(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の回転軸の周りの回転を検出するための、前記回転軸を交差する平面に分布する振動系（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）を有する回転検出用の振動子であって、
複数の振動系が駆動振動系（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）であり、振動子の重心の周りに対称に設けられており、前記回転軸の周りに回転していない時に、駆動振動系（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）の各々は、駆動振動系の重心が振動子の重心に対して前記平面内で径方向に振動する振動モードを有し、
他の振動系が検出振動系（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）であり、検出振動系は、その重心が振動子の重心に対して前記平面内で周方向成分を有する経路に沿って振動する振動モードを有し、前記検出振動系（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記振動モードが、前記回転軸の周りの振動子の回転により、前記駆動振動系の振動によって励起され、
前記振動子が振動子の中心に位置する基部（１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、５８）を有し、前記駆動および検出振動系（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）が前記基部に接続されるとともに、そこから放射状に延びていることを特徴とする、振動子。
【請求項２】
所定の回転軸の周りの回転を検出するための、前記回転軸を交差する平面に分布する振動系（１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ）を有する回転検出用の振動子であって、
複数の振動系が駆動振動系（１Ａ、１Ｂ）であり、振動子の重心の周りに対称に設けられており、前記回転軸の周りに回転していない時に、駆動振動系（１Ａ、１Ｂ）の各々は、駆動振動系の重心が振動子の重心に対して前記平面内で径方向に振動する振動モードを有し、
他の振動系が検出振動系（２Ａ、２Ｂ）であり、検出振動系は、その重心が振動子の重心に対して前記平面内で周方向成分を有する経路に沿って振動する振動モードを有し、前記検出振動系（２Ａ、２Ｂ）の前記振動モードが、前記回転軸の周りの振動子の回転により、前記駆動振動系の振動によって励起され、
前記振動子が振動子の中心に位置する基部（１１Ａ、１１Ｆ、１１Ｈ）を有し、互いに反対の方向に前記基部（１１Ａ、１１Ｆ、１１Ｈ）に接続され、基部から放射状に延びる第一の屈曲片（４４Ｃ、４４Ｄ）の形の２つの検出振動系（２Ａ、２Ｂ）と、前記第一の屈曲片（４４Ｃ、４４Ｄ）に平行に延びて、前記基部（１１Ａ、１１Ｆ、１１Ｈ）から離れた前記第一の屈曲片（４４Ｃ、４４Ｄ）の端部に接続した第二の屈曲片（２３Ｃ、２３Ｄ）の形の２つの駆動振動系（１Ａ、１Ｂ）と、が存在することを特徴とする、振動子。
【請求項３】
所定の回転軸の周りの回転を検出するための、前記回転軸を交差する平面に分布する振動系（１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ）を有する回転検出用の振動子であって、
複数の振動系が駆動振動系（１Ａ、１Ｂ）であり、振動子の重心の周りに対称に設けられており、前記回転軸の周りに回転していない時に、駆動振動系（１Ａ、１Ｂ）の各々は、駆動振動系の重心が振動子の重心に対して前記平面内で径方向に振動する振動モードを有し、
他の振動系が検出振動系（２Ａ、２Ｂ）であり、検出振動系は、その重心が振動子の重心に対して前記平面内で周方向成分を有する経路に沿って振動する振動モードを有し、前記検出振動系（２Ａ、２Ｂ）の前記振動モードが、前記回転軸の周りの振動子の回転により、前記駆動振動系の振動によって励起され、
前記振動子が前記振動系を囲むフレーム部（１９Ｃ）を有し、前記フレームから振動子の重心に向かって突出する、２つの駆動振動系（１Ａ、１Ｂ）および２つの検出振動系（２Ａ、２Ｂ）が存在することを特徴とする、振動子。
【請求項４】
駆動振動系（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）が基部（１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、５８）を介して検出振動系（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
【請求項５】
前記基部（１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、１１Ｈ、５８）の反対側に設けられた２つの駆動振動系（１Ａ、１Ｂ）を有することを特徴とする、請求項１または２記載の振動子。
【請求項６】
振動子が振動の重心が位置する個所に基部（１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、１１Ｈ、５８）を備えており、振動子がその重心の近傍で支持されていることを特徴とする、請求項５記載の振動子。
【請求項７】
振動子（１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、１１Ｈ、５８）の中心の周りに対称的に設けられた複数の検出振動系（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項８】
前記回転軸が前記平面と直角に交差することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項９】
駆動振動系の各々が、その振動が径方向振動成分を与える第一の屈曲振動部材（１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｉ、１３Ｊ、１３Ｋ、１３Ｌ、１３Ｍ、１３Ｎ、１３Ｐ、１３Ｑ、１３Ｒ、１３Ｓ、２３Ｃ、２３Ｄ）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項１０】
第一の屈曲振動部材（２３Ｃ、２３Ｄ）が両端に固定端を有することを特徴とする、請求項９記載の振動子。
【請求項１１】
駆動振動系が複数の第一の屈曲振動部材（１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｉ、１３Ｊ、１３Ｋ、１３Ｌ、１３Ｍ、１３Ｎ、１３Ｐ、１３Ｑ、１３Ｒ、１３Ｓ、２３Ｃ、２３Ｄ）を有することを特徴とする、請求項９記載の振動子。
【請求項１２】
駆動振動系（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）の各々が、基部（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、５８）から放射状に伸長する方向に延びる伸長支持部材（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ）を備え、第一の屈曲振動部材（１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｒ、１３Ｓ）が、支持部材の長手方向に対し垂直な方向に延びていることを特徴とする、請求項１、２、４、５、６のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項１３】
第一の屈曲振動部材（１３Ｃ、１３Ｄ）が、ある長手方向の側面（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）において、伸長支持部材（１２Ａ、１２Ｂ）に接続した長方形のループであることを特徴とする、請求項１２記載の振動子。
【請求項１４】
第一の屈曲振動部材（１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｒ、１３Ｓ）は、中央において前記平面内において曲げることのできる前記伸長支持部材（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ）に接続された、前記平面内において曲げることのできるバーであり、前記バーは前記伸長支持部材（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ）から離れた位置に開放端を有することを特徴とする、請求項１２記載の振動子。
【請求項１５】
前記バーの前記開放端（９５）が、前記平面内において平面を見たとき、バーの幅に対し幅方向に拡大されていることを特徴とする、請求項１４記載の振動子。
【請求項１６】
駆動振動系が接続部材（３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ、３９Ｄ）により互いに接続され、振動子の重心を囲む振動ループ系を形成することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項１７】
検出振動系（２Ａ、２Ｂ）の各々が、その振動が周方向振動成分を与える第二の屈曲振動部材（１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、２４Ｃ、２４Ｄ、４４Ｃ、４４Ｄ）を備えることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項１８】
第二の屈曲振動部材（１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、２４Ｃ、２４Ｄ、４４Ｃ、４４Ｄ）が振動子の重心に対して放射状に延びることを特徴とする、請求項１７記載の振動子。
【請求項１９】
前記第二の屈曲振動部材（１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、２４Ｃ、２４Ｄ）が前記平面内において曲げることの出来、開放端を有すバーであることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の振動子。
【請求項２０】
前記第二の検出振動系の前記バー（１４Ｃ、１４Ｄ）の開放端（９６）が、バーの幅に対し、前記平面内において平面を見たとき、幅方向に拡大されていることを特徴とする、請求項１９記載の振動子。
【請求項２１】
駆動振動系の各々が、その長手方向に向かって延びる、凹部または貫通孔または溝を設けた第一の屈曲振動部材を備えていることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項２２】
検出振動系が、その長手方向に向かって延びる、凹部または貫通孔または溝を設けた第二の屈曲振動部材を備えていることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項２３】
電極が、第一または第二の屈曲振動部材の凹部または貫通孔または溝に面する内面に設けられており、電極によって、電圧が前記前記平面内の屈曲振動部材に印加されることを特徴とする、請求項２１または２２記載の振動子。
【請求項２４】
回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、請求項１〜２３のいずれか一つの請求項に記載の振動子と、振動子に駆動振動を励振するために、駆動振動系に設けられた励振手段と、振動子が前記回転軸の周りに回転した時に、振動子に発生する検出振動を検出するために、検出振動系に設けられた検出手段とを備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
【請求項２５】
振動子に励起される検出振動モードにおける振動の振幅が振動子において最小となる領域で、振動子を支持するための支持部材を備えていることを特徴とする、請求項２４記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項２６】
振動子が、駆動振動系から振動子の重心に対して遠ざかる位置に設けられた固定片部（３８）を備えており、振動子が固定片部（３８）で支持されていることを特徴とする、請求項２５記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項２７】
振動子が圧電性単結晶からなり、励振手段および検出手段が共に電極を備えることを特徴とする、請求項２４〜２６のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項２８】
駆動振動系の屈曲振動部材において、凹部または貫通孔または溝が、その駆動振動系の励振手段よりも、屈曲振動部材の端部に近い場所に設けられたことを特徴とする、請求項２４記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項２９】
