JPH08189833A

JPH08189833A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH08189833A
Application number: JP7001324A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Terajima; 厚吉寺嶋
Original assignee: Akai Electric Co Ltd
Current assignee: Akai Electric Co Ltd
Priority date: 1995-01-09
Filing date: 1995-01-09
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】小型にして高感度の振動ジャイロを提供す
る。【構成】三次元座標系のＺ軸と直交する面内で一体的
に形成した第１および第２の厚みすべり振動子11a, 11b
からなり、Ｚ軸の周りの角速度を検出する振動ジャイロ
である。各厚みすべり振動子11a, 11bを、圧電素子12
と、この圧電素子12の、Ｚ軸と直交するそれぞれの面に
設けた電極13a, 13b, 13c とで構成するとともに、それ
ぞれの圧電素子を異なった方向に分極させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、角速度を検出するに
用いる振動ジャイロに関するものであり、装置の小型化
と、優れた検出感度とを併せ実現するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロとしては、例えば図
10に示すものがある。この振動ジャイロでは、振動子１
を構成する圧電素子２, ３を、それぞれのインピーダン
ス素子Ｚ₁，Ｚ₂を経て駆動装置４の出力側に接続する
とともに、その駆動装置４の出力側をさらに、他のイン
ピーダンス素子Ｚ₃を経て容量素子Ｃにも接続し、それ
らの圧電素子２, ３および容量素子Ｃのそれぞれに、駆
動装置４から駆動電圧を同時に印加するようにしてい
る。

【０００３】またここでは、インピーダンス素子Ｚ₁，
Ｚ₂と圧電素子２, ３とのそれぞれの接続点における出
力を合成し、その合成出力と、インピーダンス素子Ｚ₃
および容量素子Ｃの接続点における出力とのそれぞれを
差動増幅器５に供給して、そこからの差動出力を駆動装
置４に帰還させることによって振動子１を自励振動させ
る一方、インピーダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂と圧電素子2 ,
3 とのそれぞれの接続点における出力を、他の差動増幅
器６に供給し、この差動増幅器６からの出力に基づいて
角速度の検出信号を得ることとしている。ここで振動子
１は、たとえば、図11に示すように、横断面形状が四角
形をなし、共振点を有する柱状振動体７の一の側面７ａ
に圧電素子２を、そしてその側面７ａに隣接する他の側
面７ｂに圧電素子３をそれぞれ設けてなり、柱状振動体
７の軸線をＺ軸方向に向けた姿勢で使用に供される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
振動ジャイロにあっては、入力角速度の検知軸であるＺ
軸が振動子１の長手方向にあるため、それをたとえば、
自動車のナビゲーションシステムの走行位置検出用に用
いる場合には、振動子１を鉛直方向に立てることが必要
になって、システム内での占有空間が大きくなるため、
システムの小型化が大きく制限されるという問題があっ
た。

【０００５】この発明は、従来技術の有するこのような
問題点を解決すべくなされたものであり、小型化を十分
に実現することができ、また、検出感度に優れた振動ジ
ャイロを提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の振動ジャイロ
は、三次元座標系のＺ軸と直交する面内で一体的に形成
した第１および第２の厚みすべり振動子からなり、それ
らの両厚みすべり振動子の励振下で、それぞれの厚みす
べり振動子を通過する電流の差を検出することで、Ｚ軸
の周りの角速度を検出するものであって、各厚みすべり
振動子を、圧電素子と、この圧電素子の、Ｚ軸と直交す
るそれぞれの面に形成した電極とで構成するとともに、
それぞれの圧電素子を、相互に異なった方向に分極させ
たものである。

【０００７】

【作用】それぞれの厚みすべり振動子は、それらの電極
に電圧を印加すると、分極方向に電極面と平行に剪断力
を生じてすべり変形する。ここで、すべり変形面が平行
で、分極方向が異なる第１および第２の厚みすべり振動
子を同一の平面内で一体とした振動ジャイロにおいて、
それぞれの厚みすべり振動子に同位相の電圧を印加する
と、それぞれの厚みすべり振動子は、それぞれの分極方
向に剪断力を生じ、それらの厚みすべり振動子が一体と
なった振動ジャイロは、それぞれの剪断力の合成方向
（以下、（合成和方向」という。）のすべり変形を生じ
る。

