JP4112684B2 - 振動ジャイロ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度を検出するために用いられる振動ジャイロに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用ビデオカメラの手ぶれ防止機構やカーナビゲーションシステムの位置検出機構などに、手ぶれの検出および車体の回転角度を検出するための振動ジャイロが用いられている。物理法則によれば、角速度Ωで回転する座標系から見て運動する物体にはその相対速度Ｖに比例したコリオリ力Ｆｃが速度と直交する方向に作用し、その大きさと方向は次式で現される。
Ｆｃ＝２ｍＶ×Ω
ここで、ｍはコリオリ力が作用する物体の質量である。
【０００３】
振動ジャイロは振動によって物体の運動を発生させることで、振動方向に直交する方向に作用するコリオリ力を捉えて回転を検出しようとする角速度センサであり、用いられる振動子には音片型、音叉型などの様々な形が提案されている。
【０００４】
このうち信学技報，ＵＳ９７−５６（１９９７−０９）では菅原等によって図２２に示す様な、２本の脚をもち、各々の脚の先端部に付加質量１１を有し、付加質量１１は振動方向に偏位しており、２本の脚の付加質量は同じ方向に偏位している振動子を振動ジャイロとして使用することが提案されている。この振動ジャイロの作用を以下に説明する。振動子の脚の伸びている方向をＹ軸、脚の並んでいる方向をＸ軸とし右手系を設定する。脚の付加質量は＋Ｘ方向に偏位しており、脚は通常の音叉の振動と同様に互いに逆向きの運動を行うように脚に貼付された圧電素子によって励振されている。この振動ジャイロにＺ軸を軸として＋Ｘ方向から＋Ｙ方向に回転する回転が加わると、すなわち角速度ΩがＺ軸の正の方向を向いていると、前記物理法則に従って付加質量１１には脚が＋Ｘ方向へ運動しているときには−Ｙ方向へ、−Ｘ方向へ運動している時には＋Ｙ方向へコリオリ力が働く。付加質量は＋Ｘ方向へ偏位しているので、コリオリ力は脚に対して力のモーメントとして働き、脚の振幅を大きくする作用をする。回転方向が反対の場合はコリオリ力が逆向きになるので脚の振幅は小さくなる。したがって、脚の振幅の大きさを脚に貼付けた圧電素子で測定することによって回転の方向と速さ、すなわち角速度の向きと大きさを検出することができる。このような振動ジャイロは、角速度が働いても振動方向が変化しないので検出手段が少なくて済むこと、平面的な構成が取れるので薄型にできることなどの利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術では、角速度を圧電素子の出力の大きさとして検出するので、機械的な外乱や電気的なノイズや温度変化による励振状態の差によって出力が変化してしまい角速度が精度良く検出できないという課題があった。
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の目的は、機械的な外乱や電気的なノイズや励振状態の差による影響を受けず、精度の良い角速度の検出ができる振動ジャイロを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、基部から伸びた脚の先端部に付加質量を備え、回転軸まわりの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、前記基部は、第１、第２、第３及び第４の４本の脚を備え、前記４本の脚のうち前記第１及び第２の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、前記第３及び第４の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、前記付加質量は、前記４本の脚の振動する方向に突出するように偏位して設けられ、前記第１の脚に設けられた付加質量と前記第２の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向から見て、同じ回転の向きに偏位し、前記第３の脚に設けられた付加質量と前記第４の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向から見て、前記第１及び前記第２の脚の付加質量の偏位する回転の向きとは反対の回転の向きに偏位し、前記第１の脚と前記第３の脚とは、前記回転軸の軸方向から見た回転方向に対して、振動が同相であり、前記第２の脚と前記第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が同相であり、前記第１、第３の脚と前記第２、第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が互いに逆相であることを特徴とする。
【０００８】
更に、前記脚を振動させる駆動手段と、前記４本の脚のそれぞれの動きを検出する検出手段とが設けられ、更に、前記第１、第２の脚に設けられた前記検出手段からそれぞれ検出される出力信号を加算する第１の加算回路と、前記第３、第４の脚に設けられた前記検出手段からそれぞれ検出される出力信号を加算する第２の加算回路と、前記第１の加算回路と前記第２の加算回路からの出力信号を加算する第３の加算回路と、前記第１の加算回路と前記第２の加算回路からの出力信号を減算する減算回路と、前記第３の加算回路からの出力信号を基準信号とし、前記減算回路からの出力信号を入力するロックインアンプと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
更に、前記駆動手段と前記検出手段は圧電素子であり、前記脚が駆動振動する方向に直交した面に前記圧電素子を貼付したことを特徴とする。
【００１０】
更に、前記４本の脚は圧電性を有する単結晶からなり、前記４本の脚が互いに平行であることを特徴とする。
【００１１】
更に、前記４本の脚は水晶で構成され、この水晶の結晶軸であるＸ軸が駆動振動する方向であり、前記４本の脚が駆動振動する方向に直交した面に駆動電極と検出電極とを設けたことを特徴とする。
【００１２】
更に、前記基部をばね要素を介して支持したことを特徴とする。
また、基部から伸びた脚の先端部に付加質量を備え、回転軸まわりの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、前記基部は、第１、第２、第３及び第４の４本の脚を備えると共に、ばね機能を有する梁を備え、前記４本の脚は圧電性を有する水晶で構成され、前記４本の脚のうち前記第１及び第２の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、前記第３及び第４の脚は、前記第１及び第２の脚の伸びる向きと反対の向きへ互いに前記基部から伸び、前記付加質量は、前記４本の脚の振動する方向に突出するようにそれぞれに偏位して設けられ、前記第１の脚に設けられた付加質量と前記第２の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向からみて、同じ回転の向きに偏位し、前記第３の脚に設けられた付加質量と前記第４の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向からみて、前記第１及び前記第２の脚の付加質量の偏位する回転の向きとは反対の回転の向きに偏位し、前記第１の脚と前記第３の脚とは、前記回転軸の軸方向から見た回転方向に対して、振動が同相であり、前記第２の脚と前記第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が同相であり、前記第１、第３の脚と前記第２、第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が互いに逆相であることを特徴とする。
【００１３】
（作用）
本発明のような４本の脚をもつ音叉を用いると、第１、第２の脚の組と第３、第４の脚の組の付加質量の偏位が回転方向に対して逆向きなので、作用するコリオリ力は逆の働きをする。すなわち第１、第２の脚の組の振幅が大きくなる場合には第３、第４の脚の組の振幅が小さくなり、第１、第２の脚の組の振幅が小さくなる場合には第３、第４の脚の組の振幅が大きくなるように作用する。したがって、第１、第２の脚の組の検出手段の出力と第３、第４の脚の組の検出手段の出力との差をとることによって、コリオリ力による出力変化を倍にして検出できる。また、機械的な外乱や電気的なノイズや励振状態に差が生じても、これらの偏差は第１、第２の脚の組の検出手段の出力と第３、第４の脚の組の検出手段の出力に同様に生じるので、差をとることでこれらの影響を除去できる。
【００１４】
さらに、並進加速度を受けた場合には、第１、第２の脚の振幅は一方は大きくなり他方は小さくなるので、第１の脚の検出手段の出力と第２の脚の検出手段の出力を加算することで、並進加速度の影響を除去できる。同様にして、並進加速度が働くと第３、第４の脚の振幅は一方は大きくなり他方は小さくなるので、第３の脚の検出手段の出力と第４の脚の検出手段の出力を加算することで、並進加速度の影響を除去できる。
【００１５】
また、基部をばね要素を介して支持することにより、外部への漏れ振動を除去することができる。
【００１６】
圧電性をもつ単一の単結晶から音叉を形成する場合には、４本の脚を互いに平行にすることによって、各脚の弾性的性質や圧電的性質を同一にすることができるので、各脚は同等のものとして扱えるため、加算回路、減算回路の働きにより機械的外乱や電気的ノイズや励振状態の差を除去できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（実施形態１）
図１は本発明による振動ジャイロの形状を示す図面であり、第１の脚１、第２の脚３と第３の脚５、第４の脚７が基部９を挟んで互いに反対向きに伸びている例である。第１，第２の脚が伸びる向きをＹ軸、各脚が含まれる面内でＹ軸と直交する方向をＸ軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚はＺ軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量をもつ。基部には全体を支持するための梁１３を備えており、梁１３は基部のＸ軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、温度による弾性率の変化が少ないエリンバーや石英ガラスによって形成される。各々の脚にはその付け根の側面に圧電素子がそれぞれ貼付されており検出用圧電素子１７として用いられ、脚の振幅に比例した電圧が測定される。また、第１、第３の脚の付け根には駆動用圧電素子１９が貼付される。
【００１９】
図２は本発明の振動ジャイロを構成する駆動検出回路を示したブロック図である。第１、第２の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ａ２１に接続する。一方、第３、第４の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って第１、第３の脚に貼付された駆動用圧電素子１９に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタとインバータと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００２０】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によってＺ軸回りの回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚の速度が−Ｘ方向とすると、第２の脚は＋Ｘ方向に、第３の脚は＋Ｘ方向、第４の脚は−Ｘ方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、各脚の圧電素子の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路の出力はゼロである。したがって、ロックインアンプの出力もゼロである。
【００２１】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量にコリオリ力が働く。たとえば＋Ｘから＋Ｙの方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則に従って、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ方向に、第３の脚５の付加質量１１には−Ｙ方向に、第４の脚７の付加質量１１には＋Ｙ方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図１に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり、逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００２２】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出用圧電素子１７の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方の振幅を増加させる向きに作用する時には、他方には振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００２３】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下の様に作用する。
【００２４】
Ｚ軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量に作用し、先に述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００２５】
Ｘ軸まわりの回転では、振動方向がＸ軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、第１、第２の脚に＋Ｚ方向の力として働く時には第３、第４の脚には−Ｚ方向へ働くというように逆向きに作用するが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１、第２の脚の検出用圧電素子１７に生じる電圧と、第３、第４の脚に生じる電圧は等しくなり、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがって、Ｘ軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００２６】
Ｙ軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子１７にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。第３の脚と第４の脚もこれと同様であり、どの脚の検出用圧電素子にも等しい電圧が生じる。したがって減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。したがってＹ軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００２７】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００２８】
