JPH03134511A - 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、角速度を検出する目的の下でコリオリの力
を検知する振動ジャイロに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の振動ジャイロとしては、例えば、第７図
に示すような圧電タイプのものがあり、これは、三次元
座標系内で、基台１の、Ｙ軸と直交する面のそれぞれに
、圧電材料よりなるバイモルフ振動子、ユニモルフ振動
子その他の駆動振動子２を音叉状に固定して、それらを
Ｚ軸方向へ突出させ、そして、それぞれの駆動振動子２
の自由端に、これもまた圧電材料からなる検知振動子３
を、各々の広幅面が、駆動振動子２のそれと直交する方
向に向く状態で固定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、まず、駆動
振動子２に交流電圧を印加してその駆動振動子２を図の
実線矢印方向（Ｙ軸方向）に対称振動させる。なお、か
かる対称振動をもたらす方法としては、それぞれの駆動
振動子２に交流電圧を印加する方法の他、一方の駆動振
動子２だけに交流電圧を印加して、他方の駆動振動子２
を振動モニターとして利用して振動状態の制御を行い、
これによって振動を安定させる方法がある。これらはい
ずれも、後述するコリオリの力を強くすべく、駆動振動
子２を共振状態で振動させて、振動振幅を大きくする形
式のものである。

次いで、駆動振動子２の振動状態下で、振動ジャイロ全
体をＺ軸の周りに角速度ωで回動させることによって、
検知振動子３に、それを図の破線矢印方向（Ｘ軸方向）
へ、角速度ωの大きさに応じて撓ませるように作用する
コリオリの力Ｆｃを生じさせ、この結果として、その検
知振動子３に設けた電極間に電圧を生じさせる。

ここで、この発生電圧は、コリオリの力Ｆｃに比例する
ことから、その電圧を測定することによって、角速度ω
の大きさを検出することができる。

なお−船釣には、上述したような装置全体を、支持部材
４によって支持することにより、共振状態での作動効率
を高める工夫がなされている。

〔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、駆動振動子
２の先端に検知振動子３を連結する構造であるため、装
置が大型化する他、駆動振動子２に交流電圧を供給する
ための配線、検知振動子３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
振動子３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、検知振動子３は、常に、およそ数μｍ〜１０
０μｍ程度の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、主には駆動振動子２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、駆動振動子２の側面２′に接着させて、振動の小
さい基台１の付近まで延在させ、そこから所定の接Ｖｔ
端子まで引き出すこと、所定の接続端子を検知振動子３
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。

またその一方において、駆動振動子２の広幅面と、検知
振動子３の広幅面とが正確に直交していない場合には、
検知振動子３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、図示のように、駆動振動子
２の端面と検知振動子３の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、第８図に示すような連結部材５を介して、駆動
振動子２と検知振動子３とを連結する方法が提案されて
いる。この連結部材５を用いる方法によれば、駆動振動
子２および検知振動子３のそれぞれの端部分を、連結部
材５に形成されて、相互に直交する方向に向く面のそれ
ぞれに、それらに設けた電極を介して接着することによ
って、駆動振動子２と検知振動子３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。

ところがこの場合であっても、駆動振動子接着面と検知
振動子接着面とが相互に直交する方向に向いていること
から、その接着を同時に行うためには、駆動振動子２お
よび検知振動子３のそれぞれを、接着剤が硬化するまで
、連結部材５に、所定の相対関係の下で正確に位置決め
保持しなければならず、そのために必要とする治具の構
造も複雑なものが要求される。その結果、治具が大型化
して作業性が悪くなる。また、このような接着作業を２
工程に分けて行うとすれば、作業工数が著しく嵩むこと
にもなる。

