JPH05157569A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 Ｘ軸方向に自由振動する振動手段１２と、前
記振動手段１２にＸ軸方向の振動力を印加する加振手段
１４と、前記振動手段１２のＸ軸方向への変位を検出す
るＸ軸変位検出手段１６と、前記振動手段１４のＹ軸方
向への変位を検出するＹ軸変位検出手段１８と、前記振
動手段１２の所定回数の自由振動毎にＸ軸方向の振幅の
減衰率に応じて、前記加振手段による振動力の印加を行
う振動制御手段２０と、前記振動手段１２の自由振動時
のＹ軸方向への変位量より、角速度を演算する角速度演
算手段４０と、を備えたことを特徴とする振動ジャイ
ロ。 【効果】 振動子のＹ軸方向への振幅を累積的に増大さ
せ、極めて高感度な角速度検出を行うことが可能とな
る。

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、特に自由
振動によって振動する振動手段の振動方向と直交する方
向に働くコリオリの力より角速度を求める振動ジャイロ
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来ジャイロは船舶、航空機等の特殊な
用途に用いられているのみであったが、近年では自家用
自動車等のナビゲーションシステム、或いは軌道を要し
ない自走ロボット等にも使用されるようになっている。
これらのシステムは、ジャイロの出力を積分して方位を
決定し、且つ移動速度を積分して移動距離を求め、方位
及び移動距離に基づいて現在位置を把握するものであ
り、ジャイロの僅かな誤差も累積されてしまう。このた
め、これらの分野で用いられるジャイロには、極めて高
い角速度検出機能と共に、小型、低価格、高い耐久性等
のきびしい条件が要求されており、これらの要求に応え
るジャイロの開発が急務である。

【０００３】ジャイロとしては従来より各種の原理に基
づくものが開発されているが、角速度検出感度の高さ等
からいわゆる振動ジャイロ或いは音叉ジャイロが注目さ
れている（特公平２−５７２４７号公報等）。この振動
ジャイロは、振動している物体に回転角速度を加える
と、その振動と直角方向にコリオリの力が働く現象を応
用したものである。そして、一般には振動子に圧電素子
等を貼り合わせ、該駆動用圧電素子に周期的に電圧を印
加することにより振動子を一定方向に振動させると共
に、該振動子の振動方向と直交する方向への変位量を別
個の検出用圧電素子により検出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、振動ジャイ
ロ自体の理論的な角速度検出機構は極めて優れたもので
あるが、入力される角速度が微少な場合、例えば０．１
゜/ｓｅｃより小さい角速度が入力されると、検出用圧
電素子から検出される電圧が電源ノイズ以下となってし
まい、角速度検出が極めて困難となってしまうという課
題があった。本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされ
たものであり、その目的は極めて微少な角速度の検出も
可能な角速度検出感度、精度の高い振動ジャイロを提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明にかかる振動ジャイロは、振動手段と、加振手
段と、Ｘ軸変位検出手段と、Ｙ軸変位検出手段と、振動
制御手段と、角速度演算手段とを含む。そして、振動手
段はＸ軸方向に自由振動する。又、加振手段は、前記振
動手段にＸ軸方向の振動力を印加する。Ｘ軸変位検出手
段は、前記振動手段のＸ軸方向への変位を検出する。Ｙ
軸変位検出手段は、前記振動手段のＹ軸方向への変位を
検出する。振動制御手段は、前記振動手段の所定回数の
自由振動毎に、Ｘ軸方向の振幅の減衰率に応じて、前記
加振手段による振動力の印加を行う。角速度演算手段
は、振動手段の自由振動時のＹ軸方向への変位量より、
角速度を演算する。

【０００６】

【作用】本発明にかかる振動ジャイロは前述した手段を
有するので、Ｘ軸方向に自由振動している振動手段に、
加振手段により該振動手段の略共振周波数でＸ軸方向に
強制振動を加える。また、前記加振手段による加振は、
振動手段の自由振動が所定回数行なわれる毎に、前記Ｘ
軸変位検出手段により検出されるＸ軸方向の振幅の減衰
率に応じて行なわれるため、前記振動手段のＸ軸方向の
振幅は常に略一定に保たれている。この状態で角速度ω
が入力されると、角速度ωに対応したコリオリの力Ｆｃ
がＹ軸方向に発生し、前記振動手段はＹ軸方向にも振動
する。このため、入力角速度ωに対応したコリオリの力
Ｆｃにより発生するＹ軸方向の変位をＹ軸変位検出手段
で検出することで、角速度演算手段は入力角速度ωを出
力することが可能となる。

