JP2000249554A

JP2000249554A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2000249554A
Application number: JP11049509A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Ishidoko; 信行石床; Katsumi Fujimoto; 克己藤本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP3301403B2

Abstract

(57)【要約】【課題】１つの素子で２つの向きに対する角速度を検
出することができる振動ジャイロを得る。【解決手段】振動ジャイロ１０は、中央部材１２、振
動用アーム１４ａ〜１４ｄおよび重り用アーム１６ａ〜
１６ｄを含む。これらは、互いに逆向きの厚み方向に分
極された圧電体基板１８，２０を接合することにより形
成される。振動用アーム１４ａ〜１４ｄは、中央部材１
２から外側に向かって放射状に配置され、隣接するもの
が互いに直交するように形成される。振動用アーム１４
ａ〜１４ｄの一方面上には、分割された電極２８ａ，２
８ｂ，３０ａ，３０ｂ，３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４
ｂが形成され、他方面上には全面電極３６が形成され
る。これらの電極と圧電体基板とで、励振検出手段を構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロに関
し、特にたとえば、カメラの手振れ防止用として角速度
を検出するために用いられる振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４は、従来の振動ジャイロの一例を
示す斜視図である。振動ジャイロ１は、たとえば正３角
柱上の振動体２を含む。振動体２の３つの側面には、そ
れぞれ圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃが形成される。この振
動ジャイロ１を使用するために、たとえば図１５に示す
ように、圧電素子３ａ，３ｂと圧電素子３ｃとの間に発
振回路４が接続される。さらに、圧電素子３ａ，３ｂ
は、検出回路５に接続される。検出回路５は、差動回
路、同期検波回路、平滑回路および直流増幅回路などを
含む。

【０００３】この振動ジャイロ１では、圧電素子３ｃの
出力信号が発振回路４に帰還される。発振回路４におい
ては、帰還された信号が増幅され、さらに位相調整され
て励振信号が形成される。このようにして得られた励振
信号が、圧電素子３ａ，３ｂに与えられる。それによっ
て、振動体２は、圧電素子３ｃ形成面に直交する向きに
屈曲振動する。この状態においては、圧電素子３ａ，３
ｂの屈曲状態が同じであり、その出力信号も同じであ
る。そのため、検出回路５の差動回路からは信号が出力
されない。振動体２が屈曲振動している状態で、振動体
２の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって振
動体２の振動方向が変わる。そのため、圧電素子３ａ，
３ｂから出力される信号に差が生じ、差動回路から信号
が出力される。この信号が同期検波回路で検波され、平
滑回路で平滑されて、直流増幅回路で増幅される。した
がって、検出回路５の出力信号を測定することにより、
回転角速度を検出することができる。

【０００４】また、振動ジャイロ１としては、図１６に
示すように、２つの圧電体基板６ａ，６ｂを接合させて
振動体２を作製してもよい。これらの圧電体基板６ａ，
６ｂは、図１６の矢印に示すように、互いに逆向きに分
極されている。この場合、振動体２の一方面側におい
て、長手方向に延びる２つの電極７ａ，７ｂが形成さ
れ、振動体の他方面側の全面に電極８が形成される。こ
のような振動ジャイロ１においても、図１５に示す回路
で、角速度を検出することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の振動ジャイロでは、振動体の軸を中心とした角速度が
検出できるのみであり、１つの向きに対する角速度だけ
しか検出することができなかった。そのため、２つの向
きに対する角速度を検出しようとすれば、２つの振動ジ
ャイロを使用する必要があり、これらの振動ジャイロを
励振するために２つの発振回路が必要となる。このよう
な発振回路は高価であり、複数の向きに対する角速度を
検出するためのコストが高くなる。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、１
つの素子で２つの向きに対する角速度を検出することが
できる振動ジャイロを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、中央部材
と、同一平面上において隣接するものが互いに直交する
ようにして中央部材から外側に向かって放射状に形成さ
れる４つの振動用アームと、振動用アームの間において
中央部から外側に向かって放射状に形成される４つの重
り用アームと、振動用アームを前記同一平面上で屈曲振
動させるとともに、振動用アームの振動によって生じる
信号を出力させるための励振検出手段とを含む、振動ジ
ャイロである。このような振動ジャイロにおいて、振動
用アームおよび重り用アームを圧電体基板で形成し、振
動用アーム上に電極を形成することにより電極と圧電体
基板とで励振検出手段を形成することができる。また、
中央部材、振動用アームおよび重り用アームを金属板で
一体的に形成し、金属板上に形成された圧電素子によっ
て励振検出手段を形成してもよい。さらに、中央部材は
圧電体で形成され、中央部、振動用アームおよび重り用
アームは一体的に形成されてもよい。また、振動用アー
ムおよび重り用アームを圧電体基板で形成する場合にお
いて、振動用アームおよび重り用アームを中央部材とし
て用いられる基板上に配置することもできる。