この実施形態では駆動用圧電素子を第１、第３の脚にのみ貼付した例を示したが、各脚の全部に駆動用圧電素子を貼付して振動の駆動に用いても構わない。また、本実施形態では各脚が＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第３の脚、第４の脚というように配置されている例を示したが、回転方向に対して第１の脚と第３の脚の運動が同相であり、第２の脚と第４の脚の運動が同相であり、第１、第３の脚の運動と第２、第４の脚の運動が逆相であることが重要であって、図３に示すように、＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第４の脚、第３の脚の順に配置されていてもよい。
【００２９】
（実施形態２）
図４は本発明における第２の実施形態であり、各脚が同一面内にあり、同一の向きに向いてい実施形態である。脚が伸びる向きをＹ軸、各脚が含まれる面内でＹ軸と直交する方向をＸ軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚はＺ軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。基部９には全体を支持するための梁を備えており、梁１３は基部９のＸ軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、温度による弾性率の変化が少ないエリンバーや石英ガラスによって形成される。各々の脚にはその付け根の側面に圧電素子がそれぞれ貼付されており検出用圧電素子１７として用いられ、脚の振幅に比例した電圧が測定される。また、第１、第３の脚の付け根には駆動用圧電素子１９も貼付される。
【００３０】
本実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態１に示したものと同一で良い。ブロック図を図２に示す。第１、第２の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３、第４の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って基部９に貼付された駆動用圧電素子１９に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタとインバータと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００３１】
つぎにこの実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によって回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ方向に、第３の脚５は−Ｘ方向、第４の脚７は＋Ｘ方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図４に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、各脚の圧電素子の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００３２】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ軸の回りに＋Ｘから＋Ｙの方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図４に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度に比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００３３】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出用圧電素子１７の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方の振幅を増加させる向きに作用する時には、他方には振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００３４】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００３５】
Ｚ軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、先に述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。また、角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａによってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂによってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプへの出力は変化しない。
【００３６】
Ｘ軸まわりの回転では、振動方向がＸ軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚に同様に作用するので、減算回路によってこの変化は打ち消される。したがってＸ軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００３７】
Ｙ軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ軸方向に作用する。第１の脚と第２の脚に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ軸方向に作用する。第１の脚１と第４の脚７には方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので第１の脚１の検出用圧電素子１７に生じる電圧と第４の脚７の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。第２の脚３と第３の脚５に作用する力も方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので、第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧と第３の脚５の検出用圧電素子に生じる電圧は等しい。したがって、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しいので減算回路２７の出力は零になる。したがってＹ軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００３８】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプ３１に出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００３９】
本実施形態では付加質量１１の向きがＺ軸から見て右回りの方向に偏位している第１、第２の脚と左回りの方向に偏位している第３、第４の脚がＸ軸のマイナス方向からプラス方向に順番に第１、第２、第３、第４の脚と並んでいる場合を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであって。たとえば、図５に示すように第１、第２、第４、第３の順に脚が並んでいても、図６に示すように第１、第３、第２、第４の順に脚が並んでいても、図７に示すように第１、第４、第２、第３の順に脚が並んでいても、図８に示すように第３、第１、第４、第２の順に脚が並んでいても、図９に示すように第３、第２、第４、第１の順に脚が並んでいても、図１０に示すように第３、第４、第１、第２の順に脚が並んでいても、図１１に示すように第３、第４、第２、第１の順に脚が並んでいても、それぞれ同様の効果が得られるので良い。
【００４０】
また、本実施形態では第１、第３の脚にのみ駆動用圧電素子を貼付する例を示したが、各脚の全部に駆動用圧電素子を貼付しても良い。
【００４１】
（実施形態３）
図１２は本発明の第３の実施形態の形状を示す図面であり、各脚が同一の面内に存在せず、かつ同一の方向に伸びている例である。各脚の伸びている方向をＹ軸、振動方向をＸ軸、Ｘ軸とＹ軸に共に直交する方向をＺ軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ軸方向から見て右回りの向きに偏位した付加質量１１をもち、第３、第４の脚は、Ｚ軸方向から見て左回りの向きに偏位した付加質量１１をもつ。第１、第２の脚と第３、第４の脚はＺ方向に重なっている。第１、第２の脚の基部と第３、第４の脚の基部は連結されているが、連結部材は基部と一体であっても良いし、他の部材を用いて連結しても良い。基部９の底面は全体の支持に用いられる。脚および基部９の材料は温度による弾性率の変化が少ないエリンバーや石英ガラスなどから選ばれる。第１および第３の脚には振動駆動手段として駆動用圧電素子１９が脚の内側の側面部に貼付されている。また、各脚の外側側面部にも検出用圧電素子１７が貼付されており、検出手段として用いられ脚の振幅に比例した電圧が測定される。
【００４２】
この実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態１と同様である。図２にブロック図を示す。第１、第２の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３、第４の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って各脚に貼付された駆動用圧電素子１９に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタとインバータと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００４３】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によって第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ方向に、第３の脚５は−Ｘ方向、第４の脚７は＋Ｘ方向にそれぞれ運動している。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、各脚の検出用圧電素子１７の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００４４】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ軸の回りに＋Ｘから＋Ｙの方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ方向にそれぞれコリオリ力が作用する。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００４５】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出用圧電素子１７の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚にはＸ方向に同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００４６】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００４７】
Ｚ軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量に作用し、先に述べたようにロックインアンプからは角速度に比例した出力が得られる。また、角加速度による慣性力による第１、第２の脚への作用を考えると、第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００４８】
Ｘ軸まわりの回転では、振動方向がＸ軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚にＺ方向の力として同様に加わるので各脚の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しく、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００４９】
Ｙ軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子１７にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子１７にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。したがってＹ軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００５０】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００５１】
本実施形態では第１、第２の脚の振動面が同一の面内にあり、第３、第４の脚の振動面が同一の面内にある例を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであり、図１３に示すように第１、第３の脚の振動面が同一面内にあり、第２、第４の脚の振動面が同一面内にあっても良い。また、図１４に示すように付加質量が音叉の内側に向かって偏位していても良い。
【００５２】
（実施形態４）
図１５は本発明の第４の実施形態の形状を示す図であり、第１の脚１、第２の脚３と第３の脚５、第４の脚７が基部９を挟んで互いに反対向きに伸びている形状で、材料に水晶を用いた例である。水晶には右水晶と左水晶があることが知られているが、結晶軸の取り方が異なるだけで他の性質は同様なので、以下では右水晶の場合を例とする。水晶の結晶軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、第１，第２の脚が伸びる向きをＹ’軸、各脚が含まれる面内でＹ’軸と直交する方向をＸ’軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ’軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ’軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚はＺ’軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。基部９には全体を支持するための梁１３を備えており、梁１３は基部のＸ’軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、水晶で形成される。Ｘ’軸は水晶の結晶軸であるＸ軸に一致しており、Ｙ’軸、Ｚ’軸はＸ軸の回りにＹ軸、Ｚ軸を１度〜８度回転した方向にとる。これは水晶の異方性による共振周波数の温度による変化を最小にするためである。各脚には四方の側面に電極が蒸着されている。電極の材料は下地がＣｒであり、上層部はＡｇまたはＡｕである。脚の側面の電極の内、Ｘ’軸に直交する面にある電極は駆動電極３３あるいは検出電極３５として用いられる。Ｚ’軸に直交する面にある電極は接地電極３７として用いられる。水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、駆動、検出にはＸ軸方向の電界成分が用いられる。図１６は脚の電極を含む断面図である。矢印は電界のＸ方向成分の向きを示す。ここに示すように脚の左半分に＋Ｘ方向の電界を印加し、右半分に−Ｘ方向の電解を印加した場合には左半分は伸張し、右半分は収縮するので脚は右方向に屈曲する。また、たとえば脚の左半分だけに＋Ｘ方向の電解を印加した場合には左半分が伸張し右方向への屈曲が生じ、結果的に右半分は収縮するので右側の電極には負電圧が発生する（印加電圧とは極性が逆になることに注意されたい）。
