JPH10170270A

JPH10170270A - 振動子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: JPH10170270A
Application number: JP8326470A
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: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-06-26

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、固定
片部３と交差する方向へ伸びた、一対の振動片６ａ、６
ｂおよび一対の振動片６ａ、６ｂの先端に各別に設けた
質量７ａ、７ｂからなる振動部４と、固定片部３に対し
て振動部４とは逆の方向で固定片部３と交差する方向に
伸びた共振部５とからなり、固定片部３、振動部４およ
び共振部５が同一平面内に構成され、質量７ａ、７ｂに
加わる力により一対の振動片６ａ、６ｂにモーメントが
働くと、一平面内において、共振部５に屈曲運動が生じ
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。さらに、弾性体
５１ａ、５１ｂ、５１ｃが互いに近い位置に配置されて
いるため、振動手段と検出手段とが近くなり、両者の電
気機械的な混合などの悪影響を受ける問題もあった。

【０００７】また、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、５
１ｂ、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、固定片部と交差する方向
へ伸びた、一対の振動片および一対の振動片の先端に各
別に設けた質量からなる振動部と、固定片部に対して振
動部とは逆の方向で固定片部と交差する方向に伸びた共
振部とからなり、前記固定片部、振動部および共振部が
同一平面内に構成され、前記質量に加わる力により一対
の振動片にモーメントが働くと、前記一平面内におい
て、前記共振部に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、振動子は一平
面内で構成されているため、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、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶、Ｌｉ（Ｎｂ_x、Ｔａ_1-x）Ｏ
₃ 単結晶（ここで、０＜ｘ＜１）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）、または研削などの単結晶体を切り出す
方法（ＬｉＴａＯ₃ 単結晶、ＬｉＮｂＯ ₃ 単結晶、Ｌｉ
（Ｎｂ_x、Ｔａ_1-x）Ｏ₃ 単結晶（ここで、０＜ｘ＜
１）の場合）で作製できるため好ましい。

【００１１】また、本発明の振動型ジャイロスコープ
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、前記振動部を構成する
一対の振動片の各別に前記一平面内の振動を励振するた
めの、振動片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。

【００１２】上記振動型ジャイロスコープでは、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。また、固定片部の両端で支持
されているため、外部からの衝撃による姿勢の変化が小
さい。

【００１３】

【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、同一のＸＹ平面内に、両端が固定部材２に固定され
ている固定片部３と、固定片部３の一方の側に設けた振
動部４と、固定片部３の他方の側に設けた共振部５と
を、一体に形成して構成されている。振動部４は、固定
片部３と交差する方向、本例では直交する方向へ伸びた
一対の振動片６ａ、６ｂと、振動片６ａ、６ｂの先端に
各別に設けた質量７ａ、７ｂとから構成されている。質
量７ａ、７ｂは、振動片６ａ、６ｂに対し、互いに内側
へ向くよう構成している。共振部５は、一対の振動片６
ａ、６ｂの中間の位置において、固定片部３に対して振
動部５とは逆の方向で固定片部３に直交する方向に伸び
た振動片８から構成されている。本例では、固定片部
３、振動部４、共振部５を同一の単結晶から構成する。
そのため、駆動用電極Ａ〜Ｄを振動片６ａ、６ｂの一表
面の固定片部３に近い位置に設けるとともに、検出用電
極Ｅ、Ｆを振動片８の一表面の固定片部３に近い位置に
設けている。なお、電極Ａ〜Ｆの裏面には同様の電極を
設けている。

【００１４】上述した例において、振動子１を構成する
固定片部３、振動部４および共振部５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 Ｌｉ（Ｎｂ_x、Ｔａ_1-x）
Ｏ₃ （ここで、０＜ｘ＜１）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、ＬｉＴ
ａＯ₃ 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ＬｉＴａＯ
₃ 単結晶を使用することが好ましい。また、ＬｉＮｂＯ
₃ 単結晶とＬｉＴａＯ₃ 単結晶とを比較すると、ＬｉＴ
ａＯ₃ 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、ＬｉＮｂＯ
₃ 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。

【００１５】上述した構成の本発明の振動子１では、質
量７ａ、７ｂの重心の位置に振動片６ａ、６ｂ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、振動片６ａ、６ｂに図示のよ
うなモーメントｍ１、ｍ２が働き、振動片８にその基部
を支点とする屈曲運動ｂ１が生じる。

