JP2001116552A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 支持の状態に影響されない振動ジャイロを提
供する。 【解決手段】 ２重リング型振動体を用い、駆動，検出
双方の振動に対して支持部から外部への振動漏れの無い
接続方式を採る。よって支持方法による性能への影響が
少なく、精度の良い角度検出ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度を検出する
振動ジャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から機械式の回転ジャイロスコープ
が、飛行機や船舶の慣性航行装置として使われている
が、装置が大きく、価格が高く、従って小型の電子機器
や小型の輸送機械に組み込むことは困難である。

【０００３】しかし近年、ジャイロスコープも小型化の
研究が進み、圧電素子で振動体を励振し、振動体に設け
た別の圧電素子で振動体が回転により受けるコリオリ力
で起きる振動により発生する電圧を検出する振動ジャイ
ロの実用化が進み、自動車のナビゲーションシステムや
ビデオカメラの手振れ検出装置等に使われている。

【０００４】特に水晶を用いた型振動ジャイロは、構造
が簡単で、調整もしやすく、また温度特性に優れ、有望
視されている。以下に水晶を使用した例として、音叉型
振動ジャイロの構造を図面を用いて説明する。図４は音
叉型の振動ジャイロを示す斜視図である。

【０００５】図５において、音叉Ｊ１０は水晶を一体加
工したものに、駆動検出電極を蒸着した構造を有してい
る。すなわち音叉Ｊ１０は、平行に配置された第１の足
Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２が、基部Ｊ１５により結合さ
れた構造を持つものである。第１の足Ｊ１１には、駆動
電極Ｊ３及びＪ４が蒸着されており、第２の足Ｊ１２に
は、検出電極Ｊ６，Ｊ７及びＪ８が蒸着されている。基
部Ｊ１５の底面は、支持に用いられる。ここで、足の伸
びた方向をＹ'方向、２本の足の並ぶ方向をＸ方向、Ｘ
及びＹ’方向に直交する方向をＺ’方向とする。

