JP2008082730A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】診断電極に十分に広い面積を割り当てられ、駆動電極など診断電極以外の電極の割り当て面積に影響を及ぼさない、振動子の故障診断が可能な６脚型振動子付の振動ジャイロの提供。
【解決手段】６脚型の音叉型圧電振動子１の非励振駆動中央脚５ｃは、振動子１が正常であるときは、振動しない。しかし、一対の駆動電極の内の一方にクラックができるといった故障が生じると、一対の駆動電極の面内振動が不均衡となり、中央脚５ｃが振動する。この中央脚５ｃの振動の大きさは一対の駆動電極の面内振動の不均衡の度合、ひいては故障の度合を表す。中央脚５ｃに診断電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを設け、ピエゾ効果による電圧を取り出し、中央脚５ｃの振動の大きさを検出し、故障診断を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動脚および検出脚を備える矩形板状の音叉型圧電振動子を振動子とし、駆動信号により矩形板の面内方向に駆動脚を振動させているときに角速度入力があると、角速度に応じたコリオリ力によりその面内方向振動に直交する面外方向に駆動脚が振動し、この面外方向信号が検出脚に伝わることを利用し、検出脚の面外方向振動に基づき角速度を検出する振動ジャイロに関し、特に、駆動脚におけるクラック等の物理的異常や駆動電極における欠損や一部断線等の異常が生じたとき、駆動脚における異常を表す信号を外部に出力できるようにした振動ジャイロに関する。

駆動脚、検出脚といった多脚を有するこの種の音叉型振動ジャイロは、特許文献１に記載されている。特許文献１には、駆動脚および検出脚を胴体部で結合してなり、駆動脚および検出脚がそれぞれ３本の脚でなる６脚型の音叉型振動子を備える振動ジャイロが提案されている。特許文献１に記載の音叉型振動ジャイロの基本構造及びその作動を、図８を参照して説明する。図８（ａ）は音叉型振動ジャイロに対する回転の入力がないときの振動子の状態を表し、図８（ｂ）は音叉型振動ジャイロに対し回転の入力があるときの振動子の状態を表す。図において、５ａ，５ｂは駆動脚（特許文献１における励振用駆動側アーム）、６ａ，６ｂは検出脚（特許文献１における振動用検出側アーム）である。駆動脚５ａ及び５ｂは、互いに対をなし、逆位相で振動する。駆動脚５ａ及び５ｂは、一対の駆動脚（特許文献１では、駆動側アーム）５と総称する。検出脚６ａ及び６ｂは、互いに対をなし、逆位相で振動する。検出脚６ａ及び６ｂは、一対の検出脚（特許文献１では、検出側アーム）６と総称する。胴体部４は、直方体であり、その平面形（上面４ａの形）は正方形である（正方形である必要は必ずしもなく、矩形であればよい）。胴体部４における各面は、上面を符号４ａで表し、底面（図に現れていない）を符号４ｂで表し、一方の端面を符号４ｃで表し、他方の端面（図に現れていない）を符号４ｄで表し、一方の側面を符号４ｅで表し、他方の側面（図に現れていない）を符号４ｆで表すこととする。上面４ａ及び底面４ｂを主面と称する。なお、特許文献１の音叉型振動ジャイロには、駆動脚５ａ及び５ｂの間に1つの非励振駆動中央脚５ｃ（特許文献１における非励振用駆動側アーム）が設けてあり、また検出脚６ａ及び６ｂの間に1つの非検出検出中央脚６ｃ（特許文献１における非振動用検出側アーム）が設けてあるが、非励振駆動中央脚５ｃおよび非検出検出中央脚６ｃは、振動の安定化のために設けてあり、原理的には必要でない。

図８の振動子は、胴体部４、駆動脚５ａ，５ｂ及び非励振駆動中央脚５ｃ並びに検出脚６ａ，６ｂ及び非検出検出中央脚６ｃでなる。この振動子は、１つの圧電単結晶体でなり、一枚の板状の圧電単結晶から切り出された形をなす。圧電単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等がある。胴体部４、駆動脚５ａ，５ｂ及び非励振駆動中央脚５ｃ並びに検出脚６ａ，６ｂ及び非検出検出中央脚６ｃの厚みは同一である。駆動脚５ａ及び５ｂが励振されていない状態、即ち静止状態では、駆動脚５ａ，５ｂの軸及び検出脚６ａ，６ｂの軸は、胴体部４の端面４ｃ及び４ｄにそれぞれ垂直である。駆動脚５ａ及び検出脚６ａの軸は同一の軸線上にある。同様に、駆動脚５ｂ及び検出脚６ｂの軸も同一の軸線上にあり、非励振駆動中央脚５ｃ及び非検出検出中央脚６ｃの軸も同一の軸線上にある。また、胴体部４の重心を通り、側面４ｅに平行な面に関し、駆動脚５ａ及び５ｂは対称であり、また検出脚６ａ及び６ｂも対称である。非励振駆動中央脚５ｃ及び非検出検出中央脚６ｃの軸は、その面にある。駆動脚５ａ，５ｂ及び検出脚６ａ，６ｂには駆動電極及び検出電極がそれぞれ設けてある（これら電極の図示は省略されている。）

