(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶で構成され、駆動足を有する第１の振動体と、非圧電材料で構成され、検出足を有し、前記第１の振動体より低いＱ値を有する第２の振動体とを結合した複合振動子と、
前記駆動足を駆動振動させる発振手段と、
前記複合振動子の回転によるコリオリ力によって、前記検出足に発生する検出振動を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
前記第１の振動体は、前記駆動足の厚みと幅を異なるようにして駆動方向への屈曲振動の共振周波数とこれに直交する方向への共振周波数とを離すことで、前記検出振動の発生時における検出方向への屈曲を抑制したことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
前記第２の振動体は、前記検出足の厚みと幅を異なるようにすることで、前記駆動振動の発生時における駆動方向への屈曲を抑制したことを特徴とする請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記第１の振動体は前記駆動足を２本有し、
前記第２の振動体は前記検出足を２本有し、
前記複合振動子は、前記第１の振動体と前記第２の振動体の基部同士を結合したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
【請求項５】
前記第２の振動体は、前記２本の検出足の間に配置され、前記検出足よりも長い中央足を備え、前記中央足の先端を支持することを特徴とする請求項４に記載の振動ジャイロ。
【請求項６】
前記駆動足と前記検出足とは、それぞれの厚みが異なることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
【請求項７】
前記第２の振動体は、表面にＰＺＴが設けられたエリンバで構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
従来から機械式の回転ジャイロスコープが、飛行機や船舶の慣性航行装置として使われているが、装置が大きく、価格が高く、従って小型の電子機器や小型の輸送機械に組み込むことは困難である。
【０００３】
しかし近年、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、振動体に設けた別の圧電素子で振動体が回転により受けるコリオリ力で起きる振動により発生する電圧を検出する振動ジャイロの実用化が進み、自動車のナビゲーションシステムやビデオカメラの手振れ検出装置等に使われている。
【０００４】
特に圧電性単結晶を用いた振動ジャイロは、構造が簡単で、調整もしやすく、また温度特性に優れ、有望視されている。以下に圧電性単結晶を使用した例として、水晶を用いた音叉型振動ジャイロの構造を図面を用いて説明する。図５は音叉型の振動ジャイロを示す斜視図である。
【０００５】
図５において、音叉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の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２が、基部Ｊ１５に結合した構造を持つものである。第１の足Ｊ１１には、駆動電極Ｊ３及びＪ４が蒸着されており、第２の足Ｊ１２には、検出電極Ｊ６，Ｊ７及び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、足の伸びた方向をＹ’方向、２本の足の並ぶ方向をＸ方向、Ｘ及びＹ’方向に直交する方向をＺ’方向とする。
【０００６】
作用について説明する。図６は、従来の音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明する為の、断面及び駆動検出回路の模式図である。図６において、左側に記す第１の足Ｊ１１の断面には、駆動電極Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３及びＪ４の断面が配置され、右側に記す第２の足Ｊ１２の断面には検出電極Ｊ５，Ｊ６，Ｊ７及びＪ８の断面が配置されている。
【０００７】
