(57)【要約】【課題】  良好な角速度の検出感度を備え、耐衝撃性に優れた振動ジャイロ素子を提供する。【解決手段】  基部１１と、基部１１から直線状に両側へ延出された１対の検出振動腕１２と、基部１１から両側へ検出振動腕１２に直交する方向に延出された１対の連結腕１４と、各連結腕１４の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動振動腕１６と、を同一平面に備え、少なくとも検出振動腕１２の一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝部２０を有する振動ジャイロ素子１において、検出振動腕１２の基部１１側に位置する溝部２０の終端２５が、検出振動腕１２の腕幅の変化点ｂを結ぶ線上に配置されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
前記基部から直線状に両側へ延出された１対の検出振動腕と、
前記基部から両側へ前記検出振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、
前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動振動腕と、を同一平面に備え、
少なくとも前記検出振動腕の一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝部を有する振動ジャイロ素子であって、
前記検出振動腕の前記基部側に位置する前記溝部の終端が、前記検出振動腕の腕幅の変化点を結ぶ線上に配置されたことを特徴とする振動ジャイロ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の振動ジャイロ素子において、
前記検出振動腕の先端に重り部が形成されている振動ジャイロ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動腕に溝部を備えた振動ジャイロ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像機器の手ぶれ補正や、ＧＰＳ衛星信号を用いた車両等の移動体ナビゲーションシステムなどの姿勢制御として、角速度を検出するジャイロセンサが多く用いられている。
ジャイロセンサを構成する振動ジャイロ素子として、例えば、略Ｔ字型の駆動振動系を中央の検出振動系に関して左右対称に配置した所謂、ダブルＴ型振動ジャイロ素子が知られている。このダブルＴ型振動ジャイロ素子は、Ｚ軸方向に厚みを持ち、基部からＸ軸方向両側に延出された支持腕と、この支持腕からＹ軸方向に延出された駆動振動腕からなる略Ｔ字型の駆動振動系と、基部からＹ軸方向に延出された検出振動系を備えている。
そして、Ｚ軸回りの回転が生じたときに、Ｘ軸方向に屈曲振動を行う駆動振動腕に発生したコリオリ力を、支持腕および基部を介して検出振動腕に伝達して、Ｘ軸方向に振動する検出振動腕の歪を検出して角速度を認識する構成となっている。
【０００３】
このような振動ジャイロ素子の駆動振動腕と検出振動腕の一方の主面と他方の主面にそれぞれ溝部を設けて、各振動腕の電界効率を高め、振動ジャイロ素子の小型化を図る構成が提案されている（特許文献１参照）。
また、この特許文献１では、振動ジャイロ素子の感度を向上させるために、検出振動形態（ＸＹ平面での振動）における最適な溝部の位置を考察し、各振動腕に設けた溝部の終端位置を基部の付け根から腕幅の５％以上の位置に配置するとしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４５６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような溝部を各振動腕に設けて小型化を図ることにより、各振動腕の剛性が低くなるが、ジャイロセンサの携帯機器への利用が拡大するに伴い、携帯機器の落下などの衝撃力に耐えうるように、振動ジャイロ素子の耐衝撃性を向上させる必要に迫られている。
【０００６】
耐衝撃性の評価は、通常、振動ジャイロ素子のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向にそれぞれ落下などの衝撃力を与えて、そのときの周波数の変動、振動腕の破壊（折れ）について調査が行われる。特に、振動腕の破壊に関しては、振動ジャイロ素子にかかるＺ軸方向の力に大きく依存している。また、このＺ軸方向の力に対して、駆動振動腕よりも検出振動腕が破壊される傾向がある。これは、駆動振動腕は固定された基部から連結腕を介して連結されており、Ｚ軸方向の力が加わっても支持腕が緩衝材として働き、一方、検出振動腕は基部に直接連結されているため、衝撃力の影響を受けやすいことによる。
