JP2005345416A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 角速度センサにおいて、ねじり力に耐えて振動子の固定点を確実に固定できるようにし、なおかつ、振動子の全体が長くなることを抑える。
【解決手段】 角速度センサは、振動子５０を備える。振動子５０は、第１の向き９１に突出する互いに平行な第１，第２の脚部１１，１２と、第１の脚部１１と同一線上で第１の向き９１とは逆向きである第２の向き９２に突出する第３の脚部１３と、第２の脚部１２と同一線上で第２の向き９２に突出する第４の脚部１４と、第１，第２の脚部１１，１２の根元同士を接続し、これら脚部と直交する第１の接続部１５と、第３，第４の脚部１３，１４の根元同士を接続し、これら脚部と直交する第２の接続部１６と、第１の脚部１１と第３の脚部１３とを接続する第１の脚延長部１７と、第２の脚部１２と第４の脚部１４とを接続する第２の脚延長部１８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カメラやビデオの手ぶれ補正やナビゲーションシステムの走行方向検出に用いられ得る振動ジャイロに関するものである。

角速度を検出するための角速度センサには音叉形振動子を用いるタイプのものがある。本明細書では、単に「音叉形」といった場合、Ｕ字形ないしコの字形を意味するものとする。この音叉形振動子の振動のパターンとしては、大きく分けて面内振動と面外振動とがある。面内振動とは、開閉振動、すなわち、平行に突出する２本の脚部がはさみのように開閉する方向に振動する状態である。面外振動とは、人間が歩くときの脚の動きのように平行に突出する２本の脚部が交互に前後する状態である。

角速度センサにおいては、まず面内振動するように音叉形振動子を駆動する。面内振動をする音叉形振動子が脚部の長手方向に平行な回転軸のまわりに回転した場合、面内振動に重なる形でコリオリ力によって面外振動が生じる。この面外振動の大きさを検知することによって角速度を検出することができる。

音叉形振動子においては、２本の脚部を根元で互いに接続する接続部がノード点すなわち振動しない部分となるので、通常、音叉形振動子はこの接続部を固定して使用される。面内振動に関してはこのような接続部は比較的理想的なノード点として機能するが、面外振動においては、この接続部にねじり力が発生するという問題がある。接続部を完全に固定できればこのようなねじり力が発生しても問題ないが、実際には音叉形振動子は小さな部品の中に設置されている場合が多いので、そのように完全に固定する構造を実現することは困難である。そのため、不完全に固定された接続部から、振動のエネルギーが漏れてしまって音叉形振動子自体が安定した振動をすることができなくなったり、逆に外部の振動が音叉形振動子に伝わったりするという問題がある。

ねじり力への対策として、２本の脚部が互いに接続されている接続部からできるだけ離れた位置に固定点を設けるということも考えられるが、このようにしてもねじり力対策としては万全ではないし、根元部分が長くなって音叉形振動子自体の小型化の妨げとなってしまう。

音叉形振動子のねじり力の問題を解決するために、特開平９−２７３９３３号公報（特許文献１）においては、図１０に示すように２つの音叉形振動子を組み合わせた構造すなわちＨ形音叉構造が提案されている。このＨ形音叉構造においては、２つの音叉形振動子の面内振動の位相を１８０°ずらし、一方の側に突出する２本の脚部１０１，１０２が開いているときには他方の側に突出する２本の脚部１０３，１０４が閉じるように駆動される。このように構成することによって、２つの音叉形振動子が面外振動したときにはＨ形の中央の継ぎ目の部分すなわち接続部１０５に生じるねじり力が互いに逆向きになって相殺される。
特開平９−２７３９３３号公報

上述のＨ形音叉構造は、ねじり力対策としては効果的であるが、水平に寝かせて保持する場合、図１１に示すように中央の接続部で支持せざるを得ない。そのため、図１２に示すように接続部を細くして幅Ｗ１にした場合は、安定支持が困難となる。また、中央での支持をしやすくするために図１３に示すように接続部の幅を広くして幅Ｗ２にした場合、脚部として必要な長さＡ自体は不変であるので、接続部の幅を増した分だけ全体が長くなってしまう。

