振動ジャイロ

トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験

【発明の名称】	振動ジャイロ
【発明者】	【氏名】柳沢徹
【要約】	【課題】高精度な振動ジャイロを提供する。【解決手段】いずれの振動においても水晶４叉振動ジャイロ１０の基部１５が静止しており、保持方法により性能に影響が無く、加工組立精度に過大な期待をすることなく励振振幅を大きくとるための励振と検出の共振周波数の一致を実現できるので量産に向き、構造上共振検出方向の振幅が大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるのでノイズが少なく、高いＳ／Ｎを実現している。

【特許請求の範囲】
【請求項１】４本の足と電極と基部を備え、足は弾性と圧電性をもつ水晶からなり、足は形状が四角柱であり、足は長手方向，巾方向および厚さ方向が、それぞれ水晶結晶軸のＹ－Ｚ面内で回転したＹ’軸，Ｙ－Ｚ面内で回転したＺ’軸およびＸ軸であり、足は四角柱の側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有し、基部は弾性をもつ水晶からなり、基部は形状が四角柱であり、基部と４本の足は一体構造であり、４本の足は互いに平行に基部に田の字形に配置されており、第１の足の電極に印加した交流電圧により生じた第１の足の振動が基部を通して伝達してすべての足に生じた第１の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第１の屈曲振動に直交する方向の第２の屈曲振動の結果生じる電圧を、第２の足の電極により検出する振動ジャイロであって、足を一つの方向に駆動する電極の中に、矩形の水晶の隣り合う２つの面に連続して形成した電極を含み、足の一つの方向の振動を検出する電極の中に、矩形の水晶の隣り合う２つの面に連続して形成した電極を含むことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】４本の足と電極と基部を備え、足は弾性と圧電性をもつ水晶からなり、足は形状が四角柱であり、足は長手方向，巾方向および厚さ方向が、それぞれ水晶結晶軸のＹ－Ｚ面内で回転したＹ’軸，Ｙ－Ｚ面内で回転したＺ’軸およびＸ軸であり、足は四角柱の側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有し、基部は弾性をもつ水晶からなり、基部は形状が四角柱であり、基部と４本の足は一体構造であり、４本の足は互いに平行に基部に田の字形に配置されており、第１の足の電極に印加した交流電圧により生じた第１の足の振動が基部を通して伝達してすべての足に生じた第１の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第１の屈曲振動に直交する方向の第２の屈曲振動の結果生じる電圧を、第２の足の電極により検出する振動ジャイロであって、足を一つの方向に駆動する電極を、複数の足に形成し、足の１つの方向の振動を検出する電極を、複数の足に形成したことを特徴とする振動ジャイロ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から機械式の回転ジャイロスコープが、飛行機や船舶の慣性航行装置として使われているが、装置が大きく、価格が高く、したがって小型の電子機器や小型の輸送機械に組み込むことは困難である。
【０００３】しかし、近年、ジャイロスコープも小型化の研究が進み、圧電磁器で振動体を励振させ、振動体が回転により受けるコリオリ力で起きる振動により発生する角速度電流を、振動体に設けた別の圧電磁器で検出する振動ジャイロの実用化が進み、自動車のナビゲーションシステムやビデオカメラの手振れ検出装置等に使われている。
【０００４】以下に圧電磁器を使用した従来のジャイロを図面を用いて説明する。図１３は従来の音叉型の振動ジャイロを示す斜視図である。
【０００５】図１３により従来技術の音叉型の振動ジャイロについて説明する。振動体７１はエリンバなど恒弾性金属で形成された複合音叉型の構造を有している。すなわち振動体７１は、音叉の第１の足７２、７３の上部に、第２の足７４、７５を結合した構造をもつものである。圧電磁器製の駆動部および駆動電極７６は第１の足７３に張り合わせてある。図示しないが同様の駆動部および駆動電極が第１の足７３に張り合わせてある。圧電磁器製の検出部および検出電極７７は第２の足７５に張り合わせてある。図示しないが同様の検出部および検出電極が第２の足７４に張り合わせてある。ここで、足の伸びた方向をｚ軸方向とする。
【０００６】つぎに以上構成に基づく作用について説明する。駆動電極７６に印加した交流電圧により第１の足７２、７３は左右に変位する第１の屈曲振動を発生する。以下これを、通常の音叉が１つの面内で振動を行うのを理想とする慣例から、面内振動と呼ぶ。この面内振動によって、第１の足７２，７３に結合された第２の足７４，７５は面内振動する。音叉全体をｚ軸の回りに角速度ωで回転させると、面内振動と直角な方向にコリオリ力Ｆｃが働く。コリオリ力Ｆｃは以下の式で表すことができる。
