JP2009092430A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子により角速度を測定する角速度センサ(ジャイロスコープ)に関するものである。 The present invention relates to an angular velocity sensor (gyroscope) that measures an angular velocity using a piezoelectric element.
特開平3−34613号公報(特許文献1)等には、細長い三角柱状の振動子と、該振動子の三角柱の面上にそれぞれ形成されて振動子の角速度を検出する第1〜第3の圧電素子と、振動子本体をベース部材に支持する支持部材とを有する角速度センサが示されている。この角速度センサでは、駆動信号により、振動子を第1の圧電素子と直交する方向に振動させる。この状態で振動子が該振動子の軸を中心にして回転すると、コリオリ力により振動子の振動方向が変化する。そのため、第2及び第3の圧電素子の間に出力差が生じる。この出力差を測定することによって、振動子の角速度を検出する。このような角速度センサでは、装置を小型化を図るために、振動子の長さ寸法を小さくすることが求められていた。しかしながら、振動子の長さ寸法を小さくすると振動子の共振周波数が高くなってしまう。そのため、駆動時に揺らぎが発生したり、検出回路にノイズが発生しやすくなる。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-34613 (Patent Document 1) and the like describe first and third elongated vibrators, and first to third angular speeds which are respectively formed on a triangular prism surface of the vibrator to detect the angular velocity of the vibrator. An angular velocity sensor having a piezoelectric element and a support member that supports a vibrator body on a base member is shown. In this angular velocity sensor, the vibrator is vibrated in a direction orthogonal to the first piezoelectric element by a drive signal. When the vibrator rotates around the axis of the vibrator in this state, the vibration direction of the vibrator changes due to the Coriolis force. Therefore, an output difference is generated between the second and third piezoelectric elements. By measuring this output difference, the angular velocity of the vibrator is detected. In such an angular velocity sensor, in order to reduce the size of the device, it has been required to reduce the length of the vibrator. However, when the length of the vibrator is reduced, the resonance frequency of the vibrator is increased. For this reason, fluctuations occur during driving, and noise is likely to occur in the detection circuit.
そこで、特開平8−23258号公報(特許文献2)に示すように、振動子の長手方向の両端に一対の重錘をそれぞれ配置し、一対の重錘と該一対の重錘の間に位置する振動子本体とから振動子を構成する角速度センサが提案された。このように一対の重錘を配置すると、共振周波数を高くすることなく、振動子の長さ寸法を小さくすることができる。
しかしながら、従来の角速度センサでは、一対の重錘の間に位置する振動子本体の幅寸法等を小さくした場合、振動子本体と支持部材とを接合し難くなり、振動子本体をベース部材に支持させるのが困難になる。また、振動子本体と支持部材との接合が弱くなることがある。 However, in the conventional angular velocity sensor, when the width dimension of the vibrator main body located between the pair of weights is reduced, it becomes difficult to join the vibrator main body and the support member, and the vibrator main body is supported by the base member. It becomes difficult to let you. Further, the bonding between the vibrator main body and the support member may be weakened.
本発明の目的は、振動子本体及び重錘と支持部材との接合が容易で、しかも両者をしっかりと接合できる角速度センサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an angular velocity sensor in which a vibrator main body, a weight, and a support member can be easily joined, and both can be firmly joined.
本発明の更に他の目的は、振動子本体及び重錘の厚み寸法(Z軸方向の寸法)を小さくできる角速度センサを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor capable of reducing the thickness dimension (dimension in the Z-axis direction) of the vibrator body and the weight.
本発明の更に他の目的は、外部からの衝撃に対する応力を小さくできる角速度センサを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can reduce the stress against an external impact.
本発明の更に他の目的は、単純な加工で簡単に製造できる角速度センサを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can be easily manufactured by simple processing.
本発明の更に他の目的は、振動子本体及び一対の重錘が必要以上に動いて損傷するのを防止できる角速度センサを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can prevent the vibrator main body and the pair of weights from moving more than necessary and being damaged.
