JPH07190783A - 振動角速度計 - Google Patents
振動角速度計Info
- Publication number
- JPH07190783A JPH07190783A JP5330737A JP33073793A JPH07190783A JP H07190783 A JPH07190783 A JP H07190783A JP 5330737 A JP5330737 A JP 5330737A JP 33073793 A JP33073793 A JP 33073793A JP H07190783 A JPH07190783 A JP H07190783A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- vibrator
- angular velocity
- piezoelectric
- beams
- velocity meter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
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】 振動子を基体に支持された２本の片持ち梁形
状または両持ち梁形状とし、これらが同一平面内に互い
に直交するような構造とすることにより、一つの素子で
互いに直交する二方向の回転角速度を同時に検出するこ
とが可能となる。
することを目的とする。 【構成】 振動子を基体に支持された２本の片持ち梁形
状または両持ち梁形状とし、これらが同一平面内に互い
に直交するような構造とすることにより、一つの素子で
互いに直交する二方向の回転角速度を同時に検出するこ
とが可能となる。
Description
【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。
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３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。
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３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
４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。
４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。
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】
【課題を解決するための手段】本発明は、振動子を基体
に支持された２本の片持ち梁形状または両持ち梁形状と
し、これらが同一平面内に互いにほぼ直交するような構
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
ス二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、振動子を基体に支持された２本の片持ち梁形状また
は両持ち梁形状とし、これらが同一平面内に互いにほぼ
直交するような構造とした。
に支持された２本の片持ち梁形状または両持ち梁形状と
し、これらが同一平面内に互いにほぼ直交するような構
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
ス二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、振動子を基体に支持された２本の片持ち梁形状また
は両持ち梁形状とし、これらが同一平面内に互いにほぼ
直交するような構造とした。
【０００６】
【作用】一方のシリコンでできた片持ち梁型あるいは両
持ち型の振動子の圧電・電歪材料からなる薄膜に、梁の
屈曲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、振動方
向と梁の軸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、これにより振動子に固定された別の
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この振動子の梁の軸の
回りの回転角速度を見積もることができる。
持ち型の振動子の圧電・電歪材料からなる薄膜に、梁の
屈曲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、振動方
向と梁の軸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、これにより振動子に固定された別の
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この振動子の梁の軸の
回りの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。もう一つの片
持ち梁型あるいは両持ち梁型の振動子も、同様の原理
で、この梁の軸の回りの回転角速度を検出することがで
きる。従って、適当な駆動回路及び検出回路とともに用
いれば、一つの素子で互いに直交する二方向の回転角速
度を同時に検出することが可能である。
