WO2012081457A1

WO2012081457A1 - 振動ジャイロ

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Publication number: WO2012081457A1
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Inventors: 山本　浩誠
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Abstract

　小型化を進めた場合であっても、簡易な構造で、感度の変動を生じ難くさせ得る振動ジャイロを提供する。　第１，第２の振動部２ａ，２ｂと、第１，第２の振動部２ａ，２ｂを連結する第１，第２の連結部２ｃ，２ｄと、第１の連結部２ｃから第２の連結部２ｄ側に向かって延ばされている第１の支持部２ｅと、第２の連結部２ｄから第１の連結部２ｃ側に向かって延ばされている第２の支持部と２ｆとを有する枠体２と、第１，第２の振動部２ａ，２ｂをそれぞれ励振する第１，第２の励振部材３，４と、枠体２の振動を検出する検出部材５～８と、枠体２の外側であって、第１，第２の振動部２ａ，２ｂにそれぞれ接続された第１，第２の質量付加部材１１，１２と、第１，第２の振動部２ａ，２ｂと第１，第２の質量付加部材１１，１２とを接続している第１，第２の接続部材１３，１４とを備える、振動ジャイロ１。

Description

振動ジャイロ

　本発明は、角速度検出センサーとして用いられる振動ジャイロに関し、より詳細には第１，第２の振動部が設けられている枠体を用いた振動ジャイロに関する。

　従来、移動体の位置を検出するために角速度検出センサーが広く用いられている。このような角速度検出センサーの一例として、下記の特許文献１には、図１３（ａ）及び（ｂ）に示す振動ジャイロが開示されている。

　図１３（ａ）は、従来の振動ジャイロ１００１の斜視図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）中のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。振動ジャイロ１００１は、矩形枠状の振動体１００２を有する。振動体１００２では、矩形の長辺方向に延びる一対の振動部１００２ａ，１００２ｂが、短辺方向に延びる一対の連結部１００２ｃ，１００２ｄにより連結されている。

　上記振動部１００２ａ，１００２ｂにおいて、上面に駆動用圧電素子１００３，１００４が固定されている。また、振動部１００２ａ，１００２ｂの外側の側面にそれぞれ、検出用圧電素子１００５，１００６が設けられている。

　振動ジャイロ１００１では、駆動用圧電素子１００３，１００４に発振回路を接続し、振動部１００２ａ，１００２ｂを振動させる。すなわち、矩形枠状の振動体１００２全体が座屈音叉振動モードで振動することとなる。

　他方、上記振動体１００２を振動させた状態で振動ジャイロ１００１に角速度が加わると、振動モードが変化する。検出用圧電素子１００５，１００６間の出力電圧により、上記振動モードの変化に基づく回転角速度を検出することができる。

　特許文献１では、矩形枠状の振動体１００２の対角線両端近傍にノードが位置するので、該対角線両端近傍において振動体１００２を支持することができるとされている。従って、支持構造を簡略化することができるとされている。

特開平８－２７８１４６号公報

　特許文献１に記載の振動ジャイロ１００１では、振動部１００２ａ，１００２ｂが屈曲振動し、従って矩形枠状の振動体１００２が全体として座屈音叉振動モードで振動する。このような振動ジャイロ１００１では、小型化を図った場合、検出感度が低くなるという問題があった。

　振動ジャイロ１００１において、小型化を進めると、振動ジャイロを構成する構造物の寸法及び形状を安定した精度で加工することが難しくなり、感度が変動するものと考えられる。

　本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、小型化を進めた場合であっても簡略な構造で、感度の変動を生じ難くさせ得る振動ジャイロを提供することにある。

　本発明に係る振動ジャイロは、枠体と、第１，第２の励振部材と、検出部材と、第１，第２の質量付加部材と、第１，第２の接続部材とを備える。枠体は、間隔を隔てて平行に配置されており、第１の方向に延びる第１，第２の振動部と、第１，第２の振動部の端部同士をそれぞれ連結しており、第１の方向と直交する第２の方向に延びる第１，第２の連結部と、第１，第２の振動部及び第１，第２の連結部で囲まれた開口部と、第１の連結部から第２の連結部側に向かって第１の方向に延ばされている第１の支持部と、第２の連結部から第１の連結部側に向かって第１の方向に延ばされている第２の支持部とを有する。第１，第２の励振部材は、第１，第２の振動部の表面に設けられており、第１，第２の振動部をそれぞれ励振する。検出部材は、第１，第２の振動部の表面に設けられており、枠体の振動を検出する。第１，第２の質量付加部材は、枠体の外側であって、第１，第２の振動部にそれぞれ接続されている。第１，第２の接続部材は、第１，第２の振動部と第１，第２の質量付加部材とを接続している。

