JPH10153432A

JPH10153432A - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH10153432A
Application number: JP8315015A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 尊行菊地; Shiyousaku Gouji; 庄作郷治; Yukihisa Osugi; 幸久大杉; Takao Soma; 隆雄相馬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】水平横置き型の圧電性を有する単結晶からなる
振動子を利用した振動型ジャイロスコープにおいて、回
転角速度の検出精度を向上させた振動型ジャイロスコー
プを提供する。【解決手段】水平面内振動を駆動振動として用いる圧電
性を持つ単結晶を用いて構成された振動子であって、駆
動振動を駆動する駆動手段と、駆動手段による駆動振動
に伴って発生した駆動振動と異なる振動モードの振動状
態を検出する検出手段とを備える振動子（１、９、１
８、２５）と、駆動振動を発生するために使用した電気
信号を参照信号とし、駆動振動に伴って発生した駆動振
動と異なる振動モードを持つ振動を検出手段によって電
気信号として取り出したときの信号を出力信号とすると
き、参照信号と出力信号の位相差を検出する位相差検出
手段４０とを備え、位相検出手段により検出した位相差
の変化に基づいて角速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水平面内振動を駆
動振動として用いる圧電性を持つ単結晶を用いて構成さ
れた振動子を利用した振動型ジャイロスコープに関し、
特に回転角速度の検出を位相差に基づいて検出する振動
型ジャイロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、回転系内の回転角速度を検出
するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型
ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位
置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の
分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメ
ラの手振れの検出などに使用されている。

【０００３】このような圧電振動型ジャイロスコープ
は、振動している物体に角速度が加わると、その振動と
直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そ
して、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、
「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１
〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープと
しては、これまでに種々のものが提案されている。例え
ば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型
ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、
円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の圧電振
動型ジャイロスコープは、いずれの例でも振動子を回転
軸と平行に配置（縦置き）しなければ回転角速度を検出
することができない。通常、測定したい回転系の回転軸
は装着部に対して垂直であるため、このような圧電振動
型ジャイロスコープを実装する際、装着部に対して圧電
振動型ジャイロスコープの低背化を達成することが困難
であった。

【０００５】近年になって、振動子を回転軸と垂直に配
置（横置き）しても回転角速度を検出できる圧電振動型
ジャイロスコープが、特開平８−１２８８３３号公報に
おいて提案されている。この例では、図１０にその一例
を示すように、３つの弾性体５１ａ、５１ｂ、５１ｃの
先端に重量５３を設ける。弾性体５１ａ、５１ｂ、５１
ｃをＸＹ平面内で圧電素子５４、５５により互いに逆方
向の位相で振動させる。Ｚ軸回りの回転角速度ωにより
発生するＹ方向のコリオリ力を、重量５３の重心の位置
に作用させる。弾性体５１ａ、５１ｂ、５１ｃの面と重
量５３の重心の位置とはＺ方向に若干離れているため、
重量５３の重心に作用したコリオリ力により弾性体５１
ａ、５１ｂ、５１ｃの先端がＺ方向で互いに逆方向に曲
がる。この曲げ振動を圧電素子５６、５７で検出するこ
とで、Ｚ軸回りの回転角速度ωを求めている。

【０００６】上述した特開平８−１２８８３３号に記載
された圧電振動型ジャイロスコープでは、確かにその原
理上振動子を横置きしても回転角速度を検出することが
できる。しかしながら、重量５３を設ける必要があるた
め低背化が不十分であった。また、低背化を十分にする
ために重量５３の厚さを薄くすると、コリオリ力による
モーメントがその分小さくなり、曲げ振動が微小にな
り、測定感度が低くなる問題があった。

【０００７】さらに、上述した構成の圧電振動型ジャイ
ロスコープの振動子では、振動子の構成上、駆動と検出
の振動方向が異なっている。すなわち、弾性体５１ａ、
５１ｂ、５１ｃが、ＸＹ平面内で振動した状態でＺ方向
にも振動するという２方向への振動が必要であった。一
般に圧電振動型ジャイロスコープでは、駆動の振動モー
ドの固有周波数と検出の振動モードの固有周波数とは、
測定感度を良好にするため常に一定の関係を保つことが
要求されている。ここで、振動子の材料として単結晶を
考えてみると、単結晶は異方性を持っているため、振動
する方向によって、温度による固有周波数の変化が異な
る。そのため、上述した構成の振動子を単結晶で構成し
ようとすると、ある温度で振動と検出の固有周波数を一
定の関係に定めても、温度が変化するとその関係を維持
することができず、測定感度が温度によって変化しやす
いという問題があった。

