JP2006208131A - 振動体及びこれを備えた角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コリオリ力に起因する振動成分の検出感度を高めるとともに小型化を図る。
【解決手段】 振動体１０は、第１の方向Ｙに沿って延在し第１の方向と直交する第２の方向Ｘに振動して第１の方向に伸びる軸周りの回転によるコリオリ力を発生させる音片１１Ａ，１１Ｂと、第２の方向に延在し音片に接続された梁１２と、梁の形状変化を検出する検出部１６と、梁における音片の接続位置の一側にある部分に接続され音片と並行して第１の方向に延在する第１の接続部１３と、梁における音片の接続位置の他側にある部分に接続され音片と並行して第１の方向に延在する第２の接続部１４と、音片に対して梁とは反対側に配置され第１の接続部及び第２の接続部における梁に対する接続端とは反対側の端部に接続された基部１５とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動体及びこれを備えた角速度検出装置に係り、特にジャイロ振動子を構成する場合に公的な振動体の構造に関する。

従来のジャイロ振動子は、所定の回転軸周りの角速度を検出するために、水晶などの圧電材料で構成された振動体を含む。この振動体には、一般に、梁に接続されて第１の方向に延在する音片が設けられ、この音片を第１の方向と直交する第２の方向に振動させることにより、振動体が第１の方向の軸回りに回転すると、第２の方向に振動する音片に対して第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向にコリオリ力が及ぼされるので、音片の第３の方向の振動成分を抽出することによってコリオリ力の大きさ、ひいては振動体の角速度を検出することができる。

例えば、一対の音片（腕部材）に接続された梁（ベース部）が、当該梁の中央部分に突設された接続部（接続部材）により基部（基台）に取付固定され、この接続部でねじり振動を検出するように構成された振動体が提案されている（例えば、以下の特許文献１参照）。

また、一対の第１音片（励振枝）に接続された梁の反対側に一対の第２音片（ピックアップ枝）を設け、梁の中央を接続部を介して取付固定し、コリオリ力に基づく第１音片の振動成分を梁を介して第２音片に伝達させ、この第２音片で検出を行うように構成した振動体が提案されている（例えば、以下の特許文献２及び３参照）。
特公平７−６９１８０号公報 特開平７−５５４７９号公報 特開平１０−５４７２５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来の振動体では、梁と基部を接続する接続部において検出を行うように構成されていることにより、音片の振動エネルギーが接続部を介して基部に漏れ易いとともに、その振動エネルギーの漏出経路途中で検出を行うことから、コリオリ力に基づく振動成分の検出感度を高めることが難しく、振動体の角速度を高精度に検出することが困難であるという問題があった。

一方、上記特許文献２及び３に記載の従来の振動体では、第１音片に対して梁を挟んで反対側に延在する第２音片において検出を行うように構成されていることにより、振動体の構造が複雑になるとともに振動体の小型化を図ることが難しいという問題点がある。また、第１音片から第２音片に振動成分が伝達される経路の途中に、基部に接続された接続部により支持された梁が存在するため、梁における振動の減衰を低減するために、特許文献２では、梁を枠状に構成し、この枠状の内面を接続部に接続する方法を採用しているが、これは振動体の構造をさらに複雑化させる。さらに、特許文献３では、第１音片と第２音片の振動バランスを高めることにより、第１音片から第２音片へのコリオリ力に起因する振動成分の伝達効率を高めているが、この方法では、振動体の小型化（第１音片と第２音片の短縮）を図ると振動バランスの精度が犠牲になるため、振動エネルギーの漏洩を低減できないという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、コリオリ力に起因する振動成分の検出感度を高めることにある。また、他の課題は、コリオリ力に起因する振動成分の検出感度を犠牲にすることなく小型化を図ることにある。

本発明に係る振動体は、第１の方向に沿って延在し、該第１の方向と直交する第２の方向に振動して前記第１の方向に伸びる軸周りの回転によるコリオリ力を受ける音片と、前記第２の方向に延在し、前記音片に接続された梁と、前記梁の形状変化を検出する検出部と、前記梁における前記音片の接続位置の一側にある部分に接続され、前記音片と並行して前記第１の方向に延在する第１の接続部と、前記梁における前記音片の接続位置の他側にある部分に接続され、前記音片と並行して前記第１の方向に延在する第２の接続部と、前記音片に対して前記梁とは反対側に配置され、前記第１の接続部及び前記第２の接続部における前記梁に対する接続端とは反対側の端部に接続された基部と、を具備することを特徴とする。

本発明に係る振動体によれば、音片に接続された前記梁は、前記音片の接続位置の両側で第１の接続部と第２の接続部をそれぞれ介して前記基部に接続され、この梁に検出部が設けられていることにより、上記従来の振動板に較べて、コリオリ力による振動成分の振動エネルギーが梁から基部へ漏出する量を低減することができ、これにより、コリオリ力に起因する振動成分により生起される梁の形状変化が大きくなるとともに、この梁に検出部が設けられているため、検出感度を高めることが可能になる。また、第１の接続部及び第２の接続部は梁から音片と並行して第１の方向に延在し、音片に対して梁とは反対側に配置された基部に接続されているため、振動体の寸法を大きくしなくても、音片の第１の方向に延在する長さ分だけ梁と基部との間の距離を増大させることができることから、振動エネルギーの基部への漏出を低減しつつ、振動体の小型化を図ることが可能になる。

本発明において、前記検出部として、前記梁における前記音片の接続部位と前記第１の接続部の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記音片の接続部位と前記第２の接続部の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有することが好ましい。これによれば、梁における音片の接続部位の両側に第１の検出部及び第２の検出部が設けられていることにより、第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向の加速度に起因する検出誤差を相殺して検出精度を高めることが可能になる。

