JPH11108667A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型で高感度の角速度計測装置を容易に製作で
きるようにする。 【解決手段】加振素子の上に梁状構造体を固着して片持
ち梁型の振動子とし、前記梁状構造体の長手方向の両側
面は上面に対して直角ではない同一の角度を持ってお
り、前記側面には一対の同サイズの圧電体を固着し梁構
造体として一体化し、前記加振素子でこの梁構造体を加
振し、前記梁状構造体の長さ方向まわりの回転角速度に
より発生するコリオリ力による横方向へのまげ振動を前
記一対の圧電体板によって検出することで角速度を検出
する。 【効果】本発明によれば、小型で高感度の角速度検出装
置を容易に製作し、供給することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動により角速度
を検出する装置、特に小型で高感度の角速度検出装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動型角速度検出装置として特開
平８−２６１７６３号公報には単決勝シリコン基板上に
平行に上部電極、圧電薄膜及び下部電極を設け圧伝薄膜
の正逆の圧電効果を利用し回転角速度を検出するもの
で、上部又は下部電極を２個に分割し、駆動用電極と検
出用電極を別個に構成して、コリオリ力に起因する圧電
信号を検出するものが開示されている。

【０００３】又、特開平８−２９７０２９号公報には、
３角柱又は角柱の振動体の側面に２つの圧電素子を設
け、前記圧伝素子を２つの部分に分割した構成の振動ジ
ャイロが開示されている。

【０００４】また、特開平６−１４７９０３号公報に
は、シリコンウエハを半導体プロセスで加工して振動ジ
ャイロを構成したものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平８−２６１
７６３号公報の構成では、圧電薄膜を上下の電極で挟
み、分割された一方側の電極に電圧を印加することによ
って加振して、他方側の電極で角速度を検出するもの
で、加振源が圧電素子を挟んでいるため、加振源に加え
る電圧をノイズとして検出するため検出精度に問題があ
る。また、加振力を増すために加振素子形状を変えよう
としても、加振源が振動子上にあるので共振振動の状態
を乱さないという制約によって自由に設計できない。

【０００６】特開平８−２９７０２９号公報には、端に
梁状構造体の中央部の両側面に電極を挟んで圧電素子を
設けた構成が開示されているのみで、どのように支持し
ているかの開示はない。

【０００７】更に、特開平６−１４７９０３号公報では
振動子を端以外の部分で支持していたり２点で支持して
いるので共振振動モードの振幅の節の一点を支持する必
要があるので、小型化すると支持部の位置決めと加工を
更に高精度に行う必要が出てくる。

【０００８】本発明の目的は、上記のような従来の振動
型角速度検出装置の問題点を改良し、小型で、量産性の
良い振動型角速度検出装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、次のような構成とした。

【００１０】加振素子の上に梁状構造体の一方端を固着
して片持ち梁型の振動子とし、前記梁状構造体の長手方
向の両側面は上面に対して直角ではない同一の角度を持
っており、前記側面には一対の同サイズの圧電体を固着
し梁構造体として一体化し、前記加振素子でこの梁構造
体を加振し、前記梁状構造体の長さ方向まわりの回転角
速度により発生するコリオリ力による横方向へのまげ振
動を前記一対の圧電体板によって検出することで角速度
を検出する。

【００１１】また、上記の梁状構造体の固着していない
振動する部分の側面に貼る梁の横方向の振動を検出する
圧電体の長さを梁の振動部分の長さの１０〜５０％とし
た。

【００１２】また、上記の横方向の曲げを検出する圧電
体を貼っている梁の部分のコリオリ力の働く方向への剛
性を低くし、圧電素子の貼っていない梁部分の上記剛性
を高くした。

【００１３】また、上記梁の根本側の半分の梁部分の単
位長さあたりの質量より先端部分の半分の梁部分の単位
長さあたりの質量を大きくした。

【００１４】また、梁の共振振動で発生するコリオリ力
の周期は共振振動と同じなので、振動梁の加振方向の固
有振動モード振動数と加振方向に垂直なコリオリ力の作
用する方向の振動の固有振動モード振動数が一致又は接
近させた。

