(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に一つの平面内に複数の片持ち振動脚を有し、該振動脚の少なくとも一つは固定端から自由端へと辿るとき当該振動脚の振動質量の重心が該振動脚の各部によって２７０°以上の角度で包囲されるような屈曲した形状を備えると共に、前記複数の振動脚が前記平面内で自由振動するときそれらの振動質量の重心の振動軌跡がほぼ同一直線上にあるようにして励振される振動の慣性力が全体としてほぼ相殺されるように設定され、前記屈曲した形状の表面に少なくとも励振用の電極を設けたことを特徴とする振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体。
【請求項２】
前記励振用の電極を前記振動脚の固定端に近い部分の４側面に設け、またコリオリ力検出用の電極を前記励振用の電極よりも前記自由端に近くかつ前記振動質量の重心を包囲している部分の少なくとも一部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の運動センサ振動体。
【請求項３】
各振動体の材質は単結晶材より成り、折れ線状に屈曲しており、前記折れ線状の屈曲部の内の少なくとも２つの方向は、前記単結晶材の有する複数の同種の結晶軸のうち少なくとも２つとほぼ等しい角度をなしていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の運動センサ振動体。
【請求項４】
前記自由端付近の振動質量の慣性力の作用線が前記コリオリ力検出用の電極を設けた部分を通ることを特徴とする請求項２または３に記載の運動センサ振動体。
【請求項５】
請求項１に記載の運動センサ振動体を使用し、前記振動部の振動質量はコリオリ力によって振動運動の動径が変化する構造を有していて、振動の方向転換ごとに方向が反転するコリオリ力の効果によって振動運動の半周期が長短交互に変化するようにし、引き続く振動の半周期の変化あるいは該変化に相当する時間を計測することによって前記コリオリ力を生じさせた回転角速度を検知することを特徴とする振動ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動体に作用するコリオリ力を利用して角速度を検出するジャイロスコープ用の運動センサ振動体の構造、振動体に作用する直線加速度を検出する加速度計用の運動センサ振動体の構造、またジャイロスコープ用の運動センサ振動体と検出回路を組合わせた振動ジャイロスコープの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来種々の振動モードを有する各種の振動体が振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体（以下ジャイロセンサ振動体、あるいは単に振動体と略称する）として提案されている。図６は第１の従来例である音叉型のジャイロセンサ振動体の一例を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）は振動脚の電極部分の断面図であって電極配置と接続を示している。音叉型振動体は真直な２本の同形の片持ち棒である振動脚１Ｒ、１Ｌを平行に並べて各一端を基部９に連結した形状で、その対称軸ＳＡ（立体的には対称面と言うべきだが音叉を平面的とみなして軸としておく）に対称な基本振動（コリオリ力を惹起させるための定常的な振動）を行わせる。材質は水晶材とし、全体は図示しない真空容器内に封入される。（以下基本的に本発明を含む他の例も同様であるとする。）
【０００３】
ＵＲ、ＵＬは振動中の各脚の自由端４Ｒ、４Ｌ付近に必要に応じて設けた付加質量５Ｒ、５Ｌ（例えば厚メッキした金や接着した錘物体等。省略されることもあるがその場合は脚自身の先端付近の質量とする）の重心ＧＲ、ＧＬのある瞬間の最大速度ベクトルである。音叉がその対称軸ＳＡと平行な回転軸の回りに回転を行うとき、その角速度Ωに比例したコリオリ力ＦＲ、ＦＬが各振動脚に音叉平面（紙面）に垂直な方向に互いに逆向きに発生する（コリオリ力は速度ベクトルと角速度ベクトルに垂直である）。励振、検出は圧電的に行われる。
【０００４】
図６（ｃ）６Ｒは基本振動を持続させる交流電圧を与えるための膜状の励振電極で脚のバネ部３Ｒの４側面に設けられ、導電膜より成るリードパターン１０（平面図には図示せず）で結線され基部９上の励振端子８Ｖに導かれる。また（ｂ）７Ｌは膜状の検出電極で脚のバネ部３Ｌの表裏面に設けられ、コリオリ力に基づくバネ部の歪みを検出し、基部９上の検出端子８Ｄに導かれる。励振電極と検出電極は本来各振動脚毎に設けたいが、圧電効果の高い位置はいずれも振動脚の固定端２Ｒ、２Ｌに近い部位であって重なってしまうため各脚に振り分けている。なお検出電極７Ｌはバネ部３Ｌの両側面に設けられる場合もあるし、共通の脚の上の異なる場所に励振電極と検出電極を設ける例もある。
