JP2004144699A - 振動ジャイロ及び角速度センサー - Google Patents
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Abstract
【課題】低背化を実現することが可能な振動ジャイロと、この振動ジャイロを備えて構成された角速度センサーとを提供する。
【解決手段】本発明にかかる振動ジャイロ１は、長手方向の両端部が中間部材２を介して厚み方向に固定された一対の矩形板状の振動体３からなり、全体的には前記振動体３の厚み方向への両端開放の２次屈曲振動が可能な構成として支持された振動子４と、前記振動体３のそれぞれを逆方向へと座屈振動させる駆動手段１２，１３と、前記振動子４の２次屈曲振動の大きさを検出する検出手段１４，１５，１６とを具備しており、前記２次屈曲振動の共振周波数は前記座屈振動の周波数と近接させられていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明にかかる振動ジャイロ１は、長手方向の両端部が中間部材２を介して厚み方向に固定された一対の矩形板状の振動体３からなり、全体的には前記振動体３の厚み方向への両端開放の２次屈曲振動が可能な構成として支持された振動子４と、前記振動体３のそれぞれを逆方向へと座屈振動させる駆動手段１２，１３と、前記振動子４の２次屈曲振動の大きさを検出する検出手段１４，１５，１６とを具備しており、前記２次屈曲振動の共振周波数は前記座屈振動の周波数と近接させられていることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動ジャイロ及び角速度センサーにかかり、詳しくは、低背化が可能な振動ジャイロの構造と、この振動ジャイロを備えてなる角速度センサーの構造とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、自動車におけるナビゲーションシステムや車体制御システムでは、自動車のヨーイング方向、つまり、車体旋回方向を確認する必要があるため、走行面（地面）と直交する垂直軸を中心とした回転角速度を検出することが行われる。そして、回転角速度を検出する場合には振動ジャイロを備えた角速度センサーが利用されており、このような振動ジャイロとしては、音片型や音叉型といわれる振動子を具備したものが一般的である（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。
【０００３】
また、回転角速度を検出する振動ジャイロを備えて構成された角速度センサーは、ビデオカメラの手振れを補正するためにも利用されており、この際における振動ジャイロによっては、ＣＣＤ面と平行な面上で直交しあう２軸のそれぞれを中心とした回転角速度が検出されることになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２９２０３３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３０７０２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の形態にかかる角速度センサーは自動車の内部で走行面と平行となるように配置されるのが一般的であり、そのため、振動ジャイロを搭載する実装基板も走行面と平行な状態で配置されている。一方、振動ジャイロが具備している音片型や音叉型といわれる振動子は、その長手方向と一致する軸（検出軸）を中心として作用する回転角速度を検出することが可能となっている。
【０００６】
従って、走行面と平行な状態で配置された実装基板に対して従来の振動ジャイロを搭載する場合は、振動子の長手方向が実装基板の垂直方向と合致するようにして搭載することが必要となる。ところが、このような構成とした際には、全長の長い振動子を具備した振動ジャイロのみが他の部品よりも実装基板の上方まで突出してしまうという不都合が生じる。なお、この時、振動子の長手方向に沿う全長を短くすることも考えられるが、振動子の全長を短くすると、共振周波数が上昇して感度及びＳ／Ｎが劣化するため、回転角速度を精度よく検出することができなくなる。
【０００７】
また、従来の振動ジャイロを利用してビデオカメラの手振れ補正を行うに際しても、メイン基板の搭載面がＣＣＤ面と直交している場合には、振動ジャイロが具備する１つの振動子の長手方向をカメラ本体のメイン基板と直交する方向に一致させておく必要があるので、振動ジャイロが他の部品よりも突出してしまう。なお、この際には、振動ジャイロが搭載される基板をメイン基板とは別体とし、フレキシブル基板などを使用して配線することも考えられるが、このような構成としたのでは、部品点数が増加して複雑化する結果、コストアップを招くことが避けられない。
【０００８】
本発明はこれらの不都合に鑑みて創案されたものであって、低背化を実現することが可能な構成とされた振動ジャイロの提供と、この振動ジャイロを備えてなる角速度センサーの提供とを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる振動ジャイロは、長手方向の両端部がそれぞれ中間部材を介して厚み方向に固定された一対の矩形板状の振動体からなり、全体的には前記振動体の厚み方向への両端開放の２次屈曲振動が可能な構成として支持された振動子と、前記振動体のそれぞれを互いに逆方向へと座屈振動させる駆動手段と、前記振動子の２次屈曲振動の大きさを検出する検出手段とを具備しており、前記２次屈曲振動の共振周波数は前記座屈振動の周波数と近接させられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明にかかる振動ジャイロは請求項１に記載したものであって、前記振動子の長手方向に沿っては前記２次屈曲振動の３つのノード点が存在しており、前記振動子は前記ノード点のうちの両端側の２つでもって支持されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明にかかる振動ジャイロは請求項１または請求項２に記載したものであり、前記振動体はユニモルフ構造であることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明にかかる振動ジャイロは請求項１または請求項２に記載したものであり、前記振動体はバイモルフ構造であることを特徴としている。
【００１３】
請求項５の発明にかかる振動ジャイロは請求項１〜請求項４のいずれかに記載したものであって、前記振動体それぞれの外表面上には互いに対向して電極が形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明にかかる振動ジャイロは請求項１〜請求項４のいずれかに記載したものであって、前記振動体のうちの一方側の外表面上には一対の電極が長手方向の一端側と他端側とに離間して形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明にかかる振動ジャイロは請求項１〜請求項４のいずれかに記載したものであって、前記振動体のうちの一方側の外表面上には一対の電極が長手方向の一端側と他端側とに離間して形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明にかかる角速度センサーは３つの振動ジャイロが同一の平面上に配設されてなるものであり、前記平面と直交する垂直軸を回転軸とする回転角速度を検出する振動ジャイロは請求項１〜請求項７のいずれかに記載したものであることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１にかかる振動ジャイロの全体構成を示す斜視図、図２は振動ジャイロが具備している振動子の全体構成を示す斜視図であり、図３は駆動検出回路をも含んだ振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。そして、図４は振動ジャイロの動作を模式化して示す平面図であり、図５は振動子における座屈振動の共振周波数と２次屈曲振動の共振周波数との関係を示す説明図である。
【００１８】
また、図６〜図１０のそれぞれは、実施の形態１にかかる振動ジャイロの第１〜第４の変形例構成を示す説明図である。さらにまた、図１１は、実施の形態１にかかる振動ジャイロを備えて構成された角速度センサーの要部構成を示す説明図である。
