(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を持つ材料から構成されている４本の足部と、この足部と一体的に形成されている基部を備える振動ジャイロにおいて、
前記４本の足部は、前記基部の中心部に対して等距離で且つ等角度の位置に配置されており、
前記４本の足部の選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い第１の方向を持ち、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動に分離可能な１つめの振動を行う様に自励発振を行わせると共に、選択された足部の一部を含む別途に選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い前記第１の方向とは異なる第２の方向を持ち、前記第１の屈曲振動及び前記第２の屈曲振動に分離可能な２つめの振動を行わせる様に構成され、
前記４本の足部の側面には、圧電素子から構成されている駆動電極部と検出電極部とから選択された少なくとも一方の電極部が設けられており、
前記足部の少なくとも一部の足部から前記屈曲振動により生ずる電圧を測定する様に構成されていることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
弾性を持つ材料から構成されている４本の足部と、この足部と一体的に形成されている基部とを有し、
前記４本の足部は、前記基部の中心部に対して等距離で且つ等角度の位置に配置されており、前記４本の足部の選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い第１の方向を持ち、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動に分離可能な１つめの振動を行う様に自励発振を行わせると共に、選択された足部の一部を含む別途に選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い前記第１の方向とは異なる第２の方向を持ち、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動に分離可能な２つめの振動を行わせる様に構成され、前記４本の足部の側面には、圧電素子から構成されている駆動電極部と検出電極部とから選択された少なくとも一方の電極部が設けられており、前記足部の少なくとも一部の足部から前記屈曲振動により生ずる電圧を測定する様に構成されている振動ジャイロにおいて、
前記４本の足部の内、第１及び第２の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、前記第１の屈曲振動を行なわせると同時に、第２及び第４の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、前記第１の屈曲振動と直交する方向に、前記第１の屈曲振動と振動数と位相が一致する前記第２の屈曲振動を発生させておき、前記第１の屈曲振動と前記第２の屈曲振動の合成振動として、第３の屈曲振動を発生させ、回転によるコリオリ力により引き起こす、第３の屈曲振動に直交する方向の第４の屈曲振動の前記第１の屈曲振動の方向の成分である第５の屈曲振動の結果生じる電圧を、前記第３及び第４の足の検出電極部により検出し、前記第４の屈曲振動の前記第２の屈曲振動の方向の成分である第６の屈曲振動の結果生じる電圧を、前記第１及び前記第３の足の検出電極部により検出することを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項３】
前記４本の足部は、前記第１の屈曲振動の共振周波数と前記第２の屈曲振動の共振周波数が一致するように、幅方向から見た足の長さと、厚さ方向から見た足の長さが異なるように各々の又の深さが調整されていることを特徴とする請求の範囲第１項叉は第２項に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記第１の屈曲振動を行う第３の足の圧電素子及び第４の足の圧電素子は互いに電気的にかたく接続されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の振動ジャイロ。
【請求項５】
前記第５の屈曲振動の結果生じる電圧と前記第６の屈曲振動の結果生じる電圧の双方を入力とする差動アンプを有することを特徴とする請求の範囲第２項乃至第４項のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項６】
前記第１の屈曲振動と前記第５の屈曲振動の合成振動が前記第３の足の圧電素子に発生させる電圧出力と、前記第２の屈曲振動と前記第６の屈曲振動の合成振動が、前記第３の足の圧電素子に発生させる電圧出力とを加算する加算回路と、この加算回路の出力を９０度移相する移相回路と、この移相回路の出力を２値化する２値化回路と、前記第１の屈曲振動と前記第５の屈曲振動の合成振動が、前記第３の足の圧電素子に発生させる電圧出力と、前記第２の屈曲振動と前記第６の屈曲振動の合成振動が、前記第３の足の圧電素子に発生させる電圧出力とを減算する減算回路と、この減算回路の出力を前記２値化回路の出力を用いて検出するロックインアンプとを備えたことを特徴とする請求の範囲第２項乃至第５項のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項７】
前記４本の足部のうち、一部の足部に自励発振操作のみを行わせ、他の足部にこの足部の振動に伴う電圧を測定する検出操作のみを行わせ、更に、残る他の足部に前記自励発振操作と前記検出操作の双方を行わせる様に構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項８】
前記自励発振操作のみを行う足部には、駆動電極部のみが設けられていると共に、前記検出操作のみを行う足部には、検出電極部のみが設けられており、更に、前記自励発振操作と前記検出操作の双方を行わせる足部には、駆動電極部と検出電極部との双方が設けられていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の振動ジャイロ。
【請求項９】
前記第１の屈曲振動を生成するための発振回路と、前記第２の屈曲振動を生成するための発振回路は、別々に設けず１つの発振回路で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいすれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項１０】
前記第１の屈曲振動の振幅及び位相が前記第２の屈曲振動の振幅及び位相と略一致するように発振回路の出力信号を調整する為のローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項１１】
前記第１の屈曲振動の位相が前記第２の屈曲振動の位相と略一致するように発振回路の出力信号を調整する為の移相回路を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項１２】
弾性を持つ材料から構成されている４本の足部と、この足部と一体的に形成されている基部とを有し、
前記４本の足部は、前記基部の中心部に対して等距離で且つ等角度の位置に配置されている振動ジャイロにおいて、
この振動ジャイロの田の字配置された平行な４本の足は、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数とが一致するように、巾方向から見た足の長さと、厚さ方向から見た足の長さが異なるようにそれぞれの又の深さが調整されてい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
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
今日、音叉形状や音片形状など様々な形状の振動ジャイロが考案されている。
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、したが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。
しかし近年ジャイロスコープも小型化の研究が進み、圧電磁器で振動体を励振させ、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角速度電流を、振動体に設けた別の圧電磁器で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。
以下に圧電磁器を使用した従来のジャイロを図面を用いて説明する。図２９は従来の音叉型の振動ジャイロを示す斜視図である。
図２９により従来の音叉型の振動ジャイロについて説明する。振動体７１はエリンバなど恒弾性金属で形成された複合音叉型の構造を有している。すなわち振動体７１は、音叉の第１の足７２、７３の上部に、第２の足７４、７５を結合した構造をもつものである。圧電素子或いは、圧電磁器製の駆動部と駆動電極７６は第１の足７２に張り合わせてある。図示しないが同様の駆動部および駆動電極が第１の足７３に張り合わせてある。圧電素子或いは圧電磁器製の検出部と検出電極７７は第２の足７５に張り合わせてある。図示しないが同様の検出部および検出電極が第２の足７４に張り合わせてある。ここで、足の伸びた方向をｚ軸方向とする。
以上の構造に基づく作用について説明する。駆動電極７６に印加した交流電圧により第１の足７２、７３は左右に変位する第１の屈曲振動を発生する。以下これを、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、面内振動と呼ぶ。この面内振動により、第１の足７２，７３に結合された第２の足７４，７５は面内振動する。音叉全体をｚ軸の回りに角速度ωで回転させると、面内振動と直角な方向にコリオリ力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＝２・Ｍ・ω・Ｖ
ここで、Ｍは第１の足７２，７３または第２の足７４，７５の質量であり、Ｖは振動の速度である。このコリオリ力Ｆｃによって、面内振動と直角方向に変位する第２の屈曲振動を励起する。以下これを面外振動と呼ぶ。この面外振動により発生する交流電圧を検出電極７７で検出することによって、角速度ωを算出して知ることができる。
しかしながら、従来の振動ジャイロには以下のような問題がある。一般に振動体を支持する場合は、支持の影響が振動体に及ぶのを最小限にするため、振動体が振動中に動かない位置、すなわち振動の節を用いる。図２９に示す音叉型の構成では面内振動の節は又の部分にあり、この周辺はほとんど動かないが、コリオリ力で励振される面外振動では、振動により動かない部分は存在しない。したがって、どの部分を、どのように支持しても支持の影響が振動体に及んでしまう。
一般に音叉型振動子は又の中央部あたりを支持するが、実際にこの部分を支持する場合と支持しない場合で、振動体７１の面内振動の共振周波数がほとんど変わらないのに比べ、面外振動では、数％にも及ぶ共振周波数の変化がある。したがって面外振動の共振周波数は支持の仕方によって数％も変化することになる。ここでは、面内振動の周波数をもつ交番コリオリ力で面外振動を励振するのだが励振の効率は、面外振動の共振周波数に依存する。音叉の面内振動の共振周波数と面外振動の共振周波数が離れていると、面外振動に充分な励振を引き起こすことができないし、微妙な支持の変化で面外振動の共振周波数が大幅に変化するのでは、励振の効率が大幅に変化してしまい、精度のよい検出は不可能である。このような理由により、音叉型の振動ジャイロは、充分普及するに至っていない。
処で、振動ジャイロは励振方向に直交する方向に働くコリオリ力を検出するので、検出すべき回転方向に直交する面内で中心対称な形状の物が有利とされ、現在は音片型が主流である。しかし音片型は支持の方法に難点があり、振動体に影響を与えない支持は困難であり、また完全に外部への振動漏れを防ぐことが出来ない。支持が容易な例として、古くから４脚音叉や多脚音叉が考案されている。
例えば特開平６−２５８０８３に４脚音叉型振動ジャイロが開示されている。この４脚音叉は、音片型と同様に検出すべき回転方向に直交する面内で中心対称な形状を持ち、さらに音叉型の特徴として、基部の底面が振動しないため、外部と振動的に完全に分離することが出来る。特開平６−２５８０８３に開示された４脚音叉型振動ジャイロは、６種類存在する４脚音叉の１次振動モードの中から、駆動とコリオリ力の検出が直交する方向の振動モードを選び出し、またこれらの１次結合を用いてコリオリ力の検出を行うことにより、基部の揺れの殆どない振動ジャイロを実現している。
以下に、対称性の良い４脚音叉の６つの１次振動モードを図面を用いて説明する。図１３は一般的な４脚音叉の正面図であり、基部の底面を半固定した様子をハッチングで示す。この４脚音叉の各部の大きさは各々、全長４．８ｍｍ，基部の長さ１．９２ｍｍ，足の長さ２．８８ｍｍ，基部の巾１．２ｍｍ，足の巾０．４８ｍｍそして溝の巾０．２４ｍｍである。
また、図１７〜図２２はこの４脚音叉の足の先端側から見た足の断面図であり、この４脚音叉の各々の足が持つ６つの１次の振動モードを、有限要素法解析で計算した後実験で確認し、周波数の低い順に示している。ただし、最後のねじれモードは実験で確認することは出来なかった。
また、図２３〜図２８は厚みを変えず、音叉全体の巾を１％減じた同様な４脚音叉の足の先端側から見た足の断面図であるが、図１７〜図２２と異なり、足の断面が長方形になっており、この４脚音叉の各々の足が持つ６つの１次の振動モードも、有限要素法解析で計算した後実験で確認し、周波数の低い順に示している。やはり、最後のねじれモードは実験で確認することは出来なかった。
最初に、図１７〜図２２を用いて足の断面形状が正方形の場合の振動モードを説明する。図１７において、記された矢印は、ある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード１」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が長方形になるように振れ、固有振動数は３８．７３０ＫＨＺである。
図１８において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード２」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が正方形を保ったまま振れ、固有振動数は３８．８４１ＫＨＺである。図１９において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード３」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が菱形になるように振れ、固有振動数は３９．１６０ＫＨＺである。
図２０において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード４」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が各々平行に振れ、固有振動数は３９．４８３ＫＨＺである。図２１において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード５」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が各々平行に振れ、固有振動数は３９．４８３ＫＨＺである。
図２２において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード６」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が各々４脚音叉がねじれるように振れ、固有振動数は４０．１５０ＫＨＺである。モード６が実験で確認できないのは、半固定する基部が激しく揺れるためである。
次に、図２３〜図２８を用いて足の断面形状が長方形の場合の振動モードを説明する。
図２３において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード１」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が互いに平行になるように振れ、固有振動数は３６．６１７ＫＨＺである。
図２４において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード２」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が互いに平行になるように振れ、固有振動数は３６．９３９ＫＨＺである。
図２５において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード３」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が菱形になるように振れ、固有振動数は３７．０９９ＫＨＺである。
図２６において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード４」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が各々平行に振れ、固有振動数は３７．２６６ＫＨＺである。
図２７において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード５」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が各々平行に振れ、固有振動数は３７．６０８ＫＨＺである。
図２８において、記された矢印はある瞬間の足の振れ方向を示しており、この振れ方を行う振動モードを「モード６」と呼ぶこととするが、４つの足は各々その中心の軌跡が各々４脚音叉がねじれるように振れ、固有振動数は３８．１０１ＫＨＺである。モード６が実験で確認できないのは、やはり半固定する基部が激しく揺れるためである。
係る構成に於ける作用について説明するならば、特開平６−２５８０８３に開示された４脚音叉型振動ジャイロは、長方形の場合に存在する振動モードをもとに６種類存在する４脚音叉の１次振動モードの中から、駆動用の振動モードとこれに直交するコリオリ力が、励振する検出用の振動モードを選び出し、この駆動と検出を実現する構成を示している。
最初の実施の形態では図２６に示した長方形のモード４を駆動用振動モードとし、図２７に示した長方形のモード５を検出用振動モードとしている（銘記されてはいないが、一般に固有周波数の低い方を検出側にすることはない）。２つ目の実施の形態では図２５に示した長方形のモード３を駆動用振動モードとし、図１７に示した、長方形の場合に存在しない、正方形のモード１を検出用振動モードとし、この駆動と検出を実現する構成を示している。
また、３つ目の実施の形態として、図２５に示した長方形のモード３と図１７に示したコリオリ力が励振する正方形のモード１の１次結合から図２３に示した長方形のモード１又は図２４に示した長方形のモード２を検出する方法を示し、この駆動と検出を実現する構成を示している。
しかしながら、従来の特開平６−２５８０８３に開示された４脚音叉型振動ジャイロには以下のような課題がある。まず、第１の実施の形態においては図２６に示した長方形のモード４と図２７に示した長方形のモード５では、固有振動数が異なるため、モード４はモード５に充分な励振を与えることができす、検出感度を大きくすることが出来ない。
この点について、特開平６−２５８０８３には対称即ち正方形にすると記されているが、実際には正方形の場合は図２６及び図２７に示した長方形のモード４及びモード５のような振動モードは存在せず、図２０及び図２１に示した正方形のモード４及びモード５のような振動モードが現れる。
実験的には、２つの方向の固有振動数差が１０万ＰＰＭ程度に近づくと、カップリングにより、すでに図２６及び図２７に示した長方形のモード４及びモード５は存在しなくなる。
従って、特開平６−２５８０８３に開示された最初の実施の形態は周波数差が１０万ＰＰＭ以上離れた非共振型４脚音叉で実現するか、共振型でコリオリ力が無くても非常に大きな出力が出ている状態でコリオリ力を検出するかの何れかとなる。
非共振型の場合はコリオリ力を検出する感度が悪くなるので結局コリオリ力を検出するＳ／Ｎが悪くなり、共振型の場合はコリオリ力に起因する出力よりも遙にかに大きな出力の中からコリオリ力を検出しなければならず、高いＳ／Ｎを得るのに不利なダイナミックレンジの極めて広い測定を行わなければならない。また、閉ループにより出力を小さく抑える機構も提案されているが、Ｓ／Ｎを変化させる物ではない。
次に、特開平６−２５８０８３に開示された残りの実施の形態についてであるが、駆動に使用するのは図２５に示した長方形のモード５であり、検出に使用するのは図２３又は図２４に示した長方形のモード１又はモード２もしくはこれらのカップリングにより生成する図１７に示した正方形のモード１である。
長方形の場合は図２８に示した検出できないモード６を除外すると、図２５に示したモード３は唯一正方形と一致する振動モードである。これと検出用の振動モードの間には明らかに固有振動数の差が存在する。
この周波数差は本質的に異なる振動モードであることを考慮すると、たとえ調整によって固有振動数を一致させることが出来たとしても音叉全体の対称性に影響を与えてしまい、振動ノイズを増加させ、コリオリ力検出のＳ／Ｎを大きくすることが出来ない。
