振動ジャイロ
【課題】 評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに外部からの衝撃に対しても堅牢で、且つ２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供すること。
【解決手段】 平面的に形成された付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを、それぞれ、同じ平面内に形成されたビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで支え、ビーム３ａとビーム３ｄの接続部をビーム３ｅの一端で支え、ビーム３ｂとビーム３ｃの接続部をビーム３ｆの一端で支え、さらに、ビーム３ｅおよびビーム３ｆの他端を接続した振動子１を、ビーム３ｇ、３ｈを介して外周部の枠体２で支持し、励振部および検出部として機能させた振動ジャイロ用振動子を用いる。
【解決手段】 平面的に形成された付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを、それぞれ、同じ平面内に形成されたビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで支え、ビーム３ａとビーム３ｄの接続部をビーム３ｅの一端で支え、ビーム３ｂとビーム３ｃの接続部をビーム３ｆの一端で支え、さらに、ビーム３ｅおよびビーム３ｆの他端を接続した振動子１を、ビーム３ｇ、３ｈを介して外周部の枠体２で支持し、励振部および検出部として機能させた振動ジャイロ用振動子を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサとして使用される振動ジャイロに関し、特に自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープに好適な振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロとは、速度を持つ物体に回転角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。振動ジャイロは電気的な信号を印加することで機械的な振動（以下、「駆動モード」と呼ぶ。）を励起することができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（以下、「検出モード」と呼ぶ。）の大きさを電気的に検出可能とした系を有し、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした回転角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出できる。この検出された出力電圧は駆動モードの大きさおよび回転角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。
【０００３】
近年、振動ジャイロにおいても、その他の電子部品と同様に小型化、低価格化が急速に進められている。また、例えば、手振れ防止装置等では、一般に２軸の回転角速度の検出が必要であるため、１軸の回転角速度を検出できる製品を２つ使用している場合がほとんどである。このような状況の中で、振動ジャイロの小型化、低価格化へのアプローチの１つとして、２軸の回転角速度の検出を１つの製品内で可能にする検討がなされている。このような構成の場合、１軸の製品を別々に生産するのに比べ、回路や外部入出力端子等の共通部分を共有することが可能となり、小型・低価格化を図ることができる。また、携帯電話機をはじめとした、携帯機器への搭載の検討も始まり、これまで以上に耐衝撃性、高安定化が求められている。
【０００４】
図６は従来の振動ジャイロ用素子を示す斜視図である。図６において、振動子１１１は、エリンバなどの恒弾性金属材料からなる正方形状の板状の振動体１１２と、振動体１１２の主面の中央部に配置された圧電素子１１３とからなる。圧電素子１１３の表面には、複数の分割された電極１１６が配されている。振動体１１２には各辺の中央から中心点に向う４本の切り欠き１２１、１２２、１２３、１２４によって４つの振動体１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが形成されている。振動子１１１は、ノード軸Ｎ１およびノード軸Ｎ２を軸とする軸対称モードで振動し、ノード軸Ｎ１とノード軸Ｎ２の交点付近で支持固定される。角速度の検出は、振動子１１１の平面内で振動するモードを用い、平面内の直交する２軸の角速度の検出を可能としている。このような振動ジャイロは特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３２０６５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来の振動ジャイロ用素子では、支持部を振動子の中央部に設けて、振動子の外周部が自由に振動できるようにする必要があるため、１つずつ振動子を切り出した後でないと振動子の特性評価を行うことができないという問題点がある。
【０００７】
また、中央部での支持は、実装が難しく、振動子の周波数調整やバランス調整を行う場合にも、特殊な治具を作製し、振動子を中央部のみで支持固定して宙吊りにする必要があるため、生産性が低下するという問題点がある。
【０００８】
さらに、中央部のノード付近を支持固定する場合、支持固定できる面積は非常に小さく、振動を阻害せずに支持することは非常に難しく、支持部から振動が漏れると同時に、外部からの振動の影響を受け易く、出力が不安定となる。また、支持が１点であるため、外部から衝撃を受けた場合に、衝撃力がその１点に集中し、破壊し易いという問題点もある。
【０００９】
したがって、本発明は上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに、外部からの衝撃に対しても堅牢で且つ、２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、略四角の平板に貫通穴加工を施し、振動可能な付加質量部をビームで支える構造を形成することで、励振部と検出部として機能させ、支持をその外縁部で行うことをその要旨とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、平面内に形成された、４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが時計回りに配置され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、４つの柱状のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの一端が、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに、それぞれ接続され、前記ビーム３ａ、３ｄの前記付加質量部に接続されない他端同士および前記ビーム３ｂ、３ｃの前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、２つの柱状のビーム３ｅ、３ｆの一端が、それぞれ前記ビーム３ａ、３ｄの接続部および前記ビーム３ｂ、３ｃの接続部に接続され、前記ビーム３ｅ、３ｆでの前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには接続されない他端同士を接続した構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、２つの同位相の付加質量部４ａ、４ｃと２つの同位相の付加質量部４ｂ、４ｄとが互いに逆位相で振動し且つ付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを形成した平面と垂直な面外方向に振動する駆動モードの駆動手段と、付加質量部４ａ、４ｂの重心間の中点および付加質量部４ｃ、４ｄの重心間の中点を通る第１の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、付加質量部４ａ、４ｄの重心間の中点および付加質量部４ｂ、４ｃの重心間の中点を通り前記第１の軸に直交する第２の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄおよび前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆの配置がその配置面内で前記第２の軸に関して略対称な構造を有し且つ前記第１の軸に関して非対称な構造を有し、前記第１の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｃと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｄとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第１の検出モードを用い、前記第２の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｄと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｃとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第２の検出モードを用いたことを特徴とする振動ジャイロである。
