JP2013181861A - Vibration gyro - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、所定の回転軸周りの角速度を検出する振動ジャイロに関する。特には、所定の回転軸に対して直交する方向に沿って振動子が駆動振動するように駆動されて、回転軸周りの角速度を検出する振動ジャイロに関する。 The present invention relates to a vibrating gyroscope that detects an angular velocity around a predetermined rotation axis. In particular, the present invention relates to a vibrating gyroscope that is driven so as to drive and vibrate along a direction orthogonal to a predetermined rotation axis and detects an angular velocity around the rotation axis.
まず、従来の振動ジャイロの構成例について説明する。なお、以下、角速度を検出する回転軸をＺ軸、駆動による振動の方向である駆動軸をＸ軸、コリオリの力が作用することによる振動の方向である検出軸をＹ軸として説明する。 First, a configuration example of a conventional vibration gyro will be described. In the following description, it is assumed that the rotation axis for detecting the angular velocity is the Z axis, the drive axis that is the direction of vibration caused by the drive is the X axis, and the detection axis that is the direction of vibration caused by the Coriolis force is applied.
図８は、従来の振動ジャイロ（例えば、特許文献１，２参照。）の構成例を説明する図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional vibrating gyroscope (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
振動ジャイロ１０１は、駆動梁１０２と、駆動質量部１０３と、検出質量部１０４と、固定部１０５と、支持板１０６とを備えている。駆動梁１０２は、それぞれ、Ｙ軸方向に沿って直線状に延びていて、Ｘ軸方向に撓み変形することが可能であり、Ｘ軸方向に沿って２つ並べて配置されている。固定部１０５は、２つの駆動梁１０２それぞれの撓み振動のノード点（振動の節）において、駆動梁１０２を支持板１０６に連結するように、複数設けられている。複数の固定部１０５は、Ｙ軸方向に沿って配列されている。駆動質量部１０３および検出質量部１０４は、２つの駆動梁１０２の間に、Ｙ軸方向に沿って配列されていて、それぞれ、駆動梁１０２の撓み振動のアンチノード点（振動の腹）に連結されている。
The
検出質量部１０４は、外側質量部１１１と、検出梁１１２と、内側質量部１１３と、を備えている。外側質量部１１１は、開口を有する枠状であり、駆動梁１０２に連結されている。内側質量部１１３は、外側質量部１１１の開口内に設けられている。検出梁１１２は、Ｘ軸に沿って直線状に延びており、外側質量部１１１と内側質量部１１３とに連結されている。検出梁１１２は、Ｙ軸方向に撓み変形することが可能である。
The
このような構成の振動ジャイロ１０１では、図示しない駆動部によって、駆動質量部１０３がＸ軸に沿って振動するように駆動される。このとき、２つの駆動質量部１０３は、振動の位相が約１８０°ずれた逆位相で振動するように駆動される。駆動質量部１０３の駆動振動により、駆動梁１０２は、Ｘ軸方向に撓み変形することになる。検出質量部１０４は、駆動梁１０２の撓み振動のアンチノード点に連結されているため、駆動梁１０２の撓み変形により、Ｘ軸に沿って振動することになる。駆動質量部１０３および検出質量部１０４は、互いに隣接する質量部が逆位相で振動する。
In the
駆動質量部１０３および検出質量部１０４がＸ軸に沿って振動する状態で、振動ジャイロ１０１にＺ軸周りの角速度が加わると、検出質量部１０４には、Ｙ軸に沿った方向にコリオリの力が作用することになる。検出質量部１０４を構成する内側質量部１１３は、Ｙ軸方向に撓み変形することが可能な検出梁１１２に連結されているために、コリオリの力が作用することによりＹ軸に沿って変位することになる。このとき、２つの検出質量部１０４は、逆位相で振動しているため、それぞれに逆方向のコリオリの力が作用することになる。この内側質量部１１３のＹ軸に沿った振動の振幅は、振動ジャイロ１０１に加わったＺ軸周りの角速度の大きさに応じたものになる。そのため、検出質量部１０４において、図示しない検出部によって、内側質量部１１３の振動振幅を検出することにより、振動ジャイロ１０１に加わったＺ軸周りの角速度の大きさを測定することが可能になる。
When an angular velocity around the Z axis is applied to the vibrating
この振動ジャイロ１０１は、支持板１０６を含んで構成されるパッケージ内に気密封止され、駆動回路や検出回路などが組み込まれたＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などとともにプリント基板やリードフレーム上に実装され、樹脂モールドされることになる。そして、その状態で通常の半導体部品などと同様に、電気機器の回路基板に搭載されて使用されることになる。
The
従来の振動ジャイロ１０１においては、パッケージの内部応力やパッケージに加わる外部応力などによってパッケージにせん断歪が生じたときに、角速度の検出感度が低下するという問題がある。図９は、パッケージにせん断歪が生じたときの振動ジャイロ１０１の模式図である。
The
図９に示すように、振動ジャイロ１０１のパッケージにせん断歪が生じたときには、例えば、支持板１０６は、一方の対角線方向の寸法が伸び、他方の対角線方向の寸法が縮むように変形する。すると、支持板１０６に固定された複数の固定部１０５の配列方向がＹ軸方向から傾く。これにより、駆動梁１０２と検出梁１１２との直交性が崩れる。この状態で、振動ジャイロ１０１が駆動されると、振動ジャイロ１０１にＺ軸周りの角速度が加わっていなくても、検出質量部１０４に僅かではあるがＹ軸に沿った振動が生じることになる。そして、その検出質量部１０４のＹ軸に沿った振動が、不要信号として出力されることになる。
As shown in FIG. 9, when shear strain is generated in the package of the
この不要信号は、駆動周波数と検出方向に振動する共振モードの周波数がある程度離れていると、Ｚ軸周りの角速度による検出信号とは位相が９０°ずれたものになる。通常、ＡＳＩＣの検出回路には、同期検波回路が組み込まれていて、Ｚ軸周りの角速度による検出信号と位相がずれた不要信号は同期検波回路によって除去されることになる。しかしながら、同期検波の初期の位相ずれや、温度による位相変化があると、不要信号を完全に除去することができず、不要信号が出力されてしまうことになり、振動ジャイロの特性劣化が引き起されてしまう。例えば、不要信号が同期検波回路を通過して出力電圧が変動する、或いは、角速度が作用していない静止時の出力電圧の温度特性が歪み量に応じて変化する。 If the drive frequency and the frequency of the resonance mode that vibrates in the detection direction are separated from each other to some extent, the unnecessary signal has a phase shifted by 90 ° from the detection signal based on the angular velocity around the Z axis. Normally, a synchronous detection circuit is incorporated in the detection circuit of the ASIC, and an unnecessary signal whose phase is shifted from the detection signal due to the angular velocity around the Z axis is removed by the synchronous detection circuit. However, if there is an initial phase shift of synchronous detection or a phase change due to temperature, unnecessary signals cannot be completely removed, and unnecessary signals are output, which causes deterioration of the characteristics of the vibration gyroscope. It will be. For example, an unnecessary signal passes through the synchronous detection circuit and the output voltage fluctuates, or the temperature characteristic of the output voltage at rest when the angular velocity is not acting changes according to the amount of distortion.
