JP4038276B2 - Vibrating gyroscope - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動型ジャイロスコープ、およびこれに好適に使用できる振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平７−８３６７１号公報においては、中央の駆動振動片と、その左右の検出振動片の合計３本の振動片を、基部で一体に接続した構成の音叉型振動子を用いた振動型ジャイロスコープが開示されている。図３０は、こうした振動型ジャイロスコープの一例の構成を示す図である。図３０に示す例において、振動型ジャイロスコープを構成する音叉型振動子７１は、中央の駆動振動片７３と、その左右にほぼ平行に配置された検出振動片７２、７４との３本の振動片と、これらの駆動振動片７３および検出振動片７２、７４を基部７５で一体に接続した構成を有している。
【０００３】
上述した音叉型振動子７１では、駆動振動片７３を、駆動振動片７３に設けた図示しない駆動手段により、ＸＺ面内で振動させる。そして、左右の検出振動片７２、７４を同じＸＺ面内で共振させる。この状態で、音叉型振動子７１の対称軸Ｚを中心に回転角速度ωが作用すると、検出振動片７２、７４にコリオリの力ｆが作用する。検出振動片７２、７４がＸＺ面内で振動していることから、検出振動片７２、７４にはＹＺ面内で振動が誘起される。この振動を検出振動片７２、７４に設けた図示しない検出手段により検出して、回転角速度を測定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した構成の従来の振動型ジャイロスコープでは、音叉型振動子７１を支持して振動型ジャイロスコープを構成する場合、音叉型振動子７１の基部７５の駆動振動片７３および検出振動片７２、７４が存在する端部と反対側の端部７６全体を固定して支持するか、あるいは、この端部７６の対称軸Ｚに対応する位置に図示しない支持振動片を固定して支持していた。そのため、検出振動片７２、７４における検出振動の動作に回転角速度によるコリオリの力が効率的に活かされているとはいえず、検出振動片７２、７４におけるＹＺ面内の検出振動の共振尖鋭度（Ｑ値）が低く、回転角速度の測定感度が低くなる問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、検出振動片における検出振動の共振尖鋭度（Ｑ値）を向上させ、回転角速度を高感度で測定することができる振動型ジャイロスコープを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の振動型ジャイロスコープは、振動子に加えられている回転の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、前記振動子が、複数の振動片と、複数の振動片を接続する基部とを備えており、前記振動片のうちの少なくとも一つに駆動振動を与えたときに前記回転角速度に応じて前記振動子に励起される検出振動から、前記回転角速度を求めるように構成されるとともに、前記駆動振動と前記検出振動とが前記振動子の面内振動となるよう構成されており、前記振動子のうち前記検出振動が最も小さい領域で前記振動子を支持する支持手段を備えていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、振動子に加えられている回転の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、振動子が、複数の振動片と、複数の振動片を接続する基部とを備えており、基部に支持孔が設けられており、振動片のうちの少なくとも一つに駆動振動を与えたときに回転角速度に応じて振動子に励起される検出振動から、回転角速度を求めるように構成されており、支持孔で振動子を支持する支持手段を備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、圧電性単結晶からなる振動子であって、屈曲振動をする複数の振動片と、複数の振動片を接続する基部とを備えており、振動子を支持するための支持孔が基部に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
振動子に加えられている回転の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、振動子が、複数の振動片と、複数の振動片を接続する基部とを備えており、振動片のうちの少なくとも一つに駆動振動を与えたときに回転角速度に応じて振動子に励起される検出振動から、回転角速度を求めるように構成されている振動型ジャイロスコープにおいて、本発明者は、検出振動が最も小さい領域で振動子を支持することで、検出振動片における検出振動の共振尖鋭度（Ｑ値）が向上し、感度を上昇させえることを見いだした。コリオリの力により発生する検出振動は、振幅が小さいため、感度を上昇させるために本発明は特に効果的である。
【００１０】
また、好ましい態様として、振動子の支持を、検出振動が最も小さい領域と駆動振動が最も小さい領域とが重なる重複領域で行うと、検出振動だけでなく駆動振動のＱ値も高くなり、さらに感度を上昇させることができる。
【００１１】
特に好適な態様においては、駆動振動と検出振動とが振動子の面内振動である。
【００１２】
特に好適な態様においては、振動子が、振動子の重心（振動していないとき）の近傍領域内で支持されている。これによって、振動子の外部から加わる振動や加速度による振動子の歪みが、振動状態に及ぼす影響を軽減することができる。
【００１３】
駆動振動の振幅は、検出振動の振幅よりもはるかに大きいので、駆動振動から検出振動への影響を小さくすることが重要である。好適な態様においては、振動子が、振動子の駆動振動の重心の近傍領域内で支持されている。これによって、駆動振動による検出振動への影響を最小限とすることができる。
【００１４】
「振動子が、振動子の重心ＧＯまたは駆動振動の重心ＧＤの近傍領域内で支持されている」とは、実質的に重心ＧＯ、ＧＤ上に位置していてもよいが、重心ＧＯ、ＧＤから直径１ｍｍの円内に存在していることを意味する。
【００１５】
好適な態様においては、検出振動が最も小さい領域において、振動子の表面に支持手段が接着、粘着、半田、メタライズ等によって接合されているか、圧着されている。
【００１６】
また、振動子に支持孔を設け、この支持孔の内側壁面で振動子で支持することが好ましい。この場合には、支持手段に突起を設け、この突起を支持孔内に収容し、支持孔の内側壁面と突起との間に、接着剤、粘着剤、半田、メタライズ用ペーストを収容し、振動子と突起とを接合することができる。
【００１７】
振動子の形態、寸法によっては、振動子中で検出振動が最も小さい領域が、振動子の表面には現れないか、あるいはごく小さい面積でしか現れないことがある。このため、振動子に支持孔を設け、この支持孔で振動子を支持することによって、支持孔の内壁面に前記領域を露出させると、検出振動が最も小さい領域を一層確実に保持しやすくなる。
【００１８】
支持孔は、いわゆる盲孔でも良いが、貫通孔であることが最も好ましく、あるいは盲孔である場合には、振動子の厚さの１／２以上の深さを有することが好ましい。これは、振動子の内部の方が、検出振動が最も小さい領域が、振動子の表面よりも広いからである。
【００１９】
また、振動子に支持孔を設け、この支持孔で振動子を支持する場合には、好適な態様においては、支持孔の少なくとも一部は、この振動子に前記支持孔を設けていない状態で振動子のうち検出振動が最も小さい領域内に存在する。これが好ましい理由を述べる。振動子の表面に、検出振動が最も小さい領域が露出している場合に、この領域を支持するときには、以下のような問題点が生ずることを発見した。即ち、振動型ジャイロスコープを組み立ててから時間が経ったり、周囲の温度が変化すると、回転角速度の測定値が安定しなくなることがあった。
【００２０】
本発明者は、この理由を検討し、次の発見に至った。即ち、例えば後述するような振動子において、振動型ジャイロスコープを組み立てた後に、振動子に所定の駆動振動を励起し、振動子の各点における振動振幅の分布を測定すると、振動の節の周囲で振動振幅は著しく変動する。このため、駆動振動の節と検出振動の節とを一致させることが困難である。その上、所定の支持手段、例えば支持用の突起を、振動子の表面のうち検出振動が最も小さい領域に対して接合した時点では、正確に検出振動が最も小さい領域を支持していたとしても、温度変化などの経時変化によって、検出振動が最も小さい領域が、当初の位置から微妙に移動することがある。このため、振動子に対する支持手段の接触による、振動子の振動状態に対する擾乱の程度が変化し、ジャイロスコープの特性が変化する。
【００２１】
これに対して、振動子に支持孔を設けていない状態での検出振動が最も小さい領域に、支持孔を設け，この支持孔で振動子を支持することによって、支持孔およびその周囲でかなり広い領域にわたって検出振動の大きさが平均化されることが分かった。このため、最初に支持孔で振動子を支持した後に、時間が経過したり、あるいは周囲の温度が変化しても、支持手段によって検出振動に及ぼされる擾乱の程度が変化しにくくなり、温度によるゼロ点の変動が小さくなり、ジャイロスコープの特性が一層向上した。
【００２２】
更に、支持孔の中に、樹脂等の接着剤を充填し、支持手段から樹脂を介して振動子を保持することによって、一層高い効果を上げることができた。
【００２３】
また、好適な態様においては、基部に複数の支持孔が設けられており、複数の支持孔で振動子が支持されている。これによって、振動子に対して階部振動が加わったときに、この外部振動による擾乱の影響を著しく低減できる。
【００２４】
この態様においては、振動子の重心から見て点対称の位置にある複数の支持孔で、振動子を支持することが好ましい。これによって、外部振動による擾乱の影響が一層減衰する。
【００２５】
また、振動子のうち検出振動が最も小さい領域を囲むように複数の支持孔を設けることができる。この場合には、振動子の重心から見て点対称の位置にある複数の支持孔で、振動子を支持することが特に好ましい。
【００２６】
また、好適な振動子においては、複数の振動片が駆動振動片と検出振動片とに分かれており、検出振動片と検出振動が最も小さい領域との間に支持孔が設けられている。
【００２７】
また、前述の振動子においては、振動子のうち、検出振動が最も小さい領域が、支持孔の内壁面まで延びていることが特に好ましい。この場合、支持孔は、検出振動が最も小さい領域の周囲に設けられていることが好ましく、検出振動が最も小さい領域と、検出振動片との間に設けられていることが最も好ましい。
【００２８】
本発明の振動型ジャイロスコープにおいては、振動子の材質としては、圧電セラミックスや、水晶、ＬｉＴａＯ₃ 単結晶、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶などの圧電性単結晶を用いることが好ましく、その中でも水晶、ＬｉＴａＯ₃ 単結晶、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶などの圧電性単結晶を用いることがさらに好ましい。これは、単結晶自体の高いＱ値を、効果的に適用できるためである。
【００２９】
なお、本発明において、検出振動または駆動振動の最も小さい領域とは、他に一層小さい領域が見当たらないような一つまたは複数の領域を示す。好ましくは、検出振動時または駆動振動時の振動振幅が、振動子における最大振動振幅点の１０００分の２以下であり、特に好ましくは１０００分の１以下である。また、好ましくは、検出振動が最も小さい領域、駆動振動が最も小さい領域が、基部の一部に局在化している。
【００３０】
また、本発明においては、有限要素法による固有モード解析によって、振動子における検出振動の振幅の、振動子における検出振動の最大振幅に対する比率を算出し、振動子の各点における前記比率の分布から、検出振動が最も小さい領域を検出する。特に好ましくは、有限要素法による固有モード解析によって、各点における駆動振動の振幅の、振動子における駆動振動の最大振幅に対する比率を算出し、振動子における前記比率の分布から、駆動振動が最も小さい領域を検出する。
【００３１】
【発明の実施の態様】
以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図１は本発明の振動型ジャイロスコープの振動子の一例の構成を示す図であり、（ａ）は側面図を示し、（ｂ）は正面図を示し、（ｃ）は底面図を示す。本例では、駆動振動と検出振動とが垂直な縦置きタイプの振動型ジャイロスコープを示している。図１（ａ）〜（ｃ）に示す例において、振動型ジャイロスコープを構成する音叉型振動子１は、３本の互いにほぼ平行に配置された振動片２〜４と、これら３本の振動片２〜４を接続する基部５とから構成される。３本の振動片２〜４のうち、両端の振動片２、４は検出振動片を構成し、中央の振動片３は駆動振動片を構成する。
【００３２】
上述した本発明の振動型ジャイロスコープの音叉型振動子１の動作は、従来から知られている音叉型振動子の動作と同じである。すなわち、まず、駆動振動片３を、駆動振動片３に設けた図示しない駆動手段により、ＸＺ面内で振動させる。そして、左右の検出振動片２、４を同じＸＺ面内で共振させる。この状態で、音叉型振動子１の対称軸Ｚを中心に回転角速度ωが作用すると、検出振動片２、４にコリオリの力ｆが作用する。検出振動片２、４がＸＺ面内で振動していることから、検出振動片２、４にはＹＺ面内で振動が誘起される。この振動を検出振動片２、４に設けた図示しない検出手段により検出して、回転角速度を測定している。
【００３３】
本発明で重要なのは、上述した音叉型振動子１を支持して振動型ジャイロスコープを構成する際、検出振動の一番小さい領域が局在する小領域で、音叉型振動子１を支持することで、音叉型振動子１の一番動きの小さい領域を固定することである。そのため、コリオリの力により発生する検出振動を減衰させることなく効果的に発生することができ、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、振幅が小さいため、感度を上昇させるために本発明は特に効果的である。具体的には、図１（ａ）〜（ｃ）に示す例において、基部５のほぼ中央部の領域６で音叉型振動子１を支持することである。
【００３４】
音叉型振動子１を支持する方法については特に限定せず、圧電材料の接着方法として従来から知られているいずれの方法も使用することができる。その一例として、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、基部５のほぼ中央部の領域６に、基部５の厚み方向に所定の支持孔７を設け、この支持孔７に、振動型ジャイロスコープの支持手段８から突出して設けた振動片９を、振動片９の延在する方向と垂直の方向に突出させた突起１０を挿入し、固定することができる。
【００３５】
突起１０と支持孔７との固定は、突起１０の表面および／または支持孔７の内壁面にメタライズを施し、その後ハンダ付け又はロウ付けすることにより、あるいは突起１０と支持孔７との間に樹脂を配することにより、実施することができる。なお、図２（ａ）、（ｂ）に示す例では、基部５をその一表面で支持したが、基部５の両表面で支持することもできる。また、支持孔７を盲孔にする代わりに、貫通孔とし、この貫通孔に突起１０を通し、突起１０の両端部を振動型ジャイロスコープの支持手段８に固定することもできる。
【００３６】
上述した例において、基部５の主面のほぼ中央部の領域６を、検出振動の一番小さい局在的な小領域とする理由は以下の通りである。すなわち、本発明者らは、まず上記形状の音叉型振動子１について、振動の一番小さい領域の局在する小領域が存在するかどうかを調べるため、上記形状の音叉型振動子１について有限要素法による固有モード解析を実施した。そして、図１に示すＸＺ面で切断したと仮定した場合の、ＸＺ面（駆動振動の発生する面）とＹＺ面（コリオリ力による検出振動の発生する面）とにおける音叉型振動子１の各部の振動振幅を最大振動振幅点との比率の分布として求めた。駆動振動の発生する面であるＸＺ面における結果を図３に、コリオリ力による検出振動の発生するＹＺ面における結果を図４に示す。
【００３７】
図３および図４に示す例において、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し、橙色の部分が、振動子における最大振動振幅点の１０００分の１未満の、振動の一番小さい領域の局在する小領域となる。そして、本例では、図３が駆動振動における最大振動振幅点との比率を、図４が検出振動における最大振動振幅点との比率を示すこととなり、図４の結果から、検出振動の一番小さい領域の局在する小領域が存在することが確認された。また、図１に示す例のように、基部５の主面のほぼ中央部の領域６で表裏から支持すると、図４から検出振動の一番小さい領域の局在する小領域で支持するだけでなく、図３から駆動振動の一番小さい領域の局在する小領域で支持することにもなり、従って、本例では、検出振動の一番小さい領域の局在する小領域と駆動振動の一番小さい領域の局在する小領域とが重なる領域で、音叉型振動子１を支持することとなることがわかった。
【００３８】
以上の結果をふまえて、実際に、従来例として図３０で説明した底辺部固定の例および一軸固定の例、さらに本発明として図１に示す固定を行った例について、ＸＺ面内における駆動振動のＱ値、ＹＺ面内の検出振動のＱ値、および感度を測定したところ、表１に示す結果を得ることができた。表１の結果から、従来例に比べて本発明例は、ＸＺ面内の駆動振動のＱ値とＹＺ面内の検出振動のＱ値とのいずれも高く、感度も高くなることがわかった。
【００３９】
【表１】

