JP4107768B2 - 振動子および振動型ジャイロスコープ - Google Patents
振動子および振動型ジャイロスコープ 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および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】
最近、振動型ジャイロスコープを自動車に搭載し、自動車の車体の方向の制御に使用することが検討されている。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ときには、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。
【０００３】
通常、測定したい回転系の回転軸は、振動型ジャイロスコープの装着部に対して垂直である。従って、このようなジャイロスコープを実装する際、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。この問題を解決するためには、回転軸に対して垂直な所定面に沿って延び、主として所定面内で振動する振動子を備えた振動型ジャイロスコープを開発することが必要である。
【０００４】
本発明者は、この問題を解決するために、特開平１１−７２３３４号公報において、略Ｔ字形の形状を有する平面型振動子を使用し、振動型ジャイロスコープを構成することを開示した。この振動子は、一対の屈曲振動片を備えており、一対の屈曲振動片が共振する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした振動子を実際にエッチングやレーザー加工によって成形する際には、製造時の誤差によって、各振動子において、一対の屈曲振動片の共振周波数にバラツキが発生する。このため、振動子を成形した後に、各屈曲振動片の付け根部分や支持部をレーザー加工によって除去し、一対の屈曲振動片の共振周波数を一定値に調節する必要がある。
【０００６】
ところが、例えば車載用などの用途においては、振動型ジャイロスコープの使用温度範囲がきわめて広く、例えば、−４０℃−＋８５℃の温度範囲において安定に動作することが要求される。そして、室温において、一対の屈曲振動片の共振周波数を一定値に調節していても、周囲温度が高温や低温に大きく変化したときには、共振周波数の変動やバラツキが大きくなることがある。
【０００７】
本発明の課題は、所定面に沿って延び、少なくとも一対の屈曲振動辺を備える振動子において、一対の屈曲振動片の共振周波数の温度ドリフトを低減することである。
【０００８】
また、本発明の課題は、振動型ジャイロスコープにおいて、振動子に対して所定面内の回転を与えたときに、この回転の角速度を検出し、かつその検出値の温度ドリフトを低減することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定面に沿って形成されており、所定面に対して平行な一対の主面と所定面に対して略垂直な側面とを備えている複数の振動系、および、複数の振動系の各支持部を固定する固定部を備えている振動子であって、
固定部は振動子の重心を中心として４回対称の正方形をしており、固定部の四辺から四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系および二つの検出振動系が突出しており、各振動系は互いに分離されており、二つの駆動振動系は振動子の重心を中心として２回対称であり、二つの検出振動系は振動子の重心を中心として２回対称であるとともに、
各駆動振動系が、細長い支持部、この支持部の一方の側面側に突出し、所定面内で屈曲振動する一方の屈曲振動片、支持部の他方の側面側に突出し、所定面内で一方の屈曲振動片と共振する他方の屈曲振動片、一方の屈曲振動片および他方の屈曲振動片から見て支持部と反対側において支持部の延長線上に設けられ、支持部の延長線に対し略垂直な先端平坦面を有する台形状の延長部、支持部の一方の側面と一方の屈曲振動片との間に設けられている第一のテーパー部、支持部の他方の側面と他方の屈曲振動片との間に設けられている第二のテーパー部、延長部の前記一方の側面側に設けられている第三のテーパー部および延長部の前記他方の側面側に設けられている第四のテーパー部を備えており、前記支持部の長手方向に対する前記第一のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第二のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であり、前記支持部の長手方向に対する前記第一のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第三のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であり、前記支持部の長手方向に対する前記第二のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第四のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、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、前記の振動子、振動子に対して駆動振動を励振するための駆動手段、および所定面内で振動子を回転させたときにこの回転の角速度および駆動振動に応じて振動子内に励起される検出振動を検出するための検出手段を備えていることを特徴とする。
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明について更に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る振動系２５および振動子１を示す平面図であり、図２は、図１の要部拡大図である。
【００１３】
振動子１は、固定部２３と振動系２５とを備えている。振動系２５は、細長い支持部９と、支持部９の先端部４の一方の側面９ｂから突出する一方の屈曲振動片３Ａと、先端部４の他方の側面９ｃから突出する他方の屈曲振動片３Ｂとを備えている。９ａは支持部９の固定部２３への付け根である。支持部９の付け根９ａには、テーパー部１０Ａ、１０Ｂが形成されており、テーパー面１１Ａ、１１Ｂが設けられている。
【００１４】
この振動子１を、所定面（Ｘ−Ｙ面）内で回転させる。言い換えると、振動子１を所定面に対して交差する回転軸を中心として回転させる。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。
【００１５】
このとき、一対の屈曲振動片３Ａ、３Ｂに、付け根３ａを中心として、矢印Ａのように屈曲振動を励起する。３ｂは屈曲振動片の先端である。この際、一対の屈曲振動片を同位相で共振させる。すると、各屈曲振動片３Ａ、３Ｂの各屈曲振動に応じてコリオリ力が作用し、支持部９が、その付け根９ａを中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。支持部９に、図示しない検出手段を設けることによって、この屈曲振動Ｂを検出することができる。
