角加速度检测元件的制作方法
【专利摘要】角加速度检测元件(1)具备旋转锤(2)、固定部(4)、支撑梁(3)和检测部(5)。旋转锤(2)在围绕Z轴的角加速度所引起的惯性力的作用下相对于固定部(4)围绕Z轴旋转。固定部(4)设置在与旋转锤(2)分离的位置。支撑梁(3)设置在X-Y面中的固定部(4)与旋转锤(2)之间，相对于固定部(4)弹性支撑旋转锤(2)。检测部(5)输出在支撑梁(3)产生的应力所对应的检测信号。关于旋转锤(2)，从Z轴方向观察到的旋转锤(2)的重心位置与支撑梁(3)重合。
【专利说明】角加速度检测元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及对围绕检测轴作用的角加速度进行检测的角加速度检测元件。
【背景技术】
[0002]一种角加速度检测元件被构成为具备旋转锤、支撑梁和检测部(例如参照专利文献I以及2。)。支撑梁在垂直于检测轴的方向上延伸设置，两端部与旋转锤和固定部连接。若围绕检测轴的角加速度作用于角加速度检测元件，则旋转锤在伴随于此的旋转惯性力的作用下相对于固定部进行旋转(摆动)。支撑梁随着旋转锤的旋转而变形，检测部检测支撑梁产生的应力。支撑梁所产生的应力根据作用于旋转锤的围绕检测轴的角加速度而变化，所以能根据检测部的检测信号来测量围绕检测轴的角加速度。
[0003]在这样的角加速度检测元件中，旋转锤的围绕检测轴的旋转平衡被破坏，在并进惯性力的作用下旋转锤会发生旋转。于是，并进惯性力成为检测信号的噪声的重要因素，围绕检测轴的角加速度的检测精度降低。
[0004]通常，为了取得旋转锤的旋转平衡，以旋转锤的重心位置为中心以对称形状形成角加速度检测元件。在专利文献I中，通过以重心位置为中心对称配置的多个支撑梁，从内侧支撑环状的旋转锤。在专利文献2中，通过以重心位置为中心对称配置的多个支撑梁，从外侧支撑旋转锤。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP特许第2602300号公报
[0008]专利文献2 JP特开2010-139263号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的课题
[0010]在现有技术中，由于多个支撑梁分散接受旋转锤受到的惯性力，所以在以规定的固有振动频率来构成角加速度检测元件的情况下，存在每个角加速度下的梁上产生的应力变小，角加速度的检测灵敏度变低的问题。
[0011]因此，为了在角加速度检测元件中得到高的检测灵敏度，考虑减少支撑梁的数量，但是为了确保旋转锤的旋转平衡，支撑梁的数量和配置存在很强的制约，支撑梁的数量的减少存在界限。
[0012]本发明的目的在于提供一种能确保旋转锤的旋转平衡的同时降低实质的支撑梁的数量，并能实现高的检测灵敏度的角加速度检测元件。
[0013]用于解决课题的手段
[0014]本发明涉及具备旋转锤、固定部、支撑梁与检测部的角加速度检测元件。旋转锤在围绕规定的检测轴的旋转惯性力的作用下围绕检测轴旋转。固定部设置在与上述旋转锤分离的位置。支撑梁设置在与上述检测轴正交的正交面中的上述固定部与上述旋转锤之间，相对于上述固定部弹性支撑上述旋转锤。检测部输出在上述支撑梁产生的应力所对应的检测信号。另外，旋转锤在上述正交面中的重心位置与上述支撑梁重合。
[0015]在该构成中，仅利用与旋转锤的重心位置重合的单一的支撑梁就能够取得旋转锤的旋转平衡。
[0016]或者，本发明的角加速度检测元件具备伴随围绕检测轴的上述旋转锤的旋转而进行作用的应力的中立面一致的多个支撑梁，旋转锤在上述正交面中的重心位置与上述中立
面重合。
[0017]在在该构成中，由于分别作用于多个支撑梁的应力的中立面一致，所以作为多个支撑梁的总体的应力分布，与单一的支撑梁的应力分布实质是等效的。因此，仅通过实质单一的支撑梁就能取得旋转锤的旋转平衡。
[0018]上述的角加速度检测元件的旋转锤优选构成为以沿着上述检测轴的方向为厚度方向的薄板状。
[0019]在该构成中，由于围绕检测轴的旋转锤的惯性力矩变大，所以能增大每个角加速度下的旋转惯性力。于是，为了保持固有振动频率所需的支撑梁的宽度变宽并且支撑梁的长度变短。这有助于提高角加速度的检测灵敏度。
[0020]上述的角加速度检测元件的旋转锤优选由具有沿着上述正交面的长轴方向与短轴方向的形状构成。
[0021]在该构成中，由于围绕检测轴的旋转锤的惯性力矩进一步变大，所以能进一步增大每个角加速度下的旋转惯性力。因此，能降低为了得到相同的角加速度检测灵敏度所需的元件占有面积，能推进低成本化和小型化。
