JPH10160478A

JPH10160478A - 振動子、振動子の調整方法およびこの振動子を使用した振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH10160478A
Application number: JP8317784A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行; 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: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】構成を簡略化するとともに、実装する際の横置
きを可能とし低背化を達成することができる振動子、振
動子の調整方法およびその振動子を使用した振動型ジャ
イロスコープを提供する。【解決手段】両端が固定されている固定片部３と、一対
の振動片４ａ、４ｂを一平面内で基部５により結合して
なる音叉型振動子６と、この音叉型振動子６を固定片部
３に一平面内において固定するための支持体７とからな
る振動部８と、固定片部３の支持体７に対応する位置で
支持体７とは反対側に設けた共振部９とからなる振動子
であって、音叉型振動子６の基部５の両端にモーメント
が働くと、一平面内において、支持体７及び共振部９に
支持体７及び共振部９の固定片部３と接続した基部１４
を支点とする屈曲運動が生じるよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転系内の回転角
速度を検出するために使用される角速度センサに用いら
れる振動子、振動子の調整方法およびその振動子を用い
た振動型ジャイロスコープに関し、特に圧電体を用いた
振動子、振動子の調整方法およびその振動子を用いた振
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８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，５１ｃ
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】本発明の課題は、その構成を簡略化すると
ともに、実装する際の横置きを可能とし低背化を達成す
ることができる振動子、振動子の調整方法およびその振
動子を使用した振動型ジャイロスコープを提供しようと
することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の振動子は、両端
が固定されている固定片部と、一対の振動片を一平面内
で基部により結合してなる音叉型振動子と、この音叉型
振動子を前記固定片部に一平面内において固定するため
の支持体とからなる振動部と、前記固定片部の前記支持
体に対応する位置で支持体とは反対側に設けた共振部と
からなる振動子であって、前記音叉型振動子の基部の両
端にモーメントが働くと、前記一平面内において、前記
支持体及び共振部に支持体及び共振部の固定片部と接続
した基部を支点とする屈曲運動が生じるよう構成したこ
とを特徴とするものである。

【００１０】上記振動子の構成において、振動子の変位
は一平面内であるため、振動部、固定片部及び共振部を
同一の単結晶、例えば、水晶、ＬｉＴａＯ₃ 単結晶、Ｌ
ｉＮｂＯ₃ 単結晶、Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃単結晶で構
成することができる。この場合は、測定感度を良好にで
き、また振動子を、単結晶薄板からエッチングなどのウ
ェハープロセス（水晶の場合）、または切削などの単結
晶を切り出す方法（ＬｉＴａＯ₃ 単結晶、ＬｉＮｂＯ₃
単結晶などの場合）で作製できるため好ましい。また、
固定片部の両端が固定されているため、振動子を例えば
振動型ジャイロスコープに搭載するような場合、振動子
を確実に装着することができる。

【００１１】また、本発明の振動子の調整方法は、上記
構成の振動子の調整方法であって、振動部の基部の両端
に設けた張り出し部分の少なくとも一方の張り出し量を
減ずることで、前記音叉型振動子の前記一平面内におけ
る共振周波数と、前記支持体及び共振部の前記一平面内
における屈曲振動の共振周波数とを所定の関係に調整す
ることを特徴とするものである。

【００１２】さらに、本発明の振動型ジャイロスコープ
の第１発明は、上記構成の振動子を用いて回転角速度を
検出する振動型ジャイロスコープであって、前記音叉型
振動子に前記一平面内の振動を励振するための、音叉型
振動子に設けた励振手段と；前記共振部に発現した前記
一平面内における屈曲振動を検出し、検出した屈曲振動
に応じた振動を出力するための、共振部に設けた屈曲検
出手段と；を備えることを特徴とするものである。

【００１３】さらにまた、上記構成の振動子を用いて回
転角速度を検出する振動型ジャイロスコープであって、
前記共振部に前記一平面内における屈曲運動を励振する
ための、共振部に設けた励振手段と；前記音叉型振動子
に発現した前記一平面内の振動を検出し、検出した振動
に応じた振動を出力するための、音叉型振動子に設けた
振動検出手段と；を備えることを特徴とするものであ
る。

