JPH08178672A

JPH08178672A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH08178672A
Application number: JP6325249A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Ishino; 俊樹石野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】振動体の共振状態における屈曲運動振幅を大
きくし、検出精度を向上させることができる振動ジャイ
ロを提供する。【構成】棒形状の振動体１の外周部に設けられた加振
手段２，３により該振動体１に振動を励起した状態で、
該振動体に加わる回転によって励起される振動を該振動
体に設けられた振動検出手段に２，３より検出する振動
ジャイロにおいて、該振動体を中空形状に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の振動を検出する
振動ジャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動ジャイロとして特開平２−５
１０６６公報記載の三角柱の弾性体に圧電体を張り付け
たもの、または圧電体円柱に電極を印刷したもの等が知
られている。

【０００３】図５及び図６を用い従来例を説明する。

【０００４】図５の振動ジャイロにおいて、振動体１は
正三角柱状に形成される。この振動体１の第１、第２の
２つの側面の中央部にそれぞれ検出用圧電素子２１、２
２が形成されている。この検出用圧電素子２１は、圧電
体２１ａの両面に電極２１ｂ、２１ｃが形成されたもの
である。そして、一方の電極２１ｃが、振動体１の側面
に接着される。同様に、検出用圧電素子２２も、圧電体
２２ａの両面に電極２２ｂ、２２ｃが形成され、一方の
電極２２ｃが振動体１の側面に接着される。

【０００５】振動体１の検出用圧電素子２１、２２の形
成されていない第３の側面には、駆動用の圧電素子２
３、２４が形成される。この駆動用圧電素子２３、及び
２４に駆動信号を印加し、共振回路を構成することによ
って、振動体１の共振周波数で駆動信号が与えられ、振
動体１は共振状態において屈曲運動をする。

【０００６】さらに検出用圧電素子２１、２２は差動ア
ンプ５に接続される。この差動アンプ５によって、検出
用圧電素子２１、２２に発生した出力電圧の差が測定さ
れる。

【０００７】振動ジャイロ１０が回転していないとき
は、振動体１は、駆動用圧電素子２３、２４の主面に直
交する方向、図５におけるＺ軸方向に屈曲運動をする。
この場合、振動体１の検出用圧電素子２１、２２が形成
された面の屈曲量が同じであるため、これらの検出用圧
電素子２１、２２に発生する出力電圧は等しい。従っ
て、差動アンプ５で検出用圧電素子２１、２２の出力電
圧が互いに相殺され、差動アンプ５の出力電圧は０とな
る。

【０００８】さらにこの振動ジャイロ１０をその軸を中
心として回転した場合、振動体１の振動方向と直交する
方向にコリオリ力が働く。この場合、振動体１の振動方
向は、無回転時の屈曲方向からコリオリ力との合力方向
にずれる。そのため、例えば、検出用圧電素子２１は、
その主面に直交する方向に近い方向に屈曲運動をするた
め、検出用圧電素子２１に発生する出力電圧は大きくな
る。また、検出用圧電素子２２は、その主面に平行する
方向に近い方向に屈曲運動をするため、検出用圧電素子
２２に発生する出力電圧は小さくなる。従って、検出用
圧電素子２１、２２に発生する出力電圧に差が生じ、差
動アンプ５よりその出力電圧差に比例した出力を得るこ
とができる。

【０００９】また、図６は、振動体を円柱状の圧電素子
にした場合の図である。この場合、円柱状の圧電素子よ
り構成された振動体１に６極の電極を形成し、その内の
２極３１、３４に振動体１の共振周波数の駆動電圧を印
加することにより、振動体１を共振状態で屈曲運動させ
ている。この時、振動体１の軸を中心として回転した場
合、コリオリ力によって、振動体１の屈曲運動の振動方
向がずれる。この時残り４極の電極に発生する出力電圧
をそれぞれ差動アンプ５に接続することにより、回転方
向とその大きさが検出される。

【００１０】また、特開平２−５１０６６公報記載の三
角柱の弾性体に圧電体を張り付けたもの、または圧電体
円柱に電極を印刷した従来の振動ジャイロでは、振動体
の支持方法として、振動体の１次モードの振動の節点で
支持を行っていた。