【００１２】
この駆動モードは、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、且つ、付加質量部を形成した平面と垂直な面外方向に振動する。この駆動モードは、非常に対称性が良く、ビーム３ｅと３ｆに捩れを発生させるが、ビーム３ｅと３ｆの接続部で力が相殺され、その接続部は、駆動モードのノード点となる。
【００１３】
前述の駆動モードを励振した状態で、第１の軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、第２の軸方向に振動する。この振動の検出には、第１の検出モードを利用できる。この第１の検出モードは、ビーム３ａおよび３ｃと、ビーム３ｂおよび３ｄとが互いに逆位相で、第２の軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよび３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよび３ｃの振動による力は、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部で相殺され、その接続部は、第１の検出モードのノード点となる。
【００１４】
同様に、駆動モードを励振した状態で、第２の軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、第１の軸方向に力を受ける。しかし、付加質量部４ａ〜４ｄには、それぞれビーム３ａ〜３ｄが接続され、第１の軸方向の変位が制限されている。したがって、それぞれの付加質量部は、回転し、第２の軸方向に振動することとなる。
【００１５】
ここで、前述の通り、振動子は、第１の軸を通る平面に関して、非対称な構造を有している。この非対称性により、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、第２の軸方向に屈曲振動する。この振動の検出には、第２の検出モードを利用できる。この第２の検出モードは、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、第２の軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよび３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよび３ｃの振動による力は、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部で相殺され、その接続部は、第２の検出モードのノード点となる。
【００１６】
ただし、この第２の検出モードを利用するためには、第１の軸を通る平面に関して、非対称な構造とすることが必要不可欠である。この非対称性がなければ、前述の第２の検出モードは、利用できない。仮に第１の軸を通る平面に関して、対称な構造とすれば、付加質量部は、第２の軸方向に振動しないか、すべての付加質量部が同相で第２の軸方向に振動する。第２の軸方向に振動しない場合、角速度の検出ができない。すべての付加質量部が同相で第２の軸方向に振動する場合、ビーム３ａ〜３ｄは、付加質量部と同様に、同相で第２の軸方向に屈曲振動する。この場合、すべての付加質量部が同じ方向に振動するため、振動子の重心位置が大きく変化し易い。振動ジャイロの設計において、振動子の周波数の設計が非常に重要であるが、周波数の設計と同時に、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部をノード点とする構造設計を行うのは、非常に困難である。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の振動ジャイロにおいて、前記付加質量部と同一平面内に形成された２つの柱状のビーム３ｇ、３ｈの一端が、いずれも前記ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部に接続され、且つ前記付加質量部を形成した平面と垂直で前記第２の軸を通る平面に関して略対称に配置され、前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記ビーム３ｇ、３ｈの他端は前記枠体に接続され、前記枠体を介して、前記振動子が支持されたことを特徴とする振動ジャイロである。
【００１８】
このビーム３ｅとビーム３ｆの接続部は、駆動モード、第１、第２の検出モードのすべてに対して、ノード点となっているため、その接続部をビーム３ｇおよび３ｈを介して、振動子外周に配置された枠体に接続しても、枠体への振動の伝播は少なく、枠体もノード点となる。したがって、振動子の外縁部を支持することが可能となり、良好な支持特性が得られ、出力ドリフトも低減し、実装が容易で生産性も高くなる。また、振動子の外縁部の全周を支持することも可能であり、衝撃が加わっても、衝撃力が分散するので、外部衝撃に強く、安定性が高い、高信頼性の振動ジャイロ用素子が提供できる。さらに、振動子の製造工程において、ウエハ上に複数個の振動子を同時に形成し、外縁同士が接続した状態においても、振動ジャイロ用素子特性を検査することが容易となる。振動子を１つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うことができる。また、容易に検査、調整が可能で、後工程の歩留まりも改善でき、生産性が非常に高くなる。
【００１９】
さらに、本発明によれば、振動ジャイロ用振動子の平面内の２軸の角速度を検出できる。一般的なデジタルスチルカメラ等で使用する場合、そのまま基板上に実装できるので、実装が容易となる。また、１つの振動子で２軸の回転角速度の検出が可能であるため、回路や外部端子等の共通部分を共有することで、１軸の製品を２つ使用するのに比べ、小型・低コスト化が可能となる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の振動ジャイロにおいて、前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されてなることを特徴とする振動ジャイロである。本発明は、平面的な構造をとっており、四角形状の圧電単結晶板に穴あけ加工を施すことで、容易に形成でき、生産性が高い。さらに、ニオブ酸リチウムなど、高結合材料を用い、駆動モードの励振、検出モードの検出を行うことで、ＳＮ比の高い振動ジャイロ用素子が提供できる。
【発明の効果】
【００２１】
前記のごとく、本発明によれば、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに外部からの衝撃に対しても堅牢で、且つ、２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図３は本発明の一実施の形態での振動ジャイロ用振動子を示す上面図である。２．７ｍｍ×３．８ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの四辺形状のニオブ酸リチウム圧電単結晶板に穴加工を施すことで、１枚の圧電単結晶板の同一面内に、付加質量部４ａ〜４ｄを、ビーム３ａ〜３ｈによって、枠体２に接続し、振動子１を形成している。付加質量部４ａ〜４ｄには、それぞれ、ビーム３ａ〜３ｄが接続されているが、各付加質量部の左端にビームが接続されているため、本実施の形態では、振動子１は、紙面に対して、上下対称、左右非対称な形状となっている。
【００２４】
また、ビーム３ａの表面には検出電極６ａ、基準電位電極７ｃ、７ｄを、ビーム３ｂの表面には検出電極６ｂ、基準電位電極７ｆ、７ｇを、ビーム３ｃの表面には検出電極６ｃ、基準電位電極７ｆ、７ｈを、ビーム３ｄの表面には検出電極６ｄ、基準電位電極７ｃ、７ｅを、ビーム３ｅの表面には駆動電極５ａ、基準電位電極７ａを、ビーム３ｆの表面には駆動電極５ｂ、基準電位電極７ｂを形成した。各電極は、クロムを下地とした金により電極を形成した。
【００２５】
ここで、本実施の形態による振動ジャイロの動作原理について説明する。図１は本実施の形態における振動ジャイロの振動モードを示す図である。すなわち、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）はＸモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｇ）、図１（ｈ）、図１（ｉ）はＹモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｊ）、図１（ｋ）、図１（ｌ）はＺモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図である。
【００２６】
図１（ｄ）〜図１（ｆ）に示すＸモードでは、図３を同時に参照し、２つの同位相の付加質量部４ａおよび４ｃと、２つの同位相の付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、且つ、付加質量部をＸ軸方向に振動する。この駆動モードは、非常に対称性が良く、ビーム３ｅ、３ｆに捩れを発生させるが、ビーム３ｅ、３ｆの接続部で力が相殺され、その結果、ビーム３ｇ、３ｈに接続された枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。
【００２７】
