JP4641107B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から機械式の回転ジャイロスコープが、飛行機や船舶の慣性航行装置として使われているが、装置が大きく、価格が高く、従って小型の電子機器や小型の輸送機械に組み込むことは困難である。
【０００３】
しかし近年、ジャイロスコープも小型化の研究が進み、圧電素子で振動体を励振し、振動体に設けた別の圧電素子で振動体が回転により受けるコリオリ力で起きる振動により発生する電圧を検出する振動ジャイロの実用化が進み、自動車のナビゲーションシステムやビデオカメラの手振れ検出装置等に使われている。
【０００４】
特に圧電性単結晶を用いた振動ジャイロは、構造が簡単で、調整もしやすく、また温度特性に優れ、有望視されている。以下に圧電性単結晶を使用した例として、水晶を用いた音叉型振動ジャイロの構造を図面を用いて説明する。図５は音叉型の振動ジャイロを示す斜視図である。
【０００５】
図５において、音叉Ｊ１０は水晶を一体加工したものに、駆動検出電極を蒸着した構造を有している。すなわち音叉Ｊ１０は、平行に配置された第１の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２が、基部Ｊ１５に結合した構造を持つものである。第１の足Ｊ１１には、駆動電極Ｊ３及びＪ４が蒸着されており、第２の足Ｊ１２には、検出電極Ｊ６，Ｊ７及びＪ８が蒸着されている。基部Ｊ１５の底面は、支持に用いられる。ここで、足の伸びた方向をＹ’方向、２本の足の並ぶ方向をＸ方向、Ｘ及びＹ’方向に直交する方向をＺ’方向とする。
【０００６】
作用について説明する。図６は、従来の音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明する為の、断面及び駆動検出回路の模式図である。図６において、左側に記す第１の足Ｊ１１の断面には、駆動電極Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３及びＪ４の断面が配置され、右側に記す第２の足Ｊ１２の断面には検出電極Ｊ５，Ｊ６，Ｊ７及びＪ８の断面が配置されている。
【０００７】
まず、第１の足Ｊ１１が例えば第２の足Ｊ１２に向かってＸ方向に屈曲すると、電極Ｊ２近傍がＹ’方向に伸び、電極Ｊ４近傍がＹ’方向に縮むが、この時水晶内部では圧電効果により電極Ｊ２近傍ではＸ方向に、また電極Ｊ４近傍では−Ｘ方向に電界が発生する。この時電界の向きを考慮すると電極Ｊ２及びＪ４は同電位で、足の中央より例えば高い電位となる。Ｘ方向に見ると、足の中央付近に配置された電極Ｊ１及びＪ３は、相対的に電極Ｊ２及びＪ４より低い電位となるので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及びＪ３の間には、電位差が発生する。圧電効果は可逆的なので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及びＪ３の間に電位差を与えれば、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、第１の足Ｊ１１はＸ方向に屈曲することになる。これらのことから、例えば電極Ｊ１及びＪ３の電位を参照として発振条件を超える増幅率でアンプＪＧを用いて増幅し、発振条件を満足する位相に移相回路ＪＰで整えて電極Ｊ２及びＪ４に戻すことにより、第１の足Ｊ１１の屈曲に伴う機械的な戻り力と電気的な力の間でエネルギーの交換が起こり、第１の足Ｊ１１をＸ方向に自励発振させることができる。
【０００８】
音叉Ｊ１０全体で見ると、第１の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２の運動量をバランスさせる為、第１の足Ｊ１１がＸ方向に動く時、第２の足Ｊ１２は−Ｘ方向に動き、第１の足Ｊ１１が−Ｘ方向に動く時、第２の足Ｊ１２がＸ方向に動く動作となるが、これを、通常の音叉が１つの面内で振動を行うのを理想とする慣例から、面内屈曲振動と呼ぶが、第１の足Ｊ１１，アンプＪＧ及び移相回路ＪＰで発生させる振動は面内屈曲振動と同じ動作であり、その周波数は、音叉Ｊ１０の面内屈曲振動の共振周波数とほぼ一致する。
【０００９】
この状態で音叉Ｊ１０全体をＹ’軸の回りに角速度ωで回転させると、音叉Ｊ１０の２つの足には、面内屈曲振動と直交するＺ’方向にコリオリ力Ｆｃが働く。コリオリ力Ｆｃは以下の式で表すことができる。
ＦＣ＝２・Ｍ・ω・Ｖ
ここで、Ｍは第１の足Ｊ１１又は第２の足Ｊ１２の質量であり、Ｖは第１の足Ｊ１１又は第２の足Ｊ１２の速度である。このコリオリ力ＦＣは、第１の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２に、面内屈曲振動の動作方向であるＸ方向と直交する、Ｚ’方向に変位する屈曲振動を励起する。以下これを面外屈曲振動と呼ぶ。また、コリオリ力は変位でなく、速度に比例する力なので、コリオリ力により発生する面外屈曲振動は、面内屈曲振動より９０度位相が遅れて発生する。
【００１０】
