JP2596752B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

振動ジャイロ

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JP2596752B2 JP17263487A JP17263487A JP2596752B2 JP 2596752 B2 JP2596752 B2 JP 2596752B2 JP 17263487 A JP17263487 A JP 17263487A JP 17263487 A JP17263487 A JP 17263487A JP 2596752 B2 JP2596752 B2 JP 2596752B2
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support rod
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、振動ジャイロに関する。
[従来の技術] 振動ジャイロは、「速度を持った物体に角速度を加え
るとコリオリの力が生じる」という原理をもとに、物体
に振動を加えて速度を与え、この物体に角速度が加わっ
た時に生じるコリオリの力を物体の変位として検出し
て、物体に加わった角速度を検出するものである。この
振動ジャイロは、回転体の角運動量を利用した従来の一
般的なレートジャイロと比べて、ベアリング等の摩耗部
分がないため寿命が長い、後述のように駆動、および、
検出のために圧電素子を使用するので低消費電力であ
る、等の特長を持っている。
前記振動ジャイロにおける振動を加える物体、つま
り、振動子の形状として、例えば、音叉型、H型等があ
るが、H型の従来の振動ジャイロを第8図に示す。この
振動ジャイロ1は、H型の振動子2の中心部に支持棒3
を振動子厚み方向(矢印(ロ)方向)に貫通させて一体
に固定し、この支持棒3の両端部を円筒状のケーシング
4に固定し、そして、振動子2の幅方向(矢印(イ)方
向)の両側面2aの上、下部の4箇所に駆動用圧電素子5
を張り付け、一方、この駆動用圧電素子5を張り付けた
面と直角な振動子厚み方向の面2bの左右、上下4箇所に
前記の各駆動用圧電素子5と対になる検出用圧電素子6
を張り付けた構造であり、前記駆動用圧電素子5の極性
は、図に+、−の記号で示すように、上下を互いに逆極
性、幅方向左右は互いに同極性としていた。
上記従来の振動ジャイロ1の4つの駆動用圧電素子5
に前述のごとき、上下は互いに逆極性、左右は互いに同
極性の交番電圧を加えると、振動子2が振動子幅方向
(矢印(イ)方向)に振動する。この振動ジャイロ1に
ケーシング4の筒心に直交する平面(水平面)内の回転
による角速度が加わると、振動子2に振動子厚み方向
(矢印(ロ)方向)のコリオリの力が生じる。このコリ
オリの力により振動子2にたわみ変形が生じ、このたわ
み変形により検出用圧電素子6に電圧が発生する。この
検出電圧信号から、振動子2のたわみ変形が検出され、
このたわみ変形から振動子2に加わったコリオリの力が
検出され、このコリオリの力から振動ジャイロに与えら
れた角速度が検出される。また、角速度を積分すれば、
回転角が算出される。
[発明が解決しようとする問題点] 上記従来の振動ジャイロ1においては、検出用圧電素
子6と駆動用圧電素子5とが同じく振動子2に、かつ、
互いに接近した位置に張り付けられているので、駆動用
圧電素子5と検出用圧電素子6との間の静電容量によ
り、駆動用圧電素子5に印加した電圧の漏れ電圧が検出
用圧電素子6に作用し、検出用圧電素子6の検出電圧信
号に誤差が生じる。また、駆動用圧電素子5により駆動
されて振動子2がたわみ変形すると、検出用圧電素子6
にゆがみが生じるので、このゆがみ変形により検出用圧
電素子6に無用な電圧が発生して、同じく検出電圧信号
に誤差が生じる。このように、駆動用電圧の漏れ電圧、
および、振動子駆動に伴う検出用圧電素子6のゆがみ変
形のために、振動ジャイロの検出値に誤差が生じる。
ところで、上記従来の問題点を解決するために、本願
