JP3439861B2 - 振動型ジャイロスコープ - Google Patents
振動型ジャイロスコープInfo
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- JP3439861B2 JP3439861B2 JP02770295A JP2770295A JP3439861B2 JP 3439861 B2 JP3439861 B2 JP 3439861B2 JP 02770295 A JP02770295 A JP 02770295A JP 2770295 A JP2770295 A JP 2770295A JP 3439861 B2 JP3439861 B2 JP 3439861B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、所定の方向へ変形振動
する弾性体が回転系内に置かれたときに、コリオリ力に
より生じる前記振動方向と直交する方向の変形振動を検
出して、回転系の角速度を求めることのできる振動型ジ
ャイロスコープに関する。
する弾性体が回転系内に置かれたときに、コリオリ力に
より生じる前記振動方向と直交する方向の変形振動を検
出して、回転系の角速度を求めることのできる振動型ジ
ャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】回転角速度を検出するジャイロスコープ
は、車載用ナビゲーションシステム、航空機や船舶等の
慣性航法システムや姿勢制御システム、ロボツトや無人
走行車等の姿勢制御システム、さらにはテレビカメラや
ビデオカメラの画面振れ防止装置等に使用される。
は、車載用ナビゲーションシステム、航空機や船舶等の
慣性航法システムや姿勢制御システム、ロボツトや無人
走行車等の姿勢制御システム、さらにはテレビカメラや
ビデオカメラの画面振れ防止装置等に使用される。
【０００３】このような種々の分野の使用に適するジャ
イロスコープとしては小型のものが必要になっており、
そこで振動型ジャイロスコープが着目されている。
イロスコープとしては小型のものが必要になっており、
そこで振動型ジャイロスコープが着目されている。
【０００４】図３、図４（ａ）は、この種の振動型ジャ
イロスコープの従来例を示し、図４（ｂ）は同図（ａ）
の振動型ジャイロスコープのＺ軸方向矢視図である。
イロスコープの従来例を示し、図４（ｂ）は同図（ａ）
の振動型ジャイロスコープのＺ軸方向矢視図である。
【０００５】図３に示す振動型ジャイロスコープでは、
恒弾性金属（エリンバ）により形成された四角柱状の弾
性体１の側面に、駆動用の圧電素子２ａと検出用の圧電
素子２ｂが固着されている。
恒弾性金属（エリンバ）により形成された四角柱状の弾
性体１の側面に、駆動用の圧電素子２ａと検出用の圧電
素子２ｂが固着されている。
【０００６】この例では、駆動用の圧電素子２ａにより
柱状弾性体１にＸ軸方向の曲げ振動を与えながら、柱状
弾性体１をＺ軸回りの回転系内に置くと、柱状弾性体１
に対しＹ軸方向へのコリオリ力が作用し、柱状弾性体１
はＹ軸方向へ振動する。このＹ軸方向の曲げ振動による
変形量が圧電素子２ｂにより検出される。
柱状弾性体１にＸ軸方向の曲げ振動を与えながら、柱状
弾性体１をＺ軸回りの回転系内に置くと、柱状弾性体１
に対しＹ軸方向へのコリオリ力が作用し、柱状弾性体１
はＹ軸方向へ振動する。このＹ軸方向の曲げ振動による
変形量が圧電素子２ｂにより検出される。
【０００７】また図４（ａ）、（ｂ）に示す例において
は、同様に恒弾性金属（エリンバ）により形成された三
角柱状の弾性体３の各側面に、圧電素子４ａ，４ｂおよ
び４ｃが固着されている。
は、同様に恒弾性金属（エリンバ）により形成された三
角柱状の弾性体３の各側面に、圧電素子４ａ，４ｂおよ
び４ｃが固着されている。
【０００８】この例においては、圧電素子４ａと圧電素
子４ｂ，４ｃとで弾性体３にＸ軸方向の曲げ振動を与え
ながら、弾性体３をＺ軸回りの回転系内に置くと、弾性
体３に対しＹ軸方向へのコリオリ力が作用し、弾性体３
はＹ軸方向へ振動する。このＹ軸方向の曲げ振動による
変形量が圧電素子４ｂおよび４ｃにより検出される上記
に示した四角柱状の弾性体１または三角柱状の弾性体３
の質量をｍ、弾性体１または弾性体３のＸ軸方向の振動
速度をｖ（ベクトル値）、回転系でのＺ軸回りの角速度
をω0 （ベクトル値）とすると、コリオリ力Ｆ（ベクト
ル値）は、
子４ｂ，４ｃとで弾性体３にＸ軸方向の曲げ振動を与え
ながら、弾性体３をＺ軸回りの回転系内に置くと、弾性
体３に対しＹ軸方向へのコリオリ力が作用し、弾性体３
はＹ軸方向へ振動する。このＹ軸方向の曲げ振動による
変形量が圧電素子４ｂおよび４ｃにより検出される上記
に示した四角柱状の弾性体１または三角柱状の弾性体３
の質量をｍ、弾性体１または弾性体３のＸ軸方向の振動
速度をｖ（ベクトル値）、回転系でのＺ軸回りの角速度
をω0 （ベクトル値）とすると、コリオリ力Ｆ（ベクト
ル値）は、
【０００９】
【数１】Ｆ＝２ｍ（ｖ×ω0 ）（×はベクトル積）
と表わされ、コリオリ力Ｆは角速度ω0 に比例する。よ
って、弾性体１または弾性体３のＹ軸方向への変形振動
が圧電素子により検出されることにより、角速度ω0 が
求められる。
って、弾性体１または弾性体３のＹ軸方向への変形振動
が圧電素子により検出されることにより、角速度ω0 が
求められる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図３または図
４に示す振動型ジャイロスコープは、いずれも柱形状の