【００１１】

【発明が解決しようとしている課題】以上、説明した振
動ジャイロにおいては、振動体として、円柱あるいは角
柱という柱状タイプの振動体を用いるため、屈曲運動に
おける振幅が小さくなってしまうという欠点を有する。

【００１２】また、正三角柱状の振動体を用いた振動ジ
ャイロでは、圧電素子を振動体に貼り付けているため、
その手間あるいは製作誤差が問題となる。また、振動体
を円柱状の圧電素子にした場合、振動体を圧電素子で構
成するため、その加工性に難があり、またコストも問題
となる。

【００１３】さらには、振動体の支持方法として、両端
自由という条件のもとに、振動体の振動の１次モードの
節点で支持を行っていたが、振動ジャイロに回転が加わ
っていないときは、振動体１の振動は単共振モードであ
り、節点部は振動していない。しかし、振動ジャイロに
回転が加わったときは、コリオリ力による振動との双共
振モードとなり節点部は存在せず、振動体１の固定部
は、振動ジャイロの誤差要因となる。

【００１４】また、振動ジャイロを小型化していく上
で、両端自由という条件のもとの振動の１次モードで
は、振動体の共振周波数が高くなってしまい、振動ジャ
イロとして好ましくなく、制御も難しくなる。

【００１５】本出願に係る第１の発明の目的は、振動体
の共振状態における屈曲運動の振幅を大きくすることで
ある。

【００１６】本出願に係る第２の発明の目的は、圧電素
子を加工する際の加工性、製作誤差、あるいはコストを
軽減することである。

【００１７】さらに本出願に係る第３の発明の目的は、
振動体の振動の共振周波数を下げ、振動ジャイロを小型
化しても使いやすい周波数にすることである。

【００１８】

【課題を解決するための手段および作用】本出願に係る
第１の発明の目的を実現する構成は、請求項１に記載の
ように、棒形状の振動体の外周部に設けられた加振手段
により該振動体に振動を励起した状態で、該振動体に加
わる回転によって励起される振動を該振動体に設けられ
た振動検出手段により検出する振動ジャイロにおいて、
該振動体は中空形状に形成されたことを特徴とする振動
ジャイロにある。

【００１９】この構成では、加振手段により振動体に励
起される振動の振幅が大きくなり、振動ジャイロの感度
を上げることができる。

【００２０】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
構成は、請求項２に記載のように、棒形状の振動体の外
周部に設けられた加振手段により該振動体に振動を励起
した状態で、該振動体に加わる回転によって励起される
振動を該振動体に設けられた振動検出手段により検出す
る振動ジャイロにおいて、該振動体の側面に設けられた
加振手段と振動検出手段は、該振動体の側面に形成され
た薄膜の圧電膜と、該圧電膜上に形成された電極とによ
り構成されたことを特徴とする振動ジャイロにある。

【００２１】この構成では、振動体の側面に薄膜技術の
利用によって圧電膜の形成ができ、所望の位置に電極を
形成することで加振手段と振動検出手段が得られるの
で、従来のように、圧電素子を加工したり、貼り付けた
りする工程がなくなり、加工性，製作誤差、あるいはコ
ストを軽減することができる。

【００２２】また、請求項３に記載のように、請求項２
において、振動体を中空の筒状体で形成することによ
り、製作性等の利点に加えて高精度の検出も行なえる。

【００２３】さらに、請求項４に記載のように、請求項
１、２または３において、圧電膜を振動体の側面の全面
に形成することで、製作性等をより一層向上させること
が可能となる。

【００２４】また、請求項５に記載のように、請求項
１、２、３または４において、電極には加振手段による
振動の節点部を取り付けることで、振動検出の精度を向
上できる。

【００２５】本出願に係る第３の発明の目的を実現する
構成は、請求項６に記載のように、請求項１、２、３、
４または５において、振動体の支持を行なう支持手段
は、該振動体の一点を支持することを特徴とする振動ジ
ャイロにある。

【００２６】この構成では、コリオリ力が加わったとき
に節点部がなくなるというようなことがなく、支持方法
による誤差要因を考えなくて良い。また、振動体の振動
の共振周波数を下げることができ、振動ジャイロを小型
化しても高周波にならず、使いやすい周波数で振動ジャ
イロの制御ができ、例えばカメラ等の手ブレを補正する
ための角速度を検出するのに好適な振動ジャイロが得ら
れる。