動子の振動速度、Ωは回転角速度である。もう一つの片
持ち梁型あるいは両持ち梁型の振動子も、同様の原理
で、この梁の軸の回りの回転角速度を検出することがで
きる。従って、適当な駆動回路及び検出回路とともに用
いれば、一つの素子で互いに直交する二方向の回転角速
度を同時に検出することが可能である。
【０００８】近接する二つの振動子の共振周波数が等し
い時には、互いに干渉して各々のコリオリ力の観測に障
害が生ずる場合がある。この際、二つの片持ち梁型ある
いは両持ち梁型の振動子を同じ形状、寸法としほぼ同じ
周波数と振幅で同期させれば、安定した振動が得られ、
二つの振動子の相互の干渉の影響を極めて小さくする事
ができる。特に二つの振動子が互いに反対の方向に同期
して動く場合には素子の重心の移動がなく、振動子によ
るエネルギー損失が少ないので理想的である。
い時には、互いに干渉して各々のコリオリ力の観測に障
害が生ずる場合がある。この際、二つの片持ち梁型ある
いは両持ち梁型の振動子を同じ形状、寸法としほぼ同じ
周波数と振幅で同期させれば、安定した振動が得られ、
二つの振動子の相互の干渉の影響を極めて小さくする事
ができる。特に二つの振動子が互いに反対の方向に同期
して動く場合には素子の重心の移動がなく、振動子によ
るエネルギー損失が少ないので理想的である。
【０００９】二つの振動子の干渉による問題は、各々の
振動子の共振周波数を変える事でも解決できる。このた
めには、二本の振動子の長さあるいは厚さを変えて、振
動子の共振周波数が互いに異なるようにすれば良い。
振動子の共振周波数を変える事でも解決できる。このた
めには、二本の振動子の長さあるいは厚さを変えて、振
動子の共振周波数が互いに異なるようにすれば良い。
【００１０】
【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例であり、素子を上方から見た図である。シリコ
ンでできた基体（２）に二本の寸法、形状が等しいシリ
コンでできた片持ち梁型振動子（１）が各々の梁の軸が
互いに直交するように配置されている。基体の最上面
は、水酸化カリウムによるエッチングの際に保護膜とな
る窒化珪素膜で覆われており、片持ち梁型振動子の最上
面には電極が形成されている。二つの片持ち梁を保持し
ている部分の基体には、上部電極が形成されていない圧
電・電歪薄膜（３）が露出している。駆動用及び検出用
の圧電・電歪薄膜はリード（４）を通して適当な駆動及
び検出回路に接続する。
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例であり、素子を上方から見た図である。シリコ
ンでできた基体（２）に二本の寸法、形状が等しいシリ
コンでできた片持ち梁型振動子（１）が各々の梁の軸が
互いに直交するように配置されている。基体の最上面
は、水酸化カリウムによるエッチングの際に保護膜とな
る窒化珪素膜で覆われており、片持ち梁型振動子の最上
面には電極が形成されている。二つの片持ち梁を保持し
ている部分の基体には、上部電極が形成されていない圧
電・電歪薄膜（３）が露出している。駆動用及び検出用
の圧電・電歪薄膜はリード（４）を通して適当な駆動及
び検出回路に接続する。
【００１１】一方の片持ち梁（１ａ）は、図中Ｖで示し
た方向に屈曲している時に梁の軸の回りに回転が生ずる
と式（１）で表されるコリオリ力Ｆcが生ずる。この力
を圧電正効果で検知すればこの片持ち梁軸の回りの回転
角速度を知る事ができる。同様に、この片持ち梁と直交
するもう一つの片持ち梁（１ｂ）の軸の回りの回転角速
度も検出する事ができる。
た方向に屈曲している時に梁の軸の回りに回転が生ずる
と式（１）で表されるコリオリ力Ｆcが生ずる。この力
を圧電正効果で検知すればこの片持ち梁軸の回りの回転
角速度を知る事ができる。同様に、この片持ち梁と直交
するもう一つの片持ち梁（１ｂ）の軸の回りの回転角速
度も検出する事ができる。
【００１２】この際、形状、寸法が等しい二つの片持ち
梁に共通の共振周波数に対応した周波数の交流電圧を印
加すれば、二つの片持ち梁は同期して共振する。この
時、圧伝・電歪薄膜の分極方向を二つの片持ち梁で互い
に逆向きとして同じ交流電圧を印加するか、分極の向き
は同じとして１８０゜位相がずれた交流電圧を二つの梁
に印加すれば、二つの梁は素子平面と垂直方向にしかも
互いに反対の向きに振動する。このような振動は常に重
心位置が素子片面内に存在し変化せず、全体として隣接
する振動子の間の干渉は極めて少なくなる。
梁に共通の共振周波数に対応した周波数の交流電圧を印
加すれば、二つの片持ち梁は同期して共振する。この
時、圧伝・電歪薄膜の分極方向を二つの片持ち梁で互い
に逆向きとして同じ交流電圧を印加するか、分極の向き
は同じとして１８０゜位相がずれた交流電圧を二つの梁
に印加すれば、二つの梁は素子平面と垂直方向にしかも
互いに反対の向きに振動する。このような振動は常に重
心位置が素子片面内に存在し変化せず、全体として隣接
する振動子の間の干渉は極めて少なくなる。
【００１３】図２に、図１で示した圧電振動角速度計の
片持ち梁部分をさらに詳しく示す。図２ー１は片持ち梁
を斜めより見た図である。圧電・電歪薄膜（３）が下部
電極（５）と上部電極（６）で挟まれて窒化珪素保護膜
上に形成されている。図２ー２は下部電極の面で切断し
素子を上方から見た図である。下部電極は駆動用
（８）、検出用（９ａ、ｂ）の３部品に分割されてい
