JP3751745B2 - 振動子、振動型ジャイロスコープおよび回転角速度の測定方法 - Google Patents
振動子、振動型ジャイロスコープおよび回転角速度の測定方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転系内の回転角速度を検出するために使用される角速度センサに用いられる振動子、振動型ジャイロスコープおよび回転角速度の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転系内の回転角速度を検出するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメラの手振れの検出などに使用されている。
【０００３】
このような圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープとしては、これまでに種々のものが提案されている。例えば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の振動子においては、感度は必ずしも高くなかった。また、駆動振動に付随して発生する種々のノイズの中に検出振動が含まれてしまい、検出振動の振幅の寄与を検出信号から正確に分離することが困難であり、この観点からも感度が低く、また信号／雑音比率が低かった。
【０００５】
本発明の課題は、新しい原理によって、回転系の回転角速度を検出するのに使用できる振動子および振動型ジャイロスコープを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）所定面内に延びる振動子であって、この振動子が枠部を備えており、この枠部の内側に中空部が形成され、駆動振動系のそれぞれが、枠部から中空部へ突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える２つの駆動振動系であって、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する２つの駆動振動系と、検出振動系それぞれが、枠部から中空部へ突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、を備えることを特徴とするか、（２）所定面内に延びる振動子であって、 この振動子が基部を備えており、駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える４つの駆動振動系であって、そのうちの２対の駆動振動系のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する４つの駆動振動系と、検出振動系それぞれが、４つの駆動振動系の間に設けられ、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、を備えることを特徴とするか、（３）所定面内に延びる振動子であって、この振動子が基部を備えており、駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える２つの駆動振動系であって、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する２つの駆動振動系と、第１の検出振動系それぞれが、各駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの第１の検出振動系と、第２の検出振動系それぞれが、４つの検出振動系のうち対となる２つの検出振動系の間のそれぞれに、各駆動振動系の支持部とは垂直な方向に設けられた２つの検出振動片からなり、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている２つの検出振動系と、を備えることを特徴とするか、（４）所定面に延びる振動子であって、この振動子が基部を備えており、駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる屈曲振動片と、を備える４つの駆動振動系であって、そのうちの２対の駆動振動系のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する４つの駆動振動系と、第１の検出振動系それぞれが、一方の対の駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、第２の検出振動系それぞれが、他方の対の駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、所定面に平行に延びる回転軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、前記の振動子を備えており、第一の振動系と第二の振動系との一方に設けられている励振手段と、第一の振動系と第二の振動系との他方に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、所定面に平行に延びる回転軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出する方法であって、前記の振動子を使用し、第一の振動系と第二の振動系との一方に駆動振動を励振し、この駆動振動に応じて振動子に励起される検出振動のうち、第一の振動系と第二の振動系との他方に現れる振動成分を検出することを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、振動型ジャイロスコープに使用できる振動子の振動原理について基礎研究を行ってきたが、この過程で、新しい原理に基づく振動子および振動型ジャイロスコープを開発することに成功した。この点について、図１−図３の一実施形態を参照しつつ、説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電単結晶製の振動子１Ａを備えた振動型ジャイロスコープを、概略的に示す斜視図である。図２（ａ）は、検出電極の形態を示す回路図であり、図２（ｂ）は、駆動電極の形態を示す回路図であり、図３は、振動子１Ａの検出振動の形態を示す斜視図である。
【００１１】
ここで、Ｏは、Ｚ軸と振動子の所定面との交点であり、ＧＯは振動子の全体の重心（非振動時）であり、ＧＤは駆動振動系の振動の全体の重心である。
【００１２】
振動子１Ａの基部２Ａは、振動子の重心ＧＯを中心として、例えば２回対称の長方形をしている。基部２Ａの周縁部から、二つの第一の振動系３Ａ、３Ｂ（本例では駆動振動系）が突出している。各振動系３Ａ、３Ｂとは垂直な方向に向かって、四つの第二の振動系６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ（本例では検出振動系）が突出している。各振動系は互いに分離されており、基部２Ａを介して連結されている。
【００１３】
駆動振動系３Ａ、３Ｂは、基部２Ａの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを備えている。検出振動系６Ａ−６Ｄは、それぞれ屈曲振動片からなる。
【００１４】
屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、図２（ａ）に示すような検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが設けられており、各検出電極は検出端子に接続されている。屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄには、それぞれ、図２（ｂ）に示すような駆動電極７Ａ、７Ｂが設けられており、これらは交流電源に接続されている。
【００１５】
各駆動電極７Ａ、７Ｂに交流電圧を印加し、振動子１Ａの各屈曲振動片に、Ｘ軸方向の振動ＡＸを励振する。ここで、駆動振動系３Ａにおける振動と、駆動振動系３Ｂにおける振動とが逆相になるようにする。この状態で、振動子１Ａを、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転させると、図３に示すように、各屈曲振動片に、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。屈曲振動片６Ａ、６Ｂにおける振動と、屈曲振動片６Ｃ、６Ｄにおける振動とは、逆相になる。各屈曲振動片による歪みを、検出電極６Ａ−６Ｄによって検出する。
【００１６】
従来の振動型ジャイロスコープにおいては、いずれも駆動振動アームの駆動振動が、何らかの形で検出アームにも歪みとして影響を及ぼし、検出信号にノイズを発生させていた。本発明によれば、このような、検出信号に不可避的に発生していたノイズを、抑制ないし防止することができる。この点で、本発明は、振動型ジャイロスコープに内在していた根本的な問題点を解決したものである。
【００１７】
本発明においては、振動子が所定面内に延びているが、これは厳密に幾何学的意味で所定面内に延びていることを言うものではなく、本技術分野において常識的な値、即ち、厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振動子が形成されていることを意味する。
