JPH11325910A

JPH11325910A - 角速度検出装置

Info

Publication number: JPH11325910A
Application number: JP10132879A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Nishi; 佳子西; Kazuyasu Sato; 和恭佐藤; Fumitaka Muranushi; 文隆村主; Teruhisa Akashi; 照久明石; Shinobu Yoshida; 忍吉田; Kanji Tsunoda; 莞爾角田; Mitsuo Otsu; 満雄大津; Tadashi Nagasaki; 正長崎
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Media Electronics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Media Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】小型低価格の角速度検出装置を提供する。【解決手段】Ｕ字形で片持ち梁状の振動子３を異方性
材料、例えばシリコン基板をエッチング加工して面対称
に成形し、該振動子３を測定軸である振動子長手方向に
垂直な方向に振動させる圧電素子１を前記Ｕ字形のつけ
根部に装着し、前記振動子３のひずみを検出するひずみ
検出素子４を前記Ｕ字形の振動子３の両方の腕部に装着
し、前記圧電素子１の加振周波数を、前記振動子３に節
のない振動モードに励起する周波数とし、Ｕ字形の振動
子３の長手方向中心線を測定軸として、この測定軸を回
転軸とする振動子３の回転の角速度を、ひずみ検出素子
４の出力に基づいて算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度検出装置に
係り、特に片持ち梁状の振動子を加振して角速度に応じ
たコリオリ力を、振動子に生じるひずみに基づいて検出
する振動式角速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】既存技術としては、特開平7−18705号公
報に開示された音叉型振動子、特開平2−223817号公報
に開示された梁型振動子を用いた角速度検出装置があ
る。

【０００３】音叉型振動子を用いた角速度検出装置の例
を図２に示す。図２の（ａ）は正面図、（ｂ）は上面
図、（ｃ）は側面図である。図示の振動子３は、金属な
どの板状の弾性体で、Ｕ字型の音叉を形成する。振動子
３の先端部分（Ｕ字型の両側の腕部分）は、つけね部分
７Ａに対して面の方向が直角をなしている。Ｕ字型のつ
けねには、周期的に変化する電圧が印加されたとき、図
の上下方向に伸縮する圧電素子が加振素子１として装着
されている。振動子３の先端部分（Ｕ字型の両側の腕部
分）それぞれには、同じ側の面にひずみ検出素子４が装
着されている。振動子３は、振動子支持部７を介して被
測定物６に固着される。

【０００４】加振素子１に周期的に変化する電圧を加え
ると加振素子１は図の上下方向に伸縮し、振動子３は図
２の（ａ）の矢印ｚの方向に開閉振動する。振動してい
る振動子３のＸ軸（Ｕ字型の振動子３の長手方向中心
線）まわりに角速度が生じると、振動子３の先端部分は
それぞれ図２の（ｃ）の矢印ｙの方向にコリオリ力を受
けてたわむ。１対のひずみ検出素子４で振動子３先端部
のたわみの大きさを電圧に変えて出力する。ひずみ検出
素子４のたわみは、加振力による変形と、コリオリ力に
よる変形の和である。加振力による変形は、２つのひず
み検出素子４において同位相である。一方、コリオリ力
による変形は、２つのひずみ検出素子４において逆位相
となる。従って、２つのひずみ検出素子４に発生する電
圧の差をとると、コリオリ力に比例する電圧を得る。こ
の場合、コリオリ力はＸ軸まわりの角速度に比例するの
で、以上に述べた方法で、角速度を検出することができ
る。

【０００５】梁型振動子を用いた角速度検出装置の例を
図３に示す。図３の（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図である。図示の振動子３は、金属などの
弾性体で正多角形断面（図示の例では正四角形）の梁状
に形成されている。振動子３は、振動子支持部７を介し
て被測定物６に固着される。加振素子１は周期的に変化
する電圧を加えると図上、左右方向に伸縮するように、
振動子３の図上、上面に配置されている。１対のひずみ
検出素子４が振動子３の図上、互いに対向する側面に装
着されている。

【０００６】加振素子１に周期的に変化する電圧を加え
ると、振動子３は図３の（ｂ）の矢印ｚの方向に振動す
る。振動している振動子３がＸ軸（振動子３の長手方向
軸線）まわりに回転して角速度が生じると、振動子３は
図３の（ａ）の矢印ｙの方向にコリオリ力を受けてたわ
む。１対のひずみ検出素子４で振動子３のたわみの大き
さを電圧に変えて出力する。角速度検出の原理は前述の
音叉型振動子の場合と同様である。

