JP2575212B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、振動ジャイロ、とくに角速度を検出する
目的の下でコリオリの力を検知する振動ジャイロに関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種の振動ジャイロとしては、例えば、第３
図に示すような圧電タイプのものがある。このジャイロ
は、３次元座標系内で、固定手段１の、Ｙ軸と直交する
面のそれぞれに、圧電材料よりなるバイモルフ振動子，
ユニモルフ振動子その他の駆動振動子２の二枚を音叉状
に固定してそれらをＺ軸方向へ突出させ、そして、それ
ぞれの駆動振動子２の自由端に、これもまた圧電材料か
らなるそれぞれの検知振動子３を、各々の広幅面が、駆
動振動子２のそれと直交する方向に向く状態で固定する
ことにより構成されている。

このような振動ジャイロの使用に際しては、まず、駆
動振動子２に交流電圧を印加してその駆動振動子２を図
の実線矢印方向（Ｙ軸方向）に対称振動させる。なお、
かかる対称振動をもたらす方法としては、それぞれの駆
動振動子２に交流電圧を印加する方法の他、一方の駆動
振動子２だけに交流電圧を印加して、他方の駆動振動子
２を振動モニターとして利用して振動状態の制御を行
い、これによって振動を安定させる方法があるが、これ
らのいずれにおいても、後述するコリオリの力を強くす
べく、駆動振動子２を共振状態で振動させて、振動振幅
を大きくすることとしている。

次いで、駆動振動子２の振動状態下で、振動ジャイロ
全体をＺ軸の周りに角速度ωで回動させることによっ
て、検知振動子３に、それを図の破線矢印方向（Ｘ軸方
向）へ、角速度ωの大きさに応じて撓ませるように作用
するコリオリの力Fcを生じさせ、この結果として、その
検知振動子３に設けた電極間に電圧を生じさせる。

ここで、この発生電圧は、コリオリの力Fcに比例する
ことから、その電圧を測定することによって、角速度ω
の大きさを検出することができる。

なお一般的には、上述したような装置全体を、支持部
材４によって支持することにより、共振状態での作動効
率を高める工夫がなされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような従来技術にあっては、駆動振動
子２の先端に検知振動子３を連結する構造であるため、
装置が大型化する他、駆動振動子２に交流電圧を供給す
るための配線、検知振動子３から信号電圧を取り出すた
めの配線などが複雑になる欠点があった。とりわけ、検
知振動子３に対する配線は、線材の引回しに苦労すると
ころが大であった。

すなわち、検知振動子３は、およそ数μｍ〜100μｍ
程度の振動振幅下におかれている。しかるに、信号電圧
の取出しのための該線材の存在は、その質量や弾性率、
さらには変形状態に応じ、該駆動振動子２の振動に大き
な影響を及ぼして検知感度を変動させる要因となる。そ
こで従来は、この線材を駆動振動子２の側面２′に接着
させて、振動の小さい固定手段１の付近まで延在させ、
そこから所定の接続端子まで引き出すとか、所定の接続
端子を検知振動子３の近傍位置まで延在させて、線材の
長さを短くすることにてその線材の影響を低減するとか
の工夫が講じられている。

しかしながら、このような方法によれば、振動ジャイ
ロの製造作業効率の著しい低減が避けられなかった。

またその一方において、駆動振動子２の広幅面と、検
知振動子３の広幅面とが正確に直交していない場合に
は、検知振動子３での検知信号中に、Ｙ軸方向の振動成
分が漏れ込むことになるとともに、検知精度それ自体が
低下することになる。ところで、図示のように、駆動振
動子２の端面と検知振動子３の端面とを直接的に連結す
る構造の下においては、それらを接着剤によって単に固
着するだけでは高い連結精度を望み得べくもない。

そこで、第４図に示すような連結部材５を介して、駆
動振動子２と検知振動子３とを連結する方法が提案され
ている。この連結部材５を用いる方法によれば、駆動振
動子２および検知振動子３のそれぞれの端部分を、連結
部材５に形成されて、相互に直交する方向に向く面のそ
れぞれに、それらに設けた電極を介して接着することに
よって、駆動振動子２と検知振動子３とを、比較的容易
に、高い直角度をもって連結することが可能となる。

ところがこの場合には、連結部材５の、駆動振動子接
着面と検知振動子接着面とが相互に直交する方向に向い
ていることから、駆動振動子２と検知振動子３との、連
結部材５への接着を同時に行うためには、接着剤が硬化
するまで、駆動振動子２および検知振動子３のそれぞれ
を、連結部材５に、所定の相対関係の下で正確に位置決
め保持する必要があるため、治具の構造が複雑になると
ともに、治具が大型化して作業性が悪くなり、また、こ
のような接着作業を２工程に分けて行うときには、作業
工数が著しく嵩むことになる。

