JPH11325914A

JPH11325914A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH11325914A
Application number: JP10148476A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hashimoto; 本順一橋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】検出感度が良く、振動特性が安定しており、
漏れ振動の影響が少ない振動ジャイロを提供する。【解決手段】振動ジャイロ１０は、振動体１２を含
む。振動体１２は、矩形薄板状の第１の振動部１４，第
２の振動部１８およびそれらを連接する連接部１６を有
する。第１の振動部１４と第２の振動部１８とは、連接
部１６を介して、直交するように一体的に接合される。
振動体１２は、その長さ方向の２つのノード軸Ｘ−Ｘ，
Ｙ−Ｙ付近がコ字状の支持部材２８ａおよび２８ｂによ
り支持される。第１の振動部１４の一方主面には、駆動
用圧電素子２２が形成され、第２の振動部１８の一方主
面および他方主面には、それぞれ、検出用圧電素子２４
および２６が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、振動ジャイロに
関し、特にたとえば、カーナビゲーションシステム、車
体姿勢制御システムなどにおいて回転角速度を検出する
ために用いられる振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】本願発明の背景となる従来の角速度セン
サーの一例が特開昭６０−２５０２０７号公報に開示さ
れている。この角速度センサーは、図６（Ａ）および図
６（Ｂ）に示すように、ベース５を含む。ベース５上に
は、矩形薄板状の駆動用圧電振動子２がくさび形状の振
動子支持材３により支持される。振動子支持材３は、駆
動用圧電振動子２がたわみ振動した時の基本共振の振動
節部を支持する。振動子支持材３は、駆動用圧電振動子
２をその両主面から支持している。駆動用圧電振動子２
の長さ方向の一端および他端には、接合部材４を介し
て、矩形薄板状の検出用圧電素子１，１が配設される。
検出用圧電素子１，１は、その主面が駆動用圧電振動子
２の主面と直交する方向に配設される。この角速度セン
サーでは、駆動用圧電振動子２の一方主面および他方主
面に接続されたリード線（図示せず）等を介して、駆動
信号（共振周波数）が印加される。すると、駆動用圧電
振動子２には、矩形板の屈曲振動が生じる。駆動用圧電
振動子２は、接合部材４を介して、検知用圧電素子１，
１へ振動を伝える。そのため、検知用圧電素子１，１
は、図６（Ａ）の矢印の方向に振動する。そして、この
角速度センサーに回転角速度が生じると、図６（Ａ）の
Ｚ方向の軸周りに、つまり、検知用圧電素子１，１の振
動方向と直交する方向に、コリオリ力が作用する。その
時の検知用圧電素子１，１の出力を測定することによっ
て、回転角速度が検出される。

【０００３】また、本願発明の背景となる従来の角速度
センサーの他の例が特開昭６０−２０５３１３号公報に
開示されている。この角速度センサーは、図７（Ａ）お
よび図７（Ｂ）に示すように、矩形薄板状の駆動用圧電
バイモルフ素子２を含む。駆動用圧電バイモルフ素子２
の長さ方向の一端部は、ヤング率の高い材料からなる細
い金属弾性部材６を介してベース部材３に支持される。
金属弾性部材６は、その長さ方向の一端および他端が接
着部材４によって、それぞれ、駆動用圧電バイモルフ素
子２およびベース部材３に接着される。さらに、駆動用
圧電バイモルフ素子２の長さ方向の他端部には、接合部
材５を介して、検知用圧電バイモルフ素子１が配設され
る。検知用圧電バイモルフ素子１は、その主面が駆動用
圧電バイモルフ素子２の主面と直交する方向に配設され
る。この角速度センサーでは、駆動用圧電バイモルフ素
子２の一方主面および他方主面にＡＣ信号（共振周波
数）をかけると、駆動用圧電バイモルフ素子２は、その
主面に直交する方向に屈曲振動を始め、この振動が接合
部材５を介して、検知用圧電バイモルフ素子１に伝わ
る。したがって、検知用圧電バイモルフ素子１は、図７
（Ａ）の矢印の方向に振動する。そして、この角速度セ
ンサーに回転角速度が生じると、検知用圧電素子１の振
動方向と直交する方向に、コリオリ力が作用する。その
時の検知用圧電素子１の出力を測定することによって、
回転角速度が検出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６
（Ａ），（Ｂ）に示す従来例では、全体で１つの振動子
が１枚の駆動用圧電振動子２と２枚の検知用圧電素子
１，１とで構成され、つまり、３枚のパーツが必要とな
る。したがって、１つの振動子全体で見たときに、検出
用素子の部分の長さが短くなる。そのため、検出感度が
小さくなってしまう。さらに、この従来例では、駆動用
圧電素子の長さ方向の両側に検知用圧電振動子１，１が
それぞれ配置されるので、一方および他方の検知用圧電
振動子１，１に作用する共振周波数が一致せず、それら
の間に差が生じる恐れがある。そのため、この従来例で
は、検出側共振ピークが２か所にでき、不安定な振動状
態となる。

