JP2006201118A

JP2006201118A - 圧電振動ジャイロ素子およびジャイロセンサ

Info

Publication number: JP2006201118A
Application number: JP2005015457A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Ogura; 誠一郎小倉
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-08-03
Also published as: CN1811339A; CN100562710C; US7255005B2; US20060162446A1

Abstract

【課題】特性の良好な圧電振動ジャイロ素子およびジャイロセンサを提供する。
【解決手段】水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子１であって、基部１０から直線状に両側へ延出され溝部１７を有する検出用振動腕１１ａ，１１ｂと、検出用振動腕の先端に接続された重り部１９と、基部１０から両側へ検出用振動腕に直交する方向に延出された連結腕１３ａ，１３ｂと、連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出され溝部１６を有する駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと、駆動用振動腕の先端に接続された重り部１８と、を同一平面に備え、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの長さをＬｄ、幅をＷｄ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さをＬｐ、幅をＷｐ、連結腕１３ａ，１３ｂの長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、１００≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦５８０、１３５≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦８００、６５≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦３９０、となるように設定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、圧電振動ジャイロ素子およびジャイロセンサに関する。

近年、撮像機器の手ぶれ補正や、ＧＰＳ衛星信号を用いた車両等の移動体ナビゲーションシステムの姿勢制御として、圧電振動ジャイロ素子を容器に収容したジャイロセンサが多く用いられている。
圧電振動ジャイロ素子として、例えば、中央の基部から延出する検出振動系と、略Ｔ字型の駆動振動系を中央の基部に左右対称となるように配置した所謂、ダブルＴ型振動ジャイロ素子が知られている（特許文献１、図１参照）。

特開２００１−１２９５５号公報

この圧電振動ジャイロ素子あるいはジャイロセンサにおいて、小型化を図るためや限られたスペースに搭載するために、駆動用振動腕、検出用振動腕および連結腕の長さと幅を適宜変更する必要がある。
従来の圧電振動ジャイロ素子においては、駆動用振動腕と検出用振動腕の長さ、幅を同等に設計し、それぞれの振動周波数を近くに合わせることが行われている。しかしながら、検出用振動腕の振動周波数は、連結腕の振動および基部の振動に影響を受けるために、検出用振動腕の設計には、連結腕および基部の振動を考慮する必要があった。
このため、駆動用振動腕と検出用振動腕の長さ、幅をそれぞれ異なるように変更する場合には、多くの振動シミュレーションと試作を繰り返して適切な構成を得なければならず、多くの時間が費やされていた。

本発明者は、上記課題を解決するために、各振動腕の長さと幅が各振動周波数に関係することに着目し、圧電振動ジャイロ素子として良好な特性を得ることのできる各振動腕の長さと幅の関係を見出し、設計変更を容易にすることを意図した。
本発明の目的は、圧電振動ジャイロ素子の特性を維持しつつ、設計変更を容易にするジャイロ素子を提供することにある。また、この特性の良好な圧電振動ジャイロ素子を搭載したジャイロセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電振動ジャイロ素子は、水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部から直線状に両側へ延出され溝部を有する１対の検出用振動腕と、前記各検出用振動腕の先端に接続された重り部と、前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出され溝部を有する各１対の駆動用振動腕と、前記各駆動用振動腕の先端に接続された重り部と、を少なくとも同一平面に備え、前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、１００≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦５８０、１３５≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦８００、６５≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦３９０、となるように構成したことを特徴とする。

また、本発明の圧電振動ジャイロ素子は、水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、前記各検出用振動腕の先端に接続された重り部と、前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕と、前記各駆動用振動腕の先端に接続された重り部と、を少なくとも同一平面に備え、前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、９０≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦５４０、１３５≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦７９０、６５≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦３８０、となるように構成したことを特徴とする。

