JPH0961172A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 雰囲気温度が変化しても誤検知することが少
なく、しかも応答性を良好にすることができる振動ジャ
イロを得る。 【解決手段】 振動ジャイロ１０は、柱状の第１の振動
体１２を含む。板状の第２の振動体１４ａ，１４ｂを基
部１６で接続して音叉状にし、基部１６の中央部を第１
の振動体１２の一端に取り付ける。第２の振動体１４
ａ，１４ｂが対向していない第１の振動体１２の側面
に、駆動手段としての第１の圧電素子１８ａ，１８ｂを
形成する。第２の振動体１４ａ，１４ｂの外側主面に、
検出手段としての第２の圧電素子２６ａ，２６ｂを形成
する。第１の圧電素子１８ａ，１８ｂに駆動信号を印加
して第１の振動体１２を屈曲振動させ、第２の振動体１
４ａ，１４ｂのコリオリ力による屈曲量に対応した信号
を第２の圧電素子２６ａ，２６ｂから得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロに関
し、特にたとえば、カーナビゲーションシステムの角速
度センサなどとして用いられる振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は、従来の振動ジャイロの一例を示
す斜視図であり、図１０はその断面図である。振動ジャ
イロ１は、たとえば４角柱状の振動体２を含む。振動体
２の４つの側面には、それぞれ圧電素子３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄが形成される。そして、たとえば対向する圧電
素子３ａ，３ｃが、振動体２を屈曲振動させるための駆
動用として用いられる。また、別の対向する圧電素子３
ｂ，３ｄが、回転角速度に対応した信号を得るための検
出用として用いられる。

【０００３】この振動ジャイロ１では、圧電素子３ａ，
３ｃ間に発振回路が接続される。この発振回路の信号に
よって、振動体２は圧電素子３ａ，３ｃ形成面に直交す
る方向に屈曲振動する。このとき、圧電素子３ｂ，３ｄ
はその主面に対して屈曲しないため、これらの圧電素子
３ｂ，３ｄから信号が出力されない。この状態で、振動
体の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって振
動体２の振動方向が変化する。そのため、検出用の圧電
素子３ｂ，３ｄはその主面に対して屈曲し、屈曲量に応
じた信号が出力される。圧電素子３ｂ，３ｄの屈曲量
は、コリオリ力に対応しているため、圧電素子３ｂ，３
ｄの出力信号を測定すれば、振動ジャイロ１に加わった
回転角速度を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、雰囲気
温度が変化すると、振動体と圧電素子の熱膨張係数の違
いなどの要因により、振動体に反りが生じる場合があ
る。このような反りが生じると、回転角速度が加わって
いないときでも検出用の圧電素子から信号が出力され、
誤検知の原因となる。また、駆動用の圧電素子と検出用
の圧電素子とが１つの振動体上に形成されているため、
駆動系と検出系の共振周波数を大幅に変えることができ
ず、応答性を良好にすることが困難であった。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、雰
囲気温度が変化しても誤検知することが少なく、しかも
応答性を良好にすることができる振動ジャイロを提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、柱状の第１
の振動体と、第１の振動体に取り付けられ第１の振動体
を挟んで第１の振動体の両側部に延びるように配置され
る板状の第２の振動体と、第１の振動体を屈曲振動させ
るために第１の振動体の側面に形成される駆動手段と、
第２の振動体の屈曲量に対応した信号を得るために第２
の振動体の主面に形成される検出手段とを含み、駆動手
段形成面と検出手段形成面とは互いに角度をもって配置
される、振動ジャイロである。この振動ジャイロにおい
て、第２の振動体を音叉状に形成し、かつその中央部を
第１の振動体の一端に取り付けることができる。また、
第１の振動体の両側部に配置される第２の振動体は、そ
れぞれ第１の振動体の両端に取り付けてもよい。このよ
うな振動ジャイロにおいては、駆動手段形成面と検出手
段形成面とは、それぞれの主面が互いに９０°の角度を
もって配置されることが望ましい。この振動ジャイロに
おいて、駆動手段および検出手段としては、たとえば圧
電素子を用いることができる。また、第１の振動体およ
び第２の振動体を圧電体で形成した場合、駆動手段およ
び検出手段は電極となる。