【００５３】
図１７は本発明の振動ジャイロを構成する駆動検出回路を示したブロック図である。第１の脚１の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ａ２１に接続される。また、第２の脚３の検出電極３５も加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３の脚５の検出電極３５は加算回路Ｂ２３に接続される。また、第４の脚７の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って駆動電極３３に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００５４】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によって回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ’方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ’方向に、第３の脚５は＋Ｘ’方向、第４の脚７は−Ｘ’方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１５に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、第１、第４の脚の検出電極３５のインバータ３９後の出力と、第２、第３の脚の検出電極３５の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００５５】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ’軸の回りで＋Ｘ’から＋Ｙ’の方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第３の脚５の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第４の脚７の付加質量１１には＋Ｙ’方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図１５に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度Ωに比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度に比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００５６】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ’方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出電極３５の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ’方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ’方向に並進加速度が加えられた場合には、付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００５７】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００５８】
Ｚ’軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、先に述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚１の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚３の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００５９】
Ｘ’軸まわりの回転では、振動方向がＸ’軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、第１、第２の脚にＺ’方向の力として働く時には第３、第４の脚には−Ｚ’方向へ働くというように逆向きに作用するが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する面にあるので、対称性から第１、第２の脚の検出電極３５に生じる電圧と、第４、第３の脚に生じる電圧はそれぞれ等しくなり、よって加算回路Ａ２１の出力と加算回路Ｂ２３の出力は等しいので、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ’軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００６０】
Ｙ’軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面にあるので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚の検出電極に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様なので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ’軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧は等しい。第３の脚と第４の脚も同様なので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。したがってＹ’軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００６１】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００６２】
この実施形態では第１および第３の脚の駆動電極によって励振する例を示したが、駆動電極は全部の脚にあっても構わない。また、本実施形態では各脚が＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第３の脚、第４の脚というように配置されている例を示したが、回転方向に対して第１の脚と第３の脚の運動が同相であり、第２の脚と第４の脚の運動が同相であり、第１、第３の脚の運動と第２、第４の脚の運動が逆相であることが重要なのであって、＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第４の脚、第３の脚の順に配置されていても構わない。
【００６３】
（実施形態５）
図１８は本発明の第５の実施形態であり、各脚が同一面内にあり、同一の向きに伸びている例であり、材料として水晶を用いた例である。水晶には右水晶と左水晶があることが知られているが、軸の取り方が異なるだけで他の性質は同様なので、以下では右水晶を例に説明する。水晶の結晶軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、各脚が伸びる向きをＹ’軸、各脚が含まれる面内でＹ’軸と直交する方向をＸ’軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ’軸として右手系を設定する。第１、第２の脚は、Ｚ’軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚は、Ｚ’軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。基部９には全体を支持するための梁を備えており、梁１３は基部９のＸ’軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、水晶で形成される。Ｘ’軸は水晶の結晶軸であるＸ軸に一致しており、Ｙ’軸、Ｚ’軸はＸ軸の回りにＹ軸、Ｚ軸を１度〜８度回転した方向にとる。これは水晶の異方性による共振周波数の温度による変化を最小にするためである。各脚には四方の側面に電極が蒸着されている。電極の材料は下地がＣｒであり、上層部はＡｇまたはＡｕである。脚の側面の電極の内、Ｘ’軸に直交する面にある電極は駆動電極３３あるいは検出電極３５として用いられる。Ｚ’軸に直交する面にある電極は接地電極３７として用いられる。水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、駆動、検出にはＸ軸方向の電界成分が用いられる。
【００６４】
本実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態４のものと同一で良い。図１７にブロック図を示す。第１の脚１の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ａ２１に接続される。また、第２の脚３の検出電極子３５も加算回路Ａに接続される。一方、第３の脚５の検出電極３５は加算回路２３に接続される。また、第４の脚７の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って駆動電極３３に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００６５】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によってＺ’軸回りの回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ’方向とすると、第２の脚は＋Ｘ’方向に、第３の脚は−Ｘ’方向、第４の脚は＋Ｘ’方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１８に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、第１、第４の脚の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２、第３の脚の検出電極３５の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路の出力はゼロである。したがってロックインアンプの出力もゼロである。
【００６６】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ’軸の回りに＋Ｘ’から＋Ｙ’の方向に回るような角速度が働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ’方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図１８に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００６７】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ’方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出電極の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ’方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ’方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００６８】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下の様に作用する。
【００６９】
Ｚ’軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、さきに述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。また角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００７０】
Ｘ’軸まわりの回転では、振動方向がＸ’軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚に同様に作用するので、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ’軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００７１】
Ｙ’軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様なので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第４の脚７には方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので第１の脚１の検出電極３５に生じる電圧と第４の脚７の検出電極３５に生じる電圧は等しい。第２の脚３と第３の脚５に作用する力も方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので、第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧と第３の脚５の検出電極３５に生じる電圧は等しい。したがって、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しいので減算回路２７の出力は零になる。したがってＹ’軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００７２】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ’軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００７３】
