(57)【要約】【課題】本発明は圧電単結晶や圧電セラミクス等の圧電素子からなる音叉を具備した音叉型圧電振動ジャイロに関し、小型化を可能とすると共に外部からの不要な振動に影響され難いジャイロを提供することを課題とする。【解決手段】  音叉１０のアームベース部に取付けられた支持基板３８とを有し、音叉１０に駆動側振動を与え、検出側振動は音叉１０と支持基板３８が一体となって回転振動する音叉型圧電振動ジャイロにおいて、支持基板３８はその回転中心位置にスリット４０を有し、このスリット４０内に設けられかつ弾性体の接着剤で支持基板３８に固定される支持部材７６を有し、音叉型圧電振動ジャイロの取付け部材上に音叉１０の２つのアームが面しているように搭載可能である構成とする。【選択図】  図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのアームを有する音叉と、該音叉のアームベース部に取付けられた支持基板とを有し、音叉に駆動側振動を与え、検出側振動は前記音叉と支持基板が一体となって回転振動する音叉型圧電振動ジャイロにおいて、
音叉型圧電振動ジャイロの使用温度範囲内で、前記音叉と支持基板とを弾性的に一体構造とする接着層を前記音叉と支持基板との間に設け、
前記支持基板はその回転中心位置にスリットを有し、前記音叉型圧電振動ジャイロは該スリット内に設けられかつ弾性体の接着剤で前記支持基板に固定される支持部材を有し、前記音叉型圧電振動ジャイロの取付け部材上に前記音叉の２つのアームが面しているように搭載可能であることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ。
【請求項２】
前記支持部材は前記取付け部材に半田又は溶接で固定したことを特徴とする請求項１記載の音叉型圧電振動ジャイロ。
【請求項３】
前記支持部材を、前記取付け部材と、前記音叉型圧電振動ジャイロを覆うキャップとではさみ込むことで固定することを特徴とする請求項１記載の音叉型圧電振動ジャイロ。
【請求項４】
前記支持部材は、支持基板に固定される第１の部分と前記取付け部材に固定される第２の部分とを有し、該第２の部分は該第１の部分よりも大きな形状又は面積を有することを特徴とする請求項１記載の音叉型圧電振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビデオ・カメラ等の手振れ防止装置、ナビゲーション・システム、車両の姿勢制御装置等で回転角速度の検出に使用される振動ジャイロに関し、特に圧電単結晶や圧電セラミクス等の圧電素子からなる音叉を具備した音叉型圧電振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
音叉型の振動ジャイロは種々提案されており、最近ではＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3等の圧電単結晶を用いたものが提案されている。
【０００３】
図１８に上記圧電単結晶を用いた振動ジャイロを示す。２つのアーム１２、１４とアームベース部１５とを有する音叉（振動子）１０を圧電単結晶で形成し、その表面に駆動電極１６、１８、２０、２２と検出電極２４、２６、２８、３０、３２、３４を形成する。駆動電極１６と１８の間に駆動側振動を引き起こすための駆動源ＯＳＣを接続し、対向する駆動電極２０と２２を接地する。また、検出側電極を図示の通り接続し、２つの検出信号を取り出す。
【０００４】
音叉１０を駆動すると、図１９に示すように、２つのアーム１２、１４はＸ軸方向に振動を始める。この振動は面内振動とも呼ばれる。この状態で、Ｚ軸を中心としてジャイロを回転すると、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向にコリオリ力が加わり、Ｙ軸方向にコリオリ力に比例した大きさの振動を始める。この振動は、面垂直振動とも呼ばれる。コリオリ力は角速度に比例しているので、Ｙ軸方向の振動の大きさに比例した出力信号を検出することで、角速度を検出することができる。
【０００５】
図１８に示す音叉型圧電振動ジャイロは、例えば特許文献１に開示されている。特に、図１８に示す音叉を支持基板に取付けて、検出側振動が音叉と支持基板とが一体的に起こるようにすることが記載されている。支持基板の形状を変えることで、スチフネスの調整を行ったり、支持基板端部で検出側振動を十分に減衰させることが記載されている。
【特許文献１】特開平８−１２８８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の音叉型圧電振動ジャイロは次の問題点を有する。
【０００７】
