JP4422517B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関し、特に外乱に対する耐性を高めた振動ジャイロに関する。

従来例１の振動ジャイロを図１０、１１を参照して説明する。
図１０は振動子と回路ブロックを示しており、２０は平面十字形状に形成された金属製の振動弾性体で、同一平面上の４カ所の腕部表面と、その腕部の各側面に夫々圧電素子２１が設けられて振動子が形成される。これらの圧電素子２１は印加された電気信号を機械的変位に変換する機能、振動弾性体の貼り付けられた面の伸縮変位（歪み）を電気信号に変換する機能を有していて、これらの信号は表面に印刷された電極２２を通して回路と入出力されるようになっている。
２３は移相・増幅回路であり、１つの圧電素子２１からの信号Ｖ_OUTを入力とし、他の３つの同一平面に設けられている圧電素子２１への信号Ｖ_INを出力することで自励発振を行わせる。自励発振するモードは図１１に示すように、十字上の振動子において、ｙ軸方向に沿って対向する２つの腕がｚ軸の正方向に屈曲変形するときに、ｘ軸方向に沿って対向する２つの腕がｚ軸の負方向に屈曲変形するようなモードである。

今、図１１に示したようなｘ軸周りの角速度Ωが加わると、振動子が図１１に示したような（紙面に垂直方向の）速度ベクトルを持つならば、回転軸（ｘ軸）と速度ベクトルとに互いに直交する矢印で示した方向にコリオリ力が発生する。振動子は、ｙ軸方向の曲げ固有モードを有するので、このモードと自励発振しているモードの固有振動数が略一致しているならば、コリオリ力によって振動が生ずる。
振動によってｘ軸方向の腕部の側面は伸び又は縮む。そこで、このｘ軸方向の腕の側面に、伸び又は縮みによって発生する電位Ｖx1，Ｖx2の符号が逆であるような、少なくとも１対の圧電素子２１を貼り付ける。圧電素子２１は１対でもよいし、その裏側にも設けて２対にしてもよい。Ｖx1，Ｖx2は逆位相であるので、減算回路２５ａを用いて、両者に適当な係数を掛けた後に減算すれば、信号Ｖxが得られる。信号Ｖxは、角速度Ωが加わらないときほぼ０で、Ωが加わっているときには自励発振振動の周波数の信号が角速度Ωの振幅で変調されたＡＭ波である。ＡＭ波Ｖx を、参照信号ＶREFを用いて検波回路２６ａにより検波（復調）すると、角速度信号が得られる。
ｙ軸まわりの角速度Ωが加わった場合も同様で、コリオリ力によって生ずるｘ軸方向の振動モードを１対又は２対の圧電素子２１で符号が逆の電位 Ｖy1，Ｖy2に変換し、減算回路２５ｂでそれぞれに適当な係数を掛けた後に減算して信号Ｖyを得て、検波回路２６ｂでＡＭ検波（復調）すれば、ｙ軸周りの角速度信号が得られる。

従来例２の振動ジャイロを図１３、１４を参照して説明する。
図１３において、Ａは支持台３０に支持棒３１を介して支持されている振動ジャイロの振動子で、細径の中央軸部の上下に大径部が形成されており、該細径の中央軸部に軸方向に沿って複数の圧電素子３３が積層配置されている。
圧電素子３３は、圧電素子３３a，３３c1，３３c2，３３dが電極板３４を介して積層することにより構成される。圧電素子３３a，３３c1，３３c2，３３dは、夫々振動子Ａを振動させるための電気−機械エネルギ変換素子としての機能と、振動子Ａに与えられた振動を角速度検出のための信号として取り出す機械−電気エネルギ変換素子としての機能を有し、圧電素子３３ａはｘ−ｚ平面内における曲げモード（曲げＡモード）の励起及び検出を行い、圧電素子３３ｂはｙ−ｚ平面内における曲げモード（曲げＢモード）の励起及び検出を行い、圧電素子３３c1と３３c2はｚ軸回りのねじれ振動（Ｃモード）の励起及び検出を行う。

