JPH05133755A - 診断機能付振動ジヤイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子を増幅器の正帰還ループに挿入して
振動子を自励振動させる新規な振動ジャイロにおいて、
それが正常に作動しているか否かを判別する機能を設け
て、信頼性を向上させた診断機能付振動ジャイロを提供
する。 【構成】 横断面形状が多角形の振動体１１の側面に貼
着した圧電素子１２ａ，１２ｂを、増幅器１４の正帰還
ループに挿入すると共に、該圧電素子１２ａ，１２ｂの
接続電極を角速度検出手段２２に接続して成る振動ジャ
イロであって、角速度検出手段２２および／または増幅
器１４の出力を監視する振幅監視手段３１ａ，３１ｂを
設け、この振幅監視手段３１ａ，３１ｂの出力に基づい
て、振動ジャイロの正常・異常を診断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、振動ジャイロ、特に
自励振動し、例えば自動車等に搭載される姿勢制御シス
テム、ナビゲーションシステムに用いるに好適な診断機
能付振動ジャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロとして、例えば図２
に示すようなものがある。この振動ジャイロでは、横断
面形状が四角形の振動体１の対向する二側面に駆動用圧
電素子２および帰還用圧電素子３を貼着すると共に、こ
れらと直交する他の二側面に検出用圧電素子４，５を貼
着して振動子６を構成し、駆動用圧電素子２に駆動装置
７の出力を供給する一方、帰還用圧電素子３の出力を駆
動装置７に帰還させることにより、振動子６を直交三次
元座標系のＸ軸方向に自励振動させるようにしている。
また、検出用圧電素子４，５の出力は、差動増幅器８で
差動増幅し、その出力を同期検波器９で同期検波した
後、直流増幅器１０で増幅して角速度検出信号を得るよ
うにしている。

【０００３】図２に示す振動ジャイロにおいて、振動子
６が自励振動している状態で、振動子６がＺ軸回りの回
転を受けると、振動子６はその角速度に比例するコリオ
リの力によりＹ軸方向に振動し、これにより検出用圧電
素子４，５からは、Ｙ軸方向の振動に伴う電圧が発生す
る。したがって、これら検出用圧電素子４，５の出力を
差動増幅器８で差動増幅すれば、コリオリの力に伴う電
圧を分離して検出することができるので、その差動出力
を同期検波器９で検波して直流増幅器１０で増幅するこ
とにより角速度検出信号を得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２に
示す従来の振動ジャイロにあっては、それぞれの圧電素
子２，３，４，５がともに、エポキシ樹脂等の接着剤に
よって振動体１に接着されることから、周囲温度の変化
に起因する接着剤の強度や弾性的性質等の変化によっ
て、例えば駆動用圧電素子２と帰還用圧電素子３との間
の特性が変化して、振動条件に変動をきたし、振動子６
の自励振動が不安定になるという問題がある。また、温
度サイクルなどが加わった場合には、接着剤の性質が経
時的に変化して駆動条件にヒステリシスを生じる問題も
あり、さらには、検出用圧電素子４，５の接着強度の変
化によりドリフトが生じるという問題もある。

【０００５】また、各圧電素子２，３，４，５の特性の
ばらつき、振動体１の断面形状の非対称性等により、理
想的には振動子６の非回転時には発生しないＹ軸方向の
振動が、現実的には発生していわゆる漏れ電圧を生じ、
角速度を正確に検出できないという問題がある。しか
も、この漏れ電圧は、駆動電圧やその他の駆動条件に依
存して変化するため、ドリフトの原因になるという問題
もある。さらには、各圧電素子２，３，４，５を、振動
体１の各側面に高精度で接着させる必要があるため、振
動子６の組み立て作業が甚だ面倒であるという問題もあ
る。

【０００６】このような問題を解決するため、本願人
は、図３に示すような振動ジャイロを開発している。こ
の振動ジャイロは、横断面形状が四角形を成す振動体１
１の一側面に圧電素子１２ａを貼着すると共に、隣接す
る側面に圧電素子１２ｂを貼着して振動子１３を構成す
る。ここで、振動体１１は、エリンバ合金、４２合金、
石英等をもって構成する。また、通常、圧電素子の振動
体１１への貼着側は接地されるが、この振動子１３にお
いては、圧電素子１２ａ，１２ｂを増幅器１４の正帰還
ループ内に挿入するため、接地はしない。

