JP3265138B2 - 振動ジャイロおよび補正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動ジャイロおよび振
動ジャイロの検出信号に基づいて、角速度により生じた
角変位を補正する補正装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】角速度を検出する手段の一つとして振動
ジャイロが知られており、これは『速度を持った物体に
角速度を加えるとコリオリの力が生じる』という原理を
基に、物体に振動を加えて速度を与え、この物体に角速
度が加わったときに生じるコリオリの力をバネ系で受
け、入力した角速度に比例したコリオリの力を該バネ系
の変位として検出し、物体に加わった角速度を検出する
ものである。

【０００３】図１０は、１つの物体の直交する２軸の回
りの角速度を検出方式の振動ジャイロとして本出願人が
提案したものの概略図である。

【０００４】この振動ジャイロは、金属製の振動子Ａの
圧電素子３の一部に、この振動子Ａのねじり固有振動数
に略一致する交流電圧Ｖ_Tin を印加すると、振動子Ａに
はねじり振動が発生する。

【０００５】振動子Ａにｘ軸回り、又はｙ軸回りの角速
度が加わると、前述のコリオリの力によって夫々ｚ−ｘ
平面内又はｚ−ｙ平面内の曲げ振動が振動子Ａに発生
し、夫々の曲げ振動による歪みを検出するための圧電素
子には、振動子Ａに加わった角速度の値に応じた信号成
分を含む交流電圧Ｖ_BX又はＶ_BYが発生する。

【０００６】これらの両出力信号はねじり加振周波数成
分に角速度の周波数が重畳されたＡＭ波であるので、こ
れらの両出力信号を第１増幅器１９と第２増幅機２０で
夫々増幅（変調）した後、第１検波器２１と第２検波器
２２とで夫々検波（復調）し、第１検波器２１からは角
速度に比例した信号成分であるｘ方向の曲げ信号を出力
し、また第２検波器２２からは角速度に比例した信号成
分であるｙ方向の曲げ信号を出力しており、その際振動
子Ａに設けているねじり振動検出用の圧電素子からのね
じり信号Ｖ_T を同期用増幅器２３で増幅後移相器２４に
より位相を調整された同期検波信号Ｒｅｆが夫々第１検
波器２１と第２検波器２２に出力されて上記した復調動
作がなされている。

【０００７】なお、この同期検波信号Ｒｅｆは自励発振
のためにねじり振動発生用の圧電素子に加振入力Ｖ_Tin
として用いている。また、４は振動子Ａを支持する支持
棒、５は支持棒４が取り付けられている基台をなす支持
板である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の振動ジャイロにあっては、振動子Ａにねじり振動が励
起されたときに、該加振されたねじり振動によって振動
子Ａに曲げ振動が励振されたり、加振されたねじり振動
を曲げ振動検出用圧電素子、すなわち角速度検出用圧電
素子で検出してしまい、実際には角速度が加わっていな
い状態でも検出電圧Ｖ_BX、Ｖ_BYが発生してしまうことが
あった。

【０００９】本出願に係る第１の発明の目的は、振動子
に角速度が加わっていない状態で不要な振動が検出され
ることのない振動ジャイロを提供することにある。

【００１０】本出願に係る第２の発明の目的は、第１の
発明の目的を実現した振動ジャイロを用いて、角速度
（角変位）に起因して生じた誤差を補正する補正装置を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本出願に係る第１の発明
の目的を実現する第１の構成は、加振信号を入力するこ
とにより振動子に加振モードの振動を励起する加振用の
電気−機械エネルギー変換素子と、角速度に基づく該振
動子の変位による検出モードの振動を同一の大きさで、
かつ逆位相の状態で取り出す２つの変位検出用の電気−
機械エネルギー変換素子と、を別体に有する振動ジャイ
ロ本体と、該変位検出用の電気−機械エネルギー変換素
子で検出した２つの信号を減算する演算手段を少なくと
も有し、該演算手段を経た信号に基づいて角速度成分の
検出信号を取り出す信号処理手段と、該２つの変位検出
用の電気−機械エネルギー変換素子の相互の出力信号の
位相を調節する調節手段とを有し、該調節手段は該加振
信号を該２つの変位検出用の電気−機械エネルギー変換
素子に印加することを特徴とする振動ジャイロにある。

【００１２】この第１の構成では、加振モードを励起し
た状態で角速度が加わっていない場合において、変位検
出用の電気−機械エネルギー変換素子に不要な振動が検
出された場合、この２つの不要な信号は同一の大きさで
位相が略逆転した状態にある。

