JP4256322B2 - 振動ジャイロの振動子搭載構造 - Google Patents

Description

本発明は、駆動脚および検出脚を胴部で結合してなる音叉型振動子をパッケージへ収容してなる音叉型振動ジャイロに関し、特にパッケージを支点としてその胴部を支持することにより、音叉型振動子をパッケージへ搭載する振動子搭載構造に関する。

この種の音叉型振動ジャイロは、特許文献１又は特許文献２に記載されている。特許文献１又は特許文献２に記載の音叉型振動ジャイロの基本構造及びその作動を、図１２を参照して説明する。図１２（Ａ）は音叉型振動ジャイロに対する回転の入力がないときの状態を表し、図１２（Ｂ）は音叉型振動ジャイロに対し回転の入力があるときの状態を表す。図において、１１１ａ，１１１ｂは励振用駆動脚（特許文献１における励振用駆動側アーム）、１１２ａ，１１２ｂは振動用検出脚（特許文献１における振動用検出側アーム）である。励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは、互いに対をなし、逆位相で振動する。励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは、駆動脚（特許文献１では、駆動側アーム）１１１と称する。振動用検出脚１１２ａ及び１１２ｂは、互いに対をなし、逆位相で振動する。振動用検出脚１１２ａ及び１１２ｂは、検出脚（特許文献１では、検出側アーム）１１２と称する。胴部１０は、直方体であり、その平面形（上面１０ａの形）は正方形である（正方形である必要は必ずしもない）。胴部１０における各面は、上面を符号１０ａで現し、底面（図に現れていない）を符号１０ｂで現し、一方の端面を符号１０ｃで現し、他方の端面（図に現れていない）を符号１０ｄで現し、一方の側面を符号１０ｅで現し、他方の端面（図に現れていない）を符号１０ｆで現すこととする。上面及び底面を主面と称する。なお、特許文献１及び特許文献２の音叉型振動ジャイロには、励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂの間に1つの非励振用駆動脚（特許文献１における非励振用駆動側アーム）が設けてあり、また振動用検出脚１１２ａ及び１１２ｂの間に1つの非振動用検出脚（特許文献１における非振動用検出側アーム）が設けてあるが、非励振用駆動脚および非振動用検出脚は、振動の安定化のために設けてあり、原理説明においては必要でないので、図１２の音叉型振動ジャイロでは省略した。

胴部１０、励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂ並びに振動用検出脚１１２ａ及び１１２ｂは、１つの圧電単結晶体でなり、一枚の板状の圧電単結晶から切り出された形をなす。圧電単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等がある。胴部１０、励振用駆動脚１１１ａ，１１１ｂ及び振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂの厚みは同一である。励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂが励振されていない状態、即ち静止状態では、励振用駆動脚１１１ａ，１１１ｂの軸及び振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂの軸は、胴部１０の端面１０ｃ及び１０ｄにそれぞれ垂直である。励振用駆動脚１１１ａ及び振動用検出脚１１２ａの軸は同一の軸線上にある。同様に、励振用駆動脚１１１ｂ及び振動用検出脚１１２ｂの軸も同一の軸線上にある。また、胴部１０の重心を通り、端面１０ｅに平行な面に関し、励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは対称であり、また振動用検出脚１１２ａ及び１１２ｂも対称である。励振用駆動脚１１１ａ，１１１ｂ及び振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂには駆動用電極及び検出用電極がそれぞれ設けてある（これら電極の図示は省略されている。）。

このような図１２の構造の音叉型振動ジャイロにおける駆動用電極に励振用の交流電圧を印加すると、励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは、上面１０ａに平行な平面内において互いに反対方向に、即ち逆位相に、振動する。この振動が、音叉型振動ジャイロにおける駆動振動である。駆動振動は、胴部１０の主面（上面１０ａ及び底面１０ｂ）に平行な平面内における振動であり、このような主面に平行な平面内における振動を面内振動と称する。面内振動は、図１２（Ａ）において矢印Ｈａ及びＨｂで現してある。この状態で、角速度ωの回転が図（Ｂ）の→方向に入力されると、励振用駆動脚１１１ａ及び１１１ｂにはコリオリ力が作用し、それぞれコリオリ振動Ｃａ及びＣｂが生じる。コリオリ振動Ｃａ及びＣｂは、胴部１０の主面に直交する方向の振動であり、その位相は互いに逆である。胴部１０の主面に直交する方向の振動を面垂直振動と称する。

