JPH09292232A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 環境変化や振動子の特性変化に関わらず、正
確に回転角速度を検出することができる振動ジャイロを
得る。 【解決手段】 振動ジャイロ１０は、振動体１４と検出
用圧電素子１６ａ，１６ｂと駆動用圧電素子１６ｃとで
構成される振動子１２を含む。圧電素子１６ａ，１６ｂ
の出力電流をＩ−Ｖ変換回路２４，２６で電圧に変換
し、その電圧を加算回路２８で加算する。加算回路２８
の出力信号をモニター回路４０でモニターし、その結果
によって発振回路３４から圧電素子１６ｃに与えられる
駆動信号の位相を制御する。Ｉ−Ｖ変換回路２４，２６
の出力信号は、差動増幅回路４８，同期検波回路５０，
平滑回路５２および増幅回路５４を介して、回転角速度
に対応した直流信号にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロに関
し、特にたとえば、機械的振動を利用して回転角速度を
検出するための振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の振動ジャイロの一例を示す
図解図である。振動ジャイロ１は、たとえば正３角柱状
の振動体２と、その側面に形成される圧電素子３ａ，３
ｂ，３ｃとからなる振動子を含む。圧電素子３ａ，３ｂ
は、回転角速度に対応した信号を検出するための検出用
として用いられる。また、圧電素子３ｃは、振動体２を
屈曲振動させるための駆動用として用いられる。

【０００３】圧電素子３ａ，３ｂは、それぞれＩ−Ｖ変
換回路４ａ，４ｂに接続され、圧電素子３ａ，３ｂの出
力電流が電圧に変換される。Ｉ−Ｖ変換回路４ａ，４ｂ
は、加算回路５に接続される。そして、加算回路５の出
力信号が発振回路６に帰還され、発振回路６から駆動用
の圧電素子３ｃに駆動信号が与えられる。発振回路６
は、たとえば位相回路６ａと増幅回路６ｂとを含み、加
算回路５から帰還された信号の位相および電圧を調整し
ている。さらに、Ｉ−Ｖ変換回路４ａ，４ｂは差動増幅
回路７に接続され、差動増幅回路７は同期検波回路８に
接続される。

【０００４】発振回路６から出力される駆動信号を圧電
素子３ｃに与えることによって、振動ジャイロ１の振動
体２は、圧電素子３ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動
する。このとき、検出用の圧電素子３ａ，３ｂの屈曲状
態は同じであり、Ｉ−Ｖ変換回路４ａ，４ｂからは、同
じ信号が出力される。したがって、差動増幅回路７の出
力信号は０となり、回転角速度が加わっていないことが
わかる。振動ジャイロ１に回転角速度が加わると、コリ
オリ力によって振動体２の屈曲方向が変わる。そのた
め、圧電素子３ａ，３ｂの屈曲状態が変わり、圧電素子
３ａ，３ｂからの出力電流の一方が増加し、他方が減少
する。そのため、Ｉ−Ｖ変換回路４ａ，４ｂの出力電圧
が変わり、差動増幅回路７から、Ｉ−Ｖ変換回路４ａ，
４ｂの出力変化に対応した信号が出力される。この信号
を同期検波回路８で検波することによって、回転角速度
に対応した信号が得られる。

【０００５】振動ジャイロ１に回転角速度が加わったと
き、Ｉ−Ｖ変換回路４ａ，４ｂの出力電圧は、それぞれ
増減する。しかしながら、加算回路５でそれらの信号を
合成することにより、信号の変化分は相殺され、ほぼ一
定の電圧を有する信号が得られる。したがって、発振回
路６によって加算回路５の出力信号の位相および電圧を
調整することにより、振動子に安定した駆動信号を与え
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、安定し
た駆動信号で振動子を屈曲振動させても、雰囲気温度な
どの環境変化や振動子の特性変化などの原因により、振
動子から出力される信号が不安定となり、正確に回転角
速度を検出することができない。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、環
境変化や振動子の特性変化に関わらず、正確に回転角速
度を検出することができる振動ジャイロを提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、振動体と、
振動体の振動状態に対応した電流を出力するための複数
の検出部と、振動体を振動させるための駆動部とを含む
振動子、複数の検出部から得られる出力電流のそれぞれ
を電圧に変換するための複数のＩ−Ｖ変換回路、Ｉ−Ｖ
変換回路によって電圧に変換された複数の信号を合成す
るための加算回路、加算回路の出力信号の電圧および位
相を調整して駆動部に与えるための発振回路、および加
算回路の出力信号をモニターして発振回路の出力信号の
位相を調整するためのモニター回路を含む、振動ジャイ
ロである。この振動ジャイロにおいて、モニター回路と
しては、加算回路の出力信号を平滑するための平滑回路
と、基準となる信号を出力する基準信号回路と、平滑回
路の出力信号と基準信号回路の出力信号とを比較して加
算回路の出力信号の電圧が一定となるように発振回路を
制御するための位相制御信号を出力する比較回路とを含
むものを用いることができる。また、モニター回路とし
ては、加算回路の出力信号を平滑するための平滑回路
と、温度に対応した基準信号を出力するための基準信号
回路と、平滑回路の出力信号と基準信号回路の出力信号
とを比較して加算回路の出力信号が温度に対応した電圧
となるように発振回路を制御するための位相制御信号を
出力する比較回路とを含むものを用いることができる。

