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【発明の名称】 振動ジャイロ
【発明者】 【氏名】柳沢 徹

【氏名】山本 泉
【要約】 【課題】高精度で量産性の高い振動ジャイロを提供する。

【解決手段】ピーナッツ型振動体を用いることにより、高い駆動振動のＱ値を実現し、駆動振動により変位しない検出部を用いる。また、ピーナッツ型振動体を用い、駆動及び検出双方の振動を同一平面内で行わせる構造をとる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 発振用の電極を有する振動子と、角速度検出用の電極を有する検出部と、振動子の振動の節と検出部とを接続する接合部と、検出部を支持する支持部とを備えた振動ジャイロにおいて、振動子と接合部と検出部と支持部とが略一定の厚さの平面構造を為し、振動子は中心点に対して点対称の形状を有し、振動子は平面内で偶数個の変曲点を持つ曲線で構成され、駆動振動と検出振動は同一平面内にあることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】 請求項１に記載の振動ジャイロであって、全ての構成要素が圧電性単結晶により一体に形成されることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項３】 請求項１に記載の振動ジャイロであって、振動子は円弧のみを接続した構造である事を特徴とする振動ジャイロ。
【請求項４】 請求項１に記載の振動ジャイロであって、検出部は２つである事を特徴とする振動ジャイロ。
【請求項５】 請求項４に記載の振動ジャイロであって、検出は、２つの検出部からの信号の差動検出である事を特徴とする振動ジャイロ。
【請求項６】 請求項２に記載の振動ジャイロであって、加振及び検出の共振周波数の差を１００００ＰＰＭ以上と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、従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、圧電素子で振動体を励振し、振動体に設けた別の圧電素子で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電圧を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】特に圧電性単結晶を用いた振動ジャイロは、構造が簡単で、調整もしやすく、また温度特性に優れ、有望視されている。以下に圧電性単結晶を使用した例として、水晶を用いた音叉型振動ジャイロの構造を図面を用いて説明する。図５は音叉型の振動ジャイロを示す斜視図である。
【０００５】図５において、音叉Ｊ１０は水晶を一体加工したものに、駆動検出電極を蒸着した構造を有している。すなわち音叉Ｊ１０は、平行に配置された第１の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２が、基部Ｊ１５により結合された構造を持つものである。第１の足Ｊ１１には、駆動電極Ｊ３及びＪ４が蒸着されており、第２の足Ｊ１２には、検出電極Ｊ６，Ｊ７及びＪ８が蒸着されている。基部Ｊ１５の底面は、支持に用いられる。ここで、足の伸びた方向をＹ’方向、２本の足の並ぶ方向をＸ方向、Ｘ及びＹ’方向に直交する方向をＺ’方向とする。
【０００６】作用について説明する。図６は、従来の音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明する為の、足の断面及び駆動検出回路の模式図である。図６において、左側に記す第１の足Ｊ１１の断面には、駆動電極Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３及びＪ４の断面が配置され、右側に記す第２の足Ｊ１２の断面には検出電極Ｊ５，Ｊ６，Ｊ７及びＪ８の断面が配置されている。まず、第１の足Ｊ１１が例えば第２の足Ｊ１２に向かってＸ方向に屈曲すると、電極Ｊ２近傍がＹ’方向に伸び、電極Ｊ４近傍がＹ’方向に縮むが、この時水晶内部では圧電効果により電極Ｊ２近傍ではＸ方向に、また電極Ｊ４近傍では−Ｘ方向に電界が発生する。この時電界の向きを考慮すると電極Ｊ２及びＪ４は同電位で、足の中央より例えば高い電位となる。Ｘ方向に見ると、足の中央付近に配置された電極Ｊ１及びＪ３は、相対的に電極Ｊ２及びＪ４より低い電位となるので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及びＪ３の間には、電位差が発生する。圧電効果は可逆的なので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及びＪ３の間に電位差を与えれば、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、第１の足Ｊ１１はＸ方向に屈曲することになる。