　本発明に係る振動ジャイロのある特定の局面では、第１，第２の励振部材によって第１，第２の振動部を励振することによって枠体が座屈音叉振動モードで振動する駆動モードと、第１及び第２の方向と直交する第３の方向周りの角速度によって枠体が振動する検出モードとを有し、第１，第２の支持部に、駆動モード及び検出モードの振動のノードが存在する。

　本発明に係る振動ジャイロの他の特定の局面では、枠体が矩形枠状であり、第１，第２の振動部において、第１，第２の振動部の中心を通り前記第１の方向に延びる中心線の一方側の領域に第１，第２の励振部材が配置されており、他方側の領域に前記検出部材が配置されている。

　本発明に係る振動ジャイロのさらに他の特定の局面では、駆動モードで枠体が振動する際の応力反転部が、第１方向において第１，第２の振動部を三等分する位置に存在し、第１，第２の励振部材が応力反転部間に設けられている。

　本発明に係る振動ジャイロのさらに他の特定の局面では、第１，第２の励振部材及び検出部材が、第１，第２の振動部の第１の方向及び第２の方向に延びる一対の主面のうち一方の主面に形成されている。この場合には、枠体の一方の主面に、励振部材及び検出部材を形成すればよいため、振動ジャイロの製造工程の簡略化を図ることができる。

　本発明に係る振動ジャイロのさらに他の特定の局面では、第１，第２の励振部材が、圧電体と、圧電体に電圧を印加するための一対の電極とを備える。この場合には、圧電効果により上記第１，第２の振動部を有する枠体を座屈音叉振動モードで効率よく振動させることができる。

　本発明に係る振動ジャイロの他の特定の局面では、検出部材が、圧電体と、圧電体で発生した電荷を取り出すように圧電体に設けられた一対の電極とを有する。この場合には、圧電効果により、枠体の振動モードの変化に基づき加わった角速度を電気振動として取り出すことができる。

　本発明に係る振動ジャイロのさらに別の特定の局面では、第１，第２の質量付加部材が、矩形板状の形状を有する。この場合には、枠体の両側に、単純な矩形板状の形状の第１，第２の質量付加部材を連結するだけでよいため、振動ジャイロを容易に製造することができる。特に、枠体と、第１，第２の質量付加部材と、第１，第２の接続部材を、同じ材料を用いて一体に形成した場合には、製造工程のより一層の簡略化を図ることができる。

　本発明に係る振動ジャイロでは、枠体の外側であって、第１，第２の振動部にそれぞれ接続された第１，第２の質量付加部材と、第１，第２の振動部と第１，第２の質量付加部材とを接続している第１，第２の接続部材とを備えるため、振動ジャイロにおいて、小型化を進めた場合であっても感度の低下を抑制することができる。従って、小型であり、かつ高感度の振動ジャイロを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの斜視図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの平面図及び下面側の電極形状を示す模式的平面図である。図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの図２（ａ）中のＡ－Ａ線に相当する部分であって、電極構造を除いた部分を示す断面図であり、図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る振動ジャイロであって、図２（ａ）のＡ－Ａ線に沿う部分に相当する部分を示す断面図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態の他の変形例に係る振動ジャイロの平面図であり、図４（ｂ）～（ｄ）は、図４（ａ）中のＢ－Ｂ線に沿う部分の構造例を示す各断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの駆動モード時及び検出モード時の各振動モードを示す模式的斜視図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、有限要素法により測定された本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの駆動モード時の応力分布を示す模式的平面図及び検出モード時の応力分布を示す模式的平面図である。図７は、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの斜視図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの駆動モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。図９は、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの検出モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロの斜視図である。図１１は、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロの駆動モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。図１２は、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロの検出モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。図１３（ａ）は従来の振動ジャイロの斜視図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）中のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。

　以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

　図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ１の斜視図である。図１において、直交座標形のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が付記されている。ここで、Ｘ軸方向を第１の方向とし、Ｘ軸に直交するＹ軸方向を第２の方向とし、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向を第３の方向とする。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ１の平面図である。図２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ１の下面側の電極形状を示す模式的平面図である。なお、図２（ｂ）は、振動ジャイロ１を上方から平面視した際の透視図である。図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ１の図２（ａ）中のＡ－Ａ線に相当する部分であって、電極構造を除いた部分を示す断面図である。

　振動ジャイロ１は、枠体２を有する。枠体２は、本実施形態では、矩形枠状の形状を有する。枠体２は、第１，第２の振動部２ａ，２ｂと、第１，第２の連結部２ｃ，２ｄとを有する。第１，第２の振動部２ａ，２ｂは、それぞれ図１のＸ軸方向に延びるストリップ状部分である。すなわち、第１，第２の振動部２ａ，２ｂは四角柱状の形状を有する。

