JP2674928B2

JP2674928B2 - 振動ジャイロ用振動子

Info

Publication number: JP2674928B2
Application number: JP4287766A
Authority: JP
Inventors: 厚吉寺嶋
Original assignee: 赤井電機株式会社
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 1997-11-12
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JPH06137873A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、角速度の検出に用い
る振動ジャイロ用の振動子に関し、特に、周囲温度の変
化に対しても、安定した振動姿勢の維持を可能ならしめ
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来既知の振動ジャイロとしては、図９
に例示するものがあり、ここでは、正四角柱形状をなす
振動体１の一側面1aに第１の圧電素子2aを、そして、そ
の側面1aに隣接する他の側面1bに第２の圧電素子2bをそ
れぞれ貼着することによって振動子３を構成している。

【０００３】このような振動子３を用いた振動ジャイロ
では、圧電素子2a, 2bのそれぞれを、それぞれのインピ
ーダンス素子Ｚ₁，Ｚ₂を介して駆動装置４の出力側に
接続するとともに、その駆動装置４の出力側をまた、他
のインピーダンス素子Ｚ₃を介して容量素子Ｃにも接続
して、それらの圧電素子2a, 2bおよび容量素子Ｃのそれ
ぞれに、駆動装置４から交流電圧を同時に印加可能なら
しめている。

【０００４】またここでは、インピーダンス素子Ｚ₁，
Ｚ₂と、圧電素子2a, 2bとのそれぞれの接続点5a, 5b
を、加算器６の入力端子に接続するとともに、この加算
器６の出力端子および、インピーダンス素子Ｚ₃と容量
素子Ｃとの接続点5cを差動増幅器７の入力端子に接続し
て、その差動増幅器７から差動出力が駆動装置４に帰還
されるよう構成されており、さらに、インピーダンス素
子Ｚ₁，Ｚ₂と圧電素子2a, 2bとの接続点5a, 5bは、他
の差動増幅器８の入力端子にも接続され、そこからの差
動出力が同期検波器９で検波された後、図示しない平滑
回路で平滑化されて、角速度検出信号として取り出せる
よう構成されている。なお、同期検波器９には、駆動装
置４からの出力も供給されている。

【０００５】このような振動ジャイロでは、駆動装置４
から圧電素子2a, 2bに交流電圧を印加することによっ
て、振動子３を、直交三次元座標系のＸ軸方向に自励振
動させることができ、かかる振動状態で接続点5a, 5bか
ら得られる出力は、駆動装置４からの供給電圧と、それ
ぞれの圧電素子2a, 2bの歪に伴って各圧電素子2a, 2bか
ら出力される電圧との合成出力となる。従って、それら
の両合成出力の和を加算器６で求め、そこからの出力
と、接続点5cからの、供給電圧に対応する出力との差を
差動増幅器７で求めれば、Ｘ軸方向の自励振動に基づい
て圧電素子2a, 2bから発生された電圧だけを抽出するこ
とができ、そこからの差動出力を駆動装置４に帰還させ
ることによって振動子３を安定に自励振動させることが
できる。そして、振動子３がこのように自励振動してい
る状態で、振動子３がＺ軸の周りの回転を受けると、振
動子３はその角速度に比例するコリオリの力によってＹ
軸方向に振動して、接続点5a, 5bからの出力に差が生じ
る。従って、その差を差動増幅器８で求めれば、コリオ
リの力の発生に伴って生じる電圧を分離して検出するこ
とができ、そこからの差動出力を同期検波器９で検波し
た後、図示しない平滑回路で平滑にすることによって角
速度検出信号を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来技術にあっては、発生するコリオリの力に対する所
定の感度を得る目的の下で、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の
それぞれの屈曲振動の、振動次数が一次の振動モードで
の共振周波数が相互に近接または一致するように、振動
体１の横断面形状をその全長にわたって正方形としてい
る。しかしながら、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれ
の屈曲振動の共振周波数を相互に近接または一致させた
場合には、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの振動成分が
相互に影響を及ぼし易くなり、特に、周囲温度の変化に
よって、圧電素子2a, 2bの貼着強度が変動したり、振動
体１の、それぞれの方向の弾性的性質に差異が生じたり
したときなどには、振動子３の振動姿勢が変化して、そ
れの自励振動にＹ軸方向の振動成分を含むことになるた
め、かかる振動子３を振動ジャイロに用いると、このこ
とがオフセット変動の原因となるという問題があった。

