JP2001296129A

JP2001296129A - 角速度検出装置

Info

Publication number: JP2001296129A
Application number: JP2000116076A
Authority: JP
Inventors: Seiya Sato; 誠也佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2001-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】回転を検出するセンサにおいて、センサとして
回転軸方向に必要なスペースを小さくする。【解決手段】振動子が長手方向に垂直な軸を回転軸とす
る回転系内に置かれた場合に、前記長手方向及び前記回
転軸の方向に垂直な方向に入力振動を入力する入力手段
と、コリオリ力による出力振動を検出する検出手段と、
を備えた。この構成により、入力振動が入力され、振動
子が回転軸を中心に回転した場合、コリオリ力による出
力振動が検出手段により検出される。従って、回転軸に
垂直となる方向に振動子の長手方向を配置しても出力振
動を検出することが可能であり、回転軸方向のスペース
を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両や船舶、航空機や
宇宙衛星等の姿勢制御などに用いられる角速度検出装置
に関するものであり、特に、振動型の角速度検出装置に
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ジ
ャイロが、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の手ぶれの検出などに使
用されている。

【０００３】このような振動ジャイロは、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。圧電体を用いた圧電
振動ジャイロとしては、これまでに種々のものが提案さ
れている。圧電振動ジャイロには、振動を容易に発生さ
せるために振動子に長手方向があるものが、例えば特開
平１０−３８５７９公報に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に開示されて
いるような従来の圧電振動ジャイロを、車両に搭載した
場合の一例を図６、およびその詳細図を図７に示す。図
６は車両側方から見た図であり、図７は車両後方から見
た詳細図である。この振動ジャイロは、例えば図６中Ｘ
軸方向に入力振動が加えられる。そしてＺ軸まわりの回
転角速度が加わると、コリオリの力がＹ軸方向に発生
し、このコリオリの力によるＹ軸方向の出力振動を検出
することにより、回転角速度を測定している。コリオリ
力の大きさは振動子の移動速度ｖに比例し、このｖの大
きさを確保するために振動子を、ある程度振幅が得られ
るような形状、すなわち、長手方向を有する音叉形状と
することが一般的に行われている。このような長手方向
を有する振動子を例えば、車両に固定する場合、Ｚ軸回
りの回転角速度を検出する場合には、振動子の長手方向
をＺ軸と平行に配置する必要があった。このように振動
ジャイロ１０を配置した場合、装着部（固定部２９）に
対して振動ジャイロの長手方向のスペースを確保する必
要があった。

【０００５】本発明はこの問題点に鑑みてなされたもの
であり、本発明の目的は、長手方向をもつ振動子と、そ
の長手方向に垂直な軸を回転軸とする回転系内に振動子
が配置された場合に、その長手方向と回転軸との両方に
垂直な方向である第１の方向に入力振動を入力する入力
手段と、振動子に作用する振動子の長手方向のコリオリ
力による出力振動を検出する検出手段と、を備える構成
にすることにより、センサとして回転軸方向に必要なス
ペースを小さくすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び効果】この課題を達成
するために、請求項１の発明の角速度検出装置は、長手
方向を有する形状で構成される振動子と、該振動子が前
記長手方向に垂直な軸を回転軸とする回転系内に置かれ
た場合に、前記振動子に対して、前記長手方向及び前記
回転軸の方向に垂直な方向である第１の方向に入力振動
を入力する入力手段と、前記振動子に作用する振動子の
長手方向のコリオリ力による出力振動を検出する検出手
段と、を備えることを特徴とする。

【０００７】請求項１の発明の装置では、回転軸に垂直
に置かれた長手方向を備える振動子に、その振動子の長
手方向と回転軸との両方に垂直な入力振動が入力され
る。振動子が回転軸を中心に回転した場合、コリオリ力
による出力振動が長手方向の出力振動を検出する検出手
段により検出される。従って、振動子を配置するに当た
り、回転軸に垂直となる方向に振動子の長手方向を配置
しても出力振動を検出することが可能な構成としたた
め、回転軸方向のスペースを小さくすることができる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１に記載の振動
子の形状はＨ型形状または棒形状であり、且つ前記検出
手段は圧電素子を含むものであることを特徴とする。

【０００９】請求項２の発明の装置は、振動子の形状が
Ｈ型形状または棒形状であり、且つ前記検出手段は圧電
素子を含む構成である。棒形状またはＨ型形状という単
純な構成の振動子に圧電素子を固着することにより回転
を検出できる。従って、簡単な構成で回転を検出するこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例（実
施例１）について図面に基づいて説明する。