この発明は、従来技術のかかる問題を有利に解決するも
のであり、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ができ、しかも、すぐれ
た検出感度を有する振動ジャイロを提供するものである
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の振動ジャイロは、三次元座標系で、好ましく
は六面体形状をなす基台の、Ｙ軸と直交するそれぞれの
面に、第１および第２の腕部材を、Ｙ軸方向へ突出させ
て固定したところにおいて、Ｙ軸方向が長軸となるそれ
ぞれの腕部材を、Ｘ軸と直交する二面、Ｙ、軸と直交す
る二面および、Ｚ軸と直交する二面を有し、Ｙ軸方向に
分極された直六面体形圧電材料の、Ｙ軸と直交するそれ
ぞれの面に駆動用電極を設けてなる第１の振動子と、前
記圧電材料と同様の直六面体形状をなし、Ｙ軸方向に分
極された他の圧電材料における、Ｙ軸と直交するそれぞ
れの面に、少なくとも一方はいずれかのＸ軸交差面寄り
に検知用電極が配設される第２の振動子との、Ｙ軸と直
交する一方側の面のそれぞれを相互に接合して構成し、
そして、第１および第２の腕部材のそれぞれの自由端に
は、Ｙ軸方向へ偏って位置する第１および第２の振動質
量を設けることによって構成したものである。。

ここで好ましくは、第１および第２の振動子は、導電性
シムを介して接合し、また好ましくは、第２の振動子に
設けた検知用電極の接続端子を、圧電材料の、Ｙ軸と直
交するそれぞれの面に配設する。

〔作　用〕

かかる振動ジャイロの作用を、第９図に示す模式図をも
とに以下に説明する。

図において、腕部材６の自由端を速度■で振動させつつ
、装置をＺ軸の周りに角速度ωで回動させると、Ｘ軸方
向にコリオリの力Ｆｃが発生し、このコリオリの力Ｆｃ
の大きさは、 Ｆｃ＝２ｍＶω で表わされる。これによれば、振動速度■および角速度
ωが同じであっても質量ｍが大きければ発生するコリオ
リの力Ｆｃも太き（なる。

そこで、本発明では、腕部材６の自由端に、図示のよう
な振動質量７を設けることによって、発生するコリオリ
の力それ自体を十分大ならしめ、しかも、その振動質量
７をＹ軸方向に偏せて位置させることによって、腕部材
６に作用するねじりモーメントＭのモーメントアームを
十分大ならしめるようにする。

かくして、このような振動ジャイロによれば、角速度ω
に起因して発生するねじりキーメントＭ、ひいてはコリ
オリの力Ｆｃを高い感度にて検知することができる。

また本発明は、駆動手段として機能する第１の振動子と
、検出手段として機能する第２の振動子とを面接着させ
て腕部材を構成していることから、装置の高精度の組み
立てを簡易・迅速に行うことができるとともに、装置を
十分小型のものとすることができ、しかも、信号の供給
および取り出しを基台の近傍部分にて行うことが可能と
なって、線材を長く引き回すことに起因する不都合をこ
とごとく除去することができる。

なおここで、第１および第２の振動子を、導電性シムを
介して接合した場合には、腕部材の機械的強度を高める
ことができるとともに、それらの再振動子の相互接続お
よび、それらの、外部回路への接続を容易ならしめるこ
とができ、なかでも、電気的接続の容易さは、第２の振
動子に設けた検知用電極の接続端子を、圧電材料の、ｙ
　ｅｔａ　、＝直交するそれぞれの面に配設した場合に
一層顕著なものとなり、また、これらのいずれによって
も、線材の引き回しの困難さを有利に除去することがで
きる。

〔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。

第１図は、この発明の一実施例を示す斜視図である。

図中１６．１７はそれぞれ、第１および第２の腕部材を
示し、これらの腕部材１６．１７は、三次元座標系内で
、基台１８の、Ｙ軸と直交するそれぞれの面に各１端部
を固定されてＹ軸方向へ突設する。

