角速度傳感器及電子機器的製作方法

2023-11-03 13:00:52 2

專利名稱：角速度傳感器及電子機器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於例如攝像機的手抖檢測或虛擬實境
(virtual reality)裝置中的動作衝企測、汽車導4元系統中的方向4企測 等的角速度傳感器，尤其涉及一種具備三個振子臂的三音叉型的角 速度傳感器。
背景技術：
以往，作為民用的角速度傳感器， 一種所謂的振動型陀螺儀傳 感器被廣泛使用，其將振子通過規定的共振頻率進行振動，並通過 ^使用壓電元件等對由於角速度的影響而產生的哥氏力(Coriolis force)進行檢測，從而檢測角速度。振動型陀螺儀傳感器具有簡單 的機構，短的起動時間、可低廉製造的優點，其被安裝在例如，攝 像機、虛擬實境裝置、汽車導航系統等的電子機器中，並在分別進 行手抖檢測、動作檢測、方向檢測等時將其作為傳感器被使用。
振動型陀螺儀傳感器伴隨著被安裝的電子機器的小型化、高性 能化，也一皮要求小型化、高性能化。存在以下要求例如，由於電 子機器的多功能化，和用於其他用途的各種傳感器配合併被安裝在 同一集合基板上，並實現小型化。一^:為以下這種技術(例如，參 照專利文獻l):在進行該小型化的基礎上，使用矽(Si)等的單結 晶基板和在半導體製造領域所使用的薄膜形成工藝以及光刻技術 來形成構造體，並^f吏用^皮稱為MEMS的加工才支術。 在下面的專利文獻l中公開了一種懸臂梁型角速度傳感器，其 在構成振子的單一臂部的一個表面上通過壓電膜分別形成有激勵 用的驅動電極和角速度檢測用的檢測電極。該角速度傳感器沿與壓 電膜的形成面相垂直方向激勵臂部，並將與壓電膜的形成面相平行 的方向的振動成分作為角速度的檢測方向。
而且，在下面的專利文獻2中/>開了一種音叉型的角速度傳感 器，其在構成振子的兩個臂部的各自 一個表面上通過壓電膜分別形 成有激勵用的驅動電極和角速度檢測用的檢測電極。該角速度傳感 器沿與壓電膜的形成面水平的方向激勵臂部，並將向與壓電膜的形 成面相垂直的方向的振動作為角速度的檢測方向。此外，在下面的 專利文獻3中公開了 一種包括三個構成振子的剖面為三角形狀臂部 的三音叉型的角速度傳感器，將這些臂部的排列方向作為激勵方 向，並將與此相垂直的方向的振動作為角速度衝企測方向。
專利文獻1:日本特開2005-241382號公報
專利文獻2:日本特開2006-17569號/>報
專利文獻3:日本特開2001-124561號公才艮
但是，在上述專利文獻l中所記述的懸臂梁構造的角速度傳感 器中存在以下問題當臂部的激勵時，在該臂部的^^艮部位上發生轉 距，並通過將由於該原因而引起的振動傳遞到支撐臂部的基部，從 而使角速度檢測特性劣化。
而且，在上述專利文獻2、 3所記述的音叉型的角速度傳感器 中，由於作為基本模式的各臂部的激勵狀態是以沿壓電膜的形成面 的方向進行激起振動的狀態，所以基於壓電膜的激起振動的剛心位 於從振子的重心偏離的位置。因此，當由於幹擾信號的重疊產生驅 動頻率偏移時，共振狀態的振子的振動面易於偏離。其結果是，即
使在不產生角速度的狀態下，由於檢測輸出產生變動，從而有噪聲 會顯著增加的問題。

發明內容
本發明鑑於上述問題，目的在於提供一種可抑制向支撐臂部的 基板的振動洩漏，並對噪聲抵抗強的角速度傳感器及安裝其的電子 機器。
並且，本發明進一 步提供了 一種可以避免由於衝擊等的加速度 成分而引起產生噪聲的角速度傳感器及電子機器。
為了解決上述問題，本發明的角速度傳感器包括基部；三個 臂部，從上述基部一體地沿大致同一方向延伸；壓電膜，形成在上 述各臂部的一個表面上；驅動電極，用於激勵，形成在上述三個臂 部中的至少位於外側的兩個臂部的上述壓電膜上；以及4企測電才及， 用於角速度檢測，形成在上述三個臂部中的至少位於中央的臂部的 上述壓電月莫上，其中，上述三個臂部中位於外側的兩個臂部以同相 進行激勵，位於中央的臂部以和位於上述外側的兩個臂部反相進行 激勵，同時，上述驅動電才及對上述臂部沿和上述壓電膜的形成面相 垂直的第 一方向進行激勵，上述4企測電才及對沿與上述臂部的上述壓 電膜的形成面相平行的第二方向的振動進行檢測。
所述三個臂部構成音叉型的振子。在這三個臂部中、位於外側 的兩個臂部中，通過當對驅動電極施加驅動頻率的交流信號時所產 生的壓電膜的反壓電效應，激起成為基本模式的振動。而且，在這 三個臂部中、位於中央的臂部上所形成的衝企測電才及通過壓電膜的壓 電效應，對與產生角速度時所發生的振動面相垂直的方向的振動成 分進行檢測，並將其作為角速度信號進行輸出。
因此，在本發明中，位於外側的兩個臂部以同相的方式同時進 行激勵，位於中央的臂部以與所述兩個臂部反相的方式進行激勵。 通過該構成，在各臂部間產生基于振動的轉距。在位於外側的一側 的臂部和中央的臂部之間所產生的轉距、和在位於外側的另一側的 臂部和中央的臂部之間所產生的轉距互為相反的方向。其結果可以
大幅度降4氐向基部傳遞的4展動。
此時，通過將位於中央的臂部的形成寬度形成為大於位於外側 的兩個臂部的形成寬度，從而通過由中央的臂部的振動所產生的轉 距來完全抵消由外側臂部的振動所產生的轉距。此外，通過在位於 中央的臂部上設置振動《垂部也可以獲得相同的效果。
而且，在本發明中，由於將臂部沿與壓電膜的形成面相垂直的 第一方向進行激勵，並將與臂部的壓電膜的形成面相平行的第二方 向的振動作為角速度信號的檢測方向，所以使基於壓電膜的激起振 動的剛心和臂部的重心相 一致，並實現臂部的激勵方向比4企測方向 穩定的振動模式，且振動模式相對於基於幹擾的驅動頻率的變動，
難以乂人激勵方向向4企測方向遷移。由此，可以構成抗幹4尤強的角速 度傳感器，並可穩定地獲得高精度的輸出特性。
此時，三個臂部的上述第一方向上的共"t展頻率分別"i更定為一 致，同時，三個臂部的上述第二方向上的共振頻率中，僅將位於中 央的臂部的共振頻率i殳定為上述第 一方向上的共振頻率附近，從而 可以提高基於在位於該中央的臂部上形成的檢測電極的角速度信 號的檢測精度。
本發明其他方面涉及的角速度傳感器包括第一臂部，具有第 一驅動電才及，並通過壓電驅動沿第一方向進4於激勵；第二臂部，具 有第二驅動電極，設置成沿上述第一臂部的長度方向延伸，且通過 壓電驅動以與上述第一臂部同相位沿上述第一方向進4亍激勵；第三
臂部，具有對作用在與上述第一方向及上述長度方向正交的第二方 向上的哥氏力進行檢測的檢測電極，上述第三臂部被設置為在上述 第一臂部及上述第二臂部之間沿上述長度方向延伸，並通過上述第 一臂部及上述第二臂部的激勵的反作用以和上述第一臂部及上述 第二臂部的振動的反相位進行激勵；以及基部，用於支撐上述第一 臂部、上述第二臂部及上述第三臂部。
當對第 一及第二驅動電極施加作為驅動信號的交流信號時，第 一及第二臂部為一體，且以規定的基本模式的振動數進行激勵。第 三臂部通過第 一及第二的臂部振動時的反作用來進行振動。當第三 臂部振動時，若向角速度傳感器施加外力，則通過檢測電極檢測哥 氏力，乂人而對角速度進行才全測。
在本發明中，基於第一臂部及第三臂部所產生的轉距、和基於 第二臂部及第三臂部所產生的轉距互成反方向。因此，可以大幅度
地降低從第一 ~第三臂部向基部傳遞的振動(振動洩漏)。
在本發明中，上述基部包括支撐部，用於支撐上述第一臂部、 上述第二臂部及上述第三臂部；固定部，包括用於對上述第一驅動 電極、上述第二驅動電4及及上述一企測電才及進行外部連4^的外部連掮: 端子，上述固定部在上述第二方向上以第一寬度形成；以及連4妄部， 與上述支撐部和上述固定部連接，並在上述第二方向上以比上述第 一寬度小的上述第二寬度形成。
在本發明中，由於連接部的寬度小於固定部的寬度，所以連接 部成為緩衝材料，且第一、第二及第三的臂部(下面，存在被稱為 各臂部的情況)的振動難以向固定部進4亍傳遞。在這種情況下，典 型的為各臂部及基部的厚度實質相同。但是，在本發明中，即使各 臂部及基部的厚度不相同，將連接部的體積i殳計得小於固定部的體
積即可。即，固定部及緩沖部的寬度，未必以上述第一及第二寬度 的方式進行指定。
