JP3651155B2

JP3651155B2 - 振動ジャイロ

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Publication number: JP3651155B2
Application number: JP35188796A
Authority: JP
Inventors: 村武中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH10170278A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は振動ジャイロに関し、特にたとえば、カメラの手振れ防止用やカーナビゲーションシステムなどにおいて回転角速度を検出するために用いられる、振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の振動ジャイロとしては、たとえば図１０に示すようなワトソン型振動ジャイロがある。この振動ジャイロ１はＵ字状の振動体２を含み、振動体２の対向する面に駆動用圧電素子３が形成される。振動体２の２つの先端部には、振動体２の面と直交するようにして、板状の検出片４が形成される。検出片４の主面上には、検出用圧電素子５が形成される。この振動ジャイロ１では、駆動用圧電素子３に駆動信号が与えられ、振動体２がその主面に直交する方向に屈曲振動する。このとき、検出片４は、その主面に平行な方向に振動するため、検出用圧電素子５は屈曲しない。したがって、このときには、検出用圧電素子５から信号が出力されない。この状態で、ω₀で示すように、振動ジャイロ１の軸を中心として回転すると、振動体２の屈曲振動と直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、検出片４は屈曲し、検出用圧電素子５も屈曲する。したがって、検出用圧電素子５からの出力信号を測定すれば、加わった回転角速度を検出することができる。
【０００３】
また、図１１に示すように、スペリー型振動ジャイロもある。この振動ジャイロ６では、Ｕ字状の振動体２が、支持部材７を介して、矩形板状の検出片８の一端の中央部に取り付けられている。振動体２の対向する面には、駆動用圧電素子３が形成される。また、検出片８の両面には、それぞれ検出用圧電素子９が形成される。これらの検出用圧電素子９は、支持部材７を挟んで両側に配置される。この振動ジャイロ６では、駆動用圧電素子３に駆動信号が与えられ、振動体２がその主面に直交する方向に屈曲振動する。このとき、２つの振動体２は互いに逆相となるように屈曲振動し、そのため検出片８は変位しない。そのため、検出用圧電素子９から信号が出力されない。この状態で、ω₀で示すように、振動ジャイロ６の軸を中心として回転すると、振動体２の屈曲振動と直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、検出片８には、支持部材７を中心として回転するような力が働く。そのため、検出片８は、支持部材７を中心としてＳ字状に屈曲し、検出用圧電素子９も屈曲する。この屈曲によって、検出用圧電素子９から信号が出力される。したがって、検出用圧電素子９の出力信号を測定することによって、加わった回転角速度を検出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ワトソン型振動ジャイロは、構造が複雑であり、製造時に高い加工精度が必要となる。また、検出片が振動体の先端部に形成されているため、検出片の振幅が大きく、検出用圧電素子に接続したリード線の処理が面倒である。また、駆動系と検出系との関係が非共振型であり、回転角速度の検出感度が低い。また、スペリー型振動ジャイロは、構造が複雑であり、製造時に高い加工精度が必要となる。また、駆動系と検出系との関係が非共振型であり、回転角速度の検出感度が低い。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、構造が簡単で、容易に製造でき、回転角速度の検出感度が高く、しかも安定して動作させることかできる振動ジャイロを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、板状の基部と、基部の対向する縁部から同一方向に延びるように形成される複数の板状の振動体と、基部の対向する縁部から延びた振動体を互いに逆相となるように屈曲振動させるために振動体上に形成される駆動用圧電素子と、回転角速度に対応した信号を得るために基部の中央部を境として対称に形成される検出用圧電素子とを含み、基部の対向する縁部から延びた振動体の面が基部の近傍において互いに重なり合わないように配置された、振動ジャイロである。
この振動ジャイロにおいて、たとえば、基部の一方縁部の両端側から２つの振動体が延びるように形成され、かつ基部の他方縁部の中央部から１つの振動体が延びるように形成される。
そして、基部の近傍において、基部の一方縁部側の振動体間の間隔が、基部の他方縁部側の振動体の幅より大きくなるようにしてもよい。
さらに、振動体の先端側の幅が振動体の基部側の幅より大きくなるようにしてもよい。