Ｘモードを励振した状態で、Ｙ軸（第１の軸）と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に振動する。この振動の検出には、図１（ｊ）〜図１（ｌ）に示すＺモードを利用できる。このＺモード（第１の検出モード）は、２つの同位相のビーム３ａおよび３ｃと、２つの同位相のビーム３ｂおよび３ｄとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよびビーム３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよびビーム３ｃの振動による力とは、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部で相殺され、その結果、ビーム３ｇ、３ｈに接続された枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。この時、Ｘモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Ｚモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。
【００２８】
同様に、Ｘモードを励振した状態で、Ｚ軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、Ｙ軸方向に力を受ける。しかし、付加質量部４ａ〜４ｄには、それぞれビーム３ａ〜３ｄが接続され、Ｙ軸方向の変位が制限されている。したがって、それぞれの付加質量部は、回転し、Ｚ軸方向に振動することとなる。
【００２９】
ここで、前述の通り、振動子は、左右非対称な構造を有している。この非対称性により、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。すなわち、Ｘモードを励振することで、付加質量部４ａおよび４ｃが＋Ｘ方向の速度を持ち、付加質量部４ｂおよび４ｄが−Ｘ方向の速度を持った状態において、Ｚ軸（第２の軸）と平行な軸回りの角速度を印加し、コリオリ力が発生すると、付加質量部４ａおよび４ｃは、−Ｙ方向に力を受け、付加質量部４ｂおよび４ｄは、＋Ｙ方向に力を受ける。しかし、ビーム３ａ〜３ｄの存在により、Ｙ軸方向の変位を制限するため、それぞれの付加質量部は、ビームとの接続部を中心に回転しようとする。その結果、付加質量部４ａおよび４ｄは、−Ｚ方向に変位し、付加質量部４ｂおよび４ｃは、＋Ｚ方向に変位する。したがって、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。
【００３０】
この振動の検出には、Ｙモードを利用できる。このＹモード（第２の検出モード）は、２つの同位相のビーム３ａおよび３ｄと、２つの同位相のビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよび３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよび３ｃの振動による力は、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部では相殺され、その結果、ビーム３ｇ、３ｈに接続された枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。この時、Ｘモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Ｙモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。
【００３１】
ただし、このＹモードを利用するためには、左右非対称な構造とすることが必要不可欠である。この非対称性がなければ、Ｙモードは、利用できない。仮に左右対称な構造とすれば、付加質量部は、Ｚ軸方向に振動しないか、すべての付加質量部が同相でＺ軸方向に振動する。
【００３２】
前者は、付加質量部をＺ軸方向に２等分する位置にビームを接続した場合である。Ｘモードを励振した状態でＺ軸と平行な軸回りで角速度を印加し、Ｙ軸方向に力を受けても、付加質量部が回転しないため、Ｚ軸方向に変位しない。
【００３３】
後者の場合、左右非対称な場合と同様に、Ｘモードを励振した状態でＺ軸と平行な軸回りで角速度を印加すると、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄは、互いに逆向きのＹ軸方向の力を受ける。また、ビーム３ａ〜３ｄの存在により、Ｙ軸方向の変位を制限するため、それぞれの付加質量部は、ビームとの接続部を中心に回転しようとする。しかし、付加質量部４ａおよび４ｄと、付加質量部４ｂおよび４ｃでは、ビームとの接続位置が左右で逆となる。その結果、付加質量部４ａ〜４ｄは、Ｚ軸方向に同相で変位する。したがって、ビーム３ａ〜３ｄは、同相でＺ軸方向に屈曲振動する。この場合、すべての付加質量部が同じ方向に振動するため、振動子の重心位置が大きく変化し易い。振動ジャイロの設計において、振動子の周波数の設計が非常に重要であるが、周波数の設計と同時に、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部をノード点とする構造設計を行うのは、非常に困難である。
【００３４】
上記の振動の励振および検出には、振動子１に配置した電極を用いる。図３に示したビーム３ｅ、３ｆに形成した駆動電極５ａ、５ｂにＸモードの共振周波数の電気信号を入力することでＸモードを励振し、ビーム３ａ〜３ｄに形成した検出電極６ａ〜６ｄに生じる電荷を検出することで、ＹモードおよびＺモードの振動が検出できる。
【００３５】
この各電極の配置は、それぞれの振動モードにおけるビームの表面に発生する電荷の分布を解析して決定した。図２は電荷の分布を示す模式図である。図２（ａ）はＸモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｂ）はＹモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｃ）はＺモードでの電荷の分布を示す模式図である。図２において、「＋」と「−」は、発生電荷の極性を示し、楕円は、その範囲を示している。この電荷分布は、選択した材料によって異なり、さらに異方性材料であれば、結晶の方位によっても様々な分布を示す。
【００３６】
図４は、本実施の形態における結晶方位を示す図である。図４に示すように、本実施の形態に使用したニオブ酸リチウムからなる圧電単結晶板は、厚さ０．２５ｍｍにＸカットされた素板から、圧電単結晶のＺ’軸と振動子のＺ軸とが成す角度が５０度になるように切り出されたもので、各モードにおける表面に発生する電荷の分布は図２に示した様になる。この電荷分布を考慮して、図３に示すように、ビーム３ｅおよび３ｆの表面にＸモードの振動を励振させるための駆動電極５ａ、５ｂと、基準電位電極７ａ、７ｂとをそれぞれ配置した。
【００３７】
同様に、ビーム３ａ〜３ｄの表面に、ＹモードおよびＺモードの振動検出用の検出電極６ａ〜６ｄと基準電位電極７ｃ〜７ｈを配置した。検出電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄには、ＹモードおよびＺモードの電荷が発生するが、それぞれ発生する電荷の極性が異なるため、加算や差動回路によって、Ｙモードによる発生電荷とＺモードによる発生電荷とを区別することが可能である。
【００３８】
図５は、本発明の一実施の形態における振動ジャイロの回路を示すブロック図である。駆動手段として、電流検出回路９ｅと、位相回路１０ａと、ＡＧＣ回路１１（オートゲインコントロール回路）とを有し、検出手段として、電流検出回路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと、加算回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと、差動回路１３ａ、１３ｂと、位相回路１０ｂと、同期検波回路１５ａ、１５ｂと、フィルタ回路１６ａ、１６ｂとを有し、また各回路の動作基準電位を設定するための基準電位回路１２を有する。
【００３９】
Ｘモードの周波数で、駆動電極５ａおよび５ｂを駆動するには、駆動状態を一定に保つためのＡＧＣ回路１１の出力を駆動電極５ａおよび５ｂに接続し、電流検出回路９ｅを基準電位電極７ａおよび７ｂに接続する。電流検出回路９ｅの仮想接地の効果により、基準電位電極７ａおよび７ｂの電位は、基準電位に固定され、駆動電極５ａおよび５ｂと基準電位電極７ａおよび７ｂの間に駆動電圧を印加することが可能となる。
【００４０】
駆動電極５ａおよび５ｂに流れる駆動電流は、電流検出回路９ｅで検出、移相回路１０ａで位相調整、ＡＧＣ回路１１で振幅調整され、駆動電極５ａおよび５ｂに再び印加される。この閉ループにより、Ｘモードの共振周波数で自励発振させることができる。同時に、ＡＧＣ回路１１の出力は、移相回路１０ｂを通り、同期検波回路１５ａおよび１５ｂの参照信号として入力される。Ｘモードを自励発振させた状態で、Ｚ軸回りの角速度を印加すると、Ｙモードの振動が発生する。Ｙモードの振動により、図２（ｂ）に示す電荷が発生する。
【００４１】
