JPH0914967A

JPH0914967A - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH0914967A
Application number: JP7160445A
Authority: JP
Inventors: Akira Sato; 昭佐藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】平板形状の振動型ジャイロスコープにおい
て、振動子の温度変化によるドリフトを防止し、また検
出損失を低減できるようにする。【構成】振動子１０ｂは、片持ちにて支持された平板
状であり、圧電材料の平板１２ａと１２ｂの間に接地電
極１５が埋設され、表裏両平面に駆動・検出電極１３
ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂが設けられている。交流駆
動電力は各駆動・検出電極に同位相にて与えられ、振動
子１０ｂはｘ方向へ振動駆動される。回転系内でコリオ
リ力を受ける振動子１０ｂはｚ方向へ振動する。このと
き同じ位相となる駆動・検出電極１３ｂ，１４ａからの
検出出力と、これと逆の位相となる駆動・検出電極１３
ａ，１４ｂからの検出主力との差が、差動回路２２によ
り得られ、コリオリ力に比例した検出出力が得られる。
振動子１０ｂが圧電材料のみで形成されているため、異
なる温度係数の弾性体の接合によるドリフトや検出出力
の損失が生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転系の角速度を検出
する板状の振動型ジャイロスコープに係り、特に温度変
化などに起因するドリフトを防止し、且つ検出出力を高
くできる振動型ジャイロスコープに関する。

【０００２】

【従来の技術】回転角速度を検出するジャイロスコープ
は、航空機や船舶の慣性航法システムなどに使用されて
いるが、最近では、車載用ナビゲーションシステムやロ
ボットや無人走行車の姿勢制御、さらにはテレビカメラ
やビデオカメラの画面振れ防止装置、およびアミューズ
メント関連機器などにも使用されるようになってきてい
る。

【０００３】このような種々の分野の使用に適するジャ
イロスコープとしては小型のものが必要になっており、
そこで振動型ジャイロスコープが着目されている。従来
の振動型ジャイロスコープは、エリンバなどの恒弾性材
料により形成された四角柱形状や三角柱形状などの弾性
体に、駆動用の圧電素子と検出用の圧電素子が貼着され
たものとなっている。この振動型ジャイロスコープで
は、駆動用の圧電素子による圧電歪み力により、弾性体
を所定の方向へ振動させる。振動している弾性体は回転
系内でコリオリ力を受け前記振動方向と交叉する方向へ
振動させられるが、この振動が検出用の圧電素子から電
圧または電流として検出される。

【０００４】しかし、角柱形状の弾性体を使用した振動
型ジャイロスコープでは、弾性体を高い精度で加工する
ことが難しく、共振周波数の調整も困難であり、また振
動特性を劣化させることなく支持するのが難しい欠点が
ある。そこで、図９と図１０に示すような板状の弾性体
を使用した振動型ジャイロスコープについて検討した。
この板状の振動型ジャイロスコープは、プレス工程によ
る打ち抜きによる製造が可能であり、また板状の弾性体
をトリミングすることにより共振周波数の調整が可能で
ある。また一端を剛体支持でき支持条件も楽である。

【０００５】図９に示したものは、エリンバなどの恒弾
性材料が一定幅寸法の平板状とされた弾性体により振動
子１が形成されている。振動子１の幅方向の両側部での
表裏両面に、駆動用の圧電素子２が設置され、幅方向の
中央の表裏両面に、検出用の圧電素子３が設置されてい
る。圧電素子２と３は、振動子１に固着された圧電材料
と、この圧電材料の表面に形成された電極とを有するも
のである。

【０００６】恒弾性材料の板状の振動子１は、それ自体
が導電部（コモン電極）となって通常は接地電位に設定
される。駆動用の圧電素子２では、その表面の電極と振
動子１との間に交流駆動電力が与えられ、この駆動電力
による弾性材料の歪みにより、振動子１がｘ方向へ振動
させられる。ｘ方向へ振動している振動子１が、ｙ軸回
りの回転系内に置かれると、振動子１がコリオリ力によ
るｚ方向へ振動させられる。このｚ方向への振動によ
り、検出用の圧電素子３の圧電材料が歪み、圧電素子３
の表面の電極と振動子１との間に検出電圧または検出電
流が得られる。この検出出力はコリオリ力に比例し、ま
たコリオリ力はｙ軸回りの角速度ωに比例するため、前
記検出出力に基づいて、角速度ωが求められる。

【０００７】図１０に示したものでは、エリンバなどの
恒弾性材料で形成された一定幅寸法の平板１ａの表裏両
面に、圧電材料４，４が積層されて、平板１ａと表裏の
圧電材料４，４との積層体により弾性体が構成され、こ
の弾性体が振動子５となっている。振動子５の表裏両面
では、幅方向の両側にて圧電材料４，４の表面に形成さ
れた駆動用の電極６と、幅方向の中央にて圧電材料４，
４の表面に形成された検出用の電極７が設けられてい
る。また、恒弾性材料の平板１ａがコモン電極となり、
通常は接地電位に設定されている。

