JP3942762B2

JP3942762B2 - 振動子、振動型ジャイロスコープ、直線加速度計および回転角速度の測定方法

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Publication number: JP3942762B2
Application number: JP03257199A
Authority: JP
Inventors: 菊池　　尊行; 庄作郷治; 幸久大杉; 隆雄相馬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2019-02-10
Also published as: JPH11325917A

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、直線加速度計、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】
こうした振動型ジャイロスコープにおいては、円盤形状の振動子を使用したものが、例えば、米国特許第５５４００９４号公報に開示されている。この特許においては、円盤形状の平板状の振動子に対して、例えば４つのノード（節）を持つ駆動振動を励起し、この振動子に対して垂直な回転軸を中心とする回転を振動子に加え、振動子に励起される検出振動の振幅を検出している。ここで励起される検出振動も４つのノード（節）を有している。
【０００５】
しかし、こうした振動子においては、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。
【０００６】
また、本発明者は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００７】
従来の圧電振動型ジャイロスコープは、ほとんどの場合、振動子を回転軸に対して平行に配置（いわゆる縦置き）しなければ、回転角速度を検出することができない。しかし、通常、測定したい回転系の回転軸は、装着部に対して垂直である。従って、このような圧電振動型ジャイロスコープを実装する際、圧電振動型ジャイロスコープの低背化を達成すること、即ち、振動型ジャイロスコープを回転軸方向に見たときの寸法を減少させることができなかった。
【０００８】
本発明の課題は、感度が高く、Ｓ／Ｎ比が良好な、新しい原理に基づく振動型ジャイロスコープおよび振動子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る振動子は、環状振動系とその内側の基部とが連結部により連結され、さらに基部より環状振動系に向かって突出する他の振動系を備えていることを特徴とする、振動子。備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、回転系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、前記の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、環状振動系と他の振動系との一方に設けられている励振手段と、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、環状振動系と他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。
【００１１】
また、本発明は、前記振動子を用いて回転系の回転角速度を検出する方法であって、環状振動系と他の振動系との一方に励振手段を設け、環状振動系と他の振動系との他方に検出手段を設け、励振手段によって振動子に駆動振動を励振し、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を、検出手段によって検出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、直線加速度を検出するための直線加速度計であって、前記振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに振動子に加わるニュートンの力による振動子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
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、まったく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。
【００１４】
即ち、環状振動系と、この環状振動系とは独立して振動する他の振動系と、環状振動系と他の振動系とを連結する連結部とを設けることによって、環状振動系の振動と他の振動系との振動を独立させ、これらの一方に駆動振動を励振し、他方に検出振動を励振することを想到した。例えば、環状振動系に駆動振動を励振したとき、ある回転軸を考えたときに、この回転軸を中心として回転していない時（回転角速度が０のとき）には、他の振動系が実質的に振動しないようにする。回転時には、環状振動系内において、駆動振動に対応してコリオリ力が作用し、この結果、振動子に検出振動が励振される。この検出振動のうち、他の振動系内に現れる検出振動成分のみを検出する。
【００１５】
このとき、検出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１／１０００以下である場合を含む。
【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。また、円盤状振動子を使用していた前記の従来技術においても、駆動振動による円盤状振動子の歪みのために、検出振動の感度低下、Ｓ／Ｎ比低下を招いていた。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、環状振動系と他の振動系とが、所定面内に延びていることが特に好ましい。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以下の範囲内に環状振動系と他の振動系とが形成されていることを意味する。この際、環状振動系および他の振動系以外の部分は、所定面から突出することもありえるが、振動子の全体が所定面内に形成されていることが好ましい。
