角速度および加速度検出装置
【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軸の角速度および２軸の加速度の検出が可能である安価な角速度および加速度検出装置を提供すること。
【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る振動子を用い、１つの駆動モードを励振し、４つの検出モードを検出することで、２軸の角速度出力および２軸の加速度出力を得る。
【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る振動子を用い、１つの駆動モードを励振し、４つの検出モードを検出することで、２軸の角速度出力および２軸の加速度出力を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等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、回転運動や並進運動を検出する、角速度および加速度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角速度検出装置は、物体が回転運動をした際の角速度を検出するセンサデバイスである。角速度検出装置としては、安価な振動ジャイロが広く普及している。振動ジャイロは、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検出装置である。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】
加速度検出装置は、物体が並進運動をした際の加速度を検出するセンサデバイスである。加速度検出装置は、物体に加速度が与えられると、その物体自身に力が働き、変位や歪み等を発生するという力学現象を利用したものである。加速度検出装置は、変位や歪み等の機械的な変化の大きさを電気的に検出可能とした系を有し、加速度を与えると、その変位や歪み等を出力電圧として検出できる。この検出された出力電圧は加速度に比例するので、出力電圧の大きさから加速度の大きさを求めることができる。
【０００４】
近年、これらの角速度および加速度検出装置においても、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。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。また、各種ナビゲーションシステムにおいては、回転運動と同時に並進運動の検出が必要不可欠である。
【０００５】
このような状況の中で、小型化、低価格化へのアプローチの１つとして、複数軸の回転運動の検出と複数軸の加速度の検出を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。
【０００６】
図６は従来の角速度および加速度検出装置を示す斜視図である。図６の構成は、特許文献１に開示されたものであるが、シリコン基板を加工し形成され、第１アーム１０２を第２アーム１０４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム１０２を支持部１０６に接続するとともに他端を第３アーム１１０に接続する。第３アーム１１０の端部を実装基板等に固定する。第２アーム１０４は折曲して第２アーム１０４自身と対向する対向部１１６を設け、その先端には錘部１１４を接続している。４つの第２アーム１０４には、対向部１１６を駆動振動させる駆動電極１１８、対向部１１６の歪を検出する検出電極１２０を設けている。この検出電極１２０は角速度検出用の電極であって、第１〜第４の検出電極１２２、１２４、１２６、１２８からなる。これらの電極は、シリコン基板上にＰｔの下部電極を高周波スパッタにて形成し、この下部電極の上部に高周波スパッタにてＰＺＴ圧電体を形成し、さらに、上部にＡｕ蒸着で上部電極を形成することによって形成する。また、第１アーム１０２の表面にも検出電極が形成され、第１アーム１０２の歪を検出できる構成となっている。シリコン基板上に薄膜抵抗を積層し、さらに、検出電極を積層して形成する。
【０００７】
駆動電極１１８に交流電圧を印加すると対向部１１６は駆動振動し、それに伴い、４つの第２アーム１０４および４つの対向部１１６の全てが同調して駆動振動する。また、角速度に起因してアームが歪めば、検出電極１２０から歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき、処理回路で角速度を検出できる。さらに、第１アーム１０２には、第１アーム１０２の歪を検出する電極を設けており、この電極は加速度検出用の電極であって、この出力電圧に基づき、処理回路で加速度を検出できる。
【０００８】
上記構成により、Ｚ軸とＹ軸の角速度の検出およびＹ軸の加速度の検出を可能としている。複数の角速度検出装置や加速度検出装置を実装するための実装面積を確保する必要がなく、複数の軸の角速度や加速度を検出することができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２５６２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述した従来の角速度および加速度検出装置では、素子の構造が非常に複雑であり、製造には、多くのプロセスを要することとなる。また、素子の支持固定が非常に困難であると考えられる。角速度検出装置として動作させるための駆動振動では、前述の通り支持部１０６に関して、対称な振動である。したがって、駆動振動は、第３アーム１１０の端部による実装基板等への支持固定が容易であると考えられる。しかし、Ｙ軸およびＺ軸に関して角速度を印加して発生した検出振動は、どちらの振動においても素子全体が回転するような力が働く。この力は、第３アーム１１０の端部に働き、変位を発生させる。この変位は、実装基板等との接続部で減衰し、検出振動を不安定にする。したがって、感度のバラツキや温度特性、出力ドリフトを劣化させる原因となる。
【００１１】
そこで、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、実装等が容易で生産性が良く、感度のバラツキや温度特性、出力ドリフトが小さく、さらに、２軸の角速度と２軸の加速度の検出が可能である、安価な角速度および加速度検出装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
請求項１に記載の発明は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で表される空間内に形成された、４つの付加質量部を持つ振動子を用いた、角速度および加速度検出装置であって、ＹＺ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、（１）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Ｘ軸方向に振動する駆動モードの駆動手段と、（２）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Ｚ軸方向に振動する第１の検出モードに対する検出手段と、（３）２つの同位相の付加質量部４ａ、４ｄと２つの同位相の付加質量部４ｂ、４ｃとが互いに逆位相でＺ軸方向に振動する第２の検出モードに対する検出手段と、（４）４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが同位相でＺ軸方向に振動する第３の検出モードに対する検出手段と、（５）４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが同位相でＸ軸方向に振動する第４の検出モードに対する検出手段と、を備えたことを特徴とする角速度および加速度検出装置である。
【００１４】
すなわち、対称性の良い、駆動モード、第１および第２の検出モードを利用し、２軸の角速度を検出可能な角速度検出装置（振動ジャイロ）を構成する。同時に、第３および第４の検出モードの変位によって、２軸の加速度を検出可能な加速度検出装置を構成する。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の角速度および加速度検出装置において、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で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で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が接続され、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ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、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、振動子を構成し、前記枠体を介して、前記振動子が支持され、且つ、前記振動子は、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ＸＹ平面に関して非対称となり、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るＸＺ平面に関して略対称となることを特徴とする、角速度および加速度検出装置である。
