JP3973742B2

JP3973742B2 - 振動型ジャイロスコープ

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Publication number: JP3973742B2
Application number: JP31777497A
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: 1997-07-04
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: US6046531A; JPH1172333A

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を用いた振動型ジャイロスコープ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】
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。
【０００５】
しかし、上述した従来の圧電振動型ジャイロスコープは、いずれの例でも、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。
【０００６】
近年になって、振動子を回転軸に対して垂直に配置（いわゆる横置き）しても、回転角速度を検出できる圧電振動型ジャイロスコープが、特開平８−１２８８３３号公報において提案されている。しかし、このような振動型ジャイロスコープにおいても、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上で限界があった。
【０００７】
また、日本音響学会平成８年春季研究発表会講演論文集Ｎｏ．３−９−２１第１０７１頁〜１０７２頁（１９９６−０３）において、図２４に概略的に示すような振動型ジャイロスコープが提案された。この振動子は、固定部１０から突出する三本のアーム５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを備えており、両端のアーム５０Ａ、５０Ｃの先端に質量部５１を設ける。そして、両端のアーム５０Ａ、５０Ｃを互いに逆位相で矢印Ｈのように固定部１０を中心として屈曲振動させる。そして、この振動子の全体を矢印ωのように紙面内で回転させると、質量部５１に加わるコリオリ力によって屈曲振動が生ずるので、中央のアーム５０Ｂの根元部分に設けられている検出電極によってこの屈曲振動を検出する。この振動型ジャイロスコープは、振動効率の高い三本音叉を利用し、振動子の全体が所定平面内から突出しないような振動子を使用したものであり、しかもその所定平面内における回転の角速度を検出可能としたものである。
【０００８】
また、本発明者は、特願平８−３１７７８１号明細書において、図２５（ａ）、（ｂ）に示すような振動型ジャイロスコープを提案した。この振動子５４において、固定部１０から細長い基部５７が延びており、基部５７には検出電極５８Ａ、５８Ｂが設けられている。基部５７の先端に一対の屈曲振動片５６Ａ、５６Ｂが設けられており、屈曲振動片に駆動電極５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ、５５Ｄが設けられている。各屈曲振動片を矢印Ｉに示すように屈曲振動させ、この振動子の全体を回転させると、コリオリ力によって矢印Ｊのように基部５７が屈曲振動する。この振動を検出電極５８Ａ、５８Ｂによって検出する。
【０００９】
しかし、これらの振動型ジャイロスコープにおいても、更に次のような問題点が残されていることを発見した。即ち、図２４に示す振動型ジャイロスコープにおいては、アーム５０Ａ、５０Ｃの駆動振動によって、各アームの基部５２、５３は、局部的に見ると伸縮振動することになる。この伸縮振動の共振周波数は、アーム５０Ｂの検出振動の共振周波数と近いために、検出信号に対して大きなノイズとなる。
【００１０】
また、図２５に示す振動型ジャイロスコープにおいても、図２５（ｂ）に示すように、屈曲振動片５６Ａ、５６Ｂが例えば矢印Ｉのように振動したときには、基部５７の根元部分５９に矢印Ｋのように応力が加わる。従って、屈曲振動片５６Ａ、５６Ｂの屈曲振動の結果、基部５７の根元部分、即ち検出電極が存在する部分に伸縮振動が発生し、この伸縮振動がノイズとなる。
【００１１】
本発明の課題は、特に所定平面内に延びる振動子に対して、この所定平面内の回転を与えたときに、この回転の角速度を検出できるような、新しい振動型ジャイロスコープを提供することである。
【００１２】
また、本発明の課題は、所定平面内に延びる振動子の屈曲振動を利用した振動型ジャイロスコープにおいて、振動子の駆動振動に応じて振動子の検出部分に伸縮振動が発生し、検出信号のノイズとなることを防止できるようにすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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、振動子と、この振動子に所定平面内の振動を励振するための励振手段と、振動子に所定平面内の回転が加わったときに振動子に加わるコリオリ力による振動子の屈曲振動を検出し、この屈曲振動に応じた信号を出力するための検出手段とを備え、前記振動子は、少なくとも一方が固定されている基部、この基部に対して交差する方向に延びる第一の脚部、基部から見て第一の脚部とは反対側に向かって基部に対して交差する方向に延びる第二の脚部、この第一の脚部に対して交差する方向に延びる第一の屈曲振動片、第一の脚部から見て第一の屈曲振動片とは反対側に向かって第一の脚部に対して交差する方向に延びる第二の屈曲振動片、第二の脚部に対して交差する方向に延びる第三の屈曲振動片、第二の脚部から見て第三の屈曲振動片とは反対側に向かって延びる第二の屈曲振動片を備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、振動子の駆動振動および検出のための振動が、所定平面内で行われ、かつ検出すべき振動として屈曲振動を使用できる。これによって、振動子の振動アームが回転軸に対して垂直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ようになった。
【００１６】
しかも、各屈曲振動片が振動したときに、これによって各脚部に伸縮振動が生じても、この伸縮振動は基部に対してほぼ対称的であって、互いに相殺される。従って、回転角速度が０のときには、各屈曲振動片の影響による基部の伸縮振動を防止でき、これによる検出信号ノイズを抑制ないし防止することができる。このような振動型ジャイロスコープは、従来の振動型ジャイロスコープの根本的な問題点を解決したものである。
【００１７】
