JPH116734A - 振動ジャイロ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動子を大きくすることなく回転角周波数の
検出精度を上げる。 【解決手段】 板状振動子２を貫通孔ｈ_a〜ｈ_dを穿設し
た構造とし、その表裏に駆動電極６ａ〜６ｄ及び検出電
極をそれぞれ対向して形成する。振動子２は貫通孔が穿
設されたことで、共振周波数が低下すると共に弾性的な
屈曲変位が起こり易くなる。駆動電極６ａ，６ｂに−１
Ｖ、６ｃ，６ｄに＋１Ｖの電気信号を入力して駆動し
（信号は交流で、±は位相を表す）、軸８を中心に回転
を加える。その結果コリオリ力が発生し、振動モードが
２つに分離し、検出電極７ａ〜７ｂの出力信号に位相が
生じ、これにより回転角周波数を求めることが可能とな
る。この振動ジャイロは、振動子に貫通穴を穿設し、面
内曲げ振動モードを利用しているので、駆動・検出周波
数が低くなり、高感度な回転角周波数の検出が可能とな
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、コリオリ力を利用
して回転角速度の検出を行う振動ジャイロ及びその駆動
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０に従来型の振動ジャイロの一例を
示す。この形式の振動ジャイロは、四角形の断面形状を
有する恒弾性金属音片型振動子１１よりなり、ｚ−ｙ平
面内の断面に対してｚ方向に長い細棒で構成される。振
動子１１は、ｙ軸方向の面で対になった支持ピン１２
ａ，１２ｂよりなる支持体と、支持ピン１２ｃ，１２ｄ
よりなる支持体とにより長手方向の２箇所により固定さ
れる。また振動子１１には、ｘ軸方向の面に駆動用圧電
磁器１３が、ｙ軸方向の面には検出用圧電磁器１４が接
着されている。

【０００３】次に、この形式の振動ジャイロの動作原理
について説明する。図示されていない電気信号発生器か
らの電気信号で駆動用電磁器１３を励振すると、振動子
１１はｘ軸面に沿った曲げ振動で励振される。このよう
に励振された振動子１１のｚ軸からなる中心軸に回転角
速度Ωを加えると、ｘ軸面に沿った曲げ振動に対して直
角方向、即ちｙ軸面に回転角速度Ωに比例した曲げ振動
が生じる。この作用は、一般に良く知られるコリオリ力
によるものである。この回転角速度の結果生じたｙ軸方
向の振動成分を、検出用磁器１４で出力することによ
り、ｚ軸周りの回転角速度を検出する（参考文献、今
野，“圧電振動ジャイロスコープ”，日本音響学会誌４
５（５），ｐｐ４０２−４０８（１９８９））。

【０００４】上記振動ジャイロは、３次元的な曲げ振動
を用いているため、構造が３次元的なものになり、薄型
化に限界があった。この問題を解決したものとして面内
振動モードで駆動する振動ジャイロが提案されている。
（特開平７−１１３６４４号）。

【０００５】上記提案による振動ジャイロは、図１１に
示すように、厚み方向に励振される板状圧電素子１５が
板状振動子１６の一方の板面の中央に固定され、板状圧
電素子１５の両面に電極１９ａ，１９ｂが設けられてい
る。この電極１９ａ，１９ｂを電極信号発生器１７に接
続し板状振動子１６の面内振動モードとなる固有共振周
波数の電気信号を印加すると面内方向に振動する。

【０００６】板状圧電素子１５の面に垂直な軸１８の周
りに回転運動を加えるとコリオリ力が発生し、板状振動
子１６の固有共振周波数が変化するので、このときの入
力電圧，入力電流あるいはその位相差を計測することに
より回転角速度Ωの検出ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に振動
ジャイロの検出感度をあげるために、駆動／検出周波数
を低くすることが有効である。しかし板状の面内振動を
利用した振動ジャイロでは、周波数は振動子の外形寸法
（辺の長さ）で決定されるため、高感度化（固有周波数
を下げる）のためには振動子が大きくなる欠点がある。

【０００８】この発明は、従来のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的とするところは、薄
型化が可能で、しかも振動子を大きくすることなく、回
転角周波数の検出精度を上げることができる、振動ジャ
イロ及びその駆動方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の振動ジャイロ
は、圧電体よりなる板状振動子に貫通穴を形成して振動
周波数を低くし、その表裏にそれぞれ対向して駆動電極
と検出電極を設けて構成する。

【００１０】板状振動子の保持は、振動子外周部におけ
る振動の節部を弾性的ばね機構により保持する。また
は、振動子外周部の一部に一体に固定保持部を形成し、
固定保持部の外端を保持する。

