JP3885944B2

JP3885944B2 - 振動子および振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JP3885944B2
Application number: JP2002117549A
Authority: JP
Inventors: 昌明桝田; 菊池　　尊行
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2003315046A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子および振動型ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに、振動型ジャイロスコープを使用することが検討されている。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向をハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００３】
こうした振動型ジャイロスコープでは、３軸方向の各回転角速度を検出することが望まれる。本出願人は、３軸方向の各回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープを、特開２００１−１２９５３号公報において開示した。これは、一体の平面的な振動子を使用し、２つの回転軸の周りの各回転角速度を検出可能としたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この振動型ジャイロスコープは、２つの回転軸の回りの各回転角速度を測定できる点で優れたものであり、パッケージへの取り付けも容易であった。しかし、この振動型ジャイロスコープを用いて各回転角速度を測定した場合、振動子において発生するノイズやバラツキによって、出力誤差が生じることがあった。
【０００５】
本発明の課題は、少なくとも互いに直交する第一の軸および第二の軸の回りの各回転角速度を検出するときに、振動子におけるノイズやばらつきを抑制し、出力誤差を低減可能とすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも互いに直交する第一の軸および第二の軸の回りの各回転角速度を検出するときに利用される振動子であって、第一の軸の回りの回転角速度を検出するための第一の駆動振動片および第一の検出振動片と、第二の軸の回りの回転角速度を検出するための第二の駆動振動片および第二の検出振動片と、第一の駆動振動片、第一の検出振動片、第二の駆動振動片、および第二の検出振動片を接続している連結部とを備えており、第一の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数が、第二の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数と異なっており、振動子が所定の平面に沿って延びており、前記第一の軸が前記平面に垂直な軸であることを特徴とする。
【０００７】
従来の２軸検出用振動子においては、駆動振動片に駆動振動を励振した後、第一の検出振動片において例えばＸ軸周りの回転角速度を検出し、第二の検出振動片においてＹ軸周りの回転角速度を検出する。ここで、第一の検出振動片において検出される検出振動モードと第二の検出振動片において検出される検出振動モードとは、同じ駆動振動モードに基づいて励振された振動モードである。このため、たとえ第一の検出振動片と第二の検出振動片とが分離されていても、両者の間で結合が発生し、回転角速度の測定値にノイズやバラツキを発生させることを見いだした。
【０００８】
本発明者は、第一の回転軸の周りの回転角速度を検出するために利用する駆動振動片と、第二の回転軸の周りの回転角速度を検出するために利用する駆動振動片とを分離し、互いに異なる周波数で励振することを想到した。この結果、前述のような結合や干渉が抑制されることを見いだした。
【０００９】
本発明においては、各回転軸に対応して駆動振動片を分離するのと共に、各駆動振動片における駆動振動モードの固有共振周波数を互いに異ならせる。この際には、検出振動における結合や干渉を抑制するという観点からは、第一の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数ｆ１と、第二の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数ｆ２との差（ｆ１−ｆ２）は、３ｋＨｚ以上であることが好ましく、６ｋＨｚ以上であることが更に好ましい。
【００１０】
また、第一の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数ｆ１と、第二の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数ｆ２とは、互いに倍数波の関係にないことが好ましい。