このような図８の構造の振動子を有する音叉型振動ジャイロにおいて、駆動電極に励振用の交流電圧である駆動信号を印加すると、駆動脚５ａ及び５ｂは、上面４ａに平行な平面内において互いに反対方向に、即ち逆位相に、振動する。この振動が、音叉型振動ジャイロにおける駆動振動である。駆動振動は、胴体部４の主面（上面４ａ及び底面４ｂ）に平行な平面内における振動であり、このような主面に平行な平面内における振動を面内振動と称する。面内振動は、図８（ａ）において矢印Ｄａ及びＤｂで表してある。

駆動脚５ａ及び５ｂが駆動信号で励振され、駆動振動Ｄａ及びＤｂをしているときに、角速度ωの回転が図（Ｂ）に示す方向に入力されると、駆動脚５ａ及び５ｂには脚端速度に比例するコリオリ力が作用する。脚端速度は、駆動脚５ａ，５ｂが最大の振幅に振れた位置でゼロとなり、振動の中央位置（振幅がゼロの位置）に脚があるときに最大となる。駆動振動Ｄａ及びＤｂをしている駆動脚５ａ及び５ｂにコリオリ力が作用すると、駆動脚５ａ及び５ｂは駆動振動方向とは直交する方向に同じ周波数で振動する。駆動脚５ａ及び５ｂの振動は、駆動振動Ｄａ及びＤｂと、コリオリ力に起因する振動とを重畳した振動となる。このコリオリ力による脚の振動成分をコリオリ振動と定義する。駆動脚５ａ及び５ｂに生じるコリオリ振動は、それぞれ矢印Ｃａ及びＣｂでもって図８に示してある。コリオリ振動Ｃａ及びＣｂは、胴体部４を介して、検出脚６ａ及び６ｂに検出振動Ｓａ及びＳｂとして伝達される。コリオリ振動Ｃａ及びＣｂの位相は互いに逆である。同様に、検出振動Ｓａ及びＳｂの位相も互いに逆である。コリオリ振動Ｃａ，Ｃｂ及び検出振動Ｓａ，Ｓｂは、胴体部４の主面に直交する方向の振動であり、胴体部４の主面より外に向かう振動であるので、前記面内振動と対比する意味で面外振動と称する。検出振動Ｓａ，Ｓｂの周波数は、コリオリ振動Ｃａ，Ｃｂの周波数と同じである。

胴体部４は、板状であるので、その主面に平行な方向の振動、即ち面内振動に対しては極めて高い剛性を有し、他方主面に直交する方向の振動、即ち面外振動に対しては相対的に低い剛性を示す。そこで、駆動脚５ａ，５ｂに生じる振動のうちで、面内振動である駆動振動Ｄａ及びＤｂは、検出脚６ａ，６ｂには殆ど伝搬せず、他方面外振動であるコリオリ振動Ｃａ及びＣｂは高い効率で検出脚６ａ，６ｂに伝搬する。検出脚６ａ及び６ｂに伝搬したコリオリ振動が、音叉型振動ジャイロにおける検出振動Ｓａ及びＳｂである。音叉型振動ジャイロは、検出振動Ｓａ及びＳｂにより検出脚６ａ及び６ｂの検出電極に現れる電圧を検出信号として取り出し、駆動信号を基準位相信号として検出信号の同期検波をすることにより、角速度ωを測定する。角速度ωの大きさは検出振動の大きさ（検出信号の大きさに比例）、ひいては同期検波出力の絶対値として現れる。また角速度ωの方向は、駆動信号に対する検出振動の位相（＝検出信号の位相）、ひいては同期検波出力の極性として現れる。

図６は、特許文献１に開示された６脚型の音叉型振動子１を備える振動ジャイロを示す分解斜視図である。ここに示すパッケージ２は、１４本の端子８ａ〜１４ａ及び８ｂ〜１４ｂを基板７に設けてなる汎用の１４ピン標準パッケージである。パッケージ２では、基板７との間に振動子１並びに端子８ａ〜１４ａ及び８ｂ〜１４ｂを内包するカバーの図示は省略してある。