【００１６】
こうした形態の振動子においては、各屈曲振動片３Ａと３Ｂとを中心として見たときに、＋Ｘ方向（図１において右方向）と−Ｘ方向（図１において左方向）とが非対称である。各屈曲振動片は、＋Ｘ方向に振動しやすく、−Ｘ方向には相対的に振動しにくい。前記の共振周波数には、こうした各屈曲振動片の周囲の形態の非対称性に依存する成分が含まれている。そして、こうした非対称性存成分の寄与は、温度依存性が大きく、温度ドリフトに寄与する傾向がある。
【００１７】
本発明者は、この知見に立ち、図１、図２に示すように、一方の屈曲振動片３Ａおよび他方の屈曲振動片３Ｂから見て、支持部９と反対側において支持部９の延長線上に、延長部５を形成した。これに共に、支持部９の一方の側面９ｂと一方の屈曲振動片３Ａとの間に第一のテーパー部７Ａを設け、支持部９の他方の側面９ｃと他方の屈曲振動片３Ｂとの間に第二のテーパー部７Ｂを設け、延長部５の一方の側面側に第三のテーパー部１２Ａを設け、延長部５の他方の側面側に第四のテーパー部１２Ｂを設けた。なお、５ａは延長部５の先端平坦面である。
【００１８】
これによって、各屈曲振動片３Ａ、３ＢをＸ軸方向に見たときに、屈曲振動の対称性が向上すると共に、テーパー部７Ａ、７Ｂ、１２Ａ、１２Ｂを設けたことから、Ｘ、Ｙいずれの方向についても対称性が向上し、かつ温度が変化したときに、各屈曲振動片の振動状態の変化が小さくなる。この結果、一対の屈曲振動片の共振周波数の温度ドリフトが著しく減少した。
【００１９】
支持部９の長手方向Ｇに対する、第一のテーパー部７Ａのテーパー面８Ａの角度θＡ、長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｂのテーパー面８Ｂの角度θＢ、長手方向Ｇに対する第三のテーパー部１２Ａのテーパー面６Ａの角度θＣ、および長手方向Ｇに対する第四のテーパー部１２Ｂのテーパー面６Ｂの角度θＤは、それぞれ、前記共振周波数の温度ドリフトを低減するという観点からは、２０°以上とすることが好ましい。また、駆動振動の振幅を大きくし、検出感度を向上させるという観点からは、７０°以下とすることが好ましい。
【００２０】
また、長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ａのテーパー面８Ａの角度θＡと、長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｂのテーパー面８Ｂの角度θＢの差は、Ｙ方向の屈曲振動の対称性を一層向上させるという観点からは、５°以下とすることが好ましい。
【００２１】
長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ａのテーパー面８Ａの角度θＡと、第三のテーパー部１２Ａのテーパー面６Ａの角度θＣとの差は、温度ドリフトを一層低減するという観点から、２０°以下とすることが好ましい。長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｂのテーパー面８Ｂの角度θＢと、第四のテーパー部１２Ｂのテーパー面６Ｂの角度の差θＤとの差は、温度ドリフトを一層低減するという観点から、２０°以下とすることが好ましい。
【００２２】
本発明の振動子は、好ましくは、振動系を複数備えており、更に複数の振動系の各支持部を固定する固定部を備えている。図３は、この実施形態に係る振動子１Ａを示す平面図である。
【００２３】
固定部２３Ａは、振動子の重心ＧＯを中心として、４回対称の正方形をしている。固定部２３Ａの四辺２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄから、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系２５Ａ、２５Ｂ、および二つの検出振動系１５Ａ、１５Ｂが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系２５Ａと２５Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系１５Ａと１５Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称である。固定部２３Ａの中央の重心ＧＯの近傍に、支持孔１４が形成されており、図示しない支持手段にによって支持孔１４またはその近傍を支持する。
【００２４】
各駆動振動系２５Ａ、２５Ｂは、支持部９Ａ、９Ｂ、先端部４Ａ、４Ｂ、各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、および延長部５Ａ、５Ｂを備えている。これらの各構成部分の形態、機能は、前述したとおりである。本例では、各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆには、図示しない駆動手段が設けられており、各検出振動片１５Ａ、１５Ｂには図示しない検出手段が設けられている。
【００２５】
駆動振動モードにおいては、各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆを、先端部４Ａ、４Ｂへの付け根付近を中心として矢印Ｃのように屈曲振動させる。この際、屈曲振動片３Ｃと３Ｄとの位相は同位相であり、屈曲振動片３Ｅと３Ｆとの位相は同位相であり、屈曲振動片３Ｃ、３Ｄと３Ｅ、３Ｆとの位相は逆位相であり、全体として所定の共振周波数で共振する。
【００２６】
この状態で、振動子１Ａを、Ｚ軸を中心として回転させると、各支持部９Ａ、９Ｂが、矢印Ｄのように、付け根９ａを中心として屈曲振動し、これに応じて、各検出振動片１５Ａ、１５Ｂが、矢印Ｅのように屈曲振動する。
【００２７】
この検出振動モードを、図５に示す。支持部９Ａ、９Ｂが固定部２３Ａへの付け根を中心として周方向に屈曲振動し、これに対応して、検出振動片１５Ａ、１５Ｂが屈曲振動していることがわかる。
【００２８】
図４（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、各テーパー面の好適形態について説明する。図３に示す振動子のように、本発明の振動系を複数備えている場合には、各振動系において、対応する各テーパー面が、複数の振動系２５Ａと２５Ｂとの中心線２２に対して線対称か、線対称に近いことが好ましい。言い換えると、好ましくは、各支持部９Ａ、９Ｂの長手方向Ｇに対する各第一のテーパー部７Ｃ、７Ｅの各テーパー面８Ｃ、８Ｅの各角度θＡの偏差が１０°以下であり、長手方向Ｇに対する各第二のテーパー部７Ｄ、７Ｆの各テーパー面８Ｄ、８Ｆの各角度の偏差θＢが１０°以下であり、長手方向Ｇに対する各第三のテーパー部１２Ｃ、１２Ｅの各テーパー面６Ｃ、６Ｅの各角度θＣの偏差が１０°以下であり、長手方向Ｇに対する各第四のテーパー部１２Ｄ、１２Ｆの各テーパー面６Ｄ、６Ｆの各角度θＤの偏差が１０°以下である。これらの各偏差は、更に５°以下であることが好ましい。これによって、一方の駆動振動系２５Ａにおいて一対の屈曲振動片３Ｃ、３Ｄが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化を、他方の駆動振動系２５Ｂにおいて一対の屈曲振動片３Ｅ、３Ｆが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化に近づけることができる。