【００４０】
なお、上述した例では、音叉型振動子１として３本の振動片２〜４を利用した例を示したが、振動片の数は３本に限定されず、４本、５本などの他の本数でも本発明を適用できることはいうまでもない。また、上述した例では、図１においてＸＺ面内で駆動振動を発生させ、ＹＺ面内で検出振動を発生させる例を示したが、音叉型振動子１の形状はそのままとして、両者の関係を逆、すなわちＹＺ面内で駆動振動を発生させ、ＸＺ面内で検出振動を発生させるよう構成しても、本発明を適用できることはいうまでもない。
【００４１】
以上の例では、駆動モードの振動と検出モードの振動とが垂直となる縦置きタイプの振動型ジャイロスコープの例を説明したが、駆動モードの振動と検出モードの振動とが同一平面内で水平となる横置きタイプの振動型ジャイロスコープにも本発明を好適に適用することができる。以下、横置きタイプの振動型ジャイロスコープについて、上述した例と同様に有限要素法の解析を行った例について説明する。
【００４２】
縦置きタイプの振動型ジャイロスコープとしては、以下のものが好ましい。即ち、図５の振動子１１においては、基部１３が固定部９０から垂直に延びており、基部１３の一方の端部１３ａが固定部９０に固定されている。基部１３内に所定の検出手段１５Ａ、１５Ｂが設けられている。基部１３の他方の端部１３ｂ側に、基部１３に対して垂直方向に延びる２本の屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂが設けられている。
【００４３】
各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂに対して、励振手段１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄによって、矢印Ａ、Ｂで示すような屈曲振動を励振することができる。振動子がＸ−Ｙ平面内で回転軸Ｚを中心として回転すると、各屈曲振動片にコリオリ力が加わり、各屈曲振動片のコリオリ力が、基部１３に対して加わる。これによって基部１３が接続部分１７を中心として矢印Ｄのように屈曲振動する。この基部１３の屈曲振動を検出し、検出した屈曲振動に応じた信号を出力することができる。
【００４４】
図５は、図６に示したような横置きタイプの、Ｔ型の振動片と基部とからなる振動子について、有限要素法による固有モード解析を検出モードの振動について求めた結果の一例を示す図である。図６においても、各部の振動を最大振動振幅点との比率として、図３及び図４と同様に色分けして示している。図６に示す例でも、図３又は図４に示した例と同様に、基部の中央に検出振動の一番小さい領域の局在する小領域が存在することが確認された。実際に、図６の振動子について、図３０で説明した底辺部固定の例と、本発明のように検出振動の一番小さい領域の局在する小領域で支持した例について、駆動振動のＱ値、駆動振動の同一面内の検出振動のＱ値、および感度を測定したところ、表２に示す結果を得ることができた。表２の結果から、従来例に比べて本発明例は、駆動振動のＱ値が若干高くなり、また検出振動のＱ値は桁違いに高くなり、さらに感度も高くなることがわかった。
【００４５】
【表２】

【００４６】
また、本発明を好適に適用できる他のタイプの振動子においては、図５における各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂを、これと交叉ないし直交する方向に延長することができる。例えば、図７に示す振動子２１においては、基部１３の先端側に屈曲振動片２２Ａ、１８Ａと、２２Ｂ、１８Ｂとが設けられて、音叉型の振動片１９を構成している。
【００４７】
図８は、Ｙ型のアームと基部とからなる、図７の振動子について有限要素法による固有モード解析を検出モードの振動について求めた結果の一例を示す図である。図８においても、図６に示す例と同様に、基部の中央に検出振動の一番小さい領域の局在する小領域が存在することが確認された。実際に、図８の振動子について、図３０で説明した底辺部固定の例と、駆動振動のＱ値、駆動振動の同一面内の検出振動のＱ値、および感度を測定したところ、従来例に比べて本発明例は、駆動振動のＱ値が若干高くなり、また検出振動のＱ値は桁違いに高くなり、さらに感度も高くなることがわかった。
【００４８】
なお、図６に示すＴ型アームを有する振動子と、図８に示すＹ型アームを有する振動子とについて、駆動モードの振動についても有限要素法による固有モード解析を行ったところ、上述した検出モードの振動が一番小さい領域の局在する小領域と駆動モードの振動が一番小さい領域の局在する小領域とは一致しないことがわかった。
【００４９】
また、本発明は、下記の形態の横置き用振動子に対しても好適に適用できる。このタイプの振動子においては、両端が固定されている固定片部を使用し、この固定片部の一方の側に主アームが設けられており、固定片部の他方の側に共振片が設けられており、固定片部、主アーム、共振片が実質的に前記所定平面内に延びるように形成されている。つまり、励振手段と屈曲振動検出手段とを、両端が固定された固定片部を介した位置に設けることができる。これによって、励振手段と屈曲振動検出手段との間で、電気機械的な混合などの悪影響を防止できるので、一層検出精度が向上する。
【００５０】
図９においては、固定片部２５によって、励振手段側と検出手段側とを分離している。具体的には、固定片部２５の両端を固定部材２６によって固定する。固定片部２５の一方の側に主アーム２３を設けている。主アーム２３は、細長い基部１３と、基部１３の端部から、基部１３の長さ方向に対して直交する方向に延びる２本の屈曲振動片２２Ａ、１８Ａと、２２Ｂ、１８Ｂとを備えている。
【００５１】
固定片部２５の他方の側に、共振片２４が設けられている。共振片２４は、固定片部２５から垂直方向に延びる長方形の支持部３０を備えており、支持部３０内に所定の励振手段１５が設けられている。主アーム２３と共振片２４とは、固定片部２５に対して線対称をなしている。１４Ａ、１４Ｂは検出手段である。
【００５２】
図１０および図１１は、図９に示したような、Ｙ型対向アームと２つの基部の接続部とを接合した振動子について、有限要素法による固有モード解析を行った結果を示す図である。図１０に示す例が、検出モードの振動についての結果であり、図１１に示す例が、駆動モードの振動についての結果である。図１０に示す例から、両基部のそれぞれの中央及びＹ型対向アームと２つの基部の接続部との交わる点に、検出振動の一番小さい領域の局在する小領域が存在することが確認された。また、図１１に示す例から、駆動モードの振動においても、駆動振動の一番小さい領域の局在する小領域が存在することが確認された。図１０に示す例において、両基部のそれぞれの中央及びＹ型対向アームと２つの基部の接続部との交わる点で支持すると、図１１から駆動モードの振動の一番小さい領域の局在する小領域を支持することにもなり、従って、本例では、検出振動の一番小さい領域の局在する小領域と駆動振動の一番小さい領域の局在する小領域とが重なる領域で、振動子を支持することとなることがわかった。
【００５３】
実際に、図１０及び図１１の振動子について、図３０で説明した底辺部固定の例と、本発明のように検出振動の一番小さい領域の局在する小領域、すなわち両基部のそれぞれの中央及びＹ型対向アームと２つの基部の接続部との交わる点で支持した例について、駆動振動のＱ値、駆動振動の同一面内の検出振動のＱ値、および感度を測定したところ、表３及び表４に示す結果を得ることができた。ここで、表３の結果はＹ型対向アームと２つの基部の接続部との交わる点で支持した例を示し、表４の結果は両基部のそれぞれの中央の２点で支持した例を示す。表３及び表４の結果から、いずれの例においても、従来例に比べて本発明例は、駆動振動のＱ値が若干高くなり、また検出振動のＱ値は桁違いに高くなり、さらに感度の高くなることがわかった。
【００５４】
【表３】

