(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部内に前記重心が位置しており、前記連結部の外周縁から前記各屈曲振動片が前記重心を中心として径方向へと向かって突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、
前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および
前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記第二の振動系の前記屈曲振動片に設けられている検出手段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２】
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、
所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部が、中空部分が設けられた枠部であり、前記中空部分内に前記重心が位置しており、この枠部の内側面および／または外側面から前記屈曲振動片が突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、
前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および
前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記第二の振動系の前記屈曲振動片に設けられている検出手段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３】
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、
所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部内に前記重心が位置しており、前記連結部の外周縁から前記各屈曲振動片が前記重心を中心として径方向へと向かって突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、
前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および
前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記連結部に設けられている検出手段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４】
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、
所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部が、中空部分が設けられた枠部であり、前記中空部分内に前記重心が位置しており、この枠部の内側面および／または外側面から前記屈曲振動片が突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、
前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および
前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記連結部に設けられている検出手段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５】
前記振動子が前記第一の振動モードに加えて第二の振動モードで振動しており、第二の振動モードにおいては、前記第一の振動系の前記屈曲振動片が前記周方向に見たときに前記第一の振動系とは逆位相で共振することを特徴とする、請求項１−４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６】
圧電性単結晶からなることを特徴とする、請求項１−５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７】
前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第二の振動モードの振動を検出するために、前記第二の振動系の前記屈曲振動片に設けられている検出手段を備えてい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型ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度センサ、直線加速度計、発振装置に用いられる振動子、および振動型ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
本発明の課題は、振動子を所定面内で回転させたときに、振動子の所定面内の振動を利用して回転角速度を検出可能な振動型ジャイロスコープを提供することである。
【０００７】
また、本発明の課題は、こうした振動型ジャイロスコープにおいて特に好適に使用できる振動子を提供することである。
【０００８】
また、本発明の課題は、平面的に延びる振動子において、屈曲振動片の所定面内の屈曲振動と、振動子の重心を中心とする所定面内の回転振動とを組み合わせることによって、新たな振動子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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、所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部内に前記重心が位置しており、前記連結部の外周縁から前記各屈曲振動片が前記重心を中心として径方向へと向かって突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記第二の振動系の前記屈曲振動片に設けられている検出手段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、または、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、所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部が、中空部分が設けられた枠部であり、前記中空部分内に前記重心が位置しており、この枠部の内側面および／または外側面から前記屈曲振動片が突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記第二の振動系の前記屈曲振動片に設けられている検出手段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に関する。