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、検出感度が大きく、検出精度の良い、振動ジャイロを提供することにある。
発明の開示
上記目的を解決するために、本発明の振動ジャイロは、基本的には、以下に示す様な技術構成を採用する。
即ち、本発明に係る当該振動ジャイロの第１の態様としては、弾性を持つ材料から構成されている４本の足部と、この足部と一体的に形成されている基部を備える振動ジャイロにおいて、前記４本の足部は、前記基部の中心部に対して等距離で且つ等角度の位置に配置されており、前記４本の足部の選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い第１の方向を持ち、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動に分離可能な１つめの振動を行う様に自励発振を行わせると共に、選択された足部の一部を含む別途に選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い前記第１の方向とは異なる第２の方向を持ち、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動に分離可能な２つめの振動を行わせる様に構成され、前記４本の足部の側面には、圧電素子から構成されている駆動電極部と検出電極部とから選択された少なくとも一方の電極部が設けられており、前記足部の少なくとも一部の足部から前記屈曲振動により生ずる電圧を測定する様に構成されていることを特徴とする振動ジャイロである。
又本発明に係る当該振動ジャイロの第２の態様としては弾性を持つ材料から構成されている４本の足部と、この足部と一体的に形成されている基部とを有し、前記４本の足部は、前記基部の中心部に対して等距離で且つ等角度の位置に配置されており、前記４本の足部の選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い第１の方向を持ち、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動に分離可能な１つめの振動を行う様に自励発振を行わせると共に、選択された足部の一部を含む別途に選択された少なくとも一部の足部に、互いに隣り合う２つの足部の中心線を含む平面内に無い前記第１の方向とは異なる第２の方向を持ち、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動に分離可能な２つめの振動を行わせる様に構成され、前記４本の足部の側面には、圧電素子から構成されている駆動電極部と検出電極部とから選択された少なくとも一方の電極部が設けられており、前記足部の少なくとも一部の足部から前記屈曲振動により生ずる電圧を測定する様に構成されている振動ジャイロにおいて、前記足部の内、第１及び第２の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、前記第１の屈曲振動を行なわせると同時に、第２及び第４の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、前記第１の屈曲振動と直交する方向に、前記第１の屈曲振動と振動数と位相が一致する前記第２の屈曲振動を発生させておき、前記第１の屈曲振動と前記第２の屈曲振動の合成振動として、第３の屈曲振動を発生させ、回転によるコリオリ力により引き起こす、第３の屈曲振動に直交する方向の第４の屈曲振動の前記第１の屈曲振動の方向の成分である第５の屈曲振動の結果生じる電圧を、第３及び第４の足の検出電極部により検出し、前記第４の屈曲振動の前記第２の屈曲振動の方向の成分である第６の屈曲振動の結果生じる電圧を、前記第１及び前記第３の足の検出部により検出することを特徴とする振動ジャイロである。
本発明に係る当該振動ジャイロは、上記した様な構成を採用しているので、４本の足を田の字型に対称性良く配置したことにより、音叉型における面外振動のような支持部に影響される振動を利用することなく、使用するいずれの振動においても基部がほぼ静止しており、保持方法により性能に影響が無く、精度の良い角度検出ができる。また加工組立精度に過大な期待をすることなく出力信号を大きくとるための励振と検出の共振周波数の一致を実現でき、構造上共振検出方向の出力信号が大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるので、ノイズが少なく高いＳ／Ｎを実現できる。
又、加振と検出の足を別々にとれるので、発振系に起因する位相ずれによるＤＣドリフトもほとんど無い。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る４脚音叉型の振動ジャイロの外観を示す斜視図である。
図２は、本発明に係る４脚音叉型の振動ジャイロの電極の位置を示し、振動調整のための又の位置を示す斜視図である。
図３は、本発明に係る第１の具体例である振動ジャイロの先端側から見たＹ軸方向の電極構造の断面および配線模式の図面である。
図４は、本発明に係る第２の具体例である振動ジャイロの先端側から見たＹ軸方向の電極構造の断面および配線模式の図面である。
図５は、本発明係る第２の具体例である振動ジャイロの先端側から見たＹ軸方向の電極構造の断面および配線模式の図面である。
図６は、本発明の実施の形態である４脚音叉型の振動ジャイロの円筒状の管に封入したジャイロ素子の構成を示す外観の図面である。
図７は、本発明の実施の形態である４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見たＹ軸方向の断面を模式的に表した動作説明の図面である。
図８は、本発明の実施の形態である４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見たＹ軸方向の断面を模式的に表した動作説明の図面である。
図９は、本発明の実施の形態である４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見たＹ軸方向の断面を模式的に表した動作説明の図面である。
図１０は、本発明の実施の形態である４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見たＹ軸方向の断面を模式的に表した動作説明の図面である。
図１１は、本発明の実施の形態である４脚音叉型の振動ジャイロに用いる圧電素子の斜視図である。
図１２は、本発明の実施の形態である４脚音叉型の振動ジャイロに用いる圧電素子の斜視図である。
図１３は、一般的な４脚音叉の正面図である。
図１４は、圧電素子からの信号を示す波形図である。
図１５は、圧電素子からの信号を示す波形図である。
図１６は、圧電素子からの信号をベクトルで表現した動作説明図である。
図１７〜図２８は、一般的な４脚音叉の足の先端側から見た足の断面を模式的に表した動作説明図である。
図２９は、従来の音叉型振動ジャイロを示す斜視図である。
図３０は、振動ジャイロにおけるコリオリ力の効果を示す電圧波形の図面である。
図３１は、振動ジャイロにおけるコリオリ力の効果を示す電圧波形の図面である。
図３２は、振動ジャイロにおけるコリオリ力の効果を示す電圧波形の図面である。
図３３は、振動ジャイロにおけるコリオリ力の効果を示す電圧波形の図面である。
図３４は、本発明に係る第４の具体例の構成に於ける４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面，回路ブロック及び配線模式図である。
図３５は、本発明に係る第５の具体例の構成に於ける４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面，回路ブロック及び配線模式図である。
図３６は、本発明に係る第６の具体例の構成に於ける４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面，回路ブロック及び配線模式図である。
図３７は、本発明に係る第７の具体例の構成に於ける４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面，回路ブロック及び配線模式図である。
図３８は、図３７に示す第７の具体例の構成に於ける４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面及び詳細な回路例を示す図である。
図３９は、本発明の４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面を模式的に表した動作説明図である。
図４０は、本発明の４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面を模式的に表した動作説明図である。
図４１は、本発明の４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面を模式的に表した動作説明図である。
図４２は、本発明の４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面を模式的に表した動作説明図である。
図４３は、本発明の４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面を模式的に表した動作説明図である。
図４４は、本発明の４脚音叉型の振動ジャイロの足の先端側から見た足の断面を模式的に表した。
発明を実施する為の最良の形態
次に、本発明に係る振動ジャイロの具体的な構成に付いて図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る第１の具体例の構成を説明する図であり、図中、４本の足と電極と基部を備える振動ジャイロであって、この足は弾性をもつ材料からなり、足は形状が四角柱であり、足は四角柱の側面に駆動部と検出部を有し、駆動部と検出部は圧電素子からなり、基部は弾性をもつ材料からなり、基部は形状が四角柱であり、基部と４本の足は一体構造であり、４本の足は互いに平行に基部に田の字形に配置されており、第１および第２の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、第１の屈曲振動を行なわせると同時に、第２および第４の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、第１の屈曲振動と直交する方向に、第１の屈曲振動と振動数が一致する第２の屈曲振動を発生させておき、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動として、第３の屈曲振動を発生させ、第３の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第３の屈曲振動に直交する方向の、第４の屈曲振動の第１の屈曲振動の方向の成分である第５の屈曲振動の結果生じる電圧を、第３および第４の足の検出部により検出し、第４の屈曲振動の第２の屈曲振動の方向の成分である第６の屈曲振動の結果生じる電圧を、第１および第３の足の検出部により検出するものである。
本具体例の振動ジャイロに於いては、第３の屈曲振動を生成するための発振回路と、第４の屈曲振動を生成するための発振回路は、別々に設けず１つの発振回路とする事が望ましい。
更に、本具体例の振動ジャイロは、第１の屈曲振動を行う第３の足の圧電素子および第４の足の圧電素子は互いに電気的に接続されている事も望ましい。
本具体例に於ける振動ジャイロは、例えば、第２の屈曲振動を行う第１の足の圧電素子および第３の足の圧電素子は互いに電気的に接続されている。
又、本具体例に於ける当該振動ジャイロは、第１の屈曲振動と第５の屈曲振動が合成された屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を参照信号として、第５の屈曲信号が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出するロックインアンプを備える事も可能である。
更に、本具体例に於いては、振動ジャイロは、第２の屈曲振動と第６の屈曲振動が合成された屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を参照信号として、第６の屈曲信号が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出するロックインアンプを備える。
本具体例に於ける当該振動ジャイロは、第２の屈曲振動と第６の屈曲振動が合成された屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を参照信号として、第５の屈曲信号が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出するロックインアンプを備えていても良く又、第１の屈曲振動と第５の屈曲振動が合成された屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を参照信号として、第６の屈曲信号が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出するロックインアンプを備えるもので有っても良い。
本具体例に於ける当該振動ジャイロは、第５の屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出する第１のロックインアンプの出力と、第６の屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出する第２のロックインアンプの出力とを加算する差動増幅回路を備える。
又当該振動ジャイロは、第５の屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出する第１のロックインアンプの出力と、第６の屈曲振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を検出する第２のロックインアンプの出力とを加算する差動増幅回路を備えるもので有っても良い。
以下、本具体例に於ける当該振動ジャイロを実施するための詳細な具体例を図面を基に説明する。
尚、以下に述べる本発明に係る当該振動ジャイロに於いては、当該音叉の足部の断面形状は四角形の場合を例にとり、且つ当該四角形の足部が、一つの基部に田の字型に均等に配列されている例を中心に説明するが、本発明に於いては、当該音叉の足部の断面形状は、当該四角形に特定されるものではなく、円形、楕円形、多角形等の形状を使用する事も可能であり、又、基部に配列される当該足部の配置位置も田の字に特定されるものではなく、当該基部の中心に対して等距離でかつ互いに均等に配置されているものであれば、如何なる状態のものでも採用可能である。
図１から図１２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４叉型と呼ぶ、４脚音叉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は圧電素子の位置を示し、振動調整のための又の位置を示す斜視図であり、図３は４叉型の足の先端側から見たＹ軸方向の圧電素子の断面および配線模式図であり、図６は４叉型を円筒状の管に封入した振動ジャイロの構成を示す外観図であり、図７，図８，図９および図１０は４叉型の足の先端側から見たＹ軸方向の断面を模式的に表した動作説明図であり、図１１および図１２は圧電素子の変形の様子を示す斜視図である。
第１の具体例
図１に示すように、４叉型１０は第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４と図示しない圧電素子と基部１５から構成される。足は弾性をもつ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱であり、四角柱の側面に張り合わされた圧電素子からなる駆動部および検出部を有している。基部は弾性をもつ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱である。
第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は互いに平行に方形の基部１５の４つの頂点の位置に配置されており、基部１５と第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は一体構造である。
本実施の形態で使用する金属は、弾性率の温度依存性が小さい鉄５０％，ニッケル３５％およびクロム９．１％を含む合金でエリンバーと呼ばれるものを用いる。同じく弾性率の温度依存性が非常に小さい石英ガラスを用いる場合は、あらかじめ表面に銀やクロムを無電界メッキや蒸着などの手法で薄膜形成しておく。
以下４叉型１０を説明するに際しては、座標軸Ｙ軸，Ｚ軸およびＸ軸を、各辺と平行な方向に定める。このとき長手方向、すなわち足の伸びた方向をＹ軸，巾方向をＺ軸および厚さ方向をＸ軸とする。このように定めた４叉型１０の、長手方向，巾方向および厚さ方向は、それぞれＹ軸，Ｚ軸およびＸ軸と平行となる。ただし、４叉型１０はＸ−Ｚ面内で対称な形状をもつので、ここで用いた巾と厚さという言葉は特別な意味をもたない。以下ではＸまたはＺ方向の巾という言葉を用いる。
図２に、一例として第１の足１１，第２の足１２に圧電素子からなる駆動部および検出部を接着した様子を示した。斜視図なので図示しないが第３の足１３および第４の足１４にも同様の圧電素子を貼り付けてある。圧電素子は、薄い板状の形状をしており、あらかじめ両面に銀やクロムの合金を蒸着してある。圧電素子の片面にエポキシ系の導電性接着剤を塗布し、各々の足に貼り付ける。
図３に図２に示す形状の圧電素子を、第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４を切断するＸ−Ｚ面内の断面に示した。加振用として、第１の足１１に圧電素子２５、２６を張り付け，第２の足１２に圧電素子２７，２８，２９、３０を張り付け，第４の足１４に圧電素子３５、３６を張り付けてある。
また検出用として、第１の足１１に圧電素子２３、２４を張り付け，第３の足１３に圧電素子３１，３２，３３、３４を張り付け，第４の足１４に圧電素子３７、３８を張り付けてある。
図３には加振用圧電素子２５，２６，２７，２８，２９，３０，３５、３６の各々の電極とともに用いて、すべての足を自励発振させる発振回路を構成するオペアンプＨ０，オペアンプＨ０を用いた反転増幅器の増幅率を決定する第１の抵抗Ｈ１，第２の抵抗Ｈ２，第３の抵抗Ｈ３，位相調整用の第４の抵抗Ｈ４および第１のコンデンサＨ５、検出用圧電素子２３，２４，３１，３２，３３，３４，３７、３８の各々の電極からの信号を検出するロックインアンプを構成する緩衝バッファＢ０，バンドパスフィルタＲ１，乗算器Ｒ２，ローパスフィルタＲ３，ロックインアンプの参照波を波形整形する波形整形回路Ｒ４および参照波の位相を調整する移相回路Ｒ５を示し、これらの間の配線を示す。
図６に４叉型１０を円筒状の管に封入したジャイロ素子としての構成を示す。ベース１６は、セラミックなどの絶縁性材料で構成され、上面には配線基板２２が接着してある。４叉型１０は基部１５を配線基板２２と接着固定する。４叉型１０を固定したベース１６は、金属製キャップ１７に圧入し、ベース１６と金属キャップ１７で封止することにより、４叉型１０が存在する内部環境を一定に保つ。この内部環境はたとえば窒素等の不活性ガスの雰囲気とし、振動子としての４叉型１０の振動特性、すなわちＱ値や共振インピーダンス値が、振動ジャイロとして扱いやすいものとなるように考慮して気圧を調節する。
４叉型１０に貼り付けられた図３に示した圧電素子２５，２６，２７，２８，２９，３０，３５，３６，２３，２４，３１，３２，３３，３４，３７、３８の電極部は、ベース１６に気密圧入されたリード１８，１９，２０、２１と導線を用いて半田付けにより電気的に接続される。リード１８，１９，２０、２１は、図３に示した発振回路とロックインアンプに接続される。
ここで、本発明に於ける振動ジャイロの振動動作原理に付いて図１１及び図１２を参照しながら説明する。
つまり、図１１と図１２は圧電素子の動作を示す。本実施の形態で用いるＰＺＴと呼ばれる圧電素子は、あらかじめ高電圧を加えて分極させておくと、圧電素子に加える電圧の方向により、歪みの方向が異なる。正の電圧を印加した状態で厚さが増加し、縦横が縮む面５８を（＋）面と呼ぶこととし、図１１に示す。
また同じく正の電圧を印加した状態で厚さが減少し、縦横が伸びる面５９を（−）面と呼ぶこととし、図１２に示す。図３に記入した（＋）および（−）の記号は、４叉型１０の各々の足に貼り付けられた圧電素子の面のうち、足に接着されている面がいずれの面であるかを示している。
また、図３には第１の足１１のＹ方向の屈曲振動の第１の中立線３９を点で示し、第２の足１２のＹ方向の屈曲振動の第２の中立線４０を点で示し、第３の足１３のＹ方向の屈曲振動の第３の中立線４１を点で示し、第４の足１４のＹ方向の屈曲振動の第４の中立線４２を点で示す。図の外側の線は各圧電素子の電極間の配線を模式的に示した。
