JPH02129511A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ ［産業上の利用分野］ 本発明は、それ自身の回転を検出し、回転に応じた信号
を出力する、いわゆる振動ジャイロと呼ばれる回転検出
装置に関する。

［従来の技術］ いわゆる４ｇ動ジャイロ１よ、一般的に、第２図に示す
ような構造になっている。即ち、音叉のような機械振動
子を駆動素子により駆動してそれに定常的な振動を与え
て慣性力を作り出し、ベースの回転によって振動子に作
用するコリオリカを、音叉に装着した検知素子によって
検知する。コリオリカが角速度ωに応じて変化するので
、コリオリカにより発生する音叉のたわみを圧電素子に
よって検出することにより、回転の角速度を検出できる
。

［発明が解決しようとする１［］ 従来の振動ジャイロにおいては１次のような様々な難点
があった。

（１）角速度以外に直線的な加速度にも応答するので、
それによって検出誤差が生じる。

（２）温度ドリフトが大きい。つまり音叉の厚み方向の
曲がりを検出するために、検知素子に例えば厚み方向に
分極させた圧電素子が用いられるが、圧電素子には、パ
イロ電気効果によってその分極面に温度変化に応じた電
位が現われる。ところが。

分極面に電極を設けざるを得ないので　Ｆ？極から出力
されろ信号は、温度によって変動する。

（３）音叉を駆動する振動が圧電素子１；伝わってノイ
ズとして検出される。

（４）装置毎の特性のばらつきが大きい。例えば。

圧電素子と音叉とを接合する際に使用する接着剤の厚み
や歪の影響によりばらつきが生じ、また温度ドリフトも
発生する。

（５）生産にあたり手間のかかる作業が多く生産性が悪
い９例えば、音叉の共振周波数や検出感度などの調整が
難しいし、圧電素子と金属との接着や素子と回路との配
線も難しい。

（６）精度が低く、特に角速度の小さい領域で誤差が大
きい。

本発明は、上述のような難点を解決するためになされた
もので、角速度ωに応じた正確な信号を得ることを共通
の技術的課題とする。

［発明の構成］ ［課題を解決するための手段］ 上記ａ題を解決するため、本発明においては、支持部材
；少なくとも一端が前記支持部材に支持された棒状の連
結部材；前記連結部材に支持された板状の振動部材；前
記振動部材に固着された駆動手段；前記連結部材のねじ
れ歪みを検出するねじれ検出手段；及び前記駆動手段を
付勢し、前記振動部材に前記連結部材の軸方向の振動を
与える駆動付勢手段：を設ける。

［作用］ 即ち、本発明においては、振動部材をその厚み方向、つ
まり連結部材の軸方向に定常的に振動させる。この場合
、連結部材の軸と直交する軸に沿ってこの装置を回転さ
せれば、その時の振動部材の角速度に応じて、該振動部
材にコリオリカが作用する。このコリオリカは、連結部
材をその軸のまわりに回動させる方向に作用するので、
その一端が支持されていれば、連結部材にねじり力が作
用する。従って、連結部材のねじり力を検出すれば、コ
リオリカ、即ちこの装置の角速度ωに応じた正確な信号
が得られる。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の、図面を参照した
実施例説明により明らかになろう。

［実施例］ 第１図に、本発明の一実施例を示す。第１図を参照する
と、各軸Ｘ、Ｙ及びＺは、お互いの軸に対して９０度傾
いた軸をそれぞれ示している。支持部材１０は、板状の
金属をコ字状に折り曲げて形成しである。４は、その全
体に渡って周面にねじが形成された断面が円形のロッド
であり、金属で形成されている。このロッド４は、前記
支持部材１０をその一端１０ａから他端１０ｂまで貫通
する形で設けられており、ロッド４の一端は、支持部材
の一端１０ａの両面で、それぞれ固定機構８によって支
持部材１０に固定されており、ロッドの他端は、支持部
材の他端１０ｂの両面で、それぞれ固定機構９によって
支持部材１０に固定されている。ロッド４は、この例で
はＹ軸に沿って配置されている。