【０００７】駆動手段および検出手段が、それぞれ別の
振動体上に形成されて、複数の振動系が形成される。第
１の振動体と第２の振動体とが接続されているため、駆
動手段に駆動信号を与えて第１の振動体を屈曲振動させ
れば、その振動に応じて、第２の振動体が振動する。こ
のとき、駆動手段形成面と検出手段形成面とが、互いに
角度をもって配置されることにより、検出手段の出力信
号の和または差を０にすることができる。特に、駆動手
段形成面と検出手段形成面とを、互いに９０°の角度を
もって配置すれば、検出手段の出力信号を０にすること
ができる。

【０００８】振動ジャイロに回転角速度が加わると、コ
リオリ力によって第１の振動体の振動方向が変化する。
それに応じて、第２の振動体の振動方向も変化し、ま
た、第２の振動体自体もコリオリ力により変化し、検出
手段からコリオリ力に対応した信号が出力される。この
とき、第１の振動体の両側の第２の振動体は同じ方向に
屈曲するため、それぞれの検出手段から得られる信号の
和または差をとれば、コリオリ力に対応した大きい出力
信号を得ることができる。

【０００９】雰囲気温度が変化すると、振動体と駆動手
段や検出手段との熱膨張係数の差などの要因で、振動体
に反りが発生する場合がある。第１の振動体に反りが発
生しても、第２の振動体の振動には影響しない。また、
第１の振動体の両側の第２の振動体については、検出手
段との関係により、両方とも内側に反りが発生するか、
または両方とも外側に反りが発生する。これらの第２の
振動体の反りの関係は、コリオリ力による反りの関係と
異なるため、出力信号の和または差を０にすることがで
きる。

【００１０】さらに、この振動ジャイロでは、駆動系と
検出系とが別々に形成されているため、各共振系の共振
周波数を独自に設定することができる。また、第１の振
動体の両側の第２の振動体も、それぞれ異なる共振周波
数になるように設定することができる。

【００１１】

【発明の効果】この発明によれば、和動回路または差動
回路を用いることにより、無回転時の出力信号を０に
し、回転時の出力信号を大きくすることができる。その
ため、高感度で回転角速度を検出することができる。し
かも、雰囲気温度の変化による振動体の反りについて、
駆動系の振動体の反りを無視することができ、検出系の
振動体の反りによる信号を和動回路または差動回路で相
殺することができる。そのため、雰囲気温度の変化によ
る信号の影響を小さくすることができ、正確に回転角速
度を検出することができる。さらに、各共振系の共振周
波数を調整することにより、加わった回転角速度に対す
る応答性を良好にしたり、振動ジャイロに衝撃が加わっ
たときの過度現象を改善することができる。

【００１２】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の振動ジャイロの
一例を示す斜視図であり、図２はその断面図である。振
動ジャイロ１０は、正４角柱状の第１の振動体１２を含
む。第１の振動体１２を挟むようにして、第１の振動体
１２の両側に、板状の第２の振動体１４ａ，１４ｂが形
成される。２つの第２の振動体１４ａ，１４ｂは、それ
ぞれの一端が板状の基部１６で接続され、音叉状に形成
される。そして、基部１６の中央部が、第１の振動体１
２の一端に取り付けられる。

【００１４】第１の振動体１２，第２の振動体１４ａ，
１４ｂおよび基部１６などは、たとえばエリンバ，鉄−
ニッケル合金，石英，ガラス，水晶，セラミックなど、
一般的に機械的な振動を生じる材料で形成される。そし
て、第１の振動体１２と基部１６とは、たとえば溶接や
接着などによって接合される。もちろん、第１の振動体
１２，第２の振動体１４ａ，１４ｂおよび基部１６は、
一体的に形成されてもよい。

