(57)【要約】【課題】  重り上の電極の実効長さおよび重りを支持体に支持する支持梁の長さを長く取ることができるとともに、重りの軽量化を図り、これらの結果、感度および帯域幅が向上した高性能の電磁駆動型角速度センサを提供する。【解決手段】  正方形状の支持体１０の内側に、４本の細長い板状部２１を組み合わせてなるＸ字状の重り２０を、各端部が支持体１０の四隅に近接して支持体１０の対角線をなすように配置する。支持体１０と重り２０との間に形成される空間に、これら両者を連結するジグザグ状の一対の支持梁３０を配し、一方の支持梁３０から重り２０を経て他方の支持梁３０にわたって駆動用電極５０Ａ、モニタ用電極５０Ｂ、検出用電極５０Ｃ，５０Ｄをそれぞれ形成する。重り２０上の各電極を板状部２１の端部に配して実効長さを極力長くし、重り２０をＸ字状とすることで軽量化を図る。【選択図】      図２
2005233711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略矩形の枠状に形成された支持体と、
この支持体の内側に配され、駆動用電極および検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、
この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持梁と、
磁界を形成する磁石とを有し、
前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力の作用に伴って前記重りに一定方向の振動が誘起し、この誘起振動の方向に直交する方向に働くコリオリ力の作用に伴って生じる誘導起電力を前記検出用電極を介して検出し、これをもって角速度を検出する電磁駆動型角速度センサであって、
前記駆動用電極および前記検出用電極のそれぞれの一端部および他端部を、前記支持体の互いに対向する一辺および他辺にそれぞれ近接させて配置するとともに、前記重りを線状体の組み合わせで構成し、この重りにおける線状体の間に形成される空間に、前記支持梁を配したことを特徴とする電磁駆動型角速度センサ。
【請求項２】
前記重りは、前記支持体の一対の対角間に前記線状体が延びる略Ｘ字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁駆動型角速度センサ。
【請求項３】
前記磁石は、前記重りの振動範囲に特に磁界が強く作用するよう該重りの形状に相似した磁界付与部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁駆動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の角速度を検出する振動式角速度センサに係り、特に、振動を電磁式で行う電磁駆動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動式角速度センサは、図５に示すように、所定質量の重り９０が、周囲の支持体９１にバネ等の弾性を有する支持梁９２を介してＸＹ面内に支持され、重り９０は、Ｘ方向およびＹ方向に振動可能に構成されている。動作時、重り９０はＸ方向に一定の振幅で振動するよう駆動され、その状態で、例えば矢印ｚで示すようにＺ軸回りに回転が加わると、重り９０はＹ方向にも振動し、このＹ方向の振動の状態を検出することにより、Ｚ軸回りの角速度が求められる。上記電磁駆動型角速度センサでは、重り９０に駆動用と検出用の電極を形成し、その重り９０に対しＺ軸方向に磁界をかけることにより、ローレンツ力を発生させて重り９０をＸ方向に振動させる。そして、Ｚ軸回りに回転すると、Ｙ方向に働くコリオリ力の作用に伴って誘導起電力が生じ、この誘導起電力を検出用電極で検出して、角速度を検出する。このような原理を用いた電磁駆動型角速度センサとしては、例えば特許文献１で公知である。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６４７３０号（要約、図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、この種の電磁駆動型角速度センサでは、感度Ｓは次式に則ることが知られている。
