JPH11248465A

JPH11248465A - 振動子、振動型ジャイロスコープおよび回転角速度の測定方法

Info

Publication number: JPH11248465A
Application number: JP10069254A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行; Shiyousaku Gouji; 庄作郷治; Yukihisa Osugi; 幸久大杉; Takao Soma; 隆雄相馬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-09-17
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: JP3751745B2

Abstract

(57)【要約】【課題】新しい原理によって、回転系の回転角速度を検
出するのに使用できる振動子および振動型ジャイロスコ
ープを提供することである。【解決手段】振動子１Ａは、所定面内に延び、少なくと
も第一の振動系３Ａ、３Ｂと第二の振動系６Ａ、６Ｂ、
６Ｃ、６Ｄとを備えている。第一の振動系３Ａ、３Ｂの
各振動の重心が、所定面内で振動する面内振動成分ＡＸ
を含んでいる。第二の振動系の各振動の重心が、所定面
に対して垂直な方向に振動する面垂直振動成分を含んで
いる。この振動子を使用し、第一の振動系と前記第二の
振動系との一方に駆動振動を励振し、この駆動振動に応
じて振動子に励起される検出振動のうち、第一の振動系
と第二の振動系との他方に現れる振動成分を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転系内の回転角
速度を検出するために使用される角速度センサに用いら
れる振動子、振動型ジャイロスコープおよび回転角速度
の測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、回転系内の回転角速度を検出
するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型
ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位
置の確認用として利用されてきた。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。

【０００３】このような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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の振動子
においては、感度は必ずしも高くなかった。また、駆動
振動に付随して発生する種々のノイズの中に検出振動が
含まれてしまい、検出振動の振幅の寄与を検出信号から
正確に分離することが困難であり、この観点からも感度
が低く、また信号／雑音比率が低かった。

【０００５】本発明の課題は、新しい原理によって、回
転系の回転角速度を検出するのに使用できる振動子およ
び振動型ジャイロスコープを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定面内に延
びる振動子であって、この振動子が少なくとも第一の振
動系と第二の振動系とを備えており、各第一の振動系の
振動の重心が所定面内で振動する面内振動成分を含んで
おり、各第二の振動系の振動の重心が所定面に対して垂
直な方向に振動する面垂直振動成分を含んでいることを
特徴とする。

【０００７】また、本発明は、所定面に平行に延びる回
転軸を中心とする回転成分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、前記の振動子を備
えており、第一の振動系と第二の振動系との一方に設け
られている励振手段と、第一の振動系と第二の振動系と
の他方に設けられている検出手段とを備えていることを
特徴とする。

【０００８】また、本発明は、所定面に平行に延びる回
転軸を中心とする回転成分の回転角速度を検出する方法
であって、前記の振動子を使用し、第一の振動系と第二
の振動系との一方に駆動振動を励振し、この駆動振動に
応じて振動子に励起される検出振動のうち、第一の振動
系と第二の振動系との他方に現れる振動成分を検出する
ことを特徴とする。

【０００９】本発明者は、振動型ジャイロスコープに使
用できる振動子の振動原理について基礎研究を行ってき
たが、この過程で、新しい原理に基づく振動子および振
動型ジャイロスコープを開発することに成功した。この
点について、図１−図３の一実施形態を参照しつつ、説
明する。

【００１０】図１は、本発明の一実施形態に係る圧電単
結晶製の振動子１Ａを備えた振動型ジャイロスコープ
を、概略的に示す斜視図である。図２（ａ）は、検出電
極の形態を示す回路図であり、図２（ｂ）は、駆動電極
の形態を示す回路図であり、図３は、振動子１Ａの検出
振動の形態を示す斜視図である。

【００１１】ここで、Ｏは、Ｚ軸と振動子の所定面との
交点であり、ＧＯは振動子の全体の重心（非振動時）で
あり、ＧＤは駆動振動系の振動の全体の重心である。

【００１２】振動子１Ａの基部２Ａは、振動子の重心Ｇ
Ｏを中心として、例えば２回対称の長方形をしている。
基部２Ａの周縁部から、二つの第一の振動系３Ａ、３Ｂ
（本例では駆動振動系）が突出している。各振動系３
Ａ、３Ｂとは垂直な方向に向かって、四つの第二の振動
系６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ（本例では検出振動系）が突
出している。各振動系は互いに分離されており、基部２
Ａを介して連結されている。

