振動ジャイロ
【課題】 Ｘ軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、Ｚ軸を含む複数の軸の角速度を検出することが可能な低背化された振動ジャイロを提供すること。
【解決手段】 Ｙ軸及びＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロであって、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアーム４と、その一端に接続され第１のアーム４の中心軸に関して対称な連結部３と、そのＸ軸方向の両端に接続されＹ軸方向に長手方向を有する第２のアーム５ａ、５ｂと、Ｙ軸方向に長手方向を有する第３のアーム７ａ、７ｂとを有する振動子を有し、第２のアームをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段、第１のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段、第２のアームのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段、および、第３のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段を備え、Ｘ軸方向の加速度によって第１の検出手段に生じる誤差信号を、第２の検出手段に生じる検出信号によって相殺する。
【解決手段】 Ｙ軸及びＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロであって、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアーム４と、その一端に接続され第１のアーム４の中心軸に関して対称な連結部３と、そのＸ軸方向の両端に接続されＹ軸方向に長手方向を有する第２のアーム５ａ、５ｂと、Ｙ軸方向に長手方向を有する第３のアーム７ａ、７ｂとを有する振動子を有し、第２のアームをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段、第１のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段、第２のアームのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段、および、第３のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段を備え、Ｘ軸方向の加速度によって第１の検出手段に生じる誤差信号を、第２の検出手段に生じる検出信号によって相殺する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム等に使用される角速度を検出する振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロは、速度を持つ物体に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。圧電素子などの電気機械変換素子を用いて電気的な信号を印加することで機械的な振動、すなわち駆動振動モードを励起させることができ、且つ、駆動振動モードと直交する方向の機械的な振動、すなわち検出振動モードの大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動モードを励振した状態で、駆動振動モードの振動方向および検出振動モードの振動方向に垂直な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出振動モードが発生し、出力信号として検出される。検出された出力信号は駆動振動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動モードの大きさを一定にした状態では、出力信号の大きさから角速度の大きさを求めることができる。このような方式の振動ジャイロは、現在、ビデオカメラ等の手振れ補正やカーナビゲーション用センサとして応用されている。
【０００３】
一般に、単純な音片形や音さ形の振動子を用いた振動ジャイロでは、検出したい軸と振動子の長手方向を平行に配置させなければならない。そのため、高さ方向の軸の検出には、振動ジャイロの低背化が課題となる。特許文献１には、このような低背化の課題を解決するための振動ジャイロに係る技術が開示されている。
【０００４】
図５は、特許文献１の図３に開示されている従来の振動ジャイロの検出素子の斜視図である。振動子１０１は、ＸＹ平面に平行な平板で構成され、一対の振動片１０２ａ、１０２ｂを基部１０３に接合し、さらに、支持体１０６を介して外部の固定部材１０５に接続して構成される。
【０００５】
角速度を測定するには、まず振動片１０２ａ、１０２ｂをＸ方向に互いに位相が逆になるよう振動させる。この状態でＺ軸周りに回転角速度ωが作用すると、コリオリ力により、振動片１０２ａ、１０２ｂにはＹ軸に沿って互いに逆向きの力Ｆ１、Ｆ２が作用する。その結果、基部１０３の両端に同じ向きのモーメントＭ１、Ｍ２が働き。このモーメントにより、支持体１０６に屈曲振動が生じる。この屈曲振動を検出することで、回転角速度ωを測定することができる。このように、ＸＹ平面に平行な平板で構成された素子によって、高さ方向の軸（Ｚ軸）の周りの角速度の検出を可能とし、振動ジャイロを低背化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１６０４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の発明による振動ジャイロは、Ｘ軸方向の加速度に対して、誤差信号を発生しやすい構成である。すなわち、図５の振動ジャイロにおいては、Ｚ軸周りの角速度によって生じるコリオリ力を支持体１０６に生じるＸ軸方向の屈曲振動として検出するが、Ｘ軸方向に加速度を印加した場合にも同様のＸ軸方向の屈曲振動が生じるため、検出信号からＺ軸周りの角速度による信号とＸ軸方向の加速度による信号を区別することが難しい。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、Ｚ軸周りの角速度を検出することが可能で、Ｘ軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、かつ、高精度で小型の低背化された振動ジャイロを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明による振動ジャイロは、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３つの軸で表される空間において、ＸＹ平面に平行な平板にＺ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する、少なくともＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロであって、前記振動子は、前記平板の周辺部の少なくとも一部に設けた基部に一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアームと、前記第１のアームの他端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部と、前記連結部のＸ軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第２のアームと、前記基部にそれぞれ一端を接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、Ｙ軸方向に長手方向を有する少なくとも１対以上の第３のアームとを有し、前記第２のアームをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、前記第１のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段と、前記第３のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段とを備え、前記駆動手段は前記第２のアーム上に形成された駆動電極を有し、前記第１の検出手段は前記第１のアーム上に形成された検出電極を有し、前記第２の検出手段は前記第３のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｘ軸方向の加速度によって前記第１の検出手段によるＺ軸周りの角速度の検出において生ずる誤差信号の少なくとも一部を、前記第２の検出手段による検出信号によって相殺することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記第２のアームのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段を備え、前記第３の検出手段は前記第２のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｙ軸周りの角速度を検出可能としてもよい。
【００１１】
また、前記第２のアームまたは前記第３のアームの少なくとも一方のアームの先端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、少なくとも１対以上の付加質量部を備えてもよい。
【００１２】
また、前記第２のアームおよび前記連結部のＸＹ平面に平行な面の外形はいずれもＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状を有し、前記連結部のＹ軸方向の辺の長さは、前記第２のアームのＸ軸方向の辺の長さに対し、２倍以上４倍以下であってもよい。
【００１３】
また、前記駆動手段により前記第１の連結部に生ずる振動の最大変位量は、前記駆動手段により前記第２のアームに生ずる前記屈曲振動の最大変位量に比べて１０％以下であってもよい。
【００１４】
また、前記駆動手段、前記第１の検出手段および前記第２の検出手段は、それぞれ圧電薄膜を有していてもよい。
