JPH1164000A

JPH1164000A - 音叉型振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH1164000A
Application number: JP9226752A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yanai; 雅紀谷内; Hiroshi Ishikawa; 寛石川; Yoshio Sato; 良夫佐藤; Kazuji Kikuchi; 一二菊池
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 1999-03-05
Anticipated expiration: 2017-08-22
Also published as: US5996410A; DE19806602A1; US6327908B1; JP3336451B2; DE19806602B4

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比が高い音叉型圧電振動ジャイロを提
供する。【解決手段】アームの内側と外側、アームの表面と裏
面において、駆動電極及び／または検出電極を非対称に
形成して、不正振動と漏れ出力とを少なくする。一方の
アーム２の表裏面の内側に設ける駆動電極11を、その表
裏面の外側に設ける駆動電極13より小さく形成する。他
方のアーム３の外側側面に設ける検出電極24の長さを短
く形成する。アーム２の表裏面に設ける駆動電極11，13
を、アーム２とベース４との境界位置からベース４側に
延在させ、アーム３の表裏面に設ける検出電極21を、ア
ーム３とベース４との境界位置からベース４側に延在さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転角速度を検出
するジャイロに関し、特に、圧電体を利用した音叉型振
動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】ジャイロスコープは、航空機，大型船
舶，宇宙衛星等の移動体の位置を確認するための手段と
して使用されており、最近では、民生用の分野でカーナ
ビゲーション，ＶＴＲ，スチルカメラ等の機器の手振れ
の検出用としても利用されている。

【０００３】このようなジャイロスコープの中で、圧電
体を使った振動ジャイロが実用化されている。圧電振動
ジャイロは、所定振動している物体に回転角速度が加わ
ると、その振動と直角の方向にコリオリ力が生じる原理
を利用している。このような圧電振動ジャイロとして種
々のタイプのものが提案されているが、特に最近では、
ＬｉＴａＯ₃，ＬｉＮｂＯ₃等の圧電単結晶を利用した
音叉型振動ジャイロの研究開発が盛んに行われている。

【０００４】音叉型振動ジャイロは、圧電単結晶で一体
的に形成されている、２つのアームと両アームを支持す
るベースとを有し、音叉振動を駆動する駆動電極と回転
角速度を検出する検出電極とをアームに設けた構成をな
す。なお、この音叉型振動ジャイロは、駆動電極及び検
出電極の設置パターンに応じて、次のような２つのタイ
プに分けられる。１つのタイプは、一方のアームに駆動
電極を設け、他方のアームに検出電極を設けたタイプ
（以下、このタイプを非対称タイプという）である。ま
た、他のタイプは、各々のアームに駆動電極及び検出電
極を設け、両アームにおける電極設置が対称であるタイ
プ（以下、このタイプを対称タイプという）である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この音叉型振動ジャイ
ロは、コマ・ジャイロ，光ジャイロ等の他のジャイロと
比較して、小型，軽量で低コストである点で有利である
が、測定精度は他のジャイロより劣っている。従って、
音叉型振動ジャイロにおける測定精度の向上、つまり、
Ｓ／Ｎ比の向上が望まれている。

【０００６】上述した非対称タイプの音叉型振動ジャイ
ロでは、駆動電極，検出電極が夫々別々のアームに設け
られているので、不正振動が発生してそれに起因する雑
音としての電位差を検出する。また、駆動電極を設けた
アームと検出電極を設けたアームとの機械的結合，静電
結合に起因する不要な出力（漏れ出力）も問題である。
一方、上述した対称タイプの音叉型振動ジャイロでは、
このような不正振動は相殺でき、漏れ出力も小さいが、
容量比が高くて検出感度が小さいという問題がある。

【０００７】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、従来例と比較してＳ／Ｎ比の向上を図ることが
できる音叉型振動ジャイロを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る音叉型振
動ジャイロは、第１のアーム及び第２のアームと、これ
らを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアーム
及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生させ
る駆動電極が前記第１のアームに設けられ、コリオリ力
により発生する起電力を検出する２組の検出電極が前記
第２のアームに設けられている音叉型振動ジャイロにお
いて、少なくとも１組の前記検出電極の形状が非対称で
あることを特徴とする。

【０００９】請求項２に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項１において、前記検出電極は、前記第２のアームの
外側側面に設けられた第１電極と、該第１電極と組をな
し、前記第２のアームの内側側面に設けられた第２電極
とを有し、前記第２電極の長さが前記第１電極の長さよ
りも短いことを特徴とする。

【００１０】請求項３に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項２において、前記第２のアームの幅をＷとし、前記
第１電極と前記第２電極との長さの差をｘとした場合
に、０＜ｘ／Ｗ＜２を満たすことを特徴とする。

【００１１】請求項４に係る音叉型振動ジャイロは、第
１のアーム及び第２のアームと、これらを支持するベー
スとを有し、前記第１，第２のアーム及びベースは圧電
性結晶からなり、音叉振動を発生させる駆動電極が前記
第１のアームに設けられ、コリオリ力により発生する起
電力を検出する２組の検出電極が前記第２のアームに設
けられている音叉型振動ジャイロにおいて、前記検出電
極は、前記第２のアームの表面に設けられた第３電極
と、該第３電極と組をなし、前記第２のアームの裏面に
設けられた第４電極とを有し、前記第３電極及び前記第
４電極が前記第２のアームの幅方向にオフセットされて
いることを特徴とする。

【００１２】請求項５に係る音叉型振動ジャイロは、第
１のアーム及び第２のアームと、これらを支持するベー
スとを有し、前記第１，第２のアーム及びベースは圧電
性結晶からなり、音叉振動を発生させる駆動電極が前記
第１のアームに設けられ、コリオリ力により発生する起
電力を検出する２組の検出電極が前記第２のアームに設
けられている音叉型振動ジャイロにおいて、前記検出電
極は、前記第２のアームの表面に設けられた第３電極
と、該第３電極と組をなし、前記第２のアームの裏面に
設けられた第４電極とを有し、前記第３電極及び前記第
４電極は、前記アームの外側から内側にかけて傾斜する
形状を有することを特徴とする。