圧電素子３３ａはｙ方向における直径部分を境にして左右異極に分極処理が施され、交流電圧ＶAが印加されると、厚み方向である面外方向に歪み、図１４（ａ）に示すＡモードの振動を振動子Ａに与える。
圧電素子３３ｂは、圧電素子３３ａと同構造に形成され、該圧電素子３３ａと９０°の位相差を有して配置され、交流電圧Ｖｂが印加されると、厚み方向である面外方向に歪み、図１４（ｂ）に示すＢモードの振動を振動子Ａに与える。
圧電素子３c1と３c2は、分極処理が施され、ｚ軸の回りのねじれ振動を振動子Ａに与える。なお、圧電素子３c1と圧電素子３c2とはねじれ方向が逆方向となるように同構造の圧電素子を表裏反転して配置している。
分極処理は、圧電体の表裏両面に放射線状に分離した電極を設け、表裏において周方向に一つずれた電極に電圧を加えてななめに分極処理を施している。また、分極処理は、圧電体と放射状に４分割し、その間に電極を挟み、電圧を印加して周方向に分極するようにしてもよい。
そして、電圧Ｖｃを印加すると、正対する一つの接片の間において厚み方向における歪みが逆となり、その力の釣合によって斜め方向に歪が生じ、振動子にねじれ振動を発生させることができる。

従って、図１３に示したように、ねじり振動する振動子にｘ軸回りの角速度Ωが加わると、ｘ軸に直交した速度成分をもつ部分に、白抜き矢印で示したコリオリ力が働く。このコリオリ力はｘ軸の正の位置でｚ軸方向に圧縮力、負の位置で引っ張り力であるため、ｚ−ｘ面内の曲げモードが振動子Ａに生じる。このとき圧電素子３３ａに電圧が生じる。特に曲げモードの振動数が固有振動数に近い場合には、共振により変位は拡大され、圧電素子３３ａには大きな電圧が得られる。この電圧がｘ軸回りの角速度に比例する量となる。
また、ねじり振動する振動子Ａにｙ軸回りに角速度が加わると、ｙ軸に直交した速度成分をもつ部分にコリオリ力が働く。このコリオリ力はｙ軸の正の位置でｚ軸方向に圧縮力、負の位置で引っ張り力であるので、ｙ−ｚ面内の曲げモードが生じ、圧電素子３３ｂには電圧が生じる。共振により変位が拡大された場合には、圧電素子３３ｂには大きな電圧が生じる。この電圧がｙ軸回りの角速度に比例する量となる。
特開平８−２７１２５６号公報（段落（００２９〜００３４）、図１〜３） 特開平６−３００５６８号公報（段落（００１２，００２３，００２９）、図１，９）

従来例１の振動ジャイロにおいては、検出のためのねじれ部は機構的に１カ所であり外乱でねじりが発生した場合に角速度入力と識別できない（図１２参照）。 従来例２の振動ジャイロにおいては、ねじり（すべり）によるせん断変位を検出に使用している。検出効率を上げるためには、電極（圧電部）の面積を広げる（ただし、ねじれ剛性は上がる）、ねじり部の剛性を下げる（ただし、電極部は小さくなる）という相反する要求を満足しなければならない。

本発明は、振動ジャイロにおいて、
支持部の両側にねじり振動部を有し、
前記ねじり振動部の延長先にＨ形状の振動子を有し、
前記ねじり振動部の延長先はＨ形状振動子の梁の中心を支持し、
前記Ｈ形状振動子の梁の支持部両側の弾性腕１と前記Ｈ形状の梁に支持されている弾性腕２に圧電素子を配置する。

本発明の振動ジャイロは、高感度であり、かつ角速度入力時と外乱入力時で変位状態を識別することができ、外乱に対する耐性を高めることができる。

図１は本発明の振動子形状の例である。
振動子は、支持部１の両側（上下側）にねじり振動生成部２−１，２−２を備えたねじり振動部３−１，３−２を有し、ねじり振動部の延長先にＨ形状の振動子４−１，４−２を有し、ねじり振動部３−１，３−２の延長先はＨ形状振動子の梁５−１，５−２の中心を支持し、Ｈ形状振動子４−１，４−２の梁５−１，５−２の支持部両側の弾性腕１：６−１〜６−４とＨ形状の梁に支持されている弾性腕２：７−１〜７−８に圧電素子（歪検出部）８−１〜８−８、９−１〜９−１６を配置して構成する。

