JPH02223817A

JPH02223817A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH02223817A
Application number: JP1044806A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 武中村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-02-25
Filing date: 1989-02-25
Publication date: 1990-09-06
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPH0695099B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は振動ジャイロに関し、特にたとえば自動車な
どに搭載されるナビゲーションシステムに用いられる、
振動ジャイロに関する。

（従来技術）第６図および第７図は、それぞれ、従来の振動ジャイロ
の一例および他の例を示す図解図である。

第６図に示す振動ジャイロ１では、４角柱状の振動体２
の一方の対向側面に、駆動用圧電素子３ａおよび３ｂが
それぞれ形成され、他方の対向側面に、検出用圧電素子
４ａおよび４ｂがそれぞれ形成されている。

第７図に示す振動ジャイロ１では、３角柱状の振動体２
の１つの側面に、駆動用圧電素子３ａおよび３ｂが間隔
を隔てて形成され、他の２つの側面に、検出用圧電素子
４ａおよび４ｂがそれぞれ形成されている。

（発明が解決しようとする課題）ところが、第６図に示す振動ジャイロｌでは、その回転
時に、検出用圧電素子４ａおよび４ｂの屈曲量の差が小
さいので、それらの出力差があまり得られない。そのた
め、その回転角速度を正確に知ることが困難である。

一方、第７図に示す振動ジャイロ１では、その回転時に
、検出用圧電素子４ａおよび４ｂの屈曲量の差が大きく
なるので、それらの出力差が大きくなり、その回転角速
度を正確に知ることができるが、振動体２の１つの側面
に２つの駆動用圧電素子３ａおよび３ｂを形成しなけれ
ばならないので、その構造が複雑となり、コストが高く
なってしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、回転角速度を正
確に知ることができ、しかも、構造が簡単である、振動
ジャイロを提供することである。

（課題を解決するための手段）この発明は、横断面が多角形の振動体、および振動体の
少な（とも３つの側面にそれぞれ形成される圧電素子を
含み、それらの圧電素子のうちいずれかのものが駆動用
に用いられ、さらに圧電素子のうち他のものが検出用に
用いられる０、振動ジャイロである。

（作用）いずれかの圧電素子に駆動信号を印加すれば、振動体が
振動する。

そして、振動ジャイロがその軸を中心として回転すると
、コリオリカによってその振動方向がかわるが、振動体
にはその振動方向にほぼ直交する方向の主面を有する側
面が必ず存在する。そのため、この側面に形成されてい
る圧電素子を検出用に用いれば、その出力は大きい。

（発明の効果）この発明によれば、圧電素子からの出力が大きいので、
振動ジャイロの回転角速度を正確に知ることができる。

しかも、振動体の少なくとも３つの側面にそれぞれ圧電
素子を形成すればよく、振動体の１つの側面に２つもの
圧電素子を形成する必要がないので、構造が簡単となる
。そのため、コストも高（ならない。

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実施例の説明が一層明ら
かとなろう。

（実施例）第１Ａ図および第１Ｂ図は、それぞれ、この発明の一実
施例を示し、第１Ａ図はその斜視図であり、第１Ｂ図は
第１Ａ図の線ＩＢ−ＩＢにおける断面図である。

振動ジャイロ■０は、たとえば正３角柱状の振動体１２
を含む。この振動体１２は、たとえばエリンバ、鉄−ニ
ッケル合金２石英、ガラス、水晶、セラミックなど、一
般的に機械的な振動を生じる材料で形成される。

この振動体１２には、その３つの側面の中央部にそれぞ
れ圧電素子１４ａ、１４ｂおよび１４ｃが形成される。

圧電素子１４ａは、たとえば磁器からなる圧電層１６ａ
を含み、圧電層）　６　ａの両主面にはそれぞれ電極１
８ａおよび２０ａが形成される。なお、これらの電極１
８ａおよび２０ａは、たとえば金、銀、アルミニウム、
ニッケル。

銅−ニッケル合金（モネルメタル）などの電極材料で、
たとえばスパッタリング、蒸着等の薄膜技術であるいは
その材料によっては印刷技術で形−成される。同様に、
他の圧電素子１４ｂおよび１４Ｃも、それぞれ、たとえ
ば磁器からなる圧電層１６ｂおよび１６ｃを含み、それ
らの圧電層１６ｂと１６ｃとの両主面にも、電１１８ｂ
および２０ｂと１８ｃおよび２０Ｃとが、それぞれ形成
されている。そして、これらの圧電素子１４３〜１４Ｃ
の一方の電極１８ａ−１８ｃは、たとえば導電接着剤で
振動体１２に接着される。