振動ジャイロ１０１にＺ軸周りの角速度が加わっていなくても不要信号が出力されてしまう場合、センサ感度を所望の値にするためには、同期検波前の信号増幅率を大きくできず、同期検波後の信号増幅率を大きくする必要が生じる。振動ジャイロのＳＮ比は、同期検波前の信号増幅率が大きい方が良好であり、同期検波後の信号増幅率が大きければＳＮ比が低下してしまう。
If an unnecessary signal is output even if the angular velocity around the Z-axis is not applied to the
そこで本発明は、上述の問題を回避でき、パッケージにせん断歪みが生じても、不要信号が出力されることを防ぐことができる振動ジャイロの提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibrating gyroscope that can avoid the above-described problems and prevent an unnecessary signal from being output even if shear distortion occurs in the package.
この発明に係る振動ジャイロは、支持板と、支持板に支持される振動子とを備えている。振動子は、駆動梁と、駆動質量部と、検出梁と、検出質量部と、複数の固定部とを備えている。駆動梁は、角速度を検出する回転軸に対して直交する検出軸に沿う方向を長手方向としていて、回転軸に沿う方向から視て、検出軸に並行する中心線が振動子の重心位置を通るように配置されている。複数の固定部は、駆動梁と支持板とに連結されている。駆動質量部は、駆動梁に連結されていて、回転軸および検出軸に対して直交する駆動軸に沿って駆動振動する。検出梁は、駆動軸に沿う方向を長手方向としていて、駆動梁に一方の端部が連結されている。検出質量部は、検出梁の他方の端部に連結されていて、検出軸に沿って検出振動する。 The vibrating gyroscope according to the present invention includes a support plate and a vibrator supported by the support plate. The vibrator includes a drive beam, a drive mass unit, a detection beam, a detection mass unit, and a plurality of fixing units. The driving beam has a longitudinal direction in the direction along the detection axis orthogonal to the rotational axis for detecting the angular velocity, and a center line parallel to the detection axis passes through the center of gravity of the vibrator as viewed from the direction along the rotational axis. Are arranged as follows. The plurality of fixed portions are connected to the drive beam and the support plate. The drive mass unit is connected to the drive beam and vibrates along a drive axis perpendicular to the rotation axis and the detection axis. The detection beam has a longitudinal direction extending along the drive axis, and one end of the detection beam is connected to the drive beam. The detection mass unit is connected to the other end of the detection beam, and detects and vibrates along the detection axis.
この構成では、パッケージにせん断歪が発生して支持板が変形した場合に、複数の固定部により支持されている駆動梁は、複数の固定部とともに、検出軸から傾いた軸に沿うように回転する。その際、その駆動梁を介して支持板に連結されている検出梁は、駆動梁との直交性を維持したまま回転する。したがって、この構成の振動ジャイロは、パッケージにせん断歪みが発生した状態でも、駆動梁と検出梁との高い直交性が維持されるので、検出信号に不要信号が混入することを抑制できる。 In this configuration, when shear distortion occurs in the package and the support plate is deformed, the driving beam supported by the plurality of fixing portions rotates along the axis inclined from the detection axis together with the plurality of fixing portions. To do. At that time, the detection beam connected to the support plate via the drive beam rotates while maintaining the orthogonality with the drive beam. Therefore, the vibration gyro having this configuration maintains high orthogonality between the drive beam and the detection beam even in a state where shear strain is generated in the package, so that it is possible to suppress the unnecessary signal from being mixed into the detection signal.
この発明に係る振動ジャイロは、支持板と、支持板に支持される振動子とを備えている。振動子は、第１，第２，第３の駆動梁と、第１，第２の駆動質量部と、検出梁と、検出質量部と、複数の固定部とを備えている。第１，第２，第３の駆動梁は、角速度を検出する回転軸に対して直交する検出軸に沿う方向を長手方向としていて、検出軸に沿って配置されている。複数の固定部は、第１，第２，第３の駆動梁と支持板とに連結されている。第１の駆動質量部は、第１の駆動梁に連結されており、回転軸および検出軸に対して直交する駆動軸に沿って駆動振動する。第２の駆動質量部は、第３の駆動梁に連結されており、回転軸および検出軸に対して直交する駆動軸に沿って駆動振動する。検出梁は、第１，第２，第３の駆動梁のいずれかに一方の端部が連結されており、駆動軸に沿う方向を長手方向としている。検出質量部は、検出梁の他方の端部に連結されており、検出軸に沿って検出振動する。 The vibrating gyroscope according to the present invention includes a support plate and a vibrator supported by the support plate. The vibrator includes first, second, and third drive beams, first and second drive mass units, a detection beam, a detection mass unit, and a plurality of fixing units. The first, second, and third drive beams are disposed along the detection axis with the direction along the detection axis orthogonal to the rotation axis that detects the angular velocity as the longitudinal direction. The plurality of fixed portions are connected to the first, second, and third drive beams and the support plate. The first drive mass unit is connected to the first drive beam and vibrates along a drive axis orthogonal to the rotation axis and the detection axis. The second drive mass unit is connected to the third drive beam and vibrates along a drive axis perpendicular to the rotation axis and the detection axis. One end of the detection beam is connected to one of the first, second, and third drive beams, and the direction along the drive axis is the longitudinal direction. The detection mass unit is connected to the other end of the detection beam, and detects and vibrates along the detection axis.
