JP2003156337A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高いＱ値は振動ジャイロの出力を大きくし、
ノイズやドリフトを低減する。しかし、互いに直交する
２つの方向の振動を利用する振動ジャイロでは、その双
方に高いＱ値を保証する振動体形状を見出すのは難し
く、また互いの振動の直交性を高いレベルで保証しなけ
れば駆動ノイズを低減できない。 【解決手段】 Ｑ値を劣化させる原因となる支持部から
外部への振動漏れが少ない３脚音叉型振動体を用い、高
い駆動検出振動のＱ値を実現し、また、その足幅を個々
に調整することにより、駆動振動により変位せず、検出
振動においてのみ変位する検出部を実現することで、互
いの振動の直交性に関わり無く高いＳ／Ｎと低ドリフト
を実現する。

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】特に圧電性単結晶を用いた振動ジャイロ
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。以下に圧電性単結晶を使用した
例として、水晶を用いた音叉型振動ジャイロの構造を図
面を用いて説明する。図５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に結合した構
造を持つものである。第１の足Ｊ１１には、駆動電極Ｊ
３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Ｊ１
５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Ｊ
１２の断面には検出電極Ｊ５，Ｊ６，Ｊ７及びＪ８の断
面が配置されている。

【０００７】まず、第１の足Ｊ１１が例えば第２の足Ｊ
１２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Ｊ１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Ｊ４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。

【０００８】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Ｊ
Ｇ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。

【０００９】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。

【００１０】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Ｊ８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Ｊ
６の電位より低い状態となる。

【００１１】面外屈曲振動により発生するこれら電極Ｊ
５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。

【００１２】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。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電性単結晶を用いた音叉型の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
が振動中に殆ど動かない位置、すなわち振動の節のみを
支持することを理想とする。音叉型振動ジャイロでは、
足の延びた方向に垂直な２方向の屈曲振動を扱う事にな
るが、これら２方向の屈曲振動の中で、駆動に用いる面
内屈曲振動においては、基部底面を支持する事によりほ
ぼ理想的な支持が実現する。この支持方法においては、
音叉型振動体は足の伸びた方向に僅かに変動するのみで
あり、支持部の変化による周波数変動は僅か数ＰＰＭに
留まる。一方、面内屈曲振動と振動体の回転により足に
生じたコリオリ力で励振される面外屈曲振動において
は、音叉型振動体は音叉の中心対称軸の周りの捻り振動
となるので、振動体の外部に振動を伝えない支持は難し
い。従来の基部底面支持のごとく支持の影響が振動体に
及ぶ理想的でない支持方法を用いる場合は、コリオリ力
により発生する検出振動である面外屈曲振動も、後述す
る駆動用の振動である面内屈曲振動の検出振動への漏れ
振動も支持部を通して振動体外部に伝わってしまい、Ｓ
／Ｎの低下やドリフトの原因となる。

【００１４】また、２脚音叉型振動ジャイロにおいて
は、棒状の振動体が駆動と検出をかねており、検出部が
振動している。理論上は駆動方向が検出方向に直交して
いるので、駆動振動の影響は検出振動に及ばないのであ
るが、実際の加工精度においては、この直交度が充分で
なく、検出方向は駆動により予め振動しており、検出電
極は駆動振動を検出してしまう。駆動振動と検出振動の
共振周波数を互いに離せば駆動振動が検出振動を僅かに
励振する現象は少なくなるが、振動ジャイロにおいて
は、駆動振動と検出振動の共振周波数をコリオリ力が伝
達できる程度に接近させているので、駆動振動の検出振
動への漏れと言われるこの現象は避けられない。また、
駆動電極及び検出電極の電極間の静電容量結合によって
も、検出電極は駆動振動を検出してしまう。これはコリ
オリ力が無いにもかかわらず検出出力が出ている事を意
味する。駆動振動は振幅が大きいので、支持部の環境変
化や、振動体の温度変化による駆動振動の僅かな変化
も、振幅の小さな検出振動に多大な影響を与え、Ｓ／Ｎ
が低下し、ドリフトが発生する。

【００１５】［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、Ｓ／Ｎが高く、ドリフトが
少なく、検出精度の良い、振動ジャイロを提供すること
にある。

