JP2004301734A

JP2004301734A - 慣性センサ

Info

Publication number: JP2004301734A
Application number: JP2003096238A
Authority: JP
Inventors: Motoyasu Hanji; 元康判治; Ryota Kawai; 良太河合
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】振動漏れを抑制することで、振動型の慣性センサの検出精度を向上させる。
【解決手段】音叉基部１０３に連結する２本の音叉脚１０１，１０２の各々に、貫通する開口部１０１ａ，１０２ａを備え、音叉脚１０１と音叉脚１０２とにおける励振方向の周波数定数と、回転により発生する検出振動方向の周波数定数との差を大きくし、縮退現象の発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機，船舶，自動車などの姿勢制御や位置検出などに用いる慣性センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
慣性センサには様々な種類があるが、組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、振動型の角速度センサがある。従来よりある振動型の慣性センサは、四角柱を振動させて回転に伴って働くコリオリ力を検出するものである。
このような従来の慣性センサとして、図６に示すように、音叉型振動子を用いたものがある（特許文献１）。
【０００３】
従来よりある慣性センサに用いる圧電振動子は、図６（ａ）の斜視図に示すように、２本の音叉脚６０１，６０２と音叉基部６０３を備えている。また、音叉脚６０１，６０２には、図６（ｂ）の断面図に示すように、電極６１１，６１２，６１３，６１４および電極６２１，６２２，６２３，６２４を備えている。なお、図６（ａ）では、電極を省略している。
【０００４】
音叉脚６０１においては、電極６１１と電極６１３が音叉脚６０１を挟んで対向配置され、電極６１２と電極６１４が音叉脚６０１と挟んで対向配置されている。また、電極６１１と電極６１２は同一の面に形成され、電極６１３と電極６１４も同一の面に形成されている。
また、図６（ｃ）に模式的に示すように、音叉脚６０１においては、電極６１１と電極６１４が同極とされ、電極６１２と電極６１３とが同極とされている。電極６１１，６１４と電極６１２，６１３とは、異極とされている。
【０００５】
一方、音叉脚６０２においては、音叉脚６０２の４つの側面の各々に、電極６２１，６２２，６２３，６２４が設けられ、電極６２１と電極６２２とが音叉脚６０２を挟んで対向配置され、電極６２３と電極６２４が音叉脚６０２を挟んで対向配置されている。
また、図６（ｃ）に模式的に示すように、音叉脚６０２においては、電極６２１と電極６２２とが同極とされ、電極６２３と電極６２４とが同極とされている。電極６２１，６２２と電極６２３，６２４とは、異極とされている。
【０００６】
以上に示したように構成された音叉型振動子による慣性センサにおいて、音叉脚６０１は角速度検出部となり、端子Ｅ３，Ｅ４が角速度検出端子となる。また、音叉脚６０２は振動子励振部であり、端子Ｅ１，Ｅ２が振動子励振端子となる。なお、図６において、ｘ軸は振動子を構成する圧電材料（例えば水晶）の電気軸を示し、ｙ’軸は、ｘ軸を回転軸として回転した後の機械軸ｙの新軸、ｚ’軸は、ｘ軸を回転軸として回転した後の光軸ｚの新軸である。
【０００７】
ここで、端子Ｅ１に正、端子Ｅ２に負となるように直流電圧を印加すると、電界は矢印のように働き、音叉脚６０２に示す電界成分Ｅｘの向きが反対となり、音叉脚は曲げを生じる。従って、端子Ｅ１，Ｅ２に交流電圧を印加すると、音叉脚６０１，６０２は、ｘ−ｙ’平面で屈曲振動を起こす（励振する）。
【０００８】
