JPH0760094B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【従来の技術】図６は、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６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、圧電
駆動素子３ａおよび３ｂがそれぞれ形成され、他方の対
向側面に、圧電検出素子４ａおよび４ｂがそれぞれ形成
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図６に示す
振動ジャイロ１では、その回転時に、圧電検出素子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。

【０００４】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る振動ジャイロを提供
することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、屈曲振動さ
せるための柱状の振動体、および振動体の側面に配置さ
れ、振動体を屈曲振動させるための少なくとも１つの圧
電駆動素子と振動体の屈曲振動の方向を検出するための
少なくとも２つの圧電検出素子を含み、圧電検出素子
は、振動体の中心軸と振動体の無回転時における振動方
向の両方を含む面の両側に対称となるように形成され、
かつ、振動体の回転時に生じるコリオリ力の方向に平行
でなくかつ直交しないように配置されたことを特徴とす
る、振動ジャイロである。

【０００６】

【作用】圧電駆動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、コリオリ力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位置、す
なわち、回転時に生じるコリオリ力の方向に平行でなく
かつ直交しない位置に圧電検出素子が存在しており、こ
の圧電検出素子からの出力は大きい。

【０００７】

【発明の効果】この発明によれば、圧電検出素子からの
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。

【０００８】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
明から一層明らかとなろう。

【０００９】

【実施例】図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、それぞれ、
この発明の一実施例を示し、図１（Ａ）はその斜視図で
あり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の線ＩＢ−ＩＢにおける
断面図である。

【００１０】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。

【００１１】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、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１
６ｃを含み、それらの圧電層１６ｂと１６ｃとの両主面
にも、電極１８ｂ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１８ａ〜１８ｃは、たと
えば導電接着剤で振動体１２に接着される。

【００１２】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。

【００１３】この振動ジャイロ１０では、圧電素子１４
ａ〜１４ｃのうち任意のものを圧電駆動素子として用い
れば、他の２つの圧電素子を圧電検出素子として用いる
ことができる。この実施例では、たとえば、圧電素子１
４ａが圧電駆動素子として用いられ、他の圧電素子１４
ｂおよび１４ｃが圧電検出素子として用いられる。そし
て、圧電駆動素子としての圧電素子１４ａに駆動信号を
印加すれば、振動体１２が振動し、圧電検出素子として
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。

【００１４】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。

【００１５】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２
０ｂ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。

【００１６】さらに、この可変抵抗器３２の可動端子３
２ｃ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。

【００１７】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９
０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。

【００１８】さらに、振動ジャイロ１０の圧電素子１４
ｂ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。

【００１９】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２０
ｂ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。

【００２０】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。

【００２１】さらに、理想ダイオード回路５２および６
０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７２
ａおよび７２ｂに接続される。この可変抵抗器７２は、
可動端子７２ｃを有する。

【００２２】次に、図２，図３（Ａ）および図３（Ｂ）
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、図
２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、図３（Ａ）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１４
ｂ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、図３（Ｂ）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、図３（Ａ）および図３
（Ｂ）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。

【００２３】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，１４ｃ
は、振動体１２の中心軸と振動体１２の振動方向の両方
を含む面の両側に対称となるように配置される。したが
って、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、特に図３（Ａ）に示すように、同様な正弦波が出力
される。

【００２４】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１
４ｂ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１４
ｂ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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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５
２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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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１４
ｂ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。

【００３６】この場合、特に図３（Ｂ）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。

【００３７】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。

【００３８】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からは図３（Ｂ）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。

【００３９】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１４
ｂの出力を順方向に半波整流して平滑しかつ圧電素子１
４ｃ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。

【００４０】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。

【００４１】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、それらの関係を図４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。

【００４２】なお、上述の実施例では、振動ジャイロ１
０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。

【００４３】また、上述の実施例では、振動ジャイロ１
０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。

【００４４】図５は図１（Ａ）および図１（Ｂ）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、図１（Ａ）お
よび図１（Ｂ）に示す実施例における電極１８ａ〜１８
ｃ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。

【００４５】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。

【００４６】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、図１（Ａ）およ
び図１（Ｂ）に示す実施例と同様に用いられる。

【００４７】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、圧電検出素子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。

【図面の簡単な説明】

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

【図２】図２は図１（Ａ）および図１（Ｂ）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。

【図３】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、図２の回路
の各部における出力を示すグラフであり、（Ａ）は振動
ジャイロの無回転時の出力を示し、（Ｂ）はその回転時
の出力を示す。

【図４】図４は図２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。

【図５】図５は図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す実施
例の変形例を示す断面図である。

【図６】図６は、この発明の背景となる従来の振動ジャ
イロの一例を示す図解図である。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １２ 振動体 １４ａ 圧電駆動素子としての圧電素子 １４ｂ 圧電検出素子としての圧電素子 １４ｃ 圧電検出素子としての圧電素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈曲振動させるための柱状の振動体、お
   よび前記振動体の側面に配置され、前記振動体を屈曲振
   動させるための少なくとも１つの圧電駆動素子と前記振
   動体の屈曲振動の方向を検出するための少なくとも２つ
   の圧電検出素子を含み、前記圧電検出素子は、前記振動
   体の中心軸と前記振動体の無回転時における振動方向の
   両方を含む面の両側に対称となるように配置され、か
   つ、前記振動体の回転時に生じるコリオリ力の方向に平
   行でなくかつ直交しないように配置されたことを特徴と
   する、振動ジャイロ。