(57)【要約】 【課題】  駆動モードでの振動だけでは検出電極に電荷が発生しないような振動ジャイロ用素子を提供し、ＳＮ比が高く、２軸の角速度の検出が可能で、安価な振動ジャイロを提供すること。【解決手段】  平面的に形成された付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを、それぞれ、同じ平面内に形成された第１のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで支え、隣り合う第１のビーム３ａ、３ｄの接続部を一方の第２のビーム３ｅの一端で支え、別の隣り合う第１のビーム３ｂ、３ｃの接続部を他方の第２のビーム３ｆの一端で支え、さらに、リング状の第４のビーム３ｇの直交する接続端の対向する接続端に第２のビーム３ｅ、ビーム３ｆの他端を接続した振動子１を、第４のビームの別の対向する接続端にそれぞれ接続した第３のビーム３ｈ、３ｉを介して外周部の枠体２で支持し、励振部および検出部として機能させた振動ジャイロ用素子を用いる。【選択図】  図３
2010096695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）と、４つの柱状の第１のビーム（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）と、２つの柱状の第２のビーム（３ｅ、３ｆ）と、２つの柱状の第３のビーム（３ｈ、３ｉ）と、直交する４つの接続端を有するリング状の第４のビーム（３ｇ）とが平板状に同一平面内に形成されてなり、
前記４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）は時計回りに配置され、
前記第１のビーム（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の一端が、前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）にそれぞれ接続され、隣り合う前記第１のビーム（３ａ、３ｄ）の前記付加質量部に接続されない他端同士が接続され、該接続部に前記第２のビーム（３ｅ）の一端が接続され、他端が前記第４のビーム（３ｇ）の第１の接続端に接続され、別の隣り合う前記第１のビーム（３ｂ、３ｃ）の前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、該接続部に別の前記第２のビーム（３ｆ）の一端が接続され、他端が前記第４のビーム（３ｇ）の前記第１の接続端の反対側の第３の接続端に接続され、
前記第４のビーム（３ｇ）の前記第１の接続端と第３の接続端から９０度回転した位置の第２の接続端と第４の接続端にそれぞれ前記第３のビーム（３ｈ、３ｉ）の一端が接続された構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、
前記接続された隣り合う前記第１のビーム（３ａ、３ｄ）に接続された２つの付加質量部（４ａ、４ｄ）が同位相で、前記接続された別の隣り合う前記第１のビーム（３ｂ、３ｃ）に接続された別の２つの付加質量部（４ｂ、４ｃ）が同位相で、かつ前記２つの負荷質量部（４ａ、４ｄ）と前記別の２つの負荷質量部（４ｂ、４ｃ）が互いに逆位相で４つの前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が形成された面の面内方向に振動する駆動モードの駆動手段と、
前記２つの付加質量部（４ａ、４ｂ）の重心間の中点および前記別の２つの付加質量部（４ｃ、４ｄ）の重心間の中点を通る第１の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、
前記２つの付加質量部（４ａ、４ｄ）の重心間の中点および前記別の２つの付加質量部（４ｂ、４ｃ）の重心間の中点を通り、前記第１の軸に直交する第２の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、
前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）および前記第１のビーム（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）、第２のビーム（３ｅ、３ｆ）、第３のビーム（３ｈ、３ｉ）、第４のビーム（３ｇ）からなる構造が前記第２の軸に関して略対称で、且つ前記第１の軸に関して非対称であり、
前記第１の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相の前記接続された隣り合う第１のビーム（３ａ、３ｄ）と、別の２つの同位相の前記接続された別の隣り合う第１の第１のビーム（３ｂ、３ｃ）とが互いに逆位相で、前記第１の軸回りの方向に回転振動する第１の検出モードを用い、
