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【発明の名称】 振動ジャイロおよびその製造方法
【発明者】 【氏名】山本 泉

【氏名】柳沢 徹
【要約】 【課題】振動ジャイロの感度を向上し、小型化を容易にする。

【解決手段】一つの基部と基部から伸びる４本の脚を持つ水晶からなる４脚音叉を振動ジャイロとし、音叉の溝を脚幅の０．６倍以上とした。これにより、水晶の異方性の結果、駆動振動では駆動脚の振幅が大きく、検出振動では検出振動の振幅が大きくなるので、駆動脚に働くコリオリ力に基づく振動を拡大して検出できるようになり、感度が向上した。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一つの基部と該基部から同方向に伸びる４本の脚を持ち水晶を材質とする音叉からなる振動ジャイロであり、隣合う脚の間隔が該脚の幅の０．６倍以上であることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】 請求項１記載の振動ジャイロであり、前記音叉の脚が伸びる方向が水晶の結晶軸のＸ軸方向に垂直でありＹ軸方向からＺ軸方向へ向かって−１０度乃至＋１０度回転した方向であることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項３】 請求項２記載の振動ジャイロであり、前記４本の脚を分離する２本の溝を有し、該溝の内ＸＹ’面に平行な溝ａの方がＹ’Ｚ’面に平行な溝ｂよりも深いことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項４】 請求項２又は３記載の振動ジャイロであり、前記溝ａより−Ｚ’側にある２本の脚の両方または一方を駆動し、前記溝ａより＋Ｚ’側にある２本の脚の両方または一方を用いて検出を行うことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項５】 一つの基部と該基部から同方向に伸びる４本の脚を持つ音叉からなる振動ジャイロの製造方法であり、該音叉の隣り合う脚の間の溝を該溝の両端の研削を行った後に残部を研削することで形成すること特徴とする振動ジャイロの製造方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、角速度を検出するために用いられる振動ジャイロおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】家庭用ビデオカメラの手ぶれ防止機構やカーナビゲーションシステムの位置検出機構などに、手ぶれの検出および車体の回転角度を検出するための振動ジャイロが用いられている。物理法則によれば、角速度Ωで回転する座標系から見て運動する物体にはその相対速度Ｖに比例したコリオリ力Ｆｃが速度と直交する方向に作用し、その大きさと方向は次式で現される。
Ｆｃ＝２ｍＶ×Ωここで、ｍはコリオリ力が作用する物体の質量である。
【０００３】振動ジャイロは振動によって物体の運動を発生させることで、振動方向に直交する方向に作用するコリオリ力を捉えて回転を検出しようとする角速度センサであり、用いられる振動子には音片型、音叉型などの様々な形が提案されている。
【０００４】このうち、発生させる振動である駆動振動とコリオリ力によって引き起こされる検出振動の双方が振動子の支持方法の影響を受けないものとして、一つの基部１と基部１から同一の方向に伸びる４本の脚３を持つ図１２に示す様な４脚音叉が特開平４−３２４３１１号公報などで提案されている。
【０００５】この様な４脚音叉は等方性材料を用いた場合図１３〜図１８に示す６個の振動モードを持つ。図は４脚音叉の脚部の断面を示したものであり、矢印はある瞬間の各脚の振動方向を表している。振動モードａ（図１３）は隣り合う２本の脚の振動面が直交するモードであり、隣り合う２本の脚が互いに近づく時はそれと直交する２本の脚は互いに離れるモードである。振動モードｂ（図１４）は隣り合う２本の脚の振動面が直交するモードであり、隣り合う２本の脚が互いに近づく時はそれと直交する２本の脚も互いに近づき、脚が全体に近づいたり離れたりするモードである。振動モードｃ（図１５）は隣り合う２本の脚の振動面が直交するモードであり、対角上の２本の脚が近づく時はそれと直交する２本の脚は離れるモードである。振動モードｄ（図１６）は全ての脚の振動面が平行なモードであり、対角上の２本の脚は互いに同相であり、対角上の２本の脚の組とそれと直交する２本の脚の組は逆相のモードである。振動モードｅ（図１７）は振動モードｄの振動面を９０度回転したモードである。振動モードｄと振動モードｅは、振動方向が異なるだけで双子のモードである。脚断面が正方形の特別な場合には振動モードｄと振動モードｅの振動面は図１９、図２０に示すように脚の対角線に平行となる。振動モードｆ（図１８）は脚と基部が逆方向に回転する捻りモードである。