胴部１０は、板状であるので、その主面に平行な方向の振動、即ち面内振動に対しては極めて高い剛性を有し、他方主面に直交する方向の振動、即ち面垂直振動に対しては相対的に低い剛性を示す。そこで、励振用駆動脚１１１ａ，１１１ｂに生じる振動のうちで、面内振動である駆動振動Ｈａ及びＨｂは、振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂには殆ど伝搬せず、他方面垂直振動であるコリオリ振動Ｃａ及びＣｂは高い効率で振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂに伝搬する。振動用検出脚１１２ａ及び１１２ｂに伝搬したコリオリ振動が、音叉型振動ジャイロにおける検出振動Ｄａ及びＤｂである。音叉型振動ジャイロは、検出振動Ｄａ及びＤｂを検出用電極で電気信号に変換することにより、角速度ωを検出する。

音叉型振動ジャイロでは、振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂに現れる駆動振動成分がノイズであり、検出振動（Ｄａ，Ｄｂ）が信号である。そこで、振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂにおける検出振動成分（Ｄａ，Ｄｂ）に対する駆動振動成分の比が信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）となるので、角速度ωを高い精度で検出するには、振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂに漏れ、現れる駆動振動成分を低減する必要がある。振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂに漏れる駆動振動成分は、信号成分[検出振動成分（Ｄａ，Ｄｂ）]に対するバイアスとなり、このバイアスが不安定であれば、角速度ωの検出精度は低下する。

特許文献１および特許文献２の音叉型振動ジャイロでは、石英ガラス製の支持部材（特許文献１における保持体）によって音叉型振動子をその重心で支持している。その重心は、胴部の中央にある。
特開２００１-２５５１５２ 特開２００１-２０８５４５ 特許第２５１８６００号公報 特開平１１-１７３８５７

図７は、音叉型振動子の胴部を支持部材で支持したときに、振動子に現れる歪の変動を示す模式図である。図７（Ａ），（Ｂ）は、支持部材で支持しない状態において、駆動振動が胴部に加えられたときに胴部１０に表れる歪を現す。図７（Ｃ），（Ｄ）は、胴部１０の重心を支持部材２で支持し、胴部１０をパッケージ基板３０に搭載した状態において、駆動振動が胴部１０に加えられたときに胴部に表れる歪を現す。図７（Ｃ），（Ｄ）において、支持部材２は胴部１０の重心及びパッケージ基板３０に固着されている。

図７（Ａ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの応力α１及びβ１が胴部１０に生じたとき、胴部１０の上部には互いに反対向きの歪ａ１及びｂ１が生じ、胴部１０の下部には互いに反対向きの歪ｃ１及びｄ１が生じ、ａ１＝ｂ１＝ｃ１＝ｄ１であることを現している。図７（Ｂ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの応力α２及びβ２が胴部１０に生じたとき、胴部１０の上部には互いに反対向きの歪ａ２及びｂ２が生じ、胴部１０の下部には互いに反対向きの歪ｃ２及びｄ２が生じ、ａ２＝ｂ２＝ｃ２＝ｄ２であることを現している。

これに対し、図７（Ｃ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの応力α１及びβ１が胴部１０に生じたとき、胴部１０の上部には互いに反対向きの歪ａ１及びｂ１が生じ、胴部１０の下部には互いに反対向きの歪ｃ１及びｄ１が生じるが、ａ１＝ｂ１＞ｃ１＝ｄ１であることを現している。また、図７（Ｄ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの応力α２及びβ２が胴部１０に生じたとき、胴部１０の上部には互いに反対向きの歪ａ２及びｂ２が生じ、胴部１０の下部には互いに反対向きの歪ｃ２及びｄ２が生じるが、ａ２＝ｂ２＞ｃ２＝ｄ２であることを現している。

図７（Ｃ），（Ｄ）に示されるように、音叉型振動子の胴部１０を支持部材２で支持したとき、胴部１０の上部における歪とその下部における歪とは大きさが相違し、胴部歪の上下非対称性が生じる。胴部１０の歪に上下非対称性が生じると、駆動振動に直交する方向の振動、即ち面垂直振動成分が胴部に生じる。この面垂直振動成分は、漏れ駆動振動として振動用検出脚に現れ、検出振動と同じ振動方向であるから、検出振動に対し雑音成分となり、角速度の検出精度を低下させる。

