(57)【要約】【課題】振動ジャイロは、今後の小型化により低下するであろうＳ／Ｎの更なる向上が望まれている。検出専用の振動脚を持ち、検出脚３を静止させることによりＳ／Ｎを向上できるＨ型また３脚型等、多足型縦型振動ジャイロはその用途を拡大しつつあるが、検出脚３からのノイズを完全に消し去ることができれば更なるＳ／Ｎの向上が期待できる。【解決手段】検出専用の振動脚を持つ縦型振動ジャイロにおいて、検出脚３のみに検出脚３の厚さ方向に貫通する貫通孔３ａを形成することにより、駆動中の検出脚の振動を小さく抑え、またこの動作を平衡板バネの屈曲とすることにより形成した検出電極に生じる駆動中の出力を相殺して完全に削除し、駆動のノイズを消滅させる。また貫通孔３ａを形成することで検出面積を拡大でき、その結果電流出力を増大し、全体として振動ジャイロのＳ／Ｎを増大した振動ジャイロを構成することができる。【選択図】図１
2009063299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部から互いに所定の間隔を保って平行に複数の振動脚を配設した振動子と、この複数の振動脚のうち少なくとも１本を駆動脚として所定の駆動周波数で駆動する発振手段と、前記複数の振動脚のいずれかを検出脚としてコリオリ力を検出する検出手段とを有する振動ジャイロにおいて、
前記複数の振動脚のうち前記検出脚のみに、前記検出脚の厚さ方向に貫通する貫通孔を形成することを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
前記貫通孔は、前記検出脚の幅方向に複数個形成され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】
前記駆動脚は、前記複数の振動脚のうちの２本であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記検出脚は、前記複数の振動脚のうちの１本または２本であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
【請求項５】
前記振動子は水晶で構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ジャイロスコープも小型化の研究が進み、圧電素子で振動体を励振して、回転により受けるコリオリ力で起きる振動により振動体に発生する電圧を、振動体に設けた別の圧電素子で検出する振動ジャイロの実用化が進み、ビデオカメラの手振れ検出装置等に使われているが、カメラの小型化を制限しないように、更なる小型化が要求されている。
【０００３】
この中で、圧電単結晶を用いたものは構造が簡単な上に温度特性が良く注目されているが、その中でも特に水晶を用いた振動ジャイロは、異方性ウエットエッチング加工技術が使えるため量産性が良く有望視されている。
【０００４】
しかしながら、従来の水晶を用いた音叉型の振動ジャイロには以下のような問題がある。水晶は電気機械結合係数が小さいためクリスタルインピーダンス値が大きく、検出振動により生じる小さな振幅では電極に充分な電荷が誘起されず、従って充分な出力電流が得られないため高出力が得られない。
【０００５】
特許文献１には、水晶脚内部に穴を開けて内部に電極を形成することで、電気機械結合係数を向上し、水晶振動子の駆動性能を向上できることが示されている。
【０００６】
特許文献２には、水晶脚内部に穴を開けてしまうと内部に電極を形成しても水晶振動子をうまく駆動することができないため、更に穴部にサイドバーを形成することで、水晶振動子の駆動性能を向上できることが示されている。
【０００７】
また、特許文献３には、水晶脚内部に穴を開けてしまうと内部に電極を形成しても水晶振動子をうまく駆動することができないため、電極形成後内部の穴を再度埋め戻すことで、水晶振動子の駆動性能を向上できることが示されている。
【０００８】
