JP2001033255A

JP2001033255A - 振動子および振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JP2001033255A
Application number: JP11207645A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行; Shoji Yokoi; 昭二横井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-02-09
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP4035264B2

Abstract

(57)【要約】【課題】平面的に延びる振動子において、屈曲振動片の
所定面内の屈曲振動と、振動子の重心を中心とする所定
面内の回転振動とを組み合わせることによって、新たな
振動子を提供する。【解決手段】振動子１は、複数の振動系３Ａ、３Ｂ、３
Ｃ、３Ｄと、これらの振動系を連結する連結部２とを備
えている。各振動系がそれぞれ屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、
４Ｃ、４Ｄを備えている。振動子１が少なくとも第一の
振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいて
は、各振動系内の各屈曲振動片の振動が、振動子の重心
ＧＯを中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動
成分を含んでいる。各振動系中の各屈曲振動片が、重心
ＧＯを中心として周方向に見たときに同位相で共振して
おり（矢印５Ａ、５Ｂ）、連結部２が周方向に見たとき
に各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動する
（矢印６Ａ、６Ｂ）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度センサ、直
線加速度計、発振装置に用いられる振動子、および振動
型ジャイロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動型ジャイロスコープは、振動し
ている物体に角速度が加わると、その振動と直角方向に
コリオリ力が生じることを利用している。そして、その
原理は力学的モデルで解析される（例えば、「弾性波素
子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７
頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープとしては、
これまでに種々のものが提案されている。例えば、スペ
リー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型ジャイロ
スコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、円筒型音
片ジャイロスコープ等が知られている。

【０００３】本発明者は、振動型ジャイロスコープの応
用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体
回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転
速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用すること
を検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方
向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これ
と同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジ
ャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方
向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差
に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによ
って、安定した車体制御を実現する。

【０００４】しかし、上述した従来の圧電振動型ジャイ
ロスコープは、いずれの例でも、振動子を回転軸に対し
て平行に配置（いわゆる縦置き）しなければ、回転角速
度を検出することができない。しかし、通常、測定した
い回転系の回転軸は、装着部に対して垂直である。従っ
て、このような圧電振動型ジャイロスコープを実装する
際、圧電振動型ジャイロスコープの低背化を達成するこ
と、即ち、振動型ジャイロスコープを回転軸方向に見た
ときの寸法を減少させることができなかった。

【０００５】近年になって、振動子を回転軸に対して垂
直に配置（いわゆる横置き）しても、回転角速度を検出
できる圧電振動型ジャイロスコープが、特開平８−１２
８８３３号公報において提案されている。しかし、この
ような振動型ジャイロスコープにおいても、振動型ジャ
イロスコープを回転軸方向に見たときの寸法を減少させ
る上で限界があった。

【０００６】本発明の課題は、振動子を所定面内で回転
させたときに、振動子の所定面内の振動を利用して回転
角速度を検出可能な振動型ジャイロスコープを提供する
ことである。

【０００７】また、本発明の課題は、こうした振動型ジ
ャイロスコープにおいて特に好適に使用できる振動子を
提供することである。

【０００８】また、本発明の課題は、平面的に延びる振
動子において、屈曲振動片の所定面内の屈曲振動と、振
動子の重心を中心とする所定面内の回転振動とを組み合
わせることによって、新たな振動子を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定面に沿っ
て形成されている振動子であって、振動子が、複数の振
動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えてお
り、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、振動
子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、この
振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片
の振動が振動子の重心を中心としたときに周方向に向か
う周方向屈曲振動成分を含んでおり、各振動系中の各屈
曲振動片が重心を中心として前記周方向に見たときに同
位相で共振し、連結部が周方向に見たときに前記各屈曲
振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動することを特徴
とする。

【００１０】また、本発明は、回転系の回転角速度を検
出するための振動型ジャイロスコープであって、前記振
動子、振動子に駆動振動を励起するための駆動手段、お
よび振動子に所定面内の回転が与えられたときに振動子
に励起される検出振動を検出するための検出手段を備え
ていることを特徴とする。

【００１１】本発明者は、平面的に延びる振動子におい
て、屈曲振動片の所定面内の屈曲振動と、振動子の重心
を中心とする所定面内の回転振動とを組み合わせること
によって、新たな振動子を提供することに成功した。こ
の振動子について、図１の模式図を参照しつつ、説明す
る。

