JPH11325905A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ外寸法を小さく、センサチップを小型
化できる振動ジャイを提供する。 【解決手段】 基板１１７上で対向する支持梁１１２に
より支持された円形の振動子１１０を、基板に垂直なＺ
軸回りに駆動電極１１３により静電的に回転振動させ、
Ｚ軸に直交するＸ軸回りの角速度を、振動子のＹ軸回り
の回転振動量として、基板上の検出電極１１６と振動子
１１０との間の静電容量の変化によって検出する振動ジ
ャイロにおいて、振動子１１０が支持梁１１２により支
持される部分を、検出電極と振動子とが重なり合う部分
のＺ軸に関しての最外径部よりも内側の振動子の外周辺
から中心に向けて形成された切り欠き１１１の最奥部分
とし、駆動電極と所定の空隙をもって配置される被駆動
電極１１５を切り欠きの半径方向側辺に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、角速度を測定す
る振動ジャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、角速度センサすなわちジャイ
ロは船舶や航空機に搭載されて、その航行経路を記録す
るためのセンサの一つとして用いられており、それは高
い精度を確保する必要があるために高価なものとなって
いた。

【０００３】近年、角速度の検出は、ビデオカメラの手
ぶれによる記録映像の動揺を補正したり、自動車の進行
方向を記録したり、自動車の車体の回転を検出した信号
を用いて車体の進行方向の制御の安定化などを図るため
に重要になってきている。これらのビデオカメラ用や自
動車用の角速度の検出は、船舶や航空機用のように高い
精度を必要としない反面、小型化および低価格化が求め
られる。

【０００４】従来から用いられている振動ジャイロとし
て、音片型、音叉型、スペリー型などのコリオリ力を検
出することにより角速度を検出する振動ジャイロは、小
型化・低価格化が可能であり、全長が数ｃｍ程度までの
小型化が図られている。

【０００５】図５はかかる音片型振動ジャイロの原理説
明図である。振動子２１は支えばね２２ａおよび２２ｂ
で支持され、振動子２１の片面に付けた圧電素子である
駆動電極２３を用いて、振動子２１の中心軸２１ａが２
１ｂおよび２１ｃとなるように振動子２１を振動させ
る。ここで、振動子２１が矢印５１方向に加振された状
態において、中心軸２１ａに対して矢印５２方向の角速
度が加わると矢印５３方向のコリオリ力が発生する。そ
の角速度が逆方向であれば、コリオリ力は逆方向に生ず
る。このコリオリ力Ｆと、振動子２１の質量ｍおよび速
度ｖと、角速度Ωとの関係はＦ＝ｍｖΩとなり、角速度
Ωが一定であれば、コリオリ力の振動数は振動子２１の
振動数に当然一致する。そして、コリオリ力による振動
子２１の変位は検出電極２５によって検出される。な
お、この構造体の寸法は数ｃｍ〜数十ｃｍである。

【０００６】上記音片型振動ジャイロでは、それ以上の
さらなる小型化は製作上困難視されている。そこで、さ
らに小型化を図るため、マイクロマシニング技術を適用
した例が検討されており、その技術の適用により１ｍｍ
以下への小型化も可能となってきた。

【０００７】図６は、ポリシリコンを構造材料としたジ
ャイロの例であり、マイクロマシニング技術により製作
した振動子３１と支持梁３２ａ，３２ｂとアンカー３４
ａ，３４ｂとが一体に組み立てられ、アンカー３４ａ，
３４ｂの下部はスペーサを介して基板３６に固定され、
他は基板３６の上方に離れている。このような構成にお
いて、櫛歯型駆動電極３３ａ，３３ｂの静電力によって
振動子３１が基板３６と平行に振動駆動され、このとき
に角速度が与えられると、コリオリ力により振動子３１
が基板３６に対して垂直に振動する。その振動により、
振動子３１と基板３６との隙間が変化し、振動子３１と
図示しない検出電極との間の静電容量が変化して、角速
度が測定される。

