WO2004079296A1 - 六脚型圧電振動ジャイロスコープ - Google Patents

六脚型圧電振動ジャイロスコープ Download PDF

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WO2004079296A1
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WO
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arm
excitation
arms
detection
width dimension
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/002874
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English (en)
French (fr)
Inventor
Takeshi Inoue
Mitsuru Yamamoto
Atsushi Ochi
Kenji Kuramoto
Mitsuhiro Nakajima
Original Assignee
Nec Corporation
Japan Aviation Electronics Industry, Limited
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams

Definitions

  • the present invention relates to a gyroscope used as an angular velocity detector in car navigation systems, attitude control devices for ship navigation, and the like, and more particularly to a piezoelectric vibration gyroscope.
  • a gyroscope used as an angular velocity detector in car navigation systems, attitude control devices for ship navigation, and the like, and more particularly to a piezoelectric vibration gyroscope.
  • the hexagonal piezoelectric vibratory gyroscope includes a piezoelectric body, and a drive side electrode and a detection side electrode coupled to the piezoelectric body.
  • the piezoelectric body has a rectangular plate-like main body having its front and back surfaces as its main surfaces, a drive side arm extending from one of the opposing sides of the main body, and a detection side arm extending from the other.
  • the drive side arm portion has a pair of excitation arms and one non-excitation arm between them.
  • the detection side arm unit has a pair of detection arms and one non-detection arm between them.
  • Each of the excitation arms is provided with a drive-side electrode for exciting in-plane vibration that vibrates in a direction parallel to the main surface of the main body.
  • Each of the detection arms is provided with a detection-side electrode for detecting vertical vibration that vibrates in a direction perpendicular to the main surface of the main body.
  • the excitation arm, the non-excitation arm, the detection arm, and the non-detection arm are all formed with the same width dimension and thickness for mass productivity.
  • the resonant frequency in the drive vibration mode that is, in-plane vibration
  • the detection of each arm in the detection side arm It is necessary to bring the resonant frequencies in the vibration mode (ie, surface vertical vibration) close to each other.
  • the driving vibration motor Spurious frequencies exist in the vicinity of the driving mode and the detected vibration mode, and spur vibration causing in-plane vibration is excited to provide mechanical coupling to the piezoelectric vibrator or the piezoelectric body.
  • the gyro sensitivity or detection sensitivity is significantly reduced.
  • the intensity of the spurious vibration in the in-plane vibration is overwhelmingly greater than the intensity of the spurious vibration in the in-plane normal vibration, which causes the decrease in gyro sensitivity. Disclosure of the invention:
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration gyroscope which is excellent in gyro sensitivity and capable of detecting an angular velocity with high accuracy.
  • the main body portion a pair of excitation arms extending in the first direction at a distance from each other and the first arm portion between the excitation arms,
  • One non-excitation arm extending in the direction of 1, a pair of detection arms spaced apart from the main body and extending in the second direction opposite to the first direction, for detection Between the main body and the non-detecting arm extending from the main body in the second direction, the drive electrode respectively coupled to the excitation arm, and the detection coupled to the detection arm
  • Each of the excitation arm, the non-excitation arm, the detection arm, and the non-detection arm includes a side electrode, and each of the excitation arm and the non-excitation arm includes a piezoelectric body.
  • Each of the excitation arms and each of the detection arms are different in width, and each of the excitation arms and the non-detection arms are different in width.
  • Tosu Piezoelectric vibratory gyroscope is obtained. Brief Description of the Drawings:
  • FIG. 1 is a front view of a piezoelectric body included in a six-leg piezoelectric vibratory gyroscope according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2A is a top view of a six-leg piezoelectric vibratory gyroscope in which electrodes are coupled to the piezoelectric body shown in FIG.
  • FIG. 2B is a front view of the six-legged piezoelectric vibratory gyroscope of FIG. 2A
  • FIG. 2C is a bottom view of the six-legged piezoelectric vibratory gyroscope of FIG. 2A
  • FIG. 3 shows the electrical connections on the drive side of the six-legged piezoelectric vibratory gyroscope shown in FIGS. 2A-2C. Is an explanatory view
  • FIG. 4 is an explanatory view showing an electrical connection on the detection side of the six-leg type piezoelectric vibration gyroscope shown in FIGS. 2A-2C;
  • FIG. 5 is a front view of a piezoelectric body included in a six-leg type piezoelectric vibration gyroscope according to a second embodiment of the present invention
  • 6A is a top view of a six-leg piezoelectric vibratory gyroscope in which electrodes are coupled to the piezoelectric body shown in FIG. 5;
  • FIG. 6B is a front view of the six-legged piezoelectric vibratory gyroscope of FIG. 5A
  • FIG. 6C is a bottom view of the six-legged piezoelectric vibratory gyroscope of FIG. 5A
  • FIG. 18 is an explanatory drawing showing electrical connections on the drive side of the six-leg type piezoelectric vibration gyroscope shown in A-6 C;
  • FIG. 8 is an explanatory view showing an electrical connection on the detection side of the six-leg piezoelectric vibratory gyroscope shown in FIGS. 6A-6G;
  • FIG. 9 is a front view showing another example of the piezoelectric body.
  • FIG. 10 is a front view showing still another example of the piezoelectric body
  • FIG. 11 is a front view showing still another example of the piezoelectric body. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 A six-leg type piezoelectric vibration gyroscope according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 A six-leg type piezoelectric vibration gyroscope according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 A six-leg type piezoelectric vibration gyroscope according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • This six-leg piezoelectric vibratory gyroscope includes a piezoelectric body 1 made of X-cut langasite crystal.
  • Fig. 1 the directionality of the Langasai weir belonging to the trigonal system and the working direction of the angular velocity ⁇ are shown by the X, ⁇ , and Z axes.
  • the piezoelectric body 1 may be made of X-cut quartz.
  • the piezoelectric body 1 has a rectangular plate-like main body 2 whose main surfaces are the front and back, and a pair of excitation arms 3 a extending in the first direction A 1 at intervals from one side of the main body 2.
  • 3 b for excitation
  • One non-oscillating arm 3c extending from one side of the main body 2 to the first direction A 1 between the arms 3a and 3b, the first side spaced from the opposite side of the main body 2
  • the direction A1 is a second pair of detection arms 4a and 4b extending in the opposite second direction A2, and the second side of the main body 2 between the detection arms 4a and 4b. It includes one non-detection arm 4c extended in the direction A2.
  • the excitation arms 3 a and 3 b and the non-excitation arms 3 c are parallel to each other and extend parallel to the main surface of the main body 2. Each of the excitation arms 3a and 3b and the non-excitation arm 3c has a prismatic shape.
  • the detection arms 4 a and 4 b and the non-detection arm 4 c are parallel to each other and extend parallel to the main surface of the main body 2. Each of the detection arms 4 a and 4 b and the non-detection arm 4 c has a prismatic shape.
  • the excitation arms 3a and 3b, the non-excitation arm 3c, the detection arms 4a and 4b, and the non-detection arm 4c have the same arm length of 5.5 mm, respectively.
  • the main body 2 has a function of preventing the in-plane vibration waves generated by the excitation arms 3a and 3b from propagating to the detection arms 4a and 4b, whereby the piezoelectric body 1 has a Y axis.
  • the piezoelectric body 1 has a Y axis.