また、特許文献４には、水晶脚内部に穴を開けてしまうと内部に電極を形成しても水晶振動子をうまく駆動することができないため、穴が開く寸前の状態で電極形成を行うことにより、水晶ジャイロの駆動性能を向上できることが示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５３−９３７９２号公報（図５、第４頁）
【特許文献２】特許第３９００５１３号（図１、第１４頁）
【特許文献３】特開２００７−６３７５号公報（図１、第１４頁）
【特許文献４】特開２００１−２２１６３８号公報（図３、第７頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１では、駆動脚に穴部を形成することで、電気機械結合係数を向上させることはできるが、駆動脚に穴部を形成すると現実的には駆動振動ができなくなる。この問題を解決したのが、特許文献２、３及び４である。これらの発明では、駆動脚に形成した穴部に埋め込み部材を埋め込んだり、穴部にサイドバーを形成したりして駆動振動の性能を向上するようにしている。
【００１１】
このように、特許文献1に示した従来技術では駆動脚に穴部を形成する構成のため、穴部を形成しない場合に比べて駆動振動は全く得られず、振動ジャイロを構成することがで
きない。また、特許文献２、３、４の構成であれば振動ジャイロへの利用は可能であるが、駆動振動時に検出脚の駆動方向への屈曲振動を防止できないという問題が生じてしまう。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決しようとするもので、ノイズの原因となる電流出力を伴う検出脚の駆動方向への屈曲振動をほぼ消滅させ、高いＳ／Ｎを可能とする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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の振動ジャイロは下記の構成を採用する。
基部から互いに所定の間隔を保って平行に複数の振動脚を配設した振動子と、この複数の振動脚のうち少なくとも１本を駆動脚として所定の駆動周波数で駆動する発振手段と、複数の振動脚のいずれかを検出脚としてコリオリ力を検出する検出手段とを有する振動ジャイロにおいて、複数の振動脚のうち検出脚のみに、検出脚の厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する。
【００１４】
この構成により、ノイズの原因となる電流出力を伴う検出足の駆動方向への屈曲振動をほぼ消滅でき、優れたＳ／Ｎ特性を実現することができる。
【００１５】
検出脚のみに検出脚の厚さ方向に貫通する貫通孔を形成すると、駆動方向への漏れ振動が単純な屈曲振動ではなく、所謂平行板バネの屈曲振動となる。この屈曲振動での振動脚の変形は上下で反対称なＳ字型の弧を描き、形成された電極に発生する電荷は上下部で互いに打ち消しあって検出されることがない性質を持つ。このため駆動用としては利用できないが、これと直行する振動ジャイロの検出方向へは通常の１次屈曲振動を行う為に充分な検出信号が得られる。
【００１６】
また、貫通孔は、前記検出脚の幅方向に複数個形成されることが好ましい。また、駆動脚は、複数の振動脚のうちの２本であることが好ましい。また、検出脚は、複数の振動脚のうちの１本または２本であることが好ましい。また、振動子は水晶で構成されることが好ましい。
【００１７】
この構成により、幅方向には、複数個の孔が形成されたとしても、脚の屈曲動作は孔が一つの場合とほぼ変わりのない動作となるので、その動作の特徴は同じであるが、電極面積は孔の数が増えると増加する。したがって、電極面積の増加は得られる電流量の増加を意味し、電気的なＳ／Ｎが更に向上する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、検出脚のみに検出脚の厚さ方向に貫通する貫通孔を設けることで、ノイズの原因となる電流出力を伴う検出脚の駆動方向への屈曲振動をほぼ消滅でき、優れたＳ／Ｎ特性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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〜図４，図５〜図６は本発明の実施の形態である振動ジャイロである。