前記第２の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相の隣り合わない前記第１のビーム（３ａ、３ｃ）と、別の２つの同位相の隣り合わない前記第１のビーム（３ｂ、３ｄ）とが互いに逆位相で、前記第２の軸回りの方向にねじれ振動する第２の検出モードを用いたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記第３のビーム（３ｈ、３ｉ）の前記リング状の第４のビーム（３ｇ）の接続端に接続されない他端がそれぞれ前記枠体に接続され、該枠体を介して、前記振動子が支持されたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項３】
請求項１または２記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されてなることを特徴とする振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサとして使用される振動ジャイロに関し、特に自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラおよび携帯電話の手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープに好適な振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロとは、速度を持つ物体に回転角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。振動ジャイロは電気的な信号を印加することで機械的な振動（以下、駆動モードと呼ぶ）を励起することができ、且つ、駆動モードの振動と直交する方向の機械的な振動（以下、検出モードと呼ぶ）の大きさを電気的に検出可能とした系を有し、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした回転角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出できる。この検出された出力電圧は駆動モードの大きさおよび回転角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。
【０００３】
近年、振動ジャイロにおいても、その他の電子部品と同様に小型化、低価格化が急速に進められている。また、例えば、手振れ防止装置等では、一般に２軸の回転角速度の検出が必要であるため、１軸の回転角速度を検出できる製品を２つ使用している場合が一般的である。このような状況の中で、振動ジャイロの小型化、低価格化へのアプローチの１つとして、２軸の回転角速度の検出を１つの製品内で可能にする検討がなされている。このような構成の場合、１軸の製品を別々に生産するのに比べ、回路や外部入出力端子等の共通部分を共有することが可能となり、小型・低価格化を図ることができる。
【０００４】
従来の振動ジャイロとして、略四角の平板に貫通穴加工を施し、振動可能な付加質量部をビームで支える構造を形成することで励振部および検出部として機能させ、支持をその外縁部で行う振動ジャイロ用素子を用いた振動ジャイロが特許文献１に開示されている。図６は、特許文献１に開示されている従来の振動ジャイロ用素子の振動モードを示す図である。図６において、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、振動子が振動していないときのそれぞれ斜視図、正面図、側面図で、同様に図６（ｄ）、図６（ｅ）、図６（ｆ）は駆動モード（Ｘモード）で素子を振動させた図、図６（ｇ）、図６（ｈ）、図６（ｉ）は第２の検出モード（Ｙモード）で素子を振動させた図、図６（ｊ）、図６（ｋ）図６、（ｌ）は第１の検出モード（Ｚモード）で素子を振動させた図である。ここでは、振動による変位の大きさを実際よりも誇張して示している。
【０００５】
図７は、電極パターンが形成された上記の従来の振動ジャイロ用素子の上面図である。図７に示すように、４つの付加質量部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄと、４つの柱状の第１のビーム２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと、２つの柱状の第２のビーム２３ｅ、２３ｆとが平板状に同一平面内に形成されてなり、付加質量部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは時計回りに配置され、第１のビーム２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの一端が、付加質量部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄにそれぞれ接続され、隣り合う第１のビーム２３ａ、２３ｄの付加質量部に接続されない他端同士および別の隣り合う第１のビーム２３ｂ、２３ｃの付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、第２のビーム２３ｅ、２３ｆの一端が、それぞれ隣り合う第１のビーム２３ａ、２３ｄの接続部および別の隣り合う第１のビーム２３ｂ、２３ｃの接続部に接続され、第１のビーム２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに接続されない第２のビーム２３