また、本発明の圧電振動ジャイロ素子は、水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部から直線状に両側へ延出されその長さの略半分の長さの溝部を有する１対の検出用振動腕と、前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出されその長さの略半分の長さの溝部を有する各１対の駆動用振動腕と、を少なくとも同一平面に備え、前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、２２≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１２５、２３≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１３５、３７≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦２１５、となるように構成したことを特徴とする。

また、本発明の圧電振動ジャイロ素子は、水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部から直線状に両側へ延出されその先端部まで溝部を有する１対の検出用振動腕と、前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出されその先端部まで溝部を有する各１対の駆動用振動腕と、を少なくとも同一平面に備え、前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、１８≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１０５、２０≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１１５、３２≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦１８５、となるように構成したことを特徴とする。

また、本発明の圧電振動ジャイロ素子は、水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕と、を少なくとも同一平面に備え、前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、２０≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１２０、２３≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１３５、３７≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦２１５、となるように構成したことを特徴とする。

以上の圧電振動ジャイロ素子によれば、各振動腕の長さと幅を上記各振動腕の長さと幅の関係の範囲内に設定すれば、設計変更を容易にし圧電振動ジャイロ素子の特性を維持しつつ、良好な圧電振動ジャイロ素子を提供することができる。また、圧電振動ジャイロ素子を容易に小型化することも可能となる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記の圧電振動ジャイロ素子と、前記圧電振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、前記圧電振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記圧電振動ジャイロ素子に生ずる検出振動を検出する検出回路と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、前記の圧電振動ジャイロ素子を搭載し、良好に角速度の検出ができるジャイロセンサを提供することが可能となる。

本実施形態を詳細に説明するのに先立ち、圧電振動ジャイロ素子としてのダブルＴ型振動ジャイロ素子の動作について説明をする。
図１は典型的なダブルＴ型振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。
圧電振動ジャイロ素子８は、圧電材料である水晶から形成されている。水晶には電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸および光学軸と呼ばれるＺ軸を有している。そして、圧電振動ジャイロ素子８はＺ軸方向に所定の厚みを持ち、ＸＹ平面内に形成されている。

圧電振動ジャイロ素子８は、基部１０から図中上下両側へ直線状に延出する１対の検出用振動腕１１ａ，１１ｂと、基部１０から該検出用振動腕１１ａ，１１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出する１対の連結腕１３ａ，１３ｂと、各連結腕１３ａ，１３ｂの先端部から検出用振動腕１１ａ，１１ｂと平行に図中上下両側へ延出する左右各１対の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂとを有している。このように、圧電振動ジャイロ素子８の重心Ｇを通るＹ軸に対して線対称となるように、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび連結腕１３ａ，１３ｂが配置されている。

また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂ表面には検出電極（図示せず）が形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ表面には駆動電極（図示せず）が形成されている。このように、検出用振動腕１１ａ，１１ｂにて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕１３ａ，１３ｂと駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂにて圧電振動ジャイロ素子８を駆動する駆動振動系を構成している。
なお、圧電振動ジャイロ素子８は基部１０の重心Ｇを支持することにより、角速度の検出を可能にしている。

次に、このような圧電振動ジャイロ素子８において、駆動振動状態と検出振動状態について説明する。
図２は圧電振動ジャイロ素子８の駆動振動状態を説明する模式平面図であり、図３は圧電振動ジャイロ素子８の検出振動状態を説明する模式平面図である。図２および図３において、振動形態を簡易に表現するために各振動腕は線で表している。

図２において、圧電振動ジャイロ素子８に角速度が加わらない状態において、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂは矢印Ｅで示す方向に屈曲振動を行う。この屈曲振動は、実線で示す振動姿態と二点鎖線で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返している。このとき、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂと駆動用振動腕１５ａ，１５ｂとが、重心Ｇを通るＹ軸に関して線対称の振動を行っているため、基部１０、連結腕１３ａ，１３ｂ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは、ほとんど振動しない。

