JP2000298023A

JP2000298023A - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JP2000298023A
Application number: JP11107509A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行; Minoru Imaeda; 美能留今枝; Jungo Kondo; 順悟近藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】バイモルフ型の振動子を備えている振動型ジャ
イロスコープにおいて、検出信号の感度を向上させ、そ
の雑音に対する比率を向上させる。【解決手段】振動型ジャイロスコープが、第一の振動層
３および第二の振動層２を備える振動子１を備える。駆
動電極５Ａ、５Ｂは、これらの表面と垂直な方向へと駆
動電圧を印加して振動子１を励振するために、第一の振
動層３の表面３ａと第二の振動層２の表面２ａとに設け
られる。少なくとも一対の検出電極４Ａ、４Ｂは、第二
の振動体２の表面２ａに設けられており、振動子１の検
出振動に応じて生ずる検出信号を検出する。第一の振動
層３が、第二の振動層２の表面２ａに対して垂直な方向
に垂直圧電成分ＡＺを有しており、第二の振動体２が、
第二の振動層の表面２ａに対して垂直な方向に垂直圧電
成分ＢＺを有し、第二の振動層の表面内の少なくとも一
方向に向かって平行圧電成分ＢＸを有する。第一の振動
体３の垂直圧電成分と第二の振動体の垂直圧電成分とが
逆方向である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転系内の回転角
速度を検出するために使用される角速度センサに用いら
れる振動型ジャイロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転系内の回転角速度を検出するための
角速度センサとして、圧電体を用いた振動型ジャイロス
コープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位置の確認用
として利用されてきた。最近では、民生用の分野として
カーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメラの手振れ
の検出などに使用されている。

【０００３】このような圧電振動型ジャイロスコープ
は、振動している物体に角速度が加わると、その振動と
直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そ
して、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、
「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１
〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープと
しては、これまでに種々のものが提案されている。例え
ば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型
ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、
円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。

【０００４】圧電型ジャイロセンサーとしては、セラミ
ックバイモルフを使用したジャイロセンサーが、特開平
１０−５４７２６号公報に開示されている。これは、２
枚の圧電性セラミック板を接着して振動子を作製し、各
セラミック板の分極方向を逆にし、各セラミック板の表
面にそれぞれ駆動電極を設ける。ここで一方のセラミッ
ク板上の駆動電極を分割する。各駆動電極に電圧を印加
することによって、一方のセラミック板を伸長させ、他
方のセラミック板を収縮させることによって、振動子を
全体として屈曲振動させるものである。屈曲振動中の振
動子を回転させると、振動子に作用するコリオリ力によ
って、屈曲振動の方向と垂直な方向へと向かって別の屈
曲振動成分が発生するので、振動子の屈曲振動の方向が
全体として変化する。この屈曲振動の方向の変化を、一
方のセラミック板上の分割された駆動電極からの各出力
信号の差として検出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平１０−
５４７２６号公報記載の振動型ジャイロスコープでは、
基本的に振動子の一方向への屈曲振動を利用しており、
コリオリ力による屈曲振動の方向のズレを、その屈曲振
動を励起した駆動電極によって検出するものである。こ
のため、基本的に感度が低くなる傾向があり、また、駆
動電極に対して印加される駆動電圧（検出電圧よりもは
るかに大きい）の影響によって雑音が大きくなる傾向が
ある。

【０００６】本発明の課題は、バイモルフ型の振動子を
備えている振動型ジャイロスコープにおいて、検出信号
の感度を向上させ、その雑音に対する比率を向上させる
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電材料から
なる振動子によって回転角速度を検出するための振動型
ジャイロスコープであって、この振動型ジャイロスコー
プが、互いに一体化されている第一の振動層および第二
の振動層を備える振動子と、第一の振動層の表面と第二
の振動層の表面とに設けられており、これらの表面と垂
直な方向へと駆動電圧を印加して前記振動子を励振する
ための少なくとも一対の駆動電極と、第二の振動層の前
記表面に設けられており、振動子の検出振動に応じて発
生する検出信号を検出するための少なくとも一対の検出
電極とを備えており、第一の振動層が、第二の振動層の
表面に対して垂直な方向に垂直圧電成分を有しており、
第二の振動層が、第二の振動層の表面に対して垂直な方
向に垂直圧電成分を有しており、かつ第二の振動層の表
面に平行な少なくとも一方向に向かって平行圧電成分を
有しており、第一の振動層の垂直圧電成分と第二の振動
層の垂直圧電成分とが逆方向であることを特徴とする。

