JP2008175679A

JP2008175679A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2008175679A
Application number: JP2007008968A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shuda; 浩一習田; Koichi Okamoto; 幸一岡本; Akiko Oshima; 亜希子大島; Mitsuharu Chiba; 光晴千葉; Takeshi Mizuno; 豪水野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】振動子の小形化に伴う検出感度の低下を補うだけの駆動検出効率の向上を図るとともに、１個の振動子で２軸の角速度検出を可能とした振動ジャイロを提供すること。
【解決手段】互いに直交するＹ軸及びＺ軸周りの角速度ωｙ，ωｚを検出する振動ジャイロであり、この振動ジャイロの振動子は第１、第２、第３、第４のアーム部を備え、各々のアーム部に対応して検出用の電極４２ａｂ、４２ｂｂ、４２ｃｂ、４２ｄｂが形成され、各電極から得られた出力電圧Ｖ４２ａ、Ｖ４２ｂ、Ｖ４２ｃ、Ｖ４２ｄに対して、（１）（Ｖ４２ａ−Ｖ４２ｃ）−（Ｖ４２ｂ−Ｖ４２ｄ）をＹ軸周りの角速度出力とし、（２）（Ｖ４２ａ−Ｖ４２ｃ）＋（Ｖ４２ｂ−Ｖ４２ｄ）をＺ軸周りの角速度出力として検出する振動ジャイロである。
【選択図】図１２

Description

本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関し、特に、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御、或いは、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ補正装置等に好適な振動ジャイロに関する。

振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。また振動ジャイロは、電気的な信号で、機械的な振動を励起させて駆動振動とし、コリオリ力によって生じる前記駆動振動と直交する成分を有する機械的な振動を検出振動として、その大きさを電気的に検出するセンサである。この振動ジャイロは、予め、駆動振動を励起させた状態で、駆動振動面と検出振動面との交線と平行な軸を中心とした回転の角速度を与えると、コリオリ力により、検出振動が発生し、出力電圧として検出される。検出された出力電圧は駆動振動の大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動の大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。

振動ジャイロは小形で安価に製造できることから、特にカメラの手振れ補正装置に使用されている。近年、カメラ機器の小形化に伴い、圧電振動ジャイロに対する小形・低価格化のニーズも高まっている。特許文献１には、２軸の角速度検出を１個の振動子で構成することで、小形・低価格化を実現する技術が開示されている。

図１４には、特許文献１に記載の振動ジャイロを示す。振動子２１３は、対になった４組の駆動検出用電極２１６ａ〜２１６ｈを有し、駆動回路２３０によって駆動振動させることができ、向かい合う２組の検出電極からは、各々回路２４０及び２５０を経由し、一方の軸周りの角速度に対する出力とそれと垂直な軸周りの角速度に対する出力が得られる。２個の振動子を駆動振動させる場合と比較し、駆動回路は１つで済むため回路規模は小さくできる利点がある。また、２個の振動子を駆動振動させる場合、互いの駆動振動周波数の差の周波数を有する干渉ノイズが発生し、振動ジャイロのＳ／Ｎを低下させるのに対し、１個の振動子を駆動振動させる場合は、干渉ノイズは全く発生しない利点もある。

ところがこのような振動子に関わらず、振動子の小形化を進めるにつれ検出感度が得られ難くなる問題がある。具体的には、振動子の小形化を厚みで言えば３００μｍを切ったあたりから顕著に振動子の共振抵抗が増加してしまい、検出感度を得るための十分な振動振幅を稼げなくなる。これは、振動子表面に形成した電極層の摩擦抵抗や、振動子内部或いは表面の僅かな欠陥などの摩擦抵抗の大きさが振動子の小形化に伴い相対的に増すというのが原因としてあげられる。

従い、検出感度を維持しながら、小形・低価格化を図るためには、前述の１個の振動子で２軸の角速度検出を行う工夫の他に、振動子の駆動検出効率を向上させる工夫が必要であった。

