JP4911690B2 - 振動ジャイロ用振動子 - Google Patents

Description

本発明は、角速度を検出するジャイロスコープに関し、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御、或いは、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ補正装置等に好適な振動ジャイロ用振動子に関する。

ジャイロスコープは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。ジャイロスコープは、電気的な信号で、機械的な振動を励起させて駆動振動とし、コリオリ力によって生じる前記駆動振動と直交する成分を有する機械的な振動を検出振動として、その大きさを電気的に検出するセンサである。

ジャイロスコープは、予め、駆動振動を励起させた状態で、駆動振動面と検出振動面との交線と平行な軸を中心とした回転の角速度を与えると、コリオリ力により、検出振動が発生し、出力電圧として検出される。検出された出力電圧は駆動振動の大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動の大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。ジャイロスコープの中でも、圧電効果を有する圧電素子等の振動子を利用するものを振動ジャイロと呼ぶ。

振動ジャイロは小形で安価に製造できることから、特にカメラの手振れ補正装置に使用されている。カメラの手振れ補正装置では、一般にカメラ本体に加わるピッチ方向とヨー方向の２軸の角速度検出が必要である。そこで、１軸検出型の振動ジャイロを２個使用して２軸の角速度検出を行っている。しかしながら、２個の１軸検出型の振動ジャイロを使用すると、干渉ノイズが発生するという問題点がある。

２個の振動ジャイロに使用される振動子の共振周波数が近接している場合に、２個の振動子の共振周波数の差を周波数成分とする干渉ノイズが出力信号に発生し、振動ジャイロのＳ／Ｎ比を悪化させてしまう。この問題点に対しては、互いの振動子の形状を異ならせることにより、振動子の共振周波数をも十分に異ならせ、干渉ノイズをローパスフィルタで減衰させる等の対策をしている。

また、小形化や、低価格化のニーズに応えるために、１個の振動ジャイロで２軸の角速度が検出できる２軸検出型の振動ジャイロも提案されている。しかしながら、この２軸検出型ジャイロにおいても、前記の干渉ノイズの問題点があり、対策が必要である。

図１は、従来例１の振動ジャイロの断面図である。図１に示す従来の振動ジャイロ８０は、筐体８３の内部に設けた基体８４で２本の振動ジャイロ用振動子８１、８２が片持ち梁状に支持されている。振動ジャイロ用振動子８１、８２は、それぞれが駆動されて、２軸の角速度検出を可能としている。２本の振動ジャイロ用振動子８１、８２は、共振周波数が等しくなるように加工され、同じ周波数の交流電圧で駆動される。２本の振動ジャイロ用振動子８１、８２の駆動振動の周波数が同じなので干渉ノイズの発生は少なくなる。このような振動ジャイロは特許文献１に開示されている。

図２は、従来例２の振動ジャイロ用振動子の斜視図である。図２に示す従来の振動ジャイロ用振動子９０は、振動子９１を圧電体９２と電極９３で一体構成し、駆動振動モードを共通にすることで、加工精度や温度特性に影響されず、駆動振動の振動モードの共振周波数を一致させて、検出したい２軸の検出感度をばらつかせることなく、駆動回路を１つにしている。このような振動ジャイロ用振動子は特許文献２に開示されている。

図３は、従来例３の振動ジャイロ用振動子の断面図である。図３に示す従来の振動ジャイロ用振動子７０は、円柱状の振動子７１の外周部に駆動電極７３と検出電極７５、７７と基準電極７４、７６、７８とが設けられている。この振動ジャイロ用振動子７０は、駆動電極７３に駆動信号を入力しｆｘ方向の駆動振動を励起させ、駆動振動に直交するｆｙ方向の検出振動を検出電極７５、７７で検出する振動ジャイロ用振動子である。駆動電極７３が形成される側面７２を平坦とすることで、駆動電極７３と検出電極７５、７７及び基準電極７４、７６、７８との対称性が向上し、検出の精度が向上する。これは、駆動振動方向と検出振動方向に、加工による誤差よりも十分大きな差をもたせることで、振動方向を所望の向きに固定した振動ジャイロ用振動子である。このような振動ジャイロ用振動子は特許文献３に開示されている。

特開平７−１９０７８３号公報 特許第３２０６５５１号公報 特許第３５１１１４２号公報

図１に示す従来例１の振動ジャイロでは、２つの検出したい軸における各々の検出感度を等しくするためには、振動子の振動尖鋭度Ｑｍ値によっては、２本の振動ジャイロ用振動子８１、８２の形状、寸法を等しくして、共振周波数を一致させる必要がある。この周波数調整等の加工には手間と時間がかかり、量産性に欠くという問題点がある。

図２に示す従来例２の振動ジャイロ用振動子では、共振周波数での駆動振動のモードと２つの検出振動のモードをそれぞれ一致させる構成となっているが、検出振動のモードの方向が加工精度等に大きく影響され定まり難くいことから、一方の軸の角速度印加に対し、所望の検出振動でない、他方の検出振動も励起してしまい、結果として、他軸の感度を有し、精度が悪くなるという問題点がある。