【００１５】
本発明の振動ジャイロは、上記のように、１対の第２のアームが連結部によって、第１のアームの長手方向の軸に関して対称に接続された振動子を有する振動ジャイロである。一対の第２のアームが互いに逆向きでＸ軸方向に変位する振動は、安定な特性が得られる。一対の第２のアームの変位によって発生する力は、連結部と第１のアームの接続部付近で相殺され、ノード点となる。この振動を駆動振動モードとして選択するのが好ましい。この駆動振動モードは、第２のアームに形成された駆動電極を含む駆動手段によって励振することができる。
【００１６】
また、連結部は、電気的な接続や振動の伝播を意図して形成されたものであって、振動の励振や検出を目的としていない。連結部が第１のアームや第２のアームに対して十分な剛性を持っている場合、前述の駆動振動モードを励振しても連結部に生ずる変位は非常に小さいので、駆動振動モードの励振時での第２のアームの変位はＸ軸方向にほぼ限定される。このためには、連結部に生ずる振動の最大変位量が第２のアームに生ずる屈曲振動の最大変位量に比べて十分に小さいこと、例えば１０％以下であることが必要である。このような連結部は、例えば、第２のアームおよび連結部のＸＹ平面に平行な面の外形をＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状とし、連結部のＹ軸方向の辺の長さを、第２のアームのＸ軸方向の辺の長さに対し、２倍以上とすることによって得られる。
【００１７】
前述の駆動振動モードを励振した状態において、Ｙ軸周りの角速度を印加すると、一対の第２のアームは発生したコリオリ力によって互いに逆向きにＺ軸方向への力を受ける。したがって、第２のアームはＺ軸方向へ変位する。このＺ軸方向の変位は、第２のアームに形成された検出電極を含む第３の検出手段によって検出することができる。これにより、Ｙ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００１８】
同様に、前述の駆動振動モードを励振した状態において、Ｚ軸周りの角速度を印加すると、一対の第２のアームは発生したコリオリ力によって互いに逆向きにＹ軸方向への力を受ける。したがって、第２のアームはＹ軸方向へ変位する。ただし、この力は第２のアームの長手方向へ働く力であるため、ほぼ変形を伴わない。第２のアームは、Ｘ軸およびＺ軸方向に比べ、Ｙ軸方向に対して十分な剛性を持っているため、この力によって第３の検出手段に発生する信号は、十分に無視できる大きさである。
【００１９】
この第２のアームのＹ軸方向への変位は、連結部にＺ軸周りのモーメントを与える。したがって、連結部に接続された第１のアームはＸ軸方向へ変位する。このＸ軸方向の変位は、第１のアームに形成された検出電極を含む第１の検出手段によって検出することができる。これにより、Ｚ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００２０】
また、第３のアームと第２の検出手段により、並進運動での加速度に対する誤差出力も低減できる。通常、振動ジャイロの検出出力は、駆動信号等を参照信号とした同期検波による信号処理によって行われるため、駆動振動モードの周波数以外の信号成分は除去されるが、片持ち梁等の振動子の１素子での振動ジャイロの構成では、加速度に対する検出信号と角速度に対する検出信号の分離が難しく、加速度による誤差出力を無視できない場合がある。
【００２１】
本発明の振動ジャイロにＸ軸方向への加速度を印加した場合、第１および第２のアームは、同時にＸ軸方向へ屈曲変位する。これは、Ｘ軸方向への変位であるため、Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。ただし、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、同様のＸ軸方向の変位となるため、第１の検出手段に加速度による信号出力が発生し、誤差信号となる。
【００２２】
しかし、本発明においては、第３のアームも同時にＸ軸方向へ屈曲変位しており、この屈曲変位は、第２の検出手段により検出される。この検出信号は、第１の検出手段に発生する誤差信号と同振幅、逆位相とすることができるため、第１の検出手段と第２の検出手段による検出信号を直接加算するか、または、第２の検出手段による検出信号を用いた所定の信号処理によって、Ｚ軸周りの角速度の検出に関して、Ｘ軸方向の加速度の影響を除去できる。
【００２３】
同様に、Ｙ軸方向への加速度を印加した場合、第１のアーム、第２のアームおよび第３のアームは、同時にＹ軸方向へ力を受ける。しかしこの力は、それぞれのアームにおいて、アームの長さ方向への力となるため、変形は十分に小さく、検出出力に対する誤差出力の影響は小さい。
【００２４】
さらに、Ｚ軸方向への加速度を印加した場合、第１のアーム、第２のアームおよび第３のアームは、同時にＺ軸方向へ屈曲変位する。これは、Ｚ軸方向への変位であるため、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。
【００２５】
しかし、Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、同様のＺ軸方向の変位となるため、第３の検出手段に信号が発生する。しかし、一対の第２のアームは、Ｚ軸方向へ加速度が印加された場合には同じ向きにＺ軸方向へ屈曲変位し、Ｙ軸周りの角速度が印加された場合は、互いに逆向きにＺ軸方向へ屈曲変位するため、所定の信号処理によってＹ軸周りの角速度の検出に関しても加速度の影響は除去できる。
【００２６】
上記のように、本発明においては、安定な駆動振動モードが得られるので、高いＱ値の振動が期待できる。さらに、第２のアームの先端に付加質量部を設けることにより、共振周波数を低く設計できるため、振動変位量を増大して感度を高めることができる。同様に、第３のアームの先端に質量付加部を設ければ第２の検出手段の感度を高めることができる。また、駆動振動方向をＸ軸方向へ限定することが可能で、不要な駆動振動が少ないため、他軸感度が小さい。このように、本発明により、高いＱ値と低い共振周波数設計により変位を大きくすることが可能であり、高感度で他軸感度の小さな振動ジャイロが得られる。さらに、加速度を検出する第２の検出手段によって、加速度による誤差信号を相殺し、並進加速度の影響を受けない、Ｙ軸およびＺ軸の角速度の検出が可能な振動ジャイロが得られる。
【発明の効果】
【００２７】
上述の構成によって、本発明は以下のような効果を奏する。すなわち、本発明の振動ジャイロは、Ｘ軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、Ｚ軸またはＺ軸とＹ軸の角速度の検出が可能である。また、連結部が変形しないため、駆動振動方向をＸ軸方向へ限定することが可能であり、これにより他軸感度を小さくできる。さらに、Ｑ値の高い駆動振動モードにより高感度が得られる。また、並進運動の加速度に対する誤差出力が小さい。これらにより、高精度で小型の振動ジャイロを提供することができる。
【００２８】
すなわち、本発明により、Ｚ軸周りの角速度を検出することが可能で、Ｘ軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、かつ、高精度で小型の低背化された振動ジャイロを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による振動ジャイロの一実施の形態における検出素子の斜視図。
【図２】本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第１のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図。
【図３】本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第２のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図。
【図４】本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第３のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図。
【図５】従来の振動ジャイロの検出素子の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明による振動ジャイロの一実施の形態における検出素子の斜視図である。また、図２は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第１のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図３は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第２のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図４は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第３のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。本実施の形態の振動ジャイロは、図１に示すように、ＸＹ平面に平行な平板にＺ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する検出素子１を用い、Ｙ軸およびＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロである。
【００３２】
