JP3029001B2 - 振動子 - Google Patents

振動子

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JP3029001B2
JP3029001B2 JP5294495A JP29449593A JP3029001B2 JP 3029001 B2 JP3029001 B2 JP 3029001B2 JP 5294495 A JP5294495 A JP 5294495A JP 29449593 A JP29449593 A JP 29449593A JP 3029001 B2 JP3029001 B2 JP 3029001B2
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政幸 大▲桑▼
伸芳 杉谷
健志 森川
裕 野々村
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トヨタ自動車株式会社
株式会社豊田中央研究所
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、直交座標軸におけるX
軸に沿って振動可能な第1の振動片と該第1の振動片と
対となる第2の振動片とを、両振動片の間で振動の伝播
が可能に支持した振動子に関する。
【0002】
【従来の技術】所定方向に沿って振動している振動片、
例えば直交座標軸平面(X−Y平面)におけるX軸に沿
って振動している振動片がこのX−Y平面と直交するZ
軸の回りに回転すると、その回転角速度により振動片に
Y軸方向にコリオリの力が生じる。このコリオリの力は
角速度に依存して定まることから、コリオリの力を振動
片の撓み変位量等として間接的に、或いは圧電素子の圧
電効果により直接的に測定して、振動片の角速度を求め
ることができる。このため、振動する振動片を車両等に
搭載して、車両旋回時に発生するヨーレイトを検出した
り車両の走行軌跡を記録することが行なわれている。例
えば、特公表4−504617には対となる振動片を音
叉型に構成した振動子が、実開平1−81514にはH
字型の振動子が提案されている。
【0003】これら公報に提案された振動子では、特公
表4−504617にあっては各振動片のそれぞれを電
極等により振動(励振振動)させているので、各振動片
の共振周波数が一致するよう質量調整することが提案さ
れている。そして、この質量調整の一手法として、実開
平1−81514には、各振動片に調整用ウェイトをく
びれ部を介して一体に設け、各振動片の共振周波数を測
定しつつ各調整用ウェイトを溶融除去する技術が提案さ
れている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように質量調整する方法では、共振周波数の測定と特
定箇所の溶融除去処理とを平行して行なう都合上、その
作業は煩雑であった。しかも、溶融除去した質量を測定
することができないとともに、各振動片相互間において
は、励振振動方向は勿論、コリオリの力により起きる振
動の方向(検出振動方向)についても、各振動片間で各
方向の共振周波数を一致させることが必要であった。こ
のため、共振周波数の調整には、高度の熟練を要してい
た。なお、各振動片間で各方向の共振周波数を一致させ
ることが必要なのは、次のような理由による。
【0005】励振振動方向であるX軸に沿って振動して
いる振動片に角速度に起因するコリオリの力がY軸方向
に加わると、この振動片の運動は単一方向(X軸方向)
振動から回転運動に変化する。この際、振動片はその自
由端が撓んだ状態で回転運動を起こす。この回転運動を
X軸とこれに直交するY軸のベクトルに分解すると、当
該回転運動は励振振動方向の振動(励振振動)と検出振
動方向の振動(検出振動)に分けられる。この両振動が
一つの振動片についてのものであれば、コリオリの力に
より発生した検出振動の周波数は、励振振動の周波数と
必然的に一致する。そして、コリオリの力による検出振
動の振幅を最大の振幅とするには、検出振動方向の共振
周波数を励振振動方向の共振周波数に一致させればよい
ことがよく知られている。その一方で、コリオリの力の
検出感度を上げるためには、検出振動方向の振動の振幅
を極力大きくし振動片の撓み変位量を大きくすることが
不可欠である。
【0006】ところで、上記した従来の振動子では、対
となる振動片の各振動片をX軸に沿って常時振動させて
おき、コリオリの力が働いて各振動片がY軸に沿って振
動した際の検出振動を検出することが各振動片について
行なわれている。このため、上記した従来の振動子にお
いてコリオリの力の検出感度を上げるためには、対とな
る各振動片について相互に励振振動方向の共振周波数と
検出振動方向の共振周波数一致させることが不可欠であ
った。
【0007】しかし、振動片を2個以上としたとき、一
般に各振動片にX軸方向の共振周波数fxi(添え字i
は振動片を意味する)とy軸方向の共振周波数fyiが
存在し、これらの4個以上の共振周波数が互いに関係し
