JP2006133004A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】振動子を伏せて用いることができ、低背化を図った角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明は、駆動振動用の駆動アームと屈曲振動用の屈曲アームとを有する振動子を備え、前記駆動アームおよび前記屈曲アームは枠体の一部に立設しており、前記駆動アームは少なくとも２つ立設するとともに、前記屈曲アームは前記枠体の一部と前記駆動アームとが連結する前記枠体の連結部間に立設した構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度センサに関するものである。

以下、従来の角速度センサについて説明する。

従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種の形状の振動子を振動させて、コリオリ力の発生に伴う振動子の歪を電気的に検知して角速度を算出する。このような角速度センサは、車両に搭載したナビゲーション装置や車両制御装置等に用いられる。

例えば、ナビゲーション装置用の角速度センサは、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、車両のＺ軸（ヨー軸）周りの角速度を算出する必要がある。

この角速度センサに用いる振動子は、通常、車両の上方、Ｚ軸方向に向かって、立てるように配置する。Ｚ軸周りに角速度が生じると、ＸＹ方向に、コリオリ力に起因した歪みが生じるので、これを検知して角速度を算出する。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−２２７８４４号公報

上記構成の振動子は、基本的に立てて用いる必要があり、角速度センサの低背化を図る際には、振動子の高さに制限され、低背化を図れないという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するために、振動子を伏せて用いることができ、低背化を図った角速度センサを提供することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決するために、駆動振動用の駆動アームと屈曲振動用の屈曲アームとを有する振動子を備え、前記駆動アームおよび前記屈曲アームは枠体の一部に立設しており、前記駆動アームは少なくとも２つ立設するとともに、前記屈曲アームは前記枠体の一部と前記駆動アームとが連結する前記枠体の連結部間に立設した構成である。

上記構成により、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面と対向するように振動子を伏せた場合でも、駆動アームがＸ方向に駆動振動している状態で、Ｚ軸周りに角速度が生じると、２つの駆動アームに交互にＹ方向に応力が発生して、枠体の連結部間がＹ方向に屈曲振動する。この連結部間の屈曲振動は屈曲アームに伝わり、屈曲アームはＸ方向に屈曲振動するので、この屈曲振動に伴う屈曲アームの歪みを検知することによって、角速度を算出することができる。

この結果、振動子を伏せても角速度を算出でき、低背化を図った角速度センサを提供することができる。

以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態におけるケース未装着の角速度センサの斜視図、図２は同角速度センサの支持体取付け時における振動子の斜視図、図３は図２におけるＡ部の拡大平面図、図４は図２におけるＢ部の拡大平面図、図５は同角速度センサの振動子の斜視図、図６は図５におけるＡ−Ａ断面図、図７は図５におけるＢ−Ｂ断面図である。

図１から図４において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、駆動振動用の駆動アーム２と屈曲振動用の屈曲アーム４とを有する振動子６を備え、この振動子６を支持体８に取り付けて、基台１０に装着している。基台１０には、振動子６を駆動するとともに、振動子６で検知された歪みを角速度として算出する回路等を配置し、ケース等を被せる（図示せず）。振動子６は、互いに略直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に、伏せた状態で配置し、この状態において、Ｚ軸周りの角速度を算出する。

この振動子６の駆動アーム２および屈曲アーム４は、方形状の枠体１２の２つの角部１４間の一部に立設している。駆動アーム２は少なくとも２つ立設するとともに、屈曲アーム４は枠体１２の一部と駆動アーム２とが連結する枠体１２の連結部１６間に立設している。枠体１２の連結部１６間と対向する枠体１２の対向部１８は、振動子６を支持体８に固定するための固定用の固定基部２０としており、この固定基部２０に向かって屈曲アーム４を立設するとともに、駆動アーム２はこの屈曲アーム４とは反対方向に立設している。

これら駆動アーム２と屈曲アーム４は、駆動アーム２から枠体１２の角部１４までの距離（Ｗ１）が、駆動アーム２から連結部１６間の中心部までの距離（Ｗ２）よりも長くなるように配置しており、枠体１２の連結部１６間の長さ（Ｗ３）は屈曲アーム４の幅（Ｗ４）と略同等にしている。枠体１２の連結部１６間と、枠体１２の対向部１８となる固定基部２０とを接続する枠体１２の接続部２２には、枠体１２の振動を吸収する振動吸収部２４を形成している。この振動吸収部２４は、枠体１２の接続部２２に凹部または溝部２６を設けて形成している。