[0022]上述的角加速度检测元件的支撑梁优选将上述旋转锤的长轴方向作为长度方向而构成。
[0023]该构成的旋转锤，围绕短轴的惯性力矩大，干扰振动引起的围绕短轴的旋转惯性力变大。因此，若旋转锤的短轴方向为支撑梁的长度方向，则支撑梁因为围绕短轴的旋转惯性力而扭曲，在支撑梁的边缘部分产生过大的应力集中，使得耐冲击性能降低。为此，通过如上述那样将支撑梁的长度方向设为旋转锤的长轴方向，从而能防止支撑梁因围绕短轴的旋转惯性力而扭曲，能避免应力集中于支撑梁的边缘部分。
[0024]发明效果
[0025]根据本发明，由于仅通过支撑旋转锤的实质单一的支撑梁就可取得旋转锤的旋转平衡，所以即使作用并进惯性力也不会产生旋转锤的旋转，另外，为了减少实质的支撑梁的数量而在支撑梁所产生的应力变大。由此，能提高角加速度的检测精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是对第I实施方式所涉及的角加速度检测元件的构成进行说明的图。
[0027]图2是对角加速度检测元件中的应力分布的模拟进行说明的图。
[0028]图3是对角加速度检测元件中的检测电路的构成进行说明的图。
[0029]图4是对检测电路的动作进行说明的图。
[0030]图5是对本构成与比较构成的有限要素解析进行说明的图。
[0031]图6是对第2实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。[0032]图7是对角加速度检测元件中的应力分布的模拟进行说明的图。
[0033]图8是对第3实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0034]图9是对第4实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0035]图10是对第5实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0036]图11是对第6实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0037]图12是对第7实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0038]图13是对第8实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0039]图14是对第9实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0040]图15是对第10实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0041]图16是对第11实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0042]图17是对第12实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0043]图18是对第13实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0044]图19是对第14实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0045]图20是对第15实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0046]图21是对第16实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0047]图22是对角加速度检测元件中的检测电路的构成进行说明的图。
[0048]图23是对第17实施方式所涉及的角加速度检测元件进行说明的图。
[0049]图24是对角加速度检测元件中的检测电路的构成进行说明的图。
[0050]图25是对第18实施方式所涉及的角加速度检测元件的检测电路的构成进行说明的图。
【具体实施方式】
[0051]在以下的说明中，将角加速度检测元件的厚度方向设为直角坐标系的Z轴，将支撑梁的长度方向设为Y轴方向，将支撑梁的宽度方向设为X轴方向。
[0052]《第I实施方式》
