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JP7808119B2 - Vibration gyroscope and angular velocity sensor equipped with the same - Google Patents
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JP7808119B2 - Vibration gyroscope and angular velocity sensor equipped with the same - Google Patents

Vibration gyroscope and angular velocity sensor equipped with the same

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JP7808119B2 JP2023557648A JP2023557648A JP7808119B2 JP 7808119 B2 JP7808119 B2 JP 7808119B2 JP 2023557648 A JP2023557648 A JP 2023557648A JP 2023557648 A JP2023557648 A JP 2023557648A JP 7808119 B2 JP7808119 B2 JP 7808119B2
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Description

本開示は、振動型ジャイロスコープ及びこれを備えた角速度センサに関する。 This disclosure relates to a vibratory gyroscope and an angular velocity sensor equipped with the same.

従来、角速度センサに用いられるジャイロスコープとして振動型ジャイロスコープが知られている。例えば、環状の振動子の表面に複数の電極を設ける構造のジャイロ素子を備えた電磁式ジャイロスコープや圧電式ジャイロスコープが良く知られている(例えば、特許文献1,2参照)。Conventionally, vibratory gyroscopes have been known as gyroscopes used in angular velocity sensors. For example, electromagnetic gyroscopes and piezoelectric gyroscopes equipped with a gyro element having multiple electrodes on the surface of a ring-shaped vibrator are well known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

このような振動型ジャイロスコープを有する角速度センサでは、振動型ジャイロスコープの出力信号にバイアス成分が重畳することがある。バイアス成分は、ゼロ点出力、またはオフセット等とも呼ばれ、角速度を検出する際のノイズ成分となる。 In angular velocity sensors that use such a vibratory gyroscope, a bias component may be superimposed on the output signal of the vibratory gyroscope. The bias component, also known as the zero-point output or offset, becomes a noise component when detecting angular velocity.

特許文献3には、円環状の第1環状部と、四角環状の第2環状部と、第1環状部と第2環状部とを連結する連結部とを備えた振動子が開示されている。また、当該振動子を備えた振動型ジャイロスコープが開示されている。この振動子では、第2環状部の4つの角部が、振動子の一次振動及び二次振動のそれぞれにおいて、振動の節となる。当該4つの角部で振動子を支持することで、振動子からの振動漏れや外部からの不要な振動の伝搬を防止できる。このことにより、角速度センサの検出電圧のドリフトを抑制して、角速度の検出感度を高められる。 Patent document 3 discloses a vibrator comprising a circular first annular portion, a square second annular portion, and a connecting portion connecting the first and second annular portions. It also discloses a vibratory gyroscope comprising this vibrator. In this vibrator, the four corners of the second annular portion serve as vibration nodes in both the primary and secondary vibrations of the vibrator. Supporting the vibrator at these four corners prevents vibration leakage from the vibrator and the propagation of unwanted vibrations from outside. This suppresses drift in the detection voltage of the angular velocity sensor, improving angular velocity detection sensitivity.

特許第5410518号公報Patent No. 5410518 特開2019-032302号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-032302 国際公開第2013/005625号International Publication No. 2013/005625

ところで、前述のバイアス成分は、振動型ジャイロスコープに設けられた複数の電極間の角度ずれや、振動子の固有振動モードの周波数の差に応じて発生する。また、バイアス成分は、振動型ジャイロスコープにおける振動モードの振動軸と電極の配置との角度ずれによっても発生する。The bias component mentioned above is generated due to the angular misalignment between the multiple electrodes provided in the vibratory gyroscope and the difference in frequency of the vibrator's natural vibration mode. The bias component is also generated due to the angular misalignment between the vibration axis of the vibration mode in the vibratory gyroscope and the arrangement of the electrodes.

前者の角度ずれは、ジャイロスコープの作製時の加工精度を高めることで、ある程度改善される。また、振動子の固有振動モードの周波数の差は、一次駆動電極と二次駆動電極との配置関係を含む振動子の対称性を適切に設定することで、ある程度改善される。 The former angular deviation can be improved to some extent by improving the processing accuracy during gyroscope manufacturing. Furthermore, the difference in frequency between the vibrator's natural vibration modes can be improved to some extent by appropriately setting the vibrator's symmetry, including the relative positions of the primary and secondary drive electrodes.

一方、バイアス成分に対する後者の角度ずれは、前2者に対する改善対策では改善することが難しいため、振動型ジャイロスコープにおける性能上の制約となるが、これまで振動型ジャイロスコープに要求される性能上あまり問題になってこなかった。しかし、近年、高精度で角速度を求めることが要求されており、この角度ずれが問題になる場合が生じてきた。 On the other hand, the latter angular deviation relative to the bias component is difficult to improve by taking measures to improve the first two, and therefore limits the performance of vibratory gyroscopes. However, until now, this has not been much of a problem in terms of the performance required of vibratory gyroscopes. However, in recent years, there has been a demand for highly accurate angular velocity measurement, and cases have arisen in which this angular deviation becomes a problem.

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、出力信号に含まれるバイアス成分を低減可能な振動型ジャイロスコープ及びこれを備えた角速度センサを提供することにある。 The present disclosure has been made in consideration of these points, and its purpose is to provide a vibration-type gyroscope capable of reducing the bias component contained in the output signal, and an angular velocity sensor equipped with the same.

上記目的を達成するため、本開示に係る振動型ジャイロスコープは、外部構造体と、平面視で前記外部構造体の内側に配置された内部構造体と、を少なくとも備えている。前記外部構造体は、平面視で中心点を有する枠状の固定部を少なくとも含んでいる。前記内部構造体は、平面視で前記固定部と共通の中心点を有する振動子と、前記振動子を前記固定部に接続して、前記振動子を振動可能に支持する複数の支持部と、を少なくとも備えている。前記振動子がcosNθ(Nは2以上の整数)の振動モードを有するとき、前記振動子の外周方向に前記中心点の回りに等角度間隔に並ぶ4N個の方位に電極がそれぞれ配置されている。前記内部構造体は、前記振動子の中心点を通り、前記振動子の表面と交差する軸線に関し、(4N×S1)回(S1は1以上の整数)の回転対称性を有している。前記外部構造体は、前記軸線に関し、(2N×S2)回(S2は1以上の奇数)の回転対称性を有している。前記外部構造体は、外周または内周に(2N×S3)個(S3は1以上の整数)の角部と、(2N×S3)個の側面を有している。 To achieve the above object, the vibratory gyroscope according to the present disclosure comprises at least an external structure and an internal structure disposed inside the external structure in a planar view. The external structure includes at least a frame-shaped fixed portion having a center point in a planar view. The internal structure comprises at least a vibrator having a common center point with the fixed portion in a planar view, and a plurality of support portions that connect the vibrator to the fixed portion and support the vibrator so that it can vibrate. When the vibrator has a vibration mode of cos Nθ (N is an integer of 2 or greater), electrodes are arranged in 4N directions at equal angular intervals around the center point in the circumferential direction of the vibrator. The internal structure has (4N x S1)-fold rotational symmetry (S1 is an integer of 1 or greater) with respect to an axis that passes through the center point of the vibrator and intersects the surface of the vibrator. The external structure has (2N x S2)-fold rotational symmetry with respect to the axis. The outer structure has (2N×S3) (S3 is an integer of 1 or more) corners on the outer periphery or inner periphery and (2N×S3) side surfaces.

前記軸線を一辺とし、前記外部構造体の複数の前記角部及び/または複数の側面の中線のうちの1つを通る仮想平面を第1仮想平面とし、前記軸線を中心軸として、前記第1仮想平面を(360/4N)度回転させた位置にある仮想平面を第2仮想平面とする。前記外部構造体には、前記第1仮想平面で切断された第1断面と、前記第2仮想平面で切断された第2断面とがある。前記第1断面と前記第2断面の組のうち、特定の組の前記第1断面と前記第2断面が、少なくとも1組存在する。前記特定の組に含まれる前記第1断面の断面積は、前記第2断面の断面積と異なっている。 An imaginary plane having the axis as one side and passing through one of the midlines of the multiple corners and/or multiple side surfaces of the external structure is defined as a first imaginary plane, and an imaginary plane located at a position obtained by rotating the first imaginary plane by (360/4N) degrees around the axis is defined as a second imaginary plane. The external structure has a first cross-section cut by the first imaginary plane and a second cross-section cut by the second imaginary plane. Among the pairs of the first cross-section and the second cross-section, there is at least one specific pair of the first cross-section and the second cross-section. The cross-sectional area of the first cross-section included in the specific pair is different from the cross-sectional area of the second cross-section.

複数の前記電極は、前記振動子に一次振動を励起させる一次駆動電極を少なくとも含む。前記一次駆動電極は、前記特定の組の前記第1断面及び前記第2断面を切断する前記第1仮想平面及び前記第2仮想平面のうち、いずれか一方と交差するように配置されている。The plurality of electrodes includes at least a primary drive electrode that excites a primary vibration in the vibrator. The primary drive electrode is positioned so as to intersect with either the first imaginary plane or the second imaginary plane that cuts the first cross section and the second cross section of the specific pair.

本開示に係る角速度センサは、前記振動型ジャイロスコープと、前記一次駆動電極に所定の周波数の交流電力を印加する一次交流電源と、一次検出電極に発生する電圧信号を検出する一次検出部と、二次駆動電極に交流電力を印加する二次交流電源と、二次検出電極に発生する電圧信号を検出する二次検出部と、前記二次交流電源の出力信号に基づいて、角速度を算出する演算部と、を少なくとも備えている。 The angular velocity sensor according to the present disclosure comprises at least the vibrating gyroscope, a primary AC power supply that applies AC power of a predetermined frequency to the primary drive electrode, a primary detection unit that detects a voltage signal generated in the primary detection electrode, a secondary AC power supply that applies AC power to the secondary drive electrode, a secondary detection unit that detects a voltage signal generated in the secondary detection electrode, and a calculation unit that calculates angular velocity based on the output signal of the secondary AC power supply.

本開示の振動型ジャイロスコープによれば、出力信号に含まれるバイアス成分を低減できる。本開示の角速度センサによれば、振動型ジャイロスコープの出力信号に含まれるバイアス成分を低減でき、角速度の検出精度を高められる。 The vibration gyroscope disclosed herein can reduce the bias component contained in the output signal.The angular velocity sensor disclosed herein can reduce the bias component contained in the output signal of the vibration gyroscope, thereby improving the accuracy of angular velocity detection.

実施形態1に係る振動型ジャイロスコープの分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view of a vibration gyroscope according to a first embodiment. 振動型ジャイロスコープの平面図である。FIG. 1 is a plan view of a vibratory gyroscope. 図2のIII-III線での断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 図2の破線で囲まれた部分の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a portion surrounded by a dashed line in FIG. 2. 角速度センサの回路ブロックの概略構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a circuit block of the angular velocity sensor. 振動子の一次振動状態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a primary vibration state of a vibrator. 振動子の二次振動状態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a secondary vibration state of a vibrator. 第1の比較例に係る振動型ジャイロスコープの平面図である。FIG. 1 is a plan view of a vibration gyroscope according to a first comparative example. 図8に示す振動子の一次振動状態を示す模式図である。9 is a schematic diagram showing a primary vibration state of the vibrator shown in FIG. 8 . 図8に示す振動子の二次振動状態を示す模式図である。9 is a schematic diagram showing a secondary vibration state of the vibrator shown in FIG. 8 . 第2の比較例に係る振動型ジャイロスコープの平面図である。FIG. 10 is a plan view of a vibration gyroscope according to a second comparative example. 外部構造体の平面模式図である。FIG. 2 is a schematic plan view of an external structure. 1番目の振動軸で振動する時の外部構造体の変形状態を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a deformation state of the external structure when vibrating on the first vibration axis. 2番目の振動軸で振動する時の外部構造体の変形状態を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing the deformation state of the external structure when vibrating on the second vibration axis. 第3の比較例に係る外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of an external structure according to a third comparative example. 図14に示す外部構造体の1番目のcos2θモードの振動時の変形状態を示す模式図である。FIG. 15 is a schematic diagram showing a deformation state of the external structure shown in FIG. 14 during vibration in the first cos 2θ mode. 図14に示す外部構造体の2番目のcos2θモードの振動時の変形状態を示す模式図である。FIG. 15 is a schematic diagram showing a deformation state of the external structure shown in FIG. 14 during vibration in the second cos 2θ mode. 図14に示す外部構造体の1番目のcos2θモードの振動時の別の変形状態を示す模式図である。FIG. 15 is a schematic diagram showing another deformation state of the external structure shown in FIG. 14 during vibration in the first cos 2θ mode. 図14に示す外部構造体の2番目のcos2θモードの振動時の別の変形状態を示す模式図である。FIG. 15 is a schematic diagram showing another deformation state of the external structure shown in FIG. 14 during vibration in the second cos 2θ mode. 変形例1に係る振動型ジャイロスコープの平面図である。FIG. 10 is a plan view of a vibration gyroscope according to a first modified example. 図16の破線で囲まれた部分の拡大図である。FIG. 17 is an enlarged view of the portion surrounded by the dashed line in FIG. 16. 実施形態2に係る外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of an external structure according to a second embodiment. 別の外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of another external structure. さらなる外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of a further external structure. 変形例2に係る第1の外部構造体の平面模式図である。FIG. 11 is a schematic plan view of a first external structure according to Modification 2. 第2の外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of a second external structure. 第3の外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of a third external structure. 第4の外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of a fourth external structure. 第5の外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of a fifth external structure. 第6の外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of a sixth external structure. 第7の外部構造体の平面模式図である。FIG. 10 is a schematic plan view of the seventh external structure. 実施形態3に係る振動型ジャイロスコープの平面図である。FIG. 10 is a plan view of a vibration type gyroscope according to a third embodiment. 振動子の一次振動状態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a primary vibration state of a vibrator. 振動子の二次振動状態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a secondary vibration state of a vibrator.

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Embodiments of the present disclosure will now be described with reference to the drawings. Note that the following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present disclosure, its applications, or its uses.

(実施形態1)
[振動型ジャイロスコープの構成]
図1は、本実施形態に係る振動型ジャイロスコープの分解斜視図を、図2は、平面図を、図3は、図2のIII-III線での断面図を、図4は、図2の破線で囲まれた部分の拡大図をそれぞれ示す。
(Embodiment 1)
[Configuration of Vibration Gyroscope]
FIG. 1 shows an exploded perspective view of a vibratory gyroscope according to this embodiment, FIG. 2 shows a plan view, FIG. 3 shows a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. 4 shows an enlarged view of a portion surrounded by a dashed line in FIG. 2.

なお、説明の便宜上、図1において、ジャイロ素子110のうち、固定部10のみを図示している。また、図1,2において、磁場印加部80の図示を省略している。また、図1~4は、振動型ジャイロスコープ100の構造を模式的に示したものであり、各部材間の実際の寸法関係を正しく表したものではないことに留意する必要がある。 For ease of explanation, only the fixed portion 10 of the gyro element 110 is shown in Figure 1. Furthermore, the magnetic field application portion 80 is not shown in Figures 1 and 2. It should also be noted that Figures 1 to 4 are schematic illustrations of the structure of the vibratory gyroscope 100 and do not accurately represent the actual dimensional relationships between the various components.

なお、以降の説明において、振動子20の半径方向を径方向と、振動子20の外周方向を周方向と、径方向と直交するとともに、径方向と周方向とを面内に含む平面と直交する方向を軸方向とそれぞれ呼ぶことがある。また、径方向において、振動子20の中心側を内または内側と、外周側を外または外側と呼ぶことがある。軸方向において、上部ヨーク81(図3参照)が設けられた側を上または上側と、下部ヨーク83(図3参照)が設けられた側を下または下側と呼ぶことがある。また、振動型ジャイロスコープ100を軸方向から見た場合を平面視と呼ぶことがある。なお、以降に示す各部材の上面を表面と、下面を裏面とそれぞれ呼ぶことがある。また、振動子20の中心点Oを通り、固定部10の表面と交差する方向、この場合は軸方向に延びる仮想線を軸線O1と呼ぶことがある(図3参照)。 In the following description, the radial direction of the vibrator 20 will be referred to as the radial direction, the outer circumferential direction of the vibrator 20 as the circumferential direction, and the direction perpendicular to the radial direction and perpendicular to a plane containing the radial and circumferential directions as the axial direction. Furthermore, in the radial direction, the center side of the vibrator 20 will be referred to as the inner side, and the outer circumferential side will be referred to as the outer side. In the axial direction, the side on which the upper yoke 81 (see Figure 3) is provided will be referred to as the upper side, and the side on which the lower yoke 83 (see Figure 3) is provided will be referred to as the lower side. Furthermore, the vibratory gyroscope 100 viewed from the axial direction will be referred to as a planar view. The upper surface of each component shown below will be referred to as the front surface, and the lower surface will be referred to as the back surface. Furthermore, the direction passing through the center point O of the vibrator 20 and intersecting the surface of the fixed part 10, in this case a virtual line extending in the axial direction, will be referred to as the axis O1 (see Figure 3).

また、1または複数の一次駆動電極を総称して、一次駆動電極PDと呼び、1または複数の二次駆動電極を総称して、二次駆動電極SDと呼ぶことがある。1または複数の一次検出電極を総称して、一次検出電極PPOと呼び、1または複数の二次検出電極を総称して、二次検出電極SPOと呼ぶことがある。 Furthermore, one or more primary drive electrodes may be collectively referred to as primary drive electrodes PD, and one or more secondary drive electrodes may be collectively referred to as secondary drive electrodes SD. One or more primary detection electrodes may be collectively referred to as primary detection electrodes PPO, and one or more secondary detection electrodes may be collectively referred to as secondary detection electrodes SPO.

図1に示すように、振動型ジャイロスコープ100は、ジャイロ素子110とスペーサ120と台座部130と磁場印加部80(図3参照)とを有している。振動型ジャイロスコープ100は、電磁式ジャイロスコープである。なお、ジャイロ素子110の構造と機能については、後で詳述する。なお、本願明細書において「平行」または「同じ」あるいは「一致」とは、振動型ジャイロスコープ100及びこれを構成する各部品の加工公差や組立公差を含んで平行または同じあるいは一致しているという意味であり、比較対象となる両者が厳密な意味で平行または同じあるいは一致していることまでを意味するものではない。 As shown in Figure 1, the vibratory gyroscope 100 has a gyro element 110, a spacer 120, a base 130, and a magnetic field application unit 80 (see Figure 3). The vibratory gyroscope 100 is an electromagnetic gyroscope. The structure and function of the gyro element 110 will be described in detail later. In this specification, "parallel," "same," or "matching" means being parallel, the same, or matching, including the processing tolerances and assembly tolerances of the vibratory gyroscope 100 and each of its constituent parts, and does not mean that the two objects being compared are parallel, the same, or matching in the strict sense.

スペーサ120は、中央に貫通開口を有する枠状の部材部材であり、ガラス等のセラミックからなる。平面視で、スペーサ120は、軸線O1に関し、4×n(nは1以上の整数)の回転対称性を有している。固定部10とスペーサ120は、内周と外周を有している。スペーサ120は、固定部10の裏面に接して配置されている。スペーサ120は、後で述べる上部ヨーク81と振動子20との間隔を調整するために設けられている。台座部130は、上部にフランジを有する円柱状の部材である。なお、台座部130の下部は、固定部10の内周10aと同じ回転対称性を有する正八角柱であってもよい。台座部130は、スペーサ120と同様に、ガラス等のセラミックからなる。台座部130は、スペーサ120の裏面に接して設けられている。台座部130は、磁場印加部80を保持するために設けられている。なお、スペーサ120が省略される場合は、台座部130は、固定部10の裏面に接して配置される。固定部10とスペーサ120とは、例えば、接着剤により貼り合わせられる。また、スペーサ120と台座部130とは、例えば、接着剤により貼り合わせられる。The spacer 120 is a frame-shaped member with a central through-hole and is made of ceramic such as glass. In a plan view, the spacer 120 has 4xn (n is an integer greater than or equal to 1) rotational symmetry with respect to the axis O1. The fixed portion 10 and the spacer 120 have inner and outer peripheries. The spacer 120 is disposed in contact with the back surface of the fixed portion 10. The spacer 120 is provided to adjust the distance between the upper yoke 81 (described later) and the vibrator 20. The pedestal 130 is a cylindrical member with a flange on its upper portion. Note that the lower portion of the pedestal 130 may be a regular octagonal prism with the same rotational symmetry as the inner periphery 10a of the fixed portion 10. The pedestal 130, like the spacer 120, is made of ceramic such as glass. The pedestal 130 is disposed in contact with the back surface of the spacer 120. The pedestal 130 is provided to hold the magnetic field application unit 80. When the spacer 120 is omitted, the base 130 is disposed in contact with the rear surface of the fixed part 10. The fixed part 10 and the spacer 120 are bonded together, for example, with an adhesive. The spacer 120 and the base 130 are bonded together, for example, with an adhesive.

なお、固定部10とスペーサ120と台座部130とで構成される構造体を、外部構造体60と呼ぶことがある。スペーサ120が省略される場合は、固定部10と台座部130とで、外部構造体60が構成されることは言うまでもない。また、スペーサ120と台座部130とが一体化されて1つの部品となっていてもよい。 The structure consisting of the fixed part 10, spacer 120, and base part 130 is sometimes referred to as the external structure 60. If the spacer 120 is omitted, it goes without saying that the external structure 60 is composed of the fixed part 10 and base part 130. Furthermore, the spacer 120 and base part 130 may be integrated into one component.