【００１２】図１の振動子１は、複数の振動系３Ａ、３
Ｂ、３Ｃおよび３Ｄと、これらの振動系を連結部する連
結部２とを備えている。本例では、連結部２の内部に振
動子１の重心ＧＯが存在しており、連結部２の外周縁２
ａから各振動系が突出している。

【００１３】各振動系３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ内には、
それぞれ、屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが設けら
れている。各屈曲振動片は、重心ＧＯを中心として周方
向に向かって、その連結部２側の付け根を支点として、
矢印５Ａ、５Ｂのように屈曲振動する。ＧＯは振動子の
全体の重心（非振動時）である。振動系は全部で４つ設
けられている場合について説明するが、振動系の総数は
種々変更できる。

【００１４】この際、各振動系中の各屈曲振動片が、重
心ＧＯを中心として周方向に見たときに同位相で共振す
る。言い換えると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄは、ある瞬
間にはすべて５ＡのようにＧＯを中心として周方向に時
計回りに屈曲し、別の瞬間にはすべて５Ｂのように反時
計回りに屈曲する。これと共に、連結部２は、周方向に
見たときに各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で矢印６
Ａ、６Ｂのように回転振動する。言い換えると、各屈曲
振動片が矢印５Ａのように時計回りに屈曲しているとき
には、連結部２は矢印６Ａのように反時計回りに変形
し、各屈曲振動片が矢印５Ｂのように反時計回りに屈曲
しているときには、連結部２は矢印６Ｂのように時計回
りに変形する。

【００１５】なお、周方向に振動する振動成分とは、重
心ＧＯから見て所定面内で円周方向に振動する振動成分
のことを指している。径方向に振動する成分とは、重心
ＧＯからみて所定面内で円の直径方向に振動する振動成
分のことを指しており、つまり、重心ＧＯに対して遠ざ
かる方向と近づく方向とに対して交互に振動する成分の
ことを言う。

【００１６】このように、連結部の所定面内の回転振動
と複数の振動片の所定面内の屈曲振動とを共振させるこ
とによって、重心の周囲のモーメントのバランスをとっ
た。この結果、振幅の大きい屈曲振動と、振動子の重心
の周囲の対称性が高い回転振動とを組み合わせることに
よって、新規な振動子を提供するものである。こうした
振動子は、複数の屈曲振動片の屈曲振動の全体の重心が
回転振動し、屈曲振動の全体の重心の回転振動に対応し
て、連結部が逆位相で回転振動するものである。従っ
て、種々の外乱、あるいは振動子の各部分の寸法の歪み
や製造時の偏差などによって生ずるノイズの影響を受け
にくい。こうした振動子は、回転角速度を検出するため
の振動子の他、直線加速度の検出装置や、発振装置とし
て有用である。

【００１７】本発明においては、連結部として、中空部
分が設けられた枠部を設けることができる。この場合に
は、中空部分内に重心が位置しており、枠部の内側面ま
たは外側面から各屈曲振動片が突出している。図２は、
この実施形態に係る振動子２１を示す模式図である。

【００１８】振動子２１は、枠部１２と、枠部１２の内
側面１２ａから中空部分１３へと向かって突出する複数
の振動系３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを備えている。各振動
系は、枠部１２の外側面１２ｂから放射状に突出するよ
うに設けることもできる。各振動系内には、それぞれ前
述した屈曲振動片４Ａ−４Ｄが含まれている。各屈曲振
動片４Ａ−４Ｄは、それぞれ、枠部１２の内側面１２ａ
への接続部分を支点として、矢印５Ａ、５Ｂのように屈
曲振動する。これに対応して、前述したように、枠部１
２が矢印６Ａ、６Ｂのように、重心ＧＯを中心として回
転振動する。

【００１９】また、本発明の好適な実施形態において
は、複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備
えており、第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えてお
り、径方向屈曲振動片の振動が、振動子の重心を中心と
したときに径方向の屈曲振動成分を含む。

【００２０】この実施形態は、更に、回転系の回転角速
度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、
この振動子、径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するた
めの駆動手段、および振動子に所定面内の回転が与えら
れたときに振動子に生ずる第一の振動モードの振動を検
出するために、第二の振動系の屈曲振動片および／また
は連結部に設けられている検出手段を備えている振動型
ジャイロスコープに係るものである。

