JPH11142156A

JPH11142156A - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH11142156A
Application number: JP9305621A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川; Hideki Tamura; 英樹田村; Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-11-07
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】特に所定平面内に延びる振動子に対して、この
所定平面内の回転を与えたときに、この回転の角速度を
検出できるような、新しい振動型ジャイロスコープを提
供すること【解決手段】振動型ジャイロスコープは、回転系の回転
軸ｚが交差する円板状の振動体２と、振動体２に対して
Ｂ_{1 1}モードの駆動振動を励起するための駆動振動励振
手段３を備える。振動体２の回転によって振動体２にコ
リオリ力Ｆｃｙが加わり、Ｂ_{1 1}モードの振動に対して
直交する検出振動が引き起こされる。この検出振動を検
出する検出手段を備えている。好ましくは、振動体２の
中央部分に質量４が付加されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転系内の回転角
速度を検出するために使用される角速度センサに用いら
れる振動子、およびその振動子を用いた振動型ジャイロ
スコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、回転系内の回転角速度を検出
するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型
ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位
置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の
分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメ
ラの手振れの検出などに使用されている。

【０００３】このような圧電振動型ジャイロスコープ
は、振動している物体に角速度が加わると、その振動と
直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そ
して、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、
「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１
〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープと
しては、これまでに種々のものが提案されている。例え
ば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型
ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、
円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、振動型ジ
ャイロスコープの応用について種々検討を進めており、
例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制
御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコ
ープを使用することを検討した。こうしたシステムにお
いては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によ
って検出する。これと同時に、実際に車体が回転してい
る回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。
そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較し
て差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補
正を加えることによって、安定した車体制御を実現す
る。

【０００５】しかし、上述した従来の圧電振動型ジャイ
ロスコープは、いずれの例でも、振動子を回転軸に対し
て平行に配置（いわゆる縦置き）しなければ、回転角速
度を検出することができない。しかし、通常、測定した
い回転系の回転軸は、装着部に対して垂直である。従っ
て、このような圧電振動型ジャイロスコープを実装する
際、圧電振動型ジャイロスコープの低背化を達成するこ
と、即ち、振動型ジャイロスコープを回転軸方向に見た
ときの寸法を減少させることができなかった。

【０００６】近年になって、振動子を回転軸に対して垂
直に配置（いわゆる横置き）しても、回転角速度を検出
できる圧電振動型ジャイロスコープが、特開平８−１２
８８３３号公報において提案されている。しかし、この
ような振動型ジャイロスコープにおいても、振動型ジャ
イロスコープを回転軸方向に見たときの寸法を減少させ
る上で限界があった。

【０００７】本発明の課題は、特に所定平面内に延びる
振動子に対して、この所定平面内の回転を与えたとき
に、この回転の角速度を検出できるような、新しい振動
型ジャイロスコープを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転系の回転
角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであっ
て、回転系の回転軸が交差する円板状の振動体と、この
振動体に対してＢ_{1 1}モードの駆動振動を励起するため
の駆動振動励振手段と、振動体の回転によって振動体に
コリオリ力によって引き起こされる、Ｂ₁ ₁モードの振
動に対して直交する検出振動を検出する検出手段とを備
えていることを特徴とする。

【０００９】本発明者は、振動型ジャイロスコープに使
用できる振動子の振動原理について基礎研究を行ってき
たが、この過程で、まったく新しい原理に基づく振動子
および振動型ジャイロスコープを開発することに成功し
た。この点について、図１、図２の模式図を参照しつ
つ、説明する。

【００１０】図１（ａ）に示す振動型ジャイロスコープ
１は、円板形状の振動体２を備えており、振動体２上に
所定の駆動振動励振手段３が設けられている。駆動振動
励振手段３によって、振動体２をｘ方向に向かって励振
し、図１（ａ）、（ｂ）に示すようなＢ_{1 1}モードの駆
動振動を励起する。振動体２の一方の領域６Ａと他方の
領域６Ｂとの間では、逆方向に振動する。５は振動の節
線である。本図の形態では、振動体２の中央部に付加質
量４を付加する。このため、質量４の中心軸７が振動す
る。Ｖｘは特定の瞬間における質量４の速度のベクトル
を示す。

