JP3671570B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

【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、カメラの手振れ防止用や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９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１０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、ワトソン型の振動ジャイロでは、振動体の先端部に検出片があるため、大型になってしまう。さらに、振動体の先端部において振動体の面と検出片の面とが直交するような複雑な構造であるため、製造時に高い加工精度が必要となる。また、スペリー型の振動ジャイロでは、振動体と検出片とが細い支持部材を介して接続されているため、外部振動や衝撃による支持部材の変位が問題となる。
【０００５】
また、これらの振動ジャイロでは、Ｕ字状の音叉型振動体の底部中心部が近似的なノード点として支持されるが、実際には音叉型の振動体のノード点は２か所あり、振動体の底部中心部を支持すると振動漏れが発生する。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、簡単に製造でき、振動漏れが少なく、衝撃などによる影響が少なく、かつ小型の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、基部の両端から互いの面が対向するように延びる２つの板状の振動片とで形成される音叉型の振動体、２つの振動片が逆相となるように屈曲振動したときにノード点となる基部の２点近傍に接続される２つの板状の検出片、２つの検出片の先端部を同時に支持するための支持部材、２つの振動片上に形成され、２つの振動片を逆相となるように屈曲振動させるための駆動用圧電素子、および２つの検出片上に形成される検出用圧電素子を含む、振動ジャイロである。
この振動ジャイロにおいて、検出片は、振動片と直交するように配置される。
また、振動片の先端部に重りを形成してもよい。
さらに、基部にリブ加工を施してもよい。
また、基部と角度をもって補強部材を形成してもよい。
さらに、基部に塊状のブロックを取り付けてもよい。
この振動ジャイロの駆動および検出を行うために、駆動用圧電素子の一方の出力信号を帰還信号とし、かつ駆動用圧電素子の他方に駆動信号を与えるための発振回路が構成され、２つの検出用圧電素子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。
また、２つの検出用圧電素子の出力信号の和または差を帰還信号とし、かつ２つの駆動用圧電素子に駆動信号を与えるための発振回路が構成され、２つの検出用圧電素子の出力信号の差または和が検出信号として取り出されてもよい。
【０００８】
無回転時においては、振動体の２つの振動片が互いに逆相となるように屈曲振動し、検出片が基体の２つのノード点近傍に接続されているため、検出片は変位しない。そのため、検出片上に形成された検出用圧電素子も変位せず、信号が出力されないため、回転角速度が加わっていないことがわかる。振動ジャイロに回転角速度が加わると、振動体の振動片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振動体が回転するが、検出片の先端部が同時に支持されているため、２つの検出片が逆向きに屈曲する。それにより、検出用圧電素子も屈曲し、回転角速度に対応した信号が出力される。
【０００９】
この振動ジャイロにおいて、振動片と検出片とが直交するように配置されている場合、板材などを所定の形状に打ち抜き、それを折り曲げることによって、振動体や検出片などを形成することができる。また、振動片の先端部に重りを形成することにより、コリオリ力による振動体の回転を大きくすることができ、検出片の屈曲も大きくなる。そのため、検出用圧電素子からの出力信号が大きくなる。また、基部にリブ加工を施したり、基部と角度をもって補強部材を形成したり、基部にブロックを取り付けることによって、基部が補強される。さらに、２つの検出用圧電素子の出力信号の差または和をとることにより、回転角速度に対応する信号を大きくすることができる。しかも、外部振動や衝撃などが振動ジャイロに加わったとき、２つの検出片は同じ向きに屈曲する。このような屈曲による検出用圧電素子の出力信号の差または和をとることにより、これらの出力信号が相殺される。
【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。振動体の基部にある２つのノード点近傍に２つの検出片が形成され、その検出片の先端部が支持されるため、振動体の振動片が屈曲振動するときに、検出片などからの振動漏れが少なく、検出片などの過度現象を抑制することができる。また、基体の２か所に検出片が形成されるため、振動体の支持を強固にすることができ、回転角速度が加わったときにスムーズな回転を得ることができ、振動体と検出片との一体化も可能である。しかも、２つの振動片の間に検出片が配置できるため、ワトソン型やスペリー型の振動ジャイロに比べて、振動ジャイロを小型化することができる。
【００１１】
また、振動体の振動片の先端部に重りを形成することにより、コリオリ力による検出片の変形を大きくすることができ、回転角速度に対応する信号を大きくすることができる。しかも、それぞれの検出片に形成された検出用圧電素子から、回転角速度に対応した信号が出力されるため、これらの検出用圧電素子から出力される信号の差または和をとることにより、回転角速度に対応した大きい信号を得ることができる。しかも、外部振動や衝撃によって発生する信号を相殺することができるため、外部振動や衝撃による影響を少なくすることができる。したがって、回転角速度の検出感度を上げることができる。さらに、打ち抜いた板材を折り曲げることによって、振動体および検出片を形成することができ、ワトソン型やスペリー型の振動ジャイロに比べて、製造が容易である。