【００１１】図１は、自動車に本発明の角速度検出装置
である振動ジャイロ１０を搭載した様子の一例を、車両
の側方から見た概略図である。また、図２は振動ジャイ
ロ１０を車両の上方から見た概略図である。振動ジャイ
ロ１０は、コンソールボックスの下の固定部２９に固定
されている。また、振動ジャイロ１０は後述する導電ラ
インによってエレクトリカル・コントロール・ユニット
２（以下、ＥＣＵ２と称する）に接続されている。ＥＣ
Ｕ２は、例えば車両の横滑りを防止する制御を行うビー
クル・スタビリティ・コントロールＥＣＵ（以下、ＶＳ
ＣＥＣＵと称する）や、ナビゲーションシステムの制御
を行うナビゲーションＥＣＵである。

【００１２】図３は振動ジャイロ１０の構成と振動ジャ
イロ１０とＥＣＵ２との接続関係を詳細に示した図であ
り、振動ジャイロ１０を車両の上方から見た図である。
車両の振動ジャイロ１０の振動子は、対となる振動片を
基部１２を挟んで対向する振動片１４，１６及び振動片
１８，２０との二組として構成されている。この振動子
の材質は、例えば金属である。振動片１４，１６はＸ軸
に沿って励振される。振動片１８，２０は基部１２と反
対側の端部に、それぞれ圧電素子であるピエゾ素子２
６，２８が固着されている。ピエゾ素子２６，２８は振
動片１８，２０と固着されている面と反対の面が固定部
２９に固定されている。そして、各ピエゾ素子２６，２
８には、導電ライン３０が各振動片の振動を阻害しない
ように配線されている。導電ライン３０は後述する検出
側回路６０の、検出バランス調整回路６４に接続されて
おり、ピエゾ素子２６，２８からの信号を送信してい
る。振動片１４，１６にはそれぞれ圧電素子であるピエ
ゾ素子２２，２４が貼着・固定されている。振動片１４
の両側面（Ｙ−Ｚ平面と平行な面）には、それぞれ一対
のピエゾ素子２２が、同様に振動片１６の両側面にも一
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２２，２４には、それぞ
れ導電ライン３２、３４が各振動片の振動を阻害しない
ように配線されている。導電ライン３２、３４は、それ
ぞれ後述する励振回路５０，５２に接続されており、ピ
エゾ素子２６，２８へ信号を送信している。

【００１３】次に、この振動ジャイロ１０の回路構成に
ついて図４のブロック図を用いて説明する。図３に示す
ように、振動ジャイロ１０の振動片１４，１６における
一対のピエゾ素子２２，２４は導電ライン３２によって
それぞれ励振回路５０，５２に接続されている。この励
振回路５０，５２は、互いに接続されており、データの
送受信を行う。このデータの送受信により、例えば励振
回路５２からの信号によって、励振回路５０は、励振回
路５２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１０の励振モー
ドが決定される。

【００１４】振動片１８，２０及び固定部２９に固着さ
れているピエゾ素子２６，２８は後述する検出側回路６
０の、検出バランス調整回路６４に接続されている。検
出側回路６０は、検出バランス調整回路６４、ＡＣ増幅
回路６６、同期検波回路６８、積分回路７０、ＤＣ増幅
出力回路７２によって構成される。ピエゾ素子２６，２
８からの出力信号は、まず検出バランス調整回路６４に
入力される。検出バランス調整回路６４では、振動片１
８，２０に固着されているそれぞれのピエゾ素子２６，
２８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６４により調
整された電気信号はＡＣ増幅回路６６に入力され、ＡＣ
増幅回路６６はその電気信号の出力レベルを増幅する。
増幅された電気信号は同期検波回路６８に入力され、交
流電圧である電気信号の負の部分が反転されて正電圧と
なる。この同期検波回路６８へは、励振回路５２から入
力振動と同位相の電気信号が送られてくる。同期検波回
路６８では、入力振動と同位相の漏れ振動を励振回路５
２からの電気信号によってカットする。正電圧化され、
漏れ振動をカットされた電気信号は積分回路７０に入力
され、正電圧化された電気信号は整流電圧の電気信号と
される。整流電圧の電気信号はＤＣ増幅出力回路７２に
入力され、出力レベルが増幅される。