本発明の角速度センサは、互いに直交するX軸方向,Y軸方向及びZ軸方向のX軸方向に延びる細長い振動子本体と、振動子本体の上に形成されて振動子本体の角速度を検出する圧電素子と、振動子本体のX軸方向の両端に配置されて、X軸方向とY軸方向とに広がる一対の板状の重錘と、振動子本体が3次元方向に動くように、一対の重錘のそれぞれのY軸方向の両端部をベース部材に支持する4つのバネ性を有するバネ状部材とを有している。本発明では、板状の重錘のY軸方向の両端部を支持部材(バネ状部材)によりベース部材に支持させるため、重錘のY軸方向に対向する2箇所以上がバネ状部材に接続されることになる。そのため、振動子本体及び重錘とバネ状部材との接合を容易に且つしっかりと行うことができる。また、振動子本体は細長く延びており、重錘は板状を呈しているので、振動子本体及び重錘の厚み寸法(Z軸方向の寸法)を小さくできる。なお、重錘をベース部材に支持させるには、重錘上にノード点(重量のバランス点)が位置するように、振動子本体及び一対の重錘の形状及び寸法を設定し、ノード点の近傍で重錘をバネ状部材によりベース部材に支持させればよい。 The angular velocity sensor according to the present invention detects an angular velocity of the transducer body formed on the transducer body and an elongated transducer body extending in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction orthogonal to each other. A pair of piezoelectric elements, a pair of plate-shaped weights disposed at both ends of the vibrator body in the X-axis direction and extending in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the vibrator body so as to move in a three-dimensional direction. And four spring-like members having spring properties for supporting both ends of each of the weights in the Y-axis direction on the base member. In the present invention, since both ends of the plate-shaped weight in the Y-axis direction are supported by the base member by the support member (spring-shaped member), two or more locations facing the weight in the Y-axis direction are connected to the spring-shaped member. Will be. Therefore, it is possible to easily and firmly join the vibrator main body and the weight and the spring-like member. Further, since the vibrator body is elongated and the weight has a plate shape, the thickness dimension (dimension in the Z-axis direction) of the vibrator body and the weight can be reduced. In order to support the weight on the base member, the shape and dimensions of the vibrator body and the pair of weights are set so that the node point (weight balance point) is located on the weight. The weight may be supported on the base member by a spring-like member in the vicinity.
バネ状部材は、種々の形状のものを採用することができる。例えば、蛇行パターンを形成するように、Y軸方向に延びる4以上の延伸部と、X軸方向に延びて延伸部の端部を接続する接続部と、X軸方向の中央に位置する接続部に一端が接続されて延伸部と平行に延びる支持延伸部とを有するように構成することができる。この場合、バネ状部材のX軸方向の両端の延伸部をベース部材に接続し、支持延伸部の他端を重錘に接続すればよい。このようにすれば、振動子本体及び重錘と同様にバネ状部材の厚み寸法(Z軸方向の寸法)を小さくすることができる。また、バネ状部材のX軸方向の両端の延伸部がベース部材に接続されるため、1つのバネ状部材がベース部材に2箇所で接続されることになる。そのため、角速度センサの外部からの衝撃に対する応力を小さくでき、角速度センサの強度を高めることができる。 The spring-shaped member can employ various shapes. For example, in order to form a meandering pattern, four or more extending portions extending in the Y-axis direction, a connecting portion extending in the X-axis direction and connecting an end of the extending portion, and a connecting portion positioned in the center in the X-axis direction And a support extending portion that is connected at one end to the extending portion and extends in parallel with the extending portion. In this case, the extending portions at both ends in the X-axis direction of the spring-like member may be connected to the base member, and the other end of the supporting extending portion may be connected to the weight. In this way, the thickness dimension (dimension in the Z-axis direction) of the spring-like member can be reduced similarly to the vibrator main body and the weight. Further, since the extending portions at both ends in the X-axis direction of the spring-like member are connected to the base member, one spring-like member is connected to the base member at two locations. Therefore, the stress with respect to the impact from the outside of the angular velocity sensor can be reduced, and the strength of the angular velocity sensor can be increased.
このような角速度センサは、Z軸方向を厚み方向とする板材料に切削加工を施こして、振動子本体と一対の重錘と4つのバネ状部材とベース部材とを一体に成形することができる。このようにすれば、板材料の切削加工だけで角速度センサを容易に量産することができる。 In such an angular velocity sensor, the vibrator body, the pair of weights, the four spring-like members, and the base member can be integrally formed by cutting a plate material whose thickness direction is the Z-axis direction. it can. In this way, the angular velocity sensor can be easily mass-produced only by cutting the plate material.
