JP2012112819A - 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.
電気−機械変換効率が高い圧電体材料を用いた圧電素子は、小型で高感度なセンサを実現できることから、これを利用した様々なセンサが製造されている。近年では、厚さが数μmの膜状の圧電体、すなわち圧電薄膜を大面積の基板上に再現性良く成膜する技術や、基板などを微細に加工する技術が確立され、これを利用した振動ジャイロが量産性良く製造できるようになってきた。さらに、1つのパッケージ内で複数の軸の角速度を検出できる製品も実用化されている。 Since a piezoelectric element using a piezoelectric material having high electro-mechanical conversion efficiency can realize a small and highly sensitive sensor, various sensors using this are manufactured. In recent years, a film-like piezoelectric body having a thickness of several μm, that is, a technique for forming a piezoelectric thin film on a large-area substrate with good reproducibility and a technique for finely processing a substrate have been established and utilized. Vibrating gyros can be manufactured with high productivity. Furthermore, products that can detect angular velocities of a plurality of axes in one package have been put into practical use.
特許文献1には、1つのパッケージ内で3軸の角速度検出を行えるジャイロモジュールが提案されている。図5は、従来の3軸の角速度検出を行うジャイロモジュールの平面図である。図5に示すように、従来の3軸の角速度検出を行うジャイロモジュールは、第1ジャイロ素子片102、第2ジャイロ素子片103、第4ジャイロ素子片104の3つのジャイロ素子片を有している。図面左上に第4ジャイロ素子片104、図面右上に第1ジャイロ素子片102、図面右下に第2ジャイロ素子片103を配置されている。さらに、第2ジャイロ素子片103は、第1ジャイロ素子片102と同一の構成であるが、XY平面において90度回転して配置されている。これらのジャイロ素子片のうち、第1ジャイロ素子片102および第2ジャイロ素子片103は2つの検出軸を有し、第4ジャイロ素子片104は1つの検出軸を有している。第1ジャイロ素子片102と第2ジャイロ素子片103、第4ジャイロ素子片104は水晶を用いており、水晶結晶のX軸およびY軸で形成されるXY平面で切り出されたZカット水晶基板から形成されている。
2つの検出軸を有する第1ジャイロ素子片102は、矩形状の基部105を有し、この基部105にはY軸に平行な各端辺の中央からX軸に平行に両方向に伸びた連結腕106が存在する。連結腕106の先端付近からは、それぞれY軸に平行に両方向に伸びた駆動腕107が存在する。そして各駆動腕107の先端にはこの駆動腕107よりもX軸方向の幅を広くした矩形状の錘部108が駆動腕107と一体に存在する。また基部105には、X軸に平行な各端辺の中央からY軸に平行に両方向に伸びた検出腕109が存在する。そして各検出腕109の先端には、検出腕109よりもX軸方向の幅を広くした矩形状の錘部110が検出腕109と一体に存在する。駆動腕107には駆動電極(図示せず)、検出腕109には検出電極(図示せず)がそれぞれ設けられている。
The first
第1ジャイロ素子片102の駆動腕107の駆動電極に駆動信号が供給されると、駆動腕107は、基部105の重心を通るY軸に平行な線に対して対称的に屈曲振動する。このような駆動振動を行っているときに、Z軸回りの角速度が加えられると駆動腕107にはY軸方向のコリオリ力が働くことになる。そして、コリオリ力の影響を受けて検出腕109が屈曲振動するので、検出腕109の検出電極から検出信号が得られる。また、駆動腕107が駆動振動を行っているときに、Y軸回りの角速度が加えられると検出腕109が捩れ振動する。この捩れ振動はコリオリ力によって生じた検出腕109のX方向の屈曲振動とz方向の屈曲振動とを合成した振動モードである。そしてこの捩れ振動により検出電極から検出信号が得られる。すなわち第1ジャイロ素子片102はZ軸回りとY軸回りの角速度を検出する。第2ジャイロ素子片103は、第1ジャイロ素子片と同一の構成であるが、XY平面において90度回転して配置されている。
When a drive signal is supplied to the drive electrode of the
1つの検出軸を有する第4ジャイロ素子片104は、第1ジャイロ素子片102と同様の構成であるが、検出腕109の先端に設けた錘部111のX軸方向の幅が異なり、狭くなっている。幅を狭く設定したのは、Y軸回転系の角速度を検出しないように、検出腕109の捩れ振動を生じさせないためである。第4ジャイロ素子片104の駆動腕107には駆動電極(図示せず)、検出腕109(図示せず)には検出電極がそれぞれ設けられている。
The fourth
第4ジャイロ素子片104の駆動電極に電気信号が供給されると、駆動腕107が対称的に屈曲振動する。このときに、Z軸回りの角速度が加えられると駆動腕107にはY軸方向のコリオリ力が働くことになる。そしてコリオリ力の影響を受けて検出腕109が屈曲振動するので、検出電極から検出信号が得られる。
When an electric signal is supplied to the drive electrode of the fourth
上述した各ジャイロ素子片は、図5に示すように、図面左上に第4ジャイロ素子片104、図面右上に第1ジャイロ素子片102、図面右下に第2ジャイロ素子片103を配置している。このような配置で、基板上に発振回路等を備えたICチップと共に搭載することによって、1つのパッケージで構成することが可能な、3軸の角速度検出を行うジャイロモジュールが得られる。
As shown in FIG. 5, each gyro element piece described above includes a fourth
また、特許文献2には、圧電薄膜を用いた振動ジャイロとして、折曲部を有するアームを使用することにより、複数の検出軸の慣性力を検出でき、実装面積が低減された小型の慣性力センサが提案されている。図6は、従来の折曲部を有する振動ジャイロの検出素子の平面図である。図6に示すように、従来の折曲部を有する振動ジャイロは、角速度や加速度を検出するための検出素子201と処理回路とを有している。検出素子201は、シリコン基板を材料として一体成形されており、その表面の一部には、Pt下部電極、PZT薄膜、Au上部電極が形成されている。検出素子201は、支持部208でもある基部209と、基部209に接続されたY軸に平行な第1アーム202と、第2アーム204と、錘部218とで構成されている。第1アーム202は第2アーム204と直交方向に連結され、さらに、第2アーム204は両側の折曲部204aで折曲され、その折曲された先のそれぞれの端部204bに錘部218が接続され、第1アーム202を挟んで対称な形状の振動子として構成されており、さらにその振動子が基部209のX軸方向の中心線に対して対称な位置にも配置されている。