この面外屈曲振動により、例えば第２の足Ｊ１２の電極Ｊ５及びＪ８の近傍はＹ’方向に伸び縮みし、電極Ｊ６及びＪ７の近傍は電極Ｊ５及びＪ８の近傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極Ｊ５及びＪ８の近傍がＹ’方向に伸びている時、第２の足Ｊ１２の内部の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に縮むので、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及びＪ７の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生する。すなわち電極Ｊ５の電位が電極Ｊ８の電位より高い時、電極Ｊ７の電位は電極Ｊ６の電位より高い状態となる。また、電極Ｊ５及びＪ８の近傍がＹ’方向に縮んでいる時、第２の足Ｊ１２の内部の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に伸びるので、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及びＪ７の近傍では、Ｘ方向に電界が発生する。すなわち電極Ｊ５の電位が電極Ｊ８の電位より低い時、電極Ｊ７の電位は電極Ｊ６の電位より低い状態となる。
【００１１】
面外屈曲振動により発生するこれら電極Ｊ５及びＪ８と、電極Ｊ６及びＪ７の間の電位差は、Ｚ’方向に振れる第２の足Ｊ１２の方向に従って変化する。見方を変えると、例えば電極Ｊ５が高電位の時電極Ｊ７も高電位であり、この時電極Ｊ６及び電極Ｊ８は低電位であり、電極Ｊ５が低電位の時電極Ｊ７も低電位であり、この時電極Ｊ６及び電極Ｊ８は高電位である。コリオリ力は、電極Ｊ５又は電極Ｊ７と、電極Ｊ６又は電極Ｊ８の間の電位差として現れる。
【００１２】
コリオリ出力の検出信号は、電極Ｊ５及び電極Ｊ７を一方の入力信号とし、電極Ｊ６及び電極Ｊ８を他方の入力信号とした、差動バッファＪＤを経て乗算回路ＪＭに導かれ、面内屈曲振動の発振系の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプＪＧの出力を、移相回路ＪＰ２により９０度移相し、コンパレータＪＣにより２値化した参照信号により乗算され、乗算により検波された結果は、更に積分回路ＪＳにより平滑化され、正確な直流出力として検出できる。この直流出力はコリオリ力ＦＣに比例し、コリオリ力ＦＣは角速度ωに比例するので、この直流出力により角速度ωを知ることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧電性単結晶を用いた音叉型の振動ジャイロには以下のような課題がある。一般に振動体を支持する場合は、支持の影響が振動体に及ぶのを最小限にするため、振動体が振動中に殆ど動かない位置、すなわち振動の節のみを支持することを理想とする。音叉型振動ジャイロでは、足の延びた方向に垂直な２方向の屈曲振動を扱う事になるが、これら２方向の屈曲振動の中で、駆動に用いる面内屈曲振動においては、基部底面を支持する事によりほぼ理想的な支持が実現する。この支持方法においては、音叉型振動体は足の伸びた方向に僅かに変動するのみであり、支持部の変化による周波数変動は僅か数ＰＰＭに留まる。一方、面内屈曲振動と振動体の回転により足に生じたコリオリ力で励振される面外屈曲振動においては、音叉型振動体は音叉の中心対称軸の周りの捻り振動となるので、振動体の外部に振動を伝えない支持は難しい。従来の基部底面支持のごとく支持の影響が振動体に及ぶ理想的でない支持方法を用いる場合は、コリオリ力により発生する検出振動である面外屈曲振動も、後述する駆動用の振動である面内屈曲振動の検出振動への漏れ振動も支持部を通して振動体外部に伝わってしまい、Ｓ／Ｎの低下やドリフトの原因となる。
【００１４】
また、２脚音叉型振動ジャイロにおいては、棒状の振動体が駆動と検出をかねており、検出部が振動している。理論上は駆動方向が検出方向に直交しているので、駆動振動の影響は検出振動に及ばないのであるが、実際の加工精度においては、この直交度が充分でなく、検出方向は駆動により予め振動しており、検出電極は駆動振動を検出してしまう。駆動振動と検出振動の共振周波数を互いに離せば駆動振動が検出振動を僅かに励振する現象は少なくなるが、振動ジャイロにおいては、駆動振動と検出振動の共振周波数をコリオリ力が伝達できる程度に接近させているので、駆動振動の検出振動への漏れと言われるこの現象は避けられない。また、駆動電極及び検出電極の電極間の静電容量結合によっても、検出電極は駆動振動を検出してしまう。これはコリオリ力が無いにもかかわらず検出出力が出ている事を意味する。駆動振動は振幅が大きいので、支持部の環境変化や、振動体の温度変化による駆動振動の僅かな変化も、振幅の小さな検出振動に多大な影響を与え、Ｓ／Ｎが低下し、ドリフトが発生する。
【００１５】
［発明の目的］
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、Ｓ／Ｎが高く、ドリフトが少なく、検出精度の良い、振動ジャイロを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明の振動ジャイロは、下記の構成を採用する。
【００１７】
本発明の振動ジャイロは、基部と、基部上に並んで配設された３本の足と、を有する振動子と、３本の足のうち、一方の端に位置する第１の足と中央に位置する第２の足のみを面内方向に屈曲振動させる発振手段と、他方の端に位置する第３の足の面外方向の振動を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の振動ジャイロは、上記記載の構成に加えて、第３の足は、第１の足及び第２の足より幅が狭いことを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の振動ジャイロは、上記記載の構成に加えて、第１の足と基部とが結合する部分に肩部を有することを特徴とする。
