JP2742916B2 - 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、角速度検出を行う振動ジャイロに関し、
特に振動子の検出側振動を検出する手段にする。

［従来の技術］ 従来の振動ジャイロは、振動子の直角な２方向の面に
駆動用圧電素子および検出用圧電素子を張り付けた構造
である。そして、駆動用圧電素子に駆動電圧を印加して
振動子を駆動側振動方向に駆動し、振動子に角速度が加
わった時に駆動側振動方向と直角な検出側振動方向に発
生するコリオリの力を検出用圧電素子で検出する。

また、振動子を電磁石により駆動する振動ジャイロが
本願出願人のもとで先に出願されている（特願平1-2160
8号参照）。この振動ジャイロは、第７図に示すよう
に、駆動用圧電素子を用いず、振動子１の駆動側振動方
向（ｘ方向）に近接して両側に励振コイル２（図では４
対の内の１対のみ示す）を設け、この励振コイル２によ
る磁力で振動子１をｘ方向に振動させ、ｙ方向の検出側
振動は振動子１に張り付けた検出用圧電素子３で検出す
る。なお、第７図において、符号４は振動子１に張り付
けられた強磁性体、５は振動子１を支持する支持棒、６
は励振コイル３の高周波の駆動電源である。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のように従来の振動ジャイロおよび先の出願の振
動ジャイロは、少なくとも検出側には圧電素子を用いて
いる。しかし、圧電素子を使用した振動ジャイロには次
のような問題がある。

すなわち、圧電素子に用いる圧電セラミックの熱膨張
係数は大きいので、圧電素子は温度ドリフトつまり温度
変動に伴う出力特性の変動を生じやすい。また、圧電素
子は接着剤で振動子に張り付けるが、接着剤の接着力は
温度に影響され易いので、この点でも圧電素子に温度ド
リフトが生じ易い。

また、検出用圧電素子には種々の要因で漏れ電圧が発
生し易い。

さらに、圧電素子にはリード線を接続する必要がある
が、このリード線は細いので断線が生じ易く、取り扱い
が容易でない。また、リード線が振動子の振動に対する
負荷となって検出精度に悪影響を与える。また、圧電素
子は小さく薄いのでこの圧電素子を接着剤で張り付ける
作業は煩雑であり、前記のリード線の取り扱いが容易で
ないことと相まって、圧電素子を用いた振動ジャイロは
製造が簡単でない。

また、圧電素子の張り付けの位置精度が悪いと、所望
の駆動側振動あるいは検出側振動を得ることができず精
度に悪影響を与えるが、これを調整することは容易でな
い。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、圧電素
子を用いずに振動子の検出側振動の検出を行うことを可
能として、温度ドリフトや漏れ電圧が少なく、製造の容
易な振動ジャイロを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決する本発明は、振動子と、検出側振動
方向に２分割された磁極部を持ち、該磁極部にそれぞれ
巻回された検出用コイルとを備えたことを特徴とする振
動ジャイロである。

請求項２は、前記２つの検出用磁極部にそれぞれ巻回
される２つの検出用コイルを振動子の駆動方向振動によ
る誘起電圧が互いに打ち消されるごとく接続したもので
ある。

請求項３は、振動子として円柱状の振動子を用いたも
のである。

請求項４は、振動子を駆動側振動方向に駆動する駆動
手段として駆動用電磁石を用いたものである。

請求項７は、前記駆動用電磁石の鉄心として、検出用
磁極を利用したものである。

［作用］ 上記構成において、振動子がコリオリの力により検出
側振動方向に振動すると、振動子の側面と２つの検出用
磁極先端面との間のギャップが変化し、これにより各磁
極部を通る磁束密度が増減し、電磁誘導により各磁極部
に巻回された検出用コイルに振動子の検出側振動方向の
移動距離（つまり振動子の検出側振動方向の振幅）に応
じた誘起電圧が発生する。これを検出信号として取り出
してコリオリの力を検出することができる。

この場合、２つの検出用磁極部に巻回する２つの検出
用コイルを、振動子の駆動方向振動による誘起電圧が互
いに打ち消されるごとく接続すると、振動子の駆動側振
動に付随して発生する駆動信号成分を打ち消すことがで
きる。

磁極およびコイルは、圧電セラミックと比べて温度変
化に対して影響を受けることが極めて少ないので、検出
用磁極に巻回した検出用コイルによる検出側振動検出方
式を採用した上記振動ジャイロの温度ドリフトは小さ
い。