合う。このため、従来の技術では共振周波数の調整を行
うと励振共振周波数と検出共振周波数とを独立に調整す
ることが必要となり困難である。即ち、各振動片のX軸
方向の共振周波数fxiとY軸方向の共振周波数fy
i、これらの4個以上の共振周波数が互いに複雑に変化
するため、共振周波数の調整が容易でないという問題が
あった。
【0008】本発明は、上記問題点を解決するためにな
され、振動子を構成する振動片の共振周波数の調整を簡
略化することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた本発明の振動子の採用した手段は、直交座
標軸におけるX軸に沿って振動可能な第1の振動片と該
第1の振動片と対となり、該第1の振動片についての前
記X軸に沿った振動片幅w1 とは異なった値の、前記X
軸に直交するY軸に沿った厚みt2 を有する第2の振動
片とを、両振動片の間で振動の伝播が可能に支持した振
動子であって、前記第1の振動片の振動片幅w1 の平方
根値と前記X軸に沿って振動する際の振動の支点から自
由端までの振動片長さl1 との比の値と、前記第2の振
動片の厚みt2 の平方根値と前記Y軸に沿って振動する
際の振動の支点から自由端までの振動片長さl2 との比
の値とを等しくしたことをその要旨とする。
【0010】
【作用】上記構成を有する本発明の振動子では、共振周
波数の調整を容易とするために、励振方向をX軸方向と
することで、第1の振動片をセンサ動作時に常に一定振
幅で振動している励振用の振動片とし、第2の振動片を
角速度印加により振動が発生し角速度に比例した振動出
力を検出する検出用振動片として両振動片を分離し、各
振動片を連結した構造とした。これにより、励振用共振
周波数は、励振用振動片(第1の振動片)のX軸方向の
共振周波数fx1 のみを所定の周波数fdに合わせれば
よく、検出用共振周波数は、検出用振動片(第2の振動
片)のY軸方向の共振周波数fy2 のみを所定の周波数
fsに合わせればよい。また、振動片が独立しているの
で、励振用共振周波数fx1 と検出用共振周波数fy2
を独立に調整でき、そのため容易に両者の共振周波数
(fx1 ,fy2 )を一致或いは所定範囲内に近似した
値に調整することが可能となる。よって、従来複雑で困
難であった共振周波数の設定が以下に説明するように容
易になり、センサ特性の安定および向上が可能となる。
【0011】この振動子では、対となる振動片のうちの
第1の振動片は、X軸に沿った振動片幅がw1 でこのX
軸に沿って振動する際の振動の支点から自由端までの振
動片長さがl1 の一様断面の片持ちの梁と仮定できる。
このため、当該第1の振動片がX軸に沿って振動する際
のX軸方向の共振周波数fx1 は、下記の式で表わさ
れる。
【0012】 fx1 =(λn 2/2π・l1 2)√(E・I・g/A・r) … ここで、λn はn次振動モードの振動数係数,Eは縦弾
性係数,Iは断面二次モーメント,gは重力加速度,A
は断面積,rは密度である。ここで、断面二次モーメン
トI=t・w1 3 /12であり、断面積A=t・w1 で
あることから(tは第1の振動片の厚み)、式は式
に変形できる。
【0013】 fx1 =(λn 2/2π・l1 2)√(E・(t・w1 3 /12)・g/(t・w1 )・r) =(λn 2/2π・l1 2)√(E・w1 2・g/12・r) =(λn 2・w1 /2π・l1 2)√(E・g/12・r) …
【0014】一方、第2の振動片は、Y軸に沿った厚み
がt2 でこのY軸に沿って振動する際の振動の支点から
自由端までの振動片長さがl2 の一様断面の片持ちの梁
と仮定できる。このため、当該第2の振動片がY軸に沿
って振動する際のY軸方向の共振周波数fy2 は、下記
の式で表わされる。
【0015】 fy2 =(λn 2/2π・l2 2)√(E・I・g/A・r) … ここで、λn ,E,I等は上記式と同様であり、断面
二次モーメントI=w・t2 3 /12であり、断面積A
=w・t2 であることから(wは第2の振動片の幅)、
式は式に変形できる。
【0016】 fy2 =(λn 2/2π・l2 2)√(E・(w・t2 3 /12)・g/(w・t2 )・r) =(λn 2/2π・l2 2)√(E・t22・g/12・r) =(λn 2・t2 /2π・l2 2)√(E・g/12・r) …
【0017】本発明では、第1の振動片の振動片幅w1
の平方根値とその振動片長さl1 との比の値(√(w1
)/l1 )と、第2の振動片の厚みt2 の平方根値と
その振動片長さl2 との比の値(√(t2 )/l2 )と
は等しい。よって、次の式が成立する。 √(w1 )/l1 =√(t2 )/l2 … この式の両辺を二乗して変形すると、次の式が導か
れる。 w1 /l1 2=t2 /l2 2
【0018】この式を式に代入すると、第1の振動
片の共振周波数fx1 は、次のようになる。 fx1 =(λn 2・t2 /2π・l2 2)√(E・g/12
・r)=fy2
【0019】つまり、第1の振動片の共振周波数fx1