【００１６】
すなわち、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、請求項１に記載の機能を持つ振動子を構成する。支持をその外縁部で行うことで、生産性が高く、耐衝撃性も良い。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、前記振動子はニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、前記ニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したことを特徴とする角速度および加速度検出装置である。また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、前記振動子はタンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、前記タンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したことを特徴とする角速度および加速度検出装置である。
【００１８】
すなわち、ＹＺ平面に平行な電界に対して、高い電気機械結合係数を有する材料を用いることで、Ｘカット面のみへの電極配置で、２軸の角速度および２軸の加速度を検出することが可能である。側面への電極形成が不要であり、２面あるＸカット面のうち、その片面のみへの電極形成でも、センサとしての機能を果たすことが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
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軸の角速度および２軸の加速度の検出が可能である、安価な角速度および加速度検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
本発明の実施の形態１での角速度および加速度検出装置は、請求項１および請求項２に記載の発明に係り、図３に正面図で示される振動子の構造を有する。
【００２２】
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している。略四角の平板は、圧電材料であり、振動子の表面に形成された電極により、ビームの屈曲振動の駆動、ビームの屈曲変位の検出が可能である。また、振動子の支持をその外縁部で行う。
【００２３】
角速度検出装置として必要な駆動モードは、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（Ｘ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。
【００２４】
前述の駆動モードを励振した状態で、Ｙ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、第１の検出モード（Ｚ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、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。なお、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るＸＺ平面に関して略対称に振動子を形成すると、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部での振動の打ち消しが容易になる。
【００２５】
同様に、駆動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。
【００２６】
ここで、振動子は、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ＸＹ平面に関して非対称となる構造を有している。すなわち、図３の紙面内で左側部分と右側部分が互いに非対称になっている。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。この振動の検出には、第２の検出モード（Ｙモード）を利用できる。すなわち、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、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。
【００２７】
ところで、この第２の検出モードを利用するためには、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ＸＹ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。仮に前述の平面に関して、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。Ｚ軸方向に振動しない場合、角速度の検出ができない。また、すべての付加質量部が同相でＺ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。したがって、振動ジャイロ等の角速度検出装置の設計において、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。
【００２８】
また、Ｚ軸の加速度の検出には、第３の検出モードを利用できる。この第３の検出モードは、ビーム３ａ〜３ｄがＺ軸方向に同位相で屈曲振動する。振動子にＺ軸方向の加速度が印加された場合、付加質量部４ａ〜４ｄにＺ軸方向の力が発生し、第３の検出モードと同様の変位を生じる。この変位を第３の振動モードの検出手段によって検出することで、Ｚ軸方向の加速度に比例した電気信号を得ることができる。
【００２９】
同様に、Ｘ軸の加速度の検出には、第４の検出モードを利用できる。この第４の検出モードは、ビーム３ａ〜３ｄがＸ軸方向に同位相で屈曲振動する。振動子にＸ軸方向の加速度が印加された場合、付加質量部４ａ〜４ｄにＸ軸方向の力が発生し、第４の検出モードと同様の変位を生じる。この変位を第４の振動モードの検出手段によって検出することで、Ｘ軸方向の加速度に比例した電気信号を得ることができる。
【００３０】
さらに、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、角速度出力のドリフトが低減し、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、高信頼性の角速度検出装置用の素子が提供できる。
【００３１】
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、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。
【００３２】
また、本発明によれば、１つの振動子で２軸の角速度と２軸の加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軸の製品を複数使用するのに比べ、小型・低コスト化が可能となる。
【００３３】
また、請求項３および請求項４に記載の様に、本発明は、高結合材料である、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムのＸカット面を用いることで、ビーム３ａ〜３ｄの屈曲振動をＹＺ平面に平行な電界として、効率良く検出することが可能となる。Ｘカット面のみへの電極配置で、２軸の角速度および２軸の加速度を検出することが可能である。側面への電極形成が不要であり、若干効率は下がるが、２面あるＸカット面のうち、その片面のみへの電極形成でも、センサとしての機能を果たすことが可能である。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
本発明の一実施例での振動子の正面図は図３と同様である。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、本実施例では、振動子１は、紙面内で、上下対称、左右非対称な形状となっている。