【００２０】
さらに、本発明の振動ジャイロは、上記記載の構成に加えて、第２の足と第３の足とが、第１の足と前記第２の足との間隔以上離れていることを特徴とする。
【００２２】
[作用]
本発明による振動ジャイロは、３脚音叉型形状を採用し、振動の節を支持する事により、極めてＱ値が高く外部への振動漏れの少ない駆動振動及び検出振動を用い、また駆動振動によって振動しない検出部を用いることにより、駆動振動の影響が殆ど検出部に及ぶ事がなく、結果として高いＳ／Ｎと低いドリフトを実現する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の振動ジャイロを実施するための最良の形態による第１の実施の形態を図面を基に説明する。図１〜図４，図７及び図８は本発明の実施の形態である振動ジャイロであり、図１は以後３脚音叉１０と呼ぶ、３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図であり、図２は３脚音叉１０の断面，回路ブロック及び配線模式図であり、図３は３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示す表面図であり、図４は３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示す裏面図であり、図７及び図８は３脚音叉型振動体の振動モードを示す足の断面の動作説明図である。
【００２４】
［振動ジャイロの構造説明：図１〜図４］
本実施の形態においては、圧電性単結晶の中で、特に温度特性に優れた水晶を使用する。水晶は、Ｓｉ０２の単結晶で、常温では４つの結晶軸を持つ三方晶系に属する。結晶軸の１つはｃ軸と呼ばれ、結晶の頂点を通る結晶軸であり、残りの３つはａ軸と呼ばれ、ｃ軸に垂直な面内に互いに１２０度の角度を成す結晶軸である。ここでは、３つのａ軸のいずれかをＸ軸とし、ｃ軸をＺ軸とし、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態で使用する座標系は、上記Ｘ，Ｙ，Ｚ軸から、Ｘ軸の回りに、Ｚ軸からＹ軸の方向にθ度回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’軸及びＸ軸を用いる。このとき回転角θは０〜１０度とする。ここに示した回転角は、温度特性及び振動の安定度を指標に最適なものが選択される。３脚音叉１０は、一定の厚みを持つ２次元形状であるが、この厚み方向をＺ’軸方向にして切り出す。こうして切り出された３脚音叉１０の３脚音叉形状は、Ｘ−Ｙ’面内に２次元形状で表現される。ここで以下の説明において、Ｚ’軸方向を表裏方向とし、Ｚ’方向から見たＺ’軸に直交する面を表面、−Ｚ’方向から見たＺ’軸に直交する面を裏面と呼び、Ｘ軸方向を左右方向とし、Ｘ方向から見たＸ軸に直交する面を左側面、−Ｘ方向から見たＸ軸に直交する面を右側面と呼ぶ事とする。
【００２６】
図１は、３脚音叉１０を斜めから見た図であるが、電極は省略してある。図１に示すように、３脚音叉１０は足１〜３，基部９及び支持部１１から構成される。足１は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ１，Ｚ’方向の厚さがｔの、各々同一の寸法を持つ四角柱であり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。足２は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ２，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱であり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。足３は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ３，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱であり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。基部９は弾性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＤ，Ｘ方向の幅Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋２×Ｕ＋２×Ｋ，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱である。支持部１１は、弾性を持つ水晶からなり、形状は、Ｘ方向の幅が基部の幅の１／３〜１／１であり、Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱である。足１〜３は、Ｘ方向に足１，足２，足３の順に平行に、隙間Ｕを開けて配置され、各々の足は、基部９のＹ’方向に垂直な１つの面に接合している。このとき、基部９の左右側面と足１及び３の左右側面は単一平面とならず、足１及び３は、基部９の側面からＸ方向にＫだけ内側に配置され、肩部が形成される。支持部１１は、基部９の足１〜３の接合した面と平行な、底面と呼ぶもう１つの面の中央に接合している。基部がある程度長ければ、支持部１１は必要無く、基部の底面に近い中央部又は基部底面の中央付近を支持部とすれば良い。上記すべての部分は同じ厚さで、同一平面内にあり、一体構造である。
