CN111065889B - 振动陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

振动陀螺仪具备：质量部(3)，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；施振器(7)，使上述质量部在上述第1方向上振动；以及检测器(9)，检测上述质量部的上述第2方向的位移量。此外，上述质量部的上述第1方向的共振频率与上述第2方向的共振频率相等；上述第2方向的振动的Q值比上述第1方向的振动的Q值小。

Description

振动陀螺仪
关联申请的相互参照
本申请基于2017年8月24日提出申请的日本专利申请第2017－161594号，这里引用其记载内容。
技术领域
本发明涉及振动陀螺仪。
背景技术
振动陀螺仪具备：质量部，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移地的方式而被支承；施振促动器，使质量部在第1方向上振动；以及检测部，检测质量部的第2方向的位移量。在振动陀螺仪中，有质量部的第1方向的共振频率与第2方向的共振频率相同的共振型、和2个方向的共振频率不同的非共振型。共振型的灵敏度较高，但另一方面共振频率的调整较难(非专利文献1)。即使2个方向的共振频率稍稍偏差，转速的计测灵敏度也会较大地变化，所以计测灵敏度不稳定。所以，广泛地采用非共振型(非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：井上纯一，“压电振动陀螺仪及其应用”(日文原文：電圧振動ジャイロとその応用)，HYBRIDS，Vol.8，No.4，pp35－41，1992，一般财团法人电子安装学会(日文原文：一般財団法人エレクトロニクス実装学会)
发明内容
本发明的目的在于，提供共振型的与2个方向的共振频率的偏差对应的灵敏度变化小的振动陀螺仪。
本发明的一技术方案的振动陀螺仪具备：质量部，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；施振器，使质量部在第1方向上振动；以及检测器，检测质量部的第2方向的位移量。此外，质量部的第1方向的共振频率与第2方向的共振频率相等；第2方向的振动的Q值比第1方向的振动的Q值小。
上述的振动陀螺仪通过使质量部的检测方向的振动的Q值(检测Q值)比施振方向的Q值(激振Q值)小，能够抑制灵敏度的温度依赖性。
附图说明
关于本发明的上述目的及其他目的、特征及优点，一边参照附图一边通过下述详细的记述会更明确。
图1是说明Q值的曲线图，图1(A)是表示质量部的施振方向(第1方向)的振动的频率特性的一例的曲线图，图1(B)是表示检测方向(第2方向)的振动的频率特性的一例的曲线图。
图2(A)是表示激振Q值与检测Q值相等的情况下的与共振频率的偏差对应的计测灵敏度(检测方向的振幅)的变化的曲线图，图2(B)是表示检测Q值比激振Q值小的情况下的与共振频率的偏差对应的计测灵敏度(检测方向的振幅)的变化的曲线图。
图3是实施例的振动陀螺仪的示意性构造图。
图4是表示梁的比热cv的变化与Q值的关系的图。
图5是表示梁的线膨胀系数α的变化与Q值的关系的图。
图6是表示梁的热传导率λ的变化与Q值的关系的图。
图7是说明检测梁(第2梁)的构造的放大平面图。
图8是说明检测梁的第1变形例的构造的放大平面图。
图9是说明检测梁的第2变形例的构造的放大平面图。
图10是说明检测梁的第3变形例的构造的放大平面图。
图11是说明检测梁的第4变形例的构造的放大平面图。
图12是说明激振梁的第1变形例的构造的放大平面图。
图13是说明激振梁的第2变形例的构造的放大平面图。
图14是说明激振梁的第3变形例的构造的放大平面图。
具体实施方式
以下，为了说明的方便，将第1方向的振动的Q值称作激振Q值，将第2方向的振动的Q值称作检测Q值。所述的Q值(尖锐度)，是将共振频率除以半幅值而得到的无因次数。所述的半幅值，是在比共振频率高频率侧振幅成为共振时的(1/√2)倍(0.707倍)的频率、与在比共振频率低频率侧振幅成为共振时的(1/√2)倍的频率之间的差。如果Q值大，则在振幅/频率特性图中在共振频率附近曲线图变陡峭，如果Q值小，则在共振频率附近曲线图变得平缓。
