JPH09292234A

JPH09292234A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH09292234A
Application number: JP8131072A
Authority: JP
Inventors: Akira Mori; 章森
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】雰囲気温度の変化による振動の乱れや電気的
特性の変化などによる影響を少なくし、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、そ
の側面に形成される圧電素子１６とからなる振動子１２
を含む。圧電素子１６の形成されていない振動体１４の
側面に、非接触型の振動検出素子１８，２０を配置す
る。振動検出素子１８，２０の出力信号を加算回路２２
で合成し、発振回路２８で電圧および位相を調整して圧
電素子１６に与える。振動検出素子１８，２０を差動増
幅回路３４に接続し、差動増幅回路３４の出力信号を同
期検波回路３６で検波する。検波された信号を平滑回路
３８で平滑し、さらに増幅回路４０で増幅する。圧電素
子１６の代わりに、非接触型の駆動手段を用いてもよ
い。

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、機械的な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８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、それぞれ電圧検出
回路４ａ，４ｂに接続され、圧電素子３ａ，３ｂの出力
電圧が検出される。このとき、圧電素子３ａ，３ｂの出
力電圧を測定するために、電圧検出回路４ａ，４ｂの入
力端と電源電圧の中間点との間に、抵抗が接続される。
電圧検出回路４ａ，４ｂとしては、たとえばバッファ回
路などが用いられる。電圧検出回路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、電圧検出回路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、電圧検出回路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３
ａ，３ｂからの出力電圧の一方が増加し、他方が減少す
る。そのため、電圧検出回路４ａ，４ｂの出力電圧が変
わり、差動増幅回路７から、電圧検出回路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】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
振動ジャイロでは、安定した振動を得るために、駆動用
および検出用の圧電素子は、高い位置精度で振動体に接
着される必要がある。また、振動体と圧電素子との熱膨
張係数の差により、雰囲気温度が変化したとき、振動体
に応力が加わり、振動体の振動が不安定となって、温度
ドリフトなどの問題が発生する。さらに、圧電素子と回
路とを接続するためにリード線が必要であり、このリー
ド線が振動子への負荷となって、振動体の振動が不安定
となっていた。また、圧電素子のインピーダンス変化な
どの電気的特性の変化により、回転角速度の検出に誤差
が生じる恐れがある。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、雰
囲気温度の変化による振動の乱れや電気的特性の変化な
どによる影響を少なくし、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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、振動体と、
振動体の振動軸に対して対称な位置に配置され振動体の
振動を非接触で測定する検出手段と、検出手段の出力信
号を合成するための加算回路と、加算回路の出力信号の
電圧および位相を調整して振動体を励振するための駆動
信号を出力する発振回路と、検出手段の出力信号の差を
検出するための差動回路と、差動回路の出力信号を加算
回路の出力信号に同期して検波するための同期検波回路
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、振動体を圧電的に励振させるための駆動手段を含
み、発振回路から出力される駆動信号が駆動手段に与え
られるようにすることができる。また、振動体を非接触
で励振させるための駆動手段を含み、発振回路から出力
される駆動信号が駆動手段に与えられてもよい。さら
に、加算回路の出力信号をモニターして発振回路の出力
信号の電圧を調整するためのモニター回路を追加しても
よい。また、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追
加してもよい。

【０００８】検出手段によって、振動体の振動が非接触
で測定されるため、検出用の圧電素子が不要であり、圧
電素子と振動体との熱膨張係数の差などによる振動の乱
れを防ぐことができる。さらに、検出用の圧電素子の電
気的特性の変化などによる誤差を防ぐことができる。振
動体を励振するための駆動手段として、非接触の駆動手
段を用いれば、駆動用の圧電素子も不要となり、圧電素
子の影響をさらに減らすことかできる。

【０００９】また、加算回路の出力信号をモニターし
て、駆動信号の電圧または位相を調整することにより、
検出手段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、圧電素子による影響
が小さくなるため、その電気的特性の変化や雰囲気温度
の変化などによって出力信号が変動せず、正確に回転角
速度を検出することができる。また、加算回路の出力信
号をモニターして駆動信号の電圧や位相を調整すれば、
さらに正確な検出信号を得ることができる。したがっ
て、この発明の振動ジャイロを使用すれば、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１つの側面には、図３に示す
ように、圧電素子１６が形成される。圧電素子１６は、
たとえば圧電セラミックなどで形成される圧電層１６ａ
を含む。この圧電層１６ａの両面には、電極１６ｂ，１
６ｃが形成される。そして、一方の電極１６ｃが、振動
体１４に接着される。この圧電素子１６は、振動体１４
を屈曲振動させるための駆動用として用いられる。