【０００８】励振検出手段によって４つの振動用アーム
が、中央部材を中心として、それらの配置された平面上
で屈曲振動する。このとき、隣接する振動用アームは互
いに直交するようして放射上に配置されているため、振
動用アームの振動によって全体として回転する向きに力
が働く。しかしながら、振動用アームの間に重り用アー
ムが形成されているため、振動用アームの振動による回
転力が相殺される向きに力が働くように、振動用アーム
の振動方向と逆向きに重り用アームが振動する。振動用
アームの軸を中心として回転すると、コリオリ力によっ
て振動用アームの振動方向が変わり、励振検出手段から
コリオリ力に対応した信号が出力される。ここで、４つ
の振動用アームが直交するように配置されているため、
直交する２つの向きに対する角速度に対応した信号を得
ることができる。この振動ジャイロにおいて、圧電体と
その上に形成される電極とで励振検出手段が形成される
が、振動用アーム自体を圧電体で形成してもよいし、振
動用アームとは別の圧電素子を励振検出手段とすること
もできる。つまり、励振信号によって振動用アームに屈
曲振動を発生させ、かつ振動用アームの変位に対応した
信号を出力することができる構造とすることで、励振検
出手段が形成される。

【０００９】この発明の上述の目的，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。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の振動ジャイロ
の一例を示す斜視図である。振動ジャイロ１０は、たと
えば正方形の平面形状を有する中央部材１２を含む。中
央部材１２を含む同一平面上において、中央部材１２か
ら外側に向かって放射状に４つの振動用アーム１４ａ，
１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが形成される。振動用アーム１
４ａ〜１４ｄは、それぞれ直方体状に形成され、隣接す
るものが互いに直交するように配置される。さらに、４
つの振動用アーム１４ａ〜１４ｄの間には、正方形の平
面形状を有する重り用アーム１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，
１６ｄが形成される。重り用アーム１６ａ〜１６ｄも、
中央部材１２から外側に向かって放射状に配置される。
これらの中央部材１２、振動用アーム１４ａ〜１４ｄお
よび重り用アーム１６ａ〜１６ｄは、一体的に形成され
る。

【００１１】中央部材１２、振動用アーム１４ａ〜１４
ｄおよび重り用アーム１６ａ〜１６ｄは、たとえば２枚
の圧電体基板１８，２０を接合することによって形成さ
れる。これらの圧電体基板１８，２０は、図１の矢印に
示すように、たとえば対向面側から接合面側に向かって
分極される。圧電体基板１８上には、たとえば全面に電
極が形成され、溝２２，２４，２６によって電極が分割
される。