特許第３２０６５５１号公報

本発明は、前述の振動子の小形化に伴う検出感度の低下を補うだけの駆動検出効率の向上を図ると同時に、１個の振動子で２軸の角速度検出を可能とし、振動ジャイロの小形・低価格化を実現するものである。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明のポイントは２つあり、２軸の角速度検出の場合はそれぞれ独立した検出手段を設けるよりも両方の軸の角速度を検出できる検出手段を設けた方が感度に有利であると言うことと、両方の軸の角速度を検出できる検出手段から得られた信号を各々の軸の角速度に対応する信号に分離する方法をとることである。

即ち、本発明の振動ジャイロは、一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、この振動ジャイロに用いる振動子は第１及び第２のアーム部を有し、前記第１及び第２のアーム部に１つずつ施された第１及び第２の検出電極から得られた第１及び第２の出力電圧を処理し、前記第１及び第２の出力電圧の和をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出する信号とし、前記第１及び第２の出力電圧の差をとった信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する信号として分離することを特徴とする。

また、本発明の振動ジャイロは、一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、この振動ジャイロに用いる振動子は４つのアーム部を有し、第１、第２、第３及び第４のアーム部に１つずつこの順に施された第１、第２、第３及び第４の検出電極から得られた第１、第２、第３及び第４の出力電圧を処理し、前記第１及び第３の出力電圧の差と前記第２及び第４の出力電圧の差との更に差をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出する信号とし、前記第１及び第３の出力電圧の差と前記第２及び第４の出力電圧の差との更に和をとった信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する信号としたことを特徴とする。

そして、本発明の振動ジャイロは、一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、この振動ジャイロに用いる振動子は４つのアーム部を有し、第１、第２、第３及び第４のアーム部に１つずつこの順に施された第１、第２、第３及び第４の検出電極から得られた第１、第２、第３及び第４の出力電圧を処理し、前記第１及び第４の出力電圧の和と前記第２及び第３の出力電圧の和との差をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出する信号とし、第１、第２、第３及び第４の出力電圧の総和の信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する信号としたことを特徴とする。

前記の如く、本発明によれば、１個の振動子で２軸の角速度検出を可能とし、駆動検出効率の向上が図れるとともに、従来の振動ジャイロを大幅に小形・低価格化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本実施の形態は既に説明した次の２点に基づいている。（１）２軸の角速度検出の場合はそれぞれ独立した検出手段を設けるよりも両方の軸の角速度を検出できる検出手段を設けた方が感度に有利であると言うこと、（２）両方の軸の角速度を検出できる検出手段から得られた信号を各々の軸の角速度に対応する信号に分離する方法をとることである。

まず始めに、２軸の角速度検出の場合はそれぞれ独立した検出手段を設けるよりも両方の軸の角速度を検出できる検出手段を設けた方が感度に有利であると言うことについて説明する。駆動振動の方向と印加角速度軸の方向と印加角速度によって発生するコリオリ力方向の３つの方向は各々垂直の関係にある。図１（ａ）は、その関係を示す振動ジャイロ用振動子（簡略に振動子と呼ぶ）の簡易モデルの構造図である。柱状体１の表面には駆動用圧電素子３及び検出用圧電素子５が貼り付けられ、柱状体１の端部は固定されている。そのＡ１−Ａ１断面を図１（ｂ）に示す。駆動用圧電素子３は電極３ａ及び３ｃと圧電体３ｂで構成されており、所望の振動モードの周波数の交流電圧を電極３ａと３ｃの間に印加することで駆動振動させることができる。ここでは振動ジャイロの感度が高くなるよう、振動子の振動振幅を稼ぐため、駆動用圧電素子３の厚み方向に端部フリーの先端が振れる屈曲の基本振動モードを利用することとする。駆動振動状態で、柱状体の長手方向にωｙの角速度が加わると、駆動振動の方向と印加角速度軸Ｙの方向のいずれにも垂直な方向にコリオリ力Ｆｃｙが働く。このコリオリ力Ｆｃｙの働きにより新たなに検出振動が励起され、その検出振動の大きさを電極５ａ及び５ｃと圧電体５ｂで構成された検出用圧電素子５によって出力電圧Ｖ５の電気信号に変換できる。検出用圧電素子５はコリオリ力Ｆｃｙに対し垂直に配置されているので、検出用圧電素子５が曲げられやすく、効率よく電気信号に変換され出力電圧Ｖ５を得る。

