JPH02129513A - 二軸回転検出装置 - 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
を出力する回転検出装置に関し、特に。

いわゆる振動ジャイロと呼ばれる型式の構造で、しかも
２つの検出軸を有する二軸回転検出装置に関する。

［従来の技術］ 二輪回転検出装置の構成は、例えば、米国特許第２７１
６８９３号公報に開示されている。この種の二軸回転検
出装置においては、コリオリの力を検出することによっ
て回転を検出するので、コリオリの力を受ける部材に慣
性力を与える必要がある。また、二軸の回転を検出する
ためには、コリオリの力を受ける部材を各検出軸の方向
に向けろ必要がある。つまり、コリオリの力を受ける部
材を、各検出軸の方向に向け、かつそれに定常的な慣性
力を与える必要がある。そこで、従来の二軸回転検出装
置においては、電気モータなどの駆動手段を用いて、コ
リオリの力を受ける部材を一方向に回転させ、該部材が
各々の検出軸と一致する時にコリオリの力を検出するよ
うに構成されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の二軸回転検出装置においては、次のような不都合
がある。

（１）慣性力を発生するために電気モータを用い、回転
運動を行なうので、ベアリングなど機械的摺動部の摩耗
が生じ、また電気コイルなども経時変化により劣化する
ので、寿命が短い。

（２）検出部分が回転するので、それの位置が検出軸と
一致するのはあるタイミングだけである。

従って、実際に回転を検出するためには、検出部分が検
出軸と一致するのを待つ必要があり、連続的に回転の検
出を行なうことはできない。

（３）検出精度が比較的低い。

（４）回転駆動などのために複雑な機構を設ける必要が
あるので、各部材の寸法精度や組立時の位置決め精度を
高くするのが難しく、装置毎の特性のばらつきが大きい
。

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、第１軸に対する角速度ωと第２軸に対する角速
度ωに応じた信号を連続的に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］ 上記課題を解決するために、本発明においては。

支持部材；前記支持部材に少なくとも一端が支持された
、棒状の軸部材；前記軸部材に装着され、該部材の軸方
向と直交する面において、実質上十字形状に形成された
板状の振動部材；環状に形成されその周方向に分極され
た圧電素子を備え、その厚み方向の一部が前記振動部材
と係合する形で前記軸部材に装着された。駆動手段；及
び前記振動部材の外側に突出した部分の各々に装着され
その厚み方向の歪を検出する。複数の検出手段；を設け
る。

〔作用コ 本発明によれば、駆動手段が周方向に分極された圧電素
子を備えるので、それに電圧を印加すれば、該圧電素子
にその厚み方向、即ち前記軸部材の軸方向に対しねじれ
るように歪が生じる。電圧が交流であれば、ねじれの方
向が交互に変化する。

従って、該圧電素子の厚み方向の一方の面が固定されて
いれば、他の面には比較的狭い角度の範囲で周方向の振
動が生じることになる０本発明では、十字形状の振動部
材は、Ｎ動手段の厚み方向の一端と係合する形で配置さ
れているので、振動部材の面に生じた周方向の振動によ
って、軸部材の軸のまわりを回動する方向に定常的に振
動し、それに慣性力が働く。

従って、振動部材の十字形の各方向に沿う軸を中心とし
て回転が生じろと、それに応じたコリオリの力が、各々
の軸方向に存在する突出部の厚み方向に現われる。つま
り、十字形の中心に対して互いに対称な位置にある第１
組の２つの突出部には第１軸方向の回転に対応するコリ
オリの力が生じ、別の第２組の２つの突出部には第２軸
方向の回転に対応するコリオリの力が生じる。振動部材
の突出部には、その厚み方向の歪を検出する検出手段が
設けられているので、それらによって、コリオリの力を
検出することができる。つまり、第１軸に対する角速度
ωと第２軸に対する角速度ωに応じた信号を連続的に得
ることができる。

