JPH08313265A

JPH08313265A - 音叉形振動ジャイロ及びこれを用いたセンサシステム並びに音叉形振動ジャイロの調整方法

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Publication number: JPH08313265A
Application number: JP7118827A
Authority: JP
Inventors: Sumio Yamada; 澄夫山田; Noboru Wakatsuki; 昇若月; Masaaki Ono; 正明小野; Yoshitaka Takahashi; 芳孝高橋; Kazuji Kikuchi; 一二菊地; Motoi Yamauchi; 基山内
Original assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Towa Electron Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Towa Electron Ltd
Priority date: 1995-05-17
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】ジャイロの駆動側振動の共振周波数と検出側
振動の反共振周波数とが一致もしくはほぼ等しい場合に
発生しうる機械的結合を効果的に取り除いて、高出力、
高感度の音叉形振動ジャイロ及びこれを用いたセンサシ
ステム並びに音叉形振動ジャイロの調整方法を提供する
ことを目的とする。【構成】第１及び第２のアームを含む音叉を有する音
叉形振動ジャイロであって、該ジャイロの駆動側振動の
共振周波数と検出側振動の反共振周波数とが一致もしく
はほぼ等しい場合に発生しうる機械的結合を除去するた
めの溝を、少なくとも前記第１のアームの長手方向所定
範囲内のコーナー部分に具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音叉形振動ジャイロに
関し、より詳細には、圧電体を用いた音叉形振動ジャイ
ロ及びこれを有するセンサシステム並びに音叉形振動ジ
ャイロの調整方法に関する。

【０００２】ジャイロスコープは航空航空機や大型船
舶、宇宙衛星などに位置の確認用として使用されてき
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。従来のコマ・ジャイロは、いったんコマ（円
板）を回転させると、装置を傾けてもその中心軸の方向
は保ったまま姿勢を変えずに回転を続けるという原理に
より、回転角速度を検出している。最近、光形ジャイロ
や圧電形ジャイロが開発され実用されはじめている。圧
電形ジャイロの原理は１９５０年頃の研究に遡る。音叉
や円筒や半球を利用したものなどが開発されてきた。最
近になって、圧電体を使った振動ジャイロが実用化され
ている。測定感度や精度はコマ・ジャイロや光ジャイロ
には劣るものの、小型、軽量で安価な点が他のジャイロ
と大きく異なる。

【０００３】

【従来の技術】圧電形振動ジャイロは、振動している物
体に角速度が加わると、その振動と直角の方向にコリオ
リ力が生じることを利用している。このような圧電形振
動ジャイロの原理は力学的モデルで解析される（例え
ば、「弾性波デバイスハンドブック」、オーム社、４９
１〜４９７）を参照）。圧電形振動ジャイロとしては種
々のものが提案されている。例えば、上記文献には、ス
ペリー音叉ジャイロ、ワトソン音叉ジャイロ、音片ジャ
イロ、円筒形振動ジャイロ等が記載されている。

【０００４】また、ＬｉＴａＯ₃の単結晶からなる音片
（振動体）を用いた圧電形ジャイロが提案されている
（例えば、近野他、「ＬｉＴａＯ₃を用いた角速度セン
サーの基礎実験」、昭和６１年度電子通信学会総合全国
大会、ｐ１−７９参照）。更に、特開昭６１−２９４３
１１には、圧電セラミックによる音叉形ジャイロが提案
されている。この提案によれば、振動体の２つのアーム
の分極を変えてそれぞれ駆動側及び検出側アームを構成
する。

【０００５】このような圧電形振動ジャイロでは、振動
子の加工精度等によってもれ出力（もれ電圧）が発生す
る。このもれ電圧は、検出電圧を効率よく取り出すため
に検出側アームの反共振周波数と駆動側アームの共振周
波数とを一致又はほぼ一致させた場合に発生しうる機械
的結合に起因する。すなわち、振動子の加工精度や圧電
材料の接着位置などのばらつきによって機械的結合が生
じ、これがもれ電圧となる。もれ電圧が発生すると発生
したコリオリ力がもれ電圧に隠れ、検出出力（電圧）や
検出感度が低下してしまう。なお、圧電形振動ジャイロ
スコープのもれ出力に関しては、次の文献に詳しい：菅
原他、「圧電形振動ジャイロスコープの漏れ出力の等価
回路考察」、電子情報通信学会論文誌、ＡＶｏｌ−Ｊ
７６−Ａ、Ｎｏ．３．１９９３年３月、ｐ２６３−２７
２。

【０００６】従来から、このもれ電圧を低減させる試み
が検討されている。例えば、中村、「正三角柱振動子を
使う圧電振動ジャイロ、小型、低価格で身近な応用をね
らう」、ＮＩＫＫＥＩＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、１９
９０．１１．２６、Ｎｏ．５１４、ｐ１８３−１９１
（以下、文献１という）には、もれ電圧を信号処理して
見掛け上除去する方法が提案されている。

【０００７】また、今野他、「振動ジャイロスコープの
漏れ出力とその低減化」、日本音響学会講演論文集、１
９９５．３、ｐ９１９−９２０（以下、文献２という）
には、アームのコーナーを切削することでもれ出力を低
減させることが提案されている。

【０００８】更に、中村他、「音さジャイロの一構成に
ついて」、昭和６１年度電子通信学会総合全国大会、１
９８６．３、ｐ１−７８（以下、文献３という）には、
アームの根元にわずかのカットを入れることにより、対
角モードを面内及び面垂直モード（振動）に移行させ、
安定化させることが記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、文献１
に記載の方法では、振動子から出力されるもれ出力その
ものを取り除くものではないので、本質的な解決方法で
はない。また、もれ出力を信号処理する特別の回路が必
要になる。