【００３６】
また、ビーム３ａの表面には角速度検出用電極６ａ、加速度検出用電極７ａ、７ｂを、ビーム３ｂの表面には角速度検出用電極６ｂ、加速度検出用電極７ｄ、７ｅを、ビーム３ｃの表面には角速度検出用電極６ｃ、加速度検出用電極７ｄ、７ｆを、ビーム３ｄの表面には角速度検出用電極６ｄ、加速度検出用電極７ａ、７ｃを、ビーム３ｅの表面には駆動電極５ａ、基準電位電極８ａを、ビーム３ｆの表面には駆動電極５ｂ、基準電位電極８ｂ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。
【００３７】
ここで、本実施例の角速度検出装置の動作原理について詳しく説明する。図１は本実施例における角速度検出装置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）は駆動モード（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）は第２の検出モード（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）は第１の検出モード（Ｚモード）を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図である。
【００３８】
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。
【００３９】
Ｘモードを励振した状態で、Ｙ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、角速度検出装置として機能する。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、角速度検出装置として機能する。
【００４３】
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。前者の場合は、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。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。このような角速度検出装置の設計において、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。
【００４４】
また、ここで、本実施例の加速度検出装置の動作原理について説明する。この動作原理は単純である。振動子にＸ軸およびＺ軸方向の加速度が印加されると、付加質量部４ａ〜４ｄには、同じ方向で同じ大きさの慣性が働く。その結果、ビーム３ａ〜３ｄには、同じ方向で同じ大きさの屈曲の変位が生じる。これらの発生した屈曲の変位の大きさは、印加した加速度に比例し、これらの変位を電気的に取り出せば、加速度検出装置として機能する。なお、本実施例でのＹ軸方向の加速度の検出については、Ｘ軸回りで回転した際の変位と同じとなるため、Ｙ軸方向の加速度の検出は行えない。
【００４５】
上記の振動の励振や検出および変位の検出には、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に形成した角速度検出用電極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。また、同様に、加速度検出用電極７ａ〜７ｆによって、Ｘ軸およびＺ軸方向の加速度による変位を検出できる。
【００４６】
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、図２（ｄ）は第３の検出モード（Ｘ軸方向への加速度印加時）の電荷の分布を示す模式図、図２（ｅ）は第４の検出モード（Ｚ軸方向への加速度印加時）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。
【００４７】
図４は、本実施例における結晶方位を示す図である。図４に示すように、本実施例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８ａ、８ｂとをそれぞれ配置した。同様に、ビーム３ａ〜３ｄの表面に、ＹモードおよびＺモードの振動を検出する角速度検出用電極６ａ〜６ｄと加速度検出用電極７ａ〜７ｆを配置した。角速度検出用電極６ａ〜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、加算および差動回路によって、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。同様に加速度検出用電極７ａ〜７ｆにも、Ｘ軸方向およびＺ軸方向への加速度の印加による電荷が発生するが、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、Ｘ軸方向の加速度による発生電荷とＺ軸方向の加速度による発生電荷とを区別することが可能である。
【００４８】
図５は、本実施例における角速度および加速度検出装置の回路を示すブロック図である。角速度検出装置の駆動手段として、電流検出回路９ｅと、移相回路１０ａと、ＡＧＣ回路１１（オートゲインコントロール回路）とを有し、角速度の検出手段として、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、移相回路１０ｂと、同期検波回路１５ａ、１５ｂと、フィルタ回路１６ａ、１６ｂとを有する。また、加速度の検出手段として、電流検出回路９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉと、加算回路１４ｅ、１４ｆ、１４ｇと、差動回路１３ｃを有する。
【００４９】
Ｘモードの周波数で、振動子を駆動するには、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８ａおよび８ｂ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８ａおよび８ｂ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８ａおよび８ｂの間に駆動電圧を印加することが可能となる。
【００５０】
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。
【００５１】
したがって、角速度検出用電極６ａおよび６ｄと角速度検出用電極６ｂおよび６ｃには、互いに逆位相の電荷が発生する。角速度検出用電極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、逆相の信号を出力するため、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。
【００５２】
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、角速度検出用電極６ａおよび６ｃと角速度検出用電極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。
【００５３】
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。
【００５４】
なお、Ｚ軸方向の加速度に対しても、図２（ｅ）のような電荷が発生するが、電流検出回路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄから同位相の信号が出力されるため、差動回路１３ａ、１３ｂで相殺される。また、同期検波回路１５ａ、１５ｂは、参照信号であるＸモードの共振周波数以外の信号成分を通過させない効果を持つため、基本的には、前述の角速度出力に加速度が干渉することはない。
【００５５】
すなわち、本実施例は、Ｙ軸およびＺ軸の２軸の角速度検出が可能な角速度検出装置として機能する。
【００５６】
また、Ｘ軸方向の加速度を印加すると、付加質量４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、Ｘ軸方向に、同じ大きさの慣性力を受ける。その結果、ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには、Ｘ軸方向の屈曲の変位を発生し、図２（ｄ）に示す電荷が発生する。
【００５７】
したがって、加速度検出用電極７ａ、７ｅおよび７ｆと、加速度検出用電極７ｂ、７ｃおよび７ｄには、互いに逆位相の電荷が発生する。加速度検出用電極７ａ〜７ｆには、電流検出回路９ｆ〜９ｉが図５のように接続され、それぞれの信号が電圧に変換される。すなわち、加速度検出用電極７ａは電流検出回路９ｆ、加速度検出用電極７ｂおよび７ｃは電流検出回路９ｇ、加速度検出用電極７ｅおよび７ｆは電流検出回路９ｈ、加速度検出用電極７ｄは電流検出回路９ｉに、それぞれ接続されている。