Further,
第2アーム204の端部204bには駆動電極(図示せず)が形成されており、端部204bに、X軸方向に振動する駆動振動を与えた状態で、Z軸回りの角速度を加えると、錘部218に発生したコリオリ力が、第2アーム204をY軸方向に変位させる。同様に、Y軸回りの角速度を加えると錘部218に発生したコリオリ力が、第2アーム204をZ軸方向に変位させる。これらの振動の駆動やコリオリ力によって、これらの振動の駆動やコリオリ力によって発生する変位の検出を検出素子201の表面に形成されたPZT薄膜と検出電極(図示せず)によって行うことで振動ジャイロとしての機能が得られる。
A drive electrode (not shown) is formed on the
特許文献1に記載の発明は、図5に示すように、第2ジャイロ素子片103が第1ジャイロ素子片102に対して、XY平面において90度回転した配置になっている。共振周波数を下げて振幅を大きくし検出感度を高くするためには、駆動腕および検出腕の長さをX方向だけでなくY方向にも寸法を拡大する必要がある。従って、ジャイロモジュール全体として小型化が困難となる課題があった。
In the invention described in
また、特許文献2に記載の発明は、図6に示すように、錘部218に発生したコリオリ力によるZ軸方向およびY軸方向の振動を第2アーム204で検出するため、第2アーム204の端部204bがX軸方向に振動する共振周波数と、第2アーム204がY軸方向に振動する共振周波数や第2アーム204がZ軸方向に振動する共振周波数を一致または接近させる必要がある。従って、第2アーム204の端部204bをX軸方向に駆動振動させた際、第2アーム204はY軸方向にも振動する。その結果、第2アーム204の端部204bに接続された錘部218は、X軸方向だけでなく、Y軸方向にも振動速度を持つこととなる。
In the invention described in
この2つの振動速度に対し、Z軸回りの角速度を加えると、前述の通り、錘部218のX軸方向の振動速度に発生したコリオリ力が、第2アーム204をY軸方向に変位させる。同時に、錘部218のY軸方向の振動速度に発生したコリオリ力が、第2アーム204をX軸方向に変位させる。ここで、この2つの発生したコリオリ力は第2アーム204の全体で見た時には互いに逆向きに働くため、Z軸回りの角速度の検出感度を低下させてしまう。
When an angular velocity about the Z axis is added to these two vibration speeds, as described above, the Coriolis force generated at the vibration speed in the X axis direction of the
さらに、第2アーム204の端部204bがZ軸方向へ変位する場合、連結された第2アーム204はZ軸方向へ変位するだけでなく、Y軸方向にも変位する。従って、第2アーム204は、Z軸回りの角速度に対してだけでなく、Y軸回りの角速度に対してもY軸方向へ変位することとなり、Y軸回りの角速度をZ軸回りの角速度として検出してしまう。すなわち、他軸感度を生ずることとなる。この他軸感度は、4つの第2アーム204の出力を加減算回路等の信号処理を施すことにより低減することは可能であるが、信号処理回路の増幅率を決定する抵抗等の回路素子にはバラツキが存在するため、このような信号処理により他軸感度を数%以下程度に低減することは難しい。
Further, when the
本発明は、上述したような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で、Z軸回りの角速度に対する感度の低下がなく、さらに他軸感度を低減し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 the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a vibrating gyroscope that is small in size, has no decrease in sensitivity to angular velocity around the Z axis, and further has reduced sensitivity in other axes. It is in.
本発明によれば、互いに直交するX、Y、Zの3軸で表される空間に配置し、XY平面に平行な平板にZ軸方向の貫通穴を形成した検出素子を有する振動ジャイロであって、前記検出素子は、Y軸方向に長手方向を有する複数の屈曲アームと、前記屈曲アームと直角に連結する複数の連結部からなり、前記屈曲アームの屈曲振動を励振する駆動手段と、前記屈曲アームの屈曲振動を検出する検出手段とを備え、前記平板のY軸方向の中心線の両側にY軸回りおよびZ軸回りの角速度を検出する第1振動子とX軸回りの角速度を検出する第2の振動子を配置し、前記3軸の角速度を検出することを特徴とする振動ジャイロが得られる。本発明は、前記屈曲アームの長手方向がY軸方向と平行に構成することを特徴としている。 According to the present invention, there is provided a vibrating gyroscope having a detection element that is arranged in a space represented by three axes X, Y, and Z orthogonal to each other and has a through hole in the Z-axis direction formed on a flat plate parallel to the XY plane. The detection element includes a plurality of bending arms having a longitudinal direction in the Y-axis direction, and a plurality of connecting portions connected at right angles to the bending arms, and driving means for exciting bending vibrations of the bending arms, Detecting means for detecting bending vibration of the bending arm, and detecting a first vibrator for detecting angular velocities around the Y axis and the Z axis on both sides of a center line in the Y axis direction of the flat plate and an angular velocity around the X axis. A vibration gyro characterized by disposing a second vibrator and detecting the angular velocity of the three axes is obtained. The present invention is characterized in that the longitudinal direction of the bending arm is configured to be parallel to the Y-axis direction.