【００１０】また、文献２及び３では、もれ出力の低減
化の可能性は示されているものの、定量的かつ具体的な
説明が乏しく、特にどのような切削をどのアームにどの
範囲で形成すればどのような効果が得られるか等につい
ての説明がない。また、実験で用いている振動子はエリ
ンバ材に圧電セラミックを接着した構造であり、その他
の材料や構成についての言及がない。

【００１１】したがって、本発明は上記従来技術の問題
点を解決し、ジャイロの駆動側振動の共振周波数と検出
側振動の反共振周波数とが一致もしくはほぼ等しい場合
に発生しうる機械的結合を効果的に取り除いて、高出
力、高感度の音叉形振動ジャイロ及びこれを用いたセン
サシステム並びに音叉形振動ジャイロの調整方法を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１及び第２のアームを含む音叉を有する音叉形振
動ジャイロであって、該ジャイロの駆動側振動の共振周
波数と検出側振動の反共振周波数とが一致もしくはほぼ
等しい場合に発生しうる機械的結合を除去するための溝
を、少なくとも前記第１のアームの長手方向所定範囲内
のコーナー部分に具備する。

【００１３】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明の前記溝が、前記第１のアームの根元から長手
方向中央部の範囲内に位置する。請求項３に記載の発明
では、請求項１に記載の発明において、前記第１のアー
ムは、その根元に近接する部分に位置する第１の溝と、
該第１の溝よりも第１のアームの先端側に近い位置にあ
る第２の溝を有し、前記機械的結合の除去の粗調整を前
記第１の溝で行い、微調整を前記第２の溝で行う。

【００１４】請求項４に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記第１のアームの溝は、その断面
対角線方向で向かい合うコーナー部分に設けられてい
る。請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４に記
載の発明において、前記第２のアームは、前記ジャイロ
の駆動側振動の共振周波数と前記検出側振動の反共振周
波数とが一致もしくはほぼ等しい場合に発生しうる機械
的結合を除去するために、コーナー部分に溝を具備す
る。

【００１５】請求項６に記載の発明では、請求項５記載
の発明において、前記第２のアームに設けられた溝は、
その根元から長手方向中央部の範囲内に位置する。請求
項７に記載の発明では、請求項５又は６記載の発明にお
いて、前記第２のアームの溝は、その断面対角線方向で
向かい合うコーナー部分に設けられている。

【００１６】請求項８に記載の発明では、請求項１ない
し７記載の発明において、前記音叉形振動ジャイロは、
前記音叉の底部に取り付けられた支持基板を有する。請
求項９に記載の発明では、請求項１ないし８記載の発明
において、前記音叉は圧電体を含む。

【００１７】請求項１０に記載の発明では、請求項１な
いし９記載の発明において、前記音叉はＬｉＴａＯ₃又
はＬｉＮｂＯ₃の単結晶を含む。請求項１１に記載の発
明は、前記音叉形振動ジャイロと、前記駆動側振動の共
振周波数で発振する発振回路と、前記検出側振動に相当
する電気信号を検出する検出回路とを有する請求項１な
いし１０のいずれか一項記載の音叉形振動ジャイロを用
いたセンサシステムである。

【００１８】請求項１２に記載の発明は、第１及び第２
のアームを含む音叉を有する音叉形振動ジャイロであっ
て、該ジャイロの駆動側振動の共振周波数と前記検出側
振動の反共振周波数とが一致もしくはほぼ等しい場合に
発生しうる機械的結合を除去するために、少なくとも前
記第１のアームの長手方向所定範囲内のコーナー部分に
溝を設ける音叉形振動ジャイロの調整方法である。

【００１９】請求項１３に記載の発明は、請求項１２に
記載の発明において、前記音叉はＬｉＴａＯ₃又はＬｉ
ＮｂＯ₃の単結晶を含む。

【００２０】

【作用】請求項１、１１及び１２に記載の発明は、第１
及び第２のアームを含む音叉を有する音叉形振動ジャイ
ロであって、該ジャイロの駆動側振動の共振周波数と前
記検出側振動の反共振周波数とが一致もしくはほぼ等し
い場合に発生しうる機械的結合を除去するための溝を、
少なくとも前記第１のアームの長手方向所定範囲内のコ
ーナー部分に設けることで、この溝が効果的に機械的結
合を除去できる作用を有する。

【００２１】請求項２に記載のように、この溝が前記第
１のアームの根元から長手方向中央部の範囲内に位置す
ると、効果的な機械的結合の除去が可能になる。請求項
３に記載のように、第１の溝と第２の溝を設けること
で、機械的結合の除去の粗調整と微調整をが可能にな
る。

【００２２】請求項４に記載のように、前記第１のアー
ムの溝を、その断面対角線方向で向かい合うコーナー部
分に設けることで、機械的結合の除去を効果的に行える
場合がある。請求項５に記載のように、前記ジャイロの
駆動側振動の共振周波数と前記検出側振動の反共振周波
数とが一致もしくはほぼ等しい場合に発生しうる機械的
結合を除去するために、第２のアームにもそのコーナー
部分に溝を設けることで、第１のアームに設けた溝のみ
では機械的結合の除去を効果的に行えない場合でも、除
去できる。

【００２３】請求項６に記載のように、前記第２のアー
ムに設けられた溝を、その根元から長手方向中央部の範
囲内に位置するように設けることで、機械的結合の除去
を効果的に行える。請求項７に記載のように、前記第２
のアームの溝を、その断面対角線方向で向かい合うコー
ナー部分に設けることで、機械的結合の効果的な除去が
可能になる場合がある。

【００２４】請求項８に記載の支持基板は、実装を考慮
したもので、駆動側の振動は音叉が共振し、検出側のし
んどうでは音叉と支持基板とが一体となって共振する。
駆動側の振動は音叉のみで共振するので効率的に音叉を
駆動でき、検出側の振動は音叉と支持基板とが一体とな
って振動するので、支持基板の形状によって所望の周波
数特性に設定可能でり、コリオリ力による出力を感度良
く検出できる。

