JP2004085361A

JP2004085361A - 物理量測定装置

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Publication number: JP2004085361A
Application number: JP2002246865A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 富川　義朗; Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】圧電振動子を使用した物理量測定装置において、圧電振動子の小型化を可能とし、かつ高い検出感度が得られるようにする。
【解決手段】振動子２０Ａに対して電磁力を印加することによって、振動子２０Ａに駆動振動を励振する。駆動振動が励振された振動子２０Ａに物理量に応じて生ずる検出振動を、圧電材料の圧電性を利用して検出するように構成されている。物理量は例えば回転角速度である。電磁力は、好ましくは静電力、ローレンツ力である。
【選択図】　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電材料製の振動子を使用し、回転角速度等の物理量を検出するための物理量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに、振動型ジャイロスコープを使用することが検討されている。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００３】本出願人は、特開平１１−１２５５２８号公報において、振動子の駆動振動アームや検出振動アームに、細長い貫通孔を形成することを開示した。また、このようなアームを備える各種の振動型ジャイロスコープを開示した。また、「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　１９９７」第８７９〜８８２頁の文献「Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ａｎｇｕｌａｒ　Ｒａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｒｅａｄ−ｏｕｔ」（Ｓ．　Ｓａｓｓｅｎ　ｅｌ．　ａｌ．）においては、シリコンウエハーの表面に圧電アクチュエーター膜を形成し、この圧電アクチュエーターを用いてシリコンウエハーを圧電的に駆動している。そして、回転角速度に対応する変位をピエゾ抵抗体膜を用いて検出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特開平１１−１２５５２８号公報記載の圧電振動型ジャイロスコープは、高感度であり、エネルギー消費量が少ないという特徴を有する。この型の振動型ジャイロスコープにおいては、圧電振動子を更に小型化することが要請されている。しかし、これと同時に、動作周波数の上昇は防止しなければならない。従って、小型化された振動子を使用し、できるだけ低い駆動周波数によって、高い感度を得ることが望まれる。しかし、圧電振動子を用いた振動型ジャイロスコープにおいて振動子を小型化すると、感度が低下する傾向があった。
【０００５】本発明の課題は、圧電振動子を使用した物理量測定装置において、圧電振動子の小型化が可能であり、かつ高い検出感度が得られるような装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも一部が圧電材料からなる振動子を使用して物理量を測定する装置であって、振動子に対して電磁力を印加することによって振動子に駆動振動を励振し、駆動振動が励振された振動子に物理量に応じて生ずる検出振動を圧電材料の圧電性を利用して検出するように構成されていることを特徴とする。
【０００７】本発明者は、圧電振動子を用いた振動型ジャイロスコープにおいて、振動子を小型化したときに検出感度が低下する原因を検討した。まず、振動子を小型化すると、駆動振動のエネルギーが小さくなるので、検出振動の振幅も小さくなる。これを補うために、駆動振動片に幅の広い重量付加部を設けることを検討した。そして、このような駆動振動片に対して高い駆動電圧を印加し、駆動振動のエネルギーを大きくすることを試みた。しかし、この場合には、重量付加部それ自体を圧電機構によって直接駆動することができず、重量付加部を十分に大きく振動させることができない。このため、駆動振動のエネルギーを大きくすることは難しいために、検出振動の振幅にも限界があり、検出感度が低下する傾向が見られた。こうした傾向は、振動子の寸法が小さくなるのにつれて、圧電振動子を用いた測定装置の限界として顕著になってきた。