【００５８】
加算回路１４ｅには、電流検出回路９ｆと９ｈ、加算回路１４ｆには、電流検出回路９ｇと９ｉ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１４ｅと１４ｆは、逆相の信号を出力するため、差動回路１３ｃで増幅することができ、Ｘ軸方向の加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。
【００５９】
また、Ｘ軸方向の加速度と同様に、Ｚ軸方向の加速度を印加すると、図２（ｅ）のような電荷が発生する。したがって、加速度検出用電極７ａ〜７ｆのすべてにおいて、同位相の電荷が発生する。加算回路１４ｇには、電流検出回路９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉが接続され、これらは、同相成分同士であるため、信号を加え合わせることができる。加算回路１４ｇの出力は、Ｚ軸方向の加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。
【００６０】
また、Ｚ軸方向の加速度による発生電荷は、差動回路１３ｃによって、相殺され、Ｘ軸方向の加速度による発生電荷は、加算回路１４ｇによって、相殺される。さらに、ＹモードおよびＺモードに対しても、図２（ｂ）および図２（ｃ）のような電荷が発生するが、これらは、加算回路１４ｅ、１４ｆ、１４ｇによって相殺される。したがって、差動回路１３ｃの出力は、Ｘ軸方向の加速度のみに比例した出力、加算回路１４ｇの出力は、Ｚ軸方向の加速度のみに比例した出力となる。
【００６１】
前述の通り、角速度検出装置として必要な駆動モードの変位が少ない枠体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、角速度出力を安定化し、角速度出力の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軸の回転角速度および２軸の加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を共有することで部品点等を簡略化できる。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。
【００６２】
製造工程においては、圧電単結晶のウエハ上に複数個の振動子１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１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。
【００６３】
本実施例では、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、有用な角速度および加速度検出装置を構成できる。
【００６４】
また、本実施例は、圧電性を利用した角速度および加速度検出装置であるが、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。
【００６５】
以上のごとく、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軸の角速度および２軸の加速度の検出が可能である安価な角速度および加速度検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る角速度検出装置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】本発明に係る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２（ｄ）はＸ軸方向への加速度印加時の電荷の分布を示す模式図、図２（ｅ）はＺ軸方向への加速度印加時の電荷の分布を示す模式図。
【図３】本発明に係る角速度および加速度検出装置の振動子を示す正面図。
【図４】本発明の一実施例での結晶方位を示す図。
【図５】本発明の一実施例での角速度および加速度検出装置の回路を示すブロック図。
【図６】従来の角速度および加速度検出装置を示す斜視図。
【符号の説明】
【００６７】
１ 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 角速度検出用電極
７ａ〜７ｆ 加速度検出用電極
８ａ、８ｂ 基準電位電極
９ａ〜９ｉ 電流検出回路
１０ａ、１０ｂ 移相回路
１１ ＡＧＣ回路
１３ａ〜１３ｃ 差動回路
１４ａ〜１４ｇ 加算回路
１５ａ、１５ｂ 同期検波回路
１６ａ、１６ｂ フィルタ回路
１０２ 第１アーム
１０４ 第２アーム
１０６ 支持部
１１０ 第３アーム
１１４ 錘部
１１６ 対向部
１１８ 駆動電極
１２０〜１２８ 検出電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等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、回転運動や並進運動を検出する、角速度および加速度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角速度検出装置は、物体が回転運動をした際の角速度を検出するセンサデバイスである。角速度検出装置としては、安価な振動ジャイロが広く普及している。振動ジャイロは、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検出装置である。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】
加速度検出装置は、物体が並進運動をした際の加速度を検出するセンサデバイスである。加速度検出装置は、物体に加速度が与えられると、その物体自身に力が働き、変位や歪み等を発生するという力学現象を利用したものである。加速度検出装置は、変位や歪み等の機械的な変化の大きさを電気的に検出可能とした系を有し、加速度を与えると、その変位や歪み等を出力電圧として検出できる。この検出された出力電圧は加速度に比例するので、出力電圧の大きさから加速度の大きさを求めることができる。
【０００４】
近年、これらの角速度および加速度検出装置においても、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。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。また、各種ナビゲーションシステムにおいては、回転運動と同時に並進運動の検出が必要不可欠である。
【０００５】
このような状況の中で、小型化、低価格化へのアプローチの１つとして、複数軸の回転運動の検出と複数軸の加速度の検出を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。
【０００６】
図６は従来の角速度および加速度検出装置を示す斜視図である。図６の構成は、特許文献１に開示されたものであるが、シリコン基板を加工し形成され、第１アーム１０２を第２アーム１０４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム１０２を支持部１０６に接続するとともに他端を第３アーム１１０に接続する。第３アーム１１０の端部を実装基板等に固定する。第２アーム１０４は折曲して第２アーム１０４自身と対向する対向部１１６を設け、その先端には錘部１１４を接続している。４つの第２アーム１０４には、対向部１１６を駆動振動させる駆動電極１１８、対向部１１６の歪を検出する検出電極１２０を設けている。この検出電極１２０は角速度検出用の電極であって、第１〜第４の検出電極１２２、１２４、１２６、１２８からなる。これらの電極は、シリコン基板上にＰｔの下部電極を高周波スパッタにて形成し、この下部電極の上部に高周波スパッタにてＰＺＴ圧電体を形成し、さらに、上部にＡｕ蒸着で上部電極を形成することによって形成する。また、第１アーム１０２の表面にも検出電極が形成され、第１アーム１０２の歪を検出できる構成となっている。シリコン基板上に薄膜抵抗を積層し、さらに、検出電極を積層して形成する。
【０００７】
駆動電極１１８に交流電圧を印加すると対向部１１６は駆動振動し、それに伴い、４つの第２アーム１０４および４つの対向部１１６の全てが同調して駆動振動する。また、角速度に起因してアームが歪めば、検出電極１２０から歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき、処理回路で角速度を検出できる。さらに、第１アーム１０２には、第１アーム１０２の歪を検出する電極を設けており、この電極は加速度検出用の電極であって、この出力電圧に基づき、処理回路で加速度を検出できる。
