JPH08278147A

JPH08278147A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH08278147A
Application number: JP7106871A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 村武中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】薄型の振動ジャイロを得る。【構成】振動ジャイロ１０は、円板状の振動体１２を
含む。振動体１２は、たとえば恒弾性金属材料により形
成される。振動体１２の一方主面上には、その主面を覆
うようにして、たとえば４個の扇型の圧電素子１４ａ，
１４ｂ，１４ｃおよび１４ｄが形成される。これらの圧
電素子１４ａ〜１４ｄは、それぞれ圧電体基板１６ａ〜
１６ｄを含む。圧電体基板１６ａおよび１６ｃの分極さ
れる方向と、圧電体基板１６ｂおよび１６ｄの分極され
る方向とは、互いに逆方向に分極される。圧電体基板１
６ａ〜１６ｄの一方主面には、電極１８ａ〜１８ｄが形
成され、他方主面には、分割電極２０ａ〜２０ｈが形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は振動ジャイロに関し、
特にたとえば、圧電素子を用いて振動体を振動させ、コ
リオリ力による振動の変化を圧電素子の出力信号として
取り出すことができる振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５（Ａ）はこの発明の背景となる従来
の振動ジャイロの一例を示す斜視図であり、図５（Ｂ）
はその断面図である。振動ジャイロ１は、正４角柱状の
振動体２を含む。振動体２は、たとえば恒弾性金属材料
により形成される。振動体２の各側面の中央部には、そ
れぞれ圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄが形成され
る。圧電素子３ａ〜３ｄは、たとえば圧電磁器の両面に
電極を形成したものである。

【０００３】この振動ジャイロ１では、対向する２つの
圧電素子３ａ，３ｃ間に駆動信号が印加される。この駆
動信号によって、振動体２は、圧電素子３ａ，３ｃ形成
面に直交する向きに屈曲振動する。この状態で、振動体
２が、その長手方向に伸びる軸を中心として回転する
と、コリオリ力によって振動体２の振動方向が変わり、
それに応じて圧電素子３ｂ，３ｄに電圧が発生する。こ
れらの電圧を測定することにより、回転角速度ωを検出
することができる。

【０００４】図６（Ａ）はこの発明の背景となる従来の
振動ジャイロの他の例を示す斜視図であり、図６（Ｂ）
はその平面図解図である。この振動ジャイロ４は、円筒
カップ形の振動体５を含む。振動体５は、たとえば恒弾
性金属材料で形成される。振動体５の側面には、円周方
向に等間隔を隔てて４つの駆動用の圧電素子６ａ，６
ｂ，６ｃ，６ｄが形成される。圧電素子６ａ〜６ｄは、
たとえば圧電磁器の両面に電極を形成したものである。

【０００５】この振動ジャイロ４では、４つの圧電素子
６ａ〜６ｄに駆動信号が印加される。振動体５は、印加
された駆動信号によって、図６（Ｂ）に破線で示すよう
に、伸縮振動する。この振動ジャイロ４では、検出用の
圧電素子８ａ，８ｂおよび８ｃ，８ｄが、対向したノー
ド点７，７′のそれぞれの両側に形成される。

【０００６】伸縮振動している状態で、振動体５が、図
６（Ａ）に１点鎖線で示す軸を中心として回転角速度が
加わると、コリオリ力によって振動体５の振動方向が変
わり、ノード点が変位する。このノード点の変位に応じ
て、ノード点の両側に配置された圧電素子８ａ，８ｂ間
および圧電素子８ｃ，８ｄ間に電圧が発生する。これら
の電圧を測定することにより、回転角速度ωを検出する
ことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、垂直方
向に伸びる軸を中心とした回転角速度を検出しようとす
る際には、図５に示す音片型の振動ジャイロでは、その
振動体を垂直に設置しなければならない。その場合に
は、図５に示す音片型の振動ジャイロでは、高さ方向が
振動体の長手方向となるため、高さが高くなってしまう
という問題があった。同様に、図６に示す円筒カップ形
の振動ジャイロ４でも、高さが高くなってしまうという
問題があった。そのため、従来の音片型、音叉型および
円筒カップ形の振動ジャイロは、たとえばナビゲーショ
ンシステムや防振システムなどに用いる場合に、装置の
小型化ないし薄型化を妨げる原因となった。

