JPH02298812A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は振動ジャイロに関し、特に駆動用の圧電素子
と検出用の圧電素子とを有し、たとえば自動車などに搭
載されるナビゲーションシステムに用いられる、振動ジ
ャイロに関する。

（従来技術） 従来、この種の振動ジャイロにおいて回転角速度に応じ
た出力電圧を効率よく検出するためには、振動体におい
て駆動側の辺の共振周波数と検出側の辺の共振周波数と
を一致させるとよいことが知られている。

第１１図は従来の振動ジャイロの一例を示す図解図であ
る。この振動ジャイロ１では、４角柱状の振動体２の一
方の対向側面に、駆動用の圧電素子３ａおよび３ｂがそ
れぞれ形成され、他方の対向側面に、検出用の圧電素子
４ａおよび４ｂがそれぞれ形成されている。

（発明が解決しようとする課題） このような従来の振動ジャイロでは、駆動側の共振周波
数と検出側の共振周波数とを一致すべく設計されている
が、振動体材料の不均一、加工および組立精度のばらつ
きなどによって、それらの共振周波数にずれが生じてし
まう。また、駆動側と検出側との共振周波数は互いに結
合し互いに影響を与えるため、それらの共振周波数を正
確に調整することは極めて困難なものであった。

すなわち、第１１図に示す振動ジャイロ１において、駆
動側あるいは検出側の共振周波数を調整するために、振
動体２の側面や端面を削ることが考えられるが、その側
面を削ることは、その側面に圧電素子が存在するので困
難であり、一方、その端面を削れば、それらの共振周波
数が同時に変化してしまうだけでなく振動体２のノード
点が変位しそれを効率よ（支持することができなくなっ
てしまう。

また、それらの共振周波数を調整するために、振動体２
の側面間のエツジ部を削ることが考えられるが、従来の
振動ジャイロでは、振動方向が削った方向へずれるので
、検出誤差が生じてしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、回転角速度を効
率よく検出することができる、振動ジャイロを提供する
ことである。

（課題を解決するための手段） この発明は、横断面が多角形の振動体と、振動体の少な
くとも３つの側面にそれぞれ形成される圧電素子とを含
み、圧電素子のうち振動体の平行しない側面に形成され
たものが駆動用および検出用の一方に用いられ、圧電素
子のうち他のものが駆動用および検出用の他方に用いら
れ、さらに振動体の側面間のエツジ部を削ることによっ
て、駆動側の共振周波数と検出側の共振周波数とを一致
させた、振動ジャイロである。

（作用） 振動体の側面間のエツジ部を削ることによって駆動側と
検出側との共振周波数を一致させているが、振動体の平
行しない側面に形成された圧電素子が駆動用および検出
用の一方に用いられるため、振動体の側面間のエツジ部
を削っても振動体の振動方向がずれなく、検出誤差が生
じない。

（発明の効果） この発明によれば、検出誤差が生じないように駆動側と
検出側との共振周波数を一致させているので、検出用の
圧電素子からの出力が効率よく得られ、振動ジャイロの
回転角速度を効率よく検出することができる。

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。

（実施例） 第１Ａ図はこの発明の一実施例を示す斜視図であり、第
１Ｂ図は第１Ａ図の線ＩＢ−ＩＢにおける断面図である
。

この振動ジャイロ１０は、たとえば正３角柱状の振動体
１２を含み、この振動体１２は、たとえばエリンバ、鉄
−ニッケル合金１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。

この振動体１２には、その３つの側面の中央部に、それ
ぞれ圧電素子１４ａ、１４ｂおよび１４Ｃが形成される
。

圧電素子１４ａは、たとえばセラミックからなる圧電層
１６ａを含み、圧電層１６ａの一方主面には取付は電極
Ｌ８ａが形成される。そして、この取付は電極１８ａが
、振動体１２の側面にたとえば接着剤で接着される。さ
らに、圧電層１６ａの他方主面には、振動体１２の側面
の幅方向に３分割された接続電極２０ａ１．２０ａ２お
よび２０ａ３が形成される。