【０００８】一方、回転各速度の検知方法について、通
常の縦置きの振動子を有する振動型ジャイロスコープ
も、上述した横置きの振動子を有する振動型ジャイロス
コープも、コリオリ力により発生する駆動振動とはモー
ドの異なる振動子の振動を圧電セラミックの変位として
電気的に取り出し、その出力信号の振幅の大きさにより
回転角速度を測定していた。しかし、圧電性を有する単
結晶からなる振動子を水平横置きした振動型ジャイロス
コープでは、その構成上回転角速度の感度が低いため、
出力信号の振幅の大きさにより回転角速度を測定すると
検出精度が悪くなる問題があった。

【０００９】この電圧変動や温度変動等の外的要因に起
因するノイズの問題を解決するため、縦置き音片型の振
動子において、駆動信号の位相と出力信号の位相と位相
差がコリオリ力により変化することに着目し、この位相
差の変化により回転角速度を測定する技術が特公平４−
１４７３４号公報において開示されている。しかし、圧
電性を有する単結晶からなる振動子を水平横置きした振
動型ジャイロスコープに対し、上述した位相差の変化に
よる回転角速度の検出を適用しても、測定感度の点およ
び位相差と回転角速度との直線性の点で、満足のいく結
果を得ることができなかった。

【００１０】本発明の課題は、水平横置き型の圧電性を
有する単結晶からなる振動子を利用した振動型ジャイロ
スコープにおいて、回転角速度の検出精度を向上させた
振動型ジャイロスコープを提供しようとするものであ
る。

【００１１】

【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、水平面内振動を駆動振動として用いる圧電
性を持つ単結晶を用いて構成された振動子であって、駆
動振動を駆動する駆動手段と、駆動手段による駆動振動
に伴って発生した駆動振動と異なる振動モードの振動状
態を検出する検出手段とを備える振動子と、駆動振動を
発生するために使用した電気信号を参照信号とし、駆動
振動に伴って発生した駆動振動と異なる振動モードを持
つ振動を検出手段によって電気信号として取り出したと
きの信号を出力信号とするとき、参照信号と出力信号の
位相差を検出する位相差検出手段とを備え、位相検出手
段により検出した位相差の変化に基づいて角速度を検出
することを特徴とするものである。

【００１２】本発明は、水平面内振動を駆動振動として
用いる圧電性を持つ単結晶を用いて構成された振動子か
らなる振動型ジャイロスコープにおいて、駆動振動に基
づく参照信号と検出振動に基づく出力信号との位相差を
求め、求めた位相差の変化に基づいて回転角速度を検出
することで、回転角速度の検出精度を向上させることが
できることを見い出したことによる。すなわち、水平横
置きの振動子を用いる振動型ジャイロスコープのよう
に、コリオリ力による振動子の振動が小さく、感度の低
いジャイロスコープでも、振動子の材質としてそれ自体
のＱが高い圧電性を持つ単結晶、例えば水晶、ＬｉＮｂ
Ｏ₃ 単結晶またはＬｉＴａＯ₃単結晶を使用すること
で、検出すべきジャイロ信号の、電圧変動や温度変動等
の外的要因に起因するノイズに対するＳ／Ｎ比を高める
ことができる。その結果、加工精度等に起因するもれ信
号と呼ばれる不要な振動による信号の振幅が本来のジャ
イロ信号の振幅よりも７倍以上大きい領域において、検
出感度は低いが位相差の変化と回転角速度との直線性が
良好な領域で回転角速度を検出できる。そのため、検出
精度を向上させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１〜図４は本発明の振動型ジャ
イロスコープの主に振動子の形状を説明する。いずれの
例においても、振動子を構成する角部材を別部材で構成
することもできるが、特に単結晶より構成した場合の製
造の容易さなどから、一体で構成することが好ましい。
また、それらの材質も特に限定するものでないが、水
晶、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ からなる単結晶を使用
することが好ましい。これらの単結晶を使用すると、検
出感度を良好にすることができるとともに、電圧変動や
温度変動等の外的要因に起因するノイズに対するＳ／Ｎ
比を高めることができる。また、温度変化に対して鈍感
であるため、温度安定性を必要とする車載用として好適
である。なお、上記単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ₃ 単結
晶、ＬｉＴａＯ₃ 単結晶が電気機械結合係数が相対的に
大きいことから、水晶よりもＬｉＮｂＯ₃ 単結晶または
ＬｉＴａＯ₃ 単結晶を使用することが好ましい。また、
ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶とＬｉＴａＯ₃ 単結晶とを比較する
と、ＬｉＴａＯ₃単結晶の方がＬｉＮｂＯ₃ 単結晶より
も電気機械結合係数が相対的にさらに大きいことから、
ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶よりもＬｉＴａＯ₃ 単結晶を使用す
ることがさらに好ましい。