弾性体１または３が使用され、柱状の各側面を高精度に
加工する必要がある。すなわち図３に示す弾性体１で
は、断面が正方形となるように、また図４に示す弾性体
３では、断面が正三角形となるように、高精度に加工す
る必要があるが、この加工には高い精度が要求され、量
産性に適さないものとなる。
４に示す振動型ジャイロスコープは、いずれも柱形状の
弾性体１または３が使用され、柱状の各側面を高精度に
加工する必要がある。すなわち図３に示す弾性体１で
は、断面が正方形となるように、また図４に示す弾性体
３では、断面が正三角形となるように、高精度に加工す
る必要があるが、この加工には高い精度が要求され、量
産性に適さないものとなる。
【００１１】また、柱状の弾性体１または３を有する振
動型ジャイロスコープは立体的な構造で比較的大型のも
のになり、回路基板上などでの実装スペースが広く必要
になる。
動型ジャイロスコープは立体的な構造で比較的大型のも
のになり、回路基板上などでの実装スペースが広く必要
になる。
【００１２】さらに、図３に示すものでは、四角柱形状
の弾性体１の各側面に圧電素子２ａ，２ｂを固着するこ
とになるが、各側面での圧電素子の固着位置を高精度に
揃える必要がある。同様に図４に示すものにおいても、
三角柱の弾性体の３つの側面に圧電素子４ａ，４ｂ，４
ｃを高精度に位置決めして固着する必要がある。このよ
うに立体的な各側面にそれぞれ圧電素子を高精度に位置
決めして固着するのは、高精度な製造工程が必要にな
る。
の弾性体１の各側面に圧電素子２ａ，２ｂを固着するこ
とになるが、各側面での圧電素子の固着位置を高精度に
揃える必要がある。同様に図４に示すものにおいても、
三角柱の弾性体の３つの側面に圧電素子４ａ，４ｂ，４
ｃを高精度に位置決めして固着する必要がある。このよ
うに立体的な各側面にそれぞれ圧電素子を高精度に位置
決めして固着するのは、高精度な製造工程が必要にな
る。
【００１３】また、図４（ａ）に示す三角柱形状の弾性
体３を用いた振動型ジャイロスコープでは、同図（ｂ）
に示すように圧電素子４ａが振動方向のＹ軸に対して正
三角形の底辺に置かれ、他の２つの圧電素子４ｂおよび
４ｃは互いに平行とならず、正三角形の斜辺分の傾きを
以って配置されることになる。よって弾性体３をＸ方向
へ振動させるときに、圧電素子４ｂ，４ｃの圧電力がＸ
方向に対してベクトルの分力として作用し、またコリオ
リ力によるＹ方向への振動を検出する際も、圧電素子４
ｃと４ｂが弾性体３のＹ方向の変形を分力として検出す
るものとなる。
体３を用いた振動型ジャイロスコープでは、同図（ｂ）
に示すように圧電素子４ａが振動方向のＹ軸に対して正
三角形の底辺に置かれ、他の２つの圧電素子４ｂおよび
４ｃは互いに平行とならず、正三角形の斜辺分の傾きを
以って配置されることになる。よって弾性体３をＸ方向
へ振動させるときに、圧電素子４ｂ，４ｃの圧電力がＸ
方向に対してベクトルの分力として作用し、またコリオ
リ力によるＹ方向への振動を検出する際も、圧電素子４
ｃと４ｂが弾性体３のＹ方向の変形を分力として検出す
るものとなる。
【００１４】したがって、弾性体１の振動駆動効率が悪
く、またコリオリ力による振動の検出効率も悪くなる。
く、またコリオリ力による振動の検出効率も悪くなる。
【００１５】また圧電素子が立体的な各側面に設けられ
るので、例えばスパッタリングや蒸着などの薄膜形成技
術により、圧電素子およびその電極を形成することがで
きず、量産性の向上や製造コストを下げることに限界が
ある。
るので、例えばスパッタリングや蒸着などの薄膜形成技
術により、圧電素子およびその電極を形成することがで
きず、量産性の向上や製造コストを下げることに限界が
ある。
【００１６】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、全体の構造を平面的に構成して薄型化を可能と
し、また複数の電極を同一面に高精度に配置できるよう
にし、さらに電極の形成に薄膜形成技術を利用すること
を可能としたことを目的としている。
あり、全体の構造を平面的に構成して薄型化を可能と
し、また複数の電極を同一面に高精度に配置できるよう
にし、さらに電極の形成に薄膜形成技術を利用すること
を可能としたことを目的としている。
【００１７】また、本発明は同一平面に形成した電極に
より弾性体を振動させ、コリオリ力による振動成分を前
記の同じ電極から検出できるようにすることを目的とし
ている。
より弾性体を振動させ、コリオリ力による振動成分を前
記の同じ電極から検出できるようにすることを目的とし
ている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明による振動型ジャ
イロスコープは、圧電材料で構成された縦長の弾性体
の、長手方向を三次元座標のＺ方向、厚み方向をＹ方
向、幅方向をＸ方向とし、Ｘ−Ｚ面と平行で互いに対向
する表面を第一の表面および第二の表面としたときに、
前記第一の表面には、Ｚ方向に向けて平行に延びる第一
の電極と第二の電極とが設けられ、前記第二の表面の全
面に、前記第一の電極と第二の電極の双方に対向する対
向電極が設けられており、前記弾性体内では、第一の電
極が設けられている部分と第二の電極が設けられている
部分で圧電材料の誘電分極方向が同じであり、第一の電
極に駆動電力Ｖａ＝ν ０ ｓｉｎωｔが、第二の電極に前
記と逆位相の駆動電力Ｖｂ＝−ν ０ ｓｉｎωｔが与えら
れて、前記弾性体が前記Ｘ方向へ向けて曲げ変形振動す
るように駆動され、前記第一の電極から、前記駆動電力
Ｖａと前記ωｔに対して位相の進みまたは遅れ量を有す
る出力とを含む検出出力ＶC1が得られ、第二の電極か