【００２１】図３、図４は、この実施形態に係るもので
ある。図３、図４の各振動子は、図１、図２の各振動子
と、径方向屈曲振動片を除けば類似しているので、同じ
構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。

【００２２】図３の振動子１１においては、連結部２の
外周縁２ａから、例えば４つの振動系３Ｅ、３Ｆ、３
Ｇ、３Ｈが突出している。第一の振動系３Ｅ、３Ｇ内に
は、それぞれ、屈曲振動片４Ｅ、４Ｇが設けられてい
る。各各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇからは、その長手方向に
対して交差する方向へと向かって、それぞれ一対の径方
向屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが設けられてい
る。

【００２３】本実施形態では、第一の振動系を駆動振動
系として利用し、第二の振動系３Ｆ、３Ｈを検出振動系
として利用する。各屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ
に、それぞれ図示しない駆動手段を設け、各屈曲振動片
を矢印１０のように振動させる。この際、屈曲振動片７
Ａと７Ｂとが同位相で共振し、屈曲振動片７Ｃと７Ｄと
が同位相で共振し、屈曲振動片７Ａ−７Ｄの駆動振動の
全体の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯ上か、またはその
近傍に位置するようにする。

【００２４】この状態で、振動子１１を所定面（Ｘ−Ｙ
面）内でωのように回転させると、回転中にコリオリ力
が振動子１１に作用する結果、前述した矢印５Ａ、５
Ｂ、６Ａ、６Ｂで示す第一の振動モードが励起されるこ
とを見いだした。従って、第二の振動系３Ｆ、３Ｈ内の
各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈにそれぞれ検出手段を設けるこ
とによって、矢印５Ａ、５Ｂのような屈曲振動を電気的
信号として取り出すことができる。また、基部２の外周
縁２ａ近傍に検出手段を設けることによって、矢印６
Ａ、６Ｂのような回転振動を電気的信号として取り出す
ことができる。

【００２５】このような振動子および振動型ジャイロス
コープによれば、振動子の駆動振動および検出のための
振動が、いずれも所定面内で行われ、振動子の振動アー
ムが回転軸に対して交差する方向に延びるように、振動
子を設置した場合にも、振動子から回転軸の方向に向か
って一定重量の突出部を設けることなく、十分に高い感
度で回転角速度を検出できる。

【００２６】しかも、従来の振動型ジャイロスコープに
おいては、いずれも駆動振動アームの駆動振動が、何ら
かの形で検出アームにも歪みとして影響を及ぼし、検出
信号にノイズを発生させていた。しかし、本実施形態に
よれば、検出振動系には駆動振動の影響が伝達されにく
い。この結果、検出信号に不可避的に発生していたノイ
ズを、抑制ないし防止することができる。この点で、本
発明は、振動型ジャイロスコープに内在していた根本的
な問題点を解決したものである。

【００２７】図４の振動子３１においては、第一の振動
系３Ｅおよび３Ｇが枠部１２の内側面１２ａから中空部
分１３側へと突出しており、第二の振動系３Ｆ、３Ｈも
同様に突出している。

【００２８】また、本発明の好適な実施形態において
は、複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備
えており、第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えてお
り、径方向屈曲振動片の振動が、重心を中心としたとき
に径方向の屈曲振動成分を含んでおり、振動子が第一の
振動モードに加えて第二の振動モードで振動しており、
第二の振動モードにおいては、第一の振動系の屈曲振動
片が周方向に見たときに同位相で共振し、かつ第二の振
動系の屈曲振動片が周方向に見たときに第一の振動系と
は逆位相で共振する。

【００２９】こうした振動子を用いて振動型ジャイロス
コープを作製する場合には、主として第二の振動モード
を駆動、検出に使用することができる。この際には、本
発明は、回転系の回転角速度を検出するための振動型ジ
ャイロスコープであって、前記振動子、径方向屈曲振動
片に駆動振動を励起するための駆動手段、および振動子
に所定面内の回転が与えられたときに振動子に生ずる第
二の振動モードの振動を検出するために、第二の振動系
の屈曲振動片に設けられている検出手段を備えている。
あるいは、本発明は、回転系の回転角速度を検出するた
めの振動型ジャイロスコープであって、前記振動子、第
二の振動系の前記屈曲振動片に駆動振動を励起するため
の駆動手段、および振動子に所定面内の回転が与えられ
たときに径方向屈曲振動片に生ずる、径方向屈曲振動を
含む検出振動を検出するために、径方向屈曲振動片に設
けられている検出手段を備えている。