【００１８】
第一の振動系は、好ましくは、基部から突出する支持部と、この支持部に対して交差する方向に向かって延びる屈曲振動片とを備えている。この場合、交差角度は、４５°〜１３５°とすることが好ましく、７０−１００゜が特に好ましく、垂直が一層好ましい。この角度が変化すると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄの振動の振動モードの固有共振周波数は、若干変化する。
【００１９】
本発明の振動子は、少なくとも所定面に沿って延びる回転軸、即ちＸ軸またはＹ軸を中心として回転させるのに使用できる。
【００２０】
特に好ましくは、第一の振動系３Ａ、３Ｂが複数設けられており、各Ｘ軸振動系が、振動子の重心ＧＯを中心として互いに回転対称の位置に設けられている。例えば、図１においては、第一の振動系３Ａと３Ｂとは、振動子の重心ＧＯを中心として２回対称である。
【００２１】
ここで、各振動系が重心ＧＯを中心として回転対称の位置にあるとは、重心ＧＯを中心として、問題とする複数の振動系がそれぞれ所定面内で同じ所定角度離れている状態を意味する。従って、一つの振動系を所定面内で所定角度回転させる操作を行うと、他の振動系の位置に位置する。図１においては、第一の振動系３Ａと３Ｂとは、１８０°離れているので、振動系３Ａを１８０°回転させる操作を行うと、振動系３Ｂの位置にくる。
【００２２】
回転対称は、具体的には２回対称、３回対称、４回対称であることが好ましい。また、複数の駆動振動系を、重心ＧＯを中心として回転対称の位置に設けることによって、特に比較的微小な検出振動への影響を抑制できることから、効果が大きい。
【００２３】
また、第二の振動系を複数設け、各第二の振動系を、重心ＧＯを中心として互いに回転対称の位置に設けることが好ましい。例えば、図１においては、検出振動系６Ａと６Ｄ、６Ｂと６Ｃとは、それぞれ、重心ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。
【００２４】
また、特に駆動振動系（好ましくは第一の振動系３Ａ、３Ｂ）の全体の重心ＧＤが、重心ＧＯの近傍領域に位置していることが好ましく、これによって検出振動系（好ましくは第二の振動系６Ａ−６Ｄ）への影響を抑制できる。これは、各駆動振動系３Ａと３Ｂとの振動成分が、相殺し合うことを意味している。
【００２５】
駆動振動の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯの近傍領域に位置しているとは、具体的には、実質的に重心ＧＯ上に位置していてもよいが、重心ＧＯから直径１ｍｍの円内に存在していることを意味する。
【００２６】
本発明者は、図１−図３の振動子について、駆動振動および検出振動モードが振動子の全体に及ぼす影響を調べるため、有限要素法による固有モード解析を実施した。振動子１Ａを水晶によって作製し、振動子の各点の振動の振幅を、最大振動振幅点に対する比率の分布として求めた。
【００２７】
図４には、振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示し、図５には、振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示している。図４および図５において、それぞれ色の異なる領域は、各別に異なる最大振動振幅点との比率の領域を示す。橙色の部分が、振幅が最小の領域となる。
【００２８】
図４によると、各支持部５の基部２Ａに対する接続部分の近辺では、各駆動振動系の振動に伴って引っ張り応力が加わり、変形が見られる。しかし、この変形の影響は、各駆動振動系３Ａと３Ｂとが、重心ＧＯを中心として２回対称の位置に配置されていることから、基部内において互いに相殺し合う。このため、基部の中心Ｏ付近、そして駆動振動系に挟まれた検出振動系６Ａ−６Ｄにおいては、駆動振動による影響が見られなくなっている。
【００２９】
図５によると、各駆動振動系３Ａと３Ｂとから基部２Ａに加わる影響が相殺し合っている。しかも、各検出振動系６Ａ−６Ｄから基部２Ａに加わる影響も、各検出振動系が、それぞれ重心ＧＯを中心として２回対称の位置に配置されていることから、基部２Ａ内において互いに相殺し合う。
【００３０】
これらの結果、図１において、基部２Ａの中心を含む広範な領域９Ａ内において、駆動振動および検出振動による影響が見られなくなっている。
【００３１】
本発明の好適例においては、検出振動の幅が最小の領域内において（更に好ましくは駆動振動の幅が最小の領域内において）、振動子を支持し、固定する。これによって、コリオリの力により発生する検出振動を減衰させることなく効果的に発生させることができ、検出振動のＱ値が高くなり、感度を上昇させることができる。コリオリの力により発生する検出振動は、振動が小さいため、感度を上昇させるためには、検出振動の振幅が最小の領域内で振動子を支持することが、特に効果的である。
【００３２】
そして、本例では、図３、図４から、駆動振動の振幅が最小の領域と検出振動の振幅が最小の領域とが、図１に示すように、基部２Ａ内の広範な領域９Ａに存在していることが判明しているので、この領域９Ａ内を支持し、固定する。また、一般的には、振動子の重心ＧＯの近傍領域９Ｂ内を支持する。
【００３３】
この際、振動子を支持する具体的方法については特に限定せず、あらゆる支持方法、固定方法を採用できる。例えば、圧電材料の接着方法として公知のあらゆる接着方法を使用できる。その一例として、領域９Ａ、９Ｂ内に所定の支持孔を設け、支持孔内に、何らかの支持具を挿入して振動子を固定できる。例えば、振動子を支持するための治具から支持具を突出させ、支持具を支持孔内に挿入し、固定できる。支持具を支持孔中に挿入し、固定する際には、支持具の表面にメタライズ層を設け、および／または支持孔の内周面にメタライズ層を設け、次いで支持具と支持孔の内周面とをハンダ付け又はロウ付けする。あるいは、支持具と支持孔との間に樹脂を配することにより、振動子を固定できる。
【００３４】
この支持孔は、振動子を貫通していてもよく、また振動子を貫通していなくともよい。支持孔が、振動子を貫通する貫通孔である場合には、支持孔に支持具を貫通させることもできるが、支持具を貫通させなくともよい。
【００３５】
また、振動子に支持孔を設けない場合には、振動子の領域９Ａ、９Ｂの表面および／または裏面に、支持具をハンダ付け、あるいは樹脂によって接着できる。
【００３６】
また、本例の振動子および振動型ジャイロスコープにおいては、図４、図５におけるように、駆動振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。ここで、駆動振動時の振動子の微小変位部分とは、駆動振動時の最大振幅の１／１０００以下の振幅を有する部分を言う。
【００３７】
本発明の振動型ジャイロスコープにおいては、第一の振動系と第二の振動系との一方を振動させ、ここで、振動子が回転していないときには、第一の振動系と第二の振動系との他方が実質的に振動しないことが好ましい。振動系が実質的に振動しないとは、例えば駆動振動を励起したときの検出振動系の振動の振幅が、駆動振動の最大振幅の１０００分の１以下である場合を含む。
【００３８】
本発明の振動子の材質等について述べる。本発明の振動子の全体を、同一の圧電単結晶によって形成することができる。この場合には、まず圧電単結晶の薄板を作製し、この薄板をエッチング、研削により加工することによって、振動子を作製できる。振動子の各部分は、別の部材によってそれぞれ形成することもできるが、一体で構成することが好ましい。
【００３９】
平板形状の材料、例えば水晶等の圧電単結晶の平板状の材料から、エッチングプロセスによって振動子を形成する場合には、振動子の各屈曲振動片等の各構成片に特定形状の突起、例えば細長い突起が生成することがある。このような突起は、厳密には設計時に予定された振動子の対称性を低下させる原因となる。しかし、この突起は存在していても良く、突起の高さは小さい方が好ましいが、突起の高さが振動子の構成片の幅の１／５以下であれば一般に問題なく使用できる。他の製造上の原因による突起以外の非対称部分が振動子に存在する場合にも同様である。
【００４０】
なお、このように突起などが振動子に存在する場合には、エッチング加工後に、この突起の一部をレーザー加工等によって削除することによって、または振動子の突起以外の部分をレーザー加工等によって削除することによって、調整できる。これによって、環状振動系の全体の重心、屈曲振動片の重心、駆動振動系の全体の重心、検出振動系の全体の重心の各位置を調整し、これらが、振動子全体の重心ＧＯの近傍領域内に位置するようにできる。
【００４１】
振動子の材質は特に限定するものでないが、水晶、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ3 ）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。
【００４２】
前記した単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ3 単結晶、ＬｉＴａＯ3 単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶が、電気機械結合係数が特に大きい。また、ＬｉＮｂＯ3 単結晶とＬｉＴａＯ3 単結晶とを比較すると、ＬｉＴａＯ3 単結晶の方がＬｉＮｂＯ3 単結晶よりも電気機械的結合係数が一層大きく、かつ温度安定性も一層良好である。
