JPH06249664A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ｘ軸方向の共振振動数とｙ軸方向の共振振動
数とを、振動子を調整せずに一致させ、コリオリの力に
よる屈曲振動から角速度を検出する感度を向上させる。 【構成】 振動子１にｘ軸方向に屈曲運動の振動ｘ＝AS
inωｔで振動させて速度を与える駆動用圧電トランスデ
ューサ２と、ｙ軸方向に屈曲運動の振動ｙ＝ACosωｔで
振動させて速度を与える駆動用圧電トランスデューサ３
とを備える。これによりｘ軸方向の共振振動数とｙ軸方
向の共振振動数とを、振動子１を調整することなく一致
させ、コリオリの力Ｆｃによる屈曲振動から角速度を検
出する感度を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は飛行体、船舶、車両、
ロボットなどの位置、姿勢制御に適した振動ジャイロに
係わり、特に、コリオリの力による屈曲振動から角速度
を検出する振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図７に示すように振動子２１
のｘ軸面２１x、ｙ軸面２１yにトランスデューサ２２、
２３を貼着し、ｘ軸方向に運動している物体２１にｚ軸
回りに角速度Ωが加わるとｙ軸方向にコリオリの力Ｆc
が発生することが知られている。この原理を利用し、物
体をｘ軸方向に屈曲振動を起こさせて速度を与え、ｚ軸
回りに角速度Ωを受けたときにｙ軸方向に発生するコリ
オリの力Ｆcにより起きる振動を検知することにより、
この角速度Ωを測定する振動ジャイロが提案されている
（特開昭６２−１０６３１５号、特開平１−２５００１
４号、特開平２−５１０６６号、特開平２−８０９１１
号、特開平２−８２１６４号、特開平２−１８７６２１
号、特開平２−１８７６２２号、特開平２−２０１２１
８号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの振動ジャイロ
には、その振動体に着目すれば音又型や図示のような音
片型等色々の種類があるが、何れも振動体２１に駆動用
圧電トランスデューサ２２によりｘ軸方向に屈曲運動の
振動を起こさせ、ｚ軸回りに角速度Ωを受けたときにｙ
軸方向に発生するコリオリの力Ｆｃにより起きる振動を
検出用圧電トランスデューサ２３により検知し、角速度
Ωを測定するものである。

【０００４】このような振動ジャイロは、一般的には図
８（ａ）、（ｂ）に示すような横断面４角形の直方体の
音片で構成された振動子３１のｘ軸面３１xに駆動用圧
電トランスデューサ３２、ｙ軸面３１yに駆動用圧電ト
ランスデューサ３３を貼着し、ｘ軸面３１x′に検出用
トランスデューサ３４、ｙ軸面３１y′に検出用トラン
スデューサ３５を貼着したものが多く採用される。

【０００５】いま、質量ｍの振動子３１に駆動用圧電ト
ランスデューサ３２、３３によりｘ軸方向に屈曲運動の
振動ｘ＝ASinωｔ（Aは振幅）、ｙ軸方向に屈曲運動の
振動ｙ＝ASinωｔ（Aは振幅）を与え、図９、図１０に
示すようなｘ軸、ｙ軸に対して４５゜の方向に励振させ
ｚ軸回りに角速度Ωを受けたとき、この励振方向に９０
゜の位相差をもつ、即ち直交方向に発生するコリオリの
力Ｆｃは図９、図１１に示すようなＦｃ＝2m・(dx/dt)
・Ω＝2AmΩCosωｔとなり、励振で与えた振動と同じ周
波数の振動が励起される。この振動は角速度Ωに比例し
ているので、振動子３１のｘ軸面３１x、ｙ軸面３１yに
駆動用圧電トランスデューサ３２、駆動用圧電トランス
デューサ３３及びｘ軸面３１x′、ｙ軸面３１y′に検出
用トランスデューサ３４、検出用トランスデューサ３５
を貼着し、ｘ軸、ｙ軸に対して４５゜の方向に加振し、
この励振方向に対して直交方向に励起されたコリオリの
力Ｆｃによる屈曲振動を検出測定することで、角速度セ
ンサとして利用できるわけである。

【０００６】そこで、コリオリの力Ｆｃを測定するに
は、加振側（ｘ軸、ｙ軸に対して４５゜の軸線）と検出
側（ｘ軸、ｙ軸に対して４５゜の軸線に直交する軸線）
は同一周波数の信号であるので、ｘ軸、ｙ軸に対して４
５゜の共振振動数ωaと励振方向に対して直交方向の共
振振動数ωbも同一または極めて近接していれば、測定
効率が最もよくなる（図１２）。