図６に示すように、振動子１は胴体部４の底面の中央部を支持部材３で支えられ、基板７に搭載される。支持部材３の底面は支持部材取付位置１５に位置する。支持部材３は、胴体部４の底面の中央部を支持するので、振動子１の重心位置で振動子１を支えることになる。支持部材３の上面及び底面は振動子１および基板７に接着剤で固着される。

図７は、図６の音叉型振動ジャイロにおける６脚型振動子１の駆動脚５ａ，５ｂおよび非励振駆動中央脚５ｃの振動状態を模式的に示す斜視図である。図７において、Ｄａ，Ｄｂ及びＤｃは、駆動脚５ａ，５ｂ及び非励振駆動中央脚５ｃの面内振動の振幅を表す。図６に示した音叉型振動ジャイロでは、振動子１が正常であるとき、駆動脚５ａ及び５ｂは図７（ａ）に示すように互いに逆相に同じ振幅で面内振動をし、Ｄａ＝Ｄｂである。ところが、振動子１に異常が生じ、特に駆動脚５ａ，５ｂにおけるクラックや欠損、或いは駆動脚５ａ，５ｂにおける電極（駆動電極）の欠損や一部断線などの故障が生じると、図７（ｂ）に示すように、駆動脚５ａ及び５ｂの振幅が相違し、Ｄａ≠Ｄｂとなる。Ｄａ≠Ｄｂの状態では、外部から角速度ωの入力がなくても、検出脚６ａ，６ｂに面外振動が生じ、誤った角速度を出力してしまう。また、角速度ωの入力があるときには、測定する角速度に誤差が生じ、正常な角速度の検出ができない。一対の駆動脚の片方が折損しているとか、駆動電極の接続されるリード線が断線しているとかのように、振動子が完全に破損しておれば、角速度の出力が全く異常な値であるか、或いは角速度が全く出力されないので、振動ジャイロの出力から直ちに故障を判定できる。しかしながら、駆動脚に小さなクラックが入った場合や、駆動電極の一部が欠損した場合の如くに、振動子の完全な故障と正常との中間的な故障状態では、振動ジャイロの出力には相当な誤差が含まれるが、格別な故障診断手段を備えない限り、故障の判定は困難である。振動ジャイロは自動車のカーナビゲーションシステム等に搭載され、角速度を検出する重要なデバイスであるから、振動子の故障を自己診断できる振動ジャイロが求められている。

かかる診断機能を具備する従来の振動ジャイロの例として、特許文献２に示された図９の角速度センサ（振動ジャイロ）がある。図９（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）には、２脚の音叉形状に形成された振動子１００のＸ1面、Ｘ2面、Ｙ1面及びＹ2面の図が示されている。これら各面には、電極が形成されており、Ｘ1面には、振動子１００を駆動するための駆動電極１１１，１１２、振動子１００の駆動状態をモニタし、自励発振（自励振動）させるための帰還用のモニタ電極１１３，１１４、基準電位に接地された仮ＧＮＤ電極１１５，１１６および診断用電極１１７，１１８が形成され、Ｙ1面には角速度検出電極１１９が形成されて、Ｙ2面には角速度検出電極１２０が形成されている。図９の従来例においては、圧電体の駆動振動子１００内に診断用のモニタ電極を設けて、直接的に振動子の振動状態を検出することにより、駆動振動に対応する故障診断が行われている。

また、特開平０９−２１８０４０には、故障診断を行う際には駆動信号の入力をＯＦＦにして振動子の励振を停止し、振動子を減衰振動させ、減衰振動から振動子の振動振幅および振動周波数を算出することにより、振動子の良否を判定する車両制御用角速度センサの自己診断方法が提案されている。
特開２００１−２５５１５２ 特開２０００−０８８５８４ 特開平０９−２１８０４０

上述の特開２０００−０８８５８４公報に開示された図９の従来の音叉型角速度センサでは故障診断のための診断用電極１１７，１１８を振動脚の数だけ設ける必要があり、振動子における電極数が多くなり、振動子の電極構成を複雑にする。また、診断用電極の数だけ、故障の診断をする故障診断回路を要するので、各振動脚にそれぞれ診断用電極を設けることにより故障の自己診断をする図９の振動ジャイロは、構成の複雑化を招く。さらに、図９の振動ジャイロでは、診断用電極１１７，１１８は、駆動電極１１１，１１２、モニタ電極１１３，１１４、仮ＧＮＤ電極１１５，１１６および角速度検出電極１１９，１２０とともに共通の振動脚に設けられているので、振動脚において診断用電極１１７，１１８が占められる面積は小さく限定される。診断用電極の面積が小さいと、診断用電極から出力される診断のための信号のレベルが小さくなるので、故障診断の精度が低下する。他方、診断用電極１１７，１１８に所要の面積を割くために、駆動電極１１１，１１２等の他の電極の面積を小さくすると、所要の振幅だけ振動脚を振動させるには、駆動信号の電圧を高くする必要があり、駆動信号の電圧が高いと消費電力が増大し、振動ジャイロの消費電力の増大を招く。