【０００８】図１０に示す振動型ジャイロスコープにお
いても、駆動用の電極６と平板１ａとの間に交流駆動電
力が与えられ、圧電材料４，４の歪みにより振動子５が
ｘ方向へ振動させられる。コリオリ力により振動子５が
ｚ方向へ振動すると、このときの圧電材料４，４の歪み
による検出電圧または検出電流が、検出用の電極７と平
板１ａとの間で取り出され、この検出出力に基づいて角
速度ωが求められる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図９に示す振動型ジャ
イロスコープにおいて振動子１を恒弾性材料であるエリ
ンバなどの金属で形成している理由、および図１０にお
いて圧電材料４と４の間に恒弾性材料のエリンバなどの
金属平板１ａを介在させている理由は、振動時の共振尖
鋭度（Ｑ値）を向上させるため、および振動子１と５の
全体の強度を高くするためである。しかし、実際に図９
と図１０に示す構造の板状の振動型ジャイロスコープを
構成し、角速度の検出を行なったところ、検出精度が悪
く、また共振尖鋭度（Ｑ値）も本来期待している以上の
ものとはならない結果が得られた。その理由は以下の点
にある。

【００１０】（ａ）エリンバなどの恒弾性材料は、温度
変化による弾性係数の変動が小さいが、恒弾性材料に圧
電素子２，３を構成する圧電材料（図９）または、圧電
材料４，４（図１０）が積層されているため、恒弾性材
料と圧電材料との温度係数の違いにより検出出力にドリ
フトが発生する。

【００１１】（ｂ）恒弾性材料と、圧電材料とを接着に
より積層しているため、弾性体が振動したときに、検出
用の圧電材料と恒弾性材料との接着境界での振動の伝達
効率が低く、検出用の圧電材料から得られる検出出力の
損失が大きい。

【００１２】（ｃ）図９と図１０では共に恒弾性材料の
平板が導電部（コモン電極）として使用されているた
め、検出出力を得るため導電経路が長くなり、電気抵抗
あるいはインピーダンスが高くなって、検出効率が悪く
検出出力が低下する。

【００１３】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、温度変化によるドリフトが生じにくく、また検出
効率がよく検出感度が向上され、しかも高い検出出力が
得られるようにした振動型ジャイロスコープを提供する
ことを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の振動型ジャイロ
スコープは、圧電材料により形成された板状の振動子
と、この振動子の表裏両平面に形成された電極とを有
し、電極から圧電材料に与えられる交流駆動電力により
振動子が所定方向へ撓み振動させられ、振動している振
動子が回転系に置かれコリオリ力により振動子に前記撓
み振動と交叉する方向の振動が生じたときに、この振動
に基づく検出電力が電極から得られることを特徴とする
ものである。

【００１５】上記において、振動子の表裏両平面では、
振動子の幅方向の両側部に、駆動・検出電極が、両駆動
・検出電極の中間には接地電極が設けられ、振動子を構
成する圧電材料は、一方の側部の駆動・検出電極から接
地電極へ向かう方向と、接地電極から他方の側部の駆動
・検出電極へ向かう方向とで、誘電分極方向が同じであ
り、前記駆動・検出電極と接地電極間に交流駆動電力が
与えられるものである。

【００１６】また本発明の振動型ジャイロスコープは、
圧電材料により形成された板状の振動子と、この振動子
の表裏両平面に形成された電極と、振動子の厚さ方向の
中間に埋設された中間電極とを有し、電極から圧電材料
に与えられる交流駆動電力により振動子が所定方向へ撓
み振動させられ、振動している振動子が回転系に置かれ
コリオリ力により振動子に前記撓み振動と交叉する方向
の振動が生じたときに、この振動に基づく検出電力が電
極から得られることを特徴とするものである。上記にお
いて、振動子の表裏両平面には、振動子の幅方向に間隔
を開けた一対の駆動・検出電極が設けられ、中間電極は
振動子内に１層設けられてこの中間電極が接地電極とさ
れ、前記駆動・検出電極と接地電極間に交流駆動電力が
与えられるものとなる。

【００１７】または、振動子の表裏両平面の２面に形成
された電極と、振動子の厚さ方向の中間の２層の平面に
形成された中間電極とを有し、４平面のうちの２つの平
面に形成された電極が接地電極で、この接地電極に対し
振動子の厚さ方向に対向する２つの平面の電極は、振動
子の幅方向に間隔を開けて形成された一対の駆動・検出
電極であり、前記駆動・検出電極と接地電極間に交流駆
動電力が与えられるものとなる。

【００１８】上記において、コリオリ力により振動子が
変形したときに同じ位相の検出出力が得られる第１の組
の駆動・検出電極からの検出電力と、これと逆の位相の
検出出力が得られる第２の組の駆動・検出電極からの検
出電力との差を求める差動手段を設ける構造とすること
が可能である。

