JPH0914972A - 音片形振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】振動片を小型化しても共振周波数の上昇が押さ
えられて小型化による検出感度の低下を防止でき、その
結果、小型化が達成できるとともに、簡単な工程で製造
できる音片形振動ジャイロを提供する。 【構成】振動片６は、恒弾性金属板を折り曲げて作製さ
れる。振動片６は、長手方向に形成された少なくとも１
つ以上の折り線６ａを有し、折り線６ａを挟んで一定角
度をなすように少なくとも２つ以上の平板部６ｂ、６ｃ
を有する。平板部６ｂ、６ｃには、振動片６の折り線６
ａを屈曲させる横振動を励振する圧電素子３ｈ〜３ｋを
備える。振動片６は横振動のほぼノード点ｇ、ｈを支持
させて駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば工業用ロボット
や無人搬送車の方位角計測、航空機や船舶等の姿勢制
御、ビデオカメラの面振れ防止あるいは車両ナビゲーシ
ョン用等に用いられる圧電形の振動ジャイロスコープ
（以下振動ジャイロと称す）に係り、特に音片形振動ジ
ャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電形の振動ジャイロは、これまで、音
叉や音片と呼ばれる振動子をはじめとして種々の構造の
振動子の振動モードを利用したものが提案されている。
（「日本音響学会誌」４５巻５号（１９８９）４６２頁
〜４６８頁：「エレクトロ・セラミクス」１９９１年１
０月号、２７頁〜２９頁：特開平２−２９３６２０号公
報）。

【０００４】図５（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ従来の音片
形振動ジャイロの構成例を示す正面図および斜視図、図
５（Ｅ）、（Ｆ）はそれぞれ従来の音片形振動ジャイロ
の他の例を示す正面図および斜視図である。図５
（Ｃ）、（Ｄ）の例は、断面が正方形の恒弾性金属棒
（四角棒）２を使用し、その４面の各面に、両面に電極
を備えて厚み方向に分極された短冊状の圧電素子３ａ、
３ｂ、３ｃ、３ｄを接着し、振動片２のノード点に対応
する稜線上の位置ａ、ｂでワイヤ４ａ、４ｂに溶接等の
手段で接続し、該ワイヤ４ａ、４ｂを基板（図示せず）
上に半田付けして振動片２を支持する。

【０００５】この振動片２に固定した圧電素子３ａ〜３
ｄのうち、圧電素子３ａ、３ｂは自励振動回路（図示せ
ず）に接続して駆動され、他の圧電素子３ｃ、３ｄで振
動を検出して前記自励振動回路に帰還されることで定常
的にｆx モードで共振周波数で励振され、圧電素子３
ｃ、３ｄの出力は差動増幅回路（図示せず）に入力され
る。そして、振動片２の中心軸回りに角速度が作用して
いないときは、圧電素子３ｃ、３ｄはｆx モードに起因
する振動のみを検出し、それぞれの検出信号の位相およ
び振幅は同じとなるため、その差はゼロとなり、差動増
幅回路には出力は現れず、振動片２の中心軸回りに角速
度が作用すると、コリオリ力によりｆy モードが励振さ
れるため、ｆy モードの振動に応じた出力が差動増幅回
路から得られ、その出力を同期検波し整流することによ
り、角速度の方向と大きさに応じた極性と大きさを持つ
直流出力が得られる。