上記特許文献１には、音叉型圧電振動ジャイロが使用される温度範囲と特性との関係については特別の言及はない。しかしながら、実際には、音叉型圧電振動ジャイロが使用される温度範囲と振動は密接な関係があり、ある温度で振動モードが変化し、不要な振動が発生する可能性がある。この場合、不要な振動が検出信号中の漏れ電圧として現われ、温度特性を劣化させるという問題点がある。
【０００８】
また、上記公報では、支持基板の形状等を調整することで、検出側振動の共振周波数を変化させることが記載されているが、駆動側共振周波数との関係、特に周波数差と検出感度との関係については言及されていない。
【０００９】
更に、上記公報には、音叉型圧電振動ジャイロと、検出回路が形成された配線板とを、ワイヤボンディングで電気的に接続することが記載されている。しかし、この方法は一本一本ワイヤの接続をする必要があり、作業性が悪いという問題点がある。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、小型化を可能とすると共に外部からの不要な振動に影響され難いジャイロを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、２つのアームを有する音叉と、該音叉のアームベース部に取付けられた支持基板とを有し、音叉に駆動側振動を与え、検出側振動は前記音叉と支持基板が一体となって回転振動する音叉型圧電振動ジャイロにおいて、
音叉型圧電振動ジャイロの使用温度範囲内で、前記音叉と支持基板とを弾性的に一体構造とする接着層を前記音叉と支持基板との間に設け、
前記支持基板はその回転中心位置にスリットを有し、前記音叉型圧電振動ジャイロは該スリット内に設けられかつ弾性体の接着剤で前記支持基板に固定される支持部材を有し、前記音叉型圧電振動ジャイロの取付け部材上に前記音叉の２つのアームが面しているように搭載可能であることを特徴とするものである。
【００１２】
上記発明によれば、音叉の２つのアームが面しているように搭載するので、小型化が可能になる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記支持部材は前記取付け部材に半田又は溶接で固定したことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記支持部材を、前記取付け部材と、前記音叉型圧電振動ジャイロを覆うキャップとではさみ込むことで固定することを特徴とする。これにより、支持部材自身の振動を抑制することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記支持部材は、支持基板に固定される第１の部分と前記取付け部材に固定される第２の部分とを有し、該第２の部分は該第１の部分よりも大きな形状又は面積を有することを特徴とする。これにより、支持部材自身の振動を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述の如く本発明によれば、小型化が可能になり、また外部からの不要な振動に影響され難いジャイロを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施例による音叉型圧電振動ジャイロを示す図である。なお、前述した図に示す構成要件と同一のものには同一の参照番号を付けてある。
【００１９】
図１に示すジャイロは、音叉１０のアームベース部１５と支持基板３８との間に、音叉型圧電振動ジャイロの使用温度範囲内で、前記音叉と支持基板とを弾性的に一体構造とする接着層３６を設けたことを特徴とする。
【００２０】
接着層３６は例えば、ガラス接着剤又はエポキシ接着剤で構成される。音叉型圧電振動ジャイロの使用温度範囲内で、前記音叉と支持基板とを弾性的に一体構造とする接着層３６とは、接着層３６のガラス転移点が、ジャイロの使用温度範囲の最高温度より高い温度にある接着層であることを意味している。ガラス転移点以下では弾性率の大きいガラス状領域となり、ガラス転移点以上では弾性率がガラス状領域の弾性率に比してけた違いに小さいゴム状領域となる。
【００２１】
このガラス転移点を境に、ガラス状領域においては、図１に示すようにジャイロの面内振動に対して垂直な検出側振動によって生じる回転運動は接着層３６が固いので、音叉１０と支持基板３８とが一体となって振動している。ところが、ガラス転移点を超えたゴム状領域では接着層３６が柔らかくなるため、図２の点線で示すように、音叉１０と支持基板３８とが一体で振動しなくなる。
【００２２】
図２の例では、アーム１２、１４の回転は支持基板３８の回転よりも大きい。すると、不要な振動が発生し、いわゆる漏れ電圧となってジャイロの温度特性を劣化させる原因となる。従って、ガラス転移点をジャイロの使用最高温度より高く設定することで、ジャイロの使用範囲全てにおいて、音叉１０と支持基板３６とを一体に振動させることが可能になる。
【００２３】