【００１９】さらに、圧電材料にて板状に形成された弾
性体に２つの溝が形成されて、この２つの溝にて分離さ
れた３つの振動子が設けられ、これらの振動子が前記の
いずれかの構造となり、中央の振動子と、左右両側の振
動子とが、異なる位相にて振動駆動され、またコリオリ
力により異なる位相にて振動させられるものとすること
が可能である。

【００２０】

【作用】本発明の振動型ジャイロスコープでは、振動子
が圧電材料のみ、すなわち圧電材料に電極が形成された
ものにより構成される。電極は振動子の表裏両平面に形
成され、または圧電材料の振動子の厚さ方向の中間に埋
設されたものとなる。振動子の厚さ寸法内に電極を設け
る構造としては、例えば所定の厚さの圧電材料の平板を
合せてその間に半田箔などの導電体箔を挟み、熱圧着す
ることにより形成される。よって、振動子は、従来のよ
うに温度係数の異なる材料が積層されたものではない。
半田箔などの導電体箔は弾性体としての特性を発揮しな
いため、振動子は圧電材料のみの温度係数や弾性係数に
依存した振動特性を発揮するものとなる。

【００２１】エリンバと圧電材料のように異なる温度係
数の材料の積層体でないため、従来のように材料間の温
度係数の相違によるドリフトが生じることがなく、また
異なる温度係数の弾性材料を接着したものではないため
に、弾性材料間の接着境界での振動伝達の損失も生じに
くい。さらにエリンバなどの弾性体がコモン電極として
使用されないため、検出出力の伝達経路での電気的抵抗
やインピーダンスが低くなり、検出感度および検出出力
も高くなる。

【００２２】本発明の振動子は、圧電材料の振動子の内
部に中間電極が存在しないもの、振動子の内部に１層の
中間電極が埋設されたもの、または２層の中間電極が埋
設されたものとして構成される。中間電極は、振動子の
表裏両平面に形成された電極と平行である。

【００２３】圧電材料は、圧電セラミックなどにより構
成され、各電極の配置に応じて、内部の誘電分極方向が
設定される。また図６に示すように電極間で挟まれる部
分の圧電材料の層が全ての箇所で同じ誘電分極方向を有
するものである場合には、ＬｉＮｂＯ₃または水晶など
の単結晶材料を使用することが可能である。水晶は温度
係数に優れ、ＬｉＮｂＯ₃は電気機械結合係数に優れて
いる。従って、それぞれの用途でこれら材料を選択する
ことにより、最適な振動子を構成することんが可能とな
る。

【００２４】上記の圧電材料の分極方向と電極の配置に
基づき、圧電材料製の振動子が振動駆動されるが、振動
子が板厚平面方向へ振動させられるときは、コリオリ力
による振動方向が板面と直交する板厚方向であり、振動
子が板面と直交する板厚方向へ振動駆動されるもので
は、コリオリ力による振動方向は板面方向である。

【００２５】本発明の好ましい例では、圧電材料により
板状に形成された弾性体に２つの溝が形成されて、３個
（３枚）の互いに平行な振動子が形成されたものとな
る。この各振動子の電極配置は、前記いずれかのものに
なる。駆動方法は、中央の振動子と左右両側の振動子と
が異なる位相で振動させられ、コリオリ力による振動
も、中央の振動子と両側の振動子とでは逆の位相にな
る。

【００２６】この３脚音叉型の弾性体では、全体として
ねじりが生じにくい安定した振動を呈し、また中央の振
動子の長さを調節することにより、共振周波数の変更や
設定作業が容易である。また、３脚音叉型の弾性体は、
溝が形成されていない基部を剛体支持でき、この剛体支
持状態で各振動子は安定して振動できるものとなる。

【００２７】また、上述した各振動子に設けられた駆動
・検出電極と接地電極間に交流駆動電力が与えられ、コ
リオリ力により振動子が変形したときに同じ位相の検出
出力が得られる第１の組の駆動・検出電極からの検出電
力と、これと逆位相の検出出力が得られる第２の組の駆
動・検出電極からの検出電力との差を求める差動手段を
設けることにより、各電極から発生したもれ出力（ヌル
出力）を打ち消すことができ、コリオリ力の検出精度が
向上する。ここで、もれ出力（電圧）とは、コリオリ力
が作用していないときに発生する出力のことであり、コ
リオリ力が発生しているときは、コリオリ力による検出
出力（電力）に重畳して出力されるものである。

【００２８】

【実施例】図１ないし図３は、本発明の振動型ジャイロ
スコープの振動子を実施例別に示す斜視図である。図１
ないし図３の振動子は、１枚の平板構成であり、この振
動子によりコリオリ力を検出することが可能である。た
だし、図８に示すように、１枚の板状の弾性体から３枚
の振動子が分離形成され、３枚の振動子の個々の構造
が、図１ないし図３のいずれかに記載のものであっても
よい。図４ないし図７は、振動子を端面側（ｙ方向）か
ら見た拡大図である。図４は図１に示す振動子を示し、
図５と図６は図２に示す振動子を示し、図７は図３に示
す振動子を示している。