【０００６】図５（Ｅ）、（Ｆ）に示す例は、断面が正
三角形の恒弾性金属棒（三角柱）を振動片５として使用
し、各面に、厚み方向に分極された圧電素子３ｅ、３
ｆ、３ｇを接着し、１つの面（圧電素子３ｇの取付け
面）の法線方向の横振動をｆx モードに対応させてノー
ド点に対応するノード点の位置ｃ、ｄでワイヤ４ａ、４
ｂに接続し、支持させたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した２つの例のよ
うに、従来の音片形振動ジャイロは、振動片２、５とし
て多角柱の金属棒を使用し、その各面または一部の面に
圧電素子３ａ〜３ｇを接着して構成されている。しかし
ながら、このような従来の振動片２、５の構造には次の
ような問題点がある。 振動片２、５を相似的に小型化していくと、共振周波
数は順次上昇し、検出感度は逆に低下していく。しか
も、圧電素子３ａ〜３ｇの厚みの幅長に対する比を維持
するには限界があるため、共振周波数の上昇、感度の低
下は更に大きくなる。従って、振動片として角柱を使用
した場合、小型化に伴う感度維持には限界がある。 振動片２、５を構成する多角形の恒弾性金属棒は、角
柱への押し出し、圧延等の加工および必要な長さへの切
断に限定され、さらに振動片２、５の支持方法もワイヤ
４ａ、４ｂ等による接続に限定されることから、製造方
法の簡素化が図れない。

【０００８】本発明は、上記した問題点に鑑み、振動片
を小型化しても共振周波数の上昇が押さえられて小型化
による検出感度の低下を防止でき、その結果、小型化が
達成できるとともに、簡単な工程で製造できる音片形振
動ジャイロを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明の音片形振動ジャイロは、恒弾性金属板を折
り曲げて長手方向に形成された少なくとも１つ以上の折
り線を有し、該折り線を挟んで一定角度をなすように少
なくとも２つ以上の平板部を有する振動片と、前記平板
部に設けられて前記振動片の前記折り線を屈曲させる横
振動を励振する圧電素子とを備え、前記横振動のほぼノ
ード点を支持させて駆動されることを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明においては、振動片が平板を切断し折り
曲げて作製され、平板部の山側（表面側）または谷側
（裏面側）または両面に貼り付けた駆動側圧電素子を励
振し、検出側圧電素子の出力を自励振動回路に帰還させ
て励振する。

【００１１】

【実施例】図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明による
音片形振動ジャイロの一実施例を示す正面図および側面
図、図１（Ｃ）はその材料板を示す平面図である。該振
動片６は、図１（Ｃ）に示すように、短冊状、すなわち
長方形をなす恒弾性金属板６Ｘを、その長手方向の中心
線ｘ−ｘで折り曲げることによって、図１（Ａ）、
（Ｂ）に示すように、長手方向に折り線６ａを形成し、
該折り線６ａを挟んで両側に平板部６ｂ、６ｃを持つ振
動片６として構成したものである。なお、該恒弾性金属
板としては、一般に用いられているエリンバー形合金や
鉄−ニッケル合金を用いることができ、このような合金
を折り曲げ加工した後に熱処理を施すことが好ましい。
このような振動片６は、従来の多角形柱状の振動片のよ
うに、押し出し、圧延工程を要することなく、打ち抜
き、成形によって容易に作製できる。また、小型化して
も、たわみこわさが柱状振動片に比較して小さいので共
振周波数の上昇度合いが小さく、小型化しても、検出感
度の低下が押さえられる。

【００１２】図１（Ｄ）はこれらの平板部６ｂ、６ｃの
両面に貼り付ける圧電素子３ｈ〜３ｋを示す斜視図であ
り、該圧電素子３ｈ〜３ｋは、圧電セラミック素地ｅの
両面にスパッタリング等により電極ｆを形成し、厚み方
向（矢印ｇで示す）に分極したものである。これらの圧
電素子３ｈ〜３ｋは、図１（Ａ）における断面中心線ｘ
−ｘに線対称に接着され、音片形振動ジャイロ７を構成
する。

【００１３】図１（Ｅ）、（Ｆ）は該実施例の支持構造
の一例であり、折り線６ａの稜線上にノード点ｇ、ｈに
おいて、できるだけ細い高剛性のワイヤ４ａ、４ｂに溶
接し、基板等（図示せず）に支持させる。