【０００８】また、図６に示す振動ジャイロ４では、ノ
ード点の両側に検出用圧電素子８ａ〜８ｄを正確に配置
するための調整が必要である。そのため、製造が困難
で、歩留りが悪く、かつ所望の検出感度が得られにくい
という問題があった。

【０００９】それゆえに、この発明の主たる目的は、薄
型の振動ジャイロを提供することである。

【００１０】また、この発明の他の目的は、製造が比較
的容易で、所望の検出感度を得ることができる振動ジャ
イロを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる振動ジ
ャイロは、板状の振動体と、振動体の主面上において、
円周方向に配列される複数の圧電素子とを含む振動ジャ
イロであって、隣り合った圧電素子は、互いに逆方向に
分極される、振動ジャイロである。

【００１２】また、この発明にかかる他の振動ジャイロ
は、板状の振動体と、振動体の主面上において、円周方
向に配列される複数の圧電素子とを含む振動ジャイロで
あって、隣り合った圧電素子には、互いに逆極性の駆動
信号が印加される、振動ジャイロである。

【００１３】また、この発明では、振動体は円板状に形
成され、その円周方向に等間隔に４つのノード点が生じ
るように圧電素子が配列されることが好ましい。

【００１４】さらに、この発明では、圧電素子の１つ以
上に複数の分割電極を含み、分割電極は、振動体の中心
からみて、複数の圧電素子間に生じる複数のノード点が
なす角度の１／２以下の角度毎に分割されて形成される
ことが好ましい。

【００１５】また、この発明では、圧電素子の一方の分
割電極と、その分割電極に隣りに配置された他の圧電素
子の一方の分割電極とに接続され、回転角速度に応じた
信号を検出するための検出手段を含むことが好ましい。

【００１６】

【作用】この発明の振動ジャイロでは、振動体は、円周
方向に配列された複数の圧電素子の伸縮振動に伴い、振
動体の主面に平行な方向へ伸縮振動する。また、互いに
逆方向に分極された圧電素子は、同一位相の駆動信号が
印加された場合に、互いに逆方向に伸縮振動をする。そ
のため、この振動ジャイロでは、逆方向に分極され隣り
合った圧電素子間を通る延長線上にノード点が生じる。
そして、振動体が伸縮振動している状態で、振動体の中
心を通り厚み方向に伸びる軸を中心として回転角速度が
加わると、コリオリ力によって振動体の振動方向が変わ
り、ノード点の位置にずれが生じる。すると、ノード点
の両側に配置された圧電素子から得られる電荷量が異な
るようになり、その差を検出することにより、回転角速
度を知ることができる。

【００１７】また、この発明の他の振動ジャイロでは、
振動体は、円周方向に配列された複数の圧電素子の伸縮
振動に伴い、振動体の主面に平行な方向へ伸縮振動す
る。また、互いに逆極性の駆動信号が印加された圧電素
子は、互いに逆方向に伸縮振動をする。そのため、この
振動ジャイロでは、配列された圧電素子間を通る延長線
上にノード点が生じる。そして、振動体が伸縮振動して
いる状態で、振動体の中心を通り厚み方向に伸びる軸を
中心として回転角速度が加わると、コリオリ力によって
振動体の振動方向が変わり、ノード点の位置にずれが生
じる。すると、ノード点の両側に配置された圧電素子か
ら得られる電荷量が異なるようになり、その差を検出す
ることにより、回転角速度を知ることができる。