【０００８】そこで、本発明者は、圧電材料からなる振動子を電磁力によって駆動し、これと共に振動子の検出振動は圧電機構によって検出することを想到した。このような装置によれば、振動子に電磁力によって駆動振動を励振していることから、駆動振動の振幅を大きくすることができ、あるいは駆動振動のエネルギーを大きくすることができる。
【０００９】特に振動子の寸法の小型化をカバーするために、振動子に重量付加部を設けた場合には、この重量付加部を電磁力によって大きな振幅で励振することが可能になる。圧電機構では、重量付加部を大きな振幅をもって直接駆動することが設計上難しい。しかし、電磁力の場合には、重量付加部それ自体に電磁力を受けるデバイスを設置することによって、重量付加部それ自体を大きな力で駆動することが可能である。この結果、駆動振動のエネルギーを大きくし、検出感度を向上させることが可能である。
【００１０】振動子の一部または全部は圧電材料からなる。圧電材料は特に限定しないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶が特に好ましい。また、ＰＺＴ等の圧電セラミックスも使用可能である。
【００１１】本発明の振動子を圧電材料によって形成した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を設けることができる。
【００１２】本発明において測定されるべき物理量は、特に限定されない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。
【００１３】振動子に駆動振動を励振するための電磁力は、静電力と動電力とを含む。特に、静電力、ローレンツ力、電磁誘導が好ましい。
【００１４】また、好適な実施形態においては、振動子が、駆動振動を励振するべき駆動振動片を備えており、この駆動振動片が重量付加部を備えている。この重量付加部を電磁力によって直接駆動することが特に好ましい。
【００１５】図１は、本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ａを概略的に示す平面図である。本例の振動子２０Ａは、例えば長方形の枠２を備えており、枠２の中に検出振動片５Ａ、５Ｂが延びている。９は空隙である。検出振動片５Ａと５Ｂとは直線状に延びている。各検出振動片５Ａ、５Ｂの表面、裏面および両側面には、検出電極８が形成されている。また、検出振動片５Ａ、５Ｂに直交する方向に細長い一対の駆動振動片３Ａ、３Ｂが延びている。各駆動振動片３Ａ、３Ｂの先端にはそれぞれ幅広い重量付加部４Ａ、４Ｂが設けられている。重量付加部４Ａ、４Ｂの表面、裏面および側面は駆動電極６によって被覆されている。更に枠２の内側面には、重量付加部４Ａ、４Ｂに対向する位置に、導電性膜からなる駆動部７が設けられている。
【００１６】検出電極８、駆動電極６は、図示しないワイヤーボンディングを通して、それぞれ所定の駆動回路、検出回路に接続されている。また、駆動部７は、図示しない配線を介して、外部の駆動回路に接続されている。
【００１７】本例の振動子では、一対の駆動振動片３Ａ、３Ｂの伸縮振動を駆動振動とする。具体的には、駆動電極６と静電駆動部７との間に電圧を印加することによって、静電力を重量付加部４Ａ、４Ｂに対して加える。これによって重量付加部４Ａ、４Ｂを静電力によって直接に駆動する。この結果、各駆動振動片３Ａ、３Ｂは矢印Ａのように伸縮振動する。この状態で振動子２０ＡをＺ軸の周りに回転させると、各重量付加部４Ａ、４Ｂには、矢印Ｂのような屈曲振動が励振される。この振動Ｂとバランスをとるように，各検出振動片５Ａ、５Ｂに矢印Ｃのように屈曲振動が励振される。この屈曲振動Ｃを検出振動とし、検出電極８から発生する信号を検出回路によって検出する。