【０００５】
図７は第２の従来例であるジャイロセンサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動脚の断面図である。この振動体は音叉を変形したＬ字形状の振動脚を持ち、やはり線対称な平面形状と振動モードを持つ。各部の記号は第１従来例と共通する。振動脚１Ｒ、１Ｌは音叉同様に固定端２Ｒ、２Ｌが基部９と連結する。平行に並べられた２本の長い真直棒状であるバネ部３Ｒ、３Ｌ、それらの自由端４Ｒ、４Ｌには外向きの張り出し部分を有し、この場所にバネ軸線から偏心した付加質量５Ｒ、５Ｌを有する。付加質量の目的は、コリオリ力を検出するためと、固有振動数を適当な低周波に調節するためである。振動体は励振電極６Ｒ、６Ｌによって励振され、振動体平面に平行な回転運動（面内回転）の角速度を検出するに適する。
【０００６】
基部９と共に振動体全体がその面に垂直な回転軸の回りに角速度Ωで回転すると、付加質量５Ｒ、５Ｌの重心の速度ＵＲ、ＵＬに応じて平面内でコリオリ力ＦＲ，ＦＬが逆向きに発生する。両コリオリ力によって振動脚のバネ部３Ｒ，３Ｌ内に生ずるモーメントはその一方は励振による撓みを増すように、他方は減ずるように作用し、それらの圧電効果による検出電圧は励振電極６Ｒ、６Ｌの励振電圧に重畳される。故に各脚の励振端子、２つの８Ｖを差動増幅器（図示せず）の入力とし、励振電圧は相殺してコリオリ力の検出電圧を加算させ、また同期検波を行って励振電圧とコリオリ力の検出電圧を分離し、角速度が測定できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
第１従来例の音叉は、励振される基本振動については優れた特性を示す。また各振動脚の固有振動数を等しく加工調整する必要があるが、振動脚は２個しかないので作業は容易である長所がある。しかし音叉面内の回転を検出することができない。従って水平面内の運動検出のためには音叉を立てて配置せねばならず、多くの用途において薄型のジャイロセンサを得る支障となりやすい。また励振電極と検出電極の高効率な位置は既述のように重なるので、２種の電極を同じ振動脚上に分離配置することが困難である。また振動脚の面外振動を検出する検出電極７Ｌの（ｂ）図の構造は振動脚の４面を利用する構成に比して高い感度が得られない。
【０００８】
第２従来例の振動体は、その面内の回転を検出できる長所がある。しかし励振される基本振動は慣性力のバランスが取れていない。振動脚の先端部分はバネ部３Ｒ、３Ｌのバネ軸線上の途中にできる回転中心ＣＲ、ＣＬ（付加質量を無視すると固定端から自由端までの長さの約２７％の位置、またバネ部の質量を無視すると固定端から全長の１／３の位置と計算される。即ち一般的には約３０％付近の位置）を中心として回転運動を行う。従って偏心した重心ＧＲ、ＧＬの位置での付加質量５Ｒ、５Ｌの慣性力は対称軸ＳＡ方向の成分が打ち消されずに残り、基部９を揺すり、振動漏れを起こし、振動体のＱ値が低下する。コリオリ力の検出感度を上げようとして付加質量の偏心量を大きくする（モーメントの腕長を長くする）ほどこの欠点は甚だしくなり、十分な振幅も得られないことになる。
【０００９】
なお複数の振動脚が一平面内でほぼ対称に開閉屈曲振動している振動体の振動慣性力のバランス条件を一般的に表現しておく。各脚の振動質量の重心（付加質量が大ならば付加質量の重心に近い場所に来る）の振動軌跡（上述のように回転運動であるから短い円弧をなす）に共通接線が引けること（これにより各脚の慣性力は同一作用線に乗り、向きは反対となる）であり、また換言すれば重心位置が対称軸に沿って同じ高さにありかつ重心の動径が対称軸に平行となることである。この条件があれば、振動脚の形状自体は非対称的でも差し支えない。
【００１０】
また励振のモーメントとコリオリ力ＦＲ、ＦＬが各バネ部に作るモーメントは同じ方向なので、両者による圧電効果は重なり、既述のように励振用と検出用の電極の分離が困難である。回路的な信号の分離は原理的には可能だが、コリオリ力の検出電圧は小さいので、相殺されずに残った励振信号や基本振動の圧電効果で発生する電圧が大きなノイズとなって検出精度に悪影響を与える可能性が高い。また動径ｒＲ、ｒＬ方向を向くコリオリ力ＦＲ、ＦＬがバネ部３Ｒ、３Ｌの断面に作るモーメントを考えると、回転中心ＣＲ、ＣＬ付近ではモーメントの腕長がゼロとなり、またその前後で腕長の符号が反転さえする。従ってコリオリ力は圧電効果の元になる有効なバネ部の歪みを電極の領域内の一部（腕長の大きい自由端に比較的近い部分）でしか発生できず、この構成のままでは本来的に低い感度しか得られないと考えられる。