【００１０】
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、所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部内に前記重心が位置しており、前記連結部の外周縁から前記各屈曲振動片が前記重心を中心として径方向へと向かって突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記連結部に設けられている検出手段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、または、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、所定面に沿って形成されている振動子であって、振動子が複数の振動系と、これらの振動系を連結する連結部とを備えており、各振動系がそれぞれ屈曲振動片を備えており、この振動子が少なくとも第一の振動モードで振動しており、第一の振動モードにおいては、前記各振動系内の各屈曲振動片の振動が前記振動子の重心を中心としたときに周方向に向かう周方向屈曲振動成分を含んでおり、前記各振動系中の各屈曲振動片が前記重心を中心として前記周方向に見たときに同位相で共振しており、前記連結部が前記周方向に見たときに前記各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で回転振動しており、前記連結部が、中空部分が設けられた枠部であり、前記中空部分内に前記重心が位置しており、この枠部の内側面および／または外側面から前記屈曲振動片が突出しており、前記複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、前記第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、この径方向屈曲振動片の振動が、前記重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む、振動子、前記径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および前記振動子に前記所定面内の回転が与えられたときに前記振動子に生ずる前記第一の振動モードの振動を検出するために、前記連結部に設けられている検出手段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に関する。
【００１１】
本発明者は、平面的に延びる振動子において、屈曲振動片の所定面内の屈曲振動と、振動子の重心を中心とする所定面内の回転振動とを組み合わせることによって、新たな振動子を提供することに成功した。この振動子について、図１の模式図を参照しつつ、説明する。
【００１２】
図１の振動子１は、複数の振動系３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄと、これらの振動系を連結部する連結部２とを備えている。本例では、連結部２の内部に振動子１の重心ＧＯが存在しており、連結部２の外周縁２ａから各振動系が突出している。
【００１３】
各振動系３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ内には、それぞれ、屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが設けられている。各屈曲振動片は、重心ＧＯを中心として周方向に向かって、その連結部２側の付け根を支点として、矢印５Ａ、５Ｂのように屈曲振動する。ＧＯは振動子の全体の重心（非振動時）である。振動系は全部で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。
【００１４】
この際、各振動系中の各屈曲振動片が、重心ＧＯを中心として周方向に見たときに同位相で共振する。言い換えると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄは、ある瞬間にはすべて５ＡのようにＧＯを中心として周方向に時計回りに屈曲し、別の瞬間にはすべて５Ｂのように反時計回りに屈曲する。これと共に、連結部２は、周方向に見たときに各屈曲振動片の屈曲振動とは逆位相で矢印６Ａ、６Ｂのように回転振動する。言い換えると、各屈曲振動片が矢印５Ａのように時計回りに屈曲しているときには、連結部２は矢印６Ａのように反時計回りに変形し、各屈曲振動片が矢印５Ｂのように反時計回りに屈曲しているときには、連結部２は矢印６Ｂのように時計回りに変形する。
【００１５】
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。
【００１６】
このように、連結部の所定面内の回転振動と複数の振動片の所定面内の屈曲振動とを共振させることによって、重心の周囲のモーメントのバランスをとった。この結果、振幅の大きい屈曲振動と、振動子の重心の周囲の対称性が高い回転振動とを組み合わせることによって、新規な振動子を提供するものである。こうした振動子は、複数の屈曲振動片の屈曲振動の全体の重心が回転振動し、屈曲振動の全体の重心の回転振動に対応して、連結部が逆位相で回転振動するものである。従って、種々の外乱、あるいは振動子の各部分の寸法の歪みや製造時の偏差などによって生ずるノイズの影響を受けにくい。こうした振動子は、回転角速度を検出するための振動子の他、直線加速度の検出装置や、発振装置として有用である。