別の従来例である特許文献３（特開平０９−２１８０４０）に開示された角速度センサの自己診断方法では、故障診断を行う際には駆動信号の入力をＯＦＦにして振動子の励振を停止するので、角速度を測定している作動状態では故障の有無を診断できない。走行中の自動車などでは、振動ジャイロを作動させ、カーナビゲーションシステムを使用している最中に、現在の測定データが信頼できるのか否かを知る必要性は高いが、この従来の角速度センサの自己診断方法では、振動ジャイロの作動を停止しなければ振動ジャイロの故障を診断できない。

そこで、本発明の目的は、前記従来例の欠点を除去し、振動子の電極構成の複雑化を招かず、また複数の故障診断回路を要せず、診断電極に十分に広い面積を割り当てられ、駆動電極など診断電極以外の電極の割り当て面積に影響を及ぼさない、角速度を測定している作動状態でも振動子の故障診断が可能な振動ジャイロの提供にある。

前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。

（１）一対の駆動脚、一対の検出脚、前記一対の駆動脚の間に配置された非励振駆動中央脚、並びに前記一対の駆動脚、前記一対の検出脚および前記非励振駆動中央脚を結合する矩形の胴体部でなる板状の音叉型圧電振動子と、前記胴体部の板面に平行な方向の振動を面内振動と定義し、前記板面に直交する方向の振動を面外振動と定義するとき、前記一対の駆動脚に前記面内振動をさせるための駆動電極と、前記一対の検出脚における前記面外振動を検出するための検出電極とを備え、前記一対の駆動脚および前記一対の検出脚は、前記胴体部の互いに対向する第１及び第２の端面から互いに反対方向にそれぞれ延伸して設けられ、前記非励振駆動中央脚は前記駆動脚と軸を互いに平行にして前記第１の端面から延伸して設けられた振動ジャイロであって、
前記非励振駆動中央脚における前記面内振動を検出するための面内振動検出手段を備えることを特徴とする振動ジャイロ。

（２）前記面内振動検出手段は、前記非励振駆動中央脚に設けられた診断電極であることを特徴とする前記（１）に記載の振動ジャイロ。

（３）前記診断電極の出力と所定値とを比較することにより、前記一対の駆動脚の故障診断を行う診断手段を備えることを特徴とする前記（２）に記載の振動ジャイロ。

（４）前記音叉型圧電振動子を収容するパッケージを備え、
前記面内振動検出手段は、前記非励振駆動中央脚に設けられた第１の電極と、前記パッケージの内側に固定された部材に設けられた第２の電極とでなる静電容量であることを特徴とする前記（１）に記載の振動ジャイロ。

（５）前記静電容量の変化に基づき、前記一対の駆動脚の故障診断を行う診断手段を備えることを特徴とする前記（４）に記載の振動ジャイロ。

上記本発明によれば、振動子の電極構成の複雑化を招かず、また複数の故障診断回路を要せず、診断電極に十分に広い面積を割り当てられ、駆動電極など診断電極以外の電極の割り当て面積に影響を及ぼさない、振動子の故障診断が可能な振動ジャイロを提供できる。この振動ジャイロでは、診断電極は非励振駆動中央脚だけに設ければ足りるので、共通の振動脚それぞれに診断電極を必要とする図９の従来の音叉型角速度センサ（特開２０００−０８８５８４）に比べ電極構成を単純化でき、故障診断回路は１つだけで足りる。また、本発明の振動ジャイロにおいては、診断電極に十分に広い面積を割り当てられので、診断電極の出力レベルを診断回路で故障の有無の診断をするのに必要な程度に高くでき、診断の精度を高くできる。また、本発明の振動ジャイロにおいては、診断電極を設けることが駆動電極など診断電極以外の電極の割り当て面積に影響を及ぼさないから、駆動電極に広い面積を割り当てられ、駆動電極に印加する駆動信号の電圧を高めなくても、正常に駆動脚を駆動できるので、診断電極のない振動ジャイロと同程度にまで消費電力を抑制できる。また、本発明の振動ジャイロにおいては、駆動信号の入力をＯＦＦにすることなく故障診断が行えるので、角速度の測定を継続した状態で故障を診断できる。