検出振動系の屈曲振動部材において、凹部または貫通孔または溝が、その検出振動系の検出手段よりも、屈曲振動部材の端部に近い場所に設けられたことを特徴とする、請求項２４または２８記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項３０】
振動子を用いて回転系の回転角速度を検出する方法であって、前記振動子が少なくとも複数の駆動振動系と一つ以上の検出振動系とを備えており、これらの振動系が前記回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成され、前記複数の駆動振動系が振動子の重心に対して回転対称となっており、この振動子を前記回転軸を中心として回転させ、この際前記複数の駆動振動系に同時に振動子の重心を中心としたときに径方向の駆動振動を励起させ、各駆動振動系の振動の少なくとも一部を相殺し、前記径方向の振動成分によって振動子の重心を中心としたときに周方向のコリオリ力を発生させ、前記検出振動系において前記振動子のコリオリ力に基づく検出振動を検出することを特徴とする、回転角速度の測定方法。
【請求項３１】
振動子を用いて回転系の回転角速度を検出する方法であって、前記振動子が複数の振動系を備えており、これらの振動系が前記回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、この際前記振動子の重心を中心としたときに径方向振動成分を前記振動系の一つ以上に励起し、前記振動子が回転する際に前記径方向振動成分によって周方向のコリオリ力を生じさせ、このコリオリ力によって前記振動子に発生する振動を、他の振動系において検出することを特徴とする、回転角速度の測定方法。
【請求項３２】
振動子を用いて回転系の回転角速度を検出する方法であって、前記振動子が複数の振動系を備えており、これらの振動系が前記回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、この際前記振動子の重心を中心としたときに周方向振動成分を前記振動系の一つ以上に励起し、前記振動型ジャイロスコープが回転する際に前記周方向振動成分によって径方向のコリオリ力を生じさせ、このコリオリ力によって前記振動子に発生する振動を、他の振動系において検出することを特徴とする、回転角速度の測定方法。
【請求項３３】
直線加速度を検出するための直線加速度計であって、請求項１〜２３のいずれか一つの請求項に記載の振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに前記振動子に加わるニュートンの力による前記振動子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴とする、直線加速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転系内の回転角速度を検出するために使用される角速度センサに用いられる振動子、振動型ジャイロスコープ、直線加速度計、および回転角速度の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転系内の回転角速度を検出するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメラの手振れの検出などに使用されている。
【０００３】
このような圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープとしては、これまでに種々のものが提案されている。例えば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００５】
しかし、上述した従来の圧電振動型ジャイロスコープは、いずれの例でも、振動子を回転軸に対して平行に配置（いわゆる縦置き）しなければ、回転角速度を検出することができない。しかし、通常、測定したい回転系の回転軸は、装着部に対して垂直である。従って、このような圧電振動型ジャイロスコープを実装する際、圧電振動型ジャイロスコープの低背化を達成すること、即ち、振動型ジャイロスコープを回転軸方向に見たときの寸法を減少させることができなかった。
【０００６】
近年になって、振動子を回転軸に対して垂直に配置（いわゆる横置き）しても、回転角速度を検出できる圧電振動型ジャイロスコープが、特開平８−１２８８３３号公報において提案されている。しかし、このような振動型ジャイロスコープにおいても、振動型ジャイロスコープを回転軸方向に見たときの寸法を減少させる上で限界があった。
【０００７】
本発明の課題は、特に所定面内に延びる振動子に対して、この所定面内の回転を与えたときに、この回転の角速度を検出できるような、新しい振動型ジャイロスコープを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る振動子は、所定の回転軸を中心として回転させるための振動子であって、この振動子が少なくとも複数の振動系を備えており、これら複数の振動系が回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、振動系が、振動系の振動の重心が振動子の重心から見て所定面内で径方向に振動する径方向振動成分を含む第一の振動系と、振動系の振動の重心が振動子の重心から見て所定面内で周方向に振動する周方向振動成分を含む第二の振動系とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、基部と、この基部の周縁部から放射状に延びる複数の互いに分離された振動系とを備えており、基部および振動系が所定平面内に延びていることを特徴とする、振動子に係るものである。
【００１０】
また、本発明に係る振動型ジャイロスコープは、回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、前記の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、第一の振動系と第二の振動系との一方に設けられている励振手段と、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、第一の振動系と第二の振動系との他方に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の振動型ジャイロスコープは、振動子と、振動子に対して駆動振動を励振する励振手段と、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を検出する検出手段とを備えており、振動子が複数の振動系を備えており、これら複数の振動系が回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、これら複数の振動系のうち少なくとも一つに励振手段が設けられており、この励振手段が設けられていない振動系のうち少なくとも一つに検出手段が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、振動型ジャイロスコープであって、振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段と、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を検出する検出手段とを備えており、振動子が所定面内に延びており、振動子が複数の振動系を備えており、励振手段と検出手段とが別の振動系に設けられており、振動子に駆動振動を励起したときに、駆動振動の全体の重心が振動子の重心の近傍領域内に位置することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、所定の回転軸を中心として回転させるための振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段と、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を検出する検出手段とを備えており、振動子が所定面内に延びており、振動子が複数の振動系を備えており、励振手段と検出手段とが別の振動系に設けられており、振動子に駆動振動を励起したときにこの駆動振動による変位が微小である微小変位部分内に振動子の重心が位置していることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、所定の回転軸を中心として回転させるための振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段と、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を検出する検出手段とを備えており、振動子が所定面内に延びており、振動子が複数の振動系を備えており、励振手段と検出手段とが別の振動系に設けられており、振動子に検出振動を生じさせたときにこの検出振動による変位が微小である微小変位部分内に振動子の重心が位置していることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、回転系の回転角速度を検出する方法であって、振動子が少なくとも複数の駆動振動系と一つ以上の検出振動系とを備えており、これらの振動系が回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、この振動子を回転軸を中心として回転させ、この際複数の駆動振動系に同時に駆動振動を励起させ、各駆動振動系の振動の少なくとも一部を相殺し、検出振動系において振動子の検出振動を検出することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、回転系の回転角速度を検出する方法であって、振動子が複数の振動系を備えており、これらの振動系が回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、この際、振動子の重心を中心としたときに径方向振動成分を振動系の一つ以上に励起し、振動子が回転する際に径方向振動成分によって周方向のコリオリ力を生じさせ、このコリオリ力によって振動子に発生する振動を、他の振動系において検出することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、回転系の回転角速度を検出する方法であって、振動子が複数の振動系を備えており、これらの振動系が回転軸に対して交差する所定面内に延びるように形成されており、この際、振動子の重心を中心としたときに周方向振動成分を振動系の一つ以上に励起し、振動型ジャイロスコープが回転する際に周方向振動成分によって径方向のコリオリ力を生じさせ、このコリオリ力によって振動子に発生する振動を、他の振動系において検出することを特徴とする。
【００１８】
本発明者は、振動型ジャイロスコープに使用できる振動子の振動原理について基礎研究を行ってきたが、この過程で、まったく新しい原理に基づく振動子および振動型ジャイロスコープを開発することに成功した。この点について、図１−図１０の各模式図を参照しつつ、説明する。
【００１９】
ここで、Ｏは回転軸Ｚと振動子の所定面との交点（回転中心）である。ＧＯは振動子の全体の重心（非振動時）であり、ＧＤは駆動振動の重心である。重心ＧＯ、ＧＤの周囲には、複数の振動系が存在する。以下、図１−図１０においては、振動系が全部で４つ設けられている場合について説明するが、振動系の総数は種々変更できる。
【００２０】
図１に示すように、重心ＧＯ、ＧＤの周囲には、第一の振動系１Ａと第二の振動系１Ｂとが、互いに回転対称の位置に設けられている。各振動系１Ａ、１Ｂは、共に重心ＧＯを中心としたときに径方向に振動する成分５Ａ、５Ｂを有している。重心ＧＯの周囲には更に第二の振動系２Ａと２Ｂとが設けられており、これらは、共に重心ＧＯを中心としたときに周方向に振動する成分６Ａ、６Ｂを有している。
【００２１】
なお、周方向に振動する振動成分とは、重心ＧＯから見て所定面内で円周方向に振動する振動成分のことを指している。径方向に振動する成分とは、重心ＧＯからみて所定面内で円の直径方向に振動する振動成分のことを指しており、つまり、重心ＧＯに対して遠ざかる方向と近づく方向とに対して交互に振動する成分のことを言う。
【００２２】
前記した第一の振動系と第二の振動系とは、すべて何らかの形で連結され、所定面内に延びる振動子を形成している。こうした振動子を、回転軸Ｚを中心として矢印ωのように回転させることで、回転角速度の検出を行える。
【００２３】
例えば、第一の振動系１Ａ、１Ｂ内の各振動体３Ａ、３Ｂを駆動振動体として使用し、径方向の振動成分５Ａ、５Ｂを駆動振動として使用した場合には、回転後にコリオリ力７Ａが作用し、これに対応して第二の振動系２Ａ、２Ｂ内の振動体４Ａ、４Ｂに、周方向の振動成分６Ａ、６Ｂが発生する。この振動成分を検出し、この検出値から回転角速度を算出する。
【００２４】
また、第二の振動系内の各振動体４Ａ、４Ｂを駆動振動体として使用し、周方向の振動成分６Ａ、６Ｂを駆動振動として使用した場合には、回転後にコリオリ力７Ｂが作用し、これに対応して第一の振動系１Ａ、１Ｂ内の振動体３Ａ、３Ｂに、径方向の振動成分５Ａ、５Ｂが発生する。この振動成分を検出し、この検出値から回転角速度を算出する。