【００１７】
本発明においては、連結部として、中空部分が設けられた枠部を設けることができる。この場合には、中空部分内に重心が位置しており、枠部の内側面または外側面から各屈曲振動片が突出している。図２は、この実施形態に係る振動子２１を示す模式図である。
【００１８】
振動子２１は、枠部１２と、枠部１２の内側面１２ａから中空部分１３へと向かって突出する複数の振動系３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを備えている。各振動系は、枠部１２の外側面１２ｂから放射状に突出するように設けることもできる。各振動系内には、それぞれ前述した屈曲振動片４Ａ−４Ｄが含まれている。各屈曲振動片４Ａ−４Ｄは、それぞれ、枠部１２の内側面１２ａへの接続部分を支点として、矢印５Ａ、５Ｂのように屈曲振動する。これに対応して、前述したように、枠部１２が矢印６Ａ、６Ｂのように、重心ＧＯを中心として回転振動する。
【００１９】
また、本発明の好適な実施形態においては、複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、径方向屈曲振動片の振動が、振動子の重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含む。
【００２０】
この実施形態は、更に、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、この振動子、径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および振動子に所定面内の回転が与えられたときに振動子に生ずる第一の振動モードの振動を検出するために、第二の振動系の屈曲振動片および／または連結部に設けられている検出手段を備えている振動型ジャイロスコープに係るものである。
【００２１】
図３、図４は、この実施形態に係るものである。図３、図４の各振動子は、図１、図２の各振動子と、径方向屈曲振動片を除けば類似しているので、同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。
【００２２】
図３の振動子１１においては、連結部２の外周縁２ａから、例えば４つの振動系３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈが突出している。第一の振動系３Ｅ、３Ｇ内には、それぞれ、屈曲振動片４Ｅ、４Ｇが設けられている。各各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇからは、その長手方向に対して交差する方向へと向かって、それぞれ一対の径方向屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが設けられている。
【００２３】
本実施形態では、第一の振動系を駆動振動系として利用し、第二の振動系３Ｆ、３Ｈを検出振動系として利用する。各屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄに、それぞれ図示しない駆動手段を設け、各屈曲振動片を矢印１０のように振動させる。この際、屈曲振動片７Ａと７Ｂとが同位相で共振し、屈曲振動片７Ｃと７Ｄとが同位相で共振し、屈曲振動片７Ａ−７Ｄの駆動振動の全体の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯ上か、またはその近傍に位置するようにする。
【００２４】
この状態で、振動子１１を所定面（Ｘ−Ｙ面）内でωのように回転させると、回転中にコリオリ力が振動子１１に作用する結果、前述した矢印５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂで示す第一の振動モードが励起されることを見いだした。従って、第二の振動系３Ｆ、３Ｈ内の各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈにそれぞれ検出手段を設けることによって、矢印５Ａ、５Ｂのような屈曲振動を電気的信号として取り出すことができる。また、基部２の外周縁２ａ近傍に検出手段を設けることによって、矢印６Ａ、６Ｂのような回転振動を電気的信号として取り出すことができる。
【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。
【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、本実施形態によれば、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】
図４の振動子３１においては、第一の振動系３Ｅおよび３Ｇが枠部１２の内側面１２ａから中空部分１３側へと突出しており、第二の振動系３Ｆ、３Ｈも同様に突出している。
【００２８】
また、本発明の好適な実施形態においては、複数の振動系が第一の振動系と第二の振動系とを備えており、第一の振動系が径方向屈曲振動片を備えており、径方向屈曲振動片の振動が、重心を中心としたときに径方向の屈曲振動成分を含んでおり、振動子が第一の振動モードに加えて第二の振動モードで振動しており、第二の振動モードにおいては、第一の振動系の屈曲振動片が周方向に見たときに同位相で共振し、かつ第二の振動系の屈曲振動片が周方向に見たときに第一の振動系とは逆位相で共振する。
【００２９】