なお、ジャイロ１０は図１８に示した駆動電極１６、１８、２０、２２及び検出電極２４、２６、２８、３０、３２、３４を有するが、図１及び図２では省略してある。また、これらの駆動電極及び検出電極を外部に接続するための引き出し電極線は公知の方法（例えば、前述の特開平８−１２８８３０号公報に記載の方法）で設けることができる。なお、後述する本発明の第３、第４の実施例は図１に示す構成において、駆動電極及び検出電極を外部に接続するための引き出し電極線の構成に特徴がある。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。本発明の第２の実施例は、図１に示す構成において、駆動側振動の共振周波数と検出側振動の共振周波数の差の絶対値を所定値以下とすることで、所望の特性を持ったジャイロを構成することを特徴とする。これは、上記周波数差を小さくすることで、効率良く検出電圧をとり
出すことを目的としている。これを、図３及び図４を参照して説明する。
【００２５】
図３及び図４は、上記ジャイロの駆動側振動の共振周波数と検出側振動の共振周波数を示す周波数特性図である。図３は、感度が高い場合を示す。駆動側振動の共振周波数をｆｘで示し、検出側の共振周波数をｆｙで示す。図３に示すように、感度が高い場合には、駆動側振動の共振周波数と検出側振動の共振周波数の差が小さいと、共振周波数がわずかに変化しても（駆動側共振周波数がｆｘからｆｘ’に変化した場合）、ゲインＧは大きく変化する（ΔＧ）。
【００２６】
すなわち、駆動振動のピークが検出側振動のピーク付近のゲインが比較的高い部分にある。ゲインＧが大きく変化するので、検出電圧が不安定になる。一方、図４に示すように、周波数差を大きくとる場合には、極めて効率良く検出電圧を取り出すことができるわけではない（検出側振動の共振周波数のピークのゲインＧが図３に比べて小さい）が、共振周波数の変化（ｆｘ→ｆｘ’）に対して大きくゲインＧが変化しない（ΔＧ）ので、安定した検出電圧を得ることができる。
【００２７】
このように、振動周波数の変化の影響を低減するためには、所定の周波数差｜ｆｘ−ｆｙ｜をとることが必要であるが、この差が大きすぎると感度低下の問題が非常に大きくなってしまうため、所定の周波数差以上をとることは得策ではない。従って、十分な感度を得るための周波数差｜ｆｘ−ｆｙ｜の上限が必要となるのである。
【００２８】
ジャイロの駆動側振動の共振周波数と検出側振動の共振周波数の差は、支持基板３８の形状を変化させることで検出側振動の共振周波数を変化させることができることを利用して、調整できる。例えば、図５に示すように、支持基板３８にスリット４０を設ける。スリット４０は支持基板３８の中心線上（ジャイロの回転運動中心）に設けられ、支持基板３８の両面を接続すると共に、一端が開放されている。
【００２９】
図６（Ａ）〜（Ｅ）は、支持基板３８に関するパラメータと駆動側及び検出側の振動の共振周波数の変化を示すグラフである。上記パラメータとは、支持基板３８の幅Ｗ、支持基板３８の長さＬ、スリット４０の長さｌ、及び支持基板３８の厚みｔである。図６（Ａ）〜（Ｅ）のグラフは、ジャイロの各部の寸法を図５及び図６（Ａ）〜（Ｅ）に示すように設定した場合に得られたものである。図示するように、駆動側振動の共振周波数のピーク位置を、検出側振動の共振周波数のピーク部分以外の所に設定するためのパラメータの組み合わせは多数存在するので、任意に選択することができる。これにより、あらゆる使用条件に合致したジャイロを提供できる。
【００３０】
なお、本発明者の実験によれば、ジャイロの駆動側振動の共振周波数と検出側振動の共振周波数の差は、１．３ｋＨｚ以下であることが好ましい。前述したように、周波数差をとり過ぎると、感度低下の問題が非常に大きくなる、つまり、ほとんど角速度を検出できなくなる状況になるため、所定の周波数差以下とする必要がある。実験的に求めた周波数差が１．３ｋＨｚである。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施例を図７及び図８を参照して説明する。本発明の第３の実施例は、引き出し電極線の構成に特徴がある。
【００３２】
図７は、本発明の第３の実施例による音叉１０を示す。図７において、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付けてある。音叉１０のアームベース部１５の表面には、配線４２、４４及び４６が形成されている。これらの配線は、図１８に示した接続を実現する。すなわち、配線４２は駆動電極２０と２２を接続し、配線４６は検出電極２４と３４とを接続する。配線４４は音叉１０のアームベース部１５の表面のほぼ中央まで延びている。また、音叉１０のアームベース部１５の裏面にも、図１８の接続を実現するために、配線４２、４４、４６と同様の配線が設けられている。
【００３３】