また、本発明の駆動手段によって前記振動部材に生じる
周方向の振動は、ｆＦｔＦＪ：、素子の歪によって得ら
れるので、振動の角度範囲は１例えば０．１度程度と非
常に小さい。従って、前記振動部材の突出部の向きは実
質上一定であるとみなすことができる。つまり、振動部
材の第１軸と第２軸とは。

それぞれ検出すべき２つの軸の方向に常に向いているも
のと考えられるので、２つの軸に対する回転を、連続的
に、しかも２軸向時に検出することができる。振動部材
の振動による検出軸のずれの影響は、検出される信号を
平均化すれば、はとんど無視できる程度に小さくなる。

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２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。７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７は、前記支持部材ＩＯをその一端１０ａか
ら他端ｔｏｂまでＲ通する形で設けられており、ロッド
７の両端部は、それぞれ、支持部材の一端１０ａ及び他
端１０ｂの各々の両面で、それぞれ、ワッシャ８．イン
シュレータ６、及びロッド７のねじと螺合するロックナ
ツト９を備える固定機端によって支持部材ＩＯに固定さ
れている。

なお、インシュレータ６は、外部からの印加される振動
やＮ撃が後述する振動体に伝わるのを防止するとともに
、該振動体から発生する振動が外部に伝わるのを防止す
る。

ロッド７は、この例ではＺ軸に沿って配置されている。

ロッド７の中央部に振動体１が配置されている。

二の振動体１は、Ｚ軸と直交する面の形状が十字形状に
形成された薄板状の金属でなる振動板１ａと、その下面
に配置された駆動体１ｂと、上面に配置された検出体１
ｃを備えている。Ｎ動体ｔｂと検出体１ｃは、それらの
ｆｆａｍ部分を除き１円筒形状に構成されている。駆動
体１ｂと検出体１ｃは、それぞれ振動板１ａの上と下に
重ねて配置しである。

ロッド７は、振動板１ａ、駆動体１ｂ及び検出体１ｃの
中央を貢通してそれらを支持している。

振動体１のＺ軸方向の動きは、駆動体１ｂの下面と検出
体１ｃの上面にそれぞれ設けた固定機構（８，９）によ
って阻止されている。つまり、振動体１は、その上下の
ロックナツト９によって挟まれ、ロッド７に固定されて
いる。

なお、この実施例では、ロッド７の撓みを防止するため
に、ロッド７の両端を支持部材１０に固定しである。即
ち、ロッド７に撓みが発生すると、駆動振動が検出側に
漏れたり、検出軸がずれたりするので、測定される角速
度に誤差が生じる恐れがあるが、この実施例ではロッド
７が撓む心配がないので、角速度の測定をより正確に行
なうことができる。

振動体１には、４つの振動部２，３．４及び５が設けら
れている。振動部２，４とロッド７とを結ぶ軸がＸ軸と
一致しており、振動部３，５とロッド７とを結ぶ軸がＹ
軸と一致している。各々の振動部２，３，４．５の厚み
方向の表面と裏面には、それぞれ、薄板状の圧電素子（
２ｂ、３ｂ、４ｂ。

及び５ｂ）が固着されている。これらの圧電素子は、そ
れぞれ、それらの厚み方向に分極されている。

駆動体１ｂの構成を第２図に示す、第２図を参照すると
、この駆動体１ｂは、筒状の絶縁チューブ２２とその外
周に嵌合した環状の圧電体２１を備えている。圧電体２
１の厚み方向の両端面には、それぞれ、プラス電極２３
及びマイナス電極２５が配置され、プラス電極２３の外
側に絶縁ワッシャ２４が配置される。

圧電体２１は、各々９０度の円弧状に形成された４つの
圧電素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄを組合せて
、円筒状に構成しである。各々の圧電素子２１ａ、２１
ｂ、２１ｃ、２１ｄは、図中に矢印で示すようにその周
方向に向けて分極しである。