【０００８】本発明者は、上述のように、少なくとも第
二の振動層に、その表面に対して垂直な方向に垂直圧電
成分を付与し、表面に対して垂直な方向に垂直圧電成分
を付与することとし、更に、駆動電極とは別体として、
第二の振動層の表面に、振動子の検出振動に応じて平行
圧電成分に基づいて発生する検出信号を検出するため
に、少なくとも一対の検出電極を設けることにした。こ
のように、平行圧電成分を積極的に利用することによっ
て、検出信号の感度を向上させるのと共に、これを検出
する検出電極を、駆動振動とは別体とすることによっ
て、回転角速度の検出感度を向上させることに成功し
た。

【０００９】本発明の好適な実施形態においては、振動
子が細長い形態を有しており、駆動振動および検出振動
が振動子の屈曲振動であり、少なくとも一対の検出電極
が第二の振動層の表面の幅方向の両側に設けられてい
る。このように、細長い振動子の屈曲振動を利用するこ
とによって一層感度が向上する。

【００１０】細長い振動子は、平板状であってよく、円
柱状、角柱状のような柱状であってよいが、振動子の最
大幅に対する長さの比率が１：５以上であることが好ま
しい。

【００１１】この場合には、一方の駆動電極を第一の振
動層の表面上に設け、他方の駆動電極を第二の振動層の
表面上に、一対の検出電極の間に設けることが好まし
い。これによって、振動子の表面と平行な方向の検出振
動を、最も効果的に信号として検出することができる。

【００１２】一対の検出電極から検出信号を検出する際
には、各検出電極からの信号の差動をとり、これによっ
て駆動振動の影響をキャンセルすることが好ましい。

【００１３】第二の振動層は、その表面に対して垂直な
方向に垂直圧電成分を有しており、かつ平行圧電成分を
有している。この垂直圧電成分の圧電定数は１Ｃ／ｍ²
以上であることが好ましく、２Ｃ／ｍ²以上であること
が更に好ましい。平行圧電成分の圧電定数は、０．５Ｃ
／ｍ²以上であることが好ましく、１Ｃ／ｍ²以上であ
ることが更に好ましい。第一の振動体の垂直圧電成分の
圧電定数は、１Ｃ／ｍ²以上であることが好ましく、２
Ｃ／ｍ²以上であることが更に好ましい。

【００１４】振動子の材質である圧電材料は、特に限定
せず、圧電性セラミックスや恒弾性金属を利用できる。
ただし、本発明は、振動子を圧電単結晶によって形成し
た場合に特に効果的である。

【００１５】圧電性単結晶としては、水晶、ニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タン
タル酸リチウム固溶体、ランガサイト、リチウムテトラ
ボレート、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、リラクサ
化合物（一般式：Ｐｂ（Ａ_1/3Ｂ_2/3）Ｏ₃：ここでＡ
はＣｄ、Ｚｎ、Ｍｇなどであり、ＢはＮｂ、Ｔａ、Ｗな
どである）、チタン酸ジルコン酸鉛とリラクサ化合物と
の混晶系圧電単結晶を例示できる。水晶、ＬｉＮｂＯ₃
単結晶、ＬｉＴａＯ₃単結晶、Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃
単結晶が、電気機械結合係数が特に大きい。

【００１６】本発明の振動型ジャイロスコープは、例え
ば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方
法に用いる回転速度センサーに好適に利用できる。

【００１７】第一の振動層と第二の振動層とは、特に好
ましくは、別体の振動体であり、この場合には、第一の
振動体と第二の振動体とを接合する。この接合は、好ま
しくは、ｔａｎδの温度変化が１桁以内の接着剤によっ
て行い、更に好ましくはシリコーン系のアルコールタイ
プ等の接着剤によって行うことができ、あるいは単結晶
からなる振動体を熱処理によって接合できる。ただし、
単結晶からなる単一の振動体に対して、分極処理を行う
ことによって、振動体の内部に、互いに分極軸の方向が
異なる複数の振動層を生成させることもできる。

【００１８】図１は、本発明の一実施形態に係る振動型
ジャイロスコープを概略的に示す斜視図であり、図２
は、図１の振動型ジャイロスコープの要部の横断面図で
ある。

【００１９】振動子１は、細長い平板状ないし四角柱状
を有しており、平板形状の第一の振動体３と第二の振動
体２とからなる。振動体３の表面３ｃと振動体２の表面
２ｃとが接合されており、界面１０を生成している。第
一の振動体３の表面３ａ上には、その全面を被覆するよ
うに駆動電極５Ｂが形成されており、第二の振動体２の
表面２ａの中央部には、駆動電極５Ａが形成されてい
る。また、第二の振動体２の表面２ａ上には、駆動電極
５Ａを挟むように一対の検出電極４Ａ、４Ｂが形成され
ている。２ｂ、３ｂは側面である。第一の振動体３は、
垂直圧電成分ＡＺと平行圧電成分ＡＸとを有しており、
第二の振動体２は、垂直圧電成分ＢＺと平行圧電成分Ｂ
Ｘを有している。