即，具有三個臂部的音叉型的振子、即本發明涉及的角速度傳 感器包括多個振動系統。在該多個振動系統中，作為振動洩漏的對 策而引起注意的振動系統是兩個。該第 一振動系統是基於各臂部及 支撐部的振動系統。該第二振動系統是基於各臂部、支撐部及連接 部的振動系統。因此，第二振動系統的共振頻率(第二共振頻率) 小於第一振動系統的共振頻率(第一共振頻率)。其結果可以抑制 振動洩漏。而且，即使將與第一共振頻率相比接近第二共振頻率的 幹擾振動施加在角速度傳感器上，基於該幹擾的振動容易被第二振 動系統所吸收，從而可以穩定地獲得高精度的輸出特性。
在本發明中，在由上述第一臂部、上述第二臂部、上述第三臂 部及上述支撐部構成的振動系統中，當上述第 一臂部及上述第二臂 部的上述第一方向的第一振動系統的共振頻率為fv,在由上述第一 臂部、上述第二臂部、上述第三臂部、上述支撐部及上述連接部構
成的振動系統中，當上述第一方向的第二振動系統的共振頻率為fO 時為(f0/fv) ^1/V^。當fD/fv低於0.25時，需要例》口， 或者將第二寬度較小地設計，或者將連接部的上述長度方向(各臂 部的長度方向)的長度較長地設計。即，在這種情況下，連接部為 細小形狀，且通過基於各臂部的振動的加振力、和施加給角速度傳 感器的來自外部的沖擊力，恐怕連4妾部會斷裂。另一方面，當fO/fv 高於1/V^時，不能充分發揮防止糹展動洩漏的功能。
在本發明中，上述第一臂部及上述第二臂部以第一共振頻率進 行激勵，上述第三臂部包括比上述第一共振頻率低lkHz 2kHz的 第二共振頻率的l展動系統。當第二共振頻率接近共振頻率時，即當 第一及第二共振頻率的差低於lkHz時，基於該第二共振頻率的第 三臂部的振動將成為噪聲。其結果是，基於檢測電極的檢測精度劣化。當第一及第二共振頻率的差高於2kHz時，第三臂部的形狀或 者大小等將不在規定的適當範圍內。其結果是，在第三臂部的第一 及第二方向上的共振頻率的平卩軒劣化，從而招致角速度傳感器的溫
度特性的劣化。
本發明其他方面涉及的角速度傳感器包括第一臂部，具有第 一驅動電極，並通過壓電驅動沿第一方向進行激勵；第二臂部，具 有第二驅動電極，設置成沿上述第一臂部的長度方向延伸，且通過 壓電驅動以和上述第 一臂部的同相位沿上述第 一方向進4亍激勵；第 三臂部，具有第三驅動電極、以及對作用在與上述第一方向及上述 長度方向相正交的第二方向上的哥氏力進行檢測的檢測電極，上述 第三臂部被設置為在上述第一臂部及上述第二臂部之間沿上述長 度方向延伸，並通過壓電驅動以和上述第一^f部及上述第二臂部的 振動的反相位的方式進行激勵；以及基部，用於支撐上述第一臂部、 上述第二臂部及上述第三臂部。
根據該構成，可以大幅度降低從第一 ~第三臂部向基部傳遞的 振動(4展動洩漏)。
在該角速度傳感器中，上述第三臂部包括第一檢測電極；以 及第二檢測電極，相對於上述第三臂部的上述第一方向的軸心，被
配置在與上述第一檢測電極相對稱的位置上，其中，上述第一檢測 電極和上述第二檢測電極作為上述檢測電極，上述第一臂部包括用 於對作用在該第一臂部的哥氏力進行檢測的第三檢測電極，上述第 二臂部包括用於對作用在該第二臂部的哥氏力進行檢測的第四才全 測電極，上述角速度傳感器還包括控制部，其分別計算來自上述 第 一檢測電極的輸出信號和來自上述第三檢測電極的輸出信號的 第一和信號、以及來自上述第二檢測電極的輸出信號和來自上述第 四才全測電才及的輸出信號的第二和信號，並將上述第一和信號和上述 第二和信號的差信號作為角速度信號進行檢測。
由此，通過將第一和信號和第二和信號之間的差信號(或稱"差 分信號")作為角速度信號進行檢測，從而當向該角速度傳感器施 加沖擊等的加速度時，由於該角速度信號相抵消，所以可以避免由 於加速度成分而引起產生噪聲。
本發明涉及的電子機器包括主體；以及配置在所述主體內的角 速度傳感器，其中，上述角速度傳感器包括第一臂部，具有第一 驅動電4及，並通過壓電驅動沿第一方向進行激勵；第二臂部，具有 第二驅動電極，設置成沿上述第一臂部的長度方向延伸，且通過壓 電驅動以與上述第 一臂部同相位沿上述第 一方向進4亍激勵；第三臂 部，具有對作用在與上述第一方向及上述長度方向正交的第二方向 上的哥氏力進行檢測的檢測電極，上述第三臂部被設置為在上述第 一臂部及上述第二臂部之間沿上述長度方向延伸，並通過上述第一 臂部及上述第二臂部的激勵的反作用、以和上述第一臂部及上述第 二臂部的振動的反相位進行激勵；以及基部，用於支撐上述第一臂 部、上述第二臂部及上述第三臂部。
本發明其他方面涉及的電子機器包括主體；以及配置在所述 主體內的角速度傳感器，其中，上述角速度傳感器包括第一臂部， 具有第一驅動電;fe,並通過壓電驅動沿第一方向進^f於激勵；第二臂 部，具有第二驅動電極，設置成沿上述第一臂部的長度方向延伸， 且通過壓電驅動以和上述第一^f部同相4立的方式沿上述第一方向 進行激勵；第三臂部，具有第三驅動電極、以及對作用在與上述第 一方向及上述長度方向相正交的第二方向上的哥氏力進4於一企測的 才全測電極，上述第三臂部,皮設置為在上述第一臂部及上述第二臂部 之間沿上述長度方向延伸，並通過壓電驅動以和上述第一臂部及上 述第二臂部的振動的反相位的方式進行激勵；以及基部，用於支撐 上述第一臂部、上述第二臂部及上述第三臂部。
如上所述，^f艮據本發明，可以構成一種角速度傳感器，其可以 抑制向基部傳遞各臂部的振動，並可實現穩定的加速度4企測動作， 同時，較強地抵抗幹擾。


圖l是本發明的第一實施例的角速度傳感器的概略的構成圖2是圖1中的[2]-[2]線方向的主要部分的剖面圖3是用於說明圖1的角度速傳感器的作用的臂部的主要部分 的正—見圖4是在圖1的角速度傳感器中，外側臂部的頻率比和振動方 向的偏差之間關係的示意圖5是本發明的第二實施例的角速度傳感器的概略的構成圖6是本發明的第三實施例的角速度傳感器的概略的構成圖7是本發明的第四實施例的角速度傳感器的概略的構成圖8是圖7的角速度傳感器中的凸起位置和振動洩漏量之間關 系的示意圖9是本發明的第五實施例的角速度傳感器的概略的構成圖10是本發明的第六實施例的角速度傳感器的概略的構成圖11是在第一實施例的角速度傳感器中，向臂部(振子)的 根部位傳遞的振動洩漏量、和向安裝基板的振動洩漏量之間關係的 示意圖12是在第一、第五及第六的各實施例的角速度傳感器中， 將臂部的根部位的振動洩漏量進行比較的示意圖13是本發明的第七實施例的角速度傳感器的概略的構成圖14是在圖13的角速度傳感器中，包括臂部的振動系統的共 4展頻率和向固定部傳遞的才展動量之間關係的示意圖15是圖13的角速度傳感器的頻率特性的一例的示意圖16是本發明的第八實施例的角速度傳感器的概略的構成圖17是用於說明圖16的角速度傳感器的作用的臂部的主要部 分的正一見圖18是用於說明作用於圖16的角度速傳感器的加速度方向的 說明圖19是作為與圖16的角速度傳感器相對比較例而加以說明的 其他角速度傳感器的概略的構成圖20是對圖18的角速度傳感器和圖19的角速度傳感器施加 角速度時的輸出特性比較的示意圖21是如圖13所示的角速度傳感器10G的典型的大小的示意
圖22是表示當各臂部的長度為1900pm時的、L和頻率比 (fD/fV )之間關係、以及向L和固定部傳遞的振動量之間的關係的 圖表；
圖23是本發明的第九實施例的角速度傳感器的概略的構成圖24是將數位照相機作為安裝有上述角速度傳感器的電子機 器的例子進行表示的概略的立體圖25是表示該數位照相機的構成的框圖26是示出如圖21或者圖23所示的角速度傳感器的現實的 典型例的平面圖27是本發明的第十實施例的角速度傳感器的概略的構成圖28是表示當對本發明的第十實施例中的角速度傳感器、和 將a-b作為角速度信號進行檢測的角速度傳感器分別施加加速度時 的、輸出結果的圖表；
圖29是本發明的第十一實施例的角速度傳感器的概略的構成
圖30是本發明的第十二實施例的角速度傳感器的概略的構成 圖；以及
圖31是本發明的第十三實施例的角速度傳感器的概略的構成圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖對本發明的各實施例進行說明。此外，本發明 並不4義限於下面的各實施例，基於本發明的衝支術思想可以有各種變形。