次に本発明の実施の形態を挙げ、図面を参照し、本発明を一層具体的に説明する。また、図５は本発明の第１実施形態を示す図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は側面図である。図５（ｂ）では、端子８ａ〜１４ａ及び８ｂ〜１４ｂにおける基板７の上面に出る部分は図示を省略し、振動子１及び支持部材３の側面全体が現れるように描いてある。図５の第１実施形態では、図６における各部材を組み立てた状態の音叉型振動ジャイロにおける非励振駆動中央脚５ｃに図１に示す診断電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを設けてなるものである。

音叉型振動子１、支持部材３およびパッケージ２を組み合わせた図５の形態では、支持部材３の下面は基板７の上面における支持部材取付位置１５に接着剤で固着され、支持部材３の上面は音叉型振動子１の胴体部４の下面の支持部材固着領域に接着剤で固着されている。支持部材固着領域の中心は、胴体部４の下面の平面形の重心位置にある。図５の組立状態は、支持部材３が、支持部材取付位置１５を支持基部として、音叉型振動子１の重心位置を支持している状態であり、音叉型振動子１が支持部材３を介して基板７に搭載された状態である。

図５の音叉型振動子１は、ランガサイトからなる単結晶圧電体である。この音叉型振動子１は、ワイヤーソー、砥石等による機械加工を矩形板状の単結晶圧電体に施し、成形される。音叉型振動子１における駆動脚５ａ及び５ｂには駆動電極が、検出脚６ａ及び６ｂには検出電極がそれぞれ設けてあるが、図示は省略してある。また、駆動電極および検出電極は、端子８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ又は１４ｂの内のいずれかへボンディングワイヤで接続されているが、それらボンディングワイヤも図示が省略してある。

本第１実施形態における振動子は、特許請求の範囲における記載との対応を明確にするように表現すると、一対の駆動脚５ａ，５ｂ、一対の検出脚６ａ，６ｂ、一対の駆動脚５ａ，５ｂの間に配置された非励振駆動中央脚５ｃ、一対の検出脚６ａ，６ｂの間に配置された非検出検出中央脚６ｃ並びに一対の駆動脚５ａ，５ｂ、一対の検出脚６ａ，６ｂ、非励振駆動中央脚５ｃおよび非検出検出中央脚６ｃを結合する矩形の胴体部４でなる板状の音叉型圧電振動子であって、胴体部４の板面に平行な方向の振動を面内振動と定義し、板面に直交する方向の振動を面外振動と定義するとき、一対の駆動脚５ａ，５ｂに面内振動をさせるための駆動電極と、一対の検出脚６ａ，６ｂにおける面外振動を検出するための検出電極とを備え、一対の駆動脚５ａ，５ｂおよび一対の検出脚６ａ，６ｂは、胴体部４の互いに対向する第１の端面４ｃ及び第２の端面４ｄから互いに反対方向にそれぞれ延伸して設けられ、非励振駆動中央脚５ｃおよび非検出検出中央脚６ｃは第１の端面４ｃ及び第２の端面４ｄから互いに反対方向にそれぞれ延伸して設けられている。そして、本第１実施形態の振動ジャイロは、非励振駆動中央脚５ｃにおける面内振動を検出するための面内振動検出手段を備え、この面内振動検出手段は、非励振駆動中央脚５ｃに設けられた診断電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄである。

いま、図５の振動子１の駆動脚５ａ，５ｂにおけるクラックや欠損、或いは駆動電極５ａ，５ｂにおける欠損や一部断線などの故障が生じると、図７（ｂ）に示すように、駆動脚５ａ及び５ｂの振幅が相違し、Ｄａ≠Ｄｂとなる。この状態では、駆動脚５ａ及び５ｂの振幅の不平衡（アンバランス）により、振動子１全体が振動しようとし、その反力として非励振駆動中央脚５ｃが面内振動をする。図７（ｂ）において、非励振駆動中央脚５ｃの面内振動の振幅をＤｃと表してある。図７（ｂ）では、駆動脚５ａの振幅Ｄａが駆動脚５ｂの振幅Ｄｂより小さい（Ｄａ＜Ｄｂ）ので、非励振駆動中央脚５ｃは駆動脚５ａと同相に面内振動をし、駆動脚５ｂの逆相の面内振動との均衡を取ろうとする。

再び図１を参照して本第１実施形態の説明を続ける。図１は、本発明の第１実施形態の要部を示す図であり、同図（ａ）はその要部の斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。ここで、図１（ａ）のＡ−Ａ線は、非励振駆動中央脚５ｃの上面に接し、かつ端面４ｃに平行な線である。同図（ｂ）では胴体部４の図示は省略されている。図１では、振動子１における非励振駆動中央脚５ｃ、診断電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ及び胴体部４という本実施の形態の要部だけが描いてあり、振動子１における駆動脚５ａ，５ｂ、検出脚６ａ，６ｂ並びに非検出検出中央脚６ｃは図示を省略してある。本実施形態は、非励振駆動中央脚５ｃの面内振動の大きさが振動子１の故障の程度を表すことに着目し、非励振駆動中央脚５ｃに電極を設け、この電極から取り出される電圧から振動子１の故障の有無を診断するものである。

