(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状部を有する振動体と、
コリオリ力を検出する回転の軸に直交し、互いに直交する第１および第２の方向に前記棒状部を屈曲振動させる駆動部と、
前記棒状部の前記第１および第２の方向の屈曲振動を検出する検出部と、
前記検出部で検出した前記棒状部の前記第１の方向の屈曲振動に応じて、前記第２の方向に前記棒状部を前記駆動部で屈曲振動させるとともに、前記検出部で検出した前記棒状部の前記第２の方向の屈曲振動に応じて、前記第１の方向に前記棒状部を前記駆動部で屈曲振動させる発振回路と、を備えたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
前記駆動部は、前記棒状部の側面に貼り付けられ、前記第１および第２の方向に前記棒状部を屈曲振動させる圧電素子を有し、
前記検出部は、前記棒状部の側面に貼り付けられ、前記棒状部の前記第１および第２の方向の屈曲振動を検出する圧電素子を有し、
前記発振回路は、前記第１の方向の屈曲振動を検出する圧電素子からの電気信号を増幅して、前記第２の方向に屈曲振動させる圧電素子を駆動するとともに、前記第２の方向の屈曲振動を検出する圧電素子からの電気信号を増幅して、前記第１の方向に屈曲振動させる圧電素子を駆動することを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
前記棒状部の前記第１および第２の方向の屈曲振動を検出する圧電素子と前記発振回路とを、抵抗を介して接続したことを特徴とする請求項２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記振動体は、前記棒状部として、前記回転の軸に平行に、前記回転の軸から等距離に、４回対称な位置に配置された４本の足を備えるとともに、前記４本の足が配置された基部を備える４脚音叉であり、
前記屈曲振動を検出する圧電素子または前記屈曲振動を検出する圧電素子の少なくとも一方が、前記各足に貼り付けられた
ことを特徴とする請求項２または３に記載の振動ジャイロ。
【請求項５】
前記４本の足のうち２本の足の側面に貼り付けられた圧電素子どうしを、抵抗を介して接続したことを特徴とする請求項４に記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、家庭用カメラの手ぶれ防止、カーナビゲーションシステムの自立航法、自動車の姿勢制御、モーションキャプチャ、入力装置など、様々な分野で角速度センサが利用されているが、これらの多くは小型で低価格を特徴とする振動ジャイロの出現によるところが大きい。
【０００３】
振動ジャイロとしては、音叉形状や音片形状など様々な形状の振動体を利用するものが考案されているが、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、直交する２方向共にバランスのとれた振動体であることが望ましく、検出すべき回転方向に直交する面内で回転方向に４回対称な形状の物がこれに該当するが、回転方向に４回対称な形状の振動体として、従来音片型や４脚音叉型の振動ジャイロが考案されている。
【０００４】
一方、コリオリ力の検出においては、コリオリ力の効果を全て検出に用いることができる、差動型の構成の効率が最も良いので、差動型の駆動検出の構成を持つ振動ジャイロが有利であが、この事も、差動型駆動検出を実現しやすい、検出すべき回転方向に直交する面内で回転方向に４回対称な形状が有利な所以でもある。
【０００５】
図１３により従来の音片型の差動型振動ジャイロの構造について説明する。振動体Ｊ１０はエリンバなど恒弾性金属で形成された四角柱音片型の構造を有しており、圧電素子製の駆動部および圧電素子Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３およびＪ４を四角柱の各側面に導電性を持たせて貼り合わせてあり、棒状振動体の互いに直交する２つの１次振動モードの節を含み、四角柱の伸びた方向に直交する面と、四角柱の接線Ｊ５ＬおよびＪ６Ｌ付近を支持する構造を持つ。支持は、図２８に示す、外部取り付け枠Ｊ５Ｆに、四角柱形状の振動体Ｊ１０の断面形状に穴Ｊ５Ｈが開けられたポリイミドフィルム等の膜Ｊ５Ｍを張った支持体Ｊ５および、四角柱形状の振動体Ｊ１０の断面形状に穴Ｊ６Ｈが開けられたマイラーフィルム等の膜Ｊ６Ｍを張った支持体Ｊ６を、振動体Ｊ１０のＪ５ＬおよびＪ６Ｌ部に取り付けて行う。
【０００６】
図２６は、振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極からの電圧信号のゲインを調整するアンプＪＧ１およびＪＧ２、およびゲイン調整された２つの検出信号を減算する減算回路ＪＳ、およびゲイン調整された２つの検出信号からの電圧信号を加算する加算回路ＪＡ、および加算された信号を移相する移相回路ＪＰ、および移相された信号を２値化するコンパレータＪＣ、および減算信号と２値化信号を乗算する乗算回路ＪＭを示し、加算された振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極からの電圧信号を移相して圧電素子Ｊ１およびＪ２を駆動する移相回路ＪＰ１およびＪＰ２を示す。
【０００７】
次に、図２６により上記音片型の振動ジャイロの作用について説明する。圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極は、各々の圧電素子を貼りあわせた四角柱の側面に直交する方向の屈曲振動の結果生じる圧電素子の電圧変化を検出することができる。また、圧電素子Ｊ１およびＪ２の駆動電極に電圧を印加すると、各々の圧電素子を貼りあわせた四角柱の側面に直交する方向に屈曲振動生じさせることができる。ここで、振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ１を貼り合わせた側面に直交する方向をＸ軸方向、振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ２を貼り合わせた側面に直交する方向をＺ軸方向、柱の伸びた方向をＹ軸方向とする。
【０００８】
圧電素子Ｊ１の駆動電極に電圧を印加すると、四角柱にはＸ方向の屈曲が発生し、同時に、圧電素子Ｊ２の駆動電極に電圧を印加すると、四角柱にはＺ方向の屈曲が発生する。この時、圧電素子J３およびJ４の検出電極からの電圧信号を、第１のアンプＪＧ１および第２のアンプＪＧ２で増幅し、加算回路ＪＡにより加算した後、第１の移相回路ＪＰ１および第２の移相回路ＪＰ２で移送し、発振条件が成立するように各々増幅率および移相量を調整し、圧電素子Ｊ１およびＪ２の駆動電極に帰還することにより、Ｘ方向に第１の屈曲振動、Ｚ方向に第２の屈曲振動が自励発振する。第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動である第３の屈曲振動は、ＸＺ面内において、一般に楕円軌道を描くが、第１の移相回路ＪＰ１の移相量および、第２の移相回路ＪＰ２の移相量および、第１のアンプＪＧ１の増幅量および、第２のアンプＪＧ２の増幅量を調整することにより、直線状に振動させることができる。図２６には第３の屈曲振動が、ＸおよびＺ方向に同相かつ同振幅で振動する第１の屈曲振動および第２の屈曲振動から合成された第３の屈曲振動の振動方向を矢印で示してある。
【０００９】
この第３の屈曲振動が発生した状態で、音叉全体をＹ軸の回りに角速度ωで回転させると、第３の屈曲振動と直交する方向にコリオリ力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は振動部の質量に比例する量であり、Ｖは振動の速度である。このコリオリ力Ｆｃによって、第３の屈曲振動と直交する方向に変位する第４のの屈曲振動を励起する。この第４の屈曲振動は、圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極に発生する交流電圧の差として現れるが、これは、コリオリ力に比例した振幅を持つ交流信号である。ここでは、圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極に発生する交流電圧から、減算回路ＪＳにより減算して得られる交流信号を、加算回路ＪＡの信号の位相を移相回路ＪＰにより移相し、コンパレータＪＣにより２値化して得られるタイミング信号を参照信号として、乗算回路ＪＭで乗算し、この値を積分することにより、コリオリ力を、正確な直流電圧として検出している。乗算機の出力を積分した直流出力は、コリオリ力に比例するので、この出力により角速度ωを知ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
振動ジャイロには、角速度ωを示す直流信号にドリフトが発生することが課題としてあげられる。カメラの手ぶれ検出のような角速度ωに対して微分的な使用法において、直流ドリフトはあまり問題とならないが、他の角度を求める積分的な用途においては、ドリフトが存在することは大きな問題であり、振動ジャイロが貢献すべき用途に制限を与える結果となっている。振動ジャイロにおいて直流ドリフトが発生する原因は、温度による振動体の機械常数の変化や、発振を制御する電気系の常数の変化など様々である。差動型の振動ジャイロは差動型でない振動ジャイロに対して、ドリフトと相関のないコリオリ出力が約２倍検出できる点、出力に相対的なドリフト量は半分であり有利ではあるが、積分的な用途において充分ドリフトが少ないとは言えない。従来ドリフトを低減する為に主に検出系において様々な工夫がなされてきたが、ドリフトの発生原因が発振状態の変化に起因する部分が大きいことを勘案すると、十分な対策は見つかっていない。
【００１１】
［発明の目的］
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、発振系の変化を自律的に平衡位置に戻すことにより、ドリフトの少ない振動ジャイロを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明の振動ジャイロは下記の構成を採用する。
【００１３】
