JP2009128351A - ジャイロセンサ振動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型を極力維持しながら、構造および電極配置の自由度を獲得し、少なくとも駆動・検出の能率と検出精度の向上を可能としたジャイロセンサ振動体を提供すること。
【解決手段】 圧電性材料の板材より成り、駆動電極とコリオリ力検出電極の少なくとも一方を備えた複数の音叉型振動体を、各脚の振動を妨げないように、各音叉の基部の主面にて積層接着し、一体化したこと。また各音叉型振動体またはその接着部は以下の特徴を任意に持つ。即ち、単体で電極膜の形成が行われたこと。機能を異にしていること。圧電性の方向が異なること。２脚または３脚音叉であること。駆動と検出を分担していること。検出軸が異なるか他の運動を検出すること。脚の間隔が異なること。固形物をスペーサとして混入した接着剤を用いること。シールド板を挟んで接着したこと。脚の向きが同じか異なること。３枚以上を積層したこと。各音叉の検出電圧が加算されること。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動ジャイロスコープにおいて、回転角速度に比例した電気的信号を出力するセンサ振動体に関する。

振動ジャイロスコープは、小型で簡便であり、消費電力も少ないため、運動の計測や姿勢制御用のセンサとして、車両やロボットあるいはカメラ等小型の携帯用電子機器に至るまで広く用いられている。使用される振動体には種々な形式のものが提案され、小型化、感度や精度の向上、検出方向の多軸化、等の性能を競っている。棒の１次屈曲振動を用いたものがまず実用化されたが、次第に圧電性材料より成る音叉型振動体またはその変形と考えられる振動体を用いたものが次第に優勢となりつつある。

図１０は従来例１である音叉型のジャイロセンサ振動体を示す模式的な平面図である。音叉１は、所定の方向の圧電性を与えた材料（単結晶または磁器材料）の板材より成り、矩形板の長手の対称軸に沿って１本のスリットを加工し、２脚の音叉を形成している。図では水晶材を想定し、その結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚの方向を図示してある。２本の脚１ａａ、１ａｂの周囲４面には周知の駆動および検出の役割を有する電極膜（図示せず）を備えている（例えば片脚に駆動電極、他の片脚に検出電極を配置）。各脚１ａａ、１ａｂは基部１ｂにて連結され、基部１ｂは台座（図示せず）に接着等で固着され支持されている。

音叉１が駆動電極に接続された図示しない発振回路により励振されて脚の開平運動を行う。Ｖは各脚の先端近くの部分の振動速度である。台座と共に音叉１がその軸に平行な回転軸の回りに角速度Ωで回転すると、ベクトルΩ、Ｖに直交するコリオリ力Ｆｃが各脚に生じ、音叉１には駆動と同じ振動数のいわゆるバタ足振動が生起される。このバタ足振動による歪みに比例した電圧を検出電極によって抽出し、角速度Ωに比例した出力を得る。しかし、コリオリ力によるバタ足振動の慣性力がバランスしておらず、音叉軸の回りに捩れモーメントを生じさせるので、検出作用の高精度化の妨げとなっている。

図１１は従来例２である音叉型のジャイロセンサ振動体を示す模式的な平面図である。音叉１は、所定の方向の圧電性を与えた材料（単結晶または磁器材料）の板材より成り、矩形板の長手の対称軸に沿って２本のスリットを加工し、３脚の音叉を形成している。板材の結晶軸の方向は図１０と同様である。２本の外脚１ａａ、１ａｂはその周囲４面に設けた駆動電極を発振回路（図示せず）に接続し、２脚音叉と同様な開閉振動を行わせる。Ｖは振動速度である。中脚１ａｃは駆動されない。３本の各脚は台座（図示せず）に固着される基部１ｂにて連結されている。

中脚１ａｃの周囲４面には検出電極（図示せず）を設ける。それは中脚１ａｃの紙面に沿った方向の撓みを検出する。音叉１が台座ごと紙面に平行な面内で回転を角速度Ωにて行うと、各外脚１ａａ、１ａｂには紙面内に長軸方向にコリオリ力Ｆｃが生じる。２つのコリオリ力Ｆｃは偶力を形成しその振動するモーメントが基部１ｂを介して中脚１ａｃを紙面内で振動させる。その振幅Ｂを検出すれば角速度Ωに比例した出力が得られる。この従来例２の３脚ジャイロセンサ振動体は、検出される回転面が音叉板面と平行なので、いわゆる低背型（回転軸方向に薄型）のジャイロセンサを得るのに都合がよい長所がある。