このように、振動ジャイロ素子の耐衝撃性を向上させるには、Ｚ軸方向に力が加わった場合の検出振動腕の強度について検討する必要がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、良好な角速度の検出感度を備え、耐衝撃性に優れた振動ジャイロ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明では、基部と、前記基部から直線状に両側へ延出された１対の検出振動腕と、前記基部から両側へ前記検出振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動振動腕と、を同一平面に備え、少なくとも前記検出振動腕の一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝部を有する振動ジャイロ素子であって、前記検出振動腕の前記基部側に位置する前記溝部の終端が、前記検出振動腕の腕幅の変化点を結ぶ線上に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
この検出振動腕の基部側に位置する溝部の終端を、検出振動腕の腕幅の変化点を結ぶ線上に配置する構成によれば、検出振動腕にＺ軸方向の力が加わった場合に、他の位置に溝部を配置したときに比べて検出振動腕が受ける応力が小さく、破壊の発生を軽減することができ、耐衝撃性に優れた振動ジャイロ素子を得ることができる。
また、角速度の検出における検出振動腕の歪は、基部に連結される検出振動腕の付け根付近で最大となり、この部分の歪を検出するのが望ましい。本発明によれば、歪の大きい検出振動腕の付け根近くまで溝部を形成することができ、検出振動腕の側面と溝部の壁面に検出電極を設けることにより、大きな歪を検出できる。このことから、良好な角速度の検出感度を備えた振動ジャイロ素子を提供できる。
【００１０】
また、本発明の振動ジャイロ素子は、前記検出振動腕の先端に重り部が形成されていても良い。
【００１１】
この場合、検出振動腕の先端に重り部を設けることにより、検出振動腕の振幅を大きくして振動ジャイロ素子の小型化に伴う角速度の検出感度の低下を防いでいる。一方、落下などによりＺ軸方向に衝撃力が検出振動腕に加わった場合には、この重り部を設けない構成と比べて、重り部の慣性力により検出振動腕に大きな力が働くことになる。このような場合においても、他の位置に溝部を配置したときに比べて検出振動腕が受ける応力が小さく、破壊の発生を軽減することができ、耐衝撃性に優れた振動ジャイロ素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）
【００１３】
図１は、本実施形態の振動ジャイロ素子の構成を示す概略平面図である。図２は検出振動腕の拡大平面図である。また、図３は図２におけるＡ−Ａ断面図である。
図１において、振動ジャイロ素子１は、圧電材料である水晶から形成されている。水晶には電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸および光学軸と呼ばれるＺ軸を有している。そして、振動ジャイロ素子１はＺ軸方向に所定の厚みを持ち、表裏のＸＹ平面をそれぞれ主面とする水晶板から、エッチング加工により形成されている。
【００１４】
振動ジャイロ素子１は、基部１１から図中上下両側（Ｙ軸方向）へ直線状に延出する１対の検出振動腕１２と、基部１１から該検出振動腕１２と直交する向きに図中左右両側（Ｘ軸方向）へ延出する１対の連結腕１４と、各連結腕１４の先端部から検出振動腕１２と平行に図中上下両側（Ｙ軸方向）へ延出する左右各１対の駆動振動腕１６とを有している。
【００１５】
そして、駆動振動腕１６のそれぞれの先端に重り部１７が設けられ、さらに駆動振動腕１６に溝部２１が形成されている。同様に検出振動腕１２のそれぞれの先端に重り部１３が設けられ、検出用振動腕１２に溝部２０が形成されている。
この駆動振動腕１６および検出用振動腕１２の先端にそれぞれ重り部１７，１３を設けることにより、駆動振動腕１６、検出振動腕１２の振幅を大きくして振動ジャイロ素子１の小型化に伴う角速度の検出感度の低下を防いでいる。
【００１６】
この検出振動腕１２について、図２、図３を用い詳細に説明する。
図２において、検出振動腕１２は、基部１１に近づくにつれて腕幅が増加する連結部２２を介して基部１１に連結され、同様に、連結部２３を介して重り部１３に連結されている。なお、検出振動腕１２は、連結部２２，２３を含んだ名称である。
【００１７】
検出振動腕１２には溝部２０が形成され、基部１１側の腕幅の変化点ｂを結ぶＢ−Ｂ線上に溝部２０の終端２５が配置されている。この腕幅の変化点ｂを結ぶＢ−Ｂ線上とは、製造上のばらつきを考慮して、Ｂ−Ｂ線上から±３μｍの範囲を含むものとする。
また、溝部２０は図３に示すように、検出振動腕１２の一方の主面（表面）および他方の主面（裏面）に設けられている。
【００１８】
検出振動腕１２には検出電極（図示せず）が形成され、駆動振動腕１６には駆動電極（図示せず）が形成されている。
検出電極および駆動電極の配置については限定されないが、例えば、検出振動腕１２の側面と溝部２０の壁面に、対向するように検出電極を設け、駆動振動腕１６の側面と溝部２１の壁面に、対向するように駆動電極を設ける。