【００１８】図２の振動型ジャイロスコープ１Ｂの振動子２０Ｂは、図１の振動子２０Ａと類似のものである。ただし、振動子２０Ｂにおいては、各重量付加部４Ｃ、４Ｄに櫛形突起１０が形成されている。また、枠２の内側面にも櫛形の駆動部１１が形成されており、櫛形突起１０と櫛形駆動部１１とが組み合わされている。このように重量付加部に櫛形突起を設けることによって、重量付加部に対して、より低い電圧で大きな静電力を加えることができ、検出感度が一層向上する。
【００１９】図３は、他の実施形態に係る振動子２０Ｃを概略的に示す平面図であり、図４は、重量付加部４Ｅおよびその周辺の拡大図であり、図５は、振動子２０Ｃおよびその駆動機構を示す平面図である。
【００２０】本例の振動子２０Ｃは、振動子に対して略垂直なＺ軸の周りの回転角速度を測定するものである。振動子２０Ｃの基部２１は正方形をしている。基部２１の周縁部から、二つの支持部２２と、２つの周方向検出振動片５Ａ、５Ｂとが突出している。各支持部および各検出振動片は互いに分離されている。
【００２１】各支持部２２の先端から、支持部２２に直交する方向に、それぞれ２つの駆動振動片３Ａ、３Ｂまたは３Ｃ、３Ｄが延びている。各駆動振動片３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの各先端には、それぞれ幅広い重量付加部４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈが設けられている。本例では、各駆動振動片および重量付加部を被覆するように駆動電極６が形成されている。また、各周方向検出振動片５Ａ、５Ｂの各先端には、それぞれ幅広い重量付加部２４Ａ、２４Ｂが設けられている。そして各検出振動片および重量付加部の表面、両側面および裏面には、所定の検出電極８が形成されている。
【００２２】図５に示すように、本例の振動子２０Ｃは、所定の枠２内に形成することができる。図５においては、枠２と振動子２０Ｃとが直接連結していないが、両者を直接連結することができる。また、本例では、枠２の一部領域１３Ａの表面、裏面、側面を被覆する導電性膜からなる駆動部１４Ａを設ける。また、枠２の内側面から延びる突出部１３Ｂを、領域１３Ａと対向する位置に設ける。突出部１３Ｂを導電性膜１４Ｂによって被覆し、駆動部とする。
【００２３】図４に示すように、各重量付加部４Ｅ〜４Ｈを、対向する一対の駆動部１４Ａと１４Ｂとの間に設置する。各重量付加部には、それぞれ櫛形突起１２が多数設けられている。また、各駆動部１４Ａ、１４Ｂには、それぞれ櫛形突起１５が多数設けられている。櫛形突起１２と１５とを組み合わせる。
【００２４】この状態で、各駆動部１４Ａ、１４Ｂ、および駆動電極６に所定の交流電圧を印加することによって、各重量付加部を矢印Ａのように励振する。このように各重量付加部が矢印Ａのように振動する結果、各駆動振動片３Ａ〜３Ｄはそれぞれ屈曲振動する。ここで振動子２０ＣをＺ軸の周りに回転させると、各支持部２２が、矢印Ｂのように基部２１への付け根を中心として屈曲振動する。この振動Ｂとバランスをとるように、各検出振動片５Ａ、５Ｂが、基部２１への付け根を中心として、矢印Ｃのように屈曲振動する。この検出振動を検出電極８によって検出し、電極８からの信号を検出回路で処理し、Ｚ軸の周りの回転角速度に比例する信号を得る。
【００２５】図６〜図８は、いずれも、電磁誘導によって振動子に駆動振動を励振する例を示す。
【００２６】図６の振動型ジャイロスコープ１Ｄの振動子２０Ｄは、いわゆる３本音叉型の振動子であり、２列の駆動振動片３Ｅ、３Ｆと、駆動振動片３Ｅと３Ｆとの間に挟まれた１列の検出振動片５Ｃとを備えている。各駆動振動片３Ｅ、３Ｆの中央部には、幅広い重量付加部４Ｊ、４Ｋが設けられている。本例では、主としてこの重量付加部４Ｊ、４Ｋに磁界Ｈを印加しておく。例えば図６の例では、紙面（振動子）に対して略垂直の方向に向かって延びる磁界Ｈを印加しておく。磁界Ｈを生成させる方法は限定されない。好ましくは振動子の近傍、例えばパッケージの内壁面にコイルを設置し、コイルに電流を流すことによって、磁界Ｈを生成させる。