【００１４】図１はこの実施形態に係る振動子１を示す
斜視図である。振動子１は、音叉型振動子と、支持体２
とを備えている。音叉型振動子は、一対の振動片３Ａ、
３Ｂを備えており、各振動片３Ａ、３Ｂは、それぞれ、
ＸＹ平面内で支持体２の先端部分に対して接続部５、基
部４を介して接続されている。支持体２の他端部が、外
部の固定部材６に対してＸＹ平面内において固定されて
いる。一対の振動片３Ａ、３Ｂは、互いにほぼ平行であ
り、かつ支持体２に対して平行に延びている。各接続部
５は、支持体２に対して略垂直方向に延びている。

【００１５】図示しない励振手段により、各振動片３
Ａ、３Ｂに、ＸＹ平面内において位相が完全に逆になる
ように、矢印Ｂで示すような振動を励起する。この状態
で、Ｚ軸を中心として振動子１の全体を回転角速度ωで
回転させると、コリオリの力により、各振動片３Ａ、３
Ｂには、矢印Ｄで示すように、Ｙ軸に沿って互いに逆向
きの力が作用する。その結果、音叉型振動子において、
基部４および接続部分５の両端側で、基部４を中心とす
る互いに同じ向きのモーメントＣ１、Ｃ２が働く。この
モーメントＣ１、Ｃ２により、支持体２に、その固定部
分７を中心とするＸＹ平面内の屈曲振動Ａが生じる。こ
の屈曲振動Ａを、図示しない屈曲信号検出手段により検
出することができる。

【００１６】図２は他の振動子９を示す正面図である。
振動子９においては、基部１０が固定部材６から垂直に
延びており、基部１０の一方の端部１０ａが固定部材６
に固定されている。基部１０内に所定の励振手段１４
Ａ、１４Ｂが設けられている。基部１０の他方の端部１
０ｂ側に、基部１０に対して垂直方向に延びる２本の屈
曲振動片１２Ａ、１２Ｂが設けられている。

【００１７】この振動子９の振動のモードについて説明
する。励振手段１４Ａ、１４Ｂに対して駆動電圧を印加
し、基部１０を、固定部材６への固定部分７を中心とし
て、矢印Ｅに示すように屈曲振動させる。この屈曲振動
に伴い、振動子９の基部１０だけでなく、各屈曲振動片
１２Ａ、１２Ｂの各点も、矢印Ｅのように振動する。

【００１８】Ｚ軸を回転軸とし、振動子９をｚ軸を中心
として回転させる。基部１０を、矢印Ｅに示すように屈
曲振動させているときに、振動子９の全体をＺ軸を中心
として回転させると、矢印Ｆで示すようにコリオリ力が
作用する。この結果、各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂが、
それぞれ基部１０の他方の端部１０ｂとの接続部分１１
を中心として、矢印Ｆで示すように屈曲振動する。

【００１９】このように、基部１０の屈曲振動によっ
て、各屈曲振動片１２Ａ、１２ＢにおいてＸ−Ｙ平面内
に発生するコリオリ力を、各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂ
の接続部分１１を中心とする屈曲振動に変換し、その屈
曲振動を検出手段１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄのい
ずれかにより電気信号として検出することができる。