【００１４】上記振動型ジャイロスコープの第１発明及
び第２発明では、いずれの場合も、従来の共振部を有さ
ない振動子と比較して、励振手段と屈曲検出手段または
振動検出手段とを振動子上離れた位置に設けることがで
きる。そのため、励振手段と屈曲検出手段または振動検
出手段との間の電気機械的な結合などの悪影響を防止で
きるので、一層検出精度が向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の振動子の一例の構
成を示す図である。図１に示す例において、振動子１
は、両端が固定部材２に固定されている固定片部３と、
一対の振動片４ａ，４ｂを一平面内で基部５により結合
してなる音叉型振動子６と、この音叉型振動子６を固定
片部３に一平面内において固定するための支持体７とか
ら構成される振動部８と、固定片部３の支持体７に対応
する位置で支持体７とは反対側に設けた共振部９とから
構成されている。本例では、共振部９として、振動部８
と同一形状で同一の構成の共振片１１を固定片部３に対
して線対称の位置に設けている。この場合は、振動部８
の振動周波数と共振部９の共振周波数とを同じにするこ
とができる。なお、１２ａ，１２ｂは駆動電極、１３は
検出電極であり、振動型ジャイロスコープ全体を単結晶
で構成する際に必要となる。

【００１６】振動子１を構成する固定片部３、振動部８
および共振部９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 、ＬｉＴ
ａＯ₃ 、Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃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、検出ノイズ
を小さくできる。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、Ｌｉ
ＴａＯ₃ 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ＬｉＴａ
Ｏ₃ 単結晶を使用することが好ましい。また、ＬｉＮｂ
Ｏ₃ 単結晶とＬｉＴａＯ₃ 単結晶とを比較すると、Ｌｉ
ＴａＯ₃ 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、ＬｉＮｂ
Ｏ₃ 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。

【００１７】上述した構成の本発明の振動子１では、音
叉型振動子６の基部５の両端に振動片４ａ，４ｂと平行
すなわちＹ方向に互いに異なる方向の力Ｆ１，Ｆ２が働
くと、ＸＹ平面内において、支持体７に支持体７の固定
片部３と接続した基部１４を支点とする屈曲運動Ｂ１が
生じる。この支持体７の屈曲運動Ｂ１により、同時に、
共振部９には基部１４を支点として同じ方向の屈曲運動
Ｂ２が生じることとなる。そのため、振動子１の駆動振
動は図２（ａ）に示すようになり、その際の振動子１の
検出のための屈曲振動は図２（ｂ）に示すようになる。

【００１８】上述した構成の振動子１は振動型ジャイロ
スコープとして主に使用される。振動型ジャイロスコー
プの第１発明として、振動子１を使用した場合を図１に
おいて考えてみると、以下のようである。まず、Ｚ軸を
中心軸とする回転系において、励振手段としての駆動電
極１２ａ，１２ｂにより振動片４ａ，４ｂをＸＹ平面内
において位相が完全に逆になるよう振動させる。この状
態で、Ｚ軸まわりに回転角速度ωが作用すると、コリオ
リの力により、各振動片４ａ，４ｂにはＹ軸に沿って互
いに逆向きの力Ｆ１，Ｆ２が作用する。その結果、音叉
型振動子６の基部５の両端に同じ向きのモーメントＭ
１，Ｍ２が働く。このモーメントＭ１，Ｍ２により、振
動部８の支持部７にＸＹ平面内の屈曲振動Ｂ１が生じる
とともに、共振部９にもＸＹ平面内の屈曲振動Ｂ２が生
じる。この屈曲振動Ｂ２を共振部９に設けた屈曲振動検
出手段としての検出電極１３により検出することで、回
転角速度ωを測定することができる。