同様に、他の圧電素子１４ｂおよび１４ｃも、それぞれ
、たとえばセラミックからなる圧電層１６ｂおよび１６
ｃを含み、それらの圧電層１６ｂおよび１６ｃの一方主
面にも、取付は電極１８ｂおよび１８ｃが、それぞれ形
成されている。そして、これらの取付は電極１８ｂおよ
び１８ｃも、たとえば接着剤で振動体１２の側面に接着
される。

さらに、圧電層１６ｂの他方主面には、振動体１２の側
面の幅方向に３分割された接続電極２０ｂ１．２０ｂ２
および２０ｂ３が形成され、圧電層１６ｃの他方主面に
も、振動体１２の側面の幅方向に３分割された接続電極
２０ｃｌ、２０ｃ２および２０ｃ３が形成される。

上述の各電極は、たとえば金、銀、アルミニウム、ニッ
ケル、銅−ニッケル合金（モネルメタル）などの電極材
料で、たとえばスパッタリング。

蒸着等の薄膜技術であるいはその材料によっては印刷技
術で形成される。

なお、振動体１２をたとえばエリンバ、鉄−ニッケル合
金などの金属からなる振動材料で形成すれば、圧電素子
１４ａ−１４ｃの一方の電極１８ａ〜１８ｃは形成され
なくてもよい。なぜなら、振動体１２がそれらの電極１
８ａ〜１８ｃを兼ねるからである。この場合、圧電層１
６ａ〜１６ｃは、たとえばＰＺＴ（ジルコン・チタン酸
鉛）。

ＺｎＯ（酸化鉛）などの圧電材料でたとえばスパッタリ
ング、蒸着などの薄膜技術によって形成されてもよい。

この振動ジャイロ１０では、たとえば、圧電素子１４ａ
が駆動用として用いられ、他の２つの圧電素子１４ｂお
よび１４ｃが検出用として用いられる。

そのため、この実施例では、駆動用の圧電素子１４ａの
接続電極２０ａｌ、２０ａ２および２０ａ３に、駆動用
端子２２が接続される。また、検出用の圧電素子１４ｂ
および１４ｃの接続電極のうち、駆動用の圧電素子１４
ａからもっとも遠い位置にある接続電極２０ｂ３および
２０ｃ３に、帰還用端子２４が接続される。さらに、検
出用の圧電素子１４ｂの接続電極のうち、駆動用の圧電
素子１４ａに近い２つの接続電極２０ｂ１および２０ｂ
２に、一方の検出用端子２６が接続され、同様に、他方
の検出用の圧電素子１４ｃの２つの接続電極２０ｃ１お
よび２０ｃ２に、他方の検出用端子２８が接続される。

さらに、この振動ジャイロ１０では、振動体１２の側面
間のエツジ部を削ることによって、駆動側の共振周波数
と検出側のそれぞれの共振周波数とを一致させている。

すなわち、駆動用の圧電素子１４ａに対向するエツジ部
１３ａを削れば、振動体１２の振動方向に影響を与える
ことなく、駆動用の圧電素子１４ａの主面に直交する方
向の共振周波数が調整され、検出用の圧電素子１４ｂあ
るいは１４ｃに対向するエツジ部１３ｂあるいは１３ｃ
を削れば、振動体１２の振動方向に影響を与えることな
く、圧電素子１４ｂあるいは１４ｃの主面に直交する方
向の共振周波数が調整される。この場合、エツジ部の長
手方向の中央を削れば、特に第１Ｂ図に示す振動方向の
厚みＴ’＋　、ＴｚあるいはＴ３が実質的に薄くなり、
その結果、共振周波数は低くなり、エツジ部の長手方向
の端を削れば、付加質量が実質的に減ることになり、逆
に共振周波数は高くなる。

