JPH07190782A - 振動角速度計 - Google Patents

振動角速度計

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Publication number
JPH07190782A
JPH07190782A JP5330736A JP33073693A JPH07190782A JP H07190782 A JPH07190782 A JP H07190782A JP 5330736 A JP5330736 A JP 5330736A JP 33073693 A JP33073693 A JP 33073693A JP H07190782 A JPH07190782 A JP H07190782A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
vibrator
thin film
angular velocity
weight
Prior art date
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Pending
Application number
JP5330736A
Other languages
English (en)
Inventor
Hisamitsu Fujio
尚光 藤生
Tatsushi Nomura
達士 野村
Yoshitaka Sango
貴敬 三五
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP5330736A priority Critical patent/JPH07190782A/ja
Priority to US08/504,725 priority patent/US5802684A/en
Publication of JPH07190782A publication Critical patent/JPH07190782A/ja
Priority to US08/674,708 priority patent/US5796000A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/04Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
    • H04R17/08Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus signals being recorded or played back by vibration of a stylus in two orthogonal directions simultaneously

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型で安価に量産できる振動角速度計を提供
することを目的とする。 【構成】 振動子を同一平面内に形成された複数の梁形
状とし、該複数の梁形状の片側を基体によって支持し、
他の側で重りを支持する構造とすることにより、感度も
向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、振動角速度計、特に小
型で安価に量産できる圧電振動角速度計に関する。
【0002】
【従来の技術】正、逆の圧電効果を利用した圧電振動角
速度計では従来GEタイプとワトソンタイプの2種類が
主流となっていた。GEタイプの圧電振動角速度計では
図4に示すように金属でできた棒状振動子に圧電セラミ
ックス板を接着し、これにより金属振動子を駆動すると
ともに、振動子の回転にともない生ずるコリオリ力を検
出する。使われる振動のモードは無拘束の横振動で、普
通、振動の節点で振動子を基体に固定する。
【0003】ワトソンタイプ圧電振動角速度計では、図
5に示すように、4枚の圧電セラミックバイモルフを2
枚ずつ互いに直交するように重ね音叉形状とし、駆動用
バイモルフで音叉全体を励振し、素子の回転に伴い生ず
るコリオリ力を検出用バイモルフで検知する。これらの
素子は角速度センサー、手振れセンサー等として応用さ
れ多くの実績を持つ。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の圧電振動角速度計は振動子の構成、固定の方法が複雑
であり、セラミックス板の接着、リード線の取付等の煩
雑な工程が不可欠であるため、小型化、低コスト化を行
うことは不可能であった。本発明の目的は、これらの問
題を解決し、小型で安価に量産できる振動角速度計を提
供することにある。
【0005】
【解決を解決するための手段】本発明は、振動子を同一
平面内に形成された複数の梁形状とし、該複数の梁形状
の片側を基体によって支持し他の側で重りを支持する構
造とした。また、本発明は、シリコン加工プロセスと最
近盛んとなった圧電・電歪材料の気相合成法とを、圧電
振動角速度計を作製するための手段として組み合わせで
きるとの着想に基づいて、基体上にシリコン加工プロセ
スにより振動子を形成し、その上に圧電・電歪材料から
なる薄膜を形成して圧電振動角速度計を形成するととも
に、振動子を同一平面内に形成された複数の梁形状と
し、該複数の梁形状の片側を基体によって支持し他の側
で重りを支持する構造とした。
【0006】
【作用】圧電・電歪材料からなる薄膜に、シリコンでで
きた重りを梁で支持した型の振動子の横振動の共振周波
数付近の周波数の交流電界を印加すると、圧電逆効果に
