JP2011247789A - Vibration gyro - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム等に使用される角速度を検出する振動ジャイロに関する。 The present invention relates to a vibration gyro for detecting an angular velocity used in a camera shake correction system, a navigation system, an attitude control system, and the like.
振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。圧電素子などの電気機械変換素子を用いて電気的な信号を印加することで機械的な振動、すなわち駆動振動モードを励起させることができ、且つ、駆動振動モードと直交する方向の機械的な振動、すなわち検出振動モードの大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動モードを励振した状態で、駆動振動モードの振動方向および検出振動モードの振動方向に垂直な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出振動モードが発生し、出力信号として検出される。検出された出力信号は駆動振動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動モードの大きさを一定にした状態では、出力信号の大きさから角速度の大きさを求めることができる。このような方式の振動ジャイロは、現在、ビデオカメラ等の手振れ補正やカーナビゲーション用センサとして応用されている。 A vibrating gyroscope is an angular velocity sensor that utilizes a dynamic phenomenon in which when an angular velocity is applied to an object having velocity, the object itself generates a Coriolis force in a direction perpendicular to the velocity direction. By applying an electrical signal using an electromechanical transducer such as a piezoelectric element, mechanical vibration, that is, driving vibration mode can be excited, and mechanical vibration in a direction orthogonal to the driving vibration mode. That is, in a system in which the magnitude of the detected vibration mode can be electrically detected, with the drive vibration mode excited in advance, the vibration direction of the drive vibration mode and the axis perpendicular to the vibration direction of the detected vibration mode are the center. When the angular velocity is given, a detection vibration mode is generated by the action of the Coriolis force described above, and is detected as an output signal. Since the detected output signal is proportional to the magnitude and angular velocity of the drive vibration mode, the magnitude of the angular velocity can be obtained from the magnitude of the output signal when the magnitude of the drive vibration mode is constant. Such a vibration gyro is currently applied as a camera shake correction or car navigation sensor for a video camera or the like.
一般に、単純な音片形や音さ形の振動子を用いた振動ジャイロでは、検出したい軸と振動子の長手方向を平行に配置させなければならない。そのため、高さ方向の軸の検出には、振動ジャイロの低背化が課題となる。特許文献1には、このような低背化の課題を解決するための振動ジャイロに係る技術が開示されている。
In general, in a vibration gyro using a simple sound piece-shaped or sound-shaped vibrator, the axis to be detected and the longitudinal direction of the vibrator must be arranged in parallel. Therefore, a reduction in the height of the vibration gyro is a problem in detecting the height axis.
図5は、特許文献1の図3に開示されている従来の振動ジャイロの検出素子の斜視図である。振動子101は、XY平面に平行な平板で構成され、一対の振動片102a、102bを基部103に接合し、さらに、支持体106を介して外部の固定部材105に接続して構成される。
FIG. 5 is a perspective view of a detection element of a conventional vibration gyro disclosed in FIG. The
角速度を測定するには、まず振動片102a、102bをX方向に互いに位相が逆になるよう振動させる。この状態でZ軸周りに回転角速度ωが作用すると、コリオリ力により、振動片102a、102bにはY軸に沿って互いに逆向きの力F1、F2が作用する。その結果、基部103の両端に同じ向きのモーメントM1、M2が働き。このモーメントにより、支持体106に屈曲振動が生じる。この屈曲振動を検出することで、回転角速度ωを測定することができる。このように、XY平面に平行な平板で構成された素子によって、高さ方向の軸(Z軸)の周りの角速度の検出を可能とし、振動ジャイロを低背化している。
In order to measure the angular velocity, first, the
しかしながら、上記の特許文献1に記載の発明による振動ジャイロは、X軸方向の加速度に対して、誤差信号を発生しやすい構成である。すなわち、図5の振動ジャイロにおいては、Z軸周りの角速度によって生じるコリオリ力を支持体106に生じるX軸方向の屈曲振動として検出するが、X軸方向に加速度を印加した場合にも同様のX軸方向の屈曲振動が生じるため、検出信号からZ軸周りの角速度による信号とX軸方向の加速度による信号を区別することが難しい。
However, the vibration gyro according to the invention described in
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、Z軸周りの角速度を検出することが可能で、X軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、かつ、高精度で小型の低背化された振動ジャイロを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to detect an angular velocity around the Z axis, reduce an error signal with respect to acceleration in the X axis direction, and An object of the present invention is to provide a highly accurate and small vibration gyro with a low profile.