【００１１】
また振動体の材質の問題がある。従来、各種の振動体の材料は圧電性の単結晶または成形後適宜分極処理された磁器である。金属の恒弾性材料を用いる場合は圧電素子を表面に接着する。これらは圧電性が強いので真空封入を必要とはしないが、製品精度が不安定である。製品の特性を安定させ検出精度を向上させるには単結晶材料の使用が好ましい。特に人工水晶材は（腕時計用音叉振動子への応用が成功しているように）Ｑ値や基本振動の温度特性に優れ廉価で、エッチングによる加工も可能であり極めで望ましいが、水晶材は圧電性が比較的弱く、また良好な特性が得られるカット角度（結晶軸に対する）に制限があると考えられており、まだ特殊なセンサ振動体にしか適用されていない。水晶以外の単結晶材料は十分使いこなされてはおらず、また高価である。
【００１２】
更に運動検出における他の問題を取り上げる。その１は加速度計用の運動センサ振動体である。従来例に挙げた音叉を励振なしで用いるとき、右脚１Ｒの電極６Ｒからは音叉面内で振動脚軸に垂直な方向の加速度に比例する電圧が検出でき（この方向の慣性力が基本振動と同じ歪みを生ずるため）、左脚１Ｌの電極７Ｌからは音叉面に垂直な（コリオリ力と同方向の）加速度に比例する電圧が検出できる。しかし振動体の平面内で２軸（直交２方向）の加速度検出の可能な単純な構成の振動体はまだ提案されていない。なお加速度計では励振をしないで用いるが、加速度を感じる要部が自由振動可能な形状である場合は振動体と称する。
【００１３】
他の問題のその２は振動ジャイロスコープの検出原理に関する。従来はコリオリ力による振動歪みに比例した電圧を圧電気現象を用いてアナログ的に検出しており、角速度を例えばデジタル的に検出する如き多様な試みはなされなかった。これは一般的に言って測定技術の発展上好ましいことではないと考えられる。
【００１４】
本発明の主たる目的は、小型・薄型化、製造容易、高度な振動体品質、振動体面内回転が検出可能、高感度検出が可能であり、更には圧電性単結晶の利用にも適した振動ジャイロスコープ用運動センサ振動体を提供することである。また他の目的は任意の方向の加速度が検出可能な加速度計用運動センサ振動体を提供することである。また更に他の目的は新規な検出原理による振動ジャイロスコープを提供することである。
【００１５】
上記主たる目的の達成のため本発明の振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体は次の特徴を備える。
（１）実質的に一つの平面内に複数の片持ち振動脚を有し、該振動脚の少なくとも一つは固定端から自由端へと辿るとき当該振動脚の振動質量の重心が該振動脚の各部によって２７０°以上の角度で包囲されるような屈曲した形状を備えると共に、前記複数の振動脚が前記平面内で自由振動するときそれらの振動質量の重心の振動軌跡がほぼ同一直線上にあるようにして励振される振動の慣性力が全体としてほぼ相殺されるように設定され、前記屈曲した形状の表面に少なくとも励振用の電極を設けたこと。
【００１６】
本発明の運動センサ振動体は更に以下の特徴の少なくとも一つを備えることがある。
（２）前記励振用の電極を前記振動脚の固定端に近い部分の４側面に設け、またコリオリ力検出用の電極を前記励振用の電極よりも前記自由端に近くかつ前記振動質量の重心を包囲している部分の少なくとも一部に設けたこと。
（３）各振動脚の材質は単結晶材より成り、折れ線状に屈曲しており、前記折れ線状の屈曲部の内の少なくとも２つの方向は、前記単結晶材の有する複数の同種の結晶軸のうちの少なくとも２つとほぼ等しい角度をなしていること。
【００１７】
（４）前記自由端付近の振動質量の重心の振動軌跡の延長線が前記コリオリ力検出用の電極を通ること。
【００１８】
上記他の目的を達成するため本発明の振動ジャイロスコープは次の特徴を備える。
（５）上記（１）のセンサ振動体を使用し、前記振動部の振動質量はコリオリ力によって振動運動の動径が変化する構造を有していて、振動の方向転換ごとに方向が反転するコリオリ力の効果によって振動運動の半周期が長短交互に変化するようにし、引き続く振動の半周期の変化あるいは該変化に相当する時間を計測することによって前記コリオリ力を生じさせた回転角速度を検知すること。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態である振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）は電極の配置と接続をも示す振動脚の断面図、（ｄ）は基本振動とコリオリ力による振動脚の撓み変形を示す線図である。本例において、既述の第１・第２従来例と類似の機能を有する部分には同じ記号を付し、説明の重複を避けた。また振動体の材質は水晶材を用いることを前提としている（以下他の実施の形態についても同様とする）。振動体は水晶のＺ板（またはこれをＸ軸回りに数度回転させたＺ’板）から打ち抜かれ、全体形状も基本振動姿態も各脚の長手方向である対称軸ＳＡに関して対称な面内振動である。各脚の固有振動数は等しい。また対称軸ＳＡの方向は結晶軸の一つＹ軸（またはＹ’軸）に向いている。これは主要なバネ部に圧電効果を発揮させ、同時に振動数の安定化のため弾性率の温度変化を小さくできる方向である。振動体は空気抵抗をなくすために真空容器（図示せず）内に封入される。