ここで、倍数波の関係にないとは、例えば２倍波、３倍波に該当しないことを意味している。一般的には、は各駆動振動モードの各固有共振周波数が、互いに整数倍に該当しないことを意味している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
好適な実施形態においては、第三の軸の回りの回転角速度を検出するための第三の駆動振動片および第三の検出振動片をさらに備えており、連結部は、第三の駆動振動片および第三の検出振動片をさらに接続していてもよい。
【００１２】
また、好適な実施形態においては、第一の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数ｆ１が、第三の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数ｆ３と異なっている。この場合には、検出振動における結合や干渉を抑制するという観点からは、（ｆ１−ｆ３）は、３ｋＨｚ以上であることが好ましく、６ｋＨｚ以上であることが更に好ましい。
【００１３】
好適な実施形態においては、第二の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数ｆ２が、第三の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波ｆ３と異なっている。この場合には、検出振動における結合や干渉を抑制するという観点からは、（ｆ２−ｆ３）は、３ｋＨｚ以上であることが好ましく、６ｋＨｚ以上であることが更に好ましい。
【００１４】
各駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数を制御する方法自体は公知である。例えば、駆動振動片の材質、幅、厚さ、長さを変更することによって、対応する駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数を変更することができる。
【００１５】
本発明においては、振動子が所定の平面に沿って延びており、第一の軸が前記平面に垂直な軸である。
【００１６】
図１は、本発明の第一の実施形態に係る振動子１Ａの平面図である。振動子１Ａは、所定平面、即ちＸＹ平面に沿って延びている。図２は、図１に示す振動子１Ａにおいて、第二の軸すなわちＸ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す。図３は、図１に示す振動子１Ａにおいて、第三の軸すなわちＹ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す。
【００１７】
振動子１Ａは、所定平面に垂直な軸である第一の軸すなわちＺ軸の回りの回転角速度を検出するための第一の駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄおよび第一の検出振動片２０Ａ、２０Ｂと、Ｘ軸の回りの回転角速度を検出するための第二の駆動振動片３０Ａ、３０Ｂおよび第二の検出振動片４０Ａ、４０Ｂと、Ｙ軸の回りの回転角速度を検出するための第三の駆動振動片５０Ａ、５０Ｂおよび第二の検出振動片６０Ａ、６０Ｂと、これらの駆動振動片および検出振動片を接続している連結部６とを備えている。
【００１８】
振動片２０Ａ、２０Ｂの先端側には、幅の広い重量部２０ａが設けられている。振動片３０Ａ、３０Ｂ、４０Ａ、４０Ｂの先端側には、幅の広い重量部３０ａ、４０ａが設けられている。振動片５０Ａ、５０Ｂ、６０Ａ、６０Ｂの先端側には、幅の広い重量部５０ａ、６０ａが設けられている。
【００１９】
振動子１Ａは、たとえば重心ＧＯおよびその近傍を支持部１００によって実装基板（図示せず）に固定されて利用される。
【００２０】
各軸の回りの回転角速度の検出方法を概略的に述べる。ただし、各軸に対する検出方法における駆動手段および検出手段は周知慣用技術であるので、図示省略する。
【００２１】
まず、Ｚ軸の回りの回転角速度の検出に係る構成および動作について述べる。振動子１Ａの連結部６は、振動子１Ａの重心ＧＯを中心として、４回対称の正方形をしている。連結部６の周縁部から、四方に向かって放射状に、二つの支持部１５Ａ、１５Ｂと二つの第一の検出振動片２０Ａ、２０Ｂとが突出しており、両者は互いに分離されている。第一の駆動振動片１４Ａ、１４Ｂは、支持部１５Ａの先端側から支持部１５Ａに直交する方向に延びるように設けられている。第一の駆動振動片１４Ｃ、１４Ｄは、支持部１５Ｂの先端側から支持部１５Ｂに直交する方向に延びるように設けられている。
【００２２】
駆動モードにおいては、第一の駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを支持部１５Ａ、１５Ｂの末端部分を中心として矢印ＡＹのようにＸＹ面内でＹ軸の方向に屈曲振動させる。検出モードにおいては、支持部１５Ａ、１５Ｂが連結部６への付け根を中心として矢印ＣＸのようにＸ軸の方向に周方向に屈曲振動し、これに対応して第一の検出振動片２０Ａ、２０Ｂが矢印ＢＹのように屈曲振動する。第一の検出振動片２０Ａ、２０Ｂに励起される各検出振動を測定することによって、Ｚ軸の回りの回転角速度を測定する。
