JP2006250769A - 振動ジャイロ素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 角速度検出に関わるコリオリ力の伝達において、エネルギーの損失が少なく、角速度の検出感度に優れた振動ジャイロ素子を提供する。
【解決手段】 三方晶の結晶構造でY軸に対して3回対称軸を持つ圧電材料を用いた振動ジャイロ素子1において、基部2と、基部2の片側からY軸方向に延出された検出腕3と、検出腕3からY軸方向と略+120°方向および略−120°方向に延出された1対の駆動腕4と、を少なくともほぼ同一平面に備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、三方晶の結晶構造をもつ圧電材料を用いた振動ジャイロ素子に関する。
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などの姿勢制御として、角速度を検出するジャイロセンサが多く用いられている。
ジャイロセンサを構成する振動ジャイロ素子として、例えば、略T字型の駆動振動系を中央の検出振動系に関して左右対称に配置した所謂、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)。このダブルT型振動ジャイロ素子では、基部に駆動腕と支持腕からなる略T字型の駆動振動系と、検出腕からなる検出振動系を備え、駆動腕に発生したコリオリ力は、支持腕および基部を介して検出腕にて取り出す構成となっている。
特開2004−245605号公報
しかしながら、上記のような構成の振動ジャイロ素子において、駆動腕に発生したコリオリ力は支持腕と基部を介して検出腕に伝えられるため、エネルギーの損失が大きく、角速度の検出感度を低下させている。また、振動ジャイロ素子の支持を行う基部を強固に固定すると、基部も振動ジャイロ素子の釣り合い振動に関与しているため、角速度の検出感度が著しく低下する課題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、角速度検出に関わるコリオリ力の伝達において、エネルギーの損失が少なく、角速度の検出感度に優れた振動ジャイロ素子を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の振動ジャイロ素子は、三方晶の結晶構造でY軸に対して3回対称軸を持つ圧電材料を用いた振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部の片側からY軸方向に延出された検出腕と、前記検出腕から前記Y軸方向と略+120°方向および略−120°方向に延出された1対の駆動腕と、を少なくともほぼ同一平面に備えていることを特徴とする。
この構成によれば、各駆動腕および検出腕は電荷の取り出しやすいY軸の3回対称軸で構成され、また、駆動腕は直接検出腕に接続されていることから、駆動腕に発生したコリオリ力を検出腕に効率よく伝達できる。このため、コリオリ力の伝達においてエネルギーの損失が少なく、角速度の検出感度に優れた振動ジャイロ素子を提供できる。
また、本発明の振動ジャイロ素子は、基部と、駆動腕、検出腕からなり、構成を簡素化でき小型化が可能となる。
さらに、基部は駆動振動および検出振動に関与しないため、基部を強固に固定することができ、耐衝撃性に優れる振動ジャイロ素子を得ることができる。
また、本発明の振動ジャイロ素子は、三方晶の結晶構造でY軸に対して3回対称軸を持つ圧電材料を用いた振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部の両側からY軸方向に延出された1対の検出腕と、前記各検出腕から前記Y軸方向と略+120°方向および略−120°方向に延出された各1対の駆動腕と、を少なくともほぼ同一平面に備えていることを特徴とする。
この構成によれば、各駆動腕および検出腕は電荷の取り出しやすいY軸の3回対称軸で構成され、また、駆動腕は直接検出腕に接続されていることから、駆動腕に発生したコリオリ力を検出腕に効率よく伝達できる。このため、コリオリ力の伝達においてエネルギーの損失が少なく、角速度の検出感度に優れた振動ジャイロ素子を提供できる。
また、本発明の振動ジャイロ素子は1対の検出腕を有することから、角速度の検出において外乱として働く加速度などをキャンセルすることができ、信頼度の高い角速度の検出を可能とする。
さらに、基部は駆動振動および検出振動に関与しないため、基部を強固に固定することができ、耐衝撃性に優れる振動ジャイロ素子を得ることができる。
上記、本発明の振動ジャイロ素子において、前記各駆動腕および前記各検出腕の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部を備えたことが好ましい。
このようにすれば、駆動振動および検出振動における、電界効率を向上させ歪の発生を大きくすることができ、振動ジャイロ素子の小型化を可能にする。