【００１２】
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。
【００１３】
【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る。振動ジャイロ１０は、音叉型の振動体１２を含む。振動体１２は、板状の基部１４と、２つの板状の振動片１６ａ，１６ｂとで構成されている。振動片１６ａ，１６ｂは、基部１４の長手方向の両端から、基部１４の面に直交するように形成される。これらの振動片１６ａ，１６ｂは、互いに対向するように配置される。
【００１４】
基部１４の幅方向の一端側において、２つの板状の検出片１８ａ，１８ｂが、振動片１６ａ，１６ｂと同じ方向に延びるように形成される。検出片１８ａ，１８ｂの面は、振動片１６ａ，１６ｂの面と直交するように形成される。このとき、検出片１８ａ，１８ｂは、幅の狭い接続部２０ａ，２０ｂによって、後述の２つのノード点近傍で基部１４に接続される。さらに、検出片１８ａ，１８ｂの先端部には、板状の支持部材２２が形成される。支持部材２２は、検出片１８ａ，１８ｂの両方に接続される。そして、支持部材２２の面は、検出片１８ａ，１８ｂの面と直交するように形成される。つまり、支持部材２２の面と基部１４の面とが平行になる。この支持部材２２が基板などに取り付けられて、振動ジャイロ１０が支持される。また、振動片１６ａ，１６ｂの先端部には、重り２４が形成される。
【００１５】
このような振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂおよび支持部材２２などを得るために、たとえば図３に示すように、所定の形状に打ち抜いた板材２６を折り曲げることによって形成することができる。ここでは、長方形部分２６ａとＵ字状部分２６ｂとが一体的に形成された形状となっている。そして、図３の点線で示した部分で板材２６を折り曲げることにより、振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂおよび支持部材２２などを得ることができる。
【００１６】
振動片１６ａ，１６ｂの外面には、それぞれ駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂが形成される。駆動用圧電素子２８ａは、たとえば圧電セラミックなどで形成される圧電層３０ａを含む。この圧電層３０ａの両面に電極３２ａ，３４ａが形成される。そして、一方の電極３４ａが、振動片１６ａに接着される。同様に、駆動用圧電素子２８ｂは圧電層３０ｂを含み、その両面に電極３２ｂ，３４ｂが形成される。そして、一方の電極３４ｂが、振動片１６ｂに接着される。また、検出片１８ａ，１８ｂ上には、それぞれ検出用圧電素子３６ａ，３６ｂが形成される。検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは圧電層３８ａ，３８ｂを含み、その両面に電極４０ａ，４２ａおよび電極４０ｂ，４２ｂが形成される。そして、一方の電極４２ａ，４２ｂが、検出片１８ａ，１８ｂに接着される。これらの駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂおよび検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは、同じ向きに分極処理される。たとえば、全ての圧電素子２８ａ，２８ｂ，３６ａ，３６ｂが、外側から振動片１６ａ，１６ｂ側および外側から検出片１８ａ，１８ｂ側に向かって分極される。
【００１７】
このような振動ジャイロ１０を使用するために、図４に示すように、２つの駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂの間に発振回路４４が接続される。発振回路４４は、たとえば増幅回路４６と位相補正回路４８とを含む。増幅回路４６の入力端には、駆動用圧電素子２８ｂの出力信号が入力される。そして、増幅回路４６の出力信号が位相補正回路４８で位相補正され、駆動用圧電素子２８ａに駆動信号として与えられる。
【００１８】
さらに、２つの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは、検出回路５０に接続される。検出回路５０は差動回路５２を含み、この差動回路５２の入力端に検出用圧電素子３６ａ，３６ｂが接続される。差動回路５２の出力信号は、同期検波回路５４によって、増幅回路４６の信号に同期して検波される。同期検波回路５４の出力信号は平滑回路５６で平滑され、さらに直流増幅回路５８で増幅される。
【００１９】
この振動ジャイロ１０では、発振回路４４から駆動用圧電素子２８ａに与えられる駆動信号によって、２つの振動片１６ａ，１６ｂが、互いに逆相となるように屈曲振動する。つまり、図１に実線の矢印で示すように、一方の振動片１６ａが外側に屈曲するとき、他方の振動片１６ｂも外側に屈曲する。逆に、一点鎖線の矢印で示すように、一方の振動片１６ａが内側に屈曲するとき、他方の振動片１６ｂも内側に屈曲する。このような屈曲が連続して、音叉型の振動体１２の振動片１６ａ，１６ｂが開閉するような屈曲振動をする。
【００２０】
このとき、振動体１２の基部１４も屈曲するが、そのノード点は基部１４の中央部にはなく、基部１４の中央部から長手方向の両側に離れた２か所にノード点が存在する。そこで、２つの検出片１８ａ，１８ｂは、これらの２つのノード点近傍において、基部１４に接続される。したがって、振動体１２が開閉するような振動をしても、検出片１８ａ，１８ｂに振動が漏れず、検出片１８ａ，１８ｂは変位しない。そのため、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂからは信号が出力されず、直流増幅回路５８からの出力も０となる。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。
