JP2004101392A - 双音さ型振動ジャイロセンサ - Google Patents

双音さ型振動ジャイロセンサ Download PDF

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Abstract

【課題】本発明はコリオリ力を利用した角速度センサにおいて、水平横置きタイプの双音さ型の構造とし、回転の検出モードに面内非対称屈曲２次モードを利用し、また支持面積を広くとることができるようにしたので、耐振動性、耐衝撃性に優れた高精度な角速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】二本のアーム部と前記アーム部に形成した駆動用電極と前記アーム部の両端を支持する双音さ支持部とが一体となった双音さ型振動ジャイロセンサにおいて、前記双音さ支持部に接続する検出部と、前記検出部に形成された検出電極と、前記検出部の支持固定部とを備え、回転時に前記アーム部に働くコリオリ力を双音さ支持部を介して検出部に伝え、検出部に面内非対称屈曲２次モードの屈曲振動を生起せしめたことを特徴とする双音さ型振動ジャイロセンサ。
【選択図】　　　　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コリオリ力を利用した振動ジャイロセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の回転を検出するセンサーとして、コリオリ力を応用した音さ型振動ジャイロセンサーが広く使われている。特に水平横置き型と呼ばれる音さ型振動ジャイロセンサは薄型化、及び小型化しやすいため、カメラの手振防止用やカーナビゲーションシステム用等、その応用範囲は広い。
近年、車両の走行制御用途向けに水平横置きタイプの音さ型振動ジャイロセンサが研究されるようになってきた。車両の走行制御はまさに車両全体の安全性を左右する生命線であり、この用途向けの振動ジャイロセンサには、特に耐振動衝撃性能に優れ高精度のものが要求される。
【０００３】
水平横置きタイプの音さ型振動ジャイロセンサの従来例が以下の文献に紹介されている。（Ｎ．Ｓｈｉｒａｔｏｒｉ，Ｙ．Ｔｏｍｉｋａｗａ　ａｎｄ　Ｋ．Ｏｎｉｓｈｉ，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｌａｔｌｙ　Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ　Ｇｙｒｏ−Ｓｅｎｓｏｒ　Ｕｓｉｎｇ　ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌ　Ｔｒｉｄｅｎｔ−Ｔｙｐｅ　Ｔｕｎｉｎｇ　Ｆｏｒｋ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ”，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９９，Ｎｏ．３Ｐ２．２６，ｐｐ．９６７−９６８，（１９９９）．）
この文献で紹介されているものは３脚音さ型振動ジャイロと呼ばれているタイプである。一般に３脚音さ型振動ジャイロは、３本の音さアームの一端を固定しアームの他端をフリーにした片持ち支持構造となっている。
【０００４】
また、特開平１１−２８１３７２号公報において水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサが例示されている。この音さ型振動ジャイロセンサは振動子の重心を一点で支持する構造となっている。
このように、従来の水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサは一点支持、或いは片持ち支持といった支持構造をとっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサは一点支持、あるいは片持ち支持といった構造であり取付部分の面積も狭い。このため、外から振動や衝撃が加わるとセンサの支持部分に振動や衝撃が集中しやすいため、車両走行時のように長時間に渡り多大な振動と衝撃が加わる厳しい環境条件下においては、破損する怖れも高い。また、センサ全体を小型化するとさらに支持部分に衝撃が集中しやすくなるという問題点を抱えている。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、耐振動衝撃性に優れ、かつ高精度で小型化にも対応可能な水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決する為に本発明に係わる請求項１記載の発明は、二本のアーム部と前記アーム部の表面に形成した駆動用電極と前記アーム部の両端を支持する第１、第２の双音さ支持部とが一体となった双音さ型振動ジャイロセンサにおいて、前記第１、第２の双音さ支持部にそれぞれ接続する第１、第２の検出部と、前記第１、第２の検出部のそれぞれに形成された第１、第２の検出電極と、前記第１、第２の検出部のそれぞれの一端を支持する第１、第２の支持固定部とを備え、前記アーム部と前記駆動用電極と前記第１、第２の双音さ支持部と前記第１、第２の検出部と前記第１、第２の検出電極と前記第１、第２の支持固定部とが一体になり回転角速度を検出する双音さ型振動ジャイロセンサであって、該双音さ型振動ジャイロセンサの回転時に前記アーム部に働くコリオリ力によって該アーム部に面内非対称屈曲２次モードの屈曲振動を生起せしめ、前記面内非対称屈曲２次モードの屈曲振動を前記第１、第２の双音さ支持部を介して前記第１、第２の検出部に伝え、前記第１、第２の検出電極から回転角速度の検出信号を出力するようにしたものである。
従って本構成で耐振動、耐衝撃性に優れた効果がある。
【０００８】
本発明に係わる請求項２記載の発明は、請求項１において前記双音さ型振動ジャイロセンサの素材として主面の法線方向が結晶軸のＺ軸となるようにカットした水晶を用いると共に、前記第１、第２の検出部を短冊状にしたものである。
従って、本構成で耐振動、耐衝撃性に優れ、高精度とする効果がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明に係わる双音さ型振動ジャイロセンサの外観図を示したものである。
なお、図１の紙面と平行な面が水平面（取付面）となっている。
図１に示した双音さ型振動ジャイロセンサは、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片を双音さ形状に加工し、その表面に所定の電極を形成したものであって、一対の短冊状のアーム部１ａ、１ｂと前記アーム部１ａ、１ｂの表面に形成した駆動電極２ａ、２ｂとを有する駆動部３と、前記駆動部３の両端を支持する第１，第２の双音さ支持部４、５と、第１の検出電極６ａ、６ｂを有し前記第１の双音さ支持部４を介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する第１の検出部７と、第２の検出電極８ａ、８ｂを有し前記第２の双音さ支持部５を介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する第２の検出部９と、前記第１の検出部７の一端を支持すると共に前記第１の検出電極６ａ、６ｂに接続する一対の引き出し電極１０ａ、１０ｂを有する第１の支持固定部１１と、前記第２の検出部９の一端を支持すると共に前記第２の検出電極８ａ、８ｂに接続する一対の引き出し電極１２ａ、１２ｂとを有する第２の支持固定部１３とを備えている。ここで、図１において図示した前記駆動電極と第１、第２の検出電極と引き出し電極の電極パターンは裏面にも同様な電極パターンが形成され、側面のパターンを介して接続されている。