【００１３】そして、前記手段により変位検出用の電気
−機械エネルギー変換素子に例えば加振信号を何らかの
インピーダンス回路を介して印加し、この信号に不要な
信号を重畳させる。この状態では、該信号に不要な信号
が乗った状態にあり、また不要な信号が乗った箇所を基
準として着目すると、２つの重畳信号は位相ずれを有す
ることになる。

【００１４】そこで、第１の構成では、変位検出用の電
気−機械エネルギー変換素子の相互の出力信号の位相を
調節して２つの重畳信号の一致させる。

【００１５】本出願に係る第１の発明を実現する第２の
構成は、請求項２に記載のように、請求項１において、
変位検出用の電気−機械エネルギー変換素子と信号処理
手段とを１組とし、振動子の異なる２軸回りに対応して
２組み設けたことを特徴とする振動ジャイロにある。

【００１６】この構成では、２軸回りの角速度を一つの
振動子で不要な振動を検出することなく検出することが
できる。

【００１７】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第３の構成は、請求項３に記載のように、請求項１にお
いて、加振モードと検出モードは、これらのモードの振
幅が大きい部分における振動方向が互いに直交する２軸
方向に向かう成分を有する２つの振動モードであること
を特徴とする振動ジャイロにある。

【００１８】この構成では、例えば振動子の中心軸を加
振および検出モードの振幅が大きい部分とすることがで
き、軸対称に検出用の圧電素子等を設けることができ
る。

【００１９】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第４の構成は、請求項４に記載のように、請求項２にお
いて、加振モードと２つの検出モードは、これらのモー
ドの振幅が大きい部分における振動方向が互いに直交す
る３軸方向に向かう成分を有する３つの振動モードであ
ることを特徴とする振動ジャイロにある。

【００２０】この構成では、上記した第３の構成と同様
の作用効果を２軸回りの角速度を検出できる振動ジャイ
ロでも奏することができる。

【００２１】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第５の構成は、請求項５に記載のように、請求項１また
は３において、加振モードと検出モードとは振動の次数
が等しく、加振モードを曲げ振動、検出モードを該加振
モードの曲げ振動と直交する曲げ振動としたことを特徴
とする振動ジャイロにある。

【００２２】この構成では、加振モードと検出モードと
も曲げ振動であるため、加振用の電気−機械エネルギー
変換素子と検出用の電気−機械エネルギー変換素子との
構成を簡単化して、コリオリの力による振動を検出する
ことができる。

【００２３】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第６の構成は、請求項６に記載のように、請求項２また
は４において、加振モードと２つの検出モードとは振動
の次数が等しく、加振モードをねじり振動、一方の検出
モードを曲げ振動、他方の検出モードを該一方の検出モ
ードと直交する方向の曲げ振動としたことを特徴とする
振動ジャイロにある。

【００２４】この構成では、上記の第５の構成と同様の
作用効果を２軸回りの角速度検出にも適用できる。

【００２５】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第７の構成は、請求項７に記載のように、請求項５また
は６において、振動の次数は１であることを特徴とする
振動ジャイロにある。

【００２６】この構成では、１次の振動を用いて加振と
検出を行うので、比較的低周波数での角速度を検出で
き、例えばカメラの手振れの検出等を高精度に検出する
ことができる。

【００２７】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第８の構成は、請求項８に記載のように、請求項３、
４、５または６において、各モードの振動の固有振動数
は略一致していることを特徴とする振動ジャイロにあ
る。

【００２８】この構成では、各モードの振動がそのモー
ドの系の固有振動数と略一致していることにより、略共
振状態で加振と検出を行え、省電力化が図れる。

【００２９】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第９の構成は、請求項９に記載のように、請求項２また
は４において、加振モードが伸縮振動、二つの検出モー
ドが曲げ振動であることを特徴とする振動ジャイロにあ
る。

【００３０】この構成では、伸縮振動と曲げ振動という
扱いやすい振動を使用することができる。

【００３１】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第１０の構成は、請求項１０に記載のように、請求項１
において、該調節手段は、該２つの変位検出用の電気−
機械エネルギー変換素子に印加される加振信号を調整可
能なインピーダンスに介することによって、該２つの変
位検出用の電気−機械エネルギー変換素子の相互の出力
信号の位相を調節することを特徴とする振動ジャイロに
ある。

【００３２】この構成では、前記手段は加振信号に不要
振動を重畳させているので、簡単な構成で変位の検出に
影響を及ぼしたりすることなく不要振動の除去が達成で
きる。

