JP2001241953A

JP2001241953A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2001241953A
Application number: JP2000052761A
Authority: JP
Inventors: Toru Yanagisawa; 徹柳沢; Izumi Yamamoto; 泉山本
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【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】５脚音叉型振動体を用いることにより、
高い駆動検出振動の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。

Description

【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に結合した構
造を持つものである。第１の足Ｊ１１には、駆動電極Ｊ
３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Ｊ１
５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Ｊ
８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Ｊ
１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Ｊ
８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Ｊ
８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。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
が振動中に殆ど動かない位置、すなわち振動の節のみを
支持することを理想とする。音叉型振動ジャイロでは、
足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方向の屈曲振動の中で、駆動に用いる面
内屈曲振動においては、基部底面を支持する事によりほ
ぼ理想的な支持が実現する。この支持方法においては、
音叉型振動体は足の伸びた方向に僅かに変動するのみで
あり、支持部の変化による周波数変動は僅か数ＰＰＭに
留まる。一方、面内屈曲振動と振動体の回転により足に
生じたコリオリ力で励振される面外屈曲振動において
は、音叉型振動体は音叉の中心対称軸の周りの捻り振動
となるので、振動体の外部に振動を伝えない支持は難し
い。従来の基部底面支持のごとく支持の影響が振動体に
及ぶ理想的でない支持方法を用いる場合は、コリオリ力
により発生する検出振動である面外屈曲振動も、後述す
る駆動用の振動である面内屈曲振動の検出振動への漏れ
振動も支持部を通して振動体外部に伝わってしまい、Ｓ
／Ｎの低下やドリフトの原因となる。

【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、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、検出電
極は駆動振動を検出してしまう。駆動振動と検出振動の
共振周波数を互いに離せば駆動振動が検出振動を僅かに
励振する現象は少なくなるが、振動ジャイロにおいて
は、駆動振動と検出振動の共振周波数をコリオリ力が伝
達できる程度に接近させているので、駆動振動の検出振
動への漏れと言われるこの現象は避けられない。また、
駆動電極及び検出電極の電極間の静電容量結合によって
も、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検出出力が出ている事を意
味する。駆動振動は振幅が大きいので、支持部の環境変
化や、振動体の温度変化による駆動振動の僅かな変化
も、振幅の小さな検出振動に多大な影響を与え、Ｓ／Ｎ
が低下し、ドリフトが発生する。

【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、Ｓ／Ｎが高く、ドリフトが
少なく、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、発振手段及び角
速度検出手段を有する振動子と、振動子を支持する支持
部とを備えた振動ジャイロにおいて、振動子は５本の足
と基部から構成され、５本の足と基部は略一定の厚さの
平面構造を為し、５本の足は互いに平行に配置し、５本
の足は各々基部に一方向から伸びた端部が接続し、基部
は支持部に接続したことを特徴とする振動ジャイロ。

【００１３】足は形状が四角柱であり、基部は形状が四
角柱であり、支持部は形状が四角柱であることを特徴と
する振動ジャイロ。

【００１４】５本の足の一部又は全部を、発振手段を用
いて、前記平面に垂直に面外屈曲振動させ、振動子の回
転によるコリオリ力により、面外屈曲振動が振動子に引
き起こす、前記平面に平行な面内屈曲振動を、角速度検
出手段により検出することを特徴とする。

【００１５】５本の足の一部又は全部を、発振手段を用
いて、前記平面内で面内屈曲振動させ、振動子の回転に
よるコリオリ力により、面内屈曲振動が振動子に引き起
こす、前記平面に垂直な面外屈曲振動を、角速度検出手
段により検出することを特徴とする。

【００１６】５本の足は同じ長さであり、５本の足は等
間隔に配置され、中央に配置された足以外の４本は同じ
巾を持ち、中央に配置された足は他の足の略２倍の巾を
有することを特徴とする。

【００１７】５本の足の中から、両端に配置された２本
の足及び中央に配置された足を、発振手段を用いて、前
記平面に垂直に面外屈曲振動させ、残りの２本の足を静
止させておき、振動子の回転によるコリオリ力により、
面外屈曲振動が、静止した２本の足に引き起こす、前記
平面に平行な面内屈曲振動を、角速度検出手段により検
出することを特徴とする。

【００１８】５本の足の中から、中央に配置された足以
外の４本の足を、発振手段を用いて、前記平面内で面内
屈曲振動させ、中央の足を静止させておき、振動子の回
転によるコリオリ力により、面内屈曲振動が、静止した
中央の足に引き起こす、前記平面に垂直な面外屈曲振動
を、角速度検出手段により検出することを特徴とする。

【００１９】発振手段及び角速度検出手段を有する振動
子と、振動子を支持する支持部とを備えた振動ジャイロ
において、振動子は５本の足と基部から構成され、５本
の足と基部は略一定の厚さの平面構造を為し、５本の足
は互いに平行に配置し、５本の足は各々基部に一方向か
ら伸びた端部が接続し、基部は支持部に接続し、足は形
状が四角柱であり、基部は形状が四角柱であり、発振用
手段は振動子の前記平面に平行な表面に配置され、角速
度検出用手段は振動子の前記平面に平行な裏面に配置さ
れる事を特徴とする。

【００２０】振動子が圧電性単結晶により一体に形成さ
れ、前記駆動手段は駆動電極であり、前記角速度検出手
段は角速度検出電極であることを特徴とする振動ジャイ
ロ。

【００２１】加振及び検出の共振周波数の差を１０００
０ＰＰＭ以上としたことを特徴とする振動ジャイロ。

【００２２】[作用]本発明による振動ジャイロは、５脚
音叉型形状を採用し、振動の節を支持する事により、極
めてＱ値が高く外部への振動漏れの少ない駆動振動及び
検出振動を用い、また駆動振動によって振動しない検出
部を用いることにより、駆動振動の影響が殆ど検出部に
及ぶ事がなく、結果として高いＳ／Ｎと低いドリフトを
実現する。