したがって、検出電極６ａおよび６ｄと検出電極６ｂおよび６ｃには、互いに逆位相の電荷が発生する。検出電極６ａ〜６ｄには、電流検出回路９ａ〜９ｄがそれぞれ接続され、それぞれの信号が電圧に変換される。加算回路１４ａには、電流検出回路９ａと９ｄ、加算回路１４ｂには、電流検出回路９ｂと９ｃが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路１４ａと１４ｂは、逆相の信号が出力されるため、差動回路１３ａで増幅することができ、同期検波回路１５ａ、フィルタ回路１６ａによって、Ｚ軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。
【００４２】
同様に、Ｙ軸回りの角速度を印加すると、Ｚモードの振動が発生する。Ｚモードの振動により、図２（ｃ）のような電荷が発生する。したがって、検出電極６ａおよび６ｃと検出電極６ｂおよび６ｄには、互いに逆位相の電荷が発生する。加算回路１４ｃには、電流検出回路９ａと９ｃ、加算回路１４ｄには、電流検出回路９ｂと９ｄが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路１４ｃと１４ｄは、逆相の信号が出力されるため、差動回路１３ｂで増幅することができ、同期検波回路１５ｂ、フィルタ回路１６ｂによって、Ｙ軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。
【００４３】
また、Ｙモードによる発生電荷は、加算回路１４ｃ、１４ｄによって、相殺され、Ｚモードによる発生電荷は、加算回路１４ａ、１４ｂによって、相殺される。したがって、フィルタ回路１６ａの出力は、Ｚ軸回りのみの角速度に比例した出力、フィルタ回路１６ｂの出力は、Ｙ軸回りのみの回転角速度に比例した出力が得られる。すなわち、本実施の形態による振動ジャイロは、Ｙ軸およびＺ軸の２軸の角速度検出が可能な角速度センサとして機能する。
【００４４】
前述の通り、駆動モードの振動が少ない、枠体２で支持できるので、駆動モードの振動を阻害することなく、安定な支持特性が得られる。そして、センサ出力が安定化し、出力ドリフトも低減する。また、枠体２の全周を支持できるので、振動子１に衝撃が加わっても、力を分散でき、耐衝撃性の高い構造となる。さらに、振動子１の平面内の直交する２軸の回転角速度の検出が可能となるので、駆動回路や検出回路および外部端子等の共通部分を共有することができる。加えて、枠体２を支持固定することができるため、実装が容易で、生産性も高くなる。
【００４５】
製造工程においては、圧電単結晶のウエハ上に複数個の前記振動ジャイロ用素子を同時に形成し、枠体２同士が接合した状態であっても、特性を検査することが容易となる。また振動子を１つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うこともでき、容易に検査、調整可能で、後工程の歩留まりも改善できる。
【００４６】
本実施の形態では、ニオブ酸リチウムの圧電単結晶板を利用しているが、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、酸化亜鉛、ＰＺＴ、圧電薄膜等でも、本発明により、有用な振動ジャイロを構成できる。
【００４７】
本実施の形態は、圧電性を利用した振動ジャイロであるが、駆動、検出方法の一部または全部を、電磁誘導の利用や静電力を利用したトランスジューサ、或いは、電極間の容量変化による変位検出によって置換えても良い。
【００４８】
前述のごとく、本発明によれば、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに、外部からの衝撃に対しても堅牢で且つ、２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施の形態での振動ジャイロの振動モードを示す図。図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）はＸモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｇ）、図１（ｈ）、図１（ｉ）はＹモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｊ）、図１（ｋ）、図１（ｌ）はＺモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図。
【図２】電荷の分布を示す模式図。図２（ａ）はＸモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｂ）はＹモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｃ）はＺモードでの電荷の分布を示す模式図。
【図３】本発明の一実施の形態での振動ジャイロ用振動子を示す上面図。
【図４】本発明の一実施の形態での結晶方位を示す図。
【図５】本発明の一実施の形態での振動ジャイロの回路を示すブロック図。
【図６】従来の振動ジャイロ用素子を示す斜視図。
【符号の説明】
【００５０】
１，１１１ 振動子
２ 枠体
３ａ〜３ｈ ビーム
４ａ〜４ｄ 付加質量部
５ａ、５ｂ 駆動電極
６ａ〜６ｄ 検出電極
７ａ〜７ｈ 基準電位電極
９ａ〜９ｅ 電流検出回路
１０ａ、１０ｂ 移相回路
１１ ＡＧＣ回路
１２ 基準電位回路
１３ａ、１３ｂ 差動回路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 加算回路
１５ａ、１５ｂ 同期検波回路
１６ａ、１６ｂ フィルタ回路
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１２ 振動体
１１３ 圧電素子
１１６ 電極
１２１、１２２、１２３、１２４ 切り欠き
Ｎ１、Ｎ２ ノード軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサとして使用される振動ジャイロに関し、特に自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープに好適な振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロとは、速度を持つ物体に回転角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。振動ジャイロは電気的な信号を印加することで機械的な振動（以下、「駆動モード」と呼ぶ。）を励起することができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（以下、「検出モード」と呼ぶ。）の大きさを電気的に検出可能とした系を有し、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした回転角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出できる。この検出された出力電圧は駆動モードの大きさおよび回転角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。
【０００３】
近年、振動ジャイロにおいても、その他の電子部品と同様に小型化、低価格化が急速に進められている。また、例えば、手振れ防止装置等では、一般に２軸の回転角速度の検出が必要であるため、１軸の回転角速度を検出できる製品を２つ使用している場合がほとんどである。このような状況の中で、振動ジャイロの小型化、低価格化へのアプローチの１つとして、２軸の回転角速度の検出を１つの製品内で可能にする検討がなされている。このような構成の場合、１軸の製品を別々に生産するのに比べ、回路や外部入出力端子等の共通部分を共有することが可能となり、小型・低価格化を図ることができる。また、携帯電話機をはじめとした、携帯機器への搭載の検討も始まり、これまで以上に耐衝撃性、高安定化が求められている。
【０００４】
図６は従来の振動ジャイロ用素子を示す斜視図である。図６において、振動子１１１は、エリンバなどの恒弾性金属材料からなる正方形状の板状の振動体１１２と、振動体１１２の主面の中央部に配置された圧電素子１１３とからなる。圧電素子１１３の表面には、複数の分割された電極１１６が配されている。振動体１１２には各辺の中央から中心点に向う４本の切り欠き１２１、１２２、１２３、１２４によって４つの振動体１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが形成されている。振動子１１１は、ノード軸Ｎ１およびノード軸Ｎ２を軸とする軸対称モードで振動し、ノード軸Ｎ１とノード軸Ｎ２の交点付近で支持固定される。角速度の検出は、振動子１１１の平面内で振動するモードを用い、平面内の直交する２軸の角速度の検出を可能としている。このような振動ジャイロは特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３２０６５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来の振動ジャイロ用素子では、支持部を振動子の中央部に設けて、振動子の外周部が自由に振動できるようにする必要があるため、１つずつ振動子を切り出した後でないと振動子の特性評価を行うことができないという問題点がある。
【０００７】
また、中央部での支持は、実装が難しく、振動子の周波数調整やバランス調整を行う場合にも、特殊な治具を作製し、振動子を中央部のみで支持固定して宙吊りにする必要があるため、生産性が低下するという問題点がある。
【０００８】