【００２０】本発明においては、振動子を圧電単結晶に
よって形成するので、励振手段（検出手段）１４Ａ、１
４Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄとしては、電極
を使用する。励振手段（または検出手段）１４Ａと１４
Ｂとの一方があれば、少なくとも励振（または検出）を
行うことが可能である。また、検出手段（または励振手
段）１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄのうちの一つがあ
れば、少なくとも検出（または励振）を行うことが可能
である。

【００２１】また、前記のような振動子を、いわゆるＨ
型の形態の振動子に対して適用することができる。例え
ば、両端が固定されている固定片部と、固定片部の一方
の側に設けられている基部と、基部から基部の長さ方向
に対して交差する方向に延びる少なくとも一本の屈曲振
動片と、固定片部の他方の側に設けられている共振片と
を備えており、固定片部、基部、屈曲振動片および共振
片が実質的に所定平面内に延びるように形成されている
振動子を製造できる。

【００２２】図３は、この実施形態に係る振動子１８を
示す正面図である。振動子１８では、固定片部１９によ
って励振手段側と検出手段側とを分離している。固定片
部１９の両端を固定部材１７によって固定する。固定片
部１９の一方の側に細長い基部２４を設け、基部２４の
端部２４ｂから、基部２４の長さ方向に対して直交する
方向に延びる２本の屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂを設けて
いる。

【００２３】固定片部１９の他方の側に、共振片４０が
設けられている。共振片４０は、固定片部１９から垂直
方向に延びる長方形の支持部２０を備えており、支持部
２０内に所定の励振手段２１Ａ、２１Ｂが設けられてい
る。支持部２０の他方の端部２０ｂ側に、支持部２０に
対して垂直方向に延びる２本の振動片２３Ａ、２３Ｂが
設けられている。基部２４の端部２４ａと共振片４０の
端部２０ａとが、固定片部１９に対して連続している。

【００２４】この振動子１８の振動のモードについて説
明する。励振手段２１Ａ、２１Ｂに対して駆動電圧を印
加し、共振片４０を、固定片部１９との接続部分２２を
中心として、矢印Ｇのように振動させる。この振動に対
する共振によって、基部２４および一対の屈曲振動片２
７Ａ、２７Ｂが、固定部材１９との接続部分２５を中心
として、矢印Ｈのように振動する。

【００２５】この振動子１８の全体が、回転軸Ｚを中心
として回転すると、各屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂにコリ
オリ力が作用する。この結果、各屈曲振動片２７Ａ、２
７Ｂが、それぞれ接続部分２６を中心として、矢印Ｉで
示すように振動する。この屈曲振動を、検出手段２８
Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄによって検出することがで
きる。

【００２６】また、図４は、三脚音叉型の振動子２５を
示す正面図である。振動子２５は、外部の固定部材に固
定されるべき基部２９と、基部２９から突出している３
本の音叉型の振動片２６、２７、２８を備えている。両
端の振動片２６、２８は、基部２９から細長く突出して
いる本体部分２６ａ、２８ａと、各本体部分２６ａ、２
８ａから垂直方向に向かって延びている質量部２６ｂ、
２８ｂとを備えている。各振動片２６、２８に検出用の
電極３０、３１が形成されている。中央の振動片２７に
は、駆動用の一対の電極３２Ａ、３２Ｂが形成されてい
る。

【００２７】図１〜図４に示すいずれの例においても、
振動子を横置きにして振動型ジャイロスコープを構成で
きるため、装置の低背化を達成できる。また、振動子と
して所定の単結晶を使用しているため、振動子をエッチ
ング、研削などで作成できるため、振動子を簡単に製造
することができ、装置を低コストで作製することができ
る。さらに、図３に示すように、固定片部に対して対称
の位置に振動部と共振部とを設けて場合は、振動部に設
けた駆動手段と共振部に設けた検出手段の位置を離すこ
とができ、両者の電気機械的な結合などの悪影響を防止
することができる。