【００２０】
振動脚１Ｒ、１Ｌは軸が大きく屈曲した形状を呈し対称軸ＳＡに関して対称に配置されている。各脚のバネ部は屈曲部毎に区切られ、固定端２Ｒ、２Ｌから自由端４Ｒ、４Ｌに向けて、３１Ｒ、３１Ｌ、３３Ｒ、３３Ｌより成る。バネ部３１Ｒ、３１Ｌの周囲４面には（ｂ）のように励振電極６Ｒ、６Ｌを設け、バネ部３３Ｒ、３３Ｌの周囲４面には（ｃ）のように検出電極７Ｒ、７Ｌを設ける。また振動脚の部分３２Ｒ、３２Ｌは短く撓み難いのでバネ性がなく、部分３４Ｒ、３４Ｌは断面（脚の巾）を太くし剛体的にしてバネ性を利用せず（この部分はＸ軸方向であり屈曲歪みの圧電効果が出せず弾性率の温度特性も悪いため）、また自由端に近い部分３５Ｒ、３５Ｌは付加質量５Ｒ、５Ｌの固着部となっている。各振動脚の全振動質量の重心ＧＧＲ、ＧＧＬは回転中心ＣＲ、ＣＬの真上にある。なお固定端２Ｒ、２Ｌから自由端３Ｒ、３Ｌへ辿ると例えばバネ部３２Ｒ、３２Ｌと部分３５Ｒ、３５Ｌは向きを１８０°転じ（部分３２Ｒ、３２Ｌとは２７０°）た折り返し屈曲形状をしている。また振動質量の重心ＧＧＲ、ＧＧＬはそれぞれの振動脚の各部によって２７０°以上の角度で包囲されている。
【００２１】
次に励振される基本振動の慣性力をバランスさせる構成について述べる。第１近似的には、バネ部３１Ｒ、３１Ｌの中央位置を回転中心ＣＲ、ＣＬとみなし、各振動脚の回転中心ＣＲ、ＣＬより上の部分の質量分布より振動質量の重心ＧＧＲ、ＧＧＬを求め、それが回転中心ＣＲ、ＣＬのそれぞれの真上（対称軸ＳＡを垂直にして）でかつ等しい高さとなるようにする。より正確には各振動脚の形状と質量分布を細部に分けて設定し、振動体に仮想の自由振動をさせて有限要素法を適用し、計算された各細部の慣性力（大きさは振幅に比例）の合計が対称軸ＳＡに垂直・逆向きで大きさが等しく相殺されるように、かつ各固定端２Ｒ、２Ｌに関する各細部の慣性力のモーメントの総計が打消しあうように形状と質量分布を決定するのが良い。質量分布の修正は実験的にも行うことができる。
【００２２】
次に回転の検出機構を説明する。振動体がその面内で回転するとき、コリオリ力ＦＲ、ＦＬは第２従来例の場合と同様に、各振動脚の付加質量５Ｒ、５Ｌの重心ＧＲ、ＧＬに振動体面内で作用する。その作用線は動径ｒＲ、ｒＬであるが、検出電極を設けたバネ部３３Ｒ、３３Ｌの軸線は回転中心からずらしてあるため（ずらし量は原理的には任意である）動径ｒＲ、ｒＬとの距離が大きく、バネ部３３Ｒ、３３Ｌにはその全長にわたって十分大きなコリオリ力のモーメントを作用させることができ、高感度の検出が行える。なおコリオリ力は振動体面内にモーメントを作るため、基本振動の励振と同様脚周囲の４面電極で感度のよい検出ができる。また検出部位３２Ｒ、３２Ｌを励振部位３１Ｒ、３１Ｌと異ならせたためそれぞれ専用の電極を設けることができた。
【００２３】
次に図１（ｄ）の線図を参照して励振部位と検出部位の最適性について吟味する。線図は簡略化のため対称な片側（右脚）のみ示してある。細線は静止状態の原形、太線は励振あるいはコリオリの慣性力が作用したときの撓み形状が誇張して描かれている。励振電極を設けるバネ部３１Ｒ、３１Ｌは全振動質量の重心から最も遠い位置にあるので基本振動の慣性力のモーメントによる圧電効果が最も高く、励振電極を設ける部位として最適である。
【００２４】
また検出を行うバネ部３３Ｒ、３３Ｌの部位では既述のように４面電極が可能で、またコリオリ力のモーメントが大きく作用するので検出に適するが、更に別の理由もある。付加質量５Ｒ、５Ｌ（各振動脚の部分３４Ｒ、３４Ｌ、３５Ｒ、３５Ｌ自体の質量も加算して考えておく）の重心ＧＲ、ＧＬの高さを適宜に設定すると、（ｄ）の左図のように付加質量の慣性力の作用線（重心ＧＲの基本振動の速度ベクトルＵＲとほぼ一致すると考えられる）はバネ部３３Ｒの（電極部の）長さの中央を切る。故に付加質量５Ｒの慣性力がバネ部３３Ｒ内に作るモーメントはバネ部の上半分と下半分とで正反対となり（線図の撓みが逆）、圧電効果は相殺され検出電極７Ｒには基本振動の影響は表れず、ノイズのない（あるいは極めて小さい）純粋な検出出力が得られることになる。これは弱いコリオリ力を高精度で検出するための本振動体の優れた特性の一つであり、残留ノイズを回路的に分離するにしても従来例より格段に有利となる。