さらに、中央部のノード付近を支持固定する場合、支持固定できる面積は非常に小さく、振動を阻害せずに支持することは非常に難しく、支持部から振動が漏れると同時に、外部からの振動の影響を受け易く、出力が不安定となる。また、支持が１点であるため、外部から衝撃を受けた場合に、衝撃力がその１点に集中し、破壊し易いという問題点もある。
【０００９】
したがって、本発明は上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに、外部からの衝撃に対しても堅牢で且つ、２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、略四角の平板に貫通穴加工を施し、振動可能な付加質量部をビームで支える構造を形成することで、励振部と検出部として機能させ、支持をその外縁部で行うことをその要旨とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、平面内に形成された、４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが時計回りに配置され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、４つの柱状のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの一端が、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに、それぞれ接続され、前記ビーム３ａ、３ｄの前記付加質量部に接続されない他端同士および前記ビーム３ｂ、３ｃの前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、２つの柱状のビーム３ｅ、３ｆの一端が、それぞれ前記ビーム３ａ、３ｄの接続部および前記ビーム３ｂ、３ｃの接続部に接続され、前記ビーム３ｅ、３ｆでの前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには接続されない他端同士を接続した構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、２つの同位相の付加質量部４ａ、４ｃと２つの同位相の付加質量部４ｂ、４ｄとが互いに逆位相で振動し且つ付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを形成した平面と垂直な面外方向に振動する駆動モードの駆動手段と、付加質量部４ａ、４ｂの重心間の中点および付加質量部４ｃ、４ｄの重心間の中点を通る第１の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、付加質量部４ａ、４ｄの重心間の中点および付加質量部４ｂ、４ｃの重心間の中点を通り前記第１の軸に直交する第２の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄおよび前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆの配置がその配置面内で前記第２の軸に関して略対称な構造を有し且つ前記第１の軸に関して非対称な構造を有し、前記第１の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｃと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｄとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第１の検出モードを用い、前記第２の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｄと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｃとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第２の検出モードを用いたことを特徴とする振動ジャイロである。
【００１２】
この駆動モードは、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、且つ、付加質量部を形成した平面と垂直な面外方向に振動する。この駆動モードは、非常に対称性が良く、ビーム３ｅと３ｆに捩れを発生させるが、ビーム３ｅと３ｆの接続部で力が相殺され、その接続部は、駆動モードのノード点となる。
【００１３】
前述の駆動モードを励振した状態で、第１の軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、第２の軸方向に振動する。この振動の検出には、第１の検出モードを利用できる。この第１の検出モードは、ビーム３ａおよび３ｃと、ビーム３ｂおよび３ｄとが互いに逆位相で、第２の軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよび３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよび３ｃの振動による力は、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部で相殺され、その接続部は、第１の検出モードのノード点となる。
【００１４】
同様に、駆動モードを励振した状態で、第２の軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、第１の軸方向に力を受ける。しかし、付加質量部４ａ〜４ｄには、それぞれビーム３ａ〜３ｄが接続され、第１の軸方向の変位が制限されている。したがって、それぞれの付加質量部は、回転し、第２の軸方向に振動することとなる。
【００１５】
ここで、前述の通り、振動子は、第１の軸を通る平面に関して、非対称な構造を有している。この非対称性により、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、第２の軸方向に屈曲振動する。この振動の検出には、第２の検出モードを利用できる。この第２の検出モードは、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、第２の軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよび３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよび３ｃの振動による力は、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部で相殺され、その接続部は、第２の検出モードのノード点となる。
【００１６】
ただし、この第２の検出モードを利用するためには、第１の軸を通る平面に関して、非対称な構造とすることが必要不可欠である。この非対称性がなければ、前述の第２の検出モードは、利用できない。仮に第１の軸を通る平面に関して、対称な構造とすれば、付加質量部は、第２の軸方向に振動しないか、すべての付加質量部が同相で第２の軸方向に振動する。第２の軸方向に振動しない場合、角速度の検出ができない。すべての付加質量部が同相で第２の軸方向に振動する場合、ビーム３ａ〜３ｄは、付加質量部と同様に、同相で第２の軸方向に屈曲振動する。この場合、すべての付加質量部が同じ方向に振動するため、振動子の重心位置が大きく変化し易い。振動ジャイロの設計において、振動子の周波数の設計が非常に重要であるが、周波数の設計と同時に、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部をノード点とする構造設計を行うのは、非常に困難である。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の振動ジャイロにおいて、前記付加質量部と同一平面内に形成された２つの柱状のビーム３ｇ、３ｈの一端が、いずれも前記ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部に接続され、且つ前記付加質量部を形成した平面と垂直で前記第２の軸を通る平面に関して略対称に配置され、前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記ビーム３ｇ、３ｈの他端は前記枠体に接続され、前記枠体を介して、前記振動子が支持されたことを特徴とする振動ジャイロである。
【００１８】
このビーム３ｅとビーム３ｆの接続部は、駆動モード、第１、第２の検出モードのすべてに対して、ノード点となっているため、その接続部をビーム３ｇおよび３ｈを介して、振動子外周に配置された枠体に接続しても、枠体への振動の伝播は少なく、枠体もノード点となる。したがって、振動子の外縁部を支持することが可能となり、良好な支持特性が得られ、出力ドリフトも低減し、実装が容易で生産性も高くなる。また、振動子の外縁部の全周を支持することも可能であり、衝撃が加わっても、衝撃力が分散するので、外部衝撃に強く、安定性が高い、高信頼性の振動ジャイロ用素子が提供できる。さらに、振動子の製造工程において、ウエハ上に複数個の振動子を同時に形成し、外縁同士が接続した状態においても、振動ジャイロ用素子特性を検査することが容易となる。振動子を１つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うことができる。また、容易に検査、調整が可能で、後工程の歩留まりも改善でき、生産性が非常に高くなる。
【００１９】
