JPH09166446A

JPH09166446A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH09166446A
Application number: JP7347885A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 村武中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単で、簡単に製造でき、検出部の構
造を簡略化することができ、回転角速度の検出感度が高
い振動ジャイロを得る。【解決手段】振動ジャイロ１０は、基部１２と、それ
に直交する振動体１４，１６を含む。振動体１４，１６
は平行となるように形成し、その上に駆動用圧電素子１
８，２０を形成する。基部１２上に、検出用圧電素子３
４を形成する。検出用圧電素子３４は、２つに分割され
た電極４０ａ，４０ｂを有する。駆動用圧電素子１８，
２０に駆動信号を与えることにより、互いに逆位相とな
るように振動体１４，１６を屈曲振動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロに関
し、特にたとえば、カーナビゲーションシステムなどに
おいて回転角速度を検出するために用いられる振動ジャ
イロに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロとしては、たとえば
図１５に示すようなワトソン型振動ジャイロがある。こ
の振動ジャイロ１はＵ字状の振動体２を含み、振動体２
の対向する面に駆動用圧電素子３が形成される。振動体
２の２つの先端部には、振動体２の面と直交するように
して、板状の検出片４が形成される。検出片４の主面上
には、検出用圧電素子５が形成される。この振動ジャイ
ロ１では、駆動用圧電素子３に駆動信号が与えられ、振
動体２がその主面に直交する方向に屈曲振動する。この
とき、検出片４は、その主面に平行な方向に振動するた
め、検出用圧電素子５は屈曲しない。したがって、この
ときには、検出用圧電素子５から信号が出力されない。
この状態で、ω₀で示すように、振動ジャイロ１の軸を
中心として回転すると、振動体２の屈曲振動と直交する
方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、検
出片４は屈曲し、検出用圧電素子５も屈曲する。したが
って、検出用圧電素子５からの出力信号を測定すれば、
加わった回転角速度を検出することができる。

【０００３】また、図１６に示すように、スペリー型振
動ジャイロもある。この振動ジャイロ６では、Ｕ字状の
振動体２が、支持部材７を介して、矩形板状の検出片８
の一端の中央部に取り付けられている。振動体２の対向
する面には、駆動用圧電素子３が形成される。また、検
出片８の両面には、それぞれ検出用圧電素子９が形成さ
れる。これらの検出用圧電素子９は、支持部材７を挟ん
で両側に配置される。この振動ジャイロ６では、駆動用
圧電素子３に駆動信号が与えられ、振動体２がその主面
に直交する方向に屈曲振動する。このとき、２つの振動
体２は互いに逆相となるように屈曲振動し、そのため検
出片８は変位しない。そのため、検出用圧電素子９から
信号が出力されない。この状態で、ω₀で示すように、
振動ジャイロ６の軸を中心として回転すると、振動体２
の屈曲振動と直交する方向にコリオリ力が働く。このコ
リオリ力によって、検出片８には、支持部材７を中心と
して回転するような力が働く。そのため、検出片８は、
支持部材７を中心としてＳ字状に屈曲し、検出用圧電素
子９も屈曲する。この屈曲によって、検出用圧電素子９
から信号が出力される。したがって、検出用圧電素子９
の出力信号を測定することによって、加わった回転角速
度を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ワトソ
ン型振動ジャイロは、構造が複雑であり、製造時に高い
加工精度が必要となる。また、検出片が振動体の先端部
に形成されているため、検出片の振幅が大きく、検出用
圧電素子に接続したリード線の処理が面倒である。ま
た、駆動系と検出系との関係が非共振型であり、回転角
速度の検出感度が低い。