【０００６】コリオリ力は駆動振動に直交して働くので駆動振動の振動面と検出振動の振動面は直交するように選ぶのが効率が良いことから、振動モードａ（図１３）と振動モードｃ（図１５)の組合せ、あるいは振動モードｄ（図１６）と振動モードｅ（図１７）の組合せがそれぞれ駆動振動と検出振動として利用される。電気学会論文誌Ｅ，Ｖｏｌ．１１８−Ｅ，３７７−３８３（１９９８）にあるように、振動ジャイロの感度は振動体の共振周波数に反比例するので、同じ構造であれば振動体が小さいほど共振周波数は高くなるため感度は悪くなる。従って、必要な感度に対する大きさには制限があり、感度と大きさの両者を考慮して設計が行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来の技術では感度が不十分であり、小型化が困難であるという課題があった。
【０００８】上記課題を解決するため、本発明の目的は、感度が良く小型化が容易な振動ジャイロを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の振動ジャイロは、一つの基部と該基部から同方向に伸びる４本の脚を持ち水晶を材質とする音叉からなり、隣合う脚の間隔が該脚の幅の０．６倍以上であることを特徴とする。
【００１０】本発明の振動ジャイロは音叉の脚が伸びる方向が水晶の結晶軸のＸ軸方向に垂直でありＹ軸方向からＺ軸方向へ向かって−１０度乃至＋１０度回転した方向であることを特徴とする。
【００１１】本発明の振動ジャイロは、前記４本の脚を分離する溝を有し、該溝の内ＸＹ’面に平行な溝ａの方がＹ’Ｚ’面に平行な溝ｂよりも深いことを特徴とする。
【００１２】本発明の振動ジャイロは、前記溝ａより−Ｚ’側にある２本の脚の両方または一方を駆動し、前記溝ａより＋Ｚ’側にある２本の脚の両方または一方を用いて検出を行うことを特徴とする。
【００１３】本発明の振動ジャイロの製造方法は、一つの基部と該基部から同方向に伸びる４本の脚を持ち水晶を材質とする音叉の製造方法であり、音叉の隣り合う脚の間の溝を該溝の両端の研削を行った後に残部を研削することで形成すること特徴とする。
【００１４】本発明の様な構造をとると、水晶の弾性的な異方性の結果、駆動振動においては駆動脚の振幅の方が検出脚の振幅よりも大きくなり、また、コリオリ力が働いた場合に生じる検出振動においては駆動脚の脚の振幅よりも検出脚の振幅の方が大きくすることができるので、駆動脚に働いたコリオリ力によって生じる振動を検出脚では拡大して検出することができ感度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】（実施例）図１は本発明による振動ジャイロの実施の形態を示す図であり、直方体からなる基部１に同一方向に伸びる４本の脚３を有す。材質は水晶である。水晶は良く知られるようにＳｉＯ２の単結晶で、４つの結晶軸を有する三方晶系に属する。結晶軸の一つはｃ軸と呼ばれ３回対称軸である。残りの三つは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２回対称軸である。ここでは、三つの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。Ｚ軸およびＹ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に向かって角度θ＝−１０度〜１０度の範囲で回転させたものをＺ’軸およびＹ’軸とすると、本発明の振動ジャイロは、４つの脚の伸びる方向がＹ’軸に平行であり、各辺がそれぞれＹ’軸、Ｚ’軸、およびＸ軸に平行である。また、Ｘ方向から見た脚の長さは、Ｚ’方向から見た脚の長さより５±３％程度長く形成されている。即ち、ＸＹ’面に平行な溝ａ５の方がＺ’Ｙ’面に平行な溝ｂ７より深い。