【０００７】この特性を達成するために、図１３に示す
ような振動子３１の断面の寸法精度（Ｌ＝Ｌ′）、角度
精度（α＝α′）を厳格に規定している。しかし、振動
子３１の加工に際し、寸法精度は比較的容易に達成する
ことができるが、断面の角度精度は実現が困難であり、
通常、振動子の横断面は平行四辺形に形成される。この
ような横断面４角形の直方体の音片で構成された振動子
３１のｘ軸面３１xに駆動用圧電トランスデューサ３
２、ｙ軸面３１yに駆動用圧電トランスデューサ３３を
貼着し、ｘ軸面３１x′に検出用トランスデューサ３
４、ｙ軸面３１y′に検出用トランスデューサ３５を貼
着したものでは、電圧及び位相を変える補正回路を新た
に設けなければ、共振周波数ωa、ωbを一致させること
ができず（図１２）、コリオリの力による屈曲振動から
角速度を検出する感度の低下を招いている。

【０００８】

【目的】本発明は、このような従来の問題点を解決する
ためになされたもので、寸法精度（Ｌ＝Ｌ′）は出てい
るが、角度精度（α＝α′）は出ていない一般的な振動
子において、ｘ軸方向の共振振動数とｙ軸方向の共振振
動数とを、補正回路を設けることなく一致させ、コリオ
リの力による屈曲振動から角速度を検出する感度を向上
させる振動ジャイロを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の振動ジャイロは、振動子をｘ軸方向又はｙ軸
方向に振動させ、ｚ軸回りに角速度Ωを受けたときに振
動方向に対して垂直な方向に発生するコリオリの力によ
り起きる振動を検知することにより、この角速度Ωを測
定する振動ジャイロにおいて、振動子をｘ軸方向に第１
の駆動信号で振動させる駆動用圧電トランスデューサ
と、振動子をｙ軸方向に第１の駆動信号の振動とは実質
的にπ／2（rad）位相が異なった第２の駆動信号で振動
させる駆動用圧電トランスデューサとから成る回転屈曲
運動を付与する駆動手段を備えたものである。

【００１０】また、駆動手段から付与された回転屈曲運
動の振動方向に対して垂直な方向に発生するコリオリの
力により起きる回転屈曲運動の振動を検知する検知手段
として両駆動用圧電トランスデューサを使用し、或いは
駆動手段から付与された回転屈曲運動の振動方向に対し
て垂直な方向に発生するコリオリの力により起きる回転
屈曲運動の振動を検知する検知手段としてｘ軸方向およ
びｙ軸方向に検知用圧電トランスデューサを使用するも
のである。

【００１１】

【作用】この振動ジャイロは、振動子にｘ軸方向に第１
の駆動信号で振動させる駆動用圧電トランスデューサ
と、振動子をｙ軸方向に第１の駆動信号の振動とは実質
的にπ／２（rad）位相が異なった第２の駆動信号で振
動させる駆動用圧電トランスデューサとから成る回転屈
曲運動を付与する駆動手段を備え、ｘ軸方向の共振振動
数とｙ軸方向の共振振動数とをコリオリの力による回転
屈曲振動とすることにより、振動子を調整することなく
一致させる。

【００１２】このようなコリオリの力による回転屈曲振
動からの角速度を検知する検知手段として両駆動用圧電
トランスデューサを使用し、或いはｘ軸方向およびｙ軸
方向に検知用圧電トランスデューサを使用することによ
り、コリオリの力による回転屈曲振動からの角速度を検
出する感度を向上させることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の振動ジャイロを両端自由の音
片型に適用した実施例につき図面を参照して説明する。
図１（ａ）、（ｂ）において、振動ジャイロに使用する
横断面４角形の直方体の音片で構成された振動子１に
は、振動子１を加振するためのｘ軸面１x′に駆動用圧
電トランスデューサ２、ｙ軸面１yに駆動用圧電トラン
スデューサ３と、駆動用圧電トランスデューサ２、駆動
用圧電トランスデューサ３の出力を検知するためのｘ軸
面１xに検出用圧電トランスデューサ４、ｙ軸面１y′に
検出用圧電トランスデューサ５とが貼着されている。