以下音叉とは同じ向きにほぼ平行する複数の振動脚を備えた振動体を指すこととする。２脚または３脚の音叉型ジャイロセンサはかなり研究が進んでおり、単体では更なる改良は困難となっている。そこで、音叉を立体的に複合した形態の振動体や、複合材料より成る音叉型振動体も提案されている。それらの例のうち、本発明の実施例とやや類似点があるセンサ振動体の例を特許文献にて示す。
特開平４−３２４３１１号公報（以下従来例３とする） 特開２００１−１６５６６４号公報（以下従来例４とする）

従来例３・特許文献１の図９、図１０には、断面が正方形の弾性体の角柱の１端面から断面の各辺の中点を結ぶ線を含むように、直交する２つのスリットを角柱の長手方向に所定の深さに形成し、角柱の四隅に４本の平行する角柱の脚を残した形状の振動体が記載されている。スリットが届かなかった角柱部分は４脚音叉の基部となる。４脚のうち隣り合う２本ずつは２組の音叉を形成する。２組の音叉を、通常の平板音叉の如く、各脚の側面に設けた圧電素子を用いて開閉方向に振動させる。ここで各組の音叉の開閉は逆位相とする。

この振動体を、角柱の軸に平行な回転軸の回りに回転すると、４本の各脚にはコリオリ力が生じる。その方向は各組の音叉面に垂直であり、別の振動モード（２組のバタ足振動）を生起するから、それを別途設けた圧電素子で検出する。この４脚音叉の利点は、従来例１の如き平板音叉とは異なり、隣接する脚のコリオリ力が互いに逆向きであって相殺され、コリオリ力による振動のアンバランスがないことであるが、製造は平板音叉よりもかなり困難である。

従来例４、特許文献２には、２枚の単結晶圧電材料より成る板材を、互いに圧電性が逆極性となるように全面で貼り合せ、その接合一体化した板材を音叉型に加工した角速度センサが記載されている。この構成により、駆動効率が向上するように電極構造を改良できるとしている。しかし、肝心の振動脚部分を貼り合せ材料で構成することは、振動体のＱ値などの特性に影響を与え易い。そこで本従来例４においては接着剤を用いず、材料表面の分子間接合力を利用するという特殊な接合法を用いている。

各従来例は、いずれも一塊あるいはあらかじめ接合した材料より切り出した音叉によってセンサ振動体を形成しているので、おのずから構成、従って性能追求（小型化、振動バランス、駆動・検出の能率、検出精度、駆動・検出信号のクロストーク、多機能性等）の自由度が制限される。これらの制限を緩和し、ジャイロセンサ振動体の性能を向上させることが解決すべき課題である。

本発明の目的は、小型であることを極力維持しながら、構造および電極配置の自由度を獲得し、少なくとも駆動・検出の能率と検出精度の向上を可能とした、立体的構成のジャイロセンサ振動体を提供することである。

本発明のジャイロセンサ振動体は、下記（１）〜（１８）のいずれかの特徴を備える。
（１）圧電性材料の板材より成り、駆動電極とコリオリ力検出電極の少なくとも一方を備えた複数の音叉型振動体を、それぞれの脚の振動を妨げないように、それぞれの音叉の基部の主面にて積層接着し、一体化したこと。
（２）（１）において、更に前記複数の音叉型振動体の前記基部における接着部は、何れの音叉の何れの脚の前記基部側の固定端部からも、各音叉平面上における脚の最大幅以上に離れていること。
（３）（１）または（２）の特徴に加え、更に積層接着される前記複数の音叉型振動体はそれぞれ単体であらかじめ少なくとも電極膜の形成が行われたものであること。
（４）（１）ないし（３）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体のうちの少なくとも１組は、それぞれ機能を異にしていること。
（５）（４）の特徴に加え、更に基部で重ねて接着された複数の音叉型振動体のうちの少なくとも１組は、圧電性の方向が互いに異なっていること。
（６）（４）または（５）の特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体のそれぞれは２脚音叉または３脚音叉であること。
（７）（４）ないし（６）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体は、駆動と検出の役割を分担している音叉型振動体を含むこと。
（８）（４）ないし（６）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体は、異なる方向の角速度か、または角速度と加速度を検出する複数の音叉型振動体を含むこと。
（９）（４）ないし（８）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体の少なくとも一つは、他の音叉型振動体とは脚の間隔が異なっていること。
（１０）（１）ないし（９）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体の基部を接着するために用いる接着剤は、３〜５００μｍの直径を有する固形物をスペーサとして混入した接着剤であること。
（１１）（１０）の特徴に加え、更に前記固形物は導電性を有し、該固形物を挟む音叉基部上の電極同士を導通させていること。
（１２）（１）ないし（１１）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体の基部の間にスペーサの少なくとも一部となる板材を挟んで接着したこと。
（１３）（１２）の特徴に加え、更に前記スペーサとなる板材は、シールド部材を兼ねていること。
（１４）（１２）または（１３）の特徴に加え、更に前記スペーサとなる板材は、ジャイロセンサ振動体を固定台に支持するための支持部材を兼ねていること。
（１５）（１）ないし（１４）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体の脚の向きは同じ方向であること。
（１６）（１）ないし（１４）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体は脚の向きが互いに異なるものを含むこと。
（１７）（１）ないし（１６）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体は３枚以上であること。
（１８）（１）ないし（１７）のいずれかの特徴に加え、更に前記複数の音叉型振動体は、同じ回転方向に対するコリオリ力を検出する電極を有する複数の音叉を含むと共に、それらの電極の検出電圧が加算されるように接続されていること。