(第一實施例)
圖1是表示本發明的第 一實施例的角速度傳感器IOA的概略的 構成的底面圖。本實施例的角速度傳感器IOA包括基部11;以及 乂人該基部11大致向同一方向(y軸方向) 一體延伸且剖面為四角形 狀的三個臂部12A(第一臂部)、12B(第三臂部)、12C(第二臂部)。 y軸方向為這三個臂部12A、 12B、 12C的長度方向。這些基部11 及臂部12A ~ 12C由石圭片等的不具有壓電特性的單晶基4反切成^L定 形狀，並在一個表面上通過形成有後述的壓電功能層和各種引線部 來構成角速度傳感器IOA。此外，該角速度傳感器IOA的大致大小 為z軸方向的寬度為約lmm、 y軸方向的全長為約3mm、 z軸方 向的厚度為約0.3mm。
臂部12A~ 12C構成角速度傳感器10A的振子。雖然在本實施 例中，將各臂部12A 12C例如分別以相同的臂長、形成寬度、形 成厚度來形成，但是當然並不僅限於此。在後面的說明中，在這三 個臂部12A ~ 12C中，位於外側的兩個臂部12A及臂部12B分別稱 為外側^,部12A、 12B，將^f立於中央的^"部12C稱為中央臂部12C。
圖2是圖1中的[2]-[2]線方向的剖面圖，圖2示出了各臂部 12A~ 12C的剖面形一犬。在外側臂部12A、 12B的一個表面上分別 形成有壓電功能層15A、 15B。壓電功能層15A、 15B包括形成 在外側臂部12A、 12B上的基層電極膜17a和17b、形成在該基層 電才及月莫17a、 17b上的壓電月莫16a和16b、形成在該壓電月莫16a、 16b 上的驅動電極13a (第一驅動電極)和13b (第二驅動電極)。
另一方面，在中央臂部12C的一個表面上形成有壓電功能層 15C。壓電功能層15C包括形成在中央臂部12C上的基層電極膜 17c;形成在該基層電才及膜17c上的壓電力莫16c;形成在該壓電膜16c 上的參考電極13c及才企測電才及14a (第一4企測電極)、14b (第二檢 測電極)。檢測電極14a、 14b分別形成在相對於配置在中央臂部12C 的軸心上的參考電極13c對稱的位置上。
在此，基層電極膜17a ~ 17c由在Si基板上通過濺射法形成的 Ti (鈦)和Pt (白金)的積層膜構成，在壓電功能層15A ~ 15C中， 作為共通的電極膜形成在臂部12A~ 12C間。壓電膜16a ~ 16c是通 過在氧氣環境中，將例如，PZT (鋯鈦酸鉛)的靶材進行RF濺射 而開j成6勺。馬區動電才及13a和13b、參考電才及13c、才企觀'J電才及14a、 14b 是通過使用光刻4支術將形成在壓電膜16a~ 16c上的Pt膜製作圖案 為各電極形狀而形成的。電極圖案形成後，通過將壓電膜16a 16c 以配合上述電才及形狀的方式也製作圖案。
角速度傳感器10A由IC電路元件等的控制部31A驅動控制。 各臂部12A~ 12C的基層電極膜17a ~ 17c分別連接於控制部31A 的Vref端子。Vref端子構成為作為基準電極的接地(ground )端子。 外側臂部12A、 12B上的驅動電極13a、 13b分別連接於控制部31A 的GO端子，且輸入由自激振蕩電^各32所生成的驅動信號。而且， 用於檢測中央臂部12C的振動特性的參考電極13c連接於Gl端子， 才企測電才及14a、 14b分別連4妄於Ga、 Gb端子。Ga、 Gb、 Gl端子連 接於運算電路33,運算電路33將參考電極13c的輸出作為驅動用 信號反饋給自激振蕩電路32,並將檢測電極14a、 14b的差信號作 為角速度信號輸出給檢波電路36。由檢測電路36進行信號處理後 的檢測信號在被提供給平滑電路37後，被作為角速度信號進行處 理。
此外，雖然未詳述，但是角速度傳感器IOA相對於控制部31A 進行的連接是通過未圖示的安裝基板而進行的。在本實施例中，相 對於將構成控制部31A的IC元件進行安裝的安裝基板，角速度傳 感器IOA被進行倒裝片安裝。用於倒裝片安裝的多個凸起(bump) 形成於角速度傳感器10A的基部11。在基部11的安裝面上形成有 在各臂部12A-12C的壓電功能層15A-15C和上述多個凸起之間 進行電連接的引線部(未圖示)。圖3A、圖3B示出了當角度速傳感器IOA進行動作時的各臂部 12A-12C的振動形態。向外側臂部12A、 12B上的各個驅動電極 13a、 13b輸入共通的驅動信號。由此，如圖3A、圖3B所示，通 過壓電膜16a、 16b的反壓電效應，外側臂部12A、 12B相對於壓 電功能層15A、 15B(壓電月莫16a、 16b)的膜面沿垂直方向以同相 進行激勵。
中央臂部12C接受外部臂部12A、 12B的振動的反作用，並沿 同樣的z軸方向以相對於外側臂部12A、12B反相的方式進行振動。 此時，參考電4及13c及4企測電才及14a、 14b通過壓電膜16c的壓電 效應，對臂部12C的振動特性進行電^r測，將通過參考電極13c所 檢測的參考信號反饋給控制部31A內的自激振蕩電路32，將通過 檢測電極14a、 14b所檢測的檢測信號的差信號作為角速度信號進 行處理。當未施加角速度時，檢測電極14a、 14b的差信號原理上 來i兌為0。
另一方面，在這種狀態下，若繞y軸方向的周圍作用角速度， 則在各臂部12A、 12B上產生哥氏力，並生成將各臂部12A-12C 沿與壓電功能層15A~ 15C的形成面相平行的方向(x軸方向)進 4亍振動的成分。該振動成分利用中央臂部12C上的壓電膜16c的壓 電效應由才全測電4及14a、 14b來4企測，並基於該差信號來才企測角速 度的大小禾口方向。
在本實施例中，各臂部12A-12C的動作頻率、即基本模式時 的z軸方向共振頻率(下面，稱為"縱共振頻率"。)fv糹皮分別i殳定 為同一頻率。而且，角速度的4企測頻率、即各^f部12A~ 12C的x 軸方向的共振頻率(下面，稱為"橫共振頻率"。)fh僅對於中央臂 部12C的4黃共糹展頻率fh糹皮:沒定為糹從共4展頻率fv的附近。外側^f部 12A、 12B的橫共振頻率fh被設定為從縱共振頻率fv偏離數百~數 千Hz的不同頻率。
如上所述，在本實施例的角速度傳感器IOA中，當在基本模式 中振動時，外側臂部12A、 12B以同相進行激勵，中央臂部12C以 與外側臂部12A、 12B反相地進行激勵。而且，即使當角速度檢測 時，中央臂部12C的振動方向也與外側臂部12A、 12B的振動方向 相反。因此，根據本實施例，在各臂部12A-12C之間產生基于振 動的4爭矩。在一側的外側^,部12A和中央,,部12C之間產生的壽爭 矩、和另一側的外側^f部12B和中央^f部12C之間產生的4爭矩相互 成反方向。其結果可以大幅度降^/f專遞到基部11的淨展動。由此， 可以抑制向支撐臂部12A~ 12C的基部11的振動洩漏，並可防止角 速度4企測特性的劣化。
而且，在本實施例的角速度傳感器IOA中，由於將基於驅動電 才及13a、 13b的各臂部12A-12C的激勵方向以相對於壓電功能層 15A~ 15C的形成面成垂直方向(z軸方向)進4亍i殳定，所以與該才全 測方向(x軸方向)不同，可以通過本來穩定的振動才莫式來進行振 動。即，通過壓電膜16a、 16b的振動激振的剛心和臂部12A、 12B 的重心相一致，與相^t於壓電功能層15A、 15B的形成面平4於的第 二方向(x軸方向)相比，沿相對於壓電功能層15A、 15B的形成 面垂直的第一方向(z軸方向)，^"部12A、 12B的激厲力更為容易。 因此，即4吏相對於幹4尤重疊的驅動頻率的變動，可以承卩制向所述第 二方向的振動遷移，並可維持穩定的基本才莫式。由此，可以構成抗 幹擾強的角速度傳感器，並可穩定地獲得高精度的輸出特性。
並且，在本實施例中，由於僅將關於中央臂部12C的橫共振頻 率fhi殳定為縱共4展頻率fv的附近，並將關於外側臂部12A、 12B 的才黃共振頻率fh i殳定為遠離縱共振頻率fv，所以可以實現4是高角 速度的檢測精度的同時，可以實現在外側臂部12A、 12B的基本動 作模式時的振動方向的穩定化。