【００２７】各駆動振動片３Ｅ、３Ｆの表面には駆動電極６が形成されている。そして、駆動電極６に対して外部から交流電圧を印加すると、駆動電極６には外部から矢印Ｉのように電流が流れる。電流Ｉの方向は周期的に反転する。この結果、各重量付加部４Ｊ、４Ｋにはローレンツ力が加わり、矢印Ａのように駆動振動が励振される。これに伴って駆動振動片３Ｅ、３Ｆは屈曲振動する。任意の瞬間において、駆動振動片３Ｅの振動方向と３Ｆの振動方向とは逆である。この状態で振動子２０ＤをＺ軸の周りに回転させると、各重量付加部４Ｊ、４Ｋには、矢印Ｂのような振動が励振される。この振動Ｂとバランスをとるように、中央の検出振動片５Ｃは矢印Ｃのように励振される。この検出振動Ｃを、所定の検出電極８によって検出し、外部の検出回路へと送って処理する。
【００２８】図７の振動型ジャイロスコープ１Ｅの振動子２０Ｅは、いわゆる２本音叉型の振動子であり、２列の駆動振動片３Ｇ、３Ｈを備えている。各駆動振動片３Ｇ、３Ｈの中央部には、幅広い重量付加部４Ｊ、４Ｋが設けられている。本例では、主としてこの重量付加部４Ｊ、４Ｋに磁界Ｈを印加しておく。図７の例では、紙面（振動子）に対して略垂直の方向に向かって延びる磁界Ｈを印加しておく。
【００２９】各駆動振動片３Ｇ、３Ｈの表面には駆動電極６が形成されている。そして、駆動電極６に対して外部から交流電圧を印加すると、駆動電極６には外部から矢印Ｉのように電流が流れる。電流Ｉの方向は周期的に反転する。この結果、各重量付加部４Ｊ、４Ｋにはローレンツ力が加わり、矢印Ａのように駆動振動が励振される。これに伴って駆動振動片３Ｇ、３Ｈは屈曲振動する。任意の瞬間において、駆動振動片３Ｇの振動方向と３Ｈの振動方向とは逆になる。この状態で振動子２０ＤをＹ軸の周りに回転させると、各重量付加部４Ｊ、４Ｋには、矢印Ｃのような紙面と略垂直方向の屈曲振動が励振される。この検出振動Ｃを、所定の検出手段によって検出する。
【００３０】駆動振動片３Ｇ、３Ｈの表面には駆動電極６が設けられているので、検出電極の形成が難しい。このため、駆動振動片３Ｇ、３Ｈの裏面、および両側面上に検出電極８を形成し、検出電極８によって、検出振動Ｃに対応する検出信号を検出し、出力する。
【００３１】図８の振動型ジャイロスコープ１Ｆの振動子２０Ｆは、いわゆる３本音叉型の振動子であり、３列の駆動振動片３Ｊ、３Ｋ、３Ｌを備えている。各駆動振動片３Ｊ、３Ｋ、３Ｌの中央部には、幅広い重量付加部４Ｌ、４Ｍ、４Ｎが設けられている。本例では、主としてこの重量付加部４Ｌ、４Ｍ、４Ｎに磁界Ｈを印加しておく。図８の例では、紙面（振動子）に対して略垂直の方向に向かって延びる磁界Ｈを印加しておく。
【００３２】各駆動振動片３Ｊ、３Ｋ、３Ｌの表面には駆動電極６が形成されている。そして、駆動電極６に対して外部から交流電圧を印加すると、駆動電極６には矢印Ｉのように電流が流れる。電流Ｉの方向は周期的に反転する。また、任意の瞬間において、駆動振動片３Ｊと３Ｌとの間では電流の方向は同じであり、駆動振動片３Ｊと３Ｋとの間では電流の方向が逆である。この結果、各重量付加部４Ｌ、４Ｍ、４Ｎにはローレンツ力が加わり、矢印Ａのように駆動振動が励振される。任意の瞬間において、重量付加部４Ｌ、４Ｎの振動方向と、重量付加部４Ｍの振動方向とは逆である。これに伴って駆動振動片３Ｊ、３Ｋ、３Ｌは屈曲振動する。
【００３３】この状態で振動子２０ＦをＹ軸の周りに回転させると、各重量付加部４Ｌ、４Ｍ、４Ｎには、矢印Ｃのような紙面と略垂直方向の屈曲振動が励振される。任意の瞬間において、重量付加部４Ｌ、４Ｎの振動方向と、重量付加部４Ｍの振動方向とは逆である。
【００３４】そして、重量付加部４Ｍの検出振動Ｃを、所定の検出手段によって検出する。駆動振動片３Ｋの表面には駆動電極６が設けられているので、検出電極の形成が難しい。このため、駆動振動片３Ｋの裏面および両側面上に検出電極８を形成し、検出電極８によって、検出振動Ｃに対応する検出信号を検出し、出力する。
【００３５】本発明は、以上の形態の振動子に限定されるものではなく、種々の振動子に対して適用可能なものである。
【００３６】図３〜図５に示すような形態の本発明例の振動型ジャイロスコープ１Ｃを作製する。ここで、振動子２０Ｃは水晶によって形成し、各電極は、クロム膜と金膜とから成膜した。振動子２０Ｃの外径寸法は０．９９ｍｍ×０．９５ｍｍに設定する。そして、駆動電極６および各駆動部に電圧を印加することによって、各重量付加部を静電的に駆動する。この結果、１ピコクーロン／°／ｓｅｃの感度が得られる。