【０００５】また、図７（Ａ），（Ｂ）に示す従来例で
は、駆動用圧電バイモルフ素子２の長さ方向の一端が金
属弾性部材６（固定部）を介してベース部材３に支持・
固定される構造、所謂、片持ち梁の構造となる。したが
って、この従来例では、金属弾性部材６（固定部）の保
持力が加わってはじめて振動する。すなわち、金属弾性
部材６（固定部）は、この従来例における振動系の一部
となる。そのため、駆動用圧電バイモルフ素子２からの
振動は、金属弾性部材６（固定部）を介してベース部材
３に伝わってしまい、振動漏れが生じる。さらに、この
従来例では、駆動用圧電バイモルフ素子２が１本の細い
金属弾性部材６で支持・固定されているため、駆動用圧
電バイモルフ素子２および検知用圧電バイモルフ素子１
を含む圧電バイモルフ素子全体の姿勢を安定して保持す
ることができない。そのため、この従来例では、外部か
ら衝撃等の力が作用した場合、圧電バイモルフ素子全体
が揺れてしまい、安定した姿勢保持が困難となる。その
ため、この従来例では、誤動作を起こす恐れがある。

【０００６】それゆえに、本願発明の主たる目的は、検
出感度が良く、振動特性が安定しており、漏れ振動の影
響が少ない振動ジャイロを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明にかかる振動ジ
ャイロは、板状の第１の振動部、第１の振動部と直交す
る方向に配置される板状の第２の振動部、および第１の
振動部と第２の振動部とを連接する連接部を有する振動
体と、第１の振動部の一方主面に形成され、第１の振動
部をその主面に直交する方向に屈曲振動させるための駆
動手段と、第２の振動部の一方主面および他方主面に形
成され、第２の振動部の屈曲量に対応した信号を検出す
る検出手段と、振動体が所定の振動モードで振動した時
のノード付近の２か所で、振動体を支持する支持部材と
を含む、振動ジャイロである。振動体は、その第１の振
動部、第２の振動部および連接部が機械的な振動を生じ
る材料で一体的に形成されるとよい。また、振動体は、
６面体の所定の部分を切削することによって、第１の振
動部、第２の振動部および連接部を一体的に形成するこ
とができる。

【０００８】駆動手段により振動体の第１の振動部は、
その主面に直交する方向に屈曲振動する。第１の振動部
が屈曲振動することにより、連接部を介して、第２の振
動部が第１の振動部の振動方向と同じ方向に振動する。
この場合、第２の振動部は、その主面に平行に振動す
る。この状態で、振動ジャイロに回転角速度が加わる
と、振動体にはその振動方向と直交する方向にコリオリ
力が加わる。すなわち、第２の振動部には、その主面に
直交する方向にコリオリ力が作用する。第２の振動部
は、コリオリ力が作用する方向に撓みやすいため、屈曲
変位する。検出手段からは、このコリオリ力に対応した
信号、つまり、回転角速度に対応した信号が出力され
る。この場合、検出手段は、第２の振動部の撓みをその
一方主面および他方主面で逆向きの信号として出力す
る。支持部材は、振動体の振動モードのノード付近で第
１の振動部および第２の振動部を支持するため、振動体
の第１の振動部の屈曲振動による振動が外部に漏れにく
くなる。そのため、振動体は安定した自由振動を行い、
安定した振動特性が得られる。

【０００９】本願発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】

【実施例】図１は本願発明にかかる振動ジャイロの一例
を示す斜視図である。振動ジャイロ１０は、振動体１２
を含む。振動体１２は、矩形板状の第１の振動部１４を
有する。第１の振動部１４の長さ方向の一端には、矩形
板状の連接部１６を介して、矩形板状の第２の振動部１
８が配設される。第１の振動部１４と第２の振動部１８
とは、それらの主面が直交する方向に位置するように、
連接部１６を介して接続される。この振動体１２の第１
の振動部１４、連接部１６および第２の振動部１８は、
ニッケル、鉄、クロム、チタンあるいはそれらの合金、
エリンバ、鉄−ニッケル合金等の恒弾性金属材料や、石
英、ガラス、水晶、セラミック等の一般的に機械的な振
動を生ずる材料などで一体的に成形される。