此夕卜，越將外側臂部12A、 12B的橫共振頻率fh遠離該縱共振 頻率fv進行設計越可控制振動方向的偏差。圖4示出了當將I fV-fh I的值設定為Af時，Af/fv的大小和激勵時的臂部的振動方向 的偏差(3 a )之間的關係。如圖4可知Af越大，即，越以從fV 遠離的方式i殳定fh，越可以實現臂部的振動方向的穩定化。尤其， 在本實施例中，當Af/fv為0.1時，可以爿奪才展動方向的偏差4中制到 大致為0。
(第二實施例)
圖5示出了本發明的第二實施例的角速度傳感器10B的構成。 此外，在圖5中對與上述第一實施例相對應的部分標註了相同的符 號，並省略對其的詳細說明。
本實施例的角速度傳感器10B在中央臂部12c的壓電功能層 15B的構成中未形成參考電極這點上與上述第一實施例不同。在本 實施例中，通過加法器和差動》文大器來構成控制部41B內的運算電 路33,並通過上述加法器對一對檢測電極14a、 14b的和信號進行 運算並反々貴給自激:振動電^各32 ，並將一對才企測電才及14a、 14b的差 信號輸出給檢波電路36，且作為角速度信號進行處理。
在上述這樣構成的本實施例的角速度傳感器10B中可以獲得 與上述第一實施例相同的作用效果。
(第三實施例)
圖6示出了本發明的第三實施例的角速度傳感器10C的構成。 此外，在圖6中對與上述第一實施例相對應的部分標註了相同的符 號，並省略對其的詳細i兌明。
本實施例的角速度傳感器IOC在以下這點上與上述第一實施 例不同在形成於中央臂部12C上的一對;險測電才及14a、 14b的基 礎上還增加了在外側臂部12A、 12B上分別形成的一個^^企測電^1 14c、 14d。此外，中央臂部12C與上述第二實施例構成相同。
4企測電才及14c作為形成在一側(在圖6中為左側)的外側>霄部 12A上的壓電功能層15A，而形成在靠近驅動電才及13a的中央臂部 12C —側。而且，才企測電極14d作為形成在另 一側(在圖6中為右 側)的外側臂部12B上的壓電功能層15B,而形成在靠近驅動電^L 13b的中央臂部12C—側。衝企測電極14a、 14b、 14c、 14d分別連 接於控制部31C的Ga端子、Gb端子、Gc端子、Gd端子。
如上所述，由於不^f又在中央^,部12C上還在外側^"部12A、12B 上設置有檢測電極，所以可以提高角速度信號的檢測精度。在這種 情況下，控制部31C內的運算電i 各33構成為將由(Gd+Gc)-(Gb+Ga )得到的和信號作為驅動用信號輸出給自激振蕩電路32， 另一方面，將由(Gd+Gb) - (Ga+Gc)得到的差信號作為角速度信 號輸出給衝僉波電^各36。在此，Ga、 Gb、 Gc、 Gd分別表示檢測電極 14a、 14b、 14c、 14d的鬥企測孑言號。
(第四實施例)
圖7A示出了本發明的第四實施例的角速度傳感器10D的相剋略 構成。此外，在圖7A中對與上述第一實施例相對應的部分標註了 相同的f尋號，並省略，於其的詳細i^明。
本實施例的角速度傳感器10D包括用於對未圖示的安裝基板 進4亍^f到裝片安裝的多個凸起20a、 20b、 20c、 20d。這些凸起20a 20d被設置在基部ll的背面側，且雖然未圖示，但是其通過在該基 部11的背面側上一皮圖案形成的引線部，與臂部12A-12C上的對應
的壓電功能層15A-15C進行電連接。即，凸起20a 20d構成對 各臂部12A 12C進行信號的輸入輸出用的外部連接端子。此外， 雖然在如圖7A所示的例子中，將凸起數設定為4個，但是凸起的 形成數並不僅限於此。
尤其，在本實施例的角速度傳感器10D上，各凸起20a 20d 在基板11的背面側上，三個臂部12A~ 12C間振動最小的位置上形 成。如上所述，通過失見定各凸起20a 20d的形成位置，可以抑制 動作時向安裝基4反的l展動洩漏。
圖7B示出了基部11的寬度方向的各位置、和來自臂部12A~ 12C的振動洩漏量之間關係。如圖7B所示，與各臂部12A-12C 的軸心的延長線上相對應的位置的振動洩漏量最大。因此，在本實 施例中，不在這三個臂部12A ~ 12C的軸心的延長線上形成各凸起 20a 20d,即，形成在乂人延長線上偏離的位置上。如圖7所示，優 選在l展動洩漏量最小的位置、即臂部間的位置上配置凸起20a~ 20d 。凸起的形成位置和向安裝基板傳遞振動洩漏量之間的關係如 圖8所示。並可知才艮據凸起位置振動洩漏量會有大的變化。
(第五實施例)
圖9A示出了本發明的第五實施例的角速度傳感器10E的相無略 構成。此外，在圖9A中對與上述第一實施例相對應的部分標註了 相同的符號，並省略對其的詳細i兌明。
本實施例的角速度傳感器10E在將振動錘部設置在中央臂部 12C的這點上與上述第一實施例不同。雖然在本實施例中，振動錘 部21與中央臂部12C的前端部一體形成，^f旦是衝展動4垂部21的形成 位置並不l又限於此。通過將才展動4垂部21 i殳置在中央臂部12C上， /人而如圖9B所示，中央臂部12C的4展動力可以大於外側^"部12A、
12B的4展動力。因此，通過最優化4展動《垂部21的i殳計，從而可以 通過一個中央^f部12C來消除兩個外側^,部12A、 12B所產生的才展 動。由此，可以通過力的平衡來消除向臂部12A~ 12C的根部位傳 遞的振動，並可大幅度降^氐向基部11及安裝基4反的振動洩漏。
此外，在本實施例的角速度傳感器IOE中，因為設置振動錘部 21所以中央臂部12C的共振頻率變j氐，因此，為了4吏三個臂部 12A~ 12C的共糹展頻率一致而^f吏中央臂部12C的臂長短於外側臂部 12A、 12B的臂長。而且，在本實施例中，由於可以增大外側臂部 12A、 12B的形成寬度，所以也可以增大驅動電才及13a、 13b的形成 寬度，並可通過增大臂部的振動振幅而實現提高角速度檢測特性。
(第六實施例)
圖IOA示出了本發明的第六實施例的角速度傳感器10F的概略 構成圖。此夕卜，在圖10A中對與上述第一實施例相對應的部分標註 了相同的符號，並省略對其的詳細說明。
本實施例的角速度傳感器IOF在中央臂部12C的形成寬度W2 (第二寬度)大於外側臂部12A、 12B的形成寬度W1 (第一寬度) 這點上與上述第一實施例不同。通過這才羊的構成，如圖IOB所示， 可以4吏中央,^部12C的4展動力大於外側力,部12A、 12B的振動力。 由此，通過最優化中央臂部12C的形成寬度(例如使W2=2W1 )， 乂人而可以通過一個中央^"部12C來消除兩個外側〃霄部12A、 12B所 產生的糹展動。由此，可以通過力的平4軒來消除向^f部12A-12C的 根部位傳遞的振動，並可大幅度降低向基部11及安裝基板的振動 洩漏。
此外，雖然在本實施例中，將中央臂部12C的臂長與外側臂部 12A、 12B的臂長相等， <旦是當然並不<又限於此，例如，也可以將
中央臂部12C的臂長設定得長於外側臂部12A、 12B的臂長，從而
實現共振頻率的諧調。
圖11示出了在上述第一實施例中所說明的角速度傳感器中， 向臂部(振子)的根部位傳遞的振動洩漏量和向安裝基板的振動洩 漏量之間關係的一例。4口圖可知有以下這種傾向向^f部的才艮部^f立 傳遞的4展動洩漏量越大，則向安裝基4反的糹展動洩漏量越大。圖12 示出了將向上述第一、第五及第六的各實施例的構成中的臂部的根 部位傳遞的振動洩漏量進行比較的結果。如圖可知在第一實施例 中的、50nmpp的振動洩漏量在第五實施例中降j氐為15nmpp,在第 六實施例中直至降低為10nmpp。此外，單位中"pp"表示"峰峰 值(peak to peak )"，表示振動振幅的最大值和最小值之間的大小。
(第七實施例)
圖13示出了本發明的第七實施例的角速度傳感器10G的相無略 構成圖。此外，在圖13中對與上述第一實施例相對應的部分標註 了相同的符號，並省略對其的詳細i兌明。
本實施例的角速度傳感器10G在支撐三個臂部12A ~ 12C的基 部11的構成這點上與上述第一實施例不同。即，在本實施例中， 基部11構成為包4舌支撐部22，支撐三個^,部12A-12C;固定部 24,形成有安裝在安裝基板上的多個凸起(外部連接端子)20;以 及緩沖部(連接部)23,形成在支撐部22和固定部24之間。
