JP2008076222A - 音叉型振動ジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】
角加速度の検知精度が向上した音叉型振動ジャイロセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】
音叉型振動ジャイロセンサにおいて、互いに並んで延びた一対のアーム１１，１２と、アーム１１，１２を支持するベース１３と、ベース１３上の一対のアーム１１，１２から等距離の位置に設けられ、アーム１１，１２が延びた方向Ｚおよび一対のアーム１１，１２が並んだ方向Ｘの双方に略垂直な方向Ｙにおける両側に突出した支持部材１５〜１８とを有する音叉型振動子１０、および、音叉型振動子１０を収容し、支持部材１５〜１８を支持することにより音叉型振動子１０を支持する中空状の筐体２０とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はジャイロセンサに関し、特に音叉型振動ジャイロセンサに関する。

物体の角加速度を検知するジャイロセンサとして、水晶や圧電セラミック等の圧電材料を音叉型の振動子に加工した音叉型振動ジャイロセンサが知られている（例えば、特許文献１または２参照）。音叉型振動ジャイロセンサは、音叉型振動子のアームを所定の１方向に振動させた状態で（１次振動）アームが回転すると、コリオリの力によって１次振動の方向とは垂直の方向に２次振動が発生することを利用している。

図６および図７は、それぞれ従来技術の音叉型振動ジャイロセンサの外観を示す図である。

図６に示す従来技術の音叉型振動ジャイロセンサ７００は、台座７０１の上にベース７０２が支持され、２つのアーム７１０，７２０がベース７０２の両端から上方に延びた構成を有している。アーム７１０，７２０は圧電材料からなり、それぞれ板状の上側アーム７１２，７２２および下側アーム７１１，７２１を有している。ベース７０２に取り付けられた下側アーム７１１，７２１は互いに対向して配置され、上側アーム７１２，７２２は下側アーム７１１，７２１とは垂直の向きに配置されている。上側アーム７１２，７２２および下側アーム７１１，７２１のそれぞれの表面には電極が設けられており、台座７０１に設けられた端子７３１〜７３４と電線Ｗで電気的に接続されている。所定周期を有する駆動電圧が端子７３２，７３４を介して下側アーム７１１，７２１に加えられると２つのアーム７１０，７２０が互いに対向する方向に振動する（１次振動）。音叉型振動ジャイロセンサ７００の回転によって生じる２次振動は、１次振動に垂直な方向の振動であり、上側アーム７１２，７２２において生じる電圧として端子７３１，７３３から検出される。

図７に示す、別の従来技術の音叉型振動ジャイロセンサ８００は、音叉型振動子８１０および収容ケース８２０からなる。音叉型振動子８１０は、収容ケース８２０に支持されたベース８１１、およびこのベース８１１に支持された２つのアーム８１２，８１３を有している。アーム８１２，８１３の表面に設けられた電極８１５，８１６，８１７，８１８は、それぞれ電線Ｗを介して収容ケース８２０に設けられた端子８２５，８２６，８２７，８２８と電気的に接続されている。端子８２５，８２８を介して駆動電圧がアーム８１２，８１３に加えられるとアーム８１２，８１３が振動し（１次振動）、音叉型振動ジャイロセンサ８００の回転によって生じる２次振動は、端子８２６，８２７から電圧として検出される。

図８および図９は、音叉型振動子の振動を説明する模式図である。

図８に模式的に示した音叉型振動子９００は、互いに並んで延びた一対のアーム９２０，９３０と、これらのアーム９２０，９３０を支持するベース９１０とからなる。図８のパート（ａ）に示すように、駆動電圧の印加による１次振動において、アーム９２０，９３０は、このアーム９２０，９３０が対向する対向方向Ｘで、周期的に互いに反対向きに撓む。音叉型振動子９００が回転角加速度αｒを受けることで生じる２次振動では、図８のパート（ｂ）およびパート（ｃ）の平面図に示すように、アーム９２０，９３０は、アーム９２０，９３０が延びる方向Ｚおよび対向方向Ｘの双方に垂直な２次振動方向Ｙで互いに反対向きに撓む。
特開平０９−２６９２２８号公報 特開２００２−３１０６６３号公報

