JPH1194559A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工ばらつきが小さく、リード線の影響が少
なく、外部環境の変化に関係なく安定した振動を得るこ
とができ、正確に回転角速度を検出することができ、か
つ量産性に優れた振動ジャイロを得る。 【解決手段】 振動ジャイロ１０は、ノード点における
溝１４ａ，１４ｂ部分で支持部材１６に支持された振動
体１２を含む。溝１４ａ，１４ｂに対向する振動体１２
の側面に、駆動および検出を兼用する圧電素子２０形成
する。圧電素子２０は、振動体１２の一方のノード点部
分にかかるように形成する。圧電素子２０の２つの出力
信号を、電流電圧変換回路に接続する。電流電圧変換回
路の出力信号を合成した信号から駆動信号をつくり、振
動体１２に与える。また、電流電圧変換回路の出力信号
から、回転角速度を検出する。

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、カメラの手振れ補正、カーナビゲー
ションシステムの位置検出、車両姿勢制御などに利用さ
れる角速度検出のための振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の振動ジャイロの一例を示す
斜視図であり、図７は振動ジャイロを使用するための回
路を示すブロック図である。振動ジャイロ１は、たとえ
ば正３角柱状の振動体２を含む。振動体２の３つの側面
の中央部には、圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃが形成され
る。圧電素子３ａ〜３ｃは、圧電体層の両面に電極を形
成したものである。そして、圧電素子３ａ〜３ｃの一方
の電極が、接着剤などで振動体２の側面に接着される。

【０００３】圧電素子３ａ，３ｂと圧電素子３ｃとの間
には、発振回路４が接続される。圧電素子３ｃからの出
力信号は、発振回路４で増幅および位相補正されたの
ち、駆動信号として圧電素子３ａ，３ｂに入力される。
この駆動信号によって、振動体２は、圧電素子３ｃ形成
面に直交する向きに屈曲振動する。さらに、圧電素子３
ａ，３ｂは、検出回路５に接続される。検出回路５は、
たとえば差動回路，同期検波回路，平滑回路および増幅
回路などを含み、圧電素子３ａ，３ｂの出力信号の差を
検波したのち、平滑および増幅することにより、回転角
速度に対応した信号が得られる。

【０００４】しかしながら、このような振動ジャイロ１
では、圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃが振動体の３つの側面
に形成された立体的な配置となっているため、振動体
２，圧電素子３ａ〜３ｃおよび接着剤などの熱膨張係数
の違いから、雰囲気温度の変化により、振動体２に応力
が加わる。この応力のために振動体２に歪みが生じ、こ
の歪みによって圧電素子３ａ〜３ｃに電荷が発生する。
そのため、正確な回転角速度を検出することができな
い。そこで、図８に示す特開平７−２３９２３３号や図
９に示す実開平４−３８５１３号には、３角柱状の振動
体や４角柱状の振動体２の１つの側面に圧電素子６を形
成した振動ジャイロが示されている。

【０００５】図８に示す振動ジャイロ１では、図１０に
示すように、圧電素子６の外面側の電極が２分割され、
出力片６ａ，６ｂが形成されている。これらの出力片６
ａ，６ｂが負荷抵抗７ａ，７ｂに接続され、これらの負
荷抵抗７ａ，７ｂと振動体２との間に発振回路４が接続
される。また、出力片６ａ，６ｂは、差動回路，同期検
波回路，平滑回路，増幅回路などからなる検出回路５に
接続される。この振動ジャイロ１では、出力片６ａ，６
ｂの出力信号を帰還信号として駆動信号がつくられ、得
られた駆動信号が振動体２に与えられる。それによっ
て、圧電素子６が伸縮し、振動体２が屈曲振動する。