そして、この振動ジャイロ１０では、圧電素子１４ａ、
１４ｂあるいは１４ｃの主面に直交する３つの方向の共
振周波数において、すべての共振周波数が異なっている
場合には、少なくとも２つのエツジ部を削ってそれらの
共振周波数を一致させ、また、１つの方向の共振周波数
が他の２つの方向の共振周波数と異なっている場合には
、少なくとも１つのエツジ部を削ってそれらの共振周波
数を一致させ、それによって、駆動側の共振周波数と検
出側のそれぞれの共振周波数とを一敗させている。

なお、駆動側の共振周波数と検出側の共振周波数とを一
致させる場合、振動体１２のエツジ部の長手方向の中央
を削って一致させることが好ましい、このように振動体
１２のエツジ部の中央を削ってそれらの共振周波数を一
致させる場合、もっとも高い共振周波数に関与するエツ
ジ部から順に削っていけばよい。

この振動ジャイロ１０には、特に第２図に示すように、
帰還用端子２４と駆動用端子２２とに帰還ループとして
の発振回路３０が接続される。したがって、この振動ジ
ャイロ１０は、自動振駆動する。この場合、振動体１２
は駆動用の圧電素子１４ａの主面に直交する方向に振動
し、検出用の圧電素子１４ｂおよび１４ｃすなわち検出
用端子２６および２８から出力信号が得られる。

さらに、検出用端子２６および２８は、第２図に示すよ
うに、差動増幅回路３２の反転入力端および非反転入力
端に接続される。この差動増幅回路３２の出力端は、同
期検波回路３４の入力端に接続され、この同期検波回路
３４には、位相回路３６を介して上述の発振回路３０が
接続される。

この場合、位相回路３６は、検出用端子２６および２８
間の出力差の正側あるいは負側の信号が同期検波回路３
４の出力端から得られるように、調整されている。さら
に、同期検波回路３４の出力端は、そこからの信号を整
流するため直流増幅回路３８の入力端に接続される。

次に、この振動ジャイロ１０の動作について詳細に説明
する。

まず、この振動ジャイロ１０が回転しないときにおいて
、振動体１２の両端が、たとえば第３Ａ図の矢印で示す
方向すなわち駆動用の圧電素子１４ａの形成面と逆方向
に屈曲した場合について考えてみる。この場合、一方の
検出用の圧電素子１４ｂの圧電層１６ｂの駆動用の圧電
素子１４ａに近い部分と遠い部分とでは、その屈曲状態
が異なるため、異なった電圧が発生する。そのため、駆
動用の圧電素子１４ａに近い接続電極２０ｂ１からたと
えば正の電圧示出力されるとすれば、駆動用の圧電素子
１４ａから遠い位置にある接続電極２０ｂ２からは負の
電圧が出力される。したがって、接続電極２０ｂｌと２
０ｂ２との電圧が打ち消しあって、一方の検出用端子２
６から取り出される出力電圧は、小さいものとなる。同
様に、他方の検出用の圧電素子１４ｃの接続電極２０ｃ
ｌからは正の電圧が出力され、接続電極２０ｃ２からは
負の電圧が出力される。したがって、これらの電圧が打
ち消しあって、他方の検出用端子２８から取り出される
出力電圧も、小さなものとなる。

なお、振動体１２の両端が、駆動用の圧電素子１４ａの
形成された方向に屈曲した場合、これらの接続電極から
出力される電圧の符号は逆になる。

また、振動ジャイロ１０が、その軸方向を中心として回
転した場合について考えてみると、無回転時における振
動方向と回転することによるコリオリカとのベクトル合
成によって、たとえば第３Ｂ図に示すように、一方の検
出用の圧電素子１４ｂの形成された面に直交する方向に
屈曲振動する。