【００１１】図１（ｃ）には質量４、回転軸ｚ、質量４
の速度ベクトルＶｘ、特定の瞬間に質量４に作用するコ
リオリ力Ｆｃｙを示す。振動体２は角速度Ωｚで回転軸
ｚを中心として回転する。

【００１２】この回転によって、図２（ａ）、（ｂ）に
示すような検出振動が励起される。即ち、ｘ軸方向の駆
動成分に対して直交するｙ方向の振動成分を持つように
なる。この結果、ｙ軸方向の節線８の一方の領域９Ａと
他方の領域９Ｂとの間で逆方向の振動が生じ、これに応
じて質量４も振動する。なお、２３は検出振動の検出手
段である。

【００１３】このように、Ｂ_{1 1}モードの駆動振動と、
これに直交する方向の検出振動とが、円板形状の振動体
２に同形の縮退モードを生成させることから、この抵抗
発熱体の検出振動成分を抽出することで回転角速度Ωｚ
を算出できる。

【００１４】なお、前述したように、振動体２の中央部
分に質量４を設置するかわりに、駆動振動の節線５の上
でかつ振動体２の中央部の両側に質量を配置し、更に検
出振動の節線８の上でかつ振動体２の中央部の両側に質
量を配置することができる。この場合にも、前述のよう
にして回転角速度Ωｚを検出できる。しかし、この場合
には各質量の大きさと位置とをバランス良く均等に配置
する必要があり、このバランスが少しでも崩れると検出
精度が低下してくる傾向がある。このため、振動体２の
中央部分に質量４を設置することによって、もっとも質
量のバランスが良好になり、検出精度が向上する。

【００１５】図３（ａ）は本発明の好適な実施形態に係
る振動型ジャイロスコープ１０を概略的に示す平面図で
あり、図３（ｂ）は図３（ａ）の概略側面図である。図
４は、図３の振動型ジャイロスコープから検出した測定
値から回転角速度Ωｚを得るのに適した回路構成の一例
を示すブロック図であり、図５は実際の検出結果を示す
グラフである。

【００１６】振動体２には２つの駆動電極１１Ａ、１１
Ｂと、２つの検出電極２４Ａ、２４Ｂとが設けられてい
る。駆動電圧端子１２から所定の駆動電圧を供給し、図
１（ａ）、（ｂ）に示すように振動体２を振動させた。
振動体が回転していないときには、検出端子１３Ａ、１
３Ｂからは等しい電圧Ｖｃが得られる。

【００１７】ここで振動体２をｚ軸を中心として回転さ
せると、図２（ａ）、（ｂ）に示すＢ’_{1 1}モードの検
出振動が生じ、例えば端子１３ＡからはＶｃ＋ΔＶの電
圧が得られ、端子１３ＢからはＶｃ−ΔＶの電圧が得ら
れる。差動回路を用いて、端子１３Ａ、１３Ｂからの検
出電圧を処理し、同相信号を打ち消し、回転角速度Ωｚ
に応じた信号２ΔＶを得る。

【００１８】本発明者は、振動体としてエリンバーを使
用し、電極の外径φを３５ｍｍとし、電極の厚さを０．
３ｍｍとし、振動体２の外径φを４０ｍｍとし、振動体
２の厚さを０．８ｍｍとし、質量４の高さを５．０ｍｍ
とし、質量４の直径を１０ｍｍとした。図３（ｂ）に示
すように質量４の裏側で軸１４をベース１５によって支
持した。

【００１９】前述のようにして、実際の回転角速度Ωｚ
と差動電圧との関係を測定した。ただし、現実の振動型
ジャイロスコープにおいては、実際の接着、組み立て等
の際に僅かに誤差が発生することから、振幅誤差ΔＶｃ
および位相誤差Δθが生ずるので、調整する必要があ
る。