本発明において、前記梁における前記第２の方向の異なる位置に接続された一対の前記音片を有することが好ましい。一対の音片を設け、これらを相互に逆相で振動させることにより、梁の形状変化を大きくして検出感度を高めることができる。

本発明において、前記検出部は、前記梁における前記一対の音片の接続部位の間に設けられていることが好ましい。これによれば、梁における一対の音片の接続部位間においては、相互に逆相に駆動された一対の音片が受ける逆相のコリオリ力に基づく変形力が両側からもたらされることにより梁の形状変化が大きくなるため、ここに検出部を設けることで検出感度を高めることが可能になる。なお、上記の代わりに、前記梁における一方の前記音片の接続部位と、前記梁における前記第１の接続部若しくは前記第２の接続部のうち前記一方の音片に近い接続部の接続部位との間に前記検出部を設けるようにしてもよい。

本発明において、前記検出部として、前記梁における前記第１の接続部の接続部位と前記第１の接続部に近い一方の前記音片の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記第２の接続部の接続部位と前記第２の接続部に近い他方の前記音片の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有することが好ましい。これによれば、第１の検出部と第２の検出部とが梁における一対の音片の接続部位の両側にそれぞれ設けられていることにより、第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向の加速度に起因する検出誤差を相殺して検出精度を高めることが可能になる。

本発明において、前記梁における前記一対の音片の接続部位の間にある部分と前記基部との間に接続され、前記第１の方向に延在した第３の接続部をさらに具備することが好ましい。これによれば、梁の支持剛性を高めることができるとともに、梁の形状変化を安定化させることができる。

本発明において、前記検出部は、前記梁における前記第３の接続部の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間に設けられていることが好ましい。これによれば、一方の音片のコリオリ力に起因する振動成分を感度良く検出することができる。なお、上記の代わりに、梁における一方の音片の接続部位と前記第１の接続部と前記第２の接続部のうちの一方の音片に近い接続部の接続部位との間に検出部を設けてもよい。この場合に、検出部として、梁における一方の音片とこれに近い接続部の接続部位との間に第１の検出部を設け、梁における他方の音片とこれに近い接続部の接続部位との間に第２の検出部を設けることがより望ましい。

本発明において、前記検出部として、前記梁における前記第３の接続部の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記第３の接続部の接続部位と他方の前記音片の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有することが好ましい。これによれば、第１の検出部及び第２の検出部が梁における第３の接続部の接続部位の両側において一対の音片の接続部位の間にそれぞれ設けられていることにより、第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向の加速度に起因する検出誤差を相殺して検出精度を高めることが可能になる。

本発明において、前記検出部として、前記梁における前記第３の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記第１の接続部と前記第２の接続部のうち前記一方の音片に近い接続部の接続部位と前記一方の音片の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有していてもよい。

本発明において、前記梁における前記第３の接続部の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間の距離が、前記梁における前記第１の接続部と前記第２の接続部のうち前記一方の音片に近い接続部の接続部位と前記一方の音片の接続部位との間の距離より短いことが好ましい。これによれば、梁における第３の接続部の接続部位と一方の音片の接続部位との間に歪を集中することができるため、当該部分の形状変化を検出することによって検出感度を高めることができる。

なお、前記第１の接続部及び前記第２の接続部は、前記梁に対する接続部分が他の部分に対して第２の方向に異なる幅を有することが望ましい。これによれば、第１の接続部及び第２の接続部において、梁に対する接続部分の第２の方向に見た幅が他の部分の幅と異なるので、当該接続部分の幅を調整することによって梁の長さを調整できるとともに、当該接続部分の幅の如何に拘わらず、他の部分によって支持剛性を適宜に設定することができる。例えば、当該接続部分が細幅部とされ、それ以外の部分が広幅部とされる。この場合、広幅部と音片との間隔を細幅部と音片との間隔より小さくすることにより広幅部を設けることが望ましい。これによれば、広幅部を設けても、振動体の第２の方向の幅の増加を抑制することができるため、さらに小型化が容易になる。

本発明において、前記音片、前記梁、前記第１の接続部、前記第２の接続部、及び、前記基部は、一体の圧電材料で構成されることが好ましい。音片、梁、第１の接続部、第２の接続部及び基部が一体材料で構成されていることにより、音片においてコリオリ力に基づいて発生した振動成分を効率的に梁に伝達できるとともに、精度良く検出することが可能になる。また、材料が圧電材料で構成されることにより、音片における第２の方向の振動を容易に生起させることができるとともに、梁の形状変化を容易に検出することができる。圧電材料としては、水晶、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、燐酸ガリウム（ＧａＰＯ_４）などを挙げることができるが、特に圧電特性やコストの観点から水晶が最も好ましい。なお、上記圧電材料に限らず、振動体として機能する弾性材料であれば使用可能であり、特に、エリンバ材（恒弾性合金）などの恒弾性材料を用いることが効果的である。

本発明の角速度検出装置は、上記のいずれかに記載の振動体と、前記音片に駆動信号を与えて前記第２の方向に振動させる駆動手段と、前記検出部の検出信号を受けて前記振動体の前記第１の方向の軸周りの角速度を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。このような角速度検出装置は、自動車のナビゲーションシステム、自動車・航空機・ミサイル・ロケットなどの姿勢制御機器、カメラの手振れ補正などに用いることができる。

次に、本発明に係る振動体及び角速度検出装置の実施例について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は本実施形態の振動体の構成を示す正面図、図２は同斜視図、図３はコリオリ力を受けた状態を模式的に示す斜視図、図４は同状態を模式的に示す側面図である。この振動体１０は、図１及び図２に示すＹ軸（図示上下方向の軸）周りの回転に基づいて発生するコリオリ力を検出することで、角速度を検出するためのものである。