図３において、オペアンプＨ０から、第１の足１１の圧電素子２５、２６の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２５がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子２６がＹ方向に伸び、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第１の足１１はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第１の足１１のみであったとしても、第１の足１１の振動が基部１５を通して伝達し、第２の足１２、第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ−Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ−Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が自励発振する。このとき第２の足１２の圧電素子２９、３０の電極からは自励発振を継続するための電圧信号がオペアンプＨ０に帰還される。このオペアンプＨ０が加振する足が第２の足１２であり、帰還信号を受け取る足が第１の足１１であってもよい。
これと同時に、オペアンプＨ０から、第４の足１４の圧電素子３５、３６の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子３５がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子３６がＹ方向に伸び、結果としてＺ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第４の足１４はＺ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第４の足１４のみであったとしても、第４の足１４の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第２の足１２、第３の足１３が自動的に励振され、第１の足１１と第３の足１３がＹ−Ｚ面内で音叉型に振れ、第２の足１２と第４の足１４がＹ−Ｚ面内で、第１の足１１と第３の足１３の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が自励発振する。
このとき第２の足１２の圧電素子２７、２８の電極からは自励発振を継続するための電圧信号がオペアンプＨ０に帰還される。このオペアンプＨ０が加振する足が第２の足１２であり、帰還信号を受け取る足が第４の足１４であってもよい。
図７に第１の屈曲振動を模式的に示す。第１の屈曲振動では、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｘ面内で屈曲振動を行うが、ここではある瞬間の変位方向を矢印で示している。また、図８に第２の屈曲振動を模式的に示す。第２の屈曲振動では、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｚ面内で屈曲振動を行う。ここでもある瞬間の変位方向を実線矢印で示している。
図７に示した第１の屈曲振動および図８に示した第２の屈曲振動は４叉型１０の試作品の動作確認により、弾性体としての共振周波数の存在がが確認されているものである。すなわち第１の屈曲振動においては、すべての足はＸ方向に振動しており、第１の足１１と第２の足１２は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第３の足１３と第４の足１４は、第１の足１１と第２の足１２が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。
一方第２の屈曲振動においては、すべての足はＺ方向に振動しており、第１の足１１と第３の足１３は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第２の足１２と第４の足１４は、第１の足１１と第３の足１３が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。これらの振動は４本の足が互いにバランスを取り合い、基部１５は振動の節となっておりほとんど振動しないので、４叉型１０は支持の方法によって振動状態が変わることはほとんどない。
図９に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が同時に存在する場合の４叉型１０の屈曲振動の様子を模式的に示す。Ｘ軸およびＺ軸方向に対称な形状をもつ設計の４叉型１０であるが、工作精度が十分でなくこの対称性が保証されない場合は、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の各々固有の機械的共振周波数が離れてしまうが、図３の回路構成においては、１つのオペアンプＨ０に第１の屈曲振動および第２の屈曲振動の参照信号を入力し、１つのオペアンプＨ０の電圧出力で第１の屈曲振動と第２の屈曲振動を励振している。
この場合第１の屈曲振動を行う４叉型１０の電気機械振動系と第２の屈曲振動を行う４叉型１０の電気機械振動系は結合し、第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２は各々変化して同じ周波数となり、第１の屈曲振動の周波数ｆ１と第２の屈曲振動の周波数ｆ２の中間の周波数ｆをもつ第３の屈曲振動が発生する。
ここで注意しなければならないことがある。図３に示す回路構成は、電気機械的な引き込み効果で第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数を一致させるが、各々の機械的なＱ値が大きい場合は周波数の一致には限界があり、各々の機械的な共振周波数があまり離れていると第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数を同時に発生させ、第３の屈曲振動を発生させることはできない。
ここで、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の機械的な共振周波数を近づける工夫をする。棒状振動体の屈曲振動の周波数は屈曲方向の巾に比例するので、４叉型１０のＹ軸に垂直な断面の形状を、精度よく加工することにより、第２の屈曲振動の共振周波数と、第１の屈曲振動の共振周波数を近づけられる。
しかしながら、量産を考慮した場合、一般に加工に用いられるダイシングソーやワイヤソーによる加工精度は±３μｍ程度であるが、たとえば４叉型１０の各の足の巾を３００μｍ程度とすると、１％が加工精度の限界となる。これ以上の調整を必要とする場合は、棒状振動体の共振周波数は棒の長さの自乗に逆比例するので、図２に示すようにＺ方向から見た足の長さＬ１と、Ｘ方向から見た足の長さＬ２が異なるように各の又の深さが異なるように加工する。
この部分だけを局部的に、さらに高精度に加工することにより、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数をより精度よく一致させることができ、第３の屈曲振動を実現することができる。
この第３の屈曲振動が発生している時、４叉型１０がＹ軸の回りに、角速度ωで回転すると、各の足は、変位する方向に直交する方向にコリオリ力を受け、このコリオリ力により図１０に示す第４の屈曲振動が引き起こされる。第４の屈曲振動は、第３の屈曲振動と発振周波数が完全に一致している。したがって、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は、強制振動の理論によれば、最高の効率で行われ、第４の屈曲振動は非常に大きな振幅を得ることができる。
第４の屈曲振動は、Ｘ方向に成分として第５の屈曲振動をもつ。第５の屈曲振動は、第１の屈曲振動の振幅と位相を変化させる効果をもつ。第５の屈曲振動の効果は、第４の足１４においては、第１の屈曲振動により発生しているＹ−Ｘ面内の歪みを変化させ、図３に示した圧電素子３７、３８により発生する電圧が変化する。
Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので圧電素子３７、３８に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３７、３８の発生電圧は、差動入力の緩衝バッファＢ０の負に入力される。
また、第３の足１３においては、第１の屈曲振動により発生しているＹ−Ｘ面内の歪みを変化させ、図３に示した圧電素子３３、３４により発生する電圧が変化する。Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子３３、３４に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３３、３４の発生電圧も、差動入力の緩衝バッファＢ０の負に入力される。
ここに圧電素子３３，圧電素子３４，圧電素子３７および圧電素子３８は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＸ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。
同様に、第４の屈曲振動は、Ｚ方向に成分として、第６の屈曲振動をもつ。第６の屈曲振動は、第２の屈曲振動の振幅および位相を変化させる効果をもつ。第６の屈曲振動の効果は、第１の足１１においては、第２の屈曲振動により発生しているＹ−Ｚ面内の歪みを変化させ、図３に示した圧電素子２３、２４により発生する電圧が変化する。
Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子２３、２４に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子２３、２４の発生電圧は、差動入力の緩衝バッファＢ０の正に入力される。また、第３の足１３においては、第２の屈曲振動により発生しているＹ−Ｚ面内の歪みを変化させ、図３に示す圧電素子３１、３２により発生する電圧が変化する。
Ｙ方向歪みはコリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので圧電素子３１、３２に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３１、３２の発生電圧も、差動入力の緩衝バッファＢ０の正に入力される。ここに圧電素子２３，圧電素子２４，圧電素子３１および圧電素子３２は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＺ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。
角速度ωの回転に対して第５の屈曲振動と第６の屈曲振動は互いに逆の効果をもつ。すなわち、角速度ωの回転方向により生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の振幅を増加させる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の振幅を減少させ、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の振幅を減少させる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の振幅を増加させる。また、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の位相を進ませる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の位相を遅らせ、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の位相を遅らせる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の位相を進ませる。
したがって、差動入力の緩衝バッファＢ０の出力は、第１の屈曲振動の交流出力と第２の屈曲振動の交流出力の差に、コリオリ力に起因する、第５の屈曲振動の効果と第６の屈曲振動の効果の和が、重ね合わされたものとなる。この出力から、ロックインアンプの構成をもって、交流出力を取り除く。まず緩衝バッファＢ０の出力をバンドパスフィルタＲ１により成形し、乗算器Ｒ２に入力する。乗算器は、ＤＣドリフトを抑えるため、スイッチング方式とする。すなわち、入力信号の位相が０度以上１８０度未満を通過させ、１８０度以上３６０度未満を反転して出力する。
信号反転に用いる位相情報は、オペアンプＨ０の出力を２値化回路Ｒ４で２値化した後、移相回路Ｒ５で調整して作成した参照信号を用いる。乗算器Ｈ０の出力は非常に遮断周波数の小さいローパスフィルタＲ３で直流とする。この構成では、ノイズと見なされる参照信号の周波数以外のほとんどの信号成分が取り除かれ、非常にＳ／Ｎのよい信号抽出が実現でき、その結果、コリオリ力に起因する第５の屈曲振動の効果と第６の屈曲振動の効果の和のみが直流として抽出される。これによって角速度ωの値を正確に知ることができる。
本発明における４叉型１０の第３の屈曲振動は、大きなＱ値をもつ音叉型発振器を構成している。すなわち非常に安定した周波数をもつ信号である。したがって、これを参照信号として用いることによりロックインアンプの機能であるバンドパスフィルタのバンド幅を非常に小さくできる。言い換えると、これを用いることにより、角速度ωに起因する信号以外のノイズをほとんど除外できる。
したがって、第３の屈曲振動からの信号を参照信号とするロックインアンプは、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動が生成する信号の検出に際して、非常に大きなＳ／Ｎ比をもつ増幅を実現できる。本実施の形態においては、これらを最も安価に実現するための最少の構成を示した。
第２の具体例
以下、本発明の第２の具体例の実施の形態振動の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から図１２は本具体例の実施の形態である振動ジャイロであり、図１は、以後４叉型と呼ぶ、４脚音叉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は圧電素子の位置を示し、振動調整のための又の位置を示す斜視図であり、図４は４叉型の足の先端側から見たＹ軸方向の圧電素子の断面および配線模式図であり、図６は４叉型を円筒状の管に封入した振動ジャイロの構成を示す外観図であり、図７，図８，図９および図１０は４叉型の足の先端側から見たＹ軸方向の断面を模式的に表した動作説明図であり、図１１および図１２は圧電素子の変形の様子を示す斜視図であり、図３０，図３１，図３２および図３３は、コリオリ力の効果を示す動作説明図である。
図１に示すように、４叉型１０は第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４と図示しない圧電素子と基部１５から構成される。足は弾性をもつ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱であり、四角柱の側面に張り合わされた圧電素子からなる駆動部および検出部を有している。基部は弾性をもつ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱である。第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は互いに平行に方形の基部１５の４つの頂点の位置に配置されており、基部１５と第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は一体構造である。
本実施の形態で使用する金属は、弾性率の温度依存性が小さい鉄５０％，ニッケル３５％およびクロム９．１％を含む合金でエリンバーと呼ばれるものを用いる。同じく弾性率の温度依存性が非常に小さい石英ガラスを用いる場合は、あらかじめ表面に銀やクロムを無電界メッキや蒸着などの手法で薄膜形成しておく。
以下４叉型１０を説明するに際しては、座標軸Ｙ軸，Ｚ軸およびＸ軸を、各辺と平行な方向に定める。このとき長手方向、すなわち足の伸びた方向をＹ軸，巾方向をＺ軸および厚さ方向をＸ軸とする。このように定めた４叉型１０の、長手方向，巾方向および厚さ方向は、それぞれＹ軸，Ｚ軸およびＸ軸と平行となる。ただし、４叉型１０はＸ−Ｚ面内で対称な形状をもつので、ここで用いた巾と厚さという言葉は特別な意味をもたない。以下ではＸまたはＺ方向の巾という言葉を用いる。
図２に、一例として第１の足１１，第２の足１２に圧電素子からなる駆動部および検出部を接着した様子を示した。斜視図なので図示しないが第３の足１３および第４の足１４にも同様の圧電素子を貼り付けてある。圧電素子は、薄い板状の形状をしており、あらかじめ両面に銀やクロムの合金を蒸着してある。圧電素子の片面にエポキシ系の導電性接着剤を塗布し、各々の足に貼り付ける。
図４には図２に示した形状の圧電素子を、第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４を切断するＸ−Ｚ面内の断面に示した。図３においては、各々の足を駆動し検出する電極はバイモルフを構成するように配置した。図４には、ユニモルフでも駆動および検出は可能なので、必ずしも必要の無い音叉内側の圧電素子を省略して示した。
図４には加振用として、第１の足１１に圧電素子２５を張り付け，第２の足１２に圧電素子２７、２９を張り付け，第４の足１４に圧電素子３５を張り付けてある。また検出用として第１の足１１に圧電素子２３を張り付け，第３の足１３に圧電素子３１、３３を張り付け，第４の足１４に圧電素子３７を張り付けてある。
図４には加振用圧電素子２５，２７，２９、３５のそれぞれの電極と共に用いてすべての足を自励発振させる発振回路を構成するオペアンプＨ０，オペアンプＨ０を用いた反転増幅器の増幅率を決定する第１の抵抗Ｈ１，第２の抵抗Ｈ２，第３の抵抗Ｈ３，位相調整用の抵抗Ｈ４およびコンデンサＨ５を示し、検出用圧電素子３３、３７の各々の電極からの信号を検出する第１のロックインアンプを構成する第１の緩衝バッファＢ１，第１のバンドパスフィルタＲ１１，第１の乗算器Ｒ１２，第１のローパスフィルタＲ１３，検出用圧電素子２３、３１の各々の電極からの信号を第１のロックインアンプの参照波として検出する第２の緩衝バッファＢ２，参照波を波形整形する第１の波形整形回路Ｒ１４および参照波の位相を調整する第１の移相回路Ｒ１５を示し、検出用圧電素子２３、３１の各々の電極からの信号を検出する第２のロックインアンプを構成する第３の緩衝バッファＢ３，第２のバンドパスフィルタＲ２１，第２の乗算器Ｒ２２，第２のローパスフィルタＲ２３，検出用圧電素子３３、３７の各々の電極からの信号を第２のロックインアンプの参照波として検出する第４の緩衝バッファＢ４，参照波を波形整形する第２の波形整形回路Ｒ２４および参照波の位相を調整する第２の移相回路Ｒ２５を示し、第１のローパスフィルタＲ１３と第２のローパスフィルタＲ２３の出力を合成する差動増幅回路Ｒ１０を示す。
図６に４叉型１０を円筒状の管に封入したジャイロ素子としての構成を示す。ベース１６は、セラミックなどの絶縁性材料で構成されるが、上面には配線基板２２が接着してある。４叉型１０は基部１５を配線基板２２と接着固定する。４叉型１０を固定したベース１６は、金属製キャップ１７に圧入し、ベース１６と金属キャップ１７で封止することにより、４叉型１０が存在する内部環境を一定に保つ。この内部環境はたとえば窒素等の不活性ガスの雰囲気とし、振動子としての４叉型１０の振動特性、すなわちＱ値や共振インピーダンス値が、振動ジャイロとして扱いやすいものとなるように考慮して気圧を調節する。
４叉型１０に貼り付けられた図４に示した圧電素子２５，２７，２９，３５，２３，３１，３３、３７の電極部は、ベース１６に気密圧入されたリード１８，１９，２０、２１と導線を用いてハンダ付けにより電気的に接続される。リード１８，１９，２０、２１は、図４に示した発振回路とロックインアンプを構成する緩衝バッファＢ１，Ｂ２，Ｂ３、Ｂ４に接続される。
図４において、オペアンプＨ０から、第１の足１１の圧電素子２５の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２５がＹ方向に縮み、その結果、Ｘ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともにこの方向は変化し、その結果、第１の足１１はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき駆動する足が第１の足１１のみであったとしても、第１の足１１の振動が基部１５を通して伝達し、第２の足１２、第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ−Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ−Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が自励発振する。このとき第２の足１２の圧電素子２９の電極からは、自励発振を継続するための電圧信号がオペアンプＨ０に帰還される。このオペアンプＨ０が加振する足が第２の足１２であり、帰還信号を受け取る足が第１の足１１であってもよい。
これと同時に、オペアンプＨ０から、第４の足１４の圧電素子３５の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子３５がＹ方向に縮み、結果としてＺ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともにこの方向は変化し、その結果、第４の足１４はＺ軸方向に屈曲振動する。
