JPH0843107A - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数共振のためのトリミング調整を簡略化
して作業時間を短縮し、経時変化や温度変化に伴う共振
周波数のずれを簡便に調整する。 【構成】 振動子５２は、励振用圧電素子５４，５６，
帰還用圧電素子５８，発振回路６２によって励振され
る。コイルＬとコンデンサＣとの直列共振回路で近似さ
れる補助用圧電素子６０には、直列に可変コンデンサ７
４が接続されている。この可変コンデンサ７４を調整す
れば、振動子５２の直交する２つの固有振動モードの周
波数が近づくようになり、結果的に励振方向とコリオリ
方向に対する振動子５２の共振周波数を一致させて、振
動ジャイロ５０の感度の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、振動子の駆動と角速
度検出が圧電的に行われる圧電振動ジャイロにかかり、
更に具体的には、共振周波数の調整手法の改良に関する
ものである。

【０００２】

【背景技術】振動ジャイロは、振動子に角速度が加わる
と、その振動方向と垂直にコリオリの力が生ずるという
力学現象を利用したもので、圧電振動ジャイロは圧電素
子を振動と検出に利用したものである。既に各種のもの
が知られており、自動車のナビゲーションシステムやビ
デオカメラの手ぶれ調整などに応用されている。

【０００３】一例として、特開平２−２６６２１４号公
報に開示されたものを説明する。図７において、振動ジ
ャイロ１０は、エリンバ合金製の正三角柱状の振動子１
２を中心に構成されており、その三つの側面の中央部に
それぞれ圧電素子１４，１６，１８が接着されている。
圧電素子１４は、圧電セラミック１４Ａを電極１４Ｂ，
１４Ｃで挟んだ構成となっている。他の圧電素子１６，
１８についても同様である。

【０００４】帰還用の圧電素子１８の電極１８Ｂは、発
振回路２０の入力側に接続されており、この発振回路２
０の出力側は、固定抵抗２２，２４を各々介して励振用
の圧電素子１４，１６の入力側の電極１４Ｂ，１６Ｂに
それぞれ接続されている。また、励振用の圧電素子１
４，１６の電極１４Ｂ，１６Ｂは、検出用端子２６，２
８にそれぞれ接続されている。これら検出用端子２６，
２８は差動検出回路３０にそれぞれ接続されており、こ
れによって検出用端子２６，２８の電位差が検出される
ようになっている。

【０００５】発振回路２０によって、圧電素子１４，１
６と、圧電素子１８との間に駆動電圧が印加されると、
圧電セラミック１４Ａ，１６Ａ，１８Ａの圧電作用によ
り振動子１２が同図の上下方向に屈曲振動する。この状
態で振動子１２の長手方向（図の紙面に垂直の方向）を
軸として振動ジャイロ１０が回転すると、その回転角速
度に応じて励振方向と直交するコリオリ方向（同図の左
右方向）にコリオリ力が働く。このため、振動子１２の
振動方向は、無回転時の上下の振動方向からずれるよう
になる。

【０００６】すると、圧電素子１４，１６のインピーダ
ンスが振動ジャイロ１０の回転角速度に応じて変化する
ようになり、この変化に対応する電位が検出用端子２
６，２８に現われる。差動検出回路３０では、検出用端
子２６，２８の電位差が検出される。この電位差は、圧
電素子１４，１６のインピーダンス変化，すなわちコリ
オリ力に基づく振動方向のずれに対応しており、結果的
に差動検出回路３０の出力によって振動ジャイロ１０の
回転角速度を知ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な圧電振動ジャイロにおいて検出感度を上げるには、励
振方向とコリオリ方向に対する振動子１２の共振周波数
を一致させて振動振幅を大きくすることが有効である。
しかし、検出感度を上げるには、振動子１２の機械的Ｑ
（慣性）を上げなければならず、また、振動子１２の加
工精度を上げるのみで両者の共振周波数を一致させるこ
とは困難である。

【０００８】このような理由から、振動子１２の共振周
波数を計測しながら振動体１２を微量削るなどのトリミ
ングという作業が必要になる。このトリミング作業は、
振動子１２毎に個別に行う作業であり、同時に大量の振
動子を処理できないため、多大の時間を必要とする。特
に、励振周波数とコリオリ力による振動周波数が接近し
てからは、微妙なトリミング調整が必要となる。更に、
仮に良好にトリミングを行ったとしても、経時変化や温
度変化によって共振周波数がずれることがあり、感度低
下の原因となる。

