JP2010160095A - 角速度センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 外寸ξ1のシリコン基板の下面に、外径φ1,内径D1の円環状の溝Gを堀り、この溝Gで取り囲まれた内側部分に、直径D1、高さHの円柱状の振動子120を形成する。溝Gの上方のダイアフラム部110は、可撓性をもち、その外周部は台座130によって装置筐体に固定される。振動子120は、ダイアフラム部110によって変位自在に支持される。ここで、寸法比φ/Hの値が「2.25 ≦ φ/H ≦ 2.54」なる条件を満たすように設定すると、他の部分の寸法にかかわらず、振動子120の水平方向振動の共振周波数と垂直方向振動の共振周波数とが近似し、コリオリ力の検出感度が著しく向上する。
【選択図】図19
Description
少なくとも周囲部分が可撓性をもった円盤からなるダイアフラム部と、
ダイアフラム部と中心軸を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体からなり、ダイアフラム部の下面に接合された振動子と、
ダイアフラム部の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であって、ダイアフラム部の外周面を装置筐体に固定する台座部と、
振動子に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、
コリオリ力に基づいて振動子に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、
を備え、
ダイアフラム部の上面中心位置に原点Oをもち、ダイアフラム部の上面がXY平面に含まれるようなXYZ三次元直交座標系を定義したときに、X軸およびZ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出手段による検出値に基づいてY軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
ダイアフラム部を構成する円盤の外径をφとし、振動子を構成する円柱の外径をDとし、振動子を構成する円柱の高さをHとしたときに、「D<φ」かつ「2.25 ≦ φ/H ≦ 2.54」なる寸法条件を満たすようにしたものである。
ダイアフラム部と、振動子と、台座部とを、同一材料からなる一体構造体によって構成したものである。
基板の上面側の厚みTの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、この基板の下面側の下層部分に、Z軸を中心軸として内径D,外径φをもった円環状の溝が形成されており、
上層部分のうち、Z軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってダイアフラム部が構成され、
下層部分のうち、Z軸を中心軸として直径Dをもった円柱部分によって振動子が構成され、
基板のうち、Z軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によって台座部が構成されているようにしたものである。
ダイアフラム部の厚みTと、円柱状の振動子の高さHと、台座部の厚みKとの間に、T+H<Kなる寸法条件が満されるようにしたものである。
シリコン基板の下面に円環状の溝を形成することにより、シリコンからなるダイアフラム部と、シリコンからなる振動子と、シリコンからなる台座部とを、形成するようにしたものである。
励振手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、を有するようにしたものである。
励振手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された励振用変位電極と、励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、励振用変位電極と励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された検出用変位電極と、検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、検出用変位電極と検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、を有するようにしたものである。
励振用電気回路が、振動子の振動軸方向に関する共振周波数に等しい周波数をもった交流電気信号を加えることを特徴とする角速度センサ。
振動子を構成する円柱の高さHが、「0.2mm ≦ H ≦ 0.7mm」なる寸法条件を満たすことを特徴とする角速度センサ。
はじめに、本発明に係る角速度センサの振動子を含めた機械的構造部分(以下、基本構造体という)の一例を説明する。図1は、この基本構造体100を上方から見た斜視図、図2は、下方から見た斜視図である。ここに示す例の場合、基本構造体100は、上面が正方形をした基板(たとえば、シリコン基板)の下面側に、円環状の溝Gが掘られた形態をなす。溝Gの底部をなす上層部分は可撓性をもったダイアフラム部110を構成し、溝Gによって周囲を取り囲まれた円柱状の部分は振動子120を構成し、溝Gの外側部分は台座130を構成する。
一般に、振動ジャイロ式の角速度センサでは、互いに直交する3軸のうち、第1の軸方向に振動子を運動させ、このとき振動子に対して第2の軸方向に加わったコリオリ力を測定することにより、第3の軸まわりに作用した角速度の検出を行うことができる。§1で述べたとおり、基本構造体100における振動子120は、X軸,Y軸,Z軸のいずれの方向へも変位可能である。したがって、この基本構造体100を用いたセンサでは、次のような6通りの方法で角速度の検出が可能になる。
さて、§2では、§1で述べた基本構造体100に、圧電素子からなる励振手段および変位検出手段を付加した角速度センサと、静電容量素子からなる励振手段および変位検出手段を付加した角速度センサとを例示した。もっとも、このような原理で動作する角速度センサそれ自身は、既に公知の装置であり、たとえば、前掲の特許文献1〜3などに開示されている。本発明の特徴は、このようなセンサにおいて、検出感度を高めるために、基本構造体100の構造に特殊な条件を設定する点にある。