【００３３】本出願に係る第１の発明の目的を実現する
第１１の構成は、請求項１１に記載のように、請求項１
０において、調整可能なインピーダンスは可変抵抗であ
ることを特徴とする振動ジャイロにある。

【００３４】この構成では、可変抵抗という簡単な部材
でインピーダンスの調整を可能とし、また調整作業も可
変抵抗を操作するだけで行える。

【００３５】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
構成は、請求項１２に記載のように、請求項１ないし請
求項１１のいずれかに記載の振動ジャイロの検出信号に
基づいて、角速度により生じた角変位誤差を補正するこ
とを特徴とする補正装置にある。

【００３６】この構成では、角速度が加わっていない場
合に各変位誤差の補正動作が誤って実行されることがな
い。

【００３７】

【実施例】

（第１の実施例）図１は本発明の第１の実施例を示す振
動ジャイロの概略構成のブロック図で、振動子の一軸回
りの角速度を検出する振動ジャイロを示す。

【００３８】本実施例の振動子は、振動弾性体間に加振
モード用の加振用圧電素子（ＰＺＴ）６と、検出モード
用の第１検出用圧電素子（ＰＺＴ）７と、検出モード用
の第２検出用圧電素子（ＰＺＴ）８とを挟持し、該第１
検出用圧電素子７と該第２検出用圧電素子８とは、同一
の軸回りにおける角速度を検出する機械−電気エネルギ
ー変換機能を有していて、角速度により発生したコリオ
リ力によって生じた振動を逆位相で検出する位置に設け
られている。すなわち、第１検出用圧電素子７と第２検
出用圧電素子８は、検出電圧の符号が逆で大きさが同じ
になるように配置されている。

【００３９】１０は加振用等に用いられる発信・移相回
路、１１、１２は可変抵抗、１３は増幅・減算回路、１
４は同期検波回路、１５は角速度信号Ｖ_XOUTを出力する
ローパスフィルタ、Ｄはスティルカメラ，ビデオカメラ
あるいは自動車の振動制御等を行う角速度補正系で、こ
れらの回路等の動作については後述する。

【００４０】ここで、加振モードとしては、ｎ₄ （ｎ₄
＝正の整数）次のねじり振動とすると、検出モードはｎ
₄ （ｎ₄ ＝正の整数）次の曲げ振動の内の一つ、例えば
振動子の軸方向をＺ軸とし、該Ｚ軸に直交する２方向を
Ｘ，Ｙ方向とした場合、加振モードはＺ軸の回りのねじ
り振動、検出モードは例えばＸ方向の曲げ振動とするこ
とができる。

【００４１】したがって、第１検出用圧電素子７と第２
検出用圧電素子８との検出電圧は、符号が逆で大きさが
同じとなる。

【００４２】また、振動弾性体間には加振モード検出用
圧電素子（ＰＺＴ）９も挟持され、検出した加振信号を
発信・移相回路１０に出力し、該発信・移相回路１０か
らの加振出力信号Ｖ_INを加振用圧電素子６に出力する自
励発信回路を構成する一方、該発信・移相回路１０の加
振出力信号Ｖ_INを可変抵抗（Ｒ１）１１を介して第１検
出用圧電素子７と第２検出用圧電素子８に印加するよう
にしている。

【００４３】すなわち、第１検出用圧電素子７と第２検
出用圧電素子８から出力される電圧ＶＸ１とＶＸ２は、
不要信号と加振出力信号ＶINに起因する信号を重畳した
信号となる。

【００４４】なお、検出用圧電素子である第１、第２検
出用圧電素子７、８に信号を印加すると検出モードが励
振されるように思えるが、第１検出用圧電素子７と第２
検出用圧電素子８とは振動を逆位相で検出する位置に設
けられているので、第１検出用圧電素子７と第２検出用
圧電素子８に同じ信号が印加されると相殺されて加振さ
れることはない。

【００４５】ここで、上記した自励発信回路により振動
子を加振すると、角速度を与えない状態で第１検出用圧
電素子７と第２検出用圧電素子８とから不要な信号が検
出されることがあり、この不要な信号は振動子に加振モ
ードの振動が励起されたときに、該加振された振動によ
って振動子に検出モードの振動が励振されたり、加振さ
れた振動を振動検出用圧電素子７、８で検出してしまう
ことに起因する。

【００４６】第１検出用圧電素子７と第２検出用圧電素
子８で検出されるこの不要な信号は、位相ずれを有する
大きさを略同じとする信号であって、その周波数は加振
モードの周波数と等しい。

