JPH0835841A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動ジャイロにおいて、駆動用と検出用に異
なる特性の圧電素子を用いて検出感度を向上させ、特性
上のばらつきや経時変化、温度変化があっても回転角速
度を正確に測定する。 【構成】 振動ジャイロ１０は、正四角柱の振動子１１
の側面に駆動用１２ａ、検出用１２ｂ、１２ｂ、帰還用
１２ｃの各電圧素子を取り付けている。駆動用１２ａは
圧電セラミックとして振動振幅を大きくし、検出用１２
ｂ、１２ｂは水晶形の異なる特性のものにより検出信号
を高感度で検出する。検出信号は負荷抵抗１５ａ、１５
ｂとインピーダンス変換回路１６ａ、１６ｂにより効率
よく検出し、温度や経時変化に対し出力を安定させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車などに搭載さ
れるナビゲーションシステムなどに用いられる振動ジャ
イロに関する。

【０００２】

【従来の技術】振動ジャイロは、物体の回転の角速度を
正確に知ることができるセンサの一種であり、自動車の
ナビゲーションシステムやＶＴＲカメラの手振れ補正な
どに広く応用されている。

【０００３】かかる振動ジャイロの一例として、図５の
（ａ）に示す概略構成のものが知られている。１は振動
子、２は圧電素子、３は発振回路、４は差動検出器であ
る。圧電素子２は駆動用２ａ、検出用２ｂ、及び帰還用
２ｃの３種があり、断面が四角柱の振動子１の各面に図
示のように取り付けられている。

【０００４】発振回路３からの信号により駆動用圧電素
子が矢印ｆの方向に振動し、その帰還信号が発振回路３
へ送られる。この振動子１を回転させると矢印ｔ方向へ
コリオリ力が発生し、これを検出用圧電素子２ｂ、２ｂ
により検出し、差動検出器４によりコリオリ振動成分の
みを検出するように構成されている。

【０００５】図５の（ｂ）に示す振動ジャイロも特開平
２−２６６２１４号公報における従来例として知られて
いる。この従来例では、振動子１’は三角柱状のものが
使用され、駆動用２ａが独立に、検出用及び帰還用（２
ｂｃ、２ｂｃ）は兼用形の圧電素子２が用いられてい
る。

【０００６】この例では、振動子を三角柱状とすること
で角速度が加わった時の振動モードが駆動と検出の合成
モードとなり高感度となる。

【０００７】図５の（ｃ）の従来例は、特開平２−２６
６２１４号公報及び日本機械学会誌の論文「小形ジャイ
ロとその応用」（著者中村武、１９９３年１１月、ＶＯ
Ｌ．９６、ＮＯ．９００）により知られている。この公
報による振動ジャイロにも三角柱状の振動子１”を使用
し、圧電素子２は帰還用２ｃを独立に、駆動・検出用２
ａｂ、２ａｂを兼用形として設けている。

【０００８】この例では上記（ｂ）の方式のものに比し
て、駆動系と検出系を共用することにより共振系の不一
致やずれによる特性変化に、特にそれぞれの圧電素子の
特性上のばらつきや経時変化、温度変化による影響をさ
らに抑制したものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した３つの従来例
のうち（ｃ）の形式のものは、圧電素子の駆動用と検出
用を一体共用形としてノイズ成分及びドリフト成分を抑
制するようにしたもので、上記公報によると振動ジャイ
ロとしては高精度に振動成分を検出し、従って正確な回
転速度の検出ができるとされている。

【００１０】しかし、この例では駆動用と検出用を一体
化したために駆動信号の影響が検出側に生じてしまい、
この影響がドリフト成分として現れるため、必ずしも完
全なものである訳ではない。又、一体形としたために駆
動用と検出用の圧電素子として同一構成・材質の圧電セ
ラミックが用いられることとなり、駆動用としては好ま
しいが、検出用としては必ずしも適当ではない。