【００２７】
図３及び図４には、電極の一例として３脚音叉１０に金属蒸着膜から成る電極を形成した様子を示した。ただし、電極の説明に関係のない、支持部１１は省略してある。図３は３脚音叉１０をＺ’方向から見た様子を示している。図４は３脚音叉１０を−Ｚ’方向から見た様子を示している。既に述べた様に、図３に示す面を表面，図４に示す面を裏面と呼ぶ。電極の形状は、予め形状をエッチングで作成したマスクを作成しておき、これを３脚音叉１０の電極を生成する表裏面に密着させて真空蒸着を施すことにより形成する。左右側面の電極は、蒸着方向を回転する事により形成できる。足１の表面に電極１Ｕ，裏面に電極１Ｄ，左側面に電極１Ｌ，右側面に電極１Ｒを蒸着し、足２の表面に電極２Ｕ，裏面に電極２Ｄ，左側面に電極２Ｌ，右側面に電極２Ｒを蒸着し、足３の表面から右側面に回り込む電極３Ｕ，裏面から右側面に回り込む電極３Ｄ，左側面に電極３Ｇを蒸着する。全ての電極は長方形である。基部９の表面には回路と接続する為の端子ＤＲ，ＳＥ，Ｓ１，Ｓ２及びＧＮＤと、各々の足の電極と端子を結ぶ導線を蒸着する。
【００２８】
図２には、図３及び図４に示したのと同じ足１〜３、及び電極１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ，２Ｒ，２Ｕ，２Ｄ，３Ｕ，３Ｄ及び３ＧのＹ’軸方向に垂直な断面を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示す。駆動回路は、検出電極１Ｌ，１Ｒ，２Ｕ及び２Ｄからの信号をアンプＧ及び移相回路Ｐを用いて駆動電極１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ及び２Ｒに返す自励発振回路で構成され、検出回路は、検出電極３Ｕ及び３Ｄからの信号を検出する差動バッファＤ、アンプＧの出力の位相を変化させる移相回路Ｐ２、位相検出回路の信号を２値化するコンパレータＣ、差動バッファＤの出力を移相回路Ｐ２の出力と乗算する乗算回路Ｍ、及び乗算結果を積分して直流化する積分回路Ｓで構成される。３電源系の回路で構成する場合は、駆動検出回路に直接接続されない電極３Ｇはグランドに接地する。
【００２９】
［振動ジャイロの動作・作用説明：図２，図７及び図８］
以下、図７を用いて３脚音叉型振動体の検出振動を説明し、図８においては３脚音叉型振動体の駆動振動を説明し、最後に図２を用いて、電気的に３脚音叉１０を駆動し、３脚音叉１０の回転の結果である電圧出力から角速度を知る方法を説明する。
【００３０】
最初に、本実施の形態において使用する３脚音叉１０を切り出す座標系が、水晶の結晶軸から傾いている事について説明する。本実施の形態において使用する水晶は異方性単結晶であり、方向により弾性率の温度依存性が異なる。厚み方向をＺ軸方向とせず、Ｘ軸の回りに、Ｚ軸からＹ軸の方向にθ度回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’軸及びＸ軸を用い、厚み方向をＺ’軸方向としたのは、回転角θにより駆動検出振動の共振周波数の温度特性が変化するので、回転角θを温度特性を勘案して決定する為である。この回転角θは、振動ジャイロを使用する温度条件を勘案し、０〜１０度から選択する。
【００３１】
さて、振動ジャイロにおける理想は、振動体内で自己完結的な振動モードのみを利用し、この振動モードにおける振動の節を支持する事により、外部環境に依存しない安定した振動ジャイロを得る事である。しかしながら、直交する２方向が、共にこのような条件を満足する振動体は、極めて希である。ところで、２脚音叉は２本の足が決定する平面内で、２本の足が相反する方向へバランスを取りながら１次屈曲振動する、いわゆる面内振動において、最も優れた振動体として発振器等に利用されいる。また、３脚音叉は３本の足が決定する平面に垂直な方向へ、両側の２本の足と中央の足が相反する方向へ１次屈曲振動する、いわゆる面外振動において、２脚音叉の面内振動に匹敵する優れた振動体として利用されてきた。本実施の形態においては２脚音叉の面内振動に匹敵する優れた振動と、３脚音叉の面外振動に匹敵する優れた振動を、振動ジャイロの駆動と検出の振動に用いる。
【００３２】
また、振動ジャイロにおいては、駆動振動が発生している間に、検出部がコリオリ力に無関係な出力を発生しないことが、高いＳ／Ｎと厄介な無回転時の出力のドリフトを抑える点で有効である。無回転時に出力が無ければ、ドリフトは存在しないからである。コリオリ力に無関係な出力は、駆動と検出振動の直交性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動振動が検出振動を機械的に発生させ、電極の対称性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動出力が検出出力を電気的に発生させるので、有限な加工精度で製作された振動体としては、回転のない時は、駆動振動発生時に、駆動振動と無関係に検出部が静止しており、回転による検出振動の発生時は、検出部が検出振動の振動体の一部として大きく振動するような構造が望ましい。本実施の形態においては、３本の足を持つ３脚音叉を振動体として用い、並んだ３本の足の中で、右端の足３の幅を、他の足の幅より１０万ＰＰＭ以上狭くする事で、上述の望ましい事項を全て満足する振動体を提供する。
【００３３】