また、本発明によれば、前記第1の振動子は、前記第1の振動子の中心を通りX軸方向に長手方向を有する第1の連結部の中央部から、前記第1の連結部の中央線を通るXZ平面に対して対称に第1の屈曲アームと第2の屈曲アームの一端が直角に接続し、前記第1の屈曲アームの他端には第2の連結部の中央部が直角に接続し、前記第1の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称に第3の屈曲アームと第4の屈曲アームを配し、前記第3の屈曲アームと前記第4の屈曲アームの一端と前記第2の連結部のX軸方向の両端が直角に接続し、前記第2の屈曲アームの他端には第3の連結部の中央部が直角に接続し、前記第2の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称に第5の屈曲アームと第6の屈曲アームを配し、前記第5の屈曲アームと前記第6の屈曲アームの一端と前記第3の連結部のX軸方向の両端が直角に接続して構成され、前記第2の振動子は、前記第2の振動子の中心を通りX軸方向に長手方向を有する第4の連結部の中央部から、前記第4の連結部の中央線を通るXZ平面に対して対称に第7の屈曲アームと第8の屈曲アームの一端が直角に接続し、前記第7の屈曲アームの他端には第5の連結部の中央部が直角に接続し、前記第7の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称に第9の屈曲アームと第10の屈曲アームを配し、前記第9の屈曲アームと前記第10の屈曲アームの一端と前記第5の連結部のX軸方向の両端が直角に接続し、前記第8の屈曲アームの他端には第6の連結部の中央部が直角に接続し、前記第8の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称に第11の屈曲アームと第12の屈曲アームを配し、前記第11の屈曲アームと前記第12の屈曲アームの一端と前記第6の連結部のX軸方向の両端が直角に接続して構成されることを特徴とする振動ジャイロが得られる。 Further, according to the present invention, the first vibrator extends from the center of the first joint having a longitudinal direction in the X-axis direction through the center of the first vibrator. One end of the first bent arm and the second bent arm are connected to each other at right angles symmetrically with respect to the XZ plane passing through the center line, and the center of the second connecting portion is connected to the other end of the first bent arm. Are connected at right angles, and a third bent arm and a fourth bent arm are arranged symmetrically with respect to a YZ plane passing through the center line of the first bent arm, and the third bent arm and the fourth bent arm are arranged. One end of the bending arm and both ends of the second connecting portion in the X-axis direction are connected at a right angle, and the other end of the second bending arm is connected to the central portion of the third connecting portion at a right angle. A fifth bent arm and a sixth bent arm are arranged symmetrically with respect to the YZ plane passing through the center line of the second bent arm, One end of the bending arm, the sixth bending arm, and both ends of the third connecting portion in the X-axis direction are connected at right angles, and the second vibrator is centered on the second vibrator. One end of the seventh bent arm and the eighth bent arm symmetrically with respect to the XZ plane passing through the center line of the fourth connecting portion from the central portion of the fourth connecting portion having a longitudinal direction in the X-axis direction. Are connected at right angles, and the other end of the seventh bent arm is connected to the center of the fifth connecting portion at a right angle, and symmetrically with respect to the YZ plane passing through the center line of the seventh bent arm. 9 bent arms and 10th bent arms, one end of the ninth bent arm, the 10th bent arm and both ends of the fifth connecting portion in the X-axis direction are connected at right angles, The center of the sixth connecting portion is connected to the other end of the 8 bent arm at a right angle, and the center line of the 8 bent arm An eleventh bent arm and a twelfth bent arm are arranged symmetrically with respect to the passing YZ plane, and the eleventh bent arm, one end of the twelfth bent arm, and the sixth connecting portion in the X-axis direction are arranged. A vibrating gyroscope characterized in that both ends are connected at right angles is obtained.
また、上記の振動ジャイロにおいて、前記第1の振動子は、前記第3の屈曲アームおよび前記第4の屈曲アームの前記第2の連結部に接続されていない他端に、前記第1の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称な形状を有する一対の付加質量部を備え、前記第5の屈曲アームおよび前記第6の屈曲アームの前記第3の連結部に接続されていない他端に、前記第2の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称な形状を有する一対の付加質量部を備えており、前記第2の振動子は、前記第9の屈曲アームおよび第10の屈曲アームの前記第5の連結部に接続されていない他端に、前記第7の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称な形状を有する一対の付加質量部を備え、前記第11の屈曲アームおよび第12の屈曲アームの第6の連結部に接続されていない他端に、前記第8の屈曲アームの中央線を通るYZ平面に対して対称な形状を有する一対の付加質量部を備えていてもよい。 In the vibration gyro described above, the first vibrator is connected to the other end of the third bent arm and the fourth bent arm that is not connected to the second connecting portion. A pair of additional mass portions having a symmetrical shape with respect to the YZ plane passing through the center line of the arm and not connected to the third connecting portion of the fifth bent arm and the sixth bent arm A pair of additional mass portions having a symmetrical shape with respect to a YZ plane passing through the center line of the second bent arm at the end, and the second vibrator includes the ninth bent arm and the A pair of additional mass portions having a symmetrical shape with respect to a YZ plane passing through a center line of the seventh bending arm at the other end not connected to the fifth coupling portion of the ten bending arms, Eleventh bending arm and twelfth bending arm Sixth other end that is not connected to the connecting portion of the arm, may include a pair of additional mass portion having a symmetrical shape with respect to the YZ plane through the center line of the eighth bending arm.
また、上記の振動ジャイロにおいて、前記検出素子は、前記屈曲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、前記第1の振動子の、前記第2の連結部および前記第3の連結部のY軸方向の辺の長さは、前記第3の屈曲アーム乃至第6の屈曲アームのX軸方向の辺の長さに対し、2倍以上5倍以下であり、前記第2の振動子の、前記第5の連結部および前記第6の連結部のY軸方向の辺の長さは、前記第9の屈曲アーム乃至第12の屈曲アームのX軸方向の辺の長さに対し、2倍以上5倍以下であってもよい。 Further, in the above vibrating gyroscope, the detection element has a rectangular shape in which the outer shape of the surface parallel to the XY plane of the bending arm and the connecting portion is composed of sides in the X-axis direction and the Y-axis direction, The lengths of the sides of the first vibrator in the Y-axis direction of the second connecting portion and the third connecting portion are the lengths of the sides of the third to sixth bent arms in the X-axis direction. The length of the side of the second vibrator in the Y-axis direction of the fifth coupling portion and the sixth coupling portion is not less than 2 times and not more than 5 times the length. It may be not less than 2 times and not more than 5 times the length of the side in the X-axis direction of the bending arm to the twelfth bending arm.