【００１３】駆動振動系３Ａ、３Ｂは、基部１Ａの周縁
部から突出する支持部５と、支持部５の先端側から支持
部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４
Ｃ、４Ｄを備えている。検出振動系６Ａ−６Ｄは、それ
ぞれ屈曲振動片からなる。

【００１４】屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、図２（ａ）に
示すような検出電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが設けられ
ており、各検出電極は検出端子に接続されている。屈曲
振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄには、それぞれ、図２
（ｂ）に示すような駆動電極７Ａ、７Ｂが設けられてお
り、これらは交流電源に接続されている。

【００１５】各駆動電極７Ａ、７Ｂに交流電圧を印加
し、振動子１Ａの各屈曲振動片に、Ｘ軸方向の振動ＡＸ
を励振する。ここで、駆動振動系３Ａにおける振動と、
駆動振動系３Ｂにおける振動とが逆相になるようにす
る。この状態で、振動子１Ａを、ΩＹで示すようにＹ軸
を中心として回転させると、図３に示すように、各屈曲
振動片に、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対
応して、各屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、Ｚ軸方向の検出
振動ＣＺが励振される。屈曲振動片６Ａ、６Ｂにおける
振動と、屈曲振動片６Ｃ、６Ｄにおける振動とは、逆相
になる。各屈曲振動片による歪みを、検出電極６Ａ−６
Ｄによって検出する。

【００１６】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。本発明によれば、このよう
な、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。

【００１７】本発明においては、振動子が所定面内に延
びているが、これは厳密に幾何学的意味で所定面内に延
びていることを言うものではなく、本技術分野において
常識的な値、即ち、厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振
動子が形成されていることを意味する。

【００１８】第一の振動系は、好ましくは、基部から突
出する支持部と、この支持部に対して交差する方向に向
かって延びる屈曲振動片とを備えている。この場合、交
差角度は、４５°〜１３５°とすることが好ましく、７
０−１００゜が特に好ましく、垂直が一層好ましい。こ
の角度が変化すると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄの振動の
振動モードの固有共振周波数は、若干変化する。

【００１９】本発明の振動子は、少なくとも所定面に沿
って延びる回転軸、即ちＸ軸またはＹ軸を中心として回
転させるのに使用できる。

【００２０】特に好ましくは、第一の振動系３Ａ、３Ｂ
が複数設けられており、各Ｘ軸振動系が、振動子の重心
ＧＯを中心として互いに回転対称の位置に設けられてい
る。例えば、図１においては、第一の振動系３Ａと３Ｂ
とは、振動子の重心ＧＯを中心として２回対称である。

【００２１】ここで、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。図１においては、第一の振動系３
Ａと３Ｂとは、１８０°離れているので、振動系３Ａを
１８０°回転させる操作を行うと、振動系３Ｂの位置に
くる。

【００２２】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。

【００２３】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１においては、検
出振動系６Ａと６Ｄ、６Ｂと６Ｃとは、それぞれ、重心
ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。

【００２４】また、特に駆動振動系（好ましくは第一の
振動系３Ａ、３Ｂ）の振動の全体の重心ＧＤが、重心Ｇ
Ｏ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（好ましくは第二の振動系６Ａ−６Ｄ）
への影響を抑制できる。これは、各駆動振動系３Ａと３
Ｂとの振動成分が、相殺し合うことを意味している。

【００２５】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。

【００２６】本発明者は、図１−図３の振動子につい
て、駆動振動および検出振動モードが振動子の全体に及
ぼす影響を調べるため、有限要素法による固有モード解
析を実施した。振動子１Ａを水晶によって作製し、振動
子の各点の振動の振幅を、最大振動振幅点に対する比率
の分布として求めた。

【００２７】図４には、振動子の各点の駆動振動モード
における最大振動時の振幅の相対比率を示し、図５に
は、振動子の各点の検出振動モードにおける最大振動時
の振幅の相対比率を示している。図４および図５におい
て、それぞれ色の異なる領域は、各別に異なる最大振動
振幅点との比率の領域を示す。橙色の部分が、振幅が最
小の領域となる。