振動子に働く力は駆動力とコリオリの力との合力であ
り、この合力の方向は作用したコリオリの力の大小に応
じて変動するが、振動子を円柱状とした場合、振動子の
たわみ方向の剛性に方向性がないので、振動子は作用し
たコリオリの力に正しく対応する振動を生じ、良好な検
出精度が得られる。

振動子を駆動する駆動手段を駆動用電磁石で構成した
場合には、圧電素子を全く使用しない振動ジャイロが得
られる。

駆動用電磁石の鉄心として検出用磁極を利用した場
合、構成が簡略化されるとともに、駆動側振動を強める
作用が得られ、効率よい駆動を行うことができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図、第２図において、符号11は円柱状の振動子
で、この振動子11の駆動側振動方向（第１図、第２図に
おいてｘ方向）の両側にそれぞれ永久磁石12が図示の極
性で配置されている。この２つの永久磁石12は、後述す
るように検出用磁極と駆動用電磁石の鉄心とを兼ねたも
ので、上向きコ字形のヨーク13の上端部に固定され、前
記振動子11はこのヨーク13の中央部に垂直に固定されて
いる。前記２つの永久磁石12はスリットにより駆動側振
動方向と直交する検出側振動方向（第２図でｙ方向）に
２分割された磁極部14,15を持ち、各磁極部14,15の磁極
先端面14a,15aは、前記振動子11の円筒面と同心の円筒
面をなしている。

前記２つの永久磁石12にそれぞれ駆動用コイル16が巻
回され、各駆動用コイル16は、切換器17の接点ａまたは
ｂを介して高周波電源18に接続され、この切換器17の接
点a,bは制御回路19により制御されて、高周波電源18の
周波数に同期して交互に切り換わるようになっている。
これにより高周波電源18は、２つの駆動用コイル16に交
互に励磁電流を供給し、交互に発生する磁気吸引力によ
り振動子11をｘ方向に振動させる。なお、永久磁石12と
駆動用コイル16とは、振動子11を駆動側振動方向に駆動
する駆動手段としての駆動用電磁石を構成する。この場
合、永久磁石12は鉄心として機能する。しかし、この永
久磁石12は、磁化されていない単なる鉄心の場合と比べ
て振動子11の振動をさらに強めるように作用する。

さらに永久磁石12の２分割された各磁極部14,15には
それぞれ検出用コイル20a,20b,20c,20dが巻回され、か
つ各コイルの端末が図の，……の順に直列に接続
されている。すなわち、片側（第２図で左側）の各磁極
部14,15に巻回された２つの検出用コイル20aと20bとは
互いに巻き方向が逆で、駆動信号成分が打ち消されるよ
うに直列に接続され、同様に、他側（第２図で右側）の
各磁極部14,15に巻回された２つの検出用コイル20c,20d
も互いに巻き方向が逆で、駆動信号成分が打ち消される
ように直列に接続され、さらに、図示の通り片側の検出
用コイル20bの端末を他側の検出用コイル20cの端末に接
続して、４つの検出用コイル20a,20b,20c,20dで１つの
検出出力が得られるようにしている。ただし、後述のよ
うに、片側の２つの検出用コイルのみ（例えば20aと20b
のみ）でコリオリの力の検出は可能である。また、２つ
の検出用コイルの巻き方向、接続順序は、図示例のもの
に限らず、振動子の駆動方向振動による誘起電圧が互い
に打ち消されるようなものであればよい。

上記の振動ジャイロにおいて、高周波電源18より２つ
の駆動用コイル16に交互に励磁電流が供給されると、振
動子11は、交互に反対側に発生する磁界によりｘ方向の
一側または他側に交互に磁気吸引されて、ｘ方向に振動
する。この振動ジャイロにｚ軸回りの角速度が加わる
と、振動子11にｙ方向のコリオリの力が働き、ｙ方向に
振動する。振動子11のこのｙ方向の振動を検出用コイル
20a,20b,20c,20dが検出する。これを例えば、片側の２
つの検出用コイル20a,20bについて説明すると、振動子1
1が第２図において上側に移動すると、振動子11の外周
面と一方の磁極先端面14aとのギャップは狭く、振動子1
1の外周面と他方の磁極先端面15aとのギャップは広くな
る。このため、各磁極部14,15を通る磁束密度が増減
し、電磁誘導により各検出用コイル20a,20bに誘起電圧
が発生する。この場合、２つの磁極部14,15の一方を通
る磁束密度は増し他方を通る磁束密度は減じるが、２つ
の検出用コイル20a,20bの巻き方向が逆でかつ両者が直
列に接続されているので、検出用コイル20a,20bに発生
する電圧は同符号となり、検出用コイル20a,20bの出力
電圧により振動子11のｙ方向の移動距離を検出すること
ができ、作用したコリオリの力を検出することができ
る。この場合、振動子11がｘ方向に振動（駆動側振動）
することで振動子11の側面と磁極先端面14a,15aとの間
のギャップが変動し、各検出用コイル20a,20bに同じく
電磁誘導による電圧（つまり駆動信号成分）が発生する
が、両検出用コイル20a,20bの巻き方向が逆なので、こ
の駆動信号成分は打ち消され、正しく検出側振動のみが
検出される。