【０００８】また、第１および第２の厚みすべり振動子
のそれぞれに、相互に逆位相となる電圧を印加すると、
一方の厚みすべり振動子は分極方向に、他方の振動子は
分極方向とは逆方向にそれぞれ剪断力を発生し、振動ジ
ャイロ全体としては、それらの剪断力の合成方向（以下
「合成差方向」という。）のすべり変形を生じる。この
場合、第１および第２の厚みすべり振動子に生じる剪断
力の大きさがともに等しければ、振動ジャイロのすべり
変形の、合成和方向と合成差方向とは相互に直交するこ
とになる。

【０００９】この一方で、振動ジャイロそれ自体に、任
意の方向に向く、電極面と平行な剪断力を作用させる
と、第１および第２の厚みすべり振動子には、加えられ
た剪断力のそれぞれの分極方向成分の大きさに応じた電
荷が発生する。従って、振動ジャイロの電極面を、ＸＹ
Ｚ三次元直交座標系のＺ軸に直交させた姿勢とし、第１
および第２の厚みすべり振動子のそれぞれに、ともに同
相の交流電圧を印加して励振させて、その振動ジャイロ
を合成和方向にすべり振動させつつ、Ｚ軸の周りに回動
させると、振動ジャイロは、発生したコリオリの力の作
用に基づき合成差方向のすべり振動を生じて、第１およ
び第２の厚みすべり振動子の通過電流に相互差を生じる
ので、その通過電流差を検出することによって角速度を
求めることができる。

【００１０】ところで、第１および第２の厚みすべり振
動子の共振周波数は、それらの厚みによって決まるの
で、それらの両厚みすべり振動子の厚みを揃えることに
より、それらの両振動子の、分極方向すべり振動の共振
周波数が一致し、さらに、それらを一体とした場合の、
合成和方向および合成差方向の共振周波数も相互に一致
することになる。従って、そのすべり振動の共振周波数
で振動ジャイロを励振することで、角速度を効率よく検
出することができる。

【００１１】

【実施例】以下に、この発明の実施例を図面に基づいて
説明する。図１は、この発明の実施例を示す斜視図であ
り、図中の左半部の11a は第１の厚みすべり振動子を、
そして右半部の11b は第２の厚みすべり振動子をそれぞ
れ示す。ここでは、ほぼ直方体形状をなす共通の圧電素
子12の、三次元座標系のＺ軸と直交する底面には、実質
上それの全面にわたってこれも共通の電極13a を設ける
一方、Ｚ軸と直交する頂面には、Ｙ軸方向に間隔をおい
て位置するそれぞれの電極13b, 13cを設ける。なおここ
で、圧電素子12の底面に設ける電極13a を、電極13b, 1
3cと同様に、Ｙ軸方向に間隔をおく二電極とすることも
できる。またここでは、圧電素子12の、電極13a と電極
13b とに挟まれる領域を、Ｚ軸と直交する面内で、Ｘ軸
に対して−θの角度をなすＶ軸方向に予め分極処理し、
また、電極13a と電極13c とに挟まれる圧電素子領域
を、Ｘ軸に対してθの角度をなすＵ軸方向に予め分極処
理して、両分極方向を、Ｚ軸と直交する面内で相互に交
差させる。

【００１２】このように、電極13a, 13bを含む部分で第
１の厚みすべり振動子11a を、そして電極13a, 13cを含
む部分で第２の厚みすべり振動子11b をそれぞれ構成す
るとともに、共通の圧電素子12をもってそれらの両振動
子11a, 11bを一体化したこの例の振動ジャイロにおい
て、電極13a, 13b間に交流電圧を印加して、第１の厚み
すべり振動子11a を励振すると、その厚みすべり振動子
11a は、分極方向と平行な断面Ａ−Ａ内において、図２
(a) に例示するように、Ｖ軸方向の剪断力の作用下で、
その方向へほぼ仮想線で示すようにすべり変形する。ま
た、電極13a, 13cの間に交流電圧を印加して、第２の厚
みすべり振動子11b を励振すると、それは、分極方向と
平行な断面Ｂ−Ｂ内で図２(b) に例示するように、Ｕ軸
方向にすべり変形する。