図１は３脚音叉型の振動ジャイロ（以降、３脚音叉１０と呼ぶ。）の外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図である。図２は３脚音叉１０の断面，回路ブロック及び配線模式図であり、図３は片持ち梁の屈曲の様子を示す動作説明図である。図４は平行板バネの屈曲の様子を示す動作説明図であり、図５及び図６は３脚音叉型振動体の振動モードを示す脚の断面の動作説明図である。
【００２０】
［振動ジャイロの構造説明：図１及び図２］
本実施の形態においては、圧電性単結晶の中で、特に温度特性に優れた水晶を使用する。水晶は、Ｓｉ０２の単結晶で、常温では４つの結晶軸を持つ三方晶系に属する。結晶軸の１つはｃ軸と呼ばれ、結晶の頂点を通る結晶軸であり、残りの３つはａ軸と呼ばれ、ｃ軸に垂直な面内に互いに１２０度の角度を成す結晶軸である。ここでは、３つのａ軸のいずれかをＸ軸とし、ｃ軸をＺ軸とし、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向にＹ軸をとる。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態で使用する座標系は、上記Ｘ，Ｙ，Ｚ軸から、Ｘ軸の回りに、Ｚ軸からＹ軸の方向にθ度回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’軸及びＸ軸を用いる。このとき回転角θは０〜１０度とする。ここに示した回転角は、温度特性及び振動の安定度を指標に最適なものが選択される。３脚音叉１０は、一定の厚みを持つ２次元形状であるが、この厚み方向をＺ’軸方向にして切り出す。こうして切り出された３脚音叉１０の３脚音叉形状は、Ｘ−Ｙ’面内に２次元形状で表現される。
【００２２】
ここで以下の説明において、Ｚ’軸方向を表裏方向とし、Ｚ’方向から見たＺ’軸に直交する面を表面、−Ｚ’方向から見たＺ’軸に直交する面を裏面と呼び、Ｘ軸方向を左右方向とし、Ｘ方向から見たＸ軸に直交する面を左側面、−Ｘ方向から見たＸ軸に直交する面を右側面と呼ぶ事とする。
【００２３】
図１は、３脚音叉１０を斜めから見た図であるが、電極は省略してある。図１に示すように、３脚音叉１０は駆動脚１、２及び検出脚３，基部９及び支持部１１から構成される。脚１は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ１，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱であり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。駆動脚２は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ２，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱であり、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。
【００２４】
検出脚３は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＬ，Ｘ方向の幅Ｗ３，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱であり、上下面には矩形の貫通孔３ａが形成されており、側面に施された金属蒸着膜からなる電極を有している。基部９は弾性を持つ水晶からなり、形状は、Ｙ’方向の長さＤ，Ｘ方向の幅Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋２×Ｕ＋Ｋ，Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱である。