さらに、本発明によれば、振動ジャイロ用振動子の平面内の２軸の角速度を検出できる。一般的なデジタルスチルカメラ等で使用する場合、そのまま基板上に実装できるので、実装が容易となる。また、１つの振動子で２軸の回転角速度の検出が可能であるため、回路や外部端子等の共通部分を共有することで、１軸の製品を２つ使用するのに比べ、小型・低コスト化が可能となる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の振動ジャイロにおいて、前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されてなることを特徴とする振動ジャイロである。本発明は、平面的な構造をとっており、四角形状の圧電単結晶板に穴あけ加工を施すことで、容易に形成でき、生産性が高い。さらに、ニオブ酸リチウムなど、高結合材料を用い、駆動モードの励振、検出モードの検出を行うことで、ＳＮ比の高い振動ジャイロ用素子が提供できる。
【発明の効果】
【００２１】
前記のごとく、本発明によれば、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに外部からの衝撃に対しても堅牢で、且つ、２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図３は本発明の一実施の形態での振動ジャイロ用振動子を示す上面図である。２．７ｍｍ×３．８ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの四辺形状のニオブ酸リチウム圧電単結晶板に穴加工を施すことで、１枚の圧電単結晶板の同一面内に、付加質量部４ａ〜４ｄを、ビーム３ａ〜３ｈによって、枠体２に接続し、振動子１を形成している。付加質量部４ａ〜４ｄには、それぞれ、ビーム３ａ〜３ｄが接続されているが、各付加質量部の左端にビームが接続されているため、本実施の形態では、振動子１は、紙面に対して、上下対称、左右非対称な形状となっている。
【００２４】
また、ビーム３ａの表面には検出電極６ａ、基準電位電極７ｃ、７ｄを、ビーム３ｂの表面には検出電極６ｂ、基準電位電極７ｆ、７ｇを、ビーム３ｃの表面には検出電極６ｃ、基準電位電極７ｆ、７ｈを、ビーム３ｄの表面には検出電極６ｄ、基準電位電極７ｃ、７ｅを、ビーム３ｅの表面には駆動電極５ａ、基準電位電極７ａを、ビーム３ｆの表面には駆動電極５ｂ、基準電位電極７ｂを形成した。各電極は、クロムを下地とした金により電極を形成した。
【００２５】
ここで、本実施の形態による振動ジャイロの動作原理について説明する。図１は本実施の形態における振動ジャイロの振動モードを示す図である。すなわち、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）はＸモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｇ）、図１（ｈ）、図１（ｉ）はＹモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｊ）、図１（ｋ）、図１（ｌ）はＺモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図である。
【００２６】
図１（ｄ）〜図１（ｆ）に示すＸモードでは、図３を同時に参照し、２つの同位相の付加質量部４ａおよび４ｃと、２つの同位相の付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、且つ、付加質量部をＸ軸方向に振動する。この駆動モードは、非常に対称性が良く、ビーム３ｅ、３ｆに捩れを発生させるが、ビーム３ｅ、３ｆの接続部で力が相殺され、その結果、ビーム３ｇ、３ｈに接続された枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。
【００２７】
Ｘモードを励振した状態で、Ｙ軸（第１の軸）と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に振動する。この振動の検出には、図１（ｊ）〜図１（ｌ）に示すＺモードを利用できる。このＺモード（第１の検出モード）は、２つの同位相のビーム３ａおよび３ｃと、２つの同位相のビーム３ｂおよび３ｄとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよびビーム３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよびビーム３ｃの振動による力とは、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部で相殺され、その結果、ビーム３ｇ、３ｈに接続された枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。この時、Ｘモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Ｚモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。
【００２８】
同様に、Ｘモードを励振した状態で、Ｚ軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄとが互いに逆位相で、Ｙ軸方向に力を受ける。しかし、付加質量部４ａ〜４ｄには、それぞれビーム３ａ〜３ｄが接続され、Ｙ軸方向の変位が制限されている。したがって、それぞれの付加質量部は、回転し、Ｚ軸方向に振動することとなる。
【００２９】
ここで、前述の通り、振動子は、左右非対称な構造を有している。この非対称性により、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。すなわち、Ｘモードを励振することで、付加質量部４ａおよび４ｃが＋Ｘ方向の速度を持ち、付加質量部４ｂおよび４ｄが−Ｘ方向の速度を持った状態において、Ｚ軸（第２の軸）と平行な軸回りの角速度を印加し、コリオリ力が発生すると、付加質量部４ａおよび４ｃは、−Ｙ方向に力を受け、付加質量部４ｂおよび４ｄは、＋Ｙ方向に力を受ける。しかし、ビーム３ａ〜３ｄの存在により、Ｙ軸方向の変位を制限するため、それぞれの付加質量部は、ビームとの接続部を中心に回転しようとする。その結果、付加質量部４ａおよび４ｄは、−Ｚ方向に変位し、付加質量部４ｂおよび４ｃは、＋Ｚ方向に変位する。したがって、ビーム３ａおよび３ｄと、ビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。
【００３０】
この振動の検出には、Ｙモードを利用できる。このＹモード（第２の検出モード）は、２つの同位相のビーム３ａおよび３ｄと、２つの同位相のビーム３ｂおよび３ｃとが互いに逆位相で、Ｚ軸方向に屈曲振動する。ビーム３ａおよび３ｂと、ビーム３ｃおよび３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム３ａおよび３ｄの振動による力と、ビーム３ｂおよび３ｃの振動による力は、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部では相殺され、その結果、ビーム３ｇ、３ｈに接続された枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。この時、Ｘモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Ｙモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。
【００３１】
ただし、このＹモードを利用するためには、左右非対称な構造とすることが必要不可欠である。この非対称性がなければ、Ｙモードは、利用できない。仮に左右対称な構造とすれば、付加質量部は、Ｚ軸方向に振動しないか、すべての付加質量部が同相でＺ軸方向に振動する。
【００３２】
前者は、付加質量部をＺ軸方向に２等分する位置にビームを接続した場合である。Ｘモードを励振した状態でＺ軸と平行な軸回りで角速度を印加し、Ｙ軸方向に力を受けても、付加質量部が回転しないため、Ｚ軸方向に変位しない。
【００３３】
後者の場合、左右非対称な場合と同様に、Ｘモードを励振した状態でＺ軸と平行な軸回りで角速度を印加すると、付加質量部４ａおよび４ｃと、付加質量部４ｂおよび４ｄは、互いに逆向きのＹ軸方向の力を受ける。また、ビーム３ａ〜３ｄの存在により、Ｙ軸方向の変位を制限するため、それぞれの付加質量部は、ビームとの接続部を中心に回転しようとする。しかし、付加質量部４ａおよび４ｄと、付加質量部４ｂおよび４ｃでは、ビームとの接続位置が左右で逆となる。その結果、付加質量部４ａ〜４ｄは、Ｚ軸方向に同相で変位する。したがって、ビーム３ａ〜３ｄは、同相でＺ軸方向に屈曲振動する。この場合、すべての付加質量部が同じ方向に振動するため、振動子の重心位置が大きく変化し易い。振動ジャイロの設計において、振動子の周波数の設計が非常に重要であるが、周波数の設計と同時に、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部をノード点とする構造設計を行うのは、非常に困難である。
【００３４】
上記の振動の励振および検出には、振動子１に配置した電極を用いる。図３に示したビーム３ｅ、３ｆに形成した駆動電極５ａ、５ｂにＸモードの共振周波数の電気信号を入力することでＸモードを励振し、ビーム３ａ〜３ｄに形成した検出電極６ａ〜６ｄに生じる電荷を検出することで、ＹモードおよびＺモードの振動が検出できる。