【００１５】第２の振動体１４ａ，１４ｂが対向してい
ない第１の振動体１２の側面には、それぞれ第１の圧電
素子１８ａ，１８ｂが形成される。第１の圧電素子１８
ａは、たとえば圧電セラミックなどで形成された圧電層
２０ａを含む。この圧電層２０ａの両面には、電極２２
ａ，２４ａが形成される。そして、一方の電極２４ａ
が、第１の振動体１２に接着される。同様に、別の第１
の圧電素子１８ｂは圧電層２０ｂを含み、その両面に電
極２２ｂ，２４ｂが形成される。そして、一方の電極２
４ｂが、第１の振動体１２に接着される。これらの第１
の圧電素子１８ａ，１８ｂは、第１の振動体１２を屈曲
振動させるための駆動手段として用いられる。

【００１６】また、第２の振動体１４ａ，１４ｂの外側
主面には、それぞれ第２の圧電素子２６ａ，２６ｂが形
成される。これらの第２の圧電素子２６ａ，２６ｂは圧
電層２８ａ，２８ｂを含み、これらの圧電層２８ａ，２
８ｂの両面に、電極３０ａ，３２ａおよび電極３０ｂ，
３２ｂが形成される。そして、これらの圧電素子２６
ａ，２６ｂの一方の電極３２ａ，３２ｂが、第２の振動
体１４ａ，１４ｂに接着される。これらの第２の圧電素
子２６ａ，２６ｂは、第２の振動体１４ａ，１４ｂの屈
曲量に応じた信号を得るための検出手段として用いられ
る。

【００１７】第１の圧電素子１８ａ，１８ｂおよび第２
の圧電素子２６ａ，２６ｂの圧電層２０ａ，２０ｂ，２
８ａ，２８ｂは、全て同じ状態となるように分極処理さ
れる。つまり、これらの圧電層２０ａ，２０ｂ，２８
ａ，２８ｂは、外側から振動体側に向かって分極処理さ
れるか、または振動体側から外側に向かって分極処理さ
れる。

【００１８】この振動ジャイロ１０では、第１の振動体
１２および第１の圧電素子１８ａ，１８ｂで形成される
振動系が、駆動用として用いられる。また、第２の振動
体１４ａ，１４ｂおよび第２の圧電素子２６ａ，２６ｂ
で形成される振動系が、回転角速度に対応した信号を得
るための検出用として用いられる。この場合、第１の圧
電素子１８ａ，１８ｂ間に発振回路が接続される。さら
に、第２の圧電素子２６ａ，２６ｂは、差動回路に接続
される。

【００１９】発振回路の信号により、図３（Ａ），
（Ｂ）に示すように、第１の振動体１２は、圧電素子１
８ａ，１８ｂ形成面に直交する方向に屈曲振動する。こ
のとき、第２の振動体１４ａ，１４ｂは、第１の振動体
１２の端部の動きに応じて振動する。この振動は、第２
の振動体１４ａ，１４ｂの主面に平行な向きの振動であ
り、第２の振動体１４ａ，１４ｂは屈曲しない。そのた
め、第２の圧電素子２６ａ，２６ｂも屈曲せず、これら
の圧電素子２６ａ，２６ｂから信号が出力されない。し
たがって、差動回路の出力信号は０であり、回転角速度
が加わっていないことがわかる。

【００２０】この状態で、第１の振動体１２の軸を中心
として回転すると、コリオリ力により第１の振動体１２
の屈曲振動の方向が変わる。コリオリ力は無回転時の第
１の振動体１２の振動方向に直交する向きに働くため、
第１の振動体１２の振動方向は、第１の圧電素子１８
ａ，１８ｂに与えられた駆動信号による駆動力と、それ
に直交するコリオリ力とが合成された向きになる。した
がって、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１の圧電
素子１８ａ，１８ｂの面には平行な向きの屈曲振動が加
わる。

【００２１】この振動により、第２の振動体１４ａ，１
４ｂは、その主面に直交する向きに屈曲する。それにと
もなって、第２の圧電素子２６ａ，２６ｂも屈曲し、屈
曲量に応じた信号が出力される。このとき、２つの第２
の振動体１４ａ，１４ｂの屈曲方向は同じであるため、
第２の圧電素子２６ａ，２６ｂは、それぞれの分極方向
に対して逆向きに屈曲する。そのため、第２の圧電素子
２６ａと２６ｂとは逆極性の信号が出力される。したが
って、差動回路からは、コリオリ力に対応した大きい信
号を得ることができる。この信号を測定することによ
り、振動ジャイロ１０に加わった回転角速度を検出する
ことができる。

