JPH06249667A

JPH06249667A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH06249667A
Application number: JP5040184A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Fushimi; 正弘伏見; Yoshihisa Sano; 義久左納; Miki Tamura; 美樹田村; Yoshiki Uda; 芳己宇田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で高感度な角速度センサを提供する【構成】駆動素子２０１に交流電圧が印加されると、
駆動素子は駆動用梁部１０２を振動させる。この振動は
中継重量部１０３および検出用梁部１０４，１０５を介
して重量部１０７を振動させる。重量部が振動している
とき角速度センサが方向１０９に回転されると、重量部
はコリオリ力を発生させる。コリオリ力は検出用梁部を
変形させる。この変形量が角速度検出素子２０３により
角速度として検出される。振動に寄与する重量部を中継
重量部で折り返し、各々を検出用梁部で結合する形状と
することにより、検出用梁部の長さを大きくして検出感
度を高め、センサ寸法を小さくすることを可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動ジャイロ型の角速度
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の姿勢、動き、速度等の情報
を得るために物体の方位を検出するものとしてジャイロ
が知られている。ジャイロはよく知られているように、
独楽の原理を利用した機械式機構からなる方位検出装置
であって、船舶や航空機の慣性航法装置として利用され
てきた。ジャイロは初期位置入力が正確であれば高精度
の絶対位置検出が可能であり、また、初期位置入力がな
い場合にも相対位置検出を常に高精度に行うことができ
るという優れた長所を有している。しかし、従来のジャ
イロは準機械的構造であるため極めて高精度の部品を要
し、従って、非常に高価であり、しかも体積及び重量が
大きいという欠点がある。

【０００３】近年高価なジャイロを用いても高精度の検
出を行いたいという需要は、以前に比ベていっそう増加
している。しかし、従来の機械式ジャイロを各種装置や
機器に搭載した場合に、装置や機器が大型かつ大重量化
してしまうので、従来の機械式ジャイロの利用は比較的
限られた分野のみに留まっていた。

【０００４】しかし、最近になって従来の機械式ジャイ
ロに設けられていた回転独楽の代わりに音さなどの振動
子を用いる振動ジャイロが開発されたため、ジャイロの
利用分野の拡大が可能になり、各種の機器や装置にジャ
イロ式検出器を搭載できる可能性が大きくなった。

【０００５】この振動ジャイロは、一定の振動数で振動
している音さ等の振動子に外力による角速度が加わった
時に振動子に生ずるコリオリ力を検出することによって
角速度を検出するものであり、回転独楽がないため非常
に小型であるととも低コストで作製することができると
いう利点がある。また、高精度の検出が可能であるとい
う長所を有しているため、各種機器の振動検出装置や方
位検出装置として利用されることが期待されている。

【０００６】図９は、従来の振動型の角速度センサの一
例を示すものである。８１は角速度検知用梁部であり、
８２は検出部である圧電素子である。検出用梁部８１は
結合部８３を介して、他端を固定部８６で固定された駆
動用梁部８４に接続され、駆動源である圧電素子８５に
より、矢印８７の方向に振動する。このとき、方向８８
に角速度が加わると、方向８９にコリオリ力が作用し、
検出用梁部８１が歪む。この歪量を検出部８１で検出す
ることによりコリオリ力に比例する角速度を求めること
ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】小型機器に搭載する角
速度センサについては小型であることが望ましい。しか
しながら、従来の形状では角速度センサを小型化すると
感度も低下するという問題があった。

【０００８】本発明は上記問題に鑑み、振動型の構成を
有し小型ながら感度が高い角速度センサを提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサ
は、矩形プレート状の駆動用梁部と、駆動用梁部の第１
の側部に連結されており、かつ角速度測定対象に連結さ
れるべき支持部と、支持部が連結されている駆動用梁部
の第１の側部と対向する駆動用梁部の第２の側部に連結
されており、第２の側部に沿って両方向に駆動用梁部外
に延び出している中継重量部と、中継重量部の両終端か
らそれぞれ駆動用梁部の第３，第４の側部に沿って、か
つ第３，第４の側部との間に空隙を保ちつつ、支持部方
向に延びる２本の検出用梁部と、支持部との間に空隙を
保ちつつ、支持部に沿って延び、検出用梁部の両終端間
を連結する重量部と、駆動用梁部の少なくとも一面に固
定され、駆動用梁部を振動させる駆動素子と、検出用梁
部の少なくとも一方に配設され、検出用梁部の変形を検
出する角速度検出素子とを有する。

