JP4415382B2 - 振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサ - Google Patents

Description

本発明は角速度の検出に用いる振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサに関する。

近年、撮像機器の手ぶれ補正や、ＧＰＳ衛星信号を用いた車両等の移動体ナビゲーションシステムなどの姿勢制御として、振動ジャイロ素子を容器に収容したジャイロセンサが多く用いられている。
振動ジャイロ素子として、例えば、略Ｔ字型の駆動振動系を中央の検出振動系に関して左右対称に配置した所謂、ダブルＴ型振動ジャイロ素子が知られている（特許文献１、図１参照）。
これらのジャイロセンサにおいて、携帯性の向上および機器設計の自由度向上のために、小型化の要求がある。このジャイロセンサの小型化を図るために、ジャイロ素子の小型化をする必要がある。通常ジャイロ素子の支持としては、ジャイロ素子の中央の基部（重心部）を基板などに接着支持しているが、ジャイロ素子を小型化していくと、基板との支持面積も小さくなり、振動または衝撃が加わった時の強度が確保できない問題がある。このため、例えば、特許文献１（図４）に示すように基部から支持枠を延出させ、基部と支持枠をそれぞれ支持する構造が提案されている。

特開２００１−１２９５５号公報（図１、図４）

しかしながら、この従来のジャイロ素子において、基部を支持することにより検出振動が抑圧されて角速度の検出感度を低下させ、また、支持枠はジャイロ素子の駆動振動系と検出振動系の外側に設けられていることから、ジャイロ素子の小型化には限界があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、振動ジャイロ素子の角速度検出感度を維持し、かつ支持強度を確保して小型化を可能にする振動ジャイロ素子、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の振動ジャイロ素子は、基部と、前記基部から直線
状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直
交する方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側
へ延出された各１対の駆動用振動腕と、前記基部から前記各検出用腕に沿って延出される
２対のＳ字状の梁と、同方向に延出された前記各梁が連結された１対の支持部と、を同一
平面に備え、前記支持部を前記各検出用振動腕の延出する方向であって前記検出用振動腕
の外側に配置された振動ジャイロ素子であって、前記基部と前記検出用振動腕と前記連結
腕と前記駆動用振動腕と前記Ｓ字状の梁と前記支持部とが水晶板から形成された一体構造
であり、前記Ｓ字状の梁は、前記検出用振動腕の延出方向に延出した第一の構成部分と、
前記検
出用振動腕の延出方向と直交する方向に延出した第二の構成部分とが、前記基部と前記支
持部との間に交互に配置された構成を備え、該振動ジャイロ素子は前記支持部のみで固定
されるものであることを特徴とする。

この構成によれば、振動ジャイロ素子の基部から延出された梁と、この梁を連結する支持部を形成することにより、支持部の面積を大きく確保できる。そして、この支持部を接着支持することにより角速度検出感度を維持しながら支持強度を向上させることができる。また、支持部を検出用振動腕の延出する方向であって検出用振動腕の外側かつ駆動用振動腕の間に配置することにより、振動ジャイロ素子の小型化を可能にする。

また、本発明の振動ジャイロ素子は、前記検出用振動腕の長さは前記駆動用振動腕の長さより短く形成されたことを特徴とする。

このようにすれば、支持部の面積を大きくすることができ、振動ジャイロ素子の支持強度を向上させることができる。

また、本発明の振動ジャイロ素子は、前記１対の支持部は振動ジャイロ素子の重心に対して回転対称な位置に設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、振動ジャイロ素子のバランスが確保でき、安定した姿勢を保つことができる。

また、本発明の振動ジャイロ素子の支持構造は、前記の振動ジャイロ素子と、前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、を備え、前記振動ジャイロ素子は前記支持部のみで前記支持台に固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、支持部は面積を大きく形成することができるため、振動ジャイロ素子の基部を支持せずとも、支持部を固定部材により支持することで角速度検出感度を維持しながら確実な支持が可能となる。

