JP5294142B2 - Vibration gyro sensor - Google Patents
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Description
本発明は、角速度を検出するための振動ジャイロセンサに関する。 The present invention relates to a vibration gyro sensor for detecting angular velocity.
角速度センサの一つとして、駆動振動子を所定の共振周波数で励振させ、角速度の影響によって生じるコリオリ力を検出振動子で検出することによって角速度を検出する振動ジャイロセンサが広く利用されている。振動ジャイロセンサの構造として、例えば、音叉型ジャイロセンサ(特許文献1)、片持ち梁ジャイロセンサ(特許文献2)、及びH型ジャイロセンサ(特許文献3)などが知られている。 As one of angular velocity sensors, a vibration gyro sensor that detects an angular velocity by exciting a driving vibrator at a predetermined resonance frequency and detecting a Coriolis force generated by the influence of the angular velocity with a detection vibrator is widely used. As a structure of the vibration gyro sensor, for example, a tuning fork type gyro sensor (Patent Document 1), a cantilever gyro sensor (Patent Document 2), an H-type gyro sensor (Patent Document 3), and the like are known.
ジャイロセンサのセンサ特性を評価する重要な特性として、感度特性(振幅)と応答特性(応答安定性)とがある。振動子の振幅が大きい程、感度特性に優れている。また、振動子が過度状態から安定状態に落ち着く迄の時間が短い程、応答特性に優れている。これらのセンサ特性を振動子のクオリティファクタ(Q値)というパラメータで評価すると、Q値を大きくすれば、感度は大きくなるが、応答特性の悪いセンサ特性となる。一方、Q値を小さくすれば、応答特性は良くなるが、感度の小さいセンサ特性となる。ここで、Q値とは、(振動子が蓄えるエネルギー)/(1周期で振動子に与えるエネルギー)であり、振動子の効率の指標となるパラメータである。振動子の損失が大きくなる程、Q値は小さくなる。 There are sensitivity characteristics (amplitude) and response characteristics (response stability) as important characteristics for evaluating the sensor characteristics of the gyro sensor. The larger the amplitude of the vibrator, the better the sensitivity characteristic. Further, the shorter the time until the vibrator settles from an excessive state to a stable state, the better the response characteristics. When these sensor characteristics are evaluated by a parameter called a quality factor (Q value) of the vibrator, if the Q value is increased, the sensitivity increases, but the sensor characteristics have poor response characteristics. On the other hand, if the Q value is reduced, the response characteristic is improved, but the sensor characteristic is low in sensitivity. Here, the Q value is (energy stored by the vibrator) / (energy given to the vibrator in one cycle), and is a parameter serving as an index of the efficiency of the vibrator. As the loss of the vibrator increases, the Q value decreases.
先行技術の中には、駆動振動子の材質と検出振動子の材質とを互いに異なる材質とし、Q値が大きい駆動振動子とQ値が小さい検出振動子とを組み合わせることで、振動ジャイロセンサを構成するものが知られている(特許文献4)。
しかし、特許文献4に記載の構成では、異質の材質から成る振動子を接合するために、駆動振動子の共振周波数と検出振動子の共振周波数とを精度よく調整することが困難であるという技術的課題に加えて、コリオリ力による微小振動が検出振動子に測定可能な程度の振幅で誘起されるか否かが不明であるという技術的課題が残されている。 However, in the configuration described in Patent Document 4, it is difficult to accurately adjust the resonance frequency of the drive vibrator and the resonance frequency of the detection vibrator in order to join the vibrators made of different materials. In addition to the technical problem, there remains a technical problem that it is unclear whether or not micro vibration due to the Coriolis force is induced in the detection vibrator with a measurable amplitude.
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、感度特性と応答特性とに優れた振動ジャイロセンサを提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a vibration gyro sensor excellent in sensitivity characteristics and response characteristics.
上記の課題を解決するため、本発明の第一の側面に係わる振動ジャイロセンサは、同一のシリコン基板から形成される駆動振動子と検出振動子とを備える。ここで、駆動振動子は、駆動振動子の振動方向と平行な方向のシリコン基板の結晶方位におけるヤング率が最大になるように形成され、検出振動子は、検出振動子の振動方向と平行な方向のシリコン基板の結晶方位におけるヤング率が最小になるように形成されている。 In order to solve the above problem, a vibration gyro sensor according to a first aspect of the present invention includes a drive vibrator and a detection vibrator formed from the same silicon substrate . Here, the drive vibrator is formed so that the Young's modulus in the crystal orientation of the silicon substrate in the direction parallel to the vibration direction of the drive vibrator is maximized, and the detection vibrator is parallel to the vibration direction of the detection vibrator. It is formed so that the Young's modulus in the crystal orientation of the silicon substrate in the direction is minimized.