ら、前記駆動電力Ｖｂと前記ωｔに対して位相の進みま
たは遅れ量を有する出力とを含む検出出力ＶD1が得ら
れ、 前記検出出力ＶC1と前記検出出力ＶD1とから、前記
位相の進みまたは遅れ量を有する出力を取り出して、回
転系内におかれたときに振動体に対してＹ方向に作用す
るコリオリ力による振動成分を検出する検出部を有する
ことを特徴とするものである。
イロスコープは、圧電材料で構成された縦長の弾性体
の、長手方向を三次元座標のＺ方向、厚み方向をＹ方
向、幅方向をＸ方向とし、Ｘ−Ｚ面と平行で互いに対向
する表面を第一の表面および第二の表面としたときに、
前記第一の表面には、Ｚ方向に向けて平行に延びる第一
の電極と第二の電極とが設けられ、前記第二の表面の全
面に、前記第一の電極と第二の電極の双方に対向する対
向電極が設けられており、前記弾性体内では、第一の電
極が設けられている部分と第二の電極が設けられている
部分で圧電材料の誘電分極方向が同じであり、第一の電
極に駆動電力Ｖａ＝ν ０ ｓｉｎωｔが、第二の電極に前
記と逆位相の駆動電力Ｖｂ＝−ν ０ ｓｉｎωｔが与えら
れて、前記弾性体が前記Ｘ方向へ向けて曲げ変形振動す
るように駆動され、前記第一の電極から、前記駆動電力
Ｖａと前記ωｔに対して位相の進みまたは遅れ量を有す
る出力とを含む検出出力ＶC1が得られ、第二の電極か
ら、前記駆動電力Ｖｂと前記ωｔに対して位相の進みま
たは遅れ量を有する出力とを含む検出出力ＶD1が得ら
れ、 前記検出出力ＶC1と前記検出出力ＶD1とから、前記
位相の進みまたは遅れ量を有する出力を取り出して、回
転系内におかれたときに振動体に対してＹ方向に作用す
るコリオリ力による振動成分を検出する検出部を有する
ことを特徴とするものである。
【００１９】第２の本発明による振動型ジャイロスコー
プは、圧電材料で構成された縦長の弾性体の、長手方向
を三次元座標のＺ方向、厚み方向をＹ方向、幅方向をＸ
方向とし、Ｘ−Ｚ面と平行で互いに対向する表面を第一
の表面および第二の表面としたときに、 前記第一の表面
には、Ｚ方向に向けて平行に延びる第一の電極と第二の
電極とが設けられ、前記第二の表面の全面に、前記第一
の電極と第二の電極の双方に対向する対向電極が設けら
れており、 前記弾性体内では、第一の電極が設けられて
いる部分と第二の電極が設けられている部分で圧電材料
の誘電分極方向が互いに逆向きであり、第一の電極と第
二の電極に対して同位相の駆動電力Ｖａ＝ν ０ ｓｉｎω
ｔが与えられて、前記弾性体が前記Ｘ方向へ向けて曲げ
変形振動するように駆動され、 前記第一の電極から、前
記駆動電力Ｖａと前記ωｔに対して位相の進みまたは遅
れ量を有する出力とを含む検出出力ＶC2が得られ、第二
の電極から、前記駆動電力Ｖａと前記ωｔに対して位相
の進みまたは遅れ量を有する出力とを含む検出出力ＶD2
が得られ、 前記検出出力ＶC2と前記検出出力ＶD2とか
ら、前記位相の進みまたは遅れ量を有する出力を取り出
して、回転系内におかれたときに振動体に対してＹ方向
に作用するコリオリ力による振動成分を検出する検出部
を有することを特徴とするものである。
プは、圧電材料で構成された縦長の弾性体の、長手方向
を三次元座標のＺ方向、厚み方向をＹ方向、幅方向をＸ
方向とし、Ｘ−Ｚ面と平行で互いに対向する表面を第一
の表面および第二の表面としたときに、 前記第一の表面
には、Ｚ方向に向けて平行に延びる第一の電極と第二の
電極とが設けられ、前記第二の表面の全面に、前記第一
の電極と第二の電極の双方に対向する対向電極が設けら
れており、 前記弾性体内では、第一の電極が設けられて
いる部分と第二の電極が設けられている部分で圧電材料
の誘電分極方向が互いに逆向きであり、第一の電極と第
二の電極に対して同位相の駆動電力Ｖａ＝ν ０ ｓｉｎω
ｔが与えられて、前記弾性体が前記Ｘ方向へ向けて曲げ
変形振動するように駆動され、 前記第一の電極から、前
記駆動電力Ｖａと前記ωｔに対して位相の進みまたは遅
れ量を有する出力とを含む検出出力ＶC2が得られ、第二
の電極から、前記駆動電力Ｖａと前記ωｔに対して位相
の進みまたは遅れ量を有する出力とを含む検出出力ＶD2
が得られ、 前記検出出力ＶC2と前記検出出力ＶD2とか
ら、前記位相の進みまたは遅れ量を有する出力を取り出
して、回転系内におかれたときに振動体に対してＹ方向
に作用するコリオリ力による振動成分を検出する検出部
を有することを特徴とするものである。
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【作用】上記手段では、弾性体が圧電セラミックや単結
晶材料などの圧電材料で構成される。第一と第二の電極
は、前記圧電材料の同一の平面に形成され、この第一と
第二の電極に対向する対向電極は、第一と第二の電極と
逆の平面に形成される。第一と第二の電極が同じ平面に
形成されるため、互いの位置を高精度に決めることが容
易であり、また薄膜形成技術により両電極を形成するこ
とも可能である。
晶材料などの圧電材料で構成される。第一と第二の電極
は、前記圧電材料の同一の平面に形成され、この第一と
第二の電極に対向する対向電極は、第一と第二の電極と
逆の平面に形成される。第一と第二の電極が同じ平面に
形成されるため、互いの位置を高精度に決めることが容
易であり、また薄膜形成技術により両電極を形成するこ
とも可能である。
【００２３】圧電材料の誘電分極方向が、第一の電極と
第二の電極とに対して同じ向きである場合には、第一と
第二の電極に逆位相の電圧を与えることにより、弾性体
は電極が形成されている面の方向へ曲げ変形振動する。