【０００７】ここで、コリオリの力によるＹ軸方向への
変位量は、自由振動期間中累積されるため、強制振動に
よる振動ジャイロに比べ極めて大きいＹ軸方向の振幅と
なり、微少な角速度を高精度で検出することができる。
このため、極めて正確かつ高感度な角速度検出を行なう
ことができる。

【０００８】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。図１には本発明の一実施例にかかる音片型圧
電振動ジャイロが示されており、同図（Ａ）は上方正面
図、（Ｂ）は側方正面図である。同図に示す音片型圧電
振動ジャイロ１０は、振動手段としての振動子１２と、
振動子１２を振動させる加振手段としての駆動用圧電素
子１４ａ，１４ｂと、振動子１２のＸ軸方向への振幅を
検出するＸ軸変位検出手段としてのＸ軸変位検出用圧電
素子１６ａ，１６ｂと、振動子１２のＹ軸方向への振幅
を検出するＹ軸変位検出手段としてのＹ軸変位検出用圧
電素子１８ａ，１８ｂとを備える。前記振動子１２は四
角柱に形成され、Ｘ方向及びＹ方向の共振周波数は略同
一である。そして、前記振動子１２のＸ軸方向と直交す
る四角柱の両側面には、前記駆動用圧電素子１４ａ，１
４ｂ及び前記Ｘ軸変位検出用圧電素子１６ａ，１６ｂが
夫々貼付されている。また、前記振動子１２のＹ軸方向
と直交する四角柱の両側面には、前記Ｙ軸変位検出用圧
電素子１８ａ，１８ｂが貼付されている。本実施例にか
かる音片型圧電振動ジャイロ１０は概略以上のように構
成され、次に角速度の検出機構を説明する。

【０００９】まず、図１に示すＸ軸方向に自由振動して
いる振動子１２に角速度ωが加わると、これに対応して
振動子１２にコリオリの力ＦｃがＹ軸方向に発生する。
前述したように振動子１２の共振周波数ｆはＸ軸方向、
Ｙ軸方向ともに同じであるから、振動子１２はＹ軸方向
にも振動する。そして、前記振動子１２のＹ軸方向への
振動によってＹ軸変位検出用圧電素子１８ａ，１８ｂが
伸縮し、電圧が発生する。また、前記電圧は、Ｙ軸変位
検出用圧電素子１８ａ，１８ｂの伸縮、即ち振動子１２
のＹ軸方向への振幅に比例する。従って、前記Ｙ軸変位
検出用圧電素子１８ａ，１８ｂの電圧を測定し、該電圧
から振動子１２のＹ軸方向の振幅を検出することによ
り、コリオリの力、すなわち角速度を検出することがで
きる。しかし、ここで振動子１２に何らの加振も行なわ
ずに自由振動を続ければ、振動に減衰を生じ、角速度測
定を行なうことができなくなる。

【００１０】一方、加振手段により常時加振を行なった
場合には、Ｙ軸方向への変位がＸ軸方向への振動力印加
により弱められ、入力角速度ωが微少の場合、例えば実
用化レベルで０．１゜/ｓｅｃより小さい角速度ωが入
力されても前記Ｙ軸変位検出用圧電素子１８ａ，１８ｂ
に発生する電圧が電源ノイズ以下となってしまい検出が
不可能となってしまう。そこで本実施例においては振動
子の自由振動に影響を与えずに、振動の減衰に応じた加
振を行なっているのである。まず、駆動用圧電素子１４
ａ，１４ｂに振動子１２の略共振周波数で１８０゜位相
差の異なる正弦波状電圧を振動子１２の１振動数毎に印
加し、該駆動用圧電素子１４ａ，１４ｂの伸縮による加
振を常時行なっている振動子１２に角速度ωが加わった
場合、Ｙ軸変位検出用圧電素子１８ａ，１８ｂに発生す
る電圧波形は、図２に示すように１８０゜位相差の異な
る正弦波状電圧となる。また、同図において実線は入力
された角速度ωが大きい例、点線は入力された角速度ω
が小さい例が示されており、振幅電圧の大きさは、入力
される角速度ωの大きさ、即ち振動子１２のＹ軸方向の
振幅に比例する。従って、前記入力角速度ωが小さいと
Ｙ軸方向の振幅も小さくなるため、当然振幅電圧も小さ
くなる。そして、図２に示す点線の電圧が電源ノイズ以
下となると検出するのが極めて困難となる。