【００２３】

【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〜図４及び図７〜図９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５脚音叉１
０と呼ぶ、５脚音叉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す斜視図であり、図２は５脚音
叉１０の断面，回路ブロック及び配線模式図であり、図
３は５脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示
し、電極の一部を示す表面図であり、図４は５脚音叉型
の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部
を示す裏面図であり、図７〜図９は５脚音叉型振動体の
振動モードを示す動作説明図である。

【００２４】［振動ジャイロの構造説明：図１〜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。

【００２５】図１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。５脚音叉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５脚
音叉１０の５脚音叉形状は、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。

【００２６】図１は、５脚音叉１０を斜めから見た図で
あるが、電極は省略してある。図１に示すように、５脚
音叉１０は足１〜５，基部９及び支持部１１から構成さ
れる。足１，２，４及び５は弾性と圧電性を持つ水晶か
らなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の巾Ｗ，
Ｚ’方向の厚さがｔの、各々同一の寸法を持つ四角柱で
あり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有して
いる。足３は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状
は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の巾２Ｗ，Ｚ’方向の厚
さがｔの四角柱であり、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９は弾性を持つ水晶からな
り、形状は、Ｙ’方向の長さＤ，Ｘ方向の巾６Ｗ＋４
Ｕ，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱である。支持部１１
は、弾性を持つ水晶からなり、形状は、Ｚ’方向の厚さ
がｔの四角柱である。足１〜５は、Ｘ方向に足１，足
２、足３，足４，足５の順に平行に、隙間Ｕを開けて配
置され、各々の足は、基部９のＹ’方向に垂直な１つの
面に接合している。支持部１１は、基部９の足１〜５の
接合した面と平行な、もう１つの面に接合している。上
記すべての部分は同じ厚さで、同一平面内にあり、一体
構造である。

【００２７】図３及び図４には、電極の一例として５脚
音叉１０に金属蒸着膜から成る電極を形成した様子を示
した。ただし、電極の説明に関係のない、支持部１１は
省略してある。図３は５脚音叉１０をＺ’方向から見た
様子を示している。図４は５脚音叉１０を−Ｚ’方向か
ら見た様子を示している。以後、図３に示す面を表面，
図４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５
脚音叉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。足１，３及び５の表面に、駆
動電極１Ｌ，１Ｍ，１Ｒ，３Ｌ，３Ｍ，３Ｒ，５Ｌ，５
Ｍ及び５Ｒを蒸着し、足２及び４の裏面に、検出電極２
Ｌ，２Ｍ，２Ｒ，４Ｌ，４Ｍ及び４Ｒを蒸着する。全て
の電極は長方形であり、Ｘ方向に並んでいる。基部９の
表面には回路と接続する為の端子Ｔ１Ｌ，Ｔ１Ｍ，Ｔ１
Ｒ，Ｔ３Ｌ，Ｔ３Ｍ，Ｔ３Ｒ，Ｔ５Ｌ，Ｔ５Ｍ及びＴ５
Ｒと、各々の足の電極と端子を結ぶ導線を蒸着し、裏面
には端子Ｔ２Ｌ，Ｔ２Ｍ，Ｔ２Ｒ，Ｔ４Ｌ，Ｔ４Ｍ及び
Ｔ４Ｒと、各々の足の電極と端子を結ぶ導線を蒸着す
る。

【００２８】図２には、図３及び図４に示したのと同じ
足１〜５、及び駆動電極１Ｌ，１Ｍ，１Ｒ，３Ｌ，３
Ｍ，３Ｒ，５Ｌ，５Ｍ及び５Ｒ、及び検出電極２Ｌ，２
Ｍ，２Ｒ，４Ｌ，４Ｍ及び４Ｒの、Ｙ’軸方向に垂直な
断面を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示
す。駆動回路は、駆動電極１Ｌ，３Ｒ及び５Ｌ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１Ｒ，３
Ｌ及び５Ｒに返す自励発振回路で構成され、検出回路
は、検出電極２Ｍ及び４Ｍからの信号を検出するバッフ
ァＤ、アンプＧの出力の位相を変化させる移相回路Ｐ
２、位相検出回路の信号を２値化するコンパレータＣ、
バッファ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。３電源系の回路で構成する場合は、駆動
検出回路に直接接続されない電極１Ｍ、３Ｍ，５Ｍ，２
Ｌ，２Ｒ，４Ｌ及び４Ｒはグランドに接地する。

【００２９】［振動ジャイロの動作・作用説明：図２，
図７〜図９］以下、図７を用いて５脚音叉型振動体の駆
動振動を説明し、図８においては５脚音叉型振動体の検
出振動を説明し、図９においては、５脚音叉型振動体の
駆動振動から発生するコリオリ力を説明し、最後に図２
を用いて、電気的に５脚音叉１０を駆動し、５脚音叉１
０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。

【００３０】最初に、本実施の形態において使用する５
脚音叉１０を切り出す座標系が、水晶の結晶軸から傾い
ている事について説明する。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、方向により弾性率の温
度依存性が異なる。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
としたのは、回転角θにより駆動検出振動の共振周波数
の温度特性が変化するので、回転角θを温度特性を勘案
して決定する為である。この回転角θは、振動ジャイロ
を使用する温度条件を勘案し、０〜１０度から選択す
る。

【００３１】さて、振動ジャイロにおける理想は、振動
体内で自己完結的な振動モードのみを利用し、この振動
モードにおける振動の節を支持する事により、外部環境
に依存しない安定した振動ジャイロを得る事である。し
かしながら、直交する２方向が、共にこのような条件を
満足する振動体は、極めて希である。ところで、２脚音
叉は２本の足が決定する平面内で、２本の足が相反する
方向へバランスを取りながら１次屈曲振動する、いわゆ
る面内振動において、最も優れた振動体として発振器等
に利用されいる。また、３脚音叉は３本の足が決定する
平面に垂直な方向へ、両側の２本の足と中央の足が相反
する方向へ１次屈曲振動する、いわゆる面外振動におい
て、２脚音叉の面内振動に匹敵する優れた振動体として
利用されてきた。本実施の形態においては２脚音叉の面
内振動に匹敵する優れた振動と、３脚音叉の面外振動に
匹敵する優れた振動を、振動ジャイロの駆動と検出の振
動に用いる。