【００１３】従って、第１および第２の両厚みすべり振
動子11a, 11bに、同相の交流電圧を印加した場合には、
それらの振動子11a, 11bに、それぞれＶ軸方向およびＵ
軸方向の剪断力が同時に発生することになり、振動ジャ
イロ14に作用する剪断力は、それらのそれぞれの剪断力
の合力となる。これがため、振動ジャイロ14は、Ｘ軸方
向の断面Ｃ−Ｃ内で、たとえば図２(c) に示すように、
前記合力の作用方向であるＸ軸方向に滑り変形すること
になる。これに対し、第１および第２の厚みすべり振動
子11a, 11bに、相互に逆相の交流電圧を印加すると、い
ずれか一方の厚みすべり振動子に生じる剪断力の方向が
上述したところとは逆になるので、両振動子11a, 11bの
剪断力の合成の結果として、振動ジャイロ14は全体とし
て、Ｙ軸方向の剪断力を受けてその方向にすべり変形す
る。

【００１４】かくして、振動ジャイロ14の、第１および
第２の厚みすべり振動子11a, 11bに、たとえば同相の交
流電圧を印加して、その振動ジャイロ14をＸ軸方向に励
振させた状態の下で、振動ジャイロ14をＺ軸の周りに角
速度ωで回動させると、振動ジャイロ14にはＹ軸方向の
コリオリの力Ｆｃが発生し、それは、たとえば図2(d)に
示すように、Ｙ軸方向の剪断力を受けてすべり変形す
る。これにより、第１および第２の厚みすべり振動子11
a, 11bの、いずれか一方の分極方向剪断力が増加し、他
方の分極方向剪断力が減少して、それぞれの厚みすべり
振動子11a, 11bを通過する電流に差を生じるので、その
差を検出することによって角速度を求めることができ
る。

【００１５】なお、この場合において、第１および第２
の厚みすべり振動子11a, 11bへの電圧の印加時に、それ
らのそれぞれに発生する剪断力の大きさが相互に異なる
と、振動ジャイロ全体としての合成和方向と合成差方向
とが、それぞれＸ軸およびＹ軸と正確に一致せず、相互
に直交しなくなる。しかるに、かかる場合には、角速度
が作用しなくても、第１および第２の厚みすべり振動子
11a, 11bを通過する電流に差異が生じるので、このこと
を予め考慮することで、上述した基本思想に基づいて角
速度を検出することが可能となる。またここで、第１お
よび第２の厚みすべり振動子11a, 11bに相互に逆相の交
流電圧を印加して、振動ジャイロ14をＹ軸方向に励振さ
せたときには、Ｘ軸方向に発生するコリオリの力Ｆｃ
を、上述したとほぼ同様にして検出することができる。

【００１６】ところで、それぞれの厚みすべり振動子11
a, 11bの共振周波数は、それらの厚みによって定まるの
で、両者の厚みを揃えることによって、励振効率および
検出効率をともに有効に高めることができる。

【００１７】図３に示す実施例は、圧電素子12の分極方
向を、前述した実施例とは相違させたものであって、図
３(a) に示す例は、分極方向を、前述実施例とは逆方向
とし、また、図３(b) に示す例は、相互に直角をなして
遠ざかる方向に分極させたものである。なお、その他の
構成は前述したところと同様である。これらの実施例に
よってもまた、図１, ２について述べたところとほぼ同
様の作用を行わせることができる。

【００１８】図４(a), (b)は、圧電素子12の分極処理方
法を例示する図であり、ここでは、圧電素子12の、Ｚ軸
と直交するそれぞれの面の少なくとも一方、図ではそれ
の頂面の所要位置に分極用電極15a, 15bをそれぞれ形成
し、それらの両電極間に直流電圧Ｖ_DCを印加することに
よって、圧電素子12に所期した通りの分極を施す。この
場合、図４(a) に示すように、個々の圧電素子毎に分極
処理を行い得ることはもちろんであるが、図４(b) に示
すように、大面積のウエハ状圧電素子12に分極処理を同
時に施すことによって処理効率を大きく高めることがで
きる。なお、図4 (b) に示す例では、たとえば、破線で
囲まれる領域16を一の圧電素子として切り出すことがで
きる。

【００１９】このようにして分極処理を施した圧電素子
12の、Ｚ軸と直交するそれぞれの面に電極を形成するに
当たっては、分極用電極15a, 15bを、エッチング, 研磨
等によって除去することも可能であるが、とくにはＹ軸
方向に間隔をおいて位置するそれぞれの電極の形成に際
しては、分極用電極15a, 15bはそのままに、図４(c)に
示すように、分極用電極15a に設けたスリット部17を隔
てて電極13b, 13cを形成することによって、それらの両
電極13b, 13cを電気的に確実に分離することができる。
この一方で、Ｚ軸と直交する他の面には、電極13b, 13c
と同様に分離させた二電極もしくは、前述したと同様の
一の共通電極を設ける。