【０００７】音叉型振動子は、振動子を薄い板で形成し
ている。これにより、振動子の剛性を低くして、大きな
たわみを得られる。一方、梁状振動子は、断面が正多角
形となるように加工しているので、音叉型振動子に比べ
て、一般的に剛性が高い。しかし、正多角形断面の梁
は、Ｙ軸方向の曲げ１次モードの固有振動数と、Ｚ軸方
向の曲げ１次モードの固有振動数が一致する。加振素子
１に固有振動数近傍の周波数で変化する電圧を加える
と、振動子は共振する。共振現象を利用することによ
り、比較的小さな力でも大きなたわみを得ることができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ビデオカメラの小型化
に伴い、手ぶれ防止用に搭載する角速度検出装置も、小
型化が要求されている。しかし、精度を要する振動子の
製造は、振動子が小さくなるほど困難になる。

【０００９】一般的な機械加工に比較すると、シリコン
ウエハのエッチング加工はより微細な加工が可能である
ため、エッチング加工は種々のマイクロマシンに適用さ
れている。

【００１０】音叉型振動子をシリコンで形成する場合、
板状の振動子の剛性が問題となる。脆性の高いシリコン
で板状の振動子を成形する場合、十分な強度をもたせる
よう断面積を大きくすると、振動子のたわみが小さくな
り、十分なひずみ出力電圧が得られない。

【００１１】一方、梁型振動子をシリコンで形成する場
合、シリコンの結晶方向によりエッチングの進行が制限
されるため、正多角形断面の梁を形成するのは非常に困
難である。

【００１２】本発明の目的は、振動子をシリコンウエハ
のエッチング加工により形成し、小型低価格の角速度検
出装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めの手段を以下に説明する。梁状の振動子２本を図１に
示すように面対称に配置し、つけねを一体化した形状
を、シリコンウエハのエッチング加工で形成する。振動
子は、平行四辺形柱３ａと切り欠き部３ｃからなる。

【００１４】平行四辺形柱と切り欠き部の形状を適当に
定めれば、正多角形柱同様、２つの固有振動数（平行四
辺形柱の軸線に垂直でかつ互いに直交する方向、すなわ
ち、前記図２におけるＹ方向とＺ方向の節のない振動モ
ードの固有振動数）を近づけることが可能である。２つ
の振動モードの固有振動数を近づけると、共振により振
幅が大きくなる。共振を利用することにより、前記平行
四辺形柱の軸線、すなわち振動子の軸線に平行な測定軸
を回転軸として回転する振動子の角速度検出に十分なた
わみ（振動によるたわみとコリオリ力によるたわみの合
成されたもの）の大きさを得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を詳細に説明する。図１は、本発明の角速度検出装
置に係る実施例の角速度検出部の外観斜視図である。図
示の角速度検出部は、面対称に配置されＵ字形の腕部を
構成する一対の先端部３ａ、先端部３ａそれぞれの根元
側に結合された境界部３ｂ、境界部３ｂそれぞれに結合
された切り欠き部３ｃ、及び両側の切り欠き部３ｃを結
合してＵ字形の底辺を構成する支持部３ｄからなるＵ字
形の振動子３と、支持部３ｄに装着された圧電素子から
なる加振手段である加振素子１と、振動子３の先端部３
ａの斜辺に相対するように装着されてひずみ検出機構を
形成する一対のひずみ検出素子４と、を含んで構成さ
れ、図示されていないパッケージに収納されている。

【００１６】角速度検出装置は、図示の角速度検出部
と、前記加振素子１に周期的に変化する電圧を印加する
図示されていない加振用電源２と、前記ひずみ検出素子
４に接続された図示されていない検出用アンプ５と、を
含んで構成される。

【００１７】振動子３は、シリコンウエハの異方性エッ
チングにより、前述のように、Ｕ字形に一体形成され
る。振動子３の先端部３ａの長手方向に垂直な面での断
面は、図５に示すように、平行四辺形をなしている。こ
の平行四辺形の上辺と下辺は、シリコンウエハの〔１０
０〕面であり、斜辺は、エッチング加工により生成した
〔１１１〕面である。シリコンの結晶配置から、図５の
角Ａは５４．７度をなしている。このように、エッチン
グ加工により振動子３を形成することにより、角速度検
出部を小型化することができる。