【００２５】
このような振動子および振動型ジャイロスコープによれば、振動子の駆動振動および検出のための振動が、いずれも所定面内で行われ、振動子の振動アームが回転軸に対して交差する方向に延びるように、振動子を設置した場合にも、振動子から回転軸の方向に向かって一定重量の突出部を設けることなく、十分に高い感度で回転角速度を検出できるようになった。
【００２６】
しかも、従来の振動型ジャイロスコープにおいては、いずれも駆動振動アームの駆動振動が、何らかの形で検出アームにも歪みとして影響を及ぼし、検出信号にノイズを発生させていた。しかし、本発明によれば、各駆動振動系と各検出振動系とは、重心ＧＯを中心として放射状に延びるように設けられており、駆動振動の影響が検出振動系に伝わりにくい形態となっている。即ち、駆動振動が緩衝、相殺されていて、検出振動系には駆動振動の影響が伝達されにくい。この結果、検出信号に不可避的に発生していたノイズを、抑制ないし防止することができる。この点で、本発明は、振動型ジャイロスコープに内在していた根本的な問題点を解決したものである。
【００２７】
更に、図１または図６に示すように、例えば第一の振動系１Ａ、１Ｂにおける径方向振動成分５Ａ、５Ｂを駆動振動として使用した場合に、第一の振動系が重心ＧＯを中心として回転対称な位置に設けられており、この結果、各駆動振動が互いに相殺し合う。これによって、検出振動を検出するための第二の振動系に対する駆動振動の影響が小さくなる。
【００２８】
このように、本発明においては、第一の振動系を複数設け、各振動系を、重心ＧＯを中心として互いに回転対称の位置に設けることができる。例えば図１、図６においては、第一の振動系１Ａと１Ｂとは、重心ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。
【００２９】
また、第二の振動系を複数設け、各第二の振動系を、重心ＧＯを中心として互いに回転対称の位置に設けることが好ましい。例えば、図１、図６においては、第二の振動系２Ａと２Ｂとは、重心ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。
【００３０】
ここで、各振動系が重心ＧＯを中心として回転対称の位置にあるとは、重心ＧＯを中心として、問題とする複数の振動系がそれぞれ所定面内で同じ所定角度離れている状態を意味する。従って、一つの振動系を所定面内で所定角度回転させる操作を行うと、他の振動系の位置に位置する。例えば、図１、図６においては、第一の振動系１Ａと１Ｂとは、１８０°離れているので、振動系１Ａを１８０°回転させる操作を行うと、振動系１Ｂの位置にくる。
【００３１】
回転対称は、具体的には２回対称、３回対称、４回対称であることが好ましい。また、駆動振動系が、第一の振動系である場合も、第二の振動系である場合も、複数の駆動振動系を重心ＧＯを中心として回転対称の位置に設けることによって、特に比較的微小な検出振動への影響を抑制できることから、効果が大きい。
【００３２】
特に駆動振動系（例えば第一の振動系１Ａ、１Ｂ）の振動の全体の重心ＧＤが、重心ＧＯの近傍領域に位置していることが好ましく、これによって検出振動系（例えば第二の振動系）への影響を抑制できる。これは、例えば図６に模式的に示すように、各振動系１Ａ、１Ｂ内の振動体３Ａ、３Ｂが径方向に振動する成分を有する場合に、これらの振動成分５Ａと５Ｂとの振動の位相が逆になり、このために振動成分５Ａと５Ｂとが相殺し合うことを意味している。
【００３３】
駆動振動の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯの近傍領域に位置しているとは、具体的には、実質的に重心ＧＯ上に位置していてもよいが、重心ＧＯから直径１ｍｍの円内に存在していることを意味する。
【００３４】
本発明の振動型ジャイロスコープにおいては、第一の振動系と第二の振動系との一方が駆動振動系であるときには、他方が検出振動系となる。本発明においては、特に駆動振動系が複数設けられていて、一つの駆動振動系に対して９０°以上離れた位置に、他の駆動振動系が存在することが好ましく、複数の駆動振動系の間に検出振動系が設けられていることが好ましい。これによって、各駆動振動系の駆動振動が相殺しあい、検出振動系への影響が一層少なくなるからである。
【００３５】
本発明の振動子においては、複数の振動系が所定面内に延びているが、これは厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に複数の振動系が形成されている場合を含む。また、前記振動系以外の部分は、前記の所定面から突出することもありえるが、振動子の全体が所定面内に形成されていることが好ましい。
【００３６】
また、所定面と回転軸とがなす角度は、６０−１２０度とすることが好ましく、８５−９５度とすることが好ましく、直交していることが一層好ましい。
【００３７】
本発明において、第一の振動系および第二の振動系の具体的形態は限定されない。好適な形態においては、各振動系は、それぞれ屈曲振動片を備えている。図２−図５を参照しつつ、主として屈曲振動片を使用した実施形態について説明する。
【００３８】
図２（ａ）においては、第一の振動系１Ａ、１Ｂの中に、それぞれ前述の振動体３Ａ、３Ｂ（図１参照）として、屈曲振動片１３Ａ、１３Ｂが設けられている。本形態の屈曲振動片は、それぞれ中央部分に固定部８が設けられ、両端に開放端９が設けられている。この結果、各屈曲振動片１３Ａ、１３Ｂは、それそれ開放端側が固定部８を中心として振動する。これらの振動のうち、主として径方向振動成分５Ａ、５Ｂを利用する。
【００３９】
図２（ｂ）においては、第一の振動系１Ａ、１Ｂの中に、屈曲振動片２３Ａ、２３Ｂが設けられている。本形態の屈曲振動片は、それぞれその両端に固定部８が設けられて、拘束されている。この結果、各屈曲振動片２３Ａ、２３Ｂの中央部分が大きく振動する。
【００４０】
図３においては、第一の振動系１Ａ、１Ｂの中に、屈曲振動片３３Ａ、３３Ｂが設けられている。本形態の屈曲振動片は、それぞれその一方の端部が拘束されており、他方の端部が開放されている。この結果、各屈曲振動片３３Ａ、３３Ｂの他方の端部側が大きく振動する。この際、屈曲振動片３３Ａの振動と屈曲振動片３３Ｂの振動とが互いに相殺しあうように、各振動の位相、振幅および各屈曲振動片における開放端の位置を選択する。
【００４１】
図４（ａ）においては、第一の振動系１Ａ、１Ｂは図１に述べたものであるが、第二の振動系２Ａ、２Ｂ中に、それぞれ屈曲振動片１４Ａ、１４Ｂが設けられている。本形態の屈曲振動片は、それぞれ振動子の重心ＧＯに近い側に固定部８が存在しており、重心ＧＯから遠い側の端部が開放されている。この結果、各屈曲振動片１４Ａ、１４Ｂの重心ＧＯから遠い方の端部が大きく周方向に振動する。
【００４２】
図４（ｂ）においては、第一の振動系１Ａ、１Ｂは図１に述べたものであるが、第二の振動系２Ａ、２Ｂ中に、それぞれ屈曲振動片２４Ａ、２４Ｂが設けられている。本形態の屈曲振動片は、それぞれ振動子の重心ＧＯから遠い側の末端に固定部８が存在しており、重心ＧＯに近い側の端部が開放されている。この結果、各屈曲振動片２４Ａ、２４Ｂの重心ＧＯに近い側の端部が大きく振動する。この振動も、主として周方向振動成分６Ａ、６Ｂからなっているが、径方向振動成分も含んでいる。
【００４３】
図５（ａ）においては、第二の振動系２Ａ、２Ｂ中に、それぞれ屈曲振動片３４Ａ、３４Ｂが設けられている。本形態の屈曲振動片は、それぞれ中央部分に固定部８が設けられており、両端が開放されている。この結果、各屈曲振動片３４Ａ、３４Ｂの両端が６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄのように振動する。
【００４４】
図５（ｂ）においては、第二の振動系２Ａ、２Ｂ中に、それぞれ屈曲振動片４４Ａ、４４Ｂが設けられている。本形態の屈曲振動片は、それぞれ両端に固定部８が設けられている。この結果、各屈曲振動片４４Ａ、４４Ｂの中央部分が大きく振動する。
【００４５】
なお、図１においては、回転中心（回転軸と所定面との交点）Ｏが、振動子の重心ＧＯおよび駆動振動の全体の重心ＧＤと一致しているが、図２−図６には特に回転中心Ｏを図示していない。なぜなら、回転中心Ｏが振動子の重心とは一致していない場合も、更には回転中心Ｏが振動子の外部に位置している場合も、基本的に本願発明の振動子は有用であり、本発明の振動型ジャイロスコープに使用できるからである。なぜなら、振動子が回転しているときに、回転中心Ｏと振動子の重心ＧＯとが一致していない場合の振動子の各部分の変位は、回転中心Ｏが振動子の重心ＧＯと一致している場合の振動子の各部分の変位（回転による振動子の各部分の変位）と、振動子の各部分の並進運動による変位とのベクトル和となる。そして、振動子の各部分の並進運動による変位については、コリオリ力は働かないので、振動型ジャイロスコープによって検出することなく消去できるからである。
【００４６】
本発明の一つの好適な形態においては、振動子が、基部と、この基部の周縁部から放射状に延びる複数の互いに分離された振動系とを備えており、基部および振動系が所定面内に延びている。または、基部内に振動子の重心ＧＯが位置しており、好ましくは第一の振動系と第二の振動系との少なくとも一方が基部から延びており、この場合には、第一の振動系と第二の振動系とを、それぞれ基部から放射状に延びるように形成できる。
【００４７】
これらの形態について、図７を参照しつつ、説明する。図７において、１１は基部であり、基部１１の周縁１１ａから、第一の振動系１Ａと１Ｂ、および第二の振動系２Ａ、２Ｂが放射状に突出している。
【００４８】
なお、本実施形態において、各振動系が基部の周縁から放射状に突出しているとは、正確に基部の中心から放射状に延びている必要はなく、基部の周縁から、振動子の重心ＧＯに対して遠ざかる方向に延びていればよい。
【００４９】
第一の振動系は、例えば、基部の周縁部から径方向に突出する支持部と、この支持部に対して交差する方向に延びる屈曲振動片とを備えている。また、第二の振動系は、最も簡略な形態としては、基部の周縁部から径方向に突出する屈曲振動片からなる。この屈曲振動片に重量部を設けることによって、屈曲振動片の全体の寸法を短くすることもできる。
【００５０】
また、本発明の振動子に枠部を設け、この枠部の内側に中空部を形成し、枠部の内側に、第一の振動系と第二の振動系との少なくとも一方が延びるようにすることかできる。図８−図１０は、この実施形態に係るものである。
【００５１】
図８においては、枠部１９の内側の中空部７０内に基部１１が設けられている。そして、枠部１９の内側に第二の振動系２Ａ、２Ｂが基部１１の方へと向かって突出しており、第一の振動系１Ａ、１Ｂは基部１１の周縁から振動子の重心ＧＯに対して遠ざかる方向へと延びている。
【００５２】
図９においては、枠部１９の内側の中空部７０内に基部１１が設けられている。そして、枠部１９の内側に第一の振動系１Ａ、１Ｂが基部１１の方へと向かって突出しており、第二の振動系２Ａ、２Ｂは基部１１の周縁から、振動子の重心ＧＯに対して遠ざかる方向へと延びている。
【００５３】
図１０においては、枠部１９の内側の中空部７０内に基部１１が設けられていない。そして、枠部１９の内側に第一の振動系１Ａ、１Ｂおよび第二の振動系２Ａ、２Ｂが、重心ＧＯの方へと向かって突出している。
各振動系における各径方向と周方向との各振動成分の比率は、以下が好ましい。
（Ａ）  第一の振動系における径方向振動成分と周方向振動成分との振幅の大きさは、１：０−３とすることが好ましく、１：０−１とすることが更に好ましい。第二の振動系における径方向振動成分と周方向振動成分との振幅の大きさは、０−１：５とすることが好ましく、０−１：１０とすることが更に好ましい。ただし、ここで言う各振動成分の各振幅は、対象とする振動系内に存在する、逆向きの振動を互いに相殺しない場合の各振動成分の各振幅を意味する。
（Ｂ）  第一の振動系における径方向振動成分と周方向振動成分との振幅の大きさは、５：０−１とすることが好ましく、１０：０−１とすることが更に好ましい。第二の振動系における径方向振動成分と周方向振動成分との振幅の大きさは、０−１：５とすることが好ましく、０−１：１０とすることが更に好ましい。ただし、ここで言う各振動成分の各振幅は、対象とする振動系内に存在する、逆向きの振動を互いに相殺した後に残る各振動成分の各振幅を意味する。
【００５４】
以下、本発明の更に具体的な実施形態について述べる。
本発明の振動子の変位は、所定面内で生ずる。このため、振動子の全体を、同一の圧電単結晶によって形成することができる。この場合には、まず圧電単結晶の薄板を作製し、この薄板をエッチング、研削により加工することによって、振動子を作製できる。振動子の各部分は、別の部材によってそれぞれ形成することもできるが、一体で構成することが特に好ましい。
【００５５】
平板形状の材料、例えば水晶等の圧電単結晶の平板状の材料から、エッチングプロセスによって振動子を形成する場合には、振動子の各屈曲振動片等の各構成片に特定形状の突起、例えば細長い突起が生成することがある。このような突起は、厳密には設計時に予定された振動子の対称性を低下させる原因となる。しかし、この突起は存在していても良く、突起の高さは小さい方が好ましいが、突起の高さが振動子の構成片の幅の１／５以下であれば一般に問題なく使用できる。他の製造上の原因による突起以外の非対称部分が振動子に存在する場合にも同様である。
