JP2540098Y2 - 圧電振動ジャイロ装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は，船舶や自動車等の移動
体に搭載される機器の姿勢制御や自動車のナビゲーショ
ンシステムなどに用いられるジャイロスコープの内，特
に圧電振動子の超音波振動を用いた，いわゆる圧電振動
ジャイロ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロは振動している物体に
回転角速度が与えられると，その振動方向と直角な方向
にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイ
ロスコープである。一般に直交する二つの異なる方向の
振動を励振および検出可能に構成した複合振動系におい
て，一方の振動を励振した状態で，振動子を回転させる
と，前述のコリオリ力の作用によりこの振動と直角な方
向に力が働き，他方の振動が励振される。この振動の大
きさは入力側の振動の大きさおよび回転角速度に比例す
るため，入力電圧を一定にした状態では，この振動の大
きさに比例した出力電圧の大きさから回転角速度の大き
さを求めることが出来る。

【０００３】我々は，圧電セラミックス円柱の外周面に
帯状電極を形成し，この帯状電極を用いて分極及び駆動
・検出を行う圧電振動ジャイロについて，特願平２−３
３５９８７号で示している。

【０００４】図６は従来の圧電振動ジャイロに用いられ
ている圧電振動子の構造例を示す斜視図である（特願平
３−２３８４４号参照）。図示のように，圧電セラミッ
クス円柱５９の外周面上の円周を等分する位置に長さ方
向と平行で，その長さがおよそ圧電セラミックス円柱５
９の長さの約７０％の複数の帯状電極６０が形成されて
いる。帯状電極６０は曲面スクリーン印刷で直接形成す
るか，あるいはメッキ等で全面に形成された電極の不要
部分をフォトエッチングにより除去することにより容易
に得られる。

【０００５】以下，帯状電極６０の数が６個の場合につ
いて，図６に示した従来の圧電振動ジャイロの動作を説
明する。図７は図６に示した圧電セラミックス円柱５９
に，６個の帯状電極６１，６２，６３，６４，６５及び
６６を形成した場合に，互いに一つおきの帯状電極６
１，６３，６５および６２，６４，６６を電気的に接続
し２端子として分極処理を施した時の円柱の断面方向の
分極の向きを示す説明図である。図示のように，２端子
６８，６９間に直流動電圧を印加すると圧電セラミック
スは破線の矢印６７で示す方向に分極される。

【０００６】図８は，図７の圧電振動子の動作原理の説
明図である。図８において，各帯状電極の間隙部をそれ
ぞれＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５及びＧ６とする。
今，帯状電極６２を挟む帯状電極６１および６３を接続
して共通アース７０とし，２端子７１，７０として帯状
電極６２に交流電圧を印加した場合に，圧電セラミック
ス円柱５９の断面方向に歪及び振動が発生する。図８に
示すように，間隙部Ｇ１部とＧ２部それぞれの分極の向
きに対して印加する電界の極性を同じになるようにし
て，圧電セラミックス円柱５９の屈曲振動モードの共振
周波数にほぼ等しい周波数の励振用の交流電圧を印加す
ると圧電セラミックス円柱５９には，それぞれ実線の矢
印で示すようにほぼ間隙部Ｇ１及びＧ２の中心線と円柱
の中心軸を含む面の方向の同じ向きの振動駆動力が発生
し，これらが合成されて圧電セラミックス円柱５９はほ
ぼ帯状電極６２の中心線と円柱の中心軸とを含む面の方
向（Ｒ１の方向）に屈曲振動する。尚，この例において
別の駆動源により圧電セラミックス円柱５９が矢印Ｒ１
の方向に振動している場合，圧電効果により帯状電極６
２に出力電圧が発生する。

【０００７】図９は帯状電極６１と６３と６５を接続し
てアース端７４とし，帯状電極６４及び６６の夫々入力
端７２，７３に逆極性の交流電圧を印加した場合に圧電
セラミックス円柱５９の断面方向に発生する歪の状態及
び振動方向を示している。図９に示すように，帯状電極
６４の中心線と円柱の中心軸とを含む面の方向の振動駆
動力と帯状電極６６の中心線と円柱の中心軸とを含む面
の方向の振動駆動力が発生し，これらが合成されて圧電
セラミックス円柱５９はほぼ帯状電極６２の中心線と円
柱の中心軸とを含む面の方向と直角な方向（Ｒ２方向）
に屈曲振動する。図９において別の駆動源により圧電セ
ラミックス円柱６９が矢印Ｒ２の方向に振動している場
合，圧電効果により帯状電極６４及び６６に逆相の電圧
が発生する。

【０００８】図１０は以上に示した６本の帯状電極を有
する圧電セラミックス円柱５９を用いた圧電振動ジャイ
ロの動作原理の説明図である。図１０において，帯状電
極６１，６３および６５は接続されて共通アースとされ
ており，帯状電極６２に端子７５を介して励振用の交流
電圧が印加されている。この時，印加電圧の周波数は圧
電セラミックス円柱５９の屈曲モードの共振周波数にほ
ぼ一致している。