本発明の振動子において、好ましくは、例えば図４に示すように、第一の屈曲振動片３Ａの振動Ａの位相と第二の屈曲振動片３Ｂの振動Ｂの位相とが第一の脚部４Ａに対して対称的であり、第三の屈曲振動片３Ｃの振動Ｃの位相と第四の屈曲振動片３Ｄの振動Ｄの位相とが第二の脚部４Ｂに対して対称的である。これによって、各脚部４Ａ、４Ｂが屈曲振動しにくくなる。
【００１８】
特に、好ましくは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第一の屈曲振動片３Ａおよび第二の屈曲振動片３Ｂからなる全振動系６０Ａの振動時の重心６１Ａが、第一の脚部４Ａ上またはその延長線Ｇ上にあり、第三の屈曲振動片３Ｃおよび第四の屈曲振動片３Ｄからなる全振動系６０Ｂの振動時の重心６１Ｂが、第二の脚部４Ｂ上またはその延長線Ｇ上にある。これによって、駆動振動時に、各脚部４Ａ、４Ｂが屈曲振動せず、この屈曲振動による基部６の屈曲振動が生じなくなる。
【００１９】
また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、各屈曲振動片３Ａ、３Ｂの振動に伴って、第一の脚部４Ａ、第一の屈曲振動片３Ａおよび第二の屈曲振動片３Ｂからなる全振動系６２Ａの振動時における重心６３Ａが振動する。これと共に、各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄの振動に伴って、第一の脚部４Ｂ、第三の屈曲振動片３Ｃおよび第四の屈曲振動片３Ｄからなる全振動系６２Ｂの振動時における重心６３Ｂが振動する。この際、重心６３Ａの振動の位相と、重心６３Ｂの振動の位相とが、基部６に対して対称的であることが好ましい。これによって、各振動系６２Ａ、６２Ｂから基部６に対して加わる応力が相殺され易い。
【００２０】
この際、特に好ましくは、第一の脚部４Ａ、第一の屈曲振動片３Ａおよび第二の屈曲振動片３Ｂからなる全振動系６２Ａの振動によって基部６に加わる応力ＦＡと、第二の脚部４Ｂ、第三の屈曲振動片３Ｃおよび第四の屈曲振動片３Ｄからなる全振動系６２Ｂの振動によって基部６に加わる応力ＦＢとが、基部６において互いに相殺されるように振動子を設計する。これによって、基部６の屈曲振動によるノイズを防止できる。
【００２１】
また、特に好ましくは、第一の脚部４Ａ、第一の屈曲振動片３Ａ、第二の屈曲振動片３Ｂ、第二の脚部４Ａ、第三の屈曲振動片３Ｃおよび第四の屈曲振動片３Ｄからなる全振動系の振動時における重心６４が、基部６上またはその延長線Ｍ上に位置するようにする。
【００２２】
また、本発明は（図４を参照すると）、少なくとも一方が固定されている基部６、基部６に対して交差する方向に延びる第一の脚部４Ａ、基部６から見て第一の脚部４Ａとは反対側に向かって基部６に対して交差する方向に延びる第二の脚部４Ｂ、第一の脚部４Ａの一方の側に設けられている第一の振動系、第一の脚部４Ａの他方の側に設けられている第二の振動系、第二の脚部４Ｂの一方の側に設けられている第三の振動系、および第二の脚部４Ｂの他方の側に設けられている第四の振動系を備えており、第一の振動系の重心の振動の位相と第二の振動系の重心の振動の位相とが第一の脚部４Ａに対して対称的であり、第三の振動系の重心の振動の位相と第四の振動系の重心の振動の位相とが第二の脚部４Ｂに対して対称的である振動子を提供する。
【００２３】
また、本発明は（図５を参照すると）、少なくとも一方が固定されている基部６、この基部６に対して交差する方向に延びる第一の脚部４Ａ、基部６から見て第一の脚部４Ａとは反対側に向かって基部６に対して交差する方向に延びる第二の脚部４Ｂ、第一の脚部４Ａの一方の側に設けられている第一の振動系、第一の脚部４Ａの他方の側に設けられている第二の振動系、第二の脚部４Ｂの一方の側に設けられている第三の振動系、および第二の脚部４Ｂの他方の側に設けられている第四の振動系を備えており、第一の脚部４Ａ、第一の振動系および第二の振動系からなる全振動系６２Ａの振動時における重心６３Ａの振動の位相と、第二の脚部４Ｂ、第三の振動系および第四の振動系からなる全振動系６２Ｂの振動時における重心６３Ｂの振動の位相とが、基部６に対して対称的である振動子を提供する。
【００２４】
これらの発明の好適な態様においては、第一の振動系が、第一の脚部に対して交差する方向に延びる第一の屈曲振動片３Ａであり、第二の振動系が、第一の脚部から見て第一の屈曲振動片とは反対側に向かって第一の脚部に対して交差する方向に延びる第二の屈曲振動片３Ｂであり、第三の振動系が、第二の脚部に対して交差する方向に延びる第三の屈曲振動片３Ｃであり、第四の振動系が、第二の脚部から見て第三の屈曲振動片とは反対側に向かって第二の脚部に対して交差する方向に延びる第四の屈曲振動片３Ｄである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の振動子の変位は、所定平面内で生ずる。このため、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。
【００２６】
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特に好ましい。また、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）単結晶等からなる単結晶を使用することが好ましい。こうした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。
【００２７】
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。
【００２８】
音叉型の振動子を使用した角速度センサとしては、例えば前述した特開平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、振動子が２つの方向に向かって振動する。このため、振動子を特に前記したような単結晶によって形成した場合には、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。
【００２９】
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。
【００３０】
これに対して、本発明におけるように振動子の全体を所定平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することで、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。
【００３１】
即ち、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。
【００３２】
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。
【００３３】
本発明の振動子を圧電単結晶等の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。また、本発明の振動子を圧電単結晶、ＰＺＴ等の圧電セラミックス等の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。
