JP2013170850A - ジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】一体型のジャイロセンサ振動体に最適な形状および構造を与えることによって、優れた性能で精度が高い２軸のジャイロセンサ振動体を提供すること。
【解決手段】
１個の共通の基部から互いに６０度ずつの角度をなして１平面に平行に放射状に配列された６本の振動脚を備えた振動体を有し、６本の脚を平面内で定常的に屈曲振動させ、平面に平行な回転軸回りの回転により発生するコリオリ力によって６本の振動脚に生じる平面に垂直な方向への撓み変形を検出し、各脚の面外撓み変形を演算することによって、平面に平行に想定した回転軸の方向と角速度の大きさを出力する。また、隣り合う脚は対向するように屈曲振動させることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動体に定常的な振動を与えておいて、それが回転する際に作用するコリオリ力に基づくその振動体の振動の変化を検出する、ジャイロセンサに関する。更に詳しくは、放射状に配列された６脚の振動体から成るジャイロセンサの構成に関する。

物体の回転角速度を検出する、所謂振動ジャイロは、それに用いられる振動体の相次ぐ開発により、精度が向上し、形状もかなり小型化されていて、様々な大小の移動性の機器や装置に搭載され、用途は益々拡大されている。それと共に、ジャイロセンサは、特にセンサ用振動体について、小型化、感度、安定性、生産性等の特性の向上が継続的に求められている。

このようなニーズに応じて本願出願人は、かつて、放射状の６本の振動脚を有するジャイロセンサ振動体を提案した。この振動体は、下記特許文献１に示すものである。

特開２００９−２６４８６３号公報

特許文献１に記載のジャイロセンサ振動体は、１軸回りの角速度を検出するものであった。なお、１個のセンサ振動体を用いて複数軸回りの角速度を計測する要望も、ジャイロセンサを小型に保ったままその応用範囲を広げる観点から高いものがあり、種々の提案がなされ、一部は製品化されているが、２軸以上の角速度が検出可能なセンサについても更なる改良が求められている。

従来の２軸の角速度センサは、例えば中心に錘を固定した円板を軸方向に振動させ、円板面内で直交する方向の２軸の角速度ベクトルの成分を、円板に貼り付けたリング状のセラミック圧電素子で検出するものであった。そのため、振動体の円板や錘、また圧電素子を別体で加工し接合しなければならず、更に一体型で高精度な加工ができ容易に製造できるセンサ振動体による２軸ジャイロの構成が求められていた。

本発明の目的は、放射状６脚を有する振動体を使用し、各脚の駆動方向と検出手段を適切に設定することによって、単体の振動体を用いて少なくとも２軸の角速度が検出可能なジャイロセンサを提供することである。

本発明のジャイロセンサは、１個の共通の基部から互いに６０度ずつの角度をなして１平面内に放射状に配列された６本のほぼ同形状の振動脚を備えた振動体を有し、前記６本の脚が前記平面内で定常的に屈曲振動するように少なくとも一部の脚を駆動し、前記平面に平行な回転軸回りの回転により発生するコリオリ力によって前記６本の振動脚に生じる前記平面に垂直な方向への面外撓み変形を少なくとも一部の脚を用いて検出し、前記面外撓み変形を演算することによって、前記平面に平行に想定された回転軸回りの角速度の大きさおよび方向を出力することを特徴とする。

このような構成にすることによって、一体に成形することが可能な振動体を用いて、少なくとも２軸の角速度を検出することができるジャイロセンサが得られる。

前記６本の脚のうちの１本を０時脚とし、他の振動脚を前記平面内での方向に合わせて時計方向に順次２時脚、４時脚、６時脚、８時脚、１０時脚としたとき、前記平面内における定常的な屈曲振動の向きは、前記０時脚、４時脚、８時脚は同位相であり、前記２時脚、６時脚、１０時脚は逆位相となるように、かつ全ての脚の定常的な振幅が実質的に等しくなるように駆動されることを特徴とする。
更にこのような構成にすることにより、定常振動に関して振動体のバランスをとり、振動漏れを解消することができる。

直交２軸のうち一方の軸を前記平面内で前記０時脚に垂直な方向に、他方の軸を前記０時脚の方向に設定し、それぞれの方向に応じて選択された少なくとも一部の脚の、前記面外撓み変形を検出しかつ演算することによって、各々の軸に関する回転角速度の成分または回転軸の方向を出力することを特徴とする。
更にこのような構成にすることにより、回転角速度または回転軸の方向の演算を容易にすることができる。