【００２５】

【実施例】本発明の原理を説明する前に、その説明の理
解を助けるため、まず音叉形振動体について説明する。
図１は、音叉形振動体の振動を示す図である。音叉形振
動体（以下単に音叉という）１０は２つのアーム１２、
１４及びこれらを支持する底部１６を有する。アーム１
２、１４と底部１６とは、圧電体を加工した一体のもの
である。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、音叉
形振動体はｆｙモード振動（面垂直振動）及びｆｘモー
ド振動（面内振動）の２種類の振動がある。通常の水晶
振動子音叉などでは、図１（Ｂ）に示すｆｘモード振動
がほとんどである。ｆｘモード振動とｆｙモード振動ど
では、振動モードが異なる。図１（Ａ）に示すように、
ｆｙモード振動はねじり振動（点線の矢印）を含むの
で、記号”×”で示すように不動点は底部１６の底面の
一点に限られる。よって、振動体の支持の仕方が難し
い。一方図１（Ｂ）に示すように、ｆｘモード振動の不
動点は底部１６の底面上の中央線である。従って、例え
ば底部１６の長さＬを適当に調節することで底面の動き
を実質的にゼロに抑えることができる。

【００２６】本発明では、ｆｘモード振動を駆動し、ｆ
ｙモード振動を検出することで、コリオリ力による出力
を得る。ｆｘモード振動を駆動する電極とｆｙモード振
動を検出する電極について、図２及び図３を参照して説
明する。図２は、ｆｘモード振動（同図（Ａ））を駆動
する電極を説明するための図である。ｆｘモード振動は
たわみ振動が基本となる。図２（Ｂ）に示すように、ア
ームをｆｘモード振動方向に直交する方向に縦に２分割
し、一方が伸びる場合には他方が縮むようにアームに電
圧をかける。この場合の電極構成を図２（Ｃ）に示す。
２組の電極を図示の通り配列する。図中の２つの矢印
は、対応する電極に駆動電圧を印加することで生じる電
界の方向を示す。

【００２７】図３は、ｆｙモード振動（同図（Ａ））を
検出する電極を説明するための図である。ｆｙモード振
動もｆｘモード振動と同様にたわみ振動が基本となる。
図３（Ｂ）に示すように、アームをｆｙモード振動に直
交する方向に縦に２分割すると、一方が伸びているとき
には他方は縮んでいる。このアームに対し、図３（Ｃ）
に示す電極を設けることで、ｆｙモード振動に対応する
電圧を検出できる。

【００２８】検出出力（電圧）を効率的に取り出すため
には、駆動側のｆｘモード振動の共振周波数を、検出側
のｆｙモード振動の反共振周波数に一致させることが好
ましい。図４（Ａ）に、周波数ｆに対するｆｘモード振
動のインピーダンス｜ｚ｜の変化（インピーダンス特
性）を示し、図４（Ｂ）にｆｙモード振動のインピーダ
ンス特性を示す。ｆｘモード振動の共振周波数（インピ
ーダンスが最小の周波数）と、ｆｙモード振動の反共振
周波数（インピーダンスが最大の周波数）とを一致させ
ることで、検出出力電圧を最大にすることができる。な
お、ｆｘモード振動の共振周波数をｆｙモード振動の反
共振周波数に一致させる方法については、後述する。

【００２９】このように、ｆｘモード振動の共振周波数
をｆｙモード振動の反共振周波数に一致もしくはほぼ等
しくしたことにより、機械的結合に起因したもれ出力が
発生した場合、このもれ出力をを効果的に低減させるた
めに、本発明では前述の音叉１０を以下の通り処理す
る。

【００３０】図５は、音叉１０の上面図である。いま、
アーム１２を検出側とし、アーム１４を駆動側とする。
本発明者は、種々の実験等により、駆動側のアーム１４
の対角線上の２つのコーナー部Ａの少なくとも１つ又は
これに加えて検出側のアーム１２の対角線上の２つのコ
ーナー部Ａ’及び２つのコーナー部Ｂ’を切削する（コ
ーナートリミング）と上記機械的結合を軽減又は除去で
きる音叉と、駆動側のアーム１４の対角線上の２つのコ
ーナー部Ｂの少なくとも１つ又はこれに加えて検出側の
アーム１２の４つのコーナー部Ａ’、Ｂ’の少なくとも
１つを切削すると上記機械的結合を軽減又は除去できる
音叉のあることを見いだした。なお、この実験では、１
３０°回転Ｙ板ＬｉＴａＯ₃単結晶を用いた。図６はコ
ーナートリミング位置と効率との関係、より詳細には、
図５に示す２つのコーナー部Ａの一方を切削することで
機械的結合を軽減又は除去できるタイプの音叉のＱ値変
化を示す図である。アーム１４のｆｘモード振動の共振
周波数をアーム１２のｆｙモード振動の反共振周波数に
一致もしくはほぼ等しくしたことにより増大したもれ電
圧は、コーナー部Ａを切削することで＊１で示すレベル
となり、軽減（実質的に除去）されることがわかる。な
お、コーナー部Ａにかえてコーナー部Ｂを切削した場
合、＊３で示すように、もれ電圧は増大する。

【００３１】また、２つのアーム１２、１４のアームバ
ランスが悪い場合には、コーナー部Ａを切削しても機械
的結合が充分に低減しない場合がある。このような場合
には、検出側のアーム１２のコーナーＡ’又はＢ’の少
なくとも１つを切削することで、図６の＊２に示すよう
に実質的に機械的結合を除去し、もれ電圧をほぼゼロに
することができる。