【００２８】図４によると、各支持部５の基部２Ａに対
する接続部分の近辺では、各駆動振動系の振動に伴って
引っ張り応力が加わり、変形が見られる。しかし、この
変形の影響は、各駆動振動系３Ａと３Ｂとが、重心ＧＯ
を中心として２回対称の位置に配置されていることか
ら、基部内において互いに相殺し合う。このため、基部
の中心Ｏ付近、そして駆動振動系に挟まれた検出振動系
６Ａ−６Ｄにおいては、駆動振動による影響が見られな
くなっている。

【００２９】図５によると、各駆動振動系３Ａと３Ｂと
から基部２Ａに加わる影響が相殺し合っている。しか
も、各検出振動系６Ａ−６Ｄから基部２Ａに加わる影響
も、各検出振動系が、それぞれ重心ＧＯを中心として２
回対称の位置に配置されていることから、基部２Ａ内に
おいて互いに相殺し合う。

【００３０】これらの結果、図１において、基部２Ａの
中心を含む広範な領域９Ａ内において、駆動振動および
検出振動による影響が見られなくなっている。

【００３１】本発明の好適例においては、検出振動の幅
が最小の領域内において（更に好ましくは駆動振動の幅
が最小の領域内において）、振動子を支持し、固定す
る。これによって、コリオリの力により発生する検出振
動を減衰させることなく効果的に発生させることがで
き、検出振動のＱ値が高くなり、感度を上昇させること
ができる。コリオリの力により発生する検出振動は、振
動が小さいため、感度を上昇させるためには、検出振動
の振幅が最小の領域内で振動子を支持することが、特に
効果的である。

【００３２】そして、本例では、図３、図４から、駆動
振動の振幅が最小の領域と検出振動の振幅が最小の領域
とが、図１に示すように、基部２Ａ内の広範な領域９Ａ
に存在していることが判明しているので、この領域９Ａ
内を支持し、固定する。また、一般的には、振動子の重
心ＧＯの近傍領域９Ｂ内を支持する。

【００３３】この際、振動子を支持する具体的方法につ
いては特に限定せず、あらゆる支持方法、固定方法を採
用できる。例えば、圧電材料の接着方法として公知のあ
らゆる接着方法を使用できる。その一例として、領域９
Ａ、９Ｂ内に所定の支持孔を設け、支持孔内に、何らか
の支持具を挿入して振動子を固定できる。例えば、振動
子を支持するための治具から支持具を突出させ、支持具
を支持孔内に挿入し、固定できる。支持具を支持孔中に
挿入し、固定する際には、支持具の表面にメタライズ層
を設け、および／または支持孔の内周面にメタライズ層
を設け、次いで支持具と支持孔の内周面とをハンダ付け
又はロウ付けする。あるいは、支持具と支持孔との間に
樹脂を配することにより、振動子を固定できる。

【００３４】この支持孔は、振動子を貫通していてもよ
く、また振動子を貫通していなくともよい。支持孔が、
振動子を貫通する貫通孔である場合には、支持孔に支持
具を貫通させることもできるが、支持具を貫通させなく
ともよい。

【００３５】また、振動子に支持孔を設けない場合に
は、振動子の領域９Ａ、９Ｂの表面および／または裏面
に、支持具をハンダ付けしたり、あるいは樹脂によって
接着できる。

【００３６】また、本例の振動子および振動型ジャイロ
スコープにおいては、図４、図５におけるように、駆動
振動時の振動子の微小変位部分内に振動子の重心ＧＯが
位置している。ここで、駆動振動時の振動子の微小変位
部分とは、駆動振動時の最大振幅の１／１０００以下の
振幅を有する部分を言う。

【００３７】本発明の振動型ジャイロスコープにおいて
は、第一の振動系と第二の振動系との一方を振動させ、
ここで、振動子が回転していないときには、第一の振動
系と第二の振動系との他方が実質的に振動しないことが
好ましい。振動系が実質的に振動しないとは、例えば駆
動振動を励起したときの検出振動系の振動の振幅が、駆
動振動の最大振幅の１０００分の１以下である場合を含
む。

