JP4415383B2 - 振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサ - Google Patents

Description

本発明は角速度の検出に用いる振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサに関する。

近年、撮像機器の手ぶれ補正や、ＧＰＳ衛星信号を用いた車両等の移動体ナビゲーションシステムの姿勢制御として、振動ジャイロ素子を容器に収容したジャイロセンサが多く用いられている。
振動ジャイロ素子として、例えば、中央の基部から延出する検出振動系と、略Ｔ字型の駆動振動系を中央の基部に左右対称となるように配置した所謂、ダブルＴ型振動ジャイロ素子が知られている（特許文献１、図１参照）。

特開２００１−１２９５５号公報（図１）

このようなダブルＴ型振動ジャイロ素子において、駆動振動が基部に漏洩して基部から延出する検出振動系に微小な振動を与え、角速度が加わらない状態でもこの振動による歪を角速度として検出してしまう問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、振動ジャイロ素子において基部に漏洩する駆動振動を抑圧し、角速度の誤検出を防止する振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の振動ジャイロ素子は、基部と、前記基部の周縁部
から直線状に前記基部を挟む両側へ延出された１対の検出用振動腕と、前記基部の周縁部
から直線状に前記基部を挟み且つ、前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の
連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して前記連結腕を挟む両側へ延出された
各１対の駆動用振動腕と、
前記基部の周縁部から延出される４本の梁と、前記各梁の先端に接続する支持部と、を
同一平面に備え、前記支持部と支持台とを固定する為の固定部材を備え、前記基部を前記
梁と前記支持部及び前記固定部材からなる支持構造を介して前記支持台に支持した構成を
有し、前記基部と前記検出用振動腕と前記連結腕と前記駆動用振動腕と前記梁および前記
支持部とが水晶板から形成された一体構造であり、前記各梁は前記基部より一旦、前記駆
動用振動腕の延出する方向と略直交する方向に延出した第１の構成部分と、前記駆動用振
動腕の延出した方向と略平行な構成を有し且つ前記第１の構成部分の先端部から延出した
第２の構成部分と、前記第１の構成部分と略平行な構成を有し且つ前記第２の構成部分の
先端部分から前記第１の構成部分の延出方向とは略逆方向に延出した第３の構成部分と、
前記駆動用駆動腕の延出した方向と略平行な構成を有し且つ前記第３の構成部分の先端部
から前記駆動用駆動腕の延出した方向に延出した第４の構成部分と、前記第１の構成部分
と略同一方向に延出した構成を有し且つ前記第４の構成部分の先端部から延出した第５の
構成部分と、を有するＳ字状の梁を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、基部から駆動用振動腕の延出する方向と略直交する方向に延出する梁により、漏洩する駆動振動を抑圧でき角速度の誤検出を防止することができる。

本発明の振動ジャイロ素子は、前記梁および前記支持部は振動ジャイロ素子の重心に対して回転対称な位置に設けられていることが望ましい。

この構成によれば、振動ジャイロ素子のバランスが確保でき、安定した姿勢を保つことができる。

本発明の振動ジャイロ素子の支持構造は、前記の振動ジャイロ素子と、前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、を備えることを特徴とする。

この支持構造によれば、漏洩する駆動振動を抑圧でき角速度の誤検出を防止することができる。

本発明の振動ジャイロ素子の支持構造において、前記固定部材は弾性を有する材料であることが望ましい。

この構成によれば、固定部材が弾性を有しているので、外部からの振動或は衝撃を和らげ、振動ジャイロ素子の駆動振動および検出振動を安定に保つことができる。そして、支持部に漏洩してきている微小の振動を、固定部材が緩衝材として機能し、駆動振動および検出振動への影響を低減することができる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記の振動ジャイロ素子と、前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、前記振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、前記振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記振動ジャイロ素子に生ずる検出振動を検出する検出回路と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、基部に漏洩する駆動振動を抑圧し、角速度の誤検出を防止する振動ジャイロ素子を搭載し、特性の優れたジャイロセンサを提供することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（実施形態）

図１は本実施形態の振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。
振動ジャイロ素子１は、圧電材料である水晶から形成されている。水晶には電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸および光学軸と呼ばれるＺ軸を有している。そして、振動ジャイロ素子１はＺ軸方向に所定の厚みを持ち、ＸＹ平面内に形成されている。