振動体１０は、Ｙ軸方向にそれぞれ延在する一対の音片（振動腕）１１Ａ、１１Ｂと、Ｙ軸と直交するＸ軸方向に延在し、音片１１Ａ，１１Ｂが延在方向の中途部分に接続された梁１２と、梁１２における音片１１Ａ，１１Ｂの接続部位に対して一方側にある部分（図示例では一方の端部）に接続された第１の接続部１３と、梁１２における音片１１Ａ，１１Ｂの接続部位に対して他方側にある部分（図示例では他方の端部）に接続された第２の接続部１４と、これらの第１の接続部１３及び第２の接続部１４の他端に接続された基部（基台）１５とを備えている。音片１１Ａ，１１Ｂの表面には駆動用電極Ａｅ１〜Ａｅ４、Ｂｅ１〜Ｂｅ４（図１９参照）が設けられている。また、梁１２の表面には検出部１６が設けられている。

本実施形態の振動体１０は、圧電材料、例えば水晶で構成され、全体が一体に形成されている。水晶で構成される場合を例示すると、例えば、水晶の柱状結晶構造の軸線方向である<０００１>結晶軸（光軸）をＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸とし、柱状結晶の表面と直交する機械軸を図示Ｙ軸とし、柱状結晶の縦方向の稜線と直交する電気軸をＸ軸とする。

一対の音片１１Ａ、１１ＢはＹ軸に沿って延在し、相互にほぼ平行であり、同一の所定長を有する棒状に構成される。図１９に示すように、音片１１Ａ，１１ＢのＸＹ平面に平行な２つの面（正面及び背面）上には駆動電極Ａｅ１，Ａｅ２、Ｂｅ１，Ｂｅ２が形成され、音片１１Ａ，１１ＢのＹＺ平面に平行な２つの面（両側面）上には駆動電極Ａｅ３，Ａｅ４，Ｂｅ３，Ｂｅ４が形成されている。

図１に戻って、梁１２は、一対の音片１１Ａ、１１Ｂが配設されたＸＹ平面に平行でありＹ軸に垂直なＸ軸方向に延在する所定長を有する棒状に構成されている。梁１２のＸ軸方向の延在範囲の中途部分に上記一対の音片１１Ａ、１１Ｂが接続している。梁１２における音片１１Ａの接続部位と、音片１１Ｂの接続部位とは相互にＸ軸方向に離間している。また、梁１２の一端１２ａ及び他端１２ｂは、一対の音片１１Ａ、１１Ｂ間の外側に位置している。

第１の接続部１３及び第２の接続部１４は、Ｙ軸方向に沿って延在する、所定長を有する棒状に構成されている。第１の接続部１３は音片１１Ａ，１１Ｂと並行にＹ軸方向に延在し、梁１２の一端１２ａと基部１５とを接続し、第２の接続部１４は音片１１Ａ，１１Ｂと並行にＹ軸方向に延在し、梁１２の他端１２ｂと基部１５とを接続している。

図示例の場合、第１の接続部１３においては、梁１２に接続される部分においてＸ軸方向の幅が相対的に小さい細幅部１３ａを有し、他の部分、すなわち基部１５側においてＸ軸方向の幅が相対的に大きい広幅部１３ｂを有する。第１の接続部１３の外縁はＹ軸に沿って直線状に延在し、細幅部１３ａと広幅部１３ｂのＸ軸方向の外縁位置は同一であるが、第１の接続部１３の内縁（音片１１Ａ側の縁部）については細幅部１３ａと広幅部１３ｂとの間で異なっており、広幅部１３ｂの内縁は細幅部１３ａの内縁よりもＸ軸の正の方向にずれた位置（すなわち、音片１１Ａ側に接近した位置）に形成されている。なお、第１の接続部１３の内縁は、細幅部１３ａと広幅部１３ｂの境界位置で段差状に形成されている。

一方、第２の接続部１４においても、梁１２に接続される部分においてＸ軸方向の幅が相対的に小さい細幅部１４ａを有し、他の部分、すなわち基部１５側においてＸ軸方向の幅が相対的に大きい広幅部１４ｂを有する。第２の接続部１４の外縁はＹ軸に沿って直線状に延在し、細幅部１４ａと広幅部１４ｂのＸ軸方向の外縁位置は同一であるが、第１の接続部１４の内縁（音片１１Ｂ側の縁部）については細幅部１４ａと広幅部１４ｂとの間で異なっており、広幅部１４ｂの内縁は細幅部１４ａの内縁よりもＸ軸の負の方向にずれた位置（すなわち、音片１１Ｂ側に接近した位置）に形成されている。なお、第２の接続部１４の内縁は、細幅部１４ａと広幅部１４ｂの境界位置で段差状に形成されている。

本実施形態では、梁１２における音片１１Ａの接続部位と音片１１Ｂの接続部位との間に接続される第３の接続部１７を備えている。この第３の接続部１７は、上記の第１の接続部１３及び第２の接続部１４と同様に、梁１２と基部１５とを接続している。具体的には、第３の接続部１７は、梁１２における音片１１Ａの接続部位と音片１１Ｂの接続部位の中間位置に接続されている。この第３の接続部１７もまた、上記と同様に梁１２に接続される部分が細幅部１７ａとされ、他の部分、すなわち基部１５側が広幅部１７ｂとされている。

基部１５は板状（直方体状）の部分であり、第１の接続部１３及び第２の接続部１４を介して、梁１２の両端を支持する。基部１５は振動体１０を他部材に取付固定する部位として機能するものであり、一般にはＸＹ平面と平行な正面及び背面のうち少なくともいずれか一方を他部材の表面に固着することによって固定される。