と、第2の振動片の共振周波数fy2 とは一致すること
になる。その一方で、この第1の振動片がX軸に沿って
継続して振動している最中にこの第1の振動片に直交座
標軸と直交するZ軸の回りの回転角速度が作用すると、
この第1の振動片はY軸方向にコリオリの力を受けてY
軸に沿った振動が励起される。この角速度による、第1
の振動片がY軸に沿って振動する際の角速度周波数fy
ω1 は、この第1の振動片の共振周波数fx1と一致す
る。
【0020】このように第1の振動片がY軸に沿って振
動すると、当該Y軸に沿った第1の振動片の振動は第2
の振動片に伝播し、第2の振動片はY軸に沿って振動す
る。そして、この第2の振動片がY軸に沿って振動する
際の共振周波数fy2 は、既述したように第1の振動片
の共振周波数fx1 と一致することから、第1の振動片
の角速度周波数fyω1 とも一致する。
【0021】つまり、第1,第2の振動片についての上
記した二つの比の値が等しくなるように各振動片を形成
するだけで、第2の振動片の共振周波数fy2 を、第1
の振動片の共振周波数fx1 、延いてはこの第1の振動
片の角速度周波数fyω1 と一致させることができる。
よって、第2の振動片はY軸に沿って振動する際に角速
度による振動と共振して大きな振幅で振動するので、第
2の振動片の撓み変位量を大きくすることができ、この
振動の振動状態を検出することでコリオリの力の検出感
度を上げることが可能となる。
【0022】本発明では、第1の振動片についての比の
値(√(w1 )/l1 )と第2の振動片についての比の
値(√(t2 )/l2 )を等しくすることのみが重要で
ある。従って、この関係を保ちながら上記式からに
おけるl1 ,l2 ,w,w2,t,t2 等の間に、l1
≠l2 、w≠w2 、t≠t2 となる関係を持ち込むこと
ができるので、各振動片の寸法、即ち、励振用振動片と
検出用振動片の長さl、幅w、厚みtを互いに異なるも
のとすることができる。この場合、各振動片でX軸、Y
軸方向の共振周波数を独立に設定できると共に励振用共
振周波数fdをfx1 と一致させ、かつfy1 とは異な
るように設定できる。また、検出用共振周波数fsをf
y2 及びfx1 と一致させ、かつfx2 とは異なるよう
に設定できる。
【0023】これにより、励振用振動片の持つ共振周波
数fx1 とfy1 が大きく分離でき、fy1 の影響をセ
ンサが受けないようにすることができる。また、検出用
振動片の持つ共振周波数fx2 とfy2 が大きく分離で
き、fx2 の影響をセンサが受けないようにすることが
できる。このため、fd,fsを合わせるとき、fx1
,fy2 のみを測定、調整すればよく、作業が簡素化
される。また、fx2 ,fy1 がfx1 ,fy2 と分離
されているために、周波数調整時に複雑な変化をせず独
立性のよい調整を可能とする。
【0024】また、上記二つの比の値が等しくなるよう
に各振動片を形成するには、切削,研磨等の適宜な機械
加工を行なったり、蒸着,スパッタリング,CVD等の
薄膜形成処理を施すことにより、各振動片について測定
が容易な振動片幅や厚みおよび振動片長さを規定しこれ
を調整すればよい。このため、第1の振動片の共振周波
数fx1 と第2の振動片の共振周波数fy2 とを一致さ
せるに際しては、第1の振動片と第2の振動片の間にお
いて、第1の振動片の共振周波数fx1 と第2の振動片
の共振周波数fx2 とを一致させる必要がなく、そのた
めの調整も要しない。
【0025】更には、第2の振動片についてのX軸に沿
った振動片幅w2 や第1の振動片についてのY軸に沿っ
た厚みt1 に無関係に、第1の振動片の共振周波数fx
1 と第2の振動片の共振周波数fy2 とを一致させるこ
とができる。このため、第2の振動片のX軸に沿った振
動片幅w2 や第1の振動片のY軸に沿った厚みt1 を規
定することで、第2の振動片の共振周波数fx2 を第1
の振動片のX軸に沿った反共振周波数fxγ1 に一致さ
せることができる。よって、第1の振動片のX軸方向の
振動が第2の振動片に伝播して第2の振動片がX軸方向
に振動する際の振動を抑制して、第2の振動片の振動を
Y軸方向の単一の振動に近づけることができる。このた
め、第2の振動片においてコリオリの力を検出する際に
検出感度の外乱となり得るX軸方向の振動の影響を排除
でき、コリオリの力の検出感度を向上させることが可能
となる。
【0026】また、第1の振動片がY軸に沿って振動し
たときにその振動を第2の振動片に伝播できればよく、
振動子を構成する振動片についての材質的な制約はな
い。例えば、金属は勿論、水晶,半導体等の結晶体、ガ
ラスやセラミック等の振動の伝播が可能な材料を用い
て、振動片並びに振動子を形成することができる。
【0027】なお、この振動子を用いてヨーレイトを検
出するには、第1の振動片をX軸に沿って継続して振動
するよう構成し、第2の振動片においてY軸に沿った振
動の振動状態を検出するよう構成すればよい。このよう