感度特性に強く関係するのは、駆動振動子のQxであり、Qxが大きい方が振動曲率は増大する。一方、応答特性に関係するのは、検出振動子のQyであり、Qyが小さい方が応答特性は向上する。ここで、検出振動子の振動方向と平行な方向の材質のヤング率を、駆動振動子の振動方向と平行な方向の材質のヤング率よりも小さくすることで、振動ジャイロセンサの感度特性に関係する駆動振動子のQxはそのままにしつつ、応答特性に関係する検出振動子のQyのみを低下させることが可能となるので、感度特性を維持したまま、応答特性を向上させることができる。 The strongly related to the sensitivity characteristic is the Q x of the driving oscillator, who Q x is large vibration curvature increases. On the other hand, to relate to the response characteristics is Q y of the detection vibrator, who Q y is small response characteristics are improved. Here, by making the Young's modulus of the material in the direction parallel to the vibration direction of the detection vibrator smaller than the Young's modulus of the material in the direction parallel to the vibration direction of the drive vibrator, it is related to the sensitivity characteristics of the vibration gyro sensor. the Q x of the drive vibrators while leaving its, it becomes possible to lower only the Q y of the detection vibrator related to the response characteristics, while maintaining the sensitivity characteristic, it is possible to improve the response characteristics.
本発明の第二の側面に係わる振動ジャイロセンサは、駆動振動子に接続される第一の基部と、検出振動子に接続される第二の基部と、第一の基部と第二の基部とを接続する支持部とを更に備える。検出振動子と第二の基部との接続部分は、駆動振動子と第一の基部との接続部分よりも細く形成されている。これにより、検出振動子の動作が駆動振動子の動作よりも柔らかくなるので、振動ジャイロセンサの感度特性に関係する駆動振動子のQxを低下させることなく、応答特性に関係する検出振動子のQyのみを低下させることが可能となり、感度特性を維持したまま、応答特性を向上させることができる。 The vibration gyro sensor according to the second aspect of the present invention includes a first base connected to the drive vibrator, a second base connected to the detection vibrator, a first base, and a second base. And a support part for connecting the two. A connection portion between the detection vibrator and the second base is formed to be thinner than a connection portion between the drive vibrator and the first base. Thus, the operation of the detection vibrator is softer than the operation of the drive vibrator, without reducing the Q x of the drive vibrator related to the sensitivity characteristics of the vibration gyro sensor, the detection vibrator related to the response characteristics it is possible to reduce the Q y only, while maintaining the sensitivity characteristic, it is possible to improve the response characteristics.
本発明の第三の側面に係わる振動ジャイロセンサでは、検出振動子は、第一の検出振動アームと、第二の検出振動アームとを含む。第一の検出振動アームと第二の検出振動アームとは、第二の基部において交差するように形成されている。これにより、第一及び第二の検出振動アームの振動方向と平行な方向の材質の結晶方位におけるヤング率が、駆動振動子の振動方向と平行な方向の材質の結晶方位におけるヤング率よりも小さくなる向きに第一及び第二の検出振動アームを形成できる。 In the vibration gyro sensor according to the third aspect of the present invention, the detection vibrator includes a first detection vibration arm and a second detection vibration arm. The first detection vibration arm and the second detection vibration arm are formed so as to intersect at the second base portion. Thereby, the Young's modulus in the crystal orientation of the material in the direction parallel to the vibration direction of the first and second detection vibrating arms is smaller than the Young's modulus in the crystal orientation of the material in the direction parallel to the vibration direction of the drive vibrator. The first and second detection vibration arms can be formed in such a direction.
本発明によれば、振動ジャイロセンサの感度特性を維持したまま、応答特性を向上させることができる。 According to the present invention, the response characteristic can be improved while maintaining the sensitivity characteristic of the vibration gyro sensor.
本実施形態では、振動ジャイロセンサのセンサ特性を、力学的な振動モデルにより解析する。解析対象とする振動ジャイロセンサの形状は、一般的に広く使用されている音叉型や片持ち梁などであるが、基本的な考え方は、その他の形状に対しても広く適用可能である。 In this embodiment, the sensor characteristic of the vibration gyro sensor is analyzed by a dynamic vibration model. The shape of the vibration gyro sensor to be analyzed is a tuning fork type or a cantilever beam that is widely used in general, but the basic concept can be widely applied to other shapes.
振動ジャイロセンサの動作を、駆動振動方向とそれに直角な検出振動方向とに分け、結合した二つの振動子としてモデル化する。ここでは、それぞれの振動子を駆動振動子、検出振動子と称する。駆動振動子の変位をx、検出振動子の変位をyとして、それぞれの運転方程式を記述すると、(F1)式〜(F2)式が成立する。
md2x/dt2=−kxx−2mαxdx/dt+Fejωt …(F1)
md2y/dt2=−kyy−2mαydy/dt+γysx+2mβcdx/dt …(F2)
The operation of the vibration gyro sensor is divided into a drive vibration direction and a detection vibration direction perpendicular thereto, and is modeled as two coupled vibrators. Here, each vibrator is referred to as a drive vibrator and a detection vibrator. When each driving equation is described with the displacement of the drive vibrator as x and the displacement of the detection vibrator as y, the equations (F1) to (F2) are established.