【００３２】また、振動ジャイロにおいては、駆動振動
が発生している間に、検出部がコリオリ力に無関係な出
力を発生しないことが、高いＳ／Ｎと厄介な無回転時の
出力のドリフトを抑える点で有効である。理論的には、
無回転時に出力が無ければ、ドリフトは存在しないから
である。従って、振動体としては、駆動振動発生時に、
回転のない時は、駆動振動と無関係に静止しており、回
転による検出振動の発生時は、検出振動の振動体の一部
として大きく振動するような構造が望ましい。本実施の
形態においては、５本の足を持つ多脚音叉を振動体とし
て用い、並んだ５本の足の中で、中央の足３の巾を、他
の足の巾の２倍にする事で、上述の望ましい事項を全て
満足する振動体を提供する。

【００３３】本実施の形態で使用する５脚音叉型振動体
は、複数の固有振動モードを持つ。これらの中で５脚音
叉形状の、厚み方向に直交する平面内、即ちＸ−Ｙ’平
面内で完結する、５本の足のＸ方向への１次屈曲振動
を、５脚音叉１０の面内振動と呼ぶこととする。また、
５脚音叉形状の、厚み方向、即ち５本の足のＺ’方向へ
の１次屈曲振動を、５脚音叉１０の面外振動と呼ぶこと
とする。

【００３４】図７を用いて、５脚音叉１０の駆動振動を
説明する。５脚音叉１０の面外振動の中で、足１及び５
の組と足３が、互いに相対する方向へ屈曲する面外振動
を行い、この間足２及び４が静止している振動モードが
ある。図７は、ある瞬間の各々の足の変位方向を矢印で
示している。この振動モードを駆動振動と呼ぶ事とす
る。

【００３５】５脚音叉１０の各々の足の配置から、足２
及び４を除くと、足１，３及び５は３脚音叉と似た配置
を形成しており、駆動振動は足１，３及び５で構成され
る３脚音叉の面外振動と類似の振動と見る事が出来る。
３脚音叉の面外振動は、平行に並んだ３本の足の、両側
の足と中央の足が、相対する方向へ全体の運動量を保存
しながら振動する事により、基部の下部を支持部とした
自己完結的な振動体となるが、異方性単結晶において
は、両側の足の質量の合計と、中央の足の質量が同等の
場合に、支持部への振動の漏れが最も少ないことが一般
に知られている。足１及び５の合計の質量は足３の質量
と同じなので、基部９の底面に接続した支持部１１を支
持する５脚音叉１０の駆動振動は、３脚音叉の面外振動
の場合と類似して、支持部１１への振動の漏れが最も少
ないことが確認されている。

【００３６】駆動振動において、足２及び４が静止して
いる理由は、足１，３及び５のみで自己完結的な振動を
実現できるからである。５脚音叉１０の面外振動として
は、駆動振動の周波数の近傍に他の面外振動が確認され
ている。これら駆動振動以外の面外振動の共振周波数
は、近いものでも駆動振動に対して５００００ＰＰＭ以
上離れており、駆動振動に影響を与えるものではない。
その中の１つに、足１，３及び５の組と足２及び４の組
が互いに相対する方向へ屈曲するものがある。この振動
モードでは、全ての足が振動しており、静止する足は存
在しない。このことは、５本の足の中で、足３のみを、
他の足の２倍の質量とした、５脚音叉１０の構成が、足
２及び４を静止させるのに有効である事を示している。

【００３７】次に、図８を用いて、５脚音叉１０の検出
振動を説明する。５脚音叉１０の面内振動の中で、足１
及び２が、互いに相対する方向へ屈曲する面内振動を行
い、これと同時に足４及び５が、互いに相対する方向へ
屈曲する面内振動を行い、この時足１及び５が同方向に
変位し、足２及び４が同方向に変位し、この間足３が静
止している振動モードがある。図８は、ある瞬間の各々
の足の変位方向を矢印で示している。この振動モードを
検出振動と呼ぶ事とする。

【００３８】５脚音叉１０の各々の足の配置において、
足１及び２の配置に着目すると、足１及び２は２脚音叉
に似た配置を形成しており、また足４及び５の配置に着
目すると、足４及び５は２脚音叉に似た配置を形成して
おり、検出振動は足１及び２で構成される２脚音叉と類
似の面内振動と足４及び５で構成される２脚音叉と類似
の面内振動が、逆相で同期している振動と見る事が出来
る。２脚音叉の面内振動は、基部をの下部を支持部とし
た自己完結的な振動体であるが、これに類似の検出振動
は、支持部１１への振動の漏れが少ないことが確認され
ている。

【００３９】検出振動において、足３が静止している理
由は、足１，２の組及び足４，５の組で自己完結的な振
動を実現できるからであるが、更に足３の巾が、他の足
の巾の２倍になっており、他の足の面内振動の共振周波
数とかけ離れていることが挙げられる。５脚音叉１０の
面内振動としては、検出振動の周波数の近傍に他の面内
振動が確認されている。これら検出振動以外の面内振動
の共振周波数は、近い物も見られるが、これらは駆動振
動に起因して発生するコリオリ力に矛盾する位相で振動
する為、検出に影響を与えるものではない。一般に同質
量の多脚音叉においては、足の数が増えるにつれて、多
数の振動モードが発生して検出に問題を生じるが、５本
の足の中で、足３のみを、他の足の２倍の巾とした、５
脚音叉１０の構成においては、足３が共振に参加しない
ことで、検出に問題を生じる他の振動モードを消滅させ
ている。

