JPH09178489A

JPH09178489A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH09178489A
Application number: JP7339179A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Terajima; 厚吉寺嶋
Original assignee: Akai Electric Co Ltd
Current assignee: Akai Electric Co Ltd
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】安定した検出感度が得られ、しかも低コス
ト、かつ小型にできる振動ジャイロを提供する。【解決手段】弾性材料よりなる殻状振動体１の外周側
面または内周側面に、それぞれ駆動および検出の二つの
機能を備えた、少なくとも実質一対の圧電素子２ａ，２
ｂを形成するか、あるいは、弾性材料よりなる殻状振動
体１の外周側面または内周側面に、それぞれ駆動、帰還
および検出の三つの機能を備えた、少なくとも実質一対
の圧電素子２ａ，２ｂを形成する。

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、角速度の検出に
用いる振動ジャイロ、特に、少数の圧電素子の形成をも
って、殻状振動子の組み立てを容易ならしめ、小型化を
可能にした振動ジャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロとして、例えば、図
１２に斜視図で示すような環状振動子３０１を用いるも
のがある。この環状振動子３０１は、図１３に底面図を
も示すように、圧電材料よりなる環状振動体１０１の外
周側面に、それぞれ駆動、帰還または検出の独立した機
能を持つように４５度の間隔で独立電極２０１〜２０８
を設けると共に、各独立電極を挟むように、外周側面全
周に亘って櫛状に共通電極２０９を設けて構成され、独
立電極２０１〜２０８のうち、最低三つの独立電極、例
えば、独立電極２０１が駆動用、それと９０度回転位置
にある独立電極２０７が帰還用、反対方向の４５度回転
位置にある独立電極２０２が検出用として用いられるよ
うになっている。

【０００３】かかる従来の振動ジャイロでは、図１４に
示すように、駆動回路２１０の出力を駆動用の独立電極
２０１に供給して、該独立電極２０１とその両側の共通
電極２０９との間の圧電作用により環状振動子３０１を
振動させ、その振動を制御するために帰還用の独立電極
２０７とその両側の共通電極２０９との間に生じる信号
を、帰還用の独立電極２０７からＡＧＣ回路２１１およ
びＰＬＬ回路２１２に供給して、その振動の振幅および
周波数を安定化させて駆動回路２１０に供給することに
より、環状振動子３０１を自励振動させるようにしてい
る。

【０００４】また、検出用の独立電極２０２とその両側
にある共通電極２０９との間に生じる出力は検出回路２
１３に供給し、ここでＰＬＬ回路２１２の出力に基づい
て同期検波して、環状振動子３０１に作用した周方向の
角速度によって生じたコリオリの力を検出するようにし
ている。なお、図１４において、駆動用、帰還用および
検出用の独立電極２０１、２０７および２０２を除く電
極、すなわち共通電極２０９および独立電極２０３〜２
０６、２０８は、接地されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の振動ジャイロにおいては、環状振動子３０１を
得るにあたって、環状振動体１０１の外周側面全体に亘
って電極を設ける必要があるため、電極形成が極めて面
倒となり、しかも側面を一周して形成するために累積誤
差によるずれも生じ易くなって、電極を精度良く形成す
ることが困難となる。このため、電極形成の製造コスト
が高くなるうえ、電極のずれにより安定な振動を得るこ
とが困難となって、安定した検出感度が得にくくなる。
さらに、回路構成も大規模となって、製造コストが高く
なり、加えて全体として大型になることが避けられない
という種々の問題があった。

【０００６】この発明は、上述した従来の種々の問題点
を解決すべくなされたもので、安定した検出感度が得ら
れ、しかも低コスト、かつ小型にできるよう適切に構成
した振動ジャイロを提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の振動ジャイロは、弾性材料よりなる殻状
振動体の外周側面または内周側面に、それぞれ駆動およ
び検出の二つの機能を備えた、少なくとも実質一対の圧
電素子を有することを特徴とするものである。