【００３７】一方、比較例として、図３、４に示す形態と類似の振動型ジャイロスコープを作製する。振動子２０Ｃは水晶によって形成し、各電極は、クロム膜と金膜とから成膜するものとする。振動子２０Ｃの外径寸法は０．９９ｍｍ×０．９５ｍｍに設定する。そして、各駆動振動片および重量付加部４Ｅ〜４Ｈに駆動電極を設け、駆動電極に電圧を印加することによって圧電的に駆動する。この結果、０．１ピコクーロン／°／ｓｅｃの感度が得られる。
【００３８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、圧電振動子を使用した物理量測定装置において、圧電振動子の小型化が可能であり、高い検出感度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ａを概略的に示す平面図であり、静電力を利用して振動子に駆動振動を励振する。
【図２】他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｂを概略的に示す断面図であり、静電力を利用して振動子に駆動振動を励振する。
【図３】更に他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｃの振動子２０Ｃを概略的に示す平面図であり、静電力を利用して振動子に駆動振動を励振する。
【図４】振動子２０Ｃの重量付加部４Ｅおよびその周辺の拡大図である。
【図５】振動子２０Ｃ、枠２および駆動部１４Ａ、１４Ｂの位置関係を示す平面図である。
【図６】更に他の実施形態に係る音叉型振動子２０Ｄを概略的に示す平面図であり、ローレンツ力を利用して振動子に駆動振動を励振する。
【図７】更に他の実施形態に係る音叉型振動子２０Ｅを概略的に示す平面図であり、ローレンツ力を利用して振動子に駆動振動を励振する。
【図８】更に他の実施形態に係る音叉型振動子２０Ｆを概略的に示す平面図であり、ローレンツ力を利用して振動子に駆動振動を励振する。
【符号の説明】１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ　振動型ジャイロスコープ２　枠　　　　３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈ、３Ｊ、３Ｋ、３Ｌ　駆動振動片　　　　４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈ、４Ｊ、４Ｋ、４Ｌ、４Ｍ、４Ｎ、２４Ａ、２４Ｂ　重量付加部　　　５Ａ、５Ｂ、５Ｃ　検出振動片　　　　６　駆動電極　　　　７　静電駆動部８　検出電極　　　　９　空隙　　　　１０、１２　櫛形突起　　　　１１、１５　櫛形の駆動部　　　　１４Ａ、１４Ｂ　静電駆動部　　　　２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ　振動子　　　　Ａ　駆動振動
Ｃ　検出振動　　　　Ｈ　磁界　　　　Ｉ　電流

Claims

少なくとも一部が圧電材料からなる振動子を使用して物理量を測定する装置であって、
前記振動子に対して電磁力を印加することによって前記振動子に駆動振動を励振し、前記駆動振動が励振された振動子に前記物理量に応じて生ずる検出振動を前記圧電材料の圧電性を利用して検出するように構成されていることを特徴とする、物理量測定装置。
前記電磁力が静電力であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
前記電磁力がローレンツ力であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
前記振動子が、前記駆動振動を励振するべき駆動振動片を備えており、この駆動振動片が重量付加部を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記重量付加部に対して前記電磁力を印加することを特徴とする、請求項４記載の装置。
前記重量付加部が櫛形突起を有することを特徴とする、請求項４または５記載の装置。
前記振動子が略平板状であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記圧電材料が圧電単結晶であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記物理量が回転角速度であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の装置。