小型であることを損なうことなく、ジャイロセンサ振動体の構造および電極配置の自由度を増し、駆動・検出の能率と検出精度、あるいは機能を向上させることができる。

以下、本発明の特徴をそれぞれ異なる態様で最もよく発揮する複数の実施例について説明する。

図１は本発明の実施例１のジャイロセンサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は支持部の断面図、（ｃ）は電極配置図、（ｄ）、（ｅ）は圧電作用の説明図である。
実施例１は圧電性材料より成る２枚の２脚音叉を、それらの基部の主面（音叉のＵ字面）の一方において積層し接着したものである。平面図（ａ）において、１は上音叉であり、図１０に示した従来例１と同様に、圧電性を有する矩形状の板の中央部にスリットを設ける（フォトリソグラフィ技術、ワイヤソーあるいはブレードソー等による加工を適用することによる）ことにより２本の上音叉脚１ａを形成している。１ｂは２本の上音叉脚を連結する基部である。

２は下音叉で、やはり圧電性材料より成る板材に、下音叉脚２ａ、下音叉基部２ｂを加工形成したものである。上下の両音叉は、それらの基部１ａ、２ａを重ね、重なった基部の主面の一部である接着部３の部分で接着してある。構成をよく説明するために、平面図（ａ）では両音叉の輪郭をややずらして描いてあるが、上下の音叉の形状は全く同じにしてもよいし、寸法等をかなり異ならせてもよい。各音叉は接着する前に少なくとも駆動励振または検出用の電極形成（真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、メッキ等公知の技術が適用できる）を行っておき、更に好ましくは少なくとも大体の周波数調整も行っておくとよい。

上下何れの音叉においても、脚１ａ、２ａの振動歪みが接着部３に実質的に及ばないように、換言すれば接着剤４が脚の振動に悪影響を及ぼさないように、それぞれのスリットの底端部から接着部３の近い方の端まで、上音叉の脚下長さ１ｅ、下音叉の脚下長さ２ｅだけ離してある。脚下長さ１ｅ、２ｅは、少なくともその属する音叉脚の平面図上の幅（上音叉脚幅１ｄ、下音叉脚幅２ｄ）以上、好ましくは約３倍以上、更に好ましくは約５倍以上とする。なお音叉の脚幅は根元から先端まで等幅でなく変化させることがあるし、スリット底端にはＲをつけたり多角形やＶ字形にしたりすることもあるが、上記脚幅１ｄ、２ｄとしては、基部１ｂ、２ｂに近くてしかも急激な変化を伴わない部分の幅を採る。

図１（ｂ）は一体化したセンサ振動体のＡ−Ａ断面図で、接着部３と支持部の構造を同時に示している。接着部３に適用する接着剤４は、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いるが、材質はもちろん任意である。硬化の方法も加熱、ＵＶ光適用等適宜な方法を採用する。接着剤４には所定の直径を持った、球状または円筒形の固体（セラミック、ガラス、金属等より成る）であるフィラー５をスペーサとして混入してある。両音叉はこのフィラー５によってその直径分は離間させられるので、各音叉の脚の自由な振動が妨げられることがない。フィラー５の直径は、音叉の寸法（通常長さ数ｍｍ程度）や接着剤の好ましい厚さや振動体が封入される容器内のガスの抵抗やセンサ振動体の総厚（薄いことが小型化には望ましい）あるいは電極の膜厚等にもよるが、３〜５００μｍの範囲であることが好ましく、２０〜２００μｍの範囲であれば更によい。