固定機構９は、ロッド４のねじと螺合するロックナツト
９ａ、ワッシャ９ｂ及びインシュレータ９ｃで構成され
ている。固定機構８及び後述する固定機構７も同様であ
る。

ロッド４の中央部には、ねじれ検出器３が配置され、該
ねじれ検出器３の厚み方向（Ｙ軸方向）の一端に、イン
シュレータ６を介して、それと面接触する状態に音叉１
が配置されており、ねじれ検出器３の厚み方向の他端に
も、同様にインシュレータ５を介して音叉２が配置され
ている。ロッド４は、ねじれ検出器３．インシュレータ
５，６゜音叉１及び２にそれぞれ設けた図示しない穴を
貫通する形で、それらを支持している。

音叉ｌの支持部材１０の一端１０ａと対向する面、及び
音叉２の支持部材１０の他端１０ｂと対向する面には、
それぞれ固定機構７が設けられており、それらの締め付
けによって、音叉１．インシュレータ６、ねじれ検出器
３．インシュレータ５及び音叉２が、両端から互いに押
し付けられ、一体に固定されている。但し、これらはＹ
軸方向に対し、僅かにねじれ変形が可能な状態になって
いる。

音叉１は、その長平方向がＺ軸方向に向けられた矩形の
薄板状に形成された金属製の振動板１ａを備えている。

この振動板１ａは、その長平方向の一端近傍で、ロッド
４に支持されている。また、振動板１ａの厚み方向の両
方の面には、それぞれ、薄板状で矩形の圧電セラミック
１ｂ及び１ｃが固着されている。また、圧電セラミック
１ｂ及びＩＣは、それらの厚み方向に分極されている。

従って、これらの圧電セラミックに交流電圧を印加すれ
ば、それらは厚み方向に歪を生じるし。

逆に厚み方向の歪を受けると、それに電圧が発生する。

もう一方の音叉２は、音叉１と同様に、振動板２ａと、
その両方の面にそれぞれ固着された圧電セラミック２ｂ
、２ｃを備えている。

第３ｂ図に、ねじれ検出器３の構成を示す。第３ｂ図を
参照すると、この検出器３は、筒状の絶縁チューブ３ａ
と、その外周に装着された。圧電体３ｂ、３ｃ、電極３
ｄ、３ｅ及び３ｆで構成されている。圧電体３ｂは電極
３ｄと３８とで挟まれ、圧電体３ｃは電極３ｅと３ｆで
挟まれている。

絶縁チューブ３ａの内部を前述のロッド４が貫通する。

圧電体３ｂは、図示のように、円筒状に形成されている
が、これは各々９０度の円弧状に形成された４つのの圧
電素子３ｂｌ　＋　３ｂ２ｔ　３ｂ３及び３ｈａを組合
せて構成しである。また、各々の圧電素子は、矢印で示
す周方向に、それぞれ分権させである。もう一方の′圧
電体３ｃも圧電体３ｂと同一の構成になっている。

従って、圧電体３ｂ及び３ｃは、それがロッド４の軸方
向、即ちＹ軸方向に対してねじる方向（周方向）に力を
受けろと、その力の大きさに応じた電圧を出力する。

ここで再び第１図を参照すると、電極３ｄ及び３ｆは互
いに共通に接続され、アースと接続されている。そして
、２つの圧電体３ｂ、３ｃの中央に配置した電極３ｅか
ら、このねじれ検出器３の信号Ｓ３が取り出される。つ
まり、このねじれ検出塁３の場合、その厚み方向の両端
が接地されているので、その部分と他の部材との絶縁に
ついては、特別に考慮しなくても、問題は生じない・従
って、この例では、電極３ｄとインシュレータ６、なら
びに電極３ｆとインシュレータ５との間には特別な電気
絶縁部材は設けてない。ねじれ検出器３の電気的な等価
回路を第４ｂ図に示すので、参照されたい。

なお、ロッド４のねじと固定機構７のロックナツトによ
って、第１図のＹ軸方向に動かないように音叉１，２と
ねじれ検出器３を一体に止める構成にすれば、接着剤を
用いて止める場合のように。

接合面の厚みにばらつきが生じる恐れが殆どなくなるの
で、装置の検出特性が極めて均一になる。

なお、この実施例におけるインシュレータ５゜６．９０
等は１機械的な振動が不要な箇所に伝達されるのを防止
する機能を有している。

第１図を参照すると、発振回路１１の出力信号Ｓ１が音
叉１の圧電セラミック１ｂ及び音叉２の圧電セラミック
２ｂに、付勢信号として印加されている。また、音叉２
の圧電セラミック２ｃから出力される信号Ｓ２が、フィ
ードバック信号として発振回路１１に印加されている。

