(57)【要約】【課題】振動子の屈曲振動アームにおいて、アームの屈曲振動と電気信号との間のエネルギー伝達の効率を向上させる。【解決手段】振動子の屈曲振動アーム２Ａ、２Ｂは、少なくとも一対の基部１９Ａ、１９Ｂと、基部１９Ａ、１９Ｂを接続する接続部１８とを備えている。接続部１８と一対の基部１９Ａ、１９Ｂとによって凹部４Ａ、４Ｂが形成されている。電気的に分離された複数の電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが凹部４Ａ、４Ｂ内に設けられている。【選択図】                        図３
2004151001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子の屈曲振動アームであって、この屈曲振動アームが、少なくとも一対の基部と、これらの基部を接続する接続部とを備えており、前記接続部と前記一対の基部とによって凹部が形成されており、電気的に分離された複数の電極が前記凹部内に設けられていることを特徴とする、振動子の屈曲振動アーム。
【請求項２】
前記屈曲振動アームが所定面に沿って屈曲振動することを特徴とする、請求項１記載の屈曲振動アーム。
【請求項３】
互いに略平行な一対の第一の平面と、前記第一の平面に対して略垂直な一対の第二の平面とを備えており、前記凹部が前記一対の第二の平面側にそれぞれ設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記一対の前記第一の平面上にそれぞれ他の電極が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の屈曲振動アーム。
【請求項５】
前記凹部内の前記電極と前記他の電極との間に交流電圧を印加することによって前記屈曲振動アームを前記所定面に沿って屈曲振動させることを特徴とする、請求項４記載の屈曲振動アーム。
【請求項６】
前記基部および前記接続部が圧電材料からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の屈曲振動アーム。
【請求項７】
前記圧電材料が、前記所定面に略平行な圧電軸の方向に分極していることを特徴とする、請求項６記載の屈曲振動アーム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の屈曲振動アームと、この屈曲振動アームを固定する固定部とを備えていることを特徴とする、振動子。
【請求項９】
振動子を用いて物理量を検出する物理量測定装置であって、
請求項８記載の振動子、および前記物理量に応じて前記振動子に励振される検出振動に基づく出力信号を処理し、前記物理量に対応する検出信号を得る検出回路を備えていることを特徴とする、物理量測定装置。
【請求項１０】
慣性センサーであることを特徴とする、請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動子の屈曲振動アーム、振動子および物理量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特許文献１には、圧電振動子を使用した角速度検出装置において、圧電振動子のアームに溝を設けることによって、角速度の検出精度を向上させることが記載されている。この例を例えば図７に模式的断面図として示す。圧電振動アーム２１は略断面長方形状をしている。振動片３の第一の平面３ｃ上には駆動電極２２が形成されており、第二の平面３ａ、３ｂからそれぞれ凹部４Ａ、４Ｂが凹むように設けられている。各凹部４Ａ、４Ｂの壁面４ａ、４ｂには接地電極２３が設けられている。また第二の平面３ａ、３ｂの３ｄ側末端には検出電極２４を設ける。駆動時には接地電極２３と駆動電極２２との間に交流電圧を印加し、屈曲振動アーム２１をＸ軸方向に屈曲振動させる。このアーム２１を回転軸Ｙの周りに回転させると、アーム２１がＺ軸方向に屈曲振動する。この屈曲振動に基づいて接地電極２３と検出電極２４との間に生ずる起電力を計測する。
【特許文献１】
特開２００１−２３５３３１号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような駆動検出方法では、回転角速度の検出感度が低かった。なぜなら、駆動の際には振動片３の図７において右半分しか利用できないし、検出の際には検出電極２４と接地電極２３との間の非常に小さい体積しか利用できないからである。つまり、振動片３のうち、駆動、検出に利用できる領域の体積が小さく、このために駆動時の励振効率が低く、また検出時の効率も低くならざるを得ない。
【０００４】本発明の課題は、振動子の屈曲振動アームであって、この屈曲振動アームが、少なくとも一対の基部と、これらの基部を接続する接続部とを備えており、接続部と一対の基部とによって凹部が形成されている場合に、アームの屈曲振動と電気信号との間のエネルギー伝達の効率を向上させることである。