この構成では、パッケージにせん断歪が発生して支持板が変形した場合に、複数の固定部により支持されている第１，第２，第３の駆動梁は、複数の固定部とともに、検出軸から傾いた軸に沿うように回転する。その際、第１，第２，第３の駆動梁のいずれかを介して支持板に連結されている検出梁は、連結されている駆動梁との直交性を維持したまま回転する。したがって、この構成の振動ジャイロは、パッケージにせん断歪みが発生した状態でも、第１，第２，第３の駆動梁と検出梁との高い直交性が維持されるので、検出信号に不要信号が混入することを抑制できる。 In this configuration, when shear strain occurs in the package and the support plate is deformed, the first, second, and third driving beams supported by the plurality of fixing portions are coupled to the detection shaft together with the plurality of fixing portions. Rotate along an axis tilted from At this time, the detection beam connected to the support plate via any one of the first, second, and third drive beams rotates while maintaining the orthogonality with the connected drive beams. Therefore, the vibration gyro having this configuration maintains high orthogonality between the first, second, and third drive beams and the detection beam even in a state where shear strain is generated in the package. Mixing can be suppressed.
上述の振動ジャイロにおいて、駆動梁に連結されており、回転軸に沿う方向から視て開口を有する枠状である中央側質量部をさらに備え、検出質量部は、前記開口内に配置されている。 In the above-described vibrating gyroscope, the vibrating gyroscope is further connected to the drive beam, and further includes a central mass portion having a frame shape having an opening when viewed from the direction along the rotation axis, and the detection mass portion is disposed in the opening. .
この構成では、中央側質量部の開口内に検出質量部が配置されるので、検出質量部を駆動梁の両脇に分割配置する必要が無くなり、検出質量部の重量を大きくすることができる。したがって、検出質量部に作用するコリオリの力を大きくでき、回転軸周りの角速度の検出感度を高めることが可能になる。 In this configuration, since the detection mass unit is arranged in the opening of the central mass unit, it is not necessary to separately arrange the detection mass unit on both sides of the drive beam, and the weight of the detection mass unit can be increased. Therefore, the Coriolis force acting on the detection mass unit can be increased, and the detection sensitivity of the angular velocity around the rotation axis can be increased.
上述の振動ジャイロにおいて、中央側質量部は、回転軸に沿う方向から視て検出軸方向に凹むコの字状部位を備え、該コの字状部位の凹部の底部に駆動梁が連結されている。 In the vibration gyro described above, the central mass portion includes a U-shaped portion that is recessed in the detection axis direction when viewed from the direction along the rotation axis, and a drive beam is coupled to the bottom of the recess of the U-shaped portion. Yes.
この構成では、中央側質量部を設けても、検出軸に沿う方向での駆動梁の寸法を大きく確保することができる。 In this configuration, even if the central mass portion is provided, a large dimension of the drive beam in the direction along the detection axis can be ensured.
上述の振動ジャイロにおいて、振動子は、中央側質量部の検出軸に沿った方向への移動を規制する第一の補助梁を備えると好適である。また、振動子は、駆動質量部の検出軸に沿った方向への移動を規制する第二の補助梁を備えると好適である。 In the vibration gyro described above, it is preferable that the vibrator includes a first auxiliary beam that restricts movement of the central mass portion in a direction along the detection axis. In addition, it is preferable that the vibrator includes a second auxiliary beam that restricts movement of the drive mass unit in a direction along the detection axis.
この構成では、補助梁が中央側質量部や駆動質量部の検出軸に沿った方向への移動を規制することにより駆動梁をより適正に振動させられる。 In this configuration, the driving beam can be more appropriately vibrated by restricting the movement of the auxiliary beam in the direction along the detection axis of the central mass unit and the driving mass unit.
この発明によれば、パッケージのせん断歪などによって、支持板が変形して駆動梁が検出軸から傾いても、駆動梁と検出梁との直交性が確保されることになる。したがって、この構成の振動ジャイロは、パッケージにせん断歪みが生じても、駆動梁と検出梁との直交性が高く、不要信号が出力されることを防ぐことができる。 According to the present invention, even when the support plate is deformed due to the shear strain of the package and the drive beam is inclined from the detection axis, the orthogonality between the drive beam and the detection beam is ensured. Therefore, the vibration gyro having this configuration has high orthogonality between the drive beam and the detection beam even when shear distortion occurs in the package, and can prevent an unnecessary signal from being output.
以下、本発明の実施形態に係る振動ジャイロについて説明する。なお、以下、角速度を検出する回転軸をＺ軸、駆動による振動の方向である駆動軸をＸ軸、コリオリの力が作用することによる振動の方向である検出軸をＹ軸として説明する。Ｘ軸とＹ軸とは互いに直交しており、Ｘ軸とＺ軸とは互いに直交しており、Ｙ軸とＺ軸とは互いに直交している。すなわち、本発明の実施形態に係る振動ジャイロは、Ｚ軸周りの角速度を検出するものである。 Hereinafter, a vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention will be described. In the following description, it is assumed that the rotation axis for detecting the angular velocity is the Z axis, the drive axis that is the direction of vibration caused by the drive is the X axis, and the detection axis that is the direction of vibration caused by the Coriolis force is applied. The X axis and the Y axis are orthogonal to each other, the X axis and the Z axis are orthogonal to each other, and the Y axis and the Z axis are orthogonal to each other. That is, the vibration gyro according to the embodiment of the present invention detects an angular velocity around the Z axis.
