JPH10206162A - 振動ジャイロセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は，小型，高精度で低コストの振動ジ
ャイロセンサーを提供するものである。 【解決手段】 水晶より形成される振動ジャイロセンサ
ーで，振動体は，棒型で左振動部４，中央振動部５，右
振動部６が，振動体の基部７，８で結合された構造であ
る。駆動および角速度電圧を検出する電極は，３つの振
動部にそれぞれ形成され，それらは４面電極９，１０，
９’，１０’，１３，１４，１３’，１４’，１７，１
８，１７’，１８’と表裏電極１１，１２，１１’，１
２’，１５，１６，１５’，１６’，１９，２０，１
９’，２０’である。これらの電極により第１および第
２の振動を引き起こし角速度を知る構成である。この構
成によって，小型の振動ジャイロセンサーが，低コスト
で生産でき，角速度を安定に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角速度を検出する振
動ジャイロセンサーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から機械式の回転ジャイロスコープ
が，飛行機や船舶の慣性航法装置として使われている。
この機械式回転ジャイロスコープは，安定した性能を持
っているが，その反面，装置が大きく価格も高く，小型
機器に組み込むことは困難である。

【０００３】しかし近年，ジャイロスコープも小型化の
研究が進み，圧電磁器で振動体を励振させ，振動体が回
転により受けるコリオリの力で起きる振動により発生す
る電圧を，振動体に設けた別の圧電磁器により電圧とし
て検出する振動ジャイロの実用化が進み，自動車のナビ
ゲーションシステムやビデオカメラの手振れ防止装置等
に使われ始めている。

【０００４】以下に圧電磁器を使用した従来の振動ジャ
イロセンサーを図面を用いて説明する。図６は従来の棒
状の振動ジャイロセンサーを示す斜視図であり，図７は
従来の音叉型振動ジャイロセンサーを示す斜視図であ
る。まず図６により振動ジャイロセンサーの原理を含め
てその構成と作用について説明する。

【０００５】図６（Ａ）において，２８は金属で形成さ
れた振動体，２９は振動体を励振させるための圧電磁器
製の駆動電極，３０は振動体に角速度を与えたときに起
こる振動により発生する電圧を検出する圧電磁器製の検
出電極である。３１，３２は振動体を発振回路で駆動さ
せたときの屈曲振動（第１の振動と記す）の節であり，
３３，３４は角速度を与えたときに起こる屈曲振動（第
２の振動と記す）の節である。

【０００６】振動体２８は，駆動電極２９により，同図
（Ｂ）に示したような第１の振動を行っているとする。
３５，３６は屈曲振動の変位を示している。この振動体
２８をｚ軸の回りに角速度ωで回転させると，第１の振
動と直角な方向にコリオリの力Ｆが振動体に働く。コリ
オリの力Ｆは，以下の式である。 Ｆ＝２・Ｍ・Ｖ・ω ここで，Ｍは振動体の質量，Ｖは振動の速度である。

【０００７】上記コリオリの力により，第２の振動が励
振される。振動の変位は，図６（Ｃ）の３７，３８のよ
うになる。この第２の振動により発生した角速度ωに比
例する電圧を，検出電極３０で検出することにより，角
速度を知ることができる。

【０００８】つぎに，図７により従来の音叉形状の振動
ジャイロセンサーについて説明する。振動体３９は，音
叉の腕４０，４１の上部に，第２の腕４２，４３を結合
した構造である。４４は圧電磁器製の駆動電極，４５は
コリオリの力により起こる第２の振動で発生する角速度
電圧を検出する圧電磁器製の検出電極である。

【０００９】作用について説明する。駆動電極４４によ
り，腕４０，４１は矢印のように，左右に変位する振動
を発生する。これを角速度ωで回転させることにより，
腕４２，４３が，腕４０，４１と直角方向に，矢印で示
したように変位する第２の振動を励起する。この第２の
振動で発生する角速度電圧を，検出電極４５で検出し
て，角速度を知ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，従来の
振動ジャイロセンサーは，以下のような欠点があった。
即ち，図６や図７に示す振動体は，いずれも金属である
ため，温度により，第１と第２の振動の共振周波数が変
動しやすい。このため，角速度電圧が変動し，正確な角
速度を求めることが困難である。

【００１１】駆動電極および検出電極として，圧電磁器
板を振動体に張り付ける。このため、製造上コストがか
かる。また，圧電磁器板のばらつきや張り付け位置のば
らつきで，角速度電圧が不安定となり，角速度の再現性
に問題がある。