【００４３】
本発明の振動子を圧電性材料によって形成した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがある。
【００４４】
また、本発明の振動子を、エリンバー等の恒弾性金属によって形成することもできる。この場合には、振動子の所定箇所に圧電体を取り付ける必要がある。
【００４５】
本発明の振動子は、圧電材料や恒弾性合金の他に、シリコンマイクロマシンにおいて使用されるように、シリコン半導体プロセスによって形成することもできる。この場合には、振動子を駆動する際には、静電力等を利用する。
【００４６】
具体的には静電検出電極を利用できる。また、静電検出電極のかわりに、特定の金属がドープされた半導体ドーピング領域を設け、この半導体ドーピング領域によってピエゾ抵抗素子を構成できる。この場合には、振動子が回転するときに、各屈曲振動片の各ピエゾ抵抗素子に加わる応力による抵抗値の変化を測定し、回転角速度の指標として検出する。
【００４７】
本発明の振動子は、前記した基部、第一の振動系、第二の振動系とは別体の固定辺部を設け、この固定辺部を支持することができる。例えば、図６の振動子１Ｂにおいては、基部２Ａのうち、第二の振動系の屈曲振動片６Ａと６Ｃとの間、および屈曲振動片６Ｂと６Ｄとの間に、それぞれ突出部１８を設け、各突出部１８を、それぞれ固定辺部１２に対して接続している。こうした突出部および固定辺部は、後述する図７−図１１のような各振動子に対して適用することもできる。
【００４８】
本発明の好適な形態においては、図１に示すように、振動子が基部を備えており、基部内に振動子の重心が位置しており、第一の振動系と第二の振動系との一方または双方が基部の周縁部から延びている。また、本発明の他の好適な形態においては、例えば図７に示すように、振動子が枠部を備えており、枠部の内側に中空部が形成されており、枠部の内側に第一の振動系と第二の振動系との一方または双方が延びている。
【００４９】
振動子１Ｃにおいては、枠部１５の内側に中空部１７が形成されており、枠部１５の内側へと向かって、各振動系が突出している。中空部１７内に振動子の重心ＧＯ、駆動振動系の全体の重心ＧＤがある。
【００５０】
枠部１５の内側から、二つの第一の振動系３Ｅ、３Ｆが突出している。駆動振動系３Ｅ、３Ｆは、枠部の内側周縁から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ｉ、４Ｊ、４Ｋ、４Ｌを備えている。各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌの駆動振動の方向とは垂直な方向に向かって、四つの第二の振動系６Ｉ、６Ｊ、６Ｋ、６Ｌが突出している。第二の振動系は、それぞれ屈曲振動片からなる。各振動系は互いに分離されており、枠部１５を介して連結されている。
【００５１】
駆動振動系の各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌに、Ｘ軸方向の駆動振動ＡＸを励振する。ここで、駆動振動系３Ｅにおける振動と、駆動振動系３Ｆにおける振動とが、逆相になるようにする。この状態で、振動子１Ｃを、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｉ−６Ｌには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００５２】
本発明の振動型ジャイロスコープの一実施形態においては、第一の振動系が、Ｘ軸振動系とＹ軸振動系を含んでおり、Ｘ軸振動系が、所定面内に延びるＸ軸方向に振動する振動成分を含んでおり、Ｙ軸振動系が、所定面内に延び、Ｘ軸に直交するＹ軸方向に振動する振動成分を含んでいる。この場合には、Ｘ軸を中心とする回転角速度を検出するために、Ｙ軸振動系の振動と第二の振動系の面垂直振動成分との関係を利用し、Ｙ軸を中心とする回転角速度を検出するために、Ｘ軸振動系の振動と第二の振動系の面垂直振動成分との関係を利用できる。図８、図１０−図１１は、この実施形態を実現するものである。
【００５３】
図８の振動子１Ｄの基部２Ｂは、円板形状をしている。基部２Ｂの周縁部から、４つの第一の振動系３Ａ−３Ｄ（本例では駆動振動系）が突出している。各第一の振動系の間に、四つの第二の振動系６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈ（本例では検出振動系）が突出している。各振動系は互いに分離されており、基部２Ｂを介して連結されている。
【００５４】
駆動振動系３Ａ−３Ｄは、それぞれ、基部２Ｂの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ−４Ｈを備えている。各検出振動系６Ｅ−６Ｈは、それぞれ屈曲振動片からなる。
【００５５】
Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出するときには、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｘ軸方向の振動ＡＸを励振する。即ち、駆動振動系３Ａ、３Ｂは、Ｘ軸振動系として使用する。駆動振動系３Ａにおける振動と、駆動振動系３Ｂにおける振動とが、逆相になるようにし、駆動振動系全体の重心ＧＤが、振動子全体の重心ＧＯの近傍領域９Ｂ内に位置するようにする。この状態で、振動子１Ｄを、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｅ−６Ｈには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００５６】
Ｘ軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出するときには、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈにおいて、Ｙ軸方向の振動ＡＹを励振する。即ち、駆動振動系３Ｃ、３Ｄは、Ｙ軸振動系として使用する。駆動振動系３Ｃにおける振動と、駆動振動系３Ｄにおける振動とが、逆相になるようにし、駆動振動の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯの近傍領域に位置するようにする。この状態で、振動子１Ｄを、ΩＸで示すようにＸ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｅ−６Ｈには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００５７】
本発明の一実施形態においては、振動子が第三の振動系を備えており、第三の振動系の重心の振動が、振動子全体の重心を中心としたときに、所定面内で周方向に振動する周方向振動成分を含んでいる。この振動子を使用すると、第一の振動系の面内振動成分と第三の振動系の面内振動成分との関係を利用し、Ｚ軸を中心とする回転角速度を検出できる。ここで、振動子が回転していないときには、第三の振動系が実質的に振動しない。振動系が実質的に振動しないとは、第三の振動の振幅が、駆動振動の最大振幅の１０００分の１以下である場合を含む。
【００５８】
図９に示す振動子１Ｅは、この実施形態に係るものである。ただし、振動子１Ｅにおいて、第一の振動系３Ａ、３Ｂ、第二の振動系６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの形態およびその動作は、図１に示したものと同様である。振動子１Ｅにおいては、振動系６Ａと６Ｃとの間に、第三の振動系１０Ａが突出しており、各振動系６Ｂと６Ｄとの間に、第三の振動系１０Ｂが突出している。
【００５９】
Ｙ軸を中心とする回転成分ΩＹの回転角速度は、前述のようにして測定する。また、振動子１Ｅを、ΩＺで示すようにＺ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄには、Ｘ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＹで示すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各屈曲振動片１０Ａ、１０Ｂには、Ｘ軸方向の検出振動ＥＸが励振される。
【００６０】
図１０の振動子１Ｆにおいては、基部２Ａの周縁部の各辺の中央部から、四つの振動系３Ｇ、３Ｈ、３Ｉ、３Ｊ（１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ）が突出している。振動系３Ｉ、３Ｊの各支持部５と平行に、これらと同じ辺から、四つの屈曲振動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが突出しており、それぞれ第二の振動系を構成している。振動系３Ｇ、３Ｈの支持部５と平行に、これらと同じ辺から、四つの屈曲振動片６Ｎ、６Ｐ、６Ｑ、６Ｒが突出しており、それぞれ第二の振動系を構成している。各振動系は互いに分離されており、基部２Ａを介して連結されている。
【００６１】