また、上記の振動ジャイロにおいて、前記検出素子は、前記第1の振動子および前記第2の振動子の外側に前記平板の一部により形成されたフレームを有し、前記第1の連結部および前記第4の連結部のX軸方向の両端と前記フレームが接続され、前記フレームが支持固定されていてもよい。 In the vibration gyro described above, the detection element includes a frame formed by a part of the flat plate outside the first vibrator and the second vibrator, and the first coupling portion and Both ends of the fourth connecting portion in the X-axis direction may be connected to the frame, and the frame may be supported and fixed.
上述した構成によって、本発明は以下のような効果を奏す。すなわち、本発明の振動ジャイロは、X軸、Y軸およびZ軸の3軸の角速度の検出が可能である。また、屈曲アームの長手方向をすべてY軸と平行とすることで、共振周波数がY軸方向の寸法に依存するため、X軸およびZ軸方向の寸法を小さく抑えることが可能となり、小さな素子面積でも高感度に設計できる。また、Q値の高い駆動振動モードを採用することにより高感度である。さらに、連結部の剛性が高く変形しないため、駆動振動方向をX軸方向またはZ軸方向へ限定することが可能で他軸感度が小さく、Z軸回りの角速度に対する感度の低下がない。さらに、フレームを支持固定できるため実装が容易で量産性が高い。 With the configuration described above, the present invention has the following effects. That is, the vibrating gyroscope of the present invention can detect the three-axis angular velocities of the X axis, the Y axis, and the Z axis. In addition, since all the longitudinal directions of the bending arms are parallel to the Y-axis, the resonance frequency depends on the dimensions in the Y-axis direction, so that the dimensions in the X-axis and Z-axis directions can be kept small, and the element area is small. But it can be designed with high sensitivity. Moreover, high sensitivity is achieved by adopting a drive vibration mode having a high Q value. Further, since the rigidity of the connecting portion is high and does not deform, the drive vibration direction can be limited to the X-axis direction or the Z-axis direction, the sensitivity of the other axis is small, and the sensitivity to the angular velocity around the Z axis does not decrease. Furthermore, since the frame can be supported and fixed, mounting is easy and mass productivity is high.
すなわち、本発明により、小型で、Z軸回りの角速度に対する感度の低下がなく、さらに他軸感度を低減した振動ジャイロが得られる。 That is, according to the present invention, it is possible to obtain a vibrating gyroscope that is small in size and has no decrease in sensitivity with respect to the angular velocity around the Z axis and further reduces the sensitivity in the other axis.
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実施の形態に係る検出素子の斜視図である。本実施の形態の振動ジャイロは、図1に示すように、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軸方向の貫通穴を形成した第1の振動子と第2の振動子からなる検出素子1を用い、X軸、Y軸およびZ軸回りの3つの角速度を検出可能な振動ジャイロである。検出素子1は、後述するY軸方向に長手方向を有する複数の屈曲アームと前記屈曲アームと直角に連結する複数の連結部からなり、前記屈曲アームの屈曲振動を励振する駆動手段と、前記屈曲アームの屈曲振動を検出する検出手段とを備えた第1振動子および第2の振動子を有している。
FIG. 1 is a perspective view of a detection element according to an embodiment of a vibration gyro according to the present invention. As shown in FIG. 1, the vibration gyro according to the present embodiment forms a through-hole 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. The vibration gyro is capable of detecting three angular velocities around the X axis, the Y axis, and the Z axis using the
図1の左側に位置する第1の振動子は、以下に述べる構成となっている。第1の振動子の中心を通りX軸方向に平行に設けた第1の連結部4eと、第1の連結部4eの中央部から第1の連結部4eの中央線を通るXZ平面に対して対称に第1の屈曲アーム3aと第2の屈曲アーム3bの一端が直角に接続し、第1の屈曲アーム3aの他端には第2の連結部4aの中央部が直角に接続し、第1の屈曲アーム3aの中央線を通るYZ平面に対して対称に第3の屈曲アーム5aと第4の屈曲アーム5bを配し、第3の屈曲アーム5aと第4の屈曲アーム5bの一端と第2の連結部4aのX軸方向の両端が直角に接続している。さらに、第2の屈曲アーム3bの他端には第3の連結部4bの中央部が直角に接続し、第2の屈曲アーム3bの中央線を通るYZ平面に対して対称に第5の屈曲アーム5cと第6の屈曲アーム5dを配し、第5の屈曲アーム5cと第6の屈曲アーム5dの一端と第3の連結部4bのX軸方向の両端が直角に接続している。
The first vibrator located on the left side of FIG. 1 has a configuration described below. A first connecting
第3の屈曲アーム5aおよび第4の屈曲アーム5bの、第2の連結部4aに接続されていない他端には、付加質量部6aおよび付加質量部6bがそれぞれ接続されている。また、第5の屈曲アーム5cおよび第6の屈曲アーム5dの第3の連結部4bに接続されていない他端には、付加質量部6cおよび付加質量部6dがそれぞれ接続されている。第1の振動子は、第1の連結部4eの中心を通るXZ平面およびYZ平面に関して、ほぼ対称な形状となっている。
The additional
また、図1の右側に位置する第2の振動子は、以下に述べる構成となっている。第2の振動子の中心を通りX軸方向に平行に設けた第4の連結部4fと、第4の連結部4fの中央部から第4の連結部4fの中央線を通るXZ平面に対して対称に第7の屈曲アーム3cと第8の屈曲アーム3dの一端が直角に接続し、第7の屈曲アーム3cの他端には第5の連結部4cの中央部が直角に接続し、第7の屈曲アーム3cの中央線を通るYZ平面に対して対称に第9の屈曲アーム5eと第10の屈曲アーム5fを配し、第9の屈曲アーム5eと第10の屈曲アーム5fの一端と第5の連結部4cのX軸方向の両端が直角に接続している。さらに、第8の屈曲アーム3dの他端には第6の連結部4dの中央部が直角に接続し、第8の屈曲アーム3dの中央線を通るYZ平面に対して対称に第11の屈曲アーム5gと第12の屈曲アーム5hを配し、第11の屈曲アーム5gと第12の屈曲アーム5hの一端と第6の連結部4dのX軸方向の両端が直角に接続している。
