JPH11304494A - 振動ジャイロ及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動ジャイロを小形化する。 【解決手段】 円板の内部をくり抜いたリング状の圧電
体９の表裏の面に駆動用電極６ａ〜６ｄ及び検出電極７
ａ〜７ｄを設け、ｘｙ面内の面内振動モードでかつ縮退
モードで駆動，検出を行うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転角速度の検出
を行うためのものであってコリオリの力を利用して検出
する振動ジャイロ及びその使用方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】回転する物体の回転角速度を検出するに
は振動ジャイロが用いられる。従来の振動ジャイロの斜
視図を図１３に示す。

【０００３】図のように、四角柱状の恒弾性金属音片型
の振動子１がＺ軸方向に沿って長く配置され、振動子１
はｙ軸に沿って長くかつ同一直線上に配置された一対の
支持ピン２ａ，２ｂと、一対の支持ピン２ｃ，２ｄとに
より、長さ方向の２ケ所で支持されている。

【０００４】そして、支持ピン２ａ，２ｂと支持ピン２
ｃ，２ｄとの間におけるｘ軸と直角な面には駆動用圧電
磁器３が、ｙ軸と直角な面には検出用圧電磁器４が夫々
接着されている。

【０００５】図示しない電気信号発生器からの電気信号
で駆動用圧電磁器３を励振すると、振動子１はｘ軸と直
角な面に沿った曲げ振動で励振される。このように励振
される振動子１に対してｚ軸を中心とする回転角速度を
加えると、ｘ軸と直角な面に沿った曲げ振動に対して直
角な方向であるｙ軸と直角な面に、回転角速度に比例し
た曲げ振動が生じる。

【０００６】これは、ｘ軸と直角な面に沿った曲げ振動
が生じているときに回転角速度を加えると、ｙ軸と直角
な面に沿ってコリオリの力が作用することによって、回
転角速度に比例した曲げ振動がｙ軸と直角な面に生じる
のであり、ｙ軸と直角な面に生じる振動成分を検出用圧
電磁器４で検出することにより、ｚ軸まわりの回転角速
度を算出することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、三次元的な
曲げ振動を用いるために構造も三次元的になり振動ジャ
イロの薄形化に限界がある。

【０００８】一方、円盤状薄板の円形縮退モードを利用
した振動ジャイロが提案されているが、円盤状薄板の面
内振動を利用した振動ジャイロは振動子の外形寸法（辺
の長さ）によって周波数が決定されてしまうため検出感
度を上げるためには振動子の外形寸法を大きくして固有
周波数を下げなければならないという欠点がある（一般
的に、検出感度を上げるためには、駆動，検出周波数を
低くする）。また、円盤状の振動子の中央の一点を正確
に固定しなければならず、量産が困難である。