【００３０】図５、図６は、この実施形態を説明するた
めの模式図である。

【００３１】図５の振動子１１において、第一の振動系
３Ｅ、３Ｇを駆動振動系として利用し、第二の振動系３
Ｆ、３Ｈを検出振動系として利用できる。各屈曲振動片
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄに、それぞれ図示しない駆動手
段を設け、各屈曲振動片を矢印１０のように振動させ
る。この際、屈曲振動片７Ａと７Ｂとが同位相で共振
し、屈曲振動片７Ｃと７Ｄとが同位相で共振し、屈曲振
動片７Ａ−７Ｄの駆動振動の全体の重心ＧＤが、振動子
の重心ＧＯ上か、またはその近傍に位置するようにす
る。

【００３２】この状態で、振動子１１を所定面（Ｘ−Ｙ
面）内でωのように回転させると、回転中にコリオリ力
が振動子１１に作用する結果、第二の振動モードが励起
される。即ち、第一の振動系３Ｅ、３Ｇに属する各屈曲
振動片４Ｅ、４Ｇは矢印９Ａ、９Ｂのようにその付け根
を中心として屈曲振動する。この際、屈曲振動片４Ｅと
４Ｇとの各屈曲振動の位相は、重心ＧＯを中心として周
方向に見たときに同じになる。また、第二の振動系３
Ｆ、３Ｈに属する各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈは矢印９Ａ、
９Ｂのようにその付け根を中心として屈曲振動する。こ
の際、屈曲振動片４Ｆと４Ｈとの各屈曲振動の位相は、
重心ＧＯを中心として周方向に見たときに同じになる。
また、屈曲振動片４Ｅ、４Ｇと、屈曲振動４Ｆ、４Ｈと
は、重心ＧＯを中心として周方向に見たときに、任意の
時点において互いに逆方向へと屈曲している。従って、
第二の振動系３Ｆ、３Ｈ内の屈曲振動片４Ｆ、４Ｈにそ
れぞれ検出手段を設けることによって、回転角速度を反
映する電気的信号を得ることができる。

【００３３】また、各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈに駆動手段
を設け、各屈曲振動片を駆動振動させ、この状態で振動
子１１を所定面内で矢印ωのように回転させると、各屈
曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが、矢印１０のように
その付け根を中心として径方向へと屈曲振動する。従っ
て、各屈曲振動片７Ａ−７Ｄに検出手段を設けることに
よって、回転角速度の大きさを反映する電気的信号を得
ることができる。図６の振動子３１においても同様の動
作が得られる。

【００３４】第二の振動モードを振動型ジャイロスコー
プにおいて利用する際には、第一の振動モードの固有共
振周波数と、駆動振動の固有共振周波数の２倍との差
が、駆動振動の固有共振周波数の３．０％以上であるこ
とが好ましく、これによって第一の振動モードによる検
出への影響を抑制できる。これは、特に好ましくは５％
以上である。また、この差には特に上限はない。実際上
は２０％以上とすることができる。

【００３５】また、振動子の駆動モード、第一の振動モ
ード、第二の振動モードの形態が明確である場合には、
各モードの固有共振周波数を調節するためには、例えば
振動子の材質や厚さを変更し、また連結部の寸法と屈曲
振動片の長さ、屈曲振動片の幅を調節することが好適で
ある。

【００３６】また、駆動手段が駆動電極であり、この駆
動電極に対して、矩形波からなる信号電圧を印加する場
合には、特に前記の第一の振動モードが一層明瞭に生ず
ることを確認した。従って、矩形波からなる信号電圧を
振動子に対して適用する場合に、本発明は特に有用であ
る。

【００３７】本発明においては、第一の振動系を複数設
け、各第一の振動系を、重心ＧＯを中心として互いに回
転対称の位置に設けることができる。例えば図３−図６
の振動子においては、第一の振動系３Ｅと３Ｇとは、重
心ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。