为了帮助理解，将第1方向称作施振方向，将第2方向称作检测方向。施振促动器将质量部在施振方向上施振。如果振动陀螺仪绕与施振方向及检测方向的两者正交的轴旋转，则科里奥利力(Coriolis force)在检测方向上对于在施振方向上振动的质量部起作用。科里奥利力依赖于质量部的旋转角速度和施振方向的速度。即，质量部的检测方向的位移量依赖于质量部的旋转角速度和施振方向的速度。振动陀螺仪根据质量部的检测方向的位移量确定旋转角速度。质量部以施振方向的振动的共振频率(施振共振频率)振动。由于科里奥利力与施振方向的振动频率同步，所以如果科里奥利力作用于检测方向，则质量部在检测方向上也以施振共振频率振动。所以，如果检测方向的振动的共振频率(检测共振频率)与施振共振频率一致，则质量部在检测方向上也以最大振幅振动。此时，振动陀螺仪的计测灵敏度最大。但是，即使检测共振频率从施振共振频率稍稍偏差，检测方向的振幅也大幅降低。例如，由于构造物根据温度而局部地膨胀/伸缩，所以振动陀螺仪依赖于温度而共振频率稍稍变化。施振共振频率与检测共振频率的差根据温度而不同这一情况意味着振动陀螺仪的计测灵敏度根据温度而变化。在振幅/频率特性中，当检测共振频率附近的曲线图陡峭(即Q值大)，则计测灵敏度的温度依赖性变高。
振动陀螺仪的具体构造的一例如下。振动陀螺仪除了质量部、施振器和检测器以外，还具备第1梁、激振基部和第2梁。第1梁沿着检测方向(第2方向)延伸，一端被固定于固定部，另一端能够在施振方向(第1方向)上位移。激振基部被连结到第1梁的另一端。第2梁沿着施振方向(第1方向)延伸，一端被连结到激振基部，另一端被连结到质量部。第2梁的另一端能够在检测方向(第2方向)上位移。即，质量部经由第1梁、激振基部和第2梁而被支承于固定部。并且，施振器构成为，使激振基部在施振方向(第1方向)上振动。当施振器工作，则第1梁的另一端周期性地位移，质量部与激振基部一起在施振方向(第1方向)上振动。当科里奥利力起作用，则第2梁的另一端在第2方向上周期性地位移。即，质量部相对于激振基部在检测方向(第2方向)上振动。
在上述的构造中，为了使检测Q值较小，例如有以下方法。第2梁被用硅制作，在端部的检测方向(第2方向)上的中央部分被埋入了比热比硅小的物质。上述的振动陀螺仪适合于MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电***)的技术，即，适合于将硅基板通过蚀刻等工艺加工制作。在此情况下，第2梁(及第1梁)被用硅制作。当比热小则Q值也有变小的趋势。即，比热与Q值大致正相关。所以，通过在第2梁的端部的中央部分埋入比热小的物质，能够降低Q值。另外，在端部的检测方向(第2方向)上的中央部分埋入比热小的物质是基于以下的理由。由于第2梁在检测方向(第2方向)上振动，所以拉伸应力施加于检测方向的一侧并且压缩应力施加于另一侧。在施加拉伸应力的一侧温度下降，在施加压缩应力的一侧温度上升。通过在检测方向(第2方向)的中央部分埋入比热小的物质，第2梁的检测方向(第2方向)的两侧之间的热的移动变得平缓，Q值下降。
Q值的调整还能够通过第1梁或第2梁的热传导率来调整。
在用硅制作的第2梁的检测方向(第2方向)的从振动的中性面偏离了的位置埋入了线膨胀系数(热膨胀系数)比硅大的物质的构造也能够降低检测Q值。Q值与线膨胀系数具有负相关。即，当增大第2梁的线膨胀系数，则能够使检测Q值变小。通过在第2梁中埋入线膨胀系数大的物质，能够降低检测Q值。另外，即使将线膨胀系数大的物质沿着中性面埋入，效果也较小。中性面是在振动时拉伸应力及压缩应力都不产生的假想面。这是因为，由于Q值依赖于梁的内部应力的变化，所以即使在不产生应力的部位埋入线膨胀系数大的物质，给Q值带来的影响也较小。
在用硅制作的第2梁的内部埋入了变形时的内摩擦比硅大的物质的构造也能够降低检测Q值。由于通过内摩擦而能量耗散，所以检测Q值下降(Q值也是将储存在***中的能量除以耗散的能量而得到的值)。作为内摩擦比硅大的物质的例子，有镁及聚酰亚胺树脂等。另外，可以将内摩擦大的物质以与第2方向的振动的中性面重叠的方式埋入。通过埋入到中性面，能够不给第2梁的刚性带来影响而降低检测Q值。即使沿着中性面埋入，也由于物质具有厚度，所以对内摩擦大的物质也作用剪切力，产生能量耗散。通过将用硅制作的第2梁的端部用变形时的内摩擦比硅大的物质覆盖，也能够得到同样的效果。
也可以代替使第2梁的振动Q值(检测Q值)减小而使第1梁的振动Q值(激振Q值)增大。例如，通过在第1梁中埋入比热大的物质，能够使激振Q值增大。或者，通过将第1梁用硅制作，在从第1方向的振动的中性面偏离了的位置埋入线膨胀系数比硅小的物质，也能够使激振Q值增大。进而，将第1梁用硅制作，在其内部埋入变形时的内摩擦比硅小的物质，也能够使激振Q值增大。
也可以将第1梁用主体梁和多个副梁构成。副梁是比主体梁细的梁，将主体梁与固定部连结，或将主体梁与激振基部连结。也可以将主体梁与固定部之间以及主体梁与激振基部之间分别用多个副梁连结。宽度细的副梁的热传递快，所以能够使Q值增大。此外，通过将主体梁与固定部之间或者主体梁与激振基部之间用多个副梁连结，能够在抑制梁刚性的下降的同时使Q值增大。