また、本発明の振動ジャイロ素子の支持構造において、前記固定部材は弾性を有する材料であることを特徴とする。

この構成によれば、固定部材が弾性を有しているので、外部からの振動或は衝撃を和らげ、振動ジャイロ素子の駆動振動および検出振動を安定に保つことができる。そして、支持部に漏洩してきている微小の振動を、固定部材が緩衝材として機能し、駆動振動および検出振動への影響を低減することができる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記の振動ジャイロ素子と、前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、前記振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、前記振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記振動ジャイロ素子に生ずる検出振動を検出する検出回路と、を備え、前記振動ジャイロ素子は前記支持部のみで前記支持台に固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、振動ジャイロ素子の支持部を接着支持することにより角速度検出感度を維持しながら支持強度を向上させ、また、小型化された振動ジャイロ素子を搭載し、小型化されたジャイロセンサを提供することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（実施形態）
図１は本実施形態の振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。
振動ジャイロ素子１は、圧電材料である水晶から形成されている。水晶には電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸および光学軸と呼ばれるＺ軸を有している。そして、振動ジャイロ素子１はＺ軸方向に所定の厚みを持ち、ＸＹ平面内に形成されている。

振動ジャイロ素子１は、基部１０から図中上下両側へ直線状に延出する１対の検出用振動腕１１ａ，１１ｂと、基部１０から該検出用振動腕１１ａ，１１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出する１対の連結腕１３ａ，１３ｂと、各連結腕１３ａ，１３ｂの先端部から検出用振動腕１１ａ，１１ｂと平行に図中上下両側へ延出する左右各１対の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂとを有している。
また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂ表面には検出電極（図示せず）が形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ表面には駆動電極（図示せず）が形成されている。このように、検出用振動腕１１ａ，１１ｂにて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕１３ａ，１３ｂと駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂにて振動ジャイロ素子を駆動する駆動振動系を構成している。

また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂのそれぞれの先端部には重り部１２ａ，１２ｂが形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂのそれぞれの先端部には重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが形成され、角速度の検出感度の向上が図られている。なお、ここで検出用振動腕１１ａ，１１ｂは重り部１２ａ，１２ｂをそれぞれ含み、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂは重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂをそれぞれ含んだ名称である。
また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂに対して長さが短く形成されている。

さらに、基部１０から該検出用振動腕１１ａと直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該検出用振動腕１１ａと平行に延出するＬ字状の１対の梁２０ａ，２０ｂが形成され、梁２０ａ，２０ｂの先端は共に支持部２２ａに連結されている。同様に、基部１０から該検出用振動腕１１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該検出用振動腕１１ｂと平行に延出するＬ字状の１対の梁２１ａ，２１ｂが形成され、梁２１ａ，２１ｂの先端は共に支持部２２ｂに連結されている。
この１対の支持部２２ａ，２２ｂは、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。さらに、この１対の支持部２２ａ，２２ｂは、振動ジャイロ素子１の重心Ｇに対して回転対称な位置に配置されている。

次に、振動ジャイロ素子１の動作について説明する。
図３および図４は振動ジャイロ素子の動作を説明する模式平面図である。図３および図４において、振動形態を簡易に表現するために各振動腕は線で表し、前述した梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂおよび支持部２２ａ，２２ｂは省略する。

図３において、振動ジャイロ素子１の駆動振動状態を説明する。振動ジャイロ素子１は角速度が加わらない状態において、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂが矢印Ｅで示す方向に屈曲振動を行う。この屈曲振動は、実線で示す振動姿態と二点鎖線で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返している。このとき、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂと駆動用振動腕１５ａ，１５ｂとが、重心Ｇを通るＹ軸に関して線対称の振動を行っているため、基部１０、連結腕１３ａ，１３ｂ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは、ほとんど振動しない。

この駆動振動を行っている状態で、振動ジャイロ素子１にＺ軸回りの角速度ωが加わると、図４に示すような振動を行う。つまり、駆動振動系を構成する駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび連結腕１３ａ，１３ｂに矢印Ｂ方向のコリオリ力が働き、新たな振動が励起される。この矢印Ｂ方向の振動は重心Ｇに対して周方向の振動である。また同時に、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは矢印Ｂの振動に呼応して、矢印Ｃ方向の検出振動が励起される。そして、この振動により発生した圧電材料の歪を、検出用振動腕１１ａ，１１ｂに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。

またこのとき、基部１０の周縁部は矢印Ｄ方向に、重心Ｇに対して周方向に振動する。これは、検出振動が駆動振動系と検出用振動腕１１ａ，１１ｂとの釣り合い振動だけでなく、基部１０を含めた釣り合い振動となっているためである。この矢印Ｄで示す基部１０の周縁部の振動振幅は、矢印Ｂで示す駆動振動系の振動振幅、または矢印Ｃで示す検出用振動腕１１ａ，１１ｂの振動振幅に比べて微小であるが、例えば基部１０を接着固定した場合、この固定により基部１０の周縁部の振動が抑圧され、検出振動も抑圧される。このことから、基部１０を支持することで角速度の検出感度が低下することになる。