【０００８】
上記構成により、Ｚ軸とＹ軸の角速度の検出およびＹ軸の加速度の検出を可能としている。複数の角速度検出装置や加速度検出装置を実装するための実装面積を確保する必要がなく、複数の軸の角速度や加速度を検出することができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２５６２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述した従来の角速度および加速度検出装置では、素子の構造が非常に複雑であり、製造には、多くのプロセスを要することとなる。また、素子の支持固定が非常に困難であると考えられる。角速度検出装置として動作させるための駆動振動では、前述の通り支持部１０６に関して、対称な振動である。したがって、駆動振動は、第３アーム１１０の端部による実装基板等への支持固定が容易であると考えられる。しかし、Ｙ軸およびＺ軸に関して角速度を印加して発生した検出振動は、どちらの振動においても素子全体が回転するような力が働く。この力は、第３アーム１１０の端部に働き、変位を発生させる。この変位は、実装基板等との接続部で減衰し、検出振動を不安定にする。したがって、感度のバラツキや温度特性、出力ドリフトを劣化させる原因となる。
【００１１】
そこで、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、実装等が容易で生産性が良く、感度のバラツキや温度特性、出力ドリフトが小さく、さらに、２軸の角速度と２軸の加速度の検出が可能である、安価な角速度および加速度検出装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
請求項１に記載の発明は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で表される空間内に形成された、４つの付加質量部を持つ振動子を用いた、角速度および加速度検出装置であって、ＹＺ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、（１）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Ｘ軸方向に振動する駆動モードの駆動手段と、（２）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Ｚ軸方向に振動する第１の検出モードに対する検出手段と、（３）２つの同位相の付加質量部４ａ、４ｄと２つの同位相の付加質量部４ｂ、４ｃとが互いに逆位相でＺ軸方向に振動する第２の検出モードに対する検出手段と、（４）４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが同位相でＺ軸方向に振動する第３の検出モードに対する検出手段と、（５）４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが同位相でＸ軸方向に振動する第４の検出モードに対する検出手段と、を備えたことを特徴とする角速度および加速度検出装置である。
【００１４】
すなわち、対称性の良い、駆動モード、第１および第２の検出モードを利用し、２軸の角速度を検出可能な角速度検出装置（振動ジャイロ）を構成する。同時に、第３および第４の検出モードの変位によって、２軸の加速度を検出可能な加速度検出装置を構成する。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の角速度および加速度検出装置において、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で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で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が接続され、前記付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ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、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、振動子を構成し、前記枠体を介して、前記振動子が支持され、且つ、前記振動子は、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ＸＹ平面に関して非対称となり、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るＸＺ平面に関して略対称となることを特徴とする、角速度および加速度検出装置である。
【００１６】
すなわち、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、請求項１に記載の機能を持つ振動子を構成する。支持をその外縁部で行うことで、生産性が高く、耐衝撃性も良い。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、前記振動子はニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、前記ニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したことを特徴とする角速度および加速度検出装置である。また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、前記振動子はタンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、前記タンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したことを特徴とする角速度および加速度検出装置である。
【００１８】
すなわち、ＹＺ平面に平行な電界に対して、高い電気機械結合係数を有する材料を用いることで、Ｘカット面のみへの電極配置で、２軸の角速度および２軸の加速度を検出することが可能である。側面への電極形成が不要であり、２面あるＸカット面のうち、その片面のみへの電極形成でも、センサとしての機能を果たすことが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
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軸の角速度および２軸の加速度の検出が可能である、安価な角速度および加速度検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
本発明の実施の形態１での角速度および加速度検出装置は、請求項１および請求項２に記載の発明に係り、図３に正面図で示される振動子の構造を有する。
【００２２】
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している。略四角の平板は、圧電材料であり、振動子の表面に形成された電極により、ビームの屈曲振動の駆動、ビームの屈曲変位の検出が可能である。また、振動子の支持をその外縁部で行う。
【００２３】
角速度検出装置として必要な駆動モードは、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（Ｘ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。
【００２４】
前述の駆動モードを励振した状態で、Ｙ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、第１の検出モード（Ｚ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、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。なお、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るＸＺ平面に関して略対称に振動子を形成すると、ビーム３ｅとビーム３ｆの接続部での振動の打ち消しが容易になる。
【００２５】
同様に、駆動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。
【００２６】