図１は、本実施形態に係る振動ジャイロ１の概略構成を示す側面断面図（Ｘ−Ｚ面断面図）である。図２は、本実施形態に係る振動ジャイロ１が備える振動子１１の概略構成を示す平面図（Ｘ−Ｙ面平面図）である。なお、図１には、図２中に図示する破線Ａ−Ａ’を通る断面を示している。
FIG. 1 is a side sectional view (XZ plane sectional view) showing a schematic configuration of a vibrating gyroscope 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view (XY plane plan view) showing a schematic configuration of the
図１に示すように、振動ジャイロ１は、振動子１１と、パッケージ１０とを備えている。パッケージ１０は、蓋板１０Ａと、外枠部１０Ｂと、支持板１０Ｃとを備えている。蓋板１０Ａと支持板１０Ｃとは平板状である。外枠部１０Ｂは、平面視して矩形枠状である。蓋板１０Ａと支持板１０Ｃとは、外枠部１０Ｂを間に介して接合されている。振動子１１は、パッケージ１０の内部空間に収容されている。振動子１１は、蓋板１０Ａおよび支持板１０Ｃと隙間をもって対向している。
As shown in FIG. 1, the vibrating gyroscope 1 includes a
この振動ジャイロ１は、支持板１０Ｃの底面を実装面として、実装基板９１に実装されている。また、振動ジャイロ１は、蓋板１０Ａの天面に複数の接続端子（不図示）が形成されている。それらの接続端子（不図示）は、実装基板９１の表面に形成されている接続端子（不図示）にボンディングワイヤ９２によって接続されている。
The vibration gyro 1 is mounted on a mounting
また、図２に示すように、振動子１１は、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと、固定部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、駆動質量部１４Ａ，１４Ｂと、中央側質量部１５Ａ，１５Ｂと、検出梁１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２，１６Ｃ１，１６Ｃ２，１６Ｄ１，１６Ｄ２と、検出質量部１７Ａ，１７Ｂと、補助梁１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄとを備えている。
In addition, as shown in FIG. 2, the
駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、振動子１１をＺ軸正方向から視て、すなわち、振動子１１を平面視して、それぞれＹ軸に沿う方向を長手方向とする梁状に形成されている。駆動梁１２Ｂは、振動子１１の重心位置を通るＹ軸上の中央に配置されている。駆動梁１２Ａは、振動子１１の重心位置を通るＹ軸上の、駆動梁１２ＢよりもＹ軸正方向側に配置されている。駆動梁１２Ｃは、振動子１１の重心位置を通るＹ軸上の、駆動梁１２ＢよりもＹ軸負方向側に配置されている。駆動梁１２ＡのＹ軸正方向側の端部は、Ｘ軸に沿って二股に分かれた先端がＹ軸正方向に屈曲している平面視してコの字状であり、駆動質量部１４Ａに連結されている。駆動梁１２ＡのＹ軸負方向側の端部は、中央側質量部１５Ａに連結されている。駆動梁１２ＢのＹ軸正方向側の端部は、中央側質量部１５Ａに連結されている。駆動梁１２ＢのＹ軸負方向側の端部は、中央側質量部１５Ｂに連結されている。駆動梁１２ＣのＹ軸正方向側の端部は、中央側質量部１５Ｂに連結されている。駆動梁１２ＣのＹ軸負方向側の端部は、Ｘ軸に沿って二股に分かれた先端がＹ軸負方向に屈曲している平面視してコの字状であり、駆動質量部１４Ｂに連結されている。
The drive beams 12A, 12B, and 12C are formed in a beam shape in which the
固定部１３Ａは、一端が支持板１０Ｃに連結され、他端が駆動梁１２Ａに連結された構成であり、駆動梁１２ＡのＸ軸方向の両脇それぞれに設けられている。固定部１３Ｂは、一端が支持板１０Ｃに連結され、他端が駆動梁１２Ｂに連結された構成であり、駆動梁１２ＢのＸ軸方向の両脇それぞれに設けられている。固定部１３Ｃは、一端が支持板１０Ｃに連結され、他端が駆動梁１２Ｃに連結された構成であり、駆動梁１２ＣのＸ軸方向の両脇それぞれに設けられている。このように、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、固定部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを介して、支持板１０Ｃに連結されている。固定部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの中間点であって後述する駆動振動のノード点（振動の節）である部分において、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを支持板１０Ｃに連結するように設けられている。なお、駆動梁１２ＡのＹ軸正方向側の端部と駆動梁１２ＣのＹ軸負方向側の端部とを、平面視してコの字状の形状にしていることにより、これらの端部を変形し易くしている。これにより、駆動梁１２Ａ，１２Ｃが撓み振動する際の端部の傾きが、駆動質量部１４Ａ，１４Ｂに伝わることを防ぎ、駆動質量部１４Ａ，１４Ｂの姿勢を安定させることができる。
The fixed
中央側質量部１５Ａは、駆動梁１２Ａと駆動梁１２Ｂとの間に連結されている。中央側質量部１５Ｂは、駆動梁１２Ｂと駆動梁１２Ｃとの間に連結されている。中央側質量部１５Ａ，１５Ｂは、振動子１１をＺ軸正方向から視て、すなわち、振動子１１を平面視して、開口を有する枠状であり、振動子１１の重心位置を通るＹ軸を対称軸として線対称の形状である。より詳細には、中央側質量部１５Ａ，１５Ｂは、平面視して矩形状の枠における、Ｘ軸に沿って伸びる２つの辺のうち、Ｙ軸正方向側に配置されている辺の中央と、Ｙ軸負方向側に配置されている辺の中央とに、開口の内側に凹むコの字状部位１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂ１，１５Ｂ２が形成されている形状である。コの字状部位１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂ１，１５Ｂ２は、Ｙ軸方向に凹む部分である。中央側質量部１５Ａ，１５Ｂは、他の部位よりも幅広に構成されていて、これにより高い剛性を持っている。