本发明的振动陀螺仪的质量部可以收容在真空壳体中。通过收容到真空壳体中，能够将空气的粘性和温度的影响去除，计测精度提高。另一方面，由于空气的粘性和温度的影响被去除而计测精度变高，所以由共振频率的偏差带来的计测灵敏度的变化的影响相对地变得显著。所以，在用上述的方法调整检测Q值的情况下，能得到更大的效果。另外，即使质量部被配置在大气中，通过用上述方法调整检测Q值，也能够得到相应的效果。
以下，参照附图对本实施方式的详细情况进行说明。
首先，参照图1说明振动的Q值(尖锐度)。图1(A)、图1(B)是横轴取振动的频率、纵轴取振幅的曲线图。图1(A)表示在共振频率f0处振幅的峰值尖锐地变尖的特性，图1(B)表示在共振频率f0处振幅的峰值比较平缓的特性。振动的Q值由Q＝f0/(fH－fL)的式子表示。这里，f0、fH、fL分别是共振频率、在共振频率的高频侧振幅为共振峰值的(1/√2)倍的频率、在共振频率的低频侧振幅为共振峰值的一半的频率。另外，将(fH－fL)称作半幅值。
如果Q值大则频率/振幅的曲线图在共振频率的附近变得陡峭，如果Q值小则曲线图变得平缓。Q值也是用储存在***中的能量除以耗散的能量而得到的值。如果Q值小则频率/振幅的曲线图变得平缓这一情况也可以根据耗散的能量与储存的能量相比相对较大而得到理解。
在本发明的振动陀螺仪中，质量部在正交的2方向(施振方向和检测方向)上振动。质量部被施振器在施振方向上施振。如果振动陀螺仪以将与施振方向及检测方向这两者正交的第3方向作为旋转轴的角速度进行旋转，则在科里奥利力的作用下，质量部在检测方向上也振动。由科里奥利力带来的质量部的检测方向的位移量依赖于质量部的角速度和施振方向的速度。施振方向的速度能够根据施振器施加的力来计算。所以，根据质量部的检测方向的位移(振幅)，能够计测角速度。本发明的振动陀螺仪被制作为，使施振方向的共振频率(施振共振频率)与检测方向的共振频率(检测共振频率)相等。进而，本发明的振动陀螺仪被制作为，使质量部的检测方向的振动的Q值(检测Q值)比质量部的施振方向的振动的Q值(激振Q值)小。这样，施振共振频率和检测共振频率发生了偏差时的振动陀螺仪的计测灵敏度(与施振方向的振动对应的检测方向的位移量)的变化被抑制。
例如，图1(A)表示施振方向的振动特性，图1(B)表示检测方向的振动特性。频率f0是施振共振频率，检测共振频率也是相同的f0。符号Wa表示施振方向的振动中的共振频率f0时的振幅，Wb表示检测方向的振动中的共振频率f0时的振幅。faL是施振方向的振动中在比共振频率f0低频侧振幅为Wa/√2的频率。faH是施振方向的振动中在比共振频率f0高频侧振幅为Wa/√2的频率。fbL是检测方向的振动中在比共振频率f0低频侧振幅为Wb/√2的频率。fbH是检测方向的振动中在比共振频率f0高频侧振幅为Wb/√2的频率。根据图1可知，激振Q值>检测Q值。
参照图2说明当上述关系成立时与共振频率的偏差对应的计测灵敏度的变化变小的理由。图2(A)表示施振方向的振动的Q值(激振Q值)与检测方向的振动的Q值(检测Q值)大致相等的情况。曲线G1表示施振方向上的振动特性，曲线G2表示检测方向的振动的振动特性。在共振频率一致的情况下(曲线G2(a)的情况下)，质量部在基于角速度的科里奥利力的作用下在检测方向上以振幅Wa1振动。在检测方向的振动的共振频率从f0偏差为f1的情况下(曲线G2(b))，质量部在科里奥利力的作用下在检测方向上以振幅Wa2振动。此时，dWa＝Wa1－Wa2是检测方向的共振频率偏差为f1时的计测灵敏度(由科里奥利力带来的检测方向的位移)的变化。如果检测方向的振动的Q值较大，则振动特性变得陡峭，即使检测共振频率从施振共振频率稍稍偏差，检测方向的振幅也较大地变化。即，计测灵敏度较大地变化。
另一方面，图2(B)表示检测方向的振动的Q值(检测Q值)比施振方向的振动的Q值(激振Q值)小的情况。曲线G1表示施振方向上的振动特性，曲线G3表示检测方向的振动的振动特性。在共振频率一致的情况下(曲线G3(a)的情况下)，在基于角速度的科里奥利力的作用下，质量部在检测方向上以振幅Wb1振动。在检测方向的振动的共振频率从f0偏差为f1的情况下(曲线G3(b))，质量部在科里奥利力的作用下在检测方向上以振幅Wb2振动。此时，振幅差dWb＝Wb1－Wb2，与图2(A)的情况(＝dWa)相比显著变小。如果检测方向的振动的Q值较小，则振动特性变得平缓，即使检测共振频率从施振共振频率偏差也能够抑制振幅的变化(即计测灵敏度的变化)。