この問題点について簡易モデルを用いて説明する。図４は、従来例２の振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図である。図４（ａ）はＸ軸方向の説明図、図４（ｂ）はＺ軸方向の説明図、図４（ｃ）はＹ軸方向の説明図である。従来例２の振動ジャイロ用振動子は簡易モデルとして立方体３１で表される。座標１１は立方体３１に対しての座標軸をＸ、Ｙ、Ｚで示している。

図４（ａ）にはＸ軸方向の駆動振動モードの方向を実線矢印で示している。この振動モードは立方体３１のＸ軸方向の厚みによって決定される共振周波数を有する。図４（ｂ）には、図４（ａ）で示した振動モードと直交するＺ軸方向の検出振動モードを実線矢印で示している。この振動モードは、立方体３１のＺ軸方向の厚みによって決定される共振周波数を有する。更に、図４（ｃ）には、図４（ａ）及び（ｂ）で示した振動モードの両方に直交するＹ軸方向の検出振動モードを実線矢印で示している。この振動モードは、立方体３１のＹ軸方向の厚みによって決定される共振周波数を有する。

２軸検出型の振動ジャイロ用振動子は、これら３つの振動モードを取り扱うこととなる。ここでは図４（ａ）を駆動振動モードとする。Ｙ軸中心の角速度印加時の検出振動モードは図４（ｂ）となり、Ｚ軸中心の角速度印加時の検出振動モードは図４（ｃ）となる。従来例２の振動ジャイロ用振動子は簡易モデルとして立方体３１で表されることから、各々の共振周波数は全て等しくなるが、実際に作製を試みた場合、加工精度等の誤差により完全な立方体はできず、３つの振動モードは、点線矢印で示すように方向が僅かにずれ、所望の方向に振動させることが困難となる。

駆動振動モードがこのように点線矢印で示す方向にずれが生じた状態では、角速度が印加されていないにもかかわらず、Ｚ軸方向やＹ軸方向に振動が生じてしまい、ヌル電圧となって検出される。また、Ｚ軸方向の検出振動モードに方向のずれが生じ、Ｙ軸方向の検出振動モードを同時に含んでしまうようなことがあれば、他軸感度の発生原因となってしまい、精度が悪くなるという前記問題点となる。

図３に示す従来例３の振動ジャイロ用振動子では、駆動電極７３が形成される側面７２を平坦とすることで、振動方向の対称性を向上させ、振動方向を所望の向きに固定する提案がなされているが、この振動ジャイロ用振動子の問題点について、簡易モデルを用いてさらに説明する。

図５は、従来例３の振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図である。図５（ａ）はＸ軸方向の説明図、図５（ｂ）はＺ軸方向の説明図、図５（ｃ）はＹ軸方向の説明図である。従来例３の振動ジャイロ用振動子は簡易モデルとして直方体４１で表される。座標１１は直方体４１に対しての座標軸をＸ、Ｙ、Ｚで示している。直方体４１は、Ｘ軸方向の厚さが他の方向の厚さに比べて厚いモデルとして表されるので、図４の立方体のモデルと比較すると、Ｘ軸方向の駆動振動モードの共振周波数と、Ｙ軸方向或いはＺ軸方向の検出振動モードの共振周波数とには差が生じる。

そのため、検出感度は低くなるものの、微小な加工誤差では、図５（ａ）に実線矢印で示す駆動振動の方向にずれが生ずることはない。従って、角速度が印加されていないときには、Ｚ軸方向にもＹ軸方向にも振動をもたず、即ちヌル電圧が発生することがない。しかしながら、Ｚ軸方向とＹ軸方向の厚みが等しく、共振周波数がほぼ等しいことから、微小な加工誤差でも、検出振動は所望の方向に振動させることが困難となる。従って、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の点線矢印が示すとおり、検出振動モードに方向のずれが生じ、他軸感度が発生するという問題点がある。

また、上記の問題点を解決するには、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の振動モードでの周波数に差をもたせることが考えられる。図６は、従来型に係る振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図である。図６（ａ）はＸ軸方向の説明図、図６（ｂ）はＺ軸方向の説明図、図６（ｃ）はＹ軸方向の説明図である。図６では、図５で示した従来例３の振動ジャイロ用振動子の簡易モデルとして用いた直方体のＹ軸方向の厚みを薄くしてモデル化し、直方体５１としている。

Ｙ軸方向の共振周波数を更に下げた場合、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の振動モードでの周波数に差をもたせることができ、微小な加工誤差が生じても全ての振動モードを所望の方向に固定することができる。従って、前述したようなヌル電圧や他軸感度が発生しないジャイロが得られる。しかしながら、Ｚ軸方向の検出振動モードの共振周波数と比較し、駆動振動モードの共振周波数とＹ軸方向の検出振動モードの共振周波数が離れ過ぎてしまうことから、十分な感度を得ることが困難となる問題点がある。

従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、ヌル電圧や他軸感度の発生が少なく、感度のばらつきも少ない、駆動回路が１つで構成可能な、小形で低価格の２軸検出型の振動ジャイロ用振動子を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、二つの軸方向の角速度を検出する振動ジャイロ用振動子において、１つの駆動振動と２つの検出振動の共振周波数を各々異ならせ、駆動振動の共振周波数は、二つの検出振動の共振周波数の中間に設定することを、その要旨とする。