【００２５】
支持部１１は、弾性を持つ水晶からなり、形状は、Ｚ’方向の厚さがｔの四角柱である。駆動脚１、２及び検出脚３は、Ｘ方向に駆動脚１，駆動脚２，検出脚３の順に平行に、隙間Ｕを開けて配置され、各々の脚は、基部９のＹ’方向に垂直な１つの面に接合している。このとき、基部９の左側面と駆動脚１の左側面は単一平面とならず、駆動脚１は、基部９の側面からＸ方向にＫだけ内側に配置され、左肩部が形成される。
【００２６】
また、基部９の右側面と検出脚３の右側面は単一平面となるように配置され、右肩部は形成されない。支持部１１は、基部９の駆動脚１、２及び検出脚３の接合した面と平行な、底面と呼ぶもう１つの面の中央に接合している。上記すべての部分は同じ厚さで、同一平面内にあり、一体構造である。
【００２７】
図２には、駆動脚１、２及び検出脚３、及び電極１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ，２Ｒ，２Ｕ，２Ｄ，３ＬＵ１，３ＬＤ１，３ＲＵ１，３ＲＤ１，３ＬＵ２，３ＬＤ２，３ＲＵ２及び３ＲＤ２のＹ’軸方向に垂直な断面を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示す。駆動回路は、検出電極１Ｌ，１Ｒ，２Ｕ及び２Ｄからの信号をアンプＧ及び移相回路Ｐを用いて駆動電極１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ及び２Ｒに返す自励発振回路で構成される。
【００２８】
検出回路は、検出電極３ＬＵ１，３ＲＤ１，３ＬＵ２及び３ＲＤ２と３ＲＵ１，３ＬＤ１，３ＲＵ２及び３ＬＤ２からの信号を検出する差動バッファＤ、アンプＧの出力の位相を変化させる移相回路Ｐ２、位相検出回路の信号を２値化するコンパレータＣ、差動バッファＤの出力を移相回路Ｐ２の出力と乗算する乗算回路Ｍ、及び乗算結果を積分して直流化する積分回路Ｓで構成される。
【００２９】
［振動ジャイロの動作・作用説明：図２〜図４，図５〜図６］
以下、図５を用いて３脚音叉型振動体の検出振動を説明し、図６においては３脚音叉型振動体の駆動振動を説明し、最後に図３及び図４を用いて、検出脚３の動作の特徴を説明する。
【００３０】
最初に、本実施の形態において使用する３脚音叉１０を切り出す座標系が、水晶の結晶軸から傾いている事について説明する。本実施の形態において使用する水晶は異方性単結晶であり、方向により弾性率の温度依存性が異なる。
【００３１】
厚み方向をＺ軸方向とせず、Ｘ軸の回りに、Ｚ軸からＹ軸の方向にθ度回転させた座標軸Ｙ’軸，Ｚ’軸及びＸ軸を用い、厚み方向をＺ’軸方向としたのは、回転角θにより駆動検出振動の共振周波数の温度特性が変化するので、回転角θを温度特性を勘案して決定する為である。この回転角θは、振動ジャイロを使用する温度条件を勘案し、０〜１０度から選択する。
【００３２】
振動ジャイロにおいては、駆動振動が発生している間に、検出部がコリオリ力に無関係な出力を発生しないことが、高いＳ／Ｎと厄介な無回転時の出力のドリフトを抑える点で有効である。無回転時に出力が無ければ、ドリフトは存在しないからである。コリオリ力に無関係な出力は、駆動と検出振動の直交性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動振動が検出振動を機械的に発生させる。電極の対称性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動出力が検出出力を電気的に発生させる。
【００３３】
したがって、有限な加工精度で製作された振動体としては、回転のない時は、駆動振動発生時に、駆動振動と無関係に検出部が静止しており、回転による検出振動の発生時は、検出部が検出振動の振動体の一部として大きく振動するような構造が望ましい。
【００３４】