【００１４】該実施例の音片形振動ジャイロは、振動片
６の平板部６ｂ、６ｃの山側の面（表面）の圧電素子３
ｈ、３ｉを駆動素子（または検出素子）、谷側の面（裏
面）の圧電素子３ｊ、３ｋを検出素子（または駆動素
子）として作動させるものであり、図２（Ａ）に示すよ
うに、折り線６ａを通る中心線ｘ−ｘをｆx モードと
し、その共振周波数で励振する。

【００１５】図２（Ｂ）は本実施例の音片形振動ジャイ
ロを構成する電気回路の一例図である。図２（Ｂ）の回
路図において、前記圧電素子３ｈ〜３ｋのうち、圧電素
子３ｈ、３ｉは自励振動回路８に圧電素子３ｈ、３ｉ間
のバランスをとるための抵抗９ａ、９ｂを介して接続さ
れて駆動され、他の圧電素子３ｊ、３ｋは同様の目的を
もって設けられた抵抗９ｃ、９ｄを介して自励振動回路
８に接続され、検出信号を帰還させて定常的なｆx モー
ドで励振する。圧電素子３ｊ、３ｋの出力は差動増幅回
路１０（該差動増幅回路は、製造ばらつきに起因するア
ンバランスを調整する回路を含む）に入力される。１１
は差動増幅回路１０の出力を自励振動回路８の信号で同
期検波する回路、１２は該同期検波回路１１の出力を整
流する整流回路である。

【００１６】図２（Ｂ）の回路において、振動片６の中
心線ｘ−ｘ回りに角速度が作用していないときは、圧電
素子３ｊ、３ｋはｆx にモード起因する振動のみを検出
し、それぞれの検出信号の位相および振幅は同じとなる
ため、その差はゼロとなり、差動増幅回路１０には出力
は現れず、振動片６の中心線ｘ−ｘ回りに角速度が作用
すると、コリオリ力によりｆy モードが励振されるた
め、ｆy モードの振動に応じた出力が差動増幅回路１０
から得られ、その出力を同期検波回路１１と整流回路１
２で同期検波し整流することにより、角速度の方向と大
きさに応じた極性と大きさを持つ直流出力が得られる。
このように、小型化しても検出感度の低下が防止される
振動片６を用いて音片形振動ジャイロを構成することに
より、小型でありながら安定した信頼性のある音片形振
動ジャイロが提供できる。

【００１７】なお、圧電素子３ｊ、３ｋの振動片６に対
する取付け面に対する分極方向を逆にすれば、差動増幅
回路１０の代わりに、両圧電素子３ｊ、３ｋの信号を加
算して増幅する増幅回路を用いることができる。また、
これらの圧電素子３ｉ、３ｋは一方の信号のみを検出し
て帰還させる構成も採用でき、また、圧電素子３ｊ、３
ｋを無くし、圧電素子３ｈ、３ｉを検出素子として兼用
することも可能である。

【００１８】前記振動片６は、図１（Ａ）において、平
板部６ｂ、６ｃの法線方向ａ−ａおよびｂ−ｂ方向の共
振周波数がほぼ一致するように、振動片６の折り曲げ角
度θと折り曲げ曲率（Ｒ）の大きさ等が選ばれる。折り
曲げ角度θは前記目的を達成する上では６０度ないし１
２０度の範囲で設定することが好ましい。またａ−ａ方
向、ｂ−ｂ方向の共振周波数を更に精度良く整合させる
ために、端辺を削る等の加工を施して周波数トリミング
することも可能である。こうすることでｆx モードとｆ
y モードの起振力の合成力のａ−ａ方向およびｂ−ｂ方
向（すなわち圧電素子３ｈ〜３ｋの感度が最も高くなる
方向）の分力に対して最大の振動変位（すなわち変位速
度）を与えることができる。