【００１６】

【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。

【００１７】本発明の振動ジャイロは、基部と３本の足
とを有する振動子と、発振手段と、角速度検出手段とか
ら構成され、前記基部と前記３本の足がすべて同じ厚み
からなり、前記基部が前記３本の足にそれぞれ結合し、
前記３本の足が同じ長さで互いに平行に配置され、両側
の２本の足のうちの一方の足の幅を中央の足の幅と同じ
とするとともに両側の２本の足のうちの他方の足の幅を
中央の足の幅と異ならせた振動ジャイロにおいて、前記
両側の２本の足のうちの一方の足と前記基部を結合する
部分に肩部を設け、前記両側の２本の足のうちの他方の
足の幅は、中央の足の幅の３／５±１０％である。

【００１８】[作用]本発明による振動ジャイロは、３脚
音叉型形状を採用し、振動の節を支持する事により、極
めてＱ値が高く外部への振動漏れの少ない駆動振動及び
検出振動を用い、また駆動振動によって振動しない検出
部を用いることにより、駆動振動の影響が殆ど検出部に
及ぶ事がなく、結果として高いＳ／Ｎと低いドリフトを
実現する。

【００１９】

【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〜図４，図７及び図８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３脚音叉１
０と呼ぶ、３脚音叉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す斜視図であり、図２は３脚音
叉１０の断面，回路ブロック及び配線模式図であり、図
３は３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示
し、電極の一部を示す表面図であり、図４は３脚音叉型
の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部
を示す裏面図であり、図７及び図８は３脚音叉型振動体
の振動モードを示す足の断面の動作説明図である。

【００２０】［振動ジャイロの構造説明：図１〜図４］
本実施の形態においては、圧電性単結晶の中で、特に温
度特性に優れた水晶を使用する。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。

【００２１】図１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０〜１０度と
する。ここに示した回転角は、温度特性及び振動の安定
度を指標に最適なものが選択される。３脚音叉１０は、
一定の厚みを持つ２次元形状であるが、この厚み方向を
Ｚ’軸方向にして切り出す。こうして切り出された３脚
音叉１０の３脚音叉形状は、Ｘ−Ｙ’面内に２次元形状
で表現される。ここで以下の説明において、Ｚ’軸方向
を表裏方向とし、Ｚ’方向から見たＺ’軸に直交する面
を表面、−Ｚ’方向から見たＺ’軸に直交する面を裏面
と呼び、Ｘ軸方向を左右方向とし、Ｘ方向から見たＸ軸
に直交する面を左側面、−Ｘ方向から見たＸ軸に直交す
る面を右側面と呼ぶ事とする。

【００２２】図１は、３脚音叉１０を斜めから見た図で
あるが、電極は省略してある。図１に示すように、３脚
音叉１０は足１〜３，基部９及び支持部１１から構成さ
れる。足１は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状
は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ１，Ｚ’方向の厚
さがｔの、各々同一の寸法を持つ四角柱であり、側面に
施された金属蒸着膜からなる電極を有している。足２は
弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の
長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ２，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱
であり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有し
ている。足３は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状
は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ３，Ｚ’方向の厚
さがｔの四角柱であり、側面に施された金属蒸着膜から
なる電極を有している。ここで、足１，２及び３の幅の
比Ｗ１：Ｗ２：Ｗ３は、ほぼ５：５：３である。基部９
は弾性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さ
Ｄ，Ｘ方向の幅Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋２×Ｕ＋Ｋ，Ｚ’方
向の厚さがｔの四角柱である。支持部１１は、弾性を持
つ水晶からなり、形状は、Ｘ方向の幅が基部の幅の１／
３〜１／１であり、Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱であ
る。足１〜３は、Ｘ方向に足１，足２，足３の順に平行
に、隙間Ｕを開けて配置され、各々の足は、基部９の
Ｙ’方向に垂直な１つの面に接合している。このとき、
基部９の左側面と足１の左側面は単一平面とならず、足
１は、基部９の側面からＸ方向にＫだけ内側に配置さ
れ、左肩部が形成される。また、基部９の右側面と足３
の右側面は単一平面となるように配置され、右肩部は形
成されない。支持部１１は、基部９の足１〜３の接合し
た面と平行な、底面と呼ぶもう１つの面の中央に接合し
ている。上記すべての部分は同じ厚さで、同一平面内に
あり、一体構造である。