振動子は、恒弾性材料（エリンバなど）あるいはシリコン単結晶、水晶やタンタル酸リチウムなどの圧電性単結晶でできている。
弾性腕の歪を検出する歪検出部８，９は、歪ゲージ貼付や圧電性材料（圧電セラミクス）の貼付／製膜で形成する。あるいは圧電性単結晶を利用する場合には電極を形成して圧電特性そのものを利用した歪検出も可能である。
ねじり振動生成部２は圧電性材料からなる。例えば図２に示したように周囲方向に分極した圧電セラミクスであり、外部から交番電圧を印加することで容易にねじり振動を生成することができる。このねじり振動生成部３は振動子を支える支持部１とねじり振動部３を構成するねじり振動子との間に接着などで固定してある。
動作中は、ねじり振動生成部２の外部（駆動発振部）から駆動用電圧を印加し、支持部１を中心に逆位相のねじり振動を行う。
この状態でｘ軸方向及びｙ軸方向それぞれに角速度Ωを印加すると、図５に示す関係でコリオリ力が発生し、弾性腕を変位させる（図３、図４ 参照）。支持部１を挟んで逆位相のねじり振動をしているため、腕の変位もねじり位相に対応して発生する。このように角速度入力方向によって弾性腕変位状態が異なるため、２軸入力可能なジャイロが実現できる。すなわち、角速度ΩはＨ形状振動子の支持部の両側の弾性腕１とＨ形状振動子の梁に支持されている弾性腕２に配置された歪検出部１または２の各出力を差動増幅器により減算することにより検出することができる。
一方、外乱振動（加速度）が入力した場合の弾性腕の変位を図６に示す。
各腕が同位相で変位し、角速度印加時とは異なることがわかる。すなわち、本発明の振動ジャイロの構成では角速度入力時と外乱入力時で変位状態を識別（分離）できるため、外乱に対する耐性を高めることができる。

図７は、本発明の駆動回路と検出回路を備えた振動ジャイロの構成例（１）である。
駆動発振部１０はねじり振動生成部２−１，２−２にその出力を印加するより支持部１に対してねじり振動部３−１，３−２に逆方向のねじりを発生させる。
ｘ軸方向の角速度Ω入力時はＨ形状振動子４−１，４−２の弾性腕１の変位を歪検出部１：８と差動増幅器１１−２で検出し、２系統の出力を加算増幅器１１−５に入力し、その出力を駆動発振部１０から出力される参照信号により同期検波部１２−２で検波することにより角速度に比例した出力を得る。Ｈ形状振動子４−１の歪検出部１：８−１と８−４、歪検出部１：８−２と８−３を接続して差動増幅器１１−２の−，＋端子に接続し、Ｈ形状振動子４−２の歪検出部１：８−６と８−７、８−５と８−８を接続して差動増幅器１１−２の−，＋端子に接続する。歪検出部は貼付部分が伸びるか縮むかに対応して出力極性が変化し角速度入力時の変形に対し、それぞれ出力極性が同じになる歪検出部を対にして用いる。また、２系統の差動増幅器の出力を加算増幅器で加算することにより感度の向上を図ることができる。
ｙ軸方向の角速度Ω入力時はＨ形状振動子４−１，４−２の弾性腕２の変位を歪検出部９と差動増幅器１１−１〜１１−３，１１−４で検出し、各差動増幅器１１−４の出力を加算増幅器１１−６に入力し、その出力を駆動発振部１０からの参照信号により同期検波器１２−１で検波することにより角速度に比例した出力を得る。
このように構成することにより、角速度入力時の各腕の変位位相が異なることを利用して、変位に伴う歪を差動構成で検出していることにより外乱の影響をなくし、角速度信号のみを効率的に抽出可能である。同時に、複数腕からの信号を加算しているのでジャイロとしてのＳＮ比を向上させることができる。