【００１１】即ち、圧電セラミックは圧電定数（単位電
界を加えた場合に生じる歪み率）が大きく、振動子を大
きく振動させることはできるが、圧電出力定数（単位応
力を加えたときに生じる電界強さ）が小さいため信号検
出感度が低く、このためＳＮ比が悪くなり、特性上のば
らつきや経時変化及び温度変化があった場合に回転角速
度を必ずしも正確に測定できるとは限らないからであ
る。

【００１２】この発明は、上述した従来の振動ジャイロ
の種々の問題点に留意して、駆動用と検出用の圧電素子
として駆動用は圧電定数、検出用は圧電出力定数の大き
いものを用いて大きく振動させかつ高感度に振動検出す
るのを可能とし正確な角速度を測定し得る振動ジャイロ
を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する手
段としてこの発明は、機械振動を生じる材料から成る振
動子に圧電素子を設け、これら圧電素子のうち駆動用は
圧電定数が大のものとし、検出用は駆動用より大きい圧
電出力定数を有する異種特性の圧電素子を用いて回転角
速度信号を検出するように構成して成る振動ジャイロの
構成としたのである。

【００１４】上記振動ジャイロの構成において、前記検
出用圧電素子を圧電特性が温度や経時変化に対して安定
な単結晶圧電素子とするのが好ましい。

【００１５】あるいは、前記駆動用圧電素子を圧電セラ
ミックとし、検出用圧電素子を水晶形式のものとしても
よい。

【００１６】上記いずれの発明においても、前記検出用
圧電素子に負荷抵抗とインピーダンス変換回路を接続
し、負荷抵抗Ｒの値は検出用圧電素子からの出力が安定
する領域であって、検出用圧電素子の容量値Ｃ、駆動用
圧電素子の駆動用交流信号周波数ｆに対し１／（２π・
ｆ・ｃ・Ｒ）² が０．１５以下となる領域に選ぶように
するのが好ましい。

【００１７】

【作用】上記構成の第一の発明の振動ジャイロは、駆動
用の圧電素子として圧電定数の大きいもの、検出用とし
て圧電出力定数の大きい異なる特性のものが用いられて
いる。このため振動子の駆動振幅が大きく、検出側では
出力信号電圧が高くなり、高感度の検出ができる。

【００１８】振動ジャイロは、駆動用の圧電素子により
振動子を振動させ、この振動中にジャイロに回転力が加
えられると振動子の振動方向と直交方向にコリオリ振動
が生じ、これを検出用の圧電素子で検出して回転角速度
に対応する直流信号を出力する。コリオリ振動は駆動用
の圧電素子による振動子の振動に比して極めて小さな振
動であるため、検出用の圧電素子が高感度であればこれ
を精度よく検出することができるのである。

【００１９】第二の発明では、検出用の圧電素子として
単結晶圧電素子を用いることとしている。

【００２０】検出側の圧電素子として要求される特性と
しては、検出信号が高感度で検出できることであるが、
圧電特性が温度や経時変化に対して安定していることも
重要な要素である。

【００２１】圧電セラミック等の単結晶体は、焼結後の
多結晶体に分極処理して圧電性を得ているのに対して、
水晶等の単結晶体は、結晶自信の自発分極がありこれに
より圧電性を得ているため温度的に安定するのである。

【００２２】第三の発明は、駆動用として圧電セラミッ
ク、検出用として水晶の圧電素子を用いている。これに
より、振動子を大きく振動させ、検出側には高感度で確
実に検出信号を得ることができ、温度や経時変化に対し
て安定した出力信号を出力することになる。

【００２３】第四の発明では、検出用の圧電素子に負荷
抵抗とインピーダンス変換回路を接続している。このた
め、圧電素子からの検出信号は、出力電流を殆んど必要
とせず、効率よく信号を検出できる。