Further, the second vibrator located on the right side of FIG. 1 has a configuration described below. A fourth connecting
第9の屈曲アーム5eおよび第10の屈曲アーム5fの、第5の連結部4cに接続されていない他端には、付加質量部6eおよび付加質量部6fがそれぞれ接続されている。また、第11の屈曲アーム5gおよび第12の屈曲アーム5hの、第6の連結部4dに接続されていない他端には、付加質量部6gおよび付加質量部6hがそれぞれ接続されている。第2の振動子は、第4の連結部4fの中心を通るXZ平面およびYZ平面に関して、ほぼ対称な形状となっている。
An
また、本実施の形態の振動ジャイロの屈曲アームと連結部の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、第1の振動子の、第2の連結部4aおよび第3の連結部4bのY軸方向の辺の長さは、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dのX軸方向の辺の長さに対し、2倍以上5倍以下であり、第2の振動子の、第5の連結部4cおよび第6の連結部4dのY軸方向の辺の長さは、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのX軸方向の辺の長さに対し、2倍以上5倍以下となっている。
In addition, the outer shape of the bending arm of the vibrating gyroscope of the present embodiment and the XY plane parallel to the XY plane has a rectangular shape composed of sides in the X-axis direction and the Y-axis direction. The length of the sides in the Y-axis direction of the second connecting
さらに、本実施の形態の振動ジャイロの検出素子1は、外周にフレーム2が形成され、第1の振動子の第1の連結部4e、第2の振動子の第4の連結部4fがフレーム2に接続され、第1の振動子と第2の振動子がフレーム2を介して接続される構造となっている。
Further, in 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方の主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、駆動手段または検出手段となる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、第1の振動子および第2の振動子、フレーム2を構成してなるものである。
Here, in the
第1の振動子は、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dをX軸方向へ屈曲振動させる第1の駆動手段(図示せず)と、第1の屈曲アーム3aおよび第2の屈曲アーム3bのX軸方向の屈曲振動を検出する第1の検出手段(図示せず)と、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dのZ軸方向の屈曲振動を検出する第2の検出手段(図示せず)を備えている。第1の駆動手段および第2の検出手段は、第3の屈曲アーム5a、第4の屈曲アーム5b、第5の屈曲アーム5c、第6の屈曲アーム5dに形成され、第1の検出手段は第1の屈曲アーム3aおよび第2の屈曲アーム3bに形成されている。
The first vibrator includes first driving means (not shown) for bending and vibrating the
同様に、第2の振動子は、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hをZ軸方向へ屈曲振動させる第2の駆動手段(図示せず)と、第7の屈曲アーム3cおよび第8の屈曲アーム3dのX軸方向の屈曲振動を検出する第3の検出手段(図示せず)を備えている。第2の駆動手段は第9の屈曲アーム5e、第10の屈曲アーム5f、第11の屈曲アーム5g、第12の屈曲アーム5hに形成され、第3の検出手段は第7の屈曲アーム3cおよび第8の屈曲アーム3dに形成されている。
Similarly, the second vibrator includes second driving means (not shown) for bending and vibrating the
図2は、第1の屈曲アーム3aの構造の説明図で、図2(a)は平面図、図2(b)はA−A線断面図である。なお、図1の第7の屈曲アーム3cは、同様の構造で、第2のアーム3b、第8の屈曲アーム3dは、X軸に対して対称である以外は同様の構造で、第2の屈曲アーム3b、第7の屈曲アーム3c、第8の屈曲アーム3dの断面も同一の構成となっている。図1、図2に示すように、基板8の一方の主面上に下部電極9を形成し、その上面に圧電薄膜10を形成し、さらにその上面に上部電極として検出電極13aおよび検出電極13bが形成されている。第1の屈曲アーム3aおよび第2の屈曲アーム3bの検出電極13a、13bが形成された部分が、第1の検出手段であり、第7の屈曲アーム3cおよび第8の屈曲アーム3dの検出電極13a、13bが形成された部分が第3の検出手段である。第1の屈曲アーム3a、第2の屈曲アーム3b、第7の屈曲アーム3c、第8の屈曲アーム3d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には逆位相の電圧が発生する。この電圧を所定の検出回路で検出することで、第1の屈曲アーム3a、第2の屈曲アーム3b、第7の屈曲アーム3c、第8の屈曲アーム3dのX軸方向の変位が検出できる。
2A and 2B are explanatory views of the structure of the
図3は、第3の屈曲アーム5aの構造の説明図で、図3(a)は平面図、図3(b)はB−B線断面図である。なお、図1の第4の屈曲アーム5b、第5の屈曲アーム5c、第6の屈曲アーム5dの断面も同一の構成となっている。図1、図3に示すように、基板8の一方の主面上に下部電極9を形成し、その上面に圧電薄膜10を形成し、さらにその上面に上部電極として駆動電極11a、駆動電極11b、検出電極12が形成されている。この駆動電極11a、11bが形成された部分が第1の駆動手段であり、検出電極12が形成された部分が第2の検出手段である。駆動電極11a、11bに逆位相の駆動信号を与えると、駆動電極11a、11b近傍の圧電薄膜10には、Y軸方向に関して、互いに逆向きの歪が発生する。この歪によって、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dのX軸方向の振動を励振できる。
3A and 3B are explanatory views of the structure of the
また、駆動電極11a、11bは、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5d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、駆動電極に対しての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、歪に対応した電圧が発生する。この電圧を所定の検出回路で検出することで、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dのZ軸方向の変位を検出できる。このとき、図2に示す第1の屈曲アーム3aおよび第2の屈曲アーム3bに形成された検出電極13a、13bにも、歪に対応した電圧が発生する。この電圧は、検出電極13a、13bで同位相の信号となるため、減算および加算の信号処理を行うことによって、X軸方向の変位とは分離して検出することが可能である。
Further, when displacement in the Z-axis direction occurs, distortion occurs in the piezoelectric
なお、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5d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3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dの幅を2等分する中心線を境に逆向きに分布するため、検出電極12には、電圧がほぼ発生しない。
Note that distortion is generated in the piezoelectric
