KR101042101B1

KR101042101B1 - 진동 자이로

Info

Publication number: KR101042101B1
Application number: KR1020087025861A
Authority: KR
Inventors: 신야 오구리; 마사토 코이케; 하루요시 쿠라카와; 카츠미 후지모토
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2011-06-16
Also published as: CN101416027A; US20090007666A1; EP2012087A4; JPWO2007125612A1; JP3969459B1; US7805995B2; WO2007125612A1; CN101416027B; KR20080109041A; EP2012087B1; EP2012087A1

Abstract

회전각 속도 검출시에서의 진동자의 비틀림 진동을 가두어, 본래의 진동 모드로 진동시킬 수 있는 소형의 진동 자이로를 얻는다.

진동 자이로(10)는 기부(12a)와 다리부(12b)로 이루어지는 음차형의 진동자(12)를 포함한다. 진동자(12)는 도전성 접착제(24)로 지지기판(26a)에 접합된다. 지지기판(26a)은 외곽부(28)를 포함하며, 외곽부(28)의 길이방향의 한쪽측에 있어서 접합부(32)가 형성된다. 접합부(32)는 공극부(30) 내에 제1의 지지부(34)로 지지된다. 제1의 지지부(34)의 폭은 접합부(32)의 폭보다 좁게 형성된다. 지지기판(26a)의 접합부(32)에 진동자(12)가 접합된다.

진동 자이로, 진동자, 전극, 회로, 코리올리 힘

Description

진동 자이로{VIBRATION GYRO}

본 발명은 진동 자이로에 관한 것으로서, 특히 예를 들면, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라의 손떨림 방지용 등으로서 사용되는 진동 자이로에 관한 것이다.

도 18은 종래의 진동 자이로의 일례를 나타내는 사시도이다. 이 진동 자이로(1)는 음차(音叉)형의 진동자(2)를 포함한다. 이 진동자(2)는 기부(2a)와, 기부(2a)로부터 연장되도록 형성되는 2개의 다리부(2b,2b)를 포함한다. 진동자(2)는 적층된 음차형의 2개의 압전체 기판(3a,3b)을 포함한다. 적층된 압전체 기판(3a,3b)은 서로 반대방향의 두께방향으로 분극된다. 이들 압전체 기판(3a,3b)의 사이에는 중간 금속막(4)이 형성된다. 또한 한쪽의 압전체 기판(3a)의 주면(主面)상에는 구동용 전극(5a,5b,5c)이 형성된다.

구동용 전극(5a,5b,5c)은 압전체 기판(3a)의 폭방향에 3분할되어 형성된다. 여기서, 구동용 전극(5a,5b,5c)은 다리부(2b,2b)의 길이방향으로 연장되는 분할부에 의해 분할된다. 또한 다른쪽의 압전체 기판(3b)의 주면에는 검출용 전극(6a,6b)이 형성된다. 검출용 전극(6a,6b)은 압전체 기판(3b)의 폭방향의 중앙부에서 2분할되어 형성된다.

진동자(2)는 지지기판(7)에 부착된다. 지지기판(7)은 예를 들면 직사각형의 판상으로 형성되며, 그 중앙부에 진동자(2)의 기부(2a)가 접착된다. 기부(2a)의 접착부분으로부터 양측으로 떨어진 부분에 있어서, 지지기판(7)에는 지지봉(8)이 형성된다. 지지봉(8)은 진동자(2)의 다리부(2b,2b)를 따라 지지기판(7)의 끝부로부터 연장되도록 형성된다. 그리고, 지지봉(8)이 지지됨으로써 진동자(2)가 케이스 등에 고정된다.

이 진동 자이로(1)에서는, 중앙부의 구동용 전극(5b)과 그 양측의 구동용 전극(5a,5c)의 사이에 발진회로가 접속된다. 발진회로는 예를 들면 증폭회로와 위상보정회로를 포함한다. 또한 검출용 전극(6a,6b)은 검출회로에 접속된다. 검출회로는 차동회로, 동기(同期)검파회로, 적분회로, 직류증폭회로 등을 포함한다.

발진회로에 의해, 진동자(2)에는 분극방향과 직교하는 방향의 전계가 인가 되어, 진동자(2)의 다리부(2b,2b)는 서로 열리거나 닫히도록 진동한다. 이 기본 진동시, 2개의 다리부(2b,2b)는 분극방향에 대하여 같은 상태로 진동하기 때문에 검출용 전극(6a,6b)으로부터는 같은 신호가 출력된다. 그 때문에 검출회로의 차동회로로부터는 신호가 출력되지 않는다. 이 상태에서, 진동 자이로(1)의 중심축을 중심으로 하여 회전각 속도가 가해지면, 다리부(2b,2b)에는 기본 진동과 직교하는 방향으로 코리올리 힘이 작용한다. 다리부(2b,2b)에 작용하는 코리올리 힘은 서로 반대방향이기 때문에 2개의 다리부(2b,2b)는 서로 역방향으로 변위한다. 이 변위에 의해, 검출용 전극(6a,6b)으로부터는 역위상의 신호가 출력되어, 차동회로로부터 큰 신호가 출력된다.

차동회로의 출력신호는 동기검파회로에서 발진회로의 신호에 동기되어 검파되고, 적분회로에서 직류신호로 변환된다. 또한 적분회로의 출력신호는 직류증폭회로에서 증폭된다. 그리고, 직류증폭회로의 출력신호의 크기로부터 회전각 속도의 크기를 알 수 있고, 직류증폭회로의 출력신호의 극성으로부터 회전각 속도의 방향을 알 수 있다.