発振回路１１は、第４ａ図に示すように構成されており
、付勢信号Ｓ１として周波数及び振幅の安定化された正
弦波を出力する。フィードバック信号Ｓ２は、発振を安
定化させ安定した音叉振動を得ろために利用されている
６また、フィードバック信号Ｓ２は、検出される信号を
処理する回路（１２）で同期をとるために利用される。

発振回路１１によって生成される正弦波の付勢信号Ｓ１
が印加される２つの圧電セラミック１ｂ及び２ｂは、各
々その厚み方向に分極されているので、付勢信号Ｓ１に
よって、それらの厚み方向に歪を発生しその歪の方向が
交互に切換わるので、厚み方向に振動し、その振動に共
振するように、振動板１ａ及び２ａ、即ち音叉１及び２
が振動する。従って、音叉ｌ及び２の振動の方向は、第
１図の矢印Ｆｔ、即ちＹ軸方向である。但し、音叉１と
音叉２の振動の方向は逆になっており、音叉１が音叉２
に近づく方向に撓む時は、音叉２も音叉１に近づく方向
に撓み、音叉１が音叉２から離れる方向に撓む時は、音
、叉２も音叉１から離れる方向に撓む。

このように音叉１及び２を定常的に振動させた状態では
、この検出装置に慣性力が働くので、この装置がＺ軸を
中心として回転した場合、２つの音叉１及び２には、そ
れぞれ、Ｘ軸の方向に、回転の角速度ωに応じた大きさ
のコリオリの力ＦＣが作用する。音叉１に働く力Ｆｃと
音叉２に働く力Ｆｃは、互いに方向が逆であり、音叉１
がＸ軸の正方向の力Ｆｃを受ける時は、音叉２に働く力
Ｆｃの方向はＸ軸の負方向になる。

従って、インシュレータ６を介して音叉１に接続された
、ねじれ検出器３の厚み方向の一方の面と、インシュレ
ータ５を介して音叉２に接続された、ねじれ検出器３の
厚み方向の他方の面とには、この装置の２軸まわりの回
転によって、互いに逆方向の、Ｙ軸のまわりに回転する
力が加わる。つまりそれによって、ねじれ検出器３は、
Ｙ軸に沿つてねじられることになる。ねじれ検出器３は
、前述のようにその周方向に分極されているので、ねじ
れ方向の力を受けると、その力に応じた電気信号を出力
する。従って、ねじれ検出器３から出力される信号Ｓ３
の振幅の大きさは、Ｚ軸まわりの角速度ωに対応する。

第１図を参照すると、ねじれ検出器３の中央の電極３ｅ
から出力されろ信号Ｓ３が、整流回路１２の入力端子に
印加されており、また該回路１２の同期入力端子に、フ
ィードバック信号Ｓ２が印加されている。

整流回路１２の動作を第４Ｃ図に示す。第４Ｃ図を参照
すると、ねじれ検出器３から出力される信号Ｓ３は、正
弦波であり、フィードバック信号Ｓ２と同期して現われ
る。Ｚ軸まわりの角速度ωの方向が時計回り（ＣＷ）の
時と、反時計回り（ＣＣＷ）の時とでは、信号Ｓ３の位
相が互いに反転する。整流回路１２は、フィードバック
信号Ｓ２に基づいて、矩形波Ｓ５をその内部で生成し、
その信号に同期して信号Ｓ３を処理し、整流された信号
Ｓ４を出力する。つまり第４Ｃ図に示すように、信号Ｓ
４の整流波形は、ＣＷ力方向角速度に対しては正極性に
なり、ＣＣＷ方向の角速度に応しては負極性になる。

整流回路１２の出力する信号Ｓ４は、平滑回路１３で平
均化され、直流電圧として出力される。

従って、平滑回路１３から出力される直流電圧は、角速
度ωの大きさと方向を示す。

第５図、第６図及び第７図に、それぞれ音叉の構成につ
いての変形実施例を示す。即ち、第５図の実施例におい
ては、音叉の各振動板２０及び３０に装着する圧電セラ
ミック２１，２２，３１及び３２の位置を、各振動板２
０．３０の中央に位置決めしである。この構成によれば
、音叉の振動のバランスが良好になり、振動の波形がよ
り正弦波に近づく。

第６図の実施例においては、振動板４０及び５０をそれ
ぞれその中央部で支持されるように構成しである。また
、振動板４０に装着した圧電セラミック４１と４３、な
らびに圧電セラミック４２と４４とは、それぞれ振動板
の支持軸に対して対称となる位置に配置しである。これ
らの圧電セラミックを配置する位置は、振動のバランス
を考慮して、振動板４０をその長平方向に３分割する位
置に設定しである。