[0053]图1 (A)是表示本发明的第I实施方式所涉及的角加速度检测元件I的构成的立体图，图1 (B)是角加速度检测元件I的俯视图。
[0054]角加速度检测元件I由形成了在与Z轴垂直的上下表面间贯通的槽的一体的矩形板构成，具备旋转锤2、支撑梁3、固定部4以及检测部5 (未图示)。矩形板是通过半导体晶片的面加工而切出得到的。半导体晶片的面加工在加工技术、加工装置的性能方面已经很成熟，能高效、高精度制造多个矩形板。
[0055]固定部4为矩形，被设置在从矩形板的X-Y面中心错开的位置，利用上表面与下表面的至少一方固定在未图示的筐体。旋转锤2按照在X-Y面包围固定部4的方式在矩形板设置矩形开口而构成。支撑梁3在X-Y面上的固定部4与旋转锤2之间，在Y轴正方向上以长方形延伸设置，在使旋转锤2的上下表面从未图示的筐体浮起的状态下，使固定部4支撑旋转锤2。检测部5 (未图示)输出与作用于支撑梁3的应力所对应的检测信号。
[0056]支撑梁3、固定部4各自在X轴坐标中的中心位置与旋转锤2的中心位置一致。固定部4在Y轴坐标中的中心位置在Y轴负方向上从旋转锤2的中心位置错开。支撑梁3在Y轴坐标中的中心位置在Y轴正方向上从旋转锤2的中心位置错开，与旋转锤2在Y轴坐标中的重心一致。
[0057]围绕Z轴的旋转惯性力作用，旋转锤2在X-Y面中相对于固定部4围绕Z轴旋转(摆动)，由此这样构成的角加速度检测元件I以Z轴为检测轴检测角加速度。
[0058]图2是对围绕Z轴的旋转惯性力作用的情况下的、在支撑梁3上产生的应力分布进行说明的图。图中表示了从Z轴正方向观察角加速度检测元件I顺时针旋转的状态。
[0059]在该情况下，从Z轴正方向观察，旋转锤2以固定部4为基准逆时针旋转，在支撑梁3上作用从Z轴正方向观察逆时针的旋转惯性力。由此，支撑梁3在X轴负方向的侧面附近的区域作用压缩应力，在X轴正方向的侧面附近的区域作用拉伸应力，在X轴负方向挠曲。支撑梁3的宽度方向的中心面(以点划线进行图示)成为拉伸应力与压缩应力的边界，是应力不作用的中立面，在X-Y面观察，在该中心面上旋转锤2的重心位置(以X进行图示。)重合。
[0060]图3是对检测部5的构成进行说明的图。图3(A)是支撑梁3的附近的俯视图，图3(B)是检测部5的电路图。
[0061]检测部5在支撑梁3的上表面具备以Y轴方向为长边的压电电阻5A、5B。压电电阻5A、5B通过采用半导体工艺形成在半导体晶片上，从而能高精度地实现微细的位置、形状。这些压电电阻5A、5B平行地配置在支撑梁3的中立面的两侧，相互串联连接并与恒压源连接。以支撑梁3的中立面为边界，一方的区域作用压缩应力，另一方的区域作用拉伸应力，所以压电电阻5A、5B的伸缩相反。压电电阻5A、5B在伸长时电阻值增大，在缩短时电阻值减少。因此，由于由压电电阻5A、5B引起的分压比变动，所以根据压电电阻5A、压电电阻5B的两端电压能够检测作用于支撑梁3的应力。
[0062]图4是对各种加速度的作用所引起的支撑梁的变形与压电电阻的变化进行说明的图。
[0063]图4(A)表示了从Z轴正方向观察在该角加速度检测元件I上作用了逆时针的旋转惯性力的状态。在该状态下，支撑梁3在XY面弯曲，压电电阻5A伸长，压电电阻5B缩短。伸长了的压电电阻5A电阻值增大，缩短了的压电电阻5B电阻值降低。因此，在检测部5中，压电电阻5A的两端电压增加，压电电阻5B的两端电压减少。
[0064]此外，图4(B)表示了从X轴正方向观察，在角加速度检测元件I作用了逆时针的旋转惯性力的状态。在该状态下，支撑梁3在Y-Z面弯曲，压电电阻5A、5B都缩短，电阻值降低。因此，在检测部5中，压电电阻5A的电阻值的变化与压电电阻5B的电阻值的变化被抵消，维持分压电压。
[0065]图4(C)表示了从Y轴正方向观察，在角加速度检测元件I作用了逆时针的旋转惯性力的状态。在该状态下，支撑梁3在X-Z面扭曲。于是，在压电电阻5A、5B产生相同的扭曲，电阻值的变化一致。因此，在检测部5中，压电电阻5A内的电阻值的变化以及压电电阻5B内的电阻值的变化分别都被抵消，维持分压电压。
[0066]图4(D)表示了在角加速度检测元件I上作用了 X轴正方向的并进惯性力的状态。在该状态下，支撑梁3在X-Y面弯曲。于是，在压电电阻5A、5B产生相同的弯曲，电阻值的变化一致。因此，在检测部5中，压电电阻5A内的电阻值的变化以及压电电阻5B内的电阻值的变化分别都被抵消，维持分压电压。