【００３５】
この各電極の配置は、それぞれの振動モードにおけるビームの表面に発生する電荷の分布を解析して決定した。図２は電荷の分布を示す模式図である。図２（ａ）はＸモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｂ）はＹモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｃ）はＺモードでの電荷の分布を示す模式図である。図２において、「＋」と「−」は、発生電荷の極性を示し、楕円は、その範囲を示している。この電荷分布は、選択した材料によって異なり、さらに異方性材料であれば、結晶の方位によっても様々な分布を示す。
【００３６】
図４は、本実施の形態における結晶方位を示す図である。図４に示すように、本実施の形態に使用したニオブ酸リチウムからなる圧電単結晶板は、厚さ０．２５ｍｍにＸカットされた素板から、圧電単結晶のＺ’軸と振動子のＺ軸とが成す角度が５０度になるように切り出されたもので、各モードにおける表面に発生する電荷の分布は図２に示した様になる。この電荷分布を考慮して、図３に示すように、ビーム３ｅおよび３ｆの表面にＸモードの振動を励振させるための駆動電極５ａ、５ｂと、基準電位電極７ａ、７ｂとをそれぞれ配置した。
【００３７】
同様に、ビーム３ａ〜３ｄの表面に、ＹモードおよびＺモードの振動検出用の検出電極６ａ〜６ｄと基準電位電極７ｃ〜７ｈを配置した。検出電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄには、ＹモードおよびＺモードの電荷が発生するが、それぞれ発生する電荷の極性が異なるため、加算や差動回路によって、Ｙモードによる発生電荷とＺモードによる発生電荷とを区別することが可能である。
【００３８】
図５は、本発明の一実施の形態における振動ジャイロの回路を示すブロック図である。駆動手段として、電流検出回路９ｅと、位相回路１０ａと、ＡＧＣ回路１１（オートゲインコントロール回路）とを有し、検出手段として、電流検出回路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと、加算回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと、差動回路１３ａ、１３ｂと、位相回路１０ｂと、同期検波回路１５ａ、１５ｂと、フィルタ回路１６ａ、１６ｂとを有し、また各回路の動作基準電位を設定するための基準電位回路１２を有する。
【００３９】
Ｘモードの周波数で、駆動電極５ａおよび５ｂを駆動するには、駆動状態を一定に保つためのＡＧＣ回路１１の出力を駆動電極５ａおよび５ｂに接続し、電流検出回路９ｅを基準電位電極７ａおよび７ｂに接続する。電流検出回路９ｅの仮想接地の効果により、基準電位電極７ａおよび７ｂの電位は、基準電位に固定され、駆動電極５ａおよび５ｂと基準電位電極７ａおよび７ｂの間に駆動電圧を印加することが可能となる。
【００４０】
駆動電極５ａおよび５ｂに流れる駆動電流は、電流検出回路９ｅで検出、移相回路１０ａで位相調整、ＡＧＣ回路１１で振幅調整され、駆動電極５ａおよび５ｂに再び印加される。この閉ループにより、Ｘモードの共振周波数で自励発振させることができる。同時に、ＡＧＣ回路１１の出力は、移相回路１０ｂを通り、同期検波回路１５ａおよび１５ｂの参照信号として入力される。Ｘモードを自励発振させた状態で、Ｚ軸回りの角速度を印加すると、Ｙモードの振動が発生する。Ｙモードの振動により、図２（ｂ）に示す電荷が発生する。
【００４１】
したがって、検出電極６ａおよび６ｄと検出電極６ｂおよび６ｃには、互いに逆位相の電荷が発生する。検出電極６ａ〜６ｄには、電流検出回路９ａ〜９ｄがそれぞれ接続され、それぞれの信号が電圧に変換される。加算回路１４ａには、電流検出回路９ａと９ｄ、加算回路１４ｂには、電流検出回路９ｂと９ｃが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路１４ａと１４ｂは、逆相の信号が出力されるため、差動回路１３ａで増幅することができ、同期検波回路１５ａ、フィルタ回路１６ａによって、Ｚ軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。
【００４２】
同様に、Ｙ軸回りの角速度を印加すると、Ｚモードの振動が発生する。Ｚモードの振動により、図２（ｃ）のような電荷が発生する。したがって、検出電極６ａおよび６ｃと検出電極６ｂおよび６ｄには、互いに逆位相の電荷が発生する。加算回路１４ｃには、電流検出回路９ａと９ｃ、加算回路１４ｄには、電流検出回路９ｂと９ｄが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路１４ｃと１４ｄは、逆相の信号が出力されるため、差動回路１３ｂで増幅することができ、同期検波回路１５ｂ、フィルタ回路１６ｂによって、Ｙ軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。
【００４３】
また、Ｙモードによる発生電荷は、加算回路１４ｃ、１４ｄによって、相殺され、Ｚモードによる発生電荷は、加算回路１４ａ、１４ｂによって、相殺される。したがって、フィルタ回路１６ａの出力は、Ｚ軸回りのみの角速度に比例した出力、フィルタ回路１６ｂの出力は、Ｙ軸回りのみの回転角速度に比例した出力が得られる。すなわち、本実施の形態による振動ジャイロは、Ｙ軸およびＺ軸の２軸の角速度検出が可能な角速度センサとして機能する。
【００４４】
前述の通り、駆動モードの振動が少ない、枠体２で支持できるので、駆動モードの振動を阻害することなく、安定な支持特性が得られる。そして、センサ出力が安定化し、出力ドリフトも低減する。また、枠体２の全周を支持できるので、振動子１に衝撃が加わっても、力を分散でき、耐衝撃性の高い構造となる。さらに、振動子１の平面内の直交する２軸の回転角速度の検出が可能となるので、駆動回路や検出回路および外部端子等の共通部分を共有することができる。加えて、枠体２を支持固定することができるため、実装が容易で、生産性も高くなる。
【００４５】
製造工程においては、圧電単結晶のウエハ上に複数個の前記振動ジャイロ用素子を同時に形成し、枠体２同士が接合した状態であっても、特性を検査することが容易となる。また振動子を１つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うこともでき、容易に検査、調整可能で、後工程の歩留まりも改善できる。
【００４６】
本実施の形態では、ニオブ酸リチウムの圧電単結晶板を利用しているが、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、酸化亜鉛、ＰＺＴ、圧電薄膜等でも、本発明により、有用な振動ジャイロを構成できる。
【００４７】
本実施の形態は、圧電性を利用した振動ジャイロであるが、駆動、検出方法の一部または全部を、電磁誘導の利用や静電力を利用したトランスジューサ、或いは、電極間の容量変化による変位検出によって置換えても良い。
【００４８】
前述のごとく、本発明によれば、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに、外部からの衝撃に対しても堅牢で且つ、２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施の形態での振動ジャイロの振動モードを示す図。図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）はＸモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｇ）、図１（ｈ）、図１（ｉ）はＹモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図１（ｊ）、図１（ｋ）、図１（ｌ）はＺモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図。
【図２】電荷の分布を示す模式図。図２（ａ）はＸモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｂ）はＹモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｃ）はＺモードでの電荷の分布を示す模式図。
【図３】本発明の一実施の形態での振動ジャイロ用振動子を示す上面図。
【図４】本発明の一実施の形態での結晶方位を示す図。
【図５】本発明の一実施の形態での振動ジャイロの回路を示すブロック図。
【図６】従来の振動ジャイロ用素子を示す斜視図。
【符号の説明】
【００５０】
１，１１１ 振動子
２ 枠体
３ａ〜３ｈ ビーム
４ａ〜４ｄ 付加質量部
５ａ、５ｂ 駆動電極
６ａ〜６ｄ 検出電極
７ａ〜７ｈ 基準電位電極
９ａ〜９ｅ 電流検出回路
１０ａ、１０ｂ 移相回路
１１ ＡＧＣ回路
１２ 基準電位回路
１３ａ、１３ｂ 差動回路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 加算回路
１５ａ、１５ｂ 同期検波回路
１６ａ、１６ｂ フィルタ回路
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１２ 振動体
１１３ 圧電素子
１１６ 電極
１２１、１２２、１２３、１２４ 切り欠き