【００５５】
【表４】

【００５６】
また、本発明例のうちでも、縦置きタイプの振動型ジャイロスコープの結果を示す表１と、横置きタイプの振動型ジャイロスコープの結果を示す表２〜表４とを比較してみると、検出モードの振動のＱ値がいずれも１桁程度高くなっていることがわかり、そもそも検出モードの振動のＱ値が小さい横置きタイプの振動型ジャイロスコープに本発明を適用すると効果がより高いことがわかった。
【００５７】
また、本発明は、下記のタイプの横置き型の振動型ジャイロスコープに対して、特に好適に適用できる。この振動子は、所定の回転軸を中心として回転させるための振動子であって、この振動子が少なくとも複数の振動系を備えており、これら複数の振動系が回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、振動系が、振動系の振動の重心が振動子の重心から見て所定面内で径方向に振動する径方向振動成分を含む第一の振動系と、振動系の振動の重心が振動子の重心から見て所定面内で周方向に振動する周方向振動成分を含む第二の振動系とを備えている。
【００５８】
なお、周方向に振動する振動成分とは、重心ＧＯから見て所定面内で円周方向に振動する振動成分のことを指している。径方向に振動する成分とは、重心ＧＯからみて所定面内で円の直径方向に振動する振動成分のことを指しており、つまり、重心ＧＯに対して遠ざかる方向と近づく方向とに対して交互に振動する成分のことを言う。
【００５９】
前記した第一の振動系と第二の振動系とは、すべて何らかの形で連結され、所定面内に延びる振動子を形成している。こうした振動子を、回転軸Ｚを中心として矢印ωのように回転させることで、回転角速度の検出を行える。
【００６０】
図１２は、この態様に係る圧電単結晶製の振動子３１を備えた振動型ジャイロスコープを、概略的に示す平面図である。基部３８は、振動子の重心ＧＯを中心として、４回対称の正方形をしている。基部３８の周縁部３８ａから、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系３９Ａ、３９Ｂ（本例では第一の振動系）と検出振動系４０Ａ、４０Ｂ（本例では第二の振動系）とが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系３９Ａと３９Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系４０Ａと４０Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称である。
【００６１】
駆動振動系３９Ａ、３９Ｂは、基部３８の周縁部３８ａから突出する支持部３２Ａ、３２Ｂと、支持部３２Ａ、３２Ｂの先端３２ｂ側から支持部に直交する方向に延びる屈曲振動片３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄを備えている。各屈曲振動片には、それぞれ駆動電極３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄが設けられている。検出振動系４０Ａ、４０Ｂは、細長い周方向屈曲振動片からなり、各屈曲振動片には検出電極３５Ａ、３５Ｂが設けられている。
【００６２】
本発明者は、図１２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た。そして、振動子を水晶によって作製し、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。
【００６３】
図１３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１４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１３の駆動モードにおいては、各屈曲振動片が、支持部３２Ａ、３２Ｂの先端部分３２ｂ付近を中心として屈曲振動している。図１４の検出モードにおいては、支持部３２Ａ、３２Ｂが、固定部３２ａを中心として周方向に屈曲振動し、これに対応して、検出振動系の屈曲振動片４０Ａ、４０Ｂが屈曲振動している。
【００６４】
図１３および図１４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。
【００６５】
図１３によると、各支持部３２Ａ、３２Ｂの基部３８に対する固定部３２ａの近辺では、各駆動振動系の振動に伴って引っ張り応力が加わり、変形が見られる。しかし、この変形の影響は、各駆動振動系３９Ａと３９Ｂとが２回対称の位置に配置されていることから、基部内において互いに相殺し合う。このため、基部の中心付近、そして駆動振動系に挟まれた検出振動系４０Ａ、４０Ｂにおいては、駆動振動による影響が見られなくなっている。
【００６６】
図１４によると、各駆動振動系３９Ａと３９Ｂとから基部に加わる影響が相殺し合っている。しかも、各検出振動系４０Ａ、４０Ｂから基部に加わる影響も、各検出振動系が２回対称の位置に配置されていることから、基部内において互いに相殺し合う。この結果、基部の中心付近３６Ａ（図１２および図１４参照）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。
【００６７】
本発明に従って、検出振動の振幅が最小の領域３６Ａ内において、振動子３１を支持し、固定する。または支持孔３７Ａを形成する。
【００６８】
また、本例においては、図１２−図１４におけるように、駆動振動が最も小さい領域内に、振動子の重心ＧＯが位置している。
【００６９】
また、本例においては、検出振動が最も小さい領域内に、振動子の重心ＧＯが位置しており、重複領域内に、支持孔３７Ａを設け、支持孔３７Ａを使用して、後述のように振動子を支持する。
【００７０】
図１５は、他の実施形態に係る振動子４１を概略的に示す平面図である。駆動振動系３９Ａ、３９Ｂ、検出振動系４０Ａ、４０Ｂおよびこれらの動作については、図１２に示したものと同様である。この基部４８の検出振動系側の２片の周縁４８ａから枠部４６Ａ、４６Ｂが延びており、各枠部の中に各検出振動系が包囲されている。各枠部は、それぞれ、各検出振動系と平行に延びる接続部分４６ａと、振動子の支持、固定を必要に応じて行うための支持枠４６ｂとを備えている。枠部４６Ａ、４６Ｂの中で、駆動振動時および検出振動時の振幅が最小の領域を支持、固定する。
【００７１】
図１６には、図１５の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１７には、この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。
【００７２】
図１６によると、各支持部３２Ａ、３２Ｂの基部４８に対する固定部３２ａの近辺では、各駆動振動系の振動に伴って引っ張り応力が加わり、変形が見られる。この影響は、枠部の接続部分４６ａにおいても若干見られる。しかし、これらの影響は相殺し合うために、基部の中心付近、駆動振動系の各屈曲振動片および枠部の支持枠４６ｂにおいては、駆動振動による影響が見られなくなっている。
【００７３】
図１７によると、各駆動振動系、各検出振動系から基部４８に加わる影響は互いに相殺し合い、この結果、基部４８の中心付近３６Ａ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。３６Ａ中に支持孔を設けることができる。しかし、これだけではなく、支持枠４６ｂ内の領域３６Ｂも振幅が最小となるので、この領域３６Ｂを支持、固定することもできる。
【００７４】
また、本例においては、図１５、図１６におけるように、駆動振動時の振動子の微小変位部分内に、振動子の重心ＧＯと駆動振動系の全体の重心ＧＤとが位置している。また、図１５、図１７におけるように、検出振動時の振動子の微小変位部分３６Ａ内に、振動子の重心ＧＯと駆動振動系の全体の重心ＧＤとが位置している。
【００７５】
次に、振動子に支持孔を設けた場合において、具体的な支持方法を例示する。例えば、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、前述した振動子３１において、基部３８のうち、検出振動が最も小さい領域内に支持孔４７を設け、支持孔４７で振動子を支持する。支持台４２の上に、支持手段である治具４３を固定する。治具４３は、本体４３ａと、段差部４３ｂと、突起４３ｃとを備えている。突起４３を支持孔４７内に挿入し、基部３８を段差部４３ｂの上に載せる。
【００７６】
以下、図１２ないし図１８の形態の振動子３１を使用し、２種類の支持方法を採用した場合について、実験結果を述べる。
【００７７】
最初に、図１８に示す形態の振動子３１を作製した。ただし、厚さ０．３ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ２００オングストロームのクロム膜と、厚さ５０００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングし、振動子の外形形状パターンをフォトリソグラフィー法によって設けた。この際、第一の実施例では支持孔のパターンを設けず、第二の実施例では支持孔のパターンを設けた。
【００７８】
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子の外形を形成した。この際、第一の実施例では支持孔を形成せず、第二の実施例では支持孔を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ２０００オングストロームのアルミニウム膜を電極膜として形成した。
【００７９】
次いで、支持孔を形成していない振動子の電極に１．０ボルトの電圧を印加し、駆動振動を発生させ、振動子の各点における振幅の分布を測定した。この結果を表５に示す。
【００８０】
【表５】

【００８１】
このように、振動子の重心ＧＯの近辺では、振幅は著しく小さいが、重心から例えば１．０ｍｍ離れると、振幅が増大する。このため、支持位置が機械的な原因からずれたり、あるいは温度変化によって振動状態が若干変化したときに、支持手段から振動子に加わる影響の度合いが変化するおそれがあった。
【００８２】
一方、支持孔を形成した振動子について、前記と同様に振動状態を調べた。ただし、支持孔の形状は、直径０．３ｍｍの円形とした。振動子の各点における振幅の分布を測定した。この結果を表６に示す。
【００８３】
【表６】