本発明の振動ジャイロ素子は、前記各駆動腕の先端に重り部を備えたことが望ましい。
このようにすれば、駆動腕の質量を確保し発生するコリオリ力を大きくすることができ、振動ジャイロ素子の小型化を可能にする。
上記、本発明の振動ジャイロ素子において、前記各駆動腕および前記各検出腕の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部を備えたことが好ましい。
このように、各駆動腕の先端に重り部を備えることにより、駆動腕の質量を確保し発生するコリオリ力を大きくでき、さらに、駆動腕および検出腕に溝部を設けることにより、駆動振動および検出振動における、電界効率を向上させ歪の発生を大きくすることができる。このことから、振動ジャイロ素子の角速度検出感度を向上させ、小型化を可能にする。
本発明の振動ジャイロ素子は、前記各駆動腕の先端および前記検出腕の先端に重り部を備えたことが望ましい。
このようにすれば、駆動腕の質量を確保し発生するコリオリ力を大きくすることができ、さらに検出腕に生ずる歪も大きくすることができる。このことから、振動ジャイロ素子の角速度検出感度を向上させ、小型化を可能にする。
上記、本発明の振動ジャイロ素子において、前記各駆動腕および前記各検出腕の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部を備えたことが好ましい。
このように、各振動腕の先端および検出腕の先端に重り部を備えることで、駆動腕の質量を確保し発生するコリオリ力を大きくでき、検出腕に生ずる歪も大きくすることができる。さらに、駆動腕および検出腕に溝部を設けることにより、駆動振動および検出振動における、電界効率を向上させ歪の発生を大きくすることができる。このことから、振動ジャイロ素子の角速度検出感度を向上させ、小型化を可能にする。
本発明の実施形態を説明するに先立ち、三方晶の結晶構造における結晶軸の構成について説明する。
図14は、水晶をZ軸方向から見た各結晶軸を示す説明図である。
水晶100は、電気軸と呼ばれるX軸、機械軸と呼ばれるY軸、光学軸と呼ばれるZ軸を有している。水晶100は三方晶系の結晶であり、Z軸の周りに1回転すると、3回同一の図形をみることができる。Z軸に垂直な面内で、X軸に垂直な軸がY軸であり、X軸、Y軸共に120°回転毎に各軸(X1,X2,X3およびY1,Y2,Y3)が存在している。このような120°毎に存在する結晶軸は、3回対称軸と呼ばれている。
以降の実施形態の説明において、結晶軸は便宜上、X1軸をX軸、Y1軸をY軸と表現し、X2,X3軸およびY2,Y3軸については表記を省略する。
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1は本実施形態の振動ジャイロ素子を示す平面図である。
振動ジャイロ素子1は、水晶のZ板からフォトリソグラフィ技術を利用し、エッチング加工にて形成されている。Z板はZ軸方向に厚みを持ち、XY平面を平面とする水晶基板である。
振動ジャイロ素子1は、基部2と、基部2の片側からY軸方向に延出された検出腕3と、検出腕3からY軸方向と略+120°の角度およびY軸方向と略−120°の角度で延出された1対の駆動腕4を有している。なお、駆動腕4が延出する角度は製造上のばらつきを考慮し、120°±3°の範囲内に設定されている。
このように、この検出腕3および駆動腕4は、前述の結晶軸であるY軸における3回対称軸(Y1,Y2,Y3)を含む構成となっている。
基部2は検出腕3を支持し、基板などに接着固定できるように所定の面積を確保している。
また、図示はしないが、駆動腕4には駆動腕4を駆動させるための駆動電極が設けられ、検出腕3には検出振動における検出腕3の歪を検出する検出電極が設けられている。
次に、振動ジャイロ素子1の動作について説明する。
図2は駆動振動の形態を説明する模式図であり、図3は検出振動の形態を説明する模式図である。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腕は線で表す。
図2における駆動振動では、振動ジャイロ素子1の1対の駆動腕4が矢印B方向に屈曲振動を行っている。この屈曲振動は、実線と二点鎖線で示す振動姿態で、1対の駆動腕4の先端が検出腕3に近づいたり遠ざかったりするようにXY平面内で振動し、所定の周波数で繰り返している。このとき、検出腕3は振動しない。
この駆動振動を行っている状態で、振動ジャイロ素子1にZ軸回りの角速度ωが加わると、図3(a)に示すような振動を行う。つまり、角速度ωが加わると、駆動振動している駆動腕4の駆動振動方向と直角の方向(矢印C方向)にコリオリ力が働く。そして、このコリオリ力に呼応して、検出腕3が矢印D方向に変位する。その後、図3(b)に示すように、検出腕3が矢印E方向に戻り、矢印D方向と矢印E方向の変位をXY平面内で繰り返す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(水晶)の歪を、検出腕3に形成された検出電極が検出して角速度ωが求められる。