アームベース部１５の表面及び裏面に設けた配線に対し、図８に示すように、フレキシブルな配線板５０及び５８を設け、アーム１０に設けられた駆動電極及び検出電極を外部と接続可能にする。フレキシブル配線板５０は、フレキシブルなベース部５２とこれに支持される複数のリード線からなるリード線部５４とを有する。
【００３４】
図８に示す例では、リード線部５４は３本のリード線を有する。図８の参照番号５６で示すように、フレキシブル配線板５０の一端は、アームベース部１５の表面のほぼ中央に位置し、配線４２、４４、４６がそれぞれリード線部５４の対応するリード線と一直線になるように位置決めされている。配線４２、４４、４６とリード線部５４の対応するリード線とは、半田付け又は導電性接着剤で接続されている。この構成は、従来行われていたワイヤボンディングで１本づつ電極を接続する構成に比べ、作業性が良い。アームベース部１５の裏面に取付けられるフレキシブル配線板５８も、フレキシブル配線板５０と同様に構成され、対応する配線に接続されている。
【００３５】
次に、本発明の第４の実施例を、図９、図１０及び図１１を参照して説明する。本発明の第４の実施例は、上記フレキシブル配線板５０及び５８を、音叉１０に取付けた支持基板３８の表面及び裏面に設けたことを特徴とする。
【００３６】
図９に示す音叉１０のアームベース部１５の表面上には、電極２０、２４、２２、３０及び３４から延びている配線６０、６２、６４、６６及び６８が設けられている。同様な配線が、アームベース部１５の裏面上にも設けられている。
【００３７】
図１０に示すように、支持基板３８の表面には、配線７０、７２、７４が設けられている。配線７０は、配線６０と６８を接続し、配線７２は配線６２と６４を接続する。また、配線７４は配線６６に接続し、支持基板３８のほぼ中央部まで延びている。図１０の参照番号７０は、アーム１０側の配線と支持基板３８側の配線との接続部分を示す。これらの配線の接続には、半田付け又は導電性接着剤を用いる。配線７０、７２、７４と同様な配線が支持基板３８の裏面にも設けられている。
【００３８】
図１１に示すように、フレキシブル配線板５０及び５８がそれぞれ支持基板３８の表面及び裏面に設けられている。支持基板３８の表面上の配線７０、７２、７４とリード線部５４のリード線とは半田付け又は導電性接着剤で接続されている。同様に、支持基板３８の裏面上の配線とフレキシブル配線板５８のリード線部とが半田付け又は導電性接着剤で接続されている。
【００３９】
次に、本発明の第５の実施例を図１２及び図１３を参照して説明する。第５の実施例は、音叉１０と支持基板３８とをステム７８上に取付け、かつキャップ８０で覆う構造のジャイロである。
【００４０】
図１２に示すように、音叉１０の２つのアームがステム７８に面するように（換言すれば、駆動側振動面がステム７８の表面７８Ａに平行）、ステム７８上に取付けられた支持板７６を支持基板３８のスリット４０内に貫通させ、支持基板３８を固定する。支持板７６と支持基板３８とは、例えば弾性体の接着剤で固定される。ステム７８は、複数のピン７９が設けられており、ステム７８の表面７８Ａに形成された配線パターン（図示を省略する）と電気的に接続されている。
【００４１】
また、前述のフレキシブル配線板５０、５８（図１２、図１３では図面を簡略化するために図示を省略してある）は、ステム７８の表面７８Ａに設けられた配線パターンに接続されている。更に、図１３（Ａ）に示すように、ステム７８上にキャップ８０を設け、音叉１０及び支持基板３８を封止する。
【００４２】
なお、図１３（Ｂ）に示すように、駆動側振動面がステム７８の表面７８Ａに垂直となるように、音叉１０を縦方向に支持することとしても良い。この場合には、フレキシブル配線基板５０、５８の引き回しは図１３（Ａ）に比べ容易であるが、図１３（Ａ）に比べ大きな体積のキャップ８０が必要になる。なお、図１３（Ｂ）で用いる支持板７６は、その断面形状がＬ型又はコの字型であり、支持板７６の一端又は両端がステム７８に固定される。
【００４３】
図１４は図１２に示す構成の変形例を示す図である。図１４で用いる支持板７６Ａは断面がコの字型であり、半田付け又は溶接により支持板７６Ａの両端がステム７８に固定されている。図１４（Ｂ）に示すように、支持板７６Ａは支持基板３８のスリット４０を通り、接着剤等で支持基板３８を固定する。支持板７６Ａの両端がステム７８に固定されているので、支持板７６Ａ自体の振動を効果的に抑制することができる。
【００４４】
図１５は、本発明の第６の実施例を示す図である。第６の実施例は、図１２に示す支持板７６自体の振動をより効果的に抑制できるようにしたものである。ステム７８の表面７８Ａには支持板７６の一端に係合する凹部構造体８４が設けられている。また、キャップ８０には、支持板７６の他端に係合する凹部構造体８６が設けられている。そして、２つの凹部構造体８４、８６で支持板７６を挟み込むようにする。支持板７６はステム７８及びキャップ８０で支持されるので、図１２に示す構造に比べ、支持板７６が振動し難い。
