JPH0552569A - 振動ジヤイロの使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 それぞれの圧電素子の感度の、温度依存性の
相違等を取除いて検出精度を向上させる。 【構成】 四角形横断面形状を有する振動体１の、角部
を隔てて隣接する少なくとも二側面に圧電素子11, 12を
貼着してなる振動子５を、それの二つの対角線方向に交
互に駆動することにより、常に安定した高精度の検出結
果をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、角速度を検出するた
めに用いられる振動ジャイロの使用方法に関し、とく
に、それぞれの圧電素子の感度に与える温度依存性の相
違などを有効に取除いて検出精度を大きく向上させるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の振動ジャイロとしては、
たとえば図14に示すように、横断面形状が三角形をなす
振動体１のそれぞれの側面に圧電素子２，３，４を貼着
することによって振動子５を構成し、かかる振動子５
を、図示しない線条、たとえば高張力鋼細線その他の支
持手段に取付けたものがある。

【０００３】このような振動ジャイロでは、二個の圧電
素子２，３に駆動用交流電圧を印加するとともに、他の
圧電素子４の出力を駆動回路に帰還させることによっ
て、振動子５を矢印６の方向へ自励振動させ、そして、
このような自励振動を維持しつつ、振動子５をその軸線
の周りにたとえば角速度Ωで回転させた場合に、振動子
５の振動速度ｖに比例する大きさのコリオリの力Fc、す
なわち、 Fc ＝−２ｍｖ・Ω を、振動方向と直交する方向、図では矢印７方向に発生
させることとしている。

【０００４】ところで、このようにして発生するコリオ
リの力Fcにより、振動子５は矢印７の方向に屈曲振動す
ることで、二個のそれぞれの圧電素子２，３の出力電圧
に差が生じるようになるのである。

【０００５】図15および図16は、それぞれこのことを示
すグラフであり、図15は、一方の圧電素子２の、そし
て、図16は他方の圧電素子３のそれぞれの出力電圧を示
す。

【０００６】前記各圧電素子２，３は、振動子５が回転
していないときは、それぞれの図に実線８Ａおよび９Ａ
で示すように、その振動子５の自励振動に伴う電圧だけ
を出力する。一方、振動子５が図の矢印方向へ角速度Ω
で回転すると、それぞれの圧電素子２，３は、振動子５
の矢印７の方向への屈曲振動に伴う電圧を、それぞれの
実線８Ａ，９Ａで示す電圧に重畳して発生し、このとき
の出力電圧は、それぞれの破線８Ｂおよび９Ｂで示すよ
うに変化する。

【０００７】従って、破線８Ｂ，９Ｂで示す出力電圧の
差を同期検波および直流化することより、回転方向およ
び回転速度を電圧として検出することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来装置にあっては、圧電素子２，３の感度に及ぼす温
度依存性等に差異があると、振動子５が回転していない
状態であっても、圧電素子２，３の出力電圧に差が生じ
ることになり、あたかも振動子５が回転しているかの如
くの信号を出力することになる。

【０００９】図17, 18はその具体例を示すもので、環境
温度の変化に起因して、圧電素子２の出力が図17に示す
実線８Ａから一点鎖線８Ｃに、そして圧電素子３の出力
が図18に示す実線９Ａから一点鎖線９Ｃに、それぞれ変
化したとすると、同期検波および直流化の後の出力は、
たとえば図19に示すように、検出基準レベルが実線10Ａ
から一点鎖線10Ｃに変化することになる。

【００１０】これがため、この振動ジャイロを、たとえ
ば、自動車のナビゲーションシステムに利用するときに
は、走行方向の正確な検出が不可能となる。

【００１１】そこで、このような場合には、自動車の一
時的な停止時に、検出基準レベルのオフセットをリセッ
トするなどの対策を講じることが一般的であるが、長時
間の連続走行時には、かかる対策を講じることもできな
い。