【００１４】本発明の振動ジャイロにおいて、振動子
は、メカニカルＱ、ヤング率、密度の温度係数、線膨張
係数、等方性などの諸特性を考慮して恒弾性材料が使用
されているＮｉ−ＳＰＡＮ−ＣまたはＣｏ−エリンバ等
の恒弾性金属材料やガラス、セラミック等の恒弾性電気
絶縁物で構成される。後者の恒弾性電気絶縁物としては
ヤング率の温度係数が小さく線膨張係数が小さい絶縁物
で、特殊ガラスが好適に採用される。特殊ガラスは恒弾
性である他、メカニカルＱが大きく等方的であり、振動
子として必要な特性を備えている。特殊ガラスとして
は、低膨張の鉛を含むガラスが特に好ましい。例えば、
PbO-SiO₂、PbO-B₂O₃、PbO-P₂O₅系、R₂O-PbO-SiO₂、R₂O-
CaO-PbO-SiO₂、R₂O-ZnO-PbO-SiO₂、R₂O-BaO-PbO-SiO₂、
R₂O-Al₂O₃-PbO-SiO₂(R₂O:Na₂O、K₂O)系またはこれらのS
iO₂分をB₂O₃若しくはP₂O₅で置換した系が採用できる。
鉛を含むこれらのガラスは恒弾性であって低線膨張係数
を有しており振動ジャイロに必要な特性を具備してい
る。

【００１５】一般に、振動ジャイロに使用する振動子は
特に断面２次モーメントの関係で厳密に正ｎ角形（ｎは
３以上の正の整数）である必要があるので、断面の角度
精度、寸法精度等を厳格に規定するため、切削、研磨し
て調整を行なう際に、恒弾性絶縁物、特にガラスではそ
の作業が容易である。このように形成される振動子１
は、金属線などを振動子１に溶接することによって２点
で支持される。

【００１６】駆動用圧電トランスデューサ２は、ｘ軸方
向に第１の駆動信号の振動であるｘ＝ASinωｔ（Aは振
幅）を与え、振動子１を励振させる。一方、駆動用圧電
トランスデューサ３は、駆動用圧電トランスデューサ２
の駆動信号の振動ASinωｔの位相を実質的にπ／2（ra
d）ずらした屈曲運動の振動、即ちｙ軸方向に第２の駆
動信号の振動であるｙ＝ACosωｔを与え、振動子１を励
振させる。このような駆動用圧電トランスデューサ２、
駆動用圧電トランスデューサ３の出力を、検知手段であ
る振動子１のｘ軸面１xに貼着した検出用圧電トランス
デューサ４、ｙ軸面１y′に貼着した検出用圧電トラン
スデューサ５により検知する。

【００１７】このように検出用圧電トランスデューサ
４、検出用圧電トランスデューサ５により検知された駆
動用圧電トランスデューサ２、駆動用圧電トランスデュ
ーサ３の出力を、例えばｘ−ｙオシロスコープ６のｘ端
子に検出用圧電トランスデューサ４、ｙ端子に検出用圧
電トランスデューサ５を各々印加する。このときのｘ軸
への変位は ｘ＝ASinωｔ ｙ軸方向への変位は ｙ＝ACosωｔ これにより変位は ｘ²＋ｙ²＝１ となる。したがって、変位は回転屈曲運動になり、図２
に示すような円弧状になる。

【００１８】このときの変位の状態を端的に表すと、図
３に示すように変位速度が駆動用圧電トランスデューサ
２、駆動用圧電トランスデューサ３、検出用圧電トラン
スデューサ４、検出用圧電トランスデューサ５間で円方
向に働く状態になる。この変位速度に対して、ｚ軸回り
に角速度±Ωで回転させれば図４に示すように、変位速
度を表す半径ｒの円に対して直角方向（±Δｒ）にコリ
オリの力Ｆcが励起される。このような円方向に働く変
位速度とコリオリの力Ｆcとを、ｘ−ｙオシロスコープ
６のブラウン管面に表示させると図５に示すような楕円
になって表れる。ここで、楕円方向に働く変位速度は実
線のリサージュで、コリオリの力Ｆcは実線のリサージ
ュから点線のリサージュへの変化量で示される。

【００１９】このように振動ジャイロの振動子１は回転
屈曲運動を呈するため図１３に示すような振動子３１の
断面の角度精度（α＝α′）を厳格に寸法付けされなく
ても、駆動用圧電トランスデューサ２、駆動用圧電トラ
ンスデューサ３による励振及び検出用圧電トランスデュ
ーサ４、検出用圧電トランスデューサ５による検知の共
振振動数ωa、ωb（図１２）が、図６に示すように全く
同一になるので測定効率が最も良くなる。