【００３８】本発明の振動子の材質等について述べる。
本発明の振動子の全体を、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好ましい。

【００３９】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。

【００４０】なお、このように突起などが振動子に存在
する場合には、エッチング加工後に、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、調整できる。これによって、環状振
動系の重心、屈曲振動片の重心、駆動振動の重心、検出
振動の重心の各位置を調整し、これらが、振動子の全体
の重心ＧＯの近傍領域内に位置するようにできる。

【００４１】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。

【００４２】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。また、ＬｉＮｂＯ₃単結晶とＬｉＴａＯ₃単結
晶とを比較すると、ＬｉＴａＯ₃単結晶の方がＬｉＮｂ
Ｏ₃単結晶よりも電気機械的結合係数が一層大きく、か
つ温度安定性も一層良好である。

【００４３】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、ＰＺ
Ｔ等の圧電セラミックスがある。

【００４４】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圧電体を取り付ける必要があ
る。

【００４５】本発明の振動子は、圧電材料や恒弾性合金
の他に、シリコンマイクロマシンにおいて使用されるよ
うに、シリコン半導体プロセスによって形成することも
できる。この場合には、振動子を駆動する際には、静電
力等を利用する。

【００４６】具体的には静電検出電極を利用できる。ま
た、静電検出電極のかわりに、特定の金属がドープされ
た半導体ドーピング領域を設け、この半導体ドーピング
領域によってピエゾ抵抗素子を構成できる。この場合に
は、振動子が回転するときに、各屈曲振動片の各ピエゾ
抵抗素子に加わる応力による抵抗値の変化を測定し、回
転角速度の指標として検出する。

【００４７】本発明の振動子は、前記した基部、第一の
振動系、第二の振動系とは別体の固定辺部を設け、この
固定辺部を支持することができる。例えば、図６の振動
子１Ｂにおいては、基部２Ａのうち、第二の振動系の屈
曲振動片６Ａと６Ｃとの間、および屈曲振動片６Ｂと６
Ｄとの間に、それぞれ突出部１８を設け、各突出部１８
を、それぞれ固定辺部１２に対して接続している。こう
した突出部および固定辺部は、後述する図７−図１１の
ような各振動子に対して適用することもできる。

【００４８】本発明の好適な形態においては、図１に示
すように、振動子が基部を備えており、基部内に振動子
の重心が位置しており、第一の振動系と第二の振動系と
の一方または双方が基部の周縁部から延びている。ま
た、本発明の他の好適な形態においては、例えば図７に
示すように、振動子が枠部を備えており、枠部の内側に
中空部が形成されており、枠部の内側に第一の振動系と
第二の振動系との一方または双方が延びている。

【００４９】振動子１Ｃにおいては、枠部１５の内側に
中空部１７が形成されており、枠部１５の内側へと向か
って、各振動系が突出している。中空部１７内に振動子
の重心ＧＯ、駆動振動系の振動の重心ＧＤがある。

【００５０】枠部１５の内側から、二つの第一の振動系
３Ｅ、３Ｆが突出している。駆動振動系３Ｅ、３Ｆは、
枠部の内側周縁から突出する支持部５と、支持部５の先
端側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４
Ｉ、４Ｊ、４Ｋ、４Ｌを備えている。各屈曲振動片４Ｉ
−４Ｌの駆動振動の方向とは垂直な方向に向かって、四
つの第二の振動系６Ｉ、６Ｊ、６Ｋ、６Ｌが突出してい
る。第二の振動系は、それぞれ屈曲振動片からなる。各
振動系は互いに分離されており、枠部１５を介して連結
されている。

【００５１】駆動振動系の各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌに、
Ｘ軸方向の駆動振動ＡＸを励振する。ここで、駆動振動
系３Ｅにおける振動と、駆動振動系３Ｆにおける振動と
が、逆相になるようにする。この状態で、振動子１Ｃ
を、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転させると、
各屈曲振動片４Ｉ−４Ｌに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起
される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｉ−６Ｌに
は、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。

