JP3407635B2 - 振動ジャイロ用振動子 - Google Patents

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用振
動子に関し、特にたとえば、回転角速度を効率的に検出
するための三角柱状の振動ジャイロ用振動子に関する。 【０００２】 【従来の技術】図６は、従来の振動ジャイロ用振動子を
用いた振動ジャイロの一例を示す斜視図であり、図７は
この振動ジャイロを使用するための回路図である。振動
ジャイロ１は、三角柱状の振動ジャイロ用振動子２（以
下、単に「振動子２」という。）を含む。この振動子２
の３つの側面の中央部には、それぞれ圧電素子３ａ，３
ｂ，３ｃが形成される。この振動ジャイロ１を用いる場
合、圧電素子３ａ，３ｂが発振回路４に接続される。発
振回路４は、加算回路，増幅回路，位相回路などを含
み、発信回路４の出力信号が圧電素子３ｃに入力され
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、差動増幅回路，同期検波回路，
平滑回路，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３ａ，
３ｂの出力信号が駆動回路４の加算回路で合成され、増
幅回路で増幅されたのち、位相回路で位相補正されて、
駆動信号として圧電素子３ｃに与えられる。それによ
り、振動子２は、圧電素子３ｃ形成面に直交する向きに
屈曲振動する。このとき、圧電素子３ａ，３ｂの屈曲状
態は同じとなるため、圧電素子３ａ，３ｂの出力信号は
同じである。そのため、検出回路５の差動増幅回路の出
力は０であり、回転角速度が加わっていないことがわか
る。振動子２の軸を中心として回転すると、コリオリ力
によって、振動子２の屈曲振動の方向が変わる。そのた
め、圧電素子３ａ，３ｂの屈曲状態に差が生じ、異なる
信号が出力される。したがって、差動増幅回路からは、
圧電素子３ａ，３ｂの出力信号の差に対応した信号が出
力される。この差動増幅回路の出力信号が同期検波回路
で検波され、平滑回路で平滑されたのち、直流増幅回路
で増幅されることにより、回転角速度に対応した直流信
号が得られる。 【０００４】このような振動ジャイロ１において、検出
感度を上げるために、振動子２の振幅を大きくすること
が考えられる。振動子２の振幅を大きくすれば、圧電素
子３ａ，３ｂの屈曲量が大きくなり、大きい出力信号を
得ることができる。たとえば、振動子を細くすることに
より、振幅を大きくすることができる。しかしながら、
振動子を細くすると、圧電素子を形成する面積が小さく
なり、電気的な検出効率が悪くなる。 【０００５】そこで、図８に示すように、振動子２の長
手方向の両端に重り６を形成することによって、振動子
２の振幅を大きくしたものが、特開平８−２３２５８号
公報に示されている。また、図９に示すように、三角柱
状の振動子２の中央部を旋盤などで切削し、円柱状にし
て振幅を大きくしたものが特開平８−２９１８２号公報
に示されている。図９に示す振動ジャイロでは、振動子
２の両端の三角柱状の部分を連結するようにして、圧電
素子３ａ〜３ｃが形成される。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示す振動子では、たとえば四角柱状の材料の中央部を切
削して三角柱状にする必要があり、振動子の加工が難し
い。また、図９に示す振動子では、圧電素子の中央部が
振動子から離れているため、圧電素子が破損しやすい。 【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、加
工が簡単で、破損しにくく、しかも屈曲振動をさせたと
きに振幅が大きい振動ジャイロ用振動子を提供すること
である。 【０００８】 【課題を解決するための手段】この発明は、断面三角形
の柱状の振動ジャイロ用振動子であって、２つの側面の
それぞれは、全面が同一面上に形成され、他の１つの側
面の長手方向の中央部が両端部より内側に形成された、
振動ジャイロ用振動子である。 【０００９】振動ジャイロ用振動子の１つの側面のみに
おいて、長手方向の中央部が両端部より内側に形成され
ているため、三角柱状の材料の１つの側面部分を切削す
ることにより、振動ジャイロ用振動子を形成することが
できる。また、振動ジャイロ用振動子の両端部が重りと
して働き、振動ジャイロ用振動子を屈曲振動させたとき
に、その振幅を大きくすることができる。さらに、振動
ジャイロ用振動子の両端部が重りとして働くことによ