【００１３】請求項６に係る音叉型振動ジャイロは、第
１のアーム及び第２のアームと、これらを支持するベー
スとを有し、前記第１，第２のアーム及びベースは圧電
性結晶からなり、音叉振動を発生させる２組の駆動電極
が前記第１のアームに設けられ、コリオリ力により発生
する起電力を検出する検出電極が前記第２のアームに設
けられている音叉型振動ジャイロにおいて、前記駆動電
極は、前記第１のアームの表面の内側に設けられた第１
電極と、該第１電極と組をなし、前記第１のアームの裏
面の内側に設けられた第２電極と、前記第１のアームの
表面の外側に設けられた第３電極と、該第３電極と組を
なし、前記第１のアームの裏面の外側に設けられた第４
電極とを有し、前記第１電極及び第２電極の形状と、前
記第３電極及び第４電極の形状とが非対称であることを
特徴とする。

【００１４】請求項７に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項６において、前記第１〜第４電極は、前記第１のア
ームの幅方向の中心線を越えないように設けられ、前記
第３電極及び第４電極が前記第１電極及び第２電極より
大きいことを特徴とする。

【００１５】請求項８に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項７において、前記第３電極及び第４電極が前記第１
電極及び第２電極より長いことを特徴とする。

【００１６】請求項９に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項７において、前記第３電極及び第４電極が前記第１
電極及び第２電極より幅が広いことを特徴とする。

【００１７】請求項10に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項６〜９の何れかにおいて、前記第１電極の形状と前
記第２電極の形状とが異なっていることを特徴とする。

【００１８】請求項11に係る音叉型振動ジャイロは、第
１のアーム及び第２のアームと、これらを支持するベー
スとを有し、前記第１，第２のアーム及びベースは圧電
性結晶からなり、音叉振動を発生させる駆動電極が前記
第１のアームに設けられ、コリオリ力により発生する起
電力を検出する検出電極が前記第２のアームに設けられ
ている音叉型振動ジャイロにおいて、前記駆動電極の長
さが前記第１のアームの長さより長く、前記駆動電極が
前記ベースまで延在していることを特徴とする。

【００１９】請求項12に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項11において、前記第１のアームの幅をＷとし、前記
駆動電極の前記ベースにわたって延在する長さをｆとし
た場合に、０＜ｆ／Ｗ＜２を満たすことを特徴とする。

【００２０】請求項13に係る音叉型振動ジャイロは、第
１のアーム及び第２のアームと、これらを支持するベー
スとを有し、前記第１，第２のアーム及びベースは圧電
性結晶からなり、音叉振動を発生させる駆動電極が前記
第１のアームに設けられ、コリオリ力により発生する起
電力を検出する検出電極が前記第２のアームに設けられ
ている音叉型振動ジャイロにおいて、前記検出電極の長
さが前記第２のアームの長さより長く、前記検出電極が
前記ベースまで延在していることを特徴とする。

【００２１】請求項14に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項13において、前記第２のアームの幅をＷとし、前記
検出電極の前記ベースにわたって延在する長さをｇとし
た場合に、０＜ｇ／Ｗ＜２を満たすことを特徴とする。

【００２２】請求項15に係る音叉型振動ジャイロは、第
１のアーム及び第２のアームと、これらを支持するベー
スとを有し、前記第１，第２のアーム及びベースは圧電
性結晶からなり、音叉振動を発生させる駆動電極とコリ
オリ力により発生する起電力を検出する検出電極とが、
前記第１のアーム及び第２のアームに設けられている音
叉型振動ジャイロにおいて、前記駆動電極の長さが前記
第１及び第２のアームの長さより長く、前記駆動電極が
前記ベースまで延在していることを特徴とする。

【００２３】請求項16に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項15において、前記第１及び第２のアームの幅をＷと
し、前記駆動電極の前記ベースにわたって延在する長さ
をｈとした場合に、０＜ｈ／Ｗ＜２を満たすことを特徴
とする。

【００２４】請求項17に係る音叉型振動ジャイロは、第
１のアーム及び第２のアームと、これらを支持するベー
スとを有し、前記第１，第２のアーム及びベースは圧電
性結晶からなり、音叉振動を発生させる駆動電極とコリ
オリ力により発生する起電力を検出する検出電極とが、
前記第１のアーム及び第２のアームに設けられている音
叉型振動ジャイロにおいて、前記検出電極の長さが前記
第１及び第２のアームの長さより長く、前記検出電極が
前記ベースまで延在していることを特徴とする。

【００２５】請求項18に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項17において、前記第１及び第２のアームの幅をＷと
し、前記検出電極の前記ベースにわたって延在する長さ
をｈとした場合に、０＜ｈ／Ｗ＜２を満たすことを特徴
とする。

【００２６】請求項19に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項15または16において、前記駆動電極は前記第１のア
ーム及び第２のアームの幅方向の中心線を越えないよう
に設けられていることを特徴とする。

【００２７】請求項20に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項15，16または19において、前記第１及び第２のアー
ムの幅をＷとし、前記第１及び第２のアームと前記ベー
スとの境界位置からの前記駆動電極の長さをｍとした場
合に、ｍ／Ｗ＞２を満たすことを特徴とする。

【００２８】請求項21に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項17または18において、前記検出電極の幅は、前記第
１及び第２のアームの幅の１／４倍以上であることを特
徴とする。

【００２９】請求項22に係る音叉型振動ジャイロは、請
求項17，18または21において、前記第１及び第２のアー
ムの幅をＷとし、前記第１及び第２のアームと前記ベー
スとの境界位置からの前記検出電極の長さをｒとした場
合に、ｒ／Ｗ＞２を満たすことを特徴とする。