【００２４】しかも負荷抵抗の値は検出用圧電素子から
の出力が安定する領域内の値として設定される。従っ
て、圧電素子の容量が小さいことによる出力低下も発生
せず、検出感度が高くなって、検出信号のＳＮ比が上が
り、圧電素子の特性上のばらつきや温度、経時変化があ
っても正確な回転角速度が検出される。

【００２５】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
して説明する。図１の（ａ）は第一実施例の振動ジャイ
ロの全体概略図、（ｂ）はインピーダンス変換回路の例
を示す図である。この実施例の振動ジャイロ１０は、断
面が四角柱状の振動子１１の各側面に圧電素子１２（１
２ａ〜１２ｃ）を取り付けたものから成る。振動子１１
は、石英、ガラス、水晶などの一般に機械的な振動を生
じ易い材料が使用される。

【００２６】圧電素子１２は、その両面に電極層Ｐを有
し、この電極層Ｐは、例えば金、銀、アルミニウムなど
の電極材料でスパッタリング、あるいは蒸発などの薄膜
技術により形成される。

【００２７】上記圧電素子１２は、駆動用と検出用とし
て互いに異なる特性のものが使用されており、駆動用１
２ａは圧電定数の大きい圧電セラミック（圧電定数ｄ形
式）が用いられ、検出用１２ｂは圧電出力定数の大きい
水晶圧電素子（圧電定数ｇ形式）が用いられている。な
お検出用１２ｂとしては後で説明するように樹脂系圧電
素子を用いることもできる。１２ｃは帰還用であり、そ
の帰還信号系を発振回路１３へ接続して、振動子１１を
自励振動させるようにしている。

【００２８】検出用１２ｂ、１２ｂの圧電素子には負荷
抵抗１５ａ、１５ｂとインピーダンス変換回路１６ａ、
１６ｂが接続され、その検出信号を検出回路１４で処理
して角速度信号を得るように構成されている。

【００２９】インピーダンス変換回路１６ａ、１６ｂ
は、例えば図１の（ｂ）に示すような電圧ホロワ回路で
構成されており、入力インピーダンスが高く、出力イン
ピーダンスが低くなるようにインピーダンス変換する回
路である。又、検出回路１４は２つの検出用１２ａ、１
２ｂの圧電素子からの検出信号を差動増幅して角速度信
号のみを検出し、この信号を検波し、ＡＣ−ＤＣ変換し
た後直流増幅等して角速度に応じた直流信号を出力す
る。

【００３０】上述した圧電セラミックは、一般に圧電層
としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴと略称される）が
用いられ、水晶又は樹脂系のものに比して誘電率（印加
された電界により生じる歪み率）が大きく、従って圧電
定数が大きい。このため振動体を大きく振動させること
ができる。

【００３１】一方、検出用として用いられる水晶又は樹
脂系圧電素子（一般にフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ
と略称される）が用いられる）は、誘電率、圧電定数が
小さいが、圧電出力定数が大きく、従って出力信号電圧
が高い。

【００３２】上述した３種類（ＰＺＴ、水量、ＰＶＤ
Ｆ）の圧電素子の特性について表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】上表から分るように、ＰＶＤＦ等の樹脂系
圧電素子は感度が水晶を用いる場合より大きくなる。し
かし、樹脂系の圧電素子は、特に高温における温度安定
性に劣るのに対し、水晶は比較的温度安定性が良いため
温度変化に対し安定した出力が得られる。従って、高温
での温度安定性を要求されない場合は、検出用として樹
脂系圧電素子を用いてもよい。

【００３５】以上の構成とした実施例の振動ジャイロは
次のように作用する。発振回路１３からの駆動用交流信
号を駆動用１２ａの圧電電子に加えると、振動子１１は
図中の矢印ｆの方向に自励振動する。この振動中に回転
力が振動ジャイロに加えられると、矢印ｔ方向にコリオ
リ振動が生じ、これが検出用１２ａ、１２ｂの圧電素子
により検出される。