【０００９】この発明は、これらの点に着目したもの
で、その目的は、周波数共振のためのトリミング調整，
特に最終的なトリミング調整を簡略化することである。
他の目的は、トリミング調整にかかる作業時間を短縮
し、圧電振動ジャイロのコストを低減することである。
更に他の目的は、圧電振動ジャイロ製造後の共振周波数
の経時変化の調整や、温度変化による共振周波数のずれ
の調整を、容易にあるいは自動的に行うことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段と作用】前記目的を達成す
るため、この発明は、補助用圧電素子あるいは補助用電
極に可変コンデンサなどの調整手段が接続され、これに
よって振動子あるいは圧電振動子の共振周波数が調整さ
れる。この調整は、検出出力の位相差を検出すること
で、自動的に調整可能である。従って、トリミングによ
る共振周波数の調整，特にその微調整作業に要する時間
が短縮される。また、経時変化や温度変化に伴う発振周
波数のずれの補正も可能となる。主要な態様の一つによ
れば、補助用の圧電素子や電極は、励振用の圧電素子や
電極に対応するように配置される。この発明の前記及び
他の目的，特徴，利点は、次の詳細な説明及び添付図面
から明瞭になろう。

【００１１】

【好ましい実施例の説明】この発明の圧電振動ジャイロ
には数多くの実施例が有り得るが、ここでは適切な数の
実施例を示し、詳細に説明する。 ＜実施例１＞図１には、実施例１の構成が示されてい
る。同図において、振動ジャイロ５０は、角柱状の振動
子５２を中心に構成されている。この振動子５２の各側
面の中央部には、圧電素子５４，５６，５８，６０がそ
れぞれ設けられている。圧電素子５４は、圧電体５４Ａ
を電極５４Ｂ，５４Ｃで挟んだ構成となっている。他の
圧電素子５６，５８，６０についても同様である。

【００１２】帰還用の圧電素子５８の電極５８Ｂは、発
振回路６２の一端に接続されており、この発振回路６２
の他端は、固定抵抗６４，６６を各々介して励振用の圧
電素子５４，５６の入力側の電極５４Ｂ，５６Ｂにそれ
ぞれ接続されている。また、励振用の圧電素子５４，５
６の電極５４Ｂ，５６Ｂは、検出用端子６８，７０にそ
れぞれ接続されている。これら検出用端子６８，７０は
差動検出回路７２にそれぞれ接続されており、これによ
って検出用端子６８，７０の電位差が検出されるように
なっている。以上の構成部分は、前記背景技術とほぼ同
様となっている。

【００１３】次に、他の補助用の圧電素子６０の入力側
の電極６０Ｂは、インピーダンス素子である可変コンデ
ンサ７４の一端に接続されている。振動子５２，可変コ
ンデンサ７４の他端はアースされている。このアース
は、発振回路６２及び差動検出回路７２のコモン電位と
なっている。

【００１４】これらのうち、振動子５２は、例えば鉄・
ニッケル合金，エリンバ合金，石英，ガラス，セラミッ
クなどの機械振動を生ずる材料によって四角柱状に形成
されている。圧電体５４Ａ，５６Ａ，５８Ａ，６０Ａと
しては、酸化鉛，ＰＺＴ，あるいは圧電セラミックなど
の圧電材料が用いられる。電極５４Ｂ，５６Ｂ，５８
Ｂ，６０Ｂ，５４Ｃ，５６Ｃ，５８Ｃ，６０Ｃとして
は、アルミ，銀などの金属や合金が用いられる。

【００１５】以上のような振動ジャイロ５０は、例えば
図２に示すように振動可能に支持される。同図におい
て、振動子５２のノード点（振動の節となる点）は、略
コ字状の支持線８０，８２のほぼ中心位置に半田などに
よって固定されている。支持線８０，８２の各脚は、プ
リント基板８４に立設されている。つまり、プリント基
板８４に立設された支持線８０，８２に振動子５２をつ
り下げた構成となっている。なお、プリント基板８４に
は、図１に示した発振回路６２，固定抵抗６４，６６，
差動検出回路７２，可変コンデンサ７４などが設けられ
る。