　第１，第２の振動部２ａ，２ｂの各一端同士が、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に延びる第１の連結部２ｃにより連結されている。同様に、第１，第２の振動部２ａ，２ｂの各他端同士が、Ｙ軸方向に延びる第２の連結部２ｄにより連結されている。それによって、矩形の開口部Ａを有する枠体２が構成されている。本実施形態では、第１，第２の振動部２ａ，２ｂ及び第１，第２の連結部２ｃ，２ｄは一体に形成されている。

　また、本実施形態では、第１，第２の振動部２ａ，２ｂがＸ軸方向に延びる四角柱状の形状を有する。第１，第２の連結部２ｃ，２ｄはＹ軸方向に延びる四角柱状の形状を有している。もっとも、第１，第２の振動部２ａ，２ｂ及び第１，第２の連結部２ｃ，２ｄは、それぞれ、枠体２の中心を通るＸ軸方向に延びる中心線及びＹ軸方向に延びる中心線に対して線対称である限り、直線上のストリップラインから若干ずれた形状を有していてもよい。従って、枠体２は略矩形枠状の形状であってもよい。

　第１，第２の振動部２ａ，２ｂの上面には、第１の連結部２ｃのから、第２の連結部２ｄに向かって延びるように第１の支持部２ｅが連ねられている。同様に、第２の連結部２ｄのから、第１の連結部２ｃに向かって延びるように第２の支持部２ｆが連ねられている。

　第１，第２の支持部２ｅ，２ｆは振動ジャイロ１を外部に固定する部分である。すなわち、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆにより、振動ジャイロ１が外部の部材により支持される。本実施形態では、後述するように、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆに、駆動モード時及び検出モード時の振動のノードが位置している。従って、駆動モード及び検出モードの振動を妨げずに、振動ジャイロ１を支持することができる。

　本実施形態では、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆは、第１，第２の連結部２ｃ，２ｄの開口部Ａ側端縁から開口部Ａの中央に向かって延びる舌片の形態である。また、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆの平面形状は、本実施形態では矩形とされている。もっとも、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆの形状は矩形に限定されるものではない。

　また、上記枠体２の第１，第２の振動部２ａ，２ｂには、接続部材としての第１，第２の接続部１３，１４を介して、質量付加部材としての第１，第２の質量付加部１１，１２が接続されている。第１，第２の質量付加部１１，１２は、本実施形態ではＸ軸方向が長辺方向であり、Ｙ軸方向が短辺方向である矩形の平面形状を有する。ここで、第１，第２の質量付加部１１，１２のＸ軸方向（長辺）の長さ寸法をＬ１とし、第１，第２の質量付加部１１，１２のＹ軸方向（短辺）の長さ寸法をＬ２とする。また、第１，第２の接続部１３，１４の延びる方向はＹ軸方向である。第１，第２の接続部１３，１４のＸ軸方向の長さ寸法、すなわち、幅をＬ３とすると、Ｌ３は、第１，第２の接続部１３，１４のＹ軸方向の長さ寸法よりも短くされている。また、枠体２のＸ軸方向（長辺）の長さ寸法をＬ４とすると、Ｌ３は、Ｌ１及びＬ４よりも短くされている。すなわち、ブリッジ状の第１，第２の接続部１３，１４により第１，第２の質量付加部１１，１２がそれぞれ枠体２に連結されている。

　本実施形態では、上記枠体２、第１，第２の質量付加部１１，１２及び第１，第２の接続部１３，１４は、一体に形成されている。このような構造は、図３（ａ）に示すように、シリコン基板２ｇ上に圧電膜２ｈを成膜した後、ウェットエッチング、反応性イオンエッチングまたはサンドブラストなどの方法で加工することにより得ることができる。なお、圧電膜２ｈのシリコン基板２ｇ上への形成は、スパッタリング法などの薄膜形成法や、圧電材料ペーストを印刷した後焼成する方法やシリコン基板にバルクの圧電セラミックスを張り合わせた後、圧電セラミックスをグラインディングにより薄くする方法などを用いることができる。また、圧電膜２ｈは、チタン酸ジルコン酸鉛からなるものであってもよいし、ニオブ酸カリウムナトリウムなどのアルカリニオブ酸系圧電体からなるものであってもよく、これらの圧電体により適宜構成され得る。また、図２（ａ）に示した平面形状への加工は、ウェットエッチング、反応性イオンエッチングまたはサンドブラストに限らず、打ち抜き加工などの機械加工を用いて形成することもできる。さらなる実施形態としては、シリコン基板２ｇを枠体の形状に加工した圧電性を有する結晶体や焼結体により構成して、その枠体の表裏面に電極を配置することもできる。圧電性を有する結晶体としては、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、水晶などが挙げられ、ＬｉＴａＯ_３およびＬｉＮｂＯ_３では１２８°Ｙカットのものを用い、水晶ではＸ板またはＺ板を用いればよい。通常、水晶は周波数温度特性が良いためＺ板を用いるが、本発明では駆動モードと検出モードの周波数が差検出できればよいので、駆動モードと検出モードの圧電の方位が同じため周波数温度特性の差を相殺できる。よって、Ｘ板を用いることもできる。また、水晶のＺ板の電極は側面に検出電極の形成が必要であるが、Ｘ板であれば、枠他の表裏に電極を形成する圧電セラミックスと製造工程を共用できるので生産性に優れ、好ましい。