【００１０】

【作用】駆動素子に交流電圧が印加されると、駆動素子
は駆動用梁部を振動させる。この振動は中継重量部を介
して重量部を振動させる。重量部が振動しているとき角
速度センサが回転されると、重量部はコリオリ力を発生
させる。コリオリ力は検出用梁部を変形させる。この変
形量が角速度検出素子により角速度として検出される。
振動に寄与する重量部を中継重量部で折り返し、各々を
検出用梁部で結合する形状とすることにより、検出用梁
部の長さを大きくして検出感度を高め、センサ寸法を小
さくすることを可能にした。

【００１１】

【実施例】次ぎに、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。図１は本発明の角速度センサの第１の実
施例を示す斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ拡大断面
図である。支持部１０１はベース１００の上に固定され
ており、支持部１０１の一側面からは、支持部１０１の
厚みより薄くされた駆動用梁部１０２が延びている。駆
動用梁部１０２の延長端には、駆動用梁部１０２の延長
方向に対し直角に両方向に延びる中継重量部１０３が形
成されている。中継重量部１０３の厚みは、支持部１０
１の厚みと同一にされている。中継重量部１０３の両延
長端からは、検出用梁部１０４，１０５が駆動用梁部１
０２との間に空隙部１０６を保ちつつ支持部１０１の方
向に延びている。

【００１２】検出用梁部１０４，１０５の厚みは、捻れ
にくいように支持部１０１の厚みと同一にされている
が、幅は角速度検出に好都合なように狭くされている。
支持部１０１の配置された場所を越えて延びた検出用梁
部１０４，１０５の延長端は重量部１０７により相互に
接続されている。重量部１０７の厚みも支持部１０１の
厚みと同一にされている。重量部１０７と支持部１０１
との間には空隙１０８が設けられている。

【００１３】駆動用梁部１０２の上面には駆動用梁部１
０２を振動させるための駆動素子２０１が固定され、下
面には駆動素子２０１による駆動用梁部１０２の振動を
検出するために、駆動素子２０１と等価と看做されるよ
うな振動検出素子２０２が固定されている。検出用梁部
１０４の側面であって中継重量部１０３に近いところ
に、角速度検出素子２０３が固定されている。本実施例
の場合には、各素子２０１，２０２，２０３はチタン酸
・ジルコン酸・鉛（以降においてはＰＺＴと略記する）
で形成されている。

【００１４】本実施例は上述したように構成されている
から、駆動用素子２０１に駆動用の交流電圧を印加すれ
ば駆動素子２０１は駆動用梁部１０２を振動させ、この
振動は中継重量部１０３および検出用梁部１０４，１０
５を介して重量部１０７を励振方向１１０に振動させ
る。この際、駆動検出素子２０２が駆動素子２０１によ
る駆動用梁部１０２の振動状態を検出する。この検出結
果のフィードバックに基づき、駆動素子２０１を駆動す
る駆動制御部（不図示）はその駆動量を所望のものにな
るように調節する。重量部１０７が励振方向１１０に振
動されているとき、全体が矢印の方向１０９に向けて回
転されたとすると、検出用梁部１０４，１０５には矢印
の方向１１１にコリオリ力が働き、検出用梁部１０４，
１０５は変形する。この変形量は角度検出素子２０３に
より角速度として検出される。

【００１５】なお、本実施例において適用された各種パ
ラメータのうち、駆動用素子２０１に印加される交流電
圧は５Ｖで１ｋＨｚとし、各部１０１，１０３，１０
４，１０５，１０７の厚みは２ｍｍ、駆動用梁部１０２
の厚みおよび素子２０１，２０２の厚みは２００μｍ、
横方向（重量部１０７の延長方向）の外寸は５ｍｍ、縦
方向（検出用梁部１０４，１０５の延長方向）の外寸は
１０ｍｍとした。

【００１６】次に本実施例の角速度センサの形成方法に
ついて図３を参照して説明する。シリコン基板３０１の
上下面には、ジクロロシランおよびアンモニアガスを原
料としたＬＰＣＶＤ成膜法を用いて窒化シリコン膜３０
２を０．２μｍの厚さに堆積させた後、構造体を形成す
るために両面マスクアライナ装置を用いたフォトリソグ
ラフィ法を用いて、空隙部１０６，１０８に相当するこ
ととなる窒化シリコン膜３０２の一部を除去しエッチン
グ部３０３（空隙部１０６に相当する部分は図面上では
観察できない）とする（図３（ａ））。窒化シリコン膜
３０２を除去するのには、四フッ化炭素を用いた反応性
イオンエッチング法を適用した。