上記課題を解決するため、本発明による振動ジャイロは、互いに直交するX、Y、Zの3つの軸で表される空間において、XY平面に平行な平板にZ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する、少なくともZ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロであって、前記振動子は、前記平板の周辺部の少なくとも一部に設けた基部に一端を接続され、Y軸方向に長手方向を有する第1のアームと、前記第1のアームの他端に接続され、前記第1のアームの中心を通りYZ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部と、前記連結部のX軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Y軸方向に長手方向を有する1対の第2のアームと、前記基部にそれぞれ一端を接続され、前記第1のアームの中心を通りYZ平面に平行な平面に関して対称に形成された、Y軸方向に長手方向を有する少なくとも1対以上の第3のアームとを有し、前記第2のアームをX軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、前記第1のアームのX軸方向の屈曲振動を検出する第1の検出手段と、前記第3のアームのX軸方向の屈曲振動を検出する第2の検出手段とを備え、前記駆動手段は前記第2のアーム上に形成された駆動電極を有し、前記第1の検出手段は前記第1のアーム上に形成された検出電極を有し、前記第2の検出手段は前記第3のアーム上に形成された検出電極を有し、X軸方向の加速度によって前記第1の検出手段によるZ軸周りの角速度の検出において生ずる誤差信号の少なくとも一部を、前記第2の検出手段による検出信号によって相殺することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the vibrating gyroscope according to the present invention performs through-hole processing in the Z-axis direction on a flat plate parallel to the XY plane in a space represented by three axes X, Y, and Z orthogonal to each other. A vibrating gyroscope having a formed vibrator and capable of detecting at least an angular velocity around the Z axis, wherein the vibrator is connected at one end to a base provided on at least a part of a peripheral portion of the flat plate, A first arm having a longitudinal direction in a direction, a connecting portion connected to the other end of the first arm and having a shape symmetric with respect to a plane passing through the center of the first arm and parallel to the YZ plane; One end is connected to both ends in the X-axis direction of the connecting portion, a pair of second arms having a longitudinal direction in the Y-axis direction, and one end connected to each of the base portions, passing through the center of the first arm. In a plane parallel to the YZ plane And at least one or more pairs of third arms having a longitudinal direction in the Y-axis direction formed symmetrically, and driving means for bending and vibrating the second arm in the X-axis direction, First detecting means for detecting flexural vibration in the X-axis direction of the arm and second detecting means for detecting flexural vibration in the X-axis direction of the third arm, and the driving means includes the second detecting means. The first detection means has a detection electrode formed on the first arm, and the second detection means is on the third arm. At least part of an error signal generated in the detection of the angular velocity around the Z-axis by the first detection means by the acceleration in the X-axis direction by the detection signal by the second detection means. It is characterized by doing.
ここで、前記第2のアームのZ軸方向の屈曲振動を検出する第3の検出手段を備え、前記第3の検出手段は前記第2のアーム上に形成された検出電極を有し、Y軸周りの角速度を検出可能としてもよい。 Here, a third detection means for detecting bending vibration of the second arm in the Z-axis direction is provided, the third detection means has a detection electrode formed on the second arm, and Y The angular velocity around the axis may be detectable.
また、前記第2のアームまたは前記第3のアームの少なくとも一方のアームの先端に接続され、前記第1のアームの中心を通りYZ平面に平行な平面に関して対称に形成された、少なくとも1対以上の付加質量部を備えてもよい。 Further, at least one or more pairs that are connected to the tip of at least one of the second arm and the third arm, and are formed symmetrically with respect to a plane that passes through the center of the first arm and is parallel to the YZ plane. The additional mass part may be provided.
また、前記第2のアームおよび前記連結部のXY平面に平行な面の外形はいずれもX軸方向およびY軸方向の辺からなる矩形形状を有し、前記連結部のY軸方向の辺の長さは、前記第2のアームのX軸方向の辺の長さに対し、2倍以上4倍以下であってもよい。 In addition, the outer shapes of the surfaces of the second arm and the connecting portion parallel to the XY plane have a rectangular shape composed of sides in the X-axis direction and the Y-axis direction, The length may be not less than 2 times and not more than 4 times the length of the side of the second arm in the X-axis direction.
また、前記駆動手段により前記第1の連結部に生ずる振動の最大変位量は、前記駆動手段により前記第2のアームに生ずる前記屈曲振動の最大変位量に比べて10%以下であってもよい。 Further, the maximum displacement amount of the vibration generated in the first connecting portion by the driving unit may be 10% or less as compared with the maximum displacement amount of the bending vibration generated in the second arm by the driving unit. .
また、前記駆動手段、前記第1の検出手段および前記第2の検出手段は、それぞれ圧電薄膜を有していてもよい。 Further, the driving means, the first detection means, and the second detection means may each have a piezoelectric thin film.
本発明の振動ジャイロは、上記のように、1対の第2のアームが連結部によって、第1のアームの長手方向の軸に関して対称に接続された振動子を有する振動ジャイロである。一対の第2のアームが互いに逆向きでX軸方向に変位する振動は、安定な特性が得られる。一対の第2のアームの変位によって発生する力は、連結部と第1のアームの接続部付近で相殺され、ノード点となる。この振動を駆動振動モードとして選択するのが好ましい。この駆動振動モードは、第2のアームに形成された駆動電極を含む駆動手段によって励振することができる。 As described above, the vibration gyro of the present invention is a vibration gyro having a vibrator in which a pair of second arms are connected symmetrically with respect to the longitudinal axis of the first arm by a connecting portion. The vibration in which the pair of second arms are displaced in the X-axis direction in opposite directions can obtain stable characteristics. The force generated by the displacement of the pair of second arms cancels out in the vicinity of the connection portion between the connecting portion and the first arm, and becomes a node point. This vibration is preferably selected as the drive vibration mode. This drive vibration mode can be excited by drive means including a drive electrode formed on the second arm.