【００２９】
また、本発明の好適な形態においては、振動子が少なくとも一方の振動系２５Ａと他方の振動系２５Ｂとを備えており、一方の振動系２５Ａにおける支持部の長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ｃのテーパー面８Ｃの角度θＡと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第三のテーパー部１２Ｅのテーパー面６Ｅの角度θＣとの偏差が１０°以下であり、一方の振動系２５Ａにおける長手方向Ｇに対する第三のテーパー部１２Ｃのテーパー面６Ｃの角度θＣと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ｅのテーパー面８Ｅの角度θＡとの偏差が１０°以下である。更に好ましくは、一方の振動系２５Ａにおける長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｄのテーパー面８Ｄの角度θＢと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第四のテーパー部１２Ｆのテーパー面６Ｆの角度θＤとの偏差が１０°以下であり、かつ、一方の振動系２５Ａにおける長手方向Ｇに対する第四のテーパー部１２Ｄのテーパー面６Ｄの角度θＤと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｆのテーパー面８Ｆの角度θＢとの偏差が１０°以下である。
【００３０】
これらの各偏差は、更に５°以下であることが好ましい。これによって、一方の駆動振動系２５Ａにおいて一対の屈曲振動片３Ｃ、３Ｄが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化を、他方の駆動振動系２５Ｂにおいて一対の屈曲振動片３Ｅ、３Ｆが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化に近づけることができる。
【００３１】
本発明の振動子においては、振動系が所定面に沿って延びているが、これは厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振動系が形成されている場合を含む。また、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。
【００３２】
本発明の振動子の変位は、所定面内で生ずる。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。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。
【００３３】
振動子の材質は特に限定しないが、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】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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に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。
【００４１】
例えば、水晶のＺ板によって、図３に示す振動子をエッチングプロセスによって成形したものとする。ただし、この際、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、延長部５Ａ、５Ｂを設けないものとする。この場合には、各テーパー部７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆにおいて、＋Ｘ方向のテーパー面８Ｅ、８Ｆ上の突起２０Ｅ、２０Ｆの方が、−Ｘ方向のテーパー面８Ｃ、８Ｄ上の突起２０Ｃ、２０Ｄよりも大きい。また、＋Ｙ方向のテーパー面８Ｃ、８Ｅの突起２０Ｃ、２０Ｅの方が、−Ｙ方向のテーパー面８Ｄ、８Ｆ上の突起２０Ｄ、２０Ｆよりも大きい。これらの各突起は、特に各屈曲振動片の振動の温度特性に強く影響する傾向がある。この結果、室温において、一方の振動系２５Ａにおける一対の屈曲振動片３Ｃと３Ｄとの固有共振周波数を、他方の振動系２５Ｂにおける一対の屈曲振動片３Ｅと３Ｆとの固有共振周波数と一致させた場合であっても、温度が変化すると、両固有共振周波数の差が大きくなり、この結果、駆動振動の全体の固有共振周波数の温度ドリフトが発生する。
【００４２】
このため、本発明の好適な実施形態においては、振動子がエッチングによって成形されており、第一のテーパー部のテーパー面、第二のテーパー部のテーパー面、第三のテーパー部のテーパー面および第四のテーパー部のテーパー面に、それぞれ突起が形成されている。
【００４３】
例えば、図７に示すように、一方の振動系２５Ａにおいて、第一のテーパー部７Ｃのテーパー面８Ｃ、第二のテーパー部７Ｄのテーパー面８Ｄ、第三のテーパー部１２Ｃのテーパー面６Ｃおよび第四のテーパー部１２Ｄのテーパー面６Ｄに、それぞれ突起２０Ｃ、２０Ｄ、２１Ｃ、２１Ｄが形成されている。また、図８に示すように、他方の振動系２５Ｂにおいて、第一のテーパー部７Ｅのテーパー面８Ｅ、第二のテーパー部７Ｆのテーパー面８Ｆ、第三のテーパー部１２Ｅのテーパー面６Ｅおよび第四のテーパー部１２Ｆのテーパー面６Ｆに、それぞれ突起２０Ｅ、２０Ｆ、２１Ｅ、２１Ｆが形成されている。
【００４４】
この結果、各振動系２５Ａ、２５Ｂの各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆの各付け根付近における形態が相似形になるので、振動系２５Ａにおける一対の屈曲振動片の固有共振周波数と、振動系２５Ｂにおける一対の屈曲振動片の固有共振周波数との各温度変化が近くなる。この結果、振動子全体の駆動振動の共振周波数の温度ドリフトも小さくなる。
【００４５】
【実施例】
（本発明例）
図３−図５、図７、図８に示す振動型ジャイロスコープを作製した。具体的には、厚さ０．３ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ２００オングストロームのクロム膜と、厚さ５０００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
【００４６】
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子の外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ２０００オングストロームのアルミニウム膜を電極膜として形成した。