この駆動振動を行っている状態で、圧電振動ジャイロ素子８にＺ軸回りの角速度ωが加わると、図３に示すような振動を行う。つまり、駆動振動系を構成する駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび連結腕１３ａ，１３ｂに矢印Ｂ方向のコリオリ力が働き、新たな振動が励起される。この矢印Ｂ方向の振動は重心Ｇに対して周方向の振動である。また同時に、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは矢印Ｂの振動に呼応して、矢印Ｃ方向の検出振動が励起される。そして、この検出振動により発生した圧電材料の歪を、検出用振動腕１１ａ，１１ｂに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。

またこのとき、基部１０の周縁部は矢印Ｄ方向に、重心Ｇに対して周方向に振動する。これは、検出振動が駆動振動系と検出用振動腕１１ａ，１１ｂとの釣り合い振動だけでなく、基部１０を含めた釣り合い振動となっているためである。この矢印Ｄで示す基部１０の周縁部の振動振幅は、矢印Ｂで示す駆動振動系の振動振幅、または矢印Ｃで示す検出用振動腕１１ａ，１１ｂの振動振幅に比べて微小である。
このように、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの振動は、連結腕１３ａ，１３ｂおよび基部１０の振動の影響を受けている。

以上のような圧電振動ジャイロ素子８において、角速度の検出感度を上げるには、検出振動の振動振幅を大きくし、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの撓み変位量を大きくする必要がある。コリオリ力による検出振動の振幅を最大の振幅にするには、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの周波数を駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの周波数に一致させればよいことが知られている。
しかし、実際にはコリオリ力が働かないときにも、駆動振動のごく一部が基部１０に微小な漏れとして伝わっており、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの駆動周波数と検出用振動腕１１ａ，１１ｂの検出周波数を同一にすると、この漏れ成分を拾い易くなるため、通常はそれぞれの周波数を１０００Ｈｚ程度ずらして設計されている。

また、圧電振動ジャイロ素子の駆動周波数は、実用上から２０ｋＨｚから１２０ｋＨｚの範囲内に設定されるのが望ましい。これは、駆動周波数を１２０ｋＨｚ以上としたときには、圧電振動ジャイロ素子の小型化が容易となる反面、角速度の検出感度が低下および消費電力の増加が予想され、駆動周波数を２０ｋＨｚ以下としたときには、角速度の検出感度が向上するが、圧電振動ジャイロ素子が大型化するためである。

本発明者は、各振動腕の長さと幅が各振動周波数に関係することに着目し、圧電振動ジャイロ素子として良好な特性を得ることのできる各振動腕の長さと幅の関係を見出した。この、各振動腕の長さと幅の関係を解析するにあたり、５つのタイプの圧電振動ジャイロ素子について検討した。図４および図５は、その５つのタイプの圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。以下の説明に用いる図において、図１の圧電振動ジャイロ素子と同じ機能の部分には同符号を付し、説明を省略する。

図４（ａ）は、タイプ１の圧電振動ジャイロ素子を示し、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂのそれぞれの先端に重り部１８を設け、さらに駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂに溝部１６が形成されている。同様に検出用振動腕１１ａ，１１ｂのそれぞれの先端に重り部１９を設け、検出用振動腕１１ａ，１１ｂに溝部１７が形成されている。
図４（ｂ）は、タイプ２の圧電振動ジャイロ素子を示し、タイプ１の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび検出用振動腕１１ａ，１１ｂに溝部を設けない形態である。

図５（ａ）は、タイプ３の圧電振動ジャイロ素子を示し、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび検出用振動腕１１ａ，１１ｂに、それぞれ溝部１６，１７を各振動腕の略半分の長さに設けた形態である。
図５（ｂ）は、タイプ４の圧電振動ジャイロ素子を示し、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび検出用振動腕１１ａ，１１ｂに、それぞれ溝部１６，１７を各振動腕の先端付近まで設けた形態である。
図５（ｃ）は、タイプ５の圧電振動ジャイロ素子を示し、タイプ３およびタイプ４の溝部を設けない形態である。