【００１２】この発明の目的は、従来技術のかかる問題
点に着目してなされたものであり、圧電素子の感度に及
ぼす温度依存性の相違等を十分に取除くことのできる振
動ジャイロの使用方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明の使用方法に用
いる振動ジャイロは、四角形横断面形状を有する振動体
の、角部を隔てて隣接する少なくとも二側面に圧電素子
を貼着することによって振動子を構成するものであり、
このような振動ジャイロを使うこの発明の使用方法は、
四角形横断面形状を有する振動体の、角部を隔てて隣接
する少なくとも二側面に圧電素子を貼着してなる振動子
を、それの二つの対角線方向に交互に駆動するようにし
たことを特徴とする。

【００１４】

【作用】このような振動ジャイロの使用方法というの
は、たとえば、二個の圧電素子のそれぞれに、同極性の
駆動用交流電圧を印加することによって、振動子を一方
の対角線方向に自励振動させることができ、両圧電素子
のいずれか一方に位相を反転した駆動用交流電圧を印加
することにより、振動子を他方の対角線方向に振動させ
ることができる。

【００１５】従って、このことを一定時間毎に繰返すこ
とにより、振動子は、それぞれの対角線方向に交互に駆
動されることになる。

【００１６】そして、振動子のこのような振動状態の下
においては、駆動用交流電圧の位相を反転した側の圧電
素子の、コリオリの力に対する検出感度の極性が逆転す
ることになるので、一方の対角線方向への振動時の検出
出力と、他方の対角線方向への振動時の検出出力とを平
均することにより、両圧電素子の感度の温度依存性の相
違等を有効に相殺して、オフセット量の少ない高精度の
検出結果をもたらすことができる。

【００１７】

【実施例】以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は振動子を例示する端面図であり、この振
動子は、たとえば線条などによって、適当な支持手段に
組付けることにより振動ジャイロを構成する。

【００１８】ここでは、横断面形状が四角形をなす振動
体１の、一の角部を挟んで隣接する二側面にそれぞれの
圧電素子11, 12を貼着することによって振動子５を構成
した例である。

【００１９】この振動子５は、それぞれの圧電素子11,
12に駆動用交流電圧を印加することによって、矢印13で
示す一の対角線方向、もしくは矢印14で示す他の対角線
方向に屈曲振動する。

【００２０】ここで、振動子５への自励振動の付与およ
びコリオリの力の検出は、たとえば、それぞれの圧電素
子11, 12に、インピーダンス素子を介して駆動用交流電
圧を印加するとともに、それぞれの圧電素子11, 12とそ
れぞれのインピーダンス素子との接続点の出力電圧を、
駆動回路への帰還信号および、コリオリの力の検出信号
として利用することによって行うことができる（特願平
３−162330号参照) 。

【００２１】図２は、他の振動子を例示する図であり、
これは、振動体１の四側面の全てに圧電素子11, 11a, 1
2, 12aを貼着した例である。

【００２２】この例の振動子５は、それぞれの圧電素子
11, 11a, 12, 12aに、それぞれのインピーダンス素子を
介して駆動用交流電圧を印加することにより、または、
二個の圧電素子11, 11a には共通のインピーダンス素子
を介して、そして他の二個の圧電素子12, 12a にはそれ
らに共通のインピーダンス素子を介してそれぞれの駆動
用交流電圧を印加することにより、前述した実施例と同
様の自動振動およびコリオリの力の検出を可能ならしめ
るものであり、基本的には図１に示すものと同様であ
る。

【００２３】ただし、この例によれば、たとえば圧電素
子11a, 12aを、駆動回路への帰還信号だけを出力するも
のとすることもできる。

【００２４】そこで、以下には図１に示すところに基づ
いて駆動および検出の態様をより詳細に説明する。

【００２５】それぞれの圧電素子11, 12を振動体１に貼
着するに際し、それらの分極の同極性面が貼着面となる
ように貼着した場合には、各圧電素子11, 12に同極性の
駆動用交流電圧を印加すると、振動子５は矢印13の方向
に振動するに対し、圧電素子11, 12のいずれか一方に位
相を反転した駆動用交流電圧を印加すると矢印14の方向
に振動することになる。