【００１８】
環状振動系とは、完全に円環状であることを意味しておらず、幾何学的には閉曲線をなしておればよい。しかし、この閉曲線は、楕円形状、真円形状であることが好ましい。また、環状振動系の振動の重心が、振動子の全体の重心上か、またはその近傍（振動子の全体の重心から直径１ｍｍの円内）に存在していることが好ましい。これによって、環状振動系における駆動振動が互いに相殺し合い、検出振動を検出するための他の振動系に対する駆動振動の影響が一層小さくなる。
【００１９】
本発明の一実施形態では、他の振動系が、環状振動系の内側に設けられている内側振動系を含み、この内側振動系は、環状振動系に連結されている基部と、振動子の重心から見たときに基部の外周縁部から環状振動系に向かって延びている屈曲振動片とを備えている。この場合には、環状振動系と屈曲振動片との一方に励振手段を設け、他方に検出手段を設ける。図１−図９は、この実施形態に係るものである。
【００２０】
図１（ａ）は、振動子１Ａを示す斜視図であり、図１（ｂ）は、振動子１Ａの駆動振動１Ｂを示す正面図であり、図２は、振動子１Ａの検出振動１Ｃを示す正面図である。図１、図２の実施形態では、所定面に対して垂直な回転軸Ｚを中心とする回転の回転角速度を検出する。
【００２１】
振動子１Ａの環状振動系２は、本例では円環形状をなしている。環状振動系２の内側に、例えば正方形状の基部３Ａが設けられており、基部３Ａの相対向する二片に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ａ、５Ｂが設けられている。基部３Ａと環状振動系２とは、連結部４Ａ、４Ｂによって連結されている。この結果、環状振動系２の内側に中空部６Ａ、６Ｂが形成されている。Ｏは、回転軸Ｚと振動子の所定面との交点（回転中心）である。ＧＯは振動子の全体の重心（非振動時）であり、ＧＤは駆動振動の重心である。３ａは基部３の外周縁部である。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、環状振動系２に駆動振動を励振する。ここで、２ｃ、２ｇの振幅が小さく、２ａ、２ｂ、２ｈがＡＹのように屈曲し、２ｄ、２ｅ、２ｆもこれと同様にＡＹのように屈曲する。振動子１Ａに対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図２に示す検出振動１Ｃが励振される。ここで例えば２ａ、２ｅの部分はＢＸのように逆位相で振動する。これに応じて、各屈曲振動片５Ａ、５Ｂには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振される。ＣＸによる歪みを、公知の手段によって、電気信号として検出する。
【００２３】
このような振動子および振動型ジャイロスコープによれば、振動子の駆動振動および検出のための振動が、いずれも所定面内で行われ、振動子が回転軸に対して交差する方向に延びるように、振動子を設置した場合にも、振動子から回転軸の方向に向かって一定重量の突出部を設けることなく、十分に高い感度で回転角速度を検出できる。なお、これは後述する各振動子においても、回転軸Ｚを中心とする回転の角速度を検出する場合に当てはまる。
【００２４】
基部から環状振動系へと向かって突出する屈曲振動片は、一つであっても良いが、複数あることが好ましく、複数の屈曲振動片が、振動子の重心ＧＯを中心として回転対称の位置にあることが特に好ましい。例えば、図１、図２においては、屈曲振動片５Ａ、５Ｂが、振動子の重心ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。
【００２５】
ここで、各屈曲振動片が重心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、問題とする複数の屈曲振動片が、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、一つの屈曲振動片について、ＧＯを中心として、所定面内で所定角度回転させる操作を行うと、他の屈曲振動片の位置に位置する。例えば、図１においては、屈曲振動片５Ａと５Ｂとは、１８０°離れているので、屈曲振動片５Ａを１８０°回転させる操作を行うと、屈曲振動片５Ｂの位置にくる。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。
【００２６】
駆動振動の重心ＧＤは、振動子の全体の重心ＧＯ上か、または重心ＧＯの近傍（振動子の全体の重心から直径１ｍｍの円内）に存在していることが好ましい。これによって、環状振動系における駆動振動が互いに相殺し合い、内側振動系に対する駆動振動の影響が一層小さくなる。
【００２７】
なお、現実の振動型ジャイロスコープにおいては、回転軸と所定面とが直交しておらず、交差していることがある。この場合にも、所定面に垂直な回転軸Ｚを中心とする回転成分の角速度について、前記の検出方法は有効である。しかし、所定面と実際の回転軸との交差角度が大きくなり過ぎると、測定感度が低下するので、所定面と回転軸とがなす角度は、６０−１２０度とすることが好ましく、８５−９５度とすることが好ましく、直交していることが一層好ましい。
【００２８】
また、図１においては、回転中心（回転軸と所定面との交点）Ｏが、振動子の重心ＧＯおよび駆動振動の全体の重心ＧＤと一致しているが、必ずしもその必要はない。なぜなら、回転中心Ｏが振動子の重心ＧＯとは一致していない場合も、更には回転中心Ｏが振動子の外部に位置している場合も、基本的に本願発明の振動子は有用であり、本発明の振動型ジャイロスコープに使用できるからである。
