(57)【要約】【課題】  圧電単結晶の中で水晶は温度特性に優れ、異方性エッチングが可能なため高精度かつ低コストな振動型ジャイロセンサを作るのに適している。特に音叉型振動子に代表される縦型振動ジャイロは構造が簡単で有望である。しかし圧電定数が非常に小さいため電気機械結合係数が小さく、特に小型化した場合、限られた電源環境では充分な出力を得ることが難しい。解決策として、振動脚の断面をＨ型にして電界の利用効率を向上し、電気機械結合定数を改善して駆動振幅を増大させることは以前から提案されていたが、Ｈ型断面ではジャイロが利用する屈曲振動の周波数が振動方向によって極端に変化してしまい、バランスの良い振動体が製作できなかった。【解決手段】  振動脚の断面を王の字形とすることで、振動方向による共振周波数の変化を緩和し、バランスの良い縦型振動ジャイロを提供する。【選択図】      図１
2008256542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部から互いに所定の間隔を保って同じ方向へ平行に複数の振動脚を配設した振動子と、
該複数の振動脚のうち少なくとも１本を駆動脚として所定の駆動周波数で駆動する発振手段と、
前記複数の振動脚のいずれかを検出脚としてコリオリ力を検出する検出手段とを有する縦型単結晶振動ジャイロにおいて、
前記振動脚の側面に溝部を設けて長手方向に垂直な断面を王の字形にしたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動脚中、駆動脚は２本であることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項３】
請求項１に記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動脚中、検出脚は１本であることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項４】
請求項１に記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動子の材質は水晶であ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、角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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て、回転により受けるコリオリ力で起きる振動により振動体に発生する電圧を、振動体に設けた別の圧電素子で検出する振動ジャイロの実用化が進み、ビデオカメラの手振れ検出装置等に使われているが、カメラの小型化を制限しないように、更なる小型化が要求されている。
【０００３】
この中で、圧電単結晶を用いたものは構造が簡単な上に温度特性が良く注目されているが、その中でも特に水晶を用いた振動ジャイロは、異方性エッチング加工技術が使えるため量産性が良く有望視されている。
【０００４】
以下に、水晶を用いた音叉型振動ジャイロの構造の例を、図面を用いて説明する。図５は従来の振動ジャイロを構成する音叉型振動子を示す斜視図である。図６は、音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明するための、音叉型振動子の振動脚の長手方向に垂直な断面、および駆動検出回路の模式図である。
【０００５】
図５、図６において、音叉型振動子（以下、音叉と略称）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の脚Ｊ１１および第２の脚Ｊ１２が、基部Ｊ１５に結合した構造を持つものである。第１の脚Ｊ１１には、駆動電極Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３およびＪ４が蒸着されており、第２の脚Ｊ１２には、四つの角部に沿って四つの検出電極Ｊ５、Ｊ６、Ｊ７および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、脚の長手方向をＹ’方向、脚の並ぶ方向をＸ方向、ＸおよびＹ’方向に直交する方向をＺ’方向とする。
【０００６】
次に、この音叉型振動ジャイロの作用について説明する。図６において、左側に断面を示す第１の脚Ｊ１１の側面には、駆動電極Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３およびＪ４が配置され、右側に断面を示す第２の脚Ｊ１２には検出電極Ｊ５、Ｊ６、Ｊ７およびＪ８が配置されている。
