JP3783697B2

JP3783697B2 - ２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサ

Info

Publication number: JP3783697B2
Application number: JP2003113436A
Authority: JP
Inventors: 義朗富川; 健二佐藤; 淳小野
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP2004317380A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コリオリ力を利用した双音さ型振動ジャイロセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の回転を検出するセンサーとして、コリオリ力を応用した音さ型振動ジャイロセンサーが広く使われている。特に水平横置き型と呼ばれる音さ型振動ジャイロセンサは薄型化が可能であるため、カメラの手振防止用やカーナビゲーションシステム用等、その応用範囲は広い。
近年、車両の走行制御用途向けに水平横置きタイプの音さ型振動ジャイロセンサが研究されるようになってきた。車両の走行制御はまさに車両全体の安全性を左右する生命線であり、この用途向けの振動ジャイロセンサには、特に耐振動衝撃性能に優れ高精度のものが要求される。
【０００３】
従来、電子情報通信学会技術報告ＵＳ９７−５６、１９９７−０９に薄型化を目的とした水平横置きタイプの音さ型振動ジャイロセンサが提案されている。しかしながら、このタイプは音さの根本を固定し音さの先端をフリーとした一点支持構造のものであるため、耐振動衝撃性能に弱いという問題点を抱えている。
そこで、本願発明者は耐振動衝撃性に優れ、かつ高精度で薄型化、小型化にも対応可能な水平横置き型の双音さ型振動ジャイロセンサを考案し、これを特願２００２―２６４８７２号として出願している。
【０００４】
図９（ａ）は特願２００２―２６４８７２号における従来の双音さ型振動ジャイロセンサの外観図を示したものである。
図９（ａ）において、従来の双音さ型振動ジャイロセンサは、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片を双音さ形状に加工し、その表面に所定の電極を形成したものであって、一対の短冊状のアーム部１ａ、１ｂと前記アーム部１ａ、１ｂの表面に形成した駆動電極（図示省略）とを有する駆動部２と、前記駆動部２の両端を支持する双音さ支持部３ａ、３ｂと、検出電極（図示省略）を有し前記双音さ支持部３ａ、３ｂを介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する検出部４ａ、４ｂと、前記検出部４ａ、４ｂの一端を支持すると共に前記検出電極（図示せず）に接続する一対の引き出し電極（図示せず）を有する支持固定部５ａ、５ｂとを備えている。
また、支持固定部５ａ、５ｂは接着材等でセンサのパッケージ等の取り付け面（水平面）に固定されて使用することとなるが、ここでは図示を省略する。
【０００５】
図９に示した従来の双音さ型振動ジャイロセンサは次のように動作する。
まず、非回転時の状態を考える。駆動部２が有する駆動用電極（図示せず）に駆動信号を与えると、図２（ｂ）に示すようにアーム部１ａ、１ｂは面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動（駆動モード）が発生する。このときアーム部１ａ、１ｂは互いに図中左右対称に振動する。
そこで、この駆動モードで振動している双音さ型振動ジャイロセンサに結晶Ｚ軸周りの角速度（回転）を与える。すると、アーム部１ａ、１ｂのそれぞれには一方がY方向（図中上向き）、他方がＹ方向（図中下向き）のコリオリ力が働く。この結果、前記左右相反するコリオリ力によってアーム部１ａ、１ｂは図２（ｃ）に示すような面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生する。
【０００６】
このとき双音さ支持部３ａ、３ｂにはそれぞれモーメントが発生するので検出部４ａ、４ｂはこれに対応してＸ方向に振動する。その結果、前記振動に対応して検出部４ａ、４ｂにそれぞれ設けられた検出電極には極性が互いに反転する検出電圧が発生する。
よって、検出部４ａ、４ｂは非回転時（駆動モード時）にはＸ方向の振動成分がほとんど発生せず、回転時（検出モード時）にのみＸ方向の振動成分を発生するので、検出部４ａ、４ｂから出力する前記二つの検出電圧の差動成分を検出信号とすれば、回転角速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。なお、回転方向が逆になると検出信号の極性が反転する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の双音さ型振動ジャイロセンサは次のような問題点があった。