【００１２】溝２２は、振動用アーム１４ａ，１４ｃの
幅方向の中央部において、振動用アーム１４ａから振動
用アーム１４ｃに向かって延びるように形成される。ま
た、溝２４は、振動用アーム１４ｂ，１４ｄの幅方向の
中央部において、振動用アーム１４ｂから振動用アーム
１４ｄに向かって延びるように形成される。さらに、溝
２６は、中央部材１２の内側において、振動用アーム１
４ａ〜１４ｄを分割するように形成される。そして、こ
れらの溝２２，２４，２６によって区切られた振動用ア
ーム１４ａ上の電極２８ａ，２８ｂ、振動用アーム１４
ｂ上の電極３０ａ，３０ｂ、振動用アーム１４ｃ上の電
極３２ａ，３２ｂ、振動用アーム１４ｄ上の電極３４
ａ，３４ｂが、信号入出力用として用いられる。さら
に、圧電体基板２０上の全面には、図２に示すように、
電極３６が形成される。このような振動用アーム１４ａ
〜１４ｄを形成する圧電体基板と電極とによって、励振
検出手段が構成される。なお、後述のような製造方法を
採用することにより、重り用アーム１６ａ〜１６ｄを構
成する圧電体基板１８上にも電極が形成されているが、
この電極は振動ジャイロ１０の動作には関係のないもの
である。

【００１３】このような振動ジャイロ１０を作製するに
は、たとえば図３に示すように、２枚の圧電体基板１
８，２０を接合し、両面に電極を形成した原板３８を複
数枚重ね合わせ、ワックスなどで固めたものに、ダイサ
ーなどで切れ込み４０が形成される。この切れ込み４０
によって、振動用アーム１４ａ〜１４ｄおよび重り用ア
ーム１６ａ〜１６ｄが形成される。そして、切れ込み４
０が形成された個々の原板３８の一方面上の電極に溝２
２，２４，２６を形成することにより、振動ジャイロ１
０が作製される。なお、振動用アーム１４ａ〜１４ｄ上
の電極を残して、他の部分の電極をエッチングなどによ
って除去してもよい。このとき、振動用アーム１４ａ〜
１４ｄ上の電極が２つに分割されるように、エッチング
が行われる。この場合、溝２２，２４，２６を形成する
必要はない。つまり、振動用アーム１４ａ〜１４ｄ上
の、信号入出力用の電極があれば、他の部分の電極は形
成される必要はない。

【００１４】この振動ジャイロ１０を使用するために、
図４に示すような回路が用いられる。なお、図４におい
ては、接続関係をわかりやすくするために、振動用アー
ム１４ａ〜１４ｄの電極２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０
ｂ，３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂを並べて示してあ
る。圧電体基板２０上に形成された全面電極３６は、基
準電位に接続される。

【００１５】振動用アーム１４ａ〜１４ｄの電極２８
ｂ，３０ｂ，３２ｂ，３４ｂには、それぞれ抵抗４２，
４４，４６，４８が接続される。これらの抵抗４２，４
４，４６，４８と電極２８ａ，３０ａ，３２ａ，３４ａ
との間には、発振回路５０が接続される。さらに、振動
用アーム１４ａ，１４ｃの電極２８ｂ，３２ｂは、差動
回路５２に接続され、差動回路５２は同期検波回路５４
に接続される。さらに、同期検波回路５４は平滑回路５
６に接続され、平滑回路５６は直流増幅回路５８に接続
される。同様に、振動用アーム１４ｂ，１４ｄの電極３
０ｂ，３４ｂは、別の差動回路６０に接続され、差動回
路６０は同期検波回路６２に接続される。さらに、同期
検波回路６２は平滑回路６４に接続され、平滑回路６４
は直流増幅回路６６に接続される。

【００１６】振動用アーム１４ａ〜１４ｄの電極２８
ａ，３０ａ，３２ａ，３４ａからの出力信号は、発振回
路５０に帰還される。帰還された信号は、発振回路５０
で増幅され、さらに位相調整されて励振信号が形成され
る。この励振信号が、振動用アーム１４ａ〜１４ｄの電
極２８ｂ，３０ｂ，３２ｂ，３４ｂに与えられる。それ
によって、振動用アーム１４ａ〜１４ｄは、図５の実線
および点線の矢印に示すように、同一平面上において屈
曲振動する。このとき、振動用アーム１４ａ〜１４ｄ
は、同じ回転方向となるように振動するため、振動ジャ
イロ１０には回転する向きに力が働く。しかしながら、
振動用アーム１４ａ〜１４ｄの振動による回転力を相殺
するような向きに、重り用アーム１６ａ〜１６ｄが振動
し、振動ジャイロ１０全体としては、回転力が働かな
い。

