JPH08334330A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 立体構造物であった振動ジャイロスコープ
を、弾性表面波やラム波を用いることで、二次元的な電
極配置により製作可能とし、これにより、精度の向上、
素子の微小化、素子の堅牢化と保持の堅牢化、製造コス
トの低減化を図り得る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を提供する。 【構成】 弾性波基板１１上に設けられた駆動用電極
１，２と反射器３，４、検出用電極５，６と反射器７，
８及び摂動電極９により構成される。駆動用電極１，２
は、駆動用の高周波電源に接続され、電極の幾何形状に
より決定される共振周波数で駆動される。この波動は、
２つの駆動用電極１，２の背部に配置した反射器３，４
により反射されて、導波路内にて定在波振動となる。導
波路上には、レーリー波の波長間隔で摂動電極９が配置
されている。この摂動電極９は駆動用電極１，２の励振
により加振され、弾性波基板１１面に対して上下方向の
振動をするように配置されている。振動間の間隔は弾性
波の１波長となる周期構造となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、波動ジャイロスコープ
に係り、ロボット等の各種産業用機械の制御用センサや
カメラ、ビデオカメラ等の手ぶれ検出用のセンサ、自動
車等の姿勢制御用のセンサ及びナビゲーションシステム
用の補助センサ等として用いられる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に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、棒状の振動体あるいは音叉形、釣
鐘形等の振動ジャイロスコープが提案され、実用化され
ている。それらの振動ジャイロスコープは、実用上十分
な検出感度が得られ、小型で比較的低コストであること
から、その応用範囲は広まりつつある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
は立体的振動素子であるために、保持に問題があり、衝
撃に弱いことや、外部の振動の影響を受ける等の問題が
ある。また、回転運動が生じていないときに検出部に発
生するオフセット電圧を低減するために、振動体を製作
後、微調整を必要としており、コストの上昇となる上、
ある程度以上減少させるのが困難な状況である。

【０００４】更に、立体構造物であるので、微小化する
のが困難であり、シリコン上の集積回路との一体化を考
えると、実現が難しいと考えられる。本発明は、かかる
状況に鑑みて、立体構造物であった振動ジャイロスコー
プを、弾性表面波やラム波を用いることで、二次元的な
電極配置により製作可能とし、これにより、精度の向
上、素子の微小化、素子の堅牢化と保持の堅牢化、製造
コストの低減化を図り得る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を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

（１）弾性表面波又はラム波を用いた波動ジャイロスコ
ープにおいて、弾性波基板上に駆動弾性波の波長間隔を
有するとともに、これと垂直な方向の間隔は検出弾性波
の１波長となる周期構造で配置される摂動電極と、この
摂動電極を挟んで左右に配置される駆動用電極と、この
駆動用電極の背部に配置される反射器と、前記摂動電極
を挟んで上下に配置される検出用電極と、この検出用電
極の背部に配置される反射器とを具え、前記駆動用電極
に高周波電源を接続し、導波路内にて定在波振動させ、
外部から与えられる回転運動が作用することにより、前
記摂動電極にはコリオリ力が生じ、このコリオリ力によ
り、駆動波と直行する方向に同一周波数の弾性波を発生
させ、この弾性波を前記検出用電極で検出することによ
り、回転角速度を検出するようにしたものである。

【０００６】（２）上記（１）記載の波動ジャイロスコ
ープにおいて、前記弾性波として弾性表面波又はラム波
を用いるようにしたものである。 （３）上記（２）記載の波動ジャイロスコープにおい
て、前記弾性表面波としてレーリー波を用いるようにし
たものである。 （４）波動ジャイロスコープを用いた回転角速度検出方
法において、駆動波により振動が励振されている弾性波
基板の摂動部に、外部から与えられる回転運動が作用す
ることにより生じるコリオリ力により、前記駆動波と直
行する方向に発生する同一周波数の弾性波を検出し、回
転角速度を検出するようにしたものである。

【０００７】

【作用】本発明によれば、上記したように、ジャイロス
コープの弾性波素子部は、弾性波基板（１１）上に設け
られた駆動用電極（１，２）と反射器（３，４）、検出
用電極（５，６）と反射器（７，８）及び摂動電極
（９）により構成される。駆動用電極（１，２）は、駆
動用の高周波電源に接続され、電極の幾何形状により決
定される共振周波数で駆動される。この波動は、２つの
駆動用電極（１，２）の背部に配置された反射器（３，
４）により反射されて、導波路内にて定在波振動とな
る。

【０００８】導波路上には、例えば、レーリー波の波長
間隔で摂動電極（９）が配置されている。この摂動電極
（９）は駆動用電極（１，２）の励振により加振され、
弾性波基板（１１）面に対して上下方向の振動をするよ
うに配置されている。摂動電極間の間隔は弾性波の１波
長となる周期構造となっている。そこで、図１に示すｘ
軸を中心にして回転するときに、摂動部（１０）におい
てはコリオリ力により、ｙ方向への駆動力を受ける。こ
のｙ方向への駆動力は、摂動部（１０）の振動により周
期的に方向を変えることにより、駆動周波数と同一周期
の力として、基板表面に働くことになる。したがって、
ｘ方向に伝搬する波動が回転運動との相互作用（コリオ
リ力）により、ｙ方向の駆動力へと変換される。このｙ
方向の駆動力は、摂動部（１０）で発生する分布力とし
て基板表面に作用し、ｙ方向に伝搬する波動を励起す
る。