【００２９】
この理由を述べる。振動子が回転しているときに、回転中心Ｏと振動子の重心ＧＯとが一致していない場合の振動子の各部分の変位速度は、回転中心Ｏが振動子の重心ＧＯと一致している場合の振動子の各部分の変位速度（回転による振動子の各部分の変位速度）と、振動子の各部分の並進運動による変位速度とのベクトル和となる。そして、振動子の各部分の並進運動による変位速度については、コリオリ力は働かないので、振動型ジャイロスコープによって検出することなく消去できるからである。
【００３０】
ここで、一般的に、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、環状振動系の重心、屈曲振動片の重心、駆動振動の重心、検出振動の重心の各位置を調整し、これらが、振動子の全体の重心ＧＯの近傍領域内に位置するようにできる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
圧電単結晶を使用すると、検出感度を良好にすることができるとともに、検出ノイズを小さくできる。しかも、圧電単結晶を使用すると、温度変化に対して特に鈍感な振動子を作製でき、このような振動子は、温度安定性を必要とする車載用として好適である。この点について更に説明する。
【００３６】
音叉型の振動子を使用した角速度センサとしては、例えば特開平８−１２８８３３号公報に記載された圧電振動型ジャイロスコープがある。しかし、こうした振動子においては、振動子が２つの方向に向かって振動する。このため、振動子を特に圧電単結晶によって形成した場合には、圧電単結晶の２方向の特性を合わせる必要がある。しかし、現実には圧電単結晶には異方性がある。
【００３７】
一般に圧電振動型ジャイロスコープでは、測定感度を良好にするために、駆動の振動モードの固有共振周波数と検出の振動モードの固有共振周波数との間に、一定の振動周波数差を保つことが要求されている。しかし、圧電単結晶は異方性を持っており、結晶面が変化すると、振動周波数の温度変化の度合いが異なる。例えば、ある特定の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数の温度変化がほとんどないが、別の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数が温度変化に敏感に反応する。従って、振動子が２つの方向に向かって振動すると、２つの振動面のうち少なくとも一方の面は、振動周波数の温度変化が大きい結晶面になる。
【００３８】
従って、振動子の全体を所定面内で振動するようにし、かつ振動子を圧電単結晶によって形成した場合には、単結晶の最も温度特性の良い結晶面のみを振動子において利用できるようになった。
【００３９】
即ち、この場合には、振動子の全体が所定平面内で振動するように設計されていることから、圧電単結晶のうち振動周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用して、振動子を製造することができる。これによって、きわめて温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供できる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
図３は、振動子１１Ａ（駆動振動）を示す斜視図であり、図４は、図３の振動子の検出振動１１Ｂを示す斜視図である。図３、図４の実施形態では、軸Ｚを中心とする回転の回転角速度成分を検出する。
【００４５】
振動子１１Ａの環状振動系１２は、本例では曲折形状をなしている。環状振動系１２の内側に基部３Ａが設けられており、基部３Ａの相対向する二片に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ａ、５Ｂが設けられており、各屈曲振動片の先端側に重量部９が設けられている。基部３Ａと環状振動系１２とは、連結部４Ａ、４Ｂによって連結されている。この結果、環状振動系１２の内側に中空部６Ｃ、６Ｄが形成されている。
【００４６】
連結部４Ａ、４Ｂの先端側には、それぞれ屈曲振動片１２ｂ、１２ｃ、１２ｇ、１２ｆが設けられており、これらの各屈曲振動片は、各連結部に対してほぼ直交している。７は、環状振動系と連結部との接続部分を示す。これらの各屈曲振動片は、更に屈曲振動片１２ａ、１２ｈ、１２ｄ、１２ｅによって互いに連結されている。１０は、各屈曲振動片の接続部分を示している。
【００４７】
図３に示すように、環状振動系１２に駆動振動ＡＸ、Ｄを励振する。ここで、各屈曲振動片１２ｂと１２ｃとの一組、１２ｆと１２ｇとの一組は、それそれ、ＡＸのように互いに順位相で屈曲振動する。この振動の結果、Ｄで示す振動が引き起こされる。
【００４８】
この振動子に対して、回転軸Ｚを中心とする回転成分を加えると、図４に示す検出振動１１Ｂが励振される。連結部４Ａ、４Ｂは、矢印ＢＹで示すように、互いに逆位相で振動する。これに応じて、各屈曲振動片５Ａ、５Ｂには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振される。
【００４９】
図５−図７の実施形態においては、図１−図４で説明したプロセスに加えて、更に、所定面に対して平行な回転軸ＸまたはＹを中心とする回転の回転角速度を検出できる。この際には、回転軸ＸまたはＹを中心とする回転に応じて振動子２１Ａに加わるコリオリ力によって励起される検出振動のうち、所定面に対して垂直な面垂直振動成分を検出する必要がある。また、この場合には、同じ振動子を使用して、回転軸Ｘを中心とする回転の回転角速度成分と、回転軸Ｙを中心とする回転の回転角速度成分との双方を検出できる。
【００５０】