すなわち、従来の双音さ型振動ジャイロセンサはＺ軸周りの回転しか検出できない構造となっている。また、双音さ型のものに限らず一般の振動ジャイロセンサは回転の検出軸が一つであり、検出軸と直交する軸に対する回転を検出することができない構造となっている。
【０００８】
このため、車載を目的とする場合には直交する２軸または３軸に対する回転角速度を同時に検出しなければならないので、少なくとも振動ジャイロセンサを２個または３個搭載し、各振動ジャイロセンサの検出軸を互いに直交するような配置としている。
しかしながら、複数の振動ジャイロセンサを搭載することは、車両内部においてスペースを占有することにもなるので小型化が困難である。更に、複数の振動ジャイロセンサを必要とするので当然コストも高くなってしまうという問題点を抱えていた。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、耐振動衝撃性に優れ、かつ高精度で小型化にも対応可能な水平横置き型の２軸検出音さ型振動ジャイロセンサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決する為に本発明に係わる請求項１記載の発明は、二本のアーム部と該前記アーム部の両端をそれぞれ支持する二つの双音さ支持部とを一体的に構成すると共に前記アーム部の表面に駆動用電極を形成した双音さ型振動ジャイロセンサであって、二つの支持固定部と、該各支持固定部と前記各双音さ支持部との間をそれぞれ一体的に接続する二つの検出部と、前記検出部に形成した第１の検出電極と、前記アーム部の表面に形成した第２の検出電極とを備え、前記二つのアーム部を含む平面と直交する軸に対する回転の回転角速度に対応する第１の検出信号を前記第１の検出電極から出力すると共に、前記アーム部に平行な軸に対する回転の回転角速度に対応する第２の検出信号を前記第２の検出電極から出力するようにしたものである。従って本構成で直交する２軸方向に対する回転を同時に検出することが可能となる。
【００１１】
本発明に係わる請求項２記載の発明は、請求項１において前記駆動電極を前記アーム部の二本とも、或いはいずれか一本の表面に形成したものである。
本発明に係わる請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２において、前記第２の検出電極を前記アーム部の二本とも、或いはいずれか一本の表面に形成したものである。従って、請求項２または請求項３の構成によって、駆動電極と第２の検出電極との形成における電極配置の自由度を向上させる効果を持つ。
【００１２】
本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項１、請求項２、または請求項３において、前記双音さ型振動ジャイロセンサの素材として二本のアーム部を含む平面の法線方向が結晶軸のＺ軸となるようにカットした水晶を用いたものである。
本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４において、前記検出部を短冊状に形成したものである。
従って、請求項４または請求項５の構成で高精度とする効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明に係わる２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの外観図を示したものであって、（ａ）は上面図、（ｂ）は底面図（上面から透過して見た状態）、（ｃ）は側面図を示したものである。なお、図１の紙面と平行な面が水平面（取付面）であり、側面図には取り付け用の台座に接着材等で固定した状態を図示している。
【００１４】
図１に示した双音さ型振動ジャイロセンサは、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片を双音さ形状に加工し、その表面に所定の電極を形成したものであって、一対の短冊状のアーム部１ａ、１ｂと前記アーム部１ａ、１ｂの表面に形成した後述する駆動電極及び後述する第２の検出電極とを有する駆動検出部６と、前記駆動検出部６の両端を支持する双音さ支持部３ａ、３ｂと、一対からなる第１の検出電極７ａを有し前記双音さ支持部３ａを介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する検出部４ａと、一対からなる第１の検出電極７ｂを有し前記双音さ支持部３ｂを介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する検出部４ｂと、前記検出部４ａの一端を支持すると共に前記第１の検出電極７ａに接続する一対の引き出し電極８ａを有する支持固定部５ａと、前記検出部４ｂの一端を支持すると共に前記検出電極７ｂに接続する一対の引き出し電極８ｂを有する支持固定部５ｂとを備えている。ここで、図１において図示した第１の検出電極７ａ、７ｂと引き出し電極８ａ、８ｂの電極パターンは裏面にも同様な電極パターンが形成され、側面のパターンを介して接続されている。