【００１７】図３（ａ）で示された基板に対し、約１１
０゜Ｃに加熱した水酸化カリウム水溶液を用いて所望時
間エッチングを行うと、エッチング部３０３が形成され
ていた所に、シリコンの（１１１）結晶面である斜面３
０４が現れる（これは、予めシリコン基板３０１が（１
１１）結晶面を出現させるように切り出されているから
である）。さらに、上述したフォトリソグラフィ法なら
びに反応性イオンエッチング法を用いてエッチング部３
０５を形成する（図３（ｂ））。

【００１８】次に、再び加熱した水酸化カリウム水溶液
によりエッチングを行い、駆動用梁部１０２を形成す
る。このエッチングの間に斜面３０４および斜面間を接
続する面もエッチングを受け空隙部１０６，１０８が形
成される（図３（ｃ））。この場合に、空隙部１０６，
１０８を形成する壁面がエッチングによりほぼ垂直にな
る時間と、駆動用梁部１０２の厚みが所望のものとなる
時間とは一致させられている。また、上述のエッチング
に用いられるエッチング溶液としては、水酸化カリウム
水溶液を用いたが、ヒドラジン、アンモニア、テトラメ
チルアンモニウムハイドロオキサイド等のシリコンの異
方性エッチングを示すエッチング液を用いることができ
る。

【００１９】図３（ｃ）のように形成された部分を複数
含む基板より個々の素子を切断線３０８に沿って切り出
し、ＰＺＴ焼結体よりなる駆動素子２０１および駆動検
出素子２０２を駆動用梁部１０２の上面と下面に接着す
る（図３（ｄ））。なお、これらＰＺＴ結晶体の両面に
は、予めして銀電極がスクリーン印刷で形成され分極処
理が行なわれており、エポキシ系接着剤で接着された。
このように切り出された素子の駆動素子２０１および駆
動検出素子２０２には、リード線が接続されるととも
に、素子の支持部１０１は凸部を有するベース１００
（角速度を測定しようとする対象物に相当する）に固定
される。本実施例においては、角速度１゜／ｓｅｃで回
転方向１０９に回転した場合、検出部１０３からは、
０．２ｍＶの出力が得られた。

【００２０】図４は、図１の実施例の角速度センサをカ
メラの像ぶれ抑制システムとして適用した、角速度セン
サの応用例を示す構成図である。図４において、３０は
補正光学系、３１は光軸中心、３１Ｐ，３１Ｙは各々カ
メラの縦ぶれ、横ぶれ方向、３２はレンズ鏡筒、３３
Ｐ，３３Ｙは図１の実施例で説明した角速度センサ、３
４Ｐ及び３４Ｙは角速度検知方向、３５Ｐ及び３５Ｙは
積分回路、３６は光学系の一部をなす固定レンズ、３７
Ｐ及び３７Ｙは補正光学系駆動部、３８Ｐおよび３８Ｙ
は補正光学系位置センサ、３９は像面である。

【００２１】角速度センサ３３Ｐ，３３Ｙの角速度信号
を積分回路３５Ｐ，３５Ｙで積分して手ぶれ角変位に変
換する。この変換された角変位信号は、補正光学系３０
をＸ，Ｙ方向に変位させる駆動部３７Ｐ，３７Ｙに入力
されてこの補正光学系３０を駆動させ、像面３９での像
安定を確保し、像ぶれ抑制を行うようになっている。ま
た、補正光学系３０の位置検出センサ３８Ｐ，３８Ｙ
は、変位量を検出してフィードバック制御に利用され
る。上記構成のカメラの像ぶれ抑制システムは良好に動
作し像ぶれを抑制した。

【００２２】次に、本発明の第２の実施例について図５
を参照して説明する。本実施例においては、図１の実施
例で示された角速度センサの素子が二つ重ねられた構造
をしている。図５において、４０１は角速度センサの素
子を保持するケースとなるセンサケース部であり、４０
３は二つの素子間のスペーサとなるスペーサ部である。
本実施例においては、二つの素子の励振方向を逆位相と
し、二つの素子の出力の差をとることにより矢印Ｂ方向
の重力・加速度等によるオフセット成分を相殺すること
ができる利点がある。また、本実施例の角速度センサに
おいて、内部を真空封止することによりさらに特性向上
を計ることができる。すなわち、内部を減圧状態にする
ことにより、空気粘性による影響が低減され振動の電気
機械変換特性が向上して、１０倍〜１００倍程度の感度
向上が可能である。この場合、空気を介在した温度変化
の影響を受けにくくなるため出力の熱的安定化も同時に
図ることができる。さらに、本実施例で説明した回路部
またはその一部をＣＭＯＳ構成とし、支持部１０１や中
継重量部１０３内に形成することも可能である。この場
合には、回路構成部における小型化によるシステムのさ
らなる小型化が可能である。