【００４０】次に、駆動振動及び検出振動と、コリオリ
力の関係について説明する。駆動振動を行う５脚音叉１
０において、この時５脚音叉１０をＹ’の周りに角速度
ωで回転すると、速度ＶＺ’で運動する足１には、駆動
振動に直交する方向にコリオリ力ＦＣが働き、速度Ｖ
Ｚ’で運動する足５には、駆動振動に直交する方向にコ
リオリ力ＦＣが働く。即ち、図９に示す様に、コリオリ
力ＦＣは、面内振動方向に、駆動振動の周波数で５脚音
叉１０の足１及び５に働く。駆動振動の周波数近傍に面
内振動の共振周波数を設定した場合、この近傍に足１及
び５が同方向に面内振動する振動モードは、検出振動以
外に存在しない。従って駆動振動が発生している５脚音
叉１０をＹ’軸周りに角速度ωで回転すると、コリオリ
力により足１及び５の運動を媒介として検出振動のみが
励振されることが分かる。ただし、コリオリ力は速度に
比例する力なので、駆動振動により引き起こされる検出
振動の変位位相は、駆動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。

【００４１】次に、実際の駆動検出回路を用いた、電気
的な駆動検出方法について説明する。図２には、５脚音
叉１０の足の断面及び、電極１Ｌ，１Ｍ，１Ｒ，２Ｌ，
２Ｍ，２Ｒ，３Ｌ，３Ｍ，３Ｒ，４Ｌ，４Ｍ，４Ｒ，５
Ｌ，５Ｍ及び５Ｒの断面が示されている。

【００４２】まず、足１が面外振動を行う場合を説明す
る。足１がＺ’方向に屈曲すると、電極１Ｌ，１Ｍ及び
１Ｒを蒸着した面はＹ’方向に縮む。この時水晶内部の
電極近傍には圧電効果によりＸ方向に電界が発生する。
この電界により、電極１Ｌは電極１Ｒより高電位とな
り、電極１Ｍは中間電位となる。また、これとは逆に、
電極１Ｌと電極１Ｒの間に外部から電圧を印加すると、
圧電効果は可逆的なので、水晶内部にはＸ方向に電界が
発生するが、この電界により足１の電極の周辺は縮み、
結果として足１はＺ’方向に屈曲する。従って、Ｚ’方
向の屈曲によって電極１Ｌに発生する電圧を増幅し、位
相を調整して電極１Ｒにこの電圧を加える事により、足
１を用いて面外振動を発振させる事が出来る。この時、
電極１Ｍは、回路系の中間電位と水晶の中間電位を合わ
せる為のグランドとして利用する事が出来るが、必ずし
も電極１Ｍが必要な訳ではなく、電極１Ｍが無い構成の
方が同じ印加電圧で自励発振の振幅を大きく出来る。し
かし、電極１Ｍにより回路系と水晶の中間電位を合わせ
ることにより、発振の失敗を防止できる効果がある。

【００４３】しかしながら、足１のみを用いて面外振動
を発振させた場合、その振動が駆動振動になるとは限ら
ない、先に述べた様に、５脚音叉１０の面外振動は駆動
振動だけではないからである。本実施の形態において
は、駆動振動で動作する足１，３及び５を全て駆動する
ことにより、駆動振動を選択的に発振させている。即
ち、図７に示した駆動振動の足の動作方向を勘案し、足
１及び５は、紙面左側の電極１Ｌ及び５Ｌを参照電圧と
して、右側の電極１Ｒ及び５Ｒに電圧を印加し、足３に
おいては、逆に電極３Ｒの電圧を参照に電極３Ｌに電圧
を印加すればよい。本実施の形態においては、電極１
Ｌ，３Ｒ及び５Ｌからの電圧をアンプＧに入力し、移相
回路ＰでアンプＧの出力を移相して、電極１Ｒ，３Ｌ及
び５Ｒに印加する事により、確実に駆動振動を自励発振
させている。また、駆動回路は３電源系の演算増幅器で
構成するので、電極１Ｍ，３Ｍ及び５Ｍは演算増幅器の
電圧基準値を与えるグランドに接続している。

【００４４】この状態で５脚音叉１０全体をＺ’軸の回
りに角速度ωで回転させると、５脚音叉１０の足１及び
５の運動を介して、５脚音叉１０には、既に述べた様に
検出振動が発生し、回転のない場合には静止していた足
２及び４には、面内振動が発生する。まず、足２が面内
振動する場合を説明する。足２がＸ方向に屈曲すると、
電極２Ｌ近傍がＹ’方向に伸び、電極２Ｒ近傍がＹ’方
向に縮む。この時圧電効果により、Ｘ方向に見て、足２
の中央より左の領域では−Ｘ方向に電界が発生し、右の
領域ではＸ方向に電界が発生する。従って中央の電極２
Ｍに対して電極２Ｌは低電位になり、電極２Ｒも低電位
となる。これとは逆に、足２が−Ｘ方向に屈曲すると、
電極２Ｌ近傍がＹ’方向に縮み、電極２Ｒ近傍がＹ’方
向に伸びる。この時圧電効果により、Ｘ方向に見て、足
２の中央より左の領域ではＸ方向に電界が発生し、右の
領域では−Ｘ方向に電界が発生する。従って中央の電極
２Ｍに対して電極２Ｌは高電位になり、電極２Ｒも高電
位となる。即ち、検出振動は、足２の両側の電極２Ｌ及
び２Ｒの電位を基準とした、電極２Ｍの電圧として検出
できる。検出振動においては、足２及び４は同相で振動
するので、足４についても全く同様に、検出振動は、足
４の両側の電極４Ｌ及び４Ｒの電位を基準とした、電極
４Ｍの電圧として検出できる。

【００４５】コリオリ力の検出信号は、電極２Ｍ，２
Ｒ，４Ｍ及び４Ｒをグランドに接続して基準電圧を作
り、電極２Ｍ及び４Ｍの電圧をバッファＤに入力し、バ
ッファＤを経て乗算回路Ｍに導き、駆動振動の発振系の
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
より乗算し、乗算により検波した結果は、更に積分回路
Ｓにより平滑化し、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。

【００４６】次に５脚音叉１０の駆動振動と検出振動の
共振について具体的な数値を用いて説明する。５脚音叉
１０は、エッチング又はワイヤソー等で製作できるが、
正確に製作すると駆動振動及び検出振動のＱ値は１０万
以上にもなる。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、駆動振動と検出振動の共
振周波数を一致させる共振型で設計を行うと、コリオリ
力により発生した検出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。これに対して駆動振動と
検出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、駆動振動と検出振動の共振周
波数の差を１００００ＰＰＭ以上とすることにより、１
００Ｈｚ以上の応答性を得ている。