  • the excitation arm 3a, 3b and the non-excitation arm 3c are combined and called the drive side arm portion 3, and the detection arm 4a, 4b and the non-detection arm 4c Together they are called detection side arm 4.
  • the width dimension of each of the excitation arms 3a and 3b is W1
  • the width dimension of the non-excitation arm 3c is W2.
  • the width dimension of each of the detection arms 4a and 4b is W3
  • the width dimension of the non-detection arm 4c is W4.
  • these width dimensions W 1, W 2, W 3 and W 4 are set to different values, and the center of gravity of the piezoelectric body 1 is made to coincide with the geometrically central position of the main body 2.
  • width dimensions W1, W2, W3, and W4 will be specifically described.
  • the width dimension W 1 of each of the excitation light sources 3 a and 3 b is 4 2 ⁇ .
  • the width dimension W2 of the non-excitation beam 3c is 50 ⁇ ⁇ , which is approximately 19% larger than the width dimension W1.
  • the width W3 of each of the arms 4a and 4b is 44 ⁇ , which is about 5% larger than the width W1.
  • the width W4 of the non-detection arm 4c is 46 ⁇ m, which is 8% smaller than the width W2.
  • the piezoelectric body 1 is supported at its center of gravity with alumina, and the excitation arm 3 a is used to adjust the difference between the resonance frequency of the excitation arms 3 a and 3 b and the resonance frequency of the detection arms 4 a and 4 b.
  • 3b and the tip of each of the detection arms 4a, 4b are processed and detuned.
  • a film is formed with gold plating, which is a conductive metal material, on the tip in advance, and a mass is added, and then the thickness adjustment processing is performed by laser trimming the plating film, thereby performing in-plane processing.
  • adjusting the difference between the resonant frequency and the resonant frequency of the plane-vertical vibration of the vibration to be less than 30 H Z.
  • a six-leg type piezoelectric vibration gyroscope was fabricated using the piezoelectric body 1, and it was driven at a frequency of 8767 Hz, a drive voltage of 1 V p — p , and was rotated at an angular velocity ⁇ of 3 degrees around the Y axis.
  • the gyro output was 0.36mV, and it was found that highly sensitive gyro characteristics could be obtained.
  • a total of four drive electrodes 21 are coupled to each of the excitation arms 3a and 3b, that is, two each on the front surface side and the back surface side.
  • the driving electrodes 21 are for exciting in-plane vibration to the excitation arms 3a and 3b, and are arranged in parallel bands at predetermined intervals.
  • a total of four detection side electrodes 22 are coupled to each of the detection arms 4a and 4b, that is, one on each surface.
  • the detection side electrodes 22 are for detecting the surface vertical vibration of the detection arms 4a and 4b, and each of the detection side electrodes 22 is disposed in a band shape.
  • the electrical connection to the drive side electrode 21 will be described with reference to FIG.
  • each of the excitation arms 3a and 3b two drive side electrodes 21 opposed to each other are respectively connected to both poles of the AC power supply, and two drive side electrodes 21 adjacent in the same plane are also AC power supplies. It is connected to both poles respectively. Moreover, in the whole of the excitation arms 3a and 3b, the connection polarity to the AC power supply is opposite between the outer one and the inner one of the drive side electrodes 21. Thus, electrical connections are made to excite each of the excitation arms 3a and 3b in opposite directions in the thickness direction of the main body 2. The direction of the electric line of force by the driving side electrode 21 is illustrated by an arrow.
  • two detection electrodes 22 opposed to each other in the plate thickness direction are connected to the negative electrode of a detection device (not shown), and the remaining two detection electrodes 22 are It is connected to the positive electrode.
  • the two detection electrodes 22 opposed to each other in the plate thickness direction are connected to the positive electrode of the detection device, and the remaining two detection electrodes 22 are connected to the negative electrode. There is.
  • the directions of the lines of electric force of the detection arms 4a and 4b are illustrated by arrows.
  • FIGS. 5 and 6 a six-leg type piezoelectric vibration diaphragm according to a second embodiment of the present invention will be described.
  • the same reference numerals are given to similar parts and the description is omitted.
  • the piezoelectric body 1 in FIG. 5 is made of Z-cut langasai, but may be made of z-cut quartz.
  • the directionality and direction of angular velocity ⁇ of the langasai moth belonging to the trigonal system are shown by X, X, and ⁇ axes.
  • each of the excitation arms 3a and 3b, the non-excitation arm 3c, the detection arms 4a and 4b, and the non-detection arm 4c has a prismatic shape, and The arm length is 6. O mm.
  • Coriolis acts on the excitation arms 3a and 3b. Since this Coriolis force acts in the direction perpendicular to the plane, the excitation arms 3a and 3b vibrate in the plane perpendicular.
  • the main body 2 has a function of transmitting the surface vertical vibration to the pair of detection arms 4a and 4b.
  • the width dimension W 1 of each of the excitation arms 3 a and 3 b is 400 It is ⁇ .
  • the width dimension W 2 of the non-excitation arm 3 c is 3 60 ⁇ which is about 10% smaller than the width dimension W 1.
  • the width dimension W 3 of each of the detection arms 4 a and 4 b is 3 7 Opm, which is 7.5% smaller than the width dimension W 1.
  • the width dimension W 4 of the non-detection arm 4 c is 4 2 ⁇ ⁇ , which is about 17% larger than the width dimension W 2 of the non-excitation arm 3 c.
  • the weights of the three arms of the drive side arm unit 3 and the arms of the three arms of the detection side arm unit 4 are equal to each other, and the center of gravity is matched to the position of the geometric center of the main unit 2. .
  • the pressure sensor 1 when the piezoelectric body 1 is rotated at an angular velocity ⁇ around the wedge axis, the angular velocity ⁇ can be detected by the detection arms 4 a and 4 b.
  • the piezoelectric body 1 is supported at its center of gravity with alumina, and the excitation arm 3 a is used to adjust the difference between the resonance frequency of the excitation arms 3 a and 3 b and the resonance frequency of the detection arms 4 a and 4 b. 3b and the detection arms 4a and 4b are processed for detuning width processing. More specifically, a conductive metal material, Au (A u), is deposited on the tip by sputtering to perform detuning in a direction to lower the frequency, thereby causing in-plane vibration resonance. The difference between the frequency and the resonant frequency of the surface normal vibration was adjusted to be 18 Hz.
  • the piezoelectric element 1 was subjected to finite element method (FEM characteristic value) analysis and measurement of spurious vibration oscillating in the plane by measurement, and within ⁇ 2 0 0 H z with respect to the driving resonance frequency 7 8 3 0 H z Was found to be completely absent. Further, to produce a hexapod type piezoelectric vibrating gyroscope using a piezoelectric body 1, frequency 7 8 3 0 H z, driven by the driving voltage 1 V p _ p, the angular velocity ⁇ as twice / s to Y axis When rotated, the gyro output is 0.2 mv, which indicates that high sensitivity gyro characteristics can be obtained.
  • FEM characteristic value finite element method
  • a plurality of drive electrodes 11 are connected to each of the excitation arms 3a and 3b, that is, one on each side.
  • the driving electrodes 11 are for exciting in-plane vibration to the excitation arms 3a and 3b, and each of the driving electrodes 11 is disposed in a band shape.