振動ジャイロ素子１は、基部１０から図中上下両側へ直線状に延出する１対の検出用振動腕１１ａ，１１ｂと、基部１０から該検出用振動腕１１ａ，１１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出する１対の連結腕１３ａ，１３ｂと、各連結腕１３ａ，１３ｂの先端部から検出用振動腕１１ａ，１１ｂと平行に図中上下両側へ延出する左右各１対の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂとを有している。
また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂ表面には検出電極（図示せず）が形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ表面には駆動電極（図示せず）が形成されている。このように、検出用振動腕１１ａ，１１ｂにて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕１３ａ，１３ｂと駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂにて振動ジャイロ素子を駆動する駆動振動系を構成している。

また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂのそれぞれの先端部には重り部１２ａ，１２ｂが形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂのそれぞれの先端部には重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが形成されている。このことにより、振動ジャイロ素子の小型化および角速度の検出感度の向上が図られている。なお、ここで検出用振動腕１１ａ，１１ｂは重り部１２ａ，１２ｂをそれぞれ含み、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂは重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂをそれぞれ含んだ名称である。

さらに、基部１０から該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと略直交する向きに一旦、図中左右両側へ延出し、途中で該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと平行に延出するＬ字状の梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが形成され、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂの先端はそれぞれ支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂに接続されている。
そして、この支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを支持接着することにより、振動ジャイロ素子１の支持を可能としている。
また、この梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂおよび支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは、振動ジャイロ素子１の重心Ｇに対して回転対称な位置に配置されている。

次に、振動ジャイロ素子１の動作について説明する。
図２および図３は振動ジャイロ素子１の動作を説明する模式平面図である。図２は駆動振動状態を示し、図３は角速度が加わった状態における検出振動状態を示している。なお、図２および図３において、振動形態を簡易に表現するために、各振動腕および各梁は線で表している。

図２において、振動ジャイロ素子１の駆動振動状態を説明する。振動ジャイロ素子１は角速度が加わらない状態において、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂが矢印Ｅで示す方向に屈曲振動を行う。この屈曲振動は、実線で示す振動姿態と二点鎖線で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返している。このとき、基部１０には矢印Ｆで示すような力が働く。つまり、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの屈曲振動に従い、基部１０には引張りと圧縮の力が交互に働く振動となる。この振動は駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの屈曲振動に比べて微小な振動である。

この微小な振動は、左右の駆動振動バランスが崩れた場合には、重心Ｇを中心として基部１０を回転させるように働き、検出振動腕１１ａ，１１ｂを微小に振動させようとするが、基部１０から駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと直交する向きに一旦延出した構成を有する梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂによって基部１０の振動を抑圧する。このため、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは振動することがない。

次に、この駆動振動を行っている状態で、振動ジャイロ素子１にＺ軸回りの角速度ωが加わると、図３に示すような振動を行う。まず、図３（ａ）のように、駆動振動系を構成する駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび連結腕１３ａ，１３ｂに矢印Ｂ方向のコリオリ力が働く。また同時に、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは矢印Ｂのコリオリ力に呼応して、矢印Ｃ方向に変形する。その後、図３（ｂ）のように、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび連結腕１３ａ，１３ｂに矢印Ｂ´方向に戻る力が働く。同時に、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは矢印Ｂ´方向の力に呼応して、矢印Ｃ´方向に変形する。この動きを交互に繰り返して新たな振動が励起される。
なお、矢印Ｂ，Ｂ´方向の振動は重心Ｇに対して周方向の振動である。そして、検出用振動腕１１ａ，１１ｂに形成した検出電極が、振動により発生した圧電材料の歪を検出して角速度が求められる。

また、この検出振動状態では、図３に示すように基部１０の周縁部は梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが、基部１０との接続点、支持部との接続点との他に駆動用振動腕１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂの延出する方向と略直交する方向に延出した部分と、駆動用振動腕の延出した方向と平行に延出した部分との接続点（折れ曲がりの構成）が曲げ伸びするように撓み、矢印Ｄ，Ｄ´方向に、重心Ｇに対して周方向に振動する。これは、検出振動が駆動振動系と検出用振動腕１１ａ，１１ｂとの釣り合い振動だけでなく、基部１０を含めた釣り合い振動となっているためである。
この矢印Ｄ，Ｄ´で示す基部１０の周縁部の振動振幅は、矢印Ｂ，Ｂ´で示す駆動振動系の振動振幅、または矢印Ｃ，Ｃ´で示す検出用振動腕１１ａ，１１ｂの振動振幅に比べて微小であるが、例えば基部１０を固定した場合、この固定により基部１０の周縁部の振動が抑圧され、検出振動も抑圧される。このことから、基部１０を固定することは角速度の検出感度を低下させることになる。

次に、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサについて、図４を用いて説明する。図４はジャイロセンサを示す概略断面図であり、振動ジャイロ素子１を図１のＡ−Ａ断線に沿う断面として表している。

