JP4262691B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、機械的な共振周波数で振動する振動子と、該振動子の角速度に応じたコリオリ力により該振動子に生じる振動を検出振動として検出し、その検出振動に基づき角速度を測定する振動ジャイロに関し、特に駆動振動が検出側脚に漏れるのを防ぎ、検出振動におけるバイアスの低減およびその安定化をもたらす振動子の構造に関する。

多脚を有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及び特許文献２には、駆動側脚および検出側脚を胴部で結合してなり、駆動側脚および検出側脚がそれぞれ３本の脚でなる構造の音叉型振動ジャイロが提案されている。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６を参照して説明する。図６（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振動子の状態を表し、図６（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振動子の状態を表す。図において、１１１ａ，１１１ｂは駆動脚（特許文献１における励振用駆動側アーム）、１１２ａ，１１２ｂは検出脚（特許文献１における振動用検出側アーム）である。駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは、互いに対をなし、逆位相で振動する。駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは、駆動側脚（特許文献１では、駆動側アーム）１１１と称する。検出脚１１２ａ及び１１２ｂは、互いに対をなし、逆位相で振動する。検出脚１１２ａ及び１１２ｂは、検出側脚（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で表し、底面（図に現れていない）を符号１０ｂで表し、一方の端面を符号１０ｃで表し、他方の端面（図に現れていない）を符号１０ｄで表し、一方の側面を符号１０ｅで表し、他方の側面（図に現れていない）を符号１０ｆで表すこととする。上面１０ａ及び底面１０ｂ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、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６の音叉型振動ジャイロでは省略した。

図６の振動子は、胴部１０、駆動脚１１１ａ及び１１１ｂ並びに検出脚１１２ａ及び１１２ｂでなる。この振動子は、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、駆動脚１１１ａ，１１１ｂ及び検出脚１１２ａ，１１２ｂの厚みは同一である。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、駆動脚１１１ａ，１１１ｂの軸及び検出脚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。駆動脚１１１ａ及び検出脚１１２ａの軸は同一の軸線上にある。同様に、駆動脚１１１ｂ及び検出脚１１２ｂの軸も同一の軸線上にある。また、胴部１０の重心を通り、側面１０ｅに平行な面に関し、駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは対称であり、また検出脚１１２ａ及び１１２ｂも対称である。駆動脚１１１ａ，１１１ｂ及び検出脚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６の構造の振動子を有する音叉型振動ジャイロにおいて、駆動用電極に励振用の交流電圧である駆動信号を印加すると、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６（Ａ）において矢印Ｄａ及びＤｂで表してある。

駆動脚１１１ａ及び１１１ｂが駆動信号で励振され、駆動振動Ｄａ及びＤｂをしているときに、角速度ωの回転が図（Ｂ）に示す方向に入力されると、駆動脚１１１ａ及び１１１ｂには脚端速度に比例するコリオリ力が作用する。脚端速度は、駆動脚１１１ａ，１１１ｂが最大の振幅に振れた位置でゼロとなり、振動の中央位置（振幅がゼロの位置）に脚があるときに最大となる。駆動振動Ｄａ及びＤｂをしている駆動脚１１１ａ及び１１１ｂにコリオリ力が作用すると、駆動脚１１１ａ及び１１１ｂは駆動振動と９０度位相がずれたほぼ同じ周波数で振動する。駆動脚１１１ａ及び１１１ｂの振動は、駆動振動Ｄａ及びＤｂと、コリオリ力に起因する振動とを重畳した振動となる。このコリオリ力による脚の振動成分をコリオリ振動と定義する。駆動脚１１１ａ及び１１１ｂに生じるコリオリ振動は、それぞれ矢印Ｃａ及びＣｂでもって図６に示してある。コリオリ振動Ｃａ及びＣｂは、胴部１０を介して、検出脚１１２ａ及び１１２ｂに検出振動Ｓａ及びＳｂとして伝達される。コリオリ振動Ｃａ及びＣｂの位相は互いに逆である。同様に、検出振動Ｓａ及びＳｂの位相も互いに逆である。コリオリ振動Ｃａ，Ｃｂ及び検出振動Ｓａ，Ｓｂは、胴部１０の主面に直交する方向の振動であるので、面垂直振動と称する。検出振動Ｓａ，Ｓｂの周波数は、コリオリ振動Ｃａ，Ｃｂの周波数と同じである。