ここで、それぞれの腕部材１６．１７は、第１の腕部材
１６を例として第２図〜第５図にもとづき説明すると、
それらは少なくとも第１の振動子１１と第２の振動子１
４とで構成されている。すなわち、第１の振動子１１は
、Ｘ軸と直交する２面ＸＩ＋Ｘ２、Ｙ軸と直交する２面
ｙ＋＋　ＹｚおよびＺ軸と直交する二面Ｚｌ＋ＺＺを有
する直六面体形状の圧電材料８を、Ｙ軸方向に分極処理
するとともに、その圧電材料８の、Ｙ軸と直交する面Ｙ
＋＋　Ｙｚのそれぞれに駆動用電極９，１０を設けるこ
とによって、それらが駆動手段として機能するように構
成されているものである。

また、第２の振動子１４は、第３図に示すように、第２
図に示す第１の振動子１１と同様の形状および寸法を有
する圧電材料８をＹ軸方向に分極処理するとともに、そ
れの、Ｙ軸と直交する面Ｙｘ　ｙｚに、それぞれＺ軸（
長軸方向）に延在しかつＸ軸と交差するＸ２面寄りに配
設される検知用電極１２．１３をそれぞれ設けることに
よって、それらが検出手段として機能するように構成し
である。

そして、このような第１および第２の振動子１１゜１４
は、これもまた好ましくは、第４図に示すような金属薄
板その他からなる導電性シム１５を介して、第１の振動
子１１の面ｙ２と第２の振動子１４の面ｙｌとを相互に
対向させて、電気的な接続を図るために導電性接着剤に
より加圧接着することにより、第５図に示すような第１
の腕部材１６を構成する。なお、この加圧接着は、電気
的な接続を目的とする他に、機械的強度を向上させると
共に電極１０．１２の相互接続および外部回路への接続
を容易ならしめるべく機能する。

各部材をこのように構成したところにおいて、第１図に
斜視図で示すように、基台１８の、Ｙ軸と直交するそれ
ぞれの面に、第１および第２の腕部材１６．１７を、そ
れらの第２の振動子１４を相互に向き合わせて加圧接着
し、さらに、それぞれの腕部材１６．１７の自由端には
、第１および第２の振動質量の１９．２０のそれぞれを
、Ｙ軸方向へ偏せて、図では、それらのそれぞれが相互
に離隔する方向へ偏せて取付ける。

ここで、これらの振動ｆ量１９．２０は、前述したよう
に、発生するコリオリの力Ｆｃを大ならしめるべく、ま
た、それらの振動質１１９．２０の、Ｙ軸方向への偏り
は、これも前述したように、それぞれの腕部材１６．１
７に、コリオリの力Ｆｃに起因して生じるねじりモーメ
ントを大ならしめるべく、それぞれ作用する。

なお、第３図に示す第２の振動子１４の上記電極構成は
、この形態だけに限定されるものではなく、例えば第６
図に示すような構成にしてもよい。すなわち、直六面体
形状の圧電材料８を、Ｙ軸方向に分極するとともに、そ
れの、Ｙ軸と直交する一方の面ｙ、には、その略全面に
検知用電極１２を取付ける一方で他方の面ｙ２にはＸ軸
交差面寄りの部分だけに配設したものでもよい。さらに
また、第３図、第６図に例示した各振動子１４の面ｙ１
およびｙ２の検知用電極を形成していない部分に、既に
形成されている隣接電極とは分離した形態で、とくにＸ
６面寄りに新たな電極を追加してもよく、これらもまた
作動効果には差がない。

以上に述べたようなそれぞれの振動ジャイロにおいて、
導電性シム１５の下端部に接続したリード線２１を接地
するとともに、第１の腕部材１６の第１の振動子１１に
設けた駆動用電極９に、その下端部に接続したリード線
２２を介して交流電圧を印加すると、第１の腕部材１６
はＹ軸方向へ振動し、共振点においては、第１の腕部材
１６と第２の腕部材１７とが、大きな振幅で対称振動す
る。そこで、腕部材１６．１７のかかる振動状態を維持
したまま、装置をＺ軸の周りに角速度ωで回動させると
、それぞれの腕部材１６．１７にはコリオリの力に起因
するねじりモーメントが作用し、それらの腕部材１６．
１７の構成部品としての第２の振動子１４にはねしり剪
断応力が作用して、検知用電極１２．１３間には、ねじ
り剪断応力、ひいては、コリオリの力に応じた電気変位
（電圧）を発生するようになる。