【００１７】このとき、振動用アーム１４ａ〜１４ｄの
屈曲状態は同じであるため、電極２８ｂ，３０ｂ，３２
ｂ，３４ｂから出力される信号は同じである。そのた
め、差動回路５２，６０からは、信号が出力されない。
したがって、振動ジャイロ１０に角速度が加わっていな
いことがわかる。このような振動状態において、振動用
アーム１４ａおよび振動用アーム１４ｃを通る軸を中心
として回転すると、図６に示すように、振動用アーム１
４ａ，１４ｃの振動方向と直交する向きにコリオリ力が
働く。このとき、他の振動用アーム１４ｂ，１４ｄには
コリオリ力は働かないため、これらの振動用アーム１４
ｂ，１４ｄの振動方向は変化しない。

【００１８】振動用アーム１４ａ，１４ｃには、図６の
実線および点線の矢印に示すように、それぞれ逆向きの
コリオリ力が働く。そのため、振動用アーム１４ａ，１
４ｃは逆向きに変位し、その変位に対応した信号が電極
２８ｂ，３２ｂから出力される。したがって、電極２８
ｂ，３２ｂから出力される信号には、コリオリ力に対応
した逆極性の信号が含まれる。このような信号が差動回
路５２に入力されることにより、差動回路５２からは、
コリオリ力に対応した大きい信号が出力される。

【００１９】差動回路５２の出力信号は、同期検波回路
５４において、発振回路５０の信号に同期して検波され
る。それにより、差動回路５２の出力信号の正部分のみ
または負部分のみ、または正負のいずれかを反転した信
号が検波される。検波された信号は平滑回路５６で平滑
され、さらに直流増幅回路５８で増幅される。差動回路
５２の出力信号はコリオリ力に対応したレベルを有して
いるため、直流増幅回路５８の出力信号のレベルもコリ
オリ力に対応しており、直流増幅回路５８の出力信号レ
ベルから角速度の大きさを検出することができる。さら
に、角速度センサ１０に加わる角速度の方向が逆の場
合、同期検波回路５４で検波される信号の極性が逆とな
る。そのため、直流増幅回路５８の出力信号の極性も逆
となり、直流増幅回路５８の出力信号の極性によって、
角速度の向きを検出することができる。

【００２０】また、振動用アーム１４ｂおよび振動用ア
ーム１４ｄを通る軸を中心として回転すると、振動用ア
ーム１４ａ，１４ｃを通る軸を中心として回転したとき
と同様にして、振動用アーム１４ｂ，１４ｄにコリオリ
力が働く。このとき、振動用アーム１４ａ，１４ｃには
コリオリ力が働かない。したがって、差動回路６０，同
期検波回路６２，平滑回路６４および直流増幅回路６６
によって、振動用アーム１４ｂ，１４ｄを通る軸を中心
とした角速度を検出することができる。

【００２１】このように、この振動ジャイロ１０では、
直交する２つの軸を中心とした角速度を検出することが
できる。しかも、振動用アーム１４ａ〜１４ｄに基本振
動を励振するために、１つの発振回路５０を用いるだけ
でよく、発振回路を２つ用いる従来の方法に比べてコス
トダウンを図ることができる。