The
より詳細には、コの字状部位１５Ａ１の凹部の底部には、駆動梁１２ＡのＹ軸負方向の端部が連結されている。コの字状部位１５Ａ２の凹部の底部には、駆動梁１２ＢのＹ軸正方向の端部が連結されている。コの字状部位１５Ｂ１の凹部の底部には、駆動梁１２ＢのＹ軸負方向の端部が連結されている。コの字状部位１５Ｂ２の凹部の底部には、駆動梁１２ＣのＹ軸正方向の端部が連結されている。これにより、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２ＣのＹ軸方向の寸法を大きく確保しながら、振動子１１の全体としてのＹ軸方向の寸法が大きくなることを防ぐことができる。中央側質量部１５Ａは第１の中央側質量部であり、中央側質量部１５Ｂは第２の中央側質量部である。
More specifically, the end of the
駆動質量部１４Ａは、駆動梁１２ＡのＹ軸正方向側の端部に連結されている。駆動質量部１４Ｂは、駆動梁１２ＣのＹ軸負方向側の端部に連結されている。駆動質量部１４Ａ，１４Ｂのより詳細な構成については後述するが、図示しない駆動手段によって、駆動質量部１４Ａ，１４ＢはそれぞれＸ軸に沿って互いに逆の位相で振動するように駆動される。駆動質量部１４Ａは第１の駆動質量部であり、駆動質量部１４Ｂは第２の駆動質量部である。
The
検出梁１６Ａ１，１６Ａ２は、中央側質量部１５Ａの開口内に配置されていて、それぞれＸ軸に沿う方向を長手方向とする梁状に形成されている。検出梁１６Ａ１，１６Ａ２の一方の端部は中央側質量部１５Ａのコの字状部位１５Ａ１に連結されており、他方の端部は検出質量部１７Ａに連結されている。検出梁１６Ｂ１，１６Ｂ２は、中央側質量部１５Ａの開口内に配置されていて、それぞれＸ軸に沿う方向を長手方向とする梁状に形成されている。検出梁１６Ｂ１，１６Ｂ２の一方の端部は中央側質量部１５Ａのコの字状部位１５Ａ２に連結されており、他方の端部は検出質量部１７Ａに連結されている。
The detection beams 16A1 and 16A2 are arranged in the opening of the center-
検出梁１６Ｃ１，１６Ｃ２は、中央側質量部１５Ｂの開口内に配置されていて、それぞれＸ軸に沿う方向を長手方向とする梁状に形成されている。検出梁１６Ｃ１，１６Ｃ２の一方の端部は中央側質量部１５Ｂのコの字状部位１５Ｂ１に連結されており、他方の端部は検出質量部１７Ｂに連結されている。検出梁１６Ｄ１，１６Ｄ２は、中央側質量部１５Ｂの開口内に配置されていて、それぞれＸ軸に沿う方向を長手方向とする梁状に形成されている。検出梁１６Ｄ１，１６Ｄ２の一方の端部は中央側質量部１５Ｂのコの字状部位１５Ｂ２に連結されており、他方の端部は検出質量部１７Ａに連結されている。
The detection beams 16C1 and 16C2 are arranged in the opening of the center-
検出質量部１７Ａ，１７Ｂは、それぞれ、２つの矩形枠状の部位をＸ軸方向に配列し、それらの矩形枠状の部位の間を、Ｘ軸方向を長手方向とする梁状の部位で連結した構成である。検出質量部１７Ａは、中央側質量部１５Ａの開口内に配置されていて、検出梁１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２を介して中央側質量部１５Ａに連結されている。検出質量部１７Ｂは、中央側質量部１５Ｂの開口内に配置されていて、検出梁１６Ｃ１，１６Ｃ２，１６Ｄ１，１６Ｄ２を介して中央側質量部１５Ｂに連結されている。検出質量部１７Ａ，１７Ｂのより詳細な構成については後述するが、図示しない検出手段によって、Ｙ軸方向の変位を検出可能に構成されている。
Each of the
補助梁１８Ａは、一端が支持板１０Ｃに連結され、他端が駆動質量部１４Ａに連結された構成であり、駆動質量部１４ＡのＸ軸方向の両脇それぞれに設けられている。補助梁１８Ｂは、一端が支持板１０Ｃに連結され、他端が駆動質量部１４Ｂに連結された構成であり、駆動質量部１４ＢのＸ軸方向の両脇それぞれに設けられている。補助梁１８Ａ，１８Ｂは、振動子１１をＺ軸正方向から視て、すなわち、振動子１１を平面視して、Ｘ軸に対して蛇行するミアンダ形状に構成されている。補助梁１８Ａ，１８Ｂは、駆動質量部１４Ａ，１４ＢのＸ軸方向の変位を規制せずに、Ｙ軸方向の変位やＸ−Ｙ面での回転を規制するために設けられている。
The
補助梁１８Ｃは、一端が支持板１０Ｃに連結され、他端が中央側質量部１５Ａに連結された構成であり、中央側質量部１５ＡのＸ軸方向の両脇それぞれに設けられている。補助梁１８Ｄは、一端が支持板１０Ｃに連結され、他端が中央側質量部１５Ｂに連結された構成であり、中央側質量部１５ＢのＸ軸方向の両端それぞれに設けられている。補助梁１８Ｃ，１８Ｄは、振動子１１をＺ軸正方向から視て、すなわち、振動子１１を平面視して、鉤状に構成されている。補助梁１８Ｃ，１８Ｄは、中央側質量部１５Ａ，１５ＢのＸ軸方向の変位を規制せずに、Ｙ軸方向の変位やＸ−Ｙ面での回転を規制するために設けられている。
The
図３は、駆動質量部１４Ａの周辺構造の詳細について説明する図である。なお、駆動質量部１４Ｂの周辺構造は、駆動質量部１４Ａの周辺構造と同様のものであるため、駆動質量部１４Ｂの周辺構造についての説明は省くこととする。
FIG. 3 is a diagram for explaining the details of the peripheral structure of the
駆動質量部１４Ａは、複数の振動子側櫛歯部１４Ｃ１を備えている。また、振動ジャイロ１は、支持板１０Ｃに連結されている、複数の固定側櫛歯部１４Ｃ２を備えている。固定側櫛歯部１４Ｃ２は、各振動子側櫛歯部１４Ｃ１と組をなすように設けられている。各組の振動子側櫛歯部１４Ｃ１と固定側櫛歯部１４Ｃ２とは、互いの櫛歯が噛み合わさるように配置されていて、振動子側櫛歯部１４Ｃ１がＸ軸負方向側に配置され、固定側櫛歯部１４Ｃ２がＸ軸正方向側に配置されている。このような構成では、振動子側櫛歯部１４Ｃ１と固定側櫛歯部１４Ｃ２との間に、駆動電圧（交番電圧）が印加されることにより、振動子側櫛歯部１４Ｃ１と固定側櫛歯部１４Ｃ２との間には静電引力が作用する。そのため、駆動質量部１４ＡがＸ軸に沿って振動することになる。このように、振動子側櫛歯部１４Ｃ１と固定側櫛歯部１４Ｃ２とは駆動手段を構成している。駆動質量部１４Ｂは、駆動質量部１４Ａと同様の構造を有しているため、駆動質量部１４Ａと同様にＸ軸に沿って振動することになる。
The driving