【００４７】したがって、両検出用圧電素子７、８から
の出力信号を増幅・減算回路１３で増幅し振幅を揃えて
から減算した場合、両出力信号の位相が同位相である
と、角速度が加わっていない状態では信号Ｖ_X が略０と
なり、不要な信号が取り除かれたことになる。

【００４８】本実施例では、両検出用圧電素子７、８か
らの出力信号を一致させる手段として、可変抵抗（Ｒ
１）１１を用いており、この可変抵抗１１の抵抗値を変
化させることにより、加振モードの信号の周波数を変化
させることなく、第１検出用圧電素子７と第２検出用圧
電素子８に印加される加振モードの信号の位相を変化さ
せ、これにより加振モードの信号に不要な信号を重畳さ
せた両方の出力信号ＶＸ１、ＶＸ２の位相を一致させる
ようにしている。この出力信号ＶＸ１とＶＸ２の位相を
一致させる調整方法としては、増幅・減算回路１３の出
力波形を見ながら可変抵抗１１を調節することにより行
える。

【００４９】なお、両検出用圧電素子７、８の出力信号
の位相を一致させる、すなわち第１、第２検出用圧電素
子７、８に印加される加振モードの信号の位相をずらす
ための手段としては、図１の（ｂ）に示すように、可変
抵抗以外のインピーダンスＹを用いることもできる。

【００５０】このように調整された振動ジャイロは、ね
じり振動による加振状態において不要な信号が増幅・減
算回路１３により除去された状態にあり、ここで角速度
が加わると、第１検出用圧電素子７と第２検出用圧電素
子８から位相が反転したＡＭ波が発生し、この両ＡＭ波
を増幅・減算回路１３で増幅・減算すると、その出力信
号Ｖ_X は図２の（ｂ）に示すようになる。

【００５１】すなわち、第１検出用圧電素子７より出力
される信号Ｖ_X1と第２検出用圧電素子８より出力される
信号Ｖ_X2は、角速度が加わらない状態では図２の（ａ）
に示すように、振幅一定の加振モードの振動の周波数の
波（不要な振動については図示せず）であって、位相が
一致している。

【００５２】そして、角速度が加わるとこの波を夫々搬
送波とし、各搬送波の振幅が角速度によって変調された
変調信号となる。両変調信号の位相は第１検出用圧電素
子７と第２検出用圧電素子８との位相ずれ（約１８０
°）に応じて位相ずれ（約１８０°）が生じている。し
たがって、角速度で変調された信号Ｖ_X1と角速度で変調
された信号Ｖ_X2とが増幅・減算回路１３で減算される
と、両変調信号は重畳されて振幅が略２倍となり、図２
の（ｂ）に示すように、破線で示す角速度で変調された
波形が得られることになる。

【００５３】次に、増幅・減算回路１３からの出力信号
Ｖ_X を、発信移相回路１０より得られた参照信号Ｖ_REF
を用いて検波する同期検波回路１４により復調し、ロー
パスフィルタ１５で高周波成分を取り除くと、角速度信
号Ｖ_XOUT が得られることになる。この角速度信号Ｖ
_XOUTは、角速度補正系Ｄに出力され、例えばスティルカ
メラあるいはビデオカメラの手振れによるカメラ振れ補
正、車載カメラのカメラ振れ補正等の制御に用いられ
る。

【００５４】なお、図１の（ａ）において、可変抵抗
（Ｒ２）１２は第１、第２検出用圧電素子７、８の検出
信号のバランスをとるためのもので、この抵抗１２は必
ずしも必要ではない。

【００５５】また、本実施例では、加振モードとしてね
じり振動を用い、検出モードとして曲げ振動を用いて１
軸回りの角速度を検出するようにしているが、以下のよ
うな組み合わせで１軸回りの角速度を検出することもで
き、この場合も図１に示す回路構成により不要の振動を
除去することができる。

【００５６】（１）加振モードをｎ₁ （ｎ₁ ＝正の整
数）次の縦振動、検出モードをｎ₂ （ｎ₂ ＝正の整数）
次の曲げ振動のうちの一つ。

【００５７】（２）加振モードをｎ₅ （ｎ₅ ＝正の整
数）次の曲げ振動、検出モードをｎ₅ （ｎ₅ ＝正の整
数）次の曲げ振動で、加振モードと直交した振動。

【００５８】（第２の実施例）図３は第２の実施例を示
す。

【００５９】本実施例は２軸回りの角速度を検出できる
振動ジャイロに関するもので、図１に示す第１の実施例
における検出回路（検出用圧電素子７と８、可変抵抗１
１と１２、増幅・減算回路１３、同期検波回路１４、ロ
ーパスフィルタ１５）を並列して設け、自励発信回路
（加振用圧電素子６、加振モード検出用圧電素子９、発
信・移相回路１０）については共有するようにしてい
る。