　第１，第２の振動部２ａ，２ｂの上面には、第１，第２の励振部材として第１，第２の駆動電極３，４が形成されている。第１，第２の駆動電極３，４は、第１，第２の振動部２ａ，２ｂの上面において、開口部Ａと反対側の外側端縁側に形成されている。本実施形態では、第１の駆動電極３は、第１の振動部２ａの上面において、第１の振動部２ａの中心を通りＸ軸方向に延びる中心線の外側（開口部Ａと反対側）の領域に形成されている。同様に、第２の駆動電極４も、第２の振動部２ｂの上面において、第２の振動部２ｂの中心を通り、Ｘ軸方向に延びる中心線の外側（開口部Ａと反対側）の領域に形成されている。

　また、第１，第２の駆動電極３，４は、第１，第２の振動部２ａ，２ｂの長さ方向すなわちＸ軸方向において中央に形成されている。言い換えれば、第１，第２の振動部２ａ，２ｂの上面の中心を通りＹ軸方向に延びる中心線に対して対称な形状に、第１，第２の駆動電極３，４が形成されている。

　他方、第１の振動部２ａの上面には、第１，第２の検出部材として第１の検出電極５及び第２の検出電極７が形成されている。第１の検出電極５及び第２の検出電極７は、第１の振動部２ａの上面において、第１の振動部２ａの中心を通りＸ軸方向に延びる中心線の内側（開口部Ａ側）の領域に形成されている。また、第１の検出電極５が、第１の振動部２ａの上面の中心を通りＹ軸方向に延びる中心線の一方側に設けられており、第２の検出電極７が該中心線の他方側に設けられている。第１の検出電極５と第２の検出電極７とはストリップ状の形状を有し、かつ第１の振動部２ａの上面の中心を通りＹ軸方向に延びる中心線に対して線対称に配置されている。

　同様に、第２の振動部２ｂの上面においても、第１，第２の検出部材として第１の検出電極６及び第２の検出電極８が形成されている。第１の検出電極６及び第２の検出電極８は、第１の振動部２ａ上の第１の検出電極５及び第２の検出電極７と同様に構成されている。もっとも、Ｘ軸方向において、第１の検出電極６及び第２の検出電極８は、第１の検出電極５及び第２の検出電極７とは反対に配置されている。すなわち、第１の検出電極６が第１の連結部２ｃ側に、第２の検出電極８が第２の連結部２ｄ側に配置されている。

　第１，第２の検出電極５，７と第１の駆動電極３とは、第１の振動部２ａの上面において電気的に分離されて設けられている。同様に、第１，第２の検出電極６，８も、第２の駆動電極４とは第２の振動部２ｂの上面において電気的に分離されている。もっとも、第１，第２の検出電極５，７及び第１，第２の検出電極６，８は、駆動時にも用いられる。

　さらに、図２（ｂ）に示すように、第１の振動部２ａの下面には、共通電極９が形成されている。共通電極９は、第１の駆動電極３、第１の検出電極５及び第２の検出電極７と表裏対向する形状となるように形成されている。

　同様に、第２の振動部２ｂの下面においても、共通電極１０が形成されている。共通電極１０は、第２の駆動電極４、第１の検出電極６及び第２の検出電極８と表裏対向する形状となるように形成されている。

　なお、本実施形態では、共通電極９と共通電極１０とが独立に形成されていたが、共通電極９及び共通電極１０は一体化されてもよい。すなわち、１つの共通電極が、第１，第２の駆動電極３，４と、第１の検出電極５及び第２の検出電極７と、第１の検出電極６及び第２の検出電極８との全てに対向するように形成されていてもよい。この場合、共通電極は、枠体２の下面の全面に形成されていてもよく、さらに枠体２と一体に形成されている第１，第２の接続部１３，１４及び第１，第２の質量付加部１１，１２の下面にも至るように形成されていてもよい。

　図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る振動ジャイロであって、図２（ａ）のＡ－Ａ線に沿う部分に相当する部分を示す断面図である。図３（ｂ）に示すように、図２（ａ）に示した構造の下面の全面に一つの共通電極９Ａを形成してもよい。