ところで、図８に示す音叉型振動子９００において、一対のアーム９２０，９３０が延びる方向に、このアーム９２０，９３０の中央を延びる中心線Ｃを想定すると、音叉型振動子９００では、２次振動によって、中心線Ｃを中心とした回転運動（捻れ運動）が生じている。また、１次振動については、中心線Ｃを含む、２つのアーム９２０，９３０から等距離の面を対称面としてアーム９２０，９３０が振動している。したがって、１次振動および２次振動のいずれでも、音叉型振動子９００ではベース９１０のうち、中心線Ｃが貫く部分での振動が最小となる。また、角加速度を２次振動によって精密に検知するためには、音叉型振動子９００を支持する構造も含めた音叉型振動子９００の機械的構造が、回転運動の中心となる中心線Ｃを軸として対称であることが望ましい。

しかしながら、図７に示す従来技術の音叉型振動ジャイロセンサ８００では、ベース８１１が収容ケース８２０の底部分に支持されており、２次振動の分布バランスが崩れ易い。

また、図６に示す別の従来技術の音叉型振動ジャイロセンサ７００では、上側アーム７１２，７２２および下側アーム７１１，７２１が電線Ｗに接続されている。図９には、図８に模式的に示した音叉型振動子９００が、さらに電線Ｗも含んだかたちで示されている。図９に示す音叉型振動子９００では、アーム９２０，９３０の振動特性が変化するだけでなく、不整な並進運動が生じ角加速度の検知精度が低下する。

本発明は、上記事情に鑑み、角加速度の検知精度が向上した音叉型振動ジャイロセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の音叉型振動ジャイロセンサは、
互いに並んで延びた一対のアームと、この一対のアームを支持するベースと、このベースの、上記一対のアームが延びた方向およびこの一対のアームが並んだ方向の双方に対し垂直な方向を向く両面上であってこの一対のアームから等距離の位置に設けられ、この両面から両側に突出した支持部材とを有する音叉型振動子、および
上記音叉型振動子を収容し、上記支持部材を支持することによりこの音叉型振動子を支持する中空状の筐体を備えたことを特徴とする。

本発明の音叉型振動ジャイロセンサでは、支持部材が、ベース両面上の、一対のアームの中央をアームが延びる方向に延びてベースを貫く中心線に近接する位置に設けられており、音叉型振動子の１次振動および２次振動の双方において変位量が最小となっている。このため、支持部材での支持が音叉型振動子の振動に与える影響が抑制される。また、支持部材が両側に突出して筐体に支持されていることで、支持部材を含めた音叉型振動子が上記中心線を対称軸とした対称構造を有するため、非対称な構造に起因する不均衡な振動の発生も抑えられる。したがって、回転角加速度が２次振動により正確に反映され、音叉型振動ジャイロセンサの角加速度の検知精度が向上する。

ここで、上記本発明の音叉型振動ジャイロセンサにおいて、上記筐体は、上記一対のアームが延びた方向に垂直な断面が、上記音叉型振動子が収容された位置を中心とした対称形状であることが好ましい。

これにより、音叉型振動ジャイロセンサは、音叉型振動子が収容される筐体も含めて、上記中心線を対称軸とした対称の構造を有するため、角加速度の検知精度がさらに向上する。

ここで、上記本発明の音叉型振動ジャイロセンサにおいて、上記音叉型振動子が上記一対のアームの表面に設けられたアーム電極を備えたものであり、
上記支持部材が、上記アーム電極に電気的に接続された導体からなるものであり、
上記筐体が、上記支持部材を支持する内壁に、この支持部材に接続された接続電極を有するものであることが好ましい。

音叉型振動子を機械的に支持する支持突部がアーム電極に対する電気的な接続手段と兼用され、アーム電極に対して電線を直接に接続する必要がない。このため、ワイヤによるアームへの振動特性への影響や、ワイヤ自体の振動による不整な並進運動が抑えられる。したがって、音叉型振動ジャイロセンサの検知特性がさらに向上する。

以上説明したように、本発明によれば、角加速度の検知精度が向上した音叉型振動ジャイロセンサが実現する。

以下図面を参照して本発明の音叉型振動ジャイロセンサの実施の形態を説明する。

図１および図２は、本発明の音叉型振動ジャイロセンサの一実施形態であるジャイロセンサの構造を示す図である。図１および図２には内部構造が透視されて示されている。図１はジャイロセンサの斜視図であり、図２は投影図である。図２のパート（ａ）はジャイロセンサの正面図であり、パート（ｂ）は右側面図であり、パート（ｃ）は平面図である。