本発明によれば、板状体からなり、枠体と、前記枠体に両端が支持されてなるビーム部と、前記ビーム部と交差し形成される１以上の第１のアーム部と、前記第１のアーム部から延在し形成してなる１つ以上の第２のアーム部と、前記第２のアーム部に支持されてなる第３のアーム部と、前記第３のアーム部に支持される１つ以上の付加質量部とからなり、前記枠体と前記ビーム部と前記第１のアーム部と前記第２のアーム部と前記第３のアーム部と前記付加質量部とが同一平面内に配置され、前記付加質量部の各々が前記ビーム部及び前記第１のアーム部の各々に対して線対称となるように配置され、二つの軸方向の角速度を検出する振動ジャイロ用振動子であって、駆動振動となる第１の振動モードと、検出振動となる第２の振動モード及び第３の振動モードを有し、前記第２の振動モードの共振周波数は前記第３の振動モードの共振周波数より小さく、前記第１の振動モードの共振周波数は、前記第２の振動モードの共振周波数より大きく且つ前記第３の振動モードの共振周波数より小さいことを特徴とする振動ジャイロ用振動子が得られる。

本発明による振動ジャイロ用振動子は、第１の振動モードと、第２の振動モードと、第３の振動モードを有し、第１の振動モードを駆動振動とし、第２の振動モードと第３の振動モードを検出振動とする。このとき、第１の振動モードの共振周波数をｆｘ、第２の振動モードの共振周波数をｆｙ、第３の振動モードの共振周波数をｆｚと表したきに、ｆｙ＜ｆｘ＜ｆｚの関係となるようにする。即ち、駆動振動となる第１の振動モードの共振周波数を二つの検出振動である第２の振動モードの共振周波数と第３の振動モードの共振周波数との間の共振周波数に設定することで、ヌル電圧や他軸感度の発生が少なく、感度のばらつきも少ない振動ジャイロ用振動子が得られる。尚、第２の振動モードと第３の振動モードにおいて、「第２の」及び「第３の」と表記したのは、２つある検出振動モードを区別するためであり、「第２の」を「第３の」とし、「第３の」を「第２の」と読み替えてもよい。

また、本発明によれば、前記第１の振動モードと、前記第２の振動モードと、前記第３の振動モードは互いに振動方向が直交することを特徴とする振動ジャイロ用振動子が得られる。本発明は、第１の振動モードと、第２の振動モードと、第３の振動モードの振動方向を互いに直交させることで、直交する２軸の回転角速度の検出精度が向上する。

ここで、本発明に係る圧電振動ジャイロ用振動子の振動モードについて、図を用いて説明する。

図７は、本発明に係る圧電振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図である。図７（ａ）はＸ軸方向の説明図、図７（ｂ）はＺ軸方向の説明図、図７（ｃ）はＹ軸方向の説明図である。図７には、本発明に係る圧電振動ジャイロ用振動子を直方体６１としてモデル化して表している。座標１１は直方体６１に対しての座標軸をＸ、Ｙ、Ｚで示している。直方体６１は、Ｙ方向の厚み＞Ｘ方向の厚み＞Ｚ方向の厚みの関係を有する。Ｘ方向の振動を駆動振動、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の各振動を検出振動とし、駆動振動の共振周波数をｆｘ、検出振動の共振周波数をそれぞれｆｙ、ｆｚとすると、ｆｙ＜ｆｘ＜ｆｚの関係となり、３つの共振周波数が各々異なることから、加工誤差の影響を受けることなく、３つの振動モードの向きを所望の向きに、固定することができる。即ち、ヌル電圧、他軸感度を抑制することができる。

また、図７で示すｆｙ＜ｆｘ＜ｆｚの関係は、図６で示した、Ｚ方向の検出振動の共振周波数と比較し、駆動振動の共振周波数とＹ方向の検出振動モードの共振周波数が離れ過ぎてしまうという関係とは異なり、｜ｆｘ−ｆｙ｜＝｜ｆｘ−ｆｚ｜として、駆動振動と２つの検出振動における各々の共振周波数差を等しくすることも可能となることから、２軸検出における各々の感度ばらつきが小さくできる。更には、２軸検出における駆動振動モードは同一なので、１つの駆動回路で動作させることが可能となる。

また、本発明によれば、前記枠体と前記ビーム部と前記第１のアーム部と前記第２のアーム部と前記第３のアーム部と前記付加質量部とが同一平面内に配置され、前記ビーム部と前記第１のアーム部と前記第２のアーム部と前記第３のアーム部と前記付加質量部とが前記枠体の内側に配置され、前記ビーム部は前記枠体の中心部から等距離延在してなり、前記第１のアーム部は、前記ビーム部の中心部を通り直交且つ等距離延在し、前記付加質量部は、４つ以上配置され、前記第１の振動モードは、隣り合う前記付加質量部が互いに逆位相で前記同一平面の外方向に振動し、前記第２の振動モード及び前記第３の振動モードは、いずれも前記第１の振動モードと振動方向が直交し、且つ互いに振動方向が直交することを特徴とする振動ジャイロ用振動子が得られる。

さらに、本発明によれば、前記第３のアーム部は、前記付加質量部との接続部、及び第２のアーム部との接続部の途中でコの字型に曲げられた形状であることを特徴とする振動ジャイロ用振動子が得られる。本発明では、振動子の各モードにおいて適切な周波数が設計できるため感度が向上する。