振動体１０は、全体として板状（直方体状）に構成され、この振動体１０の全体形状の内部に、Ｚ軸方向に貫通し、ＸＹ平面上でＸ軸方向に伸びる短い中間部分と、この中間部分の両端に接続され、それぞれＹ軸方向に伸びる長い両脚部分とを備えたコ字形状を呈するスリット１０Ａ，１０Ｂを形成したものとなっている。これらのスリット１０Ａ、１０Ｂはその内側に上記音片１１Ａ、１１Ｂを構成する。スリット１０Ａ，１０Ｂについてより具体的に述べると、ＸＹ平面上でコ字状の両脚部の端部にそれぞれＸ軸方向外側に張り出した張出部を有する。これらの張出部は、上記第１の接続部１３及び第２の接続部１４にそれぞれ細幅部１３ａ，１４ａを形成するとともに、上記第３の接続部１７にも細幅部１７ａを形成する。

検出部１６は、梁１２のＸＹ平面に平行な２つの面（正面及び背面）上に各々設けられた検出電極１６ａ、１６ｂを備えている。検出部１６は、梁１２における上記音片１１Ａの接続部位と第３の接続部１７の接続部位との間（中間位置）に設けられている。この検出部１６により、一対の音片１１Ａ、１１ＢのＺ軸方向の振動成分により生起する梁１２の形状変化を、従来知られた圧電の原理に従って検出することが可能になる。

図１７は振動体１０を収容容器に収容した状態を示す斜視図であり、図１８は図１７の仮想平面Ｗに沿った断面を示す縦断面図である。セラミックスなどで形成された収容容器１０５は、一面が開放された凹部状の収容空間を備え、この収容空間内に振動体１０を収容し、基部１５の表面を収容容器１０５の載置部１０７を接着などの方法で固着させることで、振動体１０が収容容器１０５に固定されている。また、図示しないが、振動体１０に形成された上記駆動電極Ａｅ１〜Ａｅ４及びＢｅ１〜Ｂｅ４並びに上記検出電極１６ａ，１６ｂに接続された適宜の配線パターンと、収容容器１０５に形成された配線パターンをワイヤーボンディングにて接続することにより電気的接続がなされている。そして、内部を真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気に保持した状態で封止する、例えば、収容容器１０５の上面を蓋体１０６で閉鎖することにより、パッケージ化された振動子が構成される。

なお、上記の配線接続においてワイヤーボンディングによらず、導電性接着剤にて接続することも可能である。また、振動子１０の基部１５を第１の接続部１３、第２の接続部１４、第３の接続部１７毎に別々に設けて、それぞれを別々に固定してもよい。さらに、押圧固定部１５を例えば収容容器１０５と蓋１０６で挟圧した状態で固定しても構わない。

図１９は、本実施形態の上記駆動電極Ａｅ１〜Ａｅ４及びＢｅ１〜Ｂｅ４と駆動回路との接続関係、上記検出電極１６ａ，１６ｂと検出回路との接続関係、並びに、駆動回路及び検出回路の構成を示す概略構成図である。

音片１１Ａの駆動電極Ａｅ１及びＡｅ２と音片１１Ｂの駆動電極Ｂｅ３及びＢｅ４は駆動回路１１０の第１端子１１０ａに導電接続され、音片１１Ａの駆動電極Ａｅ３及びＡｅ４と音片１１Ｂの駆動電極Ｂｅ１及びＢｅ２は駆動回路１１０の第２端子１１０ｂに導電接続される。駆動回路１１０には、第１端子１１０ａに導電接続され、第１端子１１０ａの電流変化を電圧に変換する電流電圧変換回路１１１と、この電流電圧変換回路１１１から供給される入力電圧が大きくなると出力電圧を小さくし、入力電圧が小さくなると出力電圧を大きくする自動利得制御回路１１２と、自動利得制御回路１１２から上記のように出力される制御信号に応じて駆動信号を第２端子１１０ｂに出力する駆動回路１１３とを備えている。駆動回路１１３の出力する駆動信号は、第２端子１１０ｂの電位を第１端子１１０ａの中間電位を基準として周期的に正の値と負の値に交互に設定する。これによって、第１端子１１０ａの電流は駆動回路１１０によってフィードバック制御され、第１端子１１０ａと第２端子１１０ｂとの間には、正負の電圧が安定的かつ周期的に印加される。これにより、音片１１Ａ、１１ＢがＸ軸方向に相互に逆相で駆動される。また、駆動回路１１３は、上記駆動信号と９０度位相のずれた信号を検波信号として検出回路１２０に出力する。なお、本発明に係る角速度検出装置の駆動手段は上記駆動回路１１０によって構成される。

検出回路１２０は、検出電極１６ａに接続された第１端子１２０ａに接続された電流電圧変換回路１２１と、検出電極１６ｂに接続された第２端子１２０ｂに接続された電流電圧変換回路１２２と、電流電圧変換回路１２１及び１２２の出力電位の差を増幅する差動増幅回路１２３と、差動増幅回路１２３の出力信号を上記検波信号に基づいて検波する同期検波回路１２４とを備えている。差動増幅回路１２３の出力電圧は検出電極１６ａと１６ｂを介して検出される梁１２の分極電圧に対応するものであり、この出力電圧から検波信号と同期した信号成分、すなわち、音片１１Ａ，１１ＢのＺ軸方向の変位に起因する振動成分（これは駆動信号と９０度位相のずれた振動となる。）によって生ずる梁１２の形状変化に対応する信号成分は、上記検波信号に基づく同期検波回路１２４の作用によって抽出される。

上記の同期検波回路１２４から出力される検出信号は、コリオリ力の大きさに対応する振幅を有する周期信号であり、この検出信号に基づいて、角速度演算回路１３０が振動体１０の角速度を計算し、角速度データを出力するようになっている。したがって、本発明に係る角速度検出装置の検出手段は、上記検出回路１２０及び加速度演算回路１３０によって構成される。