また、外部構造体60は、軸線O1に関し、(2N×S2)回の回転対称性を有する。ここで、Nは2以上の整数であり、S2は1以上の奇数である。本実施形態では、N=2、S2=1である。つまり、外部構造体60は、軸線O1に関し、4回の回転対称性を有する。なお、外部構造体60を構成する各部の形状が、つまり、固定部10の形状とスペーサ120の形状と台座部130の形状とが、それぞれ平面視で一致していなくてもよい。 Furthermore, the external structure 60 has (2N x S2)-fold rotational symmetry with respect to the axis O1. Here, N is an integer greater than or equal to 2, and S2 is an odd number greater than or equal to 1. In this embodiment, N = 2 and S2 = 1. In other words, the external structure 60 has four-fold rotational symmetry with respect to the axis O1. Note that the shapes of the parts constituting the external structure 60, that is, the shapes of the fixing part 10, the spacer 120, and the base part 130, do not have to be the same in plan view.

また、図2に示すように、外部構造体60の外周は、角部(固定部10の角部に相当)及び側面の中線(固定部10の側面の中線に相当)を、それぞれ(2N×S3)個有している。ここで、S3は1以上の整数であり、本実施形態では、S3=1である。つまり、外部構造体60の外周は、角部及び側面の中線をそれぞれ4個有している。なお、平面視で、外部構造体60の「角部」は、「点」であるが、実際には、外部構造体60における互いに隣り合う側面の軸方向に沿った交線にあたる。また、本願明細書において、「側面の中線」とは、対象となる側面の中点を通る軸方向の仮想線を言う。また、「側面」は、外部構造体60の内周(固定部10の内周10aに相当)に設けられた1または複数の側面と外周(固定部10の外周10bに相当)に設けられた1または複数の側面とを総称していう。また、「側面」は平坦面であってもよいし、曲面であってもよい。 As shown in FIG. 2 , the outer periphery of the external structure 60 has (2N×S3) corners (corresponding to the corners of the fixed part 10) and side midlines (corresponding to the side midlines of the fixed part 10). Here, S3 is an integer greater than or equal to 1, and in this embodiment, S3 = 1. That is, the outer periphery of the external structure 60 has four corners and four side midlines. Note that, although the "corners" of the external structure 60 are "points" in plan view, they actually correspond to intersections along the axial direction of adjacent side surfaces of the external structure 60. In this specification, the "side midline" refers to an imaginary line in the axial direction passing through the midpoint of the relevant side surface. Furthermore, the term "side surface" collectively refers to one or more side surfaces provided on the inner periphery of the external structure 60 (corresponding to the inner periphery 10a of the fixed part 10) and one or more side surfaces provided on the outer periphery (corresponding to the outer periphery 10b of the fixed part 10). Furthermore, the "side surface" may be a flat surface or a curved surface.

図2に示すように、ジャイロ素子110は、固定部10と振動子20と複数の支持部30と複数の電極40a~40hと磁場印加部80とを有している。なお、振動子20と複数の支持部30と複数の電極40a~40hと構成される構造体を、内部構造体70と呼ぶことがある。図2から明らかなように、内部構造体70は、平面視で外部構造体60の内側に配置されている。 As shown in Figure 2, the gyro element 110 has a fixed portion 10, a vibrator 20, multiple support portions 30, multiple electrodes 40a to 40h, and a magnetic field application portion 80. The structure consisting of the vibrator 20, multiple support portions 30, and multiple electrodes 40a to 40h is sometimes referred to as the internal structure 70. As is clear from Figure 2, the internal structure 70 is disposed inside the external structure 60 in a planar view.

図2に示すように、固定部10は、中央に開口11を有する枠状の部材であり、軸方向(図2では紙面と直交する方向)から見て、言い換えると、平面視で、その内周10aは正八角形である一方、外周10bは正四角形となっている。また、外周10bの対角線上に内周10aの一側面の中線が配置されるように、固定部10が形成されている。なお、平面視で、固定部10の中心点Oは、振動子20の中心点Oに一致している。また、平面視で、外部構造体60の中心点Oは、振動子20の中心点Oに一致している。なお、固定部10、振動子20及び外部構造体60の中心点Oを、単に中心点Oと呼ぶことがある。また、外部構造体60の角部は、平面視で、鈍角、直角、鋭角のいずれも取りうる。また、外部構造体60の角部は、多角形の角部に特に限定されず、C面取りされたものやR面取りされたものも含む。なお、C面取りされた角部やR面取りされた角部は、外部構造体60において、互いに隣り合う側面をそれぞれ仮想的に延長した場合の交線にあたる。 As shown in FIG. 2, the fixed portion 10 is a frame-shaped member having an opening 11 in the center. When viewed from the axial direction (a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 2), in other words, in a plan view, its inner periphery 10a is a regular octagon, while its outer periphery 10b is a regular rectangle. The fixed portion 10 is formed so that the midline of one side of the inner periphery 10a is located on the diagonal of the outer periphery 10b. Note that, in a plan view, the center point O of the fixed portion 10 coincides with the center point O of the vibrator 20. Also, in a plan view, the center point O of the external structure 60 coincides with the center point O of the vibrator 20. Note that the center points O of the fixed portion 10, vibrator 20, and external structure 60 may be simply referred to as center points O. The corners of the external structure 60 may be obtuse, right, or acute angles in a plan view. The corners of the external structure 60 are not limited to polygonal corners, and include C-chamfered and R-chamfered corners. The C-chamfered corners and the R-chamfered corners correspond to the intersection lines of the virtual extensions of adjacent side surfaces of the outer structure 60 .

図2に示すように、軸線O1(図3参照)を一辺とし、平面視で、外部構造体60の外周の4つの角部のそれぞれを通る仮想平面をそれぞれ仮想平面OA1,OA3,OA5,OA7とする。また、軸線O1を一辺とし、平面視で、外部構造体60の外周の4つの側面の中線のそれぞれを通る仮想平面をそれぞれ仮想平面OA2,OA4,OA6,OA8とする。ここで、jを1以上、7以下の整数のいずれかとする、仮想平面OAj+1は、軸線O1を中心軸として時計回り方向に仮想平面OAを45度回転させた位置にある。なお、以降の説明において、第1仮想平面を、軸線O1を一辺とし、平面視で、外部構造体60の外周または内周にある複数の角部のいずれかを通る仮想平面と規定した場合、第2仮想平面を軸線O1を中心軸として第1仮想平面を(360/4N)度回転させた仮想平面とする。また、第1仮想平面を、軸線O1を一辺とし、平面視で、外部構造体60の外周または内周にある複数の側面の中線のいずれかを通る仮想平面と規定した場合も、第2仮想平面を軸線O1を中心軸として第1仮想平面を(360/4N)度回転させた仮想平面とする。図2に示す例で言えば、仮想平面OA1,OA3,OA5,OA7をそれぞれ第1仮想平面とする場合、仮想平面OA2,OA4,OA6,OA8がそれぞれ第2仮想平面にあたる。 As shown in FIG. 2 , imaginary planes having the axis O1 (see FIG. 3 ) as one side and passing through each of the four corners of the outer periphery of the external structure 60 in a planar view are defined as imaginary planes OA1, OA3, OA5, and OA7, respectively. Furthermore, imaginary planes having the axis O1 as one side and passing through each of the midlines of the four side surfaces of the outer periphery of the external structure 60 in a planar view are defined as imaginary planes OA2, OA4, OA6, and OA8, respectively. Here, an imaginary plane OA j+1 , where j is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to 7, is located at a position obtained by rotating the imaginary plane OA j by 45 degrees clockwise around the axis O1 as the central axis. Note that in the following description, when the first imaginary plane is defined as an imaginary plane having the axis O1 as one side and passing through any of a plurality of corners on the outer or inner periphery of the external structure 60 in a planar view, the second imaginary plane is defined as an imaginary plane obtained by rotating the first imaginary plane by (360/4N) degrees around the axis O1 as the central axis. Furthermore, even when the first imaginary plane is defined as a virtual plane having the axis O1 as one side and passing through any of the midlines of a plurality of side surfaces on the outer periphery or inner periphery of the external structure 60 in a plan view, the second imaginary plane is defined as a virtual plane obtained by rotating the first imaginary plane by (360/4N) degrees around the axis O1 as the central axis. In the example shown in Fig. 2, when the imaginary planes OA1, OA3, OA5, and OA7 are respectively defined as first imaginary planes, the imaginary planes OA2, OA4, OA6, and OA8 correspond to second imaginary planes, respectively.

また、外部構造体60において、仮想平面OA1~OA8でそれぞれ切断された断面を想定する。仮想平面OA1で切断された断面の径方向の長さL1は、仮想平面OA8で切断された断面の径方向の長さL2よりも長い。つまり、仮想平面OA1で切断された断面の断面積は、仮想平面OA8で切断された断面の断面積よりも大きい。同様の関係は、仮想平面OA1で切断された断面と仮想平面OA2で切断された断面にも当てはまる。さらに、同様の関係は、外部構造体60において、仮想平面OA3で切断された断面と仮想平面OA2,OA4でそれぞれ切断された断面にも当てはまる。仮想平面OA5で切断された断面と仮想平面OA4,OA6でそれぞれ切断された断面にも当てはまる。仮想平面OA7で切断された断面と仮想平面OA6,OA8でそれぞれ切断された断面にも当てはまる。そこで、前述したように、仮想平面OA1,OA3,OA5,OA7をそれぞれ第1仮想平面とし、仮想平面OA2,OA4,OA6,OA8がそれぞれ第2仮想平面とする。この場合に、第1仮想平面で切断される外部構造体60の断面を第1断面12とし、第2仮想平面で切断される外部構造体60の断面を第2断面13とする。第2断面13は、軸線O1を中心軸として第1断面12を(360/4N)度回転させた位置にある。また、第1断面12の断面積は、第2断面13の断面積と異なる。具体的には前者の断面積は、後者の断面積よりも大きい。 Also, assume cross sections of the external structure 60 cut at imaginary planes OA1 to OA8. The radial length L1 of the cross section cut at imaginary plane OA1 is longer than the radial length L2 of the cross section cut at imaginary plane OA8. In other words, the cross-sectional area of the cross section cut at imaginary plane OA1 is larger than the cross-sectional area of the cross section cut at imaginary plane OA8. A similar relationship applies to the cross sections cut at imaginary plane OA1 and the cross sections cut at imaginary plane OA2. Furthermore, a similar relationship applies to the cross sections of the external structure 60 cut at imaginary plane OA3 and the cross sections cut at imaginary planes OA2 and OA4, respectively. This also applies to the cross section cut at imaginary plane OA5 and the cross sections cut at imaginary planes OA4 and OA6, respectively. This also applies to the cross section cut at imaginary plane OA7 and the cross sections cut at imaginary planes OA6 and OA8, respectively. Therefore, as described above, the imaginary planes OA1, OA3, OA5, and OA7 are each defined as the first imaginary plane, and the imaginary planes OA2, OA4, OA6, and OA8 are each defined as the second imaginary plane. In this case, the cross section of the external construct 60 cut by the first imaginary plane is defined as the first cross section 12, and the cross section of the external construct 60 cut by the second imaginary plane is defined as the second cross section 13. The second cross section 13 is located at a position obtained by rotating the first cross section 12 by (360/4N) degrees around the axis O1 as the central axis. Furthermore, the cross-sectional area of the first cross section 12 is different from the cross-sectional area of the second cross section 13. Specifically, the cross-sectional area of the former is larger than the cross-sectional area of the latter.

なお、本願明細書において、「切断」とは、対象物に対する仮想的な切断を言い、対象物を実際に切断することを意味しない。 In this specification, "cutting" refers to a virtual cut on an object, and does not mean actually cutting the object.

なお、図2に示す例では、複数の第1断面12及び第2断面13において、それぞれから任意に1つずつを選択しても、第1断面12の断面積は、第2断面13の断面積と必ず異なる。ただし、複数の第1断面12と複数の第2断面13からそれぞれ選択される組において、第1断面12の断面積が第2断面13の断面積と同じである組が存在してもよい。ただし、その場合も、後で述べるように、平面視で、一次駆動電極PDと交差する第1仮想平面または第2仮想平面は、第1仮想平面で切断された断面の断面積と第2仮想平面で切断された断面の断面積とが互いに異なる第1断面12または第2断面13を通過する。2, even if one of the multiple first cross sections 12 and one of the second cross sections 13 are arbitrarily selected from each of the multiple first cross sections 12 and the multiple second cross sections 13, the cross-sectional area of the first cross section 12 will always be different from the cross-sectional area of the second cross section 13. However, among the pairs selected from the multiple first cross sections 12 and the multiple second cross sections 13, there may be a pair in which the cross-sectional area of the first cross section 12 is the same as the cross-sectional area of the second cross section 13. However, even in this case, as will be described later, the first imaginary plane or the second imaginary plane intersecting the primary drive electrode PD in a planar view passes through the first cross section 12 or the second cross section 13 in which the cross-sectional area of the cross section cut by the first imaginary plane and the cross-sectional area of the cross section cut by the second imaginary plane are different from each other.

また、開口11の内側に振動子20と複数の支持部30と複数の電極40a~40hと磁場印加部80とが配置されている。また、図3に示すように、固定部10は、第1シリコン層51とシリコン酸化層(絶縁層)52と第2シリコン層53とがこの順で積層された積層構造を有する部材である。また、第2シリコン層53の表面にはシリコン酸化膜54が形成されている。なお、固定部10の構造は特にこれに限定されない。 Also, inside the opening 11, the vibrator 20, multiple support members 30, multiple electrodes 40a-40h, and magnetic field application unit 80 are arranged. As shown in FIG. 3, the fixed portion 10 is a member having a layered structure in which a first silicon layer 51, a silicon oxide layer (insulating layer) 52, and a second silicon layer 53 are layered in this order. A silicon oxide film 54 is formed on the surface of the second silicon layer 53. The structure of the fixed portion 10 is not particularly limited to this.

振動子20は、第2シリコン層53を加工して得られる円環状の部材であり、外力等を受けたとき、振動子20を含む内部構造体70と外部構造体60とが、cosNθの機械的な振動モード(以下、単に振動モードと呼ぶことがある。)で振動するように構成されている。 The vibrator 20 is a circular ring-shaped member obtained by processing the second silicon layer 53, and is configured so that when subjected to an external force, the internal structure 70 including the vibrator 20 and the external structure 60 vibrate in a cos Nθ mechanical vibration mode (hereinafter sometimes simply referred to as the vibration mode).

支持部30は、第2シリコン層53を加工して得られる部材であり、振動子20と一体的に形成される。また、支持部30は、振動子20を固定部10に接続して、振動子20を片持ち状に、別の見方をすれば、振動子20を振動可能に支持している。また、図3から明らかなように、固定部10と振動子20と支持部30とは、それぞれの表面が平行な関係にある。また、固定部10と振動子20と支持部30とは、それぞれの裏面が平行な関係にある。 The support portion 30 is a member obtained by processing the second silicon layer 53, and is formed integrally with the vibrator 20. The support portion 30 connects the vibrator 20 to the fixed portion 10, supporting the vibrator 20 in a cantilevered manner, or, from another perspective, supporting the vibrator 20 so that it can vibrate. As is clear from Figure 3, the surfaces of the fixed portion 10, vibrator 20, and support portion 30 are parallel to each other. The back surfaces of the fixed portion 10, vibrator 20, and support portion 30 are parallel to each other.

図4に示すように、複数の支持部30のそれぞれは、第1脚部31と第2脚部32とを有している。第1脚部31及び第2脚部32は、それぞれ第1端部30aと第2端部30bとを有している。第1端部30aは、固定部10の内周10aの角部近傍にそれぞれ接続されている。第2端部30bは、振動子20にそれぞれ接続されている。 As shown in FIG. 4, each of the multiple support parts 30 has a first leg part 31 and a second leg part 32. The first leg part 31 and the second leg part 32 each have a first end part 30a and a second end part 30b. The first end part 30a is connected to a corner of the inner periphery 10a of the fixed part 10. The second end part 30b is connected to the vibrator 20.

仮想平面OA1~OA8のそれぞれは、8つの電極40のそれぞれを支持する第1脚部31と第2脚部32との間を通るように配置されている。また、同じ電極40を支持する第1脚部31と第2脚部32は、8つの仮想平面OA1~OA8のいずれかに関して対称に配置されている。 Each of the imaginary planes OA1 to OA8 is positioned so as to pass between the first leg 31 and the second leg 32 that support each of the eight electrodes 40. Furthermore, the first leg 31 and the second leg 32 that support the same electrode 40 are positioned symmetrically with respect to one of the eight imaginary planes OA1 to OA8.

また、第1脚部31は、第1~第5部分31a,31b,31c,31d,31eを有している。第1部分31aは、第1端部30aから振動子20の中心点Oに向かって径方向に延びている。第2部分31bは、第1部分31aの一端で屈曲されて、周方向に延びている。第3部分31cは、第5部分31eの一端で屈曲されて、振動子20の中心点Oに向かって径方向に延び、第2端部30bに達している。第4部分31dは、第2部分31bの一端から振動子20の中心点Oに向かって径方向に延びている。第5部分31eは、第4部分31dの一端で第2部分31bの折り返し方向と反対方向に折り返して周方向に延びている。なお、第1部分31a、第3部分31c及び第4部分31dが延長された仮想線(図示せず)が必ずしも中心点Oを通過するわけではない。 The first leg 31 also has first to fifth portions 31a, 31b, 31c, 31d, and 31e. The first portion 31a extends radially from the first end 30a toward the center point O of the vibrator 20. The second portion 31b is bent at one end of the first portion 31a and extends circumferentially. The third portion 31c is bent at one end of the fifth portion 31e and extends radially toward the center point O of the vibrator 20, reaching the second end 30b. The fourth portion 31d extends radially from one end of the second portion 31b toward the center point O of the vibrator 20. The fifth portion 31e is folded back at one end of the fourth portion 31d in the opposite direction to the folding back direction of the second portion 31b and extends circumferentially. Note that an imaginary line (not shown) extending from the first portion 31a, the third portion 31c, and the fourth portion 31d does not necessarily pass through the center point O.

同様に、第2脚部32は、第1~第5部分32a,32b,32c,32d,32eを有している。第1部分32aは、第1端部30aから振動子20の中心点Oに向かって径方向に延びている。また、第2部分32bは、第1部分32aの一端で屈曲されて、周方向に延びている。また、第3部分32cは、第5部分32eの一端で屈曲されて、振動子20の中心点Oに向かって径方向に延び、第2端部30bに達している。第4部分32dは、第2部分32bの一端から振動子20の中心点Oに向かって径方向に延びている。第5部分32eは、第4部分32dの一端で第2部分32bの折り返し方向と反対方向に折り返して周方向に延びている。なお、第1部分32a、第3部分32c及び第4部分32dが延長された仮想線(図示せず)に必ずしも中心点Oを通過するわけではない。 Similarly, the second leg 32 has first to fifth portions 32a, 32b, 32c, 32d, and 32e. The first portion 32a extends radially from the first end 30a toward the center point O of the vibrator 20. The second portion 32b is bent at one end of the first portion 32a and extends circumferentially. The third portion 32c is bent at one end of the fifth portion 32e and extends radially toward the center point O of the vibrator 20, reaching the second end 30b. The fourth portion 32d extends radially from one end of the second portion 32b toward the center point O of the vibrator 20. The fifth portion 32e extends circumferentially, folding back at one end of the fourth portion 32d in the opposite direction to the folding back direction of the second portion 32b. It should be noted that the virtual line (not shown) extending from the first portion 32a, the third portion 32c, and the fourth portion 32d does not necessarily pass through the center point O.

電極40a~40hのそれぞれは、振動子20の面内にループ状に形成された導電部材である。また、電極40a~40hのそれぞれは、支持部30の表面から振動子20の表面にかけて連続して設けられている。なお、以降の説明において、電極40a~40hの配置方位や機能に特に着目しない場合、電極40a~40hを総称して、電極40と呼ぶことがある。 Each of the electrodes 40a to 40h is a conductive member formed in a loop shape within the surface of the vibrator 20. Furthermore, each of the electrodes 40a to 40h is provided continuously from the surface of the support portion 30 to the surface of the vibrator 20. In the following description, unless particular attention is paid to the orientation or function of the electrodes 40a to 40h, the electrodes 40a to 40h may be collectively referred to as electrodes 40.

例えば、図2,4に示すように、電極40は、第1脚部31の第1端部30aから第1脚部31の第2端部30bと振動子20と第2脚部32の第2端部30bを経由して、第2脚部32の第1端部30aまで延びている。また、電極40の一端は、固定部10の表面に形成された引き出し配線41を介して電極パッド42に接続されている。同様に、電極40の他端は、固定部10の表面に形成された引き出し配線41を介して電極パッド42に接続されている。また、電極40と引き出し配線41と電極パッド42とは、シリコン酸化膜54の表面に一体的に形成されている。2 and 4, the electrode 40 extends from the first end 30a of the first leg 31, via the second end 30b of the first leg 31, the vibrator 20, and the second end 30b of the second leg 32, to the first end 30a of the second leg 32. One end of the electrode 40 is connected to an electrode pad 42 via a lead-out wiring 41 formed on the surface of the fixed part 10. Similarly, the other end of the electrode 40 is connected to an electrode pad 42 via a lead-out wiring 41 formed on the surface of the fixed part 10. The electrode 40, lead-out wiring 41, and electrode pad 42 are integrally formed on the surface of the silicon oxide film 54.