次に、検出用圧電素子を印加角速度軸に対し例えば４５°傾けた場合を説明する。図２（ａ）に示した振動子の構成は、図１（ａ）のものと同一であり、図２（ｂ）はＡ２−Ａ２断面図であり、１１は柱状体、１３は駆動用圧電素子、１５は検出用圧電素子、１３ｂ、１５ｂは圧電体、１３ａ、１３ｃ、１５ａ、１５ｃは電極である。図示していないが、柱状体１１の端部は柱状体１と同様に固定されている。従い、駆動用圧電素子１３による駆動振動の振幅は、駆動用圧電素子３と同一であり、発生するコリオリ力Ｆｃｙの向きも大きさも同一となる。しかしながら、検出用圧電素子１５がコリオリ力Ｆｃｙに対し４５°の傾きを有するために、コリオリ力Ｆｃｙは検出用圧電素子５の曲げ変形につながり難くなる。具体的な数値で表すと、出力電圧Ｖ５の値を１とすると出力電圧Ｖ１５の値はｃｏｓ４５°の約０．７となり、検出用圧電素子を印加角速度軸に対し４５°傾けた場合の感度は３０％低減することとなる。

それでは、２軸の角速度検出の場合を説明する。図３には、図１と同様の構成の振動子を直交配置したものを示す。図３（ａ）はその構造図、図３（ｂ）はそのＡ３−Ａ３断面図、図３（ｃ）はそのＢ３−Ｂ３断面図であり、２１，２２は柱状体、２３，２４は駆動用圧電素子、２５，２６は検出用圧電素子、２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂは圧電体、２３ａ，２３ｃ，２４ａ，２４ｃ，２５ａ，２５ｃ，２６ａ，２６ｃは電極である。

柱状体２１及び２２の２つの振動子の連結部分を固定しており、駆動用圧電素子２３及び２４には周波数が同一で同位相同振幅の交流電圧を印加する。こうした状態で角速度ωｙ及びωｚを印加すると各々Ｆｃｙ及びＦｃｚが図示する方向に働く。従い、角速度ωｙに対応する出力は検出用圧電素子２５によって出力電圧Ｖ２５として得られ、角速度ωｚに対応する出力は検出用圧電素子２６によって出力電圧Ｖ２６として得られる。

次に、検出用圧電素子を印加角速度軸に対し例えば４５°傾けた場合を説明する。図４には、図３の構成と同一の直交配置の振動子を、検出用圧電素子を印加角速度軸に対し４５°傾けて配置したものを示す。図４（ａ）はその構造図、図４（ｂ）はそのＡ４−Ａ４断面図、図４（ｃ）はそのＢ４−Ｂ４断面図であり、３１，３２は柱状体、３３，３４は駆動用圧電素子、３５，３６は検出用圧電素子、３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂは圧電体、３３ａ，３３ｃ，３４ａ，３４ｃ，３５ａ，３５ｃ，３６ａ，３６ｃは電極である。

駆動用圧電素子３３及び３４には周波数が同一で同位相同振幅の交流電圧を印加する。このような状態において、角速度ωｙが加わった場合、検出用圧電素子３５及び３６のいずれも曲げ変形が生じ出力電圧が得られることとなる。角速度ωｚが加わった場合も同様である。表１には、図３（ａ）に示す配置と図４（ａ）で示す配置の場合で得られる出力電圧の大きさの比較を示す。数値は、出力電圧Ｖ２５の値を基準の１とおいた相対値を記載している。