【００２２】なお、図１に示す振動ジャイロ１０では、
中央部材１２，振動用アーム１４ａ〜１４ｄおよび重り
用アーム１６ａ〜１６ｄを一体的に形成したが、これら
をそれぞれ個別に形成してもよい。この場合、たとえば
図７に示すように、基台７０を中央部材として、基台７
０の上に個別に形成された振動用アーム１４ａ〜１４ｄ
および重り用アーム１６ａ〜１６ｄが配置される。ここ
で、基台７０としては、振動用アームや重り用アームな
どと同じ材質を用いることが好ましい。なお、基台７０
に接着された振動用アーム１４ａ〜１４ｄの全面電極３
６を共通電極として使用するためには、たとえば基台７
０の全面または上面に電極を形成し、基台７０に形成さ
れた電極を基準電位に接続すればよい。

【００２３】このような振動ジャイロ１０を作製するた
めには、図８に示すように、圧電体基板１８，２０を接
合して両面に電極を形成した原板３８が、基台７０上に
接着される。そして、ダイサーなどによって、振動用ア
ーム１４ａ〜１４ｄおよび重り用アーム１６ａ〜１６ｄ
が分離するように、原板３８が切断される。さらに、振
動用アーム１４ａ〜１４ｄの上面に形成された電極に溝
を形成することにより、それぞれの振動用アーム１４ａ
〜１４ｄの上に２つの励振検出用の電極が形成される。
なお、図７においては、原板３８を切断することによっ
て各部を形成しているため、原板３８の中心部３８ａが
残っているが、この中心部３８ａがなくても、振動ジャ
イロ１０によって角速度を検出することができる。

【００２４】また、中央部材１２，振動用アーム１４ａ
〜１４ｄおよび重り用アーム１６ａ〜１６ｄを圧電体で
一体的に形成する場合、図９に示すように、全体が円板
状となるようにしてもよい。さらに、図１０に示すよう
に、振動用アーム１４ａ〜１４ｄと重り用アーム１６ａ
〜１６ｄが同じ形状となるようにしてもよい。この場
合、振動用アーム１４ａ〜１４ｄと重り用アーム１６ａ
〜１６ｄの隣接するものが、４５°の角度をもって配置
される。また、図１１に示すように、たとえば円形の基
台７０上に、扇形の振動用アーム１４ａ〜１４ｄおよび
重り用アーム１６ａ〜１６ｄを接着してもよい。この場
合も、図１０に示す振動ジャイロと同様に、振動用アー
ム１４ａ〜１４ｄと重り用アーム１６ａ〜１６ｄの隣接
するものが、４５°の角度をもって配置される。

【００２５】さらに、中央部材１２，振動用アーム１４
ａ〜１４ｄおよび重り用アーム１６ａ〜１６ｄを金属板
などで一体的に形成することもできる。この場合、図１
２に示すように、振動用アーム１４ａ〜１４ｄの上に、
圧電素子７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄが形成され
る。これらの圧電素子７２ａ〜７２ｄは、厚み方向に分
極された１枚の圧電体基板の一方面側に幅方向に２分割
された電極が形成されるとともに、他方面側の全面に電
極が形成されたものである。そして、圧電体基板の他方
面側に形成された全面電極が、振動用アーム１４ａ〜１
４ｄに接着される。このような振動ジャイロ１０におい
ても、圧電素子７２ａ〜７２ｄの全面電極を基準電位に
接続し、分割された電極を励振検出用として用いること
により、振動用アーム１４ａ〜１４ｄに同一面内で屈曲
振動を発生させることができ、図４に示す回路を用い
て、角速度を検出することができる。

【００２６】また、中央部材１２，振動用アーム１４ａ
〜１４ｄおよび重り用アーム１６ａ〜１６ｄを金属板で
一体的に形成した場合において、図１３に示すように、
中央部材１２に圧電素子７４を接着してもよい。この圧
電素子７４は、正方形状の２つの圧電体基板を接合し、
一方面側に８つに分割された電極が形成されるととも
に、他方面側の全面に電極が形成されたものである。８
つに分割された電極のうち、それぞれの振動用アーム１
４ａ〜１４ｄに対応する部分に形成された電極７６ａ，
７６ｂ、電極７８ａ，７８ｂ、電極８０ａ，８０ｂおよ
び電極８２ａ，８２ｂが、それぞれの振動用アーム１４
ａ〜１４ｄについての励振検出用として用いられる。こ
のような振動ジャイロ１０においても、各振動用アーム
１４ａ〜１４ｄに対応した電極を用いて、図４に示す回
路を用いることにより、振動用アーム１４ａ〜１４ｄを
同一面上において振動させることができ、２つの向きの
軸を中心とした角速度を検出することができる。

