JPH07113642A

JPH07113642A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH07113642A
Application number: JP5256848A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Yamashita; 光洋山下
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-14
Filing date: 1993-10-14
Publication date: 1995-05-02
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JP2814891B2

Abstract

(57)【要約】【目的】角速度の検出精度が励振用素子と検出用素子
の立体的な角度配置に過度に依存しない振動ジャイロを
提供することを目的とする。【構成】振動体は圧電体１１５と恒弾性体からなる円
板で、中心で支持されている。円板には９０°位相の異
なる交流電圧を用いて横振動の進行波が励振される。角
速度の検出軸は円板に平行な面上の二軸であり、各々楕
円振動する振動体に加わるコリオリの力を圧電効果によ
り電荷に変換し、励振部周辺に形成された二つの電極か
ら検出した出力を同期検波（１１８）することにより角
速度を算出している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば車両の姿勢制
御、進行方位算出などに用いられる角速度センサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来例としては、例えば特開昭６１−７
７７１２号公報に示された角速度センサがある。図１３
はこの従来の振動式の角速度センサの基本原理図を示す
ものであり、１３０１、１３０２が検出用素子、１３０
３、１３０４が励振用素子を示している。各々の素子は
圧電バイモルフにより構成されており、励振用素子と検
出用素子が二組で音叉を形成している。実際には、音叉
の根元に近い励振用素子に交流電圧を加えて検出用素子
を振動させ、検出用素子の面に垂直に加わるコリオリ力
を検出することで角速度を求める方式となっている。

【０００３】従来から、角速度を検出するセンサとして
様々なジャイロスコープ（以下、ジャイロと略称する）
が開発されている。その種類は、大まかに機械式のコマ
ジャイロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の
振動を用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイ
ロとリングレーザージャイロ等に分類される。光学式の
ジャイロはサニャック効果、それ以外のものは回転体の
角運動量保存則の表れであるコリオリ力を用いて角速度
の検出を行なっており、使用用途により精度と価格、サ
イズ等が勘案され使用センサが選択されている。

【０００４】自動車用ではシャシー系の制御とかナビゲ
ーションシステムの方位算出等に用いられるが、検出さ
れるのはヨー、ロール、ピッチと三種類ある車体の回転
運動の中で特にヨー方向（鉛直線を中心とする大地に水
平な面内での回転）の角速度（すなわちヨーレート）で
あることが多い。検出目的は、例えば四輪操舵（４Ｗ
Ｓ）の様なシャシー制御の場合にはヨーレートを制御シ
ステム側に車両の姿勢情報の一つとしてフィードバック
し姿勢制御性能を向上させることであり、またナビシス
テム用の場合にはヨーレートを時間積分することによっ
て車両の旋回角度を算出することにある。なお、通常車
載用として使用される角速度センサは圧電型の振動ジャ
イロと光ファイバジャイロで、光ジャイロは高精度用途
に、また振動ジャイロは廉価版ジャイロとして既に車載
用として実用化されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら振動ジャ
イロに着目すると、コリオリの力を用いて角速度を検出
するため例えば従来例のように励振用と検出用の素子
（例えば圧電バイモルフ）を直交して配置することが必
要になる。角速度の検出精度を向上させるためには音叉
型・音片型に関わらず励振及び検出用の素子を立体的に
精密に取り付け角度を制御しながらセンサを作成するこ
とが要求されるため、センサとしての所定の精度を確保
するためには非常に精度の高い組立技術が要求されると
いう課題を有していた。また、立体的な素子の配置が重
要であるため素子の小型化に限界があり、簡単には多軸
化できないという課題を有していた。

【０００６】本発明は上記のような課題を考慮し、角速
度の検出精度が励振用素子と検出用素子の立体的な配置
に依存しない振動ジャイロを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、第一の手段として圧電効果を示す材料の複合
体で構成され中心を通り面に垂直な第一の軸に関し軸対
称に支持された円形平板の振動体と、第一の軸に関し軸
対称に振動体に形成された第一の電極を備えた振動ジャ
イロである。

【０００８】また第二の手段として、圧電効果を示す材
料の複合体で構成され中心を通る面内の第一の軸に関し
軸対称に支持された平板の振動体と、第一の軸に関し線
対称に振動体に形成された第一の電極と、第一の軸に関
し線対称で第一の電極よりも外側の領域の振動体に形成
された第二の電極を備えた振動ジャイロである。