이러한 진동 자이로(1)의 경우, 회전각 속도가 가해지면, 진동자(2)의 2개의 다리부(2b,2b)에는 기본 진동과, 그에 직교하는 코리올리 힘에 의한 진동이 조합된 비틀림 진동이 발생한다. 이러한 진동자(2)의 비틀림 진동에 의해 지지기판(7)에는 2개의 노드라인이 발생한다. 즉, 진동자(2)의 비틀림 진동에 의해, 지지기판(7)에 진동자(2)와의 접합부를 비틀림의 중심으로 한 굴곡 진동이 발생한다. 이 지지기판(7)의 굴곡 진동의 2개의 노드라인이 진동자(2)의 외측에 나타난다. 따라서, 지지기판(7)의 굴곡 진동에 대한 2개의 노드라인상에 지지봉(8)을 형성함으로써, 지지기판(7)의 굴곡 진동이 저해되지 않고, 회전각 속도가 가해졌을 때의 진동자(2)의 진동도 저해되지 않는 지지를 행할 수 있다. 그 때문에 진동 자이로(1)로부터 회전각 속도에 대응하여 정확한 신호를 추출할 수 있다(특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1] 일본국 공개특허 2000-292171호 공보

그러나 이러한 진동 자이로에서는, 진동자 접착부의 외측에서의 지지봉으로 지지기판을 지지하고 있기 때문에, 지지기판의 굴곡 진동의 노드라인으로 지지기판을 지지하고 있다고는 해도, 지지기판이 자유롭게 굴곡할 수 있는 것은 아니며, 회전각 속도 검출시에서의 진동자의 비틀림 진동의 저해를 피할 수는 없다. 그 때문에, 진동자의 진동 주파수가 시프트하여, 본래의 진동 모드와 다른 공진이 지배적이 되어 정확한 회전각 속도의 검출이 어려워진다. 또한 굴곡 진동의 2개의 노드라인 부근까지 지지기판을 연장할 필요가 있어 진동 자이로 전체적인 사이즈가 커진다고 하는 문제도 있다.

그러므로, 이 발명의 주된 목적은 회전각 속도 검출시에서의 진동자의 비틀림 진동을 가두어, 본래의 진동 모드로 진동시킬 수 있는 소형의 진동 자이로를 제공하는 것이다.

본 발명은 한쪽 주면 및 다른쪽 주면을 가지는 진동자와, 진동자를 지지하는 지지기판과, 진동자를 지지기판에 접합하기 위한 접합수단을 포함하고, 지지기판은 접합수단으로 진동자가 접합되는 접합부와, 접합부와 동일 평면에 형성되는 외곽부와, 접합부의 폭보다 좁은 폭으로 형성되어 외곽부의 내측에서의 공극부 내에 접합부를 중공(中空)으로 지지하기 위한 제1의 지지부를 가지는 진동 자이로이다.

외곽부의 내측에 있어서, 공극부 내에 폭이 좁은 제1의 지지부로 접합부가 지지되고, 접합부에 진동자가 접합됨으로써, 진동자의 진동으로 제1의 지지부가 변형하여 공극부 내에서 진동자가 자유 진동에 가까운 진동을 할 수 있다. 그 때문에, 진동자의 진동이 가두어져 본래의 진동 모드로 진동자를 공진시킬 수 있다.

이러한 진동 자이로에 있어서, 진동자는 진동체와, 진동체의 한쪽 주면에 형성되는 전극으로 구성되면서, 기부와, 기부로부터 평행하게 연장되는 2개 이상의 기둥상의 다리부를 포함한 음차형으로 형성할 수 있다.

음차형의 진동자를 사용한 진동 자이로에 있어서, 상술한 바와 같은 지지기판에 진동자를 접합함으로써, 회전각 속도 검출시에서의 진동자의 비틀림 진동이 저해되기 어려워져 정확하게 회전각 속도의 검출을 행할 수 있다.

또한 진동자의 다리부에 대응하는 위치에 있어서 외곽부에 제1의 중공부가 형성되고, 제1의 지지부와 교차하는 방향으로 연장되도록 하여 외곽부 내에 있어서 제1의 지지부를 지지하기 위한 제2의 지지부가 형성되어도 된다.

진동자의 진동에 따라, 제1의 지지부가 변형하는 동시에 제2의 지지부도 변형하여, 진동자가 더 진동하기 쉬워져, 자유 진동에 가까운 진동을 할 수 있어 진동 가둠 효과가 커진다.

또한 제2의 지지부가 형성된 지지기판을 사용한 진동 자이로에 있어서, 진동자의 다리부가 연장되는 방향을 따라, 공극 및 제1의 중공부의 양 외측에 장척(長尺)상의 제2의 중공부가 형성되고, 제2의 지지부와 교차하는 방향으로 연장되도록 하여 외곽부 내에 있어서 제2의 지지부를 지지하기 위한 제3의 지지부가 형성되어도 된다.

진동자의 진동에 따라, 제1의 지지부, 제2의 지지부와 함께 제3의 지지부도 변형하여, 진동자가 더 진동하기 쉬워져, 자유 진동에 가까운 진동을 할 수 있어 진동 가둠 효과가 커진다.

또한 제3의 지지부가 형성된 지지기판을 사용한 진동 자이로에 있어서, 제2의 중공부의 길이방향의 양 끝부 및 그 중앙부에 제2의 중공부로부터 외곽부의 끝부측을 향해 제3의 중공부가 형성되어도 된다.

제2의 중공부로부터 외곽부의 끝부측을 향해 제3의 중공부를 형성함으로써, 외곽부가 내부의 제2의 지지부나 제3의 지지부와 역위상으로 변형하기 쉬워져, 지지기판의 변위량이 작아지고 진동 가둠 효과가 커진다.

