JP4364390B2

JP4364390B2 - Vibrating gyroscope

Info

Publication number: JP4364390B2
Application number: JP2000073569A
Authority: JP
Inventors: 菊池　　尊行; 信谷
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: JP2001264067A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、特開平１１−２５７９６８号公報において、振動型ジャイロスコープの圧電性材料製の振動子の各駆動振動片および検出振動片のＱ値を幅広く制御できるようにするために、電極膜とを別に金属膜等からなるＱ値調節部を形成することを提案した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この振動型ジャイロスコープを実用化するのに際しては、未だ次の問題があることを発見した。即ち、これまで振動型ジャイロスコープが利用されてきた各種分野では、精密な観測機器であることから、周囲環境の温度変化が少ないことが多く、このため測定値に対する温度ドリフトの影響は少なかった。しかし、例えば車体制御システムにおいては、振動型ジャイロスコープおよびその振動子は、幅広い環境温度、即ち高温と低温とにさらされる。このような使用温度範囲は、−４０℃〜＋８５℃の範囲にわたっている。
【０００４】
本発明者は、前記振動子それ自体の有する温度特性をできる限り除去したが、振動子をパッケージ内に収容した後、−４０℃〜＋８５℃の温度範囲でジャイロ出力を測定したところ、未だ変動が見られた。具体的には、本発明者が、振動子が回転していないときのジャイロ出力の温度変化を測定したところ、特定温度領域において、振動子が回転していないときのジャイロ出力が著しく変動することがあった（０点温度ドリフト）。
【０００５】
本発明の課題は、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、振動子に駆動振動モードを励振するための駆動振動片、振動子にコリオリ力によって生じた検出振動モードを検出するための検出振動片、および駆動振動片に設けられている、この駆動振動片のＱ値を調節するための金属膜を備えている振動型ジャイロスコープにおいて、−４０℃〜＋８５℃の温度範囲における非回転時の振動型ジャイロスコープの出力の変動（０点温度ドリフト）を低減することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、
圧電単結晶からなる振動子を含み、前記振動子は、回転中心となる重心を含む連結部、該連結部の周縁部から、四方に向かって放射状に２つの駆動振動系と検出振動系とが突出していると共に各振動系は互いに分離されており、前記駆動振動系は更に第１、第２の駆動振動系を備えてこれらが重心を中心として互いに対称であり、前記検出振動系は更に第１、第２の検出振動系を備えてこれらが重心を中心として互いに対称である構造を含み、前記振動子に駆動振動モードを励振するための駆動振動片が、前記２つの駆動振動系を含んで構成されており、前記振動子にコリオリ力によって生じた検出振動モードを検出するための、前記駆動振動片と分離された検出振動片が、前記２つの検出振動系を含んで構成されており、さらに、前記駆動振動片のＱ値を調節するための金属膜、および前記検出振動片に設けられている、前記金属膜に起因して前記検出振動片に生ずる不要振動モードを低減する為の高分子材料製の振動減衰材を備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、前述した−４０℃〜＋８５℃の温度範囲における非回転時の振動型ジャイロスコープの出力の変動（０点温度ドリフト）の発生原因を追求し、次の原因を突き止めた。
（１）駆動振動片上の金属膜の非対称性
（２）検出振動片中の不要な突起の生成
【０００８】
以下、これらの原因について説明する。図１は、本発明者が検討した振動子の一つを概略的に示す平面図である。振動子１それ自体の詳細な説明は後述する。ここで、各駆動振動片４Ａ−４Ｄには、それぞれ駆動電極１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃとは別に、駆動振動片の振動のＱ値を調節するための金属膜２０Ａが形成されている。なぜなら、振動子１においては、図面において右側の駆動振動系２Ａにおける駆動振動の状態と、左側の駆動振動系２Ｂにおける駆動振動の状態とを同じにする必要がある。しかし、実際の振動子の製造プロセスにおいては、右側と左側との各振動系２Ａ、２Ｂには若干の非対称性が発生する。このため、金属膜２０Ａを余分に設けておき、振動子の作成後にレーザー光等によって各金属膜２０Ａを削除する加工を行うことで、各駆動振動片の振動のＱ値を調節している。
【０００９】
しかし、こうした金属膜２０Ａは、前述した目的からして振動子１の両面に設ける必要はないので、振動子の片方の主面１０上にのみ設けていた。ところが、これによって、図１の面（所定平面）を中心として見たときに、各駆動振動片の質量が、主面１０側が大きくなり、反対側の主面（裏面）側では若干小さくなるはずである。このため、各駆動振動片にＹ軸方向に矢印Ａのような駆動振動を励振したときに、Ｚ軸方向（所定平面に垂直な方向）へと向かう振動成分を僅かに生じさせる。つまり、この不要振動は、（１）駆動振動片上の金属膜の非対称性によって生ずるものである。
【００１０】
しかし、本発明者は、こうした不要振動は０点温度ドリフトには寄与しないものと想定していた。なぜなら、図１に示す振動子１における検出振動Ｂは、やはりＹ軸方向の振動、つまり所定平面内の振動である。従って、かりに前述のような不要振動が存在したとしても、そのようなＺ軸方向（所定平面に垂直な方向）の振動成分は、検出信号には影響を与えないはずであった。
【００１１】
ところが、後述するように、高分子材料製の振動減衰材を検出振動片１６に設けることによって、実際に０点温度ドリフトが著しく減少することを発見した。これは、前記の不要振動が実際に０点温度ドリフトに寄与していたことを示すものと考えられる。この理由は以下のように推定される。
【００１２】
図８、図１０は、それぞれ図１の振動子１を別々の方向から見た斜視図である。図８において円で囲んだ部分、つまり検出振動片１６の連結部６への付け根の近辺には、図９に示すような突起２４が発生していることがあった。こうした突起２４は、特に結晶軸ａ軸の矢印の方向に向いた側面には発生せず、ａ軸の矢印とは反対の方向に向いた側面２３に発生する傾向があった。また、図１０において円で囲んだ部分、つまり検出振動片１６の側面には、図１０に示すような突起３０が発生していることがあった。こうした突起３０は、検出振動片の特に結晶軸ａ軸の矢印の方向に向いた側面１１に生成していた。
【００１３】
つまり、各突起２４、３０の形態は、図１における＋Ｘ方向と−Ｘ方向とで非対称であった。この結果、各検出振動片１６にＺ軸方向の不要振動モードが発生したときに、各突起２４、３０に起因する歪みがＸ−Ｙ面内（所定平面内）に生成するものと思われる。そして、こうした歪みの大きさが、温度変化に応じてかなり変動するものと推定される。
【００１４】
駆動振動片とは、駆動電極等の駆動手段が設けられている振動片を言う。検出振動片とは、検出電極等の検出手段が設けられている振動片を言う。この態様において好ましくは、検出振動片は、駆動振動モードでは実質的に振動しない。駆動振動モードにおいては、検出振動片における振幅は、最大振幅の０．０１以下であることが好ましい。
【００１５】
好ましくは、振動子が所定平面内に延びており、振動子が所定平面方向の一対の主面と、所定平面に垂直な側面とを有しており、駆動振動モードおよび検出振動モードが所定平面内の振動モードであり、不要振動モードが所定平面に対して交差する方向の、好ましくは直交する方向の振動モードである。こうした振動形態の振動子一般に、本発明は特に好適である。
【００１６】
好ましくは、検出振動片の一対の主面上に振動減衰材が付着しており、これによって不要振動モードを抑制する。
【００１７】
また、好ましくは、検出振動片の側面上に振動減衰材を付着させることができる。この場合には、振動減衰材が所定平面に対して垂直な方向に伸びるので、所定平面に対して垂直な方向の不要振動モードを特に効果的に抑制できる。
【００１８】
好ましくは、検出振動片に凹部または貫通孔が形成されており、この凹部または貫通孔の内壁面上に振動減衰材が付着している。この場合にも、振動減衰材が所定平面に対して垂直な方向に伸びるので、所定平面に対して垂直な方向の不要振動モードを特に効果的に抑制できる。
【００１９】
振動子は、エリンバー等の恒弾性合金から構成することができ、この場合には振動子上に多結晶圧電素子を設ける。しかし、特に好ましくは、振動子が圧電性単結晶からなり、振動子に、駆動振動を励起するための駆動電極と、検出振動を検出するための検出電極とを設ける。圧電性単結晶は、通常極めて低い粘性しか有していないので、本発明による高分子材料製の振動減衰材の効果が特に大きい。圧電性単結晶には、水晶、ＬｉＴａＯ_３単結晶、ＬｉＮｂＯ_３単結晶などがある。
【００２０】
振動子が所定平面内にａ軸を有する単結晶である場合には、０点温度ドリフトが特に起こりやすく、本発明が有用である。
【００２１】
好ましくは、駆動振動片の側面上に金属膜を形成することができる。これによって、駆動振動片における金属膜の質量のアンバランスが生じにくくなり、金属膜に起因する駆動振動片のＺ軸方向の不要振動モードが一層発生しにくくなる。これと同様の理由から、駆動振動片に凹部または貫通孔を形成し、凹部または貫通孔の内壁面上に振動減衰材を付着させることができる。
【００２２】
振動減衰材の材質は、−４０℃−＋８５℃の温度範囲における動的粘弾性の変化率が３倍以内であることが望ましい。こうした粘弾性体としては、シリコーン樹脂の他、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴムなどの合成ゴム、テフロン、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素樹脂、塩化ビニール、ナイロン、ポリエチレンなどがある。また、粘弾性体の動的弾性率は１０^２−１０^１０Ｐａが好ましく、動的損失は１０^１−１０^８Ｐａが好ましい。振動減衰材の厚さは、動的粘弾性の大きさに大凡反比例して調整する。
【００２３】
振動減衰材の形成方法は限定されない。例えば、未硬化の液状原料を、振動子上に塗布、ポッティング、スプレー塗布することで、塗布膜を形成できる。例えば、脱アルコール型、脱アセトン型、脱オキシム型、脱酢酸型、付加反応型などの種々のシリコーン接着剤を、ディスペンサーによって振動子上にポッティングし、付着させることができる。液状原料を振動子上に塗布またはポッティングする場合には、液状原料の粘性を１００Ｐａ・ｓ以下とすることによって、液状原料の付着面積を容易に広くでき、かつ塗布膜の厚さを均一にできる。また、高分子材料からなるシートや平板状成形体を振動子に接着、粘着することができる。
【００２４】
好ましくは、振動減衰材が、検出振動モードにおける振動子中での最大振幅に対する各点の相対比率が０．１以上の領域内に設けられており、これによって前記不要振動モードを特に効果的に抑制できる。この観点からは、振動減衰材が、検出振動モードにおける振動子中での最大振幅に対する各点の相対比率が０．３以上の領域内に設けられていることが一層好ましい。
【００２５】
検出振動片上に振動減衰材を形成する際には、振動減衰材の形成位置にずれが生じやすい。また、たとえ振動減衰材を検出振動片上の所定箇所に正確に形成できたものと仮定しても、その形成箇所における振幅の振動子中での最大振幅に対する相対比率は、実際の振動子の形成時のバラツキに応じて変化するものと思われる。このため、各振動子において、振動減衰材による不要振動モードおよび検出振動モードの減衰の度合いが変動してくる可能性がある。この問題を解決するためには、検出振動片の長さに対する振動減衰材の長さの百分率比を５％以上とすることが有効である。このように振動減衰材を長くすることによって、振動減衰材の形成位置のずれに起因する検出振動モードの減衰への影響を、各検出振動片ごとにほぼ均一化することができる。
【００２６】
ただし、検出振動片の長さに対する振動減衰材の長さの百分率比が７０％を超えると、検出振動モードの固有共振周波数が低下し過ぎるので、７０％以下とすることが好ましく、５０％以下とすることが更に好ましい。
【００２７】
金属膜を製造する方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、電解メッキ法、無電解メッキ法等の公知の方法を採用できる。
【００２８】
また、駆動振動片の幅と検出振動片の幅との差を大きくすることによって、Ｚ軸方向への検出振動片の固有共振周波数と駆動振動片の固有共振周波数との差を大きくし、不要振動モードが駆動振動片から検出振動片へと伝搬する際の効率を低減できる。この観点からは、駆動振動片の幅と検出振動片の幅との差の駆動振動片の幅に対する百分率比を２０％以上とすることが好ましい。
【００２９】
ただし、これだけでは所定平面内（Ｘ−Ｙ平面内）における検出振動片の振動の固有共振周波数も、駆動振動片の固有共振周波数に対して大きく変化する。このため、検出振動片の長さを駆動振動片の長さに対して変化させることによって、両者の幅の差による平面内振動の固有共振周波数の差を相殺することが好ましい。