【０００７】
まず、第１の脚Ｊ１１が例えば第２の脚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およびＪ４は同電位で、脚の中央より例えば高い電位となる。Ｘ方向に見ると、脚Ｊ１１の中央付近に配置された電極Ｊ１およびＪ３は、相対的に電極Ｊ２およびＪ４より低い電位となるので、電極Ｊ２およびＪ４と、電極Ｊ１およびＪ３の間には、電位差が発生する。
【０００８】
圧電効果は可逆的なので、電極Ｊ２およびＪ４と、電極Ｊ１および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の脚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およびＪ３の電位を参照して、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およびＪ４に戻すことにより、第１の脚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の脚Ｊ１１をＸ方向に自励発振させることができる。
【０００９】
音叉Ｊ１０全体で見ると、第１の脚Ｊ１１および第２の脚Ｊ１２の運動量をバランスさせるため、第１の脚Ｊ１１がＸ方向に動く時、第２の脚Ｊ１２は−Ｘ方向に動き、第１の脚Ｊ１１が−Ｘ方向に動く時、第２の脚Ｊ１２がＸ方向に動く動作となり、通常の音叉は１つの面内で振動させるのが理想であることから、これを面内屈曲振動と呼ぶが、第１の脚Ｊ１１、アンプＪＧおよび移相回路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。
【００１０】
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の二つの脚には、面内屈曲振動と直交するＺ’方向にコリオリ力ＦＣ（図示せず）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の脚Ｊ１１または第２の脚Ｊ１２の質量であり、Ｖは第１の脚Ｊ１１または第２の脚Ｊ１２の速度である。このコリオリ力ＦＣは、第１の脚Ｊ１１および第２の脚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。
【００１１】
この面外屈曲振動により、例えば第２の脚Ｊ１２の電極Ｊ５およびＪ８の近傍はＹ’方向に伸び縮みし、電極Ｊ６およびＪ７の近傍は電極Ｊ５およびＪ８の近傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極Ｊ５およびＪ８の近傍がＹ’方向に伸びている時、第２の脚Ｊ１２の内部にて、電極Ｊ５およびＪ８の近傍では、Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６およびＪ７の近傍はＹ’方向に縮むので、第２の脚１２の内部にて、電極Ｊ６およびＪ７の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生する。
【００１２】
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およびＪ８の近傍がＹ’方向に縮んでいる時、第２の脚Ｊ１２の内部にて、電極Ｊ５およびＪ８の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６およびＪ７の近傍はＹ’方向に伸びるので、第２の脚１２の内部にて、電極Ｊ６および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。  
【００１３】
面外屈曲振動により発生するこれら電極Ｊ５およびＪ８と、電極Ｊ６およびＪ７の間の電位差は、Ｚ’方向に振れる第２の脚Ｊ１２の向きに従って変化する。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および電極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および電極Ｊ８は高電位である。コリオリ力の作用は、電極Ｊ５または電極Ｊ７と、電極Ｊ６または電極Ｊ８の間の電位差として現れる。
【００１４】