【００４７】
得られた振動子の固定部２３Ａの寸法は６．０ｍｍ×６．０ｍｍであり、各検出振動片１５Ａ、１５Ｂの寸法は、幅１．０ｍｍ×長さ６．０ｍｍであった。各検出電極の寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍであり、検出振動片の付け根から１．２−４．０ｍｍの位置に形成されていた。
【００４８】
図３に示すように、振動子の中央部に０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形の支持孔１４を形成し、この支持孔１４に直径０．６ｍｍの金属ピンを通し、金属ピンに対して振動子をシリコーン樹脂接着剤によって接着した。
【００４９】
各屈曲振動片３Ｃ−３Ｆの寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍであった。各テーパー面８Ｃ、８Ｄの長手方向Ｇに対する角度θＡ、θＢは、それぞれ、２８．２°、２８．０°であった。各テーパー面８Ｅ、８Ｆの長手方向Ｇに対する角度θＡ、θＢは、それぞれ、２７．４°、２７．６°であった。各テーパー面６Ｃ、６Ｄの長手方向Ｇに対する角度θＣ、θＤは、それぞれ、２７．４°、２７．６°であった。各テーパー面６Ｅ、６Ｆの長手方向Ｇに対する角度θＣ、θＤは、それぞれ、２８．２°、２８．０°であった。突起５Ａ、５Ｂの屈曲振動片からの突出高さは０．５ｍｍであった。
【００５０】
（比較例）
本発明例において、突起５Ａ、５Ｂおよびテーパー部１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆを形成しなかった。他は本発明例と同様にして振動子を作製した。
【００５１】
（測定）
各振動型ジャイロスコープについて、振動子の検出角度の測定値の温度ドリフトを測定した。
各振動子をそれぞれ利用した各振動型ジャイロスコープについて、検出信号の測定値の−４５℃より＋８５℃の温度域におけるゼロ点信号の温度変動を測定したところ、突起のある振動子を利用した振動型ジャイロスコープの温度変動は、いずれも±１°／ｓｅｃの範囲であったが、突起のない振動子を利用した振動型ジャイロスコープの温度変動は、もっとも大きいものでも、４°／ｓｅｃの範囲であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動系２５を示す平面図である。
【図２】図１の振動系の一部を拡大して示す平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る振動子１Ａを示す平面図である。
【図４】（ａ）は、一方の駆動振動系２５Ａにおける先端部４Ａの周辺を拡大して示す平面図であり、（ｂ）は、他方の駆動振動系２５Ｂにおける先端部４Ｂの周辺を拡大して示す平面図である。
【図５】図３の振動子１Ａの検出振動の形態を例示する平面図である。
【図６】（ａ）は、一方の駆動振動系２５Ａにおける先端部４Ａの周辺を拡大して示す平面図であり（第三のテーパー部１２Ｃおよび第四のテーパー部１２Ｄが存在しない場合）、（ｂ）は、他方の駆動振動系２５Ｂにおける先端部４Ｂの周辺を拡大して示す平面図である（第三のテーパー部１２Ｅおよび第四のテーパー部１２Ｆが存在しない場合）。
【図７】一方の駆動振動系２５Ａにおける先端部４Ａの周辺を拡大して示す平面図である（第三のテーパー部１２Ｃおよび第四のテーパー部１２Ｄが存在する場合）。
【図８】他方の駆動振動系２５Ｂにおける先端部４Ｂの周辺を拡大して示す平面図である（第三のテーパー部１２Ｅおよび第四のテーパー部１２Ｆが存在する場合）。
【符号の説明】
１、１Ａ 振動子 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ屈曲振動片 ４、４Ａ、４Ｂ 支持部の先端部 ５、５Ａ、５Ｂ 延長部 ６Ａ、６Ｃ、６Ｅ 第三のテーパー面 ６Ｂ、６Ｄ、６Ｆ 第四のテーパー面 ７Ａ、７Ｃ、７Ｅ 第一のテーパー部
７Ｂ、７Ｄ、７Ｆ 第二のテーパー部 ８Ａ、８Ｃ、８Ｅ 第一のテーパー面 ８Ｂ、８Ｄ、８Ｆ 第二のテーパー面 ９ 支持部
９ｂ 一方の側面 ９ｃ 他方の側面 １２Ａ、１２Ｃ、１２Ｅ第三のテーパー部 １２Ｂ、１２Ｄ、１２Ｆ 第四のテーパー部
２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆ 突起 ２５、２５Ａ、２５Ｂ 振動系 Ａ、Ｃ 駆動振動 Ｂ、Ｅ検出振動 Ｇ 支持部の長手方向 θＡ 第一のテーパー面８Ａ、８Ｃ、８ＥのＧに対する角度 θＢ 第二のテーパー面８Ｂ、８Ｄ、８ＦのＧに対する角度 θＣ 第三のテーパー面６Ａ、６Ｃ、６ＥのＧに対する角度 θＤ 第四のテーパー面６Ｂ、６Ｄ、６ＦのＧに対する角度
【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および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】
最近、振動型ジャイロスコープを自動車に搭載し、自動車の車体の方向の制御に使用することが検討されている。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ときには、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。
【０００３】
通常、測定したい回転系の回転軸は、振動型ジャイロスコープの装着部に対して垂直である。従って、このようなジャイロスコープを実装する際、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。この問題を解決するためには、回転軸に対して垂直な所定面に沿って延び、主として所定面内で振動する振動子を備えた振動型ジャイロスコープを開発することが必要である。
【０００４】
本発明者は、この問題を解決するために、特開平１１−７２３３４号公報において、略Ｔ字形の形状を有する平面型振動子を使用し、振動型ジャイロスコープを構成することを開示した。この振動子は、一対の屈曲振動片を備えており、一対の屈曲振動片が共振する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした振動子を実際にエッチングやレーザー加工によって成形する際には、製造時の誤差によって、各振動子において、一対の屈曲振動片の共振周波数にバラツキが発生する。このため、振動子を成形した後に、各屈曲振動片の付け根部分や支持部をレーザー加工によって除去し、一対の屈曲振動片の共振周波数を一定値に調節する必要がある。
【０００６】
ところが、例えば車載用などの用途においては、振動型ジャイロスコープの使用温度範囲がきわめて広く、例えば、−４０℃−＋８５℃の温度範囲において安定に動作することが要求される。そして、室温において、一対の屈曲振動片の共振周波数を一定値に調節していても、周囲温度が高温や低温に大きく変化したときには、共振周波数の変動やバラツキが大きくなることがある。
【０００７】