【００２７】また、請求項７に記載のように、請求項６
において、支持手段は振動体を片持支持することによ
り、振動体を容易に支持することができ、また振動ジャ
イロの小型化に伴って振動体の共振周波数が高くなるこ
となく使いやすい周波数で振動ジャイロの制御ができ
る。

【００２８】

【実施例】

＜第１実施例＞図１、図２は本発明の第１実施例を示
す。

【００２９】図１の（ａ）〜（ｄ）は、本実施例におけ
る振動ジャイロ１０の断面図である。振動体１は円筒状
に形成されている。振動体１を円筒型にする事により、
振動損失を軽減する事ができ、柱状型の振動子より大き
な振幅を得る事ができる。振動体１は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃ
ｒ，Ｔｉあるいはそれらの合金のような恒弾性金属材
料、あるいはプラスチックのような素材であってもよ
く、材料に限定を受けない。

【００３０】図１の（ｂ）において、圧電薄膜２を振動
体１の側面全面に形成する。振動体１の円筒面の側面全
体に圧電薄膜２を形成する事により、振動体１の体積に
対する圧電体の体積を大きくする事ができ、大きな振幅
を得る上で有利となる。圧電薄膜２の形成法としては、
水熱合成法のような方法が、振動体１の全面に圧電薄膜
２を形成するのに適している。水熱合成法とは熱水溶液
中での化学反応を利用して圧電体の薄膜を得る方法であ
る。水熱合成法については、鶴見、菊池、大場、大門ら
の、“水熱合成ＰＺＴ薄膜を用いた屈曲型アクチュエー
タ”（信学技報ＵＳ９２−１８ＣＰＭ９２−３１ｐ
ｐ３５−４２）に詳しく紹介されている。

【００３１】この水熱法の特徴として、製作した薄膜に
は、製作したままの状態で分極軸の配向があると考えら
れている点である。そのため、分極処理を行う必要がな
く、製作工程の軽減、コスト削減に効果がある。

【００３２】しかし、圧電薄膜２の形成法は、上記水熱
合成法に限定されるものではなく、スパッタリング法、
ＣＶＤ法等の、他の成膜法により作成されてもかまわな
い。図１の（ｃ）において、成膜された圧電薄膜２に、
電極３を形成する。電極３は、本実施例においては圧電
薄膜２上にプリントされて形成されるが、この方法に限
るものだはない。また、電極３は圧電薄膜２上に６極形
成されるが、これも６極に限るものではない。

【００３３】図１の（ｄ）において、形成された電極３
に導線４を取り付けるが、該導線４は、振動体１の振動
の節点に取り付けられる。この時、振動体１の振動は両
端自由という条件のもとにおける振動の、１次モードを
考えている。振動体１の固定、及び該導線４をこの振動
の節点に取り付ける事により、振動体１の振動に影響を
与える事がないようにされている。

【００３４】図２において、本実施例の振動ジャイロの
動作を説明する。図１と同じ構成のものには同じ符号を
付している。図２において、電極３は各々電極１１〜１
６の６個の電極より構成される。上記電極のうち、対向
する電極１１、及び１４に振動ジャイロ１０の共振周波
数の駆動電圧を周波数発生器６より印加する。電極１
１，１４間に電界が発生する事により、圧電体２に圧電
効果により力が発生し、矢印１７の方向に屈曲運動をす
る。残りの４電極１２，１３，１５，１６は検出用電極
として使用する。さらに検出用電極対１２，１５間、及
び１３，１６間に発生する出力は差動アンプ５に入力さ
れる。この差動アンプ５によって、検出用電極対１２，
１５間および１３，１６間に発生した出力電圧の差が測
定される。振動ジャイロ１０が回転していないときは、
振動体１は、矢印１７の方向に屈曲運動をする。この場
合、検出用電極対１２，１５間、及び１３，１６間の方
向の屈曲量は同じであるため、これらの検出用電極対１
２，１５間、及び１３，１６間に発生する出力電圧は等
しい。従って、差動アンプ５で検出用電極対１２，１５
間、及び１３，１６間の出力電圧が互いに相殺され、差
動アンプ５の出力電圧は０となる。