【０００９】

【作用】第一の手段によれば、円形平板振動体には円板
表面に形成された第一の電極により横振動の進行波から
なる歪み振動が励起される。第一の軸に垂直な円板面内
の軸回りに回転が加われば励起された歪み振動が変化す
るため、振動体である円板上でその変動量を検出するこ
とにより角速度を検出できる。結局、励振部と検出部が
ともに同じ平面上に配置されているため、角速度出力が
励振部と検出部の立体的な配置に依存しないようにする
ことが可能になる。

【００１０】また、第二の手段によれば、平板の振動体
には第一の電極により縦振動の歪み振動が励起される。
第一の軸回りの回転が加われば振動体の第二の電極の領
域に励起された歪み振動が変化するから、振動体である
平板上でその変動量を検出することで角速度を検出でき
る。結局、励振部と検出部がともに同じ平面上に配置さ
れているため、第一の手段と同様に角速度出力が励振部
と検出部の立体的な配置に依存しないようにすることが
可能になる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００１２】（実施例１）本発明の第一の実施例の振動
ジャイロの電気的な構成を表わすブロック図を図１に示
す。図１において１０１は発振回路、１０２は位相調整
回路である。１０３から１１０は励振用電極、１１１か
ら１１４は検出用電極、１１５は圧電体と恒弾性金属か
らなる円板状の振動体である。１１６、１１７は差動増
幅回路、１１８、１１９は同期検波回路、１２０、１２
１は出力回路である。また振動ジャイロの振動体の構造
は図２に示す通りである。図２において(a)は上面図
を、また(b)は側面図を示しており、２１は圧電体、２
２は恒弾性金属、２３は振動体１１５を支持する支柱、
２４は台座である。図２(a)において圧電体２１の上に
形成された励振用電極は形状が全て等しく円板中心から
見て４５°の角度で軸対称に配置されており、また検出
用電極は同様に等しい形状で中心から見て９０°の角度
で励振用電極二つが含まれる角度９０°の扇形に検出用
電極一つが含まれる様に配置されている。一方、側面図
(b)より振動体１１５は圧電体２１と恒弾性金属２２か
ら構成されており、円板の中心で振動体１１５は支持さ
れている。なお図２(a)の＋−は分極の向きを示してい
る。即ち圧電体の分極は円板表面に垂直な方向であり、
角度９０°毎に分極方向が逆転している。

【００１３】以上のように構成された本実施例の振動ジ
ャイロについて、以下にその動作を説明する。図１に示
す様に励振用電極は１０３、１０５、１０７、１０９と
１０４、１０６、１０８、１１０のＡ、Ｂ二組に分けて
使用する。一般に圧電体の分極方向に電圧を印加すれば
圧縮伸長による歪が発生する。本実施例の場合、励振用
電極Ａ、Ｂを用いて円板表面に垂直な方向に一定電圧を
加えることは分極方向に電圧を加えることに相当する。
もし振動体が圧電円板単体で構成されているならば振動
体には半径方向に圧縮伸長による変形が表れるが、弾性
体が接着されているため振動体には円板表面に垂直な方
向の変位が発生する。ただし、分極方向が９０°毎に反
転するため変位の方向は分極方向に従って９０°毎に反
転する。従って電極Ａ、Ｂに発振回路１０１を用いて同
じ交流電圧を印加すれば、印加交流電圧に同期した円板
に垂直な方向の振動が励起される。ただし、円周方向の
位置により変位の振幅は変化し、この場合は円板を円周
方向に一回りしたとき二波長分の定在波が励起されるこ
とになる。実際には、発振回路１０１と位相調整回路１
０２を用いて、電極Ａ、Ｂには時間的に９０°位相の異
なる交流電圧を印加する。この場合、励起される振動は
定在波ではなく時間的に振動の山谷が円周方向に移動す
る進行波となる。振動体の一点に着目すれば、この質点
は円板面に垂直な単振動ではなく楕円振動を行うことと
なり、円板表面に垂直な振動成分の他平行な振動成分が
誘起されることになる。

