JPH05240874A

JPH05240874A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH05240874A
Application number: JP4341126A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Nose; 博康能瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1992-11-28
Publication date: 1993-09-21
Also published as: US5889208A

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度で小型かつコストの低い角速度センサ
を製作する。【構成】振動子基板２１から、振動子２２及び支持梁
２３を振動子２２の中央部を支持梁２３で支持するよう
に一体に形成する。振動子２２の両端には駆動用コイル
２４を形成し、支持梁２３上を通って端子２５に引き出
す。更に、振動子基板２１には歪ゲージ２６ａ〜２６
ｄ、更に検出回路２７を形成し、歪ゲージ２６ａ〜２６
ｄの歪を検出回路２７により検出する。振動子基板２１
の下方には支持台２９を有する支持基板２８、及びその
下方には永久磁石３０を設け、振動子基板２１と支持基
板２８は陽極接合法により接合し、支持基板２８と永久
磁石３０は接着剤により接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動している振動子に
角速度が加わると、振動子の振動方向と直角方向にコリ
オリの力が生ずることを利用して回転角速度を検出する
角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、機械式の回転こまレートジャイロ
が大型で高価であることから、圧電ジャイロ又は振動ジ
ャイロと呼ばれる省電力で長寿命かつ小型化に適した角
速度センサが民生用として開発されている。

【０００３】図７はこのような振動ジャイロから成る従
来の角速度センサの斜視図である。基台１上に固定され
た振動片２の上方には結合部材３を介して検出用振動片
４が取り付けられており、振動片２と同様に基台１上に
固定された振動片５の上方には結合部材６を介して検出
用振動片７が取り付けられている。また、振動片２には
振動片２をＸ方向に振動させるための駆動用圧電素子８
と、振動片２の実際の振動をモニタするモニタ用圧電素
子９が設けられ、検出用振動片４にはＹ方向の振動を検
出する検出用圧電素子１０が設けられている。同様に、
振動片５には駆動用圧電素子１１とモニタ用圧電素子１
２が設けられ、検出用振動片７には検出用圧電素子１３
が設けられている。

【０００４】振動片２、５を共振周波数ω1 でＸ方向に
互いに逆向きに一定振幅で振動させながら、Ｚ軸廻りに
角速度Ωで振動片２、５を基台１ごと回転すると、検出
用振動片４、７には角速度Ωに比例したコリオリの力Fc
がＹ軸方向に作用し、検出用振動片４、７は共振周波数
ω1 で振動する。ここで、検出用振動片４、７の振幅は
角速度Ωに比例するため、その振幅を検出用圧電素子１
０、１３で検出することにより角速度Ωを求めることが
できる。このとき、振動片２、５の振幅を一定に保つた
めに、モニタ用圧電素子９、１２によりその振幅を検出
し、駆動用圧電素子８、１１の駆動信号にその振幅をフ
ィードバックする。

【０００５】また他の従来例の角速度センサとして、特
開昭６１−１３９７１９号公報が提案されている。図８
はこの角速度センサの分解斜視図である。シリコン等の
半導体基板から成る振動子基板１４にはエッチングによ
り片持梁１５が形成されており、片持梁１５の自由端に
は電極１６が設けられている。また片持梁１５の固定端
には、ピエゾ抵抗素子１７ａ、１７ｂが設けられてい
る。振動子基板１４の下方にはスペーサ１８を介してシ
リコン等から成る支持基板１９が設けられており、支持
基板１９には発振器２０を介して電極１６が接続されて
いる。

【０００６】電極１６に発振器２０から交流信号を印加
することにより、片持梁１５の自由端はＺ方向に振動す
る。ここで、振動子基板１４がＹ軸を中心に回転する
と、コリオリの力によって片持梁１５の自由端にはＸ方
向の振動が発生する。このＸ方向の振動の振幅は、回転
の角速度に対応しているため、この振動を片持梁１５に
取り付けたピエゾ抵抗素子１７ａ及び１７ｂで検出する
ことによって角速度を測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図７に示
した従来例では、振動片２、５や検出用振動片４、７の
加工組立精度が高くないと、共振周波数がずれたり減衰
特性がばらついたりして、角速度の検出精度が向上しな
いという欠点がある。また、部品を一体に製作するわけ
ではないので、組立作業が複雑になり小型化を進めるこ
ともコストを下げることもできないという欠点がある。