【０００８】さらに、この発明の振動ジャイロは、弾性
材料よりなる殻状振動体の外周側面または内周側面に、
それぞれ駆動、帰還および検出の三つの機能を備えた、
少なくとも実質一対の圧電素子を有することを特徴とす
るものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】この発明の振動ジャイロでは、殻
状振動体の側面に少なくとも一対の圧電素子を形成する
だけでよく、必ずしも全周に亘って形成する必要がない
ので、圧電素子の形成が極めて容易となり、しかもその
形成精度を簡単に高めることが可能となる。さらに、各
圧電素子が、駆動および検出の二つの機能、あるいは駆
動、帰還および検出の三つの機能を有することから、回
路構成も簡単で、低コストかつ小型にすることが可能と
なり、全体として、検出感度の安定化、低コスト化、小
型化が可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して説明する。図１は、この発明の第１実施例におけ
る殻状振動子の構成を示す斜視図である。この殻状振動
子３は、殻状振動体１と、その外周側面に接着等によっ
て独立して設けた二つの、すなわち一対の圧電素子２
ａ，２ｂとを有する。殻状振動体１は、例えば、Ｆｅ−
Ｎｉ系合金、Ｃｕ−Ｂｅ系合金、アルミニウム等の恒弾
性合金等の金属材料、溶融シリカ、硝子、セラミックス
等の弾性材料からなり、例えば、円環状に形成する。ま
た、圧電素子２ａ，２ｂの各々は、例えば、チタン酸ジ
ルコン酸鉛、チタン酸バリウム、水晶その他の圧電作用
を有する材料の対向面に、電極として、金、銀、銅、ア
ルミニウムその他の導電材料を、蒸着、スパッタリン
グ、印刷、接着等により設けて構成する。

【００１１】この殻状振動子３においては、例えば、圧
電素子２ａの対向する電極間および圧電素子２ｂの対向
する電極間にそれぞれ電場を与えると、それぞれの圧電
素子２ａ，２ｂが応力を生じて殻状振動体１に歪みを与
えるようになる。すなわち、圧電素子２ａ，２ｂは、そ
れぞれ殻状振動体１を駆動するように作用する。そし
て、共振点においては、図２に示すように、殻状振動体
１の側面は、半径方向への伸縮運動を生じるようにな
る。すなわち、殻状振動体１の側面は、圧電素子２ａの
中心および圧電素子２ｂの中心と、殻状振動体１の中心
Ｏとをそれぞれ結ぶ線分による、∠ＡＯＢを二等分する
方向、つまりＹ軸に向いた半径方向に伸び・縮みし、同
時にＸ軸方向に縮み・伸びする運動を交互に繰り返すこ
とになって、側面形状はそのＸ軸方向とＹ軸方向とが長
軸と短軸とを交互に繰り返す楕円形を呈するようにな
る。なお、図２では、この時の伸び・縮みの力を、符号
Ｖで示している。

【００１２】このようにして駆動された殻状振動子３
を、Ｚ軸廻りに回転させて角速度Ωを与えると、その側
面の接線方向にコリオリの力Ｆ_Cを生じるようになり、
側面全体に作用するコリオリの力Ｆ_Cは、その合力方向
として、ＸＹ平面内で、ＸＹ座標を±４５度回転したα
軸と、これと直交するβ軸との方向に作用するようにな
り、角速度Ωが大きくなると、４５度方向のコリオリの
力Ｆ_Cの合力が大きくなる。したがって、角速度が与え
られると、殻状振動子３の側面は、回転していないとき
の振動の方向と、コリオリの力Ｆ_Cの合力による振動の
方向とが合成された方向に長軸・短軸を有する楕円形状
に伸縮振動するようになる。すなわち、この時の長軸・
短軸の方向は、Ｙ軸とのなす角が±４５度の方向を最大
として、Ｚ軸廻りの回転速度に応じて変化し、回転速度
が小さければ、Ｙ軸方向、つまり０度に近くなり、回転
速度が大きければ、Ｙ軸に対して±４５度の方向に近づ
くことになる。

【００１３】このように殻状振動子３に角速度が作用し
て、その側面がα軸、β軸方向に向いたコリオリの力Ｆ
_Cの合力によって、その伸縮振動方向が変化すると、圧
電素子２ａが形成されている部分の殻状振動体１の周方
向の歪み量と、圧電素子２ｂが形成されている部分の殻
状振動体１の周方向の歪み量とに差が生じ、それにより
圧電素子２ａおよび２ｂの歪み量に差が生じる。その結
果、それぞれの圧電素子２ａ，２ｂは、その圧電効果に
より圧電素子２ａのインピーダンスと、圧電素子２ｂの
インピーダンスとに差が生じることになるため、そのイ
ンピーダンスの差を測定すれば、殻状振動子３に作用し
た角速度Ωを検出することができる。

【００１４】図３は、第１実施例における振動ジャイロ
の回路構成を示すものである。この実施例では、駆動装
置４の出力端をインピーダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂を介して
圧電素子２ａ，２ｂの表面電極に接続し、それぞれの圧
電素子２ａ，２ｂの対向する電極、すなわち殻状振動体
１側の電極を接地して、殻状振動子３を上述したように
半径方向に振動させるようにする。