図８乃至図１１は、音叉型振動子の胴部１０の重心を支持しないときと、支持部材２で支持したときにおける胴部歪のシミュレーション図である。図８乃至図１１において、１０は胴部、１１ａ，１１ｂは励振用駆動脚、１１ｃは非励振用駆動脚、１２ａ，１２ｂは振動用検出脚、１２ｃは非振動用検出脚である。これらシミュレーション図は、胴部１０および胴部１０近傍の駆動脚および検出脚における面内変位及び面垂直変位の分布図である。図８乃至図１１はコンピュータシミュレーションにより作図したが、レーザドップラー変位計によって計測した変位分布図も同様なパターンとなる。１１ａ及び１１ｂは励振用駆動脚、１１ｃは非励振用駆動脚、１２ａ及び１２ｂは振動用検出脚、１２ｃは非振動用検出脚である。図８は胴部１０の重心を支持しないときにおける駆動振動方向（面内振動方向）の面内変位の分布図、図９は胴部１０の重心を支持しないときにおける駆動振動と直交する方向（面垂直振動方向）の面内変位の分布図である。図１０は胴部１０の重心を支持部材２で支持したときにおける駆動振動方向（面内振動方向）の変位の分布図、図１１は胴部１０の重心を支持部材２で支持したときにおける駆動振動と直交する方向（面垂直振動方向）の変位の分布図である。図１１を図９と比較すると、胴部１０の重心を支持部材２で支持したときには、検出脚１２ａ，１２ｂ，１２ｃ側の胴部１０および検出脚１２に面垂直振動が大きく現れていることが分かる。

音叉型振動ジャイロでは、振動子をパッケージに搭載する振動子搭載構造の採用は不可避である。特許文献１及び２では、音叉型振動子の重心に円柱型の支持部材を接着剤等で固着し、振動子を支持する構造が示されている。特許文献１及び２の音叉型振動ジャイロで採用されている振動子搭載構造では、図７の模式図で示す振動子搭載構造と同じ原理で音叉型振動子を支持しており、胴部歪の上下非対称性が生じ、漏れ駆動振動として振動用検出脚に現れ、検出振動に対し雑音成分となり、角速度の検出精度を低下させる。駆動振動が振動用検出脚に漏れるのを抑制する構造として、特許文献３および特許文献４に記載のものが提案されている。

図１３（特許文献３における図１）は特許文献３に記載の回転速度センサ１０（音叉型振動ジャイロ）を示す。この回転速度センサ１０は、ハウジング１１と、両側(double ended)（即ちＨ型）音叉(tuning fork) １３と、回転速度検出回路２１とを有する。ハウジング１１は、蓋１２と、基部１４と、取付け構造体１５とを有する。音叉１３は、圧電材料の単結晶からエッチングされる。この材料は、水晶、ニオブ酸リチウム(Lithium Niobate) 或いは他の圧電物質であるのが良い。

図１４（特許文献３における図３）は、特許文献３に記載の音叉１３を示す。音叉１３の本体１６は、周囲のフレーム３０と内部キャビティ３３とを有する。音叉１３は、励振枝(drive tine)３１，３２及びピックアップ枝(pickup tine) ４４，４５を有する。また、音叉１３は、キャビティ３３内に単一専用取付け基部５７を有する。取付け基部５７は、フレーム３０の内周面１８から間隔を隔てられ、これで囲まれ、且つその中の中央に配置されている。取付け基部５７は、クロスブリッジ６１，６２及びサスペンションブリッジ６４乃至６７によって形成されたサスペンション装置５９によって内周面１８に結合されている。取付け基部５７の周面７１は、本体１６の内周面１８から、＋Ｙ方向では開口７３によって、−Ｙ方向では開口７４によって間隔を隔てられている。

図１５（特許文献３における図４）は、特許文献３に記載されたハウジング１１の基部１４及び取付構造体１５を示す。取付構造体１５はペデスタル９４である。このペデスタル９４は、音叉１３の取付け面５９とほぼ同じ寸法を有する。図１３、図１４に戻ると、音叉１３はペデスタル９４に取付けられている。取付け基部５７の裏面７０は、音叉１３の単一専用取付面である。この面は、ペデスタル９４の取付け面７６に固定されている。この固定は、従来の熱可塑性接着剤或いはエポキシ樹脂によって行われるのがよい。かくして、音叉１３は、単一専用取付面７０のところだけでハウジング１１内に取付けられる。サスペンション装置５９が、取付け基部５７をフレーム３０に結合する。ペデスタル９４は、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル合金モネル（Monel)４００或いはセラミックスで作られるのがよい。研磨したシリコン或いは水晶のウエハから別に「けがい」て、そして、エポキシ樹脂を用いて基部１４に固定してもよい。特許文献３の音叉型振動ジャイロでは、振動子搭載構造はペデスタル９４、サスペンション装置５９、取付け基部５７でなる。

このような特許文献３に記載の振動子搭載構造では、音叉１３の本体１６に内部キャビティ３３を設けるので、音叉１３の本体１６に深いエッチング加工を施す必要がある。音叉１３が、効率的なエッチング方法が確立されていない材料、例えばランガサイト、でなるときは、引用文献３の振動子搭載構造は適用できない。また、引用文献３の振動子搭載構造は、内部キャビティ３３内にサスペンション装置５９を備えるので、複雑な構造であり、高価であり、小型化も難しい。