図１および図２に示すジャイロセンサ１は、振動子１０と、この振動子１０が収容された筐体２０とを有している。

振動子１０は、音叉型の形状を有しており、互いに略平行に並んで延びる一対のアーム１１，１２と、このアーム１１，１２を支持するベース１３とを備えている。アーム１１，１２はベース１３と一体に形成されている。振動子１０の材料には、圧電セラミックが用いられるが、水晶等他の圧電材料を用いることも可能である。振動子１０は、本発明にいう音叉型振動子の一例に相当する。以降、アーム１１，１２がベース１３から延びる向きを上向きとし、この反対向きを下向きとし、アーム１１，１２が延びる方向を上下方向Ｚとして説明する。また、アーム１１，１２が並ぶ方向を左右方向Ｘとし、上下方向Ｚおよび左右方向Ｘの双方に垂直な方向を前後方向Ｙとして説明する。

振動子１０のベース１３には、４つのバンプ１５，１６，１７，１８が設けられている。バンプ１５〜１８は、導電性材料からなる互いに同じ長さの円柱状の部材であり、ベース１３上の前後方向Ｙ両側の面に２つずつ計４つ設けられている。バンプ１５〜１８は、図２のパート（ａ）およびパート（ｂ）に示すように、２つのアーム１１，１２から等距離の位置に設けられており、ベース１３から前後方向Ｙの両側に向いて突出している。バンプ１５〜１８の材料として金が用いられるが、バンプ１５〜１８には、銀や銅といった他の金属や導電性の樹脂を用いることも可能である。バンプ１５〜１８のそれぞれが、本発明にいう支持部材の一例に相当する。

筐体２０は、セラミックスからなる直方体状の外形を有した中空状の部材である。筐体２０には、振動子１０を収容するための収容室２１が形成されている。収容室２１は、筐体２０の中央を上下方向に一方の面から反対側の面まで貫通した四角柱状の空洞である。収容室２１を区画する４つの内壁のうち、対向する一組の内壁は支持面２１ａ，２１ｂとして振動子１０のバンプ１５〜１８を支持している。

ここで一旦図３を参照して、筐体２０の支持面２１ａ，２１ｂについて説明する。

図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３には、筐体２０の支持面２１ａを収容室２１の側から見た断面図が示されている。

筐体２０の支持面２１ａ上には、金属材料からなる２つの接続電極２５，２６が設けられている。また、支持面２１ａの下側の縁には、外部の駆動回路および検出回路を接続するための２つの端子２５１，２６１が設けられている。端子２５１，２６１は接続電極２５，２６に、支持面２１ａに形成された配線パターン２５２，２６２によってそれぞれ電気的に接続されている。図３の支持面２１ａとは反対側の支持面２１ｂ上にも、２つの接続電極２７，２８および２つの端子が設けられているが、図３で示した構造と同様であるので説明を省略する。

図１および図２に戻って説明を続けると、４つのバンプのうち、バンプ１５，１６は、支持面２１ａに設けられた接続電極２５，２６に導電性材料からなる接着剤で接続され、残りのバンプ１７，１８は、支持面２１ｂに設けられた接続電極２７，２８に接着され電気的に接続されている。

続いて、筐体２０に収容された振動子１０の詳細について説明する。

図４は、図１のジャイロセンサ１に備えられた振動子１０の外観を示す斜視図である。

振動子１０のアーム１１には、前後方向Ｙにおける両側の面に２つずつ、合わせて４つのアーム電極１１１，１１２，１１３，１１４が設けられている。図４には、４つのアーム電極のうち２つのアーム電極１１１，１１２が示されている。アーム電極１１１，１１２は、アーム１１の表面に左右に並んで配置され、上下方向Ｚに延びている。この配置は、アーム１１の反対側面に設けられている、図４に示さないアーム電極１１３，１１４についても同様である。また、振動子１０のアーム１２には、前後方向Ｙを向く両面に２つずつ、合わせて４つのアーム電極１２１，１２２，１２３，１２４が設けられている。振動子１０は、８つのアーム電極１１１〜１１４，１２１〜１２４を有している。