各振動系３Ｇ、３Ｈ、３Ｉ、３Ｊは、基部１Ａの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｎ、４Ｐ、４Ｑ、４Ｒを備えている。
【００６２】
振動系３Ｇ、３Ｈを駆動振動系（Ｘ軸振動系）として使用し、振動系６Ａ−６ＤをΩＹの検出振動系（第二の振動系）として使用し、振動系１０Ｃ、１０ＤをΩＺの検出振動系（第三の検出振動系）として使用することによって、Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角速度と、Ｚ軸を中心とする回転成分の回転角速度を測定できる。
【００６３】
即ち、Ｘ軸振動系３Ｇ、３Ｈの各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｘ軸方向の駆動振動ＡＸを励振する。この際、第三の振動系１０Ｃ、１０Ｄは、回転していないときには、実質的に振動しないようにする。この状態で、振動子１Ｆを、Ｙ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００６４】
振動子１Ｆを、ΩＺで示すようにＺ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄには、Ｘ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＹで示すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各第三の振動系１０Ｃ、１０Ｄの各支持部５には、Ｘ軸方向の検出振動ＥＸが励振される。
【００６５】
また、図１１に示すように、振動系３Ｉ、３Ｊを駆動振動系（Ｙ軸振動系）として使用し、振動系６Ｎ−６ＲをΩＹの検出振動系（第二の振動系）として使用し、振動系１０Ｅ、１０ＦをΩＺの検出振動系（第三の検出振動系）として使用することによって、Ｘ軸を中心とする回転成分の回転角速度と、Ｚ軸を中心とする回転成分の回転角速度を測定できる。
【００６６】
即ち、Ｙ軸振動系３Ｉ、３Ｊの各屈曲振動片４Ｎ−４Ｒに、Ｙ軸方向の駆動振動ＡＹを励振する。この際、第三の振動系１０Ｅ、１０Ｆは、回転していないときには、実質的に振動しないようにする。振動子１Ｆを、Ｘ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ｎ−４Ｒに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｎ−６Ｒには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００６７】
振動子１Ｆを、ΩＺで示すようにＺ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ｎ−４Ｒには、Ｙ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＸで示すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各第三の振動系１０Ｅ、１０Ｆの各支持部５には、Ｙ軸方向の検出振動ＥＹが励振される。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、新しい原理によって回転系の回転角速度を検出するのに使用できる振動子および振動型ジャイロスコープを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動子１Ａを示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、振動子１Ａにおいて、検出電極および検出回路の構成を模式的に示す回路図であり、（ｂ）は、駆動電極および駆動回路の構成を模式的に示す回路図である。
【図３】振動子１Ａの検出振動の形態を示す斜視図である。
【図４】振動子１Ａの各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図５】振動子１Ａの各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図６】本発明の他の実施形態に係る振動子１Ｂを示す斜視図である。
【図７】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｃを示す斜視図であり、枠部１５の内側の中空部に、第一の振動系と第二の振動系とが設けられている。
【図８】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｄを示す斜視図であり、第一の振動系としてＸ軸振動系とＹ軸振動系とが含まれている。
【図９】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｅを示す斜視図であり、第一の振動系、第二の振動系および第三の振動系を備えている。
【図１０】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｆを示す斜視図であり、Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角速度およびＺ軸を中心とする回転成分の回転角速度とを測定する。
【図１１】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｆを示す斜視図であり、Ｘ軸を中心とする回転成分の回転角速度およびＺ軸を中心とする回転成分の回転角速度とを測定する。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 振動子２
Ａ 基部３Ａ、３Ｂ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈ 第一の振動系（Ｘ軸振動系）
10 ３Ｃ、３Ｄ、３Ｉ、３Ｊ 第一の振動系（Ｙ軸振動系）
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｉ、４Ｊ、４Ｋ、４
Ｌ 屈曲振動片（Ｘ軸方向に振動する）
４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈ、４Ｎ、４Ｐ、４Ｑ、４Ｒ 屈曲振動片（Ｙ軸方向に振動する）
５ 支持部６Ａ−６Ｒ 屈曲振動片（第二の振動系）
１０Ａ−１０Ｆ 第三の振動系ＡＸ （Ｘ軸方向の駆動振動） ＡＹ （Ｙ軸方向の駆動振動）
ＢＺ 駆動振動系においてＺ軸方向に励振される振動
ＣＺ 検出振動系において、Ｚ軸方向に励振される検出振動
ＤＸ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、駆動振動系に励振されるＸ軸方向の振動ＤＹ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、駆動振動系に励振されるＹ軸方向の振動ＥＸ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、検出振動系に励振されるＸ軸方向の検出振動ＥＹ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、検出振動系に励振されるＹ軸方向の検出振動
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転系内の回転角速度を検出するために使用される角速度センサに用いられる振動子、振動型ジャイロスコープおよび回転角速度の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転系内の回転角速度を検出するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメラの手振れの検出などに使用されている。
【０００３】
このような圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープとしては、これまでに種々のものが提案されている。例えば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の振動子においては、感度は必ずしも高くなかった。また、駆動振動に付随して発生する種々のノイズの中に検出振動が含まれてしまい、検出振動の振幅の寄与を検出信号から正確に分離することが困難であり、この観点からも感度が低く、また信号／雑音比率が低かった。
【０００５】