発明者らは、支持棒3に検出用圧電素子を張り付け、コ
リオリの力による支持棒3のたわみ変形を検出してコリ
オリの力を検出する振動ジャイロを発明したが、この振
動ジャイロにおいては、コリオリの力が小さい場合に
は、充分な検出出力が得られないという問題があった。
この発明では上記従来の問題点を解決して、検出用圧
電素子にコリオリ力に関係のない誤差電圧が発生するこ
とを抑制できるとともに、コリオリ力検出感度の高い振
動ジャイロを提供することを目的とする。
[問題点を解決するための手段] 本発明では上記問題点を解決するために、振動子に設
けた4個の各駆動用圧電素子の極性をすべて同極性とし
て振動子を1次モードで振動させるとともに、コリオリ
の力を検出するための検出用圧電素子を支持棒に設け、
かつ、この支持棒及び振動子を収容するケーシングに配
置した防振合金部分に形成されたテーパ形状の穴に支持
棒を支持し、なおかつ支持棒の2次モードの固有振動数
と振動子の1次モードの駆動振動数とを一致させたこと
を特徴とする。
[作用] 上記構成において、すべて同極性である駆動用圧電素
子に交番電圧を加えると、振動子は、H字形の正面から
見て左右方向にも、上下方向にも対称的なたわみ変形の
1次モードの振動をする。このような振動モードの振動
子に水平面内での角速度が作用すると、振動子に作用す
るコリオリの力は、振動子を垂直な軸を中心とする回転
させようとする偶力となり、振動子を支持している支持
棒は前記偶力によりたわみ変形する2次モードの振動を
生じる。検出用圧電素子は支持棒のこのたわみ変形を検
出して、コリオリの力を検出する。
上記の検出動作において、駆動用圧電素子は振動子
に、検出用圧電素子は支持棒にと互いに離れて設けられ
ているので、検出用圧電素子には、駆動用電圧による漏
れ電圧は作用せず、また、振動子駆動に伴うゆがみ変形
は生じない。したがって、コリオリの力に関係のない誤
差電圧の発生は抑制される。
また、支持棒の2次モードの固有振動数が振動子の駆
動振動数と一致しているので、検出側(支持棒)が駆動
側(振動子)に共振して、コリオリの力による検出側
(支持棒)のたわみ変形は大きくなり、検出用圧電素子
から大きな検出出力が得られる。
[実施例] 以下、本発明の一実施例を第1図〜第7図を参照して
説明する。
第1図は本発明一実施例の振動ジャイロ10の部分切欠
き斜視図、第2図は同平面図、第3図は第2図における
III−III線断面図、第4図は第2図におけるIV−IV線断
面図である。この振動ジャイロ10は、従来と同様に、H
型の振動子2の中心部に支持棒3を振動子厚み方向(矢
印(ロ)方向)に貫通させて一体に固定し、この支持棒
3の両端部を円筒状のケーシング4に固定し、そして、
振動子2の幅方向(矢印(イ)方向)の両側面2aの上、
下部の4箇所に駆動用圧電素子5を張り付けている。
本発明においては、前記4個の駆動用圧電素子5がす
べて同極性(+記号で示す)で設けられ、前記支持棒3
に検出用圧電素子6が張り付けられている。そして、支
持棒3は、その2次モードの固有振動数が振動子2の1
次モードの固有振動数と一致するように、断面形状、長
さ等が設定されている。なお、支持棒3の厚み(矢印
(イ)方向の寸法)は、所望の固有振動数を得るに必要
な支持棒長さを短くすることができるように、薄くして
いる。また、この実施例では、外来振動ノイズの影響を
除くために、円筒状のケーシング4の中間部を防振合金
で形成して、この防振合金部分4aで支持棒3を支持し、
また、その支持型式も、支持棒3の2次の振動モードに
影響を与えない自由支持となるように、防振合金部分4a
にテーパ状の穴を形成して、支持棒3との接触部分を極
力狭く線接触に近い状態としている。そして、前記検出
用圧電素子6は、振動子2を挾む両側のそれぞれ支持棒
両面の4箇所に張り付けられ、この4個の検出用圧電素
子6の極性は、それぞれ、支持棒厚み方向に対向するも
のどうしを互いに逆極性で、かつ、振動子2を挾んで対
向する支持棒3の同じ面がわのものどうしを互いに逆極
性とし、こうして、支持棒3の水平面内でのたわみ変形