コリオリ力の検出信号は、電極Ｊ５および電極Ｊ７の電位を一方の入力信号とし、電極Ｊ６および電極Ｊ８の電位を他方の入力信号とする差動バッファＪＤを経て、乗算回路ＪＭに導かれ、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、面内屈曲振動の発振系の出力であるアンプ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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の水晶を用いた音叉型の振動ジャイロには以下のような問題がある。水晶は電気機械結合係数が小さいためクリスタルインピーダンス値が大きく、一般的に使用される限られた電圧では充分な振幅が得られないため高出力が得られず、またＱ値が大きいため発振成長に時間がかかり、瞬時に起動することができない。
【００１６】
一方、下記の特許文献１には、音叉の断面形状を図６のような方形でなくＨ型とすることで、水晶振動子の駆動性能を向上できることが示されている。
【特許文献１】特開昭５２−５２５９７号公報（図３、第２頁）
【００１７】
駆動振幅の向上だけならば、以前から一般の発振器用音叉に用いられる特許文献１記載のＨ型断面にすることで一応の効果が得られる。しかし、回転の検出に面外振動を用いる縦型振動ジャイロにおいては、Ｈ型断面では検出に用いる面外振動の共振周波数が、面内振動に比し極端に低くなってしまう。駆動振動と検出振動の共振周波数をほぼ一致させるには、全体として非常に分厚い振動子形状を取らなければならず、そうすると音叉を成形するエッチング加工に長時間を要する上、エッチング残渣の影響が大きくて正確な形状が得られないため、良い特性を獲得しにくい。
【００１８】
本発明の目的は、上記の課題を解決しようとするもので、小さな副作用で駆動振幅を大幅に改善し、高い出力を可能とする縦型水晶振動ジャイロを与える。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明の振動ジャイロは下記の構成を採用する。基部に複数の振動脚を配設した振動子と、該複数の振動脚のうち少なくとも１本を駆動脚として所定の駆動周波数で駆動する発振手段と、前記振動脚の何れかを検出脚としてこれに発生するコリオリ力を検出する検出手段とを有し、前記複数本の振動脚は互いに所定の間隔を保って前記基部から同じ方向へ平行に配設した縦型単結晶振動ジャイロにおいて、前記振動脚の一部または全部につき、長手方向に垂直な断面が王の字形になるよう側面に溝部を設ける。
【００２０】
また、前記振動脚中、駆動脚は２本である。
また、前記振動脚中、検出脚は一本である。
また、前記各振動脚の溝部の幅と深さはほぼ等しい。
また、前記各振動脚の溝部と溝部でない部分の幅はほぼ等分されている。
また、前記縦型単結晶振動ジャイロの材質は水晶である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による縦型振動ジャイロは、振動脚の断面が王の字形になるように、脚の側面に複数の溝部を形成してある。これにより水晶のより多くの部分を圧電体として利用できるようにして、水晶内部に発生する電界を強め、電気機械結合係数を向上し、クリスタルインピーダンスを低下させる結果、使用環境で利用できる限られた電圧でも効率良く高い振幅で発振を行うことができ、結果として高い出力を得ることができる。同様の効果を意図したＨ型断面形状に比べると、振動脚の断面係数の縦横差を小さくできて、面外屈曲振動の共振周波数の低下を少なく抑えられることにより、分厚い形状にする必要がなく、残渣の発生を解消するために長時間エッチングすることによる形状精度の低下を心配せずに、精度よく優れた特性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の振動ジャイロを実現するための最良の実施形態を、図面を基に説明する。図１〜図４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、各振動脚に王の字形断面形状を持つ音叉型振動子（以後、音叉と呼ぶ）１０の外観を示し、説明に用いる
座標系を示す斜視図である。図２は音叉１０の振動脚の断面と回路ブロックおよび配線を示す模式図であり、図３は様々な駆動脚形状に対して最適な電極配置を示す断面図であり、図４は様々な検出脚形状に対して最適な電極配置を示す断面図である。
【００２３】
［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、常温では四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、残りの三つは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、三つのａ軸のいずれかをＸ軸とし、ｃ軸をＺ軸とし、Ｘ軸およびＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。
