JP4348759B2

JP4348759B2 - 回転振動型ジャイロ

Info

Publication number: JP4348759B2
Application number: JP35527898A
Authority: JP
Inventors: 阿部　　誠; 隆芳柏木
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: JP2000180177A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多軸の加速度、角速度を検出可能な回転振動型ジャイロに関する。。
【０００２】
【従来の技術】
図９、図１０、図１１は、回転振動型ジャイロの従来例を示す図である。図９（Ａ）はケースを取り外して見た回転振動型ジャイロ１０の平面図で、同図（B）はそのＡ−Ａ’断面図である。
【０００３】
図９において、１は絶縁性の基板、２は周囲に駆動電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが形成されたシリコン材からなる導電性の平板円形形状の質量部、３は一端が固定部４によって基板１に固定され、他端が質量部２と一体に形成された質量支持部、５、６、７、８は質量部２と間隙をもって対抗し、基板１に固定された検出電極、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは一端が基板１に固定され、他端が駆動電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの間で駆動部を構成する駆動電極である。そして、図９（Ｂ）に示す如く、質量部２と検出電極５、６、７、８との間にそれぞれ電極間容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が生じる。
【０００４】
図９（Ｂ）に示す如く、質量部１、駆動電極２ｄ、６ｄ、質量支持部３は基板１から浮いて形成され、また図示されていないが、駆動電極２ａ、２ｂ、２ｃ、６ａ、６ｂ、６ｃも同様に、基板１から浮いて形成されている。
【０００５】
次にこの装置の動作を説明する。基板側駆動電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに適当な交流電圧を印可すると、質量部側駆動電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの間に静電引力が働き、４ヶ所の固定部４、４、４、４に質量支持部３、３、３、３によって連結された質量部２は、質量部２の中心を中心軸としたZ軸周りの回転振動を行う。その時、X軸周りの角速度Ωが回転振動型ジャイロ１０に印可されると、質量部２はY軸周りの回転振動を行う。すなわち、図１０に示す如く、質量部２が矢印方向に振動する。
【０００６】
これは、図１１に示す如く、速度Ｖで矢印方向に移動する物体ｍに対して、その方向に直交する軸周りの角速度Ωが物体ｍに対して印可された時、残りの軸方向にコリオリ力Ｆｃが発生することによる。
【０００７】
質量部２が回転振動すると、図１０に示す如く、質量部２が変位し、この結果、質量部２と、検出電極５、６、７、８との間の電極間容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が変化し、X軸周りの角速度Ωの検出をする。
【０００８】
同様にY軸周りの角速度Ωが回転振動型ジャイロ１０に印可されればX軸周りの回転振動が発生する。回転振動すると、質量部２が変位し、この結果、質量部２と、検出電極５、６、７、８との間の電極間容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が変化し、X軸周りの角速度Ωの検出をする。
【０００９】
以上の様に、角速度Ωにより質量部２が、X、Y２軸周りに回転振動を行うと、質量部２と基板上の検出電極５、６、７、８との間の容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が変化する。その容量変化を検出することにより回転振動型ジャイロ１０に印可された角速度Ωの大きさを測定することができる。また、X、Y２軸周りの角速度Ωを検出することができることから、回転振動型ジャイロ１０は２軸の角速度センサとして機能する。
【００１０】
また、この回転振動型ジャイロ１０に対して、Z軸方向の加速度Ｇが印可された場合、質量部２はZ軸方向に変位する。その変位量は、印可された加速度の大きさにより変化するので、質量部２と基板側容量検出電極５、６、７、８との間の電気容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を測定することにより、この回転振動型ジャイロ１０はZ軸方向の加速度センサとしても機能する。
【００１１】
回転振動型ジャイロ１０は上記の要素より構成されており、Ｓｉマイクロマシニング技術により製作される。
【００１２】
上記従来の回転振動型ジャイロ１では、X,Y２軸周りの角速度Ω、及びZ軸方向の加速度Ｇの検出を行うことができる。