【０００８】また図８に示した従来例においては、自由
端の振動の反作用として固定端を振動させようとする力
が働く。この力は固定端の基板材料によって吸収され、
その分だけ自由端の振動が減衰してしまう。そのため、
Ｚ方向の振動を効率良く発生させることができず、また
Ｘ方向の振動にも損失が生じ、検出感度が低下する問題
がある。

【０００９】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
効率良く駆動でき検出感度の高い角速度センサを提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの第１発明に係る角速度センサは、角速度を検出する
ための角速度センサであって、基板に一体に形成した支
持梁と、該支持梁により中央部を支持した振動部材とを
有し、該振動部材の両端が前記基板の面と直交する方向
に振動する方向を主振動方向とし、前記振動部材の振動
中の前記主振動方向と直交する方向の変位を検出するこ
とにより、前記振動部材の長手方向に延在する軸を回転
中心とする回転の回転角速度を検出することを特徴とす
る。

【００１１】また、同様に上述の目的を達成するための
第２発明に係る角速度センサは、角速度を検出するため
の角速度センサであって、基板に一体に形成した支持梁
と、該支持梁により支持され第１方向に延在しかつ前記
第１方向と異なる第２方向に振動する振動部材とを有
し、該振動部材の振動中の前記第１及び第２方向に直交
する方向の変位を検出することにより、前記第１方向に
延在する軸を回転中心とする回転の回転角速度を検出す
ることを特徴とする。

【００１２】

【作用】上述の構成を有する角速度センサは、主振動方
向に振動中の振動部材の、主振動方向と直交する方向の
変位を検出することにより、振動部材の長手方向に延在
する軸を中心とする回転の回転角速度を検出する。

【００１３】

【実施例】本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明の角速度センサの第１
の実施例の分解斜視図であり、シリコン等の半導体基板
から成る振動子基板２１には、フォトリソグラフィ及び
異方性エッチングにより振動子２２及び支持梁２３が一
体に形成されている。振動子２２は２つの部分２２ａ及
び２２ｂから成り、その中央部は支持梁２３によって支
持されている。振動子２２の両端部には駆動用コイル２
４ａ及び２４ｂがフォトリソグラフィによりパターニン
グされ、支持梁２３の上を通って端子２５に引き出され
ている。また、振動子２２の中央部には、シリコン基板
にボロン等の不純物をドープすることにより拡散型の歪
ゲージユニットが形成され、複数の歪ゲージ２６ａ〜２
６ｄがブリッジ状に組込まれ、歪を電圧変化として検出
するようになっている。また、振動子基板２１上には、
同様にフォトリソグラフィにより歪ゲージ２６ａ〜２６
ｄの温度補償や各出力の演算処理を行う検出回路２７が
モノリシックに形成されている。

【００１４】振動子基板２１の下方には、シリコン等の
半導体基板から成る支持基板２８が設けられ、その中央
部には異方性エッチングにより支持台２９が形成されて
いる。更に、最下方にはフェライト又は希土類磁石から
成る板体状の永久磁石３０が設けられ、磁界が振動子基
板２１を垂直に貫くように着磁されている。振動子基板
２１と支持基板２８の組立には陽極接合法、即ち両部材
を４００℃前後の高温に保ちながら押し付け、高電圧を
印加して接合させる方法が用いられている。更に、永久
磁石３０と支持基板２８とは接着剤で貼り合わせて組立
てられている。

【００１５】図２は図１の角速度センサを組立てた状態
での断面図であり、振動子２２の中央部は支持台２９上
に接合固定され、駆動用コイル２４ａ及び２４ｂが設け
られた両端部分は自由に振動ができるようになってい
る。

【００１６】このような構成により、駆動用コイル２４
ａ及び２４ｂに励振電流を流すと、振動子２２は永久磁
石３０からの磁界により反発・吸引されて、振動子基板
２１の面と直交する主振動方向に振動する。この励振電
流を振動子２２の共振周波数と一致するように設定し、
振動子２２の両端がＺ方向に同相で動くように、それぞ
れの駆動用コイル２４に流す電流の向きを設定する。同
時に、振動子２２の振幅が常に一定になるように歪ゲー
ジ２６ａ〜２６ｄの出力を励振電流にフィードバックす
る。即ち、振動子２２がＺ方向にのみ振動している場合
には、歪ゲージ２６ａ、２６ｂの出力を加算した出力
は、その撓み量に比例して同相の出力となってＺ方向の
振幅となる。