【００２８】以下、上述した構成の圧電性を有する単結
晶からなる水平横置き振動子を備える振動型ジャイロス
コープにおける回転角速度の検出方法について説明す
る。まず、従来のジャイロスコープにおける回転角速度
の検出では、検出手段で検出した出力信号中に、加工精
度等に起因して、駆動信号の影響により発生する不要な
振動によるもれ信号が含まれることが認められている。
このもれ信号が大きいと出力信号中のコリオリ力に起因
するジャイロ信号の検出が難しくなるため、従来の出力
信号の振幅の大きさから回転角速度を求める方法では、
検出手段を２カ所に設け、この作動出力を取ること等の
手段により、もれ信号の影響をなくしていた。

【００２９】このもれ信号の影響は、従来技術で説明し
た特公平４−１４７３４号公報で開示されたような縦置
きの音片型の振動子でしかも恒弾性金属からなり検出感
度の高い振動子を使用した振動ジャイロスコープではあ
まり問題にならない。さらに、特公平４−１４７３４号
公報で開示されているように、駆動信号と検出信号との
位相差の変化により回転角速度を検出する場合は、位相
差の変化にもれ信号の影響がほとんどないため、もれ信
号はほとんど問題とならない。

【００３０】しかし、本願発明のように振動子を水平横
置きする場合は、その構成上コリオリ力に起因するジャ
イロ信号が小さくなり、検出感度が低いため、一般的に
考えると上述した位相差による検出をそのまま適用でき
ないものと考えられる。この点について、本発明者が種
々検討した結果、圧電性を有する単結晶を使用すること
で、もれ信号が大きくジャイロ信号が小さい領域でも参
照信号と出力信号との位相差から回転角速度を正確に検
出できることを見い出した。しかも、一般に測定に適す
ると考えられている領域よりも、もれ信号がかなり大き
くジャイロ信号がかなり小さい領域における出力信号の
方が、位相差と回転角速度との直線性が良好になり、さ
らに高い検出精度で測定できることを見い出した。

【００３１】図５は本発明の振動型ジャイロスコープに
おける位相差検出手段の一例を示すブロック図である。
図５において、駆動振動を発生するために使用した電気
信号を参照信号とし、駆動振動に伴って発生した駆動振
動とは異なる振動モードを持つ振動を検出手段によって
電気信号として取り出した振動を出力信号とする。

【００３２】具体的には、図１に示す例では、振動片３
Ａまたは３Ｂに設けられる図示しない駆動電極に供給さ
れる電気信号が参照信号となり、支持体２に設けられる
図示しない検出電極から検出される電気信号が出力信号
となる。また、図２に示す例では、励振手段１４Ａ、１
４Ｂに供給される電気信号が参照信号となり、検出手段
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄから検出される電気信
号が出力信号となる。さらに、図３に示す例では、励振
手段２１Ａ、２１Ｂに供給される電気信号が参照信号と
なり、検出手段２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄから検
出される電気信号が出力信号となる。さらにまた、図４
に示す例では、電極３０、３１に供給される電気信号が
参照信号となり、電極３２Ａ、３２Ｂから検出される電
気信号が出力信号となる。

【００３３】なお、上述した例では参照信号として駆動
振動を発生するために使用した電気信号を用いたが、駆
動振動自体を共振させて得られた電気信号を参照信号と
することもできる。

【００３４】図５に示す位相検出手段４０において、出
力信号はＡＣ増幅器４１で増幅された後位相差検出回路
４２に供給される。参照信号は参照信号前処理回路４３
で波形等を整える前処理を行った後、同じく位相差検出
回路４２に供給される。位相差検出回路４２では、供給
された前処理済みの参照信号と出力信号との位相差を検
出する。検出した位相差はローパスフィルタ４４および
ＤＣ増幅器４５に供給され、位相差の大きさに応じた大
きさを持つ直流信号となる。上述した位相差検出手段４
０で求めた直流信号は、回転角速度検出回路４６に供給
される。回転角速度検出回路４６では、予め求めたおい
た直流信号の大きさと回転角速度との関係に基づき、回
転角速度を求めている。なお、上述した回路では、出力
信号と参照信号との位相差を直接数値として求めること
ができないため、位相差に応じた直流信号の大きさから
回転角速度を求めているが、直接位相差を数値として求
め、予め求めた位相差と回転角速度との関係に基づき、
回転角速度を求めることもできる。