まず、第１の足Ｊ１１が例えば第２の足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及びＪ４は同電位で、足の中央より例えば高い電位となる。Ｘ方向に見ると、足の中央付近に配置された電極Ｊ１及びＪ３は、相対的に電極Ｊ２及びＪ４より低い電位となるので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及びＪ３の間には、電位差が発生する。圧電効果は可逆的なので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及び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の足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及びＪ３の電位を参照と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及びＪ４に戻すことにより、第１の足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の足Ｊ１１をＸ方向に自励発振させることができる。
【０００８】
音叉Ｊ１０全体で見ると、第１の足Ｊ１１及び第２の足Ｊ１２の運動量をバランスさせる為、第１の足Ｊ１１がＸ方向に動く時、第２の足Ｊ１２は−Ｘ方向に動き、第１の足Ｊ１１が−Ｘ方向に動く時、第２の足Ｊ１２がＸ方向に動く動作となるが、これを、通常の音叉が１つの面内で振動を行うのを理想とする慣例から、面内屈曲振動と呼ぶが、第１の足Ｊ１１，アンプＪＧ及び移相回路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。
【０００９】
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２つの足には、面内屈曲振動と直交するＺ’方向にコリオリ力ＦＣが働く。コリオリ力ＦＣは以下の式で表すことができる。
ＦＣ＝２ＭΩＶ          （１）
ここで、Ｍは第１の足Ｊ１１又は第２の足Ｊ１２の質量であり、Ｖは第１の足Ｊ１１又は第２の足Ｊ１２の速度である。このコリオリ力ＦＣは、第１の足Ｊ１１及び第２の足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。
【００１０】
この面外屈曲振動により、例えば第２の足Ｊ１２の電極Ｊ５及びＪ８の近傍はＹ’方向に伸び縮みし、電極Ｊ６及びＪ７の近傍は電極Ｊ５及びＪ８の近傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極Ｊ５及びＪ８の近傍がＹ’方向に伸びている時、第２の足Ｊ１２の内部の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に縮むので、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及び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及びＪ８の近傍がＹ’方向に縮んでいる時、第２の足Ｊ１２の内部の電極Ｊ５及びＪ８の近傍では、−Ｘ方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ’方向に伸びるので、第２の足１２の内部の電極Ｊ６及び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。
【００１１】
面外屈曲振動により発生するこれら電極Ｊ５及びＪ８と、電極Ｊ６及びＪ７の間の電位差は、Ｚ’方向に振れる第２の足Ｊ１２の方向に従って変化する。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及び電極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及び電極Ｊ８は高電位である。コリオリ力は、電極Ｊ５又は電極Ｊ７と、電極Ｊ６又は電極Ｊ８の間の電位差として現れる。
【００１２】
コリオリ出力の検出信号は、電極Ｊ５及び電極Ｊ７を一方の入力信号とし、電極Ｊ６及び電極Ｊ８を他方の入力信号とした、差動バッファＪＤを経て乗算回路ＪＭに導かれ、面内屈曲振動の発振系の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、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。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧電性単結晶を用いた音叉型の振動ジャイロには以下のような課題がある。一般に振動ジャイロの性能はＳ／Ｎで測られるが、圧電性単結晶を用いる場合は、出力Ｓの大きな共振型とすることができないので、Ｓ／Ｎを向上させるのが難しい。この事情を詳しく説明する。
【００１４】
振動ジャイロの出力の大きさＳに関しては、コリオリ力による検出振動系の強制励振と見ると良く説明できる。以下、Ｔ．ＩＥＥＥＪａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１８−Ｅ，Ｎｏ．７／８，’９８「振動形マイクロジャイロの設計指針」にある議論に沿って説明する。
【００１５】