【００２４】
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’軸およびＸ軸を用いる。このとき回転角θは０〜１０度とする。この回転角は、温度特性および振動の安定度を指標に最適な値を選択する。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’軸方向に合わせて切り出す。こうして切り出された音叉１０の形状は、Ｘ−Ｙ’面内に２次元形状で表現される。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こととする。  
【００２５】
図１において、音叉１０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。ここでは電極の一例として音叉１０に金属蒸着膜から成る電極を形成した様子を示した。すなわち音叉１０は、平行に配置された第１の脚１１および第２の脚１２が、基部１５に結合した構造を持つものであり、上記すべての部分は同じ厚さで、同一平面内にあり、一体構造であり、基部１５の下面は、支持に用いられる。
【００２６】
図１に示すように、脚１１の表裏面には、長手方向に各々２本ずつの平行な溝が形成されている。また、図２は、音叉１０の脚の側面への電極配置を示す断面図であり、各々の溝の断面形状を示すことにより溝形状の正確な提示を意図しているが、溝を形成した脚の断面形状が漢字の「王」と似ていることから、以下、この断面形状を「王の字形」と呼ぶことにする。
【００２７】
図１および図２において、第１の脚１１の左右の側面には、駆動電極２および４が、そして２本の平行な溝を形成した表裏面には、駆動電極１および３が各々蒸着されており、第２の脚１２の２本の平行な溝を形成した表裏面には、各々の溝部ごとに四つの検出電極５、６、７および８が蒸着されている。
【００２８】
電極は、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、これを音叉１０の電極を形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ことにより形成できる。基部１５の各面には回路と接続するため、各々の脚に配設した電極からの導線が延びている。
【００２９】
図２には、各々の脚の断面に配設した電極とその接続関係、および駆動検出回路を示す。駆動回路は、電極１および３からの信号をアンプＧおよび移相回路Ｐを用いて電極２および４に返す自励発振回路で構成され、検出回路は、電極４、７および５、８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ＣＯ、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、およ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。
【００３０】
［振動ジャイロの動作・作用説明：図１〜図４］
最初に、本実施の形態において使用する音叉１０を切り出す座標系を、水晶の結晶軸から傾けていることについて説明する。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’軸および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を温度特性との関係を基に決定するためである。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】
以下、図１、図２および図３を用いて音叉型振動子の駆動振動を説明し、さらに、図１、図２および図４を用いて音叉型振動子の検出振動を説明し、図２を用いて、電気的に音叉１０を駆動し、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。
【００３２】
図１および図２において、左側に記す第１の脚１１の側面には、駆動電極１、２、３および４が配置され、右側に記す第２の脚１２の側面には検出電極５、６、７および８が配置されている。
【００３３】