【０００９】加算回路の出力信号が一定電圧または温度
に対応した電圧となるように、発振回路の出力信号の位
相が制御される。それにより、振動子から安定した出力
信号を得ることができ、正確に回転角速度を検出するこ
とができる。

【００１０】

【発明の効果】この発明によれば、振動子の特性変化や
雰囲気温度の変化などがあっても、正確に回転角速度に
対応した信号を得ることができる。したがって、常に、
正確な回転角速度を検出することができる。

【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
一例を示す図解図である。振動ジャイロ１０は、振動子
１２を含む。振動子１２は、図２に示すように、たとえ
ば正３角柱状の振動体１４を含む。振動体１４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。

【００１３】振動体１４の３つの側面には、図３に示す
ように、圧電素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃが形成され
る。圧電素子１６ａは、たとえば圧電セラミックなどで
形成される圧電層１８ａを含む。この圧電層１８ａの両
面には、電極２０ａ，２２ａが形成される。そして、一
方の電極２２ａが、振動体１４に接着される。同様に、
圧電素子１６ｂ，１６ｃは圧電層１８ｂ，１８ｃを含
み、その両面に電極２０ｂ，２２ｂおよび電極２０ｃ，
２２ｃが形成される。そして、一方の電極２２ｂ，２２
ｃが、振動体１４に接着される。この振動子１２では、
たとえば圧電素子１６ａ，１６ｂが、回転角速度に対応
した信号を検出するための検出部として用いられる。ま
た、圧電素子１６ｃが、振動体１４を屈曲振動させるた
めの駆動部として用いられる。

【００１４】圧電素子１６ａ，１６ｂには、それぞれＩ
−Ｖ変換回路２４，２６が接続される。これらのＩ−Ｖ
変換回路２４，２６では、圧電素子１６ａ，１６ｂから
出力される電流が電圧に変換される。Ｉ−Ｖ変換回路２
４，２６の入力インピーダンスが０であるため、検出用
の圧電素子１６ａ，１６ｂのインピーダンスが変化して
も、Ｉ−Ｖ変換回路２４，２６の出力信号には影響を及
ぼさない。

【００１５】２つのＩ−Ｖ変換回路２４，２６は、加算
回路２８に接続される。加算回路２８では、Ｉ−Ｖ変換
回路２４，２６の出力信号が合成される。ここでは、Ｉ
−Ｖ変換回路２４，２６の出力端が、２つの抵抗３０，
３２を介して接続され、Ｉ−Ｖ変換回路２４，２６の出
力信号が合成されている。加算回路２８の出力信号は、
発振回路３４に入力される。発振回路３４は、増幅回路
３６および位相制御回路３８を含む。増幅回路３６で
は、加算回路２８の出力信号の電圧レベルが調整され、
位相制御回路３８では位相が調整される。そして、発振
回路３４の出力信号が、駆動信号として圧電素子１６ｃ
に与えられる。

【００１６】また、加算回路２８の出力信号は、モニタ
ー回路４０に入力される。モニター回路４０は平滑回路
４２を含み、加算回路２８の出力信号が平滑される。さ
らに、モニター回路４０は基準信号回路４４を含む。基
準信号回路４４からは、一定レベルの信号が出力され
る。平滑回路４２および基準信号回路４４は、比較回路
４６に接続される。比較回路４６では、平滑回路４２の
出力信号電圧と基準信号回路４４の出力信号電圧とが比
較され、その比較結果によって位相制御回路３８の出力
信号の位相を調整するための位相制御信号が出力され
る。位相制御回路３８では、比較回路４６からの位相制
御信号によって、加算回路２８の出力信号電圧が一定と
なるように、駆動信号の位相が調整される。

【００１７】さらに、Ｉ−Ｖ変換回路２４，２６は、差
動増幅回路４８に接続される。差動増幅回路４８では、
Ｉ−Ｖ変換回路２４，２６の出力信号の差が検出され
る。差動増幅回路４８の出力信号は、同期検波回路５０
で、加算回路２８の信号に同期して検波される。同期検
波回路５０で検波された信号は、平滑回路５２で平滑さ
れ、さらに増幅回路５４で増幅される。