この状態で、ｙ’軸の回りに回転運動を発生させて角速度を発生させると、ｘ−ｙ’平面に垂直となる方向に、角速度に比例したコリオリ力が発生し、ｚ’軸方向の成分を持った屈曲振動を引き起こす。このときに音叉脚６０１に発生するｚ’軸方向に応じた電荷のみを、電極６１１、６１２、６１３、６１４に誘導すれば、角速度検出端子Ｅ３、Ｅ４より角速度の大きさを検出することが可能となる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３４０５５９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、角速度センサは、検出の感度を得るため、ｘ方向とｚ’方向の周波数（共振周波数）をほぼ等しくする必要があり、従来では、ｘ方向とｚ’方向とおける周波数定数がほぼ等しいことから、音叉脚６０１，６０２の断面の寸法Ｗｘ，Ｗｚは、ほぼ等しい値となる。すなわち、音叉脚６０１，６０２は、断面がほぼ正方形の状態とされている。なお、周波数定数とは、バルク波が振動体内部を通過するときの伝達速度をいい、単位は速度である。
【００１１】
しかしながら、断面が正方形状に近くなると、振動姿態（振動モード）は、縮退現象によるｚ’方向成分の発生（振動漏れ）により、回転運動をしていなくても、角速度検出端子Ｅ３，Ｅ４には、振動漏れによる発生する電荷が検出されるようになる。
このように、従来の四角柱を振動させる振動型の角速度センサ（慣性センサ）では、振動漏れによる誤検出が発生していた。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、振動漏れを抑制することで、振動型の慣性センサの検出精度を向上させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る慣性センサは、圧電材料から構成された少なくとも棒状の部分を有する部材と、励振電極および検出電極とを備え、棒状の部分には少なくとも励振電極もしくは検出電極のいずれかが形成された慣性センサにおいて、部材の棒状の部分に、一方の側面より対向する面に貫通す開口部を備えたものである。
この慣性センサでは、棒状の部分において、励振方向の周波数定数と、回転により発生する検出振動方向の周波数定数との差を大きくすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る慣性センサは、圧電材料から構成されて一方の側面より対向する面に貫通する開口部を各々備えた棒状の第１部材および第２部材と、これら第１部材および第２部材を連結する基部と、第１部材の側面に設けられた励振電極と、第２部材の側面に設けられた検出電極とを備えたものである。
この慣性センサによれば、第１部材および第２部材の励振方向の周波数定数と、回転により発生する検出振動方向の周波数定数との差を大きくすることができる。
【００１５】
上記、慣性センサにおいて、例えば、第１部材および第２部材は、実質的に同じ形状をした角柱であり、第１部材に形成された開口部の貫通する方向と、第２部材に形成された開口部の貫通する方向とは同じ方向であり、励振電極は、第１部材の開口部が形成された領域において、開口部が形成されている２つの対向面の４つの領域に設けられて同極とされた第１励振電極部と、開口部の内部の２つの側面とこれに平行な外部の２つの側面に設けられて同極とされた第２励振電極部とから構成され、検出電極は、第２部材の開口部が形成された領域において、開口部の内部の２つの側面とこれに平行な外部の２つの側面との各々に、第２部材の棒状に延在する方向に所定距離離間して各々の面に２つずつ形成された８個の電極から構成されたものである。
【００１６】
また、上記慣性センサにおいて、第１部材と第２部材を、基部に同一方向を向いて連結しているようにしてもよく、また、第１部材と第２部材を、同一の軸上に配置されて基部を介して連結しているようにしてもよい。また、第１部材と第２部材とは、各々２つ設けられ、２つの第１部材は、基部に同一方向を向いて連結され、２つの第２部材は、基部に同一方向を向いて連結され、一方の第１部材と第２部材は、同一の軸上に配置されて基部を介して連結され、他方の第１部材と第２部材は、同一の軸上に配置されて基部を介して連結されているようにしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における慣性センサの構成例を示す斜視図（ａ），（ｂ），および脚部の断面を示す断面図（ｃ）である。