또한 제3의 중공부가 형성된 지지기판을 사용한 진동 자이로에 있어서, 제2의 중공부의 길이방향의 중앙부에서의 제3의 중공부를 향해 제2의 지지부로부터 연장되도록 하여 제3의 지지부에 돌출부가 형성되어도 된다.

제3의 지지부에 형성된 돌출부에 의해, 진동자가 자유 진동에 가까운 진동을 하면서 제3의 지지부의 변형이 억제된다. 그것에 의해, 외곽부와 제3의 지지부의 접속부 부근의 변위량이 작아지고 진동자의 진동 가둠 효과가 커진다.

이들 진동 자이로에 있어서, 접합수단으로서 도전성 접착제를 사용할 수 있다.

또한 접합수단으로서 금속 범프(bump)를 사용해도 된다.

또한 지지기판으로서는 금속판을 사용할 수 있다.

또한 지지기판으로서 수지와 금속으로 구성된 다층기판을 사용해도 된다.

이와 같이, 접합수단 및 지지기판의 재료로서는 다양한 것을 사용할 수 있다.

이들 진동 자이로에 있어서, 또한 지지기판의 진동자를 접합한 주면과 대향하는 주면측에 배치되는 내부에 배선전극이 형성된 오목부를 가지는 회로기판과, 오목부 내의 배선전극에 접속하도록 배치되는 IC를 포함하고, 오목부 형성면측에 지지기판이 배치되어, 회로기판과 지지기판의 대향하는 주면끼리를 도전성 접착제로 접착함으로써, 진동자의 전극과 IC가 전기적으로 접속되도록 해도 된다.

상술과 같은 진동 가둠 효과가 큰 진동 자이로에 있어서, 또한 회로기판과 IC를 조합시킴으로써, 진동자의 구동검출에 관한 신호 처리를 행할 수 있는 진동 자이로로 할 수 있다. 여기서, 회로기판에 오목부를 형성하고, 이 오목부 내의 배선전극에 IC를 접속하여, 그 위에 진동자를 접합한 지지기판을 배치함으로써 진동 자이로를 저배화(低背化)할 수 있다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 진동자의 진동 가둠 효과를 크게 할 수 있고, 회전각 속도에 정확하게 대응한 신호를 출력시킬 수 있다. 그 때문에, 이 진동 자이로를 사용함으로써 정확하게 회전각 속도를 검출할 수 있다. 또한 진동자를 접합하는 접합부는 외곽부의 내측에 있어서 공극부 내에 형성되기 때문에, 진동자 접합부로부터 외측으로 크게 연장되는 지지기판은 불필요하다. 그 때문에, 진동 자이로를 소형화할 수 있다. 또한 회로기판, IC, 지지기판 및 진동자를 적당한 형태로 편입함으로써 신호 처리를 할 수 있는 저배화된 진동 자이로를 얻을 수 있다.

본 발명의 상술의 목적, 그 외의 목적, 특징 및 이점은 도면을 참조하여 행하는 이하의 실시예의 설명으로부터 한층 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 진동 자이로의 일례를 나타내는 분해 사시도이다.

도 2는 도 1에 나타내는 진동 자이로에 사용되는 진동자를 한쪽면측에서 본 사시도이다.

도 3은 도 2에 나타내는 진동자를 다른쪽면측에서 본 사시도이다.

도 4는 도 1에 나타내는 진동 자이로에 사용되는 지지기판의 일례를 나타내는 평면도이다.

도 5는 도 1에 나타내는 진동 자이로를 사용하여 회전각 속도를 검출하기 위한 회로를 나타내는 회로도이다.

도 6A는 도 1에 나타내는 진동 자이로의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 6B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로의 진동을 나타내는 해석도이다.

도 7A는 진동자의 자유 진동시에서의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 7B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동자의 진동을 나타내는 해석도이다.

도 8은 본 발명의 진동 자이로에 사용되는 지지기판의 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 9A는 도 8에 나타내는 지지기판을 사용한 진동 자이로의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 9B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로의 진동을 나타내는 해석도이다.

도 10은 본 발명의 진동 자이로에 사용되는 지지기판의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 11A는 도 10에 나타내는 지지기판을 사용한 진동 자이로의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 11B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로의 진동을 나타내는 해석도이다.

도 12는 본 발명의 진동 자이로에 사용되는 지지기판의 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 13A는 도 12에 나타내는 지지기판을 사용한 진동 자이로의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 13B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로의 진동을 나타내는 해석도이다.

도 14는 본 발명의 진동 자이로가 사용되는 지지기판의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 15A는 도 14에 나타내는 지지기판을 사용한 진동 자이로의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 15B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로의 진동을 나타내는 해석도이다.

도 16은 신호 처리를 행할 수 있는 진동 자이로의 일례를 나타내는 분해 사시도이다.

도 17은 도 16에 나타내는 진동 자이로의 단면도이다.

도 18은 종래의 진동 자이로의 일례를 나타내는 사시도이다.