【００１４】以上の様な振動が励起された円板形の振動
ジャイロについて、角速度の検出手法を以下に述べる。
本実施例の場合、図２(a)の円板上のＹ軸回りの角速度
を検出するには検出用電極１１２と１１４を用いる。コ
リオリの力は入力角速度と振動体の各質点の運動速度の
外積に比例するから、Ｘ軸上の質点には円板に平行な力
しか発生しない。しかし、Ｙ軸上の質点には楕円振動の
振幅が一様に大きくまたは小さくなる形にコリオリ力は
発生する。任意の位置の質点については上記二例の組合
せの形でコリオリ力が発生する。今電極１１２と電極１
１４はＸ軸に関して線対称の形状だから、軸対称の位置
にある質点に各々逆方向のコリオリ力が発生することに
なる。検出用電極１１２、１１４には電極が形成された
圧電体の変位に比例した電荷が発生するから、入力角速
度が零の場合は励起された楕円振動の振幅に比例した等
しい電荷が発生するが、角速度が加わった場合にはコリ
オリ力に比例した成分が逆相で発生する。よって、差動
増幅回路１１７で両電極の出力を差動増幅すれば、Ｙ軸
回りの角速度に比例した出力のみが得られる。ただし、
励起された振動が正弦波であるため、差動増幅回路１１
７の出力も励起電圧に同期した正弦波となる。角速度は
差動増幅回路１１７の出力振幅に比例するから、発振回
路１０１の出力を用いて同期検波回路１１９で平滑化
し、かつ出力回路１２１で所定の出力電圧に増幅するこ
とで最終的な角速度出力が得られることになる。

【００１５】Ｘ軸回りに角速度が加わった場合には同様
に考えて検出用電極１１１と１１３を用い、差動増幅回
路１１６でコリオリ力に関する成分のみ抽出する。その
出力を発振回路１０１の出力を用いて同期検波回路１１
８で平滑化し、その後出力回路１２０で所定の出力電圧
に増幅することで最終的な角速度出力が得られる。な
お、Ｘ軸とＹ軸の両方に同時に回転が加えられたとき、
各々他軸の検出部に影響を与える。しかし、検出用の電
極配置から他軸の影響による出力は所望の角速度と９０
°位相がずれて表れるため、各々同期検波回路１１８、
１１９で除去可能であり問題は生じない。また円板表面
に垂直なＺ軸回りの回転に対しては、振動体の運動方向
と角速度の軸方向の関係から明かなように感度を持たな
い。

【００１６】以上のように、第一の実施例では円形平板
の振動体を用い振動には横振動の進行波を採用したため
励振部と検出部を同一平面上に構成することができる。
また振動体の形状に円板を採用したため、円板平面内の
二つの軸に関する回転角速度を同時に計測することが可
能になる。

【００１７】なお、第一の実施例では圧電体と恒弾性金
属一枚ずつの張り合わせで振動体を構成したが、図３に
示す様に圧電体二枚と恒弾性金属一枚の張り合わせ（圧
電バイモルフ）で構成しても良い。また、本実施例では
円形振動体は円板中心で片側でのみ支持される構造とし
たが、図４に示す様に両側支持の構造でも良い。さら
に、円板の振動は励振用電極から半径方向に離れるほど
振幅が減衰するから、円板の振動が零になる位置（節、
例えば節円）で振動体を支持しても良い。例として、図
５は振動体の円周が節円になる場合の断面図を示してい
る。また、本実施例では検出用電極は円板中心と同心で
一定幅の円を角度９０°で切りとった形状であったが、
その角度は図６に示す様に９０°以外であってもさしつ
かえない。ただし、組を成す二つの検出用電極の形状
が、検出したい回転軸と直交し円板中心を通る円板内の
軸に対して線対称である必要がある。また、本実施例で
は振動体に励起させる進行波は一周で二波長であった
が、この波長数は２のべき乗であれば問題ない。さら
に、本実施例では検出用電極を用いたが、図７に示す様
に検出用電極を省略して励振用電極のみとし、コリオリ
力による変位を振動体の発振回路への影響（例えば圧電
体の機械腕電流の変化量）から検出する様にしても良
い。

【００１８】（実施例２）次に、本発明の第二の実施例
について説明する。図８に本実施例の電気的な構成を表
わすブロック図を示す。図８において８１は発振回路、
８２は励振用電極、８３、８４は検出用電極、８５は圧
電体と恒弾性金属からなる振動体、８６は差動増幅回
路、８７は同期検波回路、８８は出力回路である。また
振動ジャイロの振動体の構造は図９に示す通りである。
図９において(a)は側面図を、また(b)は上面図を示して
いる。振動体８５は圧電体９３と恒弾性金属９４、９５
から成るが、励振部は圧電体のみ、検出部は圧電体と弾
性体を接着したものから構成されている。圧電体は角速
度の検出軸に垂直な方向に細長い長方形形状の薄板であ
り、分極は薄板の平面に垂直な方向に一様である。また
裏面には全面に電極が形成されており、振動体の中心で
支柱９１により台座９２に支持されている。