【０００９】ｙ方向に伝搬する波動は、ｘ方向への駆動
波と同様のレーリー波である。この波動は、２つの検出
用電極（５，６）の背部に設置された反射器（７，８）
により導波路内に定在する定在波となる。この振動を検
出用電極（５，６）にて検出することにより、回転角速
度の検出を行う。ｙ方向の波動の励振力は、回転角速度
と、駆動波の振動速度及び摂動電極の重量に比例する。
したがって、駆動波の励振を一定とすることで、回転角
速度に比例した電圧を検出することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
詳細に説明する。図１は本発明の実施例を示す弾性表面
波ジャイロスコープの電極配置を示す図、図２はその弾
性表面波ジャイロスコープの駆動定在波の振動分布と摂
動電極との関係を示す図、図３はその弾性表面波ジャイ
ロスコープにより発生するコリオリ力の説明図である。

【００１１】これらの図において、弾性波基板１１の中
央部には多数の摂動電極９が配置される摂動部１０が設
けられ、その摂動部１０のｘ軸方向（左右方向）の両側
に、第１の駆動用電極１と第２の駆動用電極２とが配置
され、その駆動用電極１の背部には反射器３、その駆動
用電極２の背部には反射器４が設けられている。また、
摂動電極９が配置される摂動部１０のｙ軸方向（上下方
向）の両側に、第１の検出用電極（受波用電極）５と第
２の検出用電極（受波用電極）６とが配置され、その検
出用電極５の背部には反射器７、その検出用電極６の背
部には反射器８が設けられている。

【００１２】そこで、第１の駆動用電極１及び第２の駆
動用電極２に駆動高周波電源を接続し、その駆動用電極
ピッチで決まる共振周波数、例えば、数１０ＭＨｚから
数１００ＭＨｚの振動を用いて駆動する。すると、第１
の駆動用電極１及び第２の駆動用電極２の背部に設置し
た反射器３，４により波動のエネルギーが内部に閉じ込
められ、励振効率が向上する。

【００１３】このように、２つの駆動電極１，２間の空
間には、摂動電極９が配置されており、これらの摂動電
極９は、図２に示すように、左右・上下にそれぞれ１波
長の間隔となるように配置されている。また、摂動電極
９の置かれている位置は、駆動用電極１，２で励振され
る定在波の腹の位置である。「定在波の腹」とは、弾性
波基板１１面に垂直方向の振動成分が最大となる場所で
ある。

【００１４】そして、それぞれの摂動電極９において
は、図３に示すようなコリオリ力ｆが働く。このコリオ
リ力ｆは、ｆ＝２ｍｖ×ωで表わされる。ここで、ｍは
摂動電極の質量、ｖは振動速度、ωは検出されるべき角
速度である。この時のコリオリ力ｆの働く向きは、図３
のようになる。

【００１５】すなわち、駆動波動は、定在波ａとなって
いるから、それぞれ振動の腹の位置に設置された摂動電
極９において、駆動表面波とは直行する向きの交番加振
力が働くこととなる。それぞれの摂動で生じる加振力
は、駆動定在波ａとは直行する向きに弾性波を励振する
こととなる。これらの摂動電極９において駆動される弾
性波は、位相が揃うように配置されているため、検出用
電極５及び６の間の空間に、弾性波動が励振される。検
出用電極５及び６の背部には反射器７及び８が設置され
ており、コリオリ力ｆによって励振された波により、定
在波が励振されることとなる。この定在波の強さは、コ
リオリ力ｆに比例するから、検出用電極５及び６での電
圧を計測することにより、回転角速度が計測されること
となる。

【００１６】このように、立体形状ではなく平面的な電
極構造にしたことにより、現在通信の分野で広く実用化
されている、弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）の技術と、
近年発展の目覚ましいマイクロマシニングの技術を用い
て、素子設計の可能なＳＡＷ素子をジャイロスコープに
用いることができ、素子の高性能化と低コスト化を図る
ことができる。

【００１７】また、弾性表面波は、振動を伝える基板の
表面付近のみが振動することで波動として伝搬するた
め、基板の裏面や周辺部は堅牢に固定することができ
る。素子の構造としては、表面電極の構造だけで所望の
素子を実現できるため、２次元構造である。このため、
過去においても通信の分野では、３次元構造のメカニカ
ルフィルタがすたれ、２次元構造のＳＡＷフィルタへと
移り変わってきた。また、使われている材料は、ニオブ
酸リチウムなどの単結晶であり、振動特性や温度特性に
優れ、素子の高性能化に適している。