【００１８】また、振動体を円板状に形成し、その円周
方向に等間隔に４つのノード点が生じるように圧電素子
を振動板の表裏に配列した場合には、振動体のそり成分
が相殺され、伸縮振動が効率よく励振される。この場
合、円板状の振動体は、一方向に伸び、その方向と直交
する方向に縮む振動を交互に繰り返す。

【００１９】さらに、圧電素子の１つ以上に複数の分割
電極を含み、分割電極が、振動体の中心からみて、複数
の圧電素子間に生じる複数のノード点がなす角度の１／
２以下の角度毎に分割されて形成された場合には、回転
角速度に応じた信号を効率よく得ることができる。

【００２０】また、圧電素子の一方の分割電極と、その
分割電極に隣接した他の圧電素子の一方の分割電極とに
接続され、回転角速度に応じた信号を検出するための検
出手段を含む場合には、回転角速度に応じた信号を効率
よく得ることができる。

【００２１】

【発明の効果】この発明によれば、振動体の中心を通り
厚み方向に伸びる軸を中心とした回転角速度を検出する
ことができる。そのため、垂直方向に伸びる軸を中心と
した回転角速度を検出しようとする際において、この振
動ジャイロの高さは、振動体および圧電素子の厚み分だ
けの高さとなり、薄型の振動ジャイロを得ることができ
る。

【００２２】また、この発明によれば、圧電素子の配置
により、振動体のノード点が強制的に決まる。そのた
め、圧電素子は、ノード点の両側に正確に配置されるこ
ととなる。したがって、この発明の振動ジャイロは、製
造が比較的容易で、しかも回転角速度の検出感度が良
い。

【００２３】さらに、この発明によれば、振動が励振さ
れた際にも板状の振動体の中心は変位しないため、板状
の振動体の中心を支持することができる。その場合に
は、強固で衝撃に強い振動ジャイロを得ることができ
る。

【００２４】この発明の上述の目的，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実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００２５】

【実施例】図１（Ａ）はこの発明の一実施例を示す斜視
図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。図２は、図
１に示す振動ジャイロの電気的な接続状況を示す図解図
である。振動ジャイロ１０は、円板状の振動体１２を含
む。振動体１２は、たとえば恒弾性金属材料により形成
される。この実施例では、たとえば厚さ１００μｍで直
径１０ｍｍの真鍮板が使用される。

【００２６】振動体１２の一方主面上には、その主面を
覆うようにして、たとえば４個の扇型の圧電素子１４
ａ，１４ｂ，１４ｃおよび１４ｄが形成される。圧電素
子１４ａ，１４ｂ，１４ｃおよび１４ｄは、振動体１２
の一方主面上の円周方向に、互いに所定の間隔を隔てな
がら配列される。これらの圧電素子１４ａ〜１４ｄは、
それぞれ圧電体基板１６ａ〜１６ｄを含む。これらの圧
電体基板１６ａ〜１６ｄの一方主面の全面には、それぞ
れ扇型の電極１８ａ〜１８ｄが形成される。これらの電
極１８ａ〜１８ｄは、互いに電気的に接続される。

【００２７】また、圧電体基板１６ａの他方主面上に
は、２つの扇型の分割電極２０ａおよび２０ｂが互いに
所定の間隔を隔てながら形成される。扇型の分割電極２
０ａ，２０ｂの中心角は、それぞれ扇型の圧電体基板１
６ａの中心角の略１／２になるように形成される。同様
にして、圧電体基板１６ｂの他方主面上には、２つの扇
型の分割電極２０ｃ，２０ｄが形成され、圧電体基板１
６ｃの他方主面上には、２つの扇型の分割電極２０ｅ，
２０ｆが形成され、圧電体基板１６ｄの他方主面上に
は、２つの扇型の分割電極２０ｇ，２０ｈが形成され
る。したがって、これらの分割電極２０ａ〜２０ｈは、
圧電体基板１６の円周方向に沿って等間隔に配列され
る。これらの圧電素子１４ａ〜１４ｄは、それぞれ振動
体１２を振動させるための駆動用、および回転角速度に
応じた信号を得るための検出用として使用される。