図８は、本発明の駆動回路と検出回路を備えた振動ジャイロの構成例（２）である。
Ｈ形状振動子は支持部を中心に２個の独立した振動ジャイロとみなすことができる。このため、それぞれのジャイロ出力を故障診断部１５−１，１５−２に入力し、その出力の論理和をとることにより、２系統の一方、又は双方が故障した場合に出力を発生して故障診断することが可能となる。正常時にはそれぞれのジャイロ出力を平均化して用いることによりＳＮ比が向上させることができる（図９参照）。
図９において、各ＬＰＦ１３−３（１３−４）からの２系統の入力（ＬＰＦ出力１，ＬＰＦ出力２）は角速度に対して同じ信号が出力されるので、平均化処理により２系統の入力を対等に扱う。一方、１系統異常時にはＬＰＦ各出力が異なる値となる。従って、比較部の中で各出力値の差が閾値以上になった場合（例えば１０％の差）には故障と判断して故障診断出力を発生させる。
また、同期検波器に接続されたＬＰＦは、振動周波数に対して角速度信号の周波数は低いため、信号成分のみを通過させる機能を有する。

本発明の振動ジャイロの振動子形状の例を示す図。 ねじり振動生成部を形成する圧電素子の分極状態を示す図。 本発明の角速度入力時（ｘ軸方向）の振動子変位例（１）を示す図。 本発明の角速度入力時（ｙ軸方向）の振動子変位例（２）を示す図。 角速度とコリオリ力との関係を示す図。 本発明の外乱入力時の振動子の変形例を示す図。 本発明の振動ジャイロの構成例（１）を示す図。 本発明の振動ジャイロの構成例（２）を示す図。 故障診断部の構成例を示す図。 従来例１の振動ジャイロの構成を示す図。 従来例１の角速度入力時の振動子変位を示す図。 従来例１の外乱入力時の振動子変位を示す図。 従来例２の振動ジャイロの構成を示す図。 従来例２の角速度入力時の振動子変位を示す図。

符号の説明

１・・・支持部、２・・・ねじり振動生成部、３・・・ねじり振動部、４・・・Ｈ形状振動子、５・・・梁、６・・・弾性腕１、７・・・弾性腕２、８，９・・・歪検出部

Claims (3)

1. 支持部と、
   前記支持部の両側にそれぞれ一端を支持された一対のねじり振動部と、
   それぞれの前記ねじり振動部に互いに逆方向のねじり振動を与える駆動電圧を印加するねじり振動生成部と、
   それぞれの前記ねじり振動部の他端に中心部が支持され、振動していない状態においては前記ねじり振動部と直交すると共に互いに平行な一対の梁と、
   それぞれの前記梁の両端に中心部が支持され、振動していない状態においては前記ねじり振動部と平行である弾性腕と、
   それぞれの前記梁の中心部と両端との中間部における対向する面にそれぞれ配置された圧電素子と、
   それぞれの前記弾性腕の中心部と両端との中間部における対向する面にそれぞれ配置された圧電素子と、
   前記梁に配置された圧電素子の出力から外乱を除き、振動していない状態における前記梁と平行な軸まわりの角速度を検出するＸ軸用差動増幅器と、
   前記弾性腕に配置された圧電素子の出力から外乱を除き、前記ねじり振動部の延伸方向の軸まわりの角速度を検出するＹ軸用差動増幅器と、
   を具備したことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 請求項１に記載の振動ジャイロにおいて、
   前記ねじり振動部は、支持部を中心として逆方向にねじる様に振動させる駆動させる駆動発振部を有することを特徴とする振動ジャイロ。
3. 請求項２に記載の振動ジャイロにおいて、逆ねじり振動しているそれぞれの前記梁に対するＸ軸用差動増幅器からの信号と、逆ねじり振動しているそれぞれの前記弾性腕に対するＹ軸用差動増幅器からの信号とを基に、角速度出力と故障診断出力とを生成する故障診断装置を有することを特徴とする振動ジャイロ。

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