次に、振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサについて、図２を用いて説明する。図２はジャイロセンサを示す概略断面図であり、振動ジャイロ素子１を図１のＡ−Ａ断線に沿う断面として表している。
ジャイロセンサ８０は、振動ジャイロ素子１、ＩＣ８４、収容器８１、蓋体８６を備えている。セラミックなどで形成された収容器８１の底面にはＩＣ８４が配置され、Ａｕなどのワイヤ８５で収容器８１に形成された配線（図示せず）と電気的接続がなされている。ＩＣ８４には振動ジャイロ素子１を駆動振動させるための駆動回路と、角速度が加わったときに振動ジャイロ素子１に生ずる検出振動を検出する検出回路とを含んでいる。振動ジャイロ素子１は、収容器８１に形成された支持台８２と振動ジャイロ素子１の支持部２２ａ，２２ｂとを導電性接着剤などの固定部材８３を介して、接着支持されている。また、支持台８２表面には配線（図示せず）が形成され、振動ジャイロ素子１の電極と配線間の導通が固定部材８３を介してなされている。この固定部材８３は、弾性のある材料であることが望ましい。弾性を有する固定部材８３としてはシリコーンを基材とする導電性接着剤などが知られている。そして、収容器８１の上部で収容器８１内を真空雰囲気に保持され、蓋体８６にて封止されている。

以上のように、本実施形態の振動ジャイロ素子１および振動ジャイロ素子１の支持構造は、基部１０から延出された梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂを連結する支持部２２ａ，２２ｂを形成することにより、支持部２２ａ，２２ｂの面積を大きく確保でき、支持強度を向上させることができる。
また、基部１０から延出する梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂは水晶で形成されているため弾性を有し、基部１０の周縁部の振動が抑圧されることが無く、角速度の検出感度が低下することがない。

さらに、支持部２２ａ，２２ｂを、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置することにより、振動ジャイロ素子１の小型化を可能にする。
また、１対の支持部２２ａ，２２ｂは振動ジャイロ素子１の重心Ｇに対して回転対称な位置に設けられていることから、振動ジャイロ素子１のバランスが確保でき、安定した姿勢を保つことができ良好な特性を得ることができる。

また、振動ジャイロ素子１の支持構造において、固定部材８３は弾性を有する材料で構成されているため、外部からの振動および衝撃を和らげ、駆動振動および検出振動を安定に保つことができる。そして、支持部２２ａ，２２ｂに漏洩してきている微小の振動を、固定部材８３が緩衝材として機能し、駆動振動および検出振動への影響を低減することができる。
さらに、上記支持構造で支持された振動ジャイロ素子１を搭載したジャイロセンサ８０は、角速度の検出感度を維持しつつ小型化することができる。
（振動ジャイロ素子の変形例）

図５から図９は振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図である。これらの変形例では図１に示した梁および支持部の形状に特徴を有し、図１と同じ構成部については同符号を付し、説明を省略する。
図５において、振動ジャイロ素子２の基部１０の両側から該検出用振動腕１１ａと平行に延出する１対の梁３０ａ，３０ｂが形成され、梁３０ａ，３０ｂの先端は支持部３２ａに連結されている。同様に、基部１０の両側から該検出用振動腕１１ｂと平行に延出する１対の梁３１ａ，３１ｂが形成され、梁３１ａ，３１ｂの先端は支持部３２ｂに連結されている。
この１対の支持部３１ａ，３１ｂは、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。
振動ジャイロ素子２は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部３２ａ，３２ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

次に、図６において、振動ジャイロ素子３には基部１０の４箇所の角部から、一旦各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向に延出した、略Ｓ字状の梁４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂが設けられている。梁４０ａ，４０ｂの先端は支持部４２ａに連結され、梁４１ａ，４１ｂは支持部４２ｂに連結されている。
この１対の支持部４１ａ，４１ｂは、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。
振動ジャイロ素子３は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部４２ａ，４２ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図７において、振動ジャイロ素子４には基部１０の４箇所の角部から、一旦各検出用振動腕１１ａ，１１ｂと直交する方向に延出した、略Ｓ字状の梁５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂが設けられている。梁５０ａ，５０ｂの先端は支持部５２ａに連結され、梁５１ａ，５１ｂは支持部５２ｂに連結されている。
この１対の支持部５１ａ，５１ｂは、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。
振動ジャイロ素子４は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部５２ａ，５２ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