Ｆｃ＝２・Ｍ・ω・Ｖここで、Ｍは第１の足７２，７３又は第２の足７４，７５の質量であり、Ｖは振動の速度である。このコリオリ力Ｆｃによって、面内振動と直角方向に変位する第２の屈曲振動を励起する。以下これを面外振動と呼ぶ。この面外振動により発生する交流電圧を検出電極７７で検出することによって、角速度ωを算出して知ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の振動ジャイロには以下のような問題がある。一般に振動体を支持する場合は、支持の影響が振動体に及ぶのを最小限にするため、振動体が振動中に動かない位置、すなわち振動の節を用いる。図１３に示す音叉型の構成では面内振動の節は又の部分にあり、この周辺はほとんど動かないが、コリオリ力で励振される面外振動では、振動により動かない部分は存在しない。したがって、どの部分を、どのように支持しても支持の影響が振動体に及んでしまう。
【０００８】一般に音叉型振動子は又の中央部あたりを支持するが、実際に、この部分を支持する場合と支持しない場合で、振動体７１の面内振動の共振周波数がほとんど変わらないのに比べ、面外振動では、数％にも及ぶ共振周波数の変化がある。したがって、面外振動の共振周波数は支持の仕方によって数％も変化することになる。ここでは、面内振動の周波数をもつ交番コリオリ力で面外振動を励振するのだが、励振の効率は、面外振動の共振周波数に依存する。音叉の面内振動の共振周波数と面外振動の共振周波数が離れていると、面外振動に充分な励振を引き起こすことができないし、微妙な支持の変化で面外振動の共振周波数が大幅に変化するのでは、励振の効率が大幅に変化してしまい、精度のよい検出は不可能である。このような理由により、音叉型の振動ジャイロは、充分普及するに至っていない。
【０００９】［発明の目的］本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、検出感度が大きく、検出精度のよい、振動ジャイロを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するために、本発明の振動ジャイロは、以下に記載の構成を採用する。
【００１１】本発明の振動ジャイロは、４本の足と電極と基部を備え、足は弾性と圧電性をもつ水晶からなり、足は形状が四角柱であり、足は長手方向，巾方向および厚さ方向が、それぞれ水晶結晶軸のＹ－Ｚ面内で回転したＹ’軸，Ｙ－Ｚ面内で回転したＺ’軸およびＸ軸であり、足は四角柱の側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有し、基部は弾性をもつ水晶からなり、基部は形状が四角柱であり、基部と４本の足は一体構造であり、４本の足は互いに平行に基部に田の字形に配置されており、第１の足の電極に印加した交流電圧により生じた第１の足の振動が基部を通して伝達してすべての足に生じた第１の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第１の屈曲振動に直交する方向の第２の屈曲振動の結果生じる電圧を、第２の足の電極により検出する振動ジャイロであって、足を一つの方向に駆動する電極の中に、矩形の水晶の隣り合う２つの面に連続して形成した電極を含み、足の一つの方向の振動を検出する電極の中に、矩形の水晶の隣り合う２つの面に連続して形成した電極を含むことを特徴とする。
【００１２】本発明の振動ジャイロは、４本の足と電極と基部を備え、足は弾性と圧電性をもつ水晶からなり、足は形状が四角柱であり、足は長手方向，巾方向および厚さ方向が、それぞれ水晶結晶軸のＹ－Ｚ面内で回転したＹ’軸，Ｙ－Ｚ面内で回転したＺ’軸およびＸ軸であり、足は四角柱の側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有し、基部は弾性をもつ水晶からなり、基部は形状が四角柱であり、基部と４本の足は一体構造であり、４本の足は互いに平行に基部に田の字形に配置されており、第１の足の電極に印加した交流電圧により生じた第１の足の振動が基部を通して伝達してすべての足に生じた第１の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第１の屈曲振動に直交する方向の第２の屈曲振動の結果生じる電圧を、第２の足の電極により検出する振動ジャイロであって、足を一つの方向に駆動する電極を、複数の足に形成し、足の１つの方向の振動を検出する電極を、複数の足に形成したことを特徴とする。