なお、異なる方位に配置された同じ機能の電極40のうち、一部または全てが配線(図示せず)で接続される。なお、当該配線は、固定部10に設けられていてもよい。あるいは、電極パッド42間を接続する金属ワイヤであってもよい。 Some or all of the electrodes 40 with the same function that are arranged in different orientations are connected by wiring (not shown). The wiring may be provided on the fixed part 10. Alternatively, it may be a metal wire that connects the electrode pads 42 together.

図2に示すように、振動子20の表面には、4つの機能の異なる電極40を含む組が、周方向にわたって2組配置されている。電極40の組には、一次駆動電極PDと二次駆動電極SDと一次検出電極PPOと二次検出電極SPOとが、周方向に沿ってこの順で、かつ時計回り方向に配置されている。複数の電極40a~40hのサイズはそれぞれ同じである。また、複数の電極40a~40hは、中心点Oを頂点として、周方向に45度ずつ離れてそれぞれ配置されている。よって、ジャイロ素子110に含まれる同じ機能の電極40は、中心点Oを頂点として、周方向に180度離れて配置されている。例えば、2つの一次駆動電極PD(電極40a,40e)は、中心点Oを頂点として、周方向に180度離れて配置されている。 As shown in FIG. 2, two sets of electrodes 40 with four different functions are arranged circumferentially on the surface of the vibrator 20. Each set of electrodes 40 includes a primary drive electrode PD, a secondary drive electrode SD, a primary detection electrode PPO, and a secondary detection electrode SPO, arranged in this order clockwise along the circumferential direction. The multiple electrodes 40a-40h are all the same size. Furthermore, the multiple electrodes 40a-40h are arranged 45 degrees apart in the circumferential direction, with the center point O as their apex. Therefore, electrodes 40 with the same function included in the gyro element 110 are arranged 180 degrees apart in the circumferential direction, with the center point O as their apex. For example, the two primary drive electrodes PD (electrodes 40a, 40e) are arranged 180 degrees apart in the circumferential direction, with the center point O as their apex.

前述したように、円環状の振動子20の周方向に等角度間隔で8個の電極40a~40hが配置されている。また、図2に示すように、電極40a~40hのそれぞれに対応して設けられた支持部30も振動子20の周方向に等角度間隔で8組設けられている。言い換えると、内部構造体70は、軸線O1に関し、(4N×S1)回の回転対称性を有する。ここで、S1は1以上の整数であり、本実施形態では、S1=1である。つまり、内部構造体70は、軸線O1に関し、8回の回転対称性を有する。As described above, eight electrodes 40a-40h are arranged at equal angular intervals around the circumference of the annular vibrator 20. Furthermore, as shown in FIG. 2, eight sets of support members 30, each corresponding to one of the electrodes 40a-40h, are also arranged at equal angular intervals around the circumference of the vibrator 20. In other words, the internal structure 70 has (4N x S1)-fold rotational symmetry about the axis O1. Here, S1 is an integer greater than or equal to 1, and in this embodiment, S1 = 1. In other words, the internal structure 70 has eight-fold rotational symmetry about the axis O1.

図3に示すように、磁場印加部80は、上部ヨーク81と磁石82と下部ヨーク83とを有している。上部ヨーク81及び下部ヨーク83は、それぞれ鉄等の磁性体からなる有底筒状の部材である。上部ヨーク81の筒状の部分と下部ヨーク83の筒状の部分とが軸方向に間隔をあけて対向するように、上部ヨーク81及び下部ヨーク83が配置されている。また、上部ヨーク81の筒状の部分と下部ヨーク83の筒状の部分との間に振動子20が配置されている。振動子20は、上部ヨーク81の縁と下部ヨーク83の縁との間に、それぞれと軸方向に間隔をあけて配置されている。 As shown in FIG. 3, the magnetic field application unit 80 has an upper yoke 81, a magnet 82, and a lower yoke 83. The upper yoke 81 and the lower yoke 83 are each a cylindrical member with a bottom made of a magnetic material such as iron. The upper yoke 81 and the lower yoke 83 are arranged so that the cylindrical portion of the upper yoke 81 and the cylindrical portion of the lower yoke 83 face each other with an axial gap between them. In addition, the vibrator 20 is arranged between the cylindrical portion of the upper yoke 81 and the cylindrical portion of the lower yoke 83. The vibrator 20 is arranged between the edge of the upper yoke 81 and the edge of the lower yoke 83 with an axial gap between them.

磁石82は、上部及び下部の一方がN極で、他方がS極となっている。磁石82は、上部ヨーク81または下部ヨーク83、あるいはその両方に保持されて、振動子20の内側に固定配置されている。 The magnet 82 has a north pole on one of its upper and lower sides and a south pole on the other. The magnet 82 is held by the upper yoke 81 or the lower yoke 83, or both, and is fixedly positioned inside the vibrator 20.

磁石82の一方の磁極から流れる磁束が、上部ヨーク81及び下部ヨーク83の一方を通過して、振動子20及びその面内に形成された電極40a~40hに達する。さらに、磁束は、振動子20及び電極40a~40hを通過して、上部ヨーク81及び下部ヨーク83の他方を介して、磁石82の他方の磁極に流れ込む。 Magnetic flux flowing from one magnetic pole of magnet 82 passes through one of upper yoke 81 and lower yoke 83 and reaches vibrator 20 and electrodes 40a-40h formed on its surface. Furthermore, the magnetic flux passes through vibrator 20 and electrodes 40a-40h, and flows into the other magnetic pole of magnet 82 via the other of upper yoke 81 and lower yoke 83.

このように、磁場印加部80は、複数の電極40a~40hに対して、振動子20の表面と交差する方向、この場合は軸方向に磁場を印加している。なお、磁場印加部80は、台座部130により支持されることで、振動子20との径方向及び軸方向の位置を保っている。 In this way, the magnetic field application unit 80 applies a magnetic field to the multiple electrodes 40a to 40h in a direction that intersects with the surface of the vibrator 20, in this case the axial direction. The magnetic field application unit 80 is supported by the base 130, thereby maintaining its radial and axial position relative to the vibrator 20.

ジャイロ素子110は、例えば、半導体微細加工技術を応用したマイクロマシニング技術を用いて、公知のSOI(Silicon On Insulator)基板を加工して得られるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子である。 The gyro element 110 is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element obtained by processing a well-known SOI (Silicon On Insulator) substrate using, for example, micromachining technology that applies semiconductor microfabrication technology.

このMEMS素子は、例えば、以下のように製造される。第1シリコン層51とシリコン酸化層52と第2シリコン層53とを有するSOI基板を熱酸化して、第2シリコン層53の表面にシリコン酸化膜54を形成する。 This MEMS element is manufactured, for example, as follows: An SOI substrate having a first silicon layer 51, a silicon oxide layer 52, and a second silicon layer 53 is thermally oxidized to form a silicon oxide film 54 on the surface of the second silicon layer 53.

次に、シリコン酸化膜54の表面に、マスクパターン(図示せず)を用いて、複数の電極40a~40hと引き出し配線41と電極パッド42とを形成する。例えば、マスクパターンを通して、金属膜をシリコン酸化膜54の表面に被着させることで、複数の電極40a~40hと引き出し配線41と電極パッド42とを形成する。Next, a mask pattern (not shown) is used to form multiple electrodes 40a-40h, lead-out wiring 41, and electrode pads 42 on the surface of the silicon oxide film 54. For example, a metal film is deposited on the surface of the silicon oxide film 54 through the mask pattern to form multiple electrodes 40a-40h, lead-out wiring 41, and electrode pads 42.

別のマスクパターン(図示せず)を用いて、シリコン酸化膜54及び第2シリコン層53をシリコン酸化層52に至るまでエッチング、除去する。この工程を経て、支持部30及び振動子20の原形が形成される。 Using another mask pattern (not shown), the silicon oxide film 54 and second silicon layer 53 are etched and removed down to the silicon oxide layer 52. Through this process, the original shapes of the support portion 30 and vibrator 20 are formed.

次に、電極40a~40h、引き出し配線41、電極パッド42、支持部30及び振動子20のそれぞれの表面をワックス等により保護する。続けて、固定部10の開口11に相当するマスクパターン(図示せず)を用いて、支持部30及び振動子20の下方に位置する第1シリコン層51をエッチング、除去する。さらに、同じマスクパターンを用いて、シリコン酸化層52をエッチング除去し、前述のMEMS素子を得る。Next, the surfaces of the electrodes 40a-40h, the lead-out wiring 41, the electrode pads 42, the support portion 30, and the vibrator 20 are protected with wax or the like. Next, a mask pattern (not shown) corresponding to the opening 11 in the fixed portion 10 is used to etch and remove the first silicon layer 51 located below the support portion 30 and the vibrator 20. Furthermore, the same mask pattern is used to etch and remove the silicon oxide layer 52, thereby obtaining the aforementioned MEMS element.

なお、第1シリコン層51及びシリコン酸化層52のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。ただし、いずれの場合も、エッチング層の下地となる層とのエッチング選択性が高いエッチャントを用いるのがよい。 The etching of the first silicon layer 51 and the silicon oxide layer 52 may be dry etching or wet etching. In either case, however, it is preferable to use an etchant that has high etching selectivity with respect to the layer underlying the etching layer.

[角速度センサの構成及び動作]
図5は、角速度センサの回路ブロックの概略構成図を示す。なお、説明の便宜上、図5において、振動型ジャイロスコープ100のうち、一次駆動電極PDと一次検出電極PPOと二次駆動電極SDと二次検出電極SPOのみを簡略化して図示している。
[Configuration and Operation of Angular Velocity Sensor]
Fig. 5 is a schematic diagram of a circuit block of the angular velocity sensor. For ease of explanation, Fig. 5 shows only the primary drive electrodes PD, primary detection electrodes PPO, secondary drive electrodes SD, and secondary detection electrodes SPO of the vibratory gyroscope 100 in a simplified manner.

図5に示すように、角速度センサ1000は、振動型ジャイロスコープ100と一次交流電源200と一次検出部210と二次交流電源220と二次検出部230と演算部240を有している。 As shown in Figure 5, the angular velocity sensor 1000 has a vibration type gyroscope 100, a primary AC power supply 200, a primary detection unit 210, a secondary AC power supply 220, a secondary detection unit 230, and a calculation unit 240.

振動型ジャイロスコープ100に含まれる2つの一次駆動電極PDに一次交流電源200が接続される。直列接続された2つの一次検出電極PPOに一次検出部210が接続される。2つの二次駆動電極SDに二次交流電源220が接続される。直列接続された2つの二次検出電極SPOに二次検出部230が接続される。また、二次交流電源220に演算部240が接続される。なお、2つの一次検出電極PPOは、ジャイロ素子110の内部で直列接続されてもよいし、ジャイロ素子110の外部に設けられた回路(図示せず)の内部で直列接続されてもよい。同様に、2つの二次検出電極SPOは、ジャイロ素子110の内部で直列接続されてもよいし、ジャイロ素子110の外部に設けられた回路(図示せず)の内部で直列接続されてもよい。 A primary AC power supply 200 is connected to two primary drive electrodes PD included in the vibratory gyroscope 100. A primary detection unit 210 is connected to two primary detection electrodes PPO connected in series. A secondary AC power supply 220 is connected to two secondary drive electrodes SD. A secondary detection unit 230 is connected to two secondary detection electrodes SPO connected in series. A calculation unit 240 is connected to the secondary AC power supply 220. The two primary detection electrodes PPO may be connected in series inside the gyro element 110, or may be connected in series inside a circuit (not shown) provided external to the gyro element 110. Similarly, the two secondary detection electrodes SPO may be connected in series inside the gyro element 110, or may be connected in series inside a circuit (not shown) provided external to the gyro element 110.

以下、角速度センサ1000の動作について説明する。 The operation of the angular velocity sensor 1000 is described below.

一次交流電源200から交流電流Ipが一次駆動電極PDに供給されると、一次駆動電極PDには磁場印加部80から印加された磁場の方向と、交流電流Ipが流れる方向とにそれぞれ交差する方向にローレンツ力が加わる。つまり、ローレンツ力は、振動子20の表面と平行な方向に作用する。一次駆動電極PDが設けられた振動子20は、このローレンツ力を受けて変形する。また、交流電流Ipの周波数に応じて、ローレンツ力の向きは周期的に反転するため、振動子20は、同じ周波数で振動する。この場合、振動子20は、その表面と平行な方向に振動する。 When AC current Ip is supplied to primary drive electrode PD from primary AC power supply 200, a Lorentz force is applied to primary drive electrode PD in a direction that intersects the direction of the magnetic field applied from magnetic field application unit 80 and the direction of AC current Ip. In other words, the Lorentz force acts in a direction parallel to the surface of vibrator 20. Vibrator 20, which is provided with primary drive electrode PD, is deformed by this Lorentz force. Furthermore, since the direction of the Lorentz force periodically reverses depending on the frequency of AC current Ip, vibrator 20 vibrates at the same frequency. In this case, vibrator 20 vibrates in a direction parallel to its surface.

振動型ジャイロスコープ100の固有振動周波数に合わせるように交流電流Ipの周波数を設定することで、振動子20には一次振動が励起される。 By setting the frequency of the AC current Ip to match the natural vibration frequency of the vibration gyroscope 100, a primary vibration is excited in the vibrator 20.

また、振動子20にこのような一次振動を発生させるように、2つの一次駆動電極PDのそれぞれに交流電流Ipを流す必要がある。具体的には、周方向に180度離れた位置にある2つの一次駆動電極PDの間で、交流電流Ipが流れる向きが同じ向き、この場合は、上から見て時計回り方向となるように設定される。また、2つの一次駆動電極PDと一次交流電源200との接続関係は、前述の設定を満たせるようにすればよく、2つの一次駆動電極PDが直列接続されていても、一次交流電源200に対してそれぞれ並列に接続されていてもよい。 Also, to generate such primary vibration in the vibrator 20, an AC current Ip must be passed through each of the two primary drive electrodes PD. Specifically, the AC current Ip is set to flow in the same direction between the two primary drive electrodes PD located 180 degrees apart in the circumferential direction, in this case, clockwise when viewed from above. The connection relationship between the two primary drive electrodes PD and the primary AC power supply 200 only needs to satisfy the above-mentioned settings, and the two primary drive electrodes PD may be connected in series or in parallel to the primary AC power supply 200.

一次検出電極PPOは、一次振動を検出して、その振幅に対応した大きさの電圧信号を発生させ、この電圧信号は、一次検出部210にフィードバックされる。一次検出部210は、一次検出電極PPOで発生した電圧信号に基づいて、出力信号を一次交流電源200に出力する。一次検出部210の出力信号に基づいて、振動子20の振動周波数及び振幅が一定となるように、一次交流電源200は、交流電流Ipの振幅と周波数を制御する。 The primary detection electrode PPO detects the primary vibration and generates a voltage signal whose magnitude corresponds to the amplitude. This voltage signal is fed back to the primary detection unit 210. Based on the voltage signal generated at the primary detection electrode PPO, the primary detection unit 210 outputs an output signal to the primary AC power supply 200. Based on the output signal from the primary detection unit 210, the primary AC power supply 200 controls the amplitude and frequency of the AC current Ip so that the vibration frequency and amplitude of the vibrator 20 remain constant.

図6は、振動子の一次振動状態を模式的に示したものであり、図7は、振動子の二次振動状態を模式的に示したものである。 Figure 6 shows a schematic representation of the primary vibration state of the vibrator, and Figure 7 shows a schematic representation of the secondary vibration state of the vibrator.

円環状の振動子20は、図6に破線で示す楕円形となるように一次振動する。具体的には、振動子20は、周期的に、互いに直交する長軸を有する2つの楕円形となるように一次振動する。それぞれの楕円の長軸を一次振動の振動軸と呼ぶことがある。また、振動軸PMとは、振動子20のcosNθモードの振動軸である。本実施形態の振動型ジャイロスコープ100では、振動軸PMは、外部構造体60の1番目の振動軸に一致するように定まる。外部構造体60の1番目の振動軸とは、振動子20のcosNθモードの振動への影響が無視できない振動モードの振動軸という意味であり、外部構造体60と内部構造体70の機械的な結合の結果として、振動軸PMの方向を決定する。後で述べる外部構造体60の2番目の振動軸も同様の意味である。本実施形態の振動型ジャイロスコープ100では、一次振動の振動軸と振動軸PMが一致する。また、一方の振動軸PMは、平面視で、仮想平面OA1,OA5と一致するように定まる。また、他方の振動軸PMは、平面視で、仮想平面OA3,OA7と一致するように定まる。The annular vibrator 20 undergoes primary vibration to form an ellipse shown by the dashed line in Figure 6. Specifically, the vibrator 20 undergoes primary vibration to form two ellipses periodically with their major axes perpendicular to each other. The major axes of each ellipse are sometimes referred to as the vibration axis of the primary vibration. The vibration axis PM is the vibration axis of the cos Nθ mode of the vibrator 20. In the vibratory gyroscope 100 of this embodiment, the vibration axis PM is determined to coincide with the first vibration axis of the external structure 60. The first vibration axis of the external structure 60 refers to the vibration axis of a vibration mode in which the influence on the vibration of the cos Nθ mode of the vibrator 20 cannot be ignored. The direction of the vibration axis PM is determined as a result of the mechanical coupling between the external structure 60 and the internal structure 70. The same applies to the second vibration axis of the external structure 60, which will be described later. In the vibratory gyroscope 100 of this embodiment, the vibration axis of the primary vibration coincides with the vibration axis PM. One vibration axis PM is determined to coincide with the imaginary planes OA1 and OA5 in plan view, and the other vibration axis PM is determined to coincide with the imaginary planes OA3 and OA7 in plan view.

一方、振動子20にコリオリ力が加わり、軸方向回りに角速度が発生した場合、前述した楕円の長軸の方向が変化する。図1に示す本実施形態の振動型ジャイロスコープ100の場合、図7に示すように、一次振動の場合に対して、楕円の長軸が45度回転した位置に変化し、振動子20が二次振動状態となる。以下、二次振動状態でのそれぞれの楕円の長軸を二次振動の振動軸と呼ぶことがある。また、振動軸SMとは、振動子20のcosNθモードの振動軸である。本実施形態の振動型ジャイロスコープ100では、振動軸SMは、外部構造体60の2番目の振動軸に一致するように定まる。外部構造体60の2番目の振動軸とは、振動子20のcosNθモードの振動への影響が無視できない振動モードの振動軸という意味であり、外部構造体60と内部構造体70の機械的な結合の結果として振動軸SMの方向を決定する。外部構造体60の2番目の振動軸については後で説明する。また、一方の振動軸SMは、平面視で、仮想平面OA2,OA6と一致するように定まる。また、他方の振動軸SMは、平面視で、仮想平面OA4,OA8と一致するように定まる。On the other hand, when a Coriolis force is applied to the vibrator 20 and an angular velocity is generated around the axis, the direction of the major axis of the ellipse changes. In the case of the vibratory gyroscope 100 of this embodiment shown in Figure 1, as shown in Figure 7, the major axis of the ellipse rotates 45 degrees relative to the primary vibration, and the vibrator 20 enters a secondary vibration state. Hereinafter, the major axis of each ellipse in the secondary vibration state may be referred to as the vibration axis of the secondary vibration. Furthermore, the vibration axis SM is the vibration axis of the cos Nθ mode of the vibrator 20. In the vibratory gyroscope 100 of this embodiment, the vibration axis SM is determined to coincide with the second vibration axis of the external structure 60. The second vibration axis of the external structure 60 refers to the vibration axis of a vibration mode whose influence on the cos Nθ mode vibration of the vibrator 20 cannot be ignored, and the direction of the vibration axis SM is determined as a result of the mechanical coupling between the external structure 60 and the internal structure 70. The second vibration axis of the external structure 60 will be described later. One vibration axis SM is determined to coincide with the imaginary planes OA2 and OA6 in plan view, and the other vibration axis SM is determined to coincide with the imaginary planes OA4 and OA8 in plan view.

二次検出電極SPOにも、その表面と交差する方向に磁場が印加されている。また、振動子20の振動に応じて、二次検出電極SPOも、その表面と平行な方向に振動する。これらのことにより、二次検出電極SPOには、磁場の強度と振動時の移動速度とに応じた正弦波状の交流電圧が発生する。また、振動子20が一次振動状態の場合と二次振動状態の場合とで、二次検出電極SPOの移動速度が異なるため、それぞれの状態で発生する電圧もまた異なる。 A magnetic field is also applied to the secondary detection electrode SPO in a direction that intersects with its surface. Furthermore, in response to the vibration of the vibrator 20, the secondary detection electrode SPO also vibrates in a direction parallel to its surface. As a result, a sinusoidal AC voltage is generated in the secondary detection electrode SPO according to the strength of the magnetic field and the movement speed during vibration. Furthermore, because the movement speed of the secondary detection electrode SPO differs when the vibrator 20 is in the primary vibration state and the secondary vibration state, the voltage generated in each state also differs.