  • a total of four detection electrodes 12 are coupled to each of the detection electrodes 4a and 4b, respectively, two on each of two side surfaces orthogonal to the front and back surfaces.
  • the detection side electrode 1 2 is for detecting the surface vertical vibration of the detection arms 4 a and 4 b, and during a predetermined period They are arranged in parallel strips with gaps.
  • two drive electrodes 11 opposed to each other in the plate thickness direction are connected to one pole of the AC power supply, and the remaining two drive electrodes 11 are the other of the AC power supplies. Connected to the pole.
  • the two drive electrodes 11 opposed to each other in the thickness direction are connected to the other pole of the AC power supply, and the remaining two drive electrodes 11 are connected to one pole. It is connected.
  • the direction of the electric line of force by the driving side electrode 11 is illustrated by an arrow.
  • each of the detection arms 4a and 4b two detection side electrodes 1 2 facing each other are connected to both poles of a detection device (not shown), and two adjacent detection side electrodes in the same plane. 12 are also connected to both poles respectively.
  • electrical connections are made to detect the vibration in the opposite directions of each of the detection arms 3a and 3b.
  • the directions of the electric lines of force of the detection arms 4a and 4b are illustrated by arrows.
  • piezoelectric body 1 Another example of the piezoelectric body 1 will be described with reference to FIG. The same reference symbols are attached to similar parts and the description is omitted.
  • the piezoelectric body 1 in FIG. 9 is made of Z cut quartz, it may be made of Z cut rong moth.
  • the directionality of the crystal belonging to the trigonal system and the working direction of the angular velocity ⁇ are shown by X, ⁇ and ⁇ axes.
  • each of the excitation arms 3a and 3b, the non-excitation arm 3c, the detection arm 4a and 4b, and the non-detection arm 4c is a prismatic type. Yes, and the arm length is 6. O mm.
  • the piezoelectric body 1 is rotated at an angular velocity ⁇ around the Y axis, Coriolis acts on the excitation arms 3a and 3b. Since this Coriolis force acts in the direction perpendicular to the plane, the excitation arms 3a and 3b vibrate in the plane perpendicular.
  • the main body 2 has a function of transmitting the surface vertical vibration to the pair of detection arms 4a and 4b.
  • the width W 1 of each of the excitation arms 3 a and 3 b is 400 ⁇ .
  • the width dimension W 2 of the non-excitation arm 3 c is 4 40 ⁇ that is 10% larger than the width dimension W 1.
  • Width dimension W 3 of each of detection arms 4 a and 4 b is more than width dimension W 1 5% smaller at 3 8 O pm.
  • the width W 4 of the non-detection arm 4 c is 4 8 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , which is about 9% larger than the width W 2 of the non-excitation arm 3 c.
  • the weights of the three arms of the drive side arm 3 and the arms of the three legs of the detection side arm 4 are equal to each other, and the center of gravity coincides with the position of the geometric center of the main body 2.
  • the piezoelectric body 1 is supported at its center of gravity with alumina, and the excitation arm 3 a is used to adjust the difference between the resonance frequency of the excitation arms 3 a and 3 b and the resonance frequency of the detection arms 4 a and 4 b. , 3b and the tip of each of the detection arms 4a, 4b are processed and detuned. As a result, the difference between the resonance frequency of in-plane vibration and the resonance frequency of surface normal vibration was adjusted to be 9 Hz.
  • the piezoelectric element 1 was subjected to finite element method (FEM characteristic value) analysis and measurement of spurious vibration oscillating in the plane by measurement, and within ⁇ 2 0 0 H z with respect to the drive resonance frequency 9 3 6 1 H 2 was found to be completely absent. Furthermore, a six-leg type piezoelectric vibration gyroscope is fabricated using the piezoelectric body 1 and driven at a frequency of 9 3 6 1 H z and a driving voltage of 1 M p 1 so that the angular velocity ⁇ is 1 degree / s around the Y axis. When this was done, the gyro output was 0, 0 62 m V, and it was found that highly sensitive gyro characteristics could be obtained.
  • FEM characteristic value finite element method
  • the piezoelectric body 1 in FIG. 10 is made of Z-cut quartz, but may be made of Z-cut langasai.
  • the directionality of the crystal belonging to the trigonal system and the working direction of the angular velocity ⁇ are indicated by the X, ⁇ , and Z axes.
  • each of the excitation arms 3a and 3b, the non-excitation arm 3c, the detection arms 4a and 4b, and the non-detection arm 4c has a prismatic shape, and The arm length is 6. O mm.
  • Coriolis acts on the excitation arms 3a and 3b. Since this Coriolis force acts in the direction perpendicular to the plane, the excitation arms 3a and 3b vibrate in the plane perpendicular.
  • the main body 2 has a function of transmitting the surface vertical vibration to the pair of detection arms 4a and 4b.
  • the width dimension W1 of each of the excitation arms 3a and 3b is 400 ⁇ .
  • the width dimension W2 of the non-excitation arm 3c is 3 40 ⁇ , which is 15% smaller than the width dimension W1.
  • the width W3 of each of the detection arms 4a and 4b is 36 Opm, which is 10% smaller than the width W1.
  • the width W4 of the non-detection arm 4c is 42 Opm, which is about 240/0 larger than the width W2 of the non-excitation arm 3c.
  • the piezoelectric body 1 is supported at its center of gravity with alumina, and the excitation arm 3 a is used to adjust the difference between the resonance frequency of the excitation arms 3 a and 3 b and the resonance frequency of the detection arms 4 a and 4 b. , 3b and the tip of each of the detection arms 4a, 4b are processed and detuned. As a result, the difference between the resonance frequency of in-plane vibration and the resonance frequency of vertical vibration was adjusted to be 10 Hz.
  • the piezoelectric element 1 was subjected to finite element analysis (FEM eigenvalues) analysis, and as a result of measurement of spurious vibration oscillating in the plane by measurement, it was found that none exists within ⁇ 200 Hz for the drive resonance frequency 9353 Hz. I found that. Furthermore, a six-leg type piezoelectric vibration gyroscope was manufactured using the piezoelectric body 1, and it was driven at a frequency of 9353 H 2 and a drive voltage of 1 V p — p , and was rotated about the Y axis at an angular velocity ⁇ of 1 degree / s. In this case, the gyro output is 0. 06 1 mV, which indicates that highly sensitive gyro characteristics can be obtained.
  • FEM eigenvalues finite element analysis
  • the piezoelectric body 1 of FIG. 11 is made of Z-cut quartz, but may be made of Z-cut langasite.
  • the directionality of the crystal belonging to the trigonal system and the working direction of the angular velocity ⁇ are indicated by X, ⁇ , and ⁇ axes.
  • each of the excitation arms 3a and 3b, the non-excitation arm 3c, the detection arms 4a and 4b, and the non-detection arm 4c has a prismatic shape, and The arm length is 6. Omm.
  • Excitation when the piezoelectric body 1 rotates at angular velocity ⁇ around Y axis Coriolica works on arms 3 a and 3 b. Since this Coriolis force acts in the direction perpendicular to the plane, the excitation arms 3a and 3b vibrate in the plane perpendicular.
  • the main body 2 has a function of transmitting the surface vertical vibration to the pair of detection arms 4a and 4b.
  • the width W 1 of each of the excitation arms 3 a and 3 b is 4 0 0.
