JP4345131B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

【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、カーナビゲーションシステムなどに用いられる振動ジャイロに関する。
【０００２】
図８は従来の振動ジャイロの一例を示す図解図である。図８に示す振動ジャイロ１は振動子２を含む。振動子２は、図９に示すように、正４角柱状の振動体３を含み、振動体３は、短冊状の第１の圧電体基板３ａおよび第２の圧電体基板３ｂを含む。第１の圧電体基板３ａおよび第２の圧電体基板３ｂは、積層され接着される。また、第１の圧電体基板３ａおよび第２の圧電体基板３ｂは、図８の矢印Ｐで示すように、互いに逆の厚み方向に分極される。第１の圧電体基板３ａの主面には、その幅方向に間隔を隔てて、２つの分割電極４ａおよび４ｂが形成される。また、第２の圧電体基板３ｂの主面には、共通電極５が形成される。さらに、第１の圧電体基板３ａおよび第２の圧電体基板３ｂ間には、中間電極６が形成される。
【０００３】
振動子２の２つの分割電極４ａおよび４ｂには、駆動信号として正弦波信号を出力する駆動回路７の一方の出力端が、抵抗器８ａおよび８ｂを介して接続される。さらに、振動子２の共通電極５には、駆動回路７の他方の出力端が接続される。また、振動子２の２つの分割電極４ａおよび４ｂは、分割電極４ａおよび４ｂから得られる検出信号の差を検出するための差動回路などからなる検出回路９の２つの入力端にそれぞれ接続される。
【０００４】
図８に示す振動ジャイロ１では、駆動回路７から出力される駆動信号が、抵抗器８ａおよび８ｂを介して、振動子２の２つの分割電極４ａおよび４ｂと共通電極５との間に印加される。この駆動信号によって、第１の圧電体基板３ａおよび第２の圧電体基板３ｂが互いに逆に振動し、その結果、図１０に示すように、振動子２が第１の圧電体基板３ａおよび第２の圧電体基板３ｂの主面に直交する方向に屈曲振動する。振動子２が回転していないときには、分割電極４ａおよび４ｂから同様な検出信号が得られる。そして、振動子２に振動体３の中心軸Ｏ（図９）を中心とする０でない回転角速度が加わると、コリオリ力によって振動子２の屈曲振動の方向が変わり、２つの分割電極４ａおよび４ｂからその回転角速度に応じた検出信号がそれぞれ得られる。この場合、その回転角速度に応じて、たとえば、一方の分割電極４ａからの検出信号の電圧が大きくなり、他方の分割電極４ｂからの検出信号の電圧が小さくなる。したがって、この振動ジャイロ１では、分割電極４ａおよび４ｂ間の信号すなわち検出回路９の出力信号によって、回転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】
ところが、図８に示す振動ジャイロ１などのような従来の振動ジャイロでは、回転角速度を検出する感度の高いことが要請されている。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、回転角速度を検出する感度の高い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】
この発明にかかる振動ジャイロは、対向する２つの主面に、それぞれ少なくとも２つの電極が形成された柱状の振動子と、振動子の中心軸を中心にして振動子を円運動させるための駆動手段と、振動子の中心軸に直交する複数の方向におけるコリオリ力を検出するための検出手段と、検出手段で検出された複数の方向におけるコリオリ力に対応する複数の信号を合成するための合成手段とを含み、駆動手段は、振動子の対向する２つの主面にたすきがけに配置された電極間に接続されるそれぞれの駆動回路を有し、駆動回路によって振動子の対向する２つの主面に対して斜め方向に屈曲振動を励起し振動子を円運動させる、振動ジャイロである。
この発明にかかる振動ジャイロでは、駆動手段は、たとえば、振動子を振動子の中心軸に直交する一方向に屈曲振動させるための第１の駆動手段と、振動子を振動子の中心軸に直交しかつその一方向に直交する方向に、その一方向の屈曲振動とは９０度の位相差をもって屈曲振動させるための第２の駆動手段とを含み、振動子の対向する２つの主面に対して、振動子はその一方向とその一方向に直交する方向とからなるたすきがけ方向に駆動される。また、この発明にかかる振動ジャイロでは、検出手段は、たとえば、振動子の中心軸に直交する一方向におけるコリオリ力を検出するための第１の検出手段と、振動子の中心軸に直交する他の方向におけるコリオリ力を検出するための第２の検出手段とを含む。さらに、この発明にかかる振動ジャイロでは、たとえば、２つの電極は駆動検出用電極である。
【０００８】
この発明にかかる振動ジャイロでは、駆動手段によって振動子が円運動し、検出手段によって振動子の中心軸に直交する複数の方向におけるコリオリ力が検出され、さらに、合成手段によって複数の方向におけるコリオリ力に対応する複数の信号が合成されるので、大きな出力信号が得られ、回転角速度を検出する感度が高くなる。
【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はこの発明にかかる振動ジャイロの一例を示す図解図である。図１に示す振動ジャイロ１０は振動子１２を含む。
【００１１】
