JPH0429012A

JPH0429012A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH0429012A
Application number: JP2134212A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Terajima; 厚吉寺嶋
Original assignee: Akai Electric Co Ltd
Current assignee: Akai Electric Co Ltd
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1992-01-31
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH0786417B2

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〕従来既知の振動ジャイロとしては、例えば、第１３図に
示すものがある。

これは、三次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在し
てＹ軸方向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材
１０Ｌ　１０２の下端部を、Ｙ軸方向へ延びるベース部
１０３にて一体的に連結してなる駆動振動子１０４を、
支持部材１０５を介して基台１０６に固定するとともに
、その駆動振動子１０４のへ一ス部１０３に、Ｘ軸方向
へ突出する検知手段１０７を設けることによって構成さ
れている。

かかる振動ジャイロでは、例えば、それぞれの腕部材１
０１．１０２に設けた駆動手段１０８．１０９に交流電
圧を印加して、それらの腕部材１０１．１０２を、圧電
的方法、電磁的方法などによってＹ軸方向へ対称振動さ
せつつ、駆動振動子１０４をＺ軸の周りに角速度ω２で
回動させると、ある瞬間に速度■で運動しているそれぞ
れの腕部材１０１．１０２に、Ｘ軸方向の、相互に逆向
きのコリオリの力Ｆｃｘが発生する。

ここで、腕部材１０１．１０２の速度Ｖは、交番的Ｑこ
変化するので、コリオリの力Ｆｃｘは両腕部材１０１゜
１０２の振動数で変調された形で生し、駆動振動子１０
４は基台１０６に対してＺ軸の周りにねしれ振動するこ
とになり、そのねじれ角は、コリオリの力Ｆｃｘ、ひい
ては角速度ω２に比例する。

そこでこの従来装置では、そのねじれ振動の大きさを、
Ｘ軸方向へ突出する検知手段１０７により、圧電的方法
、電磁的方法などをもって検知することとしており、例
えば、バイモルフ素子その他を用いた圧電的方法では、
ねじれ振動を検知手段１０７の撓み振動に変換し、撓み
量に応してバイモルフ素子が発生する電荷を電圧として
抽出して検知することとしている。

ところが、かかる従来技術にあっては、それぞれの腕部
材１０１．１０２の質量のアンバランス、長さのアンバ
ランスなどにより、腕部材ｌｏｔ、　１０２の振動が、
ベース部１０３の、Ｙ軸方向への不要な振動を引き起こ
すことに起因して、検知手段１０７が、その不要な振動
によって発生される信号をも出力することになるため、
角速度ω２が零であるにもかかわらず、コリオリの力を
検知しているかの如き状態、すなわち、オフセントを発
止し、Ｓ／Ｎ比、ひいては検出感度の低下をもたらすと
いう問題があった。

そこで、従来技術のかかる問題を解決すべく、出願人は
先に、Ｓ／Ｎ比のすくれた高感度の振動ジャイロとして
、第９図に示すような、駆動振動子４のベース部３から
Ｚ軸方向へ突出させて設けた支持部材５の一側面に、Ｚ
軸方向へ分極処理した千電材料のＹ軸と直交する対向面
のそれぞれに電極を設けてなる検知手段９を、一方の電
極を支持部材５に接触させた状態で、Ｘ軸方向へ偏らせ
て固定してなる振動ジャイロを提案した（特願平１−２
７０３６６号）。

この出願に先立って出願人が提案したこの振動ジャイロ
は、従来技術で述べたように、検知手段９を、ベース部
３からＸ軸方向へ突出させて設けることなく、支持部材
５の側面に対し、直接に接合することによって製造する
ことができ、それ故に、装置の構造が簡単になり、装置
それ自体を小型かつ低廉なものとすることができるとと
もに、装置の組立てを極めて容易ならしめることができ
る。