　共通電極は、少なくとも駆動電極と検出電極とに表裏対向していれば良い。

　上記第１，第２の駆動電極３，４、第１，第２の検出電極５～８及び共通電極９，１０は、Ａｇ、Ｃｕなどの適宜の金属もしくは合金からなる。

　図４（ａ）は、上記実施形態の他の変形例に係る振動ジャイロ１Ａを説明するための模式的平面図である。図４（ａ）は、図２（ａ）と同一であり、同一部分については同一の参照番号を付することとする。図４（ａ）中のＢ－Ｂ線に沿う部分を代表して、図４（ｂ）～（ｄ）に示す各変形例を説明する。

　図４（ｂ）に示すように、非圧電性の基板材料からなる枠体２ｘ上に、共通電極９Ｂと、圧電層２ｙとを積層し、圧電層２ｙ上に第１の駆動電極３及び第１の検出電極５を形成してもよい。

　図４（ｃ）は、前述した図３（ｂ）に示した構造に相当する。すなわち、圧電体からなる枠体２の下面に共通電極９Ａが、上面に第１の駆動電極３及び第１の検出電極５が形成されている。

　また、図４（ｄ）に示すように、圧電体からなる枠体２ｚにおいて、上面に溝２ｚ１を形成してもよい。ここでは、溝２ｚ１の底面及び両側壁から枠体２ｚの上面に至るように、第１の検出電極５が形成されている。そして、上記溝２ｚ１を介して隔てられた一方の圧電板部分２ｚ２の上面から外側の側面に至るように、第１の駆動電極３Ａが形成されている。同様に、溝２ｚ１を介して隔てられた他方の圧電板部分２ｚ３の上面から外側の側面に至るように、第１の駆動電極３Ｂが形成されている。この場合には、枠体２ｚとして、分極方向が枠体２の面方向である圧電セラミックスを用いたり、Ｚ板水晶を用いればよい。

　図４（ｂ）～（ｄ）に示したように、本発明においては、励振部材としての圧電振動部材は様々な構造で実現することができる。

　本実施形態の振動ジャイロ１を使用するに際しては、第１，第２の駆動電極３，４と、第１，第２の共通電極９，１０との間に交番電界を印加する。その結果、第１，第２の振動部２ａ，２ｂが屈曲モードで振動し、枠体２全体としては座屈音叉振動モードで振動することとなる。すなわち、第１，第２の振動部２ａ，２ｂを励振することによって枠体２が振動しているときの振動モードが駆動モードである。

　このように、振動ジャイロ１において、枠体２が駆動モードで振動している状態において、振動ジャイロ１にＺ軸周りの角速度が印加されると、コリオリ力により、枠体２が駆動モードとは異なる振動モードで振動する。このときの振動モードが検出モードである。枠体２が検出モードで振動している時には、振動ジャイロ１に加わった角速度の大きさに応じた出力が、第１の検出電極５，６と、第２の検出電極７，８とから取り出される。

　図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ１の駆動モード時の振動モードを示す模式的斜視図であり、図５（ａ）のハッチング領域Ｈ１～Ｈ４で示す部分は、それぞれ以下の意味を表わす。

　ハッチング領域Ｈ１：最も大きく変位している領域
　ハッチング領域Ｈ２：ハッチング領域Ｈ１よりも変位が小さい領域
　ハッチング領域Ｈ３：ハッチング領域Ｈ２よりも変位が小さい領域
　ハッチング領域Ｈ４：変位０またはほとんど変位していない領域
　すなわち、変位の大きさは、ハッチング領域Ｈ１＞ハッチング領域Ｈ２＞ハッチング領域Ｈ３＞ハッチング領域Ｈ４となる。

　また、図５（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ１の検出モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。図５（ｂ）のハッチング領域Ｈ１～Ｈ４で示す部分は、図５（ａ）と同じ意味を表わす。

　図５（ａ）に示すように、駆動モード時には枠体２が座屈音叉振動モードで振動する。そして、振動ジャイロ１に角速度が加わって検出モードとなった場合には、図５（ｂ）に示すように角速度の方向及び大きさに応じて振動モードが変化する。

　いずれにしても、本実施形態では、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、変位０またはほとんど変位していない領域であるハッチング領域Ｈ４が第１，第２の支持部２ｅ，２ｆ内に位置している。従って、本実施形態の振動ジャイロ１では、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆを外部に接合し、振動ジャイロ１の振動モードにほとんど影響を与えることなく振動ジャイロ１を支持することができる。

　また、図６（ａ）は、有限要素法により測定された本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ１の駆動モード時の応力分布を示す模式的平面図であり、図６（ｂ）は、検出モード時の応力分布を示す模式的平面図である。