【００１９】以上のように構成された本実施例の振動ジ
ャイロについて、以下にその動作を説明する。発振回路
８１を用いて励振用電極８２に正弦波電圧を印加すれ
ば、圧電体はその形状と分極の方向から長手方向に圧縮
伸長動作を繰り返し振動体先端の検出部を同期して振動
体の長手方向に駆動する。角速度の検出軸は振動体の振
動方向に垂直で圧電平板の中心を通る直線だから、検出
部には面に垂直な方向にコリオリ力が発生する。その方
向は二つの検出部で駆動方向が逆相のため反対方向とな
る。検出部の圧電体には弾性体が接着されているから、
コリオリ力による変位は圧電効果により電荷に変換され
る。二つの検出部の出力は逆相であることから、第一の
実施例と同様に差動増幅回路８６、同期検波回路８７、
出力回路８８を用いることで角速度は検出されることに
なる。なお、この場合圧電体の支持は図１０に示す様に
両端支持であっても問題ないし、また平板中心での支持
でも良い。

【００２０】この構成は、図１１の様に二軸検出タイプ
に拡張できる。図１１において(a)は振動ジャイロの上
面図を、また(b)は側面図を示している。振動体は圧電
体１１０６と恒弾性金属１１０２、１１０３、１１０
４、１１０５で構成されているが、励振部は圧電体の
み、検出部は圧電体と弾性体を接着したものから成って
いる。圧電体は角速度の検出軸に垂直な方向に細長い長
方形薄板を垂直に組み合わせたものであり、分極は薄板
の平面に垂直な方向に一様である。また裏面には全面に
電極が形成されており、振動体の中心で支柱１１０７に
より台座１１０８に支持されている。動作は前述した例
と全く同様であり、十字形状の薄板からなる振動体によ
り二軸の角速度を同時に検出することが可能になる。

【００２１】以上のように、第二の実施例では振動体の
励振部に圧電薄板を単独に採用したため励振部と検出部
を同一平面上に構成することができる。また一軸の角速
度を検出する振動体の基本形状に回転軸を含む面に平行
な細長い長方形薄板を採用したため、簡単に同一平面上
で二軸の角速度を同時に検出する構成をとることが可能
となる。

【００２２】なお、第二の実施例では二軸の角速度を同
時に検出する場合振動体に十字形状の薄板を選定した
が、この形状は図１２に示す様に円形でも良いし、それ
に限定されるものではない。また、二軸検出タイプでは
振動体は中心で片側でのみ支持される構造としたが、両
側支持の構造でも問題ない。さらに、本実施例では検出
部の形状を長方形薄板としたが、これは組を成す二つの
検出部の形状が、検出したい回転軸と直交し振動中心を
通る面内の軸に対して線対称であれば問題ない。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、振
動ジャイロの励振用素子と検出用素子を同一平面上に形
成することが可能になる。よって、角速度の検出精度が
励振用と検出用の素子の立体的な取り付け角度に依存し
ないためセンサの組立精度を緩和することができる。ま
た、平面上の直交する二軸回りの角速度を同時に検出す
ることが可能になるため、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の振動ジャイロの電気的
な構成を表わすブロック図