より振動子に固有振動が励起される。この段階で梁の軸
の回りに回転が起こると、梁の軸方向と振動方向の両方
向に垂直な方向にコリオリ力が発生する。この力は駆動
電界によって起こる振動と垂直方向に梁を変形させ、こ
れにより別の梁に固定された圧電・電歪薄膜に圧電正効
果によって生ずる誘起電荷を検出すれば、次に示す関係
により回転角速度を見積もることができる。
【0007】Fc=2m[v・Ω] ・・・ (1) ここで、Fcはコリオリ力、mは振動子の質量、vは振
動子の振動速度、Ωは回転角速度である。重りがある振
動子の場合には重りがない梁のみの振動子に比べて、質
量が増加するためコリオリ力が増え、圧電振動角速度計
の感度が向上する。
【0008】直交する4本の梁の中央に重りが配置され
た構造の振動子は安定した共振が得られる。1対の梁上
に形成された圧電・電歪薄膜により、4本の梁が重りを
中心として重りが素子の面に垂直の方向に振動する屈曲
振動を励起する。この状態で検出用薄膜が形成されたも
う1対の梁の軸の回りに回転運動が起こるとコリオリ力
よりこの梁が素子面内で屈曲する。この屈曲を同じ梁の
上に固定された検出用圧電・電歪薄膜によりコリオリ力
により生ずる出力を検出する。
【0009】上述した構造の振動子で、重り部分に圧電
・電歪薄膜を形成しこれを駆動用薄膜として使用する
と、4本の梁上に形成された圧電・電歪薄膜はすべて検
出用薄膜として使用することが出来る。重り部の圧電・
電歪薄膜をに適切な周波数の交流を印加すると重りが素
子平面に垂直方向に移動する共振が励起される。この
時、1対の梁の回りの回転が生ずると、コリオリ力によ
りこの梁が素子平面内で屈曲し、これに垂直なもう1対
の梁の回りの回転が生ずると、同様にこの梁が屈曲す
る。屈曲による圧電信号を検出すれば、互いに直交する
2軸の回りの回転角速度を1つの素子で検出することが
可能となる。
【0010】検出用電極からはコリオリ力に起因する圧
電信号に加えて、梁の振動に伴う圧電信号が加算された
出力が得られる。コリオリ力が加わると梁は振動方向と
垂直方向に撓み、梁の中心面に対して対称に、片側に圧
縮応力が、他の側に引っ張り応力が加わる。ここで検出
用電極が梁の中心軸に対称に配置してあれば、両電極か
ら得られるコリオリ力に起因する圧電信号は絶対値が等
しく符号が反対となる。梁の振動に基づく圧電信号は両
電極で等しくなるので、両電極から得られる出力の差を
取ればコリオリ力に起因する信号のみを得ることができ
る。
【0011】
【実施例】以下に実施例により本発明についてさらに詳
細に説明する。図1は、本発明に基づく圧電振動角速度
計の1例を示す。シリコンで作られた基体(1)に4本
のシリコンでできた梁(2)で、シリコンでできた重り
(3)が固定されている。駆動用圧電・電歪薄膜(4)
に振動子の共振周波数付近の交流電圧を印加すると、図
中Vで示した方向に重り及び梁が振動する。この時、Ω
で示す軸の回りに回転が生ずると式(1)で表されるコ
リオリ力がFcの方向に生ずる。この梁に生じたたわみ
を検出用圧電・電歪薄膜(6)により圧電信号として検
出する。
【0012】図3に検出用圧電・電歪薄膜が固定されて
いる梁の部分を中心にさらに詳細に説明する。図3−1
は、基体(1)及び梁(2)の部分を斜めから見た図で
ある。基体、梁共に、シリコンをエッチングする際の保
護膜となる窒化珪素(8)で覆われている。この上に下
部電極(9)、圧電・電歪薄膜(6)、上部電極(1
0)が形成されている。図3−2は、下部電極の面で切
断し素子を上方から見た図であり、下部電極は2分割さ
れている。図中、Fcの方向にコリオリ力が加わると片
側(9a)には引っ張り応力が、他の側には(9b)に
は圧縮応力が働く。上部電極をグランドとして使い、検
出用電極6aとグランドとの間で検出される電圧を
a、検出用電極6bとグランドとの間で検出される電
圧をvbとすると、va、vb共にコリオリ力に伴う信号
に加えて梁の振動に起因する信号が合成された形で検出
される。コリオリ力による信号はvaとvbで符号が異な
るため両者の差va−vbを取れば片持ち梁振動に起因す
る信号が相殺され、コリオリ力による信号のみを読みと
ることができる。
【0013】駆動用圧電・電歪薄膜が固定された梁の構
造は、下部電極が分割されていないことを除き基本的に
は上述したものと同様である。図2に、本発明に基づく
圧電振動角速度計の他の例を示す。シリコンで作られた
基体(1)に4本のシリコンでできた梁(2)でシリコ
ンでできた重り(3)が固定され、重りの上面に駆動用
圧電・電歪薄膜(5)が形成されている。直交する2つ
の梁の上に直交する2軸の回転角速度を検出するための
圧電・電歪薄膜が固定されている。駆動用圧電・電歪薄
膜に振動子の共振周波数付近の交流電圧を印加すると図
中Vで示した方向に重り及び梁が振動する。この時、Ω
で示す軸の回りに回転が生ずると式(1)で表されるコ
リオリ力がFcの方向に生ずる。このΩ方向の梁に生じ
たたわみを検出用電極(6a)で検出する。Ωと垂直な
方向の梁の回りの回転でも同様に、この梁に生ずるたわ
みを検出用電極(6b)で検出する。適切な検出回路を
接続すれば、1つの素子で直交する2つの方向の回転速
度を検出することが可能である。
【0014】検出用圧電・電歪薄膜の詳細な構造は実施
例1で説明したものと同様である。
【0015】
【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば、極めて小
型のしかも安価な圧電振動角速度計を得ることができ
る。特に、振動子を同一平面内に形成された複数の梁形