md 2 x / dt 2 = -k x x-2mα x dx / dt + Fe j ω t ... (F1)
md 2 y / dt 2 = -k y y-2mα y dy / dt + γ ys x + 2mβ c dx / dt ... (F2)
(F1)式は、駆動振動子の運動方程式を示している。左辺は、駆動振動子の質量×加速度を示している。mは、駆動振動子の質量である。右辺は、駆動振動子に印加される力を示している。変位に対する復元力は、微小変位であれば、一般に変位に比例するものとして近似できるので、右辺の第1項では、その比例定数をkxとしている。また、駆動振動子に損失を与える損失項として、速度に比例する力を考慮し、右辺の第2項では、その比例定数を2mαxとしている。右辺の第3項は、振幅F、角振動数ωの正弦関数的な振動力を表している。 Equation (F1) shows the equation of motion of the drive vibrator. The left side shows the mass × acceleration of the drive vibrator. m is the mass of the drive vibrator. The right side shows the force applied to the drive vibrator. Since the restoring force with respect to the displacement can be approximated as being generally proportional to the displacement if it is a minute displacement, the proportional constant is k x in the first term on the right side. Further, as a loss term that gives a loss to the drive vibrator, a force proportional to the speed is taken into consideration, and in the second term on the right side, the proportionality constant is 2mα x . The third term on the right side represents a sinusoidal vibration force having an amplitude F and an angular frequency ω.
(F2)式は、検出振動子の運動方程式を示している。左辺は、検出振動子の質量×加速度を示している。mは検出振動子の質量である。右辺は、検出振動子に印加される力を示している。右辺の第1項、及び第2項の意味は、(1)式の右辺の第1項、及び第2項と同じ意味である。但し、材料特性や形状によって振動方向による復元力や損失に差異があると考えられるので、駆動振動子のそれとは異なる比例定数ky、及び2mαyを用いている。第3項は、駆動振動子から検出振動子への機械的結合を示すものとして、駆動振動の変位xに比例する力を表現している。γyxxは、駆動振動子から検出振動子への機械的結合を示している。振動ジャイロセンサでは、回転が加わった場合、その角速度βcと振動子の速度に比例したコリオリ力がその速度に垂直に働く。即ち、検出振動子は、コリオリ力によって駆動される。右辺の第4項では、その力の比例定数を2mβcとし、コリオリ力による駆動振動子と検出振動子との結合を表現している。 Equation (F2) represents the equation of motion of the detection vibrator. The left side shows the mass × acceleration of the detection vibrator. m is the mass of the detection vibrator. The right side shows the force applied to the detection vibrator. The meanings of the first term and the second term on the right side are the same as the first term and the second term on the right side of the equation (1). However, since it is considered that there is a difference in restoring force and loss depending on the vibration direction depending on the material characteristics and shape, proportional constants k y and 2mα y different from those of the driving vibrator are used. The third term expresses a force proportional to the displacement x of the drive vibration as indicating mechanical coupling from the drive vibrator to the detection vibrator. γ yx x indicates mechanical coupling from the drive vibrator to the detection vibrator. In the vibration gyro sensor, when rotation is applied, a Coriolis force proportional to the angular velocity β c and the velocity of the vibrator works perpendicularly to the velocity. That is, the detection vibrator is driven by Coriolis force. In the fourth term on the right side, the proportionality constant of the force is 2 mβ c , and the coupling between the drive vibrator and the detection vibrator due to the Coriolis force is expressed.
ここで、駆動振動子のクオリティファクタをQxとし、検出振動子のクオリティファクタをQyとすると、(F3)式〜(F4)式が成立する。
Qx=ωx/2αx=1/2ηx=sqr(kx/m)/2αx …(F3)
Qy=ωy/2αy=R/2ηy=sqr(ky/m)/2αy …(F4)
Here, when the quality factor of the driving vibrator is Q x and the quality factor of the detection vibrator is Q y , the equations (F3) to (F4) are established.
Q x = ω x / 2α x = 1 / 2η x = sqr (k x / m) / 2α x (F3)
Q y = ω y / 2α y = R / 2η y = sqr (k y / m) / 2α y ... (F4)
ここで、ωx及びωyは、それぞれ、摩擦が存在しない場合(αx=αy=0)の駆動振動子及び検出振動子の共振周波数である。αx及びαyは、それぞれ、駆動振動子及び検出振動子の速度に比例する損失項の比例係数である。ηx及びηyは、損失項の比例定数をωxで除した損失の大きさを示すパラメータである。Rは、駆動振動子と検出振動子の共振周波数がどれだけ異なるかを比率で示した無次元量で、R=ωy/ωxである。関数sqrは、引数の平方根を返値とする関数である。 Here, ω x and ω y are resonance frequencies of the drive vibrator and the detection vibrator when there is no friction (α x = α y = 0), respectively. α x and α y are proportional coefficients of loss terms proportional to the speeds of the drive vibrator and the detection vibrator, respectively. η x and η y are parameters indicating the magnitude of loss obtained by dividing the proportionality constant of the loss term by ω x . R is a dimensionless amount indicating how much the resonance frequency of the drive vibrator and the detection vibrator is different, and R = ω y / ω x . The function sqr is a function whose return value is the square root of the argument.