二次検出部230は、二次検出電極SPOに発生した電圧を検出して、当該電圧の大きさに応じた信号を二次交流電源220に出力する。 The secondary detection unit 230 detects the voltage generated at the secondary detection electrode SPO and outputs a signal corresponding to the magnitude of the voltage to the secondary AC power supply 220.

二次交流電源220には、二次検出部230の出力信号が入力される。二次交流電源220は、この出力信号に基づいて、振動子20に発生した二次振動を打ち消すように、二次駆動電極SDに電流を供給して、振動子20を駆動する。また、二次交流電源220は、出力電流に基づいた出力信号を演算部240に出力する。 The output signal of the secondary detection unit 230 is input to the secondary AC power supply 220. Based on this output signal, the secondary AC power supply 220 supplies current to the secondary drive electrode SD to drive the vibrator 20 so as to cancel out the secondary vibration generated in the vibrator 20. The secondary AC power supply 220 also outputs an output signal based on the output current to the calculation unit 240.

また、以上説明したように、角速度センサ1000の動作中に各電極40に力が作用しており、これに応じた力学的な運動軸が仮想的に想定される。このことに鑑みれば、電極40の配置方位は、それぞれに想定された運動軸(以下、電極40の軸と呼ぶことがある。)が振動子20の外周方向に等角度間隔に配置された方位であるとも言える。なお、本実施形態では、各電極40a~40hがそれぞれ同じ形状でかつ同じサイズである。このため、電極40の軸は、平面視で、各電極40の中点を通る。ただし、電極40a~40hのそれぞれのサイズや形状が、図2や図4に示すのと異なれば、それに応じて、電極40の軸の位置も移動する。例えば、各電極40の中点を通らない場合もありうる。なお、電極40の機能に着目した場合、電極40の軸をさらに限定的に呼称して、例えば、一次駆動電極PDの軸と呼ぶことがある。As explained above, a force acts on each electrode 40 during operation of the angular velocity sensor 1000, and a corresponding mechanical axis of motion is hypothetically assumed. In light of this, the orientation of the electrodes 40 can also be said to be such that the assumed axis of motion (hereinafter sometimes referred to as the axis of the electrode 40) for each electrode is arranged at equal angular intervals around the circumference of the vibrator 20. In this embodiment, each of the electrodes 40a-40h has the same shape and size. Therefore, the axis of the electrode 40 passes through the midpoint of each electrode 40 in a planar view. However, if the size or shape of each of the electrodes 40a-40h differs from that shown in Figures 2 and 4, the position of the axis of the electrode 40 will also move accordingly. For example, it may not pass through the midpoint of each electrode 40. When focusing on the function of the electrode 40, the axis of the electrode 40 may be referred to more specifically as, for example, the axis of the primary drive electrode PD.

図6,7から明らかなように、本実施形態の振動型ジャイロスコープ100では、一次駆動電極PDの軸が振動軸PMと重なっている。また、二次駆動電極SDの軸が振動軸SMと重なっている。ただし、この関係は必須ではなく、一次駆動電極PDの軸、二次駆動電極SDの軸、一次検出電極PPOの軸及び二次検出電極SPOの軸のいずれかが振動軸PMと重なり合うように、振動型ジャイロスコープ100の各部の形状や電極40a~40hの配置関係が設定されればよい。このことについては後で詳述する。 As is clear from Figures 6 and 7, in the vibratory gyroscope 100 of this embodiment, the axis of the primary drive electrode PD overlaps with the vibration axis PM. Furthermore, the axis of the secondary drive electrode SD overlaps with the vibration axis SM. However, this relationship is not essential, and the shapes of each part of the vibratory gyroscope 100 and the arrangement of the electrodes 40a to 40h may be set so that any one of the axes of the primary drive electrode PD, secondary drive electrode SD, primary detection electrode PPO, and secondary detection electrode SPO overlaps with the vibration axis PM. This will be described in more detail later.

演算部240は、二次交流電源220の出力信号に基づいて、角速度を算出する。振動子20が一次振動状態であるか二次振動状態であるかによって、二次交流電源220の出力信号が変動する。さらに振動子20が二次振動状態にある場合、印加角速度の大きさに応じて二次交流電源220の出力信号が変動する。二次交流電源220の出力信号に基づいて、演算部240は、角速度を算出する。 The calculation unit 240 calculates the angular velocity based on the output signal of the secondary AC power supply 220. The output signal of the secondary AC power supply 220 varies depending on whether the vibrator 20 is in a primary vibration state or a secondary vibration state. Furthermore, when the vibrator 20 is in a secondary vibration state, the output signal of the secondary AC power supply 220 varies depending on the magnitude of the applied angular velocity. The calculation unit 240 calculates the angular velocity based on the output signal of the secondary AC power supply 220.

なお、振動型ジャイロスコープ100と一次交流電源200と一次検出部210と二次交流電源220と二次検出部230と演算部240とがそれぞれ別の基板に実装されていてもよいし、同じ基板上に実装されていてもよい。振動型ジャイロスコープ100と一次交流電源200と一次検出部210と二次交流電源220と二次検出部230と演算部240とが、それぞれ別のパッケージ(図示せず)に収容されていてもよい。また、振動型ジャイロスコープ100とそれ以外の構成要素とが別の基板に実装されるか、または別のパッケージに収容されていてもよい。その場合、一次交流電源200や二次交流電源220は、さらに別の基板に実装されるか、または別のパッケージに収容されていてもよい。 The vibratory gyroscope 100, primary AC power supply 200, primary detection unit 210, secondary AC power supply 220, secondary detection unit 230, and calculation unit 240 may be mounted on separate boards, or may be mounted on the same board. The vibratory gyroscope 100, primary AC power supply 200, primary detection unit 210, secondary AC power supply 220, secondary detection unit 230, and calculation unit 240 may be housed in separate packages (not shown). The vibratory gyroscope 100 and other components may be mounted on separate boards or housed in separate packages. In that case, the primary AC power supply 200 and the secondary AC power supply 220 may be mounted on yet another board or housed in another package.

[効果等]
以上説明したように、本実施形態に係る振動型ジャイロスコープ100は、外部構造体60と、平面視で外部構造体60の内側に配置された内部構造体70と、を少なくとも備えている。外部構造体60は、平面視で中心点Oを有する枠状の固定部10を少なくとも含んでいる。さらに言うと、外部構造体60は、スペーサ120及び台座部130の少なくとも一方を含んでいる。スペーサ120は、固定部10の裏面に接して配置されている。台座部130は、固定部10またはスペーサ120の裏面に接して配置されている。
[Effects, etc.]
As described above, the vibratory gyroscope 100 according to this embodiment includes at least the external structure 60 and the internal structure 70 arranged inside the external structure 60 in a planar view. The external structure 60 includes at least the frame-shaped fixed portion 10 having a center point O in a planar view. More specifically, the external structure 60 includes at least one of the spacer 120 and the pedestal portion 130. The spacer 120 is arranged in contact with the back surface of the fixed portion 10. The pedestal portion 130 is arranged in contact with the back surface of the fixed portion 10 or the spacer 120.

内部構造体70は、平面視で固定部10と共通の中心点Oを有する円環状の振動子20と、振動子20を固定部10に接続して、振動子20を振動可能に支持する支持部30と、振動子20の面内にそれぞれループ状に形成された電極40a~40hと、を少なくとも含んでいる。振動子20がcosNθ(Nは2以上の整数)の振動モードを有するとき、振動子20の外周方向に振動子20の中心点Oの回りに等角度間隔に並ぶ4N個の方位に電極40a~40hがそれぞれ配置されている。 The internal structure 70 includes at least an annular vibrator 20 that has a common center point O with the fixed part 10 in a plan view, a support part 30 that connects the vibrator 20 to the fixed part 10 and supports the vibrator 20 so that it can vibrate, and electrodes 40a to 40h that are each formed in a loop shape within the plane of the vibrator 20. When the vibrator 20 has a vibration mode of cos Nθ (N is an integer of 2 or greater), the electrodes 40a to 40h are arranged in 4N directions at equal angular intervals around the center point O of the vibrator 20 in the circumferential direction of the vibrator 20.

内部構造体70は、振動子20の中心点Oを通り、振動子20の表面と交差する軸線O1に関し、(4N×S1)回(S1は1以上の整数)の回転対称性を有している。外部構造体60は、軸線O1に関し、(2N×S2)回(S2は1以上の奇数)の回転対称性を有している。 The internal structure 70 has (4N x S1) (S1 is an integer greater than or equal to 1) rotational symmetry about an axis O1 that passes through the center point O of the vibrator 20 and intersects the surface of the vibrator 20. The external structure 60 has (2N x S2) (S2 is an odd number greater than or equal to 1) rotational symmetry about the axis O1.

第1仮想平面は、軸線O1を一辺とし、外部構造体60の複数の角部及び/または複数の側面の中線のうちの1つを通る仮想平面である。第2仮想平面は、軸線O1を中心軸として、第1仮想平面を(360/4N)度回転させた仮想平面である。 The first imaginary plane is an imaginary plane with the axis O1 as one side and passing through one of the midlines of the multiple corners and/or multiple side surfaces of the external structure 60. The second imaginary plane is an imaginary plane rotated (360/4N) degrees from the first imaginary plane with the axis O1 as its central axis.

第1断面12は、外部構造体60における第1仮想平面で切断される断面である。第2断面13は、軸線O1を中心軸として、第1断面12を(360/4N)度回転させた位置にある断面である。第1断面12及び第2断面13は、外部構造体60にそれぞれ1または複数存在する。さらに、第1断面12と第2断面13の組のうち、特定の組の第1断面12と第2断面13が、少なくとも1組存在する。当該特定の組に含まれる第1断面12の断面積は、特定の組に含まれる第2断面13の断面積と異なっている。本実施形態では、前者の断面の断面積は、後者の断面の断面積よりも大きい。 The first cross section 12 is a cross section cut by a first imaginary plane in the external structure 60. The second cross section 13 is a cross section located at a position obtained by rotating the first cross section 12 by (360/4N) degrees around the axis O1 as the central axis. One or more first cross sections 12 and second cross sections 13 exist in the external structure 60. Furthermore, among the pairs of first cross sections 12 and second cross sections 13, there is at least one pair of first cross sections 12 and second cross sections 13 that are a specific pair. The cross-sectional area of the first cross section 12 included in the specific pair is different from the cross-sectional area of the second cross section 13 included in the specific pair. In this embodiment, the cross-sectional area of the former cross section is larger than the cross-sectional area of the latter cross section.

複数の電極40a~40hは、振動子20に一次振動を励起させる一次駆動電極PDを少なくとも含んでいる。一次駆動電極PDは、前述した特定の組に含まれる第1断面12を切断する第1仮想平面と交差するように配置されている。なお、一次駆動電極PDは、前述した特定の組に含まれる第2断面13を切断する第2仮想平面と交差するように配置されてもよい。 The plurality of electrodes 40a-40h includes at least a primary drive electrode PD that excites a primary vibration in the vibrator 20. The primary drive electrode PD is arranged so as to intersect with a first imaginary plane that cuts the first cross section 12 included in the specific set described above. The primary drive electrode PD may also be arranged so as to intersect with a second imaginary plane that cuts the second cross section 13 included in the specific set described above.

また、振動型ジャイロスコープ100は、8つの電極40a~40hに対して、振動子20の表面と交差する方向、この場合は軸方向に磁場を印加する磁場印加部80をさらに備えている。 The vibratory gyroscope 100 further includes a magnetic field application unit 80 that applies a magnetic field to the eight electrodes 40a to 40h in a direction that intersects the surface of the vibrator 20, in this case the axial direction.

振動型ジャイロスコープ100をこのように構成することで、前述のバイアス成分を低減することができる。このことについてさらに説明する。 By configuring the vibratory gyroscope 100 in this manner, the bias component mentioned above can be reduced. This will be explained further below.

振動型ジャイロスコープ100にコリオリ力が作用していない場合でも、角速度センサ1000から一定の大きさの信号が出力されることがある。この信号が、前述のバイアス成分である。バイアス成分のうち、直交バイアス(Quad Bias)Ωquadと呼ばれる成分は、振動型ジャイロスコープ100、ひいては角速度センサ1000の出力信号に対するノイズ成分となるため、低減する必要がある。直交バイアスΩquadは、以下に示す式(1)で表される。Even when no Coriolis force is acting on the vibration gyroscope 100, a signal of a certain magnitude may be output from the angular velocity sensor 1000. This signal is the bias component mentioned above. Of the bias components, a component called the quadrature bias (Quad Bias) Ωquad becomes a noise component in the output signal of the vibration gyroscope 100 and, ultimately, the angular velocity sensor 1000, and therefore needs to be reduced. The quadrature bias Ωquad is expressed by the following equation (1):

Ωquad=(360sin4α/2K)×Δf ・・・(1)
ここで、
:定数
Δf:振動子20のcosNθモードの振動軸PMの振動周波数fpとcosNθモードの振動軸SMの振動周波数fsとの差(Hz)
α :一次駆動電極PDの軸、または二次駆動電極SDの軸と振動子20のcosNθモードの振動軸PM、または振動軸SMとの角度ずれ(°)
である。
Ωquad=(360sin4α/ 2KB )×Δf...(1)
where:
K B : Constant Δf: Difference (Hz) between the vibration frequency fp of the vibration axis PM of the vibrator 20 in the cos Nθ mode and the vibration frequency fs of the vibration axis SM in the cos Nθ mode
α: Angle deviation (°) between the axis of the primary drive electrode PD or the axis of the secondary drive electrode SD and the vibration axis PM or the vibration axis SM of the vibrator 20 in the cos Nθ mode
is.

式(1)から明らかなように、直交バイアスΩquadを低減させるためには、振動周波数差Δf及び角度ずれαをそれぞれ小さくすればよい。このうち、振動周波数差Δfを小さくするには、振動周波数fpと振動周波数fsとを近づけるようにすればよい。このためには、前述したように、振動子20の表面での二次駆動電極SDの配置の対称性が、一次駆動電極PDの配置の対称性と同じになるようにして、振動子の対称性を向上させればよい。また、振動子20をレーザ等で加工して、振動周波数fpと振動周波数fsとを近づけるようにしてもよい。As is clear from equation (1), the quadrature bias Ωquad can be reduced by reducing the vibration frequency difference Δf and the angular deviation α. Of these, the vibration frequency difference Δf can be reduced by bringing the vibration frequencies fp and fs closer together. To achieve this, as described above, the symmetry of the arrangement of the secondary drive electrodes SD on the surface of the vibrator 20 can be made the same as the symmetry of the arrangement of the primary drive electrodes PD, thereby improving the symmetry of the vibrator. Alternatively, the vibrator 20 can be processed using a laser or the like to bring the vibration frequencies fp and fs closer together.

本実施形態の振動型ジャイロスコープ100では、図2に示すように、2つの一次駆動電極PDが振動子20の表面で周方向に180度離れて配置されている。同様に、2つの二次駆動電極SDが振動子20の表面で周方向に180度離れて配置されている。また、二次駆動電極SDは、一次駆動電極PDの配置方位と隣接した方位に配置されている。さらに、前述したように、複数の電極40のサイズはそれぞれ同じである。また、ジャイロ素子110を製造するにあたって、マイクロマシニング技術を適用するとともに、隣接する電極40の間隔も含めて、電極40の加工誤差が小さくなるようにしている。これらのことにより、振動子20の表面での二次駆動電極SDの配置の対称性が、一次駆動電極PDの配置の対称性と同じになるように近づけることができる。 In the vibratory gyroscope 100 of this embodiment, as shown in FIG. 2, two primary drive electrodes PD are arranged 180 degrees apart in the circumferential direction on the surface of the vibrator 20. Similarly, two secondary drive electrodes SD are arranged 180 degrees apart in the circumferential direction on the surface of the vibrator 20. The secondary drive electrodes SD are also arranged in a direction adjacent to the arrangement direction of the primary drive electrodes PD. Furthermore, as mentioned above, the sizes of the multiple electrodes 40 are all the same. In addition, micromachining technology is applied when manufacturing the gyro element 110, and processing errors in the electrodes 40, including the spacing between adjacent electrodes 40, are minimized. As a result, the symmetry of the arrangement of the secondary drive electrodes SD on the surface of the vibrator 20 can be made to approach the symmetry of the arrangement of the primary drive electrodes PD.

一方、振動軸PM,SMの方向は、後で述べるように、外部構造体60の形状、特に軸線O1に関する回転対称性や質量分布等に影響される。また、電極40a~40hの軸の方向は、中心点Oに対する電極40a~40hの配置方位によりそれぞれ決まる。振動軸PM,SMの方向と一次駆動電極PDの軸の方向とに角度ずれαが生じると、αの大きさによっては前述のバイアス成分が無視できなくなることがある。 On the other hand, the directions of the vibration axes PM and SM are affected by the shape of the external structure 60, particularly its rotational symmetry and mass distribution about the axis O1, as will be described later. Furthermore, the directions of the axes of the electrodes 40a to 40h are determined by the orientation of the electrodes 40a to 40h relative to the center point O. If an angular deviation α occurs between the directions of the vibration axes PM and SM and the direction of the axis of the primary drive electrode PD, the aforementioned bias component may become non-negligible depending on the magnitude of α.

図8は、第1の比較例に係る振動型ジャイロスコープの平面図を示す。図9は、図8に示す振動子の一次振動状態を、図10は、図8に示す振動子の二次振動状態をそれぞれ模式的に示す。なお、図8に示す振動型ジャイロスコープ100は、特許文献2に開示された従来の構成に相当する。 Figure 8 shows a plan view of a vibration gyroscope according to a first comparative example. Figure 9 schematically shows the primary vibration state of the vibrator shown in Figure 8, and Figure 10 schematically shows the secondary vibration state of the vibrator shown in Figure 8. The vibration gyroscope 100 shown in Figure 8 corresponds to the conventional configuration disclosed in Patent Document 2.

図8に示す振動型ジャイロスコープ100は、図2に示す振動型ジャイロスコープ100に対して、一次駆動電極PD、二次駆動電極SD、一次検出電極PPO及び二次検出電極SPO、さらに支持部30の配置方位が、中心点Oの回りでかつ反時計回り方向に22.5度回転している。また、支持部30及び電極40の配置方位が変更されているため、図8に示す振動型ジャイロスコープ100は、図2に示す振動型ジャイロスコープ100と電極40の形状及び引き出し配線41の形状と配置が異なっている。 The vibratory gyroscope 100 shown in Figure 8 has the primary drive electrode PD, secondary drive electrode SD, primary detection electrode PPO, secondary detection electrode SPO, and support portion 30 rotated 22.5 degrees counterclockwise around center point O compared to the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 2. Furthermore, because the orientation of the support portion 30 and electrodes 40 has been changed, the shape of the electrodes 40 and the shape and arrangement of the lead-out wiring 41 of the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 8 are different from those of the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 2.

図8,9に示すように、図8に示す振動型ジャイロスコープ100における振動軸PM,SMの方向は、図2に示す振動型ジャイロスコープ100と同じである。つまり、平面視で、一方の振動軸PMは、外部構造体60の対向する角部をそれぞれ通る仮想平面OA1,OA5と一致するように定まる。他方の振動軸PMは、外部構造体60の対向する別の角部をそれぞれ通る仮想平面OA3,OA7と一致するように定まる。また、平面視で、一方の振動軸SMは、外部構造体60の対向する側面の中線をそれぞれ通る仮想平面OA2,OA6と一致するように定まる。他方の振動軸SMは、外部構造体60の対向する別の側面の中線をそれぞれ通る仮想平面OA4,OA8と一致するように定まる。 As shown in Figures 8 and 9, the directions of the vibration axes PM and SM in the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 8 are the same as those of the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 2. That is, in a planar view, one vibration axis PM is determined to coincide with imaginary planes OA1 and OA5 that pass through opposing corners of the external structure 60. The other vibration axis PM is determined to coincide with imaginary planes OA3 and OA7 that pass through other opposing corners of the external structure 60. Furthermore, in a planar view, one vibration axis SM is determined to coincide with imaginary planes OA2 and OA6 that pass through the midlines of opposing side surfaces of the external structure 60. The other vibration axis SM is determined to coincide with imaginary planes OA4 and OA8 that pass through the midlines of other opposing side surfaces of the external structure 60.

一方、図8に示す振動型ジャイロスコープ100では、図2に示す例に対して、電極40の配置方位が変化している。このため、一次駆動電極PDの軸は、振動軸PMと一致せず、これらの間の角度ずれαは、22.5度となる。同様に、二次駆動電極SDの軸は、振動軸SMと一致せず、これらの間の角度ずれαは、22.5度となる。つまり、式(1)における正弦項sin4αは1となる。このため、式(1)から明らかなように、振動周波数差Δfをゼロにしない限り、直交バイアスΩquadをゼロにすることはできない。しかし、振動周波数差Δfをゼロにするためには、振動型ジャイロスコープ100の加工誤差を限りなくゼロに近づける必要があり、実際には困難である。 On the other hand, in the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 8, the orientation of the electrodes 40 has changed compared to the example shown in Figure 2. As a result, the axis of the primary drive electrode PD does not coincide with the vibration axis PM, and the angular deviation α between them is 22.5 degrees. Similarly, the axis of the secondary drive electrode SD does not coincide with the vibration axis SM, and the angular deviation α between them is 22.5 degrees. In other words, the sine term sin4α in equation (1) is 1. Therefore, as is clear from equation (1), the quadrature bias Ωquad cannot be made zero unless the vibration frequency difference Δf is made zero. However, to make the vibration frequency difference Δf zero, the processing error of the vibratory gyroscope 100 needs to be brought as close to zero as possible, which is difficult in practice.