【００１９】図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の他
の実施例を示す正面図および斜視図であり、本実施例の
振動片１３は、図３（Ｃ）に示すように、振動片１３と
なる恒弾性金属板１３Ｘの端辺のノード点ｒ、ｓにそれ
ぞれ対応する位置に、予め細い脚部１３ｄ、１３ｅ、１
３ｆ、１３ｇを一体に打ち抜き加工によって形成してお
き、これを図３（Ｃ）中ｘ−ｘ、ｙ−ｙ、ｚ−ｚ線に沿
って折り曲げることにより、折り線１３ａの両側に平板
部１３ｂ、１３ｃを形成すると共に、平板部１３ｂ、１
３ｃの端辺から延出するように、支持部１３ｄ、１３
ｅ、１３ｆ、１３ｇが一体に形成された振動片１３を構
成したものである。これらの支持部１３ｄ、１３ｅ、１
３ｆ、１３ｇは半田付け等によって基板（図示せず）に
固定される。このように、支持部１３ｄ〜１３ｇも振動
片１３と一体に形成することにより、前記ワイヤ４ａを
振動片１３に付ける工程を省略でき、製造工程がより簡
単となる。

【００２０】図３（Ｄ）、（Ｅ）はそれぞれ本発明の他
の実施例を示す正面図および斜視図であり、それぞれ図
３（Ａ）、（Ｂ）に示した実施例における支持部の形を
変えたものである。すなわち振動片１４には折り線１４
ａの両側に平板部１４ｂ、１４ｃを形成し、その各端辺
から延出した支持部１４ｄ〜１４ｇを折り線１４ａの稜
線側に２段に折り曲げて形成したものである。この他、
支持部１４ｄ〜１４ｇの形状は波形に形成する等、種々
に変更できる。

【００２１】図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の他
の実施例を示す正面図および斜視図であり、該実施例の
振動片１５は、金属板の長手方向に互いに平行をなすよ
うに２本の折り線１５ａ、１５ｂを設けてその折り線１
５ａ、１５ｂの間と外側にそれぞれ平板部１５ｃ、１５
ｄ、１５ｅを形成し、平板部１５ｄ、１５ｅの端辺に支
持部１５ｆ〜１５ｉを一体に形成し、平板部１５ｃ、１
５ｄ、１５ｅにそれぞれ圧電素子３ｍ、３ｎ、３ｐを貼
り付けたものである。この実施例の場合、折り線１５
ａ、１５ｂ間の平板部１５ｃに設けた圧電素子３ｍを駆
動側（または検出側）とした場合、他の２つの圧電素子
３ｎ、３ｐは検出側（または駆動側）とする。なお、平
板部１５ｃの圧電素子３ｍを無くし、平板部１５ｄ、１
５ｅの裏面側に検出用の圧電素子を貼り付けてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々
の変形、応用が可能である。

【００２２】

【発明の効果】請求項１によれば、平板を折り曲げるこ
とによって振動片を形成したので、同じ大きさの金属柱
で構成される従来の振動片よりも、たわみこわさを小さ
くできる。このため、小型化しても、不必要に共振周波
数を高めることがなく、小型化による検出感度の低下防
止に効果的であり、従って、小型化の要求に容易に対応
することができる。また、振動片は、金型を用いれば、
フープ材を連続的に打ち抜き、折り曲げる工程で容易に
加工できる。

【００２３】請求項２によれば、振動片は長方形の恒弾
性金属板を長手方向の中心線で折り曲げ加工し、折り線
を挟んだ２つの平板部にそれぞれ圧電素子を貼付して構
成したので、最も簡単な構造で振動片を実現できる。

【００２４】請求項３によれば、振動片の両側の平板部
の折り線に平行な端辺の、前記ほぼノード点に対応する
位置に、一体的に支持部を形成したので、振動片のみな
らず、支持部をも振動片の形成工程で構成でき、支持部
の組み立て工程を省略でき、製造工程がより簡単化でき
る。