また、連結部は、電気的な接続や振動の伝播を意図して形成されたものであって、振動の励振や検出を目的としていない。連結部が第1のアームや第2のアームに対して十分な剛性を持っている場合、前述の駆動振動モードを励振しても連結部に生ずる変位は非常に小さいので、駆動振動モードの励振時での第2のアームの変位はX軸方向にほぼ限定される。このためには、連結部に生ずる振動の最大変位量が第2のアームに生ずる屈曲振動の最大変位量に比べて十分に小さいこと、例えば10%以下であることが必要である。このような連結部は、例えば、第2のアームおよび連結部のXY平面に平行な面の外形をX軸方向およびY軸方向の辺からなる矩形形状とし、連結部のY軸方向の辺の長さを、第2のアームのX軸方向の辺の長さに対し、2倍以上とすることによって得られる。 Further, the connecting portion is formed with the intention of electrical connection and propagation of vibration, and is not intended for excitation or detection of vibration. When the connecting portion has sufficient rigidity with respect to the first arm and the second arm, even if the driving vibration mode is excited, the displacement generated in the connecting portion is very small. The displacement of the second arm over time is almost limited in the X-axis direction. For this purpose, it is necessary that the maximum displacement amount of the vibration generated in the connecting portion is sufficiently smaller than the maximum displacement amount of the bending vibration generated in the second arm, for example, 10% or less. Such a connecting part has, for example, the outer shape of the surface parallel to the XY plane of the second arm and the connecting part as a rectangular shape composed of sides in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the side of the connecting part in the Y-axis direction. The length is obtained by setting the length of the side of the second arm in the X-axis direction to be twice or more.
前述の駆動振動モードを励振した状態において、Y軸周りの角速度を印加すると、一対の第2のアームは発生したコリオリ力によって互いに逆向きにZ軸方向への力を受ける。したがって、第2のアームはZ軸方向へ変位する。このZ軸方向の変位は、第2のアームに形成された検出電極を含む第3の検出手段によって検出することができる。これにより、Y軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。 When an angular velocity around the Y axis is applied in the state where the drive vibration mode is excited, the pair of second arms receive forces in the Z axis direction in opposite directions by the generated Coriolis force. Accordingly, the second arm is displaced in the Z-axis direction. This displacement in the Z-axis direction can be detected by third detection means including a detection electrode formed on the second arm. Thereby, it can be made to function as a vibration gyro which detects the angular velocity around the Y axis.
同様に、前述の駆動振動モードを励振した状態において、Z軸周りの角速度を印加すると、一対の第2のアームは発生したコリオリ力によって互いに逆向きにY軸方向への力を受ける。したがって、第2のアームはY軸方向へ変位する。ただし、この力は第2のアームの長手方向へ働く力であるため、ほぼ変形を伴わない。第2のアームは、X軸およびZ軸方向に比べ、Y軸方向に対して十分な剛性を持っているため、この力によって第3の検出手段に発生する信号は、十分に無視できる大きさである。 Similarly, when an angular velocity around the Z-axis is applied in a state where the above-described drive vibration mode is excited, the pair of second arms receive forces in the Y-axis direction opposite to each other due to the generated Coriolis force. Therefore, the second arm is displaced in the Y-axis direction. However, since this force is a force acting in the longitudinal direction of the second arm, there is almost no deformation. Since the second arm has sufficient rigidity in the Y-axis direction as compared to the X-axis and Z-axis directions, the signal generated in the third detection means by this force is sufficiently negligible. It is.
この第2のアームのY軸方向への変位は、連結部にZ軸周りのモーメントを与える。したがって、連結部に接続された第1のアームはX軸方向へ変位する。このX軸方向の変位は、第1のアームに形成された検出電極を含む第1の検出手段によって検出することができる。これにより、Z軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。 The displacement of the second arm in the Y-axis direction gives a moment about the Z-axis to the connecting portion. Accordingly, the first arm connected to the connecting portion is displaced in the X-axis direction. This displacement in the X-axis direction can be detected by first detection means including a detection electrode formed on the first arm. Thereby, it can be made to function as a vibration gyro which detects the angular velocity around the Z axis.
また、第3のアームと第2の検出手段により、並進運動での加速度に対する誤差出力も低減できる。通常、振動ジャイロの検出出力は、駆動信号等を参照信号とした同期検波による信号処理によって行われるため、駆動振動モードの周波数以外の信号成分は除去されるが、片持ち梁等の振動子の1素子での振動ジャイロの構成では、加速度に対する検出信号と角速度に対する検出信号の分離が難しく、加速度による誤差出力を無視できない場合がある。 Moreover, the error output with respect to the acceleration in the translational motion can be reduced by the third arm and the second detection means. Normally, the detection output of the vibration gyro is performed by signal processing by synchronous detection using the drive signal or the like as a reference signal, so that signal components other than the frequency of the drive vibration mode are removed, but the transducer such as a cantilever beam is removed. In the configuration of the vibration gyroscope with one element, it is difficult to separate a detection signal for acceleration and a detection signal for angular velocity, and an error output due to acceleration may not be negligible.
本発明の振動ジャイロにX軸方向への加速度を印加した場合、第1および第2のアームは、同時にX軸方向へ屈曲変位する。これは、X軸方向への変位であるため、Y軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。ただし、Z軸周りの角速度の検出に関しては、同様のX軸方向の変位となるため、第1の検出手段に加速度による信号出力が発生し、誤差信号となる。 When acceleration in the X-axis direction is applied to the vibrating gyroscope of the present invention, the first and second arms are simultaneously bent and displaced in the X-axis direction. Since this is a displacement in the X-axis direction, there is almost no influence on the detection of the angular velocity around the Y-axis. However, regarding the detection of the angular velocity around the Z-axis, the displacement in the X-axis direction is the same, so that a signal output due to acceleration is generated in the first detection means and becomes an error signal.