【００１３】［作用］本発明による振動ジャイロは、４本の足を田の字型に対称性良く配置したことにより、音叉型における面外振動のような支持部に影響される振動を利用することなく使用するいずれの振動においても基部がほぼ静止しており、保持方法により性能に影響が無く、精度のよい角度検出ができる。また加工組立精度に過大な期待をすることなく出力信号を大きくとるための励振と検出の共振周波数の一致を実現でき、構造上共振検出方向の出力信号が大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるのでノイズが少なく高いＳ／Ｎを実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の振動ジャイロを実施するための最良の形態による実施の形態を図面を基に説明する。図１から図１２および図１４から図１６は本発明の実施の形態である振動ジャイロであり、図１は、以後４叉型と呼ぶ、４脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、水晶原石から切り出す切断方位を示す斜視図であり、図２および図３は電極の位置を示し、振動調整のための又の位置を示す側面図であり、図４および図５は４叉型の足の先端側から見たＹ’軸方向の電極構造の断面および配線模式図であり、図６は４叉型を円筒状の管に封入した振動ジャイロの構成を示す外観図であり、図７，図８，図９および図１０は４叉型の足の先端側から見たＹ’軸方向の断面を模式的に表した動作説明図であり、図１１および図１２は４叉型１０の配線の様子を示す上面図であり、図１４は別の実施の形態を示す４叉型１０の足の先端側から見たＹ’軸方向の電極構造の断面および配線模式図であり、図１５および図１６は別の実施の形態を示す斜視図であり、図１７は別の実施の形態を示す４叉型１０の足の先端側から見たＹ’軸方向の電極構造の断面および配線模式図であり、図１８は別の実施の形態を示す斜視図である。
【００１５】［振動ジャイロの構造説明：図１から図６，図１１および図１２］図１に示すように、４叉型１０は第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４と図示しない電極と基部１５から構成される。足は弾性と圧電性をもつ水晶からなり、形状が四角柱であり、四角柱の側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。基部は弾性をもつ水晶からなり、形状が四角柱である。第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は互いに平行に方形の基部１５の４つの頂点の位置に配置されており、基部１５と第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は一体構造である。
【００１６】この実施の形態で使用する一般に振動子に使われている水晶は、Ｓｉ０２の単結晶で、常温では４つの結晶軸をもつ三方晶系に属する。結晶軸の１つはｃ軸と呼ばれ、結晶の頂点を通る結晶軸であり、残りの３つはａ軸と呼ばれ、ｃ軸に垂直な面内に互いに１２０度の角度を成す結晶軸である。ここでは、３つのａ軸のいずれかをＸ軸とし、ｃ軸をＺ軸とし、Ｘ軸およびＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。
【００１７】４叉型１０はＸ，Ｙ，Ｚ軸から０～１０度Ｘ軸の回りに回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’軸およびＸ軸に、各辺を平行にして切り出される。このとき長手方向すなわち足の伸びた方向をＹ’軸，巾方向をＺ’軸および厚さ方向をＸ軸とする。こうして切り出された４叉型１０の、長手方向，巾方向および厚さ方向は、それぞれＹ’軸，Ｚ’軸およびＸ軸と平行となる。ただし、４叉型１０はＸ－Ｚ’面内で対称な形状をもつので、ここで用いた巾と厚さという言葉は特別な意味をもたない。以下ではＸ又はＺ’方向の巾という言葉を用いる。
【００１８】図２および図３に、一例として第１の足１１，第２の足１２に金属蒸着膜から成る電極を形成した様子を示す。第２図および図３は斜視図であり、図が煩雑になるので、第３の足と第４の足の電極はここでは図示しない。電極の形状はあらかじめ形状をエッチングで作成したマスクを作成しておき、これを電極を生成する水晶の面に張り付けて真空蒸着を施すことにより形成する。加振用として第１の足１１に第１の電極２３、２４を蒸着し、極性の異なる第２の電極２５、２６を蒸着している。ここで第１の電極２３と２４は、第１の足の側面を利用して互いに連結してある。また第２の電極２５、２６も、第１の足の側面を利用して互いに連結してある。またさらに加振用として第２の足１２に、第３の電極２７、２８を蒸着し、極性の異なる第４の電極２９、３０を蒸着している。ここで、第３の電極２７、２８は、第２の足の側面を利用して互いに連結してある。また、第４の電極２９、３０も、第２の足の側面を利用して互いに連結してある。図２においては斜視図なので電極２４，２５，２８、３０は図示できないため、側面を迂回して互いに連結する経路に符号を付した。
【００１９】図４と図５には、図２に一部を示すものと同じ電極２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７、３８を第１の足１１と、第２の足１２と、第３の足１３と、第４の足１４を切断するＸ－Ｚ’面内の断面に示す。加振用として第１の足１１に第１の電極２３、２４を蒸着し、極性の異なる第２の電極２５，２６を蒸着し、第２の足１２に隣り合う２つの面に連続して形成した第３の電極２７，２８を蒸着し、隣り合う２つの面に連続して形成した極性の異なる第４の電極２９，３０を蒸着している。また検出用として第３の足１３に、第５の電極３１、３２を蒸着し、極性の異なる第６の電極３３，３４を蒸着し、第４の足１４に、隣り合う２つの面に連続して形成した第７の電極３５，３６を蒸着し、隣り合う２つの面に連続して形成した極性の異なる第８の電極３７、３８を蒸着している。