また、本発明によれば、前記板状体の両面に電極が形成されており、一方の面に駆動用電極部が形成され、且つ他方の面に検出用電極部が形成されたことを特徴とする振動ジャイロ用振動子が得られる。

そして、本発明によれば、前記第１の振動モードは、前記第３のアーム部での前記第１のアーム部に略平行に形成された部分に沿って帯状に延伸するように前記第３のアーム部上に少なくとも２本以上形成された電極によって励振され、
前記第２の振動モードは、前記第３のアーム部での前記第１の振動モードを励振する電極が形成された面とは反対側の面上で、前記第１のアーム部に略平行な帯状の電極部分を含むように少なくとも２本以上形成された電極によって検出され、
前記第３の振動モードは、前記第１のアーム部での、前記第１の振動モードを励振する電極が形成された面とは反対側の面上に、前記第１のアーム部に沿って帯状に延伸するように少なくとも２本以上形成された電極によって検出されることを特徴とする振動ジャイロ用振動子が得られる。

本発明による振動ジャイロ用振動子は、板状体からなり、例えば平板に貫通孔を設け前記平板の同一面内に、枠体と、ビーム部と、第１のアーム部と、第２のアーム部と、第３のアーム部と付加質量部とを形成する。枠体はビーム部の両端を支持し、ビーム部は第１のアームをビーム部の中央部で支持する。第１のアーム部は第２のアーム部を第１のアーム部端部で支持し、第２のアーム部は、第３のアーム部の一端を第２のアーム部端部で支持する。第３のアーム部の他端は付加質量部を支持する構成とし、付加質量部が振動可能な状態とする。

前記枠体は、円形、楕円形、矩形が望ましいが、外形は特に限定されるものではない。前記ビーム部は、直線帯状が好ましいが、対称性を有すれば直線に限定されるものではなく、また中心点を通らずとも、中心点に対し対称性を有した複数としても良い。前記第１のアーム部は直線帯状を成し、前記ビーム部と直交することが望ましいが対称性を有すれば直線に限定されるものではない。

また、前記第１のアーム部は中心点を通らずとも、中心点に対し対称性を有した複数としても良い。前記第２のアーム部は直線帯状を成し、前記ビーム部と直交することが望ましいが対称性を有すれば直線或いは直交するものに限定されるものではない。また、前記第２のアーム部は前記第１のアーム部の端部が好ましいが、対称性を有すれば中央部以外であれば端部に限定されるものではない。前記付加質量部は、円形、楕円形、矩形が望ましいが限定されるものではない。前記の構造は、平板単体に貫通する溝を作ることで形成できる。

また、第１のアーム部が有する電気信号入力用の駆動電極部に電気信号を入力することで、前記付加質量部を振動させて、第２のアーム部が有する振動検出用の検出電極部から出力される信号を検出することで２軸の回転角速度が検出できるようにしたものである。

また、１つの振動子で２軸の回転角速度の検出が可能であるため、回路や外部端子等の共通部分を共有することで、１軸の製品を２つ使用するのに比べ、小型・低コスト化が可能となる。

さらに、対称性良く配置された付加質量部が対称性の良い駆動モードで振動する。そのため、駆動モードの振動が外部へ漏れ難い構成となり、枠体に存在する駆動モードの振動及び変位が僅かとなる。

本発明の振動ジャイロ用振動子は、平面的な構造をとっており、正方形状の圧電体板或いは圧電単結晶板に穴あけ加工を施すことで、容易に形成でき、生産性が高くなる。さらに、ニオブ酸リチウムなど、高結合材料を用いることで、Ｓ／Ｎ比の高い振動ジャイロ用振動子が提供できる。前記板状体は、単一材料でなくとも、同一、或いは異なる材料を厚さ方向に重ねた積層構造としても良い。

本発明による、振動ジャイロ用振動子は、圧電材料で構成される板状であり、枠体と、該枠体に両端支持されてなるビーム部と、該ビーム部と交差し形成される１以上のアーム部から延在し形成してなる１以上の第２のアーム部と、第２のアーム部から延在し形成してなる１以上の第３のアーム部と、該第３のアーム部に支持される１以上の付加質量部とからなる構造を有し、前記構造の表面に駆動及び検出用の電極を形成する。

本発明では、隣り合う前記付加質量部が互いに逆位相で前記同一平面の外方向に振動する前記第１の振動モードとし、前記第１の振動モードと振動方向が直交し、互いに振動方向が直交する振動を前記第２の振動モード及び前記第３の振動モードとする。さらに第１の振動モードの共振周波数をｆｘ、第２の振動モードの共振周波数をｆｙ、第３の振動モードの共振周波数をｆｚと表したきに、ｆｙ＜ｆｘ＜ｆｚ、又はｆｙ＞ｆｘ＞ｆｚの関係となるようにする。尚、前記共振周波数は前記第３のアーム部の長さを変えることで調整可能である。

前記の如く、本発明によれば、駆動振動となる振動モードの共振周波数を二つの検出振動である第２の振動モードと第３の振動モードとの間の共振周波数に設定することで、ヌル電圧や他軸感度の発生が少なく、感度のばらつきも少ない、駆動回路が一つで構成可能な、小形で低価格な２軸検出型の振動ジャイロ用振動子の提供が可能となる。