【００２９】図１に示す振動型ジャイロスコープの振動
子１０ａは、片持ち支持された平板状である。基端
（イ）側は支持端である。図８に示す三脚音叉型の弾性
体での３枚の振動子のひとつとして使用される場合に
は、基端（イ）は平板の基部１１と一体に連結されたも
のとなる。振動子１０ａが単独の振動型ジャイロスコー
プとして使用される場合には基端（イ）が剛体支持さ
れ、または単純支持される。この支持構造については、
図２と図３に示す振動子１０ｂと１０ｃにおいても同じ
である。

【００３０】図１と図４に示す振動子１０ａは、１枚の
圧電セラミックの平板１２により形成され、その表裏両
平面に電極が設けられている。電極は銀ペーストなどを
焼き付けて形成されている。平板１２の幅方向の一方の
側部にて表裏両平面に駆動・検出電極１３ａ，１３ｂが
設けられ、幅方向の他方の側部にて表裏両平面には駆動
・検出電極１４ａ，１４ｂが設けられている。そして平
板１２の表裏両平面にて、前記両側部に位置する駆動・
検出電極の中間には、接地電極１５，１５が設けられて
いる。この接地電極１５は、接地電位となっている。

【００３１】圧電材料の平板１２内での誘電分極方向は
図４にて矢印（ａ）で示している通りである。平板１２
の表面側では、一方の側部の駆動・検出電極１３ａから
接地電極１５に向かう方向、および接地電極１５から他
方の側部の駆動・検出電極１４ａに向かう方向におい
て、誘電分極方向（ａ）が同じ向きである。平板１２の
裏面側でも、一方の側部の駆動・検出電極１３ｂから接
地電極１５に向かう方向と、接地電極１５から他方の側
部の駆動・検出電極１４ｂに向かう方向とで、誘電分極
方向（ａ）が同じ向きである。また、誘電分極方向の矢
印の向きが全て図４と左右逆向きであってもよい。

【００３２】図４に示すように、駆動手段を構成する高
周波電源２１から発せられる交流駆動電力は、駆動・検
出電極１３ａ，１３ｂおよび駆動・検出電極１４ａ，１
４ｂのそれぞれに対し同位相にて与えられる。また検出
手段を構成する検出回路では、差動回路（差動手段）２
２が設けられている。振動子１０ａがコリオリ力により
ｚ方向へ振動したときに、同じ位相の検出電圧または検
出電流が得られる第１の組の駆動・検出電極１３ｂと１
４ａからの出力は、差動回路２２の非反転入力部に与え
られ、これとは逆で且つ互いに同じ位相の検出電圧また
は検出電流が得られる第２の組の駆動・検出電極１３ａ
と１４ｂからの出力は、差動回路２２の反転入力部に与
えられる。

【００３３】高周波電源２１から各駆動・検出電極１３
ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂに接地電位に対して同位相
の交流駆動電力が与えられると、圧電材料１２の（ａ）
方向への誘電分極により、例えば電極１３ａと１３ｂで
挟まれている圧電材料が（＋）の歪みとなるときに電極
１４ａと１４ｂとで挟まれている圧電材料が（−）の歪
みとなる。よって、振動子１０ａはｘ方向へ振動する。
この振動を生じながら、ｙ軸回りの回転系内に置かれる
と、コリオリ力により振動子１０ａはｚ方向へ振動す
る。このときに、第１の組の駆動・検出電極１３ｂ，１
４ａと、第２の組の駆動・検出電極１３ａ，１４ｂとで
は逆の位相の検出電圧または検出電流が得られる。よっ
て差動回路２２により両組の電極からの検出出力の差を
とることにより、ｚ方向への振動成分を検出できる。こ
の振動検出出力のピークツーピーク値（振幅）はコリオ
リ力に比例するものであり、よって角速度ωを求めるこ
とができる。

【００３４】図１と図４に示す振動子１０ａでは、エリ
ンバなどの恒弾性材料と圧電材料とが積層されたもので
はなく、温度係数の相違によるドリフトや検出出力の損
失などが小さくなっているが、さらに一対の駆動・検出
電極と接地電極とを同一の平面内に配置したことによ
り、検出出力の高いものとなる。

【００３５】すなわち、振動子を圧電材料のみの板材に
より構成し、その表裏両平面に電極を配置する場合、従
来の圧電素子の考え方であると、例えば電極１３ａと１
４ａを駆動電極とし、これと対向する電極１３ｂと１４
ｂを接地電極として、電極１３ａと１４ａに交流駆動電
力が与えられて振動子１０ａがｘ方向へ振動させられる
ものとなる。同様に、中央の電極１５，１５の一方が検
出電極で、他方が接地電極とされ、振動子１０ａのｚ方
向への振動が両電極１５と１５の間に検出されるものと
なる。しかし、この構造では、振動の検出が一対の電極
１５，１５のみから取り出されるために検出感度と検出
出力が小さいものとなる。また、この場合、もれ電圧を
除去できず問題となる。