しかも、本願に先行するかかる振動ジャイロでは、検知
手段９が、コリオリの力Ｆａｘの発生に起因して支持部
材５に作用するねじりモーメン）Ｍｔを検知すべく機能
することから、たとえ腕部材１２が、その質量、長さな
どのアンバランスによって、ベース部３にＹ軸方向への
不要な振動を生じることがあっても、その影響が検知信
号に漏れ込むのを、特別の手段を用いることなく有効に
防止して、検知感度を大きく向上させることができると
いう効果がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上尾の、出願人が先番こ提案した前記振
動ジャイロでは、Ｚ軸の周りの角速度ω２だけが検出可
能であり、他の軸の周りの角速度。

すなわち腕部材１，２の振動方向と直交するもう１つの
軸：Ｚ軸の周りの角速度ωＸについては、Ｘ軸方向の、
相互に逆向きのコリオリの力Ｆｃｚが発生するにもかか
わらず、検出が不能であった。

そこでこの発明は、従来技術および先行提案技術が抱え
る上述した課題を同時に解決することができる振動ジャ
イロの提供を目的とするものであって、とくにＺ軸の周
りの角速度ωＸの有利な検出を可能とする一方で、既に
提案されているＺ軸の周りの角速度ω２の検知手段と併
用することにより、いわゆる単一の駆動振動子に発生す
る二軸方向の角速度を検出可能とする振動ジャイロの提
供を目指すものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を実現するのに好適な振動ジャイロの構成とし
て、本発明は、三次元座標系のＸ軸方向へ相互に平行に延在する二本の
腕部材と、これらの腕部材の各一端部を一体的に連結す
るベース部とで駆動振動子を構成したものにおいて； ■　前記駆動振動子のベース部、好ましくはその中央部
分に、Ｘ軸方向へ突出する支持部材を設け、この支持部
材のＺ軸と直交する少なくとも一側面に、Ｙ軸方向へ分
極された圧電材料の、Ｚ軸と直交する対抗面にそれぞれ
電極を設けることによって構成される検知手段を、一方
の電極を支持部材に接触させて固定してなる振動ジャイ
ロ、 ■　上述の検知手段の配置について、駆動振動子のベー
ス部に、Ｚ軸と直交する少な（とも一側面に、Ｘ軸方向
へ分極された圧電材料の、Ｚ軸と直交する対抗面にそれ
ぞれ電極を設けて構成された検知手段を、その一方の電
極をベース部に接触させて固定してなる振動ジャイロ、
を提案すると共に、さらに、 ■　前記駆動振動子の前記ベース部、好ましくはその中
央部分に、Ｘ軸方向へ突出する支持部材を設け、この支
持部材の少なくとも一側面に、それに沿って延在させる
Ｘ軸方向へ分極された圧電材料の、Ｚ軸と平行をなすい
ずれかの対抗面にそれぞれ電極を設けて構成された検知
手段を、支持部材におけるＺ軸と直交する２方向のうち
のいずれか一方の方向へ偏らせて配設すると共に、一方
の電極を支持部材に接触させて固定してなる振動ジャイ
ロ、および、 ■　Ｘ軸方向へ突出する支持部材の少なくとも一側面に
、それに沿って延在してＸ軸方向へ分極された、前記一
側面とほぼ同幅の圧電材料の、Ｚ軸と平行をなすいずれ
かの対抗面にそれぞれ電極を設け、かつこれらの電極の
少なくとも一方をＺ軸と直交する方向に二分割して構成
された検知手段を配設すると共に、その一方の電極を支
持部材に接触させて固定してなる振動ジャイロを提案する。

〔作　用〕

さて、第１０図に示すような音叉構造；すなわち、三次
元座標系のＸ軸方向へ相互に平行に延在して、Ｙ軸方向
に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材１，２と、
これらの腕部材１．２の各一端部を一体的に連結するベ
ース部３とで駆動振動子４を構成し、この駆動振動子４
のベース部３に、Ｚ軸方向へ突出する支持部材５を設け
て基台６に固定した音叉構造において、この構造のＹ軸
の周りの角速度ωＸを、以下に検討する。