【００５２】本発明の振動型ジャイロスコープの一実施
形態においては、第一の振動系が、Ｘ軸振動系とＹ軸振
動系を含んでおり、Ｘ軸振動系が、所定面内に延びるＸ
軸方向に振動する振動成分を含んでおり、Ｙ軸振動系
が、所定面内に延び、Ｘ軸に直交するＹ軸方向に振動す
る振動成分を含んでいる。この場合には、Ｘ軸を中心と
する回転角速度を検出するために、Ｙ軸振動系の振動と
第二の振動系の面垂直振動成分との関係を利用し、Ｙ軸
を中心とする回転角速度を検出するために、Ｘ軸振動系
の振動と第二の振動系の面垂直振動成分との関係を利用
できる。図８、図１０−図１１は、この実施形態を実現
するものである。

【００５３】図８の振動子１Ｄの基部２Ｂは、円板形状
をしている。基部２Ｂの周縁部から、４つの第一の振動
系３Ａ−３Ｄ（本例では駆動振動系）が突出している。
各第一の振動系の間に、四つの第二の振動系６Ｅ、６
Ｆ、６Ｇ、６Ｈ（本例では検出振動系）が突出してい
る。各振動系は互いに分離されており、基部２Ｂを介し
て連結されている。

【００５４】駆動振動系３Ａ−３Ｄは、それぞれ、基部
２Ｂの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端
側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４Ａ
−４Ｈを備えている。各検出振動系６Ｅ−６Ｈは、それ
ぞれ屈曲振動片からなる。

【００５５】Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角速度を
検出するときには、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｘ軸方
向の振動ＡＸを励振する。即ち、駆動振動系３Ａ、３Ｂ
は、Ｘ軸振動系として使用する。駆動振動系３Ａにおけ
る振動と、駆動振動系３Ｂにおける振動とが、逆相にな
るようにし、駆動振動の重心ＧＤが、振動子の重心ＧＯ
の近傍領域９Ｂ内に位置するようにする。この状態で、
振動子１Ｄを、ΩＹで示すようにＹ軸を中心として回転
させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動
ＢＺが励起される。これに対応して、各屈曲振動片６Ｅ
−６Ｈには、Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。

【００５６】Ｘ軸を中心とする回転成分の回転角速度を
検出するときには、各屈曲振動片４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４
Ｈにおいて、Ｙ軸方向の振動ＡＹを励振する。即ち、駆
動振動系３Ｃ、３Ｄは、Ｙ軸振動系として使用する。駆
動振動系３Ｃにおける振動と、駆動振動系３Ｄにおける
振動とが、逆相になるようにし、駆動振動の重心ＧＤ
が、振動子の重心ＧＯの近傍領域に位置するようにす
る。この状態で、振動子１Ｄを、ΩＸで示すようにＸ軸
を中心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄ
に、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに対応し
て、各屈曲振動片６Ｅ−６Ｈには、Ｚ軸方向の検出振動
ＣＺが励振される。

【００５７】本発明の一実施形態においては、振動子が
第三の振動系を備えており、第三の振動系の振動の重心
が、所定面内で振動する面内振動成分を含んでいる。こ
の振動子を使用すると、第一の振動系の面内振動成分と
第三の振動系の面内振動成分との関係を利用し、Ｚ軸を
中心とする回転角速度を検出できる。ここで、振動子が
回転していないときには、第三の振動系が実質的に振動
しない。振動系が実質的に振動しないとは、第三の振動
の振幅が、駆動振動の最大振幅の１０００分の１以下で
ある場合を含む。

【００５８】図９に示す振動子１Ｅは、この実施形態に
係るものである。ただし、振動子１Ｅにおいて、第一の
振動系３Ａ、３Ｂ、第二の振動系６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６
Ｄの形態およびその動作は、図１に示したものと同様で
ある。振動子１Ｅにおいては、振動系６Ａと６Ｃとの間
に、第三の振動系１０Ａが突出しており、各振動系６Ｂ
と６Ｄとの間に、第三の振動系１０Ｂが突出している。