【図２】本発明の第一の実施例の振動ジャイロの振動体
の構成図

【図３】本発明の第一の実施例の振動ジャイロにおいて
振動体を圧電体二枚と恒弾性金属一枚で構成した一例を
示す図

【図４】本発明の第一の実施例の振動ジャイロにおいて
振動体を円板中心で両側支持した一例を示す図

【図５】本発明の第一の実施例の振動ジャイロにおいて
振動体を円板の円周で支持した一例を示す図

【図６】本発明の第一の実施例の振動ジャイロにおける
検出用電極の形状の説明図

【図７】本発明の第二の実施例の振動ジャイロにおける
電極構成の説明図

【図８】本発明の第二の実施例の振動ジャイロの電気的
な構成を表わすブロック図

【図９】本発明の第二の実施例の振動ジャイロの振動体
の構成図

【図１０】本発明の第二の実施例の振動ジャイロにおい
て振動体を平板中心で両側支持した一例を示す図

【図１１】本発明の第二の実施例の振動ジャイロにおけ
る二軸検出タイプの振動体の構成例を示す図

【図１２】本発明の第二の実施例の振動ジャイロにおけ
る二軸検出タイプの振動体の構成図

【図１３】従来例の音叉形の振動ジャイロの振動体の構
成図

【符号の説明】

１０１、８１発振回路１０２位相調整回路１１６、１１７、８６差動増幅回路１１８、１１９、８７同期検波回路１２０、１２１、８８出力回路１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、、
１０９、１１０、７１、７２、７３、７４、７５、７
６、７７、７８、８２、１００１、１１０１、１２０１
励振用電極１１１、１１２、１１３、１１４、８３、８４検出用
電極１１５、２２、３１、３３、４１、５１、７９、８５、
９３、１００４、１１０６、１２０６圧電体２１、３２、４２、５２、９４、９５、１００２、１０
０３、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１２
０２、１２０３、１２０４、１２０５恒弾性金属２３、３４、４３、４４、５３、５４、９１、１００
５、１００６、１１０７、１２０７支柱２４、３５、４５、４６、５５、９２、１００７、１０
０８、１１０８、１２０８台座１３０１、１３０２検出用素子１３０３、１３０４励振用素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電効果を示す材料の複合体で構成され中
心を通り面に垂直な第一の軸に関し軸対称に支持された
円形平板の振動体と、前記第一の軸に関し軸対称に前記
振動体に形成された第一の電極を備え、前記第一の電極
を用いて前記第一の軸方向で空間的には円周方向に周期
的に変化し時間とともに円周方向に周期的な変化が移動
する進行波からなる歪み振動を前記振動体に励起し、前
記振動体の中心を通る面内の第二の軸回りの回転により
発生する前記振動体の歪み変動量から角速度を検出する
ことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】第二の軸に直交し振動体の中心を通る面内
の第三の軸に関し線対称に前記振動体に形成された第二
の電極を備え、前記第二の電極を用いて前記第二の軸回
りの回転により発生する前記振動体の歪み変動量から角
速度を検出することを特徴とする請求項１記載の振動ジ
ャイロ。
【請求項３】圧電効果を示す材料の複合体で構成され中
心を通り面に垂直な第一の軸に関し軸対称に支持された
円形平板の振動体と、前記振動体に前記第一の軸に関し
軸対称に形成された第一の電極を備え、前記第一の電極
を用いて前記第一の軸方向で空間的には円周方向に周期
的に変化し時間とともに円周方向に周期的な変化が移動
する進行波からなる歪み振動を前記振動体に励起し、前
記振動体の中心を通る面内の第二の軸回りの回転により
発生する前記振動体の歪み変動量から第一の角速度を検
出し、前記第二の軸に直交し前記振動体の中心を通る面
内の第三の軸回りの回転により発生する前記振動体の歪
み変動量から第二の角速度を検出することを特徴とする
振動ジャイロ。
【請求項４】振動体の中心を通る面内の第二の軸と前記
第二の軸に直交し前記振動体の中心を通る面内の第三の
軸に関し各々線対称に前記振動体に形成された第三の電
極と第二の電極を備え、前記第二の電極を用いて前記第
二の軸回りの回転により発生する前記振動体の歪み変動
量から第一の角速度を検出し、前記第三の電極を用いて
前記第三の軸回りの回転により発生する前記振動体の歪
み変動量から第二の角速度を検出することを特徴とする
請求項３記載の振動ジャイロ。
【請求項５】圧電効果を示す材料の複合体で構成され中
心を通る面内の第一の軸に関し軸対称に支持された平板
の振動体と、前記第一の軸に関し線対称に前記振動体に
形成された第一の電極と、前記第一の軸に関し線対称で
前記第一の電極より外側の領域の前記振動体に形成され
た第二の電極を備え、前記第一の電極を用いて面内で前
記第一の軸と垂直な方向に時間とともに周期的に変化す
る歪み振動を前記振動体の前記第二の電極の形成された
領域に励起し、前記第二の電極を用いて前記振動体の前
記第一の軸回りの回転により発生する前記振動体の歪み
変動量から角速度を検出することを特徴とする振動ジャ
イロ。
【請求項６】振動体は中心を通る面内の直交する第一の
軸と第二の軸に関し各々線対称な平板で中心で支持され
ており、第一の電極は前記第一の軸と前記第二の軸に関
しともに線対称に前記振動体に形成され、第二の電極に
加え前記第二の軸に関し線対称で前記第一の電極よりも
外側の領域の前記振動体に形成された第三の電極を備
え、前記第一の電極を用いて前記第二の軸方向に時間と
ともに周期的に変化する歪み振動を前記振動体の前記第
二の電極の形成された領域に、また前記第一の軸方向に
時間とともに周期的に変化する歪み振動を前記振動体の
前記第三の電極の形成された領域に励起し、前記第二の
電極を用いて前記振動体の前記第一の軸回りの回転によ
り発生する前記振動体の歪み変動量から第一の角速度を
検出し、前記第三の電極を用いて前記振動体の前記第二
の軸回りの回転により発生する前記振動体の歪み変動量
から第二の角速度を検出することを特徴とする請求項５
記載の振動ジャイロ。