本発明の課題は、所定面に沿って延び、少なくとも一対の屈曲振動辺を備える振動子において、一対の屈曲振動片の共振周波数の温度ドリフトを低減することである。
【０００８】
また、本発明の課題は、振動型ジャイロスコープにおいて、振動子に対して所定面内の回転を与えたときに、この回転の角速度を検出し、かつその検出値の温度ドリフトを低減することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定面に沿って形成されており、所定面に対して平行な一対の主面と所定面に対して略垂直な側面とを備えている複数の振動系、および、複数の振動系の各支持部を固定する固定部を備えている振動子であって、
固定部は振動子の重心を中心として４回対称の正方形をしており、固定部の四辺から四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系および二つの検出振動系が突出しており、各振動系は互いに分離されており、二つの駆動振動系は振動子の重心を中心として２回対称であり、二つの検出振動系は振動子の重心を中心として２回対称であるとともに、
各駆動振動系が、細長い支持部、この支持部の一方の側面側に突出し、所定面内で屈曲振動する一方の屈曲振動片、支持部の他方の側面側に突出し、所定面内で一方の屈曲振動片と共振する他方の屈曲振動片、一方の屈曲振動片および他方の屈曲振動片から見て支持部と反対側において支持部の延長線上に設けられ、支持部の延長線に対し略垂直な先端平坦面を有する台形状の延長部、支持部の一方の側面と一方の屈曲振動片との間に設けられている第一のテーパー部、支持部の他方の側面と他方の屈曲振動片との間に設けられている第二のテーパー部、延長部の前記一方の側面側に設けられている第三のテーパー部および延長部の前記他方の側面側に設けられている第四のテーパー部を備えており、前記支持部の長手方向に対する前記第一のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第二のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であり、前記支持部の長手方向に対する前記第一のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第三のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であり、前記支持部の長手方向に対する前記第二のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第四のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、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、前記の振動子、振動子に対して駆動振動を励振するための駆動手段、および所定面内で振動子を回転させたときにこの回転の角速度および駆動振動に応じて振動子内に励起される検出振動を検出するための検出手段を備えていることを特徴とする。
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明について更に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る振動系２５および振動子１を示す平面図であり、図２は、図１の要部拡大図である。
【００１３】
振動子１は、固定部２３と振動系２５とを備えている。振動系２５は、細長い支持部９と、支持部９の先端部４の一方の側面９ｂから突出する一方の屈曲振動片３Ａと、先端部４の他方の側面９ｃから突出する他方の屈曲振動片３Ｂとを備えている。９ａは支持部９の固定部２３への付け根である。支持部９の付け根９ａには、テーパー部１０Ａ、１０Ｂが形成されており、テーパー面１１Ａ、１１Ｂが設けられている。
【００１４】
この振動子１を、所定面（Ｘ−Ｙ面）内で回転させる。言い換えると、振動子１を所定面に対して交差する回転軸を中心として回転させる。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。
【００１５】
このとき、一対の屈曲振動片３Ａ、３Ｂに、付け根３ａを中心として、矢印Ａのように屈曲振動を励起する。３ｂは屈曲振動片の先端である。この際、一対の屈曲振動片を同位相で共振させる。すると、各屈曲振動片３Ａ、３Ｂの各屈曲振動に応じてコリオリ力が作用し、支持部９が、その付け根９ａを中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。支持部９に、図示しない検出手段を設けることによって、この屈曲振動Ｂを検出することができる。
【００１６】
こうした形態の振動子においては、各屈曲振動片３Ａと３Ｂとを中心として見たときに、＋Ｘ方向（図１において右方向）と−Ｘ方向（図１において左方向）とが非対称である。各屈曲振動片は、＋Ｘ方向に振動しやすく、−Ｘ方向には相対的に振動しにくい。前記の共振周波数には、こうした各屈曲振動片の周囲の形態の非対称性に依存する成分が含まれている。そして、こうした非対称性存成分の寄与は、温度依存性が大きく、温度ドリフトに寄与する傾向がある。
【００１７】
本発明者は、この知見に立ち、図１、図２に示すように、一方の屈曲振動片３Ａおよび他方の屈曲振動片３Ｂから見て、支持部９と反対側において支持部９の延長線上に、延長部５を形成した。これに共に、支持部９の一方の側面９ｂと一方の屈曲振動片３Ａとの間に第一のテーパー部７Ａを設け、支持部９の他方の側面９ｃと他方の屈曲振動片３Ｂとの間に第二のテーパー部７Ｂを設け、延長部５の一方の側面側に第三のテーパー部１２Ａを設け、延長部５の他方の側面側に第四のテーパー部１２Ｂを設けた。なお、５ａは延長部５の先端平坦面である。
【００１８】
これによって、各屈曲振動片３Ａ、３ＢをＸ軸方向に見たときに、屈曲振動の対称性が向上すると共に、テーパー部７Ａ、７Ｂ、１２Ａ、１２Ｂを設けたことから、Ｘ、Ｙいずれの方向についても対称性が向上し、かつ温度が変化したときに、各屈曲振動片の振動状態の変化が小さくなる。この結果、一対の屈曲振動片の共振周波数の温度ドリフトが著しく減少した。
【００１９】
支持部９の長手方向Ｇに対する、第一のテーパー部７Ａのテーパー面８Ａの角度θＡ、長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｂのテーパー面８Ｂの角度θＢ、長手方向Ｇに対する第三のテーパー部１２Ａのテーパー面６Ａの角度θＣ、および長手方向Ｇに対する第四のテーパー部１２Ｂのテーパー面６Ｂの角度θＤは、それぞれ、前記共振周波数の温度ドリフトを低減するという観点からは、２０°以上とすることが好ましい。また、駆動振動の振幅を大きくし、検出感度を向上させるという観点からは、７０°以下とすることが好ましい。
【００２０】
また、長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ａのテーパー面８Ａの角度θＡと、長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｂのテーパー面８Ｂの角度θＢの差は、Ｙ方向の屈曲振動の対称性を一層向上させるという観点からは、５°以下とすることが好ましい。