図１に点線で示すように、上記駆動信号に基づいて、一対の音片１１Ａ、１１Ｂは、Ｘ軸方向に沿って相互に逆相関係で屈曲振動を行なう。より詳細には、音片１１ＡがＸ軸の正の方向に屈曲するとき、音片１１ＢはＸ軸の負の方向に屈曲し、音片１１ＡがＸ軸の負の方向に屈曲するとき、音片１１ＢがＸ軸の正の方向に屈曲する。

このとき、音片１０がＹ軸周りに回転すると、上記のようにＸ軸方向に振動する音片１１Ａ，１１ＢにはＸＹ平面に垂直なＺ軸方向のコリオリ力が加わり、当該コリオリ力Ｆにより、音片１１Ａと１１Ｂは、図３及び図４に示すように、Ｚ軸方向に沿って相互に逆相関係で屈曲振動を行なう。このＺ軸方向の音片１１Ａと１１Ｂの逆相振動は上記コリオリ力に起因する振動成分であり、この振動成分によって梁１２に周期的な形状変化が生ずるため、これを上記のように検出部１６にて検出することで、振動体１０の角速度を知ることができる。なお、図３及び図４では駆動電極及び検出電極を省略して示す。

特に、一対の音片１１Ａと１１ＢにＺ軸方向に沿った振動成分が生ずると、梁１２には、第１の接続部１３の接続部位と第３の接続部１７の接続部位の間、及び、第２の接続部１４の接続部位と第３の接続部１７の接続部位の間にそれぞれ形状変化が生じ、特に、第３の接続部１７と音片１１Ａ，１１Ｂの接続部位との間の領域に大きな形状の変化が生じる。この結果、当該領域に設けられた検出部１６は、梁１２の形状変化を効率的に検出することができる。

本実施形態の振動子１０によれば、一対の音片１１Ａ、１１Ｂを保持する梁１２は、音片１１Ａ，１１Ｂに接続された領域の両側部分が第１の接続部１３及び第２の接続部１４に支持されていることから、梁１２の支持安定性が向上し、梁１２から第１の接続部１３、第２の接続部１４及び第３の接続部を介した基部１５へ上記Ｚ軸方向の振動成分に相当する振動エネルギーの漏出が抑制される。これによって上記振動成分に起因する梁１２の形状変化を従来よりも大きくすることができるため、検出感度を高めることができる。

また、本実施形態では、検出部１６を梁１２に設けることができるため、梁と検出部の距離を十分に確保する必要がある従来技術に較べて小型化が容易になる。さらに、本実施形態では、第１の接続部１３及び第２の接続部１４が音片１１Ａ，１１Ｂに並行にＹ軸の正の方向に延在し、音片１１Ａ，１１Ｂに対してＹ軸の正の側に配置された基部１５に接続されていることにより、振動体１０の寸法を大きくしなくても、音片１１Ａ，１１Ｂの長さ分だけ接続部の長さを確保することができるため、振動エネルギーの漏出を抑制しつつ、小型化を図ることができるという利点がある。

また、本実施形態では、少なくとも一対の音片１１Ａ、１１Ｂを設けていることから、駆動信号に基づくＸ軸方向の振動成分及びコリオリ力に基づくＺ軸方向の振動成分の周波数を安定させることができる。

さらに、本実施形態では、板状素材（例えば水晶基板）にスリット１０Ａ，１０Ｂを形成するだけで上記構成を実現できるため、製造工程が簡易であり、しかも、従来の振動体とは異なり、板状素材から除去しなくてはならないスリット部分がきわめて少ないため、短時間で製造することができる。製造工程では、例えば、水晶基板の表裏面にレジストなどのマスクを形成し、弗酸系のエッチング液でエッチングすることにより、容易に上記スリット１０Ａ，１０Ｂを形成することができる。

また、第３の接続部１７が設けられていることにより、梁１２における音片１１Ａの接続部位と音片１１Ｂの接続部位との間の領域の形状が安定化され、梁１２に対する支持剛性も全体として向上し、梁１２の形状変化の態様が安定化される。さらに、第３の接続部１７を設けることで、当該接続部を駆動電極や検出電極の配線パターンの形成領域とすることが可能になるので、配線パターンの自由度を高めることができる。

図１に示すように、本実施形態では、梁１２における音片１１Ａ、１１Ｂの接続部位と第３の接続部１７の接続部位とのＸ軸方向の距離Ｘａ、Ｘｂと、梁１２における音片１１Ａ，の接続部位と第１の接続部１３の接続部位とのＸ軸方向の距離Ｘｃ及び音片１１Ｂの接続部位と第２の接続部１４の接続部位とのＸ軸方向の距離Ｘｄとを同一に設定している。ただし、距離Ｘａ，Ｘｂを距離Ｘｃ，Ｘｄよりも短くすることにより、梁１２における音片１１Ａ，１１Ｂの接続部位間の領域にひずみを集中することができるため、検出感度を高めることが可能である。

検出部は、図５に示すように、第３の接続部１７の接続部位の両側、すなわち、第３の接続部１７の接続部位と音片１１Ａの接続部位の間及び第３の接続部１７の接続部位と音片１１Ｂの接続部位の間の双方に設けてもよい。この場合、第１の検出部１６Ａと第２の検出部１６Ｂにそれぞれ設けられた検出電極１６ａ，１６ｂは、図１９に示す検出回路１２０と同様の回路にそれぞれ接続され、これらの回路から出力される２つの検出信号を用いて処理を行うことにより、２つの検出信号に同相で重畳する信号成分を除去する。この場合には、振動体１０にＺ軸方向の加速度等に起因する外乱が加わっても、上記外乱に起因する検出誤差を相殺することができる。