<부호의 설명>

10, 80: 진동 자이로 12: 진동자

14: 진동체 20a, 20b, 20c: 제1의 전극

22a, 22b: 제2의 전극 24: 도전성 접착제

26a~26e: 지지기판 28: 외곽부

30: 공극부 32: 접합부

34: 제1의 지지부 60: 제1의 중공부

62: 제2의 지지부 64: 제2의 중공부

66: 제3의 지지부 68: 제3의 중공부

70: 돌출부 82: 회로기판

84: 오목부 86: 배선전극

88: 접속전극 90: IC

92: 패턴전극 94: 도전성 접착제

96: 캡

도 1은 본 발명의 진동 자이로의 일례를 나타내는 분해 사시도이다. 진동 자이로(10)는 진동자(12)를 포함한다. 도 2는 진동자(12)를 한쪽면측에서 본 사시도이며, 도 3은 진동자(12)를 다른쪽면측에서 본 사시도이다. 진동자(12)는 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 기부(12a)를 포함하고, 기부(12a)로부터 2개의 사각기둥상의 다리부(12b,12c)가 평행하게 연장되도록 형성되어 전체적으로 음차형으로 형성된다.

진동자(12)는 진동체(14)를 포함한다. 진동체(14)는 음차형의 제1의 압전체 기판(16a) 및 제2의 압전체 기판(16b)을 포함한다. 이들 압전체 기판(16a,16b)은 중간 금속막(18)을 사이에 끼워 에폭시수지 등에 의해 접합된다. 압전체 기판(16a,16b)은 도 2 및 도 3의 화살표로 나타내는 바와 같이, 서로 반대방향의 두께방향으로 분극된다. 이 진동체(14)의 양 주면에 제1의 전극 및 제2의 전극이 형성된다.

제1의 압전체 기판(16a)의 표면에는 제1의 전극(20a,20b,20c)이 형성된다. 제1의 전극(20a,20b,20c)은 제1의 압전체 기판(16a)의 폭방향에 3분할되어, 기부(12a)로부터 다리부(12b,12c)에 걸쳐 연장되도록 형성된다. 이들 제1의 전극(20a,20b,20c)은 다리부(12b,12c)의 폭방향의 중앙부에서 분할된다. 또한 제1의 전극(20a,20b,20c)이 3분할되어 있으면, 제1의 압전체 기판(16a)에 홈이 형성될 필요는 없는데, 제조방법에 따라서는 제1의 전극(20a,20b,20c)의 분할부에 있어서, 제1의 압전체 기판(16a)에 홈이 형성되어도 된다. 그 경우, 홈은 중간 금속막(18)까지 미치지 않는 범위에서 형성된다.

또한 제2의 압전체 기판(16b)의 표면에는 제2의 전극(22a,22b)이 형성된다. 제2의 전극(22a,22b)은 제2의 압전체 기판(16b)의 폭방향에 2분할되어, 기부(12a)로부터 다리부(12b,12c)에 걸쳐 연장되도록 형성된다. 이들 제2의 전극(22a,22b)은 기부(12a)의 중앙부에서 분할된다. 이 경우에 있어서도 제2의 전극(22a,22b)이 분할되어 있으면, 제2의 압전체 기판(16b)에 홈이 형성되어 있어도, 형성되어 있지 않아도 된다. 홈이 형성되는 경우에는 중간 금속막(18)까지 미치지 않는 범위에서 형성된다.

이 진동자(12)는 예를 들면 접합수단으로서의 도전성 접착제(24)에 의해 지지기판(26a)에 접합된다. 도 4는 지지기판(26a)을 나타내는 평면도이다. 지지기판(26a)은 도 4에 나타내는 바와 같이 직사각형 판상의 외곽부(28)를 포함한다. 외곽부(28)의 길이방향의 한쪽측에 있어서, 외곽부(28)의 내측에 공극부(30)가 마련되고, 이 공극부(30) 내에 접합부(32)가 형성된다. 접합부(32)는 직사각형 판상으 로 형성되고 외곽부(28)와 동일 평면에 배치된다. 접합부(32)는 제1의 지지부(34)로 지지되고, 제1의 지지부(34)에 의해 외곽부(28)에 접속된다. 제1의 지지부(34)의 폭은 접합부(32)의 폭보다 좁게 형성된다.

진동자(12)의 기부(12a)는 도전성 접착제(24) 등에 의해 지지기판(26a)의 접합부(32)에 접합된다. 도 1에 있어서는, 3개의 도전성 접착제(24)에 의해 제1의 전극(20a,20b,20c)이 접합부(32)에 접합되어 있다. 이러한 접합은 예를 들면 지지기판(26a)에 제1의 전극(20a,20b,20c)에 접속되는 패턴전극이 형성되어 있는 경우에 채용된다. 이러한 패턴전극이 형성된 지지기판(26a)의 예로서는, 예를 들면 Cu, 폴리이미드수지, Cu의 3층 구조의 적층판 등이 있다. 또한 Cu와 폴리이미드수지의 2층 구조나, Cu, 폴리이미드수지, 스테인리스스틸의 3층 구조의 적층판이어도 된다. 이러한 지지기판(26a)을 사용한 경우, 지지기판(26a)에 형성된 패턴전극을 통하여 진동자(12)의 제1의 전극(20a,20b,20c)이 구동검출회로에 접속되어 진동자(12)에의 입출력신호의 처리가 행해진다.

또한 지지기판(26a)으로서 Cu나 스테인리스스틸 등의 금속판을 사용해도 된다. 이 경우, 구동검출용으로서 사용되는 제1의 전극(20a,20b,20c)을 지지기판(26a)에 접합할 수 없으므로, 제2의 전극(22a,22b)이 지지기판(26a)의 접합부(32)에 접합된다. 그리고, 제1의 전극(20a,20b,20c)에는, 예를 들면 리드선 등을 통하여 구동검출회로를 접속할 수 있다. 이와 같이, 진동자(12)의 어느 면을 지지기판(26a)에 접합하는지에 대해서는, 지지기판(26a)의 재질이나 구동검출회로와의 접속방법 등에 의해 선택된다. 또한 진동자(12)와 지지기판(26a)의 접합은 예를 들 면 금속 범프 등에 의해 행해져도 된다.