【００２０】また、振動子１の加工精度等の関係でｘ−
ｙのリサージュは必ずしも円にはならないが、駆動用圧
電トランスデューサ２と駆動用圧電トランスデューサ３
との励振信号のレベルを調整して、円に近づけることが
可能である。尚、本実施例においては、振動子１のｘ軸
面１x′に駆動用圧電トランスデューサ２（ｘ＝ASinω
ｔ）、ｙ軸面１yに駆動用圧電トランスデューサ３（ｙ
＝ACosωｔ）が貼着していたが、これに限らず振動子１
のｘ軸面１x′に駆動用圧電トランスデューサ３（ｙ＝A
Cosωｔ）、ｙ軸面１yに駆動用圧電トランスデューサ２
（ｘ＝ASinωｔ）を貼着しても、共振振動数を全く同一
にすることができる。

【００２１】更に本実施例では、振動ジャイロを４角形
の直方体振動子を使用した音片型に適用した例について
説明したが、本発明の振動ジャイロは横断面ｎ角形（ｎ
は３以上の正の整数）の多辺体の音片型にも適用でき
る。この場合、ｘ軸方向、ｙ軸方向とはその横断面ｎ角
形のｘ軸方向、ｙ軸方向成分をいうものとする。

【００２２】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように本発
明の振動ジャイロによれば、振動子にｘ軸方向に第１の
駆動信号で振動させる駆動用圧電トランスデューサと、
振動子をｙ軸方向に第１の駆動信号の振動とは実質的に
π／２（rad）位相が異なった第２の駆動信号で振動さ
せる駆動用圧電トランスデューサとから成る回転屈曲運
動を付与する駆動手段を備えたものであり、コリオリの
力による回転屈曲振動からの角速度を検知する検知手段
として両駆動用圧電トランスデューサを使用し、或いは
ｘ軸方向およびｙ軸方向に検知用圧電トランスデューサ
を使用することにより、ｘ軸方向の共振振動数とｙ軸方
向の共振振動数とを、補正回路を設けることなく一致さ
せ、コリオリの力による回転屈曲振動からの角速度を検
出する感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動ジャイロを示す図で、（ａ）は斜
視図、（ｂ）は接続詳細図。

【図２】本発明の振動ジャイロの振動波形を示す図。

【図３】本発明の振動ジャイロの振動波形の簡略図。

【図４】本発明の振動ジャイロの振動波形の簡略図。

【図５】本発明の振動ジャイロの動作特性を示すｘ−ｙ
オシロスコープ図。

【図６】本発明の振動ジャイロの動作特性を示す図。

【図７】従来の振動ジャイロの斜視図。

【図８】従来の振動ジャイロを示す図で、（ａ）は斜視
図、（ｂ）は接続詳細図。

【図９】従来の振動ジャイロの励振方向と検出方向とを
示す図。

【図１０】従来の振動ジャイロの振動波形を示す図。

【図１１】従来の振動ジャイロの振動波形を示す図。

【図１２】従来の振動ジャイロの動作特性を示す図。

【図１３】振動ジャイロに使用する振動子の説明図。

【符号の説明】

１……振動子 ２……駆動用圧電トランスデューサ（ｘ＝ASinωｔ） ３……駆動用圧電トランスデューサ（ｙ＝ACosωｔ） ４、５……検出用圧電トランスデューサ ６……ｘ−ｙオシロスコープ Ω……角速度 Ｆc……コリオリの力

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子をｘ軸方向又はｙ軸方向に振動さ
   せ、ｚ軸回りに角速度Ωを受けたときに前記振動方向に
   対して垂直な方向に発生するコリオリの力により起きる
   振動を検知することにより、この角速度Ωを測定する振
   動ジャイロにおいて、前記振動子を前記ｘ軸方向に第１
   の駆動信号で振動させる駆動用圧電トランスデューサ
   と、前記振動子を前記ｙ軸方向に前記第１の駆動信号の
   振動とは実質的にπ／2（rad）位相が異なった第２の駆
   動信号で振動させる駆動用圧電トランスデューサとから
   成る回転屈曲運動を付与する駆動手段を備えたことを特
   徴とする振動ジャイロ。
2. 【請求項２】前記駆動手段から付与された回転屈曲運動
   の振動方向に対して垂直な方向に発生するコリオリの力
   により起きる回転屈曲運動の振動を検知する検知手段と
   して両駆動用圧電トランスデューサを使用することを特
   徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】前記駆動手段から付与された回転屈曲運動
   の振動方向に対して垂直な方向に発生するコリオリの力
   により起きる回転屈曲運動の振動を検知する検知手段と
   して前記ｘ軸方向およびｙ軸方向に検知用圧電トランス
   デューサを使用することを特徴とする請求項１記載の振
   動ジャイロ。