これらのことから、例えば電極Ｊ１及びＪ３の電位を参照として発振条件を超える増幅率でアンプＪＧを用いて増幅し、発振条件を満足する位相に移相回路ＪＰで整えて電極Ｊ２及びＪ４に戻すことにより、第１の足Ｊ１１の屈曲に伴う機械的な戻り力と電気的な力の間でエネルギーの交換が起こり、第１の足Ｊ１１をＸ方向に自励発振させることができる。音叉Ｊ１０全体で見ると、第１の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２の運動量をバランスさせる為、第１の足Ｊ１１がＸ方向に動く時、第２の足Ｊ１２は−Ｘ方向に動き、第１の足Ｊ１１が−Ｘ方向に動く時、第２の足Ｊ１２がＸ方向に動く動作となるが、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、面内屈曲振動と呼ぶが、第１の足Ｊ１１，アンプＪＧ及び移相回路ＪＰで発生させる振動は面内屈曲振動と同じ動作であり、その周波数は、音叉Ｊ１０の面内屈曲振動の共振周波数とほぼ一致する。この状態で音叉Ｊ１０全体をＹ’軸の回りに角速度ωで回転させると、音叉Ｊ１０の２つの足には、面内屈曲振動と直交するＺ’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Ｊ１１又は第２の足Ｊ１２の質量であり、Ｖは第１の足Ｊ１１又は第２の足Ｊ１２の速度である。このコリオリ力ＦＣは、第１の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２に、面内屈曲振動の動作方向であるＸ方向と直交する、Ｚ’方向に変位する屈曲振動を励起する。以下これを面外屈曲振動と呼ぶ。また、コリオリ力は変位でなく、速度に比例する力なので、コリオリ力により発生する面外屈曲振動は、面内屈曲振動より９０度位相が遅れて発生する。この面外屈曲振動により、例えば第２の足Ｊ１２の電極Ｊ５及びＪ８の近傍はＹ’方向に伸び縮みし、電極Ｊ６及びＪ７の近傍は電極Ｊ５及びＪ８の近傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極Ｊ５及びＪ８の近傍がＹ’方向に伸びている時、第２の足Ｊ１２の内部の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に縮むので、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及びＪ７の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生する。すなわち電極Ｊ５の電位が電極Ｊ８の電位より高い時、電極Ｊ７の電位は電極Ｊ６の電位より高い状態となる。また、電極Ｊ５及びＪ８の近傍がＹ’方向に縮んでいる時、第２の足Ｊ１２の内部の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に伸びるので、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及びＪ７の近傍では、Ｘ方向に電界が発生する。すなわち電極Ｊ５の電位が電極Ｊ８の電位より低い時、電極Ｊ７の電位は電極Ｊ６の電位より低い状態となる。面外屈曲振動により発生するこれら電極Ｊ５及びＪ８と、電極Ｊ６及びＪ７の間の電位差は、Ｚ’方向に振れる第２の足Ｊ１２の方向に従って変化する。見方を変えると、例えば電極Ｊ５が高電位の時電極Ｊ７も高電位であり、この時電極Ｊ６及び電極Ｊ８は低電位であり、電極Ｊ５が低電位の時電極Ｊ７も低電位であり、この時電極Ｊ６及び電極Ｊ８は高電位である。コリオリ力は、電極Ｊ５又は電極Ｊ７と、電極Ｊ６又は電極Ｊ８の間の電位差として現れる。
【０００７】コリオリ出力の検出信号は、電極Ｊ５及び電極Ｊ７を一方の入力信号とし、電極Ｊ６及び電極Ｊ８を他方の入力信号とした、差動バッファＪＤを経て乗算回路ＪＭに導かれ、面内屈曲振動の発振系の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプＪＧの出力を、移相回路ＪＰ２により９０度移相し、コンパレータＪＣにより２値化した参照信号により乗算され、乗算により検波された結果は、更に積分回路ＪＳにより平滑化され、正確な直流出力として検出できる。この直流出力はコリオリ力ＦＣに比例し、コリオリ力ＦＣは角速度ωに比例するので、この直流出力により角速度ωを知ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の圧電性単結晶を用いた音叉型の振動ジャイロには以下のような課題がある。音叉型振動ジャイロでは棒状の振動体において、棒の延びた方向に垂直な２方向の屈曲振動を扱う事になるが、これら２方向の屈曲振動の共振周波数を数％以内の差に調整すると、棒状の物体の断面は、ほぼ正方形又は正多角形又は円になる。一方、圧電性単結晶の加工方法としては、形状が平面型であれば、研削などの機械加工に比べて形状の自由度や、特に精度においてエッチング加工の方が優れている。加工精度が性能を左右する振動ジャイロにおいてはエッチング加工が好ましいが、エッチング加工においては厚みがあると加工精度が向上しない。従って断面形状が正方形等になる縦形振動ジャイロではエッチングによっても、それほど高精度加工ができず、性能を向上させる事ができない。