【００２７】なお、図１２や図１３に示すような、金属
板などを用いた振動ジャイロ１０において、振動用アー
ム１４ａ〜１４ｄおよび重り用アーム１６ａ〜１６ｄ
を、図９や図１０に示すような円板状に形成してもよ
い。

【００２８】

【発明の効果】この発明によれば、１つの振動ジャイロ
で２つの方向の軸を中心とした角速度を検出することが
できる。さらに、１つの発振回路で振動ジャイロを励振
することができ、従来のような２つの振動ジャイロを用
いる方法に比べて、コストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図で
ある。

【図２】図１に示す振動ジャイロの他方面側を示す斜視
図である。

【図３】図１に示す振動ジャイロを製造する方法を示す
図解図である。

【図４】図１に示す振動ジャイロを使用するための回路
を示すブロック図である。

【図５】図１に示す振動ジャイロが基本振動をしている
ときの動きをＦＥＭ解析した図解図である。

【図６】図１に示す振動ジャイロに角速度が加わったと
きの動きをＦＥＭ解析した図解図である。

【図７】この発明の振動ジャイロの他の例を示す平面図
である。

【図８】図７に示す振動ジャイロを製造する方法を示す
図解図である。

【図９】図１に示す振動ジャイロの変形例を示す斜視図
である。

【図１０】図１に示す振動ジャイロの他の変形例を示す
斜視図である。

【図１１】図７に示す振動ジャイロの変形例を示す平面
図である。

【図１２】この発明の振動ジャイロの別の例を示す斜視
図である。

【図１３】図１２に示す振動ジャイロの変形例を示す斜
視図である。

【図１４】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図であ
る。

【図１５】図１４に示す従来の振動ジャイロを使用する
ための回路を示すブロック図である。

【図１６】従来の振動ジャイロの他の例を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１０振動ジャイロ１２中央部材１４ａ〜１４ｄ振動用アーム１６ａ〜１６ｄ重り用アーム１８，２０圧電体基板２８ａ，２８ｂ電極３０ａ，３０ｂ電極３２ａ，３２ｂ電極３４ａ，３４ｂ電極３６電極７０基台７２ａ〜７２ｄ圧電素子７４圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部材、同一平面上において隣接するものが互いに直交するよう
にして前記中央部材から外側に向かって放射状に形成さ
れる４つの振動用アーム、前記振動用アームの間において前記中央部から外側に向
かって放射状に形成される４つの重り用アーム、および
前記振動用アームを前記同一平面上で屈曲振動させると
ともに、前記振動用アームの振動によって生じる信号を
出力させるための励振検出手段を含む、振動ジャイロ。
【請求項２】前記振動用アームおよび前記重り用アー
ムは圧電体基板で形成され、前記振動用アーム上に電極
を形成することにより前記電極と前記圧電体基板とで前
記励振検出手段が形成される、請求項１に記載の振動ジ
ャイロ。
【請求項３】前記中央部材、前記振動用アームおよび
前記重り用アームは金属板で一体的に形成され、前記金
属板上に形成された圧電素子によって前記励振検出手段
が形成される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】前記中央部材は圧電体基板で形成され、
前記中央部、前記振動用アームおよび前記重り用アーム
は一体的に形成される、請求項２に記載の振動ジャイ
ロ。
【請求項５】前記振動用アームおよび前記重り用アー
ムは前記中央部材として用いられる基板上に配置され
る、請求項２に記載の振動ジャイロ。