Ｓ∝Ｌ２／Ｋ
ここで、ＬはＸ方向およびＹ方向の電極の長さ（端部間の間隔であり、実効長さ）、Ｋは重りを支持する支持梁のバネ定数であり、他の条件は一定とする。
また、帯域幅ｆは、Ｘ方向およびＹ方向の固有振動数比（離調率）が一定のとき、
ｆ∝（Ｋ／ｍ）０．５
である。ここで、ｍは重りの質量である。
【０００５】
電磁駆動型角速度センサにあっては、まず、感度Ｓが大きいこと、次に帯域幅ｆが大きいことが、性能の向上のために要求される。これはすなわち、上記各式から、感度Ｓを大きくするには、電極の実効長さＬを大きく、かつバネ定数Ｋを小さくすればよく、また、帯域幅ｆを大きくするには、バネ定数は小さくすることができないため重りｍを小さくすればよいことになる。そこで、上記特許文献に記載されているセンサを検討すると（該文献では、図５での支持体９１はシリコン基板、支持梁９２は支持ビームとされている）、支持体の外形寸法に比して、重り上に形成された電極の端部間の距離である上記実効長さが半分程度と短く、これは、重りと支持体との間に空間を空け、そこに支持梁を配する構造であるからである。また、そのような構造であるから、支持梁の長さは短く、したがって耐衝撃性の低下を抑えるためには高剛性の支持梁を用いる必要が生じ、すると、感度の低下を招く。また、重りは支持体の内側のスペースを大きく占有する板状であるため、重量がかさみ、このため、帯域幅を大きくする上で不利な構造である。
【０００６】
よって本発明は、重り上の電極の実効長さおよび重りを支持体に支持する支持梁の長さを長く取ることができるとともに、重りの軽量化を図り、これらの好条件を達成することによって感度および帯域幅を向上させることができる電磁駆動型角速度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、略矩形の枠状に形成された支持体と、この支持体の内側に配され、駆動用電極および検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、この重りを支持体に弾性的に支持する支持梁と、磁界を形成する磁石とを有し、駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力の作用に伴って重りに一定方向の振動が誘起し、この誘起振動の方向に直交する方向に働くコリオリ力の作用に伴って生じる誘導起電力を検出用電極を介して検出し、これをもって角速度を検出する電磁駆動型角速度センサであって、駆動用電極および検出用電極のそれぞれの一端部および他端部を、支持体の互いに対向する一辺および他辺にそれぞれ近接させて配置するとともに、重りを線状体の組み合わせで構成し、この重りにおける線状体の間に形成される空間に、支持梁を配したことを特徴としている。
【０００８】
本発明では、支持梁が、線状体の組み合わせからなる重りの、線状体の間に形成される空間に配されるので、重りと支持体との間に、所要長さの支持梁を配するための空間を極力小さくすることができる。したがって、支持体の内側の空間において、該支持体の一辺から、この一辺に対向する他辺にわたって支持梁の線状体を配することができ、その結果として、上記各電極の一端部および他端部の間の距離である電極の実効長さを極力長く取ることができる。また、支持梁の長さを極力長く取ることもできる。そして、重りは線状体の組み合わせなので、軽量化が図られる。したがって本発明によれば、電極間の実効長さを長くすることができるとともに、支持梁を長くすることができることによる該支持梁の剛性の低減化が可能なことから、感度を大幅に向上させることができる。また、重りの軽量化が図られることにより、帯域幅を大きくすることができる。
【０００９】
本発明での重りは、直線状の細長い板状部を交差させたような略Ｘ字状に形成されたものが好適に用いられる。この場合、略矩形の枠状に形成された支持体の対角線に対応するようにして、その重りを配置すると、重りに形成された各電極の一端部と他端部との距離、すなわち上記実効長さを、効率的に長く取ることができるので好ましい。