本実施の形態の振動ジャイロの振動子は、検出素子１の周辺部に設けた基部２に一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアーム４と、第１のアーム４の他端に接続され、第１のアーム４の中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部３と、連結部３のＸ軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第２のアーム５ａ、５ｂとを有し、さらに、基部２にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第３のアーム７ａ、７ｂを有している。さらに、本実施の形態の振動ジャイロは、第２のアーム５ａ、５ｂをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、第１のアーム４のＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段と、第２のアーム５ａ、５ｂのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段と、第３のアーム７ａ、７ｂのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段とを備えている。上記の駆動手段は第２のアーム５ａ、５ｂ上に形成された駆動電極を有し、第１の検出手段、第２の検出手段および第３の検出手段は、それぞれ第１のアーム４、第３のアーム７ａ、７ｂおよび第２のアーム５ａ、５ｂ上に形成された検出電極を有し、駆動手段により連結部３に生ずる振動の最大変位量は、駆動手段により第２のアーム５ａ、５ｂに生ずる屈曲振動の最大変位量に比べて１０％以下である。
【００３３】
また、振動子は、第２のアーム５ａ、５ｂおよび第３のアーム７ａ、７ｂの先端に接続され、第１のアーム４の中心を通り、ＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、２対の付加質量部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを備えている。
【００３４】
また、本実施の形態の振動ジャイロの検出素子１において、検出素子１の外周に形成された基部２が支持固定されている。
【００３５】
また、第１のアーム４、第２のアーム５ａ、５ｂ、第３のアーム７ａ、７ｂ、および、連結部３のＸＹ平面に平行な面の外形は、いずれもＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状を有し、連結部３のＹ軸方向の辺の長さは、第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の辺の長さに対し２倍以上となっている。
【００３６】
ここで、本実施の形態の振動ジャイロの検出素子１は、振動子を構成する平板である基板の一面上に下部電極を形成し、その上面に圧電薄膜を形成し、さらにその上面に複数の上部電極を形成した基板に対し貫通穴加工を施して、振動子、駆動手段および検出手段の一部を構成してなるものである。
【００３７】
図２は、第１のアーム４の部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図２に示すように、第１のアーム４上に下部電極９、圧電薄膜１０、検出電極１３ａ、１３ｂが順に形成されている。第１のアーム４がＸ軸方向に変位すると、検出電極１３ａ、１３ｂ近傍の圧電薄膜１０には互いに逆向きの歪が発生する。この歪により検出電極１３ａ、１３ｂには逆位相の電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第１のアーム４のＸ軸方向の変位が検出できる。
【００３８】
図３は、第２のアーム５ａ、５ｂの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図３に示すように、第２のアーム５ａ、５ｂ上に、下部電極９、圧電薄膜１０、駆動電極１１ａ、１１ｂ、検出電極１２が順に形成されている。駆動電極１１ａ、１１ｂに逆位相の電気信号を与えると、駆動電極１１ａ、１１ｂ近傍の圧電薄膜１０には、第２のアームの長さ方向に関して互いに逆向きの歪が発生する。この歪によって第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の振動を励振できる。
【００３９】
また、駆動電極１１ａ、１１ｂは第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の変位を検出することもできるため、駆動電極１１ａ、１１ｂ、または、その一部を、自励発振回路を構成する際のモニタ電極として利用することも可能である。
【００４０】
また、Ｚ軸方向の変位が発生すると、検出電極１２近傍の圧電薄膜１０には歪が発生する。この歪により、検出電極１２には歪に対応した電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第２のアーム５ａ、５ｂのＺ軸方向の変位を検出できる。同様に、図２の検出電極１３ａ、１３ｂにも歪に対応した電気信号が発生する。しかし、この電気信号は、検出電極１３ａ、１３ｂで同位相の信号となるため、減算の信号処理を行うことによって、Ｚ軸方向の変位は検出されない。
【００４１】
なお、第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の変位に対しても、検出電極１２近傍の圧電薄膜１０に歪が発生する。しかし、この歪は、第２のアームの幅方向の中心線を境に逆向きに分布するため、検出電極１２には、電気信号がほぼ発生しない。
【００４２】
図４は、第３のアーム７ａ、７ｂの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図４に示すように、第３のアーム７ａ、７ｂ上に、下部電極９、圧電薄膜１０、検出電極１４ａ、１４ｂが順に形成されている。第３のアーム７ａ、７ｂがＸ軸方向に変位すると、検出電極１４ａ、１４ｂ近傍の圧電薄膜１０には、互いに逆向きの歪が発生する。この歪により、検出電極１４ａ、１４ｂには逆位相の電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第３のアーム７ａ、７ｂのＸ軸方向の変位が検出できる。
【００４３】
また、Ｚ軸方向の変位が発生すると、検出電極１４ａ、１４ｂには歪に対応した電気信号が発生する。しかし、この電気信号は、検出電極１４ａ、１４ｂで同位相の信号となるため、減算の信号処理を行うことによって、Ｚ軸方向の変位は検出されない。
【００４４】
振動ジャイロとして動作させるためには、予め、駆動振動モードを励振させる。前述の駆動手段によって、付加質量部６ａ、６ｂは、Ｘ軸方向に、互いに逆向きに振動させる。ただし、この駆動信号の周波数は、駆動振動モードの共振周波数近傍の周波数が望ましい。
【００４５】
この駆動振動モードを励振した状態において、Ｙ軸周りに角速度を印加すると、付加質量部６ａ、６ｂは、発生したコリオリ力によって、互いに逆向きにＺ軸方向への力を受ける。したがって、第２のアーム５ａ、５ｂは、Ｚ軸方向へ変位する。このＺ軸方向の変位は、第２のアーム５ａ、５ｂに形成された検出電極１２によって検出することができる。これにより、Ｙ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００４６】
また、連結部３は、電気的な接続や振動の伝播を意図して形成されたものであって、振動の励振や検出を目的としていない。第１のアーム４および第２のアーム５ａ、５ｂに対して、十分な剛性を持っており、駆動振動モードを励振しても、連結部３に生ずる変位は非常に小さい。したがって、駆動振動モードの励振時の第２のアーム５ａ、５ｂ、付加質量部６ａ、６ｂの変位は、Ｘ軸方向にほぼ限定される。
【００４７】
第１のアーム４の中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に、付加質量部６ａ、６ｂがＸ軸方向に変位する振動は、非常に安定な特性が得られる。２つの付加質量部の変位によって発生する力は、連結部３と第１のアーム４の接続部付近で相殺され、ノード点となる。
【００４８】
この安定な駆動振動モードにより高いＱ値の振動が期待でき、さらに、付加質量部により共振周波数を低く設計できる。高いＱ値と低い周波数設計により、変位を大きくすることが可能であり、高感度な振動ジャイロが得られる。さらに、駆動振動モードの変位をＸ軸方向に限定することで、他軸感度のない振動ジャイロが得られる。
【００４９】
同様に、Ｚ軸周りの角速度を印加すると、２つの付加質量部６ａ、６ｂは、発生したコリオリ力によって、Ｙ軸方向への力を受ける。付加質量部６ａと６ｂは、互いに逆方向へ力を受ける。したがって、第２のアーム５ａ、５ｂは、Ｙ軸方向へ変位する。ただし、この力は、第２のアーム５ａ、５ｂの長手方向へ働く力であるため、ほぼ変形を伴わない。第２のアーム５ａ、５ｂは、Ｘ軸およびＺ軸方向に比べ、Ｙ軸方向に対して、十分な剛性を持っているため、それらに形成された検出電極１２に発生する信号は、十分に無視できる大きさである。
【００５０】
この第２のアーム５ａ、５ｂのＹ軸方向への変位は、連結部３にＺ軸周りのモーメントを与える。したがって、連結部３に接続された、第１のアーム４は、Ｘ軸方向へ変位する。このＸ軸方向の変位は、第１のアーム４に形成された検出電極１３ａ、１３ｂによって検出することができる。これにより、Ｚ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００５１】
また、本実施の形態の振動ジャイロでは、第３のアーム７ａ、７ｂにより、並進運動での加速度に対する誤差出力を低減できる。
【００５２】
Ｘ軸方向への加速度を印加した場合、４つの付加質量部は、一斉にＸ軸方向へ力を受ける。第１のアーム４、第２のアーム５ａ、５ｂは、一斉に同じ向きのＸ軸方向へ変位する。しかし、これはＸ軸方向への変位であるため、第２のアーム５ａ、５ｂに形成された検出電極１２には、電気信号が発生せず、Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。
【００５３】