ベース部材が振動子本体と一対の重錘と4つのバネ状部材とを囲む枠形形状を呈している場合、ベース部材は、振動子本体及び一対の重錘が必要以上にX軸方向及びY軸方向に動いたときに、振動子本体及び一対の重錘と当接して、振動子本体及び一対の重錘の運動を停止する寸法及び形状を有しているのが好ましい。このようにすれば、振動子本体及び一対の重錘が必要以上にX軸方向及びY軸方向に動いて損傷するのを防止することができる。このような構造は、板材料の切削位置を調整することにより、容易に形成することができる。 When the base member has a frame shape surrounding the vibrator main body, the pair of weights, and the four spring-like members, the base member has the X-axis direction and Y It preferably has a size and shape that abuts the vibrator body and the pair of weights when moving in the axial direction and stops the movement of the vibrator body and the pair of weights. In this way, it is possible to prevent the vibrator body and the pair of weights from moving more than necessary in the X axis direction and the Y axis direction and being damaged. Such a structure can be easily formed by adjusting the cutting position of the plate material.
本発明によれば、板状の重錘のY軸方向の両端部をバネ状部材によりベース部材に支持させるため、重錘のY軸方向に対向する2箇所以上がバネ状部材に接続されることになる。そのため、振動子本体及び重錘と支持部材との接合を容易に且つしっかりと行うことができる。また、振動子本体は細長く延びており、重錘は板状を呈しているので、振動子本体及び重錘の厚み寸法(Z軸方向の寸法)を小さくできる。その結果、振動子本体及び重錘と支持部材との接合を容易に且つしっかりと行うことができ、しかも角速度センサの小型化を図ることができる。 According to the present invention, since both ends of the plate-shaped weight in the Y-axis direction are supported by the base member by the spring-shaped member, two or more locations facing the weight in the Y-axis direction are connected to the spring-shaped member. It will be. Therefore, it is possible to easily and firmly join the vibrator main body and the weight and the support member. Further, since the vibrator body is elongated and the weight has a plate shape, the thickness dimension (dimension in the Z-axis direction) of the vibrator body and the weight can be reduced. As a result, the vibrator body and the weight and the support member can be easily and firmly joined, and the angular velocity sensor can be downsized.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態の角速度センサの平面図であり、図2は図1のII-II線断面図であり、図3は図1のIII−III線断面図である。各図に示すように、本例の角速度センサは、ベース1と振動子本体3と一対の重錘5と4つの支持部材(バネ状部材)7とを有しており、シリコン(Si)により一体に形成されている。ベース1は、振動子本体3、一対の重錘5及び4つのバネ状部材7を囲む矩形の枠形形状を有している。振動子本体3は、一方向(X軸方向)に延びる断面が矩形の細長い棒状の形状を有している。なお、図1〜図3には、互いに直交するX軸方向,Y軸方向及びZ軸方向を併せて記載している。図4(図1のIV部拡大図)及び図5(図4のV−V線断面図)に示すように、振動子本体3の1つの表面3a上には、圧電素子9が形成されている。なお、理解を容易にするため、図5においては、圧電素子9の厚み寸法を誇張して描いている。圧電素子9は、下部電極11と誘電体層13と上部電極15とを有している。下部電極11は、例えば、Ti薄膜層上にPt薄膜層が形成された多層構造、またはTi薄膜層上にIr薄膜層が形成された多層構造により形成することができる。誘電体層13は、下部電極11上に形成されており、チタン酸ジルコニウム酸鉛(PZT)からなり2μmの厚み寸法を有している。上部電極15は、誘電体層13上に形成されており、例えば、Ti薄膜層上にPt薄膜層が形成された多層構造、Ti薄膜層上にIr薄膜層が形成された多層構造、Cr薄膜層上にAu薄膜層が形成された多層構造またはAl薄膜層により形成することができる。この上部電極15は、X軸方向に並行に並ぶ中央電極15Aと2つの側方電極15B,15Cとを有している。2つの側方電極15B,15Cは、中央電極15Aの両側に並んで配置されている。圧電素子9の作用については、後に詳細に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 is a plan view of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. As shown in each figure, the angular velocity sensor of this example has a base 1, a