図１６は、特許文献４の振動型ジャイロスコープにおいて、振動子５０を支持する支持手段を示す図である。この支持手段も、振動子５０をパッケージに搭載する振動子搭載構造の一例である。図１６における５１Ａ,５１Ｂ,５２,５３は支持手段である。図１６（ａ）においては、突起５１Ａと５１Ｂとを、振動子５０の支持孔４７を挟むように上下に配置し、突起５１Ａと５１Ｂとによって上下方向から振動子５０を圧着している。図１６（ｂ）,（ｃ）においては、突起５２の方にピン５２ａを設け、他方の突起５３の方に孔５３ａを設ける。突起５２と５３とを、振動子５０の支持孔４７を挟むように上下に配置し、ピン５２ａを支持孔４７に挿入し、貫通させ、更に孔５３ａに挿入し、突起５２と５３とによって上下方向から振動子５０を圧着している。

図１６の特許文献４の振動子搭載構造も、特許文献３の振動子搭載構造と同様に、振動子５０に支持孔４７を形成する必要がある。そこで、振動子５０が効率的なエッチング方法が確立されていない材料、例えばランガサイト、でなるときは、引用文献４の振動子搭載構造は適用できない。また引用文献４の振動子搭載構造では、支持孔４７は、検出振動が最小となる領域に設けているが、駆動脚と検出脚とを胴部を介して結合する図１２のような振動子では、図８乃至図１１の変位分布図で示されているように、検出振動（面垂直振動）が小さい領域でも駆動振動（面内振動）は小さくないので、検出振動が最小となる領域に支持孔４７を設けても、突起５１Ａ及び５１Ｂによって上下方向から振動子を圧着すると、駆動振動のエネルギー損失が大きく、音叉型振動ジャイロとして実用化は難しい。

以上に挙げた特許文献１及び２の振動子搭載構造では、図７に示すように、音叉型振動子を支持部材２で支持することにより、振動子に歪の上下非対称性が発生するので、駆動振動が検出脚に漏れ、ひいては音叉型振動ジャイロの角速度検出精度の向上が妨げられ、また検出精度の安定性も損なわれていた。また、特許文献４に記載の振動子搭載構造は、効率的なエッチング方法が確立されていない材料、例えばランガサイト、でなる音叉型振動子には、適用できないし、構造が複雑で高価であり、小型化も難しい。また、特許文献４に記載の振動子搭載構造は、効率的なエッチング方法が確立されていない材料、例えばランガサイト、でなる音叉には、やはり適用できないし、駆動脚と検出脚とを胴部を介して結合する図１２のような音叉型振動子では振動エネルギーの損失が大きく、実用できない。

そこで、本発明の目的は、音叉型振動子を支持部材で支持することによる振動子に生じる歪の上下非対称性の発生を抑制することにより、検出脚に漏れる駆動振動を低減し、ひいては音叉型振動ジャイロの角速度検出精度の向上と安定化を図ることにある。また、本発明の別の目的は、効率的なエッチング方法が確立されていない材料、例えばランガサイト、でなる音叉型振動子にも適用でき、振動エネルギーの損失が少なく、簡単な構造であり、小型化が可能な振動子搭載構造の提供にある。

前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。

（１）音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
前記支持部材には、前記励振用駆動脚の印加電圧に同期した励振電圧が印加される電極が設けてあり、該支持部材は、該電極に印加される該励振電圧により前記駆動脚の振動方向と平行な方向に前記励振用駆動脚の駆動振動に同期して振動する構造体であることを特徴とする振動子搭載構造。

（２）前記支持部材は、圧電材料でなることを特徴とする前記（１）に記載の振動子搭載構造。

（３）音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
前記励振用駆動脚の振動方向に平行な方向における前記支持部材の柔軟性は、該方向における前記胴部の柔軟性より大きく、
前記励振用駆動脚の軸方向に直交する平面における前記支持部材の断面形が凹形であり、
前記支持部材は、前記凹形における溝の縁に対応する領域で前記胴部に固着されることを特徴とする振動子搭載構造。

（４）音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
前記励振用駆動脚の振動方向に平行な方向における前記支持部材の柔軟性は、該方向における前記胴部の柔軟性より大きく、
前記励振用駆動脚の振動平面に平行な平面における前記支持部材の断面形が凹形であり、
前記凹形における窪みは、前記励振用駆動脚側に面することを特徴とする振動子搭載構造。

（５）音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
前記励振用駆動脚の振動方向に平行な方向における前記支持部材の柔軟性は、該方向における前記胴部の柔軟性より大きく、
前記支持部材は、高剛性の材料と低剛性の材料とを交互に張り合わせた複合材でなり、
前記励振用駆動脚の振動方向における剛性は該励振用駆動脚の振動方向に直交する方向の剛性より小さいことを特徴とする振動子搭載構造。

