JP2010002430A - 振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサ - Google Patents
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Abstract
能にする振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサを提供す
る。
【解決手段】基部10と、基部10から直線状に両側へ延出された1対の検出用振動腕1
1a,11bと、基部10から両側へ検出用振動腕11a,11bに直交する方向に延出
された1対の連結腕13a,13bと、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14a,14b,15a,15bと、基部10から各検出用
腕に沿って延出される2対の梁20a,20b,21a,21bと、同方向に延出された
各梁が連結された1対の支持部22a,22bと、を同一平面に備え、支持部22a,2
2bを検出用振動腕の延出する方向であって検出用振動腕の外側かつ前記駆動用振動腕の
間に配置する。
【選択図】図1
Description
ジャイロセンサに関する。
ンシステムなどの姿勢制御として、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。
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)。
これらのジャイロセンサにおいて、携帯性の向上および機器設計の自由度向上のために
、小型化の要求がある。このジャイロセンサの小型化を図るために、ジャイロ素子の小型
化をする必要がある。通常ジャイロ素子の支持としては、ジャイロ素子の中央の基部(重
心部)を基板などに接着支持しているが、ジャイロ素子を小型化していくと、基板との支
持面積も小さくなり、振動または衝撃が加わった時の強度が確保できない問題がある。こ
のため、例えば、特許文献1(図4)に示すように基部から支持枠を延出させ、基部と支
持枠をそれぞれ支持する構造が提案されている。
が抑圧されて角速度の検出感度を低下させ、また、支持枠はジャイロ素子の駆動振動系と
検出振動系の外側に設けられていることから、ジャイロ素子の小型化には限界があった。
子の角速度検出感度を維持し、かつ支持強度を確保して小型化を可能にする振動ジャイロ
素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサを提供することにある。
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、前記基部から前記各検出用腕に沿って延出される
2対の梁と、同方向に延出された前記各梁が連結された1対の支持部と、を同一平面に備
え、前記支持部を前記各検出用振動腕の延出する方向であって前記検出用振動腕の外側か
つ前記駆動用振動腕の間に配置されたことを特徴とする。
持部を形成することにより、支持部の面積を大きく確保できる。そして、この支持部を接
着支持することにより角速度検出感度を維持しながら支持強度を向上させることができる
。また、支持部を検出用振動腕の延出する方向であって検出用振動腕の外側かつ駆動用振
動腕の間に配置することにより、振動ジャイロ素子の小型化を可能にする。
さより短く形成されたことを特徴とする。
度を向上させることができる。
して回転対称な位置に設けられていることを特徴とする。
ができる。
ジャイロ素子が載置される支持台と、前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固
定するための固定部材と、を備えることを特徴とする。
子の基部を支持せずとも、支持部を固定部材により支持することで角速度検出感度を維持
しながら確実な支持が可能となる。
料であることを特徴とする。
げ、振動ジャイロ素子の駆動振動および検出振動を安定に保つことができる。そして、支
持部に漏洩してきている微小の振動を、固定部材が緩衝材として機能し、駆動振動および
検出振動への影響を低減することができる。
が載置される支持台と、前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための
固定部材と、前記振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、前記振動ジャイ
ロ素子に角速度が加わったときに前記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。
度を維持しながら支持強度を向上させ、また、小型化された振動ジャイロ素子を搭載し、
小型化されたジャイロセンサを提供することができる。
(実施形態)
図1は本実施形態の振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。
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。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、
振動ジャイロ素子1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。
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。
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にて振動ジャイロ
素子を駆動する駆動振動系を構成している。
成され、駆動用振動腕14a,14b,15a,15bのそれぞれの先端部には重り部1
6a,16b,17a,17bが形成され、角速度の検出感度の向上が図られている。な
お、ここで検出用振動腕11a,11bは重り部12a,12bをそれぞれ含み、駆動用
振動腕14a,14b,15a,15bは重り部16a,16b,17a,17bをそれ