【００２１】
長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ａのテーパー面８Ａの角度θＡと、第三のテーパー部１２Ａのテーパー面６Ａの角度θＣとの差は、温度ドリフトを一層低減するという観点から、２０°以下とすることが好ましい。長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｂのテーパー面８Ｂの角度θＢと、第四のテーパー部１２Ｂのテーパー面６Ｂの角度の差θＤとの差は、温度ドリフトを一層低減するという観点から、２０°以下とすることが好ましい。
【００２２】
本発明の振動子は、好ましくは、振動系を複数備えており、更に複数の振動系の各支持部を固定する固定部を備えている。図３は、この実施形態に係る振動子１Ａを示す平面図である。
【００２３】
固定部２３Ａは、振動子の重心ＧＯを中心として、４回対称の正方形をしている。固定部２３Ａの四辺２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄから、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系２５Ａ、２５Ｂ、および二つの検出振動系１５Ａ、１５Ｂが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系２５Ａと２５Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系１５Ａと１５Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称である。固定部２３Ａの中央の重心ＧＯの近傍に、支持孔１４が形成されており、図示しない支持手段にによって支持孔１４またはその近傍を支持する。
【００２４】
各駆動振動系２５Ａ、２５Ｂは、支持部９Ａ、９Ｂ、先端部４Ａ、４Ｂ、各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、および延長部５Ａ、５Ｂを備えている。これらの各構成部分の形態、機能は、前述したとおりである。本例では、各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆには、図示しない駆動手段が設けられており、各検出振動片１５Ａ、１５Ｂには図示しない検出手段が設けられている。
【００２５】
駆動振動モードにおいては、各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆを、先端部４Ａ、４Ｂへの付け根付近を中心として矢印Ｃのように屈曲振動させる。この際、屈曲振動片３Ｃと３Ｄとの位相は同位相であり、屈曲振動片３Ｅと３Ｆとの位相は同位相であり、屈曲振動片３Ｃ、３Ｄと３Ｅ、３Ｆとの位相は逆位相であり、全体として所定の共振周波数で共振する。
【００２６】
この状態で、振動子１Ａを、Ｚ軸を中心として回転させると、各支持部９Ａ、９Ｂが、矢印Ｄのように、付け根９ａを中心として屈曲振動し、これに応じて、各検出振動片１５Ａ、１５Ｂが、矢印Ｅのように屈曲振動する。
【００２７】
この検出振動モードを、図５に示す。支持部９Ａ、９Ｂが固定部２３Ａへの付け根を中心として周方向に屈曲振動し、これに対応して、検出振動片１５Ａ、１５Ｂが屈曲振動していることがわかる。
【００２８】
図４（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、各テーパー面の好適形態について説明する。図３に示す振動子のように、本発明の振動系を複数備えている場合には、各振動系において、対応する各テーパー面が、複数の振動系２５Ａと２５Ｂとの中心線２２に対して線対称か、線対称に近いことが好ましい。言い換えると、好ましくは、各支持部９Ａ、９Ｂの長手方向Ｇに対する各第一のテーパー部７Ｃ、７Ｅの各テーパー面８Ｃ、８Ｅの各角度θＡの偏差が１０°以下であり、長手方向Ｇに対する各第二のテーパー部７Ｄ、７Ｆの各テーパー面８Ｄ、８Ｆの各角度の偏差θＢが１０°以下であり、長手方向Ｇに対する各第三のテーパー部１２Ｃ、１２Ｅの各テーパー面６Ｃ、６Ｅの各角度θＣの偏差が１０°以下であり、長手方向Ｇに対する各第四のテーパー部１２Ｄ、１２Ｆの各テーパー面６Ｄ、６Ｆの各角度θＤの偏差が１０°以下である。これらの各偏差は、更に５°以下であることが好ましい。これによって、一方の駆動振動系２５Ａにおいて一対の屈曲振動片３Ｃ、３Ｄが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化を、他方の駆動振動系２５Ｂにおいて一対の屈曲振動片３Ｅ、３Ｆが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化に近づけることができる。
【００２９】
また、本発明の好適な形態においては、振動子が少なくとも一方の振動系２５Ａと他方の振動系２５Ｂとを備えており、一方の振動系２５Ａにおける支持部の長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ｃのテーパー面８Ｃの角度θＡと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第三のテーパー部１２Ｅのテーパー面６Ｅの角度θＣとの偏差が１０°以下であり、一方の振動系２５Ａにおける長手方向Ｇに対する第三のテーパー部１２Ｃのテーパー面６Ｃの角度θＣと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第一のテーパー部７Ｅのテーパー面８Ｅの角度θＡとの偏差が１０°以下である。更に好ましくは、一方の振動系２５Ａにおける長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｄのテーパー面８Ｄの角度θＢと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第四のテーパー部１２Ｆのテーパー面６Ｆの角度θＤとの偏差が１０°以下であり、かつ、一方の振動系２５Ａにおける長手方向Ｇに対する第四のテーパー部１２Ｄのテーパー面６Ｄの角度θＤと、他方の振動系２５Ｂにおける長手方向Ｇに対する第二のテーパー部７Ｆのテーパー面８Ｆの角度θＢとの偏差が１０°以下である。
【００３０】
これらの各偏差は、更に５°以下であることが好ましい。これによって、一方の駆動振動系２５Ａにおいて一対の屈曲振動片３Ｃ、３Ｄが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化を、他方の駆動振動系２５Ｂにおいて一対の屈曲振動片３Ｅ、３Ｆが互いに共振するときの固有共振周波数およびその温度変化に近づけることができる。
【００３１】
