JPH08193835A

JPH08193835A - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH08193835A
Application number: JP7018654A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川; Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1995-01-11
Publication date: 1996-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】振動型ジャイロスコープの角速度の検出精度
を向上させる。【構成】単結晶からなる振動板１２と基板１１とから
なるものであり、基板１１に振動板１２が積層されてい
る。振動板１２の弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃは圧電
効果により±ｘ方向へ変形振動させられる。回転系に置
かれると、コリオリ力により各弾性腕がｙ方向へ振動
し、弾性腕１４ａ，１４，１４ｃと基板１１との間隙１
６が変化する。弾性腕と基板とに電極を設けて一定の電
圧を与えておくことにより、電極から弾性腕のｙ方向の
変形を検出できる。この検出値に基づき回転角速度を検
出できる。駆動手段と検出手段とで異なる物理的効果を
利用しているため、検知出力に駆動電力の影響が出ず、
高精度な角速度検出が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定の方向へ変形振動
する弾性体が回転系内に置かれた時にコリオリの力によ
り生じる前記振動方向と直交する方向の変形振動を検出
して回転系の角速度を求めることのできる振動型ジャイ
ロスコープに関する。

【０００２】

【従来の技術】回転角速度を検出するジャイロスコープ
は、車載用ナビゲーションシステム、航空機や船舶の慣
性航法システムや姿勢制御システム、ロボットや無人走
行車の姿勢制御システム、さらにはテレビカメラやビデ
オカメラの画面振れ防止装置などに使用される。このよ
うな種々の分野に適するジャイロスコープとしては小型
のものが必要になってきており、そこで振動型ジャイロ
スコープが着目されている。

【０００３】図１０はこの種の振動型ジャイロスコープ
の従来例を示している。この振動型ジャイロスコープ
は、エリンバなどの恒弾性金属により形成された柱状の
振動子１に、駆動用の圧電素子２と検出用の圧電素子３
が固着されている。駆動用の圧電素子２により振動子１
にｘ軸方向のへの曲げ振動を与えながら振動子１をＯ軸
周りの回転系に置くと、振動子１にｙ軸方向へのコリオ
リ力が作用し、振動子１はｙ軸方向へ振動する。このｙ
軸方向の曲げ振動による変形量が検出用の圧電素子３に
より電圧として検出される。

【０００４】ここで、コリオリ力と角速度との関係につ
いて説明する。振動子１の質量をｍ、振動子１のｘ軸方
向の振動速度をｖ（ベクトル値）回転系でのＯ軸回りの
角速度をω（ベクトル値）とすると、コリオリ力Ｆ（ベ
クトル値）は、

【０００５】

【数１】

【０００６】となり、コリオリ力Ｆは角速度ωに比例す
る。よって、振動子１のｙ軸方向への変形振動が検出用
の圧電素子３により電圧に変換されると、この検出電圧
から角速度ωが求められることになる。

【０００７】しかしながら、このような柱状のジャイロ
スコープでは恒弾性金属を柱状に加工しなくてはならな
いため材料の歩留りが悪く、また、高精度に加工しなく
てはならないために加工コストが高くなる。また、この
種のジャイロスコープでは、駆動用の圧電素子２により
振動子１を曲げ振動させたときの共振周波数を調整する
必要があるが、このため柱状の振動子１の適当な部分を
削って調整する必要があり、調整作業が非常に煩雑であ
る。さらに駆動用圧電素子２によって励起された振動や
コリオリ力によって励起された振動を損なうことなく振
動子１を支持することが困難であり、支持機構が複雑と
なり、ジャイロスコープの小型化の妨げとなっていた。

【０００８】このような柱状のジャイロスコープの欠点
を解決するために図１１に示すような平板状の高弾性金
属の振動子４を使用した音叉型の振動子を有した振動型
ジャイロスコープが提案されている。このジャイロスコ
ープは、振動子４の先端中心部に溝４ａを形成し、平板
内を２片の弾性腕４ｂと４ｃとに分離したものである。