【００５９】Ｙ軸を中心とする回転成分ΩＹの回転角速
度は、前述のようにして測定する。また、振動子１Ｅ
を、ΩＺで示すようにＺ軸を中心として回転させると、
各屈曲振動片４Ａ−４Ｄには、Ｘ軸およびＺ軸の双方に
対して垂直な方向のコリオリ力が作用し、これによって
支持部５に対して矢印ＤＹで示すような屈曲振動が励振
される。これに対応して、各屈曲振動片１０Ａ、１０Ｂ
には、Ｘ軸方向の検出振動ＥＸが励振される。

【００６０】図１０の振動子１Ｆにおいては、基部２Ａ
の周縁部の各辺の中央部から、四つの振動系３Ｇ、３
Ｈ、３Ｉ、３Ｊ（１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ）が
突出している。振動系３Ｉ、３Ｊの各支持部５と平行
に、これらと同じ辺から、四つの屈曲振動片６Ａ、６
Ｂ、６Ｃ、６Ｄが突出しており、それぞれ第二の振動系
を構成している。振動系３Ｇ、３Ｈの支持部５と平行
に、これらと同じ辺から、四つの屈曲振動片６Ｎ、６
Ｐ、６Ｑ、６Ｒが突出しており、それぞれ第二の振動系
を構成している。各振動系は互いに分離されており、基
部２Ａを介して連結されている。

【００６１】各振動系３Ｇ、３Ｈ、３Ｉ、３Ｊは、基部
１Ａの周縁部から突出する支持部５と、支持部５の先端
側から支持部５に直交する方向に延びる屈曲振動片４
Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｎ、４Ｐ、４Ｑ、４Ｒを備え
ている。

【００６２】振動系３Ｇ、３Ｈを駆動振動系（Ｘ軸振動
系）として使用し、振動系６Ａ−６ＤをΩＹの検出振動
系（第二の振動系）として使用し、振動系１０Ｃ、１０
ＤをΩＺの検出振動系（第三の検出振動系）として使用
することによって、Ｙ軸を中心とする回転成分の回転角
速度と、Ｚ軸を中心とする回転成分の回転角速度を測定
できる。

【００６３】即ち、Ｘ軸振動系３Ｇ、３Ｈの各屈曲振動
片４Ａ−４Ｄに、Ｘ軸方向の駆動振動ＡＸを励振する。
この際、第三の振動系１０Ｃ、１０Ｄは、回転していな
いときには、実質的に振動しないようにする。この状態
で、振動子１Ｆを、Ｙ軸を中心として回転させると、各
屈曲振動片４Ａ−４Ｄに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起さ
れる。これに対応して、各屈曲振動片６Ａ−６Ｄには、
Ｚ軸方向の検出振動ＣＺが励振される。

【００６４】振動子１Ｆを、ΩＺで示すようにＺ軸を中
心として回転させると、各屈曲振動片４Ａ−４Ｄには、
Ｘ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力
が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＹで示
すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各第
三の振動系１０Ｃ、１０Ｄの各支持部５には、Ｘ軸方向
の検出振動ＥＸが励振される。

【００６５】また、図１１に示すように、振動系３Ｉ、
３Ｊを駆動振動系（Ｙ軸振動系）として使用し、振動系
６Ｎ−６ＲをΩＹの検出振動系（第二の振動系）として
使用し、振動系１０Ｅ、１０ＦをΩＺの検出振動系（第
三の検出振動系）として使用することによって、Ｘ軸を
中心とする回転成分の回転角速度と、Ｚ軸を中心とする
回転成分の回転角速度を測定できる。

【００６６】即ち、Ｙ軸振動系３Ｉ、３Ｊの各屈曲振動
片４Ｎ−４Ｒに、Ｙ軸方向の駆動振動ＡＹを励振する。
この際、第三の振動系１０Ｅ、１０Ｆは、回転していな
いときには、実質的に振動しないようにする。振動子１
Ｆを、Ｘ軸を中心として回転させると、各屈曲振動片４
Ｎ−４Ｒに、Ｚ軸方向の振動ＢＺが励起される。これに
対応して、各屈曲振動片６Ｎ−６Ｒには、Ｚ軸方向の検
出振動ＣＺが励振される。