【００３０】本発明の非対称タイプの音叉型振動ジャイ
ロでは、検出電極の形状を、アームの表裏面と側面とに
おいて、非対称にして、駆動振動時に、検出電極に発生
する電荷量を互いに相殺して、漏れ出力を抑える。ま
た、駆動電極の形状を、アームの内側と外側、アームの
表面と裏面とにおいて、非対称にして、不正振動の発生
を抑制する。以上のような非対称な形状の検出電極及び
／または駆動電極を採用することにより、雑音信号（Ｎ
成分）を減少させる。更に、駆動電極及び／または検出
電極をベース側に延ばすことにより、駆動電極の駆動効
率及び／または検出電極の検出効率を大きくして、検出
信号（Ｓ成分）を増加させる。

【００３１】本発明の対称タイプの音叉型振動ジャイロ
では、雑音信号（Ｎ成分）は元来少ないので、駆動電極
及び／または検出電極をベース側に延ばすことにより、
駆動電極の駆動効率及び／または検出電極の検出効率を
大きくして、検出信号（Ｓ成分）を増加させる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面を参照して具体的に説明する。

【００３３】〔非対称タイプの音叉型振動ジャイロ〕ま
ず、非対称タイプの音叉型振動ジャイロにおける一般的
な構成及び検出原理について図１〜図４を用いて説明す
る。図１は音叉型振動体の振動を示す図、図２，図３は
電極構成を示す図、図４は具体的な電極パターンを示す
図である。

【００３４】音叉型振動体１は、底面が正方形である直
方体状をなす２つのアーム２，３と、両アーム２，３を
支持する直方体状のベース４とを有する。これらのアー
ム２，３及びベース４は、圧電単結晶で一体的に形成さ
れている。図１（ａ），（ｂ）に示すように、音叉型振
動体１には、ｆｙモード振動（面垂直振動）及びｆｘモ
ード振動（面内振動）の２種類の振動がある。非対称タ
イプの音叉型振動ジャイロでは、ｆｘモード振動（駆動
振動モード）により音叉型振動体１を駆動し、ｆｙモー
ド振動（検出振動モード）により検出を行うことによ
り、コリオリ力による出力を検出する構成としている。

【００３５】図２は、ｆｘモード振動（図２（ａ））を
駆動する電極を説明するための図である。ｆｘモード振
動はたわみ振動が基本となる。図２（ｂ）に示すよう
に、一方のアーム２をｆｘモード振動方向に直交する方
向に縦に２分割し、一方が伸びる場合には他方が縮むよ
うにアーム２に電圧を印加する。この場合の電極構成は
図２（ｃ）に示すようであり、アーム２に駆動電極11，
12，13，14を設ける。図中の２つの矢印は、対応する電
極に駆動電圧を印加することで生じる電界の向きを示
す。

【００３６】図３は、ｆｙモード振動（図３（ａ））を
検出する電極を説明するための図である。ｆｙモード振
動もｆｘモード振動と同様にたわみ振動が基本となる。
図３（ｂ）に示すように、他方のアーム３をｆｙモード
振動方向に直交する方向に縦に２分割すると、一方が伸
びる場合には他方が縮んでいる。従って、このアーム３
に対して図３（ｃ）に示すように駆動電極21，22，23，
24を設けることにより、ｆｙモード振動に対する電圧を
検出できる。

【００３７】以上のような原理により、非対称タイプの
音叉型振動ジャイロの一般的な構成は、図４のようにな
る。本発明の音叉型振動ジャイロである音叉型振動体１
は、ＬｉＴａＯ₃で一体的に構成した両アーム２，３及
びベース４を有する。一方のアーム２の表裏面には、上
記ｆｘモード振動を駆動する内外２組の駆動電極11，1
2、13，14（駆動電極11，12にて内側の１組の電極を構
成、駆動電極13，14にて外側の１組の電極を構成）が設
けられている。また、他方のアーム３の表面，裏面，内
側側面，外側側面には、上記ｆｙモード振動を検出する
検出電極21, 22,23, 24が設けられている。検出電極21,
22は電気的に短絡され、検出電極23, 24は電気的に短
絡されている（図３（ｃ）参照）。

【００３８】図５は、図６（ａ）に示すような結晶方位
を有する音叉型振動体１に対して、駆動振動により発生
する電荷成分を有限要素法により解析した結果を示すグ
ラフである。図６（ａ）に示すように、音叉型振動体１
は、Ｘ軸を回転軸とするＬｉＴａＯ₃単結晶の40°回転
Ｚ板（130 °回転Ｙ板）であって、アーム２，３がＹ′
方向に伸びている素子である。なお、ＬｉＴａＯ₃単結
晶は40°回転Ｚ板に限らず、40°±20°回転Ｚ板を使用
しても良い。なお、アーム２，３における表面とは、分
極軸方向が＋方向になっている面を指し、裏面は−方向
になっている面を指す。

【００３９】また、図６（ｂ）に示すように、アーム
２，３の幅をＷ（１mm程度）とし、アーム２，３の長さ
をＬ（７mm程度）とする。図５では、駆動振動時におけ
る各駆動電極11，12，13，14での電荷分布を示してお
り、横軸はアーム２，３とベース４との境界位置を基点
とした距離、縦軸は電荷（相対値）を表す。

【００４０】図５の結果から、一方のアーム２にのみ駆
動電極を設置する構成では、アーム２の内側と外側、及
び、表面と裏面で発生する電荷成分が異なることが分か
る。従ってこのような場合には、他方のアーム３の４面
に同一形状の検出電極を設置すると、駆動振動の電荷成
分も検出してしまうことになり、誤差が大きくなると考
えられる。そこで、検出電極を内側と外側とで非対称の
形状とすることにより、不要な電荷成分は相殺できる。
このような例について、以下の第１実施の形態で説明す
る。