ジャイロセンサ振動体の支持は、封入される気密容器の一部あるいは取り付けるための台座に固着された支柱６に、両音叉に設けた孔を挿通し、接着剤４を適用して固着する。この接着工程は両音叉の貼り合せ工程と同時でもよいが、先に貼り合せ工程を行い、次に支持のための接着を行うのが完成振動体の周波数調整や振動のバランス調整等を行う上で便利である。完成振動体の周波数調整は、各音叉の先端部に設けた付加質量を上下方向からレーザーで削除するとよい。一方向（上面）からしかレーザー照射できない場合には、下音叉の周波数調整は、上音叉に設けておいた透明部を通して行うか、斜め方向から照射するとよい。

次に、電極の取り出し方について述べる。図示しないが、上音叉１の脚の側面に設けた電極膜の端子は基部１ｂの上面に引出して末端に端子パッドを形成し、完成振動体の支持固定を行った後で、それらパッドと外部回路につながる端子をワイヤボンディングや導電性接着剤等により接続するとよい。下音叉２の脚の側面に設けた電極膜からの引出線は、下音叉の（上音叉からの）張出部２ｇの上面に設けたパッドに終端させ、同様に外部回路と接続するとよい。あるいは、本実施例の変形例となるが、支柱６による支持を行わず、下音叉２が平坦な台座（図示せず）上に載置し接着されてもよい。台座との接着部は音叉同士の接着部３と平面図的にほぼ重なるかそれよりも狭い部位、しかも下音叉脚からできればより遠い部分とするとよいであろう。その場合には、その接着部位の下面に下音叉の電極を終端させ、台座上に設けた電極端子とフェイスダウンで導電的に接着することもできる。

なお、上下の音叉の基部にて対向する電極を接続するには、フィラー５に導電性を与える（フィラー５の材料を金属にするか、絶縁性の材料に導体膜をコートしたものを用いる）か、接着剤自体を導電性接着剤とするとよい。また各音叉の一方の平面に位置する電極を他の面に引出したり、下音叉の電極を、上音叉の下面を経由して上音叉の上面に引出すには、音叉の基部に設けたスルーホールを経由するとよい。

次に、図１（ｃ）を用いて、実施例１のジャイロセンサ振動体の振動姿態と、音叉脚周囲の電極配置について述べる。同図は積層接着を完了したセンサ振動体を、音叉脚の先端方向から眺めた正面図である。図面は要部のみを見易くするため、接着剤４は図示せず、また脚周囲の電極は脚の表面から浮かして図示してある。また上下の音叉の結晶軸の方位（水晶材を想定し図示している）も異なるのでそれも各音叉の脇に示してある。本例のセンサ振動体の検出可能な回転軸の方向は各音叉の長軸に平行であって紙面に垂直である。Ωはその回転角速度である。

図において、上音叉は駆動専用、下音叉は検出専用の役割を分担している。各上音叉脚１ａの周囲４面には発振回路の駆動端子に接続される駆動電極Ｄｒ（塗りつぶして表示）と発振回路の接地端子に接続されるコモン電極Ｃ（白抜き枠で表示）が設けられ、各下音叉脚２ａの周囲４面には検出回路の検出端子に接続される検出電極Ｄｔ（塗りつぶして表示）と検出回路の接地端子（発振回路の接地端子と同電位であるとする）に接続されるコモン電極Ｃ（白抜きで表示）がそれぞれ横方向に対向するように設けられている。

上音叉はその固有振動数で開閉振動するように駆動される。Ｖは脚先端付近の速度である。センサ振動体が長軸回りに回転すると、上音叉は生じたコリオリ力Ｆｃによってバタ足振動をする。下音叉は駆動されないが、上音叉のバタ足振動によるモーメントが接合一体化された基部を揺するので、下音叉は基部から受けるモーメントで励振され、上音叉のバタ足振動の慣性力を打ち消すように逆向きのバタ足振動を行う。（下音叉脚にも直上の上音叉脚とは逆のコリオリ力が働くと考えてもよい。）なお、下音叉のバタ足振動は上音叉の開閉振動に共振するよう調整されているものとする。