【００２０】図４には加振用電極２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０に交流電圧を印加する発振回路４３と検出用電極３１，３２，３３，３４からの信号を検出する第１の検出回路４５，３５，３６，３７，３８からの信号を検出する第２の検出回路４６を示し、これらのあいだの配線を示す。また図５には、加振用電極２３，２４，２５，２６に交流電圧を印加する第１の発振回路４８，加振用電極２７，２８，２９，３０に交流電圧を印加する第２の発振回路４９と検出用電極３１，３２，３３，３４からの信号を検出する第１の検出回路４５，３５，３６，３７，３８からの信号を検出する第２の検出回路４６を示し、これらの間の配線を示してある。
【００２１】図６に４叉型１０を円筒状の管に封入したジャイロ素子としての構成を示す。ベース１６はセラミック等の絶縁性材料で構成されるが、上面には配線基板２２が接着してある。４叉型１０は基部１５を配線基板２２と接着固定する。４叉型１０を固定したベース１６は、金属製キャップ１７に圧入し、ベース１６と金属キャップ１７で封止することにより、４叉型１０が存在する内部環境を一定に保つ。この内部環境は例えば窒素等の不活性ガスの雰囲気とし、振動子としての４叉型１０の振動特性、すなわちＱ値やＣＩ値が、振動ジャイロとして扱いやすいものとなるように考慮して、気圧を調節する。
【００２２】４叉型１０に蒸着された図２または図４および図５に示した電極２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７、３８の端子部はベース１６に気密圧入するリード１８，１９，２０、２１と電気的に接続する必要がある。図１１および図１２には、配線基板上に形成された配線６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９、７０を示す。図１１は図２に対応する配線を示し、図１２は図３に対応する配線を示すが足の側面と基板を用いて自由に配線を行うことができる。電極２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７、３８の端子部は、４叉型１０の基部１５の底面まで形成された電極の延長部であるが、あらかじめこの端子部と配線６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９、７０は、位置が一致するように構成されており、各同じ極性のもの同士が容易にハンダまたは導電接着剤によって接合される。また、配線６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９、７０の一部は、リード１８，１９，２０、２１を取り巻くように形成されており、配線とリードの各同じ極性のもの同士が容易に半田または導電接着剤により接合される。リード１８，１９，２０、２１は、図４に示した発振回路４３と第１の検出回路４５と第２の検出回路４６に接続されるか、図５に示した第１の発振回路４８および第２の発振回路４９と第１の検出回路４５および第２の検出回路４６に接続される。
【００２３】［振動ジャイロの動作・作用説明：図４，図５，図７から図１０，図１４から図１８］図４において、第１の足１１のＹ’方向の屈曲振動の第１の中立線３９を点で示し、第２の足１２のＹ’方向の屈曲振動の第２の中立線４０を点で示し、第３の足１３のＹ’方向の屈曲振動の第３の中立線４１を点で示し、第４の足１４のＹ’方向の屈曲振動の第４の中立線４２を点で示す。図の外側の線は各電極間の配線を模式的に示したもので、発振回路４３と第１の検出回路４５および第２の検出回路４６に接続している。図中ある瞬間の電圧の様子を矢印で示すが、第１の電圧５１を矢印で示し，第２の電圧５２を矢印で示し，第３の電圧５３を矢印で示し、第４の電圧５４を矢印で示している。
【００２４】まず、発振回路４３からの交流電圧により、第１の足１１の第１の電極２３、２４と第２の電極２５、２６を通じて第１の電圧５１および第２の電圧５２が印加され、第１の電圧５１の方向が伸び、第２の電圧５２の方向が縮むとすると、Ｚ’軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第１の足１１はＺ’軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第１の足１１のみであったとしても、発振回路４３の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第１の足１１の振動が基部１５を通して伝達し、第２の足１２，第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第３の足１３がＹ’－Ｚ’面内で音叉型に振れ、第２の足１２と第４の足１４がＹ－Ｚ’面内で、第１の足１１と第３の足１３の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が発生する。