そこでこの発明は、装置の十分なる小型化を実現する
ことに加え、各種配線の引き回し、および検出手段と駆
動振動子との高精度の組付けを容易ならしめることによ
って、生産性を大きく向上させることができる振動ジャ
イロを提供する。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、三次元座標系のＺ軸方向へ延在する、一
枚もしくは二枚の駆動振動子の一端部を、固定手段の、
Ｙ軸と直交する各面に直接固定してなり、その駆動振動
子の他端部の、Ｙ軸方向への振動下での、前記、前固定
手段の、Ｚ軸の周りでの回動運動により、駆動振動子に
発生してＸ軸方向に向くコリオリの力を、その固定手段
に生じるねじりモーメントによって検知する振動ジャイ
ロであって、平板状をなす圧電材料の、Ｙ軸と直交する
それぞれの面に電極を形成するとともに、その圧電材料
を、Ｙ軸の周りにほぼ楕円曲線状に分極させて構成した
検知手段を、駆動振動子によってねじりモーメントを直
接的に生起される固定手段の少なくとも一部として配設
したものである。

〔作 用〕

駆動振動子に発生してＸ軸方向に向くコリオリの力
を、固定手段に生じる、Ｙ軸の周りのねじりモーメント
によって検知する目的の下で、たとえば、第５図に示す
ような直六面体形状の圧電材料６を、図に白抜矢印で示
すように、Ｘ軸方向へ分極処理するとともに、Ｙ軸と直
交する面y₁,y₂のそれぞれに電極を設けてなる検知手段
７を、第６図に示すように、固定手段１の一部を構成す
るように配設し、コリオリの力Fcによって固定手段１に
生じるねじりモーメントを、検知手段７に作用するねじ
り剪断応力をもって検出する場合には、圧電材料６の分
極方向が直線方向であることにより、第７図におけるよ
うに、面y₁上の点P₁に作用するねじり剪断応力τ′の方
向がＸ軸に対して角度αをなすとすると、面y₂上の、点
P₁と対抗する点P₂には、点P₁のねじり剪断応力τ′と大
きさが等しく、向きが逆のねじり剪断応力τ′が作用
し、両点P₁,P₂を結ぶ領域で点P₁から点P₂への電気変位
は、 Dp＝d₁₅τ′cosα となり、角度αがπ/2,3π/2に近いところでは電気変位
が小さくなり、それ故に、ねじりモーメントに対する感
度の低い領域が圧電材料内に存在することになる。

これに対し、圧電材料を、Ｙ軸の周りにほぼ楕円曲線
状に分極させた場合には、ねじり剪断応力の方向と分極
方向とが近接し、互いに平行状態に近くなる。すなわ
ち、ねじりモーメントによって圧電材料に作用するねじ
り剪断応力の作用方向は、圧電材料の周縁近傍部分を除
いて、Ｙ軸の周りにほぼ楕円曲線状をなすので、その圧
電材料を、Ｙ軸の周りにほぼ楕円曲線状に分極処理する
ことにより、分極方向と応力作用方向とをほぼ等しくす
ることができ、これがため、ねじり剪断応力τ′の作用
によってもたらされる。前述したと同様の電気変位は、 Dp＝d₁₅τ′ となり、ねじりモーメントに対して感度の低い角度領域
が有効に除去されることになる。

かくしてこの発明によれば、第６図に示したような構
成の振動ジャイロをもたらすことができ、装置を小型化
できるとともに、それの製造を容易ならしめることがで
き、しかも、ねじりモーメント、ひいては、ねじり剪断
応力を、高い感度にて検出することができる。

しかもここでは、コリオリの力の発生下で、駆動振動
子によって固定部材にねじりモーメントを直接的に生起
させて、その固定部材の少なくとも一部を構成する検知
手段の、両電極間にねじれ歪を直接に生じさせること
で、コリオリの力の検出効率、ひいては、検出感度をよ
り一層高めることができる。

〔実施例〕

以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明の要部である検知手段を例示する
斜視図であり、この検知手段は、第６図に示す検知手段
７に代えて適用することができる。

この例では、直六面体形状をなす平板状圧電材料６の
Ｙ軸と直交するそれぞれの面y₁,y₂に、検知用の電極8,9
を形成するとともに、その圧電材料６を、白抜矢印で示
すように、Ｙ軸の周りにほぼ楕円曲線状に分極させるこ
とによって検知手段10を構成する。