まず、第１の脚１１が例えば第２の脚１２に向かってＸ方向に屈曲すると、電極２近傍がＹ’方向に伸び、電極４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２近傍ではＸ方向に、また電極４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２および４は同電位で、脚の中央より例えば高い電位となる。Ｘ方向に見ると、脚１１の表裏各面の、二つの溝部を含む中央付近の領域に設置された電極１および３は、相対的に電極２および４より低い電位となるので、電極２および４と、電極１および３の間には、電位差が発生する。
【００３４】
圧電効果は可逆的なので、電極２および４と、電極１および３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の脚１１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１および３の電位を参照して発振条件を超える増幅率でアンプＧを用いて増幅し、発振条件を満足する位相に移相回路Ｐで整えて電極２および４に戻すことにより、第１の脚１１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の脚１１をＸ方向に自励発振させることができる。
【００３５】
音叉１０全体で見ると、第１の脚１１および第２の脚１２の運動量をバランスさせるため、第１の脚１１がＸ方向に動く時、第２の脚１２は−Ｘ方向に動き、第１の脚１１が−Ｘ方向に動く時、第２の脚１２がＸ方向に動く動作となり、前述のように、これを面内屈曲振動と呼ぶが、第１の脚１１、アンプＧおよび移相回路Ｐで発生させる振動はこの面内屈曲振動と同じ動作であり、その周波数は、音叉１０の面内屈曲振動の共振周波数とほぼ一致する。
【００３６】
この状態で音叉１０全体をＹ’軸の回りに角速度Ωで回転させると、音叉１０の二つの脚には、面内屈曲振動と直交するＺ’方向に前述のようなコリオリ力ＦＣが働き、面外屈曲振動を励起する。
【００３７】
この面外屈曲振動により、例えば第２の脚１２の表面溝部に各々設置された電極５および８の近傍は、Ｙ’方向に伸び縮みし、裏面溝部に各々設置された電極６および７の近傍は、その電極５および８の近傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極５および８の近傍がＹ’方向に伸びている時、第２の脚１２の内部の、電極５および８の近傍では、Ｘ方向に電界が発生し、この時電極６および７の近傍はＹ’方向に縮むので、第２の脚１２の内部の、電極６および７の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生する。
【００３８】
すなわち電極５の電位が電極８の電位より高い時、電極７の電位は電極６の電位より高い状態となる。また、電極５および８の近傍がＹ’方向に縮んでいる時、第２の脚１２の内部の電極５および８の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生し、この時電極６および７の近傍はＹ’方向に伸びるので、第２の脚１２の内部の、電極６および７の近傍では、Ｘ方向に電界が発生する。すなわち電極５の電位が電極８の電位より低い時、電極７の電位は電極６の電位より低い状態となる。  
【００３９】
面外屈曲振動により発生するこれら電極５および８と、電極６および７の間の電位差は、Ｚ’方向に振れる第２の脚１２の方向に従って変化する。見方を変えると、例えば電極５が高電位の時電極７も高電位であり、この時電極６および電極８は低電位であり、電極５が低電位の時電極７も低電位であり、この時電極６および電極８は高電位である。コリオリ力は、電極５または電極７と、電極６または電極８の間の電位差として検出することができる。
【００４０】
コリオリ力の検出信号は、電極５および電極７の電位を一方の入力信号とし、電極６および電極８の電位を他方の入力信号として、差動バッファＤを経て乗算回路Ｍに導かれ、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、面内屈曲振動の発振系の出力であるアンプＧの出力を、移相回路Ｐ２により９０度移相し、コンパレータＣＯ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Ｓ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。
【００４１】
これより図３を用い、各々の脚に王の字形断面の溝形状を持つ本実施の形態が駆動振動を行う場合に、電気機械結合の大きさが副作用なく向上する仕組みを説明する。図３Ａは溝のない駆動脚Ａ１１の断面を示し、左右側面に各々電極Ａ２およびＡ４を設け、上下側面に各々電極Ａ１およびＡ３を設けてある。また、図３Ｂは特許文献１に倣って上下側面に長手方向に一つの溝を施したＨ型断面形状を持つ駆動脚Ｂ１１の断面を示している。また、図３Ｃは本実施形態と同様に上下側面に長手方向に二つの溝を施した駆動脚Ｃ１１の王の字形断面を示している。