【００３０】
好適な実施形態においては、駆動振動系が、基部の周縁部から延びる細長い支持部と、この支持部から支持部に対して交差する方向に延びる少なくとも一片の駆動振動片とを備えており、駆動振動片がその連結部への付け根を中心として所定面内で屈曲振動し、振動子が所定面内で回転したときに支持部がその基部への付け根を中心として所定面内で屈曲振動する。
【００３１】
更に好ましくは、検出振動系が、連結部から延びる細長い検出振動片を備えており、この検出振動片が、振動子が所定面内で回転したときに検出振動片の基部への付け根を中心として所定面内で屈曲振動する。
【００３２】
この実施形態において特に好ましくは、振動子が所定面内で回転したときに、駆動振動系の支持部および検出振動片が、その基部への付け根を中心として所定面内で屈曲振動すると共に、支持部の振動の位相と検出振動片の振動の位相（重心ＧＯを中心として回転方向に見たとき）とが、互いに逆である。
【００３３】
好ましくは、各駆動振動系が、重心ＧＯを中心として回転対称の位置にある。例えば、図１においては、駆動振動系２Ａと２Ｂとは、１８０°離れているので、駆動振動系２Ａを１８０°回転させる操作を行うと、駆動振動系２Ｂの位置にくる。この回転対称は、２回対称、３回対称、４回対称であることが好ましい。
【００３４】
特に好適な実施形態においては、連結部が所定面内において、振動子の重心に対して回転対称の形状を有している。このように対称性の高い連結部を使用することによって、振動子に対して外部振動が加わったときの不正規な振動の発生を一層抑制できる。この「回転対称」は、前述したような意味である。基部の位置は、３−６回対称であることが好ましく、４回対称であることが一層好ましい。
【００３５】
図１−図７を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、圧電単結晶製の振動子１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。連結部６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。連結部６の周縁部６ａから、四方に向かって放射状に二つの駆動振動系２Ａ、２Ｂと検出振動系３Ａ、３Ｂ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２Ａと２Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系３Ａと３Ｂとは、重心ＧＯを中心として２回対称である。振動子はＸ−Ｙ平面内に延びており、Ｚ軸を中心としてωのように回転する。
【００３６】
駆動振動系２Ａ、２Ｂは、連結部６の周縁部６ａから突出する支持部５Ａ、５Ｂと、支持部５Ａ、５Ｂの先端５ｂ側から支持部に直交する方向に延びる駆動振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを備えている。各振動片４Ａ−４Ｄには、それぞれ駆動電極１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄが設けられている。各検出振動系３Ａ、３Ｂは、細長い周方向検出振動片１６からなり、各振動片１６には検出電極１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが設けられている。
【００３７】
図１および図２（ａ）、（ｂ）に示すように、各駆動振動片４Ａ−４Ｄの先端領域において、振動子の一方の主面１０上および他方の主面１５上に、それぞれ金属膜２０Ａ、２０Ｂが形成されている。金属膜２０Ａと２０Ｂとの質量はほぼ同等とする。なお、本例では、金属膜２０Ａ、２０Ｂが、二層の下地層２０ａ、２０ｂと、この上に設けられている金属メッキ膜２０ｃとを備えている。この下地層の材質としては、金とクロムの多層膜、金とチタンの多層膜が好ましく、金属メッキ膜の材質としては、金が特に好ましい。各金属膜２０Ａ、２０Ｂはそれぞれ駆動電極１３Ａ、１３Ｄの先端につながっている。
【００３８】
また、図３に示すように、駆動振動片の先端側に貫通孔２１を形成し、貫通孔２１の内壁面２１ａにそれぞれ振動減衰材２０Ｅ、２０Ｆを形成できる。また、本例では各側面２５上にもそれぞれ金属膜２０Ｃ、２０Ｄを形成した。このように金属膜を駆動振動片の側面上、貫通孔の内壁面上に形成すると、駆動振動片における金属膜の質量のアンバランスが生じない。
【００３９】
図４（ａ）においては、検出振動片１６の先端領域の主面１０、１５上に、それぞれ振動減衰材１８Ａが形成されている。図４（ｂ）においては、検出振動片１６の先端領域の各側面１１、１２上に振動減衰材１８Ｂが形成されている。図４（ｃ）においては、検出振動片の各主面１０、１５上および各側面１１、１２上にそれぞれ振動減衰材１８Ａ、１８Ｂが形成されている。
【００４０】
また、図５に示すように、検出振動片の先端側に貫通孔２２を形成し、貫通孔２２の内壁面２２ａにそれぞれ振動減衰材１８Ｄを形成できる。また、本例では検出振動片１６の各側面１１、１２上にもそれぞれ振動減衰材１８Ｃが形成されている。このように振動減衰材を検出振動片の側面上、貫通孔の内壁面上に形成すると、検出振動片における不要振動モードが一層効果的に抑制される。
【００４１】
図６には、検出振動モードにおける振動子の各点の振幅の最大振幅に対する相対比率を示し、図７には、検出振動モードにおける検出振動片の各点の振幅の最大振幅に対する相対比率を示す。このデータは、有限要素法による固有モード解析によって得られたものである。振動子の材質は水晶である。
【００４２】
図６および図７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。寒色に彩色された領域は振幅が小さく、暖色に彩色された領域は振幅が大きい。特に検出振動片においては、付け根は振幅が小さく、最大振幅の１／１０未満であるが、先端に近づくのに従って振幅が大きくなっている。本発明において特に好ましくは、検出振動片のうち、各点の振幅の最大振幅に対する比率が１／１０以上の領域（つまり濃い青色に彩色されている領域以外の領域）に、振動減衰材を形成する。
【００４３】
【実施例】
（比較例）
図１、図２に示す振動型ジャイロスコープを作製した。ただし、振動減衰材は設けなかった。また、図２において、金属膜２０Ａを駆動振動片の一方の主面１０上だけに設け、他方の主面１５上には設けなかった。
【００４４】
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た。
【００４５】
下地層２０ａは、スパッタリング法によって設けた厚さ２００オングストロームのクロム膜とし、下地層２０ｂは、スパッタリング法によって設けた厚さ５０００オングストロームの金膜とした。次いで、厚さ５μｍのレジスト膜をコーティングし、このレジスト膜をフォトリソグラフィー法によってパターニングし、電解メッキ法によって金メッキ膜２０ｃを形成した。
【００４６】
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。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。
【００４７】
得られた振動子の連結部６の寸法は６．０ｍｍ×６．０ｍｍであり、各検出振動片１６の寸法は、幅１．０ｍｍ×長さ６．０ｍｍであり、駆動振動片の寸法は、幅１．０ｍｍ×長さ６．０ｍｍであった。金属膜２０Ａは、駆動振動片の先端から５．６０−５．９５ｍｍの位置に設けた。
【００４８】
振動子の中央部に０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形の支持孔７を形成し、この孔に直径０．６ｍｍの金属ピンを通し、金属ピンに対して振動子をシリコーン樹脂接着剤によって接着した。
【００４９】
そして、こうして得られた振動型ジャイロスコープを回転テーブルに取り付け、静止時について、ロックインアンプを用いて、検出電極から取り出した信号のうち駆動信号と同期する成分のみの強度（０点信号）を測定した。そして、−４０℃−＋８５℃における０点信号の変位（０点温度ドリフト）を測定したところ、２°／ｓであった。
【００５０】
（実施例）
比較例と同様にして振動型ジャイロスコープを製造した。ただし、図２に示すように、駆動振動片の一方の主面１０上および他方の主面１５上にそれぞれ金属膜２０Ａ、２０Ｂを形成した。また、図４（ａ）に示すように、検出振動片１６の一方の主面１０上および他方の主面１５上に振動減衰材１８Ａを形成した。振動減衰材の位置は、検出振動片１６の先端面１６ｂから０．５−１．０ｍｍの位置であった。この際には、ディスペンサーを用いて、シリコーン樹脂接着剤（一液性脱アルコール型シリコーン樹脂、室温硬化型、動的弾性率５×１０^６Ｐａ、動的損失５×１０^５Ｐａ）をポッティングし、室温で硬化させた。
【００５１】
こうして得られた振動型ジャイロスコープについて、−４０℃−＋８５℃における０点信号の変位（０点温度ドリフト）を測定したところ、０．５°／ｓであった。
【００５２】
【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、−４０℃−＋８５℃の温度範囲における非回転時の振動型ジャイロスコープの出力の変動（０点温度ドリフト）を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した振動型ジャイロスコープを概略的に示す正面図である。
【図２】（ａ）は、駆動振動片４Ａ−４Ｄを一方の主面側から見た図であり、（ｂ）は、駆動振動片を側面側から見た図である。
【図３】駆動振動片に貫通孔２１を形成し、貫通孔の内壁面２１ａ上および側面２５上に金属膜２０Ｃ−２０Ｆを形成した状態を示す斜視図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、検出振動片およびその上に形成された振動減衰材を示す図である。
【図５】検出振動片に貫通孔２２を形成し、貫通孔の内壁面２２ａ上および側面１１、１２上に振動減衰材１８Ｃ、１８Ｄを形成した状態を示す斜視図である。
【図６】検出振動モードにおける、振動子の各点の振幅の最大振幅に対する比率を示す図である。
【図７】検出振動モードにおける、検出振動片の各点の振幅の最大振幅に対する比率を示す図である。
【図８】振動子１の斜視図である。
【図９】検出振動片の付け根領域の側面に生成する突起２４を示す斜視図である。
【図１０】振動子１を図８とは別の方向から見た斜視図である。
【図１１】検出振動片の側面に細長く生成する突起３０を示す斜視図である。
【符号の説明】
１振動子２Ａ、２Ｂ駆動振動系３Ａ、３Ｂ検出振動系４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ駆動振動片５Ａ、５Ｂ支持部６連結部１０振動子の一方の主面１１、１２検出振動片の側面１３Ａ、１３Ｂ駆動電極１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ検出電極１５他方の主面１６検出振動片１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ振動減衰材２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ金属膜２１駆動振動片に形成された貫通孔２１貫通孔２１の底壁面２２検出振動片に形成された貫通孔２２ａ貫通孔２２の内壁面２５駆動振動片の側面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibrating gyroscope for detecting a rotational angular velocity of rotation applied to a vibrator.
[0002]
[Prior art]
In the Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-257968, the applicant of the present invention describes an electrode film in order to widely control the Q value of each drive vibration piece and detection vibration piece of a vibrator made of a piezoelectric material of a vibration gyroscope. It was proposed to form a Q-value adjusting unit made of a metal film or the like.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been discovered that there are still the following problems in putting this vibratory gyroscope into practical use. That is, in various fields where the vibration type gyroscope has been used so far, since it is a precise observation instrument, the temperature change in the surrounding environment is often small, and thus the influence of the temperature drift on the measured value is small. However, in a vehicle body control system, for example, the vibratory gyroscope and its vibrator are exposed to a wide range of environmental temperatures, that is, high and low temperatures. Such a use temperature range covers a range of −40 ° C. to + 85 ° C.