さらに言うと、角度ずれαがゼロでない場合、一次駆動電極PDに発生する力により、振動軸PMを有する固有振動と振動軸SMを有する固有振動の両方を振動子20に励起させようとする力が作用する。しかし、実際には後述する二次検出電極SPOと二次駆動電極SDの働きによって一次振動以外の振動を打ち消すように制御しているため、角度ずれαがゼロでない場合でも、実際には、一次駆動電極PDの軸方向に一次振動のみが発生している。ただし、このとき、振動軸PMを有する固有振動のみが励起される場合に比べて、角速度の検出信号のもとになる二次駆動電極SDにも電圧を印加しており、これがバイアス成分となる。また、このことに鑑みれば、バイアス成分を低減するためには、振動子20に発生する固有振動の振動軸PMと振動軸SMとは、空間的、力学的に分離されている必要がある。さらに、振動軸PMと、一次振動の軸方向である一次駆動電極PDの軸方向とが一致する、つまり、角度ずれαがゼロである必要がある。これに関して、軸線O1に関する内部構造体70の回転対称性と外部構造体60の回転対称性とが影響する。これらについては後で説明する。Furthermore, when the angular misalignment α is non-zero, the force generated in the primary drive electrode PD acts to excite both the natural vibration having the vibration axis PM and the natural vibration having the vibration axis SM in the vibrator 20. However, in reality, the secondary detection electrode SPO and secondary drive electrode SD, described below, are used to cancel out vibrations other than the primary vibration. Therefore, even when the angular misalignment α is non-zero, only the primary vibration actually occurs in the axial direction of the primary drive electrode PD. However, compared to when only the natural vibration having the vibration axis PM is excited, a voltage is also applied to the secondary drive electrode SD, which is the source of the angular velocity detection signal, and this becomes a bias component. In light of this, to reduce the bias component, the vibration axes PM and SM of the natural vibration generated in the vibrator 20 must be spatially and mechanically separated. Furthermore, the vibration axis PM must coincide with the axial direction of the primary drive electrode PD, which is the axial direction of the primary vibration; that is, the angular misalignment α must be zero. The rotational symmetry of the internal structure 70 and the rotational symmetry of the external structure 60 about the axis O1 affect this. These will be explained later.

図11は、第2の比較例に係る振動型ジャイロスコープの部分平面図を示す。なお、図11に示す振動型ジャイロスコープ100は、特許文献1に開示された従来の構成に相当する。なお、説明の便宜上、図11において、引き出し配線41と電極パッド42の図示を省略している。 Figure 11 shows a partial plan view of a vibratory gyroscope according to a second comparative example. The vibratory gyroscope 100 shown in Figure 11 corresponds to the conventional configuration disclosed in Patent Document 1. For ease of explanation, the drawing wiring 41 and electrode pads 42 are omitted from Figure 11.

図11に示す振動型ジャイロスコープ100は、図2,3に示す振動型ジャイロスコープ100に対して、支持部30の形状が異なっている。具体的には、8つの電極40に対応して、8本の支持部30が、周方向に等角度間隔で配置されている。また、支持部30は、一端が固定部10の内周10aの角部に接続され、ジグザグ状に屈曲して、振動子20まで延びている。 The vibratory gyroscope 100 shown in Figure 11 differs from the vibratory gyroscope 100 shown in Figures 2 and 3 in the shape of the support portion 30. Specifically, eight support portions 30 are arranged at equal angular intervals in the circumferential direction, corresponding to the eight electrodes 40. Furthermore, one end of each support portion 30 is connected to a corner of the inner circumference 10a of the fixed portion 10, and is bent in a zigzag shape to extend to the vibrator 20.

図11に示す一次駆動電極PDの形状は、仮想平面OA8に関して非対称である。図示しない位置にある一次駆動電極PDの形状は、仮想平面OA4に関して非対称である。したがって、一次駆動電極PDの軸も仮想平面OA4,OA8に関してそれぞれ角度ずれをもつ。電極40の形状や電極40の軸に関する同様の関係は、二次駆動電極SD、一次検出電極PPO及び二次検出電極SPOにもそれぞれ当てはまる。 The shape of the primary drive electrode PD shown in Figure 11 is asymmetric with respect to the imaginary plane OA8. The shape of the primary drive electrode PD at a position not shown is asymmetric with respect to the imaginary plane OA4. Therefore, the axis of the primary drive electrode PD also has an angular offset with respect to the imaginary planes OA4 and OA8. Similar relationships regarding the shape and axis of electrode 40 also apply to the secondary drive electrode SD, primary detection electrode PPO, and secondary detection electrode SPO, respectively.

また、8つの支持部30の形状も、平面視で、仮想平面OA1~OA8に関してそれぞれ非対称である。図1,2に示す振動型ジャイロスコープ100では、振動軸PMは、平面視で、第1仮想平面(仮想平面OA1,OA3,OA5,OA7)に一致する(図6参照)。また、振動軸PMの方向は、外部構造体60の1番目の振動軸の方向と一致するように定まる。しかし、図11に示す振動型ジャイロスコープ100では、前述した支持部30及び電極40の形状の非対称性に起因して、振動軸PMは、仮想平面OA1~OA8のいずれとも重ならない。よって、振動軸PMの方向は、外部構造体60の1番目の振動軸の方向と一致しない。同様に、振動軸SMは、仮想平面OA1~OA8のいずれとも重ならない。よって、振動軸SMの方向も、後で述べる外部構造体60の2番目の振動軸の方向と一致しない。 Furthermore, the shapes of the eight support members 30 are asymmetric with respect to the imaginary planes OA1 to OA8 in a planar view. In the vibratory gyroscope 100 shown in Figures 1 and 2, the vibration axis PM coincides with the first imaginary plane (imaginary planes OA1, OA3, OA5, and OA7) in a planar view (see Figure 6). The direction of the vibration axis PM is determined to coincide with the direction of the first vibration axis of the external structure 60. However, in the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 11, due to the asymmetry in the shapes of the support members 30 and electrodes 40 described above, the vibration axis PM does not overlap with any of the imaginary planes OA1 to OA8. Therefore, the direction of the vibration axis PM does not coincide with the direction of the first vibration axis of the external structure 60. Similarly, the vibration axis SM does not overlap with any of the imaginary planes OA1 to OA8. Therefore, the direction of the vibration axis SM does not coincide with the direction of the second vibration axis of the external structure 60, which will be described later.

一方、本実施形態によれば、支持部30は、第1脚部31と第2脚部32とを有している。仮想平面OA1~OA8のそれぞれは、8つの電極40のそれぞれを支持する第1脚部31と第2脚部32との間を通るように配置されている。また、同じ電極40を支持する第1脚部31と第2脚部32は、8つの仮想平面OA1~OA8のいずれかに関して対称に配置されている。つまり、第1脚部31と第2脚部32とは、前述した特定の組に含まれる第1断面12を切断する第1仮想平面または特定の組に含まれる第2断面13を切断する第2仮想平面に関し対称となるように配置されている。電極40は、第1脚部31の第1端部30aから第1脚部31の第2端部30bと振動子20と第2脚部32の第2端部30bを経由して、第2脚部32の第1端部30aまで延びている。 In this embodiment, the support portion 30 has a first leg 31 and a second leg 32. Each of the imaginary planes OA1 to OA8 is arranged to pass between the first leg 31 and the second leg 32 supporting each of the eight electrodes 40. Furthermore, the first leg 31 and the second leg 32 supporting the same electrode 40 are arranged symmetrically with respect to one of the eight imaginary planes OA1 to OA8. That is, the first leg 31 and the second leg 32 are arranged symmetrically with respect to the first imaginary plane cutting the first cross section 12 included in the specific set described above or the second imaginary plane cutting the second cross section 13 included in the specific set. The electrode 40 extends from the first end 30a of the first leg 31, via the second end 30b of the first leg 31, the vibrator 20, and the second end 30b of the second leg 32, to the first end 30a of the second leg 32.

本実施形態によれば、振動軸PMを、第1仮想平面、この場合は、仮想平面OA1及び仮想平面OA5に一致させることができる。その結果、振動軸PMの方向と一次駆動電極PDの軸の方向との角度ずれαを小さくして、バイアス成分を低減できる。このことについてさらに説明する。According to this embodiment, the vibration axis PM can be aligned with the first imaginary plane, in this case, the imaginary planes OA1 and OA5. As a result, the angle deviation α between the direction of the vibration axis PM and the direction of the axis of the primary drive electrode PD can be reduced, thereby reducing the bias component. This will be explained further below.

振動子20に発生する固有振動の振動軸PM及び振動軸SMと、軸線O1に関する内部構造体70及び外部構造体60のそれぞれの回転対称性とが、振動型ジャイロスコープ100の動作に影響する。 The vibration axes PM and SM of the natural vibrations generated in the vibrator 20 and the rotational symmetries of the internal structure 70 and the external structure 60 relative to the axis O1 affect the operation of the vibratory gyroscope 100.

図6,7に示すように、振動子20は、一次振動、二次振動の状態で振動する。このとき、2つの振動状態の振動軸は空間的に45度、力学的に90度ずれた方向にあり、独立した振動軸である。また、一次振動、二次振動の振動軸は、それぞれ振動軸PM、振動軸SMと方向が一致する。 As shown in Figures 6 and 7, the vibrator 20 vibrates in primary and secondary vibration states. At this time, the vibration axes of the two vibration states are offset by 45 degrees spatially and 90 degrees mechanically, and are independent vibration axes. Furthermore, the vibration axes of the primary and secondary vibrations are aligned with the vibration axis PM and vibration axis SM, respectively.

振動軸の基準方向をφとして一般化すると、2つのcosNθモードの空間的な振動軸の角度は、それぞれ式(2)、(3)で表される。 Generalizing the reference direction of the vibration axis as φ, the spatial vibration axis angles of the two cos Nθ modes are expressed by equations (2) and (3), respectively.

θp=φ+i×(360/2N) ・・・(2)
θs=φ+Δφ+i×(360/2N) ・・・(3)
ここで、
θp:一次のcosNθモードの空間的な振動軸PMの角度(度)
θs:二次のcosNθモードの空間的な振動軸SMの角度(度)
i :0≦i<2N-1の関係を満たす整数
Δφ:一次と二次のcosNθモードの空間的な振動軸の角度差であり、
Δφ=360/4N(度)
である。
θp=φ+i×(360/2N)...(2)
θs=φ+Δφ+i×(360/2N)...(3)
where:
θp: Angle (degrees) of the spatial vibration axis PM of the first-order cos Nθ mode
θs: Angle (degrees) of the spatial vibration axis SM of the second-order cos Nθ mode
i: an integer satisfying the relationship 0≦i<2N−1; Δφ: an angular difference between the spatial vibration axes of the first and second cos Nθ modes;
Δφ=360/4N (degrees)
is.

前述したように、振動子20は、軸線O1に関し、(4N×S1)回の回転対称性を有している。したがって、一次のcosNθモード及び二次のcosNθモードの振動に対して、振動子20の質量分布や剛性分布も対称となる。このため、一次のcosNθモードの振動周波数と二次のcosNθモードの振動周波数は概ね等しくなる(ただし、これらの振動周波数は加工誤差の影響により、実際の振動子では厳密には一致しない。)。通常、cosNθモードの空間的な振動軸は、振動子20の固有振動周波数が最小になる方向および最大になる方向に決まる。そうしてみると、振動子20のcosNθモードの空間的な振動軸は、加工誤差などの影響による微小な非対称性によって定まることになり、振動軸の方向のばらつきにより角度ずれαが発生する要因となる。As mentioned above, vibrator 20 has (4N x S1) rotational symmetry with respect to axis O1. Therefore, the mass distribution and stiffness distribution of vibrator 20 are also symmetrical with respect to vibrations in the first-order cos Nθ mode and the second-order cos Nθ mode. Therefore, the vibration frequency of the first-order cos Nθ mode and the vibration frequency of the second-order cos Nθ mode are roughly equal (however, due to the influence of processing errors, these vibration frequencies do not strictly match in actual vibrators). Typically, the spatial vibration axis of the cos Nθ mode is determined by the direction in which the natural vibration frequency of vibrator 20 is minimized and maximized. In this regard, the spatial vibration axis of vibrator 20's cos Nθ mode is determined by minute asymmetries due to the influence of processing errors, etc., and variations in the direction of the vibration axis are a cause of the angular deviation α.

一方、振動子20は、支持部30を介して外部構造体60の固定部10に接続されている。したがって、振動子20が振動する場合、外部構造体60も振動し、外部構造体60の振動状態が振動子20の振動状態に影響を与える。外部構造体60は複雑な三次元構造をしているので、多くの固有振動モードが存在するが、ここでは、振動子20の振動状態に影響を与えて一次のcosNθモードの振動軸となる方向を導く振動軸を外部構造体60の1番目の振動軸と呼び、当該1番目の振動軸から空間的に(360/4N)度ずれた方向を外部構造体60の2番目の振動軸と呼ぶ。 On the other hand, the vibrator 20 is connected to the fixed part 10 of the external structure 60 via the support part 30. Therefore, when the vibrator 20 vibrates, the external structure 60 also vibrates, and the vibration state of the external structure 60 affects the vibration state of the vibrator 20. Because the external structure 60 has a complex three-dimensional structure, many natural vibration modes exist. Here, the vibration axis that influences the vibration state of the vibrator 20 and leads to a direction that becomes the vibration axis of the first-order cos Nθ mode is called the first vibration axis of the external structure 60, and the direction spatially shifted by (360/4N) degrees from the first vibration axis is called the second vibration axis of the external structure 60.

一方、前述したように、外部構造体60は、軸線O1に関し、(2N×S2)回の回転対称性を有している。また、外部構造体60の質量や剛性が同じとなる部分が、周方向に(360/2N)度の周期で現れる。したがって、外部構造体60の1番目の振動軸は、2番目の振動軸と空間的に分離される。また、これらのことにより、外部構造体60の1番目の振動モードの振動周波数は、2番目の振動モードの振動周波数と異なってくる。なお、本実施形態では、平面視で、外部構造体60の外周10bが、軸線O1に関し、(2N×S2)回の回転対称性を有しているために、外部構造体60の全体でも(2N×S2)回の回転対称性を有することになる。ただし、これに限られず、例えば、外部構造体60の内周10aが、軸線O1に関し、(2N×S2)回の回転対称性を有していてもよい。外周10bおよび内周10aの両方が(2N×S2)回の回転対称性を有していてもよい。また、外部構造体60の表面及び/または裏面の構造、または、表面及び/または裏面からは視認できない内部の構造により、(2N×S2)回の回転対称性を有していてもよい。 As described above, the external structure 60 has (2N x S2) rotational symmetry with respect to the axis O1. Furthermore, portions of the external structure 60 with the same mass and rigidity appear at a period of (360/2N) degrees in the circumferential direction. Therefore, the first vibration axis of the external structure 60 is spatially separated from the second vibration axis. Furthermore, due to these factors, the vibration frequency of the first vibration mode of the external structure 60 differs from the vibration frequency of the second vibration mode. In this embodiment, since the outer periphery 10b of the external structure 60 has (2N x S2) rotational symmetry with respect to the axis O1 in a planar view, the entire external structure 60 also has (2N x S2) rotational symmetry. However, this is not limited thereto, and for example, the inner periphery 10a of the external structure 60 may have (2N x S2) rotational symmetry with respect to the axis O1. Both the outer periphery 10b and the inner periphery 10a may have (2N x S2) rotational symmetry. Furthermore, the external structure 60 may have (2N×S2) rotational symmetry due to the structure of the front and/or back surface, or an internal structure that cannot be seen from the front and/or back surface.

外部構造体60の1番目の振動モードと2番目の振動モードが、振動子20の振動状態に影響することで、振動子20の一次のcosNθモードの振動周波数は、二次のcosNθモードの振動周波数と異なってくる。 The first and second vibration modes of the external structure 60 affect the vibration state of the vibrator 20, so that the vibration frequency of the first cos Nθ mode of the vibrator 20 differs from the vibration frequency of the second cos Nθ mode.

また、振動軸PMの方向は、外部構造体60の1番目の振動軸の方向と一致するように定まる。本実施形態の外部構造体60において、1番目の振動軸の方向は、軸線O1を一辺とし、外部構造体60の4つの角部をそれぞれ通る仮想平面OA1,OA3,OA5,OA7とそれぞれ重なる。これは、外部構造体60において、この部分、つまり、第1断面12の断面積が最も大きくなっており、振動子20の一次のcosNθモードの振動軸の方向に影響する特徴的な振動軸であるためである。また、この場合、振動軸PMは、平面視で、第1仮想平面(仮想平面OA1,OA3,OA5,OA7)と重なる。また、振動軸PMの方向から周方向に45度離れた方向が、振動軸SMの方向と一致する。図2から明らかなように、振動軸SMは、軸線O1を一辺とし、外部構造体60の外周10bの4つの側面の中線をそれぞれ通る第2仮想平面(仮想平面OA2,OA4,OA6,OA8)とそれぞれ重なる。また、外部構造体60において、この部分、つまり、第2断面13の断面積は、第1断面12の断面積よりも小さい。 The direction of the vibration axis PM is determined to coincide with the direction of the first vibration axis of the external structure 60. In the external structure 60 of this embodiment, the direction of the first vibration axis overlaps with imaginary planes OA1, OA3, OA5, and OA7, which have the axis O1 as one side and pass through each of the four corners of the external structure 60. This is because this portion, i.e., the first cross section 12, has the largest cross-sectional area in the external structure 60 and is a characteristic vibration axis that affects the direction of the vibration axis of the first-order cos Nθ mode of the vibrator 20. In this case, the vibration axis PM overlaps with the first imaginary plane (imaginary planes OA1, OA3, OA5, and OA7) in a planar view. The direction 45 degrees circumferentially away from the direction of the vibration axis PM coincides with the direction of the vibration axis SM. 2 , the vibration axis SM overlaps with second imaginary planes (imaginary planes OA2, OA4, OA6, and OA8) that have the axis O1 as one side and pass through the midlines of the four side surfaces of the outer periphery 10b of the external structure 60. In addition, in the external structure 60, the cross-sectional area of this portion, that is, the second cross section 13, is smaller than the cross-sectional area of the first cross section 12.

このように規定された外部構造体60の振動状態について、第3の比較例と対照させて説明する。図12は、本実施形態の外部構造体の平面模式図を示す。図13Aは、1番目の振動軸で振動する時の外部構造体の変形状態を示す模式図である。図13Bは、2番目の振動軸で振動する時の外部構造体の変形状態を示す模式図である。ここで、1番目の振動軸とは、振動子20のcosNθモードの振動への影響が無視できない振動モードを有する外部構造体の振動軸のことであり、2番目の振動軸も同様である。 The vibration state of the external structure 60 defined in this manner will be explained in comparison with a third comparative example. Figure 12 shows a schematic plan view of the external structure of this embodiment. Figure 13A is a schematic diagram showing the deformation state of the external structure when vibrating on the first vibration axis. Figure 13B is a schematic diagram showing the deformation state of the external structure when vibrating on the second vibration axis. Here, the first vibration axis refers to the vibration axis of the external structure having a vibration mode in which the influence on the vibration of the cos Nθ mode of the vibrator 20 cannot be ignored, and the same applies to the second vibration axis.

また、図14は、第3の比較例に係る外部構造体の平面模式図を示す。図15Aは、図15に示す外部構造体の1番目のcos2θモードの振動時の変形状態を示す模式図である。図15Bは、図14に示す外部構造体の2番目のcos2θモードの振動時の変形状態を示す模式図である。図15Cは、図14に示す外部構造体の1番目のcos2θモードの振動時の別の変形状態を示す模式図である。図15Dは、図14に示す外部構造体の2番目のcos2θモードの振動時の別の変形状態を示す模式図である。なお、説明の便宜上、図示しないが、図12に示す外部構造体60の内側に図2に示す内部構造体70が配置される。また、図14に示す外部構造体60の内側に図2に示す内部構造体70が配置される。この場合、固定部10の内周10aに対する支持部30の接続位置は、図2に示すものと同様である。14 shows a plan view of an external structure according to a third comparative example. FIG. 15A is a schematic diagram showing the deformation state of the external structure shown in FIG. 15 when vibrating in the first cos 2θ mode. FIG. 15B is a schematic diagram showing the deformation state of the external structure shown in FIG. 14 when vibrating in the second cos 2θ mode. FIG. 15C is a schematic diagram showing another deformation state of the external structure shown in FIG. 14 when vibrating in the first cos 2θ mode. FIG. 15D is a schematic diagram showing another deformation state of the external structure shown in FIG. 14 when vibrating in the second cos 2θ mode. For ease of explanation, although not shown, the internal structure 70 shown in FIG. 2 is disposed inside the external structure 60 shown in FIG. 12. The internal structure 70 shown in FIG. 2 is disposed inside the external structure 60 shown in FIG. 14. In this case, the connection position of the support portion 30 relative to the inner periphery 10a of the fixed portion 10 is the same as that shown in FIG. 2.