また、角速度ωが逆方向に加わった場合には、駆動腕4に発生するコリオリ力が逆方向に働き、検出腕3も逆方向から振動が励起される。このため、検出腕3の歪から検出される検出信号の極性が異なることから、角速度ωの方向が認識できる。
以上のように、本実施形態の振動ジャイロ素子1は、駆動腕4および検出腕3は電荷の取り出しやすいY軸の3回対称軸で構成され、また、駆動腕4は直接検出腕3に接続されていることから、駆動腕4に発生したコリオリ力を検出腕3に効率よく伝達できる。このため、コリオリ力の伝達においてエネルギーの損失が少なく、角速度ωの検出感度に優れた振動ジャイロ素子1を提供できる。
また、振動ジャイロ素子1は、基部2と、検出腕3、駆動腕4からなり、構成が簡素化されており、小型化が可能となる。
さらに、基部2は駆動振動および検出振動に関与しないため、基部2を強固に固定することができ、所定の面積を持って基板などに接着固定すれば、耐衝撃性に優れる振動ジャイロ素子1を得ることができる。
(第2の実施形態)
次に、振動ジャイロ素子の第2の実施形態について説明する。
図4は、振動ジャイロ素子の構成を示す平面図である。
振動ジャイロ素子10は水晶からなり、フォトリソグラフィ技術を利用し、エッチング加工にて形成されている。
振動ジャイロ素子10は、基部12と、基部12の両側からY軸方向に延出された検出腕13,15と、各検出腕13,15からY軸方向と略+120°の角度およびY軸方向と略−120°の角度で延出された各1対の駆動腕14,16を有している。なお、駆動腕14,16が延出する角度は製造上のばらつきを考慮し、120°±3°の範囲内に設定されている。
このように、この検出腕13,15および駆動腕14,16は、前述の結晶軸であるY軸における3回対称軸(Y1,Y2,Y3)を含む構成となっている。
基部12は検出腕13,15を支持し、基板などに接着固定できるように所定の面積を確保している。
また、図示はしないが、駆動腕14,16には駆動腕14,16を駆動させるための駆動電極が設けられ、検出腕13,15には検出振動における検出腕13,15の歪を検出する検出電極が設けられている。
次に、振動ジャイロ素子10の動作について説明する。
図5は駆動振動の形態を説明する模式図であり、図6は検出振動の形態を説明する模式図である。図7は加速度が加わった場合の振動形態を説明する模式図である。図5、図6および図7において、振動形態を簡易に表現するために各腕は線で表す。
図5における駆動振動では、振動ジャイロ素子10の各1対の駆動腕14,16が矢印G方向に屈曲振動を行う。この屈曲振動は、実線と二点鎖線で示す振動姿態で、各1対の駆動腕14,16の先端が検出腕13,15に近づいたり遠ざかったりするようにXY平面内で振動し、所定の周波数で繰り返している。このとき、検出腕13,15は振動しない。
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10にZ軸回りの角速度ωが加わると、図6(a)に示すような振動を行う。つまり、角速度ωが加わると、駆動振動している駆動腕14の駆動振動方向と直角の方向(矢印H方向)にコリオリ力が働く。そして、このコリオリ力に呼応して、検出腕13が矢印K方向に変位する。
一方、駆動腕16では、駆動腕16の駆動振動方向と直角の方向(矢印J方向)にコリオリ力が働く。そして、このコリオリ力に呼応して、検出腕15が矢印L方向に変位する。
その後、図6(b)に示すように、検出腕13,15がそれぞれ矢印P方向、矢印Q方向に戻り、検出腕13では矢印K方向と矢印P方向の変位を繰り返す検出振動が励起され、検出腕15では矢印L方向と矢印Q方向の変位を繰り返す検出振動が励起される。
このように、振動ジャイロ素子10に角速度ωが加わった場合には、検出腕13,15はそれぞれ反対の方向に変位する。
そして、この検出振動により発生した圧電材料(水晶)の歪を、検出腕13,15に形成された検出電極が検出して角速度ωが求められる。
また、角速度ωが逆方向に加わった場合には、駆動腕14,16に発生するコリオリ力が逆方向に働き、検出腕13,15も逆方向から振動が励起される。このため、検出腕13,15の歪から検出される検出信号の極性が異なることから、角速度ωの方向が認識できる。
以上のように、各駆動腕14,16および検出腕13,15は電荷の取り出しやすいY軸の3回対称軸で構成され、また、駆動腕14,16は直接検出腕13,15に接続されていることから、駆動腕14,16に発生したコリオリ力を検出腕13,15に効率よく伝達できる。このため、コリオリ力の伝達においてエネルギーの損失が少なく、角速度ωの検出感度に優れた振動ジャイロ素子10を提供できる。