この実施形態では付加質量の向きがＺ’軸から見て右回りの方向に偏位している第１、第２の脚と左回りの方向に偏位している第３、第４の脚がＸ’軸のマイナス方向からプラス方向に順番に第１、第２、第３、第４の脚と並んでいる場合を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであって。たとえば、第１、第２、第４、第３の順に脚が並んでいても、第１、第３、第２、第４の順に脚が並んでいても、第１、第４、第２、第３の順に脚が並んでいても、第３、第１、第４、第２の順に脚が並んでいても、第３、第２、第４、第１の順に脚が並んでいても、第３、第４、第１、第２の順に脚が並んでいても、第３、第４、第２、第１の順に脚が並んでいても、それぞれ同様の効果が得られるので良い。
【００７４】
また、本実施形態では第１、第３の脚にのみ駆動電極３３を設ける例を示したが、各脚の全部に駆動電極を設けても良い。
【００７５】
（実施形態６）
図１９は本発明の第６の実施形態における形状を示す図面であり、各脚が同一の面内に存在せず、かつ同一の方向に伸びている例であり、材料を水晶とした例である。水晶には右水晶と左水晶があることが知られているが、軸の取り方が異なるだけでほかの性質は同様なので以下では右水晶を例に説明する。水晶の結晶軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、各脚が伸びる向きをＹ’軸、第１、第２の脚が含まれる面内でＹ’軸と直交する方向をＸ’軸、第１、第２の脚が含まれる面に垂直な方向をＺ’軸として右手系を設定する。Ｘ’軸は水晶の結晶軸であるＸ軸に一致しており、Ｙ’軸、Ｚ’軸はＸ軸の回りにＹ軸、Ｚ軸を１度〜８度回転した方向にとる。これは水晶の異方性による共振周波数の温度による変化を最小にするためである。各脚には四方の側面に電極が蒸着されている。電極の材料は下地がＣｒであり、上層部はＡｇまたはＡｕである。脚の側面の電極のうち、Ｘ’軸に直交する面にある電極は駆動電極３３あるいは検出電極３５として用いられる。Ｚ’軸に直交する面にある電極は接地電極３７として用いられる。水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、駆動、検出にはＸ軸方向の電界成分が用いられる。第１、第２の脚はＺ’軸方向から見て右回りの向きに偏位した付加質量１１をもち、第３、第４の脚はＺ’軸方向から見て左回りの向きに偏位した付加質量１１をもつ。第１、第２の脚と第３、第４の脚はＺ’軸方向に重なっている。第１、第２の脚の基部と第３、第４の脚の基部は連結されているが、連結部材は基部と一体であっても良いし、他の部材を用いて連結しても良い。基部９の底面は全体の支持に用いられる。
【００７６】
この実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態４と同様で良い。図１７にブロック図を示す。第１の脚１の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ａ２１に接続される。また、第２の脚３の検出電極３５も加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３の脚５の検出電極３５は加算回路Ｂ２３に接続される。また、第４の脚７の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って各脚の駆動電極３３に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｚ’軸の回りの回転方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００７７】
つぎに本実施形態における動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によってＺ’軸のまわりの回転方向に対して、第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ’方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ’方向に、第３の脚５は−Ｘ’方向、第４の脚７は＋Ｘ’方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１９に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、第１、第４の脚の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２、第３の脚の検出電極３５の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００７８】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量にコリオリ力が働く。たとえば、Ｚ’軸の回りに＋Ｘ’から＋Ｙ’の方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ’方向にそれぞれコリオリ力が作用する。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００７９】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえばＺ’方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出電極３５の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ’方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１により、Ｘ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ’方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００８０】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００８１】
Ｚ’軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、さきに述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。また、角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると、第１の脚１の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚３の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプへの出力は変化しない。
【００８２】
Ｘ’軸まわりの回転では、振動方向がＸ’軸方向を向いているので、コリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚にＺ’方向の力として同様に作用するので、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ’軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００８３】
Ｙ’軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面にあるので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であるので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ’軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面にあるので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚の検出電極に生じる電圧とは等しい。第３の脚５と第４の脚７も同様であり、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。よってＹ’軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００８４】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ’軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００８５】
本実施形態では第１、第２の脚の振動面が同一の面内にあり、第３、第４の脚の振動面が同一の面内にある例を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであり、図２０に示すように第１、第４の脚の振動面が同一面内にあり、第２、第３の脚の振動面が同一面内にあっても良い。また、図２１に示すように付加質量が音叉の内側に向かって偏位していても良い。
【００８６】
【発明の効果】
以上に記したように、本発明によれば、機械的な外乱や電気的なノイズや励振状態に変化が生じても、これらの影響を除去し精度の良い角速度を検出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明による駆動検出回路を示すブロック図である。
【図３】本発明による第１の実施形態の他の形態を示す図である。
【図４】本発明による第２の実施形態を示す図である。
【図５】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図６】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図７】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図８】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図９】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１０】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１１】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１２】本発明による第３の実施形態を示す図である。
【図１３】本発明による第３の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１４】本発明による第３の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１５】本発明による第４の実施形態を示す図である。
【図１６】材料に水晶を用いた場合の電極構造と作用を説明する説明図である。
【図１７】本発明による駆動検出回路を示すブロック図である。
【図１８】本発明による第５の実施形態を示す図である。
【図１９】本発明による第６の実施形態を示す図である。
【図２０】本発明による第６の実施形態の他の形態を示す図である。
【図２１】本発明による第６の実施形態の他の形態を示す図である。
【図２２】従来の振動ジャイロを示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の脚
３ 第２の脚
５ 第３の脚
７ 第４の脚
９ 基部
１１ 付加質量
１３ 梁
１５ 冗長部
１７ 検出用圧電素子
１９ 駆動用圧電素子
２１ 加算回路Ａ
２３ 加算回路Ｂ
２５ 加算回路Ｃ
２７ 減算回路
２９ 駆動回路
３１ ロックインアンプ
３３ 駆動電極
３５ 検出電極
３７ 接地電極
３９ インバータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度を検出するために用いられる振動ジャイロに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用ビデオカメラの手ぶれ防止機構やカーナビゲーションシステムの位置検出機構などに、手ぶれの検出および車体の回転角度を検出するための振動ジャイロが用いられている。物理法則によれば、角速度Ωで回転する座標系から見て運動する物体にはその相対速度Ｖに比例したコリオリ力Ｆｃが速度と直交する方向に作用し、その大きさと方向は次式で現される。
Ｆｃ＝２ｍＶ×Ω
ここで、ｍはコリオリ力が作用する物体の質量である。
【０００３】
振動ジャイロは振動によって物体の運動を発生させることで、振動方向に直交する方向に作用するコリオリ力を捉えて回転を検出しようとする角速度センサであり、用いられる振動子には音片型、音叉型などの様々な形が提案されている。
【０００４】
このうち信学技報，ＵＳ９７−５６（１９９７−０９）では菅原等によって図２２に示す様な、２本の脚をもち、各々の脚の先端部に付加質量１１を有し、付加質量１１は振動方向に偏位しており、２本の脚の付加質量は同じ方向に偏位している振動子を振動ジャイロとして使用することが提案されている。この振動ジャイロの作用を以下に説明する。振動子の脚の伸びている方向をＹ軸、脚の並んでいる方向をＸ軸とし右手系を設定する。脚の付加質量は＋Ｘ方向に偏位しており、脚は通常の音叉の振動と同様に互いに逆向きの運動を行うように脚に貼付された圧電素子によって励振されている。この振動ジャイロにＺ軸を軸として＋Ｘ方向から＋Ｙ方向に回転する回転が加わると、すなわち角速度ΩがＺ軸の正の方向を向いていると、前記物理法則に従って付加質量１１には脚が＋Ｘ方向へ運動しているときには−Ｙ方向へ、−Ｘ方向へ運動している時には＋Ｙ方向へコリオリ力が働く。付加質量は＋Ｘ方向へ偏位しているので、コリオリ力は脚に対して力のモーメントとして働き、脚の振幅を大きくする作用をする。回転方向が反対の場合はコリオリ力が逆向きになるので脚の振幅は小さくなる。したがって、脚の振幅の大きさを脚に貼付けた圧電素子で測定することによって回転の方向と速さ、すなわち角速度の向きと大きさを検出することができる。このような振動ジャイロは、角速度が働いても振動方向が変化しないので検出手段が少なくて済むこと、平面的な構成が取れるので薄型にできることなどの利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術では、角速度を圧電素子の出力の大きさとして検出するので、機械的な外乱や電気的なノイズや温度変化による励振状態の差によって出力が変化してしまい角速度が精度良く検出できないという課題があった。
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の目的は、機械的な外乱や電気的なノイズや励振状態の差による影響を受けず、精度の良い角速度の検出ができる振動ジャイロを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、基部から伸びた脚の先端部に付加質量を備え、回転軸まわりの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、前記基部は、第１、第２、第３及び第４の４本の脚を備え、前記４本の脚のうち前記第１及び第２の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、前記第３及び第４の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、前記付加質量は、前記４本の脚の振動する方向に突出するように偏位して設けられ、前記第１の脚に設けられた付加質量と前記第２の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向から見て、同じ回転の向きに偏位し、前記第３の脚に設けられた付加質量と前記第４の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向から見て、前記第１及び前記第２の脚の付加質量の偏位する回転の向きとは反対の回転の向きに偏位し、前記第１の脚と前記第３の脚とは、前記回転軸の軸方向から見た回転方向に対して、振動が同相であり、前記第２の脚と前記第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が同相であり、前記第１、第３の脚と前記第２、第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が互いに逆相であることを特徴とする。