図14に示す外部構造体60は、外部構造体60の外周が正八角形である点で、図12に示す本実施形態の外部構造体60と異なる。つまり、図14に示す外部構造体60は、内周、外周ともに正八角形である。このため、図14に示す外部構造体60は、軸線O1に関し、内部構造体70と同じ回転対称性、つまり、8回の回転対称性を有する。また、軸線O1を一辺とし、外部構造体60の外周の角部のうちの1つを通る仮想平面を仮想平面OA1とする。さらに、軸線O1を中心軸として仮想平面OA1を時計回り方向に22.5度ずつ回転させた位置にある仮想平面をそれぞれ仮想平面OA2~OA16とする。 The external structure 60 shown in FIG. 14 differs from the external structure 60 of this embodiment shown in FIG. 12 in that the outer periphery of the external structure 60 is a regular octagon. In other words, both the inner and outer peripheries of the external structure 60 shown in FIG. 14 are regular octagons. Therefore, the external structure 60 shown in FIG. 14 has the same rotational symmetry as the internal structure 70, i.e., eight-fold rotational symmetry, with respect to the axis O1. Furthermore, an imaginary plane with the axis O1 as one side and passing through one of the corners of the outer periphery of the external structure 60 is defined as imaginary plane OA1. Furthermore, imaginary planes located at positions obtained by rotating the imaginary plane OA1 clockwise by 22.5 degrees around the axis O1 as the central axis are defined as imaginary planes OA2 to OA16, respectively.

したがって、振動子20の振動モードを検討したときと同様に、1番目のcos2θモード及び2番目のcos2θモードの振動に対して、外部構造体60の質量分布や剛性分布も対称となる。その結果、振動軸PMは、図15Aに示すように、外部構造体60の対向する角部を通る場合と、図15Cに示すように、外部構造体60の外周10bのうち、対向する側面の中線を通る場合の2通りを取りうる。さらに、振動軸PMが、外部構造体60の対向する角部を通る場合、振動軸SMは、図15Bに示すように、外部構造体60の外周10bのうち、対向する角部を通る。振動軸PMが、外部構造体60の対向する側面の中線を通る場合、振動軸SMは、図15Dに示すように、外部構造体60の対向する側面の中線を通る。Therefore, just as when the vibration modes of the vibrator 20 were considered, the mass distribution and stiffness distribution of the external structure 60 are also symmetrical for the vibrations of the first cos 2θ mode and the second cos 2θ mode. As a result, the vibration axis PM can take two forms: passing through opposing corners of the external structure 60 as shown in FIG. 15A , or passing through the midlines of opposing sides of the outer periphery 10b of the external structure 60 as shown in FIG. 15C . Furthermore, when the vibration axis PM passes through opposing corners of the external structure 60, the vibration axis SM passes through opposing corners of the outer periphery 10b of the external structure 60 as shown in FIG. 15B . When the vibration axis PM passes through the midlines of opposing sides of the external structure 60, the vibration axis SM passes through the midlines of opposing sides of the external structure 60 as shown in FIG. 15D .

さらに、外部構造体60の対称性より、1番目のcos2θモードの振動周波数と2番目のcos2θモードの振動周波数が概ね等しくなる。このため、外部構造体60と内部構造体70の機械的な結合の結果として振動子20の一次のcosNθモードの振動軸の向きが定まるとき、外部構造体60は、図15A、15Cに示す変形状態のいずれも取りうる。また、振動子20の一次のcosNθモードにおいて、外部構造体60が図15Aに示す変形状態となる場合、振動子20の二次のcosNθモードにおいて、外部構造体60は図15Bに示す変形状態となる。振動子20の一次のcosNθモードにおいて、外部構造体60が図15Cに示す変形状態となる場合、振動子20の二次のcosNθモードにおいて、外部構造体60が図15Dに示す変形状態となる。つまり、振動軸PMの方向に対して、外部構造体60の1番目のcosNθモードの振動軸の方向が一致する場合と、別の変形状態の1番目のcosNθモードの振動軸の方向が一致する場合とがそれぞれありうる。いずれの場合においても、1番目と2番目のcosNθモードは周波数が概ね等しくなるため、実際の振動子20では、一次のcosNθモードの空間的な振動軸は、加工誤差などの影響による微小な非対称性によって定まることになり、振動軸の方向のばらつきにより角度ずれαが発生する要因となる。 Furthermore, due to the symmetry of the external structure 60, the vibration frequency of the first cos 2θ mode and the vibration frequency of the second cos 2θ mode are approximately equal. Therefore, when the orientation of the vibration axis of the first cos Nθ mode of the vibrator 20 is determined as a result of the mechanical coupling between the external structure 60 and the internal structure 70, the external structure 60 can be in either of the deformed states shown in Figures 15A and 15C. Furthermore, when the external structure 60 is in the deformed state shown in Figure 15A in the first cos Nθ mode of the vibrator 20, the external structure 60 is in the deformed state shown in Figure 15B in the second cos Nθ mode of the vibrator 20. When the external structure 60 is in the deformed state shown in Figure 15C in the first cos Nθ mode of the vibrator 20, the external structure 60 is in the deformed state shown in Figure 15D in the second cos Nθ mode of the vibrator 20. That is, there are cases where the direction of the vibration axis of the first cos Nθ mode of the external structure 60 coincides with the direction of the vibration axis PM, and cases where the direction of the vibration axis of the first cos Nθ mode in a different deformation state coincides with the direction of the vibration axis PM. In either case, the frequencies of the first and second cos Nθ modes are approximately equal, so in the actual vibrator 20, the spatial vibration axis of the first cos Nθ mode is determined by a slight asymmetry due to the influence of processing errors and the like, and variations in the direction of the vibration axis become a cause of the angle deviation α.

一方、図12に示す外部構造体60を適用することで、外部振動体60の1番目の振動軸の方向が、外部構造体60の対向する角部を通る方向に定まる。また、外部振動体60の2番目の振動軸の方向が、外部構造体60の対向する側面の中線を通る方向に定まる。また、外部構造体60の2番目のcos2θモードの振動周波数は、1番目のcos2θモードの振動周波数よりも高くなる。その結果、振動子20が一次のcos2θモードを励起させたとき、外部構造体60は、内部構造体70との機械的な結合の結果として、1番目のcos2θモードの振動軸に応じて、図13Aに示す変形状態を繰り返す。振動子が二次のcos2θモードの状態になるとき、外部構造体60は、2番目のcos2θモードの振動軸に応じて、図13Bに示す変形状態を繰り返す。 On the other hand, by applying the external structure 60 shown in FIG. 12, the direction of the first vibration axis of the external vibrator 60 is determined to be a direction passing through opposing corners of the external structure 60. Furthermore, the direction of the second vibration axis of the external vibrator 60 is determined to be a direction passing through the midlines of opposing side surfaces of the external structure 60. Furthermore, the vibration frequency of the second cos 2θ mode of the external structure 60 is higher than the vibration frequency of the first cos 2θ mode. As a result, when the vibrator 20 excites the first cos 2θ mode, the external structure 60, as a result of the mechanical coupling with the internal structure 70, repeats the deformation state shown in FIG. 13A in accordance with the vibration axis of the first cos 2θ mode. When the vibrator enters the second cos 2θ mode state, the external structure 60 repeats the deformation state shown in FIG. 13B in accordance with the vibration axis of the second cos 2θ mode.

このように、本実施形態によれば、振動型ジャイロスコープ100の軸線O1に関する回転対称性を前述したように規定することで、外部構造体60の1番目の振動軸の方向が一義的に定まり、これに応じて、外部構造体60の2番目の振動軸の方向も1番目の振動軸の方向から空間的に(360/4N)度、この場合は、45度ずれた方向に定まる。これにより、外部構造体60と支持部30を介して機械的に結合する振動子20の一次のcos2θモードの振動軸が外部構造体60の1番目の振動軸の方向に定まる。また、振動子20の二次のcos2θモードの振動軸が外部構造体60の2番目の振動軸の方向に定まる。さらに、外部構造体60の1番目の振動軸の方向と一次駆動電極PDの軸の方向とが一致するように、一次駆動電極PDを配置することで、振動子20の一次振動の振動軸と、一次のcos2θモードの振動軸の方向を一致させることができるため、角度ずれα、ひいては、直交バイアスΩquadをゼロに近づけることができる。このことにより、振動型ジャイロスコープ100の出力信号に含まれるバイアス成分を大幅に低減でき、高精度で角速度を検出することができる。 As described above, according to this embodiment, by defining the rotational symmetry of the vibratory gyroscope 100 with respect to the axis O1, the direction of the first vibration axis of the external structure 60 is uniquely determined, and accordingly, the direction of the second vibration axis of the external structure 60 is also determined to be spatially shifted by (360/4N) degrees, in this case, 45 degrees, from the direction of the first vibration axis. As a result, the vibration axis of the first cos 2θ mode of the vibrator 20, which is mechanically coupled to the external structure 60 via the support 30, is determined to be in the direction of the first vibration axis of the external structure 60. Furthermore, the vibration axis of the second cos 2θ mode of the vibrator 20 is determined to be in the direction of the second vibration axis of the external structure 60. Furthermore, by arranging the primary drive electrode PD so that the direction of the first vibration axis of the external structure 60 coincides with the direction of the axis of the primary drive electrode PD, the vibration axis of the primary vibration of the vibrator 20 can be made to coincide with the direction of the vibration axis of the primary cos 2θ mode, and therefore the angle deviation α, and therefore the quadrature bias Ωquad, can be made close to zero. This allows the bias component included in the output signal of the vibrating gyroscope 100 to be significantly reduced, making it possible to detect angular velocity with high accuracy.

また、電極40が配置された支持部30は、それぞれ前述の第1~第5部分31a~31eを有する第1脚部31と第1~第5部分32a~32eを有する第2脚部32とで構成されるのが好ましい。また、第1脚部31と第2脚部32とは、前述の仮想平面OA1~OA8に関してそれぞれ対称に配置されているのが、より好ましい。 Furthermore, it is preferable that the support portion 30 on which the electrode 40 is disposed is composed of a first leg portion 31 having the first to fifth portions 31a to 31e and a second leg portion 32 having the first to fifth portions 32a to 32e. It is more preferable that the first leg portion 31 and the second leg portion 32 are disposed symmetrically with respect to the aforementioned imaginary planes OA1 to OA8.

支持部30をこのように構成することで、振動子20を一次振動させた場合に、その振動に影響を大きく与えることなく、振動子20を支持することができる。また、支持部30が、周方向に等角度間隔で設けられるとともに、第1脚部31と第2脚部32とが仮想平面OA1~OA8に関してそれぞれ対称に設けられることで、振動子20を均等なバランスで固定部10に接続できる。このことにより、振動子20を安定して一次振動させることができる。 By configuring the support portion 30 in this manner, when the vibrator 20 is subjected to primary vibration, it can be supported without significantly affecting the vibration. Furthermore, by providing the support portions 30 at equal angular intervals around the circumference and by providing the first leg portions 31 and second leg portions 32 symmetrically with respect to the imaginary planes OA1 to OA8, the vibrator 20 can be connected to the fixed portion 10 with equal balance. This allows the vibrator 20 to stably undergo primary vibration.

本実施形態に係る角速度センサ1000は、振動型ジャイロスコープ100と、一次駆動電極PDに所定の周波数の交流電流を流すための一次交流電源200と、一次検出電極PPOに発生する電圧信号を検出する一次検出部210と、二次駆動電極SDに交流電流を流すための二次交流電源220と、二次検出電極SPOに発生する電圧信号を検出する二次検出部230と、二次交流電源220の出力信号に基づいて、角速度を算出する演算部240と、を少なくとも備えている。 The angular velocity sensor 1000 of this embodiment comprises at least a vibrating gyroscope 100, a primary AC power supply 200 for passing an AC current of a predetermined frequency through the primary drive electrode PD, a primary detection unit 210 for detecting a voltage signal generated in the primary detection electrode PPO, a secondary AC power supply 220 for passing an AC current through the secondary drive electrode SD, a secondary detection unit 230 for detecting a voltage signal generated in the secondary detection electrode SPO, and a calculation unit 240 for calculating the angular velocity based on the output signal of the secondary AC power supply 220.

振動子20の表面には、一次駆動電極PDと二次駆動電極SDと一次検出電極PPOと二次検出電極SPOとが、周方向に沿って時計回り方向にこの順で配置されている。振動型ジャイロスコープ100は、この電極40の組を2組有している。一次駆動電極PDは、振動子20に一次振動を励起させる。一次検出電極PPOは、振動子20の一次振動を検出する。二次検出電極SPOは、振動子20に発生する二次振動を検出する。二次駆動電極SDは、振動子20に発生する二次振動を打ち消すように振動子20を駆動する。ただし、角度ずれαがゼロでない場合、一次駆動電極PDに発生する力により、振動軸PMを有する固有振動と振動軸SMを有する固有振動の両方を振動子20に励起させようとする力が作用する。しかし、実際には二次検出電極SPOと二次駆動電極SDの働きによって一次振動以外の振動を打ち消すように制御しているため、角度ずれαがゼロでない場合でも、実際には一次振動のみが発生する。このとき、角速度の検出信号のもとになる二次駆動電極SDにも電圧を印加しており、これがバイアス成分となる。On the surface of the vibrator 20, a primary drive electrode PD, a secondary drive electrode SD, a primary detection electrode PPO, and a secondary detection electrode SPO are arranged in this order clockwise along the circumferential direction. The vibratory gyroscope 100 has two sets of these electrodes 40. The primary drive electrode PD excites a primary vibration in the vibrator 20. The primary detection electrode PPO detects the primary vibration of the vibrator 20. The secondary detection electrode SPO detects the secondary vibration generated in the vibrator 20. The secondary drive electrode SD drives the vibrator 20 to cancel out the secondary vibration generated in the vibrator 20. However, if the angular deviation α is not zero, the force generated in the primary drive electrode PD acts to excite both the natural vibration having the vibration axis PM and the natural vibration having the vibration axis SM in the vibrator 20. However, in reality, the secondary detection electrode SPO and the secondary drive electrode SD act to cancel out vibrations other than the primary vibration, so even if the angular deviation α is not zero, only the primary vibration actually occurs. At this time, a voltage is also applied to the secondary drive electrodes SD, which are the source of the angular velocity detection signal, and this serves as a bias component.

本実施形態の角速度センサ1000によれば、振動型ジャイロスコープ100の出力信号に含まれるバイアス成分を低減でき、角速度の検出精度を高められる。 The angular velocity sensor 1000 of this embodiment can reduce the bias component contained in the output signal of the vibration type gyroscope 100, thereby improving the accuracy of angular velocity detection.

また、本実施形態によれば、一次検出電極PPOで発生した電圧を、一次検出部210で検出し、一次検出部210の出力信号を一次交流電源200にフィードバックすることで、振動子20で発生する一次振動を安定化することができる。 In addition, according to this embodiment, the voltage generated at the primary detection electrode PPO is detected by the primary detection unit 210, and the output signal of the primary detection unit 210 is fed back to the primary AC power supply 200, thereby stabilizing the primary vibration generated by the vibrator 20.

また、二次検出電極SPOで発生した電圧を、二次検出部230で検出し、二次検出部230の出力信号に基づいて、二次交流電源220の出力を制御し、振動子20で発生する二次振動を打ち消すようにしている。このようにすることで、振動子20の振動状態を安定化させることができる。また、このことにより、二次交流電源220の出力信号に含まれるノイズ成分が低減でき、角速度の検出精度を高めることができる。 The voltage generated at the secondary detection electrode SPO is detected by the secondary detection unit 230, and the output of the secondary AC power supply 220 is controlled based on the output signal of the secondary detection unit 230, thereby canceling out the secondary vibration generated by the vibrator 20. In this way, the vibration state of the vibrator 20 can be stabilized. This also reduces the noise components contained in the output signal of the secondary AC power supply 220, improving the accuracy of angular velocity detection.

<変形例1>
図16は、本変形例に係る振動型ジャイロスコープの平面図を、図17は、図16の破線で囲まれた部分の拡大図をそれぞれ示す。なお、図16,17及び以降に示す各図面において、実施形態1と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
<Modification 1>
Fig. 16 shows a plan view of a vibrating gyroscope according to this modification, and Fig. 17 shows an enlarged view of the portion surrounded by the dashed line in Fig. 16. In Figs. 16 and 17 and the subsequent drawings, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

図16に示す本変形例の振動型ジャイロスコープ100は、以下に示す点で図1に示す振動型ジャイロスコープ100と異なる。 The vibration type gyroscope 100 of this modified example shown in Figure 16 differs from the vibration type gyroscope 100 shown in Figure 1 in the following ways.

まず、図16に示す固定部10の内周10aの角部は、図2に示す例に対して、反時計回り方向に22.5回転している。一方、電極40a~40hの配置は、図2に示す例と同じである。 First, the corners of the inner circumference 10a of the fixed part 10 shown in Figure 16 are rotated 22.5 times counterclockwise relative to the example shown in Figure 2. On the other hand, the arrangement of the electrodes 40a to 40h is the same as the example shown in Figure 2.

なお、本変形例においても、支持部30の第1脚部31と第2脚部32とは、仮想平面OA1~OA8のいずれかに関して対称に配置されている。ただし、図17に示すように、第1脚部31は、第1~第3部分31a~31cからなる。また、第2部分31bの一端に第1部分31aが、他端に第3部分31cがそれぞれ接続されている。同様に、第2脚部32は、第1~第3部分32a~32cからなる。また、第2部分32bの一端に第1部分32aが、他端に第3部分32cがそれぞれ接続されている。 In this modified example, the first leg 31 and second leg 32 of the support part 30 are also arranged symmetrically with respect to one of the imaginary planes OA1 to OA8. However, as shown in FIG. 17, the first leg 31 consists of first to third parts 31a to 31c. The first part 31a is connected to one end of the second part 31b, and the third part 31c is connected to the other end. Similarly, the second leg 32 consists of first to third parts 32a to 32c. The first part 32a is connected to one end of the second part 32b, and the third part 32c is connected to the other end.

本変形例においても、仮想平面OA1は、外部構造体60の外周10bの角部を通る。また、仮想平面OA2,OA8は、軸線O1を一辺として、仮想平面OA1を45度回転させた位置にある。ただし、図2に示す例では、仮想平面OA1,OA2,OA8は、外部構造体60の内周10aの側面の中線をそれぞれ通っているのに対し、本変形例では、外部構造体60の内周10aの角部をそれぞれ通る。また、外部構造体60の外周10bの角部を基準として見た場合、第1断面12及び第2断面13のそれぞれの位置は、図2に示したものと同様である。In this modified example, the imaginary plane OA1 also passes through a corner of the outer periphery 10b of the external structure 60. Furthermore, the imaginary planes OA2 and OA8 are located at positions obtained by rotating the imaginary plane OA1 by 45 degrees with the axis O1 as one side. However, whereas in the example shown in FIG. 2, the imaginary planes OA1, OA2, and OA8 each pass through the midlines of the side surfaces of the inner periphery 10a of the external structure 60, in this modified example, they each pass through a corner of the inner periphery 10a of the external structure 60. Furthermore, when viewed from the corner of the outer periphery 10b of the external structure 60, the positions of the first cross section 12 and the second cross section 13 are the same as those shown in FIG. 2.

振動型ジャイロスコープ100をこのように構成してもよい。本変形例においても、外部構造体60の第1断面12の断面積は、第2断面13の断面積よりも大きい。 The vibratory gyroscope 100 may be configured in this manner. In this modified example, the cross-sectional area of the first cross section 12 of the external structure 60 is also larger than the cross-sectional area of the second cross section 13.

したがって、本変形例に示す振動型ジャイロスコープ100も、実施形態1に示す構成が示すのと同様の効果を奏する。つまり、外部構造体60の1番目の振動軸の方向が一義的に定まり、これに応じて、外部構造体60の2番目の振動軸の方向も1番目の振動軸の方向から空間的に45度ずれた方向に定まる。外部構造体60の1番目の振動軸の方向と一次駆動電極PDの軸の方向とが一致するように、一次駆動電極PDが配置される。このことにより、振動子20の一次振動の振動軸と、一次のcos2θモードの振動軸の方向を一致させることができるため、角度ずれαをゼロに近づけて、振動型ジャイロスコープ100の出力信号に含まれるバイアス成分を大幅に低減でき、高精度で角速度を検出することができる。Therefore, the vibratory gyroscope 100 shown in this modified example also achieves the same effects as the configuration shown in embodiment 1. That is, the direction of the first vibration axis of the external structure 60 is uniquely determined, and accordingly, the direction of the second vibration axis of the external structure 60 is determined to be spatially shifted 45 degrees from the direction of the first vibration axis. The primary drive electrode PD is arranged so that the direction of the first vibration axis of the external structure 60 coincides with the direction of the axis of the primary drive electrode PD. This allows the vibration axis of the primary vibration of the vibrator 20 to coincide with the direction of the vibration axis of the primary cos 2θ mode, thereby bringing the angle deviation α close to zero and significantly reducing the bias component included in the output signal of the vibratory gyroscope 100, enabling angular velocity to be detected with high accuracy.