  • the width dimension W 2 of the non-excitation arm 3 c is 3 8 ⁇ ⁇ , which is 5% smaller than the width dimension W 1.
  • the width W 3 of each of the detection arms 4 a and 4 b is 4 4 ⁇ ⁇ 10, which is 10% larger than the width W 1.
  • the width dimension W4 of the non-detection arm 4c is 30 0 ⁇ which is approximately 21% smaller than the width dimension W2 of the non-excitation arm 3c.
  • the piezoelectric body 1 is supported at its center of gravity with alumina, and the excitation arm 3 a is used to adjust the difference between the resonance frequency of the excitation arms 3 a and 3 b and the resonance frequency of the detection arms 4 a and 4 b. 3b and the detection arms 4a and 4b are processed for detuning width processing. As a result, the difference between the resonance frequency of in-plane vibration and the resonance frequency of vertical vibration was adjusted to be 8 Hz.
  • the piezoelectric element 1 was subjected to finite element method (FEM characteristic value) analysis, and the spurious vibration was examined by in-plane vibration, and as a result, within ⁇ 2 OOH z with respect to the drive resonance frequency 9 3 6 1 H 2 It turned out that it did not exist at all. Furthermore, a hexagonal piezoelectric vibratory gyroscope is fabricated using the piezoelectric body 1, driven at a frequency of 9 3 6 1 H z, at a driving voltage of 1 V p — p , and rotated about an Y axis with an angular velocity ⁇ of 1 degree. In this case, the gyro output was 0. 0 6 3 m V, and it was found that high sensitivity gyro characteristics could be obtained.
  • FEM characteristic value finite element method
  • the resonant frequency of the in-plane vibration is obtained.
  • the piezoelectric body 1 is made of X-cuttlangasite crystal, X-cut quartz crystal, Z-cuttrangasite crystal or Z-cut quartz crystal.
  • the material of the piezoelectric body 1 is not limited to the disclosed one because the same function and effect can be obtained by using Y-plate lithium tantalate or piezoelectric ceramics or the like.
  • the resonance frequencies of the in-plane vibration are different from each other, and the in-plane vibration on the detection side is near the drive vibration frequency in use.
  • high stability and high sensitivity SZN ratio with excellent gyro sensitivity are possible, and as a result, it is possible to detect small angular velocities below the earth's rotation speed with excellent resolution.
  • the six-leg type piezoelectric vibration gyroscope of the present invention can be used as an angular velocity detector in a car navigation system, an attitude control device for ship navigation, and the like.

Abstract

本体部（２）から互いに間隔をおいて第１の方向（Ａ１）に延出した一対の励振用アーム（３ａ，３ｂ）、励振用アームの間で本体部から第１の方向に延出した一つの非励振用アーム（３ｃ）、本体部から互いに間隔をおいて第２の方向（Ａ２）に延出した一対の検出用アーム（４ａ，４ｂ）、検出用アームの間で本体部から第２の方向に延出した一つの非検出用アーム（４ｃ）を有する。励振用アームには駆動側電極が結合される。検出用アームには検出側電極が結合される。励振用アーム、非励振用アーム、検出用アーム、及び非検出用アームの各々は圧電体からなる。励振用アームの各々と非励振用アームとは幅寸法において互いに異なる。励振用アームの各々と検出用アームの各々とは幅寸法において互いに異なる。励振用アームの各々と非検出用アームとは幅寸法において互いに異なる。

Description

明 細 書 六脚型圧電振動ジャィロスコープ 技術分野：
本発明は、カーナビゲーシヨンや船舶航行用の姿勢制御装置等に角速度検出器と して用いられるジャイロスコープに関し、特に、圧電振動ジャイロスコープに関す る。 景技術