振動子１はＸカットである。そこで、非励振駆動中央脚５ｃに診断電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを設けた構造では、非励振駆動中央脚５ｃが面内振動をすると、診断電極１６ａと１６ｃの間、および診断電極１６ｂと１６ｄの間にピエゾ効果により互いに逆方向の電界が発生し、この電界に基づく電圧が診断電極１６ａ，１６ｃ間および診断電極１６ｄ，１６ｂ間から診断電圧として取り出される。いま、診断電極１６ａ，１６ｃ間から出力される診断電圧をＶａｃ、診断電極１６ｄ，１６ｂ間から出力される診断電圧をＶｄｂとする。Ｖａｃ及びＶｄｂの振幅は、０〜数μＶ（マイクロボルト）程度であり、ＶａｃとＶｄｂはほぼ同じ大きさである。診断電極１６ａと１６ｂとを導線で接続し、診断電極１６ｃと１６ｄとを出力端子とすることにより、Ｖａｃ＋Ｖｄｂ＝Ｖ_Ｘの診断電圧（交流電圧）が出力される。この診断電圧Ｖの周波数は、駆動信号の周波数に等しい。

図４は、これら診断電圧Ｖ_Ｘを入力し、振動子１の故障の有無を診断する診断回路（前述の診断手段に相当）のブロック回路図である。検出回路２１は、診断電圧Ｖ_Ｘを電圧増幅し、増幅された電圧を整流し、直流の診断電圧Ｖを生成する。検出回路２１は、駆動脚５ａ，５ｂのうちの一方の欠落という振動子１の完全な故障状態において、診断電圧Ｖが数ボルトになる程度の増幅率でＶ_Ｘを電圧増幅する。定電圧回路２２は、診断電圧Ｖと比較するための直流の基準電圧Ｓを出力する。基準電圧Ｓの大きさは、振動子１の故障と判定されるときの最低の診断電圧Ｖの値Ｖ_ＭＩＮに設定される。コンパレータ２３は、診断電圧Ｖと基準電圧Ｓとを比較し、Ｖ＜Ｓのときは振動子１が正常であると判定し、診断信号Ａを正常信号Ａ_ＯＫとし、Ｖ≧Ｓのときは振動子１が故障であると判定し、診断信号Ａを故障信号Ａ_ＮＧとする。本実施の形態では、正常信号Ａ_ＯＫ及び故障信号Ａ_ＮＧは、デジタル信号の“１”及び“０”でそれぞれ表している。この診断回路は、基板７上にプリント技術により形成される。

図１の第１実施形態によれば、診断電極は非励振駆動中央脚５ｃだけに設けるので、電極構成を単純化でき、故障診断回路は１つだけで足りる。また、本実施形態においては、診断電極に十分に広い面積を割り当てられので、診断電極の出力レベルを診断回路で故障の有無の診断をするのに必要な程度に高くでき、診断の精度を高くできる。また、この実施形態の振動ジャイロにおいては、診断電極を設けることが駆動電極など診断電極以外の電極の割り当て面積に影響を及ぼさないから、駆動電極に広い面積を割り当てられ、駆動電極に印加する駆動信号の電圧を高めなくても、駆動脚５ａ，５ｂを正常に駆動できるので、診断電極のない振動ジャイロと同程度にまで消費電力を抑制できる。

図２は、本発明の第２実施形態の要部を示す図であり、同図（ａ）はその要部の斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。ここで、図２（ａ）のＢ−Ｂ線は、非励振駆動中央脚５ｃの上面に接し、かつ端面４ｃに平行な線である。同図（ｂ）には胴体部４の図示は省略されている。本実施の形態の振動ジャイロは、図５に示した振動ジャイロに設けられている６脚型、音叉型の振動子１における非励振駆動中央脚５ｃに診断電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを設けてなるものである。振動子１はＺカットランガサイトでなる単結晶圧電体である。図２では、その振動子１における非励振駆動中央脚５ｃ、診断電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ及び胴体部４という本実施の形態の要部だけが描いてあり、振動子１における駆動脚５ａ，５ｂ、検出脚６ａ，６ｂ並びに非検出検出中央脚６ｃは図示を省略してある。

