(57)【要約】【課題】入力角度速度の検出を静電容量の変化で行なう型式の振動ジァイロの検出感度の低減を解消する。【解決手段】圧電素子３０により第１ビーム１０を屈曲振動させ、この屈曲振動により第２ビーム２０に形成した可動電極４０を第２ビームの延長方向に合致したＸ方向に励振させた状態で、第１ビームの軸心廻りに角速度が入力されると、可動電極は可動電極の板面と平行するＺ方向に変位し、この変位により可動電極４０と固定電極５０との対向面積を変化させ、その静電容量の変化により入力角速度を測定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ、屈曲振動の２箇所の節で支承されて圧電素子で駆動される第１ビームと、
Ｂ、この第１ビームの屈曲振動の腹の位置で、上記第１ビームの軸芯と直交して振動方向の双方に突出して結合された第２ビームと、
Ｃ、上記第１ビームを上記第１ビームと第２ビームを含む面内において屈曲振動させる圧電素子と、
Ｄ、上記第２ビームの端部に形成され、上記第１ビームの軸芯方向と鉛直に交又する向の電極面を有し、この電極面を上記第１ビームの軸芯方向に複数層にわたって配置された櫛歯状の可動電極と、
Ｅ、この櫛歯状の可動電極の板面と互いに平行して配置した固定電極と、
を具備して構成され、
Ｆ、上記圧電素子により上記第１ビームを屈曲振動させ、この屈曲振動により上記第２ビームに形成した可動電極を上記第２ビームの延長方向に合致したＸ方向に振動させた状態で、上記第１ビームの軸芯廻りに入力される入力角速度に対し、上記可動電極を上記Ｘ方向と直交し、可動電極の電極面と平行するＺ方向に変位させ、この変位により上記可動電極と固定電極との対向面積を変化させ、その静電容量の変化により上記入力角速度を測定する振動ジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の振動ジャイロにおいて、上記可動電極と固定電極の何れか一方は上記可動電極の可動方向に対して他方の電極との対向部分よりすくなくとも上記可動方向の両方向に可動振幅と同等程度の延長部を有し、上記可動電極の可動方向と直交する方向の寸法は上記可動電極及び固定電極は共にほぼ同一寸法とされ、その重なり率を約５０％近傍に選定した構造としたことを特徴とする振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は移動体の角速度の検出を行なうことができる振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より振動ジャイロと呼ばれる角速度センサがある。従来の振動ジャイロは駆動励振も、コリオリの力励起の振動の検出も、共に圧電素子をトランスジューサとする構成が一般的である（例えば特許文献１、特許文献２）。
しかるに圧電素子は、励振のパワーを得るには好適である反面、これを検出器として用いる場合は振動体に圧力の負荷を課すものであることから、微弱な振動を検出するには感度に限界があった。
これ対して静電容量型の検出器は、同じ対象の変位を検出するものでありながら対象物に掛る力学的な負荷が事実上無いため、微弱な振動或は変位を高感度に検出するには極めて好適である。
【０００３】
振動ジャイロにおいて、振動ジャイロを高感度化するために、駆動を圧電素子で行ない、コリオリの力によって発生する変位の検出を静電容量で行なう構成とした振動ジャイロが提案されている（特許文献３）。
図５に特許文献３に開示された振動ジャイロの基本構造を示す。圧電素子６の上面に絶縁基板５を介して振動子１が装着され、振動子１の両側に検出電極３及び４が配置される。振動子１は支持部材２により片持梁構造で支持されている。
圧電素子６は厚み方向に振動し、振動子１をＸ方向に励振する。この励振状態でＹ方向に角速度が入力されると、その入力角速度に応じてコリオリの力が発生し、振動子１の先端がＺ方向に、Ｘ方向の励振に同期して発振する。このコリオリ力誘起のＺ方向の振動は、振動子１と検出電極３との間の間隙Ｄ１、振動子１と検出電極４との間の間隙Ｄ２でそれぞれ構成される静電容量Ｃ１とＣ２の振動として検出される。なお角速度誘起の発振の位相は入力角速度の向きに応じて逆転する。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３３０３３７９号明細書
【特許文献２】
特許第３０２８９９９号明細書
【特許文献３】
特許第３１９８１９４号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した構造によれば定状状態（無入力状態）では振動子１は検出電極３と４の中間位置で上下方向に振動しているが、角速度が入力されると、振動子１の先端は検出電極３又は４の何れかに向って変位し、何れか一方の検出電極３又は４に向って近づくことになる。振動子１が検出電極３又は４に向って近づくとき、振動子１と検出電極３又は４との間に挟まれた気体（空気）の流体力学的抵抗が顕著に大きくなり、振動子１の振動の振幅を減殺するダンピング効果が発生し、検出感度が著しく低下する現象に遭遇する。