【００６０】このような２軸回りの角速度を検出するた
めの加振モードと検出モードとしては、例えば以下のよ
うな組み合わせがある。

【００６１】（１）加振モードをｎ₁ （ｎ₁ ＝正の整
数）次の縦振動、検出モードをｎ₂ （ｎ₂ ＝正の整数）
次の曲げ振動（直交する２軸方向の曲げ振動）。

【００６２】（２）加振モードをｎ₄ （ｎ₄ ＝正の整
数）次のねじり振動、検出モードをｎ₄（ｎ₄ ＝正の整
数）次の曲げ振動（直交する２軸方向の曲げ振動）。

【００６３】このようなモードの振動を加振したり、あ
るいは検出したりする圧電素子および検出用圧電素子の
パターン等については種々のものが考えられる。

【００６４】（第３の実施例）図４は第３の実施例を示
す。

【００６５】本実施例は図３に示す第２の実施例で示し
た（２）のモードの加振及び加振モード検出、および２
軸回りの振動検出のための圧電素子を示す。

【００６６】３Ａは直交する２方向の曲げ振動を夫々検
出できる圧電素子で、厚み方向に変位するように分極処
理された圧電体の片面側に９０度ピッチで４分割された
分割電極膜を形成し、他面側には接地用全面電極膜を形
成しており、該各分割電極膜のうち、中心軸に対して対
向する一対の分割電極膜同士で一組の検出回路における
第１検出用圧電素子７（７’）と第２検出用圧電素子８
（８’）を構成し、一方の組みの第１検出用圧電素子７
と第２検出用圧電素子８からは夫々信号Ｖ_X1と信号Ｖ_X2
とが出力され、他方の組みの第１検出用圧電素子７’と
第２検出用圧電素子８’からは夫々信号Ｖ_Y1と信号Ｖ_Y2
とが出力される。

【００６７】この場合、圧電体の分極方向は矢印で示す
厚み方向に同一であることから、角速度によって生じた
コリオリ力で曲げ振動が振動子に励起されると、対向し
た分割電極膜からは逆位相の一次の曲げ振動が検出され
ることになる。また、上記した不要な振動も逆位相で生
じるので、重畳する加振モードの信号の位相を可変抵抗
１１（１１’）でずらし、角速度が加わっていない状態
で不要な振動を角速度信号と誤検出することを増幅・減
算回路１３（１３’）により防いでいる。

【００６８】３Ｂは加振モードの一次のねじり振動を励
起すると共に、加振モードの振動を検出する圧電素子
で、圧電体にはＺ軸回りの方向で変位する分極処理が施
され、片面側には略平面Ｃ形状の電圧印加用の電極膜３
Ｂ１が形成されると共に、径方向に平面矩形形状の加振
モード検出用電極膜３Ｂ２が形成され、さらに他面側に
はグランド用の全面電極膜が形成されている。

【００６９】したがって、圧電素子３Ｂの電極膜３Ｂ１
に加振用の信号Ｖ_INを印加すると、この圧電素子は両面
側において相対的なＺ軸回りの滑りが生じ、振動子にね
じり振動を励振することになる。そして、電極膜３Ｂ２
からは振動子に励振されたねじり振動の検出信号Ｖ
_SENSORが出力される。

【００７０】（第４の実施例）図５、図６は第４の実施
例を示す。

【００７１】本実施例は、上記した第２の実施例におい
て示した、（１）の加振モードをｎ₁ （ｎ₁ ＝正の整
数）次の縦振動、検出モードをｎ₂ （ｎ₂ ＝正の整数）
次の曲げ振動（直交する２軸方向の曲げ振動）とする振
動子を示している。

【００７２】上記の各実施例における振動子は、振動弾
性体の他面側から支持棒を延ばし、その延出端部に基台
を固定して振動子を支持する方式を採用しているが、本
実施例では振動弾性体１と２との間に挟持される絶縁基
板１６を利用して振動子の支持を行うようにしている。

【００７３】３ａはＺ軸方向に分極処理された２軸方向
の曲げ振動検出用圧電素子、３ｂはＺ軸方向に分極処理
された加振のための縦振動を励起するための加振用圧電
素子であり、絶縁基板１６をその間に挟んで振動弾性体
１と２により挟持され、双方の振動弾性体１、２をネジ
部１ａ、２ａで螺着することにより固定される。