表１が示すように、得られる出力の大きさを比較すると４５°傾けて配置した方が、個々の出力は０．７と３０％程度低下しているが、各端子の出力の総和は１．４と４０％程度高くなっていることが分かる。即ち感度を４０％高められることを意味する。但し、各端子の出力が印加角速度軸Ｙ及び印加角速度軸ｚのどちらの軸のものか分離できることが前提である。

それでは、本発明の２つ目のポイントである両方の軸の角速度を検出できる検出手段から得られた信号を各々の軸の角速度に対応する信号に分離する方法について説明する。図４を用いて原理を説明する。駆動用圧電素子３３及び３４には周波数が同一で同位相同振幅の交流電圧を印加している。このため、柱状体３１及び３２には全く同一の方向で同一の大きさのコリオリ力ＦｃｙとＦｃｚが発生することとなる。尚、これらの矢印の方向は、駆動振動のある瞬間を現すもので、具体的には、駆動用圧電素子３３及び３４が柱状体の長手方向に縮もうとする瞬間であり、即ち図４（ａ）の紙面で屈曲振動する瞬間である。そこで、Ｆｃｚについて見てみると、検出用圧電素子３５及び３６のいずれも縮む方向に働くことが分かる。これに対し、Ｆｃｙは検出用圧電素子３５に対しては縮む方向に働くが、検出用圧電素子３６に対しては伸びる方向に働くことが分かる。つまり、Ｆｃｚによって得られる出力電圧Ｖ３５とＶ３６は同位相であり、Ｆｃｙによって得られる出力電圧Ｖ３５とＶ３６は逆位相である。そこで表２のような出力処理を行うとよい。

表２に示すように、印加角速度軸Ｙに対応する出力は出力電圧Ｖ３５とＶ３６の差をとり、印加角速度軸ｚに対応する出力は出力電圧Ｖ３５とＶ３６の和をとることで、どちらかの軸の出力が分離できることとなる。尚、駆動用圧電素子３３及び３４に逆位相の交流電圧を印加した場合は、柱状体３１に発生するＦｃｙ及びＦｃｚと柱状体３２に発生するＦｃｙ及びＦｃｚの向きが逆向きとなるため、印加角速度軸Ｙに対応する出力は出力電圧Ｖ３５とＶ３６の和をとることで得られ、印加角速度軸ｚに対応する出力は出力電圧Ｖ３５とＶ３６の差をとることで得られることとなる。従い、本発明によれば、一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロにおいて、前記振動ジャイロの振動子には第１及び第２のアーム部を有し、前記第１及び第２のアーム部には各々に対応する第１及び第２の検出電極を施し、各々の検出電極から得られる第１及び第２の出力信号の内、前記第１及び第２の出力電圧の差をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出用の信号とし、前記第１及び第２の出力電圧の差をとった信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出用の信号とすることで２軸の角速度を検出することの可能な振動ジャイロが得られる。

また、４つのアームから検出用信号を得る構成にすることもできる。一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロにおいて、前記振動ジャイロの振動子には第１乃至第４のアーム部を有し、前記第１乃至第４のアームには各々に対応する第１乃至第４の検出電極を施し、各々の検出電極から得られる第１乃至第４の出力信号の内、前記第１及び第４の出力電圧の和と前記第２及び第３の出力電圧の和との差をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出用の信号とし、前記第１及び第２の出力電圧の和と前記第３及び第４の出力電圧の和との差をとった信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出用の信号とすることで、駆動及び検出振動が外乱の影響を受けることのなく安定とした上で、２軸の角速度を検出することの可能な振動ジャイロが得られる。尚、これら和と差の演算処理の順序は重要でなく、採用する電気回路に依存し、各アームから得られた出力電圧の前に＋と−のいずれの符号が最終的に付加されるかが本質的である。

