JPH06201387A

JPH06201387A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH06201387A
Application number: JP5018163A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 村武中; Yoshiaki Hidenouchi; 之内義昭幣
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-01-08
Filing date: 1993-01-08
Publication date: 1994-07-19

Abstract

(57)【要約】【目的】温度ドリフトの発生しにくい振動ジャイロを
得る。【構成】振動ジャイロ１０は振動子１２を含み、振動
子１２は振動体１４を含む。振動体１４は、正３角柱状
の１つの稜線部を削った形、つまり断面台形に形成され
る。したがって、振動体１４の断面形状は、ｘ軸を中心
として、線対称となる。振動体１４の３つの側面に、圧
電素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃを形成する。圧電素子１
６ａ，１６ｂと圧電素子１６ｃとの間に駆動回路を接続
し、圧電素子１６ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動さ
せる。そして、圧電素子１６ａ，１６ｂの出力の差を測
定することによって、回転角速度を検出する。なお、材
料を選択することにより、ｘ軸方向以外の方向に変形し
にくい振動体１４を形成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は振動ジャイロに関し、
特にたとえば、角速度を検知することにより移動体の位
置を検出して適切な誘導を行うナビゲーションシステ
ム、あるいは外的振動を検知して適切な制振を行うヨー
レートセンサなどに応用できる振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１（Ａ）はこの発明の背景となる従
来の振動ジャイロの一例を示す斜視図であり、図１１
（Ｂ）はその断面図である。振動ジャイロ１は、振動子
２を含む。振動子２は、たとえば正３角柱状の振動体３
を含む。振動体３の３つの側面には、それぞれ圧電素子
４ａ，４ｂ，４ｃが形成される。圧電素子４ａ，４ｂ，
４ｃは、たとえば板状の圧電体の両面に電極を形成した
ものである。これらの圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃが、振
動体３の側面に、接着剤などで接着される。さらに、振
動体３のノード点付近には、支持部材５が取り付けられ
る。

【０００３】この振動ジャイロ１では、圧電素子４ａ，
４ｂと圧電素子４ｃとの間に、駆動回路が接続される。
この駆動回路によって、振動体３は、圧電素子４ｃ形成
面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動体
３の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈
曲振動の方向が変わる。それによって、圧電素子４ａ，
４ｂに発生する電圧に差が生じ、この電圧差を検出する
ことによって回転角速度を検知することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな振動ジャイロでは、振動体，圧電磁器，電極，接着
剤の熱膨張係数に差があり、また振動体を作製するとき
の加工歪などのために、雰囲気温度の変化によって振動
体に反りやねじれが生じたり、共振周波数などの定数変
化が生じる。そのため、このような温度による振動子の
変化は、振動ジャイロの出力信号中のドリフトとして発
生し、測定誤差の大きい原因となっていた。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、温
度ドリフトの発生しにくい振動ジャイロを提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、屈曲振動す
る柱状の振動子を含む振動ジャイロにおいて、無回転時
における振動子の振動方向をｘ軸としたとき、振動子の
断面形状がｘ軸を中心として線対称であり、かつ振動子
の断面形状が正多角形および円を除く形状であることを
特徴とする、振動ジャイロである。また、この発明は、
屈曲振動する柱状の振動子を含む振動ジャイロにおい
て、無回転時における振動子の振動方向をｘ軸としたと
き、ｘ軸方向に比べてｘ軸方向以外の方向に変形しにく
い材料を用いたことを特徴とする、振動ジャイロであ
る。

【０００７】

【作用】振動子の断面形状がｘ軸を中心として線対称で
あり、かつ正多角形および円を除く形状であるため、ｘ
軸方向とその他の方向とで、振動子の変形のしやすさが
異なる。また、振動子の材料を選択することによって、
ｘ軸方向以外の方向に変形しにくい振動子が得られる。

【０００８】

【発明の効果】この発明によれば、振動子のｘ軸を除く
方向を変形しにくくすることによって、雰囲気温度の変
化によるｘ軸を除く方向の振動子の変形を防止すること
ができる。したがって、無回転時における振動子の屈曲
振動を正確にｘ軸方向に合わせることができる。そのた
め、ｘ軸を中心として対称となる位置に、振動子の屈曲
振動による出力を検出するための圧電素子または電極を
形成すれば、無回転時にこれらの検出用の圧電素子また
は電極からの出力の差を０にすることができる。さら
に、振動ジャイロに回転が加わったとき、振動子が検出
用の圧電素子または電極の存在する方向に変形していな
いため、正確に回転角速度に対応した出力を得ることが
できる。