つまり例えば、振動板４ｏの下端から圧電セラミック４
１の中央（重心）までの距離と、圧電セラミック４１の
中央から４３の中央までの間の距離と、圧電セラミック
４３の中央がら振動板４゜の上端までの距離は全て等し
くなっている。これにより、好ましい振動が得られる。

他方の振動板５０とそれに装着した各々の圧電セラミッ
クも同様の構成になっている６ 第７図の実施例においては、振動板６ｏは、Ｘ軸方向に
向けた２つの振動部６０ｂ、６０ｄとＺ軸方向に向けた
２つの振動部６０ａ、６０ｃを備える十字形状に構成し
てあり、各々の振動部に、それぞれ圧電セラミック（６
１，６２）が装着しである。振動板７０は、振動板６ｏ
と同様に、十字形状であり、各々の振動部に圧電セラミ
ック（７１，７２）が装着されている。圧電セラミック
を装着する位置は、第６図の実施例の場合と同様である
。なお、圧電セラミック６２及び７１が駆動用に利用さ
れ、圧電セラミック６１及び７２が振動検出用に利用さ
れる。勿論、その逆でも構わない。

なお、上記実施例においては、２組の音叉を用いている
が、単一の音叉だけでもねじれ検出器３にねじり力を与
えることはできるので、一方の音叉を廃止しても本発明
は実施しうる。また、ロッド４は、少なくともその一端
が支持部材ｌＯで支持されていれば、本発明は実施しう
る。

また、実施例のインシュレータ５，６を排上して、ねじ
れ検出器３の厚み方向の両面が直接、音叉１．２の表面
と接するように構成してもよい。

更に、第３ａ図に示すように、振動板１ａの先端近傍に
スクリュー２１とそれを振動板１ａに固定するためのワ
ッシャ２４．２５及びロックナツト２２．２３を設けて
もよい。この機構を設ければ、スクリュー２１の位置を
動かすことによって音叉２１の重心を変え、振動のバラ
ンスを調整することができる。また、このような構成に
よれば、音叉振動の調整作業が従来に比べて非常に簡単
になる。

なお、上記実施例においては、ねじれ検出手段を圧電素
子を用いて構成したが、その他にも、例えば歪ゲージ、
差動変圧器、磁気ヘッド等の磁気検出器、磁歪効果を利
用する検出器などを用いても２本発明に利用しうるねじ
れ検出手段を構成しうる。

［効果］ 以上のとおり、本発明の各請求項の構成により。

それぞれ次のような効果が得られる。

鼠工五± 振動部材（１，２）を第１図のＹ軸方向に振動させるこ
とにより、２軸まわりの角速度ωを、Ｙ軸まわりのねじ
れ歪として検出することができる。

ねじれ検出手段は、Ｙ軸まわりのねじれのみを検出すれ
ばよいので、検出対象であるＺ軸まわりの角速度以外の
力、即ちＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の加速度に対して応答し
ないように構成しうる。従って、直線的な外力を受ける
場合でも、角速度ωの検出誤差が非常に小さい。

しかも、振動部材の振動方向は、第１図のＹ軸方向であ
り、ねじれ検出手段の検出対象である周方向とは異なる
ので、振動部材の振動がねじれ検出手段に伝わっても、
その影響は出力信号に現われず、検出誤差は生じない。

鼠米夙主 ねじれ検出手段として、周方向に分極された圧電素子を
用いるので、検出特性の温度ドリフトが小さい。即ち、
圧電素子には、温度変化に従ってパイロ電気効果による
ノイズ電圧が分極面に現われるが、信号を取り出す電極
は圧電素子の厚み方向に配置されるので、そのノイズ電
圧が出力信号に重畳することはなく、従って温度変化の
影響を受けない。また、その圧電素子が厚み方向及び径
方向の歪を受けても、電圧は現われないので、第１図の
Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の直線的な加速度の影響が排除さ
れる。

碧：［３ 請求項１の効果に加え、次の効果が得られる。

即ち、２組の振動部材が検出対象の回転軸（２軸）に対
して実質上対称に配置されるので、外部から印加される
直線的な加速度は、ねじれ検出手段のねじれに関して、
２組の振動部材に互いに逆方向に作用し、相殺されるの
で検出出力に現われない。