【００４７】（第２の発明の実施の形態）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，図３，図４，図
７，図８，図１０及び図１１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５脚音叉１０と呼
ぶ、５脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明
に用いる座標を示す斜視図であり、図１１は５脚音叉１
０の断面，回路ブロック及び配線模式図であり、図３は
５脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、
電極の一部を示す表面図であり、図４は５脚音叉型の振
動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示
す裏面図であり、図７，図８，図１０及び図１１は５脚
音叉型振動体の振動モードを示す動作説明図である。

【００４８】［振動ジャイロの構造説明：図１，図３，
図４及び図１１］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。

【００４９】図１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。５脚音叉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５脚
音叉１０の５脚音叉形状は、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。

【００５０】図１は、５脚音叉１０を斜めから見た図で
あるが、電極は省略してある。図１に示すように、５脚
音叉１０は足１〜５，基部９及び支持部１１から構成さ
れる。足１，２，４及び５は弾性と圧電性を持つ水晶か
らなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の巾Ｗ，
Ｚ’方向の厚さがｔの、各々同一の寸法を持つ四角柱で
あり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有して
いる。足３は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状
は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の巾２Ｗ，Ｚ’方向の厚
さがｔの四角柱であり、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９は弾性を持つ水晶からな
り、形状は、Ｙ’方向の長さＤ，Ｘ方向の巾６Ｗ＋４
Ｕ，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱である。支持部１１
は、弾性を持つ水晶からなり、形状は、Ｚ’方向の厚さ
がｔの四角柱である。足１〜５は、Ｘ方向に足１，足
２、足３，足４，足５の順に平行に、隙間Ｕを開けて配
置され、各々の足は、基部９のＹ’方向に垂直な１つの
面に接合している。支持部１１は、基部９の足１〜５の
接合した面と平行な、もう１つの面に接合している。上
記すべての部分は同じ厚さで、同一平面内にあり、一体
構造である。

【００５１】図３及び図４には、電極の一例として５脚
音叉１０に金属蒸着膜から成る電極を形成した様子を示
した。ただし、電極の説明に関係のない、支持部１１は
省略してある。図３は５脚音叉１０をＺ’方向から見た
様子を示している。図４は５脚音叉１０を−Ｚ’方向か
ら見た様子を示している。以後、図３に示す面を表面，
図４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５
脚音叉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。足１及び５の表面に、駆動電
極１Ｌ，１Ｍ，１Ｒ，５Ｌ，５Ｍ及び５Ｒを蒸着し、足
２及び４の裏面に、駆動電極２Ｌ，２Ｍ，２Ｒ，４Ｌ，
４Ｍ及び４Ｒを蒸着し、足３の表面に、検出電極３Ｌ，
３Ｍ，及び３Ｒを蒸着する。全ての電極は長方形であ
り、Ｘ方向に並んでいる。基部９の表面には回路と接続
する為の端子Ｔ１Ｌ，Ｔ１Ｍ，Ｔ１Ｒ，Ｔ３Ｌ，Ｔ３
Ｍ，Ｔ３Ｒ，Ｔ５Ｌ，Ｔ５Ｍ及びＴ５Ｒと、各々の足の
電極と端子を結ぶ導線を蒸着し、裏面には端子Ｔ２Ｌ，
Ｔ２Ｍ，Ｔ２Ｒ，Ｔ４Ｌ，Ｔ４Ｍ及びＴ４Ｒと、各々の
足の電極と端子を結ぶ導線を蒸着する。

【００５２】図１１には、図３及び図４に示したのと同
じ足１〜５、及び駆動電極１Ｌ，１Ｍ，１Ｒ，２Ｌ，２
Ｍ，２Ｒ，４Ｌ，４Ｍ，４Ｒ，５Ｌ，５Ｍ及び５Ｒ、及
び検出電極３Ｌ，３Ｍ，及び３Ｒの、Ｙ’軸方向に垂直
な断面を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示
す。駆動回路は、駆動電極１Ｍ，２Ｌ，２Ｒ，４Ｌ，４
Ｒ及び５Ｍ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１Ｌ，１Ｒ，２Ｍ，４Ｍ，５Ｌ及び５Ｒに返
す自励発振回路で構成され、検出回路は、検出電極３Ｌ
及び３Ｒからの信号を検出する差動バッファＤ２、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
Ｄ２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。３電源系の回路で構成する場合は、駆動検出
回路に直接接続されない電極３Ｍはグランドに接地す
る。

【００５３】［振動ジャイロの動作・作用説明：図７，
図８，図１０，図１１］以下、図７を用いて５脚音叉型
振動体の検出振動を説明し、図８においては５脚音叉型
振動体の駆動振動を説明し、図１０においては、５脚音
叉型振動体の駆動振動から発生するコリオリ力を説明
し、最後に図１１を用いて、電気的に５脚音叉１０を駆
動し、５脚音叉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。

【００５４】最初に、本実施の形態において使用する５
脚音叉１０を切り出す座標系が、水晶の結晶軸から傾い
ている事について説明する。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、方向により弾性率の温
度依存性が異なる。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
としたのは、回転角θにより駆動検出振動の共振周波数
の温度特性が変化するので、回転角θを温度特性を勘案
して決定する為である。この回転角θは、振動ジャイロ
を使用する温度条件を勘案し、０〜１０度から選択す
る。

【００５５】さて、振動ジャイロにおける理想は、振動
体内で自己完結的な振動モードのみを利用し、この振動
モードにおける振動の節を支持する事により、外部環境
に依存しない安定した振動ジャイロを得る事である。し
かしながら、直交する２方向が、共にこのような条件を
満足する振動体は、極めて希である。ところで、２脚音
叉は２本の足が決定する平面内で、２本の足が相反する
方向へバランスを取りながら１次屈曲振動する、いわゆ
る面内振動において、最も優れた振動体として発振器等
に利用されいる。また、３脚音叉は３本の足が決定する
平面に垂直な方向へ、両側の２本の足と中央の足が相反
する方向へ１次屈曲振動する、いわゆる面外振動におい
て、２脚音叉の面内振動に匹敵する優れた振動体として
利用されてきた。本実施の形態においては２脚音叉の面
内振動に匹敵する優れた振動と、３脚音叉の面外振動に
匹敵する優れた振動を、振動ジャイロの駆動と検出の振
動に用いる。