圧電材料の誘電分極方向が、第一の電極と第二の電極と
で異なる方向である場合には、第一と第二の電極に同じ
位相の電力を与えることにより、弾性体は電極が形成さ
れた面の方向へ曲げ変形振動する。
第二の電極とに対して同じ向きである場合には、第一と
第二の電極に逆位相の電圧を与えることにより、弾性体
は電極が形成されている面の方向へ曲げ変形振動する。
圧電材料の誘電分極方向が、第一の電極と第二の電極と
で異なる方向である場合には、第一と第二の電極に同じ
位相の電力を与えることにより、弾性体は電極が形成さ
れた面の方向へ曲げ変形振動する。
【００２４】同じ平面に形成された第一と第二の電極に
対して誘電分極方向が同じとなる圧電材料は、水晶やＬ
ｉＮｂＯ3などの単結晶材料により形成できる。また第
一と第二の電極に対して異なる分極方向となる圧電材料
は、ＰＺＴ系などの圧電セラミック材料などにより形成
できる。この場合、例えば圧電材料をシリコンオイル中
にて高電圧を掛けることにより比較的簡単に且つ自由に
誘電分極方向を設定することが可能である。
対して誘電分極方向が同じとなる圧電材料は、水晶やＬ
ｉＮｂＯ3などの単結晶材料により形成できる。また第
一と第二の電極に対して異なる分極方向となる圧電材料
は、ＰＺＴ系などの圧電セラミック材料などにより形成
できる。この場合、例えば圧電材料をシリコンオイル中
にて高電圧を掛けることにより比較的簡単に且つ自由に
誘電分極方向を設定することが可能である。
【００２５】上記のようにして電極が形成された面の方
向へ振動している弾性体が回転系内に置かれると、コリ
オリ力が、電極が形成された面と直交する方向へ作用
し、弾性体が同方向へ振動する。このとき第一の電極と
第二の電極からの検出電力から、コリオリ力による振動
成分が検出され、角速度が求められる。
向へ振動している弾性体が回転系内に置かれると、コリ
オリ力が、電極が形成された面と直交する方向へ作用
し、弾性体が同方向へ振動する。このとき第一の電極と
第二の電極からの検出電力から、コリオリ力による振動
成分が検出され、角速度が求められる。
【００２６】
【００２７】
【実施例】以下、本発明について図面を参照して説明す
る。
る。
【００２８】図１（ａ）は、本発明の第一実施例の振動
型ジャイロスコープを示す斜視図、同図（ｂ）は、その
回路構成図、図２（ａ）は、本発明の第二実施例の振動
型ジャイロスコープを示す斜視図、同図（ｂ）は、その
回路構成図である。
型ジャイロスコープを示す斜視図、同図（ｂ）は、その
回路構成図、図２（ａ）は、本発明の第二実施例の振動
型ジャイロスコープを示す斜視図、同図（ｂ）は、その
回路構成図である。
【００２９】（第一実施例）
図１（ａ）に示す第一実施例の振動型ジャイロスコープ
１１では、板状の弾性体１２が、圧電材料により形成さ
れている。この実施例では、弾性体１２を構成する圧電
材料の圧電分極方向を白抜きの矢印で示している。各部
分での誘電分極方向は同じ−Ｙ方向であるため、この弾
性体１２は、水晶やＬｉＮｂＯ3などの単結晶材料によ
り形成することが可能である。あるいはＰＺＴ系などの
圧電セラミック材料を用い、板厚方向への誘電分極方向
が全ての位置において同じとなるように設定してもよ
い。
１１では、板状の弾性体１２が、圧電材料により形成さ
れている。この実施例では、弾性体１２を構成する圧電
材料の圧電分極方向を白抜きの矢印で示している。各部
分での誘電分極方向は同じ−Ｙ方向であるため、この弾
性体１２は、水晶やＬｉＮｂＯ3などの単結晶材料によ
り形成することが可能である。あるいはＰＺＴ系などの
圧電セラミック材料を用い、板厚方向への誘電分極方向
が全ての位置において同じとなるように設定してもよ
い。
【００３０】弾性体１２を構成する圧電材料の一方の面
には、Ｚ方向に延びる第一の電極１３ａと第二の電極１
３ｂが形成されており、逆側の面には対向電極１４がほ
ぼ全面に形成されている。電極１３ａ，１３ｂおよび電
極１４は、銅などの導電性材料により形成されている。
例えば弾性体１２を構成する圧電材料の表裏両面に銅の
薄膜をスパッタリングや蒸着などの手段で全面に形成し
ておく。一方の面の銅の薄膜をエッチングすることによ
り第一と第二の電極１３ａと１３ｂを形成することがで
き、他方の面は全面に銅の薄膜を残して、これを対向電
極１４とすることができる。薄膜形成工程およびエッチ
ング工程を用いて、第一と第二の電極１３ａと１３ｂを
形成すれば、弾性体１２に対する両電極１３ａと１３ｂ
の相対位置や、それぞれの電極１３ａと１３ｂの面積な
どを高精度に形成できる。
には、Ｚ方向に延びる第一の電極１３ａと第二の電極１
３ｂが形成されており、逆側の面には対向電極１４がほ
ぼ全面に形成されている。電極１３ａ，１３ｂおよび電
極１４は、銅などの導電性材料により形成されている。
例えば弾性体１２を構成する圧電材料の表裏両面に銅の
薄膜をスパッタリングや蒸着などの手段で全面に形成し
ておく。一方の面の銅の薄膜をエッチングすることによ
り第一と第二の電極１３ａと１３ｂを形成することがで
き、他方の面は全面に銅の薄膜を残して、これを対向電
極１４とすることができる。薄膜形成工程およびエッチ
ング工程を用いて、第一と第二の電極１３ａと１３ｂを
形成すれば、弾性体１２に対する両電極１３ａと１３ｂ
の相対位置や、それぞれの電極１３ａと１３ｂの面積な
どを高精度に形成できる。
【００３１】駆動電源部は、交流電源１５と位相反転回
路１６などにより構成される。交流電源１５からは、弾
性体１２のＸ方向への共振点または反共振点にほぼ等し
くなる周波数の電力が発せられる。第一の電極１３ａに