参照附图说明实施例的振动陀螺仪。图3是振动陀螺仪2的平面图。以下，为了使说明简单，将振动陀螺仪2简称作陀螺仪2。陀螺仪2的主要零件被收容在壳体15的内部。图3是将壳体15切开而表示其内部构造的图。陀螺仪2是使用MEMS技术被植入到硅基板中的小型陀螺仪。壳体15也由硅制作。壳体15是密闭型的，壳体15的内部被保持为真空。在图3中，除了收容在陀螺仪2的壳体15中的主要零件以外，还描绘了控制器10。陀螺仪2能够以图中的坐标系计测绕Z轴的角速度Wz。
说明陀螺仪2的主要部分。陀螺仪2具备质量部3、2个激振基部5、4根第1梁6、4根第2梁4、2个施振器7、电容检测器9。以下，为了使说明容易理解，将“第1梁6”称作“激振梁6”，将“第2梁4”称作“检测梁4”。
4根激振梁6一端被固定于壳体15，在图中的坐标系的X方向上延伸。激振梁6是一端被固定、另一端能够在图中的坐标系的Y方向上位移的悬臂梁。在激振梁6的另一端，连结着激振基部5。图中的上侧的2根激振梁6将上侧的激振基部5从其两侧支承。图中的下侧的2根激振梁6将下侧的激振基部5从其两侧支承。悬臂型的激振梁6所支承的激振基部5能够在Y方向上位移。
4根检测梁4一端被连结于激振基部5，沿Y方向延伸。检测梁4的另一端能够在X方向上位移。在检测梁4的另一端，连结着质量部3。图中的上侧的2根检测梁4从上侧的激振基部5朝向图中的下方延伸，图中的下侧的2根检测梁4从下侧的激振基部5朝向图中的上方延伸。质量部3的图中的上端和下端分别被2根检测梁4支承。质量部3经由激振梁6、激振基部5和检测梁4而被壳体15支承。与激振基部5连结的激振梁6的另一端能够在Y方向上位移，与质量部3连结的检测梁4的另一端能够在X方向上位移，质量部3能够在X方向和Y方向双方上位移(振动)。
在质量部3，设有在X方向上向两侧突出的导电板8。此外，以与各个导电板8对置的方式，将电容检测器9固定于壳体15。在电容检测器9的与导电板8对置的面，配置有其他导电板，电容检测器9检测在与导电板8之间产生的静电电容。静电电容，和导电板8与电容检测器9的其他导电板之间的距离成比例而变化。即，电容检测器9通过与导电板8之间的静电电容来检测质量部3的X方向的位移。图中的右侧的电容检测器9将与图中右侧的导电板8之间的静电电容作为电信号Signal_a输出。图中的左侧的电容检测器9将与图中左侧的导电板8之间的静电电容作为电信号Signal_b输出。Signal_a、Signal_b被向控制器10输送。
由于电容检测器9检测的静电电容与质量部3的X方向的位移成比例，所以电容检测器9作为检测质量部3的X方向的位移量的位移检测器发挥功能。
在激振基部5，多个可动导电板5a以梳齿状延伸。施振器7以与激振基部5的可动导电板5a对置的方式被固定于壳体15。另外，施振器7隔着绝缘层17而被固定于壳体15。壳体15被电连接到装置的地电位，但施振器7被从壳体15绝缘，被施加后述的规定的电压。
从施振器7延伸出以梳齿状配置的多个固定导电板7a。各个固定导电板7a在相邻的可动导电板5a之间延伸。控制器10向固定导电板7a施加在零伏与规定电压之间以规定频率变化的电压。当向固定导电板7a施加电压，则产生静电力以将可动导电板5a向固定导电板7a之间吸引。静电力根据电压变化而周期性地变化。另外，在图中的上侧的施振器7和下侧的施振器7，作为叠加于直流电压的交流电压而施加180度移相的交流电压。所以，在2个激振基部5，施加沿Y方向作用的周期性的静电力。结果，激振基部5，与检测梁4、质量部3一起，以规定频率在Y方向上振动。控制器10施加的电压的频率被调整为，激振梁6、激振基部5、检测梁4、质量部3的整体在Y方向上振动时的共振频率。即，通过施振器7，质量部3以Y方向的共振频率振动。为了说明的方便，以下将Y方向的共振频率称作施振共振频率。被检测梁4支承的质量部3在X方向上也能够振动。为了说明的方便，以下将检测梁4和质量部3的振动***的X方向的共振频率称作检测共振频率。
电容检测器9的输出Signal_a、Signal_b被向控制器10输入。控制器10具备差分器11和运算器12。差分器11输出电容检测器9的输出Signal_a、Signal_b的差。当质量部3在Y方向上振动时陀螺仪2绕Z轴旋转，则对于质量部3，对应于旋转角速度和Y方向的速度而在X方向上作用科里奥利力。质量部3在科里奥利力的作用下在X方向上位移。陀螺仪2受到的绕Z轴的角速度Wz和质量部3的X方向的位移利用以质量部3的Y方向的速度为变量的规定的函数来规定。质量部3的Y方向的速度根据向施振器7供给的指令值(周期性地变化的电压的指令值)求出。运算器12利用Y方向的速度和上述的规定的函数，根据2个电容检测器9的输出差，计算陀螺仪2的绕Z轴的角速度Wz并输出。