以上の５つのタイプの圧電振動ジャイロ素子において、駆動振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの駆動周波数をｆｄ、長さをＬｄ、幅をＷｄとしたとき、
ｆｄ＝Ｃｄ×Ｗｄ／Ｌｄ² ・・・（１）
検出振動腕１１ａ，１１ｂの検出周波数をｆｐ、長さをＬｐ、幅をＷｐとしたとき、
ｆｐ＝Ｃｐ×Ｗｐ／Ｌｐ² ・・・（２）
連結腕１３ａ，１３ｂの振動周波数をｆｃ、長さをＬｃ、幅をＷｃとしたとき、
ｆｃ＝Ｃｃ×Ｗｃ／Ｌｃ² ・・・（３）
という関係式（１）、（２）、（３）が成り立つ。
なお、Ｃｄ，Ｃｐ，Ｃｃは各振動腕の慣性モーメント、弾性定数、材料の密度などから決まる定数であり、それぞれのタイプの圧電振動ジャイロ素子で異なる値を持つ。

この定数Ｃｄ，Ｃｐ，Ｃｃをそれぞれのタイプの圧電振動ジャイロ素子について計算すると、図６に示す値となる。
例えば、駆動振動周波数を２０ｋＨｚから１２０ｋＨｚの範囲内とすると、以下の式（４）が成り立つ。
２００００（Ｈｚ）≦ｆｄ≦１２００００（Ｈｚ）・・・（４）
この式（４）と式（１）および図６に示したＣｄの値から、Ｗｄ／Ｌｄ²の値が求まる。また同様にして、Ｗｐ／Ｌｐ²の値およびＷｃ／Ｌｃ²の値を求めることができる。
なお、Ｗｄ，Ｗｐ，ＷｃおよびＬｄ，Ｌｐ，Ｌｃの単位としてはｍを用いる。

これらをそれぞれのタイプの圧電振動ジャイロ素子において計算すると、以下の結果が導きだされる。
＜タイプ１の圧電振動ジャイロ素子＞

１００≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦５８０・・・（５）
１３５≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦８００・・・（６）
６５≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦３９０・・・（７）
＜タイプ２の圧電振動ジャイロ素子＞

９０≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦５４０・・・（８）
１３５≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦７９０・・・（９）
６５≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦３８０・・・（１０）
＜タイプ３の圧電振動ジャイロ素子＞

２２≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１２５・・・（１１）
２３≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１３５・・・（１２）
３７≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦２１５・・・（１３）
＜タイプ４の圧電振動ジャイロ素子＞

１８≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１０５・・・（１４）
２０≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１１５・・・（１５）
３２≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦１８５・・・（１６）
＜タイプ５の圧電振動ジャイロ素子＞

２０≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１２０・・・（１７）
２３≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１３５・・・（１８）
３７≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦２１５・・・（１９）

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）

図７は本実施形態におけるタイプ１の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。
圧電振動ジャイロ素子１は、圧電材料である水晶から形成されている。この圧電振動ジャイロ素子１はＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｚ軸（光学軸）からなる水晶の、Ｚ軸方向に所定の厚みを持ち、ＸＹ平面内に形成されている。

圧電振動ジャイロ素子１は、基部１０から図中上下両側へ直線状に延出する１対の検出用振動腕１１ａ，１１ｂと、基部１０から該検出用振動腕１１ａ，１１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出する１対の連結腕１３ａ，１３ｂと、各連結腕１３ａ，１３ｂの先端部から検出用振動腕１１ａ，１１ｂと平行に図中上下両側へ延出する左右各１対の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂとを有している。このように、圧電振動ジャイロ素子１の重心Ｇを通るＹ軸に対して線対称となるように、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび連結腕１３ａ，１３ｂが配置されている。

駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび検出用振動腕１１ａ，１１ｂの先端には重り部１８，１９がそれぞれ形成されている。この重り部１８，１９を設けることにより、発生するコリオリ力を大きくすることができる。
また、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび検出用振動腕１１ａ，１１ｂには溝部１６，１７がそれぞれ形成されている。この溝部１６，１７を設けることにより、電気機械変換効率が良くなり、角速度の検出感度を向上させることができる。
そして、重り部１８，１９および溝部１６，１７を設けることで圧電振動ジャイロ素子１の小型化を可能にしている。