振動子１２は、図２および図３に示すように、たとえば正４角柱状の振動体１４を含み、振動体１４は、たとえば短冊状の第１の圧電体基板１６ａおよび第２の圧電体基板１６ｂを含む。第１の圧電体基板１６ａおよび第２の圧電体基板１６ｂは、積層され接着される。また、第１の圧電体基板１６ａおよび第２の圧電体基板１６ｂは、図１の矢印Ｐで示すように、互いに逆の厚み方向に分極される。なお、第１の圧電体基板１６ａおよび第２の圧電体基板１６ｂの分極の方向は、互いに対向する方向であってもよい。
【００１２】
第１の圧電体基板１６ａの主面には、その長手方向における中間において幅方向に間隔を隔てて、２つの駆動検出用電極１８ａおよび１８ｂが形成される。さらに、第１の圧電体基板１６ａの主面には、その長手方向における両端において幅方向に間隔を隔てて、４つのダミー電極２０、２０・・が形成される。
【００１３】
また、第２の圧電体基板１６ｂの主面には、その長手方向における中間において幅方向に間隔を隔てて、２つの駆動検出用電極１８ｃおよび１８ｄが形成される。さらに、第２の圧電体基板１６ｂの主面には、その長手方向における両端において幅方向に間隔を隔てて、４つのダミー電極２０、２０・・が形成される。
【００１４】
第１の圧電体基板１６ａおよび第２の圧電体基板１６ｂの間には、中間電極２２が形成される。
【００１５】
また、４つの駆動検出用電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃおよび１８ｄには、４つの抵抗器２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよび２４ｄを介して、４つの駆動用端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄがそれぞれ接続される。
【００１６】
さらに、４つの駆動検出用電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃおよび１８ｄには、４つの検出用端子２８ａ、２８ｂ、２８ｃおよび２８ｄがそれぞれ接続される。
【００１７】
振動子１２の２つの駆動用端子２６ａおよび２６ｄ間には、第１の駆動回路３０ａが接続される。第１の駆動回路３０ａは、振動子１２において駆動検出用電極１８ａが形成されている部分の稜線と駆動検出用電極１８ｄが形成されている部分の稜線とを含む面に平行する第１の斜め方向に、振動子１２を屈曲振動させるためのものであって、駆動信号として正弦波信号を出力する。
【００１８】
また、振動子１２の２つの駆動用端子２６ｂおよび２６ｃ間には、第２の駆動回路３０ｂが接続される。第２の駆動回路３０ｂは、振動子１２において駆動検出用電極１８ｂが形成されている部分の稜線と駆動検出用電極１８ｃが形成されている部分の稜線とを含む面に平行する第２の斜め方向に、第１の駆動回路３０ａによる第１の斜め方向の屈曲振動とは９０度の位相差をもって振動子１２を屈曲振動させるためのものであって、駆動信号として第１の駆動回路３０ａから出力される正弦波信号とは９０度の位相差を有する正弦波信号を出力する。
【００１９】
さらに、振動子１２の２つの検出用端子２８ａおよび２８ｂは第１の検出回路４０ａの２つの入力端に接続され、２つの検出用端子２８ｃおよび２８ｄは第２の検出回路４０ｂの２つの入力端に接続され、２つの検出用端子２８ａおよび２８ｃは第３の検出回路４０ｃの２つの入力端に接続され、２つの検出用端子２８ｂおよび２８ｄは第４の検出回路４０ｄの２つの入力端に接続される。第１〜第４の検出回路４０ａ〜４０ｄは、それぞれ、２つの入力端における２つの検出信号の差を検出するためのものである。
【００２０】
第１〜第４の検出回路４０ａ〜４０ｄの出力端は、合成回路５０の４つの入力端に接続される。合成回路５０は、第１〜第４の検出回路４０ａ〜４０ｄの出力信号を合成するためのものである。合成回路５０の出力端は、出力端子６０に接続される。
【００２１】
この振動ジャイロ１０には、第１の駆動回路３０ａによって振動子１２が第１の斜め方向に屈曲振動するとともに、第２の駆動回路３０ｂによって振動子１２が第１の斜め方向の屈曲振動とは９０度の位相差をもって第２の斜め方向に屈曲振動する。それによって、振動子１２は、図４に示すように上下方向（ｙ軸方向）に屈曲振動するとともに、図５に示すように水平方向（ｘ軸方向）に屈曲振動し、すなわち、図６に示すように中心軸Ｏ（ｚ軸）を中心にして円運動する。この場合、振動子１２の長手方向における中央部と両端部とが比較的大きい半径で円運動し、その中央部と両端部との間の部分がノード部分となる。そのため、振動子１２のこれらのノード部分が支持部材（図示せず）で支持される。
【００２２】
この状態で外部から振動子１２に振動子１２の中心軸を中心とする回転角速度が加わっていないときには、駆動検出用電極１８ａ〜１８ｄおよび検出用端子２８ａ〜２８ｄから同様な検出信号が得られる。そのため、第１〜第４の検出回路４０ａ〜４０ｄの出力信号および合成回路５０の出力信号は０となる。
【００２３】