駆動振動と検出振動はその方向が直交しており、コリオリ力が駆動振動に直交する検出力方向へ力を配分することを既に述べた。ここで、検出足の駆動方向への時間変位を振幅Ｄの正弦波で表現するとＤＳＩＮ（ωｔ）と書ける。ここに、ωは駆動振動の共振周波数を現す。速度Ｖはこれを時間微分したものであるから、Ｖ＝ＤωＣＯＳ（ωｔ）となる。これを前記式（１）のコリオリ力の定義に代入すると
ＦＣ＝２ＭΩＶ＝２ＭΩＤωＣＯＳ（ωｔ）  （２）
となる。ここでは振動方向が検出方向に変わっている。ここで、例えば第２の足Ｊ１２の検出振動について、コリオリ力による強制振動の運動方程式を立てる。
（ｄ＾２／ｄｔ＾２＋（ωＺ／ＱＺ）ｄ／ｄｔ＋ωＺ＾２）ξ（ｔ）
＝２ＤΩωＣＯＳ（ωｔ）      （３）
ここでωＺは検出振動の共振周波数であり、ＱＺは検出振動のＱ値であり、ξ（ｔ）は第２の足Ｊ１２の重心のＺ’方向への時間的変位を現す関数である。ＱＺ’の大きい場合に適当な初期条件で解いたこの方程式の解は次のようなものとなる。
ξ（ｔ）＝（ωＺ／ωｄ）Ａｅｘｐ（―ωＺｔ／２ＱＺ）ＣＯＳ（ωｄ−φ）
＋ＡＣＯＳ（ωｔ−Ψ）        （４）
振動の移相については議論しないので単にφ，Ψと記した。ここで、振幅Ａは以下のように現される。
Ａ＝２ＤΩ（１／ωＺ）Δω（（１−Δω＾２）＾２
＋（Δω／ＱＺ）＾２）＾（−１／２）      （５）
また、Ｑ値ＱＺに関連する周波数ωｄは以下のように現される。
ωｄ＝（１−（１／２ＱＺ）＾２）＾（１／２）          （６）
ここで、駆動振動の共振周波数ωと検出振動の共振周波数ωＺの比ω／ωＺを周波数比Δωとしている。
【００１６】
式（５）は、振幅ＡがΔω＝１、言い換えると、共振型となる、ω＝ωＺの時に最大化することを示しており、一般に用いられる離調度｜ω−ωＺ｜／ωが小さいほどジャイロの出力が大きいと言う経験的事実を良く表現している。さて、文献によれば式（４）の右辺第１項はコリオリ力を現す過渡解であり、第２項はコリオリ力を現す定常解であり、式（５）に示す振幅Ａがその大きさを現すものとされる。過渡解が存在すると振動ジャイロの出力が角速度のみに比例したものとならないので、過渡解は除去しなければならない。過渡解は、文献によればＱ値ＱＺが大きければ周波数差｜ω−ωＺ｜におよそ等しい｜ω−ωｄ｜を遮断する位相検波により除去できるとあるが、これは駆動と検出の周波数差以上の周波数応答をジャイロに期待できないことを示している。
【００１７】
しかしながら、一般的な共振型と呼ばれる振動ジャイロは性能を稼ぐ為に非常に小さな離調度を利用しながら、実用的な応答性も得ている。これは次のような理由による。過渡解の指数関数に注目すると、この項は周波数ωＺが大きいか、Ｑ値ＱＺが小さいと急速に減少する事を示している。圧電性単結晶を除いて一般的にジャイロに使用されるＰＺＴ等の振動体のＱ値は１０００以下であり、仮にＱ値が３００とすると、一般的な使用周波数１０ｋＨｚ程度では、過渡解は指数関数項により０．１秒程度で５％以下に減衰するので、離調度を気にしなくてよい。一方、多くの圧電性単結晶では、Ｑ値は優に５０００を上回る。この場合は指数関数の項による過渡項の減衰はもはや期待できない。高いＱ値を持つ圧電性単結晶を用いたジャイロにおいては、一度出た出力はなかなか鳴り止まず、これを除外するためには、離調度を大きく取り、位相検波に頼るしかない。１０ｋＨｚの振動ジャイロで１０Ｈｚの応答を得るには、最低でも１０００ＰＰＭの倍以上の離調を必要とする。即ち応答性を考慮すると、圧電性単結晶を用いた振動ジャイロでは式（５）に示すような、Δωを小さくして出力を大きくするような方法による高性能化は実用的でなくなり、離調度を大きくした非共振型とせざるを得ず、大きな出力Ｓを期待することができない。
【００１８】
［発明の目的］
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、Ｓ／Ｎが高く、検出精度の良い、振動ジャイロを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明の振動ジャイロは、下記の構成を採用する。
【００２０】
水晶で構成され、駆動足を有する第１の振動体と、非圧電材料で構成され、検出足を有し、前記第１の振動体より低いＱ値を有する第２の振動体とを結合した複合振動子と、前記駆動足を駆動振動させる発振手段と、前記複合振動子の回転によるコリオリ力によって、前記検出足に発生する検出振動を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
[作用]
