JP2006337111A - 慣性センサー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、水晶のＺ板をエッチング加工して形成し、１軸方向だけのコリオリ力を検出する慣性センサー素子を機械的に接合することで、少なくとも２軸、３軸方向のコリオリ力を検出する角速度検出センサを実現することを目的とする。
【解決手段】 課題を解決するために本発明は、音叉形状の水晶振動片の中心部を回転軸として、前記水晶振動片を励振することで前記回転軸の回転力の発生によりコリオリ力を検知することで角速度を得る慣性センサー素子において、前記慣性センサー素子のひとつを少なくともＸ軸とＹ軸の２方向に配置し、前記素子の一部を接合した構造を有し、Ｚ軸の方向にも配置することで、Ｘ軸とＹ軸と合わせて３方向のコリオリ力を検知した角速度を得ることができる慣性センサー素子である。そして各素子は、直接接合により機械的に一体化することで、検出方向成分の数により自由に素子を組み合わせることにより課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶のＺ板をエッチング加工して形成し、１軸方向だけのコリオリ力を検出する慣性センサー素子を機械的に接合することで、最大で３軸、３方向のコリオリ力を検出する角速度検出センサを実現する素子形状に関するものである。

所定方向に沿って振動している振動片、例えば直交座標軸平面（Ｘ−Ｚ平面）におけるＸ軸に沿って振動している振動片がこのＸ−Ｚ平面と直交するＹ軸の回りに回転すると、その回転角速度により振動片にＺ軸方向にコリオリの力が生じる。このコリオリの力は角速度に比例して定まることから、コリオリの力を振動片の撓み変位量として間接的に、或いは歪量として圧電素子の圧電効果、歪ゲージの抵抗変化などで直接的に測定すれば、振動片のＹ軸方向の回りに作用した回転角速度を求めることができる。このため、振動する振動片を角速度検出素子として車両や航空機等に搭載し、その走行或いは飛行軌跡を記録したり旋回時に発生するヨーレイトを検出することが行われている。また、この角速度検出素子をロボットに搭載してその姿勢制御等にも応用できるほか、昨今ではデジタルスチルカメラやビデオムービーの手振れ検出の分野にも展開されている。

図３は従来の慣性センサー素子の要部を示す正面図である。従来の慣性センサー素子は、音叉型形状を成しており一般的には振動子枝部が所定一方向に振動しているとき、角速度センサをＹ軸回りに回転させた場合、所定一方向と垂直方向に生じるコリオリの力を検出することで角速度センサのＹ軸の回りに作用した回転角速度の大きさを求めることができる。
特開平０９−２１０６９０１６号公報 なお出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述する慣性センサー素子は、ひとつの単体の素子では１方向に対する回転だけしか検出できない。しかしながら、昨今の姿態制御の実情を勘案すると、少なくとも２方向（２軸）の回転方向を検出することが必要となっている。例えば、自動車の姿態制御を例にすると、通常の直進時の走行では自動車の車体は前進方向の直線的な運動でしか作用していないが、曲線のカーブなどを通過するときには、前進する方向と遠心力による放射状方向の外力の少なくとも２方向の運動成分の影響を受けることになる。

一方、走行中の自動車に制動力を加えた場合には、４輪の車輪に対する不均一性な制動力により、自動車の車体は左右の揺れと、制動力による前後への揺れとの２方向の回転力を受けることになる。

また、別の例としては最近主流となるデジタルスチルカメラやビデオムービの場合には、被写体に対してレンズから入射される映像は、カメラやムービに対する手振れの方向としては、上下方向と、左右方向の２方向の揺れ成分が発生することになる。

このように、最近では少なくとも２方向の回転成分を検知することで、より安定した自然な状態を維持するための検出素子が必要となっており、そのためにも特許文献１に示すような３方向のコリオリ力成分を検出する素子の要求があるのが現状である。

ところが、特許文献１に掲げる技術は検出素子が一体的になっており、各軸方向成分を全て同等な検出精度で得ることは、検出素子の持つ材料の特性から考えて非常に難しいということが考えられる。また、最近ではデジタルスチルカメラやビデオムービも、携帯電話のひとつの機能としても取り込まれている現状にあり、機器や製品自体が非常に小型化している。

そのため、例えば２方向の回転成分を得るには、１つの慣性センサー素子をＸ軸方向とＹ軸方向の２方向の検出ができるように、方向を変えて機器や製品に取り付けることで２方向の成分は検出できるものの、上述するように機器や製品の小型化が進むことで、２つの検出素子を実装することは小型化する上では大きな問題となっていることから、小型化する中で見かけ上ひとつの素子で多方向の回転成分を検出できる素子の要求が望まれているのが現状にある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、音叉形状の水晶振動片の中心部を回転軸として、前記水晶振動片を励振することで前記回転軸の回転力の発生によりコリオリ力を検知することで角速度を得る慣性センサー素子において、前記慣性センサー素子のひとつを少なくともＸ軸とＹ軸の２軸方向に配置し、前記素子の一部を接合した構造を有し、Ｚ軸の方向にも配置することで、Ｘ軸とＹ軸と合わせて３軸方向のコリオリ力を検知した角速度を得ることができる慣性センサー素子である。そして各素子は、直接接合により機械的に一体化することで、検出方向成分の数により自由に素子を組み合わせることができることを特徴とする慣性センサー素子である。