【００１０】
また、本発明では、磁界を形成する磁石が、重りの振動範囲に特に磁界が強く作用するよう該重りの形状に相似した磁界付与部を有することを特徴としている。磁石によって磁界を形成する際に、例えばセンサ全体に均一に磁界がかかるようにすると、重り以外の支持梁等にも磁界が生じることにより、駆動電圧がキャンセルされて感度の低下を招く。そこで、重りの形状に相似した磁界付与部から重りに対して集中して磁界をかけると、効率よく重りを振動させることができるとともに、検出電圧も増大して感度のさらなる向上が図られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電磁駆動型角速度センサによれば、電極間の実効長さを長くすることができるため感度が大幅に向上し、重りが軽量化するため帯域幅が大きくなり、これらの結果、性能の大幅な向上が図られる。そして、このように性能が向上することにより、同一の性能（感度および帯域幅）を発揮する角速度センサを製造する場合、従来品よりも小型化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る電磁駆動型角速度センサ１の縦断面図であり、図中符号２は磁性体からなるケーシングである。このケーシング２の内部底面には、例えばＳｍ−Ｃｏ磁石等からなる永久磁石３が固定され、この永久磁石３の上面に、補強用のガラス板４を介してセンサ部５が取り付けられている。また、ケーシング２の内部上面には、永久磁石３との組み合わせで磁界を形成するヨーク６が、センサ部５との間に隙間を空けて固定されている。
【００１３】
センサ部５は、図２に示すように、正方形の枠状に形成され、ガラス板４に固定された支持体１０を備えている。この支持体１０の内側には、４本の直線状の細長い板状部（線状体）２１をＸ字状に組み合わせた所定質量を有する重り２０が、直線的につながる２本の板状部２１が支持体１０の対角線をなすようにして配置されている。この重り２０は、弾性を有する支持梁３０を介して、支持体１０に対し中空状態で、図２中、Ｘ方向およびＹ方向に振動可能に支持されている。この場合、重り２０と各支持梁３０とにより、振動体５ａが構成される。
【００１４】
支持体１０、重り２０および支持梁３０は、１枚の薄いシリコン基板をエッチング処理して一体的に形成されたもので、寸法としては、例えば、材料のシリコン基板の厚さ０．３ｍｍであって、支持体１０の厚さはそのままの０．３ｍｍ、支持体１０の一辺の外縁の長さが６ｍｍ、支持体１０の枠幅が０．５ｍｍ、重り２０の板状部２１の幅が０．２ｍｍ、支持梁３０の幅が０．０４ｍｍとされる。そして、重り２０と支持梁３０は厚さ方向にもエッチング処理されており、その厚さは、例えば０．１５ｍｍとされる。重り２０の４つの端部は、支持体１０の内側の四隅に近接しており、支持梁３０は、重り２０の各端部と、支持体１０の各辺部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄをつなぐように、支持体１０と重り２０との間に形成される平面視が二等辺三角形状の４つの空間４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄに、２本ずつ配されている。なお、本実施形態では、各空間４０Ａ〜４０Ｄに配された支持梁３０は同一形状であって、Ｘ方向およびＹ方向のバネ定数を同一としているが、Ｘ方向に並ぶ空間４０Ａ，４０Ｂにそれぞれ配される支持梁３０を互いに同一形状とし、Ｙ方向に並ぶ空間４０Ｃ，４０Ｄにそれぞれ配される支持梁３０を、空間４０Ａ，４０Ｂ内の支持梁３０とは異なる形状で互いに同一形状として、全体的に点対称をなす形状にし、バネ定数を各方向で異ならせてもよい。
【００１５】