【０００９】また、２脚音叉型振動ジャイロにおいては、棒状の振動体が駆動と検出をかねており、従って、検出部が振動している。理論上は駆動方向が検出方向に直交しているので、駆動振動の影響は検出振動に及ばないのであるが、実際の加工精度においては、この直交度が充分でなく、検出方向は駆動により予め振動しており、また、電極の静電容量により、検出電極は駆動振動を検出してしまう。これはコリオリ力が無いにもかかわらず出力が出ている事を意味し、Ｓ／Ｎが低下する。
【００１０】［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、高精度加工が可能で、量産性が高く、検出精度の良い、振動ジャイロを提供することにある。
【００１１】
【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、下記の構成を採用する。
【００１２】本発明の振動ジャイロは、発振用の電極を有する振動子と、角速度検出用の電極を有する検出部と、振動子振動の節と検出部とを接続する接合部と、検出部を支持する支持部からなる振動ジャイロにおいて、振動子と接合部と検出部と支持部とが略一定の厚さの平面構造を為し、振動子は中心点に対して点対称の形状を有し、振動子は平面内で偶数個の変曲点を持つ曲線で構成され、駆動振動と検出振動は同一平面内にあることを特徴とする。
【００１３】全ての構成要素が圧電性単結晶により一体に形成されることを特徴とする。
【００１４】振動子は円弧のみを接続した構造である事を特徴とする。
【００１５】検出部は２つである事を特徴とする。
【００１６】検出は、２つの検出部からの信号の差動検出である事を特徴とする。
【００１７】加振及び検出の共振周波数の差を１００００ＰＰＭ以上としたことを特徴とする。
【００１８】[作用]本発明による振動ジャイロは、ピーナッツ形状を採用し、振動の節を支持する事により、極めてＱ値が高く雑音の少ない駆動振動を用い、また駆動振動によっては振動しない検出部を用いることにより、高いＳ／Ｎを実現する。また駆動及び検出振動を同一平面内で実現できる平面型の構造を採用した事により、非常に薄い平面構造を実現できる。これによりエッチング加工法による高精度加工が可能となり、加工誤差による性能低下を低減でき、精度の良い振動ジャイロを量産する事ができる。
【００１９】
【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４及び図７，図８は本発明の実施の形態である振動ジャイロであり、図１は以後ピーナッツ１０と呼ぶ、ピーナッツ型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、電極の一部を示す上面図であり、図２はピーナッツ型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示す下面図であり、図３はピーナッツ１０の断面，回路ブロック及び配線模式図であり、図４は異方性結晶の切り出し方向の回転方向を示す座標系の斜視図であり、図７はピーナッツ型振動体の駆動振動を示す動作説明図であり、図８はピーナッツ型振動体の検出振動を示す動作説明図である。
【００２０】［振動ジャイロの構造説明：図１，図２及び図４］本実施の形態においては、圧電性単結晶の中で、特に温度特性に優れた水晶を使用する。水晶は、Ｓｉ０２の単結晶で、常温では４つの結晶軸を持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軸及びＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。
【００２１】図４に示すように、本実施の形態で使用する座標系は、上記Ｘ，Ｙ，Ｚ軸から、Ｘ軸の回りに、Ｚ軸からＹ軸の方向にθ度回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’軸及びＸ軸を用いる。このとき回転角θは０〜１０度とする。ここに示した回転角は、温度特性及び振動の安定度を指標に最適なものが選択される。ピーナッツ１０は、一定の厚みを持つ２次元形状であるが、この厚み方向をＺ’軸方向にして切り出す。こうして切り出されたピーナッツ１０のピーナッツ形状はＸ−Ｙ’面内に２次元形状で表現される。ここで以下の説明において、Ｚ’軸方向を表裏方向とする。