図５は、振動子２１Ａを示す斜視図である。振動子２１Ａの環状振動系２２は円環形状をなしている。環状振動系２２の内側に例えば正方形状の基部３Ａが設けられており、基部３Ａの四片に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄが設けられている。基部３Ａと環状振動系２２とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されている。この結果、環状振動系２２の内側に中空部６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈが形成されている。
【００５１】
図６（ａ）に示すように、環状振動系２２に駆動振動２１Ｂを励振する。この駆動振動においては、２２ａ、２２ｅがＡＹのように振動し、２２ｃ、２２ｇがＡＸのように振動し、２２ｂ、２２ｄ、２２ｆ、２２ｈがノードとなる。振動子２１Ａに対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図６（ｂ）に示す検出振動２１Ｃが励振される。即ち、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、各屈曲振動片５Ａ、５Ｂには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振される。また、各屈曲振動片５Ｃ、５Ｄには、所定面内の屈曲振動成分ＣＹが励振される。振動ＣＸ、ＣＹによる歪みを、電気信号として検出する。
【００５２】
また、振動子２１Ａに対して、図７（ａ）に示すように、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、検出振動２１Ｄが励振される。即ち、図６（ａ）に示す駆動振動２１Ｂのうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹはこの回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、環状振動系２２の特に２２ｃ、２２ｇ付近に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、屈曲振動片５Ｃ、５ＤにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。振動ＦＺによる歪みを、電気信号として検出する。
【００５３】
図７の例では、Ｙ軸を中心とする回転の角速度を検出したが、この系では、Ｘ軸とＹ軸とは等価であるので、Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度を測定することもできる。また，Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度と、Ｙ軸を中心とする回転成分の角速度とを、同じ振動子によって測定できる。
【００５４】
図８、９の実施形態においては、所定面に対して平行な回転軸Ｙを中心とする回転の回転角速度を検出できる。図８（ａ）は、振動子３１Ａを示す斜視図であり、図８（ｂ）は、振動子３１Ａの駆動振動３１Ｂを示す正面図であり、図９（ａ）は、振動子３１Ａの検出振動３１Ｃを示す斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の上面図である。
【００５５】
振動子３１Ａの環状振動系２は円環形状をなしている。環状振動系２の内側に、例えば正方形状の基部３Ａが設けられている。基部３Ａの相対向する二辺の各端部に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ｅ、５Ｆ、５Ｇ、５Ｈが設けられている。
【００５６】
図８（ｂ）に示すように、環状振動系２の各部分をＡＸ、ＡＹのように振動させる。振動子３１Ａに対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、図９（ｂ）に示す検出振動３１Ｃが励振される。即ち、駆動振動３１Ｂのうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹはこの回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、環状振動系２に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、屈曲振動片５Ｅ、５Ｆ，５Ｇ、５ＨにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。基部の同じ辺上にある各屈曲振動片の振動の位相は逆相になる。
【００５７】
本発明の他の実施形態においては、内側振動系が平板状振動系からなり、この平板状振動系に駆動振動を励振するか、あるいは平板状振動系に検出振動を励起させる。この場合には、平板状振動系を第二の環状振動系とすることができ、この場合には第二の環状振動系は屈曲振動する。あるいは、平板状振動系を盤状振動体とすることができ、この場合は盤状振動体は伸縮振動する。
【００５８】
また、環状振動系に、振動子の重心から見たときに環状振動系の外周縁部から径方向へと向かって延びている屈曲振動片、および／または、環状振動系の内周縁部から振動子の重心へと向かって延びている屈曲振動片を設けることができる。こうした屈曲振動片は、振動子の重心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。この「回転対称」については、前述したとおりである。
【００５９】
図１０は、振動子４１を示す正面図である。振動子４１の環状振動系４２は円環形状をなしている。環状振動系４２の内側に、円盤形状の平板状振動系１４が設けられている。平板状振動系１４と環状振動系４２とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されており、環状振動系４２の内側に中空部６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈが形成されている。環状振動系４２の内側へと向かって延びるように、４本の屈曲振動片１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが形成されている。各屈曲振動片は、振動子の重心ＧＯを中心として４回の回転対称の位置にある。