本発明の課題は、新しい原理によって、回転系の回転角速度を検出するのに使用できる振動子および振動型ジャイロスコープを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）所定面内に延びる振動子であって、この振動子が枠部を備えており、この枠部の内側に中空部が形成され、駆動振動系のそれぞれが、枠部から中空部へ突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える２つの駆動振動系であって、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する２つの駆動振動系と、検出振動系それぞれが、枠部から中空部へ突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、を備えることを特徴とするか、（２）所定面内に延びる振動子であって、 この振動子が基部を備えており、駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える４つの駆動振動系であって、そのうちの２対の駆動振動系のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する４つの駆動振動系と、検出振動系それぞれが、４つの駆動振動系の間に設けられ、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、を備えることを特徴とするか、（３）所定面内に延びる振動子であって、この振動子が基部を備えており、駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える２つの駆動振動系であって、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する２つの駆動振動系と、第１の検出振動系それぞれが、各駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの第１の検出振動系と、第２の検出振動系それぞれが、４つの検出振動系のうち対となる２つの検出振動系の間のそれぞれに、各駆動振動系の支持部とは垂直な方向に設けられた２つの検出振動片からなり、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている２つの検出振動系と、を備えることを特徴とするか、（４）所定面に延びる振動子であって、この振動子が基部を備えており、駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる屈曲振動片と、を備える４つの駆動振動系であって、そのうちの２対の駆動振動系のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する４つの駆動振動系と、第１の検出振動系それぞれが、一方の対の駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、第２の検出振動系それぞれが、他方の対の駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、所定面に平行に延びる回転軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、前記の振動子を備えており、第一の振動系と第二の振動系との一方に設けられている励振手段と、第一の振動系と第二の振動系との他方に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、所定面に平行に延びる回転軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出する方法であって、前記の振動子を使用し、第一の振動系と第二の振動系との一方に駆動振動を励振し、この駆動振動に応じて振動子に励起される検出振動のうち、第一の振動系と第二の振動系との他方に現れる振動成分を検出することを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、振動型ジャイロスコープに使用できる振動子の振動原理について基礎研究を行ってきたが、この過程で、新しい原理に基づく振動子および振動型ジャイロスコープを開発することに成功した。この点について、図１−図３の一実施形態を参照しつつ、説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電単結晶製の振動子１Ａを備えた振動型ジャイロスコープを、概略的に示す斜視図である。図２（ａ）は、検出電極の形態を示す回路図であり、図２（ｂ）は、駆動電極の形態を示す回路図であり、図３は、振動子１Ａの検出振動の形態を示す斜視図である。
【００１１】
ここで、Ｏは、Ｚ軸と振動子の所定面との交点であり、ＧＯは振動子の全体の重心（非振動時）であり、ＧＤは駆動振動系の振動の全体の重心である。
【００１２】
振動子１Ａの基部２Ａは、振動子の重心ＧＯを中心として、例えば２回対称の長方形をしている。基部２Ａの周縁部から、二つの第一の振動系３Ａ、３Ｂ（本例では駆動振動系）が突出している。各振動系３Ａ、３Ｂとは垂直な方向に向かって、四つの第二の振動系６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ（本例では検出振動系）が突出している。各振動系は互いに分離されており、基部２Ａを介して連結されている。
【００１３】
駆動振動系３Ａ、３Ｂは、基部２Ａの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを備えている。検出振動系６Ａ−６Ｄは、それぞれ屈曲振動片からなる。
【００１４】
屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、図２（ａ）に示すような検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが設けられており、各検出電極は検出端子に接続されている。屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄには、それぞれ、図２（ｂ）に示すような駆動電極７Ａ、７Ｂが設けられており、これらは交流電源に接続されている。
【００１５】
各駆動電極７Ａ、７Ｂに交流電圧を印加し、振動子１Ａの各屈曲振動片に、Ｘ軸方向の振動ＡＸを励振する。ここで、駆動振動系３Ａにおける振動と、駆動振動系３Ｂにおける振動とが逆相になるようにする。この状態で、振動子１Ａを、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転させると、図３に示すように、各屈曲振動片に、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。屈曲振動片６Ａ、６Ｂにおける振動と、屈曲振動片６Ｃ、６Ｄにおける振動とは、逆相になる。各屈曲振動片による歪みを、検出電極６Ａ−６Ｄによって検出する。
【００１６】
従来の振動型ジャイロスコープにおいては、いずれも駆動振動アームの駆動振動が、何らかの形で検出アームにも歪みとして影響を及ぼし、検出信号にノイズを発生させていた。本発明によれば、このような、検出信号に不可避的に発生していたノイズを、抑制ないし防止することができる。この点で、本発明は、振動型ジャイロスコープに内在していた根本的な問題点を解決したものである。
【００１７】
本発明においては、振動子が所定面内に延びているが、これは厳密に幾何学的意味で所定面内に延びていることを言うものではなく、本技術分野において常識的な値、即ち、厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振動子が形成されていることを意味する。
【００１８】
第一の振動系は、好ましくは、基部から突出する支持部と、この支持部に対して交差する方向に向かって延びる屈曲振動片とを備えている。この場合、交差角度は、４５°〜１３５°とすることが好ましく、７０−１００゜が特に好ましく、垂直が一層好ましい。この角度が変化すると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄの振動の振動モードの固有共振周波数は、若干変化する。
【００１９】
本発明の振動子は、少なくとも所定面に沿って延びる回転軸、即ちＸ軸またはＹ軸を中心として回転させるのに使用できる。
【００２０】
特に好ましくは、第一の振動系３Ａ、３Ｂが複数設けられており、各Ｘ軸振動系が、振動子の重心ＧＯを中心として互いに回転対称の位置に設けられている。例えば、図１においては、第一の振動系３Ａと３Ｂとは、振動子の重心ＧＯを中心として２回対称である。
【００２１】
ここで、各振動系が重心ＧＯを中心として回転対称の位置にあるとは、重心ＧＯを中心として、問題とする複数の振動系がそれぞれ所定面内で同じ所定角度離れている状態を意味する。従って、一つの振動系を所定面内で所定角度回転させる操作を行うと、他の振動系の位置に位置する。図１においては、第一の振動系３Ａと３Ｂとは、１８０°離れているので、振動系３Ａを１８０°回転させる操作を行うと、振動系３Ｂの位置にくる。
【００２２】
回転対称は、具体的には２回対称、３回対称、４回対称であることが好ましい。また、複数の駆動振動系を、重心ＧＯを中心として回転対称の位置に設けることによって、特に比較的微小な検出振動への影響を抑制できることから、効果が大きい。
【００２３】
また、第二の振動系を複数設け、各第二の振動系を、重心ＧＯを中心として互いに回転対称の位置に設けることが好ましい。例えば、図１においては、検出振動系６Ａと６Ｄ、６Ｂと６Ｃとは、それぞれ、重心ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。
【００２４】
また、特に駆動振動系（好ましくは第一の振動系３Ａ、３Ｂ）の全体の重心ＧＤが、重心ＧＯの近傍領域に位置していることが好ましく、これによって検出振動系（好ましくは第二の振動系６Ａ−６Ｄ）への影響を抑制できる。これは、各駆動振動系３Ａと３Ｂとの振動成分が、相殺し合うことを意味している。