도 5는 진동 자이로(10)를 사용하여 회전각 속도를 검출하기 위한 회로를 나타내는 회로도이다. 진동자(12)는 예를 들면 자여진(自勵振) 구동에 의해 여진된다. 그 때문에, 이 진동자(12)에 있어서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 진동자(12)의 중앙부의 제1의 전극(20b)과 그 양측의 제1의 전극(20a,20c) 사이에 발진회로(40)가 접속된다. 발진회로(40)는 예를 들면 증폭회로와 위상보정회로를 포함한다. 여기서, 양측의 제1의 전극(20a,20c)의 출력신호의 합이 증폭회로에서 증폭되고, 또한 위상보정회로에서 위상보정되어 중앙의 제1의 전극(20b)에 입력된다.

또한 양측의 제1의 전극(20a,20c)은 검출회로(42)에 접속된다. 검출회로(42)는 차동회로(44)를 포함하고, 차동회로(44)로부터 양측의 제1의 전극(20a,20c)의 출력신호의 차가 출력된다. 또한 차동회로(44)는 동기검파회로(46)에 접속되어 차동회로(44)의 출력신호가 검파된다. 여기서, 동기검파회로(46)에는 발진회로(40)가 접속되고, 발진회로(40)의 신호에 동기되어 차동회로(44)의 출력신호가 검파된다. 또한 동기검파회로(46)는 적분회로(48)에 접속되어 동기검파회로(46)의 출력신호가 직류신호로 변환된다. 또한 적분회로(48)는 직류증폭회로(50)에 접속되어 적분회로(48)의 출력신호가 증폭된다. 또한 검출회로(42)에는 제1의 전극(20a,20c)이 아닌 제2의 전극(22a,22b)을 접속해도 된다. 이 경우, 진동자(12)의 양면의 전극이 구동회로 및 검출회로에 접속되기 때문에 리드선 등을 사용하여 전극을 구동회로 또는 검출회로에 접속할 필요가 있다.

발진회로(40)에 의해 진동자(12)는 2개의 다리부(12b,12c)가 열리거나 닫히 도록 하여 기본 진동한다. 이때, 다리부(12b,12c)는 분극방향에 대하여 같은 방향의 변위가 되기 때문에 제1의 전극(20a,20c)으로부터의 출력신호는 같다. 그 때문에, 차동회로(44)로부터는 신호가 출력되지 않는다. 이 상태로 진동자(12)의 다리부(12b,12c) 사이의 중심축을 중심으로 하여 회전각 속도가 가해지면, 다리부(12b,12c)에는 기본 진동에 직교하는 방향으로 코리올리 힘이 작용한다. 기본 진동은 다리부(12b,12c)가 서로 개폐하는 진동이기 때문에, 이들 다리부(12b,12c)에 작용하는 코리올리 힘은 반대방향이 된다. 그 때문에, 다리부(12b,12c)는 기본 진동의 방향과 직교하는 방향에서 서로 반대방향으로 변위한다. 이 다리부(12b,12c)의 변위에 의해 제1의 전극(20a,20c)의 출력신호는 역위상으로 변화하여, 차동회로(44)로부터 이들 출력신호의 변화량에 대응한 신호가 출력된다.

차동회로(44)의 출력신호는 동기검파회로(46)에서 발신회로(40)의 신호에 동기되어 신호의 양의 부분 또는 음의 부분이 검파된다. 동기검파회로(46)의 출력신호는 적분회로(48)에서 직류신호로 변환되고, 또한 직류증폭회로(50)에서 증폭된다.

회전각 속도가 클 때, 코리올리 힘은 커져, 다리부(12b,12c)의 변위량은 커진다. 그 때문에, 차동회로(44)의 출력신호는 커지고, 직류증폭회로(50)의 출력신호도 커진다. 따라서, 직류증폭회로(50)의 출력신호의 크기로부터 회전각 속도의 크기를 알 수 있다. 또한 회전각 속도의 방향이 반대가 되면, 코리올리 힘의 방향도 반대가 되어, 차동회로(44)의 출력신호는 역위상이 된다. 그 때문에, 회전각 속도의 방향이 반대가 되면, 직류증폭회로(50)의 출력신호의 극성은 반대가 된다. 따 라서, 직류증폭회로(50)의 출력신호의 극성으로부터 회전각 속도의 방향을 알 수 있다.

도 1에 나타내는 진동 자이로(10)에 있어서, 유한 요소법에 의해 각부의 움직임을 구하여, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6A는 진동 자이로(10)의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 6B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로(10)의 진동을 나타내는 해석도이다. 또한 비교를 위해, 외곽부가 없고, 진동자(12)가 공중에 뜬 상태로 자유 진동하는 경우에 대하여, 유한 요소법에 의해 각부의 움직임을 구해, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7A는 진동자(12)의 자유 진동시에서의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 7B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동자(12)의 진동을 나타내는 해석도이다. 또한 이들 해석도에 있어서는, 다리부(12c)가 지지기판(26a)을 뚫고 나가 있거나, 다리부(12b,12c)가 겹쳐 있어, 실제로는 있을 수 없는 상태가 나타나 있지만, 이것은 각부의 움직임을 알기 쉽게 하기 위해 각부의 움직임을 실제보다 크게 나타내고 있기 때문이다. 실제로는 각부의 움직임은 작고, 도전성 접착제(24)의 두께가 있으면, 충분히 진동자(12)의 진동영역을 확보할 수 있는 것이다.