【００１９】
実施の形態１にかかる振動ジャイロ１は、図１で示すように、長手方向Ｘの両端部が金属製の中間部材２を介して固定され、その中央部同士が対向しあって配置された一対の矩形板状の振動体３からなる振動子４を具備している。そして、これら振動体３のそれぞれは、図２で示すように、長手方向Ｘに沿う略１／３ずつの範囲内ごとに分極方向（図中、矢印で示す）が反転させられた圧電セラミック板５と金属平板６とが対面接合されてなるユニモルフ構造を有しており、圧電セラミック板５の各々は振動子４の外側位置に配置されている。
【００２０】
この振動子４を構成している振動体３のそれぞれは、その長手方向Ｘの両端部が中間部材２を介して固定されあったものであり、振動子４の内側位置に配置された金属平板６の中央部間には、振動体３それぞれの座屈振動、つまり、その厚み方向Ｙと一致したうえで互いに逆方向へと向かう各振動体３の座屈振動を可能とする中空部７が形成されている。また、この時、各振動体３を構成している圧電セラミック板５それぞれの外表面上には、駆動用電極８と検出用電極９とが長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成されている。
【００２１】
さらに、対向配置された一対の振動体３からなる振動子４は、その全体が各振動体３の厚み方向Ｙへの両端開放の２次屈曲振動が可能な構成とされており、具体的には、長手方向Ｘに沿って存在する２次屈曲振動の３つのノード点のうちの両端部に位置するノード点付近それぞれが、導電性及びバネ性を有する一対ずつ合計４つの支持部材１０でもって支持されている。そして、この時、２次屈曲振動の共振周波数は、座屈振動の周波数と近接させられている。
【００２２】
すなわち、この際における振動子４は各振動体３の短手方向Ｚ、つまり、中空部７内を貫通する軸と一致している方向が実装基板１１の表面と直交する向きとなるようにし、かつ、その下側端縁が実装基板１１の表面から少し浮き上がった状態となるようにしたうえで各支持部材１０により支持されている。なお、これらの支持部材１０は駆動用電極８及び検出用電極９と駆動手段及び検出手段（後述する）との接続用を兼ねたものであり、ただ単に振動子４の両端部を挟持して導通しただけの状態、あるいは、半田や導電性接着剤などを使用して接合されたうえで導通した状態のいずれであってもよい。
【００２３】
さらにまた、実装基板１１の表面上には、図３で回路構成を示すように、振動子４の駆動手段として振動体３の各々を逆向きに座屈振動させる和動回路１２及びオートマチックゲインコントール（ＡＧＣ）回路１３と、２次屈曲振動の大きさを検出するための検出手段として機能する差動回路１４、検波回路１５、直流（ＤＣ）アンプ１６とが配設されている。そして、駆動手段であるＡＧＣ回路１３は各振動体３の駆動用電極８と接続されて自励振回路を構成する一方、和動回路１２及び差動回路１４のそれぞれは対向配置された振動体３それぞれの検出用電極９と各別に接続されており、ＤＣアンプ１６からは検出された２次屈曲振動の大きさに基づく信号が出力されることになっている。
【００２４】
なお、ユニモルフ構造の振動体３からなる振動子４では、中間部材２と接している振動体３それぞれの中間電極（図示省略）が常に２枚両側で同電位であるよう導通されていることが必要である。勿論、基準電位に接続しておいてもよい。
【００２５】
つぎに、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１の動作及び作用を説明する。まず、上記構成とされた振動ジャイロ１では、振動子４を構成している振動体３のそれぞれが互いに逆方向へと座屈振動させられる。そして、このような状態下において、図４（ａ）で示すように、座屈振動している振動子４の振動体３それぞれの短手方向Ｚと一致する軸、例えば、振動子４の中空部７内を貫通している軸（検出軸）Ｌを中心とした回転角速度Ｍが作用すると、各振動体３の厚み方向Ｙへと向かう両端開放の２次屈曲振動でもって振動子４が振動し始める。
【００２６】
すなわち、この際にあっては、座屈振動している振動体３のそれぞれに対して回転角速度Ｍの作用に伴って発生したコリオリ力が現れる。そして、現れたコリオリ力は座屈振動の駆動力とは直交する向き、具体的には、振動体３それぞれの長手方向Ｘと平行でありながらも各振動体３ごとに逆方向となる向きでもって各振動体３に作用する。
【００２７】
従って、各振動体３における座屈振動のピーク点Ｐは、図４（ｂ）で示すように、コリオリ力の影響でもって互いに相反する方向へと位置ずれさせられることになり、座屈振動している振動体４の振動形状はコリオリ力の影響を受けて変形させられる。この時、振動子４の重心位置は、各振動体３の長手方向及び厚み方向に関してアンバランスな状態となる。そして、この振動子４においては、２次屈曲振動の共振周波数と座屈振動の周波数とが近接させられているので、コリオリ力の影響を受けて変形させられた振動子４には、図４（ｃ）で示すように、２次屈曲振動モードの振動が励振される。
【００２８】
その結果、対向配置された振動体３それぞれの検出用電極９からは、座屈振動による信号と２次屈曲振動による信号とが出力されてくる。ところが、この際、各振動体３における圧電セラミック板５それぞれの分極方向と屈曲方向とが同じであるため、座屈振動による信号は同相となるのに対し、分極方向は同じであるものの、屈曲方向が逆向きであるため、２次屈曲振動による信号は逆相となっている。
【００２９】
そこで、検出手段を構成する差動回路１４によって各振動体３の検出用電極９から出力されてきた２次屈曲振動による信号の逆相成分を検出すると、その大きさ、ひいては、検出軸Ｌを中心とする回転角速度Ｍの作用に伴って現れたコリオリ力の大きさが分かる。その結果、実装基板１１の表面と平行に配設された振動ジャイロ１が具備している振動子４を構成する振動体３それぞれの短手方向Ｚに沿う軸、つまり、取り付け平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度Ｍの大きさが分かることになる。
【００３０】
なお、この時、駆動手段を構成している和動回路１２では、各振動体３の検出用電極９から出力されてきた検出信号が加算される。そして、加算された検出信号は、ＡＧＣ回路１３を通じて振動子４へとフィードバックされる。
【００３１】
ところで、本実施の形態にかかる振動子４における座屈振動の共振周波数と２次屈曲振動の共振周波数との関係は図５で示すようになり、この振動子４を構成している各振動体３の座屈振動モードは中空部７の長手方向Ｘに沿う長さの影響を受けるにも拘わらず、振動子４そのものの２次屈曲振動モードは振動子４自体の長手方向Ｘに沿う長さには影響を受けないこととなっている。そこで、振動子４における座屈振動及び２次屈曲振動それぞれの共振周波数をより近接させる必要がある際には、振動子４の長手方向の両端部をトリミングして全長を短くし、２次屈曲振動の共振周波数を上昇させることによって座屈振動の共振周波数と近接させることが行われる。
【００３２】
さらに、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１が上記した構成のみに限定されず、以下に説明する第１〜第４のような各種の変形例構成とされたものであってもよいことは勿論である。まず、第１の変形例構成にかかる振動体２０では、図６で示すように、振動体３同士の端部間に介装された中間部材２それぞれから導電性の支持ピン２１を延出することとし、これを上下反転させて支持部材１０を使用しないまま、これらの支持ピン２１で振動子３を直立させる構成が採用されている。このような構成である際には、支持ピン２１を通じて各振動体３の中間電極を基準電位とすることが可能になる。
【００３３】
なお、本実施の形態における振動体３それぞれの圧電セラミック板５では、略１／３ずつの範囲内ごとに分極方向を反転させるとともに、その外表面上に駆動用電極８及び検出用電極９を離間して形成することが実行されている。しかしながら、図７（ａ）で示す第２の変形例構成にかかる振動子２２のように、略１／３ずつの範囲内ごとに分極方向が反転させられた圧電セラミック板５の外表面上に駆動用及び検出用である全面電極２３を形成してもよい。
【００３４】