前記腕部材１，２をＹ軸方向へ対称振動させつつ、駆動
振動子４をＹ軸の周りに角速度ωＸで回動させる場合を
考えると、ある瞬間に速度Ｖで運動している各腕部材Ｌ
　　２には、Ｚ軸方向の、相互に逆向きのコリオリの力
Ｆｃｚがそれぞれ発生する。その結果、この駆動振動子
４は、第１１図に示すように、コリオリの力Ｆｃｚに基
づいて、腕部材１については基台６側に向かって押し下
げられ、一方、腕部材２については、基台６から離隔す
る逆向きのモーメントが作用して押し上げられる。

従って、このときベース部３は、支持部材５との接続部
を境にして、腕部材１側と腕部材２側とがＺ軸向きの逆
方向にたわみ変形し、そしてまた支持部材５もＹ軸方向
にたわみ変形する。

次に、第１２図に示すようなコ字形構造；すなわち、三
次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在して、Ｙ軸方
向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材１’、　
　２’と、これらの腕部材１’、２’の各端部を一体的
に連結するベース部３′とで駆動振動子４′を構成し、
この駆動振動子４′のベース部３′に、Ｘ軸方向へ突出
する支持部材５′を設けて図示しない基台に固定したコ
字形構造において、この構造のＹ軸の周りの角速度ωＸ
について、以下に検討する。

前記腕部材１’、２’をＹ軸方向へ対称振動させつつ、
駆動振動子４′をＹ軸の周りに角速度ωＸで回動させる
場合を考えると、ある瞬間に速度■で運動している各腕
部材１’、２’には、Ｚ軸方向の、相互に逆向きのコリ
オリの力Ｆｃｚが発生する。その結果、この駆動振動子
４′は、Ｘ軸方向に突設した前記支持部材５′は、上述
したと同様に、各腕部材１’、　　２’に発生するそれ
ぞれ逆向きのコリオリの力Ｆｃｚに起因するねじりモー
メントＭｔを受けてねじれ変形する。

以上説明したところから判るように、本発明振動ジャイ
ロによれば、上述した駆動振動子４，４′の構成におい
て、ベース部３のＺ軸方向へ突出させた支持部材５に作
用するＸ軸周りのモーメントに起因するたわみ変形、お
よびベース部３に作用するＸ軸周りのモーメントに起因
するたわみ変形、マタハヘース部３′のＸ軸方向へ突出
させた支持部材５′に作用するＸ軸周りのモーメントに
起因するねじれ変形を、それぞれの支持部材５，５′に
検知手段を配設して検知することにより、既知の振動ジ
ャイロでは検８できなかったＹ軸の周りの角速度ωＸを
検知することが可能である。

さて、支持部材５の側面に、Ｙ軸方向へ分極処理した圧
電材料の、Ｙ軸と直交する対抗面にそれぞれ電極１０．
１１を有する検知手段１２を、その電極１０、１１のい
ずれか一方を接合させると、この検知手段１２には、そ
れの支持部材５への接合面に作用するたわみ変形に対応
する電気変位を発生する。

また、ベース部３の側面に、Ｚ軸方向へ分極処理した圧
電材料の、Ｙ軸と直交する対抗面にそれぞれ電極を有す
る検知手段を、その電極のいずれか一方を接合させると
、この検知手段１２には、それのベース部３の接合面に
作用するたわみ変形に対応する電気変位を発生する。

さらにまた、支持部材５′の側面に、Ｘ軸方向へ分極処
理した圧電材料の、Ｙ軸と平行をなすいずれかの対抗面
にそれぞれ電極を有する検知手段１２を、支持部材５′
におけるＹ軸と直交する２方向のうちいずれか一方の方
向へ偏らせて検知手段１２の電極のいずれが一方を接合
させると、この検知手段１２には、それの支持部材５′
への接合面に作用するねしれ変形に対応する電気変位を
発生する。