図4は、第9の屈曲アーム5eの構造の説明図で、図4(a)は平面図、図4(b)はC−C線断面図である。なお、図1の第10の屈曲アーム5f、第11の屈曲アーム5g、第12の屈曲アーム5hの断面も同一の構成となっている。図1、図4に示すように、基板8の一方の主面上に下部電極9を形成し、その上面に圧電薄膜10を形成し、さらにその上面に上部電極として駆動電極14が形成されている。この駆動電極14が形成された部分が第2の駆動手段である。駆動電極14に駆動信号を与えると、駆動電極14近傍の圧電薄膜10には、Y軸方向に歪が発生する。この歪によって、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのZ軸方向の振動を励振できる。
4A and 4B are explanatory views of the structure of the
また、駆動電極14は、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのZ軸方向の変位を検出することもできるため、駆動電極14または、その一部を、駆動電極に対しての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
次に、本発明の検出素子1の角速度を検出する方法について説明する。
Next, a method for detecting the angular velocity of the
(第1の振動子)
図1に示す第3の屈曲アーム5aおよび第4の屈曲アーム5bからなる一対の屈曲アームが、互いに逆向きで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。これらの変位によって発生する力は、第2の連結部4aと第1の屈曲アーム3aの接続部付近で相殺され、ノード点となる。同様に、第5の屈曲アーム5cおよび第6の屈曲アーム5dからなる一対の屈曲アームが、互いに逆向きで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。本実施の形態における安定な特性とは、固定条件等の外乱の影響に関わらず、所望の振動モードについて、高いQm(機械的共振先鋭度)を維持することである。
(First vibrator)
The vibration in which the pair of bending arms including the
従って、第3の屈曲アーム5aおよび第5の屈曲アーム5cと、第4の屈曲アーム5bおよび第6の屈曲アーム5dが互いに逆向きでX軸方向に変位する振動も非常に安定な特性が得られる。よって、このX軸方向の振動を、Y軸回りおよびZ軸回りの角速度の検出する場合の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3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dに形成された第1の駆動手段によって励振することができる。ただし、第1の駆動手段に入力される駆動信号の周波数は、それぞれの駆動振動モードの共振周波数近傍の周波数とするのが望ましい。
Therefore, the vibrations in which the
また、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dの先端には、それぞれ付加質量部6a乃至付加質量部6dが接続しており、この付加質量部は屈曲アームの動作を拡大し、共振周波数を下げ、変位を拡大する機能を持っている。
Further, the
なお、上述した変位によって発生する力は、第2の連結部4aと第1の屈曲アーム3a、第3の連結部4bと第2の屈曲アーム3bの接続部付近で相殺され、ノード点となる。従って、第1の屈曲アーム3aと第2の屈曲アーム3bを連結する第1の連結部4eの変位量は比較的小さく、それぞれの屈曲アームへの影響の少ない支持固定が可能である。
The force generated by the displacement described above is canceled out near the connecting portion between the second connecting
さらに、第2の連結部4aおよび第3の連結部4b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。従って、第2の連結部4aおよび第3の連結部4bが、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dに対して、十分な剛性を持っている場合、上述の駆動振動モードを励振しても、第2の連結部4aおよび第3の連結部4b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3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dおよび付加質量部6a乃至付加質量部6dの変位は、X軸方向にほぼ限定される。このように第2の連結部4aおよび第3の連結部4bの変位を抑制する構成は、例えば、以下のように設計することで得られる。すなわち、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dと、第2の連結部4aおよび第3の連結部4b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、第2の連結部4aおよび第3の連結部4bのY軸方向の辺の長さを、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5d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。なお、第2の連結部4aおよび第3の連結部4bのY軸方向の辺の長さは、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dのX軸方向の辺の長さに対し、5倍を超えた場合において、更なる変位の抑制効果は得られないこと、また小型化の弊害となることから、5倍以下とするのが望ましい。
Further, the second connecting
前述のX軸方向の振動を駆動振動モードとして励振した状態において、Y軸回りの角速度を印加すると、第3の屈曲アーム5aおよび第5の屈曲アーム5cと、第4の屈曲アーム5bおよび第6の屈曲アーム5dは、発生したコリオリ力によって、互いに逆向きでZ軸方向に変位する。このZ軸方向の変位は、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dに形成された第2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軸回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 the angular velocity around the Y axis is applied in the state where the vibration in the X axis direction is excited as the driving vibration mode, the
同様に、前述のX軸方向の振動を駆動振動モードとして励振した状態において、Z軸回りの角速度を印加すると、第3の屈曲アーム5aおよび第5の屈曲アーム5cと、第4の屈曲アーム5bおよび第6の屈曲アーム5d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。従って、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dは、Y軸方向へ変位する。ただし、この力は、屈曲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。すなわち、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5d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の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dに形成された第1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 vibration in the X-axis direction is excited as a driving vibration mode, the
第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dのY軸方向への変位は、第2の連結部4aおよび第3の連結部4bにZ軸回りのモーメントを与え回転させる。従って、第2の連結部4aおよび第3の連結部4bに接続された第1の屈曲アーム3aおよび第2の屈曲アーム3bは、互いに逆向きにX軸方向へ変位する。このX軸方向の変位は、第1の屈曲アーム3aおよび第2の屈曲アーム3bに形成された第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軸回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
(第2の振動子)