そして、図７（ａ）で示した第２の変形例構成とされた振動子２２を具備してなる振動ジャイロ１の駆動検出回路をも含んだ要部構成は、図８で示すようになる。また、この場合にあっては、図７（ｂ）で示すように、全体が同一の分極方向とされた圧電セラミック板５それぞれの外表面上における中央部のみに対し、駆動用及び検出用の全面電極２４を形成した構成とすることも可能である。
【００３５】
さらに、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１では、一方側の振動体３を励振用とし、他方側の振動体３を検出用とした変形例構成、例えば、図９で示す第３の変形例構成のように、振動子２５が具備した他方側の振動体３を構成する圧電セラミック板５の全体を同一の分極方向とし、この圧電セラミック板５の外表面上に一対の検出用電極２６，２７を離間した状態で形成しておいたうえ、これらの検出用電極２６，２７から出力されてくる検出信号の差動をとるようにしてもよい。なお、この時、中間部材２と接している振動体３それぞれの中間電極（図示省略）は基準電位であってもよいし、フローティング状態であってよい。
【００３６】
すなわち、この第３の変形例構成にかかる振動子２５では、他方側の振動体３の外表面上に一対の検出用電極２６，２７が長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間して形成されている。この時、検出用電極２６，２７から出力されてくる座屈振動による信号は、圧電セラミック板５の分極方向と屈曲方向とが同じであるために同相となる。これに対し、検出用電極２６，２７から出力されてくる２次屈曲振動による信号は、分極方向が同じであるものの、屈曲方向が逆向きであるために逆相となり、この２次屈曲振動による信号の逆相成分は、検出手段を構成する差動回路１４によって検出される。
【００３７】
また、一方側の振動体３を励振用とし、かつ、他方側の振動体３を検出用とした振動ジャイロ１としては、図１０で示すような第４の変形例構成にかかる振動子３０を具備したものがあり、この振動子３０では、他方側の振動体３を構成している圧電セラミック板５の長手方向Ｘに沿う略１／２ずつの範囲内ごとで分極方向が反転させられている。そして、この他方側の圧電セラミック板５における外表面上には検出用の全面電極３１が形成されており、このような変形例構成であれば、電極構造が簡単であるため、コストダウンを実現しやすくなる。
【００３８】
この振動子３０にあっては、他方側の振動体３を構成している圧電セラミック板５の長手方向Ｘに沿う略１／２ずつの範囲内ごとで分極方向が反転しており、かつ、その外表面上の一端側から他端側にかけて全面電極３１が形成されているため、座屈振動による信号は振動子３０の一端側と他端側とで逆相となり、互いに相殺される結果として出力されない。ところが、この際における２次屈曲振動による信号は、振動子３０の一端側と他端側とで屈曲方向が逆となるため、同相となって検出用の全面電極３１から出力されてくる。
【００３９】
なお、これら第３及び第４の変形例構成における一方側の振動体３を構成している圧電セラミック板５は、その長手方向Ｘに沿う略１／３ずつの範囲内ごとで分極方向が反転させられたものであり、その外表面上には駆動用の全面電極２８が形成されている。また、図９中の符号１４は差動回路を示しており、図９及び図１０中の符号３２は検波回路及びＤＣアンプ、また、符号３３は発振回路及びＡＧＣ回路をそれぞれ示している。
【００４０】
さらにまた、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１は、自動車におけるナビゲーションシステムや車体制御システム、あるいは、ビデオカメラの手振れ補正などで利用される角速度センサー３５、つまり、図１１で示すように、３つの振動ジャイロ１，３６，３７がともに同一の平面上に配設されてなる角速度センサー３５を構成する場合に使用される。すなわち、この角速度センサー３５が備えている２つの振動ジャイロ３６，３７は、従来の形態と同様、配設された平面上の直交しあう２軸、つまり、その長手方向と一致する検出軸の各々を中心として作用する回転角速度をそれぞれ検出する構成とされている。
【００４１】
これに対し、これらの振動ジャイロ３６，３７と同一の平面上に配設され、この平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度を検出する振動ジャイロ１は、実施の形態１で説明したような構成を有するものとなっている。このような全体構成とされた角速度センサー３５では、取り付け平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度が振動ジャイロ１によって検出されるため、長手方向と一致する検出軸を中心として作用する回転角速度を検出する振動ジャイロ３６，３７と同様の振動ジャイロを使用しなくても済むこととなり、低背化が可能となる。
【００４２】
ところで、本発明の発明者は特開２０００−３０４５４６号公報で開示された発明を出願しており、周縁部同士が固定された２枚の屈曲板を中空状態として重ね合わせた構成を採用すると、振動子と平行であって互いに直交しあった２軸を中心として作用する回転角速度の検出が可能であることを既に開示している。しかしながら、先の発明はあくまでも振動子と平行で直交しあう２つの検出軸周りに作用する回転角速度それぞれを検出するものであるに過ぎず、実装基板１１と平行に配設された振動ジャイロ１の振動子４そのものと直交する軸、つまり、取り付け平面に対する垂直軸を中心として作用する回転角速度を検出する本発明とは構成及び作用が異なる。
【００４３】
（実施の形態２）
図１２は実施の形態２にかかる振動ジャイロの駆動検出回路をも含んだ要部構成を示す説明図、図１３は振動子の製造工程を示す説明図であり、図１４〜図１８のそれぞれは、実施の形態２にかかる振動ジャイロの第１〜第５の変形例構成を示す説明図である。
【００４４】
実施の形態２にかかる振動ジャイロの全体構成は、振動子４０を構成している振動体４１のそれぞれがバイモルフ構造とされている点を除くと、図１で示した実施の形態１にかかる振動ジャイロ１と基本的に異ならないので、ここでの詳しい説明は省略する。なお、説明の都合上から必要がある場合には、図１２〜図１８において、図１〜図１１と同一または相当する部品、部分に同一符号を付すこととする。
【００４５】
本実施の形態にかかる振動ジャイロは、長手方向Ｘの両端部が金属製の中間部材２を介して固定され、その中央部同士が対向しあって配置された一対の矩形板状の振動体４１からなる振動子４０を具備しており、この際における振動体４１のそれぞれは、長手方向Ｘに沿う略１／３ずつの範囲内ごとの分極方向（図中、矢印で示す）が反転させられ、かつ、互いの分極方向が逆方向とされた一対の圧電セラミック板４２，４３を対面接合してなるバイモルフ構造を有している。
【００４６】
すなわち、これら振動体４１の各々は、その長手方向Ｘの両端部が中間部材２を介して固定されあったものであり、振動子４０の外側位置に配置された圧電セラミック板４２の外表面上には駆動用電極４４と検出用電極４５とが長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成されている。その一方、振動子４０の内側位置に配置された圧電セラミック板４３の外表面上には、中間電極となる全面電極４６が形成されている。なお、これらの全面電極４６は中間部材２と接触しあっており、同電位であるが、フローティング状態となっている。当然のことながら、基準電位と接続されていてもよい。
【００４７】
そして、振動子４０の内側位置に配置された圧電セラミック板４３同士の中央部間には、振動体３それぞれの座屈振動、つまり、その厚み方向Ｙと一致したうえで逆方向に向かって座屈振動する各振動体４１の座屈振動を可能とする中空部７が形成されている。
【００４８】
ところで、このような構成とされた振動子４０、つまり、バイモルフ構造とされた振動体４１を対向配置してなる振動子４０である場合には、図１３で製造工程の途中過程を示すように、多数の振動子４０となる半製品４８を用意しておいたうえ、この半製品４８をカットラインＣに従って切断することにより多数の振動子４０を一括的に作製し得るという利点が確保される。なお、この際における中間部材４９は、一方側の振動体４１となる部材の片側部分を削り込んで一体的に形成されたものであってもよい。
