可撓部１７０は、Ｘ軸方向の幅ｗ_４がＺ軸方向の厚さｔ_４より大きい。

前記質量体１１０は、コリオリ力によって変位されるものであり、第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０を介して第１フレーム１２０に連結される。ここで、質量体１１０は、コリオリ力が作用する際に、第１可撓部１３０の曲げと第２可撓部１４０の捻りによって第１フレーム１２０を基準に変位される。この際、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＹ軸を基準に回転されるが、これについての具体的な説明は後述する。一方、質量体１１０は、四角柱状に図示されているが、これに限定されるものではない。例えば、図５に図示されたように、質量体１１０は、円柱状に形成することもでき、その他にも、ファン（Ｆａｎ）の形状など、当業界に公知された全ての形状に形成することができる。尚、第１可撓部と第４可撓部は、図１〜図４より明らかなように、その形状と質量体及びフレームとの有機的な結合によって、曲げ運動を発生させるビームである。また、第２可撓部と第３可撓部は、図１〜図４より明らかなように、その形状と質量体及びフレームとの有機的な結合によって、「特定方向の変位を発生させるように制限された」捻りを生じさせるヒンジである。

前記第１フレーム１２０は、第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０を支持して、質量体１１０を変位することができる空間を確保する役割をし、質量体１１０が変位される際に基準となる。ここで、第１フレーム１２０は、質量体１１０と離隔されるように質量体１１０の外側に備える。この際、第１フレーム１２０は、中心に四角柱状の空洞が形成された四角柱状に形成することができるが、これに限定されるものではない。

例えば、図５に図示されたように、第１フレーム１２０は、中心に円柱状の空洞が形成された円柱状に形成することもできる。一方、第１フレーム１２０は、第３可撓部１６０及び第４可撓部１７０を介して第２フレーム１５０に連結させる。ここで、第１フレーム１２０は、駆動手段１９０によって駆動する際に、第３可撓部１６０の捻りと第４可撓部１７０の曲げによって第２フレーム１５０を基準に変位する。この際、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に回転するが、これについての具体的な説明は後述する。

前記第１、２可撓部１３０、１４０は、第１フレーム１２０を基準に質量体１１０が変位されるように、第１フレーム１２０と質量体１１０とを連結する役割をするものであり、第１可撓部１３０と第２可撓部１４０は、互いに垂直に形成される。即ち、第１可撓部１３０は、Ｘ軸方向に質量体１１０と第１フレーム１２０とを連結し、第２可撓部１４０は、Ｙ軸方向に質量体１１０と第１フレーム１２０とを連結する。この際、第１可撓部１３０と第２可撓部１４０は、それぞれ、質量体１１０と第１フレーム１２０を両方で連結することができる。但し、図１４に図示されたように、第１可撓部１３０と第２可撓部１４０は、それぞれ必要に応じて、質量体１１０と第１フレーム１２０を一方でのみ連結することもできる。

一方、図２から図４に図示されたように、第１可撓部１３０は、Ｙ軸方向の幅ｗ_１がＺ軸方向の厚さｔ_１より大きく、第２可撓部１４０は、Ｚ軸方向の厚さｔ_２がＸ軸方向の幅ｗ_２より大きい。このような第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０の特性により、質量体１１０は、第１フレーム１２０を基準に特定方向にのみ運動することができる。

図６は、図２に図示された質量体の運動可能な方向を図示した平面図であり、図７は、図３に図示された質量体の運動可能な方向を図示した断面図であって、これを参照して質量体１１０の運動可能な方向について説明する。

まず、第２可撓部１４０のＺ軸方向の厚さｔ_２がＸ軸方向の幅ｗ_２より大きいため、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＸ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限されるが、Ｙ軸を基準に相対的に自由に回転することができる（図７参照）。

具体的には、第２可撓部１４０がＹ軸を基準に回転する際の剛性に比べＸ軸を基準に回転する際の剛性が大きいほど、質量体１１０は、Ｙ軸を基準に自由に回転することができる反面、Ｘ軸を基準に回転することが制限される。これと同様に、第２可撓部１４０がＹ軸を基準に回転する際の剛性に比べＺ軸方向に並進する際の剛性が大きいほど、質量体１１０は、Ｙ軸を基準に自由に回転することができる反面、Ｚ軸方向に並進することが制限される。従って、第２可撓部１４０の（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性）値が増加するほど、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＹ軸を基準に自由に回転する反面、Ｘ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される。