本発明による振動ジャイロ用振動子は、第１の振動モードと、第２の振動モードと、第３の振動モードを有し、第１の振動モードを駆動振動とし、第２の振動モードと第３の振動モードを検出振動とする。また、第１の振動モードの共振周波数をｆｘ、第２の振動モードの共振周波数をｆｙ、第３の振動モードの共振周波数をｆｚと表したきに、ｆｙ＜ｆｘ＜ｆｚ、又はｆｙ＞ｆｘ＞ｆｚの関係となるようにする。さらに、第１の振動モードと、第２の振動モードと、第３の振動モードの振動方向を互いに直交させるのが望ましい。

以下、本発明による検出型振動ジャイロ用振動子の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

図８は本発明の実施例に係る振動ジャイロ用振動子１０の平面図である。縦２．８ｍｍ、横４．３ｍｍの矩形状を成し、ニオブ酸リチウムの圧電単結晶からなる厚さ０．２ｍｍの平板１に幅が約０．２ｍｍの貫通溝２を開けることで、１枚の圧電単結晶板の同一面内に枠体３と中央部縦方向にビーム部４と、中央部横方向に第１のアーム部５と前記第１のアーム部５の両端に２つの第２のアーム部６ａ、６ｂと、第２のアーム部のそれぞれ両端に第３のアーム部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを介して合計４つの付加質量部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを形成した。

前記第３のアーム部は前記第２のアーム部と前記付加質量部の間でコの字型に形成した。本実施例においては、
（１）前記第３のアーム部は、前記第２のアーム端部から前記第１のアーム部に略並行なアームが延在して形成され、
（２）その端部から前記ビーム部４に略並行なアームが延在して形成され、
（３）さらに前記第１のアーム部に略並行なアームが延在して形成され、
（４）その端部に付加質量部が形成されている。
前記第３のアーム部は、前記形状に制限されるものではなく、前記第３のアーム部は、前記第１のアームと前記ビーム部４に対してある角度をもって延在させてもかまわないし、コーナー部にＲを設けてもよい。

本実施例では、ビーム部４の中心線８に対して線対称な形状とし、第１のアーム部５の中心線９に対しても線対称な形状とした。第１のアーム部５の表面には駆動電極部１３ａ、１３ｂと基準電位電極部１４ａ、１４ｂとを形成し、第２のアーム部６ａ、６ｂの表面には、検出電極部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄと基準電位電極部１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈを形成した。前記各電極部には、クロムを下地とした金により電極を形成した。

ここで、上記実施例による形態の振動ジャイロ素子の動作原理について説明する。図９は本実施例に係る振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図である。図９（ａ）はＸ軸方向の説明図、図９（ｂ）はＺ軸方向の説明図、図９（ｃ）はＹ軸方向の説明図である。

図９（ａ）に示すＸ軸方向の振動は、付加質量部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄがＸ軸方向に振動する。その際、振動方向は、互いに隣り合う付加質量部が逆位相で振動する。図９（ｂ）示すＺ軸方向の振動は、付加質量部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが同一面内で、Ｚ軸方向に振動する。その際、振動方向は、互いに隣り合う付加質量部は逆位相で振動する。図９（ｃ）に示すＹ軸方向の振動は、付加質量部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが同一面内で、Ｙ軸方向に振動する。その際、振動方向は、互いに隣り合う付加質量部は逆位相で振動する。尚、図９では振動モードを模式的に説明するために、付加質量部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの変位を実際よりも大きく誇張して表示している。

例えば、Ｘ軸方向の振動を駆動振動として励振した状態で、Ｚ軸周りに回転角速度を印加すると、４つの付加質量部に働くコリオリ力の影響で、Ｙ軸方向の振動が発生する。同様に、Ｘ軸方向の振動を駆動振動として励振した状態で、Ｙ軸周りに回転角速度を印加すると、Ｚ軸方向の振動が発生する。この時、Ｘ軸方向の振動速度が一定であれば、Ｙ軸方向の振動及びＺ軸方向に発生した振動の振幅の大きさは、印加した回転角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、回転角速度センサとして機能する。即ち、図８に示した第１のアーム部に形成した駆動電極部１３ａ、１３ｂに電気信号を入力することでＸ軸方向の振動を励振させて、第２のアーム部に形成した検出電極部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄに生じる電荷を検出することで、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振動が検出できる。

本実施例では、第３のアーム部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの寸法を調整することで、Ｘ軸方向の振動の共振周波数ｆｘを２９ｋＨｚ、Ｙ軸方向の振動の共振周波数ｆｙを３０．５ｋＨｚ、Ｚ軸方向の振動の共振周波数ｆｚを２７．５ｋＨｚに調整した。ニオブ酸リチウムの圧電単結晶板は、超音波、サンドブラスト、レーザ等の機械加工やウェットエッチングやドライエッチングで加工可能であるが、機械加工での実験結果からこのサイズのものであれば、共振周波数が３σで０．５％の加工誤差を有することが予めわかっている。従って、加工誤差より十分大きな共振周波数の差を各々の振動モードに持たせるため、Ｘ軸方向の振動の共振周波数とＹ軸方向及びＺ軸方向の振動の共振周波数との差を１．５ｋＨｚとした。