さらに、振動体１２のノード点近傍は、たとえば金属線
からなる支持部材２２および２４で支持される。この支
持部材２２および２４は、たとえば溶接することによっ
て、振動体１２のノード点近傍に固着される。なお、こ
れらの支持部材２２および２４は、導電性ペーストで固
着されてもよい。これらの支持部材２２および２４は、
振動ジャイロＩＯのアース端子として用いられる。

この振動ジャイロ１０では、圧電素子１４ａ〜１４Ｃの
うち任意のものを駆動用に用いれば、他の２つの圧電素
子を検出用に用いることができる。

この実施例では、たとえば、圧電素子１４ａが駆動用と
して用いられ、他の圧電素子１４ｂおよび１４Ｃが検出
用として用いられる。そして、駆動用の圧電素子１４ａ
に駆動信号を印加すれば、振動体１２が振動し、検出用
の圧電素子１４ｂおよび１４Ｃから同様の正弦波が出力
される。また、その状態で振動ジャイロ１０をその軸を
中心として回転すれば、検出用の一方の圧電素子の出方
は回転角速度に従って大きくなり、逆に検出用の他方の
圧電素子の出力は小さくなる。

第２図を参照して説明すると、この振動ジャイロ１０の
検出用の圧電素子１４ｂおよび１４ｃと、駆動用の圧電
素子１４ａとの間には、振動ジャイロｌＯを自動振駆動
するための帰還ループとして発振回路３０が接続される
。

すなわち、この発振回路３０は、検出用の圧電素子１４
ｂおよび１４ｃの出力を合成した形で駆動用の圧電素子
１４ａに印加するためのものであって、入力端としての
２つの固定端子３２ａおよび３２ｂを有する可変抵抗器
３２を含む。そして、可変抵抗器３２の固定端子３２ａ
および３２ｂは、圧電素子１４ｂの電極２０ｂおよび圧
電素子１４Ｃの電極２０ｃにそれぞれ接続される。この
可変抵抗器３２は、圧電素子１４ｂおよび１４Ｃからの
出力間に生じる電圧誤差および位相差を補正し、かつ、
それらの出力を合成するためのものである。

なお、この可変抵抗器３２の代わりに、２つの固定抵抗
器でそれらの出力を合成するようにしてもよい。

さらに、この可変抵抗器３２の可動端子３２ｃは、反転
増幅器３４の入力側に接続される。この反転増幅器３４
は、１つのオペアンプ３６を含み、可変抵抗器３２から
の出力の位相を反転し、かつ、その信号を増幅するため
のものである。

反転増幅器３４の出力側は、ローパスフィルタ３８の入
力側に接続される。ローパスフィルタ３８は、たとえば
２段のＲＣフィルタ４０および４２を含み、それらのＲ
Ｃフィルタ４０お゛よび４２は、それぞれ、たとえば４
５度の遅れ力率を有する。このローパスフィルタ３８は
、反転増幅器３４からの出力の位相を９０度遅らせ、か
つその出力に含まれる高調波成分を抑制するためのもの
である。そして、このローパスフィルタ３８の出力側は
、抵抗４２を介して、駆動用の圧電素子１４ａの電極２
０ａに接続される。

さらに、振動ジャイロ１０の圧電素子１４ｂおよび圧電
素子１４ｃの出力は、それらの出力差を検出するための
差動回路５０の２つの入力端にそれぞれ入力される。

すなわち、この差動回路５０は、理想ダイオード回路５
２を含み、この理想ダイオード回路５２の入力側には、
検出用の一方の圧電素子１４ｂの電極２０ｂが接続され
る。この理想ダイオード回路５２は、１つのオペアンプ
５４とそれぞれが順方向に接続された２つのダイオード
５６および５８を含み、圧電素子１４ｂからの正弦波出
力を正の信号に半波整流するためのものである。