【００４２】
すでに説明したように各々の電極間に電位差を与えると、電極間に電界が発生し、音叉の脚にＸ方向の屈曲が発生する。図３を用いてこの様子を各々の断面形状において詳細に説明する。各電極は導体であるから、その表面は等電位面になり、電気力線は電極面から垂直に立ち上がる。その後各電極の幾何学的な配置により、各々の電気力線は重ね合わせの原理に従ってベクトル的に合成された結果、一方の電極から立ち上がり、曲線を描いて極性の異なる他方の電極に終端する。この様子は断面の形状により異なる。そして電界強度を表す各々の電気力線の密度は、電極間距離が小さいほど大きくなる。ところで現在説明している駆動脚を構成するＺ’板水晶の結晶方位では、水晶はＸ方向の電界にのみ反応し、この電界に比例してＹ’方向に伸び縮みする。従って我々は前記電気力線のＸ方向成分のみを電気機械結合係数の大小を論じる対象とすることになる。
【００４３】
まず、従来の矩形断面を持つ図３Ａに示す駆動脚Ａ１１の場合であるが、電極Ａ２は左側面全体、電極Ａ４は右側面全体、電極Ａ１は上側面の一部、電極Ａ３は下側面の一部に形成されている。電極Ａ１から垂直に立ち上がった電気力線群の中で中央より左のものは次第に左に向きを変えて電極Ａ２に終端する。一方中央より右のものは次第に向きを変えて電極Ａ４に終端する。また電極Ａ３から垂直に立ち上がった電気力線群の中で中央より左のものは次第に左に向きを変えて電極Ａ２に終端する。一方中央より右のものは次第に向きを変えて電極Ａ４に終端する。
【００４４】
図３Ａにはこれらの電気力線のＸ方向成分の分布のみを、その大きさをベクトルの長さとして数本記してあるが、各々の電気力線のＸ方向成分は、電極Ａ１の左端かつ電極Ａ２の上端の僅かな領域、電極Ａ１の右端かつ電極Ａ４の上端の僅かな領域、電極Ａ３の左端かつ電極Ａ２の下端の僅かな領域、および電極Ａ３の右端かつ電極Ａ４の下端の僅かな領域に局在していることが分かる。言い換えると、矩形の断面形状を持つ脚Ａ１１では、水晶の断面の中でほんの僅かな領域だけしか利用していないことが分かる。
【００４５】
次に、特許文献１に倣ったＨ型断面を持つ図３Ｂに示す駆動脚Ｂ１１の場合であるが、電極Ｂ２は左側面全体、電極Ｂ４は右側面全体、電極Ｂ１は上側面の溝部全体、電極Ｂ３は下側面の溝部全体に形成されている。電極Ｂ１は溝内にあるが、溝左側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全て−Ｘ方向であり、そのまま電極Ｂ２に終端する。一方、溝右側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全てＸ方向であり、そのまま電極Ｂ４に終端する。また電極Ｂ３は溝内にあるので、溝左側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全て−Ｘ方向であり、そのまま電極Ｂ２に終端する。一方、溝右側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全てＸ方向であり、そのまま電極Ｂ４に終端する。
【００４６】
図３Ｂにはこれらの電気力線のＸ方向成分の分布のみを、その大きさをベクトルの長さとして数本記してあるが、各々の電気力線のＸ方向成分は、電極Ｂ１の溝内左端から電極Ｂ２の上部の溝に相対する領域へ、電極Ｂ１の溝内右端から電極Ｂ４上部の溝に相対する領域へ、電極Ｂ３の溝内左端から電極Ｂ２株の溝に相対する領域へ、電極Ｂ３の溝内右端から電極Ｂ４下部の溝に相対する領域へ集中している。言い換えると、Ｈ形の断面形状を持つ駆動脚Ｂ１１では、水晶の側面と溝側面との間の領域は平行板コンデンサの様に高密度な電気力線が生じ、この部分を有効に利用していることが分かる。また溝が深ければ有効利用される領域は拡大する。
【００４７】
電界発生の効率の面からは、Ｈ型断面を持つ駆動脚Ｂ１１は矩形断面を持つ駆動脚Ａ１１よりも優れていることが分かった。それについては特許文献１に記載された通りである。
【００４８】