【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実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１０】

【実施例】図１（Ａ）はこの発明の一実施例を示す斜視
図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。振動ジャイ
ロ１０は、振動子１２を含む。振動子１２は、柱状の振
動体１４を含む。振動体１４は、たとえばエリンバなど
の恒弾性金属材料で形成される。振動体１４の断面形状
は、たとえば正３角形の１つの稜線部を削ったような形
状、すなわち台形となるように形成される。したがっ
て、振動体１４の上底と下底の中心を結ぶ方向をｘ軸と
すると、振動体１４の断面形状はｘ軸を中心として線対
称となる。

【００１１】振動体１４の断面形状の下底となる側面お
よびそれに隣接する２つの側面の中央部には、それぞれ
圧電素子１６ａ，１６ｂおよび１６ｃが形成される。圧
電素子１６ａは板状の圧電体１８ａを含み、その両面に
電極２０ａ，２２ａが形成される。そして、一方の電極
２２ａが、振動体１４の側面に接着される。同様に、圧
電素子１６ｂ，１６ｃは板状の圧電体１８ｂ，１８ｃを
含み、その両面に電極２０ｂ，２２ｂおよび電極２０
ｃ，２２ｃが形成される。そして、それらの一方の電極
２２ｂ，２２ｃが、振動体１４の側面に接着される。

【００１２】振動体１４の断面形状の上底となる側面に
は、たとえば金属線をコ字状に形成した２つの支持部材
２４ａ，２４ｂが取り付けられる。支持部材２４ａ，２
４ｂは、たとえば溶接やはんだ付けなどによって、振動
体１４のノード点付近に取り付けられる。そして、支持
部材２４ａ，２４ｂは、たとえば平板状の支持台などに
取り付けられる。

【００１３】この振動ジャイロ１０では、たとえば圧電
素子１６ａ，１６ｂと圧電素子１６ｃとの間に、駆動回
路が接続される。この駆動回路によって、振動体１４は
ｘ軸方向に屈曲振動する。この状態では、圧電素子１６
ａ，１６ｂに発生する電圧は同じ大きさで同じ極性とな
る。したがって、圧電素子１６ａ，１６ｂの差動接続後
の出力電圧の差は０となる。そして、振動体１４の軸を
中心として回転すると、コリオリ力により屈曲振動の向
きが変わる。それにより、圧電素子１６ａおよび圧電素
子１６ｂの出力電圧に差が生じる。この出力電圧の差を
測定することにより、振動ジャイロ１０に加わった回転
角速度を検出することができる。

【００１４】このような振動ジャイロ１０では、振動子
１２の振動体１４，圧電体１８ａ〜１８ｃ，電極２０ａ
〜２０ｃ，電極２２ａ〜２２ｃおよび圧電素子１６ａ〜
１６ｃを接着するための接着剤などの熱膨張係数に差が
あるため、雰囲気温度の変化により、振動体１４に反り
が発生する場合がある。また、振動体１４を作製すると
きの加工歪みのために、雰囲気温度の変化により、振動
体１４に反りやねじれなどが発生する場合がある。

【００１５】しかしながら、この振動ジャイロ１０で
は、振動体１４の断面形状が台形となるように形成され
ているため、ｘ軸方向とその他の方向とで、変形しやす
さが異なる。図１に示す振動体１４では、ｘ軸方向に台
形の上底と下底とが存在するため、他の稜線部とそれに
対向する面とを結ぶ線より、ｘ軸方向の長さが短い。そ
のため、ｘ軸方向に比べて、他の方向のほうが、振動体
１４に反りなどが発生しにくい。そのため、雰囲気温度
が変化しても、振動体１４はｘ軸以外の方向の歪みが少
ない。

【００１６】したがって、無回転時には、振動体１４は
正確にｘ軸方向に屈曲振動し、圧電素子１６ａ，１６ｂ
に発生する電圧の差は０となる。また、振動ジャイロ１
０に回転が加わると、圧電素子１６ａ，１６ｂからは、
回転角速度に正確に対応した出力電圧を得ることができ
る。したがって、圧電素子１６ａ，１６ｂの出力電圧の
差を測定すれば、正確に回転角速度を検出することがで
きる。このように、この振動ジャイロ１０では、雰囲気
温度が変化しても、出力電圧の誤差が少ない。つまり、
この発明によれば、温度ドリフトの少ない振動ジャイロ
１０を得ることができる。なお、図１に示す実施例で
は、振動体１４の３つの側面に圧電素子１６ａ，１６
ｂ，１６ｃを形成したが、２つの圧電素子１６ａ，１６
ｂのみを形成し、これらの圧電素子１６ａ，１６ｂを駆
動用と検出用の両方に使用してもよい。