図４は、検出質量部１７Ａおよび中央側質量部１５Ａの周辺構造の詳細について説明する図である。なお、検出質量部１７Ｂおよび中央側質量部１５Ｂの周辺構造は、検出質量部１７Ａおよび中央側質量部１５Ａの周辺構造と同様のものであるため、その説明は省くこととする。
FIG. 4 is a diagram for explaining the details of the peripheral structure of the
検出質量部１７Ａは、複数の振動子側櫛歯部１７Ｃ１を備えている。また、振動ジャイロ１は、支持板１０Ｃに連結されている、複数の固定側櫛歯部１７Ｃ２を備えている。固定側櫛歯部１７Ｃ２は、各振動子側櫛歯部１７Ｃ１と組をなすように設けられている。各組の振動子側櫛歯部１７Ｃ１と固定側櫛歯部１７Ｃ２とは、互いの櫛歯が噛み合わさるように配置されていて、振動子側櫛歯部１７Ｃ１がＹ軸負方向側に配置され、固定側櫛歯部１７Ｃ２がＹ軸正方向側に配置されている。このような構成では、振動子１１が駆動されている状態で振動ジャイロ１にＺ軸周りの角速度が加わることで、検出質量部１７Ａがコリオリの力の作用でＹ軸方向に振動することにより、振動子側櫛歯部１７Ｃ１と固定側櫛歯部１７Ｃ２との間隔が変化し、振動子側櫛歯部１７Ｃ１と固定側櫛歯部１７Ｃ２との間の静電容量の大きさが変化することになる。振動子側櫛歯部１７Ｃ１と固定側櫛歯部１７Ｃ２との間の静電容量の大きさは、コリオリの力の大きさ、すなわち角速度の大きさに応じたものになるため、振動子側櫛歯部１７Ｃ１と固定側櫛歯部１７Ｃ２との間の静電容量の大きさを検出することにより、振動ジャイロ１に加わったＺ軸周りの角速度の大きさを測定することが可能になる。このように、振動子側櫛歯部１７Ｃ１と固定側櫛歯部１７Ｃ２とは検出手段を構成している。検出質量部１７Ｂは、検出質量部１７Ａと同様の構造を有しているため、検出質量部１７Ａと同様に、振動ジャイロ１に加わったＺ軸周りの角速度の大きさを検出するために機能することになる。
The
また、中央側質量部１５Ａは、複数の振動子側櫛歯部１５Ｃ１を備えている。また、振動ジャイロ１は、支持板１０Ｃに連結されている、複数の固定側櫛歯部１５Ｃ２を備えている。固定側櫛歯部１５Ｃ２は、各振動子側櫛歯部１５Ｃ１と組をなすように設けられている。各組の振動子側櫛歯部１５Ｃ１と固定側櫛歯部１５Ｃ２とは、互いの櫛歯が噛み合わさるように配置されていて、振動子側櫛歯部１５Ｃ１がＹ軸負方向側に配置され、固定側櫛歯部１５Ｃ２がＹ軸正方向側に配置されている。このような構成では、振動子側櫛歯部１５Ｃ１と固定側櫛歯部１５Ｃ２との間の静電容量の大きさが検出され、その静電容量の大きさに基づいて駆動電圧がフィードバック制御されて、振動子１１のＸ軸に沿った振動の振幅が一定に保たれることになる。このように、振動子側櫛歯部１５Ｃ１と固定側櫛歯部１５Ｃ２とはモニタ手段を構成している。
The center-
ここで、振動ジャイロ１の駆動による、振動子１１の駆動振動態様について説明する。図５Ａは、振動ジャイロ１の駆動による、振動子１１の駆動振動態様について説明する図である。なお、図５Ａでは、振動子１１の変形量を拡大して表示している。
Here, a driving vibration mode of the
振動ジャイロ１を駆動すると、駆動手段により、駆動質量部１４Ａ，１４ＢがＸ軸に沿って振動することになる。なお、駆動質量部１４Ａと駆動質量部１４Ｂとは、駆動による振動の位相が１８０°ずれて振動するように構成されている。そのため、駆動梁１２Ａ，１２Ｃには、Ｘ軸に沿った撓み振動が生じる。すると、振動の腹となる位置に設けられており、駆動梁１２Ｂにより連結されている中央側質量部１５Ａ，１５Ｂは、Ｘ軸に沿って振動することになる。これにより、中央側質量部１５Ａ，１５Ｂの開口内に設けられている検出質量部１７Ａ，１７Ｂも、Ｘ軸に沿って振動することになる。このとき、駆動質量部１４Ａと中央側質量部１５Ａ、中央側質量部１５Ａと中央側質量部１５Ｂ、中央側質量部１５Ｂと駆動質量部１４Ｂとは、駆動による振動の位相が１８０°ずれてＸ軸に沿って駆動振動する。
When the vibrating gyroscope 1 is driven, the driving
ここで、振動ジャイロ１の駆動時にＺ軸周りの角速度が加わった場合について説明する。図６は、振動ジャイロ１の駆動時に、振動ジャイロ１にＺ軸周りの角速度が加わった際の、振動子１１の検出振動態様について説明する図である。なお、この図は、振動子１１の変形量を拡大して表示している。
Here, a case where an angular velocity around the Z axis is applied when the vibrating gyroscope 1 is driven will be described. FIG. 6 is a diagram for explaining a detected vibration mode of the
振動ジャイロ１が駆動している状態で振動ジャイロ１にＺ軸回りの角速度が加わることにより、振動子１１では、Ｘ軸に沿って振動している検出質量部１７Ａ，１７Ｂに、Ｙ軸に沿う方向にコリオリの力が作用することになる。したがって、検出質量部１７Ａ，１７ＢがＹ軸に沿って振動することになる。なお、検出質量部１７Ａと検出質量部１７Ｂとでは、Ｘ軸に沿う振動の位相が１８０°ずれて駆動振動しているため、それぞれにコリオリの力が逆方向に作用し、Ｙ軸に沿った振動の位相も１８０°ずれることになる。検出質量部１７Ａ，１７ＢのＹ軸に沿った振動振幅の大きさは、Ｚ軸周りの角速度の大きさに応じたものになる。このため、検出質量部１７Ａ，１７Ｂの振動振幅の大きさを検出することにより、振動ジャイロ１においてＺ軸周りの角速度を測定することが可能になる。
When an angular velocity about the Z axis is applied to the vibrating gyroscope 1 while the vibrating gyroscope 1 is driven, the
ここで、振動ジャイロ１の支持板１０Ｃにせん断歪が発生し、平面視して矩形である支持板１０Ｃが、一方の対角線寸法が伸び、他方の対角線寸法が縮むように変形した場合について説明する。図７は、振動ジャイロ１の支持板１０Ｃにせん断歪が発生した場合の、振動子１１の変形態様について説明する図である。なお、この図は、振動子１１の変形量を拡大して表示している。