前記演算に用いる検出値を得るための脚は、連続して隣り合う３本の脚または１本おきに配置された３本の脚であることを特長とする。
更にこのような構成にすることにより、特定された脚を用いて演算可能であることを明確にすることができる。

前記振動体の材質は水晶であり、前記平面はそのＺ軸（光軸）に垂直であり、前記６本の脚は３本のＹ軸（機械軸）の方向に突出していることを特長とする。
更にこのような構成にすることにより、水晶結晶の３回回転対称性を利用して、各脚の有する弾性的（および圧電的）特性を等しくし、またフォトリソグラフィ加工に高精度を得、かつ励振・検出ともに都合よい圧電性を得ている。

一体型に成形可能なセンサ振動体を用いており、また原理的に無理のない駆動と検出の作用を行うので、特性が安定しかつ揃ったジャイロセンサを得ることができる。特に水晶材を使用する場合にはその３回回転対称性を利用し、この利点を十分に活かすことができる。

（ａ）は本発明のジャイロセンサ振動体の実施例１の正面図、（ｂ）は断面図である。 実施例1の角速度検出作用を説明するための模式的な脚の部分正面図であり、（ａ）は０時脚、（ｂ）は２時脚を示す。 実施例１の脚断面における電極配置図である。

＜実施例＞
図１（ａ）は本発明の実施例のジャイロセンサ振動体の正面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。

本振動体はほぼ平板状の弾性材料からフォトリソグラフィ技術を用いて切り出され、平面的に特徴のある形状を有する。即ち基部１からは等間隔６０°の角度をなして６方向に同形の振動脚が放射状に突出している。各脚の突出方向を時計の文字板の時刻数字の方向に見立て、そのうちの１本の方向を０時脚（１２時脚としてもよい）、２時脚、４時脚、６時脚、８時脚、１０時脚と名付け、それぞれに符号１２、２、４、６、８を与える。

各脚は可撓性のバネ部、その自由端に一体的に形成した付加質量である頭部、頭部の両面に固着された更なる付加質量である錘（例えば比重の大きい金属の厚メッキなどで形成される）を必要に応じて備えている。それぞれの部材に対して、図示するように、各脚毎にそれぞれ、バネ部には１２１、２１、３１、６１、８１、１０１、頭部には１２２、２２、４２、６２、８２、１０２、錘には１２３、２３、４３、６３、８３、１０３の符号を与える。

また振動しない基部１には、センサ振動体を基板や容器等に取り付けるためにその中心部に設けた穴１１、およびスルーホール１３（例えば６個）を設ける。各脚は圧電的に励振（駆動）されることを想定しているが、そのために設けられる電極膜は図１には図示していない。スルーホール１３は、各脚や基部１の上下表面に設けた電極膜を接続し、あるいは駆動または検出用の端子を取り出す手段として用いられる。６個のスルーホールが図示されているが、必要に応じて増減可能であり、形状も任意である。

各脚は実質的に同じ固有振動数を有し、センサ振動体の平面に平行な方向に（図１の紙面内で）屈曲振動するように駆動され、各脚の振幅が等しくなるように、定常的に励振される。振動の態様は、ある瞬間に０時脚、４時脚、８時脚が同じ方向（例えば時計方向）に同位相で動くとき、２時脚、６時脚、１０時脚が反対方向（例えば反時計方向）に、即ち逆位相で動くことが、定常振動をバランスさせて振動漏れをなくすために望ましい。この運動方向の例を、最も大きな振幅で動く、頭部１２２、２２、４２、６２、８２、１０２の上に矢印を画いて示した。

センサ振動体を構成する材料は、水晶のＺ板（光軸にほぼ垂直に切り出した板材）を使用している。そして、各脚のバネ部の方向は、水晶のＺ軸に垂直で、１２０°をなす３方向に存在するＹ軸（機械軸：図１（ａ）にＹ１、Ｙ２、Ｙ３で示す）の正または負方向を向くように切り出されている。このように、本センサ振動体は、水晶結晶の３回回転対称性を利用して、各脚の有する弾性的（および圧電的）特性を等しくし、またフォトリソグラフィ加工に高精度を得、かつ励振・検出ともに都合よくしている。

また図１（ａ）には、本センサ振動体によって検出（測定）すべき角速度成分の直交する２方向を向く軸が、ωｘ、ωｙとして記載されている。センサ振動体に、その平面に平行な回転が加わると、同じ平面内で振動している各脚には、平面に垂直な方向（面外方向）に向くコリオリ力が現れ、各脚は面外方向の撓み振動を行う。