そこで、本発明は、ねじり力に耐えて振動子の固定点を確実に固定でき、なおかつ、振動子の全体が長くなることを抑えた角速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく角速度センサは、振動子を備える角速度センサであって、上記振動子は、第１の向きに突出する互いに平行な第１，第２の脚部と、上記第１の脚部と同一線上で上記第１の向きとは逆向きである第２の向きに突出する第３の脚部と、上記第２の脚部と同一線上で上記第２の向きに突出する第４の脚部と、上記第１，第２の脚部の根元同士を接続し、上記第１，第２の脚部と直交する方向に延びる第１の接続部と、上記第３，第４の脚部の根元同士を接続し、上記第１，第２の脚部と直交する方向に延びる第２の接続部と、上記第１の脚部と上記第３の脚部とを接続する第１の脚延長部と、上記第２の脚部と上記第４の脚部とを接続する第２の脚延長部とを備え、上記第１，第２の脚部および上記第１の接続部は第１の音叉構造をなし、上記第３，第４の脚部および上記第２の接続部は第２の音叉構造をなす。

本発明によれば、ねじり力に耐えて振動子の固定点を確実に固定でき、なおかつ、全体の長さを抑えた振動子を備えるので、ねじり力に起因する問題を解消し、なおかつ、全体をコンパクトにした角速度センサとすることができる。

（実施の形態１）
（構成）
図１、図２を参照して、本発明に基づく実施の形態１における角速度センサについて説明する。この角速度センサは、図１に示すような振動子５０を備える。振動子５０は、第１の向き９１に突出する互いに平行な第１の脚部１１と第２の脚部１２とを備える。振動子５０は、さらに、第１の脚部１１と同一線上で第１の向き９１とは逆向きである第２の向き９２に突出する第３の脚部１３と、第２の脚部１２と同一線上で第２の向き９２に突出する第４の脚部１４とを備える。振動子５０は、さらに、第１，第２の脚部１１，１２の根元同士を接続する第１の接続部１５と、第３，第４の脚部１３，１４の根元同士を接続する第２の接続部１６とを備える。第１の接続部１５は第１，第２の脚部１１，１２と直交する方向に延びている。第２の接続部１６は第３，第４の脚部１３，１４と直交する方向に延びている。振動子５０は、さらに、第１の脚部１１と第３の脚部１３とを接続する第１の脚延長部１７と、第２の脚部１２と第４の脚部１４とを接続する第２の脚延長部１８とを備える。

図２に示すように、第１，第２の脚部１１，１２および第１の接続部１５は第１の音叉構造３１をなす。第３，第４の脚部１３，１４および第２の接続部１６は第２の音叉構造３２をなす。

（作用・効果）
本実施の形態では、振動子は、２つの音叉構造を互いに逆向きになるように一直線上に組み合わせた構造となっている。この振動子は、背景技術において説明したＨ形音叉構造の場合と同じように駆動されるので、振動時には図２に太線で示すように、一方の音叉構造が開脚状態のとき他方の音叉構造は閉脚状態となる。

図１に示した例では、振動子５０を一体物として形成したが、一体物とは限らず、複数の部材を組み合わせてこのような形にしたものであってもよい。また、太さ、長さ、断面形状、寸法比、などは図１に示した例に限らず自由である。上述の各要素を備えていて、第１，第２の脚部および第１の接続部が第１の音叉構造をなし、第３，第４の脚部および第２の接続部が第２の音叉構造をなすような構造でありさえすればよい。