【００５６】
なお、このように突起などが振動子に存在する場合には、この突起の一部をレーザー加工等によって削除することによって、または振動子の突起以外の部分をレーザー加工等によって削除することによって、駆動時に駆動振動系の重心が、振動子の重心の近傍領域内に位置するように、エッチング加工後に調整できる。
【００５７】
また、振動子の材質は特に限定するものでないが、水晶、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ3 ）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。
【００５８】
前記した単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ3 単結晶、ＬｉＴａＯ3 単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶が、電気機械結合係数が特に大きい。また、ＬｉＮｂＯ3 単結晶とＬｉＴａＯ3 単結晶とを比較すると、ＬｉＴａＯ3 単結晶の方がＬｉＮｂＯ3 単結晶よりも電気機械的結合係数が一層大きく、かつ温度安定性も一層良好である。
【００５９】
圧電単結晶を使用すると、検出感度を良好にすることができるとともに、検出ノイズを小さくできる。しかも、圧電単結晶を使用すると、温度変化に対して特に鈍感な振動子を作製でき、このような振動子は、温度安定性を必要とする車載用として好適である。この点について更に説明する。
【００６０】
音叉型の振動子を使用した角速度センサとしては、例えば特開平８−１２８８３３号公報に記載された圧電振動型ジャイロスコープがある。しかし、こうした振動子においては、振動子が２つの方向に向かって振動する。このため、振動子を特に圧電単結晶によって形成した場合には、圧電単結晶の２方向の特性を合わせる必要がある。しかし、現実には圧電単結晶には異方性がある。
【００６１】
一般に圧電振動型ジャイロスコープでは、測定感度を良好にするために、駆動の振動モードの固有共振周波数と検出の振動モードの固有共振周波数との間に、一定の振動周波数差を保つことが要求されている。しかし、圧電単結晶は異方性を持っており、結晶面が変化すると、振動周波数の温度変化の度合いが異なる。例えば、ある特定の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数の温度変化がほとんどないが、別の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数が温度変化に敏感に反応する。従って、振動子が２つの方向に向かって振動すると、２つの振動面のうち少なくとも一方の面は、振動周波数の温度変化が大きい結晶面になる。
【００６２】
これに対して、本発明におけるように振動子の全体を所定面内で振動するようにし、かつ振動子を圧電単結晶によって形成することで、単結晶の最も温度特性の良い結晶面のみを振動子において利用できるようになった。
【００６３】
即ち、振動子の全体が所定平面内で振動するように設計されていることから、圧電単結晶のうち振動周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用して、振動子を製造することができる。これによって、きわめて温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供できる。
【００６４】
本発明の振動子を圧電性材料によって形成した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがある。
【００６５】
また、本発明の振動子を、エリンバー等の恒弾性金属によって形成することもできる。この場合には、振動子の所定箇所に圧電体を取り付ける必要がある。
【００６６】
図１１は、本発明の一実施形態に係る圧電単結晶製の振動子を備えた振動型ジャイロスコープを、概略的に示す平面図である。基部１１Ａは、振動子の重心ＧＯを中心として、４回対称の正方形をしている。基部１１Ａの周縁部１１ａから、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂ（本例では第一の振動系）と検出振動系２Ａ、２Ｂ（本例では第二の振動系）とが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系１Ａと１Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系２Ａと２Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称である。
【００６７】
駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部１１Ａの周縁部１１ａから突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、支持部１２Ａ、１２Ｂの先端１２ｂ側から支持部に直交する方向に延びる第一の屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄを備えている。これらの屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄは、図２（ａ）に示すように、その中央部分が拘束されており、両端が開放されている。第一の屈曲振動片は、更に詳細には屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、および１６Ｃ、１６Ｄからなる。各屈曲振動片には、それぞれ駆動電極１５Ａ、１５Ｂが設けられている。検出振動系２Ａ、２Ｂは、細長い周方向屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄからなり（図４（ａ）を参照）、各屈曲振動片には検出電極１６Ａ、１６Ｂが設けられている。
【００６８】
この振動子の駆動振動の駆動モードを図１２に示す。各屈曲振動片が支持部１２Ａ、１２Ｂの先端部分１２ｂ付近を中心として屈曲振動していることがわかる。
【００６９】
この振動子の検出振動のモードを図１３に示す。支持部１２Ａ、１２Ｂが固定部１２ａを中心として周方向に屈曲振動し、これに対応して、検出振動系の屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄが屈曲振動していることがわかる。
【００７０】
また、本発明者は、図１１の振動子について、駆動振動および検出振動モードが振動子の全体に及ぼす影響を調べるため、有限要素法による固有モード解析を実施した。そして、振動子を水晶によって作製し、振動子の各点の振動の振幅を、最大振動振幅点に対する比率の分布として求めた。
【００７１】
図１２には、振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示し、図１３には、振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示している。図１２および図１３において、それぞれ色の異なる領域は、各別に異なる最大振動振幅点との比率の領域を示す。橙色の部分が、振幅が最小の領域となる。
【００７２】
図１２によると、各支持部１２Ａ、１２Ｂの基部１１Ａに対する固定部１２ａの近辺では、各駆動振動系の振動に伴って引っ張り応力が加わり、変形が見られる。しかし、この変形の影響は、各駆動振動系１Ａと１Ｂとが２回対称の位置に配置されていることから、基部内において互いに相殺し合う。このため、基部の中心付近、そして駆動振動系に挟まれた検出振動系２Ａ、２Ｂにおいては、駆動振動による影響が見られなくなっている。
【００７３】
図１３によると、各駆動振動系１Ａと１Ｂとから基部に加わる影響が相殺し合っている。しかも、各検出振動系２Ａ、２Ｂから基部に加わる影響も、各検出振動系が２回対称の位置に配置されていることから、基部内において互いに相殺し合う。この結果、基部の中心付近２１Ａ（図１１および図１３参照）においては、検出振動による影響が見られなくなっている。
【００７４】
従って、本発明の振動型ジャイロスコープにおいては、駆動振動の検出振動の振幅が最小の領域内において、振動子を支持し、固定する。これによって、コリオリの力により発生する検出振動を減衰させることなく効果的に発生させることができ、検出振動のＱ値が高くなり、感度を上昇させることができる。コリオリの力により発生する検出振動は振動が小さいため、感度を上昇させるためには、検出振動の振幅が最小の領域内で振動子を支持することが、特に効果的である。
【００７５】
そして、本例では、図１２、図１３から、駆動振動の振幅が最小の領域と検出振動の振幅が最小の領域とが、図１１に示す２１Ａのように、基部の中央部分に局在していることが判明しているので、この領域２１Ａを支持し、固定する。この際、振動子を支持する具体的方法については特に限定せず、あらゆる支持方法、固定方法を採用できる。
【００７６】
例えば、圧電材料の接着方法として公知のあらゆる接着方法を使用できる。その一例として、領域２１Ａ内に所定の支持孔２０Ａを設け、支持孔２０Ａ内に何らかの支持具を挿入して振動子を固定できる。例えば、振動子を支持するための治具から支持具を突出させ、支持具を支持孔２０Ａ内に挿入し、固定できる。支持具を支持孔中に挿入し、固定する際には、支持具の表面にメタライズ層を設け、および／または支持孔２０Ａの内周面にメタライズ層を設け、次いで支持具と支持孔２０Ａの内周面とをハンダ付け又はロウ付けする。あるいは、支持具と支持孔２０Ａとの間に樹脂を配することにより、振動子を固定できる。
【００７７】
この支持孔２０Ａは、振動子を貫通していてもよく、また振動子を貫通していなくともよい。支持孔２０Ａが振動子を貫通する貫通孔である場合には、支持孔２０Ａに支持具を貫通させることもできるが、支持具を貫通させなくともよい。
【００７８】
また、振動子に支持孔を設けない場合には、振動子の領域２１Ａの表面および／または裏面に、支持具をハンダ付けしたり、あるいは樹脂によって接着できる。
【００７９】
また、本例の振動子および振動型ジャイロスコープにおいては、図１１、図１２におけるように、駆動振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。ここで、駆動振動時の振動子の微小変位部分とは、駆動振動時の最大振幅の１／１０００以下の振幅を有する部分を言う。
【００８０】
また、本例の振動子および振動型ジャイロスコープにおいては、図１１、図１３におけるように、検出振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。ここで、検出振動時の振動子の微小変位部分とは、駆動振動時の最大振幅の１／１０００以下の振幅を有する部分を言う。
【００８１】
第一の振動系においては、支持部の長手方向と各屈曲振動片の長手方向とは、必ずしも垂直である必要はないが、垂直であることが好ましい。
【００８２】
図１４〜図１８は、いずれも、本発明において基部から各振動系が突出する実施形態に係る、振動子および振動型ジャイロスコープを概略的に示す平面図である。これらの各実施形態においては、いずれも励振手段および検出手段を図示省略しているが、これは前述したような駆動電極および検出電極の他、公知の駆動手段、検出手段を採用できる。
【００８３】
図１４の振動型ジャイロスコープの振動子においては、基部１１Ｂは円形をしている。基部１１Ｂの周縁部１１ａから、放射状に、四つの駆動振動系１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄと二つの検出振動系２Ａ、２Ｂとが突出している。各振動系は互いに分離されている。駆動振動系１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは重心ＧＯを中心として４回対称であり、検出振動系２Ａと２Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称である。
【００８４】
各駆動振動系は、基部１１Ｂの周縁部１１ａから径方向に向かって突出する支持部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄと、各支持部の先端１２ｂ側から支持部に直交する方向に延びる屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆを備えている。これらの屈曲振動片は、図２（ａ）に示すように、その中央部分が拘束されており、両端が開放されている。各屈曲振動片は、更に詳細には屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ、１６Ｆ、１６Ｇ、１６Ｈからなる。各検出振動系２Ａ、２Ｂは、細長い周方向屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄからなる。