【００２５】これと同時に、発振回路４３からの交流電圧により、第２の足１２の第３の電極２７、２８と第４の電極２９、３０を通じて第３の電圧５３および第４の電圧５４が印加され、第３の電圧５３の方向が伸び、第４の電圧５４の方向が縮むとすると、Ｘ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し結果として、第２の足１２はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき駆動する足が第２の足１２のみであったとしても、発振回路４３の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第２の足１２の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第２の足１２と第１の足１１がＹ’－Ｘ面内で音叉型に振れ、第４の足１４と第３の足１３がＹ－Ｘ面内で、第２の足１２と第１の足１１の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が発生する。
【００２６】図７に第１の屈曲振動を模式的に示す。第１の屈曲振動では４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３と第４の足１４がＹ’－Ｚ’面内で屈曲振動を行うが、ここではある瞬間の変位方向を矢印で示している。また図８に第２の屈曲振動を模式的に示す。第２の屈曲振動では４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ’－Ｘ面内で屈曲振動を行う。ここでもある瞬間の変位方向を実線矢印で示している。
【００２７】図７に示した第１の屈曲振動および図８に示した第２の屈曲振動は４叉型１０の試作品の動作確認により、弾性体としての共振周波数の存在がが確認されているものである。即ち第１の屈曲振動においては、すべての足はＺ’方向に振動しており、第１の足１１と第３の足１３は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第２の足１２と第４の足１４は、第１の足１１と第３の足１３が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。一方第２の屈曲振動においては、すべての足はＸ方向に振動しており、第１の足１１と第２の足１２は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第３の足１３と第４の足１４は、第１の足１１と第２の足１２が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。これらの振動は４本の足が互いにバランスを取り合い、基部１５は振動の節となっておりほとんど振動しないので、４叉型１０は支持の方法により振動状態が変わることはほとんどない。
【００２８】今たとえばあらかじめ図７に示す第１の屈曲振動を行わせておき、同時に図８に示した第２の屈曲振動を発生させる。しかしながら、一般に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振周波数は、Ｘ軸，Ｙ’軸およびＺ’軸方向に切り出された水晶からなる４叉型１０では、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の弾性体としての共振周波数は、第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３，第４の足１４および基部１５のＹ’方向に垂直な断面形状がＸとＺ’方向で対称な場合は一致しない。
【００２９】ここで、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数を近づける工夫をする。棒状振動体の屈曲振動の周波数は屈曲方向の巾に比例するので、４叉型１０のＹ’軸に垂直な断面を、ここでは正方形でなく、Ｚ’方向をＸ方向に対して１％程度減じた長方形断面となるように変形する。この変形により、第２の屈曲振動の共振周波数は、第１の屈曲振動の共振周波数にほぼ一致する。
【００３０】しかしながら、量産を考慮した場合、一般に水晶の加工に用いられるワイヤソーによる加工精度は巾で６μｍ程度であるが、例えば４叉型１０の各の足の巾を３００μｍ程度とすると、１％が加工精度の限界となる。これ以上の調整を必要とする場合は、棒状振動体の共振周波数は棒の長さの自乗に逆比例するので、図２に示す様にＺ’方向から見た足の長さＬ１と、Ｘ方向から見た足の長さＬ２が異なるように各の又の深さが異なるように加工する。この部分だけを局部的に、さらに高精度に加工することにより、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数をより精度良く一致させることができる。