【００６７】振動子１Ｆを、ΩＺで示すようにＺ軸を中
心として回転させると、各屈曲振動片４Ｎ−４Ｒには、
Ｙ軸およびＺ軸の双方に対して垂直な方向のコリオリ力
が作用し、これによって支持部５に対して矢印ＤＸで示
すような屈曲振動が励振される。これに対応して、各第
三の振動系１０Ｅ、１０Ｆの各支持部５には、Ｙ軸方向
の検出振動ＥＹが励振される。

【００６８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、新
しい原理によって回転系の回転角速度を検出するのに使
用できる振動子および振動型ジャイロスコープを提供で
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１Ａを示す斜
視図である。

【図２】（ａ）は、振動子１Ａにおいて、検出電極およ
び検出回路の構成を模式的に示す回路図であり、（ｂ）
は、駆動電極および駆動回路の構成を模式的に示す回路
図である。

【図３】振動子１Ａの検出振動の形態を示す斜視図であ
る。

【図４】振動子１Ａの各点の駆動振動モードにおける最
大振動時の振幅の相対比率を示す。

【図５】振動子１Ａの各点の検出振動モードにおける最
大振動時の振幅の相対比率を示す。

【図６】本発明の他の実施形態に係る振動子１Ｂを示す
斜視図である。

【図７】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｃを
示す斜視図であり、枠部１５の内側の中空部に、第一の
振動系と第二の振動系とが設けられている。

【図８】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｄを
示す斜視図であり、第一の振動系としてＸ軸振動系とＹ
軸振動系とが含まれている。

【図９】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｅを
示す斜視図であり、第一の振動系、第二の振動系および
第三の振動系を備えている。

【図１０】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｆ
を示す斜視図であり、Ｙ軸を中心とする回転成分の回転
角速度およびＺ軸を中心とする回転成分の回転角速度と
を測定する。

【図１１】本発明の更に他の実施形態に係る振動子１Ｆ
を示す斜視図であり、Ｘ軸を中心とする回転成分の回転
角速度およびＺ軸を中心とする回転成分の回転角速度と
を測定する。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ振動子２
Ａ基部３Ａ、３Ｂ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈ第一の
振動系（Ｘ軸振動系）３Ｃ、３Ｄ、３Ｉ、３Ｊ第一の振動系（Ｙ軸振動系）
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｉ、４Ｊ、４Ｋ、４
Ｌ屈曲振動片（Ｘ軸方向に振動する）４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈ、４Ｎ、４Ｐ、４Ｑ、４Ｒ屈
曲振動片（Ｙ軸方向に振動する）５支持部
６Ａ−６Ｒ屈曲振動片（第二の振動系）１０Ａ−１０Ｆ第三の振動系ＡＸ（Ｘ軸方向
の駆動振動）ＡＹ（Ｙ軸方向の駆動振動）
ＢＺ駆動振動系においてＺ軸方向に励振される振動
ＣＺ検出振動系において、Ｚ軸方向に励振され
る検出振動ＤＸＺ軸を中心とする回転成分によって、駆動振動系
に励振されるＸ軸方向の振動ＤＹＺ軸を中心と
する回転成分によって、駆動振動系に励振されるＹ軸方
向の振動ＥＸＺ軸を中心とする回転成分によっ
て、検出振動系に励振されるＸ軸方向の検出振動
ＥＹＺ軸を中心とする回転成分によって、検出振動系
に励振されるＹ軸方向の検出振動