【００２８】圧電体基板１６ａ〜１６ｄとしては、たと
えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの材料が使用
される。この圧電体基板の両面に銀ペーストを塗布し、
８００〜９００℃の温度で焼き付けて、電極１８ａ〜１
８ｄおよび分割電極２０ａ〜２０ｈとなるべき電極がそ
れぞれ形成される。この場合、分割電極２０ａ〜２０ｈ
は、圧電体基板の他方主面の全面に電極を形成した後、
エッチングなどの方法で２つに分割されて形成される。
さらに、たとえば約６０℃のシリコンオイル中におい
て、２ｋＶ／ｍｍの電界を印加することによって、圧電
体基板に分極処理が施される。この場合、圧電素子１４
ａの圧電体基板１６ａは、分割電極２０ａ，２０ｂから
電極１８ａへ向かって分極される。この分極方向を図２
に−と表示する。同様に、圧電素子１４ｃは、図２に−
と表示するように、分割電極２０ｅ，２０ｆから電極１
８ｃへ向かって分極される。また、圧電素子１４ｂは、
電極１８ｂから分割電極２０ｃ，２０ｄへ向かって分極
される。この分極方向を図２に＋と表示する。同様に、
圧電素子１４ｄは、図２に＋と表示するように、電極１
８ｄから分割電極２０ｇ，２０ｈへ向かって分極され
る。したがって、この実施例では、図２に示すように、
隣り合う圧電素子は、互いに逆方向に分極される。

【００２９】得られた圧電素子１４ａ〜１４ｄは、たと
えばエポキシ系の接着剤を用いて、真鍮の振動体１２の
一方主面に接着される。

【００３０】この振動ジャイロ１０は、駆動手段として
の発振回路２２を含む。発振回路２２の一方端子は、図
２に示すように、抵抗２４ａ〜２４ｈを介して、圧電素
子１４ａ〜１４ｄの分割電極２０ａ〜２０ｈに電気的に
接続される。また、発振回路２２の他方端子は、圧電素
子１４ａ〜１４ｄの電極１８ａ〜１８ｄに電気的に接続
される。

【００３１】また、この振動ジャイロ１０は、回転角速
度に応じた信号の検出手段として、差動増幅回路２６を
含む。差動増幅回路２６の反転入力端子は、分割電極２
０ｅに接続され、差動増幅回路２６の非反転入力端子
は、分割電極２０ｄに接続される。また、差動増幅回路
２６の出力端子は、反転入力端子に抵抗２８を介して接
続される。なお、図示はしないが、分割電極２０ｂおよ
び２０ｃ，分割電極２０ｆおよび２０ｇ，分割電極２０
ｈおよび２０ａは、同様にしてそれぞれの差動増幅回路
に接続される。

【００３２】図３（Ａ）は、図１に示す振動ジャイロ１
０の振動状況を示す図解図である。この振動ジャイロ１
０を駆動するには、発振回路２２から出力されるたとえ
ば正弦波信号などの駆動信号が、抵抗２４ａ〜２４ｈを
介して、圧電素子１４ａ〜１４ｄの分割電極２０ａ〜２
０ｈおよび電極１８ａ〜１８ｄ間に同一位相で印加され
る。すると、これらの圧電素子１４ａ〜１４ｄは、それ
ぞれ円板状の振動板１２の直径方向へ伸縮振動する。こ
の場合、圧電素子１４ａ，１４ｃと圧電素子１４ｂ，１
４ｄとでは、分極方向が逆向きのため、図３（Ａ）に１
点鎖線で示すように、圧電素子１４ａ，１４ｃがそれぞ
れ振動体１２の中心方向へ向かって縮んだときには、圧
電素子１４ｂ，１４ｄがそれぞれ振動体１２の中心から
外側へ向かって伸びる。また、図３（Ａ）に２点鎖線で
示すように、圧電素子１４ａ，１４ｃがそれぞれ振動体
１２の中心から外側へ向かって伸びたときには、圧電素
子１４ｂ，１４ｄがそれぞれ振動体１２の中心方向へ向
かって縮む。