このとき駆動する足が第４の足１４のみであったとしても、第４の足１４の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第２の足１２、第３の足１３が自動的に励振され、第１の足１１と第３の足１３がＹ−Ｚ面内で音叉型に振れ、第２の足１２と第４の足１４がＹ−Ｚ面内で、第１の足１１と第３の足１３の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が自励発振する。このとき第２の足１２の圧電素子２７の電極からは、自励発振を継続するための電圧信号がオペアンプＨ０に帰還される。このオペアンプＨ０が加振する足が第２の足１２であり、帰還信号を受け取る足が第４の足１４であってもよい。
図７に第１の屈曲振動を模式的に示す。第１の屈曲振動では、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｘ面内で屈曲振動を行うが、ここではある瞬間の変位方向を矢印で示している。さらに、図８に第２の屈曲振動を模式的に示す。第２の屈曲振動では４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｚ面内で屈曲振動を行う。ここでもある瞬間の変位方向を実線矢印で示している。
図７に示した第１の屈曲振動および図８に示した第２の屈曲振動は４叉型１０の試作品の動作確認により、弾性体としての共振周波数の存在が確認されているものである。すなわち第１の屈曲振動においては、すべての足はＸ方向に振動しており、第１の足１１と第２の足１２は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第３の足１３と第４の足１４は、第１の足１１と第２の足１２が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。
一方第２の屈曲振動においては、すべての足はＺ方向に振動しており、第１の足１１と第３の足１３は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第２の足１２と第４の足１４は、第１の足１１と第３の足１３が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。これらの振動は４本の足が互いにバランスを取り合い、基部１５は振動の節となっておりほとんど振動しないので、４叉型１０は支持の方法によって振動状態が変わることはほとんどない。
図９に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が同時に存在する場合の４叉型１０の屈曲振動の様子を模式的に示す。Ｘ軸とＺ軸方向に対称な形状をもつ設計の４叉型１０であるが、工作精度が十分でなくこの対称性が保証されない場合は、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の各々固有の機械的共振周波数が離れてしまうが、図４の回路構成においては、１つのオペアンプＨ０に第１の屈曲振動および第２の屈曲振動の参照信号を入力し、１つのオペアンプＨ０の電圧出力で第１の屈曲振動および第２の屈曲振動を励振している。
この場合第１の屈曲振動を行う４叉型１０の電気機械振動系と第２の屈曲振動を行う４叉型１０の電気機械振動系は結合し、第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２は各々変化して同じ周波数となり、第１の屈曲振動の周波数ｆ１と第２の屈曲振動の周波数ｆ２の中間の周波数ｆをもつ第３の屈曲振動が発生する。
ここで注意しなければならないことがある。図４に示す回路構成は、電気機械的な引き込み効果で第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数を一致させるが、各々の機械的なＱ値が大きい場合は周波数の一致には限界があり、各々の機械的な共振周波数があまり離れていると第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数を同時に発生させ、第３の屈曲振動を発生させることはできない。
ここで、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の機械的な共振周波数を近づける工夫をする。棒状振動体の屈曲振動の周波数は屈曲方向の巾に比例するので、４叉型１０のＹ軸に垂直な断面を、精度よく加工することにより、第２の屈曲振動の共振周波数と、第１の屈曲振動の共振周波数を近づけられる。
しかしながら、量産を考慮した場合、一般に加工に用いられるダイシングソーやワイヤソーによる加工精度は±３μｍ程度であるが、たとえば４叉型１０の各の足の巾を３００μｍ程度とすると、１％が加工精度の限界となる。これ以上の調整を必要とする場合は、棒状振動体の共振周波数は棒の長さの自乗に逆比例するので、図２に示すようにＺ方向から見た足の長さＬ１と、Ｘ方向から見た足の長さＬ２が異なるように各の又の深さが異なるように加工する。この部分だけを局部的に、さらに高精度に加工することにより、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数をより精度よく一致させることができ、第３の屈曲振動を実現することができる。
この第３の屈曲振動が発生しているとき、４叉型１０がＹ軸の回りに、角速度ωで回転すると、各の足は、変位する方向に直交する方向にコリオリ力を受け、このコリオリ力により図１０に示す第４の屈曲振動が引き起こされる。第４の屈曲振動は、第３の屈曲振動と発振周波数が完全に一致している。したがって、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は、強制振動の理論によれば、最高の効率で行われ、第４の屈曲振動は非常に大きな振幅を得ることができる。
第４の屈曲振動はＸ方向に成分として、第５の屈曲振動をもつ。第５の屈曲振動は第１の屈曲振動の振幅および位相を変化させる効果をもつ。第５の屈曲振動の効果は、第４の足１４においては、第１の屈曲振動により発生しているＹ−Ｘ面内の歪みを変化させ、図４に示した圧電素子３７により発生する電圧が変化する。Ｙ方向歪みはコリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子３７に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。
この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３７の発生電圧は、緩衝バッファＢ１、Ｂ４に入力する。また第３の足１３においては、第１の屈曲振動により発生しているＹ−Ｘ面内の歪みを変化させ、図４に示した圧電素子３３により発生する電圧が変化する。Ｙ方向歪みはコリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので圧電素子３３に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３３の発生電圧も、緩衝バッファＢ１、Ｂ４に入力する。
ここに圧電素子３３および圧電素子３７は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＸ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。
同様に、第４の屈曲振動は、Ｚ方向に成分として、第６の屈曲振動をもつ。第６の屈曲振動は、第２の屈曲振動の振幅および位相を変化させる効果をもつ。第６の屈曲振動の効果は、第１の足１１においては、第２の屈曲振動により発生しているＹ−Ｚ面内の歪みを変化させ、図４に示した圧電素子２３により発生する電圧が変化する。
Ｙ方向歪みはコリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子２３に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子２３の発生電圧は、緩衝バッファＢ２、Ｂ３に入力する。また、第３の足１３においては、第２の屈曲振動により発生しているＹ−Ｚ面内の歪みを変化させ、図４に示した圧電素子３１により発生する電圧が変化する。
Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子３１に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３１の発生電圧も、緩衝バッファＢ２、Ｂ３に入力する。ここに圧電素子２３および圧電素子３１は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＺ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。
角速度ωの回転に対して第５の屈曲振動と第６の屈曲振動は互いに逆の効果をもつ。すなわち、角速度ωの回転方向により生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の振幅を増加させる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の振幅を減少させ、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の振幅を減少させる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の振幅を増加させる。また、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の位相を進ませる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の位相を遅らせ、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の位相を遅らせる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の位相を進ませる。
したがって、緩衝バッファＢ１の出力は、第１の屈曲振動の交流出力に、コリオリ力に起因する、第５の屈曲振動の効果が重ね合わされたものとなる。この出力から、ロックインアンプの構成をもって、交流成分を取り除く。まず、緩衝バッファＢ１の出力をバンドパスフィルタＲ１１により成形し、乗算器Ｒ１２に入力する。乗算器は、ＤＣドリフトを抑えるため、スイッチング方式とする。
すなわち、入力信号の位相が０度以上１８０度未満を通過させ、１８０度以上３６０度未満を反転して出力する。入力信号の信号反転に用いる位相情報は、緩衝バッファＢ２の出力を２値化回路Ｒ１４で２値化した後、移相回路Ｒ１５で調整して作成した参照信号を用いる。乗算器Ｒ１２の出力は非常に遮断周波数の小さいローパスフィルタＲ１３で直流とする。この構成では、ノイズと見なされる参照信号の周波数以外のほとんどの信号成分が取り除かれ、非常にＳ／Ｎのよい信号抽出が実現でき、結果として、コリオリ力に起因する第５の屈曲振動の効果および第１の屈曲振動による定常的な出力の重ね合わされたもののみが、直流として抽出される。
つぎに、緩衝バッファＢ３の出力は、第２の屈曲振動の交流出力に、コリオリ力に起因する、第６の屈曲振動の効果が重ね合わされたものとなる。この出力から、ロックインアンプの構成をもって、交流成分を取り除く。まず、緩衝バッファＢ３の出力をバンドパスフィルタＲ２１により成形し、乗算器Ｒ２２に入力する。乗算器はＤＣドリフトを抑えるため、スイッチング方式とする。
すなわち入力信号の位相が０度以上１８０度未満を通過させ、１８０度以上３６０度未満を反転して出力する。入力信号の信号反転に用いる位相情報は、緩衝バッファＢ４の出力を２値化回路Ｒ２４で２値化した後、移相回路Ｒ２５で調整して作成した参照信号を用いる。乗算器Ｒ２２の出力は非常に遮断周波数の小さいローパスフィルタＲ２３で直流とする。この構成では、ノイズと見なされる参照信号の周波数以外のほとんどの信号成分が取り除かれ、非常にＳ／Ｎのよい信号抽出が実現でき、その結果、コリオリ力に起因する第６の屈曲振動の効果および第２の屈曲振動による定常的な出力の重ね合わされたもののみが、直流として抽出される。
第１の屈曲振動と第５の屈曲振動に起因するローパスフィルタＲ１３の出力と第２の屈曲振動と第６の屈曲振動に起因するローパスフィルタＲ２３の出力とは差動増幅器Ｒ１０によって加算され、結果としてコリオリ力の効果は差動増幅器Ｒ１０から出力される。
ここに図４に示す４叉型１０の圧電素子２３，３１，３３，３７の出力は、圧電素子３３、３７からのＸ方向の信号を入力とする第１のロックインアンプの参照には圧電素子２３、３１からのＺ方向の信号を用い、圧電素子２３、３１からのＺ方向の信号を入力とする第２のロックインアンプの参照には圧電素子３３、３７からのＸ方向の信号が用いられることを示した。
ロックインアンプの参照信号としては、参照信号が常時出力されている必要があるので図３に示したように、発振回路を構成するオペアンプＨ０の出力を用いる場合が多い。しかしながら、自励発振のエネルギーを供給する素子の出力は、４本の足で構成される機械発振系との間で常に微妙な調整を行っている。
この調整の効果は、機械発振系とオペアンプＨ０の出力との間の微妙な位相のズレとして発現する。ロックインアンプの入力信号と参照信号の間に位相のズレが存在する場合は、出力にＤＣドリフトを与えてしまう。ＤＣドリフトは、角速度を出力とする振動ジャイロにとって好ましくない。角度情報を求めることを目的とする振動ジャイロにとって、角速度に比例する直流出力にＤＣドリフトが加算されるとその積分値である角度情報は不正確になる。
本実施の形態においては、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動を常時発生させていることを利用し、第１のロックインアンプも第２のロックインアンプも参照信号としては、４叉型１０に発振のためのエネルギーを供給するオペアンプＨ０とは電気的に直接接続されていない信号を用いており、すなわち４叉型１０の機械振動の結果生じるエネルギーのみを用いているため、ロックインアンプの入力と参照信号の間に位相のズレはほとんど発生しない。したがって、ＤＣドリフトもほとんど発生しない。
図３０，図３１，図３２および図３３に第５屈曲振動および第６の屈曲振動として現れるコリオリ力の効果を示す。まず、図３０および図３１を用いて出力電圧の振幅に及ぼす効果について説明する。４叉型１０が静止している場合は、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃと振幅が一致、もしくは一定の振幅差をもって安定しており、説明の簡単のためこれを一致させ、静止時電圧出力Ａで示す。
４叉型１０が右回りに回転すると、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、図３０に破線で示すように振幅が増大し、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３０に一点鎖線で示すように振幅が減少する。また、４叉型１０が左回りに回転すると、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは図３１に破線で示すように振幅が減少し、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３１に一点鎖線で示すように振幅が増大する。
つぎに図３２と図３３とを用いて出力電圧の位相に及ぼす効果について説明する。４叉型１０が静止している場合は、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃと位相が一致または一定の差をもって安定しており、説明の簡単のためこれを一致させ、静止時電圧出力Ａで示す。４叉型１０が右回りに回転すると、圧電素子３３と圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、図３２に破線で示すように位相が遅れ、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３２に一点鎖線で示すように位相が進む。
また、４叉型１０が左回りに回転すると、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、図３３に破線で示すように位相が遅れ、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３３に一点鎖線で示すように位相が進む。
このコリオリ力による位相の変化は、たとえば電圧出力Ｃの位相を用いて電圧出力Ｂの信号の積分期間を決定する場合、図３２と図３３における電圧出力の時間積分値を現す正符号の面積Ｓ１および負符号の面積Ｓ２の和として図示した、４叉型１０が静止していて電圧出力Ｂおよび電圧出力Ｃがともに電圧出力Ａに等しい場合に対して、４叉型１０が回転している場合の正符号の面積Ｓ３と負符号の面積Ｓ４の和が変化することにより、ロックインアンプのＤＣ出力に影響を与える。ここに、電圧出力Ｂや電圧出力Ｃのように検出信号と参照信号が共に発振回路と電気的に接続されていないもの同士を用いた場合は、お互いの位相変化はコリオリ力のみを反映し、ＤＣドリフトはほとんど発生しない。
しかし、参照信号にオペアンプＨ０の出力等、発振回路の出力を用いる場合は、コリオリ力以外に発振制御のための位相変化が加わる。これがＤＣドリフトの原因である。角速度ωが毎秒９０度程度であれば、第１の屈曲振動の位相と第２の屈曲振動の相対的な位相のズレは１５度程度であるが、この程度の位相のズレであればロックインアンプのＤＣ出力は０．２％程度のリニアリティーをもって、角速度ωに比例する。この位相ズレによるロックインアンプの出力は、振幅変化によるロックインアンプの出力より大きい。
振幅変化および位相ズレの両方の効果を検出に用いることができ、かつＤＣドリフトがほとんど無い本実施の形態は、たとえばカメラ一体型ＶＴＲの手ブレ防止用途のような、小型にすると出力が小さくなる振動ジャイロの特性にもかかわらず、小型であることが重要な用途において、最適な振動ジャイロの構成を実現する。
第３の具体例
以下、本発明の振動ジャイロの第３の具体例に付いて、図面を基に説明する。
図１から図１２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４叉型と呼ぶ、４脚音叉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は圧電素子の位置を示し、振動調整のための又の位置を示す斜視図であり、図５は４叉型の足の先端側から見たＹ軸方向の圧電素子の断面および配線模式図であり、図６は４叉型を円筒状の管に封入した振動ジャイロの構成を示す外観図であり、図７，図８，図９および図１０は４叉型の足の先端側から見たＹ軸方向の断面を模式的に表した動作説明図であり、図１１と図１２は圧電素子の変形の様子を示す斜視図であり、図３０，図３１，図３２および図３３は、コリオリ力の効果を示す動作説明図である。
図１に示すように、４叉型１０は第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４と図示しない圧電素子と基部１５から構成される。足は弾性をもつ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱であり、四角柱の側面に張り合わされた圧電素子からなる駆動部および検出部を有している。基部は弾性をもつ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱である。第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は互いに平行に方形の基部１５の４つの頂点の位置に配置されており、基部１５と第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４は一体構造である。
本実施の形態で使用する金属は、弾性率の温度依存性が小さい鉄５０％，ニッケル３５％およびクロム９．１％を含む合金でエリンバーと呼ばれるものを用いる。同じく弾性率の温度依存性が非常に小さい石英ガラスを用いる場合は、あらかじめ表面に銀やクロムを無電界メッキや蒸着などの手法で薄膜形成しておく。
以下４叉型１０を説明するに際しては、座標軸Ｙ軸，Ｚ軸およびＸ軸を、各辺と平行な方向に定める。このとき、長手方向、すなわち足の伸びた方向をＹ軸，巾方向をＺ軸および厚さ方向をＸ軸とする。このように定めた４叉型１０の長手方向，巾方向および厚さ方向は、それぞれＹ軸，Ｚ軸およびＸ軸と平行となる。ただし、４叉型１０はＸ−Ｚ面内で対称な形状をもつので、ここで用いた巾と厚さという言葉は特別な意味をもたない。以下ではＸまたはＺ方向の巾という言葉を用いる。
図２に、一例として第１の足１１，第２の足１２に圧電素子からなる駆動部および検出部を接着した様子を示した。斜視図なので図示しないが第３の足１３および第４の足１４にも同様の圧電素子を貼り付けてある。圧電素子は、薄い板状の形状をしており、あらかじめ両面に銀やクロムの合金を蒸着してある。圧電素子の片面にエポキシ系の導電性接着剤を塗布し、各々の足に貼り付ける。