更に、４つのアームから検出用信号を得る他の構成も可能である。一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出可能な振動ジャイロにおいて、前記振動ジャイロの振動子には第１乃至第４のアーム部を有し、前記第１乃至第４のアームには各々に対応する第１乃至第４の検出電極を施し、各々の検出電極から得られる第１乃至第４の出力信号の内、前記第１及び第４の出力電圧の和と前記第２及び第３の出力電圧の和との差をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出用の信号とし、第１乃至第４の出力電圧の総和の信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出用の信号とすることで、駆動及び検出振動が外乱の影響を受けることのなく安定とした上で、２軸の角速度を検出することの可能な振動ジャイロが得られる。

（実施例１）請求項２に示す本発明の振動ジャイロ用振動子の実施例を図８（ａ）に斜視図で示す。振動子４０は、ニオブ酸リチウムからなる一体的なもので、具体的には厚み約２００μｍの板状のニオブ酸リチウムをレーザ、ウエットエッチング、ドライエッチング、サンドブラスト等の加工方法で形成することができる。尚、ここではニオブ酸リチウムを使用したが、水晶、ランガサイト、タンタル酸リチウム、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミクス等の他の圧電体であっても構わないし、金属やシリコンと前述の圧電体との積層体であっても構わない。振動子４０は、４つのアーム４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを有している。また、４つのアームの一方端部には、負荷質量４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄが接続され、他方端部にはアーム４１が接続された構造である。尚、ニオブ酸リチウムの圧電性を生かすために、板状の厚みはニオブ酸リチウム結晶のＸ軸を、アーム４１の長手方向には−１４０Ｙ軸をとる。また、アーム４１の中央近傍にて支持固定するものとする。

図８（ｂ）には、上面図を示し、更に、アーム４２ａのＡ８−Ａ８断面を図９（ｂ）に示す。同様にアーム４２ｂ、４２ｃ、４２ｄに対応する断面は、図９（ｃ）、図９（ｄ）、図９（ｅ）に示される。また、アーム４１のＢ８−Ｂ８断面は、図９（ａ）に示される。図９で、４５ａ〜４５ｄは駆動用の電極、４２ａａ，４２ａｂ，４２ａｃ，４２ｂａ，４２ｂｂ，４２ｂｃ，４２ｃａ，４２ｃｂ，４２ｃｃ，４２ｄａ，４２ｄｂ，４２ｄｃは検出用の電極であり、Ｖ４２ａ〜Ｖ４２ｄは各アームでの出力電圧を示す。

振動子４０の表裏面には、スパッタや蒸着などでクロム下地の金電極等を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を利用し、ウエットエッチングやドライエッチング等で所望の電極形状を構成する。電極の構成は、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す通りである。電極４５ｃ及び４５ｂを接地し、電極４５ａ及び４５ｄに同位相の交流信号を印加することでアーム４１が圧電すべり効果でねじり振動を起こし駆動振動させることができる。図８で説明すると、ねじり振動に伴いアーム４２ａ〜４２ｄが屈曲すると同時に負荷質量４３ａ〜４３ｄが振動子４０の厚み方向に振動することとなる。尚、負荷質量の振動の位相関係は、対角同士で同位相となる。この状態で、角速度ωｙ及びωｚが加わった場合の振動挙動のある瞬間を図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示す。

その駆動振動は紙面に垂直方向であり、対角同士同位相であるため、コリオリ力Ｆｃｙ及びＦｃｚは図中に示す方向となる。更に、コリオリ力の働きによってアーム４２ａ〜４２ｄが図示する通り屈曲振動する。アーム４２ａ〜４２ｄの一方主面には、各々３本の帯状電極を形成している。尚、ここでは、説明を簡素化するため一方主面に形成するものとしたが、表裏面に３本ずつ形成した方が大きな出力が得られ、高い検出感度が得られる。

