JPH10170271A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】漏れ振動成分が完全に除去された検出信号を得
ることができる振動子型の角速度検出装置を提供するこ
と。 【解決手段】振動子と、この振動子を励振する励振手段
と、この励振手段により励振された振動子が回転するこ
とに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の振幅を
検出する検出手段と、この検出手段により検出された振
幅の大きさから回転の角速度を演算する角速度演算手段
とを備えた角速度検出装置において、振動子は、一端で
連結する２本の励振用振動片を有し、この励振用振動片
は四角柱であって、励振によって屈曲される側面のうち
少なくとも一側面は励振方向に対して傾斜しており、か
つ、２本の励振用振動片は面対称に配置されていること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステムや姿勢制御などに用いられる角速度検出
装置に関するものであり、特に、振動型の角速度検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、振動体に回転を加えるとコリ
オリの力によって回転角速度に応じた新たな振動が発生
することを利用した振動型角速度検出装置が知られてい
る。このような角速度検出装置の一例として、たとえ
ば、特開平２−３８９１７号公報に記載された振動ジャ
イロがある。この振動ジャイロは、駆動用振動板の先端
にこの駆動用振動板の厚み方向と直角の厚み方向をもつ
検出用振動板を一体に結合した振動子を備え、振動子の
重心を貫通する支持軸を有するものであり、これによ
り、検出用振動板に設けられている検出用圧電素子に与
える駆動側の影響、すなわち漏れ振動の低減が図られて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の振
動ジャイロでは、駆動用振動板と検出用振動板の厚み方
向を直交させて駆動振動が検出用振動板に伝わりにくく
して漏れ振動を低く抑えるにとどまり、積極的に漏れ振
動をなくすような構造にはなっていないため、漏れ振動
を必ずしも十分に抑制できなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
を解決するために為されたものであり、振動子と、この
振動子を励振する励振手段と、この励振手段により励振
された振動子が回転することに伴って発生するコリオリ
の力に基づく振動の振幅を検出する検出手段と、この検
出手段により検出された振幅の大きさから回転の角速度
を演算する角速度演算手段とを備えた角速度検出装置に
おいて、振動子は、一端で連結する２本の励振用振動片
を有し、この励振用振動片は四角柱であって、励振によ
って屈曲される側面のうち少なくとも一側面は励振方向
に対して傾斜しており、かつ、２本の励振用振動片は面
対称に配置されていることを特徴とするものである。

【０００５】励振用振動片が四角柱であって、励振によ
って屈曲される側面のうち少なくとも一側面は励振方向
に対して傾斜しているので、励振方向に垂直な方向すな
わち検出振動方向の漏れ振動の向きが常に一定してお
り、しかも、２本の励振用振動片は面対称に配置されて
いるので、２つの励振用振動片が互いに逆相で励振され
るときは、２つの励振用振動片のそれぞれの漏れ振動成
分は同相となるため、減算することにより相殺すること
ができ、２つの励振用振動片が互いに同相で励振される
ときは、各励振用振動片の漏れ振動成分は逆相となるた
め、加算することにより相殺することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の角速度検出装置の
一実施形態に用いられる振動子を示す斜視図であり、図
２はその振動子を含めた全体構成を示すブロック図であ
る。図１において、振動子１０は、ＸＹＺ三次元直交座
標空間のＸＹ平面上に置かれており、Ｘ軸方向に延在す
る振動子基体１１と、振動子基体１１から＋Ｙの向きに
延びる励振用の第１振動片１２および１３と、振動子基
体１１からそれぞれ第１振動片１２および１３と同軸上
で−Ｙの向きに延びる検出用の第２振動片１４および１
５と、第２振動片１４および１５の間において振動子基
体１１から−Ｙの向きに延びる支持棒１６と、支持棒１
６の端部に設けられた固定板１７とが例えばステンレス
鋼のような金属で一体に構成されている。そして、第１
振動片１２、１３は、四角柱であって、それぞれの外側
側面がＹＺ平面に対してほぼ同じ角度で互いに面対称に
傾斜している。