【０００９】図１２（Ａ）に示すように、駆動用の圧電
素子を用いてそれぞれの弾性腕４ｂと４ｃを板の面内方
向に振動する固有振動数にて振動させる。この振動はあ
る時点での振幅が、弾性腕４ｂと４ｃとで＋方向と−方
向となるように逆位相とする。このような振動を与えら
れた状態で振動子４に対し軸Ｏを中心とする回転が与え
られると、各弾性腕４ｂと４ｃには図１２（Ｂ）に示す
ようにコリオリ力による＋ｙおよび−ｙ方向の変形が生
じる。この変形を検出用の圧電素子により検出し、電圧
に変換することにより角速度ωを求めることができる。
このようなジャイロスコープは、一般に駆動と検出を一
つの圧電素子にて行うようにして、圧電素子の部品点数
を減らし、小型化に対応していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
示した音叉型のジャイロスコープにおいても次のような
欠点があった。すなわち、圧電力（圧電効果）により振
動子の駆動と検出の双方を同時に行っているため、駆動
電圧の漏れ電圧を検出側で受けてしまう。このため、コ
リオリ力によって生じた電圧に雑音として混合すること
となり、ジャイロスコープの検出精度を高くすることが
難しい。特に、小型化すると駆動と検出電極が接近する
ため、この問題が著しくジャイロスコープの特性に影響
する。また、漏れ電圧との区別を電気回路で行おうとす
ると、電気回路が複雑となり、ジャイロスコープの小型
化が困難となる。

【００１１】本発明の目的は上記のような課題を解決す
るものであり、振動型ジャイロスコープの検出精度を向
上させることを第１の目的とする。

【００１２】また、本発明は高い検出精度を備え、か
つ、簡単でしかも確実な支持ができるようにすることを
第２の目的とする。

【００１３】さらに、本発明は振動子を平板状にするこ
とにより、大量生産に適した振動型ジャイロスコープを
提供することを第３の目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の振動型ジャイロ
スコープは、振動子と、この振動子を第１の方向へ変形
振動させる駆動手段と、回転系内に置かれたときにコリ
オリ力により振動子に作用する第１の方向に直交する第
２の方向への変形振動を検出する検出手段とが設けら
れ、前記駆動手段が振動子に変形振動を与える物理的効
果と、検出手段が振動子の変形振動を検出する物理的効
果とが異なるものであることを特徴とするものである。

【００１５】上記において、駆動手段および検出手段
は、圧電力（圧電効果）、静電力、電磁力、熱効果、光
効果のうちのいずれかを用いるものである。特に検出手
段は、静電力を用いるものとすることが好ましい。

【００１６】駆動手段と検出手段との物理的効果の組み
合せとしては、以下のものが挙げられる。

【００１７】第１の組み合せでは、圧電材料により形成
された振動子と、この振動子を圧電効果により第１の方
向へ変形振動させる駆動手段と、第１の方向と直交する
第２の方向にて前記振動子と誘電層を介して対面する検
出基板とを有し、回転系内に置かれたときにコリオリ力
により振動子に作用する前記第２の方向への変形振動
が、前記誘電層を挟んで配置された電極により検出され
るものとして構成できる。

【００１８】第２の組み合せでは、圧電材料により形成
された振動子と、この振動子を圧電効果により第１の方
向へ変形振動させる駆動手段と、第１の方向と直交する
第２の方向にて前記振動子を介して対面する検出基板
と、振動子と検出手段の一方に設けられた磁気発生手段
および他方に設けられた磁気検出手段とを有し、回転系
内に置かれたときにコリオリ力により振動子に作用する
前記第２の方向への変形振動が、前記磁気検出手段によ
り検出されるものとして構成できる。

【００１９】第３の組み合せでは、振動子と、この振動
子に間欠的に熱を与え熱変形により第１の方向へ変形振
動させる駆動手段と、第１の方向と直交する第２の方向
にて前記振動子と誘電層を介して対面する検出基板とを
有し、回転系内に置かれたときにコリオリ力により振動
子に作用する前記第２の方向への変形振動が、前記誘電
層を挟んで配置された電極により検出されるものとな
る。

【００２０】第４の組み合せでは、振動子と、この振動
子に間欠的に熱を与え熱変形により第１の方向へ変形振
動させる駆動手段と、第１の方向と直交する第２の方向
にて前記振動子を介して対面する検出基板と、振動子と
検出手段の一方に設けられた磁気発生手段および他方に
設けられた磁気検出手段とを有し、回転系内に置かれた
ときにコリオリ力により振動子に作用する前記第２の方
向への変形振動が、前記磁気検出手段により検出される
ものとなる。