【００１５】また、圧電素子２ａとインピーダンス素子
Ｚ₁との接続点における出力電圧、および圧電素子２ｂ
とインピーダンスＺ₂との接続点における出力電圧は、
差動増幅器５にそれぞれ供給し、この差動増幅器５の出
力に基づいて角速度検出信号を得るようにする。すなわ
ち、殻状振動子３が角速度の作用によりＺ軸（図２参
照）廻りに回転すると、圧電素子２ａ，２ｂとインピー
ダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂とのそれぞれの接続点の電圧が変
化するので、この電圧の差を検出すれば、角速度の大き
さを知ることができる。つまり、この実施例では、一対
の圧電素子２ａ，２ｂが、それぞれ駆動および検出の二
つの機能を有している。

【００１６】なお、殻状振動子３は、駆動装置４に発振
器を内蔵させることにより、他励振動させることがで
き、また、一対の圧電素子２ａ，２ｂを形成した部分を
除く殻状振動体１の側面上の部分に、帰還信号を生成す
るための帰還用圧電素子を形成し、この帰還用圧電素子
からの帰還信号を駆動装置４に供給することにより、自
励振動させることもできる。

【００１７】図４は、この発明の第２実施例における振
動ジャイロの回路構成を示すものである。この実施例で
は、図１に示した殻状振動子３を用い、その圧電素子２
ａ，２ｂの殻状振動体１側の電極に、駆動装置４からの
駆動信号を供給する。また、圧電素子２ａの表面電極は
増幅器７の反転入力端子に、圧電素子２ｂの表面電極は
増幅器８の反転入力端子にそれぞれ接続して、増幅器
７，８において圧電素子２ａ，２ｂを流れる電流をそれ
ぞれ電圧に変換し、これら増幅器７，８の出力を差動増
幅器５に供給して、この差動増幅器５の出力に基づいて
角速度検出信号を得るようにする。

【００１８】すなわち、この実施例においては、殻状振
動子３が角速度の作用によりＺ軸（図２参照）廻りに回
転すると、圧電素子２ａを流れる電流の大きさ（振幅）
と、圧電素子２ｂを流れる電流の大きさとに差が生じ、
それに応じて増幅器７，８の出力電圧に差が生じるの
で、その出力電圧の差を差動増幅器５で検出すれば、そ
れに基づいて角速度の大きさを知ることができる。した
がって、この実施例の場合も、第１実施例と同様に、一
対の圧電素子２ａ，２ｂは、それぞれ駆動および検出の
二つの機能を有する。なお、この実施例においても、駆
動装置４に発振器を内蔵させることにより、殻状振動子
３を他励振動させることができ、また、別に帰還用圧電
素子を形成することにより、殻状振動子３を自励振動さ
せることも可能であることは言うまでもない。

【００１９】図５は、この発明の第３実施例における振
動ジャイロの回路構成を示すものである。この実施例で
は、図１に示した殻状振動子３を用い、駆動装置４の出
力端をインピーダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂を介して圧電素子
２ａ，２ｂの表面電極に接続すると共に、この駆動装置
４の出力端をさらに他のインピーダンス素子Ｚ₃を経て
容量素子Ｃにも接続して、これら圧電素子２ａ，２ｂお
よび容量素子Ｃに、駆動装置４からの駆動信号を印加す
る。なお、圧電素子２ａ，２ｂの対向するそれぞれの電
極、すなわち殻状振動体１側の電極は接地する。

【００２０】また、インピーダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂と、
圧電素子２ａ，２ｂとのそれぞれの接続点における出力
は合成し、その合成出力と、インピーダンス素子Ｚ₃お
よび容量素子Ｃの接続点における出力とを差動増幅器９
に供給して、その差動出力を駆動装置４に帰還すること
により、殻状振動子３を自励振動させるようにする。さ
らに、インピーダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂と、圧電素子２
ａ，２ｂとのそれぞれの接続点における出力は差動増幅
器５に供給し、この差動増幅器５の出力に基づいて角速
度の大きさを検出するようにする。すなわち、この実施
例では、一対の圧電素子２ａ，２ｂの各々が、駆動、帰
還および検出の三つの機能を有する。なお、インピーダ
ンス素子Ｚ₃および容量素子Ｃの接続点の信号は、必要
に応じて省略することもできる。