にすれば、第1の振動片がコリオリの力を受けて起きる
Y軸に沿った振動を第2の振動片に伝播させ、当該第2
の振動片は共振してY軸に沿って振動する。このため、
振動ジャイロがX−Y平面に直交する軸(Z軸)の回り
に回転すると、その回転角速度に基づくコリオリの力に
よる第1の振動片の振動を経て第2の振動片がY軸に沿
って振動し、その振動状態を検出できる。ところで、振
動子における第1の振動片の共振周波数fx1 と第2の
振動片の共振周波数fy2 とは一致していることから、
第2の振動片はコリオリの力によりY軸に沿って大きな
振幅で振動してその撓み変位量が大きくなる。よって、
コリオリの力を感度良く検出できる。
【0028】この際、第1の振動片をX軸に沿って継続
して振動させるには、振動片の材質等を考慮して適宜な
構成を選択すればよい。例えば、振動片が金属、水晶,
半導体等の結晶体、ガラスやセラミック等を用いて形成
されていれば、ピエゾ素子(PZT)等の圧電素子を用
い、当該素子の逆圧電効果により振動片を振動させれば
よい。また、振動片が水晶,半導体等の結晶体やセラミ
ック等の圧電効果を有する材料を用いて形成されていれ
ば、電極を用いて当該振動片自体の逆圧電効果により振
動片を振動させればよい。更に、振動片に作用する誘導
磁力や容量電荷を変化させて振動片を振動させることも
可能である。一方、第2の振動片がY軸に沿って振動し
たときには、その振動状態は、ピエゾ素子(PZT)等
の圧電素子や電極を介した圧電効果や、誘導磁力や容量
電荷の変化により検出できる。
【0029】
【実施例】次に、本発明に係る振動ジャイロの好適な実
施例について、図面に基づき説明する。図1は、実施例
の振動ジャイロ10の斜視図である。図示するように、
振動ジャイロ10は、基部12から対となる2本の振動
片14(第1の振動片)と振動片16(第2の振動片)
を突出して備える。この振動ジャイロ10は、振動を伝
播する金属、例えばジュラルミン等の軽合金の単一の板
材から図示する形状に適宜な機械加工を経て形成されて
いる。なお、振動片14,16の長さ,幅等の寸法の詳
細については後述する。
【0030】図1およびその2−2線断面図である図2
に示すように、各振動片には圧電素子であるピエゾ素子
が貼着・固定されている。つまり、振動片14の両側面
(X軸が直交するY−Z平面と平行な面)には、それぞ
れ一対のピエゾ素子20が、振動片16の上下面(Y軸
が直交するX−Z平面と平行な面)には一対のピエゾ素
子24が対向して貼着・固定されている。そして、対向
する各ピエゾ素子20,24には、各ピエゾ素子に交流
電圧を印加するための図示しない導電ラインが各振動片
の振動を阻害しないようにが配線されている。
【0031】上記した振動ジャイロ10では、各振動片
のうち振動片14が一対のピエゾ素子20によりX軸に
沿って常時振動(励振)する。つまり、振動片14の一
対のピエゾ素子20のそれぞれは、振動片14のX軸方
向の共振周波数fx1 と一致する周波数で位相が180
度異なる交流電圧の印加を図示しない励振回路から受
け、逆圧電効果により電圧に応じて伸縮する。各素子の
伸縮は、各素子へ印加される交流電圧の位相が180度
異なることから、一方が伸びるときには他方が縮み、一
方が縮むときには他方が伸びることになる。よって、振
動片14は、この一対のピエゾ素子20によりX軸に沿
って共振周波数fx1 で振動する。
【0032】一方、振動片16の一対のピエゾ素子24
は、振動片16がY軸方向に振動した際の振動に伴って
伸縮し、圧電効果により各素子の伸縮、即ち振動片16
のY軸方向の振動の振幅に応じた交流電圧の電気信号を
生じる。ピエゾ素子24の各素子の伸縮は互いに逆とな
るので、生じる電気信号は、位相が180度異なる交流
電圧となる。この両電気信号は、図示しない検出バラン
ス調整回路により一方の電気信号を反転して位相が揃え
られる。そして、振動ジャイロ10からは、交流電圧で
ある電気信号の負の部分を反転して正電圧とし整流作用
を果たす図示しない同期検波回路を経由して、振動片1
6のY軸方向の振動の振幅に対応したリニアな出力信号
が出力される。このため、振動ジャイロ10を車両に搭
載すれば、車両の旋回方向とその大きさを検出すること
ができる。
【0033】ここで、振動片14,振動片16の振動長
さ(振動の支点から自由端までの長さ、つまり基部12
からの突出長さ)や振動片幅,厚み等について説明す
る。図示するように、振動片14の振動片長さをl1 、
X軸に沿った振動片幅をw1 、その厚みをt1 とし、振
動片16の振動片長さをl2 、X軸に沿った振動片幅を
w2 、その厚みをt2 (=t1 )とする。このように各
振動片の振動片長さ等を表わした場合、振動ジャイロ1
0における振動片14と振動片16との間には、次の関
係式が成立する。 l2 =√(t2 /w1 )・l1 … この式を変形すると、 l2 /√(t2 )=l1 /√(w1 ) … となり、両辺を二乗して変形すると、既述した式の関
係が成立する。 w1 /l1 2=t2 /l2 2