一方、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、同じＸ軸方向の変位となるため、第１のアーム４に形成された検出電極１３ａ、１３ｂに電気信号が発生する。しかし、第３のアーム７ａ、７ｂに形成された検出電極１４ａ、１４ｂにも電気信号が発生する。
【００５４】
そこで、Ｘ軸方向の加速度によって生じる検出電極１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの電気信号の大きさを予め調整しておき、所定の信号処理を行うことによって加速度の影響を除去できる。すなわち、Ｘ軸方向の加速度によって生じる第１のアーム４に形成された検出電極１３ａ、１３ｂで検出される電気信号の大きさと、第３のアーム７ａ、７ｂに形成された検出電極１４ａ、１４ｂで検出される電気信号の大きさをほぼ一致させ、位相を逆向きとする。これによりＸ軸方向の加速度によって生じる電気信号は相殺され、誤差出力は低減する。
【００５５】
同様に、Ｙ軸方向への加速度を印加した場合、４つの付加質量部は、一斉にＹ軸方向へ力を受ける。しかし、連結部３は十分な剛性を持ち、第１のアーム４、第２のアーム５ａ、５ｂ、第３のアーム７ａ、７ｂには、長手方向の力となるため、変形は充分に小さく、Ｙ軸周り、およびＺ軸周りの角速度の検出には、ほとんど影響はない。
【００５６】
さらに、Ｚ軸方向への加速度を印加した場合、４つの付加質量部は、一斉にＺ軸方向へ変位する。したがって、第１のアーム、第２のアームおよび第３のアームも一斉に同じ向きのＺ軸方向へ変位する。これは、Ｚ軸方向への変位であるため、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、角速度の印加時と同様にＺ軸方向の変位となるため、それぞれの検出電極１２に電気信号が発生する。
【００５７】
しかし、実際にＹ軸周りの角速度が印加された場合、第２のアーム５ａ、５ｂは、互いに逆向きにＺ軸方向へ変位するため、所定の信号処理によって加速度の影響は除去できる。
【００５８】
以上のように、本実施の形態によりＹ軸とＺ軸の角速度について検出可能な振動ジャイロが得られる。前述の通り、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の駆動振動モードは、非常に対称性の良い振動となる。それぞれの付加質量部の変位によって発生する力は、連結部と第１のアームの接続部付近で相殺され、そこがノード点となる。駆動振動モードの振動特性を損なうことなく、第１のアームの端部は、容易に支持固定が可能である。したがって、基部２に容易に接続できる。検出素子１の周囲に形成された基部２は、その上への信号の入出力に必要な電極パッドの形成が容易で、さらに、基部２の部分を他の実装基板に実装固定することも容易である。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の振動ジャイロの具体的な一実施例について説明する。図１〜図４に示すように、検出素子１としては、厚さ５０μｍのシリコン基板を用い、その一面上に下部電極９を形成し、その上面に、圧電薄膜１０として、厚さ２μｍのＰＺＴ薄膜を形成し、さらにその上面に、駆動電極１１ａ、１１ｂ、検出電極１２、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの上部電極を形成して、ドライエッチング加工による貫通穴加工を施したものである。下部電極９は、シリコン基板の表面を酸化処理して形成した厚さ１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのチタン膜と、さらにその上面に、スパッタ法で形成した厚さ２００ｎｍの白金膜とで構成される。上部電極は、ＰＺＴ薄膜の上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのクロム膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３００ｎｍの金の膜とで構成される。ここで、ＰＺＴ薄膜上へ配線電極を形成する場合、静電容量を小さくするため、ＰＺＴ薄膜上へ低誘電率の絶縁層を形成して、その上に配線電極を形成してもよい。
【００６０】
また、連結部３のＹ軸方向の辺の長さは約１００μｍであり、第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の辺の長さは約５０μｍである。また、第２のアーム５ａ、５ｂのＹ軸方向の長さは、おおよそ１２００μｍ程度、第３のアーム７ａ、７ｂのＹ軸方向の長さは、おおよそ５００μｍ程度、連結部３のＸ軸方向の長さは、おおよそ６００μｍ程度であり、付加質量部６ａ、６ｂの形状は、おおよそ一辺が２００μｍ、付加質量部６ｃ、６ｄの形状は、Ｘ軸方向が１００μｍ程度、Ｙ軸方向が１０００μｍ程度の矩形形状である。本実施例の構成において有限要素法解析で振動子の変位分布を解析したところ、連結部の最大変位量は、第２のアームの最大変位量に対して約１％であった。
【００６１】
本発明の振動ジャイロは、上述のように、ＸＹ平面に平行な平板によって構成されながら、Ｙ軸およびＺ軸の角速度の検出が可能である。また、連結部が変形しにくいため、駆動振動方向をＸ軸方向へ限定することが可能であり、他軸感度が小さい。さらに、Ｑ値の高い駆動振動モードにより高感度である。また、並進運動の加速度に対する誤差出力が小さい。さらに、周囲に形成された基部を支持固定できるため実装が容易で量産性が高い。これにより、高精度で量産性に優れた、低背化された小型の振動ジャイロを提供することができる。
【００６２】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。例えば、上述の実施の形態に係る振動ジャイロにおいて、ＰＺＴ薄膜などの圧電薄膜を有したシリコン基板を用いたものを例示したが、これに限らず、圧電単結晶基板や圧電多結晶体基板、単純なシリコン基板等であってもよく、また、駆動手段および検出手段における駆動電極や検出電極の形状、数および配置、さらに各アームや各連結部の形状なども目的、用途に応じて設計可能であり、例示したものに制限されない。連結部を駆動振動によって変形しにくい構造とする方法についても、その平面形状を第２のアームの形状と大きく異ならしめることや矩形以外の形状とすることなどによって剛性を強めること又はその共振周波数を駆動振動の周波数から遠ざけること、さらには、その上に剛性を強くする膜を形成することなど、様々な手段が可能である。さらに、第２のアーム、第３のアームの先端に設置する質量付加部の有無およびその形状は、目的とする振動ジャイロが必要とする感度、応答特性や形状によって選択することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 検出素子
２、１０３ 基部
３ 連結部
４ 第１のアーム
５ａ、５ｂ 第２のアーム
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 付加質量部
７ａ、７ｂ 第３のアーム
９ 下部電極
１０ 圧電薄膜
１１ａ、１１ｂ 駆動電極
１２、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ 検出電極
１０１ 振動子
１０２ａ、１０２ｂ 振動片
１０５ 固定部材
１０６ 支持体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム等に使用される角速度を検出する振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロは、速度を持つ物体に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。圧電素子などの電気機械変換素子を用いて電気的な信号を印加することで機械的な振動、すなわち駆動振動モードを励起させることができ、且つ、駆動振動モードと直交する方向の機械的な振動、すなわち検出振動モードの大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動モードを励振した状態で、駆動振動モードの振動方向および検出振動モードの振動方向に垂直な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出振動モードが発生し、出力信号として検出される。検出された出力信号は駆動振動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動モードの大きさを一定にした状態では、出力信号の大きさから角速度の大きさを求めることができる。このような方式の振動ジャイロは、現在、ビデオカメラ等の手振れ補正やカーナビゲーション用センサとして応用されている。
【０００３】
一般に、単純な音片形や音さ形の振動子を用いた振動ジャイロでは、検出したい軸と振動子の長手方向を平行に配置させなければならない。そのため、高さ方向の軸の検出には、振動ジャイロの低背化が課題となる。特許文献１には、このような低背化の課題を解決するための振動ジャイロに係る技術が開示されている。
【０００４】
図５は、特許文献１の図３に開示されている従来の振動ジャイロの検出素子の斜視図である。振動子１０１は、ＸＹ平面に平行な平板で構成され、一対の振動片１０２ａ、１０２ｂを基部１０３に接合し、さらに、支持体１０６を介して外部の固定部材１０５に接続して構成される。
【０００５】