【００４９】
また、バイモルフ構造の振動体４１が対向配置されてなる振動子４０は、その全体が各振動体４１の厚み方向Ｙに沿う両端開放の２次屈曲振動が可能な構成、つまり、各振動体４１の短手方向Ｚと一致する軸（検出軸）を中心として作用する回転角速度を検出することが可能とされている。この時、具体的には、長手方向Ｘに沿って存在する２次屈曲振動の３つのノード点のうちの両端部に位置するノード点付近それぞれが、実装基板上で支持された構成を有している。さらに、この際における２次屈曲振動の共振周波数は、座屈振動の周波数と互いに近接させられている。
【００５０】
さらにまた、振動子４０が搭載される実装基板の表面上には、この振動子４０の駆動手段として振動体４１のそれぞれを逆向きに座屈振動させる和動回路１２及びＡＧＣ回路１３と、２次屈曲振動の大きさを検出する検出手段として機能する差動回路１４、検波回路１５、ＤＣアンプ１６とが配設されている。そして、駆動手段であるＡＧＣ回路１３は各振動体４１の駆動用電極４４と接続される一方、和動回路１２及び差動回路１４のそれぞれは各振動体４１の検出用電極４５と各別に接続されており、ＤＣアンプ１６からは検出された２次屈曲振動の大きさに基づく信号が出力されることになっている。
【００５１】
実施の形態２にかかる振動ジャイロは以上説明したような構成であるため、実施の形態１にかかる振動ジャイロ１と同様の動作を行うこととなり、同様の作用を奏する。ところで、本実施の形態にかかる振動ジャイロが、以下に説明する第１〜第５のような各種の変形例構成とされたものであってもよい。
【００５２】
まず、本実施の形態における振動体４１の各々では、外側位置に配置される圧電セラミック板４２の外表面上に対して駆動用電極４４及び検出用電極４５を形成しているが、図１４で示す第１の変形例構成にかかる振動子５０のように、駆動用及び検出用である全面電極５１を形成してもよい。また、図１５で示す第２の変形例構成にかかる振動子５５のように、内側位置に配置された圧電セラミック板４３の外表面上に形成された中間電極である全面電極４６を、外側位置に配置された圧電セラミック板４２の外表面上にまで回り込ませたうえ、基準電位に落として駆動する構成としてもよい。
【００５３】
さらに、図１６で示す第３の変形例構成にかかる振動子５６のように、外側に位置する圧電セラミック板４２それぞれの分極方向を同一としたうえ、一方側の圧電セラミック板４２の外表面上に一対の検出用電極５７，５８を長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成し、かつ、他方側の圧電セラミック板４２の外表面上に駆動用の全面電極５９を形成してもよい。この時、中間部材２と接している中間電極４６は、同電位の導通状態でありながらも、フローティング状態となる。
【００５４】
さらにまた、図１７で示す第４の変形例構成にかかる振動子６０のように、外側位置に配置される圧電セラミック板４２の外表面上に駆動用電極６１と検出用電極６２とを長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成し、かつ、振動子６０の一方側の端面上に端面電極６３を形成してもよい。あるいは、図１８で示す第５の変形例構成にかかる振動子６５のように、一方側の振動体４１を構成する圧電セラミック板４２の外表面上に一対の検出用電極６６，６７を離間した状態で形成し、かつ、他方側の振動体４１を構成する圧電セラミック板４２の外表面上に駆動用の全面電極６８を形成するとともに、振動子６５の一方側の端面上に端面電極６９を形成した構成とすることも可能である。
【００５５】
これら第４及び第５の変形例構成とされた振動ジャイロにあっては、外側に位置する圧電セラミック板４２それぞれの分極方向が逆方向とされており、中間部材２と接している中間電極４６が同電位の導通状態であり、かつ、基準電位に落とされるか、駆動電圧の反転信号が供給されることになっている。なお、以上説明した実施の形態２にかかる振動ジャイロを使用することによっても、実施の形態１の場合と同様の角速度センサー３５が構成される。
【００５６】
【発明の効果】
本発明にかかる振動ジャイロは、座屈振動する一対の矩形板状の振動体からなり、かつ、全体的には振動体の厚み方向へと向かう両端開放の２次屈曲振動が可能な振動子を具備している。そして、この際における２次屈曲振動の共振周波数は、座屈振動の周波数と近接させられている。
【００５７】
この振動ジャイロであれば、各振動体の短手方向と一致する検出軸、つまり、振動子が配設された平面と直交する検出軸を中心として作用する回転角速度の検出が可能となり、この検出軸と一致している方向における振動子の高さは低くて済む。従って、振動ジャイロの低背化を容易に実現でき、その結果として平面上に配設された他の部品よりも振動ジャイロが突出することを有効に防止できるという効果が得られる。
【００５８】
本発明にかかる角速度センサーでは、同一平面上に配設された３つの振動ジャイロのうちの２つが平面上の互いに直交しあう２軸、つまり、その長手方向と一致する検出軸の各々を中心として作用する回転角速度を検出するものであり、他の１つが平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度を検出するものとされている。そして、この振動ジャイロが低背化されたものであるため、角速度センサー自体も低背化されることとなり、この角速度センサーが他の部品よりも突出することが有効に防止されるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる振動ジャイロの全体構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１にかかる振動ジャイロが具備している振動子の全体構成を示す斜視図である。
【図３】駆動検出回路をも含んだ実施の形態１にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図４】実施の形態１にかかる振動ジャイロの動作を模式化して示す平面図である。
【図５】振動子における座屈振動の周波数と２次屈曲振動の共振周波数との関係を示す説明図である。
【図６】実施の形態１にかかる振動子の第１の変形例構成を示す斜視図である。
【図７】実施の形態１にかかる振動子の第２の変形例構成を示す平面図である。
【図８】駆動検出回路をも含んだ第２の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図９】駆動検出回路をも含んだ第３の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１０】駆動検出回路をも含んだ第４の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１１】実施の形態１にかかる振動ジャイロを備えて構成された角速度センサーの要部構成を示す説明図である。
【図１２】実施の形態２にかかる振動ジャイロの駆動検出回路をも含んだ要部構成を示す説明図である。
【図１３】振動子の製造工程を示す説明図である。
【図１４】実施の形態２にかかる振動子の第１の変形例構成を示す平面図である。
【図１５】駆動検出回路をも含んだ第２の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１６】駆動検出回路をも含んだ第３の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１７】駆動検出回路をも含んだ第４の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１８】駆動検出回路をも含んだ第５の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 振動ジャイロ
２ 中間部材
３ 振動体
４ 振動子
１２ 和動回路（駆動手段）
１３ ＡＧＣ回路（駆動手段）
１４ 差動回路（検出手段）
１５ 検波回路（検出手段）
