JPH03122518A - 振動ジャイロ - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、コリオリの力に起因して生じるねじりモー
メントを検知することにより、角速度を検出する振動ジ
ャイロに関するものである。

〔従来の技術〕

従来から広く一般に用いられている振動ジャイロとして
は、例えば、第４図に示すような圧電タイプのものがあ
る。これは、圧電材料よりなるバイモルフ振動子、ユニ
モルフ振動子等からなる、矩形板形状の二枚の駆動用振
動子４１．４１’を、三次元座標系の２軸方向へ延在さ
せるとともに、Ｙ軸方向に間隔をおいて配置し、そして
、それらのそれぞれの広幅面を互いに向き合わせた姿勢
で、各一端を固定基板４９に固着し、また、かかる駆動
用振動子４１．４１’の遊端には、連結部材４６．４６
’を介して、これも圧電材料からなる矩形板形状の検知
用振動子４７．４７’のそれぞれを、互いの広幅面が前
記駆動用振動子４１．４１’の広幅面と直交する方向に
向く姿勢で連結することにより構成されている。

このような振動ジャイロの使用に際しては、先ず駆動用
振動子４１．４１’に交流電圧を印加して、それらの振
動子４１．４１’を図の矢印方向（Ｙ軸方向）に対称に
振動させる。すなわち、それぞれの広幅面を互いに直交
する方向に向けて連結した各振動子４１．４７ならびに
４１’　、　４７’からなる振動片４８、４８’を、Ｙ
軸方向に振動させる。この状態下で、振動ジャイロ全体
をＺ軸のまわりで、図に矢印で示す方向へ角速度ωで回
転させると、Ｘ軸方向にコリオリの力Ｆｃが発生し、検
知用振動子４７゜４７′はともにそれらの厚み方向に撓
むことになる。

ところで、検知用振動子４７．４７’の彎曲の程度は、
発生するコリオリの力ＦＣ１ひいてはＺ軸のまわりの角
速度ωに比例する。したがって、検知用振動子４７．４
７’それぞれに設けた電極間に生じる電圧の大きさを測
定すれば、角速度ωを求めることができる。

なお、−船釣には、このような振動ジャイロにあっては
、コリオリの力以外の外力の影響を排除するため、振動
片４８．４８’が正しく対称振動するよう支持基板４９
に固定する。

また、第５図に示す従来の振動ジャイロは、駆動用振動
子５１．５１’　、連結部材５６．５６’および検知用
振動子５７．５７’の組合わせからなる一対の振動片５
８．５８’のそれぞれの一端を、固定部材５２に固定し
てなる音叉状のものである。

この形式の振動ジャイロは、一方の駆動用振動子５１だ
けに交流電圧を印加し、音叉の共振を利用して他方の駆
動用振動子５１′を対称振動させると共に、その振幅を
増大してコリオリの力Ｆｃを強める形式のものである。

なお、他方の駆動用振動子５１′は、振動モニターとし
て振動片の振動状態を検知するのに利用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような従来技術にあっては、駆動用振動
子４１．４１’、　５１．５１’の先端に検知用振動子
４７．４７％　５７．５７’を連結する構造であるため
、装置が縦長で大型化して不安定となる他、駆動用振動
子４１．４１’、　５１．５１’に交流電圧を供給する
ための配線、検知用振動子５７．５７’から信号電圧を
取り出すための配線などが複雑になる欠点があった。と
りわけ、検知用振動子４７．４７’；　５７．５７’に
対する配線は、線材の引回しに苦労するところが大であ
った。

すなわち、検知用振動子４７．４７’、　５７．５７’
は、常に、およそ数μｍ〜１００μｍ程度の微小な振動
振幅下におかれており、信号電圧の取出しのための線材
の質量や弾性率、さらには変形状態その他が、駆動用振
動子４１．４１’、　５１．５１’の振動に大きな影響
を及ぼして検知感度を変動させる要因となることから、
その線材を、駆動用振動子４１．４１’。

５１、５１’の側面に接着させて、振動の小さい基台４
９、５９の付近まで延在させ、そこから所定の接続端子
まで引き出すこと、あるいは所定の接続端子を検知用振
動子４７．４７Ｓ　５７．５７’の近傍位置まで延在さ
せて、線材の長さを短くすることにて、その線材の影響
を低減することなどの手段が講じられている。しかしな
がら、このような方法によれば、振動ジャイロの製造作
業効率の著しい低減が不可避であった。

またこの一方において、駆動用振動子４１．４１’。

５１、５１’の広幅面と、検知用振動子４７．４７ｃ　
５７゜５７′の広幅面とが正確に直交していない場合に
は、検知用振動子４７．４７’、　５７．５７’での検
知信号中に、Ｙ軸方向の振動成分が漏れ込むことになる
とともに、検知精度それ自体が低下することになる。と
ころで、駆動用振動子４１．４１’、　５１．５１’の
端面と、検知用振動子４７．４７’、　５７．５７’の
各端面とを直接的に連結する構造の下においては、それ
らを接着剤によって単に固着するだけでは高い連結精度
を望み得べくもない。