【００１３】
【発明が解決しょうとする課題】
しかるに、上記構成の回転振動型ジャイロ１０においては、Ｘ軸、及びＹ軸方向の加速度が回転振動型ジャイロスコープ１０に印可された場合、質量部は加速度の方向に平行移動を行うが、Ｚ軸方向への変位は起こらない。すなわち、質量部２が図１０の矢印方向へ回転振動しないので、質量部２と検出電極５、６、７、８との間の電気容量の変化を生じない。従って、従来の構成では、X、Y軸周りの角速度の検出と、Z軸方向の加速度の検出はできるが、Ｘ，Ｙ軸方向の加速度の検出ができないという課題がある。
【００１４】
本発明は、X、Y軸周りの角速度とＸ，Ｙ，Z軸方向の加速度を検出可能なジャイロを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、基板上に、質量部と、前記質量部を支持する質量支持部と、前記質量部を駆動する駆動用部と、前記質量部が、直交する３つの軸で構成される三次元系において、Ｘ軸回りとＹ軸回りの角速度と、Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の加速度により変位し、前記質量部の変位量を検出することによって前記Ｘ軸回りとＹ軸回りの角速度、及び前記Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の加速度を検出する検出部を備えた回転振動型ジャイロにおいて、前記駆動部は、前記基板側の駆動電極と前記質量部側の駆動電極との間で、円形形状に配設されており、前記質量部は、円形形状に配設された前記駆動部の周囲に円環形状に配設され、前記検出部は、前記基板上に形成された検出電極からなり、前記検出電極は前記質量部の全面と対向して前記駆動部の周囲に円環形状に配設され、前記質量部の前記検出電極と対向する部分の厚みを、円環形状でかつ前記検出電極から離間する方向へ、前記質量支持部の厚みよりも厚くして前記質量部の回転中心と前記質量部の重心とに距離を持たせたことによって達成できる。
【００１６】
また、上記構成において、前記質量支持部を、前記円環形状をした質量部の外側に配置することによって達成できる。
【００１７】
また、前記質量支持部は、前記質量部の回転中心部に配設された固定部に一端が固定されて、前記円環形状をした質量部の内側に配置するよって達成できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。なお、上記従来例で示した部分と対応する部分は同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２１】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２は、本発明に係る回転振動型ジャイロの第１実施形態を示す図であり、図１（Ａ）は、ケースを取り外して見た回転振動型ジャイロ１１の平面図で、同図（B）はそのＢ−Ｂ’線断面図である。
【００２２】
本実施形態においては、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリコン材料からなる導電性の平板円形形状からなる質量部２が、基板側駆動電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと導電性の平板円形形状からなる質量部２側の駆動電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの間で形成された駆動部が、円形形状に配設され、その周囲に質量部２が円環形状に配設されている。これに伴い、質量部２と対抗する検出電極５、６、７、８も円環形状に配設されている。質量支持部３は、中心部に配された固定部４に一端が固定されている。
【００２３】
次に、上記構成の動作説明をする。Ｘ、Ｙ２軸周りの角速度Ω、及びＺ軸方向の加速度Ｇの検出については、上記従来例で述べた内容と同様なので、説明を省略し、以下にＸ軸方向の加速度の検出について説明する。
【００２４】
Ｘ軸方向の加速度Ｇが印加されると、質量部２は図２の動作説明図に示す如く、矢印方向へ変位する。この結果、質量部２が中心部から離れて円環形状に形成されているため、質量部２が内側にあるのに比し、質量部２と、検出電極５、６、７、８との間の容量Ｃ５、Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８が大きく変化し、Ｘ軸方向の加速度Ｇを感度良く検出する。
【００２５】
同様に、Ｙ軸方向の加速度Ｇが印加されると、質量部２は図２の動作説明図に示す如く、矢印方向へ変位する。この結果、質量部２が中心部から離れて円環形状に形成されているため、質量部２が内側にあるのに比し、質量部２と、検出電極５、６、７、８との間の容量Ｃ５、Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８が大きく変化し、Ｙ軸方向の加速度Ｇを感度良く検出する。
【００２６】
上述した如く、本第１の実施形態においては、Ｘ、Ｙ軸周りの角速度Ω、及びＸ、Ｙ、Ｚ方向の加速度Ｇの検出をする。