この面外振動の撓み変形の振幅と位相を各脚について検出し、それぞれの脚の検出出力を合成する（即ち、適宜な脚を選択し、それらから得られるコリオリ力に比例した圧電的出力を、所定の係数を掛けて代数的に加算したり三角関数的演算を加える）ことによって、ジャイロセンサは平面内の回転軸の方向と回転角速度の大きさ、あるいは予め定めた２方向の角速度成分を出力することができる。なお、直交２方向の一方（例えばωｙ）を、６脚の１つ（本例では０時脚とした）に平行に設定すると、出力の演算が容易になる。

＜作用の説明＞
図２は、実施例1の角速度検出作用を説明するための模式的な脚の部分正面図であり、（ａ）は０時脚１２を、（ｂ）は２時脚２を示す。

図２（ａ）において、基部１から突出するバネ部１２１とその自由端にある頭部１２２より成る０時脚は、センサ振動体の平面（本図の紙面）に平行に、小さな振幅で定常的な屈曲振動をしている。概略の振動姿態（誇張がある）を破線で示す。図示しないが、他の振動脚についても同様である。振動質量は０時脚１２全体に分布しているが、模式的には頭部１２２の中心に、錘なども含めて等価質量ｍが集中しているとみなすことにする。

頭部の等価質量ｍは振動中のある瞬間に、バネ部１２１に垂直な方向に速度Ｖで運動する。等価質量とは、各脚について、脚全体と同じ運動量を持つように頭部中心に位置した質量ｍで置換したもので、バネ部の寄与が若干あるものの、普通は頭部と錘を合わせた質量と大差はない。この振動系に、センサ面に平行で速度Ｖと角度θをなす方向を回転軸として、角速度Ωの回転が加わる。そのとき等価質量ｍにはコリオリ力Ｆｃ１２が、速度ベクトルと角速度ベクトルの外積の２ｍ倍のベクトルとして、紙面に垂直な方向に現れる。コリオリ力の大きさは、２ｍＶωｓｉｎθである。このコリオリ力が、０時脚１２を面外方向に振動させ、その撓みによるバネ部の変形量が検出電極によって検出される。

図２（ｂ）において、２時脚のバネ部２１の向きは０時脚のバネ部１２１とは時計方向に６０°異なり、同じ振幅Ｖを持つ振動の方向も６０°異なる。センサ振動体平面に対して固定された回転軸ωとの角度はθ＋６０°となるので、Ｖは等量であるがバネ部２１に対する向きが逆になることを考慮すると、２時脚２の等価質量ｍに作用するコリオリ力Ｆｃ２は、大きさは２ｍＶωｓｉｎ（θ＋６０°）、紙面に対する向きはＦｃ１２とは逆になる。

以下、図示しない他の脚についても、回転軸とｍの速度の間の角度が６０°ずつ進むこと、またバネ部の左右に対する速度の向きが１脚毎に入れ替わることを考慮すると、結局各脚１２、２、４、６、８、１０に発生するコリオリ力Ｆｃ１２、Ｆｃ２、Ｆｃ４、Ｆｃ６、Ｆｃ８、Ｆｃ１０は、面外方向の上下の向き（計算結果の正負による）を含めて、下記の（１）〜（６）式で表せる。０時脚１２と６時脚６、２時脚２と８時脚８、４時脚４と１０時脚１０、即ち反対側に突出する脚には、それぞれ同じコリオリ力が生じていることもわかる。

（数１）
Ｆｃ１２＝２ｍＶωｓｉｎθ ………（１）
Ｆｃ２＝２ｍ（−Ｖ）ωｓｉｎ（θ＋６０°）
＝ｍＶω（−ｓｉｎθ−√３ｃｏｓθ） ………（２）
Ｆｃ４＝２ｍＶωｓｉｎ（θ＋１２０°）
＝ｍＶω（−ｓｉｎθ＋√３ｃｏｓθ） ………（３）
Ｆｃ６＝２ｍ（−Ｖ）ωｓｉｎ（θ＋１８０°）
＝２ｍＶωｓｉｎθ ………（４）
Ｆｃ８＝２ｍＶωｓｉｎ（θ＋２４０°）
＝ｍＶω（−ｓｉｎθ−√３ｃｏｓθ） ………（５）
Ｆｃ１０＝２ｍ（−Ｖ）ωｓｉｎ（θ＋３００°）
＝ｍＶω（−ｓｉｎθ＋√３ｃｏｓθ） ………（６）

各脚に設けた検出電極（バネ部の面外方向の変形を検出する）から、上記（１）〜（６）式に比例した電圧等の電気的出力が得られる。出力の比例定数は振動体材質の圧電気的特性や電極構成等で定まる。等価質量ｍは振動体や錘材料の比重・形状で決まり、Ｖは振動数や振幅等与えた条件により定まる。