そこでこの発明では、基本的には、（イ）Ｙ軸方向に分極処理した圧電材料を主体として構
成してなる検知手段を、支持部材５のＹ軸と直交する少
なくとも一側面に、前記検知手段１２のＹ軸と直交する
対抗面に設けた電極の１つが接触するように取付けるこ
とにより、（ロ）また、Ｚ軸方向に分極処理した圧電材
料を主体として構成してなる検知手段を、ヘース部３の
Ｚ軸と直交する少なくとも一側面に、前記検知手段１２
のＺ軸と直交する対抗面に設けた電極の１つが接触する
ように取付けることにより、（ハ）さらにまた、Ｘ軸方
向に分極処理した圧電材料を主体として構成してなる検
知手段を、支持部材５′がベース部３′からＸ軸方向に
突出する場合において、支持部材５′の少なくとも一側
面に、前記検知手段のＹ軸と平行をなすいずれかの対抗
面に設けた電極の１つが接触するように、支持部材にお
けるＹ軸と直交する２方向のうちのいずれか一方の方向
へ偏らせて取付けることにより、それぞれ、簡単な構造にして、小型かつ低度な振動ジャ
イロを実現するとともに、腕部材のアンバランスの影響
を有効に除去して、検出感度の十分なる向上をもたらす
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図の（ａ）、　（ｂ）は、この発明の一実施例を示
す斜視図であり、図中従来技術で述べた部分と同等の部
分は、それらと同一の番号で示す。

すなわち、１，２はそれぞれ、Ｚ軸方向へ相互に平行に
延在して、Ｙ軸方向に所定の間隔をおいて位置する腕部
材を示し、３は、それら腕部材１゜２を、図では下端部
にて一体的に連結するベース部をそれぞれ示す。また４
は、腕部材１，２とベース部３とからなる駆動振動子を
示し、この駆動振動子４は、そのベース部３から２軸方
向へ突設した支持部材５によって基台６に固定されてい
る。

ここでこの例では、支持部材５の、Ｙ軸と直交する一方
の側面に、検知手段１２を、一方の電極１０を接触させ
る姿勢にて接合することにより、振動ジャイロが構成さ
れている。

この例の振動ジャイロにおいて、前記検知手段１２は、
図中に白抜矢印で示すように、Ｙ軸方向へ分極された圧
電材料１５よりなり、Ｙ軸と直交する対抗面にそれぞれ
電極１０．１１を取付けたものであって、これによれば
、第１１図に示したようなたわみが支持部材５に発生す
ると、これに取付けた圧電材料に対して伸縮として作用
するから、前記電極１０．１１間にはコリオリの力Ｆｃ
ｚにともなう電圧を発生するようになる。

すなわち、腕部材１．２を駆動手段１３．１４への交流
電圧の印加によってＹ軸方向へ対称振動させつつ、振動
ジャイロをＹ軸の周りに角速度ωで回動させたとき、検
知手段１２は、支持部材５にコリオリの力Ｆｃｚに基づ
いて作用するねしりモーメントＭｔを検知することがで
きる。

なお、この第１図に示す振動ジャイロにおいて、腕部材
１，２、ベース部３および支持部材５は、必ずしも一体
構造である必要はなく、相互連結可能な構成とすること
もできる。

第２図（ａ）、　（ｂ）は、本発明振動ジャイロの他の
実施例を示す路線図であり、これは、支持部材５を板状
材料にて構成するとともに、その支持部材５の、Ｙ軸と
直交する両面に検知手段１２．４２ａを取付けた振動ジ
ャイロである。ここで、前記検知手段１２．１２ａは、
Ｙ軸方向へ分極された圧電材料１５よりなり、Ｙ軸と直
交する対抗面にそれぞれ電極１０、　ＩＬ　１０ａ、　
ｌｌａを設けたバイモルフを構成している。

次に第３図は、さらに他の実施例ニー・−ス部３のＺ軸
と直交する少なくともその一側面に、検知手段１２を接
合した振動ジャイロの例である。この例において用いる
検知手段１２は、図中で白抜矢印で示すように、Ｚ軸方
向へ分極された圧電材料１５よりなり、Ｚ軸と直交する
対抗面ムこそれぞれ図示を省略した電極を設けて構成さ
れており、それらの電極間にはコリオリの力Ｆｃｚにと
もなう電圧を発生するために第１，２各図に示したのと
同様に機能するものである。この場合、注意を要するこ
とは、ベース部３が支持部材５を境にして逆方向へたわ
むため、検知手段１２はＹ軸方向のいずれかの片側に偏
らせて接合することが必要となる。

また、第４図は、第３図の例の応用例を示す図であり、
ベース部３のＺ軸と直交する少なくともその一側面の、
はぼ全面に亘って検知手段１２を固定した例である。た
だし、すでに述べたように、駆動振動子４のベース部３
の両端部が支持部材５を境にしてそれぞれ逆の方向へた
わむことを考慮して、次のような検知手段の配置が必要
である。

すなわちこの例では、検知手段１２は、それの中央部が
Ｙ軸方向でほぼ二分割され、そしてＸ軸方向への分極の
方向が互いに反転するように構成された２個の圧電材料
よりなり、しかも上述したと同様に、この圧電材料のＺ
軸と直交する対抗面にはそれぞれ図示を省略した電極を
設けて構成されているものである。

次に第５図は、さらに他の実施例を示す振動ジャイロの
図である。この例は、支持部材５がベース部３からＸ軸
方向へ突設していて、図示しない基台に固定される形式
のものである。この振動ジャイロは、Ｘ軸方向へ突出し
ている支持部材５のＹ軸と直交するいずれか一方の側面
に、Ｘ軸方向に分極された圧電材料の、Ｙ軸と直交する
対抗面にそれぞれ図示を省略した電極を設けてなる検知
手段１２を、Ｘ軸方向へ偏らせて固定することにより構
成した振動ジャイロである。この例においては、上述し
たように支持部材５に発生したねじりモーメントが圧電
材料に対して「すり」として作用し、そのために検知手
段に取付けた電極間にコリオリの力Ｆｃｚにともなう電
圧を発生するようになる。

また第６図は、第５図と同一種の実施形態である振動ジ
ャイロの図である。すなわち、この例は、ベース部３か
らＸ軸方向へ突出し、図示しない基台に固定された支持
部材５を、板状材料にて構成するとともに、この支持部
材５の、Ｙ軸と直交する対抗面にそれぞれ図示を省略し
た電極を設けてなる検知手段１２を設けた形式のもので
ある。

この例での検知手段１２は、板状支持部材５に沿わせて
延在させるとともに、その支持部材とほぼ等しい幅とし
た圧電材料をＸ軸方向へ分極し、がっ、その圧電材料の
、Ｙ軸と直交する対抗面にそれぞれ電極を設けたところ
において、それらの少なくとも一方の電極を、Ｘ軸方向
に二分割してなる小電極としたもので構成されているも
のである。

この検知手段１２の外観は、一般の厚み振動子によって
弾性板を挟み込んだバイモルフと同様のものであり、こ
れによりコリオリの力Ｆｃｚの発生に対し、第１図に示
したと同様に機能させることができる。

さて、第７図は、本発明の応用例を示す図であり、第１
図に例示した実施例の振動ジャイロと従来のＺ軸のまわ
りの角速度ω２に対する検知手段１１の両方を取付けた
もので、二軸方向の角速度検知の例を示したものである
。

また、第８図は、第７図と同様に本発明の他の応用例を
示す図であり、この場合、これまで説明してきた、コの
字形の駆動振動子の変形であるＨ字形の駆動振動子に適
用した例を示す。この例の振動ジャイロは、第１図にお
ける実施例と同様、支持部材５の一方の側面に、検知手
段１２を設けるとともに、Ｚ軸の周りの角速度ω２に伴
って発生するコリオリの力Ｆｃｘによるところの支持部
材５のＺ軸の周りのねしれを検知する検知手段１６を付
加して併用することにより、二軸方向の角速度検知を可
能とする例を示したものである。

〔発明の効果〕

かくして、この発明によれば、前述したところから明ら
かなように、それぞれの腕部材のアンバランスに起因す
るオフセット量を著しく低減して、装置の感度を大きく
向上させることができるとともに、そのアンバランスの
許容幅を広げて生産効率を高めることができる。