【０００７】この発明は、従来技術の有するこのような
問題点を解決することを課題として検討した結果なされ
たものであり、この発明の目的は、周囲温度の変化の有
無にかかわらず、振動子の振動姿勢を常に安定なものと
し、これによって、角速度の安定した検出を可能ならし
める振動ジャイロ用振動子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の、振動ジャイ
ロ用振動子は、柱状をなす振動体の側面に、少なくとも
二個の圧電素子を配設したところにおいて、その振動体
の、圧電素子配設領域を除いた部分に、振動体の軸線方
向に延びる切欠部を設け、この切欠部の形成位置および
形成長さの選択によって、振動子の、励振方向の屈曲振
動と、それと直交する方向の屈曲振動との、三次以上の
奇数の振動次数の、少なくとも一の振動モードでの共振
周波数を相互に隔て、併せて、振動体の、圧電素子配設
領域にも他の切欠部を設け、振動子全体としてみたとき
のそれの、励振方向の屈曲振動と、その振動と直交する
方向の屈曲振動との、振動次数が一次の振動モードでの
共振周波数を相互に近接もしくは一致させたものであ
る。

【０００９】また、他の振動子では、少なくとも二個の
圧電素子を配設した振動体に、それのほぼ全長にわたっ
て、その軸線方向に延びる切欠部を設けるとともに、そ
の振動体の圧電素子配設領域に、前記切欠部とは同一線
上に位置することがなく、かつ、その切欠部に対して振
動体の反対側に位置することもない他の切欠部を設け、
振動子の、励振方向の屈曲振動と、それと直交する方向
の屈曲振動との、一次の振動モードでの共振周波数を相
互に近接もしくは一致させる一方、三次以上の奇数の振
動次数の、少なくとも一の振動モードでの共振周波数を
相互に隔てたものである。

【００１０】

【作用】この発明の、先の振動ジャイロ用振動子では、
圧電素子配設領域を除いた部分で振動体に設けた切欠部
の作用によって、それぞれの方向の屈曲振動の、三次以
上の奇数の振動次数の、少なくとも一の振動モードでの
共振周波数を相互に離隔させることにより、切欠部の形
成領域、ひいては、振動子全体としてみて、振動子の、
相互に直交するそれぞれの方向の屈曲振動を明確に区分
することが可能となる。

【００１１】この一方において、その切欠部は、三次以
上の奇数の振動次数の振動モードにおける共振周波数を
離隔させるべく、形成位置、長さなどを選択したもので
あって、一次の振動モードでの屈曲振動の腹となる、圧
電素子の配設領域にはその切欠部が存在しないので、切
欠部が一次の振動モードに与える影響は小さい。しかも
ここでは、振動体の、圧電素子配設領域に他の切欠部を
設けて、振動子全体としてみたときの、励振方向屈曲振
動と、それと直交する方向の屈曲振動との、一次の振動
モードでの共振周波数を相互に近接もしくは一致させる
ことにより、圧電素子配設領域でもまた、励振方向の屈
曲振動と、それと直交する方向の屈曲振動との相互の影
響を有効に取り除いて、振動子の振動姿勢を一層安定な
ものとすることができ、併せて、振動子全体としての一
次の共振周波数の接近によってコリオリの力の検出感度
を向上させることができる。従って、この振動子によれ
ば、それぞれの方向の屈曲振動から、それら相互の影響
を十分に取り除いて、振動子の振動姿勢を、温度変化等
の有無にかかわらず常に安定なものとしてなお、一次の
振動モードにおけるそれぞれの振動方向の共振周波数を
極めて近接したものとしてコリオリの力の検出感度を十
分高く維持することができる。