それでは出力電圧を得る方法を例えば図９（ｂ）を用い説明する。まず始めに、電極４２ａａ、４２ａｃを接地し、電極４２ａｂを出力端子とする。アーム４２ａが屈曲振動した場合、電極４２ａａが形成されているアーム４２ａの側面が伸びた場合、電極４２ａｃが形成されているアーム４２ａの側面は縮むこととなる。尚、分極方向は前述した通り、断面の水平方向にニオブ酸リチウムの結晶の−１４０Ｙ軸が向けられていることから水平方向を向いている。分極方向とアーム４２ａ〜４２ｄの伸縮の関係から、電極４２ａａと電極４２ａｂとの間と、電極４２ａｂと電極４２ａｃとの間に発生する電界は逆向きをとり、結果、電極４２ａから出力電圧Ｖ４２ａを得ることができるようになる。

角速度ωｙ及びωｚが加わった場合の出力電圧Ｖ４２ａ〜Ｖ４２ｄの位相関係は、図８（ｃ）及び図８（ｄ）におけるアームの屈曲振動方向が示す通りである。角速度ωｙが加わった場合アーム４２ａの左側が伸び右側が縮むよう屈曲した時４２ｄも左側が伸び右側が縮んでいるため、出力電圧Ｖ４２ａとＶ４２ｄの位相は同位相となる。これに対しアーム４２ｂ及び４２ｃは逆向きの屈曲をしており、出力電圧Ｖ４２ａと出力電圧Ｖ４２ｂまたはＶ４２ｃとの位相関係は逆位相となる。角速度ωｚが加わった場合は、各アームの屈曲の方向は図８（ｃ）の通りであるから、出力電圧Ｖ４２ａとＶ４２ｂが同位相で、出力電圧Ｖ４２ａと出力電圧Ｖ４２ｃまたはＶ４２ｄとは逆位相となる。

図１２には振動子４０を組み込んだ駆動検出回路を示す。発振回路で駆動電極に交流電圧を印加することで駆動振動を励起する。また、発振信号の一部を使用し、出力に同期検波をかけることで駆動周波数帯域外のノイズを低減し、更にＬＰＦ（ローパスフィルタ）回路でも高周波帯域のノイズを低減する。Ｖｙｏｕｔ即ちωｙに対応する出力は、前述の出力の位相関係から、（Ｖ４２ａ−Ｖ４２ｃ）−（Ｖ４２ｂ−Ｖ４２ｄ）とすればよく、こうすればωｙにのみ出力され、ωｚに対して出力されなくなる。同様にＶｚｏｕｔ即ちωｚに対応する出力は、前述の出力の位相関係から、（Ｖ４２ａ−Ｖ４２ｃ）＋（Ｖ４２ｂ−Ｖ４２ｄ）とすればよく、こうすればωｚにのみ出力され、ωｙに対して出力されなくなる。Ｖ４２ａとＶ４２ｃを差動回路に接続したものと、Ｖ４２ｂとＶ４２ｄを差動回路に接続したものとで得られる２つの出力において差動回路を経由したものがωｙに対する出力とすることができ、加算回路を経由したものがωｚに対する出力とすることができる。

即ち各々の軸の角速度に対応する信号に分離することができ、２軸の角速度を検出できる振動ジャイロとして機能する。尚、説明は省略するが、本実施例１は振動子の振動安定性において特に優れている。