【０００６】作用について説明する。図６は、従来の音
叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明する為の、足の
断面及び駆動検出回路の模式図である。図６において、
左側に記す第１の足Ｊ１１の断面には、駆動電極Ｊ１，
Ｊ２，Ｊ３及びＪ４の断面が配置され、右側に記す第２
の足Ｊ１２の断面には検出電極Ｊ５，Ｊ６，Ｊ７及びＪ
８の断面が配置されている。まず、第１の足J１１が例
えば第２の足J１２に向かってＸ方向に屈曲すると、電
極J２近傍がＹ’方向に伸び、電極J４近傍がＹ’方向に
縮むが、この時水晶内部では圧電効果により電極J２近
傍ではＸ方向に、また電極J４近傍では−Ｘ方向に電界
が発生する。この時電界の向きを考慮すると電極J２及
びJ４は同電位で、足の中央より例えば高い電位とな
る。Ｘ方向に見ると、足の中央付近に配置された電極J
１及びJ３は、相対的に電極J２及びJ４より低い電位と
なるので、電極J２及びJ４と、電極J１及びJ３の間に
は、電位差が発生する。圧電効果は可逆的なので、電極
J２及びJ４と、電極J１及びJ３の間に電位差を与えれ
ば、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、第１の
足J１１はＸ方向に屈曲することになる。これらのこと
から、例えば電極J１及びJ３の電位を参照として発振条
件を超える増幅率でアンプＪＧを用いて増幅し、発振条
件を満足する位相に移相回路ＪＰで整えて電極J２及びJ
４に戻すことにより、第１の足J１１の屈曲に伴う機械
的な戻り力と電気的な力の間でエネルギーの交換が起こ
り、第１の足J１１をＸ方向に自励発振させることがで
きる。音叉J１０全体で見ると、第１の足J１１及び第２
の足J１２の運動量をバランスさせる為、第１の足J１１
がＸ方向に動く時、第２の足J１２は−Ｘ方向に動き、
第１の足J１１が−Ｘ方向に動く時、第２の足J１２がＸ
方向に動く動作となるが、これを、通常の音叉が１つの
面内で振動を行うのを理想とする慣例から、面内屈曲振
動と呼ぶが、第１の足J１１，アンプＪＧ及び移相回路
ＪＰで発生させる振動は面内屈曲振動と同じ動作であ
り、その周波数は、音叉J１０の面内屈曲振動の共振周
波数とほぼ一致する。この状態で音叉J１０全体をＹ’
軸の回りに角速度ωで回転させると、音叉J１０の２つ
の足には、面内屈曲振動と直交するＺ’方向にコリオリ
力Ｆｃが働く。コリオリ力Ｆｃは以下の式で表すことが
できる。 ＦＣ＝２・Ｍ・ω・Ｖ ここで、Ｍは第１の足J１１又は第２の足J１２の質量で
あり、Ｖは第１の足J１１又は第２の足J１２の速度であ
る。このコリオリ力ＦＣは、第１の足J１１及び第２の
足J１２に、面内屈曲振動の動作方向であるＸ方向と直
交する、Ｚ’方向に変位する屈曲振動を励起する。以下
これを面外屈曲振動と呼ぶ。また、コリオリ力は変位で
なく、速度に比例する力なので、コリオリ力により発生
する面外屈曲振動は、面内屈曲振動より９０度位相が遅
れて発生する。この面外屈曲振動により、例えば第２の
足Ｊ１２の電極Ｊ５及びＪ８の近傍はＹ’方向に伸び縮
みし、電極Ｊ６及びＪ７の近傍は電極Ｊ５及びＪ８の近
傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極Ｊ５及びＪ８の
近傍がＹ’方向に伸びている時、第２の足Ｊ１２の内部
の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、Ｘ方向に電界が発生
し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に縮むの
で、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及びＪ７の近傍で
は、−Ｘ方向に電界が発生する。すなわち電極Ｊ５の電
位が電極Ｊ８の電位より高い時、電極Ｊ７の電位は電極
Ｊ６の電位より高い状態となる。また、電極Ｊ５及びＪ
８の近傍がＹ’方向に縮んでいる時、第２の足Ｊ１２の
内部の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、−Ｘ方向に電界が
発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に伸
びるので、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及びＪ７の近
傍では、Ｘ方向に電界が発生する。すなわち電極Ｊ５の
電位が電極Ｊ８の電位より低い時、電極Ｊ７の電位は電
極Ｊ６の電位より低い状態となる。面外屈曲振動により
発生するこれら電極Ｊ５及びＪ８と、電極Ｊ６及びＪ７
の間の電位差は、Ｚ’方向に振れる第２の足Ｊ１２の方
向に従って変化する。見方を変えると、例えば電極Ｊ５
が高電位の時電極Ｊ７も高電位であり、この時電極Ｊ６
及び電極Ｊ８は低電位であり、電極Ｊ５が低電位の時電
極Ｊ７も低電位であり、この時電極Ｊ６及び電極Ｊ８は
高電位である。コリオリ力は、電極Ｊ５又は電極Ｊ７
と、電極Ｊ６又は電極Ｊ８の間の電位差として現れる。

【０００７】コリオリ出力の検出信号は、電極Ｊ５及び
電極Ｊ７を一方の入力信号とし、電極Ｊ６及び電極Ｊ８
を他方の入力信号とした、差動バッファＪＤを経て乗算
回路ＪＭに導かれ、面内屈曲振動の発振系の出力を、コ
リオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、
アンプＪＧの出力を、移相回路ＪＰ２により９０度移相
し、コンパレータＪＣにより２値化した参照信号により
乗算され、乗算により検波された結果は、更に積分回路
ＪＳにより平滑化され、正確な直流出力として検出でき
る。この直流出力はコリオリ力ＦＣに比例し、コリオリ
力ＦＣは角速度ωに比例するので、この直流出力により
角速度ωを知ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
音叉型振動ジャイロには以下のような課題がある。一般
に振動体を支持する場合は、支持の影響が振動体に及ぶ
のを最小限にするため、振動体が振動中に動かない位
置、すなわち振動の節を用いる。図５に示す音叉型の構
成では面内屈曲振動の節は又の近傍にあり、この周辺は
殆ど動かず、また対称性から基部Ｊ１５の底面も殆ど動
かないが、一方、コリオリ力で励振される面外屈曲振動
では、支持可能な振動により動かない部分は存在しな
い。従って、どの部分を、どのように支持しても支持の
影響が振動体に及んでしまう。