状とし、該複数の梁形状の片側を基体によって支持し他
の側で重りを支持する構造とすることにより、重りがな
い振動子に比べて質量が増加するためコリオリ力が増
え、感度が向上するという効果を有する。
【0016】本発明の圧電振動角速度計は単に単体で使
うのみでなく、マイクロマシン、マイクロロボット等の
小型システムへ組み込むことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に基づく圧電振動角速度計の一例であ
る。
【図2】 本発明に基づく圧電振動角速度計の他の例で
ある。
【図3】 図1に示した圧電振動角速度計の検出用圧電
・電歪薄膜が固定された梁の概念図である。
【図4】 従来の圧電振動角速度計の概念図である。
【図5】 従来の圧電振動角速度計の概念図である。
【符号の説明】
1 シリコン基体 2 シリコン振動子梁 3 シリコン振動子重り 4 駆動用圧電・電歪薄膜(梁上) 5 駆動用圧電・電歪薄膜(重り上) 6(a) 検出用圧電・電歪薄膜 (b) 検出用圧電・電歪薄膜 7 リード 8 窒化珪素 9(a) 下部電極 (b) 下部電極 10 上部電極 11 金属振動子 12 駆動用圧電セラミックス板 13 検出用圧電セラミックス板 14 駆動用圧電セラミックバイモルフ 15 検出用圧電セラミックバイモルフ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】振動子と、これを支持する基体と、振動子
    を振動させる駆動手段と、振動子の回転により発生する
    コリオリの力を検出する検出手段とからなる振動角速度
    計において、前記振動子は同一平面内に形成された複数
    の梁形状を有し、該複数の梁形状の片側を基体によって
    支持し他の側で重りを支持することを特徴とする振動角
    速度計。
  2. 【請求項2】シリコン加工プロセスにより形成された振
    動子およびそれを支持する基体と、前記振動子上に直接
    または他の層を介して形成された圧電および/または電
    歪材料からなる薄膜とから構成される圧電振動角速度計
    において、前記振動子は同一平面内に形成された複数の
    梁形状を有し、該複数の梁形状の片側を基体によって支
    持し他の側で重りを支持することを特徴とする圧電振動
    角速度計。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の振動角速度計において、
    前記振動子は重りに対して対称な2対の梁形状を有し、
    かつ各対が互いにほぼ90度の角度を成し、一対の梁形
    状に駆動手段として圧電および/または電歪材料からな
    る薄膜が形成され、他の対の梁形状に検出手段として圧
    電および/または電歪材料からなる薄膜が形成されてい
    ることを特徴とする圧電振動角速度計。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の振動角速度計において、
    前記振動子は重りに対して対称な2対の梁形状を有し、
    かつ各対が互いにほぼ90度の角度を成し、重り部分に
    駆動手段として圧電および/または電歪材料からなる薄
    膜が形成され、2対の梁形状に検出手段として圧電およ
    び/または電歪材料からなる薄膜が形成されていること
    を特徴とする圧電振動角速度計。
  5. 【請求項5】請求項3または請求項4に記載の振動角速
    度計において、前記検出手段として形成された圧電およ
    び/または電歪材料からなる薄膜の両面に電極を伴って
    おり、かつ片面の電極が梁形状の軸に対して対称に分割
    されていることを特徴とする圧電振動角速度計。
JP5330736A 1993-09-14 1993-12-27 振動角速度計 Pending JPH07190782A (ja)

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JP5330736A JPH07190782A (ja) 1993-12-27 1993-12-27 振動角速度計
US08/504,725 US5802684A (en) 1993-09-14 1995-07-20 Process for producing a vibration angular-velocity sensor
US08/674,708 US5796000A (en) 1993-09-14 1996-07-02 Vibration angular-velocity sensor and process for producing it

Applications Claiming Priority (1)

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JP5330736A JPH07190782A (ja) 1993-12-27 1993-12-27 振動角速度計

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ID=18235988

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JP5330736A Pending JPH07190782A (ja) 1993-09-14 1993-12-27 振動角速度計

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