【００２３】図３及び図４には、電極の一例として３脚
音叉１０に金属蒸着膜から成る電極を形成した様子を示
した。ただし、電極の説明に関係のない、支持部１１は
省略してある。図３は３脚音叉１０をＺ’方向から見た
様子を示している。図４は３脚音叉１０を−Ｚ’方向か
ら見た様子を示している。既に述べた様に、図３に示す
面を表面，図４に示す面を裏面と呼ぶ。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３脚音叉１０の電極を生成する表裏面に密着
させて真空蒸着を施すことにより形成する。左右側面の
電極は、蒸着方向を回転する事により形成できる。足１
の表面に電極１Ｕ，裏面に電極１Ｄ，左側面に電極１
Ｌ，右側面に電極１Ｒを蒸着し、足２の表面に電極２
Ｕ，裏面に電極２Ｄ，左側面に電極２Ｌ，右側面に電極
２Ｒを蒸着し、足３の表面から右側面に回り込む電極３
Ｕ，裏面から右側面に回り込む電極３Ｄ，左側面に電極
３Ｇを蒸着する。全ての電極は長方形である。基部９の
表面には回路と接続する為の端子ＤＲ，ＳＥ，Ｓ１，Ｓ
２及びＧＮＤと、各々の足の電極と端子を結ぶ導線を蒸
着する。

【００２４】図２には、図３及び図４に示したのと同じ
足１〜３、及び電極１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ，２
Ｒ，２Ｕ，２Ｄ，３Ｕ，３Ｄ及び３ＧのＹ’軸方向に垂
直な断面を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を
示す。駆動回路は、検出電極１Ｌ，１Ｒ，２Ｕ及び２Ｄ
からの信号をアンプＧ及び移相回路Ｐを用いて駆動電極
１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ及び２Ｒに返す自励発振回路で構成さ
れ、検出回路は、検出電極３Ｕ及び３Ｄからの信号を検
出する差動バッファ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で構成される。３電源系の回路で構
成する場合は、駆動検出回路に直接接続されない電極３
Ｇはグランドに接地する。

【００２５】［振動ジャイロの動作・作用説明：図２，
図７及び図８］以下、図７を用いて３脚音叉型振動体の
検出振動を説明し、図８においては３脚音叉型振動体の
駆動振動を説明し、最後に図２を用いて、電気的に３脚
音叉１０を駆動し、３脚音叉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。

【００２６】最初に、本実施の形態において使用する３
脚音叉１０を切り出す座標系が、水晶の結晶軸から傾い
ている事について説明する。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、方向により弾性率の温
度依存性が異なる。厚み方向をＺ軸方向とせず、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、厚み方向をＺ’軸方向
としたのは、回転角θにより駆動検出振動の共振周波数
の温度特性が変化するので、回転角θを温度特性を勘案
して決定する為である。この回転角θは、振動ジャイロ
を使用する温度条件を勘案し、０〜１０度から選択す
る。

【００２７】さて、振動ジャイロにおける理想は、振動
体内で自己完結的な振動モードのみを利用し、この振動
モードにおける振動の節を支持する事により、外部環境
に依存しない安定した振動ジャイロを得る事である。し
かしながら、直交する２方向が、共にこのような条件を
満足する振動体は、極めて希である。ところで、２脚音
叉は２本の足が決定する平面内で、２本の足が相反する
方向へバランスを取りながら１次屈曲振動する、いわゆ
る面内振動において、最も優れた振動体として発振器等
に利用されいる。また、３脚音叉は３本の足が決定する
平面に垂直な方向へ、両側の２本の足と中央の足が相反
する方向へ１次屈曲振動する、いわゆる面外振動におい
て、２脚音叉の面内振動に匹敵する優れた振動体として
利用されてきた。本実施の形態においては２脚音叉の面
内振動に匹敵する優れた振動と、３脚音叉の面外振動に
匹敵する優れた振動を、振動ジャイロの駆動と検出の振
動に用いる。

【００２８】また、振動ジャイロにおいては、駆動振動
が発生している間に、検出部がコリオリ力に無関係な出
力を発生しないことが、高いＳ／Ｎと厄介な無回転時の
出力のドリフトを抑える点で有効である。無回転時に出
力が無ければ、ドリフトは存在しないからである。コリ
オリ力に無関係な出力は、駆動と検出振動の直交性が不
完全であれば、振動する検出部において、駆動振動が検
出振動を機械的に発生させ、電極の対称性が不完全であ
れば、振動する検出部において、駆動出力が検出出力を
電気的に発生させるので、有限な加工精度で製作された
振動体としては、回転のない時は、駆動振動発生時に、
駆動振動と無関係に検出部が静止しており、回転による
検出振動の発生時は、検出部が検出振動の振動体の一部
として大きく振動するような構造が望ましい。本実施の
形態においては、３本の足を持つ３脚音叉を振動体とし
て用い、並んだ３本の足の中で、右端の足３の幅を、他
の足の幅の３／５とする事で、上述の望ましい事項を全
て満足する振動体を提供する。