【００３４】
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。
【００３５】
本発明の振動子においては、基部の長手方向と各脚部の長手方向とは、必ずしも垂直である必要はないが、垂直であることが好ましい。また、各脚部の長手方向と各屈曲振動片の長手方向とは、必ずしも垂直である必要はないが、垂直であることが好ましい。
【００３６】
図１は、本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ａを示す概略斜視図である。この振動子２Ａにおいては、固定部１０の突出部９から、基部６と一対の共振アーム７Ａ、７Ｂとが互いに平行に延びている。基部６の先端部分には、基部６に対して垂直な方向に向かって、第一の脚部４Ａと第二の脚部４Ｂとが延びている。第一の脚部４Ａと第二の脚部４Ｂとの交差部分には、基部６とは反対方向へと向かって突出する突出部５が設けられている。第一の脚部４Ａの先端には、脚部４Ａに対して垂直な方向へと向かって第一の屈曲振動片３Ａと第二の屈曲振動片３Ｂとが互いに反対方向へと延びている。また、第二の脚部４Ｂの先端には、脚部４Ｂに対して垂直な方向へと向かって第三の屈曲振動片３Ｃと第四の屈曲振動片３Ｄとが互いに反対方向へと延びている。
【００３７】
各屈曲振動片の駆動、検出方式は特に限定されないが、本実施形態においては、図２（ａ）、（ｂ）に示すような構成の駆動電極、検出電極を使用している。ここでは、水晶のように所定平面内に三回対称軸（ａ軸）を有している圧電単結晶を使用して振動子を形成し、かつ圧電単結晶のｃ軸が所定平面に対して垂直な方向に向かっている。この実施形態においては、各屈曲振動片における電圧の印加方向と、各共振アームにおける信号電圧の方向とが、それぞれａ軸に向かうようにすることが好ましい。
【００３８】
このため、屈曲振動片３Ａ、３Ｃ（および３Ｂ、３Ｄ）においては、図２（ａ）に示すように、駆動電極１１Ａと１１Ｂとの一方を高周波電源に接続し、他方をアースすることによって、ａ軸方向に高周波電圧を印加できるようにした。また、共振アーム７Ａ、７Ｂにおいては、図２（ｂ）に示すように、検出電極１２Ｂをアースし、検出電極１２Ａを検出部１４に接続することによって、ａ軸方向に発生する信号電圧を検出できるようにした。
【００３９】
図３（ａ）は、振動子２Ａの駆動振動の形態を示す線図である。ここでは、各屈曲振動片３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを、矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのように屈曲振動させる。この際、第一の屈曲振動片３Ａと第二の屈曲振動片３Ｂとの振動は脚部４Ａに対して対称的であるので、脚部４Ａには屈曲振動は生じない。ただし、脚部４Ａには、その長手方向への伸縮振動は生ずる。これと同様に、第三の屈曲振動片３Ｃと第四の屈曲振動片３Ｄとの振動は脚部４Ｂに対して対称的であるので、脚部４Ｂには屈曲振動は生じず、その長手方向への伸縮振動のみが生ずる。この結果、基部６には各脚部４Ａ、４Ｂの屈曲振動による影響はなく、しかも各脚部が伸縮振動しても、その伸縮振動は基部６に対して対称的であるために、基部６に対する影響はほとんど無視できる程度であった。
【００４０】
図３（ｂ）は、この振動子２Ａの検出振動を示す線図である。この振動においては、各屈曲振動片に対してそれぞれ加わるコリオリ力に応じて、屈曲振動片３Ａ、３Ｃと３Ｂ、３Ｄとが互いに逆方向へと振動する。この振動の非対称性のために、基部６が振動し、基部６の振動に対して各共振アーム７Ａ、７Ｂが基部６とは逆相で振動する。各共振アーム７Ａ、７Ｂに設けられている検出電極１２Ａ、１２Ｂによって、この振動の振幅を検出する。なお、１５は静止状態の振動子の形態を示す。
【００４１】
なお、本発明においては、後述するように共振アームを使用しないで、基部６に検出電極を設けることもできる。しかし、固定部から基部と共に少なくとも一対の共振アームを突出させ、基部の振動に対して共振アームを共振させることによって、特に検出振動の減衰を少なくし、Ｑ値を大きく改善することができる。
【００４２】
また、本実施形態においては、固定部９、１０からの共振アーム７Ａ、７Ｂの突出位置において、共振アームの両側の固定部からの突出寸法を異ならせることによって、いわゆるスプリアスモードの振動の固有共振周波数を変動させている。即ち、各共振アーム７Ａ、７Ｂの外側には寸法ａの切り欠き部８Ａ、８Ｂが設けられており、これによって固定部１０から高さａの突出部９が形成されている。この結果、スプリアスモードの振動の固有共振周波数を、駆動振動の固有共振周波数から離すことができる。
【００４３】
通常、図３（ａ）に示す駆動振動の固有共振周波数と、図３（ｃ）に示すスプリアスモードの振動の固有共振周波数との差が５０Ｈｚ以下となると、この共振アームの同相振動（スプリアスモードの振動）によって生ずる信号が、検出信号に比べて非常に大きくなてしまう。
【００４４】
しかし、図１において、寸法ａを大きくするのに従って、スプリアスモードの振動の固有共振周波数が著しく変化し、駆動振動の固有共振周波数からずれてくる。特にａをアームの長さの１／１０以上とすることによって、スプリアスモードの固有共振周波数を駆動振動の固有共振周波数から大きく逸らすことが可能になった。
【００４５】
このように、固定部からの共振アームの突出位置において、共振アームの両側の固定部からの突出寸法を異ならせることが、スプリアスモードの振動の影響によるノイズを減少させるために有効であり、このためにはａをアームの長さの１／１０以上とすることが特に好ましい。これはアームの長さの６／１０以下とすることが好ましい。
【００４６】
図４、図５は、いずれも各振動系の振動形態を説明するための図であり、前述した。
【００４７】
図６〜図７は、いずれも、本発明の各実施形態に係る振動型ジャイロスコープを概略的に示す斜視図である。各図面において、図１に示した各構成部分と同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明は省略する。
【００４８】
図６の振動型ジャイロスコープ１Ｂの振動子２Ｂにおいては、基部５を設けていない。駆動方法、検出方法は、図１に示す振動型ジャイロスコープと同じである。こうした振動型ジャイロスコープにおいても前記した本発明の作用効果を奏することができる。ただし、本例では、脚部４Ａ、４Ｂの下側には基部６が存在するのに、脚部の上側には突出部が存在しておらず、このために駆動振動の際に振動子の全体の応力分布が脚部４Ａ、４Ｂに対して非対称的になる。このため、屈曲振動片３Ａと３Ｂとの振動の振幅、および屈曲振動片３Ｃと３Ｄとの振動の振幅が、基部６が存在しない方向へと向かって増大し、矢印Ｅ方向へと向かって大きく振動する傾向がある。これが基部６の伸縮振動として現れる傾向がある。
【００４９】