各空間４０Ａ〜４０Ｄに配された支持梁３０は、対称形状にそれぞれ一対の状態で形成されている。それら支持梁３０は、支持体１０の各辺部１０ａ〜１０ｄから、それら辺部１０ａ〜１０ｄに沿って延びていく一端部を出発点とし、その出発点に近接する重り２０の端部に他端部が接続されており、これら出発点から接続部に折り返して接続されるまでの間において、所定のジグザグ形状に形成されている。各支持梁３０上には、金属薄膜よりなる電極３２がそれぞれ形成されている。一方、重り２０上には、各板状部２１の長手方向に平行な両端縁に、金属薄膜よりなる電極２２が形成されている。重り２０上の電極２２は、図２中、Ｘ方向およびＹ方向に隣接する２つの板状部２１にわたって形成されており、これにより重り２０上には、互いに絶縁された４本の電極２２を有している。
【００１６】
各支持梁３０に形成された各電極３２は、それら支持梁３０が配された側に位置する重り２０の電極２２の端部にそれぞれ接続されている。これにより、各空間４０Ａ〜４０Ｄ内の一対の支持梁３０，３０にそれぞれ形成された電極３２は、重り２０の電極２２を介して連続し、したがって、重り２０および各支持梁３０からなるセンサ部５の振動体５ａには、都合４つの連続する電極５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄが形成されている。
【００１７】
ここで、図２中、Ｘ方向に並ぶ空間４０Ａ，４０Ｂのうちの、左側の空間４０Ａに配された支持梁３０上を通る電極５０Ａを駆動用電極とし、右側の空間４０Ｂに配された支持梁３０上を通る電極５０Ｂをモニタ用電極とする。また、Ｙ方向に並ぶ上下２つの空間４０Ｃ，４０Ｄに配された支持梁３０上を通る各電極５０Ｃ，５０Ｄを、それぞれ検出用電極とする。これら駆動用電極５０Ａ、モニタ用電極５０Ｂおよび検出用電極５０Ｃ，５０Ｄは、支持体１０の四隅にそれぞれ一対の状態で形成された駆動用端子６０ａ、モニタ用端子６０ｂ、検出用端子６０ｃ，６０ｄに接続されている。
【００１８】
本実施形態の角速度センサ１では、上記の永久磁石３およびヨーク６により、図１の矢印ｍに示すように、センサ部５の重り２０に対してＺ方向の上方から下方に磁界を付与される。永久磁石３は、図３に示すように、円盤状の基部３ａの一端面がＸ字状に突出しており、この突出部（磁界付与部）３ｂがＸ字状の重り２０に対応するようにして、ケーシング２の内部底面に固定されている。一方、ヨーク６も永久磁石３と全く同様の形状で、図１に示すように基部６ａの下面にＸ字状の突出部６ｂあり、このヨーク６も、突出部６ｂが重り２０のＸ字状に対応し重なるようにして、ケーシング２の内部上面に固定されている。図４は、そのような配置状態を示しており、同図に示すように、Ｘ字状の各突出部３ｂ，６ｂの先端は、均一な幅で、その幅は、重り２０の板状部２１の幅よりも広く設定されている。永久磁石３およびヨーク６は、ケーシング２に対して例えば接着剤により固定される。また、永久磁石３に対するガラス板４の固定、ガラス板４に対する支持体１０の固定も、同様に接着剤による固定手段が採られる。
【００１９】
次に、上記角速度センサ１の作用を説明する。
当該センサ１は、角速度を測定する被測定物体に取り付けられる。そして、予め駆動用端子６０ａ間に所定の交流電圧を印加して駆動用電極５０Ａに電流を流す。すると、永久磁石３とヨーク６による磁界の方向（図１の矢印ｍで示す）に基づくローレンツ力が発生して、磁界中の重り２０に、図１および図２におけるＸ方向への振動が誘起される。重り２０は、各支持梁３０のバネ定数と重り２０の重量に応じた振幅でＸ方向に振動する。この振動により、モニタ用電極５０Ｂには誘導起電力が発生するので、その電圧がモニタ用端子６０ｂから取り出され、重り２０の振動がモニタされる。
【００２０】
この稼働状態から、例えばＸＹ面内に沿ってＺ軸回りに被測定物体が回転すると、その回転力を受けて同様に角速度センサ１が回転する。すると、Ｙ方向に働くコリオリ力が発生し、重り２０にはＹ方向への振動が誘起される。重り２０は、駆動によるＸ方向と、回転によるＹ方向との合成方向に振動し、この振動によって検出用電極５０Ｃ，５０Ｄには誘導起電力が発生する。検出用電極５０Ｃ，５０Ｄに発生した誘導起電力の電圧は、検出用端子６０ｃ，６０ｄから取り出され、これら端子を直列して出力された電圧を適宜に処理することにより、被測定物体に生じた角速度が検出される。
【００２１】