図５には図２に示した形状の圧電素子を、第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４を切断するＸ−Ｚ面内の断面に示した。図３では、各々の足を駆動し検出する電極は、バイモルフを構成するように配置した。図５には、ユニモルフでも駆動および検出は可能なので、必ずしも必要の無い音叉内側の圧電素子を省略して示した。図５には、加振用として、第１の足１１に圧電素子２５を張り付け，第２の足１２に圧電素子２７、２９を張り付け，第４の足１４に圧電素子３５を張り付けてある。また検出用として、第１の足１１に圧電素子２３を張り付け，第３の足１３に圧電素子３１、３３を張り付け，第４の足１４に圧電素子３７を張り付けてある。
図５には加振用圧電素子２５，２７，２９、３５のそれぞれの電極とともに使用して、すべての足を自励発振させる発振回路を構成するオペアンプＨ０，オペアンプＨ０を用いた反転増幅器の増幅率を決定する第１の抵抗Ｈ１，第２の抵抗Ｈ２，第３の抵抗Ｈ３，位相調整用の抵抗Ｈ４およびコンデンサＨ５を示し、検出用圧電素子３３、３７の各々の電極からの信号を検出する第１のロックインアンプを構成する第１の緩衝バッファＢ５，第１のバンドパスフィルタＲ３１，第１の乗算器Ｒ３２，第１のローパスフィルタＲ３３，検出用圧電素子３３、３７の各々の電極からの信号を第１のロックインアンプの参照波として検出する第２の緩衝バッファＢ６，参照波を波形整形する第１の波形整形回路Ｒ３４および参照波の位相を調整する第１の移相回路Ｒ３５を示し、検出用圧電素子２３、３１の各々の電極からの信号を検出する第２のロックインアンプを構成する第３の緩衝バッファＢ７，第２のバンドパスフィルタＲ４１，第２の乗算器Ｒ４２，第２のローパスフィルタＲ４３，検出用圧電素子２３、３１の各々の電極からの信号を第２のロックインアンプの参照波として検出する第４の緩衝バッファＢ８，参照波を波形整形する第２の波形整形回路Ｒ４４および参照波の位相を調整する第２の移相回路Ｒ４５を示し、第１のローパスフィルタＲ３３と第２のローパスフィルタＲ４３の出力を合成する差動増幅回路Ｒ２０を示す。
図６に４叉型１０を円筒状の管に封入したジャイロ素子としての構成を示す。ベース１６は、セラミックなどの絶縁性材料で構成されるが、上面には配線基板２２が接着してある。４叉型１０は基部１５を配線基板２２と接着固定する。４叉型１０を固定したベース１６は、金属製キャップ１７に圧入し、ベース１６と金属キャップ１７で封止することにより、４叉型１０が存在する内部環境を一定に保つ。この内部環境はたとえば窒素等の不活性ガスの雰囲気とし、振動子としての４叉型１０の振動特性、すなわちＱ値や共振インピーダンス値が、振動ジャイロとして扱いやすいものとなるように考慮して気圧を調節する。
４叉型１０に貼り付けられた図４に示した圧電素子２５，２７，２９，３５，２３，３１，３３、３７の電極部は、ベース１６に気密圧入されたリード１８，１９，２０、２１と導線を用いてハンダ付けによって電気的に接続する。リード１８，１９，２０、２１は、図４に示した発振回路とロックインアンプを構成する緩衝バッファＢ５，Ｂ６，Ｂ７、Ｂ８に接続される。
図５において、オペアンプＨ０から、第１の足１１の圧電素子２５の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２５がＹ方向に縮み、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第１の足１１はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき駆動する足が第１の足１１のみであったとしても、第１の足１１の振動が基部１５を通して伝達し、第２の足１２、第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ−Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ−Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が自励発振する。このとき第２の足１２の圧電素子２９の電極からは、自励発振を継続するための電圧信号がオペアンプＨ０に帰還される。このオペアンプＨ０が加振する足が第２の足１２であり、帰還信号を受け取る足が第１の足１１であってもよい。
これと同時に、オペアンプＨ０から、第４の足１４の圧電素子３５の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子３５がＹ方向に縮み、結果としてＺ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第４の足１４はＺ軸方向に屈曲振動する。
このとき駆動する足が第４の足１４のみであったとしても、第４の足１４の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第２の足１２、第３の足１３が自動的に励振され、第１の足１１と第３の足１３がＹ−Ｚ面内で音叉型に振れ、第２の足１２と第４の足１４がＹ−Ｚ面内で、第１の足１１と第３の足１３の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が自励発振する。このとき第２の足１２の圧電素子２７の電極からは、自励発振を継続するための電圧信号がオペアンプＨ０に帰還される。このオペアンプＨ０が加振する足が第２の足１２であり、帰還信号を受け取る足が第４の足１４であってもよい。
図７に第１の屈曲振動を模式的に示す。第１の屈曲振動では４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｘ面内で屈曲振動を行うが、ここではある瞬間の変位方向を矢印で示している。また図８に第２の屈曲振動を模式的に示す。第２の屈曲振動では４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｚ面内で屈曲振動を行なう。ここでもある瞬間の変位方向を実線矢印で示している。
図７に示した第１の屈曲振動と、図８に示した第２の屈曲振動は４叉型１０の試作品の動作確認により、弾性体としての共振周波数の存在がが確認されているものである。すなわち第１の屈曲振動においては、すべての足はＸ方向に振動しており、第１の足１１と第２の足１２は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第３の足１３と第４の足１４は、第１の足１１と第２の足１２が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。一方第２の屈曲振動においては、すべての足はＺ方向に振動しており、第１の足１１と第３の足１３は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第２の足１２と第４の足１４は、第１の足１１と第３の足１３が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。これらの振動は４本の足が互いにバランスを取り合い、基部１５は振動の節となっておりほとんど振動しないので４叉型１０は支持の方法によって振動状態が変わることはほとんどない。
図９に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が同時に存在する場合の４叉型１０の屈曲振動の様子を模式的に示す。Ｘ軸およびＺ軸方向に対称な形状をもつ設計の４叉型１０であるが、工作精度が十分でなくこの対称性が保証されない場合は、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の各々固有の機械的共振周波数が離れてしまうが、図４の回路構成においては、１つのオペアンプＨ０に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の参照信号を入力し、１つのオペアンプＨ０の電圧出力で第１の屈曲振動および第２の屈曲振動を励振している。
この場合第１の屈曲振動を行う４叉型１０の電気機械振動系と第２の屈曲振動を行う４叉型１０の電気機械振動系は結合し、第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２は各々変化して同じ周波数となり、第１の屈曲振動の周波数ｆ１と第２の屈曲振動の周波数ｆ２の中間の周波数ｆをもつ第３の屈曲振動が発生する。
ここで注意しなければならないことがある。図５に示す回路構成は、電気機械的な引き込み効果で第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数を一致させるが、各々の機械的なＱ値が大きい場合は周波数の一致には限界があり、各々の機械的な共振周波数があまり離れていると第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数を同時に発生させ、第３の屈曲振動を発生させることはできない。
ここで、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の機械的な共振周波数を近づける工夫をする。棒状振動体の屈曲振動の周波数は屈曲方向の巾に比例するので、４叉型１０のＹ軸に垂直な断面を、精度よく加工することにより、第２の屈曲振動の共振周波数と、第１の屈曲振動の共振周波数を近づけられる。
しかしながら、量産を考慮した場合、一般に加工に用いられるダイシングソーやワイヤソーによる加工精度は±３μｍ程度であるが、たとえば４叉型１０の各の足の巾を３００μｍ程度とすると、１％が加工精度の限界となる。これ以上の調整を必要とする場合は、棒状振動体の共振周波数は棒の長さの自乗に逆比例するので、図２に示すようにＺ方向から見た足の長さＬ１と、Ｘ方向から見た足の長さＬ２が異なるように各の又の深さが異なるように加工する。この部分だけを局部的に、さらに高精度に加工することにより、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数をより精度よく一致させることができ、第３の屈曲振動を実現することができる。
この第３の屈曲振動が発生している時、４叉型１０がＹ軸の回りに、角速度ωで回転すると、各の足は、変位する方向に直交する方向にコリオリ力を受け、このコリオリ力により図１０に示す第４の屈曲振動が引き起こされる。第４の屈曲振動は、第３の屈曲振動と発振周波数が完全に一致している。したがって、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は、強制振動の理論によれば、最高の効率で行われ、第４の屈曲振動は非常に大きな振幅を得ることができる。
第４の屈曲振動は、Ｘ方向に成分として、第５の屈曲振動をもつ。第５の屈曲振動は、第１の屈曲振動の振幅および位相を変化させる効果をもつ。第５の屈曲振動の効果は、第４の足１４においては、第１の屈曲振動により発生しているＹ−Ｘ面内の歪みを変化させ、図５に示した圧電素子３７により発生する電圧が変化する。Ｙ方向歪みはコリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので圧電素子３７に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。
この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３７の発生電圧は緩衝バッファＢ５、Ｂ６に入力する。また第３の足１３においては、第１の屈曲振動により発生しているＹ−Ｘ面内の歪みを変化させ、図５に示した圧電素子３３により発生する電圧が変化する。Ｙ方向歪みはコリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので圧電素子３３に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３３の発生電圧も、緩衝バッファＢ５、Ｂ６に入力する。ここに圧電素子３３および圧電素子３７は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＸ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。
同様に、第４の屈曲振動は、Ｚ方向に成分として、第６の屈曲振動をもつ。第６の屈曲振動は、第２の屈曲振動の振幅と位相を変化させる効果をもつ。第６の屈曲振動の効果は、第１の足１１においては、第２の屈曲振動により発生しているＹ−Ｚ面内の歪みを変化させ、図５に示した圧電素子２３により発生する電圧が変化する。Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子２３に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。
この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子２３の発生電圧は、緩衝バッファＢ７、Ｂ８に入力する。また第３の足１３においては、第２の屈曲振動により発生しているＹ−Ｚ面内の歪みを変化させ、図５に示した圧電素子３１により発生する電圧が変化する。Ｙ方向歪みはコリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子３１に発生した電圧の変化は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧の変化を含む圧電素子３１の発生電圧も緩衝バッファＢ７、Ｂ８に入力する。ここに圧電素子２３および圧電素子３１は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＺ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。
角速度ωの回転に対して第５の屈曲振動と第６の屈曲振動は互いに逆の効果をもつ。すなわち、角速度ωの回転方向により生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の振幅を増加させる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の振幅を減少させ、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の振幅を減少させる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の振幅を増加させる。また、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の位相を進ませる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の位相を遅らせ、角速度ωにより生じる第５の屈曲振動が第１の屈曲振動の位相を遅らせる時、角速度ωにより生じる第６の屈曲振動は第２の屈曲振動の位相を進ませる。
したがって、緩衝バッファＢ５の出力は、第１の屈曲振動の交流出力に、コリオリ力に起因する、第５の屈曲振動の効果が重ね合わされたものとなる。この出力から、ロックインアンプの構成をもって、交流成分を取り除く。まず、緩衝バッファＢ５出力をバンドパスフィルタＲ３１により成形し、乗算器Ｒ３２に入力する。乗算器は、ＤＣドリフトを抑えるため、スイッチング方式とする。
すなわち、入力信号の位相が０度以上１８０度未満を通過させ、１８０度以上３６０度未満を反転して出力する。入力信号の信号反転に用いる位相情報は、緩衝バッファＢ６の出力を２値化回路Ｒ３４で２値化した後、移相回路Ｒ３５で調整して作成した参照信号を用いる。乗算器Ｒ３２の出力は非常に遮断周波数の小さいローパスフィルタＲ３３で直流とする。この構成では、ノイズと見なされる参照信号の周波数以外のほとんどの信号成分が取り除かれ、非常にＳ／Ｎのよい信号抽出が実現でき、結果として、コリオリ力に起因する第５の屈曲振動の効果および第１の屈曲振動による定常的な出力の重ね合わされたもののみが、直流として抽出される。
つぎに、緩衝バッファＢ７の出力は、第２の屈曲振動の交流出力に、コリオリ力に起因する、第６の屈曲振動の効果が重ね合わされたものとなる。この出力から、ロックインアンプの構成をもって、交流成分を取り除く。まず、緩衝バッファＢ７の出力をバンドパスフィルタＲ４１により成形し、乗算器Ｒ４２に入力する。乗算器はＤＣドリフトを抑えるため、スイッチング方式とする。すなわち入力信号の位相が０度以上１８０度未満を通過させ、１８０度以上３６０度未満を反転して出力する。入力信号の信号反転に用いる位相情報は、緩衝バッファＢ８の出力を２値化回路Ｒ４４で２値化した後、移相回路Ｒ４５で調整して作成した参照信号を用いる。乗算器Ｒ４２の出力は非常に遮断周波数の小さいローパスフィルタＲ４３で直流とする。この構成では、ノイズと見なされる参照信号の周波数以外のほとんどの信号成分が取り除かれ、非常にＳ／Ｎのよい信号抽出が実現でき、その結果、コリオリ力に起因する第６の屈曲振動の効果および第２の屈曲振動による定常的な出力の重ね合わされたもののみが、直流として抽出される。
第１の屈曲振動と第５の屈曲振動に起因するローパスフィルタＲ３３の出力と第２の屈曲振動と第６の屈曲振動に起因するローパスフィルタＲ４３の出力とは差動増幅器Ｒ２０によって加算され、結果としてコリオリ力の効果は差動増幅器Ｒ２０から出力される。
ここに図５に示す４叉型１０の圧電素子２３，３１，３３，３７の出力は、圧電素子３３、３７からのＸ方向の信号を入力とする第１のロックインアンプの参照には圧電素子３３、３７からのＸ方向の信号自身が用いられ、圧電素子２３、３１からのＺ方向の信号を入力とする第２のロックインアンプの参照には圧電素子２３、３１からのＺ方向の信号自身が用いられることを示した。
ロックインアンプの参照信号としては、参照信号が常時出力されている必要があるので、図３に示すように、発振回路を構成するオペアンプＨ０の出力を用いる場合が多い。しかしながら、自励発振のエネルギーを供給する素子の出力は、４本の足で構成される機械発振系との間で常に微妙な調整を行っている。この調整の効果は、機械発振系とオペアンプＨ０の出力との間の微妙な位相のズレとして発現する。ロックインアンプの入力信号と参照信号の間に位相のズレが存在する場合は、出力にＤＣドリフトを与えてしまう。ＤＣドリフトは、角速度を出力とする振動ジャイロにとって好ましくない。
角度情報を求めることを目的とする振動ジャイロにとって、角速度に比例する直流出力にＤＣドリフトが加算されるとその積分値である角度情報は不正確になる。本実施の形態においては、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動を常時発生させていることを利用し、第１のロックインアンプも第２のロックインアンプも参照信号としては、各々検出に用いる信号自身を用いており、ロックインアンプの入力と参照信号の問に位相のズレはまったく発生しない。したがって、ＤＣドリフトは全く発生しない。
尚、本発明に使用される振動ジャイロにおいて、第５屈曲振動および第６の屈曲振動として現れるコリオリ力の効果を図３０，図３１，図３２および図３３に示す。まず、図３０および図３１を用いて出力電圧の振幅に及ぼす効果について説明する。４叉型１０が静止している場合は、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃと振幅が一致、もしくは一定の振幅差をもって安定しており、説明の簡単のためこれを一致させ、静止時電圧出力Ａで示す。４叉型１０が右回りに回転すると、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、図３０に破線で示すように振幅が増大し、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３０に一点鎖線で示すように振幅が減少する。また、４叉型１０が左右回りに回転すると、圧電素子３３と圧電素子３７とからの電圧出力Ｂは、図３１に破線で示すように振幅が減少し、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３１に一点鎖線で示すように振幅が増大する。つぎに図３２および図３３を用いて出力電圧の位相に及ぼす効果について説明する。４叉型１０が静止している場合は、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃと位相が一致、もしくは一定の振幅差をもって安定しており、説明の簡単のためこれを一致させ、静止時電圧出力Ａで示す。４叉型１０が右回りに回転すると、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、図３２に破線で示すように位相が遅れ、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３２に一点鎖線で示すように位相が進む。また、４叉型１０が左回りに回転すると、圧電素子３３および圧電素子３７からの電圧出力Ｂは、図３３に破線で示すように位相が遅れ、圧電素子２３および圧電素子３１からの電圧出力Ｃは、図３３に一点鎖線で示すように位相が進む。
検出信号自身を参照信号として用いる本実施の形態においては位相ズレの効果は全く寄与しない。振幅変化のみの効果を検出に用いる本実施の形態は、たとえば車載用のカーナビゲーションシステムや大型の機械の姿勢制御といった、ジャイロ素子の大きさにあまり制限はないが、ＤＣドリフトを含むノイズが無いことが重要な用途において、最もノイズの少ない理想的な振動ジャイロの構成を実現する。