【００１５】また、シリコンウエハから異方性エッチン
グにより梁を形成し、梁をミクロン単位の精度で形成し
た。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１に本発明の一実施例の角速度
検出装置を示す。 図１において、梁状構造体である片持ち梁１の固定端部
の下部に加振素子２を固定し、加振素子２自体も基板等
に固定している。加振素子２は駆動回路４からの交流電
流で駆動され、上下方向に振動し、梁を矢印５の方向に
振動させる。加振の周波数は梁の共振周波数である。こ
のように加振素子を片持ち梁の振動子と離して設けるこ
とにより振動子側に設けた検出圧電体に加振周波数がノ
イズとして作用することを防止するためと、製造プロセ
スを簡略化して高精度の検出器を実現するためである。 片持ち貼りの両側面には一対の曲げ検出用の圧電素子１
０aと１０bが貼り付けてある。この圧電体は厚さ方向に
分極処理をして、曲げに対して電圧出力が出るようにし
ておく。この梁の長軸廻りに回転力成分６が働くと梁の
共振振動と回転力から振動するコリオリ力７が発生す
る。この共振振動とコリオリ力による振動による梁の歪
みは、一対の圧電体１０ａ、１０ｂも曲げて電圧又は電
荷出力となる。

【００１７】共振振動による梁の変形は検出圧電体１０
ａ、１０ｂに同じ位相で働き、圧電体１０ａ、１０ｂか
ら同じ位相で変化する電圧出力を発生させる。コリオリ
力による振動は梁の変形とは逆の位相で作用し、圧電体
１０ａ、１０ｂから逆の位相で変化する電圧出力を発生
させる。よって、両検出圧電体の出力を検出回路８に入
力し、上記一対の検出用圧電体の電圧出力の差を取るこ
とで加振共鳴振動による電圧出力をキャンセルし、コリ
オリ力による振動による出力のみを取り出し、角速度６
の大きさを求める。

【００１８】図２は梁の一次曲げ振動モード時の梁上の
位置と梁の曲がり量の変化を示したものである。

【００１９】この梁の曲がり方は根本側と先端側では大
きく異なり、梁の一次曲げ振動モードの場合は図２に示
した様に単位長さ当たりの曲がり方の変化量は根本付近
が最大で先端に行くほど小さくなっていく。圧電体が曲
げられた場合に発生する電圧はこの曲げ量の平均値とな
るので、単に大きな電圧出力を得るなら梁の根本付近だ
けに圧電体を貼ればよい。しかし、圧電体の大きさが小
さくなっていくと発生する電荷の総量が少なくなってい
き、結果的に増幅する際のＳ／Ｎ比や圧電体から配線を
経てアンプに伝達する際のロスが大きくなってしまう。

【００２０】梁の曲がり方の変化率は、根本から梁全長
の１０％まではほぼ最高であり、この部分にのみ圧電体
を貼れば高い電圧出力を保ったままで最大の電圧が得ら
れる。また、高い電圧と安定した電荷量を得るには、あ
る程度検出圧電体を長くする必要がある。しかし、検出
用圧電体の長さを長くするとコストや生産性の面で困難
になるので、電圧出力が約１／３になる、根本から梁の
長さ５０％くらいまでが理想的であることがわかる。

【００２１】図３に本発明の他の実施例の構成を示す。 図２の結果から図３の実施例では、梁の固定端側から振
動部の全長の１０〜５０％の位置まで圧電体１０ａ、１
０ｂを振動梁に貼り付けたものである。このように構成
することによって、先に述べたように高い電圧を保った
ままで安定した出力を得ることができる。

【００２２】図４に更に他の実施例を示す。

【００２３】図４では、例えば梁の根本部分に溝２０を
形成し、検出用圧電体を貼った振動梁の部分のみの剛性
を下げてやれば、コリオリ力に対してより梁が曲がりや
すくなるため角速度の検出感度が良くなる。図４の梁の
場合、溝部２０の形状に対して敏感に共振振動振幅が増
加し、共振振動数が小さくなるが振動子の振動速度は結
果的に大きく変わらない。複数の角速度センサを同時に
使用するときはこのような剛性の調整で共振周波数をず
らせて相互干渉を防ぐ実施例も考えられる。