【００１７】水晶はその結晶的な異方性の結果として弾性係数が方向によって異なるため、弾性的な異方性を有することが知られている。このため、本発明の振動ジャイロでは幾何学的には溝ａ５および溝ｂ７に対して対称であるにもかかわらず、振動状態が対称ではない振動モードが存在する。本発明はこの異方性を利用したものである。駆動振動として利用する振動モードαおよび検出振動として利用する振動モードβでの脚の動きを図２と図３にそれぞれ示す。図はＹ’軸から見た脚の動きを表現しており、矢印はある瞬間の変位の大きさと向きを現している。説明を簡単にするため各脚の呼び方を次のように定義する。溝ａより−Ｚ’側かつ溝ｂより−Ｘ側にある脚を第１の脚９、溝ａより−Ｚ側かつ溝ｂより＋Ｘ側にある脚を第２の脚１１、溝ａより＋Ｚ’側かつ溝ｂより＋Ｘ側にある脚を第３の脚１３、溝ａより＋Ｚ’側かつ溝ｂより−Ｘ側にある脚を第４の脚１５と呼ぶことにする。前述したように振動モードαは駆動振動モードとして利用され、振動モードβは検出モードとして利用される。振動モードαと振動モードβは互いに隣り合うモードである。振動モードαは各脚の振動面がＸ軸方向に平行のモードであり、第１の脚９、第４の脚１５と第２の脚１１、第３の脚１３が互いに逆相なモードである。振幅は第１の脚９、第２の脚１１の方が第３の脚１３、第４の脚１５より大きい。一方、振動モードβはＸ方向の振動に関しては、第１の脚９、第２の脚１１と第３の脚１３、第４の脚１５が互いに逆相であり、Ｚ’方向の振動に関しては第１の脚９、第４の脚１５と第２の脚１１、第３の脚１３が互いに逆相のモードである。振幅は第３の脚１３、第４の脚１５の方が第１の脚９、第２の脚１１よりも大きい。
【００１８】駆動振動の発振は第１、第２の脚を用いて行われ、検出振動の検出は第３、第４の脚を用いて行われる。図４に電極配置と回路ブロック図を示す。第１の脚にはＹ’Ｚ’面に平行な電極１７と電極１９がある。電極１９は溝ｂの中にあり、電極１７は電極１９と対向する面にある。また、第１の脚にはＸＹ’面に平行な電極２１と電極２３を有す。電極２３は溝ａの中にあり、電極２１は電極２３と対向する面にある。第２の脚にはＹ’Ｚ’面に平行な電極２５と電極２７がある。電極２５は溝ｂの中にあり、電極２７は電極２５と対向する面にある。また、第２の脚にはＸＹ’面に平行な電極２９と電極３１を有す。電極３１は溝ａの中にあり、電極２９は電極３１と対向する面にある。第３の脚にはＺ’Ｙ’に平行な電極３３、電極３５、電極３７がある。電極３７は溝ｂの中にあり、電極３３と電極３５は電極極３７と対向する面にある。電極３３は脚側面の中央より溝ａに近い側にあり、電極３５は外側にある。第４の脚にはＺ’Ｙ’に平行な電極３９、電極４１、電極４３がある。電極３９は溝ｂの中にあり、電極４１と電極４３は電極３９と対向する面にある。電極４１は脚側面の中央より溝ａに近い側にあり、電極４３は外側にある。これらの電極は互いに振動体内部で結ばれ端子Ｄ１、端子Ｄ２、端子Ｓ１、端子Ｓ２、端子Ｇの５つの端子として外部回路に接続される。電極１７、電極１９、電極２９および電極３１は互いに結ばれ端子Ｄ１に繋げられる。電極２１、電極２３、電極２５および電極２７は互いに結ばれ端子Ｄ２に繋げられる。電極３３と電極４１は互いに結ばれて端子Ｓ１に繋げられる。電極３５と電極４３は互いに結ばれて端子Ｓ２に繋げられる。電極３７と電極３９は端子Ｇに繋げられる。
【００１９】外部回路との接続は次の様である。端子Ｄ１とＤ２は発振回路４５に繋げられ、Ｘ方向への振動が励振される。発振回路４５の信号は移相回路４７を介して検波回路４９に入力される。一方、コリオリ力によるＺ’方向振動を検出する端子Ｓ１、端子Ｓ２は差動増幅回路５１へ接続される。差動増幅回路５１の出力は検波回路４９へ入力され出力増幅回路５３を経て角速度に比例した直流電圧が取り出される。また、端子Ｇは接地される。
【００２０】前述したように、第１、第２の脚をＸ方向に励振した駆動振動（振動モードα）では、検出脚である第３、第４の脚の振動は小さい。その度合は脚幅Ｗに対する溝幅ｗの割合で異なり、図５に示すような依存性を示す。例えば脚幅Ｗと溝幅ｗの比が１：１では第１、第２の脚の振幅ＷＤ１と第３、第４の脚の振幅ＷＤ２の比は１：約０．２である。このように駆動振動では第１、第２の脚の振幅の方が大きいので、Ｙ’軸まわりの角速度が発生した時に生じるコリオリ力は主に第１、第２の脚に作用して、第１の脚と第２の脚を互いに逆相にＺ’方向に振動させる。一方、検出モードである振動モードβの第３、第４の脚の振幅ＷＳ２の第１、第２の脚の振幅ＷＳ１に対する割合も図５に示すような溝幅依存性を示すが、今の場合約２１倍であり第１、第２の脚の振幅は第３、第４の脚では約２１倍の振幅となって増幅される。従って、本発明のように水晶の弾性的な異方性を利用すると小さな角速度が作用しても検出信号を大きくとることができるので、感度が向上する。