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、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Ｄａ及びＤｂは、検出側脚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は高い効率で検出脚１１２ａ，１１２ｂに伝搬する。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Ｓａ及びＳｂである。音叉型振動ジャイロは、検出振動Ｓａ及びＳｂにより検出脚１１２ａ及び１１２ｂの検出用電極に現れる電圧を検出信号として取り出し、駆動信号を基準位相信号として検出信号の同期検波をすることにより、角速度ωを測定する。角速度ωの大きさは検出振動の大きさ（検出信号の大きさに比例）、ひいては同期検波出力の絶対値として現れる。また角速度ωの方向は、駆動信号に対する検出振動の位相（＝検出信号の位相）、ひいては同期検波出力の極性として現れる。

音叉型振動ジャイロでは、検出脚１１２ａ，１１２ｂに現れる検出振動（Ｓａ，Ｓｂ）が信号であり、検出脚１１２ａ，１１２ｂに漏れて現れる駆動振動成分はバイアスである。検出振動（Ｓａ，Ｓｂ）におけるノイズでは、バイアスの変動成分の割合が大きい。ノイズの大きさは、バイアスの大きさに比例する。そこで、検出脚１１２ａ，１１２ｂにおける検出振動成分（Ｓａ，Ｓｂ）に対する駆動振動成分の変動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、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。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（Ｓａ，Ｓｂ）]に対するバイアスであるから、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。

図５は、６脚型の振動子を備える音叉型振動ジャイロの要部を示す分解斜視図である。この６脚型の振動子は、図６の４脚型の振動子における駆動脚１１１ａ及び１１１ｂの間に1つの非励振用駆動脚を設け、また検出脚１１２ａ及び１１２ｂの間に1つの非振動用検出脚を設けた構造を有する。 図において、１は音叉型振動子、２は支持部材、３はパッケージ、１０は胴部、１１は駆動側脚、１１ａ，１１ｂは駆動脚、１１ｃは非励振用駆動脚、１２は検出側脚、１２ａ，１２ｂは検出脚、１２ｃは非振動用検出脚、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は端子である。図５の駆動脚１１ａ及び１１ｂは図６の駆動脚１１１ａ及び１１１ｂにそれぞれ相当し、図５の検出脚１２ａ及び１２ｂは図６の検出脚１１２ａ及び１１２ｂにそれぞれ相当する。

図５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に接着剤で固着されている。支持部材固着領域の中心は、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を支持基部として、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における駆動側脚１１は、図６の駆動側脚１１１における駆動脚１１１ａ，１１１ｂに対応する駆動脚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における検出側脚１２は、図６の検出側脚１１２における検出脚１１２ａ，１１２ｂに対応する検出脚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、駆動側脚１１および検出側脚１２の振動を安定化するために備えてある。図５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６に示す音叉型振動子の作用と同様である。

図５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。この音叉型振動子１は、ワイヤーソー、砥石等による機械加工により成形される。音叉型振動子１における駆動脚１１ａ及び１１ｂの少なくとも一方には駆動用電極が、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。

特開２００１‐２５５１５２ 特開２００１‐２０８５４５ 特開２００２−２４３４５１ 特開２０００−３３７８８０ 特開平１１−６４０００ 特開平１０−１７０２７４

振動ジャイロ用音叉型振動子では、材料の物性値の異方性などにより駆動振動に非対称性が発生する。駆動振動の非対称性には、駆動側脚１１が２つの駆動脚１１ａ及び１１ｂでなる図５の振動子の例では、駆動脚１１ａ及び１１ｂそれぞれが、外側に振れるときと内側に振れるときとで振動変位（振れの大きさ）が相違するという意味の非対称振動と、駆動脚１１ａと１１ｂとで面内方向の振動変位が相違するという意味の非対称振動とがある。これらの振動ジャイロ用音叉型振動子に於ける非対称振動成分は、漏れ駆動振動として検出脚１２ａと１２ｂに現れる。検出脚１２ａと１２ｂに漏れ駆動振動が現れると、検出脚１２ａと１２ｂにおける検出振動には、コリオリ力に基づくコリオリ振動に漏れ駆動振動が重畳される。検出振動における漏れ駆動振動成分は、検出信号におけるバイアスとなる。このバイアスは、振動ジャイロの角速度検出精度を下げる。特に、バイアスは環境温度などにより変動するので、バイアスが大きいことは角速度検出精度の不安定性の原因となる。