脚部として必要な長さがＡであるとすると、従来のＨ形音叉構造（図１３）では、ねじり力に耐えて固定点を確実に固定するためのスペースを確保するために接続部の幅をＷ２と広くしたときにも長さＷ２のほかにさらに長さＡの脚が両側に突出して延在することになって、全体の長さはＷ２＋２Ａとなってしまっていた。それに対して本実施の形態における振動子では、図３に示すように中央部すなわち第１の接続部１５から第２の接続部１６までの長さをＷ２としたときでも、脚部としては長さＡより短い長さＢだけを突出させるだけで済む。これは、第１，第２の脚延長部１７，１８が各音叉構造における各脚部の延長として振動しているためと考えられる。その結果、振動子５０の固定に使える中央の長方形のフレーム状の部分としては長さＷ２を確保していながら全体の長さはＷ２＋２Ｂに抑えることができる。したがって、ねじり力に耐えて振動子の固定点を確実に固定でき、なおかつ、全体の長さを抑えた振動子とすることができる。本実施の形態における角速度センサは、このような振動子を備えるので、ねじり力に起因する問題を解消し、なおかつ、全体をコンパクトにした角速度センサとすることができる。

（実施の形態２）
（構成）
図４、図５を参照して、本発明に基づく実施の形態２における角速度センサについて説明する。この角速度センサは図４に示す振動子５１を備える。この振動子５１は、バイモルフ型である。この振動子５１は図５に示すように組み立てられたものである。すなわち。圧電部材４１，４２を積層して貼り合わせた２本の棒状部材４６，４７を、平行に並べられた２本の短い棒状部材の上に、これらの短い棒状部材の長手方向に対して垂直になる向きで所定の間隔をあけて載せて接着固定したものである。２本の短い棒状部材は、第１の接続部１５ｊ、第２の接続部１６ｊである。

図４に示すように、振動子５１は、第１の向き９１に突出する互いに平行な第１の脚部１１ｈと第２の脚部１２ｈとを備える。振動子５１は、さらに、第１の脚部１１ｈと同一線上で第１の向き９１とは逆向きである第２の向き９２に突出する第３の脚部１３ｈと、第２の脚部１２ｈと同一線上で第２の向き９２に突出する第４の脚部１４ｈとを備える。第１，第２の脚部１１ｈ，１２ｈの根元同士は、第１の接続部１５ｊによって接続されている。第３，第４の脚部１３ｈ，１４ｈの根元同士は、第２の接続部１６ｊによって接続されている。振動子５１は、さらに、第１の脚部１１ｈと第３の脚部１３ｈとを接続する第１の脚延長部１７ｈと、第２の脚部１２ｈと第４の脚部１４ｈとを接続する第２の脚延長部１８ｈとを備える。すなわち、棒状部材４６は、第１の脚部１１ｈ、第１の脚延長部１７ｈおよび第３の脚部１３ｈとして利用されることとなる。棒状部材４７は、第３の脚部１３ｈ、第２の脚延長部１８ｈおよび第４の脚部１４ｈとして利用されることとなる。第１，第２の脚部１１ｈ，１２ｈおよび第１の接続部１５ｊは第１の音叉構造をなす。第３，第４の脚部１３ｈ，１４ｈおよび第２の接続部１６ｊは第２の音叉構造をなす。なお、図４、図５では、棒状部材４６，４７と第１，第２の接続部１５ｊ，１６ｊとをそれぞれ別部品として示したが、結果的にこのような構造になればよいのであって、たとえば棒状部材４６，４７の一部をなす圧電部材４２と第１，第２の接続部１５ｊ，１６ｊとを一体物として形成してもよい。

第１，第２，第３，第４の脚部１１ｈ，１２ｈ，１３ｈ，１４ｈは圧電部材４１，４２を含んで形成されている。より正確には、これらの脚部は、圧電部材に電極を設けたものとして形成されている。各脚部の上面は、長手方向に平行な溝が設けられることによって２つの凸部に分割されている。これらの２つの凸部を区別するために以下、「外側」、「内側」という表現を用いるが、これは振動子５１の幅方向に関する外側および内側をいうものとする。図４に示すように、第１，第２，第３，第４の脚部１１ｈ，１２ｈ，１３ｈ，１４ｈの各々の外側の凸部の上面には検出電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄが設けられている。検出電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄはそれぞれ分離している。第１の脚部１１ｈの内側の凸部の上面から第３の脚部１３ｈの内側の凸部の上面にかけては一体的に延びる駆動電極８１ａが設けられている。第２の脚部１２ｈの内側の凸部の上面から第４の脚部１４ｈの内側の凸部の上面にかけては一体的に延びる駆動電極８１ｂが設けられている。

