JPH1172333A

JPH1172333A - 振動子、振動型ジャイロスコープおよび直線加速度計

Info

Publication number: JPH1172333A
Application number: JP9317774A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行; Shiyousaku Gouji; 庄作郷治; Yukihisa Osugi; 幸久大杉; Takao Soma; 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: 1999-03-16
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JP3973742B2; US6046531A

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】振動子２Ａは、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に対して交差する方向に延
びる第一の屈曲振動片３Ａ、脚部４Ａから見て屈曲振動
片３Ａとは反対側に向かって脚部４Ａに対して交差する
方向に延びる第二の屈曲振動片３Ｂ、第二の脚部４Ｂに
対して交差する方向に延びる第三の屈曲振動片３Ｃ、お
よび、脚部４Ｂから見て屈曲振動片３Ｃとは反対側に向
かって延びる第四の屈曲振動片３Ｄを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、およびその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８−１２
８８３３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〜１０７
２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、５
０Ｃ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８−３１７７８
１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、５６
Ｂが設けられており、屈曲振動片に駆動電極５５Ａ、５
５Ｂ、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、５
８Ｂ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】本発明に係る振動子は、
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。

【００１４】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
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およびその振動子は、振
動子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３
Ｃ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４
Ａ、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４
Ａ、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４
Ａ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４
Ａ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，Ｔ
ａ）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ＬｉＮｂ
Ｏ₃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、３
Ｂ、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４
Ａ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７
Ａ、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４
Ａ、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】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２
６Ａ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２
６Ｂ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、３
Ｃ、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２
２Ｃ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、３
３Ｄ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、３２
Ｄが設けられており、内側壁面に検出電極３２Ｂ、３２
Ｃが設けられている。各共振アームでは、検出電極３２
Ａ−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１
３０°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２
１Ａ−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７４
Ａ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１００
０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、４
４Ｂ、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１
７（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、３
Ｂ、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６
５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６
７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Ｘ
ＸＩＩＩ（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８８
Ａ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８２
Ａ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、８２
Ｃ、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、８４
Ｄ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８
５Ａ、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】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１Ｅを概略的に示す斜視図であり、共振片１
９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ＸＸＩ
ＩＩ（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）−ＸＸ
ＩＩＩ（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、３２
Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、検出電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相馬隆雄愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、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、および前記第二
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
の屈曲振動片を備えていることを特徴とする、振動子。
【請求項２】前記第一の屈曲振動片の振動の位相と前記
第二の屈曲振動片の振動の位相とが前記第一の脚部に対
して対称的であり、前記第三の屈曲振動片の振動の位相
と前記第四の屈曲振動片の振動の位相とが前記第二の脚
部に対して対称的であることを特徴とする、請求項１記
載の振動子。
【請求項３】前記第一の屈曲振動片および前記第二の屈
曲振動片からなる全振動系の振動時の重心が前記第一の
脚部上またはその延長線上にあり、前記第三の屈曲振動
片および前記第四の屈曲振動片からなる全振動系の振動
時の重心が、前記第二の脚部上またはその延長線上にあ
ることを特徴とする、請求項２記載の振動子。
【請求項４】前記第一の脚部、前記第一の屈曲振動片お
よび前記第二の屈曲振動片からなる全振動系の振動時に
おける重心の振動の位相と、前記第二の脚部、前記第三
の屈曲振動片および前記第四の屈曲振動片からなる全振
動系の振動時における重心の振動の位相とが、前記基部