ｅ、２３ｆの他端同士を接続した構造を有する振動子２１を用いる振動ジャイロであり、時計回りに、最初の第１のビーム２３ａの表面に検出電極２６ａ、基準電位電極２７ｃ、２７ｄを、次の第１のビーム２３ｂの表面に検出電極２６ｂ、基準電位電極２７ｆ、２７ｇを、さらに次の第１のビーム２３ｃの表面に検出電極２６ｃ、基準電位電極２７ｆ、２７ｈを、最後の第１のビーム２３ｄの表面に検出電極２６ｄ、基準電位電極２７ｃ、２７ｅを、第２のビーム２３ｅの表面には駆動電極２５ａ、基準電位電極２７ａを、別の第２のビーム２３ｆの表面には駆動電極２５ｂ、基準電位電極２７ｂを形成している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４５３２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の従来の振動ジャイロ用素子では、駆動信号に含まれる変調成分やノイズ成分が直接検出されてしまうという問題がある。すなわち、図７の検出電極２６ａ〜２６ｄには素子が検出モードで振動したときに第１のビーム２３ａ〜２３ｄが歪むことにより電荷が発生し、それが検出回路で検出されるが、この検出電極２６ａ〜２６ｄには素子が駆動モードで振動しただけでも電荷が発生してしまう。そこで、実際にはこの駆動モードで発生する電荷がキャンセルされるように電極の引き回し設計がなされているが、加工寸法のずれなどの製作上の誤差要因でキャンセルできない成分がノイズとして出力にあらわれてしまう。
【０００８】
したがって、本発明は、上記の従来技術の問題点を解決することを目的とする。すなわち、本発明の課題は、駆動モードでの振動だけでは検出電極に電荷が発生しないような振動ジャイロ用素子を提供し、この素子を用いた、ＳＮ比が高く、２軸の角速度の検出が可能で、安価な振動ジャイロを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明による振動ジャイロは、４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）と、４つの柱状の第１のビーム（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）と、２つの柱状の第２のビーム（３ｅ、３ｆ）と、２つの柱状の第３のビーム（３ｈ、３ｉ）と、直交する４つの接続端を有するリング状の第４のビーム（３ｇ）とが平板状に同一平面内に形成されてなり、前記４つの付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）は時計回りに配置され、前記第１のビーム（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の一端が、前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）にそれぞれ接続され、隣り合う前記第１のビーム（３ａ、３ｄ）の前記付加質量部に接続されない他端同士が接続され、該接続部に前記第２のビーム（３ｅ）の一端が接続され、他端が前記第４のビーム（３ｇ）の第１の接続端に接続され、別の隣り合う前記第１のビーム（３ｂ、３ｃ）の前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、該接続部に別の前記第１のビーム（３ｅ、３ｆ）の一端が接続され、他端が前記第４のビーム（３ｇ）の前記第１の接続端の反対側の第３の接続端に接続され、前記第４のビーム（３ｇ）の前記第１の接続端と第３の接続端から９０度回転した位置の第２の接続端と第４の接続端にそれぞれ前記第３のビーム（３ｈ、３ｉ）の一端が接続された構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、前記接続された隣り合う前記第１のビーム（３ａ、３ｄ）に接続された２つの付加質量部（４ａ、４ｄ）が同位相で、前記接続された別の隣り合う前記第１のビーム（３ｂ、３ｃ）に接続された別の２つの付加質量部（４ｂ、４ｃ）が同位相で、かつ前記２つの負荷質量部（４ａ、４ｄ）と前記別の２つの負荷質量部（４ｂ、４ｃ）とが互いに逆位相で４つの前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が形成された面の面内方向に振動する駆動モードの駆動手段と、前記２つの付加質量部（４ａ、４ｂ）の重心間の中点および前記別の２つの付加質量部（４ｃ、４ｄ）の重心間の中点を通る第１の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、前記２つの付加質量部（４ａ、４ｄ）の重心間の中点および前記別の２つの付加質量部（４ｂ、４ｃ）の重心間の中点を通り、前記第１の軸に直交する第２の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、前記付加質量部（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）および前記第１のビーム（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）、第２のビーム（３