また、検出用の他方の圧電素子１４ｃの電極２０ｃは、
上述の理想ダイオード回路５２とは極性の異なる別の理
想ダイオード回路６０の入力側に接続される。この別の
理想ダイオード回路６０は、１つのオペアンプ６２とそ
れぞれが逆方向に接続された２つのダイオード６４およ
び６６と含み、圧電素子１４ｃからの正弦波出力を負の
信号に半波整流するためのものである。

さらに、理想ダイオード回路５２および６０の出力側は
、それぞれ、たとえばＲＣフィルタからなる平滑回路６
８および７０の入力側に接続される。そして、それらの
平滑回路６８および７０の出力側は、それぞれ、合成手
段としての可変抵抗器７２の固定端子７２ａおよび７２
ｂに接続される。この可変抵抗器７２は、可動端子７２
ｃを有する。

次に、第２図、第３Ａ図および第３Ｂ図を参照して、振
動ジャイロ１０の無回転時および回転時における各回路
の動作などについて説明する。なお、第２図には、振動
ジャイロ１０の無回転時の各部の出力波形を、回路とと
もに示した。また、第３Ａ図には、振動ジャイロ１０の
無回転時における検出用の圧電素子１４ｂおよび１４ｃ
の出力、発振回路３０の可変抵抗器３２の出力、差動回
路５０の出力を示し、第３Ｂ図には、振動ジャイロ１０
を一方向に回転している場合のそれらの出力を示した。

この場合、第３Ａ図および第３Ｂ図には、それらの出力
の大きさおよび波形を略正確に表し、それらの位相を正
確に表していない。

振動ジャイロ１０の無回転時には、振動ジャイロＩＯが
駆動用の圧電素子１４ａの主面に直交する方向に屈曲振
動をするので、圧電素子１４ｂおよび１４ｃは同様に屈
曲する。そのため、これらの圧電素子１４ｂおよび１４
ｃからは、特に第３Ａ図に示すように、同様な正弦波が
出力される。

発振回路３０では、圧電素子１４ｂおよび１４Ｃからの
出力が、合成された形で可変抵抗器３２の可動端子３２
ｃから出力される。この場合、圧電素子１４ｂおよび１
４ｃの合成出力は、理想状態においては、振動ジャイロ
１０の駆動側を基準にして一９０度の位相を有する所定
の正弦波になる。ところが、圧電素子１４ｂおよび１４
ｃの出力間に電圧誤差や位相差が生じる場合には、圧電
素子１４ｂおよび１４ｃの出力を単に合成しただけでは
、上述の所定の正弦波が得られない。

しかしながら、その可変抵抗器３２を調整することによ
って、圧電素子１４ｂおよび“１４ｃの出力間の電圧誤
差および位相差を補正することができる。したがって、
可変抵抗器３２を調整することによって、可動端子３２
ｃからの出力を、駆動側を基準にして一９０度の位相を
有する所定の正弦波に補正することができる。

そして、反転増幅器３４では、この可変抵抗器３２から
の正弦波出力の位相が反転され、かつ、その信号が増幅
される。したがって、この反転増幅器３４からは、振動
ジャイロＩＯの駆動側を基準にして９０度の位相を有す
る信号が出力される。

そして、ローパスフィルタ３８では、反転増幅器３４か
らの出力の位相が９０度遅れ、かつその出力に含まれる
高調波成分が抑制される。したがって、ローパスフィル
タ３８からは、高調波成分によるスプリアスのない、か
つ振動ジャイロ１０の駆動側と同相で常に一定な信号が
出力される。

そして、このローパスフィルタ３８からの出力は、結合
用の抵抗４２を介して、駆動用の圧電素子１４ａの電極
２０ａに印加される。したがって、この実施例では、振
動ジャイロｌＯを効率よく自動振駆動することができる
。

一方、差動回路５０では、理想ダイオード回路５２によ
って、圧電素子１４ｂの正弦波出力が順方向に半波整流
される。そのため、理想ダイオード回路５２からは、圧
電素子１４ｂからの正弦波出力の正の信号が出力される
。