【００２７】
図３は、本発明に係る回転振動型ジャイロの第２実施形態を示す図であり、ケースを取り外して見た回転振動型ジャイロ１２の平面図である。本実施形態においては、質量支持部３及びこの質量支持部３の一端を固定する固定部４を質量部の外側に配置したものである。この構成により、Ｘ、Ｙ軸周りの角速度Ω、及びＸ、Ｙ、Ｚ方向の加速度Ｇの検出ができ、動作は上記第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００２８】
図４、図５、図６は、本発明に係る回転振動型ジャイロの第３実施形態を示す図であり、図４（Ａ）は、ケースを取り外して見た回転振動型ジャイロ１３の平面図で、同図（B）はそのＣ−Ｃ’線断面図である。
【００２９】
本実施形態においては、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、シリコン材料からなる導電性の平板円形形状からなる質量部２が、基板側駆動電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと導電性の平板円形形状からなる質量部２側の駆動電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの間で形成された駆動部が、円形形状に配設され、その周囲に質量部２が円環形状に配設されている。これに伴い、質量部２と対抗する検出電極５、６、７、８も円環形状に配設されている。質量支持部３は、中心部に配された固定部４に一端が固定されている。
【００３０】
また、図４（Ｂ）に示す如く、質量部２の厚さ寸法Ｔを質量支持部３の厚さ寸法（ｔ）より大（Ｔ>ｔ）としたものである。
【００３１】
次に、上記構成の動作説明をする。Ｘ、Ｙ２軸周りの角速度Ω、及びＺ軸方向の加速度Ｇの検出については、上記従来例で述べたと同様なので、説明を省略し、以下にＸ軸方向の加速度の検出について説明する。
【００３２】
Ｘ軸方向の加速度Ｇが印加されると、円環形状に形成された質量部２が中心部から離れ、しかも質量質量部２の厚さ寸法が質量支持部３の厚さ寸法より大に形成されているため、質量部２は図５の動作説明図に示す如く、矢印方向へ変位する。この結果、質量部２と、検出電極５、６、７、８との間の容量Ｃ９、Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２が変化し、Ｘ軸方向の加速度Ｇを検出する。
【００３３】
ここで、質量部２が矢印方向へ変位する原理を図６において説明する。同図において、質量部２の厚さを質量支持部３の厚さよりも厚くすると、質量部２の重心Ｑと回転中心Ｓが一致しなくなる。そこで、矢印Ｎで示した水平方向の加速度が印加されると、Ｍ=ＦＬ（Ｌは重心Ｑと回転中心Ｓとの間の距離）なるモーメントが発生する。その結果、質量部２は矢印Ｊ方向に回転振動をし図５で示した如く、質量部２と、検出電極５、６、７、８との間の容量Ｃ９、Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２が変化し、加速度Ｇを検出できることになる。
【００３４】
同様に、Ｙ軸方向の加速度Ｇが印加されると、質量部２が回転変位をし、質量部２は図２の動作説明図に示す如く、矢印方向へ変位する。この結果、質量部２と、検出電極５、６、７、８との間の容量Ｃ９、Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２が変化し、Ｙ軸方向の加速度Ｇを検出する。
【００３５】
上述した如く、本第３の実施形態においても、Ｘ、Ｙ軸周りの角速度Ω、及びＸ、Ｙ、Ｚ方向の加速度Ｇの検出をする。
【００３６】
図７、図８は、本発明に係る回転振動型ジャイロの第４実施形態を示す図であり、図７（Ａ）は、ケースを取り外して見た回転振動型ジャイロ１４の平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＤ−Ｄ'線断面図である。
【００３７】
本実施形態においては、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、シリコン材料からなる導電性の平板円形形状からなる質量部２が円形形状に配設され、、基板側駆動電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと質量部２側の駆動電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの間で形成された駆動部が、質量部の外側に配設され、その周囲に質量部２が円環形状に配設されている。これに伴い、質量部２と対向する検出電極５、６、７、８も円形形状に配設されている。質量支持部３は、駆動部の外側に配された固定部４に一端が固定されている。
【００３８】
また、図７（Ｂ）に示す如く、質量部２の厚さ寸法Ｔを質量支持部３の厚さ寸法（ｔ）より大（Ｔ>ｔ）としたものである。
【００３９】