【００１１】そこで、次に前記駆動用圧電素子１４ａ，
１４ｂによる加振を振動子１２の２振動数毎に行ない、
微少な角速度ωが加わった場合のＹ軸変位検出用圧電素
子１８ａ，１８ｂから出力される電圧波形を検出する。
この結果、前記電圧波形は、図３に示すように振幅電圧
ＶｅとＶｓを交互に出力する。前記振幅電圧Ｖｅは、駆
動用圧電素子１４ａ，１４ｂによる加振を行なった強制
振動時（図３に示す区間Ｅ・Ｖ）、振幅電圧Ｖｓは、加
振を行なわない自由振動時（区間Ｆ・Ｖ）の電圧のもの
である。同図から明らかなように振幅電圧Ｖｅに比べ振
幅電圧Ｖｓが増大していることが理解される。これは、
駆動用圧電素子１４ａ，１４ｂの加振が振動子１２の振
動２回に対して１回行なわれるのみであるため、振動２
回に対応するコリオリの力によるＹ軸方向の変位量が累
積され増大する。このため、加振が行なわれない自由振
動時において、振動子１２のＹ軸方向の振幅が累積され
大きくなり、それに比例しＹ軸変位検出用圧電素子１８
ａ，１８ｂから出力される振幅電圧Ｖｓも増大するので
ある。そして、前記振幅電圧ＶｅとＶｓの関係は、 Ｖｓ≒２Ｖｅ となるため、強制振動を継続して行なっている場合に比
べ２倍の感度で微少な角速度ωを検出することができ
る。

【００１２】さらに、駆動用圧電素子１４ａ，１４ｂに
よる振動子１２の３振動回数にわたる連続加振と、６振
動回数の自由振動を交互に繰返し行なうことも好適であ
る。この状態で、振動子１２に極めて微少な角速度ωが
加わった場合のＹ軸変位検出用圧電素子１８ａ，１８ｂ
に出力される電圧波形が図４に示されている。同図に示
す振幅電圧Ｖｅ’は、加振を行なった強制振動時（図４
に示す区間Ｅ・Ｖ）の３加振振動数目の電圧のものであ
り、振幅電圧Ｖｓ’は、自由振動時（区間Ｆ・Ｖ）の６
振動数目の電圧のものである。前述したように、自由振
動時においてはＸ軸方向への振動力印加によるＹ軸方向
への振動の減殺がされないため、Ｙ軸方向の振幅がコリ
オリの力に応じて累積的に増大し、それに比例しＹ軸変
位検出用圧電素子１８ａ，１８ｂから出力される振幅電
圧Ｖｓ’も累積的に増大していくのである。そして、前
記振幅電圧Ｖｅ’とＶｓ’の関係は、 Ｖｓ’≒７Ｖｅ’ となるため、強制振動を継続して行なっている場合に比
べ約７倍の感度で極めて微少な角速度ωを検出すること
ができる。なお、前記約７倍の感度での検出は前記自由
振動期間において自由振動の減衰がほとんど無視できる
程度の場合であるが、自由振動の減衰が無視できない場
合においても実験により減衰率を求め、該減衰率からの
減衰係数Ｋにより、 Ｖｓ’≒７ＫＶｅ’ となり、強制振動を継続して行なっている場合と比較す
れば感度の大幅な向上となる。

【００１３】以上説明したように、本実施例にかかる振
動制御手段によって、自由振動している振動子１２に印
加する前記加振手段による振動力を制御し、自由振動期
間の振動回数を調整することにより高感度な角速度ωの
検出が可能となる。そこで、本実施例にかかる振動制御
手段２０は、図５に示すようにフィードバック制御機構
を採用し、演算器２４、電圧調整器２６、基準電圧設定
値２８、０値検出器３０、カウンター３２、ゲート３４
より構成している。そして、前記図１に示す振動子１２
に貼付されたＸ軸変位検出用圧電素子１６ａ，１６ｂか
ら出力される電圧の０値を０値検出器３０により検出
し、カウンター３２により前記０値、即ち振動子１２の
Ｘ軸方向の振動回数をカウントする。さらに、前記カウ
ンター３２に所定のカウント値、即ち振動子１２の自由
振動期間の振動回数を予め入力しておき、前記所定のカ
ウント値になるとカウンター３２はゲート３４を開く。
一方、前記Ｘ軸変位検出用圧電素子１６ａ，１６ｂから
出力される電圧は演算器２４で基準電圧設定値２８と比
較され、この比較結果は電圧調整器２６に入力され、前
記基準電圧設定値と実測電圧値の差が大であるほど電圧
を大とするように設定しておく。そして、前記ゲート３
４が開かれた時に前記電圧が駆動用圧電素子１４ａ，１
４ｂに印加される。