しかも、検知手段を支持部材に面接合することにより、
検知手段の機械的強度を高めて、衝撃その他による検知
手段の破損を防止することができる。

さらに、この発明によれば、従来なされなかったＸ−軸
の周りの角速度の検知が可能となり、このことは、ひい
ては単一の駆動振動子による簡単な構成で、二台分の振
動ジャイロに相当する二軸方向検知の機能を持たせるこ
とも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図の（ａＬ　（ｂ）は、この発明の振動ジャイロの
実施例と検知手段の斜視図、第２図の（ａ）、Φ〕は、この発明の他の振動ジャイ口
の実施例と検知手段の斜視図、第３図は、この発明の他の実施例の正面図、第４図は、
この発明の他の実施例の正面図、第５回は、この発明の
他の実施例の正面図、第６図は、この発明の他の実施例
の正面図、第７図は、この発明の二軸形の応用例を示す
正面図、第８図は、この発明の二軸形の応用例を示す正面図、第９図は、従来例を示す図、第１Ｏ図〜第１２図は、それぞれこの発明の作動原理を
説明するための説明図、第１３図は、先行提案に係る振動ジャイロの斜視図であ
る。１．２・・・腕部材、　　３・・・ベース部、４・・・
駆動振動子、　５・・・支持部材、６・・・基台、　１
２・・・検知手段、１０、１０ａ、　１１．　ｌｌａ・
・・電極、　１３・・・圧電材料。第ｊ図（ａ）（シ）第２図（ａ）（ｂ）ｅｚ第一７図第８図第９図第１０図Ｆｅ２第１２図第」１図第」３凶

Claims

【特許請求の範囲】１、三次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在してＹ
軸方向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材と、
これらの腕部材の各一端部を一体的に連結するベース部
とで駆動振動子を構成し、この駆動振動子のベース部に、Ｚ軸方向へ突出する支持
部材を設け、この支持部材のＹ軸と直交する少なくとも
一側面に、Ｙ軸方向へ分極された圧電材料の、Ｙ軸と直交する対抗
面にそれぞれ電極を設けて構成された検知手段を、一方
の電極を支持部材に接触させて固定してなる振動ジャイ
ロ。２、三次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在してＹ
軸方向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材と、
これらの腕部材の各一端部を一体的に連結するベース部
とで駆動振動子を構成し、この駆動振動子の前記ベース部におけるＺ軸と直交する
少なくとも一側面に、Ｚ軸方向へ分極された圧電材料の
、Ｚ軸と直交する対抗面にそれぞれ電極を設けて構成さ
れた検知手段を、その一方の電極をベース部に接触させ
て固定してなる振動ジャイロ。３、三次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在してＹ
軸方向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材と、
これらの腕部材の各一端部を一体的に連結するベース部
とで駆動振動子を構成し、この駆動振動子の前記ベース部に、Ｘ軸方向へ突出する
支持部材を設け、この支持部材の少なくとも一側面に、それに沿って延在させるＸ軸方向へ分極された圧電材料
の、Ｘ軸と平行をなすいずれかの対抗面にそれぞれ電極
を設けて構成された検知手段を、支持部材におけるＸ軸
と直交する２方向のうちのいずれか一方の方向へ偏らせ
て配設すると共に、一方の電極を支持部材に接触させて
固定してなる振動ジャイロ。４、三次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在してＹ
軸方向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材と、
これらの腕部材の各一端部を一体的に連結するベース部
とで駆動振動子を構成し、この駆動振動子の前記ベース部に、Ｘ軸方向へ突出する
支持部材を設け、この支持部材の少なくとも一側面に、それに沿って延在してＸ軸方向へ分極された、前記一側
面とほぼ同幅の圧電材料の、Ｘ軸と平行をなすいずれか
の対抗面にそれぞれ電極を設け、かつこれらの電極の少
なくとも一方をＸ軸と直交する方向に二分割して構成さ
れた検知手段を配設すると共に、その一方の電極を支持
部材に接触させて固定してなる振動ジャイロ。