角速度を測定するには、まず振動片１０２ａ、１０２ｂをＸ方向に互いに位相が逆になるよう振動させる。この状態でＺ軸周りに回転角速度ωが作用すると、コリオリ力により、振動片１０２ａ、１０２ｂにはＹ軸に沿って互いに逆向きの力Ｆ１、Ｆ２が作用する。その結果、基部１０３の両端に同じ向きのモーメントＭ１、Ｍ２が働き。このモーメントにより、支持体１０６に屈曲振動が生じる。この屈曲振動を検出することで、回転角速度ωを測定することができる。このように、ＸＹ平面に平行な平板で構成された素子によって、高さ方向の軸（Ｚ軸）の周りの角速度の検出を可能とし、振動ジャイロを低背化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１６０４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の発明による振動ジャイロは、Ｘ軸方向の加速度に対して、誤差信号を発生しやすい構成である。すなわち、図５の振動ジャイロにおいては、Ｚ軸周りの角速度によって生じるコリオリ力を支持体１０６に生じるＸ軸方向の屈曲振動として検出するが、Ｘ軸方向に加速度を印加した場合にも同様のＸ軸方向の屈曲振動が生じるため、検出信号からＺ軸周りの角速度による信号とＸ軸方向の加速度による信号を区別することが難しい。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、Ｚ軸周りの角速度を検出することが可能で、Ｘ軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、かつ、高精度で小型の低背化された振動ジャイロを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明による振動ジャイロは、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３つの軸で表される空間において、ＸＹ平面に平行な平板にＺ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する、少なくともＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロであって、前記振動子は、前記平板の周辺部の少なくとも一部に設けた基部に一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアームと、前記第１のアームの他端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部と、前記連結部のＸ軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第２のアームと、前記基部にそれぞれ一端を接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、Ｙ軸方向に長手方向を有する少なくとも１対以上の第３のアームとを有し、前記第２のアームをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、前記第１のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段と、前記第３のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段とを備え、前記駆動手段は前記第２のアーム上に形成された駆動電極を有し、前記第１の検出手段は前記第１のアーム上に形成された検出電極を有し、前記第２の検出手段は前記第３のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｘ軸方向の加速度によって前記第１の検出手段によるＺ軸周りの角速度の検出において生ずる誤差信号の少なくとも一部を、前記第２の検出手段による検出信号によって相殺することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記第２のアームのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段を備え、前記第３の検出手段は前記第２のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｙ軸周りの角速度を検出可能としてもよい。
【００１１】
また、前記第２のアームまたは前記第３のアームの少なくとも一方のアームの先端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、少なくとも１対以上の付加質量部を備えてもよい。
【００１２】
また、前記第２のアームおよび前記連結部のＸＹ平面に平行な面の外形はいずれもＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状を有し、前記連結部のＹ軸方向の辺の長さは、前記第２のアームのＸ軸方向の辺の長さに対し、２倍以上４倍以下であってもよい。
【００１３】
また、前記駆動手段により前記第１の連結部に生ずる振動の最大変位量は、前記駆動手段により前記第２のアームに生ずる前記屈曲振動の最大変位量に比べて１０％以下であってもよい。
【００１４】
また、前記駆動手段、前記第１の検出手段および前記第２の検出手段は、それぞれ圧電薄膜を有していてもよい。
【００１５】
本発明の振動ジャイロは、上記のように、１対の第２のアームが連結部によって、第１のアームの長手方向の軸に関して対称に接続された振動子を有する振動ジャイロである。一対の第２のアームが互いに逆向きでＸ軸方向に変位する振動は、安定な特性が得られる。一対の第２のアームの変位によって発生する力は、連結部と第１のアームの接続部付近で相殺され、ノード点となる。この振動を駆動振動モードとして選択するのが好ましい。この駆動振動モードは、第２のアームに形成された駆動電極を含む駆動手段によって励振することができる。
【００１６】
また、連結部は、電気的な接続や振動の伝播を意図して形成されたものであって、振動の励振や検出を目的としていない。連結部が第１のアームや第２のアームに対して十分な剛性を持っている場合、前述の駆動振動モードを励振しても連結部に生ずる変位は非常に小さいので、駆動振動モードの励振時での第２のアームの変位はＸ軸方向にほぼ限定される。このためには、連結部に生ずる振動の最大変位量が第２のアームに生ずる屈曲振動の最大変位量に比べて十分に小さいこと、例えば１０％以下であることが必要である。このような連結部は、例えば、第２のアームおよび連結部のＸＹ平面に平行な面の外形をＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状とし、連結部のＹ軸方向の辺の長さを、第２のアームのＸ軸方向の辺の長さに対し、２倍以上とすることによって得られる。
【００１７】
前述の駆動振動モードを励振した状態において、Ｙ軸周りの角速度を印加すると、一対の第２のアームは発生したコリオリ力によって互いに逆向きにＺ軸方向への力を受ける。したがって、第２のアームはＺ軸方向へ変位する。このＺ軸方向の変位は、第２のアームに形成された検出電極を含む第３の検出手段によって検出することができる。これにより、Ｙ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００１８】
同様に、前述の駆動振動モードを励振した状態において、Ｚ軸周りの角速度を印加すると、一対の第２のアームは発生したコリオリ力によって互いに逆向きにＹ軸方向への力を受ける。したがって、第２のアームはＹ軸方向へ変位する。ただし、この力は第２のアームの長手方向へ働く力であるため、ほぼ変形を伴わない。第２のアームは、Ｘ軸およびＺ軸方向に比べ、Ｙ軸方向に対して十分な剛性を持っているため、この力によって第３の検出手段に発生する信号は、十分に無視できる大きさである。
【００１９】
この第２のアームのＹ軸方向への変位は、連結部にＺ軸周りのモーメントを与える。したがって、連結部に接続された第１のアームはＸ軸方向へ変位する。このＸ軸方向の変位は、第１のアームに形成された検出電極を含む第１の検出手段によって検出することができる。これにより、Ｚ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００２０】
また、第３のアームと第２の検出手段により、並進運動での加速度に対する誤差出力も低減できる。通常、振動ジャイロの検出出力は、駆動信号等を参照信号とした同期検波による信号処理によって行われるため、駆動振動モードの周波数以外の信号成分は除去されるが、片持ち梁等の振動子の１素子での振動ジャイロの構成では、加速度に対する検出信号と角速度に対する検出信号の分離が難しく、加速度による誤差出力を無視できない場合がある。
【００２１】
本発明の振動ジャイロにＸ軸方向への加速度を印加した場合、第１および第２のアームは、同時にＸ軸方向へ屈曲変位する。これは、Ｘ軸方向への変位であるため、Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。ただし、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、同様のＸ軸方向の変位となるため、第１の検出手段に加速度による信号出力が発生し、誤差信号となる。
【００２２】
しかし、本発明においては、第３のアームも同時にＸ軸方向へ屈曲変位しており、この屈曲変位は、第２の検出手段により検出される。この検出信号は、第１の検出手段に発生する誤差信号と同振幅、逆位相とすることができるため、第１の検出手段と第２の検出手段による検出信号を直接加算するか、または、第２の検出手段による検出信号を用いた所定の信号処理によって、Ｚ軸周りの角速度の検出に関して、Ｘ軸方向の加速度の影響を除去できる。
【００２３】
同様に、Ｙ軸方向への加速度を印加した場合、第１のアーム、第２のアームおよび第３のアームは、同時にＹ軸方向へ力を受ける。しかしこの力は、それぞれのアームにおいて、アームの長さ方向への力となるため、変形は十分に小さく、検出出力に対する誤差出力の影響は小さい。
【００２４】
さらに、Ｚ軸方向への加速度を印加した場合、第１のアーム、第２のアームおよび第３のアームは、同時にＺ軸方向へ屈曲変位する。これは、Ｚ軸方向への変位であるため、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。
【００２５】
しかし、Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、同様のＺ軸方向の変位となるため、第３の検出手段に信号が発生する。しかし、一対の第２のアームは、Ｚ軸方向へ加速度が印加された場合には同じ向きにＺ軸方向へ屈曲変位し、Ｙ軸周りの角速度が印加された場合は、互いに逆向きにＺ軸方向へ屈曲変位するため、所定の信号処理によってＹ軸周りの角速度の検出に関しても加速度の影響は除去できる。