【０００９】ここに述べた音叉Ｊ１０は基部Ｊ１５の底
面を支持するが、実際に、この部分を支持する場合と支
持しない場合で、音叉Ｊ１０の面内屈曲振動の共振周波
数が殆ど変わらないのに比べ、面外屈曲振動では、数十
万ＰＰＭにも及ぶ共振周波数の変化がある。従って面外
屈曲振動の共振周波数は支持の状態によって数十万ＰＰ
Ｍも変化することになる。ここでは、ほぼ面内屈曲振動
の共振周波数をもつコリオリ力で面外屈曲振動を励振す
るのだが、励振の効率は、面外屈曲振動の共振周波数が
面内屈曲振動の共振周波数からどれだけ離れるかに依存
する。微妙な支持状態の変化で面外屈曲振動の共振周波
数が大幅に変化するのでは、励振の効率が大幅に変化し
てしまい、この結果、検出感度が大きく変化しする。ま
た、振動体の支持状態の変化で共振周波数が変化するこ
とは、振動体の振動が振動体内部で完結せず、支持部を
通して外部の部材と連成振動系を形成していることを意
味する。連成振動系は時間的に互いの振動子同士でエネ
ルギーのやり取りを行うので、時間的な安定が得られ
ず、直流ドリフトが発生し、また、せっかく温度特性の
良い水晶で振動体を構成しても外部振動の影響で少なか
らず温度特性が悪化する等、精度の良い検出は不可能で
ある。ここに例示した音叉型振動体は、加振側の支持が
ほぼ理想的で、検出側の支持が最悪となる例である。従
来、音叉型に限らず、圧電セラミクスを用いた様々な振
動ジャイロが実用化されてきたが、加振及び検出の直交
する２つの方向への振動に対して完全な支持構造を有す
るものは存在せず、圧電セラミクスに比べた圧電効率の
小ささを、桁違いに高いＱ値でカバーする水晶を振動体
に用いる場合は、支持状態により極端に性能が左右さ
れ、実用的な振動ジャイロの実現は不可能と考えられて
きた。

【００１０】［発明の目的］本発明の目的は、上記課題
を解決しようとするもので、温度特性の良い水晶を用い
ても、支持状態に左右されることなく、低ドリフトで、
検出精度の良い、振動ジャイロを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明の振動ジャイロは、下記の構成を採用する。

【００１２】本発明の振動ジャイロは、発振用の電極を
有する第１の振動子と、角速度検出用の電極を有する第
２の振動子と、支持部と、第１の振動子振動の節と第２
の振動子とを接続する第１の接合部と、第２の振動子と
支持部とを接続する第２の接続部とからなり、第１，第
２の振動子と支持部と第１，第２の接続部とが略一定の
厚さの平面構造を為し、第１の振動子と第２の振動子は
いずれも共通の中心点に対して点対称の形状を有し、第
１の振動子と第２の振動子が同心のリング状に形成され
ており、全ての構成要素が水晶により一体に形成される
角速度検出素子において、水晶の結晶軸のＹ−Ｚ面内で
の回転角を５５度以上にしたことを特徴とする。

【００１３】第１の振動子と第２の振動子の共振周波数
の差を３００００ＰＰＭ以上としたことを特徴とする。

【００１４】[作用]本発明による振動ジャイロは、リン
グ型の振動体を用い、一方の振動体の励振振動の節に接
続された他方の振動体の検出振動の節を支持しすること
により、支持部からの影響による固有周波数の変動等を
考慮する必要はなく、支持方法による性能への影響が少
なく、精度の良い角度検出ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の振動ジャイロを実
施するための最良の形態による実施の形態を図面を基に
説明する。図１から図４及び図７は本発明の実施の形態
である振動ジャイロであり、図１は、以後２重リングと
呼ぶ、２重リング型の振動ジャイロの外観を示し、以後
説明に用いる座標を示し、電極の一部を示す正面図であ
り、図２は２重リングの大円の断面，回路ブロック及び
配線模式図であり、図３はリング型振動体の駆動振動を
示す動作説明図であり、図４はリング型振動体の検出振
動を示す動作説明図であり、図７は異方性結晶の回転方
向を示す座標系の斜視図である。

【００１６】［振動ジャイロの構造説明：図１，図２及
び図７］本実施の形態で使用する水晶は、Ｓｉ０２の単
結晶で、常温では４つの結晶軸を持つ三方晶系に属す
る。結晶軸の１つはｃ軸と呼ばれ、結晶の頂点を通る結
晶軸であり、残りの３つはａ軸と呼ばれ、ｃ軸に垂直な
面内に互いに１２０度の角度を成す結晶軸である。ここ
では、３つのａ軸のいずれかをＸ軸とし、ｃ軸をＺ軸と
し、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。