【００２６】また、分極の逆極性面が貼着面となるよう
に圧電素子11, 12を振動体１に貼着した場合には、それ
らの圧電素子11, 12に同極性の駆動用交流電流を印加す
ると、振動子５は矢印14の方向に振動し、圧電素子11,
12のいずれか一方に、位相の反転した駆動用交流電圧を
印加すると矢印13の方向に振動する。

【００２７】すなわち、圧電素子11, 12の貼着面の分極
極性がいずれの場合であっても、駆動用交流電圧の位相
を、いずれか一方の圧電素子に対して一定時間毎に反転
させることによって、振動子５は、矢印13の方向および
矢印14の方向へそれぞれ交互に振動する。

【００２８】このように、振動子５が矢印13方向および
矢印14方向へ交互に振動している状態の下で、振動子５
をその軸線の周りで、矢印方向に角速度Ωで回転させる
と、振動子５が矢印13方向に振動している時間内であっ
て、その振動子５が矢印15の方向へ速度ｖで移動してい
る瞬間には、コリオリの力Fcは矢印16の方向に発生す
る。

【００２９】これに対し、振動子５が矢印14方向に振動
している時間内であって、振動子５が矢印17の方向へ速
度ｖで移動している瞬間には、コリオリの力Fcは矢印18
の方向に発生する。

【００３０】図３〜図６はこの様子を示すグラフであ
り、ここでは、圧電素子11, 12の、振動体１への貼着面
を同極性とし、一方の圧電素子12に印加する駆動用交流
電圧の位相を適当な時間間隔で反転させている。

【００３１】図３および図４は、両圧電素子11, 12に、
同位相の駆動用交流電圧を印加している時の出力電圧で
あり、図３は圧電素子12の、また図４は圧電素子11のそ
れぞれの出力電圧を示す。

【００３２】そして図５および図６は、圧電素子12に加
える駆動用交流電圧の位相を反転した時間内での出力電
圧であり、図５は圧電素子12の、図６は圧電素子11の出
力電圧をそれぞれ示す。

【００３３】両圧電素子11, 12に同位相の駆動用交流電
圧を印加した場合であって、振動子５が回転していない
時には、その振動子５の矢印13方向への自励振動に伴う
電圧が、それぞれの圧電素子12および11から、実線19Ａ
および20Ａで示すように出力される。ここで、振動子５
が図の矢印方向に角速度Ωで回転すると、振動子５の、
矢印14方向への振動に伴う電圧が、実線19Ａ, 20Ａで示
す電圧に重畳されて発生して、圧電素子12, 11からの出
力電圧は、図に破線19Ｂおよび20Ｂで示すように変化す
る。

【００３４】これに対し、位相を反転した駆動用交流電
圧を印加した場合であって、振動子５が回転していない
時には、振動子５の、矢印14方向への自励振動に伴う電
圧が、それぞれの圧電素子12および11から、図５および
図６に実線21Ａおよび22Ａで示すように出力され、振動
子５が回転している時は、それぞれの圧電素子11, 12か
らの出力電圧は、図に破線21Ｂおよび22Ｂで示すように
変化する。

【００３５】従って、両圧電素子11, 12に同位相の駆動
用交流電圧を印加している時間内では、それらの圧電素
子11, 12の出力電圧を差動することにより、また、それ
らの圧電素子11, 12に反転位相の駆動用交流電圧を印加
している時間内では、それぞれの出力電圧を和動するこ
とにより、ともに、回転方向および回転速度を電圧とし
て検出することができる。

【００３６】ところで、このような振動子５において、
両圧電相11, 12の感度の温度依存性等が微妙に相違して
いる場合の、周囲温度の変化に伴う感度の変化を、図７
〜図10に基づいて以下に説明する。

【００３７】図７および図８はそれぞれ、圧電素子12お
よび11に同位相の駆動用交流電圧を印加している時間内
での出力電圧を示し、図７は圧電素子12の、そして図８
は圧電素子11のそれぞれの出力電圧である。