振動ジャイロ用音叉型振動子における振動の非対称性は次のような原因により生じる。
（１）音叉型振動子が圧電単結晶でなるとき、弾性定数や圧電定数といった結晶の物性値の異方性、すなわち振動子の結晶異方性に起因して、駆動脚が振動面内で外側に振れる半振動と、内側に振れる半振動とで、振動変位が相違する。このように、振動子の結晶異方性により、駆動脚に非対称振動が生じる。
（２）振動ジャイロのパッケージに振動子を搭載するには、振動子の胴部における振動の小さい領域に支持部材を固着し、この支持部材で振動子を支える。そこで、胴部の振動は支持部材に固着される側の面（支持部材固着面）は支持部材に拘束され、支持部材固着面に対面する側の面（支持部材固着面対向面）はなんらの拘束も受けないので、支持部材固着面に生じる歪は支持部材固着面対向面に生じる歪より小さく、駆動振動に同期して胴部が湾曲振動をする。湾曲振動における振動方向は該両面に垂直な方向、即ち面垂直振動の方向である。この湾曲振動と駆動振動との相互作用により、支持部材に由来する面垂直振動が生じる。この面垂直振動は、バイアスとして両検出脚に現れる。該バイアスとして２つの検出脚に現れる面垂直振動は、互いに逆相であり、両検出脚の振動を互いに非対称にする。この非対称振動は、支持部材で振動子をパッケージへ接合することにより、駆動振動に応じて胴部に生じる歪が、面垂直方向において不平衡であることに起因する。このように、支持部材に起因して、検出脚に非対称振動が生じる。
（３）駆動脚をワイヤーソー、砥石等で加工する際に、加工誤差が生じ、両駆動脚の振動が互いに非対称となる。即ち、駆動脚の形状加工誤差により駆動脚に非対称振動が生じる。

駆動脚１１ａ，１１ｂが面内振動をするときに、駆動脚１１ａ，１１ｂの面内振動に関する胴部１０の等価弾性率が駆動脚１１ａ，１１ｂの外側で小さく、内側で大きいことによるもの、すなわち胴部１０の等価弾性率の非対称性によるに起因しても、駆動脚に非対称振動が生じる。ここでいう胴部１０の等価弾性率とは、駆動脚１１ａ，１１ｂが面内振動をするとき、駆動脚１１ａ，１１ｂが胴部１０から受ける拘束の強さに関するものである。胴部１０の等価弾性率の非対称性は、具体的には、駆動脚１１ａ，１１ｂが内側に振れるときは、外側に振れるときより、胴部１０より大きな拘束力を受け、駆動脚１１ａ，１１ｂの振動変位が内側に振れるときは小さく、外側に振れるときは大きくなるという現象として、現れる。胴部１０の等価弾性率の非対称性は、胴部１０の側面１０ｅ，１０ｆにより近い部分に駆動脚１１ａ，１１ｂを形成しているほど、顕著に現れる。しかしながら、胴部１０の等価弾性率の非対称性により検出脚に現れるバイアスは、両検出脚において同相であるので、両検出脚の電極から出力される検出信号を同期検波回路で検波される際に、相殺される。

図４は、圧電単結晶でなるとき音叉型の振動子の材料に、弾性定数や圧電定数といった結晶の物性値の異方性（結晶異方性）があるとき、振動子の結晶異方性に起因して駆動脚に生じる非対称振動を説明する概念図である。ここで、１１ａ’は最も大きく外側に変位した状態の駆動脚１１ａを、１１ｂ’は最も大きく外側に変位した状態の駆動脚１１ｂを、それぞれ示す。その他の符号は図５のものと同じである。このような振動子１においては、駆動脚１１ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄao、駆動脚１１ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄbo、駆動脚１１ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄaiおよび駆動脚１１ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄbiの関係は、図４に示すように、Ｄai＝Ｄbo＞Ｄao＝Ｄbiとなる。このように、振動子１に結晶の異方性があると、駆動脚１１ａ，１１ｂが図の右側に振れるときと、図の左側に振れるときとで、振幅（半振幅）が相違する、即ち左右方向で駆動振動の大きさが相違するのである。

駆動振動が検出脚に漏れるのを抑制する構造として、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６に記載のものが提案されている。

図７は、特許文献３に記載の角速度センサおよびその特性調整方法を示す。特許文献３では、一対の駆動脚について、質量バランスを厳密に調整するために、いずれか一方、もしくは両方の稜線に研削部（３１ｂ）を設けている。振動子製造後に出力を見ながら調整加工を行うので、調整の自由度はあるが、加工が難しく、調整にかかる工数が大であり、製造コストの上昇を招く。