【０００８】一方、図７は上記の例と同様にポリシリコ
ンを構造材料としたジャイロの構成例であるが、本例で
は、回転駆動−回転検出構造を採っている。円板状の振
動子５１はその外方の４つの支持梁５２により不図示の
基板との間に所定の空隙を持って支持され、支持梁５２
はアンカー５４でもって基板に固定されている。振動子
５１には４つの櫛歯形状の被駆動電極５５が設けられて
おり、基板側に固定された櫛歯形状の駆動電極５３ａ，
５３ｂと適当な空隙をもって相対している。そこで、４
つの駆動電極５３ａ，５３ｂに交互に電圧を与えれば、
被駆動電極５５は静電力を受け、振動子５１は基板に垂
直な回転軸であるＡ１軸回りに回転振動する。このとき
Ａ１軸に直交する回転軸であるＡ２軸回りに角速度Ω１
が与えられれば、コリオリ力により振動子５１はＡ１軸
およびＡ２軸に直交する回転軸であるＡ３軸回りに回転
振動するので、これを基板上に設けた検出電極５６ａ、
５６ｂと振動子５１との間の静電容量の変化として検出
することにより角速度Ω１を同定できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７の
ような回転駆動−回転検出構造の振動ジャイロには、以
下に説明するような問題がある。

【００１０】すなわち、回転駆動−回転検出構造の振動
ジャイロでは、振動子５１と検出電極５６ａ，５６ｂと
が重なり合い静電容量を形成する部分の径すなわち検出
径Ｄｄが大きい程、角速度に対する検出軸回りの回転振
動量が大きくなり、回転振動量に対する容量変化も大き
くなる。従って、所望の検出感度を得るためには、充分
な大きさの検出径Ｄｄが必要であり、センサとしての外
寸法もこれに応じた大きさとならざるを得ない。

【００１１】しかしながら、回転駆動−回転検出構造の
従来の振動ジャイロでは、振動子５１を支持する支持梁
５２と被駆動電極５５および駆動電極５３ａ，５３ｂと
が円形の振動子５１の外側に配置されているので、この
分さらにセンサとしての外寸法が大きくなりセンサチッ
プの小型化を図る上で不利である。

【００１２】本発明の目的は、かかる従来の問題に着目
して、さらに小型化を可能にする回転駆動−回転検出構
造の振動ジャイロを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の請求項１に記載の振動ジャイロは、基板上に所定の
空隙をもって少なくとも一対の対向する支持梁により支
持された円形の振動子を、該基板に垂直な第１軸回りに
駆動電極により静電的に回転振動させ、該第１軸に直交
する第２軸回りに付与される角速度を、前記振動子の前
記第１および第２軸に直交する第３軸回りの回転振動量
として、前記基板上の前記振動子に相対する位置に設け
た検出電極と前記振動子との間の静電容量の変化によっ
て検出するようにした振動ジャイロにおいて、前記振動
子が前記支持梁により支持される部分を、前記検出電極
と前記振動子とが重なり合う部分の前記第１軸に関して
の最外径部よりも内側に設定したことを特徴とする。

【００１４】また、請求項２に記載の振動ジャイロは、
さらに、前記駆動電極を、前記検出電極と前記振動子と
が重なり合う部分の前記第１軸に関しての最外径部より
も内側に設定したことを特徴とする。

【００１５】また、請求項３に記載の振動ジャイロは、
さらに、前記振動子と所定の空隙を持って配置され、前
記振動子の前記第１軸に関する回転振動量を前記振動子
との間の静電容量変化として検出する参照電極を、前記
検出電極と前記振動子とが重なり合う部分の前記第１軸
に関しての最外径部よりも内側に設けたことを特徴とす
る。

【００１６】また、請求項４に記載の振動ジャイロは、
さらに、前記検出電極と前記振動子とが重なり合う部分
の面積が、前記振動子の前記第１軸回りの回転振動中で
も一定となるようにされていることを特徴とする。