【0034】よって、振動片14と振動片16は図示す
るように一様断面の片持ちの梁であり両振動片の間には
この式に示す関係が成り立つことから、既述したよう
に本実施例の振動ジャイロ10では、振動片14のX軸
方向の共振周波数fx1 と、振動片16のY軸方向の共
振周波数fy2 とは一致することになる(fx1 =fy
2 )。なお、この式〜における変数は、振動片1
4,振動片16についての振動片幅,厚み,振動片長さ
のみであり、各振動片の質量等を変数としない。しか
も、式を成立させるための振動片幅,厚み,振動片長
さ等の寸法は、振動ジャイロ10の設計段階で規定でき
る。更には、振動片14の厚みt1 と振動片16のX軸
に沿った振動片幅をw2 は式に関与しないことから、
任意の値を振動ジャイロ10の設計段階で規定できると
ともに、振動片14の共振周波数fx1 と振動片16の
共振周波数fx2 とを一致させる必要がない。
【0035】そこで、本実施例ではfx1 とfy1 とを
等しくせず、fy1 がfx1 よりかなり高い共振周波数
を持つように設定した。fx1 とfy2 が等しくなるよ
うに設定しているので、振動子の持つ4つの共振周波数
の関係は、fx1 =fy2 <fy1 ,fy2 となってい
る。
【0036】このように各共振周波数を設定することに
より、fx1 とfy2 が独立に調整でき、fx2 あるい
はfy1 との結合による不要振動の発生が抑制される。
これにより、fx1 とfy2 を合わす場合は、例えばf
y2 のみを調整して合わせればよく、これは検出用振動
片(振動片16)のY軸方向振動に関係する部位の剛性
を調整する、あるいは、質量を局所的に調整することに
より容易に実現できる。この調整において、fx2 も同
時に変化するが、本発明の方式によればfx2の変化は
センサ性能に影響を与えない。また、振動片が独立して
いて、fx1 とfx2 がかなり離れており、fy1 とf
y2 がかなり離れているために、fy2の調整において
fx1 が変化することがないという利点がある。
【0037】なお、本実施例の振動ジャイロ10におけ
る具体的な数値は、以下の通りであり、図1はその違い
を誇張して描かれている。 (1)振動片14について 振動片長さl1 =40mm,振動片幅w1 =2.8m
m,厚みt1 =3mm (2)振動片16について 振動片長さl2 =41.4mm,振動片幅w2 =4m
m,厚みt2 =3mm
【0038】上記した振動片14,振動片16の実際の
数値から式を見ると、式の右辺(l1 /√(w1
))の値は40/√(2.8)=23.905、式
の左辺(l2 /√(t2 ))の値は41.1×√3=2
3.902となり、両辺の式の値はよく一致し、式の
関係が実用的且つ理想的に成立しているといえる。
【0039】振動片14,振動片16がこのような関係
にある振動ジャイロ10に直交座標軸と直交するZ軸の
回りの回転角速度ωが作用すると、振動片14は、共振
周波数fx1 で定常的に振動状態にあることから、Y軸
方向にコリオリの力を受けてY軸に沿って振動する。こ
の場合、振動片14は、この振動片14のX軸方向の共
振周波数fx1 と一致した角速度周波数fyω1 (fx
1 =fyω1 )で、Y軸に沿って振動することになる。
【0040】このように振動片14がY軸に沿って振動
すると、このY軸に沿った振動片14は基部12を介し
て振動片16に伝播し、振動片16はY軸に沿って振動
する。そして、この振動片16がY軸に沿って振動する
際の共振周波数fy2 は、既述したように振動片14の
共振周波数fx1 と一致することから、振動片14の角
速度周波数fyω1 とも一致する。つまり、振動片16
は、振動片14がコリオリの力を受けてY軸に沿って振
動する際の角速度周波数fyω1 と同一の共振周波数f
y2 でY軸に沿って振動することになる。そして、この
振動片16のY軸に沿った振動の振動状態が振動片16
のピエゾ素子24により電気信号に変換されて、外部に
取り出されることになる。
【0041】以上説明したように、振動片14,振動片
16について式と、即ち式の関係が成立するよう
各振動片の振動片幅,厚み,振動片長さ等の寸法をその
設計段階で規定し、各振動片をその寸法で形成するだけ
で、検出用の振動片16の共振周波数fy2 を、振動片
14の共振周波数fx1 と一致させることができる。具
体的には、本実施例の振動ジャイロ10はジュラルミン
等の軽合金製であるので、当該軽合金の単一の板材に放
電加工,エンドミル加工,研磨等の機械加工を施して振
動片14,振動片16を形成するだけで、振動片16の
共振周波数fy2 と振動片14の共振周波数fx1 およ
び共振周波数fy1 とを一致させることができる。この
場合、蒸着,スパッタリング,CVD等の薄膜形成処理
を施すことにより、振動片14,振動片16の振動片幅
や厚みを容易に調整することもできる。
【0042】よって、本実施例の振動ジャイロ10によ
れば、各振動片についての共振周波数の調整を行なうに
当たり、測定が容易な振動片長さや幅,厚みを設計段階