本実施の形態で使用する３脚音叉型振動体は、複数の固有振動モードを持つ。これらの中で３脚音叉形状の、厚み方向に直交する平面内、即ちＸ−Ｙ’平面内で完結する、３本の脚のＸ方向への１次屈曲振動を、３脚音叉１０の面内振動と呼ぶこととする。また、３脚音叉形状の、厚み方向、即ち３本の脚のＺ’方向への１次屈曲振動を、３脚音叉１０の面外振動と呼ぶこととする。
【００３５】
図５を用いて、３脚音叉１０の第１の検出振動を説明する。図５はＹ’方向から見た脚の断面図であるが、３脚音叉１０の面外振動の中で、駆動脚１及び検出脚３の組と駆動脚２が、互いに相対する方向へ屈曲する面外振動を行う振動モードである。図５は、ある瞬間の各々の振動脚の変位方向を矢印で示している。この振動モードを検出振動と呼ぶ事とする。
【００３６】
次に、図６を用いて、３脚音叉１０の駆動振動を説明する。３脚音叉１０の面内振動の中で、駆動脚１及び２が、互いに相対する方向へ屈曲する面内振動を行い、この間、検出脚３が静止している振動モードがある。図６は、Ｙ’方向から見た脚の断面図であるが、ある瞬間の各々の脚の変位方向を矢印で示している。この振動モードを駆動振動と呼ぶ事とする。
【００３７】
３脚音叉１０の各々の脚の配置において、駆動脚１及び２の配置に着目すると、駆動脚１及び２は２脚音叉に似た配置を形成しており、駆動振動は脚１及び２で構成される２脚音叉と類似の面内振動と見る事が出来る。２脚音叉の面内振動は、基部の下部を支持部とした自己完結的な振動体であるが、これに類似の３脚音叉１０の駆動振動は、支持部への振動の漏れが小さいことが確認されている。
【００３８】
駆動振動において、検出脚３の振動が小さい理由は、駆動脚１，２の組が自己完結的な振動を実現できるからであるが、更に検出脚３には貫通孔３ａが施されており、他の脚の屈曲振動に対して検出脚３の動作は平行板バネ動作になっており、検出脚３のＸ方向の共振周波数が他脚の面内振動の共振周波数とかけ離れていて、駆動脚１及び２の振動に結合しにくいことが挙げられる。
【００３９】
各々の面外振動においては、脚固有の共振周波数は脚の幅に影響されず厚さｔで決定される為、検出脚３の幅を大きく変化させても３本の脚は全て振動する検出振動が実現したのに対し、面内振動においては検出脚３の幅を大きく変化させる事により、検出脚３だけが静止する駆動振動を実現した。これが３脚音叉１０の大きな特徴である。
【００４０】
検出脚３への振動漏れを防ぐために共振周波数を変えることは、ある程度の効果をもたらすが、これだけでは漏れ出力を完全に消滅させることはできない。しかし本実施の形態においては平行板バネ動作を行う貫通孔３ａを施した検出脚３を用いているため、漏れ出力を完全に消滅させることができる。この事情を図３と図４を用いて説明する。
【００４１】
図３には矩形もしくはＨ型断面を持ち、下部を固定部Ｂに固定した水晶の片持ち梁４が、点線で示した屈曲前の梁４’位置から、紙面左右に屈曲する様子を実線で示してある。ここで、水晶の梁４の伸びた方向を水晶の機械軸，紙面左右方向を電気軸方向とする。梁４には左右の側面に電極４Ｌ及び電極４Ｒを設けてあるので、左右方向への屈曲により電極４Ｌ及び電極４Ｒには機械軸方向への伸び縮みに応じて互いに符合の異なる電荷が発生する。
【００４２】
一方、図４には矩形断面に図１における検出脚３の貫通孔３ａに相当する孔５Ｈを紙面上下方向に開け、下部を固定部Ｂに固定した水晶の片持ち梁５が、点線で示した屈曲前の梁５’位置から、紙面左右に屈曲する様子を実線で示してある。ここで、水晶の梁５の伸びた方向を水晶の機械軸，紙面左右方向を電気軸方向とする。梁５には左右の側面に電極５Ｌ及び電極５Ｒを設けてある。しかし、この場合は左右方向への屈曲により電極５Ｌ及び電極５Ｒには機械軸方向への伸び縮みに応じて互いに符合の異なる電荷が発生することはない。
【００４３】
何故ならば、孔５Ｈを設けた梁５の屈曲動作は、平行板バネの屈曲動作となり、屈曲形状がＳの字型となり、電極５Ｌ及び電極５Ｒの各々の電極を施した側面は孔５Ｈの上部と下部で伸縮方向が反対となるので、上下の互いの伸縮動作により発生した電荷は互いに相殺されてしまう。従って電極５Ｌ及び電極５Ｒのどちらにも電荷は発生しない。
【００４４】