また、基部を支持するために、基部の一方縁部の中央部に支持部を形成することができる。
この振動ジャイロの駆動および検出を行うために、検出用圧電素子は基部の中央部で分割された２つの出力部を含み、２つの出力部の出力信号の和または差を帰還信号とする発振回路が構成され、かつ２つの出力部の出力信号の差または和が検出信号として取り出される。
また、検出用圧電素子は基部の中央部で分割される２つの出力部を含み、２つの出力部の出力信号の差または和が検出信号として取り出され、かつ基部の他方縁部から延びる振動体上に形成された駆動用圧電素子の出力信号を帰還信号とする発振回路が構成されてもよい。
【０００７】
無回転時においては、基部の対向する縁部に形成された振動体が逆相となるように屈曲振動することにより、基部に反りが生じるとともに、振動体の屈曲振動によって基部にかかる回転力は相殺される。このとき、基部の中央部を境にして対称となるように形成された検出用圧電素子の分極方向が同じならば、これらの検出用圧電素子から出力される信号は同極性となる。したがって、これらの出力信号の差は０となり、回転角速度が加わっていないことがわかる。振動ジャイロに回転角速度が加わると、振動体の屈曲振動に直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、基部の対向する縁部に形成された振動体には、互いに逆向きの力が加わる。それにより、基部は略Ｓ字状に屈曲し、検出用圧電素子からは、逆極性の信号が出力される。この基体の屈曲量は、コリオリ力に対応しているため、これらの出力信号の差をとれば、回転角速度に対応した信号が得られる。
【０００８】
基部の近傍において、基部の一方縁部側の振動体間の間隔が、基部の他方縁部側の振動体の幅より大きくなるようにすれば、振動体の形成されていない基部のみの部分が大きくなり、コリオリ力による基部の屈曲を大きくすることができる。また、基部側の振動体の幅より先端側の幅を大きくすれば、振動体の先端側の質量を大きくすることができ、コリオリ力による基部の屈曲を大きくすることができる。さらに、基部の一方縁部の中央部に支持部を形成することにより、コリオリ力による基体の屈曲を妨げることなく、振動ジャイロを支持することができる。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、検出用圧電素子から回転角速度に対応した信号を得ることができるため、この信号を測定することにより、回転角速度を検出することができる。無回転時においては、基部の対向する縁部に形成された振動体が互いに逆相となるように屈曲振動するが、それによって生じる回転力は相殺されるため、安定した支持を行うことができ、正確に回転角速度を検出することができる。
【００１０】
また、たとえば板材を所定の形状に打ち抜き加工し、それを折り曲げることによって、基部と振動体を形成することができ、振動ジャイロを簡単に製造することができる。さらに、基部の対向する縁部における振動体の幅と振動体間の間隔を調整したり、各振動体の幅を調整することにより、コリオリ力による基部の屈曲を大きくすることができる。そのため、検出用圧電素子の屈曲も大きくなり、コリオリ力に対して大きい信号を得ることができる。したがって、回転角速度の検出感度を良好にすることができる。
【００１１】
さらに、基部の一方縁部の中央部に支持部を形成することにより、コリオリ力による基体の屈曲を妨げることなく振動ジャイロを支持することができ、良好な特性を得ることができる。
【００１２】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図であり、図２は図１の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図であり、図３は図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。振動ジャイロ２０は、矩形板状の基部２２を含む。基部２２の幅方向の一方縁部には、第１の振動体２４および第２の振動体２６が、互いに平行して延びるように形成される。これらの振動体２４，２６は、基部２２の長手方向の両端側に形成され、互いに間隔を隔てて形成される。また、基部２２の幅方向の他方縁部には、第３の振動体２８が２つの振動体２４，２６と平行して延びるように形成される。第３の振動体２８は、基部２２の他方縁部の中央部に形成される。これらの振動体２４，２６，２８と基部２２とは、互いに直交するように形成される。さらに、基部２２の一方縁部の中央部には、棒状の支持部３０が延びるように形成される。基部２２，振動体２４，２６，２８および支持部３０は、一体的に形成される。
【００１４】
第１の振動体２４，第２の振動体２６および第３の振動体２８の一方面上には、それぞれ駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃが形成される。駆動用圧電素子３２ａは、たとえば圧電セラミックなどで形成される圧電層３４ａを含む。この圧電層３４ａの両面に、電極３６ａ，３８ａが形成される。そして、一方の電極３８ａが、第１の振動体２４に接着される。同様に、駆動用圧電素子３２ｂ，３２ｃは圧電層３４ｂ，３４ｃを含み、その両面に電極３６ｂ，３８ｂおよび電極３６ｃ，３８ｃが形成される。そして、一方の電極３８ｂ，３８ｃが、第２の振動体２６および第３の振動体２８に接着される。