【００１７】図７に示すように、本実施の形態で使用す
る座標系は、上記Ｘ，Ｙ，Ｚ軸から、Ｘ軸の回りに、Ｚ
軸からＹ軸の方向にθ度回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’
軸及びＸ軸を用いる。このとき回転角θは５５度以上と
する。ここに示した回転角５５度は、座標系を考慮する
と各々―５５度と記すのが一般的である。２重リング１
０は、同心円の軸をＺ’軸方向にして切り出す。こうし
て切り出された２重リングはＸ−Ｙ’面内にあり、厚さ
方向はＺ’軸方向である。

【００１８】図１に示すように、２重リング１０は第１
の振動子１，第２振動子２，支持部９，第１の接合部３
〜６，第２の接合部７，８から構成される。振動子は弾
性と圧電性を持つ水晶からなり、形状がリングであり、
リングの上下面及び側面に施された金属蒸着膜からなる
電極を有している。基部９は弾性を持つ水晶からなり、
形状が円盤である。第１の振動子１，第２の振動子２及
び基部９は同一平面内に、同心円状に配置されており、
第１の振動子１の４つの振動の節は接合部３〜６により
第２の振動子２に接合され、第２の振動子２の４つの振
動の節の中の少なくとも２個所は、接合部７及び８によ
り支持部９に接合されており、上記すべての部分は一体
構造である。

【００１９】図１には、電極の一例として第１の振動体
１及び第２の振動体２に金属蒸着膜から成る電極を形成
した様子を示した。電極の形状は、予め形状をエッチン
グで作成したマスクを作成しておき、これを２重リング
１０の電極を生成する面に密着させて真空蒸着を施すこ
とにより形成する。第１の振動体１に、電極１ａ，１
ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ及び１ｈを蒸着し、
第２の振動体２に、電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２
ｅ，２ｆ，２ｇ及び２ｈを蒸着してある。図１はＺ’軸
方向から見た正面図なので裏面にある電極１ｄ，１ｈ，
２ｄ及び２ｈは図示していない。ここで、側面の電極
は、金属マスクを被蒸着面から少し離して配置し、被蒸
着面に垂直から少し傾けた方向から蒸着することにより
形成する。

【００２０】図２には図１に一部を示したのと同じ第１
の振動体１の電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１
ｆ，１ｇ及び１ｈと、第２の振動体の電極２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ及び２ｈを、２重リング
１０を大円で切断するＸ−Ｚ’面内の断面に示した。第
１の振動体１の電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１
ｆ，１ｇ及び１ｈ、第２の振動体２の電極２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ及び２ｈとも、リングの
角の部分周辺を除く各面に形成した。

【００２１】図２には、第1の振動体に形成した発振用
電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ及び１
ｈ、アンプＧ及び移相回路Ｐを用いた自励発振回路を示
し、第２の振動体に形成した電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２
ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ及び２ｈからの信号を検出する差
動型バッファアンプＤ、アンプＧの出力の位相を変化さ
せる移相回路Ｐ２、位相検出回路の信号を2値化するコ
ンパレータＣ、差動バッファアンプＤの出力を移相回路
Ｐ２の出力と乗算する乗算回路Ｍ、及び乗算結果を積分
して直流化する積分回路Ｓを示し、これらの間の配線を
示す。

【００２２】［振動ジャイロの動作・作用説明：図２，
図３，図４］以下、図３を用いてリング型振動体の駆動
振動を説明し、図４においてはリング型振動体の検出振
動を説明し、最後に図２を用いて、電気的に２重リング
１０を駆動し、２重リング１０の回転の結果である電圧
出力から角速度を知る方法を説明する。

【００２３】リング型振動体は多数の固有振動モードを
持つが、これらの中でリングの縁円が決定する平面内で
完結する振動をリングの面内振動と呼ぶこととする。本
実施の形態で使用する固有振動モードは、リングの面内
振動の中で最低次の、即ち最も周波数の低い２つの振動
モードである。リング形状の振動体が等方弾性体で構成
されている場合は、これら２つの振動モードは縮退して
おり、かつ対称性からその振動方向はリングの縁円に垂
直な軸の周で決定しない。