【０００６】また、図６に示す振動ジャイロ１では、発
振回路や検出回路などの外部回路と圧電素子３ａ〜３ｃ
とが、リード線などで接続される。しかしながら、振動
体２の側面の中央部に圧電素子３ａ〜３ｃが形成されて
いるため、振動体２の屈曲振動によってリード線も振動
したり、共振が発生したりして、振動体２の振動の妨げ
となる。また、このような振動の妨げを軽減するため
に、図１１に示す特開平５−２８０９９０号では、圧電
素子３ａ〜３ｃが振動体２の２つのノード点部分まで延
びるように形成されている。この振動ジャイロでは、振
動体２のノード点部分において圧電素子６にリード線が
接続されることにより、リード線の振動や共振が抑えら
れる。

【０００７】さらに、図１２に示す特開平５−１９１７
号では、振動体２の中央部に形成された圧電素子３ａ〜
３ｃからノード点部分まで、弾性接着剤８でリード線が
接着されている。それにより、リード線の振動や共振が
抑えられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図８や図９に示す振動
ジャイロでは、圧電素子が振動体の中央部に形成されて
いるため、この圧電素子にリード線を接続すると、振動
体の屈曲振動によってリード線も振動したり、共振が発
生したりして、振動体の屈曲振動の妨げとなる。また、
図１１に示す振動ジャイロでは、圧電素子が振動体の２
つのノード点部分まで延びており、振動体に対する圧電
素子の割合が大きくなっている。そのため、振動体の共
振特性が大きく低下し、振動体の振動が外部環境の変化
により変動しやすくなる。そのため、正確に回転角速度
を検出することができない。

【０００９】さらに、図１２に示す振動ジャイロでは、
弾性接着剤でリード線を接着しているが、弾性接着剤の
塗布位置や塗布量のコントロールが難しく、加工ばらつ
きが大きくなり、量産には不向きである。また、図１１
や図１２に示すような振動ジャイロでは、圧電素子が振
動体の複数面に形成されており、図６に示す振動ジャイ
ロと同様に、加工ばらつきや外部環境の変化などによっ
て、振動体に応力が加わる。それにより、振動体に歪み
が発生し、正確に回転角速度を検出することができな
い。しかも、圧電素子から引き出されるリード線の配線
も立体的な構造となり、組み立てが困難である。

【００１０】また、図１０に示す振動ジャイロの回路
は、圧電素子の出力片に負荷抵抗を接続し、出力片と検
出回路との接続部分であるｐ点に発生する電圧を検出す
る構造である。このｐ点の電圧は、圧電素子の容量Ｃと
負荷抵抗ｒに依存性がある。ところが、圧電素子は温度
特性が大きく、外部環境の変化により圧電素子の容量Ｃ
が変動し、そのため検出電圧も変動する。さらに、この
場合、振動体に印加される駆動信号電圧とｐ点との間の
電位差が変動することにもなり、安定した屈曲振動を維
持することができず、振動が不安定となる。これらのこ
とにより、正確に回転角速度を検出することができなか
った。

【００１１】それゆえに、この発明の主たる目的は、加
工ばらつきが小さく、リード線の影響が少なく、外部環
境の変化に関係なく安定した振動を得ることができ、正
確に回転角速度を検出することができ、かつ量産性に優
れた振動ジャイロを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、金属で形成
された柱状の振動体と、振動体の１つの側面において振
動体のノード点部分にかかるように形成される１つの圧
電素子とを含み、圧電素子は圧電体層とその両面に形成
される電極とで構成され、かつ外面側の電極が振動体の
幅方向に２分割され、駆動信号が前記振動体に入力され
るとともに、２分割された電極のそれぞれが入力インピ
ーダンスがほぼ０である電流電圧変換回路に接続され
る、振動ジャイロである。この振動ジャイロにおいて、
駆動信号は、電流電圧変換回路の出力の合成信号を帰還
信号とした発振回路で形成される。