従って、駆動体１ｂは、その電極２３と２５の間に所定
の電圧を印加すれば、圧電体２１はその厚み方向の軸（
Ｚ軸）に対してねじれる方向に歪を生じる。ここで第１
図を参照すると、駆動体１ｂは、その下面がワッシャ８
とロックナツト９でロッド７に固定されているので、駆
動体１ｂの電極２３．２５間に電圧を印加すれば、その
上面は、Ｚ軸のまわりに回動する方向に変形する。Ｗ！
、圧が交流であれば、変形はＺ軸のまわりを回動する方
向の振動になる。この変形面には、振動板１ａが出接し
ているので、駆動体１ｂが変形すれば、振動体１ａはＺ
軸のまわりを回動する方向に駆動される。

検出体１ｃは、駆２１３体ｌｂと同一の構成になってい
る。従って、検出体ＩＣがその厚み方向に対してねじれ
る方向に歪を生じると、それに応じた電圧が検出体ＩＣ
の電極間に現われろ、第１図を参照すると、検出体１ｃ
の上面がワッシャ８とロックナツト９でロッド７に固定
されており、下面が振動板１ａと当接しているので、振
動板１ａが回動すると、検出体１ｃの圧電体がねじれ変
形を生じ、その変形に応じた電圧がその電極から出力さ
れる。

第１図の装置において、振動体１が２軸のまわりを振動
すると、それによって慣性力が生じる。

そして、この装置がＸ軸に対して回転すると、それに対
応するコリオリの力Ｆｃ（ｘ）が振動部２゜４にその厚
み方向に作用する。また、装置がＹ軸に対して回転する
と、それに対応するコリオリの力Ｆｅ　（ｙ）が振動部
３，５にその厚み方向に作用する。従って、各振動部２
，３，４．５に装着した圧電素子によって、コリオリの
力によって生じろ振動部の厚み方向の変形を検出すれば
、コリオリの力、即ちＸ軸方向及びＹ軸方向の回転を検
出することができる。

検出原理をもう少し具体的に説明する。第３図に示すよ
うに、Ｚ軸のまわりに速度Ｖで慣性運動する系では、Ｘ
軸まわりの角速度ΩＸとＹ軸まわりの角速度Ωｙに対し
てそれぞれコリオリカＦｃを生じる。即ち、角速度ΩＸ
によってこの系に作用する遠心力Ｔは、質量をＭ、遠心
力の運動の半径をＲとすれば、次の第（１）式の通りに
なる。

Ｔ＝Ｍ−Ｒ−（Ｖ＋Ωｘ）２ ＝Ｍ−Ｒ−Ｖ”　＋Ｍ−Ｒ・Ωｘ”　＋Ｍ−Ｒ１７・Ω
Ｘ・・・・（１） ここで、Ｍ−Ｒ−Ｖ”及びＭ−Ｒ−Ωｘ２は、それぞれ
速度■及びΩＸによって生じる遠心力であり、Ｍ−Ｒ−
Ｖ・ΩＸがコリオリカＦｃである。また、■及びΩＸは
それぞれベクトルであるから、それらのベクトル積をｖ
×ΩＸとして区分すれば、コリオリカＦｃは次の第（２
）式で表わされる。

Ｆｃ＝Ｍ−Ｒ−ＶＸΩｘ　　　　　　　　”（２）第１
図の装置においては、慣性運転は駆動体ｔｂによって生
じろＺ軸まわりの回転運動（振動）であるから、回転の
半径をｒ、角速度をωと仮定すれば、速度Ｖは次の第（
３）で表わされる。