なお、上述の説明では片側の２つの検出用コイル20a,
20bについてのみ説明したが、他側の各磁極部14,15に巻
回された検出用コイル20c,20dについても同様であり、
それらが直列に接続されているので、実際にはそれらの
和として検出出力が得られる。

また、振動子11の側面および検出用磁極先端面14a,15
aは検出側振動方向に角度を持っているので、振動子11
が検出側振動方向に振幅Ａで振動する時の振動子11の外
周面と検出用磁極先端面14a,15aとのギャップｈの変化
量Δｈは、振動子11の検出側振動方向の振幅Ａより狭い
（Δｈ＝Asinθ、ただしθは面の検出側振動方向に対す
る角度）。したがって、振動子が検出側振動方向と直交
する面を持ちこの直交面に向けて検出用磁極を配置する
構造の場合と比較して、振動子11の外周面と磁極先端面
とのギャップを狭くすることができ、磁束密度の変化を
感度よく検出する上で有利である。したがって、感度の
良好な振動ジャイロが得られる。

第３図、第４図に他の実施例を示す。この実施例は、
駆動部と検出部とを振動子11の一側と他側に分けたもの
で、振動子11の駆動側振動方向（ｘ方向）の一側に検出
部、すなわち、検出側振動方向（ｙ方向）に２分割され
た検出用の磁極部14,15を持つ永久磁石12および各磁極
部14,15にそれぞれ巻回した検出用コイル20a,20bを設
け、他側に駆動部、すなわち、鉄心（磁化されていない
単なる鉄心でも永久磁石による鉄心でもよい）21および
この鉄心21に巻回した駆動用コイル16を設けたものであ
る。この場合の駆動用の高周波電源18は、制御回路22に
よりこの高周波電源18の周波数に同期してスイッチ23を
オン、オフ制御して駆動用コイル16に断続的に励磁電流
を供給し、断続的に発生する磁界により振動子11を振動
させる。なお、この場合、振動子11の復帰は振動子11の
弾性復帰力による。

この構成によれば、第１図、第２図の実施例の振動ジ
ャイロと比べて構造が簡略化される。

第５図、第６図にさらに他の実施例を示す。この実施
例は、第３図、第４図における検出用磁極としての永久
磁石12の変形例である。すなわち、図示の通り、この永
久磁石24は、検出側振動方向に２分割する２つの磁極部
25,26を上下に分けて設けたものである。他の点は第３
図,4図の場合と同様である。

また、上記各実施例では２つの検出用コイルの巻き方
向を互いに逆方向にし、かつ両者を直列に接続し、２つ
の検出用コイルの両端に発生する電圧の和を検出出力と
したが、２つの検出用コイルの巻き方向を同方向とし、
かつ各検出用コイルの出力を差動増幅器に入力し、各検
出用コイルに発生する電圧の差を検出出力とするように
ようにしてもよい。このようにすれば、互いに位相がず
れた検出出力の差がコリオリ力に対応して検出できると
ともに、駆動振動により発生する電圧は位相がそろって
いるため、互いに打ち消し合って正しく検出側振動のみ
が検出できる。

なお、本発明は、単なる棒状の振動子を持つ振動ジャ
イロに限らず、音叉型の振動子、あるいはＨ型の振動子
を持つ振動ジャイロにも適用可能である。この場合、音
叉またはＨ型振動子の１本のアームについて駆動部（す
なわち駆動用電磁石）と検出部（すなわち検出用磁極お
よび検出用コイル）とを設けて本発明の構成を適用する
こともできるし、また、音叉またＨ型振動子の１つのア
ーム側に駆動部を設け、対向する他方のアーム側に検出
部を設ける形で本発明の構成を採用することもできる。