【００２２】このような圧電型の振動ジャイロでは、各
振動体と圧電素子の熱膨張係数に差があるため、たとえ
ば雰囲気温度の変化などにより、振動体に反りが生じる
場合がある。しかしながら、この振動ジャイロ１０で
は、第１の振動体１２に反りが発生しても、検出用の第
２の振動体１４ａ，１４ｂの屈曲振動に影響しない。し
たがって、第１の振動体１２の反りによる誤検知を防ぐ
ことができる。

【００２３】また、第２の振動体１４ａ，１４ｂの外側
主面に第２の圧電素子２６ａ，２６ｂが形成されている
ため、雰囲気温度の変化による第２の振動体１４ａ，１
４ｂの反りの方向は、熱膨張係数の差から１つの方向に
決定される。つまり、図５に示すように、第２の振動体
１４ａ，１４ｂの両方が、外側に膨らむように反るか、
または図５とは逆に反るかのどちらかである。このよう
な第２の振動体１４ａ，１４ｂの反りにより、第２の圧
電素子２６ａ，２６ｂは、それぞれの分極方向に対して
同じ関係となるように反ることになる。したがって、第
２の圧電素子１６ａ，１６ｂからは、同じ極性の信号が
出力される。このような雰囲気温度の変化によって生じ
る第２の振動体１４ａ，１４ｂの反りに基づく信号は、
差動回路で相殺される。したがって、第２の振動体１４
ａ，１４ｂの反りによる誤検知も防ぐことができる。

【００２４】この振動ジャイロ１０では、第１の振動体
１２および第１の圧電素子１８ａ，１８ｂが駆動用とし
て用いられ、第２の振動体１４ａ，１４ｂおよび第２の
圧電素子２６ａ，２６ｂが検出用として用いられてい
る。つまり、駆動系と検出系とが、別の振動系で形成さ
れている。そのため、駆動系の共振周波数と検出系の共
振周波数とを、個々に設定することができる。そのた
め、これらの共振周波数を調整することにより、応答性
の遅れを改善することができる。さらに、２つの第２の
振動体１４ａ，１４ｂ部分の共振周波数が異なるように
設定すれば、振動ジャイロ１０に衝撃が加わったときの
過度現象を改善することができる。

【００２５】また、第２の振動体１４ａ，１４ｂの先端
部に重りを取り付けてもよい。このようにすれば、第２
の振動体１４ａ，１４ｂの振幅を大きくすることがで
き、第２の圧電素子２６ａ，２６ｂから大きい信号を得
ることができるため、感度を良好にすることができる。
さらに、振動ジャイロ１０の製造時に、駆動系と検出系
の共振周波数を合わせる必要がないため、作業性および
工数を改善することができ、製造コストの削減を図るこ
とができる。

【００２６】振動ジャイロ１０の支持方法としては、た
とえば第１の振動体１２の屈曲振動のノード点で支持す
るのが好ましいが、第１の振動体１２の両端で支持して
もよい。この場合、第１の振動体１２の両端が、吸振構
造で支持される。このように、第１の振動体１２の両端
部を支持すれば、振動ジャイロ１０の耐衝撃性を良好に
することができる。

【００２７】なお、上述の振動ジャイロ１０では、第１
の圧電素子１８ａ，１８ｂと第２の圧電素子２６ａ，２
６ｂとが、９０度の角度をもって配置されている。しか
しながら、図６に示すように、９０°以外の角度をもっ
て、第１の圧電素子１８ａ，１８ｂと第２の圧電素子２
６ａ，２６ｂとが配置されてもよい。この場合、無回転
時においても第２の圧電素子２６ａ，２６ｂから信号が
出力されるが、それらは同じ極性の信号であり、差動回
路で相殺される。したがって、無回転時における差動回
路の出力を０にすることができる。また、回転時におけ
る出力信号や、雰囲気温度の変化による振動体の反りに
ついては、上述の振動ジャイロと同様であり、誤検知の
少ない振動ジャイロを得ることができる。

