JP5353616B2 - 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

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 Download PDF

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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
ンシステムなどの姿勢制御として、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、略T字型の駆動振動系を中央の検出振動系に関して
左右対称に配置した所謂、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)。
これらのジャイロセンサにおいて、携帯性の向上および機器設計の自由度向上のために
、小型化の要求がある。このジャイロセンサの小型化を図るために、ジャイロ素子の小型
化をする必要がある。通常ジャイロ素子の支持としては、ジャイロ素子の中央の基部(重
心部)を基板などに接着支持しているが、ジャイロ素子を小型化していくと、基板との支
持面積も小さくなり、振動または衝撃が加わった時の強度が確保できない問題がある。こ
のため、例えば、特許文献1(図4)に示すように基部から支持枠を延出させ、基部と支
持枠をそれぞれ支持する構造が提案されている。
特開2001−12955号公報(図1、図4)
しかしながら、この従来のジャイロ素子において、基部を支持することにより検出振動
が抑圧されて角速度の検出感度を低下させ、また、支持枠はジャイロ素子の駆動振動系と
検出振動系の外側に設けられていることから、ジャイロ素子の小型化には限界があった。
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
子の角速度検出感度を維持し、かつ支持強度を確保して小型化を可能にする振動ジャイロ
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む両側へ延出され、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、前記一方の検出用振動腕の延出する方向であって前記一方の検出用振動腕の外側に配置された第1の支持部と、前記他方の検出用振動腕の延出する方向であって前記他方の検出用振動腕の外側に配置された第2の支持部と、前記一方の検出用振動腕を挟んで前記基部の周縁部から前記第1の支持部に延出される1対の梁と、前記他方の検出用振動腕を挟んで前記基部の周縁部から前記第2の支持部に延出される他の1対の梁と、を同一平面に備え、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と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3の構成部分の先端部から前記駆動用振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、該振動ジャイロ素子は前記支持部のみで固定されるものであることを特徴とする。

この構成によれば、振動ジャイロ素子の基部から延出された梁と、この梁を連結する支
持部を形成することにより、支持部の面積を大きく確保できる。そして、この支持部を接
着支持することにより角速度検出感度を維持しながら支持強度を向上させることができる
。また、支持部を検出用振動腕の延出する方向であって検出用振動腕の外側かつ駆動用振
動腕の間に配置することにより、振動ジャイロ素子の小型化を可能にする。
また、本発明の振動ジャイロ素子は、前記検出用振動腕の長さは前記駆動用振動腕の長
さより短く形成されたことを特徴とする。
このようにすれば、支持部の面積を大きくすることができ、振動ジャイロ素子の支持強
度を向上させることができる。
また、本発明の振動ジャイロ素子は、前記1対の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。
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。
また、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。
この構成によれば、支持部は面積を大きく形成することができるため、振動ジャイロ素
子の基部を支持せずとも、支持部を固定部材により支持することで角速度検出感度を維持
しながら確実な支持が可能となる。
また、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
料であることを特徴とする。
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、振動ジャイロ素子の支持部を接着支持することにより角速度検出感
度を維持しながら支持強度を向上させ、また、小型化された振動ジャイロ素子を搭載し、
小型化されたジャイロセンサを提供することができる。
本実施形態の振動ジャイロ素子を示す概略平面図。 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。 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。
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1
6a,16b,17a,17bが形成され、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。
また、検出用振動腕11a,11bは駆動用振動腕14a,14b,15a,15bに
対して長さが短く形成されている。
さらに、基部10から該検出用振動腕11aと直交する向きに図中左右両側へ延出し、
途中で該検出用振動腕11aと平行に延出するL字状の1対の梁20a,20bが形成さ
れ、梁20a,20bの先端は共に支持部22aに連結されている。同様に、基部10か
ら該検出用振動腕11bと直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該検出用振動腕
11bと平行に延出するL字状の1対の梁21a,21bが形成され、梁21a,21b
の先端は共に支持部22bに連結されている。
この1対の支持部22a,22b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,1
5bの間に配置されている。さらに、この1対の支持部22a,22b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3および図4は振動ジャイロ素子の動作を説明する模式平面図である。図3および図
4において、振動形態を簡易に表現するために各振動腕は線で表し、前述した梁20a,
20b,21a,21bおよび支持部22a,22bは省略する。
図3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、駆動用振動腕14a,14bと駆
動用振動腕15a,15bとが、重心Gを通るY軸に関して線対称の振動を行っているた
め、基部10、連結腕13a,13b、検出用振動腕11a,11bは、ほとんど振動し
ない。
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4に示すような振動を行う。つまり、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き、
新たな振動が励起される。この矢印B方向の振動は重心Gに対して周方向の振動である。
また同時に、検出用振動腕11a,11bは矢印Bの振動に呼応して、矢印C方向の検出
振動が励起される。そして、この振動により発生した圧電材料の歪を、検出用振動腕11
a,11bに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。
またこのとき、基部10の周縁部は矢印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で示す基部10
の周縁部の振動振幅は、矢印Bで示す駆動振動系の振動振幅、または矢印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を接着固定した
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を支持することで角速度の検出感度が低下することになる。
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2を用いて説明
する。図2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2
2a,22b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から延出された梁20a,20b,21a,21bを連結する支持部22a
,22bを形成することにより、支持部22a,22bの面積を大きく確保でき、支持強
度を向上させることができる。
また、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、支持部22a,22bを、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
の間に配置することにより、振動ジャイロ素子1の小型化を可能にする。
また、1対の支持部22a,22b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、角速度の検出感度を維持しつつ小型化することができる。
(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の基部10の両側から該検出用振動腕11aと平行
に延出する1対の梁30a,30bが形成され、梁30a,30bの先端は支持部32a
に連結されている。同様に、基部10の両側から該検出用振動腕11bと平行に延出する
1対の梁31a,31bが形成され、梁31a,31bの先端は支持部32bに連結され
ている。
この1対の支持部31a,31b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,1
5bの間に配置されている。
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、一旦各検
出用振動腕11a,11bの延出する方向に延出した、略S字状の梁40a,40b,4
1a,41bが設けられている。梁40a,40bの先端は支持部42aに連結され、梁
41a,41bは支持部42bに連結されている。
この1対の支持部41a,41b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,1
5bの間に配置されている。
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42a,42b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、一旦各検出用振
動腕11a,11bと直交する方向に延出した、略S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52aに連結され、梁51a
,51bは支持部52bに連結されている。
この1対の支持部51a,51b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,1
5bの間に配置されている。
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52a,52b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、斜め方向
に延出した梁60a,60b,61a,61bが設けられている。梁60a,60bの先
端は支持部62aに連結され、梁61a,61bは支持部62bに連結されている。
この1対の支持部61a,61b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,1
5bの間に配置されている。
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、支持部62a,62b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16a,16b,17a,
17bを設けない形態である。
振動ジャイロ素子6には基部10の4箇所の角部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し、途中で該検出用振動腕11a,11b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
の先端は支持部72aに連結され、梁71a,71bは支持部72bに連結されている。
この1対の支持部71a,71b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,1
5bの間に配置されている。
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。
このように、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1
0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の振動を支持部に伝わることを抑制し、安定した駆動振
動および検出振動を得ることができる。
以上の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、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(Li
TaO3)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。
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…駆動振動腕、15a,15b…駆動振
動腕、20a,20b,21a,21b…梁、22a,22b…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 (6)