そこで、図示のような連結部材４６．４６’、　５６．
５６’を介して、駆動用振動子４１．４１′、５１．５
１’と検知用振動子４７．４７’；　５７．５７’とを
連結することとしており、連結部材４６．４６’：　５
６．５６’を用いるこの方法によれば、駆動用振動子４
１．４１’、　５１．５１’および検知用振動子４７．
４７’、　５７．５７’のそれぞれの端部を、連結部材
４６．４６’；　５６．５ｓ’に形成されて、相互に直
交する方向に向くそれぞれの溝内に接着することによっ
て、駆動用振動子４１．４１’、　５１．５１’と検知
用振動子４７．４７′、５７．５７’とを、比較的容易
に、高い直角度をもって連結することが可能となる。

ところがこの場合には、連結部材４６．４６’、　５６
゜５６′の、駆動用振動子接着溝と検知用振動子接着溝
とが相互に直交する方向に向いていることから、駆動用
振動子４１．４１’、　５１．５１’と検知用振動子４
７゜４７’、　５７．５７’との、各連結部材４６．４
６’、　５６．５６’への接着を同時に行うに際しては
、接着剤が硬化するまでの間、駆動用振動子４１．４１
’、　５１．５１’および検知用振動子４７．４７’、
　５７．５７’のそれぞれを、各連結部材４６．４６７
５６．５６’に、所定の相対関係の下で正確に位置決め
保持するための特別の治具が必要となり、しかも、その
治具の構造が複雑になるとともに、治具が大型化して作
業性が悪くなる。

この一方において、かかる接着作業を２工程に分けて行
うときには、作業工数が著しく嵩むことになる。

もちろん、このように多くの課題を抱えている従来技術
に対して、解決の方策がなかった訳ではなく、コリオリ
の力によって発生するねじりモーメントを利用して角速
度を検出するタイプの振動ジャイロも提案されている。

例えば、第６図に示したものは、圧電バイモルフその他
からなる一対の駆動用振動子６１ａ、　６１ｂのそれぞ
れの一端部を、少なくとも一部をすべり振動子６３ａ〜
６３ｄとして構成した連結部材６２によってコ字形に連
結してなる振動ジャイロである。

この振動ジャイロは、第７図に作動原理を示したように
、駆動用振動子７１ｂを三次元座標系内のＹ軸方向に振
動させた状態の下で、連結部材、いいかえれば基台７２
がＺ軸のまわりに入力角速度ωで回転した場合に、Ｘ軸
方向に発生するコリオリの力Ｆｃにより、駆動用振動子
７１ｂの固定面Ｓ。

に生じるねじりモーメントによる剪断応力τ′を、たと
えば、Ｘ軸方向に分極処理し、Ｙ軸と直交するそれぞれ
の面７５ａ、　７５ａ’、　７５ｂおよび７５ｂ′に検
知用電極を設けてなるすべり振動子７３ｃ、　７３ｄに
て検知するものである。

ところが、この振動ジャイロでは、基台７２、とくには
その一部を構成するすべり振動子７３ｃ、　７３ｄに、
Ｘ軸方向に向く単純剪断応力τも同時に作用することに
なるため、検出用のすべり振動子７３ｃ。

７３ｄの出力の絶対値に差が生ずることとなる。

それ故に、駆動用振動子７１ｂが、Ｙ軸に対してその固
定面Ｓ、が常に直交するような理想的な片持ちはりとし
てＹ軸方向に振動し、またコリオリの力ＦｃによるＸ軸
方向の振動も同様に理想的なものである場合には、たし
かにすべり振動子７３ｃ。

７３ｄからの出力を差動的に取ることによって、ねじり
剪断応力τ′のみを取り出すことは可能である。しかし
ながら、すべり振動子７３ｃ、　７３ｄと駆動用振動子
７１ｂとの結合状態、駆動用振動子７１ｂと振動ジャイ
ロを支持する固定枠との慣性モーメントとの比などによ
り、ねじり剪断応力の中心が固定面Ｓ、の中心からずれ
るため、精度的な面においてなお問題を残しているのが
実情である。

