JP3136544B2 - ジャイロ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，船舶や自動車などの移
動体及びこれに搭載される機器の姿勢制御やナビゲーシ
ョンシステムなどに用いられるジャイロスコープの内，
圧電振動子の超音波振動を用いた圧電振動ジャイロに関
し，特に一本の圧電振動子を用いて角速度検出及び加速
度検出の両方を可能にした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。このジャイロスコープにおいて，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及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，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。図６（ａ）は従来の圧電振動ジャイロの一
例の構造概略図であり，図６（ｂ）は図６（ａ）の圧電
ジャイロの屈曲振動の状態の説明に供する図である。図
６（ａ）において，正方形断面形状を有する金属角柱１
１の隣合う面に，厚さ方向に分極された圧電セラミック
ス薄板１２，１３が接合されている。金属角柱１１は互
いに直角な二つの方向（Ｘ，Ｙ）に，ほぼ同じ共振周波
数で屈曲振動が可能であり，圧電セラミックス薄板１２
にこの共振周波数に等しい周波数の電圧を印加すると，
圧電セラミックス薄板１２を接合した面が凹凸となる方
向に屈曲振動する（図６（ｂ）参照）。この状態で，金
属角柱１１を長さ方向を軸として回転させるとコリオリ
力の作用により金属角柱１１は圧電セラミックス薄板１
３を接合した面が凹凸となる方向に屈曲振動し，圧電セ
ラミックス１３に回転角速度に比例した電圧が発生す
る。図６（ａ）に戻って，金属角柱１１の長さ方向の一
方の端面からおよそ全長の２２．４％の位置の対向する
金属面の中央部に面に垂直にそれぞれ細い金属線からな
る支持線１４，１４′が溶接されている。さらに，他方
の端面からおよそ全長の２２．４％の位置の前記金属線
が溶接された面と直交し，対向する金属面の中央部に面
に垂直にそれぞれ細い金属線からなる支持線１５，１
５′が溶接されている。これら金属線が溶接されている
部分は金属角柱１１の屈曲共振振動モードに対する振動
の節点となっており，互いに直交する屈曲振動それぞれ
に対する影響を極力少なくするように細い金属線で支持
されている。

【０００３】ところで，従来から加速度の検出には種々
の方式のものが実用されている。その中でも圧電セラミ
ックスを用いた加速度センサは構造が簡単で，高温での
使用が可能であることから，各種機械の振動検出および
自動車のエンジンのノッキング検出などに広く使用され
ている。図７は従来の圧電方式の加速度センサの構造例
を示す断面図である。図７において，加速度センサは，
両面に電極が形成され，厚さ方向に分極された圧電セラ
ミックス円環２０，２１を端子板２２を介して分極の向
きが逆向きになるように重ね，おもり２３と共にケース
を兼ねたベース２４にナット２５で締め付けた構造をし
ている。図７において，ケース２４が圧電セラミックス
円環の厚さ方向に振動すると，圧電セラミックス円環２
０，２１には（１）式で表される力Ｆが作用し，圧電セ
ラミックス円環の電極間には（２）式で表される電圧が
発生する。 Ｆ＝Ｍ・α …（１） Ｖ＝Ｋ・Ｆ …（２） ここに，Ｍはおもりの質量，αは加速度，Ｋは比例定数
である。上記（１）及び（２）式から解るように，圧電
セラミックス円環に発生する電圧は加速度に比例する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６（ａ）及び（ｂ）
に示した従来の圧電振動ジャイロにおいては，金属音片
と圧電セラミックス薄板を接着剤を用いて接合してお
り，接着位置のばらつきあるいは接着層のばらつきなど
により，圧電振動ジャイロの特性が変動するといった欠
点があった。又，図７に示した従来の加速度センサは圧
電セラミックス円環の厚さ方向の加速度成分だけを検出
するもので，Ｘ，Ｙの２軸を同時に検出するためには図
７に示した加速度センサ２個を直角に配置する必要があ
り，精度的に複雑で，大きくなる上に取り付け時に２つ
の加速度センサの直交度を精度よく合わせることが難し
いという欠点があった。又，回転角速度と直線方向の加
速度の双方を検出したい時は圧電振動ジャイロと加速度
センサの両方のセンサを用いなければならず高価なもの
となる欠点があった。そこで，本発明の技術的課題は簡
単な構造の１個のセンサでＸ軸，Ｙ軸の２軸加速度を検
出することが可能な加速度センサ機能をもち，構造が簡
単で接着工程が不要でかつ特性のばらつきの少ない圧電
振動ジャイロ機能を１個の素子でもたせたジャイロ装置
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，圧電セ
ラミックス柱の外周面を８等分する位置に長さ方向と平
行な帯状電極を形成し，該８個の帯状電極を外周方向で
一つおきにアース端子とし，残りの電極の互いに隣接す
るもの同志を駆動電極部及び検出電極部とした圧電振動
ジャイロ素子を含むジャイロ装置であって，前記駆動電
極部に接続され前記圧電振動ジャイロ素子を駆動する駆
動回路と，前記検出電極に接続され，前記圧電振動ジャ
イロ素子に加わる力を検出する検出回路と，前記駆動電
極部と前記駆動回路との接続部に設けられた第１のスイ
ッチと，前記検出電極部と前記検出回路との接続部に設
けられた第２のスイッチと，前記残りの電極のうち前記
圧電セラミックス柱の断面の中心を介して互いに対向す
る一対の電極に，第３のスイッチを介して接続される第
１の差動増幅器と，前記残りの電極のうち前記一対の電
極を結ぶ線に交差するように対向する他の一対の電極
に，第４のスイッチを介して接続される第２の差動増幅
器とを備えたことを特徴とするジャイロ装置が得られ
る。