さらに、振動ジャイロ素子10にX方向の加速度が加わった場合には、図7に示すように、検出腕13,15が実線で示すR方向に変位し、その後、二点鎖線で示す方向に戻り、振動が励起される。このように、振動ジャイロ素子10に加速度が加わった場合には、検出腕13,15が同じ方向に変位する。
つまり、角速度ωが加わったときの検出腕13,15が検出する信号の極性の組み合わせと、X方向の加速度が加わったときの検出腕13,15が検出する信号の極性の組み合わせが異なる。このことから、角速度ωの検出において外乱として働くX方向の加速度をキャンセルすることができ、信頼度の高い角速度ωの検出を可能とする。
さらに、基部12は駆動振動および検出振動に関与しないため、基部12を強固に固定することができ、また、所定の面積をもって基部12を接着固定すれば、耐衝撃性に優れる振動ジャイロ素子10を得ることができる。
次に、振動ジャイロ素子の変形例について説明する。
以下の振動ジャイロ素子の構成については、上記と同じ構成については同符号を付し、説明を省略する。また、動作については前述の動作と同様のため、説明を省略する。
(変形例1)
図8は振動ジャイロ素子の変形例を示す平面図である。図9は駆動腕および検出腕の断面図であり、図9(a)は図8のS−S断線に沿う模式断面図、図9(b)は図8のT−T断線に沿う模式断面図である。
図8において、振動ジャイロ素子30の駆動腕14,16にそれぞれ溝部33,34が形成され、検出腕13,15にそれぞれ溝部31,32が形成されている。
例えば、駆動腕14に形成された溝部33は、図9(a)に示すように、駆動腕14の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部33が形成されている。
また、駆動腕14の側面と溝部33には駆動電極35,36が形成され、それぞれが異極となるように構成されている。
同様に、検出腕13に形成された溝部31は、図9(b)に示すように、検出腕13の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部31が形成されている。
また、検出腕13の側面と溝部31には検出電極37,38が形成され、それぞれが異極となるように構成されている。
このように、振動ジャイロ素子30の駆動腕14,16および検出腕13,15に溝部33,34を設けることにより、駆動電極35,36および検出電極37,38を対向して配置することができる。この場合、図9に示すように、電極間に働く電界は矢印のように直線的に働き、大きな電界を得ることができることから、歪の発生を大きくすることができる。すなわち、駆動腕14,16では駆動振動を効率的に生み出すことができ、また検出腕13,15では、小さな検出振動から大きな検出信号を取り出すことができる。
以上のように、溝部31,32,33,34を設けることにより、駆動振動および検出振動における電界効率を向上させることができ、振動ジャイロ素子30を小型化しても十分な駆動振動と検出感度を得ることができる。
(変形例2)
図10は振動ジャイロ素子の他の変形例を示す平面図である。
振動ジャイロ素子40は各駆動腕14,16の先端に、それぞれ重り部41,42が形成されている。
このように、駆動腕14,16の先端に重り部41,42を形成することにより、駆動腕14,16の質量を確保でき、固有振動数が低くなり振幅を大きくとることができる。
このことから、駆動腕14,16に発生するコリオリ力を大きくすることができ、振動ジャイロ素子40の小型化を可能にする。
(変形例3)
図11は振動ジャイロ素子の他の変形例を示す平面図である。
この振動ジャイロ素子50は、変形例2(図10参照)で説明した振動ジャイロ素子40の駆動腕14,16と検出腕13,15に溝部を設けた構成である。
振動ジャイロ素子50の駆動腕14,16にそれぞれ溝部33,34が形成され、検出腕13,15にそれぞれ溝部31,32が形成されている。溝部31,32は、厚み方向に対向する面(両面)にそれぞれ形成されている。
このように、各駆動腕14,16の先端に重り部41,42を備えることにより、駆動腕14,16に発生するコリオリ力を大きくし、さらに、駆動腕14,16および検出腕13,15に溝部33,34,31,32を設けることにより、駆動振動および検出振動における、電界効率を向上させることができる。このことから、振動ジャイロ素子50の角速度検出感度を向上させ、小型化を可能にする。
(変形例4)
図12は振動ジャイロ素子の他の変形例を示す平面図である。
この振動ジャイロ素子60は、変形例2(図10参照)で説明した振動ジャイロ素子40の検出腕13,15の先端に重り部43,44を備えた構成である。
このように、検出腕13,15の先端に重り部43,44を形成することにより、検出腕13,15の質量を確保でき、固有振動数が低くなり振幅を大きくとることができる。このようにして、駆動腕14,16に発生するコリオリ力を大きくすることができ、さらに検出腕13,15に生ずる歪も大きくすることができる。このことから、振動ジャイロ素子60の角速度検出感度を向上させ、小型化を可能にする。