【０００６】
この発明の目的はコリオリの力による変位の検出を静電容量で感度良く検出することができる振動ジャイロを提案しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１では屈曲振動の２箇所の節で支承されて圧電素子で駆動される第１ビームと、この第１ビームの屈曲振動の腹の位置で、第１ビームの軸芯と直交して振動方向の双方に突出して結合された第２ビームと、第１ビームを第１ビームと第２ビームを含む面内において屈曲振動させる圧電素子と、第２ビームの端部に形成され、第１ビームの軸芯方向と鉛直に交又する向の電極面を有し、この電極面を第１ビームの軸芯方向に複数層にわたって配置された櫛歯状の可動電極と、この櫛歯状の可動電極の板面と互いに平行して配置した固定電極とを具備して構成され、圧電素子により第１ビームを屈曲振動させ、この屈曲振動により第２ビームに形成した可動電極を第２ビームの延長方向に合致したＸ方向に振動させた状態で、第１ビームの軸芯廻りに入力される入力角速度に対し、可動電極をＸ方向と直交し、可動電極の電極面と平行するＺ方向に変位させ、この変位により可動電極と固定電極との対向面積を変化させ、その静電容量の変化により入力角速度を測定する振動ジャイロを提案する。
【０００８】
この発明の請求項２では請求項１記載の振動ジャイロにおいて、可動電極と固定電極の何れか一方は可動電極の可動方向に対して他方の電極との対向部分よりすくなくとも可動方向の両方向に可動振幅と同等程度の延長部を有し、可動電極の可動方向と直交する方向の寸法は可動電極及び固定電極は共にほぼ同一寸法とされ、その重なり率を約５０％近傍に選定した構造とした振動ジャイロを提案する。
作用
この発明の構造によれば、角速度が入力され、コリオリの力が発生すると可動電極は固定電極に対して平行移動し、可動電極と固定電極との間の対向面積を変化させて静電容量を変化させ、この静電容量の変化によりコリオリの力による変位量を測定する構造を採るものであるから、可動電極と固定電極との間の間隙は常に一定値に維持される
この結果、特許文献３で説明したような可動電極と固定電極との間の気体の流体力学的抵抗が顕著に大きくなる現象が発生することはなく、感度よく入力角速度を検出することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４にこの発明による振動ジャイロの一実施例を示す。図中１０は第１ビームを示す。この第１ビーム１０は共振屈曲振動時に振動の節となる位置を支承部１０Ａ、１０Ｂで支承する。屈曲振動の腹の位置に第１ビームの軸芯と直交して振動方向の双方に突出して第２ビーム２０を装着する。３０は第１ビーム１０を屈曲振動させる圧電素子を示す。この圧電素子３０は第２ビーム２０の装着位置を避けて可及的に屈曲振動の腹に近い位置で第１ビームに装着する。
第２ビーム２０は第１ビーム１０を貫通させることができる程度の厚み（図１では紙面と直交する向の厚み）を有する板状体で構成することができ、その両端に櫛歯状の可動電極４０を形成する。
【００１０】
この実施例では製造を容易に行なうことができるように可動電極４０をコモン電位に接続して静電容量を測定する構造とした場合を示す。従って、第２ビーム２０は導電性材料で形成し、その両端の側面に第１ビーム１０の軸芯と平行する方向に櫛歯状に可動電極４０を形成する。可動電極４０が形成する櫛歯の凹部に固定電極５０を挿入し、可動電極４０と固定電極５０を対向させて配置する。
図２に可動電極４０と固定電極５０の詳細構造を示す。可動電極４０は導電性材料で形成された第２ビーム２０の端面に櫛歯を形成して一体に形成される。固定電極５０は絶縁材で形成した電極支持体５１から複数の突片５２をその板面が互に平行する姿勢で一列に配列して突出させて形成し、この突片５２の先端部分の両面に固定電極５０を被着形成する。
【００１１】
図３に図２を矢印Ｐ方向から見た可動電極４０と固定電極５０の配置の様子を示す。可動電極４０の可動方向Ｘ（図３参照）に対する固定電極５０の長さをＳ、可動電極４０の可動振幅をΔＸとした場合、可動電極４０は固定電極５０の長さＳの両方向にそれぞれ少なくとも可動振幅ΔＸ以上に相当する延長部分４１（図にはΔＸ相当で表示）を有することが要求される。更に、可動電極４０と固定電極５０の可動電極４０の可動方向Ｘと直交するＺ方向（図３参照）の寸法は共にほぼ同一寸法Ｗに選定し、初期状態では可動電極４０と固定電極５０との重なり率を約５０％に設定する。
【００１２】
また、可動電極４０には可動電極４０の根元部分に延長部分４１に加えて余剰部分ΔＬを付加する。