【００１３】振動体の１つの側面に圧電素子が形成され
ることにより、圧電素子が、平面的な配置となる。その
ため、圧電素子を立体的な配置とした場合に比べて、加
工ばらつきが小さくなる。また、圧電素子を振動体のノ
ード点部分にかかるように形成することにより、振動体
のノード点部分において、圧電素子にリード線を接続す
ることができる。分割された電極のそれぞれが、入力イ
ンピーダンスがほぼ０である電流電圧変換回路に接続さ
れることにより、分割電極の電圧は常に一定（基準電位
レベル）に保たれ、駆動信号を印加したときに、圧電素
子の振動体側と外側との間の電位差の変動も少なくする
ことができる。そのため、振動体に安定した屈曲振動を
励振することができる。また、回転角速度を検出するた
めの検出信号についても、圧電素子の容量の影響をあま
り受けず、安定した検出が可能となる。

【００１４】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実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の振動ジャイロの
一例を示す平面図であり、図２はその斜視図であり、図
３は図１と異なる方向からみた平面図である。振動ジャ
イロ１０は、たとえば正３角柱状の振動体１２を含む。
振動体１２は、たとえばエリンバ，鉄−ニッケル合金な
ど、機械的な振動を生じる金属材料で形成される。振動
体１２の１つの稜線部から内側に向かって、振動体１２
の幅方向に延びる２つの溝１４ａ，１４ｂが形成され
る。これらの溝１４ａ，１４ｂは、振動体１２の２つの
ノード点部分に形成される。振動体１２の屈曲振動のノ
ード点は、振動体１２の長さをＬとしたとき、振動体１
２の両端から約０．２２４Ｌの位置に存在する。

【００１６】溝１４ａ，１４ｂ形成部分において、振動
体１２は、支持部材１６で支持される。支持部材１６
は、「ロ」字状の板材の両端部を折り曲げた形状に形成
される。そして、支持部材１６の折り曲げられた両端部
の内側に、振動体１２が取り付けられる。このとき、振
動体１２の溝１４ａ，１４ｂの内側部分に支持部材１６
が取り付けられることにより、振動体１２の中心軸に近
い部分を支持することができる。したがって、振動体１
２の真のノード点に近い部分を支持することができ、振
動体１２が屈曲振動したときに、支持部材１６から振動
体１２の振動が漏れにくくなる。支持部材１６は、支持
台１８上に取り付けられる。

【００１７】さらに、支持部材１６で支持された振動体
１２の稜線部に対向する側面には、駆動片および検出片
を兼用する圧電素子２０が形成される。圧電素子２０
は、振動体１２の屈曲振動の一方のノード点部分にかか
るように形成される。圧電素子２０は、図４に示すよう
に、圧電セラミックなどで形成された圧電層２２を含
む。圧電層２２の一方面には、電極２４が形成される。
また、圧電層２２の他方面には、振動体１２の幅方向に
２分割された電極２６ａ，２６ｂが形成される。そし
て、圧電層２２の一方面に形成された電極２４が、振動
体１２の側面に接着される。

【００１８】また、支持台１８上には、２つの接続部材
２８ａ，２８ｂが形成される。接続部材２８ａ，２８ｂ
は、圧電素子２０の形成された振動体１２のノード点近
傍に形成される。そして、圧電素子２０の電極２６ａと
接続部材２８ａとが、リード線３０によって接続され、
電極２６ｂと接続部材２８ｂとがリード線３０で接続さ
れる。リード線３０としては、たとえば直径１００μｍ
以下の単線または直径５０μｍ以下の単線を３本以上撚
ったリッツ線などが用いられる。

【００１９】この振動ジャイロ１０を使用するために、
図５に示すような回路が用いられる。接続部材２８ａ，
２８ｂは、それぞれ電圧電流変換回路（Ｉ−Ｖ変換回
路）４０ａ，４０ｂに接続される。Ｉ−Ｖ変換回路４０
ａ，４０ｂは、入力インピーダンスがほぼ０であって、
入力された電流に対応した電圧が出力される回路であ
る。Ｉ−Ｖ変換回路４０ａ，４０ｂの出力信号は、合成
されて自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）４２に入力され
る。ＡＧＣ回路４２の出力信号は位相補正回路４４に入
力され、位相補正回路４４の出力信号が、駆動信号とし
て振動体１２に与えられる。