【００２３】次に、本発明の第３の実施例について図６
を参照して説明する。５０１はベース５００に固定され
た支持部、５０２は駆動用梁部、５０３は中継重量部、
５０４，５０５は検出用梁部、５０６は空隙部、５０７
は重量部、５０８は支持部５０１と重量部５０７との間
の空隙部、５０９は検出すべき角速度の方向、５１０は
励振方向、５１１はコリオリ力が発生する方向、６０１
はＰＺＴからなる駆動素子、６０３は酸化亜鉛からなる
角速度検出素子、６０４は引きだし線、６０５は電極パ
ッド、６０６は電極パッドのひとつと駆動素子とを接続
するリード線である。

【００２４】図６の実施例の動作原理について図７を参
照して説明する。６０７は検出用梁部５０４の歪みの中
立面であり、６０８，６０９はそれぞれ歪みの方向を示
している。角速度検出素子６０３は２つの金電極で挟ま
れる構造を有し、各金電極はそれぞれ引きだし線６０４
により電極パッド６０５に接続されている。角速度セン
サに角速度が方向５０９に加わると、コリオリ力が方向
５１１に発生し、検出用梁部５０４においては、中立面
６０７を境にして両側で６０８または６０９の方向に歪
む。この歪を、中立面より離れた検出用梁部５０４の片
側に形成した角速度検出素子６０３で検出する。なお、
本実施例では、検出部として圧電体を用いたが、ピエゾ
抵抗素子等歪を検出する手段を同様に適用することが可
能である。またこの時、もう一方の検出用梁部５０５に
角速度検出素子を設け、２つの角度検出素子の出力の差
をとることにより、励振方向５１０の重力・加速度等の
影響をによる出力信号のオフセット成分を簡単に取り除
くこともできる。なお、本実施例を駆動するに際して
は、駆動交流電圧は５Ｖおよび駆動周波数は１．５ｋＨ
ｚが適当であった。

【００２５】図６の角速度センサの作成方法について図
８を参照して説明する。ガラス基板７０１には、１ｍｍ
厚のＰＥＧ３感光性ガラス（ＨＯＹＡ（株）製）を用い
た。図８（ａ）において、ホトレジス材を基板７０１表
面に、センサ構造のためのパターンを形成する紫外線マ
スク部７０２を形成する。次に、紫外線照射を行い、マ
スク材を取り除いた後熱処理による現像を行い、さらに
その後紫外線を照射し未露光部を露光する。この後、１
０％フッ化水素酸溶液でエッチングを行い、図８（ｂ）
における空隙部５０８を形成する。次に、クロムを下地
とする金の引き出し線６０４および電極パッド６０５な
らびに駆動用、検知用電極部（図示せず）を真空蒸着法
およびエッチングにより所望のパターンに同時に形成す
る。次に、駆動検出素子として酸化亜鉛をスパッタ法に
より形成し（図示せず）、さらに、駆動検出素子の上お
よび引き出し電極用として金電極部（図示せず）を形成
する。この後、駆動素子６０１としてＰＺＴ焼結体を図
１の実施例と同様な方法でガラス基板に接着し図８
（ｃ）の状態とした。最後に、図８（ｄ）に示すよう
に、支持部５０１とベース５００の突出部とを接着し
て、本実施例の角速度センサを形成する。この構成にお
いて、２つの角速度検出素子のたわみ変形に伴う出力電
圧の差信号により良好に角速度を検出することができ
た。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、駆動素子
による駆動用梁部の振動を中継駆動素子および検出用梁
部を介して支持部の近くに設けられた重量部に伝達する
ことにより、小型で高感度な角速度センサを提供するこ
とができる。この効果は、カメラ、ビデオカメラ等の小
型機器において多大であり、センサ部が大きい故の機器
のデザイン的制約を飛躍的に減少させた。また、ロッボ
ットアーム等の複雑な動きを有する装置の制御用センサ
等の小型のセンサが要求されるシステムヘの適用も可能
である。

【００２７】さらに、本発明は、検出部の形成において
高い加工精度を有するフォトリソグラフィ法およびエッ
チング法の適用が可能であり、加工誤差の低減による検
出感度の飛躍的向上を図ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の角速度センサの第１の実施例を示す斜
視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ拡大断面図である。