【００２０】このため、図４に示すように、各端子１３
Ａ、１３Ｂから得た信号電圧をプリアンプ１６Ａ、１６
Ｂ、ローパスフィルタ１７Ａ、１７Ｂ、差動アンプ１８
に通し、同期検波のためにＮＦ社製の「ロックインアン
プ５６１０Ｂ」１９を使用した。検出信号の振幅Ｖの絶
対値と、検出信号と参照信号との位相差φのコサインと
の積

【数１】｜Ｖ｜・ｃｏｓφ なる直流成分を最終的に出力した。また、静止時には出
力が０となるようにするため、予めロックインアンプに
よってφ＝９０°となるように調整した。

【００２１】この測定結果を図５に示す。縦軸は直流成
分の出力であり、横軸は回転角速度Ωｚ（°／秒）であ
る。左右回転方向を検出でき、また回転角速度Ωｚと出
力との間に線型的な関係が得られた。従って、本発明の
振動型ジャイロスコープは、ジャイロセンサーとして良
好に使用できる。

【００２２】なお、この際の各パラメーターは、以下の
通りであった。

【表１】

【００２３】振動体の材質は特に限定するものでない
が、水晶、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ニオブ酸リチ
ウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）
Ｏ₃）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単
結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。

【００２４】振動体を圧電性材料によって形成した場合
には、この振動子に駆動電極および検出電極を設ける。
圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧
電セラミックスがある。振動体を、エリンバー等の恒弾
性金属によって形成することもできる。この場合には、
振動子の所定箇所に圧電体を取り付ける必要がある。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、特
に所定平面内に延びる振動子に対して、この所定平面内
の回転を与えたときに、この回転の角速度を検出できる
ような、新しい振動型ジャイロスコープを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の振動型ジャイロスコープの
駆動振動のモードを模式的に示す平面図であり、（ｂ）
は、駆動振動のモードを模式的に示す線図であり、
（ｃ）は、回転軸、駆動振動、コリオリ力の各方向を示
す図である。

【図２】（ａ）は、本発明の振動型ジャイロスコープの
検出振動のモードを模式的に示す平面図であり、（ｂ）
は、検出振動のモードを模式的に示す線図である。

【図３】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る振動型ジ
ャイロスコープを概略的に示す平面図であり、（ｂ）
は、（ａ）の振動型ジャイロスコープの側面図である。

【図４】図３の振動型ジャイロスコープから得られた出
力から、最終的な直流成分出力を得るための差動回路を
示すブロック図である。

【図５】図３、図４の振動型ジャイロスコープを使用し
て得られた実験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１、１０振動型ジャイロスコープ２振動体
３駆動振動励振手段４質量５駆動
振動の節線７質量４の中心軸８検出振
動の節線１１Ａ、１１Ｂ駆動電極１２
駆動電圧端子１３Ａ、１３Ｂ検出信号端子
２３検出手段２４Ａ、２４Ｂ検出電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転系の回転角速度を検出するための振動
型ジャイロスコープであって、前記回転系の回転軸が交
差する円板状の振動体と、この振動体に対してＢ _{1 1}モ
ードの駆動振動を励起するための駆動振動励振手段と、
前記振動体の回転によって前記振動体にコリオリ力によ
って引き起こされる、前記Ｂ_{1 1}モードの振動に対して
直交する検出振動を検出する検出手段とを備えているこ
とを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
【請求項２】前記振動体の中央部分に質量が付加されて
いることを特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロ
スコープ。
【請求項３】前記振動体の前記Ｂ_{1 1}モードの振動の節
線上であって、前記振動体の中央部分の両側にそれぞれ
付加されている質量と、前記振動体の検出振動の節線上
であって、前記振動体の中央部分の両側にそれぞれ付加
されている質量とを備えていることを特徴とする、請求
項１記載の振動型ジャイロスコープ。