【００２１】上記第２と第４の組み合せにおいて、磁気
検出手段が磁気抵抗効果を発揮する材料により形成され
ていることが好ましい。

【００２２】次に第５の組み合せでは、振動子と、この
振動子に光パルスを与えて光効果により第１の方向へ変
形振動させる駆動手段と、振動子に弾性波を与える検出
手段とを有し、回転系内に置かれたときにコリオリ力に
より振動子に作用する第１の方向に直交する第２の方向
への変形振動に基づく前記弾性波の周波数の変化が、前
記検出手段により検出される構造とすることが可能であ
る。

【００２３】上記において、振動子は、２箇所の溝によ
り分離された３個の弾性腕を有して平板状に形成された
ものにでき、この場合、弾性腕の両端を剛体支持する
か、または弾性腕の一端を剛体支持し、剛体支持しなか
った他端においては前記３個の弾性腕のうちの中央の弾
性腕を除く２個の弾性腕を連結してもよい。

【００２４】さらに、前記振動子の前記３個の弾性腕と
前記溝の間隔を加算した全幅寸法を振動子の弾性腕が形
成されていない基部の幅寸法よりも短く形成することが
好ましい。

【００２５】

【作用】上記手段によれば、駆動手段と検出手段とし
て、相異なる物理的効果を利用することによって、駆動
手段における入力が検出手段による出力に干渉せず、純
粋なコリオリ力による変位を検出できるようになる。よ
って、振動型ジャイロスコープの検出精度を向上させる
ことができる。例えば、駆動を圧電効果によって行い、
検出を静電力によって行った場合、駆動用の圧電素子に
入力する電圧が、検出側の電荷量に影響することがない
ため、ジャイロスコープの検出精度が向上する。

【００２６】特に、静電力を用いることにより、シリコ
ンのマイクロマシニング技術が応用できるため、超小型
化が可能である。

【００２７】また、振動子の弾性腕の両端を剛体支持す
ることによって、振動子に生じた振動を損なうことなく
振動子を確実に支持できる。さらに、振動子を平面形状
にすれば加工が容易になり、例えばシリコン基板を使用
した場合エッチング加工などにより簡単に製造できる。
また、弾性腕の一端を剛体支持し、剛体支持しなかった
他端においては３個の弾性腕のうち中央の弾性腕を除く
２個の弾性腕を連結することにより、左右両側の弾性腕
が同調して振動するため弾性腕の振動が乱れることがな
く、検出精度を向上させることができる。

【００２８】さらに、前記振動子の前記３個の弾性腕と
前記溝の間隔を加算した全幅寸法を振動子の弾性腕が形
成されていない部分の幅寸法よりも短く形成し、左右両
側に位置する弾性腕の側端と、振動子の基部の側端との
間に段差を形成することにより、弾性腕の振動変形の応
力が振動子の基部に伝達されにくくなり、弾性腕の振動
の際には基部および振動子全体にねじれ応力などが生じ
にくくなる。その結果、弾性腕の駆動振動及びコリオリ
力による振動が安定し、角速度の検出が安定して行わ
れ、検出精度が向上する。

【００２９】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。（第１実施例）図１は本発明の第１実施例を示す斜視図
である。本実施例の振動型ジャイロスコープ１０の基本
的原理は、まず、圧電効果によって振動板１２を駆動さ
せる。次に振動板１２に角速度が加えられるとコリオリ
力が発生する。さらにコリオリ力によって電荷量が変化
し、電荷量の変化に伴う電流（電圧）を測定して角速度
を検出するものである。

【００３０】本実施例における振動型ジャイロスコープ
１０は、シリコンなどの単結晶からなる基板１１と、振
動子として機能する振動板１２とからなるものであり、
基板１１に振動板１２が積層されている。振動板１２は
２つの溝１３，１３によって３分割され、振動が励起さ
れてかつコリオリ力による振動が発生する弾性腕１４
ａ，１４ｂ，１４ｃと、これら弾性腕１４ａ，１４ｂ，
１４ｃを支持する基部１５ａ，１５ｂより構成されてい
る。

【００３１】振動板１２は基部１５ａ，１５ｂのみが基
板１１に接しており、弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃと
基板１１の間には間隙１６が形成されている。さらに、
振動板１２の上面には振動板１２を駆動するための、Ｐ
ＺＴ、ＰＬＺＴ等の薄膜からなる圧電体膜１７がスパッ
タリング法などによる薄膜形成手段によって形成されて
いる。この圧電体膜１７は、溝１３，１３に対して直交
する方向（白抜きの矢印方向）に分極されている。この
圧電体膜１７の上面にはさらに電極１８ａ，１８ｂが形
成されている。すなわち圧電体膜１７と電極１８ａ，１
８ｂにより駆動手段が構成されている。