　図６（ａ）の矢印Ｄ１～Ｄ４が駆動モード時の応力反転部であり、図６（ｂ）の矢印Ｅ１，Ｅ２が検出モード時の応力反転部である。応力反転部とは、２つの振動モード間で振動する場合、その両側の枠体部分間で応力の向きが逆方向となる位置である。

　図６（ａ）及び（ｂ）では、第１，第２の振動部２ａ，２ｂにおいて、引っ張り応力が加わっている部分のみを斜線のハッチングを付して示すこととする。図６（ａ）に示すように、駆動モード時の振動モードの場合、第１の振動部２ａでは、第１の振動部２ａの長さ方向中央部分の開口部Ａ側の領域と、長さ方向両端近傍の開口部Ａと反対側の領域とにおいて引っ張り応力が生じている。従って、矢印Ｄ１，Ｄ２で示す部分が応力反転部である。また、第２の振動部２ｂにおいても同様に、駆動モード時の振動モードの場合、第２の振動部２ｂの長さ方向中央部分の開口部Ａ側の領域と、長さ方向両端近傍の開口部Ａと反対側の領域とにおいて引っ張り応力が生じている。従って、矢印Ｄ３，Ｄ４で示す部分が応力反転部である。

　図６（ａ）に示すように、駆動モード時には、第１の振動部２ａでは、応力反転部Ｄ１，Ｄ２は、第１の振動部２ａの長さ方向すなわちＸ軸方向において第１の振動部２ａを三等分する位置に存在する。同様に、第２の振動部２ｂにおいても、駆動モード時には、応力反転部Ｄ３，Ｄ４は、第２の振動部２ｂの長さ方向すなわちＸ軸方向において第２の振動部２ｂを三等分する位置に存在する。

　また、図６（ｂ）に示すように、検出モード時の振動モードの場合、第１の振動部２ａでは、第１の振動部２ａの長さ方向中央部分から第１の連結部２ｃ側の端部近傍に至る開口部Ａ側の領域と、第１の振動部２ａの長さ方向中央部分から第２の連結部２ｄ側の端部近傍に至る開口部Ａと反対側の領域とにおいて引っ張り応力が生じている。従って、矢印Ｅ１で示す部分が応力反転部である。また、第２の振動部２ｂにおいても同様に、検出モード時の振動モードの場合、第２の振動部２ｂの長さ方向中央部分から第２の連結部２ｄ側の端部近傍に至る開口部Ａ側の領域と、第２の振動部２ｂの長さ方向中央部分から第１の連結部２ｃ側の端部近傍に至る開口部Ａと反対側の領域とにおいて引っ張り応力が生じている。従って、矢印Ｅ２で示す部分が応力反転部である。図６（ｂ）に示すように、検出モード時には、応力反転部Ｅ１，Ｅ２は、第１，第２の振動部２ａ，２ｂの長さ方向すなわちＸ軸方向において、第１，第２の振動部２ａ，２ｂの各中央に存在している。

　従って、本実施形態では、第１の駆動電極３は、駆動モード時の応力反転部Ｄ１，Ｄ２間に位置するように設けられており、第２の駆動電極４は、駆動モード時の応力反転部Ｄ３，Ｄ４間に位置するように設けられている。

　また、検出モード時の応力反転部Ｅ１が、第１の振動部２ａの長さ方向の中央に位置しているため、第１の検出電極５は、第１の振動部２ａの長さ方向中央部分から第２の連結部２ｄ側に位置するように設けられており、第２の検出電極７は、第１の振動部２ａの長さ方向中央部分から第１の連結部２ｃ側に位置するように設けられている。第２の振動部２ｂにおいても同様に、検出モード時の応力反転部Ｅ２が、第２の振動部２ｂの長さ方向の中央に位置しているため、第１の検出電極６は、第２の振動部２ｂの長さ方向中央部分から第１の連結部２ｃ側に位置するように設けられており、第２の検出電極８は、第２の振動部２ｂの長さ方向中央部分から第２の連結部２ｄ側に位置するように設けられている。

　また、第１，第２の検出電極５，７と、第１，第２の検出電極６，８とは、開口部Ａの中央に対して点対称に位置している。

　本実施形態の特徴は、上記枠体２の外側に第１，第２の接続部１３，１４を介して第１，第２の質量付加部１１，１２が設けられていること、並びに枠体２内の開口部Ａに上記第１，第２の支持部２ｅ，２ｆが設けられていることにある。

　前記したように、従来の矩形枠状の振動体を有する座屈音叉振動モードを利用した振動ジャイロでは、小型化を進めると、共振周波数が高くなり、検出感度が低下するという問題があった。

　これに対して、本実施形態の振動ジャイロ１では、第１，第２の質量付加部１１，１２が第１，第２の接続部１３，１４を介して枠体２に連結されている。従って、小型化を進めた場合であっても、第１，第２の質量付加部１１，１２の質量付加作用により変動し難くなる。