を効果的に検出できるようにしている。
上記構成の振動ジャイロ10の動作を説明する。4個の
駆動用圧電素子5に振動子2の1次モード固有振動数と
等しいすべて同極性の交番電圧を加えると、振動子2
は、共振して最大限に振れる。振動子2のこの振動は、
駆動側の振動モードの第5図(a)、(b)、(c)に
示すように、振動の方向が振動子幅方向(矢印(イ)方
向)の1次モードの振動であって、そして、H字形を正
面から見て左右、上下に対称的なたわみ変形を生ずる振
動である。
この振動ジャイロ10にケーシング4の筒心に直交する
平面(水平面)内の回転による角速度が加わると、振動
子2に振動子厚み方向(矢印(ロ)方向)のコリオリの
力が生じるが、第7図(a)または(b)に示すよう
に、このコリオリの力(矢印(ハ)、または、(ニ))
は、H字形の幅方向両側部分について互いに逆方向の力
である(なお、H字形の下方部分には、幅方向左右いず
れについてもそれぞれ上方部分と同じ向きのコリオリ力
がかかる。)このコリオリの力による振動子2の振動モ
ードは、第6図(a)、(b)、(c)に示す通りであ
る。すなわち、振動方向は振動子厚み方向(矢印
(ロ))であって、そして、H字形の幅方向左右部分は
互いに逆方向、かつ、上下部分についてはそれぞれ同方
向のたわみ変形を生じる振動である。
前記のように振動子2を振動させる互いに逆向きのコ
リオリの力(矢印(ハ)、または、(ニ))は、振動子
2を垂直軸(第7図(a)、(b)で紙面と直交する方
向の軸)を中心として回転させる偶力となっているの
で、支持棒3を第7図(a)、(b)に実線で示したよ
うに水平面内でたわみ変形させ、2次モードの振動を生
じさせる。支持棒3のこのたわみ変形により、各検出用
圧電素子6に電圧が発生する。この検出電圧信号から、
支持棒3のたわみ変形が検出され、支持棒3のたわみ変
形から振動子2に加わったコリオリの力が検出され、こ
のコリオリの力から振動ジャイロに与えられた角速度が
検出される。また、角速度を積分すれば、回転角が算出
される。
上記のコリオリ力検出動作において、支持棒3の2次
モードの固有振動数が振動子2の駆動振動数(これは振
動子2の1次固有振動数と等しくしている)と一致して
いるので、支持棒3は振動子2の振動に共振し、支持棒
3のたわみ変形は最大となり、検出用圧電素子6から大
きな検出出力が得られる。したがって、コリオリ力検出
感度が向上する。
また、支持棒3は、前述のように、ケーシング4の防
振合金部分4aで支持されているので外来振動ノイズの影
響が軽減され、かつ、防振合金部分4aにテーパ状の穴を
形成して、自由支持に近い支持を行っているので、支持
棒3の2次の振動モードに悪影響を与えない。
さらに、支持棒3に張り付けられている検出用圧電素
子6には、振動子2に張り付けられている駆動用圧電素
子5に印加した電圧の漏れ電圧は作用しない。また、駆
動用圧電素子5の駆動により振動子2がたわみ変形して
も、支持棒3に設けられている検出用圧電素子6がその
影響を受けてゆがみ変形することはなく、無用な電圧が
発生することはない。このように、検出用圧電素子6に
コリオリの力に関係のない誤差電圧が発生することは防
止される。
なお、検出用圧電素子6の配置、極性については、実
施例の配置、および、極性が精度よい検出のために好ま
しいが、支持棒3の2次モードの振動によるたわみ変形
を効果的に検出できるものであればこれに限定されな
い。
[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、振動子に設けた
4個の各駆動用圧電素子の極性をすべて同極性とした振
動子を1次モードで振動させるとともに、コリオリの力
を検出するための検出用圧電素子を支持棒に設け、か
つ、この支持棒及び振動子を収容するケーシングに配置
した防振合金部分に形成されたテーパ形状の穴に支持棒
を支持し、なおかつ支持棒の2次モードの固有振動数と
振動子の1次モードの駆動振動数とを一致させたので、
次のような効果を奏する。
(i) 駆動用電圧の検出用圧電素子への漏れ電圧、お
よび、振動子駆動に伴う検出用圧電素子のゆがみ変形は