【００２０】図５は、他の分極方法を例示する図であ
り、これは、圧電素子12の、Ｘ軸と直交する一の側面Ｘ
₁およびＹ軸と直交する両側面Ｙ₁, Ｙ₂のそれぞれ
に、図５(a) に示すように、分極用電極15c, 15d, 15e
をそれぞれ設けるとともに、分極用電極15c と分極用電
極15d, 15eとの間に、図５(b) に示すようにしてそれぞ
れ直流電圧Ｖ_DCを印加して、圧電素子14を円弧状に分極
させるものである。分極処理後には、それぞれの分極用
電極15c, 15d, 15e を、エッチング, 研磨等によって除
去し、Ｚ軸と直交するそれぞれの圧電素子表面の少なく
とも一方に、図５(c) に示すように、二電極13b, 13cを
設ける。従って、圧電素子12の他方の表面には、一の電
極もしくは、上記二電極13b, 13cと同様に、Ｙ軸方向に
間隔をおく二電極を形成することができる。

【００２１】図６は、振動ジャイロの他の例を示す図で
あり、予め分離して構成された第１および第２の厚みす
べり振動子を相互に接合して振動ジャイロとしたもので
ある。ここでは、図６(a) に示すように、Ｕ軸方向およ
びＶ軸方向にそれぞれ分極処理されたそれぞれの圧電素
子12a, 12bの、Ｚ軸と直交するそれぞれの表面に、電極
13d, 13e, 13f, 13gをそれぞれ形成して第１および第２
の厚みすべり振動子11a, 11bとし、そして、これらの厚
みすべり振動子11a, 11bのそれぞれの、Ｙ軸と直交する
いずれか一方の面、図では分極方向が相互に離反する方
向となる相対面のそれぞれを、接着剤, ガラス等を用い
て突合わせ接合することによって、図６(b) に示すよう
な振動ジャイロを構成する。なお、かかる接合の後にお
いては、頂面電極13d, 13fの境界位置に溝18を設けるこ
とによって、両電極13d, 13fの電気的分離を確実にす
る。ところで、それらの電極13d, 13fの辺縁をパターン
形成等によって、圧電素子12a, 12bの接合辺縁より幾分
後退させて位置させた場合には、溝18を設けるまでもな
く、電極13d, 13fの接触を十分に阻止することができ
る。

【００２２】図６(c) は、棒状に形成した長尺の第１お
よび第２の厚みすべり振動子11a, 11bを、それらの相互
接合の後に、図に破線で示す各位置にて切断することに
よって、図６(b) に示すような振動ジャイロ14とする他
の構成例を示し、これによれば、振動ジャイロ14の生産
性を大きく向上させることができる。

【００２３】以上、全体としてほぼ直方体形状をなす振
動ジャイロについて説明したが、それの形状は直方体に
限定されるものではなく、たとえば、図７に示すような
三角柱状の他、多角柱状とすることもでき、さらには、
図８に示すような半円柱状の他、円柱状、楕円柱状など
とすることもできる。また、各実施例の電極の辺縁を、
たとえば図９に示すように、振動ジャイロ14の輪郭辺縁
から幾分後退させて位置させることもできる。

【００２４】

【発明の効果】かくして、この発明によれば、全く新規
な構造の、小型にして高感度の振動ジャイロを実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す斜視図である。

【図２】作動を示す説明図である。

【図３】この発明の他の例を示す斜視図である。

【図４】圧電材料の分極処理方法を例示する図である。

【図５】他の分極処理方法を例示する図である。

【図６】この発明の他の例を示す図である。

【図７】この発明の他の例を示す図である。

【図８】この発明の他の例を示す図である。

【図９】この発明の他の例を示す図である。

【図１０】従来の振動ジャイロを示すブロック図であ
る。

【図１１】従来の振動子を示す図である。

【符号の説明】

11a 第１の厚みすべり振動子 11b 第２の厚みすべり振動子 12, 12a, 12b 圧電素子 13a 〜13g 電極 14 振動ジャイロ 18 溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元座標系のＺ軸と直交する面内で一
体的に形成した第１および第２の厚みすべり振動子から
なり、Ｚ軸の周りの角速度を検出する振動ジャイロであ
って、各厚みすべり振動子を、圧電素子と、この圧電素子の、
Ｚ軸と直交するそれぞれの面に設けた電極とで構成する
とともに、それぞれの圧電素子を、相互に異なった方向
に分極させてなる振動ジャイロ。