【０００８】
更に、前記脚を振動させる駆動手段と、前記４本の脚のそれぞれの動きを検出する検出手段とが設けられ、更に、前記第１、第２の脚に設けられた前記検出手段からそれぞれ検出される出力信号を加算する第１の加算回路と、前記第３、第４の脚に設けられた前記検出手段からそれぞれ検出される出力信号を加算する第２の加算回路と、前記第１の加算回路と前記第２の加算回路からの出力信号を加算する第３の加算回路と、前記第１の加算回路と前記第２の加算回路からの出力信号を減算する減算回路と、前記第３の加算回路からの出力信号を基準信号とし、前記減算回路からの出力信号を入力するロックインアンプと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
更に、前記駆動手段と前記検出手段は圧電素子であり、前記脚が駆動振動する方向に直交した面に前記圧電素子を貼付したことを特徴とする。
【００１０】
更に、前記４本の脚は圧電性を有する単結晶からなり、前記４本の脚が互いに平行であることを特徴とする。
【００１１】
更に、前記４本の脚は水晶で構成され、この水晶の結晶軸であるＸ軸が駆動振動する方向であり、前記４本の脚が駆動振動する方向に直交した面に駆動電極と検出電極とを設けたことを特徴とする。
【００１２】
更に、前記基部をばね要素を介して支持したことを特徴とする。
また、基部から伸びた脚の先端部に付加質量を備え、回転軸まわりの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、前記基部は、第１、第２、第３及び第４の４本の脚を備えると共に、ばね機能を有する梁を備え、前記４本の脚は圧電性を有する水晶で構成され、前記４本の脚のうち前記第１及び第２の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、前記第３及び第４の脚は、前記第１及び第２の脚の伸びる向きと反対の向きへ互いに前記基部から伸び、前記付加質量は、前記４本の脚の振動する方向に突出するようにそれぞれに偏位して設けられ、前記第１の脚に設けられた付加質量と前記第２の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向からみて、同じ回転の向きに偏位し、前記第３の脚に設けられた付加質量と前記第４の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向からみて、前記第１及び前記第２の脚の付加質量の偏位する回転の向きとは反対の回転の向きに偏位し、前記第１の脚と前記第３の脚とは、前記回転軸の軸方向から見た回転方向に対して、振動が同相であり、前記第２の脚と前記第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が同相であり、前記第１、第３の脚と前記第２、第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が互いに逆相であることを特徴とする。
【００１３】
（作用）
本発明のような４本の脚をもつ音叉を用いると、第１、第２の脚の組と第３、第４の脚の組の付加質量の偏位が回転方向に対して逆向きなので、作用するコリオリ力は逆の働きをする。すなわち第１、第２の脚の組の振幅が大きくなる場合には第３、第４の脚の組の振幅が小さくなり、第１、第２の脚の組の振幅が小さくなる場合には第３、第４の脚の組の振幅が大きくなるように作用する。したがって、第１、第２の脚の組の検出手段の出力と第３、第４の脚の組の検出手段の出力との差をとることによって、コリオリ力による出力変化を倍にして検出できる。また、機械的な外乱や電気的なノイズや励振状態に差が生じても、これらの偏差は第１、第２の脚の組の検出手段の出力と第３、第４の脚の組の検出手段の出力に同様に生じるので、差をとることでこれらの影響を除去できる。
【００１４】
さらに、並進加速度を受けた場合には、第１、第２の脚の振幅は一方は大きくなり他方は小さくなるので、第１の脚の検出手段の出力と第２の脚の検出手段の出力を加算することで、並進加速度の影響を除去できる。同様にして、並進加速度が働くと第３、第４の脚の振幅は一方は大きくなり他方は小さくなるので、第３の脚の検出手段の出力と第４の脚の検出手段の出力を加算することで、並進加速度の影響を除去できる。
【００１５】
また、基部をばね要素を介して支持することにより、外部への漏れ振動を除去することができる。
【００１６】
圧電性をもつ単一の単結晶から音叉を形成する場合には、４本の脚を互いに平行にすることによって、各脚の弾性的性質や圧電的性質を同一にすることができるので、各脚は同等のものとして扱えるため、加算回路、減算回路の働きにより機械的外乱や電気的ノイズや励振状態の差を除去できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（実施形態１）
図１は本発明による振動ジャイロの形状を示す図面であり、第１の脚１、第２の脚３と第３の脚５、第４の脚７が基部９を挟んで互いに反対向きに伸びている例である。第１，第２の脚が伸びる向きをＹ軸、各脚が含まれる面内でＹ軸と直交する方向をＸ軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚はＺ軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量をもつ。基部には全体を支持するための梁１３を備えており、梁１３は基部のＸ軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、温度による弾性率の変化が少ないエリンバーや石英ガラスによって形成される。各々の脚にはその付け根の側面に圧電素子がそれぞれ貼付されており検出用圧電素子１７として用いられ、脚の振幅に比例した電圧が測定される。また、第１、第３の脚の付け根には駆動用圧電素子１９が貼付される。
【００１９】
図２は本発明の振動ジャイロを構成する駆動検出回路を示したブロック図である。第１、第２の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ａ２１に接続する。一方、第３、第４の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って第１、第３の脚に貼付された駆動用圧電素子１９に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタとインバータと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００２０】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によってＺ軸回りの回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚の速度が−Ｘ方向とすると、第２の脚は＋Ｘ方向に、第３の脚は＋Ｘ方向、第４の脚は−Ｘ方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、各脚の圧電素子の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路の出力はゼロである。したがって、ロックインアンプの出力もゼロである。
【００２１】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量にコリオリ力が働く。たとえば＋Ｘから＋Ｙの方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則に従って、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ方向に、第３の脚５の付加質量１１には−Ｙ方向に、第４の脚７の付加質量１１には＋Ｙ方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図１に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり、逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００２２】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出用圧電素子１７の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方の振幅を増加させる向きに作用する時には、他方には振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００２３】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下の様に作用する。
【００２４】
Ｚ軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量に作用し、先に述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００２５】
Ｘ軸まわりの回転では、振動方向がＸ軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、第１、第２の脚に＋Ｚ方向の力として働く時には第３、第４の脚には−Ｚ方向へ働くというように逆向きに作用するが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１、第２の脚の検出用圧電素子１７に生じる電圧と、第３、第４の脚に生じる電圧は等しくなり、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがって、Ｘ軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００２６】
Ｙ軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子１７にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。第３の脚と第４の脚もこれと同様であり、どの脚の検出用圧電素子にも等しい電圧が生じる。したがって減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。したがってＹ軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００２７】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００２８】
この実施形態では駆動用圧電素子を第１、第３の脚にのみ貼付した例を示したが、各脚の全部に駆動用圧電素子を貼付して振動の駆動に用いても構わない。また、本実施形態では各脚が＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第３の脚、第４の脚というように配置されている例を示したが、回転方向に対して第１の脚と第３の脚の運動が同相であり、第２の脚と第４の脚の運動が同相であり、第１、第３の脚の運動と第２、第４の脚の運動が逆相であることが重要であって、図３に示すように、＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第４の脚、第３の脚の順に配置されていてもよい。
【００２９】
（実施形態２）
図４は本発明における第２の実施形態であり、各脚が同一面内にあり、同一の向きに向いてい実施形態である。脚が伸びる向きをＹ軸、各脚が含まれる面内でＹ軸と直交する方向をＸ軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚はＺ軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。基部９には全体を支持するための梁を備えており、梁１３は基部９のＸ軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、温度による弾性率の変化が少ないエリンバーや石英ガラスによって形成される。各々の脚にはその付け根の側面に圧電素子がそれぞれ貼付されており検出用圧電素子１７として用いられ、脚の振幅に比例した電圧が測定される。また、第１、第３の脚の付け根には駆動用圧電素子１９も貼付される。
【００３０】
本実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態１に示したものと同一で良い。ブロック図を図２に示す。第１、第２の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３、第４の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って基部９に貼付された駆動用圧電素子１９に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタとインバータと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００３１】
つぎにこの実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によって回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ方向に、第３の脚５は−Ｘ方向、第４の脚７は＋Ｘ方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図４に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、各脚の圧電素子の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００３２】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ軸の回りに＋Ｘから＋Ｙの方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図４に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度に比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００３３】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出用圧電素子１７の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方の振幅を増加させる向きに作用する時には、他方には振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００３４】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００３５】