ジャイロセンサ８０は、振動ジャイロ素子１、ＩＣ８４、収容器８１、蓋体８６を備えている。セラミックなどで形成された収容器８１の底面にはＩＣ８４が配置され、Ａｕなどのワイヤ８５で収容器８１に形成された配線（図示せず）と電気的接続がなされている。ＩＣ８４には振動ジャイロ素子１を駆動振動させるための駆動回路と、角速度が加わったときに振動ジャイロ素子１に生ずる検出振動を検出する検出回路とを含んでいる。振動ジャイロ素子１は、収容器８１に形成された支持台８２と振動ジャイロ素子１の支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂとを導電性接着剤などの固定部材８３を介して、接着支持されている。また、支持台８２表面には配線（図示せず）が形成され、振動ジャイロ素子１の電極と配線間の導通が固定部材８３を介してなされている。この固定部材８３は、弾性のある材料であることが望ましい。弾性を有する固定部材８３としてはシリコーンを基材とする導電性接着剤などが知られている。そして、収容器８１の上部で収容器８１内を真空雰囲気に保持され、蓋体８６にて封止されている。

以上のように、本実施形態の振動ジャイロ素子１および振動ジャイロ素子１の支持構造は、基部１０から一旦、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの延出する方向と略直交する方向に延出する梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂにより、漏洩する駆動振動を抑圧でき角速度の誤検出を防止することができる。
また、検出振動において、基部１０から延出する梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂは水晶で形成されているため弾性を有し、基部１０の周縁部の振動が抑圧されることが無く、角速度の検出感度が低下することがない。

さらに、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂおよび支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは振動ジャイロ素子１の重心Ｇに対して回転対称な位置に設けられていることから、振動ジャイロ素子１のバランスが確保でき、安定した姿勢を保つことができ良好な特性を得ることができる。

また、振動ジャイロ素子１の支持構造において、固定部材８３は弾性を有する材料で構成されているため、外部からの振動および衝撃を和らげ、駆動振動および検出振動を安定に保つことができる。そして、支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂに漏洩してきている微小の振動を、固定部材８３が緩衝材として機能し、駆動振動および検出振動への影響を低減することができる。

さらに、上記支持構造で支持された振動ジャイロ素子１を搭載したジャイロセンサ８０は、角速度の誤検出を防止する振動ジャイロ素子１を搭載し、特性の優れたジャイロセンサ８０を提供することができる。
（振動ジャイロ素子の変形例）

図５から図９は振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図である。これらの変形例では図１に示した梁および支持部の形状に特徴を有し、図１と同じ構成部については同符号を付し、説明を省略する。

図５において、振動ジャイロ素子２には基部１０の４箇所の角部から、一旦各駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと略直交する方向に延出した、略Ｓ字状の梁３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂが設けられている。梁３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂの先端は支持部３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂにそれぞれ連結されている。
そして、振動ジャイロ素子２は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

次に、図６において、振動ジャイロ素子３には基部１０の４箇所の角部から該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと略直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと平行に延出するＬ字状の梁４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂが設けられている。梁４０ａ，４０ｂの先端は共に支持部４２に連結され、梁４１ａ，４１ｂは共に支持部４３に連結されている。
そして、振動ジャイロ素子３は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部４２，４３を導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図７は、図６における検出用振動腕１１ａ，１１ｂをさらに短く形成した場合の変形例である。図７において、振動ジャイロ素子４には基部１０の４箇所の角部から該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと略直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと平行に延出するＬ字状の梁５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂが設けられている。梁５０ａ，５０ｂの先端は支持部５２に連結され、梁５１ａ，５１ｂは支持部５３に連結されている。
この１対の支持部５２，５３は、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。
そして、振動ジャイロ素子４は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部５２，５３を導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図８において、振動ジャイロ素子５には基部１０の４箇所の角部から、該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと略直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと平行に延出するＬ字状の梁６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂが設けられている。梁６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂは、それぞれ支持部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄに接続されている。さらに、支持部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄは、基部１０、検出用振動腕１１ａ，１１ｂ、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂを取り囲むように形成した枠部６２に連結されている。
そして、振動ジャイロ素子５は、前述の実施形態と同様な支持構造で、少なくとも支持部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄあるいは枠部６２を導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図９は、図１で説明した振動ジャイロ素子１において、重り部１２ａ，１２ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを設けない形態である。
図９において、振動ジャイロ素子６には基部１０の４箇所の角部から、該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと略直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと平行に延出するＬ字状の梁７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂが設けられている。梁７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂは、それぞれ支持部７２ａ，７２ｂ，７３ａ，７３ｂに接続されている。
そして、振動ジャイロ素子６は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部７２ａ，７２ｂ，７３ａ，７３ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