本実施の形態で使用する３脚音叉型振動体は、複数の固有振動モードを持つ。これらの中で３脚音叉形状の、厚み方向に直交する平面内、即ちＸ−Ｙ’平面内で完結する、３本の足のＸ方向への１次屈曲振動を、３脚音叉１０の面内振動と呼ぶこととする。また、３脚音叉形状の、厚み方向、即ち３本の足のＺ’方向への１次屈曲振動を、３脚音叉１０の面外振動と呼ぶこととする。
【００３４】
図７を用いて、３脚音叉１０の検出振動を説明する。図７はＹ'方向から見た足の断面図であるが、３脚音叉１０の面外振動の中で、足１及び３の組と足２が、互いに相対する方向へ屈曲する面外振動を行う振動モードがある。図７は、ある瞬間の各々の足の変位方向を矢印で示している。この振動モードを検出振動と呼ぶ事とする。
【００３５】
３脚音叉１０は、平行に並んだ足の中で、両側に位置する足１及び３の幅が異なる。これは、３脚音叉１０が一般的な３脚音叉と異なる部分である。一般に３脚音叉の面外振動は、両端の足の幅が等しい場合においてのみ基部揺れの非常に少ない面外振動を実現できると信じられているが、我々は詳細な実験の結果、この条件はかなり緩やかである事を明らかにした。振動ジャイロにおいては、支持部への振動漏れが少ない事を目標とするが、振動漏れは、支持方法の変化に対する面外振動の固有周波数の変化を指標とする事が出来る。支持部を完全に固定した場合と完全に自由にした場合の周波数差Δｆが、１００ＰＰＭ以下であれば、振動ジャイロとしては申し分ない。実験の結果、左端の足１の幅Ｗ１に対して右端の足３の幅Ｗ３を狭くする割合Ａ＝（Ｗ１−Ｗ３）／Ｗ１と、支持方法による最大周波数変化量Δｆとの関係は、Ａが１０万ＰＰＭの時Δｆ＝０ＰＰＭ，Ａが１５万ＰＰＭの時Δｆ＝５０ＰＰＭ，Ａが２０万ＰＰＭの時Δｆ＝１００ＰＰＭであった。このことから、３脚音叉１０の面外振動は、Ａを２０万ＰＰＭ以内、即ち２０％以内とすれば、両端の足が同じ幅を持つ一般的な３脚音叉に遜色無い優れた振動体となることが分かる。
【００３６】
次に、図８を用いて、３脚音叉１０の駆動振動を説明する。３脚音叉１０の面内振動の中で、足１及び２が、互いに相対する方向へ屈曲する面内振動を行い、この間、足３が静止している振動モードがある。図８は、Ｙ’方向から見た足の断面図であるが、ある瞬間の各々の足の変位方向を矢印で示している。この振動モードを駆動振動と呼ぶ事とする。
【００３７】
３脚音叉１０の各々の足の配置において、足１及び２の配置に着目すると、足１及び２は２脚音叉に似た配置を形成しており、駆動振動は足１及び２で構成される２脚音叉と類似の面内振動と見る事が出来る。２脚音叉の面内振動は、基部の下部を支持部とした自己完結的な振動体であるが、これに類似の３脚音叉１０の駆動振動は、支持部への振動の漏れが少ないことが確認されている。
【００３８】
駆動振動において、足３が静止している理由は、足１，２の組が自己完結的な振動を実現できるからであるが、更に足３の幅が、他の足の幅に対して１０万ＰＰＭ以上狭くなっており、足３のＸ方向の共振周波数が他の足の面内振動の共振周波数とかけ離れていて、足１及び２の振動に結合できないことが挙げられる。
【００３９】
面外振動においては、足固有の共振周波数は足の幅に影響されず厚さｔで決定される為、足３の幅を大きく変化させても３本の足は全て振動する検出振動が実現したのに対し、面内振動においては足３の幅を大きく変化させる事により、足３だけが静止する駆動振動を実現した。これが３脚音叉１０の大きな特徴である。
【００４０】
一般に、３本の足の幅を同じにした場合は、３脚音叉の面内振動は、支持部への振動漏れが避けられない。これは、平行に並んだ３本の足の中で、中央の足と両端の足の固有周波数が異なる事に起因する。面内振動においては、各々の足の屈曲振動時に基部は殆ど変形しないと述べたが、面外振動ほどではないが、基部の変形は足の振動に影響を与えている。中央の足は両側に基部が存在するのに対して、両側の足の外側には、基部が存在しない為、基部の側面は足の屈曲時にＹ’方向への圧縮伸張が大きく、結果として両側の足は中央の足よりも固有周波数が下がる。中央の足と固有周波数の異なる両端の２本の足が互いに対向して振動する面内振動においては、足部だけでは運動量のバランスが取れず、結果として支持部が振動する。しかしながらこの現象は、基部に肩部を設けて基部の変形を抑え、更に中央の足に対して両側の足の幅を僅かに太くする事によって、中央の足と両側の足の共振周波数を一致させる事により、解消する事が出来る。実際に３本の足の幅をほぼ同じにした３脚音叉においては、足幅の１／１５〜１／２０程度の肩を設け、両側の足の幅を中央の足の幅に対して５万ＰＰＭ程度広くすることにより、面内振動において、支持部への振動漏れを消滅させる事が出来る。
【００４１】
本実施の形態で用いる３脚音叉１０においても、同様な問題は存在する。３脚音叉１０においては、右端の足３の幅を１０万ＰＰＭ以上狭くすることにより、面内振動は左端の足１及び中央の足２の２本のみを振動させているが、足１及び２の幅を同じとした場合は、中央の足２の固有周波数に対して左端の足１の固有周波数は僅かに低くなり、支持部への振動漏れが発生する。本実施の形態においては、基部の幅を広げて、足１の左側面より、基部の左側面をＷ２／１５ほど移動し、左肩部を設け、足３の右側面より、基部の右側面をＷ２／１５ほど移動し、右肩部を設け、足１の幅Ｗ１を中央の足幅Ｗ２に対して５万ＰＰＭ程度広げることにより、支持部への振動漏れを消滅させている。ただし、３脚音叉１０の場合は、足３は振動していないので必ずしも足３の幅を広げる必要はない。
【００４２】