【００２５】
駆動振動の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯの近傍領域に位置しているとは、具体的には、実質的に重心ＧＯ上に位置していてもよいが、重心ＧＯから直径１ｍｍの円内に存在していることを意味する。
【００２６】
本発明者は、図１−図３の振動子について、駆動振動および検出振動モードが振動子の全体に及ぼす影響を調べるため、有限要素法による固有モード解析を実施した。振動子１Ａを水晶によって作製し、振動子の各点の振動の振幅を、最大振動振幅点に対する比率の分布として求めた。
【００２７】
図４には、振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示し、図５には、振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示している。図４および図５において、それぞれ色の異なる領域は、各別に異なる最大振動振幅点との比率の領域を示す。橙色の部分が、振幅が最小の領域となる。
【００２８】
図４によると、各支持部５の基部２Ａに対する接続部分の近辺では、各駆動振動系の振動に伴って引っ張り応力が加わり、変形が見られる。しかし、この変形の影響は、各駆動振動系３Ａと３Ｂとが、重心ＧＯを中心として２回対称の位置に配置されていることから、基部内において互いに相殺し合う。このため、基部の中心Ｏ付近、そして駆動振動系に挟まれた検出振動系６Ａ−６Ｄにおいては、駆動振動による影響が見られなくなっている。
【００２９】
図５によると、各駆動振動系３Ａと３Ｂとから基部２Ａに加わる影響が相殺し合っている。しかも、各検出振動系６Ａ−６Ｄから基部２Ａに加わる影響も、各検出振動系が、それぞれ重心ＧＯを中心として２回対称の位置に配置されていることから、基部２Ａ内において互いに相殺し合う。
【００３０】
これらの結果、図１において、基部２Ａの中心を含む広範な領域９Ａ内において、駆動振動および検出振動による影響が見られなくなっている。
【００３１】
本発明の好適例においては、検出振動の幅が最小の領域内において（更に好ましくは駆動振動の幅が最小の領域内において）、振動子を支持し、固定する。これによって、コリオリの力により発生する検出振動を減衰させることなく効果的に発生させることができ、検出振動のＱ値が高くなり、感度を上昇させることができる。コリオリの力により発生する検出振動は、振動が小さいため、感度を上昇させるためには、検出振動の振幅が最小の領域内で振動子を支持することが、特に効果的である。
【００３２】
そして、本例では、図３、図４から、駆動振動の振幅が最小の領域と検出振動の振幅が最小の領域とが、図１に示すように、基部２Ａ内の広範な領域９Ａに存在していることが判明しているので、この領域９Ａ内を支持し、固定する。また、一般的には、振動子の重心ＧＯの近傍領域９Ｂ内を支持する。
【００３３】
この際、振動子を支持する具体的方法については特に限定せず、あらゆる支持方法、固定方法を採用できる。例えば、圧電材料の接着方法として公知のあらゆる接着方法を使用できる。その一例として、領域９Ａ、９Ｂ内に所定の支持孔を設け、支持孔内に、何らかの支持具を挿入して振動子を固定できる。例えば、振動子を支持するための治具から支持具を突出させ、支持具を支持孔内に挿入し、固定できる。支持具を支持孔中に挿入し、固定する際には、支持具の表面にメタライズ層を設け、および／または支持孔の内周面にメタライズ層を設け、次いで支持具と支持孔の内周面とをハンダ付け又はロウ付けする。あるいは、支持具と支持孔との間に樹脂を配することにより、振動子を固定できる。
【００３４】
この支持孔は、振動子を貫通していてもよく、また振動子を貫通していなくともよい。支持孔が、振動子を貫通する貫通孔である場合には、支持孔に支持具を貫通させることもできるが、支持具を貫通させなくともよい。
【００３５】
また、振動子に支持孔を設けない場合には、振動子の領域９Ａ、９Ｂの表面および／または裏面に、支持具をハンダ付け、あるいは樹脂によって接着できる。
【００３６】
また、本例の振動子および振動型ジャイロスコープにおいては、図４、図５におけるように、駆動振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。ここで、駆動振動時の振動子の微小変位部分とは、駆動振動時の最大振幅の１／１０００以下の振幅を有する部分を言う。
【００３７】
本発明の振動型ジャイロスコープにおいては、第一の振動系と第二の振動系との一方を振動させ、ここで、振動子が回転していないときには、第一の振動系と第二の振動系との他方が実質的に振動しないことが好ましい。振動系が実質的に振動しないとは、例えば駆動振動を励起したときの検出振動系の振動の振幅が、駆動振動の最大振幅の１０００分の１以下である場合を含む。
【００３８】
本発明の振動子の材質等について述べる。本発明の振動子の全体を、同一の圧電単結晶によって形成することができる。この場合には、まず圧電単結晶の薄板を作製し、この薄板をエッチング、研削により加工することによって、振動子を作製できる。振動子の各部分は、別の部材によってそれぞれ形成することもできるが、一体で構成することが好ましい。
【００３９】
平板形状の材料、例えば水晶等の圧電単結晶の平板状の材料から、エッチングプロセスによって振動子を形成する場合には、振動子の各屈曲振動片等の各構成片に特定形状の突起、例えば細長い突起が生成することがある。このような突起は、厳密には設計時に予定された振動子の対称性を低下させる原因となる。しかし、この突起は存在していても良く、突起の高さは小さい方が好ましいが、突起の高さが振動子の構成片の幅の１／５以下であれば一般に問題なく使用できる。他の製造上の原因による突起以外の非対称部分が振動子に存在する場合にも同様である。
【００４０】
なお、このように突起などが振動子に存在する場合には、エッチング加工後に、この突起の一部をレーザー加工等によって削除することによって、または振動子の突起以外の部分をレーザー加工等によって削除することによって、調整できる。これによって、環状振動系の全体の重心、屈曲振動片の重心、駆動振動系の全体の重心、検出振動系の全体の重心の各位置を調整し、これらが、振動子全体の重心ＧＯの近傍領域内に位置するようにできる。
【００４１】
振動子の材質は特に限定するものでないが、水晶、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ3 ）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。
【００４２】
前記した単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ3 単結晶、ＬｉＴａＯ3 単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶が、電気機械結合係数が特に大きい。また、ＬｉＮｂＯ3 単結晶とＬｉＴａＯ3 単結晶とを比較すると、ＬｉＴａＯ3 単結晶の方がＬｉＮｂＯ3 単結晶よりも電気機械的結合係数が一層大きく、かつ温度安定性も一層良好である。
【００４３】
本発明の振動子を圧電性材料によって形成した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがある。
【００４４】
また、本発明の振動子を、エリンバー等の恒弾性金属によって形成することもできる。この場合には、振動子の所定箇所に圧電体を取り付ける必要がある。
【００４５】
本発明の振動子は、圧電材料や恒弾性合金の他に、シリコンマイクロマシンにおいて使用されるように、シリコン半導体プロセスによって形成することもできる。この場合には、振動子を駆動する際には、静電力等を利用する。
【００４６】
具体的には静電検出電極を利用できる。また、静電検出電極のかわりに、特定の金属がドープされた半導体ドーピング領域を設け、この半導体ドーピング領域によってピエゾ抵抗素子を構成できる。この場合には、振動子が回転するときに、各屈曲振動片の各ピエゾ抵抗素子に加わる応力による抵抗値の変化を測定し、回転角速度の指標として検出する。
【００４７】
本発明の振動子は、前記した基部、第一の振動系、第二の振動系とは別体の固定辺部を設け、この固定辺部を支持することができる。例えば、図６の振動子１Ｂにおいては、基部２Ａのうち、第二の振動系の屈曲振動片６Ａと６Ｃとの間、および屈曲振動片６Ｂと６Ｄとの間に、それぞれ突出部１８を設け、各突出部１８を、それぞれ固定辺部１２に対して接続している。こうした突出部および固定辺部は、後述する図７−図１１のような各振動子に対して適用することもできる。
【００４８】
本発明の好適な形態においては、図１に示すように、振動子が基部を備えており、基部内に振動子の重心が位置しており、第一の振動系と第二の振動系との一方または双方が基部の周縁部から延びている。また、本発明の他の好適な形態においては、例えば図７に示すように、振動子が枠部を備えており、枠部の内側に中空部が形成されており、枠部の内側に第一の振動系と第二の振動系との一方または双方が延びている。
【００４９】