ここで、振動子は、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ＸＹ平面に関して非対称となる構造を有している。すなわち、図３の紙面内で左側部分と右側部分が互いに非対称になっている。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。この振動の検出には、第２の検出モード（Ｙモード）を利用できる。すなわち、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、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。
【００２７】
ところで、この第２の検出モードを利用するためには、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ＸＹ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。仮に前述の平面に関して、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。Ｚ軸方向に振動しない場合、角速度の検出ができない。また、すべての付加質量部が同相でＺ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。したがって、振動ジャイロ等の角速度検出装置の設計において、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。
【００２８】
また、Ｚ軸の加速度の検出には、第３の検出モードを利用できる。この第３の検出モードは、ビーム３ａ〜３ｄがＺ軸方向に同位相で屈曲振動する。振動子にＺ軸方向の加速度が印加された場合、付加質量部４ａ〜４ｄにＺ軸方向の力が発生し、第３の検出モードと同様の変位を生じる。この変位を第３の振動モードの検出手段によって検出することで、Ｚ軸方向の加速度に比例した電気信号を得ることができる。
【００２９】
同様に、Ｘ軸の加速度の検出には、第４の検出モードを利用できる。この第４の検出モードは、ビーム３ａ〜３ｄがＸ軸方向に同位相で屈曲振動する。振動子にＸ軸方向の加速度が印加された場合、付加質量部４ａ〜４ｄにＸ軸方向の力が発生し、第４の検出モードと同様の変位を生じる。この変位を第４の振動モードの検出手段によって検出することで、Ｘ軸方向の加速度に比例した電気信号を得ることができる。
【００３０】
さらに、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、角速度出力のドリフトが低減し、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、高信頼性の角速度検出装置用の素子が提供できる。
【００３１】
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、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。
【００３２】
また、本発明によれば、１つの振動子で２軸の角速度と２軸の加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軸の製品を複数使用するのに比べ、小型・低コスト化が可能となる。
【００３３】
また、請求項３および請求項４に記載の様に、本発明は、高結合材料である、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムのＸカット面を用いることで、ビーム３ａ〜３ｄの屈曲振動をＹＺ平面に平行な電界として、効率良く検出することが可能となる。Ｘカット面のみへの電極配置で、２軸の角速度および２軸の加速度を検出することが可能である。側面への電極形成が不要であり、若干効率は下がるが、２面あるＸカット面のうち、その片面のみへの電極形成でも、センサとしての機能を果たすことが可能である。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
本発明の一実施例での振動子の正面図は図３と同様である。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、本実施例では、振動子１は、紙面内で、上下対称、左右非対称な形状となっている。
【００３６】
また、ビーム３ａの表面には角速度検出用電極６ａ、加速度検出用電極７ａ、７ｂを、ビーム３ｂの表面には角速度検出用電極６ｂ、加速度検出用電極７ｄ、７ｅを、ビーム３ｃの表面には角速度検出用電極６ｃ、加速度検出用電極７ｄ、７ｆを、ビーム３ｄの表面には角速度検出用電極６ｄ、加速度検出用電極７ａ、７ｃを、ビーム３ｅの表面には駆動電極５ａ、基準電位電極８ａを、ビーム３ｆの表面には駆動電極５ｂ、基準電位電極８ｂ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。
【００３７】
ここで、本実施例の角速度検出装置の動作原理について詳しく説明する。図１は本実施例における角速度検出装置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）は駆動モード（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）は第２の検出モード（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）は第１の検出モード（Ｚモード）を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図である。
【００３８】
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。
【００３９】
Ｘモードを励振した状態で、Ｙ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、角速度検出装置として機能する。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、角速度検出装置として機能する。
【００４３】
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。前者の場合は、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。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。このような角速度検出装置の設計において、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。
【００４４】
また、ここで、本実施例の加速度検出装置の動作原理について説明する。この動作原理は単純である。振動子にＸ軸およびＺ軸方向の加速度が印加されると、付加質量部４ａ〜４ｄには、同じ方向で同じ大きさの慣性が働く。その結果、ビーム３ａ〜３ｄには、同じ方向で同じ大きさの屈曲の変位が生じる。これらの発生した屈曲の変位の大きさは、印加した加速度に比例し、これらの変位を電気的に取り出せば、加速度検出装置として機能する。なお、本実施例でのＹ軸方向の加速度の検出については、Ｘ軸回りで回転した際の変位と同じとなるため、Ｙ軸方向の加速度の検出は行えない。
【００４５】
上記の振動の励振や検出および変位の検出には、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に形成した角速度検出用電極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。また、同様に、加速度検出用電極７ａ〜７ｆによって、Ｘ軸およびＺ軸方向の加速度による変位を検出できる。
【００４６】
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、図２（ｄ）は第３の検出モード（Ｘ軸方向への加速度印加時）の電荷の分布を示す模式図、図２（ｅ）は第４の検出モード（Ｚ軸方向への加速度印加時）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。
【００４７】
図４は、本実施例における結晶方位を示す図である。図４に示すように、本実施例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８ａ、８ｂとをそれぞれ配置した。同様に、ビーム３ａ〜３ｄの表面に、ＹモードおよびＺモードの振動を検出する角速度検出用電極６ａ〜６ｄと加速度検出用電極７ａ〜７ｆを配置した。角速度検出用電極６ａ〜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、加算および差動回路によって、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。同様に加速度検出用電極７ａ〜７ｆにも、Ｘ軸方向およびＺ軸方向への加速度の印加による電荷が発生するが、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、Ｘ軸方向の加速度による発生電荷とＺ軸方向の加速度による発生電荷とを区別することが可能である。