【００２４】先に述べたように、運動する物体が回転し
たときに発生するコリオリ力は、回転の角速度と運動す
る物体の速度、そして物体の質量の各々に比例するので
梁の重量を大きくすればコリオリ力も大きくなる。しか
しながら、ただ単に振動梁を大きく重くすると梁剛性が
増加してしまい、共振振動の振幅やコリオリ力による曲
げ量が小さくなってしまうので重さを増したメリットが
打ち消されてしまう。また、ただ単に梁を長くしても梁
質量は増えていくが、梁が長くなると加速度検出素子の
サイズが大きくなってしまうと言うデメリットが出てき
てしまう。その問題を解決した実施例について次に説明
する。

【００２５】図５に梁の先端部分の幅を大きくし、梁の
長さを長くせずに重くした実施例を示す。

【００２６】図５では短い圧電体１０ａ、１０ｂを貼り
付けた梁１の先端部側に膨大部３０を形成したものであ
る。図５の実施例では、振動速度が大きい先端部のみ質
量を大きくしたので、梁の長さはそのままで梁の重さを
大きく出来て、かつ同じ梁質量の増加でもより大きなコ
リオリ力が発生する。図５ではさらにコリオリ力対して
曲がりやすいように梁根元部の剛性を下げる溝２０も設
けてあるが、もちろん溝２０がなくても梁先端部を重く
した効果はある。

【００２７】ところで、図１、３、４、５で示した振動
梁では梁の上面に対して検出用圧電素子が貼ってある左
右側面が垂直であった。しかしながら、検出用圧電素子
を貼った左右両側面が上面に対して同じ角度であれば、
二つの検出圧電体の電圧出力の差を取ることで、加振振
動による出力をキャンセルし、コリオリ力による振動の
みを取り出すことが出来る。

【００２８】但し、この左右側面は上面に対して正確に
同じ角度で無ければ、二つの圧電体の出力から加振振動
による成分をキャンセルできない。また、側面の表面が
平滑でないと検出用圧電体を密着して接着することがで
きない。しかし、振動子のサイズが小さくなると面の相
対的な角度や平面性の精度を保って加工することが難し
くなる。この課題を解決する実施例を次に説明する。 図６に異方性エッチングでシリコンウエハから斜めの側
面を持った梁を形成した実施例を示す。

【００２９】シリコン単結晶のウエハを異方性エッチン
グすると、結晶面に沿ってエッチングが進むという特質
があるため、エッチング面が極めて一定の角度を持った
斜面になる。本発明の梁型の振動子を、この異方性エッ
チングで形成した実施例が図６である。図６の梁１のＡ
−Ａ’断面で示した斜面が、異方性エッチングで形成さ
れた斜面である。シリコン結晶の（１００）面が上面の
場合、斜面はエッチングされにくい（１１１）面にな
り、上面と成す角度は略３５゜であり、通常全面が（１
１１）面になると極めて正確に３５．３°になる。この
シリコンウエハから異方性エッチングで振動梁を作り出
す実施例によれば、半導体プロセスと同じ精度で、しか
も表面の滑らかな、上面と非常に安定した角度を成す側
面を持った梁を得ることが出来る。

【００３０】図７に検出用圧電体の貼ってある梁部分に
異方性エッチングで溝を作ったシリコン振動梁の実施例
を示す。

【００３１】図７は図６の検出用圧電体１０ａ、１０ｂ
のある部分の梁１の中央部に異方性エッチングで溝３１
を形成した例である。この溝３１により、梁１の検出用
圧電体の部分の剛性が下がる。従って、コリオリ力が作
用した際に、図４の実施例と同じく溝のない場合に較べ
てより大きく検出用圧電体が曲げられ、同じコリオリ力
でも大きな電圧出力を圧電体から取り出すことが出来
る。