【００２２】図１は、ピーナッツ１０を表から見た図であるが、図１に示すように、ピーナッツ１０は振動子１，検出部２〜３，接合部４〜７，支持部９から構成される。振動子１は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状がピーナッツ型であり、上下面及び側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。ピーナッツ形状は、Ｘ−Ｙ’平面内にある厚さｔのリング形状をリングの動径方向かつＺ’軸方向に平行な平面でＺ’軸周りの回転方向に４分割した円弧状断片の形状を８個用い、同一平面内で、この円弧状断片を回転及び平行移動し、各々の切断面同士を、平面内での輪郭を見ると、変曲点を４つ持つ閉曲線が構成されるように接合する事により得られる。この時、接合時の各々の円弧状断片は、２個所で隣の円弧状断片と、切断面同士の矩形の輪郭が一致するように、切断面同士が接合している。本実施の形態においては、形状の単純化の為、円弧状断片を８個用いたが、平面内で点対称であり、複数の変曲点を持つ形状であれば、更に自由な形状も考えられる。基部９は弾性を持つ水晶からなり、Ｘ−Ｙ’平面内にある厚さｔの矩形である。検出部２，３は、Ｘ−Ｙ’平面内にある厚さｔの矩形である。検出部２及び３は基部９を挟み中心対称な形状を構成するように配置される。検出部２，３及び基部９は中心対称なピーナッツ形状に構成された振動子１の内部に配置され、これらは全体としてやはり中心対称な形状を構成する位置に配置され、振動子１に存在する４つの振動の節は厚さｔの接合部４〜７を用いて検出部２，３に接続される。上記すべての部分は一体構造である。
【００２３】図１及び図２には、電極の一例としてピーナッツ１０に金属蒸着膜から成る電極を形成した様子を示した。図２はピーナッツ１０を裏から見た様子を示している。以後、図１に示す面を表面，図２に示す面を裏面と呼ぶ。電極の形状は、予め形状をエッチングで作成したマスクを作成しておき、これをピーナッツ１０の電極を生成する面に密着させて真空蒸着を施すことにより形成する。振動体１の表面の２つの括れた部分に、駆動電極ＤＬＵ１，ＤＬＵ２，ＤＬＵ３，ＤＲＵ１，ＤＲＵ２及びＤＲＵ３を蒸着し、裏面の２つの括れた部分に、駆動電極ＤＬＤ１，ＤＬＤ２，ＤＬＤ３，ＤＲＤ１，ＤＲＤ２及びＤＲＤ３を蒸着する。また、検出部２の表面には検出用電極Ｓ１，Ｓ２及びグランドＧＮＤを蒸着し、検出部３の表面には検出用電極Ｓ３，Ｓ４及びグランドＧＮＤを蒸着し、支持部９の表面には端子ＴＳ１，ＴＳ２，ＴＳ３，ＴＳ４及びＴＧを蒸着し、裏面には端子ＴＤ＋，ＴＤ−を蒸着する。端子ＴＤ＋及びＴＤ−は半田付け等でピーナッツ１０を外部に固定する機能を兼ねている。検出電極Ｓ１は端子ＴＳ１に連結しており、検出電極Ｓ２は端子ＴＳ２に連結しており、検出電極Ｓ３は端子ＴＳ３に連結しており、検出電極Ｓ４は端子ＴＳ４に連結しており、グランドＧＮＤは端子ＴＧに連結している。駆動電極ＤＬＵ１，ＤＬＵ３，ＤＲＵ２は振動体上面に蒸着された導線ＷＵ１により連結され、駆動電極ＤＬＤ２，ＤＲＤ１，ＤＲＤ３は振動体裏面に蒸着された導線ＷＤ１により連結され、導線ＷＵ１とＷＤ１は側面を回る導線ＷＢ１により連結され、導線ＷＤ１は下面に形成された端子ＴＤ＋に連結される。従って駆動電極ＤＬＵ１，ＤＬＵ３，ＤＲＵ２，ＤＬＤ２，ＤＲＤ１及びＤＲＤ３は、電気的に端子ＴＤ＋に連結される。駆動電極ＤＬＵ２，ＤＲＵ１，ＤＲＵ３は振動体表面に蒸着された導線ＷＵ２により連結され、駆動電極ＤＬＤ１，ＤＬＤ３，ＤＲＤ２は振動体裏面に蒸着された導線ＷＤ２により連結され、導線ＷＵ２とＷＤ２は側面を回る導線ＷＢ２により連結され、導線ＷＤ２は裏面に形成された端子ＴＤ―に連結される。従って駆動電極ＤＬＵ２，ＤＲＵ１，ＤＲＵ３，ＤＬＤ１，ＤＬＤ３及びＤＲＤ２は、電気的に端子ＴＤ―に連結される。
【００２４】図３には図１及び図２に示したのと同じ振動体１の駆動電極ＤＬＵ１，ＤＬＵ２，ＤＬＵ３，ＤＬＤ１，ＤＬＤ２，ＤＬＤ３，ＤＲＵ１，ＤＲＵ２，ＤＲＵ３，ＤＲＤ１，ＤＲＤ２，ＤＲＤ３及び、検出部２の検出電極Ｓ１，Ｓ２，グランドＧＮＤ，導線ＷＤ１を含む、Ｙ’軸方向に垂直な、Ｙ’方向の位置Ａにおける断面ＳＥＣ１〜ＳＥＣ３を示し、検出部３の検出電極Ｓ３，Ｓ４，グランドＧＮＤ，導線ＷＤ２を含む、Ｙ’軸方向に垂直な、Ｙ’方向の位置Ｂにおける断面ＳＥＣ４を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示す。駆動検出回路は、駆動電極からの信号をアンプＧ及び移相回路Ｐを用いて駆動電極に返す自励発振回路で構成され、検出回路は、検出電極からの信号を検出する差動型バッファアンプＤ、アンプＧの出力の位相を変化させる移相回路Ｐ２、位相検出回路の信号を２値化するコンパレータＣ、差動バッファアンプＤの出力を移相回路Ｐ２の出力と乗算する乗算回路Ｍ、及び乗算結果を積分して直流化する積分回路Ｓで構成される。
