JPH1114364A

JPH1114364A - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH1114364A
Application number: JP9162414A
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: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1999-01-22

Abstract

(57)【要約】【課題】振動子の振動片が回転軸に対して垂直方向に延
びるように振動子を設置した場合に、十分に高い感度で
回転角速度を検出し、信号／雑音比を高める。【解決手段】回転角速度を検出するための振動型ジャイ
ロスコープが、圧電材料製の平板型の振動子１を備えて
いる。振動子１は、駆動用振動片３、検出用振動片２お
よび振動片２と３とを連結する連結片４を備えている。
駆動時に駆動用振動片３を伸縮振動させるための励振手
段１０と、検出用振動片２の屈曲振動を検出するための
検出手段５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂとを備えている。駆動
用振動片３の伸縮振動に対する共振によって検出用振動
片２を伸縮振動させる。振動子１に対して垂直な回転軸
Ｚを中心とする回転に応じて、検出用振動片２の伸縮振
動に基づいて検出用振動片２に加わるコリオリ力によっ
て振動片２を屈曲振動させる。

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用の振動
型ジャイロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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】本発明者は、振動型ジ
ャイロスコープの応用について種々検討を進めており、
例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制
御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコ
ープを使用することを検討した。こうしたシステムにお
いては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によ
って検出する。これと同時に、実際に車体が回転してい
る回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。
そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較し
て差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補
正を加えることによって、安定した車体制御を実現す
る。

【０００５】しかし、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、振動子を回転軸に対し
て平行に配置（いわゆる縦置き）しなければ、回転角速
度を検出することができない。しかし、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。従っ
て、このような圧電振動型ジャイロスコープを実装する
際、圧電振動型ジャイロスコープの低背化を達成するこ
と、即ち、振動型ジャイロスコープを回転軸方向に見た
ときの寸法を減少させることはできなかった。

【０００６】この問題を解決するために、最近、日本音
響学会平成９年春季研究発表会講演論文集ＩＩ（平成
９年３月）第９６９〜９７０頁〔スペシャルセッション
１−１−２０「縦一次Ｌ１−屈曲２次Ｆ２の２重モード
振動子を用いた圧電振動ジャイロ・センサ」〕におい
て、圧電矩形板を使用し、振動子を回転軸に対して垂直
に配置した振動型ジャイロスコープが提案された。この
ジャイロスコープの原理を、図４を参照しつつ説明す
る。

【０００７】このジャイロスコープ１５によると、圧電
材料製の矩形板１６の全体に、矢印Ｅで示すように縦１
次共振モード（Ｌ１モード）を励振する。これによっ
て、この矩形体１６は矢印Ｅの方向に伸縮振動する。こ
の矩形板１６を、矩形板１６に対して垂直な回転軸Ｚを
中心としてωのように回転させると、矩形板１６の各部
分に伸縮変位の大きさに応じてコリオリ力が加わる。こ
の型の振動型ジャイロスコープにおいては、縦１次共振
モード（Ｌ１モード）の共振周波数と屈曲２次共振モー
ド（Ｆ２モード）の共振周波数とを一致させ得る。この
結果、矩形板１６内に、矢印Ｅ方向の伸縮振動と屈曲振
動とが発生する。この屈曲振動を検出することによっ
て、ジャイロスコープを実現できる。

【０００８】この論文には、圧電セラミックス材を使用
したジャイロセンサーの具体的構成が、二種類示されて
いる。その一つは積層構成のものであり、二枚の圧電セ
ラミックス板を貼り合わせて振動子を形成し、上側のセ
ラミックス板の表面には複数の検出電極を設け、下側の
セラミックス板の表面には駆動電極を設ける。しかし、
この積層構成のジャイロセンサーの場合には、二枚の圧
電セラミックス板のうち一方の板を駆動電極で直接に伸
縮振動させているために、振動子に反りが発生し、回転
角速度の検出誤差が大きくなるという問題があった。

【０００９】一方、図４は、単板構成の振動子を示すも
のである。この矩形板１６の一方の側には駆動電極１７
を設け、これとは反対側には、分割された検出電極１８
Ａ、１８Ｂを設ける。駆動電極１７と検出電極１８Ａ、
１８Ｂとの間には接地電極１９を設ける。そして矩形板
１６の全体の屈曲二次共振モードの振動を電極１８Ａ、
１８Ｂで検出し、差動回路９を通して差動値をとる。