【００１８】また、ほぼ同様な構造で、シリコン基板の
薄膜構造を利用することにより、ラム（板波：Ｌａｍ
ｂ）波を用いた同様なセンサを実現することができる。
更に、この構造では、信号処理部の半導体回路との一体
化が容易に図れる等大きなメリットがある。上記したよ
うに、本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ）もしくはラム波
（板波：Ｌａｍｂ波）を用いた新しい波動ジャイロスコ
ープを提供することができる。

【００１９】すなわち、弾性波導波路上に設置した周期
的構造の摂動により、回転運動により生じるコリオリ力
を駆動力として、直行方向の波動へと交換し、これを検
出することで、回転角速度を検出することができる。ま
た、高周波共振周波数としては、例えば、数１０ＭＨｚ
から数１００ＭＨｚの振動を用いることが可能であり、
素子の小型化ができ、安定な保持ができる上に、諸特性
の向上が実現される。

【００２０】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図４は本発明の他の実施例を示す弾性表面波ジャイ
ロスコープにより発生するコリオリ力の説明図であり、
回転運動及び摂動電極配置とコリオリ力の発生方向を示
している。この実施例は、上記した図３に示す電極構成
とほぼ同様の素子により、異なる回転方向の角速度を検
出することも可能である。すなわち、摂動電極の配置
が、図３の場合は面と垂直方向の振動の腹の位置である
が、この実施例においては、図４に示すように、面内振
動の腹の位置に摂動電極２１が配置されている。この配
置により、図示したｚ方向の回転を検出することが可能
となる。

【００２１】前述した電極配置によりｙ方向の回転を検
出でき、平面内で９０度回転した電極配置とすること
で、ｘ方向の回転が検出される。これらとともに、ここ
に示したｚ方向の回転を検出する素子を用いると、同一
平面内に配置した３組の素子により、ｘ，ｙ，ｚの３軸
方向を検出可能な素子を構成することが可能となる。な
お、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これら
を本発明の範囲から排除するものではない。

【００２２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。 （１）これまで立体構造物であった振動ジャイロスコー
プを、弾性表面波やラム波を用いることで、二次元的な
電極配置により製作可能とした。これにより、精度の向
上、素子の微小化、素子の堅牢化と保持の堅牢化、製造
コストの低減を図ることができる。

【００２３】平面的な電極配置のみでよいために、工作
精度が向上でき、さらに、原理的に直行する波動が励振
されないために、オフセット信号を著しく低減すること
ができる。 （２）更に、シリコン基板上に薄膜技術などを応用する
ことで、直接平面構造で素子を形成することが可能であ
り、信号処理回路との一体化を図ることができる。これ
により、さらにシステムとしての性能と信頼性の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す弾性表面波ジャイロスコ
ープの電極配置を示す図である。

【図２】本発明の実施例を示す弾性表面波ジャイロスコ
ープの駆動定在波の振動分布と摂動電極との関係を示す
図である。

【図３】本発明の実施例を示す弾性表面波ジャイロスコ
ープにより発生するコリオリ力の説明図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す弾性表面波ジャイロ
スコープにより発生するコリオリ力の説明図である。

【符号の説明】

１ 第１の駆動用電極 ２ 第２の駆動用電極 ３，４，７，８ 反射器 ５ 第１の検出用電極（受波用電極） ６ 第２の検出用電極（受波用電極） ９，２１ 摂動電極 １０ 摂動部 １１ 弾性波基板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性表面波又はラム波を用いた波動ジャ
   イロスコープにおいて、（ａ）弾性波基板上に駆動弾性
   波の波長間隔を有するとともに、これと垂直な方向の間
   隔は検出弾性波の１波長となる周期構造で配置される摂
   動電極と、（ｂ）該摂動電極を挟んで左右に配置される
   駆動用電極と、（ｃ）該駆動用電極の背部に配置される
   反射器と、（ｄ）前記摂動電極を挟んで上下に配置され
   る検出用電極と、（ｅ）該検出用電極の背部に配置され
   る反射器とを具え、（ｆ）前記駆動用電極に高周波電源
   を接続し、導波路内にて定在波振動させ、外部から与え
   られる回転運動が作用することにより、前記摂動電極に
   はコリオリ力が生じ、該コリオリ力により、駆動波と直
   行する方向に同一周波数の弾性波を発生させ、該弾性波
   を前記検出用電極で検出することにより、回転角速度を
   検出することを特徴とする波動ジャイロスコープ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の波動ジャイロスコープに
   おいて、前記弾性波は弾性表面波又はラム波であること
   を特徴とする波動ジャイロスコープ。
3. 【請求項３】 請求項２記載の波動ジャイロスコープに
   おいて、前記弾性表面波はレーリー波であることを特徴
   とする波動ジャイロスコープ。
4. 【請求項４】 弾性表面波又はラム波を用いた波動ジャ
   イロスコープを用いた回転角速度検出方法において、駆
   動波により振動が励振されている弾性波基板の摂動部
   に、外部から与えられる回転運動が作用することにより
   生じるコリオリ力により、前記駆動波とは直行する方向
   に発生する同一周波数の弾性波を検出し、回転角速度を
   検出することを特徴とする波動ジャイロスコープを用い
   た回転角速度検出方法。