[0004]
The present inventor removed the temperature characteristics of the vibrator itself as much as possible. However, after the vibrator was housed in the package, the gyro output was measured in the temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. It was observed. Specifically, when the present inventor measured the temperature change of the gyro output when the vibrator is not rotating, the gyro output when the vibrator is not rotating significantly fluctuates in a specific temperature range. (0 point temperature drift).
[0005]
An object of the present invention is a vibration type gyroscope for detecting the rotational angular velocity of a rotation applied to a vibrator, a drive vibration piece for exciting a drive vibration mode in the vibrator, and a Coriolis force on the vibrator. In the vibration type gyroscope provided with the detection vibration piece for detecting the detection vibration mode generated by the drive vibration piece, and the metal film for adjusting the Q value of the drive vibration piece provided in the drive vibration piece. This is to reduce the fluctuation (0 point temperature drift) of the vibration type gyroscope during non-rotation in the temperature range of 40 ° C. to + 85 ° C.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a vibratory gyroscope for detecting the rotational angular velocity of rotation applied to a vibrator,
The vibrator includes a piezoelectric single crystal, and the vibrator includes a connecting portion including a center of gravity serving as a rotation center, and two drive vibration systems and a detection vibration system radially extending from the periphery of the connecting portion toward four directions. The vibration systems are separated from each other, the drive vibration system further includes first and second drive vibration systems that are symmetrical with each other about the center of gravity, and the detection vibration system further includes the first vibration system. The first and second detection vibration systems include a structure that is symmetrical with respect to the center of gravity, and a drive vibration piece for exciting a drive vibration mode in the vibrator includes the two drive vibration systems. The detection vibration piece separated from the drive vibration piece for detecting the detection vibration mode generated by the Coriolis force in the vibrator is configured to include the two detection vibration systems. further, the driving A metal film for adjusting the Q value of the moving piece, and a polymer material provided on the detection vibrating piece for reducing unnecessary vibration modes generated in the detection vibrating piece due to the metal film A vibration damping material is provided.
[0007]
The present inventor has sought the cause of the fluctuation (0 point temperature drift) of the output of the vibration type gyroscope when not rotating in the temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C., and has found the following cause.
(1) Asymmetry of the metal film on the drive vibration piece (2) Generation of unnecessary protrusions in the detection vibration piece
Hereinafter, these causes will be described. FIG. 1 is a plan view schematically showing one of the vibrators examined by the present inventors. A detailed description of the vibrator 1 itself will be described later. Here, a metal film 20A for adjusting the Q value of the vibration of the drive vibration piece is formed on each of the drive vibration pieces 4A to 4D separately from the drive electrodes 13A, 13B, and 13C. This is because the vibrator 1 needs to have the same drive vibration state in the right drive vibration system 2A and the drive vibration state in the left drive vibration system 2B in the drawing. However, in the actual vibrator manufacturing process, a slight asymmetry occurs in the vibration systems 2A and 2B on the right and left sides. For this reason, an extra metal film 20A is provided, and the Q value of the vibration of each drive vibration piece is adjusted by performing processing for removing each metal film 20A with a laser beam or the like after the vibrator is formed.
[0009]
However, since the metal film 20A need not be provided on both surfaces of the vibrator 1 for the above-described purpose, it is provided only on one main surface 10 of the vibrator. However, when viewed from the surface (predetermined plane) in FIG. 1, the mass of each drive vibration piece should increase on the main surface 10 side and slightly decrease on the opposite main surface (back surface) side. It is. For this reason, when drive vibrations such as an arrow A are excited in the Y-axis direction on each drive vibration piece, a slight vibration component is generated in the Z-axis direction (direction perpendicular to the predetermined plane). That is, this unnecessary vibration is caused by (1) asymmetry of the metal film on the driving vibration piece.
[0010]
However, the present inventor assumed that such unnecessary vibration does not contribute to the zero point temperature drift. This is because the detected vibration B in the vibrator 1 shown in FIG. 1 is also vibration in the Y-axis direction, that is, vibration in a predetermined plane. Therefore, even if the above-described unnecessary vibration exists in the scale, such a vibration component in the Z-axis direction (direction perpendicular to the predetermined plane) should not affect the detection signal.
[0011]