【００１８】この振動ジャイロ１０では、発振回路３４
から圧電素子１６ｃに駆動信号が与えられることによっ
て、振動体１４が圧電素子１６ｃ形成面に直交する方向
に屈曲振動する。このとき、検出用の圧電素子１６ａ，
１６ｂの屈曲状態は同じであり、これらの圧電素子１６
ａ，１６ｂからは同じ信号が出力される。圧電素子１６
ａ，１６ｂの出力電流は、Ｉ−Ｖ変換回路２４，２６に
よって電圧に変換される。電圧に変換された信号は、加
算回路２８で加算されて、発振回路３４で電圧および位
相が調整され、駆動信号として圧電素子１６ｃに与えら
れる。このようにして、振動子１２は自励振駆動され
る。

【００１９】無回転時においては、圧電素子１６ａ，１
６ｂの出力信号は同じであるため、差動増幅回路４８の
出力信号は０である。したがって、振動ジャイロ１０に
回転角速度が加わっていないことがわかる。振動体１４
の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって振動
体１４の振動方向が変わる。そのため、圧電素子１６
ａ，１６ｂの屈曲状態が変わり、圧電素子１６ａ，１６
ｂからの出力信号が変わる。このとき、圧電素子１６
ａ，１６ｂの一方の屈曲は大きくなり、他方の屈曲は小
さくなる。したがって、圧電素子１６ａ，１６ｂの一方
の出力電流は大きくなり、他方の出力電流は小さくな
る。これらの出力電流がＩ−Ｖ変換回路２４，２６で電
圧に変換され、差動増幅回路４８から電圧の差に相当す
る信号が出力される。つまり、差動増幅回路４８から
は、圧電素子１６ａ，１６ｂの出力信号の変化分に相当
する信号が出力される。

【００２０】差動増幅回路４８の出力信号は、同期検波
回路５０で、加算回路２８の信号に同期して検波され
る。それにより、差動増幅回路４８の出力信号の正部分
のみ、または負部分のみが検波される。同期検波回路５
０の出力信号は平滑回路５２で平滑され、さらに増幅回
路５４で増幅される。したがって、増幅回路５４の出力
信号は、振動ジャイロ１０に加わった回転角速度に対応
した信号であり、この信号を測定することによって、回
転角速度を検出することができる。

【００２１】この振動ジャイロ１０では、回転角速度が
大きいほど圧電素子１６ａ，１６ｂの出力信号の差が大
きくなり、差動増幅回路４８から得られる信号のレベル
も大きくなる。そのため、増幅回路５４から出力される
直流信号のレベルが大きくなる。このように、振動ジャ
イロ１０に加わった回転角速度に応じて、増幅回路５４
の出力信号のレベルが変わる。したがって、増幅回路５
４の出力信号のレベルを測定することにより、回転角速
度の大きさを知ることができる。また、回転角速度が加
わる方向が変わると、圧電素子１６ａ，１６ｂから出力
される信号が逆に変化する。そのため、同期検波回路５
０で検波される信号の極性が逆になり、増幅回路５４か
ら得られる信号の極性も逆になる。したがって、増幅回
路５４から出力される信号の極性を測定することによ
り、回転角速度の方向を知ることができる。

【００２２】振動ジャイロ１０に回転角速度が加わる
と、圧電素子１６ａ，１６ｂの出力信号の一方が増加
し、他方が減少する。したがって、加算回路２８でＩ−
Ｖ変換回路２４，２６の出力信号を合成すれば、圧電素
子１６ａ，１６ｂの出力信号の変化分が相殺され、ほぼ
一定の信号を得ることができる。したがって、この加算
回路２８からの出力信号の位相および電圧を調整して駆
動信号とすれば、振動体１４を安定して屈曲振動させる
ことができる。

【００２３】しかしながら、一定電圧の駆動信号で振動
体１４を屈曲振動させていても、環境変化や振動子１２
の特性変化などの原因により、振動子１２から出力され
る信号が不安定となる場合がある。それに対して、この
振動ジャイロ１０では、比較回路４６によって加算回路
２８の出力信号と基準信号回路４４の出力信号とが比較
され、加算回路２８の出力信号電圧が常に一定となるよ
うに、位相制御回路３８から出力される駆動信号の位相
が制御される。そのため、検出用の圧電素子１６ａ，１
６ｂからは、振動子１２の特性変化などに関係なく、安
定した出力信号を得ることができる。したがって、検出
用の圧電素子１６ａ，１６ｂからは、回転角速度に正確
に対応した信号を得ることができる。それに応じて、増
幅回路５４の出力信号も、正確に回転角速度に対応した
信号となる。したがって、増幅回路５４の出力信号を測
定すれば、振動ジャイロ１０に加わった回転角速度を正
確に検出することができる。