【００２４】一方本実施の形態において使用する水晶は
異方性単結晶であり、方向により弾性率が異なり、この
場合は使用する振動モードの振動方向は定まる。図３に
示すように、本実施の形態においては、リングの縁円で
決定される平面に垂直な方向を前記Ｚ’軸とし、リング
の縁円を含む面をＸ−Ｙ’面とする。水晶においては、
使用する振動モードの１つは、この座標系においてＹ’
方向にリングが伸び、Ｘ方向にリングが縮み、またこの
逆の相として、Ｙ’方向にリングが縮み、Ｘ方向にリン
グが伸びる動作を繰り返すものである。図３には、リン
グ１が、Ｙ’方向にリングが伸び、Ｘ方向にリングが縮
んだ状態を１Ｘ、Ｙ’方向にリングが縮み、Ｘ方向にリ
ングが伸びた状態を１Ｙ’として示した。これを第１の
面内振動と呼ぶ。第１面の内振動においては、Ｘ−Ｙ’
面内で座標原点からＸ軸から４５度方向に伸びた直線と
リングの交点は振動の節である。振動の節はＺ’軸に対
称な位置に４個所ある。第１の面内振動は、リングを角
度方向に走る周期πの横波と見ることもできる。

【００２５】一方、水晶においては、使用するもう１つ
の振動モードも決定する。座標系においてＸ方向から
Ｙ’方向に４５度の方向にリングが伸び、Ｘ方向から
Ｙ’方向に−４５度の方向にリングが縮み、またこの逆
の相として、Ｘ方向からＹ’方向に４５度の方向にリン
グが縮み、Ｘ方向からＹ’方向に−４５度の方向にリン
グが伸びる動作を繰り返すものである。図４には、リン
グ２が、Ｘ方向からＹ’方向に４５度の方向にリングが
伸び、Ｘ方向からＹ’方向に−４５度の方向にリングが
縮んだ状態を２ＸＹ’、Ｘ方向からＹ’方向に４５度の
方向にリングが縮み、Ｘ方向からＹ’方向に−４５度の
方向にリングが伸びた状態を２Ｙ’Ｘとして示した。こ
れを第２の面内振動と呼ぶ。第２の面内振動において
は、Ｘ−Ｙ’面内で座標原点からＸ軸方向に伸びた直線
とリングの交点は振動の節である。振動の節はＺ’軸に
対称な位置に４個所ある。第２の面内振動も、リングを
角度方向に走る周期πの横波と見ることもできる。

【００２６】次に、第１の面内振動及び第２の面内振動
とコリオリ力の関係について説明する。図３に示す様
に、第１の面内振動を行うリング上の、最も大きく変位
する２つの点、即ち、Ｘ軸とリングが交差する点Ｑ１及
び、Ｙ’軸とリングが交差する点Ｑ２に着目する。リン
グがＸ方向に伸びる運動を行う場合、点Ｑ１はＸ方向に
速度ＶＸを持つ。この時同時にＱＹ’はＹ方向に速度−
ＶＹ’を持つ。この時リングをＺ’の周りに角速度ωで
回転すると、点ＱＸには、速度に直交する方向にコリオ
リ力ＦＣＸが働き、点ＱＹ’には速度に直交する方向に
コリオリ力ＦＣＹ’Ｘが働く。コリオリ力ＦＣＸ及びコ
リオリ力ＦＣＹ’は共にリングの接線方向に働き、かつ
その接線方向が反対なので、リングは、例えば全体とし
てＸ方向からＹ’方向へ４５の方向へ伸びる。この変形
は、第２の面内振動を励起するものである。従って第１
の面内振動が発生しているリングをＺ’軸周りに回転す
ると、コリオリ力により第２の面内振動が発生すること
が分かる。この事情は一般に広く知られている。ただ
し、コリオリ力は速度に比例する力なので、第１の面内
振動により引き起こされる第２の面内振動の変位位相
は、９０度遅れることに注意しなければならない。

【００２７】リングの厚みについて説明する。これまで
説明した第１の面内振動及び第２の面内振動の固有周波
数は、リングの径及び径方向の巾によって決定される。
一方、リングの振動には、リングの面内振動に直交する
方向の横波であるリングの面外振動が存在する。リング
の面外振動の周波数は、リングの径及びリングの厚さに
よって決定される。リングの厚さが上記リングの巾と同
程度の場合は、第１の面内振動又は第２の面内振動の共
振周波数の近傍にリングの面外振動の固有周波数が発生
する危険性がある。また、リングの厚さを薄くしすぎる
と、高次のリングの面外振動の固有周波数が多数発生す
る。したがって、リングの厚さはリングの巾の半分程度
としておくのが望ましい。