本発明による振動ジャイロは、高いＱ値を持つ物質で構成された振動子と、低いＱ値を持つ振動子から構成し、極めてＱ値が高く外部への振動漏れの少ない駆動振動を用いてノイズＮを低減し、また駆動振動によって振動しない検出部を用いることにより更にノイズＮを低減し、低いＱ値を持つ振動子を検出に使用して検出振動のみ低いＱ値を実現し、更に検出振動発生中には駆動振動発生用の振動子が検出方向へ変形しない構成とすることにより、応答性を犠牲にすること無く離調度を小さくした共振型を実現し、大きな出力Ｓを獲得し、結果として高いＳ／Ｎを実現する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の振動ジャイロを実施するための最良の形態による実施の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は以後複合音叉１０と呼ぶ、Ｈ型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図であり、図２は複合音叉１０の平面図，回路ブロック及び配線模式図であり、図３は複合音叉１０の駆動振動を示す駆動足の断面の動作説明図であり、図４は複合音叉１０の検出振動を示す検出足の断面の動作説明図である。
【００２３】
［振動ジャイロの構造説明：図１及び図２］
本実施の形態においては、駆動振動発生には圧電性単結晶の中で特にＱ値の高い水晶を使用する。更に具体的には、品質の安定した時計用の発振器に用いる発振周波数３２．７６８ｋＨｚの２０６型水晶振動子を用いる。以後、この水晶振動子を２０６型振動子１１と呼ぶ。また、検出振動発生には、プレス加工で成形した温度特性の良いエリンバの板に、圧電効率の良いＰＺＴを貼付したものを用いる。そして、これらを結合して複合音叉１０を構成する。
【００２４】
図１は、複合音叉１０を斜めから見た図である。図１に示すように、複合音叉１０は２０６型振動子１１とＰＺＴを貼付したエリンバの板から構成される。複合音叉１０は全体として平面形状をなしている。以後の説明の便宜上、足の伸びた方向にＹ軸を取り、足の並んだ方向にＸ軸を取り、厚み方向にＺ軸を設けた。２０６型振動子は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、互いに平行に並んだ２本の足１及び２の端が、矩形の基部に同方向から接合した音叉形状であり、エリンバの板は互いに平行に並んだ３本の足の端が矩形の基部に同方向から接合した、今後その形状が山という漢字の形状に類似していることから山型振動子１２と呼ぶ３脚音叉の形状であり、中央の足５を除く両側の足３及び４の上面には、両面を金属膜を蒸着し、面に垂直な方向に分極したＰＺＴの板６及び７が、エリンバに対して導電性を持たせて貼り付けてある。そして２０６型振動子１１及び山型振動子１２は、互いに足の伸びた方向を逆方向にして配置され、各々の基部底面は互いに接合してある。
【００２５】
図２は複合音叉１０の平面図，回路ブロック及び配線模式図を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示す。駆動回路は、２０６型振動子１１の２つの駆動電極８及び９の何れか一方からの信号をアンプＧ及び移相回路Ｐを用いて他方の電極に返す自励発振回路で構成され、検出回路は、山型振動子１２に貼り付けられた２つの圧電素子６及び７の上面の金属膜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Ｃ、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、及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。
３電源系の回路を構成する場合、エリンバはグランドに接地する。
【００２６】
［振動ジャイロの動作・作用説明：図２，図３及び図４］
以下、図３及び図４を用いて複合音叉１０の駆動及び検出振動を説明し、図２を用いて、電気的に複合音叉１０を駆動し、複合音叉１０のＹ軸方向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。
【００２７】
振動ジャイロにおける理想は、振動体内で自己完結的な振動モードのみを利用し、この振動モードにおける振動の節を支持する事により、外部環境に依存しない安定した振動ジャイロを得る事である。一例として、このような振動体は２組の２脚音叉を対向して配置した形状であるＨ型音叉の、一組の２脚音叉の足の間を支持することにより実現することができる。２脚音叉は２本の足が決定する平面内で２本の足が相反する方向へバランスを取りながら１次屈曲振動する、いわゆる面内振動において、最も優れた振動体の１つであるが、Ｈ型音叉の１組の足の対は２脚音叉を構成しており、これを実現して優れた振動体となり得る。また、Ｈ型音叉の４本の足は面内振動に直交する方向への、いわゆる面外振動においても優れた振動体となる。このようなＨ型の振動体は１９７０年のＵＳＰ３５１５９１４に既に提案されている。本実施の形態においてはＵＳＰ３５１５９１４に示されたような振動体を、振動ジャイロの駆動検出振動に用いる。
【００２８】