図８は特許文献４記載の振動型ジャイロ調整方法を示す。特許文献４では、一対の駆動脚について、その一方の根元を深さ方向に角度をつけて溝加工を施し、共振周波数の調整と漏れ振動軽減の調整を同時に行っている。この方法では、振動子製造後に出力を見ながら調整加工を行うので、調整の自由度はあるが、加工が難しく、調整にかかる工数が大であり、製造コストの上昇は避けられない。

図９は特許文献５記載の振動ジャイロで、電極の配置で振動方向や振幅を制御する方法が提案されている。機械的振動品質係数Ｑが数千から数万と高い圧電単結晶材料でなる振動子を、共振状態で使用する振動ジャイロにおいては、一般に、電極の面積や印加電圧を変えても振動の方向や振幅は殆ど変化しないので、この方法は圧電単結晶材料でなる振動ジャイロには効果が少ない。

図１０は特許文献６記載の振動ジャイロで、駆動脚の剛性を変えるため脚の角部へ金属の蒸着、接着剤の塗布を行っている。安価な設備で実施でき、振動子を破損する怖れもないが、この方法も、振動子製造後に出力を見ながら調整加工を行うので、調整にかかる工数が大であり、製造コストの上昇は避けられない。

そこで、本発明の目的は、振動子の結晶異方性に起因する振動の非対称性を低減し、振動子毎の個別の加工工程を要せずしてバイアスおよびその不安定性を低減できる構造の振動子を備える音叉型振動ジャイロの提供にある。

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）一対の駆動脚および一対の検出脚並びに該駆動脚および該検出脚を結合する胴部でなる圧電単結晶製の振動子と該振動子を搭載するパッケージと、該パッケージ及び該胴部に固着され、該パッケージの一部の領域を支持基部として該胴部を支える支持部材を備える振動ジャイロにおいて、
前記一対の駆動脚それぞれの長手軸に直交する面における各該駆動脚の駆動振動の方向の長さを該駆動脚それぞれの幅とするとき、
前記支持部材により前記胴部に上下非対称に生じる歪と前記振動子の結晶異方性による左右非対称の駆動振動との相互作用により前記検出脚に現れるバイアスを低減するための脚幅相違構造を有し、
前記脚幅相違構造は前記一対の駆動脚の前記幅を互いに異ならせた構成である
ことを特徴とする振動ジャイロ。

（２）駆動脚ａ及びｂが前記一対の駆動脚をなし、駆動脚ａ及びｂの前記幅をそれぞれＷa及びＷbとし、駆動脚ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤao、駆動脚ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbo、駆動脚ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤai、駆動脚ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbiとするとき、
前記振動子が、Ｗa＝ＷbのときにはＤai＝Ｄbo＜Ｄao＝Ｄbiとなるようにカット面を形成した圧電単結晶でなり、Ｗa＞Ｗbである
ことを特徴とする前記（１）に記載の振動ジャイロ。

（３）駆動脚ａ及びｂが前記一対の駆動脚をなし、駆動脚ａ及びｂの前記幅をそれぞれＷa及びＷbとし、駆動脚ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤao、駆動脚ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbo、駆動脚ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤai、駆動脚ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbiとするとき、
前記振動子が、Ｗa＝ＷbのときにはＤai＝Ｄbo＞Ｄao＝Ｄbiとなるようにカット面を形成した圧電単結晶でなり、Ｗa＜Ｗbである
ことを特徴とする前記（１）に記載の振動ジャイロ。

上記本発明によれば、結晶異方性により振動子に生じる振動の左右非対称性によるバイアスおよびその不安定性が、振動子製造後に出力を見ながら振動子を加工という工程を要せずして実現できる構造の振動子を備える音叉型振動ジャイロが提供できる。この本発明の音叉型振動ジャイロでは、振動子製造後に出力を見ながら振動子を調整するという工程含むことなく、振動子を製造できるので、検出脚に漏れる駆動振動が低減され、ひいては角速度検出精度の向上と安定化が図られる。また、本発明の振動ジャイロにおける振動子は、製造後の加工を要しないので、製造後に振動子を個々に加工し、振動の非対称性を改善する従来の振動ジャイロに比べ、安価に製造できる。

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、本発明の一実施の形態を概念的に示す斜視図である。図２は、図１の実施の形態の作動原理を説明する図である。図２では、説明の簡潔化のために図１における非励振用駆動脚および非振動用検出脚は省略してある。図２では、図１の実施の形態において、振動子を支える支持部材により胴部に生じる歪の上下非対称性と、結晶の異方性により生じる駆動脚の振動（駆動振動）の左右非対称性との相互作用を説明している。図３は、図１の音叉型振動子の胴部を支持部材で支持したときに、その振動子の胴部に現れる歪の変動を示す模式図である。