【００２５】［振動ジャイロの動作・作用説明：図１〜図３，図７，図８］以下、図７を用いてピーナッツ型振動体の駆動振動を説明し、図８においてはピーナッツ型振動体の検出振動を説明し、最後に図１，図２及び図３を用いて、電気的にピーナッツ１０を駆動し、ピーナッツ１０の回転の結果である電圧出力から角速度を知る方法を説明する。
【００２６】ピーナッツ型振動体は多数の固有振動モードを持つが、これらの中でピーナッツ形状の厚み方向に直交する平面内、即ちＸ−Ｙ’平面内で完結する振動をピーナッツの１０の面内振動と呼ぶこととする。本実施の形態で使用する固有振動モードは、ピーナッツ１０の面内振動の中では低次の振動モードである。ピーナッツ形状の振動体が等方弾性体で構成されている場合は、面内振動モードは上記平面内で完結しており、厚み方向への変位は存在しない。
【００２７】一方、本実施の形態において使用する水晶は異方性単結晶であり、方向により弾性率が異なり、この場合は僅かながら厚み方向への変位が存在する。この厚み方向への振動変位は支持特性の劣化をもたらすが、厚み方向をＺ軸方向とせず、Ｘ軸の回りに、Ｚ軸からＹ軸の方向にθ度回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’軸及びＸ軸を用い、厚み方向をＺ’軸方向とする事で、厚み方向への振動変位を低減し、支持特性を向上する事ができる。このとき、この回転により駆動振動の共振周波数の温度特性も変化するので、回転角θは支持特性と温度特性を勘案して決定するが、この回転角θは０〜１０度が最適である。
【００２８】図７を用いて、ピーナッツ１０の駆動振動モードを説明する。ピーナッツ１０の低次振動モードの中で、振動体１が屈曲によりＸ方向に膨らみ，また縮む運動を繰り返す振動モードがある。図７はこの振動モードにおいて、振動体１がＸ方向に膨らんだ状態を実線で示すが、静止時の形状をこれと比較できるように破線で示している。振動体１はＸ方向に対称な形状をしており、紙面上、左右の部分が運動量バランスを取りながら各部分の弾性変形により曲線部分の形状、屈曲により、図７に示した膨らんだ状態とこれに呼応するへこんだ状態を繰り返す屈曲振動を行う。これを振動体１の第１の屈曲振動と呼ぶ。屈曲変形は振動体１の全部分に生じるが、左右の括れた部分にやや大きな変形が生じる。振動体１においては、形状がＹ’方向にも対称軸を持つが、振動体１の円弧状の部分の中心から、Ｘ−Ｙ’平面内で、括れと反対の方向へＹ’方向と２５度を為す方向へ引いた半直線と円弧の交点近傍は振動体１の振動の節であり、振動体１の円弧状の部分の中心から、括れと反対の方向へＹ’方向と−２５度を為す方向へ引いた直線と円弧の交点近傍も振動体１の振動の節である。振動体１の円弧状部分はＹ’方向、即ち紙面上、上下に２個所あるので、振動体１の第１の屈曲振動の振動の節は合計４個存在する。振動体１の第１の屈曲振動の振動の振動の節は、屈曲中に殆ど平行移動を行わないが、Ｘ−Ｙ’面内で僅かに回転運動を行う。ピーナッツ１０においては、矩形で構成された検出部２及び３と振動体１の第１の屈曲振動の４つの振動の節を接合部４〜７を用いて対称性良く最短距離で接合する事により、第１の屈曲振動をスムースに行わせる事ができる。
【００２９】実際の試作評価においてピーナッツ１０の第１の屈曲振動は、支持部の支持方法に殆ど影響を受けない理想的な振動特性を持つ。かねてから一般に屈曲振動を行う振動体としては、２脚音叉の面内振動が最も優れた振動特性を持つとされてきた。２脚音叉においては、支持部の支持方法に殆ど影響を受けず、高いＱ値を実現できるが、ピーナッツ１０の第１の屈曲振動は、２脚音叉の面内振動に匹敵し得る数少ない振動の１つと見る事ができる。しかも、２脚音叉の振動部は片持ち梁構造であって、発振周波数が姿勢による重力加速度の影響を受け易く、また同様に振動ジャイロ全体の並進運動による加速度外乱の影響も受け易く、また片持ち梁の特徴として、振動部の屈曲変位が支持部近傍に極端に集中する為、例えば安定した振動を得る為に振幅を大きくすると、変位の集中する部分の変位が極めて大きくなり、この部分が非線型振動へ移行し、これに伴う周波数変動が発生し易いのに対し、ピーナッツ１０の第１の屈曲振動は両持ちであり、重心支持なので、発振周波数は加速度外乱の景況を受け難く、屈曲変形が片持ち梁のように一部に集中しないので、振幅を大きくしても非線形振動へ移行して周波数が変化する程度は少ない。