しかし、本発明においては、第3のアームも同時にX軸方向へ屈曲変位しており、この屈曲変位は、第2の検出手段により検出される。この検出信号は、第1の検出手段に発生する誤差信号と同振幅、逆位相とすることができるため、第1の検出手段と第2の検出手段による検出信号を直接加算するか、または、第2の検出手段による検出信号を用いた所定の信号処理によって、Z軸周りの角速度の検出に関して、X軸方向の加速度の影響を除去できる。 However, in the present invention, the third arm is also bent and displaced in the X-axis direction at the same time, and this bending displacement is detected by the second detection means. Since this detection signal can have the same amplitude and opposite phase as the error signal generated in the first detection means, the detection signals from the first detection means and the second detection means are directly added, or By the predetermined signal processing using the detection signal by the second detection means, the influence of the acceleration in the X-axis direction can be removed with respect to the detection of the angular velocity around the Z-axis.
同様に、Y軸方向への加速度を印加した場合、第1のアーム、第2のアームおよび第3のアームは、同時にY軸方向へ力を受ける。しかしこの力は、それぞれのアームにおいて、アームの長さ方向への力となるため、変形は十分に小さく、検出出力に対する誤差出力の影響は小さい。 Similarly, when an acceleration in the Y-axis direction is applied, the first arm, the second arm, and the third arm simultaneously receive a force in the Y-axis direction. However, since this force becomes a force in the arm length direction in each arm, the deformation is sufficiently small, and the influence of the error output on the detection output is small.
さらに、Z軸方向への加速度を印加した場合、第1のアーム、第2のアームおよび第3のアームは、同時にZ軸方向へ屈曲変位する。これは、Z軸方向への変位であるため、Z軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。 Furthermore, when acceleration in the Z-axis direction is applied, the first arm, the second arm, and the third arm are simultaneously bent and displaced in the Z-axis direction. Since this is a displacement in the Z-axis direction, there is almost no influence on the detection of the angular velocity around the Z-axis.
しかし、Y軸周りの角速度の検出に関しては、同様のZ軸方向の変位となるため、第3の検出手段に信号が発生する。しかし、一対の第2のアームは、Z軸方向へ加速度が印加された場合には同じ向きにZ軸方向へ屈曲変位し、Y軸周りの角速度が印加された場合は、互いに逆向きにZ軸方向へ屈曲変位するため、所定の信号処理によってY軸周りの角速度の検出に関しても加速度の影響は除去できる。 However, regarding the detection of the angular velocity around the Y-axis, a similar displacement occurs in the Z-axis direction, so that a signal is generated in the third detection means. However, the pair of second arms bend and displace in the Z-axis direction in the same direction when acceleration is applied in the Z-axis direction, and in opposite directions to each other when an angular velocity around the Y-axis is applied. Since it is bent and displaced in the axial direction, the influence of acceleration can be removed even with respect to detection of angular velocity around the Y axis by predetermined signal processing.
上記のように、本発明においては、安定な駆動振動モードが得られるので、高いQ値の振動が期待できる。さらに、第2のアームの先端に付加質量部を設けることにより、共振周波数を低く設計できるため、振動変位量を増大して感度を高めることができる。同様に、第3のアームの先端に質量付加部を設ければ第2の検出手段の感度を高めることができる。また、駆動振動方向をX軸方向へ限定することが可能で、不要な駆動振動が少ないため、他軸感度が小さい。このように、本発明により、高いQ値と低い共振周波数設計により変位を大きくすることが可能であり、高感度で他軸感度の小さな振動ジャイロが得られる。さらに、加速度を検出する第2の検出手段によって、加速度による誤差信号を相殺し、並進加速度の影響を受けない、Y軸およびZ軸の角速度の検出が可能な振動ジャイロが得られる。 As described above, in the present invention, since a stable driving vibration mode can be obtained, vibration with a high Q value can be expected. Furthermore, since the resonance frequency can be designed low by providing the additional mass portion at the tip of the second arm, the vibration displacement amount can be increased and the sensitivity can be increased. Similarly, if a mass addition part is provided at the tip of the third arm, the sensitivity of the second detection means can be increased. Further, the drive vibration direction can be limited to the X-axis direction, and the unnecessary drive vibration is small, so the other-axis sensitivity is small. Thus, according to the present invention, it is possible to increase the displacement with a high Q value and a low resonant frequency design, and a vibration gyro with high sensitivity and low sensitivity on other axes can be obtained. Furthermore, the second detection means for detecting the acceleration cancels the error signal due to the acceleration, and a vibration gyro capable of detecting the Y-axis and Z-axis angular velocities without being affected by the translational acceleration is obtained.
上述の構成によって、本発明は以下のような効果を奏する。すなわち、本発明の振動ジャイロは、X軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、Z軸またはZ軸とY軸の角速度の検出が可能である。また、連結部が変形しないため、駆動振動方向をX軸方向へ限定することが可能であり、これにより他軸感度を小さくできる。さらに、Q値の高い駆動振動モードにより高感度が得られる。また、並進運動の加速度に対する誤差出力が小さい。これらにより、高精度で小型の振動ジャイロを提供することができる。 With the above-described configuration, the present invention has the following effects. That is, the vibration gyro of the present invention can reduce an error signal with respect to the acceleration in the X-axis direction, and can detect the Z-axis or the angular velocity of the Z-axis and the Y-axis. In addition, since the connecting portion is not deformed, it is possible to limit the driving vibration direction to the X-axis direction, thereby reducing the other-axis sensitivity. Further, high sensitivity can be obtained by the drive vibration mode having a high Q value. Moreover, the error output with respect to the acceleration of translational motion is small. Thus, a highly accurate and small vibration gyro can be provided.