図４に示すように、第１，第２の脚部１１ｈ，１２ｈにおいては、圧電部材４１は上向き、圧電部材４２は下向きに分極されている。一方、第３，第４の脚部１３ｈ，１４ｈにおいては、逆に、圧電部材４１は下向き、圧電部材４２は上向きに分極されている。すなわち、第１，第２の脚部は第１の分極状態であり、第３，第４の脚部は第１の分極状態とは逆の第２の分極状態となっている。

（作用・効果）
本実施の形態では、第１，第２の脚部１１ｈ，１２ｈと第３，第４の脚部１３ｈ，１４ｈとで、分極状態が逆になっているので、第１，第２の脚部の側と第３，第４の脚部の側とで逆の動きをさせるためには、共通の電極である駆動電極８１ａ，８１ｂによって同一の信号を与えるだけで済む。逆の動きをさせることでねじり力を打ち消すことができる。

（他の例）
ここでは、脚部が圧電部材４１，４２の積層からなる例を示したが、脚部は圧電部材でない部材を含んでいてもよい。たとえば、図６に示す振動子５２のように、圧電部材４１とたとえば誘電部材４０のような非圧電部材とを積層した構造であってもよい。振動子５２は、第１の向き９１に突出する互いに平行な第１の脚部１１ｉと第２の脚部１２ｉとを備える。振動子５２は、さらに、第１の脚部１１ｉと同一線上で第１の向き９１とは逆向きである第２の向き９２に突出する第３の脚部１３ｉと、第２の脚部１２ｉと同一線上で第２の向き９２に突出する第４の脚部１４ｉとを備える。第１，第２の脚部１１ｉ，１２ｉの根元同士は、第１の接続部１５ｊによって接続されている。第３，第４の脚部１３ｉ，１４ｉの根元同士は、第２の接続部１６ｊによって接続されている。振動子５２は、さらに、第１の脚部１１ｉと第３の脚部１３ｉとを接続する第１の脚延長部１７ｉと、第２の脚部１２ｉと第４の脚部１４ｉとを接続する第２の脚延長部１８ｉとを備える。第１，第２の脚部１１ｉ，１２ｉおよび第１の接続部１５ｊは第１の音叉構造をなす。第３，第４の脚部１３ｉ，１４ｉおよび第２の接続部１６ｊは第２の音叉構造をなす。電極については図４の例と同様に上面にそれぞれ設けられている。

第１，第２，第３，第４の脚部１１ｉ，１２ｉ，１３ｉ，１４ｉは圧電部材を含んで形成されている。図６に示すように、第１，第２の脚部１１ｉ，１２ｉにおいては、圧電部材４１は上向きに分極されている。一方、第３，第４の脚部１３ｉ，１４ｉにおいては、逆に、圧電部材４１は下向きに分極されている。このように各脚部をユニモルフ構造としたものでもバイモルフ構造の場合と同様の作用・効果を奏する。すなわち、このようになっていることによっても、第１，第２の脚部の側と第３，第４の脚部の側とで逆の動きをさせるためには、共通の電極である駆動電極８１ａ，８１ｂによって同一の信号を与えるだけで済む。