【００２９】本実施の形態で使用する３脚音叉型振動体
は、複数の固有振動モードを持つ。これらの中で３脚音
叉形状の、厚み方向に直交する平面内、即ちＸ−Ｙ’平
面内で完結する、３本の足のＸ方向への１次屈曲振動
を、３脚音叉１０の面内振動と呼ぶこととする。また、
３脚音叉形状の、厚み方向、即ち３本の足のＺ’方向へ
の１次屈曲振動を、３脚音叉１０の面外振動と呼ぶこと
とする。

【００３０】図７を用いて、３脚音叉１０の検出振動を
説明する。図７はＹ'方向から見た足の断面図である
が、３脚音叉１０の面外振動の中で、足１及び３の組と
足２が、互いに相対する方向へ屈曲する面外振動を行う
振動モードがある。図７は、ある瞬間の各々の足の変位
方向を矢印で示している。この振動モードを検出振動と
呼ぶ事とする。

【００３１】３脚音叉１０は、右肩がなく、平行に並ん
だ足の中で、両側に位置する足１及び３の幅が異なる。
これは、３脚音叉１０が一般的な左右対称形状の３脚音
叉と異なる部分である。一般に３脚音叉の面外振動は、
両端の足の幅が等しい場合においてのみ基部揺れの非常
に少ない面外振動を実現できると信じられているが、我
々は詳細な実験の結果、形状によっては、この条件と異
なる条件でも基部揺れの非常に少ない面外振動を実現で
きる事を明らかにした。振動ジャイロにおいては、支持
部への振動漏れが少ない事を目標とするが、振動漏れ
は、支持方法の変化に対する面外振動の固有周波数の変
化を指標とする事が出来る。支持部を完全に固定した場
合と完全に自由にした場合の周波数差Δｆが、１００Ｐ
ＰＭ以下であれば、振動ジャイロとしては申し分ない。
実験の結果、溝部と肩部の幅が同じで、右肩のない振動
体においては、左端の足１の幅Ｗ１に対する右端の足３
の幅Ｗ３の比Ａ＝Ｗ３／Ｗ１と、支持方法による最大周
波数変化量Δｆとの関係は、Ａが３／５の時Δｆ＝０Ｐ
ＰＭ，Ａが３／５±１０％を超える時Δｆ＝１００ＰＰ
Ｍを超えることが分かった。この結果は、左右対称な形
状の３脚音叉に比べて、寸法公差がやや厳しいことを示
唆している。このことから、溝部と肩部の幅が同じで、
右肩のない振動体においては、３脚音叉１０の面外振動
は、Ａを３／５±１０％以内とすれば、優れた振動体と
なることが分かる。

【００３２】ここまでの説明において足は直方体として
きたが、足の形状が直方体でない場合にもこの考え方を
適用することができる。例えば、足の長さをあまり伸ば
さずに周波数を下げたい場合等は、足の先端部に錘をつ
ける等の工夫により周波数を低く保ったまま足を短くで
きる。図９に示すように、各の足の先端部に各同じ長さ
の錘のついた形状の足において上述のような周波数差Δ
ｆを最小化する条件は、実験の結果、溝部と肩部の幅が
同じで、右肩のない振動体においては、左端の足１の幅
Ｗ１に対する中央の足２の幅Ｗ２は同じであり、かつ左
端の足１の幅Ｗ１に対する右端の足３の幅Ｗ３の比Ａ＝
Ｗ３／Ｗ１が３／５であると同時に、左端の足１の錘Ａ
１の幅ＡＷ１に対する中央の足２の錘Ａ２の幅ＡＷ２は
同じであり、かつ左端の足１の錘Ａ１の幅ＡＷ１に対す
る右端の足３の錘Ａ３の幅ＡＷ３の比Ａ＝ＡＷ３／ＡＷ
１が３／５であり、足１，足２及び足３の長さは同じで
あり、錘Ａ１，錘Ａ２及び錘Ａ３の長さが同じであるこ
とであった。