【００４１】（第１実施の形態）図７は、第１実施の形
態を示す斜視図である。アーム３の外側側面に設ける検
出電極24のみが他の３個の検出電極よりも、ベース４側
においてｘだけ短くなっている。図８は、その外側の検
出電極24の長さを変化させた場合の漏れ電圧の変化を示
すグラフであり、横軸は短縮長さ（アーム３とベース４
との境界位置からの検出電極24の欠損長ｘのアーム３の
幅Ｗに対する割合ｘ／Ｗ）を表し、縦軸は駆動時に発生
する漏れ電圧（Ｖ）を表している。検出電極24の長さを
変化させる（０＜ｘ／Ｗ＜２）ことにより漏れ電圧のレ
ベルが変化し、ｘ／Ｗ＝0.5 となるｘだけ検出電極24を
短くした場合に漏れ電圧が最小となる。よって、このよ
うにアーム３の外側側面に設ける検出電極24の長さを、
その内側側面に設ける検出電極23（図７では図示せず）
より短くすることにより、漏れ電圧を抑制することが可
能となる。

【００４２】（第２実施の形態）次に、アーム３の内側
側面，外側側面に設ける検出電極23，24は固定してお
き、アーム３の表面，裏面に設ける検出電極21，22の形
成パターンにて、漏れ電圧を低下させる例を、第２実施
の形態として説明する。このような場合には、アーム３
の外側の余分な電荷の影響を避けるために、表面，裏面
に形成する検出電極21，22に幅方向の重み付けを施し
て、漏れ電圧成分を低減する。

【００４３】図９はこの第２実施の形態の一例を示して
いる。図９（ａ）の例では、アーム３の表面，裏面に形
成する検出電極21，22をオフセットさせる（内側側面か
らの距離をｙ、外側側面からの距離をｚとした場合、ｙ
＜ｚにオフセット）。図９（ｂ）の例では、アーム３の
表面，裏面に形成する検出電極21，22の形状を、外側か
ら内側にかけて傾斜するような形状とする。

【００４４】次に、アーム２の表面，裏面の内側及び外
側に設ける４個の駆動電極の形状を非対称に形成して、
具体的には、内側の駆動電極の大きさを外側の駆動電極
の大きさより小さくして、不正振動を小さく抑えるよう
にした例を、以下の第３実施の形態，第４実施の形態し
て説明する。

【００４５】（第３実施の形態）図10は、第３実施の形
態を示す平面図である。アーム２の内側に設ける駆動電
極の幅をその外側に設ける駆動電極の幅よりも狭くし
て、不正振動成分を小さくする。具体的には、アーム２
の表面の内側に設ける駆動電極11の幅をａ、裏面の内側
に設ける駆動電極12の幅をｂ、表面の外側に設ける駆動
電極13の幅をｃ、裏面の外側に設ける駆動電極14の幅を
ｄとした場合、ａ＜ｃ，ｂ＜ｄとする。

【００４６】図11は、内側の駆動電極と外側の駆動電極
との非対称性の変化に対する不正振動の変化を示すグラ
フであり、横軸は駆動電極の非対称性としてアーム２の
幅Ｗに対するａとｃとの差の割合（（ａ−ｃ）／Ｗ）を
表し、縦軸は不正振動結合値（＝面垂直振動伝達特性）
を表している。また、図11では、アーム２の表面，裏面
の内側に設ける駆動電極11，12の幅ａ，ｂについての３
種の大小関係に関する特性変化を示している。図11の結
果から分かるように、アーム２の表面，裏面の内側の駆
動電極11，12の幅を異ならせることにより、更に不正振
動成分を小さくすることが可能である。

【００４７】（第４実施の形態）図12は、第４実施の形
態を示す斜視図である。アーム２の内側に設ける駆動電
極の長さをその外側に設ける駆動電極の長さよりも短く
して、不正振動成分を小さくする。具体的には、外側の
駆動電極13, 14はアーム２の全長にわたって形成する
が、内側の駆動電極11，12は、アーム２とベース４との
境界位置からアーム２の中途まで（長さｅ）しか形成し
ていない。

【００４８】図13は、内側の駆動電極の長さの変化に対
する不正振動の変化を示すグラフであり、横軸は内側の
駆動電極の長さをアーム２の幅Ｗに対する内側の駆動電
極の長さｅの割合（ｅ／Ｗ）で表し、縦軸は不正振動結
合値（＝面垂直振動伝達特性）を表している。なお、内
側及び外側の駆動電極の幅は同一であるとしている。内
側の駆動電極の長さを短くすることによって、不正振動
成分を抑えられることが図13から分かる。

【００４９】（第５実施の形態）図14は、以上のような
第１，第４実施の形態（非対称の駆動電極構造及び検出
電極構造）を鑑みた非対称タイプの音叉型振動ジャイロ
の構成図である。アーム２の表面及び裏面の内側に設け
る駆動電極11, 12を、その表面及び裏面の外側に設ける
駆動電極13, 14に比べて小さく形成し、アーム３の外側
側面に設ける検出電極24をｘ／Ｗが0.5 になるようにｘ
だけ短く形成している。このような電極構成を採用する
ことにより、駆動振動モード系，検出振動モード系間の
不正な結合の影響を削減することが可能となる。

【００５０】ところで、前記図５に示すように、アーム
２，３とベース４との境界部分に電荷成分は集中してい
る。従って、この部分に電極を形成すれば、効率が高
い、即ち容量比が小さい音叉型振動体１を構成すること
ができる。このような例として、第６実施の形態，第７
実施の形態を以下に説明する。

【００５１】（第６実施の形態）図15は、第６実施の形
態を示す斜視図である。駆動電極をアームより長くして
ベースの一部まで延在させて、駆動電極の駆動効率が高
く、即ち容量比が小さくなるようにしている。具体的に
は、アーム２に設ける４個の駆動電極11，12，13, 14
を、アーム２の全長域からベース４の一部にまでわたっ
て（ベース４へ延在させた長さｆ）形成している。

【００５２】図16は、アーム２とベース４との境界位置
からの駆動電極11，12，13, 14の延在長さの変化に対す
る容量比の変化を示すグラフであり、横軸はその境界位
置からの駆動電極11，12，13, 14の長さをアーム２の幅
Ｗに対するその延在させた長さｆの割合（ｆ／Ｗ）で表
し、縦軸は駆動電極の容量比（Ｃｐ／Ｃｓ）を表してい
る。ｆ／Ｗの値が、０〜２の範囲内において、低い容量
比となっており、ｆ／Ｗの値が0.5 程度である場合に最
も小さい容量比が得られる。