また、検出部の位置については、上記のように梁１２における一対の音片１１Ａ，１１Ｂの接続部位の間に検出部１６を設けることに代えて、図６に示されるように、梁１２における一対の音片１１Ａ，１１Ｂの間の外側に検出部１６Ｃを配置してもよい。この場合には、上記実施形態の場合よりも梁１２の形状変化はやや小さくなるが、同様の原理によって従来技術に対しては有利な条件で角速度を求めることができる。

この場合に、音片１１Ａの接続部位の両側に検出部１６Ｃと検出部１６Ａを配置し、これらを併用することもできる。このとき、検出部１６Ｃと検出部１６Ａのそれぞれに設けられた検出電極１６ａ，１６ｂは並列に図１９に示す検出回路１２０の第１端子１２０ａ，１２０ｂに接続される。

さらには、音片１１Ａの接続部位の外側に検出部１６Ｃを設け、音片１１Ｂの接続部位の外側に検出部１６Ｄを設けてもよい。このときには、図５に示す場合と同じ態様で各検出部の検出電極をそれぞれ検出回路１２０に接続し、上記と同様に処理することで、図５に示す場合と同様の効果を得ることができる。

なお、第１の接続部１３及び第２の接続部１４は、基本的に機械的な支持特性のみが問題となるので、上記のようにＹ軸方向に延在させる必要はなく、Ｙ軸方向以外の方向に延在させてもよい。ただし、振動体１０のＸＹ平面状の寸法を小さくするにはＹ軸方向に沿って、すなわち、音片１１Ａ，１１Ｂとほぼ平行に伸びるように設けることが好ましい。

また、図５及び図６に示すように、梁１２における音片１１Ａ，１１Ｂの接続部位の反対側に、反対方向（Ｙ軸の負の方向）に突出する突出部１８Ａ，１８Ｂを設けてもよい。この場合には、音片１１Ａ，１１ＢのＺ軸方向の振動成分に対する慣性を低減できるため、Ｚ軸方向の振幅を大きくし、これに対応する梁１２の形状変化を増大させることができるので、検出感度の向上に効果がある。

なお、上記実施例では振動子の材料として圧電材料の水晶にて説明をしたが、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ₄）などの他の圧電材料を用いてもよく、さらに、エリンバ材などの恒弾性材料などの他の材料を用いることも可能である。ただし、圧電材料以外の振動体では、上記のように駆動電圧を印加するだけでは振動が生起されないので、例えば、音片と対向する固定電極との間に周期的な駆動電圧を印加して静電力によって振動を生起させる静電駆動法や圧電薄膜の形成などといった、上記とは別の駆動方法を採用する必要がある。

［第２実施形態］
次に、図７乃至図１０を参照して本発明に係る第２実施形態の振動体２０について説明する。本実施形態においては、振動体２０の形状や構造以外については上記第１実施形態と同様に構成できるので、それらの説明については省略する。また、各図面においては、音片に設けられた駆動電極を省略して示す。

この振動体２０は、第１実施形態の振動体１０と同様に、一対の音片２１Ａ、２１Ｂと、梁２２と、第１の接続部２３と、第２の接続部２４と、基部２５と、検出部２６とを有する。ただし、本実施形態では、第１実施形態の第３の接続部１７に相当する接続部は設けられておらず、梁２２は、第１の接続部２３及び第２の接続部２４のみを介して基部２５により支持されている。また、梁２２における音片２１Ａ，２１Ｂの接続部位には、音片２１Ａ，２１Ｂと反対側（すなわちＹ軸の負の方向）に突出する突出部２８Ａ，２８Ｂを備えている。これらの突出部２８Ａ，２８Ｂは図５及び図６に示す上記突出部１８Ａ，１８Ｂと同様である。

また、一対の音片２１Ａと２１Ｂの間には、基部２５からＹ軸の負の方向に延在する舌状部２７が形成されている。この舌状部２７は音片２１Ａと２１Ｂの間を梁２２に向けて伸び、その先端部は、梁２２の中央領域（検出部２６が設けられている領域）に対して間隔をもって対向している。そして、振動体２０は、その内側に蛇行状の一体のスリット２０Ａを有し、このスリット２０Ａによって上記一対の音片２１Ａ，２１Ｂ、梁２２、第１の接続部２３及び第２の接続部２４が構成される。また、第１の接続部２３及び第２の接続部２４は第１実施形態と同様に細幅部２３ａ，２４ａと広幅部２３ｂ，２４ｂを備えている。細幅部２３ａ，２４ａは上記スリット２０Ａの端部に設けられたＸ軸方向外側へ張り出した張出部によって構成される。

図７に示す例では、検出部２６は、梁２２における音片２１Ａの接続部位と音片２１Ｂの接続部位との間の領域に設けられている。この実施形態の場合、第３の接続部１７が設けられていないので、梁２２における検出部２６が設けられた領域は、音片２１Ａと音片２１Ｂの相互に逆方向のＺ軸方向の屈曲によって両側から逆方向の変形応力を受けるため、当該領域には大きな形状変化が生じ、その結果、検出部２６を介して高い検出感度を実現できる。

図８に示す例では、検出部２６は、梁２２における第１の接続部２３の接続部位と音片２１Ａの接続部位との間に設けられている。この場合でも、検出される梁２２の形状変化そのものは若干小さくなるものの、上記と同様に従来に比べて良好な検出感度を実現できる。

図９に示す例では、第１の検出部２６Ａが梁２２における第１の接続部２３の接続部位と音片２１Ａの接続部位との間に設けられ、第２の検出部２６Ｂが梁２２における第２の接続部２４と音片２１Ｂの接続部位との間に設けられている。この場合には、梁２２における第１の検出部２６Ａで検出される形状変化と、第２の検出部２６Ｂで検出される形状変化の双方を適宜に処理することにより、Ｚ軸方向の加速度などの同相の外乱に起因する検出誤差を相殺することができる。