【００１２】

【００１３】また、この発明の他の振動子では、振動体
のほぼ全長にわたって延びる切欠部の作用によって、一
次を含む奇数次の振動次数の振動モードでの共振周波数
を、自励振動方向と、それと直交する振動方向とのそれ
ぞれにおいて離隔させることができ、これによって、そ
れぞれの方向の屈曲振動をより明確に区分することがで
きる。

【００１４】ところで、コリオリの力の検出感度の点か
らは、それぞれの方向の屈曲振動の一次の振動モードで
の共振周波数が離隔していることは好ましくないので、
ここでは、圧電素子の配設領域に他の切欠部を配設して
それらの両共振周波数の相互の接近もしくは一致をもた
らし、このことによって振動姿勢の安定化と検出感度の
向上とを担保する。

【００１５】

【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。図１は、圧電素子配設領域を除いた部分への
切欠部の形成態様を示す図であり、図中従来技術で述べ
た部分と同様の部分はそれらと同一の符号で示す。ここ
では、横断面形状が四角形をなす柱状の振動体１の、相
互に隣接するそれぞれの側面1a, 1bに、それぞれの圧電
素子2a, 2bを貼着して振動子３を構成したところにおい
て、振動体１の、圧電素子2a, 2bの配設領域21を除いた
部分、いいかえれば、振動子３の、一次の振動モードの
屈曲振動に当たって振動の腹となる部分およびその近傍
部分を除いた部分で、その領域21の片側に、稜線1cと対
応して位置する一の切欠部22を設ける。ここでこの切欠
部22は、振動体１の側面1a,1bの交線を通る対角面と実
質的に平行な面内に位置する。

【００１６】このことによれば、切欠部22の形成領域、
ひいては、振動子全体において、Ｘ軸方向およびＹ軸方
向のそれぞれの屈曲振動の振動形態が相違することにな
って、それらの振動が相互に影響を及ぼし難くなるの
で、振動子３の振動姿勢は十分に安定したものとなる。

【００１７】ところで、この場合には、振動子３の、三
次以上の奇数次の振動次数の、少なくとも一の振動モー
ドでの屈曲振動において、Ｙ軸方向の共振周波数が低下
することになり、この結果として、Ｘ軸方向の共振周波
数と、Ｙ軸方向の共振周波数とが離隔することになる。
従って、このことは、切欠部22の形成によって、振動子
３の振動方向が正確に特定方向となっているか否かの確
認手段として利用することができる。また、ここにおけ
る共振周波数の離隔の程度は、圧電素子2a, 2bの配設領
域21の長さ、所要の次数の振動モードにおける、振動の
腹部分への切欠部22のかかり方などをもって適宜に調整
することかできる。

【００１８】なお、以上のようにして設けた切欠部22
は、圧電素子配設領域21を避けて形成されており、一次
の振動モードの屈曲振動では、振動の腹というよりはむ
しろ節点に近接して位置することになるので、一次の振
動モードでの、Ｙ軸方向の共振周波数の低下を有効に抑
制して、コリオリの力の検出感度を十分高く維持するこ
とができる。

【００１９】図２は、切欠部の他の形成態様を示すもの
である。これは、振動体１の、それぞれの側面1a, 1bの
交線の対角に存在する稜線1eと対応する位置に、前述し
たと同様の切欠部22を設けたものであり、これによれ
ば、Ｘ軸方向の共振周波数がＹ軸方向のそれより低下す
ることになるが、切欠部22の存在による作用効果は前述
したところと同様である。