【０００６】

【作用】本発明においては，駆動回路は駆動電極部に接
続され圧電振動ジャイロ素子を駆動する。検出回路は，
検出電極に接続され，圧電振動ジャイロ素子に加わる力
を検出する。第１のスイッチは，駆動電極部と駆動回路
との接続部に設けられ，駆動電極部と駆動回路との接続
及び遮断を行う。第２のスイッチは，検出電極部と検出
回路との接続部に設けられ，検出電極部と検出回路との
接続及び遮断を行う。第１の差動増幅器は，それらの残
りの電極のうち圧電セラミックス柱の断面の中心を介し
て互いに対向する一対の電極に，第３のスイッチを介し
て接続される。第２の差動増幅器は，それらの残りの電
極のうちこの一対の電極を結ぶ線に交差するように対向
する他の一対の電極に，第４のスイッチを介して接続さ
れる。これら第１及び第２のスイッチと第３及び第４の
スイッチは背反的に接続及び遮断を行う。

【０００７】

【実施例】以下に，本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の実施例に係る加速度センサ機能をもった
ジャイロ装置の構成を示すブロック図である。図１にお
いて，ジャイロ装置は，駆動回路と検出回路と加速度検
出部とを備えている。駆動回路は，圧電セラミックス円
柱の外周面に形成された電極９８，９６に第１のスイッ
チＳ１，Ｓ２を介して接続された発振回路２及びこの発
振回路２に一端が接続され，他端は電極９２，９４に第
２のスイッチＳ３，Ｓ４を介して接続された加算回路３
とを有する。検出回路は，第２のスイッチＳ３，Ｓ４か
ら加算回路３までの導線から分岐して接続された差動増
幅回路５，この差動増幅回路５及び加算回路３に接続さ
れた同期検波回路６及びこの同期検波回路６に接続され
た直流増幅回路７とを備えている。また，加速度検出部
は，電極９４，９８と第３のスイッチＳ５及びＳ７を介
して接続された差動増幅回路８と，電極９２，９６と第
４のスイッチＳ６及びＳ８を介して接続された差動増幅
回路１９とを有している。第１，第２，第３及び第４の
スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，
Ｓ８は後述するようにＣ．Ｐ．Ｕに接続された制御回路
４により開閉を制御されている。