【００２０】図１の例では、ニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム
固溶体単結晶の場合のように、１つのａ軸と１つのｃ軸
とを有する単結晶を使用している。このタイプの単結晶
は、ａ軸方向の圧電定数は０であり、ａ軸に垂直な平面
内において、ｃ軸から約１４０°離れた方向において、
圧電定数が最大となる。ｃ軸から９０°離れた方向では
圧電定数が０になる。図１の例では、Ｙ軸方向（ａ軸方
向）の圧電定数は０であり、ｃ軸はＸ−Ｚ面内にある。
そして、Ｘ−Ｚ面内において、ｃ軸との間の角度が約１
４０°離れた方向において、圧電定数が最大となる。

【００２１】駆動電極５Ｂは交流電源６に接続されてお
り、駆動電極５Ａはアースされている。検出電極４Ａ、
４Ｂは、差動検出回路７を通して検出部８に接続されて
いる。

【００２２】図１、図２に示す振動型ジャイロスコープ
を作製する。具体的には、２枚の厚さ０．３ｍｍのニオ
ブ酸リチウム単結晶ウエハーを、親水化処理後に重ね合
わせて熱処理することによって接着し、積層体を得る。
積層体の各表面上に、メタルマスクを使用して、厚さ２
０００オングストロームのアルミニウム膜を各駆動電
極、各検出電極として形成する。このウエハーから振動
子１を切り出す。振動子１の寸法は、長さａが１６ｍｍ
であり、振動子の付け根から電極までの距離ｂ、ｃが、
４ｍｍ、４ｍｍであり、振動子の幅ｄ、ｅが１ｍｍ、
１．０１ｍｍである。ａ軸をＹ軸（振動子の長手方向）
に一致させ、ｃ軸をＸＺ面内に位置させる。第一の振動
体３におけるｃ軸と第二の振動体２におけるｃ軸とを反
対方向にした。角度θと角度αとの和は１８０°とな
る。この状態で、θを０−１８０°の間で表１に示すよ
うに種々変更させ、１°／秒当たりの感度を測定する。
この結果を表１に示す。また、表１には、ＢＺ、ＢＸの
各圧電成分の圧電定数を示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】この結果から分かるように、本発明によっ
て、高い感度で回転角速度を検出可能である。また、θ
は、１０−８０°が好ましく、また１１０−１７０°が
好ましく、１２０−１６０°が一層好ましいことが分か
る。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、バ
イモルフ型の振動子を備えている振動型ジャイロスコー
プにおいて、検出信号の感度を向上させ、その雑音に対
する比率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコ
ープを概略的に示す斜視図である。

【図２】図１の振動型ジャイロスコープの要部を示す横
断面図である。

【符号の説明】

１振動子２第二の振動体２ａ第二の振
動体２の表面３第一の振動体３ａ第一
の振動体の表面４Ａ、４Ｂ検出電極５Ａ、５Ｂ駆動電極６交流電
源７差動検出回路８検出部ＡＺ
第一の振動体内の垂直圧電成分ＡＸ第一の振動体内の平行圧電成分ＢＺ第二の振動
体内の垂直圧電成分ＢＸ第二の振動体内の平行圧電成分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近藤順悟愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 2F105 AA01 AA05 AA08 BB02 CC06 CD02 CD06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電材料からなる振動子によって回転角速
度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、
この振動型ジャイロスコープが、互いに一体化されている第一の振動層および第二の振動
層を備える振動子と、前記第一の振動層の表面と前記第二の振動層の表面とに
設けられており、これらの表面と垂直な方向へと駆動電
圧を印加して前記振動子を励振するための少なくとも一
対の駆動電極と、前記第二の振動層の前記表面に設けられており、前記振
動子の検出振動に応じて発生する検出信号を検出する少
なくとも一対の検出電極とを備えており、前記第一の振動層が、前記第二の振動層の表面に対して
垂直な方向に垂直圧電成分を有しており、前記第二の振
動層が、前記第二の振動層の表面に対して垂直な方向に
垂直圧電成分を有しており、かつ前記第二の振動層の表
面に対して平行な少なくとも一方向に向かって平行圧電
成分を有しており、前記第一の振動層の垂直圧電成分と
前記第二の振動層の垂直圧電成分とが逆方向であること
を特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
【請求項２】前記振動子が細長い形態を有しており、前
記駆動振動および前記検出振動がこの振動子の屈曲振動
であり、前記少なくとも一対の検出電極が前記第二の振
動層の前記表面の幅方向の両側に設けられていることを
特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項３】一方の前記駆動電極が前記第一の振動層の
前記表面上に設けられており、他方の前記駆動電極が前
記第二の振動層の前記表面上に、前記一対の検出電極の
間に設けられていることを特徴とする、請求項２記載の
振動型ジャイロスコープ。
【請求項４】前記第一の振動層と前記第二の振動層とが
別体の振動体からなり、これらの振動体が互いに接合さ
れていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一
つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。