この発明の目的は、従来技術のかかる問題を有利に解決
するところにあり、基本的には、装置の十分なる小型化
を実現することに加え、各種配線の引き回し、および検
出手段と駆動手段との高精度の組付けを極めて容易なら
しめることによって、生産性を大きく向上させることに
あり、そしてより望ましくはさらに優れた検出感度を有
する振動ジャイロの提供を目指すところにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の振動ジャイロは、三次元座標系内で、基台の
２軸方向へ相互に平行に延在し、かつＸ軸方向に所定の
間隔をおいて位置する一対の矩形板形状の駆動用振動子
と、この振動子の両端部分を、それらの広幅面どうしが
相互に対向する姿勢として、一対の連続部材をもって連
結し、これらの連結部材からそれぞれのＸ軸方向へ突出
させて同軸に形成したそれぞれの支持部材の突出端を前
記基台に固定したものであって、 前記支持部材の少なくとも一部を、Ｘ軸方向と直交する
いずれかの方向へ分極させた圧電材料の、Ｚ軸と直交す
るそれぞれの面に検知用電極を設けてなるすべり振動子
により構成し、 もって、前記駆動用振動子のＸ軸方向への振動下で、Ｙ
軸方向に発生するコリオリの力によって前記すべり振動
子に生じるねじりモーメントを検知することにより、基
台のＺ軸まわりの角速度を検出できるようにしたもので
ある。

〔作　用〕

この発明にかかる振動ジャイロにあっては、両駆動用振
動子のＸ軸方向への振動（位相を１８０’ずらした対称
振動）下で、基台がＺ軸まわりに入力角速度ωの回転運
動を行うと、それぞれの駆動用振動子には互いに反対方
向のコリオリの力Ｆｃがを発生し、そのコリオリの力Ｆ
ｃは連結部材をＺ軸まわりに回転させる偶力をもたらす
。このため、連結部材を基台に固着する、相互に同軸の
それぞれの支持部材には、それらの各々を軸線まわりに
回転させるねじりモーメントが作用する。

従って、支持部材の少なくとも一部にすべり振動子を設
けることにより、そのすべり振動子には、角速度ωに対
応したねじりモーメントが作用し、Ｙ軸方向と直交する
それぞれの面に形成された電極間に、ねじりモーメント
、ひいては角速度に対応した大きさの電圧が発生し、そ
の電圧から基台の回転角速度ωを知ることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照してこの発明の振動ジャイロの実施例
について詳述する。

第１図は、この発明にかかる振動ジャイロの一実施例を
示す斜視図である。

図に示すように、圧電バイモルフ、ユニモルフ等からな
る矩形板形状の一対の駆動用振動子１ａ。

１ｂは、その広幅面を互いに対向させた状態で、三次元
直交座標系のＸ軸方向に所定の間隔をおき、Ｙ軸方向へ
平行に延在する。そして、これらの駆動用振動子１ａ、
　ｌｂのそれぞれの端部分には、Ｘ軸方向へ相互に平行
に延在させた二本一対の連結部材２，２′をそれぞれ組
付けることにより、全体形状をほぼ井桁状に形成する。

ここで、駆動用振動子１ａ、　ｌｂへの連結部材２．２
′の組付けは、その組付は状態を強固に維持して、測定
制度の向上を担保するため、各連結部材の端部分に形成
したそれぞれの駆動用振動子の端部分をそれぞれ嵌め込
み、たとえば接着剤を用いてそれらを固着することによ
り行う。

一方、前記連結部材２，２′は、後に詳述する支持部材
３，３′を介して、側面形状がコ字状をなす基台４の、
互いに対向する側面壁４ａ、　４ｂに連結され、前記駆
動用振動子１ａ、　Ｉｂとともに、基台４の底壁４ｃと
平行に維持される。

ところで、それぞれの支持部材３，３′は、各連結部材
２，２′の長手方向中央位置からＺ軸方向外方へ相互に
同軸に突出させさることにより形成され、それらの各突
出端は、基台４のそれぞれの側面壁４ａ、　４ｂに固着
されている。このような支持部材３，３′は、それの少
なくとも一部を、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）その他からなる圧電セラミックス材料を主体とする
すべり振動子３ａ、　３ｂ、　３ｃ、　３ｄにより構成
する。なお、かかるすべり振動子は、例えば、直六面体
形状をなす圧電材料をＹ軸方向へ分極させるとともに、
その圧電材料の、Ｚ軸と直交するそれぞれの面に検知用
電極を配設することによって形成することができる。

第２図は、支持部材３．３′の全体を、上述したすべり
振動子で構成した例であるが、これだけにに限定される
ものではなく、支持部材３．３′の一部だけを、検知用
電極を具えるすべり振動子で構成することも可能である
。

以上のように構成してなる振動ジャイロの作用を以下に
説明する。

第１図に示すところにおいて、それぞれの駆動用振動子
１ａ、　ｌｂに交流電圧を印加して、両駆動用振動子１
ａ、　ｌｂを、位相を１８０°ずらして矢印■で示す方
向に対称振動させた状態の下で、基台４にＺ軸周りの回
転運動を与える。すると、駆動用振動子１ａ、　ｌｂの
それぞれには、角速度ωに比例するコリオリの力Ｆｃが
、Ｙ軸方向で互いに逆向きに作用し、連結部材２．２′
には、そのコリオリの力に基づく偶力が作用する。