如上述那样，陀螺仪2能够检测图中的绕Z轴的角速度Wz。另外，质量部3在Y方向上以施振共振频率振动。如果陀螺仪2以绕Z轴的角速度Wz旋转，则与角速度Wz及质量部3的Y方向的速度对应的X方向的科里奥利力作用于质量部3。由于Y方向的速度以施振共振频率变化，所以受到了科里奥利力的质量部3在X方向上也以施振共振频率振动。在陀螺仪2中，调整了质量部3的X方向(检测方向)的振动的共振频率(检测共振频率)以使其与Y方向(施振方向)的振动的共振频率(施振共振频率)一致。陀螺仪2是施振共振频率与检测共振频率相同的所谓共振型。以下，为了说明的方便，有时将Y方向称作施振方向、将X方向称作检测方向。
共振型的振动陀螺仪由于检测方向的振动(在实施例的情况下是X方向的振动)的振幅变大，所以有角速度的检测精度高的优点。另一方面，即使施振共振频率和检测共振频率稍稍不同，检测方向的振动的振幅也较大地下降，有根据构造上的尺寸公差及温度变化而角速度计测灵敏度较大地偏差的缺点。实施例的陀螺仪2，检测方向的振动的Q值(检测Q值)变得比施振方向的振动的Q值(激振Q值)低，与共振频率的偏差对应的角速度计测灵敏度的变化较小。Q值的定义、与共振频率的偏差对应的角速度计测灵敏度的变化较小的理由如上述那样。
关于实施例的陀螺仪2，说明几个调整振动的Q值的构造。为了使检测Q值相对于激振Q值相对地变小，使检测Q值变小就可以，或者使激振Q值变大就可以。首先，对梁的各种各样的特性(参数)与振动的Q值的关系进行说明。
梁的振动的Q值能够表示为以下的无因次指标τ、κ的函数。
[数式1]
在上述(数式1)中，各符号的含义是以下的(表1)这样。
[表1]
符号 含义 数值例 单位
f 频率 50,000 kHz
λ 热传导率 149 W/m/K
cv 比热 1.68E+06 J/m3/K
wb 梁宽 5.00E-05 m
ω0 角频率 3.14E+05 rad/s
E 杨氏模量 1.50E+11 Pa
α 线膨胀系数 2.60E-05 1/k
T0 初始温度 300 K
振动的Q值能够表示为上述无因次指标τ、κ的函数。即，Q值＝f(τ，κ)。函数f(τ，κ)由于较复杂，所以这里省略其具体的式子，但是在振动的技术领域中是周知的式子。
以下，说明(数式1)中包含的梁的各种各样的特性(参数)与Q值的关系。当梁振动则局部地产生热能。产生的热扩散至梁整体。即，局部产生的热能进行移动。这里，首先在最初不考虑梁中的热能的移动而假定仅由机械振动带来的共振状态。所述的共振状态是指如下状态：施加于梁前部的质量部的运动能量与由梁的复原力带来的势能(潜在能)相互交换但是刚好周期一致的状态。该周期f根据质量m和梁的刚性k由以下的(数式2)表示。
[数式2]
但是，存在通常不怎么被考虑的被称作热弹性效应的现象。在梁的根部，通过梁的折弯，在一侧(折弯的弯曲的外侧)产生拉伸应力，在另一侧(折弯的弯曲的内侧)产生压缩应力。并且，产生与拉伸应力的大小对应的温度下降、以及与压缩应力的大小对应的温度增加。这些应力的最大值不是在梁的中心而是在最表面产生。由于这些温度变化，所以梁的材料如果温度上升则产生压缩应力(延伸)，如果温度下降则产生拉伸应力(收缩)。基于该温度变化的压缩应力、拉伸应力是与基于机械振动的共振状态不同的现象。通过梁的根部因温度而产生延伸或收缩，成为对梁的共振状态带来影响的外力。
如果通过热弹性效应使梁振动的外力的周期与基于机械振动的共振状态完全相同，则不对振动带来影响而振动的Q值被维持较高的值。但是，例如，在相位偏差是180度的情况下，基于热弹性效应的外力成为与机械振动对抗的力所以振幅变小，Q值变小。即，通过控制对于机械振动的热弹性效应产生的时机，能够对振动***的Q值进行控制。考虑到该热弹性效应的情况下的整体的振动的Q值根据之前用(数式1)表示的无因次指标τ及κ的式子求出。
考虑到热弹性效应的Q值由频率f、热传导率λ、比热cv、梁宽wb、杨氏模量E、线膨胀系数α、初始温度T0决定。通常，频率f、梁宽wb、杨氏模量E(决定共振频率)因为传感器的机械制约而没有调整的余地。能够作为对Q值进行调整的变量加以利用的是热传导率λ、比热cv、线膨胀系数α。所以，通过调整这些变量，能够使检测梁的Q值变小、或使激振梁的Q值增加。
图4～图6是纵轴取无因次指标κ、横轴取无因次指标τ的Q值的等高线图。频率f、热传导率λ等的初始值使用在(表1)中记载的值。点阴影越浓，表示Q值越小。图4表示使梁的比热cv变化为cv1(＝1.68E+07)、cv2(＝1.68E+06)、cv3(＝1.68E+05)时的Q值的推移。可知有使比热cv越小则Q值变得越小的趋势。即，在梁的比热cv与Q值之间具有正相关。
图5表示使梁的线膨胀系数α变化为α1(＝2.60E－06)、α2(＝2.60E－05)、α3(＝2.60E－04)时的Q值的推移。可知有使线膨胀系数α越大则Q值变得越小的趋势。即，在线膨胀系数α与Q值间具有负相关。