（実施例２）次に請求項３に示す本発明の振動ジャイロ用振動子の実施例を図１０と図１１に示す。図１０（ａ）はその斜視図、図１０（ｂ）はその上面図、図１０（ｃ）は角速度ωｙが加わった場合の振動挙動を示す図、図１０（ｄ）は角速度ωｚが加わった場合の振動挙動を示す図である。図１１は振動子の断面を示し、図１１（ａ）はアームのＢ１０−Ｂ１０断面図、図１１（ｂ）〜図１１（ｅ）は他のアームのＡ１０−Ａ１０断面図である。図１１、図１２において、５０は振動子、５１，５２ａ〜５２ｄはアーム、５３ａ〜５３ｄは負荷質量部、５５ａ〜５５ｄは駆動用の電極、５２ａａ，５２ａｂ，５２ａｃ，５２ｂａ，５２ｂｂ，５２ｂｃ，５２ｃａ，５２ｃｂ，５２ｃｃ，５２ｄａ，５２ｄｂ，５２ｄｃは検出用の電極であり、Ｖ５２ａ〜Ｖ５２ｄは各アームでの出力電圧を示す。

本実施例２の振動子５０と実施例１の振動子４０とは負荷質量のアームへの接続の向きが異なる。これにより、コリオリ力の働きによるアーム５２ａ〜５２ｄの屈曲の向きが異なってくる。それに伴い、出力の位相関係も変わってくるが、図１３に示す駆動検出回路に接続することで、同様に各々の軸の角速度に対応する信号に分離することができ、２軸の角速度を検出できる振動ジャイロとして機能する。尚、本実施例２で得られる感度は実施例１と同等であるが、負荷質量の接続の向きが互いに内側に向いている分、更に小形化が可能になる。

ところで、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示したように２つのアームでも、出力電圧Ｖ３５とＶ３６の差動をとる場合と加算をとる場合によって、各々の軸の角速度に対応する信号に分離することができ、２軸の角速度を検出できる振動ジャイロとして機能する。また、図５、図６、図７のように模式的な斜視図で例示した形状においても、各々の軸の角速度に対応する信号に分離することができ、２軸の角速度を検出できる振動ジャイロとして機能させることができる。

図５〜図７の各形状について説明を加える。図５の振動子７０では、７１ａ，７１ｂ，７３が柱状体のアームであり、アーム７１ａ，７１ｂにそれぞれ接続された負荷質量部７２ａ，７２ｂは長いアームを曲げたのと同様の効果を持つ。こうして、高感度を保ちながら、小形化を可能にする。

図６の振動子８０では、８１ａ，８１ｂ，８３が柱状体のアームであり、アーム８１ａ，８１ｂにそれぞれ接続された負荷質量部８２ａ，８２ｂの向きが、図５の振動子７０とは反対になっており、逆位相の出力が得られる。

図７の振動子９０は中心の接続点から直交方向に伸びる４本の柱状体のアーム９１ａ〜９１ｄからなり、高感度を優先する場合に適した例である。尚、図５〜図７の形状は例示にすぎず、本発明の要旨を変更しない範囲での設計変更が可能である。

本発明に係る振動ジャイロ用の振動子の構造を示し、図１（ａ）は、振動子の簡易モデルの構造図、図１（ｂ）はそのＡ１−Ａ１断面図。図１の振動子について検出用圧電素子を印加角速度軸に対し４５°傾けた場合を示し、図２（ａ）はその構造図、図２（ｂ）はそのＡ２−Ａ２断面図。本発明に係る直交配置の振動子を示し、図３（ａ）はその構造図、図３（ｂ）はそのＡ３−Ａ３断面図、図３（ｃ）はそのＢ３−Ｂ３断面図。図３の直交配置の振動子について検出用圧電素子を印加角速度軸に対し４５°傾けて配置した場合を示し、図４（ａ）はその構造図、図４（ｂ）はそのＡ４−Ａ４断面図、図４（ｃ）はそのＢ４−Ｂ４断面図。本発明に係る振動子の構造例を示す斜視図。本発明に係る振動子の他の構造例を示す斜視図。本発明に係る振動子の更に他の構造例を示す斜視図。実施例１の振動子を示し、図８（ａ）はその斜視図、図８（ｂ）はその上面図、図８（ｃ）は角速度ωｙが加わった場合の振動挙動を示す図、図８（ｄ）は角速度ωｚが加わった場合の振動挙動を示す図。実施例１の振動子の断面を示し、図９（ａ）はアームのＢ８−Ｂ８断面図、図９（ｂ）〜図９（ｅ）は他のアームのＡ８−Ａ８断面図。実施例２の振動子を示し、図１０（ａ）はその斜視図、図１０（ｂ）はその上面図、図１０（ｃ）は角速度ωｙが加わった場合の振動挙動を示す図、図１０（ｄ）は角速度ωｚが加わった場合の振動挙動を示す図。実施例２の振動子の断面を示し、図１１（ａ）はアームのＢ１０−Ｂ１０断面図、図１１（ｂ）〜図１１（ｅ）は他のアームのＡ１０−Ａ１０断面図。実施例１の振動子及び駆動回路を示す図。実施例２の振動子及び駆動回路を示す図。従来の振動ジャイロを示す図。