次に、検出振動子の振幅とQx及びQyとの関係について考察する。
損失の小さい振動ジャイロセンサを駆動振動子の共振周波数ωxで動作させた場合、検出振動子の振幅をρy、駆動力をFとして、(F5)式〜(F6)式が成立する。
ρy=FQx/mωx 2[(Rm 4+4ε2)/{(R2−1)2+R2/Qy 2}]1/2 …(F5)
Rm=(γyx/m)1/2/ωx …(F6)
Next, the relationship between the amplitude of the detection vibrator and Q x and Q y will be considered.
When a vibration gyro sensor with a small loss is operated at the resonance frequency ω x of the drive vibrator, Expressions (F5) to (F6) are established, where the amplitude of the detection vibrator is ρ y and the drive force is F.
ρ y = FQ x / mω x 2 [(R m 4 + 4ε 2 ) / {(R 2 −1) 2 + R 2 / Q y 2 }] 1/2 (F5)
R m = (γ yx / m) 1/2 / ω x (F6)
図1はQyを一定にしてQxを変化させたときに得られるグラフである。このグラフにおいて、横軸は共振周波数の比Rを示し、縦軸は振幅ρyを示している。このグラフに示すように、検出振動子の振幅ρyは、Qxの低下とともに小さくなることが分かる。図2はQxを一定にしてQyを変化させたときに得られるグラフである。このグラフにおいて、横軸は共振周波数の比Rを示し、縦軸は振幅ρyを示している。実線のグラフと破線のグラフは重なっているため、図面上は実線のグラフのみ表示されている。このグラフに示すように、検出振動子の振幅ρyは、Qyの低下に殆ど影響されないことが分かる。以上の考察をまとめると、検出振動子の振幅ρyは、駆動振動子のQxの低下とともに小さくなる一方、検出振動子のQyには、影響されないことが判明した。 FIG. 1 is a graph obtained when Q x is changed while keeping Q y constant. In this graph, the horizontal axis represents the resonance frequency ratio R, and the vertical axis represents the amplitude ρ y . As shown in this graph, it can be seen that the amplitude ρ y of the detection vibrator decreases as Q x decreases. FIG. 2 is a graph obtained when Q y is changed while Q x is constant. In this graph, the horizontal axis represents the resonance frequency ratio R, and the vertical axis represents the amplitude ρ y . Since the solid line graph and the broken line graph overlap, only the solid line graph is displayed in the drawing. As shown in this graph, it can be seen that the amplitude ρ y of the detection vibrator is hardly influenced by a decrease in Q y . To summarize the above considerations, it has been found that the amplitude ρ y of the detection vibrator decreases as Q x of the drive vibrator decreases, but is not affected by Q y of the detection vibrator.
次に、検出振動子の応答特性とQx及びQyとの関係について考察する。
検出振動子の応答特性を表す時定数τyは、Qxに依存しない(F7)式のように記述できる。
τy=1/αy=1/ωxηy=2Qy/ωy=R/ωyηy …(F7)
Next, the relationship between the response characteristics of the detection vibrator and Q x and Q y will be considered.
The time constant τ y representing the response characteristic of the detection vibrator can be described as an equation (F7) that does not depend on Q x .
τ y = 1 / α y = 1 / ω x η y = 2Q y / ω y = R / ω y η y (F7)
ステップ状の角速度を振動ジャイロセンサに入力し、駆動振動が最大となるタイミングで検出振動を検出した場合の振幅ρyの過度応答を図3乃至図4に示す。図3はQy=5300のときの過度応答を示し、図4はQy=110のときの過度応答を示している。なお、図3乃至図4において、横軸は時間を示し、縦軸は正規化振幅を示す。これらの図から分かるように、相対的にQyが一桁小さい図4に示す過度応答の方が図3に示す過度応答よりも、過度的な振動が安定するまでの時間が一桁以上速い。以上の考察をまとめると、検出振動子の応答特性は、Qyを小さくする程、向上することが判明した。 FIGS. 3 to 4 show the transient response of the amplitude ρ y when the stepped angular velocity is input to the vibration gyro sensor and the detected vibration is detected at the timing when the drive vibration becomes maximum. Figure 3 shows the transient response when the Q y = 5300, FIG. 4 shows the transient response when the Q y = 110. 3 to 4, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents normalized amplitude. As can be seen from these figures, the excessive response shown in FIG. 4 where Q y is relatively smaller by an order of magnitude is faster than the transient response shown in FIG. . To summarize the above considerations, it has been found that the response characteristic of the detection vibrator improves as Q y is reduced.
さて、以上の分析結果から、振動ジャイロセンサのセンサ特性について、以下の結論を導くことができる。
(1)感度特性に強く関係するのは、駆動振動子のQxであり、Qxが大きい方が振動振幅は増大する。
(2)応答特性に関係するのは、検出振動子のQyであり、Qyが小さい方が応答特性は向上する。
From the above analysis results, the following conclusions can be drawn with respect to the sensor characteristics of the vibration gyro sensor.