Ｚ軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、先に述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。また、角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａによってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂによってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプへの出力は変化しない。
【００３６】
Ｘ軸まわりの回転では、振動方向がＸ軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚に同様に作用するので、減算回路によってこの変化は打ち消される。したがってＸ軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００３７】
Ｙ軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ軸方向に作用する。第１の脚と第２の脚に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ軸方向に作用する。第１の脚１と第４の脚７には方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので第１の脚１の検出用圧電素子１７に生じる電圧と第４の脚７の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。第２の脚３と第３の脚５に作用する力も方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので、第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧と第３の脚５の検出用圧電素子に生じる電圧は等しい。したがって、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しいので減算回路２７の出力は零になる。したがってＹ軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００３８】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプ３１に出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００３９】
本実施形態では付加質量１１の向きがＺ軸から見て右回りの方向に偏位している第１、第２の脚と左回りの方向に偏位している第３、第４の脚がＸ軸のマイナス方向からプラス方向に順番に第１、第２、第３、第４の脚と並んでいる場合を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであって。たとえば、図５に示すように第１、第２、第４、第３の順に脚が並んでいても、図６に示すように第１、第３、第２、第４の順に脚が並んでいても、図７に示すように第１、第４、第２、第３の順に脚が並んでいても、図８に示すように第３、第１、第４、第２の順に脚が並んでいても、図９に示すように第３、第２、第４、第１の順に脚が並んでいても、図１０に示すように第３、第４、第１、第２の順に脚が並んでいても、図１１に示すように第３、第４、第２、第１の順に脚が並んでいても、それぞれ同様の効果が得られるので良い。
【００４０】
また、本実施形態では第１、第３の脚にのみ駆動用圧電素子を貼付する例を示したが、各脚の全部に駆動用圧電素子を貼付しても良い。
【００４１】
（実施形態３）
図１２は本発明の第３の実施形態の形状を示す図面であり、各脚が同一の面内に存在せず、かつ同一の方向に伸びている例である。各脚の伸びている方向をＹ軸、振動方向をＸ軸、Ｘ軸とＹ軸に共に直交する方向をＺ軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ軸方向から見て右回りの向きに偏位した付加質量１１をもち、第３、第４の脚は、Ｚ軸方向から見て左回りの向きに偏位した付加質量１１をもつ。第１、第２の脚と第３、第４の脚はＺ方向に重なっている。第１、第２の脚の基部と第３、第４の脚の基部は連結されているが、連結部材は基部と一体であっても良いし、他の部材を用いて連結しても良い。基部９の底面は全体の支持に用いられる。脚および基部９の材料は温度による弾性率の変化が少ないエリンバーや石英ガラスなどから選ばれる。第１および第３の脚には振動駆動手段として駆動用圧電素子１９が脚の内側の側面部に貼付されている。また、各脚の外側側面部にも検出用圧電素子１７が貼付されており、検出手段として用いられ脚の振幅に比例した電圧が測定される。
【００４２】
この実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態１と同様である。図２にブロック図を示す。第１、第２の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３、第４の脚の検出用圧電素子１７は加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って各脚に貼付された駆動用圧電素子１９に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタとインバータと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００４３】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によって第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ方向に、第３の脚５は−Ｘ方向、第４の脚７は＋Ｘ方向にそれぞれ運動している。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、各脚の検出用圧電素子１７の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００４４】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ軸の回りに＋Ｘから＋Ｙの方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ方向にそれぞれコリオリ力が作用する。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００４５】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出用圧電素子１７の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚にはＸ方向に同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００４６】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００４７】
Ｚ軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量に作用し、先に述べたようにロックインアンプからは角速度に比例した出力が得られる。また、角加速度による慣性力による第１、第２の脚への作用を考えると、第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００４８】
Ｘ軸まわりの回転では、振動方向がＸ軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚にＺ方向の力として同様に加わるので各脚の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しく、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００４９】
Ｙ軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子１７にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出用圧電素子１７は各脚のＸ軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１と第２の脚３の検出用圧電素子１７に生じる電圧は等しい。第３の脚５と第４の脚７も同様であり、どの脚の検出用圧電素子１７にも等しい電圧が生じる。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。したがってＹ軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００５０】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００５１】
本実施形態では第１、第２の脚の振動面が同一の面内にあり、第３、第４の脚の振動面が同一の面内にある例を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであり、図１３に示すように第１、第３の脚の振動面が同一面内にあり、第２、第４の脚の振動面が同一面内にあっても良い。また、図１４に示すように付加質量が音叉の内側に向かって偏位していても良い。
【００５２】
（実施形態４）
図１５は本発明の第４の実施形態の形状を示す図であり、第１の脚１、第２の脚３と第３の脚５、第４の脚７が基部９を挟んで互いに反対向きに伸びている形状で、材料に水晶を用いた例である。水晶には右水晶と左水晶があることが知られているが、結晶軸の取り方が異なるだけで他の性質は同様なので、以下では右水晶の場合を例とする。水晶の結晶軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、第１，第２の脚が伸びる向きをＹ’軸、各脚が含まれる面内でＹ’軸と直交する方向をＸ’軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ’軸として右手系を設定する。第１、第２の脚はＺ’軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚はＺ’軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。基部９には全体を支持するための梁１３を備えており、梁１３は基部のＸ’軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、水晶で形成される。Ｘ’軸は水晶の結晶軸であるＸ軸に一致しており、Ｙ’軸、Ｚ’軸はＸ軸の回りにＹ軸、Ｚ軸を１度〜８度回転した方向にとる。これは水晶の異方性による共振周波数の温度による変化を最小にするためである。各脚には四方の側面に電極が蒸着されている。電極の材料は下地がＣｒであり、上層部はＡｇまたはＡｕである。脚の側面の電極の内、Ｘ’軸に直交する面にある電極は駆動電極３３あるいは検出電極３５として用いられる。Ｚ’軸に直交する面にある電極は接地電極３７として用いられる。水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、駆動、検出にはＸ軸方向の電界成分が用いられる。図１６は脚の電極を含む断面図である。矢印は電界のＸ方向成分の向きを示す。ここに示すように脚の左半分に＋Ｘ方向の電界を印加し、右半分に−Ｘ方向の電解を印加した場合には左半分は伸張し、右半分は収縮するので脚は右方向に屈曲する。また、たとえば脚の左半分だけに＋Ｘ方向の電解を印加した場合には左半分が伸張し右方向への屈曲が生じ、結果的に右半分は収縮するので右側の電極には負電圧が発生する（印加電圧とは極性が逆になることに注意されたい）。
【００５３】
図１７は本発明の振動ジャイロを構成する駆動検出回路を示したブロック図である。第１の脚１の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ａ２１に接続される。また、第２の脚３の検出電極３５も加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３の脚５の検出電極３５は加算回路Ｂ２３に接続される。また、第４の脚７の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って駆動電極３３に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００５４】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によって回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ’方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ’方向に、第３の脚５は＋Ｘ’方向、第４の脚７は−Ｘ’方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１５に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、第１、第４の脚の検出電極３５のインバータ３９後の出力と、第２、第３の脚の検出電極３５の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００５５】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ’軸の回りで＋Ｘ’から＋Ｙ’の方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第３の脚５の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第４の脚７の付加質量１１には＋Ｙ’方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図１５に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度Ωに比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度に比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００５６】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ’方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出電極３５の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ’方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ’方向に並進加速度が加えられた場合には、付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００５７】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００５８】
