JP2000009477A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｓ／Ｎ比の高い振動ジャイロを提供する。 【解決手段】 振動ジャイロ１０の振動子１２の基板１
４の中心に関して対称な四隅には、それぞれの幅方向が
基板１４の対角線に沿って延びるよう振動片１６ａ〜１
６ｄが形成される。基板１４の振動片１６ａ〜１６ｄが
設けられている部分の裏面には、駆動用圧電素子２２ａ
〜２２ｄが設けられる。また、基板１４の駆動用圧電素
子２２ａ〜２２ｄが設けられている面と同一面には、検
出用圧電素子２４ａ〜２４ｄが設けられる。検出用圧電
素子２４ａ〜２４ｄは、基板１４の対角線に４５度の角
度で交差して基板１４の中心から延びる直線上に対称に
配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動ジャイロに関
し、特にたとえば、カーナビゲーションシステムや車体
姿勢制御システムなどに使用される圧電振動ジャイロに
関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の振動ジャイロに用いられ
る振動子の一例を示す図解図である。この振動子１は、
たとえば平面から見て正方形の基板２を含む。基板２の
４隅には、基板２の主面と直交する方向に延びるように
して、それぞれ断面正方形の四角柱状の振動片３ａ，３
ｂ，３ｃおよび３ｄが一体に形成される。振動片３ａと
３ｃは、基板２の一方の対角線方向に対向し、振動片３
ｂと３ｄは、基板２の他方の対角線方向に対向する。ま
た、振動片３ａ〜３ｄの外周の合計８つの面には、それ
ぞれ駆動用および検出用の圧電素子４が設けられる。そ
して、これらの圧電素子４は、図６に実線および破線の
矢印で示すように、一方の対の振動片３ａおよび３ｃと
他方の対の振動片３ｂおよび３ｄとが内外逆方向に音叉
振動するよう励振される。さらに、この状態で角速度が
加わると、駆動振動に直交する方向にコリオリ力が生じ
て振動片３ａ〜３ｄが撓（たわ）む。この撓み量を圧電
素子４で検出することにより、角速度を検出することが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示す振動子１では、圧電素子４が駆動検出兼用であり駆
動振動時に最も応力の加わる位置に設けられているた
め、コリオリ力による撓みを検出する際に駆動振動によ
る撓みも同時に検出してしまう。しかし、コリオリ力に
よる撓みは、駆動振動による撓みに比べて小さいため、
駆動振動による撓みがコリオリ力に対して大きなノイズ
となる。その結果、振動ジャイロのＳ／Ｎ比が低下する
という不都合があった。また、図６に示す振動子１で
は、駆動検出兼用の圧電素子４を振動片３ａ〜３ｄの８
つの異なる向きの面に設けなくてはならず、それらの圧
電素子４からのリード線の引回しも面倒であった。

【０００４】それゆえに、本発明の主たる目的は、Ｓ／
Ｎ比の高い振動ジャイロを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる振動ジャ
イロは、基板と、基板の中心に関して対称な位置におい
てそれぞれの幅方向が基板の中心を通る直線に沿って延
びるよう基板に形成された複数の板状の振動片と、複数
の振動片がそれぞれの幅方向へ振動するように基板を振
動させるために基板に設けられる駆動手段と、基板の主
面に直交する軸周りに角速度が加わったときに振動片の
厚み方向へコリオリ力が作用することにより生じる基板
の撓みを検出するために基板に設けられる検出手段とを
含む、振動ジャイロである。この振動ジャイロでは、駆
動手段で基板を振動させることにより、複数の振動片を
それぞれの幅方向へ振動させる。この駆動振動は、板状
の振動片自身は撓まない往復運動である。この状態で基
板の主面に直交する軸周りに角速度が加わると、それぞ
れの振動片の厚み方向にコリオリ力が作用して振動片が
撓む。そのため、振動片の振動方向が変化し、これに対
応して基板も撓む。この基板の撓みを検出手段によって
検出することにより、角速度を検知することができ、Ｓ
／Ｎ比の高い振動ジャイロを得ることができる。

【０００６】また、複数の振動片は、それぞれの振動片
に作用するコリオリ力が全体として相殺されるよう駆動
手段によって励振されることが好ましい。この場合に
は、それぞれの振動片に作用するコリオリ力が振動子全
体としては相殺されるので、基板を回転させようとする
力による振動阻害が生じない。