【００４８】
図５は、本実施例における角速度および加速度検出装置の回路を示すブロック図である。角速度検出装置の駆動手段として、電流検出回路９ｅと、移相回路１０ａと、ＡＧＣ回路１１（オートゲインコントロール回路）とを有し、角速度の検出手段として、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、移相回路１０ｂと、同期検波回路１５ａ、１５ｂと、フィルタ回路１６ａ、１６ｂとを有する。また、加速度の検出手段として、電流検出回路９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉと、加算回路１４ｅ、１４ｆ、１４ｇと、差動回路１３ｃを有する。
【００４９】
Ｘモードの周波数で、振動子を駆動するには、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８ａおよび８ｂ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８ａおよび８ｂ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８ａおよび８ｂの間に駆動電圧を印加することが可能となる。
【００５０】
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。
【００５１】
したがって、角速度検出用電極６ａおよび６ｄと角速度検出用電極６ｂおよび６ｃには、互いに逆位相の電荷が発生する。角速度検出用電極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、逆相の信号を出力するため、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。
【００５２】
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、角速度検出用電極６ａおよび６ｃと角速度検出用電極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。
【００５３】
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。
【００５４】
なお、Ｚ軸方向の加速度に対しても、図２（ｅ）のような電荷が発生するが、電流検出回路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄから同位相の信号が出力されるため、差動回路１３ａ、１３ｂで相殺される。また、同期検波回路１５ａ、１５ｂは、参照信号であるＸモードの共振周波数以外の信号成分を通過させない効果を持つため、基本的には、前述の角速度出力に加速度が干渉することはない。
【００５５】
すなわち、本実施例は、Ｙ軸およびＺ軸の２軸の角速度検出が可能な角速度検出装置として機能する。
【００５６】
また、Ｘ軸方向の加速度を印加すると、付加質量４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、Ｘ軸方向に、同じ大きさの慣性力を受ける。その結果、ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには、Ｘ軸方向の屈曲の変位を発生し、図２（ｄ）に示す電荷が発生する。
【００５７】
したがって、加速度検出用電極７ａ、７ｅおよび７ｆと、加速度検出用電極７ｂ、７ｃおよび７ｄには、互いに逆位相の電荷が発生する。加速度検出用電極７ａ〜７ｆには、電流検出回路９ｆ〜９ｉが図５のように接続され、それぞれの信号が電圧に変換される。すなわち、加速度検出用電極７ａは電流検出回路９ｆ、加速度検出用電極７ｂおよび７ｃは電流検出回路９ｇ、加速度検出用電極７ｅおよび７ｆは電流検出回路９ｈ、加速度検出用電極７ｄは電流検出回路９ｉに、それぞれ接続されている。
【００５８】
加算回路１４ｅには、電流検出回路９ｆと９ｈ、加算回路１４ｆには、電流検出回路９ｇと９ｉ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１４ｅと１４ｆは、逆相の信号を出力するため、差動回路１３ｃで増幅することができ、Ｘ軸方向の加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。
【００５９】
また、Ｘ軸方向の加速度と同様に、Ｚ軸方向の加速度を印加すると、図２（ｅ）のような電荷が発生する。したがって、加速度検出用電極７ａ〜７ｆのすべてにおいて、同位相の電荷が発生する。加算回路１４ｇには、電流検出回路９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉが接続され、これらは、同相成分同士であるため、信号を加え合わせることができる。加算回路１４ｇの出力は、Ｚ軸方向の加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。
【００６０】
また、Ｚ軸方向の加速度による発生電荷は、差動回路１３ｃによって、相殺され、Ｘ軸方向の加速度による発生電荷は、加算回路１４ｇによって、相殺される。さらに、ＹモードおよびＺモードに対しても、図２（ｂ）および図２（ｃ）のような電荷が発生するが、これらは、加算回路１４ｅ、１４ｆ、１４ｇによって相殺される。したがって、差動回路１３ｃの出力は、Ｘ軸方向の加速度のみに比例した出力、加算回路１４ｇの出力は、Ｚ軸方向の加速度のみに比例した出力となる。
【００６１】
前述の通り、角速度検出装置として必要な駆動モードの変位が少ない枠体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、角速度出力を安定化し、角速度出力の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軸の回転角速度および２軸の加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を共有することで部品点等を簡略化できる。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。
【００６２】
製造工程においては、圧電単結晶のウエハ上に複数個の振動子１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１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。
【００６３】
本実施例では、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、有用な角速度および加速度検出装置を構成できる。
【００６４】
また、本実施例は、圧電性を利用した角速度および加速度検出装置であるが、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。
【００６５】
以上のごとく、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軸の角速度および２軸の加速度の検出が可能である安価な角速度および加速度検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る角速度検出装置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】本発明に係る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２（ｄ）はＸ軸方向への加速度印加時の電荷の分布を示す模式図、図２（ｅ）はＺ軸方向への加速度印加時の電荷の分布を示す模式図。
【図３】本発明に係る角速度および加速度検出装置の振動子を示す正面図。
【図４】本発明の一実施例での結晶方位を示す図。
【図５】本発明の一実施例での角速度および加速度検出装置の回路を示すブロック図。
【図６】従来の角速度および加速度検出装置を示す斜視図。
【符号の説明】
【００６７】
１ 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 角速度検出用電極
７ａ〜７ｆ 加速度検出用電極
８ａ、８ｂ 基準電位電極
９ａ〜９ｉ 電流検出回路
１０ａ、１０ｂ 移相回路
１１ ＡＧＣ回路
１３ａ〜１３ｃ 差動回路
１４ａ〜１４ｇ 加算回路
１５ａ、１５ｂ 同期検波回路