Ｖ＝　ｒ　・（１）　＋Ｃｏｓ　（＋１１　ｔ　）　　
　　　　　・・−（３）ここで、■とΩＸとの各軸のな
す角度をθとすれば１次の第（４）式が成立する。

■×Ωｘ＝ｖ・Ω２・５ｉｎ（θ）　　　　・・−（’
Ｉ）ところが、０は約９０度であるから、第（４）式は
次の第（５）式のように変形できる。

■×Ωｘ＝Ｖ・ΩＸ ＝ｒ６ω・Ωｘ　ＮＣｏ５（ωｔ）　・・＝（５）Ｙ軸
まわりの角速度Ωｙについても同様に考えることができ
る。従って、Ｘ軸まわりのコリオリカをＦ　ｃ　（ｘ）
、Ｙ軸まわりのコリオリカをＦ　ｃ　（ｙ）とすれば、
それぞれ次式で表わさ□れる。

Ｆ　Ｃ（ｘ）　＝　Ｍ　―　Ｒ１１ｒ　壷　ω　９　Ω
　ｘ　　拳　ＣＯ５（（１１し）ＦＣ（ｙ）＝ＭＩＩＲ
ｅｒ・ω−ΩツーＣＯ３（ωｔ、）・・・・（６） 第（６）式において、Ｍ、Ｒ，ωはそれぞれ一定と考え
ることができるから、コリオリカＦ　ｃ　（ｘ）及びＦ
　Ｃ（ｙ）は、それぞれ角速度ΩＸ及びΩｙに応じて定
まることが分かる。

第１図の装置の電気回路を第４ａ図に示す。第４ａ図を
参照すると、発振回路１１の出力する信号Ｓ１が駆動体
１ｂに印加されている。また、検出体１ｃから出力され
る信−号Ｓ２が、フィードバック信号・とじて、発振回
路１１に印加されている。

発振回路１１は、駆動体１ｂを付勢する信号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、発振を安定化させ振動体１の
振動を安定化するために利用されている。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整流回
路１２ｘおよび１２ｙに、同期（ｉ号として印加される
。

振動板１ａの振動部２，４に設けられた圧電素子２ｂ及
び４ｂ（各々２つの圧電素子を並列に接続したもの）は
、並列に接続されており、それらから出力されろ信号Ｓ
３（ス）が整流回路１２ｘに印加されている。また、振
動板１ａの振動部３゜５に設けられた圧電素子３ｂ及び
５ｂは、並列に接続されており、それらが出力される信
号Ｓ　３　（ｙ）が整流回路１２ｙに印加されている。

整流回路１２ｘ、１２ｙの動作を第４ｂ図に示す。第４
ｂ図を参照すると、各圧電素子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に同期して
呪われろ。各検出軸（Ｘ。

■）まわりの角速度の方向は時計回り（ＣＷ）の時と１
反時計回りの時とでは、信号Ｓ３の位相が互いに反転す
る　？￥流回路１２ｘ、１２ｙでは、それぞれ、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、ｖｉ流された４３号Ｓ４を出力する
。つまり第４ｂ図に示すように、信号Ｓ４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
向の角速度に対しては負極性になる。

整流回路１２ｘが出力する信号Ｓ　４　（ｘ）及び整流
回路１２ｙが出力する４４号Ｓ　４　（ｙ）は、それぞ
れ、平滑回路１３で平均化され、直流電圧としてそれぞ
れ出力されろ。従って、平滑回路１３から出力される２
つの直流電圧は、それぞれ、Ｘ軸及びＹ軸まわりの角速
度の大きさと方向を示す。

第５図に、振動体の変形例を示す。第５図を参照すると
、この例では振動板１ａ、駆動体１ｂ及び検出体１ｃの
位置が前記実施例と異なっている。

即ち、この例では駆動体１ｂが振動板１ａと検出体１ｃ
の間に挟まれる形で王者が組み合わされ、それによって
振動体が構成されている。その他の構成は前述の実施例
と同様である。

［効果］ プ 以上のとおり、本発明によれ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。

鼠氷互上 二軸方向の回転をそれぞれ検出することができろ。しか
も、回転方向の慣性力を発生するための駆動機槽が、機
械的な摺動部を有しないので、耐久性は極めて良好であ
る。即ち５駆動力を発生する圧電素子には回転部分がな
いので、摩耗がなく、熱に強く、断線の可能性もほとん
どないので、非常に長寿命である。