図１０は、本実施例に係る振動ジャイロ用振動子の感度と共振周波数との関係を示すグラフである。図１０のグラフは、駆動振動となる第１の振動モードであるＸ軸方向の振動の共振周波数ｆｘと検出振動となる第２の振動モードであるＹ軸方向の振動の共振周波数ｆｙを用いた式（１）で計算される値Ａを横軸に示し、Ａ＝０のときの検出感度を１としたときの検出感度を縦軸に示している。
Ａ＝（ｆｙ−ｆｘ）／ｆｘ×１００（％） ・・・・・・・（１）

値Ａは、第１の振動モードの共振周波数ｆｘと第２の振動モードの共振周波数ｆｙとの差を第１の振動モードの共振周波数ｆｘに対する比率で表したものである。図１０のグラフから解ることは、Ａの値が０近傍、即ち第１の振動モードの共振周波数ｆｘと第２の振動モードの共振周波数ｆｙが等しいときに検出感度は最大となるが、第１の振動モードの共振周波数ｆｘと第２の振動モードの共振周波数ｆｙが僅かでも違うと感度は急激に減少するということである。これは、仮に０．５％の加工精度で、振動ジャイロ用振動子の加工をしたとすると、加工された寸法により第１の振動モードの共振周波数ｆｘと第２の振動モードの共振周波数ｆｙとの差も０．５％ばらつくこととなる。これは、感度の最大が１となる一方、感度の最小も０．０８となり感度のばらつきが非常に大きい振動ジャイロ用振動子となってしまうことを意味している。

一方、本実施例による振動ジャイロ用振動子は、振動モードの共振周波数ｆｘと第２の振動モードの共振周波数ｆｙとの差をＡ＝５．０％に設計したため、加工寸法が０．５％ばらついたとしても、図１０のグラフが示すように感度はＡ＝４．５％からＡ＝５．５％の間でばらつくことになるので、検出感度は約０．０１０から０．００８となり、感度のばらつきが非常に小さい振動ジャイロ用振動子が得られる。前述の第１の振動モードの共振周波数ｆｘと、第２の振動モードの共振周波数ｆｙに関するものであるが、第１の振動モードの共振周波数ｆｘと、もう一つの検出振動である第３の振動モードの共振周波数ｆｚとの関係についても同様であり、この場合ｆｘとｆｚの大小関係はｆｘ＞ｆｚとなる。

このように、値Ａは５％に設定すればよいが、第１の振動モードの共振周波数ｆｘと、第２の振動モードの共振周波数ｆｙと、第３の振動モードの共振周波数ｆｚとの関係は、ｆｙ＜ｆｘ＜ｆｚであって１．０２×ｆｘ≦ｆｚ、ｆｙ≦０．９８×ｆｘ、又は、ｆｙ＞ｆｘ＞ｆｚであって１．０２×ｆｘ≦ｆｙ、ｆｚ≦０．９８×ｆｘとするのが好ましい。ただし、ｆｙ＜ｆｘ＜ｆｚである時の（ｆｙ−ｆｘ）／ｆｘと（ｆｘ−ｆｚ）／ｆｘ、或いはｆｙ＞ｆｘ＞ｆｚである時の（ｆｚ−ｆｘ）／ｆｘと（ｆｘ−ｆｙ）／ｆｘの値は、増加するほど検出感度は低下するので、増幅回路の性能や、Ｓ／Ｎ比等を考慮しながらそれぞれの値を設定することになるが、前記各値は０．１までとすることが好ましい。また、｜ｆｘ−ｆｙ｜＝｜ｆｘ−ｆｚ｜とすることがより好ましい。

本実施例による振動ジャイロ素子は、ヌル電圧と検出感度のばらつきは、±１１％程度に抑えられ、振動子に機械的調整を施すことなく、回路側の微調整で手振れ補正用ジャイロに必要な仕様を十分満足することが確認できた。また、他軸感度も１％以下で同様に実用的レベルであることが確認できた。評価は、一つの駆動回路で動作させて、ＡＧＣ回路（オートゲインコントロール回路）を用いて安定した駆動振動が得られるようにした。また、振動子の振動をさらに安定させるために湿度を含まないドライ窒素雰囲気に振動子を気密封止した。検出電極部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄには、Ｙ軸方向の振動及びＺ軸方向の振動による電荷が発生するが、それぞれ発生する電荷の極性が異なるため、加算回路や差動回路によって、分離して検出することが可能である。

本実施例では、ニオブ酸リチウムの圧電単結晶からなる厚さ０．２ｍｍで板の厚さ方向がＸ方位となる平板を選択し、図１１にその外形を平面図で示すように、中心線の下端８ａから上端８ｂへ向かう方向が＋１４０Ｙとなるように振動子を作製した。振動子は、縦２．８ｍｍ、横４．３ｍｍの矩形状を成し、幅が約０．２ｍｍの貫通溝２を開けることで、１枚の圧電単結晶板の同一面内に枠体３と中央部縦方向にビーム部４と、中央部横方向に第１のアーム部５と前記第１のアーム部５の両端に２つの第２のアーム部６ａ、６ｂと、第２のアーム部のそれぞれ両端にコの字型の第３のアーム部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを介して合計４つの付加質量部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを形成した。