本発明の振動子においては、振動系が所定面に沿って延びているが、これは厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振動系が形成されている場合を含む。また、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。
【００３２】
本発明の振動子の変位は、所定面内で生ずる。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。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。
【００３３】
振動子の材質は特に限定しないが、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】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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に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。
【００４１】
例えば、水晶のＺ板によって、図３に示す振動子をエッチングプロセスによって成形したものとする。ただし、この際、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、延長部５Ａ、５Ｂを設けないものとする。この場合には、各テーパー部７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆにおいて、＋Ｘ方向のテーパー面８Ｅ、８Ｆ上の突起２０Ｅ、２０Ｆの方が、−Ｘ方向のテーパー面８Ｃ、８Ｄ上の突起２０Ｃ、２０Ｄよりも大きい。また、＋Ｙ方向のテーパー面８Ｃ、８Ｅの突起２０Ｃ、２０Ｅの方が、−Ｙ方向のテーパー面８Ｄ、８Ｆ上の突起２０Ｄ、２０Ｆよりも大きい。これらの各突起は、特に各屈曲振動片の振動の温度特性に強く影響する傾向がある。この結果、室温において、一方の振動系２５Ａにおける一対の屈曲振動片３Ｃと３Ｄとの固有共振周波数を、他方の振動系２５Ｂにおける一対の屈曲振動片３Ｅと３Ｆとの固有共振周波数と一致させた場合であっても、温度が変化すると、両固有共振周波数の差が大きくなり、この結果、駆動振動の全体の固有共振周波数の温度ドリフトが発生する。
【００４２】
このため、本発明の好適な実施形態においては、振動子がエッチングによって成形されており、第一のテーパー部のテーパー面、第二のテーパー部のテーパー面、第三のテーパー部のテーパー面および第四のテーパー部のテーパー面に、それぞれ突起が形成されている。
【００４３】
例えば、図７に示すように、一方の振動系２５Ａにおいて、第一のテーパー部７Ｃのテーパー面８Ｃ、第二のテーパー部７Ｄのテーパー面８Ｄ、第三のテーパー部１２Ｃのテーパー面６Ｃおよび第四のテーパー部１２Ｄのテーパー面６Ｄに、それぞれ突起２０Ｃ、２０Ｄ、２１Ｃ、２１Ｄが形成されている。また、図８に示すように、他方の振動系２５Ｂにおいて、第一のテーパー部７Ｅのテーパー面８Ｅ、第二のテーパー部７Ｆのテーパー面８Ｆ、第三のテーパー部１２Ｅのテーパー面６Ｅおよび第四のテーパー部１２Ｆのテーパー面６Ｆに、それぞれ突起２０Ｅ、２０Ｆ、２１Ｅ、２１Ｆが形成されている。
【００４４】
この結果、各振動系２５Ａ、２５Ｂの各屈曲振動片３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆの各付け根付近における形態が相似形になるので、振動系２５Ａにおける一対の屈曲振動片の固有共振周波数と、振動系２５Ｂにおける一対の屈曲振動片の固有共振周波数との各温度変化が近くなる。この結果、振動子全体の駆動振動の共振周波数の温度ドリフトも小さくなる。
【００４５】
【実施例】
（本発明例）
図３−図５、図７、図８に示す振動型ジャイロスコープを作製した。具体的には、厚さ０．３ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ２００オングストロームのクロム膜と、厚さ５０００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
【００４６】
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子の外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ２０００オングストロームのアルミニウム膜を電極膜として形成した。
【００４７】
得られた振動子の固定部２３Ａの寸法は６．０ｍｍ×６．０ｍｍであり、各検出振動片１５Ａ、１５Ｂの寸法は、幅１．０ｍｍ×長さ６．０ｍｍであった。各検出電極の寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍであり、検出振動片の付け根から１．２−４．０ｍｍの位置に形成されていた。
【００４８】
図３に示すように、振動子の中央部に０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形の支持孔１４を形成し、この支持孔１４に直径０．６ｍｍの金属ピンを通し、金属ピンに対して振動子をシリコーン樹脂接着剤によって接着した。
【００４９】
各屈曲振動片３Ｃ−３Ｆの寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍであった。各テーパー面８Ｃ、８Ｄの長手方向Ｇに対する角度θＡ、θＢは、それぞれ、２８．２°、２８．０°であった。各テーパー面８Ｅ、８Ｆの長手方向Ｇに対する角度θＡ、θＢは、それぞれ、２７．４°、２７．６°であった。各テーパー面６Ｃ、６Ｄの長手方向Ｇに対する角度θＣ、θＤは、それぞれ、２７．４°、２７．６°であった。各テーパー面６Ｅ、６Ｆの長手方向Ｇに対する角度θＣ、θＤは、それぞれ、２８．２°、２８．０°であった。突起５Ａ、５Ｂの屈曲振動片からの突出高さは０．５ｍｍであった。
【００５０】
（比較例）
本発明例において、突起５Ａ、５Ｂおよびテーパー部１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆを形成しなかった。他は本発明例と同様にして振動子を作製した。
【００５１】
（測定）
各振動型ジャイロスコープについて、振動子の検出角度の測定値の温度ドリフトを測定した。
各振動子をそれぞれ利用した各振動型ジャイロスコープについて、検出信号の測定値の−４５℃より＋８５℃の温度域におけるゼロ点信号の温度変動を測定したところ、突起のある振動子を利用した振動型ジャイロスコープの温度変動は、いずれも±１°／ｓｅｃの範囲であったが、突起のない振動子を利用した振動型ジャイロスコープの温度変動は、もっとも大きいものでも、４°／ｓｅｃの範囲であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動系２５を示す平面図である。
【図２】図１の振動系の一部を拡大して示す平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る振動子１Ａを示す平面図である。