【００３０】図８を用いてピーナッツ１０の検出振動モードを説明する。検出振動モードは振動体１の固有振動ではない。検出モードにおいて主に変位する部分は検出部２及び３である。矩形の検出部２及び３の片側は支持部に接合しており、その反対側は接合部４〜７によって振動体１に接合している。支持部は、半田付け等により外部に固定されており、振動体１は自由に動ける状態なので、検出部２及び３は、片方支持、もう片方に重りのついた片持ち梁として振る舞う。ただし、検出部２及び３は、支持部を挟んでＹ’方向に対称な形状であり、共に振動体１と結合しているので、許される屈曲振動としては振動体１がＸ−Ｙ’面内で回転し、これに伴い、検出部２及び３はＸ方向に見て、互いに反対方向に屈曲する振動となる。図８には、振動体１が表方向から見て右回りに回転し、これに伴い検出部２がＸ方向に屈曲し、検出部３が−Ｘ方向に屈曲した瞬間を実線で示し、変形を分かりやすくする為、振動体１が回転していない状態を破線で示している。これに呼応する、振動体１が左に回る変形との間を繰り返す振動を第２の屈曲振動と呼ぶ。
【００３１】第２の屈曲振動は自己完結的な振動ではない。第２の屈曲振動では、ピーナッツ１０は、支持部と接合された外部筐体と一体となって振動体を形成する。振動の安定の為には、少なくともピーナッツ１０の１０倍以上の質量を持つ筐体に接合することが望ましい。また第２の屈曲振動は支持の状態に大きく左右される。即ち支持部９とこの筐体との接合方法は物理的に安定な接合が望ましい。本実施の形態においては、半田付け等でピーナッツ１０と金属製筐体を接合することにより、Ｑ値１０００程度の充分な振動特性を得ている。振動ジャイロにおいては、大きな振幅を与える必要のある駆動振動のＱ値はドリフトなどを考慮すると、できる限り高い事が望ましいが、これに対して検出振動のＱ値は３００程度で充分である。その理由は、振動ジャイロは、検出側のＱが低い間は感度は検出側のＱ値が大きくなると共に大きくなるが、Ｑが３００を上回る領域では感度の上昇は頭打ちになるからである。また検出側のＱ値をあまり高くすると、駆動振動と検出振動の共振周波数を近づけた時に出力が速やかに減衰しなくなり、共振周波数を近づけられず、かえって感度を制限してしまうことになる。
【００３２】次に、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動とコリオリ力の関係について説明する。図７に示す様に、第１の屈曲振動を行うピーナッツ１０において、振動体１をＸ軸方向に見た対称軸で２分割した紙面上左半分の重心をＧＬとする。ＧＬが−Ｘ方向に変位を行う場合、重心ＧＬは−Ｘ方向に速度−ＶＸを持つ。また、右半分の重心をＧＲとする。ＧＲがＸ方向に変位を行う場合、重心ＧＲはＸ方向に速度ＶＸを持つ。この時ピーナッツ１０をＺ’の周りに角速度ωで回転すると、重心ＧＬには、速度−ＶＸに直交する方向にコリオリ力ＦＣが働き、重心ＧＲには、速度ＶＸに直交する方向にコリオリ力−ＦＣが働く。コリオリ力ＦＣはＹ’方向に働き、コリオリ力−ＦＣは−Ｙ’方向に働くので、ピーナッツ１０は、図８に示すような、全体としてＺ’軸方向から見て右回りの回転を行う。従って第１の屈曲振動が発生しているピーナッツ１０をＺ’軸周りに角速度ωで回転すると、コリオリ力により第２の屈曲振動が発生することが分かる。ただし、コリオリ力は速度に比例する力なので、第１の屈曲振動により引き起こされる第２の屈曲振動の変位位相は、第１の屈曲振動の変位位相に対して９０度遅れることに注意しなければならない。
【００３３】ピーナッツ１０の厚さｔについて説明する。これまで説明した第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動の固有周波数は、振動体１及び検出部２及び３のＸ−Ｙ’面内の巾に関係する。一方、ピーナッツ１０の振動には、ピーナッツ１０のＸ−Ｙ’面内振動に直交する方向の振動であるピーナッツ１０の面外振動が存在する。ピーナッツ１０の面外振動の周波数は、ピーナッツ１０の厚さｔによって異なる。ピーナッツ１０の厚さｔが振動体１や検出部２，３の巾と同程度と厚い場合は、エッチング加工の精度が上がらないだけでなく、第１の屈曲振動又は第２の屈曲振動の共振周波数の近傍にピーナッツ１０では使用しないピーナッツ１０の面外振動の固有周波数がスプリアスとして発生する危険がある。
【００３４】ピーナッツ１０は、エッチング加工法を用いて製造するが、エッチング加工法では、平面内での広がりの大きさに比して、厚さが薄いものほど相対精度が向上する特徴がある。従って振動ジャイロとして使用する第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動が共にＸ−Ｙ’平面内の振動であり、周波数が厚さに関係の無いピーナッツ１０においては、厚さを薄くする事により、際限なく加工精度を向上し、性能を向上する事ができる。このことは、ピーナッツ１０が振動ジャイロとして、従来の音叉型振動ジャイロに対して持つ利点の１つである。従来の音叉型振動ジャイロでは、駆動に用いる振動部の面内振動と検出に用いる振動部の面外振動の共振周波数をほぼ一致させる為、ビームの厚みをビームの巾と同程度にしなければならず、厚い平面形状を余儀なくされ、エッチングを用いても高精度化できず、高性能化できなかったからである。ただし、ピーナッツ１０の厚さを薄くするに際しては、高次の面外振動の固有周波数がスプリアスとして多数発生するので、第１の屈曲振動又は第２の屈曲振動の共振周波数の近傍にスプリアスが発生しない厚さを選ぶことに留意すべきである。