【００１７】また、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す
ように、断面６角形状の振動体１４を使用してもよい。
この振動体１４では、たとえば断面正方形の対向する稜
線部を削った形状に形成されている。そして、この対向
する面を結ぶ方向をｘ軸とし、ｘ軸と直交する方向をｙ
軸とすると、ｙ軸は別の対向する稜線部を結ぶ方向とな
る。この振動体１４のｘ軸を除く４つの側面に、圧電素
子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが形成される。そし
て、圧電素子１６ａ，１６ｂと圧電素子１６ｃ，１６ｄ
との間に駆動回路が接続され、圧電素子１６ａ，１６ｂ
の出力電圧の差を測定することによって回転角速度が検
出される。

【００１８】この振動体１４では、ｘ軸方向の長さがｙ
軸方向の長さより短い。そのため、雰囲気温度が変化し
ても、振動体１４はｙ軸方向に変形しにくい。したがっ
て、検出用の圧電素子１６ａ，１６ｂの出力電圧に温度
ドリフトが生じにくく、安定した特性を有する振動ジャ
イロを得ることができる。なお、圧電素子は必ずしも４
つ形成する必要はなく、圧電素子１６ａ，１６ｂのみを
形成してもよい。この場合、圧電素子１６ａ，１６ｂ
は、振動体１４を屈曲振動させるための駆動用として用
いられるとともに、回転角速度に対応した出力電圧を得
るための検出用としても使用される。

【００１９】さらに、振動体１４の形状としては、図３
に示すように、菱形であってもよい。この場合、対向す
る稜線部を結ぶ線のうちの短いほうがｘ軸となり、ｘ軸
に直交する方向がｙ軸となる。このような振動体１４の
側面にも、図２に示す振動ジャイロと同様に、２つまた
は４つの圧電素子が形成される。このような振動体１４
を用いても、ｙ軸方向に変形しにくく、温度ドリフトの
少ない振動ジャイロを得ることができる。

【００２０】また、図４に示すように、長方形の振動ジ
ャイロ１４を使用してもよい。この振動ジャイロ１４で
は、短辺方向がｘ軸となり、長辺方向がｙ軸となる。そ
して、ｘ軸方向の側面に形成された圧電素子が駆動用と
して用いられ、ｙ軸方向の側面に形成された圧電素子が
検出用として用いられる。この振動体１４を用いた振動
ジャイロでも、ｙ軸方向の変形が少なく、温度ドリフト
の少ない振動ジャイロを得ることができる。

【００２１】さらに、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示
すように、振動体１４を円柱の上下を削った形状にして
もよい。この振動体１４では、対向する平面部を結ぶ方
向がｘ軸となり、ｘ軸に直交する方向がｙ軸となる。こ
の振動体１４は、たとえば圧電セラミックなどで形成さ
れる。したがって、たとえば振動体１４の平面部に電極
を形成し、その電極に駆動回路を接続することによっ
て、振動体１４に屈曲振動を与えることができる。な
お、検出用の電極は、ｘ軸を中心として線対称となる位
置に形成される。もちろん、駆動用の電極と検出用の電
極とを別に形成してもよく、兼用するようにしてもよ
い。また、電極の形状も、たとえばインタディジタル電
極にするなど、必要に応じて変形することができる。こ
の振動体１４も、ｙ軸方向の変形が少なく、温度ドリフ
トの少ない振動ジャイロを得ることができる。

【００２２】また、図６に示すように、断面形状が楕円
の振動体１４を用いてもよい。この振動体１４では、短
軸方向がｘ軸となり、長軸方向がｙ軸となる。この振動
体１４も、図５に示す振動体と同様に、圧電セラミック
などで形成される。そして、図５に示す実施例と同様
に、温度ドリフトの少ない振動ジャイロを得ることがで
きる。

【００２３】なお、振動体の形状としては、上述の各実
施例に限らず、ｘ軸を中心として線対称であり、かつ正
多角形および円を除く断面形状を有する振動体を使用す
ることによって、温度ドリフトの少ない振動ジャイロを
得ることができる。