【００３３】このことは、既に錘の付いた足に更に錘を
付け足していくことを考慮することにより、次のような
一般化が成り立つことを示している。図１０に示すよう
に、足１，足２及び足３の形状が直方体でない場合は、
足１，足２及び足３の幅が、Ｙ’方向に見た全ての位置
において、５：５：３の比になっている場合に、上述の
周波数差Δｆを最小化することができる。

【００３４】次に、図８を用いて、３脚音叉１０の駆動
振動を説明する。３脚音叉１０の面内振動の中で、足１
及び２が、互いに相対する方向へ屈曲する面内振動を行
い、この間、足３が静止している振動モードがある。図
８は、Ｙ’方向から見た足の断面図であるが、ある瞬間
の各々の足の変位方向を矢印で示している。この振動モ
ードを駆動振動と呼ぶ事とする。

【００３５】３脚音叉１０の各々の足の配置において、
足１及び２の配置に着目すると、足１及び２は２脚音叉
に似た配置を形成しており、駆動振動は足１及び２で構
成される２脚音叉と類似の面内振動と見る事が出来る。
２脚音叉の面内振動は、基部の下部を支持部とした自己
完結的な振動体であるが、これに類似の３脚音叉１０の
駆動振動は、支持部への振動の漏れが殆どないことが確
認されている。

【００３６】駆動振動において、足３が静止している理
由は、足１，２の組が自己完結的な振動を実現できるか
らであるが、更に足３の幅が、他の足の幅に対して３／
５と狭くなっており、足３のＸ方向の共振周波数が他の
足の面内振動の共振周波数とかけ離れていて、足１及び
２の振動に結合できないことが挙げられる。

【００３７】面外振動においては、足固有の共振周波数
は足の幅に影響されず厚さｔで決定される為、足３の幅
を大きく変化させても３本の足は全て振動する検出振動
が実現したのに対し、面内振動においては足３の幅を大
きく変化させる事により、足３だけが静止する駆動振動
を実現した。これが３脚音叉１０の大きな特徴である。

【００３８】ここまで述べた事のまとめとして、本実施
の形態で用いる３脚音叉１０の寸法の比率の例を示す。
中央の足２の幅Ｗ２を１．０とすると、左足１の幅Ｗ１
＝１．０，右足３の幅Ｗ３＝０．５４〜０．６６，左肩
Ｋ＝２．０，右肩無し，溝幅Ｕ＝２．０，厚さｔ＝０．
９５〜０．９８等となる。また、ここまでの説明で駆動
振動で静止させる足を足３としてきたが、勿論足１であ
っても構わない。この場合の３脚音叉１０の寸法の比率
の例を示す。中央の足２の幅Ｗ２を１．０とすると、右
足３の幅Ｗ３＝１．０，左足１の幅Ｗ１＝０．５４〜
０．６６，右肩Ｋ＝２．０，左肩なし，溝幅Ｕ＝２．
０，厚さｔ＝０．９５〜０．９８等となる。

【００３９】次に、駆動振動及び検出振動と、コリオリ
力の関係について説明する。駆動振動を行う３脚音叉１
０において、この時３脚音叉１０をＹ’の周りに角速度
ωで回転すると、速度ＶＸで運動する足１には、駆動振
動に直交する方向にコリオリ力ＦＣが働き、速度−ＶＸ
で運動する足２には、駆動振動に直交する方向にコリオ
リ力−ＦＣが働く。即ち、図８に示す様に、コリオリ力
ＦＣ及び−ＦＣは、面外振動方向に、駆動振動の周波数
で３脚音叉１０の足１及び２に働く。従って駆動振動が
発生している３脚音叉１０をＹ’軸周りに角速度ωで回
転すると、コリオリ力により足１及び２の運動を媒介と
して検出振動が励振されることが分かる。ただし、コリ
オリ力は速度に比例する力なので、駆動振動により引き
起こされる検出振動の変位位相は、駆動振動の変位位相
に対して９０度遅れることに注意しなければならない。

【００４０】３脚音叉１０では、足３の質量が足１の３
／５しかないため、運動量保存により、面外振動発生時
における足３の屈曲量は足１よりも大きくなる。この事
は、コリオリ力が直接駆動する足１の屈曲の大きさより
も検出足３の屈曲の大きさが大きいことを意味してお
り、屈曲量に比例する電圧出力の向上を通してＳ／Ｎの
向上をもたらす事を示している。