【００８４】
このように、例えば重心から１．５ｍｍの範囲内で振幅の変動が著しく小さいことがわかる。
【００８５】
振動子の固定は、例えば図１９、図２０に示すようにして行う。支持台４２の上には、スペーサー４８、制御部４９および支持治具４３が載置されている。スペーサー４８の上に振動子５０が載置されており、振動子５０の支持孔４７に、治具４３の突起４３ｃが挿入されている。支持孔４７の内壁面と突起４３ｃとの隙間は、樹脂、半田、メタライズ等によって充填されている。制御部４９の上には所定のワイヤー４６が接続されており、ワイヤー４６が振動子５０上の所定の電極パターンに接続されている。また、固定台４４から固定治具４５が突出しており、固定治具４５によって振動子５０がスペーサー上の所定箇所に機械的に固定されている。
【００８６】
図２１（ａ）においては、突起５１Ａと５１Ｂとを、振動子５０の支持孔４７を挟むように上下に配置し、突起５１Ａと５１Ｂとによって上下方向から振動子５０を圧着している。図２１（ｂ）、（ｃ）においては、突起５２の方にピン５２ａを設け、他方の突起５３の方に孔５３ａを設ける。突起５２と５３とを、振動子５０の支持孔４７を挟むように上下に配置し、ピン５２ａを支持孔４７に挿入し、貫通させ、更に孔５３ａに挿入し、突起５２と５３とによって上下方向から振動子５０を圧着している。
【００８７】
図２２（ａ）においては、支持手段の突起５１を支持孔４７の下方に配置し、振動子の表面と突起５１とを、接合層５４を介して接合する。図２２（ｂ）においては、振動子の支持孔４７を挟むように、振動子の上下に突起５１Ａ、５１Ｂを設置し、支持孔４７の中と、振動子５０と突起５１Ａおよび突起５１Ｂとの間に、接合材料５４を充填し、接合層を形成する。また、図２２（ｃ）に示すように、支持手段５２の突起５２ａを支持孔４７中に挿入し、挿通し、支持手段５２の端面と振動子５０との間、および突起５２ａと支持孔４７の内周面との間に、接合層５４を形成する。また、図２２（ｄ）においては、図２１（ｂ）と同様に、突起５２の方にピン５２ａを設け、他方の突起５３の方に孔５３ａを設け、突起５２と５３とを、振動子５０の支持孔４７を挟むように上下に配置し、ピン５２ａを支持孔４７に挿入し、貫通させ、更に孔５３ａに挿入する。そして、支持手段５２および５３の各端面と振動子５０との間、および突起５２ａと支持孔４７の内壁面との間に、接合材料５４を充填する。
【００８８】
図２３−図２９は、振動子の基部に複数の孔を形成し、複数の孔のうちの一つまたは複数を支持孔として使用する例である。
【００８９】
図２３の振動子６１Ａにおいては、基部６０Ａの中で、重心ＧＯおよびＧＤを囲むように、８個の孔６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃが設けられている。このうち、４個の孔６２Ａは、四辺形の基部６０Ａの４隅の位置に設けられており、２個の孔６２Ｂは、検出振動系４０Ａ、４０Ｂと重心ＧＯ、ＧＤとの間にある。２個の孔６２Ｃは、駆動振動系３９Ａ、３９Ｂと重心ＧＯ、ＧＤとの間にある。特に好ましくは、本例のように、孔６２Ｂを支持孔とする。例えば、図２３（ｂ）に示すように、支持手段８０を設置する。支持手段８０は、支持棒８１と、支持棒８１から横方向に突き出ているアーム８２と、２つの支持突起８３とを備えている。そして、支持突起８３を各支持孔６２Ｂ内に挿入し、振動子６１Ａを把持する。
【００９０】
図２４は、振動子６１Ａ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２５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２４および図２５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。
【００９１】
各駆動振動系、検出振動系の動作は、前述したものと同様である。ただし、基部６０Ａ内の各点の振幅については、孔がない場合と比べて大きく変化している。即ち、基部６０Ａの中で、例えば図１４においては、検出振動が最も小さい領域は、略菱形の形状をしていた。しかし、本例においては、特に検出振動系と重心との間に孔６２Ｂを設けたことから、図２３、図２５に示すように、検出振動が最も小さい領域３６Ｃが、二つの検出振動系４０Ａと４０Ｂとの間で細長く延びており、この領域３６Ｃは、各支持孔６２Ｂの内壁面にまで達し、露出していた。この結果、図２３（ａ）、（ｂ）に示すように、支持突起８３によって、検出振動が最も小さい領域を直接支持していることになる。
【００９２】
なお、図２４から分かるように、各孔の中心部に、略八角形の、駆動振動が最も小さい領域が生成しており、この領域は、前記領域３６Ｃを包囲している。このため、領域３６Ｃは、重複領域となっている。
【００９３】
図２６の振動子６１Ｂにおいては、基部６０Ｂに、更に中心孔６２Ｄが形成されている。この場合には、孔６２Ｄを支持すること、および／または、孔６２Ｂを支持することが好ましい。
【００９４】
図２７の振動子６１Ｃにおいては、基部６０Ｃ中に、４個の孔６２Ｄが設けられている。各孔６２Ｄは、重心ＧＯ、ＧＤを包囲するように、重心に対して、４回の回転対称をなすように形成されている。これらの孔のうち、２つ以上を支持することが好ましい。
【００９５】
図２８の振動子６１Ｄにおいては、基部６０Ｄ中に、６個の孔６２Ｅ、６２Ｆが設けられている。各孔６２Ｅは、重心ＧＯと、検出振動系４０Ａ、Ｂとの間にある。２つの孔６２Ｆは、重心ＧＯと、駆動振動系３９Ａ、３９Ｂとの間にある。この場合には、４個の孔６２Ｅで振動子を支持することができ、あるいは、２個の孔６２Ｆで振動子を支持することができる。または、基部６２Ｄに複数の孔を設けることによって、基部における検出振動、駆動振動の各振幅が変化し、検出振動が最も小さい領域、駆動振動が最も小さい領域が、基部に孔がない場合に比べて広くなっているので、両者の重複領域で振動子を支持することができる。
【００９６】
図２９の振動子６１Ｅにおいては、基部６０Ｅ中で、４個の孔６２Ｄが設けられている。各孔６２Ｄは、重心ＧＯ、ＧＤを包囲するように、重心に対して、４回の回転対称をなすように形成されている。また、各孔６２Ｄの外側に、細長い孔６２Ｇが形成されている。この例では、孔６２Ｄを２箇所あるいは４箇所支持することが好ましく、および／または、各孔６２Ｄの内側にある、検出振動が最も小さい領域を支持することが好ましい。
【００９７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、振動子の検出振動のＱ値が高くなり、感度を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明の振動型ジャイロスコープの振動子の一例の構成を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明における振動子の支持方法の一例を説明するための図である。
【図３】音叉型振動子１について有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図４】音叉型振動子１について有限要素法による固有モード解析の結果の他の例を示す図である。
【図５】Ｔ型アームを有する振動子１１の動作を説明するための概略的正面図である。
【図６】図５のタイプの振動子の検出振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図７】Ｙ型アームを有する振動子２１の動作を説明するための概略的正面図である。
【図８】図７の振動子の検出振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図９】Ｙ型対向アームを有する振動子２９の動作を説明するための概略的正面図である。
【図１０】図９のタイプの振動子の検出振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図１１】図９のタイプの振動子の駆動振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の他の例を示す図である。
【図１２】本発明を特に好適に適用できる振動子３１の動作を説明するための、概略的正面図である。
【図１３】図１２の振動子の駆動振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図１４】図１２の振動子の検出振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図１５】本発明を適用できる他の振動子４１の動作を説明するための、概略的正面図である。
【図１６】図１５の振動子の駆動振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図１７】図１５の振動子の検出振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図１８】（ａ）は、振動子３１の基部３８の中央部の支持孔４７に支持突起を挿入して、支持している状態を示す正面図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図１９】振動子の支持および固定装置の一例を概略的に示す断面図である。
【図２０】図１９の支持および固定装置を示す斜視図である。
【図２１】（ａ）、（ｂ）は、一対の支持突起を使用して、振動子を圧着して支持する態様を示す要部断面図である。
【図２２】（ａ）−（ｄ）は、接合材料５４を使用して振動子を支持手段に接合し、支持する態様を示す要部断面図である。
【図２３】（ａ）は、基部６０Ａ内に八個の孔が設けられている振動子６１Ａを示す正面図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図２４】図２３の振動子の駆動振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図２５】図２３の振動子の検出振動モードについて、有限要素法による固有モード解析の結果の一例を示す図である。
【図２６】基部６０Ｂ内に九個の孔が設けられている振動子６１Ｂを示す正面図である。
【図２７】基部６０Ｃ内に四個の孔が設けられている振動子６１Ｃを示す正面図である。
【図２８】基部６０Ｄ内に六個の孔が設けられている振動子６１Ｄを示す正面図である。
【図２９】基部６０Ｅ内に四個の孔６２Ｄと、四個の孔６２Ｇとが設けられている振動子６１Ｅを示す正面図である。
【図３０】従来の振動型ジャイロスコープに用いる音叉型振動子の一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 横置き型の音叉型振動子 ２、４ 検出振動片 ３ 駆動振動片 ５、８ 基部 ６、３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ 検出振動が最も小さい領域 ７、４７ 支持孔 ９ 支持アーム １０ 支持突起 １１、２１、２９、３１、５０、６１Ａ，６１Ｂ、６１Ｃ、６１Ｄ、６１Ｅ 縦置き型の振動子 １２Ａ、１２Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ 面内屈曲振動片 ３７Ａ 支持孔 ３８、４８ 基部 ３９Ａ、３９Ｂ 駆動振動系 ４０Ａ、４０Ｂ 検出振動系 ４３、５１Ａ、５１Ｂ、５２、５３ 支持手段 ５４ 接合材料（接合層） ６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅ、９０ 基部 ＧＤ 駆動振動系の全体の重心 ＧＯ 振動子の重心[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibratory gyroscope and a vibrator that can be suitably used for the vibratory gyroscope.
[0002]
[Prior art]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-83671, a vibrating gyroscope using a tuning fork vibrator having a structure in which a total of three vibrating pieces, a central driving vibrating piece and left and right detection vibrating pieces, are integrally connected at the base portion. The scope is disclosed. FIG. 30 is a diagram showing a configuration of an example of such a vibration type gyroscope. In the example shown in FIG. 30, the tuning fork vibrator 71 constituting the vibration gyroscope has three vibrations, a central drive vibration piece 73 and detection vibration pieces 72 and 74 arranged substantially parallel to the left and right sides thereof. The driving vibration piece 73 and the detection vibration pieces 72 and 74 are integrally connected by a base 75.
[0003]
In the tuning fork vibrator 71 described above, the drive vibration piece 73 is vibrated in the XZ plane by a drive means (not shown) provided on the drive vibration piece 73. Then, the left and right detection vibrating pieces 72 and 74 are resonated in the same XZ plane. In this state, when the rotational angular velocity ω acts around the symmetry axis Z of the tuning fork vibrator 71, the Coriolis force f acts on the detection vibrating pieces 72 and 74. Since the detection vibration pieces 72 and 74 vibrate in the XZ plane, vibration is induced in the detection vibration pieces 72 and 74 in the YZ plane. This vibration is detected by a detection means (not shown) provided in the detection vibrating pieces 72 and 74, and the rotational angular velocity is measured.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional vibratory gyroscope having the above-described configuration, when the vibratory gyroscope is configured by supporting the tuning fork vibrator 71, the driving vibrator 73 and the detection vibrators 72 and 74 of the base 75 of the tuning fork vibrator 71 are provided. The entire end 76 on the opposite side to the end where the stub is present is fixed and supported, or a support vibrating piece (not shown) is fixed and supported at a position corresponding to the symmetry axis Z of the end 76. Therefore, it cannot be said that the Coriolis force due to the rotational angular velocity is efficiently utilized for the detection vibration operation in the detection vibration pieces 72 and 74, and the resonance sharpness of the detection vibration in the YZ plane in the detection vibration pieces 72 and 74. There is a problem that (Q value) is low and measurement sensitivity of the rotational angular velocity is low.
[0005]
An object of the present invention is to provide a vibrating gyroscope capable of improving the resonance sharpness (Q value) of detected vibration in a detected vibrating piece and measuring the rotational angular velocity with high sensitivity.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The vibrating gyroscope of the present invention is a vibrating gyroscope for detecting a rotational angular velocity applied to a vibrator, and the vibrator connects a plurality of vibrating pieces and a plurality of vibrating pieces. And a base portion configured to obtain the rotational angular velocity from the detected vibration excited by the vibrator according to the rotational angular velocity when driving vibration is applied to at least one of the vibrating pieces. Is In addition, the drive vibration and the detection vibration are configured to be in-plane vibration of the vibrator. And supporting means for supporting the vibrator in a region where the detected vibration is smallest among the vibrators.
[0007]
Further, the present invention is a vibration type gyroscope for detecting the rotational angular velocity of rotation applied to a vibrator, wherein the vibrator includes a plurality of vibration pieces and a base for connecting the plurality of vibration pieces. And a support hole is provided in the base, and when the drive vibration is applied to at least one of the resonator elements, the rotational angular velocity is obtained from the detected vibration excited by the vibrator according to the rotational angular velocity. It is characterized by comprising support means for supporting the vibrator by the support hole.
[0008]
In addition, the present invention is a vibrator made of a piezoelectric single crystal, and includes a plurality of vibrating pieces that flexurally vibrate and a base portion that connects the plurality of vibrating pieces, and supports the vibrator. A hole is provided in the base.
[0009]
A vibratory gyroscope for detecting a rotational angular velocity of rotation applied to a vibrator, wherein the vibrator includes a plurality of vibrating pieces and a base portion connecting the plurality of vibrating pieces. In the vibratory gyroscope configured to obtain the rotational angular velocity from the detected vibration excited by the vibrator according to the rotational angular velocity when driving vibration is applied to at least one of the present invention, the present inventor It was found that the resonance sharpness (Q value) of the detection vibration in the detection vibration piece is improved and the sensitivity can be increased by supporting the vibrator in the region where the detection vibration is the smallest. Since the detected vibration generated by the Coriolis force has a small amplitude, the present invention is particularly effective for increasing the sensitivity.
[0010]
As a preferred embodiment, when the vibrator is supported in an overlapping region where the region where the detection vibration is the smallest and the region where the drive vibration is the smallest, the Q value of the drive vibration is increased as well as the detection vibration, and the sensitivity is further increased. Can be raised.
[0011]
In a particularly preferred aspect, the drive vibration and the detection vibration are in-plane vibrations of the vibrator.
[0012]
In a particularly preferable aspect, the vibrator is supported in a region near the center of gravity (when not vibrating) of the vibrator. As a result, it is possible to reduce the influence of the vibration of the vibrator from the outside and the distortion of the vibrator due to the acceleration on the vibration state.
[0013]
Since the amplitude of the drive vibration is much larger than the amplitude of the detected vibration, it is important to reduce the influence of the drive vibration on the detected vibration. In a preferred embodiment, the vibrator is supported in a region near the center of gravity of the drive vibration of the vibrator. As a result, the influence of the drive vibration on the detected vibration can be minimized.
[0014]
“The vibrator is supported in the vicinity of the center of gravity GO of the vibrator or the center of gravity GD of the driving vibration” may be substantially located on the center of gravity GO, GD, but the center of gravity GO, GD It means that it exists in a circle with a diameter of 1 mm.
[0015]
In a preferred embodiment, in a region where the detected vibration is the smallest, the support means is bonded to the surface of the vibrator by bonding, adhesion, soldering, metalization, or the like, or is crimped.
[0016]
Moreover, it is preferable that a support hole is provided in the vibrator and the vibrator is supported on the inner wall surface of the support hole. In this case, a protrusion is provided on the support means, this protrusion is accommodated in the support hole, and adhesive, adhesive, solder, metallization paste is accommodated between the inner wall surface of the support hole and the protrusion, and vibration is generated. The child and the protrusion can be joined.
[0017]
Depending on the form and dimensions of the vibrator, the region with the smallest detected vibration in the vibrator may not appear on the surface of the vibrator or may appear only in a very small area. For this reason, if the region is exposed on the inner wall surface of the support hole by providing a support hole in the vibrator and supporting the vibrator by the support hole, it becomes easier to hold the region where the detected vibration is smallest. .
[0018]
The support hole may be a so-called blind hole, but is most preferably a through hole, or in the case of being a blind hole, the support hole preferably has a depth of 1/2 or more of the thickness of the vibrator. This is because the region within the vibrator having the smallest detected vibration is wider than the surface of the vibrator.
[0019]
In the case where the vibrator is provided with a support hole and the vibrator is supported by the support hole, in a preferred aspect, at least a part of the support hole is not provided with the support hole in the vibrator. It exists in the region where the detected vibration is the smallest among the vibrators. The reason why this is preferable will be described. It has been discovered that when a region where the detected vibration is the smallest is exposed on the surface of the vibrator, the following problems occur when supporting this region. That is, when the vibration gyroscope is assembled and time passes or the ambient temperature changes, the measured rotational angular velocity may not be stable.
[0020]
The present inventor has examined the reason for this and has reached the following discovery. That is, for example, in a vibrator as described later, after a vibratory gyroscope is assembled, a predetermined drive vibration is excited in the vibrator and the distribution of vibration amplitude at each point of the vibrator is measured. The vibration amplitude varies significantly. For this reason, it is difficult to make the drive vibration node coincide with the detected vibration node. In addition, when a predetermined supporting means, for example, a supporting projection, is bonded to an area of the vibrator surface where the detected vibration is the smallest, even if the area where the detected vibration is the smallest is accurately supported. Depending on the change over time such as temperature change, the region where the detected vibration is smallest may move slightly from the initial position. For this reason, the degree of disturbance to the vibration state of the vibrator due to the contact of the support means with the vibrator changes, and the characteristics of the gyroscope change.
[0021]
On the other hand, by providing a support hole in a region where the detected vibration is smallest when the support hole is not provided in the vibrator and supporting the vibrator with this support hole, the support hole and its surroundings are considerably wide. It was found that the magnitude of the detected vibration was averaged over the region. For this reason, after the vibrator is first supported by the support hole, even if time elapses or the ambient temperature changes, the degree of disturbance exerted on the detected vibration by the support means is less likely to change, depending on the temperature. The fluctuation of the zero point is reduced, and the characteristics of the gyroscope are further improved.
[0022]
Furthermore, by filling the support holes with an adhesive such as a resin and holding the vibrator from the support means via the resin, a higher effect could be achieved.
[0023]
In a preferred embodiment, the base is provided with a plurality of support holes, and the vibrator is supported by the plurality of support holes. Thereby, when the floor vibration is applied to the vibrator, the influence of the disturbance due to the external vibration can be significantly reduced.
[0024]
In this aspect, the vibrator is preferably supported by a plurality of support holes that are point-symmetrical as viewed from the center of gravity of the vibrator. This further attenuates the influence of disturbance due to external vibration.
[0025]
In addition, a plurality of support holes can be provided so as to surround a region where the detected vibration is smallest among the vibrators. In this case, it is particularly preferable to support the vibrator with a plurality of support holes that are point-symmetrical when viewed from the center of gravity of the vibrator.
[0026]
In a preferred vibrator, the plurality of vibration pieces are divided into a drive vibration piece and a detection vibration piece, and a support hole is provided between the detection vibration piece and the region where the detection vibration is smallest.
[0027]
Further, in the above-described vibrator, it is particularly preferable that a region of the vibrator having the smallest detected vibration extends to the inner wall surface of the support hole. In this case, the support hole is preferably provided around a region where the detection vibration is the smallest, and is most preferably provided between the region where the detection vibration is the smallest and the detection vibration piece.
[0028]
In the vibratory gyroscope of the present invention, the vibrator is made of piezoelectric ceramics, quartz, LiTaO or the like. _Three Single crystal, LiNbO _Three It is preferable to use a piezoelectric single crystal such as a single crystal, among which quartz, LiTaO _Three Single crystal, LiNbO _Three More preferably, a piezoelectric single crystal such as a single crystal is used. This is because the high Q value of the single crystal itself can be effectively applied.
[0029]
In the present invention, the region having the smallest detected vibration or driving vibration indicates one or a plurality of regions where no other smaller region is found. Preferably, the vibration amplitude at the time of detection vibration or drive vibration is two thousandths or less of the maximum vibration amplitude point of the vibrator, and particularly preferably one thousandth or less. Preferably, a region where the detection vibration is smallest and a region where the drive vibration is smallest are localized in a part of the base.
[0030]
In the present invention, the ratio of the amplitude of the detected vibration in the vibrator to the maximum amplitude of the detected vibration in the vibrator is calculated by eigenmode analysis by the finite element method, and the distribution of the ratio at each point of the vibrator is calculated. The region where the detection vibration is smallest is detected. Particularly preferably, the ratio of the amplitude of the driving vibration at each point to the maximum amplitude of the driving vibration in the vibrator is calculated by eigenmode analysis by the finite element method, and the driving vibration is the smallest from the distribution of the ratio in the vibrator. Detect areas.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an example of a vibrator of a vibratory gyroscope of the present invention, where (a) shows a side view, (b) shows a front view, and (c) shows a bottom view. In this example, a vertically placed vibration gyroscope in which drive vibration and detection vibration are vertical is shown. In the example shown in FIGS. 1A to 1C, the tuning fork vibrator 1 constituting the vibration gyroscope includes three vibration pieces 2 to 4 arranged substantially parallel to each other, and these three vibrations. It is comprised from the base 5 which connects the pieces 2-4. Among the three vibrating pieces 2 to 4, the vibrating pieces 2 and 4 at both ends constitute a detecting vibrating piece, and the central vibrating piece 3 constitutes a driving vibrating piece.
[0032]
The operation of the tuning fork vibrator 1 of the vibration gyroscope of the present invention described above is the same as the operation of a conventionally known tuning fork vibrator. That is, first, the drive vibration piece 3 is vibrated in the XZ plane by a drive means (not shown) provided on the drive vibration piece 3. Then, the left and right detection vibrating pieces 2 and 4 are resonated in the same XZ plane. In this state, when the rotational angular velocity ω acts around the symmetry axis Z of the tuning fork vibrator 1, the Coriolis force f acts on the detection vibrating pieces 2 and 4. Since the detection vibration pieces 2 and 4 vibrate in the XZ plane, vibration is induced in the detection vibration pieces 2 and 4 in the YZ plane. This vibration is detected by a detection means (not shown) provided on the detection vibrating pieces 2 and 4 to measure the rotational angular velocity.
[0033]
What is important in the present invention is that when the vibration-type gyroscope is configured by supporting the tuning fork type vibrator 1 described above, the tuning fork type vibrator 1 is supported in a small region where the smallest region of detected vibration is localized. Thus, the region where the tuning fork vibrator 1 is least moved is fixed. Therefore, the detection vibration generated by the Coriolis force can be effectively generated without being attenuated, the Q value of the detection vibration is increased, and the sensitivity can be increased. Since the detected vibration generated by the Coriolis force has a small amplitude, the present invention is particularly effective for increasing the sensitivity. Specifically, in the example shown in FIGS. 1A to 1C, the tuning fork vibrator 1 is supported by the region 6 in the substantially central portion of the base portion 5.
[0034]
The method for supporting the tuning fork type vibrator 1 is not particularly limited, and any conventionally known method for bonding piezoelectric materials can be used. As an example thereof, as shown in FIGS. 2A and 2B, a predetermined support hole 7 is provided in the thickness direction of the base portion 5 in a region 6 at a substantially central portion of the base portion 5. A protrusion 10 that protrudes in a direction perpendicular to the extending direction of the vibrating piece 9 can be inserted and fixed to the vibrating piece 9 that protrudes from the support means 8 of the type gyroscope.
[0035]
The protrusion 10 and the support hole 7 are fixed by metallizing the surface of the protrusion 10 and / or the inner wall surface of the support hole 7 and then soldering or brazing, or between the protrusion 10 and the support hole 7. It can be carried out by arranging a resin. In the example shown in FIGS. 2A and 2B, the base portion 5 is supported on one surface thereof, but may be supported on both surfaces of the base portion 5. Further, instead of making the support hole 7 a blind hole, a through hole can be formed, and a projection 10 can be passed through the through hole, and both end portions of the projection 10 can be fixed to the support means 8 of the vibration gyroscope.
[0036]
In the example described above, the reason why the region 6 in the substantially central portion of the main surface of the base 5 is the local small region with the smallest detection vibration is as follows. That is, the present inventors first investigate whether or not the tuning-fork type vibrator 1 having the above shape has a finite size for the tuning-fork type vibrator 1 having the above-described shape in order to investigate whether or not there is a localized small region of the region having the smallest vibration. The eigenmode analysis by the element method was performed. And each part of the tuning fork vibrator 1 on the XZ plane (surface on which driving vibration is generated) and the YZ plane (surface on which detected vibration is generated by Coriolis force) when it is assumed that cutting is performed on the XZ plane shown in FIG. Was obtained as a distribution of the ratio to the maximum vibration amplitude point. FIG. 3 shows the result on the XZ plane, which is the surface where the drive vibration occurs, and FIG. 4 shows the result on the YZ plane where the detection vibration due to the Coriolis force occurs.
[0037]
In the example shown in FIG. 3 and FIG. 4, the regions having different colors indicate regions having different ratios to the maximum vibration amplitude points, and the orange portion is less than 1/1000 of the maximum vibration amplitude point in the vibrator. This is a small region where the region with the smallest vibration is localized. In this example, FIG. 3 shows the ratio with the maximum vibration amplitude point in the drive vibration, and FIG. 4 shows the ratio with the maximum vibration amplitude point in the detection vibration. From the result of FIG. It was confirmed that there was a small region where a small region was localized. Further, as shown in FIG. 1, when the support is supported from the front and back in the region 6 in the substantially central portion of the main surface of the base 5, it is only supported in the localized small region of the region where the detection vibration is smallest from FIG. 3, it is also supported by a small region where the region where the drive vibration is the smallest is localized. Therefore, in this example, the local region where the detection vibration is the smallest and the region where the drive vibration is It has been found that the tuning fork vibrator 1 is supported in a region where the smallest region overlaps with a localized small region.
[0038]
Based on the above results, the drive vibration in the XZ plane is actually described for the example of the base portion fixing and the uniaxial fixing example described in FIG. 30 as the conventional example, and the example shown in FIG. When the Q value, the Q value of the detected vibration in the YZ plane, and the sensitivity were measured, the results shown in Table 1 were obtained. From the results shown in Table 1, it was found that, compared with the conventional example, both the Q value of the drive vibration in the XZ plane and the Q value of the detected vibration in the YZ plane are higher and the sensitivity is higher in the example of the present invention.
[0039]
[Table 1]