【００６０】
本例では、平板状振動系１４を駆動振動体として使用している。即ち、平板状振動系１４にＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動においては、例えば円盤状振動体１４を周方向に４分割したときに、各領域１６Ａ、１６ＣをＹ軸方向に振動させ、各領域１６Ｂ、１６ＤをＸ軸方向に振動させる。各領域の境界がノードとなる。平板状振動系１４の振動は伸縮振動となる。
【００６１】
振動子４１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図１１に示すように、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、平板状振動系１４にＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。図１０に示す領域１６Ａ−１６Ｄを４５度回転させた位置に相当する各領域１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄの各境界付近にノードが現れる。これに応じて、各屈曲振動片１５Ａ、１５Ｃには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振され、各屈曲振動片１５Ｂ、１５Ｄには、所定面内の屈曲振動成分ＣＹが励振される。振動ＣＸ、ＣＹによる歪みを、電気信号として検出する。
【００６２】
また、振動子４１に対して、図１２に示すように、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、これに応じて検出振動が励振される。即ち、図１０に示す駆動振動のうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、図１２に示すように、平板状振動系１４のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、屈曲振動片１５Ｂ、１５ＤにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００６３】
図１２の例では、Ｙ軸を中心とする回転の角速度を検出したが、この系では、屈曲振動片１５Ａ、１５Ｂに現れる振動成分を検出することによって、Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度を検出できる。また，Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度と、Ｙ軸を中心とする回転成分の角速度とを、同じ振動子によって測定できる。
【００６４】
図１３は、振動子５１を示す正面図である。振動子５１の環状振動系４２、連結部４Ａ−４Ｄ、屈曲振動片１５Ａ−１５Ｄの形態およびその動作は、図１０−図１２に示したものと同じである。
【００６５】
本実施形態においては、第二の環状振動系２４を駆動振動体として使用している。即ち、第二の環状振動系２４に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動は、各連結部との接続部分を始点とする屈曲振動となる。振動子５１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、第二の環状振動系２４に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。
【００６６】
これに応じて、各屈曲振動片１５Ａ、１５Ｃには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振され、各屈曲振動片１５Ｂ、１５Ｄには、所定面内の屈曲振動成分ＣＹが励振される。
【００６７】
また、振動子５１に対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、環状振動系２４のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振される。これに応じて、屈曲振動片１５Ｃ、１５ＤにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００６８】
図１４は、振動子６１を示す正面図である。振動子６１の環状振動系４２、連結部４Ａ−４Ｄ、平板状振動系１４の形態およびその動作は、図１０−図１２に示したものと同じである。
【００６９】
本実施形態においては、屈曲振動片１５Ｅ、１５Ｆ、１５Ｇ、１５Ｈを、それぞれ、振動子の重心ＧＯから離れる方向へと向かって延びるように形成する。これらの屈曲振動片の動作は、前述した屈曲振動片１５Ａ−１５Ｄと同じである。
【００７０】
なお、図１０−図１４のような各実施形態において、環状振動系の外側と内側との双方に屈曲振動片を設けることもできる。また、各屈曲振動片の位置と個数とは、種々変更できるが、２−４個設け、かつ重心ＧＯを中心として２−４回対称の位置に設けることが特に好ましい。
【００７１】
本発明においては、屈曲振動片を用いず、前記した環状振動系において、または前記した第二の環状振動系や平板状振動系において、検出振動を検出することができる。図１５−図２０は、この実施形態に係るものである。
【００７２】
図１５は、振動子７１を示す正面図である。振動子７１の環状振動系１９は円環形状をなしている。環状振動系１９の内側に、円盤形状の平板状振動系１４が設けられている。平板状振動系１４と環状振動系１９とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されている。