ｅ、３ｆ）、第３のビーム（３ｈ、３ｉ）、第４のビーム（３ｇ）からなる構造が前記第２の軸に関して略対称で、且つ前記第１の軸に関して非対称であり、前記第１の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相の前記接続された隣り合う第１のビーム（３ａ、３ｄ）と、別の２つの同位相の前記接続された別の隣り合う第１の第１のビーム（３ｂ、３ｃ）とが互いに逆位相で、前記第１の軸回りの方向に回転振動する第１の検出モードを用い、前記第２の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、２つの同位相の隣り合わない前記第１のビーム（３ａ、３ｃ）と、別の２つの同位相の隣り合わない前記第１のビーム（３ｂ、３ｄ）とが互いに逆位相で、前記第２の軸回りの方向にねじれ振動する第２の検出モードを用いたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記第３のビーム（３ｈ、３ｉ）の前記リング状の第４のビーム（３ｇ）の接続端に接続されない他端がそれぞれ前記枠体に接続され、該枠体を介して、前記振動子が支持されていてもよい。
【００１１】
また、前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されていてもよい。
【００１２】
以上のように、本発明は、従来と同様に略四角の平板に貫通穴加工を施し、振動可能な付加質量部を第１のビームと第２のビームと第３のビームとで支える構造を形成することで励振部および検出部として機能させているが、本発明においては、従来と異なり、新たなリング状の第４のビームを設けることによりコリオリ力によって発生する振動および電荷の発生を適切に制御し、且つ、駆動モードにおいてほとんど変位しない第３のビーム上に検出電極を設けることにより、振動モードによる検出電極での電荷の発生を回避している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は平面的な構造をとっており、四角形状の圧電単結晶板に穴あけ加工を施すことで容易に形成でき、生産性が高い。さらに、ニオブ酸リチウムなどの高結合材料を用い、駆動モードの励振、検出モードの検出を行うことで、ＳＮ比の高い振動ジャイロ用素子が得られる。
【００１４】
以上のように、本発明によれば、駆動モードでの振動だけでは検出電極に電荷が発生しないような振動ジャイロ用素子が得られる。したがって、この素子を使用して、ノイズが小さくＳＮ比の高い、且つ、２軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図３は、本発明の一実施の形態の振動ジャイロに用いる振動子と枠体からなる振動ジャイロ用素子を示す上面図である。本実施の形態の振動子１は、４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと、４つの柱状の第１のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、２つの柱状の第２のビーム３ｅ、３ｆと、リング状の第４のビーム３ｇと、２つの柱状の第３のビーム３ｈ、３ｉとが平板状に同一平面内に形成されてなり、付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは時計回りに配置され、第１のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの一端が、付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにそれぞれ接続され、隣り合う第１のビーム３ａ、３ｄの付加質量部に接続されない他端同士および別の隣り合う第１のビーム３ｂ、３ｃの付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、第２のビーム３ｅ、３ｆの一端が、それぞれ第１のビーム３ａ、３ｄの接続部および別の第１のビーム３ｂ、３ｃの接続部に接続され、リング状の第４のビーム３ｇは直交する４つの接続端を供え、接続端の対向する第１の接続端と第３の接続端に、それぞれ第２のビーム３ｅ、３ｆの第１のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに接続されない他端に接続され、リング状の第４のビーム３ｇの対向する第１の接続端と第３の接続端から９０度回転した位置の対向する第２の接続端と第４の接続端が、それぞれ第３のビーム３ｈ、３ｉの一端に接続された構造を有している。また、振動子１の外周部には付加質量部と略同一平面内に枠体２が形成され、第３のビーム３ｈ、３ｉのリング状の第４のビーム３ｇに接続されない他端がそれぞれ枠体２に接続され、枠体２を介して、振動子１が支持されている。
【００１７】