图6表示使梁的热传导率λ变化为λ1(＝14.9)、λ2(＝149)、λ3(＝1490)时的Q值的推移。可知通过使热传导率λ变化，能够调整Q值。
例如在图3所示的构造的振动陀螺仪2中，通过使检测梁4的比热cv变小，能够使检测Q值相对于激振Q值相对地变小。或者，通过使激振梁6的比热cv变小，能够使检测Q值相对于激振Q值相对地变小。
做成容易将检测梁4的振动能量耗散的构造对使检测Q值变小有贡献。在图7中表示使检测梁4的比热cv变小的构造的一例。图7是将图3的检测梁4放大的平面图。
如之前叙述的那样，将陀螺仪2通过MEMS技术制作在硅基板中。检测梁4也被用硅制作。检测梁4既可以用硅的单晶制作，也可以用硅的多晶制作。在检测梁4的两端部设有槽，在该槽中埋入了比热比硅小的部件(低比热部件14)。在图7中，为了帮助理解，将低比热部件14用浅灰色表示。低比热部件14在检测方向(图中的X方向)上被埋入在检测梁4的中央部分。
通过埋入低比热部件14而Q值下降的理由如下。由于检测梁4在检测方向(X方向)上振动，所以在检测方向的一侧(例如图中的标号4a表示的一侧)作用压缩应力并且在另一侧(例如图中的标号4b表示的一侧)作用拉伸应力。在压缩应力作用的一侧温度上升，在拉伸应力作用的一侧温度下降。热能如图中的粗线所示，从温度高的压缩侧的边缘4a向温度低的拉伸侧的边缘4b流动。通过在检测方向的中央部分埋入比热小的物质，检测梁4的检测方向的两侧之间的热的移动变快，Q值下降。
也可以与图7的构造相反，在由硅制作的激振梁6的一部分埋入比热比硅大的部件。这样，激振梁6的Q值变大，检测梁4的Q值相对于激振梁6的Q值相对地变小。硅的比热是461[J/Kg℃]。比热比硅大的部件的例子是铍(比热是2180[J/Kg℃])、铝(比热是900[J/Kg℃])等。
参照图8说明使检测梁4的Q值降低的第1变形例。图8是第1变形例的检测梁104的放大平面图。检测梁104也用硅制作。在检测梁104的端部，埋入了热传导率λ比硅高的物质(高热传导率部件114)。在图8中，为了帮助理解，将高热传导率部件114用深灰色表示。如果使检测梁104的端部的热传导率λ变高，则由振动产生的热容易扩散，能够降低检测方向的振动的Q值。硅的热传导率λ是168[W/(m·K)]。作为热传导率λ比硅高的物质(高热传导率部件114)的例子，有金刚石(热传导率λ是1500[W/(m·K)])、碳纳米管(热传导率λ是5000[W/(m·K)])、铝(热传导率λ是236[W/(m·K)])、铍(热传导率λ是216[W/(m·K)])等。
可以在检测梁104的端部通过掺杂而埋入热传导率λ比硅高的物质。作为掺杂的物质的例子，有硼离子或磷离子等。作为剂量的例子，是19[atm/cm3]。如果掺杂硼离子或磷离子，则与非掺杂的硅相比，能够将热传导率λ提高10倍以上。
或者，如图9所示，通过将用硅制作的检测梁204的端部的表面用热传导率λ比硅高的物质(高热传导率膜214)覆盖，也能够降低检测方向的Q值。图9是第2变形例的检测梁204的放大平面图。在图9中，为了帮助理解，对高热传导率膜214施以了阴影。
参照图10说明使检测梁(第2梁)的Q值降低的再另一例。图10是第3变形例的检测梁304的放大平面图。检测梁304也用硅制作。在检测梁304的从检测方向(X方向)的振动的中性面偏离了的位置，埋入了线膨胀系数α比硅大的物质(大线膨胀部件314)。在图10中，为了帮助理解，对大线膨胀部件314施以了阴影。图10的虚线NL表示中性面。中性面NL是当检测梁304在检测方向(X方向)上振动时拉伸应力及压缩应力都不产生的假想面。决定Q值的无因次指标κ，与梁的杨氏模量E、线膨胀系数α的平方、及初始温度T0成正比，与比热cv成反比。所以，通过将线膨胀系数α大的物质(大线膨胀部件314)埋入到检测梁304中，能够降低检测方向的振动的Q值。由于Q值依赖于梁的内部应力的大小，所以通过不是在不产生应力的部位(中性面NL)、而是在产生应力的部位(从中性面NL离开了的部位)埋入大线膨胀部件314，能够有效地使Q值变小。
图11是第4变形例的检测梁404的放大平面图。检测梁404也用硅制作。在检测梁404的内部埋入了与硅相比变形时的内摩擦大的物质(高内摩擦部件414a、414b)。通过在检测梁404的内部埋入高内摩擦部件414a、414b，也能够降低检测方向的振动的Q值。由于通过内摩擦而能量耗散，所以Q值下降。内摩擦高的部件可以如高内摩擦部件414a那样以与中性面NL重叠的方式埋入。即使以与中性面NL重叠的方式埋入，由于高内摩擦部件414a在检测方向上有相应的厚度，所以在振动时在其内部作用剪切力，产生能量耗散。