【０００５】また、スペリー型振動ジャイロは、構造が
複雑であり、製造時に高い加工精度が必要となる。ま
た、駆動系と検出系との関係が非共振型であり、回転角
速度の検出感度が低い。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、構
造が簡単で、容易に製造でき、検出部の構造を簡略化す
ることができ、回転角速度の検出感度が高い振動ジャイ
ロを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、板状の基部
と、基部と角度をもって基部の一縁から同一方向に延び
るように形成される２つの板状の振動体と、２つの振動
体を互いに逆相となるように屈曲振動させるために振動
体上に形成される駆動用圧電素子と、回転角速度に対応
した信号を得るために基部の中央部を境として対称に形
成される検出用圧電素子とを含む、振動ジャイロであ
る。この振動ジャイロにおいて、２つの振動体の先端部
に重りを形成することができる。さらに、２つの振動体
の両側において、基部の両端部に重りを形成してもよ
い。また、２つの振動体の間において、基部の対向端部
に切欠き部を形成してもよい。さらに、２つの振動体の
間において、基部を支持するために基部の対向端部また
はいずれか一方の端部に支持部を形成してもよい。ま
た、検出用圧電素子には基部の中央部で分割された２つ
の出力部を形成することができ、この場合、２つの出力
部の出力信号の和または差を帰還信号とする発振回路が
構成され、かつ２つの出力部の出力信号の差または和が
検出信号として取り出される。

【０００８】無回転時においては、２つの振動体が逆相
となるように屈曲振動することによって、基部の中央部
を境として捩じれが生じる。この捩じれにより、検出用
圧電素子には電荷が発生するが、捩じれの中央部の両側
で検出用圧電素子の屈曲状態は逆となるため、逆極性の
電荷が発生する。これらの電荷が相殺され、全体として
の検出用圧電素子からは、信号が出力されない。振動ジ
ャイロに回転角速度が加わると、振動体の屈曲振動に直
交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によっ
て基部は屈曲し、検出用圧電素子も屈曲する。そのた
め、検出用圧電素子からは、回転角速度に対応した信号
が出力される。

【０００９】振動体の先端に重りを形成すれば、回転角
速度が加わったときに、コリオリ力による基部の屈曲を
大きくすることができる。そのため、回転時における検
出用圧電素子の出力信号を大きくすることができる。ま
た、基部の両端部に重りを形成したり、基部の中央部に
切欠き部を形成することにより、駆動系と検出系の共振
特性を合わせることができる。さらに、基部の中央部を
支持するための支持部を形成することにより、基部を強
固に支持することができる。

【００１０】

【発明の効果】この発明によれば、検出用圧電素子から
回転角速度に対応した信号を得ることができるため、こ
の信号を測定することにより、回転角速度を検出するこ
とができる。また、たとえば板材を所定の形状に打ち抜
き加工し、それを折り曲げることによって、基部と振動
体を形成することができ、振動ジャイロを簡単に製造す
ることができる。さらに、振動体の先端部に重りを形成
したり、駆動系と検出系の共振特性を合わせることによ
り、回転角速度に対応した大きい信号を得ることがで
き、検出感度を良好にすることができる。また、振動体
が屈曲振動しても基部の振幅が小さいため、検出用圧電
素子に接続されたリード線の処理が容易である。さら
に、基部に支持部を形成することにより、基部を強固に
支持することができ、耐衝撃性に優れた振動ジャイロを
得ることができる。

【００１１】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発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の振動ジャイロの
一例を示す斜視図であり、図２は図１の線ＩＩ−ＩＩに
おける断面図であり、図３は図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに
おける断面図である。振動ジャイロ１０は、矩形板状の
基部１２を含む。基部１２の幅方向の一端には、２つの
振動体１４，１６が、互いに平行して延びるように形成
される。基部１２と２つの振動体１４，１６とは、互い
に直交するように形成される。これらの基部１２および
振動体１４，１６は、一体的に形成される。そして、振
動ジャイロ１０を使用するときには、基部１２の長手方
向の中央部が支持される。つまり、振動体１４，１６の
間において、基部１２の幅方向の端部が支持される。

【００１３】振動体１４，１６の一方面上には、それぞ
れ駆動用圧電素子１８，２０が形成される。駆動用圧電
素子１８は、たとえば圧電セラミックなどで形成される
圧電層２２を含む。この圧電層２２の両面には、電極２
４，２６が形成される。そして、一方の電極２６が、振
動体１４に接着される。同様に、駆動用圧電素子２０は
圧電層２８を含み、その両面に電極３０，３２が形成さ
れる。そして、一方の電極３２が、振動体１６に接着さ
れる。２つの駆動用圧電素子１８，２０において、圧電
層２２，２８は、互いに逆方向に分極処理される。たと
えば、圧電層２２が外側から振動体１４側に向かって分
極されているならば、圧電層２８は振動体１６側から外
側に向かって分極される。