従って、図１に示すように、基部６とは反対側に突出部５を設けることによって、各屈曲振動片の駆動振動を、脚部４Ａ、４Ｂに対して線対称とすることが好ましい。このためには、突出部５の長さを、基部６の長さの１／１０以上とすることが特に好ましい。
【００５０】
ただし、突出部５の長さが基部６の長さの２／３を越えると、振動子の駆動振動の固有共振周波数と検出振動の固有共振周波数との差が大きくなり、検出感度が低下する傾向がある。従って、突出部５の長さを、基部６の長さ以下とすることが好ましい。
【００５１】
図７の振動型ジャイロスコープ１Ｃの振動子２Ｃにおいては、共振アームを設けることなく、基部６の根元部分に検出電極１２Ａ、１２Ｂを設ける。これによって、基部６の振動を直接検出する。
【００５２】
図８の振動型ジャイロスコープ１Ｄの振動子２Ｄにおいては、振動子の全体の固定枠１５の内側に固定部９を設け、固定部９から基部６および一対の共振アーム７Ａ、７Ｂを突出させている。また、脚部４Ａ、４Ｂから見て、基部６の反対側に突出部１４を設け、この突出部１４を固定枠１５の内側に連続させている。この結果、脚部４Ａ、４Ｂは、基部６と突出部１４との双方から拘束を受けている。
【００５３】
この振動型ジャイロスコープ１Ｄも、図１の振動型ジャイロスコープ１Ａと同様に動作する。ただし、各屈曲振動片が駆動振動するときには、各脚部４Ａ、４Ｂには伸縮方向への応力が加わる。そして、この応力によって基部６に歪みが生じやすい。これに対して、例えば図１等に示すように、基部５が固定枠に対して拘束されていない場合には、この伸縮方向の応力による基部６の歪みが少ない。
【００５４】
参考例である、図９の振動型ジャイロスコープ１Ｅの振動子２Ｅにおいては、固定部である固定片部１６の一方の側に、基部６、一対の共振アーム７Ａ、７Ｂが突出している。これと共に、固定片部１６の他方の側には共振片１９が設けられている。固定片部１６の両端は、それぞれ、図示しない固定部分に対して連続している。本実施形態の共振片１９は、固定片部１６から突出している突出部１７、突出部１７から突出している一対の共振アーム１８Ａ、１８Ｂおよび基部２８を備えている。
【００５５】
基部２８の先端部分には、基部２８に対して垂直な方向に向かって、一対の脚部２６Ａと２６Ｂとが延びている。各脚部２６Ａと２６Ｂとの交差部分には、基部２８とは反対方向へと向かって突出する突出部２９が設けられている。脚部２６Ａの先端には、脚部２６Ａに対して垂直な方向へと向かって延びる一対の屈曲振動片２０Ａ、２０Ｂが設けられている。また、脚部２６Ｂの先端には、脚部２６Ｂに対して垂直な方向へと向かって延びる一対の屈曲振動片２０Ｃ、２０Ｄが設けられている。
【００５６】
駆動時には、各屈曲振動片３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを駆動し、これに対して共振片１９の各屈曲振動片２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを共振させる。この振動子２Ｅの全体を所定平面内で回転させ、共振アーム７Ａ、７Ｂを前記したように振動させると共に、共振片１９の共振アーム１８Ａ、１８Ｂを屈曲振動させる。共振片１９の共振アーム１８Ａ、１８Ｂに設けられている検出電極１２Ａ、１２Ｂによって、この振動を検出する。
【００５７】
以上述べてきた各実施形態においては、圧電単結晶のａ軸の方向に電圧を印加することによって、各アームを駆動していた。これに対して、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶の場合には、例えば図８に示すように、紙面と平行な方向にａ軸を配向させ、ｃ軸が紙面に対して５０°の角度をなすようにすることが、温度特性の観点からもっとも有利である。この場合には、紙面に対して垂直な方向に電圧を印加することで、各屈曲振動片を屈曲振動させる。図８、図１１は、この実施形態に係る振動型ジャイロスコープを示すものである。
【００５８】
図１０の振動型ジャイロスコープ１Ｆの振動子２Ｆは、上述のような圧電単結晶の板からなっている。固定部１０の突出部９から、基部６と一対の共振アーム２７Ａ、２７Ｂとが互いに平行に延びている。基部６の先端部分には、基部６に対して垂直な方向に向かって、第一の脚部４Ａと第二の脚部４Ｂとが延びている。第一の脚部４Ａの先端には、脚部４Ａに対して垂直な方向へと向かって第一の屈曲振動片２３Ａと第二の屈曲振動片２３Ｂとが互いに反対方向へと延びている。また、第二の脚部４Ｂの先端には、脚部４Ｂに対して垂直な方向へと向かって第三の屈曲振動片２３Ｃと第四の屈曲振動片２３Ｄとが互いに反対方向へと延びている。
【００５９】
各屈曲振動片においては、図１１（ａ）に示すように、駆動電極２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄが設けられており、駆動電極２１Ａと２１Ｃとが対向しており、駆動電極２１Ｂと２１Ｄとが対向している。電極２１Ａ−２１Ｃと電極２１Ｂ−２１Ｄとの間では、高周波電圧の印加方向が逆になっており、これによって各屈曲振動片を所定平面内で屈曲振動させることができる。
【００６０】
各共振アーム２７Ａ、２７Ｂにおいては、図１１（ｂ）に示すように、検出電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄが設けられており、検出電極２２Ａと２２Ｃとが対向しており、検出電極２２Ｂと２２Ｄとが対向している。検出電極２２Ｃ、２２Ｄをアースし、検出電極２２Ａ、２２Ｂを検出部１４に接続する。
【００６１】
また、本発明においては、屈曲振動片および／または共振アームに、その長手方向に向かって延びる貫通孔を設けることができる。これによって、屈曲振動片および／または共振アームの振動の固有共振周波数を低下させ、振動のＱ値を一層向上させることができる。図１２〜図１５は、この実施形態に係る各振動型ジャイロスコープを示すものである。
【００６２】
図１２の振動型ジャイロスコープ１Ｇの振動子２Ｇにおいては、固定部１０の突出部９から、基部６と一対の共振アーム３７Ａ、３７Ｂとが互いに平行に延びている。
【００６３】
第一の脚部４Ａの先端には、脚部４Ａに対して垂直な方向へと向かって第一の屈曲振動片３３Ａと第二の屈曲振動片３３Ｂとが互いに反対方向へと延びている。また、第二の脚部４Ｂの先端には、脚部４Ｂに対して垂直な方向へと向かって第三の屈曲振動片３３Ｃと第四の屈曲振動片３３Ｄとが互いに反対方向へと延びている。
【００６４】
各屈曲振動片３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄには、それぞれ、屈曲振動片の長手方向に延びる貫通孔３０Ａが形成されている。そして、各屈曲振動片には、図１３（ａ）に示すように、各貫通孔３０Ａの外側壁面に駆動電極３１Ａ、３１Ｄが設けられており、内側壁面に駆動電極３１Ｂ、３１Ｃが設けられている。
【００６５】