【０００７】また、振動片は、基板の中心に関して対称
な４か所において、基板の中心を通りかつ互いに直交す
る２つの直線上に幅方向が延びるよう形成され、基板の
中心を挟んで対向する一方の一対の振動片と、他方の一
対の振動片とが逆位相となるようにそれぞれの幅方向に
励振されてもよい。この場合には、基板の主面に直交す
る軸周りに角速度が加わったときに、基板の中心を挟ん
で対向する一方の一対の振動片に作用するコリオリ力の
方向と、他方の一対の振動片に作用するコリオリ力の方
向とが基板の中心から見て正反対になる。そのため、基
板を回転させようとする力による振動阻害が生じない。

【０００８】また、駆動手段は、基板に振動片が形成さ
れている部分の裏面に設けられることが好ましい。この
場合には、駆動手段によって、基板を振動させることに
より振動片をそれぞれの幅方向に振動させ易い。

【０００９】さらに、検出手段は、基板の外周方向に隣
り合う振動片の間において、隣り合う振動片のそれぞれ
から等距離の位置に設けられることが好ましい。この場
合には、検出手段によって、コリオリ力による撓みは検
出されやすく、ノイズとなる駆動振動による撓みは検出
されにくい。そのため、Ｓ／Ｎ比の高い振動ジャイロを
得ることができる。

【００１０】また、本発明にかかる振動ジャイロにおい
て、振動片は、基板の中心に関して対称な４か所におい
て、基板の中心を通りかつ互いに直交する２つの直線上
に幅方向が延びるよう形成され、基板の中心を挟んで対
向する一方の一対の振動片と、他方の一対の振動片とが
逆位相となるようにそれぞれの幅方向に励振され、駆動
手段は、基板に振動片が形成されている部分の裏面に設
けられ、検出手段は、基板に駆動手段が設けられている
面と同一面において、基板の外周方向に隣り合う振動片
の間であって、隣り合う振動片のそれぞれの幅方向に延
びる直線に４５度の角度で交差するよう基板の中心から
延びる直線上に設けられることが好ましい。この位置
は、駆動振動時には振動片の振動に対応する基板の振動
のノードになるため変位が最小となり、角速度が加わっ
た際には振動片に作用するコリオリ力による基板の撓み
の腹になるため変位が最大となる位置である。そのた
め、検出手段によって、コリオリ力による撓みは検出さ
れやすく、ノイズとなる駆動振動による撓みは検出され
にくい。したがって、Ｓ／Ｎ比の高い振動ジャイロを得
ることができる。また、この振動ジャイロは、駆動手段
と検出手段とが基板の同一面上に設けられるため、製造
時に駆動手段および検出手段を基板上に設ける工程が容
易化される。また、駆動手段および検出手段からリード
線を引き回す工程も容易化される。

【００１１】本発明の上述の目的，その他の目的，特徴
および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の
形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る振動ジャイ
ロの振動子の一方主面側を示す斜視図であり、図２は他
方主面側を示す斜視図である。この振動ジャイロ１０
は、エリンバなどの恒弾性金属材料で形成された振動子
１２を含む。この振動子１２は、平面から見て正方形の
基板１４を含む。基板１４の中心に関して対称な四隅に
は、基板１４の主面と直交する方向に長手方向が延びる
ようにして、それぞれ短冊状の振動片１６ａ，１６ｂ，
１６ｃおよび１６ｄが基板１４と同じ材料で一体に形成
される。しかも、これらの振動片１６ａ〜１６ｄは、そ
れぞれの幅方向が基板１４の中心と四隅とを通る直線す
なわち対角線に沿って延びるよう形成される。この基板
１４は正方形なので、２つの対角線は基板１４の中心を
通って互いに直交する。

【００１３】また、基板１４の振動片１６ａ〜１６ｄの
形成された面の中央部には、たとえば円筒状の支持部材
１８が基板１４と同一材料で一体に形成される。支持部
材１８の他端部は、筐体２０に固着される。