【００４１】次に、実際の駆動検出回路を用いた、電気
的な駆動検出方法について説明する。図２には、３脚音
叉１０の足の断面及び、電極１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ，
２Ｌ，２Ｒ，２Ｕ，２Ｄ，３Ｕ，３Ｄ，及び３Ｇの断面
が示されている。

【００４２】まず、足２が面内振動を行う場合を説明す
る。足２がＸ方向に屈曲すると、電極２Ｌ近傍はＹ’方
向に伸び、電極２Ｒ近傍はＹ’方向に縮む。この時水晶
内部の電極２Ｌ近傍には圧電効果により−Ｘ方向に電界
が発生し、電極２Ｒ近傍には圧電効果によりＸ方向に電
界が発生する。これらの電界により、電極２Ｕ及び２Ｄ
は電極２Ｌ及び２Ｒより高電位となる。またこれとは逆
に、電極２Ｌと電極２Ｕ又は２Ｄの間に外部から電圧を
印加し、電極２Ｕ又は２Ｄと電極２Ｒの間に外部から逆
電圧を印加すると、圧電効果は可逆的なので、水晶内部
には電極２Ｌ近傍に−Ｘ方向に電界が発生し、電極２Ｒ
近傍にＸ方向に電界が発生するが、この電界により足２
の電極２Ｌの近傍は伸び、電極２Ｒの近傍は縮み、結果
として足２はＸ方向に屈曲する。従って、Ｘ方向の屈曲
によって電極２Ｕ又は２Ｄに発生する電圧を増幅し、位
相を調整して電極２Ｌ及び２Ｒにこの電圧を加える事に
より、足２を用いて面内振動を発振させる事が出来る。

【００４３】本実施の形態においては、駆動振動で動作
する足１及び２を全て駆動する。即ち、図８に示した駆
動振動の足の動作方向を勘案し、足１は、左右の電極１
Ｌ及び１Ｒを参照電圧として、表裏の電極１Ｕ及び１Ｄ
に電圧を印加し、足２においては、逆に表裏の電極２Ｕ
及び２Ｄの電圧を参照に左右の電極２Ｌ及び２Ｒに電圧
を印加すればよい。本実施の形態においては、電極１
Ｌ，１Ｒ，２Ｕ及び２Ｄからの電圧をアンプＧに入力
し、移相回路ＰでアンプＧの出力を移相して、電極１
Ｕ，１Ｄ，２Ｌ及び２Ｒに印加する事により、駆動振動
を自励発振させている。

【００４４】この状態で３脚音叉１０全体をＺ’軸の回
りに角速度ωで回転させると、３脚音叉１０の足１及び
２の運動を介して、３脚音叉１０には、既に述べた様に
検出振動が発生し、回転のない場合には静止していた足
３には、面外振動が発生する。足３が面外振動する場合
を説明する。足３がＺ’方向に屈曲すると、電極３Ｄ近
傍がＹ’方向に縮む。この時圧電効果により、Ｚ’方向
に見て、足３の電極３Ｄが存在する領域ではＸ方向に電
界が発生する。従って基準電極３Ｇに対して電極３Ｄは
低電位になる。このとき電極３Ｕ近傍はＹ’方向に伸び
る。圧電効果により、Ｚ’方向に見て、足３の電極３Ｕ
が存在する領域では−Ｘ方向に電界が発生する。従って
基準電極３Ｇに対して電極３Ｕは高電位になる。これと
は逆に、足３が−Ｚ’方向に屈曲すると、電極３Ｄの存
在する領域がＹ’方向に伸びる。この時圧電効果によ
り、電極の存在する領域では−Ｘ方向に電界が発生す
る。従って基準電極３Ｇに対して電極３Ｄは高電位にな
る。このとき電極３Ｕ近傍はＹ’方向に縮む。圧電効果
により、Ｚ’方向に見て、足３の電極３Ｕが存在する領
域ではＸ方向に電界が発生する。従って基準電極３Ｇに
対して電極３Ｕは低電位になる。即ち、検出振動は、足
３の基準電極３Ｇの電位を基準とした、電極３Ｕと電極
３Ｄに生じる互いに逆方向の電圧として検出できる。勿
論、電極３Ｇを使用せずに、直接に電極３Ｕと３Ｄ間の
電圧を測定しても良い。