【００１１】板状振動子の励振は、面内振動モードとな
る固有周波数の電気信号を駆動電極に印加して行う。

【００１２】面内に構成された各検出電極からの出力
は、差動構成として取り出す。または、２つの信号の和
又は差をとることにより温度変化に対して安定な回転数
の検出を行う。

【００１３】

【発明の実施の形態】

実施の形態１ 図１に実施の形態１にかかる振動ジャイロを示す。板状
振動子２は１辺の長さが５０ｍｍ，板厚２ｍｍで、厚み
方向に分極された等方性セラミック圧電体（ＰＺＴ）で
できている。板状振動子２は４ケ所に貫通穴ｈ_a〜ｈ_dが
穿設され田字状に形成されており、内側の十字状部２₁
と外周部２₂とが交差する４ケ所の表，裏に駆動用電極
６ａ〜６ｄがそれぞれ形成され、外周部２₂の各コーナ
の表，裏に検出電極７ａ〜７ｂがそれぞれ対向するよう
に形成されている。

【００１４】板状振動子２は上記のように貫通孔ｈ_a〜
ｈ_dが穿設されているので、共振周波数が低下すると共
に、弾性的な屈曲変位が起こり易くなる（固有振動数約
４．７ｋＨｚ）。

【００１５】この振動ジャイロの動作原理を図２に示す
振動モードを例に取り説明する。この振動モードは、縮
退モードである。このモードは、板状振動子２の中央部
を固定した状態で励振される。振動ジャイロを目的とす
る振動モードで効率良く駆動するためには、駆動用電極
の配置及び電圧極性が重要となる。

【００１６】板状振動子２は図２の振動モードで励振し
やすいように、電極６ａ〜６ｄの形状が図１のようにＴ
字状としてある。駆動用信号の周波数は振動モードの固
有振動周波数ｆ_oで、駆動電極６ａ，６ｂに−１Ｖ、駆
動電極６ｃ，６ｄに＋１Ｖの電気信号を入力する（信号
は交流信号であり、±は位相を表す）。

【００１７】振動ジャイロに回転を加えない時は、図２
（ａ）で示された振動モードで板状振動子２は駆動され
る。いま振動ジャイロを駆動状態で、板状振動子２に対
して垂直な軸８を中心に回転運動を加える。その結果コ
リオリ力が発生して、図２（ｂ）のように振動モードが
２つに分離し、モードは複素量（位相が生じたことを示
す）となる。これを検出電極７ａ〜７ｂで取り出すこと
により回転角周波数を求めることが可能となる。

【００１８】図３に振動ジャイロ回転時の、検出電極７
ａ，７ｃでの出力電圧特性を示す。この結果は、有限要
素法により求めたもので、回転数に比例した電圧が生
じ、回転角周波数の検出が可能なことが分かる。

【００１９】この振動ジャイロは、板状振動子２の４ケ
所に貫通穴を穿設して面内曲げ振動モードを利用してい
るため、従来の板状振動子よりも駆動・検出周波数が低
くなり、高感度な回転角周波数の検出が可能である。

【００２０】なお、回転角周波数の検出法としては、上
記のように出力電圧を測定する以外に、分離した各２つ
のモードの周波数差より求めることも可能である。ま
た、回転により出力電圧の位相が変化するため、入力電
力に対する出力電圧の位相差を検出することにより回転
角周波数が求められる。

【００２１】実施の形態２ 図４に実施の形態２にかかる振動ジャイロを示す。上記
図１の振動ジャイロは、図２のように板状振動子外周部
において変位が小ない節を４ケ所に持つ。実施の形態２
は図４に示すように、図１と同様にＰＺＴで作られた板
状振動子２の振動の節部に弾性的ばね機構５を持つ枠形
の保持機構４を一体成形で構成し、板状振動子２を保持
している。

【００２２】上記のように板状振動子２の節部分をばね
機構５を有する枠形の保持機構４で保持したため、板状
振動子２に影響を与えることなく容易に外周部２₂での
固定が可能となる。

【００２３】なお、保持機構４は枠形構造となっている
が、ばね機構５の外側を固定点として固定すればよく、
枠形構造である必要はない。

【００２４】実施の形態３ 図５に実施の形態３にかかる振動ジャイロを示す。この
板状振動子３はＰＺＴを使用し、正方形の枠状部３₁と
その各辺の中央部分からそれぞれ外方へ突出した４本の
アーム部３₂でできている。

【００２５】Ｔ字状電極６ａ〜６ｄはそれぞれ枠状部３
₁とアーム部３₂との交差する部分の表，裏に形成され、
検出電極７ａ〜７ｄは枠状部３₁の各コーナの表裏に形
成されている。そして４本のアーム部３₂の各外端部は
枠形構造の保持機構４の内側に固定され保持されてい
る。