本実施形態では、水晶のように、所定平面内に三回対称軸のａ軸を有する圧電単結晶板を使用している。各屈曲振動片では、図１３（ａ）に示すように、外側面上の駆動電極３１Ａ、３１Ｄが交流電源１３に接続されており、内側面上の駆動電極３１Ｂ、３１Ｃがアースされている。この結果、駆動電極３１Ａ−３１Ｂの組み合わせと、駆動電極３１Ｃ−３１Ｄの組み合わせとの間では、電圧の印加方向が逆になるので、屈曲振動片が屈曲する。
【００６６】
また、各共振アーム３７Ａ、３７Ｂには、それぞれ、共振アームの長手方向に延びる貫通孔３０Ｂが形成されている。そして、図１３（ｂ）に示すように、各貫通孔３０Ｂの外側壁面に検出電極３２Ａ、３２Ｄが設けられており、内側壁面に検出電極３２Ｂ、３２Ｃが設けられている。各共振アームでは、検出電極３２Ａ−３２Ｂ側と３２Ｃ−３２Ｄ側との間で、発生する電界が逆方向になる。
【００６７】
そして、本実施形態におけるように、各共振アームや各屈曲振動片の各貫通孔において、各貫通孔の両側で、内側面と外側面とに一対の駆動電極を設けることで、１本の屈曲振動片または共振アームを屈曲させることができる。検出側においても同様である。
【００６８】
図１４の振動型ジャイロスコープ１Ｈの振動子２Ｈにおいては、固定部１０の突出部９から、基部６と一対の共振アーム４７Ａ、４７Ｂとが互いに平行に延びている。第一の脚部４Ａの先端には、第一の屈曲振動片４３Ａと第二の屈曲振動片４３Ｂとが延びており、第二の脚部４Ｂの先端には、第三の屈曲振動片４３Ｃと第四の屈曲振動片４３Ｄとが延びている。
【００６９】
本実施形態では、タンタル酸リチウムの１３０°Ｙ板を使用しており、ｃ軸が振動子の主面に対して５０°をなしている。この角度で振動子の温度特性がもっとも良好になる。各屈曲振動片には、それぞれ、屈曲振動片の長手方向に延びる貫通孔３０Ａが形成されている。そして、図１５（ａ）に示すように、駆動電極２１Ａ−２１Ｃと駆動電極２１Ｂ−２１Ｄとの間で、電圧の印加方向が逆相になるので、屈曲振動片が屈曲する。
【００７０】
また、各共振アーム４７Ａ、４７Ｂには、それぞれ、共振アームの長手方向に延びる貫通孔３０Ｂが形成されている。図１５（ｂ）に示すように、各共振アームには、各貫通孔の両側の位置に、細長い検出電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄが設けらており、検出電極２２Ａ−２２Ｃと検出電極２２Ｂ−２２Ｄとの間で、発生する電界が逆方向になる。
【００７１】
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、振動子の各アームに特定形状の突起、例えば細長い突起が生成することがある。この場合には、振動子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、第一の屈曲振動片および第二の屈曲振動片からなる全振動系の振動時の重心が第一の脚部上またはその延長線上に位置するようにし、第三の屈曲振動片および第四の屈曲振動片からなる全振動系の振動時の重心が、第二の脚部上またはその延長線上に位置するように調整できる。
【００７２】
なお、本発明の振動型ジャイロスコープを構成する振動子は、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。振動子の屈曲振動を検出する際には、例えば、シリコンにドーピングを行うことによってピエゾ抵抗素子を作り、検出部分を作製できる。
【００７３】
図１６は、この実施形態に係る振動型ジャイロスコープを概略的に示す斜視図である。この振動子７１の全体はシリコン半導体プロセスによって形成されている。枠７２の内側に、突出部（固定部）７８が設けられており、突出部７８から、基部７６と一対の共振アーム７７Ａ、７７Ｂとが突出している。基部７６の先端側には、基部７６に対して垂直に延びる第一の脚部７４Ａと第二の脚部７４Ｂとが設けられており、かつ突出部７５が設けられている。各脚部７４Ａ、７４Ｂに対して垂直に延びるように、第一の屈曲振動片７３Ａ、第二の屈曲振動片７３Ｂ、第三の屈曲振動片７３Ｃ、第四の屈曲振動片７３Ｄが設けられている。
【００７４】
各屈曲振動片の外側面に静電駆動電極７９が設けられており、枠７２の各駆動電極に対向する位置に、それぞれ静電駆動電極８０が設けられている。これらの電極によって各屈曲振動片を静電的に駆動する。
【００７５】
また、各共振アーム７７Ａ、７７Ｂにはそれぞれ特定の金属がドープされた半導体ドーピング領域８１が設けられており、この半導体ドーピング領域がピエゾ抵抗素子を構成している。振動子が回転するときに、各共振アームの各ピエゾ抵抗素子８１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。
【００７６】
また、本発明の振動子を用いて、直線加速度計を作製することができる。即ち、本発明では、直線加速度が加わった場合、検出部分に加速度に比例した歪みが発生するので、この歪みに応じた直流検出信号により、加速度を測定することができる。従来の振動子を使用した直線加速度計は、振動子に駆動振動を与えたときに、駆動振動の影響によって前述したように基部に伸縮振動が生じ、この伸縮振動によるノイズ信号が大きく、このノイズ信号が温度変化に応じて大きく変動するという問題があった。直線加速度を検出する際には、ノイズ信号をベースラインとして測定値から差し引く必要がある。しかし、このノイズ信号の値が温度変化に応じて大きく変化するために、測定値からノイズ信号の寄与を差し引く際に、誤差が大きかった。
【００７７】
本発明の振動子を使用した直線加速度計によれば、振動子に駆動振動を与えたときの基部の伸縮振動によるノイズ信号が顕著に低減されているので、このノイズ信号の温度変化による誤差を防止することができる。
【００７８】
また、本発明の振動子を用いて、回転速度と直線加速度とを同時に計測するセンサーを作製することができる。本発明の振動子では、振動子に回転速度と直線加速度が同時に加わった場合、回転速度に対応する検出信号と、直線加速度に対応する信号とが同時に発生する。このときの検出信号のうち、駆動信号と同じ周波数の信号成分の振幅の変化が回転速度に比例しており、直流電圧信号成分の変化が直線加速度に比例している。
【００７９】
次に、本発明の振動型ジャイロスコープでは、振動子を支持する際、検出振動の一番小さい領域の局在する小領域で振動子を支持することで、振動子の一番動きの小さい領域を固定することができる。これによって、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、感度を上昇させる上で、検出振動の一番小さい領域の局在する小領域で振動子を支持するが最も効果的である。
【００８０】
この実施形態においては、振動子の支持を、検出振動の一番小さい領域と、駆動振動の一番小さい領域とが重なる領域で行うことが最も好ましい。これによって、検出振動のＱ値だけでなく、駆動振動のＱ値も高くなる。
【００８１】