【００３８】また、第二の振動系を複数設け、各第二の
振動系を、重心ＧＯを中心として互いに回転対称の位置
に設けることが好ましい。例えば、図３−図６の振動子
においては、第二の振動系３Ｆと３Ｈとは、重心ＧＯを
中心として二回対称の位置に設けられている。

【００３９】各振動系が重心ＧＯを中心として回転対称
の位置にあるとは、重心ＧＯを中心として、問題とする
複数の振動系がそれぞれ所定面内で同じ所定角度離れて
いる状態を意味する。従って、一つの振動系を所定面内
で所定角度回転させる操作を行うと、他の振動系の位置
に位置する。例えば、図３−図６においては、第一の振
動系３Ｅと３Ｇとは、１８０°離れているので、振動系
３Ｅを１８０°回転させる操作を行うと、振動系３Ｇの
位置にくる。

【００４０】回転対称は、具体的には２回対称、３回対
称、４回対称であることが好ましい。また、複数の駆動
振動系を重心ＧＯを中心として回転対称の位置に設ける
ことによって、特に比較的微小な検出振動への影響を抑
制できることから、効果が大きい。

【００４１】駆動振動系の振動の全体の重心ＧＤが、重
心ＧＯの近傍領域に位置していることが好ましく、これ
によって検出振動系への影響を抑制できる。

【００４２】駆動振動の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯ
の近傍領域に位置しているとは、具体的には、実質的に
重心ＧＯ上に位置していてもよいが、重心ＧＯから直径
１ｍｍの円内に存在していることを意味する。

【００４３】本発明の振動子においては、複数の振動系
が所定面内に延びているが、これは厚さにして１ｍｍ以
下の範囲内に複数の振動系が形成されている場合を含
む。

【００４４】以下、本発明の更に具体的な実施形態につ
いて述べる。本発明の振動子の変位は、所定面内で生ず
る。このため、振動子の全体を、同一の圧電単結晶によ
って形成することができる。この場合には、まず圧電単
結晶の薄板を作製し、この薄板をエッチング、研削によ
り加工することによって、振動子を作製できる。振動子
の各部分は、別の部材によってそれぞれ形成することも
できるが、一体で構成することが特に好ましい。

【００４５】平板形状の材料、例えば水晶等の圧電単結
晶の平板状の材料から、エッチングプロセスによって振
動子を形成する場合には、振動子の各屈曲振動片等の各
構成片に特定形状の突起、例えば細長い突起が生成する
ことがある。このような突起は、厳密には設計時に予定
された振動子の対称性を低下させる原因となる。しか
し、この突起は存在していても良く、突起の高さは小さ
い方が好ましいが、突起の高さが振動子の構成片の幅の
１／５以下であれば一般に問題なく使用できる。他の製
造上の原因による突起以外の非対称部分が振動子に存在
する場合にも同様である。

【００４６】なお、このように突起などが振動子に存在
する場合には、この突起の一部をレーザー加工等によっ
て削除することによって、または振動子の突起以外の部
分をレーザー加工等によって削除することによって、駆
動時に駆動振動系の重心が、振動子の重心の近傍領域内
に位置するように、エッチング加工後に調整できる。

【００４７】また、振動子の材質は特に限定するもので
ないが、水晶、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ニオブ酸
リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔ
ａ）Ｏ₃ ）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイ
ト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好まし
い。前記した単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ ₃ 単結晶、Ｌ
ｉＴａＯ₃ 単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチ
ウム固溶体単結晶が、電気機械結合係数が特に大きい。

【００４８】圧電単結晶を使用すると、検出感度を良好
にすることができるとともに、検出ノイズを小さくでき
る。しかも、圧電単結晶を使用すると、温度変化に対し
て特に鈍感な振動子を作製でき、このような振動子は、
温度安定性を必要とする車載用として好適である。

【００４９】なぜなら、本発明におけるように振動子の
全体を所定面内で振動するようにし、かつ振動子を圧電
単結晶によって形成することで、単結晶の最も温度特性
の良い結晶面のみを振動子において利用できるようにな
った。

【００５０】即ち、振動子の全体が所定平面内で振動す
るように設計されていることから、圧電単結晶のうち振
動周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用し
て、振動子を製造することができる。これによって、き
わめて温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供
できる。

【００５１】本発明の振動子を圧電性材料によって形成
した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を
設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺ
Ｔ等の圧電セラミックスがある。