【００７３】
本例では、平板状振動系１４にＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。振動子４１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図１６に示すように、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、平板状振動系１４に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、環状振動系１９には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸと、所定面内の屈曲振動成分ＣＹとが励振される。この際、所定面内の屈曲振動成分ＣＸ、ＣＹは、いずれも、環状振動系がその長さ方向（周方向）へと向かって伸縮する伸縮振動として現れる。
【００７４】
振動子７１に対して、図１７に示すように、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、図１５に示す駆動振動のうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的である。Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じて、振動子にコリオリ力が作用する。この結果、図１７に示すように、平板状振動系１４のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振される。これに応じて、環状振動系１９には、Ｚ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。このＦＺの振動は、環状振動系の屈曲振動となるので、伸縮振動よりも感度が高い可能性がある。むろん、この方法によって、Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度を検出することもできる。
【００７５】
図１８は、振動子８１を示す正面図である。振動子８１の環状振動系１９、連結部４Ａ−４Ｄの形態およびその動作は、図１５−図１７に示したものと同じである。ただし、本例では第二の環状振動系２４を駆動振動体として使用している。即ち、第二の環状振動系２４に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動は、各連結部との接続部分を始点とする屈曲振動となる。
【００７６】
また、外側の環状振動系に駆動振動を励振し、内側振動系、特に平板状振動系において検出振動を検出することができる。図１９は、この実施形態にも係るものである。
【００７７】
即ち、環状振動系１９に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動は、各連結部との接続部分を始点とする屈曲振動となる。振動子９１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、環状振動系１９に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、第二の環状振動系２４には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸ、ＣＹが励振される。
【００７８】
また、振動子９１に対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、駆動振動成分のうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、環状振動系１９のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、環状振動系２４に、Ｚ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００７９】
本発明においては、環状振動系を３つ以上設けることができる。この場合には、いずれの環状振動系に駆動振動を励振してもよいが、少なくとも駆動振動を励振していない環状振動系において検出振動を検出する必要がある。環状振動系の個数の上限は特に限定されないが、製造上の観点からは４個以下とすることが好ましい。
【００８０】
この際、特に好ましくは、検出振動を行う環状振動系を２以上設け、各環状振動系において、それぞれ異なる軸を中心とする回転成分の角速度を検出することができる。これによって、同じ振動子を使用して、相異なる軸を中心とする回転成分の角速度を検出することができ、しかも、各角速度の値のＳ／Ｎ比を一層向上させることかできる。
【００８１】
この場合には、Ｘ軸またはＹ軸を中心とする回転成分の角速度を、一つの環状振動系において検出し、Ｚ軸を中心とする回転成分の角速度を、これとは別の環状振動系において検出することができる。更には、３つの環状振動系において、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をそれぞれ中心とする各回転成分の角速度をそれぞれ別個に検出することができる。図２０は、三つの環状振動系を有する振動子に係るものである。
【００８２】
振動子１０１は、環状振動系１９と、第二の環状振動系２４と、外側環状振動系３４とを備えている。環状振動系１９、２４、３４は、例えば円環形状をなしている。環状振動系１９と第二の環状振動系２４とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されている。環状振動系１９と外側環状振動系３４とは、例えば４列の連結部４Ｇ、４Ｈ、４Ｉ、４Ｊによって連結されており、これらの間に中空部６Ｉ、６Ｊ、６Ｋ、６Ｌが形成されている。
【００８３】