【００２３】
次に、Ｘ軸の回りの回転角速度の検出に係る構成および動作について述べる。図２に示すように、連結部６の周縁部から二つの第二の駆動振動片３０Ａ、３０ＢがＸ軸に沿って突出している。また、連結部６における第二の駆動振動片３０Ａ、３０Ｂの付け根に対向する周縁部からＸ軸に沿って二つの第二の検出振動片４０Ａ、４０Ｂが突出している。このように両者は互いに分離されている。
【００２４】
二つの第二の駆動振動片３０Ａ、３０Ｂを連結部６への付け根を中心として矢印ＡＹのように屈曲振動させる。この状態で、振動子１ＡをＸ軸の回りに回転させると、第二の駆動振動片３０Ａ、３０Ｂは、ＢＺのようにＺ軸の方向に振動する。この際、一方の第二の駆動振動片３０Ａの振動の位相と他方の第二の駆動振動片３０Ｂの振動の位相とは逆になる。これに応答して、第二の検出振動片４０Ａ、４０Ｂが、ＣＺのようにＺ軸の方向に互いに逆位相で振動する。第二の検出振動片４０Ａ、４０Ｂに励起される各検出振動に基づいて、互いに逆相の電気信号が発生するので、その差を算出する。この差から、Ｘ軸の回りの回転角速度を算出する。
【００２５】
次に、Ｙ軸の回りの回転角速度の検出に係る構成および動作について述べる。図３に示すように、連結部６の周縁部から第三の駆動振動片５０Ａおよび第三の検出振動片６０ＡがＸ軸およびＹ軸に対して交差する方向に沿って突出している。また、連結部６の周縁部から、第三の駆動振動片５０Ｂおよび第三の検出振動片６０ＢがＸ軸およびＹ軸に対して交差する方向に沿って突出している。第三の駆動振動片５０Ａおよび第三の検出振動片６０Ａと、第三の駆動振動片５０Ｂおよび第三の検出振動片６０Ｂとは、Ｘ軸に対して線対称の位置に配置されている。
【００２６】
二つの第三の駆動振動片５０Ａ、５０Ｂを連結部６への付け根を中心として矢印ＡＸＹのようにＸ軸およびＹ軸に対して交差する方向に向かって屈曲振動させる。この状態で、振動子１ＡをＹ軸の回りに回転させると、第三の駆動振動片５０Ａ、５０Ｂは、ＢＺのようにＺ軸方向に振動する。この際、一方の第三の駆動振動片５０Ａの振動の位相と他方の第三の駆動振動片５０Ｂの振動の位相とは同じになる。これに応答して、第三の検出振動片６０Ａ、６０Ｂが、ＣＺのように互いに順位相で振動する。第三の検出振動片６０Ａ、６０Ｂに励起される各検出振動に基づいて、互いに順位相の電気信号が発生するので、その和を算出する。この和に基づいて、Ｘ軸の回りの回転角速度を算出する。
【００２７】
図４は、第二の実施形態に係る振動子１Ｂの斜視図である。
振動子１Ｂにおいては、第一の実施形態に係る振動子１Ａと同様に、第一の駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄと第一の検出振動片２０Ａ、２０Ｂを利用して、Ｚ軸の回りの回転角速度が検出される。Ｚ軸の回りの回転角速度を検出するときの動作は、図１を参照して説明した振動子１Ａにおける動作と同様なので説明を省略する。
【００２８】
第二の実施形態に係る振動子１ＢにおけるＸ軸およびＹ軸の回りの回転角速度の検出方法が、第一の実施形態に係る振動子１ＡにおけるＸ軸およびＹ軸に対する検出方法と異なっている。
【００２９】
図５は、図４に示す振動子１Ｂにおいて、Ｘ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す。図６は、図４に示す振動子１Ｂにおいて、Ｙ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す。
【００３０】
図５に示すように第二の駆動振動片３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを矢印ＡＸＹの方向に屈曲振動させる。この状態で、振動子１ＡをＸ軸の回りに回転させると、第二の駆動振動片３０Ａ、３０ＢがＢＺのように互いに逆位相で振動し、第二の駆動振動片３０Ｃ、３０ＤがＢＺのように互いに逆位相で振動する。駆動振動片３０Ａの振動の位相と駆動振動片３０Ｄの振動の位相とは同じになる。これに応答して、検出振動片４０Ａ、４０Ｂが、ＣＺのように互いに逆位相で振動する。また、検出振動片４０Ｃ、４０ＤがＣＺのように互いに逆位相で振動する。なお、検出振動片４０Ａの振動の位相と検出振動片４０Ｄの振動の位相とは同じになる。従って、検出振動片４０Ａ、４０Ｄに励起される各検出振動に基づいて得られた電気信号と、４０Ｂ、４０Ｃに励起される各検出振動に基づいて得られた電気信号とは、互いに逆相である。従って、両電気信号の差をとり、この差に基づいて、Ｘ軸の回りの回転角速度を算出する。
【００３１】