【００３３】このようにして圧電素子１４ａ〜１４ｄが
交互に伸縮運動を繰り返すことにより、図３（Ａ）に示
すように、振動体１２は、２つの楕円形状を繰り返すよ
うにして伸縮振動をする。そして、この場合、図３
（Ａ）に示す１点鎖線の楕円と２点鎖線で示す楕円との
４つの交点が、振動体１２の振動のノード点となる。す
なわち、これらのノード点は、圧電素子１４ａと圧電素
子１４ｂとの間を通る延長線上、圧電素子１４ｂと圧電
素子１４ｃとの間を通る延長線上、圧電素子１４ｃと圧
電素子１４ｄとの間を通る延長線上および圧電素子１４
ｄと圧電素子１４ａとの間を通る延長線上に生じる。し
たがって、これらのノード点間の間隔は、圧電素子１４
ａ〜１４ｄのそれぞれの弧の長さと略等しい間隔を隔て
て、円周方向に等間隔に配置されることになる。そのた
め、分割電極２０ａ〜２０ｈは、振動体１２の中心から
みて、４つの圧電素子１４ａ〜１４ｄ間に生じる複数の
ノード点がなす角度の１／２以下の角度毎に分割されて
形成されることになる。

【００３４】そして、図３（Ｂ）は、振動ジャイロに回
転角速度が加わった場合の振動状況を示す図解図であ
る。振動体１２の中心を通り厚み方向に伸びる軸を中心
として、たとえば時計周りに回転角速度ωが加わると、
反時計周りにコリオリ力が働き、振動体１２の振動状況
が、図３（Ｂ）に破線で示す状態から１点鎖線で示す状
態へと変化する。その変化に応じて、４つのノード点の
位置にずれが生じる。

【００３５】すると、圧電素子１４ａ，１４ｃに生じる
電荷量と、圧電素子１４ｂ，１４ｄに生じる電荷量とに
差が生じる。そのため、分割電極２０ａ，２０ｂ，２０
ｅ，２０ｆから得られる電荷量と分割電極２０ｃ，２０
ｄ，２０ｇ，２０ｈから得られる電荷量との間に差が生
じる。たとえば、図３（Ｂ）に示した例で説明すると、
コリオリ力によりノード点が破線で示した線上から一点
鎖線で示した線上へとずれる。そのため、分割電極２０
ｄから得られる電荷量の絶対値が小さくなり、分割電極
２０ｅから得られる電荷量の絶対値が大きくなる。した
がって、この差を差動増幅回路２６で検出することによ
り、回転角速度を知ることができる。

【００３６】このように、この実施例の振動ジャイロ１
０を用いれば、振動体１２の中心を通り厚み方向に伸び
る軸を中心とした回転角速度を検出することができる。
そのため、垂直方向に伸びる軸を中心とした回転角速度
を検出しようとする際において、この振動ジャイロ１０
の高さは、振動体１２および圧電素子１４ａ〜１４ｄの
厚み分だけの高さとなり、薄型の振動ジャイロ１０を得
ることができる。

【００３７】また、この実施例の振動ジャイロ１０で
は、圧電素子１４ａ〜１４ｄの配置により、振動体１２
の４つのノード点が強制的に決まる。そのため、圧電素
子１４ａ〜１４ｄは、４つのノード点の両側にそれぞれ
正確に配置されることとなる。したがって、この振動ジ
ャイロ１０は、製造が比較的容易で、しかも回転角速度
の検出感度が良い。

【００３８】さらに、この実施例の振動ジャイロ１０に
よれば、図３（Ａ）に示すように、振動が励振された際
にも板状の振動体１２の中心は変位しないため、板状の
振動体１２の中心を支持することができる。その場合に
は、強固で衝撃に強い振動ジャイロ１０を得ることがで
きる。