However, as will be described later, it has been found that by providing a vibration damping material made of a polymer material on the detection vibrating piece 16, the zero point temperature drift is actually significantly reduced. This is considered to indicate that the unnecessary vibration actually contributed to the zero point temperature drift. The reason for this is estimated as follows.
[0012]
8 and 10 are perspective views of the vibrator 1 shown in FIG. 1 as seen from different directions. In FIG. 8, a protrusion 24 as shown in FIG. 9 may be generated in a portion surrounded by a circle, that is, in the vicinity of the base of the detection vibrating piece 16 to the connecting portion 6. Such protrusions 24 did not occur particularly on the side surface of the crystal axis a-axis facing the arrow direction, and tended to occur on the side surface 23 facing the direction opposite to the a-axis arrow. Further, a protrusion 30 as shown in FIG. 10 may be generated on a circled portion in FIG. 10, that is, on the side surface of the detection vibrating piece 16. Such protrusions 30 were generated on the side surface 11 of the detection vibrating piece, particularly in the direction of the arrow of the crystal axis a axis.
[0013]
That is, the shape of each protrusion 24, 30 was asymmetric in the + X direction and the -X direction in FIG. As a result, it is considered that when the unnecessary vibration mode in the Z-axis direction is generated in each detection vibrating piece 16, distortion caused by the protrusions 24 and 30 is generated in the XY plane (in a predetermined plane). And it is estimated that the magnitude | size of such distortion will fluctuate | variate considerably according to a temperature change.
[0014]
The drive vibrating piece refers to a vibrating piece provided with driving means such as a drive electrode. The detection vibrating piece refers to a vibrating piece provided with detection means such as a detection electrode. In this aspect, preferably, the detection vibrating piece does not substantially vibrate in the drive vibration mode. In the drive vibration mode, the amplitude of the detection vibration piece is preferably 0.01 or less of the maximum amplitude.
[0015]
Preferably, the vibrator extends in a predetermined plane, the vibrator has a pair of main surfaces in a predetermined plane direction, and side surfaces perpendicular to the predetermined plane, and the drive vibration mode and the detection vibration mode are in the predetermined plane. The unnecessary vibration mode is a vibration mode in a direction intersecting with a predetermined plane, preferably in a direction orthogonal to the predetermined plane. In general, the present invention is particularly suitable for such vibrators.
[0016]
Preferably, a vibration damping material is attached on the pair of main surfaces of the detection vibrating piece, thereby suppressing an unnecessary vibration mode.
[0017]
Preferably, a vibration damping material can be attached on the side surface of the detection vibrating piece. In this case, since the vibration damping material extends in a direction perpendicular to the predetermined plane, an unnecessary vibration mode in a direction perpendicular to the predetermined plane can be particularly effectively suppressed.
[0018]
Preferably, a concave portion or a through hole is formed in the detection vibration piece, and a vibration damping material is attached on the inner wall surface of the concave portion or the through hole. Also in this case, since the vibration damping material extends in a direction perpendicular to the predetermined plane, an unnecessary vibration mode in a direction perpendicular to the predetermined plane can be particularly effectively suppressed.
[0019]
The vibrator can be made of a constant elastic alloy such as Elinvar. In this case, a polycrystalline piezoelectric element is provided on the vibrator. However, particularly preferably, the vibrator is made of a piezoelectric single crystal, and the vibrator is provided with a drive electrode for exciting drive vibration and a detection electrode for detecting detection vibration. Since the piezoelectric single crystal usually has only a very low viscosity, the effect of the vibration damping material made of the polymer material according to the present invention is particularly great. Examples of the piezoelectric single crystal include quartz, LiTaO ₃ single crystal, and LiNbO ₃ single crystal.
[0020]
When the vibrator is a single crystal having an a axis in a predetermined plane, the zero point temperature drift is particularly likely to occur, and the present invention is useful.
[0021]
Preferably, a metal film can be formed on the side surface of the drive vibrating piece. As a result, an unbalance of the mass of the metal film in the drive vibration piece is less likely to occur, and an unnecessary vibration mode in the Z-axis direction of the drive vibration piece due to the metal film is less likely to occur. For the same reason, it is possible to form a recess or a through hole in the drive vibration piece and attach a vibration damping material on the inner wall surface of the recess or the through hole.
[0022]
As for the material of the vibration damping material, it is desirable that the rate of change of dynamic viscoelasticity in a temperature range of −40 ° C .− + 85 ° C. is within 3 times. Examples of such viscoelastic body include silicone resin, synthetic rubber such as ethylene propylene rubber, butyl rubber and urethane rubber, fluororesin such as Teflon and tetrafluoroethylene resin, vinyl chloride, nylon and polyethylene. The dynamic elastic modulus of the viscoelastic body is preferably 10 ² -10 ¹⁰ Pa, and the dynamic loss is preferably 10 ¹ -10 ⁸ Pa. The thickness of the vibration damping material is adjusted approximately inversely proportional to the size of the dynamic viscoelasticity.