以上の振動ジャイロ素子の変形例においても、基部１０から駆動用振動腕に一旦、略直交する方向に延出する梁により、漏洩する駆動振動を抑圧でき角速度の誤検出を防止することができる。
また、振動ジャイロ素子の材料である水晶は固有の弾性を有しているが、基部１０から延出する梁の長さおよび形状を適宜変えることにより、梁の弾性を調整することができる。このことから、基部１０に伝わる振動の抑圧を調整でき、安定した駆動振動および検出振動を得ることができる。
このように、振動ジャイロ素子の変形例においても、本実施形態で説明したのと同様の作用を有し、同様の効果を享受することができる。

なお、本実施形態の振動ジャイロ素子はフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で一体に形成することができ、また、１枚の水晶ウエハから多数の振動ジャイロ素子を形成することができる。
また、本実施形態において、梁を基部より一旦駆動用振動腕に略直交して延出させ、途中から駆動用振動腕に平行に設けたが、その途中から駆動用振動腕に平行ではなく、ある角度を持って設け、梁としての弾性を持たせるように構成してもよい。
また、振動ジャイロ素子の材料として、他の圧電材料であるタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）或はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₅）などを利用しても良い。さらに、圧電材料だけでなくエリンバ材に代表される恒弾性材料を用いて実施することも可能である。

本実施形態の振動ジャイロ素子を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の駆動振動状態を説明する模式平面図。 振動ジャイロ素子の検出振動状態を説明する模式平面図。 ジャイロセンサを示す概略断面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。

符号の説明

１，２，３，４，５，６…振動ジャイロ素子、１０…基部、１１ａ，１１ｂ…検出用振動腕、１３ａ，１３ｂ…連結腕、１４ａ，１４ｂ…駆動用振動腕、１５ａ，１５ｂ…駆動用振動腕、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ…梁、２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ…支持部、８０…ジャイロセンサ、８２…支持台、８３…固定部材、８４…駆動回路と検出回路を含むＩＣ、Ｇ…重心。

Claims (4)

1. 基部と、
   前記基部の周縁部から直線状に前記基部を挟む両側へ延出された１対の検出用振動腕と
   、
   前記基部の周縁部から直線状に前記基部を挟み且つ、前記検出用振動腕に直交する方向
   に延出された１対の連結腕と、
   前記各連結腕の先端部からそれと直交して前記連結腕を挟む両側へ延出された各１対の
   駆動用振動腕と、
   前記基部の周縁部から延出される４本の梁と、
   前記各梁の先端に接続する支持部と、を同一平面に備え、
   前記支持部と支持台とを固定する為の固定部材を備え、
   前記基部を前記梁と前記支持部及び前記固定部材からなる支持構造を介して前記支持台に
   支持した構成を有し、
   前記基部と前記検出用振動腕と前記連結腕と前記駆動用振動腕と前記梁および前記支持
   部とが水晶板から形成された一体構造であり、
   前記各梁は前記基部より一旦、前記駆動用振動腕の延出する方向と略直交する方向に延
   出した第１の構成部分と、前記駆動用振動腕の延出した方向と略平行な構成を有し且つ前
   記第１の構成部分の先端部から延出した第２の構成部分と、前記第１の構成部分と略平行
   な構成を有し且つ前記第２の構成部分の先端部分から前記第１の構成部分の延出方向とは
   略逆方向に延出した第３の構成部分と、
   前記駆動用駆動腕の延出した方向と略平行な構成を有し且つ前記第３の構成部分の先端部
   から前記駆動用駆動腕の延出した方向に延出した第４の構成部分と、前記第１の構成部分
   と略同一方向に延出した構成を有し且つ前記第４の構成部分の先端部から延出した第５の
   構成部分と、を有するＳ字状の梁を備えたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
2. 請求項１に記載の振動ジャイロ素子において、前記梁および前記支持部は振動ジャイロ
   素子の重心に対して回転対称な位置に設けられていることを特徴とする振動ジャイロ素子
   。
3. 請求項２に記載の振動ジャイロ素子の支持構造において、
   前記固定部材は弾性を有する材料であることを特徴とする振動ジャイロ素子の支持構造
   。
4. 請求項１または２に記載の振動ジャイロ素子と、
   前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
   前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、
   前記振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、
   前記振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記振動ジャイロ素子に生ずる検出振
   動を検出する検出回路と、
   を備えることを特徴とするジャイロセンサ。

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