【００１５】
更に、図１の駆動検出部６において、上面と底面と側面には駆動電極及び第２の検出電極が形成されているが、これらの電極パターンの配置例を図２に示す。図２は、図１のＡ−Ａ’部分、Ｂ−Ｂ’部分、及びＣ−Ｃ’部分のそれぞれの断面を図示したものである。図２において、Ｄ+、Ｄ−は駆動電極９ａ、９ｂを表し、Sy1+及びSy1-は左のアーム部１ａ表面に形成した一対の第２の検出電極１０aを表し、Sy2+及びSy2-は右のアーム部１ｂ表面に形成した一対の第２の検出電極１０ｂを表している。なお、前記第２の検出電極１０ａと前記第２の検出電極１０ｂとは互いに独立した電極として形成されている。
また、駆動電極９ａ（Ｄ＋）、９ｂ（Ｄ−）のそれぞれには互いに極性の反転した駆動信号を印加するようになっており、Ｇは接地電極１１、Ｍはモニター用電極１２である。
【００１６】
なお、前記駆動電極９ａ、９ｂと第２の検出電極１０ａと第２の検出電極１０ｂと接地電極１１とモニター用電極１２は、図１において双音さ支持部３ａ、３ｂにそれぞれ引き出され、ここに引き出し電極１３ａ（Ｄ+）、１３ｂ（Ｄ−）、１３ｃ（Sy1+、Sy1-）、１３ｄ（Sy2+、Sy2-）、１３ｅ（Ｇ）、１３ｆ（Ｍ）が形成されている。
【００１７】
図１に示した双音さ型振動ジャイロセンサは次のように動作する。
まず、非回転時の状態を考える。引き出し電極１３ａ（Ｄ＋）、１３ｂ（Ｄ−）のそれぞれに互いに極性の反転した駆動信号を与えると、これがアーム部１ａ、１ｂに形成された駆動電極９ａ（Ｄ＋）、９ｂ（Ｄ−）にそれぞれ伝わり、アーム部１ａ、１ｂには図３（ａ）に示すような面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動（駆動モード）が発生する。このときアーム部１ａ、１ｂは互いに左右対称（Ｘ方向）に振動する。
【００１８】
ただし、アーム部１ａ、１ｂ両端の支持部分については極力左右に振れないようにアーム部１ａ、１ｂの中央部分とは逆方向に動くように駆動電極９ａ、９ｂを配置している。これは、非回転の状態におけるアーム部１ａ、１ｂ中央の屈曲振動による歪みがアーム部１ａ、１ｂと双音さ支持部３ａ、３ｂとの接続部分にかかると、これが検出部４ａ、４ｂへと伝わってしまうからである。よって、非回転時の屈曲振動（駆動モード）においては前記接続部分が極力動かないように考慮し、アーム部１ａ、１ｂ両端の左右の動きを抑えている。
【００１９】
次に、この駆動モードで振動している双音さ型振動ジャイロセンサに結晶Ｚ軸、すなわち２本のアーム部１ａ、１ｂの中央を含む平面に対して直交する軸の周りの回転のみを与える。例えば、図１（ａ）において時計回りの回転が生じると、アーム部１ａ、１ｂが互いに遠ざかる方向に振動しているときには、左アーム１ａに同図下向きのコリオリ力が働き右アーム部１ｂに同図上向きのコリオリ力が働く。
また、アーム部１ａ、１ｂが互いに近づく方向に振動しているときには、左アーム部１ａに同図上向きのコリオリ力が働き右アーム部１ｂには同図下向きのコリオリ力が働く。従って、アーム部１ａ、１ｂには同図上下方向（ｙ方向）にすべるように互いに逆向きにコリオリ力が働くので、アーム部１ａ、１ｂには図３（ｂ）に示すような面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（第１の屈曲振動）が生じる。このとき、前記第１の屈曲振動によって双音さ支持部３ａ、３ｂにはそれぞれモーメントが発生するので、検出部４ａ、４ｂはこれに対応してＸ方向に振動する。
【００２０】
従って、前記検出部４ａ、４ｂのＸ方向の振動に対応して、検出部４ａ、４ｂに設けられた第１の検出電極７ａ、７ｂにはそれぞれ極性が互いに反転した二つの検出電圧（第１の検出信号）が発生する。そして、これが支持固定部５ａ、５ｂに形成した引き出し電極８ａ、８ｂを介して出力される。
なお、前記第１の検出信号としてはＺ軸周りの回転角速度に比例した電圧が得られるが、Ｚ軸周りの回転方向が逆になるとアーム部１ａ、１ｂそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて第１の検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する第１の検出信号の位相差を測定しておけばＺ軸に対する回転方向の検出が可能である。
【００２１】
一方、双音さ型振動ジャイロセンサに結晶Ｙ軸、すなわち２本のアーム部１ａ、１ｂの長手方向を軸とする回転のみを与えたときを考える。例えば図１において、Y軸時計回りに回転が生じると、アーム部１ａ、１ｂが互いに遠ざかる方向に振動しているときには、左アーム１ａにＺ方向上向き、すなわち同図紙面を垂直上向きに貫く方向にコリオリ力が働き、右アーム部１ｂにＺ方向下向きにコリオリ力が働く。