棒状部を有する振動体と、コリオリ力を検出する回転の軸に直交し、互いに直交する第１および第２の方向に前記棒状部を屈曲振動させる駆動部と、前記棒状部の前記第１および第２の方向の屈曲振動を検出する検出部と、前記検出部で検出した前記棒状部の前記第１の方向の屈曲振動に応じて、前記第２の方向に前記棒状部を前記駆動部で屈曲振動させるとともに、前記検出部で検出した前記棒状部の前記第２の方向の屈曲振動に応じて、前記第１の方向に前記棒状部を前記駆動部で屈曲振動させる発振回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記駆動部は、前記棒状部の側面に貼り付けられ、前記第１および第２の方向に前記棒状部を屈曲振動させる圧電素子を有し、前記検出部は、前記棒状部の側面に貼り付けられ、前記棒状部の前記第１および第２の方向の屈曲振動を検出する圧電素子を有し、前記発振回路は、前記第１の方向の屈曲振動を検出する圧電素子からの電気信号を増幅して、前記第２の方向に屈曲振動させる圧電素子を駆動するとともに、前記第２の方向の屈曲振動を検出する圧電素子からの電気信号を増幅して、前記第１の方向に屈曲振動させる圧電素子を駆動することを特徴とする。
【００１５】
前記棒状部の前記第１および第２の方向の屈曲振動を検出する圧電素子と前記発振回路とを、抵抗を介して接続したことを特徴とする。
【００１６】
前記振動体は、前記棒状部として、前記回転の軸に平行に、前記回転の軸から等距離に、４回対称な位置に配置された４本の足を備えるとともに、前記４本の足が配置された基部を備える４脚音叉であり、前記屈曲振動を検出する圧電素子または前記屈曲振動を検出する圧電素子の少なくとも一方が、前記各足に貼り付けられたことを特徴とする。
【００１７】
前記４本の足のうち２本の足の側面に貼り付けられた圧電素子どうしを、抵抗を介して接続したことを特徴とする。
【００１８】
[作用]
本発明による振動ジャイロは、例えば検出すべき回転方向に直交する面内で回転方向に４回対称な形状を持つ振動体を用い、差動型で駆動検出を行い、互いに直交する方向の振動を増幅する自励発振系を持つことにより、発振系全体に生じる様々な変化から、平衡点へ自律的に復帰する特性を持たせ、結果として角速度出力のドリフトを低減している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の発明の実施の形態）
以下、本発明の振動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２および図４から図２５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、圧電素子の位置を示し、振動調整のための又の位置を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図であり、図２は４叉型の足の先端側から見た足の断面，回路ブロックおよび配線模式図であり、図４および図５は圧電素子の変形の仕組みを説明する斜視図であり、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から図２５は４叉型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。
【００２０】
［振動ジャイロの構造説明：図１，図２および図６］
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と基部１５から構成される。足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、四角柱の側面に貼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。
【００２１】
本実施の形態で使用する金属は、弾性率の温度依存性が非常に小さい、例えば鉄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、予め表面の一部に金，銀，クロム，ニッケル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、貼り付ける全ての圧電素子の共通電極としておく。
【００２２】
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、即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持つので、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又はＺ方向の巾、もしくは単に足の巾という言葉を用いる。
【００２３】
図１には、一例として第１の足１１，第２の足１２および第３の足１３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。圧電素子は、薄い板状の形状をしており、予め両面に金，銀，クロム，ニッケル等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か、接着剤を用いず圧電素子の片面を各々の足に固相接合する。
【００２４】
図２には、図１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。第１の足１１に圧電素子２３および２５を貼り付け，第２の足１２に圧電素子２７および２９を貼り付け，第３の足１３には圧電素子３１および３３を貼り付け、第４の足１４に圧電素子３５および３７を貼り付けてある。
【００２５】
また、図２には４叉型１０の圧電素子２３，３１，３３および３７の検出電極からの電圧信号のゲインを調整するアンプＱＧ１およびＱＧ２、およびゲイン調整された２つの検出信号を減算する減算回路ＱＳ、およびゲイン調整された２つの検出信号からの電圧信号を加算する加算回路ＱＡ、および加算された信号を移相する移相回路ＱＰ、および移相された信号を２値化するコンパレータＱＣ、および減算信号と２値化信号を乗算する乗算回路ＱＭ、および乗算結果を直流化しコリオリ力に比例する直流出力を得る積分回路ＱＩを示し、４叉型１０の圧電素子２３，３１の検出電極からの電圧信号を移相して圧電素子２５，２９を駆動する移相回路ＱＰ１、および４叉型１０の圧電素子３３，３７の検出電極からの電圧信号を移相して圧電素子２７，３５を駆動する移相回路ＱＰ２を示す。
【００２６】
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、セラミック等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。この内部環境は例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、即ち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。
【００２７】
［振動ジャイロの動作・作用説明：図２，図４，図５，図７〜図１２，および図１４〜図２５］
最初に４叉型１０の機械的固有振動について説明する。４叉型１０は、Ｘ方向およびＺ方向の寸法が全く対称に製作された、理想的な場合は、６つの機械的固有振動を持つ。これら６つの固有振動の様子を、ある瞬間の各足の動作方向を、矢印を用いて、周波数の低い順に、理想的な第１の固有振動を図１４，理想的な第２の固有振動を図１５，理想的な第３の固有振動を図１６，理想的な第４の固有振動を図１７，理想的な第５の固有振動を図１８および理想的な第６の固有振動を図１９に示す。また現実の工作精度が有限の為、例えばＸ方向に対してＺ方向の寸法の比率が僅かに小さい場合も、やはり６つの機械的固有振動を持つ。これら６つの固有振動の様子を、ある瞬間の各足の動作方向を、矢印を用いて周波数の低い順に、現実的な第１の固有振動を図２０，現実的な第２の固有振動を図２１，現実的な第３の固有振動を図２２，現実的な第４の固有振動を図２３，現実的な第５の固有振動を図２４および現実的な第６の固有振動を図２５に示す。これらの機械的固有振動の中で、図１７および図１８に示した理想的な第４および第５の固有振動だけは、互いに全く等しい固有振動周波数を持つ。本実施の形態においては、図２３および図２４に示した、現実に利用できる、現実的な第４および第５の固有振動から、電気的制御により、図１７および図１８に示した理想的な第４および第５の固有振動を合成し、利用する。
【００２８】
図４および図５に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、予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。図４に示す（＋）面５８は、分極時にこの裏側の面に対して正の電圧を印加した面であり、裏面に対して高電位にすると厚みが増加し、縦横が縮む。また、図５には面５８の裏面である（−）面５９を示す。（−）面５９は、裏面に対して正の電圧を印加すると厚みが減少し、縦横が伸びる。図２および図３に記入した（＋）または（−）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何れの面であるかを示している。また、図２および図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。
【００２９】
図２において移相回路ＱＰ１から、例えば第２の足１２に貼られた圧電素子２９の電極に電圧を印加すると、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、印加する電圧の方向を変化させれば、結果として第２の足１２をＸ軸方向に屈曲振動させることができる。このとき、印加する電圧の時間的変化の速さである周波数を調整すると、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および第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の屈曲振動を引き起こすことができる。第１の屈曲振動は図２３に示した４叉型１０の持つ現実的な第４の固有振動に近い周波数を持つ。
【００３０】