図８にこの溝部１６，１７の断面図を示す。図８（ａ）は図７のＡ−Ａ断線に沿う断面図であり、同図（ｂ）は図７のＢ−Ｂ断線に沿う断面図である。
図８（ａ）において、駆動用振動腕１５ｂには、溝部１６が厚み方向に両面から形成されている。他の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａも同様な溝部１６が形成されている。
図８（ｂ）において、検出用振動腕１１ｂには、溝部１７が厚み方向に両面から形成されている。他の検出用振動腕１１ａも同様な溝部１７が形成されている。

また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂ表面には検出電極（図示せず）が形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ表面には駆動電極（図示せず）が形成されている。この駆動電極に電界を与えることにより駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂを屈曲振動させ、検出電極により検出用振動腕１１ａ，１１ｂに生じた歪を検出して角速度の検出を可能としている。

この圧電振動ジャイロ素子１において、前述の式（５）、（６）、（７）を満足するように各振動腕の長さと幅が設定されている。具体的には、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの長さＬｄは約６５０μｍ、幅Ｗｄは約１００μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬｐは約５００μｍ、幅Ｗｐは約７５μｍ、連結腕１３ａ，１３ｂの長さＬｃは約６５０μｍ、幅Ｗｃは約７０μｍに設定されている。また、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの溝部１６の長さは約４２５μｍ、幅は約７０μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの溝部１７の長さは約３１５μｍ、幅は約４５μｍに設定されている。
（タイプ１の圧電振動ジャイロ素子の変形例）

図９はタイプ１の圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図である。
圧電振動ジャイロ素子７において、前述の式（５）、（６）、（７）を満足するように各振動腕の長さと幅が設定されている。具体的には、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの長さＬｄは約６００μｍ、幅Ｗｄは約１６０μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬｐは約４２０μｍ、幅Ｗｐは約９０μｍ、連結腕１３ａ，１３ｂの長さＬｃは約４００μｍ、幅Ｗｃは約６０μｍに設定されている。また、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの溝部１６の長さは約４００μｍ、幅は約１３０μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの溝部１７の長さは約２００μｍ、幅は約７０μｍに設定されている。

このように、第１の実施形態に比べて、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの幅Ｗｄを太くし、連結腕１３ａ，１３ｂの長さＬｃを短くし、さらに検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬｐを短く設定することで、圧電振動ジャイロ素子７を小型化することも可能である。
（第２の実施形態）

図１０は本実施形態におけるタイプ２の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。この圧電振動ジャイロ素子２は、前述したタイプ１の圧電振動ジャイロ素子１において、駆動用振動腕と検出用振動腕に溝部を設けない形態である。

圧電振動ジャイロ素子２において、前述の式（８）、（９）、（１０）を満足するように各振動腕の長さと幅が設定されている。具体的には、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの長さＬｄは約６５０μｍ、幅Ｗｄは約１００μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬｐは約５００μｍ、幅Ｗｐは約７５μｍ、連結腕１３ａ，１３ｂの長さＬｃは約６５０μｍ、幅Ｗｃは約７０μｍに設定されている。
（第３の実施形態）

図１１は本実施形態におけるタイプ３の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。この圧電振動ジャイロ素子３は、前述したタイプ１の圧電振動ジャイロ素子１において、駆動用振動腕と検出用振動腕に重り部を設けない形態である。

この圧電振動ジャイロ素子３において、前述の式（１１）、（１２）、（１３）を満足するように各振動腕の長さと幅が設定されている。具体的には、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの長さＬｄは約１０００μｍ、幅Ｗｄは約１００μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬｐは約８５０μｍ、幅Ｗｐは約７５μｍ、連結腕１３ａ，１３ｂの長さＬｃは約６５０μｍ、幅Ｗｃは約７０μｍに設定されている。また、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの溝部１６の長さは約４２５μｍ、幅は約７０μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの溝部１７の長さは約３１５μｍ、幅は約４５μｍに設定されている。
（第４の実施形態）