【００２６】
上記のように、本発明においては、安定な駆動振動モードが得られるので、高いＱ値の振動が期待できる。さらに、第２のアームの先端に付加質量部を設けることにより、共振周波数を低く設計できるため、振動変位量を増大して感度を高めることができる。同様に、第３のアームの先端に質量付加部を設ければ第２の検出手段の感度を高めることができる。また、駆動振動方向をＸ軸方向へ限定することが可能で、不要な駆動振動が少ないため、他軸感度が小さい。このように、本発明により、高いＱ値と低い共振周波数設計により変位を大きくすることが可能であり、高感度で他軸感度の小さな振動ジャイロが得られる。さらに、加速度を検出する第２の検出手段によって、加速度による誤差信号を相殺し、並進加速度の影響を受けない、Ｙ軸およびＺ軸の角速度の検出が可能な振動ジャイロが得られる。
【発明の効果】
【００２７】
上述の構成によって、本発明は以下のような効果を奏する。すなわち、本発明の振動ジャイロは、Ｘ軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、Ｚ軸またはＺ軸とＹ軸の角速度の検出が可能である。また、連結部が変形しないため、駆動振動方向をＸ軸方向へ限定することが可能であり、これにより他軸感度を小さくできる。さらに、Ｑ値の高い駆動振動モードにより高感度が得られる。また、並進運動の加速度に対する誤差出力が小さい。これらにより、高精度で小型の振動ジャイロを提供することができる。
【００２８】
すなわち、本発明により、Ｚ軸周りの角速度を検出することが可能で、Ｘ軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、かつ、高精度で小型の低背化された振動ジャイロを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による振動ジャイロの一実施の形態における検出素子の斜視図。
【図２】本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第１のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図。
【図３】本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第２のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図。
【図４】本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第３のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図。
【図５】従来の振動ジャイロの検出素子の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明による振動ジャイロの一実施の形態における検出素子の斜視図である。また、図２は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第１のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図３は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第２のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図４は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第３のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。本実施の形態の振動ジャイロは、図１に示すように、ＸＹ平面に平行な平板にＺ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する検出素子１を用い、Ｙ軸およびＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロである。
【００３２】
本実施の形態の振動ジャイロの振動子は、検出素子１の周辺部に設けた基部２に一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアーム４と、第１のアーム４の他端に接続され、第１のアーム４の中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部３と、連結部３のＸ軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第２のアーム５ａ、５ｂとを有し、さらに、基部２にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第３のアーム７ａ、７ｂを有している。さらに、本実施の形態の振動ジャイロは、第２のアーム５ａ、５ｂをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、第１のアーム４のＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段と、第２のアーム５ａ、５ｂのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段と、第３のアーム７ａ、７ｂのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段とを備えている。上記の駆動手段は第２のアーム５ａ、５ｂ上に形成された駆動電極を有し、第１の検出手段、第２の検出手段および第３の検出手段は、それぞれ第１のアーム４、第３のアーム７ａ、７ｂおよび第２のアーム５ａ、５ｂ上に形成された検出電極を有し、駆動手段により連結部３に生ずる振動の最大変位量は、駆動手段により第２のアーム５ａ、５ｂに生ずる屈曲振動の最大変位量に比べて１０％以下である。
【００３３】
また、振動子は、第２のアーム５ａ、５ｂおよび第３のアーム７ａ、７ｂの先端に接続され、第１のアーム４の中心を通り、ＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、２対の付加質量部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを備えている。
【００３４】
また、本実施の形態の振動ジャイロの検出素子１において、検出素子１の外周に形成された基部２が支持固定されている。
【００３５】
また、第１のアーム４、第２のアーム５ａ、５ｂ、第３のアーム７ａ、７ｂ、および、連結部３のＸＹ平面に平行な面の外形は、いずれもＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状を有し、連結部３のＹ軸方向の辺の長さは、第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の辺の長さに対し２倍以上となっている。
【００３６】
ここで、本実施の形態の振動ジャイロの検出素子１は、振動子を構成する平板である基板の一面上に下部電極を形成し、その上面に圧電薄膜を形成し、さらにその上面に複数の上部電極を形成した基板に対し貫通穴加工を施して、振動子、駆動手段および検出手段の一部を構成してなるものである。
【００３７】
図２は、第１のアーム４の部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図２に示すように、第１のアーム４上に下部電極９、圧電薄膜１０、検出電極１３ａ、１３ｂが順に形成されている。第１のアーム４がＸ軸方向に変位すると、検出電極１３ａ、１３ｂ近傍の圧電薄膜１０には互いに逆向きの歪が発生する。この歪により検出電極１３ａ、１３ｂには逆位相の電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第１のアーム４のＸ軸方向の変位が検出できる。
【００３８】
図３は、第２のアーム５ａ、５ｂの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図３に示すように、第２のアーム５ａ、５ｂ上に、下部電極９、圧電薄膜１０、駆動電極１１ａ、１１ｂ、検出電極１２が順に形成されている。駆動電極１１ａ、１１ｂに逆位相の電気信号を与えると、駆動電極１１ａ、１１ｂ近傍の圧電薄膜１０には、第２のアームの長さ方向に関して互いに逆向きの歪が発生する。この歪によって第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の振動を励振できる。
【００３９】
また、駆動電極１１ａ、１１ｂは第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の変位を検出することもできるため、駆動電極１１ａ、１１ｂ、または、その一部を、自励発振回路を構成する際のモニタ電極として利用することも可能である。
【００４０】
また、Ｚ軸方向の変位が発生すると、検出電極１２近傍の圧電薄膜１０には歪が発生する。この歪により、検出電極１２には歪に対応した電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第２のアーム５ａ、５ｂのＺ軸方向の変位を検出できる。同様に、図２の検出電極１３ａ、１３ｂにも歪に対応した電気信号が発生する。しかし、この電気信号は、検出電極１３ａ、１３ｂで同位相の信号となるため、減算の信号処理を行うことによって、Ｚ軸方向の変位は検出されない。
【００４１】
なお、第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の変位に対しても、検出電極１２近傍の圧電薄膜１０に歪が発生する。しかし、この歪は、第２のアームの幅方向の中心線を境に逆向きに分布するため、検出電極１２には、電気信号がほぼ発生しない。
【００４２】