以上の説明で明らかなように、本具体例による振動ジャイロでは、４本の足を対称性よく配置したことにより、いずれの振動においても基部が静止しており、保持方法により性能に影響が無く、加工組立精度に過大な期待をすることなくゲインを大きくとるための励振と検出の共振周波数の一致を実現できるので量産に向き、構造上共振検出方向のゲインが大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるのでノイズが少なく、高いＳ／Ｎを実現している。
次に、本発明に係る振動ジャイロの他の具体例に付いて説明する。
即ち、図３４は、本発明に係る第４の具体例である振動ジャイロの構成を示しており、具体的には、４本の足と電極と基部を備える振動ジャイロであって、足は弾性をもつ金属からなり、足は形状が四角柱であり、足は四角柱の側面に駆動部と検出部を有し、駆動部と検出部は圧電素子からなり、基部は弾性をもつ金属からなり、基部は形状が四角柱であり、基部と４本の足は一体構造であり、４本の足は互いに平行に基部に田の字形に配置されており、第１，第２，第３および第４の足の駆動部に印加した交流電圧により生じた振動が基部を通して伝達してすべての足に生じた第１の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第１の屈曲振動に直交する方向の第２の屈曲振動の結果生じる電圧を第１，第２，第３および第４の足の検出部により検出する振動ジャイロが示されている。
本具体例に於ける振動ジャイロの田の字配置された平行な４本の足および基部は、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数が一致するようにほぼ正方形の断面を有するように成形されているものであり、又、当該振動ジャイロの田の字配置された平行な４本の足は、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数がほぼ一致するように、幅方向から見た足の長さと、厚さ方向から見た足の長さが異なるように各の又の位置が調整されているものである。
当該振動ジャイロの作動の方法としては、例えば、第１および第２の足の駆動部に交流電圧を印加し、第１の屈曲振動を行なわせると同時に、第２および第４の足の駆動部に交流電圧を印加し、第１の屈曲振動と直交する方向に、第１の屈曲振動と振動数および位相が一致する第２の屈曲振動を発生させておき、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動として、第３の屈曲振動を発生させ、第３の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第３の屈曲振動に直交する方向の、第４の屈曲振動の第１の屈曲振動の方向の成分である第５の屈曲振動の結果生じる電圧を、第３および第４の足の検出部により検出し、第４の屈曲振動の第２の屈曲振動の方向の成分である第６の屈曲振動の結果生じる電圧を、第１および第３の足の検出部により検出するものである。
係る具体例に於いては、第３の屈曲振動を生成するための交流電圧を発生させる発振回路と、第４の屈曲振動を生成するための交流電圧を発生させる発振回路は、電気機械的振動の引き込み効果により各の振動の周波数と位相を一致させるため、別々に設けず１つの発振回路とすること有っても良く、又、第３の屈曲振動を生成するための第１の発振回路と、第４の屈曲振動を生成するための第２の発振回路の、各の振動の周波数と位相を一致させるため、一方が他方のまたは双方の発振に対してＰＬＬループによるフィードバック回路を有するものであっても良い。
本発明に係る具体例に於いては、第１の屈曲振動を発生する発振回路の出力を参照信号として第２の屈曲信号の結果生じる電圧出力を検出するロックインアンプを備えていても良く、更には、第１の屈曲振動を発生する発振回路の出力を参照信号として、第５の屈曲振動の結果生じる電圧出力を検出し、第１の直流に変換する第１のロックインアンプと、第１の屈曲振動を発生する発振回路の出力を参照信号として、第６の屈曲振動の結果生じる電圧出力を検出し、第２の直流に変換する第２のロックインアンプを備えたもので有っても良い。
一方、本具体例に於ける当該振動ジャイロに於いては、第１の屈曲振動を発生する第１の発振回路の出力を参照信号として、第５の屈曲振動の結果生じる電圧出力を検出し、第１の直流に変換する第１のロックインアンプと、第１の屈曲振動を発生する第１の発振回路の出力を参照信号として、第６の屈曲振動の結果生じる電圧出力を検出し、第２の直流に変換する第２のロックインアンプを備えていても良く、又、第５の屈曲振動の結果生じる電圧と第６の屈曲振動の結果生じる電圧の双方を入力とする差動アンプを有するもので有っても良い。
図３４には、本発明に係る第４の具体例に於ける当該振動ジャイロの設けられる圧電素子の形状が示されており、具体的には、第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４を切断するＸ−Ｚ面内の断面に示した。加振用として、第１の足１１に圧電素子２５および２６を張り付け，第２の足１２に圧電素子２９および３０を張り付け，第３の足１３に圧電素子３３および３４を張り付け，第４の足１４に圧電素子３７および３８を張り付けてある。また検出用として、第１の足１１に圧電素子２３および２４を張り付け，第２の足１２に圧電素子２７および２８を張り付け，第３の足１３に圧電素子３１および３２を張り付け，第４の足１４に圧電素子３５および３６を張り付けてある。
また、図３４には加振用圧電素子２５，２６，２９，３０，３３，３４，３７および３８の各々の電極に交流電圧を印加する発振回路４３および、検出用圧電素子２３，２４，２７，２８，３１，３２，３５および３６の各々の電極からの信号を検出する検出回路を構成する緩衝バッファ４４，４５，４６，４７およびロックインアンプ４８，４９，５０，５１および差動増幅アンプ５２，５３および差動アンプ５４を示し、これらの間の配線を示してある。
図３４に記入した（＋）および（−）の記号は、４叉型１０の各々の足に貼り付ける圧電素子の面のうち、足に接着されている面がいずれの面であるかを示している。また図３４には第１の足１１のＹ方向の屈曲振動の第１の中立線３９を点で示し、第２の足１２のＹ方向の屈曲振動の第２の中立線４０を点で示し、第３の足１３のＹ方向の屈曲振動の第３の中立線４１を点で示し、第４の足１４のＹ方向の屈曲振動の第４の中立線４２を点で示す。図の外側の線は各圧電素子の電極間の配線を模式的に示したもので、発振回路４３と検出回路を構成する緩衝バッファ４４，４５，４６および４７に接続している。
図３４に於て、発振回路４３からの交流電圧により、第１の足１１の圧電素子２５および２６の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２５がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子２６がＹ方向に伸び、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。
時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第１の足１１はＸ軸方向に屈曲振動する。また、第２の足１２の圧電素子２９および３０の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２９がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子３０がＹ方向に伸び、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第２の足１２はＸ軸方向に屈曲振動する。また第３の足１３の圧電素子３３および３４の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子３３がＹ方向に伸び、この時同時に圧電素子３４がＹ方向に縮み、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。
時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第３の足１３はＸ軸方向に屈曲振動する。また、第４の足１４の圧電素子３７および３８の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子３７がＹ方向に伸び、この時同時に圧電素子３８がＹ方向に縮み、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第４の足１４はＸ軸方向に屈曲振動する。発振回路４３の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、これらの屈曲振動は基部１５を通して伝達し、全体として同じ周波数と位相で振動する第１の屈曲振動が発生する。
このとき、駆動する足が第１の足１１のみであったとしても、発振回路４３の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第１の足１１の振動が基部１５を通して伝達し、第２の足１２，第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ−Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ−Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が発生する。
前記した図７を参照して第１の屈曲振動を模式的に示す。第１の屈曲振動では、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｘ面内で屈曲振動を行うが、ここではある瞬間の変位方向を矢印で示している。この第１の屈曲振動が発生している時、４叉型１０がＹ軸の回りに、角速度ωで回転すると各の足は、変位する方向に直交する方向にコリオリ力を受け、このコリオリ力により第２の屈曲振動が引き起こされる。
又、前記した図８を参照して第１の屈曲振動により引き起こされる第２の屈曲振動を模式的に示す。第２の屈曲振動では４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｚ面内で屈曲振動を行い、第１の足１１と第３の足１３がＹ−Ｚ面内で音叉型に振れ第２の足１２と第４の足１４がＹ−Ｚ面内で逆相で音叉型に振れるている。ここでもある瞬間の変位方向を実線矢印で示している。
第２の屈曲振動では、たとえば第１の足１１においては、Ｙ−Ｚ面内の屈曲を生じる。Ｙ方向の歪みは、コリオリ力発生の原理にしたがい、角速度ωに比例するが、圧電素子の性質から歪みの量に比例する電圧が発生する。図３に示すようにＹ−Ｚ面内の屈曲振動は圧電素子２３および２４によりその電極に角速度ωに比例した電圧を生じ、図３に示した様に緩衝バッファ４６に導かれる。同様に第２の足１２のＹ−Ｚ面内の屈曲振動は圧電素子２７および２８の電極に角速度ωに比例した電圧を生じ、緩衝バッファ４５に導かれ、第３の足１３のＹ−Ｚ面内の屈曲振動は圧電素子３１および３２の電極に角速度ωに比例した電圧を生じ、緩衝バッファ４７に導かれて、第４の足１４のＹ−Ｚ面内の屈曲振動は圧電素子３５および３６の電極に角速度ωに比例した電圧を生じ、緩衝バッファ４４に導かれ、緩衝バッファ４４，４５，４６および４７の各々の出力は、発振回路４３の出力を参照としてロックインアンプ４８，４９，５０および５１により増幅され、ロックインアンプ４８および４９の出力は差動アンプ５２で増幅され、ロックインアンプ５０および５１の出力は差動アンプ５３にて増幅され、差動アンプ５２および５３の出力は、差動アンプ５４により増幅される。差動アンプ５４の出力は第２の屈曲振動を引き起こす角速度ωに比例する。これによって角速度ωの値を知ることができる。
図７に示した第１の屈曲振動および図８に示した第２の屈曲振動は４叉型１０の試作品の動作確認により、弾性体としての共振周波数の存在がが確認されているものである。すなわち第１の屈曲振動においては、すべての足はＸ方向に振動しており、第１の足１１と第２の足１２は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第３の足１３と第４の足１４は、第１の足１１と第２の足１２が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。一方第２の屈曲振動においては、すべての足はＺ方向に振動しており、第１の足１１と第３の足１３は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第２の足１２と第４の足１４は、第１の足１１と第３の足１３が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。これらの振動は４本の足が互いにバランスを取り合い、基部１５は振動の節となっておりほとんど振動しないので、４叉型１０は支持の方法によって振動状態が変わることはない。
今たとえばあらかじめ図７に示す第１の屈曲振動を行わせておき、Ｙ軸の回りに回転角速度ωを与え、コリオリ力を発生させると、コリオリ力は第１の屈曲振動の方向に垂直な方向に働くので、図８に示した第２の屈曲振動が励起される。しかしながら、一般に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振周波数が離れていると、第１の屈強振動は充分な振幅の第２の屈曲振動を励起させることができない。Ｘ軸およびＺ軸方向に対称な形状をもつ設計の４叉型１０であるが、工作精度が充分でなくこの対称性が保証されない場合は、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振周波数が離れてしまう。
したがって、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数を近づけなければならない。棒状振動体の屈曲振動の周波数は屈曲方向の巾に比例するので、４叉型１０のＹ軸に垂直な断面を、精度良く加工する。これによって、角速度ωに対して第２の屈曲振動の屈曲を大きくすることができる。
しかしながら、量産を考慮した場合、一般に金属加工に用いられるダイシングソーやワイヤソーによる加工精度は±３μｍ程度であるが、たとえば４叉型１０の各の足の巾を３００μｍ程度とすると、１％が加工精度の限界となる。これ以上の調整を必要とする場合は、棒状振動体の共振周波数は棒の長さの自乗に逆比例するので、図２に示す様にＺ方向から見た足の長さＬ１と、Ｘ方向から見た足の長さＬ２が異なるように各の又の深さが異なるように加工する。この部分だけを局部的に、さらに高精度に加工することにより、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数をより精度良く一致させることができる。これによって、角速度ωに対して第２の屈曲振動の屈曲をさらに大きくできる。
本具体例に於て、４叉型１０の第１の屈曲振動は、発振回路４３と結合して、かなり大きなＱ値をもつ音叉型発振器を構成している。すなわち非常に安定した周波数をもつ。言い換えると、これを用いることにより、第１の屈曲振動と同じ周波数をもつ、コリオリ力による励振周波数以外の振動に起因するノイズをほとんど除外できる。
図３４の検出回路は、ロックインアンプと差動アンプから構成されており、発振回路４３の信号を、参照信号として用いている。したがって、第１の屈曲振動からの信号を参照信号とするロックインアンプは、第２の屈曲振動からの信号の検出に際して、非常に大きなＳ／Ｎ比をもつ増幅を実現できる。また第２の屈曲振動を検出する電圧は互いに逆相となる第１の足１１の電圧および第３の足１３の電圧から差動増幅されたものおよび、やはり互いに逆相となる第２の足１２の電圧および第４の足１４の電圧から差動増幅されたものを用いるため、４叉型１０に加わる振動や撃力に起因するノイズは、すべての足の屈曲方向が同方向となるため相殺されて寄与せず、さらに高いＳ／Ｎを実現する。
次に、本発明に係る当該振動ジャイロの第５の具体例に付いて以下に説明する。
図３５には、本発明に係る第５の具体例である振動ジャイロの構成の概要が示されており、図２に示す形状の圧電素子を、第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４を切断するＸ−Ｚ面内の断面に示す。加振用として、第１の足１１に圧電素子２５および２６を張り付け，第２の足１２に圧電素子２７，２８，２９および３０を張り付け，第４の足１４に圧電素子３５および３６を張り付けてある。また検出用として、第１の足１１に圧電素子２３および２４を張り付け，第３の足１３に圧電素子３１，３２，３３および３４を張り付け，第４の足１４に圧電素子３７および３８を張り付けてある。
図３５には加振用圧電素子２５，２６，２７，２８，２９，３０，３５，および３６のそれぞれの電極に交流電圧を印加する発振回路４３、および検出用圧電素子２３，２４，３１，３２，３３，３４，３７および３８の各々の電極からの信号を検出する検出回路を構成する緩衝バッファ４４，４５，４６，４７およびロックインアンプ４８，４９，５０，５１および差動増幅アンプ５２，５３および差動アンプ５４を示し、これらの間の配線を示してある。また、後述する本発明に係る第６の具体例を示す図３６には加振用圧電素子２７，２８，３５および３６の各々の電極に交流電圧を印加する第１の発振回路５５および、加振用圧電素子２５，２６，２９および３０の各々の電極に交流電圧を印加する第２の発振回路５６および、第１の発振回路と第２の発振回路の周波数と位相を一致させるＰＬＬ回路５７および、検出用圧電素子２３，２４，３１，３２，３３，３４，３７および３８の各々の電極からの信号を検出する検出回路を構成する緩衝バッファ４４，４５，４６，４７およびロックインアンプ４８，４９，５０，５１および差動増幅アンプ５２，５３および差動アンプ５４を示し、これらの間の配線を示してある。
又、図３５および図３６に記入した（＋）および（−）の記号は、４叉型１０の各々の足に貼り付けられた圧電素子の面のうち、足に接着されている面がいずれの面であるかを示している。また図３５および図３６には第１の足１１のＹ方向の屈曲振動の第１の中立線３９を点で示し、第２の足１２のＹ方向の屈曲振動の第２の中立線４０を点で示し、第３の足１３のＹ方向の屈曲振動の第３の中立線４１を点で示し、第４の足１４のＹ方向の屈曲振動の第４の中立線４２を点で示す。図の外側の線は各圧電素子の電極間の配線を模式的に示したもので、図３５においては発振回路４３と検出回路を構成する緩衝バッファ４４，４５，４６および４７に接続している。また図５では、第１の発振回路５５および第２の発振回路５６と検出回路を構成する緩衝バッファ４４，４５，４６および４７に接続している。
図３５において、発振回路４３からの交流電圧により、第１の足１１の圧電素子２５および２６の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２５がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子２６がＹ方向に伸び、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として第１の足１１はＸ軸方向に屈曲振動する。また、第２の足１２の圧電素子２９および３０の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２９がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子３０がＹ方向に伸び、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。
時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第２の足１２はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第１の足１１および第２の足１２のみであったとしても、発振回路４３の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第１の足１１の振動および第２の足１２の振動が基部１５を通して伝達し、第３の足１３，第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ−Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ−Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が発生する。
これと同時に発振回路４３からの交流電圧によって、第２の足１２の圧電素子２７および２８の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子２７がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子２８がＹ方向に伸び、結果としてＺ軸方向に屈曲変位が起こる。時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として第２の足１２はＺ軸方向に屈曲振動する。また、第４の足１４の圧電素子３５および３６の電極に電圧が印加されると、たとえば圧電素子３５がＹ方向に縮み、この時同時に圧電素子３６がＹ方向に伸び、結果としてＺ軸方向に屈曲変位が起こる。