具体的な一例として、本実施の形態では、３．５ｍｍ×３．１３ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの四辺形状のニオブ酸リチウム圧電単結晶板に穴加工を施すことで、１枚の圧電単結晶板の同一面内に、付加質量部４ａ〜４ｄと第１のビーム３ａ〜３ｄ、第２のビーム３ｅ、３ｆ、第３のビーム３ｈ、３ｉ、第４のビーム３ｇからなる振動子１と、枠体２を形成し、振動ジャイロ用素子を構成する。付加質量部４ａ〜４ｄにはそれぞれ第１のビーム３ａ〜３ｄが接続されているが、各付加質量部の下端にビームが接続されているため、本実施の形態では、振動子１は、紙面に対して、左右対称、上下非対称な形状となっている。
【００１８】
また、第１のビーム３ａ〜３ｄの表面には、２つの同位相の付加質量部４ａ、４ｄと別の２つの同位相の付加質量部４ｂ、４ｃとが互いに逆位相で４つの付加質量部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが形成された面の面内方向に振動する駆動モードの駆動のため、駆動電極５ａ〜５ｄと基準電位電極７ａ〜７ｄを、第３のビーム３ｈ、３ｉの表面には、接続された隣り合う第１のビーム３ａ、３ｄに接続された付加質量部４ａ、４ｂの重心間の中点および接続された別の隣り合う第１のビーム３ｂ、３ｃに接続された別の付加質量部４ｃ、４ｄの重心間の中点を通る第１の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出のため、および、この隣り合う付加質量部４ａ、４ｄの重心間の中点およびこの別の隣り合う付加質量部４ｂ、４ｃの重心間の中点を通り、前記第１の軸に直交する第２の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出のため、検出電極６ａ〜６ｄをそれぞれ形成した。各電極は、クロムを下地とした金の膜により電極を形成した。
【００１９】
ここで、本実施の形態による振動ジャイロの動作原理について説明する。図１は本実施の形態における振動ジャイロの振動モードを示す図である。図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図であり、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）は駆動モード（Ｄモード）を示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図であり、図１（ｇ）、図１（ｈ）、図１（ｉ）は第１の検出モード（Ｚモード）を示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図であり、図１（ｊ）、図１（ｋ）、図１（ｌ）は第２の検出モード（Ｙモード）を示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図である。なお、本実施の形態に使用したニオブ酸リチウム圧電単結晶板は最大数十μｍほどしか変位しないので、通常は枠に負荷質量部が接触することはないが、図１ではその変位を拡大し誇張して表示している。
【００２０】
図４は、本実施の形態で用いる振動ジャイロ用素子の結晶方位を示す図である。図４に示すように、本実施の形態に使用したニオブ酸リチウム圧電単結晶板は、厚さ０．２５ｍｍにＸカットされた素板から、この結晶のＹ’軸と振動子のＹ軸とが成す角度が４５度になるように切り出されたものである。図２は各モードにおいて振動ジャイロ用素子の表面に発生する電荷の分布を示す模式図である。図２（ａ）はＤモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｂ）はＺモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｃ）はＹモードでの電荷の分布を示す模式図である。図２において、「＋」と「−」は、発生電荷の極性を示し、楕円は、その範囲を示している。この電荷分布を考慮して、図３に示すように、第１のビーム３ａ〜３ｄの表面に、Ｄモードの振動を励振させるための駆動電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと、基準電位電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄとをそれぞれ配置した。
【００２１】
同様に、第３のビーム３ｈ、３ｉの表面に、ＹモードおよびＺモードの振動検出用の検出電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを配置した。検出電極６ａ〜６ｄには、ＹモードおよびＺモードの電荷が発生するが、それぞれ発生する電荷の極性が異なるため、後に述べるように、加算や差動回路によって、Ｙモードによる発生電荷とＺモードによる発生電荷とを区別することが可能である。
【００２２】