この振動子６の駆動アーム２は、図６に示すように、駆動用電極２８で挟んだＰＺＴ等の圧電膜３０と、駆動アーム２の駆動状態を検知するモニタ用電極３２で挟んだＰＺＴ等の圧電膜３０とをシリコンからなる基板３４に積層している。２つの駆動アーム２は共に、モニタ用電極３２を挟むように２つの駆動用電極２８を配置している。

また、屈曲アーム４は、図７に示すように、コリオリ力に起因した屈曲アーム４の歪みを検知する歪検知用電極３６で挟んだＰＺＴ等の圧電膜３０を上記のシリコンからなる基板３４に積層している。

次に上記の角速度センサの振動子６の駆動状態および屈曲状態について説明する。

図８は角速度センサの振動子の駆動アームが駆動振動する状態を示す振動子の斜視図、図９は同角速度センサの振動子の屈曲アームが屈曲振動する状態を示す振動子の斜視図、図１０はＺ軸の右回りに角速度が生じた場合の図９におけるＣ部の拡大図、図１１はＺ軸の左回りに角速度が生じた場合の図９におけるＣ部の拡大図である。

図８に示すように、振動子６の駆動アーム２は、互いに略直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸方向に、互いに外側に、互いに内側へと、交互に駆動振動させる。この駆動振動は、図６における圧電膜３０を挟んだ駆動用電極２８に電圧を印加して、圧電膜３０を歪ませることにより、基板３４をＸ軸方向に駆動させて行う。

駆動アーム２を上記のように駆動振動させた状態において、図９に示すように、Ｚ軸の左回りに角速度が生じると、２つの駆動アーム２が、コリオリ力に起因した力をＹ軸方向に受ける。このとき、一方の駆動アーム２と他方の駆動アーム２は、Ｙ軸方向の互いに反対の方向、すなわち、矢印の方向にコリオリ力に起因した力を受ける。

それに伴い、屈曲アーム４がＸ軸方向の矢印の方向に歪んで屈曲振動するので、図７における圧電膜３０を挟んだ歪検知用電極３６により電圧変化を検知する。

この屈曲振動する状態は、図９におけるＣ部を拡大した図１０および図１１に示すように、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、図１０に示すように、２つの駆動アーム２は矢印の方向にコリオリ力に起因した力を受けて屈曲アーム４は矢印の方向に屈曲し振動する。また、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、図１１に示すように、２つの駆動アーム２は矢印の方向にコリオリ力に起因した力を受けて屈曲アーム４は矢印の方向に屈曲し振動する。すなわち、この屈曲アーム４の屈曲振動を歪みとして検知すれば角速度を算出することができる。

このように本発明の一実施の形態によれば、振動子６を伏せても角速度を算出でき、低背化を図った角速度センサを提供することができる。すなわち、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面と対向するように振動子６を伏せた場合でも、駆動アーム２がＸ方向に駆動振動している状態で、Ｚ軸周りに角速度が生じると、２つの駆動アーム２に交互にＹ軸方向に応力が発生して、枠体１２の連結部１６間がＹ方向に屈曲振動する。この連結部１６間の屈曲振動は屈曲アーム４に伝わり、屈曲アーム４はＸ方向に屈曲振動するので、この屈曲振動に伴う屈曲アーム４の歪みを検知することによって、角速度を算出することができるものである。

また、枠体１２の連結部１６間と対向する枠体１２の対向部１８を固定用の固定基部２０とするので、駆動アーム２が駆動振動し、屈曲アーム４とが屈曲振動する際に、ロスが少なくなり特性を向上できる。通常、これらの振動は、振動子６を基台１０に固定し装着する固定基部２０を通じて、基台１０やケース等に漏れるため、この漏れ振動を低減することが必要であるが、上記構成によれば、固定基部２０を通じて、外部に漏れる振動を低減して特性を向上できる。特に、屈曲アーム４を固定基部２０に向かって立設し、駆動アーム２と屈曲アーム４とを互いに反対方向に立設すると、漏れ振動を低減できるとともに、屈曲アーム４の歪みを検知する感度も向上できる。