この結晶方位を選択したときに最適な電極構成を図１２と図１３に示した。即ち、図１２は第１のモードを励振する電極の平面図、図１３は第２のモードと第３のモードを検出する電極の平面図である。本実施例の板状の振動子は、両面に電極が形成されており、駆動用電極部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが形成されている一方の面を図１２に、検出用電極部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２５ａ、２５ｂが形成された他方の面を図１３に示した。尚、実際の駆動用電極部及び検出用電極部には、基準電位電極部を用い駆動又は検出電極部に交流電圧を印加又は発生する方法があるが、本実施例では基準電位電極部を用いるか否かに関わらず、一括して駆動用電極部又は検出用電極部という名称を用いた。また、実施例１においても、基準電位電極部を用いないで、互いに位相が反転した交流電圧を印加又は発生する方法が可能であることは言うまでもない。

図１２に示した第３のアーム部に形成した駆動用電極部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに電気信号を入力することで第１のモードを励振し、図１３に示した第３のアーム部に形成した検出電極部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄに生じる電荷を検出することで、第２のモードの検出ができ、図１３に示した第１のアーム部に形成した検出用電極部２５ａ、２５ｂに生じる電荷を検出することで、第３のモードの振動が検出できる。前記各電極部には、クロムを下地とした金により電極を形成した。

この各電極部の配置は、それぞれの振動モードにおける第１のアーム部及び第３のアーム部の表面に発生する電荷の分布を解析して決定したものである。図１４〜図１６は電荷の分布を示す模式図である。図１４〜図１６において、「＋」と「−」は、発生電荷の極性を示し、楕円は、その概略の範囲を示している。この電荷分布は、選択した結晶の方位によって様々な分布を示す。図１４は第１のモードでの電荷の分布を示す模式図で、例えば第３のアーム部１２ｃにおいては、アーム部の縁に＋と−電荷が現れる。付加質量部７ｃが紙面手前方向に変位する場合、第２のアーム部６ｂと接続している第３のアーム部１２ｃは紙面奥に変位する。それぞれの電荷の分布から、付加質量部７ｃ及び７ｂと付加質量部７ａ及び７ｄは逆位相に変位する。図１５は第２のモードでの電荷の分布を示す模式図で、例えば第３のアーム部１２ｃ−１及び１２ｃ−２においては、縁に同じ符号の電荷が発生し、アーム中央部に逆の電荷が発生している。紙面面内で、第３のアーム部１２ｃ−１と第３のアーム部１２ｃ−２は、逆位相で変位するモードが発生したときに電荷を検出することができる。図１６は第３のモードでの電荷の分布を示す模式図で、第１のアーム部５ａ及び５ｂにおいてアームの縁に同じ符号の電荷が発生し、中央部に逆の電荷が発生している。紙面面内で、第１のアーム部５ａ及び５ｂは、同じ電荷が発生しているので同位相に変位するモードが発生したときに電荷を検出することができる。

ところで、図１２と図１３に示した電極部は、図１４〜図１６に示した電荷分布を発生又は検出する電極部を簡潔に表現するためのもので、実際の結晶基板上でそれらの電極部につながる配線部などを省略したものであることは、言うまでもない。例えば、図１２の駆動用電極部２３ａに形成された４本の帯状の電極のうち、図１４に示した電荷発生の極性が同じもの同士を短絡し２端子とし、つまり、コの字アーム上の外側同士と内側同士を接続する点などを省略した。さらに、その電極部との配線パターンなども省略した。また、感度は下がるが、構造のシンプルさを優先し、一部の発生電荷を使わない電極配置も可能である。そうすると、電極の数は減少するが、正負の電荷に対応するには、第１〜第３のアームの各々について、少なくとも２本の電極が必要である

上記実施例では、ニオブ酸リチウムの圧電単結晶板を利用しているが、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、酸化亜鉛、ＰＺＴ、圧電薄膜等でも、本発明により、有用な振動ジャイロを構成できる。更に、上記実施例は、圧電性を利用した振動ジャイロ用振動子、或いは振動ジャイロであるが、駆動、検出方法の一部又は全部を、電磁誘導の利用や静電力の利用によるトランスジューサ、或いは、電極間の容量変化による変位検出に置き換えても良い。

前述の如く、本発明によれば、駆動振動となる振動モードの共振周波数を二つの検出振動である第２の振動モードと第３の振動モードとの間の共振周波数に設定することで、ヌル電圧や他軸感度の発生が少なく、感度のばらつきも少ない、駆動回路が一つで構成可能な、小形で低価格な２軸検出型の振動ジャイロ用振動子が得られる。

本発明による振動ジャイロ用振動子は、角速度を検出するジャイロスコープとして利用できる他に、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御、或いは、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ補正装置等に利用できる。