【００１８】以下の説明では、振動子３の長手方向の中
心線に平行な軸をＸ軸、Ｘ軸に直交しかつ前記〔１０
０〕面に垂直な軸線方向をＺ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交す
る方向をＹ軸とする。

【００１９】図１に示す面対称の１組の振動子には、図
４に示すように、節のない固有振動モードがある。図４
の（ａ）の振動モードは、振動子の変位のＺ軸への写像
が同位相、Ｙ軸への写像が逆位相となる振動モードで、
加振モードと呼ぶ。図４（ｂ）の振動モードは、振動子
の変位のＺ軸への写像が逆位相、Ｙ軸への写像が同位相
となる振動モードで、検出モードと呼ぶ。図４において
は、切欠き部３ｃの形状が判り易いように、切欠き部３
ｃが引き延ばして描かれている。

【００２０】ひずみ検出素子４は、振動子３の斜辺
（〔１１１〕面）に相対するよう２枚１組にして貼付さ
れている。図１は先端部３ａの斜辺に貼付した例である
が、斜辺に代わり基板面（〔１００〕面）に接着しても
同等の効果が得られる。また、ひずみ検出素子４として
は、ひずみゲージや圧電素子の利用が可能であるが、表
面に圧電効果を有する膜を形成しても同等の効果が得ら
れる。

【００２１】積層型圧電素子製の加振素子１は、図１に
示すように、支持部３ｄ底面に貼付する。本実施例で
は、圧電素子を貼付しているが、振動子３の表面に圧電
素子電極を被着形成しても同等の効果が得られる。

【００２２】パッケージされた振動子３は、測定すべき
角速度の回転軸、すなわち測定軸の方向にＸ軸を合わせ
て加振素子１を介して被測定物６と接合される。加振素
子１に、図示されていない加振用電源２から周期的に変
化する電圧を加え、図１のＺ軸方向に伸縮させる。この
とき、振動子が加振モードで振動するように、加振周波
数を調整する。このときの振動子先端の振動方向をｚと
する。ｚ方向は、振動子の形状によって決まり、必ずし
も加振方向と一致しない。相対する２本の振動子をＸ軸
方向から見ると、図５のように、振動方向ｚは、それぞ
れ線対称の位置にある。また、振動子両端のｚ方向への
振動のＺ軸への写像は同位相であり、Ｙ軸への写像は逆
位相である。

【００２３】振動子３は電圧の変化と同じ周期で振動す
る。振動している振動子３に図１のＸ軸まわりの角速度
が生じると、振動子に対して図５のｙ方向にコリオリの
力がはたらく。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な方向で
ある。コリオリの力は、振動子３のｚ方向の振動速度と
振動子３に加えられた角速度に比例する周期的な力であ
る。振動子３は、コリオリの力をうけて変形する。振動
子３側面に貼付したひずみ検出素子４の端子間には、振
動子３の変形の大きさに比例した電位差が生じるので、
図示されていない検出用アンプ５によりこの電位差を検
出して角速度に比例した電圧を出力する。

【００２４】１対のひずみ検出素子４に生じる電位差
は、加振力による変形では、同位相で変化するが、コリ
オリ力による変形では、逆位相で変化する。したがっ
て、１対のひずみ検出素子４に生じる電位差の差分をと
ることにより、コリオリ力による変形の成分を分離でき
る。電位差は、振動子の変位に比例し、振動子の変位は
コリオリ力、すなわち角速度に比例する。振動子を節の
ない振動モード、すなわち曲げ１次モードで振動させる
ことにより振動子の変位を大きくでき、角速度検出の感
度を高めることができる。

【００２５】振動子３を加振モードで振動させ、ひずみ
検出素子４として一対の圧電素子１，２を用い、その出
力電圧をそれぞれＶ₁，Ｖ₂とすると、振動子３の回転の
角速度θは下記式（１）により、得られる。

【００２６】

【数１】

【００２７】本実施例は、加振力による変形に起因する
ひずみ検出素子の出力が同位相となる振動モード（加振
モード）で加振しているが、ひずみ検出素子の出力が逆
位相となる振動モード（検出モード）で加振してもよ
い。この場合は、１対のひずみ検出素子４に生じる電位
差は、加振力による変形では、逆位相で変化するが、コ
リオリ力による変形では、同位相で変化するから、１対
のひずみ検出素子４に生じる電位差の和をとることによ
り、コリオリ力による変形の成分を分離できる。