上音叉の結晶軸方位および駆動電極配置は、例えば周知の腕時計用に用いられる３２７６８Ｈｚの音叉型水晶振動子のものと実質的に同じであり、水晶材の場合、素材版としてＺ板（板面の法線がほぼＺ軸方向）が用いられる。しかし下音叉は（電気的には駆動される必要がないので）バタ足振動を最も能率よく検出できるように、上音叉とは結晶からの切り出し方位をほぼ９０°変え、素材板としてＸ板（板面の法線がほぼＸ軸方向）が用いられる。下音叉のこの構成により、バタ足振動が能率的に検出される。

その理由を次に説明する。図１（ｄ）、（ｅ）はいずれも水晶Ｚ板で構成した音叉脚の１本で、前者は開閉振動、後者はバタ足振動を行わせるための脚周囲の駆動電極膜の配置を示したものである。圧電的には検出作用は駆動の逆作用であって等価的であり、駆動作用の方が説明容易である。（ｄ）の電極配置は周知慣用されており、コモン電極Ｃと駆動電極Ｄｒとの間に印加される駆動電圧によって、脚断面内には曲げ撓みの中立面（紙面の上下方向で紙面に垂直）の両側にＸ軸の左右逆方向に向かう合成電界が生じ、脚が効率よく屈曲する。Ｓは屈曲歪みが断面内で増す方向を示している。

図１（ｅ）も従来慣用されている電極配置であるが、バタ足振動を駆動するためには、図示のように脚側面に電極を配置して（脚側面を用いずにあるいは脚の側面と共に、脚の上下面に細い電極膜を並べて配置することもある）、振動の中立面（水平な平面となる）の上下に生じる電界を水平逆向きにせねばならない。この方式は電極面積も狭く、間隔も遠くなるので駆動の能率が悪い。検出も然りである。これに対し、本発明（ｃ）では開閉振動と同様な電極配置でバタ足振動を能率よく検出できる。

実施例１は従来例３と作用的にやや似ているが、固有の特徴および具体的効果がある。まず別体の音叉を用いるので製造や調整が容易である。また重ねた音叉をセンサ振動体とするのでやや厚さは増すが、各音叉にあらかじめ電極膜を形成してから接着し、また小径のスペーサ部材を用いることにより、音叉間隔は立体的な切り出し加工によるよりも容易に狭くすることができるし、センサ振動体の総厚には容器の厚さも含まれるから、実質的な厚さの増加率は少なく抑えられる。

またスリットの底端から接着部の端までに十分な距離を取ったので、接着部３に振動歪みが及ぶことが少なく、振動体を高品質に維持できる。また上下の音叉の駆動と検出の役割分担により電極構成が簡単になる。また図１（ｄ）に示すように検出電極Ｄｔが駆動電極Ｄｒと至近距離で対面することを避けられるので、検出電極への駆動電圧の漏れを小さくし、精度を向上することができる。また上下音叉の圧電性の極性または方向性を異ならせたので、コリオリ力による脚の歪みを能率よく検出する電極配置を採ることができ、ジャイロセンサの感度を上げることができる。

図２は本発明のジャイロセンサ振動体の実施例２を示し、（ａ）は音叉軸を含む中央断面図、（ｂ）は脚の先端方向から見た正面図、（ｃ）は実施例２の変形例１の中央断面図、（ｄ）は実施例２の変形例２の平面図である。（ａ）、（ｂ）に示す基本形において、上音叉１と下音叉２を重ねた構成は実施例１と共通する。相違点は、薄板をスペーサの一部である板スペーサ７として上下音叉の基部１ａ、１ｂ間に挿入し、接着してセンサ振動体と一体化したことである。板スペーサ７は上下音叉脚に接触しないよう、実施例１と同様な、接着剤４内部のフィラー５（（ｂ）では図示省略）により間隙を保っている。

スペーサ７は薄い金属板または導電膜を有する樹脂板であって、上下音叉脚１ａ、２ａ間に位置しかつ接地されることにより、検出電極（実施例１と同様で図示せず）を静電的にシールドし、駆動電圧による検出のノイズを大幅に低減する役割を担う。下音叉２の両側をコ字型に曲げて覆うことにより、剛性とシールド効果を共に高めている。下面側は開放されているが、気密容器の下方の内面も導電性としてシールド部材に参加させ、更に効果を高めることができる。

図２（ｃ）に示す変形例１においては、板スペーサ７の基部７ａのみを厚く形成した。これにより、音叉１、２とスペーサ７とを、フィラーを含まない接着剤を用いて一体化することができるので、接着剤の選択の自由度が高まる。
図２（ｄ）に示す変形例２は、板スペーサ７の一部を両音叉輪郭の外側まで延長し、延長部分に取付部７ｂ（本例では取付用の穴）を設け、一体化されたジャイロセンサ振動体を容器または台座に取り付ける便宜を図ったものである。