高精度に角速度検出が可能なジャイロスコープとして、六脚型圧電振動ジャイロ スコープが例えぱ特開 2 0 0 1 - 2 5 5 1 5 2号公報に開示されている。その六脚 型圧電振動ジャイロスコープは、圧電体と、圧電体に結合された駆動側電極及ぴ検 出側電極とを含んでいる。圧電体は、表裏面を主面とする矩形板状の本体部と、本 体部の互いに対向する辺の一方からのびた駆動側アーム部と、他方からのびた検出 側アーム部を有している。駆動側アーム部は、一対の励振用アーム及びこれらの間 の一つの非励振用アームを有している。検出側アーム部は、一対の検出用アーム及 ぴこれらの間の一つの非検出用アームを有している。 励振用アームにはそれぞれ、 本体部の主面と平行な方向に振動する面内振動を励振するための駆動側電極が形 成されている。検出用アームにはそれぞれ、本体部の主面と垂直な方向に振動する 面垂直振動を検出するための検出側電極が形成されている。 通常、 励振用アーム、 非励振用アーム、検出用アーム、及び非検出用アームは、量産性の配慮から全て同 一な幅寸法及び厚さで形成される。
高感度な六脚型圧電振動ジャイロスコープを提供するためには、駆動側アーム部 における各アームの駆動振動モード （即ち、面内振動） における共振周波数と、検 出側アーム部における各アームの検出振動モード （即ち、面垂直振動） における共 振周波数とを、互いに近付けることが必要である。 しかし、 その場合には、総計 6 脚の各アームのそれぞれの面垂直振動及び面内振動が近似するため、駆動振動モ一 ド及び検出振動モードの近傍にスプリアス周波数が存在し、面内振動をするスプリ ァス振動が励起されて圧電振動子又は圧電体に機械的な結合を与えることになる。 その結果、 ジャイロ感度即ち検出感度が著しく低下してしまう。特に、面内振動の スプリアス振動の強度は面垂直振動のスプリアス振動の強度に比べて圧倒的に大 きいため、 ジャイロ感度の低下を来す要因となっている。 発明の開示：
それ故に本発明の目的は、ジャイロ感度が優れて高精度に角速度検出が可能な圧 電振動ジャイロスコープを提供することにある。
本発明の一態様によれば、本体部、前記本体部から互いに間隔をおいて第 1の方 向に延出した一対の励振用アーム、前記励振用アームの間で前記本体部から前記第
1の方向に延出した一つの非励振用アーム、前記本体部から互いに間隔をおいて前 記第 1の方向とは反対の第 2の方向に延出した一対の検出用アーム、前記検出用ァ ームの間で前記本体部から前記第 2の方向に延出した一つの非検出用アーム、前記 励振用アームにそれぞれ結合された駆動側電極、及び前記検出用アームにそれぞれ 結合された検出側電極を含み、前記励振用アーム、前記非励振用アーム、前記検出 用アーム、及び前記非検出用アームの各々は圧電体からなり、前記励振用アームの 各々と前記非励振用アームとは幅寸法において互いに異なり、前記励振用アームの 各々と前記検出用アームの各々とは幅寸法において互いに異なり、前記励振用ァー 厶の各々と前記非検出用アームとは幅寸法において互いに異なることを特徴とす る圧電振動ジャイロスコープが得られる。 図面の簡単な説明：
図 1は、本発明の第 1の実施の形態に係る六脚型圧電振動ジャイロスコープに含 まれる圧電体の正面図であり ；
図 2 Aは、図 1に示す圧電体に電極を結合した六脚型圧電振動ジャイロスコープ の上面図であり、
図 2 Bは、 図 2 Aの六脚型圧電振動ジャイロスコープの正面図であり ； 図 2 Cは、 図 2 Aの六脚型圧電振動ジャイロスコープの底面図であり ； 図 3は、図 2 A— 2 Cに示す六脚型圧電振動ジャイロスコープの駆動側における 電気結線を示した説明図であり ；
図 4は、図 2 A— 2 Cに示す六脚型圧電振動ジャイロスコープの検出側における 電気結線を示した説明図であり ；
図 5は、本発明の第 2の実施の形態に係る六脚型圧電振動ジャイロスコープに含 まれる圧電体の正面図であり ；
図 6 Aは、図 5に示す圧電体に電極を結合した六脚型圧電振動ジャイロスコープ の上面図であり ；
図 6 Bは、 図 5 Aの六脚型圧電振動ジャイロスコープの正面図であり ； 図 6 Cは、 図 5 Aの六脚型圧電振動ジャイロスコープの底面図であり ； 図 7は、図 6 A— 6 Cに示す六脚型圧電振動ジャィロスコープの駆動側における 電気結線を示した説明図であり ；
図 8は、図 6 A— 6 Gに示す六脚型圧電振動ジャイロスコープの検出側における 電気結線を示した説明図であり ；
図 9は、 圧電体の他の例を示す正面図であり ；
図 1 0は、 圧電体のさらに他の例を示す正面図であり ；及び
図 1 1は、 圧電体のさらに他の例を示す正面図である。 発明を実施するための最良の形態：
図 1及び図 2を参照して、本発明の第 1の実施の形態に係る六脚型圧電振動ジャ イロスコープについて説明する。
この六脚型圧電振動ジャイロスコープは、 Xカツ卜ランガサイト結晶製の圧電体 1を含んでいる。図 1において、三方晶系に属するランガサイ卜の方向性及び角速 度 Ωの働く方向を X、 丫、 Z軸で示す。 なお、 圧電体 1は Xカット水晶製として も良い。
圧電体 1は、表裏面を主面とする矩形板状の本体部 2、本体部 2の一辺から互い に間隔をおいて第 1の方向 A 1に延出した一対の励振用アーム 3 a、 3 b、励振用 アーム 3 a、 3 bの間で本体部 2の一辺から第 1の方向 A 1に延出した一つの非励 振用アーム 3 c、本体部 2の反対辺から互いに間隔をおいて第 1の方向 A 1とは反 対の第 2の方向 A 2に延出した一対の検出用アーム 4 a、 4 b、及び検出用アーム 4 a、 4 bの間で本体部 2の反対辺から第 2の方向 A 2に延出した一つの非検出用 アーム 4 cを含んでいる。
励振用アーム 3 a、 3 b及び非励振用ァ一厶 3 cは互いに平行でありかつ本体部 2の主面と平行にのびている。励振用アーム 3 a、 3 b及び非励振用アーム 3 cの 各々は角柱状のものである。検出用アーム 4 a、 4 b及び非検出用アーム 4 cは互 いに平行でありかつ本体部 2の主面と平行にのびている。検出用アーム 4 a、 4 b 及び非検出用アーム 4 cの各々は角柱状のものである。 励振用アーム 3 a、 3 b、 非励振用アーム 3 c、検出用アーム 4 a、 4 b、及び非検出用アーム 4 cは、互い に同じ 5 . 5 m mのアーム長を有する。
本体部 2は、励振用アーム 3 a、 3 bで発生した面内振動波動を検出用アーム 4 a、 4 bに伝播させないための機能を有し、 これによつて圧電体 1が Y軸の回りに 角速度 Ωで回転したときにコリオリカを利用して検出用アーム 4 a、 4 bで角速 度 Ωを検出することを可能にする。
以下では 励振用アーム 3 a、 3 b及ぴ非励振用アーム 3 cを合せて駆動側ァ一 ム部 3と呼ぴ、 また 検出用アーム 4 a、 4 b及ぴ非検出用アーム 4 cを合せて検 出側アーム部 4と呼ぶ。駆動側アーム部 3において、励振用アーム 3 a、 3 bの各々 の幅寸法を W 1、非励振用アーム 3 cの幅寸法を W 2とする。検出側アーム部 4に おいて、検出用アーム 4 a、 4 bの各々の幅寸法を W 3、非検出用ァ一厶 4 cの幅 寸法を W 4とする。 ここで、 これらの幅寸法 W 1、 W 2、 W 3、 W 4をそれぞれ異 なる値に設定し、 本体部 2の幾何学的な中心位置に圧電体 1の重心を一致させる。 この結果、六脚型圧電振動ジャイロスコープをその重心で支持することが可能にな る。
幅寸法 W 1、 W 2、 W 3、 W 4を具体的に説明する。
励振用ァ一厶 3 a、 3 bの各々の幅寸法 W 1は 4 2 Ο μιτιである。 非励振用ァー ム 3 cの幅寸法 W 2は幅寸法 W 1よりも約 1 9 %大きい 5 0 Ο μηηである。 検出用 アーム 4 a、 4 bの各々の幅寸法 W3は幅寸法 W1よりも約 5%大きい 44 Ομπι である。 非検出用アーム 4 cの幅寸法 W4は幅寸法 W2よりも 8%小さい 46 Ομ mである。 これらの幅寸法 W1、 W2、 W3、 W4により、 駆動側アーム部 3の 3 脚のアームと検出側アーム部 4の 3脚のアームとにおける重量を等しく した上で 本体部 2の幾何学的中心位置に重心を一致させる。