【００１７】また、請求項５に記載の振動ジャイロは、
さらに、前記少なくとも一対の対向する支持梁は、その
対向方向が直交する二対の支持梁であり、前記対向方向
は前記第２軸および第３軸に対し所定の角度をなし、か
つ、前記検出電極は前記第２および第３軸に沿って設け
られていることを特徴とする。

【００１８】また、請求項６に記載の振動ジャイロは、
請求項５において、前記振動子が前記支持梁により支持
される部分は、前記円形の振動子の外周辺から中心に向
けて形成された切り欠きの最奥部分であり、前記駆動電
極と所定の空隙をもって配置される被駆動電極が前記切
り欠きの半径方向側辺に設けられていることを特徴とす
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態である振
動ジャイロ１００の平面図、図２は図１のII−II線に沿
う断面図および図３は図１のIII-III 線に沿う断面図で
ある。

【００２０】振動ジャイロ１００は、基本形状が円形の
振動子１１０と、周方向に対の関係で配置された櫛歯形
状の駆動電極１１３ａ，１１３ｂ（本例では４対）と、
検出電極１１６ａ，１１６ｂ（本例では２対）とを主要
部として構成されている。

【００２１】振動子１１０は、アンカー部１１４が基板
１１７上に固定された二対の対向する４つの弾性的な支
持梁１１２により、後述するように、基板１１７との間
に適当な空隙を持って、振動子１１０の中心を通り基板
１１７に垂直な第１軸としてのＺ軸回りに回転振動可能
に、またＺ軸に直交する第２軸としてのＸ軸、およびＺ
軸とＸ軸とに直交する第３軸としてのＹ軸の回りに回転
振動可能に支持されている。支持梁１１２は、図１に示
すように、途中に２つの折返し部を設け、センサ外寸法
に影響する後述の長さＬｎに対し実質の長さを長くし剛
性が低くなるようにされている。

【００２２】振動子１１０、支持梁１１２、アンカー部
１１４および駆動電極１１３ａ，１１３ｂは、例えば、
電気導電性のあるポリシリコンあるいはメッキ金属を構
成材料とし、犠牲層プロセスを含む表面マイクロマシニ
ング技術により基板１１７上に形成することができる。
あるいは、エッチング等により加工された単結晶シリコ
ンを構成材料とすることもできる。また、検出電極１１
６ａ，１１６ｂは、例えば、基板１１７上に形成された
アルミニウム等の導電性金属膜あるいは拡散電極であ
る。なお、Ｘ軸回りの角速度Ω１およびＹ軸回りの角速
度Ω２を検出するための検出電極を区別する必要のある
ときは、以下、それぞれ、検出電極１１６ａｘ，１１６
ｂｘおよび検出電極１１６ａｙ，１１６ｂｙと称す。

【００２３】本実施の形態の振動ジャイロ１００では、
円形の振動子１１０の外周辺から中心に向けてほぼ等辺
台形状の切り欠き１１１を形成し、この切り欠き１１１
の最奥部分の頂辺１１１ａ上を振動子１１０が支持梁１
１２により支持される部分としている。従って、支持梁
１１２はこのほぼ等辺台形状の切り欠き１１１のほぼ中
央部に位置されている。また、櫛歯状の駆動電極１１３
ａ，１１３ｂと所定の空隙を保ち、櫛歯が相互に噛み合
うように配置される櫛歯状の被駆動電極１１５ａ，１１
５ｂが切り欠き１１１の半径方向側辺１１１ｂに形成さ
れている。