【００２０】図３は、切欠部のさらに他の形成態様を示
す図である。これは、圧電素子配設領域21の両側部分
で、相互に対抗するそれぞれの稜線1c, 1dと対応する位
置に、計四個の切欠部22を形成したものであり、これに
よれば、圧電素子配設領域21のいずれの側においても、
Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれの屈曲振動から、そ
れら相互の影響を有効に取り除くことができるので、振
動子３の振動姿勢を一層安定なものとすることができ
る。またここでは、対抗するそれぞれの稜線1c, 1dに対
応する切欠部22を形成して、振動子３の質量的なバラン
スをとるとともに、振動体１の両端部分を、切欠部22を
形成しない振動質量部分とすることによって、振動子３
の振動振幅を大きくすることができる。

【００２１】図４は、この発明の実施例を示す図であ
り、これは、図３に示す形成態様の切欠部に加えて、圧
電素子配設領域に他の切欠部を設けた例であり、これ
は、圧電素子2a, 2bの配設領域21で、稜線1eと対応する
位置に、圧電素子2a, 2bの長さと実質的に等しい長さの
切欠部23を形成したものである。図３で述べた切欠部22
によれば、とくに、圧電素子配設領域21を除いた部分に
おいて、三次以上の奇数次の振動次数の、少なくとも一
の振動モードでのＹ軸方向の共振周波数が低下すること
により、Ｘ軸方向とＹ軸方向の共振周波数が離隔するこ
とになり、これに伴って、振動子全体としての、一次の
振動モードでのＹ軸方向の共振周波数もまた幾分低下す
ることになる。ところで、一次の振動モードにおいて、
Ｘ軸方向とＹ軸方向の共振周波数に差異を生じる場合に
は、その振動子３を振動ジャイロに用いると、コリオリ
の力に対する検出感度が低下することになる。また、図
３に示す振動子３では、圧電素子配設領域21に切欠部が
設けられていないことから、その領域21に限ってみる
と、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの屈曲振動が相互に
影響を及ぼし易く、振動姿勢が不安定になるおそれが残
ることになる。

【００２２】そこで、図４に示す実施例では、圧電素子
配設領域21で、稜線1eと対応する位置に設けた切欠部23
によって、振動子３の、一次の振動モードでの屈曲振動
のＸ軸方向の共振周波数を低下させ、これによって、そ
の領域内での、一次モードにおけるＸ軸方向とＹ軸方向
の共振周波数を離隔させて、その領域内でもまた振動姿
勢を安定させ、併せて、振動子全体としてみたときに、
その一次モードにおけるＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれ
の共振周波数を十分に近接もしくは一致させて、コリオ
リの力に対する感度を有効に向上させる。

【００２３】図５は、この発明の他の実施例を示す図で
あり、これは、振動体１の横断面形状を三角形とすると
ともに、それの三側面1f, 1g, 1hのそれぞれに三個の圧
電素子2c, 2d, 2eをそれぞれ貼着して振動子３を構成
し、そして、圧電素子配設領域21のそれぞれの側部部分
で、稜線1i, 1jと対応する位置に切欠部22を設け、ま
た、圧電素子配設領域21で、稜線1kと対応する位置に他
の切欠部23を設けたものである。このような振動子３の
作用および効果は、図４について述べたところとほぼ同
様である。

【００２４】図６に示す実施例は、四角柱状をなす振動
体１の、稜線1cが存在すべき位置に、その全長にわたっ
て延びる切欠部24を設けるとともに、圧電素子配設領域
21の、稜線1eと対応する位置に、圧電素子2a, 2bより幾
分長い長さの他の切欠部25を設けたものである。ここで
は、切欠部24は、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの方向の屈
曲振動モードの縮退を分離すべく機能して、励振方向と
してのＸ軸方向と、検出方向としてのＹ軸方向とのそれ
ぞれの、一次振動モードでの共振周波数を離隔させ、励
振方向の振動姿勢の安定化をもたらす。