【００２１】感度向上の程度は上記の理由から、駆動振動における第３、第４の脚の振幅ＷＤ２の第１、第２の脚の振幅ＷＤ１に対する比の逆数（ＷＤ１／ＷＤ２）と検出振動における第３、第４の脚の振幅ＷＳ２の第１、第２の脚の振幅ＷＳ１に対する比（ＷＳ２／ＷＳ１）との積（以下、この積を感度係数と呼ぶことにする）に比例すると考えられる。感度係数は図５に示すような溝幅依存性がある。図５からわかるように、感度係数は溝幅が脚幅に対して０．５倍以下では小さく、０．５倍以上で急激に大きくなり０．７倍付近で最大となる。それ以上では逆に低下するが、１倍以上でほぼ一定となる。これらのことから、溝幅は脚幅に対して０．６倍以上が望ましく、０．６倍〜０．８倍であることが最も望ましい。
【００２２】次に加工方法を説明する。上述したように本発明における溝幅は脚幅に対して０．６以上であることが良い。従って、脚幅を１ｍｍとした場合溝幅は０．６ｍｍ以上が良いが、このような幅の溝を形成するには一般に音叉加工に使われているような鉄製のワイヤを用いたワイヤーソーではワイヤーの径が太すぎてワイヤの巻き取りが困難となるので現実的でない。また、ダイシングソーのような円盤状の砥石を用いた加工では加工に伴い砥石が摩耗するため溝幅が一定とならず量産性がない。以上の困難を解決するため、本発明では溝の形成をワイヤソーとダイシングソーの組み合わせで行う。以下、図６〜図１１を基に加工手順を説明する。
【００２３】まず、Ｙ’軸を厚み方向に、縦、横の稜線をそれぞれＺ’軸、Ｘ軸と平行として水晶板５５を切り出して両面をラッピングする。続いて、水晶板５５をガラス板５７にワックスを用いて貼り付け、Ｚ’軸がワイヤーと平行となるようにワイヤーソーにセットする。ワイヤー径ｄは溝幅ｗの２分の１以下、ワイヤーのピッチは（ｗ−ｄ）として溝の両端を所定の深さまで加工する（図７）。この時の加工深さがＺ’方向から見た脚の長さとなる。次に、脚幅Ｗと溝幅ｗとの和（Ｗ＋ｗ）の距離だけ水晶板をＸ方向にずらして、水晶板が切断され、ガラス板が切断されない深さの加工を行う（図８）。このようにすると、ピッチ（ｗ−ｄ）の２本のワイヤーがピッチ（２Ｗ＋２ｄ）で繰り返されるようにワイヤーを張っておけば、脚幅Ｗの加工ができる。さらに、水晶板を９０度回転して同様の加工を行ってＸ軸に平行な溝加工と切断を行う。その後、ワイヤーソーから外してダイシングソーにセットして、溝内の残部を研削して除去する。用いる砥石は円盤状で、厚みを残部の厚み（ｗ−２ｄ）より大きく、溝幅ｗより小さくする。例えば厚みを（ｗ−ｄ）にすると、位置ずれがｄだけあっても加工が可能であり、ワイヤーソーからダイシングソーへの付け替えによる誤差を吸収することができる。ダイシングソーの加工の際に溝の残部の剛性が不足して加工途中で折れるなどの問題が生じる場合はワイヤーソーから外した後、ガラス板との接合に用いたワックスより融点が低いワックスを含浸させて補強を行うと良い。ワックスを溶剤により除去すると４脚音叉が多数個得られる（図１１）。その後、スパッタリングあるいは真空蒸着によって電極の形成を行うと４脚音叉が完成する。
【００２４】完成した４脚音叉は気密端子を備えたベースに取り付けられ音叉上の端子と気密端子との間の配線が行われる。配線はワイヤーボンディングで行われるのが一般的だが、ＦＰＣを用いて接合しても良い。この場合、音叉上の端子とＦＰＣは異方性導電膜を用いて接合すると良い。最後に内部を真空にした状態でキャップが被せられる。真空封止された素子は配線基板に実装された上、ケースに収めれば振動ジャイロとして完成する。
【００２５】以上述べたように、本実施例では駆動脚として第１、第２の脚の両方を用いた例を示したが、どちらか一方を用いても良い。また、本実施例では検出脚として第３、第４の脚の両方を用いた例を示したが、どちらか一方からの信号を用いても良い。また、本発明は駆動振動においては駆動脚を大きく、検出脚を小さく振動させ、角速度によって生じる検出振動においては検出脚の振動を駆動脚より大きくすることが本質であり、本実施例において示したような電極配置および駆動検出方法以外でも良いことは言うまでもないことである。
【００２６】
【発明の効果】以上に記したように、本発明によれば、感度が良い振動ジャイロを実現でき、小型化できるという効果がある。また、精度の良い多数個の振動ジャイロを得ることができるという効果がある。
【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１１年１０月２６日（１９９９．１０．２６）
【代理人】
【公開番号】 特開２００１−１２４５６０（Ｐ２００１−１２４５６０Ａ）
【公開日】 平成１３年５月１１日（２００１．５．１１）
【出願番号】 特願平１１−３０３８７４