対しては、交流電源１５からの駆動電力が端子Ａ１を介
して与えられ、第二の電極１３ｂに対しては、交流電源
１５からの駆動電力が位相反転回路１６により反転さ
れ、端子Ｂ１を介して与えられる。すなわちこの駆動電
源部では、第一の電極１３ａと第二の電極１３ｂに対し
て逆位相の駆動電力が与えられる。また対向電極１４は
接地され、または所定の電位に設定される。
路１６などにより構成される。交流電源１５からは、弾
性体１２のＸ方向への共振点または反共振点にほぼ等し
くなる周波数の電力が発せられる。第一の電極１３ａに
対しては、交流電源１５からの駆動電力が端子Ａ１を介
して与えられ、第二の電極１３ｂに対しては、交流電源
１５からの駆動電力が位相反転回路１６により反転さ
れ、端子Ｂ１を介して与えられる。すなわちこの駆動電
源部では、第一の電極１３ａと第二の電極１３ｂに対し
て逆位相の駆動電力が与えられる。また対向電極１４は
接地され、または所定の電位に設定される。
【００３２】検出部では、第一の電極１３ａの電力が端
子Ｃ１から、第二の電極１３ｂの電力が端子Ｄ１から検
出される。この実施例では、検出部において、加算手段
１７により両電極１３ａと１３ｂの電力の和が求められ
る。
子Ｃ１から、第二の電極１３ｂの電力が端子Ｄ１から検
出される。この実施例では、検出部において、加算手段
１７により両電極１３ａと１３ｂの電力の和が求められ
る。
【００３３】なお、上記位相反転回路１６には、ＯＰア
ンプを用いて構成される反転増幅回路等を用いても良
い。
ンプを用いて構成される反転増幅回路等を用いても良
い。
【００３４】交流電源１５からの駆動電力の周波数をｆ
とすると、角周波数ωはω＝２πｆである。端子Ａ１を
介して第一の電極１３ａには数２の駆動電圧Ｖaが与え
られる。なお、以下では、圧電材料が定電流により駆動
され、また振動成分が電圧として検出される場合を例と
して説明する。圧電材料が定電圧により駆動され、また
振動成分が電流として検出される場合もあるが、この場
合の電流は電圧と位相が相違するだけであり、以下の数
式における関係は同じである。
とすると、角周波数ωはω＝２πｆである。端子Ａ１を
介して第一の電極１３ａには数２の駆動電圧Ｖaが与え
られる。なお、以下では、圧電材料が定電流により駆動
され、また振動成分が電圧として検出される場合を例と
して説明する。圧電材料が定電圧により駆動され、また
振動成分が電流として検出される場合もあるが、この場
合の電流は電圧と位相が相違するだけであり、以下の数
式における関係は同じである。
【００３５】
【数２】Ｖa ＝ν0 ｓｉｎωｔ
【００３６】第二の電極１３ｂには、交流電源１５で発
生した電圧が位相反転回路１６により位相反転され（位
相を１８０度ずらして）与えられる。よって第一の電極
１３ａに数２の電圧が与えられるとき、第二の電極１３
ｂに与えられる電圧Ｖbは、
生した電圧が位相反転回路１６により位相反転され（位
相を１８０度ずらして）与えられる。よって第一の電極
１３ａに数２の電圧が与えられるとき、第二の電極１３
ｂに与えられる電圧Ｖbは、
【００３７】
【数３】Ｖb ＝−ν0 ｓｉｎωｔ
である。
【００３８】対向電極１４に対する第一の電極１３ａと
第二の電極１３ｂの電圧の位相が相違するために、ある
時点で圧電材料の１２ａで示す部分がＹ方向に伸びる
と、そのとき圧電材料の１２ｂで示す部分がＹ方向に収
縮する。この伸びと収縮が、前記周波数ｆにて繰返さ
れ、よって、弾性体１２は電極が形成された面の方向
（Ｘ方向）へ周波数ｆにて曲げ変形振動する。
第二の電極１３ｂの電圧の位相が相違するために、ある
時点で圧電材料の１２ａで示す部分がＹ方向に伸びる
と、そのとき圧電材料の１２ｂで示す部分がＹ方向に収
縮する。この伸びと収縮が、前記周波数ｆにて繰返さ
れ、よって、弾性体１２は電極が形成された面の方向
（Ｘ方向）へ周波数ｆにて曲げ変形振動する。
【００３９】この状態で振動型ジャイロスコープ１１が
Ｚ軸回りの回転系内に置かれると、弾性体１２に対しＹ
軸方向へコリオリ力が作用し、弾性体１２がＹ軸方向へ
曲げ変形振動する。弾性体１２の圧電材料の１２ａの部
分と１２ｂの部分がＹ方向へ曲げ変形振動する際に電極
１３ａと１３ｂに誘起される電圧Ｖ1を数４で表わす。
数４でのν1は、Ｙ方向での振動で誘起される電圧の最
大値を示し、δは電極１３ａと１３ｂに与えられる前記
駆動電圧に対する位相の進み量または遅れ量を示す。
Ｚ軸回りの回転系内に置かれると、弾性体１２に対しＹ
軸方向へコリオリ力が作用し、弾性体１２がＹ軸方向へ
曲げ変形振動する。弾性体１２の圧電材料の１２ａの部
分と１２ｂの部分がＹ方向へ曲げ変形振動する際に電極
１３ａと１３ｂに誘起される電圧Ｖ1を数４で表わす。
数４でのν1は、Ｙ方向での振動で誘起される電圧の最
大値を示し、δは電極１３ａと１３ｂに与えられる前記
駆動電圧に対する位相の進み量または遅れ量を示す。
【００４０】
【数４】Ｖ1 ＝ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
【００４１】第一の電極１３ａと第二の電極１３ｂに
は、駆動電圧Ｖa，Ｖbと、上記電圧Ｖ１が混在すること
になる。すなわち第一の電極１３ａの電圧ＶC1は数５で
表わされ、第二の電極１３ｂの電圧ＶD1は数６で表わさ
れる。
は、駆動電圧Ｖa，Ｖbと、上記電圧Ｖ１が混在すること
になる。すなわち第一の電極１３ａの電圧ＶC1は数５で
表わされ、第二の電極１３ｂの電圧ＶD1は数６で表わさ
れる。
【００４２】
【数５】
ＶC1＝ Ｖa ＋Ｖ1 ＝ν0 ｓｉｎωｔ＋ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