【００３２】図７は、アーム１４の長手方向において、
先端部（自由端）を０％、アーム１４の根元を１００％
としたときの切削位置ともれ電圧との関係を示す図であ
る。なお、この測定では１３０°回転Ｙ板ＬｉＴａＯ₃
単結晶を用いた。なお、この実験で用いた音叉の底部１
６はアーム１２と１４の外側面を結ぶ長さよりもわずか
に幅広であるが、図１に示すものでも同一のことが言え
る。切削は音叉１０のアーム１４にレーザ光を照射する
ことで形成する。これにより形成された溝の幅は、レー
ザ光の直径にほぼ等しい。また、レーザ光をコーナーの
頂点を形成する２つの側面が同一長さだけ切削されるよ
うに照射する。図７より、アーム１４の先端部より７０
％から１００％の間に溝を形成することで、もれ出力を
大きく低減させることができることがわかる（８０％で
−４５ｄＢ程度）。また、アーム１４の先端部より５０
％から７０％の間に溝を形成することでも、もれ出力を
少なくとも５ｄＢは減少させることができる。よって、
粗調整をアーム１４の先端部から７０％ないし１００％
の間で行い、微調整をアーム１４の先端部から５０％な
いし７０％の間で行う調整方法も可能である。なお、ア
ーム１４の先端部から５０％の範囲では、溝を設けても
改善できるのは５ｄＢよりも少なく、実質的な改善には
ならない。

【００３３】アーム１４に加え、検出側のアーム１２に
設ける溝についてもほぼ同様のことが言える。また、Ｌ
ｉＮｂＯ₃の単結晶でも、上記と同様のことが言える。
また、薄板上に圧電体を設けたものでも同様である。図
８は、本発明の一実施例の音叉形振動ジャイロの斜視図
である。音叉１０は、支持基板１８によりプリント配線
板やケース等に相当するベース基板３２上にほぼ平行に
支持されている。この支持基板１８に対する音叉１０の
取り付けは、音叉１０の底部に支持基板１８が弾性的に
結合するように行われる。これを以下に詳述する。

【００３４】前述したように、本発明の音叉形振動ジャ
イロでは、駆動振動モードをｆｘモード振動に設定し、
検出振動モードをｆｙモード振動に設定する。駆動振動
モードは、常に一定振動を持続させることが求められて
いる。更に、検出感度は駆動振動の大きさに比例するの
で、駆動振動モードは機械的なＱが高い振動モードが望
まれる。そこで、駆動側のｆｘモード振動は支持基板１
８とは独立して振動体１２、１４がｆｘモード振動（共
振）し、検出側のｆｙモード振動（共振）は音叉１０と
支持基板１８とが一体となって起こるように、音叉１０
を支持基板１８で支持する。上記構成により、駆動振動
モードの機械的なＱを高く設定して大きなｆｘモード振
動を起こし、他方検出振動モードの機械的なＱを、駆動
振動モードのＱ値よりも小さい値に設定でき、振動体の
支持が容易で検出感度が高いジャイロが構成できる。特
に、検出側のｆｙモード振動は振動体と支持基板１８と
が一体となって振動するので、後述するように支持基板
１８の形状や材質等で共振周波数及び機械的Ｑを変化さ
せることができ、所望の検出側振動の周波数帯域を設定
できる。すなわち、図９に示すように、正弦波の駆動側
振動が正弦波と仮定した回転角速度で変調された振動が
音叉形圧電ジャイロに発生する。このような変調された
振動を検出するには、その中心周波数の両側のサイドバ
ンドを含む周波数帯域が必要である。検出側の機械的な
Ｑ値が大きいとこのサイドバンドを含む周波数帯域が得
られないが、上記支持構成によれば所望の周波数帯域と
なるような機械的Ｑを容易に設定できる。

【００３５】図８に示す音叉１０に設けられた電極は、
図２及び図３に示す電極とは多少異なる。図２及び図３
に示す電極を用いた場合には、ｆｘモード振動を駆動す
る電極とｆｙモード振動を検出する電極との間の電気的
な結合を完全に抑制することはできない場合がある。電
気的に結合すると、不要なモードの振動が発生し、ｆｘ
モード振動又はｆｙモード振動に弾性的に結合して、ジ
ャイロの検出精度を劣化させる可能性がある。

【００３６】図８に示す音叉１０の電極はこの点を考慮
したもので、その構成を図１０に示す。アーム１４を介
してｆｘモード振動を駆動し、アーム１２を介してｆｙ
モード振動を検出する。アーム１４には電極２２及び２
４を対向するようにアーム１４の側面の端に取り付け、
更に、同一の側面上の端及びこれらを結ぶ側面を覆うよ
うな電極３０を取り付ける。図２（Ｃ）では２組の電極
を用いているのに対し、図１０では１組の駆動用電極を
用いているが、この構成でもｆｘモード振動を引き起こ
すことは可能である。電極３０は接地電極として機能
し、次に説明するアーム１２側の検出側電極のうちの電
極２８と電気的に接続してある。なお、電極２２及び２
４には端子Ｔ１及びＴ２を介して駆動電圧を印加する。

【００３７】検出側電極は電極２６及び電極２８を有す
る。電極２８は接地電極として機能し、アーム１２の３
つの側面上に設けられている。残りの側面に、電極２６
が設けられている。図６の検出側電極の構成は、図３
（Ｃ）で電極＊を省略した構成に相当する。電極２６及
び２８には端子Ｔ３及びＴ４を介して駆動電圧を印加す
る。

【００３８】電極３０は電極２８を介して接地電位に設
定され、かつ電極２８はアーム１２の３つの側面を覆っ
ているので、電極２２及び２４に対するシールド効果が
得られる。また、電極２４を接地から浮かして使用する
ことができ、回路設計的にも有利である。更に、アーム
の３側面を覆う電極２８の作成は容易であり、電極の位
置ずれによる駆動モードとの結合の割合も減少する。な
お、図２及び図３に示す構成の電極を用いても良い。