すなわち、本発明により、Z軸周りの角速度を検出することが可能で、X軸方向の加速度に対する誤差信号を低減でき、かつ、高精度で小型の低背化された振動ジャイロを提供することができる。 That is, according to the present invention, it is possible to detect an angular velocity around the Z-axis, reduce an error signal with respect to acceleration in the X-axis direction, and provide a highly accurate and small-sized low-profile vibration gyro. it can.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図1は、本発明による振動ジャイロの一実施の形態における検出素子の斜視図である。また、図2は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第1のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図3は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第2のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図4は、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の第3のアームの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。本実施の形態の振動ジャイロは、図1に示すように、XY平面に平行な平板にZ軸方向の貫通穴加工を施して形成された振動子を有する検出素子1を用い、Y軸およびZ軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロである。
FIG. 1 is a perspective view of a detection element in an embodiment of a vibration gyro according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the substrate, the piezoelectric thin film, and the electrode in the first arm portion of the vibrator of the vibrating gyroscope according to the present embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the substrate, the piezoelectric thin film, and the electrodes in the second arm portion of the vibrator of the vibratory gyro according to the present embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the substrate, the piezoelectric thin film, and the electrode in the third arm portion of the vibrator of the vibrating gyroscope according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the vibration gyro according to the present embodiment uses a
本実施の形態の振動ジャイロの振動子は、検出素子1の周辺部に設けた基部2に一端を接続され、Y軸方向に長手方向を有する第1のアーム4と、第1のアーム4の他端に接続され、第1のアーム4の中心を通りYZ平面に平行な平面に関して対称な形状を有する連結部3と、連結部3のX軸方向の両端にそれぞれ一端を接続され、Y軸方向に長手方向を有する1対の第2のアーム5a、5bとを有し、さらに、基部2にそれぞれ一端を接続され、Y軸方向に長手方向を有する1対の第3のアーム7a、7bを有している。さらに、本実施の形態の振動ジャイロは、第2のアーム5a、5bをX軸方向へ屈曲振動させる駆動手段と、第1のアーム4のX軸方向の屈曲振動を検出する第1の検出手段と、第2のアーム5a、5bのZ軸方向の屈曲振動を検出する第3の検出手段と、第3のアーム7a、7bのX軸方向の屈曲振動を検出する第2の検出手段とを備えている。上記の駆動手段は第2のアーム5a、5b上に形成された駆動電極を有し、第1の検出手段、第2の検出手段および第3の検出手段は、それぞれ第1のアーム4、第3のアーム7a、7bおよび第2のアーム5a、5b上に形成された検出電極を有し、駆動手段により連結部3に生ずる振動の最大変位量は、駆動手段により第2のアーム5a、5bに生ずる屈曲振動の最大変位量に比べて10%以下である。
The vibrator of the vibration gyro according to the present embodiment has a
また、振動子は、第2のアーム5a、5bおよび第3のアーム7a、7bの先端に接続され、第1のアーム4の中心を通り、YZ平面に平行な平面に関して対称に形成された、2対の付加質量部6a、6b、6c、6dを備えている。
The vibrator is connected to the tips of the
また、本実施の形態の振動ジャイロの検出素子1において、検出素子1の外周に形成された基部2が支持固定されている。
Further, in the
また、第1のアーム4、第2のアーム5a、5b、第3のアーム7a、7b、および、連結部3のXY平面に平行な面の外形は、いずれもX軸方向およびY軸方向の辺からなる矩形形状を有し、連結部3のY軸方向の辺の長さは、第2のアーム5a、5bのX軸方向の辺の長さに対し2倍以上となっている。
Further, the outer shapes of the
ここで、本実施の形態の振動ジャイロの検出素子1は、振動子を構成する平板である基板の一面上に下部電極を形成し、その上面に圧電薄膜を形成し、さらにその上面に複数の上部電極を形成した基板に対し貫通穴加工を施して、振動子、駆動手段および検出手段の一部を構成してなるものである。
Here, in the
図2は、第1のアーム4の部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図2に示すように、第1のアーム4上に下部電極9、圧電薄膜10、検出電極13a、13bが順に形成されている。第1のアーム4がX軸方向に変位すると、検出電極13a、13b近傍の圧電薄膜10には互いに逆向きの歪が発生する。この歪により検出電極13a、13bには逆位相の電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第1のアーム4のX軸方向の変位が検出できる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the substrate, the piezoelectric thin film, and the electrode in the portion of the