緩沖部23以小於與基部11的形成寬度相對應的支撐部22及 固定部24的形成寬度的寬度而構成。即，緩沖部23的第二方向(x 軸方向)的寬度(第二寬度)d2以小於支撐部22及固定部24的寬 度(第一寬度)dl的寬度而形成。由此，可以緩和從構成臂部12A~ 12C的才艮部位的支撐部22,向構成凸起22的形成區;t或的固定部24
的才展動的傳遞。由此，可以降〗氐向安裝基才反的振動洩漏量並可實現 角速度檢測特性的提高。
在本實施例中，典型為各臂部12A ~ 12C及基部11的厚度(z 軸方向的厚度)實質相同。但是，在本實施例中，即使各臂部12A~ 12C及基部11的厚度不同，以將緩衝部23的體積小於固定部24 的體積的方式進行設計即可。即，固定部24的寬度及緩沖部23的 寬度並不必須限定為dl、 d2也是可以的。
具體而言，對緩衝部23的形成寬度、形成長度、形成厚度等 進行設定，以便包括三個臂部12A 12C、支撐部22及該緩衝部 23的振動系統的共振頻率f0在臂部12A-12C的縱共振頻率(激 勵頻率)fV的以下。圖14示出了頻率比(ft)/fv)和向固定部 24傳遞的振動量之間關係。如圖可知頻率比越小(fO與^相比 越低)，向固定部24傳遞的振動量越降^f氐。而且，圖15示出了本 實施例的角速度傳感器IOG的頻率特性的一例。在圖15所示的例 子中，示出了 fv<fh的例子。
對如圖13所示的角速度傳感器10G的《)和^作進一步詳細 的說明。具有三個臂部的3音叉型的振子、即本實施例涉及的角速 度傳感器具有多個振動系統。在該多個振動系統中，作為振動洩漏 的對策而引起注意的振動系統為2個。即，第一振動系統是基於各 臂部12A-12C及支撐部22的振動系統，其振動頻率(第一共振 頻率)為上述fv。第二振動系統是基於各臂部12A-12C、支撐部 22及緩衝部23的振動系統，其共振頻率(第二共振頻率)是上述 fD。如圖15所示，該f0是各臂部向相同方向才展動的4展動系統的共 振頻率。
如上所述，通過設置緩沖部23,可以抑制從各臂部12A~ 12C 向固定部24的振動洩漏。而且，即使基於比fV更接近於fO的幹擾
的振動^皮施加在角速度傳感器上，也可以通過第二振動系統容易地 吸收基於該幹擾的振動，並可穩定地獲得高精度的輸出特性。
在圖21中示出了如圖13所示的角速度傳感器10G的典型的大 小。將支撐部22及緩沖部23的y軸方向的長度定為L (|im )。在 這種情況下，固定部24的大小並沒有限定，適當i殳定即可。
圖22是當各臂部12A~ 12C的長度為1900|am時的、L和頻率 比(fO/fv )之間的關係、以及L和向固定部24 4專遞的振動量之間 關係的圖表。在此，支撐部22的長度L1、和緩衝部23的長度L2 的比實質被固定為5: 2，但是並不必限定於此。
從圖22的圖表可知L越長，頻率比(fD/fV)越低。而且，L 越長，固定部24的振動量也越低。當固定部24的振動量大約超過 30nmp-p時，由控制部31A (參照圖1 )將該振動作為噪聲進行衝全 測，從而角速度的檢測將劣化。因此，固定部24的振動量優選在 約30nmp-p以下。
與固定部24的才展動量為30nmp-p的點相只十應的、頻率比(fl)/fV ) 為0.75左右。因此，優選頻率比(fO/fV)小於0.75。典型為0.25 S (fD/fV) ^1/V^即可。當f0/fV低於0.25時，需要例如，或者將 寬度d2較小地設計，或者將L2較長地設計。在這種情況下，緩衝 部23為細小形狀，且通過基於各臂部12A - 12C的振動的加振力、 和附加給角速度傳感器的來自外部的衝擊力，恐怕連接部會斷裂。 另一方面，當f0/fv高於時，如上所述，固定部24的振動量 超過30nmp-p,從而不能充分發揮防止振動洩漏的功能。
(第y^實施例)
圖16是本發明的第八實施例的角速度傳感器IOH的概略構成 圖。此外，在圖16中對與上述第一實施例相對應的部分標註了相 同的符號，並省略對其的詳細"^兌明。
本實施例的角速度傳感器IOH在以下這點上與上述第一實施 例不同中央臂部12C上的一對衝企測電才及14a、 14b通過基部11 乂人 中央^,部12C向一側的外側^^部12A及另一側的外側^f部12B if爭 越;也分別連續;也形成為大致U字狀。
如圖16所示，在中央臂部12C上所形成的一對檢測電極14a、 14b中， 一側(圖中左側)的4全測電極14a通過形成在基部11的臂 部才艮部位上的中繼電才及19a (第一中繼電才及)而連4妄於^f立於該側的 外側臂部12A上的檢測電極14c (第三檢測電極)。另一側(圖中 右側)的檢測電極14b通過形成在基部11的臂部根部位上的中繼 電極19b (第二中繼電極)而連接於位於該另一側的外側臂部12B 上的4企測電4及14d (第四4企測電才及)。；險測電才及14c鄰4妄於驅動電核_ 13a,從外側臂部12A的軸心位於靠近中央臂部12C側，檢測電極 14d鄰4妄於驅動電才及13b， /人外側臂部12B的軸心位於靠近中央臂 部12C側。
中繼電才及19a、 19b在基部11的臂部才艮部位上，分別形成在壓 電膜18a、 18b上，其中，該壓電月莫18a形成在中央^f部12C和外 側-(部12A之間、18b形成在中央^f部12C和外側^f部12B之間。 壓電膜18a、 18b是與形成構成各臂部12A-12C上的壓電功能層 15A-15C的壓電月莫16a-16c的工序同時且通過同 一材泮+而形成 的。此外，壓電膜18a、 18b的形成是任意的，即使省略也沒有關 系。
中繼電極19a、 19b分別連接於控制部31H的Ga端子及Gb端 子。而且，在運算電路33中，獲得這些中繼電極19a、 19b的檢測
信號的差並將其作為角速度信號。下面，參照圖17A、圖17B對角 速度傳感器IOH的作用進4亍iJt明。
圖17A是激勵動作中的臂部12A-12C的主要部分的正^L圖， 其示出了在4壬意瞬間，外側臂部12A、 12B向圖中下方向振動，中 央臂部12C向圖中上方向振動的樣子。當不施加角速度時，由於臂 部的振動為反相，所以中央臂部12C上的衝全測電極14a、 14b和外 側臂部12A、 12B上的衝全測電才及14c、 14d生成相互不同的符號信號。 ^f旦是，由於才企測電才及14a和14c、才企測電4及14b和14d相互電連才妾， 所以生成的信號相互4氐消。因此，這些差信號(Ga-Gb)為0,無 法生成角速度信號。
另一方面，在圖17A的狀態下，當向臂部12A~ 12C的軸心周 圍施加角速度時，例如如圖17B所示，在臂部12A~ 12C上引發水 平方向的4展動。在這種'清況下，外側兩個^^部12A、 12B以同相振 動，中央臂部12C以相對這些外側臂部12A、 12B的反相進4亍振動。 在如圖17B的狀態下，中央臂部12C上的才企測電4及14a、 14b對應 輸入角速度的大小而生成相互反相的信號，該差信號被作為角速度 信號進行處理。此外，此時，外側臂部12A的檢測電極14c生成和 檢測電極14a同相的信號，外側臂部12B的檢測電極14d生成和才企 測電才及14b同相的信號。
然後，如圖18所示，考慮對角速度傳感器IOH沿臂部12A~ 12C的排列方向(x軸方向)施加加速度的情況。在這種情況下， 如圖17C所示，當向圖中左方向施加加速度時，通過對各臂部12A 12C同時沿左方向作用慣性力，4全測電才及14a和4全測電才及14b生成 相互逆相(不同符號)的信號。因此，例如如圖19所示，當僅在 中央臂部12C上設置檢測電極時，這些檢測電極14a、 14b的差信 號搭載於傳感器的輸出中，並作為角速度信號被進行處理。即，無 論生成角速度與否，都會產生生成角速度信號這樣的不良情況。