【００１６】次に、以上のように構成された実施例１の
作用を説明する。発振回路６２によって、圧電素子５
４，５６と、圧電素子５８との間に駆動電圧が印加され
ると、圧電体５４Ａ，５６Ａ，５８Ａの圧電作用により
振動子５２が図の上下方向に屈曲振動する。この状態で
振動子５２の長手方向（図の紙面に垂直の方向）を軸と
して振動ジャイロ５０が回転すると、その回転角速度に
応じて励振方向と直交するコリオリ方向（同図の左右方
向）にコリオリ力が働く。このため、振動子５２の振動
方向は、無回転時の上下の振動方向からずれるようにな
る。

【００１７】すると、圧電素子５４，５６のインピーダ
ンスが振動ジャイロ５０の回転角速度に応じて変化する
ようになり、この変化に対応する電位が検出用端子６
８，７０に現われる。差動検出回路７２では、検出用端
子６８，７０の電位差が検出される。この電位差は、圧
電素子５４，５６のインピーダンス変化，すなわちコリ
オリ力に基づく振動方向のずれに対応しており、結果的
に差動検出回路７２の出力によって振動ジャイロ５０の
回転角速度を知ることができる。以上のような振動子の
励振と角速度検出の動作は、前記背景技術と基本的に同
様である。

【００１８】次に、この実施例１の特徴である補助用の
圧電素子６０と、その入力側の電極６０Ｂに接続されて
いる可変コンデンサ７４について説明する。この可変コ
ンデンサ７４の部分を回路的に取り出してみると、図３
に示すようになる。ここで、可変コンデンサ７４の容量
を変化させたとすると、振動子５２が本来的に有する直
交する２つの固有振動モードの周波数が変化するように
なる。これは、４端子回路網として見たときのイメージ
パラメータにおける入力（固定抵抗６４）と出力（可変
コンデンサ７４）との相互干渉が生ずるためであると考
えられる。

【００１９】別言すれば、コイルＬとコンデンサＣとの
直列共振回路で近似される圧電素子６０に、可変コンデ
ンサ７４が直列に接続されたため、圧電素子６０の共振
周波数ｆ＝1／（2π√（LC））が変化することとなり、
相互作用により振動子５２全体としての共振周波数も変
化する結果となったと考えられる。なお、このような共
振周波数の変化は、実験的にも確かめられている。この
点からすると、可変コンデンサ７４の容量を変化させて
振動子５２が本来的に有する固有振動モードの周波数が
近づくように調整すれば、結果的に励振の共振周波数と
コリオリ力の共振周波数を一致させることが可能とな
る。

【００２０】このように、実施例１によれば、可変コン
デンサ７４を調整することにより、励振方向とコリオリ
方向に対する振動子５２の共振周波数を一致させること
ができ、振動ジャイロ５０の感度を上げることができ
る。従って、振動子５２の共振周波数を計測しながら振
動子５２を微量削るというトリミング作業が不要とな
り、作業時間を短縮できる。

【００２１】なお、可変コンデンサ７４の代わりのイン
ピーダンス素子として可変抵抗９０を用いても、やはり
励振方向とコリオリ方向に対する振動子５２の共振周波
数が一致するように調整でき、圧電振動ジャイロ５０の
感度を上げることができる。この場合は、可変抵抗Ｒに
よって圧電素子６０のＱ＝√（L／C）／Rが変化し、結
果的に相互作用によって共振周波数が変化すると考えら
れる。また、同様に可変コンデンサ７４を可変電圧源９
２に変えても、やはり励振方向とコリオリ方向に対する
振動子５２の共振周波数を一致させることができ、振動
ジャイロ１０の感度を上げることができる。この場合
は、電圧の印加によって圧電素子６０の振動特性が変化
し、これによって振動子５２の機械的変形が生じて共振
周波数が変化すると考えられる。

【００２２】＜実施例２＞次に、図４を参照しながら実
施例２について説明する。なお、上述した実施例１と対
応する構成部分には、同一の符号を用いることとする。
同図において、圧電素子５４，５６は、検出用端子６
８，７０の他に位相差検出回路１００にも接続されてい
る。そして、この位相差検出回路１００の出力側が調整
回路１０２に接続されている。調整回路１０２は、上述
した可変コンデンサ７４，可変抵抗９０，あるいは可変
電圧源９２のいずれかによって構成されている。