【００１１】本実施例にかかる振動ジャイロ１０では、
振動体１２が恒弾性金属材料からなる直方体、立方体等
の６面体１２Ａの所定部分を溝加工等の方法で切削する
ことによって、第１の振動部１４、連接部１６および第
２の振動部１８が一体的に形成される。本実施例では、
たとえば図２に示すように、６面体１２Ａの長さ方向の
一端部および他端部から、それぞれ、溝部２０ａ，２０
ａおよび２０ｂ，２０ｂを形成することによって、第１
の振動部１４、連接部１６および第２の振動部１８が一
体的に形成される。この場合、６面体１２Ａの長さ方向
の一端から中央部にかけて形成される溝部２０ａ，２０
ａは、図２で見て、６面体１２の上面と平行な方向に形
成され、６面体１２Ａの長さ方向の他端から中央部にか
けて形成される溝部２０ｂ，２０ｂは、６面体１２の上
面と直交する方向に形成される。

【００１２】第１の振動部１４の一方主面には、図１に
示すように、駆動用圧電素子２２が形成される。駆動用
圧電素子２２は、第１の振動部１４をその主面と直交す
る方向に屈曲振動させるための駆動手段としての機能を
有する。この駆動用圧電素子２２は、圧電セラミックな
どの圧電層（図示せず）を含む。圧電層の表面および裏
面には、それぞれ、表面電極および裏面電極（図示せ
ず）が形成される。裏面電極は、第１の振動部１４の一
方主面上に接着される。

【００１３】第２の振動部１８の一方主面および他方主
面には、それぞれ、検出用圧電素子２４および２６が形
成される。検出用圧電素子２４は、第２の振動部１８の
屈曲変位量に応じた信号を得るための検出手段としての
機能を有する。検出用圧電素子２４および２６は、それ
ぞれ、先の駆動用圧電素子２２と同様の構造を有する。
すなわち、検出用圧電素子２４および２６は、それぞ
れ、圧電セラミックなどの圧電層（図示せず）を含み、
圧電層の表面および裏面には、それぞれ、表面電極およ
び裏面電極（図示せず）が形成される。そして、検出用
圧電素子２４の裏面電極は、第２の振動部１８の一方主
面上に接着され、検出用圧電素子２６の裏面電極は、第
２の振動部１８の他方主面上に接着される。

【００１４】この振動ジャイロ１０の振動体１２は、２
つの支持部材２８ａ，２８ｂによって、たとえば筐体の
取付け基板上に、浮いた状態で支持される。支持部材２
８ａおよび２８ｂは、それぞれ、タングステン，モリブ
デン等の恒弾性金属材料からなる線材などで「コ」字状
に形成される。支持部材２８ａおよび２８ｂは、それぞ
れ、その中間部が振動体１２のノード軸付近に溶着，接
着等の固着手段により固着される。

【００１５】この場合、２つの支持部材２８ａおよび２
８ｂは、振動体１２が自由振動した時のノード付近とな
る付近２か所に、つまり、振動体１２のノード軸の軸線
上（図１の１点鎖線Ｘ−Ｘ，Ｙ−Ｙに示す。）に配置さ
れる。そして、一方の支持部材２８ａの中間部が第１の
振動部１４の他方主面上に固着され、他方の支持部材２
８ｂの中間部が第２の振動部１８の幅方向の一方側端面
上に固着される。さらに、支持部材２８ａ，２８ｂの両
端部は、筐体の取付け基板上（図示せず）に半田付け等
の固着手段により固着される。なお、筐体には、後述す
る発振回路および検出回路等を備えた回路基板（図示せ
ず）が一体化されて形成されている。また、支持部材２
８ａおよび２８ｂは、接地電極として回路基板に接続さ
れる。

【００１６】本実施例の振動ジャイロ１０を使用するた
めには、図３に示すように、駆動用圧電素子２２および
検出用圧電素子２４，２６が、リード線（図示せず）等
を介して、それぞれ、発振回路３０および検出回路３２
に接続される。発振回路３０は、加算回路３４と交流増
幅回路３６と位相補正回路３８とを含む。検出回路３２
は、差動増幅回路４０，同期検波回路４２，平滑回路４
４および直流増幅回路４６を含む。