で規定して各振動片を形成することにより、従来行なわ
れていた煩雑な質量調整が非常に簡便にできる。この結
果、本実施例の振動ジャイロ10によれば、各振動片間
における共振周波数の調整を簡略化することができる。
また、振動片14と振動片16の間において、振動片1
4の共振周波数fx1 と振動片16の共振周波数fx2
とを一致させる必要がなく、そのための調整も要しない
ので、振動片の共振周波数の調整をより簡略化すること
ができる。また、振動ジャイロ10は板材に適宜な加工
を施すだけでよいので、製造が容易である。
【0043】しかも、本実施例の振動ジャイロ10で
は、振動片14はピエゾ素子20により定常的にX軸に
沿って振動しているので、振動ジャイロ10にZ軸の回
りに回転角速度ωが働くと、振動片14は、この角速度
に基づくコリオリの力を受けてY軸に沿って振動する。
このコリオリの力により起きた振動片14のY軸方向の
振動は、基部12を経て振動片16に伝播する。そし
て、この振動片16は、振動片14のX軸方向の共振周
波数fx1 、延いてはこの振動片14のY軸方向の角速
度周波数fyω1 に等しい共振周波数fy2 で共振して
Y軸に沿って振動する。このため、本実施例の振動ジャ
イロ10によれば、コリオリの力により振動片16がY
軸に沿って振動する際の振幅を大きくして振動片の撓み
変位量を大きくすることができる。よって、本実施例の
振動ジャイロ10によれば、簡単な共振周波数の調整や
質量調整により、コリオリの力を感度良く検出できる。
【0044】更には、振動片16の振動片幅w2 や振動
片14の厚みt1 に無関係に、振動片14の共振周波数
fx1 と振動片16の共振周波数fy2 とを一致させる
ことができる。本実施例の振動ジャイロ10にあって
は、単一の板材からなることから振動片14の厚みt1
は当該板厚により規定されるので、振動片16の振動片
幅w2 に無関係に、振動片14の共振周波数fx1 と振
動片16の共振周波数fy2 とを一致させることができ
る。そして、本実施例の振動ジャイロ10では、振動片
16の振動片幅w2 を4mmとしたので、この振動幅w
2 と振動片長さl2 で定まる振動片16のX軸方向の共
振周波数fx2 は振動片14のX軸に沿った共振周波数
fx1 に一致しない。
【0045】よって、本実施例の振動ジャイロ10で
は、X軸に沿った振動片14の振動が振動片16に伝播
して振動片16がX軸方向に振動する際に、振動片16
を共振させることがない。このため、本実施例の振動ジ
ャイロ10によれば、振動片16のX軸方向の振動を抑
制し、振動片16の振動をY軸方向の単一の振動に近づ
けることができる。この結果、本実施例の振動ジャイロ
10によれば、振動片16においてコリオリの力を検出
する際に検出感度の外乱となり得るX軸方向の振動の影
響を排除でき、コリオリの力の検出感度をより向上させ
ることができる。なお、振動片16の振動片幅w2 は任
意の値とすることがきるので、この振動片16の振動片
幅w2 を、振動片16のX軸方向の共振周波数fx2 が
振動片14のX軸に沿った反共振周波数に一致するよう
規定して、振動片16がX軸方向に振動する際の振動を
より一層抑制し、振動片16の振動をY軸方向の単一の
振動により一層近づけることができる。
【0046】また、本実施例の振動ジャイロ10では、
各振動片に単一の目的(励振用或いは検出用)のピエゾ
素子を設けるだけでよい。より詳しくは、振動片14に
はこの振動片をX軸に沿って振動させるためのピエゾ素
子20のみを、振動片16にはこの振動片がY軸に沿っ
て振動している際の振動状態を検出するためのピエゾ素
子24のみを設けるだけでよい。このため、本実施例の
振動ジャイロ10によれば、一つの振動片に目的の異な
る複数のピエゾ素子を設ける必要がないので、振動ジャ
イロの構成を簡略化することができるとともに小型化を
図ることができる。
【0047】しかも、本実施例の振動ジャイロ10で
は、各振動片が振動した際の歪が著しい振動片の根元に
該当するピエゾ素子を独立して設けることができる。こ
のため、本実施例の振動ジャイロ10によれば、ピエゾ
素子20により振動片14を効率よく振動させることが
できるとともに、コリオリの力、延いては回転角速度ω
の方向およびその大きさ(ヨーレイト)を振動片16に
おけるピエゾ素子24により感度よく検出できる。
【0048】次に、本発明にかかる他の実施例の変形例
について説明する。第1の変形例は、上記した振動ジャ
イロ10に振動片18を追加したものである。つまり、
図3に示すように、変形例の振動ジャイロ10は、既述
した振動片14,振動片16に並んで振動片18を基部
12から突出して備える。この振動片18は、振動片
幅,振動片長さが共に振動片14と同一の振動片であ
り、振動片14と同様に、一対のピエゾ素子22を有す
る。
【0049】この変形例の振動ジャイロ10では、ピエ
ゾ素子20により振動片14が図中に示すX軸に沿って
定常的に振動する。そして、このX軸方向の振動は振動