<方法1:Vx,Fy,ωz>
<方法2:Vx,Fz,ωy>
<方法3:Vy,Fx,ωz>
<方法4:Vy,Fz,ωx>
<方法5:Vz,Fx,ωy>
<方法6:Vz,Fy,ωx>
さて、本願発明者は、§3で述べた理論を踏まえて、図1に示す基本構造体100の各部の寸法比を様々に変化させた試作品を用いて、検出感度がどのように変化するかを調べる実験を行った。また、これらの寸法比を様々に変化させた場合について、有限要素法による振動シミュレーションを併せて行い、各部の寸法比がX軸方向に関する共振周波数frxおよびZ軸方向に関する共振周波数frzに対して及ぼす影響を調べてみた。その結果、以下のような結論を得ることができた。
110:ダイアフラム部
120:振動子
130:台座部
210:絶縁層
220:下部電極
230:圧電素子
310:上方基板
320:下方基板
D,D1,D2:円柱状振動子120の外径
E1,E2:電極
E11〜E24:上部電極
E31〜E45:固定電極
f:周波数
fr1,fr2:共振周波数
G:円環状の溝
G′:上方基板310の下面に形成された溝
g1,g2:振動周波数特性を示すグラフ
H:円柱状振動子120の高さ
K,K1,K2:基本構造体100の厚み
P:圧電素子の一部分
Q1,Q2:振動系のQ値
S1,S2:交流電気信号
T,T1,T2:円盤状ダイアフラムの厚み
t:時間
XYZ:三次元直交座標系の各座標軸
φ:円盤状ダイアフラム110の外径
ξ,ξ1,ξ2:基本構造体100の外寸
Claims (9)
- 少なくとも周囲部分が可撓性をもった円盤からなるダイアフラム部と、
前記ダイアフラム部と中心軸を共通にする同心位置に配置された円柱状の剛体からなり、前記ダイアフラム部の下面に接合された振動子と、
前記ダイアフラム部の外周面に接合された円柱表面状の内周面を有する剛体であって、前記ダイアフラム部の外周面を装置筐体に固定する台座部と、
前記振動子に対して、所定の振動軸方向の運動成分をもった振動を誘起する励振手段と、
コリオリ力に基づいて前記振動子に生じる所定の変位軸方向の変位を検出する変位検出手段と、
を備え、
前記ダイアフラム部の上面中心位置に原点Oをもち、前記ダイアフラム部の上面がXY平面に含まれるようなXYZ三次元直交座標系を定義したときに、X軸およびZ軸のうちの一方を前記振動軸、他方を前記変位軸とし、前記変位検出手段による検出値に基づいてY軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
前記ダイアフラム部を構成する円盤の外径をφとし、前記振動子を構成する円柱の外径をDとし、前記振動子を構成する円柱の高さをHとしたときに、「D<φ」かつ「2.25 ≦ φ/H ≦ 2.54」なる寸法条件を満たすことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサにおいて、
ダイアフラム部と、振動子と、台座部とが、同一材料からなる一体構造体によって構成されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項2に記載の角速度センサにおいて、
基板の上面側の厚みTの部分を上層部分、残りの下面側の部分を下層部分と定義したときに、この基板の下面側の前記下層部分に、Z軸を中心軸として内径D,外径φをもった円環状の溝が形成されており、
前記上層部分のうち、Z軸を中心軸として外径φをもった円盤部分によってダイアフラム部が構成され、
前記下層部分のうち、Z軸を中心軸として直径Dをもった円柱部分によって振動子が構成され、
前記基板のうち、Z軸を中心軸として直径φをもった円柱に含まれない部分によって台座部が構成されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項3に記載の角速度センサにおいて、
ダイアフラム部の厚みTと、円柱状の振動子の高さHと、台座部の厚みKとの間に、T+H<Kなる寸法条件が満されることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項3または4に記載の角速度センサにおいて、
シリコン基板の下面に円環状の溝を形成することにより、シリコンからなるダイアフラム部と、シリコンからなる振動子と、シリコンからなる台座部とが、形成されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された励振用圧電素子と、この励振用圧電素子に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部上面の所定箇所に固着された検出用圧電素子と、この検出用圧電素子に発生する電荷を検出する検出用電気回路と、を有することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
励振手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された励振用変位電極と、前記励振用変位電極に対向するように装置筐体に固定された励振用固定電極と、前記励振用変位電極と前記励振用固定電極との間に交流電気信号を加える励振用電気回路と、を有し、
変位検出手段が、ダイアフラム部もしくは振動子の所定箇所に形成された検出用変位電極と、前記検出用変位電極に対向するように装置筐体に固定された検出用固定電極と、前記検出用変位電極と前記検出用固定電極との間の静電容量値を検出する検出用電気回路と、を有することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項6または7に記載の角速度センサにおいて、
励振用電気回路が、振動子の振動軸方向に関する共振周波数に等しい周波数をもった交流電気信号を加えることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子を構成する円柱の高さHが、「0.2mm ≦ H ≦ 0.7mm」なる寸法条件を満たすことを特徴とする角速度センサ。
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