(1) to strongly related to the sensitivity characteristic is the Q x of the driving oscillator, who Q x is large vibration amplitude is increased.
(2) it is to relate to the response characteristics, a Q y of the detection vibrator, who Q y is small response characteristics are improved.
以上の結論は、振動ジャイロセンサの動作を、駆動振動方向とそれに直角な検出振動方向とに分け、結合した二つの振動子としてモデル化し、検出振動子の振幅及び応答特性とQx及びQyとの関係について考察するという本発明者の解析手法によって初めて得られたものである。上記の結論を応用すると、振動ジャイロセンサの感度特性に関係する駆動振動子のQxはそのままにしておき、応答特性に関係する検出振動子のQyのみを低下させれば、感度を維持したまま、応答特性を向上させることができる。かかるアプローチは、通常の音叉型、片持ち梁型、又はH型の振動ジャイロセンサに適用できるだけでなく、原理的には、あらゆる形状ないし構造の振動ジャイロセンサについて適用可能である。勿論、駆動振動子と検出振動子とが共に同質材質から成る振動ジャイロセンサについても適用可能である。 The above conclusion is that the operation of the vibration gyro sensor is divided into a drive vibration direction and a detection vibration direction perpendicular to the drive vibration direction, and is modeled as two coupled vibrators, and the amplitude and response characteristics of the detection vibrator and Q x and Q y are modeled. It was obtained for the first time by the inventor's analysis method of considering the relationship between the Applying the above conclusion, the sensitivity is maintained if Q x of the drive vibrator related to the sensitivity characteristic of the vibration gyro sensor is left as it is, and only Q y of the detection vibrator related to the response characteristic is lowered. As a result, the response characteristics can be improved. Such an approach can be applied not only to a normal tuning fork type, cantilever type or H type vibration gyro sensor, but in principle to any shape or structure of a vibration gyro sensor. Of course, the present invention can also be applied to a vibration gyro sensor in which both the drive vibrator and the detection vibrator are made of the same material.
次に、感度特性に関係する駆動振動子のQxはそのままにして、応答特性に関係する検出振動子のQyのみを低下させる方法について考察する。 Then, the Q x of the drive vibrator related to sensitivity characteristics intact, consider the method of reducing only the Q y of the detection vibrator related to the response characteristic.
第一の方法として、αyを大きくする方法が考えられる。検出振動子を電気回路にモデル化して考察すると、αyは直流抵抗と電気的に等価であるので、検出振動子の抵抗値を大きくすることにより、αyを大きくできる。例えば、(1)検出振動子の電極幅を駆動振動子の電極幅より狭くする、(2)検出振動子の電極膜厚を検出振動子の電極膜厚よりも薄くする、(3)検出振動子の電極として、相対的に電気抵抗の高い導電性酸化物(例えば、RuO2,TrO2,RhO2,TiO,LaO,ReO3,SrRiO3,Sr2RuO4,CaRuO3,LaTiO3,LaNiO3,Ln2O3,SnO2,ZnO)を使用し、駆動振動子の電極として、相対的に電気抵抗の低い金属材質(Cu,Au,Pt,Cr,Ti,Ni,Al)を使用する方法が考えられる。 As a first method, a method of increasing α y can be considered. When the detection vibrator is modeled into an electric circuit and considered, α y is electrically equivalent to a direct current resistance, and therefore α y can be increased by increasing the resistance value of the detection vibrator. For example, (1) the electrode width of the detection vibrator is made narrower than the electrode width of the drive vibrator, (2) the electrode film thickness of the detection vibrator is made thinner than the electrode film thickness of the detection vibrator, and (3) the detection vibration. A conductive oxide having a relatively high electrical resistance (for example, RuO 2 , TrO 2 , RhO 2 , TiO, LaO, ReO 3 , SrRio 3 , Sr 2 RuO 4 , CaRuO 3 , LaTiO 3 , LaNiO 3 ) 3 , Ln 2 O 3 , SnO 2 , ZnO), and a metal material (Cu, Au, Pt, Cr, Ti, Ni, Al) having a relatively low electric resistance is used as an electrode of the drive vibrator. A method is conceivable.
αyは速度に比例する制動力の比例係数で損失に対応しているので、周囲の空気(粘性流体)との摩擦などの外部的な要因により変化させることができる。具体的には、(4)検出振動子を扁平形状にし、或いは検出振動子に羽などを取り付けて、検出振動子の空気抵抗を大きくする、(5)検出振動を吸収する材料(例えば、樹脂など)や機構などを検出振動子に取り付ける方法が考えられる。 Since α y is a proportional coefficient of braking force proportional to speed and corresponds to loss, it can be changed by external factors such as friction with surrounding air (viscous fluid). Specifically, (4) the detection vibrator is flattened, or a wing or the like is attached to the detection vibrator to increase the air resistance of the detection vibrator, (5) a material that absorbs the detection vibration (for example, resin Or a mechanism for attaching the mechanism to the detection vibrator.