【００１０】しかし、本発明者が更に検討を加えたとこ
ろ、この検出感度および信号／雑音比には、いまだ改善
の余地があるものと思われる。

【００１１】本発明の課題は、振動子の振動片が回転軸
に対して垂直方向に延びるように振動子を設置した場合
に、振動子から回転軸の方向に向かって一定重量の突出
部を設けることなく、十分に高い感度で回転角速度を検
出できるようにし、また信号／雑音比を高めることであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転角速度を
検出するための振動型ジャイロスコープであって、この
振動型ジャイロスコープが圧電材料製の平板型の振動子
を備えており、この振動子が、駆動用振動片、検出用振
動片および駆動用振動片と検出用振動片とを連結する連
結片を備えており、かつ振動型ジャイロスコープが、駆
動時に駆動用振動片を伸縮振動させるための励振手段
と、検出用振動片の屈曲振動を検出するための検出手段
とを備えており、駆動用振動片の伸縮振動に対する共振
によって検出用振動片を伸縮振動させ、振動子に対して
垂直な回転軸を中心とする回転に応じて検出用振動片の
伸縮振動に基づいて検出用振動片に加わるコリオリ力に
よって振動片を屈曲振動させることを特徴とする、振動
型ジャイロスコープに係るものである。

【００１３】本発明者は、駆動用振動片、検出用振動片
および駆動用振動片と検出用振動片とを連結する連結片
を備える振動子を使用し、駆動用振動片の伸縮振動に対
する共振によって検出用振動片を伸縮振動させ、振動子
に対して垂直な回転軸を中心とする回転に応じて検出用
振動片の伸縮振動に基づいて検出用振動片に加わるコリ
オリ力によって振動片を屈曲振動させることを想到し
た。これによって、振動子の振動片が回転軸に対して垂
直方向に延びるように振動子を設置した場合に、十分に
高い感度で回転角速度を検出でき、かつ信号／雑音比を
向上させることができた。

【００１４】検出用振動片の一方の主面に、少なくとも
一対の検出電極を備えており、検出用振動片の屈曲振動
によって一対の検出電極のうち一方の検出電極に発生す
る信号と他方の検出電極に発生する信号との差動値を得
ることによって、特に駆動振動に起因するノイズを低減
することができる。

【００１５】この場合、検出用振動片の一方の主面にお
いて、一対の検出電極を、検出用振動片の伸縮振動の節
の両側にそれぞれ設けることが特に好ましい。振動片の
屈曲振動は、屈曲一次共振モードであってよいが、屈曲
二次共振モードが特に好ましい。

【００１６】図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る
振動型ジャイロスコープを概略的に示す平面図であり、
図１（ｂ）は、図１（ａ）のジャイロスコープの振動子
１の底面図であり、図２は振動子１の斜視図であり、図
３は振動子１の検出振動の状態を説明するための模式的
平面図である。

【００１７】振動子１は、全体として平板状をなしてお
り、後述するような圧電材料、好ましくは圧電単結晶か
らなっている。振動子１は、矩形の駆動用振動片３と、
矩形の検出用振動片２と、振動片２と３とを連結する連
結片４とを備えている。連結片４は、各振動片２、３の
長辺を連結している。駆動用振動片３と検出用振動片２
とは、互いに共振するようにその材質および寸法を設計
しておく必要がある。

【００１８】駆動用振動片３の表面の全面を覆うように
駆動電極１０が形成されており、駆動用振動片３の裏面
側にも接地電極１２が形成されている。一方、検出用振
動片２の一方の主面には、全部で四箇所の検出電極５
Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂが形成されており、各検出電極の
形状は互いに同じである。伸縮振動の節Ａを中心として
両側にそれぞれ一対の検出電極６Ａと５Ｂ、６Ｂと５Ａ
が設けられている。検出電極６Ａと６Ｂとは節Ａに対し
て対角線上にあり、検出電極５Ａと５Ｂとも同様であ
る。７、８は、検出電極が設けられていない緩衝領域で
ある。検出用振動片２の他方の主面側にも接地電極１１
が設けられている。

【００１９】駆動用振動片３を駆動電極１０によって励
振すると、駆動用振動片３は節Ｂを中心として矢印Ｆで
示すように伸縮振動する。この伸縮振動による各部分の
変位は、節Ｂから遠ざかるほど、大きくなる。この駆動
用振動片の伸縮振動への共振によって、検出用振動片２
が節Ａを中心として矢印Ｇで示すように伸縮振動する。

【００２０】この状態で、振動子１に対して垂直な回転
軸Ｚを中心として、ωのように回転させると、駆動用振
動片３、検出用振動片２共に、伸縮振動の方向と垂直に
各部分にコリオリ力が働く。縦一次共振モードの振動の
共振周波数と屈曲二次共振モードの振動の共振周波数と
が一致している場合には、図３に示すように、駆動用振
動片３が３Ａで示すように振動し、検出用振動片２が２
Ａで示すように振動する。Ｃ、Ｄは振動の節である。

【００２１】この振動によって、一対の検出電極５Ａと
６Ｂとの間、または一対の検出電極５Ｂと６Ａとの間
に、それぞれ逆向きのジャイロ信号が発生するので、検
出電極５Ａと５Ｂとの各信号を合計し、検出電極６Ａと
６Ｂとの各信号を合計し、差動回路９によってこれらの
合計値の差動をとる。

【００２２】こうした振動子を用いたジャイロによれ
ば、矩形の振動片の反りという問題は生じない。そし
て、駆動用振動片上の駆動電極の影響を各検出電極が直
接受けないので、検出感度および信号／雑音比が向上す
る。