【００２１】なお、図５に示す回路構成では、圧電素子
２ａ，２ｂの殻状振動体１側の電極を接地し、インピー
ダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂と、圧電素子２ａ，２ｂとのそれ
ぞれの接続点の合成出力と、インピーダンス素子Ｚ₃お
よび容量素子Ｃの接続点における出力とを差動増幅器９
に供給して、その差動出力を駆動装置４に帰還すること
により、殻状振動子３を自励振動させるようにしたが、
インピーダンス素子Ｚ ₁，Ｚ₂と、圧電素子２ａ，２ｂ
とのそれぞれの接続点の合成出力に代えて、圧電素子２
ａ，２ｂの殻状振動体１側の電極を接地することなく、
その電極側の出力を用い、この出力とインピーダンス素
子Ｚ₃および容量素子Ｃの接続点における出力とを差動
増幅器９に供給して、その差動出力を駆動装置４に帰還
することにより、殻状振動子３を自励振動させるように
することもできる。

【００２２】この場合も、差動増幅器５において、イン
ピーダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂と、圧電素子２ａ，２ｂとの
それぞれの接続点の出力電圧の差動をとることにより、
角速度の大きさを検出することができる。したがって、
この場合にも、この場合も、一対の圧電素子２ａ，２ｂ
の各々は、駆動、帰還および検出の三つの機能を有す
る。なお、かかる構成においても、インピーダンス素子
Ｚ₃および容量素子Ｃの接続点の信号は、必要に応じて
省略することができる。

【００２３】図６は、この発明の第４実施例における振
動ジャイロの回路構成を示すものである。この実施例で
は、図１に示す構成の殻状振動子３を用い、駆動装置４
の駆動信号出力端子を増幅器６および増幅器１０のそれ
ぞれの非反転入力端子に接続し、増幅器６の反転入力端
子を圧電素子２ａ，２ｂの殻状振動体１側の電極に接続
する。また、駆動装置４の補償信号出力端子は、容量素
子Ｃを経て増幅器６の反転入力端子に接続し、この増幅
器６の出力を増幅器１０の反転入力端子に供給して、増
幅器１０の出力を駆動装置４に帰還することにより、殻
状振動子３をその共振点において自励振動させるように
する。すなわち、駆動装置４の補償信号出力端子から、
補償信号として、圧電素子２ａ，２ｂのそれぞれの制動
容量を流れる電流の合成量に対応した大きさの電流を出
力させ、これにより制動容量を流れる電流の増幅器６へ
の流れ込みを打ち消して、殻状振動子３を、その直列共
振周波数で正確に自励振動させるようにする。

【００２４】また、圧電素子２ａ，２ｂの表面電極は、
それぞれ増幅器７，８の反転入力端子に接続する。これ
ら増幅器７，８の反転入力端子には、増幅器１０の出力
も供給して、増幅器７，８において、圧電素子２ａ，２
ｂを通過する電流をそれぞれ電圧に変換し、これら増幅
器７，８の出力電圧を差動増幅器５に供給する。

【００２５】この実施例においても、殻状振動子３がＺ
軸廻りに回転すると、圧電素子２ａを通過する電流の大
きさと、圧電素子２ｂを通過する電流の大きさとに差が
生じるので、差動増幅器５で増幅器７，８の出力電圧の
差動をとれば、それによって角速度を検出することがで
きる。したがって、この場合も、一対の圧電素子２ａ，
２ｂはの各々は、駆動、帰還および検出の三つの機能を
有する。なお、この実施例において、増幅器６の反転入
力端子に印加する補償信号は、必要に応じて省略するこ
とができる。

【００２６】図７は、この発明の第５実施例における振
動ジャイロの回路構成を示すものである。この実施例で
は、図１に示す構成の殻状振動子３を用い、駆動装置４
の駆動信号出力端子を、増幅器７，８および１０のそれ
ぞれの非反転入力端子に接続し、増幅器７，８の反転入
力端子に圧電素子２ａ，２ｂの表面電極をそれぞれ接続
する。また、圧電素子２ａ，２ｂの殻状振動体１側の電
極は、増幅器６の反転入力端子に接続する。さらに、こ
の増幅器６の反転入力端子は、容量素子Ｃを経て駆動装
置４の補償信号出力端子にも接続し、この増幅器６の出
力を駆動装置４に帰還して、殻状振動子３をその共振点
において自励振動させるようにする。すなわち、第４実
施例の場合と同様に、駆動装置４の補償信号出力端子か
ら、補償信号として、圧電素子２ａ，２ｂのそれぞれの
制動容量を流れる電流の合成量に対応した大きさの電流
を出力させ、これにより制動容量を流れる電流の増幅器
６への流れ込みを打ち消して、殻状振動子３を、その直
列共振周波数で正確に自励振動させるようにする。