【図３】図１の実施例の角速度センサの形成方法を示す
工程図である。

【図４】図１の実施例の角速度センサをカメラの像ぶれ
抑制システムとして適用している、角速度センサの応用
例を示す構成図である。

【図５】本発明の角速度センサの第２の実施例を示す斜
視図である。

【図６】本発明の角速度センサの第３の実施例を示す斜
視図である。

【図７】図６の実施例の動作原理を説明するための図で
ある。

【図８】図１の実施例の角速度センサの形成方法を示す
工程図である。

【図９】従来例を示す斜視図である。

【符号の説明】

３０補正光学系３１光軸中心３２レンズ鏡筒３３Ｐ，３３Ｙ角速度センサ３４Ｐ，３４Ｙ角速度検出方向３５Ｐ，３５Ｙ積分回路３６固定レンズ３７Ｐ，３７Ｙ補正光学系駆動部３８Ｐ，３８Ｙ補正光学系位置センサ３９像面１００，５００ベース１０１，５０１支持部１０２，５０２駆動用梁部１０３，５０３中継重量部１０４，１０５，５０４，５０５検出用梁部１０６，１０８，５０６，５０８空隙部１０７，５０７重量部１０９，５０９検出すべき角速度の方向１１０，５１０励振方向１１１，５１１コリオリ力発生方向２０１，６０１駆動素子２０２，６０２駆動検出素子２０３，６０３角速度検出素子４０１センサケース４０３スペーサ部６０４引きだし線６０５電極パッド６０６リード線６０７中立面６０８，６０９歪みの方向７０１ガラス基板７０２紫外線マスク部

フロントページの続き (72)発明者宇田芳己東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形プレート状の駆動用梁部と、駆動用梁部の第１の側部に連結されており、かつ角速度
測定対象に連結されるべき支持部と、支持部が連結されている駆動用梁部の第１の側部と対向
する駆動用梁部の第２の側部に連結されており、第２の
側部に沿って両方向に駆動用梁部外に延び出している中
継重量部と、中継重量部の両終端からそれぞれ駆動用梁部の第３，第
４の側部に沿って、かつ第３，第４の側部との間に空隙
を保ちつつ、支持部方向に延びる２本の検出用梁部と、支持部との間に空隙を保ちつつ、支持部に沿って延び、
検出用梁部の両終端間を連結する重量部と、駆動用梁部の少なくとも一面に固定され、駆動用梁部を
振動させる駆動素子と、検出用梁部の少なくとも一方に配設され、検出用梁部の
変形を検出する角速度検出素子とを有する角速度セン
サ。
【請求項２】前記支持部、駆動用梁部、中継重量部、
検出用梁部、重量部は一体として成形されている請求項
１記載の角速度センサ。
【請求項３】前記支持部、駆動用梁部、中継重量部、
検出用梁部、重量部はシリコン単結晶基板をエッチング
して成形した請求項２記載の角速度センサ。
【請求項４】前記支持部、駆動用梁部、中継重量部、
検出用梁部、重量部は平板感光性ガラスで成形した請求
項２記載の角速度センサ。
【請求項５】前記２本の検出用梁部には、それぞれ角
速度検出素子を配設した請求項１記載の角速度センサ。
【請求項６】請求項１記載の角速度センサを２つ以上
積載して構成した角速度センサ。
【請求項７】前記駆動用梁部においては、駆動素子が
固定された面に対向する面に駆動素子と等価な駆動検出
素子が固定されている請求項１ないし６のいずれか１項
記載の角速度センサ。
【請求項８】前記各部は真空中に保持されている請求
項１ないし７のいずれか１項記載の角速度センサ。
【請求項９】前記駆動素子に交流駆動電源を供給し、
前記駆動用梁部を振動させるとともに、角速度検出素子
からの出力により角速度を検出する角速度検出制御回路
を有する請求項１ないし８のいずれか１項記載の角速度
センサ。
【請求項１０】前記駆動検出素子の出力をフィードバ
ック信号として受けることにより、前記駆動用梁部の振
動状態を検出し、振動状態が理想のものとなるように前
記駆動素子に供給する交流駆動電源を制御する角速度検
出制御回路を有する請求項７記載の角速度センサ。
【請求項１１】前記２本の検出用梁部にそれぞれ配設
された角速度検出素子の出力が互いに逆位相となるよう
に配設し、両角速度検出素子からの出力の差信号を求め
ることにより、角速度を検出する角速度検出制御回路を
有する請求項５記載の角速度センサ。