【００１４】振動体１４の圧電素子１６が形成されてい
ない２つの側面に対応して、検出手段としての振動検出
素子１８，２０が配置される。振動検出素子１８，２０
としては、たとえばホトインタラプタなどの発光素子お
よび受光素子を組み合わせたものが用いられる。また、
振動検出素子１８，２０としては、レーザーの発光素子
および受光素子を組み合わせたものを使用してもよい。
そして、発光素子から出力される光が振動体１４の側面
で反射し、受光素子で検出される。この反射光から、振
動体１４の振動が検出される。

【００１５】２つの振動検出素子１８，２０は、加算回
路２２に接続される。加算回路２２では、振動検出素子
１８，２０の出力信号が合成される。ここでは、振動検
出素子１８，２０の出力端が、２つの抵抗２４，２６を
介して接続され、振動検出素子１８，２０の出力信号が
合成されている。加算回路２２の出力信号は、発振回路
２８に入力される。発振回路２８は、位相回路３０と増
幅回路３２とを含む。位相回路３０では、加算回路２２
の出力信号が位相が調整され、増幅回路３２では電圧レ
ベルが調整される。そして、発振回路２８の出力信号
が、駆動信号として圧電素子１６に与えられる。

【００１６】また、振動検出素子１８，２０は、差動増
幅回路３４に接続される。差動増幅回路３４では、振動
検出素子１８，２０の出力信号の差が検出される。差動
増幅回路３４の出力信号は、同期検波回路３６で、加算
回路２２の信号に同期して検波される。同期検波回路３
６で検波された信号は、平滑回路３８で平滑され、さら
に増幅回路４０で増幅される。

【００１７】この振動ジャイロ１０では、発振回路２８
から圧電素子１６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１６形成面に直交する方向に
屈曲振動する。このとき、振動検出素子１８，２０が配
置された振動体１４の側面の屈曲状態は同じであり、振
動検出素子１８，２０において同じ振動が検出される。
したがって、振動検出素子１８，２０からは、同じ信号
が出力される。振動検出素子１８，２０の出力信号は、
加算回路２２で加算されて、発振回路２８で電圧および
位相が調整され、駆動信号として圧電素子１６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。

【００１８】無回転時においては、振動検出素子１８，
２０の出力信号は同じであるため、差動増幅回路３４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、振動検出素子１
８，２０が配置された振動体１２の側面の屈曲状態が変
わる。このとき、振動検出素子１８，２０で検出される
振動体１２側面の一方の屈曲が大きくなり、他方の屈曲
が小さくなる。したがって、振動検出素子１８，２０の
一方の出力信号は大きくなり、他方の出力信号は小さく
なる。そのため、差動増幅回路３４からは、振動検出素
子１８，２０の出力信号の差に相当する信号が出力され
る。つまり、差動増幅回路３４からは、振動検出素子１
８，２０の出力信号の変化分に相当する信号が出力され
る。

【００１９】差動増幅回路３４の出力信号は、同期検波
回路３６で、加算回路２２の信号に同期して検波され
る。それにより、差動増幅回路３４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３
６の出力信号は平滑回路３８で平滑され、さらに増幅回
路４０で増幅される。したがって、増幅回路４０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。

【００２０】この振動ジャイロ１０では、回転角速度が
大きいほど振動検出素子１８，２０の出力信号の差が大
きくなり、差動増幅回路３４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４０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４０
の出力信号のレベルが変わる。したがって、増幅回路４
０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、振動検出素子１８，２０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３
６で検波される信号の極性が逆になり、増幅回路４０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４０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。

【００２１】振動ジャイロ１０に回転角速度が加わる
と、振動検出素子１８，２０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２２で振動
検出素子１８，２０の出力信号を合成すれば、振動検出
素子１８，２０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出来る。したがって、この加算回
路２２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。

【００２２】この振動ジャイロ１０では、従来の振動ジ
ャイロのように、検出手段として圧電素子が使用されて
いない。そのため、検出手段としての圧電素子の接着位
置に気をつける必要がない。また、検出手段は非接触で
あるため、雰囲気温度が変化しても、振動体１４に熱膨
張係数の差による応力が加わらず、振動体１４を安定し
て振動させることができる。さらに、検出用の圧電素子
がないため、リード線を接続する必要がなく、リード線
による振動体１４への負荷をなくすことができる。その
ため、振動体１４の振動を安定したものとすることがで
き、正確な回転角速度を検出することができる。さら
に、圧電素子の電気的特性の変化などによる影響を受け
ることがなく、回転角速度に正確に対応した信号を得る
ことができる。

【００２３】また、この振動ジャイロ１０には、非接触
の駆動手段を用いることができる。この場合、振動体１
４には、駆動用の圧電素子が形成されない。非接触の駆
動手段としては、たとえば図４に示すように、コイル４
２を用いることができる。このとき、振動体１４は、磁
性体で形成される。そして、発振回路２８からコイル４
２に駆動信号が与えられることによって、磁界が発生す
る。このような磁界による磁気駆動によって、振動体１
４に屈曲振動が励振される。また、スピーカなどを用い
て、音波によって振動体１４に屈曲振動をさせてもよ
い。さらに、振動体１４に接触しない電極に駆動信号を
与えて、クーロン力駆動によって振動体１４に屈曲振動
をさせてもよい。このようなクーロン力駆動を行う場合
には、振動体１４は導電体で形成される必要がある。