また、アーム部１ａ、１ｂが互いに近づく方向に振動しているときには、左アーム部１ａにＺ方向下向きのコリオリ力が働き、右アーム部１ｂにはＺ方向上向きのコリオリ力が働く。この結果、前記相反するコリオリ力によってアーム部１ａ、１ｂには図３（ｃ）に示すようなＺ軸方向の屈曲振動（第２の屈曲振動）が生じる
【００２２】
このとき、駆動検出部６のアーム部１ａ、１ｂに形成された第２の検出電極１０ａ（Sy1+、Sy1-）と第２の検出電極１０ｂ（Sy2+、Sy2-）それぞれには、前記第２の屈曲振動に応じて駆動信号と同期した第２の検出信号が発生する。これが、双音さ支持部３ａに形成した引き出し電極１３ｃ、１３ｄに伝わり、ここからＹ軸周りの回転に対する第２の検出信号が出力される。
【００２３】
ここで、双音さ型振動ジャイロセンサにＺ軸に対する回転とＹ軸に対する回転とが同時に加わった場合、アーム部１ａ、１ｂとしては前記第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が複合した状態になる。また、一方の回転を止めても他方の回転に対するコリオリ力にほとんど影響を与えず、第１，第２の屈曲振動は互いに独立したものと考えてよいので、第１の検出信号と第２の検出信号は互いに独立した信号として扱うことができる。
【００２４】
すなわち、アーム部１ａ、１ｂは、非回転時（駆動モード時）或いはＺ軸周りの回転時（Ｚ軸検出モード時）にはＺ方向にほとんど振動せず、Ｙ軸周りの回転（Ｙ軸検出モード時）が加わったときにのみＺ方向に振動する。従って、引き出し電極１３ｃ、１３ｄから出力する前記第２の検出信号の差動成分を検出信号とすれば、Ｙ軸周りの回転角速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。
ここで、Ｙ軸まわりの回転方向が逆になるとアーム部１ａ、１ｂそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて第２の検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する第２の検出信号の位相差を測定しておけばＹ軸まわりの回転方向の検出が可能である。
【００２５】
なお、第２の検出信号はアーム部１ａ、１ｂからそれぞれ一対ずつ出力しているが、いずれか一方の出力のみを用いるようにしてもよい。
本実施例においては、左右のアーム部１ａ、１ｂそれぞれに電極を対称的に形成配置しているため、第２の検出信号を２対独立に出力できるようになっている。
【００２６】
このように、本願発明である２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサは、直交する二つの回転検出軸を備え、Ｙ軸周りの回転とＺ軸周りの回転とをそれぞれ区別して検出し、それぞれの回転に対する第１，第２の検出信号を同時かつ独立に出力することができるので、車両等へ複数のセンサを搭載することを不要とし小型化及び省スペース化を図ることができる。
【００２７】
以上、本願発明である２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサにおいて、駆動電極及び第２の検出電極とがアーム部１ａ、１ｂの両方の表面に形成されたものとして説明したが、本発明にあってはこれに限らず、駆動電極及び第２の検出電極はいずれか一方のアーム部の表面に形成したものでも良い。
図４〜図８はアーム部１ａ、１ｂに形成する駆動電極と第２の検出電極の他の配置例を示したものである。以下、これらの配置例について簡単に説明する。
図４は駆動電極及び第２の検出電極を左右のアーム部に配置した例である。図２のものと電極配置は異なるが、アーム部の上面、側面、或いは底面のいずれかに駆動電極と第２の検出電極と接地電極とモニタ電極が配置されている。
【００２８】
図５、６は駆動電極を左側のアーム部にのみ配置し、第２の検出電極を右側のアーム部にのみ配置した例である。この配置例では駆動信号は左側のアーム部にのみ印加されるので左側のアーム部に屈曲振動が励振されるが、同時に左側アーム部に励振された屈曲振動の反作用で左側のアーム部にも屈曲振動が生じ、左右のアームは同期して互いに反対方向に動く。よって、図２、４の電極配置例のものと同様に左側アーム部の第２の検出電極から検出信号を出力することができる。
また、図５、６の配置例から分かるように駆動電極及び第２の検出電極は少なくともいずれか一方のアーム部に備えていればよい。
【００２９】
図７、８は駆動電極と第２の検出電極とのいずれも左右のアーム部に配置した例であり、第２の検出電極の配置のみ上下非対称の配置となっているが、このような電極配置でも検出は可能である。なお、以上説明した図４〜８の電極配置例に合わせて、双音さ支持部３ａ、３ｂに形成する引き出し電極の配置を適宜変更することが可能であり、図１に図示した引き出し電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆの配置例と全く同じにする必要はない。従って、本発明において電極配置の自由度は比較的高い。