【００７４】加振用圧電素子３ｂは、圧電体の片面に図
４の圧電素子３Ｂの片面側と同様に平面略Ｃ形状の電圧
印加用の電極膜と検出用電極膜とが形成され、他面側に
設置用の全面電極膜が形成され、絶縁基板１６の裏面側
に形成された電極パターン１６ｃに該電圧印加用の電極
膜が接触し、電極パターン１６ｄに該検出用電極膜が接
触する。また、加振用圧電素子３ｂの全面電極膜はグラ
ンド用電極板１７に接触し接地されるようになってい
る。

【００７５】なお、電極１６ｃ、１６ｄ、１７と圧電素
子３ｂが十分に密着しているならば、圧電素子３ｂの表
面に電極膜を設けなくても良い。

【００７６】一方、検出用圧電素子３ａは、両面に電極
膜を形成していないＺ軸方向に変位する分極処理が施さ
れた状態にあり、振動弾性体１とは絶縁板１８を介して
電気的に非導通状態に維持され、絶縁基板１６の表面側
に９０度のピッチで形成された電極パターン１６ａの接
触パターン部１６ａ₁ 、電極パターン１６ａ’の接触パ
ターン部１６ａ’₁ 、電極パターン１６ｂの接触パター
ン部１６ｂ₁ 、電極パターン１６ｂ’の接触パターン部
１６ｂ’₁ と接触すると共に、中央部に形成されたリン
グ形状の共通パターン部１６ｅに接触するようにしてお
り、このような構成により振動子に形成される曲げ振動
を検出できる原理を以下に説明する。

【００７７】電極パターン１６ｃに加振用の信号Ｖ_INを
印加すると、圧電素子３ｂはＺ軸方向に伸縮する。加振
信号Ｖ_INの周波数が振動子の１次縦振動固有振動数に略
一致していると、振動子には図７に振動子を半断面斜視
図の状態で有限要素法にて示すように、一次の縦振動、
すなわち振動弾性体１、２がＺ軸方向に逆位相で伸縮す
るようなモードの振動が生じる。

【００７８】もし、今Ｙ軸回りの角速度ωが振動子に加
わると、振動弾性体１、２には白抜きの矢印で示したよ
うに、Ｘ軸方向で逆位相のコリオリ力が生じる。なお、
このコリオリ力は周波数が加振信号Ｖ_INの周波数と略一
致している。

【００７９】ここで、コリオリ力により曲げ振動が振動
子に励起されることになるが、いま、Ｘ−Ｚ平面内の曲
げ２次モードの振動の周波数がコリオリ力の周波数に近
いと、このモードは振動弾性体１、２の振動方向がＸ軸
方向と逆位相であるため、振動子には図８に示すような
曲げ２次モードの振動が生じる。

【００８０】したがって、この振動の振幅を検出するこ
とにより加わった角速度ωの大きさが分かることにな
る。また、Ｘ軸回りの角速度が振動子に加わった場合に
は、上記の場合と同様の原理によりＹ−Ｚ面内の曲げ２
次モードが生じる。

【００８１】この曲げ２次モードが生じた時のＸ−Ｚ平
面における振動子の状態を図８に示す。この場合、斜線
を施して示した検出用圧電素子３ａは剪断変形し、同図
ではＸ軸方向にずれ変形している。

【００８２】このような変形を圧電素子により検出する
ためには、 （１）Ｚ軸方向に分極された圧電素子に生じたＸ方向の
電荷を検出する （２）Ｘ軸方向に分極された圧電素子に生じたＺ方向の
電荷を検出する かのいずれかが適用できる。

【００８３】本実施例では上記の（１）の方式を採用す
るが、この方式による検出原理を図９により説明する。

【００８４】検出用圧電素子３ａは、その絶縁基板１６
のパターン形成面側の各パターン部１６ａ₁ 、１６ａ’
₁ 、１６ｂ₁ 、１６ｂ’₁ と、共通パターン部１６ｅに
接触しており、具体的には圧電体の片面側において、共
通パターン部１６ｅとその外周側に所定の間隔を有する
各パターン部１６ａ₁ 、１６ａ’₁ 、１６ｂ₁ 、１６
ｂ’₁ と接触している。なお、対向するパターン部１６
ａ₁ 、１６ａ’₁ と、対向するパターン部１６ｂ₁ 、１
６ｂ’₁ とは直交した状態にある。