[0040]
In the above-described example, the example in which the three vibrating pieces 2 to 4 are used as the tuning fork type vibrator 1 is shown. However, the number of the vibrating pieces is not limited to three, and four, five, and the like. It goes without saying that the present invention can be applied even if the number is too large. Further, in the above-described example, the example in which the drive vibration is generated in the XZ plane and the detection vibration is generated in the YZ plane in FIG. 1 is shown. Needless to say, the present invention can be applied to a configuration in which driving vibration is generated in the YZ plane and detection vibration is generated in the XZ plane.
[0041]
In the above example, the example of the vertical vibration type gyroscope in which the vibration in the driving mode and the vibration in the detection mode are vertical has been described. However, the vibration in the driving mode and the vibration in the detection mode are horizontal in the same plane. The present invention can also be suitably applied to a horizontal type vibrating gyroscope. Hereinafter, an example in which the finite element method is analyzed in the same manner as the above-described example will be described for the horizontal vibration type gyroscope.
[0042]
As the vertical-type vibrating gyroscope, the following is preferable. That is, in the vibrator 11 of FIG. 5, the base portion 13 extends vertically from the fixed portion 90, and one end portion 13 a of the base portion 13 is fixed to the fixed portion 90. Predetermined detection means 15 </ b> A and 15 </ b> B are provided in the base 13. Two bending vibration pieces 12 </ b> A and 12 </ b> B extending in a direction perpendicular to the base portion 13 are provided on the other end portion 13 b side of the base portion 13.
[0043]
Flexural vibrations as indicated by arrows A and B can be excited by the excitation means 14A, 14B, 14C, and 14D with respect to the respective bending vibration pieces 12A and 12B. When the vibrator rotates about the rotation axis Z in the XY plane, a Coriolis force is applied to each bending vibration piece, and a Coriolis force of each bending vibration piece is applied to the base portion 13. As a result, the base portion 13 bends and vibrates as indicated by an arrow D around the connection portion 17. The bending vibration of the base portion 13 can be detected, and a signal corresponding to the detected bending vibration can be output.
[0044]
FIG. 5 shows an example of the result of obtaining the eigenmode analysis by the finite element method for the vibration in the detection mode with respect to the transverse type T-shaped vibrating piece and the base as shown in FIG. FIG. Also in FIG. 6, the vibration of each part is shown in different colors as the ratio to the maximum vibration amplitude point in the same manner as in FIGS. Also in the example shown in FIG. 6, as in the example shown in FIG. 3 or FIG. 4, it was confirmed that there is a small region where the region having the smallest detected vibration exists at the center of the base. Actually, with respect to the example shown in FIG. 30 and the example in which the vibrator shown in FIG. 6 is supported by a small region where the smallest region of detected vibration is supported as in the present invention, the Q of the drive vibration is shown. When the value, the Q value of the detected vibration in the same plane of the drive vibration, and the sensitivity were measured, the results shown in Table 2 could be obtained. From the results shown in Table 2, it was found that the Q value of the drive vibration in the example of the present invention was slightly higher than that of the conventional example, the Q value of the detected vibration was remarkably high, and the sensitivity was further increased.
[0045]
[Table 2]