【００３０】
また、本発明に係わる２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサにおいて、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片を加工したものを材料としたが、本発明にあってはこれに限らず、圧電セラミックスを材料としてもよいし、或いは他の圧電素子を材料として使うことも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、コリオリ力を利用した角速度センサにおいて、水平横置きタイプの双音さ型振動ジャイロセンサとし、直交する二つの回転検出軸を備え、前記回転検出軸に対応した二つの検出信号を同時かつ独立に出力するように構成したので、自動車等で利用する上で必要とされる耐振動性、耐衝撃性に優れ、省スペース化及び小型化が可能とする高精度な角速度センサを提供する上で著効を奏す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの外観図。
【図２】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの第１の電極配置例。
【図３】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの屈曲振動の様子を示した図。
【図４】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの第２の電極配置例。
【図５】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの第３の電極配置例。
【図６】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの第４の電極配置例。
【図７】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの第５の電極配置例。
【図８】本発明に係る２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサの第６の電極配置例。
【図９】従来の双音さ型振動ジャイロセンサの外観図。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…アーム部
２…駆動部
３ａ、３ｂ…双音さ支持部
４ａ、４ｂ…検出部
５ａ、５ｂ…支持固定部
６…駆動検出部
７ａ、７ｂ…第１の検出電極
８ａ、８ｂ…引き出し電極
９ａ、９ｂ…駆動電極
１０ａ、１０ｂ…第２の検出電極
１１…接地電極
１２…モニタ電極
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ…引き出し電極

Claims

二本のアーム部と該前記アーム部の両端をそれぞれ支持する二つの双音さ支持部とを一体的に構成すると共に前記アーム部の表面に駆動用電極を形成した双音さ型振動ジャイロセンサであって、
二つの支持固定部と、該各支持固定部と前記各双音さ支持部との間をそれぞれ一体的に接続する二つの検出部と、前記検出部に形成した第１の検出電極と、前記アーム部の表面に形成した第２の検出電極とを備え、前記二つのアーム部を含む平面と直交する軸に対する回転の回転角速度に対応する第１の検出信号を前記第１の検出電極から出力すると共に、
前記アーム部に平行な軸に対する回転の回転角速度に対応する第２の検出信号を前記第２の検出電極から出力したことを特徴とする２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサ。
前記駆動電極を前記アーム部の二本とも、或いはいずれか一本の表面に形成したことを特徴とする請求項１記載の２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサ。
前記第２の検出電極を前記アーム部の二本とも、或いはいずれか一本の表面に形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサ。
前記双音さ型振動ジャイロセンサの素材として二本のアーム部を含む平面の法線方向が結晶軸のＺ軸となるようにカットした水晶を用いたことを特徴とする請求項１、請求項２、または請求項３記載の２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサ。
前記検出部を短冊状に形成したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４記載の２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサ。