JPH07113645A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動ジャイロの構成を簡略化するとともに小
型化を図る。 【構成】 ジュラルミン等の軽合金製の振動ジャイロ１
０は、基部１２から対となる２本の振動片１４，１６を
突出して備える。この振動片１４の両側面には、振動片
１４をＸ軸に沿って励振するためのピエゾ素子２０のみ
が振動片１４の根元に備え付けられている。そして、Ｘ
軸に沿った振動片１４の振動を振動片１６に伝播して、
振動片１６をＸ軸に沿った振動状態におく。一方、振動
片１６の上下面には、振動片１６がＹ軸に沿って振動し
たときの振動状態を検出するピエゾ素子２４のみが振動
片１６の根元に備え付けられている。Ｚ軸回りの回転角
速度ωに基づくコリオリの力を受けて振動片１６がＹ軸
に沿って振動すると、このＹ軸に沿った振動の振動状態
を、ピエゾ素子２４の圧電効果により電気信号（交流電
圧）として得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対となる振動片を備え
た振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】所定方向に沿って振動している振動片、
例えば直交座標軸平面（Ｘ−Ｙ平面）におけるＸ軸に沿
って振動している振動片がこのＸ−Ｙ平面と直交するＺ
軸の回りに回転すると、その回転角速度により振動片に
Ｙ軸方向にコリオリの力が生じる。このコリオリの力は
角速度に依存して定まることから、コリオリの力を振動
片の撓み変位量等として間接的に、或いは圧電素子の圧
電効果により直接的に測定して、振動片の角速度を求め
ることができる。このため、振動する振動片を車両等に
搭載して、車両旋回時に発生するヨーレイトを検出した
り車両の走行軌跡を記録することが行なわれている。例
えば、特公表４−５０４６１７には対となる振動片を音
叉型に備えた振動ジャイロが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公表
４−５０４６１７で提案された振動ジャイロにあって
は、次のような問題点が指摘されている。各振動片に励
振用の駆動電極とヨーレイト検出用の電極とを形成する
必要があり、各電極はその目的が異なることに起因して
電極パターンが異なる。このため、一つの振動片に複数
のパターンの電極を必要とし、構成が複雑であった。ま
た、構成が複雑なために、電極形成作業や工程の複雑化
を招いていた。更には、各電極に到るそれぞれの配線を
も他の電極と干渉しないよう形成する必要があり、配線
の形成に要する作業や工程も当然に複雑であった。

【０００４】しかも、振動片を複数の電極が形成可能な
大きさのものとする必要があり、小型化が阻害されてい
た。また、複数の電極の形成が可能な大きさの振動片で
あっても、配線を他の電極と干渉しないよう形成する必
要があるので、配線を細線化せざるを得なかった。よっ
て、このように配線が細線化するので励振用電極に印加
できる電圧が制限されていた。一方、振動片が振動して
いる際には振動片の根元では発生する歪み量が大きいこ
とから、振動片を効率よく振動させたり振動片の振動を
感度よく検出するためには、励振用電極或いは振動検知
用電極（ヨーレイト検出用の電極）を振動片の根元に設
けることが好ましい。しかし、振動片に複数の電極を形
成する都合上、励振用電極或いは振動検知用電極のいず
れかを振動片の先端部に設けざるを得ない。例えば励振
用電極を先端部に形成した場合には、上記したように励
振用電極に印加できる電圧が制限されるため、振動片を
大きな振幅で振動させることができなかった。このた
め、コリオリの力に基づくヨーレイトの検出感度が低下
する虞が指摘されている。なお、上記した問題点は、振
動片をピエゾ素子（ＰＺＴ）等の圧電素子にて励振させ
たりヨーレイトを検出する振動ジャイロにあっても生じ
る。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するためにな
され、振動ジャイロの構成を簡略化するとともに小型化
を図ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた本発明の振動ジャイロの採用した手段は、
対となる振動片と、一方の振動片が直交座標軸における
一方の軸に沿って振動している場合に該一方の軸に沿っ
た振動を他方の振動片に伝播し該他方の振動片を前記一
方の軸に沿って振動させる基部とを有する振動ジャイロ
であって、前記一方の振動片に設けられ、該振動片を前
記一方の軸に沿って振動させる励振手段と、前記他方の
振動片に設けられ、該他方の振動片が前記一方の軸と直
交する他方の軸に沿って振動したときの振動状態を検出
する検出手段とを備えることをその要旨とする。

【０００７】

【作用】上記構成を有する本発明の振動ジャイロでは、
一方の振動片に励振手段を設けて、この励振手段により
一方の振動片を直交座標軸における一方の軸（以下、こ
の一方の軸を説明の便宜上Ｘ軸とする）に沿って振動さ
せる。そして、この振動を基部を介して他方の振動片に
伝播させ、当該他方の振動片をＸ軸に沿った振動状態に
おく。一方、この他方の振動片には、当該他方の振動片
がＸ軸と直交する他方の軸（以下、この他方の軸を説明
の便宜上Ｙ軸とする）に沿って振動したときの振動状態
を検出する検出手段が設けられている。このため、対と
なる振動片が共にＸ軸に沿って振動状態にある振動ジャ
イロがＸ−Ｙ平面に直交する軸（Ｚ軸）の回りに回転す
ると、その回転角速度に基づくコリオリの力を受けて他
方の振動片がＹ軸に沿って振動することになる。そし
て、このＹ軸に沿った振動の振動状態は、上記した検出
手段により検出される。つまり、各振動片には励振手段
或いは検出手段のいずれか一つしか必要がなく、これら
各手段を共通する基部近傍、即ち振動片の根元に独立し
て設けることが可能となる。

【０００８】この場合、一方の振動片がＸ軸に沿って振
動したときにその振動を他方の振動片に基部を介して伝
播できればよく、振動片についての材質的な制約はな
い。例えば、金属は勿論、水晶，半導体等の結晶体、ガ
ラスやセラミック等の振動の伝播が可能な材料を用いる
ことができる。

【０００９】また、励振手段は、一方の振動片をＸ軸に
沿って振動させることができればよく、振動片の材質等
を考慮して適宜選択すればよい。例えば、振動片が金
属、水晶，半導体等の結晶体、ガラスやセラミック等を
用いて形成されていれば、ピエゾ素子（ＰＺＴ）等の圧
電素子を励振手段として採用し、当該素子の逆圧電効果
により振動片を振動させればよい。また、振動片が水
晶，半導体等の結晶体やセラミック等の圧電効果を有す
る材料を用いて形成されていれば、電極を励振手段とし
て採用し、振動片自体の逆圧電効果により振動片を振動
させればよい。更に、振動片に作用する誘導磁力や容量
電荷を変化させて振動片を振動させ、励振手段を構成す
ることもできる。検出手段についても同様であり、ピエ
ゾ素子（ＰＺＴ）等の圧電素子や電極を介して圧電効果
により振動片の振動状態を検出するよう、また誘導磁力
や容量電荷の変化により振動片の振動状態を検出するよ
う検出手段を構成すればよい。

【００１０】

【実施例】次に、本発明に係る振動ジャイロの好適な実
施例について、図面に基づき説明する。図１は、実施例
の振動ジャイロ１０の斜視図である。図示するように、
振動ジャイロ１０は、基部１２から対となる２本の振動
片１４，１６を突出して備える。この振動ジャイロ１０
は、振動を伝播する金属、例えばジュラルミン等の軽合
金の板材から図示する形状に適宜な機械加工を経て形成
されている。この場合、振動ジャイロ１０の（縦×横×
厚み）の寸法は、６０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍであり、
各振動片１４，１６の（長さ×幅×厚み）の寸法は、４
０ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍである。

【００１１】このように振動ジャイロ１０は振動の伝播
が可能な金属製であることから、上記した２つの振動片
の一方が、例えば振動片１４が図中に示す直交座標軸に
おけるＸ軸に沿って振動すれば、当該振動は他方の振動
片１６に伝播する。よって、振動片１４が継続してＸ軸
に沿って振動していれば、振動片１６もＸ軸に沿って継
続して振動することになる。なお、振動ジャイロ１０の
形成に際しては、各振動片１４，１６のＸ軸方向の共振
周波数が一致するよう、設計・感度トリミングされてい
る。

【００１２】また、図１およびその２−２線拡大断面図
である図２に示すように、各振動片には圧電素子である
ピエゾ素子が貼着・固定されている。つまり、振動片１
４の両側面（Ｘ軸が直交するＹ−Ｚ平面と平行な面）に
は、それぞれ一対のピエゾ素子２０が、振動片１６の上
下面（Ｙ軸が直交するＸ−Ｚ平面と平行な面）には一対
のピエゾ素子２４が対向して貼着・固定されている。そ
して、対向する各ピエゾ素子２０，２４には、図示しな
い導電ラインが各振動片の振動を阻害しないように配線
されている。

【００１３】次に、この振動ジャイロ１０の回路構成に
ついて図３のブロック図を用いて説明する。この図３に
示すように、振動ジャイロ１０の振動片１４における一
対のピエゾ素子２０は励振回路３０に、振動片１６にお
ける一対のピエゾ素子２４は検出側回路３７にそれぞれ
接続されている。

【００１４】検出側回路３７は、振動片１６のピエゾ素
子２４の圧電効果により生じる電気信号（交流電圧）の
位相の調整を行なう検出バランス調整回路３８と、検出
バランス調整回路３８により調整された電気信号の出力
レベルを増幅する増幅回路４０と、交流電圧である電気
信号の負の部分を反転して正電圧とし、整流作用をはた
す同期検波回路４２と、正電圧化された電気信号を整流
電圧の電気信号とする積分回路４４と、整流電圧の電気
信号の出力レベルを増幅する増幅出力回路４６とから構
成される。

【００１５】励振回路３０からは、振動片１４のピエゾ
素子２０にこの振動片１４のＸ軸方向の共振周波数と一
致する周波数の交流電圧が印加されるため、この一対の
ピエゾ素子２０のそれぞれは、逆圧電効果により電圧に
応じてそれぞれ伸縮する。この交流電圧の印加に当たっ
ては、一対のピエゾ素子２０のそれぞれに位相が１８０
度異なる交流電圧が印加されるので、一対のピエゾ素子
２０の各素子の伸縮は、一方が伸びるときに他方が縮
み、一方が縮むときに他方が伸びることとなる。この結
果、振動片１４は、図中Ｘ軸方向に沿ってその共振周波
数で振動する。そして、この振動片１４のＸ軸に沿った
振動は他の振動片１６に伝播し、この振動片１６はＸ軸
に沿って振動する。

【００１６】振動片１４の振動が振動片１６に伝播して
この振動片１６がＸ軸に沿って継続して振動している状
態にあるときに、振動ジャイロ１０にＸ−Ｙ平面に直交
するＺ軸の回りに回転角速度ωが作用すると、振動片１
６は式Ｆ＝２ｍＶ・ωで表わされるコリオリの力Ｆを受
けてＹ軸に沿って振動する。ここで、ｍは振動片１６の
振動部分の質量、Ｖは振動部分の速度である。この振動
部分の速度Ｖは、式Ｖ＝Ａω・cos ωｔで表わされ、回
転角速度ωが一定のときには振動片１６のＸ軸方向の振
動の振幅Ａに比例する。従って、コリオリの力Ｆは振動
片１６のＸ軸方向の振動の振幅Ａを大きくすることによ
り大きくすることができる。

【００１７】このように振動片１６がコリオリの力Ｆを
受けてＹ軸に沿って振動すると、振動片１６は、振動片
１４から伝播したＸ軸方向の振動とＹ軸方向の振動とに
より、全体として楕円運動を起こす。振動片１６におけ
る一対のピエゾ素子２４は、この楕円運動のＹ軸方向成
分の振動に伴って伸縮し、各素子の圧電効果により各素
子の伸縮に応じた交流電圧の電気信号を生じる。この電
気信号は、各素子の伸縮を反映したものであるので、伸
縮が大きくなれば大きな出力レベルの電気信号となる。
従って、検出感度を高くするために電気信号の出力レベ
ルを大きくするには、振動片１６のピエゾ素子２４を大
きく伸縮させることが望ましい。

【００１８】振動片１６のピエゾ素子２４から得られた
電気信号は、検出バランス調整回路３８に入力され、こ
の検出バランス調整回路３８では、各素子から生じる電
気信号の位相が揃えられる。増幅回路４０では、電気信
号の出力レベルが増幅される。同期検波回路４２では、
励振回路３０の参照信号と同期して交流電圧である電気
信号を検波して正電圧となる。積分回路４４では、正電
圧化された電気信号は整流電圧の電気信号となる。整流
電圧の電気信号は、増幅出力回路４６により増幅されて
出力される。つまり、コリオリの力Ｆによる振動片１６
のＹ軸に沿った振動の振動状態を反映した電気信号が、
検出側回路３７の検出バランス調整回路３８等を経て、
Ｚ軸回りの回転角速度ωの方向と大きさを表わすリニア
な電気信号として図示しない電子制御装置に出力され
る。このため、振動ジャイロ１０を車両に搭載すれば、
車両の旋回方向とその単位時間当たりの大きさを検出す
ることができる。

【００１９】以上説明したように、本実施例の振動ジャ
イロ１０では、各振動片に単一の目的（励振用或いは検
出用）のピエゾ素子を設けるだけでよい。より詳しく
は、振動片１４にはこの振動片をＸ軸に沿って振動させ
るためのピエゾ素子２０のみを、振動片１６にはこの振
動片がＹ軸に沿って振動している際の振動状態を検出す
るためのピエゾ素子２４のみを設けるだけでよい。この
ため、本実施例の振動ジャイロ１０によれば、一つの振
動片に目的の異なる複数のピエゾ素子を設ける必要がな
いので、振動ジャイロの構成を簡略化することができる
とともに小型化を図ることができる。

【００２０】また、本実施例の振動ジャイロ１０では、
各振動片が振動した際の歪が著しい振動片の根元に該当
するピエゾ素子を独立して設けることができる。このた
め、本実施例の振動ジャイロ１０によれば、ピエゾ素子
２０により振動片１４を効率よく振動させることができ
るとともに、コリオリの力、延いては回転角速度ωの方
向およびその大きさ（ヨーレイト）をピエゾ素子２４に
より感度よく検出できる。

【００２１】次に、本発明にかかる他の実施例の振動ジ
ャイロについて説明する。この第２の実施例の振動ジャ
イロ５０は、図４に示すように、基部５２から対となる
２本の振動片５４，５６を突出して備え、単結晶体であ
る水晶の板材（水晶板）のＺカット面をエッチングして
形成されている。この場合、振動片５４，振動片５６等
を形成するに当たり、板厚ｔの水晶板をＷの幅でエッチ
ングすると、図５に示すように、その結晶配列に起因し
て振動片５４，振動片５６のエッチング面が傾斜する。
本実施例の場合には、この傾斜によって増加する幅Ｗ0
を考慮し水晶板上面の幅Ｗと水晶板の板厚ｔとの比の値
Ｗ／ｔが０．５〜１．３の範囲になるように、予め水晶
板上面の幅Ｗが設定され、振動片５４，振動片５６が形
成されている。

【００２２】そして、この振動ジャイロ５０は、水晶自
体が圧電効果を発揮する材料であるので、振動片５６に
はこの振動片をＸ軸に沿って励振するための電極を備え
る。また、振動ジャイロ５０は、振動片５４にはこの振
動片がＹ軸に沿って振動した場合にその振動状態を検出
するための電極を備える。

【００２３】具体的に説明すると、図４およびその６−
６線拡大断面図である図６に示すように、振動片５４の
上下面（Ｙ軸が直交するＸ−Ｚ平面と平行な面）のそれ
ぞれに、プラス電極６０，マイナス電極６２を並べて備
える。一方、振動片５６にあっては、その上下面のそれ
ぞれにプラス電極６８を、その両側面（Ｘ軸が直交する
Ｙ−Ｚ平面と平行な面）のそれぞれにマイナス電極７０
を備える。この両側面のマイナス電極７０は、図４に示
すように、振動片５６先端において導通されている。ま
た、基部５２には、上記した各電極に到る配線７２，７
３，７６，７７を備える。この場合、振動片５６のマイ
ナス電極７０に到る配線７７は、両側面の両マイナス電
極７０が振動片５６先端において導通されているので、
基部５２の上面にのみ形成されており、その他の配線
は、基部５２の上下面に形成されている。なお、これら
電極および配線は、振動ジャイロ５０の表面への導電性
の薄膜形成，フォトレジスト処理等の周知の半導体製造
技術により形成される。

【００２４】そして、上記の振動ジャイロ５０のプラス
電極６８，マイナス電極７０に配線７６，７７を介して
励振回路（発振回路）を接続すれば、既述した振動ジャ
イロ１０と同様に、振動片５６をＸ軸に沿って振動さ
せ、感度よくコリオリの力、即ちヨーレイトを検出する
ことができる。しかも、この振動ジャイロ５０では、各
電極に到る通電用の配線を他の電極との干渉を振動片に
おいて考慮することなく形成できる。このため、振動ジ
ャイロ５０によれば、配線を太く形成して高い電圧の印
加を図ることができ、振動片をより大きな振幅で振動さ
せて検出感度を向上させることができる。また、振動ジ
ャイロ５０では、エッチングにより振動片５４，振動片
５６を形成するに当たり、Ｘ軸方向の厚み（幅Ｗ）とＹ
軸方向の厚み（板厚ｔ）との比の値Ｗ／ｔが０．５〜
１．３の範囲に形成した。よって、振動ジャイロ５０に
よれば、各振動片５４，振動片５６のＸ軸方向の共振周
波数とＹ軸方向の共振周波数をほぼ等しくでき、ヨーレ
イトの検出感度を向上することができる。

【００２５】上記した振動ジャイロ１０および振動ジャ
イロ５０では、共通する基部から対となる２本の振動片
が突出した構成とした。しかし、このような形状に限る
わけではなく、次のような形状の振動ジャイロとするこ
ともできる。即ち、図７に示すように、基部８２の両側
からそれぞれ２本の振動片を突出して備えたいわゆるＨ
字型の振動ジャイロ８０とすることもできる。このよう
に、Ｈ字型の振動ジャイロ８０とすることで、２本の振
動片を励振用振動片とし、他の２本の振動片を角速度検
出用振動片とすることが可能となる。そして、２本の励
振用振動片の一方を、角速度検出に必要なＸ軸方向の振
動を発生させるための振動片とし、他方を協調振動用振
動片あるいはフィードバック用振動片として用いること
ができる。

【００２６】この協調振動用振動片は、Ｘ軸方向に振動
を発生する機能を持ち、他方の励振用振動片の振動と協
調して振動する。協調振動用振動片の駆動用交流電圧の
位相を他方の励振用振動片の駆動用交流電圧の位相と異
なるものとすることにより、２つの励振用振動片のＸ軸
方向の振動を同相、あるいは逆相にすることができる。
この協調振動用振動片により、振動ジャイロにおける振
動モードを制御することができる。これにより各振動片
のＸ軸方向の振動が安定化され、検出信号におけるオフ
セット出力が低減される。

【００２７】また、２本の励振用振動片の一方をフィー
ドバック用振動片とすることにより、励振用振動片によ
るＸ軸方向の励振振動を検出することができ、励振振幅
を一定に保つことが容易となる。この結果、センサ特性
を長時間にわたり、また広い温度範囲にわたり安定化す
ることができる。

【００２８】一方、２本の振動片を角速度検出用振動片
とすることにより、この各振動片から得られる２つの出
力を加算して出力を平均化したり、２つの出力の減算に
よる差動出力化が達成される。これらにより、加速度、
外部からの振動、温度変化等による誤差要因を打ち消
し、安定でノイズの少ない出力を得ることができる。

【００２９】そして、各々の振動片にはそれぞれ専用の
振動駆動素子、検出素子が設けられている。即ち、励振
用振動片の根元のＸ軸面には、振動ジャイロ１０におけ
る振動片１４と同様に、励振用ピエゾ素子が接着され
る。また、協調振動用振動片やフィードバック用振動片
にあっては、該当する振動片の根元のＸ軸面に、励振用
ピエゾ素子或いは励振振動による振動振幅を検出するフ
ィードバック用ピエゾ素子が接着される。一方、各角速
度検出用振動片には、振動ジャイロ１０における振動片
１６と同様に、振動片の根元のＹ軸面に角速度に比例し
た振動を検出する振動検出用ピエゾ素子がおのおの接着
される。

【００３０】この振動ジャイロ８０にあっては、対とな
る振動片の選択の仕方によって、次のような変形例を構
成することができる。

【００３１】第１の変形例としては、対となる振動片を
基部８２を挟んで対向する振動片８４，８６と振動片９
０，９２との二組とし、振動片８４，８６をＸ軸に沿っ
て励振する一方の振動片とし、振動片９０，９２をＸ軸
に沿った振動が伝播してＸ軸に沿って振動する他方の振
動片とする。更に、振動片８４，８６には、この振動片
をＸ軸に沿って励振するために、振動片１４におけるピ
エゾ素子２０や振動片５６におけるプラス電極６８，マ
イナス電極７０等のＸ軸励振手段を設ける。一方、振動
片９０，９２には、この振動片がＹ軸に沿って振動した
際の振動状態を検出するために、振動片１６におけるピ
エゾ素子２４や振動片５４におけるプラス電極６０，マ
イナス電極６２等のＹ軸振動検出手段を設ける。この場
合、振動片８４は励振用振動片、振動片８６は協調振動
用振動片、振動片９０は検出用振動片、振動片９２は検
出用振動片として作用する。

【００３２】そして、図８に示すように、振動片８４の
Ｘ軸励振手段を励振回路３０に、振動片８６のＸ軸励振
手段を励振回路３０と同様の励振回路３１に、振動片９
０と振動片９２のＹ軸振動検出手段を検出側回路３７の
検出バランス調整回路３８に接続する。この両励振回路
３０，３１は、互いに接続されており、データの送受信
を行なうマスタ・スレーブの関係にある。この場合、励
振回路３０がマスタであり、励振回路３１は、励振回路
３０と同じ周波数の交流電圧を、振幅，位相を調整して
出力する。これにより、振動ジャイロ８０の励振モード
が決定される。なお、図８における各構成機器は、既述
した振動ジャイロ１０におけるものと同一の機能を果た
すので、その説明は省略する。

【００３３】この際、振動片８４，８６を図９の振動の
モードの模式図に示すように振動の位相が１８０度ずれ
るようＸ軸に沿って励振させる。このような振動のモー
ドとすることで、振動片９０，９２の両振動片が振動片
８４，８６の振動が伝播してＸ軸に沿って振動する際の
向きを逆にすることができる。このため、第１の変形例
の振動ジャイロ８０では、この振動ジャイロ８０がＺ軸
回りに回転して振動片９０，９２が回転角速度を受けた
ときにこの両振動片に作用するコリオリの力の方向を逆
にすることができる。この結果、第１の変形例の振動ジ
ャイロ８０によれば、振動片に車両旋回に基づかない横
加速度等の外乱が加わって振動片が撓んでも、この撓み
による出力を相殺することができるので、ヨーレイトの
検出感度を向上させることができる。

【００３４】第２の変形例としては、対となる振動片を
基部８２から同方向に突出した振動片８４，８６と振動
片９０，９２との二組とし、振動片８４，９０にはＸ軸
励振手段を設けてこの両振動片をＸ軸に沿って励振する
よう構成する。更に、振動片８６，９２には、Ｙ軸振動
検出手段を設けてこの振動片がＹ軸に沿って振動した際
の振動状態を検出するよう構成する。この場合、振動片
８４は励振用振動片、振動片９０は協調振動用振動片、
振動片８６は検出用振動片、振動片９２は検出用振動片
として作用する。

【００３５】そして、第１の変形例と同様に、励振回路
３０，３１により振動片８４，９０を励振させ、その際
の振動のモードを図１０の模式図のようにする。具体的
には、励振回路３１が出力する励振用交流電圧の位相を
励振回路３０が出力する励振用交流電圧の位相と１８０
度ずれた位相にして、両振動片のピエゾ素子に交流電圧
を印加する。これにより振動片８４のピエゾ素子が縮む
とき、振動片９０のピエゾ素子が延び、次にこの逆が起
きる。そして、この伸縮が繰り返されて、振動片８４，
９０は図１０に示すモードで振動する。

【００３６】このような振動のモードとすることで、振
動片８６，９２の両振動片が振動片８４，９０の振動が
伝播してＸ軸に沿って振動する際の向きを逆にすること
ができる。このため、この第２の変形例の振動ジャイロ
８０によれば、第１の変形例と同様に、外乱による出力
を相殺して、ヨーレイトの検出感度を向上させることが
できる。

【００３７】ところで、検出用ピエゾ素子の出力インピ
ーダンスは一般に高く、そのため電界による誘導ノイズ
を拾いやすいという問題がある。しかし、上記した変形
例の構成によれば、励振用振動片を片側に設置したので
励振用交流電圧をピエゾ素子に印加するための配線を片
方に集めることができる。このため、振動検出用振動片
８６，９２のピエゾ素子に接続された検出用の配線と励
振用の配線とを空間的に隔離することができる。この結
果、励振用交流電圧の印加に起因して発生する交流電界
による誘導ノイズが検出用の配線に重畳することを抑制
して、検出感度を向上させることができる。更に、振動
片８４と９０に印加する交流電圧が逆相であるので外部
に放出される電界を打ち消すことができる。このため、
励振用交流電圧の印加に起因して発生する交流電界自体
を押さえることができ、誘導ノイズによる検出感度の低
下を回避できる。

【００３８】第３の変形例としては、対となる振動片を
振動片８４，９０と振動片８６，９２との二組とし、振
動片８６，９０にはＸ軸励振手段を設けてこの両振動片
をＸ軸に沿って励振するよう構成する。更に、振動片８
４，９２にはＹ軸振動検出手段を設けてこの振動片がＹ
軸に沿って振動した際の振動状態を検出するよう構成す
る。この場合、振動片８６は励振用振動片、振動片９０
は協調振動用振動片、振動片８４は検出用振動片、振動
片９２は検出用振動片として作用する。

【００３９】そして、第１の変形例と同様に、励振回路
３０，３１により振動片８６，９０を励振させ、その際
の振動のモードを図９の模式図のようにする。具体的に
は、励振回路３１が出力する励振用交流電圧の位相を励
振回路３０が出力する励振用交流電圧の位相と同位相に
して、両振動片のピエゾ素子に交流電圧を印加する。こ
れにより振動片８６のピエゾ素子が縮むとき、振動片９
０のピエゾ素子が縮み、次に振動片８６のピエゾ素子が
延びるとき、振動片９０のピエゾ素子が延びる。そし
て、この伸縮が繰り返されて、振動片８６，９０は図９
に示すモードで振動する。

【００４０】このような振動のモードとすることで、振
動片８４，９２の両振動片が振動片８６，９０の振動が
伝播してＸ軸に沿って振動する際の向きを逆にすること
ができる。このため、この第３の変形例の振動ジャイロ
８０によれば、第１，第２の変形例と同様に、外乱によ
る出力を相殺して、ヨーレイトの検出感度を向上させる
ことができる。

【００４１】そして、この変形例の構成によれば、励振
用振動片（振動片８６と振動片９０）が対角線上に配置
されているので、励振バランスがよく検出用振動片８
４，９２を非常に高い効率でバランス良く励振できる。
このため、感度が高く、外乱に強い出力を得ることがで
きる。

【００４２】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこの様な実施例になんら限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態
様で実施し得ることは勿論である。例えば、第１ないし
第３の変形例における振動ジャイロ８０では、対となる
振動片を２組備え且つＸ軸沿って励振する振動片を各組
ごとに一つずつ設けたが、Ｘ軸に沿って励振する振動片
を一方の組にのみ設けるよう構成することもできる。

【００４３】具体的に説明すると、図７において振動片
８４と振動片９０とを対とし振動片８６と振動片９２と
を対とすると共に、振動片８４をＸ軸に沿って励振する
ようにする。更に、他の振動片については、振動片８６
にあっては当該振動片がＸ軸に沿って振動した場合の振
動状態を検出するよう、振動片９０，９２にあっては当
該各振動片がＹ軸に沿って振動した場合の振動状態を検
出するよう構成する。この場合、振動片８４は励振用振
動片、振動片８６はフィードバック用振動片、振動片９
０は検出用振動片、振動片９２は検出用振動片として作
用する。

【００４４】つまり、振動片８４には上記したＸ軸励振
手段を設け、振動片８６にあってはＸ軸振動検出手段を
設ける。そして、振動片９０，９２には上記したＹ軸振
動検出手段を設ける。このように各振動片を構成して振
動片８４のみをＸ軸に沿って励振しても、ただ一つの振
動片８４を既述したようにその根元において効率よく励
振することができるので、対となる振動片の他方の振動
片９０や他の組における対となる振動片８６，９２のそ
れぞれを、Ｘ軸に沿った振動状態におくことができる。
しかも、図７に示すように、この場合の振動ジャイロ８
０を基部８２の中央でＹ軸に沿って基部８２上下面で図
示しない支柱により固定することで、振動ジャイロ８０
の各振動片を図９に示す振動のモードで振動させること
ができる。このため、このようにただ一つの振動片８４
を励振させる振動ジャイロ８０によっても、第１ないし
第３の変形例における振動ジャイロ８０と同様に、ヨー
レイトの検出感度を向上させることができる。

【００４５】更に、上記したように対となる振動片の２
組のうち一方の組における振動片８４のみをＸ軸に沿っ
て励振することとした振動ジャイロ８０を、次のように
変形することもできる。即ち、図１１に示すように、振
動片８４のＸ軸励振手段を励振側回路２９の励振回路３
０に接続し、振動片８６のＸ軸振動検出手段を検出バラ
ンス調整回路３２に接続する。一方、振動片９０，９２
のＹ軸振動検出手段を検出側回路３７の検出バランス調
整回路３８に接続する。

【００４６】ここで、励振側回路２９について説明す
る。励振側回路２９は、既述した励振回路３０に加え、
振動片８６のＸ軸振動検出手段、例えばピエゾ素子が圧
電効果により生じる電気信号の位相を揃える検出バラン
ス調整回路３２と、入力した電気信号のレベルに拘らず
一定の出力レベルとするオートマティックゲインコント
ローラ（ＡＧＣ）３４と、振動片８４の共振周波数を中
心とした所定幅の周波数の電気信号を選別するバンドパ
スフィルタ３６とから構成される。そして、この励振側
回路２９は、励振回路３０により、振動片８６のＸ軸振
動検出手段にこの振動片８４のＸ軸方向の共振周波数と
一致する周波数の交流電圧を印加する。このため、振動
片８４は、図中Ｘ軸方向に沿ってその共振周波数で振動
して、この振動片８４のＸ軸に沿った振動が他の振動片
８６，９０，９２に伝播され、これら振動片はＸ軸に沿
って振動する。

【００４７】そして、振動片８６のＸ軸に沿った振動状
態が、検出バランス調整回路３２，バンドパスフィルタ
３６を経て、共振周波数を中心とした所定幅の電気信号
に変換して選別され、励振回路３０により選別された電
気信号が振動片８４におけるＸ軸励振手段に常時印加さ
れる。従って、振動片８４におけるＸ軸励振手段、例え
ばピエゾ素子には、振動辺８４の共振周波数で、かつ一
定レベルの交流電圧が常時印加される。このため、振動
子８４は、Ｘ軸方向の共振周波数で定常的に一定の振幅
で振動を継続し、他の振動片８６，９０，９２もＸ軸に
沿って継続して振動する。この結果、この振動ジャイロ
８０によれば、振動片８４のＸ軸に沿った定常的な振動
をヨーレイト検出用の両振動片９０，９２に伝播するこ
とができるので、ヨーレイトの検出感度をより一層向上
させることができる。

【００４８】なお、検出側回路３７は、振動ジャイロ１
０の場合と同様に、検出バランス調整回路３８，増幅回
路４０等を備え、コリオリの力Ｆによる振動片９０，９
２のＹ軸に沿った振動の振動状態を反映した電気信号を
図示しない電子制御装置に出力する。

【００４９】また、対となる振動片を２組備えた振動ジ
ャイロ８０を、図１２に示すように、二つの振動片を有
する二つの音叉をその基部にて結合させたものとするこ
ともできる。この振動ジャイロ８０は、上記した第１な
いし第３の変形例と同様に、振動片８４，８６，９０，
９２を有し、振動片８４と振動片８６とを基部８２Ａか
ら突出し、振動片９０と振動片９２とを基部８２Ｂから
突出して備える。そして、この振動ジャイロ８０は、両
基部８２Ａ，８２Ｂを幅の狭い結合部８３で結合させて
構成され、この結合部８３で各振動片、換言すれば両音
叉を支持する。また、この図１２に示す振動ジャイロ８
０にあっては、水晶板から上記した各振動片，基部およ
び結合部がエッチングにより一体に形成され、各振動片
にＸ軸励振用又はＹ軸振動検出用の電極が形成されてい
る。

【００５０】この場合、水晶板としては、〈０００１〉
方向から〈−１０１０〉方向に０から５度の範囲で傾い
た面で水晶単結晶より切り出した水晶基板を用いた。今
回は、特に２度傾いた面で水晶単結晶より切り出した水
晶基板を用いた。振動片の長手方向を〈−１０１０〉方
向とした。これにより図１２に示した振動ジャイロ８０
における振動片のＸ軸方向の励振、Ｙ軸方向の振動検出
を可能とし、室温付近での振動数の安定性を得ている。

【００５１】この振動ジャイロ８０にあっては、振動片
８４と振動片９０とを対とし振動片８６と振動片９２と
を対とすると共に、振動片８４と振動片８６をＸ軸に沿
って励振するようにし、振動片９０と振動片９２を当該
各振動片がＹ軸に沿って振動した場合の振動状態を検出
するよう構成する。この場合、振動片８４は励振用振動
片、振動片８６は協調振動用振動片、振動片９０は検出
用振動片、振動片９２は検出用振動片として作用する。

【００５２】つまり、図１２の１３−１３線，１４−１
４線拡大断面図である図１３，図１４に示すように、振
動片９０，９２には振動片５４におけるプラス電極６
０，マイナス電極６２が、振動片８４，８６には振動片
５６におけるプラス電極６８，マイナス電極７０が既述
した周知の半導体製造技術によりそれぞれ設けられてい
る。また、基部８２Ａ，８２Ｂおよび結合部８３には、
振動片９０のマイナス電極６２に到る配線７２Ａと、振
動片９２のマイナス電極６２に到る配線７２Ｂと、振動
片９０，９２のプラス電極６０に到る共通の配線７３
と、振動片８４，８６のプラス電極６８に到る共通の配
線７６と、振動片８４，８６のマイナス電極７０に到る
共通の配線７７とが形成されている。

【００５３】この場合、振動片８４の両側面のマイナス
電極７０は振動片先端において導通されており、更に振
動片８６の上下面のマイナス電極７０とも基部８２Ａ上
面において導通されている。また、振動片８６の両側面
のプラス電極６８は振動片先端において導通されてお
り、更に振動片８４の上下面のプラス電極６８とも基部
８２Ａ上面において導通されている。よって、振動片８
４，８６のマイナス電極７０に到る配線７７およびこの
両振動片のプラス電極６８に到る配線７６は、基部８２
Ａおよび結合部８３の上面にのみ形成されており、配線
７７は結合部８３の左方突出部８３Ａに到るよう、配線
７６は結合部８３の右方突出部８３Ｂに到るよう、それ
ぞれその上面に形成されている。一方、振動片９０，９
２におけるプラス電極６０，マイナス電極６２に到る配
線７３，７２Ａ，７２Ｂは、基部８２Ｂおよび結合部８
３の上下面に形成されており、配線７３と配線７２Ａは
左方突出部８３Ａに到るよう、配線７２Ｂは右方突出部
８３Ｂに到るよう、それぞれその上下面に形成されてい
る。

【００５４】このように二つの音叉を有する振動ジャイ
ロ８０では、振動片８４，８６をＸ軸に沿って励振する
ことで、振動片９０，９２のそれぞれをＸ軸に沿った振
動状態におくことができる。このため、図１２に示す振
動ジャイロ８０によっても、第１ないし第３の変形例に
おける振動ジャイロ８０と同様に、ヨーレイトの検出感
度を向上させることができる。しかも、この振動ジャイ
ロ８０では、二つの音叉を幅の狭い結合部８３で結合さ
せて支持するので、結合部８３が図示しない固定枠に固
定された場合でも両音叉の振動片の振動のこの固定枠へ
の伝播を抑制することができる。

【００５５】また、振動片８４，８６，９０，９２の長
さ，幅，厚みおよび断面形状を同一とすることにより、
振動片８４，振動片８６側のＸ軸方向共振周波数および
Ｙ軸方向共振周波数と振動片９０，振動片９２側のＸ軸
方向共振周波数およびＹ軸方向共振周波数とをそれぞれ
一致させた。よって、この振動ジャイロ８０によれば、
ヨーレイトの検出感度をより向上させることができる。
なお、図１２に示す形状の振動ジャイロ８０の振動片を
ピエゾ素子で励振させたりすることもできることは勿論
である。

【００５６】振動片８４，８６の励振駆動用電極と、振
動片９０，９２からの振動検出用電極における図８と同
様な信号処理回路との接続において、振動片８４，８６
のマイナス電極７０とその配線７７を励振回路において
アース電位とし、振動片９０，９２のマイナス電極６２
とその配線７２Ａ，７２Ｂを励振回路においてアース電
位とした。これにより、励振用のプラス電極６８と検出
用のプラス電極６０が近接して配置されず、かつ互いの
プラス電極用の配線７６と配線７３が近接して、あるい
は平行し設置されることがない。また、励振用のプラス
電極側の配線７６には、アース電位とされたマイナス側
の配線７７を近接して、或いは平行にして設けることが
でき、検出用のプラス電極側の配線７３には、アース電
位とされたマイナス側の配線７２Ａ，７２Ｂを近接し
て、或いは平行にして設けることができる。

【００５７】このため、励振側のプラス電極およびその
配線に印加された振動駆動用の交流電圧に起因して発生
する交流電界による誘導ノイズが検出側のプラス電極お
よびその配線に重畳することを抑制できる。よって、検
出側のプラス電極およびその配線における電気信号のノ
イズ成分を極めて低く押さえて、検出感度を向上させる
ことができる。同じ効果は、配線７７を励振用プラス電
極、配線７６を励振用アース電位、配線７３を検出用ア
ース電位、配線７２Ａを検出用プラス電極、配線７２Ｂ
を検出用プラス電極となるように図示しない信号処理回
路に接続しても得られる。

【００５８】また、図１２に示す振動ジャイロ８０によ
れば、励振用振動片を２つ持ち逆相に駆動（励振）する
ため、両励振用振動片を安定したＸ軸方向の振動を励起
できる。しかも、このＸ軸方向の振動を、くびれた形状
に形成した基部８２Ａ，８２Ｂを介して効率よく他方の
検出用振動片に伝達することができる。よって、角速度
によるＹ軸方向変位を検出用振動片に設置された電極を
介して感度よく検出することができる。加えて、励振側
と検出側とを分離・独立としたので、励振効率と検出効
率の向上を通して、高出力の角速度検出が可能となり検
出信号の安定性を高めることができる。

【００５９】更に、図１２に示す振動ジャイロ８０で
は、励振用振動片８４と協調振動用振動片８６および２
つの検出用振動片９０，９２の断面形状、長さをそれぞ
れ等しくした。これにより、励振側のＸ軸方向の振動が
検出側に効率よく伝達されるとともに、角速度によるＹ
軸方向の振動を検出用振動片が効率よく検出することが
できた。

【００６０】また、図１２に示す振動ジャイロ８０で
は、基部８２Ａ，８２Ｂをくびれた形状としその中間部
から対称に両サイドに突出して結合部８３を設け、この
振動ジャイロ８０を結合部８３を介して図示しないセン
サケースに固定している。これにより、Ｘ軸方向の対称
性、Ｙ軸方向の対称性が保たれているので、振動ジャイ
ロ８０では、励振によるＸ軸方向の振動および角速度に
よるＹ軸方向の振動が外部に漏れることがない。この結
果、励振振幅が大きく、角速度による振動振幅も大きく
することができる。また、外部に振動が漏れないため、
簡易なパッケージによりセンサを構成でき、温度の変化
に対しても、長時間の動作に対しても安定した出力を得
ることができる。

【００６１】結合部８３は、４つの振動片の連結部の中
央に位置し、左右に延び図示しないセンサケースに固定
されている。この結合部８３は、４つの振動片の連結部
の中央に位置するため振動の節の位置に当たり各振動片
の振動を妨げたり、外部に振動を伝えることが少ない。
また、Ｘ軸方向振動に対し固定方向が平行であるので、
上記の振動ジャイロ８０は、Ｘ軸方向の励振による大き
な振動に対して高い強度を持つという利点を有する。

【００６２】また、結合部８３は４つの振動片の連結部
の中央に位置し、左右に延び図示しないセンサケースに
固定されている。このため、振動片の電極に到る配線を
この結合部８３の上下面および両側面に設置することが
できる。振動ジャイロ８０では、結合部８３の上面にお
いて、左方突出部８３Ａ側に３本、右方突出部８３Ｂ側
に２本の配線を設置すればよい。そして、励振用配線と
検出用配線とを、結合部８３の左方突出部８３Ａ側と右
方突出部８３Ｂ側に各々分ける、或いは結合部８３の上
下面で分けることが可能であるので、励振用配線に印加
される励振用交流電圧と検出用配線を介して検出される
検出信号との相互干渉を効果的に防ぐことができる。

【００６３】更には、この振動ジャイロ８０を次のよう
に変形することもできる。つまり、振動ジャイロ８０で
は、Ｘ軸方向の振動を励振させ、角速度によるＹ軸方向
の振動を検出したが、この逆の方向、即ちＹ軸方向の振
動を励振し、角速度によるＸ軸方向の振動を検出しても
よい。この場合には、検出用電極に励振用交流電圧を印
加し、励振用電極に角速度により発生した電圧を検出す
るよう構成すればよい。

【００６４】また、各振動片の先端に電極とは別に図示
しない質量部を設けることもできる。そして、この質量
部の質量を蒸着法，レーザーアブレーション法，接着
法，研削法等により増減すれば、各振動片の共振振動数
を調整することができる。各片の先端部に質量部がある
ので、各振動片の調整が容易であり、励振側の振動片対
の振動バランス、検出側振動片対の振動バランスを合わ
せることができる。振動バランスを合わせることによ
り、Ｘ軸方向の振動振幅が大きくなり検出感度を向上さ
せることができるとともに、外部に振動が漏れなくなり
センサの安定性をも向上させることができる。しかも、
外部からの外乱振動にも影響されにくい。また励振側の
Ｘ軸方向の共振振動数と検出側のＹ軸方向の共振振動数
を予め定められの関係に合わせることもできる。例え
ば、両者の共振振動数を一致させれば、極めて高い感度
が得られる。

【００６５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の振動ジャイ
ロでは、対となる振動片のうちの一方の振動片を振動さ
せてその振動を基部を介して他方の振動片に伝播し、各
振動片を直交座標軸における一方の軸（例えばＸ軸）に
沿った振動状態におく。そして、直交座標軸平面に直交
する軸（Ｚ軸）の回りに振動ジャイロが回転したときに
コリオリの力により振動片に生じるＹ軸に沿った振動の
振動状態を、他方の振動片から検出する。この結果、本
発明の振動ジャイロによれば、各振動片には励振手段或
いは検出手段のいずれか一つを設ければよいので、振動
ジャイロの構成を簡略化することができるとともに小型
化を図ることができる。

【００６６】また、本発明の振動ジャイロでは、励振手
段或いは検出手段を結晶の撓み変位が大きい振動片根元
に独立して設けることができる。よって、本発明の振動
ジャイロによれば、効率よく振動片を励振させることが
できるとともにコリオリの力を感度よく検出できる。し
かも、本発明の振動ジャイロでは、励振手段等への通電
用の配線の干渉を振動片において考慮する必要がない。
このため、本発明の振動ジャイロによれば、配線を太く
して高い電圧の印加を図ることができ、振動片を高い周
波数で振動させて検出感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の振動ジャイロ１０の概略斜視図。

【図２】図１における２−２線拡大断面図。

【図３】振動ジャイロ１０を含む電気的な構成を示すブ
ロック図。

【図４】他の実施例の振動ジャイロ５０の概略斜視図。

【図５】振動ジャイロ５０の振動片５４，振動片５６の
厚みと幅との関係を説明するための説明図。

【図６】図４における６−６線拡大断面図。

【図７】他の実施例の振動ジャイロ８０の概略斜視図。

【図８】この振動ジャイロ８０を含む電気的な構成を示
すブロック図。

【図９】振動ジャイロ８０における振動のモードを模式
的に表わす模式図。

【図１０】振動ジャイロ８０における他の振動のモード
を模式的に表わす模式図。

【図１１】変形例における振動ジャイロ８０を含む電気
的な構成を示すブロック図。

【図１２】振動ジャイロ８０の他の変形例における概略
斜視図。

【図１３】図１２における１３−１３線拡大断面図。

【図１４】図１２における１４−１４線拡大断面図。

【符号の説明】

１０…振動ジャイロ １２…基部 １４，１６…振動片 ２０，２４…ピエゾ素子 ３０，３１…励振回路 ３２…検出バランス調整回路 ３４…オートマティックゲインコントローラ（ＡＧＣ） ３６…フィルタ ３８…検出バランス調整回路 ４０…増幅回路 ４２…同期検波回路 ４４…積分回路 ４６…増幅出力回路 ５０…振動ジャイロ ５２…基部 ５４，５６…振動片 ６０…プラス電極 ６２…マイナス電極 ６８…プラス電極 ７０…マイナス電極 ７２，７３，７６，７７…配線 ７２Ａ，７２Ｂ…配線 ８０…振動ジャイロ ８２…基部 ８２Ａ，８２Ｂ…基部 ８３…結合部 ８４，８６，９０，９２…振動片 ω…回転角速度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 健司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 尾崎 巌 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 杉谷 伸芳 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 辻 公壽 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 森川 健志 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大▲桑▼ 政幸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 塚田 厚志 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対となる振動片と、一方の振動片が直交
   座標軸における一方の軸に沿って振動している場合に該
   一方の軸に沿った振動を他方の振動片に伝播し該他方の
   振動片を前記一方の軸に沿って振動させる基部とを有す
   る振動ジャイロであって、 前記一方の振動片に設けられ、該振動片を前記一方の軸
   に沿って振動させる励振手段と、 前記他方の振動片に設けられ、該他方の振動片が前記一
   方の軸と直交する他方の軸に沿って振動したときの振動
   状態を検出する検出手段とを備えることを特徴とする振
   動ジャイロ。