  1. 基部と、
    前記基部から両側へ延出された第1及び第2の検出用振動腕と、
    前記基部から両側へ前記検出用振動腕の延出方向と直交する方向に沿って延出された第1及び第2の連結腕と、
    第1の連結腕から前記検出用振動腕の延出方向に沿って両側へ延出された第1及び第2の駆動用振動腕と、
    前記第2の連結腕から前記検出用振動腕の延出方向に沿って両側へ延出された第3及び第4の駆動用振動腕と、
    前記第1の検出用振動腕の延出方向であって、前記第1の検出用振動腕の外側に配置された第1の支持部と、
    前記第2の検出用振動腕の延出方向であって、前記第2の検出用振動腕の外側に配置された第2の支持部と、
    前記基部から延出され、前記第1の検出用振動腕と前記第1の駆動用振動腕との間を通り、前記第1の支持部に連結している第1の梁と、
    前記基部から延出され、前記第2の検出用振動腕と前記第2の駆動用振動腕との間を通り、前記第2の支持部に連結している第2の梁と、
    前記基部から延出され、前記第1の検出用振動腕と前記第3の駆動用振動腕との間を通り、前記第1の支持部に連結している第3の梁と、
    前記基部から延出され、前記第2の検出用振動腕と前記第4の駆動用振動腕との間を通り、前記第2の支持部に連結している第4の梁と、を備え、
    前記基部と前記検出用振動腕と前記連結腕と前記第1乃至第4の駆動用振動腕と前記第1及び第2の支持部と前記第1乃至第4の梁とが水晶板から形成された一体構造であり、
    前記第1乃至第4の梁は、前記基部から前記検出用振動腕の延出方向と直交する方向に沿って延出された第1の構成部分と、前記第1の構成部分の先端から前記第1または第2の検出用振動腕の延出方向に沿って延出された第2の構成部分と、前記第2の構成部分の先端から前記第1の構成部分の延出方向とは逆の方向に沿って延出された第3の構成部分と、前記第3の構成部分の先端から前記第1または第2の検出用振動腕の延出方向に沿って延出された第4の構成部分と、備え、
    前記第1の梁及び前記第2の梁と前記第3の梁及び前記第4の梁とは、前記基部の重心を通り、前記検出用振動腕の延出方向と平行な線に対して線対称であり、かつ、
    前記第1の梁及び前記3の梁と前記2の梁及び前記4の梁とは、前記基部の重心を通り、前記検出用振動腕の延出方向と直交する方向と平行な線に対して線対称である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、前記第1及び第2の検出用振動腕の長さは前記第1乃至第4の駆動用振動腕の長さより短く形成されたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
  3. 請求項1または2に記載の振動ジャイロ素子において、前記第1の支持部と前記第2の支持部と前記基部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。
  4. 請求項1乃至のいずれか一項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第1及び第2の支持部と前記支持台とを固定するための固定部材と、
    を備え、前記振動ジャイロ素子は前記第1及び第2の支持部のみで前記支持台に固定されていることを特徴とする振動ジャイロ素子の支持構造。
  5. 請求項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。
  6. 請求項1乃至のいずれか一項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第1及び第2の支持部と前記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、
    前記振動ジャイロ素子は前記第1及び第2の支持部のみで前記支持台に固定されていることを特徴とするジャイロセンサ。
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