また、慣性力を得るための駆動が、振動であり検出軸が
実質上動かないので、連続的に回転を検出することがで
き、しかも二軸同時に検出ができる。

また１周方向に分極された圧電素子を備える駆動手段（
ｔ　ｂ）によって、第１図のＺ軸のまわりに回動する方
向に振動部材を振動させて慣性力を発生するので、駆動
機端の部品数が少なく構造が簡ｒ）１４であり、Ｉ２造
も容易である。

鼠水星主 単体でその周方向に分極された環状の圧電素子を作るの
は極めて短しいが、弧状に形成された圧ｍ素子をその弧
の周方向に分極し、それらの複数を組合せて環状に形成
すれば、周方向に分極された圧電体を容易に製造できる
。

昔米椎１ Ｖ助手段によって生じる振動を検出し、その振動に応じ
た電気信号を駆動付勢回路にフィードバックできるので
、駆動手段の振動を安定化させ、角速度の測定誤差を小
さくすることができる。

肛茎叫土 駆動手段によって生じる機械振動の軸部材への漏れが小
さくなるので、該軸部材やそれを支持する部材の振動を
防止でき、それによって角速度の検出軸にずれが生じる
のを防止できる。

苛皇工盈 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。

【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、第１図の駆動体１ｂの構成を示す分解斜視図
である。 第３図は、第１図の装置に作用する力を示すベクトル図
である。 第４ａ図は、第１図の装置の電気回路を示すブロック図
である。 第４ｂ図は、第４ａ図の整流回路１２ｘ、１２ｙの動作
を示すタイミングチャートである。 第５図は、１つの変形実施例を示す斜視図である。 １：振動体 １ａ：振動板（振動部材） ｌｂ：駆動体（駆動手段） 】ｃ：検出体 ２．３，４．５：振動部 ２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ：圧電素子（検出手段）６：イ
ンシュレータ　　　７：ロッド（軸部材）８：ワッシャ
　　　　　　９：ロックナットｌＯ：支持部材（支持部
材） １１：発振回路 １２ｘ、１２ｙ：整流回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）支持部材； 前記支持部材に少なくとも一端が支持された、棒状の軸
   部材； 前記軸部材に装着され、該部材の軸方向と直交する面に
   おいて、実質上十字形状に形成された板状の振動部材； 環状に形成されその周方向に分極された圧電素子を備え
   、その厚み方向の一部が前記振動部材と係合する形で前
   記軸部材に装着された、駆動手段；及び 前記振動部材の外側に突出した部分の各々に装着されそ
   の厚み方向の歪を検出する、複数の検出手段； を備える二軸回転検出装置。
2. （２）前記駆動手段は、円弧状の平板に形成された複数
   の圧電素子を組合せて環状に構成された、前記特許請求
   の範囲第（１）項記載の二軸回転検出装置。
3. （３）環状に形成されその周方向に分極された圧電素子
   を備える振動検出手段が、前記振動部材及び前記駆動手
   段の少なくとも一方の厚み方向の面と係合する形で前記
   軸部材に装着され、該振動検出手段の出力信号が、前記
   駆動手段を電気的に付勢する付勢回路に接続された、前
   記特許請求の範囲第（１）項記載の二軸回転検出装置。
4. （４）前記軸部材は、その両端部がインシュレータを介
   して前記軸部材に支持され、それらの支持部分の間に、
   前記振動部材及び駆動手段が配置された、前記特許請求
   の範囲第（１）項記載の二軸回転検出装置。
5. （５）前記軸部材はねじを備え、前記振動部材及び駆動
   手段は、前記ねじと螺合するナットによって前記軸部材
   上に保持された、前記特許請求の範囲第（１）項記載の
   二軸回転検出装置。