(実施形態2)
図18Aは、本実施形態に係る外部構造体の平面模式図を、図18Bは、別の外部構造体の平面模式図を、図18Cは、さらなる外部構造体の平面模式図をそれぞれ示す。なお、説明をわかりやすくするために、図18Cにおいて、振動体20と支持部30を簡略化して図示している。
(Embodiment 2)
Fig. 18A shows a schematic plan view of an external structure according to this embodiment, Fig. 18B shows a schematic plan view of another external structure, and Fig. 18C shows a schematic plan view of a further external structure. Note that for ease of explanation, Fig. 18C shows a simplified view of the vibrating body 20 and the support portion 30.

実施形態1や変形例1に示す振動型ジャイロスコープ100では、外部構造体60の外周の形状を内周の形状と変えることで、外部構造体60の回転対称性を、軸線O1に関し、4回としていた。しかし、外部構造体60の回転対称性を、軸線O1に関し、(2N×S2)回とする手法は、特にこれに限定されない。図14に示すように、外部構造体60の内周、外周とも正八角形である場合にも、外部構造体60の回転対称性を、軸線O1に関し、4回とするとすることができる。In the vibratory gyroscope 100 shown in embodiment 1 and variant 1, the rotational symmetry of the external structure 60 is set to four times about the axis O1 by changing the shape of the outer periphery of the external structure 60 from the shape of the inner periphery. However, the method of setting the rotational symmetry of the external structure 60 to (2N x S2) times about the axis O1 is not particularly limited to this. As shown in Figure 14, even when both the inner and outer peripheries of the external structure 60 are regular octagons, the rotational symmetry of the external structure 60 can be set to four times about the axis O1.

図18A,18Bに示す外部構造体60の形状は、図14に示す外部構造体60の形状と同様である。つまり、図18A,18Bに示す外部構造体60は、内周、外周ともに正八角形である。また、仮想平面OA1~OA16の位置も図14に示すものと同様である。例えば、図18Aに示すように、外部構造体60の表面及び/または裏面において、周方向に互いに90度離れた位置に、それぞれ1または複数の孔61を設ける。なお、孔61は、外部構造体60を貫通する貫通孔であってもよいし、貫通しない非貫通孔であってもよい。 The shape of the external structure 60 shown in Figures 18A and 18B is the same as the shape of the external structure 60 shown in Figure 14. That is, both the inner and outer peripheries of the external structure 60 shown in Figures 18A and 18B are regular octagons. The positions of the imaginary planes OA1 to OA16 are also the same as those shown in Figure 14. For example, as shown in Figure 18A, one or more holes 61 are provided on the front and/or back surface of the external structure 60 at positions spaced 90 degrees apart from each other in the circumferential direction. Note that the holes 61 may be through holes that pass through the external structure 60, or may be blind holes that do not pass through.

この場合、N=2として、例えば、仮想平面OA4は、軸線O1を中心軸として仮想平面OA2を(360/4N)=45度だけ時計回り方向に回転させた位置にある。また、外部構造体60において、仮想平面OA4が通る部分には孔61が設けられているのに対し、仮想平面OA2が通る部分には孔61が設けられていない。このため、外部構造体60において、仮想平面OA2が通る部分の断面積は、仮想平面OA4が通る部分の断面積よりも大きくなる。言い換えると、外部構造体60において、仮想平面OA2が通る部分が前述の第1断面12に相当し、仮想平面OA4が通る部分が第2断面13に相当する。同様の関係は、仮想平面OA6,OA8,OA10,OA12,OA14,OA16がそれぞれ通る部分にも当てはまる。仮想平面OA6,OA10,OA14がそれぞれ通る部分が第1断面12に相当し、仮想平面OA8,OA12,OA16がそれぞれ通る部分が第1断面12に相当する。In this case, assuming N = 2, for example, imaginary plane OA4 is located at a position obtained by rotating imaginary plane OA2 clockwise by (360/4N) = 45 degrees around axis O1. Furthermore, in external structure 60, holes 61 are provided in the portion through which imaginary plane OA4 passes, whereas holes 61 are not provided in the portion through which imaginary plane OA2 passes. Therefore, the cross-sectional area of the portion through which imaginary plane OA2 passes is larger than the cross-sectional area of the portion through which imaginary plane OA4 passes. In other words, in external structure 60, the portion through which imaginary plane OA2 passes corresponds to the aforementioned first cross-section 12, and the portion through which imaginary plane OA4 passes corresponds to the second cross-section 13. A similar relationship applies to the portions through which imaginary planes OA6, OA8, OA10, OA12, OA14, and OA16 pass. The portions through which the imaginary planes OA6, OA10, and OA14 pass correspond to the first cross section 12, and the portions through which the imaginary planes OA8, OA12, and OA16 pass correspond to the first cross section 12.

図18Aに示す外部構造体60を用いる場合も、実施形態1に示す構成が示すのと同様の効果を奏する。つまり、外部構造体60の1番目の振動軸の方向が一義的に定まり、これに応じて、外部構造体60の2番目の振動軸の方向も1番目の振動軸の方向から空間的に45度ずれた方向に定まる。この場合は、平面視で、1番目の振動軸は仮想平面OA2,OA6,OA10,OA14に一致し、2番目の振動軸は仮想平面OA4,OA8,OA12,OA16に一致する。一次駆動電極PDの軸を仮想平面OA2,OA6,OA10,OA14のいずれかに一致させるように、一次駆動電極PDを配置することで、角度ずれαをゼロに近づけて、振動型ジャイロスコープ100の出力信号に含まれるバイアス成分を大幅に低減でき、高精度で角速度を検出することができる。18A also achieves the same effect as the configuration shown in embodiment 1. That is, the direction of the first vibration axis of the external structure 60 is uniquely determined, and accordingly, the direction of the second vibration axis of the external structure 60 is determined to be spatially offset by 45 degrees from the direction of the first vibration axis. In this case, in a planar view, the first vibration axis coincides with the imaginary planes OA2, OA6, OA10, and OA14, and the second vibration axis coincides with the imaginary planes OA4, OA8, OA12, and OA16. By arranging the primary drive electrode PD so that the axis of the primary drive electrode PD coincides with one of the imaginary planes OA2, OA6, OA10, and OA14, the angular deviation α can be brought close to zero, significantly reducing the bias component included in the output signal of the vibratory gyroscope 100, and enabling highly accurate detection of angular velocity.

また、図18Bに示すように、外部構造体60の表面及び/または裏面において、周方向に互いに90度離れた位置にそれぞれ1または複数の溝62を設けてもよい。この場合も、図18Aに示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。なお、溝62は、外部構造体60を貫通する貫通溝であってもよいし、貫通しない非貫通溝であってもよい。 Also, as shown in Figure 18B, one or more grooves 62 may be provided on the front and/or back surface of the external structure 60 at positions spaced 90 degrees apart in the circumferential direction. In this case, the same effect as that achieved by the configuration shown in Figure 18A can be achieved. Note that the grooves 62 may be through grooves that pass through the external structure 60, or may be non-through grooves that do not pass through.

なお、溝62を設ける代わりに、膜63を設けるようにしてもよい。膜63の材料は、金属でも絶縁体でもよい。この場合も、図18Aに示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。ただし、膜63を設ける場合は、外部構造体60において、仮想平面OA4,OA8,OA12,OA16がそれぞれ通る部分の断面積は、仮想平面OA2,OA6,OA10,OA14がそれぞれ通る部分の断面積よりも大きくなる。 Instead of providing grooves 62, membranes 63 may be provided. The material of membrane 63 may be metal or insulator. In this case, the same effect as that achieved by the configuration shown in Figure 18A can be achieved. However, when membrane 63 is provided, the cross-sectional areas of the portions of external structure 60 through which imaginary planes OA4, OA8, OA12, and OA16 pass will be larger than the cross-sectional areas of the portions through which imaginary planes OA2, OA6, OA10, and OA14 pass.

また、図18Cに示すように、外部構造体60の内周を正四角形とし、外周を正八角形としてもよい。この場合も、外部構造体60の回転対称性は、軸線O1に関し、4回となる。なお、図18Cに示す例においても、軸線O1を一辺とし、外部構造体60の外周の角部のうちの1つを通る仮想平面を仮想平面OA1とする。さらに、軸線O1を中心軸として仮想平面OA1を時計回り方向に22.5度ずつ回転させた位置にある仮想平面をそれぞれ仮想平面OA2~OA16とする。 Also, as shown in Figure 18C, the inner periphery of the external structure 60 may be a regular square and the outer periphery a regular octagon. In this case, the rotational symmetry of the external structure 60 is also four-fold with respect to the axis O1. Note that in the example shown in Figure 18C, an imaginary plane that has the axis O1 as one side and passes through one of the corners of the outer periphery of the external structure 60 is defined as imaginary plane OA1. Furthermore, imaginary planes at positions obtained by rotating imaginary plane OA1 clockwise by 22.5 degrees around the axis O1 as the central axis are defined as imaginary planes OA2 to OA16, respectively.

図18Cに示す例においては、平面視で、1番目の振動軸は仮想平面OA4,OA8,OA12,OA16に一致し、2番目の振動軸は仮想平面OA2,OA6,OA10,OA14に一致する。一次駆動電極PDの軸を仮想平面OA4,OA8,OA12,OA16のいずれかに一致させるように、一次駆動電極PDを配置することで、角度ずれαをゼロに近づけて、振動型ジャイロスコープ100の出力信号に含まれるバイアス成分を大幅に低減でき、高精度で角速度を検出することができる。18C, in a planar view, the first vibration axis coincides with imaginary planes OA4, OA8, OA12, and OA16, and the second vibration axis coincides with imaginary planes OA2, OA6, OA10, and OA14. By positioning the primary drive electrode PD so that its axis coincides with one of imaginary planes OA4, OA8, OA12, and OA16, the angular deviation α can be brought close to zero, significantly reducing the bias component contained in the output signal of the vibratory gyroscope 100, and enabling angular velocity to be detected with high accuracy.

<変形例2>
図19A~19Cは、本変形例に係る第1~第3の外部構造体の平面模式図をそれぞれ示す。図20A~20Dは、第4~第7の外部構造体の平面模式図をそれぞれ示す。
<Modification 2>
19A to 19C are schematic plan views of first to third external structures according to this modification, respectively, and FIGS. 20A to 20D are schematic plan views of fourth to seventh external structures, respectively.

図19A~19Cに示す外部構造体60は、図18A~18Cに示す外部構造体60にそれぞれ対応している。よって、図19A~19Cに示す外部構造体60の回転対称性も、軸線O1に関し、(2N×S2)回、つまり、この場合は、4回である。 The external structure 60 shown in Figures 19A to 19C corresponds to the external structure 60 shown in Figures 18A to 18C, respectively. Therefore, the rotational symmetry of the external structure 60 shown in Figures 19A to 19C is also (2N x S2) times, or in this case, four times, about the axis O1.

一方、図19A及び図19Bに示す外部構造体60は、図18A及び図18Bに示す外部構造体60に対して、孔61や溝62あるいは膜63が設けられている位置が周方向に22.5度ずれている。例えば、図19A及び図19Bに示す例では、孔61及び溝62は、外部構造体60の内周の角部と外周の角部との間に位置する表面上にそれぞれ4箇所設けられている。なお、孔61及び溝62が周方向にそれぞれ90度離れた位置にあるのは、図18A及び図18Bに示すのと同様である。 On the other hand, the positions at which the holes 61, grooves 62, or membranes 63 are provided in the external structure 60 shown in Figures 19A and 19B are shifted by 22.5 degrees in the circumferential direction compared to the external structure 60 shown in Figures 18A and 18B. For example, in the example shown in Figures 19A and 19B, the holes 61 and grooves 62 are provided in four locations on the surface located between the inner corner and the outer corner of the external structure 60. Note that the holes 61 and grooves 62 are located at positions 90 degrees apart in the circumferential direction, similar to those shown in Figures 18A and 18B.

また、図19Cに示す例では、外部構造体60の内周及び内部構造体が、図18Cに示す外部構造体60及び内部構造体に対して、22.5度回転している。このため、仮想平面OA3,OA7,OA11,OA15は、軸線O1を一辺として、外部構造体60の内周の4つの角部をそれぞれ通る。また、仮想平面OA1,OA5,OA9,OA13は、軸線O1を一辺として、外部構造体60の内周の4つの側面の中線をそれぞれ通る。この場合も、例えば、仮想平面OA3は、軸線O1を回転軸として、仮想平面OA1から周方向に45度離れた位置にある。 In the example shown in Figure 19C, the inner periphery and inner structure of the outer structure 60 are rotated by 22.5 degrees relative to the outer structure 60 and inner structure shown in Figure 18C. Therefore, imaginary planes OA3, OA7, OA11, and OA15 have the axis O1 as one side and pass through the four corners of the inner periphery of the outer structure 60. In addition, imaginary planes OA1, OA5, OA9, and OA13 have the axis O1 as one side and pass through the midlines of the four side surfaces of the inner periphery of the outer structure 60. In this case as well, for example, imaginary plane OA3 is located 45 degrees circumferentially away from imaginary plane OA1, with the axis O1 as the rotation axis.

さらに図19Cに示す例において、仮想平面OA1,OA5,OA9,OA13がそれぞれ通る部分の断面積は、仮想平面OA3,OA7,OA11,OA15がそれぞれ通る部分の断面積よりも大きくなる。外部構造体60において、仮想平面OA1,OA5,OA9,OA13がそれぞれ通る部分が前述の第1断面12に相当し、仮想平面OA3,OA7,OA11,OA15がそれぞれ通る部分が第2断面13に相当する。平面視で、外部構造体60の1番目の振動軸及び振動軸PMは第1仮想平面(仮想平面OA1,OA5,OA9,OA13)及び第2仮想平面(仮想平面OA3,OA7,OA11,OA15)の一方に重なり、外部構造体60の2番目の振動軸及び振動軸SMは他方に重なる。19C, the cross-sectional areas of the portions through which the imaginary planes OA1, OA5, OA9, and OA13 pass are larger than the cross-sectional areas of the portions through which the imaginary planes OA3, OA7, OA11, and OA15 pass. In the external structure 60, the portions through which the imaginary planes OA1, OA5, OA9, and OA13 pass correspond to the first cross section 12 described above, and the portions through which the imaginary planes OA3, OA7, OA11, and OA15 pass correspond to the second cross section 13. In a planar view, the first vibration axis and vibration axis PM of the external structure 60 overlap one of the first imaginary plane (imaginary planes OA1, OA5, OA9, and OA13) and the second imaginary plane (imaginary planes OA3, OA7, OA11, and OA15), and the second vibration axis and vibration axis SM of the external structure 60 overlap the other.

外部構造体60を図19A~19Cに示すように構成してもよく、この場合も、実施形態1に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。また、特にこれに限られず、外部構造体60を図20A~20Dに示すように構成してもよい。図20Aに示す外部構造体60は、図2に示す例に対して、軸線O1を中心軸として、外部構造体60の内周が外周に対して所定角度回転している。図20B及び図20Cに示す外部構造体60は、図18A及び図18Bに示す例に対して、軸線O1を中心として、孔61や溝62あるいは膜63が設けられている位置が周方向に所定角度ずれている。図20Dに示す外部構造体60は、図18Cに示す例に対して、軸線O1を中心軸として、外部構造体60の内周が外周に対して所定角度回転している。これらの場合も、実施形態1に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。 The external structure 60 may be configured as shown in Figures 19A to 19C, and in this case, similar effects to those achieved by the configuration shown in embodiment 1 can be achieved. Furthermore, without being limited to this, the external structure 60 may also be configured as shown in Figures 20A to 20D. The external structure 60 shown in Figure 20A has the inner periphery of the external structure 60 rotated by a predetermined angle relative to the outer periphery, with the axis O1 as the central axis, compared to the example shown in Figure 2. The external structure 60 shown in Figures 20B and 20C has the positions of the holes 61, grooves 62, or membranes 63 shifted by a predetermined angle circumferentially, with the axis O1 as the center, compared to the example shown in Figures 18A and 18B. The external structure 60 shown in Figure 20D has the inner periphery of the external structure 60 rotated by a predetermined angle relative to the outer periphery, with the axis O1 as the central axis, compared to the example shown in Figure 18C. In these cases, similar effects to those achieved by the configuration shown in embodiment 1 can be achieved.

(実施形態3)
図21は、本実施形態に係る振動型ジャイロスコープの平面図を示す。図22は、振動子の一次振動状態を、図23は、振動子の二次振動状態をそれぞれ模式的に示す。
(Embodiment 3)
Fig. 21 shows a plan view of the vibratory gyroscope according to this embodiment, Fig. 22 shows a schematic diagram of the primary vibration state of the vibrator, and Fig. 23 shows a schematic diagram of the secondary vibration state of the vibrator.

図21に示す本実施形態の振動型ジャイロスコープ100は、周方向に12個の電極40が配置されており、振動子20は、cos3θの振動モードを有している。つまり、前述のN=3の場合に相当する。 The vibratory gyroscope 100 of this embodiment shown in Figure 21 has 12 electrodes 40 arranged in the circumferential direction, and the vibrator 20 has a vibration mode of cos3θ. In other words, this corresponds to the case where N = 3 mentioned above.

軸方向から見て、外部構造体60の外周は、正六角形である一方、内周は、正十二角形である。軸方向から見て、外周の対角線上に内周の角部が配置されるように、外部構造体60が形成されていることは、変形例1に示したのと同様である。支持部30の形状は、図16に示したのとの相似形である。また、固定部10の内周10aの角部に対する第1端部30aの接続位置関係も、図16に示したものと同様である。 When viewed in the axial direction, the outer periphery of the external structure 60 is a regular hexagon, while the inner periphery is a regular dodecagon. As with variant 1, the outer structure 60 is formed so that the corners of the inner periphery are positioned diagonally across from the outer periphery when viewed in the axial direction. The shape of the support part 30 is similar to that shown in Figure 16. Furthermore, the connection positional relationship of the first end part 30a to the corners of the inner periphery 10a of the fixed part 10 is also the same as that shown in Figure 16.

軸方向から見て、振動子20の表面で、一次駆動電極PD、二次駆動電極SD、一次検出電極PPO及び二次検出電極SPOが、この順にかつ時計回り方向に等角度間隔で配置されていることは、図16に示したのと同様である。ただし、振動型ジャイロスコープ100は、これら機能の異なる電極40の組を3組有している。 As shown in Figure 16, when viewed from the axial direction, the primary drive electrode PD, secondary drive electrode SD, primary detection electrode PPO, and secondary detection electrode SPO are arranged in this order on the surface of the vibrator 20 at equal angular intervals in a clockwise direction. However, the vibratory gyroscope 100 has three sets of electrodes 40 with different functions.

図21に示すように、仮想平面OB1、OB3,OB5,OB7,OB9,OB11は、軸線O1を一辺とし、外部構造体60の内周の角部と外周の角部とをそれぞれ通る。一方、仮想平面OB2、OB4,OB6,OB8,OB10,OB12は、軸線O1を一辺とし、外部構造体60の内周の角部と外周の側面の中線とをそれぞれ通る。また、平面視で、第2仮想平面OBk+1(kは1から11までの奇数)は、軸線O1を中心軸として、第1仮想平面OBkを(360/4N)度、この場合は、30度回転させた位置にある。また、平面視で、仮想平面OBk(kは1から11までの奇数)が通る外部構造体60の内周の角部と外周の角部との距離をL3とする。仮想平面OBk+1が通る外部構造体60の内周の角部と外周の側面の中線との距離をL4とする。図21に示すように、L3>L4である。言い換えると、外部構造体60において、第1仮想平面OBkで切断される部分、つまり、第1断面12の断面積は、第2仮想平面OBk+1で切断される部分、つまり、第2断面13の断面積よりも大きい。また、平面視で、第2断面13は、軸線O1を中心軸として、第1断面12を(360/4N)=30度回転させた位置にある。 As shown in FIG. 21 , imaginary planes OB1, OB3, OB5, OB7, OB9, and OB11 have the axis O1 as one side and pass through a corner on the inner periphery and a corner on the outer periphery of the external structure 60, respectively. Meanwhile, imaginary planes OB2, OB4, OB6, OB8, OB10, and OB12 have the axis O1 as one side and pass through a corner on the inner periphery and the midline of the side surface of the outer periphery of the external structure 60, respectively. Furthermore, in a planar view, a second imaginary plane OBk+1 (k is an odd number from 1 to 11) is located at a position rotated (360/4N) degrees, in this case, 30 degrees, from the first imaginary plane OBk around the axis O1 as its central axis. Furthermore, in a planar view, the distance between the corner on the inner periphery and the corner on the outer periphery of the external structure 60 through which the imaginary plane OBk (k is an odd number from 1 to 11) passes is defined as L3. The distance between a corner of the inner circumference of the external structure 60, through which the imaginary plane OBk+1 passes, and the midline of the side surface of the outer circumference is defined as L4. As shown in FIG. 21 , L3>L4. In other words, in the external structure 60, the cross-sectional area of the portion cut by the first imaginary plane OBk, i.e., the first cross section 12, is larger than the cross-sectional area of the portion cut by the second imaginary plane OBk+1, i.e., the second cross section 13. Furthermore, in a plan view, the second cross section 13 is located at a position obtained by rotating the first cross section 12 by (360/4N)=30 degrees around the axis O1.