　よって、共振周波数が低くなる。そのため、共振周波数の上昇による感度の低下を抑制することができる。

　また、本実施形態の振動ジャイロ１では、上記第１，第２の支持部２ｅ，２ｆに、駆動モード時及び検出モード時の振動のノードが存在する。従って、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆを外部と接続する部分として用い、振動ジャイロ１を支持することができる。その場合であっても、振動のノードで振動ジャイロ１の支持が行われるので、振動の漏洩や振動の抑制が生じ難い。よって、振動ジャイロ１により、角速度を高感度でかつ安定に検出することができる。

　上記振動ジャイロ１を用いた角速度検出動作を説明する。

　図５に示すように、駆動モード時には、枠体２は座屈音叉振動モードで振動する。ここで、枠体２の厚み方向すなわちＺ軸方向を中心とする角速度が振動ジャイロ１に加わると、枠体２及び第１，第２の質量付加部１１，１２にコリオリ力が働く。第１，第２の質量付加部１１，１２は、駆動モード時の振動方向とは垂直な方向であって互いに逆方向に引っ張られることになる。そのため、図５（ｂ）に示す検出モード時の振動が誘導される。この場合、第１の検出電極５，６と第２の検出電極７，８とでは逆極性の電荷が発生する。その差から角速度に応じた出力を得ることができる。

　上記のように、本実施形態の振動ジャイロ１では、第１，第２の質量付加部１１，１２を設けたことにより、小型化を進めた場合であっても共振周波数を低くすることができる。それによって、感度の低下を抑制することができる。しかも、駆動モード時及び検出モード時の双方において振動のノードが位置するように第１，第２の支持部２ｅ，２ｆが設けられているので、それによっても感度の低下を抑制することができる。しかも、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆで振動ジャイロ１を機械的に支持した場合、振動の漏洩や振動の抑制が生じ難いので、それによっても、検出感度の低下を抑制することができる。また、角速度を安定に検出することが可能となる。

　図７～図９に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ２１を示す。図７は、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ２１の斜視図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ２１の駆動モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。図９は、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ２１の検出モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。

　図８及び図９に示すハッチング領域Ｈ１～Ｈ４は、図５に示したハッチング領域Ｈ１～Ｈ４と同様の意味を表わしている。

　本実施形態の振動ジャイロ２１では、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆが設けられていないことを除いては、第１の実施形態と同様である。従って、同一部分については、同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態において行った説明を引用することとする。

　第２の実施形態の振動ジャイロ２１においても、第１，第２の接続部１３，１４を介して第１，第２の質量付加部１１，１２が枠体２に連結されている。従って、小型化を進めた場合であっても、共振周波数の上昇を抑制し、あるいは共振周波数を低くすることができる。従って、第１の実施形態と同様に、小型化を進めた場合であっても、角速度を高い感度で検出することができる。

　もっとも、図８及び図９に示すように、駆動モード時及び検出モード時において、ほとんど振動しない、すなわち振動のノード点が共通の位置に現れ難い。従って、本実施形態の振動ジャイロ２１に比べて、第１の実施形態の振動ジャイロ１が好ましい。

　図１０～図１２に、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ３１を示す。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ３１の斜視図である。図１１は、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ３１の駆動モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。図１２は、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ３１の検出モード時の振動モードを示す模式的斜視図である。

　図１１及び図１２に示すハッチング領域Ｈ１～Ｈ４は、図５に示したハッチング領域Ｈ１～Ｈ４と同様の意味を表わしている。

　第３の実施形態の振動ジャイロ３１は、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆのＸ軸方向の長さ寸法及び第１，第２の連結部２ｃ，２ｄのＸ軸方向の長さ寸法（幅）が第１の実施形態と異なることを除いては、第１の実施形態と同様に構成されている。従って、同一部分については同一の参照番号を付することにより第１の実施形態の説明を援用することにより、その詳細な説明は省略する。

　第３の実施形態の振動ジャイロ３１では、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆのＸ軸方向の長さ寸法及び第１，第２の連結部２ｃ，２ｄのＸ軸方向の長さ寸法（幅）が、第１の実施形態の振動ジャイロ１よりも長くされている。具体的には、第１，第２の連結部２ｃ，２ｄの幅が０．２ｍｍとされており、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆの長さが１．４ｍｍ、幅が０．５ｍｍとされている。このように、第１，第２の連結部２ｃ，２ｄの幅及び第１，第２の支持部２ｅ，２ｆの形状を変更した場合であっても、図１１及び図１２から明らかなように、駆動モード時及び検出モード時において、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆに、ハッチング領域Ｈ４すなわちほとんど変位しない振動のノードが位置していることがわかる。従って、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、第１，第２の支持部２ｅ，２ｆを利用して外部と接合し、振動ジャイロ３１を機械的に支持することができる。振動の漏洩や振動の抑制が生じ難いため、本実施形態においても、角速度を高い感度で検出することが可能となる。