【００２８】加振素子１に加える電圧の周期を、振動子
３の加振モードの固有振動数に一致させると、共振して
振動子３の振幅が大きくなる。コリオリ力は振動速度に
比例し、また、振動子３の振動速度は振動振幅とそのと
きの振動数に比例する。したがって、振動子３を加振モ
ードの固有振動数で加振すると、より大きなコリオリ力
が生じる。同様に、コリオリ力による振動子３のたわみ
は、検出モードの固有振動数とコリオリ力の周期とが一
致しているときに最大となる。

【００２９】以上より、加振周波数、加振モードの固有
振動数、検出モードの固有振動数の３者が一致したとき
に、検出すべき振動子の変形は最大となる。このうち、
加振周波数は調整が比較的容易にできるが、加振モー
ド、検出モードの固有振動数は、形状に依存する。した
がって、２つの固有振動数ができるだけ近づくように振
動子３の形状を設計するのが望ましい。

【００３０】図６に示す片持ち梁の、位置ｘの微小区間
Δｘに作用するコリオリ力の最大値をＦc(x)とする。力
Ｆc(x)が静的にはたらくときの梁先端のたわみをＹsと
する。また、周波数ｆcＨzで正弦的に変化するコリオリ
力Ｆc(x)sin2πｆcｔがはたらくときの、たわみの最大
値をＹdとする。コリオリ力の周波数ｆcは、加振素子１
に加えられる電圧の周波数と一致する。静的なたわみＹ
sと動的なたわみの最大値Ｙdの比Ｙd／Ｙsは、下記式
（２）で求められる。ここで、ｆyは、ひずみ検出素子
厚み方向の変形が優勢な振動モード（検出モード）の固
有振動数で、ζは減衰比で、振動子３の材料で定まる定
数である。

【００３１】

【数２】

【００３２】図７は、２つの周波数の比ｆc／ｆyを横軸
に、たわみの比Ｙd／Ｙsを縦軸にとって両者の関係を表
したグラフである。２つの固有振動数が近づくにつれ
て、たわみの比は急激に大きくなる。コリオリ力の周波
数、すなわち、加振力の周波数を、ひずみ検出素子厚み
方向の変形が優勢な振動モードの固有振動数に近づける
ことにより、同じ大きさの加振力でもより大きなたわみ
を得ることができる。

【００３３】図８に本発明の第２の実施例を示す。本実
施例では、前記振動子３の製造工程の一部を示す。図８
の（ｂ）に示すように、開口部１３ａは、図示されてい
ないマスクパターン１２を用いて、シリコンウエハの一
方の面のエッチングにより形成する。同様に、図８の
（ａ）および（ｃ）に示すように、開口部１３ｂはシリ
コンウエハのもう一方の面のエッチングにより形成す
る。図８の（ｃ）の上下の面８が基板〔１００〕面で、
斜めの面９が基板〔１１１〕面である。エッチング加工
後、ダイシング面１４で切離し、振動子の対１１とす
る。

【００３４】本発明によれば、エッチング面９が無駄な
く利用でき、１枚のシリコンウエハからより多くの振動
子３を切り出すことが可能である。

【００３５】図９の（ａ）に本発明の第３の実施例を示
す。本実施例は、第１の実施例に示した角速度検出装置
を用いて手ぶれによる画像の乱れを補正する、画像処理
装置２３を搭載したビデオカメラである。角速度検出装
置２０の２本の振動子の中心軸、すなわち測定軸は、図
９に示すように、ビデオカメラのレンズ２１の光軸２４
と一致する位置にある。

【００３６】図９の（ｂ）に本実施例の主要構成をブロ
ック線図で示す。録画すべき画像よりひとまわり大きい
画像情報が、レンズ２１を通して光検出素子２２に到達
し、そこで電気信号に変換されて画像処理装置２３に伝
達される。同時に、角速度検出装置２０から角速度に相
当する電圧が画像処理装置２３に伝達される。画像処理
装置２３は、角速度検出装置２０からの出力をもとに手
ぶれの補正量を計算し、前記画像情報を修正した画像情
報を、電気信号の形で記録媒体２５または出力装置へと
伝達する。