１６ ＤＣアンプ（検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は振動ジャイロ及び角速度センサーにかかり、詳しくは、低背化が可能な振動ジャイロの構造と、この振動ジャイロを備えてなる角速度センサーの構造とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、自動車におけるナビゲーションシステムや車体制御システムでは、自動車のヨーイング方向、つまり、車体旋回方向を確認する必要があるため、走行面（地面）と直交する垂直軸を中心とした回転角速度を検出することが行われる。そして、回転角速度を検出する場合には振動ジャイロを備えた角速度センサーが利用されており、このような振動ジャイロとしては、音片型や音叉型といわれる振動子を具備したものが一般的である（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。
【０００３】
また、回転角速度を検出する振動ジャイロを備えて構成された角速度センサーは、ビデオカメラの手振れを補正するためにも利用されており、この際における振動ジャイロによっては、ＣＣＤ面と平行な面上で直交しあう２軸のそれぞれを中心とした回転角速度が検出されることになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２９２０３３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３０７０２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の形態にかかる角速度センサーは自動車の内部で走行面と平行となるように配置されるのが一般的であり、そのため、振動ジャイロを搭載する実装基板も走行面と平行な状態で配置されている。一方、振動ジャイロが具備している音片型や音叉型といわれる振動子は、その長手方向と一致する軸（検出軸）を中心として作用する回転角速度を検出することが可能となっている。
【０００６】
従って、走行面と平行な状態で配置された実装基板に対して従来の振動ジャイロを搭載する場合は、振動子の長手方向が実装基板の垂直方向と合致するようにして搭載することが必要となる。ところが、このような構成とした際には、全長の長い振動子を具備した振動ジャイロのみが他の部品よりも実装基板の上方まで突出してしまうという不都合が生じる。なお、この時、振動子の長手方向に沿う全長を短くすることも考えられるが、振動子の全長を短くすると、共振周波数が上昇して感度及びＳ／Ｎが劣化するため、回転角速度を精度よく検出することができなくなる。
【０００７】
また、従来の振動ジャイロを利用してビデオカメラの手振れ補正を行うに際しても、メイン基板の搭載面がＣＣＤ面と直交している場合には、振動ジャイロが具備する１つの振動子の長手方向をカメラ本体のメイン基板と直交する方向に一致させておく必要があるので、振動ジャイロが他の部品よりも突出してしまう。なお、この際には、振動ジャイロが搭載される基板をメイン基板とは別体とし、フレキシブル基板などを使用して配線することも考えられるが、このような構成としたのでは、部品点数が増加して複雑化する結果、コストアップを招くことが避けられない。
【０００８】
本発明はこれらの不都合に鑑みて創案されたものであって、低背化を実現することが可能な構成とされた振動ジャイロの提供と、この振動ジャイロを備えてなる角速度センサーの提供とを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる振動ジャイロは、長手方向の両端部がそれぞれ中間部材を介して厚み方向に固定された一対の矩形板状の振動体からなり、全体的には前記振動体の厚み方向への両端開放の２次屈曲振動が可能な構成として支持された振動子と、前記振動体のそれぞれを互いに逆方向へと座屈振動させる駆動手段と、前記振動子の２次屈曲振動の大きさを検出する検出手段とを具備しており、前記２次屈曲振動の共振周波数は前記座屈振動の周波数と近接させられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明にかかる振動ジャイロは請求項１に記載したものであって、前記振動子の長手方向に沿っては前記２次屈曲振動の３つのノード点が存在しており、前記振動子は前記ノード点のうちの両端側の２つでもって支持されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明にかかる振動ジャイロは請求項１または請求項２に記載したものであり、前記振動体はユニモルフ構造であることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明にかかる振動ジャイロは請求項１または請求項２に記載したものであり、前記振動体はバイモルフ構造であることを特徴としている。
【００１３】
請求項５の発明にかかる振動ジャイロは請求項１〜請求項４のいずれかに記載したものであって、前記振動体それぞれの外表面上には互いに対向して電極が形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明にかかる振動ジャイロは請求項１〜請求項４のいずれかに記載したものであって、前記振動体のうちの一方側の外表面上には一対の電極が長手方向の一端側と他端側とに離間して形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明にかかる振動ジャイロは請求項１〜請求項４のいずれかに記載したものであって、前記振動体のうちの一方側の外表面上には一対の電極が長手方向の一端側と他端側とに離間して形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明にかかる角速度センサーは３つの振動ジャイロが同一の平面上に配設されてなるものであり、前記平面と直交する垂直軸を回転軸とする回転角速度を検出する振動ジャイロは請求項１〜請求項７のいずれかに記載したものであることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１にかかる振動ジャイロの全体構成を示す斜視図、図２は振動ジャイロが具備している振動子の全体構成を示す斜視図であり、図３は駆動検出回路をも含んだ振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。そして、図４は振動ジャイロの動作を模式化して示す平面図であり、図５は振動子における座屈振動の共振周波数と２次屈曲振動の共振周波数との関係を示す説明図である。
【００１８】
また、図６〜図１０のそれぞれは、実施の形態１にかかる振動ジャイロの第１〜第４の変形例構成を示す説明図である。さらにまた、図１１は、実施の形態１にかかる振動ジャイロを備えて構成された角速度センサーの要部構成を示す説明図である。
【００１９】
実施の形態１にかかる振動ジャイロ１は、図１で示すように、長手方向Ｘの両端部が金属製の中間部材２を介して固定され、その中央部同士が対向しあって配置された一対の矩形板状の振動体３からなる振動子４を具備している。そして、これら振動体３のそれぞれは、図２で示すように、長手方向Ｘに沿う略１／３ずつの範囲内ごとに分極方向（図中、矢印で示す）が反転させられた圧電セラミック板５と金属平板６とが対面接合されてなるユニモルフ構造を有しており、圧電セラミック板５の各々は振動子４の外側位置に配置されている。
【００２０】
この振動子４を構成している振動体３のそれぞれは、その長手方向Ｘの両端部が中間部材２を介して固定されあったものであり、振動子４の内側位置に配置された金属平板６の中央部間には、振動体３それぞれの座屈振動、つまり、その厚み方向Ｙと一致したうえで互いに逆方向へと向かう各振動体３の座屈振動を可能とする中空部７が形成されている。また、この時、各振動体３を構成している圧電セラミック板５それぞれの外表面上には、駆動用電極８と検出用電極９とが長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成されている。
【００２１】
さらに、対向配置された一対の振動体３からなる振動子４は、その全体が各振動体３の厚み方向Ｙへの両端開放の２次屈曲振動が可能な構成とされており、具体的には、長手方向Ｘに沿って存在する２次屈曲振動の３つのノード点のうちの両端部に位置するノード点付近それぞれが、導電性及びバネ性を有する一対ずつ合計４つの支持部材１０でもって支持されている。そして、この時、２次屈曲振動の共振周波数は、座屈振動の周波数と近接させられている。
【００２２】