【００４３】
【数６】
ＶD1＝Ｖb ＋Ｖ1 ＝−ν0 ｓｉｎωｔ＋ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
【００４４】検出部には加算手段１７が設けられ、第一
の電極１３ａの電圧ＶC1と第二の電極１３ｂの電圧ＶD1
との和が求められて検出出力Ｖoutとなる。このＶoutは
数７で示す通りである。
の電極１３ａの電圧ＶC1と第二の電極１３ｂの電圧ＶD1
との和が求められて検出出力Ｖoutとなる。このＶoutは
数７で示す通りである。
【００４５】
【数７】
Ｖout＝ＶC1＋ＶD1＝｛ν0 ｓｉｎωｔ＋ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝
＋｛−ν0 ｓｉｎωｔ＋ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝
＝２ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）＝２Ｖ1
【００４６】この検出出力Ｖoutでは、駆動電力である
ＶaとＶbの成分が消去され、コリオリ力によるＹ方向の
振動で誘導された電圧Ｖ1のみの成分となる。よってこ
の検出出力Ｖoutに基づいて、回転系での角速度ω0を求
めることができる。
ＶaとＶbの成分が消去され、コリオリ力によるＹ方向の
振動で誘導された電圧Ｖ1のみの成分となる。よってこ
の検出出力Ｖoutに基づいて、回転系での角速度ω0を求
めることができる。
【００４７】（第二実施例）
図２（ａ）に示す第二実施例の振動型ジャイロスコープ
２１では、弾性体２２が平板状の圧電材料により形成さ
れているが、この圧電材料はＰＺＴ系の圧電セラミック
などであり、各部位にて誘電分極方向を自由に設定でき
るものとなっている。図１に示したものと同様に、弾性
体２２の圧電材料の一方の面には第一の電極２３ａと第
二の電極２３ｂが形成され、逆側の面に、第一と第二の
電極に対向する対向電極２４がほぼ全面に形成されてい
る。この実施例でも電極２３ａ，２３ｂと２４は銅の薄
膜などにより形成され、また第一と第二の電極２３ａ，
２３ｂはエッチング工程により形成される。
２１では、弾性体２２が平板状の圧電材料により形成さ
れているが、この圧電材料はＰＺＴ系の圧電セラミック
などであり、各部位にて誘電分極方向を自由に設定でき
るものとなっている。図１に示したものと同様に、弾性
体２２の圧電材料の一方の面には第一の電極２３ａと第
二の電極２３ｂが形成され、逆側の面に、第一と第二の
電極に対向する対向電極２４がほぼ全面に形成されてい
る。この実施例でも電極２３ａ，２３ｂと２４は銅の薄
膜などにより形成され、また第一と第二の電極２３ａ，
２３ｂはエッチング工程により形成される。
【００４８】この実施例では、Ｙ方向に延びる中央断面
Ｏを境として、弾性体２２を構成する圧電材料の一方の
部分２２ａと他方の部分２２ｂとで、誘電分極方向（白
抜きの矢印で示す）が逆向きである。第一の電極２３ａ
に対応する部分２２ａでは誘電分極方向が−Ｙ方向で、
第二の電極２３ｂに対応する部分２２ｂでは、誘電分極
方向が＋Ｙ方向である。
Ｏを境として、弾性体２２を構成する圧電材料の一方の
部分２２ａと他方の部分２２ｂとで、誘電分極方向（白
抜きの矢印で示す）が逆向きである。第一の電極２３ａ
に対応する部分２２ａでは誘電分極方向が−Ｙ方向で、
第二の電極２３ｂに対応する部分２２ｂでは、誘電分極
方向が＋Ｙ方向である。
【００４９】駆動電源部では、所定の周波数ｆの交流電
源２５が設けられており、この交流電源２５からの駆動
電力は端子Ａ２とＢ２を介して、第一の電極２３ａと第
二の電極２３ｂに対して同位相にて与えられる。なお対
向電極２４は接地されまたは所定の電位に設定されてい
る。
源２５が設けられており、この交流電源２５からの駆動
電力は端子Ａ２とＢ２を介して、第一の電極２３ａと第
二の電極２３ｂに対して同位相にて与えられる。なお対
向電極２４は接地されまたは所定の電位に設定されてい
る。
【００５０】この振動型ジャイロスコープ２１が定電流
駆動されるとすると、第一の電極２３ａと第二の電極２
３ｂに与えられる電圧は共に数２に示すのと同じ（Ｖa
＝ν0 ｓｉｎωｔ）である。第一の電極２３ａが設けら
れている部分と第二の電極２３ｂが設けられている部分
とで、弾性体２２の圧電材料の分極方向が逆である。よ
って弾性体２２は、電極が形成された面方向（Ｘ方向）
へ周波数ｆにて曲げ振動（共振）させられる。
駆動されるとすると、第一の電極２３ａと第二の電極２
３ｂに与えられる電圧は共に数２に示すのと同じ（Ｖa
＝ν0 ｓｉｎωｔ）である。第一の電極２３ａが設けら
れている部分と第二の電極２３ｂが設けられている部分
とで、弾性体２２の圧電材料の分極方向が逆である。よ
って弾性体２２は、電極が形成された面方向（Ｘ方向）
へ周波数ｆにて曲げ振動（共振）させられる。
【００５１】この状態で振動型ジャイロスコープ２１が
Ｚ軸回りの回転系内に置かれると、弾性体２２に対しＹ
方向のコリオリ力が作用し、弾性体２２がＹ方向へ曲げ
振動する。このＹ方向の曲げ振動により第一の電極２３
ａに誘起される電圧は｛（ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝で
あるが、第二の電極２３ｂに誘起される電圧は第一の電
極２３ａと逆位相の｛−ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝であ
る。