また、振動ジャイロにおいては、駆動振動が発生している間に、検出部がコリオリ力に無関係な出力を発生しないことが、高いＳ／Ｎと厄介な無回転時の出力のドリフトを抑える点で有効である。無回転時に出力が無ければ、ドリフトは存在しないからである。コリオリ力に無関係な出力は、駆動と検出振動の直交性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動振動が検出振動を機械的に発生させ、駆動用振動子の電極の対称性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動出力が検出出力を電気的に発生させるので、有限な加工精度で製作された振動体としては、回転のない時は、駆動振動発生時に、駆動振動と無関係に検出部が静止しており、回転による検出振動の発生時は、検出部が検出振動の振動体の一部として大きく振動するような構造が望ましい。本実施の形態においては、発振器用の２０６型振動子１１と、山型振動体１２を結合して全体として前記Ｈ型の振動体を構成し、山型振動体１２の中央の足の先端を支持する事で、上記の望ましい事項を全て満足する振動体を提供する。
【００２９】
図３を用いて、複合音叉１０の駆動振動を説明する。図３は２０６型振動子１１の駆動足１及び２の断面図であり、ある瞬間の足の屈曲の方向と大きさを矢印で表現してある。駆動足１及び２はＸ方向に対向して動作する。
【００３０】
図４を用いて、複合音叉１０の検出振動を説明する。図４は山型振動子１２の検出足３及び４と、支持に用いる中央足５の断面図であり、ある瞬間の足の屈曲の方向と大きさを矢印で表現してある。また図４に示した振動は、複合音叉１０のようなＨ型振動体の持ついくつかの振動モードの中で、本実施の形態で検出振動として用いる、両側の２本の足が厚み方向に対向して屈曲振動を行う固有振動モードである。本実施の形態においては、この振動モードの周波数を３２．７６８ｋＨｚに調整して検出振動として利用する。この検出振動が発生すると、複合音叉１０は全体としてＹ軸足方向、即ちＺＸ面内の回転力を受ける。
【００３１】
複合音叉１０の検出振動においては、検出足３及び４の長さと基部の長さを変化させて、複合音叉１０全体の回転モーメントと検出足３及び４の屈曲が複合音叉１０に与えるモーメントを調整することにより、検出足の屈曲振動の節をＹ方向に見て支持に用いる中央足の付け根付近に移動させることにより、複合音叉１０全体の回転モーメントが支持部に伝わるのを防ぐことができる。このような工夫により支持部として用いる山型振動子１２の中央足５全体を振動の節とすることができ、検出振動も外部に振動漏れを起こさない優れた振動体とすることができる。また、検出足３及び４の巾と厚みを調整することにより、駆動振動発生時に検出足３及び４がＸ方向に屈曲変形しない様に調整することができる。
【００３２】
次に、検出振動発生中の複合音叉１０の駆動足１及び２の様子を説明する。複合音叉１０に使用する２０６振動子１１は厚みが２３０μｍであり、足の巾が３８０μｍなので，足部のみに注目すると、駆動方向への屈曲振動の共振周波数とこれに直交する方向への共振周波数は６割近くも隔たっており、駆動周波数において駆動足がＺ方向へは殆ど変形しない。
【００３３】
次に、駆動振動及び検出振動と、コリオリ力の関係について説明する。駆動振動を行う複合音叉１０において、この時複合音叉１０を足Ｙ軸方向に角速度Ωで回転すると、速度ＶＸで運動する駆動足１には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力ＦＣが働き、速度−ＶＸで運動する駆動足２には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力−ＦＣが働く。即ち、コリオリ力ＦＣ及び−ＦＣは、駆動振動に直交する方向に、駆動振動の周波数で複合音叉１０の駆動足１及び２に働く。しかしながら、上述のようにこの周波数では駆動足１及び２はＺ軸方向へは殆ど屈曲変位しないので、コリオリ力は駆動足１及び２の付け根を通して基部に回転振動を与え、複合音叉１０全体に回転振動が励振される。検出足の共振周波数を３２．７６８ｋＨｚ直近に調整しておくと、回転のない場合には静止していた山型音叉の両側の足３及び４には、コリオリ力により大きな検出振動が発生する。
【００３４】
次に、実際の駆動検出回路を用いた、電気的な駆動検出方法について説明する。図２には複合音叉１０の平面図，回路ブロック及び配線模式図を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示してある。まず、２０６型振動子１１の一方の駆動電極９からの電圧をアンプＧに入力し、移相回路ＰでアンプＧの出力を移相して、他方の駆動電極８に印加する事により、駆動振動を自励発振させる。
【００３５】