【００３２】図８に異方性エッチングで形成したシリコ
ン梁の先端部分の幅を大きくして長くしないで重くした
実施例を示す。

【００３３】図８は図７のエッチングパターンを変えて
先端部３０の大きさを根本に較べて幅広くしたものであ
る。このように構成することで先端部の重さを図５の実
施例と同じく重くすることができ、より大きなコリオリ
力を発生することが出来る。

【００３４】次に、本発明の角速度検出装置をビデオム
ービーに組み込んだ実施例を図９、１０に示す。図９は
本発明の加速度検出素子を組み込んだムービーの一実施
例でズームレンズ３２と撮像素子部３３が基板３４上に
取り付けられ、撮影された画像がビデオカセット収納部
３５内の磁気テープに記録される。撮像している画像は
電子ファインダー３６で確認することが出来る。このビ
デオムービーで撮影する場合、特に手で持って撮影する
場合には、画像がぶれるのはカメラが上下方向に回転す
る方向の成分４１と左右方向に回転する方向の成分４２
が原因である。この回転力を検出するために、図１０に
示すような実施例が考えられる。

【００３５】図１０に示したように、ズームレンズとカ
メラの撮像素子を取り付けている基板３３に、角速度検
出素子４３、４４を垂直（図中４３）及び水平（図中４
４）に取り付ける。本図で、角速度検出装置の中の振動
子の長軸（梁の長さ方向）は、角速度素子の長軸と一致
している。このように構成すると、これまでの実施例で
述べてきたように、上下の画像ぶれの原因となる回転成
分４１は、角速度検出素子４４の長軸回りの回転力とな
り、振動子に角速度４１に比例したコリオリ力を発生さ
せる。このため、角速度の大きさは、検出用圧電体の出
力を処理することで求められる。

【００３６】また左右の画像ぶれの原因となる回転角速
度４２は、同様に角速度検出素子４３でその大きさが検
出される。角速度検出素子４３、４４で検出された上
下、左右のぶれの角速度とズームレンズ３２の倍率から
撮像素子上での画像のぶれの量と速度が検出される。こ
の検出された画像のぶれに基づいて撮像素子又はレンズ
３２を機械的に動かして、ぶれに追従して補正するか、
撮像素子上の画像データの読み込み位置を動かして電子
的に補正することで手ぶれを補正できる。この図９、１
０の実施例によりビデオムービーの手ぶれが補正でき
る。

【００３７】そして、上述の通り本発明の実施例の角速
度検出素子は従来公知例に較べて厚さや面積が小さく、
また生産性に優れるているので低価格である。よって、
より小型で低価格の手ぶれ防止機能着きビデオムービー
を実現できる。低価格機種に取り付けることが可能にな
ることにより、ビデオムービーの初心者や機械の扱いが
不得手で頻繁にビデオムービーを使用しない使用者でも
手ぶれのない良好な画像を撮像することが可能になる。

【００３８】次に本発明の角速度検出装置を自動車のナ
ビゲーションシステムに適用した例を説明する。図１１
にカーナビゲーション装置の全体構成を示す。

【００３９】また、図１１の（ａ）に示したのは本発明
をカーナビゲーションシステムに搭載した実施例であ
る。

【００４０】乗用車１００に装備してあるカーナビゲー
ション装置本体のデータ処理部１０２にはＧＰＳ衛星か
らのシグナルを受信するアンテナ１０３、エンジン１０
４の状況と共に、本発明の角速度センサ１０５の出力が
入力される構成としている。

【００４１】角速度検出装置１０５は、図１１の（ｂ）
に示したように車体の回転１１０を感知する。基本的に
カーナビゲーションシステムではＧＰＳ衛星からの位置
信号を基にして地球上での自車１００の位置を割り出し
て、表示部１０１に表示する。しかし、ＧＰＳ衛星から
の信号は数ｍ〜数十ｍの誤差があるため、道がまばらな
地点では地図上の道の位置への修正が効くが、細かな路
地等内で曲がる場合には、修正が出来ない場合がある。
このような場合に、角速度検出装置と車輪１１１からの
車体の移動データをデータ処理部１０２で処理し、ＧＰ
Ｓ衛星からの位置情報より細かな車体の挙動を計算で求
め、地図上の道路位置に合わせることが出来る。