図1に示すように、一対の重錘5は、振動子本体3の長手方向(X軸方向)の両端にそれぞれ配置されている。一対の重錘5は、X軸方向と該X軸方向に直交する方向(Y軸方向)とに広がる矩形の板状の形状を有している。
As shown in FIG. 1, the pair of
4つのバネ状部材7は、振動子本体3が3次元方向に動くように、一対の重錘5のそれぞれのY軸方向の端部をベース部材1に支持している。4つのバネ状部材7は、いずれも同じ形状を有している。図6に示すように、1つのバネ状部材7は、蛇行パターンの形状を有しており、28本の延伸部17と27本の接続部19と1本の支持延伸部21とを有している。延伸部17は、Y軸方向に延びている。接続部19は、バネ状部材7が蛇行パターンを形成するように、X軸方向に延びて隣接する2つの延伸部17の端部を接続している。支持延伸部21は、X軸方向の中央に位置する接続部19に一端21aが接続されて延伸部17と平行に延びている。X軸方向の両端の延伸部17のベース部材1に対向する端部17aは、ベース部材1に向かうにしたがって幅寸法(X軸方向の寸法)が大きくなる形状を有している。そして、これらの端部17aは、ベース部材1に接続されている。これにより、1つのバネ状部材7は、ベース部材1に2箇所で接続されることになる。支持延伸部21の他端21bは、重錘5に向かうにしたがって幅寸法(X軸方向の寸法)が大きくなる形状を有している。そして、この他端21bは重錘5に接続されている。なお、振動子本体3及び一対の重錘5は、重錘5の支持延伸部21に接続された位置(他端21bに接続された位置)が振動子本体3及び一対の重錘5のノード点の近傍になるように、その形状及び寸法が設定されている。
The four spring-
本例では、Z軸方向を厚み方向とするシリコン(Si)の板材料に切削加工を施こして、ベース1と振動子本体3と一対の重錘5と4つのバネ状部材7とを一体に成形した。
In this example, the base 1, the
本例の角速度センサは、以下のようにして角速度を検出する。まず、中央電極15Aと下部電極11との間に電圧を印加して、振動子本体3をZ軸方向に振動させる。この状態で振動子本体3がX軸を中心にして回転すると、コリオリ力により振動子本体3の振動方向が変化する。そのため、側方電極15Bと、側方電極15Cとの間に出力差が生じる。この出力差を測定することによって、振動子本体3の角速度を検出する。
The angular velocity sensor of this example detects the angular velocity as follows. First, a voltage is applied between the
本例の角速度センサによれば、板状の重錘5のY軸方向の両端部をバネ状部材7によりベース部材に支持させるため、重錘5のY軸方向に対向する2箇所以上がバネ状部材7に接続されることになる。そのため、振動子本体3及び重錘5の厚み寸法(Z軸方向の寸法)を小さくした上で、振動子本体3及び重錘5とバネ状部材7との接合を容易に且つしっかりと行うことができる。
According to the angular velocity sensor of this example, since both ends of the plate-
次に、1つのバネ状部材がベース部材に2箇所で接続されている本例の角速度センサ(以下、単に2点接続角速度センサという)と、1つのバネ状部材がベース部材に1箇所で接続されている角速度センサ(以下、単に1点接続角速度センサという)を製造し、各角速度センサに衝撃が加わった際の応力を調べた。1点接続角速度センサは、4つのバネ状部材107が図7に示す形状を有しており、その他は、図1〜図6に示す2点接続角速度センサと同じ構造を有している。バネ状部材107は、2点接続角速度センサのバネ状部材7のほぼ半分の大きさを有しており、15本の延伸部117と14本の接続部119とを有している。そして、X軸方向の一方の端部の延伸部117のベース部材101に対向する端部117aは、ベース部材101に接続されており、X軸方向の他方の端部の延伸部117の重錘105に対向する端部117bは、重錘105に接続されている。次に各角速度センサにX軸方向、Y軸方向、Z軸方向からそれぞれ1Gの衝撃を加え、各角速度センサの各軸方向における応力を測定した。表1は、その測定結果を示している。なお、表1において、2点接続角速度センサは2点と表示し、1点接続角速度センサは1点と表示している。
表1より、2点接続角速度センサは、1点接続角速度センサに比べて、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向のいずれの方向から衝撃が加わっても、各角速度センサの各軸方向における応力を小さくできるのがわかる。 From Table 1, the two-point connection angular velocity sensor is more sensitive than the one-point connection angular velocity sensor in any axial direction of each angular velocity sensor, regardless of the X-axis direction, Y-axis direction, or Z-axis direction. It can be seen that the stress can be reduced.