ぞれ含んだ名称である。
また、検出用振動腕11a,11bは駆動用振動腕14a,14b,15a,15bに
対して長さが短く形成されている。
途中で該検出用振動腕11aと平行に延出するL字状の1対の梁20a,20bが形成さ
れ、梁20a,20bの先端は共に支持部22aに連結されている。同様に、基部10か
ら該検出用振動腕11bと直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該検出用振動腕
11bと平行に延出するL字状の1対の梁21a,21bが形成され、梁21a,21b
の先端は共に支持部22bに連結されている。
この1対の支持部22a,22bは、各検出用振動腕11a,11bの延出する方向で
あって検出用振動腕11a,11bの外側かつ駆動用振動腕14a,14b,15a,1
5bの間に配置されている。さらに、この1対の支持部22a,22bは、振動ジャイロ
素子1の重心Gに対して回転対称な位置に配置されている。
図3および図4は振動ジャイロ素子の動作を説明する模式平面図である。図3および図
4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、前述した梁20a,
20b,21a,21bおよび支持部22a,22bは省略する。
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が矢印
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。
と、図4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、この振動により発生した圧電材料の歪を、検出用振動腕11
a,11bに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。
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が、例えば基部10を接着固定した
場合、この固定により基部10の周縁部の振動が抑圧され、検出振動も抑圧される。この
ことから、基部10を支持することで角速度の検出感度が低下することになる。
する。図2はジャイロセンサを示す概略断面図であり、振動ジャイロ素子1を図1のA−
A断線に沿う断面として表している。
ジャイロセンサ80は、振動ジャイロ素子1、IC84、収容器81、蓋体86を備え
ている。セラミックなどで形成された収容器81の底面にはIC84が配置され、Auな
どのワイヤ85で収容器81に形成された配線(図示せず)と電気的接続がなされている
。IC84には振動ジャイロ素子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。振動
ジャイロ素子1は、収容器81に形成された支持台82と振動ジャイロ素子1の支持部2
2a,22bとを導電性接着剤などの固定部材83を介して、接着支持されている。また
、支持台82表面には配線(図示せず)が形成され、振動ジャイロ素子1の電極と配線間
の導通が固定部材83を介してなされている。この固定部材83は、弾性のある材料であ
ることが望ましい。弾性を有する固定部材83としてはシリコーンを基材とする導電性接
着剤などが知られている。そして、収容器81の上部で収容器81内を真空雰囲気に保持
され、蓋体86にて封止されている。
は、基部10から延出された梁20a,20b,21a,21bを連結する支持部22a
,22bを形成することにより、支持部22a,22bの面積を大きく確保でき、支持強
度を向上させることができる。
また、基部10から延出する梁20a,20b,21a,21bは水晶で形成されてい
るため弾性を有し、基部10の周縁部の振動が抑圧されることが無く、角速度の検出感度
が低下することがない。
て検出用振動腕11a,11bの外側かつ駆動用振動腕14a,14b,15a,15b
の間に配置することにより、振動ジャイロ素子1の小型化を可能にする。
また、1対の支持部22a,22bは振動ジャイロ素子1の重心Gに対して回転対称な
位置に設けられていることから、振動ジャイロ素子1のバランスが確保でき、安定した姿
勢を保つことができ良好な特性を得ることができる。
成されているため、外部からの振動および衝撃を和らげ、駆動振動および検出振動を安定
に保つことができる。そして、支持部22a,22bに漏洩してきている微小の振動を、
固定部材83が緩衝材として機能し、駆動振動および検出振動への影響を低減することが
できる。
さらに、上記支持構造で支持された振動ジャイロ素子1を搭載したジャイロセンサ80
は、角速度の検出感度を維持しつつ小型化することができる。
(振動ジャイロ素子の変形例)
は図1に示した梁および支持部の形状に特徴を有し、図1と同じ構成部については同符号
を付し、説明を省略する。
図5において、振動ジャイロ素子2の基部10の両側から該検出用振動腕11aと平行
に延出する1対の梁30a,30bが形成され、梁30a,30bの先端は支持部32a
に連結されている。同様に、基部10の両側から該検出用振動腕11bと平行に延出する
1対の梁31a,31bが形成され、梁31a,31bの先端は支持部32bに連結され
ている。
この1対の支持部31a,31bは、各検出用振動腕11a,11bの延出する方向で
あって検出用振動腕11a,11bの外側かつ駆動用振動腕14a,14b,15a,1
5bの間に配置されている。
振動ジャイロ素子2は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部32a,32bを
導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。
出用振動腕11a,11bの延出する方向に延出した、略S字状の梁40a,40b,4
1a,41bが設けられている。梁40a,40bの先端は支持部42aに連結され、梁
41a,41bは支持部42bに連結されている。