【００３５】以下、出力信号を構成するもれ信号とジャ
イロ信号との関係について説明する。本発明者は、図４
に示す構成でＬｉＴａＯ₃ 単結晶からなる振動子を有す
る振動型ジャイロスコープにおいて、参照信号と出力信
号との位相差を求め、求めた位相差の変化と回転角速度
との関係を調べた。図６〜図８にその結果を示す。図６
は回転角速度が１００°／sec におけるジャイロ信号と
もれ信号との比が１：１００の場合の関係を、図７は回
転角速度が１００°／sec におけるジャイロ信号ともれ
信号との比が１：７の場合の関係を、図８は回転角速度
が１００°／sec におけるジャイロ信号ともれ信号との
比が５：１の場合の関係を、それぞれ示している。ここ
で、回転角速度が１００°／sec におけるジャイロ信号
ともれ信号との比とは、回転角速度が１００°／sec で
回転しているときに出力される出力信号のうちのコリオ
リ力によって励起された信号と、出力信号のうち回転角
速度がないときの出力信号との振幅の比をいう。なお、
各図中に示したベクトル図は、各ベクトルの起点を中心
として回転方向に位相角度をとり、半径方向に信号の大
きさをとり、各条件における出力信号、ジャイロ信号、
もれ信号の状態を示している。また、各図では、もれ信
号と参照信号とが同位相である場合を示し、もれ信号と
出力信号との位相差を、参照信号と出力信号との位相差
として記載している。ただし、もれ信号と参照信号にあ
る一定の位相差が存在する場合には、位相差の変化が図
のようになる。

【００３６】図６の結果から、水平横置き型の振動子を
使用した振動型ジャイロスコープにおいても、圧電性を
有する単結晶を使用した場合に、図６に示すようなレベ
ルの微小位相差を検出でき、その場合は位相差と回転角
速度との間で高い直線性を得ることができることがわか
った。図７の結果からも、図６に示すほどではないが、
良好な直線性を得ることができることがわかった。一
方、図８の結果からは、位相差と回転角速度との直線性
が維持できず、使用範囲は回転角速度が±５０°／sec
程度に限られ、回転角速度が７０〜１００°／sec の範
囲における判別は難しいことがわかった。以上の結果
を、位相差と回転角速度との直線性と、ジャイロ信号と
もれ信号との比との関係として図９にまとめた。

【００３７】一般に±１％の直線性が必要と考えられて
いるため、図９の結果から上記条件を満たす範囲を求め
ると、ジャイロ信号ともれ信号との比が１：７かそれ以
上もれ信号の大きい領域において上記直線性の関係を得
ることができることがわかった。なお、もれ信号が大き
くなりすぎると、いくら圧電性を有する単結晶を使用し
ても検出限界を越えてしまう。そのため、もれ信号の上
限は、振動型ジャイロスコープの検出感度に応じて決定
される。

【００３８】本発明では、上述したように、所定の回転
角速度においてジャイロ信号に対してもれ信号が所定の
関係以上に大きい領域では、検出感度は低下するが位相
差と回転角速度との直線性は良くなり、水平横置き型の
振動子をそれ自体の機械的品質係数が良好な圧電性を有
する単結晶で構成することで、従来よりも外的要因に起
因するノイズに対するＳ／Ｎ比を高めることができる。
また、もれ信号が大きく良いため、振動子の加工精度の
高い製造装置を必要としないので、加工コストを大幅に
下げることができるとともに、従来、場合によって行わ
れていた再加工による調整工程をなくすことができる。
また、従来場合によっては設けていたもれ信号を除去す
る回路等が不要となる。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から明かなように、本発明に
よれば、水平面内振動を駆動振動として用いる圧電性を
持つ単結晶を用いて構成された振動子からなる振動型ジ
ャイロスコープにおいて、駆動振動に基づく参照信号と
検出振動に基づく出力信号との位相差を求め、求めた位
相差の変化に基づいて回転角速度を検出することで、回
転角速度の検出精度を向上させることができる。すなわ
ち、水平横置きの振動子を用いる振動型ジャイロスコー
プのように、コリオリ力による振動子の振動が小さく、
感度の低いジャイロスコープでも、振動子の材質として
それ自体のＱが高い圧電性を持つ単結晶、例えば水晶、
ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶またはＬｉＴａＯ₃ 単結晶を使用す
ることで、検出すべきジャイロ信号の、電圧変動や温度
変動等の外的要因に起因するノイズに対するＳ／Ｎ比を
高めることができる。その結果、加工精度等に起因する
もれ信号と呼ばれる不要な振動による信号の振幅が本来
のジャイロ信号の振幅よりも７倍以上大きい領域におい
て、検出感度は低いが位相差の変化と回転角速度との直
線性が良好な領域で回転角速度を検出できる。そのた
め、検出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用する振動子の一例の構成を示す図
である。