【０００９】図８で説明したように，この時の圧電セラ
ミックス円柱５９の振動方向はほぼ帯状電極６２の中心
線と圧電セラミックス円柱５９の中心軸とを含む面の方
向（Ｒ３方向）となる。

【００１０】図１０において，圧電セラミックス円柱２
を円柱の軸を回転軸として回転させると，振動方向と直
角な方向にコリオリ力が発生し，圧電セラミックス円柱
５９は，帯状電極６２の中心線と圧電セラミックス円柱
５９の中心軸とを含む面の方向と直角な方向に振動す
る。従って，図８及び図９で説明したように，帯状電極
６４と６６には，帯状電極６２の中心線と圧電セラミッ
クス円柱５９の中心軸とを含む面の方向の振動による同
一振幅，同一位相の電圧と，これと直角な方向の振動に
よる同一振幅，逆位相の電圧が合成された電圧が発生す
る。従って，帯状電極６４と６６をそれぞれ差動増幅器
２０の入力端子に接続すると，差動増幅器２０の出力端
７６の電圧はコリオリ力により発生した振動成分に伴う
電圧となり，加えられた回転角速度に比例した電圧とな
る。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】前述した従来の圧電振
動ジャイロにおいては，振動子として圧電セラミックス
円柱を用いているため周囲温度の変化に対する共振周波
数やメカニカルＱなどの振動特性の温度変化が大きく，
ジャイロ特性の中で特に周囲温度に対する回転速度零時
の出力電圧，いわゆるヌル電圧，の温度ドリフトが大き
く，しかもその変化の仕方が使用する圧電セラミックス
材料の製造ロットにより変化しその補正が困難であっ
た。

【００１２】そこで，本考案の技術的課題は，ヌル電圧
の温度ドリフトの小さい圧電振動ジャイロ装置を提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本考案によれば，静止時
には互いに結合していないで，回転角速度Ωが与えられ
るとコリオリ力を通して結合するような２つの振動モー
ドを利用し，前記２つのモードのそれぞれ一方のみに結
合する２組の電気端子を有し，一方の電気端子から振動
を励振し，他方の電気端子から振動を検出する圧電振動
ジャイロにおいて，周囲温度に対する回転速度零時の出
力電圧の温度ドリフトの温度計数がほぼ逆の圧電振動ジ
ャイロ２個を同一軸方向に配置し，前記２個の圧電振動
ジャイロの出力電圧の和の電圧を検出するように構成し
たことを特徴とする圧電振動ジャイロ装置が得られる。

【００１４】

【作用】本考案の圧電振動ジャイロ装置は，周囲温度に
対する回転速度零時の出力電圧いわゆるヌル電圧の温度
ドリフトの温度係数がほぼ逆の圧電振動ジャイロ２個を
同一軸方向に配置するとともに，２個の圧電振動ジャイ
ロの出力電圧の和の電圧を検出するように構成したの
で，圧電振動ジャイロ装置からのヌル電圧の温度ドリフ
トを抑制し，ヌル電圧の温度係数を圧電振動ジャイロ一
つから構成されるものに比べて半分以下の値とすること
ができる。

【００１５】

【実施例】以下，本考案の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１６】図１は本考案の実施例に係る圧電振動ジャ
イロ装置の構成を示す図である。図１において，２個の
圧電振動ジャイロ２および３は，圧電振動子１，１′の
共振時の振動の節の位置をシリコンゴムからなる支持リ
ング４，４′で支持され，さらにホルダー５，５′に固
定されている。また，２個の圧電振動ジャイロ２，３は
検出すべき回転軸を合わせて互いに平行に離間して基板
６に固定されている。この２個の圧電振動ジャイロ２，
３は，ヌル電圧の温度係数の大きさがほぼ同じで，その
符号がプラスマイナス逆符号の２個の圧電振動ジャイロ
であり，それぞれの検出回路の出力は，後述するよう
に，ゲインが０．５の加算回路に接続されている。この
２個の圧電振動ジャイロの温度ドリフト特性は，その大
きさがほぼ同じで，温度変化に対する変化の符号が逆な
ものであるので，合成された温度ドリフトはそれらが互
いに打ち消された値となる。このように同一基板に互い
に平行に固定された圧電振動ジャイロ装置には，全く同
じ回転角速度が作用するため，２個の圧電振動ジャイロ
２，３の出力の和は，温度に関係なく回転角速度に比例
することになる。