【００３９】音叉１０は、圧電体単結晶などの圧電体の
バルク、又は薄板上に圧電体を設けたものなどで構成で
きる。圧電体単結晶としては、前述したタンタル酸リチ
ューム（ＬｉＴａＯ₃）の１３０度回転ｙ板などを用い
ることができる。なお、単結晶はセラミックスにくらべ
内部損失が少なく、ヒステリシスのなく、音叉振動子と
して機械的Ｑの高いものが実現できる。矩形状のタンタ
ル酸リチューム（ＬｉＴａＯ₃）の１３０度回転ｙ板
に、ダイシングソー又はワイヤーソーで音叉としての切
れ目を加工した後、側面を含む全面にスパッタリング等
により薄膜（例えば、ＮｉＣｒ／Ａｕ）を形成し、その
後、前後面及び側面の電極及び配線を光露光法により加
工する（３次元的な電極は斜め露光を用いる）。図８に
示す音叉１０上に設けられた電極は、図１０に示すもの
である。配線３４はアーム１４の電極２２と端子Ｔ１と
を接続し、配線３６はアーム１４の電極２４（図８では
現れない）と端子Ｔ２とを接続する。配線３８はアーム
１２の電極２６と端子Ｔ３とを接続し、幅広の配線４０
はアーム１２の電極２８と電極３０及び端子Ｔ４とを接
続する。なお、共振に与える影響をできるだけ少なくす
るために、音叉１０上に形成されるパターン及び配線は
できるだけ対称になるように形成することが好ましい。
更に、共振に与える影響を軽減するために、支持基板１
８上に形成されるパターンはできるだけ対称になるよう
にすることが好ましい。図８の例では、支持基板１８上
に端子Ｔ１１〜Ｔ１４及び外部接続用端子Ｔ２１〜Ｔ２
４、並びにこれらを接続する配線が設けられている。な
お、支持基板の形状は矩形状に限定されるものではな
く、他の形状を用いてもよい。また、ＬｉＮｂＯ₃など
の圧電体単結晶を用いることもできる。

【００４０】支持基板１８は矩形状で、その厚みは音叉
１０の厚みにほぼ等しい。これは、ｆｙモード振動で支
持基板１８も音叉１０と一緒に共振させるためである。
また、厚みが同じであると、音叉１０の底部１６の面と
支持基板１８の所定の側面を突き合わせて各々の電極を
対向させることが容易になる。

【００４１】図１１に、音叉１０と支持基板１８との接
続方法を示す。音叉１０の底部１６と支持基板１８の所
定の側面とを突き合わせ、その間に接着層４０を介在さ
せて、両者を固定する。また、音叉１０の端子（図８で
は端子Ｔ１１）とこれに対向する支持基板１８の端子
（図８では端子Ｔ２１）とを、ハンダや導電性接着剤４
２などて架橋することで、容易に電気的に接続できる。

【００４２】図１１及び図１２に示すように、支持基板
１８に取り付けられたピン４４をベース基板３２に取り
付けることで、音叉形振動形ジャイロを支持することが
できる。ｆｙモード振動に関しては、支持基板１８は振
動系の一部を構成しているので、そのままベース基板３
２やケースなどに接続すると、振動に影響を受ける。そ
こで、図１２に示すように、支持基板１８のほぼ中央部
に穴４６を設け、この穴４６に細いピン（例えば、金属
線などの針状線）４４を挿入し、このピン４４を例えば
円筒形のゴムなどの弾性部材４８で支持し、このゴム４
８をベース基板３２に固定する。この構成により、ｆｙ
モード振動が漏れるのを防ぎ、ベース基板３２からの振
動が音叉１０に侵入するのを防ぐことができる。

【００４３】支持基板１８上の電極端子Ｔ２１〜Ｔ２４
と、ベース基板３２上の対応する端子とは、銅などのソ
フトワイヤでワイヤボンディングすることで、電気的に
接続可能である。支持基板１８の材質として、アルミナ
基板、エポキシプリント板及び液晶ポリマ板等がある。

【００４４】図１３は、振動モードによる支持基板の種
類による影響の差異を示す図である。共振周波数及びＱ
値とも、ｆｘモード振動の共振モード及びｆｙモード振
動モードとに分けて示してある。図１３から次のことが
理解される。ｆｘモード振動は、支持基板１８接続の前
後で値が大きく変化しないのに対して、ｆｙモード振動
は共振周波数もＱ値も、接続する支持基板１８の材質に
よって大きく変化する。すなわち、ｆｙモード振動は支
持基板１８を含めて共振系が構成されていると言える。
圧電振動ジャイロとして、検出側のｆｙモード振動のＱ
値が支持基板１８の材質に大きく依存することがわか
る。換言すれば、所望のＱ値に対して適当な材料が存在
する。要約すると、支持基板１８の損失が大きければ音
叉１０を含むｆｙモード振動の機械的なＱ値は低下す
る。一般に、アルミナ基板などの無機質の基板は損失が
少なく、エポキシ樹脂などは損失が大きい。以上のよう
に、支持基板１８に関する種々のパラメータを設定し
て、音叉１０と一体となってｆｙモード振動をするよう
な弾性を有することが必要である。

【００４５】次に、ｆｘモード振動の共振周波数とｆｙ
モード振動の反共振周波数とを一致させる周波数調整に
ついて説明する。この作業は、音叉１０のアーム１２、
１４の幅やこれらの間の溝の幅等を変えることで行え
る。しかしながら、図８に示すように組み上がった状態
でこの調整作業を行うことは困難である。そこで、ｆｙ
モード振動が音叉１０及び支持基板１８と一体となって
共振することに鑑み、支持基板１８に対し後述する方法
でｆｙモード振動の反共振周波数を変化させて、ｆｘモ
ード振動の共振周波数と一致させる。この方法により、
ｆｙモード振動の検出側電極（振動子）の出力インピー
ダンスは最も高くなり、検出回路としてカソードフォロ
ワーなどの高いインピーダンスの回路を用いると、出力
に高い電圧を得ることができる。