すなわち、この際における振動子４は各振動体３の短手方向Ｚ、つまり、中空部７内を貫通する軸と一致している方向が実装基板１１の表面と直交する向きとなるようにし、かつ、その下側端縁が実装基板１１の表面から少し浮き上がった状態となるようにしたうえで各支持部材１０により支持されている。なお、これらの支持部材１０は駆動用電極８及び検出用電極９と駆動手段及び検出手段（後述する）との接続用を兼ねたものであり、ただ単に振動子４の両端部を挟持して導通しただけの状態、あるいは、半田や導電性接着剤などを使用して接合されたうえで導通した状態のいずれであってもよい。
【００２３】
さらにまた、実装基板１１の表面上には、図３で回路構成を示すように、振動子４の駆動手段として振動体３の各々を逆向きに座屈振動させる和動回路１２及びオートマチックゲインコントール（ＡＧＣ）回路１３と、２次屈曲振動の大きさを検出するための検出手段として機能する差動回路１４、検波回路１５、直流（ＤＣ）アンプ１６とが配設されている。そして、駆動手段であるＡＧＣ回路１３は各振動体３の駆動用電極８と接続されて自励振回路を構成する一方、和動回路１２及び差動回路１４のそれぞれは対向配置された振動体３それぞれの検出用電極９と各別に接続されており、ＤＣアンプ１６からは検出された２次屈曲振動の大きさに基づく信号が出力されることになっている。
【００２４】
なお、ユニモルフ構造の振動体３からなる振動子４では、中間部材２と接している振動体３それぞれの中間電極（図示省略）が常に２枚両側で同電位であるよう導通されていることが必要である。勿論、基準電位に接続しておいてもよい。
【００２５】
つぎに、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１の動作及び作用を説明する。まず、上記構成とされた振動ジャイロ１では、振動子４を構成している振動体３のそれぞれが互いに逆方向へと座屈振動させられる。そして、このような状態下において、図４（ａ）で示すように、座屈振動している振動子４の振動体３それぞれの短手方向Ｚと一致する軸、例えば、振動子４の中空部７内を貫通している軸（検出軸）Ｌを中心とした回転角速度Ｍが作用すると、各振動体３の厚み方向Ｙへと向かう両端開放の２次屈曲振動でもって振動子４が振動し始める。
【００２６】
すなわち、この際にあっては、座屈振動している振動体３のそれぞれに対して回転角速度Ｍの作用に伴って発生したコリオリ力が現れる。そして、現れたコリオリ力は座屈振動の駆動力とは直交する向き、具体的には、振動体３それぞれの長手方向Ｘと平行でありながらも各振動体３ごとに逆方向となる向きでもって各振動体３に作用する。
【００２７】
従って、各振動体３における座屈振動のピーク点Ｐは、図４（ｂ）で示すように、コリオリ力の影響でもって互いに相反する方向へと位置ずれさせられることになり、座屈振動している振動体４の振動形状はコリオリ力の影響を受けて変形させられる。この時、振動子４の重心位置は、各振動体３の長手方向及び厚み方向に関してアンバランスな状態となる。そして、この振動子４においては、２次屈曲振動の共振周波数と座屈振動の周波数とが近接させられているので、コリオリ力の影響を受けて変形させられた振動子４には、図４（ｃ）で示すように、２次屈曲振動モードの振動が励振される。
【００２８】
その結果、対向配置された振動体３それぞれの検出用電極９からは、座屈振動による信号と２次屈曲振動による信号とが出力されてくる。ところが、この際、各振動体３における圧電セラミック板５それぞれの分極方向と屈曲方向とが同じであるため、座屈振動による信号は同相となるのに対し、分極方向は同じであるものの、屈曲方向が逆向きであるため、２次屈曲振動による信号は逆相となっている。
【００２９】
そこで、検出手段を構成する差動回路１４によって各振動体３の検出用電極９から出力されてきた２次屈曲振動による信号の逆相成分を検出すると、その大きさ、ひいては、検出軸Ｌを中心とする回転角速度Ｍの作用に伴って現れたコリオリ力の大きさが分かる。その結果、実装基板１１の表面と平行に配設された振動ジャイロ１が具備している振動子４を構成する振動体３それぞれの短手方向Ｚに沿う軸、つまり、取り付け平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度Ｍの大きさが分かることになる。
【００３０】
なお、この時、駆動手段を構成している和動回路１２では、各振動体３の検出用電極９から出力されてきた検出信号が加算される。そして、加算された検出信号は、ＡＧＣ回路１３を通じて振動子４へとフィードバックされる。
【００３１】
ところで、本実施の形態にかかる振動子４における座屈振動の共振周波数と２次屈曲振動の共振周波数との関係は図５で示すようになり、この振動子４を構成している各振動体３の座屈振動モードは中空部７の長手方向Ｘに沿う長さの影響を受けるにも拘わらず、振動子４そのものの２次屈曲振動モードは振動子４自体の長手方向Ｘに沿う長さには影響を受けないこととなっている。そこで、振動子４における座屈振動及び２次屈曲振動それぞれの共振周波数をより近接させる必要がある際には、振動子４の長手方向の両端部をトリミングして全長を短くし、２次屈曲振動の共振周波数を上昇させることによって座屈振動の共振周波数と近接させることが行われる。
【００３２】
さらに、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１が上記した構成のみに限定されず、以下に説明する第１〜第４のような各種の変形例構成とされたものであってもよいことは勿論である。まず、第１の変形例構成にかかる振動体２０では、図６で示すように、振動体３同士の端部間に介装された中間部材２それぞれから導電性の支持ピン２１を延出することとし、これを上下反転させて支持部材１０を使用しないまま、これらの支持ピン２１で振動子３を直立させる構成が採用されている。このような構成である際には、支持ピン２１を通じて各振動体３の中間電極を基準電位とすることが可能になる。
【００３３】
なお、本実施の形態における振動体３それぞれの圧電セラミック板５では、略１／３ずつの範囲内ごとに分極方向を反転させるとともに、その外表面上に駆動用電極８及び検出用電極９を離間して形成することが実行されている。しかしながら、図７（ａ）で示す第２の変形例構成にかかる振動子２２のように、略１／３ずつの範囲内ごとに分極方向が反転させられた圧電セラミック板５の外表面上に駆動用及び検出用である全面電極２３を形成してもよい。
【００３４】
そして、図７（ａ）で示した第２の変形例構成とされた振動子２２を具備してなる振動ジャイロ１の駆動検出回路をも含んだ要部構成は、図８で示すようになる。また、この場合にあっては、図７（ｂ）で示すように、全体が同一の分極方向とされた圧電セラミック板５それぞれの外表面上における中央部のみに対し、駆動用及び検出用の全面電極２４を形成した構成とすることも可能である。
【００３５】
さらに、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１では、一方側の振動体３を励振用とし、他方側の振動体３を検出用とした変形例構成、例えば、図９で示す第３の変形例構成のように、振動子２５が具備した他方側の振動体３を構成する圧電セラミック板５の全体を同一の分極方向とし、この圧電セラミック板５の外表面上に一対の検出用電極２６，２７を離間した状態で形成しておいたうえ、これらの検出用電極２６，２７から出力されてくる検出信号の差動をとるようにしてもよい。なお、この時、中間部材２と接している振動体３それぞれの中間電極（図示省略）は基準電位であってもよいし、フローティング状態であってよい。
【００３６】
すなわち、この第３の変形例構成にかかる振動子２５では、他方側の振動体３の外表面上に一対の検出用電極２６，２７が長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間して形成されている。この時、検出用電極２６，２７から出力されてくる座屈振動による信号は、圧電セラミック板５の分極方向と屈曲方向とが同じであるために同相となる。これに対し、検出用電極２６，２７から出力されてくる２次屈曲振動による信号は、分極方向が同じであるものの、屈曲方向が逆向きであるために逆相となり、この２次屈曲振動による信号の逆相成分は、検出手段を構成する差動回路１４によって検出される。
【００３７】