次に、本実施の形態で扱う王の字形断面を持つ図３Ｃに示す駆動脚Ｃ１１の場合であるが、電極Ｃ２は左側面全体、電極Ｃ４は右側面全体、電極Ｃ１は上面の２本の溝部全体およびその間、電極Ｃ３は下面の２本の溝部全体およびその間の凸部に形成されている。溝内の電極Ｃ１については、溝左側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全て−Ｘ方向であり、そのまま電極Ｃ２に終端する。一方、溝右側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全てＸ方向であり、そのまま電極Ｃ４に終端する。また溝内の電極Ｃ３については、溝左側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全て−Ｘ方向であり、そのまま電極Ｃ２に終端する。一方、溝右側面から垂直に立ち上がった電気力線群は全てＸ方向であり、そのまま電極Ｃ４に終端する。
【００４９】
図３Ｃにはこれらの電気力線のＸ方向成分の分布のみを、その大きさをベクトルの長さとして数本記してあるが、各々の電気力線のＸ方向成分は、電極Ｃ１の溝内左端から電極Ｃ２の上部の溝に相対する領域へ、電極Ｃ１の溝内右端から電極Ｃ４上部の溝に相対する領域へ、電極Ｃ３の溝内左端から電極Ｃ２株の溝に相対する領域へ、電極Ｃ３の溝内右端から電極Ｃ４下部の溝に相対する領域へ集中している。言い換えると、王の字形の断面形状を持つ脚Ｃ１１では、水晶の側面と溝側面との間の領域は平行板コンデンサの様に高密度な電気力線が生じ、この部分を有効に利用していることが分かる。また溝が深ければ有効利用される領域は拡大する。電界発生の効率の面からは、王の字形断面を持つ駆動脚Ｃ１１はＨ型断面を持つ駆動脚Ｂ１１とまったく同等である。
【００５０】
本実施の形態で述べる２脚音叉の場合、駆動脚と検出脚は全く同じ形状と大きさを持っていなければならないため、図３で説明した駆動電極を形成した各々の駆動脚に対応する、検出電極を備えた検出脚について説明しておく必要がある。図４Ａは溝のない検出脚Ａ１２の断面で、矩形の頂点付近に各々左上電極Ａ５、左下電極Ａ６、右下電極Ａ７および右上電極Ａ８を示してある。また、図４ＢはＨ型断面形状を持つ検出脚Ｂ１２の断面で、左側面上下部に電極Ｂ１５およびＢ１６、右側面上下部にＢ２８およびＢ２７、上部溝部左右側面に電極Ｂ１８およびＢ２５、下部溝部左右側面にＢ１７およびＢ２６を示している。また、図４Ｃは二つの溝を施した王の字形断面形状を持つ検出脚Ｃ１２の断面で、側面上部および溝側面に左から電極Ｃ１５、Ｃ１８、Ｃ５、Ｃ８、Ｃ２５およびＣ２８、側面下部及溝側面に左から電極Ｃ１６、Ｃ１７、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ２６およびＣ２７を示している。
【００５１】
まず、従来の矩形断面を持つ図４Ａに示す検出脚Ａ１２の場合であるが、電極Ａ５から垂直に立ち上がった電気力線群は電極Ａ８まで平行に終端する。また電極Ａ７から垂直に立ち上がった電気力線群は電極Ａ６まで平行に終端する。これ以外の電気力線はあまり寄与しない。図４Ａにはこれらの電気力線のＸ方向成分のみの分布を、その大きさをベクトルの長さとして数本記してあるが、各々の電気力線のＸ方向成分は、電極Ａ５とＡ８間の上端のわずかな領域および電極Ａ７とＡ６間の下端のわずかな領域に局在していることが分かる。言い換えると、矩形の断面形状を持つ検出脚Ａ１２では、水晶の断面の中でほんの僅かな領域だけしか利用していないことが分かる。
【００５２】
次に、Ｈ型断面を持つ図４Ｂに示す検出脚Ｂ１２の場合であるが、各電極を脚の側面と溝の側面に形成し、電極Ｂ１５とＢ１８、Ｂ２５とＢ２８、Ｂ１６とＢ１７およびＢ２６とＢ２７が平行平板コンデンサを成すように構成でき、この様にすると高能率に電気力線利用できることが分かる。また溝が深ければ有効利用できる領域は拡大する。
【００５３】
次に、王の字形断面を持つ図４Ｃに示す検出脚Ｃ１２の場合であるが、各電極を脚の側面と溝の側面に形成し、電極Ｃ５とＣ８、Ｃ６とＣ７、Ｃ１５とＣ１８、Ｃ２５とＣ２８、Ｃ１６とＣ１７およびＣ２６とＣ２７は平行平板コンデンサを成すように構成でき、この様にすると高能率に電気力線利用できることが分かる。また溝が深ければ有効利用できる領域は拡大する。先に図２を用いて実施形態の動作説明を行ったが、図２の電極５、８、６および７は、図４の電極Ｃ５とＣ８、Ｃ６およびＣ７に相当する。
【００５４】
電界発生の効率の面からは、王の字形断面を持つ検出脚Ｃ１２は、駆動脚の場合と同様、Ｈ型断面を持つ検出脚Ｂ１２とまったく同等であることが分かる。しかしながら、Ｈ型断面の検出脚Ｂ１２は、本願発明が対象とするジャイロセンサ用振動体において、二つの屈曲方向を持つ振動脚としては致命的な不具合を持つものである。
【００５５】