【００２６】この振動ジャイロの基本的な動作原理は上
記図１の振動ジャイロと同様である。

【００２７】図６に無回転時の振動のモード図を、図７
に有限要素法による、振動ジャイロ回転時での出力電極
部の出力圧特性の計算結果を示す。この結果から感度を
低下させることなく、板状振動子３の保持が可能である
ことが分かる。

【００２８】なお、保持機構４を枠形構造としている
が、図５のように変位の小さいアーム部３₂の外端を固
定するものであれば枠形構造である必要はない。

【００２９】実施の形態４ 上記実施の形態１の振動ジャイロ（図１）では、板状振
動子２に等方性セラミック圧電体を使用して振動ジャイ
ロを構成したが、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。そこでより温度変化に対して安定
な材料が求められる。温度安定性の高い材質としては、
水晶など単結晶材料が有効であるが、異方性材料である
ため面内等方性が得られず縮退モードを励振することが
できない。

【００３０】水晶などの三方晶系点群３２に属する結晶
は、オイラー角表示（φ、φ、ψ）でφ＝４５°の場合
θ＝０〜３６０°の広範囲で、Ｘ方向とＹ方向の弾性コ
ンプライアンス定数Ｓ₁₁ ^E，Ｓ₂₂ ^Eが等しくなり面内等方
性が得られる。具体的な弾性コンプライアンス定数Ｓ₁₁
^E，Ｓ₂₂ ^Eの計算値を図８に示す。全ての角度範囲でＳ₁₁
^E＝Ｓ₂₂ ^EとなりＸＹ方向面内で等方性が実現されている
ことが分かる。

【００３１】実施の形態４では、板状振動子にカット角
（４５°，１３８．９°，０°）の水晶基板を使用し
て、１辺の長さが１０ｍｍ、板厚０．３ｍｍの寸法で、
実施の形態１の振動ジャイロ（図１）と同様に構成し
た。回転時の出力時の出力電極部７ａ，７ｃでの出力電
圧特性を図９に示す。回転数に比例した電圧が生じ、回
転角周波数の検出が可能なことが分かる。また小型な素
子にもかかわらず高感度な出力が得られている。

【００３２】上記のように単結晶を利用した振動ジャイ
ロは、基板の優れた温度特性や高いＱ値ために高感度な
検出ができる。

【００３３】実施の形態５ 上記実施の形態２の振動ジャイロ（図４）は振動子２に
等方向性セラミック圧電体を用いているが、これを実施
の形態４と同様に面内等方性が得られるカット角の異方
性圧電材料で構成した。この場合、エッチング加工等に
より外周部の保持構造も含めた一体成形が可能である。

【００３４】実施の形態６ 上記実施の形態３の振動ジャイロ（図５）は振動子３に
等方性セラミック圧電体を用いているが、これを実施の
形態４と同様に面内等方性が得られるカット角の異方性
圧電材料で構成した。

【００３５】実施の形態７ 上記実施の形態１の振動ジャイロ（図１）は、板状振動
子と両面に伸縮励振が可能な電極と同形状の圧電振動子
とを張合わせ、面内振動を励振することにより素子の構
成が可能である。この場合、実施の形態１の板状振動子
の駆動・検出電極部に圧電振動子を張付け駆動・検出を
行うことによる振動ジャイロも構成可能である。

【００３６】実施の形態８ 上記実施の形態２の振動ジャイロ（図４）は、板状振動
子と両面に伸縮励振が可能な圧電振動子とを組み合わ
せ、面内振動を励振することにより素子の構成が可能で
ある。この場合保持機構は、板状振動子を機械加工また
はフォトエッチング等で加工することにより一体構造の
保持機構が構成可能である。

【００３７】実施の形態９ 上記実施の形態３の振動ジャイロ（図５）は、板状振動
子と両面に伸縮励振が可能な圧電振動子とを組合わせ、
面内振動を励振することにより素子の構成が可能であ
る。

【００３８】実施の形態１０ 上記実施の形態１〜９では、縮退モードを利用した例を
示したが、縮退以外の振動モードでも回転角周波数の検
出が可能である。実施例１〜９の振動ジャイロを固有振
動周波数で駆動した場合、回転を生じさせるとコリオリ
の力の作用により、共振周波数が変化する。この結果駆
動電極部でのインピーダンスが回転周波数に応じて変化
する。従ってこの時の入力電圧値・入力電流値あるい
は、入力電圧と入力電流の位相差を計測することにより
回転角周波数の検出が可能となる。

【００３９】実施の形態１１ 上記実施の形態１〜９の各構成の振動ジャイロは、出力
電極の電気信号を差動構成とし取り出すことにより検出
感度を上げることができる。実施の形態１の振動ジャイ
ロを例に取り原理を説明する。図３に示されるように出
力電極７ａ，７ｃは逆電圧で出力される。よって、この
各電極間の差動出力を取り出すことにより倍の出力感度
が得られる。