【００３６】しかし、図４に示す電極構造の振動子１０
ａでは、差動の手法を取り入れることによって、もれ電
圧（出力）を除去できる。また検出出力も、電極１３ａ
と接地電極１５、電極１４ａと接地電極１５、電極１３
ｂと接地電極１５、電極１４ｂと接地電極１５の、４対
の電極から得られることになり、ｚ方向への振動の検出
感度および検出出力が高くなる。

【００３７】図２に示す振動子１０ｂでは、圧電材料の
平板１２ａと１２ｂの間に中間電極として接地電極１５
が１層だけ埋設されている。この接地電極１５は、振動
子１０ｂの表裏両平面と平行である。圧電材料の平板１
２ａと１２ｂは同じ厚さで同じ平面寸法である。両平板
１２ａと１２ｂは、中間に半田箔を挟んで合せられ、両
平板１２ａと１２ｂを加熱しながら加圧したものであ
る。加熱により半田箔が溶融され、この半田箔の接着力
により両平板１２ａと１２ｂが接着される。この半田層
は両平板１２ａと１２ｂを接着する接着層となり、また
硬化後は中間電極すなわち接地電極１５となる。

【００３８】半田により形成された接地電極１５は弾性
体としての特性を発揮するものではなく、また両平板１
２ａと１２ｂは同じ圧電セラミック材料により形成され
たものであるため、両平板１２ａと１２ｂの温度係数の
差は生じることがなく、また接合部での両平板１２ａと
１２ｂ間での振動の伝達効率の低下もほとんど生じな
い。また接地電極１５は従来の板状のエリンバに比べて
電気抵抗が低く、振動子１０ｂ全体のインピーダンスも
低いものとなる。なお、接地電極１５が銅箔などにより
形成され、平板１２ａと１２ｂとが銅箔を挟んで接着剤
層により固定されている構造であってもよい。ただし、
接着層による振動の損失をできるだけ防止するために
は、前記半田箔のように加熱接着が可能な導電体箔によ
り接地電極１５を構成することが好ましい。

【００３９】また、振動子１０ｂの表面（平板１２ａの
表面）では、幅方向両側に駆動・検出電極１３ａと１４
ａが形成され、振動子１０ｂの裏面（平板１２ｂの表
面）では、幅方向両側に駆動・検出電極１３ｂと１４ｂ
が形成されている。これらの駆動・検出電極は、銀ペー
ストなどを焼き付けて形成されている。

【００４０】図５に示す、駆動手段および検出手段で
は、平板１２ａの左右両側での誘電分極方向（ｂ）が逆
側であり、また平板１２ａと平板１２ｂでは、誘電分極
方向が接地電極１５を挟んで面対称である。高周波電源
２１からの交流駆動電力は、各駆動・検出電極１３ａ，
１３ｂ，１４ａ，１４ｂの全てに対して同位相にて与え
られる。またコリオリ力により振動子１０ｂに生じる振
動を検出する際に同じ位相の検出出力が得られる第１の
組の駆動・検出電極１３ｂと１４ａは、差動回路２２の
非反転入力部に接続され、これと逆の位相が検出される
第２の組の駆動・検出電極１３ａと１４ｂは、差動回路
２２の反転入力部に接続されている。これにより、もれ
電圧（出力）が除去される。

【００４１】図５では、振動子１０ｂの駆動振動方向が
ｘ方向で、コリオリ力による振動方向がｚ方向である。
高周波電源２１から各駆動・検出電極１３ａ，１３ｂ，
１４ａ，１４ｂに同位相の交流駆動電力が与えられる
と、圧電材料の平板１２ａと１２ｂの誘電分極方向
（ｂ）により、例えば電極１３ａと接地電極１５および
接地電極１５と電極１３ｂで挟まれている圧電材料が
（＋）の歪みとなるときに、電極１４ａと接地電極１５
および接地電極１５と電極１４ｂとで挟まれている圧電
材料が（−）の歪みとなる。よって、振動子１０ｂはｘ
方向へ振動する。この振動を生じながら、ｙ軸回りの回
転系内に置かれると、コリオリ力により振動子１０ａは
ｚ方向へ振動する。このときに、第１の組の駆動・検出
電極１３ｂ，１４ｂと、第２の組の駆動・検出電極１３
ａ，１４ｂとでは逆の位相の検出電圧または検出電流が
得られる。差動回路２２により両組の電極からの検出出
力の差をとると、各電極からの検出出力が同極性で加算
されることになり、ｘ方向への振動成分を検出できる。
よって角速度ωを求めることができる。