また、棒状の振動子の場合でも、実施例のごとき片持
ち梁に限らず、２カ所の振動の節をそれぞれ支持棒で支
持した２点支持音片型の振動ジャイロにも適用可能であ
る。

また、振動子の断面形状については、実施例のごとき
円形断面に限らず、三角形断面、あるいは四角形断面で
もよい。なお、四角形断面の場合には、駆動側振動方向
が四角形の対角線方向となるようにする。要するに、検
出側振動方向に対して角度を持つ面を持ち、かつ検出側
振動方向中心線に関して対照的な断面形状であればよ
い。

また、実施例では検出用磁極として永久磁石を用いた
が、一定磁界を保つ電磁石を用いることも可能である。

また、本発明は、振動子の検出側振動を検出する手段
に関するものであり、振動子の駆動手段については、電
磁石による駆動でなく他の方法によることも可能であ
り、例えば圧電素子で駆動することを排除するものでは
ない。

［発明の効果］ 本発明は上記の通り構成されているので、次のような
効果を奏する。

検出側振動方向に２分割した磁極部にそれぞれ検出用
コイルを巻回した構成で振動子の検出側振動方向を検出
するものであり、圧電素子を用いていないので、振動子
に接着剤で張り付けた圧電素子を用いる場合における種
々の問題点を解消することができる。

すなわち、磁極およびコイルは、圧電セラミックと比
べて温度変化に対して影響を受けることが極めて少ない
ので、温度ドリフトが著しく低減される。

また、圧電素子を用いた振動ジャイロと比較して、振
動子側につながる細いリード線がなく、また、圧電素子
の接着作業もないので、製造が極めて容易である。

また、圧電素子を用いる振動ジャイロでは、駆動側振
動あるいは検出側振動が適正でない場合、圧電素子の張
り付けの位置精度、状態などが問題となるので、その調
整は容易ではないが、本発明によればそのような調整の
困難さは少ない。

また、圧電素子を用いる振動ジャイロにおけるような
漏れ電圧の発生も少ない。

また、振動子に直接取り付けるものがないので、振動
子の動きが自由であり、安定した出力が得られる。

また、対向する振動子の側面および検出用磁極先端面
を検出側振動方向に対して角度を持たせることで、検出
用磁極を通る磁束密度の増減を感度よく検出することが
でき、感度の良好な振動ジャイロが得られる。

【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正面
図、第２図は同平面図、第３図は他の実施例を示す振動
ジャイロの正面図、第４図は同平面図、第５図はさらに
他の実施例を示す振動ジャイロの平面図、第６図は同平
面図、第７図は従来の振動ジャイロを示す斜視図であ
る。 11……振動子、12……永久磁石（検出用磁極と駆動用電
磁石の鉄心とを兼ねる）、14,15,25,26……磁極部、14
a,15a……磁極先端面、16……駆動用コイル、20a,20b,2
0c,20d……検出用コイル、21……駆動用電磁石の鉄心、
24……永久磁石（検出用磁極）。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子と、検出側振動方向に２分割された
   磁極部を持ち、該磁極部にそれぞれ巻回された検出用コ
   イルとを備えたことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 【請求項２】前記２つの検出用磁極部にそれぞれ巻回さ
   れる２つの検出用コイルを振動子の駆動方向振動による
   誘起電圧が互いに打ち消されるごとく接続したことを特
   徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】前記振動子が円柱状をなし、前記検出用磁
   極先端面が振動子の円柱外周面に沿う円筒面であること
   を特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
4. 【請求項４】前記振動子を駆動側振動方向に駆動する駆
   動手段が、振動子に近接して配置した駆動用電磁石で構
   成されたことを特徴とする請求項１記載の振動ジャイ
   ロ。
5. 【請求項５】前記検出用コイルを巻回した検出用磁極お
   よび前記駆動用電磁石をいずれも振動子の駆動側振動方
   向の両側に設けたことを特徴とする請求項４記載の振動
   ジャイロ。
6. 【請求項６】前記検出用コイルを巻回した検出用磁極を
   振動子の駆動側振動方向の一側に設け、前記駆動用電磁
   石を振動子の駆動側振動方向の他側に設けたことを特徴
   とする請求項４記載の振動ジャイロ。
7. 【請求項７】前記駆動用電磁石の鉄心として、請求項１
   記載の検出用磁極を用いたことを特徴とする請求項４記
   載の振動ジャイロ。