このように、検出振動腕１２にて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕１４と駆動振動腕１６にて振動ジャイロ素子１を駆動する駆動振動系を構成している。
なお、振動ジャイロ素子１は基部１１を支持することにより、Ｚ軸回りの角速度の検出を可能にしている。
【００１９】
次に、このような構成の振動ジャイロ素子１における、角速度の検出動作について簡単に説明する。
駆動振動腕１６は駆動電極に交番電圧を印加することにより駆動され、駆動振動腕１６がＸＹ平面で屈曲振動を行う。この状態でＺ軸回りの角速度が加わると、駆動振動腕１６にコリオリ力が働き、このコリオリ力に呼応して検出振動腕１２がＸＹ平面で屈曲振動を行う。この屈曲振動に伴う検出振動腕１２に生ずる歪を検出電極が検出して角速度を認識することができる。
【００２０】
次に、上記のような振動ジャイロ素子１において、検出振動腕１２に形成された溝部２０を上記の配置に至った経過について説明する。
検出振動腕１２にＺ軸方向に力が加わった場合、応力が大きくかかるのは基部１１と検出振動腕１２を連結する連結部２２付近であり、検出振動腕１２の破壊もこの部分より発生している。発明者はこの連結部２２付近に形成される溝部２０の配置を変えることにより、検出振動腕１２に生ずる応力の大きさに変化があると考えた。
【００２１】
このため、図４に示すような解析モデルを構成し、溝部の位置を変えたときの有限要素法による応力解析を行った。
図４は解析モデルの一例であり、この解析モデルは、基部３０と、基部３０から延出される振動腕３１と、振動腕３１の先端に設けられた重り部３２から構成され、振動腕３１の表裏に溝部３３が設けられている。
【００２２】
解析条件としては、基部３０の一つの面３５を固定面（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の変位を０）とし、重り部３２の先端にＺ軸方向の力Ｆを加えたときの、先端の変位量を一定とする。このとき、溝部３３の終端３４の配置を、振動腕３１の腕幅の変化点ｂを結ぶＢ−Ｂ線に対して変化させた場合の振動腕３１にかかる最大応力を比較した。
【００２３】
図５は、振動腕３１の溝部３３の配置におけるタイプ１〜５の形態と、それぞれのタイプにおける振動腕３１にかかる最大応力を比較する説明図である。
タイプ１の解析モデルは、振動腕３１の腕幅の変化点を結ぶＢ−Ｂ線に対して、基部３０より２０μｍ遠ざかる位置に溝部３３の終端３４を配置した。
タイプ２の解析モデルは、振動腕３１の腕幅の変化点を結ぶＢ−Ｂ線上に、溝部３３の終端３４を配置した。
タイプ３の解析モデルは、振動腕３１の腕幅の変化点を結ぶＢ−Ｂ線と、基部３０と振動腕３１とが連結される境目の中間位置に、溝部３３の終端３４を配置した。
タイプ４の解析モデルは、基部３０と振動腕３１とが連結される境目に、溝部３３の終端３４を配置した。
タイプ５の解析モデルは、基部３０と振動腕３１とが連結される境目から基部中央に向かい、２０μｍ入った位置に、溝部３３の終端３４を配置した。
【００２４】
そして、それぞれのタイプ１〜５における、振動腕３１にかかる最大応力を比較すると、タイプ１における最大応力が最も大きく、タイプ２における最大応力が最も小さい結果が得られた。つまり、この解析モデルのタイプ１〜５の比較において、振動腕３１に同等の力がＺ方向に加わった場合、タイプ１の振動腕３１が最も破壊されやすく、タイプ２の振動腕３１が最も破壊されにくいことがわかる。
【００２５】
以上のように、検出振動腕１２の基部１１側に位置する溝部２０の終端２５が、検出振動腕１２の腕幅の変化点ｂを結ぶＢ−Ｂ線上に配置されていることから、検出振動腕１２にＺ軸方向の力が加わった場合に、他の位置に溝部を配置したときに比べて検出振動腕１２が受ける応力が小さく、破壊の発生を軽減することができ、耐衝撃性に優れた振動ジャイロ素子１を得ることができる。
【００２６】
特に、検出振動腕１２の先端に重り部１３を備えた振動ジャイロ素子１において、落下などによりＺ軸方向に衝撃力が検出振動腕１２に加わった場合には、この重り部１３を設けない構成と比べて、重り部１３の慣性力により検出振動腕１２に大きな力が働くことになる。このような慣性力によりＺ軸方向に大きな力が働く場合、他の位置に溝部を配置したときに比べて検出振動腕１２が受ける応力が小さく、振動ジャイロ素子１の耐衝撃性を向上させる効果は大きい。
【００２７】
また、本実施形態によれば、歪の大きい検出振動腕１２の付け根近くまで溝部２０を形成することができ、検出振動腕１２の側面と溝部２０の壁面に検出電極を設けることにより、大きな歪を検出できる。このことから、良好な角速度の検出感度を備えた振動ジャイロ素子１を提供できる。
（第２の実施形態）
【００２８】
図６は第２の実施形態における振動ジャイロ素子の構成を示す概略平面図である。
この実施形態は第１の実施形態で示した振動ジャイロ素子１の各振動腕に重り部を設けない形態であり、同様の角速度の検出動作を行う。
【００２９】