また、振動子１０のベース１３には、前後方向における両側の面に２つずつ、合わせて４つのバンプ電極１３５，１３６，１３７，１３８が設けられており、図４には、このうち２つのバンプ電極１３５，１３６が示されている。バンプ電極１３５，１３６は、一対のアーム１１，１２の双方から等距離の位置に配置されており、図４には図示しないバンプ電極１３７，１３８（図５パート（ａ）参照）もバンプ電極１３５，１３６と同様にアーム１１，１２の双方から等距離の位置に配置されている。バンプ１５，１６は、それぞれバンプ電極１３５，１３６に導電性材料からなる接着剤で接着され電気的に接続されている。図４には図示しないバンプ１７，１８（図１参照）も、それぞれバンプ電極１３７，１３８に接続されている。４つのバンプ電極１３５〜１３８は、アーム電極１１１〜１１４およびアーム電極１２１〜１２４に、配線パターン１３５ｐ，１３６ｐ，１３７ｐ，１３８ｐによって電気的に接続されている。図４には、４つの配線パターン１３５ｐ〜１３８ｐのうち３つの配線パターン１３５ｐ，１３６ｐ，１３７ｐが示されている。

バンプ１５〜１８は、すでに説明したように、支持面２１ａ，２１ｂに設けられた接続電極２５〜２８にそれぞれ電気的に接続されているので、アーム電極１１１〜１１４およびアーム電極１２１〜１２４は、配線パターン１３５ｐ〜１３８ｐ、バンプ電極１３５〜１３８、バンプ１５〜１８（図１参照）、筐体２０の接続電極２５〜２８（図１参照）、および、筐体２０の配線パターン２５２，２６２（図３参照）を介して、端子２５１，２６１（図３参照）を含めた、筐体２０の縁に設けられた端子に電気的に接続されている。

図５は、図４に示す振動子のアーム電極および接続電極の電気的接続を示す図である。図５には、同一の電気的接続が、説明の便宜上、アーム１１，１２を１次振動で振動させる励起モードと、アーム１１，１２に生じる２次振動を検出する検出モードとに分けて、パート（ａ）とパート（ｂ）とに示されている。

図５のパート（ａ）に示す励起モードでは、アーム１１，１２の共振振動周期に対応した周期を有する励起電圧が、筐体２０の端子から、バンプ１７，１８（図１参照）を介してバンプ電極１３７，１３８に供給される。バンプ電極１３７，１３８に供給された励起電圧は、アーム１１のアーム電極１１３−アーム電極１１２間に印加され電界Ｅ１を生じさせるとともに、アーム１２のアーム電極１２４−アーム電極１２１間に印加され電界Ｅ２を生じさせる。この結果、アーム１１，１２は、このアーム１１，１２が並ぶ方向である左右方向Ｘに振動する。ジャイロセンサ１が回転して角加速度を受けると、アーム１１，１２には、コリオリの効果によって前後方向Ｙで互いに反対向きの２次振動が生じる。アーム１１，１２の２次振動によって、アーム電極１１１−アーム電極１２２間に電圧が生じる。この電圧は、接続端子１３５，１３６、バンプ１５，１６を介して筐体の端子２５１，２６１から検出され、検出器によって受けた角加速度の量が求められる。

ここで、図２に再び戻って、ジャイロセンサ１の構造について説明を続ける。

ジャイロセンサ１の振動子１０に対し、図２のパート（ｃ）に示すように、一対のアーム１１，１２の中央を一対のアーム１１，１２が伸びる上下方向に延びた中心線Ｃを想定すると、２次振動では、アーム１１，１２が前後方向Ｙで互いに反対向きに振動するので、振動子１０には、中心線Ｃを中心とした捻れ運動が生じている。したがって、２次振動においては、ベース１３のうち振動子１０の中心線Ｃに近い部分ほど振動による変位量が小さい。また、１次振動では、中心線Ｃを含む、２つのアーム１１，１２から等距離の面を対称面Ｓとしてアーム１１，１２が振動している。したがって、１次振動においては、中心線Ｃを含む対称面Ｓに近い部分ほど、振動による変位量が小さい。本実施形態のジャイロセンサ１では、バンプ１５〜１８がベース１３上の、一対のアーム１１，１２から等距離の位置に設けられている。この位置は、中心線Ｃに近接する位置であり、また、対称面Ｓに含まれる位置でもある。このように、１次振動および２次振動の双方において振動子１０の変位量が最小となる位置で振動子１０がバンプ１５〜１８で支持されるため、振動子１０の振動に与える影響が最小限に抑制される。さらに、バンプ１５〜１８が前後方向Ｙの両側に突出して筐体２０に支持されており、バンプ１５〜１８を含めた振動子１０が中心線Ｃを対称軸とした対称構造を有する。このため、非対称な構造に起因する不要な振動の発生も抑えられる。