図１０に示す例では、スリット２０Ａの端部に上記の張出部が設けられておらず、これによって第１の接続部２３と第２の接続部２４のＸ軸方向の幅がＹ軸方向に一定となっている。この例では、スリット２０Ａの端部に張出部が存在しないことによって梁２２の端部が実質的にＸ軸方向内側へ移動したものとなる。また、この例では、梁２２に上記突出部２８Ａ，２８Ｂが設けられていない。このような構成でも、基本的には上記と同様に従来技術に対する検出感度の向上及び小型化の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
次に、図１１乃至図１４を参照して本発明に係る第３実施形態について説明する。この実施形態でも、振動体３０の形状や構造以外については上記第１実施形態と同様に構成できるので、それらの説明については省略する。また、各図面においては、音片に設けられた駆動電極を省略して示す。

この振動体３０は、第１実施形態の振動体１０や第２実施形態の振動体２０と同様に、一対の音片３１Ａ，３１Ｂ、梁３２、第１の接続部３３、第２の接続部３４、基部３５、検出部３６を備えている。

この実施形態では、図１１に示すように、Ｘ軸方向に延在する梁３２の端部が一対の音片３１Ａ、３１Ｂの接続部位に設けられている。すなわち、梁３２の一端３２ａが一方の音片３１Ａに接続され、梁３２の他端３２ｂが他方の音片３１Ｂに接続されている。

また、第１の接続部３３は、梁３２の一端３２ａ（すなわち音片３１Ａとの交点）と、基部３５とを接続し、他方で、第２の接続部３４は、梁３２の他端３２ｂ（すなわち音片３１Ｂとの交点）と、基部３５とを接続している。検出部３６は、梁３２の略中央の部位（音片３１Ａの接続部位と音片３１Ｂの接続部位との間）に設けられている。

図示例の場合、第１の接続部３３及び第２の接続部３４には、梁３２に対する接続部分として外側へ傾斜した（すなわちＸＹ平面上でＸ軸及びＹ軸に対して共に傾斜した）傾斜部３３ａ，３４ａが設けられ、基部３５側にＹ軸方向に伸びる直行部３３ｂ，３４ｂが設けられている。

本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態に比較して、一対の音片３１Ａ，３１Ｂの振動エネルギーが第１の接続部３３及び第２の接続部３４に逃げ難いことから、換言すれば、前記振動エネルギーが梁３２における検出部３６の設けられた領域（一対の音片３１Ａ，３１Ｂの接続部位間の領域）に集中し易いことから、Ｙ軸を中心軸とする振動体３０の回転をさらに高精度に検出することができる。

図１２に示す例では、検出部３６を梁３２の略中央の部位に設けることに代えて、梁３２の略中央の領域、すなわち音片３１Ａの接続部位と音片３１Ｂの接続部位との間の領域と基部３５とを第３の接続部３７により接続し、しかも、検出部３６を梁３２における一方の音片３１Ａの接続部位と第３の接続部３７の接続部位との間に設けている。これにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１３に示す例では、図１２に示す振動体と同様の第３の接続部３７を備えた構造において、第１の検出部３６Ａと第２の検出部３６Ｂを、梁３２における第３の接続部３７の接続部位の両側であって音片３１Ａ，３１Ｂの接続部位との間にそれぞれ設けている。これにより、Ｚ軸方向の加速度等に起因する同相の外乱を相殺して検出精度を高めることができる。

図１４に示す例では、第１の接続部３３及び第２の接続部３４において、傾斜部３３ａ，３４ａが梁３２の接続部位から直行部３３ｂ、３４ｂまで外側に凸の湾曲形状を有する。具体的には、傾斜部３３ａ，３４ａが円及び楕円の弧のような曲線状に延在している。このような支持形状でも上記と同様の効果を得ることができる。

［第４実施形態］
次に、図１５を参照して本発明に係る第４実施形態について説明する。この実施形態でも、振動体４０の形状や構造以外については上記第１実施形態と同様に構成できるので、それらの説明については省略する。また、図面においては、音片に設けられた駆動電極を省略して示す。

この振動体４０は、上記実施形態とは異なり、単一の音片４１を備えている。この音片４１は梁４２の中央部に接続されている。梁４２の両端が第１の接続部４３及び第２の接続部４４によって基部４５に接続されている点は上記実施形態と同様である。また、梁４２には、音片４１の接続部位に音片４１とは反対側に突出する突出部４２ａを有する。さらに、梁４２における音片４１の接続部位と、第２の接続部４４の接続部位との間に検出部４６が設けられている。なお、この検出部４６は、音片４１の接続部位と第１の接続部４３の接続部位との間に設けられても良く、さらに、音片４１の接続部位の両側に共に設けられていてもよい。

この振動体４０では、音片４１は、駆動信号に基づいて上記第１実施形態で説明した音片１１Ａと同様の振動をする。このため、検出部４６は音片４１の振動に基づいてＹ軸を中心軸とする振動体４０の回転を検出することができる。

［第５実施形態］
次に、図１６を参照して本発明に係る第５実施形態について説明する。この実施形態でも、振動体５０の形状や構造以外については上記第１実施形態と同様に構成できるので、それらの説明については省略する。また、図面においては、音片に設けられた駆動電極を省略して示す。

この振動体５０は、上記実施形態とは異なり、３つの音片５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを備えている。ここで、音片５１Ｂは梁５２の中央位置に接続され、音片５１Ａ，５１Ｃはその両側に均等な距離を隔てた位置に接続されている。

音片５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃは、Ｘ軸方向に沿ってそれぞれ隣り合う音片が逆相関係で屈曲振動を行うように駆動される。より詳細には、音片５１Ａと５１Ｃが同相でＸ軸方向に振動し、音片５１Ｂが音片５１Ａ，５１Ｃとは逆相でＸ軸方向に振動する。これにより、梁５２には、音片５１Ａ、５１Ｂ，５１Ｃの各接続部位間に形状変化が生ずる。