それゆえ、連結部材２，２′を基台４に連結する支持部
材３．３’　、ひいては、すべり振動子３８〜３ｄには
、第２図（ａ）に示すようなねじり剪断応力τ′が生じ
る。なお、簡略のため、振動子３ａ、　３ｂについては
図示しない。

ここで注意することは、駆動用振動子１ａ、　ｌｂに、
それぞれ逆向きに作用するコリオリの力Ｆｃにより、連
結部材２′の横断面Ｓ　Ｉ　＋　３１’には、コリオリ
の力Ｆｃによる剪断応力τ１．τ、及びねじり応力τ′
１．τ′、がそれぞれ働くことになるが、固定部材３′
を構成するすべり振動子３ｃ、　３ｄと、連結部材２′
との接合面Ｓｏにあっては、コリオリの力Ｆｃによるね
じり剪断応力τ′だけが作用することである。

そこで、固定面Ｓ。において、Ｙ軸の正方向に作用する
応力を検出するには、同図（ｂ）に示したように、固定
面Ｓ０の一部Ｓ。−０面を形成して連結部材２′を支持
するすべり振動子３Ｃの分極方向を、Ｙ軸止方向とする
と共に、Ｚ軸と直交する面５Ｃ（Ｓｏ−ｃ面）及び５ｃ
’面にそれぞれ検知用電極を設けておけば、角速度ωに
比例した電圧を検出することができる。勿論、このこと
は他のすべり振動子３８〜３ｃについても同様である。

また、本発明の他の実施例として、すべり振動子３ｃ／
　、　３ｄ／を第３図（ａ）に示したように配設するこ
ともできる。

この場合には、例えば、すべり振動子３ｃ’をＸ軸方向
に分極させ、Ｚ軸に直交して連結部材２′との固定面の
一部Ｓ。−〇を形成する面５ｃ／／　、　５ｃＩ１１面
に、それぞれ検知用電極を形成すれば良く、他のすべり
振動子３８′、３ｂ′、そして３ｄ’についても同様で
ある。なお、その作用は、第１図に示した実施例と同等
であるので、その詳しい説明は省略する。

〔発明の効果〕

かくして、このような振動ジャイロにあっては、駆動用
振動子及びすべり振動子への配線が固定部付近で行なえ
るのみならず、振動子の接着も面接着となるので特別な
治具及び熟練を必要とせず、信頼性を向上させることが
でき、製作を容易ならしめることができる。

しかも、矩形板形状をした一対の駆動用振動子を、その
広幅面を対向させて配設するとともに、それら振動子を
基台内に収納し、すべり振動子に作用するねじりに対応
する電気信号を検知する構成としたので、駆動用および
検出用振動子を直列に連結し、検出用振動子のたわみに
対応する電気信号を検知する構成とした従来の振動ジャ
イロに比して、その占有空間を小さくすることができ、
振動もれ並びに外部からの振動に強い、小型で精度に優
れた振動ジャイロを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例を示す斜視図、第２図（ａ
）及び（ｂ）はそれぞれ、第１図に示すすべり振動子に
作用する応力を示す図、 第３図（ａ）及びＣｂ）はそれぞれ、すべり振動子の他
の例を示す図、 第４図及び第５図はそれぞれ、従来の振動ジャイロの構
成を示す斜視図、 第６図及び第７図はそれぞれ、すべり振動子を用いた振
動ジャイロの例及びその作動原理を示す図である。 ｌａ、　ｌｂ・・・駆動用振動子、２，２′・・・連結
部材、３．３′・・・支持部材、　３ａ〜３ｄ・・・す
べり振動子、４・・・基台、　４ａ、　４ｂ・・・側面
壁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、三次元座標系内で、基台のＺ軸方向へ相互に平行に
   延在し、かつＸ軸方向に間隔をおいて位置する一対の矩
   形板状の駆動用振動子と、これらの振動子の両端部に位
   置し、両振動子を、それらの各広幅面どうしを対向させ
   た姿勢で相互に連結する一対の連結部材と、これらの連
   結部材からそれぞれＺ軸方向へ突出させて設けると共に
   それぞれの突出端を前記基台に固定した、ともに同軸の
   支持部材とを具えてなる振動ジャイロであって、 前記支持部材の少なくとも一部を、Ｚ軸方向と直交する
   いずれかの方向に分極させた圧電材料の、Ｚ軸と直交す
   るそれぞれの面に検知用電極を設けてなるすべり振動子
   により構成したことを特徴とする振動ジャイロ。