【００５３】（第７実施の形態）図17は、第７実施の形
態を示す斜視図である。検出電極をアームより長くして
ベースの一部まで延在させて、検出電極の検出効率が高
く、即ち容量比が小さくなるようにしている。具体的に
は、アーム３の表面及び裏面に設けた２個の検出電極2
1，22をアーム３の全長からベース４の一部にまでわた
って（ベース４へ延在させた長さｇ）形成している。な
お、４個の駆動電極11，12，13, 14も、第６実施の形態
と同様に、アーム２の全長からｆだけベース４に延在さ
せている。

【００５４】図18は、アーム３とベース４との境界位置
からの検出電極21，22の延在長さの変化に対する容量比
の変化を示すグラフであり、横軸はその境界位置からの
検出電極の距離をアーム３の幅Ｗに対するその延在させ
た長さｇの割合（ｇ／Ｗ）で表し、縦軸は検出電極の容
量比（Ｃｐ／Ｃｓ）を表している。ｇ／Ｗの値が、０〜
２の範囲内において、低い容量比となっており、ｇ／Ｗ
の値が0.5 程度である場合に最も小さい容量比が得られ
る。

【００５５】（第８実施の形態）図19は、以上のような
第１，第２，第６，第７実施の形態（非対称の駆動電極
構造及び検出電極構造）を鑑みた非対称タイプの音叉型
振動ジャイロの構成図である。アーム２の内側に設ける
駆動電極11, 12を外側の駆動電極13, 14に比べて小さく
形成し、アーム３の外側側面に設ける検出電極24をｘ／
Ｗが0.5 になるようにｘだけ短く形成し、アーム２に設
ける各駆動電極11, 12，13, 14をｆ／Ｗが0.5 になるよ
うに距離ｆだけベース４側に延在させ、アーム３の表面
及び裏面に設ける検出電極21, 22をｇ／Ｗが0.5 になる
ように距離ｇだけベース４側に延在させている。このよ
うにすることにより、駆動振動モード系，検出振動モー
ド系間の不正な結合の影響を削減することが可能とな
る。

【００５６】〔対称タイプの音叉型振動ジャイロ〕次
に、対称タイプの音叉型振動ジャイロにおける一般的な
構成及び検出原理について図20〜図22を用いて説明す
る。図20，図21は電極構成を示す図、図22は具体的な電
極パターンを示す図である。

【００５７】対称タイプの音叉型振動体１も、非対称タ
イプのものと同様に、底面が正方形である直方体状をな
す２つのアーム２，３と、両アーム２，３を支持する直
方体状のベース４とを有する。これらのアーム２，３及
びベース４は、圧電単結晶で一体的に形成されており、
ｆｘモード振動により音叉型振動体１を駆動し、ｆｙモ
ード振動により検出を行うことにより、コリオリ力によ
る出力を検出する構成としている。但し、駆動電極及び
検出電極の設置パターンが、非対称タイプのものとは異
なっている。

【００５８】図20は、ｆｘモード振動を駆動する電極を
説明するための図である。図20（ａ）に示すアーム２，
３の表面及び裏面の内側部分に、図20（ｂ）に示すよう
に、駆動電極31，32，33，34を設け、駆動電極31，32間
及び駆動電極33，34間に電圧を印加すると、図20（ｂ）
の矢符のように電界が発生し、図20（ａ）の矢符のよう
に圧電効果によりアーム２，３の外側部分が伸縮運動す
る。この伸縮運動により、アーム２，３にｆｘモード振
動を励振できる。

【００５９】このｆｘモード振動の振動軸に回転運動が
生じると、振動方向と垂直な方向にコリオリ力が発生す
る。そこで、図21（ｂ）に示すように、アーム２の表面
及び裏面の外側部分と外側側面とに検出電極41，42，43
を設け、アーム３の表面及び裏面の外側部分と外側側面
とに検出電極44，45，46を設けて、ｆｘモード振動に垂
直な方向の図21（ａ）の矢符に示すようなｆｙモード振
動を検出することにより、コリオリ力を受けて互いに逆
方向にたわんだアーム２，３から、角速度に比例した電
気的出力を得ることができる。

【００６０】以上のような原理により、対称タイプの音
叉型振動ジャイロの一般的な構成は、図22のようにな
る。本発明の音叉型振動ジャイロである音叉型振動体１
は、ＬｉＴａＯ₃で一体的に構成した両アーム２，３
（幅Ｗ，長さＬ）及びベース４を有する。一方のアーム
２の表裏面の内側には上記ｆｘモード振動を駆動する１
組の駆動電極31，32が設けられ、その表裏面の外側及び
その外側側面には上記ｆｙモード振動を検出する検出電
極41，42，43が設けられている。また、他方のアーム３
の表裏面の内側には上記ｆｘモード振動を駆動する１組
の駆動電極33，34が設けられ、その表裏面の外側及びそ
の外側側面には上記ｆｙモード振動を検出する検出電極
44，45，46が設けられている。このように、対称タイプ
の音叉型振動ジャイロでは、両アーム２，３において、
駆動電極及び検出電極が対称に設けられている。

【００６１】対称タイプの音叉型振動ジャイロでは、両
アーム２，３に駆動電極及び検出電極が対称に設けらて
いるので、不正な振動を相殺することができ、また、も
れ出力も小さい。よって、検出精度、即ち、Ｓ／Ｎ比を
高めるためには、雑音信号（Ｎ成分）を抑制することは
考慮する必要がなく、検出信号（Ｓ成分）を高めること
が必要である。そこで、駆動電極，検出電極の形状を工
夫することにより、駆動電極，検出電極の容量比を低く
して検出感度の向上を図るようにした例について、以下
の第９実施の形態〜第13実施の形態で説明する。