【００１７】検出用圧電素子２４および２６の表面電極
は、それぞれ、加算回路３４の２つの入力端に接続され
ると共に、差動増幅回路４０の２つの入力端に接続され
る。加算回路３４の出力端が交流増幅回路３６の入力端
に接続される。交流増幅回路３６の出力端が位相補正回
路３８の入力端に接続され、位相補正回路３８の出力端
が駆動用圧電素子２２の表面電極に接続される。

【００１８】したがって、検出用圧電素子２４および２
６の表面電極からの出力信号は、加算回路３４に入力さ
れ加算された後、交流増幅回路３６に入力され増幅され
る。交流増幅回路３６の出力信号は、位相補正回路３８
で発振しやすい駆動信号になるように、位相補正された
後、駆動用圧電素子２２の表面電極に与えられる。

【００１９】また、差動増幅回路４０の出力端は、同期
検波回路４２の入力端に接続され、同期検波回路４２の
出力端は、平滑回路４４の入力端に接続され、平滑回路
４４の出力端は、直流増幅回路４６の入力端に接続され
る。

【００２０】したがって、検出用圧電素子２４および２
６の表面電極からの出力信号は、差動増幅回路４０に入
力される。差動増幅回路４０の出力信号は、整流回路４
８の入力端に接続され、整流された後、出力端から出力
される。すなわち、検出用圧電素子２４および２６から
は、第２の振動部１８の屈曲（撓み）が第２の振動部１
８の一方主面および他方主面で逆向きの信号として出力
される。差動増幅回路４０の出力信号は、同期検波回路
４２にて検波され、コリオリ信号のみが抽出される。検
波された信号は、平滑回路４４で平滑され、さらに、直
流増幅回路４６で増幅された後、直流増幅回路４６の出
力端から出力される。

【００２１】本実施例にかかる振動ジャイロ１０では、
発振回路３０によって、駆動用圧電素子２２に駆動信号
が与えられると、たとえば図４に示すように、第１の振
動部１４は、駆動用圧電素子２２の形成面、つまり、第
１の振動部１４の主面に直交する方向に屈曲振動する。
第１の振動部１４が屈曲振動すると、その屈曲振動に応
じて、連接部１６を介在して、第２の振動部１８が第１
の振動部１４の振動方向と同じ向きに屈曲変位する。す
なわち、第２の振動部１８の振動は、第２の振動部１８
の主面に平行な向きの振動であり、第１の振動部１４の
ようにその主面に直交する方向に屈曲振動するものでは
ない。そのため、第２の振動部１８の主面に形成された
検出用圧電素子２４，２６もその主面に直交する方向に
は屈曲せず、検出用圧電素子２４，２６からは信号が出
力されない。したがって、差動増幅回路４０の出力信号
はゼロであり、回転角速度が加わっていないことがわか
る。

【００２２】この状態で、図４のωに示すように、振動
体１２全体の幅方向の中心軸を軸として振動ジャイロ１
０が回転すると、振動体１２の振動方向に直交する方向
にコリオリ力が加わる。この場合、第２の振動部１８
は、その主面がコリオリ力の作用する方向と直交する方
向に位置するため、コリオリ力の作用する方向に撓みや
すい。すなわち、振動ジャイロ１０に回転角速度ωが作
用すると、図５に示すように、振動体１２の第２の振動
部１８は、その主面と直交する方向に屈曲振動する。第
２の振動部１８の屈曲振動にともなって、検出用圧電素
子２４，２６も屈曲し、その屈曲量に応じた信号が出力
される。この屈曲量は、コリオリ力に対応しているた
め、検出用圧電素子２４，２６の表面電極からの出力信
号は、コリオリ力に対応した信号となる。したがって、
直流増幅回路４６の出力信号を測定することによって、
振動ジャイロ１０に加わった回転角速度を検出すること
ができる。

【００２３】本実施例にかかる振動ジャイロ１０では、
駆動系の第１の振動部１４は、その主面が検出系の第２
の振動部１８の主面と直交する方向に配置されているの
で、無回転時において、第１の振動部１４が駆動振動し
た時に、第２の振動部１８の検出用圧電素子２４，２６
の形成面と直交する方向には応力が作用しにくい構造と
なっている。