【００２３】次に実施例２の作用を説明すると、位相差
検出回路１００によって、圧電素子５４，５６の出力信
号波形の位相差が検出される。励振方向とコリオリ方向
の共振周波数が一致しないときは、圧電素子５４，５６
の出力波形に位相差が生ずるようになるので、これが位
相差検出回路１００で検出される。そして、検出結果が
調整回路１０２にフィードバックされ、位相差がなくな
るように、つまり圧電素子５４，５６の出力波形が同位
相となるように容量，抵抗値，あるいは電圧の制御が行
われる。

【００２４】このように、実施例２によれば、共振周波
数の調整が自動的に行われるので、振動ジャイロ製造後
の経時変化に伴う共振周波数のずれや、温度変化に伴う
共振周波数のずれを自動的に調整することができ、絶え
ず感度を良好に保つことが可能となる。

【００２５】＜他の実施例＞この発明は、以上の開示に
基づいて多様に改変することが可能であり、例えば次の
ようなものがある。 （1）振動子の形状や補助用圧電素子の取り付け方法な
どは、各種の変形が可能である。図５には、その例が示
されている。同図（Ａ）の実施例は、三角柱状の振動子
２００の各側面に、駆動用（励振用あるいは帰還用）圧
電素子２０２，２０４，２０６をそれぞれ設け、それら
の両側に補助用圧電素子２０２Ａ，２０２Ｂ，２０４
Ａ，２０４Ｂ，２０６Ａ，２０６Ｂをそれぞれ設けたも
のである。同図（Ｂ）の例は、同じく三角柱状の振動子
２１０の各側面の駆動用圧電素子２１２の長手方向位置
に、補助用圧電素子２１２Ａ，２１２Ｂをそれぞれ設け
たものである。なお、図は一つの側面について示してお
り、他の側面についても同様の素子配置となっている。

【００２６】同図（Ｃ）の例は、三角柱状の振動子２２
０の各側面にそれぞれ駆動用圧電素子２２２，２２４，
２２６をそれぞれ設け、圧電素子２２６の左右に補助用
圧電素子２２８，２３０を設けたものである。同図
（Ｄ）に示すものは、円柱状の振動子２４０の周囲に駆
動用圧電素子２４２，２４６，２４８，補助用圧電素子
２４８，２５０，２５２を交互に配置したものである。

【００２７】（2）また、振動子自体を圧電材料で形成
し、その内部に電極を形成したタイプのものにも適用可
能である。図６には、そのような実施例が示されてい
る。まず、同図（Ａ）に示すものは、圧電セラミックな
どの圧電材料で圧電振動子２６０が四角柱あるいは四角
板状に形成されており、その中央に内部電極２６２が形
成されている。内部電極２６２は、コモンないしアース
に接続されている。圧電振動子２６０の外側には各辺に
外部電極２６４，２６６，２６８，２７０がそれぞれ設
けられている。これらのうち、外部電極２６４，２６６
は励振用であり、図１のように抵抗６４，６６を介して
発振回路６２に接続される。外部電極２６８は帰還用で
あり、発振回路６２の他端に接続される。そして、外部
電極２７０が補助用電極として可変コンデンサ７４など
に接続される。

【００２８】この実施例では、圧電振動子２６０自体が
発振回路６２の出力に基づいて圧電作用により励振され
る。回転角速度の検出原理や回路は、前記実施例と同様
である（図１，図４参照）。同図（Ｂ）に示す実施例
は、圧電振動子２６０の内側に複数の内部電極２８０，
２８２，２８４，２８６を形成し、外側にコモンないし
アースに接続される外部電極２８８を形成したものであ
る。同図（Ａ）の実施例と比較して、電極構成が圧電振
動子の内側と外側とで逆の関係となったことが異なるの
みで、他は同様である。

【００２９】（3）駆動用圧電素子（図６では駆動用電
極）としては少なくとも２つあればよい。また、補助用
の圧電素子や電極を二つ以上設けた場合は、いずれか一
つを粗調整用とし他の一つを微調整用とするという具合
に調整回路を構成することもできる。更に、振動子，圧
電振動子の形状も任意である。四角柱，三角柱，板状，
円筒状，リング状，円盤状などとしてよい。