故に、適宜な脚の出力を選択し、計測された電気的出力に基づいて、未知数である角速度ベクトルωの方向、向き、大きさ、成分を演算することができる。例えば、Ｆｃ２とＦｃ４出力の和と差（Ｆｃ８とＦｃ１０出力の和と差を用いてもよい）から、（９）式のように方向θを求めることができる。あるいは、（１）式と（８）式を用いて、（１０）式のように方向θを求めることができる。

また、（１）式と（７）式、あるいは（７）式と（８）式のｓｉｎθとｃｏｓθとを、それらの平方の和が１に等しいという恒等式に代入することによってθを消去すると、角速度ωの大きさを（１１）式または（１２）式のように求めることができる。なお、式の表記において、「√〔△△〕」は〔△△〕の平方根を意味するものとする。

（数２）
Ｆｃ２＋Ｆｃ４＝−２ｍＶωｓｉｎθ ………（７）
Ｆｃ２−Ｆｃ４＝−２ｍＶωｃｏｓθ ………（８）
ｔａｎθ＝（Ｆｃ２＋Ｆｃ４）／（Ｆｃ２−Ｆｃ４） ………（９）
ｔａｎθ＝Ｆｃ１２／（Ｆｃ４−Ｆｃ２） ………（１０）
ω＝√〔（Ｆｃ１２）^２＋（Ｆｃ２−Ｆｃ４）^２〕／（２ｍＶ） ………（１１）
ω＝√〔（Ｆｃ２＋Ｆｃ４）^２＋（Ｆｃ２−Ｆｃ４）^２〕／（２ｍＶ） ……（１２）

実際に検出されるのはコリオリ力そのものではなく、それに基づく面外撓み変形に比例した検出電圧等の電気量であるが、コリオリ力と検出された電気量の間の比例定数は、Ｖおよびｍ、更に材料の圧電気的特性や電極構造などで決まり、既知量にできるから、ωなどを実際の値に換算することに差し支えはない。

またωベクトルの向きを表すθは、（９）式または（１）式からは１８０°異なる２つが得られるが、そのいずれであるかの決定は、（１）または（６）式（０時脚または６時脚からの出力）の正負（含まれるｓｉｎθの正負）を判別して決定する。また角速度ωのｘ、ｙ成分であるωｘ、ωｙは、上のようにして決定されたθを用いて、ωｓｉｎθおよびωｃｏｓθとして求められる。これらの演算結果を、ジャイロセンサの計測値として出力することができる。

結局、上に述べたところによると、θ、ω、ωｘ、ωｙ等は隣り合う３本の脚である０時脚、２時脚、４時脚の面外撓み変形から検出され演算される。しかし、前述のように任意の脚と反対側の脚には同じコリオリ力が現れることを考慮すると、１本置きに配置された３本の脚を用いて必要な値を得ることができるとみなしてもよい。更に他の脚や全部の脚からの出力を演算に加えて（検出感度を上げて）もよい。

また、θの２つの候補値の一つを上記と異なる手段で特定できる場合には、２本の脚だけを用いて演算を行うことができる（またはそれらの反対側の脚の少なくとも一方を加えてもよい）。

図３は、各脚の面内駆動（励振）またはコリオリ力による面外撓みを検出するための電極構造を示した断面図である。（ａ）は駆動用の電極配置、（ｂ）は検出用の電極配置、（ｃ）は駆動と検出を同時に行う場合の電極配置（電極の結線も表示）の例である。１４は脚のバネ部の断面、１５はその周囲に設けた電極膜の断面で、実際は脚１４に密着しているが、配置を明らかにするため、脚の表面との間に隙間を設けて表示している。ＤＲは駆動端子、ＤＴは検出端子である。

本図は振動体の材料が水晶材であることを想定している。本図の紙面の上下方向はＺ軸（光軸）、水平方向はＸ軸（電気軸）、紙面に垂直な方向はＹ軸（機械軸）にほぼ一致する。（ａ）、（ｂ）に示した配置はそれぞれ脚にＸＹ面内の屈曲撓みを与える場合と、脚のＺ方向の屈曲変形を検出する場合の、よく知られた配置である。（ｃ）は、脚の下面で面外変形を検出し、他の面で面内屈曲・駆動させるための配置である。