り、振動ジャイロ用振動子の振幅を大きくすることがで
きるため、振動ジャイロ用振動子の中央部を極端に細く
する必要がなく、圧電素子を形成するのに必要な面積を
確保することができる。 【００１０】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実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。 【００１１】 【発明の実施の形態】図１は、この発明の振動ジャイロ
用振動子を示す斜視図であり、図２はその断面図であ
る。振動ジャイロ用振動子１０（以下、単に「振動子１
０」という。）は断面正三角形の柱状であり、その２つ
の側面のそれぞれは、その全面が同一面上に形成され
る。また、振動子１０の他の１つの側面においては、振
動子１０の長手方向の中央部１２が、両端部１４より内
側となるように形成される。したがって、振動子１０の
他の１つの側面には段差部が形成され、振動子１０の両
端部１４は、中央部１２より大きい断面形状を有してい
る。 【００１２】この振動子１０は、たとえばエリンバ，鉄
−ニッケル合金，石英，ガラス，水晶，セラミックな
ど、一般的に機械的な振動を生じる材料で形成される。
この振動子１０を形成するためには、たとえば正三角柱
状の材料の長手方向の中央部において、材料の１つの側
面部分を切削することによって形成することができる。
そして、正三角柱状の材料の切削された部分が、振動子
１０の中央部１２における１つの側面となる。 【００１３】この振動子１０を振動ジャイロに使用する
場合、図３および図４に示すように、振動子１０の中央
部１２の第１の側面１２ａに、圧電素子１６ａが形成さ
れる。また、中央部１２の第２の側面１２ｂに、圧電素
子１６ｂが形成される。さらに、中央部１２の第３の側
面１２ｃに、圧電素子１６ｃが形成される。これらの圧
電素子１６ａ〜１６ｃは、それぞれ振動子１０の長手方
向の中心部に形成される。 【００１４】圧電素子１６ａは、たとえば圧電セラミッ
クなどで形成される圧電層１８ａを含む。圧電層１８ａ
の両面には、それぞれ電極２０ａ，２２ａが形成され
る。そして、一方の電極２２ａが、振動子１０の中央部
１２の第１の側面１２ａに貼着される。同様に、圧電素
子１６ｂ，１６ｃは圧電層１８ｂ，１８ｃを含み、これ
らの圧電層１８ｂ，１８ｃの両面に、電極２０ｂ，２２
ｂおよび電極２０ｃ，２２ｃが形成される。そして、圧
電素子１６ｂ，１６ｃの一方の電極２２ｂ，２２ｃが、
振動子１０の中央部１２の第２の側面１２ｂおよび第３
の側面１２ｃに貼着される。 【００１５】振動子１０の中央部１２の第１の側面１２
ａおよび第２の側面１２ｂで挟まれた稜線部には、２つ
の支持部材２４が取り付けられる。支持部材２４は、た
とえばコ字状にした金属線で形成される。これらの支持
部材２４は、振動子１０の屈曲振動のノード点付近で、
半田付けなどによって振動子１０の稜線部に取り付けら
れる。さらに、支持部材２４の端部は、支持基板２６に
固定される。 【００１６】この振動ジャイロを用いる場合、図５に示
すように、圧電素子１６ａ，１６ｂと圧電素子１６ｃと
の間に、発振回路３０が接続される。発振回路３０は、
加算回路３２を含み、この加算回路３２に圧電素子１６
ａ，１６ｂが接続される。加算回路３２は増幅回路３４
に接続され、さらに増幅回路３４は位相回路３６に接続
される。そして、位相回路３６の出力端が、圧電素子１
６ｃに接続される。 【００１７】さらに、圧電素子１６ａ，１６ｂは、検出
回路４０に接続される。検出回路４０は差動増幅回路４
２を含み、この差動増幅回路４２に圧電素子１６ａ，１
６ｂが接続される。差動増幅回路４２は同期検波回路４
４に接続され、同期検波回路４４において、加算回路３
２の信号に同期して差動増幅回路４２の出力信号が検波
される。さらに、同期検波回路４４は平滑回路４６に接
続され、平滑回路４６は直流増幅回路４８に接続され
る。 【００１８】この振動ジャイロでは、圧電素子１６ａ，
１６ｂの出力信号が、加算回路３２で合成される。加算
回路３２の出力信号は増幅回路３４で増幅され、位相回
路３６で位相補正される。このようにして得られた駆動
信号は、圧電素子１６ｃに入力される。この駆動信号に
より、圧電素子１６ｃは拡張および収縮を繰り返す。そ
れによって、振動子１０は、圧電素子１６ｃ形成面に直
交する向きに屈曲振動する。 【００１９】無回転時においては、圧電素子１６ａ，１
６ｂの屈曲状態は同じであり、その出力信号も同じであ
る。したがって、検出回路４０の差動増幅回路４２から