上記本発明によれば、音叉型振動子を支持部材で支持することによる振動子に生じる歪の上下非対称性の発生を抑制することにより、検出脚に漏れる駆動振動を低減し、ひいては音叉型振動ジャイロの角速度検出精度の向上と安定化を可能にする振動子搭載構造が提供できる。さらに、本発明によれば、効率的なエッチング方法が確立されていない材料、例えばランガサイト、でなる音叉型振動子にも適用でき、振動エネルギーの損失が少なく、簡単な構造であり、小型化が可能な振動子搭載構造を提供できる。

次に本発明の実施の形態を挙げ、図面を参照し、本発明を一層具体的に説明する。図１は、本発明の第1の実施の形態の振動子支持構造を有する音叉型振動ジャイロを示す分解斜視図である。図２は、図１の音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロにおける振動子支持構造（本発明の第1の実施の形態）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。図３は、音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロを支持する本発明の第２の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。図４は、音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロを支持する本発明の第３の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。図５は、音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロを支持する本発明の第４の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。図６は、本発明の第５の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材に用いる高剛性材料でなる板２２ａの斜視図（Ａ）、その第５の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材に用いる低剛性材料でなる板２２ｂの斜視図（Ｂ）及び該板２２ａ及び板２２ｂを交互に張り合わせてなる支持部材２２の斜視図である。

図１乃至図６において、１は音叉型振動子、１ａは音叉型振動子１における支持部材固着領域、２は支持部材、３はパッケージ、１０は胴部、１１は駆動脚、１１ａ，１１ｂは励振用駆動脚、１１ｃは非励振用駆動脚、１２は検出脚、１２ａ，１２ｂは振動用検出脚、１２ｃは非振動用検出脚、２０，２１は支持部材、２１ａは溝、２２ａは高剛性材料でなる板、２２ｂは低剛性材料でなる板、３０はパッケージ基板、３０ａは支持部材搭載領域、３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂは端子、４１，４２はリード線、４３，４４は電極、２０１，２０２は圧電セラミックである。

図には、音叉型振動子１、支持部材２およびパッケージ３が分解して示してある。音叉型振動子１、支持部材２およびパッケージ３が組み合わされた状態では、支持部材２の下面はパッケージ基板３０の上面における支持部材搭載領域３０ａに接着剤で固着され、支持部材２の上面は音叉型振動子１の胴部１０の下面の支持部材固着領域１ａに接着剤で固着されている。支持部材固着領域１ａの中心は、胴部１０の下面の平面形の重心位置にある。符号１，２，３の部材が結合された状態は、支持部材２が、支持部材搭載領域３０ａを支点として、音叉型振動子１の重心位置を支持している状態であり、音叉型振動子１が支持部材２を介してパッケージ３に搭載された状態である。

音叉型振動子１における駆動脚１１は、図１２の駆動脚１１１における励振用駆動脚１１１ａ，１１１ｂに対応する励振用駆動脚１１ａ，１１ｂに加え、非励振用駆動脚１１ｃを備える。同様に、音叉型振動子１における検出脚１２は、図１２の検出脚１１２における振動用検出脚１１２ａ，１１２ｂに対応する振動用検出脚１２ａ，１２ｂに加え、非振動用検出脚１２ｃを備える。非励振用駆動脚１１ｃ及び非振動用検出脚１２ｃは、特許文献１及び２の音叉型振動ジャイロにも非励振用駆動側アーム及び非振動用検出側アームとして設けてあるものであり、駆動脚１１および検出脚１２の振動を安定化するために備えてあるが、本発明の作用には重要でないし、図１２のようにこれら脚１１ｃ及び１２ｃを欠いても本実施の形態は実施できるので、以下では非励振用駆動脚１１ｃ及び非振動用検出脚１２ｃについてはこれ以上の説明は省略する。図１の音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子１の作用は、図１２に示す音叉型振動子の作用と同様である。

図１の音叉型振動子１は、ランガサイトからなる単結晶圧電体である。音叉型振動子１における励振用駆動脚１１ａ及び１１ｂの少なくとも一方には駆動用電極が、振動用検出脚１２ａ及び１２ｂの少なくとも一方には検出用電極がそれぞれ設けてあるが、図示は省略してある。また、駆動用電極および検出用電極は、端子３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，３７ａ又は３７ｂの内のいずれかへボンディングワイヤで接続されているが、それらボンディングワイヤも図示が省略してある。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、音叉型振動子１および支持部材２を互いに同じ方向から見て描いてある。図２（Ａ）では、音叉型振動子１は図１とは上下を逆にして図示してある。また、図２（Ｂ）では、支持部材２には電極４３，４４を設けた状態で示してある。図１では、電極４３，４４の図示は省略してある。本実施の形態の振動子搭載構造は、電極４３，４４付きの支持部材２である。支持部材２は、音叉型振動子１と同じランガサイトからなる単結晶圧電体である。電極４３，４４には、交流電源４からリード線４１，４２を経て励振電圧が供給される。交流電源４は、励振用駆動脚１１ａ，１１ｂの駆動用電極に加えられる電源と共通の電源である。そこで、支持部材２は、励振用駆動脚１１ａ，１１ｂにおける駆動振動に同期して振動する。