従来例１の振動ジャイロの断面図。 従来例２の振動ジャイロ用振動子の斜視図。 従来例３の振動ジャイロ用振動子の断面図。 従来例２の振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図。図４（ａ）はＸ軸方向の説明図。図４（ｂ）はＺ軸方向の説明図。図４（ｃ）はＹ軸方向の説明図。 従来例３の振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図。図５（ａ）はＸ軸方向の説明図。図５（ｂ）はＺ軸方向の説明図。図５（ｃ）はＹ軸方向の説明図。 従来型に係る圧電振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図。図６（ａ）はＸ軸方向の説明図。図６（ｂ）はＺ軸方向の説明図。図６（ｃ）はＹ軸方向の説明図。 本発明に係る圧電振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図。図７（ａ）はＸ軸方向の説明図。図７（ｂ）はＺ軸方向の説明図。図７（ｃ）はＹ軸方向の説明図。 実施例１に係る振動ジャイロ用振動子の平面図。 実施例１に係る振動ジャイロ用振動子の振動モードの説明図、図９（ａ）はＸ軸方向の説明図、図９（ｂ）はＺ軸方向の説明図、図９（ｃ）はＹ軸方向の説明図。 実施例１に係る振動ジャイロ用振動子の感度と共振周波数との関係を示すグラフ。 実施例２の振動ジャイロ用振動子の外形を示す平面図。 実施例２での第１のモードを励振する電極の平面図。 実施例２での第２のモードと第３のモードを検出する電極の平面図。 実施例２の第１のモードでの電荷の分布を示す模式図。 実施例２の第２のモードでの電荷の分布を示す模式図。 実施例２の第３のモードでの電荷の分布を示す模式図。

符号の説明

１ 平板
２ 貫通溝
３ 枠体
４ ビーム部
５、５ａ、５ｂ 第１のアーム部
６ａ、６ｂ 第２のアーム部
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 付加質量部
８、９ 中心線
８ａ 下端
８ｂ 上端
１０、７０、８１、８２、９０ 振動ジャイロ用振動子
１１ 座標
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｃ−１、１２ｃ−２ 第３のアーム部
１３ａ、１３ｂ （第１のモードの）駆動電極部
１４ａ、１４ｂ （第１のモードの）基準電位電極部
１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ （第２、第３のモードの）基準電位電極部
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ （第２、第３のモードの）検出電極部
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ （第１のモードの）駆動用電極部
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ （第２のモードの）検出用電極部
２５ａ、２５ｂ （第３のモードの）検出用電極部
３１ 立方体
４１、５１、６１ 直方体
７１、９１ 振動子
７２ 側面
７３ 駆動電極
７４、７６、７８ 基準電極
７５、７７ 検出電極
８０ 振動ジャイロ
８３ 筐体
８４ 基体
９２ 圧電体
９３ 電極

Claims (6)

1. 板状体からなり、枠体と、前記枠体に両端が支持されてなるビーム部と、前記ビーム部と交差し形成される１以上の第１のアーム部と、前記第１のアーム部から延在し形成してなる１つ以上の第２のアーム部と、前記第２のアーム部に支持されてなる第３のアーム部と、前記第３のアーム部に支持される１つ以上の付加質量部とからなり、前記枠体と前記ビーム部と前記第１のアーム部と前記第２のアーム部と前記第３のアーム部と前記付加質量部とが同一平面内に配置され、前記付加質量部の各々が前記ビーム部及び前記第１のアーム部の各々に対して線対称となるように配置され、二つの軸方向の角速度を検出する振動ジャイロ用振動子であって、駆動振動となる第１の振動モードと、検出振動となる第２の振動モード及び第３の振動モードを有し、前記第２の振動モードの共振周波数は前記第３の振動モードの共振周波数より小さく、前記第１の振動モードの共振周波数は、前記第２の振動モードの共振周波数より大きく且つ前記第３の振動モードの共振周波数より小さいことを特徴とする振動ジャイロ用振動子。
2. 前記第１の振動モードと、前記第２の振動モードと、前記第３の振動モードは互いに振動方向が直交することを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ用振動子。
3. 前記ビーム部と前記第１のアーム部と前記第２のアーム部と前記第３のアーム部と前記付加質量部とが前記枠体の内側に配置され、前記ビーム部は前記枠体の中心部から等距離延在してなり、前記第１のアーム部は、前記ビーム部の中心部を通り直交且つ等距離延在し、前記付加質量部は、４つ以上配置され、前記第１の振動モードは、隣り合う前記付加質量部が互いに逆位相で前記同一平面の外方向に振動し、前記第２の振動モード及び前記第３の振動モードは、いずれも前記第１の振動モードと振動方向が直交し、且つ互いに振動方向が直交することを特徴とする請求項２記載の振動ジャイロ用振動子。
4. 前記第３のアーム部は、前記付加質量部との接続部、及び第２のアーム部との接続部の途中でコの字型に曲げられた形状であることを特徴とする請求項３記載の振動ジャイロ用振動子。
5. 前記板状体の両面に電極が形成されており、一方の面に駆動用電極部が形成され、他方の面に検出用電極部が形成されたことを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれかに記載の振動ジャイロ用振動子。
6. 前記第１の振動モードは、前記第３のアーム部での前記第１のアーム部に略平行に形成された部分に沿って帯状に延伸するように前記第３のアーム部上に少なくとも２本以上形成された電極によって励振され、
   前記第２の振動モードは、前記第３のアーム部での前記第１の振動モードを励振する電極が形成された面とは反対側の面上で、前記第１のアーム部に略平行な帯状の電極部分を含むように少なくとも２本以上形成された電極によって検出され、
   前記第３の振動モードは、前記第１のアーム部での、前記第１の振動モードを励振する電極が形成された面とは反対側の面上に、前記第１のアーム部に沿って帯状に延伸するように少なくとも２本以上形成された電極によって検出されることを特徴とする請求項５記載の振動ジャイロ用振動子。

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