【０００７】第１振動片１２および１３の外側側面には
それぞれ圧電素子２１および２２が張り付けられてい
る。圧電素子２１および２２はＰＺＴ（チタン酸ジルコ
ン酸鉛）のような圧電材料からなる短冊状の板を２枚の
金属電極で挟んだ構造を有し、２枚の電極に対する電圧
の印加により、逆圧電効果によりその極性およびＰＺＴ
の電歪方向に応じて変形する。圧電素子２１および２２
の一方の電極は第１振動片１２および１３の外側側面に
導電性接着剤で貼付されており、振動子１０を接地した
状態で他方の電極に正または負の電圧を印加するとＹ軸
方向に伸び縮みする。

【０００８】本実施形態では後述するように、圧電素子
２２を励振駆動に用い、圧電素子２１を励振振動の検出
用に用いる。圧電素子２２は、交流電圧の印加により伸
び縮みし、これにより第１振動片１２はＸ方向に振動す
る。この振動エネルギは振動子基体１１を介して他方の
第１振動片１３に伝達され、第１振動片１３はＸ方向に
第１振動片１２と逆位相で振動する。

【０００９】圧電素子２１による振動の検出は、圧電素
子の圧電効果を利用するものであり、第１振動片１２が
Ｘ方向に振動すると、圧電素子２１はＹ方向に伸び縮み
することになり、振動子１０を接地しておくと第１振動
片と接触していない方の電極に伸び縮みに応じて正また
は負の電圧が発生するので、これを検出することにより
振動を検出できる。

【００１０】検出用の第２振動片１４および１５の上表
面に張り付けられた検出用圧電素子２３および２４も、
圧電素子２１および２２と同一の構造を有しており、第
２振動片１４および１５のＹ方向の振動を圧電素子２１
と同様の原理に基づいて検出するものである。

【００１１】第１振動片１２、１３がＸ方向に互いに逆
相で励振された状態で、振動子１０がＹ軸に平行な軸
（Ｙ軸を含む）を中心として角速度ωで回転すると、第
１振動片１２、１３には、Ｆ＝２ｍＶ・ωで表されるコ
リオリの力ＦがＺ方向に発生する。ここに、ｍは振動片
の質量、Ｖは振動速度である。このコリオリの力Ｆの発
生によって、第１振動片１２、１３はＸ方向の振動に対
して９０度位相がずれてＺ方向に振動する。つまり、第
１振動片１２、１３はＺ方向についても、励振周波数で
互いに逆相で振動する。この周波数は、Ｚ方向の第１お
よび第２振動片の連成固有振動数とほぼ一致するように
調整されているので、第２振動片１４、１５に効率よく
伝達される。したがって、第２振動片１４、１５のＺ方
向の振動を圧電素子２３、２４で検出すれば、角速度ω
を算出することができる。

【００１２】つぎに 図２に示す本実施形態の角速度検
出装置の全体構成について説明する。

【００１３】励振回路５０は、電流電圧変換回路５１と
自動利得制御回路５２と駆動回路５３とを備えており、
検出回路６０は、電流電圧変換回路６１および６２と差
動増幅回路６３と同期検波回路６４とを備えている。

【００１４】駆動回路５３は、自動利得制御回路５２の
出力電圧値に応じた振幅で所定の繰り返し周波数のパル
ス波を励振信号として出力するとともに、その出力信号
と９０度位相のずれた信号を検出回路６０内にある同期
検波回路６４の検波信号として出力する回路であり、そ
の出力端子は第１振動片１３の側面の圧電素子２２の表
面側電極に接続されている。圧電素子２２は励振信号を
受けると、Ｙ方向に伸び縮みして上述したように第１振
動片１２、１３をＸ方向に互いに逆相で振動させる。

【００１５】第１振動片１２と１３のＸ方向の振動情報
は、電流電圧変換回路５１および自動利得制御回路５２
を介してフィードバックされる。電流電圧変換回路５１
は、第１振動片１２および１３の屈曲に伴う圧電効果に
よって圧電素子２１の電極に発生した電荷の変化量を電
圧値に変換する回路である。