振動子１Ｃにおいては、枠部１５の内側に中空部１７が形成されており、枠部１５の内側へと向かって、各振動系が突出している。中空部１７内に振動子の重心ＧＯ、駆動振動系の全体の重心ＧＤがある。
【００５０】
枠部１５の内側から、二つの第一の振動系３Ｅ、３Ｆが突出している。駆動振動系３Ｅ、３Ｆは、枠部の内側周縁から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ｉ、４Ｊ、４Ｋ、４Ｌを備えている。各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌの駆動振動の方向とは垂直な方向に向かって、四つの第二の振動系６Ｉ、６Ｊ、６Ｋ、６Ｌが突出している。第二の振動系は、それぞれ屈曲振動片からなる。各振動系は互いに分離されており、枠部１５を介して連結されている。
【００５１】
駆動振動系の各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌに、Ｘ軸方向の駆動振動ＡＸを励振する。ここで、駆動振動系３Ｅにおける振動と、駆動振動系３Ｆにおける振動とが、逆相になるようにする。この状態で、振動子１Ｃを、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｉ−６Ｌには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００５２】
本発明の振動型ジャイロスコープの一実施形態においては、第一の振動系が、Ｘ軸振動系とＹ軸振動系を含んでおり、Ｘ軸振動系が、所定面内に延びるＸ軸方向に振動する振動成分を含んでおり、Ｙ軸振動系が、所定面内に延び、Ｘ軸に直交するＹ軸方向に振動する振動成分を含んでいる。この場合には、Ｘ軸を中心とする回転角速度を検出するために、Ｙ軸振動系の振動と第二の振動系の面垂直振動成分との関係を利用し、Ｙ軸を中心とする回転角速度を検出するために、Ｘ軸振動系の振動と第二の振動系の面垂直振動成分との関係を利用できる。図８、図１０−図１１は、この実施形態を実現するものである。
【００５３】
図８の振動子１Ｄの基部２Ｂは、円板形状をしている。基部２Ｂの周縁部から、４つの第一の振動系３Ａ−３Ｄ（本例では駆動振動系）が突出している。各第一の振動系の間に、四つの第二の振動系６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈ（本例では検出振動系）が突出している。各振動系は互いに分離されており、基部２Ｂを介して連結されている。
【００５４】
駆動振動系３Ａ−３Ｄは、それぞれ、基部２Ｂの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ−４Ｈを備えている。各検出振動系６Ｅ−６Ｈは、それぞれ屈曲振動片からなる。
【００５５】
Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出するときには、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｘ軸方向の振動ＡＸを励振する。即ち、駆動振動系３Ａ、３Ｂは、Ｘ軸振動系として使用する。駆動振動系３Ａにおける振動と、駆動振動系３Ｂにおける振動とが、逆相になるようにし、駆動振動系全体の重心ＧＤが、振動子全体の重心ＧＯの近傍領域９Ｂ内に位置するようにする。この状態で、振動子１Ｄを、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｅ−６Ｈには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００５６】
Ｘ軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出するときには、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈにおいて、Ｙ軸方向の振動ＡＹを励振する。即ち、駆動振動系３Ｃ、３Ｄは、Ｙ軸振動系として使用する。駆動振動系３Ｃにおける振動と、駆動振動系３Ｄにおける振動とが、逆相になるようにし、駆動振動の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯの近傍領域に位置するようにする。この状態で、振動子１Ｄを、ΩＸで示すようにＸ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｅ−６Ｈには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００５７】
本発明の一実施形態においては、振動子が第三の振動系を備えており、第三の振動系の重心の振動が、振動子全体の重心を中心としたときに、所定面内で周方向に振動する周方向振動成分を含んでいる。この振動子を使用すると、第一の振動系の面内振動成分と第三の振動系の面内振動成分との関係を利用し、Ｚ軸を中心とする回転角速度を検出できる。ここで、振動子が回転していないときには、第三の振動系が実質的に振動しない。振動系が実質的に振動しないとは、第三の振動の振幅が、駆動振動の最大振幅の１０００分の１以下である場合を含む。
【００５８】
図９に示す振動子１Ｅは、この実施形態に係るものである。ただし、振動子１Ｅにおいて、第一の振動系３Ａ、３Ｂ、第二の振動系６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの形態およびその動作は、図１に示したものと同様である。振動子１Ｅにおいては、振動系６Ａと６Ｃとの間に、第三の振動系１０Ａが突出しており、各振動系６Ｂと６Ｄとの間に、第三の振動系１０Ｂが突出している。
【００５９】
Ｙ軸を中心とする回転成分ΩＹの回転角速度は、前述のようにして測定する。また、振動子１Ｅを、ΩＺで示すようにＺ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄには、Ｘ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＹで示すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各屈曲振動片１０Ａ、１０Ｂには、Ｘ軸方向の検出振動ＥＸが励振される。
【００６０】
図１０の振動子１Ｆにおいては、基部２Ａの周縁部の各辺の中央部から、四つの振動系３Ｇ、３Ｈ、３Ｉ、３Ｊ（１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ）が突出している。振動系３Ｉ、３Ｊの各支持部５と平行に、これらと同じ辺から、四つの屈曲振動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが突出しており、それぞれ第二の振動系を構成している。振動系３Ｇ、３Ｈの支持部５と平行に、これらと同じ辺から、四つの屈曲振動片６Ｎ、６Ｐ、６Ｑ、６Ｒが突出しており、それぞれ第二の振動系を構成している。各振動系は互いに分離されており、基部２Ａを介して連結されている。
【００６１】
各振動系３Ｇ、３Ｈ、３Ｉ、３Ｊは、基部１Ａの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｎ、４Ｐ、４Ｑ、４Ｒを備えている。
【００６２】
振動系３Ｇ、３Ｈを駆動振動系（Ｘ軸振動系）として使用し、振動系６Ａ−６ＤをΩＹの検出振動系（第二の振動系）として使用し、振動系１０Ｃ、１０ＤをΩＺの検出振動系（第三の検出振動系）として使用することによって、Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角速度と、Ｚ軸を中心とする回転成分の回転角速度を測定できる。
【００６３】
即ち、Ｘ軸振動系３Ｇ、３Ｈの各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｘ軸方向の駆動振動ＡＸを励振する。この際、第三の振動系１０Ｃ、１０Ｄは、回転していないときには、実質的に振動しないようにする。この状態で、振動子１Ｆを、Ｙ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００６４】
振動子１Ｆを、ΩＺで示すようにＺ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄには、Ｘ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＹで示すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各第三の振動系１０Ｃ、１０Ｄの各支持部５には、Ｘ軸方向の検出振動ＥＸが励振される。
【００６５】
また、図１１に示すように、振動系３Ｉ、３Ｊを駆動振動系（Ｙ軸振動系）として使用し、振動系６Ｎ−６ＲをΩＹの検出振動系（第二の振動系）として使用し、振動系１０Ｅ、１０ＦをΩＺの検出振動系（第三の検出振動系）として使用することによって、Ｘ軸を中心とする回転成分の回転角速度と、Ｚ軸を中心とする回転成分の回転角速度を測定できる。
【００６６】