また、枠体１２の連結部１６間と、枠体１２の対向部１８とを接続する枠体１２の接続部２２には、枠体１２の振動を吸収する振動吸収部２４を形成しているので、より上記効果を得ることができるとともに、この振動吸収部２４は、接続部２２に凹部または溝部２６を設けて形成すれば良い。

さらに、枠体１２は方形状であって、駆動アーム２は枠体１２の２つの角部１４間に設け、枠体１２の連結部１６間の長さは屈曲アーム４の幅と略同等にすると、より上記効果を得ることができる。

なお、本発明の一実施の形態では、駆動アーム２から角部１４までの距離と、駆動アーム２から連結部１６間の中心部までの距離とを略同等にしてないが、略同等にしても良い。この場合、各々の駆動アーム２を中心にして、枠体１２の角部１４と連結部１６の中心部までが線対称となり、駆動振動時における左右の駆動振動のバランスを同等にでき、駆動振動の精度を向上できる。

また、屈曲アーム４の端部に錘部を設ければ、歪みの検知の感度を向上できる。錘の形態は各種の形状があるが、Ｕ形状やコ形状にして、Ｕ形状やコ形状の窪み部分の中央に接続すると良い。

さらに、この角速度センサに加速度センサや各種のセンサを接続して、複合センサにしても良い。この場合、固定基部に各種のセンサを支持させると、両者が干渉しにくくなる。

以上のように、本発明にかかる角速度センサは、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いることができる。

本発明の一実施の形態におけるケース未装着の角速度センサの斜視図 同角速度センサの支持体取付け時における振動子の斜視図 図２におけるＡ部の拡大平面図 図２におけるＢ部の拡大平面図 同角速度センサの振動子の斜視図 図５におけるＡ−Ａ断面図 図５におけるＢ−Ｂ断面図 同角速度センサの振動子の駆動アームが駆動振動する状態を示す振動子の斜視図 同角速度センサの振動子の屈曲アームが屈曲振動する状態を示す振動子の斜視図 Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合の図９におけるＣ部の拡大図 Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合の図９におけるＣ部の拡大図

符号の説明

２ 駆動アーム
４ 屈曲アーム
６ 振動子
８ 支持体
１０ 基台
１２ 枠体
１４ 角部
１６ 連結部
１８ 対向部
２０ 固定基部
２２ 接続部
２４ 振動吸収部
２６ 溝部
２８ 駆動用電極
３０ 圧電膜
３２ モニタ用電極
３４ 基板
３６ 歪検知用電極

Claims (10)

1. 駆動振動用の駆動アームと屈曲振動用の屈曲アームとを有する振動子を備え、前記駆動アームおよび前記屈曲アームは枠体の一部に立設しており、前記駆動アームは少なくとも２つ立設するとともに、前記屈曲アームは前記枠体の一部と前記駆動アームとが連結する前記枠体の連結部間に立設した角速度センサ。
2. 前記枠体の連結部間と対向する前記枠体の対向部を固定用の固定基部とした請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記駆動アームと前記屈曲アームとは互いに反対方向に立設した請求項１記載の角速度センサ。
4. 前記枠体の連結部間と対向する前記枠体の対向部を固定用の固定基部とし、前記屈曲アームを前記固定基部に向かって立設した請求項３記載の角速度センサ。
5. 前記枠体の連結部間と、前記連結部間と対向する前記枠体の対向部とを接続する前記枠体の接続部には、前記枠体の振動を吸収する振動吸収部を形成した請求項１記載の角速度センサ。
6. 前記振動吸収部は、前記枠体の接続部に凹部または溝部を設けて形成した請求項５記載の角速度センサ。
7. 前記枠体は方形状であって、前記駆動アームは前記枠体の２つの角部間に設けた請求項１記載の角速度センサ。
8. 前記駆動アームから前記角部までの距離と、前記駆動アームから前記連結部間の中心部までの距離とを略同等にした請求項７記載の角速度センサ。
9. 前記枠体の連結部間の長さは前記屈曲アームの幅と略同等にした請求項１記載の角速度センサ。
10. 前記屈曲アームの端部に錘部を設けた請求項１記載の角速度センサ。

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