【０００９】そこで本発明は、斯かる課題を解決した振
動ジャイロ及びその使用方法を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
めの請求項１に係る振動ジャイロの構成は、リング状の
圧電体の両面に駆動用電極と検出電極とを設けて振動子
を構成し、請求項２に係る振動ジャイロの構成は、前記
圧電体の外周部に前記圧電体と一体に形成した保持部を
介して振動子を保持するようにし、請求項３に係る振動
ジャイロの構成は、前記圧電体に代えて、前記保持部に
前記駆動用電極を設け、 請求項４に係る振動ジャイロ
の構成は、前記駆動用電極，前記検出電極に代えて圧電
振動子を設け、請求項５に係る振動ジャイロの構成は、
前記圧電体として異方性単結晶材料を使用し、請求項６
に係る振動ジャイロの使用方法の構成は、振動子が面内
振動モードであってかつ縮退モードとなる固有の周波数
で駆動，検出するようにし、請求項７に係る振動ジャイ
ロの使用方法の構成は、振動ジャイロからの出力電圧を
検出値として検出し、振動ジャイロが回転させられたと
きの回転角周波数を、前記検出値から求めるようにし、
請求項８に係る振動ジャイロの使用方法の構成は、振動
ジャイロの回転によりモード分離した一対の振動モード
の周波数の差を検出値として検出し、振動ジャイロが回
転させられたときの回転角周波数を、前記検出値から求
めるようにし、請求項９に係る振動ジャイロの使用方法
の構成は、入力電圧に対する出力電圧の位相の差を検出
値として検出し、振動ジャイロが回転させられたときの
回転角周波数を、前記検出値から求めるようにし、請求
項１０に係る振動ジャイロの使用方法の構成は、入力電
圧の値，入力電流の値を検出値として検出し、振動ジャ
イロが回転させられたときの回転角周波数を、前記検出
値から求めるようにし、請求項１１に係る振動ジャイロ
の使用方法の構成は、入力電圧と入力電流とにおける、
振動ジャイロが回転させられる前後での位相の差を検出
値として検出し、振動ジャイロが回転させられたときの
回転角周波数を、前記検出値から求めるようにし、請求
項１２に係る振動ジャイロの使用方法の構成は、前記検
出値を差動出力として取り出すことにより検出感度を向
上させるようにし、請求項１３に係る振動ジャイロの使
用方法の構成は、前記検出値の和又は差を取り出すこと
により温度変化に対して安定した検出ができるようにし
た。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による振動ジャイロ
及びその使用方法の実施の形態を説明する。

【００１２】（ａ）実施の形態１ 図１に示すように、振動子８は圧電体９と、複数の電極
とで構成されている。圧電体９は圧電セラミックスより
なる円盤状板の中央部をくり抜いてリング状にしたもの
であり、板厚方向へ高電圧を印加して分極されたものが
用いられている。そして、ｚ軸まわりに９０°毎に駆動
用電極６ａ〜６ｄが配置され、駆動用電極どうしの中間
位置には９０°毎に検出電極７ａ〜７ｄが配置されてい
る。これらの２種類の電極は、圧電体９の両面に圧電体
９を挾むようにして蒸着して形成されている。斯かる振
動子８をスポンジ等の柔らかい材料の上に載せて支持す
ることで振動ジャイロが構成されている。

【００１３】（ｂ）実施の形態２ 次に、実施の形態２を図２に基づいて説明する。これ
は、図１の圧電体９における検出電極７ａ〜７ｄの部分
に圧電体９と同一材料からなる保持部１０を圧電体９と
一体に成形し、保持部１０の先端を固定部１１に結合し
たものである。保持部１０は、単なる直線状ではなく、
片側へ突出したコ字状部分を有する弾性的ばね構造を有
する形状になっている。ここで、保持部１０は、機械加
工又はフォトエッチングすることにより圧電体９と一体
構造にする。

【００１４】このように、圧電体９の検出電極７ａ〜７
ｄの位置を、圧電体９と一体の保持部１０を介して支持
することにより振動子８を支持するので、振動子８の駆
動に与える影響が少ない。

【００１５】（ｃ）実施の形態３ 次に、実施の形態３を図３に基づいて説明する。これ
は、図２において、保持部１０を設ける位置を、検出電
極７ａ〜７ｄどうしの間の駆動用電極６ａ〜６ｄと対応
する位置に変更したものである。

【００１６】駆動用電極６ａ〜６ｄと対応する位置に設
けた保持部１０を介して振動子８を支持するので、回転
角周波数の検出に与える影響が少ない。

【００１７】（ｄ）実施の形態４ 次に、実施の形態４を図４に基づいて説明する。これ
は、図３における保持部１０に代えて弾性的ばね構造を
有しない幅の小さい保持部１２を設け、圧電体９に設け
ていた駆動用電極６ａ〜６ｄを保持部１２に設けるよう
にしたものである。ここで、駆動用電極６ａ〜６ｄに電
圧を加えると、保持部１２はリング状の圧電体９の中心
方向へ伸縮運動する。これにより、振動部の駆動が行わ
れる。