なくなり、検出用圧電素子にコリオリの力に関係のない
誤差電圧が発生することが抑制された。これにより、振
動ジャイロの角速度検出の精度が向上した。
(ii) 支持棒を防振合金部分に設けたテーパ形状の穴
で支持して、支持棒との接触部分を極力狭くし、自由支
持に近い支持を行なっているので、外来振動ノイズの影
響を防ぐことができ、また支持棒の2次モードに悪影響
を与えることがなく、角速度検出の精度が向上した。
(iii) 支持棒の2次モードの固有振動数が振動子の
駆動振動数と一致しているので、検出側(支持棒)が駆
動側(振動子)に共振して、コリオリの力による検出側
(支持棒)のたわみ変形は大きくなり、検出用圧電素子
から大きな検出出力が得られるようになり、コリオリ力
検出感度が向上した。
また,耐衝撃性が向上するという効果が得られる。す
なわち,外から衝撃が加わった場合,支持棒には1次モ
ードの振動が発生し,2次モードの振動は発生しないか
ら,2次モードの固有振動数を持つ支持棒が外部振動と共
振することはなく,検出系に外部振動による誤信号は発
生しない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す振動ジャイロの一部切
欠き斜視図、第2図は同平面図、第3図は第2図におけ
るIII−III線断面図、第4図は第2図におけるIV−IV線
断面図、第5図は振動子の駆動側の振動モードを説明す
る図で同図(a)は振動子の正面図、同図(b)は側面
図、同図(c)は斜視図、第6図は振動子のコリオリの
力による振動モードを説明する図で同図(a)は振動子
の正面図、同図(b)は側面図、同図(c)は斜視図、
第7図(a)、(b)はコリオリの力の作用についての
説明図、第8図は従来の振動ジャイロを示す一部切欠き
斜視図である。 2……振動子、3……支持棒、4……ケーシング、 5……駆動用圧電素子、6……検出用圧電素子、 10……振動ジャイロ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤村 誠一 大阪府大阪市淀川区宮原3丁目5番24号 日本電気ホームエレクトロニクス株式 会社内 (72)発明者 山田 博章 東京都港区芝5丁目33番1号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−106314(JP,A) 特開 昭62−38313(JP,A) 実開 昭59−25414(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】振動子厚み方向をなす支持棒で中心部を固
    定支持されたH型の振動子を備え、この振動子の幅方向
    両側面の上下の4箇所にそれぞれ駆動用圧電素子を設け
    た振動ジャイロにおいて、 前記4個の各駆動用圧電素子の極性をすべて同極性とし
    て振動子を1次モードで振動させるとともに、コリオリ
    の力を検出するための検出用圧電素子を前記支持棒に設
    け、かつ、この支持棒及び前記振動子を収容するケーシ
    ングに配置した防振合金部分に形成されたテーパ形状の
    穴に前記支持棒を支持し、なおかつ前記支持棒の2次モ
    ードの固有振動数と前記振動子の1次モードの駆動振動
    数とを一致させたことを特徴とする振動ジャイロ。
JP17263487A 1987-07-10 1987-07-10 振動ジャイロ Expired - Lifetime JP2596752B2 (ja)

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DE19883884481 DE3884481T2 (de) 1987-07-10 1988-07-08 Oszillierender Kreisel.
EP19880110969 EP0298511B1 (en) 1987-07-10 1988-07-08 Vibration gyro

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