對此相對，在本實施例的角速度傳感器IOH中，由於在外側臂 部12A、 12B上分別形成有與才會測電才及14a、 14b進4亍電連4妄的衝全 測電才及14c、 14d,所以如圖17C所示，在各臂部上的才企測電才及14c、 14d分別生成與作用於外側臂部12A、 12B的加速度相當的信號， 同時，由於這些信號與由^r測電極14a、 14b所生成的信號是相同 大小且反相，所以各信號相互抵消，結果，檢測信號Ga、 Gb為O。 由此， 一企測信號的差信號也為0， 乂人而可以防止由加速度所生成的 信號搭載於傳感器的輸出中。此外，當為向圖中右方向施加加速度 時也可以獲得同樣的效果。
另一方面，考慮對角速度傳感器IOH沿臂部12A-12C的激勵 方向(z軸方向)施加加速度的情況。例如如圖17D所示，當向圖 中上方向施加加速度時，通過對各臂部12A~ 12C同時向上方向作 用慣性力，各才全測電極14a 14d中的任一個生成同相且大小相同 的信號。但是，由於檢測信號的差信號為0,所以不會對傳感器的 輸出造成影響。這與如圖19所示的角速度傳感器的構成相同。此 外，向圖中下方向施加加速度的情況也相同。
如上所述，根據本實施例的角速度傳感器10H,可以排除基於 加速度的影響，並可穩定地進行高精度的角速度檢測。圖20是對 圖18及圖19所示的各個角速度傳感器如各圖所示地沿x軸方向施 加加速度時的傳感器輸出的變化的一例。此外，橫軸的加速度的單 位為g= (9.8m/s2)。從圖20的結果可知圖18所示的本實施例的 角速度傳感器IOH的基於加速度的影響更小，從而可以獲得穩定的 輸出特性。
(第九實施例)圖23是本發明的第九實施例的角速度傳感器IOH的大小的示 意圖。本實施例涉及的角速度傳感器IOJ與圖14、圖21所示的角 速度傳感器一樣是包括緩衝部23這種類型的角速度傳感器。
角速度傳感器IOJ的、外側臂部12A、 12B沿激勵方向具有共 振頻率fv (第一共振頻率)。中央臂部12C具有即不是激勵方向的 振動系統也不是在寬度方向上的振動系統的第三振動系統(共振頻 率fc (第二共振頻率))。
fv和fc的差被設定在lkHz 2kHz。為了實現該值，典型為 中央臂部12C的寬度為103|Lim，外側臂部12A、 12B的寬度為 100nm。在這種情況下，各臂部12A-12C的厚度實際相同。或者， 也可以為中央臂部12C的厚度為103pm,外側臂部12A、 12B的 厚度為100,。
或者，也可以為中央臂部12C的寬度(或者厚度)形成得小 於外側臂部12A、 12B的寬度(或者厚度)。
fv和fc的差、即I fv-fc I低於lkHz時，將基於上述共振頻率 fc的第三臂部的振動將變為噪聲。其結果是，角速度的檢測精度劣 化。當I fv-fc I高於2kHz時，中央臂部12C的形狀或者大小等將 不在規定的適當範圍內。其結果是，在中央臂部12C的激勵方向及 寬度方向的共4展頻率(fv、 fh)的平4軒劣化，從而招致角速度傳感 器的溫度特性的劣化。
圖24是將數位照相機作為安裝有上述各實施例涉及的角速度 傳感器10A-10J的電子機器的例子進行表示的概略的立體圖。圖 25是表示該數位照相機的構成的框圖。
悽丈碼照相才幾260包括安裝有角速度傳感器10A ~ 10J的才幾器主 體261。機器主體26 1是例如，金屬制、樹脂制等的框架(frame )
或者框體。實際上，角速度傳感器10A~ lOJ構成為通過例如數mm 角的大小進行封裝(Packaging )。在被封裝的陀螺儀(gyro )裝置 上，為了檢測至少繞2軸的旋轉角速度，至少安裝有兩個角速度傳 感器10A~ 10J。
如圖25所示，數位照相機260包括角速度傳感器10A~ 10J、 控制部510、具有透鏡等的光學系統520、 CCD 530、對光學系統 520進4亍手4牛才交正的手4牛才交正才幾構540。
由角速度傳感器10A ~ 10J衝全測2軸的哥氏力。控制部510基 於該;險測的哥氏力4吏用手抖4交正才幾構540在光學系統520上進4亍手 4鬥的4交正。
作為安裝有角速度傳感器10A-10J的電子機器，並不僅限於 上述數位照相機。例如，作為電子機器列舉有膝上(laptop)型計 算才幾、PDA ( Personal Digital Assistance )、電子詞典、音頻A見頻才幾 器、投影儀、可攜式電話機、遊戲機、汽車導航(car navigation) 才幾器，才幾器人、其他電氣化產品等。
圖26是表示如圖21所示的角速度傳感器10G、或者如圖23 所示的角速度傳感器10J的現實的典型例的平面圖。在該角速度傳 感器中，外部連接端子20位於比外側臂部12A、 12B靠外的外側。 驅動電才及13a和13b、才全測電才及14a和14b、參考電才及13c通過引 線29分別連4妻於外部連4矣端子20。
(第十實施例)
圖27是概略地表示本發明的第十實施例涉及的角速度傳感器 的圖。此外，在圖27中對與上述第八實施例(圖16)所示的角速 度傳感器10H相同的部分標註了相同的符號，並省略對其的詳細說 明。
如圖27所示，本實施例涉及的角速度傳感器IOK與上述第八 實施例所示的角速度傳感器IOH —樣與中央臂部12C上的才全測電 極14a、同圖左側的外側臂部12A上的檢測電極14c連接。而且， 中央臂部12C上的^r測電4及14b連4妄於同圖右側的外側臂部12B 上的檢測電極14d。但是，本實施例涉及的角速度傳感器IOK在以 下這點上與上述第八實施例中的角速度傳感器IOH不同在中央臂 部12C上，代替參考電極13C，形成有驅動電極13d (第三驅動電 極)。
上述4企測電才及14a和才企測電才及14c、以及衝企測電才及14b和才企測 電極14d與上述圖16所示的角速度傳感器IOH—樣，即可以分別 通過中繼電極進行連接，也可以不通過中繼電極而通過引線等進行 連才妄。各才全測電才及14a ~ 14d的寬度W3及長度L3相同，且乂人各臂 部的長度方向上的中心直至各才企測電才及14a 14d位置的各距離da 也相同。
在此，當將中央臂部12C上的左右檢測電極14a及14b、和外
定為a、 b、 c及d時，控制部31K(未圖示)與上述第八實施例一 樣，將和信號a+c (第一和信號)與和信號b+d (第二和信號)之 間的差、即(a+c) - (b+d)的差信號作為角速度信號進行檢測。此 夕卜，在這種情況下，雖然與驅動電極13a及13b—樣，將通過控制 部31K的自激振動電路32生成的驅動信號輸入給驅動電極13d, 但是控制部31K也可以將例如該和信號a+c與和信號b+d的和信號 (a+c) + (b+d)作為參考信號反饋給該自激振動電路32。
圖28是表示當對本實施例的角速度傳感器10K、和將a-b作為 角速度信號進行檢測的角速度傳感器分別施加沖擊(加速度)時的、 輸出結果的圖表；圖28(a)表示未施加哥氏力時的結果，圖28 ( b ) 表示施加哥氏力時的結果。
^口圖28所示可^口當施力口衝擊等的力口速度，且才企測a和b之 間的差信號時，雖然產生衰減的噪聲，^f旦是在本實施例中，通過檢 測(a+c) - (b+d)的差信號，如在上述第八實施例中所說明的一樣 的理由，可以抑制基於加速度的噪聲的發生。
而且，如圖28 (b)所示，即使施加哥氏力時，由於可以迴避 基於衝擊而產生的噪聲，並增加來自外側臂部12A及12B的檢測值 的輸出，所以與哥氏力相對應的輸出增加，角速度檢測效率也得到 改善。
此外，在本實施例涉及的角速度傳感器IOK中，將中央臂部 12C上的驅動電極13d的寬度Wl、和外側臂部12A及12B上的各 驅動電極13a及13b的各寬度W2形成為相等，並且，驅動電極13d 的長度L1為各驅動電極13a及13b的各長度L2的2倍。在此，當 將中央^"部12C上的驅動電才及13d的實質驅動面積定為Sl,並4誇 外側^,部12A上的馬區動電才及13a禾口外側^f部12B上的馬區動電才及13b 的實質馬區動面積分別定為S2、 S3時，SI: S2(=S3) =2: 1。
由此，外側臂部12A及12B的各驅動量是中央臂部12C的驅
動量的一半的振幅。因此，由於可以消除基於各臂部的驅動而產生 的動作力矩，所以可以通過力的平衡來抵消向臂部12A-12C的根
部位傳遞的振動，並可大幅度地降低向基板22及安裝基板的振動 洩漏。