図４は、第３のアーム７ａ、７ｂの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図４に示すように、第３のアーム７ａ、７ｂ上に、下部電極９、圧電薄膜１０、検出電極１４ａ、１４ｂが順に形成されている。第３のアーム７ａ、７ｂがＸ軸方向に変位すると、検出電極１４ａ、１４ｂ近傍の圧電薄膜１０には、互いに逆向きの歪が発生する。この歪により、検出電極１４ａ、１４ｂには逆位相の電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第３のアーム７ａ、７ｂのＸ軸方向の変位が検出できる。
【００４３】
また、Ｚ軸方向の変位が発生すると、検出電極１４ａ、１４ｂには歪に対応した電気信号が発生する。しかし、この電気信号は、検出電極１４ａ、１４ｂで同位相の信号となるため、減算の信号処理を行うことによって、Ｚ軸方向の変位は検出されない。
【００４４】
振動ジャイロとして動作させるためには、予め、駆動振動モードを励振させる。前述の駆動手段によって、付加質量部６ａ、６ｂは、Ｘ軸方向に、互いに逆向きに振動させる。ただし、この駆動信号の周波数は、駆動振動モードの共振周波数近傍の周波数が望ましい。
【００４５】
この駆動振動モードを励振した状態において、Ｙ軸周りに角速度を印加すると、付加質量部６ａ、６ｂは、発生したコリオリ力によって、互いに逆向きにＺ軸方向への力を受ける。したがって、第２のアーム５ａ、５ｂは、Ｚ軸方向へ変位する。このＺ軸方向の変位は、第２のアーム５ａ、５ｂに形成された検出電極１２によって検出することができる。これにより、Ｙ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００４６】
また、連結部３は、電気的な接続や振動の伝播を意図して形成されたものであって、振動の励振や検出を目的としていない。第１のアーム４および第２のアーム５ａ、５ｂに対して、十分な剛性を持っており、駆動振動モードを励振しても、連結部３に生ずる変位は非常に小さい。したがって、駆動振動モードの励振時の第２のアーム５ａ、５ｂ、付加質量部６ａ、６ｂの変位は、Ｘ軸方向にほぼ限定される。
【００４７】
第１のアーム４の中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に、付加質量部６ａ、６ｂがＸ軸方向に変位する振動は、非常に安定な特性が得られる。２つの付加質量部の変位によって発生する力は、連結部３と第１のアーム４の接続部付近で相殺され、ノード点となる。
【００４８】
この安定な駆動振動モードにより高いＱ値の振動が期待でき、さらに、付加質量部により共振周波数を低く設計できる。高いＱ値と低い周波数設計により、変位を大きくすることが可能であり、高感度な振動ジャイロが得られる。さらに、駆動振動モードの変位をＸ軸方向に限定することで、他軸感度のない振動ジャイロが得られる。
【００４９】
同様に、Ｚ軸周りの角速度を印加すると、２つの付加質量部６ａ、６ｂは、発生したコリオリ力によって、Ｙ軸方向への力を受ける。付加質量部６ａと６ｂは、互いに逆方向へ力を受ける。したがって、第２のアーム５ａ、５ｂは、Ｙ軸方向へ変位する。ただし、この力は、第２のアーム５ａ、５ｂの長手方向へ働く力であるため、ほぼ変形を伴わない。第２のアーム５ａ、５ｂは、Ｘ軸およびＺ軸方向に比べ、Ｙ軸方向に対して、十分な剛性を持っているため、それらに形成された検出電極１２に発生する信号は、十分に無視できる大きさである。
【００５０】
この第２のアーム５ａ、５ｂのＹ軸方向への変位は、連結部３にＺ軸周りのモーメントを与える。したがって、連結部３に接続された、第１のアーム４は、Ｘ軸方向へ変位する。このＸ軸方向の変位は、第１のアーム４に形成された検出電極１３ａ、１３ｂによって検出することができる。これにより、Ｚ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
【００５１】
また、本実施の形態の振動ジャイロでは、第３のアーム７ａ、７ｂにより、並進運動での加速度に対する誤差出力を低減できる。
【００５２】
Ｘ軸方向への加速度を印加した場合、４つの付加質量部は、一斉にＸ軸方向へ力を受ける。第１のアーム４、第２のアーム５ａ、５ｂは、一斉に同じ向きのＸ軸方向へ変位する。しかし、これはＸ軸方向への変位であるため、第２のアーム５ａ、５ｂに形成された検出電極１２には、電気信号が発生せず、Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。
【００５３】
一方、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、同じＸ軸方向の変位となるため、第１のアーム４に形成された検出電極１３ａ、１３ｂに電気信号が発生する。しかし、第３のアーム７ａ、７ｂに形成された検出電極１４ａ、１４ｂにも電気信号が発生する。
【００５４】
そこで、Ｘ軸方向の加速度によって生じる検出電極１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの電気信号の大きさを予め調整しておき、所定の信号処理を行うことによって加速度の影響を除去できる。すなわち、Ｘ軸方向の加速度によって生じる第１のアーム４に形成された検出電極１３ａ、１３ｂで検出される電気信号の大きさと、第３のアーム７ａ、７ｂに形成された検出電極１４ａ、１４ｂで検出される電気信号の大きさをほぼ一致させ、位相を逆向きとする。これによりＸ軸方向の加速度によって生じる電気信号は相殺され、誤差出力は低減する。
【００５５】
同様に、Ｙ軸方向への加速度を印加した場合、４つの付加質量部は、一斉にＹ軸方向へ力を受ける。しかし、連結部３は十分な剛性を持ち、第１のアーム４、第２のアーム５ａ、５ｂ、第３のアーム７ａ、７ｂには、長手方向の力となるため、変形は充分に小さく、Ｙ軸周り、およびＺ軸周りの角速度の検出には、ほとんど影響はない。
【００５６】
さらに、Ｚ軸方向への加速度を印加した場合、４つの付加質量部は、一斉にＺ軸方向へ変位する。したがって、第１のアーム、第２のアームおよび第３のアームも一斉に同じ向きのＺ軸方向へ変位する。これは、Ｚ軸方向への変位であるため、Ｚ軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。Ｙ軸周りの角速度の検出に関しては、角速度の印加時と同様にＺ軸方向の変位となるため、それぞれの検出電極１２に電気信号が発生する。
【００５７】
しかし、実際にＹ軸周りの角速度が印加された場合、第２のアーム５ａ、５ｂは、互いに逆向きにＺ軸方向へ変位するため、所定の信号処理によって加速度の影響は除去できる。
【００５８】
以上のように、本実施の形態によりＹ軸とＺ軸の角速度について検出可能な振動ジャイロが得られる。前述の通り、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の駆動振動モードは、非常に対称性の良い振動となる。それぞれの付加質量部の変位によって発生する力は、連結部と第１のアームの接続部付近で相殺され、そこがノード点となる。駆動振動モードの振動特性を損なうことなく、第１のアームの端部は、容易に支持固定が可能である。したがって、基部２に容易に接続できる。検出素子１の周囲に形成された基部２は、その上への信号の入出力に必要な電極パッドの形成が容易で、さらに、基部２の部分を他の実装基板に実装固定することも容易である。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の振動ジャイロの具体的な一実施例について説明する。図１〜図４に示すように、検出素子１としては、厚さ５０μｍのシリコン基板を用い、その一面上に下部電極９を形成し、その上面に、圧電薄膜１０として、厚さ２μｍのＰＺＴ薄膜を形成し、さらにその上面に、駆動電極１１ａ、１１ｂ、検出電極１２、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの上部電極を形成して、ドライエッチング加工による貫通穴加工を施したものである。下部電極９は、シリコン基板の表面を酸化処理して形成した厚さ１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのチタン膜と、さらにその上面に、スパッタ法で形成した厚さ２００ｎｍの白金膜とで構成される。上部電極は、ＰＺＴ薄膜の上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのクロム膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３００ｎｍの金の膜とで構成される。ここで、ＰＺＴ薄膜上へ配線電極を形成する場合、静電容量を小さくするため、ＰＺＴ薄膜上へ低誘電率の絶縁層を形成して、その上に配線電極を形成してもよい。
【００６０】
また、連結部３のＹ軸方向の辺の長さは約１００μｍであり、第２のアーム５ａ、５ｂのＸ軸方向の辺の長さは約５０μｍである。また、第２のアーム５ａ、５ｂのＹ軸方向の長さは、おおよそ１２００μｍ程度、第３のアーム７ａ、７ｂのＹ軸方向の長さは、おおよそ５００μｍ程度、連結部３のＸ軸方向の長さは、おおよそ６００μｍ程度であり、付加質量部６ａ、６ｂの形状は、おおよそ一辺が２００μｍ、付加質量部６ｃ、６ｄの形状は、Ｘ軸方向が１００μｍ程度、Ｙ軸方向が１０００μｍ程度の矩形形状である。本実施例の構成において有限要素法解析で振動子の変位分布を解析したところ、連結部の最大変位量は、第２のアームの最大変位量に対して約１％であった。
【００６１】
本発明の振動ジャイロは、上述のように、ＸＹ平面に平行な平板によって構成されながら、Ｙ軸およびＺ軸の角速度の検出が可能である。また、連結部が変形しにくいため、駆動振動方向をＸ軸方向へ限定することが可能であり、他軸感度が小さい。さらに、Ｑ値の高い駆動振動モードにより高感度である。また、並進運動の加速度に対する誤差出力が小さい。さらに、周囲に形成された基部を支持固定できるため実装が容易で量産性が高い。これにより、高精度で量産性に優れた、低背化された小型の振動ジャイロを提供することができる。