진동 자이로(10)에 있어서는, 예를 들면 지지기판(26a)의 외곽부(28)의 네 구석부 근방이 고정되는데, 진동자(12)의 진동이 지지기판(26a)에 의해 저해되는 것은 피할 수 없다. 그러나 도 7에 나타내는 바와 같은 자유 진동에 가까운 진동을 할 수 있는 상태이면, 진동자(12)의 진동은 그다지 저해되어 있지 않아, 양호한 특성을 얻을 수 있다. 도 6으로부터 알 수 있듯이, 회전각 속도가 가해져 있지 않은 기본 진동에 있어서는, 자유 진동에 가까운 진동을 하고 있다. 또한 진동자(12)에 회전각 속도가 가해졌을 때, 제1의 지지부(34)가 비틀어져 진동자(12)는 자유 진동에 가까운 진동을 할 수 있다.

여기서, 외곽부(28)도 변형하여, 외곽부(28)가 고정됨으로써 진동자(12)의 진동은 저해되는 것으로 생각되는데, 도 18에 나타내는 바와 같이, 진동자의 진동이 직접 판상의 지지기판에 전달되는 진동 자이로에 비해 제1의 지지부(34)의 비틀림에 의한 진동 가둠 효과가 크다. 그 때문에, 이 진동 자이로(10)에서는 종래의 진동 자이로에 비해 진동자(12)의 진동이 저해되지 않아, 양호한 특성을 얻을 수 있다.

또한 도 8은 진동 자이로(10)에 사용되는 다른 지지기판(26b)을 나타내는 평면도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 외곽부(28)의 길이방향의 한쪽측에 있어서, 공극부(30) 내에 제1의 지지부(34)로 접합부(32)를 지지하고, 외곽부(28)의 길이방향의 다른쪽측에 사각형상의 제1의 중공부(60)가 형성된 지지기판(26b)을 사용해도 된다. 제1의 중공부(60)를 형성함으로써, 제1의 지지부(34)와 직교하는 방향에 제2의 지지부(62)가 형성된다. 제2의 지지부(62)의 양측은 외곽부(28)의 내측에 접속되고, 제2의 지지부(62)의 중앙부로부터 제1의 지지부(34)가 연장되어, 공극부(30) 내에 접합부(32)가 지지되어 있다.

이러한 지지기판(26b)을 사용한 진동 자이로(10)에 대하여, 유한 요소법에 의해 각부의 움직임을 구해, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9A는 지지기판(26b)을 사용한 진동 자이로(10)의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 9B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로(10)의 진동을 나타내는 해석도이다. 이러한 지지기판(26b)을 사용한 경우, 제2의 지지부(62)가 변형하기 쉬운 형상으로 되어 있기 때문에, 진동자(12)의 비틀림 진동에 대응하여, 제1의 지지부(34)에 비틀림이 발생하는 동시에, 제2의 지지부(62)가 변형하여 진동자(12)가 더욱 자유 진동에 가까운 진동을 할 수 있다. 따라서, 이 지지기판(26b)을 사용함으로써, 진동자(12)의 진동 가둠 효과를 크게 할 수 있어 양호한 특성을 얻을 수 있다.

또한 도 10은 진동 자이로(10)에 사용되는 또 다른 지지기판(26c)을 나타내는 평면도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 진동자(12)의 다리부(12b,12c)가 연장되는 방향을 따라, 공극부(30) 및 제1의 중공부(60)의 양측에 장척상의 제2의 중공부(64)가 형성된 지지기판(26c)을 사용해도 된다. 제2의 중공부(64)가 형성됨으로써, 제2의 지지부(62)의 양끝으로부터 외곽부(28)의 길이방향으로 연장되는 제3의 지지부(66)가 형성된다. 제3의 지지부(66)의 양끝은 외곽부(28)의 내측에 접속되고, 제3의 지지부(66)의 중앙부에 제2의 지지부(62)가 접속된다. 따라서, 제2의 지지부(62)와 제3의 지지부(66)가 H자상으로 형성되고, 제2의 지지부(62)의 중앙부로부터 제1의 지지부(34)가 연장되어 접합부(32)를 지지하고 있다.

이러한 지지기판(26c)을 사용한 진동 자이로(10)에 대하여, 유한 요소법에 의해 각부의 움직임을 구해, 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11A는 지지기판(26c)을 사용한 진동 자이로(10)의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 11B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로(10)의 진동을 나타내는 해석도이다. 이러한 지지기판(26c)을 사용한 경우, 진동자(12)의 비틀림 진동에 대응하여, 제1의 지지부(34)에 비틀림이 발생하는 동시에, H자상의 제2의 지지부(62) 및 제3의 지지부(66)가 변형하여, 진동자(12)가 자유 진동에 가까운 진동을 할 수 있다. 따라서, 이 지지기판(26c)을 사용함으로써, 진동자(12)의 진동 가둠 효과를 더욱 크게 할 수 있어 양호한 특성을 얻을 수 있다. 또한 제2의 중공부(64)의 길이방향의 길이는 진동 가둠 효과가 얻어지는 길이이면, 특별히 한정되는 것은 아니다.

도 12는 진동 자이로(10)에 사용되는 다른 지지기판(26d)을 나타내는 평면도이다. 제1의 지지부(34), 제2의 지지부(62) 및 제3의 지지부(66)를 가지는 지지기판에 있어서, 도 12에 나타내는 바와 같이, 제2의 중공부(64)로부터 외곽부(28)의 폭방향의 끝부를 향해 제3의 중공부(68)가 형성된 지지기판(26d)으로 해도 된다. 제3의 중공부(68)는 제2의 중공부(64)의 양끝 및 중앙부에 형성된다. 제2의 중공부(64)의 양끝에 있어서는, 제3의 중공부(68)는 공극부(30)의 끝부 및 제1의 중공부(60)의 끝부에 대응한 위치에 형성된다. 또한 제2의 중공부(64)의 중앙부에 있어서는, 제3의 중공부는 제2의 지지부(62)와 제3의 지지부(66)의 접속부에 대응한 위치에 형성된다.