図8は、本発明の他の実施の形態の角速度センサの平面図である。本例の角速度センサは、ベースを除いて、図1〜図6に示す角速度センサと同じ構造を有している。そこで、図1〜図6に示す角速度センサと同じ構造を有する部分については、図1〜図6に付した符号に200を加えた符号を付して、その説明を省略する。本例の角速度センサのベース201は、X方向に延びる一対の枠部231,233と、Y方向に延びる一対の枠部235,237と、一対の枠部231,233から振動子本体203側にそれぞれ突出する突出部239,241とを有している。一対の枠部235,237の一対の重錘205とそれぞれ対向する面235a,237aは、振動子本体203及び一対の重錘205が必要以上にX軸方向に動いたときに、一対の重錘205と当接する。突出部239,241の振動子本体203とそれぞれ対向する面239a,241aは、振動子本体203及び一対の重錘205が必要以上にY軸方向に動いたときに、振動子本体203と当接する。このように、本例の角速度センサのベース201は、振動子本体203及び一対の重錘205が必要以上にX軸方向及びY軸方向に動いたときに、振動子本体203及び一対の重錘205の運動を停止する寸法及び形状を有している。
FIG. 8 is a plan view of an angular velocity sensor according to another embodiment of the present invention. The angular velocity sensor of this example has the same structure as the angular velocity sensor shown in FIGS. Therefore, portions having the same structure as the angular velocity sensor shown in FIGS. 1 to 6 are denoted by reference numerals obtained by adding 200 to the reference numerals attached to FIGS. 1 to 6 and description thereof is omitted. The
本例の角速度センサによれば、振動子本体203及び一対の重錘205が必要以上にX軸方向及びY軸方向に動いて損傷するのを防止することができる。
According to the angular velocity sensor of this example, it is possible to prevent the vibrator
1 ベース
3 振動子本体
5 重錘
7 バネ状部材
9 圧電素子
17 延伸部
19 接続部
21 支持延伸部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記振動本体の上に形成されて前記振動本体の角速度を検出する圧電素子と、
前記振動本体のX軸方向の両端に配置されて、前記X軸方向と前記Y軸方向とに広がる一対の板状の重錘と、
前記振動子本体が3次元方向に動くように、前記一対の重錘のそれぞれの前記Y軸方向の両端部をベース部材に支持する4つのバネ性を有するバネ状部材とを有する角速度センサ。 An elongated vibrator body extending in the X-axis direction of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction orthogonal to each other;
A piezoelectric element that is formed on the vibration body and detects an angular velocity of the vibration body;
A pair of plate-like weights disposed at both ends of the vibration body in the X-axis direction and extending in the X-axis direction and the Y-axis direction;
An angular velocity sensor having four spring-like members having spring properties for supporting both ends of the pair of weights in the Y-axis direction on a base member so that the vibrator main body moves in a three-dimensional direction.
前記バネ状部材の前記X軸方向の両端の延伸部が前記ベース部材に接続されており、
前記支持延伸部の他端が前記重錘に接続されている請求項1に記載の角速度センサ。 The spring-like member includes four or more extending portions extending in the Y-axis direction, a connecting portion extending in the X-axis direction and connecting an end portion of the extending portion, and the X-axis so as to form a meandering pattern. One end is connected to the connection part located in the center of the direction and has a support extension part extending in parallel with the extension part,
Extending portions at both ends in the X-axis direction of the spring-like member are connected to the base member,
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the other end of the support extending portion is connected to the weight.
前記ベース部材は、前記振動子本体及び前記一対の重錘が必要以上に前記X軸方向及び前記Y軸方向に動いたときに、前記振動子本体及び前記一対の重錘と当接して、前記振動子本体及び前記一対の重錘の運動を停止する寸法及び形状を有している請求項3に記載の角速度センサ。 The base member has a frame shape surrounding the vibrator main body, the pair of weights, and the four spring-like members,
The base member contacts the vibrator body and the pair of weights when the vibrator body and the pair of weights move more than necessary in the X-axis direction and the Y-axis direction, The angular velocity sensor according to claim 3, wherein the angular velocity sensor has a size and a shape for stopping movement of the vibrator body and the pair of weights.
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