時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第４の足１４はＺ軸方向に屈曲振動する。発振回路４３の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、これらの屈曲振動は基部１５を通して伝達し、全体として同じ周波数と位相で振動する第２の屈曲振動が発生する。このとき、駆動する足が第２の足１２および第４の足１４のみであったとしても、発振回路４３の周波数が４叉型１０の弾性体としての共振周波数付近であれば、第２の足１２の振動および第４の足１４の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第３の足１３が自動的に励振され、第１の足１１と第３の足１３がＹ−Ｚ面内で音叉型に振れ、第２の足１２と第４の足１４がＹ−Ｚ面内で、第１の足１１と第３の足１３の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が発生する。
前記した図７を参照して第１の屈曲振動を模式的に示す。即ち、第１の屈曲振動では、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｘ面内で屈曲振動を行うが、ここではある瞬間の変位方向を矢印で示している。また前記した図８を参照して第２の屈曲振動を模式的に示す。第２の屈曲振動においては、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３および第４の足１４がＹ−Ｚ面内で屈曲振動を行う。ここでもある瞬間の変位方向を実線矢印で示している。
図７に示す第１の屈曲振動および図８に示した第２の屈曲振動は４叉型１０の試作品の動作確認により、弾性体としての共振周波数の存在がが確認されているものである。すなわち第１の屈曲振動においては、すべての足はＸ方向に振動しており、第１の足１１と第２の足１２は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第３の足１３と第４の足１４は、第１の足１１と第２の足１２が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。
一方第２の屈曲振動においては、すべての足はＺ方向に振動しており、第１の足１１と第３の足１３は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第２の足１２と第４の足１４は、第１の足１１と第３の足１３が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。これらの振動は４本の足が互いにバランスを取り合い、基部１５は振動の節となっておりほとんど振動しないので、４叉型１０は支持の方法によって振動状態が変わることはない。
図９に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が同時に存在する場合の４叉型１０の屈曲振動の様子を模式的に示す。図３５の回路構成においては、発振回路として１つの発振回路４３で第１の屈曲振動と第２の屈曲振動を同時に発生させている。この場合第１の屈曲振動を行う４叉型１０の機械振動系と第２の屈曲振動を行う４叉型１０の機械振動系は、発振回路４３と結合して、第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１および位相δ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２および位相δ２は各同じになり、図９に示す第３の屈曲振動が発生する。
図３６の回路構成においては、第１の発振回路５５で第１の屈曲振動を生成し、第２の発振回路５６で第２の屈曲振動を生成し、第２の発振回路５５の発振を参照信号として第１の発振回路５６の発振周波数との位相差を検出し、これを電圧に置き換え、第１の発振回路５５のバリキャップにフィードバックするＰＬＬ回路５７により、第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１および位相δ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２および位相δ２を各同じにしている。結果として、図４に示した発振回路を１つだけ用いた回路構成と同じく、図９に示す第３の屈曲振動が発生する。しかしながら、あらかじめ第１屈曲振動と、第２の屈曲振動の振幅を調整し、第３の屈曲振動の方向を調整したい場合は、発振回路を２つもつ構成にする。
ここで注意しなければならないことがある。Ｘ軸およびＺ軸方向に対称な形状をもつ設計の４叉型１０であるが、工作精度が充分でなくこの対称性が保証されない場合は、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の共振周波数が離れてしまう。図３５に示した発振回路を１つ用いる方法も、図３６に示したＰＬＬを用いる方法も、電気的な引き込み効果で第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数と位相を一致させる方法であるが、これには限界があり、機械的な共振周波数があまり離れていると第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数と位相を一致させることができない。
ここで、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数を近づける工夫をする。棒状振動体の屈曲振動の周波数は屈曲方向の巾に比例するので、４叉型１０のＹ軸に垂直な断面を、精度良く加工することにより、第２の屈曲振動の共振周波数と、第１の屈曲振動の共振周波数を近づけられる。
しかしながら、量産を考慮した場合、一般に金属加工に用いられるダイシングソーやワイヤソーによる加工精度は±３μｍ程度であるが、たとえば４叉型１０の各の足の巾を３００μｍ程度とすると、１％が加工精度の限界となる。これ以上の調整を必要とする場合は、棒状振動体の共振周波数は棒の長さの自乗に逆比例するので、図２に示す様にＺ方向から見た足の長さＬ１と、Ｘ方向から見た足の長さＬ２が異なるように各の又の深さが異なるように加工する。この部分だけを局部的に、さらに高精度に加工することにより、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数をより精度良く一致させることができ、第３の屈曲振動を実現することができる。
この第３の屈曲振動が発生している時、４叉型１０がＹ軸の回りに、角速度ωで回転すると、各の足は、変位する方向に直交する方向にコリオリ力を受け、このコリオリ力により図１０に示す第４の屈曲振動が引き起こされる。第４の屈曲振動は、第３の屈曲振動と発振周波数が完全に一致している。したがって、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は、強制振動の理論によれば、最高の効率で行われ、第４の屈曲振動は非常に大きな振幅を得ることができる。
第４の屈曲振動は、Ｘ方向に成分として、第５の屈曲振動を持ち、第５の屈曲振動に直交するＺ方向に成分として第６の屈曲振動をもつ。たとえば、第５の屈曲振動では、第４の足１４においては、Ｙ−Ｘ面内の歪みを生じ、図３５および図３６に示した圧電素子３７および３８により電圧が発生する。Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子３７および３８に発生した電圧は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧は緩衝バッファ４５に入力される。
また、第３の足１３においては、Ｙ−Ｘ面内の歪みを生じ、図３５および図３６に示した圧電素子３３および３４により電圧が発生する。Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子３３および３４に発生した電圧は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧は緩衝バッファ４６に入力される。同様に、第６の屈曲振動では、第１の足１１においては、Ｙ−Ｚ面内の歪みを生じ、図３５および図３６に示した圧電素子２３および２４により電圧が発生する。Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子２３および２４に発生した電圧は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧は緩衝バッファ４４に入力される。
また第３の足１３においては、Ｙ−Ｚ面内の歪みを生じ、図３５および図３６に示した圧電素子３１および３２により電圧が発生する。Ｙ方向歪みは、コリオリ力発生の原理に従い、角速度ωに比例するので、圧電素子３１および３２に発生した電圧は角速度ωに比例することになる。この角速度に比例する電圧は緩衝バッファ４７に入力される。
Ｚ方向の振動が角速度に比例する電圧の入力された緩衝バッファ４４の出力およびＸ方向の振動が角速度に比例する電圧の入力された緩衝バッファ４５の出力は，各々ロックインアンプ４８および４９に入力され、ロックインアンプ４８および４９の出力は差動アンプ５２にへ入力される。差動アンプ５２には、あらかじめ第１の屈曲振動および第２の屈曲振動に起因する出力が入力されいるが、これらは同相であり、出力が０になるようにあらかじめ調整されている。
これに対し、第５の屈曲振動および第６の屈曲振動に起因する出力が入力されたコリオリ力に基づく信号は互いに逆相であり、差動アンプ５２の出力はコリオリ力に基づくもののみとなる。また、Ｘ方向の振動が角速度に比例する電圧の入力された緩衝バッファ４６の出力およびＺ方向の振動が角速度に比例する電圧の入力された緩衝バッファ４７の出力は，各々ロックインアンプ５０および５１に入力され、ロックインアンプ５０および５１の出力は差動アンプ５３にへ入力される。差動アンプ５２には、あらかじめ第１の屈曲振動および第２の屈曲振動に起因する出力が入力されいるが、これらは同相であり、出力が０になるようにあらかじめ調整されている。
これに対し、第５の屈曲振動および第６の屈曲振動に起因する出力が入力されたコリオリ力に基づく信号は互いに逆相であり、差動アンプ５３の出力はコリオリ力に基づくもののみとなる。コリオリ力に基づく差動アンプ５２および５３の出力は互いに逆相であり、差動アンプ５４に入力される。結果として差動アンプ５４の出力は、Ｘ方向に働く第５の屈曲振動は、同じくＸ方向に働く第１の屈曲振動強めるように働き、Ｚ方向に働く第６の屈曲振動は、同じくＺ方向に働く第２の屈曲振動を弱めるように働くので、差動アンプ５４の出力はコリオリ力によって発生した第４の屈曲振動の成分である第５の屈曲振動と第６の屈曲振動により発生する。これによって角速度ωの値を知ることができる。
本具体例では、緩衝バッファ４４，４５，４６および４７の出力の検出精度を上げるために、Ｓ／Ｎ比の大きな増幅器であるロックインアンプ４８，４９，５０および５１を用いた。ロックインアンプは、参照信号で検出信号をフィルタリングする思想のものである。
本具体例における４叉型１０の第１の屈曲振動は、発振回路４３又は第１の発振回路５５および第２の発振回路５６と結合して、大きなＱ値をもつ音叉型発振器を構成している。すなわち非常に安定した周波数をもつ信号である。したがってこれらを参照信号として用いることによりロックインアンプの機能であるバンドパスフィルタのバンド幅を非常に小さくできる。言い換えると、これを用いることにより、角速度ωに起因する信号以外のノイズをほとんど除外できる。したがって、第１の屈曲振動からの信号を参照信号とするロックインアンプは、第５の屈曲振動と第６の屈曲振動からの信号の検出に際して、非常に大きなＳ／Ｎ比をもつ増幅を実現できる。
以上の説明から明らかなように、本具体例による振動ジャイロは、４本の足を対称性良く配置したことにより、いずれの振動においても基部が静止しており、保持方法により性能に影響が無く、加工組立精度に過大な期待をすることなくゲインを大きくとるための励振と検出の共振周波数の一致を実現できるので量産に向き、構造上共振検出方向のゲインが大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるのでノイズが少なく、高いＳ／Ｎを実現している。
次に、本発明に係る当該振動ジャイロの第７の具体例に付いて図面を参照しながら詳細に説明する。
図３７は、本発明に係る当該振動ジャイロの第７の具体例の構成を示すブロックダイアグラムであり図中、４本の足と電極と基部を備える振動ジャイロであって、足は弾性を持つ材料からなり、足は形状が四角柱であり、足は四角柱の側面に駆動部と検出部を有し、駆動部と検出部は圧電素子からなり、基部は弾性を持つ材料からなり、基部は形状が四角柱であり、基部と４本の足は一体構造であり、４本の足は互いに平行に基部に田の字形に配置されており、基部の底面は支持に用いられ、第１及び第２の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、第１の屈曲振動を行なわせると同時に、第２及び第４の足の圧電素子を用いて自励発振を行わせ、第１の屈曲振動と直交する方向に、第１の屈曲振動と振動数が一致する第２の屈曲振動を発生させておき、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動として、第３の屈曲振動を発生させ、第３の屈曲振動が、回転によるコリオリ力により引き起こす、第３の屈曲振動に直交する方向の、第４の屈曲振動の第１の屈曲振動の方向の成分である第５の屈曲振動の結果生じる電圧を、第３及び第４の足の検出部により検出し、第４の屈曲振動の第２の屈曲振動の方向の成分である第６の屈曲振動の結果生じる電圧を、第１及び第３の足の検出部により検出する様に構成された振動ジャイロが示されている。
本具体例に於ける当該振動ジャイロの田の字配置された平行な４本の足は、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数が一致するように、巾方向から見た足の長さと、厚さ方向から見た足の長さが異なるように各々の又の深さが調整されていることも望ましい。
又、本具体例に於いては、第１の屈曲振動を行う第３の足の圧電素子及び第４の足の圧電素子は互いに電気的にかたく接続されていることが望ましい。
更には、本具体例に於いては、当該振動ジャイロは、第２の屈曲振動を行う第１の足の圧電素子及び第３の足の圧電素子は互いに電気的にかたく接続されていることが望ましく、更には、当該第１の屈曲振動を行う第３の足の圧電素子及び第４の足の圧電素子は互いに電気的にかたく接続されており、第２の屈曲振動を行う第１の足の圧電素子及び第３の足の圧電素子は互いに電気的にかたく接続されていることも望ましい。
本具体例に於いては、第１の屈曲振動と第５の屈曲振動の合成振動が第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力及び、第２の屈曲振動と第６の屈曲振動の合成振動が、第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を加算する加算回路を備え、加算回路の出力を９０度移相する移相回路を備え、移相回路の出力を２値化する２値化回路を備え、第１の屈曲振動と第５の屈曲振動の合成振動が、第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力及び、第２の屈曲振動と第６の屈曲振動の合成振動が、第３の足に貼り付けられた圧電素子に発生させる電圧出力を減算する減算回路を備え、減算回路の出力を前記２値化回路の出力を用いて検出するロックインアンプを備えている事も好ましい。
更には、第１の屈曲振動の振幅及び位相が第２の屈曲振動の振幅及び位相と一致するように発振回路の出力信号を調整する為のローパスフィルタを備えている事も好ましい。
本具体例に於ける当該振動ジャイロは、４本の足を田の字型に対称性良く配置したことにより、音叉型における面外振動のような支持部に影響される振動を利用することなく、使用する何れの振動においても基部がほぼ静止しており、支持方法により性能に影響が少なく、精度の良い角度検出ができる。また加振と検出に同じ振動モードを用いるので、構造上検出方向の出力信号が大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるのでノイズが少なく、高いＳ／Ｎを実現でき、加振と検出の足を別々にとれるので、発振系に起因する位相ずれによるＤＣドリフトも殆ど無い。
本具体例に於ける当該足部は弾性を持つ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱であり、四角柱の側面に張り合わされた圧電素子からなる駆動部及び検出部を有している。
基部は弾性を持つ金属または石英ガラスからなり、形状が四角柱である。第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３及び第４の足１４は互いに平行に方形の基部１５の４つの頂点の位置に配置されており、基部１５と第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３及び第４の足１４は一体構造である。
又、本具体例に於て使用される金属は、弾性率の温度依存性が非常に小さい鉄５０％，ニッケル３５％及びクロム９．１％を含む合金でエリンバーと呼ばれるものを用いる。同じく弾性率の温度依存性が非常に小さい石英ガラスを用いる場合は、予め表面の一部に銀やクロム等の導電性材料を無電界メッキや蒸着などの手法で薄膜形成し、張り付ける全ての圧電素子の共通電極としておく。
図３７に示す様に、本具体例に於ける当該振動ジャイロの電極部の構成は、図示した形状の圧電素子を、第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３及び第４の足１４を切断するＸ−Ｚ面内の断面に示した。自励発振用として、第１の足１１に圧電素子２５を張り付け，第２の足１２に圧電素子２７及び２９を張り付け，第４の足１４に圧電素子３５を張り付けてある。また検出用として、第１の足１１に圧電素子２３を張り付け，第３の足１３に圧電素子３１及び３３を張り付け，第４の足１４に圧電素子３７を張り付けてある。
図３７には加振用圧電素子２５，２７，２９及び３５の各々の電極と共に用いてすべての足を自励発振させる発振回路Ｈ０、発振状態を調整するローパスフィルタＬＡ及びＬＢ、検出用圧電素子２３，３１，３３及び３７の各々の電極からの信号を加算する加算回路Ｋ０、加算した信号の位相を変化させる移相回路Ｉ０、移相した信号を２値化する２値化回路Ｃ０、検出用圧電素子２３，３１，３３及び３７の各々の電極からの信号を減算して参照信号を生成する減算回路Ｇ０、減算した信号を参照信号を用いて位相検波し直流電圧に変換するロックインアンプＰ０を示し、これらの間の配線を示す。
図３８には図３７の発信回路Ｈ０を実現する一例として、干渉バッファを構成するオペアンプＨ１，ローパスフィルタを構成するトリマ抵抗Ｈ２及びコンデンサＨ７，反転増幅器を構成するオペアンプＨ３及び抵抗Ｈ４〜Ｈ６を示し、直流バイアスを加える為の負電源Ｄ１及び分割抵抗Ｄ２を示す。
図３８には図３７のローパスフィルタＬＡを実現する一例として、トリマ抵抗ＬＡ１及びコンデンサＬＡ２を示す。
図３８には図３７のローパスフィルタＬＢを実現する一例として、トリマ抵抗ＬＢ１及びコンデンサＬＢ２を示す。
図３８には図３７の加算回路Ｋ０を実現する一例として、干渉バッファを構成するオペアンプＫ１〜Ｋ２，抵抗Ｋ３〜Ｋ４を示す。
図３８には図３７の移相回路Ｉ０を実現する一例として、ローパスフィルタを構成する抵抗Ｉ１及びコンデンサＩ２を示す。
図３８には図３７の２値化回路Ｃ０を実現する一例として、第１のコンパレータＣ１及び第２のコンパレータＣ２を示す。
図３８には図３７の減算回路Ｇ０を実現する一例として、干渉バッファＧ１〜Ｇ２，第１の差動増幅回路を構成するオペアンプＧ３及び抵抗Ｇ４〜Ｇ７，第２の差動増幅回路を構成するオペアンプＧ８及び抵抗Ｇ９〜Ｇ１２を示す。
図３８には図３７のロックインアンプＰ０を実現する一例として、第１のバンドパスフィルタを構成するオペアンプＰ１，コンデンサＰ２〜Ｐ３及び抵抗Ｐ４〜Ｐ７、第２のバンドパスフィルタを構成するオペアンプＰ８，コンデンサＰ９〜Ｐ１０及び抵抗Ｐ１１〜Ｐ１４、第１のアナログスイッチＰ１５、第２のアナログスイッチＰ１６、ローパスフィルタを構成する抵抗Ｐ１７及びコンデンサＰ１８を示す。
４叉型１０に貼り付けられた図３８に示した圧電素子２５，２７，２９，３５，２３，３１，３３及び３７の電極部は、ベース１６に気密圧入されたリード１８，１９，２０及び２１と導線を用いて半田付けにより電気的に接続される。リード１８，１９，２０及び２１は、図３７に示した発振回路Ｈ０，加算回路Ｋ０及び減算回路Ｇ０に接続される。
図３７及び図３８には第１の足１１のＹ方向の屈曲振動の第１の中立線３９を点で示し、第２の足１２のＹ方向の屈曲振動の第２の中立線４０を点で示し、第３の足１３のＹ方向の屈曲振動の第３の中立線４１を点で示し、第４の足１４のＹ方向の屈曲振動の第４の中立線４２を点で示す。図の外側の線は各圧電素子の電極間の配線を模式的に示した。
ＰＺＴは分極方向の逆方向に電圧をかけると分極の状態が劣化する可能性が指摘されている。本実施の形態に於いては分極形成時に印加する高電圧に比べて無視しうる電圧で駆動するので特に問題とならないが、図３８においてはこの指摘に対処する方法を示しておく。圧電素子２５，２７，２９，３５，２３，３１，３３及び３７の電極部は４叉型１０の基部がエリンバ等の導体においては共通電極を構成するので、通常は図３７に示すようにグランドに接地しておくが、ここではＰＺＴ分極劣化の対策として、常に分極時にかけた電圧と同じ方向の電圧を加えるため、グランドより低レベルの電圧源Ｄ１に接続しておく。また、この直流バイアスの大きさを調整するため、分割抵抗Ｄ２を介して接続する。