【００１６】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Ａ〜Ｄに
より振動片６ａ、６ｂをＸＹ平面内において位相が完全
に逆になるよう駆動モードの振動をさせる。このとき、
共振部５の振動片８は振動しない。このような駆動モー
ドの振動を励振するためには、電極ＡとＤ、電極ＢとＣ
の各組が互いに逆位相となる信号を印加する。この場
合、電極ＡとＤは同相の信号となり、電極ＢとＣは同相
の信号となる。もちろん、例えば電極Ａに信号を印加す
るときは、電極Ａ及び電極Ａの裏面の電極を一対の入力
ポートとして信号を印加する。

【００１７】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、各質量７ａ、７ｂの
重心の位置にはＹ軸に沿って互いに逆向きの力ｆ１、ｆ
２が作用する。その結果、振動片６ａ、６ｂの両端に同
じ向きのモーメントｍ１、ｍ２が働く。このモーメント
ｍ１、ｍ２により、共振部５の振動片８にＸＹ平面内の
屈曲振動ｂ１が生じる。この屈曲振動ｂ１を振動片８に
設けた屈曲振動検出手段としての検出電極Ｅ、Ｆ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。このとき、検出電極Ｅ、Ｆで検出される信号の位相
は、互いに逆位相となる。また、このときの振動子１の
駆動モードの振動は図２（ａ）に示すようになり、その
際の振動子１の検出モードの振動は図２（ｂ）に示すよ
うになる。

【００１８】上述したように、本発明の振動型ジャイロ
スコープでは、振動部４の振動片６ａ、６ｂと同一のＸ
Ｙ平面内に発生するコリオリ力を、共振部５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
に対して互いに異なる側に振動部４と共振部５とを設け
て構成しているため、振動部４に設けた駆動電極Ａ〜Ｄ
と共振部５に設けた検出電極Ｅ、Ｆ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。

【００１９】なお、上述した実施例においては、振動片
６ａ、６ｂは固定片部３に対して直交する方向に伸びて
いるが、振動片６ａ、６ｂが固定片部３に垂直な線に対
して対称でありさえすれば、振動片６ａ、６ｂを固定片
部３に対して傾けて構成することもできる。この場合、
振動片６ａ、６ｂの固定片部３に対する傾き角度は４５
°〜１３５°が好ましく、７０°〜１００°がさらに好
ましい。また、質量７ａ、７ｂの向きも、上述したよう
に対称でありさえすれば、振動片６ａ、６ｂに対して外
側へ向かせることもできる。さらに、共振部５の振動片
８の長さを短くし、その分拡張部を設け、振動片８に上
述した例と同様の振動が発生するよう構成することもで
きる。これらの変形例では、振動子１の形状を上述した
実施例の場合よりも小さくすることができる。また、上
述した例では、各振動片６ａ、６ｂ、８に表離の電極を
１組として２組の電極を設けて駆動および検出を行なう
よう構成したが、理論上各振動片に１組の電極があれば
駆動および検出を行なうことができる。ただ、振動部４
および共振部５のそれぞれの対称性を考えると、本実施
例のように各振動片に２組の電極を設けた方が好まし
い。

【００２０】図３は本発明の振動子の他の例の構成を示
す図である。図３の例において、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
に示す例において、図１に示す例と異なる点は、共振部
５の構成が異なる点である。すなわち、図３に示す例で
は、共振部５を、固定片部３に対して、振動部４を構成
する一対の振動片６ａ、６ｂおよび質量７ａ、７ｂと対
称の一対の振動片１１ａ、１１ｂおよび質量１２ａ、１
２ｂから構成している。図３に示した例では、駆動モー
ドの振動を電極ＡとＤ、電極ＢとＣとの組に互いに逆位
相となる信号を印加することで励振させると、図４
（ａ）に示すように、共振部５の振動片１１ａ、１１ｂ
は固定片部３に対して対称の位置にある振動片６ａ、６
ｂと逆位相の振動をする。

【００２１】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、各質量７ａ、７ｂの
重心の位置および各質量１２ａ、１２ｂの重心の位置に
は、Ｙ軸に沿って互いに逆向きの力ｆｃが作用する。そ
の結果、振動片６ａ、６ｂの両端および振動片１１ａ、
１１ｂの両端に、同じ向きのモーメントｍが働く。この
モーメントｍにより、図４（ｂ）に示すように、検出モ
ードの振動が振動片１１ａ、１１ｂ励振され、共振部５
の振動片１１ａ、１１ｂにＸＹ平面内の屈曲振動が生じ
る。この屈曲振動を振動片１１ａ、１１ｂに設けた屈曲
振動検出手段としての検出電極Ｅ〜Ｈ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。このと
き、検出電極ＥとＧ、検出電極ＦとＨの各組で検出され
る信号の位相は、互いに逆位相となる。従って、電極Ｅ
とＧまたは電極ＦとＨを並列に接続することで、駆動モ
ードの信号をキャンセルしつつ、検出モードの信号のみ
を検出することができ、検出感度をより良好にすること
ができる。