図1に示す第9の屈曲アーム5eおよび第11の屈曲アーム5gからなる一対の屈曲アームと、第10の屈曲アーム5fおよび第12の屈曲アーム5hからなる一対の屈曲アームが、互いに逆向きでZ軸方向に変位する振動は、比較的安定な振動特性が得られる。X軸回りの角速度の検出にあたっては、このZ軸方向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Z軸方向に変位する駆動振動モードは、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hに形成された第2の駆動手段によって励振することができる。ただし、第2の駆動手段に入力される駆動信号の周波数は、それぞれの駆動振動モードの共振周波数近傍の周波数とするのが望ましい。
(Second vibrator)
The pair of bending arms including the
また、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hの先端には、それぞれ付加質量部6e乃至付加質量部6hが接続しており、この付加質量部は屈曲アームの動作を拡大し、共振周波数を下げ、変位を拡大する機能を持っている。
Further, the
なお、上述した変位によって発生する力は、第5の連結部4cおよび第6の連結部4dをY軸回りに回転させるが、第5の連結部4cと第7の屈曲アーム3c、第6の連結部4dと第8の屈曲アーム3dの接続部付近がノード点となる。従って、第7の屈曲アーム3cと第8の屈曲アーム3dを連結する第4の連結部4fの変位量は比較的小さく、それぞれの屈曲アームへの影響の少ない支持固定が可能である。
The force generated by the displacement described above causes the fifth connecting
さらに、第5の連結部4cおよび第6の連結部4d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。従って、第5の連結部4cおよび第6の連結部4dが、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hに対して、十分な剛性を持っている場合、上述の駆動振動モードを励振しても、第5の連結部4cおよび第6の連結部4d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9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hおよび付加質量部6e乃至付加質量部6hの変位は、Z軸方向にほぼ限定される。このように第5の連結部4cおよび第6の連結部4dの変位を抑制する構成は、例えば、以下のように設計することで得られる。すなわち、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hと、第5の連結部4cおよび第6の連結部4d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、第5の連結部4cおよび第6の連結部4dのY軸方向の辺の長さを、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5h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。なお、第5の連結部4cおよび第6の連結部4dのY軸方向の辺の長さは、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのX軸方向の辺の長さに対し、5倍を超えた場合において、更なる変位の抑制効果は得られないこと、また小型化の弊害となることから、5倍以下とするのが望ましい。
Further, the fifth connecting
前述のZ軸方向の振動を駆動振動モードとして励振した状態において、X軸回りの角速度を印加すると、第9の屈曲アーム5eおよび第11の屈曲アーム5gと、第10の屈曲アーム5fおよび第12の屈曲アーム5h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。従って、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hは、Y軸方向へ変位する。ただし、この力は、屈曲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。すなわち、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5h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9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hに形成された第2の駆動手段に発生する信号は、十分に無視できる大きさである。
In the state where the vibration in the Z-axis direction is excited as the driving vibration mode, when the angular velocity around the X-axis is applied, the
第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのY軸方向への変位は、第5の連結部4cおよび第6の連結部4dにZ軸回りのモーメントを与え回転させる。従って、第5の連結部4cおよび第6の連結部4dに接続された第7の屈曲アーム3cおよび第8の屈曲アーム3dは、互いに逆向きにX軸方向へ変位する。このX軸方向の変位は、第7の屈曲アーム3cおよび第8の屈曲アーム3dに形成された第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、X軸回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
以上説明したとおり、本発明の振動ジャイロは、比較的安定な駆動モードが得られることにより、高いQ値の振動が期待でき、さらに、一対の付加質量部により、共振周波数を低く設計できる。このように、本発明は、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に適している。また、屈曲アームの長手方向をすべてY軸方向と平行とした。振動ジャイロとして必要な振動モードのすべての共振周波数がY軸方向のアームの長さに大きく依存する。従って、高感度化のために低周波数化する場合は、Y軸方向へのみ素子を長くすれば良いので、より小さな素子面積で共振周波数の低い、高感度な振動ジャイロが得られる。さらに、Y軸およびZ軸検出のための駆動振動モードをX軸方向の振動に限定することで、他軸感度がなく、Z軸回りの角速度の検出の効率の良い振動ジャイロが得られる。 As described above, the vibration gyro of the present invention can be expected to have a high Q value vibration by obtaining a relatively stable drive mode, and can be designed to have a low resonance frequency by the pair of additional mass portions. As described above, the present invention can increase the displacement by a high Q value and a low frequency design, and is suitable for a highly sensitive vibration gyro. Further, all the longitudinal directions of the bending arms were made parallel to the Y-axis direction. All the resonance frequencies of the vibration modes required as a vibration gyro greatly depend on the length of the arm in the Y-axis direction. Accordingly, when the frequency is lowered for higher sensitivity, it is only necessary to lengthen the element only in the Y-axis direction, so that a highly sensitive vibration gyro with a smaller element area and a low resonance frequency can be obtained. Furthermore, by limiting the drive vibration mode for Y-axis and Z-axis detection to vibration in the X-axis direction, it is possible to obtain a vibration gyro having no other-axis sensitivity and efficient detection of angular velocity around the Z-axis.