【００５２】また、本発明の振動子を、エリンバー等の
恒弾性金属によって形成することもできる。この場合に
は、振動子の所定箇所に、駆動手段および／または検出
手段として、圧電体を取り付ける必要がある。

【００５３】図７は、本発明の一実施形態に係る圧電単
結晶製の振動子を備えた振動型ジャイロスコープを、概
略的に示す平面図である。基部２Ａは、振動子の重心Ｇ
Ｏを中心として、４回対称の正方形をしている。基部２
Ａの周縁部２ａから、四方に向かって放射状に、二つの
第一の振動系３Ｅ、３Ｇ（本例では駆動振動系）と二つ
の第二の振動系３Ｆ、３Ｈ（本例では検出振動系）とが
突出しており、各振動系は互いに分離されている。

【００５４】振動系３Ｅ、３Ｇは、基部２Ａの周縁部２
ａから突出する屈曲振動片４Ｅ、４Ｇと、屈曲振動片の
先端側から屈曲振動片４Ｅ、４Ｇに直交する方向に延び
る径方向屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄを備えてい
る。各屈曲振動片には、それぞれ駆動電極１３が設けら
れている。第二の振動系の各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈに
は、それぞれ、検出電極１４が設けられている。

【００５５】この振動子の駆動振動のモードを図８に示
す。各径方向屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが、そ
の付け根（各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇの先端部分）１９を
支点として、矢印１０のように屈曲振動していることが
わかる。

【００５６】この振動子の第二の振動モードを図９に示
す。各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇがその固定部１８を支点と
して周方向に同位相で屈曲振動している。これに対応し
て、第二の振動系３Ｆ、３Ｈの各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈ
が、矢印９Ａ、９Ｂのように、固定部１７を中心として
同位相で屈曲振動している。重心ＧＯを中心として周方
向に見たときに、屈曲振動片４Ｅ、４Ｇの屈曲振動の位
相と、屈曲振動片４Ｆ、４Ｈの屈曲振動の位相とは、逆
であり、このために連結部２Ａは回転振動しない。

【００５７】この振動子の第一の振動モードを図１０に
示す。各屈曲振動片４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈが、その固
定部１７、１８を支点として、周方向にすべて同位相で
屈曲振動している。これに対応して、連結部２Ａが、重
心ＧＯを中心として、各屈曲振動片とは逆位相で回転振
動している。

【００５８】図１１は、図４、図６に模式的に示したよ
うな振動子を更に具体化したものである。この振動子２
１Ａは枠部１２Ａを備えている。枠部１２Ａの内側面１
２ａから、中空部分１３へと向かって、二つの第一の振
動系３Ｅ、３Ｇと、二つの第二の振動系３Ｆ、３Ｈとが
突出しており、各振動系は互いに分離されている。隣り
合う各振動系の間には、枠部１２Ａから内側へと向かっ
て突出する四辺形の突出部２５が設けられている。

【００５９】第一の振動系３Ｅ、３Ｇは、屈曲振動片４
Ｅ、４Ｇと、屈曲振動片の先端側から屈曲振動片４Ｅ、
４Ｇに直交する方向に延びる径方向屈曲振動片７Ａ、７
Ｂ、７Ｃ、７Ｄを備えている。

【００６０】この振動子２１Ａの駆動モード、第二の振
動モードは、前述したとおりであり、また図８、図９に
示したものと実質的に同じである。

【００６１】振動子２１Ａの第一の振動モードにおいて
は、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈが、その固定
部１７、１８を支点として、周方向にすべて同位相で屈
曲振動している。これに対応して、枠部１２Ａが、重心
ＧＯを中心として、矢印６Ａ、６Ｂのように、各屈曲振
動片とは逆位相で回転振動している。

【００６２】以下、具体的な実験結果について述べる。

【００６３】図７に示す形態の振動型ジャイロスコープ
を作製した。具体的には、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。

【００６４】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。

【００６５】得られた振動子の連結部２Ａの幅ａは６．
０ｍｍとした。また、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇの長さｂ
１は８．３ｍｍとし、４Ｆ、４Ｈの長さｂ２は６．０ｍ
ｍとした。各屈曲振動片の幅は１．０ｍｍとした。各検
出電極１４の寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍで
あり、検出振動片の付け根から１．２−４．０ｍｍの位
置に形成されていた。各駆動電極１３の寸法は、幅０．
６ｍｍ×長さ２．８ｍｍであった。