従って、検出対象の回転以外の外力を受けた場合の検出
誤差が極めて小さい。

２」Ｊ［（及β」− 組立てが簡単になり、しかも接着剤で固定する場合のよ
うな接合面の厚みのばらつきは実質上存在しないので、
検出特性の装置毎のばらつきが小さくなる。

。求項６７及び８ 振動部材が矩形又は十字形であるので、各々の振動部分
で振動モードが一様になり、測定結果に誤差をもたらす
不要振動を生じにくい、また、駆動手段が中央又は互い
に対称な位置に配置されているので、振動のバランスが
良く、振動が安定する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す斜視図である。 第２図は、回転検出装置の従来例を示す斜視図である。 第３ａ図及び第３ｂ図は、第１図の一部を拡大して詳細
に示す斜視図である。 第４ａ図は、発振回路１１と圧電セラミックとの接続を
示すブロック図である。 第４ｂ図は、ねじれ検出器３の等価回路図である。 第４ｃ図は、整流回路１２の動作を示すタイミングチャ
ートである。 第５図、第６図及び第７図は、それぞれ、本発明の変形
実施例における音叉の構成を示す斜視図である。 １．２：音叉 Ｉａ、２ａ：振動板（振動部材） ｌｂ、２ｂ：圧電セラミック（駆動手段）ｌｃ、２ｃ：
圧電セラミック ３：ねじれ検出器（ねじれ検出手段） ３ａ：絶縁チューブ　　３ｂ、３ｃ：圧電体３ｄ、３ｅ
、３ｆ　：電極 ４：ロシド（連結部材） ５．６：インシュレータ ７．８．９：固定機構 １０：支持部材（支持部材） １１：発振回路（駆動付勢手段） １２：整流回路　　　　１３：平滑回路声３ａ図 東２図 声３ｂ図 ｅ 声 図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）支持部材； 少なくとも一端が前記支持部材に支持された棒状の連結
   部材； 前記連結部材に支持された板状の振動部材； 前記振動部材に固着された駆動手段； 前記連結部材のねじれ歪みを検出するねじれ検出手段；
   及び 前記駆動手段を付勢し、前記振動部材に前記連結部材の
   軸方向の振動を与える駆動付勢手段； を備える回転検出装置。
2. （２）前記ねじれ検出手段は、環状に形成されその円周
   方向に分極された複数の圧電素子をその厚み方向に重ね
   て、厚み方向の中央と両端にそれぞれ電極を配置した構
   成とされた、前記特許請求の範囲第（１）項記載の回転
   検出装置。
3. （３）支持部材； 両端が前記支持部材に支持された棒状の連結部材； 前記連結部材上の軸方向の互いに異なる位置にそれぞれ
   支持された２組の板状の振動部材； 前記振動部材の各々に固着された駆動手段； 前記２組の振動部材の間に配置され、前記連結部材のね
   じれ歪みを検出するねじれ検出手段；及び 前記駆動手段を付勢し、前記振動部材に前記連結部材の
   軸方向の振動を与える駆動付勢手段； を備える回転検出装置。
4. （４）前記連結部材をボルトとし、前記ねじれ検出手段
   を前記２組の振動部材によって挟み込み、各々の振動部
   材の外側を前記ボルトのねじと螺合するナットによって
   それぞれ絞め付け、ねじれ検出手段と２組の振動部材と
   を前記連結部材に装着した、前記特許請求の範囲第（３
   ）項記載の回転検出装置。
5. （５）前記振動部材は、それをその厚み方向に貫通する
   ねじと該ねじに螺合しそれを固定する複数のナットを備
   える、前記特許請求の範囲第（１）項記載の回転検出装
   置。
6. （６）前記振動部材は、矩形の平面形状に形成され、そ
   の中央部に駆動手段が固着された、前記特許請求の範囲
   第（１）項記載の回転検出装置。
7. （７）前記振動部材は、矩形の平面形状に形成され、そ
   の中央部が前記連結部材に固定され、該中央部に対して
   互いに対称な位置に、複数の振動手段が配置された、前
   記特許請求の範囲第（１）項記載の回転検出装置。
8. （８）前記振動部材は、十字形の平面形状に形成され、
   その中央部が前記連結部材に固定され、該中央部に対し
   て互いに対称な位置に、４つの振動手段が配置された、
   前記特許請求の範囲第（１）項記載の回転検出装置。