【０００５】また、本発明の課題は、このような振動子を利用することによって、物理量の検出感度の高い物理量測定装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、振動子の屈曲振動アームであって、この屈曲振動アームが、少なくとも一対の基部と、これらの基部を接続する接続部とを備えており、接続部と一対の基部とによって凹部が形成されており、電気的に分離された複数の電極が凹部内に設けられていることを特徴とする。
【０００７】また、本発明は、前記屈曲振動アームと、この屈曲振動アームを固定する固定部とを備えていることを特徴とする、振動子に係るものである。
【０００８】また、本発明は、振動子を用いて物理量を検出する物理量測定装置であって、前記振動子、および物理量に応じて振動子に励振される検出振動に基づく出力信号を処理し、物理量に対応する検出信号を得る検出回路を備えていることを特徴とする。
【０００９】従来技術においては、屈曲振動アームの凹部内の電極は接地電極として利用されてきたために、駆動や検出に振動片の圧電性を有効利用することが難しかった。本発明者はこの点に着目し、電気的に分離された複数の電極を凹部内に設けることとした。これによって、凹部内の各電極にそれぞれ別個の機能を担持させることが可能となった。この結果、振動片の圧電性を励振や信号検出に有効に利用可能となった。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明を更に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る振動子２０を示す正面図である（振動子１をＺ軸方向から見ている）。振動子２０は、例えば一対の屈曲振動アーム２Ａ、２Ｂと、各屈曲振動アームの根元を固定する固定部１とを備えている。各屈曲振動アーム２Ａ、２Ｂは、それぞれ、細長い断面矩形の振動片３を備えている。
【００１１】図２は、屈曲振動アーム２Ａ（または２Ｂ）をＸ軸方向から見た正面図である。図３（ａ）は、屈曲振動アーム２Ａの横断面図であり、図３（ｂ）は、アーム２Ｂの横断面図である。
【００１２】特に図３（ａ）に示すように、アーム２Ａにおいては、振動片３の相対向する第一の平面３ｃ、３ｄ上にそれぞれ駆動電極５Ａ、５Ｂが設けられている。図３（ｂ）に示すように、アーム２Ｂにおいては、振動片３の第一の平面３ｃ、３ｄ上にそれぞれ駆動電極５Ｃ、５Ｄが設けられている。
【００１３】各振動片３は、少なくとも一対の基部１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄと、これらの基部を接続する接続部１８とを備えており、接続部１８と一対の基部とによって一対の凹部４Ａ、４Ｂが形成されている。この結果、振動片の横断面は略Ｈ形状をしている。
【００１４】アーム２Ａにおいては、振動片３の凹部４Ａ内に例えば一対の検出電極６Ａ、６Ｂが形成されており、電極６Ａと６Ｂとの間には絶縁部分７があり、各電極が電気的に導通しないように絶縁している。凹部４Ｂ内に一対の検出電極６Ｃ、６Ｄが形成されており、電極６Ｃと６Ｄとの間には絶縁部分７があり、各電極が電気的に導通しないように絶縁している。同様に、アーム２Ｂにおいては、振動片３の凹部４Ａ、４Ｂ内にそれぞれ一対の検出電極６Ｅ、６Ｆまたは６Ｇ、６Ｈが形成されており、各凹部内において電極間には絶縁部分７があり、各電極が電気的に導通しないように絶縁している。
【００１５】本例では、アーム２Ａ、２Ｂを、図１に矢印Ａで示すようにＸ軸方向に屈曲振動させる。この際、アーム２Ａにおける振動の位相とアーム２Ｂにおける振動の位相とを逆相に設定する。ここで、振動子を構成する圧電材料は、矢印Ａ方向に分極しているものとする。図３（ａ）のアーム２Ａでは、駆動電極５Ａと５Ｂとを同位相に設定し、交流電源に接続する。駆動電極５Ａ、５Ｂから検出電極６Ａ〜６Ｄに向かって矢印Ｂ、Ｃのように交流電界が印加される。この結果、基部１９Ａにおける交流電界の位相と、基部１９Ｂにおける交流電界の位相とは、反対方向になる。従って、ある瞬間において、基部１９ＡがＹ軸方向（長手方向）に伸びているものとすると、基部１９ＢはＹ軸方向に縮む。この結果、振動片３は矢印Ｆのように屈曲振動する。
【００１６】図３（ｂ）のアーム２Ｂでは、駆動電極５Ｃと５Ｄとを同位相に設定し、交流電源に接続する。駆動電極５Ｃ、５Ｄから検出電極６Ｅ〜６Ｈに向かって矢印Ｄ、Ｅのように交流電界が印加される。この結果、基部１９Ｃにおける交流電界の位相と、基部１９Ｄにおける交流電界の位相とは、逆相になる。従って、ある瞬間において、基部１９ＣがＹ軸方向（長手方向）に伸びているものとすると、基部１９ＤはＹ軸方向に縮む。この結果、振動片３は矢印Ｆのように屈曲振動する。