【００３２】図２は振動板１２の平面図である。振動板
１２は図２に示すように左右対象形状である。振動板１
２の両側面には基部１５ａ，１５ｂと弾性腕１４ａ，１
４ｂ，１４ｃの境界部に４箇所の段差１９…が設けられ
ている。３個の弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃはすべて
同じ寸法（Ｗａ）である。各弾性腕を分離している溝１
３，１３の間隔寸法は共にＷｂである。さらに４箇所の
段差１９…の幅方向の切り込み深さは全てＷｓである。
従って３個の弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃの幅寸法Ｗ
ａの合計と２箇所の溝１３，１３の間隔寸法Ｗｂの合計
との和（３×Ｗａ＋２×Ｗｂ）は基部１５ａ，１５ｂの
幅寸法よりも２×Ｗｓの寸法分だけ短くなっている。

【００３３】図３は振動板１２の表面の電極１８ａ，１
８ｂの電極の配置を示した平面図である。弾性腕１４
ａ，１４ｂにおいては電極１８ａが溝１３，１３に沿っ
て外側に配置され、電極１８ｂが内側に配置されてい
る。弾性腕１４ｃにおいては逆に電極１８ａが溝１３，
１３に沿って内側に配置され、電極１８ｂが外側に配置
されている。

【００３４】電極１８ａ，１８ｂはそれぞれ交流駆動電
源に接続され、振動板１２は次のようにして駆動され
る。ある時点で電極１８ａが＋、電極１８ｂが−のと
き、弾性腕１４ａの図３の紙面上側の１対の電極は、上
から＋、−の極性を有することになり、紙面下側の電極
は上から−、＋の極性を有することとなる。従って、圧
電体膜１７が白抜きの矢印に示すように−ｘ方向に分極
処理されている場合、弾性腕１４ａの紙面上側の部分は
溝１３に平行な方向に伸び、紙面下側の部分は縮む。よ
って、結果的に弾性腕１４ａは矢印の方向（＋ｘ方向）
へ凸状となるように平面内にて曲がり変形する。同様に
して、弾性腕１４ｂも矢印の方向（＋ｘ方向）へ凸状と
なるように曲がり変形する。一方、弾性腕１４ｃは弾性
腕１４ａ，１４ｂと極性が逆になるように電極が配置さ
れているため、弾性腕１４ａ，１４ｂと逆の方向（−ｘ
方向）に凸状に曲り変形する。

【００３５】電極１８ａ，１８ｂの極性が逆になれば各
弾性腕は逆に変位するため、交流の電圧を電極１８ａ，
１８ｂに印加すれば、各弾性腕は溝１３，１３と直交す
る方向（±ｘ）に振動を起こす。このとき、両側の振動
腕１４ａ，１４ｂは同一の位相で、中央の振動腕１４ｃ
は逆の位相で振動を発生する。

【００３６】図４は、静電力により角速度ωを求める検
出手段の基本的原理を示した図であり、電極間に電圧を
加えた場合の電極間距離ｄの移動速度ｕと電流との関係
を示す図である。本実施例において電極間距離ｄの変化
は、角速度が加えられたことにより発生したコリオリ力
である。電極間距離ｄの幅方向に自由に移動可能な移動
電極２０と固定された固定電極２１からなる電極間に電
圧Ｖinを印加すると、電極間距離がｄのとき、蓄積され
る電荷量Ｑ0とし、Ａを電極面積としたとき、電極間距
離がΔｄだけ増加した時の電荷量Ｑ1との差ΔＱは

【００３７】

【数２】

【００３８】と表せる。ただしεは、電極２０と２１の
間の誘電層の誘電率であり、例えばこの誘電層は空間で
ある。この電荷量の差ΔＱが抵抗Ｒを通じて移動するこ
とになるため、図４に示した回路を流れる電流ｉは

【００３９】

【数３】

【００４０】となり、回路を流れる電流ｉは移動電極２
０の移動速度ｕに比例する。従って、コリオリ力によっ
て移動電極２０が移動した場合、図４に示した電気回路
に流れる電流ｉを測定すればコリオリ力とコリオリ力に
比例する角速度が求められることになる。