[0023]
The method for forming the vibration damping material is not limited. For example, a coating film can be formed by applying, potting, or spraying an uncured liquid raw material on a vibrator. For example, various silicone adhesives such as dealcohol-type, dealcetone-type, deoxime-type, deacetate-type, and addition-reaction-type can be potted on a vibrator by a dispenser and attached. When applying or potting the liquid material on the vibrator, by setting the viscosity of the liquid material to 100 Pa · s or less, the adhesion area of the liquid material can be easily widened and the thickness of the coating film can be made uniform. . In addition, a sheet made of a polymer material or a flat molded body can be adhered and adhered to the vibrator.
[0024]
Preferably, the vibration damping material is provided in a region where the relative ratio of each point to the maximum amplitude in the vibrator in the detection vibration mode is 0.1 or more, thereby making the unnecessary vibration mode particularly effective. Can be suppressed. From this viewpoint, it is more preferable that the vibration damping material is provided in a region where the relative ratio of each point to the maximum amplitude in the vibrator in the detection vibration mode is 0.3 or more.
[0025]
When the vibration damping material is formed on the detection vibrating piece, the position where the vibration damping material is formed tends to be displaced. Even if it is assumed that the vibration damping material can be accurately formed at a predetermined location on the detection vibrating piece, the relative ratio of the amplitude at the formation location to the maximum amplitude in the transducer is the formation of the actual transducer. It seems to change according to the time variation. For this reason, in each vibrator, the degree of attenuation of the unnecessary vibration mode and the detection vibration mode by the vibration damping material may vary. In order to solve this problem, it is effective to set the percentage ratio of the length of the vibration damping material to the length of the detected vibration piece to be 5% or more. By lengthening the vibration attenuating material in this way, the influence on the attenuation of the detected vibration mode due to the deviation of the formation position of the vibration attenuating material can be made almost uniform for each detected vibration piece.
[0026]
However, if the percentage ratio of the length of the vibration damping material to the length of the detection vibration piece exceeds 70%, the natural resonance frequency of the detection vibration mode is excessively lowered. More preferably.
[0027]
As a method for producing the metal film, a known method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, an electrolytic plating method, or an electroless plating method can be employed.
[0028]
In addition, by increasing the difference between the width of the drive vibration piece and the width of the detection vibration piece, the difference between the natural resonance frequency of the detection vibration piece and the natural resonance frequency of the drive vibration piece in the Z-axis direction is increased. The efficiency when the vibration mode propagates from the drive vibration piece to the detection vibration piece can be reduced. From this viewpoint, it is preferable that the percentage ratio of the difference between the width of the driving vibration piece and the width of the detection vibration piece to the width of the driving vibration piece is 20% or more.
[0029]
However, with this alone, the natural resonance frequency of the vibration of the detection vibration piece in a predetermined plane (in the XY plane) also greatly changes with respect to the natural resonance frequency of the drive vibration piece. For this reason, it is preferable to cancel the difference in the natural resonance frequency of the in-plane vibration due to the difference between the widths of the detection vibrating piece by changing the length of the detection vibrating piece with respect to the length of the driving vibrating piece.
[0030]
In a preferred embodiment, the drive vibration system includes an elongate support portion extending from the peripheral portion of the base portion, and at least one drive vibration piece extending from the support portion in a direction intersecting the support portion. The vibrating piece bends and vibrates in a predetermined plane around the root to the connecting portion, and the support portion bends and vibrates in a predetermined plane around the root to the base when the vibrator rotates in the predetermined plane.
[0031]
More preferably, the detection vibration system includes an elongated detection vibration piece extending from the connecting portion, and the detection vibration piece is centered on the base of the detection vibration piece at the base when the vibrator rotates in a predetermined plane. Bend and vibrate within a predetermined plane.
[0032]
In this embodiment, particularly preferably, when the vibrator rotates in a predetermined plane, the support portion of the drive vibration system and the detection vibration piece flexurally vibrate in the predetermined plane with the base to the base as a center, and support is also provided. The phase of the vibration of the part and the phase of the vibration of the detection vibrating piece (when viewed in the rotational direction around the center of gravity GO) are opposite to each other.
[0033]
Preferably, each drive vibration system is in a rotationally symmetric position about the center of gravity GO. For example, in FIG. 1, the drive vibration systems 2A and 2B are 180 ° apart from each other, and therefore, when an operation of rotating the drive vibration system 2A by 180 ° is performed, the drive vibration system 2A comes to the position of the drive vibration system 2B. This rotational symmetry is preferably 2-fold symmetry, 3-fold symmetry, and 4-fold symmetry.