[0046]
Further, in another type of vibrator to which the present invention can be preferably applied, the bending vibration pieces 12A and 12B in FIG. 5 can be extended in a direction crossing or orthogonal to the bending vibration pieces 12A and 12B. For example, in the vibrator 21 shown in FIG. 7, bending vibration pieces 22 </ b> A, 18 </ b> A, 22 </ b> B, 18 </ b> B are provided on the distal end side of the base portion 13 to constitute a tuning fork type vibration piece 19.
[0047]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the result of obtaining the eigenmode analysis by the finite element method for the vibration of the detection mode for the vibrator of FIG. 7 including the Y-shaped arm and the base. Also in FIG. 8, as in the example shown in FIG. 6, it was confirmed that there is a small region where the region where the detection vibration is the smallest exists in the center of the base. Actually, with respect to the vibrator shown in FIG. 8, when measuring the Q value of the driving vibration, the Q value of the detected vibration in the same plane of the driving vibration, and the sensitivity as described in FIG. In contrast, the example of the present invention shows that the Q value of the drive vibration is slightly higher, the Q value of the detected vibration is remarkably higher, and the sensitivity is also higher.
[0048]
Note that when the vibrator having the T-type arm shown in FIG. 6 and the vibrator having the Y-type arm shown in FIG. It was found that the small region where the mode vibration was smallest and the small region where the drive mode vibration was smallest did not match.
[0049]
In addition, the present invention can be suitably applied to a horizontal vibrator having the following configuration. In this type of vibrator, a fixed piece having both ends fixed is used, a main arm is provided on one side of the fixed piece, and a resonance piece is provided on the other side of the fixed piece. The fixed piece portion, the main arm, and the resonance piece are formed so as to extend substantially in the predetermined plane. That is, the excitation means and the bending vibration detection means can be provided at a position via the fixed piece portion with both ends fixed. This can prevent adverse effects such as electromechanical mixing between the excitation means and the bending vibration detection means, thereby further improving detection accuracy.
[0050]
In FIG. 9, the excitation means side and the detection means side are separated by the fixed piece portion 25. Specifically, both ends of the fixed piece portion 25 are fixed by the fixing member 26. A main arm 23 is provided on one side of the fixed piece 25. The main arm 23 includes an elongated base portion 13, and two bending vibration pieces 22 </ b> A, 18 </ b> A, 22 </ b> B, 18 </ b> B extending from the end portion of the base portion 13 in a direction orthogonal to the length direction of the base portion 13. .
[0051]
A resonance piece 24 is provided on the other side of the fixed piece portion 25. The resonance piece 24 includes a rectangular support portion 30 extending in the vertical direction from the fixed piece portion 25, and a predetermined excitation means 15 is provided in the support portion 30. The main arm 23 and the resonance piece 24 are line symmetric with respect to the fixed piece portion 25. 14A and 14B are detection means.
[0052]
FIG. 10 and FIG. 11 are diagrams showing the results of eigenmode analysis by the finite element method for the vibrator in which the Y-shaped opposed arm and the connecting portion of the two bases are joined as shown in FIG. . The example shown in FIG. 10 is the result about the vibration in the detection mode, and the example shown in FIG. 11 is the result about the vibration in the drive mode. From the example shown in FIG. 10, it is confirmed that there is a small region where the region where the detection vibration is the smallest exists at the center of each of the bases and at the point where the Y-shaped opposing arm and the connection part of the two bases intersect. It was done. Further, from the example shown in FIG. 11, it was confirmed that there is a small region where the region where the drive vibration is smallest exists even in the drive mode vibration. In the example shown in FIG. 10, when supported at the center of each of the bases and the point where the Y-shaped opposing arm and the connecting part of the two bases intersect, the small region in which the vibration of the driving mode is the smallest is localized from FIG. Therefore, in this example, in the region where the small region where the detection vibration is the smallest and the small region where the driving vibration is the smallest overlap, It turned out that it will support.
[0053]
Actually, with respect to the vibrator of FIGS. 10 and 11, the example of the base fixed as described in FIG. 30 and the small region where the smallest region of the detected vibration is localized as in the present invention, that is, each of both bases, respectively. For the example supported at the intersection of the center and the Y-type opposed arm and the connection part of the two bases, the Q value of the drive vibration, the Q value of the detected vibration in the same plane of the drive vibration, and the sensitivity were measured. 3 and Table 4 were obtained. Here, the result of Table 3 shows an example of support at the point where the Y-shaped opposing arm and the connection part of the two bases intersect, and the result of Table 4 shows an example of support at the two central points of both bases. . From the results shown in Tables 3 and 4, in any of the examples, the Q value of the drive vibration is slightly higher than the conventional example, and the Q value of the detected vibration is several orders of magnitude higher. It turned out that it became high.
[0054]
[Table 3]

[0055]
[Table 4]