【００２１】
図１にω₀ で示すように、振動ジャイロ１０の軸を中心として回転すると、振動片１６ａ，１６ｂ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、基体１４の中央部を軸として回転力が働く。そのため、振動体１２が回転するが、支持部材２２が固定されているため、図５に示すように、検出片１８ａ，１８ｂが屈曲する。このとき、基部１４の中央部の両側に検出片１８ａ，１８ｂが配置されているため、２つの検出片１８ａ，１８ｂは、互いに逆向きに屈曲する。つまり、一方の検出片１８ａが下方に向かって屈曲したとき、他方の検出片１８ｂは上方に向かって屈曲する。逆に、一方の検出片１８ａが上方に向かって屈曲したとき、他方の検出片１８ｂは下方に向かって屈曲する。
【００２２】
これらの検出片１８ａ，１８ｂの屈曲に対応して、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂも屈曲する。そのため、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから、屈曲に応じた信号が出力される。このような屈曲はコリオリ力に対応しているため、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから出力される信号もコリオリ力に対応したものとなる。これらの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは同じ向きに分極されているため、このような逆向きの屈曲によって、逆極性の信号が出力される。したがって、差動回路５２で検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号の差をとれば、コリオリ力に対応した大きい信号を得ることができる。
【００２３】
差動回路５２の出力信号は、同期検波回路５４で検波される。このとき、増幅回路４６の信号に同期して検波されることにより、差動回路５２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５４の出力信号は平滑回路５６で平滑され、さらに直流増幅回路５８で増幅される。したがって、直流増幅回路５８の出力信号を測定することにより、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。
【００２４】
なお、回転角速度の方向が逆になれば、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから出力される信号の位相が逆になるため、同期検波回路５４で検波される信号の極性も逆になる。したがって、直流増幅回路５８の出力信号の極性も逆となり、直流増幅回路５８の出力信号の極性から、回転角速度の向きを検出することができる。
【００２５】
この振動ジャイロ１０では、振動体１２の振動片１６ａ，１６ｂが屈曲振動するときに、基部１４の２つのノード点近傍に検出片１８ａ，１８ｂが接続されているため、振動体１２の振動が漏れにくい。また、振動体１２の振動が漏れにくいため、振動漏れによる検出片１８ａ，１８ｂや接続部２０ａ，２０ｂの過度現象を抑制することができる。
【００２６】
また、２つの検出片１８ａ，１８ｂで振動体１２が支持されているため、強固な支持を得ることができ、しかもスムーズな回転を得ることができる。さらに、振動体１２の内側に検出片１８ａ，１８ｂを配置して一体化することができ、振動ジャイロ１０を小型化することができる。
【００２７】
また、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号の差をとることにより、回転角速度に対応した大きい信号を得ることができる。さらに、外部振動や衝撃などが加わったとき、２つの検出片１８ａ，１８ｂは同じ向きに屈曲し、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから同じ極性の信号が出力される。そのため、外部振動や衝撃などによる信号は、差動回路５２で相殺される。したがって、回転角速度の検出感度を良好にすることができる。また、重り２４を形成することにより、コリオリ力による振動体１２の回転力を大きくすることができ、検出片１８ａ，１８ｂの屈曲を大きくすることができる。したがって、重り２４を形成することによって、さらに検出感度を良好にすることができる。しかしながら、重り２４は、必ずしも形成する必要はない。
【００２８】
さらに、この振動ジャイロ１０では、図３に示すような形状に板材を打ち抜き、それを折り曲げることによって、振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂおよび支持部材２２などを形成することができる。したがって、従来のワトソン型やスペリー型の振動ジャイロに比べて、簡単に製造することができ、低コストで振動ジャイロ１０を製造することができる。
【００２９】
また、図６に示すように、振動体１２の基部１４と検出片１８ａ，１８ｂとが、同一平面上に形成されてもよい。この場合、振動ジャイロ１０に回転角速度が加わったときに、基部１４が変形しないように、基部１４にリブ６０が形成されている。リブ６０は、基部１４に凹部または凸部として形成される。このリブ６０により、基部１４が補強され、基部１４が変形しにくくなる。さらに、基部１４と角度をもって、補強部材６２が形成されてもよい。このような振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂ，支持部材２２および補強部材６２を得るためには、たとえば図７に示すように、２つのＵ字状部分６４ａ，６４ｂを含む板材６４を折り曲げればよい。このとき、補強部材６２は、板材６４の基部１４となるべき部分から延びて形成された部分６４ｃを折り曲げることによって形成される。さらに、折り曲げられた基部１４の内側に、塊状のブロック６６を形成してもよい。このようなブロック６６は、たとえば接着剤などによって、基部１４に接着される。
