JPH10153431A

JPH10153431A - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH10153431A
Application number: JP8315014A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川; Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-06-09

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型ジャ
イロスコープを提供する。【解決手段】平板状の振動体２と、この振動体２の一主
面に設けた、交互に駆動モードが異なる複数の領域４−
１〜４−４が、前記振動体２の中心に対して対称となる
よう構成され、前記振動体２にくら形振動を与える励振
手段と、前記振動体２の他の主面であって、前記励振手
段の駆動モードが異なる隣接する２つの領域に対応する
位置に設けた少なくとも１つの検出手段６−１〜６−４
とからなる振動子１を備え、検出手段の検出信号に応じ
て回転角速度を求める。

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
れる振動型ジャイロスコープに関し、特に圧電体を用い
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７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。

【０００７】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型ジャイロスコープを提供しようと
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の振動型ジャイロ
スコープは、平板状の振動体と、この振動体の一主面に
設けた、交互に駆動モードが異なる複数の領域が、前記
振動体の中心に対して対称となるよう構成され、前記振
動体にくら形振動を与える励振手段と、前記振動体の他
の主面であって、前記励振手段の駆動モードが異なる隣
接する２つの領域に対応する位置に設けた少なくとも１
つの検出手段とからなる振動子を備え、検出手段の検出
信号に応じて回転角速度を求めることを特徴とするもの
である。

【０００９】本発明では、励振手段により平板状の振動
体にくら形振動を与え、その状態で、振動体の中心にお
いて振動体に直交する回転軸のまわりの回転角速度を与
えた場合に発生するコリオリ力に起因する振動体の変位
を検出手段により検出し、検出信号から回転角速度を求
めるよう構成することで、振動型ジャイロスコープを回
転軸に対して横置きすることを可能とし、低背化を達成
することができる。また、くら形振動は基本的には屈曲
振動なので、共振周波数が低く、検出感度を上げること
ができる。また、従来品と同じ検出感度のものを、より
小型化できる。さらに、構成上振動子の中央部で支持す
ることが可能なため、振動子の安定な支持が可能とな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の振動型ジャイロス
コープの振動子の一例の構成を示す図である。図１にお
いて、図１（ａ）は振動子の側面図を、図１（ｂ）は振
動子の一主面（表面）に設けた励振手段の一例を、図１
（ｃ）は振動子の他の主面（裏面）に設けた検出手段の
一例を、それぞれ示している。図１に示す例において、
振動子１は、正四角形の平板状の振動体２と、振動体２
の表面全体に設けた圧電セラミック板３および圧電セラ
ミック板３の表面に設けた電極４−１〜４−４と、振動
体２の裏面全体に設けた圧電セラミック板５および圧電
セラミック板５の表面に設けた電極６−１〜６−４とか
ら構成されている。そして、圧電セラミック板３及び電
極４−１〜４−４が励振手段を構成し、圧電セラミック
板５及び電極６−１〜６−４が検出手段を構成してい
る。

【００１１】振動体２としては、従来から知られている
エリンバー等の恒弾性金属板を使用することができる。
電極４−１〜４−４は、振動体２の中心に対して対称と
なるよう互いに絶縁した４つの正四角形の領域を形成し
ている。電極６−１〜６−４は、電極４−１〜４−４の
境界を９０°ずらした形状であり、振動体２の中心に対
して対称となるよう互いに絶縁した４つの二等辺三角形
の領域を形成している。そのため、電極６−１〜６−４
の各々は、電極４−１〜４−４のうちの２つの電極に対
応した位置に存在する。なお、励振手段及び検出手段
は、上述した各領域で交互に分極方向が逆の圧電セラミ
ック板３及び５を形成し、各圧電セラミック板３及び５
の表面全体に各々１枚の電極４及び６を設けても形成す
ることができる。また、振動体２を圧電性を有する単結
晶、例えば水晶、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶、ＬｉＴａＯ₃ 単
結晶等で構成し、励振手段及び検出手段としてその表面
及び裏面に所定の領域に分割して電極を設けることも考
えられる。