【００２８】次に、図１を用いて２重リング１０の機械
的動作を説明する。予め第１の振動体１に第１の面内振
動を発生させておく。この時、第１の振動体１と第２の
振動体２を結ぶ接合部３〜６は、各々Ｘ軸からＸ−Ｙ’
平面内で４５度，１３５度，２２５度，３１５度の方向
で第１の振動体１の振動の節に接合してあるので振動し
ない。従って第２の振動体は静止している。ここで、２
重リング１０をＺ’軸の周りに角速度ωで回転させる
と、第１の振動体１には、第２の面内振動が発生する。
第２の面内振動では、接合部３〜６は振動の節ではない
ので径方向に振動する。この振動は第２の振動体２に伝
わり、第２の振動体２には第２の面内振動が発生する。
第２の振動体２は、接合部７及び８により、基部９と接
合しているが、接合部７及び８は、各々Ｘ軸からＸ−
Ｙ’平面内で９０度，２７０度の位置で第２の振動体に
接合してあるので，第２の面内振動においては、節の位
置であり、第２の振動体２の振動は基部９に伝わらな
い。従って２重リング１０は、振動ジャイロとしての動
作において、支持部からの外部への振動漏れの無い構造
となっている。

【００２９】２重リング１０は、支持部からの外部への
振動漏れが無いと記した。確かに２重リング２０は、リ
ングの面内振動に関しては外部への振動漏れの無い構造
を実現しているが、２重リングを水晶から切り出す方向
によっては、水晶の結晶異方性に依存して、面外へ大き
な漏れ振動が発生する。具体的には、連結部３〜６にか
かる応力の方向から、第１の面内振動を行う場合のみ、
第１の振動部及び第２の振動部が、Ｙ’軸周りに互いに
捻じれる動作となる。この捻じれ動作が存在すると、支
持部から外部へ大きな振動漏れが発生する。

【００３０】本実施の形態においては、水晶の結晶の対
称性を考慮して、水晶の結晶軸からＸ軸周りに２重リン
グの切り出し角度を６０度程度回転することでこの問題
を解決している。実際には、水晶の結晶軸のＹ−Ｚ面内
での回転角を５５度以上にすれば、第１の振動部及び第
２の振動部が、Ｙ’軸周りに互いに捻じれる動作は解消
し、支持部の揺れの問題は解決する。ただし、圧電性が
本来の圧電方向からの回転角の余弦となることを考慮す
ると、あまり回転角を大きく採ることは得策ではない。
回転角６０度の時で２重リング１０の見かけの圧電性
は、本来の半分になる。