【００１５】
駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂの圧電層３４ａ，３４ｂと、駆動用圧電素子３２ｃの圧電層３４ｃとは、互いに逆向きに分極処理される。たとえば、圧電層３４ａ，３４ｂが外側から第１および第２の振動体２４，２６側に向かって分極されているならば、圧電層３４ｃは第３の振動体２８側から外側に向かって分極される。
【００１６】
さらに、基部２２の一方面上には、検出用圧電素子４０が形成される。検出用圧電素子４０は、圧電層４２を含む。圧電層４２の一方面上の全面には、電極４４が形成される。また、圧電層４２の他方面上には、その中央部で分割された電極４６ａ，４６ｂが形成される。そして、圧電層４２の一方面上の電極４４が、基部２２に接着される。また、電極４６ａ，４６ｂは、検出用圧電素子４０の２つの出力部として用いられる。
【００１７】
この振動ジャイロ２０を使用するために、図４に示すように、検出用圧電素子４０と駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃとの間に発振回路５０が接続される。発振回路５０は、たとえば和動回路５２，増幅回路５４および位相補正回路５６を含む。和動回路５２の入力端には、検出用圧電素子４０の２つの電極４６ａ，４６ｂが接続される。和動回路５２の出力信号は増幅回路５４で増幅され、さらに位相補正回路５６で位相補正されて、駆動信号として駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃに与えられる。
【００１８】
さらに、検出用圧電素子４０の２つの電極４６ａ，４６ｂは、検出回路５８に接続される。検出回路５８は差動回路６０を含み、この差動回路６０の入力端に検出用圧電素子４０の電極４６ａ，４６ｂが接続される。差動回路６０の出力信号は、同期検波回路６２によって、位相補正回路５６の信号に同期して検波される。同期検波回路６２の出力信号は平滑回路６４で平滑され、さらに直流増幅回路６６で増幅される。
【００１９】
この振動ジャイロ２０では、駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂと駆動用圧電素子３２ｃとが、互いに逆方向に分極されているため、同じ駆動信号が与えられることによって、駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂと駆動用圧電素子３２ｃとが、互いに逆位相の変位をする。そのため、第１の振動体２４，第２の振動体２６と第３の振動体２８とは、互いに逆位相の屈曲振動を行う。たとえば、第１および第２の振動体２４，２６が下方向に屈曲したとき、第３の振動体２８は上方向に屈曲する。逆に、第１および第２の振動体２４，２６が上方向に屈曲したとき、第３の振動体２８は下方向に屈曲する。このような屈曲が連続して、第１および第２の振動体２４，２６と第３の振動体２８とは、互いに逆位相の屈曲振動を行う。
【００２０】
このとき、図５に示すように、基部２２は、第１および第２の振動体２４，２６側と第３の振動体２８側とで、互いに逆向きに変位し、基部２２に反りが生じる。そのため、検出用圧電素子４０にも、反りが生じる。このとき、検出用圧電素子４０は、電極４６ａ側と電極４６ｂ側とで、同じ屈曲状態となるため、これらの電極４６ａ，４６ｂからは同極性の信号が得られる。そのため、電極４６ａ，４６ｂの出力信号の和をとれば大きい信号が得られ、電極４６ａ，４６ｂの出力信号の差をとればその出力信号は０となる。つまり、発振回路５０の和動回路５２からは信号が出力されるが、検出回路５８の差動回路６０の出力信号は０である。和動回路５２の出力信号が増幅回路５４で増幅され、さらに位相補正回路５６で位相補正される。この位相補正回路５６の出力信号が駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃに与えられることによって、振動ジャイロ２０は自励振駆動され、第１，第２および第３の振動体２４，２６，２８の屈曲振動が連続する。
【００２１】
振動ジャイロ２０に回転角速度が加わっていないとき、差動回路６０の出力信号は０であるため、直流増幅回路６６の出力信号も０である。したがって、回転角速度が加わっていないことがわかる。図１にω₀で示すように、振動体２４，２６，２８の軸を中心として回転すると、振動体２４，２６，２８の振動方向に直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、第１および第２の振動体２４，２６と第３の振動体２８とが、互いに逆向きに変位する。たとえば、図６に示すように、第１および第２の振動体２４，２６が基部２２の長手方向の一方側に向かって変位したとき、第３の振動体２８は基部２２の長手方向の他方側に向かって変位する。逆に、第１および第２の振動体２４，２６が基部２２の長手方向の他方側に向かって変位したとき、第３の振動体２８は基部２２の長手方向の一方側に向かって変位する。このような振動体２４，２６，２８の変位により、基部２２はＳ字状に屈曲する。