【００２５】
次に第１の実施の形態の振動体の細部の説明をしておく。主に電極の結線パターンに関する。１０は振動体表面に設けた膜状の接続パターンであり、電極膜同志、また電極膜と接続パッド２９、９２群を接続する。振動体の裏面と表面の接続はスルーホール２８、９３を利用する。基部９上の接続パッド９２群は必要なら更に相互接続（図示しない外部回路側で接続してもよい）されて適宜に駆動端子８Ｖ、検出端子８Ｄとなる。また検出電極７Ｒ、７Ｌからの端子を振動脚表面経由で引出すと励振電極６Ｒ、６Ｌの面積が削られる。これは励振の効率を落とす他、接近した検出電極の引出線に励振信号をノイズとして誘導させかねない。そこで本実施の形態では振動脚の屈曲部に設けた接続パッド２９と、補助基部９１側に設けた接続パッド９２とをワイヤボンディングで接続している。３０はボンディングワイヤである。接続パッド２９のある部位の基本振動の振幅は比較的小さいのでこの構造でも障害になり難い。但しこれは必須構造ではない。
【００２６】
図２は本発明のジャイロセンサ用振動体の第２の実施の形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）は振動脚の断面図、（ｄ）は振動脚の撓み変形を示す線図である。本実施の形態の形状や作用は既述の第１の実施の形態の振動体と共通点が多い。即ち折返して屈曲し振動質量の重心を包囲した概形、対称な形状、各脚の固有振動数が等しい、水晶Ｚ板（またはＺ’板）であること、基本振動の慣性力はバランスしている、励振電極と検出電極の分離、検出電極部位でコリオリ力のモーメントが大きいこと、平面内回転の検出、検出電極における基本振動の不感性、真空封入、接続方法（一部図示を省略した）等である。
【００２７】
本実施の形態の特徴は振動脚１Ｒ、１Ｌの各部の軸線の方向が略６０°の倍数をなしていることである。水晶はＺ軸回りに３回回転対称性があり、全く同性質のＸ軸、Ｙ軸が１２０°毎にある。そこで振動脚の各部を３本のＹ１、Ｙ２、Ｙ３軸のいずれかと略平行とした。従って振動脚のどの部分でも屈曲撓みを圧電的に検出でき、かつ屈曲の弾性の温度変化が比較的少ないカット方位を持つバネ部として全長を無駄なく利用できる。（既述の如く第１の実施の形態では振動脚の部分３４Ｒ、３４Ｌは故意に剛性を高めてバネ部としての使用を回避したが。）本例ではバネ部３１Ｒ、３１Ｌを励振用に、３２Ｒ、３２Ｌ、３３Ｒ、３３Ｌ、３４Ｒ、３４Ｌを検出用に用いている。（バネ部３２Ｒ、３２Ｌは励振用に振り替えてもよい。）各部の電極は検出すべきコリオリ力のモーメントの方向と当該部分のＹ軸の向きを考慮して各部の検出電圧が直列加算されるように接続パターン１０で接続する。本例の形状構造によって検出感度が一段と高められる。
【００２８】
本実施の形態においては検出電極から検出端子へのリードパターン１０は第１の実施の形態とは異なり、ワイヤボンディングを経由せず励振電極６Ｒ、６Ｌの上面電極を分割して生じた隙間を通している。隙間の位置はバネ部３１Ｒ、３１Ｌの巾の中心部（撓みの中立面の側面）であり、この部分は基本振動による歪みがほとんどなく、両側は同じ極性の励振電極に挟まれて等電位であり、励振作用からのノイズを拾う恐れが少ない。もう一つ同じ効果の得られる引出し方は、励振電極６Ｒ、６Ｌの下面電極の巾中央にも隙間を設け、検出電極７Ｒ、７Ｌ用の２本のリードパターン１０を一本づつ上下の隙間に通す構造である。
【００２９】
図３は本発明のジャイロセンサ振動体のその他の実施の形態を示し、いずれも水晶Ｚ板から形成され３方向のＹ軸を活用した形態で、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれらの各例の平面図である。（ａ）は図２の振動体に似るがその振動脚途中の長手方向のバネ部をほとんどなくして振動体の全長を短くした例で、検出電極は２２Ｒ、２２Ｌ  ２３Ｒ、２３Ｌに設けることができる。（ｂ）は同じ向きに屈曲する２本の振動脚を左右方向に重ね配置し、固定端２Ｒ、２Ｌを接近させて各振動脚間の振動歪みの伝達性の向上を図った形状である。（ｃ）は基部９を囲んで振動脚１Ｒ、１Ｌを配置し、大型の脚を用いて低周波、電極面積大を狙いながらコンパクトな形状とした。（ｄ）は（ａ）より更にバネ部要素を減らし簡素化・小型化を狙った。いずれも振動脚重心ＧＧＲ、ＧＧＬを深く包囲し大きく屈曲した脚形状を持ち（（ｂ）例の包囲角度はやや小さい方だがそれでも１８０°を越えている）、また基本振動の慣性力のバランスのため、振動脚重心の動径ＧｒＲ、ＧｒＬを平行に配置しかつ重心ＧＧＲ、ＧＧＬの動径方向の高さを等しくしてある。
【００３０】