【００１６】自動利得制御回路５２は、電流電圧変換回
路５１から出力された電圧信号を入力し、その入力電圧
値が大きくなると出力電圧値を小さくし、入力電圧値が
小さくなると出力電圧値が大きくなるように動作する。
したがって、第１振動片１２および１３の振動振幅が大
きくなれば、圧電素子２１の電極に発生する電荷も大き
くなり、電流電圧変換回路５１の出力電圧も大きくな
る。これによって、自動利得制御回路５２の出力電圧値
は低くなり、駆動回路５３の出力パルスの振幅は小さく
なる。このように、駆動回路５３から出力されるパルス
信号の振幅はフィードバック制御され、第１振動片１２
および１３の振動振幅は常に安定する。

【００１７】検出回路６０は、第２振動片１４、１５の
各圧電素子２３、２４の電極における電荷の変化量を検
出し、第２振動片のＺ方向の振動振幅に応じた信号を出
力する。第２振動片１４、１５のＺ方向の振動は、第１
振動片１２、１３のＸ方向励振振動がＺ方向振動として
漏れたものと、振動子１０が回転したときに生じるコリ
オリの力に基づいて発生したものとの合成振動である。
本実施形態では、第１振動片１２、１３をＸ方向に互い
に逆相で励振するものなので、コリオリの力に基づいて
発生するＺ方向の振動は互いに逆相で振動する。一方、
漏れ振動は第１振動片１２、１３の形状に起因して互い
に同相で振動する。なお、このメカニズムは後に詳しく
説明する。

【００１８】電流電圧変換回路６１は圧電素子２４の電
極での電荷の変化量を増幅して電圧値に変換する回路で
あり、電流電圧変換回路６２は圧電素子２３の電極での
電荷の変化量を増幅して電圧値に変換する回路である。
差動増幅回路６３は電流電圧変換回路６１および６２の
それぞれの出力信号を入力し、両信号の電位差を増幅す
る回路であり、この出力信号の振幅変化は第２振動片１
４および１５の振動振幅変化に比例している。コリオリ
の力に基づく振動成分は互いに逆相であるため、差動増
幅することにより加算され、漏れ振動成分は互いに同相
であるため、打ち消し合う。

【００１９】同期検波回路６４は差動増幅回路６３から
出力された交流電圧信号を駆動回路５３からの励振信号
に対して９０度位相のずれたパルス信号を検波信号とし
て用いて同期検波を行った後、積分処理を行うものであ
り、通常の同期検波回路に積分回路が付加された回路で
ある。コリオリの力によるＺ方向の振動は励振に対して
９０度位相がずれているため、同期検波および積分によ
り全波整流の積分値となる。すなわち、同期検波回路６
４の出力信号電圧は、第２振動片１４および１５のコリ
オリの力によるＺ方向の振動振幅を示している。

【００２０】角速度演算回路７０は、第２振動片１４お
よび１５の振動振幅を示す検出回路６０の出力信号に基
づいて、振動子１０のＹ軸に平行な軸を中心とする回転
角速度を前述した角速度とコリオリの力との関係式Ｆ＝
２ｍＶ・ωを基にして算出する回路である。

【００２１】つぎに、励振振動のＺ方向の漏れ振動につ
いて、図３を用いて説明する。図３は図１のＩＩＩ−Ｉ
ＩＩ断面図である。励振回路５０が動作すると、前述し
たように圧電素子２２がＹ方向に伸縮して、第１振動片
１２および１３は矢印３１、３２で示すようにＸ方向に
互いに逆相で振動することになるが、第１振動片１２お
よび１３のそれぞれの外側側面が傾斜してるため、矢印
３７および３８で示すような傾斜を持った振動となる。
すなわち励振振動は矢印３５および３６で示すようなＺ
方向の漏れ振動を含むことになる。この漏れ振動３５お
よび３６は、第１振動片１２および１３が共に内側に屈
曲したときに、いずれも下側すなわち−Ｚの向きに振れ
る振動である。すなわち、漏れ振動は、第１振動片１２
および１３がＸ方向に互いに逆相で振動すると、Ｚ方向
に同相で振動する。すると、第１振動片１２および１３
とそれぞれ連成して振動する第２振動片１４および１５
において圧電素子２３および２４で検出される漏れ振動
も互いに同相となるため、圧電素子２３および２４の検
出結果を相互に減算すれば漏れ振動成分は相殺されて消
滅する。