図１乃至図３において、１は音叉型振動子、１０は胴部、１１ａ，１１ｂは駆動脚、１１ａ’は最も大きく外側に変位した状態の駆動脚１１ａ、１１ａ’’は最も大きく内側に変位した状態の駆動脚１１ａ、１１ｂ’は最も大きく外側に変位した状態の駆動脚１１ｂ、１１ｂ’’は最も大きく内側に変位した状態の駆動脚１１ｂ、１１ｃは非励振用駆動脚、１２ａ，１２ｂは検出脚、１２ｃは非振動用検出脚、Ｄaは駆動脚１１ａの振幅、Ｄbは駆動脚１１ｂの振幅、Ｄaoは駆動脚１１ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）、Ｄboは駆動脚１１ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）、Ｄaiは駆動脚１１ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）、Ｄbiは駆動脚１１ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）、Ｗaは駆動脚１１ａの幅、Ｗbは駆動脚１１ｂの幅、Ｙは振動子１をなす圧電単結晶の結晶軸をそれぞれ示す。

図１の実施の形態の振動ジャイロにおける振動子１は、図４、図５に示したものと同じく、６脚型の音叉型振動子であり、一対の駆動脚１１ａ，１１ｂおよび一対の検出脚１２ａ，１２ｂを胴部１０で結合してなり、駆動脚１１ａ，１１ｂの間に非励振用駆動脚１１ｃを設け、検出脚１２ａ，１２ｂの間に非振動用検出脚１２ｃを設けてなる。本実施の形態の振動ジャイロでは、振動子１は、図５に示す如くに、支持部材２を介してパッケージ３に搭載される。振動子１は圧電単結晶でなる。図１乃至図３で示す本発明の実施の形態の振動ジャイロは、駆動脚１１ａ，１１ｂの長手軸に直交する面（図２のＹ軸方向に直交する面）における駆動振動方向の長さを各駆動脚の幅とするとき、駆動脚１１ａの幅Ｗaと駆動脚１１ｂの幅Ｗbとが相違し、Ｗa＞Ｗbであることを特徴としている。

図３の模式図は、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している。図３（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１０に加えられたときに胴部１０に表れる歪を現す。図３（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３（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３（Ａ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの脚の振動変位α１及びβ１による応力が胴部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＝ｃ１，ｂ１＝ｄ１であることを現している。図３（Ｂ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの脚の振動変位α２及びβ２による応力が胴部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＝ｃ２，ｂ２＝ｄ２であることを現している。

これに対し、図３（Ｃ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの脚の振動変位α１及びβ１（α１＞β１）による応力が胴部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＞ｃ１，ｂ１＞ｄ１，ａ１＞ｂ１，ｃ１＞ｄ１であることを現している。また、図３（Ｄ）は、駆動脚に励振された駆動振動により、互いに反対向きの脚の振動変位α２及びβ２（α２＜β２）による応力が胴部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＞ｃ２，ｂ２＞ｄ２，ａ２＜ｂ２，ｃ２＜ｄ２であることを現している。

図３（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１０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、検出振動に対しバイアスとなる。このバイアスは、環境温度などにより変動するので、不安定であり、振動ジャイロによる角速度の検出精度を低下させる。

図２及び図３を参照して、振動子１の結晶異方性による駆動振動の左右非対称性に基づく検出脚１２ａ，１２ｂのバイアス振動が、図１の本発明の実施の形態により軽減される原理を説明する。図１の本発明の実施の形態は、対をなす駆動脚１１ａ及び１１ｂそれぞれの幅Ｗa及びＷbの関係がＷa＞Ｗbである点を除き、図４の振動子と同じである。図４の振動子１では、脚１１ａ及び１１ｂそれぞれの幅Ｗa及びＷbの関係がＷa＝Ｗbである。図１の振動子１では、Ｗa＞Ｗbであるから、駆動脚１１ａ及び１１ｂそれぞれの振幅Ｄa及びＤbの関係はＤa＜Ｄbとなる。図２（Ａ）は、結晶異方性の影響による駆動脚１１ａ，１１ｂの左右方向における振幅(半振幅)の差を現している。図２（Ｂ）は、駆動脚１１ａの幅Ｗaと駆動脚１１ｂの幅Ｗbとの関係をＷa＞Ｗbとしたことによる駆動脚１１ａ，１１ｂの左右方向における振幅(半振幅)の差を現している。図２（Ｃ）は、胴部１０の肩部の影響による駆動脚１１ａ，１１ｂの左右方向における振幅(半振幅)の差を現している。