支持部材２の振動方向は、図２（Ｂ）に示す直交座標系におけるｙ方向であり、励振用駆動脚１１ａ，１１ｂにおける駆動振動の方向と同じであり、胴部１０の主面（胴部１０の上面及び底面）に並行であり、かつ励振用駆動脚１１ａ，１１ｂの長手軸に直交する方向である。支持部材固着領域１ａに固着される支持部材２の端面の振動の大きさは、支持部材２の圧電係数、支持部材２の大きさ、交流電源４の出力電圧、電極４１，４２の大きさ等により決まるが、胴部１０の支持部材固着領域１ａにおける駆動振動と同じ大きさに設定する。図２（Ｃ），（Ｄ）は支持部材固着領域１ａに固着される支持部材２の端面の振動を模式的に示す図であり、図２（Ｃ）はその端面（上側端面）が収縮した状態を示し、図２（Ｄ）はその端面（上側端面）が伸張した状態を示す。

以上に説明したように、図１、図２の実施の形態（第１の実施の形態）では、支持部材２の振動と、胴部１０の支持部材固着領域１ａにおける駆動振動との大きさ、方向および周期が同じである。そこで第１の実施の形態では、胴部１０における駆動振動は支持部材２の影響を受けず、胴部１０の上側（支持部材２に接しない側）と下側（支持部材２に接する側、支持部材固着領域１ａ側）とで、歪が同じとなり、歪の上下非対称は起こらず、検出脚に漏れる駆動振動が低減し、ひいては音叉型振動ジャイロの角速度検出精度が向上し、また安定化する。

図１、図２の実施の形態では音叉型振動子１を構成する圧電結晶材料としてランガサイトを用いた。ランガサイトは、効率的なエッチング方法が確立されていない材料であり、特許文献３における内部キャビティ（図１４の３３）などを形成することは実質上困難であるが、本実施の形態の製造では、エッチングにより成形を要する工程がないので、本実施の形態は容易に実現できる。また、特許文献４におけるように、突起５１Ａ及び５１Ｂによって上下方向から振動子を圧着する振動子搭載構造では、駆動振動のエネルギー損失が大きく、音叉型振動ジャイロとして実用化は難しいが、本実施の形態は胴部１０の振動を抑圧しないので、振動エネルギーの損失が少ない。また、本実施の形態の振動子搭載構造は、簡単な構造であり、小型化が可能で、安価に製造できる。

図３は、本発明の第２の実施の形態の振動子搭載構造を示す図であり、図２と同様な図の構成となっている。図３の支持部材２０は金属、プラスチック、エポキシ樹脂などでなる。支持部材２０には圧電セラミック２０１，２０２が接着剤で固着してある。図３（Ｂ）に示す第２の実施の形態の振動子搭載構造は、支持部材２０及び圧電セラミック２０１，２０２でなる。圧電セラミック２０１，２０２には、電極が貼り付けてあるが、図面が錯綜するので、電極の図示は省略してある。

図３（Ｂ）の振動子搭載構造では、交流電源４からリード線４１，４２を経由して圧電セラミック２０１，２０２に印加された交流電圧により、圧電セラミック２０１，２０２は、支持部材２０と一体となって、直交３軸座標系におけるｙ軸方向に振動する。この振動は、図２（Ｂ）における支持部材２の振動と同じであり、胴部１０との関係において支持部材２の振動と同様に作用する。したがって、図３の第２の実施の形態は図２の第１の実施の形態と同様な作用効果を奏する。

図４は、本発明の第３の実施の形態の振動子搭載構造を示す図であり、図２および図３と同様な図の構成となっている。図４の支持部材２１は、音叉型振動子１と同じ圧電材料（水晶、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等）、または樹脂や金属などでなる。支持部材２１は、熱膨張係数が音叉型振動子１と同じであることが好ましいが、加工の容易性を考慮して、樹脂や金属などであっても差し支えない。支持部材２１は溝２１ａを有する。図４（Ｂ）における支持部材２１の上面が図４（Ａ）における支持部材固着領域１ａに接着剤で固着される。したがって、溝２１ａの開口が支持部材固着領域１ａに対面する。図４（Ｂ）の支持部材２１は、溝２１ａが明瞭に現われるように、溝２１ａを上に向けた状態で描いてある。しかし、図４（Ａ）の振動子１に支持部材２１を固着する際には、支持部材２１は図４（Ｂ）の状態から上下反転させ、溝２１ａの開口を支持部材固着領域１ａに対向させた姿勢で、支持部材２１を支持部材固着領域１ａに接触させる。溝２１ａの長手方向は、非励振用駆動脚１１ｃおよび非振動用検出脚１２ｃの長手軸に平行である。この実施の形態では、励振用駆動脚１１ａ、１１ｂの軸方向に直交する平面における支持部材２１の断面形が凹形である。