【００３６】駆動用１２ａの圧電素子は、圧電定数が大
きいため、振動子１１の振動振幅は大きく振動する。そ
して回転力を加えられたことにより生じるコリオリ振動
は、感度の高い水晶を用いた検出用１２ａ、１２ｂの圧
電素子で検出される。

【００３７】但し、圧電出力定数の大きい水晶や樹脂系
圧電素子は誘電率が小さく圧電素子の容量が小さくなる
ので、微小な電流しか取り出すことができず、そのまま
では感度低下をもたらす場合がある。

【００３８】そこで、この実施例では上記負荷抵抗１５
ａ、１５ｂとインピーダンス変換回路１６ａ、１６ｂの
構成により圧電素子からの検出信号を高いインピーダン
スで受けるようにして、圧電素子からの出力電流が小さ
くても効率よく信号を検出できるようにしているのであ
る。即ち、圧電素子からの出力信号を高入力インピーダ
ンスで受けるため、圧電素子と負荷抵抗で構成される回
路からの電流の漏れがなく効率的に出力が得られるので
ある。

【００３９】負荷抵抗と出力の関係を図２に示す。この
測定結果は、負荷抵抗１５ａ、１５ｂの抵抗値Ｒを変え
た場合にインピーダンス変換回路１６ａ、１６ｂから得
られる出力の振幅Ｖを測定した結果である。

【００４０】この測定では、振動体の励振周波数ｆ＝８
ｋＨｚ、圧電素子の容量値Ｃ＝５３０ｐＦを用いた。図
示の結果から分るように、振動ジャイロの振動を効率良
く検出するには負荷抵抗Ｒ＝１００ｋΩ以上であればよ
いことが得られた。

【００４１】図２には、負荷抵抗Ｒと出力振幅Ｖの関係
を表す下記の理論式による計算値も示している。

【００４２】 Ｖ＝Ｖ₀ ／［１＋（１／２・π・ｆ・ｃ・Ｒ）² ］^1/2 ……（１） Ｖ₀ は図２に示す出力振幅Ｖの飽和した値であり、ここ
では実験結果からＶ₀＝７２０ｍＶとした。図から分か
るように、計算値と実験値はよく一致しており（１）式
の正しいことが分かる。従って、効率よく信号検出する
に必要な負荷抵抗値は（１）式から推定できる。

【００４３】又、出力振幅Ｖが安定する領域（本実施例
ではＲ≧約１００ｋΩ）では、（１）式から振動体の励
振周波数ｆや圧電素子の容量値ｃ及び負荷抵抗Ｒの温度
や経時変化等に対しても出力が安定する効果があること
が理解されるであろう。なお、この実施例ではＲ＝２２
０ｋΩとした。

【００４４】帰還用１２ｃの圧電素子として、この実施
例では量産性を考慮して量産性に優れたＰＺＴを用いた
が、発振回路を構成するために振動体の振動を高感度で
検出する必要がある場合にはＰＶＤＦが適し、温度安定
性が要求される場合には水晶が適する。

【００４５】図３に第二実施例の振動ジャイロの概略構
成図を示す。この振動ジャイロ１０’は、３角柱の振動
子２１と圧電素子２２ａ、２２ｂｃ、２２ｂｃで構成さ
れている。第一実施例と同様に、駆動用２２ａの圧電素
子として圧電セラミック、検出・帰還用２２ｂｃ、２２
ｂｃとして水晶圧電素子が用いられており、検出用と帰
還用は共用形を用いている。

【００４６】このため、圧電素子２２ｂｃ、２２ｂｃか
らの信号を抵抗２７ａ、２７ｂを介して両者の信号の平
均をとりこれを帰還用の信号として発振回路２３に入力
し、その出力信号を駆動用２２ａの圧電素子に印加して
振動子を自励振駆動する回路構成としている。その他の
構成については第一実施例と同じであり、同一構成部材
については２０番台の対応する符号を付して説明は省略
する。