【００１８】保持部１２を駆動機構の一部として用いる
ことから、振動子８の振動モードに与える影響が少な
い。

【００１９】（ｅ）実施の形態５ 次に、実施の形態５を図５に基づいて説明する。これ
は、図４において、検出電極７ａ〜７ｄを設けた位置に
も保持部１２を設け、圧電体９に設けていた検出電極７
ａ〜７ｄも当該保持部１２に設けたものである。つま
り、駆動用電極６ａ〜６ｄ及び検出電極７ａ〜７ｄの全
てを保持部１２に設けたものである。

【００２０】圧電体９の振動によって生じた変位を、保
持部１２の伸縮運動として検出電極７ａ〜７ｄが検出す
る。このように保持部１２を駆動，検出のための一部分
として使用することにより、振動モードに影響を与える
ことなく、振動子８の外周部で支持することが可能であ
る。

【００２１】（ｆ）実施の形態６ 次に、実施の形態６を図６に基づいて説明する。実施の
形態１〜５の振動ジャイロでは等方性セラミック圧電体
で振動子を構成したが、材質による温度特性が悪く十分
な検出精度が得られない。そこで、実施例６では温度変
化に対して安定性の高い材料として単結晶材料としての
水晶を用いたものである。

【００２２】図６（ａ），（ｂ）に示すように、ｚ軸に
垂直な面でカットしたｚ板水晶をリング状に形成するこ
とにより圧電体１３が構成されている。そして、図６
（ｂ）に図６（ａ）のＡ−Ａ断面図を示すように、駆動
用電極６ａ〜６ｄ及び検出電極７ａ〜７ｄは、実施の形
態１〜５とは異なって圧電体１３の両面だけでなく両側
面にも設けられている。振動子１４はスポンジ等の柔ら
かい材料の上に載せて支持されている。

【００２３】なお、水晶基板に代えてニオブ酸リチウ
ム，タンタル酸リチウムやランガサイト等の圧電体基板
を用いてもよい。

【００２４】（ｇ）実施の形態７ 次に、実施の形態７を図７に基づいて説明する。これ
は、図６に示す振動子１４における検出電極７ａ〜７ｄ
と対応する位置に、図２に示す保持部１０と同じ形状の
保持部１５を、圧電体１３と一体に形成し、保持部１５
を固定部１１に結合したものである。圧電体１３と一体
に保持部１５を形成するのは、エッチング加工等によっ
て行う。

【００２５】（ｈ）実施の形態８ 次に、実施の形態８を図８に基づいて説明する。これ
は、図７における保持部１５を、図３と同様に駆動用電
極６ａ〜６ｄと対応する位置に配置したものである。

【００２６】（ｉ）実施の形態９ 次に、実施の形態９を図９に基づいて説明する。これ
は、図８における保持部１５に代えて図４に示す保持部
１２と同様の保持部１６を設け、圧電体１３に設けてい
た駆動用電極６ｃ，６ｄを保持部１６に設けるようにし
たものである。

【００２７】図４の実施の形態４では保持部１２と駆動
用電極を４つ設けたが、ｚ板水晶を用いる場合にはｘ軸
に平行な保持部に関しては結晶の異方性により側面の駆
動用電極で生じる電界に対して伸縮振動が生じず、駆動
手段として作用しない。このため、振動を妨げない面か
らも考慮してｘ軸に平行な保持部は設けないのである。

【００２８】（ｊ）実施の形態１０ 次に、実施の形態１０を図１０に基づいて説明する。こ
れは、図９の保持部１６に加えて検出電極と対応する位
置にも保持部１６を設け、保持部１６に検出電極７ａ〜
７ｄを設けるようにしたものである。

【００２９】（ｋ）実施の形態１１〜１４ 次に、実施の形態１１〜１４を説明する。これらは、図
１〜図４における圧電体９としてＱ値の高いエリンバを
用い、駆動用電極６ａ〜６ｄ，検出電極７ａ〜７ｄに代
えて伸縮励振が可能な圧電振動子を接着して構成したも
のであり、実施の形態１１〜１４が図１〜４と対応す
る。