或者，内摩擦高的部件也可以如高内摩擦部件414b那样以将硅制的检测梁404覆盖的方式设置。作为内摩擦比硅大的材料的例子，有镁及聚酰亚胺树脂。相反，通过在激振梁中埋入内摩擦小的部件，能够使检测梁的Q值与激振梁的Q值相比相对变小。
接着，说明激振梁6的变形例。如之前叙述的那样，通过使激振梁6的振动的Q值(激振Q值)变大，也能够使检测Q值相对变小。在图12中表示激振梁的第1变形例(激振梁106)的放大平面图。激振梁106包括主体梁106a和多个副梁106b。多个副梁106b的梁宽比主体梁106a的梁宽细。几个副梁106b将主体梁106a的一端与激振基部5连结。其余的副梁106b将主体梁106a的另一端与壳体15连结。副梁106b由于梁宽细，所以使激振梁106的Q值变大。通过有限单元法(FEM)解析，得到了这样的结果。
另一方面，通常，如果梁宽细，则梁的共振频率变低，有可能不能实现目标共振频率。第1变形例的激振梁106通过使用多个副梁106b，能够在得到目标梁刚性的同时使激振Q值变高。
另外，穿过梁的中央的中立线的左或右的副梁106b仅作用有拉伸应力或压缩应力。因此，通过梁的两端的热的混合，热能被平均化，能够避免由于成为能量损失从而激振Q值下降。
接着，在图13中表示激振梁的第2变形例(激振梁206)的放大平面图。激振梁206在其两端具有狭缝206a。在图14中表示激振梁的第3变形例(激振梁306)的放大平面图。激振梁306在其两端具有V字状的狭缝306a。直线状的狭缝206a具有与降低梁的热传导率时同等的效果。V字状的狭缝306a具有与扩大梁的宽度、扩大温度低的部位与高的部位的距离同等的效果。不论是哪种狭缝形状，都能够调整热的传递容易度。通过调整热的传递容易度，能够调整振动的Q值。
叙述关于在实施例中说明的技术的注意点。如之前叙述的那样，质量部3、激振基部5、激振梁6、检测梁4被收容在壳体15中。壳体15的内部被保持为真空。由于壳体15的内部被保持为真空，质量部3、激振基部5、激振梁6、检测梁4的振动不受空气的粘性和温度的影响。与不受到空气的粘性和温度的影响相应地，陀螺仪2的计测精度较高。相应地，在陀螺仪2中，由施振侧和检测侧的共振频率的偏差带来的计测灵敏度的变化的影响变大。实施例的陀螺仪2更显著地呈现出由于检测Q值比激振Q值小而带来的计测灵敏度变化降低的效果。另外，即使壳体15的内部不是真空状态，也能够得到相应的效果。
在实施例中，检测梁4被用硅制作。优选的是，激振梁6和质量部3也被用硅制作。但是，本发明的技术中，梁及质量部的材料并不限于硅。
图中的X方向对应于第1方向(检测方向)，Y方向对应于第2方向(施振方向)。实施例的电容检测器9相当于对质量部3的第2方向的位移量进行检测的检测器的一例。壳体15相当于固定部的一例。实施例的施振器7是产生静电力而使质量部3(激振基部5)振动的类型。施振器7也可以是通过压电元件将质量部激振的类型或其他类型。
将本发明依据实施例进行了记述，但应理解的是本发明并不限定于该实施例及构造。本发明也包含各种各样的变形例及均等范围内的变形。除此以外，各种各样的组合及形态、进而在它们中仅包含一要素、其以上或其以下的其他组合及形态也落入在本发明的范畴及思想范围中。

Claims (8)

1.一种振动陀螺仪，其特征在于，
具备：
质量部(3)，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；
施振器(7)，使上述质量部在上述第1方向上振动；以及
检测器(9)，检测上述质量部的上述第2方向的位移量；
上述质量部的上述第1方向的共振频率与上述第2方向的共振频率相等；
上述第2方向的振动的Q值比上述第1方向的振动的Q值小，
还具备：
第1梁(6、206、306)，沿着上述第2方向延伸，一端被固定于固定部(15)；
激振基部(5)，被连结到上述第1梁的另一端；以及
第2梁(4、104、204、304、404)，沿着上述第1方向延伸，一端被连结到上述激振基部，并且另一端被连结到上述质量部；
上述施振器构成为，使上述激振基部在上述第1方向上振动，
上述第2梁被用硅制作，在端部的上述第2方向的中央部分被埋入了比热比硅小的物质。
2.一种振动陀螺仪，其特征在于，
具备：
质量部(3)，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；
施振器(7)，使上述质量部在上述第1方向上振动；以及
检测器(9)，检测上述质量部的上述第2方向的位移量；
上述质量部的上述第1方向的共振频率与上述第2方向的共振频率相等；
上述第2方向的振动的Q值比上述第1方向的振动的Q值小，