【００２７】また、増幅器１０の出力は、増幅器７，８
の反転入力端子にも供給して、これら増幅器７，８にお
いて、圧電素子２ａ，２ｂを通過する電流をそれぞれ電
圧に変換し、これら増幅器７，８の出力電圧を差動増幅
器５に供給する。

【００２８】この実施例においても、第４実施例と同様
に、殻状振動子３がＺ軸廻りに回転すると、圧電素子２
ａを通過する電流の大きさと、圧電素子２ｂを通過する
電流の大きさとに差が生じるので、差動増幅器５で増幅
器７，８の出力電圧の差動をとれば、それによって角速
度を検出することができる。したがって、この場合も、
一対の圧電素子２ａ，２ｂはの各々は、駆動、帰還およ
び検出の三つの機能を有する。なお、この実施例におい
ても、増幅器６の反転入力端子に印加する補償信号は、
必要に応じて省略することができる。

【００２９】図８は、この発明の第６実施例における殻
状振動子の構成を示す斜視図である。この殻状振動子３
は、一対の圧電素子２ａ，２ｂを、殻状振動体１の外周
側面上で、Ｚ軸方向に偏って周方向に並んで形成したも
のである。この場合には、圧電素子２ａ，２ｂにより殻
状振動体１を駆動すると、その上端面側の振動と、下端
面側の振動とが、時間的に１８０度位相角が異なるよう
に、例えば、図９に示すように、上端面側がＸ軸方向に
伸びたときに、下端面側がＹ軸方向に伸びるように変形
振動することになる。すなわち、この殻状振動子３にお
いては、その側面が変位しない部分、すなわち節円１１
が生じることになる。

【００３０】図８に示す殻状振動子３においても、例え
ば、図３〜図７に示した回路構成とすることにより、一
対の圧電素子２ａ，２ｂの各々を、駆動および検出の二
つの機能を有するものとして、あるいは、駆動、帰還お
よび検出の三つの機能を有するものとして用いることが
できる。

【００３１】なお、以上の説明では、殻状振動体１を円
環状としたが、これに限るものではなく、例えば、図１
０に示すような多角環状として、その任意の二つの側面
に圧電素子２ａ，２ｂを形成することもできる。また、
図１１ａおよび図１１ｂに示すような有底のカップ状の
もの等、種々の形状の殻状振動体１を用いることができ
る。さらに、一対の圧電素子２ａ，２ｂは、殻状振動体
の外周面に限らず、内周面に形成することもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の振動ジ
ャイロによれば、殻状振動体の側面の一部分に、少なく
とも一対の圧電素子を形成するだけで、必ずしも全周に
亘って形成する必要がないので、圧電素子の形成が極め
て容易となり、しかもその圧電素子の形成に累積誤差が
生じにくいので、形成精度を簡単に高めることができ
る。したがって、殻状振動子の安定な振動を得ることが
でき、安定した検出感度を得ることができる。また、各
圧電素子に駆動および検出の二つの機能、あるいは駆
動、帰還および検出の三つの機能を持たせているので、
回路構成も簡単にでき、全体を低コストかつ小型にでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例における殻状振動子の構
成を示す斜視図である。

【図２】図１に示す殻状振動子の動作を示す図である。

【図３】第１実施例における振動ジャイロの回路構成を
示す図である。

【図４】この発明の第２実施例における振動ジャイロの
回路構成を示す図である。

【図５】同じく、第３実施例における振動ジャイロの回
路構成を示す図である。

【図６】同じく、第４実施例における振動ジャイロの回
路構成を示す図である。

【図７】同じく、第５実施例における振動ジャイロの回
路構成を示す図である。

【図８】同じく、第６実施例における殻状振動子の構成
を示す斜視図である。

【図９】図８に示す殻状振動子の動作を説明するための
図である。

【図１０】この発明に適用可能な殻状振動子の変形例を
示す図である。

【図１１】同じく、殻状振動体の二つの変形例を示す図
である。

【図１２】従来の振動ジャイロにおける環状振動子の構
成を示す斜視図である。

【図１３】図１２の底面図である。

【図１４】従来の振動ジャイロの回路構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１殻状振動体２ａ，２ｂ圧電素子３殻状振動子４駆動装置５差動増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性材料よりなる殻状振動体の外周側面
または内周側面に、それぞれ駆動および検出の二つの機
能を備えた、少なくとも実質一対の圧電素子を有するこ
とを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】弾性材料よりなる殻状振動体の外周側面
または内周側面に、それぞれ駆動、帰還および検出の三
つの機能を備えた、少なくとも実質一対の圧電素子を有
することを特徴とする振動ジャイロ。