図２及び図３を参照して、第２可撓部１４０のＺ軸方向の厚さｔ_２、Ｙ軸方向の長さＬ_１及びＸ軸方向の幅ｗ_２と方向毎の剛性との関係をまとめると、次のようになる。

（１）第２可撓部１４０のＸ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性∝ ｗ_２×ｔ_２ ^３／Ｌ_１ ^３

（２）第２可撓部１４０のＹ軸を基準に回転する際の剛性∝ ｗ_２ ^３×ｔ_２／Ｌ_１

前記二つの式によると、第２可撓部１４０の（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性）値は、（t_２／（ｗ_２Ｌ_１））^２に比例する。ところが、本実施例による第２可撓部１４０は、Ｚ軸方向の厚さｔ_２がＸ軸方向の幅ｗ_２より大きいため（t_２／（ｗ_２Ｌ_１））^２が大きく、従って、第２可撓部１４０の（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性）値が増加される。このような第２可撓部１４０の特性により、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＹ軸を基準に自由に回転する反面、Ｘ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される。

一方、第１可撓部１３０は、長さ方向（Ｘ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、質量体１１０が第１フレーム１２０に対してＺ軸を基準に回転したりＸ軸方向に並進することを制限することができる（図６参照）。また、第２可撓部１４０は、長さ方向（Ｙ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、質量体１１０が第１フレーム１２０に対してＹ軸方向に並進することを制限することができる（図６参照）。

結局、上述した第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０の特性により、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＹ軸を基準に回転することができるが、Ｘ軸またはＺ軸を基準に回転したりＺ軸、Ｙ軸またはＸ軸方向に並進することが制限される。即ち、質量体１１０の運動可能な方向をまとめると、下記の表１のようになる。

このように、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＹ軸を基準に回転することができる反面、その他の方向に運動することが制限されるため、質量体１１０の変位を所望の方向（Ｙ軸を基準に回転）の力に対してのみ発生させることができる。

一方、図８Ａ及び図８Ｂは、図３に図示された質量体が第１フレームに対してＹ軸を基準に回転する過程を図示した断面図である。

図８Ａ及び図８Ｂに図示されたように、質量体１１０が第１フレーム１２０に対してＹ軸を回転軸Ｒとして回転するため、第１可撓部１３０には、圧縮応力と引張応力が組み合わされた曲げ応力が発生し、第２可撓部１４０には、Ｙ軸を基準に捻り応力が発生する。この際、質量体１１０にトルク（ｔｏｒｑｕｅ）を発生させるために、第２可撓部１４０は、Ｚ軸方向を基準に質量体１１０の重心Ｃより上側に備えることができる。また、図２に図示されたように、質量体１１０がＹ軸を基準に正確に回転するように、第２可撓部１４０は、Ｙ軸方向を基準に質量体１１０の重心Ｃに対応する位置に備えることができる。

前記第２フレーム１５０は、第３可撓部１６０及び第４可撓部１７０を支持して、第１フレーム１２０を変位することができる空間を確保する機能を有し、第１フレーム１２０を変位する際の基準となる。ここで、第２フレーム１５０は、第１フレーム１２０と離隔されるように第１フレーム１２０の外側に備える。この際、第２フレーム１５０は、中心に四角柱状の空洞が形成された四角柱状に形成することができるが、これに限定されるものではない。例えば、図５に図示されたように、第２フレーム１５０は、中心に円柱状の空洞が形成された四角柱状に形成することができる。

前記第３、４可撓部１６０、１７０は、第２フレーム１５０を基準に第１フレーム１２０を変位することができるように、第２フレーム１５０と第１フレーム１２０とを連結する役割をするものであり、第３可撓部１６０と第４可撓部１７０は、互いに垂直に形成される。即ち、第３可撓部１６０は、Ｘ軸方向に第１フレーム１２０と第２フレーム１５０とを連結し、第４可撓部１７０は、Ｙ軸方向に第１フレーム１２０と第２フレーム１５０とを連結する。この際、第３可撓部１６０と第４可撓部１７０は、それぞれ、第１フレーム１２０と第２フレーム１５０を両方で連結することができる。但し、図１４に図示されたように、第３可撓部１６０と第４可撓部１７０は、それぞれ、必要に応じて、第１フレーム１２０と第２フレーム１５０を一方でのみ連結することもできる。