【００８５】ここで、図９の（ａ）に示すように、検出
用圧電素子３ａが剪断変形していな状態では圧電素子内
には電界が発生しないが、図９の（ｂ）に示すように剪
断変形が生じると、破線で示したような電界が生じ、例
えば電極パターン１６ａ、１６ａ’にはＺ−Ｘ面内の曲
げ２次モードの振幅に比例した電圧Ｖ_X1、Ｖ_X2が生じ
る。また同様にして電極パターン１６ｂ、１６ｂ’には
Ｚ−Ｙ面内の曲げ２次モードの振幅に比例した電圧
Ｖ_Y1、Ｖ_Y2が生じる。したがって、直交する２軸につい
ての角速度の検出が可能となる。

【００８６】ここで、一対の電極パターンの電圧は符号
が逆となるので、上述した実施例と同様に不要な信号の
除去が増幅・減算回路により行え、角速度の発生により
ＡＭ変調された信号を同期検波回路により復調すること
により、各速度信号成分を抽出することができる。

【００８７】このように加振モードを縦振動、検出モー
ドを曲げ振動とした場合において、加振モードの振動の
次数ｎ₁ と、検出モードの振動の次数ｎ₂ 、ｎ₃ とは、
ｎ₁＝１次、ｎ₂ ＝ｎ₃ ＝２次、あるいはｎ₁ ＝２次、
ｎ₂ ＝ｎ₃ ＝１次、あるいはｎ₁ ＝３次、ｎ₂ ＝ｎ₃ ＝
２次というように、加振モードの次数を奇数とすると検
出モードの次数を偶数、逆に加振モードの次数を偶数と
すると検出モードの次数を奇数となる。

【００８８】これは、図１１の（ａ）に示すように、ｎ
₁ ＝２次、ｎ₂ ＝１次の場合や、図１１の（ｂ）に示す
ように、ｎ₁ ＝３次、ｎ₂ ＝２次の場合を例にすると、
加振モードの振動と検出モードの振動の波形が同じよう
な波形として現れることによる。

【００８９】つまり、この振動ジャイロの原理は、縦振
動で加振状態にある振動子に角速度が与えられると、縦
振動する方向と直交する２つの軸回りの角速度によって
生じるコリオリの力によって２つの曲げ振動が励振され
ので、縦振動の波形と曲げ振動の波形とが異なると、コ
リオリの力によって生じた振動成分が規則正しく検出で
きず、結果として角速度の検出ができなくなる。

【００９０】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、加振モ
ードを励起した状態で角速度が加わっていない場合、変
位検出用の電気−機械エネルギー変換素子に不要な振動
が検出された場合でも、不要な振動を除去することがで
きる。

【００９１】請求項２に記載の発明によれば、２軸回り
の角速度を一つの振動子で不要な振動を検出することな
く検出することができる。

【００９２】請求項３に記載の発明によれば、例えば振
動子の中心軸を加振および検出モードの振幅が大きい部
分とすることができ、回転対称に検出用の圧電素子等を
設けることができる。

【００９３】請求項４に記載の発明によれば、上記した
請求項３の記載の発明と同様の作用効果を２軸回りの角
速度を検出できる振動ジャイロでも奏することができ
る。

【００９４】請求項５に記載の発明によれば、加振モー
ドと検出モードとも曲げ振動であるため、加振用の電気
−機械エネルギー変換素子と検出用の電気−機械エネル
ギー変換素子との構成を簡単化して、コリオリの力によ
る振動を検出することができる。

【００９５】請求項６に記載の発明によれば、上記の請
求項５に記載の発明と同様の作用効果を２軸回りの角速
度検出にも適用できる。

【００９６】請求項７に記載の発明によれば、１次の振
動を用いて加振と検出を行うので、比較的低周波数での
角速度を検出でき、例えばカメラの手振れの検出等を高
精度に検出することができる。

【００９７】請求項８に記載の発明によれば、各モード
の振動がそのモードの系の固有振動数と略一致している
ことにより、略共振状態で加振と検出を行え、省電力化
が図れる。

【００９８】請求項９に記載の発明によれば、伸縮振動
と曲げ振動という扱いやすい振動を使用することができ
る。

【００９９】請求項１０に記載の発明によれば、加振信
号をインピーダンスに介するという簡単な構成で２つの
変位検出用の電気−機械エネルギー変換素子の相互の出
力信号の位相を調節できる。

【０１００】請求項１１に記載の発明によれば、可変抵
抗という簡単な部材でインピーダンスの調整を可能と
し、また調整作業も可変抵抗を操作するだけで行える。

【０１０１】請求項１２に記載の発明によれば、角速度
が加わっていない場合に各変位誤差の補正動作が誤って
実行されることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図で、
（ａ）は全体の構成を示し、（ｂ）は変形例を示す。