つまり、可動電極４０に延長部分４１を設けた構造により、可動電極４０が第２ビーム２０の長手方向（図３に示す方向Ｘ）に振幅ΔＸで励振されても、固定電極５０との間の形成される静電容量が変化することがなく、一定値に維持される。
更に、可動電極４０の根元部分に余剰部分ΔＬを設けたから、可動電極４０の励振中に固定電極５０の先端が可動電極４０の根元部分に極端に近づくことはない。この結果可動電極４０の励振状態で可動電極４０の根元の部分と固定電極５０との間に気体が挟まれて気体の流体力学的抵抗が高くなる現象の発生を抑えることができる。
【００１３】
また、励振方向Ｘと直交する方向Ｚに関して可動電極４０と固定電極５０との重なり率を５０％とすることにより、可動電極４０が励振方向Ｘと直交するＺ方向に変位すると、その変位の方向によって重なり率が増加する方向と、減少する方向に変化させることができる。これにより可動電極４０と、固定電極５０との間の静電容量は増加する方向と、減少する方向に変化し、この静電容量の変化から可動電極４０の変化方向を検出することができる。
以下にこの発明による振動ジャイロの動作について図４を用いて説明する。先にも説明しているように、第１ビーム１０は圧電素子３０の駆動によって支承部１０Ａを節とし、第２ビーム２０の支持点を腹として第２ビーム２０を含む面内において屈曲振動する。この屈曲振動により第２ビーム２０はその長手方向（Ｘ方向）に励振される。
【００１４】
第１ビーム１０の軸心廻りに角速度＋Ω又は−Ω（図４参照）が入力されると第２ビーム２０にＸ方向と直交するＺ方向にコリオリの力が発生し、このコリオリの力によって第２ビーム２０の先端をＺ方向に振動させる。コリオリ力は励振に係るＸ方向の運動速度と入力角速度とによって決まり、従ってＺ方向の振動の向き（位相）は入力角速度の向きに応じて逆転する。例えば＋Ωの向きの角速度入力のもとでは、第２ビーム２０が励振によって＋Ｘの向きに運動している時に第２ビームの両端にはともに＋Ｚの向きのコリオリ力が作用する。逆も同様である。
【００１５】
可動電極４０と固定電極５０との間で形成する静電容量を図２に示すように、複数形成し、これら複数の静電容量を並列接続することにより、全体として大きな容量変化を得ることができる。これにより、検出感度を高めることができ、感度よく、入力角速度を検出することができる。
尚、上述した実施例では、第２ビーム２０を導電性材料で形成し、その先端を櫛歯状に形成して可動電極４０としたが、第２ビーム２０を絶縁材で形成し、この絶縁材で形成した第２ビーム２０の先端に櫛歯状に突片を形成し、この突片の先端の両面に導電層を形成して可動電極とし、固定電極は導電性材料に櫛歯状に凹凸を形成して構成することもできる。
【００１６】
また、図３に示した実施例では可動電極４０を構成するために櫛歯状に凹部を３個形成し、また固定電極５０側も突片５２を３個形成した場合を説明したが、その数は任意であり、特に３個に限られるものではない。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば第２ビーム２０を長手方向に励振し、その励振方向と平行する方向に可動電極４０を延長して形成し、可動電極４０と対向して可動電極４０の励振方向と平行する板面を持つ固定電極５０を配置し、更に、コリオリの力が発生した場合に可動電極４０が変位する方向は可動電極４０の板面と平行するＺ方向であるから、入力角速度を検出している状態でも可動電極４０と固定電極５０との間の間隙は常に一定に保持される。更に、可動電極４０の根元部分に余剰部分ΔＬを設けたから、この結果、可動電極４０と固定電極５０との間に挟まれる気体の流体力学的抵抗が増大することはない。従って、検出感度の低下を来すことなく、静電容量変化を検出して入力角速度を測定する場合に得られる利点がそのまま活かされ感度の良い振動ジャイロを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を説明するための正面図。
【図２】この発明の要部の構造を説明するための拡大断面図。
【図３】この発明の要部の動作を説明するための拡大平面図。
【図４】この発明による振動ジャイロの全体の動作を説明するための略線的斜視図。
【図５】従来の技術を説明するための斜視図。
【符号の説明】
１０    第１ビーム              ４０    可動電極
１０Ａ，１０Ｂ    支承部                  ４１    延長部分
２０    第２ブーム              ５０    固定電極
３０    圧電素子
【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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