【００１７】駆動電極５Ａ、５Ｂに印加される交流電圧の位相と、駆動電極５Ｃ、５Ｄに印加される交流電圧の位相とを逆相にすることによって、図１においてアーム２Ａと２Ｂとを逆相で励振することができる。
【００１８】以上のように、本実施形態によれば、駆動電極５Ａ〜５Ｄと凹部内の複数の電極との間に交流電界を印加し、基部１９Ａ、１９Ｂの全体の圧電性を利用して振動片３を励振できる。従って、駆動振動の励振効率を高くすることができる。
【００１９】回転角速度の検出方法について述べる。図４に示すように、検出電極６Ａ、６Ｄ、６Ｆ、６Ｇを接続すると共に、検出電極６Ｂ、６Ｃ、６Ｅ、６Ｈを接続し、同電位とする。振動子１を軸Ｙの周りに回転させると、各振動片３には、Ｚ軸方向の検出振動Ｇが発生する。検出振動Ｇの位相は、アーム２Ａと２Ｂとの間で逆相になる。この結果、図４において、各基部１９Ａ〜１９Ｄの上半分が伸びているときには、各基部の下半分は縮むことになる。このため、検出電極６Ａと６Ｄとは同位相の起電力が発生し、電極６Ｂと６Ｃとには同位相の起電力が発生する。また、電極６Ｆと６Ｇとには同位相の起電力が発生し、電極６Ｅと６Ｈとには同位相の起電力が発生する。そして、検出電極６Ａ、６Ｄ、６Ｆ、６Ｇは同位相となり、検出電極６Ｂ、６Ｃ、６Ｅ、６Ｈは同位相となる。従って、上述した同位相の電極同士を接続し、電気信号を得る。
【００２０】得られた検出信号に対して、所定の電気的処理を施し、回転角速度に対応する数値データを得る。例えば、図４において、各出力Ｐ、Ｑを減算器１０で減算することによって、駆動振動に起因する電気信号を相殺し、回転角速度に対応する電気信号を得ることができる。
【００２１】また、各出力Ｐ、Ｑを加算器９で加算することによって、検出振動に起因する電気信号を相殺し、駆動振動に対応する電気信号を得ることができる。加算器９からの出力は、駆動振動を励振するための自励振回路の制御信号として利用可能である。
【００２２】図５は、振動子１からの電気信号の処理回路の一例を示すブロック図であり、駆動回路および検出回路の一例を示す。起動時には、自励発振回路３６に対して起動回路から雑音を入力する。この雑音は、振動子を通過して周波数選択を受け、次いで交流増幅器３４に入力されて増幅を受ける。交流増幅器３４からの出力信号の一部を取り出し、整流器に入力し、振幅の水準（大きさ）に変換する。この振幅の信号を振幅制御増幅器３５に入力する。本例では、加算器９からの出力を制御信号として自励振回路３６に入力している。
【００２３】検出回路３２は、振動子１の出力信号を処理し、真正の検出信号を抽出するための回路である。減算器１０からの出力を、交流増幅器２８、検波器２９、ローパスフィルター３０、リミッタ３１に通し、端子から真正の検出信号を得る。検波器２９においては、駆動信号に基づく移相信号を利用して出力信号を検波する。即ち、駆動振動からの派生信号を移相器３３に通して例えば９０°移相させ、移相信号を得る。検波回路２９に移相信号を入力し、出力信号を検波すると、検波出力からは、不要な漏れ信号は消去されており、真正の検出信号が得られる。この検波信号を平滑化回路に入力し、その出力を増幅する。
【００２４】本発明において測定されるべき物理量は、特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。
【００２５】好適な実施形態においては、振動子が圧電材料から構成されており、好ましくは圧電性単結晶によって形成されている。
【００２６】圧電性単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ほう酸リチウム、ランガサイトを例示できる。特に好ましくは、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体の１３０°Ｙ板である。
【００２７】本発明は、いわゆる横置き型の振動型ジャイロスコープに対して、特に好適に適用できる。横置き型の振動型ジャイロスコープにおいては、振動子が、回転軸に対して略水平な所定面内に延びている。この場合に特に好ましくは、駆動振動アームと検出振動アームとの両方が、所定面に沿って屈曲振動する。図５はこの実施形態に係る振動子２０Ａを示す。
【００２８】振動子２０Ａにおいては、固定部１１の周縁から支持部１２Ａ、１２Ｂが突出している。各支持部１２Ａ、１２Ｂの先端側から、各支持部に直交する方向に屈曲振動アーム（駆動振動アーム）１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが延びている。各屈曲振動アームの断面形状、正面形状および構成は、図１〜図４に示したとおりである。１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄは各振動片である。