また、バンプ１５〜１８の長さが同一であることで、中心線Ｃを対称軸とした構造の対称性が高い。

また、筐体２０も、中心線Ｃを軸とした対称形の断面構造を有している。筐体２０も含めたジャイロセンサ１の構造が中心線Ｃを軸とした対称構造となっており、非対称な構造に起因する不要な振動の発生がさらに抑えられている。

また、振動子１０を支持するバンプ１５〜１８がアーム電極１１１〜１１４およびアーム電極１２１〜１２４に対する電気的な接続手段と兼用されているため、アーム１１，１２に電線を直接に接続する必要がなく、ワイヤによる振動への影響が抑えられる。

なお、上述した実施形態では、４つのバンプで振動子１０を支持する例を説明したが、本発明の支持部材の数はこれに限られず、２以上の他の数であってよい。

また、上述した実施形態では、筐体を、外形が直方体状であり、四角柱状の収容室２１が形成された中空状のものとして説明したが、本発明の筐体はこれに限られず、外形や収容空間の形状が他の数の角を有する角柱状や円柱状であってもよい。また、筐体は円筒のれいで説明したが、本発明の筐体は、中空状であれば、例えば底を設けた形態であってもよくまた、全面が閉じられた箱状であってもよい。

また、上述した実施形態では、アーム電極のアーム上での配置や、接続電極との電気的接続について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、アーム電極は、数が８以外でもよく、アームの左右の面に配置されたものでもよい。

本発明の音叉型振動ジャイロセンサの一実施形態であるジャイロセンサの構造を示す斜視図である。 ジャイロセンサの構造を示す投影図である。 図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１のジャイロセンサに備えられた振動子の外観を示す斜視図である。 図４に示す振動子のアーム電極および接続電極の電気的接続を示す図である。 従来技術の音叉型振動ジャイロセンサの外観を示す図である。 別の従来技術の音叉型振動ジャイロセンサの外観を示す図である。 音叉型振動子の振動を説明する模式図である。 音叉型振動子の振動を説明する模式図である。

符号の説明

１ ジャイロセンサ（音叉型振動ジャイロセンサ）
１０ 振動子（音叉型振動子）
１１，１２ アーム
１３ ベース
１５，１６，１７，１８ バンプ（支持部材）
２０ 筐体
２１ 収容室
２１ａ，２１ｂ 支持面（内壁）
２５，２６，２７，２８ 接続電極
１１１，１１２，１１３，１１４，１２１，１２２，１２３，１２４ アーム電極
１３５，１３６，１３７，１３８ バンプ電極
Ｃ 中心線
Ｘ 左右方向（アームが並んだ方向）
Ｙ 前後方向
Ｚ 上下方向（アームが延びた方向）

Claims (3)

1. 互いに並んで延びた一対のアームと、該一対のアームを支持するベースと、該ベースの、前記一対のアームが延びた方向および該一対のアームが並んだ方向の双方に対し垂直な方向を向く両面上であって該一対のアームから等距離の位置に設けられ、該両面から両側に突出した支持部材とを有する音叉型振動子、および
   前記音叉型振動子を収容し、前記支持部材を支持することにより該音叉型振動子を支持する中空状の筐体を備えたことを特徴とする音叉型振動ジャイロセンサ。
2. 前記筐体は、前記一対のアームが延びた方向に垂直な断面が、前記音叉型振動子が収容された位置を中心とした対称形状であることを特徴とする請求項１記載の音叉型振動ジャイロセンサ。
3. 前記音叉型振動子が前記一対のアームの表面に設けられたアーム電極を備えたものであり、
   前記支持部材が、前記アーム電極に電気的に接続された導体からなるものであり、
   前記筐体が、前記支持部材を支持する内壁に、該支持部材に接続された接続電極を有するものであることを特徴とする請求項１記載の音叉型振動ジャイロセンサ。

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