本実施形態に示すように、12個の電極40を配置する場合、支持部30も周方向に等角度間隔で12方位に配置される。つまり、内部構造体70は、(4N×S1)回、この場合、N=3、S1=1とすると、12回の回転対称性を有する。一方、図21に示す振動型ジャイロスコープ100では、外部構造体60の外周を正六角形にすることで、(2N×S2)回、この場合、N=3、S2=1とすると、6回とすることができる。As shown in this embodiment, when 12 electrodes 40 are arranged, the support portions 30 are also arranged in 12 directions at equal angular intervals in the circumferential direction. In other words, the internal structure 70 has 12 rotational symmetries (4N x S1) times, or in this case, if N = 3 and S1 = 1, then 12 rotational symmetries. On the other hand, in the vibratory gyroscope 100 shown in Figure 21, by making the outer periphery of the external structure 60 a regular hexagon, the rotational symmetry can be (2N x S2) times, or in this case, if N = 3 and S2 = 1, then 6 rotations can be achieved.

このように構成された振動型ジャイロスコープ100において、振動子20が一次振動で振動する場合、図22に示すように、一次振動の腹と節は、それぞれ3つずつ発生する。また、一次振動の振動周波数で、腹の位置と節の位置とが交互に反転する。本実施形態では、図22に示すように、平面視で、一次振動の振動軸と第1仮想平面OBkとが一致しているため、一次振動の振動軸とcos3θのモードの振動軸PMとが一致する。In the vibratory gyroscope 100 configured in this manner, when the vibrator 20 vibrates with the primary vibration, three antinodes and three nodes of the primary vibration are generated, as shown in FIG. 22. Furthermore, the positions of the antinodes and the nodes alternate at the vibration frequency of the primary vibration. In this embodiment, as shown in FIG. 22, the vibration axis of the primary vibration coincides with the first imaginary plane OBk in a planar view, and therefore the vibration axis of the primary vibration coincides with the vibration axis PM of the cos3θ mode.

また、振動子20が二次振動で振動する場合、図23に示すように、二次振動の腹と節は、それぞれ3つずつ発生する。また、二次振動の振動周波数で、腹の位置と節の位置とが交互に反転する。本実施形態では、図23に示すように、平面視で、振動軸SMと第2仮想平面OBk+1とが一致している。つまり、平面視で、振動軸SMは、軸線O1を頂点として、振動軸PMを30度回転させた位置にある。 Furthermore, when the vibrator 20 vibrates with secondary vibration, three antinodes and three nodes of the secondary vibration are generated, as shown in Figure 23. Furthermore, the positions of the antinodes and the nodes alternate at the vibration frequency of the secondary vibration. In this embodiment, as shown in Figure 23, the vibration axis SM and the second imaginary plane OBk+1 coincide in a planar view. In other words, in a planar view, the vibration axis SM is located at a position rotated 30 degrees from the vibration axis PM, with the axis O1 as the vertex.

したがって、本実施形態に示す構成においても、実施形態1,2に示すように、振動軸PMの方向が外部構造体60の1番目の振動軸に重なるように定まり、これに応じて、振動軸SMの方向も外部構造体60の2番目の振動軸に重なるように定まる。本実施形態では、振動軸SMの方向は、軸線O1を中心軸として、振動軸PMを(360/4N)度、この場合は30度回転させた位置に定まる。一次駆動電極PDの軸を第1仮想平面OBkまたは第2仮想平面OBk+1のいずれかに一致させるように、一次駆動電極PDを配置することで、角度ずれαをゼロに近づけて、振動型ジャイロスコープ100の出力信号に含まれるバイアス成分を大幅に低減でき、高精度で角速度を検出することができる。Therefore, in the configuration shown in this embodiment, as in Embodiments 1 and 2, the direction of the vibration axis PM is determined to overlap the first vibration axis of the external structure 60, and accordingly, the direction of the vibration axis SM is determined to overlap the second vibration axis of the external structure 60. In this embodiment, the direction of the vibration axis SM is determined at a position obtained by rotating the vibration axis PM by (360/4N) degrees, in this case 30 degrees, around the axis O1 as the central axis. By arranging the primary drive electrode PD so that the axis of the primary drive electrode PD coincides with either the first imaginary plane OBk or the second imaginary plane OBk+1, the angular deviation α can be brought close to zero, significantly reducing the bias component included in the output signal of the vibratory gyroscope 100, enabling highly accurate detection of angular velocity.

(その他の実施形態)
実施形態1~3及び変形例1,2に示した各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、変形例2に示した外部構造体60の形状を、実施形態1に示す振動型ジャイロスコープ100に適用してもよい。
(Other embodiments)
New embodiments can also be created by appropriately combining the components shown in Embodiments 1 to 3 and Modifications 1 and 2. For example, the shape of the external structure 60 shown in Modification 2 may be applied to the vibratory gyroscope 100 shown in Embodiment 1.

また、本願明細書では、振動型ジャイロスコープ100が電磁式ジャイロスコープである例を示したが、特に限定されず、圧電式ジャイロスコープであってもよい。なお、圧電式ジャイロスコープとする場合、固定部10や振動子20や支持部30の構成や配置関係は、例えば、図2や図16や図21に示すものと同様である。一次駆動電極PDと一次検出電極PPOと二次駆動電極SDと二次検出電極SPOの配置関係も、図2や図16や図21に示すのと同様である。 In addition, while the present specification has shown an example in which the vibratory gyroscope 100 is an electromagnetic gyroscope, this is not particularly limited and may also be a piezoelectric gyroscope. In the case of a piezoelectric gyroscope, the configuration and relative positions of the fixed portion 10, vibrator 20, and support portion 30 are the same as those shown in, for example, Figures 2, 16, and 21. The relative positions of the primary drive electrode PD, primary detection electrode PPO, secondary drive electrode SD, and secondary detection electrode SPO are also the same as those shown in Figures 2, 16, and 21.

ただし、磁場印加部80は省略される。また、複数の電極40のそれぞれが、下部電極層(図示せず)と圧電体層(図示せず)と上部電極層(図示せず)とがこの順で積層された圧電構造体に変更される。この場合、図5に示す一次交流電源200からは交流電圧が供給される。つまり、本開示の一次交流電源200は、一次駆動電極PDに所定の周波数の交流電力を印加する。上部電極層と下部電極層との間に交流電圧を印加すると、圧電体層が周期的に伸縮する。この伸縮に応じて、振動子20が振動する。交流電圧の周波数を振動子20の共振周波数に合わせることで、振動子20に一次振動が励起される。 However, the magnetic field application unit 80 is omitted. Also, each of the multiple electrodes 40 is changed to a piezoelectric structure in which a lower electrode layer (not shown), a piezoelectric layer (not shown), and an upper electrode layer (not shown) are stacked in this order. In this case, an AC voltage is supplied from the primary AC power supply 200 shown in Figure 5. That is, the primary AC power supply 200 of the present disclosure applies AC power of a predetermined frequency to the primary drive electrode PD. When an AC voltage is applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer, the piezoelectric layer expands and contracts periodically. The vibrator 20 vibrates in response to this expansion and contraction. By matching the frequency of the AC voltage to the resonant frequency of the vibrator 20, primary vibration is excited in the vibrator 20.

また、磁場印加部80が省略されるのに伴い、スペーサ120が省略されてもよい。また、台座部130の形状が変更されてもよい。また、振動型ジャイロスコープ100が静電式ジャイロスコープである場合も、本開示の構造を適用可能である。 Furthermore, since the magnetic field application unit 80 is omitted, the spacer 120 may also be omitted. The shape of the base unit 130 may also be changed. The structure of the present disclosure is also applicable when the vibratory gyroscope 100 is an electrostatic gyroscope.

なお、本願明細書に示す振動子20は、一次振動が励起されるとともに、角速度が発生した場合に振動状態が変化するような形状であればよく、特に円環状に限定されない。例えば、正多角形の環状や円盤状の形状でもよい。また、半球状の形状でもよい。なお、振動子20が半球状の場合は、振動子20の表面または裏面のうち、平坦面と直交する方向がジャイロ素子110における軸方向である。 The vibrator 20 described in this specification is not limited to a circular shape, as long as it has a shape that changes the vibration state when primary vibration is excited and angular velocity is generated. For example, it may have a regular polygonal ring shape or a disk shape. It may also have a hemispherical shape. When the vibrator 20 is hemispherical, the direction perpendicular to the flat surface of either the front or back surface of the vibrator 20 is the axial direction of the gyro element 110.

また、支持部30は、振動子20の振動を妨げることなく、振動子20を固定部10に接続できればよく、その形状は、図2や図16や図21に示す形状に限定されない。例えば、表面に電極40が形成されていないダミーの支持部30が設けられていてもよい。 Furthermore, the support portion 30 only needs to be able to connect the vibrator 20 to the fixed portion 10 without interfering with the vibration of the vibrator 20, and its shape is not limited to the shapes shown in Figures 2, 16, and 21. For example, a dummy support portion 30 without electrodes 40 formed on its surface may be provided.

また、固定部10や外部構造体60の側面は、平面視で、直線状でなくてもよい。例えば、円弧や楕円弧の一部であってもよい。また、外部構造体60の外周または内周は、平面視で、円形であってもよい。または、正多角形以外の多角形であってもよい。外部構造体60が、軸線O1に対し、(2N×S2)回の回転対称性を有していればよい。 Furthermore, the side surfaces of the fixing part 10 and the external structure 60 do not have to be linear in plan view. For example, they may be part of an arc or an elliptical arc. Furthermore, the outer or inner periphery of the external structure 60 may be circular in plan view. Or, it may be a polygon other than a regular polygon. It is sufficient that the external structure 60 has (2N x S2) rotational symmetry with respect to the axis O1.

なお、複数の二次検出電極SPOを直列接続せずに、それぞれで発生した電圧を演算部240に入力し、演算部240の内部で加算処理を行うようにしてもよい。同様に、複数の一次検出電極PPOを直列接続せずに、それぞれで発生した電圧を図示しない演算部240に入力し、当該演算部240の内部で加算処理を行って、一次交流電源200に入力するようにしてもよい。 In addition, instead of connecting multiple secondary detection electrodes SPO in series, the voltages generated by each may be input to the calculation unit 240 and addition processing may be performed within the calculation unit 240. Similarly, instead of connecting multiple primary detection electrodes PPO in series, the voltages generated by each may be input to the calculation unit 240 (not shown), addition processing may be performed within the calculation unit 240, and the voltages may be input to the primary AC power supply 200.

本開示の振動型ジャイロスコープによれば、出力信号に含まれるバイアス成分を低減できるため、高精度の角速度センサに適用する上で有用である。 The vibratory gyroscope disclosed herein can reduce the bias component contained in the output signal, making it useful for application to high-precision angular velocity sensors.

10 固定部
12 第1断面
13 第2断面
20 振動子
30 支持部
40a~40l 電極
51 第1シリコン層
52 シリコン酸化層
53 第2シリコン層
54 シリコン酸化膜
60 外部構造体
70 内部構造体
80 磁場印加部
81 上部ヨーク
82 磁石
83 下部ヨーク
100 振動型ジャイロスコープ
110 ジャイロ素子
120 スペーサ
130 台座部
200 一次交流電源
210 一次検出部
220 二次交流電源
230 二次検出部
240 演算部
1000 角速度センサ
O 中心点
O1 軸線
OA1~OA16 仮想平面
OB1~OB12 仮想平面
10 Fixed portion 12 First cross section 13 Second cross section 20 Vibrator 30 Support portions 40a to 40l Electrode 51 First silicon layer 52 Silicon oxide layer 53 Second silicon layer 54 Silicon oxide film 60 External structure 70 Internal structure 80 Magnetic field application portion 81 Upper yoke 82 Magnet 83 Lower yoke 100 Vibratory gyroscope 110 Gyro element 120 Spacer 130 Base portion 200 Primary AC power supply 210 Primary detection portion 220 Secondary AC power supply 230 Secondary detection portion 240 Calculation portion 1000 Angular velocity sensor O Center point O1 Axes OA1 to OA16 Imaginary planes OB1 to OB12 Imaginary planes

Claims (8)

外部構造体と、
平面視で前記外部構造体の内側に配置された内部構造体と、を少なくとも備え、
前記外部構造体は、
平面視で中心点を有する枠状の固定部を少なくとも含み、
前記内部構造体は、
平面視で前記固定部と共通の中心点を有する振動子と、
前記振動子を前記固定部に接続して、前記振動子を振動可能に支持する複数の支持部と、
を少なくとも備え、
前記振動子がcosNθ(Nは2以上の整数)の振動モードを有するとき、
前記振動子の外周方向に前記中心点の回りに等角度間隔に並ぶ4N個の方位に電極がそれぞれ配置されており、
前記内部構造体は、前記中心点を通り、前記振動子の表面と交差する軸線に関し、(4N×S1)回(S1は1以上の整数)の回転対称性を有し、
前記外部構造体は、前記軸線に関し、(2N×S2)回(S2は1以上の奇数)の回転対称性を有し、
前記外部構造体は、外周または内周に(2N×S3)個(S3は1以上の整数)の角部と、(2N×S3)個の側面を有し、
前記軸線を一辺とし、前記外部構造体の複数の前記角部及び/または複数の側面の中線のうちの1つを通る仮想平面を第1仮想平面とし、
前記軸線を中心軸として、前記第1仮想平面を(360/4N)度回転させた位置にある仮想平面を第2仮想平面とするとき、
前記外部構造体には、
前記第1仮想平面で切断された第1断面と、
前記第2仮想平面で切断された第2断面とがあり、
前記第1断面と前記第2断面の組のうち、特定の組の前記第1断面と前記第2断面が、少なくとも1組存在し、
前記特定の組に含まれる前記第1断面の断面積は、前記第2断面の断面積と異なっており、
複数の前記電極は、前記振動子に一次振動を励起させる一次駆動電極を少なくとも含み、
前記一次駆動電極は、前記特定の組に含まれる前記第1断面を切断する前記第1仮想平面及び前記第2断面を切断する前記第2仮想平面のうち、いずれか一方と交差するように配置されている振動型ジャイロスコープ。
An external structure;
An internal structure disposed inside the external structure in a plan view,
The external structure includes:
The fixing portion includes at least a frame-shaped fixing portion having a center point in a plan view,
The internal structure includes:
a vibrator having a common center point with the fixed portion in a plan view;
a plurality of support parts that connect the vibrator to the fixed part and support the vibrator so that the vibrator can vibrate;
At least
When the vibrator has a vibration mode of cosNθ (N is an integer of 2 or more),
Electrodes are arranged in 4N directions at equal angular intervals around the center point in the outer circumferential direction of the vibrator,
the internal structure has (4N×S1)-fold rotational symmetry (S1 is an integer equal to or greater than 1) with respect to an axis that passes through the center point and intersects with a surface of the vibrator,
The external structure has (2N×S2) rotational symmetry (S2 is an odd number greater than or equal to 1) with respect to the axis,
The external structure has (2N×S3) (S3 is an integer of 1 or more) corners on an outer periphery or an inner periphery and (2N×S3) side surfaces,
a virtual plane having the axis as one side and passing through one of the midlines of the plurality of corners and/or the plurality of side surfaces of the external structure as a first virtual plane;
When a virtual plane located at a position obtained by rotating the first virtual plane by (360/4N) degrees around the axis line as a central axis is defined as a second virtual plane,
The external structure includes:
a first cross section cut by the first virtual plane;
a second cross section cut by the second imaginary plane,
Among the pairs of the first cross section and the second cross section, there is at least one pair of the first cross section and the second cross section that is a specific pair,
The cross-sectional area of the first cross section included in the specific set is different from the cross-sectional area of the second cross section;
the plurality of electrodes includes at least a primary drive electrode that excites a primary vibration in the vibrator;
a first imaginary plane that cuts the first cross section included in the specific set, and a second imaginary plane that cuts the second cross section, the first drive electrode being arranged to intersect with either one of the first imaginary plane that cuts the first cross section included in the specific set and the second imaginary plane that cuts the second cross section.
前記支持部は、第1脚部と第2脚部とを有しており、
前記第1脚部と前記第2脚部との組のうち、前記特定の組に含まれる前記第1断面を切断する前記第1仮想平面または前記特定の組に含まれる前記第2断面を切断する前記第2仮想平面に関し、対称に配置された1または複数の組があり、
前記1または複数の組のうち、一部の組の前記第1脚部と前記第2脚部に対し、
前記電極は、前記一部の組の前記第1脚部の表面と前記一部の組の前記第1脚部と前記一部の組の前記第2脚部との間に位置する前記振動子の表面と前記一部の組の前記第2脚部の表面とに連続して設けられている請求項1に記載の振動型ジャイロスコープ。
The support portion has a first leg portion and a second leg portion,
Among the pairs of the first leg portion and the second leg portion, there are one or more pairs that are symmetrically arranged with respect to the first virtual plane that cuts the first cross section included in the specific pair or the second virtual plane that cuts the second cross section included in the specific pair,
For the first leg portion and the second leg portion of some pairs of the one or more pairs,
2. The vibratory gyroscope according to claim 1, wherein the electrodes are provided continuously on a surface of the first legs of the partial set, a surface of the vibrator located between the first legs of the partial set and the second legs of the partial set, and a surface of the second legs of the partial set.
前記外部構造体は、スペーサ及び台座部の少なくとも一方を含み、
前記スペーサは、前記固定部の裏面に接して配置され、
前記台座部は、前記固定部または前記スペーサの裏面に接して配置されている請求項1に記載の振動型ジャイロスコープ。
the external structure includes at least one of a spacer and a base portion,
the spacer is disposed in contact with a rear surface of the fixing portion,
2. The vibratory gyroscope according to claim 1 , wherein the base portion is disposed in contact with a rear surface of the fixed portion or the spacer.
前記外部構造体は、スペーサ及び台座部の少なくとも一方を含み、the external structure includes at least one of a spacer and a base portion,
前記スペーサは、前記固定部の裏面に接して配置され、the spacer is disposed in contact with a rear surface of the fixing portion,
前記台座部は、前記固定部または前記スペーサの裏面に接して配置されている請求項2に記載の振動型ジャイロスコープ。3. The vibratory gyroscope according to claim 2, wherein the base portion is disposed in contact with a rear surface of the fixed portion or the spacer.
平面視で、前記外部構造体の内周及び外周の少なくとも一方は、前記軸線に関し、(2N×S2)回の回転対称性を有する請求項3に記載の振動型ジャイロスコープ。 The vibratory gyroscope of claim 3, wherein, in a plan view, at least one of the inner and outer peripheries of the external structure has (2N x S2) rotational symmetry about the axis. 平面視で、前記外部構造体の内周及び外周の少なくとも一方は、前記軸線に関し、(2N×S2)回の回転対称性を有する請求項4に記載の振動型ジャイロスコープ。5. The vibratory gyroscope according to claim 4, wherein at least one of the inner periphery and the outer periphery of the external structure has (2N×S2) rotational symmetry about the axis in a plan view. 請求項1ないしのいずれか1項に記載の振動型ジャイロスコープを備えた角速度センサであって、
複数の前記電極は、
前記振動子に発生した一次振動を検出する一次検出電極と、
前記振動子に発生した二次振動を打ち消すように前記振動子を駆動する二次駆動電極と、
前記二次振動を検出する二次検出電極と、をさらに含み、
前記角速度センサは、
前記一次駆動電極に所定の周波数の交流電力を印加する一次交流電源と、
前記一次検出電極に発生する電圧信号を検出する一次検出部と、
前記二次駆動電極に交流電力を印加する二次交流電源と、
前記二次検出電極に発生する電圧信号を検出する二次検出部と、
前記二次交流電源の出力信号に基づいて、角速度を算出する演算部と、をさらに備えた角速度センサ。
7. An angular velocity sensor comprising the vibration type gyroscope according to claim 1,
The plurality of electrodes include:
a primary detection electrode for detecting a primary vibration generated in the vibrator;
a secondary drive electrode that drives the vibrator so as to cancel out secondary vibrations generated in the vibrator;
a secondary detection electrode for detecting the secondary vibration;
The angular velocity sensor
a primary AC power source that applies AC power of a predetermined frequency to the primary drive electrode;
a primary detection unit that detects a voltage signal generated in the primary detection electrode;
a secondary AC power source that applies AC power to the secondary drive electrode;
a secondary detection unit that detects a voltage signal generated in the secondary detection electrode;
The angular velocity sensor further includes a calculation unit that calculates an angular velocity based on the output signal of the secondary AC power supply.
前記一次検出部の出力信号を前記一次交流電源にフィードバックすることで、前記振動子で発生する前記一次振動を安定化させ、
前記二次検出部の出力信号に基づいて、前記振動子で発生する前記二次振動を打ち消すように前記二次交流電源の出力を制御し、
前記演算部は、前記二次交流電源の出力信号に基づいて角速度を算出する請求項に記載の角速度センサ。
an output signal of the primary detection unit is fed back to the primary AC power supply to stabilize the primary vibration generated by the vibrator;
controlling the output of the secondary AC power supply based on the output signal of the secondary detection unit so as to cancel the secondary vibration generated in the vibrator;
The angular velocity sensor according to claim 7 , wherein the calculation unit calculates the angular velocity based on the output signal of the secondary AC power supply.
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