【００２２】なお、図３において矢印３９および４０
は、コリオリの力に基づくＺ方向の振動を示しており、
励振振動が左右逆相であれば、コリオリの力に基づく振
動も左右逆相となる。したがって、圧電素子２３および
２４の検出結果の差を採れば、漏れ振動は相殺されるが
コリオリの力に基づく振動は２倍の値となる。

【００２３】従来の一般的なＨ型振動子では、励振用圧
電素子が貼付された面が励振方向に対して垂直であるた
め、Ｚ方向の漏れ振動の向きが安定しない。そのため、
２本の励振用振動片をＸ方向に互いに逆相で励振したと
しても、Ｚ方向の漏れ振動が本実施形態のように２本の
振動片において必ず同相となるとは限らない。したがっ
て、Ｚ方向の振動の差を採ったとしても相殺されないこ
とがある。しかし、この実施形態では第１振動片１２お
よび１３の外側側面が傾斜しているためにＺ方向の漏れ
振動は必ず同相となるため、差をとれば必ず相殺され
る。

【００２４】第１振動片１２および１３の外側側面の傾
斜角度３３および３４は、４５〜８９度の範囲であれ
ば、２本の振動片のＺ方向への漏れ振動の位相を同相に
しつつＸ方向への励振が可能であるが、実際には７５〜
８５度の範囲に収めることが望ましい。この望ましい範
囲を越えて傾斜角度を小さくし過ぎると、漏れ振幅が大
きくなり、漏れ振動を互いに相殺して打ち消す場合に、
左右の振動片のばらつきに起因して十分に打ち消せない
ことが起こり得る。また、傾斜角が大きくなって９０度
に近づき過ぎると、漏れ振動の向きの安定性を確保し難
くなる。

【００２５】本実施形態では、第１振動片１２および１
３を互いに逆相で励振させたが、図４の矢印４１および
４２に示すように左右同相で励振させた場合には、実際
の振動が矢印４７および４８のようになり、漏れ振動成
分が矢印４５および４６に示すように互いに逆相とな
る。この場合には、圧電素子２３および２４の検出結果
を互いに加算すれば、両者が相殺される。このときのコ
リオリの力に基づく振動４９および５０は同相になるた
め、圧電素子２３および２４の検出結果の加算により２
倍の値となる。

【００２６】図５および図６は、振動子が上述の実施形
態と同じＨ型の振動子であるが、励振方向がＸ方向では
なくＺ方向にしたい場合の例を示しており、図３および
図４と同様の位置での断面図である。この振動子１００
は、励振用の第１振動片１１２および１１３の上側側面
にそれぞれ励振用の圧電素子２１および２２が設けられ
ており、第１振動片１１２および１１３と同軸上に設け
られた検出用の第２振動片の外側側面に検出用の圧電素
子２３および２４が設けられている。

【００２７】図５は、第１振動片１１３および１１４を
矢印１３１および１３２のようにＺ方向に互いに逆相に
励振する場合を示しており、振動片の上面すなわち励振
により屈曲する面がＸＹ平面に対して互いに面対称に傾
斜しているので、励振振動の方向が矢印１３７および１
３８のようになり、同相の漏れ振動１３５および１３６
が発生する。一方、コリオリの力に基づく振動は矢印１
３９および１４０のように互いに逆相となるので、圧電
素子２３および２４で検出されるＸ方向の振動を相互に
減算すれば、漏れ振動は相殺され、コリオリの力に基づ
く振動は２倍となって現れる。