図１２は本実施形態におけるタイプ４の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。この圧電振動ジャイロ素子４は、前述したタイプ３の圧電振動ジャイロ素子３において、駆動用振動腕と検出用振動腕に形成した溝部を、それらの先端付近まで延長した形態である。

この圧電振動ジャイロ素子４において、前述の式（１４）、（１５）、（１６）を満足するように各振動腕の長さと幅が設定されている。具体的には、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの長さＬｄは約１０００μｍ、幅Ｗｄは約１００μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬｐは約８５０μｍ、幅Ｗｐは約７５μｍ、連結腕１３ａ，１３ｂの長さＬｃは約６５０μｍ、幅Ｗｃは約７０μｍに設定されている。また、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの溝部１６の長さは約８５０μｍ、幅は約７０μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの溝部１７の長さは約７００μｍ、幅は約４５μｍに設定されている。
（第５の実施形態）

図１３は本実施形態におけるタイプ５の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。この圧電振動ジャイロ素子５は、前述したタイプ３の圧電振動ジャイロ素子３において、駆動用振動腕と検出用振動腕に溝部を設けない形態である。

この圧電振動ジャイロ素子５において、前述の式（１７）、（１８）、（１９）を満足するように各振動腕の長さと幅が設定されている。具体的には、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの長さＬｄは約１０００μｍ、幅Ｗｄは約１００μｍ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬｐは約８５０μｍ、幅Ｗｐは約７５μｍ、連結腕１３ａ，１３ｂの長さＬｃは約６５０μｍ、幅Ｗｃは約７０μｍに設定されている。

以上で説明した圧電振動ジャイロ素子１，２，３，４，５，７の動作については、図２および図３で説明したのと同様であり、説明を省略する。
以上のように、圧電振動ジャイロ素子のそれぞれのタイプにおいて、前述の式（５）〜（１９）を満足するように各振動腕の長さと幅を設定することにより、容易に良好な特性の得られる圧電振動ジャイロ素子を提供できる。さらに、圧電振動ジャイロ素子の小型化においても、容易に設計が可能となる。
（第６の実施形態）

図１４は本実施形態のジャイロセンサの構成を示す概略断面図である。
ジャイロセンサ６０は、圧電振動ジャイロ素子１、収容器６１、蓋体６２、支持基板６３、リード板６４、ＩＣ６５を備えている。セラミックなどで形成された収容器６１の底部にはＩＣ６５が配置され、例えばフェイスダウン方式で実装されている。ＩＣ６５には圧電振動ジャイロ素子１を駆動振動させるための駆動回路と、角速度が加わったときに圧電振動ジャイロ素子１に生ずる検出振動を検出する検出回路とを含んでいる。
圧電振動ジャイロ素子１は、リード板６４によりその中央部（基部）を支持され、リード板６４は収容器６１の底部に配置した支持基板６３に固定されている。そして、収容器６１の上部で収容器６１内を真空雰囲気に保持され、蓋体６２にて封止されている。

このように、本実施形態のジャイロセンサ６０は、前述の圧電振動ジャイロ素子を搭載し、良好に角速度の検出ができるジャイロセンサを提供することが可能となる。特に、小型化された圧電振動ジャイロ素子を搭載すれば、特性が良好で小型化されたジャイロセンサを得ることができる。

なお、本実施形態の圧電振動ジャイロ素子はフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で一体に形成することができ、１枚の水晶ウエハから多数の圧電振動ジャイロ素子を形成することができる。
また、本実施形態では、基部を支持する圧電振動ジャイロ素子の形態について説明したが、基部より梁を延出させ、その先端部を支持するように支持部を設けた構成についても実施が可能である。