【００６６】振動子１１Ａの中央部に、０．７５ｍｍ×
０．７５ｍｍの正方形の支持孔（図示せず）を形成し、
この支持孔に直径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。

【００６７】この振動子に対して、４ボルトの矩形波に
よる自励振発振駆動を行い、駆動振動を生じさせ、振動
子１１Ａを所定面内で回転させ、第一の振動モードを励
起させた。駆動振動の固有共振周波数は２２８５０Ｈｚ
であり、第一の振動モードの固有共振周波数は２３５０
０Ｈｚである。回転角速度の検出感度を測定した結果、
２．５ｍＶ／°／ｓｅｃの信号が得られた。

【００６８】次に、上記と同様の振動子を使用し、第二
の振動モードを検出振動として利用し、ノイズレベルを
測定した。ただし、上記において、連結部２Ａの幅ａ
を、表１−表４に示すように変更し、各屈曲振動片４
Ｅ、４Ｇの長さｂ１、４Ｆ、４Ｈの長さｂ２は、表１−
表４に示すように変更した。各屈曲振動片の幅は１．０
ｍｍとし、実験番号１−３１の各振動子を得た。各振動
子について、インピーダンスアナライザの測定端子に所
定の端子を接続して、駆動振動の固有共振周波数（ｆ
ｄ）、第二の振動モードの固有共振周波数（ｆ）、スプ
リアスモードの固有共振周波数（ｆｓ）、第一の振動モ
ードの固有共振周波数（ｆ２ω）を測定し、表１−４に
示した。また、ｆ２ω−２ｆｄ（Ｈｚ）（第一の振動モ
ードの固有共振周波数と、駆動振動の固有共振周波数の
２倍との差）、およびｆ２ω−２ｆｄ（％）（駆動振動
の固有共振周波数に対する前記の差の割合）を表１−４
に示す。

【００６９】

【表１】

【００７０】

【表２】

【００７１】

【表３】

【００７２】

【表４】

【００７３】表１−表４の結果から分かるように、第二
の振動モードを振動型ジャイロスコープにおいて利用す
る際には、第一の振動モードの固有共振周波数と、駆動
振動の固有共振周波数の２倍との差が、駆動振動の固有
共振周波数の３．０％以上であることが好ましく、これ
によって第一の振動モードによる検出への影響を抑制で
きる。これは、特に好ましくは５％以上であった。

【００７４】図１２は、振動子１１Ａの第二の振動モー
ドを使用して検出信号を得たときの、検波前の検出信号
の波形を示すグラフであり（実験番号２）、図１３も同
様である（実験番号４）。図１３に示されている検波前
の検出信号の波形においては、参照信号の立ち上がり時
に対応して検出信号波形にうねりが見られる。

【００７５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、平
面的に延びる振動子において、屈曲振動片の所定面内の
屈曲振動と、振動子の重心を中心とする所定面内の回転
振動とを組み合わせることによって、新たな振動子を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る振動子１を示す模式
図であり、連結部２から複数の振動系が突出している。