【００４２】次に図６に示す振動子１０ｂは、図５に示
した振動子と電極配置は同じであり、外観も図２に示し
たものとなる。ただし図６に示すものは圧電材料の誘電
分極方向が図５に示したものと相違している。図６に示
すものでは、圧電材料による平板１２ａと１２ｂは、そ
の幅方向での誘電分極方向が同じであり、平板１２ａと
１２ｂでは、誘電分極方向が全て同じ方向の（ｃ）であ
る。したがって、図６に示す振動子１０ｂでは、駆動に
よる振動方向はｚ方向であり、コリオリ力により振動子
１０ｂが振動する方向はｘ方向である。

【００４３】高周波電源２１から各駆動・検出電極１３
ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂに同位相の交流駆動電力が
印加されると、平板１２ａと１２ｂは共にｚ方向へ撓み
変形して振動する。振動駆動されている振動子１０ｂが
ｙ軸回りの回転系内に置かれると、コリオリ力により振
動子１０ｂにｘ方向への振動が生じる。各平板１２ａと
１２ｂの誘電分極方向により、第１の組の駆動・検出電
極１３ｂと１４ａからは同じ位相の検出出力が得られ、
この出力が差動回路２２の非反転入力部に与えられる。
第２の組の駆動・検出回路１３ａと１４ｂからは前記と
逆の位相の検出出力が得られ、この出力は差動回路２２
の反転入力部に与えられる。差動回路２２では、第１の
組の駆動・検出電極からの検出出力と、第２の組の駆動
・検出電極からの検出出力との差が得られ、この差動出
力から角速度が検出される。またコリオリ力が作用して
いないときは出力が打ち消される。

【００４４】図２および図５と図６に示す振動子１０ｂ
では、エリンバなどの恒弾性材料と圧電材料とが積層さ
れたものではなく、温度係数の相違によるドリフトや検
出出力の損失などが小さくなる。また、平板１２ａと１
２ｂの２つの層のそれぞれに設けられた４つの駆動・検
出電極１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂに与えられる交
流駆動電力により、平板１２ａと１２ｂが駆動され、ま
たコリオリ力による振動が、同じく４つの駆動・検出電
極１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂにより検出され、そ
れぞれの電極からの検出出力が差動回路２２により同じ
極性にて加算されるため、検出出力が大きくなり、検出
感度が向上される。

【００４５】また、図６に示すものでは、平板１２ａと
１２ｂの平板内にて誘電分極方向（ｃ）が同じ方向で均
一であるため、平板１２ａと１２ｂを、ＬｉＮｂＯ₃ま
たは水晶などの単結晶材料により形成することができ
る。振動子１０ｂが単結晶材料により形成されている
と、電気機械結合係数が高くなったり（ＬｉＮｂＯ₃の
場合）温度係数が低く（水晶の場合）なったりして、特
徴的な振動子の作製が可能になる。

【００４６】図３と図７に示す振動子１０ｃでは、圧電
セラミックなどの圧電材料により形成された平板１２ｃ
と１２ｄと１２ｅの３枚が接合されて構成されている。
振動子１０ｃの表平面（平板１２ｃの表面）には一対の
駆動・検出電極１３ａと１４ａが形成され、振動子１０
ｃの裏平面（平板１２ｅの表面）には、接地電極１５ｂ
が形成されている。そして振動子１０ｃの内部には２層
の中間電極が設けられており、その一層は接地電極１５
ａであり、他の１層は一対の駆動・検出電極１３ｂ，１
４ｂである。

【００４７】この振動子１０ｃでは、表裏両平面の２面
および厚さ方向中間の２面の合計４面に電極が形成され
ている。図５および図６に示した実施例と同様に、３枚
の平板１２ｃ，１２ｄ，１２ｅは同じ圧電セラミック材
料により形成されており、中間電極である接地電極１５
ａおよび駆動・検出電極１３ｂ，１４ｂは共に耐熱性の
ペーストにより形成され、同じ圧電セラミック材料によ
り形成された各平板１２ｃ，１２ｄ，１２ｅと一体焼結
される。このような方法の他、グリーンシート法などに
よっても形成できる。

【００４８】各平板１２ｃ，１２ｄ，１２ｅの誘電分極
の方向は図７にて矢印で示す（ｄ）方向である。平板１
２ｃと１２ｅは、誘電分極方向が同じであり、それぞれ
左右両側方で異なる分極方向となっている。中央の平板
１２ｄでは、誘電分極方向が、平板１２ｃおよび１２ｅ
と、電極１５ａ，１３ｂ，１４ｂに対して面対称であ
る。