第二の方法として、kyを小さくする方法が考えられる。kyは検出振動子の変位に対する復元力の比例係数であり、ヤング率(或いはバネ定数)と等価である。具体的には、(6)検出振動子の復元力が弱くなるような結晶方位をとる(ヤング率が小さい結晶方位をとる)、(7)検出振動子の動作が柔らかくなるように、検出振動子の根元に溝や切れ込みなどを入れる方法が考えられる。 As a second method, a method of reducing the k y are contemplated. k y is a proportional coefficient of the restoring force with respect to the displacement of the detection vibrator, and is equivalent to the Young's modulus (or spring constant). Specifically, (6) the crystal orientation is taken so that the restoring force of the detection vibrator becomes weak (a crystal orientation with a small Young's modulus), and (7) the detection vibration is made so that the operation of the detection vibrator becomes soft. A method of putting a groove or notch in the root of the child is conceivable.
第三の方法として、共振周波数の比Rを小さくする方法が考えられる。この方法は、結局、第二の方法と同様にkyを小さくする方法と等価である。但し、駆動振動子と検出振動子とが異なる形状では、検出振動子の質量mを大きくすることで、共振周波数の比Rを小さくできる。 A third method is to reduce the resonance frequency ratio R. This method, after all, is equivalent to the method for reducing the similarly k y and the second method. However, when the drive vibrator and the detection vibrator have different shapes, the resonance frequency ratio R can be reduced by increasing the mass m of the detection vibrator.
本実施形態によれば、駆動振動子のQxと検出振動子のQyとの役割を明確にし、感度特性に関係する駆動振動子のQxはそのままにして、応答特性に関係する検出振動子のQyのみを低下させることにより、感度特性を維持しつつ、応答特性を一層向上させることができる。図2による解析結果からも明らかなように、Qyの変化によっても振幅に変動がないことから、できる限りQyは小さい値が好ましく、具体的には、100以下が好ましい。なお、駆動振動子のQxと検出振動子のQyとの役割を区別せずに、例えば、Qx及びQyを共に大きくすると、感度は大きいものの、応答特性の遅い振動ジャイロセンサとなり、一方、Qx及びQyを共に小さくすると、応答速度は速いものの、感度の小さい振動ジャイロセンサとなってしまう。 According to the present embodiment, the roles of the drive vibrator Q x and the detection vibrator Q y are clarified, and the drive vibrator Q x related to the sensitivity characteristic is left as it is, and the detection vibration related to the response characteristic is maintained. by lowering only the Q y the child, while maintaining the sensitivity characteristic, the response characteristic can be further improved. As is apparent from the analysis results of FIG. 2, since there is no variation in amplitude by a change in Q y, Q y is a small value is preferably as much as possible, specifically preferably 100 or less. For example, if both Q x and Q y are increased without distinguishing the roles of the drive vibrator Q x and the detection vibrator Q y , a vibration gyro sensor having a slow response characteristic is obtained although the sensitivity is large. On the other hand, if Q x and Q y are both small, the response speed is fast but the vibration gyro sensor has low sensitivity.
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例1について説明する。同一符号の部材は同一の部材を示すものとして、重複する説明を省略する。図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率は、現実の振動ジャイロセンサとは異なる。
図5は実施例1に係わる振動ジャイロセンサ10の平面図である。
同図では、図面右方向をX方向、図面上方向をY方向、図面に垂直な方向をZ方向としている。振動ジャイロセンサ10は、複数の駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dと、複数の検出振動アーム15A,15B,15C,15Dと、複数の基部11,13A,13Bと、複数の支持部12A,12Bを備える。基部11から一対の支持部12A,12Bが突出している。支持部12Aの先端に位置する基部13Aからは、支持部12Aに直交する方向に一対の駆動振動アーム14A,14Bが形成されている。同様に、支持部12Bの先端に位置する基部13Bからは、支持部12Bに直交する方向に一対の駆動振動アーム14C,14Dが形成されている。基部11には、第一の一対の検出振動アーム15A,15Bと、第二の一対の検出振動アーム15C,15Dが相互に鋭角(180°−θ1−θ3又は180°−θ2−θ4)で交差するように形成されている。合計4本の駆動振動アーム14A,14B,14C,14D、及び合計4本の検出振動アーム15A,15B,15C,15Dは、X−Y平面内で屈曲振動する。
FIG. 5 is a plan view of the
In the figure, the right direction of the drawing is the X direction, the upper direction of the drawing is the Y direction, and the direction perpendicular to the drawing is the Z direction. The
なお、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dは、上述した力学的な振動モデルにおける「駆動振動子」に相当し、検出振動アーム15A,15B,15C,15Dは、上述した力学的な振動モデルにおける「検出振動子」に相当する。