[0034]
In a particularly preferred embodiment, the connecting portion has a rotationally symmetric shape with respect to the center of gravity of the vibrator within a predetermined plane. By using such a highly symmetrical connecting portion, it is possible to further suppress the generation of irregular vibration when external vibration is applied to the vibrator. This “rotation symmetry” has the same meaning as described above. The position of the base is preferably 3-6 times symmetrical, and more preferably 4 times symmetrical.
[0035]
The present invention will be described in more detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a plan view schematically showing a vibrating gyroscope including a vibrator 1 made of a piezoelectric single crystal. The connecting portion 6 has a four-fold symmetric square around the center of gravity GO of the vibrator. Two drive vibration systems 2A and 2B and detection vibration systems 3A and 3B project radially from the peripheral edge portion 6a of the connecting portion 6 and are separated from each other. The drive vibration systems 2A and 2B are two-fold symmetric about the center of gravity GO, and the detection vibration systems 3A and 3B are two-fold symmetric about the center of gravity GO. The vibrator extends in the XY plane and rotates like ω about the Z axis.
[0036]
The drive vibration systems 2A and 2B include support portions 5A and 5B protruding from the peripheral edge portion 6a of the connecting portion 6, and drive vibration pieces 4A and 4B extending in a direction orthogonal to the support portion from the tip 5b side of the support portions 5A and 5B. 4C, 4D. Each vibrating piece 4A-4D is provided with drive electrodes 13A, 13B, 13C, 13D, respectively. Each of the detection vibration systems 3A and 3B includes a long and thin circumferential detection vibration piece 16, and each of the vibration pieces 16 is provided with detection electrodes 14A, 14B, 14C, and 14D.
[0037]
As shown in FIG. 1 and FIGS. 2A and 2B, metal films are respectively formed on one main surface 10 and the other main surface 15 of the vibrator in the tip region of each drive vibrating piece 4A-4D. 20A and 20B are formed. The masses of the metal films 20A and 20B are substantially equal. In this example, the metal films 20A and 20B include two base layers 20a and 20b and a metal plating film 20c provided thereon. As the material of the base layer, a multilayer film of gold and chromium and a multilayer film of gold and titanium are preferable, and as the material of the metal plating film, gold is particularly preferable. The metal films 20A and 20B are connected to the tips of the drive electrodes 13A and 13D, respectively.
[0038]
Moreover, as shown in FIG. 3, the through-hole 21 can be formed in the front end side of a drive vibration piece, and the vibration damping material 20E and 20F can be formed in the inner wall face 21a of the through-hole 21, respectively. In this example, the metal films 20C and 20D are also formed on the side surfaces 25, respectively. When the metal film is thus formed on the side surface of the drive vibration piece and on the inner wall surface of the through hole, the mass of the metal film in the drive vibration piece is not unbalanced.
[0039]
In FIG. 4A, vibration damping materials 18 A are respectively formed on the main surfaces 10 and 15 in the tip region of the detection vibrating piece 16. In FIG. 4B, the vibration damping material 18 B is formed on each side surface 11, 12 of the tip region of the detection vibration piece 16. In FIG. 4C, vibration damping materials 18A and 18B are formed on the main surfaces 10 and 15 and the side surfaces 11 and 12 of the detection vibration piece, respectively.
[0040]
Further, as shown in FIG. 5, the through hole 22 can be formed on the tip end side of the detection vibrating piece, and the vibration damping material 18 D can be formed on the inner wall surface 22 a of the through hole 22. In this example, the vibration damping material 18 C is also formed on each of the side surfaces 11 and 12 of the detection vibrating piece 16. When the vibration damping material is formed on the side surface of the detection vibration piece and the inner wall surface of the through hole in this manner, the unnecessary vibration mode in the detection vibration piece is more effectively suppressed.
[0041]
6 shows the relative ratio of the amplitude of each point of the vibrator in the detection vibration mode to the maximum amplitude, and FIG. 7 shows the relative ratio of the amplitude of each point of the detection vibration piece in the detection vibration mode to the maximum amplitude. . This data was obtained by eigenmode analysis by the finite element method. The material of the vibrator is quartz.
[0042]
In FIGS. 6 and 7, regions having different colors indicate regions having ratios with different maximum vibration amplitude points. A region colored in a cool color has a small amplitude, and a region colored in a warm color has a large amplitude. In particular, in the detection vibrating piece, the root has a small amplitude, which is less than 1/10 of the maximum amplitude, but the amplitude increases as it approaches the tip. In the present invention, it is particularly preferable that the vibration damping material is formed in a region in which the ratio of the amplitude of each point to the maximum amplitude is 1/10 or more (that is, a region other than a region colored in dark blue) in the detected vibration piece. To do.
[0043]
【Example】
(Comparative example)
The vibrating gyroscope shown in FIGS. 1 and 2 was produced. However, no vibration damping material was provided. Further, in FIG. 2, the metal film 20 A is provided only on one main surface 10 of the driving vibration piece and is not provided on the other main surface 15.