【００５６】また、振動ジャイロにおいては、駆動振動
が発生している間に、検出部がコリオリ力に無関係な出
力を発生しないことが、高いＳ／Ｎと厄介な無回転時の
出力のドリフトを抑える点で有効である。理論的には、
無回転時に出力が無ければ、ドリフトは存在しないから
である。従って、振動体としては、駆動振動発生時に、
回転のない時は、駆動振動と無関係に静止しており、回
転による検出振動の発生時は、検出振動の振動体の一部
として大きく振動するような構造が望ましい。本実施の
形態においては、５本の足を持つ多脚音叉を振動体とし
て用い、並んだ５本の足の中で、中央の足３の巾を、他
の足の巾の２倍にする事で、上述の望ましい事項を全て
満足する振動体を提供する。

【００５７】本実施の形態で使用する５脚音叉型振動体
は、複数の固有振動モードを持つ。これらの中で５脚音
叉形状の、厚み方向に直交する平面内、即ちＸ−Ｙ’平
面内で完結する、５本の足のＸ方向への１次屈曲振動
を、５脚音叉１０の面内振動と呼ぶこととする。また、
５脚音叉形状の、厚み方向、即ち５本の足のＺ’方向へ
の１次屈曲振動を、５脚音叉１０の面外振動と呼ぶこと
とする。

【００５８】図７を用いて、５脚音叉１０の検出振動を
説明する。５脚音叉１０の面外振動の中で、足１及び５
の組と足３が、互いに相対する方向へ屈曲する面外振動
を行い、この間、足２及び４が静止している振動モード
がある。図７は、ある瞬間の各々の足の変位方向を矢印
で示している。この振動モードを検出振動と呼ぶ事とす
る。

【００５９】５脚音叉１０の各々の足の配置から、足２
及び４を除くと、足１，３及び５は３脚音叉と似た配置
を形成しており、検出振動は足１，３及び５で構成され
る３脚音叉の面外振動と類似の振動と見る事が出来る。
３脚音叉の面外振動は、平行に並んだ３本の足の、両側
の足と中央の足が、相対する方向へ全体の運動量を保存
しながら振動する事により、基部の下部を支持部とした
自己完結的な振動体となるが、異方性単結晶において
は、両側の足の質量の合計と、中央の足の質量が同等の
場合に、支持部への振動の漏れが最も少ないことが一般
に知られている。足１及び５の合計の質量は足３の質量
と同じなので、基部９の底面に接続した支持部１１を支
持する５脚音叉１０の検出振動は、３脚音叉の面外振動
の場合と類似して、支持部１１への振動の漏れが最も少
ないことが確認されている。

【００６０】検出振動において、足２及び４が静止して
いる理由は、足１，３及び５のみで自己完結的な振動を
実現できるからである。５脚音叉１０の面外振動として
は、検出振動の周波数の近傍に他の面外振動が確認され
ている。これら検出振動以外の面外振動の共振周波数
は、最も近いものが、検出振動に対して５００００ＰＰ
Ｍ高い周波数であり、更に１００００ＰＰＭ高い周波数
にもう１つ存在する。しかし、駆動周波数を検出振動よ
り低く設定すれば、これらは検出振動に影響を与えるも
のではない。

【００６１】次に、図８を用いて、５脚音叉１０の駆動
振動を説明する。５脚音叉１０の面内振動の中で、足１
及び２が、互いに相対する方向へ屈曲する面内振動を行
い、これと同時に足４及び５が、互いに相対する方向へ
屈曲する面内振動を行い、この時足１及び５が同方向に
変位し、足２及び４が同方向に変位し、この間、足３が
静止している振動モードがある。図８は、ある瞬間の各
々の足の変位方向を矢印で示している。この振動モード
を駆動振動と呼ぶ事とする。

【００６２】５脚音叉１０の各々の足の配置において、
足１及び２の配置に着目すると、足１及び２は２脚音叉
に似た配置を形成しており、また足４及び５の配置に着
目すると、足４及び５は２脚音叉に似た配置を形成して
おり、駆動振動は足１及び２で構成される２脚音叉と類
似の面内振動と足４及び５で構成される２脚音叉と類似
の面内振動が、逆相で同期している振動と見る事が出来
る。２脚音叉の面内振動は、基部の下部を支持部とした
自己完結的な振動体であるが、これに類似の駆動振動
は、支持部１１への振動の漏れが少ないことが確認され
ている。

【００６３】駆動振動において、足３が静止している理
由は、足１，２の組及び足４，５の組で自己完結的な振
動を実現できるからであるが、更に足３の巾が、他の足
の巾の２倍になっており、他の足の面内振動の共振周波
数とかけ離れていることが挙げられる。５脚音叉１０の
面内振動としては、駆動振動の周波数の近傍に他の面内
振動が確認されている。これら駆動振動以外の面内振動
の共振周波数は、近い物も見られるが、これらは各々の
足が駆動振動に矛盾する位相で振動する為、駆動に影響
を与えるものではない。一般に同質量の多脚音叉におい
ては、足の数が増えるにつれて、多数の振動モードが発
生して検出に問題を生じるが、５本の足の中で、足３の
みを、他の足の２倍の巾とした、５脚音叉１０の構成に
おいては、足３が共振に参加しないことで、駆動に問題
を生じる他の振動モードを消滅させている。