胴部１０の端面に駆動脚１１ａ，１１ｂが設けられる位置が、その端面の左右方向に関し、胴部１０の側面側に偏っているので、駆動脚１１ａ，１１ｂが内側に振れるときは、外側に振れるときより、胴部１０より大きな拘束力を受け、駆動脚１１ａ及び１１ｂそれぞれの長手軸に関し胴部１０の等価弾性率が非対称となり、駆動脚１１ａ，１１ｂの振動変位が内側に振れるときは小さく、外側に振れるときは大きくなる。このように、胴部１０の肩部の影響により、駆動脚１１ａ，１１ｂの振幅(半振幅)には、左右方向で差が生じることは前に述べたとおりである。駆動脚１１ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄao、駆動脚１１ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄbo、駆動脚１１ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄai、駆動脚１１ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）Ｄbiの関係を見ると、胴部１０の肩部の影響による駆動脚１１ａ，１１ｂの左右方向に生じる振幅(半振幅)の差は、図２（Ｃ）に示すように、Ｄao＝Ｄbo＞Ｄai
＝Ｄbiとなる。

Ｄao＝Ｄbo＞Ｄai ＝Ｄbiであるとき、振動子１の長手軸Ｌに関し駆動脚１１ａ，１１ｂの振動は対称であるから、図３を参照して説明した支持部材２による胴部１０の上下非対称振動により、検出脚１２ａ，１２ｂにバイアス振動が現れたとしても、検出脚１２ａ，１２ｂのバイアス振動は互いに同相である。検出脚１２ａ，１２ｂのバイアス振動が互いに同相であれば、検出脚１２ａ，１２ｂの出力の検出信号を差動増幅器（差動アンプ）に入力することにより、バイアス成分は互いに打ち消し合い、差動増幅器の出力にはあら現れない。図２（Ｃ）にいては、検出脚１２ａ，１２ｂの面垂直振動の方向が○印の中に×印を記した記号と、○印の中に黒丸印を記した記号とで表してある。Ｓao及びＳaiは駆動脚１１ａの振動変位Ｄao及びＤaiによる検出脚１２ａの面垂直振動を表し、Ｓbo及びＳbiは駆動脚１１bの振動変位Ｄbo及びＤbiによる検出脚１２bの面垂直振動を表す。Ｓao及びＳboは、同相であるから、差動増幅器で打消し合う。同様に、Ｓai及びＳbiは同相であり、差動増幅器でやはり打消し合う。

図４のようにＷa＝Ｗbであっても、結晶異方性により、Ｄai＝Ｄbo＞Ｄao＝Ｄbiとなる振動子１において、駆動脚１１aの脚幅Ｗa，駆動脚１１bの脚幅Ｗbを図１のようにＷa＞Ｗbとしたときは、図２（Ｂ）に示すように、Ｄai＜Ｄbo，Ｄao＜Ｄbi，Ｄao≠Ｄbo，Ｄai≠Ｄbiとなる。駆動脚１１aが駆動脚１１bより振動方向（面内振動方向）に幅広であり、駆動脚１１aの弾性係数が駆動脚１１bの弾性係数より大きく、同じ駆動信号で励振されたときは、駆動脚１１aは駆動脚１１bより振れ難いからである。図２（Ｂ）に示すようにＤai＜Ｄbo，Ｄao＜Ｄbi，Ｄao≠Ｄbo，Ｄai≠Ｄbiあれば、振動子１の長手軸Ｌに関し駆動脚１１ａ，１１ｂの振動は非対称であるから、図３を参照して説明した支持部材２による胴部１０の上下非対称振動により、検出脚１２ａ，１２ｂに現れるバイアス振動は検出脚１２ａと検出脚１２ｂとで互いに逆相となる。検出脚１２ａ，１２ｂのバイアス振動Ｓao及びＳboが逆相、またＳai及びＳbiが逆相であれば、検出脚１２ａ，１２ｂの出力を差動増幅器に入力しても、バイアス成分は互いに加算され、打消されない。