【００１４】また、前記基準電圧設定値と実測電圧値が
大幅にずれている場合には、前記演算器２４の比較で基
準電圧設定値と実測電圧値が一致するまで前記駆動用圧
電素子１４ａ，１４ｂへの電圧印加が繰返し行われる。
そして、基準電圧設定値と実測電圧値が一致すると、カ
ウンター３２のカウント値をリセットし、ゲート３４を
閉じると共に再びカウントを開始する。なお、前記電圧
印加を繰返し行なう場合は、始めに印加する電圧を高く
し、順次電圧を下げていくように設定することで、可能
な限り短時間で基準電圧設定値と実測電圧値が一致する
ように行なうことが好適である。また、前述したように
角速度ωの検出感度を向上させるためには前記カウンタ
ー３２に入力する自由振動期間の振動回数であるカウン
ト値を自由振動の減衰を考慮したうえで、可能な限る多
くすることが好適である。一方、角速度演算手段は図６
に示すように構成される。すなわち、本実施例にかかる
角速度演算手段４０は、カウンター４２と乗算器４４を
含む。そして、Ｙ軸変位検出用圧電素子１８ａ，１８ｂ
からゲート４６を介して入力された電圧、即ちＹ方向振
幅はカウンター４２により数値化され、更に乗算器５４
で固定定数Ａが乗算される。角速度ωはＹ方向振幅に比
例するから、固定定数Ａを適当に調整することで乗算値
は角速度ωとなる。ここで、ゲート４６は前記カウンタ
ー３２からの指示により、Ｙ軸方向振幅の最も大きい時
点（自由振動の最終振動）で開かれる。

【００１５】以上説明したように、本実施例にかかる音
片型圧電ジャイロによれば、振動子の振動を自由振動に
よって行い、前記自由振動期間の振動回数を調節するこ
とで振動子のＹ軸方向の振幅を累積的に増大させるた
め、角速度ωを高感度で測定することができる。なお、
前記実施例においては四角柱の振動子を用いたが、図７
に示す振動子の形状が三角柱の音片型圧電振動ジャイ
ロ、図８に示す音叉型圧電振動ジャイロ、その他、振動
子の振動方向と直交する方向に働くコリオリの力を圧電
素子をもちいて検出することにより角速度を求める、い
わゆる圧電振動ジャイロ全体においても前述した自由振
動期間の振動回数を調節することで角速度ωを高感度で
測定することができる。なお、振動子はＸ軸回りの慣性
モーメントと、Ｙ軸回りの慣性モーメントが略同一であ
り、共振周波数ｆが実質的に等しいことが要求される。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる振動
ジャイロによれば、自由振動している振動子より角速度
検出を行なうので、振動子のＹ軸方向への振幅を累積的
に増大させ、極めて高感度な角速度検出を行うことが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる音片型圧電振動ジャ
イロの概略構成の説明図である。

【図２】強制振動を継続的に行なっている振動子に角速
度が加わった時のＹ軸変位検出用圧電素子から出力され
る電圧波形の説明図である。

【図３】，

【図４】強制振動と自由振動を交互に行なっている振動
子に角速度が加わった時のＹ軸変位検出用圧電素子から
出力される電圧波形の説明図である。

【図５】図１に示した振動ジャイロの振動制御手段の説
明図である。

【図６】図１に示した振動ジャイロの角速度演算手段の
説明図である。

【図７】，

【図８】圧電振動ジャイロの例の説明図である。

【符号の説明】

１２ 振動子 １４ 駆動用圧電素子 １６ Ｘ軸変位検出用圧電素子 １８ Ｙ軸変位検出用圧電素子 ２０ 振動制御手段 ４０ 角速度演算手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ軸方向に自由振動する振動手段と、 前記振動手段にＸ軸方向の振動力を印加する加振手段
   と、 前記振動手段のＸ軸方向への変位を検出するＸ軸変位検
   出手段と、 前記振動手段のＹ軸方向への変位を検出するＹ軸変位検
   出手段と、 前記振動手段の所定回数の自由振動毎にＸ軸方向の振幅
   の減衰率に応じて、前記加振手段による振動力の印加を
   行う振動制御手段と、 前記振動手段の自由振動時のＹ軸方向への変位量より、
   角速度を演算する角速度演算手段と、 を備えたことを特徴とする振動ジャイロ。