（実施の形態３）
（構成）
図７、図８を参照して、本発明に基づく実施の形態３における角速度センサについて説明する。この角速度センサの振動子および振動子に接続する端子の部分を図７に示す。ここで用いられている振動子は、図４または図６に示したように分極された圧電部材を含む振動子である。ただし、図７に示すように、合計４列にわたって平行に延在する上面にはそれぞれ膜状の電極が設けられている。電極としては、内側の２列の凸部において長手方向に端から端まで設けられた駆動電極８１ａ，８１ｂと、外側の２列の凸部において長手方向にほぼ半分の区間にのみ設けられた検出電極８２ａ，８２ｂとがある。駆動端子８５は、第２の接続部１６ｊと略対向する位置において振動子をまたぐような形で配置され、途中で駆動電極８１ａ，８１ｂの両方にそれぞれ電気的に接続している。検出端子８６ａ，８６ｂは、第１の接続部１５ｊと略対向する位置において検出電極８２ａ，８２ｂにそれぞれ別個に電気的に接続している。その結果、この角速度センサは全体として図８に示すような回路を構成している。回路中には、反転アンプ、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）アンプ、差動アンプ、同期検波回路、直流アンプが含まれている。図８におけるＶｒｅｆとは参照電位である。参照電位とは、たとえばグランドのように常に一定の電位を供給する電位源である。振動子から検出された電位は、差動アンプなどにおける処理を経て最終的に直流アンプから角速度の大きさに応じた信号となって出力される。

駆動端子８５および検出端子８６ａ，８６ｂは、フレーム部材として基板（図示せず）の表面の所定のパッドにそれぞれ接続されている。駆動端子８５および検出端子８６ａ，８６ｂは、振動子の上面に接続することによって、振動子を基板から浮かせた状態で支持する役割を兼ねている。

（作用・効果）
本実施の形態における角速度センサは、駆動端子８５から駆動電極８１ａ，８１ｂの両方に対して同一の信号を与えることができる。この角速度センサが備える振動子は、同一の信号によって第１，第２の脚部の側と第３，第４の脚部の側とで逆向きの面内振動をさせることができる。この場合のコリオリ力による面外振動の向きは両側の脚部で逆になるので、ねじり力を打ち消すことができる。この角速度センサは、検出電極８２ａ，８２ｂにそれぞれ別個に接続した検出端子８６ａ，８６ｂを備えているので、角速度の検出に必要な信号を別個に取り出すことができる。これらの端子は信号を入出力するための配線としての役割と同時に、振動子を浮かせて支持するための機構を兼ねているので、少ない部品点数で小さなスペースに構成することができる。

（より好ましい例）
本実施の形態における角速度センサは、より好ましくは図９に示すようなものであってもよい。図９に示す例では、駆動端子８５および駆動電極８１ａ，８１ｂの構成は図７に示したものと同じである。しかし、検出電極に関しては図７に示した例とは異なり、外側の２列の凸部に合計４枚の検出電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを備えている。検出電極８２ａと検出電極８２ｃとは同一列の凸部の上面にあるが、途中で分離しており電気的には互いに独立している。検出電極８２ｂと検出電極８２ｄとについても同様である。検出電極８２ｃ，８２ｄにはそれぞれ独立した検出端子８６ｃ，８６ｄが電気的に接続している。検出電極８２ｃ，８２ｄから得られる信号の差からも角速度を検出することができる。このような構成であっても、図７に示したものと同様の効果を得ることができる。検出端子８６ａ，８６ｂは、第１の接続部１５ｊと略対向する位置において検出電極８２ａ，８２ｂにそれぞれ別個に電気的に接続している。検出端子８６ｃ，８６ｄは、第２の接続部１６ｊと略対向する位置において検出電極８２ｃ，８２ｄにそれぞれ別個に電気的に接続している。駆動端子８５は、第１の接続部１５ｊと第２の接続部１６ｊとの間の領域に略対向する位置において振動子をまたぐような形で配置され、途中で駆動電極８１ａ，８１ｂの両方にそれぞれ電気的に接続している。