この圧電体 1をアルミナで重心支持し、励振用アーム 3 a、 3 bにおける共振周 波数と検出用アーム 4 a、 4 bにおける共振周波数との差分を調整するために、励 振用アーム 3 a、 3 b及び検出用アーム 4 a、 4 bの各々の先端部を加工して離調 幅処理する。具体的には、先端部に予め導電性金属材である金メツキで成膜して質 量付加し、その後にそのメツキ膜をレーザトリミングすることで離調幅処理を施し、 これによリ面内振動の共振周波数と面垂直振動の共振周波数との差を 30 H Z未 満になるように調整した。
この圧電体 1について、 有限要素法 （F EM) 解析、 並びに実測により面内で振 動するスプリアス振動を調べた結果、 駆動共振周波数 8767 H zに対して ±20 O H 2以内には全く存在しないことが判った。また、面垂直振動に関するスプリア ス振動の強度は面内振動のスプリァス振動の強度と比べてかなり小さく、駆動共振 周波数から約 280 H s離れたところに存在しているため、ジャィ口感度に影響を 及ぼさないことも明らかとなった。 さらに、圧電体 1を用いて六脚型圧電振動ジャ イロスコープを作製し、 周波数 8767 H z、 駆動電圧 1 Vp_pで駆動し、 Y軸回 りに角速度 Ω を 3度 として回転させた場合、 ジャイロ出力が 0. 36mVと なり、 高感度なジャイロ特性が得られることが判つた。
さらに、 励振用アーム 3 a、 3 bの各々には複数、 即ち、 表面側及び裏面側にそ れぞれ二つずつ、合計四つの駆動側電極 2 1が結合されている。駆動側電極 2 1は、 励振用アーム 3 a、 3 bに面内振動を励振するためのものであり、所定の間隔を持 つて平行な帯状に配設されている。
一方、 検出用アーム 4 a、 4 bの各々には複数、 即ち、 各面に一つずつ、 合計四 つの検出側電極 22が結合されている。検出側電極 22は、検出用アーム 4 a、 4 bの面垂直振動を検出するためのものであり、 各々が帯状に配設されている。 図 3を参照して、 駆動側電極 2 1に対する電気結線について説明する。
励振用アーム 3 a、 3 bの各々において、互いに対向する二つの駆動側電極 2 1 が交流電源の両極にそれぞれ接続され、かつ同じ面内で隣接した二つの駆動側電極 2 1も交流電源の両極にそれぞれ接続されている。 しかも、励振用アーム 3 a、 3 b全体としては、駆動側電極 2 1の外側のものと内側のものとで交流電源に対する 接続極性が反対になっている。 こうして、励振用アーム 3 a、 3 bの各々を本体部 2の板厚方向において相反する向きに励振するように電気結線が成されている。な お、 駆動側電極 2 1による電気力線の向きを矢印で例示している。
図 4を参照して、 検出側電極 2 2に対する電気結線について説明する。
一方の検出用アーム 4 aにおいては、板厚方向で互いに対向する二つの検出側電 極 2 2が検出装置（図示せず） の負極に接続され、かつ残りの二つの検出側電極 2 2が正極に接続されている。他方の検出用アーム 4 bにおいては、板厚方向で互い に対向する二つの検出側電極 2 2が検出装置の正極に接続され、かつ残りの二つの 検出側電極 2 2が負極に接続されている。なお、検出用アーム 4 a、 4 bの電気力 線の向きを矢印で例示している。
図 5及び図 6を参照して、本発明の第 2の実施の形態に係る六脚型圧電振動ジャ ィロスコ一プについて説明する。同様な部分については同じ参照符号を付して説明 を省略する。
図 5の圧電体 1は、 Zカツ卜ランガサイ卜製のものであるが、 Zカツ卜水晶製の ものであってもよい。 三方晶系に属するランガサイ卜の方向性及び角速度 Ωの働 く方向を X、 Υ、 Ζ軸で示す。
圧電体 1において、励振用アーム 3 a、 3 b、非励振用アーム 3 c、検出用ァ一 ム 4 a、 4 b、及び非検出用アーム 4 cの各々は角柱状のものであり、かつアーム 長は 6 . O m mである。 Y軸の回りに圧電体 1が角速度 Ωで回転したときに励振 用アーム 3 a、 3 bにコリオリカが働く。このコリオリカが面垂直方向に働くため、 励振用アーム 3 a、 3 bは面垂直振動を行う。本体部 2はこの面垂直振動を一対の 検出用アーム 4 a、 4 bに伝える機能を有する。
この圧電体 1においては、励振用アーム 3 a、 3 bの各々の幅寸法 W 1は 4 0 0 μΓτιである。 非励振用アーム 3 cの幅寸法 W 2は幅寸法 W 1よりも約 1 0 %小さい 3 6 0 μΓτιである。 検出用アーム 4 a、 4 bの各々の幅寸法 W 3は幅寸法 W 1より も 7 . 5 %小さい 3 7 Opmである。 非検出用アーム 4 cの幅寸法 W 4は非励振用 アーム 3 cの幅寸法 W 2よりも約 1 7 %大きい 4 2 Ο μρηである。 こうして、 駆動 側アーム部 3の 3脚のアームと検出側アーム部 4の 3脚のアームとの重量を互い に等しくし、かつ本体部 2の幾何学的中心の位置に重心を一致させている。 この圧 電体 1を使用することにより、 圧電体 1が Υ軸の回りに角速度 Ωで回転したとき に検出用アーム 4 a、 4 bで角速度 Ωを検出することができる。
この圧電体 1をアルミナで重心支持し、励振用アーム 3 a、 3 bにおける共振周 波数と検出用アーム 4 a、 4 bにおける共振周波数との差分を調整するために、励 振用アーム 3 a、 3 b及ぴ検出用アーム 4 a、 4 bの各々の先端部を加工して離調 幅処理する。具体的には、 先端部に導電性金属材である金 （A u ) をスパッタリン グ法により成膜することで周波数を下げる方向で離調幅処理を施し、これによリ面 内振動の共振周波数と面垂直振動の共振周波数との差を 1 8 H zとなるように調 整した。
この圧電体 1について、 有限要素法 （F E M固有値） 解析、 並びに実測により面 内で振動するスプリアス振動を調べた結果、駆動共振周波数 7 8 3 0 H zに対して ± 2 0 0 H z以内には全く存在しないことが判った。 さらに、 圧電体 1を用いて六 脚型圧電振動ジャイロスコープを作製し、 周波数 7 8 3 0 H z、 駆動電圧 1 V p_ p で駆動し、 Y軸回りに角速度 Ω を 2度 / sとして回転させた場合、 ジャイロ出力 が 0 . 2 6 m Vとなり、 高感度なジャイロ特性が得られることが判つた。
さらに図 6を参照すると、 励振用アーム 3 a、 3 bの各々には複数、 即ち、 各面 に一つずつ、合計四つの駆動側電極 1 1が結合されている。駆動側電極 1 1は、励 振用アーム 3 a、 3 bに面内振動を励振するためのものであり、各々が帯状に配設 されている。
一方、 検出用ァ一厶 4 a、 4 bの各々には複数、 即ち、 表面及び裏面に直交した 両側面に二つずつ、合計四つの検出側電極 1 2が結合されている。検出側電極 1 2 は、検出用アーム 4 a、 4 bの面垂直振動を検出するためのものであり、 所定の間 隔を持って平行な帯状に配設されている。
図 7を参照して、 駆動側電極 1 1に対する電気結線について説明する。
一方の励振用アーム 3 aにおいて、板厚方向で互いに対向する二つの駆動側電極 1 1が交流電源の一方の極に接続され、かつ残りの二つの駆動側電極 1 1が交流電 源の他方の極に接続されている。他方の励振用アーム 3 bにおいては、板厚方向で 互いに対向する二つの駆動側電極 1 1が交流電源の他方の極に接続され、かつ残り の二つの駆動側電極 1 1が一方の極に接続されている。なお、駆動側電極 1 1によ る電気力線の向きを矢印で例示している。