図3は、第2のアーム5a、5bの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図3に示すように、第2のアーム5a、5b上に、下部電極9、圧電薄膜10、駆動電極11a、11b、検出電極12が順に形成されている。駆動電極11a、11bに逆位相の電気信号を与えると、駆動電極11a、11b近傍の圧電薄膜10には、第2のアームの長さ方向に関して互いに逆向きの歪が発生する。この歪によって第2のアーム5a、5bのX軸方向の振動を励振できる。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the substrate, the piezoelectric thin film, and the electrodes in the portions of the
また、駆動電極11a、11bは第2のアーム5a、5bのX軸方向の変位を検出することもできるため、駆動電極11a、11b、または、その一部を、自励発振回路を構成する際のモニタ電極として利用することも可能である。
Further, since the
また、Z軸方向の変位が発生すると、検出電極12近傍の圧電薄膜10には歪が発生する。この歪により、検出電極12には歪に対応した電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第2のアーム5a、5bのZ軸方向の変位を検出できる。同様に、図2の検出電極13a、13bにも歪に対応した電気信号が発生する。しかし、この電気信号は、検出電極13a、13bで同位相の信号となるため、減算の信号処理を行うことによって、Z軸方向の変位は検出されない。
Further, when the displacement in the Z-axis direction occurs, distortion occurs in the piezoelectric
なお、第2のアーム5a、5bのX軸方向の変位に対しても、検出電極12近傍の圧電薄膜10に歪が発生する。しかし、この歪は、第2のアームの幅方向の中心線を境に逆向きに分布するため、検出電極12には、電気信号がほぼ発生しない。
It should be noted that distortion occurs in the piezoelectric
図4は、第3のアーム7a、7bの部分の基板と圧電薄膜および電極の構造を示す断面図である。図4に示すように、第3のアーム7a、7b上に、下部電極9、圧電薄膜10、検出電極14a、14bが順に形成されている。第3のアーム7a、7bがX軸方向に変位すると、検出電極14a、14b近傍の圧電薄膜10には、互いに逆向きの歪が発生する。この歪により、検出電極14a、14bには逆位相の電気信号が発生する。この電気信号を所定の検出回路で検出することで、第3のアーム7a、7bのX軸方向の変位が検出できる。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the substrate, the piezoelectric thin film, and the electrodes in the
また、Z軸方向の変位が発生すると、検出電極14a、14bには歪に対応した電気信号が発生する。しかし、この電気信号は、検出電極14a、14bで同位相の信号となるため、減算の信号処理を行うことによって、Z軸方向の変位は検出されない。
Further, when a displacement in the Z-axis direction occurs, an electrical signal corresponding to the strain is generated on the
振動ジャイロとして動作させるためには、予め、駆動振動モードを励振させる。前述の駆動手段によって、付加質量部6a、6bは、X軸方向に、互いに逆向きに振動させる。ただし、この駆動信号の周波数は、駆動振動モードの共振周波数近傍の周波数が望ましい。
In order to operate as a vibration gyro, the drive vibration mode is excited in advance. The
この駆動振動モードを励振した状態において、Y軸周りに角速度を印加すると、付加質量部6a、6bは、発生したコリオリ力によって、互いに逆向きにZ軸方向への力を受ける。したがって、第2のアーム5a、5bは、Z軸方向へ変位する。このZ軸方向の変位は、第2のアーム5a、5bに形成された検出電極12によって検出することができる。これにより、Y軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
When an angular velocity is applied around the Y axis in a state where this drive vibration mode is excited, the
また、連結部3は、電気的な接続や振動の伝播を意図して形成されたものであって、振動の励振や検出を目的としていない。第1のアーム4および第2のアーム5a、5bに対して、十分な剛性を持っており、駆動振動モードを励振しても、連結部3に生ずる変位は非常に小さい。したがって、駆動振動モードの励振時の第2のアーム5a、5b、付加質量部6a、6bの変位は、X軸方向にほぼ限定される。
The connecting
第1のアーム4の中心を通りYZ平面に平行な平面に関して対称に、付加質量部6a、6bがX軸方向に変位する振動は、非常に安定な特性が得られる。2つの付加質量部の変位によって発生する力は、連結部3と第1のアーム4の接続部付近で相殺され、ノード点となる。
The vibration in which the
この安定な駆動振動モードにより高いQ値の振動が期待でき、さらに、付加質量部により共振周波数を低く設計できる。高いQ値と低い周波数設計により、変位を大きくすることが可能であり、高感度な振動ジャイロが得られる。さらに、駆動振動モードの変位をX軸方向に限定することで、他軸感度のない振動ジャイロが得られる。 With this stable driving vibration mode, high Q value vibration can be expected, and furthermore, the resonance frequency can be designed low by the additional mass part. The displacement can be increased by the high Q value and the low frequency design, and a highly sensitive vibration gyro is obtained. Furthermore, by limiting the displacement in the driving vibration mode to the X-axis direction, a vibration gyro having no other-axis sensitivity can be obtained.
