JP5421651B2 - 3軸角速度検出振動子、3軸角速度検出装置および3軸角速度検出システム - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施の形態に係る3軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成は、図1に示すように表され、図1のI−I線に沿う模式的断面構造は、図2に示すように表され、図1のII−II線に沿う模式的断面構造は、図3に示すように表される。
第1の実施の形態に係る3軸角速度検出振動子2は、図1に示すように、正方形状に配置された4本の振動アーム11〜14と、正方形状の頂点より対角線方向に伸びた4本の検出アーム21〜24とを備え、4本の振動アーム11〜14の振動によって生じる4本の検出アーム21〜24の形状の歪みを検知して、4本の振動アーム11〜14に加わった3軸角速度を検出する。
第1の実施の形態に係る3軸角速度検出装置4は、図1に示すように、空洞50を有する基板40と、正方形状に配置された4本の振動アーム11〜14と、一方の端部が正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が基板40の空洞を囲む周辺部に固定された4本の検出アーム21〜24とを備え、4本の振動アーム11〜14の振動によって生じる4本の検出アーム21〜24の形状の歪みを検知して、4本の振動アーム11〜14に加わった3軸角速度を検出する。
第1の実施の形態に係る3軸角速度検出システムを説明する模式的ブロック構成は、図4に示すように表される。また、第1の実施の形態に係る3軸角速度検出システムの回路構成例を示す模式的ブロック構成は、図5に示すように表され、検出信号の波形例は、図6に示すように表される。
つまり、振動アーム11と振動アーム13は、互いの両端部が振動アーム12および14で連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである3軸角速度検出振動子2の一部を構成し、同様に、振動アーム12と振動アーム14は、互いの両端部が振動アーム11および13で連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである3軸角速度検出振動子2の一部を構成する。この3軸角速度検出振動子2は、駆動振動周波数fdで駆動振動する。
図7〜図11を参照して、第1の実施の形態に係る3軸角速度検出装置4の製造方法を説明する。図7〜図11は、図1のIII−III線方向に沿った工程断面図である。なお、以下に述べる3軸角速度検出装置4の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
第1の実施の形態の変形例に係る3軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成は、図17に示すように表される。図17中に示される3軸角速度検出振動子2は、振動アーム11〜14及び検出アーム21〜24にスリットSが形成されている点が、図1中に示される3軸角速度検出振動子2と異なる。スリットSは、振動アーム11〜14及び検出アーム21〜24の上面から下面まで貫通する空洞である。
3軸角速度検出動作は、図1に示す第1の実施の形態と同様であるが、各振動アーム11〜14および各検出アーム21〜24の変形状態がより柔軟な、図18に示される第1の実施の形態の変形例に係る3軸角速度検出装置4を例として、3軸角速度検出装置4の動作モードを説明する。
式(1)で、f0は、外力が加えられていない状態での振動アームの共振周波数、Kは、基本波モードによる定数、Lは、振動アームの長さ、Eは、縦弾性定数、Iは、断面2次モーメント(I=dw3/12)をそれぞれ示す。
ただし、式(2)において、式(3)、式(4)を用いている:
FS=12(K/E)(L/w)2 (3)
σ=F/(2A) (4)
以上から、外力Fと共振周波数fFの関係は以下のようになる。即ち、3軸角速度検出振動子2に作用する外力Fを圧縮方向の時が負、伸張方向(引張り方向)の時を正とすると、外力Fが圧縮力では共振周波数fFが低くなり、外力Fが伸張(引張り)力では共振周波数fFが高くなる。また、応力感度FSは、振動アームのL/wの2乗に比例する。
上記のように、本発明は第1の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
2…3軸角速度検出振動子
4…3軸角速度検出装置
11,12,13,14…振動アーム
21,22,23,24…検出アーム
31,32,33,34…連結部
40…基板
40a,40c…シリコン膜
41、42、40b…酸化シリコン膜
45…保護膜
50…空洞
71,72,73,74…振動参照電極
101…第1印加電極
102…第2印加電極
111,112,121,122,131,132,141,142…駆動電極
201,202,203…検知電極
211,221,231,241…検出電極
301、311…下部電極
302、312…圧電体膜
303、313…上部電極
600…検出回路
610…駆動回路
620…検知回路
621、622…電流アンプ
623…差動アンプ
630…検波回路
631…同期検波
632…平滑回路
640…振動量検出回路
641…電流アンプ
642…AGC
650…周波数カウンタ
ω…角速度
SF…振動信号
ST…検知信号
S41、S42…検出信号
S…スリット
Vd…駆動電圧
Vr…参照電圧
f1,f2,f3,f4,fz…コリオリ力
Claims (23)
- 正方形状に配置され、それぞれに駆動電極が設けられた4本の振動アームからなる正方形枠と、
前記正方形状の頂点より前記正方形状の外側方向に向かって対角線方向に伸び、それぞれに検出電極が設けられた4本の検出アームと
を備え、前記4本の振動アームが振動することにより変形する前記正方形枠の振動によって生じる前記4本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記4本の振動アームに加わった3軸角速度を検出することを特徴とする3軸角速度検出振動子。 - 前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項1に記載の3軸角速度検出振動子。
- 前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項1に記載の3軸角速度検出振動子。