Ｚ軸回りの回転系内に置かれると、弾性体２２に対しＹ
方向のコリオリ力が作用し、弾性体２２がＹ方向へ曲げ
振動する。このＹ方向の曲げ振動により第一の電極２３
ａに誘起される電圧は｛（ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝で
あるが、第二の電極２３ｂに誘起される電圧は第一の電
極２３ａと逆位相の｛−ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝であ
る。
【００５２】したがって、第１の電極２３ａの電圧ＶC2
は数８となり、第二の電極２３ｂの電圧ＶD2は数９とな
る。
は数８となり、第二の電極２３ｂの電圧ＶD2は数９とな
る。
【００５３】
【数８】
ＶC2＝Ｖa＋Ｖ1 ＝ν0 ｓｉｎωｔ＋ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
【００５４】
【数９】
ＶD2＝Ｖa−Ｖ1 ＝ν0 ｓｉｎωｔ−ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
【００５５】端子Ｃ２と端子Ｄ２で検出された値が減算
手段２８によって減算されると、検出出力Ｖoutは数１
０となる。
手段２８によって減算されると、検出出力Ｖoutは数１
０となる。
【００５６】
【数１０】
Ｖout＝ＶC2−ＶD2 ＝｛ν0 ｓｉｎωｔ＋ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝
−｛ν0 ｓｉｎωｔ−ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）｝
＝２ν1 ｓｉｎ（ωｔ＋δ）＝２Ｖ1
【００５７】この実施例でも、検出出力Ｖoutには、駆
動電力の成分が消去され、コリオリ力による変形振動成
分Ｖ1のみを検出できる。
動電力の成分が消去され、コリオリ力による変形振動成
分Ｖ1のみを検出できる。
【００５８】
【発明の効果】以上のように、本発明では、弾性体が平
板状であり、平板状の圧電材料にて同一面に第一と第二
の電極が形成されている。よって、第一と第二の電極の
相対位置および面積などを互いに高精度に一致させて形
成することが容易にできる。また同一の平面に第一と第
二の電極が形成されるため、各電極を薄膜形成し、且つ
エッチングすることなどが可能であり、高精度な電極を
簡単に形成することができる。
板状であり、平板状の圧電材料にて同一面に第一と第二
の電極が形成されている。よって、第一と第二の電極の
相対位置および面積などを互いに高精度に一致させて形
成することが容易にできる。また同一の平面に第一と第
二の電極が形成されるため、各電極を薄膜形成し、且つ
エッチングすることなどが可能であり、高精度な電極を
簡単に形成することができる。
【００５９】また同一平面に形成された第一と第二の電
極を駆動用と検出用に使用し、位相の進みまたは遅れ量
を有する出力を得ることにより、電極からコリオリ力に
よる振動成分のみを高精度に検出することができる。電
極を駆動用と検出用に兼用することにより全体の構造を
簡単にできる。
極を駆動用と検出用に使用し、位相の進みまたは遅れ量
を有する出力を得ることにより、電極からコリオリ力に
よる振動成分のみを高精度に検出することができる。電
極を駆動用と検出用に兼用することにより全体の構造を
簡単にできる。
【００６０】また、圧電材料として単結晶材料を使用す
れば、分極設定の工程が不要になる。
れば、分極設定の工程が不要になる。
【図１】（ａ）は、本発明の第一実施例の振動型ジャイ
ロスコープを示す斜視図、（ｂ）は、その回路構成図。
ロスコープを示す斜視図、（ｂ）は、その回路構成図。
【図２】（ａ）は、本発明の第二実施例の振動型ジャイ
ロスコープを示す斜視図、（ｂ）は、その回路構成図で
ある。
ロスコープを示す斜視図、（ｂ）は、その回路構成図で
ある。
【図３】従来の振動型ジャイロスコープの第一の例を示
す斜視図である。
す斜視図である。
【図４】（ａ）は従来の振動型ジャイロスコープの第二
の例を示す斜視図、（ｂ）は、そのＺ軸方向矢視図であ
る。
の例を示す斜視図、（ｂ）は、そのＺ軸方向矢視図であ
る。
１２，２２ 弾性体
１３ａ，２３ａ 第一の電極
１３ｂ，２３ｂ 第二の電極
１４，２４ 対向電極
１５，２５ 交流電源
１６ 位相反転回路
１７ 加算手段
２８ 減算手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 富川 義朗
山形県米沢市林泉寺２丁目２番地３−１
号
(56)参考文献 特開 平４−361113（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−328417（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−120416（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−217115（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−188975（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−102013（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】 圧電材料で構成された縦長の弾性体の、
長手方向を三次元座標のＺ方向、厚み方向をＹ方向、幅
方向をＸ方向とし、Ｘ−Ｚ面と平行で互いに対向する表