この第４実施態様においても、質量部２の厚さ寸法Ｔを質量支持部３の厚さ寸法（ｔ）より大（Ｔ>ｔ）としたため、図８の説明図に示すごとく、矢印Ｅ方向へ加速度を印加すると質量部２がＸ方向に回転振動することから、Ｘ軸方向に加速度Ｇが印加されると質量部２が図７（Ｂ）において回転振動して、質量２と検出電極５、６、７、８との間の電気容量Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６が変化し、Ｘ軸方向の加速度Ｇを検出する。
【００４０】
同様にＹ軸方向の加速度Ｇの検出をする。これを含め、本実施態様においても、Ｘ、Ｙ軸周りの角速度Ω、及びＸ、Ｙ、Ｚ方向の加速度Ｇの検出をする。
【００４１】
上記説明中、Ｘ、Ｙ軸方向の加速度による振動子の変位と、Ｘ、Ｙ軸周りの角速度による振動子の変位は、両者とも質量支持部を回転軸とした回転変位となり、同様な変位形態となる。従って、検出される信号を分離できないと、加速度による信号なのか、角速度による信号なのかが区別できず、センサとして機能することが不可能となる。これを解決するには、周波数フィルタを用いるとよい。通常、角速度を検出するために、振動子を加振するが、検出される加速度の周波数は、通常の用途（自動車、産業用など）では１００Ｈz程度までが上限であるので、加振周波数を１ｋＨz〜数ｋＨzとすれば、角速度により発生するコリオリ力による振動も同じ周波数となり、角速度による信号と、加速度による信号は周波数帯が異なるので、周波数フィルタにより分離が可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べた様に本発明によれば、一つの素子で多軸の加速度、角速度を検出できるジャイロの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転振動型ジャイロの第１の実施形態を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【図２】本発明に係る回転振動型ジャイロの第１の実施形態を示す図であって、質量部の変位を説明する図
【図３】本発明に係る回転型ジャイロの第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明に係る回転振動型ジャイロの第３の実施形態を示す図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＣ−Ｃ’断面図である。
【図５】本発明に係る回転振動型ジャイロの第３の実施形態を示す図で、質量部の変位を説明する図
【図６】本発明に係る回転振動型ジャイロの第３の実施形態を示す図であって、質量部の変位を説明する原理図。
【図７】本発明に係る回転振動型ジャイロの第４の実施形態を示す図である。
【図８】本発明に係る回転振動型ジャイロの第４の実施形態を示す図であって、質量部の変位を説明する原理図。
【図９】従来例に係る回転振動型ジャイロを示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
【図１０】従来例に係る回転振動型ジャイロを示す図であって、質量部の変位を説明する図。
【図１１】従来例に係る回転振動型ジャイロを示す図であって、コリオリを説明する図。
【符号の説明】
１０、１１、１２、１３、１４回転振動型ジャイロ
１基板
２質量部
３質量支持部
４固定部
５、６、７、８検出電極
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ質量部側駆動電極
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ基板側駆動電極

Claims

基板上に、質量部と、前記質量部を支持する質量支持部と、前記質量部を駆動する駆動用部と、前記質量部が、直交する３つの軸で構成される三次元系において、Ｘ軸回りとＹ軸回りの角速度と、Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の加速度により変位し、前記質量部の変位量を検出することによって前記Ｘ軸回りとＹ軸回りの角速度、及び前記Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の加速度を検出する検出部を備えた回転振動型ジャイロにおいて、
前記駆動部は、前記基板側の駆動電極と前記質量部側の駆動電極との間で、円形形状に配設されており、
前記質量部は、円形形状に配設された前記駆動部の周囲に円環形状に配設され、
前記検出部は、前記基板上に形成された検出電極からなり、前記検出電極は前記質量部の全面と対向して前記駆動部の周囲に円環形状に配設され、
前記質量部の前記検出電極と対向する部分の厚みを、円環形状でかつ前記検出電極から離間する方向へ、前記質量支持部の厚みよりも厚くして前記質量部の回転中心と前記質量部の重心とに距離を持たせたことを特徴とする回転振動型ジャイロ。
前記質量支持部は、前記円環形状をした質量部の外側に配置したことを特徴とする請求項１記載の回転振動型ジャイロ。
前記質量支持部は、前記質量部の回転中心部に配設された固定部に一端が固定されて、前記円環形状をした質量部の内側に配置したことを特徴とする請求項１記載の回転振動型ジャイロ。