【００２４】このように、非接触の駆動手段を用いれ
ば、振動体１４に圧電素子などのような他の物質を付加
する必要がなく、熱膨張係数の差などによる影響を完全
に排除することができる。したがって、回転角速度に正
確に対応した信号を得ることができる。

【００２５】さらに、図５に示すように、加算回路２２
の出力信号をモニターし、それに対応して駆動信号を制
御するためのモニター回路５０を追加することができ
る。モニター回路５０は、平滑回路５２を含む。加算回
路２２の出力信号は、平滑回路５２で平滑される。ま
た、モニター回路５０は、基準信号回路５４を含み、基
準信号回路５４から一定レベルの信号が出力される。こ
れらの平滑回路５２の出力信号電圧と基準信号回路５４
の出力信号電圧とが、比較回路５６で比較される。そし
て、その比較結果によって、駆動信号の電圧が調整され
る。

【００２６】駆動信号の電圧を調整するために、発振回
路２８は、位相回路３０と自動利得制御回路（ＡＧＣ回
路）５８とで構成される。ＡＧＣ回路５８では、モニタ
ー回路５０からの電圧制御信号によって、駆動信号の電
圧が調整される。この振動ジャイロ１０では、加算回路
２２の出力信号電圧が一定となるように、発振回路２８
から出力される駆動信号の電圧が調整される。それによ
って、振動体１４には安定した屈曲振動が励振され、回
転角速度に正確に対応した信号を得ることができる。

【００２７】なお、加算回路２２の出力信号電圧を一定
に保つためには、図６に示すように、発振回路２８を増
幅回路３２と位相制御回路６０とで構成してもよい。こ
の場合、モニター回路５０からは、発振回路２８から出
力される駆動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。そして、位相制御回路６０では、モニタ
ー回路５０からの位相制御信号によって、駆動信号の位
相が調整される。このように、駆動信号の位相を調整す
ることによって、加算回路２２の出力信号電圧を調整し
てもよい。この場合でも、振動体１４には安定した屈曲
振動が励振され、回転角速度に正確に対応した信号を得
ることができる。

【００２８】また、基準信号回路５４として、図７に示
すように、基準電圧回路６２と抵抗６４と感温素子６６
とで構成した回路を用いてもよい。感温素子６６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。この基準信
号回路５４では、抵抗６４と感温素子６６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６２の出力信号が分圧される。したがっ
て、基準信号回路５４の出力信号は、雰囲気温度の変化
に対応した電圧となる。

【００２９】加算回路２２の出力信号は、比較回路５６
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２２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、発振回路２８から出
力される駆動信号の電圧または位相が調整される。つま
り、加算回路２２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、振動検出素子１８，２０から得ら
れる回転角速度に対応した信号は、雰囲気温度に対応し
ていることになる。そのため、増幅回路４０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。

【００３０】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、振動体１４の振
動状態を非接触で検出することにより、ドリフトの少な
い信号を得ることができる。さらに、振動体の駆動を非
接触で行えば、さらにこの効果を大きくすることができ
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】この発明の振動ジャイロのさらに他の例を示す
図解図である。

【図６】この発明の振動ジャイロの別の例を示す図解図
である。

【図７】図５および図６に示す振動ジャイロに用いられ
る基準信号回路の他の例を示す回路図である。

【図８】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１６圧電素子１８，２０振動検出素子２２加算回路２８発振回路３０位相回路３２増幅回路３４差動増幅回路３６同期検波回路３８平滑回路４０増幅回路４２コイル５０モニター回路５２平滑回路５４基準信号回路５６比較回路５８ＡＧＣ回路６０位相制御回路６２基準電圧回路６４抵抗６６感温素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動体、前記振動体の振動軸に対して対称な位置に配置され前記
振動体の振動を非接触で測定する検出手段、前記検出手段の出力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
記振動体を励振するための駆動信号を出力する発振回
路、前記検出手段の出力信号の差を検出するための差動回
路、および前記差動回路の出力信号を前記加算回路の出
力信号に同期して検波するための同期検波回路を含む、
振動ジャイロ。
【請求項２】前記振動体を圧電的に励振させるための
駆動手段を含み、前記発振回路から出力される駆動信号
が前記駆動手段に与えられる、請求項１に記載の振動ジ
ャイロ。
【請求項３】前記振動体を非接触で励振させるための
駆動手段を含み、前記発振回路から出力される駆動信号
が前記駆動手段に与えられる、請求項１に記載の振動ジ
ャイロ。
【請求項４】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電圧を調整するためのモニタ
ー回路を含む、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、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。