図２の第２実施形態は、振動子１がＺカットである点で図１の第１実施形態と相違し、このカットの相違に対応して、図１の第１実施形態における診断電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに代えて、診断電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを設けた構造であり、その他の構造は図１の第１実施形態と同じである。そこで、この第２実施形態の振動ジャイロにおける面内振動検出手段は、非励振駆動中央脚５ｃに設けられた診断電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄである。この第２実施形態では、非励振駆動中央脚５ｃの面内振動により、診断電極１７ａと１７ｃ，１７ｄとの間、及び診断電極１７ｂと１７ｃ，１７ｄ との間で電界が生じ、１７ａ，１７ｂがプラス（＋）、１７ｃ，１７ｄがマイナス（−）である極性又はその逆の極性となる。そこで、電極１７ａと１７ｃ間の電圧をＶａｃ、電極１７ｂと１７ｄ間の電圧をＶｂｄとすると、診断電極１７ｂと１７ｄを導線で接続し、診断電極１７ａ及び１７ｃを出力端子とすることにより、Ｖａｃ＋Ｖｂｄ＝Ｖ_Ｘなる診断電圧が出力される。診断電圧Ｖ_Ｘは図４の診断回路に入力される。図４の診断回路は、第１実施形態で述べたところにより、振動子１の故障の有無を診断する。図２の第２実施形態の効果も図１の第１実施形態の効果と同様である。

図３は、本発明の第３実施形態の要部を示す図であり、同図（ａ）はその要部の斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の非励振駆動中央脚５ｃの部分底面図、同図（ｄ）は同図（ａ）の基板７の部分平面図、同図（ｅ）は同図（ａ）の側面図である。図３（ｂ）において、非励振駆動中央脚５ｃは同図（ｃ）におけるＣ−Ｃ線矢視断面図で表してあり、基板７は同図（ｄ）におけるＤ−Ｄ線矢視断面図で表してある。図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は同図（ａ）における電極近傍を拡大して描いてあり、図３（ｅ）は同図（ａ）をやや拡大した状態の側面図である。

図３の第３実施形態は、図６における各部材を組み立てた状態の音叉型振動ジャイロに、非励振駆動中央脚５ｃの面内振動の大きさを検出するための面内振動検出手段として、櫛歯状診断電極１８ａ（前述の第１の電極に相当）および櫛歯状診断電極１８ｂ（前述の第２の電極に相当）を備えてなる。櫛歯状診断電極１８ａは非励振駆動中央脚５ｃに設け、櫛歯状診断電極１８ｂは基板７に設けてある。この第３実施形態の構成は、振動子のカットには依存しない。非励振駆動中央脚５ｃの面内振動の大きさに応じて、櫛歯状診断電極１８ａと１８ｂとの間の静電容量Ｃが変化するので、その静電容量Ｃの変化を診断回路で取り出す。診断回路には、図４の診断回路における検出回路２１を第１及び第２実施形態用の回路から改変したものを用いる。第３実施形態用の診断回路では、検出回路２１の入力を容量Ｃとし、検出回路２１に発振回路を備え、この発振回路における共振回路の容量成分に静電容量Ｃを含ませるようにし、非励振駆動中央脚５ｃの面内振動の大きさに応じた周波数ｆで発振回路を発振させ、周波数ｆを周波数−電圧変換回路で直流電圧に変換し、この直流電圧を診断電圧Ｖとしてコンパレータ２３に入力することにより、振動子１の故障の有無を診断できる。図３の第３実施形態によっても、図１の第１実施形態と同様な効果が得られる。

以上に図１乃至図５を参照し、実施形態を挙げ、本発明を具体的に説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されるものでないことは勿論である。上記実施形態は、駆動脚側および検出脚側の双方に中央脚を設けた６脚型の音叉型振動子を備える振動ジャイロであるが、本発明の振動ジャイロにおける振動子は６脚型の音叉型振動子に限らず、例えば中央脚として、駆動脚側には中央脚（非励振駆動中央脚５ｃ）を備えるが、検出脚側の中央脚（非検出検出中央脚６ｃ）を欠く５脚型の振動子でも差し支えない。この種の５脚型の振動子を備える振動ジャイロは、国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３００５６４で国際出願がされている。