また、第１、第２の支持固定部は接着材等でセンサのパッケージ等の取り付け面（水平面）に固定されて使用することとなるが、ここでは図示を省略する。
【００１０】
図１に示した双音さ型振動ジャイロセンサは次のように動作する。
まず、非回転時の状態を考える。駆動用電極２ａ、２ｂ間に駆動信号を与えると、図２（ａ）に示すようにアーム部１ａ、１ｂは面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動（駆動モード）が発生する。このときアーム部１ａ、１ｂは互いに図中左右対称に振動する。
そこで、この駆動モードで振動している双音さ型振動ジャイロセンサに結晶Ｚ軸周りの角速度（回転）を与える。すると、アーム部１ａ、１ｂのそれぞれには一方がＹ方向（図中上向き）、他方がＹ方向（図中下向き）のコリオリ力が働く。この結果、前記左右相反するコリオリ力によってアーム部１ａ、１ｂは図２（ｂ）に示すような面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生する。
【００１１】
このとき第１，第２の双音さ支持部４、５にはそれぞれモーメントが発生するので第１，第２の検出部７、９はこれに対応してＸ方向に振動する。その結果、前記振動に対応して第１の検出部７に設けられた検出電極６ａ、６ｂ間、及び第２の検出部９に設けられた検出電極８ａ、８ｂ間にはそれぞれ極性が互いに反転する二つの検出電圧が発生する。
よって、第１、第２の検出部７、９は非回転時（駆動モード時）にはＸ方向の振動成分がほとんど発生せず、回転時（検出モード時）にのみＸ方向の振動成分を発生するので、第１、第２の検出部７、９から出力する前記二つの検出電圧の差動成分を検出信号とすれば、回転角速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。なお、回転方向が逆になると検出信号の極性が反転する。
【００１２】
次に、本発明に係わる双音さ型振動ジャイロセンサをシミュレーションした結果について説明する。図３〜図５は図１に示した形状のものを汎用解析ソフトであるＡＮＳＹＳ　Ｒｅｖ．６．０（ＡＮＳＹＳ　Ｉｎｃ）を用いてシミュレーションを行った結果を示したものである。
図３は双音さ型振動ジャイロセンサの検出部７、９の幅Ｗ３（横軸）に対する共振周波数（縦軸）の変化を示したものである。ここで、共振周波数とは駆動電極２ａ、２ｂに印加する駆動信号の周波数を一定振幅で変化させたときに、アーム部１ａ、１ｂが最も良く振動する周波数のことをいい、このとき振動の振幅が最大となる。
【００１３】
図３において実線Ａは駆動モード時（非回転時）の共振周波数を、実線Ｂは検出モード（回転時）の共振周波数のシミュレーション結果を示している。図３が示すように検出電極Ｗ３の幅に比例して検出モードの共振周波数が変化し、またＷ３＝０．３５８［ｍｍ］付近で駆動モードと検出モードの共振周波数が一致していることが分かった。
【００１４】
次に図３のシミュレーション結果から、駆動モードと検出モードにおける共振周波数が少し異なるように検出部幅をＷ３＝０．３５６［ｍｍ］とし、共振周波数の差すなわち離調周波数をｆΔ＝５７．９［Ｈｚ］として選択した。これは、駆動モードと検出モードの二つの振動が混在して発生しないように考慮している。
そこで、回転角速度をΩｚ＝１［ｒａｄ／ｓｅｃ］一定で駆動信号の周波数を変化させたとき、駆動周波数（横軸）に対する検出電圧の差動成分（縦軸）の振幅、位相特性をシミュレーションした結果を図４に示す。
【００１５】
図４において実線Ｃは振幅特性を、実線Ｄは位相特性のシミュレーション結果を示している。ここで、振幅特性の縦軸の値は検出電圧の差動成分（Ｖｏ１−Ｖｏ２）の駆動信号振幅値（Ｖｉ）に対する電圧比（Ｖｏ１−Ｖｏ２）／Ｖｉとして表示している。
図４が示すように、駆動周波数ｆｄｒ＝３２４０８［Ｈｚ］のとき、検出信号（差動成分）の最大値が得られた。
【００１６】
次に、Ｚ軸周りの回転角速度Ωｚ（横軸）に対する検出信号（縦軸）の変化についてシミュレーションした結果を図５に示す。ここで、検出電極幅Ｗ３＝０．３５６［ｍｍ］、及び駆動信号周波数ｆｄｒ＝３２４０８［Ｈｚ］としている。
図５のシミュレーション結果が示すように、検出信号は回転角速度Ωｚに比例し、回転方向が反転するとそれに応じて検出信号の極性も反転していることが分かる。
【００１７】
従って、図３〜５のシミュレーション結果から、双音さ型の振動ジャイロセンサを水平横置きタイプの角速度センサとして利用可能なことが分かった。また、以上説明したように、双音さ型の振動ジャイロセンサは支持固定部を二つ備える構造であり支持面積を広くとることができるので、外部からの振動や衝撃が特定の部位に集中しにくい構造とすることができる。よって、従来の片持ち型や一点支持型といった構造のものよりも耐振動性、耐衝撃性に優れたものとすることができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、コリオリ力を利用した角速度センサにおいて、水平横置きタイプの双音さ型の構造とし、回転の検出モードに面内非対称屈曲２次モードを利用し、また支持面積を広くとることができるようにしたので、自動車等で利用する上で必要とされる耐振動性、耐衝撃性に優れた高精度な角速度センサを提供する上で著効を奏す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサの外観図。
【図２】本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサの屈曲振動の様子を示した図。
【図３】本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサのシミュレーション結果。
【図４】本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサのシミュレーション結果。
【図５】本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサのシミュレーション結果。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…アーム部
２ａ、２ｂ…駆動電極
３…駆動部
４、５…双音さ支持部
６ａ、６ｂ…第１の検出電極
７…第１の検出部
８ａ、８ｂ…第１の検出電極
９…第２の検出部
１０ａ、１０ｂ…第１の引出電極
１１…第１の支持固定部
１２ａ、１２ｂ…第２の引出電極
１３…第２の支持固定部