【００３０】一般的に振動ジャイロの検出感度を上げる
ためには駆動周波数と検出周波数とを一致させ、縮退モ
ードで振動ジャイロを駆動，検出し、駆動，検出周波数
を低くすることが必要になる。本発明では円盤の内部を
くり抜いてリング状にし、ｘ，ｙ面内で振動する面内振
動モードを用いることから、共振周波数を低下させて検
出感度を高めることができる。

【００３１】次に、図１〜図１０に示した振動ジャイロ
の作用を説明する。

【００３２】振動子８，１４がｚ軸を中心として回転し
ない状態で一対の駆動用電極６ａ，６ｂに＋の電圧を印
加する一方、一対の駆動用電極６ｃ，６ｄに−の電圧を
印加する。すると、振動子８，１４は図１１（ａ）で示
すように紙面上のｘ，ｙ平面内で上下方向へ縮んだり復
帰したりする面内振動モードで駆動される。この振動モ
ードは縮退モードである。縮退モードとは、振動方向が
互いに直交する２つの振動モードが同一周波数で存在し
ている状態をいう。このとき、検出電極７ａ〜７ｄを配
置した４ケ所に変形しない節部Ｆが生じる。

【００３３】次に、振動子８，１４にｚ軸を中心とする
回転運動をさせる。すると、回転によってコリオリの力
が発生して図１１（ａ）の縮退モードが解除され、図１
１（ｂ），（ｃ）に示すような互いに直交する２つの振
動モードに分離する。これらの２つの振動モードは、図
１１（ａ）の振動モードとは異なったものになる。

【００３４】即ち、図１１（ａ）では縮んで復帰する方
向である往復矢印で示す方向が上下方向であったが、図
１１（ｂ），（ｃ）ではいずれも斜めの方向であり、相
互に９０°ずれて位相を生じた複素量となる。

【００３５】振動シャイロが回転させられると、振動子
８，１４が回転しないときには図１１（ａ）のように変
形の生じていなかった節部Ｆの部分にも図１１（ｂ），
（ｃ）のように変形が生じる。この節部Ｆには前記のよ
うに検出電極７ａ〜７ｄが配置されており、検出電極７
ａ〜７ｄからの出力電圧をとり出すことにより、回転角
周波数を求めることができる。なお、図１１（ｂ），
（ｃ）は振動子８，１４が回転しているときの状態を示
すものであるが、ｚ軸を中心とする円周方向における電
極を配置した各部分の位置は、図１１（ａ）の状態から
回転していない状態で描かれている。

【００３６】図１〜５の振動子８が回転したときに検出
電極７ａ，７ｃから出力した出力電圧の特性を図１２
（ａ）に示す。この結果は有限要素法による計算によっ
て求めたものであり、この図１２（ａ）から、回転数に
比例した電圧が生じ、電圧を検出することにより回転角
周波数を求めることが可能であることがわかる。

【００３７】斯かる振動ジャイロでは、振動子が円盤の
中央をくり抜いた形状であるため、駆動，検出周波数が
低く、高感度な回転角周波数の検出が可能である。

【００３８】図６〜１０の振動ジャイロでは、図６
（ｂ）に示すように表裏の面に＋の電圧が印加されてい
る位置では両側面に−の電圧が印加され、圧電体１３の
内部では矢印方向の電界で屈曲振動が励磁される。

【００３９】図６〜１０の振動子１４が回転したときに
検出電極７ａ，７ｃから出力した出力電圧の特性を図１
２（ｂ）に示す。この図から、回転数に略比例した電圧
が生じ、電圧を検出することにより回転角周波数を求め
ることが可能であることがわかる。また、小形の振動子
にも拘らず高感度な出力が得られている。このように単
結晶を利用した振動ジャイロは、Ｚ板水晶が優れた温度
特性を有しＱ値が高いために、高感度な検出が期待でき
る。