孔５Ｈを持ち、平行板バネ動作を行う梁５では、孔５Ｈに垂直な方向の屈曲により電極に電荷が発生しないことを述べたが、３脚音叉１０の検出脚３の施された検出電極も同様な理由により、後述する、駆動振動の方向への屈曲においては検出電極に電荷が発生することが無い。これが貫通孔３ａを施した検出脚３を用いた場合、駆動振動時に検出出力に駆動振動からの漏れが重畳しない理由である。
【００４５】
図７には検出脚３の幅方向に２つの貫通孔３ｂ、３ｃを平行に並べた様子を示す。この場合にも、全ての貫通孔の側面は平行板バネとなり、Ｓ字型の動作を行うことは明白であ
る。従ってその動作の特徴は貫通孔が1つの場合と同じであるが、側面に施された電極面積は貫通孔の数が増えると側面も増加するので増加し、電極面積の増加は得られる電流量の増加を意味し、電気的なＳ／Ｎが更に向上する。
【００４６】
次に、駆動振動及び各々の検出振動と、コリオリ力の関係について説明する。駆動振動を行う３脚音叉１０において、この時３脚音叉１０をＹ’の周りに角速度Ωで回転すると、速度ＶＸで運動する駆動脚１には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力ＦＣが働き、速度−ＶＸで運動する駆動脚２には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力−ＦＣが働く。
【００４７】
即ち、図５に示す様に、コリオリ力ＦＣ及び−ＦＣは、面外振動方向に、駆動振動の周波数で３脚音叉１０の駆動脚１及び２に働く。従って駆動振動が発生している３脚音叉１０をＹ’軸周りに角速度Ωで回転すると、コリオリ力により駆動脚１及び２の運動を媒介として検出振動が励振されることが分かる。ただし、駆動脚１及び２がコリオリ力を媒介として引き起こす検出振動で動作する脚３の運動方向は、図５に示したように、駆動脚２の運動方向に対して反対方向である。
【００４８】
振動ジャイロの出力は、検出振動系に対して、高速で移動する駆動振動部に、速度に比例するコリオリ力ＦＣ＝２・Ｍ・Ω・ＶＸが働いた結果、これに直交する検出振動方向に発生する振動力による強制振動と見ることができる。
【００４９】
固有振動数ω０で振動する駆動振動が、コリオリ力ＦＣを介して検出振動を励振する場合は、駆動振動の変位を振幅Ｄの正弦波Ｄ・ｓｉｎω０・ｔとすると、コリオリ力の記述式ＦＣ＝２・Ｍ・Ω・ＶＸから、検出方向に発生するコリオリ力は
２Ｍ・Ω・Ｄ・ω０・ｃｏｓω０・ｔなので、固有振動数ωと先鋭度Ｑを持つ３脚音叉１０の検出振動系の振動部の変位を時間の関数としてＺ（ｔ）と表現し、微分方程式をたてると次の（式１）のようになる。
【００５０】
Ｍ・ｄ２・Ｚ（ｔ）／ｄｔ２＋Ｍ・（ω／Ｑ）・ｄＺ（ｔ）／ｄｔ＋Ｍω２・Ｚ（ｔ）＝２・Ｍ・Ω・Ｄ・ω０・cosω０・ｔ  …（式１）
この微分方程式の定常解は、角速度Ωに比例した振幅を持つ正弦波Ａ・ｃｏｓ（ω０ｔ−φ）である。ここに振幅Ａは
Ａ＝２・Ｄ・Ω・（１／ω０）・（ω／ω０）・（（１−（ω／ω０）２）２
＋（（１／Ｑ）・（ω／ω０））２）１／２  …（式２）
であり、また、位相φは、
φ＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ・（ω０／ω）−（ω／ω０））−１）  …（式３）
で記述されるが、φは、Ｑが大きい場合は、ω０＞ωでは−９０度，ω０＜ωでは９０度に変化する階段状の関数である。
【００５１】
位相φは駆動振動に対する検出振動の位相関係を示すものであるが、上記の式（３）は、検出振動の周波数が駆動振動の周波数に一致する点を境にして、高いか低いかにより位相が１８０度異なることを示している。このことは検出振動の周波数に対して、駆動振動の周波数を調整することにより、駆動振動によりコリオリ力で励振する検出振動の位相を制御できることを示している。
【００５２】
本実施の形態で用いる３脚音叉１０は、共振周波数ω＝ω１と先鋭度Ｑ＝Ｑ１を持つ検出振動を有しており、面外振動である共振周波数ω１の値は、面内振動である共振周波数ω０に対しては、板の厚さｔにより同じ比率で変化させることができるので、共振周波数ω１に対する駆動周波数ω０の大小関係は、３脚音叉１０の厚さｔを変化させることにより容易に変化させることが出来る。