図１（ｄ）〜図１（ｆ）に示すＤモードでは、２つの同位相の接続された隣り合う第１のビーム３ａ、３ｄに接続された付加質量部４ａおよび４ｄと、２つの同位相の接続された別の隣り合う第１のビーム３ｂ、３ｃに接続された付加質量部４ｂおよび４ｃとが互いに逆位相で、且つ、ＹＺ平面の面内方向に振動する（図３参照）。このときそれぞれの付加質量部はＹＺ平面のＹ軸あるいはＺ軸のみに変位するのではない。この４つの負荷質量部４ａ，４ｂ、４ｃ、４ｄを時計回りに説明すると、最初の付加質量部４ａであれば第１のビーム３ａによって下端を接続されているので＋Ｙ軸方向に変位したときには同時に−Ｚ方向へも変位する。逆に−Ｙ軸方向に変位したときには＋Ｚ方向へも変位する。次の付加質量部４ｂも同様の変位となる。その次の付加質量部４ｃと最後の負荷質量部４ｄは逆に＋Ｙ軸方向に変位したときには＋Ｚ方向に、−Ｙ方向に変位したときには−Ｚ方向に変位する。付加質量部の変位をＹ軸およびＺ軸の各軸ごとに考えてみると、Ｙ軸方向には最初の付加質量部４ａと最後の負荷質量部４ｄが同相で、また次の付加質量部４ｂとその次の負荷質量部４ｃが同相である。Ｚ軸方向には最初の付加質量部４ａとその次の負荷質量部４ｃが同相で、また次の付加質量部４ｂと最後の負荷質量部４ｄが同相である。
【００２３】
この駆動モードは、２つの同位相の隣り合い接続された第１のビーム３ａ、３ｄと、２つの同位相の別の隣り合い接続された第１のビーム３ｂ、３ｃとが互いに逆位相で、面内方向に屈曲振動する。隣り合い接続された第１のビーム３ａ、３ｂと、別の隣り合い接続された第１のビーム３ｃ、３ｄが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、隣り合い接続された第１のビーム３ａ、３ｄの振動による力と、別の隣り合い接続された第１のビーム３ｂ、３ｃの振動による力は、リング状の第４のビーム３ｇで相殺され、その結果、第３のビーム３ｈ、３ｉに接続された枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。
【００２４】
Ｄモードを励振した状態で、Ｚ軸（第１の軸）と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、Ｙ軸の駆動振動速度に対してコリオリ力が働き、最初の付加質量部４ａおよび最後の負荷質量部４ｄと、次の付加質量部４ｂおよびその次の負荷質量部４ｃとが互いに逆位相で、Ｘ軸方向に力を受ける。その結果、第３のビーム３ｈ、３ｉを中心としてＺ軸回りの方向に振動する。この振動の検出には、図１（ｇ）〜図１（ｉ）に示すＺモードを利用できる。このＺモードは、２つの同位相の隣り合い接続された第１のビーム３ａ、３ｄと、２つの同位相の別の隣り合い接続された第１のビーム３ｂ、３ｃとが互いに逆位相で、Ｚ軸回りの方向に回転振動する。最初の付加質量部４ａと最後の負荷質量４ｄとそれに接続された隣り合い接続された第１のビーム３ａ、３ｄとそれに接続された第２のビーム３ｅと、次の付加質量部４ｂとその次の負荷質量部４ｃとそれに接続された別の隣り合い接続された第１のビーム３ｂ、３ｃとそれに接続された第２のビーム３ｆが、それぞれ遠心力で外に引かれる力が、リング状の第４のビーム３ｇで相殺され、その結果、第３のビーム３ｈ、３ｉにはねじりの力が働くが、接続された枠体２との接続部で吸収され、枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。この時、Ｄモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Ｚモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。
【００２５】
同様に、Ｄモードを励振した状態で、Ｙ軸（第２の軸）と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、Ｚ軸の駆動振動速度に対してコリオリ力が働き、最初の付加質量部４ａと隣り合わない負荷質量部４ｃと、次の付加質量部４ｂと隣り合わない負荷質量部４ｄとが互いに逆位相で、Ｘ軸方向に力を受ける。その結果、それらの負荷質量部が接続される隣り合わない第１のビーム３ａ、３ｃと、別の隣り合わない第１のビーム３ｂ、３ｄとが互いに逆位相で、第２のビーム３ｅおよび３ｆを中心としてＹ軸回りの方向にねじれ振動する。
【００２６】
この振動の検出には、Ｙモードを利用できる。このＹモードは、非常に対称性が良く、第２のビーム３ｅ、３ｆにねじれを発生させ、リング状の第４のビーム３ｇで方向が変換され、第３のビーム３ｈ、３ｉにねじれが発生するが、枠体２との接続部で吸収され、枠体２への振動の伝播は少なく、枠体２全体がノード点となる。この時、Ｄモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Ｙモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。
【００２７】
上記の振動の励振および検出には、振動子１に配置した電極を用いる。図３に示した第１のビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに形成した駆動電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにＤモードの共振周波数の電気信号を入力することでＤモードを励振し、第３のビーム３ｈ、３ｉに形成した検出電極６ａ〜６ｄに生じる電荷を検出することで、ＺモードおよびＹモードの振動が検出できる。
【００２８】
この各電極の配置は、上述のように、図２に示したそれぞれの振動モードにおけるビームの表面に発生する電荷の分布を解析して決定した。この電荷分布は、選択した材料によって異なり、さらに異方性材料であれば、結晶の方位によっても様々な分布を示す。