こうした振動子を用いて振動型ジャイロスコープを作製する場合には、主として第二の振動モードを駆動、検出に使用することができる。この際には、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、前記振動子、径方向屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および振動子に所定面内の回転が与えられたときに振動子に生ずる第二の振動モードの振動を検出するために、第二の振動系の屈曲振動片に設けられている検出手段を備えている。あるいは、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、前記振動子、第二の振動系の前記屈曲振動片に駆動振動を励起するための駆動手段、および振動子に所定面内の回転が与えられたときに径方向屈曲振動片に生ずる、径方向屈曲振動を含む検出振動を検出するために、径方向屈曲振動片に設けられている検出手段を備えている。
【００３０】
図５、図６は、この実施形態を説明するための模式図である。
【００３１】
図５の振動子１１において、第一の振動系３Ｅ、３Ｇを駆動振動系として利用し、第二の振動系３Ｆ、３Ｈを検出振動系として利用できる。各屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄに、それぞれ図示しない駆動手段を設け、各屈曲振動片を矢印１０のように振動させる。この際、屈曲振動片７Ａと７Ｂとが同位相で共振し、屈曲振動片７Ｃと７Ｄとが同位相で共振し、屈曲振動片７Ａ−７Ｄの駆動振動の全体の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯ上か、またはその近傍に位置するようにする。
【００３２】
この状態で、振動子１１を所定面（Ｘ−Ｙ面）内でωのように回転させると、回転中にコリオリ力が振動子１１に作用する結果、第二の振動モードが励起される。即ち、第一の振動系３Ｅ、３Ｇに属する各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇは矢印９Ａ、９Ｂのようにその付け根を中心として屈曲振動する。この際、屈曲振動片４Ｅと４Ｇとの各屈曲振動の位相は、重心ＧＯを中心として周方向に見たときに同じになる。また、第二の振動系３Ｆ、３Ｈに属する各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈは矢印９Ａ、９Ｂのようにその付け根を中心として屈曲振動する。この際、屈曲振動片４Ｆと４Ｈとの各屈曲振動の位相は、重心ＧＯを中心として周方向に見たときに同じになる。また、屈曲振動片４Ｅ、４Ｇと、屈曲振動４Ｆ、４Ｈとは、重心ＧＯを中心として周方向に見たときに、任意の時点において互いに逆方向へと屈曲している。従って、第二の振動系３Ｆ、３Ｈ内の屈曲振動片４Ｆ、４Ｈにそれぞれ検出手段を設けることによって、回転角速度を反映する電気的信号を得ることができる。
【００３３】
また、各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈに駆動手段を設け、各屈曲振動片を駆動振動させ、この状態で振動子１１を所定面内で矢印ωのように回転させると、各屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが、矢印１０のようにその付け根を中心として径方向へと屈曲振動する。従って、各屈曲振動片７Ａ−７Ｄに検出手段を設けることによって、回転角速度の大きさを反映する電気的信号を得ることができる。図６の振動子３１においても同様の動作が得られる。
【００３４】
第二の振動モードを振動型ジャイロスコープにおいて利用する際には、第一の振動モードの固有共振周波数と、駆動振動の固有共振周波数の２倍との差が、駆動振動の固有共振周波数の３．０％以上であることが好ましく、これによって第一の振動モードによる検出への影響を抑制できる。これは、特に好ましくは５％以上である。また、この差には特に上限はない。実際上は２０％以上とすることができる。
【００３５】
また、振動子の駆動モード、第一の振動モード、第二の振動モードの形態が明確である場合には、各モードの固有共振周波数を調節するためには、例えば振動子の材質や厚さを変更し、また連結部の寸法と屈曲振動片の長さ、屈曲振動片の幅を調節することが好適である。
【００３６】
また、駆動手段が駆動電極であり、この駆動電極に対して、矩形波からなる信号電圧を印加する場合には、特に前記の第一の振動モードが一層明瞭に生ずることを確認した。従って、矩形波からなる信号電圧を振動子に対して適用する場合に、本発明は特に有用である。
【００３７】
本発明においては、第一の振動系を複数設け、各第一の振動系を、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できる。例えば図３−図６の振動子においては、第一の振動系３Ｅと３Ｇ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。
【００３８】
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３−図６の振動子においては、第二の振動系３Ｆと３Ｈ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。
【００３９】
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３−図６においては、第一の振動系３Ｅと３Ｇとは、１８０°離れているので、振動系３Ｅを１８０°回転させる操作を行うと、振動系３Ｇの位置にくる。
【００４０】
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、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。
【００４１】
駆動振動系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への影響を抑制できる。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。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。
【００４８】