この状態で複合音叉１０全体をＹ軸方向に角速度Ωで回転させると、複合音叉１０の駆動足１及び２の運動は、コリオリ力を介して、複合音叉１０に、既に述べた様に回転振動が発生し、回転のない場合には静止していた山型振動子１２の検出足３及び４には、面外振動が発生する。足３が検出振動する場合を説明する。足３が検出方向に屈曲すると、例えば圧電素子６が縮む。この時圧電効果により、圧電素子６には分極方向によるが、例えば正電圧が発生する。このとき他方の圧電素子７は伸びる。圧電効果により、この圧電素子７は負電圧が発生する。圧電素子６及び７は導電性を持たせてエリンバに貼り付けてあるので、検出振動は、エリンバの電位を基準として、２つの圧電素子の金属膜に生じる互いに逆方向の電圧として検出できる。勿論、エリンバを使用せずに、直接に電極間の電圧を測定しても良い。
【００３６】
コリオリ力の検出信号は、エリンバをグランドに接続して基準電圧を作り、２つの圧電素子６及び７の金属膜の電圧を差動バッファＤに入力し、差動バッファＤを経て乗算回路Ｍに導き、駆動振動の発振出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、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Ｃにより２値化した参照信号により乗算し、乗算により検波した結果は、更に積分回路Ｓにより平滑化し、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に比例し、コリオリ力は角速度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。ここで、検出に差動検出を用いたのは、回路の対称性を向上し、回路系のドリフトを低減する為である。
【００３７】
図４に示した複合音叉１０の検出足３及び４の検出振動は、図３に示した駆動足１及び足２の対向動作である駆動振動から、コリオリ力を媒介として励振されるものであり、この時、駆動足１及び２の動作に注目すると、検出振動においては、駆動足１及び２は駆動振動に直交する方向へはあまり曲がることができず、殆ど変形できないと述べた。このことは、コリオリ力により発生する振動が、高いＱ値を持つ振動体の部分を殆ど屈曲変形させず、低いＱ値を持つ振動体の部分だけを屈曲変形させることを意味している。言い換えると、コリオリ力に起因する振動は、極めて速やかに減衰する。従って、本実施の形態における複合音叉１０は、ノイズの少ない高いＱ値を持つ振動体で駆動しながら、駆動振動と検出振動の周波数を一致させた、高い出力を保証する共振型の設計においても、実用的な応答性を持つ振動ジャイロを実現できる。
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明による振動ジャイロは、高いＱ値を持つ物質で構成された振動子と、低いＱ値を持つ振動子から構成し、極めてＱ値が高く外部への振動漏れの少ない駆動振動を用いてノイズＮを低減し、また駆動振動によって振動しない検出部を用いることにより更にノイズＮを低減し、低いＱ値を持つ振動子を検出に使用して検出振動のみ低いＱ値を実現し、更に検出振動発生中には駆動振動発生用の振動子が検出方向へ変形しない構成とすることにより、応答性を犠牲にすること無く離調度を小さくした共振型を実現し、大きな出力Ｓを獲得し、結果として高いＳ／Ｎを実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるＨ型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態である複合音叉の正面を示し，回路ブロック及び配線を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態であるＨ型振動体の駆動振動を示す動作説明図である。
【図４】本発明の実施の形態であるＨ型振動体の検出振動を示す動作説明図である。
【図５】従来の音叉型の水晶ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示し、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、足の断面及び駆動検出回路の配線模式図である。
【符号の説明】
１〜５  足
６，７  ＰＺＴ
８，９  電極
１０  Ｈ型の振動ジャイロ
１１  音叉型振動子
１２  山型振動子
Ｃ  コンパレータ
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
ＦＣ，−ＦＣ  コリオリ力
ＶＸ，−ＶＸ  速度
Ｊ１〜Ｊ８  電極
Ｊ１０  音叉型振動体
Ｊ１１  第１の足
Ｊ１２  第２の足
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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