一方、図２から図４に図示されたように、第３可撓部１６０は、Ｚ軸方向の厚さｔ_３がＹ軸方向の幅ｗ_３より大きく、第４可撓部１７０は、Ｘ軸方向の幅ｗ_４がＺ軸方向の厚さｔ_４より大きい。このような第３可撓部１６０及び第４可撓部１７０の特性により、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０を基準に特定方向にのみ運動することができる。

図９は、図２に図示された第１フレームの運動可能な方向を図示した平面図であり、図１０は、図４に図示された第１フレームの運動可能な方向を図示した断面図であって、これを参照して第１フレーム１２０の運動可能な方向について説明する。

まず、第３可撓部１６０のＺ軸方向の厚さｔ_３がＹ軸方向の幅ｗ_３より大きいため、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＹ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される反面、Ｘ軸を基準に相対的に自由に回転することができる（図１０参照）。

具体的には、第３可撓部１６０がＸ軸を基準に回転する際の剛性に比べＹ軸を基準に回転する際の剛性が大きいほど、第１フレーム１２０は、Ｘ軸を基準に自由に回転することができる反面、Ｙ軸を基準に回転することが制限される。これと同様に、第３可撓部１６０がＸ軸を基準に回転する際の剛性に比べＺ軸方向に並進する際の剛性が大きいほど、第１フレーム１２０は、Ｘ軸を基準に自由に回転することができる反面、Ｚ軸方向に並進することが制限される。従って、第３可撓部１６０の（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性）値が増加するほど、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に自由に回転する反面、Ｙ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される。

図２から図４を参照して、第３可撓部１６０のＺ軸方向の厚さｔ_３、Ｘ軸方向の長さＬ_２及びＹ軸方向の幅ｗ_３と方向毎の剛性との関係をまとめると、次のようになる。

（１）第３可撓部１６０のＹ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性∝ ｗ_３×ｔ_３ ^３／Ｌ_２ ^３

（２）第３可撓部１６０のＸ軸を基準に回転する際の剛性∝ ｗ_３ ^３×ｔ_３／Ｌ_２

前記二つの式によると、第３可撓部１６０の（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性）値は、（ｔ_３／（ｗ_３Ｌ_２））^２に比例する。ところが、本実施例による第３可撓部１６０は、Ｚ軸方向の厚さｔ_３がＹ軸方向の幅ｗ_３より大きいため（ｔ_３／（ｗ_３Ｌ_２））^２が大きく、従って、第３可撓部１６０の（Ｙ軸を基準に回転する際の剛性またはＺ軸方向に並進する際の剛性）／（Ｘ軸を基準に回転する際の剛性）値は増加される。このような第３可撓部１６０の特性により、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に自由に回転する反面、Ｙ軸を基準に回転したりＺ軸方向に並進することが制限される。

一方、第４可撓部１７０は、長さ方向（Ｙ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、第１フレーム１２０が第２フレーム１５０に対してＺ軸を基準に回転したりＹ軸方向に並進することを制限することができる（図９参照）。また、第３可撓部１６０は、長さ方向（Ｘ軸方向）の剛性が相対的に非常に高いため、第１フレーム１２０が第２フレーム１５０に対してＸ軸方向に並進することを制限することができる（図９参照）。

結局、上述した第３可撓部１６０及び第４可撓部１７０の特性により、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に回転することができるが、Ｙ軸またはＺ軸を基準に回転したりＺ軸、Ｙ軸またはＸ軸方向に並進することが制限される。即ち、第１フレーム１２０の運動可能な方向をまとめると、下記の表２のようになる。

このように、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に回転することができる反面、その他の方向に運動することが制限されるため、第１フレーム１２０の変位を所望の方向（Ｘ軸を基準に回転）の力に対してのみ発生させることができる。

一方、図１１Ａ及び図１１Ｂは、図４に図示された第１フレームが第２フレームに対してＸ軸を基準に回転する過程を図示した断面図である。

図１１Ａ及び図１１Ｂに図示されたように、第１フレーム１２０が第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に回転するため、第３可撓部１６０には、Ｘ軸を基準に捻り応力が発生し、第４可撓部１７０には、圧縮応力と引張応力が組み合わされた曲げ応力が発生する。