【００１９】上述したように、本発明の振動型ジャイロ
スコープでは、振動片４ａ，４ｂと同一のＸＹ平面内に
発生するコリオリ力を、支持体７及び共振部９の屈曲振
動に変換し、その屈曲振動から回転角速度を求めるよう
構成しているため、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。そのため、本発明
の振動型ジャイロスコープを角速度センサとして例えば
自動車の車体の回転角速度を求める目的で実装する場合
でも、取付部に対して低背化を達成することができる。
また、本例では、振動型ジャイロスコープを固定片部３
に対して対称の位置に振動部８と共振部９とを設けて構
成しているため、振動部８に設けた駆動手段と共振部９
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。

【００２０】図３〜図６はそれぞれ本発明の振動子１の
他の例の構成を示す図である。図３〜図６において、図
１に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説
明を省略する。図３に示す例では、共振部９を固定片部
３から垂直に延びる長方形の共振片２１より構成してい
る。この場合は、共振片２１の構成を簡単にすることが
できる。図４に示す例では、共振部９を、図３に示す共
振片２１を短く構成するとともに、その先端に拡張部２
２を設けて構成している。そのため、図３に示す例と比
較して、固定片部３からの共振部９の突出寸法を小さく
でき振動子１をコンパクトにすることができ、しかも振
動部８の振動周波数に共振部９の共振周波数を接近させ
ることができる。図５に示す例では、振動部８及び共振
部９の構成を、図１に示す例とは異なり、一対の振動片
４ａ，４ｂを基部５に対して支持体７と同じ方向に突出
させている。そのため、図１に示す例と比較して、装置
を一層コンパクトにすることができる。

【００２１】図６に示す例は、本発明の振動型ジャイロ
スコープの第２発明を構成している。すなわち、図１に
示す本発明の振動子１を使用した振動型ジャイロスコー
プの第１発明では、音叉型振動子６をＸＹ平面内で振動
させ、その状態で回転角速度を共振部９の屈曲振動から
求めたが、振動と測定を逆に構成している。図６に示す
例では、励振手段としての駆動電極１２によって支持体
７に屈曲振動Ｂ１を励振し、さらに共振部９の支持体３
７に屈曲振動Ｂ２を生じさせた状態で、回転角速度に基
づき発生するコリオリ力により、各振動片３４ａ，３４
ｂにはＹ軸に沿って互いに同じ向きの力Ｆ１，Ｆ２が作
用する。その結果、音叉型振動子３６の基部３５の両端
に異なる向きのモーメントＭ１，Ｍ２が働く。このモー
メントＭ１，Ｍ２により、音叉型振動子３６に発現した
ＸＹ平面内の振動を検出し、検出した振動に応じた信号
を発生する振動検出手段としての検出電極１３ａ，１３
ｂを利用して、回転角速度を測定することができる。も
ちろん、検出電極は１３ａ，１３ｂのいずれかだけでも
回転角速度を測定することができる。

【００２２】図３〜図６に示した変形例においては、振
動子１全体として水晶、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶、またはＬ
ｉＴａＯ₃ 単結晶からなる振動子を想定して、励振手段
として駆動電極１２，１２ａ，１２ｂを設け、さらに屈
曲振動検出手段として検出電極１３を、振動検出手段と
して検出電極１３ａ，１３ｂを設けたが、振動子１を従
来から振動型ジャイロスコープに用いられている他の材
料により構成した場合は、励振手段、屈曲振動検出手段
及び振動検出手段として従来と同様に圧電セラミック等
の圧電体を好適に使用できる。

【００２３】図７は本発明の振動子のさらに他の例の構
成を示す図である。図７に示す例において、図１に示し
た部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を
省略する。図７に示す例において、図１に示す例と異な
るのは、音叉型振動子６を構成する基部５の両端を、振
動片４ａ，４ｂの位置よりも張り出した張り出し部３１
ａ，３１ｂを構成した点である。図７に示す例では、張
り出し部３１ａ，３１ｂの少なくとも一方の張り出し量
を減ずることで、音叉型振動子６のＸＹ平面内における
振動の共振周波数と、支持体７及び共振部９の屈曲振動
の共振周波数とを所定の関係に簡単に調整することがで
きる。