る。
片持ち梁部分をさらに詳しく示す。図２ー１は片持ち梁
を斜めより見た図である。圧電・電歪薄膜（３）が下部
電極（５）と上部電極（６）で挟まれて窒化珪素保護膜
上に形成されている。図２ー２は下部電極の面で切断し
素子を上方から見た図である。下部電極は駆動用
（８）、検出用（９ａ、ｂ）の３部品に分割されてい
る。
【００１４】上部電極を共通のグランドとして使い、駆
動用電極に振動子の片持ち梁固有振動数に近い周波数の
交流電圧を印加すると、圧電・電歪薄膜の振動により図
中Ｖで示した方向に片持ち梁振動が励起される。振動子
が速度ＶでＶの方向に移動しているとき、片持ち梁の軸
方向にこの軸の回りに回転角速度Ωが加わると先に示し
た式（１）に従いコリオリ力Ｆcが振動子に働く。この
力は振動の方向と垂直方向に振動子をたわませる。
動用電極に振動子の片持ち梁固有振動数に近い周波数の
交流電圧を印加すると、圧電・電歪薄膜の振動により図
中Ｖで示した方向に片持ち梁振動が励起される。振動子
が速度ＶでＶの方向に移動しているとき、片持ち梁の軸
方向にこの軸の回りに回転角速度Ωが加わると先に示し
た式（１）に従いコリオリ力Ｆcが振動子に働く。この
力は振動の方向と垂直方向に振動子をたわませる。
【００１５】図２−２に示す方向に力が加わった場合、
検出用電極９ａの側には圧縮応力が、検出用電極９ｂの
側には引っ張り応力が作用する。検出用電極９ａとグラ
ンドとの間で検出される電圧をｖa、検出用電極９ｂ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片持ち梁振動に
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。
検出用電極９ａの側には圧縮応力が、検出用電極９ｂの
側には引っ張り応力が作用する。検出用電極９ａとグラ
ンドとの間で検出される電圧をｖa、検出用電極９ｂ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片持ち梁振動に
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。
【００１６】両持ち梁型振動子に関しても、動作原理は
基本的に片持ち梁型と同様である。
基本的に片持ち梁型と同様である。
【００１７】
【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、振動子を基体に支持された２本の片持ち梁形状ま
たは両持ち梁形状とし、これらが同一平面内に互いに直
交するような構造とすることにより、一つの素子で互い
に直交する二方向の回転角速度を同時に検出することが
可能となる。
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、振動子を基体に支持された２本の片持ち梁形状ま
たは両持ち梁形状とし、これらが同一平面内に互いに直
交するような構造とすることにより、一つの素子で互い
に直交する二方向の回転角速度を同時に検出することが
可能となる。
【００１８】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。
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１】 本発明に基づく圧電振動角速度計の一例であ
る。
る。
【図２】 図１に示した圧電振動角速度計の振動子部分
の説明図である。
の説明図である。
【図３】 従来の圧電振動角速度計の概念図である。
【図４】 従来の圧電振動角速度計の概念図である。
１ シリコン振動子 ２ シリコン基体 ３ 圧電・電歪薄膜 ４ リード ５ 下部電極 ６ 上部電極 ７ 窒化珪素膜 ８ 駆動用電極 ９ 検出用電極 １０ 駆動用圧電セラミック板 １１ 検出用圧電セラミック板 １２ 駆動用圧電セラミックバイモルフ １３ 検出用圧電セラミックバイモルフ
Claims (4)
- 【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、前記振動子は前記基体に支持された２本の
片持ち梁形状または両持ち梁形状を有し、これらが同一
平面内に互いにほぼ直交するように配置されていること
を特徴とする振動角速度計。 - 【請求項２】シリコン加工プロセスにより形成された振
動子と、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、前記振動子は前記基体に支持された２本の片持
ち梁形状または両持ち梁形状を有し、これらが同一平面
内に互いにほぼ直交するように配置されていることを特
徴とする振動角速度計。 - 【請求項３】請求項１に記載の振動角速度計において、 前記２本の梁形状を同一形状、同一寸法とし、ほぼ同じ
周波数と振幅で同期させ、共振させることを特徴とする
振動角速度計。 - 【請求項４】請求項１に記載の振動角速度計において、 前記２本の梁形状が異なる共振周波数を有するものであ