이러한 지지기판(26d)을 사용한 진동 자이로(10)에 대하여, 유한 요소법에 의해 각부의 움직임을 구해, 그 결과를 도 13에 나타내었다. 도 13A는 지지기판(26d)을 사용한 진동 자이로(10)의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 13B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로(10)의 진동을 나타내는 해석도이다. 이러한 지지기판(26d)을 사용한 경우, 지지기판(26d)의 각부는 도 10에 나타내는 지지기판(26d)을 사용한 진동 자이로(10)와 같이 변위하는데, 제3의 중공부(68)가 형 성되어 있음으로써, 외곽부(28)의 길이방향 부분이 H자상의 제2의 지지부(62) 및 제3의 지지부(66)와 역위상으로 움직이기 쉬워진다. 그것에 의해, 지지기판(26d) 전체의 변위량을 적게 할 수 있어 진동자(12)의 진동 가둠 효과를 크게 할 수 있다.

또한 도 14는 진동 자이로(10)에 사용되는 또 다른 지지기판(26e)을 나타내는 평면도이다. 제2의 중공부(64)에 제3의 중공부(68)를 형성한 지지기판에 있어서, 도 14에 나타내는 바와 같이, 중앙의 제3의 중공부(68)를 향해 제3의 지지부(66)로부터 돌출부(70)가 형성된 지지기판(26e)으로 해도 된다. 이 돌출부(70)는 제2의 지지부(62)와 제3의 지지부(66)의 접속부에 대응한 위치에 있어서, 제2의 지지부(62)로부터 연장되어 돌출하도록 형성된다.

이러한 진동판(26e)을 사용한 진동 자이로(10)에 대하여, 유한 요소법에 의해 각부의 움직임을 구해, 그 결과를 도 15에 나타내었다. 도 15A는 지지기판(26e)을 사용한 진동 자이로(10)의 기본 진동을 나타내는 해석도이며, 도 15B는 코리올리 힘이 작용했을 때의 진동 자이로(10)의 진동을 나타내는 해석도이다. 이러한 지지기판(26e)을 사용한 경우, H자상의 제2의 지지부(62) 및 제3의 지지부(66)의 변위량이 억제되고, 제3의 지지부(66)와 외곽부(28)의 접속부분 근방의 변위량도 작아져 진동자(12)의 진동 가둠 효과를 더 크게 할 수 있다.

이와 같이, 이들 지지기판(26a~26e)을 사용함으로써, 진동자(12)의 진동이 저해되기 어려워져 진동 가둠 효과가 큰 진동 자이로(10)를 얻을 수 있다. 그것에 의해 회전각 속도를 검출할 때에도 양호한 특성을 얻을 수 있다.

또한 도 16 및 도 17에 나타내는 바와 같이, 진동자(12)의 구동검출을 위한 신호 처리를 행하는 회로를 마련한 진동 자이로(80)로 할 수 있다. 도 16은 신호 처리를 행할 수 있는 진동 자이로(80)를 나타내는 분해 사시도이며, 도 17은 그 단면도이다. 이와 같은 진동 자이로(80)를 얻기 위해 회로기판(82)이 사용된다. 회로기판(82)은 예를 들면 직사각형의 판상으로 형성되며, 그 한쪽면측에 사각형의 오목부(84)가 형성된다. 이 오목부(84)의 저면에 배선전극(86)이 형성된다. 오목부(84)의 외측에는 배선전극(86)에 접속되는 접속전극(88)이 형성된다.

회로기판(82)의 오목부(84) 내에는 IC(90)가 부착된다. IC(90)에는 발진회로(40)나 검출회로(42) 등이 형성되어 있다. 이 IC(90)는 배선전극(86)에 접속된다. 또한 회로기판(82)상에는 예를 들면 지지기판(26e)이 부착된다. 지지기판(26e)에는 접합부(32)로부터 외곽부(28)의 네 구석의 근방까지 패턴전극(92)이 형성된다. 예를 들면, 진동자(12)의 양측의 제1의 전극(20a,20c)으로부터 공극부(30)측의 구석부까지 패턴전극(92)이 형성되며, 중앙부의 제1의 전극(20b)으로부터 제1의 중공부(60)측의 구석부까지 패턴전극(92)이 형성된다. 지지기판(26e)의 네 구석부 근방에 있어서는, 패턴전극(92)은 지지기판(26e)의 반대면에 들어가도록 형성된다. 이 지지기판(26e)의 반대면에 들어간 패턴전극(92)이 도전성 접착제(94)에 의해 회로기판(82)의 접속전극(88)에 접속된다. 여기서는, 지지기판(26e)으로서 Cu, 폴리이미드수지, Cu의 3층 구조의 적층판이 사용되고 있다. 또한 이 진동 자이로(80)에 있어서, 상술의 다른 지지기판(26a~26d)을 사용해도 되는 것은 물론이다.

지지기판(26e)의 회로기판(82)측의 주면과 대향하는 주면측에 있어서, 접합 부(32)에는 도전성 접착제(24)에 의해 진동자(12)가 부착된다. 그것에 의해, 진동자(12)의 제1의 전극(20a,20b,20c)은 패턴전극(92)에 접속되고, 또한 IC(90)에 접속된다. 이 지지기판(26e)에 의해 IC(90)가 부착된 오목부(84)가 덮여진다. 또한 진동자(12) 및 지지기판(26e)을 덮도록 하여 금속성의 캡(96)이 부착된다.