【００２４】ここで、音叉型振動子６の共振周波数と支
持体７及び共振部９の共振周波数とが近くなると、感度
は良くなるが応答速度が悪化し、両者が離れると、応答
速度は良くなるが感度が悪化する。そのため、音叉型振
動子６の共振周波数と支持体７及び共振部９の共振周波
数とを、感度と応答速度の両者がともにある程度良くな
る所定の関係に調整している。

【００２５】

【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、振動子を横置きにして振動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、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
構成しているため、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
械的な混合などの悪影響を防止することができる。さら
に、振動子として所定の単結晶を使用した場合は、エッ
チング、研削などで成形できるため、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でき
る。さらにまた、音叉型振動子の共振周波数と支持体の
共振周波数とを簡単に所定の関係にできるため、複雑な
調整操作をなくすことができる。さらに、固定片部の両
端を固定しているため、振動子を確実に取り付けること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動子の一例の構成を示す図である。

【図２】本発明の振動子における駆動振動及び検出振動
を説明するための図である。

【図３】本発明の振動子の他の例の構成を示す図であ
る。

【図４】本発明の振動子のさらに他の例の構成を示す図
である。

【図５】本発明の振動子のさらに他の例の構成を示す図
である。

【図６】本発明の振動子のさらに他の例の構成を示す図
である。

【図７】本発明の振動子のさらに他の例の構成を示す図
である。

【図８】従来の振動子の一例の構成を示す図である。

【符号の説明】

１振動子、２固定部材、３固定片部、４ａ，４
ｂ，３４ａ，３４ｂ振片、５，３５基部、６，３６
音叉型振動子、７，３７支持体、８振動部、９
共振部、１１，２１共振片、１２，１２ａ，１２ｂ
駆動電極、１３，１３ａ，１３ｂ検出電極、１４基
部、２２拡張部、３１ａ，３１ｂ張り出し部

───────────────────────────────────────────────────── 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】両端が固定されている固定片部と、一対の
振動片を一平面内で基部により結合してなる音叉型振動
子と、この音叉型振動子を前記固定片部に一平面内にお
いて固定するための支持体とからなる振動部と、前記固
定片部の前記支持体に対応する位置で支持体とは反対側
に設けた共振部とからなる振動子であって、前記音叉型
振動子の基部の両端にモーメントが働くと、前記一平面
内において、前記支持体及び共振部に支持体及び共振部
の固定片部と接続した基部を支点とする屈曲運動が生じ
るよう構成したことを特徴とする振動子。
【請求項２】前記振動部、固定片部および共振部が、同
一の水晶片、ＬｉＴａＯ ₃ 振動片、ＬｉＮｂＯ₃ 振動片
またはＬｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃振動片のいずれかを用い
て構成された請求項１記載の振動子。
【請求項３】前記音叉型振動子の基部の両端を前記一平
面内において前記振動片よりも張り出して構成した請求
項１または２記載の振動子。
【請求項４】請求項３記載の振動子の調整方法であっ
て、前記振動部の基部の両端に設けた張り出し部分の少
なくとも一方の張り出し量を減ずることで、前記音叉型
振動子の前記一平面内における共振周波数と、前記支持
体及び共振部の前記一平面内における屈曲振動の共振周
波数とを所定の関係に調整することを特徴とする振動子
の調整方法。
【請求項５】請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動
子を用いて回転角速度を検出する振動型ジャイロスコー
プであって、前記音叉型振動子に前記一平面内の振動を
励振するための、音叉型振動子に設けた励振手段と；前
記共振部に発現した前記一平面内における屈曲振動を検
出し、検出した屈曲振動に応じた振動を出力するため
の、共振部に設けた屈曲検出手段と；を備えることを特
徴とする振動型ジャイロスコープ。
【請求項６】請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動
子を用いて回転角速度を検出する振動型ジャイロスコー
プであって、前記共振部に前記一平面内における屈曲運
動を励振するための、共振部に設けた励振手段と；前記
音叉型振動子に発現した前記一平面内の振動を検出し、
検出した振動に応じた振動を出力するための、音叉型振
動子に設けた振動検出手段と；を備えることを特徴とす
る振動型ジャイロスコープ。