一方、検出部５６は、図示例の場合、梁５２における音片５１Ｂの接続部位と音片５１Ｃの接続部位との間に設けられている。ただし、梁５２における音片５１Ａの接続部位と音片５１Ｂの接続部位との間に設けても良く、さらに、これらの両位置に共に設けてもよい。

また、中央の音片５１Ｂを駆動せず、左右の音片５１Ａと５１Ｃを相互に逆相に駆動するように構成してもよい。この場合には、音片５１Ａと５１Ｃの接続部位間に形状変化が生ずる。この場合の検出部５６の位置は上記と同様でよい。

なお、上記の各実施形態では音片が１つから３つ設けられる例について説明をしたが、音片の数は４つ以上でも実施可能であり、同様の効果を生ずる。また、上記の駆動電極や検出電極の構造、上記の駆動回路や検出回路の回路構成などは一例に過ぎず、本発明の原理及び趣旨に従った駆動態様や検出が実現できるものであれば、如何なる構造であっても構わない。

以上説明した各実施形態の振動体、並びに、この振動体を含む角速度検出装置は、種々の機器に用いることができる。例えば、機器全体の姿勢変化を検出する必要のある機器、機器の一部の姿勢変化を検出する必要のある機器等である。例えば、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ及びナビゲーションシステムのような電子機器が挙げられる。また、自動車、航空機、ミサイル、ロケットなどにおいても用いることができる。

第１実施形態の振動体の構成を示す平面図。 第１実施形態の振動体の斜視図。 第１実施形態の振動体の検出時の状態を模式的に示す斜視図。 第１実施形態の振動体の検出時の状態を模式的に示す側面図。 第１実施形態の変形例を示す平面図。 第１実施形態の別の変形例を示す平面図。 第２実施形態の振動体の平面図。 第２実施形態の変形例の平面図。 第２実施形態の別の変形例の平面図。 第２実施形態のさらに異なる変形例の平面図。 第３実施形態の振動体の平面図。 第３実施形態の変形例の平面図。 第３実施形態の別の変形例の平面図。 第３実施形態の異なる変形例の平面図。 第４実施形態の振動体の平面図。 第５実施形態の振動体の平面図。 実施例の振動体をパッケージ容器に収容した振動子を示す斜視図。 パッケージ化された振動子の縦断面図。 実施例の振動体の配線パターン並びに駆動回路及び検出回路の構成を示す概略構成図。

符号の説明

１０…振動体、１０Ａ，１０Ｂ…スリット、１１Ａ，１１Ｂ…音片、１２…梁、１３…第１の接続部、１４…第２の接続部、１５…基部、１６…検出部、１７…第３の接続部、１８Ａ，１８Ｂ…突出部

Claims (13)

1. 第１の方向に沿って延在し、該第１の方向と直交する第２の方向に振動して前記第１の方向に伸びる軸周りの回転によるコリオリ力を受ける音片と、
   前記第２の方向に延在し、前記音片に接続された梁と、
   前記梁の形状変化を検出する検出部と、
   前記梁における前記音片に対する接続位置の一側にある部分に接続され、前記音片と並行して前記第１の方向に延在する第１の接続部と、
   前記梁における前記音片に対する接続位置の他側にある部分に接続され、前記音片と並行して前記第１の方向に延在する第２の接続部と、
   前記音片に対して前記梁とは反対側に配置され、前記第１の接続部及び前記第２の接続部における前記梁に対する接続端とは反対側の端部に接続された基部と、
   を具備することを特徴とする振動体。
2. 前記検出部として、前記梁における前記音片の接続部位と前記第１の接続部の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記音片の接続部位と前記第２の接続部の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有することを特徴とする請求項１に記載の振動体。
3. 前記梁における前記第２の方向の異なる位置に接続された一対の前記音片を有することを特徴とする請求項１に記載の振動体。
4. 前記検出部は、前記梁における前記一対の音片の接続部位の間に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の振動体。
5. 前記検出部として、前記梁における前記第１の接続部の接続部位と前記第１の接続部に近い一方の前記音片の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記第２の接続部の接続部位と前記第２の接続部に近い他方の前記音片の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有することを特徴とする請求項３に記載の振動体。
6. 前記梁における前記一対の音片の接続部位の間にある部分と前記基部との間に接続され、前記第１の方向に延在した第３の接続部をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の振動体。
7. 前記検出部は、前記梁における前記第３の接続部の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の振動体。
8. 前記検出部として、前記梁における前記第３の接続部の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記第３の接続部の接続部位と他方の前記音片の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有することを特徴とする請求項６に記載の振動体。
9. 前記検出部として、前記梁における前記第３の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間に設けられた第１の検出部と、前記梁における前記第１の接続部と前記第２の接続部のうち前記一方の音片に近い接続部の接続部位と前記一方の音片の接続部位との間に設けられた第２の検出部とを有することを特徴とする請求項６に記載の振動体。
10. 前記梁における前記第３の接続部の接続部位と一方の前記音片の接続部位との間の距離が、前記梁における前記第１の接続部と前記第２の接続部のうち前記一方の音片に近い接続部の接続部位と前記一方の音片の接続部位との間の距離より短いことを特徴とする請求項６又は７に記載の振動体。
11. 前記音片、前記梁、前記第１の接続部、前記第２の接続部、及び、前記基部は、一体の圧電材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の振動体。
12. 前記圧電材料は水晶であることを特徴とする請求項１１に記載の振動体。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の振動体と、前記音片に駆動信号を与えて前記第２の方向に振動させる駆動手段と、前記検出部の検出信号を受けて前記振動体の前記第１の方向に伸びる軸周りの角速度を検出する検出手段とを備えることを特徴とする角速度検出装置。
    

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