【００２４】また、支持部材２８ａおよび２８ｂが、振
動体１２の振動モードのノード軸Ｘ−Ｘ，Ｙ−Ｙ付近で
第１の振動部１４および第２の振動部１８を支持するた
め、第１の振動部１４の駆動振動（屈曲振動）による振
動体１２全体の振動が外部に漏れにくい。この場合、振
動体１２は自由振動状態に近く、しかも、振動体１２
は、たとえば図７（Ａ），図７（Ｂ）に示す従来例と比
べて、外部からの保持力なしで振動することができる。
すなわち、第１の振動部１４の振動は、筐体等の固定部
へ広がらず、振動が漏れにくい。

【００２５】さらに、振動体１２は、ノード軸Ｘ−Ｘ，
Ｙ−Ｙ付近の２か所で支持部材２８ａおよび２８ｂによ
り支持されるため、細い針金等でも振動体１２の姿勢が
維持できる。そのため、振動ジャイロ１０全体の揺れに
よる誤動作も減少する。

【００２６】また、本実施例にかかる振動ジャイロ１０
では、たとえば図６（Ａ），図６（Ｂ）に示す従来例と
比べて、振動体１２の長さ方向の全長に対する検出用圧
電素子２４，２６の長さを長くすることができるため、
検出効率が高い。しかも、本実施例にかかる振動ジャイ
ロ１０では、検出圧電素子２４，２６を有する第２の振
動部１８が単一に形成されるので、図６（Ａ），図６
（Ｂ）に示す従来例と比べて、検出系の固有振動モード
が単一になりやすく、より安定した振動ジャイロが得ら
れる。

【００２７】したがって、本実施例にかかる振動ジャイ
ロ１０では、振動体１２が安定した自由振動を行い、安
定した振動特性が得られると共に、検出効率も高くする
ことができる。

【００２８】また、本実施例にかかる振動ジャイロ１０
では、振動体１２がたとえば６面体に溝加工等を施すこ
とによって簡単に作製されるため、構造が簡単で製造コ
ストも低くすることができる。

【００２９】上述の実施例では、振動体１２が恒弾性金
属材料等で形成されたが、振動体１２は圧電体で形成さ
れてもよく、その場合、振動体１２の第１の振動部１４
の一方主面と、第２の振動部１８の一方および他方主面
とには、圧電素子の代わりに、電極が形成されてもよ
い。

【００３０】

【発明の効果】本願発明によれば、検出感度が良く、振
動特性が安定しており、漏れ振動の影響が少ない振動ジ
ャイロが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明にかかる振動ジャイロの一例を示す斜
視図である。

【図２】図１の振動ジャイロの振動体の製造方法の一例
を示す図解図である。

【図３】図１の振動ジャイロを使用するための回路を示
すブロック図である。

【図４】無回転時における第１の振動部および第２の振
動部の動きを示す図解図である。

【図５】回転時における第１の振動部および第２の振動
部の動きを示す図解図である。

【図６】図６（Ａ）は本願発明の背景となる従来の角速
度センサーの一例を示す平面図であり、図６（Ｂ）はそ
の側面図である。

【図７】図７（Ａ）は本願発明の背景となる従来の角速
度センサーの他の例を示す正面図であり、図７（Ｂ）は
その側面図である。

【符号の説明】

１０振動ジャイロ１２振動体１２Ａ６面体１４第１の振動部１６連接部１８第２の振動部２０ａ溝部２２駆動用圧電素子２４，２６検出用圧電素子２８ａ，２８ｂ支持部材３０発振回路３２検出回路３４加算回路３６交流増幅回路３８位相補正回路４０差動増幅回路４２同期検波回路４４平滑回路４６直流増幅回路４８整流回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の第１の振動部、前記第１の振動部
と直交する方向に配置される板状の第２の振動部、およ
び、前記第１の振動部と前記第２の振動部とを連接する
連接部を有する振動体、前記第１の振動部の一方主面に形成され、前記第１の振
動部をその主面に直交する方向に屈曲振動させるための
駆動手段、前記第２の振動部の一方主面および他方主面に形成さ
れ、前記第２の振動部の屈曲量に対応した信号を検出す
る検出手段、および前記振動体が所定の振動モードで振
動した時のノード付近の２か所で、前記振動体を支持す
る支持部材を含む、振動ジャイロ。
【請求項２】前記第１の振動部、前記第２の振動部お
よび前記連接部が機械的な振動を生じる材料で一体的に
形成される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】前記振動体は、６面体の所定の部分を切
削することによって、前記第１の振動部、前記第２の振
動部および前記連接部が一体的に形成される、請求項２
に記載の振動ジャイロ。