また、図２において移相回路ＱＰ２から、例えば第２の足１２に貼られた圧電素子２７の電極に電圧を印加すると、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、印加する電圧の方向を変化させれば、結果として、第２の足１２をＺ軸方向に屈曲振動させることができる。このとき印加する電圧の時間的変化の速さである周波数を調整すると、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および第４の足１４が自動的に励振され、第２の足１２と第４の足１４が Ｙ−Ｚ面内で音叉型に振れ、 第１の足１１と第３の足１３がＹ−Ｚ面内で第２の足１２と第４の足１４の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動を引き起こすことができる。第２の屈曲振動は図２４に示した４叉型１０の持つ現実的な第５の固有振動に近い周波数を持つ。
【００３１】
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。図７に示す第１の屈曲振動の動作は、図２３に示す４叉型１０の現実的な第４の固有振動の動作とほぼ同じである。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８に示す第２の屈曲振動の動作は、図２４に示す４叉型１０の現実的な第５の固有振動の動作とほぼ同じである。
【００３２】
図９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描くが、これを第３の屈曲振動と呼ぶこととする。図９に示す第３の屈曲振動の動作は、図１７に示す４叉型１０の理想的な第４の固有振動の動作とほぼ同じである。
【００３３】
このとき図２において、例えば第３の足１３の圧電素子３１、または第１の足１１の圧電素子２３の電極から、電圧信号をアンプＱＧ１で発振条件を満たすように増幅し、移相回路ＱＰ１を用いて発振条件を満たすように移相調整した後、第２の足１２の圧電素子２９の電極に帰還し、同時に、例えば第３の足１３の圧電素子３３、または第４の足１４の圧電素子３７の電極から、電圧信号をアンプＱＧ２で発振条件を満たすように増幅し、移相回路ＱＰ２を用いて発振条件を満たすように移相調整した後、第２の足１２の圧電素子２７の電極に帰還すると、アンプＱＧ１，ＱＧおよび移相回路ＱＰ１，ＱＰ２が発振回路として働き、第３の屈曲振動を、図１７に示す、４叉型１０の理想的な第４の固有振動の周波数付近の周波数を持つ自励発振として発振させることができる。
【００３４】
図１２に、実際に製作された４叉型１０が、第３の屈曲振動を自励発振している様子を模式的に示す。第１の屈曲振動と第２の屈曲振動には、一般に振幅および位相の双方に差があり、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動は図１２に示すような楕円軌道となるが、楕円軌道を描く場合のコリオリ力は、非常に複雑であり、リニアリティーやドリフトに影響するので、以下、アンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２を用いて、図９に示したような、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の振幅と位相を一致させた状態で説明する。ここでは振幅が一致する場合が最もコリオリ力の検出効率が良いので、振幅も一致させるが、振幅の一致は必ずしも必要ではないことを明記しておく。
【００３５】
一方、例えば第１の屈曲振動に対して第２の屈曲振動の位相を１８０度移相した状態で合成すると、図１０に示す第８の屈曲振動が生成される。第３の屈曲振動および第８の屈曲振動は、共に第１の屈曲振動および第２の屈曲振動から合成されたものなので、共振周波数はほぼ一致している。また、図１０に示す第８の屈曲振動の動作は、図１８に示す４叉型１０の理想的な第５の固有振動の動作とほぼ同じである。
【００３６】
ここで、第３の屈曲振動の安定性について説明する。４叉型１０をＸおよびＺ方向に完全に対称に製作することができた場合は、第３の屈曲振動は、自然に図１７に示す４叉型１０の理想的な第４の固有振動とほぼ同じ形となるが、現実には図９に示した直線状の振動状態は安定ではなく、実際アンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２を用いて矯正した振動である。実際に製作された４叉型１０が、図１２に示すような楕円軌道を描くのは、４叉型１０の機械的工作精度不足および圧電素子の貼り付け精度不足、また駆動回路の常数のずれによりもたらされるものであるが、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化により、図１２の軌道は変化する。従って、ある時点で、アンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２を用いて矯正し、図９に示した直線状の振動状態を作り上げたとしても、この状態が安定して保存されることはない。
【００３７】
ところで、第３の屈曲振動および第３の屈曲振動と同じ周波数を持ち、第３の屈曲振動に比べて非常に小さな振幅を持ち、第８の屈曲振動と同じ動作であり、図１０で模式的に表現できるが、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動から合成されたものでない、第７の屈曲振動を合成すると、図１２に示したような楕円振動を生成することができる。このことは、例えば図９に示す直線状の第３の屈曲振動から、図１２に示したような楕円振動への状態の変化を、第３の屈曲振動と同じ周波数を持ち、第３の屈曲振動に比べて非常に小さな振幅を持ち、第３の屈曲振動と位相の異なる、第７の屈曲振動に置き換えて考えることができることを示している。
【００３８】
次に、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動および第２の屈曲振動に及ぼす効果について説明する。第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動を生成する発振系に与える影響と、第７の屈曲振動が、第２の屈曲振動を生成する発振系に与える影響を比べると、反対の効果を与えることが分かる。即ち４叉型１０の回転方向により、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動を強める場合、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を弱め、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動を弱める場合、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を強める。
【００３９】
図２に示す回路構成では、例えば第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動の振幅を増加させた場合の効果は、第３の足１３の圧電素子３３および第４の足１４の圧電素子３７により検出され、アンプＱＧ２を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２７および第４の足１４の圧電素子３５に帰還され、第２の屈曲振動を強めるが、この時同時に、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を弱めるので、その効果は、第１の足１１の圧電素子２３および第３の足１３の圧電素子３１により検出され、アンプＱＧ１を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２９および第１の足１１の圧電素子２５に帰還され、第１の屈曲振動を弱める。
【００４０】
即ち、第７の屈曲振動が生じると、第７の屈曲振動は第１の屈曲振動と第２の屈曲振動に変化をもたらすが、図２の回路構成においては、この変化をうち消すように制御を与える。
【００４１】
また、図２に示す回路構成において、第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動の振幅を減少させた場合の効果は、第３の足１３の圧電素子３３および第４の足１４の圧電素子３７により検出され、アンプＱＧ２を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２７および第４の足１４の圧電素子３５に帰還され、第２の屈曲振動を弱めるが、この時同時に、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を強めるので、その効果は、第１の足１１の圧電素子２３および第３の足１３の圧電素子３１により検出され、アンプＱＧ１を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２９および第１の足１１の圧電素子２５に帰還され、第１の屈曲振動を強める。
【００４２】
やはり、第７の屈曲振動が生じると、第７の屈曲振動は第１の屈曲振動と第２の屈曲振動に変化をもたらすが、図２の回路構成においては、この変化をうち消すように制御を与える。
【００４３】
図２の発振回路では、第１の屈曲振動を用いて第２の屈曲振動を励振し、第２の屈曲振動を用いて第１の屈曲振動を励振するので、第７の屈曲振動に対して負のフィードバックを行う様に構成されている。即ち、図２に示した回路構成は、第３の屈曲振動の、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化による、安定な状態からの変化を、自律的に復元する構成となっている。
【００４４】
次にコリオリ力検出の機構を説明する。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、このコリオリ力に起因した、第８の屈曲振動および第７の屈曲振動と同じ動作であり、同様に図１０で示すことができる、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の屈曲振動と共振周波数がほぼ一致しており、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は非常に良い効率で行われ、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。
【００４５】
ところで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０度または９０度位相の異なる振動となる。コリオリ力のもつ性質から第３の屈曲振動と第４の屈曲振動の機械的な共振周波数が一致する領域にある場合は、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動の第３の屈曲振動に対する位相差は０であり、一致する領域に無い場合は、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動の第３の屈曲振動に対する位相差は９０度付近である。ここで用いた共振周波数の一致する領域とは、例えばエリンバを用いた、Ｑ値が２０００程度の振動体の場合は、周波数の幅１００００ＰＰＭ程度の領域を示している。また、石英ガラスを用いた、Ｑ値が１００００程度の振動体の場合は、周波数の幅２０００ＰＰＭ程度の領域を示している。エリンバを用いた本実施の形態の試作試料においては、第３の屈曲振動および第４の屈曲振動の共振周波数の差は１００００ＰＰＭ以内なので、位相差は０度となる。この場合は、図９に示した第３の屈曲振動と図１０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１１に示す様に、各々の足の振動方向が図９に示したＸ軸又はＺ軸から４５度の方向から傾く動作となる。実際の試作品においては、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動の第３の屈曲振動に対する位相差が９０度の場合の効果も少し重ね合わされ、より複雑であるが、以下説明の簡単のため、この効果は省略する。
【００４６】
次に、コリオリ力の検出の方法を説明する。図２において、Ｘ方向の振動を検出する圧電素子３３および３７の電極部からの出力信号をＡ、Ｚ方向の振動を検出する圧電素子２３および３１の電極部からの出力信号をＢとする。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の屈曲振動およ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の屈曲振動およ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ＱＡと減算回路ＱＳ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。
【００４７】
コリオリ力が働かない場合の信号Ａ＋ＢおよびＡ−Ｂの関係を説明する。信号Ａと信号Ｂは各々第１の屈曲振動および第２の屈曲振動を電気信号に置き換えただけのものであり、これらは図２に示したアンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２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または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。
【００４８】
次に、第４の屈曲振動が生成された場合の信号Ａ，Ｂ，Ａ＋ＢおよびＡ−Ｂの関係を説明する。第４の屈曲振動の効果は、信号Ａおよび信号Ｂの相対的な振幅を変化させる。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および信号Ｂの相対的な振幅が変化する。角速度ωにより信号Ａの振幅が増大し，信号Ｂの位相が減少すると、角速度−ωでは信号Ｂの振幅が増大し，信号Ａの振幅が減少し、信号ＡおよびＢの振幅の変化はωの方向によることになる。またコリオリ力は、信号Ａ＋Ｂの振幅に変化を与えず、信号Ａ−Ｂには信号Ａと信号Ｂの振幅差に相当す振幅を発生させる。
【００４９】
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位相検波の構成を用い、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。コリオリ力を反映する被検出信号として信号Ａ，Ｂおよび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およびＢは、理想的でない場合は、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信号と正確に位相が一致している。従って参照信号としては、Ａ＋Ｂ信号を使用する。
【００５０】
図２に示す様に、信号Ａおよび信号Ｂを減算回路ＱＳに入力し、信号Ａ−Ｂを生成し、図２に示す乗算回路ＱＭに入力する。また図２に示す様に、信号Ａおよび信号Ｂを加算回路ＱＡに入力し、理想条件からずれて、位相ずれが存在する場合は移相回路ＱＰで移相するが、本実施の形態では移相せず、コンパレータＱＣで２値化し、乗算回路ＱＭに入力し、乗算回路ＱＭの出力は積分回路ＱＩを用いて直流に変換する。この結果、Ａ−Ｂ信号はＡ＋Ｂ信号を参照に全波整流され、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使用する乗算器ＱＭには、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。
【００５１】
従って、第１の屈曲振動および第２の屈曲振動の差に、コリオリ力に起因する第５の屈曲振動の効果および第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、正確な出力が得られる。これによって角速度ωの値を正確に知ることができる。
【００５２】
ここではコリオリ力に起因する第４の屈曲振動を正確に知る方法を述べたが、この検出方法では、第３の屈曲振動が不安定な場合には、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化による安定な状態からの変化を置き換えた第７の屈曲振動が、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動と分離することができずに検出されてしまい、コリオリ力に無関係な出力をも正確に検出することになる。この出力は０点ドリフトと呼ばれ、角速度を積分して角度を求める用途においては、振動ジャイロにとって致命的な欠点となっていたが、本実施の形態では、第７の屈曲振動に対して負のフィードバックを行い、第３の屈曲振動が自律的に安定な状態に復元する構成を用いたことにより、殆ど０点ドリフトの無い検出が可能である。
【００５３】
（第２の発明の実施の形態）
以下、本発明の振動ジャイロを実施するための、もう１つ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および図３から図２５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、圧電素子の位置を示し、振動調整のための又の位置を示し、以後説明に用いる座標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足の断面，回路ブロックおよび配線模式図であり、図４および図５は圧電素子の変形の仕組みを説明する斜視図であり、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から図２５は４叉型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。
【００５４】
［振動ジャイロの構造説明：図１，図３および図６］
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と基部１５から構成される。足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、四角柱の側面に貼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。
【００５５】
本実施の形態で使用する金属は、弾性率の温度依存性が非常に小さい、例えば鉄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、予め表面の一部に金，銀，クロム，ニッケル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、貼り付ける全ての圧電素子の共通電極としておく。
【００５６】
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、即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持つので、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又はＺ方向の巾、もしくは単に足の巾という言葉を用いる。
【００５７】
図１には、一例として第１の足１１，第２の足１２および第３の足１３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。圧電素子は、薄い板状の形状をしており、予め両面に金，銀，クロム，ニッケル等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か、接着剤を用いず圧電素子の片面を各々の足に固相接合する。
【００５８】
図３には、図１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。第１の足１１に圧電素子２３および２５を貼り付け，第２の足１２に圧電素子２７および２９を貼り付け，第３の足１３には圧電素子３１および３３を貼り付け、第４の足１４に圧電素子３５および３７を貼り付けてある。
【００５９】
また４叉型１０の第３の足１３に貼られた圧電素子３３の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ１，および第４の足１４に貼られた圧電素子３７の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ２，第１の足１１に貼られた圧電素子２３の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ３，第３の足１３に貼られた圧電素子３１の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ４，第１の足１１に貼られた圧電素子２５の静電容量および第４の足１４に貼られた圧電素子３５の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲを示す。
【００６０】
また４叉型１０の圧電素子２３，３１，３３および３７の検出電極からの電圧信号のゲインを調整するアンプＱＧ１およびＱＧ２、およびゲイン調整された２つの検出信号を減算する減算回路ＱＳ、およびゲイン調整された２つの検出信号からの電圧信号を加算する加算回路ＱＡ、および加算された信号を移相する移相回路ＱＰ、および移相された信号を２値化するコンパレータＱＣ、および減算信号と２値化信号を乗算する乗算回路ＱＭ、および乗算結果を直流化し、コリオリ力に比例する直流出力を得る積分回路ＱＩを示し、４叉型１０の圧電素子２３，３１の検出電極からの電圧信号を移相して圧電素子２５，２９を駆動する移相回路ＱＰ１、および４叉型１０の圧電素子３３，３７の検出電極からの電圧信号を移相して圧電素子２７，３５を駆動する移相回路ＱＰ２を示す。
【００６１】
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、セラミック等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。この内部環境は例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、即ち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。
【００６２】
［振動ジャイロの動作・作用説明：図３，図４，図５，図７〜図１２，および図１４〜図２５］
最初に、４叉型１０の機械的固有振動について説明する。４叉型１０は、Ｘ方向およびＺ方向の寸法が全く対称に製作された、理想的な場合は、６つの機械的固有振動を持つ。これら６つの固有振動の様子をある瞬間の各足の動作方向を、矢印を用いて、周波数の低い順に、理想的な第１の固有振動を図１４，理想的な第２の固有振動を図１５，理想的な第３の固有振動を図１６，理想的な第４の固有振動を図１７，理想的な第５の固有振動を図１８および理想的な第６の固有振動を図１９に示す。また、現実の工作精度が有限の為、例えばＸ方向に対してＺ方向の寸法の比率が僅かに小さい場合も、やはり６つの機械的固有振動を持つ。これら６つの固有振動の様子を、ある瞬間の各足の動作方向を、矢印を用いて、周波数の低い順に現実的な第１の固有振動を図２０，現実的な第２の固有振動を図２１，現実的な第３の固有振動を図２２，現実的な第４の固有振動を図２３，現実的な第５の固有振動を図２４と、現実的な第６の固有振動を図２５に示す。これらの機械的固有振動の中で、図１７および図１８に示した理想的な第４および第５の固有振動だけは、互いに全く等しい固有振動周波数を持つ。本実施の形態においては、図２３および図２４に示した、現実に利用できる、現実的な第４および第５の固有振動から、電気的制御により、図１７および図１８に示した理想的な第４および第５の固有振動を合成し、利用する。
【００６３】
図４および図５に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、予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。図４に示す（＋）面５８は、分極時にこの裏側の面に対して正の電圧を印加した面であり、裏面に対して高電位にすると厚みが増加し、縦横が縮む。また、図５には面５８の裏面である（−）面５９を示す。（−）面５９は、裏面に対して正の電圧を印加すると厚みが減少し、縦横が伸びる。図２および図３に記入した（＋）または（−）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何れの面であるかを示している。また、図２および図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。
【００６４】
図３において移相回路ＱＰ１から、例えば第２の足１２に貼られた圧電素子２９の電極に電圧を印加すると、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印加する電圧の方向を変化させれば、結果として、第２の足１２をＸ軸方向に屈曲振動させることができる。このとき、印加する電圧の時間的変化の速さである周波数を調整すると、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および第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の屈曲振動を引き起こすことができる。第１の屈曲振動は図２３に示した４叉型１０の持つ現実的な第４の固有振動に近い周波数を持つ。
【００６５】
また、図３において移相回路ＱＰ２から、例えば第２の足１２に貼られた圧電素子２７の電極に電圧を印加すると、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印加する電圧の方向を変化させれば、結果として、第２の足１２をＺ軸方向に屈曲振動させることができる。このとき、印加する電圧の時間的変化の速さである周波数を調整すると、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、および第４の足１４が自動的に励振され、第２の足１２と第４の足１４が Ｙ−Ｚ面内で音叉型に振れ、 第１の足１１と第３の足１３がＹ−Ｚ面内で、第２の足１２と第４の足１４の振動と逆相で音叉型に振れる第２の屈曲振動を引き起こすことができる。第２の屈曲振動は図２４に示した４叉型１０の持つ現実的な第５の固有振動に近い周波数を持つ。
【００６６】
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。図７に示す第１の屈曲振動の動作は、図２３に示す４叉型１０の現実的な第４の固有振動の動作とほぼ同じである。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８に示す第２の屈曲振動の動作は、図２４に示す４叉型１０の現実的な第５の固有振動の動作とほぼ同じである。
【００６７】
図９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描くが、これを第３の屈曲振動と呼ぶこととする。図９に示す第３の屈曲振動の動作は、図１７に示す４叉型１０の理想的な第４の固有振動の動作とほぼ同じである。
【００６８】
このとき図２において、例えば第３の足１３の圧電素子３１、または第１の足１１の圧電素子２３の電極から、電圧信号をアンプＱＧ１で発振条件を満たすように増幅し、移相回路ＱＰ１を用いて発振条件を満たすように移相調整した後、第２の足１２の圧電素子２９の電極に帰還し、同時に、例えば第３の足１３の圧電素子３３、または第４の足１４の圧電素子３７の電極から、電圧信号をアンプＱＧ２で発振条件を満たすように増幅し、移相回路ＱＰ２を用いて発振条件を満たすように移相調整した後、第２の足１２の圧電素子２７の電極に帰還すると、アンプＱＧ１，ＱＧおよび移相回路ＱＰ１，ＱＰ２が発振回路として働き、第３の屈曲振動を、図１７に示す、４叉型１０の理想的な第４の固有振動の周波数付近の周波数を持つ自励発振として発振させることができる。
【００６９】
図１２に、実際に製作された４叉型１０が、第３の屈曲振動を自励発振している様子を模式的に示す。第１の屈曲振動と第２の屈曲振動には、一般に振幅および位相の双方に差があり、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動は図１２示すような楕円軌道となるが、楕円軌道を描く場合のコリオリ力は、非常に複雑であり、リニアリティーやドリフトに影響するので、以下、アンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２を用いて、図９に示したような、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の振幅と位相を一致させた状態で説明する。ここでは振幅が一致する場合が最もコリオリ力の検出効率が良いので、振幅も一致させるが、振幅の一致は必ずしも必要ではないことを銘記しておく。
【００７０】
一方、例えば第１の屈曲振動に対して第２の屈曲振動の位相を１８０度移相した状態で合成すると、図１０に示す第８の屈曲振動が生成される。第３の屈曲振動および第８の屈曲振動は、共に第１の屈曲振動および第２の屈曲振動から合成されたものなので、共振周波数はほぼ一致している。また、図１０に示す第８の屈曲振動の動作は、図１８に示す４叉型１０の理想的な第５の固有振動の動作とほぼ同じである。
【００７１】
ここで、第３の屈曲振動の安定性について説明する。４叉型１０をＸおよびＺ方向に完全に対称に製作することができた場合は、第３の屈曲振動は、自然に図１７に示す４叉型１０の理想的な第４の固有振動とほぼ同じ形となるが、現実には図９に示した直線状の振動状態は安定ではなく、実際アンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２を用いて、矯正した振動である。実際に製作された４叉型１０が、図１２に示すような楕円軌道を描くのは、４叉型１０の機械的工作精度不足および圧電素子の貼り付け精度不足、また駆動回路の常数のずれによりもたらされるものであるが、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化により図１２の軌道は変化する。従って、ある時点で、アンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２を用いて矯正し、図９に示した直線状の振動状態を作り上げたとしても、この状態が安定して保存されることはない。
【００７２】
更に、４叉型１０の機械的工作精度不足および圧電素子の貼り付け精度不足により、４本の足の各々独自の共振周波数に差が生じると、これに起因して周波数の違いによる干渉性の微振動が４叉型１０全体に生じるが、この微振動はＳ／Ｎを低下させる原因になっている。干渉性の振動の周波数は第３の屈曲振動の周波数より低い。一方圧電素子は静電容量とみなせるので、これと抵抗を組み合わせることにより、ローパスフィルタを構成することができる。本実施の形態においては、４叉型１０の第３の足１３に貼られた圧電素子３３の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ１，および第４の足１４に貼られた圧電素子３７の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ２，第１の足１１に貼られた圧電素子２３の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ３，第３の足１３に貼られた圧電素子３１の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲ４，第１の足１１に貼られた圧電素子２５の静電容量および第４の足１４に貼られた圧電素子３５の静電容量と共に電気的なフィルタを構成する抵抗ＱＲを挿入することにより、干渉性の微振動を消滅させ、Ｓ／Ｎの低下を防止している。
【００７３】
ところで、第３の屈曲振動および第３の屈曲振動と同じ周波数を持ち、第３の屈曲振動に比べて非常に小さな振幅を持ち、第８の屈曲振動と同じ動作であり、図１０で模式的に表現できるが、第１の屈曲振動と第２の屈曲振動から合成されたものでない、第７の屈曲振動を合成すると、図１２に示したような楕円振動を生成することができる。このことは、例えば図９に示す直線状の第３の屈曲振動から、図１２に示したような楕円振動への状態の変化を、第３の屈曲振動と同じ周波数を持ち、第３の屈曲振動に比べて非常に小さな振幅を持ち、第３の屈曲振動と位相の異なる、第７の屈曲振動に置き換えて考えることができることを示している。
【００７４】
次に、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動および第２の屈曲振動に及ぼす効果について説明する。第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動を生成する発振系に与える影響と、第７の屈曲振動が第２の屈曲振動を生成する発振系に与える影響を比べると、反対の効果を与えることが分かる。即ち、４叉型１０の回転方向により、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動を強める場合、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を弱め、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動を弱める場合、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を強める。
【００７５】
図３に示す回路構成では、例えば第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動の振幅を増加させた場合の効果は、第３の足１３の圧電素子３３および第４の足１４の圧電素子３７により検出され、アンプＱＧ２を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２７および第４の足１４の圧電素子３５に帰還され、第２の屈曲振動を強めるが、この時同時に、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を弱めるので、その効果は、第１の足１１の圧電素子２３および第３の足１３の圧電素子３１により検出され、アンプＱＧ１を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２９および第１の足１１の圧電素子２５に帰還され、第１の屈曲振動を弱める。
【００７６】
即ち、第７の屈曲振動が生じると、第７の屈曲振動は第１の屈曲振動と第２の屈曲振動に変化をもたらすが、図３の回路構成においては、この変化をうち消すように制御を与える。
【００７７】
また、図３に示す回路構成において、第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動の振幅を減少させた場合の効果は、第３の足１３の圧電素子３３および第４の足１４の圧電素子３７により検出され、アンプＱＧ２を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２７および第４の足１４の圧電素子３５に帰還され、第２の屈曲振動を弱めるが、この時同時に、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を強めるので、その効果は、第１の足１１の圧電素子２３および第３の足１３の圧電素子３１により検出され、アンプＱＧ１を介して増幅され第２の足１２の圧電素子２９および第１の足１１の圧電素子２５に帰還され、第１の屈曲振動を強める。
【００７８】
やはり、第７の屈曲振動が生じると、第７の屈曲振動は第１の屈曲振動と第２の屈曲振動に変化をもたらすが、図２の回路構成においては、この変化をうち消すように制御を与える。
【００７９】
図３の発振回路では、第１の屈曲振動を用いて第２の屈曲振動を励振し、第２の屈曲振動を用いて第１の屈曲振動を励振するので、第７の屈曲振動に対して負のフィードバックを行う様に構成されている。即ち、図３に示した回路構成は、第３の屈曲振動の、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化による、安定な状態からの変化を、自律的に復元する構成となっている。
【００８０】
次にコリオリ力検出の機構を説明する。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、このコリオリ力に起因した、第８の屈曲振動および第７の屈曲振動と同じ動作であり、同様に図１０で示すことができる、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の屈曲振動と共振周波数がほぼ一致しており、第３の屈曲振動による第４の屈曲振動の励振は非常に良い効率で行われ、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。
【００８１】
ところで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０度または９０度位相の異なる振動となる。コリオリ力のもつ性質から第３の屈曲振動と第４の屈曲振動の機械的な共振周波数が一致する領域にある場合は、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動の第３の屈曲振動に対する位相差は０であり、一致する領域に無い場合は、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動の第３の屈曲振動に対する位相差は９０度付近である。ここで用いた共振周波数の一致する領域とは、例えばエリンバを用いた、Ｑ値が２０００程度の振動体の場合は、周波数の幅１００００ＰＰＭ程度の領域を示している。また、石英ガラスを用いた、Ｑ値が１００００程度の振動体の場合は、周波数の幅２０００ＰＰＭ程度の領域を示している。エリンバを用いた本実施の形態の試作試料においては、第３の屈曲振動および第４の屈曲振動の共振周波数の差は１００００ＰＰＭ以内なので、位相差は０度となる。この場合は、図９に示した第３の屈曲振動と図１０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１１に示す様に、各々の足の振動方向が図９に示したＸ軸又はＺ軸から４５度の方向から傾く動作となる。実際の試作品においては、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動の第３の屈曲振動に対する位相差が９０度の場合の効果も少し重ね合わされ、より複雑であるが、以下説明の簡単のため、この効果は省略する。
【００８２】
次に、コリオリ力の検出の方法を説明する。図３において、Ｘ方向の振動を検出する圧電素子３３および３７の電極部からの出力信号をＡ、Ｚ方向の振動を検出する圧電素子２３および３１の電極部からの出力信号をＢとする。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の屈曲振動およ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の屈曲振動およ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ＱＡと減算回路ＱＳ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。
【００８３】
コリオリ力が働かない場合の信号Ａ＋ＢおよびＡ−Ｂの関係を説明する。信号Ａと信号Ｂは各々第１の屈曲振動および第２の屈曲振動を電気信号に置き換えただけのものであり、これらは図２に示したアンプＱＧ１およびＱＧ２、および移相回路ＱＰ１およびＱＰ２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または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。
【００８４】
次に、第４の屈曲振動が生成された場合の信号Ａ，Ｂ，Ａ＋ＢおよびＡ−Ｂの関係を説明する。第４の屈曲振動の効果は、信号Ａおよび信号Ｂの相対的な振幅を変化させる。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および信号Ｂの相対的な振幅が変化する。角速度ωにより信号Ａの振幅が増大し，信号Ｂの位相が減少すると、角速度−ωでは信号Ｂの振幅が増大し，信号Ａの振幅が減少し、信号ＡおよびＢの振幅の変化はωの方向によることになる。またコリオリ力は、信号Ａ＋Ｂの振幅に変化を与えず、信号Ａ−Ｂには信号Ａと信号Ｂの振幅差に相当す振幅を発生させる。
【００８５】
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位相検波の構成を用い、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。コリオリ力を反映する被検出信号として信号Ａ，Ｂおよび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およびＢは、理想的でない場合は、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信号と正確に位相が一致している。従って参照信号としては、Ａ＋Ｂ信号を使用する。
【００８６】
図３に示す様に、信号Ａおよび信号Ｂを減算回路ＱＳに入力し、信号Ａ−Ｂを生成し、図３に示す乗算回路ＱＭに入力する。また図３に示す様に、信号Ａおよび信号Ｂを加算回路ＱＡに入力し、理想条件からずれて、位相ずれが存在する場合は移相回路ＱＰで移相するが、本実施の形態では移相せず、コンパレータＱＣで２値化し、乗算回路ＱＭに入力し、乗算回路ＱＭの出力は積分回路ＱＩを用いて直流に変換する。この結果、Ａ−Ｂ信号はＡ＋Ｂ信号を参照に全波整流され、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使用する乗算器ＱＭには、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。
【００８７】
従って、第１の屈曲振動および第２の屈曲振動の差に、コリオリ力に起因する第５の屈曲振動の効果および第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、正確な出力が得られる。これによって角速度ωの値を正確に知ることができる。
【００８８】
ここではコリオリ力に起因する第４の屈曲振動を正確に知る方法を述べたが、この検出方法では、第３の屈曲振動が不安定な場合には、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化による、安定な状態からの変化を置き換えた第７の屈曲振動が、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動と分離することができずに検出されてしまい、コリオリ力に無関係な出力をも正確に検出することになる。この出力は０点ドリフトと呼ばれ、角速度を積分して角度を求める用途においては、振動ジャイロにとって致命的な欠点となっていたが、本実施の形態では第７の屈曲振動に対して負のフィードバックを行い、第３の屈曲振動が自律的に安定な状態に復元する構成を用いたことにより、殆ど０点ドリフトの無い検出が可能である。
【００８９】
（第３の発明の実施の形態）
以下、本発明の振動ジャイロを実施するための、もう１つ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１３，図２７および図２８は本発明の実施の形態である振動ジャイロであり、図１３は、四角柱音片型の振動ジャイロの外観を示し、圧電素子の位置を示し、支持部を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図であり、図２７は四角柱音片型の柱の伸びた方向から見た音片の断面，回路ブロックおよび配線模式図であり、図２８は支持に用いる支持部の構造を示す平面図である。
【００９０】
［振動ジャイロの構造説明：図１３，図２７および図２８］
図１３により本実施の形態の音片型の差動型振動ジャイロの構造について説明する。振動体Ｊ１０はエリンバなど恒弾性金属で形成された四角柱音片型の構造を有しており、圧電素子製の駆動部および駆動電極Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３およびＪ４を四角柱の各側面に導電性を持たせて貼り合わせてあり、棒状振動体の互いに直交する２つの１次振動モードの節を含み、四角柱の伸びた方向に直交する面と、四角柱の接線Ｊ５ＬおよびＪ６Ｌ付近を支持する構造を持つ。支持は、図２８に示す、外部取り付け枠Ｊ５Ｆに、四角柱形状の振動体Ｊ１０の断面形状に穴Ｊ５Ｈが開けられたマイラーフィルム等の膜Ｊ５Ｍを張った支持体Ｊ５および、四角柱形状の振動体Ｊ１０の断面形状に穴Ｊ６Ｈが開けられたマイラーフィルム等の膜Ｊ６Ｍを張った支持体Ｊ６を、振動体Ｊ１０のＪ５ＬおよびＪ６Ｌ部に取り付けて行う。
【００９１】
図２７には、振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極からの電圧信号のゲインを調整するアンプＪＧ１およびＪＧ２、およびゲイン調整された２つの検出信号を減算する減算回路ＪＳ、およびゲイン調整された２つの検出信号からの電圧信号を加算する加算回路ＪＡ、および加算された信号を移相する移相回路ＪＰ、および移相された信号を２値化するコンパレータＪＣ、および減算信号と２値化信号を乗算する乗算回路ＪＭ、および乗算結果を直流化し、コリオリ力に比例する直流出力を得る積分回路ＪＩを示し、振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極からの電圧信号を移相して圧電素子Ｊ１およびＪ２を駆動する移相回路ＪＰ１およびＪＰ２を示す。
【００９２】
［振動ジャイロの動作・作用説明：図２７］
次に、図２７により上記音片型の振動ジャイロの作用について説明する。圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極は、各々の圧電素子を貼りあわせた四角柱の側面に直交する方向の屈曲振動の結果生じる圧電素子の電圧変化を検出することができる。また、圧電素子Ｊ１およびＪ２の駆動電極に電圧を印加すると、各々の圧電素子を貼りあわせた四角柱の側面に直交する方向に屈曲振動生じさせることができる。ここで、振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ１を貼り合わせた側面に直交する方向をＸ軸方向、振動体Ｊ１０の圧電素子Ｊ２を貼り合わせた側面に直交する方向をＺ軸方向、柱の伸びた方向をＹ軸方向とする。
【００９３】
圧電素子Ｊ１の駆動電極に電圧を印加すると、四角柱にはＸ方向の屈曲が発生し、同時に、圧電素子Ｊ２の駆動電極に電圧を印加すると、四角柱にはＺ方向の屈曲が発生する。この時、圧電素子Ｊ４の検出電極からの電圧信号を、第２のアンプＪＧ２で増幅し、第２の移相回路ＪＰ２で移送し、発振条件が成立するように各々増幅率および移相量を調整し、圧電素子Ｊ１の駆動電極に帰還することにより、Ｘ方向に第１の屈曲振動を自励発振させることができ、圧電素子Ｊ３の検出電極からの電圧信号を、第１のアンプＪＧ１で増幅し、第１の移相回路ＪＰ１で移送し、発振条件が成立するように各々増幅率および移相量を調整し、圧電素子Ｊ２の駆動電極に帰還することにより、Ｚ方向に第２の屈曲振動を自励発振させることがでる。第１の屈曲振動と第２の屈曲振動の合成振動である第３の屈曲振動は、ＸＺ面内において、一般に楕円軌道を描くが、第１の移相回路ＪＰ１の位相量および、第２の移相回路ＪＰ２の移送量および、第１のアンプＪＧ１の増幅量および、第２のアンプＪＧ２の増幅量を調整することにより、直線状に振動させることができる。図４には第３の屈曲振動が、ＸおよびＺ方向に同相かつ同振幅で振動する第１の屈曲振動および第２の屈曲振動から合成された第３の屈曲振動の振動方向を矢印で示してある。
【００９４】
ここで第３の屈曲振動の安定性について説明する。振動体Ｊ１０をＸおよびＺ方向に完全に対称に製作することができた場合は、第３の屈曲振動は、自然に図２７に示す直線状の振動となるが、現実には直線状の振動状態は安定ではなく、実際アンプＪＧ１およびＪＧ２、および移相回路ＪＰ１およびＪＰ２を用いて、矯正した振動である。実際に製作された振動体Ｊ１０が、楕円軌道を描くのは、振動体Ｊ１０の機械的工作精度不足および圧電素子の貼り付け精度不足、支持部の組み立て精度不足、また駆動回路の常数のずれによりもたらされるものであるが、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化により、軌道は変化する。従ってある時点で、アンプＪＧ１およびＪＧ２、および移相回路ＪＰ１およびＪＰ２を用いて矯正し、図２７に示した直線状の振動状態を作り上げたとしても、この状態が安定して保存されることはない。
【００９５】
ところで、第３の屈曲振動および、第３の屈曲振動と同じ周波数を持ち、第３の屈曲振動と直交する方向の直線振動を、第３の屈曲振動と合成すると、振動体Ｊ１０は楕円振動を行う。このことは、直線状の第３の屈曲振動から楕円振動への状態の変化を、第３の屈曲振動に直交する直線振動に置き換えて考えることができることを示している。この、第３の屈曲振動の不安定さに起因し、第３の屈曲振動に直交する小振幅の屈曲振動を第７の屈曲振動と呼ぶこととする。
【００９６】
次に、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動および第２の屈曲振動に及ぼす効果について説明する。第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動を生成する発振系に与える影響と、第７の屈曲振動が、第２の屈曲振動を生成する発振系に与える影響を比べると、反対の効果を与えることが分かる。即ち、振動体Ｊ１０の回転方向により、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動を強める場合、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を弱め、第７の屈曲振動が第１の屈曲振動を弱める場合、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を強める。
【００９７】
図２７に示す回路構成では、例えば第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動の振幅を増加させた場合の効果は、圧電素子Ｊ３により検出され、アンプＪＧ１を介して増幅され圧電素子Ｊ２に帰還され、第２の屈曲振動を強めるが、このとき同時に、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を弱めるので、その効果は、圧電素子Ｊ４により検出され、アンプＪＧ２を介して増幅され圧電素子Ｊ１に帰還され、第１の屈曲振動を弱める。
【００９８】
即ち、第７の屈曲振動が生じると、第７の屈曲振動は第１の屈曲振動と第２の屈曲振動に変化をもたらすが、図２７の回路構成においては、この変化をうち消すように制御を与える。
【００９９】
また、図２７に示す回路構成において、第７の屈曲振動が、第１の屈曲振動の振幅を減少させた場合の効果は、圧電素子Ｊ３により検出され、アンプＪＧ１を介して増幅され第圧電素子Ｊ２に帰還され、第２の屈曲振動を弱めるが、この時同時に、第７の屈曲振動は第２の屈曲振動を強めるので、その効果は、圧電素子Ｊ４により検出され、アンプＪＧ２を介して増幅され圧電素子Ｊ１に帰還され、第１の屈曲振動を強める。
【０１００】
やはり、第７の屈曲振動が生じると、第７の屈曲振動は第１の屈曲振動と第２の屈曲振動に変化をもたらすが、図２７の回路構成においては、この変化をうち消すように制御を与える。
【０１０１】
図２７の発振回路においては、第１の屈曲振動を用いて第２の屈曲振動を励振し、第２の屈曲振動を用いて第１の屈曲振動を励振するので、第７の屈曲振動に対して負のフィードバックを行う様に構成されている。即ち、図２７に示した回路構成は、第３の屈曲振動の、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化による、安定な状態からの変化を、自律的に復元する構成となっている。
【０１０２】
この第３の屈曲振動が発生した状態で、音叉全体をＹ軸の回りに角速度ωで回転させると、第３の屈曲振動と直交する方向にコリオリ力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は振動部の質量に比例する量であり、Ｖは振動の速度である。このコリオリ力Ｆｃによって、第３の屈曲振動と直交する方向に変位する第４のの屈曲振動を励起する。この第４の屈曲振動は、圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極に発生する交流電圧の差として現れるが、これは、コリオリ力に比例した振幅を持つ交流信号である。ここでは、圧電素子Ｊ３およびＪ４の検出電極に発生する交流電圧から、減算回路ＪＳにより減算して得られる交流信号を、加算回路ＪＡの信号の位相を移相回路ＪＰにより移相し、コンパレータＪＣにより２値化して得られるタイミング信号を参照信号として、乗算回路ＪＭで乗算し、この値を積分することにより、コリオリ力を、正確な直流電圧として検出している。乗算機の出力を積分した直流出力は、コリオリ力に比例するので、この出力により角速度ωを知ることができる。
【０１０３】
ここではコリオリ力に起因する第４の屈曲振動を正確に知る方法を述べたが、この検出方法では、第３の屈曲振動が不安定な場合には、エリンバ，ＰＺＴおよび回路素子の熱的変動、またＰＺＴおよび回路素子の経時変化による、安定な状態からの変化を置き換えた第７の屈曲振動が、コリオリ力に起因する第４の屈曲振動と分離することができずに検出されてしまい、コリオリ力に無関係な出力をも正確に検出することになる。この出力は０点ドリフトと呼ばれ、角速度を積分して角度を求める用途においては、振動ジャイロにとって致命的な欠点となっていたが、この実施の形態では、第７の屈曲振動に対して負のフィードバックを行い、第３の屈曲振動が自律的に安定な状態に復元する構成を用いたことにより、殆ど０点ドリフトの無い検出が可能である。
【０１０４】
【発明の効果】
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、例えば検出すべき回転方向に直交する面内で回転方向に４回対称な形状を持つ振動体を用い、差動型で駆動検出を行い、互いに直交する方向の振動を増幅する自励発振系を持つことにより、発振系全体に生じる様々な変化から、平衡点へ自律的に復帰する特性を持たせ、結果として角速度出力のドリフトを低減している。
【図面の簡単な説明】
【図１】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外観を示し、圧電素子の位置を示し、振動調整のための又の位置を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図である。
【図２】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足の断面，回路ブロックおよび配線模式図である。
【図３】本発明の第２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足の断面，回路ブロックおよび配線模式図である。
【図４】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５】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６】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図である。
【図７】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足の断面を模式的に表した動作説明図である。
【図８】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図９】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足の断面を模式的に表した動作説明図である。
【図１０】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足の断面を模式的に表した動作説明図である。
【図１１】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足の断面を模式的に表した動作説明図である。
【図１２】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足の断面を模式的に表した動作説明図である。
【図１３】一般的な４脚音叉の正面図である。
【図１４】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図１５】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図１６】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図１７】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図１８】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図１９】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図２０】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図２１】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図２２】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図２３】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図２４】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図２５】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足の断面を模式的に表した動作説明図実施の形態であるである。
【図２６】従来の差動音片型振動ジャイロの先端側から見た音片の断面，回路ブロックおよび配線模式図である。
【図２７】本発明の実施の形態である差動音片型振動ジャイロの先端側から見た音片の断面，回路ブロックおよび配線模式図である。
【図２８】本発明の実施の形態である差動音片型振動ジャイロの支持部の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１０：４脚音叉型の振動ジャイロ
１１，１２，１３，１４  ４脚音叉の足
１５：４脚音叉の基部          １６：ベース
１７：金属製のキャップ          １８，１９，２０，２１  リード線
２２：配線基板
２３、２５，２７，２９，３１，３３，３５および３７：圧電素子
３９〜４２：屈曲振動の中立線          ＱＲ ：抵抗
ＱＲ１〜ＱＲ４：抵抗        ＱＧ１，ＱＧ２：アンプ
ＱＳ：減算回路        ＱＡ：加算回路        ＱＰ：移相回路
ＱＰ１，ＱＰ２：移相回路        ＱＣ：コンパレータ
ＱＭ：乗算回路        ＱＩ：積分回路
５８：（＋）面          ５９：（−）面
Ｊ１〜Ｊ４：圧電素子          Ｊ５，Ｊ６
Ｊ５Ｌ，Ｊ６Ｌ：支持位置          Ｊ５Ｆ，Ｊ６Ｆ
Ｊ５Ｍ，Ｊ６Ｍ          Ｊ５Ｈ，Ｊ６Ｈ
Ｊ１０：振動体          ＪＧ１，ＪＧ２：アンプ
ＪＳ：減算回路        ＪＡ：加算回路        ＪＰ：移相回路
ＪＰ１，ＪＰ２：移相回路        ＪＣ：コンパレータ
ＪＭ：乗算回路          ＪＩ：積分回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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