【００２２】図５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５の例において、図１および図３
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５に示す例において、図１に示す例と異
なる点は、共振部５の構成が異なる点である。すなわ
ち、図５に示す例では、共振部５を、一対の振動片６
ａ、６ｂに対応する位置および中間の位置において、固
定片部３に対して振動部３とは逆の方向で固定片部３と
交差する方向、ここでは直交する方向に伸びた３本の振
動片２１ａ、２１ｂ、２１ｃから構成している。図５に
示した例では、駆動モードの振動を電極ＡとＤ、電極Ｂ
とＣとの組に互いに逆位相となる信号を印加することで
励振させると、図６（ａ）に示すように、共振部５の振
動片２１ａ、２１ｂは固定片部３に対して対称の位置に
ある振動片６ａ、６ｂと逆位相の振動をするとともに、
振動片２１ｃは振動しない。

【００２３】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、各質量７ａ、７ｂの
重心の位置には、Ｙ軸に沿って互いに逆向きの力ｆｃが
作用する。その結果、振動片６ａ、６ｂの両端に、同じ
向きのモーメントｍが働く。このモーメントｍにより、
図６（ｂ）に示すように、検出モードの振動が振動片２
１ａ、２１ｂ、２１ｃに励振され、共振部５の振動片２
１ａ、２１ｂ、２１ｃにＸＹ平面内の屈曲振動が生じ
る。この屈曲振動を振動片２１ａ、２１ｂ、２１ｃに設
けた屈曲振動検出手段としての検出電極Ｅ〜Ｊ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。
このとき、検出電極ＥとＨとＩ、検出電極ＦとＧとＪの
各組で検出される信号の位相は、互いに逆位相となる。
本例において、いずれの振動片２１ａ、２１ｂ、２１ｃ
に設けた電極でも検出は可能だが、振動片２１ｃは無回
転時には振動しないので、検出電極ＧとＨを使用するこ
とが好ましい。一方、駆動モードの振動をキャンセルし
たい場合は、図４の例と同様に、電極Ｅ、Ｆ、Ｉ、Ｊを
使用することが好ましい。いずれにしても、検出結果を
求める電極は、使用目的に応じて選択できる。

【００２４】図３および図５の例においても、図１の例
と同様に、振動部４の振動片を固定片部３に対して傾け
た変形例、質量の向きを変えた変形例、共振部５の振動
片を短くして、拡張部を設けた変形例のいずれも考える
ことができる。この際、図５に示した例において、共振
部５を構成する振動片を固定片部３に傾ける場合、中心
の振動片２１ｃはその構成上傾けることはできず、固定
片部３に対して直交する方向に維持する必要がある。

【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
械的な結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。

【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】図１に示す振動子における駆動モードと検出モ
ード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】図３に示す振動子における駆動モードと検出モ
ードを説明するための図である。

【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】図５に示す振動子における駆動モードと検出モ
ードを説明するための図である。

【符号の説明】

１振動子、２固定部材、３固定片部、４振動
部、５共振部、６ａ、６ｂ、８、１１ａ、１１ｂ、２
１ａ、２１ｂ、２１ｃ振動片、７ａ、７ｂ、１２ａ、
１２ｂ質量

───────────────────────────────────────────────────── 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、固定片
部と交差する方向へ伸びた、一対の振動片および一対の
振動片の先端に各別に設けた質量からなる振動部と、固
定片部に対して振動部とは逆の方向で固定片部と交差す
る方向に伸びた共振部とからなり、前記固定片部、振動
部および共振部が同一平面内に構成され、前記質量に加
わる力により一対の振動片にモーメントが働くと、前記
一平面内において、前記共振部に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_x、Ｔａ_1-x）Ｏ₃ 振動片（ここで、
０＜ｘ＜１）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】前記共振部が、前記一対の振動片の中間の
位置において、固定片部に対して振動部とは逆の方向で
固定片部に直交する方向に伸びた振動片から構成される
請求項１または２記載の振動子。
【請求項４】前記共振部が、前記固定片部に対して、前
記振動部を構成する一対の振動片および質量と対称の一
対の振動片および質量から構成される請求項１または２
記載の振動子。
【請求項５】前記共振部が、前記一対の振動片に対応す
る位置および中間の位置において、固定片部に対して振
動部とは逆の方向で固定片部と交差する方向に伸びた３
本の振動片から構成される請求項１または２記載の振動
子。
【請求項６】請求項１〜５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、前記振動部を構成する一対の振動片の各別
に前記一平面内の振動を励振するための、振動片に設け
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。