【００２４】なお、本例においては、上述のように切り
欠き１１１を設け、該切り欠き１１１に挟まれた部位の
振動子１１０に対峙させて検出電極１１６ａ，１１６ｂ
を設けているので、もしも、検出電極１１６ａ，１１６
ｂの側辺（扇角Θｄを有する）と切り欠き１１１の側辺
１１１ｂとを一致させると、振動子１１０が回転振動し
たとき振動子１１０の一部が検出電極１１６ａ，１１６
ｂからはみ出し、検出電極１１６ａ，１１６ｂとの間の
検出容量が変動する結果、この分がノイズとなる。そこ
で、本例では、検出電極１１６ａ，１１６ｂの側辺で形
成される扇角Θｄを、隣り合う切り欠き１１１の側辺１
１１ｂで形成される扇角Θｖよりも小さくなるように
し、振動子１１０が回転振動しても検出電極１１６ａ，
１１６ｂからはみ出さないようにし、上記ノイズの発生
を防止している。

【００２５】かくて、本実施の形態の振動ジャイロ１０
０では、支持梁１１２による振動子１１０の支持部分
（この部分の径を支持径Ｄｓとする）が検出電極１１６
ａ，１１６ｂと振動子１１０とが重なり合う検出容量部
分の最外径である検出径Ｄｄよりも内側となる。すなわ
ち、振動子１１０の外径をＤｖとすれば、支持径Ｄｓ＜
検出径Ｄｄ＜振動子外径Ｄｖとなる。これに対し、図７
に示した従来例は、支持径Ｄｓ＝振動子外径Ｄｖ＞検出
径Ｄｄである。

【００２６】次に、上記構成の振動ジャイロ１００の動
作について説明する。

【００２７】今、振動子１１０の櫛歯状の被駆動電極１
１５ａ，１１５ｂに対して電位差が生ずるように４対の
駆動電極１１３ａおよび１１３ｂに交互に電圧を印加す
ると、振動子１１０の被駆動電極１１５ａ，１１５ｂに
は、静電吸引力が働き、振動子１１０は基板１１７に垂
直な駆動回転軸であるＺ軸回りに回転振動する。このと
きＺ軸に直交する回転軸であるＸ軸回りに角速度Ω１が
付与されると、角速度Ω１に応じたコリオリ力により振
動子１１０は Ｚ軸およびＸ軸に直交する検出軸である
Ｙ軸回りに回転振動するので、これを基板１１７上に設
けた検出電極１１６ａｙ，１１６ｂｙとの間の静電容量
の変化として電気的に検出することによって、角速度Ω
１が同定できることになる。

【００２８】また、図１に示すように、検出電極１１６
ａｙ，１１６ｂｙに対し、Ｚ軸回りに９０度回転させた
位置に同様の検出電極１１６ａｘ，１１６ｂｘを設けれ
ば、Ｙ軸回りの角速度Ω２も同様にして検出し同定する
ことができる。

【００２９】また、センサ外寸法（対向する支持梁１１
２のアンカー１１４の最外端間の距離として定義され
る）に影響を与える支持梁の長さは、本実施の形態では
図１に示すように、アンカー１１４との連結部から振動
子１１０の切り欠き１１１の頂辺１１１ａとの連結部ま
での長さＬｎであり、従来例においては図７に示すよう
に、アンカー５４との連結部から振動子５１の外周との
連結部までの長さＬｏである。ここで、支持梁の長さが
同じであっても、本発明のように、支持径Ｄｓが小さい
程振動子の回転剛性が低下するので、固有振動数が下が
り、検出感度が上がる。従って、従来例と同じ検出感度
を得るのであれば、支持径Ｄｓを小さくした分、支持梁
の長さを短くすることが出来る。すなわち、Ｌｎ＜Ｌｏ
とすることができる。この結果、仮に、本例と従来例と
で振動子外径Ｄｖおよび検出径Ｄｄを等しくした場合で
あっても、本例では従来例に比べ、｛（振動子外径Ｄｖ
−支持径Ｄｓ）＋２×（従来例の支持梁Ｌｏ−本例の支
持梁Ｌｎ）｝だけセンサ外寸法を小さくでき、小型化に
寄与する。