面を第一の表面および第二の表面としたときに、 前記第一の表面には、Ｚ方向に向けて平行に延びる第一
の電極と第二の電極とが設けられ、前記第二の表面の全
面に、前記第一の電極と第二の電極の双方に対向する対
向電極が設けられており、 前記弾性体内では、第一の電極が設けられている部分と
第二の電極が設けられている部分で圧電材料の誘電分極
方向が同じであり、第一の電極に駆動電力Ｖａ＝ν ０ ｓ
ｉｎωｔが、第二の電極に前記と逆位相の駆動電力Ｖｂ
＝−ν ０ ｓｉｎωｔが与えられて、前記弾性体が前記Ｘ
方向へ向けて曲げ変形振動するように駆動され、 前記第一の電極から、前記駆動電力Ｖａと前記ωｔに対
して位相の進みまたは遅れ量を有する出力とを含む検出
出力ＶC1が得られ、第二の電極から、前記駆動電力Ｖｂ
と前記ωｔに対して位相の進みまたは遅れ量を有する出
力とを含む検出出力ＶD1が得られ、 前記検出出力ＶC1と前記検出出力ＶD1とから、前記位相
の進みまたは遅れ量を有する出力を取り出して、 回転系
内におかれたときに振動体に対してＹ方向に作用するコ
リオリ力による振動成分を検出する検出部を有すること
を特徴とする振動型ジャイロスコープ。 - 【請求項２】 圧電材料で構成された縦長の弾性体の、
長手方向を三次元座標のＺ方向、厚み方向をＹ方向、幅
方向をＸ方向とし、Ｘ−Ｚ面と平行で互いに対向する表
面を第一の表面および第二の表面としたときに、 前記第一の表面には、Ｚ方向に向けて平行に延びる第一
の電極と第二の電極とが設けられ、前記第二の表面の全
面に、前記第一の電極と第二の電極の双方に対向する対
向電極が設けられており、 前記弾性体内では、第一の電極が設けられている部分と
第二の電極が設けられている部分で圧電材料の誘電分極
方向が互いに逆向きであり、第一の電極と第二の電極に
対して同位相の駆動電力Ｖａ＝ν ０ ｓｉｎωｔが与えら
れて、前記弾性 体が前記Ｘ方向へ向けて曲げ変形振動す
るように駆動され、 前記第一の電極から、前記駆動電力Ｖａと前記ωｔに対
して位相の進みまたは遅れ量を有する出力とを含む検出
出力ＶC2が得られ、第二の電極から、前記駆動電力Ｖａ
と前記ωｔに対して位相の進みまたは遅れ量を有する出
力とを含む検出出力ＶD2が得られ、 前記検出出力ＶC2と前記検出出力ＶD2とから、前記位相
の進みまたは遅れ量を有する出力を取り出して、回転系
内におかれたときに振動体に対してＹ方向に作用するコ
リオリ力による振動成分を検出する検出部を有すること
を特徴とする 振動型ジャイロスコープ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02770295A JP3439861B2 (ja) | 1995-01-25 | 1995-01-25 | 振動型ジャイロスコープ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02770295A JP3439861B2 (ja) | 1995-01-25 | 1995-01-25 | 振動型ジャイロスコープ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08201066A JPH08201066A (ja) | 1996-08-09 |
| JP3439861B2 true JP3439861B2 (ja) | 2003-08-25 |
Family
ID=12228325
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02770295A Expired - Fee Related JP3439861B2 (ja) | 1995-01-25 | 1995-01-25 | 振動型ジャイロスコープ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3439861B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60149970A (ja) * | 1984-01-18 | 1985-08-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 高温耐圧部材の劣化，損傷検出方法 |
| WO1997009585A1 (fr) * | 1995-09-08 | 1997-03-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Capteur de vitesse angulaire |
| JP2004151031A (ja) * | 2002-10-31 | 2004-05-27 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電振動子及び振動ジャイロ並びに電子機器 |
| JP2010266298A (ja) * | 2009-05-14 | 2010-11-25 | Nec Tokin Corp | 圧電素子 |
| JP6039887B2 (ja) * | 2011-04-14 | 2016-12-07 | セイコーエプソン株式会社 | ロボット |
-
1995
- 1995-01-25 JP JP02770295A patent/JP3439861B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08201066A (ja) | 1996-08-09 |
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