本例では、環状振動系１９に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。振動子１０１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、環状振動系１９に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、環状振動系２４には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸと、所定面内の屈曲振動成分ＣＹとが励振される。外側の環状振動系３４には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸと、所定面内の屈曲振動成分ＣＹとが励振される。
【００８４】
振動子１０１に対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的である。Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じて、振動子にコリオリ力が作用する。この結果、環状振動系１９のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振される。これに応じて、第二の環状振動系２４と外側の環状振動系３４には、それぞれ、Ｚ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００８５】
そして、例えば内側の第二の環状振動系２４において、Ｚ軸を中心とする回転成分の角速度を検出し、外側の環状振動系３４において、Ｘ軸および／またはＹ軸を中心とする回転成分の角速度を検出する。
【００８６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、感度が高く、Ｓ／Ｎ比が良好な、新しい原理に基づく振動型ジャイロスコープおよび振動子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、振動子１Ａを示す斜視図であり、（ｂ）は、振動子１Ａの駆動振動１Ｂを示す正面図である。
【図２】振動子１Ａの検出振動１Ｃを示す正面図である。
【図３】振動子１１Ａの駆動振動の状態を示す斜視図である。
【図４】振動子１１Ａの検出振動１１Ｂを示す斜視図である。
【図５】振動子２１Ａを示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、振動子２１Ａの駆動振動２１Ｂを示す正面図であり、（ｂ）は、振動子２１Ａの検出振動２１Ｃを示す正面図である。
【図７】（ａ）は、振動子２１Ａの検出振動２１Ｄを示す斜視図であり、（ｂ）は検出振動２１Ｄの上面図である。
【図８】（ａ）は、振動子３１Ａを示す斜視図であり、（ｂ）は、振動子３１Ａの駆動振動３１Ｂを示す正面図である。
【図９】（ａ）は、振動子３１Ａの検出振動３１Ｃを示す斜視図であり、（ｂ）は検出振動３１Ｃの上面図である。
【図１０】振動子４１およびその駆動振動を示す正面図である。
【図１１】振動子４１をＺ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１２】振動子４１をＹ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１３】振動子５１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図１４】振動子６１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図１５】振動子７１およびその駆動振動を示す正面図である。
【図１６】振動子７１をＺ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１７】振動子７１をＹ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１８】振動子８１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図１９】振動子９１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図２０】振動子１０１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１１Ａ、２１Ａ、３１Ａ、４１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１振動子，１Ｂ、１１Ｂ、２１Ａ、３１Ｂ駆動振動，１Ｃ、１１Ｂ、２１Ｃ、３１Ｃ検出振動，２、１２、１９、２２、４２環状振動系，３Ａ基部，４Ａ−４Ｊ連結部，５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ、５Ｇ、５Ｈ基部から突出する屈曲振動片，１４平板状振動系（円盤状振動体），１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ環状振動系から重心ＧＯの方へと向かって延びる屈曲振動片，１５Ｅ、１５Ｆ、１５Ｇ、１５Ｈ環状振動系から外側へと向かって延びる屈曲振動片，２４平板状振動系（円環形状の振動体），３４外側環状振動系，ＡＸ駆動振動のうちＸ軸方向の振動成分，ＡＹ駆動振動のうちＹ軸方向の振動成分，ＢＸＺ軸を中心とする回転成分によって駆動振動系に引き起こされた振動のＸ軸方向の成分，ＢＹＺ軸を中心とする回転成分によって駆動振動系に引き起こされた振動のＹ軸方向の成分，ＣＸＺ軸を中心とする回転成分による検出振動のうちＸ軸方向の成分，ＣＹＺ軸を中心とする回転成分による検出振動のうちＹ軸方向の成分，ＥＺＹ軸を中心とする回転成分によって駆動振動系に引き起こされた振動のＺ軸方向の成分，ＦＺＹ軸を中心とする回転成分によって検出振動系に引き起こされた振動のＺ軸方向の成分，Ｏ回転中心，ＧＤ駆動振動の重心，ＧＯ振動子の全体の重心