【００１２】音叉型の場合，複雑な構造のため，これを
精度よく大量に生産することは困難である。しかも振動
体が大きいため，小型の電子機器に搭載することができ
ない。

【００１３】振動体を，タンタル酸リチウム等圧電結晶
体を用いた，音叉型振動ジャイロセンサーの報告例があ
る。しかし音叉型は，基部を支持するため，衝撃や振動
を受けたとき，腕の先端部の振動変位が不安定となり，
角速度の検出精度に悪影響を与える。

【００１４】本発明の目的は，上記課題を解決しようと
するもので，小型低コストで，角速度を安定に計測でき
る振動ジャイロセンサーを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の要旨は，振動体は各々の振動部が，棒形であ
る３つの振動部を有し，それらが互いに平行で，棒の両
端において，振動体の基部で結合された構造であること
を特徴とするものである。

【００１６】振動体は水晶より形成され，その長手方
向，幅方向，厚さ方向は，それぞれ水晶結晶軸のＹ軸，
Ｚ軸，Ｘ軸であることを特徴とするものである。

【００１７】振動部の第１および第２の振動は，屈曲振
動で，振動方向は，左右の２つの振動部が同方向，中央
の１つの振動部が左右の振動部と反対方向であることを
特徴とするものである。

【００１８】振動体を駆動する電極および角速度を検出
する電極は，３つの振動部の各々にそれぞれ形成される
ことを特徴とするものである。

【００１９】１つの振動部に形成される電極は，２つの
Ｙ−Ｚ面と２つのＹ−Ｘ面（以下４面電極と記す），お
よび２つのＹ−Ｚ面にＹ方向に２分割（以下表裏電極と
記す）され形成されることを特徴とするものである。

【００２０】即ち，本発明における振動ジャイロセンサ
ーは，水晶より形成され，３つの互いに平行な棒形の振
動部が，振動体の基部で結合された構造である。それぞ
れの振動部には，４面電極および表裏電極が設けられ，
第１と第２の振動または第２と第１の振動が行われる構
造となっている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下図面により本発明の実施の形
態における振動ジャイロセンサーを説明する。図１から
図５は，本発明の実施の形態を示す振動ジャイロセンサ
ーであり，図１は水晶原石から振動体を切り出す切断方
位を示す斜視図であり，図２は振動体に駆動電極および
検出電極を設けた振動ジャイロセンサーを示す斜視図で
あり，図３は振動ジャイロセンサーの原理説明図であ
り，図４および図５は電極構造の断面図である。

【００２２】図１に示すように，振動体１は，水晶原石
の結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に対して長さ，幅，厚さがそれぞ
れＹ，Ｚ，Ｘ軸となるように板状に切り出される。その
後フォトリソグラフィー技術を用いて，矩形状の穴２，
３が加工され，両端がつながった互いに平行な３つの振
動部，即ち左の振動部４，中央の振動部５，右の振動部
６が，振動体の基部７，８で結合され形成される。

【００２３】図２は振動体１に電極を設けた振動ジャイ
ロセンサー２１を示す斜視図である。電極は左, 中央,
右の３つの振動部４，５，６の各々に２種類形成され
る。左の振動部４の電極は，４面に９，１０と９’（図
示せず），１０’（図示せず）および表裏面にそれぞれ
２分割された１１，１２と１１’（図示せず），１２’
（図示せず）である。同様に，中央の振動部５の電極
は，１３，１４と１３’，１４’，および１５，１６と
１５’，１６’であり，右の振動部６の電極は，１７，
１８と１７’，１８’および１９，２０と１９’，２
０’，である。

【００２４】これらの２種類の電極は，４面電極を駆動
電極，表裏電極を検出電極として用いてもよいし，４面
電極を検出電極，表裏電極を駆動電極として用いてもよ
い。電極の形成は，蒸着技術やフォトリソグラフィー技
術を用いる。センサーの固定は，基部７，８に接着剤を
塗布し，支持部材に固定される。

【００２５】図３は振動ジャイロセンサー２１の角速度
を検出する原理説明図である。振動ジャイロセンサー２
１は，４面電極を用いて，振動部が実線矢印２２，２
３，２４の方向及び実線矢印２２’，２３’，２４’の
方向に交互に振動する。あるいは，表裏電極を用いる
と，振動部が，破線矢印２５，２６，２７の方向，およ
び破線矢印２５’，２６’，２７’の方向に振動する構
造となっている。