【００２９】
ここで、Ｙモードにおいて第２のビーム３ｅおよび３ｆはＹ軸回りにねじれ振動が発生し、最も応力が加わる部分であるが、今回選択した結晶方位ではこのＹ軸回りのねじれでは電荷がほとんど発生しない。そのため本発明ではこのＹ軸回りのねじれ振動をリング状の第４のビーム３ｇを介してＺ軸回りのねじれに変換し、第３のビーム３ｈおよび３ｉがＺ軸回りにねじられ、電荷が発生するように工夫している。このことによって、ＺモードおよびＹモードがともに第３のビーム３ｈおよび３ｉに電荷が発生するので、検出電極６ａ〜６ｄは第３のビーム３ｈおよび３ｉに配置するだけでよく、電極の引き回しが簡潔にまとまるという利点もある。
【００３０】
また、図１（ｄ）〜図１（ｆ）および図２（ａ）に示される通り、検出電極６ａ〜６ｄが配置されている第３のビーム３ｈおよび３ｉはＤモードにおいてほとんど変位しない部分であり、電荷も発生しない部分であるので、駆動信号に含まれる変調成分やノイズ成分が検出されてしまうことがない。
【００３１】
図５は、本発明の一実施の形態の振動ジャイロに用いる回路とそれに接続された振動ジャイロ用素子を示すブロック図である。駆動手段として、電流検出回路９ｅと、位相回路１０ａと、ＡＧＣ回路１１（オートゲインコントロール回路）とを有し、検出手段として、電流検出回路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと、加算回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと、差動回路１３ａ、１３ｂと、位相回路１０ｂと、同期検波回路１５ａ、１５ｂと、フィルタ回路１６ａ、１６ｂとを有する。
【００３２】
Ｄモードの周波数で、駆動電極５ａ〜５ｄを駆動するには、駆動状態を一定に保つためのＡＧＣ回路１１の出力を駆動電極５ａ〜５ｄに接続し、電流検出回路９ｅを基準電位電極７ａ〜７ｄに接続する。電流検出回路９ｅの仮想接地の効果により、基準電位電極７ａ〜７ｄの電位は、基準電位に固定され、駆動電極５ａ〜５ｄと基準電位電極７ａ〜７ｄの間に駆動電圧を印加することが可能となる。
【００３３】
駆動電極５ａ〜５ｄに流れる駆動電流は、電流検出回路９ｅで検出、移相回路１０ａで位相調整、ＡＧＣ回路１１で振幅調整され、駆動電極５ａ〜５ｄに再び印加される。この閉ループにより、Ｄモードの共振周波数で自励発振させることができる。同時に、ＡＧＣ回路１１の出力は、移相回路１０ｂを通り、同期検波回路１５ａおよび１５ｂの参照信号として入力される。
【００３４】
Ｄモードを自励発振させた状態で、Ｚ軸回りの角速度を印加すると、Ｚモードの振動が発生する。Ｚモードの振動により、図２（ｂ）のような電荷が発生する。したがって、検出電極６ａおよび６ｄと検出電極６ｂおよび６ｃには、互いに逆位相の電荷が発生する。加算回路１４ｃには、電流検出回路９ａと９ｄ、加算回路１４ｄには、電流検出回路９ｂと９ｃが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路１４ｃと１４ｄは、逆相の信号が出力されるため、差動回路１３ｂで増幅することができ、同期検波回路１５ｂ、フィルタ回路１６ｂによって、Ｚ軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。
【００３５】
同様に、Ｙ軸回りの角速度を印加するとＹモードの振動が発生する。Ｙモードの振動により、図２（ｃ）に示す電荷が発生する。したがって、検出電極６ａおよび６ｃと検出電極６ｂおよび６ｄには、互いに逆位相の電荷が発生する。検出電極６ａ〜６ｄには、電流検出回路９ａ〜９ｄがそれぞれ接続され、それぞれの信号が電圧に変換される。加算回路１４ａには、電流検出回路９ａと９ｃ、加算回路１４ｂには、電流検出回路９ｂと９ｄが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路１４ａと１４ｂは、逆相の信号が出力されるため、差動回路１３ａで増幅することができ、同期検波回路１５ａ、フィルタ回路１６ａによって、Ｙ軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。
【００３６】
また、Ｚモードによる発生電荷は、加算回路１４ａ、１４ｂによって相殺され、Ｙモードによる発生電荷は、加算回路１４ｃ、１４ｄによって相殺される。したがって、フィルタ回路１６ｂの出力は、Ｚ軸回りのみの回転角速度に比例した出力、フィルタ回路１６ａの出力は、Ｙ軸回りのみの角速度に比例した出力が得られる。すなわち、本実施の形態による振動ジャイロは、Ｚ軸およびＹ軸の２軸の角速度検出が可能な角速度センサとして機能する。
【００３７】
前述の通り、振動子１を駆動モードの振動が少ない枠体２で支持できるので、駆動モードの振動を阻害することなく、安定な支持特性が得られる。そして、センサ出力が安定化し、出力ドリフトも低減する。また、枠体２の全周を支持できるので、振動子１に衝撃が加わっても、力を分散でき、耐衝撃性の高い構造となる。さらに、振動子１の平面内の直交する２軸に対する回転角速度の検出が可能となるので、駆動回路や検出回路および外部端子等の共通部分を共有することができる。加えて、枠体２を支持固定することができるため、実装が容易で、生産性も高くなる。