【００３５】一方、振動ジャイロ１０が軸回りに回転す
ると、その回転角速度に応じた矢印１８で示すコリオリ
力が加振された矢印１７の振動方向と直交する方向に発
生する。この場合、振動体１の振動方向は、無回転時の
屈曲振動方向からコリオリ力との合力方向にずれる。そ
のため、例えば、検出用電極１２，１５間の方向の屈曲
運動量は発生したコリオリ力との合力により大きくなる
ため出力電圧は大きくなる。また、検出用電極１３，１
５間の方向の屈曲運動量は発生したコリオリ力により打
ち消され、小さくなるため出力電圧も小さくなる。従っ
て、検出用電極対１２，１５間、及び１３，１６間に発
生する出力電圧に差が生じ、差動アンプ５よりその出力
電圧差に比例した出力を得ることができる。

【００３６】＜第２実施例＞図３は第２実施例を示す。
なお、図１と同じ構成のものには、同一の符号を付して
いる。第１実施例において、振動体１は、両端自由とい
う条件のもとにおける振動の１次モードの節点部で固定
されている。

【００３７】この振動の節点部は、振動ジャイロ１０に
角速度が加わっていない場合は、振動体１の振動は単振
動であり、節点部は振動していない。

【００３８】しかし、振動ジャイロ１０の軸回りに角速
度が加わった場合、コリオリ力による振動が加わり、振
動体１の振動モードは双共振モードになり、節点部が存
在しない。そのため、振動体１を固定している部分も振
動し、その影響が誤差要因となる。

【００３９】そこで、本実施例においては、振動体１の
支持を片持ちとし、角速度が加わったときでもその固定
部が振動せず、振動ジャイロの誤差要因を軽減する事で
ある。

【００４０】また、振動ジャイロを小型化していく上
で、従来までの両端自由の１次モードの振動では、その
共振周波数が高くなり、振動ジャイロを制御していく上
で高周波対応をしなければならなくなり、制御が難しく
なるという問題点を有する。

【００４１】そこで、本実施例で説明するように、振動
体の支持を１点にし、片持ちにする事で、振動の共振周
波数を下げ、実用上使いやすい周波数にする事が可能に
なる。

【００４２】図３に示す振動ジャイロは、振動体１の材
質をチタン（Ｔｉ）とし、直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの
円柱の振動体より構成されている。

【００４３】この時、図３（ａ）に示された、従来まで
の両端自由の１次モードにおける共振周波数は、

【００４４】

【数１】

【００４５】で、表され、上記の条件では、ｆ０＝１８
０ＫＨｚとなる。

【００４６】そこで、図３の（ｂ）に示すように振動体
１を片持ちとした場合、その共振周波数は、

【００４７】

【数２】

【００４８】となり、この時の共振周波数は、ｆ１＝２
８ＫＨｚになる。

【００４９】このように、振動体１の支持を片持ちとす
る事により、共振周波数を１／６にする事が可能とな
る。

【００５０】さらには、本実施例において振動体１は片
持ちで支持され、振動の節点部を、振動体１の端部にし
か存在しない。故に従来までの２点支持と違い、コリオ
リ力が加わったときに節点部がなくなるというような事
がない。そのため、支持方法による誤差要因を考えなく
て済むという利点をも有する。

【００５１】尚、本実施例の説明において、振動体１を
第１の実施例のように中空円筒としたが、振動体１は当
然これに限定されるものではなく、従来例として示した
三角柱等の角柱の断面形状を持った振動体、さらには、
円柱状の圧電材料を用いた振動体にも適用され、本実施
例において説明したのと同様な効果を得る事は、説明す
るまでもない。

【００５２】＜第３実施例＞図４は本発明の第３の実施
例を示す。第２実施例において、振動体１は、その端部
において支持されていた。本実施例においては、振動体
１の支持を図４に示すように中央部の１点とし、角速度
が加わったときでもその固定部が振動せず、振動ジャイ
ロの誤差要因を軽減する事である。

【００５３】ここで、振動体１の支持を図４の（ｂ）に
示すように、図４の（ａ）よりも幅広く固定してしまう
と、その固定部は振動体１の共振状態を妨げる要因とな
り、ジャイロの測定誤差となってしまうばかりでなく、
ジャイロの感度低下の要因にもなってしまう。