　加えて、本実施形態においても、第１，第２の質量付加部１１，１２が設けられているので、小型化を進めた場合であっても、共振周波数の上昇を抑制し、あるいは共振周波数を低めることができる。従って、それによっても、角速度を高い感度で検出することが可能となる。

　上記実施形態では、シリコン基板２ｇ上に圧電膜２ｈを形成したが、枠体２を金属板で構成し、枠体２上に上記第１，第２の駆動電極及び第１，第２の検出電極構成部分にそれぞれ圧電素子を積層した構造であってもよい。すなわち、圧電効果により枠体２を振動させ、かつ枠体２の振動による電荷を圧電効果により取り出し検出するための圧電素子部分は、枠体２とは別の圧電素子により形成されてもよい。その場合、枠体２を構成する金属板などの上面に、共通電極、圧電層及び検出もしくは駆動電極を積層し、圧電素子を構成すればよい。

１…振動ジャイロ
１Ａ…振動ジャイロ
２…枠体
２ａ，２ｂ…第１，第２の振動部
２ｃ，２ｄ…第１，第２の連結部
２ｅ，２ｆ…第１，第２の支持部
２ｇ…基板
２ｈ…圧電膜
２ｘ…枠体
２ｙ…圧電層
２ｚ…枠体
２ｚ１…溝
２ｚ２，２ｚ３…圧電板部分
３，４…第１，第２の駆動電極
３Ａ，３Ｂ…駆動電極
５，６…第１の検出電極
７，８…第２の検出電極
９，１０…第１，第２の共通電極
９Ａ，９Ｂ…共通電極
１１，１２…第１，第２の質量付加部
１３，１４…第１，第２の接続部
２１，３１…振動ジャイロ
Ａ…開口部
Ｄ１～Ｄ４…応力反転部
Ｅ１，Ｅ２…応力反転部
Ｈ１～Ｈ４…ハッチング領域

Claims

　間隔を隔てて平行に配置されており、第１の方向に延びる第１，第２の振動部と、前記第１，第２の振動部の端部同士をそれぞれ連結しており、第１の方向と直交する第２の方向に延びる第１，第２の連結部と、前記第１，第２の振動部及び前記第１，第２の連結部で囲まれた開口部と、前記第１の連結部から前記第２の連結部側に向かって前記第１の方向に延ばされている第１の支持部と、前記第２の連結部から前記第１の連結部側に向かって前記第１の方向に延ばされている第２の支持部とを有する枠体と、
　前記第１，第２の振動部の表面に設けられており、前記第１，第２の振動部をそれぞれ励振する第１，第２の励振部材と、
　前記第１，第２の振動部の表面に設けられており、前記枠体の振動を検出する検出部材と、
　前記枠体の外側であって、前記第１，第２の振動部にそれぞれ接続された第１，第２の質量付加部材と、
　前記第１，第２の振動部と前記第１，第２の質量付加部材とを接続している第１，第２の接続部材とを備える、振動ジャイロ。
　前記第１，第２の励振部材によって前記第１，第２の振動部を励振することによって前記枠体が座屈音叉振動モードで振動する駆動モードと、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向周りの角速度によって前記枠体が振動する検出モードとを有し、
　前記第１，第２の支持部に、前記駆動モード及び前記検出モードの振動のノードが存在する、請求項１に記載の振動ジャイロ。
　前記枠体が矩形枠状であり、
　前記第１，第２の振動部において、前記第１，第２の振動部の中心を通り前記第１の方向に延びる中心線の一方側の領域に前記第１，第２の励振部材が配置されており、他方側の領域に前記検出部材が配置されている、請求項１または請求項２に記載の振動ジャイロ。
　前記駆動モードで前記枠体が振動する際の応力反転部が、前記第１の方向において前記第１，第２の振動部を三等分する位置に存在し、前記第１，第２の励振部材が応力反転部間に設けられている、請求項３に記載の振動ジャイロ。
　前記第１，第２の励振部材及び前記検出部材が、前記第１，第２の振動部の前記第１の方向及び第２の方向に延びる一対の主面のうち一方の主面に形成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
　前記第１，第２の励振部材が、圧電体と、前記圧電体に電圧を印加するための一対の電極とを備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
　前記検出部材が、圧電体と、前記圧電体で発生した電荷を取り出すように前記圧電体に設けられた一対の電極とを有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
　前記第１，第２の質量付加部材が、矩形板状の形状を有する、請求項１～７のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
　前記枠体、前記第１，第２の接続部材及び前記第１，第２の質量付加部材が同じ材料により一体に形成されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。