【００３１】図９に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が同時に存在する場合の４叉型１０の屈曲振動の様子を模式的に示す。図４の回路構成においては、発振回路として１つの発振回路４３で第１の屈曲振動と第２の屈曲振動を同時に発生させている。この場合第１の屈曲振動を行う４叉型１０の機械振動系と第２の屈曲振動を行う４叉型１０の機械振動系は、発振回路４３と結合して、第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１および位相δ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２および位相δ２は各同じになり、図９に示す第３の屈曲振動が発生する。
【００３２】しかし、水晶の圧電性がＸ方向の電界にしかよらないため一般にＺ’方向の屈曲を引き起こす電界はＸ方向の屈曲を引き起こす電界に比べて弱くなる。本実施形態においては、Ｚ’方向の屈曲を引き起こす電界の発生効率がよい、隣り合う２つの面に連続して形成した第３の電極２７、２８，第４の電極２９、３０，第７の電極３５、３６，第８の電極３７、３８を用いたため、第１の屈曲振動に対して第２の屈曲振動は、ほぼ同等の振幅を得ることができる。
【００３３】図５の回路構成においては、第１の発振回路４８で第１の屈曲振動を生成し、第２の発振回路４９で第２の屈曲振動を生成し、第２の発振回路４９の発振を参照信号として第１の発振回路４８の発振周波数との位相差を検出し、これを電圧に置き換え、第１の発振回路４８のバリキャップにフィードバックするＰＬＬ回路５０により、第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１および位相δ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２および位相δ２を各同じにしている。結果として、図４に示した発振回路を１つだけ用いた回路構成と同じく、図９に示す第３の屈曲振動が発生する。この場合は、あらかじめ第１屈曲振動と、第２の屈曲振動の振幅を調整し、第３の屈曲振動の方向を調整することができる。
【００３４】ところで、図９に示した第３の屈曲振動が発生している時、４叉型１０がＹ’軸の回りに、角速度ωで回転すると、各の足は、変位する方向に直交する方向にコリオリ力を受け、このコリオリ力により図１０に示す第４の屈曲振動が引き起こされる。第４の屈曲振動は、第３の屈曲振動と発振周波数が完全に一致している。したがって、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は、強制振動の理論によれば、最高の効率で行われ、第４の屈曲振動は非常に大きな振幅を得ることができる。
【００３５】第４の屈曲振動は、Ｚ’方向に成分として、第５の屈曲振動を持ち、第５の屈曲振動に直交するＸ方向に成分として第６の屈曲振動をもつ。たとえば、第６の屈曲振動では、たとえば第４の足１４においては、Ｙ’－Ｘ面内の歪みを生じ、水晶の圧電基本式ｅｙ＝ｄ１２＊ＥＸにより、第７の電圧５７および第８の電圧５８を発生する。ここにｅｙはＹ’方向歪み、ｄ１２は圧電定数、ＥＸはＸ方向の電圧である。ここでは、他の圧電定数は小さいので割愛している。Ｙ’方向歪みｅｙは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するが、上式によればさらに第７の電圧５７および第８の電圧５８に比例することになる。したがって、第７の電圧５７と第８の電圧５８は角速度ωに比例した電圧として、図５示した第４の足１４の電極３５，３６，３７、３８により導かれ、検出回路４５に入力される。同様に第５の屈曲振動では、たとえば第３の足１３においては、Ｙ’－Ｚ’面内に角速度ωに比例した電圧として、図５示した第３の足１３の電極３１，３２，３３、３４により導かれ、検出回路４６に入力される。
【００３６】ところが検出回路４５と検出回路４６には、すでに第１に屈曲振動に起因する電圧と第２の屈曲振動に起因する電圧がすでに入力されている。検出回路４５および検出回路４６の出力は、差動アンプ４７に入力されており、差動アンプ４７は、あらかじめ第１の屈曲振動と第２の屈曲振動に起因する出力がキャンセルし出力が０になるように調整されている。Ｚ’方向に働く第５の屈曲振動は、同じくＺ’方向に働く第１の屈曲振動を弱めるように働き、Ｘ方向に働く第６の屈曲振動は、同じくＸ方向に働く第２の屈曲振動を強めるように働くので、差動アンプ５０出力はコリオリ力によって発生した第４の屈曲振動の成分である第５の屈曲振動と第６の屈曲振動により発生する。これによって角速度ωの値を知ることができる。ここで、もし４叉型１０に回転以外の加速度が加わった場合にも検出回路４５と検出回路４６には出力が現れるが、これらはキャンセルされるので差動アンプ５０からは、回転に対応する出力のみが出力される。