【００５３】
次に、実際の駆動検出回路を用いた、電気的な駆動検出方法について説明する。図２には、３脚音叉１０の脚の断面及び、電極１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ，２Ｒ，２Ｕ，２Ｄ，３ＬＵ１，３ＬＤ１，３ＲＵ１，３ＲＤ１，３ＬＵ２，３ＬＤ２，３ＲＵ２及び３ＲＤ２の断面が示されている。
【００５４】
まず、駆動脚２が面内振動を行う場合を説明する。駆動脚２がＸ方向に屈曲すると、電極２Ｌ近傍はＹ’方向に伸び、電極２Ｒ近傍はＹ’方向に縮む。この時水晶内部の電極２Ｌ近傍には圧電効果により−Ｘ方向に電界が発生し、電極２Ｒ近傍には圧電効果によりＸ方向に電界が発生する。これらの電界により、電極２Ｕ及び２Ｄは電極２Ｌ及び２Ｒより高電位となる。
【００５５】
またこれとは逆に、電極２Ｌと電極２Ｕ又は２Ｄの間に外部から電圧を印加し、電極２Ｕ又は２Ｄと電極２Ｒの間に外部から逆電圧を印加すると、圧電効果は可逆的なので、水晶内部には電極２Ｌ近傍に−Ｘ方向に電界が発生し、電極２Ｒ近傍にＸ方向に電界が発生するが、この電界により脚２の電極２Ｌの近傍は伸び、電極２Ｒの近傍は縮み、結果として駆動脚２はＸ方向に屈曲する。
【００５６】
従って、Ｘ方向の屈曲によって電極２Ｕ又は２Ｄに発生する電圧を増幅し、位相を調整して電極２Ｌ及び２Ｒにこの電圧を加える事により、駆動脚２を用いて面内振動を発振させる事が出来る。
【００５７】
本実施の形態においては、駆動振動で動作する駆動脚１及び２を全て駆動する。即ち、図６に示した駆動振動の脚の動作方向を勘案し、駆動脚１は、左右の電極１Ｌ及び１Ｒを参照電圧として、表裏の電極１Ｕ及び１Ｄに電圧を印加し、駆動脚２においては、逆に表裏の電極２Ｕ及び２Ｄの電圧を参照に左右の電極２Ｌ及び２Ｒに電圧を印加すればよい。
【００５８】
本実施の形態においては、電極１Ｌ，１Ｒ，２Ｕ及び２Ｄからの電圧をアンプＧに入力し、移相回路ＰでアンプＧの出力を移相して、電極１Ｕ，１Ｄ，２Ｌ及び２Ｒに印加する事により、駆動振動を自励発振させている。
【００５９】
この状態で３脚音叉１０全体をＺ’軸の回りに角速度Ωで回転させると、３脚音叉１０の駆動脚１及び２の運動を介して、３脚音叉１０には、既に述べた様に２つの検出振動が発生し、回転のない場合には静止していた検出脚３には、面外振動が発生する。検出脚３が面外振動する場合を説明する。
【００６０】
検出脚３がＺ’方向に屈曲すると、電極３ＬＤ１，３ＲＤ１，３ＬＤ２及び３ＲＤ２近傍がＹ’方向に縮む。この時圧電効果により、Ｚ’方向に見て、検出脚３の電極３ＬＤ１，３ＲＤ１，３ＬＤ２及び３ＲＤ２が存在する領域ではＸ方向に電界が発生する。従って、各々電極３ＬＤ１に対して電極３ＲＤ１は低電位になり、電極３ＬＤ２に対して電極３ＲＤ２は低電位になる。
【００６１】
一方、このとき電極３ＬＵ１，３ＲＵ１，３ＬＵ２及び３ＲＵ２近傍はＹ’方向に伸びる。圧電効果により、Ｚ’方向に見て、検出脚３の電極３ＬＵ１，３ＲＵ１，３ＬＵ２及び３ＲＵ２が存在する領域では−Ｘ方向に電界が発生する。従って、各々電極３ＬＵ１に対して電極３ＲＵ１は高電位になり、電極３ＬＵ２に対して電極３ＲＵ２は高電位になる。これとは逆に、検出脚３が−Ｚ’方向に屈曲すると、電極３ＬＤ１，３ＲＤ１，３ＬＤ２及び３ＲＤ２近傍がＹ’方向に伸びる。
【００６２】
この時圧電効果により、Ｚ’方向に見て、検出脚３の電極３ＬＤ１，３ＲＤ１，３ＬＤ
２及び３ＲＤ２が存在する領域では−Ｘ方向に電界が発生する。従って、各々電極３ＬＤ１に対して電極３ＲＤ１は高電位になり、電極３ＬＤ２に対して電極３ＲＤ２は高電位になる。このとき電極３ＬＵ１，３ＲＵ１，３ＬＵ２及び３ＲＵ２近傍はＹ’方向に縮む。圧電効果により、Ｚ’方向に見て、脚３の電極３ＬＵ１，３ＲＵ１，３ＬＵ２及び３ＲＵ２が存在する領域ではＸ方向に電界が発生する。
【００６３】