この慣性センサは、水晶からなり、２本の音叉脚１０１，１０２と音叉基部１０３を備えた音叉型振動子であり、音叉脚部１０１，１０２に、貫通する開口部１０１ａ，１０２ａを備えるようにしたものである。
【００１８】
本実施の形態では、音叉脚部１０１，１０２のｘ方向の寸法Ｗｘは０．２４ｍｍ、ｚ’方向の寸法Ｗｚは０．２ｍｍ、ｙ’方向の長さＬ１は２．５ｍｍであり、音叉基部１０３を含めた全体の長さＨは、５ｍｍである。また、開口部１０１ａ，１０２ａの長さＬ２は２ｍｍ、幅は０．０８ｍｍである。また、開口部１０１ａ，１０２ａは、一方の端部が音叉基部１０３と音叉脚部１０１，１０２の境界に配置されている。
【００１９】
音叉脚１０１は、図１（ｃ）の断面図に示すように、音叉脚部１０１の外側に電極１１１，１１２，１１３，１１４を備え、開口部１０１ａの内部側に、電極１１５，１１６，１１７，１１８を備える。
また、音叉脚部１０２は、図１（ｃ）の断面図に示すように、音叉脚部１０２の外側に、電極１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６を備え、開口部１０２ａの内部側に、電極１２７，１２８を備える。
【００２０】
音叉脚部１０１において、電極１１１，１１４，１１６，１１８は同極とされてパッド１３１に接続されている。また、電極１１２，１１３，１１５，１１７が同極とされ、パッド１３２に接続されている。
一方、音叉脚部１０２において、電極１２１，１２３，１２４，１２６は同極とされ、パッド１３３に接続されている。また、電極１２２，１２５，１２７，１２８は同極とされ、パッド１３４に接続されている。
【００２１】
以上に示したように構成された音叉型振動子による慣性センサにおいて、音叉脚１０１は角速度検出部となり、電極１１１，１１４，１１６，１１８と電極１１２，１１３，１１５，１１７とが角速度検出電極となる。また、音叉脚１０２は振動子励振部であり、電極１２１，１２３，１２４，１２６と電極１２２，１２５，１２７，１２８とが、振動子励振電極となる。なお、図１におけるｘｙｚの直交座標系において、ｘ軸は、慣性センサを構成する水晶の電気軸を示し、ｙ’軸は、ｘ軸を回転軸として回転した後の機械軸ｙの新軸、ｚ’軸は、ｘ軸を回転軸として回転した後の光軸ｚの新軸である。この回転の角度は、例えば、０°〜１５°の範囲である。
【００２２】
ところで、水晶などの圧電材料は、圧電−逆圧電効果を有している。本実施の形態の慣性センサにおいても、適正に構成された電極を介して電気軸に平行に電界をかけると、機械軸に平行に歪（伸あるいは縮）が発生する（逆圧電効果）。これに対し、外部から機械的な外力歪（この場合はコリオリによる歪）が、本慣性センサに印加されると、歪んだ部分に大きさに比例した電荷が、発生する（圧電効果）。この電荷が発生する箇所に適正に構成された電極を配すると、発生した電荷を有効に集める事が可能となる。
【００２３】
ここで、電極１２１，１２３，１２４，１２６（パッド１３３）に正，電極１２２，１２５，１２７，１２８（パッド１３４）に負となるように直流電圧を印加すると、音叉脚は、ｘ方向に曲げを生じる。従って、電極１２１，１２３，１２４，１２６と電極１２２，１２５，１２７，１２８との間に交流電圧を印加すると、音叉脚１０１，１０２は、ｘ−ｙ’平面で屈曲振動を起こす（励振する）。
【００２４】
この状態で、ｙ’軸の回りに回転運動を発生させると、ｘ−ｙ’平面に垂直となるｚ’方向に、角速度に比例したコリオリ力が発生し、ｚ’方向の成分を持った屈曲振動を引き起こす。この屈曲振動により、音叉脚１０１には、圧電効果により電荷が発生し、これが、角速度検出電極である電極１１１，１１４，１１６，１１８と電極１１２，１１３，１１５，１１７により検出され、パッド１３１，１３２より出力される。発生する電荷は、発生させた回転運動の角速度に比例した量となるので、角速度検出電極により検出される電気信号で、角速度の大きさを求めることができる。また、上記電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の方向も検知することが可能となる。