【００２５】請求項４によれば、請求項２の簡単な振動
片構造を用いて、その表裏面に圧電素子を貼付し、自励
振動回路、増幅回路、同期検波回路を用いて音片形振動
ジャイロを構成したので、小型化しても検出感度の低下
が防止され、小型でありながら安定した信頼性のある音
片形振動ジャイロが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明による音片形
振動ジャイロの一実施例を示す正面図および側面図、
（Ｃ）はその材料板を示す平面図、（Ｄ）は本発明にお
いて用いる圧電素子の一例を示す斜視図、（Ｅ）、
（Ｆ）は本実施例の支持構造の一例をそれぞれ示す正面
図および斜視図である。

【図２】（Ａ）は本実施例の振動モードを説明する図、
（Ｂ）は該実施例の振動片を用いた音片形振動ジャイロ
の電気回路の一例図である。

【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施例
を示す正面図および斜視図、（Ｃ）は本実施例の材料板
を示す平面図、（Ｅ）、（Ｆ）はそれぞれ本発明の他の
実施例を示す正面図および斜視図である。

【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施例
を示す正面図および斜視図である。

【図５】（Ａ）、（Ｂ）は音片形振動ジャイロの原理を
説明する図、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ従来の音片形振
動ジャイロの一例を示す正面図および斜視図、（Ｅ）、
（Ｆ）はそれぞれ従来の音片形振動ジャイロの他の例を
示す正面図および斜視図である。

【符号の説明】

３ａ〜３ｐ：圧電素子、４ａ、４ｂ：ワイヤ、６、１
３、１４、１５：振動片、６ａ、１３ａ、１４ａ、１５
ａ、１５ｂ：折り線、６ｂ、６ｃ、１３ｂ、１３ｃ、１
４ｂ、１４ｃ、１５ｃ〜１５ｅ：平板部、７：音片形振
動ジャイロ、１３ｄ〜１３ｇ、１４ｄ〜１４ｇ、１５ｆ
〜１５ｉ：支持部、８：自励振動回路、９ａ〜９ｄ：バ
ランス調整用抵抗、１０：差動増幅回路、１１：同期検
波回路、１２：整流回路

【手続補正書】

【提出日】平成７年１１月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施例
を示す正面図および斜視図、（Ｃ）は本実施例の材料板
を示す平面図、（Ｄ）、（Ｅ）はそれぞれ本発明の他の
実施例を示す正面図および斜視図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】恒弾性金属板を折り曲げて長手方向に形成
   された少なくとも１つ以上の折り線を有し、該折り線を
   挟んで一定角度をなすように少なくとも２つ以上の平板
   部を有する振動片と、 前記平板部に設けられて前記振動片の前記折り線を屈曲
   させる横振動を励振する圧電素子とを備え、 前記横振動のほぼノード点を支持させて駆動されること
   を特徴とする音片形振動ジャイロ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記振動片は長方形の
   恒弾性金属板を長手方向の中心線で折り曲げ加工し、折
   り線を挟んだ２つの平板部にそれぞれ圧電素子を貼付し
   たことを特徴とする音片形振動ジャイロ。
3. 【請求項３】請求項１または２において、振動片の両側
   の平板部の折り線に平行な端辺の、前記ほぼノード点に
   対応する位置に、一体的に形成された支持部を有するこ
   とを特徴とする音片形振動ジャイロ。
4. 【請求項４】請求項２または３において、前記２つの平
   板部の一面にそれぞれ貼付された駆動用圧電素子と、 該２つの平板部の他面にそれぞれ貼付された別の２つの
   検出用圧電素子と、 前記駆動用圧電素子に駆動信号を加えて前記検出用圧電
   素子からの出力を帰還させて前記振動片を共振周波数で
   自励振動させる自励振動回路と、 前記２つの検出用圧電素子の出力の和または差を与える
   増幅回路と、 該増幅回路の出力を、前記自励振動回路の出力で同期検
   波する同期検波回路とを備えたことを特徴とする音片形
   振動ジャイロ。