図 8を参照して、 検出側電極 1 2に対する電気結線について説明する。
検出用アーム 4 a、 4 bの各々において、互いに対向する二つの検出側電極 1 2 が検出装置 （図示せず） の両極にそれぞれ接続され、かつ同じ面内で隣接した二つ の検出側電極 1 2も両極にそれぞれ接続されている。こうして、検出用アーム 3 a、 3 bの各々の相反する向きの振動を検出するように電気結線が成されている。なお, 検出用アーム 4 a、 4 bの電気力線の向きを矢印で例示している。
図 9を参照して、圧電体 1の他の例について説明する。同様な部分については同 じ参照符号を付して説明を省略する。
図 9の圧電体 1は、 Zカツト水晶製のものであるが、 Zカツトランガサイ卜製の ものであってもよい。 三方晶系に属する水晶の方向性及び角速度 Ωの働く方向を X、 Υ、 Ζ軸で示す。
圧電体 1において、励振用アーム 3 a、 3 b、非励振用ァ一厶 3 c、検出用ァー ム 4 a、 4 b、及ぴ非検出用アーム 4 cの各々は角柱状のものであり、かつアーム 長は 6 . O m mである。 Y軸の回りに圧電体 1が角速度 Ωで回転したときに励振 用アーム 3 a、 3 bにコリオリカが働く。このコリオリカが面垂直方向に働くため、 励振用アーム 3 a、 3 bは面垂直振動を行う。本体部 2はこの面垂直振動を一対の 検出用アーム 4 a、 4 bに伝える機能を有する。
この圧電体 1においては、励振用アーム 3 a、 3 bの各々の幅寸法 W 1は 4 0 0 μΓηである。 非励振用アーム 3 cの幅寸法 W 2は幅寸法 W 1よりも 1 0 %大きい 4 4 0 μηηである。 検出用アーム 4 a、 4 bの各々の幅寸法 W 3は幅寸法 W 1よりも 5 %小さい 3 8 O pmである。 非検出用アーム 4 cの幅寸法 W 4は非励振用アーム 3 cの幅寸法 W 2よりも約 9 %大きい 4 8 Ο μΓηである。 こうして、 駆動側アーム 部 3の 3脚のアームと検出側アーム部 4の 3脚のアームとの重量を互いに等しく し、かつ本体部 2の幾何学的中心の位置に重心を一致させている。 この圧電体 1を 使用することにより、 圧電体 1が Υ軸の回りに角速度 Ωで回転したときに検出用 アーム 4 a、 4 bで角速度 Ωを検出することができる。
この圧電体 1をアルミナで重心支持し、励振用アーム 3 a、 3 bにおける共振周 波数と検出用アーム 4 a、 4 bにおける共振周波数との差分を調整するために、励 振用アーム 3 a、 3 b及び検出用アーム 4 a、 4 bの各々の先端部を加工して離調 幅処理する。これによリ面内振動の共振周波数と面垂直振動の共振周波数との差を 9 H zとなるように調整した。
この圧電体 1について、 有限要素法 （F E M固有値） 解析、 並びに実測により面 内で振動するスプリアス振動を調べた結果、駆動共振周波数 9 3 6 1 H 2に対して ± 2 0 0 H z以内には全く存在しないことが判った。 さらに、 圧電体 1を用いて六 脚型圧電振動ジャイロスコープを作製し、 周波数 9 3 6 1 H z , 駆動電圧 1 M p一 で駆動し、 Y軸回りに角速度 Ω を 1度 / sとして回転させた場合、 ジャイロ出力 が 0 , 0 6 2 m Vとなり、 高感度なジャイロ特性が得られることが判つた。
図 1 0を参照して、圧電体 1のさらに他の例について説明する。同様な部分につ いては同じ参照符号を付して説明を省略する。
図 1 0の圧電体 1は、 Zカツ卜水晶製のものであるが、 Zカツ卜ランガサイ卜製 のものであってもよい。 三方晶系に属する水晶の方向性及び角速度 Ωの働く方向 を X、 丫、 Z軸で示す。
圧電体 1において、 励振用アーム 3 a、 3 b、 非励振用アーム 3 c、 検出用ァー ム 4 a、 4 b、及び非検出用アーム 4 cの各々は角柱状のものであり、 かつアーム 長は 6 . O m mである。 Y軸の回りに圧電体 1が角速度 Ωで回転したときに励振 用アーム 3 a、 3 bにコリオリカが働く。このコリオリカが面垂直方向に働くため、 励振用アーム 3 a、 3 bは面垂直振動を行う。本体部 2はこの面垂直振動を一対の 検出用アーム 4 a、 4 bに伝える機能を有する。 この圧電体 1においては、励振用アーム 3 a、 3 bの各々の幅寸法 W1は 400 μιτιである。 非励振用アーム 3 cの幅寸法 W2は幅寸法 W1よりも 1 5%小さい 3 40μηηである。 検出用アーム 4 a、 4 bの各々の幅寸法 W 3は幅寸法 W 1よりも 1 0%小さい 36 Opmである。 非検出用アーム 4 cの幅寸法 W4は非励振用ァー ム 3 cの幅寸法 W2よりも約 240/0大きい 42 Opmである。 こうして、 駆動側ァ ーム部 3の 3脚のアームと検出側アーム部 4の 3脚のアームとの重量を互いに等 しくし、力、つ本体部 2の幾何学的中心の位置に重心を一致させている。この圧電体 1を使用することにより、 圧電体 1が Y軸の回りに角速度 Ωで回転したときに検 出用アーム 4 a、 4 bで角速度 Ωを検出することができる。
この圧電体 1をアルミナで重心支持し、励振用アーム 3 a、 3 bにおける共振周 波数と検出用アーム 4 a、 4 bにおける共振周波数との差分を調整するために、励 振用アーム 3 a、 3 b及び検出用アーム 4 a、 4 bの各々の先端部を加工して離調 幅処理する。これによリ面内振動の共振周波数と面垂直振動の共振周波数との差を 1 0 H zとなるように調整した。
この圧電体 1について、有限要素法 （F EM固有値） 解析、並びに実測により面 内で振動するスプリアス振動を調べた結果、駆動共振周波数 9353 H zに対して ±200 H z以内には全く存在しないことが判った。 さらに、 圧電体 1を用いて六 脚型圧電振動ジャイロスコープを作製し、 周波数 9353 H 2 , 駆動電圧 1 Vp_p で駆動し、 Y軸回りに角速度 Ω を 1度 /sとして回転させた場合、 ジャイロ出力 が 0. 06 1 mVとなり、 高感度なジャイロ特性が得られることが判った。
図 1 1を参照して、圧電体 1のさらに他の例について説明する。同様な部分につ いては同じ参照符号を付して説明を省略する。
図 1 1の圧電体 1は、 Zカツ卜水晶製のものであるが、 Zカツ卜ランガサイト製 のものであってもよい。 三方晶系に属する水晶の方向性及び角速度 Ωの働く方向 を X、 Υ、 Ζ軸で示す。
圧電体 1において、励振用アーム 3 a、 3 b、非励振用アーム 3 c、検出用ァー ム 4 a、 4 b、及び非検出用アーム 4 cの各々は角柱状のものであり、かつアーム 長は 6. Ommである。 Y軸の回りに圧電体 1が角速度 Ωで回転したときに励振 用アーム 3 a、 3 bにコリオリカが働く。このコリオリカが面垂直方向に働くため、 励振用アーム 3 a、 3 bは面垂直振動を行う。本体部 2はこの面垂直振動を一対の 検出用アーム 4 a、 4 bに伝える機能を有する。
この圧電体 1においては、励振用アーム 3 a、 3 bの各々の幅寸法 W 1は 4 0 0 である。 非励振用アーム 3 cの幅寸法 W 2は幅寸法 W 1よりも 5 %小さい 3 8 Ο μιτιである。 検出用アーム 4 a、 4 bの各々の幅寸法 W 3は幅寸法 W 1よりも 1 0 %大きい 4 4 Ο μρηである。 非検出用アーム 4 cの幅寸法 W 4は非励振用アーム 3 cの幅寸法 W 2よりも約 2 1 %小さい 3 0 Ο μιτιである。 こうして、 駆動側ァ一 ム部 3の 3脚のアームと検出側アーム部 4の 3脚のアームとの重量を互いに等し くし、かつ本体部 2の幾何学的中心の位置に重心を一致させている。 この圧電体 1 を使用することにより、 圧電体 1が Υ軸の回りに角速度 Ωで回転したときに検出 用アーム 4 a、 4 bで角速度 Ωを検出することができる。