この実施形態において、検出振動または駆動振動の一番小さい領域とは、検出振動時または駆動振動時の振動振幅の、振動子における最大振動振幅点に対する比率が最も小さい領域のことを言い、これが１０００分の２以下の範囲にある領域が好ましく、１０００分の１以下の範囲にある領域が最も好ましい。
【００８２】
また、本発明の振動子においては、検出アームの長さを駆動アームの長さよりも大きくすることが好ましく、検出アームの長さと駆動アームの長さとの比率を、１．０５〜１．２０：１．００とすることが一層好ましい。これによって、信号／雑音比率が臨界的に上昇することを発見した。この理由は明らかではないが、検出アームの方を駆動アームよりも長くすることによって、ジャイロ信号の大きさはほとんど変化せす、一方ノイズ信号の方が小さくなる傾向があることが判明した。
【００８３】
ここで、ノイズ信号とは、振動子がまったく回転していない状態で検出電極に生ずる電圧Ｎのことであり、主として駆動信号電圧が検出電極の方に漏れてくることにより発生するものと考えられる。また、ジャイロ信号とは、ある回転に対して、検出信号に現れた信号Ｒから、ノイズ信号Ｎを差し引いた信号（Ｒ−Ｎ）になる。
【００８４】
また、屈曲振動をする各アームの根元部分は、平面的に見て直角に曲がっていてもよいが、本発明者は、この根元部分にアール面を設けるか、あるいはテーパー面を設けることによって、Ｓ／Ｎ比が一層向上することを見いだした。この理由ははっきりしない。また、屈曲振動するアームとは、具体的には前記の各屈曲振動片、共振アーム、基部が該当する。
【００８５】
例えば、図１７（ａ）の模式図に示すように、屈曲振動するアームを４２とし、アーム４２が接続している部分を４１とし、４２が４１に対して垂直に曲がっているものとする。この際、テーパー面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃを設けることによって、Ｓ／Ｎ比が向上する。この際、特に接続部分４１から屈曲振動するアーム４２を見たときのテーパー角θＡ、θＢ、θＣを５０〜７０°とすることが好ましいことが判った。また、図１７（ｂ）に示すように、アール面４５を設けることもできる。ただし、ｇはアール面４５の曲率半径である。
【００８６】
図１８は、図１に示した振動子２Ａの具体的設計の一例を示す。実際に図１８に示すような振動子２Ａを作製した。ただし、図１８の各部分の寸法を表す数値は、いずれも「ｍｍ」単位である。振動子は厚さｍｍの水晶によって形成した。ａは３ｍｍとした。駆動アームである屈曲振動片３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの長さｎを６ｍｍに固定し、検出アームである共振アーム７Ａ、７Ｂの長さｍのｎに対する比率を、表１に示すように変更し、１°／秒におけるＳ／Ｎ比を測定した。また、各共振アームおよび基部の根元部分９６にテーパー面（テーパー角６０°）を設け、各屈曲振動片３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの根元部分にもテーパー面９７（テーパー角６０°）を設けた。各電極（図１参照）をクロム層及び金層によって形成した。この結果を表１に示す。
【００８７】
【表１】

【００８８】
次に、前述した図１８の振動子において、検出アームの長さｍを６．６ｍｍとし（ｍ／ｎを１．１とし）、１°／秒におけるＳ／Ｎ比を測定し、その結果を表２に示した。ただし、実験１においては９６、９７をすべて平面的に見て垂直にし、実験２では図１７（ｂ）に示すようなアール面４５を形成し、曲率半径ｇを５ｍｍとした。実験３、４、５では、それぞれ図１７（ａ）に示すようなテーパー面を形成し、そのテーパ角θＡ、θＢ、θＣを３０°、６０°、８０°とした。ｅ、ｆは５ｍｍとした。
【００８９】
【表２】

【００９０】
次に、前述した図１８の振動子において、検出アームの長さｍを６．６ｍｍとし（ｍ／ｎを１．１とし）、テーパー角６０°のテーパー面９６、９７を形成した。そして、この振動子について、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、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。
【００９１】
図１９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２０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１９および図２０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。
【００９２】
図１９によると、駆動振動系の振動による影響は、基部６においては互いに相殺し合う。このため、基部６、そして各共振アームにおいては、駆動振動による影響がほとんど見られなくなっている。図２０によると、固定部１０の中心付近の領域９９（図１８参照）においては、検出振動による影響が見られなくなっている。
【００９３】
本例では、図１９、図２０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１８に示す９９のように固定部の中央部分に局在していることが判明しているので、この領域９９を支持し、固定する。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。
【００９４】
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９９内に所定の支持孔４０を設け、支持孔４０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４０内に挿入し、固定できる。支持具を支持孔４０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４０の内周面にメタライズ層を設け、次いで支持具と支持孔４０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４０との間に樹脂を配することにより、振動子を固定できる。
【００９５】
この支持孔４０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４０が振動子を貫通する貫通孔である場合には、支持孔４０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。なお、振動子に支持孔４０を設けない場合には、領域９９の表面および／または裏面に、支持具をハンダ付けしたり、あるいは樹脂によって接着できる。
【００９６】
本発明者は、前述した図１８の振動子において、表３に示すように「底部固定」または「ノード点固定」を行った。「底部固定」の場合には、固定部１０の縁面１０ａを保持した。「ノード点固定」の場合には、支持具の表面にメタライズ層を設け、支持孔４０内に支持具を挿入し、支持具と支持孔４０の内周面とをハンダ付けした。
【００９７】
【表３】

【００９８】