Claims

環状振動系とその内側の基部とが連結部により連結され、さらに基部より環状振動系に向かって突出する他の振動系を備えていることを特徴とする、振動子。
前記環状振動系と前記他の振動系とが、所定面内に延びていることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
前記他の振動系が、前記振動子の重心から見たときに前記基部の外周縁部から前記環状振動系に向かって延びている屈曲振動片を備える内側振動系であることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
前記内側振動系が平板状振動系からなることを特徴とする、請求項３記載の振動子。
前記屈曲振動片が、前記振動子の重心を中心として互いに回転対称の位置に設けられていることを特徴とする、請求項３記載の振動子。
前記環状振動系の振動の全体の重心が、前記振動子の重心の近傍領域内にあることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
回転系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１−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、前記環状振動系と前記他の振動系との一方に設けられている励振手段と、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、前記環状振動系と前記他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、振動型ジャイロスコープ。
回転系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３または５記載の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、前記環状振動系と前記内側振動系の前記屈曲振動片との一方に設けられている励振手段と、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、前記環状振動系と前記屈曲振動片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、振動型ジャイロスコープ。
回転系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４記載の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、前記環状振動系と前記平板状振動系との一方に設けられている励振手段と、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、前記環状振動系と前記平板状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、振動型ジャイロスコープ。
前記環状振動系と前記他の振動系とが所定面内に延びており、前記振動型ジャイロスコープが、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転の回転角速度を検出するものであり、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転に応じて前記振動子に加わるコリオリ力によって励起される検出振動のうち、前記所定面内の面内振動成分を検出することを特徴とする、請求項７−９のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。
請求項１−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子を用いて回転系の回転角速度を検出する方法であって、前記環状振動系と前記他の振動系との一方に励振手段を設け、前記環状振動系と前記他の振動系との他方に検出手段を設け、前記励振手段によって前記振動子に駆動振動を励振し、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を、前記検出手段によって検出することを特徴とする、回転角速度の検出方法。
請求項２−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子を用いて、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転の回転角速度を検出する方法であって、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転に応じて前記振動子に加わるコリオリ力によって励起される検出振動のうち、前記所定面内の面内振動成分を検出することを特徴とする、回転角速度の測定方法。
請求項２−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子を用いて、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転の回転角速度と、前記所定面に対して平行な回転軸を中心とする回転の回転角速度とを検出する方法であって、前記所定面内に対して垂直な回転軸を中心とする回転に応じて前記振動子に加わるコリオリ力によって励起される検出振動から、前記所定面内の面内振動成分を検出し、かつ前記所定面に対して垂直な面垂直振動成分を検出することを特徴とする、回転角速度の測定方法。
直線加速度を検出するための直線加速度計であって、請求項１−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに前記振動子に加わるニュートンの力による前記振動子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴とする、直線加速度計。