(57)【要約】 【課題】  １つの駆動信号で駆動できる１つの振動子によって、２軸の角速度を検出することを可能にし、大きなスペースを必要としない小型・低価格の圧電振動ジャイロを提供する。【解決手段】  ２軸検出型の振動子１は、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈからなる４組の音叉と、中央に位置する基部４と、これらの音叉と基部を連結する連結部と、この基部４の周囲に配置される枠体５と、基部４と枠体５を連結するビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを備え、これらはシリコンからなる平板に、サンドブラスト法によって貫通加工を施すことで一体的に形成される。４組の音叉は、基部４に対して十字放射状に連結部６により連結する。【選択図】  図１
2009074996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個のアームが一端側で連結されてなる音叉が基部に連結され、４組の前記音叉が単一平面上且つ十字放射状に配置された振動子を有し、前記音叉における２個の前記アームを、各々逆位相で前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させると共に、十字放射状態で対向配置された一対の前記音叉同士が、前記アームを各々逆位相となるように前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させる駆動手段を有し、前記駆動手段によって得られる振動と垂直となる２方向の振動をそれぞれ検出する検出手段を有することを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項２】
前記振動子において、４組の前記音叉は、前記基部から単一平面上且つ十字放射状に延在する連結部により前記基部に連結され、前記基部と前記連結部と前記音叉は一体的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャイロ。
【請求項３】
前記振動子は、前記基部の周辺に配置される枠体に、前記基部から延在してなるビームにて連結され、前記枠体及び前記ビームは前記単一平面に前記基部と一体的に形成され、前記基部と前記枠体は少なくとも２箇所にて連結することによって、前記基部は前記枠体に支持固定されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のナビゲーションシステム装置や電化製品の姿勢制御装置に内蔵される、加速度を検出するセンサに関し、特にカメラ一体型ＶＴＲ、デジタルカメラ等の手振れを検出するシステムに使用されるジャイロスコープに好適な、音叉型圧電振動子を用いる圧電振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転の角速度が与えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープに属する。互いに直交する二つの方向において、一方を励振部として振動可能とし、他方を検出部として出力電圧の検出を可能とした圧電振動子において、励振部を振動させた状態で、二つの振動面が交わる線と平行な軸を中心軸として圧電振動子自身を回転させると、前述のコリオリ力の作用により、励振部の振動方向に対して直角な方向に力が働き、検出部に振動が励振される。この検出部に励振される振動の大きさは、回転角速度に比例するため、前記検出部の圧電現象によって生じる出力電圧の大きさから、回転角速度の大きさを求めることができる。なお、励振部の振動を駆動振動、検出部の振動を検出振動と呼んでいる。
【０００３】
圧電振動ジャイロは小型で安価に製造できることから特にカメラの手振れ補正装置に使用されている。カメラの手振れ補正装置では、一般にピッチ方向とヨー方向の角速度検出が必要とされ、従来までは１軸検出型の圧電振動ジャイロが２個使用されてきた。近年では、更なる小型化・低価格化のニーズに応えるため、２軸検出型ジャイロの開発が盛んに進められるようになっている。
【０００４】
２軸検出型ジャイロには、１軸の角速度を検出する振動子を２個使用する方式と、１個の振動子で２軸の角速度を検出する方式がある。いずれも２軸検出分の駆動検出回路を同一基板上に形成でき、あるいは１チップの集積回路にでき、また振動子や回路を収納するパッケージも１個にすることができるため、１軸検出型ジャイロを２個使用する場合と比較し、小型化・低価格化できるメリットがある。
【０００５】
更に、１軸の角速度を検出する振動子を２個使用する方式と、１個の振動子で２軸の角速度を検出する方式とを比較すると、１個の振動子で２軸の角速度を検出する方式の方が、１個の発振回路で振動子を駆動できることから、駆動検出回路が簡素に構成できる。加えて、振動子においては、一般的に振動子のアームを連結する基部を１箇所で共用できることから形状も小さくできる。
【０００６】
ここで、振動子の形状と実装面積の観点から、振動子の種類は、音片と音叉の２種類に大きく分けられる。音片の場合は、振動を阻害しないよう振動の節で支持固定する必要があるが、振動ジャイロのように駆動振動と検出振動といった２つ以上の方向の振動を扱う場合、振動子の節は内部に存在しているため完全な節は振動子の表面にはない。つまり、支持固定によって多かれ少なかれ振動に影響を及ぼすこととなる。そこで、極力影響を少なくするため、振動の節となる近傍を、バネ材等の弾性体で支持固定するのが一般的である。従って、音片の振動子を振動ジャイロとして使用する際には、支持部材のスペースは振動子のスペースよりもかなり大きなスペースを必要とし、音片振動子の支持固定の問題はジャイロセンサを小型化するための障害となっている。
【０００７】
それに対し音叉の場合は、音叉面内での振動となる面内振動は、音叉の構成要素であるアームに振動エネルギーが閉じこもっているため、アームが連結される基部は広い範囲で振動の節となり、特別な支持部材を必要とせず、容易に支持固定することができる。しかしながら、面内振動と垂直方向の面外振動は、基部を支持固定することで初めて存在できる振動モードであって、基部の支持固定状態は、振動に対して大きく影響を及ぼすこととなる。一般に、面外振動を安定化させるためには、支持固定は完全に固定されることが好ましく、振動部の振動モーメントに対し、十分大きな質量をもって固定する必要がある。音叉振動子を振動ジャイロとして使用する際も、振動子を支持固定するのに必要となる大きな固定用重石が振動ジャイロを小型化するための障害となっている。
【０００８】
図７は、従来の振動子の構造を示す斜視図である。図７に示すように、音叉振動子の基部６３を共通の基部となるように、アーム６４ａ，６４ｂおよびアーム６４ｃ，６４ｄを一体的に連結しており、音叉６１と音叉６２をそれぞれ固有の共振周波数で駆動し、２軸検出を実現している（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２９４６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述の従来の技術では、駆動回路部が２個必要な点や、単純音叉の構造をしているため、検出したい面外振動を安定化させるには、大きな固定用重石を必要とするため小型化が図れず、固定用重石の大型化に伴って製造コストも増大するという問題があった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、１つの駆動信号で駆動できる１つの振動子によって、２軸の角速度を検出することを可能にし、大きなスペースを必要としない小型・低価格の圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、２個のアームが一端側で連結されたアームセットからなる音叉が基部に連結され、４組の前記音叉が単一平面上且つ十字放射状に配置された振動子を有し、前記音叉における２個の前記アームを、各々逆位相で前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させると共に、十字放射状態で対向配置された一対の前記音叉同士が、前記アームを各々逆位相となるように前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させる駆動手段を有し、前記駆動手段によって得られる振動と垂直となる２方向の振動をそれぞれ検出する検出手段を有することを特徴とする圧電振動ジャイロである。
【００１３】
また、本発明は、前記振動子において、４組の前記音叉は、前記基部から単一平面上且つ十字放射状に延在する連結部により前記基部に連結され、前記基部と前記連結部と前記音叉は一体的に形成されていることを特徴とする圧電振動ジャイロである。
【００１４】
また、本発明は、前記振動子は、前記基部の周辺に配置される枠体に、前記基部から延在してなるビームにて連結され、前記枠体及び前記ビームは前記単一平面に前記基部と一体的に形成され、前記基部と前記枠体は少なくとも２箇所にて連結することによって、前記基部は前記枠体に支持固定されてなることを特徴とする圧電振動ジャイロである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、１個の振動子で２軸の角速度を検出でき、１つの発振回路で振動子を駆動できることから駆動検出回路が簡単な構成となる。更には、２軸検出分の駆動検出回路を同一基板上に形成でき、あるいは１チップの集積回路にできる。また、振動子や回路を収納するパッケージも１つにすることができる。加えて、振動子において、アームセットからなる音叉を連結する基部を一つにし共用できることから、振動子自体の形状も小さくできる。
【００１６】
また、振動子の駆動及び２つの検出振動の振動エネルギーはいずれもアーム内と基部に閉じこもっており、外周を囲う枠体には振動が漏れない。従って、枠体をバネ材等の弾性体を用いることなく容易に支持固定でき、これらを支持固定する固定用重石においても特に大きな質量を必要とすることもないので、必要最小限の大きさで構わない。以上のことから、本発明により、従来と比較して大幅に小型で薄型の特性の安定した圧電振動ジャイロを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る振動子構造を表す上面図である。この振動子は、複数のアーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈと基部４、複数の連結部６、枠体５、複数のビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄで構成される。また、この図の振動子の上面もしくは裏面には、図示していないが、駆動および検出するための圧電膜または電極が形成される。ここでは、振動子の上面のことを主面と呼ぶ。この振動子の主面と垂直方向に駆動振動することで、２軸検出を実現する振動ジャイロが構成される。
【００１９】
振動子１は、中央に位置する基部４と、２つのアーム（２ａと２ｂ）で構成されるアームセットである音叉と、２つのアーム（２ｃと２ｄ）で構成されるアームセットである音叉と、２つのアーム（２ｅと２ｆ）で構成されるアームセットである音叉と、２つのアーム（２ｇと２ｈ）で構成されるアームセットである音叉の合計４組の音叉が基部４に対して十字放射状に延在する連結部６により連結され、またこの基部４は、周囲に配置される枠体５とビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄとで連結されたものであり、これらは同一平面上に形成されている。これらの振動子１が、厚さ０．０５〜０．３ｍｍ程度のシリコンやニオブ酸リチウム等からなる平板にサンドブラスト法やドライエッチング法、ウェットエッチング法、レーザ法で貫通加工を施すことで一体的に形成される。アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈは幅０．０５〜０．３ｍｍ程度である。
【００２０】
振動ジャイロの検出感度は周波数に反比例するため、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈの先端には負荷質量を有する拡張部が設けられており、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈが短くても共振周波数が低くなるようにしている。この結果、本実施の形態では枠体５の外形が２〜５ｍｍ程度と小型でありながら高感度となる。ここで、ビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの一端の各々は、四角形の基部４の角に連結されると共に、他端が方形環状の枠体５の内周側の角に連結される。従って、基部４は、ビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを介して枠体５に保持されていることになる。尚、外部からの耐衝撃や製造時の貫通加工精度ばらつき、耐疲労性等を考慮し、振動子１における例えば枠体５とビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄとの接続部における鋭利な角部は角丸めやＣカットを施す方が好ましい。ここでは、基部４と枠体５が４個のビームで連結される場合を説明したが、ビームは２個以上であればよく、すなわち、少なくとも２箇所で支持固定されていればよい。
【００２１】
振動子の材料としては大きく２つの選択肢が考えられる。まず、実施の形態１では、振動体としてシリコン等を用いてそのアームの主面等に圧電体の薄膜と電極からなる圧電膜を形成した振動子を選択することができる。次に、実施の形態２では、振動体として、圧電単結晶である水晶やニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等を用いて、そのアームの主面等に電極を形成した振動子を選択することができる。
【００２２】
図５は、アームの断面図であり、図５（ａ）はアーム主面に圧電膜が２箇所に分かれて形成された場合の説明図で、図５（ｂ）はアーム主面に圧電膜が１箇所で形成された場合の説明図である。実施の形態１では、図５（ａ）と図５（ｂ）のように、圧電膜を２箇所または１箇所に成形する。アーム主面に圧電膜が形成されたアームのうち、圧電膜が１箇所成形されたアームの圧電膜に駆動信号を供給することで、その音叉に面外振動を励起させることができる。１個の音叉の振動が励起されると、振動モード等の詳細は後述するが、基部４を介して十字の反対側に位置する音叉も振動し出す。後述する検出振動からの信号を受信するには、駆動信号を供給されたアームの属する音叉と基部４を介して十字の反対側に位置する２組の音叉のうち、少なくとも１箇所のアームの主面に２箇所の圧電膜が成形されるようにすればよい。なお、残り全てのアームについては、そのアームの主面に形成される圧電膜は１箇所でもよい。
【００２３】
ここでは、振動子１のアーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄには、図５（ａ）に示すアーム１７の主面において、平行な２本の、上部電極１１ａと圧電セラミックス１２ａおよび下部電極１３ａからなる圧電膜と、上部電極１１ｂと圧電セラミックス１２ｂおよび下部電極１３ｂからなる圧電膜とが形成され、また、振動子１のアーム２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈには、図５（ｂ）に示すアーム１７の主面の全面において、上部電極１４と圧電セラミックス１５および下部電極１６からなる圧電膜が形成される例を挙げる。前述の通り、例えば、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに平行な２本の圧電膜が形成される場合とアーム２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈに全面の１本の圧電膜が形成される場合の組み合わせは、その他の例として、アーム２ａ，２ｂ，２ｇ，２ｈの場合とアーム２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの場合や、アーム２ａ，２ｅ，２ｃ，２ｇの場合とアーム２ｂ，２ｆ，２ｄ，２ｈの場合の組み合わせ、アーム２ａ，２ｃの場合とアーム２ｂ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈの場合の組み合わせ等やこれらの組み合わせが逆となる組み合わせであってもよい。分極方向については、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す通り、圧電膜の厚み方向Ｐとするとよい。
【００２４】
各圧電膜は、シリコン平板をサンドブラスト法等で貫通加工する場合、この工程の前（即ちアームとして形状加工される前）に形成するのが適当である。圧電膜は、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈの主面もしくはその裏面に、予めチタンやクロム、ニッケル等を用いた下地に白金や金、銀、銅等の下部電極１３ａ，１３ｂ，１６をスパッタにて形成した後、その上にＰＺＴ（Ｐｂ・Ｚｒ・Ｔｉ）系の圧電セラミクス１２ａ，１２ｂ，１５をスパッタにて０．１〜２μｍ程度成膜し、更に、チタンやクロム、ニッケル等を用いた下地に白金や金、銀、銅等の上部電極１１ａ，１１ｂ，１４をスパッタにて形成する。つまり、圧電膜は３層構造となっている。尚、圧電セラミクスの成膜はスパッタ以外に、ゾルゲル法、水熱合成法、エアロゾルデポジション法、印刷後の熱処理等によっても成膜可能である。圧電膜の形成は、主面もしくはその裏面のどちらに形成してもよいが、製造上は、圧電膜は同時に形成することが可能なので、アーム毎に変えないで、一方の面に形成する方が製造工程数を減らすことができる。
【００２５】
更に、圧電膜の下部電極および上部電極は、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈを経て基部４およびビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの表面を通って枠体５まで引き回される（図示せず）。枠体５には、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈから引き回された各々の電極と接続するためのパッド（図示せず）が設けられている。
【００２６】
次に、振動ジャイロとして、上述した実施の形態１の振動子１の動作を説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの回路ブロック図である。図６に示すように、前記回路は、自励発振回路と移相回路、電流検出回路、差動回路、同期検波回路、加算回路およびＬＰＦ（ローパスフィルター）回路等から構成される。また、圧電振動ジャイロの小型化を図るため、本発明の振動子１の枠体５上に引き回された各々の電極に接続されるパッドを、エポキシ系やシリコン系等の導電性接着材を用いて回路基板の各々の端子に接続されたパッドと電気的且つ機械的に直接接続し、振動子１を基板に支持固定するとよい。また、この接続方法は、接着剤による接続以外に、ハンダによる接続やワイヤボンディング等による接続でもよい。ここで、本発明の振動子１の場合は振動エネルギーを枠体５より内側に閉じ込めることができるので、枠体５まで振動エネルギーが伝わらず、減衰係数の比較的高いシリコン系の接着材を接触させても高い機械的品質係数Ｑｍ値を維持できる。
【００２７】
実施の形態１では、図５（ａ）と図５（ｂ）のように、圧電膜を２箇所または１箇所に成形する。
後述する駆動振動モードの接続として、
アーム２ｅ，２ｈの各々の上部電極１４を端子５１に接続し、
アーム２ｆ，２ｇの各々の上部電極１４を端子５２に接続する。
アーム２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈの各々の下部電極１６を基準電極とする。
【００２８】
また、後述する検出振動モードの接続として、
アーム２ｄの上部電極１１ａを端子５３に接続し、
アーム２ｄの上部電極１１ｂを端子５４に接続し、
アーム２ｃの上部電極１１ａを端子５５に接続し、
アーム２ｃの上部電極１１ｂを端子５６に接続し、
アーム２ｂの上部電極１１ａを端子５７に接続し、
アーム２ｂの上部電極１１ｂを端子５８に接続し、
アーム２ａの上部電極１１ａを端子５９に接続し、
アーム２ａの上部電極１１ｂを端子６０に接続し、
アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の下部電極１３ａおよび下部電極１３ｂを基準電極とする。
【００２９】
図２は、本発明の実施の形態に係る駆動振動モードを表す斜視図である。駆動信号の周波数は、振動子１の駆動振動モードを示す図２の動作を可能とするよう、駆動振動モードの共振周波数近傍とする。尚、図２に示されるアームの振動の大きさは、分かりやすくするため、誇張して表現している。
【００３０】
回路に電源を入れた際に生ずる信号から起こる初期の面外振動は、アーム２ｅ，２ｈの各々の上部電極１４に接続されている端子５１から信号が送られることにより、アーム２ｅ，２ｈのアームの組が面外の振動を起すことから始まる。端子５１に接続される自励発振回路からは、０．２〜３Ｖｐｐ（ボルト）程度の駆動信号が供給されるように回路を構成する。さらに、上記端子５１に供給される信号とは１８０°位相が異なる反転信号を自励発振回路から移相回路を経て端子５２に供給され、端子５２に接続されているアーム２ｆ，２ｇの振動が起こる。
【００３１】
音叉内のアーム２ｅ，２ｆは、形成した圧電膜の伸びと縮みの位相関係に１８０°のずれが生じるので、図２のように、振動子１の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。同様に、音叉内のアーム２ｇ，２ｈも振動子１の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。アーム２ｅ，２ｆは、連結部６で連結されているので、この結果、音叉（アーム２ｅ，２ｆ）が振動子１の主面に対してねじれるように振動する。これは、他の音叉（アーム２ｇ，２ｈ）、他の音叉（アーム２ａ，２ｂ）、他の音叉（アーム２ｃ，２ｄ）においても同様である。図２に示すような駆動振動モードの共振周波数の信号を供給すれば、音叉（アーム２ｅ，２ｆ）、音叉（アーム２ｇ，２ｈ）の振動が、基部４を介して十字の反対側に位置する音叉（アーム２ａ，２ｂ）、音叉（アーム２ｃ，２ｄ）に伝わるので、基部４に連結された音叉（アーム２ａ，２ｂ）と音叉（アーム２ｅ，２ｆ）の全体および基部４に連結された音叉（アーム２ｃ，２ｄ）と音叉（アーム２ｇ，２ｈ）の全体がねじられる構造となっている。
【００３２】
更に、励振された音叉（アーム２ａ，２ｂ）の振動も、基部４を介して十字の反対側に位置する音叉（アーム２ｅ，２ｆ）に再度伝わるので、基部４に連結された音叉（アーム２ａ，２ｂ）と音叉（アーム２ｅ，２ｆ）の全体および基部４に連結された音叉（アーム２ｃ，２ｄ）と音叉（アーム２ｇ，２ｈ）の全体が、更にねじられる構造となり、結果的に、図２に示すような駆動振動モードの振動を大きく励振させることが可能となる。その際、端子５９に接続されたアーム２ａの上部電極１１ａと、端子６０に接続されたアーム２ａの上部電極１１ｂからは、この面外振動による同位相同振幅の共振周波数の電流信号が得られる。尚、後述するが、面内振動が生じた際には、各々逆位相同振幅の電流信号が得られる。これらの信号は各々図６の端子５９と端子６０に伝達され、電流検出回路を経由し電圧に変換された後、加算回路により面内振動成分を除去し、面外振動成分のみを出力し、自励発振回路に接続されると同時に移相回路を経て同期検波の参照信号として使用される。この結果、安定な自励発振を実現される。
【００３３】
図３は、本発明の実施の形態に係る検出振動モード１を表す斜視図である。また、図４は、本発明の実施の形態に係る検出振動モード２を表す斜視図である。図３と図４は、図２と同様に、アームの振動の大きさは、分かりやすくするため、誇張して表現している。
【００３４】
振動子１の駆動振動が励起された状態、つまり４組の音叉が面外振動している状態で、アーム２ｃ，２ｄ，２ｇ，２ｈと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、つまり振動子１が前記中心軸を中心に回転した場合、図３の振動モード（以下、検出振動モード１と称する）が新たに励起され、アーム２ａ，２ｂ，２ｅ，２ｆと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、図４の振動モード（以下、検出振動モード２と称する）が新たに励起される。検出振動モード１および検出振動モード２はいずれも振動子１の主面面内の面内振動で、音叉のアームが音叉に対してＶ字型に開いたり、逆Ｖ字型に縮んだりする振動である。検出振動モード１および検出振動モード２とも実際には駆動振動モードの振動と混じり合って起きるため、角速度の大きさを知るには、各々の信号の分離が必要となる。検出振動モードが生じた際、例えばアーム２ａ，２ｂおよびアーム２ｃ，２ｄの各々の上部電極１１ａ，１１ｂでは、一方が伸び、他方が縮む関係となる。従って、２本の上部電極１１ａ，１１ｂからは逆位相同振幅の電流信号が得られる。尚、駆動振動に対しては上部電極１１ａ，１１ｂから同位相同振幅の電流信号が得られるため、上部電極１１ａ，１１ｂからの信号の差をとれば、同位相の駆動振動成分は除去でき、検出振動モード１あるいは検出振動モード２のみを抽出することが可能となる。
【００３５】
端子５９に接続されたアーム２ａの上部電極１１ａと端子５８に接続されたアーム２ｂの上部電極１１ｂから生じた電流と、端子６０に接続されたアーム２ａの上部電極１１ｂと端子５７に接続されたアーム２ｂの上部電極１１ａから生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、ＬＰＦ回路を通して整流される。この結果、アーム２ａ，２ｂ，２ｅ，２ｆと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Ｂが得られる。この出力Ｂは、アーム２ａ，２ｂ，２ｅ，２ｆがと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する。
【００３６】
同様に、
端子５５に接続されたアーム２ｃの上部電極１１ａと端子５４に接続されたアーム２ｄの上部電極１１ｂから生じた電流と、端子５６に接続されたアーム２ｃの上部電極１１ｂと端子５３に接続されたアーム２ｄの上部電極１１ａから生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、ＬＰＦ回路を通して整流される。この結果、アーム２ｃ，２ｄ，２ｇ，２ｈと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Ａが得られる。この出力Ａは、アーム２ｃ，２ｄ，２ｇ，２ｈと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する。以上の構成で、振動子１の主面と平行な２つ軸の角速度は、出力Ａおよび出力Ｂとして検出することができる。
【００３７】
なお、ここまで振動子の材料として、実施の形態１について説明したが、次に、実施の形態２について、アームの材料の代表例としてニオブ酸リチウムを用いてそのアームの主面に電極を形成した振動子について、特に異なる点について説明する。
【００３８】
図５はアームの断面図であり、図５（ｃ）はアーム主面に電極が３箇所に分かれて形成された場合の説明図で、図５（ｄ）はアーム主面に電極が２箇所に分かれて形成された場合の説明図である。実施の形態２では、アーム主面に電極が形成されたアームのうち、電極が２箇所成形されたアームの電極に駆動信号を供給することで、その音叉に面外振動を励起させることができる。１個の音叉の振動が励起されると、基部４を介して十字の反対側に位置する音叉も振動し出す。検出振動からの信号を受信するには、駆動信号を供給されたアームの属する音叉と基部４を介して十字の反対側に位置する２組の音叉のうち、少なくとも１箇所のアームの主面に３箇所の電極が成形されるようにすればよい。なお、残り全てのアームについては、そのアームの主面に形成される電極は２箇所でもよい。
【００３９】
ここでは、振動子１のアーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄには、図５（ｃ）に示すアーム２３の主面において、平行な３本の電極１８，１９，２０が形成され、また、振動子１のアーム２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈには、図５（ｄ）に示すアーム２３の主面において、平行な２本の電極２１，２２が形成される例を挙げる。また、分極の方向は、結晶のカット角のとり方や、温度と電圧を加える等の分極反転技術を用いることで、多様な構成が考えられるが、電極２１から電極２２の方向に、また電極１８，２０から電極１９の方向に分極した例で述べる。
【００４０】
ニオブ酸リチウム平板をサンドブラスト法で貫通加工する場合、この貫通加工の前に、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈの主面に、図５（ｃ）、図５（ｄ）のように予めチタンやクロム、ニッケル等を用いた下地に白金や金、銀、銅等の電極１８，１９，２０を、スパッタ等にて厚み０．１〜２μｍ程度の状態で形成する。
【００４１】
ニオブ酸リチウムの結晶方位は、Ｘ軸１３５°回転Ｙの方向のものを用いて、図５（ｃ）の厚み方向と、アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの長手方向の双方と垂直となるようにするとよい。この結果、アーム２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈに関しては、Ｘ軸４５°回転Ｙの方向が、厚み方向およびアーム２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈの長手方向と垂直の関係となる。因みに、Ｘ軸１３５°回転Ｙの方向の結合係数ｋ’23は０．５であり、極めて効率が良いが、それと垂直であるＸ軸４５°回転Ｙの方向の結合係数ｋ’23も０．３あり、角速度を検出するのに必要な効率を十分有する。尚、他の圧電単結晶を使用する場合も同様に、印加電界と垂直方向の変位に関する電気機械結合係数が比較的大きくとれる結晶方位を用いるのが好ましい。
【００４２】
なお、特に図示しないが、電極１８，１９，２０，２１，２２は、基部４およびビーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの表面を通って枠体５まで引き回されており、枠体５に設けられるパッドに接続されている。回路基板への接続等は実施の形態１と同じである。
【００４３】
次に、振動ジャイロとして、上述した実施の形態２の振動子１の動作を説明する。回路構成は図６に示す通りである。
【００４４】
実施の形態２では、図５（ｃ）と図５（ｄ）のように、電極を３箇所または２箇所に成形する。
駆動振動モードの接続として、
アーム２ｅの電極２１を端子５１に接続し、
アーム２ｆの電極２１を端子５２に接続し、
アーム２ｇの電極２１を端子５２に接続し、
アーム２ｈの電極２１を端子５１に接続し、
アーム２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈの各々の電極２２を基準電極とする。
【００４５】
また、検出振動モードの接続として、
アーム２ｄの電極１８は端子５３に接続し、
アーム２ｄの電極２０は端子５４に接続し、
アーム２ｃの電極１８は端子５５に接続し、
アーム２ｃの電極２０は端子５６に接続し、
アーム２ｂの電極１８は端子５７に接続し、
アーム２ｂの電極２０は端子５８に接続し、
アーム２ａの電極１８は端子５９に接続し、
アーム２ａの電極２０は端子６０に接続する。
アーム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの各々の電極１９を基準電極とする。
【００４６】
回路に電源を入れた際に生ずる信号から起こる初期の面外振動は、アーム２ｅの電極２１とアーム２ｈの電極２１に接続されている端子５１から信号が送られることにより、アーム２ｅ，２ｈのアームの組が面外の振動を起すことから始まる。端子５１に接続される自励発振回路からは、０．２〜３Ｖｐｐ（ボルト）程度の駆動信号が供給されるように回路を構成する。さらに、上記端子５１に供給される信号とは１８０°位相が異なる反転信号を自励発振回路から移相回路を経て端子５２に供給され、端子５２に接続されているアーム２ｆ，２ｇの振動が起こる。
【００４７】
音叉内のアーム２ｅ，２ｆは、電極間の結晶の伸びと縮みの位相関係に１８０°ずれが生じるので、図２のように、振動子１の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。同様に、音叉内のアーム２ｇ，２ｈも振動子１の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。アーム２ｅ，２ｆは、連結部６で連結されているので、この結果、音叉（アーム２ｅ，２ｆ）が振動子１の主面に対してねじれるように振動する。これは、他の音叉（アーム２ｇ，２ｈ）、他の音叉（アーム２ａ，２ｂ）、他の音叉（アーム２ｃ，２ｄ）においても同様である。図２に示すような駆動振動モードの共振周波数の信号を供給すれば、音叉（アーム２ｅ，２ｆ）、音叉（アーム２ｇ，２ｈ）の振動が、基部４を介して十字の反対側に位置する音叉（アーム２ａ，２ｂ）、音叉（アーム２ｃ，２ｄ）に伝わるので、基部４に連結された音叉（アーム２ａ，２ｂ）と音叉（アーム２ｅ，２ｆ）の全体および基部４に連結された音叉（アーム２ｃ，２ｄ）と音叉（アーム２ｇ，２ｈ）の全体がねじられる構造となっている。
【００４８】
更に、励振された音叉（アーム２ａ，２ｂ）の振動も、基部４を介して十字の反対側に位置する音叉（アーム２ｅ，２ｆ）に再度伝わるので、基部４に連結された音叉（アーム２ａ，２ｂ）と音叉（アーム２ｅ，２ｆ）の全体および基部４に連結された音叉（アーム２ｃ，２ｄ）と音叉（アーム２ｇ，２ｈ）の全体が、更にねじられる構造となり、結果的に、図２に示すような駆動振動モードの振動を大きく励振させることが可能となる。その際、端子５９に接続されたアーム２ａの電極１８と、端子６０に接続されたアーム２ａの電極２０からは、この面外振動による同位相同振幅の共振周波数の電流信号が得られる。尚、面内振動が生じた際には、各々逆位相同振幅の電流信号が得られる。これらの信号は各々図６の端子５９と端子６０に伝達され、電流検出回路を経由し電圧に変換された後、加算回路により面内振動成分を除去し、面外振動成分のみを出力し、自励発振回路に接続されると同時に移相回路を経て同期検波の参照信号として使用される。この結果、安定な自励発振を実現される。
【００４９】
振動子１の駆動振動が励起された状態、つまり４組の音叉が面外振動している状態で、アーム２ｃ，２ｄ，２ｇ，２ｈと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、つまり振動子１が前記中心軸を中心に回転した場合、図３の検出振動モード１が新たに励起され、アーム２ａ，２ｂ，２ｅ，２ｆと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、図４の検出振動モード２が新たに励起される。検出振動モード１および検出振動モード２はいずれも振動子１の主面面内の面内振動で、音叉のアームが音叉に対してＶ字型に開いたり、逆Ｖ字型に縮んだりする振動である。検出振動モード１および検出振動モード２とも実際には駆動振動モードの振動と混じり合って起きるため、角速度の大きさを知るには、各々の信号の分離が必要となる。検出振動モードが生じた際、例えばアーム２ａ，２ｂおよびアーム２ｃ，２ｄの各々の電極１８，１９と電極１９，２０との電極間の結晶では、一方が伸び、他方が縮む関係となる。従って、電極１８と電極２０からは逆位相同振幅の電流信号が得られる。尚、駆動振動に対しては電極１８と電極２０から同位相同振幅の電流信号が得られるため、電極１８と電極２０の信号の差をとれば、駆動振動成分は除去でき、検出振動モード１あるいは検出振動モード２のみを抽出することが可能となる。
【００５０】
端子５９に接続されたアーム２ａの電極１８と端子５８に接続されたアーム２ｂの電極２０から生じた電流と、端子６０に接続されたアーム２ａの電極２０と端子５７に接続されたアーム２ｂの電極１８から生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、ＬＰＦ回路を通して電子信号の出力が得られる。この結果、アーム２ａ，２ｂ，２ｅ，２ｆと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Ｂが得られる。
【００５１】
同様に、
端子５５に接続されたアーム２ｃの電極１８と端子５４に接続されたアーム２ｄの電極２０から生じた電流と、端子５６に接続されたアーム２ｃの電極２０と端子５３に接続されたアーム２ｄの電極１８から生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、ＬＰＦ回路を通して電子信号の出力が得られる。この結果、アーム２ｃ，２ｄ，２ｇ，２ｈと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Ａが得られる。
【実施例】
【００５２】
振動子を、厚さ０．２ｍｍのニオブ酸リチウムからなる平板を用いて、幅０．２ｍｍのアームと、中央に位置する基部と、アームと基部を連結する連結部と、この基部の周囲に配置される枠体と、基部と枠体を連結するビームを、サンドブラスト法で貫通加工を施すことで一体的に形成した。枠体の縦横長さは３ｍｍとし、アームの主面に、予めクロムを下地とした金の電極をスパッタにて形成した後、フォトリン技術を用いて所望の電極パターンを成形した。
【００５３】
作製した振動子の共振時のインピーダンス特性を測定し、下記の計算式に基づいて機械的品質係数のＱｍを式（１）に求めた。
【００５４】
Ｑｍ＝２π×Ｌ×ｆｒ／Ｒ・・・・・・（１）
【００５５】
測定結果を下記の表１に示す。
【００５６】
【表１】
2009074996.tif 000003
【００５７】
駆動振動モード、検出振動モード１、検出振動モード２のいずれにおいても、そのＱｍが、空気中において１０，０００を越えることになり、高い値が測定される結果となった。これは複数のアームの振動が互いのモーメント力をキャンセルし、振動エネルギーを枠体５より内側に閉じ込めることで、枠体５まで伝えていないため、減衰係数の比較的高いシリコン系の接着材の接触にも係わらず高いＱｍ値を維持できている証拠である。
【００５８】
以上により、振動ジャイロとして３〜４ｍｍ角の振動子をパッケージに収納し、４〜５ｍｍ角の製品サイズといった小型化が実現でき、同時に従来の１軸検出型振動ジャイロの音片式や音叉式と比較して、遜色ない高い感度の圧電振動ジャイロが得られた。
【００５９】
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る圧電振動ジャイロの好適な実施形態について説明したが、本発明は、係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る振動子構造を表す上面図。
【図２】本発明の実施の形態に係る駆動振動モードを表す斜視図。
【図３】本発明の実施の形態に係る検出振動モード１を表す斜視図。
【図４】本発明の実施の形態に係る検出振動モード２を表す斜視図。
【図５】アームの断面図。図５（ａ）はアーム主面に圧電膜が２箇所に分かれて形成された場合の説明図。図５（ｂ）はアーム主面に圧電膜が１箇所で形成された場合の説明図。図５（ｃ）はアーム主面に電極が３箇所に分かれて形成された場合の説明図。図５（ｄ）はアーム主面に電極が２箇所に分かれて形成された場合の説明図。
【図６】本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの回路ブロック図。
【図７】従来の振動子の構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００６１】
１    振動子
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ，１７，２３    アーム
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ    ビーム
４，６３    基部
５    枠体
６    連結部
１１ａ，１１ｂ，１４    上部電極
１２ａ，１２ｂ，１５    圧電セラミックス
１３ａ，１３ｂ，１６    下部電極
１８，１９，２０，２１，２２    電極
５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０    端子
６１，６２    音叉
６７    設置電極
【図１】
2009074996.tif 000004
【図２】
2009074996.tif 000005
【図３】
2009074996.tif 000006
【図４】
2009074996.tif 000007
【図５】
2009074996.tif 000008
【図６】
2009074996.tif 000009
【図７】
2009074996.tif 000010