【００２５】
以上のように構成された図１に示す慣性センサによれば、音叉脚部１０１，１０２に開口部１０１ａ，１０２ａを設けるようにしたので、「電気軸（ｘ軸）方向の屈曲振動における周波数定数＜光軸（ｚ’）方向の屈曲振動における周波数定数」の状態とすることができる。すなわち、励振方向の周波数定数と、回転により発生する検出振動方向の周波数定数との差を大きくすることができる。このことにより、Ｗｘ≠Ｗｚとすることが可能となり、縮退現象を抑制することが可能となる。また、２振動方向の周波数定数の関係から、Ｗｘ＞Ｗｚとなり、Ｗｘに対してＷｚを小さくすることが可能となり、素子の厚さを薄くすることが可能となる。
【００２６】
この結果、本実施の形態によれば、励振したｘ方向（励振方向）の振動が、検出側のｚ’方向（検出振動方向）に漏れることが抑制されるようになる。従って、コリオリ力が発生していない状態における、角速度検出電極による誤検出が抑制できるようになり、従来より高い精度で、角速度を検出できるようになる。
【００２７】
ここで、開口部の寸法と音叉脚の寸法との関係について考察した結果を以下に示す。
図２は、開口部１０１ａ，１０２ａの長さＬ２の音叉脚１０１，１０２の長さＬ１に対する割合「ｈａｌｌｓｉｚｅ」を変化させたときの、振動漏れの変化を示している。また、図３は、「ｈａｌｌｓｉｚｅ」を変化させたときの、脚部のｘ方向の変位量および脚部のｚ’方向の変位量の変化を示している。
【００２８】
図２から明らかなように、開口部１０１ａ，１０２ａの長さが長いほど、振動漏れが少ないことが判る。また、図３から明らかなように、開口部１０１ａ，１０２ａの長さが長いほど、励振させている方向であるｘ方向の変位量を大きくし、本来は変位量を０としたい方向であるｚ方向の変位量が小さくなる。
これらから明らかなように、開口部１０１ａ，１０２ａの長さＬ２は、可能な限り大きくした方がよい。
【００２９】
ところで、上述した実施の形態では、本発明を音叉型振動子に適用した場合を例に説明したが、これに限るものではない。
例えば、図４に示すように、２つの音叉型振動子を音叉基部で接続したものであり、角速度検出部となる脚部４０１，４０２と振動子励振部となる脚部４０３，４０４とが、基部４０５に接続している。このような構成において、脚部４０１に開口部４０１ａを設け、脚部４０２に開口部４０２ａを設け、脚部４０３に開口部４０３ａを設け、脚部４０４に開口部４０３ａを設けるようにしてもよい。
【００３０】
また、図５に示すように、２つの脚部５０１，５０２を、基部５０３を介して直線的に接続した振動子の、脚部５０１に開口部５０１ａを設け、脚部５０２に開口部５０２ａを設けるようにしても良い。この場合、例えば脚部５０１を振動子励振部とし、脚部５０２を角速度検出部とすればよい。
図４，５に示すような構成においても、図１に示したように、角速度検出部、振動子励振部各々に、必要な電極を形成するようにすればよい。
【００３１】
また、例えば、図１に示す音叉脚１０１を振動子励振部とし、音叉脚１０２を角速度検出部としても良い。
また、図１に示す音叉脚１０１と音叉脚１０２との両方に、各々励振電極と検出電極を設けるようにしても良い。この場合、例えば、音叉基部１０３より離れる音叉脚１０１，１０２の上部に、励振電極を設け、音叉脚１０１，１０２の音叉基部１０３に近い根本に、検出電極を設けるようにすればよい。
【００３２】
また、上述した実施の形態において、検出電極が設けられている近傍に、振動漏れを検出する振動漏れ検出電極を設けるようにしても良い。
また、上述した実施の形態では、基部より同一方向に２つの脚部を設けるようにして基本的な音叉の形状としたが、これに限るものではない。基部より同一方向に３つの脚部を設けるようにしても良く、４つ以上の脚部を設けるようにしても良い。
また、上述した実施の形態では、水晶を用いるようにしたが、これに限るものではなく、ニオブ酸リチウムの結晶や、圧電セラミックなど、他の圧電材料を用いるようにしても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、励振電極が設けられた第１部材と、検出電極が設けられた第２部材とに開口部を設けるようにした。このように、本発明では、励振電極もしくは検出電極のいずれか一方もしくは両方が設けられる棒状の部分に開口部を設け、励振方向の周波数定数と、回転により発生する検出振振動方向の周波数定数との差を大きくするようにした。従って、本発明によれば、棒状の部分の励振方向の断面寸法とこれに直交する方向の寸法とを大きく異なる状態とすることができる。例えば、第１部材，第２部材の断面形状が正方形とはならない状態とすることができる。この結果、本発明によれば、縮退現象を避けることができるようになり、振動漏れを抑制し、振動型の慣性センサの検出精度を向上させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態における慣性センサの構成例を示す斜視図（ａ），（ｂ），および脚部の断面を示す断面図（ｃ）である。
【図２】本発明による慣性センサの特性を示す特性図である。
【図３】本発明による慣性センサの特性を示す特性図である。
【図４】この発明の他の実施の形態における慣性センサの構成例を示す斜視図である。
【図５】この発明の他の実施の形態における慣性センサの構成例を示す斜視図である。
【図６】従来よりある慣性センサの構成例を示す斜視図（ａ）、および脚部の断面を示す断面図（ｂ），（ｃ）である。
【符号の説明】
１０１，１０２…音叉脚、１０１ａ，１０２ａ…開口部、１０３…音叉基部、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６，１２７，１２８…電極、１３１，１３２，１３３，１３４…パッド。

Claims

圧電材料から構成された少なくとも棒状の部分を有する部材と、励振電極および検出電極とを備え、前記棒状の部分には少なくとも前記励振電極もしくは検出電極のいずれかが形成された慣性センサにおいて、
前記部材の前記棒状の部分に、一方の側面より対向する面に貫通す開口部を備えた
ことを特徴とする慣性センサ。
圧電材料から構成されて一方の側面より対向する面に貫通する開口部を各々備えた棒状の第１部材および第２部材と、
これら第１部材および第２部材を連結する基部と、
前記第１部材の側面に設けられた励振電極と、
前記第２部材の側面に設けられた検出電極と
を備えたことを特徴とする慣性センサ。
請求項２記載の慣性センサにおいて、
前記第１部材および第２部材は、実質的に同じ形状をした角柱であり、
前記第１部材に形成された開口部の貫通する方向と、前記第２部材に形成された開口部の貫通する方向とは同じ方向であり、
前記励振電極は、
第１部材の前記開口部が形成された領域において、開口部が形成されている２つの対向面の４つの領域に設けられて同極とされた第１励振電極部と、
前記開口部の内部の２つの側面とこれに平行な外部の２つの側面に設けられて同極とされた第２励振電極部と
から構成され、
前記検出電極は、
前記第２部材の前記開口部が形成された領域において、開口部の内部の２つの側面とこれに平行な外部の２つの側面との各々に、前記第２部材の棒状に延在する方向に所定距離離間して各々の面に２つずつ形成された８個の電極
から構成され
たものであることを特徴とする慣性センサ。
請求項２または３記載の慣性センサにおいて、
前記第１部材と前記第２部材は、前記基部に同一方向を向いて連結している
ことを特徴とする慣性センサ。
請求項２または３記載の慣性センサにおいて、
前記第１部材と前記第２部材は、同一の軸上に配置されて前記基部を介して連結している
ことを特徴とする慣性センサ。
請求項２または３記載の慣性センサにおいて、
前記第１部材と前記第２部材とは、各々２つ設けられ、
２つの前記第１部材は、前記基部に同一方向を向いて連結され、
２つの前記第２部材は、前記基部に同一方向を向いて連結され、
一方の前記第１部材と前記第２部材は、同一の軸上に配置されて前記基部を介して連結され、
他方の前記第１部材と前記第２部材は、同一の軸上に配置されて前記基部を介して連結されている
ことを特徴とする慣性センサ。