そこでたとえば、検知用電極１３．からリード線２３を
介して電気信号を出力することにより、コリオリの力を
検知することができる。なお、ここにおいては、第２の
腕部材１７の第１の振動子を、振動状態のモニターとし
て利用することによって振動を安定させることもでき、
また、第２の腕部材１７の第２の振動子からも、コリオ
リの力に起因する電気信号を取り出すことができる。

以上この発明を図示例に基づいて説明したが、それぞれ
の腕部材の第１および第２の振動子を、図示例とは逆の
相対位置関係とすることもでき、また、それぞれの振動
質量を、それらが相互に近接する方向へ偏せることも可
能である。

〔発明の効果〕

かくして、この発明によれば、駆動手段として機能する
第１の振動子と、検出手段として機能する第２の振動子
とを面接着させて腕部材を構成することにより、装置の
高精度の組み立てを極めて容易ならしめるとともに、装
置を十分小型化することができ、応用分野が拡大される
。しかも、広幅のそれぞれの振動子を相互に接合した後
に、それを所定の幅に切断することによって、大量の腕
部材を効率よく生産できることに加え、各腕部材の性能
のばらつきを有効に除去することができ、バランスの良
い振動ジャイロを安価かつ大量に供給することが可能と
なる。

また、第２振動子の電極は、第１の振動子と同じように
Ｙ軸と直交する広い面に形成すればよいので、エツチン
グなどの作業が容易であり、リード線の接続が一般的な
バイモルフと同じようにできるという効果もある。

さらに、本発明装置では、信号の供給および取り出しの
すべてを、基台の近傍部分にて行うことができるので、
線材の引き回しに起因する不都合をほぼ完全に取り除く
ことができる。

なお、この装置では、腕部材の自由端に振動質量を設け
、かつその振動質量をＹ軸方向に偏せて位置させること
によって、コリオリの力の検知感度を大きく向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す斜視図、第２〜５
図はそれぞれ、腕部材の構成部品およびそれらからなる
腕部材を例示する斜視図、第６図は、この発明の、とく
に第２の振動子についての実施例を示す斜視図、 第７図は、従来例を示す斜視図、 第８図は、従来の連結部材を示す斜視図、第９図は、本
発明装置の作用を説明するための模式図である。 ８・・・圧電材料、　９．１０・・・駆動用電極、１１
・・・第１の振動子、　１２．１３・・・検知用電極、
１４・・・第２の振動子、　１５・・・導電性シム、１
６・・・第１の腕部材、　１７・・・第２の腕部材、１
８・・・基台、　１９．２０・・・振動質量、２１、２
２．２３・・・リード線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、三次元座標系内で、基台のＹ軸と直交するそれぞれ
   の面に、第１および第２の腕部材を、Ｚ軸方向へ突出さ
   せて固定してなる振動ジャイロであって、 Ｚ軸方向が長軸となる前記各腕部材を、Ｘ軸と直交する
   二面、Ｙ軸と直交する二面および、Ｚ軸と直交する二面
   を有し、Ｙ軸方向に分極された直六面体形圧電材料の、
   Ｙ軸と直交するそれぞれの面に駆動用電極を設けてなる
   第１の振動子と、前記圧電材料と同様の直六面体形状を
   なし、Ｚ軸方向に分極された他の圧電材料における、Ｙ
   軸と直交するそれぞれの面に、少なくとも一方はいずれ
   かのＸ軸交差面寄りに検知用電極が配設される第２の振
   動子との、Ｙ軸と直交するそれぞれの面を相互に接合し
   て構成し、そして、第１および第２の腕部材のそれぞれ
   の自由端には、Ｙ軸方向へ偏って位置する第１および第
   ２の振動質量を設けてなる振動ジャイロ。