[0056]
In addition, among the examples of the present invention, when comparing Table 1 showing the result of the vertical vibration type gyroscope and Table 2 to Table 4 showing the result of the horizontal vibration type gyroscope, It can be seen that the Q value of the vibration in the detection mode is about one digit higher, and the effect is higher when the present invention is applied to a horizontal vibration gyroscope with a small Q value of the vibration in the detection mode. I understood.
[0057]
In addition, the present invention can be particularly preferably applied to the horizontal type vibration gyroscope of the following type. The vibrator is a vibrator for rotating around a predetermined rotation axis, and the vibrator includes at least a plurality of vibration systems, and the plurality of vibration systems intersect with the rotation axis. A first vibration system including a radial vibration component including a radial vibration component, wherein the vibration system has a vibration center that vibrates in a radial direction within a predetermined plane when viewed from the center of gravity of the vibrator; And a second vibration system including a circumferential vibration component that vibrates in the circumferential direction within a predetermined plane when viewed from the center of gravity of the vibrator.
[0058]
The vibration component that vibrates in the circumferential direction refers to a vibration component that vibrates in the circumferential direction within a predetermined plane as viewed from the center of gravity GO. The component that vibrates in the radial direction refers to a vibration component that vibrates in the diameter direction of the circle within a predetermined plane as viewed from the center of gravity GO, that is, alternately in a direction away from and a direction away from the center of gravity GO. The component that vibrates.
[0059]
The first vibration system and the second vibration system are all connected in some form to form a vibrator extending in a predetermined plane. By rotating such a vibrator about the rotation axis Z as indicated by an arrow ω, the rotational angular velocity can be detected.
[0060]
FIG. 12 is a plan view schematically showing a vibrating gyroscope including the piezoelectric single crystal vibrator 31 according to this embodiment. The base 38 has a four-fold symmetric square with the center of gravity GO of the vibrator as the center. Two drive vibration systems 39A and 39B (first vibration system in the present example) and detection vibration systems 40A and 40B (second vibration system in the present example) radially from the peripheral portion 38a of the base 38 toward the four directions. And the vibration systems are separated from each other. The drive vibration systems 39A and 39B are two-fold symmetric about the center of gravity GO, and the detection vibration systems 40A and 40B are two-fold symmetric about the center of gravity GO.
[0061]
The drive vibration systems 39A and 39B include support portions 32A and 32B protruding from the peripheral portion 38a of the base portion 38, and bending vibration pieces 33A, 33B, and 33C extending in a direction orthogonal to the support portion from the tip 32b side of the support portions 32A and 32B. , 33D. Each bending vibration piece is provided with drive electrodes 34A, 34B, 34C, and 34D. The detection vibration systems 40A and 40B are composed of elongate circumferential bending vibration pieces, and each of the bending vibration pieces is provided with detection electrodes 35A and 35B.
[0062]
The present inventor conducted eigenmode analysis by the finite element method in order to investigate the influence of the drive vibration and the detected vibration mode on the whole vibrator of the vibrator of FIG. Then, the vibrator was made of quartz, and the vibration amplitude at each point of the vibrator was obtained as a ratio distribution with respect to the maximum vibration amplitude point.
[0063]
FIG. 13 shows the relative ratio of the amplitude at the maximum vibration in the drive vibration mode of each point of the vibrator, and FIG. 14 shows the relative ratio of the amplitude at the maximum vibration in the detection vibration mode of each point of the vibrator. Show. In the drive mode of FIG. 13, each bending vibration piece is bending-vibrated around the vicinity of the tip portions 32b of the support portions 32A and 32B. In the detection mode of FIG. 14, the support portions 32A and 32B bend and vibrate in the circumferential direction around the fixed portion 32a. Correspondingly, the bending vibration pieces 40A and 40B of the detection vibration system are bent and vibrated. .
[0064]
In FIGS. 13 and 14, regions having different colors indicate regions having ratios with different maximum vibration amplitude points. The orange part is the area with the smallest amplitude.
[0065]
According to FIG. 13, in the vicinity of the fixed portion 32a with respect to the base portion 38 of each support portion 32A, 32B, a tensile stress is applied with the vibration of each drive vibration system, and deformation is observed. However, the influence of this deformation cancels out each other in the base portion because the drive vibration systems 39A and 39B are arranged at two-fold symmetrical positions. For this reason, in the vicinity of the center of the base and the detection vibration systems 40A and 40B sandwiched between the drive vibration systems, the influence of the drive vibration is not observed.
[0066]
According to FIG. 14, the influences applied to the base from each drive vibration system 39A and 39B cancel each other. Moreover, the influence exerted on the base from each of the detection vibration systems 40A and 40B also cancel each other out in the base because each detection vibration system is arranged at a two-fold symmetrical position. As a result, in the vicinity of the center 36A (see FIGS. 12 and 14), the influence of the detected vibration is not observed.
[0067]
According to the present invention, the vibrator 31 is supported and fixed in the region 36A where the amplitude of the detected vibration is minimum. Alternatively, the support hole 37A is formed.
[0068]
In this example, as shown in FIGS. 12 to 14, the center of gravity GO of the vibrator is located in the region where the drive vibration is the smallest.
[0069]
Further, in this example, the center of gravity GO of the vibrator is located in a region where the detected vibration is the smallest, and a support hole 37A is provided in the overlapping region, and the support hole 37A is used as described later. Supports the vibrator.
[0070]
FIG. 15 is a plan view schematically showing a vibrator 41 according to another embodiment. The drive vibration systems 39A and 39B, the detection vibration systems 40A and 40B, and their operations are the same as those shown in FIG. Frame portions 46A and 46B extend from two peripheral edges 48a of the base portion 48 on the detection vibration system side, and each detection vibration system is enclosed in each frame portion. Each frame portion includes a connection portion 46a extending in parallel with each detection vibration system, and a support frame 46b for supporting and fixing the vibrator as necessary. Of the frame portions 46A and 46B, a region having the minimum amplitude during drive vibration and detection vibration is supported and fixed.
[0071]
FIG. 16 shows the relative ratio of the amplitude at the maximum vibration in the driving vibration mode of each point of the vibrator of FIG. 15, and FIG. 17 shows the amplitude at the maximum vibration in the detection vibration mode of each point of the vibrator. The relative ratio is shown.
[0072]
According to FIG. 16, in the vicinity of the fixed portion 32a with respect to the base portion 48 of each of the support portions 32A and 32B, tensile stress is applied with the vibration of each drive vibration system, and deformation is observed. This effect is also slightly observed in the connection portion 46a of the frame portion. However, since these influences cancel each other, the influence of the drive vibration is not observed in the vicinity of the center of the base portion, each bending vibration piece of the drive vibration system, and the support frame 46b of the frame portion.
[0073]
According to FIG. 17, the influences applied to the base 48 from each drive vibration system and each detection vibration system cancel each other, and as a result, in the vicinity of the center 36 </ b> A of the base 48, the influence due to the detection vibration is not observed. Support holes can be provided in 36A. However, not only this, but also the region 36B in the support frame 46b has a minimum amplitude, and therefore this region 36B can be supported and fixed.
[0074]
In this example, as shown in FIGS. 15 and 16, the center of gravity GO of the vibrator and the whole center of gravity GD of the drive vibration system are located in the minute displacement portion of the vibrator during the drive vibration. As shown in FIGS. 15 and 17, the center of gravity GO of the vibrator and the entire center of gravity GD of the drive vibration system are located in the minute displacement portion 36 </ b> A of the vibrator during the detection vibration.
[0075]
Next, when a support hole is provided in the vibrator, a specific support method will be exemplified. For example, as shown in FIGS. 18A and 18B, in the vibrator 31 described above, a support hole 47 is provided in a region of the base 38 where detection vibration is the smallest, and the vibrator is supported by the support hole 47. To do. A jig 43 serving as a support means is fixed on the support base 42. The jig 43 includes a main body 43a, a stepped portion 43b, and a protrusion 43c. The protrusion 43 is inserted into the support hole 47, and the base portion 38 is placed on the step portion 43b.
[0076]
Hereinafter, experimental results will be described in the case where the vibrator 31 having the form shown in FIGS. 12 to 18 is used and two types of support methods are employed.
[0077]
First, a vibrator 31 having the form shown in FIG. 18 was produced. However, a chromium film having a thickness of 200 angstroms and a gold film having a thickness of 5000 angstroms were formed at predetermined positions on a wafer of a quartz Z plate having a thickness of 0.3 mm by sputtering. A resist was coated on both surfaces of the wafer, and the external shape pattern of the vibrator was provided by photolithography. At this time, the support hole pattern was not provided in the first example, and the support hole pattern was provided in the second example.
[0078]
This wafer is immersed in an aqueous solution of iodine and potassium iodide, and the excess gold film is removed by etching. Further, the wafer is immersed in an aqueous solution of cerium ammonium nitrate and perchloric acid, and the excess chromium film is etched. Removed. The wafer was immersed in ammonium bifluoride at a temperature of 80 ° C. for 20 hours, and the wafer was etched to form the outer shape of the vibrator. At this time, the support holes were not formed in the first embodiment, and the support holes were formed in the second embodiment. An aluminum film having a thickness of 2000 angstroms was formed as an electrode film using a metal mask.
[0079]
Next, a voltage of 1.0 V was applied to the electrode of the vibrator in which no support hole was formed to generate drive vibration, and the amplitude distribution at each point of the vibrator was measured. The results are shown in Table 5.
[0080]
[Table 5]

[0081]
As described above, the amplitude is extremely small in the vicinity of the center of gravity GO of the vibrator, but the amplitude increases, for example, 1.0 mm away from the center of gravity. For this reason, when the support position deviates from a mechanical cause or the vibration state slightly changes due to a temperature change, the degree of influence applied to the vibrator from the support means may change.
[0082]
On the other hand, the vibration state of the vibrator in which the support hole was formed was examined as described above. However, the shape of the support hole was a circle having a diameter of 0.3 mm. The amplitude distribution at each point of the vibrator was measured. The results are shown in Table 6.
[0083]
[Table 6]