【００２６】いま仮に，駆動電極として４面電極を用い
て振動ジャイロセンサー２１が実線矢印２２，２３，２
４，２２’，２３’，２４’，の方向に駆動されている
とする。そしてＹ軸の周りに角速度ωが加わると，コリ
オリの力ＦがＺ軸方向に働く。この力は破線矢印の振動
をひきおこす。この振動で発生した角速度ωに比例する
電圧を，表裏電極により検出することで角速度を知るこ
とができる。

【００２７】図４は，振動体１の３つの振動部の４面に
設けられた電極構造を示す断面図である。図中（＋）や
（ー）は，ある瞬間の各電極の電圧極性を示し，そのと
きの電界の様子が，ＥＸ１〜ＥＸ６で示されている。こ
れらの電界は，電極９，１０，１３，１４，１７，１８
と９’１０’，１３’，１４’，１７’，１８’を通じ
て発生する。そしてＸ軸に沿って，左右の振動部が同方
向，中央の振動部が逆方向の，振動を発生させる。

【００２８】図５は，振動体１の３つの振動部の表裏面
に２分割され設けられた電極構造を示す断面図である。
電極１１，１２，１５，１６，１９，２０と，１１’，
１２’，１５’，１６’，１９’，２０’を通じて電界
ＥＸ７〜ＥＸ１２が発生する。これらの電界により，Ｚ
軸方向に沿って，左右の振動部が同方向，中央の振動部
が逆方向の振動を発生させることができる。

【００２９】

【発明の効果】上記のごとく本発明の振動ジャイロセン
サーは，以下のような大きな効果がある。即ち，従来の
ように圧電磁器を張り付ける必要がないので，特性のば
らつきはない。単結晶である水晶から作られるので，温
度による振動の共振周波数が変動しない。また，両端で
固定できるので，衝撃や振動に対して安定に角速度を検
出できる。更に，フォトリソグラフィー技術を用いて製
造できるので，小型のものが安価に量産できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動ジャイロセンサーの振動体を，水
晶原石から切り出す切断方位を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施例を示す振動ジャイロセンサーの
斜視図である。

【図３】本発明の振動ジャイロセンサーの原理説明図で
ある。

【図４】本発明の実施例を示す振動ジャイロセンサーの
電極構造の断面図である。

【図５】本発明の実施例を示す振動ジャイロセンサーの
電極構造の断面図である。

【図６】従来の振動ジャイロセンサーで，その原理を示
す斜視図である。

【図７】従来の振動ジャイロセンサーを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】 １、２８ 振動体 ２、３ 振動体の矩形状の穴 ４ 左振動部 ５ 中央振動部 ６ 右振動部 ７、８ 振動体基部 ９、１０、９’、１０’１３、１４、１３’１４’１
７、１８、１７’、１８’４面電極 １１、１２、１１’、１２’、１５、１６、１５’、１
６’１９、２０、１９’、２０’ 表裏電極 ２１ 振動ジャイロセンサー ２２、２３、２４、２２’、２３’、２４’、２５、２
６、２７、２５’、２６’、２７’ 振動の方向 ２９、３０、４４、４５ 圧電磁器電極 ３１、３２、３３、３４ 振動の節 ３５、３６、３７、３８ 振動変位 ３９ 音叉型振動体 ４０、４１、４２、４３ 音叉の腕

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体に角速度を与えることにより，発
   生する角速度電圧を検出する振動ジャイロセンサーにお
   いて，前記振動体は，互いに平行な２つの矩形状の穴
   と，互いに平行な３つの振動部を有する構造であること
   を特徴とする振動ジャイロセンサー。
2. 【請求項２】 振動体は水晶から形成され，長手方向，
   幅方向，厚さ方向がそれぞれ，水晶結晶軸のＹ軸，Ｚ
   軸，Ｘ軸であることを特徴とする請求項１記載の振動ジ
   ャイロセンサー。
3. 【請求項３】 互いに平行な３つの振動部の振動方向
   は，左右の２つの振動部が同方向，中央の１つの振動部
   が左右の振動部と反対方向であることを特徴とする請求
   項１記載の振動ジャイロセンサー。
4. 【請求項４】 振動体を駆動する電極および角速度を検
   出する電極は，３つの振動部の各々にそれぞれ形成され
   ることを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロセンサ
   ー。
5. 【請求項５】 １つの振動部に形成される電極は，２つ
   のＹ−Ｚ面と２つのＹ−Ｘ面，および２つのＹ−Ｚ面に
   Ｙ方向に２分割され形成されることを特徴とする請求項
   １記載の振動ジャイロセンサー。