【００２０】また、Ｉ−Ｖ変換回路４０ａ，４０ｂは、
差動増幅回路４６の入力端に接続される。差動回路４６
の出力信号は、同期検波回路４８において、ＡＧＣ回路
４２の信号に同期して検波される。同期検波回路４８は
平滑回路５０に接続され、さらに平滑回路５０は直流増
幅回路５２に接続される。

【００２１】この振動ジャイロ１０では、ＡＧＣ回路４
２と位相補正回路４４によって駆動信号がつくられ、こ
の駆動信号が金属で形成された振動体１２に与えられる
ことにより、駆動信号は圧電素子２０の電極２４に入力
される。それにより、圧電素子２０は伸縮し、振動体１
２は圧電素子２０形成面に直交する向きに屈曲振動す
る。このとき、振動体１２の真のノード点に近い部分
で、振動体１２が支持部材１６で支持されることによ
り、支持部材１６からの振動漏れを抑えることができ
る。

【００２２】無回転時においては、圧電素子２０の電極
２６ａ形成部分および電極２６ｂ形成部分の屈曲状態は
同じであり、電極２６ａ，２６ｂからは、同じ信号が出
力される。そのため、差動増幅回路４６からは信号が出
力されず、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１２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１２の振動方向が変わ
る。そのため、圧電素子２２の電極２６ａ形成部分の屈
曲状態と電極２６ｂ形成部分の屈曲状態に差が生じる。
そのため、電極２６ａ形成部分の圧電層２２に発生する
電荷と、電極２６ｂ形成部分の圧電層２２に発生する電
荷との間に差が生じる。そのため、Ｉ−Ｖ変換回路４０
ａ，４０ｂの出力信号にも差が生じ、差動増幅回路４６
から信号が出力される。

【００２３】差動回路４６の出力信号は、同期検波回路
４８において、ＡＧＣ回路４２の信号に同期して検波さ
れ、差動回路４６の出力信号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信号が出力され
る。さらに、同期検波回路４８の出力信号が平滑回路５
０で平滑され、直流増幅回路５２で増幅することによ
り、振動体１２の屈曲振動の変化に対応する信号が出力
される。振動体１２の屈曲振動の変化は、回転角速度が
加わることによって発生するコリオリ力に対応している
ため、直流増幅回路５２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。なお、回転角速度の方向が逆になった場
合、振動体１２の屈曲振動の変化は逆となり、差動回路
から出力される信号の位相が逆になる。そのため、最終
的に直流増幅回路５２から出力される直流信号の極性が
逆になる。したがって、直流増幅回路５２の出力信号の
極性から、回転角速度の方向を知ることができる。

【００２４】この振動ジャイロ１０では、振動体１２の
１つの側面に圧電素子２０が形成されているため、３つ
の側面に圧電素子が形成された従来の振動ジャイロに比
べて、加工ばらつきが少ない。また、振動体１２に対す
る圧電素子２０の面積を大きくする必要がなく、共振特
性の低下が少ない。そのため、外部環境の変化などによ
って、振動ジャイロ１０の特性が変動しにくく、正確に
回転角速度を検出することができる。また、圧電素子２
０が平面的な配置となっているため、製造が容易であ
り、量産性に優れている。

【００２５】さらに、振動体１２の一方のノード点部分
にかかるように圧電素子２０が形成されており、しかも
接続部材２８ａ，２８ｂがそのノード点近傍に配置され
ている。そのため、振動体１２のノード点部分にリード
線３０を接続することができ、しかもリード線３０を短
くすることができる。それにより、振動体１２が振動し
ても、リード線３０の振動や共振を抑えることができ、
振動体１２を安定して屈曲振動させることができる。そ
のため、正確に回転角速度を検出することができる。