【図４】（ａ）は、一方の駆動振動系２５Ａにおける先端部４Ａの周辺を拡大して示す平面図であり、（ｂ）は、他方の駆動振動系２５Ｂにおける先端部４Ｂの周辺を拡大して示す平面図である。
【図５】図３の振動子１Ａの検出振動の形態を例示する平面図である。
【図６】（ａ）は、一方の駆動振動系２５Ａにおける先端部４Ａの周辺を拡大して示す平面図であり（第三のテーパー部１２Ｃおよび第四のテーパー部１２Ｄが存在しない場合）、（ｂ）は、他方の駆動振動系２５Ｂにおける先端部４Ｂの周辺を拡大して示す平面図である（第三のテーパー部１２Ｅおよび第四のテーパー部１２Ｆが存在しない場合）。
【図７】一方の駆動振動系２５Ａにおける先端部４Ａの周辺を拡大して示す平面図である（第三のテーパー部１２Ｃおよび第四のテーパー部１２Ｄが存在する場合）。
【図８】他方の駆動振動系２５Ｂにおける先端部４Ｂの周辺を拡大して示す平面図である（第三のテーパー部１２Ｅおよび第四のテーパー部１２Ｆが存在する場合）。
【符号の説明】
１、１Ａ 振動子 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ屈曲振動片 ４、４Ａ、４Ｂ 支持部の先端部 ５、５Ａ、５Ｂ 延長部 ６Ａ、６Ｃ、６Ｅ 第三のテーパー面 ６Ｂ、６Ｄ、６Ｆ 第四のテーパー面 ７Ａ、７Ｃ、７Ｅ 第一のテーパー部
７Ｂ、７Ｄ、７Ｆ 第二のテーパー部 ８Ａ、８Ｃ、８Ｅ 第一のテーパー面 ８Ｂ、８Ｄ、８Ｆ 第二のテーパー面 ９ 支持部
９ｂ 一方の側面 ９ｃ 他方の側面 １２Ａ、１２Ｃ、１２Ｅ第三のテーパー部 １２Ｂ、１２Ｄ、１２Ｆ 第四のテーパー部
２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆ 突起 ２５、２５Ａ、２５Ｂ 振動系 Ａ、Ｃ 駆動振動 Ｂ、Ｅ検出振動 Ｇ 支持部の長手方向 θＡ 第一のテーパー面８Ａ、８Ｃ、８ＥのＧに対する角度 θＢ 第二のテーパー面８Ｂ、８Ｄ、８ＦのＧに対する角度 θＣ 第三のテーパー面６Ａ、６Ｃ、６ＥのＧに対する角度 θＤ 第四のテーパー面６Ｂ、６Ｄ、６ＦのＧに対する角度
Claims (7)
- 所定面に沿って形成されており、所定面に対して平行な一対の主面と所定面に対して略垂直な側面とを備えている複数の振動系、および、複数の振動系の各支持部を固定する固定部を備えている振動子であって、
固定部は振動子の重心を中心として４回対称の正方形をしており、固定部の四辺から四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系および二つの検出振動系が突出しており、各振動系は互いに分離されており、二つの駆動振動系は振動子の重心を中心として２回対称であり、二つの検出振動系は振動子の重心を中心として２回対称であるとともに、
各駆動振動系が、細長い支持部、この支持部の一方の側面側に突出し、所定面内で屈曲振動する一方の屈曲振動片、支持部の他方の側面側に突出し、所定面内で一方の屈曲振動片と共振する他方の屈曲振動片、一方の屈曲振動片および他方の屈曲振動片から見て支持部と反対側において支持部の延長線上に設けられ、支持部の延長線に対し略垂直な先端平坦面を有する台形状の延長部、支持部の一方の側面と一方の屈曲振動片との間に設けられている第一のテーパー部、支持部の他方の側面と他方の屈曲振動片との間に設けられている第二のテーパー部、延長部の前記一方の側面側に設けられている第三のテーパー部および延長部の前記他方の側面側に設けられている第四のテーパー部を備えており、前記支持部の長手方向に対する前記第一のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第二のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であり、前記支持部の長手方向に対する前記第一のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第三のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であり、前記支持部の長手方向に対する前記第二のテーパー部のテーパー面の角度と、前記支持部の長手方向に対する前記第四のテーパー部のテーパー面の角度との差が２０°以下であることを特徴とする、振動子。 - 前記二つの駆動振動系の各々において、前記各支持部の長手方向に対する前記各第一のテーパー部の各テーパー面の各角度の偏差が２０°以下であり、前記各支持部の長手方向に対する前記各第二のテーパー部の各テーパー面の各角度の偏差が２０°以下であり、前記各支持部の長手方向に対する前記各第三のテーパー部の各テーパー面の各角度の偏差が２０°以下であり、前記各支持部の長手方向に対する前記各第四のテーパー部の各テーパー面の各角度の偏差が２０°以下であることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
- 前記二つの駆動振動系が一方の振動系と他方の振動系とを含んでおり、一方の振動系における前記支持部の長手方向に対する前記第一のテーパー部のテーパー面の角度と、他方の振動系における支持部の長手方向に対する前記第三のテーパー部のテーパー面の角度との偏差が１０°以下であり、一方の振動系における支持部の長手方向に対する第三のテーパー部のテーパー面の角度と、他方の振動系における支持部の長手方向に対する第一のテーパー部のテーパー面の角度との偏差が１０°以下であることを特徴とする、請求項２記載の振動子。
- 一方の振動系における前記支持部の長手方向に対する前記第二のテーパー部のテーパー面の角度と、他方の振動系における支持部の長手方向に対する前記第四のテーパー部のテーパー面の角度との偏差が１０°以下であり、一方の振動系における支持部の長手方向に対する第四のテーパー部のテーパー面の角度と、他方の振動系における支持部の長手方向に対する第二のテーパー部のテーパー面の角度との偏差が１０°以下であることを特徴とする、請求項３記載の振動子。
- 圧電性単結晶からなることを特徴とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
- 前記振動子がエッチングによって成形されており、前記第一のテーパー部のテーパー面、前記第二のテーパー部のテーパー面、前記第三のテーパー部のテーパー面および前記第四のテーパー部のテーパー面に、それぞれ突起が形成されていることを特徴とする、請求項５記載の振動子。
- 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、
この振動子に対して駆動振動を励振するための駆動手段、および
前記所定面内で振動子を回転させたときにこの回転の角速度および駆動振動に応じて振動子内に励起される検出振動を検出するための検出手段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。
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