【００３０】
このようなリブ６０，補強部材６２およびブロック６６などによって、基部１４の変形を防ぐことができる。それにより、振動ジャイロ１０の特性を安定させることができる。また、これらの補強により、温度変化による基部１４の反りを防止することができ、温度変化による特性の変動を防ぐことができる。これらのリブ６０，補強部材６２およびブロック６６は、全てを形成する必要はなく、これらの中の少なくとも１つが形成されていればよい。
【００３１】
なお、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの分極方向は、互いに逆向きであってもよい。この場合、回転角速度が加わって、２つの検出片１８ａ，１８ｂが屈曲したとき、２つの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂからは、同じ極性の信号が出力される。したがって、検出回路５０では、差動回路５２の代わりに、和動回路が用いられる。また、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは、検出片１８ａ，１８ｂの他方面側に形成されてもよく、それぞれが異なる側に形成されてもよい。これらの場合でも、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの形成位置と、その分極方向により、検出回路５０に差動回路を用いるか和動回路を用いるがが選択される。
【００３２】
さらに、発振回路４４としては、図８に示すように、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号を帰還信号としたものでもよい。この場合、発振回路４４には和動増幅回路６６が用いられ、この和動増幅回路６８によって、２つの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号の和が増幅される。そして、和動増幅回路６６の出力信号が位相補正回路４８で位相補正されて、駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂに与えられる。このような発振回路４４を用いても、振動体１２の振動片１６ａ，１６ｂが開閉するような屈曲振動をさせることができる。
【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に示す振動ジャイロに用いられる振動体，検出片，接続部および支持部材の展開図である。
【図４】図１に示す振動ジャイロを用いるための回路の一例を示すブロック図である。
【図５】図１に示す振動ジャイロに回転角速度が加わったときの状態を示す図解図である。
【図６】この発明の振動ジャイロの他の例を示す斜視図である。
【図７】図６に示す振動ジャイロに用いられる振動体，検出片，接続部，支持部材および補強部材の展開図である。
【図８】この発明の振動ジャイロを用いるための回路の他の例を示すブロック図である。
【図９】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図である。
【図１０】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 振動体
１４ 基部
１６ａ，１６ｂ 振動片
１８ａ，１８ｂ 検出片
２０ａ，２０ｂ 接続部
２２ 支持部材
２４ 重り
２６ 板材
２８ａ，２８ｂ 駆動用圧電素子
３６ａ，３６ｂ 検出用圧電素子
４４ 発振回路
４６ 増幅回路
４８ 位相補正回路
５０ 検出回路
５２ 差動回路
５４ 同期検波回路
５６ 平滑回路
５８ 直流増幅回路
６０ リブ
６２ 補強部材
６６ ブロック
６８ 和動増幅回路

Claims (8)

1. 板状の基部と、前記基部の両端から互いの面が対向するように延びる２つの板状の振動片とで形成される音叉型の振動体、
   前記２つの振動片が逆相となるように屈曲振動したときにノード点となる前記基部の２点近傍に接続される２つの板状の検出片、
   前記２つの検出片の先端部を同時に支持するための支持部材、
   前記２つの振動片上に形成され、前記２つの振動片を逆相となるように屈曲振動させるための駆動用圧電素子、および
   前記２つの検出片上に形成される検出用圧電素子を含む、振動ジャイロ。
2. 前記検出片は、前記振動片と直交するように配置される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 前記振動片の先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。
4. 前記基部にリブ加工が施された、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。
5. 前記基部と角度をもって形成される補強部材が形成された、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。
6. 前記基部に塊状のブロックが取り付けられた、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の振動ジャイロ。
7. 前記駆動用圧電素子の一方の出力信号を帰還信号とし、かつ前記駆動用圧電素子の他方に駆動信号を与えるための発振回路が構成され、２つの前記検出用圧電素子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ないし請求項６のいずれかに記載の振動ジャイロ。
8. ２つの前記検出用圧電素子の出力信号の和または差を帰還信号とし、かつ２つの前記駆動用圧電素子に駆動信号を与えるための発振回路が構成され、２つの前記検出用圧電素子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ないし請求項６のいずれかに記載の振動ジャイロ。

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