【図２】図１の実施例における変調と復調を示す波形
図。

【図３】第２の実施例を示すブロック図。

【図４】第３の実施例を示す圧電素子の斜視図。

【図５】第４の実施例を示す振動子の断面図。

【図６】第４の実施例の振動子の分解斜視図。

【図７】第４の実施例の振動子の縦振動モードを示す
図。

【図８】第４の実施例の振動子の曲げ振動モードを示す
図。

【図９】第４の実施例の曲げ振動の検出原理を示す図。

【図１０】従来の振動ジャイロの構成を示すブロック
図。

【図１１】本発明における加振モードの振動と検出モー
ドの振動との次数の関係を示す波形図。

【符号の説明】 ６ 加振用圧電素子 ７、８ 検出用圧電素子 ９ 加振モード検出用圧電素子 １０ 発振・移相回路 １１、１２ 可変抵抗 １３ 増幅・減算回路 １４ 同期検波回路 １５ ローパスフィルタ １６ 絶縁基板 Ｄ 角速度補正系 Ｙ インピーダンス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−293620（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−188809（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−295716（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−297874（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−11762（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−222073（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−129513（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−300568（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 G01P 21/00

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加振信号を入力することにより振動子に
   加振モードの振動を励起する加振用の電気−機械エネル
   ギー変換素子と、角速度に基づく該振動子の変位による
   検出モードの振動を同一の大きさで、かつ逆位相の状態
   で取り出す２つの変位検出用の電気−機械エネルギー変
   換素子と、を別体に有する振動ジャイロ本体と、 該変位検出用の電気−機械エネルギー変換素子で検出し
   た２つの信号を減算する演算手段を少なくとも有し、該
   演算手段を経た信号に基づいて角速度成分の検出信号を
   取り出す信号処理手段と、 該２つの変位検出用の電気−機械エネルギー変換素子の
   相互の出力信号の位相を調節する調節手段とを有し、該調節手段は 該加振信号を該２つの変位検出用の電気−
   機械エネルギー変換素子に印加することを特徴とする振
   動ジャイロ。
2. 【請求項２】 請求項１において、変位検出用の電気−
   機械エネルギー変換素子と信号処理手段とを１組とし、
   振動子の異なる２軸回りに対応して２組み設けたことを
   特徴とする振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 請求項１において、加振モードと検出モ
   ードは、これらのモードの振幅が大きい部分における振
   動方向が互いに直交する２軸方向に向かう成分を有する
   ２つの振動モードであることを特徴とする振動ジャイ
   ロ。
4. 【請求項４】 請求項２において、加振モードと２つの
   検出モードは、これらのモードの振幅が大きい部分にお
   ける振動方向が互いに直交する３軸方向に向かう成分を
   有する３つの振動モードであることを特徴とする振動ジ
   ャイロ。
5. 【請求項５】 請求項１または３において、加振モード
   と検出モードとは振動の次数が等しく、加振モードを曲
   げ振動、検出モードを該加振モードの曲げ振動と直交す
   る曲げ振動としたことを特徴とする振動ジャイロ。
6. 【請求項６】 請求項２または４において、加振モード
   と２つの検出モードとは振動の次数が等しく、加振モー
   ドをねじり振動、一方の検出モードを曲げ振動、他方の
   検出モードを該一方の検出モードと直交する方向の曲げ
   振動としたことを特徴とする振動ジャイロ。
7. 【請求項７】 請求項５または６において、振動の次数
   は１であることを特徴とする振動ジャイロ。
8. 【請求項８】 請求項３、４、５または６において、各
   モードの振動の固有振動数は略一致していることを特徴
   とする振動ジャイロ。
9. 【請求項９】 請求項２または４において、加振モード
   が伸縮振動、二つの検出モードが曲げ振動であることを
   特徴とする振動ジャイロ。
10. 【請求項１０】 請求項１において、該調節手段は、該
    ２つの変位検出用の電気−機械エネルギー変換素子に印
    加される加振信号を調整可能なインピーダンスに介する
    ことによって、該２つの変位検出用の電気−機械エネル
    ギー変換素子の相互の出力信号の位相を調節することを
    特徴とする振動ジャイロ。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、調整可能なイン
    ピーダンスは可変抵抗であることを特徴とする振動ジャ
    イロ。
12. 【請求項１２】 請求項１ないし請求項１１のいずれか
    に記載の振動ジャイロの検出信号に基づいて、角速度に
    より生じた角変位誤差を補正することを特徴とする補正
    装置。