【００６２】（第９実施の形態）対称タイプの音叉型振
動ジャイロにおいても、電荷成分はアーム２，３とベー
ス４との境界部分に集中している。従って、この部分に
電極を形成すれば、効率が高い、即ち容量比が小さい音
叉型振動体１とすることができる。図23は、第９実施の
形態を示す斜視図である。駆動電極及び検出電極をアー
ムより長くしてベースの一部まで延在させて、駆動電極
の駆動効率及び検出電極の検出効率が高く、即ちそれら
の容量比が小さくなるようにしている。具体的には、４
個の駆動電極31，32，33, 34及び６個の検出電極41，4
2，43, 44，45, 46を、アーム２，３の全長（Ｌ）から
ベース４の一部にまでわたって（ベース４へ延在させた
長さｈ）形成している。

【００６３】図24は、アーム２，３とベース４との境界
位置からの駆動電極及び検出電極の延在長さの変化に対
する容量比の変化を示すグラフであり、横軸は駆動電極
及び検出電極のベース・アーム境界位置からの長さをア
ーム２，３の幅Ｗに対するその延在させた長さｈの割合
（ｈ／Ｗ）で表し、縦軸は駆動電極及び検出電極の容量
比（Ｃｐ／Ｃｓ）を表している。駆動電極の場合には、
ｈ／Ｗの値が０〜２の範囲内において低い容量比となっ
ており、ｈ／Ｗの値が0.5 であるときに最も小さい容量
比が得られる。また、検出電極の場合にも、ｈ／Ｗの値
が０〜２の範囲内において低い容量比となっており、ｈ
／Ｗの値が0.5 であるときに最も小さい容量比が得られ
る。

【００６４】（第10実施の形態）アーム２，３の表面及
び裏面の内側に設ける駆動電極31，32，33, 34の幅（形
成位置）と容量比との関係について説明する。図25に示
すように、各駆動電極31，32，33, 34の幅をそれぞれ
ｉ，ｊ，ｋ，ｌとした場合に、ｉ＝ｊ＝ｋ＝ｌの条件を
保ちながら、その幅を変化させて、容量比の変化を調べ
た結果を図26に示す。

【００６５】図26のグラフにおいて、横軸はアームの中
心線からの駆動電極の先端のずれ量を表し、縦軸は駆動
電極の容量比（Ｃｐ／Ｃｓ）を表している。横軸の０は
駆動電極の幅がアームの幅Ｗの半分だけである、即ち、
アームの内側縁から延びる駆動電極の先端がアームの中
心線に達していることを示し、駆動電極の先端の位置が
アームの中心線からどれだけずれているか（内側にずれ
るのが＋方向、外側にずれるのが−方向）で横軸の目盛
を取っている。例えば、１／４Ｗは駆動電極の先端が中
心線より１／４Ｗ手前までしか達せず、その幅が１／４
Ｗである場合であり、−１／４Ｗは駆動電極の先端が中
心線を越えて更に１／４Ｗまで延び、その幅が３／４Ｗ
である場合である。

【００６６】図26の結果から、駆動電極がアームの中心
線を越えると、容量比が上がって特性が劣化することが
分かる。よって、駆動電極31，32，33, 34はアーム２，
３の中心線から越えないように形成する必要がある。

【００６７】（第11実施の形態）図27は、第11実施の形
態を示す斜視図である。アームの表面及び裏面の内側に
設ける駆動電極の長さを短くする。具体的には、各検出
電極41，42，43, 44，45, 46は、アーム２，３の全長に
わたって形成するが、各駆動電極31，32，33, 34は、ア
ーム２，３とベース４との境界位置からアーム２，３の
中途まで（長さｍ）しか形成していない。なお、これら
の各駆動電極31，32，33, 34及び各検出電極41，42，4
3, 44，45, 46は、アーム２，３とベース４との境界位
置からベース４にかけて長さｈ（ｈ／Ｗ＝0.5)だけ延在
させている。また、各駆動電極31，32，33, 34の幅は同
一とする。

【００６８】図28は、駆動電極の長さの変化に対する容
量比の変化を示すグラフであり、横軸は境界位置からの
駆動電極の長さをアーム２，３の幅Ｗに対する駆動電極
の長さｍの割合（ｍ／Ｗ）で表し、縦軸は駆動電極の容
量比（Ｃｐ／Ｃｓ）を表している。図28の結果から、ｍ
／Ｗの値を２より大きくすることにより、小さな容量比
に設定することができ、駆動効率の向上を図れることが
分かる。

【００６９】（第12実施の形態）アーム２，３の表面及
び裏面の外側に設ける検出電極41，42，44, 45の幅（形
成位置）と容量比との関係について説明する。図29に示
すように、各検出電極41，42，44, 45の幅をそれぞれ
ｎ，ｏ，ｐ，ｑとした場合に、ｎ＝ｏ＝ｐ＝ｑの条件を
保ちながら、その幅を変化させて、容量比の変化を調べ
た結果を図30に示す。

【００７０】図30のグラフにおいて、横軸は検出電極の
先端のアームの中心線からのずれ量を表し、縦軸は検出
電極の容量比（Ｃｐ／Ｃｓ）を表している。横軸の０は
検出電極の幅がアームの幅Ｗの半分だけである、即ち、
アームの外側縁から延びる検出電極の先端がアームの中
心線に達していることを示し、検出電極の先端の位置が
アームの中心線からどれだけずれているか（内側にずれ
るのが＋方向、外側にずれるのが−方向）で横軸の目盛
を取っている。例えば、１／４Ｗは検出電極の先端が中
心線を越えて更に１／４Ｗまで延び、その幅が３／４Ｗ
である場合であり、−１／４Ｗは検出電極の先端が中心
線より１／４Ｗ手前までしか達せず、その幅が１／４Ｗ
である場合である。

【００７１】図30の結果から、検出電極の位置は、上述
の駆動電極とは違って、アームの中心線を越えるか否か
はそれほど重要な問題ではなく、各検出電極41，42，4
4, 45の幅をアーム２，３の幅の１／４以上、つまり、
１／４Ｗ以上とすることにより、検出電極を小さな容量
比に設定することができ、検出効率の向上を図れること
が分かる。