【００１７】また、振動子２２がＺ方向と同時にＸ方向
にも振動している場合には、Ｘ方向の振動により歪ゲー
ジ２６ａ、２６ｂの一方が伸び、他方が縮むという丁度
逆相で同じ大きさの歪が生じ、それが加算されるとＸ方
向の振動分は相殺され、Ｚ方向の振幅だけが出力される
ことになる。このＺ方向の振幅を駆動用コイル２４の励
振電流の振幅にフィードバックすることにより、所定の
振幅を保つことができる。反対側の歪ゲージ２６ｃ、２
６ｄについても同様であり、振幅が一定になるよう制御
される。

【００１８】このような状態で、Ｙ軸廻りの回転角速度
Ωが外部から作用すると、振動子２２の励振方向と直交
する方向、即ちＸ方向にコリオリの力Fcが働き、振動子
２２はその共振周波数で作用した回転角速度Ωに比例し
た振幅でＸ方向に振動する。振動子２２のＸ方向の振動
は、歪ゲージ２６ａ、２６ｂの出力を減算することによ
って、Ｚ方向の振動による同相分を取り除き、Ｘ方向の
振動による逆相の出力のみを取り出して検出する。即
ち、歪ゲージ２６ａ、２６ｂの出力を減算したものはＸ
方向の振動振幅を意味し、その振幅は回転角速度Ωに比
例するので回転角速度Ωを検出することができる。歪ゲ
ージ２６ｃ、２６ｄについても同様である。このよう
に、回転角速度Ωを求めるためには、振幅変調されたＸ
方向の振動から振幅を取り出すための検波が必要であ
り、振動子２２のＺ方向の振動信号とＸ方向の振動信号
とを同期検波して回転角速度Ωを検出する。

【００１９】図３は第１の実施例の角速度センサにおけ
る駆動回路及び検出回路の構成例を示すブロック回路構
成図であり、図１と同一の部材には同一の符号を付して
いる。駆動用コイル２４ａには、端子２５を介して交流
電源３２ａから交流電流が供給され、振動子２２の一方
の部分２２ａを振動させる。また駆動用コイル２４ｂに
は、端子２５を介して交流電源３２ｂから交流電流が供
給され、振動子２２の他方の部分２２ｂを振動させる。

【００２０】振動子の部分２２ａに取り付けられた歪ゲ
ージ２６ａ及び２６ｂのそれぞれからは、前述のように
Ｘ方向の振動に対応した周期的な信号と、Ｚ方向の振動
に対応した周期的な信号とが重畳された信号が出力され
る。これらの信号は検出回路２７内の差動増幅器３３ａ
によって差分され、Ｘ方向の振動に対応した周期的信号
が出力される。このＸ方向の振動は、基板２１の回転に
よるコリオリの力によって発生したものである。従っ
て、差動増幅器３３ａの出力信号の振幅を、第１の振幅
検波器３４ａで後述するＺ方向の振動信号を参照信号と
して同期検波することによって角速度検出信号が得られ
る。

【００２１】一方、歪ゲージ２６ａ及び２６ｂの出力信
号は、検出回路２７内の加算増幅器４３ａによって加算
され、Ｚ方向の振動に対応した周期的信号が出力され
る。このＺ方向の振動は、駆動用コイル２４ａによって
発生したものである。従って、加算増幅器３５ａの出力
信号の振幅を、第２の振幅検波器３６ａで検出すること
によって制御信号が得られる。そして、この制御信号を
駆動手段にフィードバックし、振幅制御回路３７ａを介
して交流電源３２ａからコイル２４ａに供給される電流
の振幅を制御することによって、振動子の部分２２ａを
一定の振幅で安定に振動させることができる。