【００４２】また、トンネル内や立て込んだビル街の道
路など衛星電波が届きにくい位置に侵入した場合は、上
記の車体の回転と移動距離のデータから自車の位置を計
算し、自車の位置を表示し続けることが出来る。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、小型で高感度の角速度
検出装置を容易に製作し、供給することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による角速度計測装置の一実施例。

【図２】第一次振動モードのときの梁の曲がり量の変化
量の梁上での分布。

【図３】検出用圧電体が梁の振動部の長さの１０〜５０
％である実施例。

【図４】検出用圧電体を貼り付けた梁の部分に溝を形成
した実施例。

【図５】梁の先端部分の幅を大きくして長くしないで重
くした実施例。

【図６】異方性エッチングで斜めの側面を持った梁を形
成した実施例。

【図７】検出用圧電体のある梁部分に溝を作ったシリコ
ン振動梁の実施例。

【図８】シリコン梁の先端部分の幅を大きくして長くし
ないで重くした実施例。

【図９】本発明の角速度検出装置を組み込んだビデオム
ービーの実施例。

【図１０】ビデオムービーにおける角速度検出装置の組
み込み位置の説明図。

【図１１】角速度検出装置をカーナビゲーションシステ
ムに利用した実施例。

【符号の説明】

１…片持ち振動梁、２…加振素子、４…駆動回路、８…
検出回路、１０ａ、１０ｂ…梁の曲げを検出する圧電
体、２０…梁の溝、３０…膨大部、３１…溝、３２…ズ
ームレンズ、３３…撮像素子部、３４…基板、３５…収
納部、３６…電子ファインダー、４３…角速度検出素
子、４４…角速度検出素子、１００…乗用車本体、１０
１…表示部、１０２…データ処理部、１０３…アンテ
ナ、１０４…エンジン、１０５…角速度検出素子、１１
１…タイヤ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西 佳子 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】梁状構造体の一方端側を固定した片持ち梁
   型の振動子からなる角速度検出装置において、 前記梁状構造体を固定する固定部に加振源を設け、 前記梁状構造体の長手方向の両側面は上面に対して同一
   の角度を持っており、前記両側面に一対の同サイズの圧
   電体を固着し前記梁構造体として一体化し、前記加振素
   子でこの梁構造体を加振し、前記梁状構造体の長さ方向
   まわりの回転角速度により発生するコリオリ力による曲
   げ振動を前記一対の圧電体によって検出することを特徴
   とする角速度検出装置。
2. 【請求項２】加振素子の上に梁状構造体の一端部を固着
   して片持ち梁型の振動子とし、 前記梁状構造体の長手方向の両側面を上面に対して同一
   の角度を有し、 前記梁状構造体の固定部の根本から前記梁状構造物の固
   着していない梁部分の長さの１０〜５０％の長さに、一
   対の同サイズの圧電体を前記両側面に固着し、 前記加振素子でこの梁構造体を加振し、前記梁状構造体
   の長さ方向まわりの回転角速度により発生するコリオリ
   力による曲げ振動を前記一対の圧電体によって検出する
   ことを特徴とする角速度検出装置。
3. 【請求項３】請求項１又は、２において、前記圧電素子
   の固着した梁部分のコリオリ力の方向の剛性を低くし、
   前記圧電素子の貼っていない梁部分の前記剛性を高くし
   たことを特徴とする角速度検出装置。
4. 【請求項４】請求項１又は、２において、前記梁の根本
   側の半分の梁部分の単位長さあたりの質量より先端部分
   の半分の梁部分の単位長さあたりの質量を大きくしたこ
   とを特徴とする角速度検出装置。
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかの角速度検出装
   置において、シリコンウエハから異方性エッチングによ
   り、その長手方向の両側面が上面に対して直角ではない
   同一の角度を成した梁状構造体を形成し、振動子として
   使用すること特徴とする角速度検出装置。