【００４０】実施の形態１２ 上記実施の形態１〜９の各構成の振動ジャイロは、振動
子材料の温度特性により、検出周波数・検出電圧が変化
する。ただし２つの出力チャンネルでの信号は、共に材
料の温度特性の影響を受ける。

【００４１】よって単一振動材料で振動子を形成した場
合、各出力チャンネル部での温度影響は同一となり、２
つの出力チャンネルの信号の和または差を検出すること
により、温度による変化成分をキャンセルした検出が可
能となる。

【００４２】なお、回転角周波数の検出法としては、上
記のように出力電圧を測定する以外に、分離した各２つ
のモードの周波数差より求めることも可能である。また
回転により出力電圧の位相が変化するため、入力電力に
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
波数が求められる。

【００４３】

【発明の効果】この発明は、上述のとおり構成されてい
るので、以下に記載する効果を奏する。

【００４４】（１）板状振動子の面内屈曲振動を利用す
るため薄型化が可能である。

【００４５】（２）板状振動子の一部分を切り抜いた構
造として面内曲げ振動モードを利用しているため、従来
の板状振動子よりも駆動・検出周波数が低くなり、高感
度な回転角周波数の検出が可能である。そのため同一感
度であれば小型化が可能となる。

【００４６】（３）板状振動子の一部分を切り抜いた構
造として弾性的変位を大きくとれる構造としたため、従
来の板状振動子より駆動・検出効率が高くなり、高感度
な回転角周波数の検出が可能である。

【００４７】（４）縮退モードで駆動・検出を行うこと
により検出感度が向上する。そのため同一感度であれば
小型が可能となる。

【００４８】（５）請求項２，３，５，６，８，９のも
のは、保持部を一体構造に構成可能であり、しかも保持
により特性が影響されない。

【００４９】（６）請求項７，８，９のものは、温度特
性・圧電特性に優れた異方性単結晶基板の利用が可能と
なる。

【００５０】（７）請求項１１のものは、差動出力をと
るので、高感度化ができる。

【００５１】（８）請求項１２のものは、２つの出力信
号の和または差分を検出するので、温度特性に影響され
ない回転角周波数の検出が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかる振動ジャイロの構造を示
す斜視図。

【図２】同、ジャイロの振動モード図。

【図３】同、ジャイロの出力電圧特性を示すグラフ。

【図４】実施の形態２にかかる振動ジャイロの構造を示
す斜視図。

【図５】実施の形態３にかかる振動ジャイロの構造を示
す斜視図。

【図６】同、ジャイロの振動モード図。

【図７】同、ジャイロの出力電圧特性を示すグラフ。

【図８】水晶基板における弾性定数のカット角の依存性
を示すグラフ。

【図９】実施の形態４にかかる出力電圧特性を示すグラ
フ。

【図１０】従来例にかかる振動ジャイロを示す斜視図。

【図１１】他の従来例にかかる振動ジャイロを示す斜視
図。

【符号の説明】

２，３…板状振動子 ４…保持機構 ５…ばね機構 ６…駆動電極 ７…検出電極 １１…音片型振動子 １２…支持ピン １３…駆動用圧電磁器 １４…検出用圧電磁器 １６…板状振動子 １７…信号発生器 １９…電極。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体よりなる板状振動子に貫通穴を形
   成し、表裏にそれぞれ対向して駆動電極と検出電極を設
   けた振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 請求項１において、 板状振動子の外周部における振動の節部を弾性的ばね機
   構により保持した振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 請求項１において、 板状振動子の外周部の一部に固定保持部を有する振動ジ
   ャイロ。
4. 【請求項４】 請求項１又は２又は３において、 圧電体に面内等方性となる異方性圧電結晶を使用した振
   動ジャイロ。
5. 【請求項５】 請求項４において、 異方性圧電結晶を、三方晶系圧電結晶材料で点群３２に
   属し、オイラー角表示（φ、θ、ψ）でφ＝４５°，θ
   ＝０〜３６０°，ψ＝４０〜５０°とした振動ジャイ
   ロ。
6. 【請求項６】 請求項１又は２又は３において、 板状振動子に伸縮励振が可能な圧電振動子とを張合わせ
   た振動ジャイロ。
7. 【請求項７】 板状振動子を、面内振動モードとなる固
   有周波数の電気信号で励振し検出する請求項１ないし６
   のいずれか１つに記載する振動ジャイロの駆動方法。
8. 【請求項８】 請求項１ないし６のいずれか１つにおい
   て、 検出電極の電気信号を差動構成として取り出す回路を備
   えた振動ジャイロ。
9. 【請求項９】 請求項１ないし６のいずれか１つにおい
   て、表裏の検出電極からの２つの出力信号の和または差
   をとることにより温度変化に対して安定な回転数の検出
   を行う回路を備えた振動ジャイロ。