【００２２】振動子の部分２２ｂに取り付けられた歪ゲ
ージ２６ｃ及び２６ｄの出力からも同様の検出が行われ
る。即ち、歪ゲージ２６ｃ及び２６ｄの出力は、差動増
幅器３３ｂで差動され、差動増幅器３３ｂの出力信号の
振幅を第３の振幅検波器３４ｂでＺ方向の振動信号を参
照信号として同期検波することによって角速度検出信号
が得られる。また、歪ゲージ２６ｃ及び２６ｄの出力
は、加算増幅器３５ｂで加算され、加算増幅器３５ｂの
出力信号の振幅を第４の振幅検波器３６ｂで検出するこ
とによって制御信号が得られる。第４の振幅検波器３６
ｂの出力信号は、振幅制御回路３７ｂにフィードバック
され、交流電源３２ｂの出力電流の振幅を制御するのに
用いられる。第１及び第３の振幅検波器３４ａ及び３４
ｂの出力は、それぞれ単独でも角速度検出信号として用
いることができるし、加算器３８でこれらを加算し、こ
の加算器３８の出力を角速度検出信号として用いてもよ
い。

【００２３】上述の実施例においては、コイル２４ａ及
び２４ｂをそれぞれ別個の交流電源３２ａ及び３２ｂで
駆動したが、これらの電源を共通とし、第２及び第４の
振幅検波器３６ａ及び３６ｂの出力を加算してこの加算
信号に応じて共通の電源の出力電流の振幅を制御するよ
うに構成することもできる。

【００２４】本実施例において、振動子２２の部分２２
ａ、２２ｂを振動させた場合に、これらの振動の反作用
で生じた力が支持梁２３の部分で拮抗して、振動の損失
が生ずることはない。従って、部分２２ａ、２２ｂを効
率良く駆動することができ、駆動手段の消費電力を小さ
く抑えることができる。またコリオリの力によるＸ方向
の振動も減衰することがないため、高い検出感度で角速
度の検出ができる。また、部分２２ａ、２２ｂの固定端
となる支持台２９に作用するモーメント力は片持梁に比
べ小さく、その支持台２９との接合部に掛かる負荷を小
さくできるので、センサの耐久性も向上する。

【００２５】図４は第２の実施例の分解斜視図であり、
図５は図４の角速度センサを組立てた状態の断面図であ
る。ここでは、振動子２２を振動させる駆動用コイル２
４ａ、２４ｂの代りに、駆動用圧電素子４１が用いられ
ている。圧電素子４１を製作するためには、支持基板４
２上に下電極４３をパターニングし、その上にＰＺＴ、
ＺｎＯ、Ａｌ₃ Ｎ₄ 等の圧電体層４４を付着させ、上電
極４５、取出電極４６をパターンニングし、最後に駆動
用圧電素子４１とその周辺を残して圧電体層４４をエッ
チングにより除去する。同時に、下電極４３の取出パタ
ーンも形成される。振動子基板２１の裏面には、上電極
４５に対応する位置に引出電極４７が設けられ、圧電体
層４４と接合する際に上電極４５と取出電極４６が導通
するようにされている。

【００２６】本実施例においては、振動子２２を振動さ
せるためには支持台となる駆動用圧電素子４１に振幅電
圧を印加する。そして、第１の実施例と同様に歪ゲージ
２６ａ〜２６ｄの加算信号を基に、振動子２２の振幅が
一定となるよう振動子２２の共振周波数により励振電圧
を制御する。このように、圧電素子４１を用いることに
より永久磁石３０を省略することができ、小型化するこ
とができる。更に、マイクロメカニクスにより製作すれ
ば、非常に小型なものが一度に多数製作することがで
き、大幅なコストダウンになる。

【００２７】本実施例において、角速度の検出は第１の
実施例と全く同様に行われ、全く同様の効果が得られ
る。また、振動子２２の中央部に設けた１つの圧電素子
で振動子２２の両端を振動させることができるため、構
成がより簡単で、効率良く動作する角速度センサが得ら
れる。