片18に伝播し、振動片18はX軸に沿って継続して振
動することになる。この際、振動片18は、振動片14
とその寸法が同一であることから、振動片14の共振周
波数fx1 とほぼ同一の共振周波数fx3 で振動する。
そして、この振動片18のX軸に沿った振動は、このピ
エゾ素子22の圧電効果により電気信号(交流電圧)に
変換され、検出バランス調整回路,同期検波回路等を経
て外部に出力される。
【0050】この変形例における振動ジャイロ10で
は、既述した振動ジャイロ10と同様の効果を奏するこ
とができるほか、振動片14の振動が伝播することによ
り振動する振動片18の振動状態を検出することができ
る。よって、この変形例における振動ジャイロ10で
は、振動片18の振動状態に基づいてピエゾ素子20に
印加する交流電圧を制御することにより、振動片14の
X軸方向の振動の振幅をより一定とすることができ、コ
リオリの力の検出感度をより一層向上させることができ
る。従って、より安定した特性を得ることができるので
あり、また、温度特性的にも有利である。しかも、この
ような振動ジャイロ10を、板材から容易に製造するこ
とができる。
【0051】更に、振動ジャイロ10を次のように変形
することもできる。つまり、図4に示すように、基部1
2からその上下に振動片14と振動片14a、振動片1
6と振動片16a、振動片18と振動片18aを突出し
たものとすることもできる。この場合、振動片14と振
動片16については、各振動片の振動片幅,厚み,振動
片長さは既述した式と、即ち式の関係にあること
は勿論であり、振動片14aと振動片16aとについて
も同様である。
【0052】また、図5に示すように、二つの振動片1
4と二つの振動片16とを基部12からその上下に突出
したいわゆるH字型の振動ジャイロ10とすることもで
きる。更には、図6や図7に示すように、二つの振動片
14から構成される音叉と二つの振動片16から構成さ
れる音叉とを基部12にて結合した形状の振動ジャイロ
10とすることもできる。
【0053】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明はこの様な実施例になんら限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。
【0054】例えば、本実施例では、振動ジャイロ10
をジュラルミン等の軽合金の板材から形成し振動片の励
振や振動検出にピエゾ素子を用いたが、これに限るわけ
ではない。つまり、振動ジャイロ10を単結晶体である
水晶の板材(水晶基板)をエッチングして形成すること
もできる。水晶の場合、l1 =4mm,w1 =0.28
mm,t1 =0.3mm,l2 =4.14mm,w2 =
0.4mm,t2 =0.3mmと小型にできる。この場
合には、水晶自体が圧電効果を有するので、X軸に沿っ
て定常的に振動させる側の振動片には、水晶自体の逆圧
電効果によりこの振動片をX軸に沿って励振することが
できる電極を設ければよい。また、Y軸方向の振動状態
を検出する側の振動片には、この振動片がY軸に沿って
振動した場合に水晶自体の圧電効果によりその振動状態
を検出することができる電極を設ければよい。このよう
に水晶基板を用いる場合には、水晶の結晶方向により励
振方向と検出方向の縦弾性係数が若干異なるので、その
差を補正すれば、より好ましい。
【0055】具体的には、励振方向の縦弾性係数をE1
,検出方向の縦弾性係数をE2 とした場合、上記した
式を更に次のように変形し、この式が成立するように
振動片長さl1 ,l2 ,振動片幅w1 ,厚みt2 を定め
ればよい。 w1 ・√(E1 )/l1 2=t2 ・√(E2 )/l2 2
【0056】また、本実施例では、振動片16の振動片
長さl2 が振動片14の振動片長さl1 より長くなる場
合について説明したが、式と、即ち式の関係が成
立すればこの限りではない。例えば、振動ジャイロ10
の厚みを上記した厚み3mmの半分の1.5mmとすれ
ば、式からl2 =√(1.5/2.8)×40=2
9.3mmとなる。このように振動片16の振動片長さ
l2 が振動片14の振動片長さl1 より短くても、式
と、即ち式の関係が成立することから上記した効果
を奏することができる。しかも、このように振動ジャイ
ロ10を薄くすれば、励振用の電極をその側面に形成す
る際にその側面全面に電極を形成すればよく、電極形成
が容易となる。
【0057】なお、上記した本発明の記載において、X
軸を振動片の並びに沿った方向の軸として説明したが、
X軸を振動片の並びに沿った軸および振動片軸方向と直
交する軸(上記の説明におけるY軸)としてもよく、Y
軸はこのX軸と直交する軸であればよい。
【0058】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の振動子で
は、第1の振動片についてのX軸に沿った振動片幅w1
の平方根値と振動片長さl1 との比の値と第2の振動片
についてのY軸に沿った厚みt2 の平方根値と振動片長