【００２４】また、材料を選択することによって、振動
体のｘ軸方向とｙ軸方向とで、変形しやすさに異方性を
もたせることもできる。たとえば、振動体の材料とし
て、圧延材料を用いる場合、圧延方向によってヤング率
が異なる。この場合、圧延材料の圧延方向のヤング率
は、それに直交する方向のヤング率に比べて大きい。こ
のような圧延材料を用いて、たとえば図７に示すような
断面正方形の振動体１４が形成される。このとき、圧延
材料の圧延方向がｙ軸方向にくるように配置され、圧延
方向と直交する方向がｘ軸方向にくるように配置され
る。

【００２５】この振動体１４を用いた振動ジャイロで
は、ｘ軸方向に比べてｙ軸方向のほうが変形しにくい。
そのため、このような振動体１４を使用すれば、形状に
特徴のある上述の各実施例の振動体を用いた振動ジャイ
ロと同様に、温度ドリフトの少ない振動ジャイロを得る
ことができる。さらに、図８に示すように、圧延材料の
圧延方向をｙ軸方向にくるように配置すれば、正３角柱
状の振動体とすることもできる。このように、振動体の
ｙ軸方向をｘ軸に比べて変形しにくくすれば、その形状
は任意に変更可能である。

【００２６】また、図９に示すように、低ヤング率の材
料と高ヤング率の材料とを組み合わせて、振動体１４を
形成してもよい。この振動体１４では、断面正方形の振
動体１４の中央部が低ヤング率の材料２０で形成され、
その厚み方向の両側が高ヤング率の材料２２で形成され
る。そして、高ヤング率の材料２２の対向する方向がｘ
軸となり、ｘ軸に直交する方向がｙ軸となる。この振動
体１４を用いれば、高ヤング率の材料２２の存在割合が
大きい方向、すなわちｙ軸方向のほうが、ｘ軸方向より
変形しにくい。したがって、このような振動体１４を使
用しても、温度ドリフトの小さい振動ジャイロを得るこ
とができる。同様の構造で、図１０に示すような正３角
柱状の振動体１４を形成してもよい。図１０に示す振動
体１４でも、高ヤング率の材料２２の対向する方向がｘ
軸となり、ｘ軸に直交する方向がｙ軸となる。このよう
な振動体１４を使用しても、ｙ軸方向に変形しにくく、
温度ドリフトの小さい振動ジャイロを得ることができ
る。このように、振動体１４の形状は、任意に変更可能
である。

【００２７】このように、振動体の形状，材料，材料の
組み合わせなどを選択することにより、振動体のｙ軸方
向の変形を小さくし、温度ドリフトの小さい振動ジャイ
ロを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の一実施例を示す斜視図であ
り、（Ｂ）はその断面図である。

【図２】（Ａ）はこの発明の振動ジャイロに用いられる
振動子の他の実施例を示す斜視図であり、（Ｂ）はその
断面図である。

【図３】図２に示す振動子に用いられる振動体の変形例
を示す平面図である。

【図４】図３に示す振動体とは別の振動体の例を示す平
面図である。

【図５】（Ａ）はこの発明の振動ジャイロに用いられる
振動体の他の実施例を示す斜視図であり、（Ｂ）はその
平面図である。

【図６】図５に示す振動体の変形例を示す平面図であ
る。

【図７】この発明の振動ジャイロに用いられる振動体の
さらに他の実施例を示す図解図である。

【図８】図７に示す振動体の変形例を示す図解図であ
る。

【図９】この発明の振動ジャイロに用いられる振動体の
別の実施例を示す図解図である。

【図１０】図９に示す振動体の変形例を示す図解図であ
る。

【図１１】（Ａ）はこの発明の背景となる従来の振動ジ
ャイロの一例を示す斜視図であり、（Ｂ）はその断面図
である。

【符号の説明】

１０振動ジャイロ１２振動子１４振動体２０低ヤング率の材料２２高ヤング率の材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈曲振動する柱状の振動子を含む振動ジ
ャイロにおいて、無回転時における前記振動子の振動方向をｘ軸としたと
き、前記振動子の断面形状が前記ｘ軸を中心として線対
称であり、かつ前記振動子の断面形状が正多角形および
円を除く形状であることを特徴とする、振動ジャイロ。
【請求項２】屈曲振動する柱状の振動子を含む振動ジ
ャイロにおいて、無回転時における前記振動子の振動方向をｘ軸としたと
き、前記ｘ軸方向に比べて前記ｘ軸方向以外の方向に変
形しにくい材料を用いたことを特徴とする、振動ジャイ
ロ。