【００２２】
基部２２の屈曲に対応して、検出用圧電素子４０もＳ字状に屈曲し、電極４６ａ，４６ｂからその屈曲に対応した信号が出力される。このとき、検出用圧電素子４０は、電極４６ａ側と電極４６ｂ側とで逆向きに屈曲するため、電極４６ａ，４６ｂから逆極性の信号が出力される。そのため、電極４６ａ，４６ｂの出力信号の和は０となり、電極４６ａ，４６ｂの出力信号の差は大きい信号となる。したがって、回転角速度による検出用圧電素子４０の出力信号は、第１，第２および第３の振動体２４，２６，２８の屈曲振動には影響しない。
【００２３】
差動回路６０の出力信号は、同期検波回路６２で検波される。このとき、位相補正回路５６の出力信号に同期して検波されることにより、差動回路６０の出力信号は、その正部分のみまたは負部分のみ、または正負いずれかを反転した両波が検波される。同期検波回路６２の出力信号は平滑回路６４で平滑され、さらに直流増幅回路６６で増幅される。
【００２４】
基部２２の屈曲量はコリオリ力に対応しているため、検出用圧電素子４０から出力される信号は、振動ジャイロ２０に加わった回転角速度に対応している。したがって、直流増幅回路６６の出力信号も回転角速度に対応しており、これを測定することによって、振動ジャイロ２０に加わった回転角速度を検出することができる。なお、回転角速度の方向が逆になれば、検出用圧電素子４０の出力信号は逆位相となるため、同期検波回路６２で検波される信号の極性が逆になる。したがって、直流増幅回路６６の出力信号の極性によって、回転角速度の向きを検出することができる。
【００２５】
この振動ジャイロ２０では、無回転時において、基部２２の一方縁の両端側に形成された第１の振動体２４，第２の振動体２６と、基部２２の他方縁の中央部に形成された第３の振動体２８とが、互いに逆相となるように屈曲振動するため、これらの振動体２４，２６，２８の屈曲振動により、基部２２にかかる回転力が相殺される。そのため、基部２２の一方縁の中央部に形成された支持部３０を支持することにより、振動ジャイロ２０を安定して動作させることができ、良好な特性を得ることができる。
【００２６】
また、たとえば金属板を所定の形状に打ち抜き、第１の振動体２４，第２の振動体２６，第３の振動体２８の各部分を折り曲げることにより、基部２２，振動体２４，２６，２８および支持部３０を作製することができる。したがって、従来のワトソン型やスペリー型の振動ジャイロに比べて、簡単に製造することができ、小型で低コストの振動ジャイロを得ることができる。しかも、コリオリ力による変位を基部２２で効率よく検出することができ、高感度の振動ジャイロを得ることができる。
【００２７】
なお、図７に示すように、第３の振動体２８の幅Ｗ₁を、第１および第２の振動体２４，２６間の間隔Ｗ₂より小さくすることにより、振動体の存在しない基部２２のみの部分が大きくなり、コリオリ力が加わったときに、基部２２の屈曲を大きくすることができる。そのため、コリオリ力による検出用圧電素子４０からの出力信号を大きくすることができ、振動ジャイロ２０の感度を良好にすることができる。
【００２８】
また、図８に基部２２，振動体２４，２６，２８および支持部３０の展開図を示すように、各振動体２４，２６，２８の先端側の幅を、基部２２側の幅より大きくしてもよい。この場合、各振動体２４，２６，２８に附加質量が与えられたのと同じ効果があり、コリオリ力に対して振動体２４，２６，２８の変位量を大きくすることができる。そのため、コリオリ力に対する感度を上げることができ、また材料の有効利用にもなる。さらに、各振動体２４，２６，２８の幅を調整することによって、基部２２の両側の振動体数の違いによる慣性モーメントを合わせることができ、支持部３０からの振動漏れを小さくすることができる。
【００２９】
なお、検出用圧電素子４０については、外側の電極４６ａ，４６ｂを分割して２つの出力部を形成しているが、完全に分離された２つの圧電素子を用いてもよい。この場合、両方の検出用圧電素子は同じ方向に分極する必要はなく、互いに逆方向に分極されていてもよい。この場合、無回転時においては、２つの検出用圧電素子からは逆極性の信号が出力される。また、回転時においては、コリオリ力による基部２２の屈曲によって、同極性の信号が出力される。したがって、発振回路５０には、和動回路の代わりに差動回路が用いられる。また、検出回路５８には、差動回路の代わりに和動回路が用いられる。
【００３０】
また、図９に示すように、駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃのみを用いて、発振回路５０を形成してもよい。ここでは、第３の振動体２８に形成された駆動用圧電素子３２ｃの出力信号が帰還用として用いられている。この場合、２つの信号の和をとる必要がないため、発振回路５０には和動回路が設けられていない。したがって、駆動用圧電素子３２ｃの出力信号が増幅回路５４で増幅され、さらに位相補正回路５６で位相補正されて、駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂに与えられる。このような発振回路５０を用いても、第１の振動体２４，第２の振動体２６と、第３の振動体２８とが、互いに逆相となるように屈曲振動させることができる。もちろん、各振動体２４，２６，２８を屈曲振動させるためには、自励振駆動に限らず、他励振駆動によってもよい。