この場合、振動体１２の両端が、第３Ｂ図の矢印に示す
ように、検出用の圧電素子１４ｂの形成された方向に屈
曲した場合について考えてみると、一方の検出用の圧電
素子１４ｂの接続電極２０ｂ１台よび２０ｂ２からは負
の電圧が出力され、他方の検出用の圧電素子１４ｃの接
続電極２０ｃ　１および２０ｃ２からは正の電圧が出力
される。したがって、一方の検出用端子２６からは大き
な値の負の電圧が出力され、他方の検出用端子２８から
は大きな値の正の電圧が出力される。なお、振動体１２
の両端が、検出用の圧電素子１４ｂの形成面と逆方向に
屈曲した場合、これらの接続電極から出力される電圧の
符号は逆になる。

この振動ジャイロ１０では、駆動側の共振周波数と検出
側の共振周波数とを一致させているので、検出用の圧電
素子１４ｂおよび１４ｃすなわち検出用端子２６および
２８からの出力が効率よく得られ、その結果、回転角速
度を効率よく検出することができる。すなわち、この振
動ジャイロ１０において、駆動側の共振周波数と検出側
の共振周波数とを一致させる前の周波数特性を第４図に
示し、それらの共振周波数を一致させたときの周波数特
性を第５図に示した。

さらに、この振動ジャイロ１０では、無回転時における
出力電圧と回転時の出力電圧との差が大きく、Ｓ／Ｎ比
がよくなる。しかも、検出用端子２６および２８の出力
信号の差を検出するので、無回転時における出力電圧は
さらに小さくなり、回転時の出力電圧はさらに大きくな
る。

なお、この振動ジャイロ１０を直立状態にしたときの回
転角速度（ＤＥＣ／５ＥＣ）と出力電圧（Ｖ）との関係
を表す出力電圧特性を第６図に示し、振動ジャイロ１０
の傾斜角度（度）と出力電圧（Ｖ）との関係を表す出力
電圧特性を第７図に示した。

また、振動体１２の材料としてたとえばエリンバを６０
０℃で２時間のアニール処理を施した材料を用いた場合
、この振動ジャイロ１０では、第８図に示すように、温
度（℃）の変化に対して周波数変化率（％）が少ない良
好な周波数温度特性を示した。

第９図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す実施例の変形例
を示す断面図である。この実施例では、第１Ａ図および
第１Ｂ図に示す実施例と比べて、特に、圧電層１６ａ、
１６ｂおよび１６Ｃの他方主面の全面に、接続電極２０
ａ、２０ｂおよび２０ｃがそれぞれ形成されている。そ
のため、この実施例では、駆動用端子２２は１つの接続
電極２０ａに接続され、検出用端子２６および２８は接
続電極２０ｂおよび２０ｃにそれぞれ接続される。

そして、この実施例では、検出用端子２６および２８か
らの出力を合成した形で駆動用端子２２に帰還すること
によって自動振駆動する。

また、この実施例でも、第１Ａ図および第１Ｂ図に示す
実施例と同様に、振動体１２のエツジ部１３ａ、１３ｂ
および１３ｃを削ることによって、駆動側と検出側との
共振周波数を一致させているので、回転角速度を効率よ
く検出することができる。

第１０図はこの発明の他の実施例を示す図解図である。

この実施例では、特に振動体１２が正４角柱状に形成さ
れ、振動体１２の４つの側面にそれぞれ圧電素子１４ａ
、１４ｂ、Ｌ４ｃおよび１４ｄが形成されているヶそし
て、この実施例では、隣接する２つの圧電素子１４ａお
よび１４ｂが駆動用として用いられ、他の２つの圧電素
子１４ｃおよび１４ｄが検出用として用いられる。した
がって、駆動用の圧電素子１４ａおよび１４ｂには駆動
用端子２２ａおよび２２ｂがそれぞれ接続され、検出用
の圧電素子１４ｃおよび１４ｄには検出用端子２６およ
び２８がそれぞれ接続される。