また、本発明の複数の屈曲アームと、本発明で選択した検出振動モードを組み合わせることによって、並進運動での加速度に対する誤差出力を低減できる。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もある。 Further, by combining the plurality of bending arms of the present invention and the detection vibration mode selected in the present invention, an error output with respect to acceleration in translational motion can be reduced. 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 with one element such as a cantilever beam. In the configuration of the vibration gyro, 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おいて、X軸回りの角速度を検出する検出振動モードは、第2の振動子の第7の屈曲アーム3cおよび第8の屈曲アーム3dが互いに逆向きにX軸方向へ振動する。また、Y軸回りの角速度を検出する検出振動モードは、第3の屈曲アーム5aおよび第5の屈曲アーム5cと、第4の屈曲アーム5bおよび第6の屈曲アーム5dが互いに逆向きにZ軸方向へ振動する。さらに、Z軸回りの角速度を検出する検出振動モードは、第1の屈曲アーム3aおよび第2の屈曲アーム3bが互いに逆向きにX軸方向へ振動する。
In the vibration gyro according to the present invention, the detection vibration mode for detecting the angular velocity around the X axis is such that the
上述した通り、本発明の振動ジャイロによる検出振動モードは、互いに逆向きとなる振動を採用し、角速度の検出に際しては、差動検出構成となる。従って、X軸、Y軸およびZ軸方向への加速度を印加した場合において、本発明の検出振動モードが励振されることはなく、加速度による検出信号への影響は小さく、誤差出力を低減することが期待できる。 As described above, the vibration modes detected by the vibration gyro of the present invention employ vibrations that are opposite to each other, and have a differential detection configuration when detecting angular velocity. Therefore, when acceleration in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions is applied, the detection vibration mode of the present invention is not excited, and the influence of the acceleration on the detection signal is small, and error output is reduced. Can be expected.
本発明では、X軸、Y軸およびZ軸の3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。本発明の振動ジャイロにおける検出素子1は、高精度なフォトリソグラフィー技術による同時加工によって製造される。従って、3つの検出軸の直交性が非常に良い。複数の素子を個別に加工し、組み立てるような製法に比べ、他軸感度を低減できる。
According to the present invention, a vibration gyro capable of detecting the three-axis angular velocities of the X axis, the Y axis, and the Z axis is obtained. The
さらに、本発明によれば、検出素子1の外周部にフレーム2を形成し、第1の連結部4eおよび第4の連結部4fを接続することができる。上述した通り、本発明の振動ジャイロの駆動振動モードは、比較的対称性の良い振動モードとなっており、第1の連結部4eおよび第4の連結部4fでの変位は小さく、ほぼノード点と考えることができる。即ち、第1の連結部4eおよび第4の連結部4fは、駆動振動モードの振動特性を損なうことなく、容易に支持固定が可能である。従って、これら第1の連結部4eおよび第4の連結部4fをフレーム2に容易に接続できる。周囲に形成されたフレーム2には、信号の入出力に必要な電極パッドの形成が容易であり、さらに、フレーム2を他の実装基板に実装することも容易である。
Furthermore, according to the present invention, the
次に、本発明の振動ジャイロの具体的な実施例について説明する。 Next, specific examples of the vibrating gyroscope of the present invention will be described.
本実施例では、図1に示す振動ジャイロを作製した。図1に示すように、検出素子1は、基板8として厚さ50μmのシリコン基板を用い、その主面上に下部電極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、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を使用した。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の白金膜とで構成した。上部電極は、駆動電極11a、11b、14、検出電極12、13a、13bに相当し、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の金の膜とで構成した。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。
In this example, the vibrating gyroscope shown in FIG. 1 was produced. As shown in FIG. 1, the
第2の連結部4a、第3の連結部4b、第5の連結部4c、第6の連結部4dのY軸方向の辺の長さは約100μmとし、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5d、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのX軸方向の辺の長さは約50μmとした。即ち、第2の連結部4a、第3の連結部4b、第5の連結部4c、第6の連結部4dのY軸方向の辺の長さは、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5d、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのX軸方向の辺の長さの2倍とした。
The second connecting
第2の連結部4a、第3の連結部4b、第5の連結部4c、第6の連結部4dのX軸方向の辺の長さは約500μmとし、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5d、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hのY軸方向の長さは約500μmとした。付加質量部6a乃至付加質量部6hの形状は一辺が約400μmの矩形形状とした。
The second connecting
本構成において、有限要素法解析で振動子の変位分布を解析したところ、第2の連結部4aおよび第3の連結部4bの最大変位量は、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dの最大変位量に対して約1%であり、変位は非常に少なかった。これにより、第2の連結部4a、第3の連結部4bのY軸方向の辺の長さを、第3の屈曲アーム5a乃至第6の屈曲アーム5dのX軸方向の辺の長さの2倍以上とすることによる変位抑制効果を確認した。第5の連結部4c、第6の連結部4dの変位と、第9の屈曲アーム5e乃至第12の屈曲アーム5hの変位についても同様の結果が得られた。
In this configuration, when the displacement distribution of the vibrator is analyzed by the finite element method analysis, the maximum displacement amount of the second connecting
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、その平面形状を屈曲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。 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. For the method of making the connecting part difficult to be deformed by driving vibration, the rigidity of the connecting part is made different from the shape of the bent arm or by using a shape other than a rectangle, or the resonance frequency is driven and driven. It is possible to use various means such as moving away from the above-mentioned frequency, and forming a film having increased rigidity on the film.
1、201 検出素子
2 フレーム
3a 第1の屈曲アーム
3b 第2の屈曲アーム
3c 第7の屈曲アーム
3d 第8の屈曲アーム
4a 第2の連結部
4b 第3の連結部
4c 第5の連結部
4d 第6の連結部
4e 第1の連結部
4f 第4の連結部
5a 第3の屈曲アーム
5b 第4の屈曲アーム
5c 第5の屈曲アーム
5d 第6の屈曲アーム
5e 第9の屈曲アーム
5f 第10の屈曲アーム
5g 第11の屈曲アーム
5h 第12の屈曲アーム
6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h 付加質量部
8 基板
9 下部電極
10 圧電薄膜
11a、11b、14 駆動電極
12、13a、13b 検出電極
102 第1ジャイロ素子片
103 第2ジャイロ素子片
104 第4ジャイロ素子片
105、209 基部
106 連結腕
107 駆動腕
108、110、111、218 錘部
109 検出腕
202 第1アーム
204 第2アーム
204a 折曲部
204b 端部
208 支持部
1,201
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- 2010-11-25 JP JP2010262490A patent/JP2012112819A/en active Pending
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