【００６４】次に、駆動振動及び検出振動と、コリオリ
力の関係について説明する。駆動振動を行う５脚音叉１
０において、この時５脚音叉１０をＹ’の周りに角速度
ωで回転すると、速度ＶＸで運動する足１には、駆動振
動に直交する方向にコリオリ力ＦＣが働き、速度ＶＸで
運動する足５には、駆動振動に直交する方向にコリオリ
力ＦＣが働く。また、速度−ＶＸで運動する足２には、
駆動振動に直交する方向にコリオリ力−ＦＣが働き、速
度−ＶＸで運動する足４には、駆動振動に直交する方向
にコリオリ力−ＦＣが働く。即ち、図１０に示す様に、
コリオリ力ＦＣ及び−ＦＣは、面外振動方向に、駆動振
動の周波数で５脚音叉１０の足１，２，４及び５に働
く。駆動振動の周波数近傍に検出振動の共振周波数を設
定した場合、この近傍に足１及び５が同方向に面外振動
する振動モードは、検出振動以外に存在しない。従って
駆動振動が発生している５脚音叉１０をＹ’軸周りに角
速度ωで回転すると、コリオリ力により足１，２，４及
び５の運動を媒介として検出振動のみが励振されること
が分かる。ただし、コリオリ力は速度に比例する力なの
で、駆動振動により引き起こされる検出振動の変位位相
は、駆動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。

【００６５】次に、実際の駆動検出回路を用いた、電気
的な駆動検出方法について説明する。図１１には、５脚
音叉１０の足の断面及び、電極１Ｌ，１Ｍ，１Ｒ，２
Ｌ，２Ｍ，２Ｒ，３Ｌ，３Ｍ，３Ｒ，４Ｌ，４Ｍ，４
Ｒ，５Ｌ，５Ｍ及び５Ｒの断面が示されている。

【００６６】まず、足１が面内振動を行う場合を説明す
る。足１がＸ方向に屈曲すると、電極１Ｌ近傍はＹ’方
向に伸び、電極１Ｒ近傍はＹ’方向に縮む。この時水晶
内部の電極１Ｌ近傍には圧電効果により−Ｘ方向に電界
が発生し、電極１Ｒ近傍には圧電効果によりＸ方向に電
界が発生する。これらの電界により、電極１Ｍは電極１
Ｌ及び１Ｒより高電位となる。またこれとは逆に、電極
１Ｌと電極１Ｍの間に外部から電圧を印加し、電極１Ｍ
と電極１Ｒの間に外部から逆電圧を印加すると、圧電効
果は可逆的なので、水晶内部には電極１Ｌ近傍に−Ｘ方
向に電界が発生し、電極１Ｒ近傍にＸ方向に電界が発生
するが、この電界により足１の電極１Ｌの近傍は伸び、
電極１Ｒの近傍は縮み、結果として足１はＸ方向に屈曲
する。従って、Ｘ方向の屈曲によって電極１Ｍに発生す
る電圧を増幅し、位相を調整して電極１Ｌ及び１Ｒにこ
の電圧を加える事により、足１を用いて面内振動を発振
させる事が出来る。

【００６７】しかしながら、足１のみを用いて面内振動
を発振させた場合、その振動が駆動振動になるとは限ら
ない、先に述べた様に、５脚音叉１０の面内振動は駆動
振動だけではないからである。本実施の形態において
は、駆動振動で動作する足１，２，４及び５を全て駆動
することにより、駆動振動を選択的に発振させている。
即ち、図８に示した駆動振動の足の動作方向を勘案し、
足１及び５は、中央の電極１Ｍ及び５Ｍを参照電圧とし
て、両側の電極１Ｌ，１Ｒ，５Ｌ及び５Ｒに電圧を印加
し、足２及び４においては、逆に両側の電極２Ｌ，２
Ｒ，４Ｌ及び４Ｒの電圧を参照に中央の電極２Ｍ及び４
Ｍに電圧を印加すればよい。本実施の形態においては、
電極１Ｍ，２Ｌ，２Ｒ，４Ｌ，４Ｒ及び５Ｍからの電圧
をアンプＧに入力し、移相回路ＰでアンプＧの出力を移
相して、電極１Ｌ，１Ｒ，２Ｍ，４Ｍ，５Ｌ及び５Ｒに
印加する事により、確実に駆動振動を自励発振させてい
る。

【００６８】この状態で５脚音叉１０全体をＺ’軸の回
りに角速度ωで回転させると、５脚音叉１０の足１，
２，４及び５の運動を介して、５脚音叉１０には、既に
述べた様に検出振動が発生し、回転のない場合には静止
していた足３には、面外振動が発生する。足３が面外振
動する場合を説明する。足３がＺ’方向に屈曲すると、
電極が存在する面近傍がＹ’方向に縮む。この時圧電効
果により、Ｚ’方向に見て、足３の電極が存在する領域
ではＸ方向に電界が発生する。従って電極３Ｌに対して
電極３Ｒは低電位になり、電極３Ｍは中間電位となる。
これとは逆に、足３が−Ｚ’方向に屈曲すると、電極の
存在する領域がＹ’方向に伸びる。この時圧電効果によ
り、電極の存在する領域では−Ｘ方向に電界が発生す
る。従って電極３Ｌに対して電極３Ｒは高電位になり、
電極３Ｍは中間電位となる。即ち、検出振動は、足３の
中央の電極３Ｍの電位を基準とした、電極３Ｌと電極３
Ｒに生じる互いに逆方向の電圧として検出できる。勿
論、電極３Ｍを使用せずに、直接に電極３Ｌと３Ｒ間の
電圧を測定しても良い。

【００６９】コリオリ力の検出信号は、電極３Ｍをグラ
ンドに接続して基準電圧を作り、電極３Ｌ及び３Ｒの電
圧を差動バッファＤ２に入力し、差動バッファＤ２を経
て乗算回路Ｍに導き、駆動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し、
乗算により検波した結果は、更に積分回路Ｓにより平滑
化し、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。ここで、検出に差動検出を用いたのは、回路の対称
性を向上し、回路系のドリフトを低減する為である。

【００７０】次に５脚音叉１０の駆動振動と検出振動の
共振について具体的な数値を用いて説明する。５脚音叉
１０は、エッチング又はワイヤソー等で製作できるが、
正確に製作すると駆動振動及び検出振動のＱ値は１０万
以上にもなる。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、駆動振動と検出振動の共
振周波数を一致させる共振型で設計を行うと、コリオリ
力により発生した検出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。これに対して駆動振動と
検出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、駆動振動と検出振動の共振周
波数の差を１００００ＰＰＭ以上とすることにより、１
００Ｈｚ以上の応答性を得ている。