【０００８】このジャイロ装置の動作について説明す
る。制御回路４によって図示しないスイッチ回路（トラ
ンジスタ又はリレーなど）にバイアスをかけて，スイッ
チＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を通電させ，スイッチＳ５，
Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を遮断すると，振動ジャイロとしての
回路接続となる。発振回路２の出力がＳ１，Ｓ２を通過
し圧電セラミック円柱１の電極９６，９８に接続され
て，前記圧電セラミック円柱が励振されて，図１中圧電
セラミック円柱１の中の矢印方向へ振動する。この時検
出電極９２，９４からは等しい電圧レベルの電圧が得ら
れ，これを加算回路３にて合成して，発振回路２にフィ
ードバックさせると，自励発振回路となり，圧電セラミ
ックスの固有振動数と一致して発振する。圧電セラミッ
クス１は長手方向の軸を中心に回転すると振動方向と直
角な方向にコリオリ力が発生し，検出電極９２，９４か
ら加えられた回転角速度に比例した分だけアンバランス
な電圧の大きさの出力が得られる。このアンバランスな
出力電圧を差動増幅回路５で増幅するとアンバランス分
の出力電圧だけが得られ，これが回転角速度に比例する
ことになる。そして，同期検波回路６により回転角速度
の方向がわかり，整流後直流増幅回路７により，所定の
感度のアナログ直流出力として，ジャイロ出力が得られ
る。又，制御回路４によりスイッチ回路に別モードのバ
イアスをかけて，スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を遮
断し，スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を導通にさせる
と圧電振動ジャイロの駆動検出回路が切り離され，２軸
検出加速度センサ回路が接続される。図１において出力
電極９４と９８の中心を結ぶ方向（Ｘ方向）に振動的な
加速度が加わると，圧電セラミックス１には出力電極９
４と９８の部分に圧縮力と引張り力が交互作用し，出力
電極９４に圧縮力が作用し，出力電極９８の部分に引張
り力が作用している場合，出力電極９４と９８の共通ア
ース電極に対する分極の向きがそれぞれ同じように出力
電極からアース電極に向かう向きであり，出力電極９４
の部分と９８の部分に作用する力の向きが逆向きである
ため，出力電極９４と９８には逆極性の電圧が発生す
る。従って，これらの２つの出力電圧を差動増幅回路８
の入力とするとＸ軸出力は加えられた加速度の大きさに
比例することになる。同様にして出力電極９２及び９６
の中心を結ぶ方向（Ｙ方向）に振動的な加速度が加わる
と，出力電極９２と９６に逆極性の電圧が発生し，これ
らの２つの出力電圧を差動増幅回路１９に接続するとＹ
軸出力は加えられた加速度の大きさに比例する。

【０００９】図１において，加えられた加速度の方向が
出力電極の対向軸方向と異なる場合は，それぞれ直交す
る出力電極の対向軸方向の成分が検出される。つまり２
つの検出信号を処理することにより，加えられた方向及
び大きさを求めることができる。また，制御回路４にお
いては，クロック回路を用いれば一定時間毎にジャイロ
出力と加速度出力が交互に得られ，時分割で同時検出が
可能である。又，外部の何らかの信号と同期させて，必
要に応じてジャイロ出力と加速度出力を得るようにする
こともできる。又，ジャイロ機能が働いている時に出力
電極９２と９４の出力電圧を検出することにより，圧電
セラミックスの自己診断も可能である。これら，制御回
路４及びジャイロ出力，Ｘ軸加速度出力，Ｙ軸加速度出
力は夫々に対応するインターフェイスを有するＣＰＵ３
０に接続され，予め定められたプログラムに基づいて，
図示しないステアリング機構及びブレーキ機構等の駆動
部に出力され，ステアリング及び，ブレーキ等の駆動が
制御される。

【００１０】図２は本発明の圧電振動ジャイロに用いら
れる圧電セラミックス円柱の一構造例を示す斜視図であ
る。図２において圧電セラミックス円柱１の外周面の円
周を８等分する位置に長さ方向と平行な帯状電極９１，
９２，９３（図示せず），９４，９５，９６，９７，９
８（図示せず）を形成し，各々の帯状電極を両端付近で
円周で沿う方向で互いに１つおきに電気的に接続し，夫
々を２端子として分極処理を施す。