同様に、Z軸周りの角速度を印加すると、2つの付加質量部6a、6bは、発生したコリオリ力によって、Y軸方向への力を受ける。付加質量部6aと6bは、互いに逆方向へ力を受ける。したがって、第2のアーム5a、5bは、Y軸方向へ変位する。ただし、この力は、第2のアーム5a、5bの長手方向へ働く力であるため、ほぼ変形を伴わない。第2のアーム5a、5bは、X軸およびZ軸方向に比べ、Y軸方向に対して、十分な剛性を持っているため、それらに形成された検出電極12に発生する信号は、十分に無視できる大きさである。
Similarly, when an angular velocity around the Z axis is applied, the two
この第2のアーム5a、5bのY軸方向への変位は、連結部3にZ軸周りのモーメントを与える。したがって、連結部3に接続された、第1のアーム4は、X軸方向へ変位する。このX軸方向の変位は、第1のアーム4に形成された検出電極13a、13bによって検出することができる。これにより、Z軸周りの角速度を検出する振動ジャイロとして機能させることができる。
The displacement of the
また、本実施の形態の振動ジャイロでは、第3のアーム7a、7bにより、並進運動での加速度に対する誤差出力を低減できる。
In the vibrating gyroscope according to the present embodiment, the
X軸方向への加速度を印加した場合、4つの付加質量部は、一斉にX軸方向へ力を受ける。第1のアーム4、第2のアーム5a、5bは、一斉に同じ向きのX軸方向へ変位する。しかし、これはX軸方向への変位であるため、第2のアーム5a、5bに形成された検出電極12には、電気信号が発生せず、Y軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。
When an acceleration in the X-axis direction is applied, the four additional mass parts receive a force in the X-axis direction all at once. The
一方、Z軸周りの角速度の検出に関しては、同じX軸方向の変位となるため、第1のアーム4に形成された検出電極13a、13bに電気信号が発生する。しかし、第3のアーム7a、7bに形成された検出電極14a、14bにも電気信号が発生する。
On the other hand, regarding the detection of the angular velocity around the Z axis, the displacement is the same in the X axis direction, so that an electrical signal is generated at the
そこで、X軸方向の加速度によって生じる検出電極13a、13b、14a、14bの電気信号の大きさを予め調整しておき、所定の信号処理を行うことによって加速度の影響を除去できる。すなわち、X軸方向の加速度によって生じる第1のアーム4に形成された検出電極13a、13bで検出される電気信号の大きさと、第3のアーム7a、7bに形成された検出電極14a、14bで検出される電気信号の大きさをほぼ一致させ、位相を逆向きとする。これによりX軸方向の加速度によって生じる電気信号は相殺され、誤差出力は低減する。
Therefore, the influence of the acceleration can be removed by adjusting the magnitudes of the electrical signals of the
同様に、Y軸方向への加速度を印加した場合、4つの付加質量部は、一斉にY軸方向へ力を受ける。しかし、連結部3は十分な剛性を持ち、第1のアーム4、第2のアーム5a、5b、第3のアーム7a、7bには、長手方向の力となるため、変形は充分に小さく、Y軸周り、およびZ軸周りの角速度の検出には、ほとんど影響はない。
Similarly, when an acceleration in the Y-axis direction is applied, the four additional mass parts simultaneously receive a force in the Y-axis direction. However, since the connecting
さらに、Z軸方向への加速度を印加した場合、4つの付加質量部は、一斉にZ軸方向へ変位する。したがって、第1のアーム、第2のアームおよび第3のアームも一斉に同じ向きのZ軸方向へ変位する。これは、Z軸方向への変位であるため、Z軸周りの角速度の検出に関しては、ほとんど影響はない。Y軸周りの角速度の検出に関しては、角速度の印加時と同様にZ軸方向の変位となるため、それぞれの検出電極12に電気信号が発生する。
Furthermore, when acceleration in the Z-axis direction is applied, the four additional mass parts are displaced in the Z-axis direction all at once. Therefore, the first arm, the second arm, and the third arm are also displaced in the same direction in the Z-axis direction. Since this is a displacement in the Z-axis direction, there is almost no influence on the detection of the angular velocity around the Z-axis. Regarding the detection of the angular velocity around the Y-axis, the displacement is in the Z-axis direction in the same manner as when the angular velocity is applied, so that an electrical signal is generated at each
しかし、実際にY軸周りの角速度が印加された場合、第2のアーム5a、5bは、互いに逆向きにZ軸方向へ変位するため、所定の信号処理によって加速度の影響は除去できる。
However, when an angular velocity around the Y-axis is actually applied, the
以上のように、本実施の形態によりY軸とZ軸の角速度について検出可能な振動ジャイロが得られる。前述の通り、本実施の形態の振動ジャイロの振動子の駆動振動モードは、非常に対称性の良い振動となる。それぞれの付加質量部の変位によって発生する力は、連結部と第1のアームの接続部付近で相殺され、そこがノード点となる。駆動振動モードの振動特性を損なうことなく、第1のアームの端部は、容易に支持固定が可能である。したがって、基部2に容易に接続できる。検出素子1の周囲に形成された基部2は、その上への信号の入出力に必要な電極パッドの形成が容易で、さらに、基部2の部分を他の実装基板に実装固定することも容易である。
As described above, according to the present embodiment, a vibration gyro capable of detecting the angular velocities of the Y axis and the Z axis can be obtained. As described above, the driving vibration mode of the vibrator of the vibratory gyro according to the present embodiment is a vibration having very good symmetry. The force generated by the displacement of each additional mass part is canceled in the vicinity of the connection part between the connecting part and the first arm, and becomes a node point. The end of the first arm can be easily supported and fixed without impairing the vibration characteristics of the drive vibration mode. Therefore, it can be easily connected to the
次に、本発明の振動ジャイロの具体的な一実施例について説明する。図1〜図4に示すように、検出素子1としては、厚さ50μmのシリコン基板を用い、その一面上に下部電極9を形成し、その上面に、圧電薄膜10として、厚さ2μmのPZT薄膜を形成し、さらにその上面に、駆動電極11a、11b、検出電極12、13a、13b、14a、14bの上部電極を形成して、ドライエッチング加工による貫通穴加工を施したものである。下部電極9は、シリコン基板の表面を酸化処理して形成した厚さ1μmの二酸化シリコン(SiO2)膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ35nmのチタン膜と、さらにその上面に、スパッタ法で形成した厚さ200nmの白金膜とで構成される。上部電極は、PZT薄膜の上面に、スパッタ法で形成した厚さ35nmのクロム膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ300nmの金の膜とで構成される。ここで、PZT薄膜上へ配線電極を形成する場合、静電容量を小さくするため、PZT薄膜上へ低誘電率の絶縁層を形成して、その上に配線電極を形成してもよい。