【００２４】また、図４に示すように、基準信号回路４
４として、雰囲気温度の変化に対応した基準信号を出力
するものを用いてもよい。この振動ジャイロ１０では、
基準電圧回路５６と抵抗５８および感温素子６０で基準
信号回路４４が構成されている。感温素子６０として
は、たとえばサーミスタ，ポジスタなどのように、温度
によってその抵抗値が変化する素子や、ダイオードのよ
うにその電圧が変化する素子が用いられる。ここでは、
抵抗５８と感温素子６０としてのサーミスタとで分圧回
路が形成され、この分圧回路によって基準電圧回路５６
の出力信号が分圧される。したがって、基準信号回路４
４の出力信号は、雰囲気温度の変化に対応した電圧とな
る。

【００２５】加算回路２８の出力信号は、比較回路４６
において、雰囲気温度の変化に対応した基準信号と比較
される。そして、加算回路２８の出力信号電圧が基準信
号電圧に対応した値となるように、位相制御回路３８か
ら出力される信号の位相が調整される。つまり、加算回
路２８の出力信号電圧が雰囲気温度の変化に対応した値
となるように、振動体１４の屈曲振動が制御される。し
たがって、圧電素子１６ａ，１６ｂから得られる回転角
速度に対応した信号は、雰囲気温度の変化に対応してい
ることになる。そのため、増幅回路５４から得られる信
号も、雰囲気温度の変化に対応したものとなり、この信
号を測定することにより、雰囲気温度の変化に関わら
ず、正確に回転角速度を検出することができる。

【００２６】なお、振動体の形状としては、正３角柱状
に限らず、４角柱状や５角柱状などのような他の多角柱
状や円柱状に形成してもよい。つまり、複数の検出用圧
電素子を有する振動子を用いた振動ジャイロであれば、
検出用の圧電素子の出力電流をＩ−Ｖ変換回路で電圧に
変換し、加算回路で合成することにより、この発明を適
用することができる。さらに、振動体を圧電体で形成し
てもよい。この場合、駆動部および検出部としては、振
動体上に形成された電極が用いられる。このような振動
体を用いても、加算回路の出力信号をモニターすること
により、正確に回転角速度を検出することができる。

【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図解図で
ある。

【図２】図１に示す振動ジャイロに用いられる振動子の
斜視図である。

【図３】図２に示す振動子の断面図である。

【図４】この発明の振動ジャイロの他の例を示す図解図
である。

【図５】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 振動子 １４ 振動体 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ 圧電素子 ２４ Ｉ−Ｖ変換回路 ２６ Ｉ−Ｖ変換回路 ２８ 加算回路 ３４ 発振回路 ３６ 増幅回路 ３８ 位相制御回路 ４０ モニター回路 ４２ 平滑回路 ４４ 基準信号回路 ４６ 比較回路 ４８ 差動増幅回路 ５０ 同期検波回路 ５２ 平滑回路 ５４ 増幅回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体と、前記振動体の振動状態に対応
   した電流を出力するための複数の検出部と、前記振動体
   を振動させるための駆動部とを含む振動子、 前記複数の検出部から得られる出力電流のそれぞれを電
   圧に変換するための複数のＩ−Ｖ変換回路、 前記Ｉ−Ｖ変換回路によって電圧に変換された複数の信
   号を合成するための加算回路、 前記加算回路の出力信号の電圧および位相を調整して前
   記駆動部に与えるための発振回路、および前記加算回路
   の出力信号をモニターして前記発振回路の出力信号の位
   相を調整するためのモニター回路を含む、振動ジャイ
   ロ。
2. 【請求項２】 前記モニター回路は、前記加算回路の出
   力信号を平滑するための平滑回路と、基準となる信号を
   出力する基準信号回路と、前記平滑回路の出力信号と前
   記基準信号回路の出力信号とを比較して前記加算回路の
   出力信号の電圧が一定となるように前記発振回路を制御
   するための位相制御信号を出力する比較回路とを含む、
   請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記モニター回路は、前記加算回路の出
   力信号を平滑するための平滑回路と、温度に対応した基
   準信号を出力するための基準信号回路と、前記平滑回路
   の出力信号と前記基準信号回路の出力信号とを比較して
   前記加算回路の出力信号が温度に対応した電圧となるよ
   うに前記発振回路を制御するための位相制御信号を出力
   する比較回路とを含む、請求項１に記載の振動ジャイ
   ロ。