また、一方側の振動体３を励振用とし、かつ、他方側の振動体３を検出用とした振動ジャイロ１としては、図１０で示すような第４の変形例構成にかかる振動子３０を具備したものがあり、この振動子３０では、他方側の振動体３を構成している圧電セラミック板５の長手方向Ｘに沿う略１／２ずつの範囲内ごとで分極方向が反転させられている。そして、この他方側の圧電セラミック板５における外表面上には検出用の全面電極３１が形成されており、このような変形例構成であれば、電極構造が簡単であるため、コストダウンを実現しやすくなる。
【００３８】
この振動子３０にあっては、他方側の振動体３を構成している圧電セラミック板５の長手方向Ｘに沿う略１／２ずつの範囲内ごとで分極方向が反転しており、かつ、その外表面上の一端側から他端側にかけて全面電極３１が形成されているため、座屈振動による信号は振動子３０の一端側と他端側とで逆相となり、互いに相殺される結果として出力されない。ところが、この際における２次屈曲振動による信号は、振動子３０の一端側と他端側とで屈曲方向が逆となるため、同相となって検出用の全面電極３１から出力されてくる。
【００３９】
なお、これら第３及び第４の変形例構成における一方側の振動体３を構成している圧電セラミック板５は、その長手方向Ｘに沿う略１／３ずつの範囲内ごとで分極方向が反転させられたものであり、その外表面上には駆動用の全面電極２８が形成されている。また、図９中の符号１４は差動回路を示しており、図９及び図１０中の符号３２は検波回路及びＤＣアンプ、また、符号３３は発振回路及びＡＧＣ回路をそれぞれ示している。
【００４０】
さらにまた、本実施の形態にかかる振動ジャイロ１は、自動車におけるナビゲーションシステムや車体制御システム、あるいは、ビデオカメラの手振れ補正などで利用される角速度センサー３５、つまり、図１１で示すように、３つの振動ジャイロ１，３６，３７がともに同一の平面上に配設されてなる角速度センサー３５を構成する場合に使用される。すなわち、この角速度センサー３５が備えている２つの振動ジャイロ３６，３７は、従来の形態と同様、配設された平面上の直交しあう２軸、つまり、その長手方向と一致する検出軸の各々を中心として作用する回転角速度をそれぞれ検出する構成とされている。
【００４１】
これに対し、これらの振動ジャイロ３６，３７と同一の平面上に配設され、この平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度を検出する振動ジャイロ１は、実施の形態１で説明したような構成を有するものとなっている。このような全体構成とされた角速度センサー３５では、取り付け平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度が振動ジャイロ１によって検出されるため、長手方向と一致する検出軸を中心として作用する回転角速度を検出する振動ジャイロ３６，３７と同様の振動ジャイロを使用しなくても済むこととなり、低背化が可能となる。
【００４２】
ところで、本発明の発明者は特開２０００−３０４５４６号公報で開示された発明を出願しており、周縁部同士が固定された２枚の屈曲板を中空状態として重ね合わせた構成を採用すると、振動子と平行であって互いに直交しあった２軸を中心として作用する回転角速度の検出が可能であることを既に開示している。しかしながら、先の発明はあくまでも振動子と平行で直交しあう２つの検出軸周りに作用する回転角速度それぞれを検出するものであるに過ぎず、実装基板１１と平行に配設された振動ジャイロ１の振動子４そのものと直交する軸、つまり、取り付け平面に対する垂直軸を中心として作用する回転角速度を検出する本発明とは構成及び作用が異なる。
【００４３】
（実施の形態２）
図１２は実施の形態２にかかる振動ジャイロの駆動検出回路をも含んだ要部構成を示す説明図、図１３は振動子の製造工程を示す説明図であり、図１４〜図１８のそれぞれは、実施の形態２にかかる振動ジャイロの第１〜第５の変形例構成を示す説明図である。
【００４４】
実施の形態２にかかる振動ジャイロの全体構成は、振動子４０を構成している振動体４１のそれぞれがバイモルフ構造とされている点を除くと、図１で示した実施の形態１にかかる振動ジャイロ１と基本的に異ならないので、ここでの詳しい説明は省略する。なお、説明の都合上から必要がある場合には、図１２〜図１８において、図１〜図１１と同一または相当する部品、部分に同一符号を付すこととする。
【００４５】
本実施の形態にかかる振動ジャイロは、長手方向Ｘの両端部が金属製の中間部材２を介して固定され、その中央部同士が対向しあって配置された一対の矩形板状の振動体４１からなる振動子４０を具備しており、この際における振動体４１のそれぞれは、長手方向Ｘに沿う略１／３ずつの範囲内ごとの分極方向（図中、矢印で示す）が反転させられ、かつ、互いの分極方向が逆方向とされた一対の圧電セラミック板４２，４３を対面接合してなるバイモルフ構造を有している。
【００４６】
すなわち、これら振動体４１の各々は、その長手方向Ｘの両端部が中間部材２を介して固定されあったものであり、振動子４０の外側位置に配置された圧電セラミック板４２の外表面上には駆動用電極４４と検出用電極４５とが長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成されている。その一方、振動子４０の内側位置に配置された圧電セラミック板４３の外表面上には、中間電極となる全面電極４６が形成されている。なお、これらの全面電極４６は中間部材２と接触しあっており、同電位であるが、フローティング状態となっている。当然のことながら、基準電位と接続されていてもよい。
【００４７】
そして、振動子４０の内側位置に配置された圧電セラミック板４３同士の中央部間には、振動体３それぞれの座屈振動、つまり、その厚み方向Ｙと一致したうえで逆方向に向かって座屈振動する各振動体４１の座屈振動を可能とする中空部７が形成されている。
【００４８】
ところで、このような構成とされた振動子４０、つまり、バイモルフ構造とされた振動体４１を対向配置してなる振動子４０である場合には、図１３で製造工程の途中過程を示すように、多数の振動子４０となる半製品４８を用意しておいたうえ、この半製品４８をカットラインＣに従って切断することにより多数の振動子４０を一括的に作製し得るという利点が確保される。なお、この際における中間部材４９は、一方側の振動体４１となる部材の片側部分を削り込んで一体的に形成されたものであってもよい。
【００４９】
また、バイモルフ構造の振動体４１が対向配置されてなる振動子４０は、その全体が各振動体４１の厚み方向Ｙに沿う両端開放の２次屈曲振動が可能な構成、つまり、各振動体４１の短手方向Ｚと一致する軸（検出軸）を中心として作用する回転角速度を検出することが可能とされている。この時、具体的には、長手方向Ｘに沿って存在する２次屈曲振動の３つのノード点のうちの両端部に位置するノード点付近それぞれが、実装基板上で支持された構成を有している。さらに、この際における２次屈曲振動の共振周波数は、座屈振動の周波数と互いに近接させられている。
【００５０】
さらにまた、振動子４０が搭載される実装基板の表面上には、この振動子４０の駆動手段として振動体４１のそれぞれを逆向きに座屈振動させる和動回路１２及びＡＧＣ回路１３と、２次屈曲振動の大きさを検出する検出手段として機能する差動回路１４、検波回路１５、ＤＣアンプ１６とが配設されている。そして、駆動手段であるＡＧＣ回路１３は各振動体４１の駆動用電極４４と接続される一方、和動回路１２及び差動回路１４のそれぞれは各振動体４１の検出用電極４５と各別に接続されており、ＤＣアンプ１６からは検出された２次屈曲振動の大きさに基づく信号が出力されることになっている。
【００５１】
実施の形態２にかかる振動ジャイロは以上説明したような構成であるため、実施の形態１にかかる振動ジャイロ１と同様の動作を行うこととなり、同様の作用を奏する。ところで、本実施の形態にかかる振動ジャイロが、以下に説明する第１〜第５のような各種の変形例構成とされたものであってもよい。
【００５２】
まず、本実施の形態における振動体４１の各々では、外側位置に配置される圧電セラミック板４２の外表面上に対して駆動用電極４４及び検出用電極４５を形成しているが、図１４で示す第１の変形例構成にかかる振動子５０のように、駆動用及び検出用である全面電極５１を形成してもよい。また、図１５で示す第２の変形例構成にかかる振動子５５のように、内側位置に配置された圧電セラミック板４３の外表面上に形成された中間電極である全面電極４６を、外側位置に配置された圧電セラミック板４２の外表面上にまで回り込ませたうえ、基準電位に落として駆動する構成としてもよい。