【００４６】図１４は、ｆｙモード振動の反共振周波数
を調整する第１の方法を示す図である。図１４（Ａ）に
示すように、音叉１０が取り付けられている支持基板１
８の端部に対向する端部を削ることで、支持基板１８の
質量を減らす。削られる部分を図１４（Ａ）のｄ１で示
す。振動に悪影響を与えないように、支持基板１８を対
称に削ることが好ましい。支持基板１８を削って質量が
減ると、図１４（Ｂ）に示すように、ｆｙモード振動の
反共振周波数が高くなる。この反共振周波数がｆｘモー
ド振動の共振周波数に等しくなるまで、支持基板１８を
均等に削る。

【００４７】図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示す支持
基板１８の長さｄに対するｆｘモード振動の共振周波数
とｆｙモード振動の反共振周波数との関係を示す。ｆｘ
モード振動の共振周波数は支持基板１８の振動とは独立
して単独で振動するので、支持基板１８の長さｄが変化
しても、共振周波数はほぼ一定である。これに対し、ｆ
ｙモード振動は支持基板１８とともに共振するので、長
さｄが短くなると質量が減少して、共振周波数が減少す
る。なお、実験結果の一例を示すと、幅が４．７ｍｍで
長さｄを６ｍｍから１２ｍｍの間で変化させた場合に
は、図１５（Ｂ）のグラフに沿って、ｆｙモード振動の
共振周波数は約１５ｋＨｚから約１７ｋＨｚの間で変化
した。

【００４８】図１６は、支持基板１８の長さｄに対する
共振抵抗Ｒｏの変化を示すグラフである。支持基板１８
の長さｄが短くなると、共振抵抗Ｒｏが減少する。これ
により、共振周波数は高くなる。なお、実験結果の一例
を示すと、幅が４．７ｍｍで長さｄを６ｍｍから１２ｍ
ｍの間で変化させた場合には、図１６のグラフに沿っ
て、共振抵抗Ｒｏは約１．０ＭΩから約１．５ＭΩの間
で変化した。

【００４９】図１４（Ａ）では、支持基板１８の端を均
一に削る方法であったが、図１７（Ａ）に示すように、
支持基板１８の中心線に対し対称に溝５０を設けてもよ
い。この溝５０は、支持基板１８のスチフネスを調整す
るものである。溝５０は支持基板１８を貫通するもので
あってもよいし、表面部分にのみ設けるものであっても
よい。図１７（Ｂ）は、溝５０の深さ（音叉１０に向か
う方向）とｆｘモード振動の共振周波数及びｆｙモード
振動の共振周波数との関係を示すグラフである。ｆｘモ
ード振動の共振周波数は溝の深さｄ２によらずほぼ一定
であるのに対し、ｆｙモード振動の共振周波数は溝の深
さｄ２を大きくすると低くなる。実験結果の一例を示す
と、幅が４．７ｍｍで長さが１２．４ｍｍの支持基板１
８に対し、幅０．３ｍｍの溝の深さｄ２を０ｍｍから２
ｍｍまで変化させると、図１７（Ｂ）のグラフに沿っ
て、ｆｙモード振動の共振周波数は約１８ｋＨｚから約
１７ｋＨｚに変化した。

【００５０】図１８は、支持基板１８にゴム等の質量５
２を付加することで、ｆｙモード振動の共振周波数を調
整する方法を示す。質量５２を付加すると、共振周波数
は低下する。ｆｙモード振動に影響を与えないように、
質量５２は支持基板１８の中心線に対し対称に設けるこ
とが好ましい。

【００５１】以上のようにして共振周波数と反共振周波
数とを一致させたことにより、機械的結合が発生した場
合には、図５を参照して説明した方法で、駆動側のアー
ム１４又はこれに加えて検出側のアーム１２に溝を設け
る。図８に示す構成では、このための溝５２を設けてあ
る。溝の形成には、音叉１０を取り付けた支持基板１８
をベース基板３２に取り付ける前にもれ電圧を測定し、
測定結果に応じてレーザー光を照射する。実装後であっ
ても溝の形成は可能である。例えば、ベース基板３２側
のコーナーに溝を形成する必要がある場合には、ベース
基板３２に設けたスルーホールを介してレーザー光をア
ーム１４に照射する。

【００５２】図１９は、ＬｉＴａＯ₃の単結晶からなる
音叉１０を支持基板１８に取り付けた状態で溝５２の効
果を調べた実験結果を示すグラフである。音叉１０のア
ーム１２及び１４を直方体（アーム長７ｍｍ、アーム幅
１ｍｍ、アーム厚み１ｍｍ、アーム間幅が０．３ｍｍ）
とし、図５の駆動側アーム１４のコーナー部Ａに相当す
る位置に、その先端から６ｍｍの位置（先端から８６％
の位置）にレーザー光を照射して溝５２（図８）を形成
した場合の実験結果を示すグラフである。レーザー光は
ＮＥＣ社製ＹＡＧレーザーＳＬ−１１４Ｂを用いた。ま
た、もれ電圧はゲインフェーズ測定器で測定した。溝を
形成しない場合のもれ電圧は約−２０ｄＢであったが、
溝を形成するにつれて、−４６．３ｄＢまで改善でき
た。

【００５３】また、この音叉形振動ジャイロの感度を図
２０に示す測定系にて測定した。シンセサイザ１１０で
音叉形振動ジャイロ（図２０では１００の参照番号で示
してある）のｆｘモード振動を駆動し、ステージ１３０
に取り付けられた音叉形振動ジャイロ１００をコントロ
ーラ１５０の制御の下にサーボモータ１４０で矢印の方
向に回転させ、このときのコリオリ力による検出側振動
（ｆｙモード振動）をオシロスコープ１２０で検出す
る。