【０００７】増幅器１４は、その反転入力端子をコンデ
ンサ１５に接続し、非反転入力端子を直列接続したバイ
アス用の固定抵抗器１６ａ，１６ｂの接続点に接続す
る。これらバイアス用の固定抵抗器１６ａ，１６ｂの他
端には、それぞれ直流電圧＋Ｖ，−Ｖを印加する。ま
た、増幅器１４の出力端子と反転入力端子との間には、
固定抵抗器１７を接続して負帰還ループを構成すると共
に、出力端子を振動体１１に、圧電素子１２ａ，１２ｂ
を固定抵抗器１８，１９を介して非反転入力端子にそれ
ぞれ接続して、圧電素子１２ａ，１２ｂを並列に挿入し
た正帰還ループを構成する。さらに、圧電素子１２ａと
固定抵抗器１８との接続点２０および、圧電素子１２ｂ
と固定抵抗器１９との接続点２１、すなわち圧電素子１
２ａ，１２ｂのそれぞれの接続電極は、角速度検出手段
を構成する差動増幅器２２の入力端子に接続する。

【０００８】このように、増幅器１４に正帰還をかける
と、増幅器１４は、正帰還が最大となる周波数、すなわ
ち圧電素子１２ａ，１２ｂおよび振動体１１の材料、寸
法等の関連で、圧電素子１２ａ，１２ｂのインピーダン
スが最小となる周波数で発振することになるので、振動
子１３は機械的共振状態となって、Ｘ軸方向に継続的に
安定して自励振動することになる。

【０００９】また、この自励振動状態下で、振動子１３
にＺ軸回りの角速度が作用すると、振動子１３にはコリ
オリの力に基づくＹ軸方向の振動が発生して、圧電素子
１２ａ，１２ｂのインピーダンスが変化する。その結
果、増幅器１４に、圧電素子１２ａおよび固定抵抗器１
８を経て帰還される帰還電流値と、圧電素子１２ｂおよ
び固定抵抗器１９を経て帰還される帰還電流値とに差が
生じるので、圧電素子１２ａ，１２ｂと固定抵抗器１
８，１９とのそれぞれの接続点２０，２１における出力
を差動増幅器２２で差動増幅すれば、角速度を電圧とし
て高精度で検出することができる。

【００１０】かかる振動ジャイロによれば、圧電素子を
増幅器の正帰還ループに挿入することにより、増幅器を
発振させて振動子を自励振動させると共に、圧電素子の
接続電極を角速度検出手段に接続して、角速度を検出す
るようにしたので、圧電素子を振動体に貼着する接着剤
等の影響による振動条件の変動を有効に低減できると共
に、もれ電圧の変化も十分小さく抑制することができ
る。したがって、温度変化等に影響されることなく、振
動子を常に安定して自励振動させることが可能であると
共に、角速度を高精度で検出することが可能である。

【００１１】しかしながら、図３に示す振動ジャイロに
おいても、以下に説明するような問題が生じる恐れがあ
る。すなわち、振動子１３は、図４に示すように支持用
細条２５ａ，２５ｂを介して図３に示したＸ軸方向およ
びＹ軸方向に振動可能に支持台２６に支持する必要があ
る。ここで、振動子１３と支持用細条２５ａ，２５ｂと
のそれぞれの接続部２７ａ，２７ｂは、振動子１３の振
動を抑制しない程度の小面積で構成する必要があり、ま
た圧電素子１２ａ，１２ｂを差動増幅器２２に接続する
リード線２８ａ，２８ｂも、同様に振動子１３の振動を
抑制しない程度の細線で構成する必要がある。このた
め、長期に亘る振動や極めて大きな衝撃等によって、接
続部２７ａ，２７ｂが破断して振動子１３が支持用細条
２５ａ，２５ｂから外れたり、リード線２８ａ，２８ｂ
が切断されて所要の交流電圧が印加できなくなることが
ある。

【００１２】このように、接続部２７ａ，２７ｂの破断
により振動子１３が支持細条２５ａ，２５ｂから外れた
り、リード線２８ａ，２８ｂの切断が生じると、振動子
１３の姿勢や振動の振幅が変化したり、振動が停止して
振動ジャイロの出力が変化するが、図３に示す振動ジャ
イロにおいても、差動増幅器２２から得られる角速度検
出信号が上記の事故による誤ったものなのか、実際に角
速度が入力した正規のものなのかを判別できないため、
信頼性が低いという問題がある。このため、例えば自動
車の姿勢制御システムやナビゲーションシステムに用い
ると、誤動作が生じる恐れがある。