また、本発明の振動型ジャイロスコープの好適な実施形態では、駆動振動を発生するために使用した電気信号を参照信号とし、駆動振動に伴って発生した、駆動振動と異なる振動モードを持つ振動を検出手段によって電気信号として取り出したときの信号を出力信号とするとき、参照信号と出力信号の位相差を検出し、検出した位相差の変化に基づいて角速度を検出する。
【００９９】
図２１は、こうした方法で使用する位相差検出装置の一例を示すブロック図である。
【０１００】
図２１に示す位相検出手段４６において、出力信号は、ＡＣ増幅器４８で増幅された後、位相差検出回路４９に供給される。参照信号は、参照信号前処理回路６４で波形等を整える前処理を行った後、同じく位相差検出回路４９に供給される。位相差検出回路４９では、供給された前処理済みの参照信号と出力信号との位相差を検出する。検出した位相差はローパスフィルタ６５およびＤＣ増幅器６６に供給され、位相差の大きさに応じた大きさを持つ直流信号となる。上述した位相差検出手段４６で求めた直流信号は、回転角速度検出回路６７に供給される。回転角速度検出回路では、予め求めておいた直流信号の大きさと回転角速度との関係に基づき、回転角速度を求めている。
【０１０１】
なお、上述した回路４６では、出力信号と参照信号との位相差を直接数値として求めることができないため、位相差に応じた直流信号の大きさから回転角速度を求めているが、直接位相差を数値として求め、予め求めた位相差と回転角速度との関係に基づき、回転角速度を求めることもできる。
【０１０２】
本発明の振動型ジャイロスコープは、こうした位相差を検出する方法に対して特に適合しており、位相差と回転角速度との間で高い直線性を得られることがわかった。ジャイロ信号と漏れ信号との比が、１：７以上となる領域、つまり漏れ信号の方が大きい領域において、特に位相差と回転角速度との間で極めて高い直線性が得られることが判明した。なお、漏れ信号が大きくなりすぎると、いかに圧電単結晶を使用しても、検出限界を越えてしまう。そのため、漏れ信号の上限は、振動型ジャイロスコープの検出感度に応じて決定される。
【０１０３】
このように、ジャイロ信号に対して漏れ信号の方が大きい領域、特にジャイロ信号ともれ信号との比が、１：７以上となる領域において、検出感度が低下した場合にも、位相差と回転角速度との直線性はかえって向上する。
【０１０４】
また、本発明の振動子を、２枚以上の圧電層を積層することによって、作製できる。この場合には、各圧電層の分極軸の方向は互いに異ならせることが好ましく、各圧電層の分極軸の方向がそれぞれ振動子の主面に対して直交していることが最も好ましい。
【０１０５】
図２２は、この実施形態に係る振動型ジャイロスコープ６８および振動子６９を概略的に示す斜視図であり、図２３（ａ）、（ｂ）は、図２２においてＸＸＩＩＩ（ａ）、（ｂ）線−ＸＸＩＩＩ（ａ）、（ｂ）線に沿って切ってみた断面図である。
【０１０６】
振動子６９の全体は、二枚の平板状体８８Ａと８８Ｂとの接合体からなっている。平板状体８８Ａの分極方向（矢印９１で示す）と平板状体８８Ｂの分極方向（矢印９２で示す）とは正反対であり、かつ一方の主面９０Ａ、他方の主面９０Ｂに対して直交している。
【０１０７】
固定部１０の突出部８６から、基部１００と一対の共振アーム８５Ａ、８５Ｂとが互いに平行に延びている。基部の先端部分には、基部に対して垂直な方向に向かって、第一の脚部８３Ａと第二の脚部８３Ｂとが延びている。脚部８３Ａと８３Ｂとの交差部分には、基部とは反対方向へと向かって突出する突出部５が設けられている。第一の脚部８３Ａの先端には、脚部８３Ａに対して垂直な方向へと向かって第一の屈曲振動片８２Ａと第二の屈曲振動片８２Ｂとが互いに反対方向へと延びている。第二の脚部８３Ｂの先端には、脚部８３Ｂに対して垂直な方向へと向かって第三の屈曲振動片８２Ｃと第四の屈曲振動片８２Ｄとが互いに反対方向へと延びている。
【０１０８】
例えば屈曲振動片８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄを、図２３に矢印Ｈで示すようにＸ方向に励振できる。このためには、例えば電極８４Ａ、８４Ｃを交流電源９４に接続し，電極８４Ｂ、８４Ｄをアースし、電極８４Ａと８４Ｂとの間、８４Ｃと８４Ｄとの間に電界９３を印加する。平板状の圧電層８８Ａ、８８Ｂにおいては、電極８４Ａ、８４Ｃに近い領域では、分極軸の方向と電界の方向とが逆になり、電極８４Ｂ、８４Ｄに近い領域では、分極軸の方向と電界の方向とがほぼ同じになる。このため、屈曲振動片が、矢印Ｈのように振動する。
【０１０９】
振動子６９を、ωで示すようにＺ軸を中心として回転させると、前述したように、各共振アーム８５Ａ、８５Ｂが矢印Ｈのように振動する。この振動によって、図２３（ｂ）に示すように、共振アーム８５Ａ（８５Ｂ）において、電極８７Ａと８７Ｂとの間、電極８７Ｃと８７Ｄとの間に、矢印１０１で示すように起電力が発生する。電極８７Ｂと８７Ｄとをアースし、電極８７Ａと８７Ｃとを、所定の電圧検出装置９５に対して予め接続しておく。この電圧を測定することによって、回転角速度を算出する。
【０１１０】
【発明の効果】
以上の説明から明かなように、本発明によれば、特に所定平面内に延びる振動子に対して、この所定平面内の回転を与えたときに、この回転の角速度を検出できるような、新しい振動型ジャイロスコープを提供できる。そして振動子の駆動振動に応じて振動子の検出部分に伸縮振動が発生し、検出信号のノイズとなることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ａを概略的に示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、各屈曲振動片の駆動電極の形態を示す断面図であり、（ｂ）は各共振アームの検出電極の形態を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、振動子２Ａの駆動振動を示す線図であり、（ｂ）は、振動子２Ａの検出振動の一例を示す線図であり、（ｃ）は、スプリアスモードの振動を示す線図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、各振動系６０Ａ、６０Ｂの各重心６１Ａ、６１Ｂの振動の状態を説明するための模式図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、各振動系６２Ａ、６２Ｂの各重心６３Ａ、６３Ｂの振動の状態、および基部６に働く伸縮応力の状態を説明するための模式図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｂを概略的に示す斜視図であり、突出部５が存在していない。
【図７】本発明の更に他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｃを概略的に示す斜視図であり、共振アームが存在していない。