[0044]
A chromium film having a thickness of 200 angstroms and a gold film having a thickness of 5000 angstroms were formed at predetermined positions on a wafer of a Z plate made of quartz having a thickness of 0.3 mm by sputtering. Resist was coated on both sides of the wafer.
[0045]
The underlayer 20a was a chromium film having a thickness of 200 angstroms provided by a sputtering method, and the underlayer 20b was a gold film having a thickness of 5000 angstroms provided by a sputtering method. Next, a 5 μm thick resist film was coated, this resist film was patterned by a photolithography method, and a gold plating film 20c was formed by an electrolytic plating method.
[0046]
This wafer is immersed in an aqueous solution of iodine and potassium iodide, and the excess gold film is removed by etching. Further, the wafer is immersed in an aqueous solution of cerium ammonium nitrate and perchloric acid, and the excess chromium film is etched. Removed. The wafer was immersed in ammonium bifluoride at a temperature of 80 ° C. for 20 hours, and the wafer was etched to form the outer shape of the vibrator. An aluminum film having a thickness of 2000 angstroms was formed as an electrode film using a metal mask.
[0047]
The dimensions of the connecting portion 6 of the obtained vibrator are 6.0 mm × 6.0 mm, the dimensions of each detection vibrating piece 16 are width 1.0 mm × length 6.0 mm, and the dimensions of the drive vibrating piece are The width was 1.0 mm and the length was 6.0 mm. The metal film 20A was provided at a position of 5.60-5.95 mm from the tip of the driving vibration piece.
[0048]
A 0.75 mm × 0.75 mm square support hole 7 is formed in the center of the vibrator, and a metal pin with a diameter of 0.6 mm is passed through the hole, and the vibrator is bonded to the metal pin with a silicone resin adhesive. did.
[0049]
Then, the vibration type gyroscope obtained in this way is attached to the rotary table, and when stationary, the lock-in amplifier is used to obtain only the intensity (0 point signal) of the component synchronized with the drive signal out of the signal extracted from the detection electrode. It was measured. And when the displacement (0 point temperature drift) of the 0 point signal in -40 degreeC- + 85 degreeC was measured, it was 2 degrees / s.
[0050]
(Example)
A vibrating gyroscope was manufactured in the same manner as the comparative example. However, as shown in FIG. 2, metal films 20A and 20B were formed on one main surface 10 and the other main surface 15 of the drive vibration piece, respectively. Further, as shown in FIG. 4A, the vibration damping material 18 A is formed on one main surface 10 and the other main surface 15 of the detection vibration piece 16. The position of the vibration damping material was 0.5 to 1.0 mm from the tip surface 16 b of the detection vibrating piece 16. At this time, using a dispenser, a silicone resin adhesive (one-component dealcohol-free silicone resin, room temperature curing type, dynamic elastic modulus 5 × 10 ⁶ Pa, dynamic loss 5 × 10 ⁵ Pa) was potted. And cured at room temperature.
[0051]
With respect to the vibration type gyroscope thus obtained, the displacement of the zero point signal (zero point temperature drift) at −40 ° C .− + 85 ° C. was measured and found to be 0.5 ° / s.
[0052]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, fluctuations in the output of the vibration gyroscope during non-rotation in the temperature range of −40 ° C .− + 85 ° C. (zero point temperature drift) can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view schematically showing a vibrating gyroscope to which the present invention is applied.
2A is a view of the drive vibration piece 4A-4D as viewed from one main surface side, and FIG. 2B is a view of the drive vibration piece as viewed from the side surface side.
3 is a perspective view showing a state in which a through hole 21 is formed in a driving vibration piece, and metal films 20C-20F are formed on an inner wall surface 21a and a side surface 25 of the through hole. FIG.
FIGS. 4A, 4B, and 4C are views showing a detection vibrating piece and a vibration damping material formed thereon, respectively.
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which a through hole 22 is formed in a detection vibration piece, and vibration damping members 18C and 18D are formed on the inner wall surface 22a and the side surfaces 11 and 12 of the through hole.
FIG. 6 is a diagram illustrating a ratio of the amplitude of each point of the vibrator to the maximum amplitude in the detection vibration mode.
FIG. 7 is a diagram showing the ratio of the amplitude of each point of the detection vibrating piece to the maximum amplitude in the detection vibration mode.
FIG. 8 is a perspective view of a vibrator 1;
FIG. 9 is a perspective view showing a protrusion 24 generated on a side surface of a base region of a detection vibrating piece.
10 is a perspective view of the vibrator 1 viewed from a direction different from that in FIG. 8. FIG.
FIG. 11 is a perspective view showing a protrusion 30 that is elongated on the side surface of a detection vibrating piece.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibrator 2A, 2B Drive vibration system 3A, 3B detection vibration system 4A, 4B, 4C, 4D Drive vibration piece 5A, 5B support part 6 Connection part 10 One main surface 11, 12 Side surface of detection vibration piece 13A , 13B Drive electrode 14A, 14B, 14C, 14D Detection electrode 15 Other main surface 16 Detection vibration piece 18A, 18B, 18C, 18D Vibration damping material 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F Metal film 21 For drive vibration piece The formed through hole 21 The bottom wall surface 22 of the through hole 21 The through hole 22a formed in the detection vibrating piece 22a The inner wall surface 25 of the through hole 22 Side surface of the drive vibrating piece