符号の説明

１，１１，２１，２２，３１，３２柱状体
３，１３，２３，２４，３３，３４駆動用圧電素子
３ａ，３ｃ，５ａ，５ｃ，１３ａ，１３ｃ，１５ａ，１５ｃ，２３ａ，２３ｃ，２４ａ，２４ｃ，２５ａ，２５ｃ，２６ａ，２６ｃ，３３ａ，３３ｃ，３４ａ，３４ｃ，３５ａ，３５ｃ，３６ａ，３６ｃ，４２ａａ〜４２ｄｃ，４５ａ〜４５ｄ，５２ａａ〜５２ｄｃ，５５ａ〜５５ｄ電極
３ｂ，５ｂ，１３ｂ，１５ｂ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ，３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ圧電体
５，１５，２５，２６，３５，３６検出用圧電素子
４０，５０，７０，８０，９０振動子
４１，５１，４２ａ〜４２ｄ，５２ａ〜５２ｄ，７１ａ，７１ｂ，７３，８１ａ，８１ｂ，８３アーム
４３ａ〜４３ｄ，５３ａ〜５３ｄ負荷質量
Ｆｃｙ，Ｆｃｚコリオリ力
Ｖ５，Ｖ１５，Ｖ２５，Ｖ２６，Ｖ３５，Ｖ３６，Ｖ４２ａ〜Ｖ４２ｄ，Ｖ５２ａ〜Ｖ５２ｄ出力電圧
ωｙ，ωｚ角速度

Claims

一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、この振動ジャイロに用いる振動子は第１及び第２のアーム部を有し、前記第１及び第２のアーム部に１つずつ施された第１及び第２の検出電極から得られた第１及び第２の出力電圧を処理し、前記第１及び第２の出力電圧の和をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出する信号とし、前記第１及び第２の出力電圧の差をとった信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する信号として分離することを特徴とする振動ジャイロ。
一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、この振動ジャイロに用いる振動子は４つのアーム部を有し、第１、第２、第３及び第４のアーム部に１つずつこの順に施された第１、第２、第３及び第４の検出電極から得られた第１、第２、第３及び第４の出力電圧を処理し、前記第１及び第３の出力電圧の差と前記第２及び第４の出力電圧の差との更に差をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出する信号とし、前記第１及び第３の出力電圧の差と前記第２及び第４の出力電圧の差との更に和をとった信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する信号としたことを特徴とする振動ジャイロ。
一方の軸周りと前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する振動ジャイロにおいて、この振動ジャイロに用いる振動子は４つのアーム部を有し、第１、第２、第３及び第４のアーム部に１つずつこの順に施された第１、第２、第３及び第４の検出電極から得られた第１、第２、第３及び第４の出力電圧を処理し、前記第１及び第４の出力電圧の和と前記第２及び第３の出力電圧の和との差をとった信号を一方の軸周りの角速度を検出する信号とし、第１、第２、第３及び第４の出力電圧の総和の信号を前記軸と直交する軸周りの角速度を検出する信号としたことを特徴とする振動ジャイロ。