また、別の理想ダイオード回路６０によって、圧電素子
１４Ｃからの正弦波出力が逆方向に半波整流され、その
正弦波出力の負の信号が出力される。

そして、平滑回路６８および７０によって、理想ダイオ
ード回路５２および６０からの出力は、それぞれ、正の
直流および負の直流に平滑される。

そして、これらの直流出力は、合成手段としての可変抵
抗器７２の固定端子７２ａおよび７２ｂに与えられる。

したがって、この可変抵抗器７２の可動端子７２ｃから
は、平滑回路６８および７０からの直流出力が合成され
た形で出力される。

この差動回路５０では、圧電素子１４ｂの出力を順方向
に半波整流して平滑しかつ圧電素子１４Ｃの出力を逆方
向に半波整流して平滑しそれから合成するため、それら
の出力間に位相差があっても、その位相差による誤差は
生じない。

しかも、それらの出力間に電圧誤差があっても、合成手
段としての可変抵抗器７２を調整することによって、そ
れらの電圧誤差を補正することができる。なお、この実
施例では、振動ジャイロ１０の無回転時における差動回
路５０の出力が０になるように調整される。したがって
、差動回路５０からの出力が０であることを確認すれば
、振動ジャイロ１０が回転していないことがわかる。

一方、振動ジャイロｌＯをその軸を中心として一方向に
回転した場合、振動ジャイロｌＯの振動方向と直交する
方向にコリオリカが働く。そのため、振動ジャイロ１０
の振動方向は、無回転時の振動方向からずれる。この時
、たとえば、検出用の一方の圧電素子１４ｂはその主面
に直交する方向に近い方向に、検出用の他方の圧電素子
１４Ｃはその主面に平行する方向に近い方向に、それぞ
れ屈曲振動する。

この場合、特に第３Ｂ図に示すように、検出用の一方の
圧電素子１４ｂからの出力は大きくなり、逆に、検出用
の他方の圧電素子１４ｃからの出力は、圧電素子１４ｂ
の出力が大きくなる分だけ小さくなる。したがって、こ
の場合も、発振回路３０の可変抵抗器３２からの出力は
、無回転時の出力と同じになる。

そして、可変抵抗器３２からの出力は、無回転時の場合
と同様に、反転増幅器３４およびローパスフィルタ３８
などを介して、駆動用の圧電素子１４ａに印加される。

したがって、振動ジャイロ１０の回転時にも、その無回
転時と同様に、振動ジャイロｌＯを効率よく自動振駆動
することができる。

一方、差動回路５０では、圧電素子１４ｂの出力が圧電
素子１４ｃの出力より大きくな−るため、平滑回路６８
の出力の絶対値が他方の平滑回路７０の出力の絶対値よ
り大きくなる。したがって、合成手段としての可変抵抗
器７２からは第３Ｂ図に示すように正の直流が出力され
、振動ジャイロ１０が一方向に回転していることがわか
る。

なお、振動ジャイロｌＯの回転角速度が大きくなればな
るほど、圧電素子１４ｂおよび１４ｃの出力差が大きく
なるので、差動回路５０からの出力も大きくなる。した
がって、差動回路５０の出力の大きさから、振動ジャイ
ロ１０の回転角速度を知ることができる。この場合も、
この差動回路５０では、圧電素子１４ｂの出力を順方向
に半波整流して平滑しかつ圧電素子１４ｃの出力を逆方
向に半波整流して平滑しそれから合成するため、それら
の出力間に位相差があっても、その位相差による誤差は
生じない。

なお、振動ジャイロ１０が逆方向に回転している場合は
、圧電素子１４ｂおよび１４ｃの出力の大きさが逆にな
るので、差動回路５０からは、負の直流が出力される。

したがって、差動回路５０の出力の極性から、振動ジャ
イロｌＯの回転方向を知ることができる。

発明者の実験によれば、この実施例では、振動ジャイロ
ｌＯの回転角速度と差動回路５０の出力電圧とは、それ
らの関係を第４図のグラフに示すように、Ｓ／Ｎ比ない
しは精度のよいリニアな関係を有する。

なお、上述の実施例では、振動ジャイロ１０を自励振駆
動するために、特別な発振回路３０によって、２つの検
出用の圧電素子１４ｂおよび１４Ｃの出力を合成した形
で駆動用の圧電素子１４ａに印加したが、この特別な発
振回路３０に代えて通常の和動増幅器などによって、そ
れらの出力を合成した形で駆動用の圧電素子に印加して
もよい。