【００３８】このような同位相印加電圧の下で、周囲温
度の変化に起因して、たとえば、圧電素子12の出力電圧
が、実線19Ａから一点鎖線19Ｃに変化し、また、圧電素
子11の出力電圧が、実線20Ａから一点鎖線20Ｃに変化す
ると、圧電素子12では感度が増加する一方、圧電素子11
では感度が低下する。

【００３９】また、図９及び図10はそれぞれ、圧電素子
12および11に反転位相の駆動用交流電圧を印加している
時の出力電圧を示し、図９は圧電素子12の、図10は圧電
素子11のそれぞれの出力電圧である。そしてこのときに
は、周囲温度の変化によって圧電素子12の出力は、実線
21Ａから一点鎖線21Ｃに、そして、圧電素子11の出力
は、実線22Ａから一点鎖線22Ｃにそれぞれ変化して、こ
こでもまた、圧電素子12では感度の増加が、圧電素子11
では感度の低下がそれぞれもたらされる。

【００４０】従って、周囲温度が変化した環境の下で振
動子５を回転させた場合において、両圧電素子11, 12に
同位相の駆動用交流電圧が印加されているときは、それ
らの圧電素子11, 12の出力電圧を差動し、そして、同期
検波、直流化することで、図11に示すように、正側にオ
フセットしたレベル23を基準として、回転方向および回
転速度に応じた電圧24が出力される。一方、圧電素子1
1, 12に反転位相の駆動用交流電圧が印加されていると
きは、圧電素子11, 12の出力電圧を和動し、同期検波、
直流化することで、図12に示すように、負側にオフセッ
トしたレベル25を基準として、回転方向および回転速度
に応じた電圧26が出力される。

【００４１】これがため、交互に得られる出力電圧24,
26を平均化することができ、図13に示すように、オフセ
ット量が極めて少ないレベル27を基準する。いいかえれ
ば、周囲温度の変化の影響が極めて小さい検出値28が得
られる。

【００４２】なお上述したところでは、直流化した出力
を平均化することとしているが、同期検波出力を平均化
した後に直流化しても同様の結果をもたらし得ることは
もちろんである。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
それぞれの圧電素子の感度の、温度依存性の相違等を有
効に取り除いて、基準レベルのオフセットを十分小なら
しめることができ、常に安定した高精度の検出結果をも
たらすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明に係る振動子を例示する端面図である。

【図２】他の振動子を例示する端面図である。

【図３】一の圧電素子の出力電圧を示すグラフである。

【図４】他の圧電素子の出力電圧を示すグラフである。

【図５】位相反転時の一の圧電素子の出力電圧を示すグ
ラフである。

【図６】位相反転時の他の圧電素子の出力電圧を示すグ
ラフである。

【図７】周囲温度の変化に伴う一の圧電素子の出力電圧
の変化を示すグラフである。

【図８】周囲温度の変化に伴う他の圧電素子の出力電圧
の変化を示すグラフである。

【図９】位相反転時における図７と同様のグラフであ
る。

【図１０】位相反転時における図８と同様のグラフであ
る。

【図１１】同位相時の基準レベルのオフセットおよび出
力電圧を示す図である。

【図１２】反転位相時の基準レベルのオフセットおよび
出力電圧を示す図である。

【図１３】基準レベルおよび出力電圧の平均化を示す図
である。

【図１４】従来例を示す端面図である。

【図１５】一の圧電素子の出力電圧を示すグラフであ
る。

【図１６】他の圧電素子の出力電圧を示すグラフであ
る。

【図１７】周囲温度の変化に伴う一の圧電素子の出力電
圧の変化を示すグラフである。

【図１８】周囲温度の変化に伴う圧電素子の出力電圧の
変化を示すグラフである。

【図１９】基準レベルのオフセットを示す図である。

【符号の説明】

１ 振動体 ５ 振動子 11, 11a, 12, 12a 圧電素子 13, 14 振動方向

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横断面形状が四角形をなす振動体の、角
   部を隔てて隣接する少なくとも二側面に圧電素子を貼着
   してなる振動子を、それの二つの対角線方向に交互に駆
   動することを特徴とする振動ジャイロの使用方法。