【００４１】図５は振動型ジャイロスコープ１０の側面
図であり、図４に示した検出手段を本実施例に適用した
ときの状態を示す図である。本実施例の場合、誘電層で
ある間隙１６の隙間を電極間距離ｄとし、移動電極２０
は振動板１２の弾性腕１４の下面に薄膜状に設け、固定
電極２１は基板の上面に設ける。これら電極と定電圧源
Ｖinと抵抗Ｒによって検出回路を構成する。角速度ωは
抵抗Ｒにかかる電圧を測定し、上記数式によって角速度
を算出する。

【００４２】以上のように形成された振動型ジャイロス
コープ１０は次のようにして角速度ωを検出する。ま
ず、圧電体膜１７に電極を介して交流電圧を印加し、弾
性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃを±ｘ方向に振動させる。
ただし、弾性腕１４ｃは逆位相で振動する。このとき、
図１に示したような角速度ωが加わると、弾性腕１４
ａ，１４ｂ，１４ｃにコリオリ力によって±ｙ方向に振
動が励起される。この振動によって間隙１６の隙間の寸
法が変位し、移動電極２０と固定電極２１の電荷量が変
化する。これにより、電流ｉが検出回路内に流れる。こ
の時の抵抗Ｒにかかる電圧を測定することによって角速
度ωを検出する。

【００４３】なお、図１、図５では説明のため、便宜上
振動板１２の厚さをやや誇張して記載しているが、振動
板１２の厚さについては適宜変更できるものであり、駆
動、検出ができる程度であれば、種々変更できることは
言うまでもない。

【００４４】（第２実施例）図６は本発明の第２実施例
を示す斜視図である。本実施例は圧電効果の駆動手段を
使用し、電磁力により検出手段を用いる例である。本実
施例の振動型ジャイロスコープ１０はシリコンなどによ
って形成された基板１１にＬｉＮｂＯ₃や水晶などの単
結晶の圧電材料からなる振動板（振動子）１２を積層し
て構成されている。振動板１２は基部１５と弾性腕１４
からなり、基部１５は基板１１と接している。弾性腕１
４は間隙１６を介して基板１１から一定の間隔をもって
基部１５と一体に形成され、弾性腕１４を確実に支持し
ている。また、第１実施例と同様に、振動板１２は、２
つの溝１３，１３によって３個の弾性腕１４ａ，１４
ｂ，１４ｃに分割されている。両側２個の弾性腕１４
ａ，１４ｂは連結部２３によって連結されている。連結
部２３は弾性腕１４ａ，１４ｂの振動を同調させ、か
つ、振動板１２の機械的強度を向上させる効果を有して
いるものであるが、必要に応じて設けられるべきもので
あり、所定の効果が得られれば設計仕様により連結部２
３を省いてもよい。

【００４５】さらに、基部１５と弾性腕１４ａ，１４
ｂ，１４ｃとの境界には段差１９が設けられており、第
１実施例と同様に、３個の弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４
ｃの幅方向の寸法の合計と、２つの溝１３，１３の間隔
寸法の合計の和は基部１５の幅方向の寸法よりも小さく
形成されている。この段差１９は第１実施例と同様な効
果を有する。

【００４６】弾性腕１４ａ，１４ｂには振動板１２に電
圧を印加し、振動板１２を圧電駆動するための電極１８
ａ，１８ｂが設けられている。電極１８ａ，１８ｂは弾
性腕１４ａ，１４ｂのほぼ半面を覆うように形成されて
おり、弾性腕１４ａにおいては溝１３側に、弾性腕１４
ｂにおいては、溝１３の反対側に、それぞれ形成されて
いる。また、弾性腕１４ａ，１４ｂの裏面（間隙１６
側）にも同様にして図示しない電極１８が設けられてい
る。電極１８ａ，１８ｂには同位相の交流電圧が印加さ
れ、例えば電極１８ａ，１８ｂに＋の電圧を印加したと
き、振動板１２の単結晶の結晶方向が−ｘ方向に向いて
いれば、電極が設けられている部分が溝１３，１３に平
行な方向に伸び、弾性腕１４ａ，１４ｂは矢印の方向に
変位する。また、必然的に中央の弾性腕１４ｃは弾性腕
１４ａ，１４ｂとは逆の方向に変位する。さらに、−の
電圧を印加した時は、それぞれ逆の方向に変位するた
め、所定の共振周波数の交流電圧をかけた場合、それぞ
れの弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃは±ｘ方向の振動を
発生する。