即ち、Ｙ軸振動系３Ｉ、３Ｊの各屈曲振動片４Ｎ−４Ｒに、Ｙ軸方向の駆動振動ＡＹを励振する。この際、第三の振動系１０Ｅ、１０Ｆは、回転していないときには、実質的に振動しないようにする。振動子１Ｆを、Ｘ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ｎ−４Ｒに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｎ−６Ｒには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。
【００６７】
振動子１Ｆを、ΩＺで示すようにＺ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ｎ−４Ｒには、Ｙ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＸで示すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各第三の振動系１０Ｅ、１０Ｆの各支持部５には、Ｙ軸方向の検出振動ＥＹが励振される。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、新しい原理によって回転系の回転角速度を検出するのに使用できる振動子および振動型ジャイロスコープを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動子１Ａを示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、振動子１Ａにおいて、検出電極および検出回路の構成を模式的に示す回路図であり、（ｂ）は、駆動電極および駆動回路の構成を模式的に示す回路図である。
【図３】振動子１Ａの検出振動の形態を示す斜視図である。
【図４】振動子１Ａの各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図５】振動子１Ａの各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図６】本発明の他の実施形態に係る振動子１Ｂを示す斜視図である。
【図７】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｃを示す斜視図であり、枠部１５の内側の中空部に、第一の振動系と第二の振動系とが設けられている。
【図８】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｄを示す斜視図であり、第一の振動系としてＸ軸振動系とＹ軸振動系とが含まれている。
【図９】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｅを示す斜視図であり、第一の振動系、第二の振動系および第三の振動系を備えている。
【図１０】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｆを示す斜視図であり、Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角速度およびＺ軸を中心とする回転成分の回転角速度とを測定する。
【図１１】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｆを示す斜視図であり、Ｘ軸を中心とする回転成分の回転角速度およびＺ軸を中心とする回転成分の回転角速度とを測定する。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 振動子２
Ａ 基部３Ａ、３Ｂ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈ 第一の振動系（Ｘ軸振動系）
10 ３Ｃ、３Ｄ、３Ｉ、３Ｊ 第一の振動系（Ｙ軸振動系）
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｉ、４Ｊ、４Ｋ、４
Ｌ 屈曲振動片（Ｘ軸方向に振動する）
４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈ、４Ｎ、４Ｐ、４Ｑ、４Ｒ 屈曲振動片（Ｙ軸方向に振動する）
５ 支持部６Ａ−６Ｒ 屈曲振動片（第二の振動系）
１０Ａ−１０Ｆ 第三の振動系ＡＸ （Ｘ軸方向の駆動振動） ＡＹ （Ｙ軸方向の駆動振動）
ＢＺ 駆動振動系においてＺ軸方向に励振される振動
ＣＺ 検出振動系において、Ｚ軸方向に励振される検出振動
ＤＸ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、駆動振動系に励振されるＸ軸方向の振動ＤＹ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、駆動振動系に励振されるＹ軸方向の振動ＥＸ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、検出振動系に励振されるＸ軸方向の検出振動ＥＹ Ｚ軸を中心とする回転成分によって、検出振動系に励振されるＹ軸方向の検出振動
Claims (6)
- 所定面内に延びる振動子であって、
この振動子が枠部を備えており、この枠部の内側に中空部が形成され、
駆動振動系のそれぞれが、枠部から中空部へ突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える２つの駆動振動系であって、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する２つの駆動振動系と、
検出振動系それぞれが、枠部から中空部へ突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、
を備えることを特徴とする、振動子。 - 所定面内に延びる振動子であって、
この振動子が基部を備えており、
駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える４つの駆動振動系であって、そのうちの２対の駆動振動系のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する４つの駆動振動系と、
検出振動系それぞれが、４つの駆動振動系の間に設けられ、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、
を備えることを特徴とする、振動子。 - 所定面内に延びる振動子であって、
この振動子が基部を備えており、
駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる２つの屈曲振動片と、を備える２つの駆動振動系であって、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する２つの駆動振動系と、
第１の検出振動系それぞれが、各駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの第１の検出振動系と、
第２の検出振動系それぞれが、４つの検出振動系のうち対となる２つの検出振動系の間のそれぞれに、各駆動振動系の支持部とは垂直な方向に設けられた２つの検出振動片からなり、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている２つの検出振動系と、
を備えることを特徴とする、振動子。 - 所定面に延びる振動子であって、
この振動子が基部を備えており、
駆動振動系のそれぞれが、基部の周縁部から突出する支持部と、支持部の先端側から支持部に直交する方向に延びる屈曲振動片と、を備える４つの駆動振動系であって、そのうちの２対の駆動振動系のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられており、前記所定面内に屈曲振動する４つの駆動振動系と、
第１の検出振動系それぞれが、一方の対の駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、
第２の検出振動系それぞれが、他方の対の駆動振動系の支持部とは垂直な方向に向かって、基部の周縁部から突出する４つの検出振動片からなり、そのうちの２対の検出振動片のそれぞれが、振動子の重心を中心として互いに２回対称の位置に設けられている４つの検出振動系と、
を備えていることを特徴とする、振動子。 - 前記所定面に平行に延びる回転軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の振動子を備えており、前記駆動振動系に設けられている励振手段と、前記検出振動系に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
- 前記所定面に平行に延びる回転軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出する方法であって、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の振動子を使用し、前記駆動振動系に駆動振動を励振し、この駆動振動に応じて前記振動子に励起される検出振動のうち、前記検出振動系に現れる振動成分を検出することを特徴とする、回転角速度の検出方法。
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