【００３８】
製造工程においては、圧電単結晶のウエハ上に複数個の前記振動ジャイロ用素子を同時に形成し、枠体２同士が接合した状態であっても、特性を検査することが容易となる。また振動子を１つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うこともでき、容易に検査や調整が可能で、後工程の歩留まりも改善できる。
【００３９】
本実施の形態では、ニオブ酸リチウム圧電単結晶板を利用しているが、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、酸化亜鉛、ＰＺＴ、圧電薄膜等を用いても、本発明による振動ジャイロを構成できる。
【００４０】
また、本実施の形態は、圧電性を利用した振動ジャイロであるが、駆動、検出方法の一部または全部を、電磁誘導や静電力を利用したトランスジューサ、或いは、電極間の容量変化による変位検出手段によって置換えても良い。また、振動子の内部で振動による運動モーメントが相殺されるような構造を用いることにより枠体を用いないことも可能である。
【００４１】
以上のように、本発明によれば、駆動モードでの振動だけでは検出電極に電荷が発生しないような振動ジャイロ用素子、およびこの素子を用いた、ＳＮ比が高く、２軸の角速度の検出が可能で、安価な振動ジャイロが得られる。さらに、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、外部からの衝撃に対しても堅牢な振動ジャイロを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態の振動ジャイロの振動モードを示す図、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は未動作時の変形前の状態を示す図、それぞれ、斜視図、正面図、側面図、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）はＤモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図、図１（ｇ）、図１（ｈ）、図１（ｉ）はＺモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図、図１（ｊ）、図１（ｋ）、図１（ｌ）はＹモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図。
【図２】振動ジャイロ用素子の電荷の分布を示す模式図。図２（ａ）はＤモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｂ）はＺモードでの電荷の分布を示す模式図、図２（ｃ）はＹモードでの電荷の分布を示す模式図。
【図３】本発明の一実施の形態に用いる振動ジャイロ用素子を示す上面図。
【図４】本発明の一実施の形態に用いる振動ジャイロ用素子の結晶方位を示す図。
【図５】本発明の一実施の形態の振動ジャイロの回路とそれに接続された振動ジャイロ用素子を示すブロック図。
【図６】従来の振動ジャイロの振動モードを示す図、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図、図６（ｄ）、図６（ｅ）、図６（ｆ）はＸモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図、図６（ｇ）、図６（ｈ）、図６（ｉ）はＹモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図、図６（ｊ）、図６（ｋ）、図６（ｌ）はＺモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、側面図。
【図７】従来の振動ジャイロに用いる振動ジャイロ用素子を示す上面図。
【符号の説明】
【００４３】
１、２１    振動子
２    枠体
３ａ〜３ｄ、２３ａ〜２３ｄ    第１のビーム
３ｅ，３ｆ、２３ｅ，２３ｆ    第２のビーム
３ｇ          第４のビーム
３ｈ，３ｉ、２３ｇ、２３ｈ    第３のビーム
４ａ〜４ｄ、２４ａ〜２４ｄ    付加質量部
５ａ〜５ｄ、２５ａ、２５ｂ    駆動電極
６ａ〜６ｄ、２６ａ〜２６ｄ    検出電極
７ａ〜７ｄ、２７ａ〜２７ｈ    基準電位電極
９ａ〜９ｅ    電流検出回路
１０ａ、１０ｂ    移相回路
１１    ＡＧＣ回路
１３ａ、１３ｂ    差動回路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ    加算回路
１５ａ、１５ｂ    同期検波回路
１６ａ、１６ｂ    フィルタ回路
【図１】
2010096695.tif 000003
【図２】
2010096695.tif 000004
【図３】
2010096695.tif 000005
【図４】
2010096695.tif 000006
【図５】
2010096695.tif 000007
【図６】
2010096695.tif 000008
【図７】
2010096695.tif 000009