【００２８】図６は、第１振動片１１３および１１４を
矢印１４１および１４２のようにＺ方向に互いに同相に
励振する場合を示しており、振動片の上面が傾斜してい
るので、励振振動の方向が矢印１４７および１４８のよ
うになり、逆相の漏れ振動１４５および１４６が発生す
る。一方、コリオリの力に基づく振動は矢印１４９およ
び１５０のように互いに同相となるので、圧電素子２３
および２４で検出されるＸ方向の振動を相互に加算すれ
ば、漏れ振動は相殺され、コリオリの力に基づく振動は
２倍となって現れる。

【００２９】以上の実施形態はいずれもＨ型の振動子を
用いたものであるが、励振用振動片と検出用振動片が一
体となった単純音叉型の振動子にも、「励振によって屈
曲される側面のうち少なくとも一側面は励振方向に対し
て傾斜しており、かつ、２本の励振用振動片は面対称に
配置されている」という構造を適用すれば、Ｈ型振動子
と同様の作用により漏れ振動を相殺することができる。

【００３０】また、上記実施形態の振動子は金属振動子
であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、振
動子自身が圧電材料（例えば、水晶、ＬｉＴａＯ₃（リ
チウムタンタレート））で構成されたものにも適用でき
る。

【００３１】さらに、上記実施形態では、励振によって
屈曲される一側面のみを励振方向に対して傾斜させてお
り振動片の断面形状が台形となっているが、平行四辺形
のように対向する側面を同様に傾斜させても構わない。

【００３２】なお、本発明は２つの振動片の漏れ振動の
方向を特定して相殺を容易にしようとするものである
が、漏れ振動の調整も容易になるという利点もある。す
なわち、振動片の断面において鋭角となっている角部を
研削すると漏れ振動成分が低減することが理論的にも実
験的にも明らかであり、この原理にしたがって研削を行
えば２つの漏れ振動のバランスを容易に調整できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の角速度検出
装置によれば、励振用振動片が四角柱であって、励振に
よって屈曲される側面のうち少なくとも一側面は励振方
向に対して傾斜しているので、励振方向に垂直な方向す
なわち検出振動方向の漏れ振動の向きが常に一定してお
り、しかも、２本の励振用振動片は面対称に配置されて
いるので、２つの励振用振動片が互いに逆相で励振され
るときは、２つの励振用振動片のそれぞれの漏れ振動成
分は同相となるため、減算することにより相殺すること
ができ、２つの励振用振動片が互いに同相で励振される
ときは、各励振用振動片の漏れ振動成分は逆相となるた
め、加算することにより相殺することができる。

【００３４】したがって、コリオリの力に基づく振動を
精度よく抽出することができ、検出感度の高い角速度検
出装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に用いられる振動子を示す
斜視図。

【図２】本発明の一実施形態である角速度検出装置の全
体構成図。

【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。

【図４】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。

【図５】本発明の他の実施形態に用いられる振動子の断
面図。

【図６】本発明の他の実施形態に用いられる振動子の断
面図。

【符号の説明】

１０…振動子、１１…振動子基体、１２、１３…第１振
動片、１４、１５…第２振動片、２１、２２、２３、２
４…圧電素子、５０…励振回路、６０…検出回路、７０
…角速度演算回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子と、この振動子を励振する励振手
   段と、この励振手段により励振された前記振動子が回転
   することに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の
   振幅を検出する検出手段と、この検出手段により検出さ
   れた振幅の大きさから前記回転の角速度を演算する角速
   度演算手段とを備えた角速度検出装置において、 前記振動子は、一端で連結する２本の励振用振動片を有
   し、この励振用振動片は四角柱であって、励振によって
   屈曲される側面のうち少なくとも一側面は励振方向に対
   して傾斜しており、かつ、前記２本の励振用振動片は面
   対称に配置されていることを特徴とする角速度検出装
   置。