図３は本発明のジャイロセンサ振動体の実施例３を脚先端方向から見た正面図である。本実施例３は実施例１の主要な構成を備えているが、相違点は上音叉脚１ａ同士の間隔よりも、下音叉脚２ａの間隔を狭くしたことである。このことによって、下音叉のコリオリ力による振動の振幅が増幅されるので、検出感度を向上させることができる。

励振・駆動される上音叉の各脚１ａには、音叉軸回りの回転が加わるとコリオリ力Ｆｃ１が発生する。脚間隔を１ｆとすると、偶力であるコリオリ力は、上音叉基部、従って一体化された下音叉基部を共に Ｆｃ１×１ｆ のモーメントでねじるように揺する。下音叉の各脚２ａは、その慣性力によって上記モーメントを打ち消すべくバタ足振動を行うが、下音叉の脚間隔２ｆが狭いので、上記モーメントを相殺するために、音叉脚１ａに生じるバタ足振動よりも大きな振幅で振動することになる。これはセンサ振動体の支持が完全にフリーで、各音叉のＱ値が十分高く、かつ共振状態にある場合に言えることであるが、これらの条件がやや不完全でも、下音叉の振幅が増大する効果はかなり得られる。検出電圧は下音叉のバタ足振動の振幅に比例するから、実施例３の構成は検出感度（従って精度も）の改善に効果がある。

図４は本発明のジャイロセンサ振動体の実施例３を脚先端方向から見た正面図である。なお接着剤は図示を省略してある。本例では積層する上下音叉として同じカットの水晶Ｚ板を用いている。各音叉は片脚（図の右側）にて開閉振動を励振され、他の脚（左側）で音叉長軸に平行な回転運動によって生じるコリオリ力によるバタ足振動を検出する。駆動電極は図１（ｄ）、検出電極は図１（ｅ）に示した構造のものを用いる。または両音叉にＺ板を用い、検出電極に図１（ｄ）、駆動電極に図１（ｅ）の構造を用いて、検出感度の向上を重視してもよい。

本例の音叉脚の配置と駆動は従来例３に似るが、上下の音叉の開閉振動を逆位相で確実に行わせることと、その結果として生じるコリオリ力による振動を、基部を介した伝達ではなく上下各音叉に完全に同振幅で生じさせ、確実に相殺して振動の漏れ（アンバランス）をなくし、検出精度を向上する効果を狙っている。また、検出電極と駆動電極が各脚上に隔離されているので、駆動電圧の検出電極へのクロストークも少なく抑えられる。駆動電極のコモン電極を脚の内側側面に配置すればなお良い。また実施例１同様に、各音叉を別体で製作後接着積層できるし、小径のスペーサを用いて近接配置できるので、製造上、小型化上も有利であろ。

図５は本発明のジャイロセンサ振動体の実施例５を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。本例は、２枚の音叉を逆向きとしＨ字形に組み合わせ、基部で接着積層したものである。本例における駆動と検出は、実施例１の如く上下音叉１、２で役割分担させてもよいし、実施例２の如く各音叉の脚ごとに役割分担させてもよい。開閉振動が励振されている音叉が、長軸の回りに回転するときに生じるコリオリ力Ｆｃは、図示のように接着部の対角線上にある脚が同じ位相で振動するようにすると、基部（接着部）に作用するモーメントがバランスするので振動漏れが少なく、検出精度を向上できる。

本例固有の効果としては、検出・駆動を各音叉に役割分担した場合、検出電極と駆動電極を基部の両側にかなり離すことができるのでクロストークが改善されることと、両音叉間のスペーサが不要となるのでその分薄型化できるし、接着剤の選択の自由度が増すこと、またコリオリ力による振動をバランスさせることができることである。また、センサ振動体の重心付近を支持することができる。なお、両音叉は図５（ａ）に示すようにずらしても良いし、基部できっちりと重ねてもよい。

図６は本発明の実施例６であるジャイロセンサ振動体の平面図である。本例は、上音叉１として駆動・検出電極を備えた２脚音叉を用い、下音叉２として駆動・検出電極を備えた三脚音叉を用いて、それらの基部の対向する主面（２脚音叉のＵ字下面、３脚音叉のＥ字上面）にて接着・積層したものである。検出可能な回転軸の方向は、図１０および図１１の従来例に準ずる。