【００２８】図６は第３の実施例の振動子の配置を示す
斜視図である。シリコン等の半導体基板から成る振動子
基板２１には、フォトリソグラフィ及び異方性エッチン
グにより平行に配置された振動子２２、２２’が、支持
梁２３によりその中央部が支持されるように一体に形成
されている。それぞれの振動子２２、２２’の両端の部
分２２ａ、２２ｂ、２２ａ’、２２ｂ’には第１の実施
例と同様に図示しない駆動コイルが設けられ、振動子基
板２１の面に垂直なＺ方向に振幅が一定になるように振
動駆動されている。その際に、振動子２２の両端の部分
２２ａ、２２ｂはＺ方向に同相に動き、それとは逆に振
動子２２’の両端の部分２２ａ’、２２ｂ’は部分２２
ａ、２２ｂとは逆方向に同相に動く。これは振動子２
２、２２’の両端部分の駆動コイルに流す電流の向きを
調整することで可能となる。また、第１の実施例と同様
に各振動子２２、２２’の支持梁２３の近傍には図示し
ない歪ゲージが設けられており、振動子２２、２２’の
Ｘ方向の振動を検出できるようになっている。

【００２９】ここで、Ｙ軸廻りの回転角速度Ωが外部か
ら作用すると、振動子２２、２２’の両端の部分２２
ａ、２２ｂと２２ａ’、２２ｂ’はＺ方向の励振方向に
応じて、図中の矢印のような方向にコリオリの力Fcが作
用して、Ｘ方向に沿って互いに逆相に回転角速度Ωに比
例した振幅で振動する。回転角速度Ωは第１の実施例と
同様に、それぞれの振動子２２、２２’の図示しない歪
ゲージでＺ方向の振動信号とＸ方向の振動信号とを検出
し、Ｘ方向の振動信号とＺ方向の振動信号とを同期検波
することにより検出される。

【００３０】この第３の実施例の角速度センサは振動子
２２、２２’を平行に配置することにより、回転角速度
Ωによって振動子２２、２２’に生ずるＸ方向のコリオ
リFcの力の反力を振動子２２、２２’間の部分の支持梁
２３を通して拮抗させるため、振動のエネルギの損失が
少なくなり、高感度の回転角速度の検出ができる。

【００３１】また、支持梁２３を固定する図示しない支
持台との接合部にかかる負荷も小さくなり、角速度セン
サの耐久性も向上する。

【００３２】本発明は以上に説明した実施例の他にも種
々の応用が可能である。例えば、振動子の振動を検出す
る手段として、圧電素子を用いることもできる。そし
て、本発明は特許請求の範囲内において、このような応
用例を全て包含するものである。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る角速度
センサは、小型で精度が高く、コストも安価である。ま
た、一体に形成し易く、そのため部品の加工組立精度が
向上し、回転角速度の検出精度や信頼性も向上する。更
に、マイクロメカニクスにより製作すれば、非常に小型
なものが一度に多数製作することができ、大幅なコスト
ダウンになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の分解斜視図である。

【図２】断面図である。

【図３】第１の実施例のブロック回路構成図である。

【図４】第２の実施例の分解斜視図である。

【図５】断面図である。

【図６】第３の実施例の斜視図である。

【図７】従来例の斜視図である。

【図８】従来例の斜視図である。

【符号の説明】

２１振動子基板２２、２２’ 振動子２３支持梁２４駆動用コイル２６ａ〜２６ｄ歪ゲージ２８、４２支持基板２９支持台３０永久磁石４１駆動用圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】角速度を検出するための角速度センサで
あって、基板に一体に形成した支持梁と、該支持梁によ
り中央部を支持した振動部材とを有し、該振動部材の両
端が前記基板の面と直交する方向に振動する方向を主振
動方向とし、前記振動部材の振動中の前記主振動方向と
直交する方向の変位を検出することにより、前記振動部
材の長手方向に延在する軸を回転中心とする回転の回転
角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】角速度を検出するための角速度センサで
あって、基板に一体に形成した支持梁と、該支持梁によ
り支持され第１方向に延在しかつ前記第１方向と異なる
第２方向に振動する振動部材とを有し、該振動部材の振
動中の前記第１及び第２方向に直交する方向の変位を検
出することにより、前記第１方向に延在する軸を回転中
心とする回転の回転角速度を検出することを特徴とする
角速度センサ。
【請求項３】前記振動部材の振動を励起する手段とし
て、前記振動部材上に配置した電磁コイルと、該電磁コ
イルに直交する磁界を発生する手段とを設けた請求項１
又は２に記載の角速度センサ。
【請求項４】前記振動部材の振動を励起する手段とし
て、前記振動部材の中央部を下部から支持する支持台に
圧電素子を設けた請求項１又は２に記載の角速度セン
サ。