ここまで述べた事のまとめとして、本実施の形態で用いる３脚音叉１０の寸法の比率の例を示す。中央の足２の幅Ｗ２を１とすると、左足の幅Ｗ１＝１．０４〜１．０６，右足の幅Ｗ３＝０．８〜０．９，肩Ｋ＝０．００〜０．０７５，溝幅Ｕ＝０．０５〜１．０，厚さｔ＝０．９５〜０．９８等となる。また、ここまでの説明で駆動振動で静止させる足を足３としてきたが、勿論足１であっても構わない。この場合の３脚音叉１０の寸法の比率の例を示す。中央の足２の幅Ｗ２を１とすると、右足の幅Ｗ３＝１．０４〜１．０６，左足の幅Ｗ１＝０．８〜０．９，肩Ｋ＝０．００〜０．０７５，溝幅Ｕ＝０．０５〜１．０，厚さｔ＝０．９５〜０．９８等となる。
【００４３】
次に、駆動振動及び検出振動と、コリオリ力の関係について説明する。駆動振動を行う３脚音叉１０において、この時３脚音叉１０をＹ’の周りに角速度ωで回転すると、速度ＶＸで運動する足１には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力ＦＣが働き、速度−ＶＸで運動する足２には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力−ＦＣが働く。即ち、図８に示す様に、コリオリ力ＦＣ及び−ＦＣは、面外振動方向に、駆動振動の周波数で３脚音叉１０の足１及び２に働く。従って駆動振動が発生している３脚音叉１０をＹ’軸周りに角速度ωで回転すると、コリオリ力により足１及び２の運動を媒介として検出振動が励振されることが分かる。ただし、コリオリ力は速度に比例する力なので、駆動振動により引き起こされる検出振動の変位位相は、駆動振動の変位位相に対して９０度遅れることに注意しなければならない。
【００４４】
次に、実際の駆動検出回路を用いた、電気的な駆動検出方法について説明する。図２には、３脚音叉１０の足の断面及び、電極１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ，２Ｒ，２Ｕ，２Ｄ，３Ｕ，３Ｄ，及び３Ｇの断面が示されている。
【００４５】
まず、足２が面内振動を行う場合を説明する。足２がＸ方向に屈曲すると、電極２Ｌ近傍はＹ’方向に伸び、電極２Ｒ近傍はＹ’方向に縮む。この時水晶内部の電極２Ｌ近傍には圧電効果により−Ｘ方向に電界が発生し、電極２Ｒ近傍には圧電効果によりＸ方向に電界が発生する。これらの電界により、電極２Ｕ及び２Ｄは電極２Ｌ及び２Ｒより高電位となる。またこれとは逆に、電極２Ｌと電極２Ｕ又は２Ｄの間に外部から電圧を印加し、電極２Ｕ又は２Ｄと電極２Ｒの間に外部から逆電圧を印加すると、圧電効果は可逆的なので、水晶内部には電極２Ｌ近傍に−Ｘ方向に電界が発生し、電極２Ｒ近傍にＸ方向に電界が発生するが、この電界により足２の電極２Ｌの近傍は伸び、電極２Ｒの近傍は縮み、結果として足２はＸ方向に屈曲する。従って、Ｘ方向の屈曲によって電極２Ｕ又は２Ｄに発生する電圧を増幅し、位相を調整して電極２Ｌ及び２Ｒにこの電圧を加える事により、足２を用いて面内振動を発振させる事が出来る。
【００４６】
本実施の形態においては、駆動振動で動作する足１及び２を全て駆動する。即ち、図８に示した駆動振動の足の動作方向を勘案し、足１は、左右の電極１Ｌ及び１Ｒを参照電圧として、表裏の電極１Ｕ及び１Ｄに電圧を印加し、足２においては、逆に表裏の電極２Ｕ及び２Ｄの電圧を参照に左右の電極２Ｌ及び２Ｒに電圧を印加すればよい。本実施の形態においては、電極１Ｌ，１Ｒ，２Ｕ及び２Ｄからの電圧をアンプＧに入力し、移相回路ＰでアンプＧの出力を移相して、電極１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ及び２Ｒに印加する事により、駆動振動を自励発振させている。
【００４７】
この状態で３脚音叉１０全体をＺ’軸の回りに角速度ωで回転させると、３脚音叉１０の足１及び２の運動を介して、３脚音叉１０には、既に述べた様に検出振動が発生し、回転のない場合には静止していた足３には、面外振動が発生する。足３が面外振動する場合を説明する。足３がＺ’方向に屈曲すると、電極３Ｄ近傍がＹ’方向に縮む。この時圧電効果により、Ｚ’方向に見て、足３の電極３Ｄが存在する領域ではＸ方向に電界が発生する。従って基準電極３Ｇに対して電極３Ｄは低電位になる。このとき電極３Ｕ近傍はＹ’方向に伸びる。圧電効果により、Ｚ’方向に見て、足３の電極３Ｕが存在する領域では−Ｘ方向に電界が発生する。従って基準電極３Ｇに対して電極３Ｕは高電位になる。これとは逆に、足３が−Ｚ’方向に屈曲すると、電極３Ｄの存在する領域がＹ’方向に伸びる。この時圧電効果により、電極の存在する領域では−Ｘ方向に電界が発生する。従って基準電極３Ｇに対して電極３Ｄは高電位になる。このとき電極３Ｕ近傍はＹ’方向に縮む。圧電効果により、Ｚ’方向に見て、足３の電極３Ｕが存在する領域ではＸ方向に電界が発生する。従って基準電極３Ｇに対して電極３Ｕは低電位になる。即ち、検出振動は、足３の基準電極３Ｇの電位を基準とした、電極３Ｕと電極３Ｄに生じる互いに逆方向の電圧として検出できる。勿論、電極３Ｇを使用せずに、直接に電極３Ｕと３Ｄ間の電圧を測定しても良い。
【００４８】
コリオリ力の検出信号は、電極３Ｇをグランドに接続して基準電圧を作り、電極３Ｕ及び３Ｄの電圧を差動バッファＤに入力し、差動バッファＤを経て乗算回路Ｍに導き、駆動振動の発振系の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプＧの出力を、移相回路Ｐ２により９０度移相し、コンパレータＣにより２値化した参照信号により乗算し、乗算により検波した結果は、更に積分回路Ｓにより平滑化し、正確な直流出力として検出できる。この直流出力はコリオリ力に比例し、コリオリ力は角速度ωに比例するので、この直流出力により角速度ωを知ることができる。ここで、検出に差動検出を用いたのは、回路の対称性を向上し、回路系のドリフトを低減する為である。