【００４７】図７は振動型ジャイロスコープ１０の側面
図であり、本実施例における検出手段を示した図であ
る。弾性腕１４の下面には、磁気発生手段として、Ｓｍ
−Ｃｏ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの磁石薄膜２４が形成
されており、基板１１上には、磁気検出手段としてＦｅ
−Ｎｉ合金などからなる磁気抵抗効果膜２５が形成さ
れ、この磁気抵抗効果膜２５には定電圧Ｖinが印加され
ている。ここで、間隙１６の間隔寸法が変化すると磁気
抵抗効果膜２５にかかる磁界が変化し、磁気抵抗効果に
よって抵抗Ｒにかかる電圧が変化する。この変化量を読
み取ることによって間隙１６の間隔寸法の変化を検出す
るものである。

【００４８】なお、前述した電極１８ａ，１８ｂは弾性
腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃが±ｘ方向に変位できる程度
に設けられていれば良く、必ずしも弾性腕１４ａ，１４
ｂの裏面全域に設けられている必要はない。

【００４９】次に本実施例の角速度の検出原理について
説明する。まず上述したように電極１８ａ，１８ｂに交
流電圧を印加して、弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃに振
動を発生させる。このとき、角速度ωが加わるとコリオ
リ力によって弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃに±ｙ方向
の振動が加えられる。これにより、間隙１６の間隔寸法
ｄが角速度ωに応じて変化する。この間隔寸法ｄの変化
によって磁気抵抗効果膜２５が磁石薄膜２４から受ける
磁界が変化する。この磁界の変化に応じて磁気抵抗効果
により図７に示した抵抗Ｒにかかる電圧が変化し、この
電圧の変化量を測定することによってより角速度ωを検
出する。

【００５０】（第３実施例）図８は本発明の第３実施例
を示す図である。本実施例は、光効果により振動子（振
動板）を駆動し、圧電効果によりコリオリ力の変形を検
出する実施例である。

【００５１】本実施例において、振動型ジャイロスコー
プ１０は図６に示した第２実施例におけるものと同様な
形状を有している。この振動型ジャイロスコープ１０の
振動板（振動子１２は水晶の単結晶材料などから成り、
基部１５と、溝１３，１３によって３個に分割された弾
性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有している。基部１５と
弾性腕１４ａ，１４ｂ，１４ｃの境界部分には第２実施
例と同様に段差１９，１９が形成されている。そして、
弾性腕１４ａ，１４ｂは連結部２３によって連結されて
いる。基部１５は両端にある支持面２６において支持機
構２７によって剛体支持されている。基部１５の上面に
は櫛型電極２８が設けられ、交流電圧源によって自励発
振するように構成されている。

【００５２】このようにして構成された振動型ジャイロ
スコープ１０では、まず光パルスを±ｘ方向振動モード
の固有振動数に合わせて、弾性腕１４の側面から白抜き
の矢印に示すように照射する。この光パルスは所定波長
の光源例えば半導体レーザを所定の周波数にて発光させ
ることにより得られる。振動板１２の±ｘ方向への固有
振動数に合わせた光パルスがｘ方向から与えられると、
振動板１２の各弾性腕１４ａ，１４ｂは、矢印に示すよ
うに±ｘ方向に振動する。すなわち両側の弾性腕１４
ａ，１４ｂは同じ位相でｘ方向へ振動する。このとき中
央の弾性腕１４ｃは両弾性腕１４ａ，１４ｂと異なる位
相でｘ方向へ振動することになる。

【００５３】次に、前述した櫛型電極２８により弾性板
１２の固有振動数によって自励発振させ、波線の矢印で
示すように弾性腕１４ａ，１４ｂに弾性波を発生させ
る。このとき角速度ωを与えると、各弾性腕１４ａ，１
４ｂ，１４ｃに±ｙ方向のコリオリ力による振動が励起
される。すると、各弾性腕１４ａ，１４ｂのｙ方向への
振動により弾性波の周波数、すなわち前述の自励発振周
波数が角速度ωに応じて変化する。この自励発振周波数
の変化量を櫛型電極２８を介して測定することによって
角速度ωが検出される。