さらに、この実施例では、振動体１２の側面間のエツジ
部を削ることによって、駆動側の共振周波数と検出側の
共振周波数とを一致させている。

この場合、駆動用の圧電素子１４ａおよび１４ｂが形成
されている側面間のエツジ部１３ａあるいは検出用の圧
電素子１４ｃおよび１４ｄが形成されている側面間のエ
ツジ部１３ｃを削ることによって、振動体１２の振動方
向に影響を与えることなく、駆動側の共振周波数に関与
する振動体１２の厚みＴや付加質量が変えられ、駆動側
の共振周波数が主に調整される。また、他のエツジ部１
３ｂおよび１３ｄを削ることによって、振動方向や駆動
側の共振周波数に影響を与えることなく、検出側の共振
周波数が調整される。

したがって、この実施例でも、検出用の圧電素子からの
出力が効率よく得られ、回転角速度を効率よく検出する
ことができる。

なお、上述の各実施例では、振動体１２が正３角柱状に
あるいは正４角柱“状に形成されているが、この発明で
は、振動体は他の多角柱状に形成されてもよい。この場
合、圧電素子は、振動体の側面のうち少なくとも３つ以
上の側面にそれぞれ形成されればよい。そして、それら
の圧電素子のうち振動体の平行しない側面に形成された
ものを駆動用および検出用の一方として用い、他の圧電
素子を駆動用および検出用の他方として用いればよい。

さらに、振動体の側面間のエツジ部を削ることによって
、駆動側の共振周波数と検出側の共振周波数とを一致さ
せればよい。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はこの発明の一実施例を示す斜視図であり、第
１Ｂ図は第１Ａ図の線ＩＢ−ＩＢにおける断面図である
。 第２図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す振動ジャイロを
用いた振動ジャイロ装置の一例を示す回路図である。 第３Ａ図および第３Ｂ図は、それぞれ、第１Ａ図および
第１Ｂ図に示す振動ジャイロの出力電圧の状態を示し、
第３Ａ図は無回転時における図解図であり、第３Ｂ図は
回転時における図解図である。 第４図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す振動ジャイロに
おいて駆動側の共振周波数と検出側の共振周波数とを一
致させる前の周波数特性を示すグラフである。 第５図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す振動ジャイロに
おいて駆動側の共振周波数と検出側の共振周波数とを一
致させたときの周波数特性を示すグラフである。 第６図は第２図に示す振動ジャイロ装置において振動ジ
ャイロを直立状態にしたときの回転角速度と出力電圧と
の関係を表す出力電圧特性を示すグラフである。 第７図は第２図に示す振動ジャイロ装置において振動ジ
ャイロの傾斜角度と出力電圧との関係を表す出力電圧特
性を示すグラフである。 第８図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す振動ジャイロに
おいてアニール処理を施した材料で振動体を形成したと
きの周波数温度特性を示すグラフである。 第９図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す実施例の変形例
を示す断面図である。 第１０図はこの発明の他の実施例を示す図解図である。 第１１図は従来の振動ジャイロの一例を示す図解図であ
る。 図において、１０は振動ジャイロ、１２は振動体、１３
ａ〜１３ｃは振動体の側面間のエツジ部、１４ａ〜１４
Ｃは圧電素子を示す。 特許出願人　株式会社　村田製作所 代理人　弁理士　岡　１）　全　啓 一一 第２図 第６図 第３Ａ図 第３Ｂ図　　　　　　　　　、。 第４図 第５図 第７図 第８図 １虜（°Ｃ） 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 横断面が多角形の振動体、および 前記振動体の少なくとも３つの側面にそれぞれ形成され
   る圧電素子を含み、 前記圧電素子のうち前記振動体の平行しない側面に形成
   されたものが駆動用および検出用の一方に用いられ、 前記圧電素子のうち他のものが駆動用および検出用の他
   方に用いられ、さらに 前記振動体の側面間のエッジ部を削ることによって、駆
   動側の共振周波数と検出側の共振周波数とを一致させた
   、振動ジャイロ。