【００５３】
さらに、図１６で示す第３の変形例構成にかかる振動子５６のように、外側に位置する圧電セラミック板４２それぞれの分極方向を同一としたうえ、一方側の圧電セラミック板４２の外表面上に一対の検出用電極５７，５８を長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成し、かつ、他方側の圧電セラミック板４２の外表面上に駆動用の全面電極５９を形成してもよい。この時、中間部材２と接している中間電極４６は、同電位の導通状態でありながらも、フローティング状態となる。
【００５４】
さらにまた、図１７で示す第４の変形例構成にかかる振動子６０のように、外側位置に配置される圧電セラミック板４２の外表面上に駆動用電極６１と検出用電極６２とを長手方向Ｘの一端側と他端側とに離間した状態で形成し、かつ、振動子６０の一方側の端面上に端面電極６３を形成してもよい。あるいは、図１８で示す第５の変形例構成にかかる振動子６５のように、一方側の振動体４１を構成する圧電セラミック板４２の外表面上に一対の検出用電極６６，６７を離間した状態で形成し、かつ、他方側の振動体４１を構成する圧電セラミック板４２の外表面上に駆動用の全面電極６８を形成するとともに、振動子６５の一方側の端面上に端面電極６９を形成した構成とすることも可能である。
【００５５】
これら第４及び第５の変形例構成とされた振動ジャイロにあっては、外側に位置する圧電セラミック板４２それぞれの分極方向が逆方向とされており、中間部材２と接している中間電極４６が同電位の導通状態であり、かつ、基準電位に落とされるか、駆動電圧の反転信号が供給されることになっている。なお、以上説明した実施の形態２にかかる振動ジャイロを使用することによっても、実施の形態１の場合と同様の角速度センサー３５が構成される。
【００５６】
【発明の効果】
本発明にかかる振動ジャイロは、座屈振動する一対の矩形板状の振動体からなり、かつ、全体的には振動体の厚み方向へと向かう両端開放の２次屈曲振動が可能な振動子を具備している。そして、この際における２次屈曲振動の共振周波数は、座屈振動の周波数と近接させられている。
【００５７】
この振動ジャイロであれば、各振動体の短手方向と一致する検出軸、つまり、振動子が配設された平面と直交する検出軸を中心として作用する回転角速度の検出が可能となり、この検出軸と一致している方向における振動子の高さは低くて済む。従って、振動ジャイロの低背化を容易に実現でき、その結果として平面上に配設された他の部品よりも振動ジャイロが突出することを有効に防止できるという効果が得られる。
【００５８】
本発明にかかる角速度センサーでは、同一平面上に配設された３つの振動ジャイロのうちの２つが平面上の互いに直交しあう２軸、つまり、その長手方向と一致する検出軸の各々を中心として作用する回転角速度を検出するものであり、他の１つが平面と直交する垂直軸を中心として作用する回転角速度を検出するものとされている。そして、この振動ジャイロが低背化されたものであるため、角速度センサー自体も低背化されることとなり、この角速度センサーが他の部品よりも突出することが有効に防止されるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる振動ジャイロの全体構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１にかかる振動ジャイロが具備している振動子の全体構成を示す斜視図である。
【図３】駆動検出回路をも含んだ実施の形態１にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図４】実施の形態１にかかる振動ジャイロの動作を模式化して示す平面図である。
【図５】振動子における座屈振動の周波数と２次屈曲振動の共振周波数との関係を示す説明図である。
【図６】実施の形態１にかかる振動子の第１の変形例構成を示す斜視図である。
【図７】実施の形態１にかかる振動子の第２の変形例構成を示す平面図である。
【図８】駆動検出回路をも含んだ第２の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図９】駆動検出回路をも含んだ第３の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１０】駆動検出回路をも含んだ第４の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１１】実施の形態１にかかる振動ジャイロを備えて構成された角速度センサーの要部構成を示す説明図である。
【図１２】実施の形態２にかかる振動ジャイロの駆動検出回路をも含んだ要部構成を示す説明図である。
【図１３】振動子の製造工程を示す説明図である。
【図１４】実施の形態２にかかる振動子の第１の変形例構成を示す平面図である。
【図１５】駆動検出回路をも含んだ第２の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１６】駆動検出回路をも含んだ第３の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１７】駆動検出回路をも含んだ第４の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【図１８】駆動検出回路をも含んだ第５の変形例構成にかかる振動ジャイロの要部構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 振動ジャイロ
２ 中間部材
３ 振動体
４ 振動子
１２ 和動回路（駆動手段）
１３ ＡＧＣ回路（駆動手段）
１４ 差動回路（検出手段）
１５ 検波回路（検出手段）
１６ ＤＣアンプ（検出手段）
Claims (8)
- 長手方向の両端部がそれぞれ中間部材を介して厚み方向に固定された一対の矩形板状の振動体からなり、全体的には前記振動体の厚み方向への両端開放の２次屈曲振動が可能な構成として支持された振動子と、前記振動体のそれぞれを互いに逆方向へと座屈振動させる駆動手段と、前記振動子の２次屈曲振動の大きさを検出する検出手段とを具備しており、前記２次屈曲振動の共振周波数は前記座屈振動の周波数と近接させられていることを特徴とする振動ジャイロ。
- 前記振動子の長手方向に沿っては前記２次屈曲振動の３つのノード点が存在しており、前記振動子は前記ノード点のうちの両端側の２つでもって支持されていることを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
- 前記振動体はユニモルフ構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動ジャイロ。
- 前記振動体はバイモルフ構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動ジャイロ。
- 前記振動体それぞれの外表面上には互いに対向して電極が形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の振動ジャイロ。
- 前記振動体のうちの一方側の外表面上には一対の電極が長手方向の一端側と他端側とに離間して形成されており、これらの電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の振動ジャイロ。
- 前記振動体それぞれの外表面上には互いに対向して電極が形成されており、その一方側の電極を通じて前記２次屈曲振動の大きさが検出される構成であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の振動ジャイロ。
- ３つの振動ジャイロが同一の平面上に配設されてなる角速度センサーであって、
前記平面と直交する垂直軸を回転軸とする回転角速度を検出する振動ジャイロは請求項１〜請求項７のいずれかに記載したものであることを特徴とする角速度センサー。
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