【００３７】以上の発明により、検出回路４５と検出回路４６の入力はかなり大きなものとなるが検出精度を上げるためにはＳ／Ｎ比の大きな増幅器が必要である。Ｓ／Ｎ比の大きな増幅器としては一般にロックインアンプと呼ばれるものがある。ロックインアンプは、参照信号で検出信号をフィルタリングする思想のものである。
【００３８】本発明における４叉型１０の第１の屈曲振動は、発振回路４３または第１の発振回路４８と第２の発振回路４９と結合して、非常に大きなＱ値をもつ水晶発振器を構成している。すなわち非常に安定した周波数をもつ信号である。言い換えると、これを用いることにより角速度ωに起因する信号以外のノイズをほとんど除外できる。図４と図５の検出回路４５、４６は、プリアンプとロックインアンプから構成されており、発振回路４３又は第１の発振回路４８の信号を、参照信号として用いている。したがって、第１の屈曲振動からの信号を参照信号とするロックインアンプは、第５の屈曲振動と第６の屈曲振動からの信号の検出に際して、大きなＳ／Ｎ比をもつ増幅を実現できる。
【００３９】ところで、図５に示した発振回路を２つもつ構成においては、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の振幅をあらかじめ調整できるのであるから、製造しやすさを優先し、電極を形成しやすい形状に変更しても差し支えない。本実施の形態において電極は、あらかじめ形状をエッチングで作成したマスクを作成しておき、これを電極を生成する水晶の面に張り付けて真空蒸着を施すことにより形成しているが、叉の間のマスクは工程が複雑になるので、なるべく単純にしたい。
【００４０】図１４から図１６に、図４と図５で示したものとは別の電極を示す。図１４において、第１の発振回路４８からの交流電圧により、第２の足１２の電極８３と電極８４を通じて電圧１０３および電圧１０４が印加され、電圧１０３の方向が伸び、電圧１０４の方向が縮むとすると、Ｘ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第２の足１２はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第２の足１２のみであったとしても、第１の発振回路４８の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第２の足１２の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ’－Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ－Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が発生する。
【００４１】これと同時に、第２の発振回路４９からの交流電圧により第４の足１４の電極８９、９０と電極９１、９２を通じて電圧１０７と電圧１０８が印加され、電圧１０７の方向が伸び、電圧１０８の方向が縮むとすると、Ｚ’軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともにこの方向は変化し、その結果第４の足１４はＺ’軸方向に屈曲振動する。このとき駆動する足が第４の足１４のみであったとしても、第２の発振回路４９の周波数が４叉型１０の弾性体として共振周波数付近であれば、第４の足１４の振動が基部１５を通して伝達し第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３が自動的に励振され、第３の足１３と第１の足１１がＹ’－Ｚ’面内で音叉型に振れ、第４の足１４と第２の足１２がＹ－Ｚ’面内で、第３の足１３と第１の足１１の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が発生する。
【００４２】図１４に示した電極も、図４および図５に示した電極と同じく、隣り合う２つの面に連続して形成した電極を含み、効率よく電界を発生する。さらに図１４に示す電極では、叉の間のマスク工程が少なく、より低コストに４叉型１０を製造することができる。
【００４３】図４，図５および図１４に示したような電界を発生させる効率のよい電極を用いる方法とは別に単純な電極を複数用いる方法もある。図１７と図１８に複数の足を同時に励振させる電極を示す。図１７において、第１の発振回路４８からの交流電圧により、第２の足１２の電極１１６，電極１１７および電極１１８を通じて電圧１３１および電圧１３２が印加され、電圧１３１の方向が伸び、電圧１３２の方向が縮むとすると、Ｘ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともにこの方向は変化し、結果として、第２の足１２はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき同時に第３の足１３の電極１２１，電極１２２および電極１２３を通じて電圧１３４および電圧１３５が印加され、電圧１３５の方向が伸びて、電圧１３４の方向が縮むとすると、Ｘ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともにこの方向は変化し、結果として第３の足１３はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第２の足１２および第３の足１３のみであったとしても、第１の発振回路４８の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第２の足１２および第３の足１３の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１および第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ’－Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ－Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が発生する。
【００４４】図１７において、これと同時に第２の発振回路４９からの交流電圧により、第２の足１２の電極１１９および電極１２０を通じて電圧１３１および電圧１３３が印加され、電圧１３１の方向が伸び、電圧１３３の方向が縮むとすると、Ｚ’軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第２の足１２はＺ’軸方向に屈曲振動する。これと同時に、第２の発振回路４９からの交流電圧により、第３の足１３の電極１２４と電極１２５を通じて電圧１３４および電圧１３６が印加され、電圧１３４の方向が伸び、電圧１３６の方向が縮むとすると、Ｚ’軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともにこの方向は変化し、結果として、第３の足１３はＺ’軸方向に屈曲振動する。このとき駆動する足が第２の足１２と第３の足１３のみであったとしても、第２の発振回路４９の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第２の足１２および第３の足１３の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１および第４の足１４が自動的に励振され、第３の足１３と第１の足１１がＹ’－Ｚ’面内で音叉型に振れ、第４の足１４と第２の足１２がＹ－Ｚ’面内で、第３の足１３と第１の足１１の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が発生する。
【００４５】図１７に示す回路では、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動である第３の屈曲振動からコリオリ力により発生する第４の屈曲振動のＸ方向の成分である第５の屈曲振動を検出する第１の足１１に形成する検出電極１１１，１１２、１１３の発生する電圧は、第１の検出回路４５に入力され第４の屈曲振動のＺ’方向の成分である第６の屈曲振動を検出する第１の足１１に形成された検出電極１１４、１１５の発生する電圧は第２の検出回路４６に入力され、第１の検出回路４５の出力と第２の検出回路４７の出力は差動アンプ４７で差動増幅される。さらに第５の屈曲振動を検出する第４の足１４に形成された検出電極１２６，１２７、１２８の発生する電圧は、第３の検出回路９７に入力され、第６の屈曲振動を検出する第４の足１４に形成された検出電極１２９、１３０の発生する電圧は、第４の検出回路９８に入力され、第３の検出回路９７の出力と第４の検出回路９８の出力は差動アンプ９９で差動増幅される。そして差動アンプ４７および差動アンプ９９の出力は差動アンプ１００で合成される結果として、差動アンプ１００の出力は、コリオリ力以外のノイズの影響の非常に少ないものとなる。
【００４６】図１７に示した電極では、図４，図５および図１４に示した電界発生効率のよい電極ではなく、通常の電極を複数の足に形成し、効率よく励振を行う。図１７に示す電極は、叉の間のマスク工程がなく、より低コストに４叉型１０を製造することができる。
【００４７】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明による振動ジャイロは４本の足を対称性良く配置したことにより、いずれの振動においても基部が静止しており、保持方法により性能に影響が無く、加工組立精度に過大な期待をすることなくゲインを大きくとるための励振と検出の共振周波数の一致を実現できるので量産に向き、構造上共振検出方向のゲインが大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるのでノイズが少なく、高いＳ／Ｎを実現している。

【出願人】	【識別番号】０００００１９６０【氏名又は名称】シチズン時計株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）１０月２８日
【代理人】
【公開番号】	特開平１１－１３２７６９
【公開日】	平成１１年（１９９９）５月２１日
【出願番号】	特願平９－２９５３１９