この1対の支持部41a,41bは、各検出用振動腕11a,11bの延出する方向で
あって検出用振動腕11a,11bの外側かつ駆動用振動腕14a,14b,15a,1
5bの間に配置されている。
振動ジャイロ素子3は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部42a,42bを
導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。
動腕11a,11bと直交する方向に延出した、略S字状の梁50a,50b,51a,
51bが設けられている。梁50a,50bの先端は支持部52aに連結され、梁51a
,51bは支持部52bに連結されている。
この1対の支持部51a,51bは、各検出用振動腕11a,11bの延出する方向で
あって検出用振動腕11a,11bの外側かつ駆動用振動腕14a,14b,15a,1
5bの間に配置されている。
振動ジャイロ素子4は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部52a,52bを
導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。
に延出した梁60a,60b,61a,61bが設けられている。梁60a,60bの先
端は支持部62aに連結され、梁61a,61bは支持部62bに連結されている。
この1対の支持部61a,61bは、各検出用振動腕11a,11bの延出する方向で
あって検出用振動腕11a,11bの外側かつ駆動用振動腕14a,14b,15a,1
5bの間に配置されている。
振動ジャイロ素子5は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部62a,62bを
導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。
17bを設けない形態である。
振動ジャイロ素子6には基部10の4箇所の角部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し、途中で該検出用振動腕11a,11bと平行に延
出するL字状の梁70a,70b,71a,71bが設けられている。梁70a,70b
の先端は支持部72aに連結され、梁71a,71bは支持部72bに連結されている。
この1対の支持部71a,71bは、各検出用振動腕11a,11bの延出する方向で
あって検出用振動腕11a,11bの外側かつ駆動用振動腕14a,14b,15a,1
5bの間に配置されている。
振動ジャイロ素子6は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部72a,72bを
導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。
0から延出する梁の長さおよび形状を適宜変えることにより、梁の弾性を調整することが
できる。このことから、基部10の振動を支持部に伝わることを抑制し、安定した駆動振
動および検出振動を得ることができる。
以上の振動ジャイロ素子の変形例においても、本実施形態で説明したのと同様の作用を
有し、同様の効果を享受することができる。
工で一体に形成することができ、また、1枚の水晶ウエハから多数の振動ジャイロ素子を
形成することができる。
また、振動ジャイロ素子の材料として、他の圧電材料であるタンタル酸リチウム(Li
TaO3)或はニオブ酸リチウム(LiNbO5)などを利用しても良い。さらに、圧電材
料だけでなくエリンバ材に代表される恒弾性材料を用いて実施することも可能である。
動腕、13a,13b…連結腕、14a,14b…駆動振動腕、15a,15b…駆動振
動腕、20a,20b,21a,21b…梁、22a,22b…支持部、80…ジャイロ
センサ、82…支持台、83…固定部材、84…駆動回路と検出回路を含むIC、G…重
心。
Claims (6)
- 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、
前記基部から前記各検出用腕に沿って延出される2対の梁と、
同方向に延出された前記各梁が連結された1対の支持部と、を同一平面に備え、
前記支持部を前記各検出用振動腕の延出する方向であって前記検出用振動腕の外側かつ
前記駆動用振動腕の間に配置されたことを特徴とする振動ジャイロ素子。 - 請求項1に記載の振動ジャイロ素子において、前記検出用振動腕の長さは前記駆動用振
動腕の長さより短く形成されたことを特徴とする振動ジャイロ素子。 - 請求項1または2に記載の振動ジャイロ素子において、前記1対の支持部は振動ジャイ
ロ素子の重心に対して回転対称な位置に設けられていることを特徴とする振動ジャイロ素
子。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子と、
前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、を備える
ことを特徴とする振動ジャイロ素子の支持構造。 - 請求項4に記載の振動ジャイロ素子の支持構造において、
前記固定部材は弾性を有する材料であることを特徴とする振動ジャイロ素子の支持構造
。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子と、
前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、
前記振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、
前記振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記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。
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