(変形例5)
図13は振動ジャイロ素子の他の変形例を示す平面図である。
この振動ジャイロ素子70は、変形例4(図12参照)で説明した振動ジャイロ素子60の駆動腕14,16と検出腕13,15に溝部を設けた構成である。
振動ジャイロ素子70の駆動腕14,16にそれぞれ溝部33,34が形成され、検出腕13,15にそれぞれ溝部31,32が形成されている。溝部31,32は、厚み方向に対向する面(両面)にそれぞれ形成されている。
このように、各駆動腕14,16の先端および検出腕13,15の先端に重り部41,42,43,44を備えることにより、駆動腕14,16に発生するコリオリ力を大きくし、検出腕13,15に生ずる歪を大きくすることができる。さらに、駆動腕14,16および検出腕13,15に溝部33,34,31,32を設けることにより、駆動振動および検出振動における、電界効率を向上させることができる。このことから、振動ジャイロ素子70の角速度検出感度を向上させ、小型化を可能にする。
以上、X軸をX1軸、Y軸をY1軸とした例を説明した。本発明は、X軸をX2軸、Y軸をY2軸としても良い。また、X軸をX3軸、Y軸をY3軸としても良い。
なお、本発明の振動ジャイロ素子の材料として、水晶の他に、リン酸ガリウム(GaPO4)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)などの三方晶の結晶構造をもつ圧電材料を用いて、実施することが可能である。
本発明の第1の実施形態に係る振動ジャイロ素子の構成を示す平面図。 駆動振動の形態を示す模式図。 (a)および(b)は検出振動の形態を示す模式図。 本発明の第2の実施形態に係る振動ジャイロ素子の構成を示す平面図。 駆動振動の形態を示す模式図。 (a)および(b)は検出振動の形態を示す模式図。 加速度が加わった状態を示す模式図。 本実施形態の変形例の構成を示す平面図。 (a)は駆動腕の断面図であり、(b)は検出腕の断面図。 本実施形態の他の変形例を示す平面図。 本実施形態の他の変形例を示す平面図。 本実施形態の他の変形例を示す平面図。 本実施形態の他の変形例を示す平面図。 水晶をZ軸方向から見た各結晶軸を示す説明図。
符号の説明
1,10,30,40,50,60,70…振動ジャイロ素子、2…基部、3…検出腕、4…駆動腕、12…基部、13,15…検出腕、14,16…駆動腕、31,32…検出腕の溝部、33,34…駆動腕の溝部、41,42…駆動腕の重り部、43,44…検出腕の重り部。

Claims (7)

  1. 三方晶の結晶構造でY軸に対して3回対称軸を持つ圧電材料を用いた振動ジャイロ素子であって、
    基部と、
    前記基部の片側からY軸方向に延出された検出腕と、
    前記検出腕から前記Y軸方向と略+120°方向および略−120°方向に延出された1対の駆動腕と、を少なくともほぼ同一平面に備えていることを特徴とする振動ジャイロ素子。
  2. 三方晶の結晶構造でY軸に対して3回対称軸を持つ圧電材料を用いた振動ジャイロ素子であって、
    基部と、
    前記基部の両側からY軸方向に延出された1対の検出腕と、
    前記各検出腕から前記Y軸方向と略+120°方向および略−120°方向に延出された各1対の駆動腕と、を少なくともほぼ同一平面に備えていることを特徴とする振動ジャイロ素子。
  3. 請求項2に記載の振動ジャイロ素子において、
    前記各駆動腕および前記各検出腕の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部を備えたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
  4. 請求項2に記載の振動ジャイロ素子において、
    前記各駆動腕の先端に重り部を備えたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
  5. 請求項4に記載の振動ジャイロ素子において、
    前記各駆動腕および前記各検出腕の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部を備えたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
  6. 請求項2に記載の振動ジャイロ素子において、
    前記各駆動腕の先端および前記検出腕の先端に重り部を備えたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
  7. 請求項6に記載の振動ジャイロ素子において、
    前記各駆動腕および前記各検出腕の厚み方向に対向する面にそれぞれ溝部を備えたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
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