还具备：
第1梁(6、206、306)，沿着上述第2方向延伸，一端被固定于固定部(15)；
激振基部(5)，被连结到上述第1梁的另一端；以及
第2梁(4、104、204、304、404)，沿着上述第1方向延伸，一端被连结到上述激振基部，并且另一端被连结到上述质量部；
上述施振器构成为，使上述激振基部在上述第1方向上振动，
上述第2梁被用硅制作，在从上述第2方向的振动的中性面偏离了的位置被埋入了线膨胀系数比硅大的物质。
3.一种振动陀螺仪，其特征在于，
具备：
质量部(3)，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；
施振器(7)，使上述质量部在上述第1方向上振动；以及
检测器(9)，检测上述质量部的上述第2方向的位移量；
上述质量部的上述第1方向的共振频率与上述第2方向的共振频率相等；
上述第2方向的振动的Q值比上述第1方向的振动的Q值小，
还具备：
第1梁(6、206、306)，沿着上述第2方向延伸，一端被固定于固定部(15)；
激振基部(5)，被连结到上述第1梁的另一端；以及
第2梁(4、104、204、304、404)，沿着上述第1方向延伸，一端被连结到上述激振基部，并且另一端被连结到上述质量部；
上述施振器构成为，使上述激振基部在上述第1方向上振动，
上述第2梁被用硅制作，在其内部被埋入了变形时的内摩擦比硅大的物质。
4.如权利要求3所述的振动陀螺仪，其特征在于，
上述内摩擦大的物质以与上述第2方向的振动的中性面重叠的方式被埋入。
5.一种振动陀螺仪，其特征在于，
具备：
质量部(3)，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；
施振器(7)，使上述质量部在上述第1方向上振动；以及
检测器(9)，检测上述质量部的上述第2方向的位移量；
上述质量部的上述第1方向的共振频率与上述第2方向的共振频率相等；
上述第2方向的振动的Q值比上述第1方向的振动的Q值小，
还具备：
第1梁(6、206、306)，沿着上述第2方向延伸，一端被固定于固定部(15)；
激振基部(5)，被连结到上述第1梁的另一端；以及
第2梁(4、104、204、304、404)，沿着上述第1方向延伸，一端被连结到上述激振基部，并且另一端被连结到上述质量部；
上述施振器构成为，使上述激振基部在上述第1方向上振动，
上述第2梁被用硅制作，端部被变形时的内摩擦比硅大的物质覆盖。
6.一种振动陀螺仪，其特征在于，
具备：
质量部(3)，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；
施振器(7)，使上述质量部在上述第1方向上振动；以及
检测器(9)，检测上述质量部的上述第2方向的位移量；
上述质量部的上述第1方向的共振频率与上述第2方向的共振频率相等；
上述第2方向的振动的Q值比上述第1方向的振动的Q值小，
还具备：
第1梁(6、206、306)，沿着上述第2方向延伸，一端被固定于固定部(15)；
激振基部(5)，被连结到上述第1梁的另一端；以及
第2梁(4、104、204、304、404)，沿着上述第1方向延伸，一端被连结到上述激振基部，并且另一端被连结到上述质量部；
上述施振器构成为，使上述激振基部在上述第1方向上振动，
上述第1梁具备主体梁(106a)和多个副梁(106b)，该多个副梁(106b)是比上述主体梁细的梁且将上述主体梁与上述固定部连结。
7.一种振动陀螺仪，其特征在于，
具备：
质量部(3)，以能够在相互正交的第1方向和第2方向上分别位移的方式而被支承；
施振器(7)，使上述质量部在上述第1方向上振动；以及
检测器(9)，检测上述质量部的上述第2方向的位移量；
上述质量部的上述第1方向的共振频率与上述第2方向的共振频率相等；
上述第2方向的振动的Q值比上述第1方向的振动的Q值小，
还具备：
第1梁(6、206、306)，沿着上述第2方向延伸，一端被固定于固定部(15)；
激振基部(5)，被连结到上述第1梁的另一端；以及
第2梁(4、104、204、304、404)，沿着上述第1方向延伸，一端被连结到上述激振基部，并且另一端被连结到上述质量部；
上述施振器构成为，使上述激振基部在上述第1方向上振动，
上述第1梁具备主体梁(106a)和多个副梁(106b)，该多个副梁(106b)是比上述主体梁细的梁且将上述主体梁与上述激振基部连结。
8.如权利要求1～7中任一项所述的振动陀螺仪，其特征在于，上述质量部被收容在作为上述固定部(15)的真空壳体中。
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