従って、各々電極３ＬＵ１に対して電極３ＲＵ１は低電位になり、電極３ＬＵ２に対して電極３ＲＵ２は低電位になる。即ち、検出振動は、電極３ＬＵ１及び３ＲＤ１と３ＬＤ１及び３ＲＵ１と、電極３ＬＵ２及び３ＲＤ２と３ＬＤ２及び３ＲＵ２とに生じる互いに逆方向の電圧として検出できる。
【００６４】
コリオリ力の検出信号は、電極３ＬＵ１及び３ＲＤ１と３ＬＤ１及び３ＲＵ１と、電極３ＬＵ２及び３ＲＤ２と３ＬＤ２及び３ＲＵ２とに生じる電圧を差動バッファＤに入力し、差動バッファＤを経て乗算回路Ｍに導き、駆動振動の発振系の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプＧの出力を、移相回路Ｐ２により９０度移相し、コンパレータＣにより２値化した参照信号により乗算し、乗算により検波した結果は、更に積分回路Ｓにより平滑化し、正確な直流出力として検出できる。
【００６５】
この直流出力はコリオリ力に比例し、コリオリ力は角速度Ωに比例するので、この直流出力により角速度Ωを知ることができる。ここで、検出に差動検出を用いたのは、回路の対称性を向上し、回路系のドリフトを低減する為である。
【００６６】
以上、本実施の形態では、駆動脚２本、検出脚１本を持つ非対称３脚音叉を例に説明したが、従来多くの実施形態を持つ２本の駆動脚と２本の検出脚が反対の方向へ伸びた所謂Ｈ型振動ジャイロの検出脚に孔を形成しても良い。また検出脚を対称性良く形成できる場合は、本実施の形態の検出脚を、駆動脚を挟んで反対側に増設し、全体として対称な形状とした４脚音叉型振動ジャイロに適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、貫通孔が1つの場合であり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３脚音叉の断面を示し，回路ブロック及び配線を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジャイロの検出脚の動作を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジャイロの検出脚の動作を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態である３脚音叉型振動体の検出振動を示す動作説明図である。
【図６】本発明の実施の形態である３脚音叉型振動体の駆動振動を示す動作説明図である。
【図７】本発明の実施の形態である３脚音叉型の振動ジャイロの外観を示し、貫通孔が２つの場合を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００６８】
１、２  駆動脚
３  検出脚
３ａ、３ｂ、３ｃ  貫通孔
１Ｌ、１Ｒ、１Ｕ、１Ｄ  電極
２Ｌ、２Ｒ、２Ｕ、２Ｄ  電極
３ＬＵ１、３ＲＤ１、３ＬＤ１、３ＲＵ１  電極
３ＬＵ２、３ＲＤ２、３ＬＤ２、３ＲＵ２  電極
４  片持ち梁
４Ｌ、４Ｒ  電極
４’  片持ち梁
５  片持ち梁
５Ｌ、５Ｒ  電極
５Ｈ  孔
５’  片持ち梁
９  基部
１０  ３脚音叉型の振動ジャイロ
１１  支持部
Ａ１〜Ａ３  錘
Ｂ  固定部
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３  脚幅
Ｕ  溝幅
Ｋ  肩幅
Ｃ  コンパレータ  
Ｄ  差動バッファ
Ｇ  アンプ
Ｍ  乗算回路
Ｐ、Ｐ２  移相回路
Ｓ  積分回路
ＦＣ、−ＦＣ  コリオリ力
ＶＸ、−ＶＸ  速度
ＤＲ、ＳＥ  端子
Ｓ１、Ｓ２  端子
【図１】
2009063299.tif 000003
【図２】
2009063299.tif 000004
【図３】
2009063299.tif 000005
【図４】
2009063299.tif 000006
【図５】
2009063299.tif 000007
【図６】
2009063299.tif 000008
【図７】
2009063299.tif 000009