【００８５】
この振動子の駆動振動の振動モードにおいては、各屈曲振動片が、各支持部の先端部分１２ｂ付近を中心として主として径方向に向かって屈曲振動している。検出振動の振動モードにおいては、各支持部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄが固定部１２ａを中心として矢印Ｃのように周方向に屈曲振動し、これに対応して、各検出振動系２Ａ、２Ｂが矢印６Ａ、６Ｂのように屈曲振動する。なお、図１４においては、薄い線で検出モードの際の各部分の動きを示してある。
【００８６】
なお、図１４において、２１Ｂは、駆動振動の際の振幅が最小の領域と検出振動の際の振幅が最小の領域との重複領域であり、特に好ましくはこの領域２１Ｂを前述のようにして支持し、固定する。
【００８７】
図１５の振動型ジャイロスコープの振動子においては、基部１１Ｃは、正三角形の中央部１１ｄと、中央部１１ｄの各片に連続している正方形の突出部１１ａ、１１ｂ、１１ｃからなる。この基部１１は、振動子の重心ＧＯを中心として３回対称の形状をしている。基部１１Ｃの各突出部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの周縁部１１ｅから、放射状に、三つの駆動振動系１Ａ、１Ｂ、１Ｃと、三つの検出振動系２Ａ、２Ｂ、２Ｃとが突出している。各振動系は互いに分離されている。
【００８８】
駆動振動系１Ａ、１Ｂ、１ＣはＯを中心として３回対称であり、検出振動系２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、重心ＧＯを中心として３回対称である。本実施形態では各検出振動系は重心ＧＯから正確に放射状に延びてはいないが、基部の周縁部１１ｅから見ると、周縁部から離れる方向へと放射状に延びている。
【００８９】
この振動子の駆動振動モードにおいては、各屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅが、各支持部の先端部分１２ｂ付近を中心として矢印５Ａのように主として径方向に向かって屈曲振動する。振動子の検出振動のモードにおいては、各支持部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃが固定部１２ａを中心として周方向に屈曲振動し、これに対応して、各検出振動系の各屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅが矢印Ｆのように屈曲振動する。
【００９０】
基部１１Ｃの中央部内には、駆動振動の際の振幅が最小の領域と検出振動の際の振幅が最小の領域との重複領域２１Ｃが存在している。特に好ましくは、この領域２１Ｃを前述のようにして支持し、固定する。例えばこの領域２１Ｃ内に支持孔２０Ｂを形成し、前述のようにこの支持孔２０Ｂを利用して振動子を支持する。
【００９１】
図１６の振動子においては、基部１１Ｄは、４回対称の正方形をしており、その周縁部１１ａから、放射状に、２つの駆動振動系１Ａ、１Ｂと、２つの検出振動系２Ａ、２Ｂとが突出している。各振動系は互いに分離されている。
【００９２】
基部１１Ｄ内には４つの支持孔２０Ｃが設けられており、４つの支持孔の間に接続部分２２が形成されている。各駆動振動系および各検出振動系の振動モードについては前述したとおりである。
【００９３】
図１７の振動子の形態は、図１１に示す振動子の形態と同じであるが、振動子の基部、駆動振動系および検出振動系を囲むように枠部１９が形成されている。枠部１９の内側面が接続部分２５を通して基部１１Ａの四隅に対して接続されている。本発明の振動型ジャイロスコープにおいては、２１Ａを支持することも好ましいが、枠部１９を支持することも好ましい。
【００９４】
図１８の振動子においては、基部１１Ａの周縁部１１ａから、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂと二つの検出振動系２Ａ、２Ｂとが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系１Ａと１ＢとはＯを中心として２回対称であり、検出振動系２Ａと２Ｂとは振動子の重心ＧＯを中心として２回対称である。
【００９５】
駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部１１Ａの周縁部１１ａから突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、各支持部の先端１２ｂ側から支持部に直交する方向に延びる屈曲振動片１３Ｉ、１３Ｊを備えている。各屈曲振動片１３Ｉ、１３Ｊは、図２（ａ）に示したように中央部分が固定されているものであり、屈曲振動片１６Ｉ、１６Ｊ、１６Ｋ、１６Ｌからなる。各駆動振動系は、更に、各径方向屈曲振動片の先端側に、各径方向屈曲振動片とは垂直に延びる屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄを備えている。
【００９６】
検出振動系２Ａ、２Ｂは、それぞれ細長い周方向屈曲振動片１４Ｅ、１４Ｆ（図４（ａ）を参照）からなり、各周方向屈曲振動片１４Ａ、１４Ｂには重量部２６Ａ、２６Ｂが設けられている。
【００９７】
この振動子の駆動振動のモードを図１９（ａ）に示す。各屈曲振動片１６Ｉ、１６Ｊ、１６Ｋ、１６Ｌが矢印５Ａ、５Ｂに示すように、先端部分１２ｂ付近を中心として屈曲振動し、これと同時に、各屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄが矢印Ｈのように屈曲振動する。
【００９８】
この振動子の検出振動のモードを図１９（ｂ）に示す。支持部１２Ａ、１２Ｂが固定部１２ａを中心として周方向に屈曲振動し、これに対応して、屈曲振動片１４Ｅ、１４Ｆが矢印６Ｃ、６Ｄのように屈曲振動する。なお、突出部分２８は、レーザー加工によって駆動振動の周波数を調整するための領域である。
【００９９】
本発明の振動型ジャイロスコープを構成する振動子は、前述した圧電材料や恒弾性合金の他に、シリコンマイクロマシンにおいて使用されるように、シリコン半導体プロセスによって形成することもできる。この場合には、振動子を駆動する際には、静電力等を利用する。
【０１００】
図２０に係る振動子は、シリコン半導体プロセスによって作製されたものである。この振動子は、シリコン板に溝状の空隙を形成することによって得られている。振動子の形態それ自体は、図１１に示したものとほぼ同様である。振動子の基部１１Ｅは、重心ＧＯを中心として４回対称の正方形をしている。基部１１Ｅの周縁部１１ａから、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂと検出振動系２Ａ、２Ｂとが突出しており、各振動系は互いに分離されている。
【０１０１】
駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部の周縁部１１ａから突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、各支持部の先端１２ｂ側から支持部に直交する方向に延びる各屈曲振動片１３Ｋ、１３Ｌを備えている。各屈曲振動片１３Ｇ、１３Ｌは、屈曲振動片１６Ｍ、１６Ｎ、１６Ｐ、１６Ｑからなる。検出振動系２Ａ、２Ｂは，細長い周方向屈曲振動片１４Ｇ、１４Ｈからなる。
【０１０２】
各屈曲振動片１６Ｍ、１６Ｎ、１６Ｐ、１６Ｑの側面に、静電駆動電極３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇが設けられており、枠２９の各径方向屈曲振動片に対向する側面に、それぞれ静電駆動電極３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆ、３０Ｈが設けられている。これらの電極によって各屈曲振動片を静電的に駆動する。
【０１０３】
また、各周方向屈曲振動片１４Ｇ、１４Ｈの側面には、それぞれ静電検出電極３１Ａ、３１Ｃが設けられており、枠２９の各周方向屈曲振動片に対向する側面に、それぞれ静電駆動電極３１Ｂ、３１Ｄが設けられている。
【０１０４】
静電検出電極のかわりに、特定の金属がドープされた半導体ドーピング領域を設け、この半導体ドーピング領域によってピエゾ抵抗素子を構成できる。この場合には、振動子が回転するときに、各周方向屈曲振動片の各ピエゾ抵抗素子に加わる応力による抵抗値の変化を測定し、回転角速度の指標として検出する。なお、１２ａは支持部１２の固定部分である。
【０１０５】
図２１は、他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。駆動振動系１Ａ、１Ｂ、検出振動系２Ａ、２Ｂおよびこれらの動作については、図１１に示したものと同様である。この基部５８の検出振動系側の２片の周縁５８ａから枠部３２Ａ、３２Ｂが延びており、各枠部の中に各検出振動系が包囲されている。各枠部は、それぞれ、各検出振動系と平行に延びる接続部分３２ａと、振動子の支持、固定を行うための支持枠３２ｂとを備えている。枠部３２Ａ、３２Ｂの中で、駆動振動時および検出振動時の振幅が最小の領域を支持、固定する。
【０１０６】
図２２には、図２１の振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示し、図２３には、この振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示している。
【０１０７】
図２２によると、各支持部１２Ａ、１２Ｂの基部５８に対する固定部１２ａの近辺では、各駆動振動系の振動に伴って引っ張り応力が加わり、変形が見られる。この影響は、枠部の接続部分３２ａにおいても若干見られる。しかし、これらの影響は相殺し合うために、基部の中心付近、屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄおよび枠部の支持枠３２ｂにおいては、駆動振動による影響が見られなくなっている。
【０１０８】
図２３によると、各駆動振動系、各検出振動系から基部５８に加わる影響は互いに相殺し合い、この結果、基部５８の中心付近２１Ａにおいては、検出振動による影響が見られなくなっている。しかし、これだけではなく、支持枠３２ｂ内の領域２１Ｄも振幅が最小となるので、この領域２１Ｄを支持、固定することもできる。
【０１０９】
また、本例の振動子および振動型ジャイロスコープにおいては、図２１、図２２におけるように、駆動振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。また、図２１、図２３におけるように、検出振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。
【０１１０】
図２４は、本発明の一実施形態に係る振動子を備えた振動型ジャイロスコープを、概略的に示す斜視図である。基部１１Ｅは長方形をしている。基部１１Ｅの周縁部から、放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂ（本例では第一の振動系）と検出振動系２Ａ、２Ｂ（本例では第二の振動系）とが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系１Ａと１Ｂとは振動子の重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系２Ａと２Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称である。
【０１１１】
駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部の周縁部から突出する支持部３５と、支持部に直交する方向に延びる第一の屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄを備えている。これらの屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄは、図２（ｂ）に示すように、その両端部分がそれぞれ拘束されており、その中央部分が大きく振動する。好ましくは、各屈曲振動片２３Ｃおよび２３Ｄの振動の全体の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯ上にあるか、又は重心ＧＯの近傍領域内にあるように、各屈曲振動片を励振する。
【０１１２】
図２５の振動子においては、基部１１Ａの周縁部から、放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂと検出振動系２Ａ、２Ｂとが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系１Ａと１Ｂとは振動子の重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系２Ａと２Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称である。
【０１１３】
駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部の周縁部から突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、各支持部の先端から支持部に直交する方向に延びる第一の屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄ（図２（ａ）参照）を備えている。各屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄは、屈曲振動片１６Ａ−１６Ｄからなる。これらの屈曲振動片の外側に更に第一の屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄ（図２（ｂ）参照）が設けられており，屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄと２３Ｃ、２３Ｄとが互いに接続され、枠および中空部３６を形成している。屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄにおいては、その中央部分が矢印５Ａ、５Ｂのように大きく振動する。この場合には、屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄ、２３Ｃ、２３Ｄの振動の全体の重心ＧＤが、重心ＧＯ上にあるか、またはＧＯの近傍領域内にあるように、各屈曲振動片を励振する。
【０１１４】
図２６の振動子においては、基部１１Ａの周縁部から、放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂと一つの検出振動系２Ａとが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系１Ａと１ＢとはＧＯを中心として２回対称である。各駆動振動系は、基部の周縁部から突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、各支持部の先端から支持部に直交する方向に延びる第一の屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄ（図２（ａ）参照）を備えている。
【０１１５】
一方、検出振動系２Ａは前述したものであるが、重心ＧＯを挟む反対側には、重量部３７および固定片部３８が設けられている。この場合において、駆動振動系の全体の重心が重心ＧＯの近傍領域にあれば、検出振動系に対する影響は抑制され、この結果一つの検出振動系でもある程度正確な検出が可能になる。この場合には、検出振動系とは交点を挟む反対側の位置（ないし回転対称の位置）の延長線上において振動子を保持することが好ましい。
【０１１６】
図２７の振動子においては、駆動振動系１Ａと１Ｂとについては前出したものと同じである。この振動子は、図８に示す類型に該当するものである。一方、検出振動系２Ａ、２Ｂは、それぞれ基部１１Ａから突出する枠部１９Ａ、１９Ｂを備えており、各枠部１９Ａ、１９Ｂから、重心ＧＯの方へと向かって突出する第二の屈曲振動片２４Ｃ、２４Ｄを備えている。これらの各屈曲振動片２４Ｃ、２４Ｄは、図４（ｂ）に示すように、ＧＯから離れた方に固定部８があり、ＧＯに近い側に開放端がある形態のものであり、矢印６Ａ、６Ｂのように振動する。
【０１１７】
図２８の振動子においては、枠部１９Ｃの内側に、二つの第一の振動系と二つの第二の振動系とが、それぞれ重心ＧＯの方へと向かって形成されている。この振動子は、図１０に示す類型に該当するものである。
【０１１８】
各駆動振動系は、枠部１９Ｃから重心ＧＯの方へと向かって直線的に延びる支持部１２Ｃ、１２Ｄと、各支持部の先端から支持部に直交する方向に延びる第一の屈曲振動片１３Ｍ、１３Ｎ（図２（ａ）参照）を備えている。各屈曲振動片１３Ｍ、１３Ｎは、屈曲振動片１６Ｒ、１６Ｓ、１６Ｔ、１６Ｕからなる。
【０１１９】
各検出振動系は、それぞれ枠部１９Ｃから重心ＧＯの方へと直線的に延びる第二の屈曲振動片２４Ｃ、２４Ｄを備えている。これらの各屈曲振動片２４Ｃ、２４Ｄは、図４（ｂ）に示す形態のものである。
【０１２０】
本発明においては、複数の第一の振動系を、振動子の重心に対して周方向に延びる連結部によって連結することによって、各第一の振動系および連結部によって交点を包囲する環状の振動系を形成することができる。
【０１２１】
たとえは、図２９の振動子においては、基部１１Ａの周縁部から、放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂと検出振動系２Ａ、２Ｂとが突出している。駆動振動系１Ａと１ＢとはＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系２Ａと２ＢとはＧＯを中心として２回対称である。
【０１２２】
駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部の周縁部から突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、各支持部の先端から支持部に直交する方向に延びる第一の屈曲振動片１３Ｐ、１３Ｑ（図２（ａ）参照）を備えている。これらの屈曲振動片１３Ｐ、１３Ｑとが、連結部３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ、３９Ｄによって連結されており、各連結部および屈曲振動片１３Ｐ、１３Ｑによって、ＧＯを中心とする環状の振動系７１Ａが形成されている。
【０１２３】
図２９に示す駆動振動モードにおいては、各屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄが矢印６Ａ、６Ｂのように振動し、これに応じて各連結部が矢印Ｉのように振動する。この振動子を回転させると、図３０に示す検出振動の振動モードが誘起される。即ち、各駆動振動系は矢印Ａ、Ｂのように周方向に振動し、これに対応して環状の振動系の全体が変形する。これに対してバランスをとるように、各検出振動系の屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄが矢印６Ａ、６Ｂのように振動する。なお、４０は各屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄに設けられている重量部である。
【０１２４】
図３１−図３５においては、基部が小さく、屈曲振動片と同じ程度の幅しかない例について述べる。
【０１２５】
図３１、図３２においては、駆動振動系と検出振動系の支持部１２Ａ、１２Ｂ、屈曲振動片１３Ｒ、１３Ｓ、１４Ｃ、１４Ｄは、前述したものと同じである。しかし、基部１１Ｆは、支持部１２Ａ、１２Ｂと屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄの交差部分に存在しており、これらと同じ幅を有している。
【０１２６】
図３１においては、支持部１２Ａ、１２Ｂの先端側から更に重心ＧＯから遠ざかる方向に、直線状の延設部４１が設けられており、各延設部はそれぞれ固定片部４２に連結されている。これらによって、一対の固定片部４２の間で各駆動振動系１Ａ、１Ｂは前述のように振動する。図３２においては、固定片部および延設部は存在しない。
【０１２７】
図３３には、図３２の振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示し、図３４には、振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示している。これらの図面の読み方は、図１２、図１３において示したものと同じである。
【０１２８】
図３３によると、振動子の検出振動系および支持部では駆動振動系の振動による歪みがほとんどみられないことがわかる。図３４によると、各検出振動系が２回対称の位置に配置されていることから、基部１１Ｆ内およびその近くでは、検出振動による影響が見られなくなっている。この結果、少なくとも基部１１Ｆ内を保持することが好ましいことが分かる。
【０１２９】
本例の振動子および振動型ジャイロスコープにおいては、図３２、図３３におけるように、駆動振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。また、図３２、図３４におけるように、検出振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが位置している。
【０１３０】
図３５の振動子では、基部１１Ｆから、二つの検出振動系２Ａ、２Ｂが延びている。これらの検出振動系はそれぞれ屈曲振動片４４Ｃおよび４４Ｄからなっている。屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄの先端側は、それぞれ連結部４６を介して、屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄに連結されている。各屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄは、それぞれ駆動振動系１Ａ、１Ｂを構成するものであり、屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄとは略平行に延びている。駆動振動系の各屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄおよびこれらの連結部４６によって、重心ＧＯを中心として一体的に振動する環状の振動系７１Ｂが構成されている。
【０１３１】
屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄは、図２（ｂ）に示すように両端が固定されており、その中央部分が矢印５Ａ、５Ｂのように大きく振動する。また、各屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄは、図５（ｂ）に示すように振動する。なお、本例では、基部の近くに形成されている突出部分４５を固定片部として使用し、これらの固定片部を保持することもできる。
【０１３２】
次に、各屈曲振動片を駆動し、あるいは各屈曲振動片の振動を検出する方法の一例について更に述べる。図３６の振動子の動作は、図２４の振動子とまったく同じである。ただし、この振動子の結晶軸の方向は、所定面の方向にａ軸が延び、振動子に対して垂直な方向にｃ軸がある。こうした結晶軸の方向は、例えば水晶を使用した場合に該当する。
【０１３３】
図３６においては、駆動側の屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄに、それぞれ駆動電極１５Ａ、１５Ｂを設ける。この断面図を図３７（ａ）に示す。また、検出側の屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄには、それぞれ検出電極１６Ａ、１６Ｂを設ける。この部分の断面図を図３７（ｂ）に示す。
【０１３４】
また、本発明の振動子においては、各振動系の振動体、特に屈曲振動片に、その長手方向に向かって延びる貫通孔または凹部を設けることができる。これによって、屈曲振動片の振動の固有共振周波数を低下させ、駆動振動または検出のＱ値を一層向上させることができる。図３８〜図４１は、この実施形態に係る各振動型ジャイロスコープを示すものである。
【０１３５】
図３８においては、各屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄ、１４Ｃ、１４Ｄには、それぞれ、屈曲振動片の長手方向に延びる貫通孔４７、４８が形成されている。そして、各屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄには、図３９（ａ）に示すように、各貫通孔４７の外側壁面に駆動電極４９Ａ、４９Ｄが設けられており、内側壁面に駆動電極４９Ｂ、４９Ｃが設けられている。また、各屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄには、図３９（ｂ）に示すように、各貫通孔４８の外側壁面に検出電極５０Ａ、５０Ｄが設けられており、内側壁面に検出電極５０Ｂ、５０Ｃが設けられている。
【０１３６】
本実施形態でも、水晶のように、所定平面内に三回対称軸のａ軸を有する圧電単結晶板を使用している。各屈曲振動片では、図３９（ａ）に示すように、外側面上の駆動電極４９Ａ、４９Ｄが交流電源に接続されており、内側面上の駆動電極４９Ｂ、４９Ｃがアースされている。この結果、駆動電極４９Ａ−４９Ｂの組み合わせと、駆動電極４９Ｃ−４９Ｄの組み合わせとの間では、電圧の印加方向が逆になるので、屈曲振動片が屈曲する。
【０１３７】
また、検出側の屈曲振動片では、検出電極５０Ａ−５０Ｂ側と５０Ｃ−５０Ｄ側との間で、発生する電界が逆方向になる。
【０１３８】
そして、本実施形態におけるように、各屈曲振動片の各貫通孔において、各貫通孔の両側で、内側面と外側面とに一対の駆動電極を設けることで、１本の屈曲振動片を屈曲させることができる。検出側においても同様である。これによって、最も励振効率の高いａ軸方向に電圧を印加して、屈曲振動片を駆動でき、またその振動を検出することができるようになった。