この圧電体 1をアルミナで重心支持し、励振用アーム 3 a、 3 bにおける共振周 波数と検出用アーム 4 a、 4 bにおける共振周波数との差分を調整するために、励 振用アーム 3 a、 3 b及ぴ検出用アーム 4 a、 4 bの各々の先端部を加工して離調 幅処理する。これによリ面内振動の共振周波数と面垂直振動の共振周波数との差を 8 H zとなるように調整した。
この圧電体 1について、 有限要素法 （F E M固有値） 解析、 並びに宾測により面 内で振動するスプリアス振動を調べた結果、駆動共振周波数 9 3 6 1 H 2に対して ± 2 O O H z以内には全く存在しないことが判った。 さらに、 圧電体 1を用いて六 脚型圧電振動ジャイロスコープを作製し、 周波数 9 3 6 1 H z , 駆動電圧 1 V p— p で駆動し、 Y軸回りに角速度 Ω を 1度 として回転させた場合、 ジャイロ出力 が 0 . 0 6 3 m Vとなり、 高感度なジャイロ特性が得られることが判った。
以上に説明した各六脚型圧電振動ジャイロスコープでは、励振用アーム 3 a、 3 bの幅寸法と検出用アーム 4 a、 4 bの幅寸法とが充分異なるため、面内振動の共 振周波数が互いに異なるものとなり、駆動振動周波数の近傍に検出側の面内振動に 係るスプリァス振動が存在しないことにより、高感度で安定性の優れた基本性能を 得ることができる。 尚、上述では、圧電体 1を、 Xカツトランガサイト結晶製又は Xカツト水晶製か、 Zカツトランガサイト結晶製又は Zカツト水晶製とした例を説明したが、その他に も 1 3 0度回転 Y板リチウムタンタレートゃ圧電セラミックス等を用いても同様 の作用効果を奏するため、 圧電体 1の材料は開示したものに限定されない。
以上に説明したように、本発明の六脚型圧電振動ジャイロスコープによれば、面 内振動の共振周波数が互いに異なるものとなリ、使用状態で駆動振動周波数の近傍 に検出側の面内振動に係るスプリアス振動が存在せず、ジャイロスコープを作製し たときに圧電体における面内振動のスプリアス振動を充分に抑止できる. その上、 安定性良くジャイロ感度の優れた高精度な高 S Z N比による角速度検出が可能に なり、結果として優れた分解能で地球の自転速度以下の小さな角速度を検出できる よつになる。 産業上の利用可能性
本発明の六脚型圧電振動ジャイロスコープは、カーナビゲーションゃ船舶航行用 の姿勢制御装置等に角速度検出器として用いることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 本体部、前記本体部から互いに間隔をおいて第 1の方向に延出した一対の 励振用アーム、前記励振用アームの間で前記本体部から前記第 1の方向に延出した 一つの非励振用ァ一厶、前記本体部から互いに間隔をおいて前記第 "Iの方向とは反 対の第 2の方向に延出した一対の検出用アーム、前記検出用アームの間で前記本体 部から前記第 2の方向に延出した一つの非検出用アーム、前記励振用アームにそれ ぞれ結合された駆動側電極、及び前記検出用アームにそれぞれ結合された検出側電 極を含み、前記励振用アーム、前記非励振用アーム、前記検出用アーム、及び前記 非検出用アームの各々は圧電体からなり、前記励振用アームの各々と前記非励振用 アームとは幅寸法において互いに異なり、前記励振用アームの各々と前記検出用ァ ームの各々とは幅寸法において互いに異なリ、前記励振用アームの各々と前記非検 出用アームとは幅寸法において互いに異なることを特徵とする圧電振動ジャイロ スコープ。
2 . 前記本体部の幾何学的な中心位置に一致した重心を有する、請求の範囲 1 に記戴の圧電振動ジャィロスコープ。
3. 前記本体部は表裏面の各々を主面とする矩形板であり 前記励振用アーム、 前記非励振用アーム、前記検出用アーム、及び前記非検出用アームの各々は、前記 主面と平行にのびている、請求の範囲 1叉は 2に記載の圧電振動ジャイロスコープ
4. 前記駆動側電極は前記励振用アームを互いに逆位相でそれぞれ励振するも のである、 請求の範囲 1—3のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープ。
5 . 前記非励振用アームの幅寸法は、前記励振用アームの各々の幅寸法よリも 2 %〜 6 0 %の範囲で大きく、前記検出用アームの各々の幅寸法は、前記励振用ァ ームの各々の幅寸法よリも 1 %〜 3 0 %の範囲で大きく、前記非検出用アームの幅 寸法は、 前記非励振用アームの各々の幅寸法よリも 2 %〜 6 0 %の範囲で小さい、 請求の範囲 1—4のいずれかに記載の圧電振動ジャィロスコープ。
6 . 前記非励振用アームの幅寸法は、前記励振用アームの各々の幅寸法よリも 2 o/o〜 6 0 %の範囲で大きく、前記検出用アームの各々の幅寸法は、前記励振用ァ ー厶の各々の幅寸法よりも 1 %〜3 0 %の範囲で小さく、 前記非検出用アームの 各々の幅寸法は、前記非励振用アームの幅寸法よリも 2 %〜 6 0 %の範囲で大きい、 請求の範囲 1一 4のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープ。
7 . 前記非励振用アームの幅寸法は、前記励振用アームの各々の幅寸法よリも 2 %〜 6 0 %の範囲で小さく、前記検出用アームの各々の幅寸法は、前記励振用ァ ー厶の各々の幅寸法よリも 1 %〜 3 0 %の範囲で大きく、前記非励振用アームの幅 寸法は、前記非励振用アームの幅寸法よリも 2 %〜 6 0 %の範囲で小さい、請求の 範囲 1— 4のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープ。
8 . 前記非励振用アームの幅寸法は、前記励振用アームの各々の幅寸法よリも 2 %〜6 0 %の範囲で小さく、前記検出用アームの各々の幅寸法は、前記励振用ァ ー厶の各々の幅寸法よリも 1 %〜 3 0 %の範囲で小さく、前記非検出用アームの幅 寸法は、前記非励振用アームの幅寸法よリも 2 %〜 6 0 %の範囲で大きい、請求の 範囲 1 —4のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープ。
9 . 前記本体部の幾何学的な中心位置が支持された、請求の範囲 1一 8のいず れかに記載の圧電振動ジャイロスコープ。
1 0„ 前記励振用アーム及び前記検出用アームの少なくとも一つは、両者間の 共振周波数の差分を調整するための離調幅処理をされた特定部分を有する、請求の 範囲 1一 9のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープ。
1 1 . 前記離調幅処理は、前記特定部分に施された加工を含む、請求の範囲 1 0に記載の圧電振動ジャイロスコープ。
1 2 . 前記離調幅処理は、前記特定部分に対するスパッタリング法による導電 性膜の形成を含む、 請求の範囲 1 1に記載の圧電振動ジャイロスコープ。
1 3 . 前記離調幅処理は、 さらに、前記導電成膜に対するレーザトリミングを 含む、 請求の範囲 1 2に記載の圧電振動ジャイロスコープ。
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