【００１５】次に、図３および図４を用いて本実施例の
作用について説明する。

【００１６】例えば、図示しないイグニッションスイッ
チがオン状態とされると、励振回路５０から、振動片１
４のピエゾ素子２２に交流電圧が印加される。このた
め、この一対のピエゾ素子２２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２２のそれぞれ
に位相が１８０度異なる交流電圧が印加されるように制
御する。このため、一対のピエゾ素子２２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３中Ｘ軸方向に沿って振動する。振動片１６について
も、振動片１４と同様に、励振回路５２からピエゾ素子
２４に交流電圧が印加され、図３中Ｘ軸方向に沿って振
動する。

【００１７】振動片１４又は振動片１６が振動している
状態にあるとき、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ベクトルΩが作用すると、
振動片１４又は振動片１６は式Ｆ＝２ｍＶ×Ωで表わさ
れるコリオリの力Ｆ（ベクトル）を受けてＹ軸に沿って
振動する。ここで、ｍは振動片１４又は振動片１６の振
動部分の質量、Ｖは振動部分の速度ベクトルである。本
実施例では、振動子の振動はＸ軸方向のみに発生して一
次元であり、コリオリの力も、Ｙ軸方向のみに加わる一
次元の力であり、角速度ΩもＺ軸まわりの回転角速度で
ある。したがって、本実施例では、上記３つのベクトル
量をスカラー量とすることができる。コリオリの力を表
す式はスカラー量ｆ，ｖ，ωを用いてｆ＝２ｍｖ・ωと
なる。この振動部分の速度Ｖは、例えば位相角θを用い
て式ｖ＝ａθ・ｃｏｓ（θｔ）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。したがって、コリオリの力ｆは振動片１
４又は振動片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。

【００１８】このように振動片１４又は振動片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
１８及び振動片２０は、それぞれ振動片１４および振動
片１６から伝播したＸ軸方向の振動とＹ軸方向の振動と
が合成されて、全体として楕円運動（この場合の楕円運
動は円運動を含む）を起こす。振動片１８及び振動片２
０におけるピエゾ素子２６及びピエゾ素子２８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、各ピエゾ素子の伸縮が
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、ピエゾ素子２６及びピエゾ素子２８を
大きく伸縮させることが望ましい。

【００１９】振動片１８及び振動片２０に固着されたピ
エゾ素子２６及び振動片２８から得られた電気信号は、
検出側回路６０に入力される。図４に基づいて説明する
と、前記電気信号はまず検出バランス調整回路６４に入
力され、電気信号の位相の調整を行なう。次に電気信号
はＡＣ増幅回路６６に入力され、出力レベルが増幅され
る。増幅された電気信号は同期検波回路６８に入力さ
れ、交流電圧である電気信号の負の部分が反転されて正
電圧とされる。この同期検波回路６８へは、励振回路５
２から信号が送られ、ノイズ信号がカットされる。正電
圧化され、ノイズをカットされた電気信号は積分回路７
０に入力され、整流電圧の電気信号とされる。整流電圧
の電気信号はＤＣ増幅出力回路７２に入力され、出力レ
ベルが増幅される。つまり、コリオリの力Ｆによる振動
片１８及び振動片２０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６０の検出バランス調
整回路６４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、ＶＳＣやナビ
ゲーションシステムの電子制御装置８０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。

【００２０】従って、振動ジャイロ１０の振動片１４，
１６に、ピエゾ素子２２，２４を用いてＸ軸方向に振動
を入力し、Ｚ軸まわりの回転角速度ωが加わったとき
に、コリオリ力ｆによる出力振動を、振動ジャイロ１０
の長手方向であるＹ軸方向の出力振動としてピエゾ素子
２６，２８を用いて検出する構成としたので、振動子１
０の長手方向をＺ軸と垂直（ＸＹ平面）に配置しても回
転角速度ωを検出することができる。そして、振動ジャ
イロ１０を車両の進行方向と平行に固着することが可能
となり、センサとしてＺ軸方向に必要なスペースを小さ
くすることができる。

【００２１】以上、本発明の一実施例を示したが、他の
実施例（実施例２）として図５に示すような構成の振動
ジャイロ９８を用いてもよい。

【００２２】前述した実施例１の振動ジャイロ１０と本
実施例２の振動ジャイロ９８との相違点は振動子の形状
である。実施例１ではＨ型の形状の振動子を用いている
が、実施例２では棒状の振動子を用いる。