【００３５】次に、実際の駆動検出方法について説明する。図３には、ピーナッツ１０の２個所のＺ’−Ｘ断面が示されている。一方は、図１及び図２に破線Ａで示したピーナッツ１０の中央部付近の振動体１が括れた部分で、振動体１の駆動部及び検出部２を含む断面であり、他方は、図１及び図２に破線Ｂで示したピーナッツ１０の中央部付近の検出部３を含む断面である。紙面上部、紙面左から、破線Ａの位置における、振動体１の断面ＳＥＣ１及び駆動電極ＤＬＵ１，ＤＬＵ２，ＤＬＵ３，ＤＬＤ１，ＤＬＤ２，ＤＬＤ３の断面，そして検出部２の断面ＳＥＣ２及び検出電極Ｓ１，Ｓ２，グランドＧＮＤ，導線ＷＤ１の断面，そして振動体１の断面ＳＥＣ３及び駆動電極ＤＲＵ１，ＤＲＵ２，ＤＲＵ３，ＤＲＤ１，ＤＲＤ２，ＤＲＤ３の断面が示され、その下に、破線Ｂの位置における、検出部３の断面ＳＥＣ４及び検出電極Ｓ３，Ｓ４，グランドＧＮＤ，導線ＷＤ２の断面が示されている。
【００３６】まず、振動体１の左半分が例えば−Ｘ方向に膨らむと、振動体１の括れた部分は、左側がＹ’方向に延び、右側がＹ’方向に縮むが、この時水晶内部では圧電効果により電極ＤＬＵ１及びＤＬＤ１近傍ではＸ方向に、また電極ＤＬＵ３及びＤＬＤ３近傍では−Ｘ方向に電界が発生する。この時電界の向きを考慮すると電極ＤＬＵ１，ＤＬＤ１，ＤＬＵ３及びＤＬＤ３は、Ｘ方向に見て中央にある電極ＤＬＵ２及びＤＬＤ２より例えば高い電位となり、Ｘ方向に見て振動体１左断面ＳＥＣ１の外側にある電極ＤＬＵ１，ＤＬＤ１，ＤＬＵ３及びＤＬＤ３と、振動体１左断面ＳＥＣ１の中心近くにある電極ＤＬＵ２及びＤＬＤ２の間に電位差が発生する。
【００３７】振動体１の右半分については、左半分とは対称な現象が発生し、例えば右半分がＸ方向に膨らむと、括れた部分は右側がＹ’方向に延び、左側がＹ’方向に縮むが、この時水晶内部では圧電効果により電極ＤＲＵ１及びＤＲＤ１近傍では−Ｘ方向に、また電極ＤＲＵ３及びＤＲＤ３近傍ではＸ方向に電界が発生する。この時電界の向きを考慮すると電極ＤＲＵ１，ＤＲＤ１，ＤＲＵ３及びＤＲＤ３は、Ｘ方向に見て中央にある電極ＤＲＵ２及びＤＲＤ２より例えば低い電位となり、Ｘ方向に見て振動体１右断面ＳＥＣ３の外側にある電極ＤＲＵ１，ＤＲＤ１，ＤＲＵ３及びＤＲＤ３と、振動体１右断面ＳＥＣ３の中心近くにある電極ＤＲＵ２及びＤＲＤ２の間に電位差が発生する。
【００３８】一方、圧電効果は可逆的なので、電極電極ＤＬＵ１，ＤＬＤ１，ＤＬＵ３又はＤＬＤ３を、電極ＤＬＵ２又はＤＬＤ２より高電位にすると、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、振動体１の左半分はＸ方向に屈曲し、振動体１の左半分は−Ｘ方向に膨らむことになる。振動体１の右半分については、左半分とは対称な現象が発生し、また、電極電極ＤＲＵ１，ＤＲＤ１，ＤＲＵ３又はＤＲＤ３を、電極ＤＲＵ２又はＤＲＤ２より低電位にすると、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、振動体１の右半分はＸ方向に屈曲し、振動体１の右半分はＸ方向に膨らむことになる。
【００３９】これらのことから、例えば電極ＤＬＵ２，ＤＬＤ２，ＤＲＵ１，ＤＲＤ１，ＤＲＵ３及びＤＲＤ３を電気的に結合した端子ＴＤ＋の電位を参照として発振条件を超える増幅率でアンプＪＧを用いて増幅し、発振条件を満足する位相に移相回路ＪＰで整えて電極ＤＲＵ２，ＤＲＤ２，ＤＬＵ１，ＤＬＤ１，ＤＬＵ３及びＤＬＤ３を電気的に結合した端子ＴＤ−に戻すことにより、振動体１の屈曲に伴う機械的な戻り力と電気的な力の間でエネルギーの交換が起こり、振動体１に第１の屈曲振動を自励発振させることができる。
【００４０】この状態でピーナッツ１０全体をＺ’軸の回りに角速度ωで回転させると、ピーナッツ１０の振動体１には、既に述べた様に第２の屈曲振動が発生する。この第２の屈曲振動により、検出部２及び３の電極Ｓ１及びＳ４の近傍はＹ’方向に伸び縮みし、電極Ｓ２及びＳ２及びＳ３の近傍は電極Ｓ１及びＳ４の近傍と逆相で伸び縮みする。