[0084]
Thus, it can be seen that, for example, the variation in amplitude is extremely small within a range of 1.5 mm from the center of gravity.
[0085]
The vibrator is fixed as shown in FIGS. 19 and 20, for example. A spacer 48, a control unit 49, and a support jig 43 are placed on the support base 42. The vibrator 50 is placed on the spacer 48, and the protrusion 43 c of the jig 43 is inserted into the support hole 47 of the vibrator 50. The gap between the inner wall surface of the support hole 47 and the protrusion 43c is filled with resin, solder, metallization, or the like. A predetermined wire 46 is connected on the control unit 49, and the wire 46 is connected to a predetermined electrode pattern on the vibrator 50. Further, a fixing jig 45 protrudes from the fixing table 44, and the vibrator 50 is mechanically fixed to a predetermined position on the spacer by the fixing jig 45.
[0086]
In FIG. 21A, the protrusions 51A and 51B are arranged vertically so as to sandwich the support hole 47 of the vibrator 50, and the vibrator 50 is pressure-bonded from above and below by the protrusions 51A and 51B. 21B and 21C, a pin 52a is provided toward the protrusion 52, and a hole 53a is provided toward the other protrusion 53. The protrusions 52 and 53 are arranged vertically so as to sandwich the support hole 47 of the vibrator 50, and the pin 52 a is inserted into the support hole 47, penetrated, and further inserted into the hole 53 a. The vibrator 50 is pressure-bonded from the direction.
[0087]
In FIG. 22A, the protrusion 51 of the support means is disposed below the support hole 47, and the surface of the vibrator and the protrusion 51 are bonded via the bonding layer 54. In FIG. 22B, protrusions 51A and 51B are provided above and below the vibrator so as to sandwich the support hole 47 of the vibrator, and inside the support hole 47, the vibrator 50, the protrusion 51A, and the protrusion 51B. In the meantime, the bonding material 54 is filled to form a bonding layer. Further, as shown in FIG. 22C, the protrusion 52a of the support means 52 is inserted into the support hole 47 and inserted therethrough, between the end surface of the support means 52 and the vibrator 50, and between the protrusion 52a and the support hole 47. A bonding layer 54 is formed between the inner peripheral surface of the first and second inner surfaces. In FIG. 22D, as in FIG. 21B, a pin 52a is provided toward the protrusion 52, a hole 53a is provided toward the other protrusion 53, and the protrusions 52 and 53 are connected to the vibrator. The pin 52a is inserted into the support hole 47, penetrated, and further inserted into the hole 53a. Then, the bonding material 54 is filled between each end face of the support means 52 and 53 and the vibrator 50 and between the protrusion 52 a and the inner wall surface of the support hole 47.
[0088]
FIG. 23 to FIG. 29 are examples in which a plurality of holes are formed in the base of the vibrator, and one or more of the plurality of holes are used as support holes.
[0089]
In the vibrator 61A of FIG. 23, eight holes 62A, 62B, and 62C are provided in the base portion 60A so as to surround the centers of gravity GO and GD. Among these, the four holes 62A are provided at the positions of the four corners of the quadrilateral base 60A, and the two holes 62B are between the detection vibration systems 40A and 40B and the centers of gravity GO and GD. The two holes 62C are located between the drive vibration systems 39A and 39B and the gravity centers GO and GD. Particularly preferably, the hole 62B is a support hole as in this example. For example, as shown in FIG. 23B, support means 80 is installed. The support means 80 includes a support bar 81, an arm 82 projecting laterally from the support bar 81, and two support protrusions 83. Then, the support protrusion 83 is inserted into each support hole 62B to grip the vibrator 61A.
[0090]
FIG. 24 shows the relative ratio of the amplitude at the maximum vibration in the drive vibration mode of each point of the vibrator 61A, and FIG. 25 shows the relative ratio of the amplitude at the maximum vibration in the detection vibration mode of each point of the vibrator 61A. Show. In FIGS. 24 and 25, the regions having different colors indicate the ratios of the different maximum vibration amplitude points. The orange part is the area with the smallest amplitude.
[0091]
The operation of each drive vibration system and detection vibration system is the same as that described above. However, the amplitude of each point in the base 60A changes greatly compared to the case where there is no hole. That is, in the base portion 60A, for example, in FIG. 14, the region with the smallest detected vibration has a substantially rhombus shape. However, in this example, since the hole 62B is provided between the detection vibration system and the center of gravity, as shown in FIGS. 23 and 25, the region 36C where the detection vibration is the smallest is the two detection vibration systems 40A. The region 36C reaches the inner wall surface of each support hole 62B and is exposed. As a result, as shown in FIGS. 23A and 23B, the support protrusion 83 directly supports the region where the detected vibration is smallest.
[0092]
As can be seen from FIG. 24, a substantially octagonal region having the smallest drive vibration is generated at the center of each hole, and this region surrounds the region 36C. For this reason, the region 36C is an overlapping region.
[0093]
In the vibrator 61B of FIG. 26, a center hole 62D is further formed in the base 60B. In this case, it is preferable to support the hole 62D and / or support the hole 62B.
[0094]
In the vibrator 61C of FIG. 27, four holes 62D are provided in the base 60C. Each hole 62D is formed so as to have four-fold rotational symmetry with respect to the center of gravity so as to surround the centers of gravity GO and GD. Of these holes, it is preferred to support two or more.
[0095]
In the vibrator 61D of FIG. 28, six holes 62E and 62F are provided in the base 60D. Each hole 62E is located between the center of gravity GO and the detection vibration systems 40A and B. The two holes 62F are between the center of gravity GO and the drive vibration systems 39A and 39B. In this case, the vibrator can be supported by the four holes 62E, or the vibrator can be supported by the two holes 62F. Alternatively, by providing a plurality of holes in the base 62D, the amplitudes of the detection vibration and the drive vibration at the base change, and the region where the detection vibration is the smallest and the region where the drive vibration is the smallest are compared to the case where there is no hole in the base. Therefore, the vibrator can be supported in the overlapping area between the two.
[0096]
In the vibrator 61E of FIG. 29, four holes 62D are provided in the base 60E. Each hole 62D is formed so as to have four-fold rotational symmetry with respect to the center of gravity so as to surround the centers of gravity GO and GD. Further, an elongated hole 62G is formed outside each hole 62D. In this example, it is preferable to support the holes 62D at two or four places, and / or it is preferable to support a region within the holes 62D where the detected vibration is the smallest.
[0097]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the Q value of the detected vibration of the vibrator is increased, and the sensitivity can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A, 1B, and 1C are diagrams each showing a configuration of an example of a vibrator of a vibrating gyroscope according to the present invention.
FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining an example of a method for supporting a vibrator according to the present invention. FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a result of eigenmode analysis by a finite element method for the tuning fork vibrator 1;
FIG. 4 is a diagram showing another example of the result of eigenmode analysis by the finite element method for the tuning fork vibrator 1;
FIG. 5 is a schematic front view for explaining the operation of the vibrator 11 having a T-shaped arm.
6 is a diagram showing an example of the result of eigenmode analysis by a finite element method for the detected vibration mode of the vibrator of the type shown in FIG.
FIG. 7 is a schematic front view for explaining the operation of a vibrator 21 having a Y-type arm.
8 is a diagram illustrating an example of a result of eigenmode analysis by a finite element method for the detected vibration mode of the vibrator of FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic front view for explaining the operation of the vibrator 29 having a Y-type opposed arm.
10 is a diagram showing an example of the result of eigenmode analysis by a finite element method for the detected vibration mode of the vibrator of the type shown in FIG.
11 is a diagram showing another example of the result of eigenmode analysis by the finite element method for the drive vibration mode of the vibrator of the type shown in FIG.
FIG. 12 is a schematic front view for explaining the operation of the vibrator 31 to which the present invention can be applied particularly preferably.
13 is a diagram showing an example of a result of eigenmode analysis by a finite element method for the drive vibration mode of the vibrator of FIG. 12. FIG.
14 is a diagram illustrating an example of a result of eigenmode analysis by a finite element method for the detected vibration mode of the vibrator of FIG. 12. FIG.
FIG. 15 is a schematic front view for explaining the operation of another vibrator 41 to which the present invention can be applied.
16 is a diagram illustrating an example of the result of eigenmode analysis by a finite element method for the drive vibration mode of the vibrator of FIG. 15;
17 is a diagram illustrating an example of a result of eigenmode analysis by a finite element method for the detected vibration mode of the vibrator of FIG. 15;
18A is a front view showing a state in which a support protrusion is inserted and supported in a support hole 47 in the central portion of the base portion 38 of the vibrator 31, and FIG. 18B is a cross-sectional view thereof. It is.
FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing an example of a vibrator supporting and fixing device.
20 is a perspective view showing the support and fixing device of FIG. 19;
FIGS. 21A and 21B are main part cross-sectional views showing a mode in which a vibrator is crimped and supported using a pair of support protrusions.
22 (a) to 22 (d) are cross-sectional views showing the main part of a mode in which a bonding material 54 is used to bond and support a vibrator to support means.
23A is a front view showing a vibrator 61A in which eight holes are provided in the base 60A, and FIG. 23B is a cross-sectional view thereof.
24 is a diagram showing an example of the result of eigenmode analysis by a finite element method for the drive vibration mode of the vibrator of FIG. 23. FIG.
FIG. 25 is a diagram illustrating an example of a result of eigenmode analysis by a finite element method for the detected vibration mode of the vibrator of FIG.
FIG. 26 is a front view showing a vibrator 61B in which nine holes are provided in the base portion 60B.
FIG. 27 is a front view showing a vibrator 61C in which four holes are provided in a base portion 60C.
FIG. 28 is a front view showing a vibrator 61D in which six holes are provided in the base portion 60D.
FIG. 29 is a front view showing a vibrator 61E in which four holes 62D and four holes 62G are provided in the base 60E.
FIG. 30 is a diagram illustrating a configuration of an example of a tuning fork vibrator used in a conventional vibration gyroscope.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Horizontally mounted tuning fork type vibrator 2, 4 Detection vibration piece 3 Drive vibration piece 5, 8 Base part 6, 36A, 36B, 36C The area | region where detection vibration is the smallest 7, 47 Support hole 9 Support arm 10 Support protrusion 11, 21 29, 31, 50, 61A, 61B, 61C, 61D, 61E Vertically placed vibrators 12A, 12B, 18A, 18B, 22A, 22B In-plane bending vibration pieces 37A Support holes 38, 48 Base 39A, 39B Drive vibration System 40A, 40B Detection vibration system 43, 51A, 51B, 52, 53 Support means 54 Bonding material (bonding layer) 60A, 60B, 60C, 60D, 60E, 90 Base GD Overall center of gravity of the drive vibration system GO Center of gravity of the vibrator

Claims (5)

振動子に加えられている回転の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、
前記振動子が、複数の振動片と、複数の振動片を接続する基部とを備えており、前記振動片のうちの少なくとも一つに駆動振動を与えたときに前記回転角速度に応じて前記振動子に励起される検出振動から、前記回転角速度を求めるように構成されるとともに、前記駆動振動と前記検出振動とが前記振動子の面内振動となるよう構成されており、前記振動子のうち前記検出振動が最も小さい領域で前記振動子を支持する支持手段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。A vibratory gyroscope for detecting a rotational angular velocity of a rotation applied to a vibrator,
The vibrator includes a plurality of vibrating pieces and a base for connecting the plurality of vibrating pieces, and the vibration according to the rotational angular velocity when driving vibration is applied to at least one of the vibrating pieces. a detection vibration excited in the child, the configured to determine a rotational angular velocity Rutotomoni, the driving vibration and the detecting vibration are configured to be plane vibration of the vibrator, one of the transducers A vibratory gyroscope comprising a supporting means for supporting the vibrator in a region where the detected vibration is smallest. 前記振動子が、前記検出振動が最も小さい領域と、前記駆動振動が最も小さい領域とが重なる重複領域で支持されていることを特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。2. The vibratory gyroscope according to claim 1, wherein the vibrator is supported in an overlapping region where the region where the detection vibration is smallest and the region where the driving vibration is smallest overlap. 前記振動子が、前記振動子の重心の近傍領域内で支持されていることを特徴とする、請求項１または２記載の振動型ジャイロスコープ。The vibratory gyroscope according to claim 1 or 2 , wherein the vibrator is supported in a region near a center of gravity of the vibrator. 前記振動子が、前記振動子の前記駆動振動系の全体の重心の近傍領域内で支持されてい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型ジャイロスコープ。The vibratory gyroscope according to any one of claims 1 to 3 , wherein the vibrator is supported in a region in the vicinity of the center of gravity of the entire drive vibration system of the vibrator. scope. 前記振動子に支持孔が設けられており、この支持孔の内側壁面またはその近傍で前記振動子が支持されており、前記振動子に前記支持孔を設けていない状態で前記検出振動が最も小さい領域に支持孔が設けられていることを特徴とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The vibrator is provided with a support hole, and the vibrator is supported at or near the inner wall surface of the support hole, and the detected vibration is smallest when the support hole is not provided in the vibrator. characterized in that the support hole is provided in a region, the vibrating gyroscope according to any one of claims 1- 4.

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