Ｎ１、Ｎ２ ノード軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面内に形成された、４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが時計回りに配置され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、４つの柱状のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの一端が、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに、それぞれ接続され、
前記ビーム３ａ、３ｄの前記付加質量部に接続されない他端同士および前記ビーム３ｂ、３ｃの前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、
前記付加質量部と同一平面内に形成された、２つの柱状のビーム３ｅ、３ｆの一端が、それぞれ前記ビーム３ａ、３ｄの接続部および前記ビーム３ｂ、３ｃの接続部に接続され、
前記ビーム３ｅ、３ｆでの前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには接続されない他端同士を接続した構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、
２つの同位相の付加質量部４ａ、４ｃと２つの同位相の付加質量部４ｂ、４ｄとが互いに逆位相で振動し且つ付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを形成した平面と垂直な面外方向に振動する駆動モードの駆動手段と、
付加質量部４ａ、４ｂの重心間の中点および付加質量部４ｃ、４ｄの重心間の中点を通る第１の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、
付加質量部４ａ、４ｄの重心間の中点および付加質量部４ｂ、４ｃの重心間の中点を通り、前記第１の軸に直交する第２の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、
前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄおよび前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆの配置がその配置面内で前記第２の軸に関して略対称な構造を有し且つ前記第１の軸に関して非対称な構造を有し、
前記第１の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｃと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｄとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第１の検出モードを用い、
前記第２の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｄと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｃとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第２の検出モードを用いたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の振動ジャイロにおいて、
前記付加質量部と同一平面内に形成された２つの柱状のビーム３ｇ、３ｈの一端が、いずれも前記ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部に接続され、且つ前記付加質量部を形成した平面と垂直で前記第２の軸を通る平面に関して略対称に配置され、
前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記ビーム３ｇ、３ｈの他端は前記枠体に接続され、前記枠体を介して、前記振動子が支持されたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項３】
請求項１または２記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されてなることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項１】
平面内に形成された、４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが時計回りに配置され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、４つの柱状のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの一端が、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに、それぞれ接続され、
前記ビーム３ａ、３ｄの前記付加質量部に接続されない他端同士および前記ビーム３ｂ、３ｃの前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、
前記付加質量部と同一平面内に形成された、２つの柱状のビーム３ｅ、３ｆの一端が、それぞれ前記ビーム３ａ、３ｄの接続部および前記ビーム３ｂ、３ｃの接続部に接続され、
前記ビーム３ｅ、３ｆでの前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには接続されない他端同士を接続した構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、
２つの同位相の付加質量部４ａ、４ｃと２つの同位相の付加質量部４ｂ、４ｄとが互いに逆位相で振動し且つ付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを形成した平面と垂直な面外方向に振動する駆動モードの駆動手段と、
付加質量部４ａ、４ｂの重心間の中点および付加質量部４ｃ、４ｄの重心間の中点を通る第１の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、
付加質量部４ａ、４ｄの重心間の中点および付加質量部４ｂ、４ｃの重心間の中点を通り、前記第１の軸に直交する第２の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、
前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄおよび前記ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆの配置がその配置面内で前記第２の軸に関して略対称な構造を有し且つ前記第１の軸に関して非対称な構造を有し、
前記第１の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｃと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｄとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第１の検出モードを用い、
前記第２の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相のビーム３ａ、３ｄと、２つの同位相のビーム３ｂ、３ｃとが互いに逆位相で振動し且つ前記第２の軸方向に屈曲振動する第２の検出モードを用いたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の振動ジャイロにおいて、
前記付加質量部と同一平面内に形成された２つの柱状のビーム３ｇ、３ｈの一端が、いずれも前記ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部に接続され、且つ前記付加質量部を形成した平面と垂直で前記第２の軸を通る平面に関して略対称に配置され、
前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記ビーム３ｇ、３ｈの他端は前記枠体に接続され、前記枠体を介して、前記振動子が支持されたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項３】
請求項１または２記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されてなることを特徴とする振動ジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１４５３２５（Ｐ２００８−１４５３２５Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３４３４１（Ｐ２００６−３３４３４１）
【出願日】平成１８年１２月１２日（２００６．１２．１２）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１２日（２００６．１２．１２）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
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