これら本発明のジャイロセンサ振動体は振動質量の重心を囲む形状を与えるので、振動脚はいわば頭でっかちであり、特に面外方向から衝撃を受けた場合、単純な音叉に比べれば固定端付近で脚が折れ易いのは止むを得ない。この傾向を防止し破損し難いジャイロスコープを得るための振動体容器の工夫について述べる。以下図示しないが、容器内側に設けた台座には振動体の基部９が固着される。また容器内には振動体面に平行に適宜な間隔をおいて柔軟なシリコンゴムを塗布した板等を振動体を挟んで設置する。この構造により振動体は通常時はゴム面に触れず、衝撃時には過大に変形しない範囲でゴム板が振動体を緩衝的に受け止め、折損を防止する。これは後述の加速度計用振動体についても同じである。
【００３１】
図４は本発明の振動ジャイロスコープの実施の形態の一例を示し、（ａ）は振動体の平面図、（ｂ）は励振および検出回路のブロック図、（ｃ）は回路の一部の変形部分のブロック図、（ｄ）は角速度の検出原理を説明する波形図である。（ａ）の振動体は概ね「コ」字型の振動脚１Ｒ、１Ｌを水晶Ｚ（Ｚ’）板面上に対称配置し基部９と共に一体化されている。板内の方位はほぼ図示の通りであり、板面の回転を検出する。各振動脚のバネ部は３１Ｒ、３１Ｌ、３３Ｒ、３３Ｌ（Ｙ１軸に平行）、３２Ｒ（Ｙ２軸に平行）、３２Ｌ（Ｙ３軸に平行）であり、圧電特性と温度特性のよい方向である。バネ部３１Ｒ、３１Ｌは基本振動の最も主要なバネ部であって励振電極６Ｒ、６Ｌが設けられ、また回転中心ＣＲ、ＣＬはその中央付近に生じる。付加質量５Ｒ、５Ｌを含めた振動脚全体の重心ＧＧＲ、ＧＧＬは各回転中心の真上かつ同じ高さにあり、基本振動の慣性力はバランスしている。
【００３２】
バネ部３２Ｒ、３２Ｌや３３Ｒ、３３Ｌには第１、第２の実施の形態のように検出電極を設けてコリオリ力を検出する使い方もできるが、本例では異なる検出原理を適用するのでこの部分には検出電極を設けない。（この部分を励振電極で覆って基本振動の振幅を稼ぐようにしてもよい。）本例における検出原理は、面内回転によるコリオリ力ＦＲ、ＦＬが動径方向に働き、脚の屈曲形状のためコリオリ力の向きによって振動質量の動径ＧｒＲ、ＧｒＬが伸縮変化する（「コ」字が僅かに撓み、開閉しながら振動する）ことを利用する。一般に同じ質量〜バネ系で振動質量の動径が増せば固有振動周期が長くなり、動径が減少すれば振動周期が短くなる。また発振回路１１Ｒ、１１Ｌ（（ｂ）に図示）は振動体に自由に振動を行わせる。コリオリ力は振動の半周期毎に方向を反転するので、各振動脚は振幅の端から端まで、長い半周期と短い半周期を交互に繰り返しながら振動していることになる。またコリオリ力ＦＲ、ＦＬは逆方向なので、片側の脚の振動の半周期が伸びているとき、他方の脚の半周期は短くなっている。
【００３３】
図４（ｄ）において、縦軸は励振電極から検出される振動電圧（上は１Ｒ側，下は１Ｌ側）、横軸は時間である。振動半周期の時間差は誇張してある。発振回路の出力波形は脚の振動変位と通常数十度の位相差があるので、これを略９０゜とみなせば電圧の半周期は振動質量速度の半周期（重心の速度が同じ向きである期間）即ち重心の振動変位の端から端までの半周期とほぼ一致することになる。各脚の電圧波形のゼロ点をＴＲ１、ＴＲ２、……、ＴＬ１、ＴＬ２、……とする。既述の理論により（１）ＴＲ１〜ＴＲ２、（２）ＴＲ２〜ＴＲ３、あるいは（３）ＴＬ１〜ＴＬ２等の時間間隔をそれぞれ測定して（１）と（２）、あるいは（１）と（３）等との時間差を出せばそれはコリオリ力の関数となる。本実施の形態ではＴＲ１とＴＬ１、ＴＬ２とＴＲ２、ＴＲ３とＴＬ３……等の差時間を速いクロックパルスＣを用いて直接数える。
【００３４】
図４（ｂ）の測定回路図において、各脚の励振電極は各脚と相互作用をしている発振回路１１Ｒ、１１Ｌに供給され、その出力波形は必要があれば波形整形回路１２Ｒ、１２Ｌによって安定な検出ができるよう、振幅や波形や位相が修正される。更にレベル検出回路１３Ｒ、１３Ｌによって波形のゼロ点ＴＲ１、ＴＬ１、ＴＬ２、ＴＲ２、……等の時点でのパルス信号が出力され、それらの間隔を時間差測定回路１４によって測定する。即ち安定な高周波クロック源１５の出す信号Ｃをカウントする。補正回路１６は測定結果の非線形性などを補正する。測定結果は表示装置１７で表示される。
【００３５】
（ｃ）は本実施の形態を一部変更した変形例の回路ブロック図である。この場合は振動体側にもバネ部３２Ｒ、３２Ｌ、３３Ｒ、３３Ｌ等に検出電極を設ける（図示せず）。各振動脚の検出電極出力はコリオリ力による電圧も僅か含まれるが、大部分は振動変位に比例する電圧である。これはそのまま増幅器１８Ｒ、１８Ｌにて増幅され、レベル検出回路１３Ｒ、１３Ｌに印加され、以下は本実施の形態の原形（ｂ）と同様となる。ただしレベル検出回路１３Ｒ、１３Ｌは電圧波形のゼロ点ではなくピーク又は底の時点を検出するように構成する。