に対して対称的であることを特徴とする、請求項１〜３
のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項５】前記第一の脚部、前記第一の屈曲振動片お
よび前記第二の屈曲振動片からなる全振動系の振動によ
って前記基部に加わる応力と、前記第二の脚部、前記第
三の屈曲振動片および前記第四の屈曲振動片からなる全
振動系の振動によって前記基部に加わる応力とが、前記
基部において互いに相殺されることを特徴とする、請求
項４記載の振動子。
【請求項６】前記第一の脚部、前記第一の屈曲振動片、
前記第二の屈曲振動片、前記第二の脚部、前記第三の屈
曲振動片および前記第四の屈曲振動片からなる全振動系
の振動時における重心が、前記基部上またはその延長線
上にあることを特徴とする、請求項４または５記載の振
動子。
【請求項７】前記第一の脚部と前記第二の脚部との交差
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
部を備えていることを特徴とする、請求項１〜６のいず
れか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項８】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少なくとも一対の共振
アームであって、前記固定部から突出している一対の共
振アームを備えていることを特徴とする、請求項１〜７
のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項９】前記固定部からの前記共振アームの突出位
置において、前記共振アームの両側の前記固定部からの
突出寸法が異なることを特徴とする、請求項８記載の振
動子。
【請求項１０】前記屈曲振動片にその長手方向に向かっ
て延びる貫通孔が設けられていることを特徴とする、請
求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項１１】前記共振アームにその長手方向に向かっ
て延びる貫通孔が設けられていることを特徴とする、請
求項８または９記載の振動子。
【請求項１２】前記固定部が、両端が固定されている固
定片部であり、この固定片部の一方の側に前記基部が設
けられており、前記固定片部の他方の側に共振片が設け
られていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれ
か一つの請求項に記載の振動子。
【請求項１３】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１〜１２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
ることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
【請求項１４】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るための励振手段
と、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ための検
出手段とを備えていることを特徴とする、請求項１３記
載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項１５】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８記載の振動子と、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
振動させるための励振手段と、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ための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。
【請求項１６】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１２記載の振動子と、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
曲振動させるための励振手段と、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
による前記共振片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ているこ
とを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
【請求項１７】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１〜１２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。
【請求項１８】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、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る第二の脚部、前記
第一の脚部の一方の側に設けられている第一の振動系、
前記第一の脚部の他方の側に設けられている第二の振動
系、前記第二の脚部の一方の側に設けられている第三の
振動系、および前記第二の脚部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、前記第一の振動系の重
心の振動の位相と前記第二の振動系の重心の振動の位相
とが前記第一の脚部に対して対称的であり、前記第三の
振動系の重心の振動の位相と前記第四の振動系の重心の
振動の位相とが前記第二の脚部に対して対称的であるこ
とを特徴とする、振動子。
【請求項１９】前記第一の振動系および前記第二の振動
系からなる全振動系の振動時の重心が、前記第一の脚部
上またはその延長線上にあり、前記第三の振動系および
前記第四の振動系からなる全振動系の振動時の重心が、
前記第二の脚部上またはその延長線上にあることを特徴
とする、請求項１８記載の振動子。
【請求項２０】前記第一の脚部、前記第一の振動系およ
び前記第二の振動系からなる全振動系の振動時における
重心の振動の位相と、前記第二の脚部、前記第三の振動
系および前記第四の振動系からなる全振動系の振動時に
おける重心の振動の位相とが、前記基部に対して対称的
であることを特徴とする、請求項１８または１９記載の
振動子。
【請求項２１】前記第一の脚部、前記第一の振動系およ
び前記第二の振動系からなる全振動系の振動によって前
記基部に加わる応力と、前記第二の脚部、前記第三の振
動系および前記第四の振動系からなる全振動系の振動に
よって前記基部に加わる応力とが、前記基部において互
いに相殺されることを特徴とする、請求項２０記載の振
動子。
【請求項２２】前記第一の脚部、前記第一の振動系、前
記第二の振動系、前記第二の脚部、前記第三の振動系お
よび前記第四の振動系からなる全振動系の振動時におけ
る重心が、前記基部上またはその延長線上にあることを
特徴とする、請求項２０または２１記載の振動子。
【請求項２３】前記第一の振動系が、前記第一の脚部に
対して交差する方向に延びる第一の屈曲振動片であり、
前記第二の振動系が、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であり、前
記第三の振動系が、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であり、前記第四の振動系
が、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であることを特徴とする、請
求項１８〜２２のいずれか一つの請求項に記載の振動
子。
【請求項２４】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、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る第二の脚部、前記
第一の脚部の一方の側に設けられている第一の振動系、
前記第一の脚部の他方の側に設けられている第二の振動
系、前記第二の脚部の一方の側に設けられている第三の
振動系、および前記第二の脚部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、前記第一の脚部、前記
第一の振動系および前記第二の振動系からなる全振動系
の振動時における重心の振動の位相と、前記第二の脚
部、前記第三の振動系および前記第四の振動系からなる
全振動系の振動時における重心の振動の位相とが、前記
基部に対して対称的であることを特徴とする、振動子。
【請求項２５】前記第一の脚部、前記第一の振動系およ
び前記第二の振動系からなる全振動系の振動によって前
記基部に加わる応力と、前記第二の脚部、前記第三の振
動系および前記第四の振動系からなる全振動系の振動に
よって前記基部に加わる応力とが、前記基部において互
いに相殺されることを特徴とする、請求項２４記載の振
動子。
【請求項２６】前記第一の脚部、前記第一の振動系、前
記第二の振動系、前記第二の脚部、前記第三の振動系お
よび前記第四の振動系からなる全振動系の振動時におけ
る重心が、前記基部上またはその延長線上にあることを
特徴とする、請求項２４または２５記載の振動子。
【請求項２７】前記第一の振動系の重心の振動の位相と
前記第二の振動系の重心の振動の位相とが前記第一の脚
部に対して対称的であり、前記第三の振動系の重心の振
動の位相と前記第四の振動系の重心の振動の位相とが前
記第二の脚部に対して対称的であることを特徴とする、
請求項２４〜２６のいずれか一つの請求項に記載の振動
子。