本例固有の効果は、上音叉１で音叉の長軸周りの回転の角速度を、下音叉で音叉平面（音叉の主面）に垂直な軸回りの回転の角速度を検出する、２軸のジャイロセンサ振動体をコンパクトかつ製造容易に構成できることである。また一方の音叉に生じたバタ足振動の慣性力を、他方の音叉脚のバタ足振動で打ち消すこともできる。２脚音叉１と三脚音叉２は必ずしも対称軸を平面図的に重ねなくても良く、２脚音叉を片側にずらし寄せて積層してもよい。

図７は本発明の実施例７であるジャイロセンサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。本例は、図１１の従来例２に準ずる３脚音叉を複数枚（２枚または３枚以上１０枚程度まで）、向きを交互にして基部にて積層接着したものである。本例が検出可能な回転軸は１軸であるが、駆動・検出の自由度は大きい。例えば駆動電極と検出電極を従来例のように任意の音叉ごとに設けてもよく、または駆動電極を一方に脚が向く音叉上に設け、検出電極を他方に脚が向く音叉上に設けて両電極の離間を図ることもできる。

中脚にはコリオリ力による屈曲モーメントが生起されるが、その方向も駆動電極の配置を選んで、個別の音叉ごとに選択できる。各中脚の慣性力により積層された基部に作用する併進力とモーメントは、積層枚数が多ければ共に相殺することができる。しかし、各中脚に設けた検出電極の接続は、それらの検出電圧が加算されるように接続することが感度の向上のために好ましい。また支持方法としては、接合部を上面平坦な台座８上に接着するようにしたが、他の方法、例えば実施例１のように各音叉を貫通する支持部材を用いることもできる。

本実施例７に固有の効果は、各音叉からの検出電圧を加算して大きな感度が得られることである。また、挟まった音叉の基部が両側の音叉のスペーサとなるため、スペーサとしてのフィラーを含まない接着剤を使用することができる。また、センサ振動体の重心を支持することにより、バランスのよい支持をすることができる。

図８は本発明の実施例８であるジャイロセンサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は音叉脚の先端方向から見た正面図である。本例の上音叉１は図１１の従来例２に準ずる３脚音叉であり、音叉主面に平行な面内の回転を中脚で検出する。下音叉２は駆動されず、音叉の長軸と直角方向でかつ音叉の主面内の並進運動の加速度を、３本の脚の一部または全部を用いて検出する。検出電極は各脚の周囲に設け、各脚が同方向に屈曲するとき検出出力が加算されるように接続すればよい。

本実施例８の固有の効果は、１軸の角速度と、回転以外の他の運動の計測量である１軸の加速度とを検出できる、多機能のジャイロセンサ振動体を、コンパクトな形態でかつ製造容易に構成できることである。なお接着剤４にはスペーサを混入する。

図９は本発明の実施例９であるジャイロセンサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。本例は、実施例７と同様、複数の三脚音叉１、２を逆向きにして積層接着しているが、それぞれの三脚音叉の形状に特徴がある。即ち各音叉１、２は、各脚から基部１ｂ、２ｂに至る中間にくびれ部１ｃ、２ｃを設けたこと、そしてくびれ部により中脚と両外脚との間に横棒部１ｈ、２ｈを形成したことである。

本実施例である実施例９の固有の効果は、実施例７に固有の効果に加え、両外脚白身の弾性に横棒部１ｈ、２ｈの弾性が加わることで、外脚と中脚の振動特性（固有振動数等）に所定の差を与え、センサの特性を調節できること、また、３脚音叉に非対称の振動モード（回転検出動作の態様を変えるために、例えば中脚と片側の外脚を同位相で振動させる、あるいは脚に音叉のＵ字面外方向に振動させることがある）の場合、支持による特性変化をくびれ部により小さくできることである。

以上各実施例について述べたが、本発明は既述の実施例に限定されるものではない。例えば、各実施例の特徴を任意に組み合わせてもよいし、他の要素を導入してもよい。また水晶材以外の圧電性の材料（例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等の結晶、ＰＺＴ等のセラミクス、あるいは複合材料等）を使用してもよい。また音叉同士の接着は、可能であれば圧電材料表面の分子間接着を利用してもよい。

本発明によって、ジャイロセンサ振動体に好ましい特性を付与することができ、製造法も困難性がないので、産業上の利用可能性は大きい。

本発明の実施例１を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は支持部の断面図、（ｃ）は電極配置図、（ｄ）および（ｅ）は圧電作用の説明図である。 本発明の実施例２を示し、（ａ）は中央断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は変形例１の中央断面図、（ｄ）は変形例２の平面図である。 本発明の実施例３の正面図である。 本発明の実施例４の正面図である。 本発明の実施例５を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の実施例６を示す平面図である。 本発明の実施例７を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の実施例８を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の実施例９を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 ２脚音叉型の従来例１を示す平面図である。 ３脚音叉型の従来例１を示す平面図である。