ることを特徴とする振動角速度計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5330737A JPH07190783A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 振動角速度計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5330737A JPH07190783A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 振動角速度計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07190783A true JPH07190783A (ja) | 1995-07-28 |
Family
ID=18236000
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5330737A Pending JPH07190783A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 振動角速度計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07190783A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1701132A2 (en) | 2005-03-04 | 2006-09-13 | Sony Corporation | Vibrating gyrosensor |
| JP2006322874A (ja) * | 2005-05-20 | 2006-11-30 | Nec Tokin Corp | 音叉形圧電振動ジャイロ |
| JP2007285978A (ja) * | 2006-04-19 | 2007-11-01 | Fujitsu Media Device Kk | 角速度センサ |
| JP2010230691A (ja) * | 2005-03-04 | 2010-10-14 | Sony Corp | 振動型ジャイロセンサ |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP5330737A patent/JPH07190783A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1701132A2 (en) | 2005-03-04 | 2006-09-13 | Sony Corporation | Vibrating gyrosensor |
| JP2010230691A (ja) * | 2005-03-04 | 2010-10-14 | Sony Corp | 振動型ジャイロセンサ |
| CN102620727A (zh) * | 2005-03-04 | 2012-08-01 | 索尼株式会社 | 振动陀螺传感器 |
| JP2006322874A (ja) * | 2005-05-20 | 2006-11-30 | Nec Tokin Corp | 音叉形圧電振動ジャイロ |
| JP2007285978A (ja) * | 2006-04-19 | 2007-11-01 | Fujitsu Media Device Kk | 角速度センサ |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4814715B2 (ja) | マイクロ機械的リング振動子の温度補償機構 | |
| US10032976B2 (en) | Microelectromechanical gyroscopes and related apparatus and methods | |
| JP3973742B2 (ja) | 振動型ジャイロスコープ | |
| JPH07502592A (ja) | マイクロメカニカル音叉角速度センサー | |
| JPH04233468A (ja) | 回転角速度センサ | |
| JP3805837B2 (ja) | 角速度検出装置 | |
| JPH10318759A (ja) | モノリシック振動ビーム角速度センサ | |
| JP2002022445A (ja) | 運動センサ | |
| JPH06147902A (ja) | 振動ジャイロ | |
| JP3942762B2 (ja) | 振動子、振動型ジャイロスコープ、直線加速度計および回転角速度の測定方法 | |
| JPH08334330A (ja) | 波動ジャイロスコープ及びそれを用いた回転角速度検出方法 | |
| JPH08278146A (ja) | 振動ジャイロ | |
| JP2000074673A (ja) | 複合運動センサ | |
| JP2000512019A (ja) | 小型ボックス型振動ジャイロスコープ | |
| JP4498491B2 (ja) | 角速度検出素子 | |
| JP2009074996A (ja) | 圧電振動ジャイロ | |
| JPH07190783A (ja) | 振動角速度計 | |
| JPH07113643A (ja) | 圧電振動角速度計 | |
| JP4668441B2 (ja) | 振動ジャイロ | |
| JPH07190782A (ja) | 振動角速度計 | |
| JP2006010659A (ja) | 振動ジャイロスコープ | |
| JP3310029B2 (ja) | 振動子 | |
| JPH1038578A (ja) | 角速度センサ | |
| JP3028999B2 (ja) | 振動ジャイロ | |
| JPH1114374A (ja) | 振動型ジャイロスコープ |