【００６２】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。例えば、上述の実施の形態に係る振動ジャイロにおいて、ＰＺＴ薄膜などの圧電薄膜を有したシリコン基板を用いたものを例示したが、これに限らず、圧電単結晶基板や圧電多結晶体基板、単純なシリコン基板等であってもよく、また、駆動手段および検出手段における駆動電極や検出電極の形状、数および配置、さらに各アームや各連結部の形状なども目的、用途に応じて設計可能であり、例示したものに制限されない。連結部を駆動振動によって変形しにくい構造とする方法についても、その平面形状を第２のアームの形状と大きく異ならしめることや矩形以外の形状とすることなどによって剛性を強めること又はその共振周波数を駆動振動の周波数から遠ざけること、さらには、その上に剛性を強くする膜を形成することなど、様々な手段が可能である。さらに、第２のアーム、第３のアームの先端に設置する質量付加部の有無およびその形状は、目的とする振動ジャイロが必要とする感度、応答特性や形状によって選択することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 検出素子
２、１０３ 基部
３ 連結部
４ 第１のアーム
５ａ、５ｂ 第２のアーム
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 付加質量部
７ａ、７ｂ 第３のアーム
９ 下部電極
１０ 圧電薄膜
１１ａ、１１ｂ 駆動電極
１２、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ 検出電極
１０１ 振動子
１０２ａ、１０２ｂ 振動片
１０５ 固定部材
１０６ 支持体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３つの軸で表される空間において、ＸＹ平面に平行な平板にＺ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する、少なくともＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロであって、前記振動子は、前記平板の周辺部の少なくとも一部に設けた基部に一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアームと、前記第１のアームの他端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部と、前記連結部のＸ軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第２のアームと、前記基部にそれぞれ一端を接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、Ｙ軸方向に長手方向を有する少なくとも１対以上の第３のアームとを有し、前記第２のアームをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、前記第１のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段と、前記第３のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段と、を備え、前記駆動手段は前記第２のアーム上に形成された駆動電極を有し、前記第１の検出手段は前記第１のアーム上に形成された検出電極を有し、前記第２の検出手段は前記第３のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｘ軸方向の加速度によって前記第１の検出手段によるＺ軸周りの角速度の検出において生ずる誤差信号の少なくとも一部を、前記第２の検出手段による検出信号によって相殺することを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
前記第２のアームのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段を備え、前記第３の検出手段は前記第２のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｙ軸周りの角速度を検出可能としたことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
前記第２のアームまたは前記第３のアームの少なくとも一方のアームの先端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、少なくとも１対以上の付加質量部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記第２のアームおよび前記連結部のＸＹ平面に平行な面の外形はいずれもＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状を有し、前記連結部のＹ軸方向の辺の長さは、前記第２のアームのＸ軸方向の辺の長さに対し、２倍以上４倍以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項５】
前記駆動手段により前記第１の連結部に生ずる振動の最大変位量は、前記駆動手段により前記第２のアームに生ずる前記屈曲振動の最大変位量に比べて１０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項６】
前記駆動手段、前記第１の検出手段および前記第２の検出手段は、それぞれ圧電薄膜を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項１】
互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３つの軸で表される空間において、ＸＹ平面に平行な平板にＺ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する、少なくともＺ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロであって、前記振動子は、前記平板の周辺部の少なくとも一部に設けた基部に一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する第１のアームと、前記第１のアームの他端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部と、前記連結部のＸ軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Ｙ軸方向に長手方向を有する１対の第２のアームと、前記基部にそれぞれ一端を接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、Ｙ軸方向に長手方向を有する少なくとも１対以上の第３のアームとを有し、前記第２のアームをＸ軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、前記第１のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第１の検出手段と、前記第３のアームのＸ軸方向の屈曲振動を検出する第２の検出手段と、を備え、前記駆動手段は前記第２のアーム上に形成された駆動電極を有し、前記第１の検出手段は前記第１のアーム上に形成された検出電極を有し、前記第２の検出手段は前記第３のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｘ軸方向の加速度によって前記第１の検出手段によるＺ軸周りの角速度の検出において生ずる誤差信号の少なくとも一部を、前記第２の検出手段による検出信号によって相殺することを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
前記第２のアームのＺ軸方向の屈曲振動を検出する第３の検出手段を備え、前記第３の検出手段は前記第２のアーム上に形成された検出電極を有し、Ｙ軸周りの角速度を検出可能としたことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
前記第２のアームまたは前記第３のアームの少なくとも一方のアームの先端に接続され、前記第１のアームの中心を通りＹＺ平面に平行な平面に関して対称に形成された、少なくとも１対以上の付加質量部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記第２のアームおよび前記連結部のＸＹ平面に平行な面の外形はいずれもＸ軸方向およびＹ軸方向の辺からなる矩形形状を有し、前記連結部のＹ軸方向の辺の長さは、前記第２のアームのＸ軸方向の辺の長さに対し、２倍以上４倍以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項５】
前記駆動手段により前記第１の連結部に生ずる振動の最大変位量は、前記駆動手段により前記第２のアームに生ずる前記屈曲振動の最大変位量に比べて１０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項６】
前記駆動手段、前記第１の検出手段および前記第２の検出手段は、それぞれ圧電薄膜を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２４７７８９（Ｐ２０１１−２４７７８９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２２２７１（Ｐ２０１０−１２２２７１）
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【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２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【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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