【００１７】図２は圧電振動ジャイロの駆動・検出回路
を含めた構成ブロック図である。図２において，圧電振
動子は，帯状電極１２，１４，１６が共通にアースされ
ており，また，帯状電極１１，１５が出力端子，帯状電
極１３は入力端子として使用されている。図２に示され
る以上までの構成は図１０の従来例と同様である。本考
案の実施例に係る圧電振動ジャイロ装置の各圧電振動ジ
ャイロの駆動・検出回路は，更に，帯状電極１１，１５
間の電圧の和を演算する加算回路２３と，加算回路２３
からの出力を受けて電極１３に入力して，圧電振動子を
駆動する発振回路２４とを備えている。また，帯状電極
１１，１５間の電圧を増幅する差動増幅部２０と，差動
増幅された電圧を加算回路２３からの出力に基づいて検
波し，検出電圧として出力する同期検波部２２とを備え
ている。

【００１８】図３は図１の本考案の実施例に係る圧電振
動ジャイロ装置の合成されたヌル電圧の温度係数の測定
例を示す図である。図４は図３のヌル電圧の測定するた
めの２個圧電振動ジャイロの出力の結線を示す図であ
る。図４に示すように，ヌル電圧の温度係数の大きさが
ほぼ同じで，その符号がプラスマイナス逆符号の２個の
圧電振動ジャイロ＃１−１と＃２−１（図５参照）を検
出すべき回転軸を合わせて，平行に配置し，それぞれの
検出回路の出力（図２の同期検波部からの出力）をゲイ
ンが ０．５の，加算回路２３とは別の加算回路３０に
接続されている。図３で示すように，２個の圧電振動ジ
ャイロの温度ドリフト特性として，その大きさがほぼ同
じで，温度変化に対する変化の符号が逆なものを選べ
ば，合成された温度ドリフトはそれらが互いに打ち消さ
れた値となり，ヌル電圧の温度係数はほぼ圧電振動ジャ
イロ＃１−１と＃２−１（図５参照）の温度係数の差の
値に等しくなる。

【００１９】図５は，初期設定条件を変えた６個の従来
の圧電振動ジャイロについて，図２で示す駆動・検出回
路を用いた周囲温度に対するヌル電圧の変化の測定例を
示す図である。図５の圧電振動ジャイロでは，ロットに
より，温度ドリフトの大きさが変化し，同じロットの中
でもその大きさがばらついている。尚，図１で示す本考
案の実施例に係る圧電振動ジャイロ装置では，図５に示
されるヌル電圧の温度係数の大きさがほぼ同じで，その
符号がプラスマイナス逆符号の２個の圧電振動ジャイロ
＃１−１と＃２−１を選択すれば良い。

【００２０】

【考案の効果】以上，説明したように，本考案の圧電振
動ジャイロ装置では，ヌル電圧の温度係数を半分以下の
値とすることは容易であり，用途により特に厳しいヌル
電圧の温度係数が要求される場合でも，組み合わせる２
個の圧電振動ジャイロそれぞれのヌル電圧の温度係数の
値を選ぶことにより合成したヌル電圧の温度係数の値を
１桁以上小さくすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係る圧電振動ジャイロ装置の
構成を示す図である。

【図２】図１の圧電振動ジャイロ装置の各圧電振動ジャ
イロの駆動・電圧測定回路を示す図である。

【図３】図１の圧電振動ジャイロの図２の駆動・検出回
路を用いたヌル電圧測定例である。

【図４】図３のヌル電圧を測定する回路の構成例を示す
図である。

【図５】従来の圧電ジャイロのヌル電圧測定例を示す図
である。

【図６】従来の圧電振動ジャイロの構成例を示す図であ
る。

【図７】図６の圧電振動ジャイロの動作の説明図であ
る。

【図８】図６の圧電振動ジャイロの動作原理の説明図で
ある。

【図９】図６の圧電振動ジャイロの歪及び振動状態を示
す図である。

【図１０】図６の圧電振動ジャイロの回転角速度検出原
理を示す図である。

【符号の説明】

１ 圧電振動子 ２，３ 圧電振動ジャイロ ４，４′ 支持リング ５，５′ ホルダー ６ 基板 １１，１２，１３，１４，１５，１６ 帯状電極 ２０，２１ 差動増幅器 ２２ 同期検波部 ２３，３０ 加算回路 ２４ 発振回路 ５１ 圧電振動子 ５９ 圧電セラミックス円柱 ６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６ 帯状電
極

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 静止時には互いに結合していないで，回
   転角速度Ωが与えられるとコリオリ力を通して結合する
   ような２つの振動モードを利用し，前記２つのモードの
   それぞれ一方のみに結合する２組の電気端子を有し，一
   方の電気端子から振動を励振し，他方の電気端子から振
   動を検出する圧電振動ジャイロにおいて，周囲温度に対
   する回転速度零時の出力電圧の温度ドリフトの温度計数
   がほぼ逆の圧電振動ジャイロ２個を同一軸方向に配置
   し，前記２個の圧電振動ジャイロの出力電圧の和の電圧
   を検出するように構成したことを特徴とする圧電振動ジ
   ャイロ装置。