かかる検知手段10は、第６図に示す検知手段７に代え
て、または、一の固定手段１に、２枚の駆動振動子２を
音叉状に固定してなる振動ジャイロの、その固定手段１
の一部として配設することにより、固定手段１に作用す
るねじりモーメントＭに起因してその検知手段10に生じ
るねじり剪断応力を、電極8,9間に生じる直接的なねじ
れ歪に基づくそれらの間の電気変位によって、優れた感
度で検知すべく機能する。

なお、検知手段10は、１枚もしくは２枚の駆動振動子
２と直接的に接触させて配設し得ることはもちろんであ
るが、とくに、固定手段１に、２枚の駆動振動子２を固
定する場合には、固定手段１の、Ｙ軸方向の中央位置
に、一の検知手段10を配設することも可能である。

また、第８図に示すように、二個の検知手段10に跨が
って駆動振動子２を固定してもよい。この場合、圧電素
子の分極方向は、第９図（ａ），（ｂ）に示すいずれの
組合わせによってもよい。ただし、同図（ａ）の場合は
両検知手段10の面y₁同士，面y₂同士はねじりモーメント
Ｍに対して同極性の電圧を発生するのに対し、（ｂ）の
場合は逆極性となる。いずれにしても、検知手段10ひと
つの場合に比べて２倍の出力を得ることが可能となる。

ところで、圧電材料の、前述したような分極処理は、
たとえば第２図に示すように、Ｘ軸と直交する面x₁,
x₂、Ｙ軸と直交する面y₁,y₂およびＺ軸と直交する面z₁,
z₂を有する直六面体形状の平板状圧電材料６において、
面z₁上に、Ｘ軸方向に間隔をおく分極処理用電極11,12
をそれぞれ設け、それらの電極11,12に直流電圧を印加
することによって行うことができ、このことによれば、
圧電材料６は、図に白抜矢印で示すように、Ｙ軸の周り
にほぼ楕円形状に分極されることになる。

従ってその後は、分極処理用電極11,12を取り除いて
検知用電極8,9を形成することにより、所要の検知手段1
0がもたらされる。

なお、上述したところにおいて、圧電材料６として
は、チタン酸ジルコン酸鉛，チタン酸鉛，チタン酸バリ
ウムその他の各種材料を用いることができる。また、図
示例では、説明を容易ならしめるべく、圧電材料６の形
状を直六面体形状としたが、その他の形状であっても、
この発明の所期した目的を達成し得ることはもちろんで
ある。

〔発明の効果〕

以上に述べたところから明らかなように、この発明に
よれば、振動ジャイロの生産性を大きく向上させること
ができるとともに、振動ジャイロを十分小型化すること
ができ、しかも、検知手段に作用するねじり剪断応力の
方向と、圧電材料の分極方向とを平行に近づけることに
よって、ねじり剪断応力の検知感度を有効に向上させる
ことができる。そしてさらには、検知手段を、駆動振動
子によってねじりモーメントを直接的に生起される固定
手段の少なくとも一部として配設することにより、コリ
オリの力の発生時には、その検知手段の両電極間にねじ
れ歪を直接的に生じさせることができるので、コリオリ
の力の検出感度をより効果的に向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の要部である検知手段を例示する斜
視図、 第２図は、圧電材料の分極処理例を示す斜視図、 第３図は、従来の振動ジャイロを例示する斜視図、 第４図は、従来の連結部材を例示する斜視図、 第５図は、圧電材料の分極方向を例示する斜視図、 第６図は、振動ジャイロの構成例を示す斜視図、 第７図は、第５図に示す圧電材料の作用説明図、 第８図は、本発明の別の構成例を示す斜視図、 第９図は、第８図に示す例における検知手段組合わせの
変形例を示す斜視図である。 １……固定手段、２……駆動振動子、 ６……圧電材料、8,9……電極、 10……検知手段。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三次元座標系のＺ軸方向へ延在する駆動振
   動子の一端部を、固定手段の、Ｙ軸と直交する面に直接
   固定してなり、その駆動振動子のＹ軸方向への振動下で
   の、前記固定手段の、Ｚ軸の周りでの回動運動により、
   駆動振動子に発生してＸ軸方向に向くコリオリの力を、
   その固定手段に生じるねじりモーメントによって検知す
   る振動ジャイロであって、 Ｙ軸の周りにほぼ楕円曲線状に分極させた平板状圧電材
   料の、Ｙ軸と直交するそれぞれの面に電極を形成してな
   る検知手段を、駆動振動子によってねじりモーメントを
   直接的に生起される前記固定手段の少なくとも一部とし
   て配設してなる振動ジャイロ。