さらに、図２に図示されたように、ＸＹ平面を基準として、第１可撓部１３０が相対的に広い反面、第２可撓部１４０が相対的に狭いため、第１可撓部１３０には、質量体１１０の変位を検知する検知手段１８０を備えることができる。ここで、検知手段１８０は、Ｙ軸を基準に回転する質量体１１０の変位を検知することができる。この際、検知手段１８０は、特に限定されるものではないが、圧電方式、ピエゾ抵抗方式、静電容量方式、光学方式などを用いて形成することができる。

また、ＸＹ平面を基準として、第４可撓部１７０は相対的に広い反面、第３可撓部１６０は相対的に狭いため、第４可撓部１７０には、第１フレーム１２０を駆動させる駆動手段１９０を備えることができる。ここで、駆動手段１９０は、第１フレーム１２０をＸ軸を基準に回転するように駆動させることができる。この際、駆動手段１９０は、特に限定されるものではないが、圧電方式、静電容量方式などを用いて形成することができる。

一方、上述の構造的特性を利用して、本実施例による角速度センサ１００は、角速度を測定することができる。

図１２から図１３は、本実施例による角速度センサが角速度を測定する過程を図示した断面図であり、これを参照して、角速度を測定する過程について説明する。

まず、図１２Ａ及び図１２Ｂに図示されたように、駆動手段１９０を用いて第１フレーム１２０を第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に回転させる（駆動モード）。ここで、質量体１１０は、第１フレーム１２０とともにＸ軸を基準に回転されながら振動し、振動によって質量体１１０には、Ｙ軸方向に速度Ｖ_Ｙが発生する。この際、Ｚ軸を基準とする角速度Ω_Ｚが質量体１１０に印加されると、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆ_Ｘが発生する。

このようなコリオリ力Ｆ_Ｘにより、図１３Ａ及び図１３Ｂに図示されたように、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＹ軸を基準に回転しながら変位され、検知手段１８０が質量体１１０の変位を検知する（検知モード）。質量体１１０の変位を検知することにより、コリオリ力Ｆ_Ｘを算出することができ、前記コリオリ力Ｆ_Ｘを利用してＺ軸を基準とする角速度Ω_Ｚを測定することができる。

一方、上述した第１可撓部１３０及び第２可撓部１４０の特性により、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＹ軸を基準にのみ回転することができる。従って、図１２Ａ及び図１２Ｂに図示されたように、駆動手段１９０を用いて第１フレーム１２０を第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準に回転させても、質量体１１０は、第１フレーム１２０に対してＸ軸を基準に回転されない。また、上述した第３可撓部１６０及び第４可撓部１７０の特性により、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＸ軸を基準にのみ回転することができる。

従って、図１３Ａ及び図１３Ｂに図示されたように、検知手段１８０を用いて質量体１１０の変位を検知する際に、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆ_Ｘが作用しても、第１フレーム１２０は、第２フレーム１５０に対してＹ軸を基準に回転せず、質量体１１０のみが第１フレーム１２０に対してＹ軸方向に回転する。このように、本実施例による角速度センサ１００は、第１フレーム１２０及び第２フレーム１５０を備えて質量体１１０の駆動変位と検知変位を個別的に発生させて、特定方向に対してのみ質量体１１０と第１フレーム１２０が運動できるように、第１、２、３、４可撓部１３０、１４０、１６０、１７０を形成する。従って、駆動モードと検知モードとの間の干渉を除去して回路増幅比の上昇による感度の向上を実現することができ、製作誤差による影響を低減させて、収率を向上させることができる効果がある。

以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。特に、本発明は、「Ｘ軸」、「Ｙ軸」及び「Ｚ軸」を基準として説明したが、これは説明の便宜のために定義したものに過ぎないため、本発明の権利範囲がこれに制限されるものではない。