この他にも、脚のバネ部の長手方向を分割して、駆動用電極と検出用電極を併設してもよい。また、前述したように、コリオリ力の検出は、６本全ての脚を用いる必要はないから、検出に用いなかった脚を駆動に用いることもできる。また一部の脚のみを駆動しても、振動が基部１を通して他の脚に伝達され、全脚が一様に振動する。従って、前記（１）〜（６）式の形から、０時脚１２、２時脚２、４時脚４をコリオリ力の検出に用い、他の脚を面内駆動に用いてもよい。また、同じ理由により、０時脚１２、４時脚４、８時脚８を１本置きに駆動に用い、他の脚で検出を行ってもよい。極端な場合、１本または２本の脚のみの駆動も考えられる。

本実施例では、コリオリ力の検出に、各脚の面外振動を用いる。面外振動の振幅が大きければ検出感度がよい。そのためには、各脚の面内振動の固有振動数と面外振動の固有振動数を近づけるとよい。しかし、二つの固有振動数をあまりに近接させると、例えば弾性率の温度特性の方向差などのために、コリオリ力による面外振動の応答特性が変動する恐れがある。そこで検出作用の安定性を考慮して、両固有振動数を適宜な比で異ならせておくことが行われる。両振動数の差の振動数に対する比を離調度と称し、数％程度であり、例えば２％〜３０％の範囲から、Ｑ値その他の振動特性を考慮して実験的に選ばれる。離調度を調節するには、脚断面の矩形比を設定し、更にバネ部等に微小加工を行うとよい。

以上、本発明の１実施例（および要所ではその変形例）について説明したが、センサ振動体の形状・構成は図示または説明した通りである必要はなく、適宜変更を加えることができる。演算についても、上式をそのまま用いなくても、等価な結果が得られるならば、異なる方法を用いてもよい。また、振動体を構成する材質も、結果的に面内駆動、面外検出が可能で高精度の加工ができれば、水晶材に限られない。他の圧電性材料や、等方性の材質を用いてもよい。

１ 基部
１２ ０時脚
２ ２時脚
４ ４時脚
６ ６時脚
８ ８時脚
１０ １０時脚
１１ 取付穴
１３ スルーホール
１２１、２１、４１、６１、８１、１０１ バネ部
１２２、２２、４２、６２、８２、１０２ 頭部
１２３、２３、４３、６３、８３、１０３ 錘
１４ 脚断面
１５ 電極膜
ＤＲ 駆動端子
ＤＴ 検出端子
ＦＣ１２、ＦＣ２ コリオリ力
ｍ 振動脚の等価質量
Ｖ 頭部の速度
Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３ 水晶の機械軸
Ｚ 水晶の光軸
θ 角速度ベクトルの方向
ω 角速度ベクトル
ωｘ 角速度のｘ成分
ωｙ 角速度のｙ成分

Claims (5)

1. １個の共通の基部から互いに６０度ずつの角度をなして１平面内に放射状に配列された６本のほぼ同形状の振動脚を備えた振動体を有し、前記６本の脚が前記平面内で定常的に屈曲振動するように少なくとも一部の脚を駆動し、前記平面に平行な回転軸回りの回転により発生するコリオリ力によって前記６本の振動脚に生じる前記平面に垂直な方向への面外撓み変形を少なくとも一部の脚を用いて検出し、前記面外撓み変形を演算することによって、前記平面に平行に想定された回転軸回りの角速度の大きさおよび方向を出力することを特徴とするジャイロセンサ。
2. 前記６本の脚のうちの１本を０時脚とし、他の振動脚を前記平面内での方向に合わせて時計方向に順次２時脚、４時脚、６時脚、８時脚、１０時脚としたとき、前記平面内における定常的な屈曲振動の向きは、前記０時脚、４時脚、８時脚は同位相であり、前記２時脚、６時脚、１０時脚は逆位相となるように、かつ全ての脚の定常的な振幅が実質的に等しくなるように駆動されることを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサ。
3. 直交２軸のうち一方の軸を前記平面内で前記０時脚に垂直な方向に、他方の軸を前記０時脚の方向に設定し、それぞれの方向に応じて選択された少なくとも一部の脚の、前記面外撓み変形を検出しかつ演算することによって、各々の軸に関する回転角速度の成分または回転軸の方向を出力することを特徴とする請求項１または２に記載のジャイロセンサ。
4. 前記演算に用いる検出値を得るための脚は、連続して隣り合う３本の脚、または１本おきに配置された３本の脚であることを特長とする請求項１から３のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
5. 前記振動体の材質は水晶であり、前記平面はそのＺ軸（光軸）に垂直であり、前記６本の脚は３本のＹ軸（機械軸）の方向に突出していることを特長とする請求項１から４のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。

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