要するに、この振動ジャイロ１０を自動振駆動するため
には、２つの検出用の圧電素子の出力を合成した形で駆
動用の圧電素子に印加すればよい。

また、上述の実施例では、振動ジャイロ１０の回転角速
度を測定するために、２つの検出用の圧電素子１４ｂお
よび１４ｃの出力差を特別な差動回路５０で検出したが
、この特別な差動回路５０に代えて通常の差動増幅器で
その出力差を検出してもよい。この場合、その出力差は
正弦波で得られる。要するに、この振動ジャイロ１０の
回転角速度を測定するためには、２つの検出用の圧電素
子の出力差を検出すればよい。

第５図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す実施例の変形例
を示す断面図である。この実施例の振動ジャイロ１０で
は、特に、振動体１２がエリンバ、鉄−ニッケル合金な
どの金属からなる振動材料で形成される。この振動体１
２の３つの側面には、圧電素子１４１〜１４Ｃの圧電％
　ｌ　６　ａ　〜１６　ｃが、たとえばＰＺＴ（ジルコ
ン・チタン酸鉛）ＺｎＯ（酸化鉛）などの圧電材料で、
たとえばスパッタリング、蒸着などの薄膜技術によって
形成される。したがって、これらの圧電素子１６ａ〜１
６Ｃと圧電体１２との間には、第１Ａ図および第１Ｂ図
に示す実施例における電極１８ａ〜１８Ｃが形成されな
い。なぜなら、振動体１２がそれらの電極１８３〜１８
Ｃを兼ねるからである。

さらに、圧電素子１６ａ−１６ｃの表面には、電極２０
ａ〜２０ｃが、たとえば金、銀、アルミニウム、ニッケ
ル、銅−ニッケル合金（モネルメタル）などの電極材料
で、たとえばスパッタリング、蒸着などの薄膜技術によ
って形成される。

また、この実施例では、支持部材２２および２４は、そ
れぞれ、振動体１２のノード点近傍に２点で固着される
。

そして、この実施例も、第１Ａ図および第１Ｂ図に示す
実施例と同様に用いられる。

なお、上述の各実施例では、振動体１２が正３角柱状に
形成されているが、この発明では、振動体１２は２等辺
３角柱状に形成されてもよい。この場合、振動体１２の
等しい面積を有する側面に形成される圧電素子を、検出
用として用いればよい。あるいは、振動体１２は、２等
辺３角柱状以外の３角柱状に形成されたり、４角柱状、
５角柱状、６角柱状などの多角柱状に形成されてもよい
。

この場合、圧電素子は、振動体の側面のうち少なくとも
３つの側面にそれぞれ形成されれ、ばよい。

そして、それらの圧電素子のうちいずれかを駆動用とし
て用い、他の圧電素子を検出用として用いればよい。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は、それぞれ、この発明の一実
施例を示し、第１Ａ図はその斜視図であり、第１Ｂ図は
第１Ａ図の線ＩＢ−ＩＢにおける断面図である。第２図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す振動ジャイロを
用いたジャイロ装置の一例を示す回路である。第３Ａ図および第３Ｂ図は、それぞれ、第２図の回路の
各部における出力を示すグラフであり、第３Ａ図は振動
ジャイロの無回転時の出力を示し、第３Ｂ図はその回転
時の出力を示す。第４図は第２図の回路における振動ジャイロの回転角速
度と差動回路の出力電圧との関係を示すグラフである。第５図は第１Ａ図および第１Ｂ図に示す実施例の変形例
を示す断面図である。第６図および第７図は、それぞれ、この発明の背景とな
る従来の振動ジャイロの一例および他の例を示す図解図
である。図において、１０は振動ジャイロ、１２は振動体、１４
ａ〜１４ｃは圧電素子を示す。第１Ａ図第１Ｂ図第３Ａ図第３Ｂ図第図ｋｎ＞−ｑイロｎ田す角ＵシＩＬ（ＤＥＧ／５ＥＣ）晃
動田外５０　ｎｔｆＪＬ勧田側ト５ｏの戯カ第図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】１　横断面が多角形の振動体、および前記振動体の少なくとも３つの側面にそれぞれ形成され
る圧電素子を含み、前記圧電素子のうちいずれかのものが駆動用に用いられ
、さらに前記圧電素子のうち他のものが検出用に用いら
れる、振動ジャイロ。２　前記検出用の圧電素子は、前記振動体の隣接する側
面にそれぞれ形成される、特許請求の範囲第１項記載の
振動ジャイロ。