要するに、ひとつの慣性センサー素子を少なくとも２方向（２軸方向）に方向を変えて機械的に一体化し、あたかもひとつの素子で２つの軸方向の回転成分を検出するものである。ひとつの慣性センサー素子は高精度に製作が可能であり、このひとつの単体の素子を組み合わせて接合することで、最低は１軸方向のコリオリ力による検出から、２軸方向、３軸方向とＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向の回転成分を得ることができる。

個々の素子は機械的な接合により結合した格好であるため、多軸方向の慣性センサ素子を得ることに比べて、非常に効率良く製作できることと、検出する軸方向成分の数によって、１軸から２軸、３軸と必要に応じた慣性センサー素子の数量を組み合わせることで、容易に多軸方向の回転成分を検出できる慣性センサー素子を得ることができる。なお、ここで各素子の接合と結合には直接接合により慣性センサー素子を一体化することで相互の素子の組み合わせの接合強度を確保することにより前述する課題を解決するものである。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、あたかもひとつの素子で２つ以上の軸方向の回転成分を検出することがでることで、慣性センサー素子の製造も高精度を維持しながら容易にすることができる。また、ひとつの慣性センサ素子を機械的な接合と結合により組み合わせて一体化することにより、必要に応じて容易に多軸方向の回転成分を検出できる慣性センサー素子を得ることができる。

以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。図１は本発明の慣性センサー素子を２軸方向に組み合わせた斜視図である。同図において、１は水晶振動片であり、２方向に位置する、すなわち双方が直交する角度に組み合わせされた格好を持ったものである。なお、各水晶振動片（素子）に形成する励振用と検出用の電極は描画していないが、音叉形状の水晶振動片の一方の脚に励振電極を形成し、他方の脚に検出用電極を形成している。

上述の形態により、音叉形状の水晶振動片の中心部を回転軸として、前記水晶振動片を励振することで前記回転軸の回転力の発生によりコリオリ力を検知することで角速度を得る慣性センサー素子において、前記慣性センサー素子のひとつを少なくともＸ軸とＹ軸の２方向に配置できる形態を有することで、前記素子の一部を接合した構造となり、２軸方向のコリオリ力を検知した角速度を得た慣性センサー素子を実現することができる。なお、音叉形状の水晶振動片は、基部３の一部の略半分がＬ字形状に切除され、双方の水晶振動片１が組まれた状態で接合されている。なお、図面では説明上軸方向を仮に定めたものである。

図２に示す斜視図は、図１と同様の発想に基づきＺ軸の方向にも水晶振動片を配置することで、Ｘ軸とＹ軸と合わせて３方向のコリオリ力を検知して角速度を得ることができる慣性センサー素子を実現するものである。なお、音叉形状の水晶振動片は、基部３の一部の略半分がＬ字形状に切除され、双方の水晶振動片１が組まれた状態で接合されている。

そして上述する各水晶振動片（素子）は、直接接合により機械的に一体化することで、必要とする検出方向成分の数により自由に素子を組み合わせることができることを本願発明の特徴でもある。

要するに、ひとつの慣性センサー素子を少なくとも２方向（２軸方向）あるいは、３方向（３軸方向）に方向を変えて機械的に一体化し、あたかもひとつの素子形態のようにして２つの軸方向、あるいは３つの軸方向の回転成分を検出するものである。このことは、ひとつの慣性センサー素子は高精度に製作が可能であり、このひとつの単体の素子を組み合わせて接合することで、最低は１軸方向のコリオリ力による検出から、２軸方向、３軸方向とＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向の回転成分を得ることができる。

本発明の２軸方向に水晶振動片（素子）を組み合わせた概念図を示す斜視図である。 本発明他の一例として３軸方向に水晶振動片（素子）を組み合わせた概念図を示す斜視図である。 従来例を示す音叉型の慣性センサー素子の斜視図である。

符号の説明

１ 水晶振動片
２ 慣性センサー素子
３ 基部

Claims (4)

1. 音叉形状の水晶振動片の中心部を回転軸として、前記水晶振動片を励振することで前記回転軸の回転力の発生により発生するコリオリ力を検知することで角速度を得る慣性センサー素子において、
   前記慣性センサー素子のひとつを少なくともＸ軸とＹ軸の２軸方向に配置し、前記素子の一部を接合した構造を有することを特徴とする慣性センサー素子。
2. 請求項１記載の慣性センサー素子に、Ｚ軸の方向にも配置することで、Ｘ軸とＹ軸と合わせて３軸方向のコリオリ力を検知した角速度を得ることを特徴とする慣性センサー素子。
3. 請求項１記載の慣性センサー素子の接合に、直接接合を用いたことを特徴とする慣性センサー素子。
4. 請求項１記載の音叉形状の水晶振動片は、基部の一部の略半分がＬ字形状に切除され、同一の前記水晶振動片を組合せて構成することを特徴とする慣性センサー素子。

Images