【００４９】高周波電源２１からの交流駆動電力は、各
駆動・検出電極１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂに対し
同位相にて与えられる。振動子１０ｃでは、図示右側に
て電極１３ａと接地電極１５ａ間、接地電極１５ａと電
極１３ｂ間、電極１３ｂと接地電極１５ｂに挟まれてい
るそれぞれの平板にて例えば（＋）の歪みが生じると、
電極１４ａと接地電極１５ａ間、接地電極１５ａと電極
１４ｂ間、および電極１４ｂと接地電極１５ｂ間に挟ま
れているそれぞれの平板では（−）の歪みが生じる。よ
って、振動子１０ｃでは、ｘ方向への撓み振動が与えら
れる。３層にて形成された圧電セラミックの各平板１２
ｃ，１２ｄ，１２ｅは、それぞれ電極から与えられる交
流駆動電力によりｘ方向へ撓み振動させられることにな
る。

【００５０】この振動子がｙ軸回りの回転系内に置かれ
ると、コリオリ力により振動子１０ｃにｚ方向への振動
が生じる。このとき、第１の組の駆動・検出電極１４ａ
と１４ｂから得られる同じ位相の検出出力は、差動回路
２２の非反転入力部に与えられる。これとは逆の位相と
なる第２の駆動・検出電極１３ａと１３ｂから得られる
検出出力は、差動回路２２の反転入力部に与えられる。
よって、差動回路２２からの検出出力は、各駆動・検出
電極１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂから得られる振動
検出出力が同じ位相にて加算されたものとなる。この出
力はコリオリ力に比例しており、この出力から角速度ω
を求めることができる。なお、コリオリ力が作用してい
ない場合、出力は打ち消される。

【００５１】図７に示す構造では、コリオリ力によるｚ
方向への振動による（＋）と（−）の歪みが平板１２ｃ
と１２ｅでは大きく、中央の平板１２ｄはその厚さ方向
の中心が中立軸となり、その歪み変形量はわずかであ
る。したがって、ｚ方向への振動の際、歪み量の大きい
平板１２ｃと１２ｅから検出出力が得られるものとなっ
ている。すなわち、電極１３ａ，１４ａと接地電極１５
ａ間で平板１２ｃの振動変形が検出され、電極１３ｂ，
１４ｂと接地電極１５ｂとで平板１２ｅの振動変形が検
出される。

【００５２】図８に示す振動型ジャイロスコープの弾性
体３０は、図１、図２、図３に示したものと同様に、全
体が圧電セラミック材料により板状に形成されたもので
ある。また、圧電セラミックの板厚内に中間電極が埋設
されて図２と図３と同じ構造とすることもできる。この
弾性体３０は、圧電セラミックの平板に溝１０ｆ，１０
ｆが切り込み形成されて、３個（３枚）の振動子が分離
して形成されている。弾性体３０の基部１１は剛体支持
されている。

【００５３】中央の振動子は、図１ないし図３および図
４ないし図７のいずれかに示された振動子１０ａまたは
１０ｂまたは１０ｃと同じ構造である。また両側に位置
する振動子１０ｄと１０ｅは、中央の振動子１０ａまた
は１０ｂまたは１０ｃと同じ構造であるが、電極の配置
または、各平板内での誘電分極方向、あるいは電極への
回路接続が図４ないし図７に示したものと図示上下にて
対称形状である。

【００５４】よって３個の各振動子の駆動・検出電極に
交流駆動電力が与えられると、中央の振動子１０ａまた
は１０ｂまたは１０ｃと、左右両側の振動子１０ｄ，１
０ｅとが、異なる位相で板面方向（ｘ方向）または板面
と直交する方向（ｚ）方向へ振動駆動される。各振動子
が板面方向に振動駆動される場合、ある時点で、両側の
弾性板１０ｄと１０ｅの振幅方向が＋ｘ方向のとき、中
央の振動子の振幅方向は−ｘ方向である。

【００５５】この振動型ジャイロスコープの弾性体３０
がＹ軸を中心とする回転系内に置かれると、コリオリ力
により、３個の各振動子に前記駆動方向と直交する方向
への振動が発生する。各振動子の振動駆動方向がｘ方向
のときコリオリ力による振動方向はｚ方向であり、振動
駆動方向がｚ方向のときコリオリ力による振動方向はｘ
方向である。ただし、中央の振動子のコリオリ力による
振動方向と、左右両側の振動子１０ｄ，１０ｅのコリオ
リ力による振動方向の位相は逆である。例えば、コリオ
リ力による振動方向がｚ方向の場合、ある時点で左右両
側の振動子１０ｄ，１０ｅの振幅方向が−ｚ方向のと
き、中央の振動子の振幅方向は＋ｚ方向である。

【００５６】この三脚音叉型の板状弾性体を使用した振
動型ジャイロスコープでは、中央の振動子と両側の振動
子とで振動位相が逆であるため、弾性体全体にねじりが
生じることがなく、また基部１１を剛体支持しても、各
振動子の振動特性は劣化しない。また、中央の振動子の
長さを変えることにより弾性体全体の共振周波数を調整
することが可能である。