【００３０】ここで、本発明による上述のセンサ外寸法
の低減効果を示すために、具体例を挙げると、例えば、
支持径Ｄｓが振動子外径Ｄｖの１／３であり、本例の支
持梁長さＬｎが従来の支持梁長さＬｏの２／３で、従来
の支持梁長さＬｏと振動子外径Ｄｖとが等しいとすれ
ば、従来のアンカー部分を除くセンサ外寸法は、

【００３１】

【数１】Ｄｖ＋２Ｌｏ＝３Ｄｖ となるのに対し、本例のアンカー部分を除くセンサ外寸
法は、

【００３２】

【数２】Ｄｓ＋２Ｌｎ＝（１／３）Ｄｖ＋（４／３）Ｄ
ｖ＝（５／３）Ｄｖとなる。従って、

【００３３】

【数３】（５／３）Ｄｖ／３Ｄｖ＝５／９ すなわち、従来に対してアンカー部分を除く外寸法が５
／９の大きさとなる。

【００３４】さらに、図４は、本発明の第２の実施形態
を示す平面図である。基本的な原理、構成等は、前述の
第１の実施形態と同様である。但し、本実施の形態で
は、第１の実施形態が８組の駆動電極１１３ａ，１１３
ｂと被駆動電極１１５ａ，１１５ｂとを有するのに対
し、これらの一部を駆動用途に使用せずに、電極間の容
量変化により振動子１１０の回転振動量を検出する参照
電極として使用するようにしたものである。すなわち、
図４において、振動子１１０の切り欠き１１１の一方の
側辺に櫛歯状の参照電極１１１５ａ，１１１５ｂを形成
し、これらと所定の空隙を保ち、櫛歯が相互に噛み合う
ように配置される櫛歯状の参照電極１１１３ａ，１１１
３ｂを設けている。このようにすると、駆動力は第１の
実施形態の半分となるが、参照電極の信号をフィードバ
ック信号として用いることにより、振動子１１０の回転
振動量を一定に制御してセンサ信号を安定化させること
ができる。

【００３５】なお、上述の実施の形態では、２軸（Ｘ
軸、Ｙ軸）回りの角速度を検出できる振動ジャイロの例
につき説明したが、１軸の場合には検出電極１１６ａ，
１１６ｂを所望の検出軸に対応させた１対にしてもよ
い。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に係る発明によれば、基板上に所定の空隙をもって少
なくとも一対の対向する支持梁により支持された円形の
振動子を、該基板に垂直な第１軸回りに駆動電極により
静電的に回転振動させ、該第１軸に直交する第２軸回り
に付与される角速度を、前記振動子の前記第１および第
２軸に直交する第３軸回りの回転振動量として、前記基
板上の前記振動子に相対する位置に設けた検出電極と前
記振動子との間の静電容量の変化によって検出するよう
にした振動ジャイロにおいて、前記振動子が前記支持梁
により支持される部分を、前記検出電極と前記振動子と
が重なり合う部分の前記第１軸に関しての最外径部より
も内側に設定したので、従来に比べセンサ外寸法を小さ
くでき、センサチップを小型化できる。

【００３７】請求項２に係る発明によれば、前記駆動電
極を、前記検出電極と前記振動子とが重なり合う部分の
前記第１軸に関しての最外径部よりも内側に設定したの
で、請求項１に係る発明と相俟ってセンサ外寸法を小さ
くでき、センサチップを小型化できる。

【００３８】請求項３に係る発明によれば、前記振動子
と所定の空隙を持って配置され、前記振動子の前記第１
軸に関する回転振動量を前記振動子との間の静電容量変
化として検出する参照電極を、前記検出電極と前記振動
子とが重なり合う部分の前記第１軸に関しての最外径部
よりも内側に設けたので、請求項１または２に係る発明
と相俟ってセンサ外寸法を小さくでき、センサチップを
小型化できると共に、センサ信号を安定化させることが
できる。