【００１２】次に、上述した振動子１における駆動及び
検出のくら形振動について図２を参照して説明する。ま
ず、図１（ａ）に示すように、振動子１の中心で支持体
７により振動子１を支持する。その状態で、電極４−１
〜４−４に交互に駆動モードが異なる振動を与える。具
体的にその一例を示すと、図１（ｂ）において（＋）の
領域と（−）の領域に互いに１８０°位相の異なる交流
電圧を励振電圧として加える。その結果、図２（ａ）に
示すように、対角線上の隅部が交互に上下するくら形振
動が振動子１に発生する。この時、振動子１の各辺の中
間部１１、１２、１３、１４の位置では、その点を中心
とした互いに異なる方向のモーメントＭが発生するだけ
で、振動はしない。この状態で、図１（ｂ）に示すよう
に、振動子１の中心から振動子１に直交する軸を回転軸
として回転角速度Ωが加わると、上記モーメントＭに対
してコリオリ力が働き、振動子１に図２（ｂ）に示すよ
うなコリオリ力によるくら形振動が発生する。このくら
形振動による圧電セラミック板５の変位を電極６−１〜
６−４で電気信号として求め、求めた電気信号の大きさ
から回転角速度Ωを求めることで、振動型ジャイロスコ
ープを構成することができる。

【００１３】上述した本発明の振動型ジャイロスコープ
では、振動型ジャイロスコープを回転軸に対して横置き
することが可能となり、低背化を達成することができ
る。また、励振及び検出の際のくら形振動は基本的には
屈曲振動であるため、共振周波数が低く、検出感度を上
げることができる。さらに、従来品と同じ感度のもの
を、より小型に得ることができる。さらにまた、振動子
１をその中央部で支持することができるため、振動子１
を安定に支持することができる。

【００１４】なお、上述した例では、対称性が良好なこ
と及び作製の手間が少ないことから、検出手段を振動体
２の全面に設けた圧電セラミック板５と電極６−１〜６
−４とで構成したが、電極６−１〜６−４におけるくら
形振動は互いに位相は異なるものの同じ振動であるた
め、電極６−１〜６−４のうちの少なくとも１つの領域
のみに圧電セラミック板と電極とを設けても、本発明の
振動型ジャイロスコープを構成することができる。ま
た、励振用の各電極４−１〜４−４として交差指電極を
用いることもできる。その場合は、振動子１の強い励振
が可能となり、励振電圧を下げることも可能となる。

【００１５】図３及び図４は本発明の振動型ジャイロス
コープの振動子の他の例の構成を示す図である。図３及
び図４において、図１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及び図４において、図３
（ａ）及び図４（ａ）は振動子の側面図を、図３（ｂ）
及び図４（ｂ）は振動子の一主面（表面）に設けた励振
手段の一例を、図３（ｃ）及び図４（ｃ）は振動子の他
の主面（裏面）に設けた検出手段を、それぞれ示してい
る。

【００１６】図３に示す例において、図１に示す例と異
なるのは、振動子１の形状が正八角形である点のみであ
り、その励振及び検出のくら形振動等の原理は全く同じ
である。図４に示す例において、図１に示す例と異なる
のは、振動子１の形状が円形である点のみであり、その
例振及び検出のくら形振動等の原理は全く同じである。
なお、図４に示す振動子１が円形の例において、励振用
のくら形振動を図４（ａ）に示すようにＢ₀₂モードと、
検出用のくら形振動を図４（ｂ）に示すようにＢ₀₂’モ
ードと一般的に呼んでいる。

【００１７】図３に示すように振動子１が正八角形の場
合、及び図４に示すように振動子１が円形の場合は、電
極４及び６の形状が同じであるため、励振用のくら形振
動の駆動モードと検出用のくら形振動の検出モードと
は、図１の例と異なり、同形モードとなる。そのため、
図３及び図４に示す例では、強いて計算して振動子１の
形状を変更して、検出モードと駆動モードとを一致させ
る必要はない。また、これらの例では、駆動モードの固
有の共振周波数と検出モードの固有の共振周波数とはほ
ぼ同じになると考えられ、検出感度は最良の状態とな
る。

【００１８】図５は本発明の振動型ジャイロスコープの
振動子のさらに他の例の構成を示す図である。図５にお
いて、図１と同じ部材には同じ番号を付し、その説明を
省略する。図５に示す例において、上述した実施例と異
なる点は、振動子１の両主面の周縁において、振動子１
の中心に対して対称となる位置に、すなわちこの例では
互いに４５°ずつずれた位置に、質量２１−１〜２１−
８及び２２−１〜２２−８を設けた点である。