【図８】本発明の更に他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｄを概略的に示す斜視図であり、基部６および突出部１４が固定枠１５に連続している。
【図９】参考例の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｅを概略的に示す斜視図であり、共振片１９が設けられている。
【図１０】本発明の更に他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｆを概略的に示す斜視図である。
【図１１】（ａ）は、図１０の振動型ジャイロスコープにおいて、屈曲振動片における駆動電極の形態を示す回路図であり、（ｂ）は、共振アームにおける検出電極の形態を示す回路図である。
【図１２】本発明の更に他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｇを概略的に示す斜視図であり、各屈曲振動片および共振アームに貫通孔が設けられている。
【図１３】（ａ）は、図１２の振動型ジャイロスコープにおいて、屈曲振動片における駆動電極の形態を示す断面図であり、（ｂ）は、共振アームにおける検出電極の形態を示す断面図である。
【図１４】本発明の更に他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープ１Ｈを概略的に示す斜視図であり、各屈曲振動片および共振アームに貫通孔が設けられている。
【図１５】（ａ）は、図１４の振動型ジャイロスコープにおいて、屈曲振動片における駆動電極の形態を示す断面図であり、（ｂ）は、共振アームにおける検出電極の形態を示す断面図である。
【図１６】振動子がシリコン半導体プロセスによって形成されている場合における、振動型ジャイロスコープの一実施形態を概略的に示す斜視図である。
【図１７】（ａ）は、屈曲振動するアーム４２と、アーム４２が接続されている部分４１との境界におけるテーパー面を示す模式図であり、（ｂ）は、屈曲振動するアーム４２と、アーム４２が接続されている部分４１との境界におけるアール面を示す模式図である。
【図１８】図１の振動型ジャイロスコープ１Ａの具体的設計の一例を示す平面図である。
【図１９】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す。
【図２０】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す。
【図２１】本発明の振動型ジャイロスコープにおいて、角速度の検出に好適に使用できる位相検出装置の一形態を示すブロック図である。
【図２２】複数枚の圧電層８８Ａ、８８Ｂを積層して作製した振動子６９、および振動子６９を備えた振動型ジャイロスコープ６８を概略的に示す斜視図である。
【図２３】（ａ）は、図２２に示す振動子の各屈曲振動片における駆動振動の励起方法を説明するためのＸＸＩＩＩ（ａ）−ＸＸＩＩＩ（ａ）断面図であり、（ｂ）は、図２２に示す振動子の各共振アームにおける検出振動の検出方法を説明するためのＸＸＩＩＩ（ｂ）−ＸＸＩＩＩ（ｂ）断面図である。
【図２４】従来の振動型ジャイロスコープの駆動振動の形態を説明するための概略図である。
【図２５】（ａ）は、本発明者が開発した振動型ジャイロスコープの一形態を示す正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の振動型ジャイロスコープの駆動振動の状態を説明するための線図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、振動型ジャイロスコープ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈ、振動子
３Ａ、２３Ａ、３３Ａ、４３Ａ、第一の屈曲振動片３Ｂ、２３Ｂ、３３Ｂ、４３Ｂ、第二の屈曲振動片３Ｃ、２３Ｃ、３３Ｃ、４３Ｃ、第三の屈曲振動片３Ｄ、２３Ｄ、３３Ｄ、４３Ｄ、第四の屈曲振動片４Ａ、第一の脚部４Ｂ、第二の脚部５、突出部６、基部
７Ａ、２７Ａ、３７Ａ、４７Ａ、第一の共振アーム７Ｂ、２７Ｂ、３７Ｂ、４７Ｂ、第二の共振アーム９、１０、固定部１１Ａ、１１Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、駆動電極１２Ａ、１２Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、検出電極

Claims

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、振動子と、この振動子に所定平面内の振動を励振するための励振手段と、前記振動子に前記所定平面内の回転が加わったときに前記振動子に加わるコリオリ力による前記振動子の屈曲振動を検出し、この屈曲振動に応じた信号を出力するための検出手段とを備え、前記振動子は、固定端を有する基部、この基部に対して交差する方向に延びる第一の脚部、前記基部から見て前記第一の脚部とは反対側に向かって前記基部に対して交差する方向に延び、前記第一の脚部との交差部において前記基部と接続する第二の脚部、この第一の脚部に対して交差する方向に延びる第一の屈曲振動片、前記第一の脚部から見て前記第一の屈曲振動片とは反対側に向かって前記第一の脚部に対して交差する方向に延びる第二の屈曲振動片、前記第二の脚部に対して交差する方向に延びる第三の屈曲振動片、前記第二の脚部から見て前記第三の屈曲振動片とは反対側に向かって前記第二の脚部に対して交差する方向に延びる第四の屈曲振動片、および前記交差部分から前記基部とは反対側へと向かって突出する突出部を備えており、前記基部、前記第一及び第二の脚部、前記第一、第二、第三及び第四の屈曲振動片、及び、前記突出部が、全て、実質的に平面形状であり、同一の平面内に存在することを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
前記励振手段は、前記振動子の前記第一の屈曲振動片、前記第二の屈曲振動片、前記第三の屈曲振動片および前記第四の屈曲振動片をそれぞれ屈曲振動させ、前記検出手段は、前記振動子が前記所定平面内で回転したときに前記振動子に加わるコリオリ力による前記基部の屈曲振動を検出し、この屈曲振動に応じた信号を出力することを特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。
前記振動子は、前記基部の一方を固定している固定部と、前記基部の振動に対して共振する、前記固定部から突出している第一及び第二の共振アームとをさらに備え、前記励振手段は、前記振動子の前記第一の屈曲振動片、前記第二の屈曲振動片、前記第三の屈曲振動片および前記第四の屈曲振動片をそれぞれ屈曲振動させ、前記検出手段は、前記振動子が前記所定平面内で回転したときに前記振動子に加わるコリオリ力による前記第一及び第二の共振アームの屈曲振動を検出し、この屈曲振動に応じた信号を出力することを特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。