【００４５】
図１６は、本発明の第７の実施例を示す図である。第７の実施例は、上記第６の実施例と同様に、図１２に示す支持板７６自体の振動をより効果的に抑制できるようにしたものである。図１６の支持板は参照番号７６Ｂで示してある。支持板７６Ｂは、第１の部分ｂ１及び第２の部分ｂ２からなり、ステム７８に取付けられる第１の部分ｂ１は三角柱又は三角錐の形状をしており、支持基板３８に固定される第２の部分ｂ２は板状である。第１の部分ｂ１は広い面積をもって、ステム７８に接触して取付けられるため、支持板７６Ｂ自身の振動を十分に抑制することができる。
【００４６】
図１７は、上記第７の実施例の変形例で、支持板７６Ｃは第１の部分ｃ１及び第２の部分ｃ２を具備する。第１の部分ｃ１は広い面積をもって、ステム７８に接触して取付けられるため、支持板７６Ｃ自身の振動を十分に抑制することができる。断面がＬ字型に代えて、第１の部分ｃ１に代えて断面がＴ字型の第１の部分ｃ３を用いてもよい。
【００４７】
図１６及び図１７に示すように、支持板のステムと接触する部分を他の部分に比べ大きな形状又は面積を有するものとすることにより、支持板自身が振動してしまうのを効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例の構成及び正常な場合の動作を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施例の構成及び問題のある場合の動作を示す図である。
【図３】図３は、駆動側共振周波数と検出側共振周波数との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、駆動側共振周波数と検出側共振周波数との関係を示す別のグラフである。
【図５】図５は、本発明の第２の実施例を説明するためのジャイロのパラメータを説明するための図である。
【図６】図６は、ジャイロの種々のパラメータと検出側及び駆動側共振周波数との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の第３の実施例で用いられる音叉を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施例によるジャイロを示す図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施例で用いられる音叉を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施例による音叉と支持基板とを示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第４の実施例によるジャイロを示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第５の実施例によるジャイロを示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第５の実施例によるジャイロにおいて、キャップを設けた場合の構成を示す図である。
【図１４】図１４は、図１２に示す構成の変形例を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第６の実施例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第７の実施例を示す図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す構成の変形例を示す図である。
【図１８】図１８は、従来のジャイロの一例を示す図である。
【図１９】図１９は、図１８に示すジャイロの動作を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  音叉
１２  アーム
１４  アーム
１５  アームベース部
１６、１８、２０、２２  駆動電極
２４、２６、２８、３０、３２、３４  検出電極
３６  接着層
３８  支持基板
４０  スリット
５０、５８  フレキシブル配線板
７６、７６Ａ  支持板
７８  ステム
８０  キャップ
８４、８６  凹部構造体
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005140793.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005140793.tif 000017
【図１６】
2005140793.tif 000018
【図１７】
2005140793.tif 000019
【図１８】
2005140793.tif 000020
【図１９】
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