【００５４】また上記実施例において、光パルスにて弾
性腕をｘ方向へ振動させ、コリオリ力により弾性腕がｙ
方向へ振動したときに、このｙ方向への振動を図４に示
す静電力、または図５に示す磁気力を用いて検出し、こ
れにより角速度を検出できるように構成することも可能
である。

【００５５】逆に、各弾性腕を第１実施例と第２実施例
で示すように圧電効果によりｘ方向へ変形振動させ、ま
たは次の第４実施例に示すように、弾性腕を熱効果によ
りｘ方向へ振動させ、コリオリ力の検出を第３実施例で
説明した弾性波の周波数の変化量によって検出すること
もできる。

【００５６】（第４実施例）図９は本発明の第４実施例
を示す斜視図である。本実施例は熱効果によって振動板
１２を駆動し、静電力、または電磁力によってコリオリ
力の変形成分を検出する例である。本実施例では、振動
型ジャイロスコープ１０の構造が第１実施例と同じ形状
および構造のものとなっている。

【００５７】振動板１２の上面にはＮｉ−Ｃｒよりなる
抵抗膜２９が弾性腕１４ａの溝１３の反対側の側端部と
基部１５ａ、弾性腕１４ｃの弾性腕１４ｂ側の溝１３の
近傍と弾性腕１４ｂの溝１３側の側端部と基部１５ｂを
通るようにして形成されており、抵抗膜２９にはパルス
電流（矩形波）が流される。電流が流れると抵抗膜２９
に熱が発生する。この熱により、シリコン基板の抵抗膜
２９が設けられた部分が瞬間的に膨張し、電流が止まる
と抵抗膜２９が設けられた部分が瞬間的に冷却されるた
め、この部分が収縮する。

【００５８】前述したような抵抗膜２９の配置にしてこ
のような動作をパルス電流によって繰り返すと、矢印に
示したように±ｘ方向の振動が発生する。ここで角速度
ωが加わるとコリオリ力が発生して間隙１６の隙間寸法
に変位が生じる。この変位を図５に示す実施例１と同様
に静電力によって測定し、あるいは図７に示す第２実施
例と同様に電磁力によって角速度ωを検出する。

【００５９】上述のように各実施例について説明した
が、本発明についてはこれら実施例に限定されるもので
はない。例えば駆動を電磁力で行い検出を静電力で行っ
たりしてもよい。駆動と検出は圧電効果、静電力、電磁
力、熱効果、光効果の中から任意に組み合わせればよ
く、好ましくは、駆動、検出の少なくともどちらか一方
を静電力で行えばシリコンのマイクロマシニング技術が
応用できるため、超小型化ができる。

【００６０】

【発明の効果】以上のように本発明においては、駆動手
段における入力が検出手段の出力に干渉せず、純粋なコ
リオリ力による変位を検出できるため振動型ジャイロス
コープの検出精度を向上させることができる。

【００６１】また、駆動もしくは検出手段の少なくとも
どちらか一方に、静電力を利用することにより、シリコ
ンのマイクロマシニング技術が応用できるため、超小型
化ができる。

【００６２】また、実施例に示すように、振動子の弾性
腕の両端を剛体支持することによって、振動子に生じた
振動を損なうことなく振動子を確実に支持できる。さら
に、振動子を平面形状にすると、加工が容易になり、大
量生産に有利である。また、弾性腕の一端を剛体支持
し、剛体支持しなかった他端においては３個の弾性腕の
うち中央の弾性腕を除く２個の弾性腕を連結する構成に
すれば、左右両側の弾性腕が同調して振動するため弾性
腕の振動が乱れることがないため、高い検出精度を有す
る振動型ジャイロスコープを得ることができる。

【００６３】さらに、前記振動子の前記３個の弾性腕と
前記溝の間隔を加算した全幅寸法を振動子の弾性腕が形
成されていない部分の幅寸法よりも短く形成し、左右両
側に位置する弾性腕の側端と、振動子の基部の側端との
間に段差を形成することにより、弾性腕の振動変形の応
力が振動子の基部に伝達されにくくなり、弾性腕の振動
の際には基部および振動子全体にねじれ応力などが生じ
にくくなる。その結果、弾性腕の駆動振動及びコリオリ
力による振動が安定し、角速度の検出が安定して行わ
れ、振動型ジャイロスコープの検出精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の振動型ジャイロスコープの振動子
を示す斜視図。