【図２】本発明の他の実施形態に係る振動子２１を示す
模式図であり、枠部１２から内側へと向かって複数の振
動系が突出している。

【図３】本発明の他の実施形態に係る振動子１１を示す
模式図であり、第一の振動系３Ｅ、３Ｇ内に径方向屈曲
振動片７Ａ−７Ｄが設けられている。

【図４】本発明の他の実施形態に係る振動子３１を示す
模式図であり、第一の振動系３Ｅ、３Ｇ内に径方向屈曲
振動片７Ａ−７Ｄが設けられている。

【図５】本発明の他の実施形態に係る振動子１１の第二
の振動モードを示す模式図である。

【図６】本発明の他の実施形態に係る振動子３１の第二
の振動モードを示す模式図である。

【図７】本発明の一実施形態に係る振動子１１Ａおよび
電極１３、１４を示す平面図である。

【図８】振動子１１Ａの駆動振動モードを示す平面図で
ある。

【図９】振動子１１Ａの第二の振動モードを示す平面図
である。

【図１０】振動子１１Ａの第一の振動モードを示す平面
図である。

【図１１】振動子２１Ａを示す平面図である。

【図１２】振動子１１Ａの第二の振動モードを使用して
検出信号を得たときの、検波前の検出信号の波形を示す
グラフである（実験番号２）。

【図１３】振動子１１Ａの第二の振動モードを使用して
検出信号を得たときの、検波前の検出信号の波形を示す
グラフである（実験番号４）。

【符号の説明】

１、１１、１１Ａ、２１、２１Ａ、３１振動子
２、２Ａ重心ＧＯが位置する連結部３Ａ、
３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ振動系３Ｅ、３Ｇ第一の振動系３Ｆ、３Ｈ第二の
振動系４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、
４Ｇ、４Ｈ屈曲振動片５Ａ、５Ｂ各屈曲振動
片の周方向の屈曲振動（第一の振動モード）６
Ａ、６Ｂ連結部の回転振動（第一の振動モード）
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ径方向屈曲振動片
９Ａ、９Ｂ屈曲振動片の周方向の屈曲振動（第二の
振動モード）１０径方向の屈曲振動
１２、１２Ａ連結部（枠部）１３検出電極１４駆動電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定面に沿って形成されている振動子であ
って、振動子が、複数の振動系と、これらの振動系を連結する
連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片
を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モー
ドで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記
各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を
中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を
含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心
を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振して
おり、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲
振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動することを特徴
とする、振動子。
【請求項２】前記連結部内に前記重心が位置しており、
前記連結部の外周縁から前記各屈曲振動片が前記重心を
中心として径方向へと向かって突出していることを特徴
とする、請求項１記載の振動子。
【請求項３】前記連結部が、中空部分が設けられた枠部
であり、前記中空部分内に前記重心が位置しており、こ
の枠部の内側面および／または外側面から前記屈曲振動
片が突出していることを特徴とする、請求項１記載の振
動子。
【請求項４】前記複数の振動系が第一の振動系と第二の
振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲
振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、
前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含
むことを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請
求項に記載の振動子。
【請求項５】前記振動子が前記第一の振動モードに加え
て第二の振動モードで振動しており、第二の振動モード
においては、前記第一の振動系の前記屈曲振動片が前記
周方向に見たときに同位相で共振し、かつ前記第二の振
動系の前記屈曲振動片が前記周方向に見たときに前記第
一の振動系とは逆位相で共振することを特徴とする、請
求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項６】圧電性単結晶からなることを特徴とする、
請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項７】回転系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、請求項１−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子、前記振動子に駆動振動を励起するための駆動手段、およ
び前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに
前記振動子に励起される検出振動を検出するための検出
手段を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロス
コープ。
【請求項８】回転系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、請求項４または６記載の振動子、前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動
手段、および前記振動子に前記所定面内の回転が与えら
れたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの
振動を検出するために、前記第二の振動系の前記屈曲振
動片に設けられている検出手段を備えていることを特徴
とする、振動型ジャイロスコープ。
【請求項９】回転系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、請求項４または６記載の振動子、前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動
手段、および前記振動子に前記所定面内の回転が与えら
れたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの
振動を検出するために、前記連結部に設けられている検
出手段を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロ
スコープ。
【請求項１０】回転系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、請求項５または６記載の振動子、前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動
手段、および前記振動子に前記所定面内の回転が与えら
れたときに前記振動子に生ずる前記第二の振動モードの
振動を検出するために、前記第二の振動系の前記屈曲振
動片に設けられている検出手段を備えていることを特徴
とする、振動型ジャイロスコープ。
【請求項１１】回転系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、請求項５または６記載の振動子、前記第二の振動系の前記屈曲振動片に駆動振動を励起す
るための駆動手段、および前記振動子に前記所定面内の
回転が与えられたときに前記径方向屈曲振動片に生ず
る、前記径方向の屈曲振動成分を含む検出振動を検出す
るために、前記径方向屈曲振動片に設けられている検出
手段を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロス
コープ。
【請求項１２】前記第一の振動モードの固有共振周波数
と、前記駆動振動の固有共振周波数の２倍との差が、駆
動振動の固有共振周波数の３．０％以上であることを特
徴とする、請求項１０または１１記載の振動型ジャイロ
スコープ。
【請求項１３】前記駆動手段が駆動電極であり、この駆
動電極に対して、矩形波からなる信号電圧を印加するこ
とによって前記振動子に駆動振動を励起することを特徴
とする、請求項７−１２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。