【００７２】（第13実施の形態）図31は、第13実施の形
態を示す斜視図である。アームの表面及び裏面の外側に
設ける検出電極の長さを短くする。具体的には、アーム
の２，３の外側側面に設ける各検出電極43, 46とアーム
の２，３の表面及び裏面の内側に設ける各駆動電極31，
32，33, 34とは、アーム２，３の全長にわたって形成す
るが、アーム２，３の表面及び裏面の外側に設ける各検
出電極41，42，44, 45は、アーム２，３の中途まで（ア
ーム２，３とベース４との境界位置から長さｒ）しか形
成していない。なお、これらの各駆動電極31，32，33,
34及び各検出電極41，42，43, 44，45, 46は、アーム
２，３とベース４との境界位置からベース４にかけて長
さｈ（ｈ／Ｗ＝0.5)だけ延在させている。また、各検出
電極41，42，44, 45の幅は同一とする。

【００７３】図32は、検出電極の長さの変化に対する容
量比の変化を示すグラフであり、横軸は境界位置からの
検出電極の長さをアーム２，３の幅Ｗに対する検出電極
の長さｒの割合（ｒ／Ｗ）で表し、縦軸は検出電極の容
量比（Ｃｐ／Ｃｓ）を表している。図32の結果から、ｒ
／Ｗの値を２より大きくすることにより、小さな容量比
に設定することができ、検出効率の向上を図れることが
分かる。

【００７４】なお、上述した実施の形態では、圧電単結
晶としてＬＩＴａＯ₃を用いたが、ＬＩＮｂＯ₃（Ｙ′
＝50°Ｙ）等の他の材料の圧電単結晶を用いても良い。

【００７５】

【発明の効果】以上のように本発明の音叉型振動ジャイ
ロでは、アームの内側と外側、アームの表面と裏面にお
いて、駆動電極及び／または検出電極を非対称に形成す
るようにしたので、従来例に比べて、不正振動と漏れ出
力とを少なくできる。また、駆動電極及び／または検出
電極をアームとベースとの境界部分の近傍に集中させて
形成するようにしたので、従来例に比べて、駆動電極及
び／または検出電極の容量比を低減して駆動効率及び／
または検出効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】音叉振動の説明図である。