【００５４】そこで、このような支持方法においては、
支持部の影響がでないように振動体の長さに対して、支
持部の径を細くする必要がある。

【００５５】本実施例のような支持方法をとる事により
第２実施例における効果と同様に、振動の共振周波数を
下げ、実用上使いやすい周波数にする事が可能になる。

【００５６】また、振動体１の支持部の径を十分細くす
る事で、コリオリ力が加わったときに節点が動いてしま
うという影響を考えなくて良い。そのため、支持方法に
よる誤差要因を考えなくて済むという利点をも有する。

【００５７】尚、本実施例の説明において、振動体１を
第１実施例のように中空円筒としたが、振動体１は当然
これに限定されるものではなく、従来例として示した三
角柱等の角柱の断面形状を持った振動体、さらには、円
柱状の圧電材料を用いた振動体にも適用され、本実施例
において説明したのと同様な効果を得る事は、説明する
までもない。

【００５８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、加振手
段により振動体に励起される振動の振幅が大きくなり、
振動ジャイロの感度を上げることができる。

【００５９】請求項２に記載の発明によれば、振動体の
側面に薄膜技術の利用によって圧電膜の形成ができ、所
望の位置に電極を形成することで加振手段と振動検出手
段が得られるので、従来のように、圧電素子を加工した
り、貼り付けたりする工程がなくなり、加工性、製作誤
差、あるいはコストを軽減することができる。

【００６０】請求項３に記載の発明によれば、振動体を
中空の筒状体で形成することにより、製作性等の利点に
加えて高精度の検出も行なえる。

【００６１】請求項４に記載の発明によれば、製作性等
をより一層向上させることが可能となる。

【００６２】請求項５に記載の発明によれば、振動検出
の精度を向上できる。

【００６３】請求項６に記載の発明によれば、コリオリ
力が加わったときに節点部がなくなるというようなこと
がなく、支持方法による誤差要因を考えなくても良い。

【００６４】また、振動体の振動の共振周波数を下げる
ことができ、振動ジャイロを小型化しても高周波になら
ず、使いやすい周波数で振動ジャイロの制御ができ、例
えばカメラ等の手ブレを補正するための角速度を検出す
るのに好適な振動ジャイロが得られる。

【００６５】請求項７に記載の発明によれば、振動体を
容易に支持することができ、また振動ジャイロの小型化
に伴って振動体の共振周波数が高くなることなく使いや
すい周波数で振動ジャイロの制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における振動体等の製作工
程を示す断面図で、（ａ）は振動体の断面図、（ｂ）は
圧電薄膜の形成状態、（ｃ）は電極の形成状態、（ｄ）
は導線を接続した状態を示す。

【図２】第１実施例の振動ジャイロの斜視図。

【図３】（ｂ）は第２実施例における振動体の支持状態
を示す側面図、（ａ）は従来の支持方法を示す側面図。

【図４】第３実施例における振動体の支持状態を示す側
面図。

【図５】従来の振動ジャイロを示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は断面図。

【図６】従来の他の振動ジャイロを示し、（ａ）は斜視
図、（ｂ）は断面図。

【符号の説明】

１…振動体２…圧電薄膜３…電極４…導線５…差動アンプ１０…振動ジャイ
ロ１１〜１６…電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】棒形状の振動体の外周部に設けられた加
振手段により該振動体に振動を励起した状態で、該振動
体に加わる回転によって励起される振動を該振動体に設
けられた振動検出手段により検出する振動ジャイロにお
いて、該振動体は中空形状に形成されたことを特徴とする振動
ジャイロ。
【請求項２】棒形状の振動体の外周部に設けられた加
振手段により該振動体に振動を励起した状態で、該振動
体に加わる回転によって励起される振動を該振動体に設
けられた振動検出手段により検出する振動ジャイロにお
いて、該振動体の側面に設けられた加振手段と振動検出手段
は、該振動体の側面に形成された薄膜の圧電膜と、該圧
電膜上に形成された電極とにより構成されたことを特徴
とする振動ジャイロ。
【請求項３】請求項２において、振動体は中空の筒状
体であることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項４】請求項１、２または３において、圧電膜
は振動体の側面の全面に形成されていることを特徴とす
る振動ジャイロ。
【請求項５】請求項１、２、３または４において、電
極には加振手段による振動の節点部に配線が取り付けら
れていることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項６】請求項１、２、３、４または５におい
て、振動体の支持を行なう支持手段は、該振動体の一点
を支持することを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項７】請求項６において、支持手段は振動体を
片持支持することを特徴とする振動ジャイロ。