【００１１】図３は，図２の圧電セラミックス円柱１を
分極処理するときの分極方向を示す概略図である。図３
において，一つおきの帯状電極９１，９３，９５，９７
を電気的に接続して共通アース電極とする。図中の破線
の矢印は，分極方向を示している。

【００１２】図４は，図１の圧電ジャイロの構成を示す
部分断面図で，円筒３の手前を切り欠いて示している。
図４に示すように，圧電セラミックスの支持構造は，圧
電セラミックスの共振周波数におけるノード点の位置に
全周からリング状支持部材１０を挿着して，円筒１０の
中に装填して固定した。

【００１３】図５は本発明のもう１つの４角柱圧電セラ
ミックスを用いた圧電振動ジャイロ用振動子を示す断面
図である。図５において，４角柱圧電セラミックスの側
面の４辺を覆うように長さ方向に沿った電極５１，５
３，５５，５７が夫々形成され，また，各側面の中央に
長さ方向に沿って，電極５２，５４，５６，５８が夫々
形成されている。角部の電極５１，５３，５５，５７は
夫々接地されている。従って，図３の圧電セラミックス
円柱と同様に分極されて，図１で示す同様の回路を用い
て圧電ジャイロを構成することができる。

【００１４】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば，
単体の圧電セラミックスを使用した簡単な構造のセンサ
１本を用いただけで，回転角速度及び直交度の精度の高
い２軸加速度センサが得られ，更に接着剤が不要で接着
位置や接着層のばらつきによる特性のばらつきがない加
速度センサ機能付きジャイロ装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るジャイロ装置の構成の説
明に供するブロック図である。

【図２】本発明の圧電振動ジャイロの一構造例を示す斜
視図である。

【図３】本発明の圧電振動ジャイロの分極の向きを示す
説明図である。

【図４】本発明の圧電振動ジャイロの支持部の構造図で
ある。

【図５】本発明の圧電振動ジャイロの他の構造例を示す
説明図である。

【図６】従来の圧電振動ジャイロの構造例を示す斜視図
である。

【図７】従来の加速度センサの構造例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 圧電セラミックス円柱 ２ 発振回路 ３ 加算回路 ４ 制御回路 ５ 差動増幅回路 ６ 同期検波回路 ７ 直流増幅器 ８ 差動増幅回路 ９ 電極 １０ 支持リング １１ 金属角柱 １２ 圧電セラミックス薄板 １３ 圧電セラミックス薄板 １４ 金属支持線 １５ 金属支持線 １９ 差動増幅回路 ２０ 圧電セラミックス円環 ２１ 圧電セラミックス円環 ２２ 端子板 ２３ おもり ２４ ベース ２５ ナット ３０ Ｃ. Ｐ. Ｕ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックス柱の外周面を８等分す
   る位置に長さ方向と平行な帯状電極を形成し，該８個の
   帯状電極を外周方向で一つおきにアース端子とし，残り
   の電極の互いに隣接するもの同志を駆動電極部及び検出
   電極部とした圧電振動ジャイロ素子を含むジャイロ装置
   であって，前記駆動電極部に接続され前記圧電振動ジャ
   イロ素子を駆動する駆動回路と，前記検出電極に接続さ
   れ，前記圧電振動ジャイロ素子に加わる回転角速度を検
   出する検出回路と，前記駆動電極部と前記駆動回路との
   接続部に設けられた第１のスイッチと，前記検出電極部
   と前記検出回路との接続部に設けられた第２のスイッチ
   と，前記残りの電極のうち前記圧電セラミックス柱の断
   面の中心を介して互いに対向する一対の電極に，第３の
   スイッチを介して接続される第１の差動増幅器と，前記
   残りの電極のうち前記一対の電極を結ぶ線に交差するよ
   うに対向する他の一対の電極に，第４のスイッチを介し
   て接続される第２の差動増幅器とを備えたことを特徴と
   するジャイロ装置。