Claims

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、
圧電単結晶からなる振動子を含み、
前記振動子は、回転中心となる重心を含む連結部、該連結部の周縁部から、四方に向かって放射状に２つの駆動振動系と検出振動系とが突出していると共に各振動系は互いに分離されており、前記駆動振動系は更に第１、第２の駆動振動系を備えてこれらが重心を中心として互いに対称であり、前記検出振動系は更に第１、第２の検出振動系を備えてこれらが重心を中心として互いに対称である構造を含み、
前記振動子に駆動振動モードを励振するための駆動振動片が、前記２つの駆動振動系を含んで構成されており、
前記振動子にコリオリ力によって生じた検出振動モードを検出するための、前記駆動振動片と分離された検出振動片が、前記２つの検出振動系を含んで構成されており、
さらに、前記駆動振動片のＱ値を調節するための金属膜、および前記検出振動片に設けられている、前記金属膜に起因して前記検出振動片に生ずる不要振動モードを低減する為の高分子材料製の振動減衰材を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。A vibratory gyroscope for detecting the rotational angular velocity of rotation applied to a vibrator,
Including a vibrator made of a piezoelectric single crystal,
The vibrator includes a connecting portion including a center of gravity as a center of rotation, and two drive vibration systems and detection vibration systems project radially from the peripheral portion of the connecting portion, and the vibration systems are separated from each other. The drive vibration system further includes first and second drive vibration systems that are symmetrical with respect to the center of gravity, and the detection vibration system further includes first and second detection vibration systems. These include structures that are symmetrical about each other about the center of gravity,
A drive vibration piece for exciting a drive vibration mode in the vibrator includes the two drive vibration systems,
A detection vibration piece separated from the drive vibration piece for detecting a detection vibration mode generated by the Coriolis force in the vibrator is configured to include the two detection vibration systems,
Furthermore, a metal film for adjusting the Q value of the drive vibration piece, and a high frequency for reducing an unnecessary vibration mode generated in the detection vibration piece due to the metal film provided in the detection vibration piece. A vibratory gyroscope characterized by comprising a vibration damping material made of molecular material.

前記振動減衰材が、前記検出振動モードにおける前記振動子中での最大振幅に対する各点の相対比率が０．１以上の領域内に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。2. The vibration according to claim 1, wherein the vibration damping material is provided in a region where a relative ratio of each point to a maximum amplitude in the vibrator in the detection vibration mode is 0.1 or more. Type gyroscope.

前記振動子が所定平面内に延びており、前記振動子がこの所定平面方向の一対の主面と、前記所定平面に垂直な側面とを有しており、前記駆動振動モードおよび前記検出振動モードが前記所定平面内の振動モードであり、前記不要振動モードが前記所定平面に対して直交する方向の振動モードを含むことを特徴とする、請求項１または２記載の振動型ジャイロスコープ。The vibrator extends in a predetermined plane, and the vibrator has a pair of main surfaces in the predetermined plane direction and side surfaces perpendicular to the predetermined plane, and the drive vibration mode and the detection vibration mode 3. The vibration gyroscope according to claim 1, wherein the vibration mode is in a predetermined plane, and the unnecessary vibration mode includes a vibration mode in a direction orthogonal to the predetermined plane.

前記検出振動片の一対の前記主面上にそれぞれ前記振動減衰材が付着していることを特徴とする、請求項３記載の振動型ジャイロスコープ。4. The vibration gyroscope according to claim 3, wherein the vibration damping material is attached to each of the pair of main surfaces of the detection vibration piece.

前記検出振動片の前記側面上に前記振動減衰材が付着していることを特徴とする、請求項３または４記載の振動型ジャイロスコープ。5. The vibration type gyroscope according to claim 3, wherein the vibration damping material is attached on the side surface of the detection vibration piece.

前記検出振動片に凹部または貫通孔が形成されており、この凹部または貫通孔の内壁面上に前記振動減衰材が付着していることを特徴とする、請求項３−５のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The recess or the through hole is formed in the detection vibration piece, and the vibration damping material is attached on the inner wall surface of the recess or the through hole. The vibratory gyroscope according to claim.

前記振動子が前記所定平面内にａ軸を有する単結晶であることを特徴とする、請求項３−６のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The vibrating gyroscope according to any one of claims 3 to 6, wherein the vibrator is a single crystal having an a-axis in the predetermined plane.

前記駆動振動モードにおいて前記駆動振動片がその付け根を中心として屈曲振動し、前記検出振動モードにおいて前記検出振動片がその付け根を中心として屈曲振動することを特徴とする、請求項３−７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。8. The drive vibration mode according to claim 3, wherein the drive vibration piece performs flexural vibration about its root in the drive vibration mode, and the detection vibration piece performs flexural vibration about the root in the detection vibration mode. The vibratory gyroscope according to claim 1.

前記駆動振動片の側面上に前記金属膜が形成されていることを特徴とする、請求項３−８のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The vibrating gyroscope according to claim 3, wherein the metal film is formed on a side surface of the drive vibrating piece.

前記駆動振動片に凹部または貫通孔が形成されており、この凹部または貫通孔の内壁面上に前記金属膜が付着していることを特徴とする、請求項３−９のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The drive vibration piece has a recess or a through hole, and the metal film adheres to an inner wall surface of the recess or the through hole. The vibratory gyroscope described in the paragraph.

前記駆動振動片の幅と前記検出振動片の幅との差の前記駆動振動片の幅に対する百分率比が２０％以上であることを特徴とする、請求項１−１０のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The percentage ratio of the difference between the width of the driving vibration piece and the width of the detection vibration piece to the width of the driving vibration piece is 20% or more, and the method according to any one of claims 1-10. The vibratory gyroscope described in 1.

前記振動減衰材が、−４０℃−＋８５℃の温度範囲における動的粘弾性の変化率が３倍以内である粘弾性体からなることを特徴とする、請求項１−１１のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The vibration damping material is made of a viscoelastic body having a dynamic viscoelasticity change rate within 3 times in a temperature range of -40 ° C-+ 85 ° C. The vibratory gyroscope according to claim.