【００１４】さらに、基部１２の一方面上には、検出用
圧電素子３４が形成される。検出用圧電素子３４は、圧
電層３６を含む。圧電層３６の一方面上の全面には、電
極３８が形成される。また、圧電層３６の他方面上に
は、その中央部で分割された電極４０ａ，４０ｂが形成
される。そして、圧電層３６の一方面上の電極３８が、
基部１２に接着される。

【００１５】この振動ジャイロ１０を使用するために、
図４に示すように、検出用圧電素子３４と駆動用圧電素
子１８，２０との間に発振回路４２が接続される。発振
回路４２は、たとえば差動増幅回路４４と位相補正回路
４６とを含む。差動増幅回路４４の入力端には、検出用
圧電素子３４の電極４０ａ，４０ｂが接続される。差動
増幅回路４４の出力信号は位相補正回路４６で位相補正
され、駆動信号として駆動用圧電素子１８，２０に与え
られる。

【００１６】検出用圧電素子３４の２つの電極４０ａ，
４０ｂ間には、可変抵抗器４８が接続される。この可変
抵抗器４８によって、２つの電極４０ａ，４０ｂから出
力される信号が合成され、交流増幅回路５０に入力され
る。交流増幅回路５０の出力信号は、同期検波回路５２
によって、位相補正回路４６の出力信号に同期して検波
される。同期検波回路５２の出力信号は平滑回路５４で
平滑され、さらに直流増幅回路５６で増幅される。

【００１７】この振動ジャイロ１０では、駆動用圧電素
子１８，２０が逆方向に分極しているため、同じ駆動信
号が与えられることによって、駆動用圧電素子１８，２
０は互いに逆位相の変位をする。そのため、振動体１
４，１６は、互いに逆位相の屈曲振動を行う。たとえ
ば、振動体１４が上方向に屈曲したとき、振動体１６は
下方向に屈曲する。逆に、振動体１４が下方向に屈曲し
たとき、振動体１６は上方向に屈曲する。このような屈
曲が連続して、振動体１４，１６は、逆位相の屈曲振動
を行う。

【００１８】このとき、図５に示すように、基部１２は
振動体１４側と振動体１６側で逆向きに変位し、基部１
２に捩じれが生じる。そのため、検出用圧電素子３４に
も捩じれが生じる。このとき、検出用圧電素子３４は、
電極４０ａ側と電極４０ｂ側とで逆の捩じれ状態となる
ため、これらの電極４０ａ，４０ｂからは逆極性の信号
が出力される。そのため、電極４０ａ，４０ｂの出力信
号の差をとれば大きい信号が得られ、電極４０ａ，４０
ｂの出力信号の和をとればその出力信号は０となる。つ
まり、発振回路４２の差動増幅回路４４からは信号が出
力されるが、可変抵抗器４８から交流増幅回路５０に与
えられる信号は０である。差動増幅回路４４の出力信号
が位相補正回路４６で位相補正され、駆動用圧電素子１
８，２０に与えられることによって、振動ジャイロ１０
は自励振駆動され、振動体１４，１６の屈曲振動が連続
する。

【００１９】振動ジャイロ１０に回転角速度が加わって
いないとき、交流増幅回路５０に入力される信号は０で
あるため、直流増幅回路５６の出力信号も０である。し
たがって、回転角速度が加わっていないことがわかる。
図１にω₀で示すように、振動体１４，１６の軸を中心
として回転すると、振動体１４，１６の振動方向に直交
する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によっ
て、振動体１４，１６は、互いに開閉するように変位す
る。たとえば、図６に示すように、振動体１４，１６が
開いたとき、それに対応して基部１２は湾曲する。それ
に応じて、検出用圧電素子３４も湾曲し、電極４０ａ，
４０ｂからその湾曲に対応した信号が出力される。この
とき、検出用圧電素子３４は、電極４０ａ側と電極４０
ｂ側とで同じ向きに湾曲するため、電極４０ａ，４０ｂ
から同極性の信号が出力される。そのため、電極４０
ａ，４０ｂの出力信号の差は０となり、電極４０ａ，４
０ｂの出力信号の和は大きい信号となる。したがって、
回転角速度による検出用圧電素子３４の出力信号は、振
動体１４，１６の屈曲振動には影響しない。