- 前記4本の振動アームは、第1振動アームと、前記第1振動アームの端部と第1連結部を介して直角に連結された第2振動アームと、前記第2振動アームの端部と第2連結部を介して直角に連結され、前記第1振動アームに対向して配置された第3振動アームと、前記第3振動アームの端部と第3連結部を介して直角に連結され、かつ前記第1振動アームの他方の端部と第4連結部を介して直角に連結され、前記第2振動アームに対向して配置された第4振動アームとを備えることを特徴とする請求項1に記載の3軸角速度検出振動子。
- 前記4本の検出アームは、前記第1連結部に一方の端部が接続された第1検出アームと、前記第2連結部に一方の端部が接続された第2検出アームと、前記第3連結部に一方の端部が接続された第3検出アームと、前記第4連結部に一方の端部が接続された第4検出アームとを備えることを特徴とする請求項4に記載の3軸角速度検出振動子。
- 前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の3軸角速度検出振動子。
- 前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛(PLZT)膜であることを特徴とする請求項6に記載の3軸角速度検出振動子。
- 空洞を有する基板と、
正方形状に配置され、それぞれに駆動電極が設けられた4本の振動アームからなる正方形枠と、
一方の端部が前記正方形状の頂点より前記正方形状の外側方向に向かって対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定され、それぞれに検出電極が設けられた4本の検出アームと
を備え、前記4本の振動アームが振動することにより変形する前記正方形枠の振動によって生じる前記4本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記4本の振動アームに加わった3軸角速度を検出することを特徴とする3軸角速度検出装置。 - 前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項8に記載の3軸角速度検出装置。
- 前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項8に記載の3軸角速度検出装置。
- 前記4本の振動アームは、第1振動アームと、前記第1振動アームの端部と第1連結部を介して直角に連結された第2振動アームと、前記第2振動アームの端部と第2連結部を介して直角に連結され、前記第1振動アームに対向して配置された第3振動アームと、前記第3振動アームの端部と第3連結部を介して直角に連結され、かつ前記第1振動アームの他方の端部と第4連結部を介して直角に連結され、前記第2振動アームに対向して配置された第4振動アームとを備えることを特徴とする請求項8に記載の3軸角速度検出装置。
- 前記4本の検出アームは、前記第1連結部に一方の端部が接続された第1検出アームと、前記第2連結部に一方の端部が接続された第2検出アームと、前記第3連結部に一方の端部が接続された第3検出アームと、前記第4連結部に一方の端部が接続された第4検出アームとを備えることを特徴とする請求項11に記載の3軸角速度検出装置。
- 前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項8〜12のいずれか1項に記載の3軸角速度検出装置。
- 前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛(PLZT)膜であることを特徴とする請求項13に記載の3軸角速度検出装置。
- 空洞を有する基板と、
正方形状に配置され、それぞれに駆動電極が設けられた4本の振動アームからなる正方形枠と、
一方の端部が前記正方形状の頂点より前記正方形状の外側方向に向かって対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定され、それぞれに検出電極が設けられた4本の検出アームと、
前記4本の振動アームが振動することにより変形する前記正方形枠の振動によって生じる前記4本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記4本の振動アームに加わった3軸角速度を検出する検出回路と
を備えることを特徴とする3軸角速度検出システム。 - 前記検出回路が、前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項15に記載の3軸角速度検出システム。
- 前記検出回路が、前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項15に記載の3軸角速度検出システム。
- 前記検出回路が出力する駆動電圧によって、前記振動アームが前記駆動振動方向に沿って振動することを特徴とする請求項15〜17のいずれか1項に記載の3軸角速度検出システム。
- 前記4本の振動アームは、第1振動アームと、前記第1振動アームの端部と第1連結部を介して直角に連結された第2振動アームと、前記第2振動アームの端部と第2連結部を介して直角に連結され、前記第1振動アームに対向して配置された第3振動アームと、前記第3振動アームの端部と第3連結部を介して直角に連結され、かつ前記第1振動アームの他方の端部と第4連結部を介して直角に連結され、前記第2振動アームに対向して配置された第4振動アームとを備えることを特徴とする請求項15に記載の3軸角速度検出システム。
- 前記4本の検出アームは、前記第1連結部に一方の端部が接続された第1検出アームと、前記第2連結部に一方の端部が接続された第2検出アームと、前記第3連結部に一方の端部が接続された第3検出アームと、前記第4連結部に一方の端部が接続された第4検出アームとを備えることを特徴とする請求項19に記載の3軸角速度検出システム。
- 前記検出アームの1本ごとに、前記検出電極が複数設けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の3軸角速度検出振動子。
- 前記検出アームの1本ごとに、前記検出電極が複数設けられていることを特徴とする請求項8〜14のいずれか1項に記載の3軸角速度検出装置。
- 前記検出アームの1本ごとに、前記検出電極が複数設けられていることを特徴とする請求項15〜20のいずれか1項に記載の3軸角速度検出システム。
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