【００４５】コリオリ力の検出信号は、電極３Ｇをグラ
ンドに接続して基準電圧を作り、電極３Ｕ及び３Ｄの電
圧を差動バッファＤに入力し、差動バッファＤを経て乗
算回路Ｍに導き、駆動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９０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し、乗算
により検波した結果は、更に積分回路Ｓにより平滑化
し、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。ここで、検出に差動検出を用いたのは、回路の対称
性を向上し、回路系のドリフトを低減する為である。

【００４６】次に３脚音叉１０の駆動振動と検出振動の
共振について具体的な数値を用いて説明する。３脚音叉
１０は、エッチング又はワイヤソー等で製作できるが、
正確に製作すると駆動振動及び検出振動のＱ値は１０万
以上にもなる。共振周波数を１０ｋＨｚで設計すると、
検出側のＱ値は充分高いので、駆動振動と検出振動の共
振周波数を一致させる共振型で設計を行うと、コリオリ
力により発生した検出振動の時間的減衰が緩やかにな
り、角速度ωの変化に対する検出出力の時間応答性が極
めて悪くなり、実用的でない。これに対して駆動振動と
検出振動の共振周波数を離した設計では、位相検波によ
り２つ振動の周波数差の半分程度の応答が期待できる
が、本実施の形態においては、駆動振動と検出振動の共
振周波数の差を２万ＰＰＭ以上とすることにより、１０
０Ｈｚ以上の応答性を得ている。

【００４７】

【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値を劣化させる原因となる支持
部から外部への振動漏れが少ない３脚音叉型振動体を用
いることにより、圧電性単結晶の性質を最大限に引き出
して、駆動検出両振動に対して高いＱ値を実現し、更に
駆動振動によっては振動しない検出部を用いることによ
り低いノイズＮを実現し、結果として高いＳ／Ｎと低ド
リフトを実現している。また、足の質量差により、検出
振動において、コリオリ力が加振する足の振幅に比して
検出足の振幅が大きくなる構成をとり、高い出力Ｓを実
現し、結果として高いＳ／Ｎと低ドリフトを実現してい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジ
ャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視
図である。

【図２】本発明の実施の形態である３脚音叉の断面を示
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３脚音叉型の振動ジ
ャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、電
極の一部を示す表面図である。

【図４】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジ
ャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、電
極の一部を示す裏面図である。

【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】本発明の実施の形態である３脚音叉型振動体の
駆動振動を示す動作説明図である。

【図８】本発明の実施の形態である３脚音叉型振動体の
検出振動を示す動作説明図である。

【図９】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジ
ャイロの形状を示す表面図である。

【図１０】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動
ジャイロの形状を示す表面図である。

【符号の説明】

１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ 電極 ２Ｌ，２Ｒ，２Ｕ，２Ｄ 電極 ３Ｕ，３Ｄ，３Ｇ 電極 ＤＲ，ＳＥ 端子 Ｓ１，Ｓ２，ＧＮＤ 端子 １〜３ 足 ９ 基部 １０ ３脚音叉型の振動ジャイロ １１ 支持部 Ａ１〜Ａ３ 錘 Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 足幅 Ｕ 溝幅 Ｋ 肩幅 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 ＦＣ，−ＦＣ コリオリ力 ＶＸ，−ＶＸ 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】 基部と３本の足とを有する振動子と、発
   振手段と、角速度検出手段とから構成され、前記基部と
   前記３本の足がすべて同じ厚みからなり、前記基部が前
   記３本の足にそれぞれ結合し、前記３本の足が同じ長さ
   で互いに平行に配置され、両側の２本の足のうちの一方
   の足の幅を中央の足の幅と同じとするとともに両側の２
   本の足のうちの他方の足の幅を中央の足の幅と異ならせ
   た振動ジャイロにおいて、前記両側の２本の足のうちの
   一方の足と前記基部を結合する部分に肩部を設け、前記
   両側の２本の足のうちの他方の足の幅は、中央の足の幅
   の３／５±１０％であることを特徴とする振動ジャイ
   ロ。
2. 【請求項２】 前記中央の足と前記両側の２本の足のう
   ちの一方の足を、前記振動子の厚み方向に垂直な平面内
   で、発振手段を用いて面内屈曲振動させ、前記振動子の
   回転によるコリオリ力により、面内屈曲振動が前記振動
   子に引き起こす前記平面に垂直な面外屈曲振動を、前記
   両側の２本の足のうちの他方の足を用いて角速度検出手
   段により検出することを特徴とする請求項１に記載の振
   動ジャイロ。