JPH0695099B2

JPH0695099B2 - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH0695099B2
Application number: JP4480689A
Authority: JP
Inventors: 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: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPH02223817A

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。

また、実開昭63−67921号には、この発明の背景となる
従来の角速度センサの一例が開示されている。この角速
度センサは、４つの側面と１つまたは２つのカット面と
を有する柱状の振動子を含み、この振動子の４つの側面
には、それらの両側の稜線部近傍に、圧電素子がそれぞ
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１では、この回転
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。

また、実開昭63−67921号に開示されている角速度セン
サでは、振動子の４つの側面に２つずつの圧電素子が形
成されるので、第７図に示す従来の振動ジャイロ以上に
構造が複雑となり、コストもさらに高くなってしまう。

さらに、実開昭63−67921号に開示されている角速度セ
ンサでは、振動子の１つの側面の両側の稜線部近傍に駆
動用の圧電素子と検出用の圧電素子との２つの圧電素子
が形成されるので、それらの圧電素子の大きさが小さく
なる。その結果、圧電素子による駆動効率および検出効
率が悪くなり、大きな出力が得られず、回転角速度を正
確に知ることが困難である。

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と、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とを含
み、それらの圧電素子のうちいずれかのものが振動体を
屈曲振動させるための駆動用に用いられ、それらの圧電
素子のうち他のものが振動体の屈曲振動の方向を検出す
るための検出用に用いられ、さらに検出用の圧電素子
は、振動体の回転時における屈曲振動の方向にほぼ直交
する振動体の側面に形成される、振動ジャイロである。

（作用）駆動用の圧電素子に駆動信号を印加すれば、振動体が屈
曲振動する。

そして、振動ジャイロがその軸を中心として回転する
と、コリオリ力によってその屈曲振動の方向が変化する
が、回転時の屈曲振動の方向にほぼ直交する振動体の側
面には、検出用の圧電素子が存在する。さらに、検出用
の圧電素子は、振動体において、駆動用の圧電素子が形
成される側面とは異なった側面に形成される。そのた
め、検出用の圧電素子からの出力が大きい。

（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、振動体の一つの側面に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、コストも高くならない。

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10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，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16a
の両主面にはそれぞれ電極18aおよび20aが形成される。
なお、これらの電極18a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、たの圧電素子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、電極18
b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14a〜14cの一方の電極18
a〜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、たとえば熔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10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
出力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10を自励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RCフィルタ40お
よび42は、それぞれ、たとえば45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20a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1
4c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52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20a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からの正弦波出力の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68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72bに接続される。この可
変抵抗器72は、可変端子72c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10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14c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32cから出力さ
れる。この場合、圧電素子14bおよび14c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−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14c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、その可変低抗器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32cからの出力を、
駆動側を基準にして−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10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10
を効率よく自励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14
c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6
8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の出力の順方向に半
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10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10の振動方向と直交する方向
にコリオリ力が働く。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10を効率よく自励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1
4c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10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10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
10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、この振動シャイロ10を自励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1
4c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12の３つの
側面には、圧電素子14a〜14cの圧電層16a〜16c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〜16c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18a〜18c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20a〜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、14a〜14c
は圧電素子を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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前記振動体を屈曲
振動させるための駆動用に用いられ、前記圧電素子のうち他のものが前記振動体の屈曲振動の
方向を検出するための検出用に用いられ、さらに前記検出用の圧電素子は、前記振動体の回転時における
屈曲振動の方向にほぼ直交する前記振動体の側面に形成
される、振動ジャイロ。
【請求項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。