Claims (2)

  1. 二本のアーム部と前記アーム部の表面に形成した駆動用電極と前記アーム部の両端を支持する第１、第２の双音さ支持部とが一体となった双音さ型振動ジャイロセンサにおいて、前記第１、第２の双音さ支持部にそれぞれ接続する第１、第２の検出部と、前記第１、第２の検出部のそれぞれに形成された第１、第２の検出電極と、前記第１、第２の検出部のそれぞれの一端を支持する第１、第２の支持固定部とを備え、前記アーム部と前記駆動用電極と前記第１、第２の双音さ支持部と前記第１、第２の検出部と前記第１、第２の検出電極と前記第１、第２の支持固定部とが一体になり回転角速度を検出する双音さ型振動ジャイロセンサであって、該双音さ型振動ジャイロセンサの回転時に前記アーム部に働くコリオリ力によって該アーム部に面内非対称屈曲２次モードの屈曲振動を生起せしめ、前記面内非対称屈曲２次モードの屈曲振動を前記第１、第２の双音さ支持部を介して前記第１、第２の検出部に伝え、前記第１、第２の検出電極から回転角速度の検出信号を出力するようにしたことを特徴とする双音さ型振動ジャイロセンサ。
  2. 前記双音さ型振動ジャイロセンサの素材として主面の法線方向が結晶軸のＺ軸となるようにカットした水晶を用いると共に、前記第１、第２の検出部を短冊状にしたことを特徴とする請求項１記載の双音さ型振動ジャイロセンサ。
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