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。
【００４９】
なぜなら、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、駆動手段および／または検出手段として、圧電体を取り付ける必要がある。
【００５３】
図７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２Ａ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２Ａの周縁部２ａから、四方に向かって放射状に、二つの第一の振動系３Ｅ、３Ｇ（本例では駆動振動系）と二つの第二の振動系３Ｆ、３Ｈ（本例では検出振動系）とが突出しており、各振動系は互いに分離されている。
【００５４】
振動系３Ｅ、３Ｇは、基部２Ａの周縁部２ａから突出する屈曲振動片４Ｅ、４Ｇと、屈曲振動片の先端側から屈曲振動片４Ｅ、４Ｇに直交する方向に延びる径方向屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄを備えている。各屈曲振動片には、それぞれ駆動電極１３が設けられている。第二の振動系の各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈには、それぞれ、検出電極１４が設けられている。
【００５５】
この振動子の駆動振動のモードを図８に示す。各径方向屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが、その付け根（各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇの先端部分）１９を支点として、矢印１０のように屈曲振動していることがわかる。
【００５６】
この振動子の第二の振動モードを図９に示す。各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇがその固定部１８を支点として周方向に同位相で屈曲振動している。これに対応して、第二の振動系３Ｆ、３Ｈの各屈曲振動片４Ｆ、４Ｈが、矢印９Ａ、９Ｂのように、固定部１７を中心として同位相で屈曲振動している。重心ＧＯを中心として周方向に見たときに、屈曲振動片４Ｅ、４Ｇの屈曲振動の位相と、屈曲振動片４Ｆ、４Ｈの屈曲振動の位相とは、逆であり、このために連結部２Ａは回転振動しない。
【００５７】
この振動子の第一の振動モードを図１０に示す。各屈曲振動片４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈが、その固定部１７、１８を支点として、周方向にすべて同位相で屈曲振動している。これに対応して、連結部２Ａが、重心ＧＯを中心として、各屈曲振動片とは逆位相で回転振動している。
【００５８】
図１１は、図４、図６に模式的に示したような振動子を更に具体化したものである。この振動子２１Ａは枠部１２Ａを備えている。枠部１２Ａの内側面１２ａから、中空部分１３へと向かって、二つの第一の振動系３Ｅ、３Ｇと、二つの第二の振動系３Ｆ、３Ｈとが突出しており、各振動系は互いに分離されている。隣り合う各振動系の間には、枠部１２Ａから内側へと向かって突出する四辺形の突出部２５が設けられている。
【００５９】
第一の振動系３Ｅ、３Ｇは、屈曲振動片４Ｅ、４Ｇと、屈曲振動片の先端側から屈曲振動片４Ｅ、４Ｇに直交する方向に延びる径方向屈曲振動片７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄを備えている。
【００６０】
この振動子２１Ａの駆動モード、第二の振動モードは、前述したとおりであり、また図８、図９に示したものと実質的に同じである。
【００６１】
振動子２１Ａの第一の振動モードにおいては、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈが、その固定部１７、１８を支点として、周方向にすべて同位相で屈曲振動している。これに対応して、枠部１２Ａが、重心ＧＯを中心として、矢印６Ａ、６Ｂのように、各屈曲振動片とは逆位相で回転振動している。
【００６２】
以下、具体的な実験結果について述べる。
【００６３】
図７に示す形態の振動型ジャイロスコープを作製した。具体的には、厚さ０．３ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ２００オングストロームのクロム膜と、厚さ５０００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
【００６４】
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子の外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ２０００オングストロームのアルミニウム膜を電極膜として形成した。
【００６５】
得られた振動子の連結部２Ａの幅ａは６．０ｍｍとした。また、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇの長さｂ１は８．３ｍｍとし、４Ｆ、４Ｈの長さｂ２は６．０ｍｍとした。各屈曲振動片の幅は１．０ｍｍとした。各検出電極１４の寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍであり、検出振動片の付け根から１．２−４．０ｍｍの位置に形成されていた。各駆動電極１３の寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍであった。
【００６６】
振動子１１Ａの中央部に、０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形の支持孔（図示せず）を形成し、この支持孔に直径０．６ｍｍの金属ピンを通し、金属ピンに対して振動子をシリコーン樹脂接着剤によって接着した。
【００６７】