而且，在本實施例的角速度傳感器IOK中，並不僅限於4全測電 才及14a和才企測電才及14c、 4企測電才及14b和才全測電才及14d分別4妄線， 也可以構成為與上述第三實施例所示的角速度傳感器IOC(圖6) 一樣，控制部31K分別輸入上述a、 b、 c及d。在這種情況下，控 制部31K基於輸入的a、 b、 c及d的各信號，通過將上述(a+c)-(b+d)的差信號作為角速度信號進行檢測，從而可以同樣避免基
於加速度的噪聲的發生。在這種情況下，優選對上述自激振動電路
32不反々貴a+c和b+d的和信號而^又反々貴a+c 乂人而產生驅動信號。當 反々貴上述a、 b、 c及d的和4言號時，上述a禾口c、 b和d分另'J為反衝目 位的信號，並當由於產生哥氏力而4吏相位變化時，因為a+c、 b+d 的各信號的增減變化率增大，所以各臂部的振動量容易變化，從而
施加哥氏力時的各臂部的動作變得不穩定。而且，當各臂部的動作 不穩定時，各臂部的振動量變化的結果、恐怕對角速度的檢測會產 生誤差，其結果導致與哥氏力相對的角速度檢測的信號線性降低， 這是因為信號檢測的動態範圍變小。因此，通過僅反饋a + b,當發 生哥氏力時，所反饋的信號由於哥氏力的影響而變動的程度減輕， 乂人而可以實現穩定的驅動狀態。
(第十一實施例)
圖29是概略地表示本發明的第十一實施例涉及的角速度傳感 器的圖。此外，在圖29中對與上述第十實施例(圖28)所示的角 速度傳感器IOK相同的構成或功能的部分標註了相同的符號，並省 略乂於其的詳細i兌明。
如圖29所示，在本實施例涉及的角速度傳感器IOL中，與上 述笫十實施例的角速度傳感器IOK相比較，設置外側臂部12A及 12B的各檢測電極14c及14d的位置不同。即，在上述第十實施 例中，雖然各衝企測電才及14 c及14 d分別i殳置在外側臂部12A及12B 的、靠近中央臂部12C側，但是在本實施例涉及的角速度傳感器 IOL中，各才企測電才及14 c及14 d 一皮i殳置在外側臂部12A及12B的、 與中央^f部12C側相反的一側。通過該構成，與上述第三、第/\及 第十實施例一樣，可以避免基於加速度的噪聲的發生。
(第十二實施例)
圖30是概略地表示本發明的第十二實施例涉及的角速度傳感 器的圖。此外，在圖30中對與上述第十及第十一實施例(圖27及 29)所示的角速度傳感器10K及10L相同構成或者功能的部分標 注了相同的符號，並省略對其的詳細i兌明。
本實施例涉及的角速度傳感器10M在以下這點上與上述第十 及第十一實施例的角速度傳感器IOK及10L不同在兩個外側臂 部12A及12B中、 一側的^#部(例如，外側^#部12A )上i殳置有兩 個>^企測電極14c及14d,在另一側臂部(例如，外側臂部12B)上 不i殳置才全測電極。根據該構成，與上述第三、第八及第十一實施例 一樣，可以避免基於加速度的噪聲的發生。
此外，在上述第——第九實施例中，示出了4又對外側臂部12A 及12B設置驅動電極13的例子，並且，在第十~第十二的實施例 中，示出了對全部中央臂部12C、外側臂部12A及12B設置驅動電 極13的例子。但是，在上述任一個實施例中例如，也可僅對中央 臂部12C設置驅動電極13。在這種情況下，外側臂部12A及12B 通過中央臂部12C的激勵的反作用，以相對中央臂部12C的振動 的反才目4立進4亍4展動。
(第十三實施例)
圖31是概略地表示本發明的第十三實施例涉及的角速度傳感 器的圖。此外，在圖31中對與上述第十 第十二實施例(圖27、 圖29及圖30)所示的各角速度傳感器IOK、 10L及10M相同構成 或者功能的部分標註了相同的符號，並省略對其的詳細說明。
本實施例涉及的角速度傳感器ION在臂部數不是三個而是五 個(臂部12A 12E)這點上與上述第十 第十二實施例(圖27、 圖29及圖30)所示的各角速度傳感器IOK、 IOL及IOM不同。即，
在上述第十~第十二實施例中的各外側臂部12A及12B的外側還進 一步i殳置有臂部12D及12E。臂部的悽t量當然並不4又限於五個。才艮 才居該構成，與上述第三、第7\及第十~第十二實施例一4羊，可以避 免基於加速度的噪聲的發生。
此外，通過上面第十~第十三的各實施例所示的各角速度傳感 器IOK ~ ION也可以被安裝在如上述圖24及圖25所示的數碼照相 機260等的各種電子機器上。
附圖才示i己
IOA、 IOB、 IOC、 IOD、 IOE、 IOF、 IOG、躍、101、 IOJ、 IOK、 IOL、 IOM、 ION角速度傳感器
11基部
12A、 12B外側臂部 12C中央臂部 13a、 13b、 13d馬區動電才及 13c參考電^L
14a、 14b、 14c、 14d 4全測電才及 15A、 15B、 15C壓電功能層 16a、 16b、 16c壓電膜 17a、 17b、 17c基層電4及膜
20a、 20b、 20c、 20d凸起(外部連4妄端子) 21 ^展動《垂部 22支撐部 23緩沖部 24固定部
31A、 31B、 31C、 31H控制部 32自^^展蕩電^各 33運算電錄^ 260 lt碼照相枳j 261主體
權利要求
1.一種角速度傳感器，包括基部；三個臂部，從所述基部一體地沿大致同一方向延伸；壓電膜，形成在所述各臂部的一個表面上；驅動電極，用於激勵，形成在所述三個臂部中的至少位於外側的兩個臂部的所述壓電膜上；以及檢測電極，用於角速度檢測，形成在所述三個臂部中的至少位於中央的臂部的所述壓電膜上，其中，所述三個臂部中位於外側的兩個臂部以同相進行激勵，位於中央的臂部以和位於所述外側的兩個臂部反相進行激勵，同時，所述驅動電極對所述臂部沿和所述壓電膜的形成面垂直的第一方向進行激勵，所述檢測電極對沿與所述臂部的所述壓電膜的形成面平行的第二方向的振動進行檢測。
2. 根據權利要求1所述的角速度傳感器，其特徵在於，在所述三個臂部中、位於中央的臂部上設置有振動錘部。
3. 根據權利要求1所述的角速度傳感器，其特徵在於，在所述三個臂部中、位於中央的臂部的形成寬度形成為 大於位於外側的兩個臂部的形成寬度。
4. 根據權利要求1所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述三個臂部的所述第 一 方向上的共振頻率分別設定為 一至丈，同時，所述三個臂部的所述第二方向上的共振頻率中，^M誇位於中央的臂部的共振頻率設定為所述第一方向上的共4展頻率 附近。
5. 根據權利要求1所述的角速度傳感器，其特徵在於，在所述三個臂部中、位於中央的臂部的所述壓電膜上形 成有用於衝全測該臂部的4展動特性的參考電才及。
6. 根據權利要求1所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述4企測電才及在所述三個臂部中、位於中央的臂部的所 述壓電膜上相對於該臂部的軸心，成一對i也形成在對稱的位置 上，一側的才全測電才及經由所述基部乂人該臂部3,越位於所述一 側的外側的^,部並連續;也形成，同時，另一側的4企測電才及經由所述基部乂人該爿霄部^爭越4立於所述 另一側的外側的臂部，連續地形成。
7. 根據權利要求1所述的角速度傳感器，其特徵在於，在所述基部上設置有用於對所述各臂部進行信號輸入輸 出的多個外部連接端子，所述各外部連4姿端子位於所述基部的一個表面上，且形 成在所述三個臂部之間振動最小的位置上。
8. 根據權利要求7所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述各外部連接端子形成在從所述各臂部的軸心的延長 線偏離的位置上。
9. 根據權利要求7所述的角速度傳感器，其特徵在於，在所述基部上，在所述各臂部的才艮部位和所述外部連4妾 端子的形成區域之間，設置有具有比所述基部的形成寬度小的 寬度的緩沖部。
10. —種角速度傳感器，包括第一臂部，具有第一驅動電才及，並通過壓電驅動沿第一 方向進行激勵；第二臂部，具有第二驅動電極，設置成沿所述第一臂部 的長度方向延伸，且通過壓電驅動以與所述第 一臂部的同相位 沿所述第 一方向進行激勵；第三臂部，具有對作用在與所述第一方向及所述長度方 向正交的第二方向上的哥氏力進行檢測的檢測電極，所述第三 臂部被設置為在所述第一臂部及所述第二臂部之間沿所述長 度方向延伸，並通過所述第一臂部及所述第二臂部的激勵的反 作用以和所述第 一臂部及所述第二臂部的4展動的反相位進刊-激勵；以及基部，用於支撐所述第一臂部、所述第二臂部及所述第 三臂部。