【００２８】なお、２つの第２の振動体１４ａ，１４ｂ
は、それぞれ別々に形成されてもよい。たとえば、図７
に示すように、第２の振動体１４ａ，１４ｂの端部にＬ
字状の基部１６ａ，１６ｂを形成し、この基部１６ａ，
１６ｂを第１の振動体１２の一端側の側面に取り付けて
もよい。また、図８に示すように、第２の振動体１４
ａ，１４ｂの基部１６ａ，１６ｂを、第１の振動体１２
の両端に取り付けてもよい。さらに、第１の振動体１２
の形状としては、４角柱状に限らず、３角柱状や円柱状
など、他の柱状に形成されてもよい。

【００２９】上述の振動ジャイロの例では、第２の圧電
素子２６ａ，２６ｂは、両方とも外側から第２の振動体
１４ａ，１４ｂ側に向かって、または第２の振動体１４
ａ，１４ｂ側から外側に向かって分極処理されたが、こ
れらは逆の関係となるように分極処理されてもよい。こ
の場合、第２の圧電素子２６ａ，２６ｂから出力される
信号の極性は、上述の例と逆になるため、差動回路では
なく和動回路に接続される。

【００３０】また、第１の振動体１２および第２の振動
体１４ａ，１４ｂは、圧電体で形成されてもよい。この
場合、第１の圧電素子１８ａ，１８ｂおよび第２の圧電
素子２６ａ，２６ｂが形成されていた位置に、それぞれ
電極が形成される。これらの電極が駆動手段および検出
手段として働き、第１の振動体１２を屈曲振動させると
ともに、第２の振動体１４ａ，１４ｂの屈曲量に対応し
た信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図で
ある。

【図２】図１に示す振動ジャイロの断面図である。

【図３】（Ａ）および（Ｂ）は、無回転時における第１
の振動体および第２の振動体の動きを示す図解図であ
る。

【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、回転時における第１の
振動体および第２の振動体の動きを示す図解図である。

【図５】雰囲気温度が変化したときの第２の振動体の反
りの一例を示す図解図である。

【図６】この発明の振動ジャイロの他の例を示す斜視図
である。

【図７】この発明の振動ジャイロのさらに他の例を示す
斜視図である。

【図８】この発明の振動ジャイロの別の例を示す斜視図
である。

【図９】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図であ
る。

【図１０】図９に示す従来の振動ジャイロの断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １２ 第１の振動体 １４ａ，１４ｂ 第２の振動体 １８ａ，１８ｂ 第１の圧電素子 ２６ａ，２６ｂ 第２の圧電素子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の第１の振動体、 前記第１の振動体に取り付けられ、前記第１の振動体を
   挟んで前記第１の振動体の両側部に延びるように配置さ
   れる板状の第２の振動体、 前記第１の振動体を屈曲振動させるために前記第１の振
   動体の側面に形成される駆動手段、および前記第２の振
   動体の屈曲量に対応した信号を得るために前記第２の振
   動体の主面に形成される検出手段を含み、 前記駆動手段形成面と前記検出手段形成面とは互いに角
   度をもって配置される、振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記第２の振動体は音叉状に形成され、
   かつその中央部が前記第１の振動体の一端に取り付けら
   れる、請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記第１の振動体の両側部に配置される
   前記第２の振動体は、それぞれ前記第１の振動体の両端
   に取り付けられる、請求項１に記載の振動ジャイロ。
4. 【請求項４】 前記駆動手段形成面と前記検出手段形成
   面とは互いに９０°の角度をもって配置される、請求項
   １ないし請求項３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
5. 【請求項５】 前記駆動手段および前記検出手段は圧電
   素子である、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載
   の振動ジャイロ。
6. 【請求項６】 前記第１の振動体および前記第２の振動
   体は圧電体で形成され、前記駆動手段および前記検出手
   段は電極である、請求項１ないし請求項４のいずれかに
   記載の振動ジャイロ。