図６において、振動ジャイロ素子２は、基部４１から図中上下両側（Ｙ軸方向）へ直線状に延出する１対の検出振動腕４２と、基部４１から該検出振動腕４２と直交する向きに図中左右両側（Ｘ軸方向）へ延出する１対の連結腕４４と、各連結腕４４先端から検出振動腕４２と平行に図中上下両側（Ｙ軸方向）へ延出する左右各１対の駆動振動腕４６とを有している。
さらに、駆動振動腕４６には、駆動振動腕４６の長さ方向に沿って溝部５２が形成され、検出振動腕４２には、検出振動腕４２の長さ方向に沿って溝部５０が形成されている。
【００３０】
この検出振動腕４２について、図７を用い詳細に説明する。
図７において、検出振動腕４２は、基部４１に近づくにつれて腕幅が増加する連結部５３を介して基部４１に連結されている。なお、検出振動腕４２は、連結部５３を含んだ名称である。
【００３１】
検出振動腕４２には溝部５０が形成され、腕幅の変化点ｃを結ぶＣ−Ｃ線上に溝部５０の終端５５が配置されている。この腕幅の変化点ｃを結ぶＣ−Ｃ線上とは、製造上のばらつきを考慮して、Ｃ−Ｃ線上から±３μｍの範囲を含むものとする。
また、溝部５０は、検出振動腕１２の一方の主面（表面）および他方の主面（裏面）に設けられている。
【００３２】
また、検出振動腕４２には検出電極（図示せず）が形成され、駆動振動腕４６には駆動電極（図示せず）が形成されている。
検出電極および駆動電極の配置については限定されないが、例えば、検出振動腕４２の側面と溝部５０の壁面に、対向するように検出電極を設け、駆動振動腕４６の側面と溝部５２の壁面に、対向するように駆動電極を設ける。
このように、検出振動腕４２にて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕４４と駆動振動腕４６にて振動ジャイロ素子２を駆動する駆動振動系を構成している。
なお、振動ジャイロ素子２は基部４１を支持することにより、角速度の検出を可能にしている。
【００３３】
以上のような構成の振動ジャイロ素子２において、第１の実施形態にて説明したのと同様に検出振動腕４２における溝部５０の位置を変えた５つのタイプの解析モデルを構成し、同様な解析条件で有限要素法による応力解析を行った。この解析モデルは図５に示す各タイプの重り部３２を設けず、振動腕３１の腕幅がその先端まで伸びた形態である。
この振動腕にかかる最大応力の結果を比較すると、腕幅の変化点を結ぶ線よりも、溝部の終端が基部より遠ざかる位置に配置したタイプ（図５のタイプ１に相当）における最大応力が最も大きく、溝部の終端を腕幅の変化点を結ぶ線上に配置したタイプ（図５のタイプ２に相当）における最大応力が最も小さい結果が得られた。
【００３４】
以上のように、検出振動腕４２の基部４１側に位置する溝部５０の終端５５が、検出振動腕４２の腕幅の変化点ｃを結ぶＣ−Ｃ線上に配置されていることから、検出振動腕４２にＺ軸方向の力が加わった場合に、他の位置に溝部５０を配置したときに比べて検出振動腕４２が受ける応力が小さく、破壊の発生を軽減することができ、耐衝撃性に優れた振動ジャイロ素子２を得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、歪の大きい検出振動腕４２の付け根近くまで溝部５０を形成することができ、検出振動腕４２の側面と溝部５０の壁面に検出電極を設けることにより、大きな歪を検出できる。このことから、良好な角速度の検出感度を備えた振動ジャイロ素子２を提供できる。
【００３６】
なお、検出振動腕に設けられる溝の形状は任意に設定でき、例えば、溝部終端を円弧状とすることや、溝部終端の角部を面取り形状にして実施することも可能である。
【００３７】
また、本発明の振動ジャイロ素子の材料として、水晶の他に、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ4）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）などの圧電材料、またはエリンバ材に代表される恒弾性材料を用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態における振動ジャイロ素子の構成を示す概略平面図。
【図２】検出振動腕の拡大平面図。
【図３】検出振動腕の断面図。
【図４】解析モデルを示す斜視図。
【図５】応力解析結果を比較して示す説明図。
【図６】第２の実施形態における振動ジャイロ素子の構成を示す概略平面図。
【図７】検出振動腕の拡大平面図。
【符号の説明】
【００３９】
１，２…振動ジャイロ素子、１１…基部、１２…検出振動腕、１３…重り部、１４…連結腕、１６…駆動振動腕、１７…重り部、２０…検出振動腕の溝部、２１…駆動振動腕の溝部、２２…基部側の連結部、２３…重り部側の連結部、２５…溝部の終端、４１…基部、４２…検出振動腕、４４…連結腕、４６…駆動振動腕、５０…検出振動腕の溝部、５２…駆動振動腕の溝部、５５…溝部の終端、ｂ，ｃ…腕幅の変化点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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