The
駆動振動アーム14Aの基部13Aに対する接続根元部には、駆動振動アーム14Aを励振させるための駆動圧電素子が形成されている。他の駆動振動アーム14B,14C,14Dについても同様に、基部13A又は13Bに対する接続根元部に駆動圧電素子が形成されている。また、検出振動アーム15Aの基部11に対する接続根元には、検出振動アーム15Aに励起された検出振動を検出するための検出圧電素子が形成されている。他の検出振動アーム15B,15C,15Dについても同様に、基部11に対する接続根元部に検出圧電素子が形成されている。振動ジャイロセンサ10では、駆動圧電素子に駆動信号(交流信号)を供給して、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dを励振させ、その状態で振動ジャイロセンサ10を回転させつつ、検出振動アーム15A,15B,15C,15Dに励起された検出振動を検出圧電素子によって検出することにより、角速度信号出力を得る。
A drive piezoelectric element for exciting the
上述の基部11,13A,13B,支持部12A,12B,駆動振動アーム14A,14B,14C,14D,及び検出振動アーム15A,15B,15C,15Dは、適度な機械的強度を有し、且つ微細加工に適した材質をエッチング加工することにより、一体的に形成されている。このような材質としては、例えばシリコン基板が好適である。面方位(100)のシリコン基板のヤング率は、図6に示すように、90°毎の方位周期となっている。結晶方位<100>,<010>,<−100>,<001>のヤング率は、全て同一であり、且つ最小値でもある。他方、結晶方位<110>,<−110>,<1−10>,<011>のヤング率は、全て同一であり、且つ最大値でもある。一般的に、ヤング率は、所定の弾性範囲において、応力に対する歪みの値を決定する定数であり、結晶方位に応じて材質固有の値を有する。
The above-mentioned
(F2)式に記述されているkyは、検出振動アーム15A,15B,15C,15Dの変位に対する復元力の比例係数であり、ヤング率(或いはバネ定数)と等価である。駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dを励振させつつ、振動ジャイロセンサ10を回転させたときに、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dに作用する復元力よりも検出振動アーム15A,15B,15C,15Dに作用する復元力の方が弱くなるように、駆動振動アーム14A,14B,14C,14D及び検出振動アーム15A,15B,15C,15Dのそれぞれの振動方向と結晶方位との組み合わせを選択することで、振動ジャイロセンサ10の感度特性に関係する駆動振動子のQxをそのまま維持し、応答特性に関係する検出振動子のQyのみを低下させることにより、感度特性を維持しつつ、応答特性を一層向上させることができる。
K y described in the equation (F2) is a proportional coefficient of the restoring force with respect to the displacement of the
本実施例の好適な具体例として、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dの振動方向Pと、最大のヤング率をとる結晶方位(例えば、<011>)とが平行になるように、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dの向きを調整する。一方、検出振動アーム15A,15Bの振動方向Q1と、最小のヤング率をとる結晶方位(例えば、<001>)とが平行になるように検出振動アーム15A,15Bと支持部12A,12Bとがなす角度θ1,θ2を調整する。もう一対の検出振動アーム15C,15Dについては、それらの振動方向Q2と、最小のヤング率をとる結晶方位(例えば、<010>)とが平行となるように検出振動アーム15C,15Dと持部12A,12Bとがなす角度θ3,θ4を調整する。駆動振動アーム14A,14B,14C,14D及び検出振動アーム15A,15B,15C,15Dのそれぞれの振動方向と結晶方位との組み合わせを上述のように調整すると、θ1,θ2,θ3,θ4の角度は、それぞれ45°になる。
As a preferred specific example of the present embodiment, driving is performed so that the vibration direction P of the
なお、本発明は、上記の好適な具体例に限定されるものではなく、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dの振動方向と平行な結晶方位のヤング率よりも、検出振動アーム15A,15B,15C,15Dの振動方向と平行な結晶方位のヤング率の方が相対的に小さくなるように、駆動振動アーム14A,14B,14C,14D及び検出振動アーム15A,15B,15C,15Dのそれぞれの振動方向と結晶方位との組み合わせを選択すればよい。例えば、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dの振動方向に平行な結晶方位は、最大のヤング率を有する結晶方位から僅かに所定角度ずれた方位であってもよい。この場合、検出振動アーム15A,15B,15C,15Dの振動方向に平行な結晶方位は、その所定角度ずれた方位のヤング率よりも小さいヤング率を有する結晶方位に調整される。また、振動ジャイロセンサ10の材質は、シリコン基板に限られるものではなく、結晶方位に応じてヤング率の異なる材質であるならば、使用可能である。
The present invention is not limited to the above-described preferred specific example, and the
図7は実施例2に係わる振動ジャイロセンサ20の平面図である。
図5に示す符号と同一符号の部材は同一の部材を示すものとして、その詳細な説明を省略し、実施例2と実施例1との相違点について詳述する。実施例2では、駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dのそれぞれの接続根元部16A,16B,16C,16Dよりも、検出振動アーム15A,15B,15C,15Dのそれぞれの接続根元部17A,17B,17C,17Dの方が細くなる(アームの幅が狭くなる)ように加工されている。これらの接続根元部16A,16B,16C,16D,17A,17B,17C,17Dには、振動に伴う応力が集中的に作用するので、接続根元部16A,16B,16C,16Dよりも、接続根元部17A,17B,17C,17Dを細くすることで、検出振動アーム15A,15B,15C,15Dのばね定数が駆動振動アーム14A,14B,14C,14Dのばね定数よりも小さくなり、動作が柔軟になる。ばね定数をこのように調整することで、振動ジャイロセンサ20の感度特性に関係する駆動振動子のQxを低下させることなく、応答特性に関係する検出振動子のQyのみを低下させることができる。これにより、駆動振動アーム14A,14B,14C,14D及び検出振動アーム15A,15B,15C,15Dのそれぞれの振動方向と結晶方位との関係と相俟って、振動ジャイロセンサ20の感度特性を維持しつつ、応答特性を一層向上させることができる。なお、上述の振動ジャイロセンサ10,20の構造は、「駆動振動子」と「検出振動子」とを備える振動ジャイロ振動子にも適用できる。
FIG. 7 is a plan view of the
The members having the same reference numerals as those shown in FIG. 5 indicate the same members, the detailed description thereof will be omitted, and differences between the second embodiment and the first embodiment will be described in detail. In the second embodiment, the