【００４９】
次に３脚音叉１０の駆動振動と検出振動の共振について具体的な数値を用いて説明する。３脚音叉１０は、エッチング又はワイヤソー等で製作できるが、正確に製作すると駆動振動及び検出振動のＱ値は１０万以上にもなる。共振周波数を１０ｋＨｚで設計すると、検出側のＱ値は充分高いので、駆動振動と検出振動の共振周波数を一致させる共振型で設計を行うと、コリオリ力により発生した検出振動の時間的減衰が緩やかになり、角速度ωの変化に対する検出出力の時間応答性が極めて悪くなり、実用的でない。これに対して駆動振動と検出振動の共振周波数を離した設計では２つの共振周波数の差に対して指数関数的に時間応答が改善されるが、本実施の形態においては、駆動振動と検出振動の共振周波数の差を２万ＰＰＭ以上とすることにより、１００Ｈｚ以上の応答性を得ている。
【００５０】
［第２の発明の実施の形態］
以下、本発明の振動ジャイロを実施するための最良の形態による第２の発明の実施の形態を図面を基に説明する。図１〜図４，図７〜図９は本発明の実施の形態である振動ジャイロであり、図１は以後３脚音叉１０と呼ぶ、３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図であり、図２は３脚音叉１０の断面，回路ブロック及び配線模式図であり、図３は３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示す表面図であり、図４は３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示す裏面図であり、図７，８及び図９は３脚音叉型振動体の振動モードを示す足の断面の動作説明図である。
【００５１】
第１の発明の実施の形態においては、特に駆動用の面内振動において、高いＱ値を得る為に３脚音叉１０の各々の足の振動の連結性を重視し、かつワイヤソーによる加工を勘案して各々の足の間の溝幅及び肩幅を極力小さく抑えたモデルを提供した。本第２の実施の形態においては振動ジャイロのＳ／Ｎを向上し、ドリフトを低下させるために、高いＱ値を追求するのではなく、別の効果を反映させた３脚音叉１０を提供する。製造方法はエッチングが主流になるが、水晶のエッチングにおいては、Ｚ’方向へ極めて早く加工が進む特性から、各部形状を単純な直方体にできない点に注意を要する。
【００５２】
本実施の形態における３脚音叉１０は、第１の発明の実施の形態に示した３脚音叉１０とほぼ同じ構成を持つものであり、基本的な構成と動作の説明は全く同じであるが、第１の発明の実施の形態に示した３脚音叉１０に対して、各部の寸法が異なり、新しい効果が追加される。以下、第１の発明の実施の形態に述べたものと同じ部分の説明は割愛し、第１の発明の実施の形態と異なる、寸法と新しい効果についてのみ説明する。
【００５３】
図１において、溝幅Ｕ及び肩幅Ｋを足幅Ｗ１及びＷ２と同程度以上とする。面内振動において各々の足の振動の連結性は減少し、Ｑ値は半分以下に減少する。しかし、この時足１及び足２周辺の基部は、広い範囲において左右の条件が等しくなる為、足１の幅Ｗ１及び足２の幅Ｗ２を等しくしても３脚音叉１０の面内振動は基部揺れを引き起こさないようになる。更に、各々の足の振動の連結性低下は、駆動時の検出用の足３の静止性を更に向上させる。また、足２と足３の距離が大きくなる為、電極間の静電容量結合による電気的な漏れ出力も減少する。
【００５４】
ここでは、更に検出用の足３の幅Ｗ３を足１の幅Ｗ１及び足２のＷ２に対して半分程度とする。駆動用の足１及び２に対する足３の連結性低下は決定的となり、駆動時の検出用の足３は、極めて静止性が良くなる。しかしこのようにすると、駆動用の面内振動とは異なり、検出用の面外振動においては、もはや３本の足は完全にバランスを取ることができなくなり、３脚音叉１０の支持部は、検出振動時にＹ’方向の回りに回転振動を行うようになる。
【００５５】
ここまで述べた構成では、駆動時の検出部の静止性の向上と引きかえに、第１の実施の形態に比べてＱの低下と検出振動の基部揺れの増加という負の効果を抱え込む。しかしながら、この構成においては振動ジャイロの検出精度を向上させる別の効果が得られる。図９を用いてこの効果を説明する。図９は、Ｙ’方向から３脚音叉１０の足の断面図であるが、３脚音叉１０の面外振動の中で、足１及び３の組と足２が、互いに相対する方向へ屈曲する面外振動を行う振動モードの、ある瞬間の各々の足の変位方向を矢印で示している。本実施の形態ではこの振動モードを検出振動として用いている。ここで注目すべき事は、図７に示す第１の実施の形態の場合と異なり、図９に示す本実施の形態では、Ｚ’方向への足１の振幅は非常に小さくなり、足３の振幅が非常に大きくなることである。図９では振幅の差を矢印の長さで示している。この効果は、足３の幅Ｗ３を足１の幅Ｗ１及び足２の幅Ｗ２に対して細くするほど大きくなり、足３の長さを足１及び足２の長さに対して短くすることで更に助長される。
【００５６】