なぜなら、検出脚Ｂ１２の発生する電界の効率を高めるためには、断面において電極間の距離は小さく、そして対向する電極の長さは長い方が良い。言い換えると検出脚Ｂ１２に形成される溝は幅が広いほど、深さが深いほど良いことになる。この方針で最適化された検出脚Ｂ１２は、特許文献１の用途である発振器用の音叉型振動子としては何ら問題がない。脚の断面において中心から遠い領域は、主として弾性体としての脚の剛性を増す部分であるが、検出脚Ｂ１２のＨ型断面ではＸ方向の屈曲に対してはこの領域がほぼ残されている。しかしジャイロセンサの出力に関係するＺ’方向には、断面中心から遠い部分が大幅になくなっている。
【００５６】
この結果、Ｈ型断面形状を持つ検出脚Ｂ１２では、Ｘ方向に屈曲する駆動振動の共振周波数は矩形断面の検出脚Ａ１２とほぼ変わらないが、Ｚ’方向に屈曲する検出振動の共振
周波数は、剛性の低下により極端に下がってしまう。ジャイロセンサでは、これらの二つの共振周波数はほぼ一致していなければならないので、Ｈ型断面の振動脚ではＸ方向に比べてＺ’方向にかなり厚い断面形状にしなければならない。
【００５７】
本実施形態の振動体は水晶のウエットエッチングで製作するが、厚さが増大すると形状の対称性を劣化させる残渣の影響が大きくなって、ジャイロセンサに必要な高精度な振動体を製作するのが困難になり、さらに大きな溝部のエッチング追加により、面内屈強振動と面外屈曲振動の二つの共振周波数を一致させるのが一層困難になってしまう。
【００５８】
しかしながら、王の字形断面を持つ検出脚Ｃ１２では、断面のＺ’方向において、脚の屈曲における弾性体としての剛性を、主として増す部分である中心から遠い部分をかなり残すことができる。このため王の字形断面の振動脚においては、検出方向であるＺ’方向の厚さを増さなくとも、この方向への屈曲振動の共振周波数をあまり下げないように設計でき、Ｈ型断面で述べたような困難を克服できて、電界効率の改善による電気機械結合定数の向上を享受することができる。
【００５９】
上記の実施の形態においては、左右の脚に駆動電極および検出電極を別々に設ける王の字形断面形状を持つ２脚の音叉型振動子で水晶振動ジャイロを構成する例を説明したが、両方の脚に駆動検出両電極を形成したものであってもかまわない。勿論王の字形断面を持つ駆動脚の数は２本に限らず、駆動脚２本と検出脚１本を備えた３脚音叉や非対称３脚音叉、４脚音叉などでも同様な効果が得られる。またフリーフリーバーと呼ばれる旧来の棒状振動体であってもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、圧電単結晶で構成される棒状振動体の屈曲振動を用いた振動ジャイロに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態である音叉型振動子の外観と、座標と、電極の一部と、異方性結晶の回転方向を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態である振動ジャイロの振動脚の断面と、駆動検出回路および配線を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態を含む各種振動ジャイロの駆動脚の断面と、電極の一部を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態を含む各種振動ジャイロの検出脚の断面と、電極の一部を示す断面図である。
【図５】従来の音叉型の水晶振動子の外観と、座標と、電極の一部と、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振動脚の断面と、駆動検出回路および配線を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１〜８  電極
１０  音叉型振動子
１１  第１の脚
１２  第２の脚
１５  基部
Ａ１〜Ａ８  電極
Ａ１１  駆動脚
Ａ１２  検出脚
Ｂ１〜Ｂ４  電極
Ｂ１１  駆動脚
Ｂ１２  検出脚
Ｂ１５〜Ｂ１８  電極
Ｂ２５〜Ｂ２８  電極
ＣＯ  コンパレータ  
Ｃ１〜Ｃ８  電極
Ｃ１１  駆動脚
Ｃ１２  検出脚
Ｃ１５〜Ｃ１８  電極
Ｃ２５〜Ｃ２８  電極
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
Ｊ１〜Ｊ８  電極
Ｊ１０  音叉型振動子
Ｊ１１  第１の脚
Ｊ１２  第２の脚
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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