【００２０】検出用圧電素子３４の出力信号は、交流増
幅回路５０で増幅され、同期検波回路５２で検波され
る。このとき、位相補正回路４６の出力信号に同期して
検波されることにより、交流増幅回路５０の出力信号
は、その正部分のみまたは負部分のみ、または正負いず
れかを反転した両波が検波される。同期検波回路５２の
出力信号は平滑回路５４で平滑され、さらに直流増幅回
路５６で増幅される。

【００２１】基部１２の湾曲量はコリオリ力に対応して
いるため、検出用圧電素子３４から出力される信号は、
振動ジャイロ１０に加わった回転角速度に対応してい
る。したがって、直流増幅回路５６の出力信号も回転角
速度に対応しており、これを測定することによって、振
動ジャイロ１０に加わった回転角速度を検出することが
できる。なお、回転角速度の方向が逆になれば、検出用
圧電素子３４の出力信号は逆位相となるため、同期検波
回路５２で検波される信号の極性が逆になる。したがっ
て、直流増幅回路５６の出力信号の極性によって、回転
角速度の向きを検出することができる。

【００２２】この振動ジャイロ１０では、たとえば金属
板を所定の形状に打ち抜き、振動体１４，１６部分を折
り曲げることによって、基部１２および振動体１４，１
６を作製することができる。したがって、従来のワトソ
ン型やスペリー型の振動ジャィロに比べて、簡単に製造
することができ、小型で低コストの振動ジャイロを得る
ことができる。また、振動体１４，１６が屈曲振動して
も、基部１２に大きい振幅がないため、駆動用および検
出用圧電素子に接続されたリード線の処理が容易であ
る。しかも、コリオリ力による変位を基部１２で効率よ
く検出することができ、高感度の振動ジャイロを得るこ
とができる。

【００２３】なお、検出用圧電素子３４の電極４０ａ，
４０ｂからの出力信号を合成するためには、バッファ回
路を介してもよい。また、可変抵抗器の代わりに、図７
に示すように、２つの抵抗６０ａ，６０ｂを介して出力
信号を合成してもよい。また、図８に示すように、可変
抵抗器６２を介して、駆動用圧電素子１８，２０に駆動
信号を与えてもよい。このような振動ジャイロ１０で
は、可変抵抗器６２を調整することによって振動体１
４，１６の屈曲振動を調整することができ、それによっ
てオフセット調整を行うことができる。また、可変抵抗
器４８を調整してオフセット調整を行うこともできる。

【００２４】この振動ジャイロ１０に用いられる基部１
２および振動体１４，１６において、図９に示すよう
に、振動体１４，１６の先端部に重り６４を取り付けて
もよい。この重り６４によって、コリオリ力による基部
１２の湾曲を大きくすることができ、検出用圧電素子３
４の出力信号を大きくすることができる。したがって、
振動ジャイロ１０の検出感度を良好にすることができ
る。

【００２５】また、図１０に示すように、振動体１４，
１６の両側において、基部１２の両端部に、重り６６を
取り付けてもよい。この重り６６を調整することによ
り、駆動系と検出系の共振特性を合わせることができ
る。それによって、検出用圧電素子３４の出力信号を大
きくすることができ、検出感度を良好にすることができ
る。また、駆動系と検出系の共振特性を合わせるため
に、図１１に示すように、振動体１４，１６の中間部に
おいて、基部１２に切欠き部６８を形成してもよい。こ
の切欠き部６８を調整することによって、駆動系と検出
系の共振特性を合わせることができる。

【００２６】さらに、振動ジャイロ１０を支持するため
に、基部１２に支持部７０を形成してもよい。この場
合、図１２に示すように、振動体１４，１６の間におい
て、基部１２の幅方向の両端部から延びるように、支持
部７０が形成される。このような支持部７０を形成する
ことにより、振動ジャイロ１０の支持を容易に行うこと
ができる。なお、支持方法によって、図１３に示すよう
に、支持部７０を振動体１４，１６と同じ方向に延ばし
てもよいし、図１４に示すように、支持部７０を振動体
１４，１６と逆方向に延ばしてもよい。このように、支
持方法に応じて、支持部７０を変形することができる。
このような支持部７０を形成することにより、振動ジャ
イロ１０の支持を強固に行うことができ、耐衝撃性に優
れた振動ジャイロを得ることができる。なお、支持部７
０は、どちらか一方のみを形成してもよい。