【００３７】本発明によれば、小型軽量でかつ高精度の
ビデオカメラを提供することができる。

【００３８】図１０の（ａ），（ｂ）に本発明の第４の
実施例である産業用ロボットを示す。また、図１０の
（ｃ）は、本実施例の構成を示すブロック線図である。
図示の産業用ロボットは、ワークあるいは工具を把持す
る可動部３２と、可動部３２を所要の位置に位置決めす
る回転駆動機構３０と、回転駆動機構３０の角速度を検
出する角速度検出装置２０と、角速度検出装置２０の出
力に応じて駆動機構３０を制御する制御部３１と、を含
んで構成されている。角速度検出装置２０として、前記
図１記載の角速度検出装置を用いることにより、角速度
検出装置の重量による、駆動力の損失が少ない産業用ロ
ボット等を提供することができる。

【００３９】本発明が適用できる例としては、産業用ロ
ボットの他に、航空機、自動車、船舶、カーナビゲーシ
ョンシステムなどである。

【００４０】

【発明の効果】本発明の角速度検出装置は、異方性材料
のエッチング加工によって形成した、切り欠きを有する
平行四辺形柱の振動子を用いる。平行四辺形柱と切り欠
きの寸法を適切に設計することにより、振動子の、測定
軸に直交するとともに互いに直交する２つの方向の固有
振動数を近づけ、共振を利用して大きなひずみ出力電圧
を得ることができる。異方性エッチングによる振動子の
形成は、小型化が可能でかつ精度が良く、また、大量生
産によるコストダウンが可能である。本発明により、安
価で精度の良い小型の角速度検出装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である角速度検出装置の
角速度検出部を示す斜視図である。

【図２】従来知られている音叉型振動子の例を示す正面
図、上面図及び側面図である。

【図３】従来知られている梁型振動子の例を示す上面
図、正面図及び側面図である。

【図４】振動子の曲げ１次固有振動モードを示す斜視図
である。

【図５】図１に示す振動子の断面図である。

【図６】振動している片持ち梁が回転するときににはた
らくコリオリ力の方向を示す斜視図である。

【図７】２方向の固有振動数の比と振幅倍率の関係の例
を示すグラフである。

【図８】本発明の第２の実施例を示す概念図である。

【図９】本発明の第３の実施例を示す斜視図とブロック
線図である。

【図１０】本発明の第４の実施例を示す上面図と側面図
とブロック線図である。

【符号の説明】

１加振素子２加振用電源３振動子４ひずみ検出素子５検出用アンプ６被測定物７振動子支持部８基板〔１００〕面９基板〔１１１〕面１１振動子の対１２マスクパターン１３開口部１４ダイシング面２０角速度検出装置２１レンズ２２光検出素子２３画像補正装置２４レンズの光軸２５記録媒体３０駆動機構３１制御部３２可動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村主文隆茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者明石照久茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者吉田忍茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者角田莞爾東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所映像情報メディア事業部内 (72)発明者大津満雄岩手県水沢市真城字北野１番地株式会社日立メディアエレクトロニクス内 (72)発明者長崎正岩手県水沢市真城字北野１番地株式会社日立メディアエレクトロニクス内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】片持ち梁状の振動子と、該振動子を測定
軸である振動子長手方向に垂直な方向に振動させる加振
手段と、前記振動子のひずみを検出するひずみ検出機構
とを含んでなり、前記加振手段作動中の、前記測定軸を
回転軸とする前記振動子の回転の角速度を、前記ひずみ
に基づいて検出する角速度検出装置において、前記振動
子は、異方性材料の基板をエッチング加工して成形した
もので、面対称の２本の振動子を少なくとも１対含んで
なり、前記加振手段の加振周波数は、前記振動子に節の
ない振動モードを励起する周波数であることを特徴とす
る角速度検出装置。
【請求項２】請求項１記載の角速度検出装置におい
て、加振周波数は、振動子の固有振動数近傍の周波数で
あることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項３】画像を取り込む光学レンズと、該光学レ
ンズに結合され該光学レンズで取り込まれた画像を処理
する画像処理装置と、前記画像処理装置に結合されて該
画像処理装置の回転角速度を検出する角速度検出装置
と、を含んでなるビデオカメラにおいて、前記角速度検
出装置は請求項１に示す角速度検出装置であり、該角速
度検出装置の測定軸がレンズの光軸と一致する位置に配
置されていることを特徴とするビデオカメラ。
【請求項４】駆動機構と制御部と可動部と角速度検出
装置を有する有人または無人操作の運動装置において、
前記角速度検出装置は、請求項１に示す角速度検出装置
であり、前記可動部は、前記角速度検出装置と接合し、
前記制御部は、前記角速度検出装置からの出力信号に応
じて、前記駆動機構を制御することを特徴とする運動装
置。