【００４０】以上のように、出力電圧を測定して回転角
周波数を求める場合について説明したが、分離した２つ
の振動モード（図１１（ｂ），（ｃ））の周波数の差か
ら回転角周波数を求めることもできる。また、振動子の
回転により出力電圧の位相が変化するため、入力電圧に
対する出力電圧の位相差を検出することにより回転角周
波数を求めることもできる。

【００４１】このほか、実施の形態１〜１０の振動ジャ
イロを縮退モードに代えて縮退モードに近い振動モード
を用いて回転角周波数を検出することもできる。

【００４２】振動ジャイロを固有振動周波数（この例で
は１０、０００ｋＨｚ）で駆動すると、図１１（ａ）の
振動モードで例えば１０、０００ｋＨｚとなり、回転を
生じさせるとコリオリの力によって縮退モードが解除さ
れ２つの振動モードに分離して共振周波数が変化し、図
１１（ｂ）の振動モードの９、９９９ｋＨｚと図１１
（ｃ）の振動モードの１０、００１ｋＨｚとに分かれ
る。このため、駆動用電極における入力インピーダンス
特性が回転角周波数に応じて変化する。従って、入力電
圧や入力電流の値、あるいは入力電圧や入力電流の回転
を始める前後での位相差を測定することにより、回転角
周波数を求めることができる。

【００４３】検出感度を上げるには、以下のようにして
出力する。図１２（ａ）に示すように検出電極７ａ，７
ｃは逆電圧で出力される。このため、検出電極７ａ，７
ｃ間の差動出力を取り出すと、図１２（ａ）における縦
軸の出力電圧の大きさが、単一の検出電極から出力する
場合の約２倍となり、倍の出力感度が得られる。

【００４４】振動子を構成する材料の温度特性の影響を
受けないようにするには、以下のようにして出力する。
一対の検出電極からの信号は、共に振動子の温度特性の
影響を受けるが、単一の材料で振動子を形成した場合は
一対の検出電極での温度影響は同一となる。即ち、一対
の検出電極からの信号の和又は差を検出することにより
温度により変動した成分をキャンセルすることができ
る。

【００４５】なお、図２，３，７，８における弾性的ば
ね構造を有する保持部１０，１５に代えて、図１３のよ
うに弾性変形する弾性的ばね構造の保持部１０，１５を
設けるようにしてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明からわかるように、請求項
１，４に係る振動シャイロによれば円盤の内部をくり抜
いたリング状の圧電体を用いるので、駆動，検出周波数
が低くなり、そのためにコリオリの力が作用し易く回転
角周波数の検出感度が向上する。換言すれば、同一感度
にすると小形化できることになる。

【００４７】請求項２，３に係る振動ジャイロによれ
ば、圧電体と一体に保持部を設けたので、振動子の保持
が容易でかつ振動ジャイロの特性に影響を受けない。

【００４８】請求項５に係る振動ジャイロによれば、圧
電体として異方性単結晶材料を用いたので、温度特性，
圧電特性に優れている。

【００４９】請求項６に係る振動ジャイロの使用方法に
よれば、振動子が面内振動モードでかつ縮退モードで駆
動，検出を行うことから、回転角周波数の検出感度が向
上する。換言すれば、同一感度にすると小形化できるこ
とになる。

【００５０】請求項７〜１１に係る振動ジャイロの使用
方法によれば、出力電圧等を検出値として回転角周波数
を求めるので、適正な検出が行える。

【００５１】請求項１２に係る振動ジャイロの使用方法
によれば、検出値を差動出力として取り出すので、検出
感度が一段と向上する。

【００５２】請求項１３に係る振動ジャイロの使用方法
によれば、検出値の和又は差を取り出すので、温度変化
に対して安定した検出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動ジャイロの実施の形態１を示
す平面図。