図２（Ａ）のように、振動子１の結晶異方性により、駆動脚１１ａ，１１ｂの左右方向における振幅(半振幅)の差が現れるとき、振動子１においては、Ｄai＝Ｄbo＜Ｄao＝Ｄbiとなる。このように、振動子１に結晶の異方性があると、駆動脚１１ａ，１１ｂが図の右側に振れるときと、図の左側に振れるときとで、振幅（半振幅）が相違する、即ち左右方向で駆動振動の大きさが相違するのである。図４の振動子ではＤai＝Ｄbo＞Ｄao＝Ｄbiであったのに対し、図２（Ａ）では大小関係が逆になっているが、左右方向でどちら向きの駆動振動が大きいかは、振動子１の圧電単結晶の結晶軸とカット面（図６における上面１０ａ、側面１０ｅ、端面１０ｃ等）との角度による。したがって、結晶異方性による駆動振動の左右非対称が生じるとき、左右方向でどちら向きの駆動振動が大きいかは、設計の際に予め知ることができる。

いま、振動子１の結晶異方性による駆動振動の左右非対称が、図２（Ａ）のようにＤai＝Ｄbo＜Ｄao＝Ｄbiとなるときも、図４のようにＤai＝Ｄbo＞Ｄao＝Ｄbiとなるときも、振動子１の長手軸Ｌに関し駆動脚１１ａ，１１ｂの振動は非対称であるから、図３を参照して説明した支持部材２による胴部１０の上下非対称振動により、検出脚１２ａ，１２ｂに現れるバイアス振動は検出脚１２ａと検出脚１２ｂとで互いに逆相となる。検出脚１２ａ，１２ｂのバイアス振動Ｓao及びＳboが逆相、またＳai及びＳbiが逆相であれば、検出脚１２ａ，１２ｂの出力を差動増幅器に入力しても、バイアス成分は互いに加算され、打消されない。

図２（Ａ）において、バイアス振動Ｓao及びＳboが逆相、またＳai及びＳbiが逆相であるが、図２（Ａ）おにけるバイアス振動Ｓao，Ｓbo，Ｓai及びＳbiは、図２（Ｂ）におけるバイアス振動Ｓao，Ｓbo，Ｓai及びＳbiとはそれぞれ逆向きである。そこで、図２（Ａ）の非対称振動と、図２（Ｂ）の非対称振動とが同時に生じる構造の振動子を作成すれば、これら互いに異なる原因による非対称振動でそれぞれ検出脚１２ａ，１２ｂに生じるバイアス振動Ｓao，Ｓbo，Ｓai及びＳbiは互いに打ち消し合う。即ち、胴部１０を支持部材で支える振動子１において、Ｗa＝ＷbのときにはＤai＝Ｄbo＜Ｄao＝Ｄbiとなるようにカット面を形成した圧電単結晶で振動子を構成し、かつＷa＞Ｗbとするならば、バイアス振動ＳaoとＳboが互いに打ち消し合い，バイアス振動ＳaiとＳbiとが互いに打ち消し合う。

図１の本実施の形態の振動子１では、一対の駆動脚１１ａの脚幅Ｗaと駆動脚１１ｂの脚幅Ｗbとの関係がＷa＞Ｗbであり、圧電単結晶のカット面が結晶軸に対しなす角度は、Ｗa＝ＷbであればＤai＝Ｄbo＜Ｄao＝Ｄbiとなるように選択してある。ＷaとＷbとの差を適切に選択することにより、Ｓao＝Ｓbo，Ｓai＝Ｓbiとすることができ、ひいては圧電単結晶の結晶異方性に起因する検出脚１２ａ，１２ｂのバイアス振動を大幅に抑制できる。なお、以上の説明における、Ｄai，Ｄbo，Ｄao，Ｄbi，Ｓao，Ｓbo，Ｓai，Ｓbiは絶対値である。

以上には、実施の形態を挙げ、本発明を具体的に説明したが、本発明がそ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。例えば、図４のおけるように、Ｗa＝ＷbのときにはＤai＝Ｄbo＞Ｄao＝Ｄbiとなるようにカット面を形成した圧電単結晶で振動子を構成し、かつＷa＜Ｗbとすることにより、上述の実施の形態と同様に、振動子の結晶異方性に起因する検出脚のバイアス振動を大幅に抑制できる。