また、面内検出手段としては、ピエゾ効果による圧電気および静電容量を用いる例を示したが、光学的手段、磁気的手段などを用いることもできる。また、非励振駆動中央脚に設ける診断電極の位置、面積、形状などは、振動子が圧電単結晶であるかセラミックであるか、圧電単結晶であってもカットがどうであるか等によって異なってくる。また、第１及び第２の電極は、図３に示した櫛歯状診断電極に限らず、相互の面内振動に応じて容量が変わる各種の形状の電極であっても差し支えない。以上の実施の形態では、振動子をランガサイトの圧電単結晶で形成したが、圧電単結晶として水晶、ニオブ酸リチウム等を用いることも可能である。また、診断回路は、定電圧回路２２から一定レベルの基準電圧Ｓを出力することとし、コンパレータ２３は正常信号Ａ_ＯＫか或いは故障信号Ａ_ＮＧのどちらか一方のみを出力するとしたが、基準電圧ＳとしてＳ１，Ｓ２，Ｓ３といった具合に複数設けておき、診断電圧範囲を＜Ｓ１，Ｓ１＜Ｓ２，Ｓ２＜Ｓ３，Ｓ３＜という如くに複数設定し、診断電圧Ｖがどの診断電圧範囲にあるかに応じて、故障の程度を診断できるようにしても、本発明は実現できる。

なお、基板７上には、駆動信号を生成する駆動回路、検出信号を増幅する増幅回路、故障の診断をする診断回路など各種の電子回路がプリント技術により形成されるが、これら回路の図示は図面では省略してある。

本発明の第１実施形態の要部を示す図であり、図（ａ）はその要部の斜視図、図（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の第２実施形態の要部を示す図であり、図（ａ）はその要部の斜視図、図（ｂ）は図（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 本発明の第３実施形態の要部を示す図であり、図（ａ）はその要部の斜視図、図（ｂ）は図（ａ）の断面図、図（ｃ）は図（ａ）の非励振駆動中央脚５ｃの部分底面図、図（ｄ）は図（ａ）の基板７の部分平面図、図（ｅ）は図（ａ）の側面図である。 振動子１の故障の有無を診断する診断回路のブロック回路図である。 本発明の第１実施形態を示す図であり、図（ａ）は斜視図、図（ｂ）は側面図である。 特許文献１に開示された６脚型の音叉型振動子１を備える振動ジャイロを示す分解斜視図である。 図６の音叉型振動ジャイロにおける６脚型振動子１の駆動脚５ａ，５ｂおよび非励振駆動中央脚５ｃの振動状態を模式的に示す斜視図である。 特許文献１に記載の音叉型振動ジャイロの基本構造及びその作動を説明する図である。 特許文献２に示された角速度センサ（振動ジャイロ）を示す図である。

符号の説明

１ 振動子
２ パッケージ
３ 支持部材
４ 胴体部
５a，５b 駆動脚
５c 非励振駆動中央脚
６a，６b 検出脚
６c 非検出検出中央脚
７ 基板
８a，９a，……，１４a，８b，９b，……，１４b 端子
１５ 支持部材取付位置
１６a〜１６d，１７a〜１７d 診断電極
１８a，１８b 櫛歯状診断電極
２１ 検出回路
２２ 定電圧回路
２３ コンパレータ
Ａ 診断信号
Ｃａ，Ｃｂ コリオリ振動
Ｄａ，Ｄｂ 駆動振動
Ｄｃ 非励振駆動中央脚の面内振動
Ｓ 基準電圧
Ｓａ，Ｓｂ 検出振動
Ｖ 診断電圧
ω 加速度

Claims (5)

1. 一対の駆動脚、一対の検出脚、前記一対の駆動脚の間に配置された非励振駆動中央脚、並びに前記一対の駆動脚、前記一対の検出脚および前記非励振駆動中央脚を結合する矩形の胴体部でなる板状の音叉型圧電振動子と、前記胴体部の板面に平行な方向の振動を面内振動と定義し、前記板面に直交する方向の振動を面外振動と定義するとき、前記一対の駆動脚に前記面内振動をさせるための駆動電極と、前記一対の検出脚における前記面外振動を検出するための検出電極とを備え、前記一対の駆動脚および前記一対の検出脚は、前記胴体部の互いに対向する第１及び第２の端面から互いに反対方向にそれぞれ延伸して設けられ、前記非励振駆動中央脚は前記駆動脚と軸を互いに平行にして前記第１の端面から延伸して設けられた振動ジャイロであって、
   前記非励振駆動中央脚における前記面内振動を検出するための面内振動検出手段を備えることを特徴とする振動ジャイロ。
2. 前記面内振動検出手段は、前記非励振駆動中央脚に設けられた診断電極であることを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 前記診断電極の出力と所定値とを比較することにより、前記一対の駆動脚の故障診断を行う診断手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の振動ジャイロ。
4. 前記音叉型圧電振動子を収容するパッケージを備え、
   前記面内振動検出手段は、前記非励振駆動中央脚に設けられた第１の電極と、前記パッケージの内側に固定された部材に設けられた第２の電極とでなる静電容量であることを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
5. 前記静電容量の変化に基づき、前記一対の駆動脚の故障診断を行う診断手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の振動ジャイロ。

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