【００３９】なお、上述の実施例では、検出用の圧電素
子１４ａ〜１４ｄを形成するために、圧電体基板１６ａ
〜１６ｄおよび電極１８ａ〜１８ｄを各圧電素子ごとに
個別に形成したが、これに限らず、圧電体基板および電
極は、それぞれたとえば一枚の円板状に形成して、複数
の圧電素子で共有するようにしてもよい。この場合に
も、図１に示す実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００４０】また、振動体１２の形状としては、円板状
以外にも、たとえば楕円板状、矩形板状、多角形状な
ど、あらゆる板状のものを用いてもよい。

【００４１】さらに、図４に示すように、振動体１２を
圧電体で形成してもよい。その場合には、圧電素子１４
ａ〜１４ｄとなるべき部分の一方主面に、扇型の電極１
８ａ〜１８ｄまたは円板状の共通電極１８が形成され
る。そして、電極１８ａ〜１８ｄと対向するようにし
て、振動体１２の他方主面には、扇型の分割電極２０ａ
〜２０ｈが形成される。この場合にも、図１に示す実施
例と同様の効果を得ることができる。

【００４２】また、上述の実施例において、圧電素子１
４ａ〜１４ｄの分極方向は、すべて同一方向にしてもよ
い。その場合には、円周方向に隣り合った圧電素子に
は、１８０°位相のずれた駆動信号を印加することによ
り、図１に示す実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００４３】さらに、上述の実施例では分割された検出
部を全て用いたが、一部だけ用いても良い。また、検出
部の接続方法を変え、コリオリ検出と帰還出力を作り発
振回路を構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の一実施例を示す斜視図であ
り、（Ｂ）はその断面図である。

【図２】図１に示す振動ジャイロの電気的接続状況を示
す図解図である。

【図３】（Ａ）は、図１に示す振動ジャイロに駆動振動
が印加された場合の振動状況を示す図解図である。
（Ｂ）は、その状態で振動ジャイロに回転角速度が加わ
った場合の振動状態を示す図解図である。

【図４】図１に示す実施例の変形例を示す断面図であ
る。

【図５】（Ａ）はこの発明の背景となる従来の振動ジャ
イロの一例を示す斜視図であり、（Ｂ）はその断面図で
ある。

【図６】（Ａ）はこの発明の背景となる従来の振動ジャ
イロの他の例を示す斜視図であり、（Ｂ）はその平面図
解図である。

【符号の説明】

１０振動ジャイロ１２振動体１４ａ〜１４ｄ圧電素子１６ａ〜１６ｄ圧電体基板１８ａ〜１８ｄ電極２０ａ〜２０ｈ分割電極２２発振回路２４ａ〜２４ｈ抵抗２６差動増幅回路２８抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の振動体、および前記振動体の主面
上において、円周方向に配列される複数の圧電素子を含
む振動ジャイロであって、隣り合った前記圧電素子は、互いに逆方向に分極され
る、振動ジャイロ。
【請求項２】板状の振動体、および前記振動体の主面
上において、円周方向に配列される複数の圧電素子を含
む振動ジャイロであって、隣り合った前記圧電素子には、互いに逆極性の駆動信号
が印加される、振動ジャイロ。
【請求項３】前記振動体は円板状に形成され、その円
周方向に等間隔に４つのノード点が生じるように前記圧
電素子が配列される、請求項１または請求項２に記載の
振動ジャイロ。
【請求項４】前記圧電素子の１つ以上に複数の分割電
極を含み、前記分割電極は、前記振動体の中心からみて、複数の前
記圧電素子間に生じる複数のノード点がなす角度の１／
２以下の角度毎に分割されて形成される、請求項１ない
し請求項３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項５】前記圧電素子の一方の分割電極と、その
分割電極の隣りに配置された他の前記圧電素子の一方の
分割電極とに接続され、回転角速度に応じた信号を検出
するための検出手段を含む、請求項４に記載の振動ジャ
イロ。