１６ａ、１６ｂ フィルタ回路
１０２ 第１アーム
１０４ 第２アーム
１０６ 支持部
１１０ 第３アーム
１１４ 錘部
１１６ 対向部
１１８ 駆動電極
１２０〜１２８ 検出電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で表される空間内に形成された、４つの付加質量部を持つ振動子を用いた、角速度および加速度検出装置であって、
ＹＺ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、
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Ｘ軸方向に振動する駆動モードの駆動手段と、
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Ｚ軸方向に振動する第１の検出モードに対する検出手段と、
２つの同位相の付加質量部（４ａ、４ｄ）と２つの同位相の付加質量部（４ｂ、４ｃ）とが互いに逆位相でＺ軸方向に振動する第２の検出モードに対する検出手段と、
４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が同位相でＺ軸方向に振動する第３の検出モードに対する検出手段と、
４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が同位相でＸ軸方向に振動する第４の検出モードに対する検出手段と、
を備えたことを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の角速度および加速度検出装置において、
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）で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）で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が接続され、
前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）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、
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、振動子を構成し、
前記枠体を介して、前記振動子が支持され、
且つ、前記振動子は、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ＸＹ平面に関して非対称となり、
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るＸＺ平面に関して略対称となること
を特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、
前記振動子はニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、
前記ニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、
且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したこと
を特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、
前記振動子はタンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、
前記タンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、
且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したこと
を特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項１】
互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で表される空間内に形成された、４つの付加質量部を持つ振動子を用いた、角速度および加速度検出装置であって、
ＹＺ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、
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Ｘ軸方向に振動する駆動モードの駆動手段と、
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Ｚ軸方向に振動する第１の検出モードに対する検出手段と、
２つの同位相の付加質量部（４ａ、４ｄ）と２つの同位相の付加質量部（４ｂ、４ｃ）とが互いに逆位相でＺ軸方向に振動する第２の検出モードに対する検出手段と、
４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が同位相でＺ軸方向に振動する第３の検出モードに対する検出手段と、
４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が同位相でＸ軸方向に振動する第４の検出モードに対する検出手段と、
を備えたことを特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の角速度および加速度検出装置において、
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）で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）で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が接続され、
前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）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、
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、振動子を構成し、
前記枠体を介して、前記振動子が支持され、
且つ、前記振動子は、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ＸＹ平面に関して非対称となり、
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るＸＺ平面に関して略対称となること
を特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、
前記振動子はニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、
前記ニオブ酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、
且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したこと
を特徴とする角速度および加速度検出装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の角速度および加速度検出装置において、
前記振動子はタンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット板で一体的に形成され、
前記タンタル酸リチウム圧電単結晶のＸカット面は前記振動子のＹＺ平面と平行となり、
且つ、前記駆動手段および前記検出手段のための電極を前記Ｘカット面に配置したこと
を特徴とする角速度および加速度検出装置。
【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２００９−１９２４０３（Ｐ２００９−１９２４０３Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３４３３５（Ｐ２００８−３４３３５）
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【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２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【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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