【０１３９】
上述の実施形態においては、圧電単結晶のａ軸の方向に電圧を印加することによって、各アームを駆動していた。これに対して、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶の場合には、例えば図４０に示すように、紙面と平行な方向にａ軸を配向させ、ｃ軸が紙面に対して５０°の角度をなすようにすることが、温度特性の観点からもっとも有利である。この場合には、紙面に対して垂直な方向に電圧を印加することで、各屈曲振動片を屈曲振動させる。
【０１４０】
図４０においては、タンタル酸リチウムの１３０°Ｙ板を使用しており、ｃ軸が振動子の主面に対して５０°をなしている。この角度で振動子の温度特性がもっとも良好になる。駆動側の屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄには、それぞれ、屈曲振動片の長手方向に延びる貫通孔４７が形成されている。検出側の屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄには、それぞれ、屈曲振動片の長手方向に延びる貫通孔４８が形成されている。
【０１４１】
図４１（ａ）に示すように、各貫通孔４７の両側の位置に、細長い駆動電極９９Ａ、９９Ｂ、９９Ｃ、９９Ｄが設けらている。駆動電極９９Ａ−９９Ｂと駆動電極９９Ｃ−９９Ｄとの間で、電圧の印加方向が逆相になるので、屈曲振動片が屈曲する。また、図４１（ｂ）に示すように、検出側の各屈曲振動片には、各貫通孔４８の両側の位置に、細長い検出電極５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄが設けらており、検出電極５１Ａ−５１Ｂと検出電極５１Ｃ−５１Ｄとの間で、発生する電界が逆方向になる。
【０１４２】
なお、前述した各例において、貫通孔４７、４８の代わりに、これらと同じ平面的形状を有する凹部を設けることもできる。即ち、各屈曲振動片において、貫通孔４７、４８を貫通させず、薄い壁を設けることもできる。
【０１４３】
また、本発明の回転角速度の測定方法の好適な実施形態では、駆動振動を発生するために使用した電気信号を参照信号とし、駆動振動に伴って発生した、駆動振動と異なる振動モードを持つ振動を検出手段によって電気信号として取り出したときの信号を出力信号とするとき、参照信号と出力信号の位相差を検出し、検出した位相差の変化に基づいて角速度を検出する。
【０１４４】
図４２は、こうした方法で使用する位相差検出装置の一例を示すブロック図である。
【０１４５】
図４２に示す位相検出手段６２において、出力信号は、ＡＣ増幅器６１で増幅された後、位相差検出回路６３に供給される。参照信号は、参照信号前処理回路６４で波形等を整える前処理を行った後、同じく位相差検出回路６３に供給される。位相差検出回路６３では、供給された前処理済みの参照信号と出力信号との位相差を検出する。検出した位相差はローパスフィルタ６５およびＤＣ増幅器６６に供給され、位相差の大きさに応じた大きさを持つ直流信号となる。上述した位相差検出手段６２で求めた直流信号は、回転角速度検出回路６７に供給される。回転角速度検出回路では、予め求めておいた直流信号の大きさと回転角速度との関係に基づき、回転角速度を求めている。
【０１４６】
なお、上述した回路６２では、出力信号と参照信号との位相差を直接数値として求めることができないため、位相差に応じた直流信号の大きさから回転角速度を求めているが、直接位相差を数値として求め、予め求めた位相差と回転角速度との関係に基づき、回転角速度を求めることもできる。
【０１４７】
本発明の振動型ジャイロスコープは、こうした位相差を検出する方法に対して特に適合しており、位相差と回転角速度との間で高い直線性を得られることがわかった。ジャイロ信号と漏れ信号との比が、１：７以上となる領域、つまり漏れ信号の方が大きい領域において、特に位相差と回転角速度との間で極めて高い直線性が得られることが判明した。なお、漏れ信号が大きくなりすぎると、いかに圧電単結晶を使用しても、検出限界を越えてしまう。そのため、漏れ信号の上限は、振動型ジャイロスコープの検出感度に応じて決定される。
【０１４８】
このように、ジャイロ信号に対して漏れ信号の方が大きい領域、特にジャイロ信号ともれ信号との比が、１：７以上となる領域において、検出感度が低下した場合にも、位相差と回転角速度との直線性はかえって向上する。
【０１４９】
また、本発明の振動子を、２枚以上の圧電層を積層することによって、作製できる。この場合には、各圧電層の分極軸の方向は互いに異ならせることが好ましく、各圧電層の分極軸の方向がそれぞれ振動子の主面に対して直交していることが最も好ましい。
【０１５０】
本発明の振動子を使用した直線加速度計によれば、振動子に駆動振動を与えたときの基部の伸縮振動によるノイズ信号が顕著に低減されているので、このノイズ信号の温度変化による誤差を防止することができる。
【０１５１】
また、本発明の振動子を用いて、回転速度と直線加速度とを同時に計測するセンサーを作製することができる。本発明の振動子では、振動子に回転速度と直線加速度が同時に加わった場合、回転速度に対応する検出信号と、直線加速度に対応する信号とが同時に発生する。このときの検出信号のうち、駆動信号と同じ周波数の信号成分の振幅の変化が回転速度に比例しており、直流電圧信号成分の変化が直線加速度に比例している。
【０１５２】
図４３−図４７は、本発明の更に他の例のジャイロスコープを概略的に示す斜視図である。図４３の振動子は、基本的には図１１に示す振動子と同様のものである。しかし、各駆動振動系１Ａ、１Ｂの各支持部１２Ｅ、１２Ｆには、その長手方向に延びる貫通孔７２が設けられている。これによって、各支持部の機械的剛性を低下させ得る。貫通孔７２の代わりに、凹部を設けることができる。
【０１５３】
図４４のジャイロも、原理的には図１１のジャイロと同様である。しかし、この振動子では、ａ軸がｘ軸方向であり、ｃ軸が所定面に対して５０°の角度をなしている。このため、駆動電極９９Ａ−９９Ｄ、検出電極５１Ａ−５１Ｄは、図４０に示したものと同様である。更に、駆動振動系１Ａ、１Ｂの各屈曲振動片１６Ｖ、１６Ｗ、１６Ｘ、１６Ｙは、それぞれ円弧状に湾曲している。
【０１５４】
図４５のジャイロは、基本的には図３５のジャイロと同様である。ただし、各連結部４６が各屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄと結合される部分では、振動子の外側へと向かって突起７８Ａ、７８Ｂが設けられている。ただし、この突起７８Ａ、７８Ｂは省略できる。また、各屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄは、基部１１Ｈに連結されている。基部１１Ｈは、略正方形の枠部７４を備えており、枠部７４の内側面から一対のブリッジ７６Ａ、７６Ｂが延びており、各ブリッジの中間に中央部９７が保持されている。中央部９７中に重心ＧＤ、ＧＢ、ＧＯが存在する。中央部９７から更に空隙７５Ａ、７５Ｂへと向かって突出部７７Ａ、７７Ｂが突出している。７２Ａ、７２Ｂは空隙であり、７３はアールである。
【０１５５】
本例では、各突起７８Ａ、７８Ｂを支持でき、また中央部９７を支持でき、または突出部７７Ａ、７７Ｂを支持でき、これらによって支持による検出振動の感度への影響を最小限にできる。
【０１５６】
図４６のジャイロでは、各駆動振動系の各屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄが、それぞれ、一対の連結部８０を介して屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄに連結されており、かつ環状振動系７１Ｃを形成している。各連結部８０は、Ｘ軸方向に延びる連結部８０ａ、８０ｃと、８０ａと８０ｃとを連結する、Ｙ軸方向に延びる連結部８０ｂとを備えている。各屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄは、それぞれ基部１１Ａに対して結合されている。７２Ａ、７２Ｂは空隙部である。
【０１５７】
図４７のジャイロでは、駆動振動系１Ａ、１Ｂ、検出振動系２Ａ、２Ｂ、基部１１Ａは、図１１のジャイロと同様である。更に、駆動振動系１Ａ、１Ｂの外側に、駆動振動系１Ｅ、１Ｆが設けられている。各振動系１Ｅ、１Ｆは、それぞれ屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄからなっており、各屈曲振動片２３Ｃ、２３Ｄの各末端が、連結部１００を介して、各屈曲振動片４４Ｃ、４４Ｄの両末端に連結されている。
【０１５８】
ジャイロの感度は、駆動振動と検出振動との各固有共振周波数の差によって、変化する。しかし、温度が変化すると、各固有共振周波数が変化するために、その差も変化する。各固有共振周波数の差は、−３０℃−８０℃において１０％程度変化していた。このため、−３０℃−８０℃において、各固有共振周波数の差を一定にすることが望まれる。
【０１５９】
この問題を解決するためには、振動子が所定面と平行な一対の主面と側面とを備えているときに、側面にその長手方向に延びる突起を設け、この突起の側面からの高さを振動子の厚さの１／３−１／７倍（特に１／４−１／５倍）とすることが好ましい。また、この突起を屈曲振動片に設けた場合には、その屈曲振動片の長さを７ｍｍ以下、更には６ｍｍ以下とすることが特に好ましい。
【０１６０】
本発明者は、屈曲振動片の本発明における駆動振動および検出振動の各固有共振周波数を、−３０℃−８０℃において測定し、両者の差の−３０℃−８０℃における最大値と最小値とを図４８にグラフ化した。ここで、屈曲振動片の長さは６、８、１０ｍｍとし、その厚さは０．３ｍｍとし、その幅は１．０ｍｍとし、その材質は石英とした。
【０１６１】
図４８の結果から判るように、屈曲振動片の長さを６ｍｍ以下とし、更に突起の高さを制御することによって、−３０℃−８０℃における各共振周波数の差の最大値と最小値との差を、２．５Ｈｚ以下、更には２．０Ｈｚ以下に抑制でき、ジャイロの感度の変化を５％以下に制御できた。
【０１６２】
また、基部の側面に、その長手方向に延びる突起を設けることによって、駆動振動による検出振動への影響を一層減少させ得る。この際には、基部の重心に対して点対称となる位置に突起を設けることが、検出振動の歪みを抑制する上で有利である。
【０１６３】
また、各駆動振動系または検出振動系が、屈曲振動片とその支持部とを備えている場合には、支持部の側面、好ましくは両側の側面に、その長手方向に延びる突起を設けることが好ましい。これによって、屈曲振動片の振動の基部への影響を低減できる。更に、検出振動辺の少なくとも一方の側面に突起を設けることによって、振動子が回転していないときに、検出振動辺が駆動振動の影響を受けにくくなり、このときのノイズが減少する。
【０１６４】
図４９は、この実施形態に係るジャイロを示す。この振動子では、基部１１Ａの周縁部側面に突起９０Ｇ、９０Ｉ、９０Ｈ、９０Ｊが設けられており、これらの突起は基部１１Ａの重心に対して点対称の関係にある。また、各駆動振動系１Ａ、１Ｂの各支持部１２Ａ、１２Ｂの両側の各側面に、それぞれ突起９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ、９０Ｄが形成されている。更に検出振動系２Ａ、２Ｂの各屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄの一方の側面には突起９０Ｅ、９０Ｆが形成されている。
【０１６５】
また、振動子をエッチングによって製造する場合には、振動子が属する製造ロットによって、エッチングの時間やエッチング液の濃度にバラツキが生ずる。このバラツキによって、振動子の屈曲振動片の駆動振動、検出振動の各固有共振周波数の差にバラツキが生じ、このため振動子の感度にもバラツキが生ずる。これを防止するために、屈曲振動片のうち励振手段または検出手段よりも先端側に凹部または貫通孔を設けることができる。
【０１６６】
図５０は、この実施形態に係るジャイロを概略的に示す平面図である。このジャイロは、基本的には図１１に示すジャイロと同様のものである。ただし、各屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１４Ｃ、１４Ｄにおいて、駆動電極または検出電極よりも先端側に、貫通孔９１Ａ、９１Ｂ、９１Ｃ、９１Ｄが設けられている。各貫通孔ないし凹部は、各電極とは０．３ｍｍ以上離れて設けることが好ましい。
【０１６７】
こうした貫通孔ないし凹部の作用効果について述べる。図５１に示すように、屈曲振動片をエッチングによって作製する際には、実線で示す設計形状に対して、破線で示すようにエッチングが更に進行することがある。この際、その先端面１０１のエッチングが進行すると、屈曲振動片の質量が減少するので、共振周波数が上がる。一方、側面１０２のエッチングが進行すると、屈曲振動片が細くなることから、共振周波数が下がる。この結果、全体としては、側面１０２のエッチングの効果が大きくなる。
【０１６８】