【００３６】
図５は本発明の更に他の実施の形態である直線加速度センサ用の振動体を示し、（ａ）、（ｂ）はそれらの平面図である。いずれも水晶Ｚ板から形成され、バネ部がＹ１、Ｙ２、Ｙ３軸と平行な３個または６個の振動脚を有する。本センサ体は振動体と称してはいるが、直線加速度のみを計測する場合には励振させる必要はない。しかしセンサの要部は音叉の脚のような質量と曲げ弾性を有する片持ち部材（質量−バネ系）であって励振電極がなくても刺激による自由振動は可能な形状であるし、目的によっては振動させてジャイロスコープ用センサ等と兼用する場合もあり得るので敢えて振動体と呼ぶことにする。また励振しない場合は振動体を真空中でなく単に気密容器に封止してもよい。
【００３７】
（ａ）の加速度センサ振動体は３本脚より成る。基部９が振動体面に平行な直線加速度運動をし、各振動脚１Ａ、１Ｂ、１Ｃにその慣性力が作用して振動体面内で撓むとき、その歪みを図１（ｃ）７Ｒまたは７Ｌの如き４面の検出電極（図示せず）を設けて検出する。各脚と検出電極の構造が全く同じならば各脚の撓み即ち検出電圧の正負と比率は脚の軸と加速度の向きとのなす角度の正弦に比例するので、３個の検出電圧から加速度の大きさと面内の方向・向きが演算できる。
【００３８】
なお参考迄に、この振動体は他の使い方もできる。各振動脚を励振し各重心の振動軌跡（矢印で図示）が中心の１点に向くように設計すると慣性力のバランスが略取れる。そして振動体面に平行な軸の回りの回転に対して面に垂直な方向にコリオリ力が生じる。故に各脚を励振すると共に図６（ｂ）７Ｌのような構造の検出電極を設けておくと３個の検出電圧から角速度ベクトルの大きさ・方向が演算できるので、平面内２軸のジャイロスコープ用センサともなり得る。
【００３９】
（ｂ）の加速度センサ振動体は６本脚で、脚１Ａ、１ＤはＹ１軸に、脚１Ｂ、１ＥはＹ３軸に、脚１Ｃ、１ＦはＹ２軸に平行である。検出端子８Ｄ群は外側に配置した基部９上に設けて外部回路との接続を容易化した。上記同方向の２脚を組にした３組の脚を用いて（ａ）の３脚振動体に準じて２軸の加速度センサを構成することもできるが、本例では脚１Ａ、１Ｂ、１Ｃを用いて振動体面内の加速度を検出し、脚１Ｄ、１Ｅ、１Ｆを用いて面外（面に垂直）加速度を検出する構成とすることができる。脚１Ａ、１Ｂ、１Ｃには図１（ｃ）７Ｌの構造の、脚１Ｄ、１Ｅ、１Ｆには図６（ｂ）７Ｌのような構造の検出電極を設けておけばよい。垂直方向の加速度は脚３本分の検出電圧を加算できるので、この方向の検出感度の低さを補うことができる。
【００４０】
再び参考迄にこの（ｂ）の振動体はジャイロセンサとしても利用できる。バランスの取れる基本振動のモードは２つある。その１は各脚が１つおきに逆方向に振動体面外へ振動するモードで、これは面外撓みの検出と同構造の電極を各脚に設けて励振する。検出できる回転の軸は振動体面に平行で、そのコリオリ力による各脚の撓みも面内である。その２は隣接する脚の間隔が振動体面内で変化するモードで、ある瞬間の脚間隔は矢印のように１つおきに大、小、大、小、大、小となる。そして振動体面に平行な回転軸によるコリオリ力を各脚の面外振動として検出する。面内回転を検出することも不可能ではなく、そのためには（ｃ）のように各脚の同じ側に偏心質量を設け（偏心量は大でもバランスする。偏心腕も各Ｙ軸に平行とする）、第２従来例と同様にコリオリ力による面内撓みを誘発させて検出する。
【００４１】
以上本発明の種々の実施の形態について述べたが、本発明の適用例は既述のものに限定されない。例えば振動体の材質は水晶に限らず、他の圧電性単結晶でもよい（カット角や結晶の対称性に応じてバネ部の屈折角度を決める）。また圧電性磁器を用いたり、金属に圧電素子を貼ったものでも許される場合があり得る。これらの場合も振動体上の電極膜の位置は既述の場合に準ずる。振動脚の形状（例えば磁器や金属製振動体でなだらかな折り返しや渦巻き形状とする、また脚の自由端を外向きにする、形状の異なる脚を一対とする等）、振動脚数を任意の数設ける、付加質量の位置や形状（場合によっては錘部材はなしとする）、基部の形状、励振電極や検出電極の位置、それらの接続パターンや端子の配置等々は図示形態例以外にも種々あり得る。振動ジャイロスコープにおける振動体や検出回路構成についても同様である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の運動センサ振動体は請求項１〜２の構成により次の効果が得られる。
（１）小型・薄型化が可能（主要部が一平面内にあることによる）。
（２）製造容易（平面的形状であること、調整を要するする振動脚が最低２本でよいことによる）。