【００２９】固定部１１の周縁から、細長い周方向屈曲振動アーム１６Ａ、１６Ｂが突出している。各アーム１６Ａ、１６Ｂには、それぞれ、検出電極１７が設けられている。
【００３０】各駆動振動アーム１４Ａ−１４Ｄに対して、それぞれ前述のように交流電圧を印加することによって、矢印ＦのようにＸ−Ｙ平面内でＸ方向に向かって屈曲振動させる。各駆動振動アームを矢印Ｆのように振動させ、この状態で振動子２１を軸Ｚの回りに回転させると、一対の支持部１２Ａ、１２Ｂが矢印Ｊのように、その付け根を中心として屈曲振動する。これに対応し、検出振動アーム１６Ａ、１６Ｂが、矢印Ｋのように、各アームの付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動に基づいて検出信号を発生させ、検出回路において処理する。この結果、軸Ｚの周りの回転角速度が得られる。
【００３１】本実施形態の振動子２０Ａによれば、同時にＹ軸の周りの回転角速度を検出できる。即ち、各アーム１４Ａ〜１４Ｄは、前述したアーム２Ａ、２Ｂと同じ構成のものである。従って、アーム１４Ａ、１４Ｂと、アーム１４Ｃ、１４Ｄとを、Ｆ方向に逆相で駆動振動させ、この状態で振動子をＹ軸の周りに回転させると、各アームはＧ方向（Ｚ軸方向）に屈曲振動する（検出振動）。この検出振動の位相は、アーム１４Ａ、１４Ｂと、１４Ｃ、１４Ｄとの間で逆相となる。従って、前述のように各検出電極からの電気信号を減算処理することによって、真正の回転角速度に対応する電気信号が得られる。
【００３２】以上特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上述の実施形態には限定されない。例えば、基部の形状、凹部の形状は特に限定されない。また、基部における圧電材料の分極方向、振動アーム上での駆動電極、検出電極の位置や形状は限定されない。また、各凹部内に駆動電極を設け、検出電極を第一の平面上に設けることができる。また各凹部内で各電極を分離する方法は、前述のような隙間（ギャップ）には限定されない。例えば、絶縁性材料をギャップ７内に介在させることができる。また、絶縁性材料によって各電極の表面を被覆することもできる。
【００３３】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、振動子の屈曲振動アームであって、この屈曲振動アームが、少なくとも一対の基部と、これらの基部を接続する接続部とを備えており、接続部と一対の基部とによって一対の凹部が形成されている場合に、アームの屈曲振動と電気信号との間のエネルギー伝達の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動子２０を示す正面図である（振動子１をＺ軸方向から見ている）。
【図２】屈曲振動アーム２Ａ（または２Ｂ）をＸ軸方向から見た正面図である。
【図３】（ａ）は、屈曲振動アーム２Ａの横断面図であり、（ｂ）は、アーム２Ｂの横断面図である。
【図４】振動子１による検出方法を説明するための模式図である。
【図５】本発明の振動子からの電気信号の処理回路の一例を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る振動子２０Ａを概略的に示す平面図である。
【図７】従来方式の屈曲振動アームの例を示す。
【符号の説明】１、１１  固定部        ２Ａ、２Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ  屈曲振動アーム        ３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ  振動片        ３ａ、３ｂ  第二の平面        ３ｃ、３ｄ  第一の平面        ４Ａ、４Ｂ  凹部        ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ  駆動電極        ６Ａ、６Ｂ，６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈ  検出電極        ７  凹部内の電極のギャップ        １８  接続部        １９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ  基部２０、２０Ａ  振動子
【図１】
2004151001.tif 000003
【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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【図７】
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