しかし、貫通孔９１Ａ−９１Ｄを設けることによって、側面１０２のエッチングが破線のように進行したときに、貫通孔９１Ａ−９１Ｄのエッチングも破線のように進行するために、屈曲振動片の先端側の質量が減少する。
【０１６９】
例えば、屈曲振動片が水晶からなり、その長さが６ｍｍであり、幅が１．０ｍｍであり、厚さが０．３ｍｍである場合、側面１０２が設計値よりも１μｍエッチングされると、駆動、検出の各共振周波数の差が、設計値に対して約２．８５Ｈｚ変化する。これに対して、長さ０．４ｍｍ、幅０．３ｍｍの貫通孔９１Ａ−９１Ｄを設けることによって、設計値に対して、共振周波数差が０．０８Ｈｚしか変化しない。
【０１７０】
また、屈曲振動片の先端側に拡張部を設け、この拡張部に各貫通孔ないし凹部を設けることによって、貫通孔ないし凹部の前記効果を一層大きくでき、また貫通孔ないし凹部を小さくしても、前記の効果が得られる。
【０１７１】
図５２は、この実施形態に係るジャイロを示す。各屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１４Ｃ、１４Ｄの各先端に、各屈曲振動片の幅よりも大きな幅を有する拡張部９５、９６を設け、各拡張部の中に各貫通孔９１Ａ、９１Ｂ、９１Ｃ、９１Ｄが設けられている。
【０１７２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、特に所定面内に延びる振動子に対して、この所定面内の回転を与えたときに、この回転の角速度を検出できるような、新しい振動型ジャイロスコープを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動型ジャイロスコープの原理を模式的に説明する図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第一の振動系における振動の態様を例示するための模式図である。
【図３】第一の振動系における振動の態様を例示するための模式図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第二の振動系における振動の態様を例示するための模式図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第二の振動系における振動の態様を例示するための模式図である。
【図６】本発明の振動子の駆動振動による重心Ｇの位置について説明する模式図である。
【図７】基部から放射状に各振動系が突出している、一実施形態に係る振動型ジャイロスコープの振動子を模式的に示す図である。
【図８】第一の振動系が基部から突出し、第二の振動系が枠部から内側へと突出している振動子を説明するための模式図である。
【図９】第二の振動系が基部から突出し、第一の振動系が枠部から内側へと突出している振動子を説明するための模式図である。
【図１０】第一の振動系および第二の振動系が共に枠部から内側へと向かって突出する振動子を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。
【図１２】図１１の振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図１３】図１１の振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図１４】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。
【図１５】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。
【図１６】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。
【図１７】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。
【図１８】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。
【図１９】（ａ）は、図１８の振動子の駆動モードを示す線図であり、（ｂ）は、振動子の検出モードを示す線図である。
【図２０】シリコン半導体プロセスによって成形した振動子を使用した振動型ジャイロスコープを概略的に示す平面図である。
【図２１】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す平面図である。
【図２２】図２１の振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図２３】図２１の振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図２４】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図２５】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図２６】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図２７】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図２８】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図２９】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図３０】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図３１】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図３２】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図３３】図３２の振動子の各点の駆動振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図３４】図３２の振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時の振幅の相対比率を示す。
【図３５】本発明の更に他の実施形態に係る振動子を概略的に示す斜視図である。
【図３６】図２４の振動子の具体的形態を例示する斜視図である。
【図３７】（ａ）、（ｂ）は、図３６の振動子において、駆動系または検出系の各屈曲振動片における電極の取り付け形態を示す断面図である。
【図３８】図２４の振動子の具体的形態を例示する斜視図である。
【図３９】（ａ）、（ｂ）は、図３８の振動子において、駆動系または検出系の各屈曲振動片における電極の取り付け形態を示す断面図である。
【図４０】図２４の振動子の具体的形態を例示する斜視図である。
【図４１】（ａ）、（ｂ）は、図４０の振動子において、駆動系または検出系の各屈曲振動片における電極の取り付け形態を示す断面図である。
【図４２】本発明の測定方法で使用できる位相検出手段６２の例を示すブロック図である。
【図４３】本発明の他の実施形態に係るジャイロの概略斜視図であり、支持部に貫通孔が設けられている。
【図４４】本発明の他の実施形態に係るジャイロの概略斜視図であり、駆動用の屈曲振動片が湾曲している。
【図４５】本発明の他の実施形態に係るジャイロの概略斜視図である。
【図４６】本発明の他の実施形態に係るジャイロの概略斜視図であり、環状振動系７１Ｃが形成されている。
【図４７】本発明の他の実施形態に係るジャイロの概略斜視図である。
【図４８】屈曲振動片の長さ、およびその側面の突起の厚さに対する比率と、駆動および検出の各固有共振周波数との差の−３０℃−８０℃における最大値と最小値との差を示すグラフである。
【図４９】本発明の他の実施形態に係るジャイロを示す平面図であり、振動子の側面に突起が形成されている。
【図５０】本発明の他の実施形態に係るジャイロを示す平面図であり、各屈曲振動片の先端側に貫通孔が形成されている。
【図５１】屈曲振動片のエッチングの進行の状況を説明するための模式図である。
【図５２】本発明の他の実施形態に係るジャイロを示す平面図であり、各屈曲振動片の先端側に拡張部が設けられており、拡張部内に貫通孔が形成されている。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ  第一の振動系      ２Ａ、２Ｂ  第二の振動系    ３Ａ、３Ｂ径方向振動成分を含む振動体      ４Ａ、４Ｂ  周方向振動成分を含む振動体      ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ径方向振動成分      ６Ａ、６Ｂ  周方向振動成分      ７Ａ、７Ｂ  コリオリ力の方向      １１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ  基部      １２Ａ、１２Ｂ  支持部    １３Ａ、１３Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、３３Ａ、３３Ｂ  振動体３Ａ、３Ｂの具体例である屈曲振動片    １４Ａ、１４Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ、３４Ａ、３４Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ  振動体４Ａ、４Ｂの具体例である屈曲振動片      １９、１９Ａ０、１９Ｂ  枠部      ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ  支持孔        ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ  駆動振動の最小領域と検出振動の最小領域との重複領域      Ｏ  回転中心      ＧＯ  振動子の重心      ＧＤ  駆動系の振動全体の重心
【図１】
0003999377.tif 000002
【図２】
0003999377.tif 000003
【図３】
0003999377.tif 000004
【図４】
0003999377.tif 000005
【図５】
0003999377.tif 000006
【図６】
0003999377.tif 000007
【図７】
0003999377.tif 000008
【図８】
0003999377.tif 000009
【図９】
0003999377.tif 000010
【図１０】
0003999377.tif 000011
【図１１】
0003999377.tif 000012
【図１２】
0003999377.tif 000013
【図１３】
0003999377.tif 000014
【図１４】
0003999377.tif 000015
【図１５】
0003999377.tif 000016
【図１６】
0003999377.tif 000017
【図１７】
0003999377.tif 000018
【図１８】
0003999377.tif 000019
【図１９】
0003999377.tif 000020
【図２０】
0003999377.tif 000021
【図２１】
0003999377.tif 000022
【図２２】
0003999377.tif 000023
【図２３】
0003999377.tif 000024
【図２４】
0003999377.tif 000025
【図２５】
0003999377.tif 000026
【図２６】
0003999377.tif 000027
【図２７】
0003999377.tif 000028
【図２８】
0003999377.tif 000029
【図２９】
0003999377.tif 000030
【図３０】
0003999377.tif 000031
【図３１】
0003999377.tif 000032
【図３２】
0003999377.tif 000033
【図３３】
0003999377.tif 000034
【図３４】
0003999377.tif 000035
【図３５】
0003999377.tif 000036
【図３６】
0003999377.tif 000037
【図３７】
0003999377.tif 000038
【図３８】
0003999377.tif 000039
【図３９】
0003999377.tif 000040
【図４０】
0003999377.tif 000041
【図４１】
0003999377.tif 000042
【図４２】
0003999377.tif 000043
【図４３】
0003999377.tif 000044
【図４４】
0003999377.tif 000045
【図４５】
0003999377.tif 000046
【図４６】
0003999377.tif 000047
【図４７】
0003999377.tif 000048
【図４８】
0003999377.tif 000049
【図４９】
0003999377.tif 000050
【図５０】
0003999377.tif 000051
【図５１】
0003999377.tif 000052
【図５２】
0003999377.tif 000053