【図２】第１実施例の振動子（振動板）の形状を示す平
面図。

【図３】第１実施例における振動子の電極の配置を示す
平面図。

【図４】第１実施例の検出手段の基本的原理を示す回路
図。

【図５】第１実施例の振動子の側面図。

【図６】第２実施例の振動型ジャイロスコープを示す斜
視図。

【図７】第２実施例の振動子を側方から示す側面図。

【図８】第３実施例の振動型ジャイロスコープを示す斜
視図。

【図９】第４実施例の振動型ジャイロスコープを示す斜
視図。

【図１０】従来の振動型ジャイロスコープの振動子を示
す斜視図。

【図１１】従来の音叉型の振動子を示す斜視図。

【図１２】（Ａ）は図１１の振動子の駆動振動状態を示
す模式図、（Ｂ）はコリオリ力による変形を示す模式
図。

【符号の説明】

１０振動型ジャイロスコープ１１基板１２振動板（振動子）１３溝１４ａ，１４ｂ，１４ｃ弾性腕１５ａ，１５ｂ基部１８ａ，１８ｂ電極１９段差２０移動電極２１固定電極２３連結部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子と、この振動子を第１の方向へ変
形振動させる駆動手段と、回転系内に置かれたときにコ
リオリ力により振動子に作用する第１の方向に直交する
第２の方向への変形振動を検出する検出手段とが設けら
れ、前記駆動手段が振動子に変形振動を与える物理的効
果と、検出手段が振動子の変形振動を検出する物理的効
果とが異なるものであることを特徴とする振動型ジャイ
ロスコープ。
【請求項２】検出手段が、振動子の第２の方向への変
形振動を、静電力を用いて検出するものである請求項１
記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項３】圧電材料により形成された振動子と、こ
の振動子を圧電効果により第１の方向へ変形振動させる
駆動手段と、第１の方向と直交する第２の方向にて前記
振動子と誘電層を介して対面する検出基板とを有し、回
転系内に置かれたときにコリオリ力により振動子に作用
する前記第２の方向への変形振動が、前記誘電層を挟ん
で配置された電極により検出されることを特徴とする振
動型ジャイロスコープ。
【請求項４】圧電材料により形成された振動子と、こ
の振動子を圧電効果により第１の方向へ変形振動させる
駆動手段と、第１の方向と直交する第２の方向にて前記
振動子を介して対面する検出基板と、振動子と検出手段
の一方に設けられた磁気発生手段および他方に設けられ
た磁気検出手段とを有し、回転系内に置かれたときにコ
リオリ力により振動子に作用する前記第２の方向への変
形振動が、前記磁気検出手段により検出されることを特
徴とする振動型ジャイロスコープ。
【請求項５】振動子と、この振動子に間欠的に熱を与
え熱変形により第１の方向へ変形振動させる駆動手段
と、第１の方向と直交する第２の方向にて前記振動子と
誘電層を介して対面する検出基板とを有し、回転系内に
置かれたときにコリオリ力により振動子に作用する前記
第２の方向への変形振動が、前記誘電層を挟んで配置さ
れた電極により検出されることを特徴とする振動型ジャ
イロスコープ。
【請求項６】振動子と、この振動子に間欠的に熱を与
え熱変形により第１の方向へ変形振動させる駆動手段
と、第１の方向と直交する第２の方向にて前記振動子を
介して対面する検出基板と、振動子と検出手段の一方に
設けられた磁気発生手段および他方に設けられた磁気検
出手段とを有し、回転系内に置かれたときにコリオリ力
により振動子に作用する前記第２の方向への変形振動
が、前記磁気検出手段により検出されることを特徴とす
る振動型ジャイロスコープ。
【請求項７】磁気検出手段が磁気抵抗効果を発揮する
材料により形成されている請求項４または６に記載の振
動型ジャイロスコープ。
【請求項８】振動子と、この振動子に光パルスを与え
て光効果により第１の方向へ変形振動させる駆動手段
と、振動子に弾性波を与える検出手段とを有し、回転系
内に置かれたときにコリオリ力により振動子に作用する
第１の方向に直交する第２の方向への変形振動に基づく
前記弾性波の周波数の変化が、前記検出手段により検出
されることを特徴とする振動型ジャイロスコープ。
【請求項９】振動子は、２箇所の溝により分離された
３個の弾性腕を有して平板状に形成されている請求項１
ないし８のいずれかに記載の振動型ジャイロスコープ。