Next, a specific example of the vibrating gyroscope according to the present invention will be described. As shown in FIGS. 1 to 4, the
また、連結部3のY軸方向の辺の長さは約100μmであり、第2のアーム5a、5bのX軸方向の辺の長さは約50μmである。また、第2のアーム5a、5bのY軸方向の長さは、おおよそ1200μm程度、第3のアーム7a、7bのY軸方向の長さは、おおよそ500μm程度、連結部3のX軸方向の長さは、おおよそ600μm程度であり、付加質量部6a、6bの形状は、おおよそ一辺が200μm、付加質量部6c、6dの形状は、X軸方向が100μm程度、Y軸方向が1000μm程度の矩形形状である。本実施例の構成において有限要素法解析で振動子の変位分布を解析したところ、連結部の最大変位量は、第2のアームの最大変位量に対して約1%であった。
Further, the length of the side in the Y-axis direction of the connecting
本発明の振動ジャイロは、上述のように、XY平面に平行な平板によって構成されながら、Y軸およびZ軸の角速度の検出が可能である。また、連結部が変形しにくいため、駆動振動方向をX軸方向へ限定することが可能であり、他軸感度が小さい。さらに、Q値の高い駆動振動モードにより高感度である。また、並進運動の加速度に対する誤差出力が小さい。さらに、周囲に形成された基部を支持固定できるため実装が容易で量産性が高い。これにより、高精度で量産性に優れた、低背化された小型の振動ジャイロを提供することができる。 As described above, the vibration gyro according to the present invention is configured by the flat plate parallel to the XY plane, and can detect the angular velocities of the Y axis and the Z axis. Further, since the connecting portion is not easily deformed, the driving vibration direction can be limited to the X-axis direction, and the other-axis sensitivity is small. Further, the sensitivity is high due to the drive vibration mode having a high Q value. Moreover, the error output with respect to the acceleration of translational motion is small. Furthermore, since the base portion formed in the periphery can be supported and fixed, mounting is easy and mass productivity is high. Accordingly, it is possible to provide a small vibration gyro with a low profile and high accuracy and excellent mass productivity.
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。例えば、上述の実施の形態に係る振動ジャイロにおいて、PZT薄膜などの圧電薄膜を有したシリコン基板を用いたものを例示したが、これに限らず、圧電単結晶基板や圧電多結晶体基板、単純なシリコン基板等であってもよく、また、駆動手段および検出手段における駆動電極や検出電極の形状、数および配置、さらに各アームや各連結部の形状なども目的、用途に応じて設計可能であり、例示したものに制限されない。連結部を駆動振動によって変形しにくい構造とする方法についても、その平面形状を第2のアームの形状と大きく異ならしめることや矩形以外の形状とすることなどによって剛性を強めること又はその共振周波数を駆動振動の周波数から遠ざけること、さらには、その上に剛性を強くする膜を形成することなど、様々な手段が可能である。さらに、第2のアーム、第3のアームの先端に設置する質量付加部の有無およびその形状は、目的とする振動ジャイロが必要とする感度、応答特性や形状によって選択することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and the present invention can be applied even if there is a design change without departing from the gist of the present invention. include. That is, it goes without saying that the present invention also includes various variations and modifications that would be obvious to those skilled in the art. For example, in the vibrating gyroscope according to the above-described embodiment, a silicon substrate having a piezoelectric thin film such as a PZT thin film has been exemplified. The shape, number and arrangement of drive electrodes and detection electrodes in the drive means and detection means, and the shape of each arm and each connecting part can be designed according to the purpose and application. Yes, and not limited to those illustrated. As for the method of making the connecting portion difficult to be deformed by driving vibration, the rigidity of the connecting portion is increased by making the planar shape greatly different from the shape of the second arm or by making it a shape other than a rectangle, or the resonance frequency thereof is increased. Various means are possible, such as keeping away from the frequency of the drive vibration, and further forming a film on which rigidity is increased. Further, the presence / absence and the shape of the mass adding portion installed at the tips of the second arm and the third arm can be selected depending on the sensitivity, response characteristics and shape required by the target vibration gyroscope.
1 検出素子
2、103 基部
3 連結部
4 第1のアーム
5a、5b 第2のアーム
6a、6b、6c、6d 付加質量部
7a、7b 第3のアーム
9 下部電極
10 圧電薄膜
11a、11b 駆動電極
12、13a、13b、14a、14b 検出電極
101 振動子
102a、102b 振動片
105 固定部材
106 支持体
DESCRIPTION OF
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JP2010122271A JP2011247789A (en) | 2010-05-28 | 2010-05-28 | Vibration gyro |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11255736B2 (en) | 2018-05-25 | 2022-02-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Vibration sensor and sensor module |
-
2010
- 2010-05-28 JP JP2010122271A patent/JP2011247789A/en active Pending
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