【００３９】請求項４に係る発明によれば、前記検出電
極と前記振動子とが重なり合う部分の面積が、前記振動
子の前記第１軸回りの回転振動中でも一定となるように
されているので、検出容量が変動せずノイズの低減を図
ることができる。

【００４０】請求項５に係る発明によれば、前記少なく
とも一対の対向する支持梁は、その対向方向が直交する
二対の支持梁であり、前記対向方向は前記第２軸および
第３軸に対し所定の角度をなし、かつ、前記検出電極は
前記第２および第３軸に沿って設けられているので、第
１軸回りに対称であり製作が比較的容易である。

【００４１】請求項６に係る発明によれば、前記振動子
が前記支持梁により支持される部分は、前記円形の振動
子の外周辺から中心に向けて形成された切り欠きの最奥
部分であり、前記駆動電極と所定の空隙をもって配置さ
れる被駆動電極が前記切り欠きの半径方向側辺に設けら
れているので、配置性に優れ製作が比較的容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の平面図である。

【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。

【図３】図１のIII −III 線に沿う断面図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の平面図である。

【図５】音片型振動ジャイロの原理説明図である。

【図６】従来の振動ジャイロの一例を説明するための斜
視図である。

【図７】従来の振動ジャイロの他の例を説明するための
平面図である。

【符号の説明】

１００ 振動ジャイロ １１０ 振動子 １１２ 支持梁 １１３ａ，１１３ｂ 駆動電極 １１４ アンカー １１５ａ，１１５ｂ 被駆動電極 １１６ａ，１１６ｂ 検出電極 １１７ 基板 １１１３ａ，１１１３ｂ 参照電極 １１１５ａ，１１１５ｂ 参照電極 Ω１，Ω２ 角速度

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に所定の空隙をもって少なくとも
   一対の対向する支持梁により支持された円形の振動子
   を、該基板に垂直な第１軸回りに駆動電極により静電的
   に回転振動させ、該第１軸に直交する第２軸回りに付与
   される角速度を、前記振動子の前記第１および第２軸に
   直交する第３軸回りの回転振動量として、前記基板上の
   前記振動子に相対する位置に設けた検出電極と前記振動
   子との間の静電容量の変化によって検出するようにした
   振動ジャイロにおいて、 前記振動子が前記支持梁により支持される部分を、前記
   検出電極と前記振動子とが重なり合う部分の前記第１軸
   に関しての最外径部よりも内側に設定したことを特徴と
   する振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記駆動電極を、前記検出電極と前記振
   動子とが重なり合う部分の前記第１軸に関しての最外径
   部よりも内側に設定したことを特徴とする請求項１に記
   載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記振動子と所定の空隙を持って配置さ
   れ、前記振動子の前記第１軸に関する回転振動量を前記
   振動子との間の静電容量変化として検出する参照電極
   を、前記検出電極と前記振動子とが重なり合う部分の前
   記第１軸に関しての最外径部よりも内側に設けたことを
   特徴とする請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
4. 【請求項４】 前記検出電極と前記振動子とが重なり合
   う部分の面積が、前記振動子の前記第１軸回りの回転振
   動中でも一定となるようにされていることを特徴とする
   請求項１から３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
5. 【請求項５】 前記少なくとも一対の対向する支持梁
   は、その対向方向が直交する二対の支持梁であり、前記
   対向方向は前記第２軸および第３軸に対し所定の角度を
   なし、かつ、前記検出電極は前記第２および第３軸に沿
   って設けられていることを特徴とする請求項１から４の
   いずれかに記載の振動ジャイロ。
6. 【請求項６】 前記振動子が前記支持梁により支持され
   る部分は、前記円形の振動子の外周辺から中心に向けて
   形成された切り欠きの最奥部分であり、前記駆動電極と
   所定の空隙をもって配置される被駆動電極が前記切り欠
   きの半径方向側辺に設けられていることを特徴とする請
   求項５に記載の振動ジャイロ。