図９に示した３脚音叉１０の検出振動は、図８に示した足１及び足２のみのＸ方向への対向動作である駆動振動から、コリオリ力を媒介として励振されるものである。従ってコリオリ力は足１及び足２のみをＺ’方向に駆動する。この時、足１の動作に注目すると、検出振動においては、足１はあまり曲がることができず、僅かにしか変形できない為、足１に加えられたコリオリ力は基部を大きく変形させることとなる。このことは、足１に加えられたコリオリ力が足１の変形により消費されること無く、３脚音叉１０の中の変形し易い部分に伝播することを意味し、結果として、足１のＸ方向の駆動振幅に起因するコリオリ力は、足３をＺ’方向に大きな振幅で励振することとなる。即ち足１の駆動振動のエネルギーの大部分は足３に移送されることとなる。この効果を我々は「逆梃子効果」と呼んでいる。
【００５７】
「逆梃子効果」は、各々の足の検出振動の振幅の倍率に比例する。３脚音叉１０においては、駆動される足１の検出振動の振幅に対して検出用の足３の振幅は１０倍程度であるが、この１０倍の「逆梃子効果」と「検出足静止」の組み合わせ効果は、３脚音叉１０のＳ／Ｎを約１０倍向上させ、ドリフトを約１／１０に減少させることが確認されている。本実施の形態における３脚音叉１０は、この効果をもって、第１の実施の形態に述べたものに対して、Ｑ値が低く基部揺れが大きい特性を補うことができる。
【００５８】
本実施の形態で用いる３脚音叉１０の寸法の比率の一例を示す。中央の足２の幅Ｗ２を１とすると、左足の幅Ｗ１＝約１．０，右足の幅Ｗ３＝約０．５，肩Ｋ＝約１．０〜２．０，溝幅Ｕ＝約１．０〜２．０，厚さｔ＝約１．０等となる。この時面外振動のΔｆは５０００ＰＰＭ程度である。
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明による振動ジャイロは、第１の実施の形態においては、Ｑ値を劣化させる原因となる支持部から外部への振動漏れが少ない３脚音叉型振動体を用いることにより、圧電性単結晶の性質を最大限に引き出して、駆動検出両振動に対して高いＱ値を実現し、更に駆動振動によっては振動しない検出部を用いることにより低いノイズＮを実現し、結果として高いＳ／Ｎと低ドリフトを実現している。また、第２の実施の形態においては、Ｑ値を劣化させる原因となる支持部から外部への振動漏れが少ない３脚音叉型振動体を用いることにより、圧電性単結晶の性質を最大限に引き出して、駆動振動に対して高いＱ値を実現し、更に駆動振動によっては振動しない検出部を用いることにより低いノイズＮを実現し、また、検出振動において、コリオリ力が加振する足の振幅に比して検出足の振幅が大きくなる構成をとり、「逆梃子効果」により高い出力Ｓを実現し、結果として高いＳ／Ｎと低ドリフトを実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態である３脚音叉の断面を示し，回路ブロック及び配線を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、電極の一部を示す表面図である。
【図４】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示し、電極の一部を示す裏面図である。
【図５】従来の音叉型の水晶ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示し、異方性結晶の回転方向を示す斜視図である。
【図６】従来の音叉型水晶ジャイロの、足の断面及び駆動検出回路の配線模式図である。
【図７】本発明の実施の形態である３脚音叉型振動体の駆動振動を示す動作説明図である。
【図８】本発明の実施の形態である３脚音叉型振動体の検出振動を示す動作説明図である。
【図９】本発明の実施の形態である３脚音叉型振動体の検出振動を示す動作説明図である。
【符号の説明】
１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ 電極
２Ｌ，２Ｒ，２Ｕ，２Ｄ 電極
３Ｕ，３Ｄ，３Ｇ 電極
ＤＲ，ＳＥ 端子
Ｓ１，Ｓ２，ＧＮＤ 端子
１〜３ 足
９ 基部
１０ ３脚音叉型の振動ジャイロ
１１ 支持部
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 足幅
Ｕ 溝幅
Ｋ 肩幅
Ｃ コンパレータ
Ｄ 差動バッファ
Ｇ アンプ
Ｍ 乗算回路
Ｐ ，Ｐ２ 移相回路
Ｓ 積分回路
ＦＣ，−ＦＣ コリオリ力
ＶＸ，−ＶＸ 速度
Ｊ１〜Ｊ８ 電極
Ｊ１０ 音叉型振動体
Ｊ１１ 第１の足
Ｊ１２ 第２の足
Ｊ１５ 基部
ＪＣ コンパレータ
ＪＤ 差動バッファ
ＪＧ アンプ
ＪＭ 乗算回路
ＪＰ ，ＪＰ２ 移相回路
ＪＳ 積分回路

Claims (4)

1. 基部と、前記基部上に並んで配設された３本の足と、を有する振動子と、
   前記３本の足のうち、一方の端に位置する第１の足と中央に位置する第２の足のみを面内方向に屈曲振動させる発振手段と、
   他方の端に位置する第３の足の面外方向の振動を検出する検出手段と、を備えた
   ことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 前記第３の足は、前記第１の足及び前記第２の足より幅が狭い
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 前記第１の足と前記基部とが結合する部分に肩部を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動ジャイロ。
4. 前記第２の足と前記第３の足とが、前記第１の足と前記第２の足との間隔以上離れている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。

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