【００５７】

【発明の効果】以上のように本発明では、振動子が圧電
材料のみで形成され、または振動子が弾性体としての特
性を発揮しない電極が埋設された圧電材料により形成さ
れているため、従来のようにエリンバなどの恒弾性材料
と圧電材料が積層されたもののように、異なる温度係数
の弾性体の接合によるドリフトなどの問題が生じなくな
る。また恒弾性材料と圧電材料との接着層での振動伝達
（歪み伝達）の損失も生じない。また、恒弾性材料をコ
モン電極として使用していないために振動子の電気抵抗
およびインピーダンスが低くなり、角速度検出出力を高
くできる。

【００５８】また差動手段を用いたものでは、コリオリ
力が作用していないときに、検出出力が打ち消され、も
れ出力を相殺できるものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】１層の圧電材料により振動子が構成された振動
型ジャイロスコープを示す斜視図、

【図２】２層の圧電材料により振動子が構成された振動
型ジャイロスコープを示す斜視図、

【図３】３層の圧電材料により振動子が構成された振動
型ジャイロスコープを示す斜視図、

【図４】図１に示す振動子をｙ方向から見た端面の拡大
図、

【図５】図２に示した振動子をｙ方向から見たものであ
り、振動駆動方向をｘ方向としたときの誘電分極方向お
よび電極配置を示す端面拡大図、

【図６】図２に示した振動子をｙ方向から見たものであ
り、振動駆動方向をｚ方向としたときの誘電分極方向お
よび電極配置を示す端面拡大図、

【図７】図３に示す振動子をｙ方向から見た端面の拡大
図、

【図８】図１ないし図３に示す振動子を３個有する三脚
音叉型の振動型ジャイロスコープを示す斜視図、

【図９】従来の振動型ジャイロスコープの振動子を示す
斜視図、

【図１０】従来の他の構造の振動型ジャイロスコープの
振動子を示す斜視図、

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ振動子１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ圧電
セラミックの平板１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ駆動・検出電極１５，１５ａ，１５ｂ接地電極２１高周波電源２２差動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電材料により形成された板状の振動子
と、この振動子の表裏両平面に形成された電極とを有
し、電極から圧電材料に与えられる交流駆動電力により
振動子が所定方向へ撓み振動させられ、振動している振
動子が回転系に置かれコリオリ力により振動子に前記撓
み振動と交叉する方向の振動が生じたときに、この振動
に基づく検出電力が電極から得られることを特徴とする
振動型ジャイロスコープ。
【請求項２】振動子の表裏両平面では、振動子の幅方
向の両側部に、駆動・検出電極が、両駆動・検出電極の
中間には接地電極が設けられ、振動子を構成する圧電材
料は、一方の側部の駆動・検出電極から接地電極へ向か
う方向と、接地電極から他方の側部の駆動・検出電極へ
向かう方向とで、誘電分極方向が同じであり、前記駆動
・検出電極と接地電極間に交流駆動電力が与えられる請
求項１記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項３】圧電材料により形成された板状の振動子
と、この振動子の表裏両平面に形成された電極と、振動
子の厚さ方向の中間に埋設された中間電極とを有し、電
極から圧電材料に与えられる交流駆動電力により振動子
が所定方向へ撓み振動させられ、振動している振動子が
回転系に置かれコリオリ力により振動子に前記撓み振動
と交叉する方向の振動が生じたときに、この振動に基づ
く検出電力が電極から得られることを特徴とする振動型
ジャイロスコープ。
【請求項４】振動子の表裏両平面には、振動子の幅方
向に間隔を開けた一対の駆動・検出電極が設けられ、中
間電極は振動子内に１層設けられてこの中間電極が接地
電極とされ、前記駆動・検出電極と接地電極間に交流駆
動電力が与えられる請求項３記載の振動型ジャイロスコ
ープ。
【請求項５】振動子の表裏両平面の２面に形成された
電極と、振動子の厚さ方向の中間の２層の平面に形成さ
れた中間電極とを有し、４平面のうちの２つの平面に形
成された電極が接地電極で、この接地電極に対し振動子
の厚さ方向に対向する２つの平面の電極は、振動子の幅
方向に間隔を開けて形成された一対の駆動・検出電極で
あり、前記駆動・検出電極と接地電極間に交流駆動電力
が与えられる請求項３記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項６】コリオリ力により振動子が変形したとき
に同じ位相の検出出力が得られる第１の組の駆動・検出
電極からの検出電力と、これと逆の位相の検出出力が得
られる第２の組の駆動・検出電極からの検出電力との差
を求める差動手段が設けられている請求項２または４ま
たは５のいずれかに記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項７】圧電材料にて板状に形成された弾性体に
２つの溝が形成されて、この２つの溝にて分離された３
つの振動子が設けられ、中央の振動子と、左右両側の振
動子とが異なる位相にて振動駆動される請求項１ないし
６のいずれかに記載の振動型ジャイロスコープ。