【００２３】本発明では、振動子の変位は一平面内であ
るため、振動子の全体を同一の圧電単結晶によって形成
できる。この場合には、温度変化に対して特に鈍感であ
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。

【００２４】この点について更に説明する。音叉型の振
動子を使用した角速度センサとしては、例えば特開平８
−１２８８３３号公報に記載された圧電振動型ジャイロ
スコープがある。しかし、こうした振動子においては、
振動子が２つの方向に向かって振動する。このため、振
動子を圧電単結晶によって形成した場合には、単結晶の
２方向の特性を合わせる必要がある。しかし、現実には
圧電単結晶には異方性がある。

【００２５】一般に圧電振動型ジャイロスコープでは、
測定感度を良好にするために、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の間に、一定
の振動周波数差を保つことが要求されている。しかし、
単結晶は異方性を持っており、結晶面が変化すると、振
動周波数の温度変化の度合いが異なる。例えば、ある特
定の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数の温
度変化がほとんどないが、別の結晶面に沿って切断した
場合には、振動周波数が温度変化に敏感に反応する。

【００２６】ここで、振動子が２つの方向に向かって振
動すると、２つの振動面のうち少なくとも一方の面は、
振動周波数の温度変化が大きい結晶面になる。

【００２７】これに対して、本発明におけるように、振
動子の全体を所定平面内で振動するようにし、かつ振動
子を圧電単結晶によって形成することで、前記した単結
晶の異方性の影響を受けないようにし、単結晶の最も特
性の良い結晶面のみを振動子において利用できるように
なった。

【００２８】具体的には、振動子の振動が単一平面内で
すべて行われていることから、圧電単結晶のうち、振動
周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用して
振動子を製造することができる。これによって、きわめ
て温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供でき
る。

【００２９】圧電単結晶の中では、水晶、ＬｉＮｂＯ₃
単結晶、ＬｉＴａＯ₃単結晶、ニオブ酸リチウム−タン
タル酸リチウム固溶体単結晶が好ましい。ＬｉＮｂＯ₃
単結晶、ＬｉＴａＯ₃単結晶、ニオブ酸リチウム−タン
タル酸リチウム固溶体単結晶が、電気機械結合係数が特
に大きい。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ＬｉＮ
ｂＯ₃単結晶よりも電気機械的結合係数が一層大きく、
かつ温度安定性も一層良好である。

【００３０】

【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、振動子の振動片が回転軸に対して垂直方向に延
びるように振動子を設置した場合に、振動子から回転軸
の方向に向かって一定重量の突出部を設けることなく、
十分に高い感度で回転角速度を検出できるようにし、ま
た信号／雑音比を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る振動型ジ
ャイロスコープを概略的に示す平面図であり、（ｂ）
は、図１（ａ）のジャイロスコープの振動子１の底面図
である。

【図２】図１の振動子１の斜視図である。

【図３】振動子１の検出振動の状態を説明するための模
式的平面図である。

【図４】公知の振動型ジャイロスコープの模式図であ
る。

【符号の説明】

１振動子２検出用振動片３駆動用振
動片４連結片５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ検出電極
（検出手段）９差動回路（差動手段）１０
駆動電極（励振手段）１１、１２接地電極
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ振動の節Ｅ、Ｆ、Ｇ伸縮
振動Ｚ回転軸 ω 回転の方向

───────────────────────────────────────────────────── 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】回転角速度を検出するための振動型ジャイ
ロスコープであって、この振動型ジャイロスコープが圧電材料製の平板型の振
動子を備えており、この振動子が、駆動用振動片、検出
用振動片および前記駆動用振動片と前記検出用振動片と
を連結する連結片を備えており、かつ前記振動型ジャイ
ロスコープが、駆動時に前記駆動用振動片を伸縮振動さ
せるための励振手段と、前記検出用振動片の屈曲振動を
検出するための検出手段とを備えており、前記駆動用振
動片の前記伸縮振動に対する共振によって前記検出用振
動片を伸縮振動させ、前記振動子に対して垂直な回転軸
を中心とする回転に応じて前記検出用振動片の前記伸縮
振動に基づいて前記検出用振動片に加わるコリオリ力に
よって前記検出用振動片を屈曲振動させることを特徴と
する、振動型ジャイロスコープ。
【請求項２】前記検出用振動片の一方の主面に前記検出
手段として少なくとも一対の検出電極を備えており、前
記検出用振動片の前記屈曲振動によって前記一対の検出
電極のうち一方の検出電極に発生する信号と他方の検出
電極に発生する信号との差動値を得るための差動手段を
備えていることを特徴とする、請求項１記載の振動型ジ
ャイロスコープ。
【請求項３】前記検出用振動片の前記一方の主面におい
て、前記一対の検出電極が前記検出用振動片の前記伸縮
振動の節の両側にそれぞれ設けられていることを特徴と
する、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項４】前記検出用振動片の前記屈曲振動が屈曲二
次共振モードの振動であることを特徴とする、請求項１
〜３のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロス
コープ。