（３）高振動体品質（基本振動の慣性力が全体でバランスしているため）。
（４）面内回転検出可能（全体構成による。薄型化にも関連する）。
（５）検出の高感度化が可能（励振・検出にそれぞれ適した部位を設け、それぞれの電極を設けることができること、検出電極の有効長の増大や脚の４面利用が可能なこと、屈曲形状によりコリオリ力検出用の質量と検出部位でのモーメントの増大が図れること、検出部位での励振振動によるノイズ的圧電効果を減少させ得る場合もあること、による）。
【００４３】
また請求項３の構成を追加し、振動脚が屈曲した形状であるにも拘らず、脚の各部に同じ圧電的、は弾性的性質を与えることができ、次の諸効果が得られる。
（６）脚の各部を検出（および励振）のために圧電的に有効に利用できる。
（７）脚の弾性的性質（例えば弾性率の温度特性）を比較的に良好に保てる。
（８）従ってセンサ用振動体の材料として圧電性単結晶を効果的に用いて、高精度の検出を可能とする。
（９）殊に圧電効果が弱いが弾性的性質の優れている水晶材を用い得る。
【００４４】
請求項４の構成により、次の効果がある。
（１０）コリオリ力の検出電極に、振動質量の基本振動による圧電効果が現われ難くすることができる。
（１１）従って弱いコリオリ力を低ノイズで検出することが可能となる。
【００４５】
請求項５の構成により、次の効果がある。
（１２）検出出力のデジタル化も容易な、新規な検出原理による振動ジャイロスコープを提供することができた。
（１３）検出電極を不要として振動体の構成を簡素化できる場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体の第１の実施の形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）は電極の配置と接続をも示す振動脚の断面図、（ｄ）は基本振動とコリオリ力による振動脚の撓み変形を示す線図である。
【図２】本発明の振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体の第２の実施の形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動脚の撓み変形を示す線図、（ｃ）および（ｄ）は振動脚の断面図である。
【図３】本発明の振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体のその他の実施の形態を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれらの各例の平面図である。
【図４】本発明の振動ジャイロスコープの実施の形態を示し、（ａ）は振動体の平面図、（ｂ）は励振および検出回路のブロック図、（ｃ）は回路の一部の変形部分のブロック図、（ｄ）は角速度の検出原理を説明する波形図である。
【図５】本発明の多方向の直線加速度の検出が可能な加速度計用の運動センサ振動体の実施の形態を示し、（ａ）、（ｂ）はそれらの各例の平面図である。
【図６】第１の従来例の振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動脚の断面図である。
【図７】第２の従来例の振動ジャイロスコープ用の運動センサ振動体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動脚の断面図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｒ，１Ｌ  振動脚（または脚）
２Ｒ、２Ｌ  固定端
３Ｒ、３Ｌ、３１Ｒ、３１Ｌ、３２Ｒ、３２Ｌ、３３Ｒ、３３Ｌ  バネ部
３４Ｒ、３４Ｌ、３５Ｒ、３５Ｌ  （振動脚の）部分
４Ｒ、４Ｌ  自由端
５Ｒ、５Ｌ  付加質量
６Ｒ、６Ｌ  励振電極
７Ｒ、７Ｌ  検出電極
８Ｄ  検出端子
８Ｖ  励振端子
９  基部
９１  補助基部
１０  リードパターン
２９、９２  接続パッド
２８、９３  スルーホール
３０  ボンディングワイヤ
１１Ｒ、１１Ｌ  発振器
１２Ｒ、１２Ｌ  波形フィルタ
１３Ｒ、１３Ｌ  ゼロレベル検出回路
１４  時間差測定回路
１５  高周波クロック源
１６  補正回路
１７  表示装置
Ｃ  クロックパルス
ＣＲ、ＣＬ  回転中心
ＧＲ、ＧＬ  付加質量の重心
ＧＧＲ、ＧＧＬ  振動質量の重心
ＦＲ、ＦＬ  コリオリ力
ｒＲ、ｒＬ  付加質量の動径
ＧｒＲ、ＧｒＬ  振動質量の動径
ＵＲ、ＵＬ  速度ベクトル
ＳＡ  対称軸
Ω  角速度
【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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