[0067]图4(E)表示了在角加速度检测元件I上作用了 Y轴正方向的并进惯性力的状态。在该状态下，支撑梁3在Y轴方向上伸长。于是，压电电阻5A、5B同样伸长，电阻值的变化一致。因此，在检测部5中，压电电阻5A的电阻值的变化与压电电阻5B电阻值的变化被抵消，维持分压电压。
[0068]图4(F)表示了在角加速度检测元件I上作用了 Z轴正方向的并进惯性力的状态。在该状态下，支撑梁3在Y-Z面弯曲。于是，压电电阻5A、5B同样伸缩，电阻值的变化一致。因此，在检测部5中，压电电阻5A内的电阻值的变化以及压电电阻5B内的电阻值的变化分别都被抵消，维持分压电压。
[0069]因此，根据该角加速度检测元件I，仅在作用了围绕Z轴的旋转惯性力的状态下，输出电压变化。
[0070]在此，对作用于支撑梁3的应力的大小进行说明。
[0071]旋转锤2相对于固定部4的围绕Z轴的旋转角0如下式所示那样与围绕Z轴的角加速度P成正比，与由旋转锤2、支撑梁3与固定部4构成的构造体的围绕Z轴的固有振动频率&的平方成反比。
[0072][数学式I]
[0073]
【权利要求】
1.一种角加速度检测元件，其具备: 旋转锤，其在围绕规定的检测轴的角加速度所引起的惯性力的作用下，围绕上述检测轴旋转； 固定部，其设置在与上述旋转锤分离的位置； 支撑梁，其设置于正交面中的上述固定部与上述旋转锤之间，相对于上述固定部弹性支撑上述旋转锤，其中该正交面与上述检测轴正交；和 检测部，其检测在上述支撑梁产生的应力所对应的检测信号， 从上述检测轴方向观察到的上述旋转锤的重心位置与上述支撑梁重合。
2.一种角加速度检测元件，其具备: 旋转锤，其在围绕规定的检测轴的角加速度所引起的惯性力的作用下，围绕上述检测轴旋转； 固定部，其设置在与上述旋转锤分离的位置； 多个支撑梁，设置在正交面中的上述固定部与上述旋转锤之间，相对于上述固定部弹性支撑上述旋转锤，其中该正交面与上述检测轴正交；和 检测部，其检测在上述多个支撑梁产生的应力所对应的检测信号， 从上述检测轴方向观察到的上述旋转锤的重心位置，与伴随围绕上述检测轴的上述旋转锤的旋转而作用于上述多个支撑梁的应力的中立面重合。
3.根据权利要求1或2所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述旋转锤由具有沿上述正交面的长轴方向与短轴方向的形状构成。
4.根据权利要求3所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述支撑梁或者上述多个支撑梁以上述旋转锤的长轴方向为长度方向来构成。
5.根据权利要求1~4的任一项所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述固定部具备内装上述支撑梁或者上述多个支撑梁以及上述旋转锤的开口。
6.根据权利要求1~5的任一项所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述检测部具备桥接电路，该桥接电路在四边设置有输出作用于上述支撑梁或者上述多个支撑梁的应力所对应的检测信号， 上述桥接电路的相邻的边的元件，相对于上述支撑梁或者上述多个支撑梁的中立面设置在不同侧。
7.根据权利要求1~6的任一项所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述检测部由电阻值根据作用于上述支撑梁或者上述多个支撑梁的应力而变化的电阻元件构成。
8.根据权利要求1~7的任一项所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述支撑梁、上述固定部和上述旋转锤由同一薄板状构件加工形成，或者上述多个支撑梁、上述固定部和上述旋转锤由同一薄板状构件加工形成。
9.根据权利要求8所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述薄板状构件由半导体晶片构成。
10.根据权利要求8或9所述的角加速度检测元件，其特征在于， 上述旋转锤的上述检测轴在上述薄板状构件的厚度方向上构成。
11.根据权利要求10所述的角加速度检测元件，其特征在于，上述支撑梁或者上述多个支撑梁在上述薄板状构件的厚度方向上具备比上述旋转锤突出的突 起部。
【文档编号】G01P15/12GK103534597SQ201180070708
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2011年12月16日 优先权日:2011年5月12日
【发明者】市丸正幸 申请人:株式会社村田制作所