上記実施形態の角速度センサ１によれば、支持体１０の内側に配される重り２０はＸ字状であり、この形状によって形成される空間４０Ａ〜４０Ｄは、センサ部５全体の大きさに比してかなりの広さを占める。したがって、それら空間４０Ａ〜４０Ｄに配される各支持梁３０の長さを、センサ部５の大きさの割に長く取ることができる。言い換えると、重り２０をＸ字状とすることにより各支持梁３０を重り２０の各板状部２１と支持体１０との間の空間４０Ａ〜４０Ｄにそれぞれ配することができるので、支持体１０と重り２０の端部との間に、支持梁３０を配するための空間を大きく取る必要がなく、その空間を確保せずとも、非常に長い支持梁３０を設けることができる。支持梁３０を長く取れるということは、支持梁３０の剛性を高くする必要がなく、感度の向上に寄与する。また、重り２０の各板状部２１の端部を支持体１０の四隅に近接させていることにより、重り２０上における各電極２２の一端部および他端部間の長さ、すなわち電極の実効長さは、支持体１０の内側において極力長く取ることができる。
【００２２】
したがって、従来構造と比較すると、センサ部５の大きさが同じである場合、電極の実効長さおよび支持梁３０の長さを大幅に長くすることができ、このため、感度を格段に向上させることができる。また、重り２０はＸ字状であることから大幅な軽量化が達成され、このため、帯域幅を格段に大きくすることができる。このように、電極間の実効長さおよび支持梁３０を長くすることができるため感度が大幅に向上し、重り２０が軽量化するため帯域幅が大きくなり、これらの結果、性能の大幅な向上が図られる。そして、このように性能が向上することにより、同一の性能（感度および帯域幅）を発揮する角速度センサを製造する場合には、従来品よりも小型化を達成することができる。
【００２３】
また、磁界を形成する永久磁石３およびヨーク６のＸ字状の突出部３ｂ，６ｂが、重り２０に対応して配置され、これら突出部３ｂ，６ｂによって、重り２０の振動範囲に特に磁界が強く作用する。すなわち、重り２０に対して磁界が集中して形成されるので、支持梁３０等の重り２０以外の要素に磁界がかかって振動を駆動させる電圧がキャンセルされるといった不利な現象が起こりにくい。このため、センサ部５への対向面が平坦な永久磁石およびヨークを用い、同じ駆動電流を流してセンサ部５に対し一様に磁界をかけた場合と比べると、重り２０の振幅は大きくなり、より一層の感度の向上が図られる。
【００２４】
上記実施形態では、重り２０はＸ字状であるが、本発明では、上記板状部２１のような線状体の組み合わせからなり、その線状体が支持体１０の互いに対向する一辺および他辺にそれぞれ近接して配置されるような形状であれば、いかなる形状でもよい。また、検出用電極は、Ｙ方向に並ぶ２つの空間に配された各支持梁３０上に形成されることにより都合２つ（５０Ｃ，５０Ｄ）が設けられているが、これは、２つの検出用電極を直列につなげて出力を増大させるためであり、必要に応じていずれか一方の検出用電極のみであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電磁駆動型角速度センサの縦断面図である。
【図２】一実施形態に係る角速度センサのセンサ部の平面図である。
【図３】一実施形態に係る角速度センサの永久磁石の斜視図である。
【図４】一実施形態に係る角速度センサの重りに対する永久磁石およびヨークの配置状態を示す図である。
【図５】振動式角速度センサの原理を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…電磁駆動型角速度センサ、３…永久磁石、３ｂ…突出部（磁界付与部）、
１０…支持体、２０…重り、２１…板状部（線状体）、３０…支持梁、
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…空間、５０Ａ…駆動用電極、
５０Ｃ，５０Ｄ…検出用電極。
【図１】
2005233711.tif 000003
【図２】
2005233711.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005233711.tif 000006
【図５】
2005233711.tif 000007