圧電振動ジャイロ素子としてのダブルＴ型振動ジャイロ素子を示す概略平面図。圧電振動ジャイロ素子の駆動振動状態を説明する模式平面図。圧電振動ジャイロ素子の検出振動状態を説明する模式平面図。圧電振動ジャイロ素子のタイプを示す概略平面図。圧電振動ジャイロ素子のタイプを示す概略平面図。５つのタイプの圧電振動ジャイロ素子における定数の値を示す表。本実施形態の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図。（ａ）は駆動用振動腕の溝部の形状を示す断面図、（ｂ）は検出用振動腕の溝部の形状を示す断面図。本実施形態の圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。本実施形態の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図。本実施形態の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図。本実施形態の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図。本実施形態の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図。本実施形態のジャイロセンサの構成を示す概略断面図。

符号の説明

１，２，３，４，５，７，８…圧電振動ジャイロ素子、１０…基部、１１ａ，１１ｂ…検出用振動腕、１３ａ，１３ｂ…連結腕、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ…駆動用振動腕、１６…駆動用振動腕の溝部、１７…検出用振動腕の溝部、１８…駆動用振動腕の重り部、１９…検出用振動腕の重り部、６０…ジャイロセンサ、６１…収容器、６２…蓋体、６３…支持基板、６４…リード板、６５…駆動回路と検出回路を含むＩＣ、Ｇ…重心、Ｌｄ…駆動用振動腕の長さ、Ｌｐ…検出用振動腕の長さ、Ｌｃ…連結腕の長さ、Ｗｄ…駆動用振動腕の幅、Ｗｐ…検出用振動腕の幅、Ｗｃ…連結腕の幅。

Claims

水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、
基部と、
前記基部から直線状に両側へ延出され溝部を有する１対の検出用振動腕と、
前記各検出用振動腕の先端に接続された重り部と、
前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、
前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出され溝部を有する各１対の駆動用振動腕と、
前記各駆動用振動腕の先端に接続された重り部と、を少なくとも同一平面に備え、
前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、
前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、
前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、
１００≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦５８０、
１３５≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦８００、
６５≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦３９０、
となるように構成したことを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、
基部と、
前記基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、
前記各検出用振動腕の先端に接続された重り部と、
前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、
前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕と、
前記各駆動用振動腕の先端に接続された重り部と、を少なくとも同一平面に備え、
前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、
前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、
前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、
９０≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦５４０、
１３５≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦７９０、
６５≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦３８０、
となるように構成したことを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、
基部と、
前記基部から直線状に両側へ延出されその長さの略半分の長さの溝部を有する１対の検出用振動腕と、
前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、
前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出されその長さの略半分の長さの溝部を有する各１対の駆動用振動腕と、を少なくとも同一平面に備え、
前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、
前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、
前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、
２２≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１２５、
２３≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１３５、
３７≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦２１５、
となるように構成したことを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、
基部と、
前記基部から直線状に両側へ延出されその先端部まで溝部を有する１対の検出用振動腕と、
前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、
前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出されその先端部まで溝部を有する各１対の駆動用振動腕と、を少なくとも同一平面に備え、
前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、
前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、
前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、
１８≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１０５、
２０≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１１５、
３２≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦１８５、
となるように構成したことを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
水晶から構成される圧電振動ジャイロ素子であって、
基部と、
前記基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、
前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、
前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕と、を少なくとも同一平面に備え、
前記駆動用振動腕の長さをＬｄ、幅をＷｄ、
前記検出用振動腕の長さをＬｐ、幅をＷｐ、
前記連結腕の長さをＬｃ、幅をＷｃ、としたとき、
２０≦Ｗｄ／Ｌｄ²≦１２０、
２３≦Ｗｐ／Ｌｐ²≦１３５、
３７≦Ｗｃ／Ｌｃ²≦２１５、
となるように構成したことを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電振動ジャイロ素子と、
前記圧電振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、
前記圧電振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記圧電振動ジャイロ素子に生ずる検出振動を検出する検出回路と、を備えることを特徴とするジャイロセンサ。