Ｚ’軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、先に述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚１の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚３の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００５９】
Ｘ’軸まわりの回転では、振動方向がＸ’軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、第１、第２の脚にＺ’方向の力として働く時には第３、第４の脚には−Ｚ’方向へ働くというように逆向きに作用するが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する面にあるので、対称性から第１、第２の脚の検出電極３５に生じる電圧と、第４、第３の脚に生じる電圧はそれぞれ等しくなり、よって加算回路Ａ２１の出力と加算回路Ｂ２３の出力は等しいので、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ’軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００６０】
Ｙ’軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面にあるので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚の検出電極に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様なので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ’軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧は等しい。第３の脚と第４の脚も同様なので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。したがってＹ’軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００６１】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００６２】
この実施形態では第１および第３の脚の駆動電極によって励振する例を示したが、駆動電極は全部の脚にあっても構わない。また、本実施形態では各脚が＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第３の脚、第４の脚というように配置されている例を示したが、回転方向に対して第１の脚と第３の脚の運動が同相であり、第２の脚と第４の脚の運動が同相であり、第１、第３の脚の運動と第２、第４の脚の運動が逆相であることが重要なのであって、＋Ｚ軸方向から見て右回りに第１の脚、第２の脚、第４の脚、第３の脚の順に配置されていても構わない。
【００６３】
（実施形態５）
図１８は本発明の第５の実施形態であり、各脚が同一面内にあり、同一の向きに伸びている例であり、材料として水晶を用いた例である。水晶には右水晶と左水晶があることが知られているが、軸の取り方が異なるだけで他の性質は同様なので、以下では右水晶を例に説明する。水晶の結晶軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、各脚が伸びる向きをＹ’軸、各脚が含まれる面内でＹ’軸と直交する方向をＸ’軸、各脚が含まれる面に垂直な方向をＺ’軸として右手系を設定する。第１、第２の脚は、Ｚ’軸方向から見て右回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。第３、第４の脚は、Ｚ’軸方向から見て左回りの方向に偏位した付加質量１１をもつ。基部９には全体を支持するための梁を備えており、梁１３は基部９のＸ’軸方向の運動を許すような冗長部１５をもち、ばね要素として働く。基部、脚、梁は同一の材料からなり、水晶で形成される。Ｘ’軸は水晶の結晶軸であるＸ軸に一致しており、Ｙ’軸、Ｚ’軸はＸ軸の回りにＹ軸、Ｚ軸を１度〜８度回転した方向にとる。これは水晶の異方性による共振周波数の温度による変化を最小にするためである。各脚には四方の側面に電極が蒸着されている。電極の材料は下地がＣｒであり、上層部はＡｇまたはＡｕである。脚の側面の電極の内、Ｘ’軸に直交する面にある電極は駆動電極３３あるいは検出電極３５として用いられる。Ｚ’軸に直交する面にある電極は接地電極３７として用いられる。水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、駆動、検出にはＸ軸方向の電界成分が用いられる。
【００６４】
本実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態４のものと同一で良い。図１７にブロック図を示す。第１の脚１の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ａ２１に接続される。また、第２の脚３の検出電極子３５も加算回路Ａに接続される。一方、第３の脚５の検出電極３５は加算回路２３に接続される。また、第４の脚７の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って駆動電極３３に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｘ軸方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００６５】
つぎに本実施形態の動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によってＺ’軸回りの回転方向に対して第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ’方向とすると、第２の脚は＋Ｘ’方向に、第３の脚は−Ｘ’方向、第４の脚は＋Ｘ’方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１８に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、第１、第４の脚の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２、第３の脚の検出電極３５の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路の出力はゼロである。したがってロックインアンプの出力もゼロである。
【００６６】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量１１にコリオリ力が働く。たとえばＺ’軸の回りに＋Ｘ’から＋Ｙ’の方向に回るような角速度が働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ’方向にそれぞれコリオリ力が作用する。コリオリ力の方向を図１８に破線矢印で示す。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００６７】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえば、Ｚ’方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出電極の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ’方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１によって、Ｘ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ’方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００６８】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下の様に作用する。
【００６９】
Ｚ’軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、さきに述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。また角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると第１の脚の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプ３１への出力は変化しない。
【００７０】
Ｘ’軸まわりの回転では、振動方向がＸ’軸方向を向いているのでコリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚に同様に作用するので、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ’軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００７１】
Ｙ’軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面に貼付されているので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様なので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第４の脚７には方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので第１の脚１の検出電極３５に生じる電圧と第４の脚７の検出電極３５に生じる電圧は等しい。第２の脚３と第３の脚５に作用する力も方向は逆向きだが、同じ大きさの力が作用するので、第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧と第３の脚５の検出電極３５に生じる電圧は等しい。したがって、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しいので減算回路２７の出力は零になる。したがってＹ’軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００７２】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ’軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００７３】
この実施形態では付加質量の向きがＺ’軸から見て右回りの方向に偏位している第１、第２の脚と左回りの方向に偏位している第３、第４の脚がＸ’軸のマイナス方向からプラス方向に順番に第１、第２、第３、第４の脚と並んでいる場合を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであって。たとえば、第１、第２、第４、第３の順に脚が並んでいても、第１、第３、第２、第４の順に脚が並んでいても、第１、第４、第２、第３の順に脚が並んでいても、第３、第１、第４、第２の順に脚が並んでいても、第３、第２、第４、第１の順に脚が並んでいても、第３、第４、第１、第２の順に脚が並んでいても、第３、第４、第２、第１の順に脚が並んでいても、それぞれ同様の効果が得られるので良い。
【００７４】
また、本実施形態では第１、第３の脚にのみ駆動電極３３を設ける例を示したが、各脚の全部に駆動電極を設けても良い。
【００７５】
（実施形態６）
図１９は本発明の第６の実施形態における形状を示す図面であり、各脚が同一の面内に存在せず、かつ同一の方向に伸びている例であり、材料を水晶とした例である。水晶には右水晶と左水晶があることが知られているが、軸の取り方が異なるだけでほかの性質は同様なので以下では右水晶を例に説明する。水晶の結晶軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、各脚が伸びる向きをＹ’軸、第１、第２の脚が含まれる面内でＹ’軸と直交する方向をＸ’軸、第１、第２の脚が含まれる面に垂直な方向をＺ’軸として右手系を設定する。Ｘ’軸は水晶の結晶軸であるＸ軸に一致しており、Ｙ’軸、Ｚ’軸はＸ軸の回りにＹ軸、Ｚ軸を１度〜８度回転した方向にとる。これは水晶の異方性による共振周波数の温度による変化を最小にするためである。各脚には四方の側面に電極が蒸着されている。電極の材料は下地がＣｒであり、上層部はＡｇまたはＡｕである。脚の側面の電極のうち、Ｘ’軸に直交する面にある電極は駆動電極３３あるいは検出電極３５として用いられる。Ｚ’軸に直交する面にある電極は接地電極３７として用いられる。水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、駆動、検出にはＸ軸方向の電界成分が用いられる。第１、第２の脚はＺ’軸方向から見て右回りの向きに偏位した付加質量１１をもち、第３、第４の脚はＺ’軸方向から見て左回りの向きに偏位した付加質量１１をもつ。第１、第２の脚と第３、第４の脚はＺ’軸方向に重なっている。第１、第２の脚の基部と第３、第４の脚の基部は連結されているが、連結部材は基部と一体であっても良いし、他の部材を用いて連結しても良い。基部９の底面は全体の支持に用いられる。
【００７６】
この実施形態の振動ジャイロを構成する駆動検出回路は実施形態４と同様で良い。図１７にブロック図を示す。第１の脚１の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ａ２１に接続される。また、第２の脚３の検出電極３５も加算回路Ａ２１に接続される。一方、第３の脚５の検出電極３５は加算回路Ｂ２３に接続される。また、第４の脚７の検出電極３５はインバータ３９を介して加算回路Ｂ２３に接続される。加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は共に加算回路Ｃ２５および減算回路２７に接続され、加算、減算が行われる。加算回路Ｃ２５の出力は駆動回路２９を通って各脚の駆動電極３３に入力される。駆動回路２９は自動利得制御回路とバンドパスフィルタと移相回路を含み、脚の振幅を安定化するとともに、Ｚ’軸の回りの回転方向に対し第１の脚１の振動と第３の脚５の振動が同相になり、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動が同相になり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相になるような発振モードの選択が行われる。減算回路２７の出力はロックインアンプ３１に入力され加算回路Ｃ２５の出力を参照信号として位相検波され、振幅に比例した直流電圧が出力される。ロックインアンプ３１は入力信号をバンドパスフィルターを通した後、参照信号を二値化したものを基準として交番に反転し直流化し、さらにローパスフィルタを通して直流分を出力するものであり、雑音を除去し参照信号に同期した信号のみを取り出すことができるものである。