そして、その状態で外部から振動子１２に振動子１２の中心軸を中心とする０でない回転角速度が加わると、図７に示すように振動子１２に上下方向（ｙ軸方向）および水平方向（ｘ軸方向）にコリオリ力が働く。それらのコリオリ力によって、振動子１２の上下方向（ｙ軸方向）および水平方向（ｘ軸方向）における屈曲振動の方向がそれぞれ変わり、振動子１２の円運動の半径の大きさが変わる。そのため、駆動検出用電極１８ａ〜１８ｄおよび検出用端子２８ａ〜２８ｄからその回転角速度ないしコリオリ力に応じた検出信号がそれぞれ得られ、第１〜第４の検出回路４０ａ〜４０ｄからそのコリオリ力に対応する検出信号が得られる。そして、第１〜第４の検出回路４０ａ〜４０ｄから得られた検出信号は合成回路５０で合成される。したがって、この振動ジャイロ１０では、出力端子６０に大きな出力信号が得られ、回転角速度を検出する感度が高くなる。この場合、この振動ジャイロ１０では、１つの検出回路を有する従来の振動ジャイロと比べて、感度は約４倍になる。
【００２４】
なお、上述の振動ジャイロ１０では、４つの検出回路４０ａ〜４０ｄの検出信号を合成回路５０で合成するようにしているが、４つの検出回路４０ａ〜４０ｄのうちのいずれか２つまたはいずれか３つの検出回路の検出信号を合成するようにしても、出力信号が大きくなり、感度が高くなる。この場合、１つの検出回路を有する従来の振動ジャイロと比べて、感度は約２倍または約３倍になる。また、この場合、検出信号が合成されない検出回路は不要となる。
【００２５】
さらに、上述の振動ジャイロ１０では振動子１２がいわゆるバイモルフ構造に形成されているが、この発明では振動子はユニモルフ構造などの他の構造に形成されてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、回転角速度を検出する感度の高い振動ジャイロが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる振動ジャイロの一例を示す図解図である。
【図２】図１に示す振動ジャイロに用いられる振動子を上方から見た斜視図である。
【図３】図２に示す振動子を下方から見た斜視図である。
【図４】図２に示す振動子の上下方向における屈曲振動の状態を示す図解図である。
【図５】図２に示す振動子の水平方向における屈曲振動の状態を示す図解図である。
【図６】図２に示す振動子の円運動の状態を示す図解図である。
【図７】図２に示す振動子において、回転角速度が加わっていないときの円運動の状態、回転角速度が加わっているときのコリオリ力、および回転角速度が加わっているときの円運動の状態を示す図解図である。
【図８】従来の振動ジャイロの一例を示す図解図である。
【図９】図８に示す振動ジャイロに用いられる振動子を示す斜視図である。
【図１０】図９に示す振動子の上下方向における屈曲振動の状態を示す図解図である。
【符号の説明】
１０ 振動ジャイロ
１２ 振動子
１４ 振動体
１６ａ 第１の圧電体基板
１６ｂ 第２の圧電体基板
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 駆動検出用電極
２０ ダミー電極
２２ 中間電極
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 抵抗器
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ 駆動用端子
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ 検出用端子
３０ａ 第１の駆動回路
３０ｂ 第２の駆動回路
４０ａ 第１の検出回路
４０ｂ 第２の検出回路
４０ｃ 第３の検出回路
４０ｄ 第４の検出回路
５０ 合成回路
６０ 出力端子

Claims (4)

1. 対向する２つの主面に、それぞれ少なくとも２つの電極が形成された柱状の振動子、
   前記振動子の中心軸を中心にして前記振動子を円運動させるための駆動手段、
   前記振動子の中心軸に直交する複数の方向におけるコリオリ力を検出するための検出手段、および
   前記検出手段で検出された複数の方向におけるコリオリ力に対応する複数の信号を合成するための合成手段を含み、
   前記駆動手段は、前記振動子の対向する２つの主面にたすきがけに配置された電極間に接続されるそれぞれの駆動回路を有し、前記駆動回路によって前記振動子の対向する２つの主面に対して斜め方向に屈曲振動を励起し前記振動子を円運動させる、振動ジャイロ。
2. 前記駆動手段は、
   前記振動子を前記振動子の中心軸に直交する一方向に屈曲振動させるための第１の駆動手段、および
   前記振動子を前記振動子の中心軸に直交しかつ前記一方向に直交する方向に、前記一方向の屈曲振動とは９０度の位相差をもって屈曲振動させるための第２の駆動手段を含み、
   前記振動子の対向する２つの主面に対して、前記振動子は前記一方向と前記一方向に直交する方向とからなるたすきがけ方向に駆動される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 前記検出手段は、
   前記振動子の中心軸に直交する一方向におけるコリオリ力を検出するための第１の検出手段、および
   前記振動子の中心軸に直交する他の方向におけるコリオリ力を検出するための第２の検出手段を含む、請求項１または請求項２に記載の振動ジャイロ。
4. 前記２つの電極は駆動検出用電極であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の振動ジャイロ。

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