【００１４】基板１４に振動片１６ａ〜１６ｄが一体に
形成されている部分の裏面には、駆動手段としての駆動
用圧電素子２２ａ〜２２ｄが基板１４の中心に関して対
称に設けられる。駆動用圧電素子２２ａ〜２２ｄは、た
とえば厚み方向に分極された短冊状の圧電体層の両面に
電極を形成したものである。駆動用圧電素子２２ａ〜２
２ｄは、それぞれの長手方向が基板１４上の４か所にお
いて対角線に沿うようにして基板１４に接着、ろう付け
若しくはコーティングなどの公知の方法で取り付けられ
る。この場合、駆動用圧電素子２２ａ〜２２ｄの分極方
向はすべて同一方向になるよう配置される。また、駆動
用圧電素子２２ａ〜２２ｄは、それぞれ基板１４の中心
からの距離が等しくなるよう設けられる。

【００１５】また、基板１４の駆動用圧電素子２２ａ〜
２２ｄが設けられている面と同一面には、検出手段とし
ての検出用圧電素子２４ａ，２４ｂ，２４ｃおよび２４
ｄが基板１４の中心に関して対称に設けられる。検出用
圧電素子２４ａ〜２４ｄは、たとえば厚み方向に分極さ
れた短冊状の圧電体層の両面に電極を形成したものであ
る。このうち検出用圧電素子２４ａは、振動片１６ａと
振動片１６ｂとの間、すなわち振動片１６ａの設けられ
ている位置と振動片１６ｂの設けられている位置との中
間部の裏面に配置される。この場合、基板１４が正方形
なので、検出用圧電素子２４ａは、基板１４の対角線に
４５度の角度で交差して基板１４の中心から延びる直線
上に配置されることになる。そして、検出用圧電素子２
４ａは、その長手方向が基板１４の中心から延びる直線
に直交する向きで基板１４に接着、ろう付け若しくはコ
ーティングなどの公知の方法で取り付けられる。同様に
して、検出用圧電素子２４ｂが振動片１６ｂと振動片１
６ｃとの間に設けられ、検出用圧電素子２４ｃが振動片
１６ｃと振動片１６ｄとの間に設けられ、検出用圧電素
子２４ｄが振動片１６ｄおよび振動片１６ａとの間に設
けられる。また、検出用圧電素子２４ａ〜２４ｄは、そ
れぞれ基板１４の中心からの距離が等しくなるよう設け
られる。

【００１６】さらに、筐体２０には、図５に示すような
駆動検出回路２６が収納されている。駆動検出回路２６
の駆動回路部は、増幅回路２８および第１の位相調整回
路３０を含む。増幅回路２８は、リード線３２を介して
駆動用圧電素子２２ｂの一方の電極に接続される。増幅
回路２８で増幅された信号は、第１の位相調整回路３０
で位相を９０度遅らされた後、リード線３４を介して駆
動用圧電素子２２ａの一方の電極に入力される。駆動用
圧電素子２２ａ，２２ｂの他方の電極は、それぞれ基板
１４，支持部材１８を介して駆動検出回路２６の基準電
位に接続される。したがって、駆動用圧電素子２２ｂ，
増幅回路２８，第１の位相調整回路３０，駆動用圧電素
子２２ａで発振ループが構成される。

【００１７】また、駆動検出回路２６の検出回路部は、
差動増幅回路３６，検波整流回路３８，および第２の位
相調整回路４０を含む。差動増幅回路３６の一方の入力
端は、検出用圧電素子２４ｂの一方の電極にリード線４
２を介して接続され、他方の入力端は、検出用圧電素子
２４ａの一方の電極にリード線４４を介して接続され
る。検出用圧電素子２４ａ，２４ｂの他方の電極は、そ
れぞれ基板１４，支持部材１８を介して駆動検出回路２
６の基準電位に接続される。差動増幅回路３６の出力
は、検波整流回路３８に入力される。また、第２の位相
調整回路４０によって、第１の位相調整回路３０の出力
の位相が調整され、検波整流回路３８に入力される。そ
して、検波整流回路３８によって、差動増幅回路３６の
出力が第２の位相調整回路４０の出力に基づいて検波整
流される。検波整流回路３８の出力がこの振動ジャイロ
１０の出力となる。

【００１８】この振動ジャイロ１０では、上述した発振
ループを発振させることにより、基板１４が振動し、こ
れに伴い振動片１６ａ〜１６ｄがそれぞれの幅方向すな
わち基板１４の対角線の延びる方向に音叉状の往復振動
をする。この往復振動は、基板１４の表面の一方の対角
線上において対向する振動片１６ａおよび１６ｃ（以
下、一方対という）と他方の対角線上において対向する
振動片１６ｂおよび１６ｄ（以下、他方対という）とが
逆位相で、基板１４の中心から見て内外交代となるよう
な振動である。つまり、この駆動振動では、図３（Ａ）
に示す状態と図３（Ｂ）に示す状態とが繰り返される。
このときの基板１４の撓みは、駆動用圧電素子２２ａ〜
２２ｄが設けられている部分でそれぞれ最大変位とな
り、検出用圧電素子２４ａ〜２４ｄが設けられている部
分でそれぞれ最小変位となる。