【００７１】

【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、
５脚音叉型の構成を採り、殆ど振動漏れのない支持部を
支持する事により、極めてＱ値が高く雑音の少ない駆動
振動及び検出振動を用い、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と低ドリフト
を実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である５脚音叉型の振動ジ
ャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視
図である。

【図２】本発明の実施の形態である５脚音叉の断面を示
し，回路ブロック及び配線を示す模式図である。

【図３】本発明の実施の形態である５脚音叉型の振動ジ
ャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、電
極の一部を示す表面図である。

【図４】本発明の実施の形態である５脚音叉型の振動ジ
ャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、電
極の一部を示す裏面図である。

【図５】従来の音叉型の水晶ジャイロの外観を示し、座
標を示し、電極の一部を示し、異方性結晶の回転方向を
示す斜視図である。

【図６】従来の音叉型水晶ジャイロの、足の断面及び駆
動検出回路の配線模式図である。

【図７】本発明の実施の形態である５脚音叉型振動体の
駆動振動を示す動作説明図である。

【図８】本発明の実施の形態である５脚音叉型振動体の
検出振動を示す動作説明図である。

【図９】本発明の実施の形態である５脚音叉型振動体の
駆動検出振動を示す動作説明図である。

【図１０】本発明の実施の形態である５脚音叉型振動体
の駆動検出振動を示す動作説明図である。

【図１１】本発明の実施の形態である５脚音叉の断面を
示し，回路ブロック及び配線を示す模式図である。

【符号の説明】

１Ｌ，１Ｍ，１Ｒ電極２Ｌ，２Ｍ，２Ｒ電極３Ｌ，３Ｍ，３Ｒ電極４Ｌ，４Ｍ，４Ｒ電極５Ｌ，５Ｍ，５Ｒ電極Ｔ１Ｌ，Ｔ１Ｍ，Ｔ１Ｒ端子Ｔ２Ｌ，Ｔ２Ｍ，Ｔ２Ｒ端子Ｔ３Ｌ，Ｔ３Ｍ，Ｔ３Ｒ端子Ｔ４Ｌ，Ｔ４Ｍ，Ｔ４Ｒ端子Ｔ５Ｌ，Ｔ５Ｍ，Ｔ５Ｒ端子１〜５足９基部１０５脚音叉型の振動ジャイロ１１支持部ＣコンパレータＤバッファＤ２差動バッファＧアンプＭ乗算回路Ｐ，Ｐ２移相回路Ｓ積分回路ＦＣ，−ＦＣコリオリ力ＶＸ，−ＶＸ速度ＶＺ’，−ＶＺ’ 速度Ｊ１〜Ｊ８電極Ｊ１０音叉型振動体Ｊ１１第１の足Ｊ１２第２の足Ｊ１５基部ＪＣコンパレータＪＤ差動バッファＪＧアンプＪＭ乗算回路ＪＰ，ＪＰ２移相回路ＪＳ積分回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振手段及び角速度検出手段を有する振
動子と、振動子を支持する支持部とを備えた振動ジャイ
ロにおいて、振動子は５本の足と基部から構成され、５
本の足と基部は略一定の厚さの平面構造を為し、５本の
足は互いに平行に配置し、５本の足は各々基部に一方向
から伸びた端部が接続し、基部は支持部に接続したこと
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、足は形状が四角柱であり、基部は形状が四角柱であ
り、支持部は形状が四角柱であ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、５本の足の一部又は全部を、発振手段を用いて、前
記平面に垂直に面外屈曲振動させ、振動子の回転による
コリオリ力により、面外屈曲振動が振動子に引き起こ
す、前記平面に平行な面内屈曲振動を、角速度検出手段
により検出すること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、５本の足の一部又は全部を、発振手段を用いて、前
記平面内で面内屈曲振動させ、振動子の回転によるコリ
オリ力により、面内屈曲振動が振動子に引き起こす、前
記平面に垂直な面外屈曲振動を、角速度検出手段により
検出することを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項５】請求項２に記載の振動ジャイロであっ
て、５本の足は同じ長さであり、５本の足は等間隔に配
置され、中央に配置された足以外の４本は同じ巾を持
ち、中央に配置された足は他の足の略２倍の巾を有する
ことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項６】請求項５に記載の振動ジャイロであっ
て、５本の足の中から、両端に配置された２本の足及び
中央に配置された足を、発振手段を用いて、前記平面に
垂直に面外屈曲振動させ、残りの２本の足を静止させて
おき、振動子の回転によるコリオリ力により、面外屈曲
振動が、静止した２本の足に引き起こす、前記平面に平
行な面内屈曲振動を、角速度検出手段により検出するこ
とを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項７】請求項５に記載の振動ジャイロであっ
て、５本の足の中から、中央に配置された足以外の４本
の足を、発振手段を用いて、前記平面内で面内屈曲振動
させ、中央の足を静止させておき、振動子の回転による
コリオリ力により、面内屈曲振動が、静止した中央の足
に引き起こす、前記平面に垂直な面外屈曲振動を、角速
度検出手段により検出することを特徴とする振動ジャイ
ロ。
【請求項８】発振手段及び角速度検出手段を有する振
動子と、振動子を支持する支持部とを備えた振動ジャイ
ロにおいて、振動子は５本の足と基部から構成され、５
本の足と基部は略一定の厚さの平面構造を為し、５本の
足は互いに平行に配置し、５本の足は各々基部に一方向
から伸びた端部が接続し、基部は支持部に接続し、足は
形状が四角柱であり、基部は形状が四角柱であり、発振
用手段は振動子の前記平面に平行な表面に配置され、角
速度検出用手段は振動子の前記平面に平行な裏面に配置
される事を特徴とする振動ジャイロ。
【請求項９】請求項８に記載の振動ジャイロであっ
て、振動子が圧電性単結晶により一体に形成され、前記
駆動手段は駆動電極であり、前記角速度検出手段は角速
度検出電極であることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項１０】請求項１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。