【００２５】ところで、この切欠部24のみにては、共振
周波数の離隔に起因する検出感度の低下が余儀無くされ
るので、ここでは、切欠部24と同一の線上に位置するこ
とがなく、かつ、その切欠部24に対して振動体１の反対
側に位置することもない他の切欠部25によって、振動子
全体としてみたときの、Ｘ軸およびＹ軸方向の、一次の
振動モードでのそれぞれの共振周波数を十分に近接もし
くは一致させて検出感度の向上をもたらす。すなわち、
ここでは、切欠部24の作用に基づき、三次以上の奇数次
のモードの少なくとも一つにおいて、Ｘ軸方向およびＹ
軸方向のそれぞれの屈曲振動の共振周波数が相互に離隔
することをもって、振動子３の端部分の振動方向が安定
しているのを確認することができ、また、他の切欠部25
の形成によって、圧電素子配設領域21での、一次モード
におけるＸ軸およびＹ軸方向の共振周波数を離隔させ
て、その領域内での振動方向を安定させることができる
とともに、振動子全体としての一次モードの共振周波数
を、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのそれぞれで極めて近づける
ことができる。

【００２６】図７は、振動体１の全長にわたって延びる
切欠部24の形成位置と、他の切欠部25の形成位置とのそ
れぞれを、図６に示すところと逆にしたものであり、こ
れによってもまた、前述したとほぼ同様の作用効果をも
たらすことができる。

【００２７】図８は、他の実施例を示す図であり、これ
は、振動体１の、相互に対抗する二稜線1c, 1dのそれぞ
れと対応する位置に、振動体１のほぼ全長にわたる切欠
部24を形成し、振動体１の両端部分に、切欠部24の切残
し部分としての振動質量部分を設けたものである。これ
によれば、対抗して位置する切欠部24によって質量的バ
ランスを高めることができ、また、振動質量部分によっ
て振動振幅を大きくすることができる。

【００２８】以上この発明を図示例に基づいて説明した
が、柱状をなす振動体の横断面形状は、三角, 四角以外
の多角形形状, 円形形状などとすることもでき、また、
切欠部の長さ、深さなどは所要に応じて適宜に選択する
ことができる。

【００２９】

【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、周囲温度の変化に対しても、常
に安定した振動姿勢を維持することができ、併せて、コ
リオリの力の検出感度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電素子配設領域を除いた部分への切欠部の形
成態様を示す図である。

【図２】切欠部の他の形成態様を示す図である。

【図３】切欠部のさらに他の形成態様を示す図である。

【図４】この発明の実施例を示す図である。

【図５】この発明の他の実施例を示す図である。

【図６】この発明の他の実施例を示す図である。

【図７】この発明の他の実施例を示す図である。

【図８】この発明のさらに他の実施例を示す図である。

【図９】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１振動体 1a, 1b, 1f, 1g, 1h 圧電素子３振動子 21 圧電素子配設領域 22, 24 切欠部 23, 25 他の切欠部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】柱状をなす振動体の側面に、少なくとも
二個の圧電素子を配設してなる振動子において、前記振動体の、圧電素子配設領域を除いた部分に、振動
体の軸線方向に延びる切欠部を設け、振動子の励振方向
の屈曲振動と、それと直交する方向の屈曲振動との、三
次以上の奇数次の振動次数の、少なくとも一の振動モー
ドでの共振周波数を相互に隔てるとともに、振動体の圧
電素子配設領域に他の切欠部を設け、振動子の、励振方
向の屈曲振動と、それと直交する方向の屈曲振動との、
一次の振動モードでの共振周波数を相互に近接もしくは
一致させてなる振動ジャイロ用振動子。
【請求項２】柱状をなす振動体の側面に、少なくとも
二個の圧電素子を配設してなる振動子において、前記振動体に、それのほぼ全長にわたって、その軸線方
向に延びる切欠部を設けるとともに、その振動体の圧電
素子配設領域に、前記切欠部とは同一線上に位置するこ
とがなく、かつ、その切欠部に対して振動体の反対側に
位置することもない他の切欠部を設け、振動子の、励振
方向の屈曲振動と、それと直交する方向の屈曲振動と
の、一次の振動モードでの共振周波数を相互に近接もし
くは一致させる一方、三次以上の奇数の振動次数の、少
なくとも一の振動モードでの共振周波数を相互に隔てて
なる振動ジャイロ用振動子。