【００１３】この発明は、上述した問題点に着目してな
されたもので、圧電素子を増幅器の正帰還ループに挿入
して振動子を自励振動させるようにした新規な振動ジャ
イロにおいて、それが正常に作動しているか否かを判別
でき、したがって信頼性を有効に向上できるよう適切に
構成した診断機能付振動ジャイロを提供することを目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、横断面形状が多角形の振動体の側面に
貼着した圧電素子を、増幅器の正帰還ループに挿入する
と共に、該圧電素子の接続電極を角速度検出手段に接続
して成る振動ジャイロであって、前記角速度検出手段お
よび／または前記増幅器の出力を監視する振幅監視手段
を設け、この振幅監視手段の出力に基づいて、振動ジャ
イロの正常・異常を診断し得るよう構成する。

【００１５】

【作用】圧電素子を増幅器の正帰還ループに挿入する
と、増幅器は正帰還が最大となる周波数、すなわち圧電
素子のインピーダンスが最小となる周波数で発振し、そ
の結果、振動子は機械的共振状態となって自励振動す
る。この状態で、振動子に角速度が作用すると、圧電素
子のインピーダンスが変化して帰還電流値が変化し、そ
れに基づいて角速度検出手段により角速度が検出され
る。また、振動子の支持機構や該振動子に接続されたリ
ード線に異常が生じると、角速度検出手段および／また
は増幅器の出力は大きく変化して、正常時とは異なる信
号が出力される。したがって、それらの出力の何れか一
方を振幅監視手段で監視することにより、振動ジャイロ
の動作の正否を診断することができる。

【００１６】

【実施例】図１は、この発明の一実施例を示すもので、
図３に示す符号と同一符号は同一作用を成すものを表
す。この振動ジャイロは、図３と同様に構成したもの
で、横断面形状が四角形を成す振動体１１の一側面に圧
電素子１２ａを貼着すると共に、隣接する側面に圧電素
子１２ｂを貼着して振動子１３を構成し、この振動子１
３を図４に示したようにＸ軸およびＹ軸方向に振動可能
に支持する。

【００１７】振動体１１は増幅器１４の出力端子に接続
し、この増幅器１４の反転入力端子をコンデンサ１５
に、非反転入力端子を直列接続したバイアス用の固定抵
抗器１６ａ，１６ｂの接続点にそれぞれ接続して、これ
らバイアス用の固定抵抗器１６ａ，１６ｂの他端に、そ
れぞれ直流電圧＋Ｖ，−Ｖを印加する。また、増幅器１
４の出力端子と反転入力端子との間には、固定抵抗器１
７を接続して負帰還ループを構成すると共に、非反転入
力端子には固定抵抗器１８，１９を介して圧電素子１２
ａ，１２ｂをそれぞれ接続して、圧電素子１２ａ，１２
ｂを並列に挿入した正帰還ループを構成する。さらに、
圧電素子１２ａと固定抵抗器１８との接続点２０およ
び、圧電素子１２ｂと固定抵抗器１９との接続点２１、
すなわち圧電素子１２ａ，１２ｂのそれぞれの接続電極
は、角速度検出手段を構成する差動増幅器２２の入力端
子に接続する。

【００１８】このように、増幅器１４に正帰還をかける
ことによって、増幅器１４を正帰還が最大となる周波
数、すなわち圧電素子１２ａ，１２ｂおよび振動体１１
の材料、寸法等の関連で、圧電素子１２ａ，１２ｂのイ
ンピーダンスが最小となる周波数で発振させて、振動子
１３を機械的共振状態でＸ軸方向に継続的に自励振動さ
せるようにする。また、接続点２０，２１における出力
を差動増幅器２２で差動増幅することにより、振動子１
３のＺ軸回りに作用する角速度を検出するようにする。

【００１９】この実施例では、差動増幅器２２の出力、
すなわち角速度検出信号をピークホールド回路３１ａに
供給すると共に、増幅器１４の出力をピークホールド回
路３１ｂに供給する。ピークホールド回路３１ａは、差
動増幅器２２の出力を整流するダイオード３２ａと、そ
の出力を充電するコンデンサ３３ａと、その充電電圧を
増幅する増幅器３４ａと、コンデンサ３３ａの充電電圧
を放電するリセットスイッチ３５ａとをもって構成す
る。また、ピークホールド回路３１ｂも、ダイオード３
２ｂ、コンデンサ３３ｂ、増幅器３４ｂおよびリセット
スイッチ３５ｂを同様に接続して構成する。