図４の振動子搭載構造では、胴部１０の面内振動に合わせて支持部材２１が容易に振動する。図４（Ｃ），（Ｄ）は、支持部材２１の溝２１ａの開口側が伸縮振動をする様子を模式的に示している。支持部材２１は胴部１０に固着されるので、胴部１０における面内振動に対し一種の負荷となるが、支持部材２１に溝２１ａが形成されていることにより、その負荷としての作用が緩和され、支持部材２１は胴部１０の面内振動に追随して容易に振動する。そこで、図７を参照して説明した胴部１０における歪の上下非対称性が軽減され、検出脚１２に漏れる駆動振動が軽減され、ひいては音叉型振動ジャイロの角速度検出精度の向上と安定化が可能となる。また、図４の実施の形態の製造では、音叉型振動子１にエッチング処理を要しないので、効率的なエッチング方法が確立されていない材料、例えばランガサイト、でなる音叉型振動子にも図４の実施の形態は適用できる。さらに、特許文献４におけるように、突起５１Ａ及び５１Ｂよって上下方向から振動子を圧着する振動子搭載構造では、駆動振動のエネルギー損失が大きく、音叉型振動ジャイロとして実用化は難しいが、本実施の形態は胴部１０の振動の負荷を軽減する構造を採用しているので、振動エネルギーの損失が少ない。また、本実施の形態の振動子搭載構造は、簡単な構造であり、小型化が可能で、安価に製造できる。

図５は、本発明の第４の実施の形態の振動子搭載構造を示す図であり、図４と同様な図の構成となっている。図５の支持部材２１は、図４の支持部材２１と同じものである。図５の振動子搭載構造が図４の振動子搭載構造と相違する点は、支持部材２１が音叉型振動子１に固着されるときの姿勢である。図５（Ｂ）の支持部材２１は、溝２１ａ（前記窪みに相当）を駆動脚１１側に向けて、胴部１０の支持部材固着領域１ａに接着剤で固着される。この実施の形態では、励振用駆動脚１１ａ，１１ｂの振動平面に平行な平面における支持部材２１の断面形が凹形であり、この凹形における窪みは、駆動脚１１に面している。

図８及び図１０に示されるように、胴部１０の面内振動は駆動脚１１側において大きい。図５に示す第４の実施の形態の振動子搭載構造では、溝２１ａの開口側が駆動脚１１側を向いている。溝２１ａの開口側の方が溝２１ａの底部側におけるよりも駆動振動に対し柔軟に追随した振動をするから、溝２１ａの開口を駆動脚１１側に向けた姿勢で、支持部材２１による音叉型振動子１の支持をすることにより、胴部１０における歪の上下非対称性は軽減される。そこで、図５の第４の実施の形態は、図４の第３の実施の形態と同様な作用・効果を奏すうることができる。

図６は、本発明の第５の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材２２を示す図である。この支持部材２２は、高剛性材料でなる板２２ａ（図６（Ａ））と、低剛性材料でなる板２２ｂ（図６（Ｂ））とを交互に張り合わせてなる。高剛性材料と低剛性材料との組み合わせとしては、金属とプラスチック、ガラス布とエポキシ樹脂などが可能である。第５の実施の形態の振動子支持構造は、支持部材２２の柔軟性に異方性を持たせた複合材料でなり、励振用駆動脚の振動方向における支持部材２２の剛性は励振用駆動脚の振動方向に直交する方向における支持部材２２の剛性より小さい。柔軟性に異方性を持たせた支持部材２２では、支持部材２２が図６（Ｃ）の姿勢にあるときに、同じ大きさの振動が支持部材２２の縦と横に加えられると、図６（Ｃ）に概念的に示すように、縦方向の伸びは小さく、横方向の伸びは大きい。

図６に示した構成の本発明の第５の実施の形態では、図４及び図５の実施の形態で述べたところと同様に、胴部１０における面内振動に対する支持部材２２の負荷を軽減できるので、図４及び図５の実施の形態に付いて述べたところと同様な作用効果を奏することができる。