【００７７】
つぎに本実施形態における動作について説明する。前述したように、駆動回路２９によってＺ’軸のまわりの回転方向に対して、第１の脚１の振動と第３の脚５の振動は同相に、第２の脚３の振動と第４の脚７の振動も同相に、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動は互いに逆相になるように励振される。たとえば、ある瞬間の第１の脚１の速度が−Ｘ’方向とすると、第２の脚３は＋Ｘ’方向に、第３の脚５は−Ｘ’方向、第４の脚７は＋Ｘ’方向にそれぞれ運動している。これらの運動方向を図１９に実線矢印で示す。このように脚は発振するので、角速度が働かない場合には、第１、第４の脚の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２、第３の脚の検出電極３５の出力は同相で同じ大きさであり、減算回路２７の出力はゼロである。したがってロックインアンプ３１の出力もゼロである。
【００７８】
一方、角速度が働くと各脚の付加質量にコリオリ力が働く。たとえば、Ｚ’軸の回りに＋Ｘ’から＋Ｙ’の方向に回るような角速度Ωが働くと、物理法則にしたがって、前記の瞬間には第１の脚１の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第２の脚３の付加質量１１には−Ｙ’方向に、第３の脚５の付加質量１１には＋Ｙ’方向に、第４の脚７の付加質量１１には−Ｙ’方向にそれぞれコリオリ力が作用する。付加質量１１は脚の軸から偏位しているのでコリオリ力は各脚に対して力のモーメントを生じる。振動の方向とコリオリ力が与える力のモーメントの方向が一致していれば、振幅は大きくなり逆ならば小さくなるので、今の場合、第１、第２の脚の振幅は大きくなり、第３、第４の脚の振幅は小さくなる。このため加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力には振幅差が現れ、減算回路２７によってその差は２倍となって取り出される。この振幅は角速度に比例し、振幅差の符号は角速度の向きによって逆になるので、したがってロックインアンプ３１からの出力は角速度Ωに比例するものとなり、角速度の向きと大きさを検出することができる。
【００７９】
ここで、外乱が与えられた場合を考える。たとえばＺ’方向に並進加速度が加えられた場合、各脚に力が加わるので検出電極３５の出力が変化するが、各脚に加わる変化は同一なので減算回路２７によってこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１からの出力は変化しない。また、Ｘ’方向に並進加速度が加えられた場合には、各脚には同様な力が加わるが、第１と第２の脚では運動の向きが逆なので、一方が振幅を増加させる向きに作用する時には、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするため加算回路Ａ２１により、Ｘ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。この働きは第３、第４の脚についても同様であり、加算回路Ｂ２３によってＸ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。Ｙ’方向に並進加速度が加えられた場合には付加質量１１に力が作用するが、第１の脚１の付加質量１１と第２の脚３の付加質量１１に働く力は一方が振幅を増加させる向きに作用する時、他方は振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。第３、第４の脚についても同様に加算回路Ｂ２３によってＹ’方向の並進加速度による変化は打ち消される。したがって、どのような方向に並進加速度を受けてもその影響を打ち消すことができる。
【００８０】
つぎに、回転が加えられた場合を考える。一般に回転運動により音叉には遠心力と角速度によるコリオリ力が働く。さらに角速度が変化する場合、すなわち角加速度が加わる場合には、それによる慣性力が回転方向に加わる。この内遠心力は、回転中心までの距離が音叉の大きさに対して充分大きければ、各脚に働く力は同じ大きさの並進力と見なせるので、先に述べた理由によりこれによる影響は受けない。コリオリ力と角加速度による慣性力は各方向により以下のように作用する。
【００８１】
Ｚ’軸まわりの回転では、コリオリ力は各脚の付加質量１１に作用し、さきに述べたようにロックインアンプ３１からは角速度に比例した出力が得られる。また、角加速度による慣性力の第１、第２の脚への作用を考えると、第１の脚１の振幅を増加させる向きに作用する時には、第２の脚３の振幅を減少させる向きに作用し、逆の働きをするので加算回路Ａ２１によってこの変化は打ち消される。第３、第４の脚への作用も同様なので加算回路Ｂ２３によってこの変化は打ち消され、したがってロックインアンプへの出力は変化しない。
【００８２】
Ｘ’軸まわりの回転では、振動方向がＸ’軸方向を向いているので、コリオリ力は作用しない。また、角加速度による慣性力は、各脚にＺ’方向の力として同様に作用するので、減算回路２７によってこの変化は打ち消される。したがってＸ’軸回りの回転ではロックインアンプの出力は変化しない。
【００８３】
Ｙ’軸回りの回転では、コリオリ力は各脚にＺ’軸方向に作用する。第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面にあるので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚３の検出電極３５に生じる電圧は等しい。一方、第３の脚５と第４の脚７も同様であるので、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。また、角加速度による慣性力もＺ’軸方向に作用し、第１の脚１と第２の脚３に作用する方向は互いに逆向きであるが、検出電極３５は各脚のＸ’軸と直交する側面にあるので、対称性から第１の脚１の検出電極３５のインバータ３９後の出力と第２の脚の検出電極に生じる電圧とは等しい。第３の脚５と第４の脚７も同様であり、加算回路Ａ２１と加算回路Ｂ２３の出力は等しい。したがって、減算回路２７によりこの変化は打ち消され、ロックインアンプ３１の出力は変化しない。よってＹ’軸回りの回転ではロックインアンプ３１の出力は変化しない。
【００８４】
以上見てきたように、本実施形態によればロックインアンプに出力を与えるのはＺ’軸回りの回転の角速度だけであり、他の外乱に対しては感度がなく、良好な角速度の検出を行うことができる。
【００８５】
本実施形態では第１、第２の脚の振動面が同一の面内にあり、第３、第４の脚の振動面が同一の面内にある例を示したが、第１の脚の振動と第３の脚の振動が同相であり、第２の脚の振動と第４の脚の振動が同相であり、第１、第３の脚の振動と第２、第４の脚の振動が互いに逆相であることが重要なのであり、図２０に示すように第１、第４の脚の振動面が同一面内にあり、第２、第３の脚の振動面が同一面内にあっても良い。また、図２１に示すように付加質量が音叉の内側に向かって偏位していても良い。
【００８６】
【発明の効果】
以上に記したように、本発明によれば、機械的な外乱や電気的なノイズや励振状態に変化が生じても、これらの影響を除去し精度の良い角速度を検出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明による駆動検出回路を示すブロック図である。
【図３】本発明による第１の実施形態の他の形態を示す図である。
【図４】本発明による第２の実施形態を示す図である。
【図５】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図６】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図７】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図８】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図９】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１０】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１１】本発明による第２の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１２】本発明による第３の実施形態を示す図である。
【図１３】本発明による第３の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１４】本発明による第３の実施形態の他の形態を示す図である。
【図１５】本発明による第４の実施形態を示す図である。
【図１６】材料に水晶を用いた場合の電極構造と作用を説明する説明図である。
【図１７】本発明による駆動検出回路を示すブロック図である。
【図１８】本発明による第５の実施形態を示す図である。
【図１９】本発明による第６の実施形態を示す図である。
【図２０】本発明による第６の実施形態の他の形態を示す図である。
【図２１】本発明による第６の実施形態の他の形態を示す図である。
【図２２】従来の振動ジャイロを示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の脚
３ 第２の脚
５ 第３の脚
７ 第４の脚
９ 基部
１１ 付加質量
１３ 梁
１５ 冗長部
１７ 検出用圧電素子
１９ 駆動用圧電素子
２１ 加算回路Ａ
２３ 加算回路Ｂ
２５ 加算回路Ｃ
２７ 減算回路
２９ 駆動回路
３１ ロックインアンプ
３３ 駆動電極
３５ 検出電極
３７ 接地電極
３９ インバータ
Claims (7)
- 基部から伸びた脚の先端部に付加質量を備え、回転軸まわりの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、
前記基部は、第１、第２、第３及び第４の４本の脚を備え、
前記４本の脚のうち前記第１及び第２の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、前記第３及び第４の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、
前記付加質量は、前記４本の脚の振動する方向に突出するように偏位して設けられ、
前記第１の脚に設けられた付加質量と前記第２の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向から見て、同じ回転の向きに偏位し、
前記第３の脚に設けられた付加質量と前記第４の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向から見て、前記第１及び前記第２の脚の付加質量の偏位する回転の向きとは反対の回転の向きに偏位し、
前記第１の脚と前記第３の脚とは、前記回転軸の軸方向から見た回転方向に対して、振動が同相であり、
前記第２の脚と前記第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が同相であり、
前記第１、第３の脚と前記第２、第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が互いに逆相であることを特徴とする振動ジャイロ。 - 前記脚を振動させる駆動手段と、前記４本の脚のそれぞれの動きを検出する検出手段とが設けられ、更に、
前記第１、第２の脚に設けられた前記検出手段からそれぞれ検出される出力信号を加算する第１の加算回路と、
前記第３、第４の脚に設けられた前記検出手段からそれぞれ検出される出力信号を加算する第２の加算回路と、
前記第１の加算回路と前記第２の加算回路からの出力信号を加算する第３の加算回路と、
前記第１の加算回路と前記第２の加算回路からの出力信号を減算する減算回路と、
前記第３の加算回路からの出力信号を基準信号とし、前記減算回路からの出力信号を入力するロックインアンプと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。 - 前記駆動手段と前記検出手段は圧電素子であり、前記脚が駆動振動する方向に直交した面に前記圧電素子を貼付したことを特徴とする請求項２に記載の振動ジャイロ。
- 前記４本の脚は圧電性を有する単結晶からなり、前記４本の脚が互 いに平行であることを特徴とする請求項２に記載の振動ジャイロ。
- 前記４本の脚は水晶で構成され、この水晶の結晶軸であるＸ軸が駆動振動する方向であり、前記４本の脚が駆動振動する方向に直交した面に駆動電極と検出電極とを設けたことを特徴とする請求項４に記載の振動ジャイロ。
- 前記基部をばね要素を介して支持したことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の振動ジャイロ。
- 基部から伸びた脚の先端部に付加質量を備え、回転軸まわりの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、
前記基部は、第１、第２、第３及び第４の４本の脚を備えると共に、ばね機能を有する梁を備え、
前記４本の脚は圧電性を有する水晶で構成され、
前記４本の脚のうち前記第１及び第２の脚は、互いに前記基部から同一の向きへ伸び、
前記第３及び第４の脚は、前記第１及び第２の脚の伸びる向きと反対の向きへ互いに前記基部から伸び、
前記付加質量は、前記４本の脚の振動する方向に突出するようにそれぞれに偏位し て設けられ、
前記第１の脚に設けられた付加質量と前記第２の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向からみて、同じ回転の向きに偏位し、
前記第３の脚に設けられた付加質量と前記第４の脚に設けられた付加質量とは、前記回転軸の軸方向からみて、前記第１及び前記第２の脚の付加質量の偏位する回転の向きとは反対の回転の向きに偏位し、
前記第１の脚と前記第３の脚とは、前記回転軸の軸方向から見た回転方向に対して、振動が同相であり、
前記第２の脚と前記第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が同相であり、
前記第１、第３の脚と前記第２、第４の脚とは、前記回転方向に対して、振動が互いに逆相であることを特徴とする振動ジャイロ。
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