【００１９】振動子１２が駆動振動している状態で、基
板１４の主面に直交する軸周りに角速度ωが加わると、
駆動振動に直交する方向すなわち振動片１６ａ〜１６ｄ
の厚み方向にそれぞれコリオリ力が生じる。すると、そ
の方向には振動片１６ａ〜１６ｄの剛性が低いため、振
動片１６ａ〜１６ｄがそれぞれ隣り同士が近づいたり遠
ざかったりする方向に撓む。すなわちコリオリ力による
撓みだけを取り出して見れば、図４（Ａ）に示した状態
と図４（Ｂ）に示した状態とが繰り返される。これに伴
い基板１４にもその主面に直交する方向に撓みが生じ
る。この基板１４の撓みは、検出用圧電素子２４ａ〜２
４ｄが設けられている部分がそれぞれ最大変位となり、
しかも、その変位は隣り同士の検出用圧電素子２４ａと
２４ｂとで逆位相となる。そのため、隣り同士の検出用
圧電素子２４ａ，２４ｂの差動を取ることにより、コリ
オリ成分の信号を倍増した出力が得られ、それを検波整
流することで角速度に対応した出力を得ることができ
る。

【００２０】この振動ジャイロ１０では、検出手段とし
ての検出用圧電素子２４ａ，２４ｂが、駆動振動時には
基板１４の振動のノードになるため変位が最小となり、
角速度が加わった際には基板１４の撓みの腹になるため
変位が最大となる位置に設けられている。そのため、検
出用圧電素子２４ａ，２４ｂによって、コリオリ力によ
る撓みが検出されやすく、ノイズとなる駆動振動による
撓みが検出されにくい。したがって、Ｓ／Ｎ比の高い振
動ジャイロ１０を得ることができる。

【００２１】また、それぞれの振動片１６ａ〜１６ｄに
作用するコリオリ力の向きが基板１４の外周方向に同一
方向のときには、基板１４を回転させようとする力が生
じてその力が支持部材１８からの反力となり、基板１４
の振動が阻害されるという不都合がある。しかし、本発
明にかかる振動ジャイロ１０では、一方対の振動片１６
ａ，１６ｃと、他方対の振動片１６ｂ，１６ｄとが逆位
相となるように励振され、それぞれの振動片に作用する
コリオリ力が全体として相殺される。そのため、基板１
４を回転させようとする力が生じないので、その力によ
る振動阻害を防止することができる。

【００２２】さらに、この振動ジャイロ１０は、駆動手
段としての駆動用圧電素子２２ａ〜２２ｄおよび検出手
段としての検出用圧電素子２４ａ〜２４ｄが基板１４の
同一面上に設けられる。そのため、図６に示した従来例
のように向きの異なる面に設けることに比べて、駆動用
圧電素子２２ａ〜２２ｄおよび検出用圧電素子２４ａ〜
２４ｄを基板１４上に設ける工程が容易化される。ま
た、駆動用圧電素子２２ａ〜２２ｄおよび検出用圧電素
子２４ａ〜２４ｄからリード線を引き回す工程も容易化
される。

【００２３】なお、上述の実施形態では２枚の駆動用圧
電素子で発振ループを構成したが、これに限らず、２枚
の駆動用圧電素子から帰還信号を取り出し、残りの２枚
の駆動用圧電素子に入力することにより、４枚の駆動用
圧電素子で発振ループを構成してもよい。また、上述の
実施形態では基板１４の外周方向に隣り合う２枚の検出
用圧電素子しか使用しなかったが、これに限らず、４枚
の検出用圧電素子を隣り同士の２枚を一組として二組に
分け、それぞれの組の差動出力を加算したものを検出信
号として用いてもよい。