なお、以上には本発明の実施の形態を、図面を参照して、具体的に説明したが、本発明がこれらの実施の形態に限定されるものでないことは勿論である。

本発明の第1の実施の形態の振動子支持構造を有する音叉型振動ジャイロを示す分解斜視図である。 図１の音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロにおける振動子支持構造（本発明の第1の実施の形態）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。 音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロを支持する本発明の第２の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。 音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロを支持する本発明の第３の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。 音叉型振動ジャイロにおける音叉型振動子の斜視図（Ａ）、その音叉型振動ジャイロを支持する本発明の第４の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材の斜視図（Ｂ）及び該支持部材の作用を概念的に示す図（Ｃ，Ｄ）である。 本発明の第５の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材に用いる高剛性材料でなる板２２ａの斜視図（Ａ）、その第５の実施の形態（振動子支持構造）である支持部材に用いる低剛性材料でなる板２２ｂの斜視図（Ｂ）及び該板２２ａ及び板２２ｂを交互に張り合わせてなる支持部材２２の斜視図である。 音叉型振動子の胴部を支持部材で支持したときに、振動子に現れる歪の変動を示す模式図である。 胴部１０の重心を支持しないときにおける駆動振動方向（面内振動方向）の変位の分布図である。 胴部１０の重心を支持しないときにおける駆動振動と直交する方向（面垂直振動方向）の変位の分布図である。 胴部１０の重心を支持部材２で支持したときにおける駆動振動方向（面内振動方向）の変位の分布図である。 胴部１０の重心を支持部材２で支持したときにおける駆動振動と直交する方向（面垂直振動方向）の変位の分布図である。 駆動脚と検出脚とを胴部で結合した構造の音叉型振動子の作動原理を説明する図である。 特許文献３に記載の回転速度センサ１０（音叉型振動ジャイロ）を示す図である。 特許文献３に記載の音叉１３を示す図である。 特許文献３に記載されたハウジング１１の基部１４及び取付構造体１５を示す図である。 特許文献４の振動型ジャイロスコープにおいて、振動子５０を支持する支持手段を示す図である。

符号の説明

１ 音叉型振動子
１ａ 音叉型振動子１における支持部材固着領域
２，２０，２１，２２ 支持部材
３ パッケージ
４ 交流電源
１０ 胴部
１１ 駆動脚
１１ａ，１１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ 励振用駆動脚
１１ｃ 非励振用駆動脚
１２ 検出脚
１２ａ，１２ｂ，１１２ａ，１１２ｂ 振動用検出脚
１２ｃ 非振動用検出脚
２０，２１ 支持部材
２１ａ 溝
２２ａ 高剛性材料でなる板
２２ｂ 低剛性材料でなる板
３０ パッケージ基板
３０ａ 支持部材搭載領域
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ 端子
４１，４２ リード線
４３，４４ 電極
２０１，２０２ 圧電セラミック
α１，β１，α２，β２ 駆動脚の振動方向
ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２ 胴部の上側（支持部材が固着されていない側）における歪
ｃ１，ｄ１，ｃ２，ｄ２ 胴部の下側（支持部材が固着されている側）における歪

Claims (5)

1. 音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
   前記支持部材には、前記励振用駆動脚の印加電圧に同期した励振電圧が印加される電極が設けてあり、該支持部材は、該電極に印加される該励振電圧により前記駆動脚の振動方向と平行な方向に前記励振用駆動脚の駆動振動に同期して振動する構造体であることを特徴とする振動子搭載構造。
2. 前記支持部材は、圧電材料でなることを特徴とする請求項１に記載の振動子搭載構造。
3. 音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
   前記励振用駆動脚の振動方向に平行な方向における前記支持部材の柔軟性は、該方向における前記胴部の柔軟性より大きく、
   前記励振用駆動脚の軸方向に直交する平面における前記支持部材の断面形が凹形であり、
   前記支持部材は、前記凹形における溝の縁に対応する領域で前記胴部に固着されることを特徴とする振動子搭載構造。
4. 音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
   前記励振用駆動脚の振動方向に平行な方向における前記支持部材の柔軟性は、該方向における前記胴部の柔軟性より大きく、
   前記励振用駆動脚の振動平面に平行な平面における前記支持部材の断面形が凹形であり、
   前記凹形における窪みは、前記励振用駆動脚側に面することを特徴とする振動子搭載構造。
5. 音叉型振動子をパッケージに収容してなり、該音叉型振動子が一対の励振用駆動脚および一対の振動用検出脚並びに該励振用駆動脚および該振動用検出脚を結合する胴部でなる音叉型振動ジャイロにおける該パッケージに内包され、該胴部と該パッケージの間に介在し、両者に固着された支持部材を有する振動子搭載構造において、
   前記励振用駆動脚の振動方向に平行な方向における前記支持部材の柔軟性は、該方向における前記胴部の柔軟性より大きく、
   前記支持部材は、高剛性の材料と低剛性の材料とを交互に張り合わせた複合材でなり、
   前記励振用駆動脚の振動方向における剛性は該励振用駆動脚の振動方向に直交する方向の剛性より小さいことを特徴とする振動子搭載構造。

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