【００２０】かかる構成において、図４に示したリード
線２８ａまたは２８ｂに断線が生じると、差動増幅器２
２には圧電素子１２ａ，１２ｂの何れかを流れる帰還電
流のみが電圧として入力するため、差動増幅器２２から
は極めて大きな振幅の交流電圧が出力される。これに対
して、振動ジャイロが正常に動作している状態で、角速
度が入力しないときは、各帰還電流はバランスがとれ
て、差動増幅器２２の出力はほぼ零となり、角速度が入
力すると各帰還電流のバランスがくずれて、差動増幅器
２２からは角速度に比例した振幅の交流電圧が出力され
る。しかしながら、正常に動作している状態で、角速度
の作用により差動増幅器２２から出力される交流電圧の
振幅は、リード線２８ａまたは２８ｂが断線した場合に
比べて小さい。したがって、差動増幅器２２の出力をピ
ークホールド回路３１ａに供給してそのピークレベルを
監視すれば、そのピークレベルが一定値以上に達したこ
とをもって、リード線２８ａまたは２８ｂの断線による
振動子１３の検出機能の異常を検知することができる。

【００２１】また、リード線２８ａおよび２８ｂがとも
に断線したり、振動子１３が支持用細条２５ａ，２５ｂ
から外れると、増幅器１４の正帰還が完全に遮断される
ため、その発振が減衰あるいは停止する。したがって、
増幅器１４の出力をピークホールド回路３１ｂに供給し
てそのピークレベルを監視すれば、そのピークレベルが
一定値以上に達しないことをもって、双方のリード線２
８ａおよび２８ｂの断線あるいは支持用細条２５ａ，２
５ｂからの振動子１３の外れによる振動子１３の自励振
動の異常を検知することができる。なお、リセットスイ
ッチ３５ａ，３５ｂは、例えば振動ジャイロの駆動開始
に同期して短時間オンにして、コンデンサ３３ａ，３３
ｂの充電電圧を放電するようにする。

【００２２】なお、上記の実施例では、差動増幅器２２
および増幅器１４の双方にピークホールド回路３１ａ，
３１ｂを接続して、振動ジャイロの異常を検知し得るよ
うにしたが、差動増幅器２２または増幅器１４にのみピ
ークホールド回路３１ａまたは３１ｂを接続して、振動
ジャイロの異常を検知するようにしても良い。また、上
記の実施例では、横断面形状が四角形の振動体を用いて
振動子を構成したが、振動体の横断面形状は四角形に限
らず、三角形等の他の多角形形状の振動体を用いて振動
子を構成することもできる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、角速
度検出手段および／または振動子を正帰還によって自励
振動させる増幅器の出力を振幅監視手段で監視すること
により、振動子の検出機能および／または自励振動の異
常を検知し得るようにしたので、それに基づいて振動ジ
ャイロの動作の正否を適切に診断することができ、信頼
性を有効に向上することができる。したがって、例えば
自動車の姿勢制御システムやナビゲーションシステムに
用いた場合の誤動作の発生を有効に防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す図である。

【図２】従来の振動ジャイロを示す図である。

【図３】本願人が先に開発した振動ジャイロを示す図で
ある。

【図４】振動子の支持機構を示す図である。

【符号の説明】

１１ 振動体 １２ａ，１２ｂ 圧電素子 １３ 振動子 １４ 増幅器 １５ コンデンサ １６ａ，１６ｂ，１７，１８，１９ 固定抵抗器 ２０，２１ 接続点 ２２ 差動増幅器 ２５ａ，２５ｂ 支持用細条 ２６ 支持台 ２７ａ，２７ｂ 接続部 ２８ａ，２８ｂ リード線 ３１ａ，３１ｂ ピークホールド回路 ３２ａ，３２ｂ ダイオード ３３ａ，３３ｂ コンデンサ ３４ａ，３４ｂ 増幅器 ３５ａ，３５ｂ リセットスイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横断面形状が多角形の振動体の側面に貼
   着した圧電素子を、増幅器の正帰還ループに挿入すると
   共に、該圧電素子の接続電極を角速度検出手段に接続し
   て成る振動ジャイロであって、前記角速度検出手段およ
   び／または前記増幅器の出力を監視する振幅監視手段を
   設け、この振幅監視手段の出力に基づいて、振動ジャイ
   ロの正常・異常を診断し得るよう構成したことを特徴と
   する診断機能付振動ジャイロ。