本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。

本発明は、角速度センサに適用可能である。

１００ 角速度センサ
１１０ 質量体
１２０ 第１フレーム
１３０ 第１可撓部
１４０ 第２可撓部
１５０ 第２フレーム
１６０ 第３可撓部
１７０ 第４可撓部
１８０ 検知手段
１９０ 駆動手段
Ｃ 質量体の重心
ｔ_１ 第１可撓部の厚さ
ｗ_１ 第１可撓部の幅
ｔ_２ 第２可撓部の厚さ
Ｌ_１ 第２可撓部の長さ
ｗ_２ 第２可撓部の幅
Ｒ 回転軸
ｔ_３ 第３可撓部の厚さ
ｗ_３ 第３可撓部の幅
Ｌ_２ 第３可撓部の長さ
ｔ_４ 第４可撓部の厚さ
ｗ_４ 第４可撓部の幅

Claims (20)

1. 質量体と、
   前記質量体と離隔されるように前記質量体の外側に備えられた第１フレームと、
   前記質量体と前記第１フレームとを連結する第１可撓部と、
   前記質量体と前記第１フレームとを連結する第２可撓部と、
   前記第１フレームと離隔されるように前記第１フレームの外側に備えられた第２フレームと、
   前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する第３可撓部と、
   前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する第４可撓部と、を含み、
   前記第１可撓部はＹ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きく、
   前記第２可撓部はＺ軸方向の厚さがＸ軸方向の幅より大きく、
   前記第３可撓部はＺ軸方向の厚さがＹ軸方向の幅より大きく、
   前記第４可撓部はＸ軸方向の幅がＺ軸方向の厚さより大きく、
   前記第１可撓部及び第４可撓部はビームであり、
   前記第２可撓部は、前記質量体がＹ軸を中心に回転するようにし、前記質量体のＸ軸基準の回転とＺ軸方向の変位を制限するヒンジであり、
   前記第３可撓部は、前記第１フレームがＸ軸を中心に回転するようにし、前記第１フレームのＹ軸基準の回転とＺ軸方向の変位を制限するヒンジであることを特徴とする角速度センサ。
2. 前記第２可撓部と第３可撓部は互いに直交する方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記第１可撓部と第２可撓部は互いに直交する方向に配置され、
   前記第３可撓部と第４可撓部は互いに直交する方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
4. 前記第１可撓部は、Ｘ軸方向に前記質量体と前記第１フレームとを連結し、
   前記第２可撓部は、Ｙ軸方向に前記質量体と前記第１フレームとを連結し、
   前記第３可撓部は、Ｘ軸方向に前記第１フレームと前記第２フレームとを連結し、
   前記第４可撓部は、Ｙ軸方向に前記第１フレームと前記第２フレームとを連結することを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
5. 前記質量体は、前記第１フレームに対してＹ軸を基準に回転することを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
6. 前記第１フレームは、前記第２フレームに対してＸ軸を基準に回転することを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
7. 前記第１可撓部には曲げ応力が発生し、前記第２可撓部には捻り応力が発生することを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
8. 前記第３可撓部には捻り応力が発生し、前記第４可撓部には曲げ応力が発生することを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
9. 前記第２可撓部は、Ｚ軸方向を基準に前記質量体の重心より上側に備えられることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
10. 前記第２可撓部は、Ｙ軸方向を基準に前記質量体の重心に対応する位置に備えられることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
11. 前記第１可撓部は、前記質量体と前記第１フレームを両方または一方で連結することを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
12. 前記第２可撓部は、前記質量体と前記第１フレームを両方または一方で連結することを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
13. 前記第３可撓部は、前記第１フレームと前記第２フレームを両方または一方で連結することを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
14. 前記第４可撓部は、前記第１フレームと前記第２フレームを両方または一方で連結することを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
15. 前記第１可撓部に備えられ、前記質量体の変位を検知する検知手段をさらに含むことを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
16. 前記検知手段は、前記質量体がＹ軸を基準に回転する際に発生する変位を検知することを特徴とする請求項１５に記載の角速度センサ。
17. 前記第４可撓部に備えられ、前記第１フレームを駆動させる駆動手段をさらに含むことを特徴とする請求項１又は４に記載の角速度センサ。
18. 前記駆動手段は、前記第１フレームをＸ軸を基準に回転するように駆動させることを特徴とする請求項１７に記載の角速度センサ。
19. 前記質量体の重心が、前記第１可撓部及び第４可撓部よりも、Ｚ軸方向を基準として下方に位置していることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
20. 前記第１可撓部及び第４可撓部が、Ｚ軸方向を基準にして、前記質量体、前記第１フレーム、前記第２可撓部及び前記第３可撓部の上端の位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。

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