【００５４】図２１は図２０に示す測定系で、機械的結
合除去前（もれ出力除去前）の値と機械的出力除去後
（もれ出力除去後）の値を測定した結果を示すグラフで
ある。図２１に示すように、機械的結合の除去前後では
明らかに感度の差が見られた。駆動電圧２００ｍＶ_PP、
１ｄｅｇ／ｓｅｃの回転速度で機械的結合除去前が０．
１２ｍＶ／（ｄｅｇ／ｓｅｃ）に対し、機械的結合除去
後では０．５５ｍＶ（ｄｅｇ／ｓｅｃ）と高感度であっ
た。

【００５５】以上説明した音叉形振動ジャイロを用いて
センサシステムを構成する場合には、図２２に示す駆動
回路及び図２３に示す検出回路を用いる。以下、これら
の回路を詳細に説明する。図２２は、図８に示す音叉形
振動ジャイロを用いたセンサシステムの自励発振回路の
一構成例を示す回路図である。図２２において、ｆｘモ
ード振動する部分を圧電振動子ＣＲＹ１で示している。
図２２に示す自励発振回路は、上記圧電振動子ＣＲＹ１
と、キャパシタＣ１〜Ｃ３と抵抗Ｒ１及びＲ２とで構成
される移相回路と、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５と抵抗
Ｒ３〜Ｒ７で構成される増幅回路とを有する。増幅回路
の入力と出力との間に圧電振動子ＣＲＹ１を接続し、移
相回路で正帰還となるように位相を調整して、自励発振
を起こす。キャパシタＣ４とＣ５は電源フィルタを構成
し、電源電圧Ｖｃｃをフィルタし、フィルタした後の電
圧を自励発振回路の電源電圧として出力する。なお、図
２２中、Ｔ２１及びＴ２２は図８に示す支持基板１８上
に設けられている端子Ｔ２１及びＴ２２に相当する。
図２３は、図８に示す音叉形振動ジャイロに接続される
センサシステムの検出回路の一構成例を示す回路図であ
る。図２２において、ｆｙモード振動する部分を圧電振
動子ＣＲＹ２で示している。図２２に示す検出回路は、
上記圧電振動子ＣＲＹ２と、トランジスタＴｒ６を有す
る増幅回路と、キャパシタＣ７及び抵抗Ｒ１１を有する
ローパスフィルタと、ダイオードＤ１及びＤ２並びにト
ランジスタＴｒ７及びＴｒ８を有する検波回路と、キャ
パシタＣ８及び抵抗Ｒ１５を有するローパスフィルタ
と、駆動トランジスタＴｒ９、Ｔｒ１０とを有する。そ
の他、検出回路は抵抗Ｒ８〜Ｒ１０、Ｒ１２〜Ｒ１４、
Ｒ１６〜Ｒ２０、キャパシタＣ６を有する。トランジス
タＴｒ６の出力をエミッタから取りだし、カップリング
キャパシタＣ６、ダイオードＤ１及びローパスフィルタ
を介して、トランジスタのベースＴｒ７に与える。トラ
ンジスタＴｒ７のベースに与えられる信号は、同期検波
の基準信号となる。トランジスタＴｒ７の出力をコレク
タ及びトランジスタＴｒ９を介して出力端子ＯＵＴに出
力する。更に、トランジスタＴｒ９のコレクタ電流をロ
ーパスフィルタ及びダイオードＤ２を介して、トランジ
スタＴｒ８のベースに与える。

【００５６】トランジスタＴｒ１０のベースは、スタン
バイモード端子として機能し、この端子にイネーブル信
号／ＥＮＢ（図２２のバーに相当）がローレベル（ベー
ス電流が流れるバイアスレベル）になったときに、検出
回路がアクティブになる。なお、図２２中、Ｔ２３及び
Ｔ２４は図８に示す支持基板１８上に設けられている端
子Ｔ２３及びＴ２４である。

【００５７】以上、本発明の一実施例を説明した。本発
明は、自動車のナビゲーション装置、サスペンション制
御装置、ＶＴＲの手振れ防止装置等、種々の分野に適用
できる。用途により、本発明の音叉形振動ジャイロを複
数用いて、複数方向の回転角速度の検出を行うことがで
きる。

【００５８】

【発明の効果】本発明は以下の効果を有する。請求項
１、１１及び１２に記載の発明は、第１及び第２のアー
ムを含む音叉を有する音叉形振動ジャイロであって、該
ジャイロの駆動側振動の共振周波数と前記検出側振動の
反共振周波数とが一致もしくはほぼ等しい場合に発生し
うる機械的結合を除去するための溝を、少なくとも前記
第１のアームの長手方向所定範囲内のコーナー部分に設
けることで、この溝が効果的に機械的結合を除去でき
る。

【００５９】請求項２に記載の発明では、この溝が前記
第１のアームの根元から長手方向中央部の範囲内に位置
すると、効果的な機械的結合の除去が可能になる。請求
項３に記載では、第１の溝と第２の溝を設けることで、
機械的結合の除去の粗調整と微調整をが可能になる。

【００６０】請求項４に記載の発明では、前記第１のア
ームの溝を、その断面対角線方向で向かい合うコーナー
部分に設けることで、機械的結合の除去を効果的に行え
る場合がある。請求項５に記載の発明では、前記ジャイ
ロの駆動側振動の共振周波数と前記検出側振動の反共振
周波数とが一致もしくはほぼ等しい場合に発生しうる機
械的結合を除去するために、第２のアームにもそのコー
ナー部分に溝を設けることで、第１のアームに設けた溝
のみでは機械的結合の除去を効果的に行えない場合で
も、除去できる。

【００６１】請求項６に記載の発明では、前記第２のア
ームに設けられた溝を、その根元から長手方向中央部の
範囲内に位置するように設けることで、機械的結合の除
去を効果的に行える。請求項７に記載の発明では、前記
第２のアームの溝を、その断面対角線方向で向かい合う
コーナー部分に設けることで、機械的結合の効果的な除
去が可能になる場合がある。