図９の例では、図７の例に比べて検出電極および検出端子の組の数が多くなっているので、その分、信号を大きく取り出すことができ、好都合である。

なお、実施の形態２，３の角速度センサに含まれる振動子において、第１，第２の脚部の分極状態と第３，第４の脚部の分極状態とを逆にせずに同じにしてもよい。その場合、２つの音叉構造の駆動用の電極を共通電極とすることができないので、駆動用の電極を、第１，第２の脚部に対するものと第３，第４の脚部に対するものとに分離する必要がある。そのように電極を設けた上で、第１，第２の脚部と第３，第４の脚部とで互いに逆位の信号で駆動するように構成すればよい。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明に基づく実施の形態１における角速度センサが備える振動子の斜視図である。 図１に示した振動子において形成される音叉構造の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１における角速度センサが備える振動子の平面図である。 本発明に基づく実施の形態２における角速度センサが備える振動子の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態２における角速度センサが備える振動子の組立図である。 本発明に基づく実施の形態２における角速度センサが備える振動子の他の例の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態３における角速度センサが備える振動子の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態３における角速度センサの回路図である。 本発明に基づく実施の形態３における角速度センサが備える振動子の他の例の斜視図である。 従来技術に基づくＨ形音叉構造の振動子の斜視図である。 従来技術に基づくＨ形音叉構造の振動子を中央の接続部で支持した状態の斜視図である。 従来技術に基づくＨ形音叉構造の振動子の中央の接続部の幅を狭くした例の平面図である。 従来技術に基づくＨ形音叉構造の振動子の中央の接続部の幅を広くした例の平面図である。

符号の説明

１１，１１ｈ，１１ｉ，１１ｋ，１１ｎ 第１の脚部、１２，１２ｈ，１２ｉ，１２ｋ，１２ｎ 第２の脚部、１３，１３ｈ，１３ｉ，１３ｋ，１３ｎ 第３の脚部、１４，１４ｈ，１４ｉ，１４ｋ，１４ｎ 第４の脚部、１５，１５ｊ 第１の接続部、１６，１６ｊ 第２の接続部、１７，１７ｈ，１７ｉ 第１の脚延長部、１８，１８ｈ，１８ｉ 第２の脚延長部、３１ 第１の音叉構造、３２ 第２の音叉構造、４０ 誘電部材、４１，４２ 圧電部材、４６，４７ 棒状部材、５０，５１，５２ 振動子、８１ａ，８１ｂ 駆動電極、８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ 検出電極、８５ 駆動端子、８６ａ，８６ｂ，８６ｃ，８６ｄ 検出端子、９１ 第１の向き、９２ 第２の向き、１０１，１０２，１０３，１０４ 脚部、１０５ 接続部。

Claims (3)

1. 振動子を備える角速度センサであって、
   前記振動子は、
   第１の向きに突出する互いに平行な第１，第２の脚部と、
   前記第１の脚部と同一線上で前記第１の向きとは逆向きである第２の向きに突出する第３の脚部と、
   前記第２の脚部と同一線上で前記第２の向きに突出する第４の脚部と、
   前記第１，第２の脚部の根元同士を接続し、前記第１，第２の脚部と直交する方向に延びる第１の接続部と、
   前記第３，第４の脚部の根元同士を接続し、前記第３，第４の脚部と直交する方向に延びる第２の接続部と、
   前記第１の脚部と前記第３の脚部とを接続する第１の脚延長部と、
   前記第２の脚部と前記第４の脚部とを接続する第２の脚延長部とを備え、
   前記第１，第２の脚部および前記第１の接続部は第１の音叉構造をなし、
   前記第３，第４の脚部および前記第２の接続部は第２の音叉構造をなす、角速度センサ。
2. 前記第１，第２，第３，第４の脚部は圧電部材を含んで形成されており、前記第１，第２の脚部は第１の分極状態であり、前記第３，第４の脚部は前記第１の分極状態とは逆の第２の分極状態となっている、請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記振動子は、前記第１の接続部から前記第２の接続部までの領域内において、フレーム部材によって支持されており、前記フレーム部材は前記振動子から電気信号を取り出すための配線を兼ねている、請求項１または２に記載の角速度センサ。

Images