이 진동 자이로(80)에서는, IC(90)에 의해 진동자(12)가 여진되고, 회전각 속도가 가해짐으로써 검출된 신호가 IC(90)에서 처리된다. 여기서, IC(90)는 회로기판(82)의 오목부(84)내에 부착되고, 그것을 덮도록 하여 지지기판(26e)이 부착되어 있다. 또한 도전성 접착제(24)에 의해 진동자(12)가 지지기판(26e)에 지지되는 동시에, 제1의 전극(20a,20b,20c)이 IC(90)에 접속된다. 이러한 구성으로 함으로써, 신호 처리를 행할 수 있으면서 저배화된 진동 자이로(80)를 얻을 수 있다.

이러한 진동 자이로(80)에 있어서, 지지기판(26e)이 Cu나 스테인리스스틸 등의 단판으로 형성되는 경우, 그 표면에 패턴전극을 형성할 수 없기 때문에 제2의 전극(22a,22b)이 지지기판(26e)에 접합된다. 그리고, 제1의 전극(20a,20b,20c)과 회로기판(82)의 배선전극(86)의 접속은 리드선 등에 의해 행해진다. 이러한 구성으로 한 경우에 있어서도, 회로기판(82)에 오목부(84)를 형성하여, 이 오목부(84) 내에 IC(90)를 부착하고, IC(90)를 덮도록 지지기판(26e)을 부착함으로써, 진동 자이로(80)의 저배화가 가능하다.

이러한 저배화된 진동 자이로(80)에 있어서, 상술한 바와 같은 지지기판(26a~26e)을 사용함으로써, 진동자(12)의 진동을 가둘 수 있어 진동 자이로(80)에 가해진 회전각 속도를 정확하게 검출할 수 있다.

또한 본 발명에서의 진동 자이로의 진동자로서는, 음차형 뿐만 아니라 음편형이나 유니모프(uni-morph)형 등의 다른 진동자에도 적용할 수 있다. 또한 상기 실시예에서 나타낸 지지부 혹은 중공부의 형상은 직사각형에 한정되는 것은 아니며, 타원 등의 다른 형상이어도 관계없다. 또한 상기 실시예에서 사용한 음차형 진동자(12)의 압전체 기판(16b)의 표면에 형성한 제2의 전극(22a,22b)은 부분적으로 형성되어 있어도, 완전히 제거되어 있어도 관계없다.

Claims

한쪽 주면 및 다른쪽 주면을 가지는 진동자,

상기 진동자를 지지하는 지지기판,

상기 진동자를 상기 지지기판에 접합하기 위한 접합수단, 및

상기 진동자로부터의 출력신호에 따라 상기 진동자에 가해지는 회전각 속도를 검출하기 위한 검출회로를 포함하고,

상기 지지기판은 상기 접합수단으로 상기 진동자가 접합되는 접합부와, 상기 접합부와 동일 평면에 형성되는 외곽부와, 상기 접합부의 폭보다 좁은 폭으로 형성되어 상기 외곽부의 내측에서의 공극부 내에 상기 접합부를 중공(中空)으로 지지하기 위한 제1의 지지부를 가지는 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제1항에 있어서,

상기 진동자는 진동체와, 상기 진동체의 한쪽 주면에 형성되는 전극으로 구성되면서, 기부와, 상기 기부로부터 평행하게 연장되는 2개 이상의 기둥상의 다리부를 포함한 음차형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제2항에 있어서,

상기 진동자의 상기 다리부에 대응하는 위치에 있어서 상기 외곽부에 제1의 중공부가 형성되고, 상기 제1의 지지부와 교차하는 방향으로 연장되도록 하여 상기 외곽부 내에 있어서 상기 제1의 지지부를 지지하기 위한 제2의 지지부가 형성된 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제3항에 있어서,

상기 진동자의 상기 다리부가 연장되는 방향을 따라, 상기 공극부 및 상기 제1의 중공부의 양 외측에 장척상의 제2의 중공부가 형성되고, 상기 제2의 지지부와 교차하는 방향으로 연장되도록 하여 상기 외곽부 내에 있어서 상기 제2의 지지부를 지지하기 위한 제3의 지지부가 형성된 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제4항에 있어서,

상기 제2의 중공부의 길이방향의 양끝부 및 그 중앙부에, 상기 제2의 중공부로부터 상기 외곽부의 끝부측을 향해 제3의 중공부가 형성된 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제5항에 있어서,

상기 제2의 중공부의 길이방향의 중앙부에서의 상기 제3의 중공부를 향해 상기 제2의 지지부로부터 연장되도록 하여 상기 제3의 지지부에 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 접합수단으로서 도전성 접착제를 사용한 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 접합수단으로서 금속 범프를 사용한 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 지지기판으로서 금속판을 사용한 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 지지기판으로서 수지와 금속으로 구성된 다층기판을 사용한 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

또한 상기 지지기판의 상기 진동자를 접합한 주면과 대향하는 주면측에 배치되는 내부에 배선전극이 형성된 오목부를 가지는 회로기판과, 상기 오목부 내에 있어서 상기 배선전극에 접속하도록 배치되는 IC를 포함하고,

상기 오목부 형성면측에 상기 지지기판이 배치되고, 상기 회로기판과 상기 지지기판의 대향하는 주면끼리를 도전성 접착제로 접착함으로써, 상기 진동자와 상기 IC가 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 진동 자이로.