【００６２】請求項８に記載の発明では、支持基板は、
実装を考慮したもので、駆動側の振動は音叉が共振し、
検出側のしんどうでは音叉と支持基板とが一体となって
共振する。駆動側の振動は音叉のみで共振するので効率
的に音叉を駆動でき、検出側の振動は音叉と支持基板と
が一体となって振動するので、支持基板の形状によって
所望の周波数特性に設定可能でり、コリオリ力による出
力を感度良く検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】音叉の振動を説明するための図である。

【図２】音叉にｆｘモード振動を起こすための電極構成
を説明するための図である。

【図３】音叉に発生したｆｙモード振動を検出するため
の電極構成を説明するための図である。

【図４】ｆｘモード振動の共振周波数とｆｙモード振動
の反共振周波数とを一致させるための周波数調整を説明
するための図である。

【図５】本発明の原理を説明するための図である。

【図６】本発明のコーナートリミングによる機械的結合
の変化を示す図である。

【図７】本発明のトリミング位置と効率を示した図であ
る。

【図８】本発明の一実施例の音叉形振動ジャイロの斜視
図である。

【図９】音叉の振動を示す波形図である。

【図１０】本発明の一実施例で用いる電極構成を示す図
である。

【図１１】音叉と支持基板との接合部分を示す図であ
る。

【図１２】図８に示すジャイロの側面図である。

【図１３】振動モードによる支持基板の種類による影響
の際を示す図である。

【図１４】ｆｙモード振動の反共振周波数の第１の調整
方法を示す図である。

【図１５】支持基板長と共振周波数との関係を示すグラ
フである。

【図１６】支持基板長と共振抵抗との関係を示すグラフ
である。

【図１７】ｆｙモード振動の反共振周波数の第２の調整
方法を示す図である。

【図１８】ｆｙモード振動の反共振周波数の第３の調整
方法を示す図である。

【図１９】本発明に一実施例において、溝を形成した効
果を示すグラフである。

【図２０】図８に示すジャイロの特性を測定するための
測定系を示すブロック図である。

【図２１】図２０に示す測定系で測定した測定結果を示
す図である。

【図２２】図８に示すジャイロを用いたセンサシステム
の検出回路を示す回路図である。

【図２３】図８に示すジャイロの特性を測定するための
測定系を示す図である。

【符号の説明】

１０音叉１２アーム１４アーム１６底部１８支持基板５２溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者若月昇神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者小野正明神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者高橋芳孝神奈川県秦野市室町２番44号東和エレクトロン株式会社内 (72)発明者菊地一二神奈川県秦野市室町２番44号東和エレクトロン株式会社内 (72)発明者山内基神奈川県秦野市室町２番44号東和エレクトロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２のアームを含む音叉を有す
る音叉形振動ジャイロであって、該ジャイロの駆動側振動の共振周波数と検出側振動の反
共振周波数とが一致もしくはほぼ等しい場合に発生しう
る機械的結合を除去するための溝を、少なくとも前記第
１のアームの長手方向所定範囲内のコーナー部分に具備
することを特徴とする音叉形振動ジャイロ。
【請求項２】前記溝は、前記第１のアームの根元から
長手方向中央部の範囲内に位置することを特徴とする請
求項１記載の音叉形振動ジャイロ。
【請求項３】前記第１のアームは、その根元に近接す
る部分に位置する第１の溝と、該第１の溝よりも第１の
アームの先端側に近い位置にある第２の溝を有し、前記機械的結合の除去の粗調整を前記第１の溝で行い、
微調整を前記第２の溝で行うことを特徴とする請求項１
記載の音叉形振動ジャイロ。
【請求項４】前記第１のアームの溝は、その断面対角
線方向で向かい合うコーナー部分に設けられていること
を特徴とする請求項１記載の音叉形振動ジャイロ。
【請求項５】前記第２のアームは、前記ジャイロの駆
動側振動の共振周波数と前記検出側振動の反共振周波数
とが一致もしくはほぼ等しい場合に発生しうる機械的結
合を除去するために、コーナー部分に溝を具備すること
を特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項記載の音
叉形振動ジャイロ。
【請求項６】前記第２のアームに設けられた溝は、そ
の根元から長手方向中央部の範囲内に位置することを特
徴とする請求項５記載の音叉形振動ジャイロ。
【請求項７】前記第２のアームの溝は、その断面対角
線方向で向かい合うコーナー部分に設けられていること
を特徴とする請求項５又は６記載の音叉形振動ジャイ
ロ。
【請求項８】前記音叉形振動ジャイロは、前記音叉の
底部に取り付けられた支持基板を有することを特徴とす
る請求項１ないし７のいずれか一項記載の音叉形振動ジ
ャイロ。
【請求項９】前記音叉は圧電体を含むことを特徴とす
る請求項１ないし８のいずれか一項記載の音叉形振動ジ
ャイロ。
【請求項１０】前記音叉はＬｉＴａＯ₃又はＬｉＮｂ
Ｏ₃の単結晶を含むことを特徴とする請求項１ないし９
のいずれか一項記載の音叉形振動ジャイロ。
【請求項１１】前記音叉形振動ジャイロと、前記駆動側振動の共振周波数で発振する発振回路と、前記検出側振動に相当する電気信号を検出する検出回路
とを有することを特徴とする請求項１ないし１０のいず
れか一項記載の音叉形振動ジャイロを用いたセンサシス
テム。
【請求項１２】第１及び第２のアームを含む音叉を有
する音叉形振動ジャイロであって、該ジャイロの駆動側振動の共振周波数と前記検出側振動
の反共振周波数とが一致もしくはほぼ等しい場合に発生
しうる機械的結合を除去するために、少なくとも前記第
１のアームの長手方向所定範囲内のコーナー部分に溝を
設けることを特徴とする音叉形振動ジャイロの調整方
法。
【請求項１３】前記音叉はＬｉＴａＯ₃又はＬｉＮｂ
Ｏ₃の単結晶を含むことを特徴とする請求項１２記載の
音叉形振動ジャイロの調整方法。