図６に示すように第二の駆動振動片３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを矢印ＡＸＹの方向に屈曲振動させる。この状態で、振動子１ＡをＹ軸の回りに回転させると、第二の駆動振動片３０Ａ、３０ＢがＢＺのように互いに順位相で振動し、第二の駆動振動片３０Ｃ、３０ＤがＢＺのように互いに順位相で振動する。なお、第二の駆動振動片３０Ａの振動の位相と第二の駆動振動片３０Ｄの振動の位相とは逆になる。これに応答して、第二の検出振動片４０Ａ、４０Ｂが、ＣＺのように互いに順位相で振動する。また、第二の検出振動片４０Ｃ、４０ＤがＣＺのように互いに順位相で振動する。なお、検出振動片４０Ａの振動の位相と検出振動片４０Ｄの振動の位相とは逆になる。検出振動片４０Ａ、４０Ｂに励起される各検出振動に基づく電気信号と、４０Ｃ、４０Ｄに励起される各検出振動に基づく電気信号とは逆相になるので、両者の差をとり、この差に基づいて、Ｙ軸の回りの回転角速度を算出する。
【００３２】
各振動子の材質は特に限定しないが、水晶、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがある。振動子は、圧電材料や恒弾性合金の他に、シリコンマイクロマシンにおいて使用されるように、シリコン半導体プロセスによって形成することもできる。
【００３３】
駆動振動片、検出振動片には、公知の駆動手段、検出手段を設ける。このような駆動手段、検出手段は、例えば圧電性材料に設けられた金属電極であってよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、少なくとも互いに直交する第一の軸および第二の軸の回りの各回転角速度を検出するときに利用される振動子において、出力信号のノイズやバラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る振動子１Ａの平面図である。
【図２】図１の振動子１ＡにおいてＸ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す図である。
【図３】図１の振動子１ＡにおいてＹ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第二の実施形態に係る振動子１Ｂの平面図である。
【図５】図４の振動子１ＢにおいてＸ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す図である。
【図６】図４の振動子１ＢにおいてＹ軸の回りの回転角速度を検出するときに利用される要部を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ振動子６連結部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ第一の駆動振動片２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ第一の検出振動片３０Ａ、３０Ｂ第二の駆動振動片４０Ａ、４０Ｂ第二の検出振動片５０Ａ、５０Ｂ第三の駆動振動片６０Ａ、６０Ｂ第三の検出振動片

Claims

少なくとも互いに直交する第一の軸および第二の軸の回りの各回転角速度を検出するときに利用される振動子であって、
前記第一の軸の回りの回転角速度を検出するための第一の駆動振動片および第一の検出振動片と、
前記第二の軸の回りの回転角速度を検出するための第二の駆動振動片および第二の検出振動片と、
前記第一の駆動振動片、前記第一の検出振動片、前記第二の駆動振動片、および前記第二の検出振動片を接続している連結部と
を備えており、
前記第一の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数が、前記第二の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数と異なっており、前記振動子が所定の平面に沿って延びており、前記第一の軸が前記平面に垂直な軸であることを特徴とする、振動子。
前記第一の駆動振動片の駆動振動モードが、前記第二の駆動振動片の駆動振動モードと倍数波の関係にないことを特徴とする、請求項１記載の振動子。
第三の軸の回りの回転角速度を検出するための第三の駆動振動片および第三の検出振動片をさらに備えており、
前記連結部が、前記第三の駆動振動片および前記第三の検出振動片をさらに接続していることを特徴とする、請求項１または２記載の振動子。
前記第一の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数が、前記第三の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数と異なっていることを特徴とする、請求項３記載の振動子。
前記第二の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数が、前記第三の駆動振動片の駆動振動モードの固有共振周波数と異なっていることを特徴とする、請求項３または４記載の振動子。
請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の振動子を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。