【００２６】このように、振動体１２のノード点部分に
かかるように、駆動片および検出片となる圧電素子また
は電極を形成し、ノード点近傍に接続部材を配置するこ
とにより、リード線３０の振動や共振を抑え、良好な特
性を得ることができる。また、駆動片および検出片の配
置を略平面的にすることにより、外部環境の変化の影響
を少なくすることができ、また振動ジャイロ１０の製造
を容易にして量産化を可能にすることができる。

【００２７】また、圧電素子２０の電極２６ａ，２６ｂ
は、入力インピーダンスがほぼ０であるＩ−Ｖ変換回路
４０ａ，４０ｂに接続されるため、電極２６ａ，２６ｂ
の出力部の電圧が常に一定（基準電位レベル）に保た
れ、圧電素子２０の電極２４と電極２６ａ，２６ｂとの
間には、安定した駆動電圧が印加される。そのため、振
動体１２の屈曲振動を安定化させることができる。さら
に、回転角速度を検出するための検出信号についても、
圧電素子２０の容量の影響をあまり受けず、安定した検
出が可能となる。これらのことから、正確に回転角速度
を検出することができる。

【００２８】なお、図１に示す振動ジャイロ１０では、
３角柱状の振動体１２を用いたが、振動体１２の形状と
しては、４角柱状や５角柱状など、他の角柱状にしても
よい。

【００２９】

【発明の効果】この発明によれば、振動ジャイロと外部
回路との接続のためのリード線の振動や共振を抑えるこ
とができ、振動体に安定した振動をさせることができ
る。また、振動体の側面に大きな駆動片や検出片を形成
する必要がなく、振動体の共振特性の低下を小さくする
ことができる。そのため、正確に回転角速度を検出する
ことができる。さらに、駆動片や検出片を略平面的に配
置できるため、加工ばらつきを小さくすることができ
る。したがって、外部環境の変化による影響を少なくす
ることができ、しかも製造が容易で量産性に優れた振動
ジャイロを得ることができる。また、入力インピーダン
スがほぼ０であるＩ−Ｖ変換回路を用いることにより、
振動体の屈曲振動を安定化させることができるととも
に、検出信号も圧電素子容量の影響を受けず、安定した
検出が可能となる。

【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平面図で
ある。

【図２】図１に示す振動ジャイロの斜視図である。

【図３】図１に示す振動ジャイロを他の方向からみた平
面図である。

【図４】図１に示す振動ジャイロの圧電素子部分におけ
る断面図である。

【図５】図１に示す振動ジャイロを使用するための回路
を示すブロック図である。

【図６】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図であ
る。

【図７】図６に示す従来の振動ジャイロを使用するため
の回路を示すブロック図である。

【図８】従来の振動ジャイロの他の例を示す斜視図であ
る。

【図９】従来の振動ジャイロのさらに他の例を示す斜視
図である。

【図１０】図８に示す振動ジャイロを使用するための回
路を示すブロック図である。

【図１１】従来の振動ジャイロの別の例を示す斜視図で
ある。

【図１２】従来の振動ジャイロのさらに別の例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １２ 振動体 ２０ 圧電素子 ２８ａ，２８ｂ 接続部材 ３０ リード線 ４０ａ，４０ｂ Ｉ−Ｖ変換回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属で形成された柱状の振動体、および
   前記振動体の１つの側面において前記振動体のノード点
   部分にかかるように形成される１つの圧電素子を含み、 前記圧電素子は圧電体層とその両面に形成される電極と
   で構成され、かつ外面側の前記電極が前記振動体の幅方
   向に２分割され、 駆動信号が前記振動体に入力されるとともに、２分割さ
   れた前記電極のそれぞれが入力インピーダンスがほぼ０
   である電流電圧変換回路に接続される、振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記駆動信号は、前記電流電圧変換回路
   の出力の合成信号を帰還信号とした発振回路で形成され
   る、請求項１に記載の振動ジャイロ。