次に、図８において、振動ジャイロ素子５には基部１０の４箇所の角部から、斜め方向に延出した梁６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂが設けられている。梁６０ａ，６０ｂの先端は支持部６２ａに連結され、梁６１ａ，６１ｂは支持部６２ｂに連結されている。
この１対の支持部６１ａ，６１ｂは、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。
振動ジャイロ素子５は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部６２ａ，６２ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図９は図１で説明した振動ジャイロ素子１において、重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを設けない形態である。
振動ジャイロ素子６には基部１０の４箇所の角部から該検出用振動腕１１ａ，１１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で該検出用振動腕１１ａ，１１ｂと平行に延出するＬ字状の梁７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂが設けられている。梁７０ａ，７０ｂの先端は支持部７２ａに連結され、梁７１ａ，７１ｂは支持部７２ｂに連結されている。
この１対の支持部７１ａ，７１ｂは、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。
振動ジャイロ素子６は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部７２ａ，７２ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

このように、振動ジャイロ素子の材料である水晶は固有の弾性を有しているが、基部１０から延出する梁の長さおよび形状を適宜変えることにより、梁の弾性を調整することができる。このことから、基部１０の振動を支持部に伝わることを抑制し、安定した駆動振動および検出振動を得ることができる。
以上の振動ジャイロ素子の変形例においても、本実施形態で説明したのと同様の作用を有し、同様の効果を享受することができる。

なお、本実施形態の振動ジャイロ素子はフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で一体に形成することができ、また、１枚の水晶ウエハから多数の振動ジャイロ素子を形成することができる。
また、振動ジャイロ素子の材料として、他の圧電材料であるタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）或はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₅）などを利用しても良い。さらに、圧電材料だけでなくエリンバ材に代表される恒弾性材料を用いて実施することも可能である。

本実施形態の振動ジャイロ素子を示す概略平面図。 ジャイロセンサを示す概略断面図。 振動ジャイロ素子の駆動振動状態を説明する模式平面図。 振動ジャイロ素子の検出振動状態を説明する模式平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。

符号の説明

１，２，３，４，５，６…振動ジャイロ素子、１０…基部、１１ａ，１１ｂ…検出用振動腕、１３ａ，１３ｂ…連結腕、１４ａ，１４ｂ…駆動振動腕、１５ａ，１５ｂ…駆動振動腕、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ…梁、２２ａ，２２ｂ…支持部、８０…ジャイロセンサ、８２…支持台、８３…固定部材、８４…駆動回路と検出回路を含むＩＣ、Ｇ…重心。

Claims (6)

1. 基部と、
   前記基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、
   前記基部から両側へ前記検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、
   前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕と、
   前記基部から前記各検出用腕に沿って延出される２対のＳ字状の梁と、
   同方向に延出された前記各梁が連結された１対の支持部と、を同一平面に備え、
   前記支持部を前記各検出用振動腕の延出する方向であって前記検出用振動腕の外側に配
   置された振動ジャイロ素子であって、
   前記基部と前記検出用振動腕と前記連結腕と前記駆動用振動腕と前記Ｓ字状の梁と前記
   支持部とが水晶板から形成された一体構造であり、
   前記Ｓ字状の梁は、前記検出用振動腕の延出方向に延出した第一の構成部分と、前記検
   出用振動腕の延出方向と直交する方向に延出した第二の構成部分とが、前記基部と前記支
   持部との間に交互に配置された構成を備え、
   該振動ジャイロ素子は前記支持部のみで固定されるものであることを特徴とする振動ジ
   ャイロ素子。
2. 請求項１に記載の振動ジャイロ素子において、前記検出用振動腕の長さは前記駆動用振
   動腕の長さより短く形成されたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
3. 請求項１または２に記載の振動ジャイロ素子において、前記１対の支持部は振動ジャイ
   ロ素子の重心に対して回転対称な位置に設けられていることを特徴とする振動ジャイロ素
   子。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子と、
   前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
   前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、
   を備え、前記振動ジャイロ素子は前記支持部のみで前記支持台に固定されていることを
   特徴とする振動ジャイロ素子の支持構造。
5. 請求項４に記載の振動ジャイロ素子の支持構造において、
   前記固定部材は弾性を有する材料であることを特徴とする振動ジャイロ素子の支持構造
   。
6. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子と、
   前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
   前記振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、
   前記振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、
   前記振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記振動ジャイロ素子に生ずる検出振
   動を検出する検出回路と、を備え、
   前記振動ジャイロ素子は前記支持部のみで前記支持台に固定されていることを特徴とす
   るジャイロセンサ。

Images