【００３１】次に、実際の駆動検出方法について説明す
る。図２において、左側に記す第１の振動体１の断面に
は、駆動電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの断面が配置さ
れ、右側に記す第１の振動体１の断面には、駆動電極１
e，１ｆ，１ｇ，１ｈの断面が配置され、左側に記す第
２の振動体２の断面には、検出電極２ａ，２ｂ，２ｃ，
２ｄの断面が配置され、右側に記す第２の振動体２の断
面には、検出電極２e，２ｆ，２ｇ，２ｈの断面が配置
されている。まず、第１の振動体１が例えばＹ’方向に
縮むと、電極１ａ近傍がＹ’方向に伸び、電極１ｃ近傍
がＹ’方向に縮むが、この時水晶内部では圧電効果によ
り電極１ａ近傍ではＸ方向に、また電極１ｃ近傍では−
Ｘ方向に電界が発生する。この時電界の向きを考慮する
と電極１ａ及び１ｃは同電位で、第１の振動体のリング
の中央より例えば高い電位となる。Ｘ方向に見ると、第
１の振動体１のリングの中央付近に配置された電極１ｂ
及び１ｄは、相対的に電極１ａ及び１ｃより低い電位と
なるので、電極１ｂ及び１ｄと、電極１ａ及び１ｃの間
には、電位差が発生する。圧電効果は可逆的なので、電
極１ｂ及び１ｄと、電極１ａ及び１ｃの間に電位差を与
えれば、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、第
１の振動体１は屈曲することになる。また、第１の振動
体１が例えばＹ’方向に縮むと、電極１ｇ近傍がＹ’方
向に伸び、電極１ｅ近傍がＹ’方向に縮むが、この時水
晶内部では圧電効果により電極１ｇ近傍ではＸ方向に、
また電極１e近傍では−Ｘ方向に電界が発生する。この
時電界の向きを考慮すると電極１ｇ及び１ｅは同電位
で、第１の振動体のリングの中央より例えば低い電位と
なる。Ｘ方向に見ると、第１の振動体１のリングの中央
付近に配置された電極１ｆ及び１ｈは、相対的に電極１
ｇ及び１ｅより高い電位となるので、電極１ｆ及び１ｈ
と、電極１ｇ及び１ｅの間には、電位差が発生する。圧
電効果は可逆的なので、電極１ｆ及び１ｈと、電極１ｇ
及び１ｅの間に電位差を与えれば、水晶内部には、これ
に応じた電界が発生し、第１の振動体１は屈曲すること
になる。これらのことから、例えば電極１ａ及び１ｃと
電極１ｆ及び１ｈの電位を参照として発振条件を超える
増幅率でアンプＪＧを用いて増幅し、発振条件を満足す
る位相に移相回路ＪＰで整えて電極１ｂ及び１ｄと電極
１ｇ及び１ｅに戻すことにより、第１の振動体１の屈曲
に伴う機械的な戻り力と電気的な力の間でエネルギーの
交換が起こり、第１の振動体１を自励発振させることが
できる。この時、第１の振動体１全体で見ると、第１の
面内振動が発生する。この状態で２重リング１０全体を
Ｚ’軸の回りに角速度ωで回転させると、２重リング１
０の第１の振動体には、第２の面内振動が発生する。こ
の第２の面内振動により、第２の振動体２の電極２ａ及
び２ｇの近傍はＹ’方向に伸び縮みし、電極２ｃ及び２
ｅの近傍は電極２ａ及び２ｇの近傍と逆相で伸び縮みす
る。例えば、電極２ａ及び２ｇの近傍がＹ’方向に伸び
ている時、第２の振動体２の内部の電極２ａ及び２ｇの
近傍では、Ｘ方向に電界が発生し、この時電極電極２ｃ
及び２ｅの近傍はＹ’方向に縮むので、第２の振動体２
の内部の電極２ｃ及び２ｅの近傍では、−Ｘ方向に電界
が発生する。この時電界の向きを考慮すると電極２ａ及
び２ｃは同電位で、第２の振動体のリングの中央より例
えば高い電位となる。Ｘ方向に見ると、第２の振動体２
のリングの中央付近に配置された電極２ｂ及び２ｄは、
相対的に電極２ａ及び２ｃより低い電位となるので、電
極２ｂ及び２ｄと、電極２ａ及び２ｃの間には、電位差
が発生する。また電界の向きを考慮すると電極２ｇ及び
２ｅは同電位で、第２の振動体のリングの中央より例え
ば低い電位となる。Ｘ方向に見ると、第２の振動体２の
リングの中央付近に配置された電極２ｆ及び２ｈは、相
対的に電極２ｇ及び２ｅより高い電位となるので、電極
２ｆ及び２ｈと、電極２ｇ及び２ｅの間には、電位差が
発生する。見方を変えると、例えば電極２ａ及び２ｃが
高電位の時電極２ｆ及び２ｈも高電位であり、この時電
極２ｇ及び２ｅと電極２ｂ及び２ｄは低電位であり、電
極２ａ及び２ｃが低電位の時電極２ｆ及び２ｈも低電位
であり、この時電極２ｇ及び２ｅと電極２ｂ及び２ｄは
高電位である。コリオリ力は、電極２ａ，２ｃ，２ｆ及
び２ｈと、電極２ｇ，２ｅ，２ｂ及び２ｄの間の電位差
として現れる。

【００３２】コリオリ力の検出信号は、電極２ａ，２
ｃ，２ｆ及び２ｈを一方の入力信号とし、電極２ｇ，２
ｅ，２ｂ及び２ｄを他方の入力信号とした、差動バッフ
ァＤを経て乗算回路Ｍに導かれ、面内屈曲振動の発振系
の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正
する目的で、アンプＧの出力を、移相回路Ｐ２により９
０度移相し、コンパレータＣにより２値化した参照信号
により乗算され、乗算により検波された結果は、更に積
分回路Ｓにより平滑化され、正確な直流出力として検出
できる。この直流出力はコリオリ力に比例し、コリオリ
力は角速度ωに比例するので、この直流出力により角速
度ωを知ることができる。