【図２】本発明で使用する振動子の他の例の構成を示す
図である。

【図３】本発明で使用する振動子のさらに他の例の構成
を示す図である。

【図４】本発明で使用する振動子のさらに他の例の構成
を示す図である。

【図５】本発明の振動型ジャイロスコープにおける位相
差検出手段の一例を示すブロック図である。

【図６】本発明においてもれ信号とジャイロ信号とが所
定の関係の場合の位相差と回転角速度との関係の一例を
示すグラフである。

【図７】本発明においてもれ信号とジャイロ信号とが所
定の関係の場合の位相差と回転角速度との関係の他の例
を示すグラフである。

【図８】本発明においてもれ信号とジャイロ信号とが所
定の関係の場合の位相差と回転角速度との関係のさらに
他の例を示すグラフである。

【図９】本発明における直線性ともれ信号とジャイロ信
号との比との関係を示すグラフである。

【図１０】従来の振動子の一例の構成を示す図である。

【符号の説明】

２支持体、３Ａ、３Ｂ振動片、１３Ａ、１３Ｂ、１
３Ｃ、１３Ｄ、２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ検出
手段、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ励振手段、３
０、３１、３２Ａ、３２Ｂ電極、４０位相検出手
段、４１ＡＣ増幅器、４２位相差検出回路、４３
参照信号前処理回路、４４ローパスフィルタ、４５
ＤＣ増幅器、４６回転角速度検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相馬隆雄愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平面内振動を駆動振動として用いる圧電
性を持つ単結晶を用いて構成された振動子であって、駆
動振動を駆動する駆動手段と、駆動手段による駆動振動
に伴って発生した駆動振動と異なる振動モードの振動状
態を検出する検出手段とを備える振動子と、駆動振動を
発生するために使用した電気信号を参照信号とし、駆動
振動に伴って発生した駆動振動と異なる振動モードを持
つ振動を検出手段によって電気信号として取り出したと
きの信号を出力信号とするとき、参照信号と出力信号の
位相差を検出する位相差検出手段とを備え、位相検出手
段により検出した位相差の変化に基づいて角速度を検出
することを特徴とする振動型ジャイロスコープ。
【請求項２】前記駆動振動を発生するために使用した電
気信号に代えて、駆動振動自体を共振させて得られた電
気信号を参照信号とした請求項１記載の振動型ジャイロ
スコープ。
【請求項３】前記圧電性を持つ単結晶が、水晶、ＬｉＮ
ｂＯ₃ 単結晶またはＬｉＴａＯ₃ 単結晶である請求項１
または２記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項４】前記水平面内振動を駆動振動として用いる
振動子が音叉型振動子または３脚音叉型振動子である請
求項１〜３のいずれか１項に記載の振動型ジャイロスコ
ープ。
【請求項５】前記位相差検出手段が、前記出力信号と前
記参照信号との位相差を求める位相差検出部と、位相差
検出部で検出した位相差から位相差の大きさに応じた直
流電圧を得るローパスフィルタと、ローパスフィルタの
出力を直流増幅する増幅器とからなる請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項６】回転角速度１００°／sec で回転している
ときに出力される出力信号のうちコリオリ力によって励
起された信号と、出力信号のうち回転角速度がないとき
の出力信号との振幅の比が、１：７よりも回転角速度が
ないときの出力信号が大きい状態で位相検出を行なう請
求項１〜５のいずれか１項に記載の振動型ジャイロスコ
ープ。