JP4038276B2 - 振動型ジャイロスコープ - Google Patents
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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
【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】
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】
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】
【表４】
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】
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】
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
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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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