【００１９】質量２１−１〜２１−８及び２２−１〜２
２−８を設けることで、回転角速度Ωによるコリオリ力
が質量２１−１〜２１−８及び２２−１〜２２−８に作
用し、その分だけ質量が無い場合に比べて大幅に検出感
度を上げることができる。この場合は、確かに低背化の
度合いは上述した実施例と比べて小さくなるが、従来の
縦置き型に比べれば十分な低背化が実現でき、検出感度
も維持できる。質量２１−１〜２１−８及び２２−１〜
２２−８は、くし歯、ブロック等のどのような形状の突
出部であってもかまわない。なお、本例においては、各
質量の形状は通常同様の形状として検出感度を最良とす
るが、応答性能を高めるため駆動モードの固有の共振周
波数ｆ₁ と検出モードの固有の共振周波数ｆ₂ とを所定
の周波数差とするため、質量の形状を各別に変えること
もできる。また、図５に示す例では、振動子１の両主面
の周縁に質量を設けたが、いずれか一方の主面の周縁の
みに質量を設けることもできる。この場合は、上述した
ように両主面の周縁に質量を設けた場合と比べると低い
が、検出感度をある程度は良好にできる。

【００２０】図６は本発明の振動型ジャイロスコープの
振動子のさらに他の例の構成を示す図である。図６に示
す例でも、図５に示す例と同様に、振動子１の両主面の
周縁において、振動子の中心に対して対称となる位置
に、すなわちこの例では互いに９０°ずつ離れた位置
に、質量２１−１〜２１−４及び２２−１〜２２−４を
設けている。振動子１の形状が正四角形の場合は、電極
４及び６の各領域の形状が異なるため、通常、駆動モー
ドの固有の共振周波数ｆ₁ と検出モードの固有の共振周
波数ｆ₂ とは異なっている。ところが、図６に示すよう
に質量２１−１〜２１−４及び２２−１〜２２−４を付
加することで、ｆ₁ とｆ₂ とをほぼ一致させることがで
き、その場合は検出感度をさらに高めることができる。
また、質量を設けることにより、あるいは質量を設けさ
らに各質量の形状等を変えることにより、ｆ₁ とｆ₂ と
を所定の周波数差にして、検出感度は若干悪化するが応
答特性を向上させる等、応答特性と検出感度を制御する
こともできる。

【００２１】

【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、励振手段により平板状の振動体にくら形振動を
与え、その状態で、振動体の中心において振動体に直交
する回転軸のまわりの回転角速度を与えた場合に発生す
るコリオリ力に起因する振動体の変位を検出手段により
検出し、検出信号から回転角速度を求めるよう構成して
いるため、振動型ジャイロスコープを回転軸に対して横
置きすることを可能とし、低背化を達成することができ
る。また、くら形振動は基本的には屈曲振動なので、共
振周波数が低く、検出感度を上げることができる。ま
た、従来品と同じ検出感度のものを、より小型化でき
る。さらに、構成上振動子の中央部で支持することが可
能なため、振動子の安定な支持が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動型ジャイロスコープの振動子の一
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励振及び検出時のく
ら形振動を説明するための図である。

【図３】本発明の振動型ジャイロスコープの振動子の他
の例の構成を示す図である。

【図４】本発明の振動型ジャイロスコープの振動子のさ
らに他の例の構成を示す図である。

【図５】本発明の振動型ジャイロスコープの振動子のさ
らに他の例の構成を示す図である。

【図６】本発明の振動型ジャイロスコープの振動子のさ
らに他の例の構成を示す図である。

【図７】従来の振動型ジャイロスコープの振動子の一例
の構成を示す図である。

【符号の説明】

１振動子、２振動体、３、５圧電セラミック体、
４、４−１〜４−４、６、６−１〜６−４電極、７
支持体、１１、１２、１３、１４中間部、２１−１〜
２１−８、２２−１〜２２−８質量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の振動体と、この振動体の一主面に
設けた、交互に駆動モードが異なる複数の領域が、前記
振動体の中心に対して対称となるよう構成され、前記振
動体にくら形振動を与える励振手段と、前記振動体の他
の主面であって、前記励振手段の駆動モードが異なる隣
接する２つの領域に対応する位置に設けた少なくとも１
つの検出手段とからなる振動子を備え、検出手段の検出
信号に応じて回転角速度を求めることを特徴とする振動
型ジャイロスコープ。
【請求項２】前記振動体が恒弾性金属からなり、前記励
振手段および検出手段が、圧電セラミックと電極とから
構成される請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。
【請求項３】前記励振手段の交互に異なる駆動モードを
有する領域に印加される励振電圧の位相が１８０°ずれ
ている請求項１または２記載の振動型ジャイロスコー
プ。
【請求項４】前記振動子の少なくとも一主面の周縁上で
あって、振動子の中心に対して対称となる位置に質量を
付加した請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動型ジ
ャイロスコープ。
【請求項５】前記振動子の中央部で振動子を支持する請
求項１〜４のいずれか１項に記載の振動型ジャイロスコ
ープ。