【００３３】次に２重リング１０の第１の面内振動と第
２の面内振動の共振について具体的な数値を用いて説明
する。エッチングで高精度に製作された２重リング１０
は、駆動モードである第１の面内振動のＱ値は５万程度
になり、また検出モードとなる第２の面内振動のＱ値も
５万程度ある。共振周波数を１０ｋＨｚで設計すると、
検出側のＱ値が高すぎるので、第１の面内振動と第２の
面内振動の共振周波数を一致させる共振型で設計を行う
と応答性が極めて悪くなり、実用的でない。本実施の形
態においては、第１の面内振動と第２の面内振動の共振
周波数の差を３００００ＰＰＭ程度とし、位相検波によ
り直流化することにより、１００Ｈｚ以上の応答性を得
ている。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よる振動ジャイロは、Ｑ値の高い水晶を用い、２重リン
グ型の構成を採り、駆動リングの振動の節を検出リング
に接続し、検出リングの振動の節を支持部に接続する構
成を採用し、更に水晶のカット角を調整することによ
り、駆動及び検出の双方の振動に対して支持部の揺れが
全く無く、駆動と検出の振動の固有周波数を離すことに
より、応答性の劣化を防ぎ、安定して精度の良い角度検
出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である２重リング型の振動
ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、
電極の一部を示す正面図である。

【図２】本発明の実施の形態である２重リングの大円の
断面を示し，回路ブロック及び配線を示す模式図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態であるリング型振動体の駆
動振動を示す動作説明図である。

【図４】本発明の実施の形態であるリング型振動体の駆
動振動を示す動作説明図である。

【図５】従来の音叉型の水晶ジャイロの外観を示し、座
標を示し、電極の一部を示し、異方性結晶の回転方向を
示す斜視図である。

【図６】従来の音叉型水晶ジャイロの、足の断面及び駆
動検出回路の配線模式図である。

【図７】本発明の異方性結晶の回転方向を示す座標系の
斜視図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ 電
極 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ 電
極 １ 第１の振動体 １Ｘ 変形した第１の振動体 １Ｙ’ 変形した第１の振動体 ２ 第２の振動体 ２ＸＹ’ 変形した第２の振動体 ２Ｙ’Ｘ 変形した第２の振動体 ３〜６ 接続部 ７，８ 接続部 ９ 支持部 １０ ２重リング型の振動ジャイロ Ｃ コンパレータ Ｄ 差動バッファ Ｇ アンプ Ｍ 乗算回路 Ｐ ，Ｐ２ 移相回路 Ｓ 積分回路 ＦＣＸ コリオリ力 ＦＣＹ コリオリ力 ＱＸ 点 ＱＹ’ 点 ＶＸ 速度 ―ＶＹ’ 速度 Ｊ１〜Ｊ８ 電極 Ｊ１０ 音叉型振動体 Ｊ１１ 第１の足 Ｊ１２ 第２の足 Ｊ１５ 基部 ＪＣ コンパレータ ＪＤ 差動バッファ ＪＧ アンプ ＪＭ 乗算回路 ＪＰ ，ＪＰ２ 移相回路 ＪＳ 積分回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発振用の電極を有する第１の振動子と、
   角速度検出用の電極を有する第２の振動子と、支持部
   と、 第１の振動子振動の節と第２の振動子とを接続する第１
   の接合部と、第２の振動子と支持部とを接続する第２の
   接続部とからなり、 第１，第２の振動子と支持部と第１，第２の接続部とが
   略一定の厚さの平面構造を為し、第１の振動子と第２の
   振動子はいずれも共通の中心点に対して点対称の形状を
   有し、第１の振動子と第２の振動子が同心のリング状に
   形成されており、全ての構成要素が水晶により一体に形
   成される角速度検出素子において、 水晶の結晶軸のＹ−Ｚ面内での回転角を５５度以上にし
   たことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の振動ジャイロであっ
   て、第１の振動子と第２の振動子の共振周波数の差を３
   ００００ＰＰＭ以上としたことを特徴とする振動ジャイ
   ロ。