【００３０】（4）圧電ジャイロの支持手法や駆動方式
も必要に応じて適宜変更してよい。例えば、特開平５−
５２５７１号公報に開示されている同期検波方式を適用
するなどである。この場合は、差動検出回路７２の出力
を発振回路６２の発振周波数で同期検波する同期検波回
路を接続すればよい。 （5）前記実施例では、可変コンデンサ素子，可変抵抗
素子，可変電圧源を調整手段として用いたが、他に可変
コイル素子を用いたり、あるいはそれらを組み合わせる
ようにしてもよい。

【００３１】なお、可変コンデンサなどの共振周波数調
整手段を接続する補助用の圧電素子や電極は、励振用の
圧電素子や電極に対向するように配置すると、対向させ
るほど周波数調整を効果的に行うことができることが実
験的に確かめられている。前記実施例では、補助用圧電
素子６０は励振用圧電素子５４に対向しており（図１参
照）、補助用電極２７０は励振用電極２６４に対向して
いる（図６参照）。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、次のような効果がある。 （1）駆動用の圧電素子や電極の他に補助用の圧電素子
や電極を設け、これに振動子の共振周波数の調整手段を
設けることによって、微妙な周波数調整が可能となり、
トリミングの作業時間を短縮することができる。 （2）検出信号の位相差に基づいて調整手段を自動調整
することとしたので、経時変化や温度変化などに伴う共
振周波数のずれを良好に補正して、感度の低下を防止す
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１の振動ジャイロを示す構成
図である。

【図２】実施例１の振動ジャイロの支持構造の一例を示
す斜視図である。

【図３】実施例１の主要部を取り出して示す図である。

【図４】この発明の実施例２を示す構成図である。

【図５】この発明の他の実施例の主要部を示す構成図で
ある。

【図６】この発明の更に他の実施例の主要部を示す構成
図である。

【図７】圧電振動ジャイロの背景技術の一例の構成図で
ある。

【符号の説明】

５０…振動ジャイロ ５２…振動子 ５４，５６…励振用圧電素子 ５８…帰還用圧電素子 ６０…補助用圧電素子 ６２…発振回路 ６４，６６…固定抵抗 ６８，７０…検出用端子 ７２…差動検出回路 ７４…可変コンデンサ（調整手段） ８０，８２…支持線 ８４…プリント基板 ９０…可変抵抗（調整手段） ９２…可変電圧源（調整手段） １００…位相差検出回路（位相差検出手段） １０２…調整回路（調整手段） ２６０…圧電振動子 ２６２…内部電極 ２６４，２６６，２８０，２８２…励振用電極 ２６８，２８４…帰還用電極 ２７０，２８６…補助用電極 ２８８…外部電極

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励振用及び帰還用圧電素子；これらの圧
   電素子によって励振される振動子；この振動子の共振周
   波数を調整するための補助用圧電素子；を備えた圧電振
   動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記補助用圧電素子に共振周波数の調整
   手段を設けた請求項１記載の圧電振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記励振用圧電素子を２つ設けるととも
   に、それらの検出信号波形の位相差を検出し、この検出
   結果に基づいて前記調整手段を制御する位相差検出手段
   を備えた請求項２記載の圧電振動ジャイロ。
4. 【請求項４】 圧電材料によって形成された圧電振動
   子；この圧電振動子の中心に設けられた内部電極；前記
   圧電振動子の外側に設けられた励振用電極，帰還用電
   極，及び圧電振動子の共振周波数を調整するための補助
   用電極；を備えた圧電振動ジャイロ。
5. 【請求項５】 圧電材料によって形成された圧電振動
   子；この圧電振動子の内側に設けられた励振用電極，帰
   還用電極，及び圧電振動子の共振周波数を調整するため
   の補助用電極；前記圧電振動子の外側に設けられた外部
   電極；を備えた圧電振動ジャイロ。
6. 【請求項６】 前記補助用電極に共振周波数の調整手段
   を設けた請求項４又は５記載の圧電振動ジャイロ。
7. 【請求項７】 前記励振用電極を２つ設けるとともに、
   それらの検出信号波形の位相差を検出し、この検出結果
   に基づいて前記調整手段を制御する位相差検出手段を備
   えた請求項６記載の圧電振動ジャイロ。