本発明の一実施の形態を概念的に示す斜視図である。 図１の実施の形態の作動原理を説明する図である。 図１の実施の形態において、振動子の胴部を支える支持部材により胴部に生じる歪の上下非対称性を説明する図である。 圧電単結晶でなるとき音叉型の振動子の材料に、弾性定数や圧電定数といった結晶の物性値の異方性（結晶異方性）があるとき、振動子の結晶異方性に起因して駆動脚に生じる非対称振動を説明する概念図である。 一対の駆動脚および１つの非励振用駆動脚で駆動側脚を構成し、一対の検出脚および１つの非振動用検出脚で検出側脚を構成し、駆動側脚および検出側脚を胴部で結合した構造の６脚音叉型振動子を備えた振動ジャイロを示す分解斜視図である。 一対の駆動脚と一対の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に記載の角速度センサを示す図である。 特許文献４記載の振動型ジャイロを示す図である。 特許文献５記載の振動ジャイロの図で、電極の配置で振動方向や振幅を制御する方法が示されている。 特許文献６記載の振動ジャイロの図で、駆動脚の剛性を変えるため脚の角部へ金属の蒸着、接着剤の塗布を行っている。

符号の説明

１ 音叉型振動子
２ 支持部材
３ パッケージ
１０ 胴部
１０ｃ，１０ｄ 胴部端面
１０ｅ，１０ｆ 胴部側面
１１，１１１ 駆動側脚
１１ａ，１１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ 駆動脚
１１ａ’ 最も大きく外側に変位した状態の駆動脚１１ａ
１１ａ’’ 最も大きく内側に変位した状態の駆動脚１１ａ
１１ｂ’ 最も大きく外側に変位した状態の駆動脚１１ｂ
１１ｂ’’ 最も大きく内側に変位した状態の駆動脚１１ｂ
１１ｃ 非励振用駆動脚
１２，１１２ 検出側脚
１２ａ，１２ｂ，１１２ａ，１１２ｂ 検出脚
１２ｃ 非振動用検出脚
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
Ｃａ，Ｃｂ コリオリ振動
Ｄａ，Ｄｂ 駆動振動
Ｄa 駆動脚１１ａの振幅
Ｄb 駆動脚１１ｂの振幅
Ｄao 駆動脚１１ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）
Ｄbo 駆動脚１１ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）
Ｄai 駆動脚１１ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）
Ｄbi 駆動脚１１ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）
Ｓａ，Ｓｂ 検出振動
Ｓao 駆動脚１１ａの振動変位Ｄaoによる検出脚１２ａの面垂直振動
Ｓai 駆動脚１１ａの振動変位Ｄaiによる検出脚１２ａの面垂直振動
Ｓbo 駆動脚１１bの振動変位Ｄboによる検出脚１２bの面垂直振動
Ｓbi 駆動脚１１bの振動変位Ｄbiによる検出脚１２bの面垂直振動
Ｗa 駆動脚１１ａの幅
Ｗb 駆動脚１１ｂの幅
Ｙ 振動子１をなす圧電単結晶の結晶軸
ω 加速度

Claims (3)

1. 一対の駆動脚および一対の検出脚並びに該駆動脚および該検出脚を結合する胴部でなる圧電単結晶製の振動子と該振動子を搭載するパッケージと、該パッケージ及び該胴部に固着され、該パッケージの一部の領域を支持基部として該胴部を支える支持部材を備える振動ジャイロにおいて、
   前記一対の駆動脚それぞれの長手軸に直交する面における各該駆動脚の駆動振動の方向の長さを該駆動脚それぞれの幅とするとき、
   前記支持部材により前記胴部に上下非対称に生じる歪と前記振動子の結晶異方性による左右非対称の駆動振動との相互作用により前記検出脚に現れるバイアスを低減するための脚幅相違構造を有し、
   前記脚幅相違構造は前記一対の駆動脚の前記幅を互いに異ならせた構成である
   ことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 駆動脚ａ及びｂが前記一対の駆動脚をなし、駆動脚ａ及びｂの前記幅をそれぞれＷa及びＷbとし、駆動脚ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤao、駆動脚ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbo、駆動脚ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤai、駆動脚ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbiとするとき、
   前記振動子が、Ｗa＝ＷbのときにはＤai＝Ｄbo＜Ｄao＝Ｄbiとなるようにカット面を形成した圧電単結晶でなり、Ｗa＞Ｗbである
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 駆動脚ａ及びｂが前記一対の駆動脚をなし、駆動脚ａ及びｂの前記幅をそれぞれＷa及びＷbとし、駆動脚ａが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤao、駆動脚ｂが外側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbo、駆動脚ａが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤai、駆動脚ｂが内側に振れるときの振動変位（半振幅）をＤbiとするとき、
   前記振動子が、Ｗa＝ＷbのときにはＤai＝Ｄbo＞Ｄao＝Ｄbiとなるようにカット面を形成した圧電単結晶でなり、Ｗa＜Ｗbである
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。