11. 根據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述第三臂部包括振動錘部。
12. 根據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述第 一臂部及所述第二臂部沿所述第二方向以第一寬 度形成，所述第三臂部沿所述第二方向以大於所述第 一寬度的第 二寬度形成。
13. 根據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述第一臂部、所述第二臂部及所述第三臂部在所述第 一方向上具有一致的共4展頻率，所述第三臂部在所述第二方向上具有與所述第一方向的 共振頻率不同的共"^展頻率。
14. 4艮據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述第三臂部包括用於對該第三臂部的振動特性進行檢 測的參考電才及。
15. 4艮據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述第三臂部包括 第一4企測電4及；以及第二4全測電極，相對於所述第三臂部的所述第 一方向的 軸心，被配置在與所述第一檢測電極相對稱的位置上，其中，所述第一4企測電極和所述第二4企測電才及作為所述 衝全測電才及，所述第 一臂部包括用於對作用在該第 一臂部的哥氏力進 行才企測的第三檢測電極，所述第二臂部包括用於對作用在該第二臂部的哥氏力進 4亍4企測的第四4企測電才及，所述基部包括第一中繼電極，用於連接所述第一檢測電極和所述第三 ;險測電4及；以及第二中繼電極，用於連接所述第二檢測電極和所述第四 才企測電才及。
16. 根據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述角速度傳感器還包括多個外部連接端子，其分別 被配置在從所述第一臂部、第二臂部及第三臂部傳遞的振動為 最小的所述基部上的位置上，並用於分別對所述第一驅動電 極、所述第二驅動電極及所述檢測電極進行外部連接。
17. 根據權利要求16所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述多個外部連4妄端子一皮配置在乂人所述第一臂部、所述 第二臂部及所述第三臂部的、從所述第 一方向上的軸心的各個 延長線上偏離的位置上。
18. 根據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述基部包括支撐部，用於支撐所述第一臂部、所述第二臂部及所述 第三臂部；固定部，包括用於對所述第一驅動電極、所述第二驅動 電極及所述檢測電極進行外部連接的外部連接端子，所述固定 部在所述第二方向上以第一寬度形成；以及連4妄部，連4妄所述支撐部和所述固定部，並在所述第二 方向上以比所述第一寬度小的所述第二寬度形成。
19. 根據權利要求18所述的角速度傳感器，其特徵在於，在由所述第一臂部、所述第二臂部、所述第三臂部及所 述支撐部構成的振動系統中，當所述第一臂部及所述第二臂部 的所述第一方向的第一振動系統的共振頻率為fv,在由所述 第一臂部、所述第二臂部、所述第三臂部、所述支撐部及所述 連接部構成的振動系統中，當所述第 一方向的第二振動系統的 共才展頻率為fO時為0.25S (f0/fv) ^1/V^。
20. 根據權利要求IO所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述第 一臂部及所述第二臂部以第 一共振頻率進4亍激勵，所述第三^^部包糹舌比所述第一共振頻率^f氐lkHz 2kHz 的第二共^展頻率的^展動系統。
21. —種角速度傳感器，包括第一臂部，具有第一驅動電4及，並通過壓電驅動沿第一 方向進4於;敫厲力；第二臂部，具有第二驅動電極，設置成沿所述第一臂部 的長度方向延伸，且通過壓電驅動以和所述第 一臂部的同相位 沿所述第 一方向進4於激勵；第三臂部，具有第三驅動電極、以及對作用在與所述第 一方向及所述長度方向相正交的第二方向上的哥氏力進行才企 測的檢測電極，所述第三臂部被設置為在所述第一臂部及所述 第二>^部之間沿所述長度方向延伸，並通過壓電驅動以和所述 第 一臂部及所述第二臂部的4展動的反相位進4於激勵；以及基部，用於支撐所述第一臂部、所述第二臂部及所述第 三臂部。
22. 根據權利要求21所述的角速度傳感器，其特徵在於，所述第三臂部包括 第一4企測電糹及；以及第二檢測電極，相對於所述第三臂部的所述第 一方向的 軸心，被配置在與所述第 一檢測電極相對稱的位置上，其中，所述第 一檢測電極和所述第二檢測電極作為所述 才全測電才及，所述第一臂部包括用於對作用在該第一臂部的哥氏力進 4亍衝僉測的第三4全測電才及，所述第二臂部包括用於對作用在該第二臂部的哥氏力進 4亍才企測的第四4金測電才及，所述角速度傳感器還包括控制部，其分別計算來自所 述第 一 檢測電極的輸出信號和來自所述第三檢測電極的輸出 信號的第一和信號、以及來自所述第二檢測電極的輸出信號和 來自所述第四檢測電極的輸出信號的第二和信號，並將所述第 一和信號和所述第二和信號的差信號作為角速度信號進行檢測。
23. —種電子才幾器，包括主體；以及角速度傳感器，配置在所述主體內，其中，所述角速度傳感器包括第一臂部，具有第一驅 動電才及，並通過壓電驅動沿第一方向進4於激勵；第二臂部，具 有第二驅動電極，設置成沿所述第一臂部的長度方向延伸，且 通過壓電驅動以與所述第一臂部的同相位沿所述第一方向進 行激勵；第三臂部，具有對作用在與所述第一方向及所述長度 方向正交的第二方向上的哥氏力進行檢測的檢測電極，所述第三臂部被設置為在所述第一臂部及所述第二臂部之間沿所述 長度方向延伸，並通過所述第 一臂部及所述第二臂部的激勵的 反作用、以和所述第 一臂部及所述第二臂部的振動的反相位進行激勵；以及基部，用於支撐所述第一臂部、所述第二臂部及 所述第三臂部。
24. —種電子才幾器，包括 主體；以及角速度傳感器，配置在所述主體內，其中，所述角速度傳感器包括第一臂部，具有第一驅 動電才及，並通過壓電驅動沿第一方向進行激勵；第二臂部，具 有第二驅動電極，i殳置成沿所述第一臂部的長度方向延伸，且 通過壓電驅動以和所述第 一臂部同相位沿所述第 一方向進行 激勵；第三臂部，具有第三驅動電^ l、以及對作用在與所述第 一方向及所述長度方向相正交的第二方向上的哥氏力進4亍衝僉 測的4企測電極，所述第三臂部糹皮設置為在所述第一臂部及所述 第二臂部之間沿所述長度方向延伸，並通過壓電驅動以和所述 第一臂部及所述第二臂部的振動的反相位進行激勵；以及基 部，用於支撐所述第一臂部、所述第二臂部及所述第三臂部。
全文摘要
本發明提供了一種可抑制向支撐臂部的基部的振動洩漏，並可較強抵抗噪聲的三音叉型的角速度傳感器及電子機器。在本發明的角速度傳感器中，在三個臂部(12A～12C)中，兩個外側臂部(12A、12B)以同相進行激勵，中央臂部(12C)通過外側臂部振動的反作用以和外側臂部反相進行激勵。而且，將各臂部沿與壓電功能層(15A～15C)的形成面垂直的方向進行激勵，並基於與臂部的上述壓電功能層的形成面相平行的方向的振動來檢測角速度。由此，在臂部間所產生的轉距相互抵消，並可降低向基部傳遞的振動。而且，通過沿與壓電功能層的形成面垂直方向對臂部進行激勵，可以維持穩定的激勵狀態，並可構成對幹擾有較強抵制的角速度傳感器。
文檔編號G01C19/5607GK101173957SQ200710164369
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月30日 優先權日2006年10月30日
發明者本多順一, 稻熊輝往, 高橋和夫 申請人:索尼株式會社