【図２】本発明による振動ジャイロの実施の形態２を示
す平面図。

【図３】本発明による振動ジャイロの実施の形態３を示
す平面図。

【図４】本発明による振動ジャイロの実施の形態４を示
す平面図。

【図５】本発明による振動ジャイロの実施の形態５を示
す平面図。

【図６】本発明による振動ジャイロの実施の形態６を示
す平面図。

【図７】本発明による振動ジャイロの実施の形態７を示
す平面図。

【図８】本発明による振動ジャイロの実施の形態８を示
す平面図。

【図９】本発明による振動ジャイロの実施の形態９を示
す平面図。

【図１０】本発明による振動ジャイロの実施の形態１０
を示す平面図。

【図１１】本発明による振動ジャイロの作用に係り、
（ａ）は回転しない状態の説明図、（ｂ），（ｃ）は回
転したときの説明図。

【図１２】本発明による振動ジャイロの回転数と出力電
圧との関係を示すもので、（ａ）は実施の形態１〜５に
おけるグラフ、（ｂ）は実施の形態６〜１０におけるグ
ラフ。

【図１３】本発明による振動ジャイロにおける保持部の
その他の構成を示す構成図。

【図１４】従来の振動ジャイロの構成を示す斜視図。

【符号の説明】

６ａ〜６ｄ…駆動用電極 ７ａ〜７ｄ…検出電極 ８，１４…振動子 ９，１３…圧電体 １０，１２，１５，１６…保持部

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング状の圧電体の両面に駆動用電極と
   検出電極とを設けて振動子を構成したことを特徴とする
   振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記圧電体の外周部に前記圧電体と一体
   に形成した保持部を介して振動子を保持するようにした
   請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記圧電体に代えて、前記保持部に前記
   駆動用電極を設けた請求項２に記載の振動ジャイロ及び
   その使用方法。
4. 【請求項４】 前記駆動用電極，前記検出電極に代えて
   圧電振動子を設けた請求項１又は２又は３に記載の振動
   ジャイロ。
5. 【請求項５】 前記圧電体として異方性単結晶材料を使
   用した請求項１又は２又は３に記載の振動ジャイロ。
6. 【請求項６】 請求項１〜５に係る振動ジャイロにおい
   て、振動子が面内振動モードであってかつ縮退モードと
   なる固有の周波数で駆動，検出するようにしたことを特
   徴とする振動ジャイロの使用方法。
7. 【請求項７】 振動ジャイロからの出力電圧を検出値と
   して検出し、振動ジャイロが回転させられたときの回転
   角周波数を、前記検出値から求めるようにした請求項６
   に記載の振動ジャイロの使用方法。
8. 【請求項８】 振動ジャイロの回転によりモード分離し
   た一対の振動モードの周波数の差を検出値として検出
   し、振動ジャイロが回転させられたときの回転角周波数
   を、前記検出値から求めるようにした請求項６に記載の
   振動ジャイロの使用方法。
9. 【請求項９】 入力電圧に対する出力電圧の位相の差を
   検出値として検出し、振動ジャイロが回転させられたと
   きの回転角周波数を、前記検出値から求めるようにした
   請求項６に記載の振動ジャイロの使用方法。
10. 【請求項１０】 入力電圧の値，入力電流の値を検出値
    として検出し、振動ジャイロが回転させられたときの回
    転角周波数を、前記検出値から求めるようにした請求項
    ６に記載の振動ジャイロの使用方法。
11. 【請求項１１】 入力電圧と入力電流とにおける、振動
    ジャイロが回転させられる前後での位相の差を検出値と
    して検出し、振動ジャイロが回転させられたときの回転
    角周波数を、前記検出値から求めるようにした請求項６
    に記載の振動ジャイロの使用方法。
12. 【請求項１２】 前記検出値を差動出力として取り出す
    ことにより検出感度を向上させるようにした請求項６又
    は７又は８又は９又は１０又は１１に記載の振動ジャイ
    ロの使用方法。
13. 【請求項１３】 前記検出値の和又は差を取り出すこと
    により温度変化に対して安定した検出ができるようにし
    た請求項６又は７又は８又は９又は１０又は１１に記載
    の振動ジャイロの使用方法。