【００４１】例えば、検出部２の電極Ｓ１の近傍がＹ’方向に伸びている時、電極Ｓ１の近傍ではＸ方向に電界が発生する為、電極 Ｓ１は検出部２の電極ＧＮＤより高電位となる。この時電極Ｓ２の近傍はＹ’方向に縮むので、電極Ｓ２の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生する為、電極 Ｓ２は検出部２の電極ＧＮＤより高電位となる。一方、検出部３の電極Ｓ４の近傍がＹ’方向に伸びている時、電極Ｓ４の近傍ではＸ方向に電界が発生する為、電極 Ｓ４は検出部２の電極ＧＮＤより低電位となる。この時電極Ｓ３の近傍はＹ’方向に縮むので、電極Ｓ３の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生する為、電極 Ｓ３は検出部３の電極ＧＮＤより低電位となる。従ってコリオリ力は、電極Ｓ１及びＳ２を電気的に結合したものと、電極Ｓ３及びＳ４を電気的に結合したものの間の、グランド電極ＧＮＤの電位を挟んで対称な電位差として現れる。
【００４２】コリオリ力の検出信号は、電極Ｓ１の端子ＴＳ１及び電極Ｓ２端子ＴＳ２を電気的に結合したものを一方の入力信号とし、電極Ｓ３の端子ＴＳ３及び電極Ｓ４の端子ＴＳ４を電気的に結合したものを他方の入力信号とした、グランド電極ＧＮＤの電位にに対して対称に動作する差動バッファＤを経て乗算回路Ｍに導かれ、面内屈曲振動の発振系の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプＧの出力を、移相回路Ｐ２により９０度移相し、コンパレータＣにより２値化した参照信号により乗算され、乗算により検波された結果は、更に積分回路Ｓにより平滑化され、正確な直流出力として検出できる。この直流出力はコリオリ力に比例し、コリオリ力は角速度ωに比例するので、この直流出力により角速度ωを知ることができる。
【００４３】ここで、コリオリ力の検出が、支持部の中心から対称な位置に配置された検出部２及び検出部３からの２つの出力の差動検出であることは、非常に重要な意味を持つ。一般に振動ジャイロは振動に弱いと表現されるように、並進加速度と角速度の区別が付けられない構成の物が多い。ピーナッツ１０においては、コリオリ力により第２の屈曲振動が発生している時の検出部２と検出部３のＸ方向への変位は反対であり、端子ＴＳ１及びＴＳ２の出力とＴＳ３及びＴＳ４の出力とでは逆の出力が発生する。一方ピーナッツ１０に並進加速度が働き、振動子１の質量が検出部２及び３を変形させた場合は、検出部２と検出部３のＸ方向への変位は同じであり、端子ＴＳ１及びＴＳ２の出力とＴＳ３及びＴＳ４の出力とでは同じ出力が発生する。本実施の形態の構成では、これら２つの出力の差をとる事により、並進加速度の影響を打ち消しているので、並進加速度や振動の影響を受けにくい。
【００４４】次にピーナッツ１０の第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振について具体的な数値を用いて説明する。エッチングで高精度に製作されたピーナッツ１０は、駆動モードである第１の屈曲振動のＱ値は１０万以上になり、また検出モードとなる第２の屈曲振動のＱ値は１０００程度ある。共振周波数を１０ｋＨｚで設計すると、検出側のＱ値は充分高いので、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振周波数を一致させる共振型で設計を行うと、コリオリ力により発生した第２の屈曲振動の時間的減衰が緩やかになり、角速度ωの変化に対する検出出力の時間応答性が極めて悪くなり、実用的でない。これに対して第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振周波数を離した設計では２つの共振周波数の差に対して指数関数的に時間応答が改善されるが、本実施の形態においては、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振周波数の差を１００００ＰＰＭ程度とすることにより、１００Ｈｚ以上の応答性を得ている。
【００４５】
【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、Ｑ値の高い圧電性単結晶を用い、ピーナッツ型の構成を採り、振動体１の振動の節を支持する事により、振動体１の極めてＱ値が高く雑音の少ない駆動振動を用い、駆動振動によっては振動しない検出部を用いることにより、高いＳ／Ｎを実現する。また、ピーナッツ型の構造の特徴として、駆動及び検出振動を同一平面内で実現できる為、非常に薄い平面構造を実現できる。これによりエッチング加工法による高精度加工が可能となり、加工誤差による性能低下を低減でき、精度の良い振動ジャイロを量産する事ができる。
【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１２年１月７日（２０００．１．７）
【代理人】
【公開番号】 特開２００１−１９４１４８（Ｐ２００１−１９４１４８Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−１１６８（Ｐ２０００−１１６８）