さl2 との比の値とを等しくして両振動片を形成するだ
けで、第2の振動片のY軸方向の共振周波数fy2 を、
第1の振動片のX軸方向の共振周波数fx1 、延いては
この第1の振動片のY軸方向の角速度周波数fyω1 と
容易に一致させることができる。つまり、測定が容易な
振動片長さや幅,厚みを規定し調整するだけでよい。こ
の結果、本発明の振動子によれば、各振動片についての
共振周波数の調整を行なうに当たり、調整項目が少なく
独立に調整できるので、従来行なわれていた煩雑な質量
調整を要しないので、振動片の共振周波数の調整を簡略
化することができる。また、第1の振動片と第2の振動
片の間において、第1の振動片の共振周波数fx1 と第
2の振動片の共振周波数fx2 とを一致させる必要がな
く、そのための調整も要しないので、振動片の共振周波
数の調整をより簡略化することができる。
【0059】しかも、本発明の振動子の第1の振動片が
X軸に沿って振動している最中にX−Y平面に直交する
軸(Z軸)の回りに回転角速度が働くと、この角速度に
基づくコリオリの力により起きた第1の振動片のY軸方
向の振動は第2の振動片に伝播する。そして、この第2
の振動片は、第1の振動片のX軸方向の共振周波数fx
1 、延いてはこの第1の振動片のY軸方向の角速度周波
数fyω1 に等しい共振周波数fy2 で共振してY軸に
沿って振動する。このため、本発明の振動子によれば、
コリオリの力により第2の振動片がY軸に沿って振動す
る際の振幅(検出振動方向の振動の振幅)を大きくして
振動片の撓み変位量を大きくし、コリオリの力の検出感
度を質量調整といった特別な操作を行なうことなく容易
に向上させることができる。よって、本発明の振動子を
用いることで、煩雑な共振周波数の調整や質量調整等を
行なうことなく、コリオリの力を感度良く検出できる。
【0060】更には、第2の振動片についてのX軸に沿
った振動片幅w2 や第1の振動片についてのY軸に沿っ
た厚みt1 に無関係に、第1の振動片の共振周波数fx
1 と第2の振動片の共振周波数fy2 とを一致させるこ
とができる。このため、第2の振動片のX軸に沿った振
動片幅w2 や第1の振動片のY軸に沿った厚みt1 を規
定することで、第2の振動片の共振周波数fx2 を第1
の振動片のX軸に沿った反共振周波数に一致させて第2
の振動片がX軸方向に振動する際の振動を抑制し、第2
の振動片の振動をY軸方向の単一の振動に近づけること
ができる。よって、本発明の振動子によれば、第2の振
動片においてコリオリの力を検出する際に検出感度の外
乱となり得るX軸方向の振動の影響を排除でき、コリオ
リの力の検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である振動ジャイロ10の斜
視図。
【図2】図1おける2−2線断面図。
【図3】変形例における振動ジャイロ10の斜視図。
【図4】変形例における振動ジャイロ10の斜視図。
【図5】変形例におけるH字型の振動ジャイロ10の斜
視図。
【図6】変形例における振動ジャイロ10の斜視図。
【図7】変形例における振動ジャイロ10の斜視図。
【符号の説明】
10…振動ジャイロ 12…基部 14,16,18…振動片 14a,16a,18a…振動片 20…ピエゾ素子 22…ピエゾ素子 24…ピエゾ素子 fx1…振動片14のX軸方向の共振周波数 fx2…振動片16のX軸方向の共振周波数 fx3…振動片18のX軸方向の共振周波数 fy1…振動片14のY軸方向の共振周波数 fy2…振動片16のY軸方向の共振周波数 ω…回転角速度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森川 健志 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1 株式会社豊田中央研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 19/56 G01P 9/04 H03H 9/02 H03H 9/24

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直交座標軸におけるX軸に沿って振動可
    能な第1の振動片と該第1の振動片と対となり、該第1
    の振動片についての前記X軸に沿った振動片幅w1 とは
    異なった値の、前記X軸に直交するY軸に沿った厚みt
    2 を有する第2の振動片とを、両振動片の間で振動の伝
    播が可能に支持した振動子であって、 前記第1の振動片の振動片幅w1 の平方根値と前記X軸
    に沿って振動する際の振動の支点から自由端までの振動
    片長さl1 との比の値と、前記第2の振動片の厚みt2
    の平方根値と前記Y軸に沿って振動する際の振動の支点
    から自由端までの振動片長さl2 との比の値とを等しく
    したことを特徴とする振動子。
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