は信号が出力されない。振動子１０の軸を中心にして回
転すると、コリオリ力によって、振動子１０の振動方向
が変わる。それにより、圧電素子１６ａ，１６ｂの屈曲
状態に差が生じ、圧電素子１６ａ，１６ｂからは異なる
信号が出力される。そのため、差動増幅回路４２から
は、圧電素子１６ａ，１６ｂの出力信号の差に対応した
信号が出力される。差動増幅回路４２の出力信号は、同
期検波回路４４において、加算回路３２の信号に同期し
て検波される。それによって、同期検波回路４４から
は、差動増幅回路４２の出力信号の正部分のみまたは負
部分のみ、または正負いずれかを反転した信号が出力さ
れる。同期検波回路４４の出力信号は平滑回路４６で平
滑され、さらに直流増幅回路４８で増幅される。 【００２０】振動子１０の振動方向の変化量は、コリオ
リ力に対応しており、コリオリ力は回転角速度に対応し
ているため、圧電素子１６ａ，１６ｂの出力信号の変化
は、回転角速度に対応したものとなる。したがって、直
流増幅回路４８の出力信号を測定することにより、振動
ジャイロに加わった回転角速度を検出することができ
る。また、回転角速度の向きが変われば、コリオリ力の
向きも逆になる。そのため、振動子１０の振動方向の変
化も逆となり、差動増幅回路４２から出力される信号の
位相が逆となる。それにより、同期検波回路４４から出
力される信号の極性が逆となり、最終的に直流増幅回路
４８から出力される直流信号の極性が逆となる。したが
って、直流増幅回路４８の出力信号の極性から、回転角
速度の向きを知ることができる。 【００２１】この振動子１０では、三角柱状の材料の１
つの面を切削することにより、振動子１０を製造するこ
とができ、複雑な加工をする必要がない。そのため、量
産性に優れ、安価に製造することができる。また、振動
子１０の中央部１２部分を細くして、その両端に中央部
１２の断面より大きい断面を有する両端部１４が形成さ
れているため、この振動子１０を屈曲振動させたとき
に、振幅を大きくすることができる。 【００２２】さらに、振動子１０の両端部１４が大きく
形成されていることにより、振動子１０の振幅を大きく
することができるため、振動子１０の中央部１２を極端
に細くする必要がなく、従来の振動子を用いた振動ジャ
イロと同じ大きさの圧電素子を貼着することができる。
そのため、この振動子１０を振動ジャイロに応用すれ
ば、圧電素子の検出効率が従来のものと変わらず、しか
も振動子１０の振幅を大きくすることができるために、
加わった回転角速度に対応した大きい出力信号を得るこ
とができ、回転角速度の検出感度を高めることができ
る。しかも、圧電素子１６ａ〜１６ｃの全面を振動子１
０に貼着することができるため、圧電素子が破損しにく
い。 【００２３】 【発明の効果】この発明によれば、簡単に製造すること
ができ、破損しにくく、しかも屈曲振動させたときに振
幅の大きい振動子を得ることができる。そのため、この
振動子を振動ジャイロに応用すれば、加わった回転角速
度に対応した大きい出力信号を得ることができ、回転角
速度の検出感度を良好にすることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の振動ジャイロ用振動子の一例を示す
斜視図である。 【図２】図１に示す振動ジャイロ用振動子の断面図であ
る。 【図３】図１に示す振動ジャイロ用振動子を用いた振動
ジャイロの一例を示す斜視図である。 【図４】図３に示す振動ジャイロの断面図である。 【図５】図３に示す振動ジャイロを使用するための回路
図である。 【図６】従来の振動ジャイロ用振動子を用いた振動ジャ
イロを示す斜視図である。 【図７】図６に示す従来の振動ジャイロを使用するため
の回路図である。 【図８】振動ジャイロ用振動子の振幅を大きくして検出
感度を良好にした従来の振動ジャイロの一例を示す斜視
図である。 【図９】振動ジャイロ用振動子の振幅を大きくして検出
感度を良好にした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 振動ジャイロ用振動子 １２ 中央部 １４ 両端部 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ 圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 断面三角形の柱状の振動ジャイロ用振動
   子であって、 ２つの側面のそれぞれは、全面が同一面上に形成され、 他の１つの側面の長手方向の中央部が両端部より内側に
   形成された、振動ジャイロ用振動子。