【００３１】
また、駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂと駆動用圧電素子３２ｃとは、各振動体２４，２６，２８の同じ側に形成する必要はなく、全ての駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃを折り曲げられた振動体２４，２６，２８の外側に形成してもよい。また、全ての駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、折り曲げられた振動体２４，２６，２８の内側に形成されてもよい。このような場合、図４や図９に示す回路を用いるために、各駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、同じ方向に分極される。つまり、全ての駆動用圧電素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃが外側から各振動体側に向かって分極されるか、または各振動体側から外側に向かって分極される。このようにしても、第１の振動体２４，第２の振動体２６と第３の振動体２８とが逆相となるように屈曲振動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
【図４】図１に示す振動ジャイロを使用するための回路を示すブロック図である。
【図５】無回転時の振動ジャイロの動きを示す図解図である。
【図６】回転時の振動ジャイロの動きを示す図解図である。
【図７】この発明の振動ジャイロの基部と各振動体との関係の変形例を示す平面図である。
【図８】各振動体の幅を変えたときの基部，各振動体および支持部の展開図である。
【図９】振動ジャイロに接続される回路の変形例を示すブロック図である。
【図１０】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図である。
【図１１】従来の振動シャイロの他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
２０振動ジャイロ
２２基部
２４第１の振動体
２６第２の振動体
２８第３の振動体
３０支持部
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ駆動用圧電素子
４０検出用圧電素子
５０発振回路
５２和動回路
５４増幅回路
５６位相補正回路
５８検出回路
６０差動回路
６２同期検波回路
６４平滑回路
６６直流増幅回路

Claims

板状の基部、
前記基部の対向する縁部から同一方向に延びるように形成される複数の板状の振動体、
前記基部の対向する縁部から延びた前記振動体を互いに逆相となるように屈曲振動させるために前記振動体上に形成される駆動用圧電素子、および
回転角速度に対応した信号を得るために前記基部の中央部を境として対称に形成される検出用圧電素子を含み、
前記基部の対向する縁部から延びた前記振動体の面が前記基部の近傍において互いに重なり合わないように配置された、振動ジャイロ。
前記基部の一方縁部の両端側から２つの前記振動体が延びるように形成され、かつ前記基部の他方縁部の中央部から１つの前記振動体が延びるように形成された、請求項１に記載の振動ジャイロ。
前記基部の近傍において、前記基部の一方縁部側の前記振動体間の間隔が、前記基部の他方縁部側の前記振動体の幅より大きくなるようにした、請求項２に記載の振動ジャイロ。
前記振動体の先端側の幅が前記振動体の前記基部側の幅より大きくなるようにした、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
前記基部を支持するために、前記基部の一方縁部の中央部に形成される支持部を含む、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の振動ジャイロ。
前記検出用圧電素子は前記基部の中央部で分割された２つの出力部を含み、２つの前記出力部の出力信号の和または差を帰還信号とする発振回路が構成され、かつ２つの前記出力部の出力信号の差または和が検出信号として取り出される、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の振動ジャイロ。
前記検出用圧電素子は前記基部の中央部で分割される２つの出力部を含み、２つの前記出力部の出力信号の差または和が検出信号として取り出され、かつ前記基部の他方縁部から延びる前記振動体上に形成された前記駆動用圧電素子の出力信号を帰還信号とする発振回路が構成された、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の振動ジャイロ。