Here, a case where shear strain is generated in the support plate 10C of the vibration gyro 1 and the support plate 10C, which is rectangular in plan view, is deformed so that one diagonal dimension extends and the other diagonal dimension contracts will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating a deformation mode of the
振動ジャイロ１の支持板１０Ｃにせん断歪が発生したことにより、振動子１１をＺ軸正方向から視て、すなわち、振動子１１を平面視して、Ｙ軸に沿って配置されていた固定部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが、一直線に並んだ状態を維持したまま、Ｙ軸から傾いた軸に沿って配置されているように変位する。すると、固定部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに連結されている駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃおよび駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに連結されている中央側質量部１５Ａ，１５Ｂは、固定部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの配列方向に中心線が重なるように、回転しながら変位する。検出梁１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２，１６Ｃ１，１６Ｃ２，１６Ｄ１，１６Ｄ２と検出質量部１７Ａ，１７Ｂとは、中央側質量部１５Ａ，１５Ｂ、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、固定部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのみを介して支持板１０Ｃに連結されているので、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃとの直交性を維持したまま回転することになる。したがって、振動ジャイロ１では、支持板１０Ｃ（不図示）にせん断歪が発生しても、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと検出梁１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２，１６Ｃ１，１６Ｃ２，１６Ｄ１，１６Ｄ２との直交性が維持されることになる。即ち、振動ジャイロ１が駆動される際に、Ｚ軸周りの角速度が作用しない状態では、検出質量部１７Ａ，１７Ｂには検出梁１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２，１６Ｃ１，１６Ｃ２，１６Ｄ１，１６Ｄ２と直交する方向の振動（ぶれ）が生じず、検出信号として不要信号が検出されることがなくなる。したがって、パッケージのせん断歪による振動ジャイロ１の出力変動を低減でき、振動ジャイロ１の特性を改善できる。また、せん断歪の問題があるために従来構造で使用していた高い剛性のパッケージを、低い剛性のもので代替することが可能になり、振動ジャイロ１を安価に構成することができる。更には、パッケージの初期歪で生じていた不要信号が低減できるために、検出信号の同期検波前に信号増幅率を大きくでき、振動ジャイロのＳＮ比を改善することが可能になる。
The fixed portion disposed along the Y axis when the
なお、せん断歪が生じている状態で実施したモーダル解析によれば、本実施形態において、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ，１２ＣのＹ軸方向の寸法を２．８ｍｍ、中央側質量部１５Ａ，１５ＢのＸ軸方向の寸法を０．９ｍｍとした場合、シミュレーションによるＹ軸方向への駆動振動のブレ量は１５．６ｎｍと極めて小さいものであった。一方、２つの駆動梁の間に質量部を配置する従来構成では、駆動梁のＹ軸方向の寸法を２．２ｍｍ、中央側質量部のＸ軸方向の寸法を１．３ｍｍとした場合、１１４．６ｎｍと極めて大きいものであった。なお、いずれのモーダル解析においても、モデルに与えるせん断歪は１／１０００とし、駆動振幅は３μｍ、駆動周波数と検出モードの周波数差Δｆ=５００Ｈｚとして規格化している。
According to the modal analysis performed in a state where shear strain is generated, in this embodiment, the dimensions of the drive beams 12A, 12B, and 12C in the Y-axis direction are 2.8 mm, and the X of the center
この実施形態で示したように本発明は実施することができるが、本発明の範囲はこの実施形態の記載に限定されるものではない。例えば、中央側質量部の形状は上述のものに限られず、例えば、コの字状部を設けなくてもよい。また、中央側質量部自体を設けずに駆動梁を構成してもよい。その場合、検出梁や検出質量部は、駆動梁の両脇に配置するとよい。また、補助梁についても必ずしも設けなくてもよい。 The present invention can be implemented as shown in this embodiment, but the scope of the present invention is not limited to the description of this embodiment. For example, the shape of the center-side mass portion is not limited to the above-described one, and for example, the U-shaped portion may not be provided. Moreover, you may comprise a drive beam, without providing the center side mass part itself. In that case, the detection beam and the detection mass unit may be arranged on both sides of the drive beam. Further, the auxiliary beam is not necessarily provided.