【００２４】また、振動子１２を形成するための材料
は、エリンバに限るものではなく、たとえば鉄−ニッケ
ル合金、石英、ガラス、水晶、セラミックスなど一般的
に機械的な振動を生じる材料を用いることもできる。た
とえば振動子は、基板と振動片とをセラミックなどの圧
電体で一体に成形し、その表面に電極を形成することに
より形成してもよい。また、基板１４は正方形に限らず
その他の多角形や円形のものを用いてもよい。さらに、
振動片は、４枚以上設けてもよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、Ｓ／Ｎ比の高い振動ジ
ャイロを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる振動ジャイロの振動子の一方主
面側を示す斜視図である。

【図２】図１に示す振動子の他方主面側を示す斜視図で
ある。

【図３】（Ａ）は、駆動振動によって図１に示す振動子
の振動片１６ａと振動片１６ｃとが離間し、振動片１６
ｂと振動片１６ｄとが接近した状態を示す図解図であ
る。（Ｂ）は、駆動振動によって図１に示す振動子の振
動片１６ａと振動片１６ｃとが接近し、振動片１６ｂと
振動片１６ｄとが離間した状態を示す図解図である。

【図４】（Ａ）は、コリオリ力により図１に示す振動子
の振動片１６ａと振動片１６ｄとが接近し、かつ振動片
１６ｂと振動片１６ｃが接近した状態を示す図解図であ
る。（Ｂ）は、コリオリ力により図１に示す振動子の振
動片１６ａと振動片１６ｂとが接近し、かつ振動片１６
ｃと振動片１６ｄとが接近した状態を示す図解図であ
る。

【図５】本発明にかかる振動ジャイロの駆動検出回路を
示す回路図である。

【図６】従来の振動ジャイロの振動子の一例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １２ 振動子 １４ 基板 １６ａ〜１６ｄ 振動片 １８ 支持部材 ２０ 筐体 ２２ａ〜２２ｄ 駆動用圧電素子 ２４ 検出用圧電素子 ２６ 駆動検出回路 ２８ 増幅回路 ３０ 第１の位相調整回路 ３２，３４，４２，４４ リード線 ３６ 差動増幅回路 ３８ 検波整流回路 ４０ 第２の位相調整回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板の中心に関して対称な位置においてそれぞれの
   幅方向が前記基板の中心を通る直線に沿って延びるよう
   前記基板に形成された複数の板状の振動片と、 前記複数の振動片がそれぞれの幅方向へ振動するように
   前記基板を振動させるために前記基板に設けられる駆動
   手段と、 前記基板の主面に直交する軸周りに角速度が加わったと
   きに前記振動片の厚み方向へコリオリ力が作用すること
   により生じる前記基板の撓みを検出するために前記基板
   に設けられる検出手段とを含む、振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記複数の振動片は、それぞれの振動片
   に作用する前記コリオリ力が全体として相殺されるよう
   前記駆動手段によって励振される、請求項１に記載の振
   動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記振動片は、前記基板の中心に関して
   対称な４か所において、前記基板の中心を通りかつ互い
   に直交する２つの直線上に幅方向が延びるよう形成さ
   れ、 前記基板の中心を挟んで対向する一方の一対の前記振動
   片と、他方の一対の前記振動片とが逆位相となるように
   それぞれの幅方向に励振される、請求項１に記載の振動
   ジャイロ。
4. 【請求項４】 前記駆動手段は、前記基板に前記振動片
   が形成されている部分の裏面に設けられる、請求項１な
   いし請求項３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
5. 【請求項５】 前記検出手段は、前記基板の外周方向に
   隣り合う前記振動片の間において、前記隣り合う振動片
   のそれぞれから等距離の位置に設けられる、請求項１な
   いし請求項４のいずれかに記載の振動ジャイロ。
6. 【請求項６】 前記振動片は、前記基板の中心に関して
   対称な４か所において、前記基板の中心を通りかつ互い
   に直交する２つの直線上に幅方向が延びるよう形成さ
   れ、前記基板の中心を挟んで対向する一方の一対の前記
   振動片と、他方の一対の前記振動片とが逆位相となるよ
   うにそれぞれの幅方向に励振され、 前記駆動手段は、前記基板に前記振動片が形成されてい
   る部分の裏面に設けられ、 前記検出手段は、前記基板に前記駆動手段が設けられて
   いる面と同一面において、前記基板の外周方向に隣り合
   う前記振動片の間であって、前記隣り合う振動片のそれ
   ぞれの幅方向に延びる直線に４５度の角度で交差するよ
   う前記基板の中心から延びる直線上に設けられる、請求
   項１に記載の振動ジャイロ。