符号の説明

１ 上音叉
２ 下音叉
１ａ 上音叉脚
２ａ 下音叉脚
１ａａ、１ａｂ 上音叉外脚
２ａａ、２ａｂ 下音叉外脚
１ａｃ 上音叉中脚
２ａｃ 下音叉中脚
１ｂ 上音叉基部
２ｂ 下音叉基部
１ｃ 上音叉くびれ部
２ｃ 下音叉くびれ部
１ｄ 上音叉脚幅
２ｄ 下音叉脚幅
１ｅ 上音叉の脚下長さ
２ｅ 下音叉の脚下長さ
１ｆ 上音叉の脚間隔
２ｆ 下音叉の脚間隔
２ｇ 下音叉の張出部
１ｈ 上音叉の横棒部
２ｈ 下音叉の横棒部
３ 接着部
４ 接着剤
５ フィラー
６ 支柱
７ 板スペーサ
７ａ 板スペーサ基部
７ｂ 板スペーサ取付部
８ 台座
Ｃ コモン電極
Ｄｒ 駆動電極
Ｄｔ 検出電極
Ｓ 歪
Ｆｃ コリオリ力
Ｆｃ１ 上音叉のコリオリ力
Ｆｃ２ 下音叉のコリオリ力
Ｂ 中脚振幅
Ｖ 脚の先端付近部分の振動速度
Ω 角速度
α 並進加速度

Claims (18)

1. 圧電性材料の板材より成り、駆動電極とコリオリ力検出電極の少なくとも一方を備えた複数の音叉型振動体を、それぞれの脚の振動を妨げないように、それぞれの音叉の基部の主面にて積層接着し、一体化したことを特徴とするジャイロセンサ振動体。
2. 前記複数の音叉型振動体の前記基部における接着部は、何れの音叉の何れの脚の前記基部側の固定端部からも、各音叉平面上における脚の最大幅以上に離れていることを特徴とする請求項１記載のジャイロセンサ振動体。
3. 積層接着される前記複数の音叉型振動体はそれぞれ単体であらかじめ少なくとも電極膜の形成が行われたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のジャイロセンサ振動体。
4. 前記複数の音叉型振動体のうちの少なくとも１組は、それぞれ機能を異にしていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
5. 基部で重ねて接着された複数の音叉型振動体のうちの少なくとも１組は、圧電性の方向が互いに異なっていることを特徴とする請求項４に記載のジャイロセンサ振動体。
6. 前記複数の音叉型振動体のそれぞれは２脚音叉または３脚音叉であることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
7. 前記複数の音叉型振動体は、駆動と検出の役割を分担している音叉型振動体を含むことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
8. 前記複数の音叉型振動体は、異なる方向の角速度か、または角速度と加速度を検出する複数の音叉型振動体を含むことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
9. 前記複数の音叉型振動体の少なくとも一つは、他の音叉型振動体とは脚の間隔が異なっていることを特徴とする請求項４ないし８のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
10. 前記複数の音叉型振動体の基部を接着するために用いる接着剤は、３〜５００μｍの直径を有する固形物をスペーサとして混入した接着剤であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
11. 前記固形物は導電性を有し、該固形物を挟む音叉基部上の電極同士を導通させていることを特徴とする請求項１０に記載のジャイロセンサ振動体。
12. 前記複数の音叉型振動体の基部の間にスペーサの少なくとも一部となる板材を挟んで接着したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
13. 前記スペーサとなる板材は、シールド部材を兼ねていることを特徴とする請求項１２に記載のジャイロセンサ振動体。
14. 前記スペーサとなる板材は、ジャイロセンサ振動体を固定台に支持するための支持部材を兼ねていることを特徴とする請求項１２または１３に記載のジャイロセンサ振動体。
15. 前記複数の音叉型振動体の脚の向きは同じ方向であることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
16. 前記複数の音叉型振動体は脚の向きが互いに異なるものを含むことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
17. 前記複数の音叉型振動体は３枚以上であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。
18. 前記複数の音叉型振動体は、同じ回転方向に対するコリオリ力を検出する電極を有する複数の音叉を含むと共に、それらの電極の検出電圧が加算されるように接続されていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載のジャイロセンサ振動体。

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