【００２７】なお、検出用圧電素子３４の表面の電極４
０ａ，４０ｂを分割し、差動信号および和動信号を得て
いたが、検出用圧電素子として、２つの圧電素子を並べ
て配置してもよい。このような場合でも、図４に示すよ
うな回路を用いて、回転角速度を検出することができ
る。さらに、駆動用圧電素子１８，２０は、同じ方向に
分極してもよい。この場合、２つの駆動用圧電素子１
８，２０に逆位相の駆動信号を与えることにより、振動
体１４，１６に逆位相の屈曲振動を発生させることがで
きる。また、駆動用圧電素子１８，２０のどちらか一方
を、振動体１４，１６の裏面に形成してもよい。さら
に、自励振駆動でなく、他励振駆動によって、振動体１
４，１６を屈曲振動させてもよい。この場合、自励振駆
動のように、発振回路に検出用圧電素子３４の出力信号
を帰還させる必要がない。したがって、検出用圧電素子
３４の電極を分割したり、２つの検出用圧電素子を形成
する必要がなく、全面電極を形成した１つの検出用圧電
素子を使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図で
ある。

【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。

【図３】図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図であ
る。

【図４】図１に示す振動ジャイロを使用するための回路
を示すブロック図である。

【図５】無回転時の振動ジャイロの動きを示す図解図で
ある。

【図６】回転時の振動ジャイロの動きを示す図解図であ
る。

【図７】振動ジャイロに接続される回路の変形例の一部
を示す図解図である。

【図８】オフセット調整を行うための回路の一部を示す
図解図である。

【図９】振動ジャイロの感度を高めるための重りを振動
体に取り付けた例を示す斜視図である。

【図１０】振動ジャイロの駆動系と検出系の共振特性を
合わせるための重りを基部に取り付けた例を示す斜視図
である。

【図１１】振動ジャイロの駆動系と検出系の共振特性を
合わせるための切欠き部を基部に形成した例を示す斜視
図である。

【図１２】振動ジャイロを支持するための支持部を基部
に形成した例を示す斜視図である。

【図１３】図１２に示す支持部の変形例を示す斜視図で
ある。

【図１４】図１２に示す支持部の他の変形例を示す斜視
図である。

【図１５】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図であ
る。

【図１６】従来の振動ジャイロの他の例を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１０振動ジャイロ１２基部１４振動体１６振動体１８駆動用圧電素子２０駆動用圧電素子３４検出用圧電素子４２発振回路４４差動増幅回路４６位相補正回路４８可変抵抗器５０交流増幅回路５２同期検波回路５４平滑回路５６直流増幅回路６４重り６６重り６８切欠き部７０支持部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の基部、前記基部と角度をもって前記基部の一縁から同一方向に
延びるように形成される２つの板状の振動体、前記２つの振動体を互いに逆相となるように屈曲振動さ
せるために前記振動体上に形成される駆動用圧電素子、
および回転角速度に対応した信号を得るために前記基部
の中央部を境として対称に形成される検出用圧電素子を
含む、振動ジャイロ。
【請求項２】前記２つの振動体の先端部に形成される
重りを含む、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】前記２つの振動体の両側において、前記
基部の両端部に形成される重りを含む、請求項１または
請求項２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】前記２つの振動体の間において、前記基
部の対向端部に形成される切欠き部を含む、請求項１な
いし請求項３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項５】前記２つの振動体の間において、前記基
部を支持するために前記基部の対向端部またはいずれか
一方の端部に形成される支持部を含む、請求項１ないし
請求項４のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【請求項６】前記検出用圧電素子は前記基部の中央部
で分割された２つの出力部を含み、２つの前記出力部の
出力信号の和または差を帰還信号とする発振回路が構成
され、かつ２つの前記出力部の出力信号の差または和が
検出信号として取り出される、請求項１ないし５のいず
れかに記載の振動ジャイロ。