【００２３】振動ジャイロ９８の振動片１００の一方の
端部は、ピエゾ素子２６に固着されている。また、ピエ
ゾ素子２６は振動片１００と固着されている面と反対の
面が固定部２９に固定されている。そしてピエゾ素子２
６には導電ライン３０が振動片の振動を阻害しないよう
に配線されている。導電ライン３０は検出側回路６０に
接続されており、ピエゾ素子２６からの信号を送信して
いる。検出側回路６０は前述した実施例１の検出側回路
６０と同様の制御を行う。振動片１００の両側面（Ｙ−
Ｚ平面と平行な面）には、それぞれ一対のピエゾ素子２
２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２２には、導電ライン３２が各振動片の振
動を阻害しないように配線されている。導電ライン３２
は、交流電圧を出力する励振回路５０に接続されてお
り、ピエゾ素子２２へ信号を送信している。

【００２４】本実施例２の作用を説明する。実施例１の
場合と同様に、励振回路５０からは、ピエゾ素子２２に
交流電圧が印加され、振動片１００は逆圧電効果により
図５中Ｘ軸方向に沿って振動する。振動片１００が振動
している状態にある時、Ｚ軸回りに回転角速度が作用す
るとコリオリの力を受けてＹ軸に沿って振動する。この
Ｙ軸方向の振動がピエゾ素子２６により電気信号として
検出され、その電気信号を検出側回路６０によって検出
する。検出側回路６０では実施例１と同様の制御が行わ
れ、ＶＳＣやナビゲーションシステムの電子制御装置８
０に出力される。

【００２５】従って、振動ジャイロ９８の振動片１００
に、ピエゾ素子２２を用いて振動をＸ軸方向に入力し、
Ｚ軸まわりの回転角速度ωが加わったときに、コリオリ
力による出力振動を、振動子９８の長手方向であるＹ軸
方向の出力振動としてピエゾ素子２６を用いて検出する
構成としたので、振動ジャイロ９８の長手方向をＺ軸と
垂直（ＸＹ平面）に配置しても回転角速度ωを検出する
ことができる。そして、振動ジャイロ９８を車両の進行
方向と平行に固着することが可能となり、センサとして
Ｚ軸方向に必要なスペースを小さくすることができる。

【００２６】実施例１と実施例２を比較した場合、実施
例１は振動子をＨ型の形状としたため、２つの振動片へ
振動を入力し、２つのピエゾ素子により出力を検出でき
るので、精度の良い回転角速度を検出できる点が優れて
いる。実施例２は振動子を棒状にしたため、図５のＸ軸
方向のスペースは小さくできるので、センサとしてのス
ペースを実施例１の場合よりも小さくできる点が優れて
いる。

【００２７】上記した実施例では、振動子の長手方向を
Ｚ軸と垂直に配置したが、Ｙ軸回りの回転検出の場合は
Ｚ軸と平行に配置しても良い。

【００２８】本実施例１，２では、振動子は金属で構成
したが、例えば振動子が半導体等の結晶体、ガラスやセ
ラミック等を用いて形成されていれば、上記したピエゾ
素子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
動子が水晶，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、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。

【００２９】以上、本発明の実施形態を詳細に説明した
が、これは例示に過ぎず、本発明は前記

【発明が解決しようとする課題】および

【課題を解決するための手段及び効果】の項に記載され
た態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変
更、改良を施した形態で実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の角速度検出装置（振動ジャイロ１０）
を車両に搭載し、その車両を側方から見た場合の一例を
示す概略図である。

【図２】本発明の角速度検出装置（振動ジャイロ１０）
を車両に搭載し、その車両を上方から見た場合の一例を
示す概略図である。

【図３】本発明の実施例１の振動ジャイロ１０を概略的
に示す図である。

【図４】上記振動ジャイロ１０を含む電気的構成を示す
ブロック図である。

【図５】本発明の実施例２の振動ジャイロ９８を概略的
に示す図である。

【図６】従来の振動ジャイロを車両に搭載し、その車両
を側方から見た場合の一例を示す概略図である。

【図７】従来の振動ジャイロを概略的に示す図である。

【符号の説明】

１４、１６，１８，２０振動子２２、２４，２６，２８ピエゾ素子５０、５２励振回路６０検出側回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長手方向を有する形状で構成される振動子
と、該振動子が前記長手方向に垂直な軸を回転軸とする回転
系内に置かれた場合に、前記振動子に対して、前記長手
方向と前記回転軸の方向との両方に垂直な方向である第
１の方向に入力振動を入力する入力手段と、前記振動子に作用する振動子の長手方向のコリオリ力に
よる出力振動を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】前記振動子の形状はＨ型形状または棒形状
であり、且つ前記検出手段は圧電素子を含むものである
ことを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。