この振動子に対して、４ボルトの矩形波による自励振発振駆動を行い、駆動振動を生じさせ、振動子１１Ａを所定面内で回転させ、第一の振動モードを励起させた。駆動振動の固有共振周波数は２２８５０Ｈｚであり、第一の振動モードの固有共振周波数は２３５００Ｈｚである。回転角速度の検出感度を測定した結果、２．５ｍＶ／°／ｓｅｃの信号が得られた。
【００６８】
次に、上記と同様の振動子を使用し、第二の振動モードを検出振動として利用し、ノイズレベルを測定した。ただし、上記において、連結部２Ａの幅ａを、表１−表４に示すように変更し、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｇの長さｂ１、４Ｆ、４Ｈの長さｂ２は、表１−表４に示すように変更した。各屈曲振動片の幅は１．０ｍｍとし、実験番号１−３１の各振動子を得た。各振動子について、インピーダンスアナライザの測定端子に所定の端子を接続して、駆動振動の固有共振周波数（ｆｄ）、第二の振動モードの固有共振周波数（ｆ）、スプリアスモードの固有共振周波数（ｆｓ）、第一の振動モードの固有共振周波数（ｆ２ω）を測定し、表１−４に示した。また、ｆ２ω−２ｆｄ（Ｈｚ）（第一の振動モードの固有共振周波数と、駆動振動の固有共振周波数の２倍との差）、およびｆ２ω−２ｆｄ（％）（駆動振動の固有共振周波数に対する前記の差の割合）を表１−４に示す。
【００６９】
【表１】
0004035264.tif 000002
【００７０】
【表２】
0004035264.tif 000003
【００７１】
【表３】
0004035264.tif 000004
【００７２】
【表４】
0004035264.tif 000005
【００７３】
表１−表４の結果から分かるように、第二の振動モードを振動型ジャイロスコープにおいて利用する際には、第一の振動モードの固有共振周波数と、駆動振動の固有共振周波数の２倍との差が、駆動振動の固有共振周波数の３．０％以上であることが好ましく、これによって第一の振動モードによる検出への影響を抑制できる。これは、特に好ましくは５％以上であった。
【００７４】
図１２は、振動子１１Ａの第二の振動モードを使用して検出信号を得たときの、検波前の検出信号の波形を示すグラフであり（実験番号２）、図１３も同様である（実験番号４）。図１３に示されている検波前の検出信号の波形においては、参照信号の立ち上がり時に対応して検出信号波形にうねりが見られる。
【００７５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、平面的に延びる振動子において、屈曲振動片の所定面内の屈曲振動と、振動子の重心を中心とする所定面内の回転振動とを組み合わせることによって、新たな振動子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動子１を示す模式図であり、連結部２から複数の振動系が突出している。
【図２】本発明の他の実施形態に係る振動子２１を示す模式図であり、枠部１２から内側へと向かって複数の振動系が突出している。
【図３】本発明の他の実施形態に係る振動子１１を示す模式図であり、第一の振動系３Ｅ、３Ｇ内に径方向屈曲振動片７Ａ−７Ｄが設けられている。
【図４】本発明の他の実施形態に係る振動子３１を示す模式図であり、第一の振動系３Ｅ、３Ｇ内に径方向屈曲振動片７Ａ−７Ｄが設けられている。
【図５】本発明の他の実施形態に係る振動子１１の第二の振動モードを示す模式図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る振動子３１の第二の振動モードを示す模式図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る振動子１１Ａおよび電極１３、１４を示す平面図である。
【図８】振動子１１Ａの駆動振動モードを示す平面図である。
【図９】振動子１１Ａの第二の振動モードを示す平面図である。
【図１０】振動子１１Ａの第一の振動モードを示す平面図である。
【図１１】振動子２１Ａを示す平面図である。
【図１２】振動子１１Ａの第二の振動モードを使用して検出信号を得たときの、検波前の検出信号の波形を示すグラフである（実験番号２）。
【図１３】振動子１１Ａの第二の振動モードを使用して検出信号を得たときの、検波前の検出信号の波形を示すグラフである（実験番号４）。
【符号の説明】
１、１１、１１Ａ、２１、２１Ａ、３１  振動子        ２、２Ａ  重心ＧＯが位置する連結部        ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ  振動系３Ｅ、３Ｇ  第一の振動系        ３Ｆ、３Ｈ  第二の振動系        ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈ  屈曲振動片        ５Ａ、５Ｂ各屈曲振動片の周方向の屈曲振動（第一の振動モード）        ６Ａ、６Ｂ  連結部の回転振動（第一の振動モード）        ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ  径方向屈曲振動片        ９Ａ、９Ｂ  屈曲振動片の周方向の屈曲振動（第二の振動モード）        １０  径方向の屈曲振動        １２、１２Ａ  連結部（枠部）１３  検出電極        １４  駆動電極
【図１】
0004035264.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004035264.tif 000012
【図８】
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【図９】
0004035264.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
0004035264.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
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