１…振動ジャイロ
１０…パッケージ
１０Ａ…蓋板
１０Ｂ…外枠部
１０Ｃ…支持板
１１…振動子
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…駆動梁
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…固定部
１４Ａ，１４Ｂ…駆動質量部
１５Ａ，１５Ｂ…中央側質量部
１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂ１，１５Ｂ２…コの字状部位
１６Ａ１，１６Ａ２，１６Ｂ１，１６Ｂ２，１６Ｃ１，１６Ｃ２，１６Ｄ１，１６Ｄ２…検出梁
１７Ａ，１７Ｂ…検出質量部
１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ…補助梁
１４Ｃ１，１５Ｃ１，１７Ｃ１…振動子側櫛歯部
１４Ｃ２，１５Ｃ２，１７Ｃ２…固定側櫛歯部
９１…実装基板
９２…ボンディングワイヤ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (6)
前記振動子は、
角速度を検出する回転軸に対して直交する検出軸に沿う方向を長手方向としていて、前記回転軸に沿う方向から視て、前記検出軸に並行する中心線が前記振動子の重心位置を通るように配置されている駆動梁と、
前記駆動梁と前記支持板とに連結されている複数の固定部と、
前記駆動梁に連結されていて、前記回転軸および前記検出軸に対して直交する駆動軸に沿って駆動振動する駆動質量部と、
前記駆動軸に沿う方向を長手方向としていて、前記駆動梁に一方の端部が連結されている検出梁と、
前記検出梁の他方の端部に連結されていて、前記検出軸に沿って検出振動する検出質量部と、
を備える、振動ジャイロ。 A vibration gyro comprising a support plate and a vibrator supported by the support plate,
The vibrator is
The direction along the detection axis orthogonal to the rotation axis for detecting the angular velocity is the longitudinal direction, and the center line parallel to the detection axis passes through the barycentric position of the transducer as viewed from the direction along the rotation axis. A drive beam arranged in the
A plurality of fixed portions connected to the drive beam and the support plate;
A drive mass unit coupled to the drive beam and vibrated along a drive axis orthogonal to the rotational axis and the detection axis;
A detection beam in which a direction along the drive axis is a longitudinal direction and one end is connected to the drive beam;
A detection mass unit connected to the other end of the detection beam and oscillating along the detection axis;
A vibrating gyroscope.
前記振動子は、
角速度を検出する回転軸に対して直交する検出軸に沿う方向を長手方向としていて、前記検出軸に沿って配置されている、第１，第２，第３の駆動梁と、
前記第１，第２，第３の駆動梁と前記支持板とに連結されている複数の固定部と、
前記第１の駆動梁に連結されており、前記回転軸および前記検出軸に対して直交する駆動軸に沿って駆動振動する第１の駆動質量部と、
前記第３の駆動梁に連結されており、前記回転軸および前記検出軸に対して直交する駆動軸に沿って駆動振動する第２の駆動質量部と、
前記第１，第２，第３の駆動梁のいずれかに一方の端部が連結されており、前記駆動軸に沿う方向を長手方向としている、検出梁と、
前記検出梁の他方の端部に連結されており、前記検出軸に沿って検出振動する検出質量部と、
を備える、振動ジャイロ。 A vibration gyro comprising a support plate and a vibrator supported by the support plate,
The vibrator is
First, second, and third drive beams disposed along the detection axis, with the direction along the detection axis orthogonal to the rotation axis that detects angular velocity as the longitudinal direction;
A plurality of fixed portions connected to the first, second and third drive beams and the support plate;
A first drive mass unit coupled to the first drive beam and driven to vibrate along a drive axis orthogonal to the rotation axis and the detection axis;
A second drive mass unit coupled to the third drive beam and vibrated along a drive axis orthogonal to the rotation axis and the detection axis;
One end is connected to one of the first, second, and third drive beams, and the direction along the drive axis is the longitudinal direction.
A detection mass unit connected to the other end of the detection beam and oscillating along the detection axis;
A vibrating gyroscope.
前記検出質量部は、前記開口内に配置されている、
請求項１または２に記載の振動ジャイロ。 It is connected to the drive beam, further comprising a central mass part that is a frame shape having an opening as viewed from the direction along the rotation axis,
The detection mass unit is disposed in the opening.
The vibrating gyroscope according to claim 1 or 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012046313A JP2013181861A (en) | 2012-03-02 | 2012-03-02 | Vibration gyro |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017514123A (en) * | 2014-05-07 | 2017-06-01 | 株式会社村田製作所 | Improved gyroscope structure and gyroscope device |
| US11054260B2 (en) | 2017-06-22 | 2021-07-06 | Denso Corporation | Vibration type angular velocity sensor |
-
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- 2012-03-02 JP JP2012046313A patent/JP2013181861A/en active Pending
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