【００４７】図４は第三実施例の振動ジャイロの概略構
成図を示す。この振動ジャイロ１０”では、検出用３２
ｂｃの圧電素子の負荷抵抗３５ａ、３５ｂを用いて帰還
用の信号を検出側から得て発振回路３３に入力し、その
出力信号を駆動用３２ａの圧電素子に印加して振動子を
自励振駆動する回路構成とした。その他の構成は第二実
施例と同じであり、同一機能部材には３０番台の対応す
る符号を付して説明は省略する。

【００４８】

【効果】以上詳述に説明したように、この出願の第一の
発明の振動ジャイロは、振動子に取付けた圧電素子のう
ち駆動用は圧電定数大、検出用に圧電出力定数大の異な
る特性のものを使用することとしたから、振動子は大き
な振動振幅で振動し、コリオリ振動を検出する検出側で
は高感度の検出信号が得られ、従って検出信号はＳＮ比
が高くなり、正確な回転角速度信号が得られるという極
めて有利な利点が得られる。

【００４９】第二の発明では、検出側の圧電素子として
単結晶圧電素子を用いるとしたから、特に圧電素子の温
度変化があっても安定した出力が得られるという利点が
得られる。

【００５０】第三の発明では、駆動用の圧電素子として
圧電セラミック、検出用として水晶圧電素子を用いると
したから、第一及び第二の発明のものを確実に実施で
き、同様な効果を得ることができる。

【００５１】第四の発明では、検出用圧電素子に負荷抵
抗とインピーダンス変換回路を接続したから、負荷抵抗
とインピーダンス変換回路を適切に設定することによっ
て回路からの電流の漏れを防止し小さな検出電流であっ
ても効率よく出力信号を得ることができる。

【００５２】さらに、負荷抵抗値は出力が安定する領域
内に設定されるため、圧電素子の特性のばらつき、温
度、経時変化があっても安定した出力信号が得られると
いう種々の利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施例の振動ジャイロの概略構成及びイン
ピーダンス変換回路例を示す図

【図２】負荷抵抗と出力振幅の関係を示す図

【図３】第二実施例の振動ジャイロの概略構成図

【図４】第三実施例の振動ジャイロの概略構成図

【図５】従来例の振動ジャイロの概略構成図

【符号の説明】

１０、１０’、１０” 振動ジャイロ １１、２１、３１ 振動子 １２、２２、３２ 圧電素子 １２ａ、２２ａ、３２ａ 駆動用圧電素子 １２ｂ 検出用圧電素子 １２ｃ 帰還用圧電素子 ２２ｂｃ、３２ｂｃ 検出・帰還用圧電素子 １３、２３、３３ 発振回路 １４、２４、３４ 検出回路、 １５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ、３５ａ、３５ｂ 負
荷抵抗 １６ａ、１６ｂ、２６ａ、２６ｂ、３６ａ、３６ｂ イ
ンピーダンス変換回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械振動を生じる材料から成る振動子に
   圧電素子を設け、これら圧電素子のうち駆動用は圧電定
   数が大のものとし、検出用は駆動用より大きい圧電出力
   定数を有する異種特性の圧電素子を用いて回転角速度信
   号を検出するように構成して成る振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記検出用圧電素子を圧電特性が温度や
   経時変化に対して安定な単結晶圧電素子としたことを特
   徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記駆動用圧電素子を圧電セラミックと
   し、検出用圧電素子を水晶形式のものとしたことを特徴
   とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
4. 【請求項４】 前記検出用圧電素子に負荷抵抗とインピ
   ーダンス変換回路を接続し、負荷抵抗Ｒの値は検出用圧
   電素子からの出力が安定する領域であって、検出用圧電
   素子の容量値Ｃ、駆動用圧電素子の駆動用交流信号周波
   数ｆに対し１／（２π・ｆ・ｃ・Ｒ）² が０．１５以下
   となる領域に選ぶようにしたことを特徴とする請求項１
   乃至３のいずれかに記載の振動ジャイロ。