図３７において発振回路Ｈ０から、第２の足１２の圧電素子２９の電極に電圧が印加されると、例えば圧電素子２９がＹ方向に縮み、結果としてＸ軸方向に屈曲変位が起こる。
時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第２の足１２はＸ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第２の足１２のみであったとしても、第２の足１２の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第３の足１３及び第４の足１４が自動的に励振され、第１の足１１と第２の足１２がＹ−Ｘ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第４の足１４がＹ−Ｘ面内で、第１の足１１と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第１の屈曲振動が自励発振する。このとき第１の足１１の圧電素子２５の電極からは、自励発振を継続するための参照信号が発振回路Ｈ０に帰還される。
この発振回路Ｈ０が加振する足が第１の足１１であり、参照信号を受け取る足が第２の足１２であってもかまわない。
図３７において発振回路Ｈ０から、第２の足１２の圧電素子２７の電極に電圧が印加されると、例えば圧電素子２７がＹ方向に縮み、結果としてＺ軸方向に屈曲変位が起こる。
時間の経過とともに、この方向は変化し、結果として、第２の足１２はＺ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動する足が第２の足１２のみであったとしても、第２の足１２の振動が基部１５を通して伝達し、第１の足１１，第３の足１３及び第４の足１４が自動的に励振され、第４の足１４と第２の足１２がＹ−Ｚ面内で音叉型に振れ、第３の足１３と第１の足１１がＹ−Ｚ面内で、第４の足１４と第２の足１２の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動が自励発振する。
このとき第４の足１４の圧電素子３５の電極からは、自励発振を継続するための参照信号が発振回路Ｈ０に帰還される。この発振回路Ｈ０が加振する足が第４の足１４であり、参照信号を受け取る足が第２の足１２であってもかまわない。
図３９に第１の屈曲振動を模式的に示す。第１の屈曲振動では、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３及び第４の足１４がＹ−Ｘ面内で屈曲振動を行うが、ここではある瞬間の変位方向を矢印で示している。また図４０に第２の屈曲振動を模式的に示す。第２の屈曲振動では、４叉型１０の第１の足１１，第２の足１２，第３の足１３及び第４の足１４がＹ−Ｚ面内で屈曲振動を行う。ここでもある瞬間の変位方向を実線矢印で示している。
図３７に示した第１の屈曲振動及び図８に示した第２の屈曲振動は４叉型１０の試作品の動作確認により、弾性体としての共振周波数の存在が確認されているものである。即ち第１の屈曲振動においては、全ての足はＸ方向に振動しており、第１の足１１と第２の足１２は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第３の足１３と第４の足１４は、第１の足１１と第２の足１２が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。一方第２の屈曲振動においては、全ての足はＺ方向に振動しており、第１の足１１と第３の足１３は通常の音叉型振動を行っており、この時同時に第２の足１２と第４の足１４は、第１の足１１と第３の足１３が行う振動の逆相の音叉型振動を行っている。これらの振動は４本の足が互いにバランスを取り合い、基部１５は振動の節となっており殆ど振動しないので、４叉型１０は底面を支持すれば、支持の方法によって振動状態が変わることは殆どない。
図４１に第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が同時に存在する場合の４叉型１０の屈曲振動の様子を模式的に示す。図３７の回路構成においては、１つの発振回路Ｈ０に第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動の参照信号を入力し、１つの発振回路Ｈ０の電圧出力で第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動を励振している。このとき第１の屈曲振動の発振周波数ｆ１と第２の屈曲振動の発振周波数ｆ２は同じ周波数ｆであり、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成として第３の屈曲振動が発生する。図４１においては、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の振幅と位相が一致する場合の第３の屈曲振動を描いている。
第３の屈曲振動が発生している時、４叉型１０がＹ軸の回りに、角速度ωで回転すると、各々の足は、変位する方向に直交する方向にコリオリ力を受け、このコリオリ力により図４２に示す第４の屈曲振動が引き起こされる。第４の屈曲振動は、第３の屈曲振動と同じく第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成と見ることが出来るが、第３の屈曲振動と異なり、第１の屈曲振動の位相に対して第２の屈曲振動の位相が１８０度変化している。第３の屈曲振動と第４の屈曲振動は全く同じ性質のものであり、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は最高の効率で行われ、第４の屈曲振動は非常に大きな振幅を得ることができる。
ところでコリオリ力は慣性力なので速度が大きな位置で大きな力が働く。このことは振動する足の動作において、速度最大の位置、即ち足が曲がっていない位置にあるときがコリオリ力がもっとも大きく働く位置となることを示している。従って第３の屈曲振動によって引き起こされるコリオリ力が生成する第４の屈曲振動は、第３の屈曲振動に対して９０度位相の異なる振動となる。このことから、図９に示した第３の屈曲振動と図４２に示したコリオリ力により引き起こされる第４の屈曲振動の合成された振動状態は、図４３に示す様に各々の足が楕円軌道を描く動作となる。
４叉型１０はＸ軸及びＺ軸方向に対称な形状を持つ設計である。有限要素法解析に於いてはこのような理想形状の確認が可能であり、等方性弾性体において完全な対称性が保証される場合は、４叉型１０においては第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動よりもむしろ第３の屈曲振動及び第４の屈曲振動が本質的な屈曲振動となることが確認されている。しかし対称性が少しでも崩れると第１の屈曲振動と第２の屈曲振動が本質的な振動となる。工作精度が有限な現実の場合はＸ及びＺ方向の対称性が保証されないので、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動が本質的な振動であり、各々固有の機械的共振周波数は異なる値となる。この値を各々ｆ１及びｆ２とする。
図３７に示した構成では、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動は４叉型１０の機械的な機構と発振回路Ｈ０による電気機械振動系を構成する。４叉型１０の電気機械振動系は、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の周波数を一致させ、ｆ１及びｆ２の低い方の周波数に近い値をとる周波数ｆを持つ第３の屈曲振動を発生させることができる。このときｆ１及びｆ２の高い方の周波数は機械的な固有振動から離れたものとなる。
理想的な場合、コリオリ力の働かない状態では第３の屈曲振動は図９に示した４５度方向の直線的な振動を行う。ここで、図４２に示すコリオリ力が働くと、図４３に示す主軸が４５度方向の楕円軌道になり、コリオリ力は第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動間の位相の変化としてのみ観測される。しかしながら音叉の工作精度以外にも使用する圧電素子の質量や特性のばらつきなどが存在する現実の場合は、コリオリ力が働いていない状態でも第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の振幅と位相は一致せず、第３の屈曲振動は一般には図４４に示すように、主軸が４５度方向から傾いた楕円軌道になる。
４叉型１０が回転していないにも関わらず位相差を持ち、回転した場合はさらに振幅差の影響から楕円主軸の傾きが発生する、即ち第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動の振幅差がコリオリ力の影響でさらに互いの振幅を変化させる複雑な動作になる。本実施の形態に於いては図２に示したローパスフィルタＬＡ及びローパスフィルタＬＢを用い、発振回路Ｈ０の加振の振幅と位相を変化させることにより、コリオリ力の働かない状態では、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の振幅を一致させ、また位相差をなくし、図４３に示した直線状の第３の屈曲振動を実現すことが出来る。
この場合はコリオリ力の効果は第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の間の位相差としてのみ現れ、後述する簡単な検出回路でコリオリ力を検出する事が出来る。実際にはコリオリ力の効果は第３の屈曲振動が楕円になるとこの効果から更に楕円主軸方向の振幅の変化を伴うが、これは必ずしも検出に用いなくても良い。
図３８に示すようにローパスフィルタＬＡ及びＬＢは抵抗ＬＡ１及びＬＢ１，コンデンサＬＡ２及びＬＢ２で構成されるが、ここに使用するコンデンサＬＡ２及びＬＢ２の値は同一にしないことにより位相の調整と振幅の調整を分離して行うことが出来る。また位相を変化させることによる発振回路全体の位相変化は、同じく図３８に示したトリマ抵抗Ｈ２及びコンデンサＨ７で構成する予め発振回路Ｈ０全体の位相調整を目的として用いている別のローパスフィルタの定数を変化させることにより吸収する。
各々の機械的な共振周波数があまり離れていると第１の屈曲振動と第２の屈曲振動を同時に発生させ、第３の屈曲振動を発生させた場合、ｆはｆ１及びｆ２の高い方の周波数から大きく離れてしまい、高い方の周波数を共振周波数とする方の屈曲振動は単なる強制振動となってしまい、第３の屈曲振動は共振現象を利用したものとは言えなくなり充分な振幅を維持するためには発振回路Ｈ０から大きな加振エネルギーを投入しなければならない。このような共振的でない場合は、コリオリ力により発生する第４の屈曲振動も非常に早く減衰してしまうし、発振回路Ｈ０の大きな加振が第４の屈曲振動を減衰させる効果もあり、充分な出力を得ることが出来ない。
ここで、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の機械的な共振周波数を近づける工夫をする。棒状振動体の屈曲振動の周波数は屈曲方向の巾に比例するので、４叉型１０のＹ軸に垂直な断面を、精度良く加工することにより、第２の屈曲振動の共振周波数と、第１の屈曲振動の共振周波数を近づけられる。
しかしながら、量産を考慮した場合、一般に加工に用いられるダイシングソーやワイヤソーによる加工精度は±３μｍ程度であるが、例えば４叉型１０の各の足の巾を３００μｍ程度とすると、１％が加工精度の限界となる。これ以上の調整を必要とする場合は、棒状振動体の共振周波数は棒の長さの自乗に逆比例するので、図２に示す様にＺ方向から見た足の長さＬ１と、Ｘ方向から見た足の長さＬ２が異なるように各の又の深さが異なるように加工する。この部分だけを局部的に、さらに高精度に加工することにより、第１の屈曲振動の共振周波数と第２の屈曲振動の共振周波数をより精度良く一致させることができ、共振的な第３の屈曲振動を実現することができる。
図３７において、Ｘ方向の振動を検出する圧電素子３３及び３７の電極部からの出力を信号Ａ，Ｚ方向の振動を検出する圧電素子２３及び３１の電極部からの出力を信号Ｂとする。圧電素子３３及び圧電素子３７は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＸ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。
また、圧電素子２３及び圧電素子３１は電気的に接続されていることになるが、これは４叉型１０にＺ方向の振動や衝撃力が加えられた場合、これらに起因するノイズ出力が互いに打ち消しあう効果をもたらす。第４の屈曲振動は、Ｘ方向に成分として、第５の屈曲振動を持つ。第５の屈曲振動は、第１の屈曲振動を変化させる効果を持つ。即ち信号Ａは第１の屈曲振動及びコリオリ力に起因する第５の屈曲振動が合成された信号である。第４の屈曲振動は、Ｚ方向に成分として、第６の屈曲振動を持つ。
第６の屈曲振動は、第２の屈曲振動を変化させる効果を持つ。即ち信号Ｂは第２の屈曲振動及びコリオリ力に起因する第６の屈曲振動が合成された信号である。本実施の形態に於いては、信号Ａと信号Ｂを加算回路Ｋ０と減算回路Ｇ０に入力し、信号Ａと信号Ｂの和信号Ａ＋Ｂと差信号Ａ−Ｂを生成し、これを利用する。
図１４にコリオリ力が働かない場合の信号Ａ，Ｂ，Ａ＋Ｂ及びＡ−Ｂの関係を示す。この場合、信号Ａと信号Ｂは各々第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動そのものであり、これらは図２に示したローパスフィルタＬＡ及びＬＢの調整により、完全に一致した信号である。信号Ａ＋Ｂは信号Ａ及びＢの２倍の振幅を持つ信号であり、信号Ａ−Ｂは振幅がない。
図１５にコリオリ力により第４の屈曲振動が生成された場合の信号Ａ，Ｂ，Ａ＋Ｂ及びＡ−Ｂの関係を示す。第４の屈曲振動の効果は、信号Ａ及び信号Ｂの相対的な位相を変化させる。４叉型１０の回転角速度ωの大きさにほぼ比例して信号Ａ及び信号Ｂの相対的な位相が変化する。
角速度ωにより信号Ａの位相が進み，信号Ｂの位相が遅れるとすると、角速度−ωでは信号Ｂの位相が進み，信号Ａの位相が遅れ、信号Ａ及びＢの位相の変化はωの方向によることになる。一方コリオリ力の有無に関わらず信号Ａ＋Ｂ及びＡ−Ｂはコリオリ力が働かない場合の位相を維持する。またコリオリ力は、信号Ａ＋Ｂの振幅に少し変化をもたらし、信号Ａ−Ｂには僅かな振幅を発生させる。
図１６に信号Ａ，Ｂ，Ａ＋Ｂ及びＡ−Ｂの関係をベクトルで示す。この場合、信号の振幅はベクトルの長さで表現され、位相はベクトルの回転で表現される。コリオリ力の効果は、信号Ａ＋Ｂ及びＡ−Ｂの振幅の変化として検出することが出来る。ここで注目したいのは、信号Ａ及び信号Ｂの変化が位相のみであり振幅が変化しない場合は、信号Ａ＋Ｂ及びＡ−Ｂの相対的な位相関係がコリオリ力の大きさに関わらず常に９０度に保たれることである。
本実施の形態においては、出力の小さなコリオリ力の検出にロックインアンプの構成を用い、被検出信号から参照信号と同一の周波数成分のみを抽出して積分することにより高いＳ／Ｎを実現しようとするが、この場合被検出信号と位相の一致した正確な参照信号が必要である。まず、コリオリ力を反映する被検出信号として信号Ａ，Ｂ及びＡ＋Ｂは、コリオリ力がない状態でも大きな出力をもつので小さなコリオリ力による変化をとらえるのに適していない。
一方、信号Ａ−Ｂはコリオリ力が無い場合は出力がないので、ダイナミックレンジを考慮すると被検出信号として最も適しており、これを使用する。一方参照信号としては、信号Ａ及びＢはコリオリ力により位相が変化するので使用できず、最も位相が正確なＡ−Ｂ信号自身もコリオリ力が働かないか小さい場合に交流出力が無いか不安定なので、使用できない。しかし図１６に示した様にＡ＋Ｂ信号は常に安定した大きな振幅とＡ−Ｂ信号と正確に９０度だけ異なる位相差を持っている。従って参照信号としては、Ａ＋Ｂ信号を９０度位相を移相したものを使用する。
図３７に示す様に、信号Ａ及び信号Ｂを減算回路Ｇ０に入力し、図３８に示す高い同相除去比ＣＭＲＲを持つ構成の差動増幅回路Ｇ１〜Ｇ１２をもって、信号Ａ−Ｂ及びこれと逆相の信号Ｂ−Ａを生成し、図３７に示すロックインアンプＰ０に入力する。図３８に示すようにロックインアンプＰ０の内部では、バンドパスフィルタＰ１〜Ｐ１４を用いて信号Ａ−Ｂ及びこれと逆相の信号Ｂ−Ａの直流成分と奇数次高調波成分を除去し、アナログスイッチＰ１５〜Ｐ１６を用いてスイッチングし、平滑及び積分回路Ｐ１７〜Ｐ１８を用いて直流に変換する。
また図３７に示す様に、信号Ａ及び信号Ｂを加算回路Ｋ０に入力し、図３８に示す移相回路Ｉ０〜Ｉ１で９０度移相し、コンパレータＣ１〜Ｃ２でスイッチング信号とこれと逆相のスイッチング信号を生成し、アナログスイッチＰ１５〜Ｐ１６に入力する。この結果、Ａ−Ｂ信号はＡ＋Ｂ信号を９０度移相したタイミングで全波整流され、直流出力に変換される。ここでは直流ドリフトを嫌う理由から位相の検波に乗算器でなくスイッチング方式を用いた。この構成では、ノイズと見なされる参照信号の周波数以外の殆どの信号成分が取り除かれ、非常にＳ／Ｎのよいコリオリ力の検出が実現できる。
従って、第１の屈曲振動及び第２の屈曲振動の差に、コリオリ力に起因する第５の屈曲振動の効果と第６の屈曲振動の効果が重ね合わされた振動から、結果としてコリオリ力に起因する第５の屈曲振動の効果と第６の屈曲振動の効果のみが直流として抽出される。これによって角速度ωの値を正確に知ることができる。
本発明における４叉型１０の第３の屈曲振動は、大きなＱ値を持つ音叉型発振器を構成している。即ち非常に安定した周波数を持つ。従って、これを参照信号として用いることによりロックインアンプの機能である周波数抽出の幅を非常に小さくできる。言い換えると、本実施の形態の構成においては、角速度ωに起因する信号以外のノイズを殆ど除外でき、大変Ｓ／Ｎがよい。
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、４本の足を田の字型に対称性良く配置したことにより、音叉型における面外振動のような支持部に影響される振動を利用することなく、使用する何れの振動においても基部がほぼ静止しており、保持方法により性能に影響が少なく、精度の良い角度検出ができる。また加振と検出に同じ振動モードを用いるので、構造上検出方向の出力信号が大きくとれ、コリオリ力以外の出力をキャンセルできる構成をとるのでノイズが少なく、高いＳ／Ｎを実現でき、加振と検出の足を別々にとれるので、発振系に起因する位相ずれによるＤＣドリフトも殆ど無い。
【図１】
0004012578.tif 000002
【図２】
0004012578.tif 000003
【図３】
0004012578.tif 000004
【図４】
0004012578.tif 000005
【図５】
0004012578.tif 000006
【図６】
0004012578.tif 000007
【図７】
0004012578.tif 000008
【図８】
0004012578.tif 000009
【図９】
0004012578.tif 000010
【図１０】
0004012578.tif 000011
【図１１】
0004012578.tif 000012
【図１２】
0004012578.tif 000013
【図１４】
0004012578.tif 000014
【図１５】
0004012578.tif 000015
【図１３】
0004012578.tif 000016
【図１６】
0004012578.tif 000017
【図１７】
0004012578.tif 000018
【図１８】
0004012578.tif 000019
【図１９】
0004012578.tif 000020
【図２０】
0004012578.tif 000021
【図２１】
0004012578.tif 000022
【図２２】
0004012578.tif 000023
【図２３】
0004012578.tif 000024
【図２４】
0004012578.tif 000025
【図２５】
0004012578.tif 000026
【図２６】
0004012578.tif 000027
【図２７】
0004012578.tif 000028
【図２８】
0004012578.tif 000029
【図２９】
0004012578.tif 000030
【図３０】
0004012578.tif 000031
【図３１】
0004012578.tif 000032
【図３２】
0004012578.tif 000033
【図３３】
0004012578.tif 000034
【図３４】
0004012578.tif 000035
【図３５】
0004012578.tif 000036
【図３６】
0004012578.tif 000037
【図３７】
0004012578.tif 000038
【図３８】
0004012578.tif 000039
【図３９】
0004012578.tif 000040
【図４０】
0004012578.tif 000041
【図４１】
0004012578.tif 000042
【図４２】
0004012578.tif 000043
【図４３】
0004012578.tif 000044
【図４４】
0004012578.tif 000045