【図２】面内振動（駆動振動）を起こさせるための電極
構成の説明図である。

【図３】面垂直振動（検出振動）を起こさせるための電
極構成の説明図である。

【図４】非対称タイプの音叉型振動ジャイロの構成図で
ある。

【図５】駆動振動時の電荷分布を示すグラフである。

【図６】圧電単結晶の結晶方位及び音叉型振動ジャイロ
の寸法を示す図である。

【図７】第１実施の形態の斜視図である。

【図８】検出電極の短縮長さと漏れ電圧との関係を示す
グラフである。

【図９】第２実施の形態の斜視図である。

【図１０】第３実施の形態の平面図である。

【図１１】駆動電極の非対称性と不正振動との関係を示
すグラフである。

【図１２】第４実施の形態の斜視図である。

【図１３】駆動電極の長さと不正振動との関係を示すグ
ラフである。

【図１４】第５実施の形態の斜視図である。

【図１５】第６実施の形態の斜視図である。

【図１６】駆動電極の延在長さと容量比との関係を示す
グラフである。

【図１７】第７実施の形態の斜視図である。

【図１８】検出電極の延在長さと容量比との関係を示す
グラフである。

【図１９】第８実施の形態の斜視図である。

【図２０】面内振動（駆動振動）を起こさせるための電
極構成の説明図である。

【図２１】面垂直振動（検出振動）を起こさせるための
電極構成の説明図である。

【図２２】対称タイプの音叉型振動ジャイロの構成図で
ある。

【図２３】第９実施の形態の斜視図である。

【図２４】駆動電極及び検出電極の延在長さと容量比と
の関係を示すグラフである。

【図２５】第10実施の形態の平面図である。

【図２６】駆動電極の幅と容量比との関係を示すグラフ
である。

【図２７】第11実施の形態の斜視図である。

【図２８】駆動電極の長さと容量比との関係を示すグラ
フである。

【図２９】第12実施の形態の平面図である。

【図３０】検出電極の幅と容量比との関係を示すグラフ
である。

【図３１】第13実施の形態の斜視図である。

【図３２】検出電極の長さと容量比との関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１音叉型振動体２，３アーム４ベース 11，12，13，14，31，32，33，34 駆動電極 21，22，23，24，41，42，43，44，45，46 検出電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川寛神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者佐藤良夫神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者菊池一二神奈川県横浜市港北区新横浜３丁目18番３号富士通東和エレクトロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のアーム及び第２のアームと、これ
らを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアーム
及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生させ
る駆動電極が前記第１のアームに設けられ、コリオリ力
により発生する起電力を検出する２組の検出電極が前記
第２のアームに設けられている音叉型振動ジャイロにお
いて、少なくとも１組の前記検出電極の形状が非対称で
あることを特徴とする音叉型振動ジャイロ。
【請求項２】前記検出電極は、前記第２のアームの外
側側面に設けられた第１電極と、該第１電極と組をな
し、前記第２のアームの内側側面に設けられた第２電極
とを有し、前記第２電極の長さが前記第１電極の長さよ
りも短い請求項１記載の音叉型振動ジャイロ。
【請求項３】前記第２のアームの幅をＷとし、前記第
１電極と前記第２電極との長さの差をｘとした場合に、
０＜ｘ／Ｗ＜２を満たす請求項２記載の音叉型振動ジャ
イロ。
【請求項４】第１のアーム及び第２のアームと、これ
らを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアーム
及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生させ
る駆動電極が前記第１のアームに設けられ、コリオリ力
により発生する起電力を検出する２組の検出電極が前記
第２のアームに設けられている音叉型振動ジャイロにお
いて、前記検出電極は、前記第２のアームの表面に設け
られた第３電極と、該第３電極と組をなし、前記第２の
アームの裏面に設けられた第４電極とを有し、前記第３
電極及び前記第４電極が前記第２のアームの幅方向にオ
フセットされていることを特徴とする音叉型振動ジャイ
ロ。
【請求項５】第１のアーム及び第２のアームと、これ
らを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアーム
及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生させ
る駆動電極が前記第１のアームに設けられ、コリオリ力
により発生する起電力を検出する２組の検出電極が前記
第２のアームに設けられている音叉型振動ジャイロにお
いて、前記検出電極は、前記第２のアームの表面に設け
られた第３電極と、該第３電極と組をなし、前記第２の
アームの裏面に設けられた第４電極とを有し、前記第３
電極及び前記第４電極は、前記アームの外側から内側に
かけて傾斜する形状を有することを特徴とする音叉型振
動ジャイロ。
【請求項６】第１のアーム及び第２のアームと、これ
らを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアーム
及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生させ
る２組の駆動電極が前記第１のアームに設けられ、コリ
オリ力により発生する起電力を検出する検出電極が前記
第２のアームに設けられている音叉型振動ジャイロにお
いて、前記駆動電極は、前記第１のアームの表面の内側
に設けられた第１電極と、該第１電極と組をなし、前記
第１のアームの裏面の内側に設けられた第２電極と、前
記第１のアームの表面の外側に設けられた第３電極と、
該第３電極と組をなし、前記第１のアームの裏面の外側
に設けられた第４電極とを有し、前記第１電極及び第２
電極の形状と、前記第３電極及び第４電極の形状とが非
対称であることを特徴とする音叉型振動ジャイロ。
【請求項７】前記第１〜第４電極は、前記第１のアー
ムの幅方向の中心線を越えないように設けられ、前記第
３電極及び第４電極が前記第１電極及び第２電極より大
きい請求項６記載の音叉型振動ジャイロ。
【請求項８】前記第３電極及び第４電極が前記第１電
極及び第２電極より長い請求項７記載の音叉型振動ジャ
イロ。
【請求項９】前記第３電極及び第４電極が前記第１電
極及び第２電極より幅が広い請求項７記載の音叉型振動
ジャイロ。
【請求項１０】前記第１電極の形状と前記第２電極の
形状とが異なっている請求項６〜９の何れかに記載の音
叉型振動ジャイロ。
【請求項１１】第１のアーム及び第２のアームと、こ
れらを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアー
ム及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生さ
せる駆動電極が前記第１のアームに設けられ、コリオリ
力により発生する起電力を検出する検出電極が前記第２
のアームに設けられている音叉型振動ジャイロにおい
て、前記駆動電極の長さが前記第１のアームの長さより
長く、前記駆動電極が前記ベースまで延在していること
を特徴とする音叉型振動ジャイロ。
【請求項１２】前記第１のアームの幅をＷとし、前記
駆動電極の前記ベースにわたって延在する長さをｆとし
た場合に、０＜ｆ／Ｗ＜２を満たす請求項１１記載の音
叉型振動ジャイロ。
【請求項１３】第１のアーム及び第２のアームと、こ
れらを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアー
ム及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生さ
せる駆動電極が前記第１のアームに設けられ、コリオリ
力により発生する起電力を検出する検出電極が前記第２
のアームに設けられている音叉型振動ジャイロにおい
て、前記検出電極の長さが前記第２のアームの長さより
長く、前記検出電極が前記ベースまで延在していること
を特徴とする音叉型振動ジャイロ。
【請求項１４】前記第２のアームの幅をＷとし、前記
検出電極の前記ベースにわたって延在する長さをｇとし
た場合に、０＜ｇ／Ｗ＜２を満たす請求項１３記載の音
叉型振動ジャイロ。
【請求項１５】第１のアーム及び第２のアームと、こ
れらを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアー
ム及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生さ
せる駆動電極とコリオリ力により発生する起電力を検出
する検出電極とが、前記第１のアーム及び第２のアーム
に設けられている音叉型振動ジャイロにおいて、前記駆
動電極の長さが前記第１及び第２のアームの長さより長
く、前記駆動電極が前記ベースまで延在していることを
特徴とする音叉型振動ジャイロ。
【請求項１６】前記第１及び第２のアームの幅をＷと
し、前記駆動電極の前記ベースにわたって延在する長さ
をｈとした場合に、０＜ｈ／Ｗ＜２を満たす請求項１５
記載の音叉型振動ジャイロ。
【請求項１７】第１のアーム及び第２のアームと、こ
れらを支持するベースとを有し、前記第１，第２のアー
ム及びベースは圧電性結晶からなり、音叉振動を発生さ
せる駆動電極とコリオリ力により発生する起電力を検出
する検出電極とが、前記第１のアーム及び第２のアーム
に設けられている音叉型振動ジャイロにおいて、前記検
出電極の長さが前記第１及び第２のアームの長さより長
く、前記検出電極が前記ベースまで延在していることを
特徴とする音叉型振動ジャイロ。
【請求項１８】前記第１及び第２のアームの幅をＷと
し、前記検出電極の前記ベースにわたって延在する長さ
をｈとした場合に、０＜ｈ／Ｗ＜２を満たす請求項１７
記載の音叉型振動ジャイロ。
【請求項１９】前記駆動電極は前記第１のアーム及び
第２のアームの幅方向の中心線を越えないように設けら
れている請求項１５または１６記載の音叉型振動ジャイ
ロ。
【請求項２０】前記第１及び第２のアームの幅をＷと
し、前記第１及び第２のアームと前記ベースとの境界位
置からの前記駆動電極の長さをｍとした場合に、ｍ／Ｗ
＞２を満たす請求項１５，１６または１９記載の音叉型
振動ジャイロ。
【請求項２１】前記検出電極の幅は、前記第１及び第
２のアームの幅の１／４倍以上である請求項１７または
１８記載の音叉型振動ジャイロ。
【請求項２２】前記第１及び第２のアームの幅をＷと
し、前記第１及び第２のアームと前記ベースとの境界位
置からの前記検出電極の長さをｒとした場合に、ｒ／Ｗ
＞２を満たす請求項１７，１８または２１記載の音叉型
振動ジャイロ。