10,20…振動ジャイロセンサ 11,13A,13B…基部 12A,12B…支持部 14A,14B,14C,14D…駆動振動アーム 15A,15B,15C,15D…検出振動アーム 16A,16B,16C,16D,17A,17B,17C,17D…接続根元部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記駆動振動子は、前記駆動振動子の振動方向と平行な方向の前記シリコン基板の結晶方位におけるヤング率が最大になるように形成され、
前記検出振動子は、前記検出振動子の振動方向と平行な方向の前記シリコン基板の結晶方位におけるヤング率が最小になるように形成される、振動ジャイロ振動子。 A vibratory gyro vibrator comprising a drive vibrator and a detection vibrator formed from the same silicon substrate ,
The drive vibrator is formed such that the Young's modulus in the crystal orientation of the silicon substrate in a direction parallel to the vibration direction of the drive vibrator is maximized,
The detection vibrator is a vibration gyro vibrator formed such that a Young's modulus in a crystal orientation of the silicon substrate in a direction parallel to a vibration direction of the detection vibrator is minimized .
前記駆動振動子に接続される第一の基部と、
前記検出振動子に接続される第二の基部と、
前記第一の基部と前記第二の基部とを接続する支持部とを更に備え、
前記検出振動子と前記第二の基部との接続部分は、前記駆動振動子と前記第一の基部との接続部分よりも細く形成されている、振動ジャイロ振動子。 The vibrating gyro vibrator according to claim 1 ,
A first base connected to the drive vibrator;
A second base connected to the detection transducer;
A support portion connecting the first base portion and the second base portion;
The vibration gyro vibrator is configured such that a connection portion between the detection vibrator and the second base is formed narrower than a connection portion between the drive vibrator and the first base.
前記検出振動子は、第一の検出振動アームと、第二の検出振動アームとを含み、
前記第一の検出振動アームと前記第二の検出振動アームとは、前記第二の基部において交差するように形成されている、振動ジャイロ振動子。 A vibrating gyro vibrator according to claim 2 ,
The detection vibrator includes a first detection vibration arm and a second detection vibration arm,
The first detection vibration arm and the second detection vibration arm are vibration gyro vibrators formed so as to intersect at the second base portion.
前記駆動振動子は、前記駆動振動子の振動方向と平行な方向の前記シリコン基板の結晶方位におけるヤング率が最大になるように形成され、
前記検出振動子は、前記検出振動子の振動方向と平行な方向の前記シリコン基板の結晶方位におけるヤング率が最小になるように形成される、振動ジャイロセンサ。 A vibration gyro sensor comprising a drive vibrator and a detection vibrator formed from the same silicon substrate ,
The drive vibrator is formed such that the Young's modulus in the crystal orientation of the silicon substrate in a direction parallel to the vibration direction of the drive vibrator is maximized,
The detection vibrator is a vibration gyro sensor formed so that a Young's modulus in a crystal orientation of the silicon substrate in a direction parallel to a vibration direction of the detection vibrator is minimized .
前記駆動振動子に接続される第一の基部と、
前記検出振動子に接続される第二の基部と、
前記第一の基部と前記第二の基部とを接続する支持部とを更に備え、
前記検出振動子と前記第二の基部との接続部分は、前記駆動振動子と前記第一の基部との接続部分よりも細く形成されている、振動ジャイロセンサ。 The vibration gyro sensor according to claim 4 ,
A first base connected to the drive vibrator;
A second base connected to the detection transducer;
A support portion connecting the first base portion and the second base portion;
A vibration gyro sensor in which a connection portion between the detection vibrator and the second base is formed narrower than a connection portion between the drive vibrator and the first base.
前記検出振動子は、第一の検出振動アームと、第二の検出振動アームとを含み、
前記第一の検出振動アームと前記第二の検出振動アームとは、前記第二の基部において交差するように形成されている、振動ジャイロセンサ。 The vibration gyro sensor according to claim 5 ,
The detection vibrator includes a first detection vibration arm and a second detection vibration arm,
The vibration gyro sensor, wherein the first detection vibration arm and the second detection vibration arm are formed so as to intersect at the second base.
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