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相馬隆雄愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定面内に延びる振動子であって、この振
動子が少なくとも第一の振動系と第二の振動系とを備え
ており、前記各第一の振動系の振動の重心が前記所定面
内で振動する面内振動成分を含んでおり、前記各第二の
振動系の振動の重心が前記所定面に対して垂直な方向に
振動する面垂直振動成分を含んでいることを特徴とす
る、振動子。
【請求項２】前記振動子が、少なくとも前記所定面に平
行に延びる回転軸を中心として回転するものであること
を特徴とする、請求項１記載の振動子。
【請求項３】前記振動子が基部を備えており、この基部
内に前記振動子の重心が位置しており、前記第一の振動
系と前記第二の振動系との少なくとも一方が前記基部の
周縁部から延びていることを特徴とする、請求項１また
は２記載の振動子。
【請求項４】前記振動子が枠部を備えており、この枠部
の内側に中空部が形成されており、前記枠部の内側に前
記第一の振動系と前記第二の振動系との少なくとも一方
が延びていることを特徴とする、請求項１−３のいずれ
か一つの請求項に記載の振動子。
【請求項５】前記第一の振動系が複数設けられており、
これらの各第一の振動系が、前記振動子の重心を中心と
して互いに回転対称の位置に設けられていることを特徴
とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の
振動子。
【請求項６】前記第一の振動系が、Ｘ軸振動系とＹ軸振
動系を含んでおり、前記Ｘ軸振動系が、前記所定面内に
延びるＸ軸方向に振動する振動成分を含んでおり、前記
Ｙ軸振動系が、前記所定面内に延び、前記Ｘ軸に直交す
るＹ軸方向に振動する振動成分を含んでいることを特徴
とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の
振動子。
【請求項７】前記Ｘ軸振動系が複数設けられており、こ
れらの各Ｘ軸振動系が、前記振動子の重心を中心として
互いに回転対称の位置に設けられており、前記Ｙ軸振動
系が複数設けられており、これらの各Ｙ軸振動系が、前
記振動子の重心を中心として互いに回転対称の位置に設
けられていることを特徴とする、請求項６記載の振動
子。
【請求項８】すべての前記第一の振動系の振動の全体の
重心が前記振動子の重心の近傍領域内にあることを特徴
とする、請求項１−７のいずれか一つの請求項に記載の
振動子。
【請求項９】前記第一の振動系が、前記基部から突出す
る支持部と、この支持部に対して交差する方向に向かっ
て延びる屈曲振動片とを備えていることを特徴とする、
請求項１−８のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項１０】前記振動子が第三の振動系を備えてお
り、各第三の振動系の振動の重心が前記所定面内で振動
する面内振動成分を含んでおり、前記振動子が回転して
いないときには、前記前記第三の振動系が実質的に振動
しないことを特徴とする、請求項１−９のいずれか一つ
の請求項に記載の振動子。
【請求項１１】前記所定面に平行に延びる回転軸を中心
とする回転成分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、請求項１−１０のいずれか一
つの請求項に記載の振動子を備えており、前記第一の振
動系と前記第二の振動系との一方に設けられている励振
手段と、前記第一の振動系と前記第二の振動系との他方
に設けられている検出手段と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１２】前記第一の振動系と前記第二の振動系と
の一方が振動しており、かつ振動子が回転していないと
きには、前記第一の振動系と前記第二の振動系との他方
が実質的に振動しないことを特徴とする、請求項１１記
載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項１３】前記振動子が、請求項６記載の振動子で
あり、前記Ｘ軸を中心とする回転角速度を検出するため
に、前記Ｙ軸振動系の振動と前記第二の振動系の面垂直
振動成分との関係を利用し、前記振動子の前記Ｙ軸を中
心とする回転角速度を検出するために、前記Ｘ軸振動系
の振動と前記第二の振動系の面垂直振動成分との関係を
利用することを特徴とする、請求項１１または１２記載
の振動型ジャイロスコープ。
【請求項１４】前記振動子が、請求項１０記載の振動子
であり、前記所定面に垂直に延びるＺ軸を中心とする回
転角速度を検出するために、前記振動子の前記第一の振
動系の面内振動成分と前記第三の振動系の面内振動成分
との関係を利用することを特徴とする、請求項１１−１
３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１５】前記振動子の検出モードにおける最小振
幅領域内で前記振動子を支持する支持部材を備えている
ことを特徴とする、請求項１１−１４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１６】前記振動子の駆動モードにおける最小振
幅領域内で前記振動子を支持する支持部材を備えている
ことを特徴とする、請求項１−１５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１７】前記所定面に平行に延びる回転軸を中心
とする回転成分の回転角速度を検出する方法であって、
請求項１−１０のいずれか一つの請求項に記載の振動子
を使用し、前記第一の振動系と前記第二の振動系との一
方に駆動振動を励振し、この駆動振動に応じて前記振動
子に励起される検出振動のうち、前記第一の振動系と前
記第二の振動系との他方に現れる振動成分を検出するこ
とを特徴とする、回転角速度の検出方法。