JPH07128065A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安定した振動モードになる振動子を容易に加
工することができ、更に圧電素子を容易に貼着させる。 【構成】 ケーシング内に支持用ピンで支持される振動
子１を、正四角形１ａの内心円５の半径より長く正四角
形１ａの外心円６の半径より短い半径の円形１ｂにより
正四角形１ａを面取りした横断面形状から成る柱状にす
る。これにより振動子１を加工する際に、厳密な角度精
度、寸法精度が要求されないので加工が容易になり、更
に振動モードを安定させることができる。また、このよ
うな横断面形状に形成させたので、振動子１に対して圧
電素子（駆動用圧電トランスデューサ、検出用圧電トラ
ンスデューサ）を容易に貼着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、速度を有する物体に角速度が
加わると、その速度の方向に垂直な方向にコリオリの力
が発生することが知られている。この原理を利用し、図
６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、振動子２１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により起きる屈曲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】これらの振動ジャイロには、その振動子に
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、何れも振動子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により起きる振動の振動数を検出用圧電
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】この場合、振動子２１の駆動側（ｘ軸）の
共振周波数とｙ軸方向に発生するコリオリの力Ｆｃの共
振周波数とはそれぞれ振動子２１の断面２次モーメント
をＩとすればＩ^1/2に比例するので、ｘ軸方向とｙ軸方
向との振動子２１の断面２次モーメントＩが一致し、し
たがってｘ軸方向とｙ軸方向との振動子２１の共振周波
数ωも一致することが振動ジャイロの特性の安定化、検
出効率の点で望ましい。このような振動ジャイロの特性
を満足させる振動子の形状として、正ｎ角形（ｎは３以
上の正の整数）の横断面を有する音片が使用されてい
る。この音片の横断面は正ｎ角形の重心を通るすべての
中線に対して断面２次モーメントが等しいことが要求さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図７（ａ）、
（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）に示すような正ｎ角形のｎ
の小さい正四角形、正三角形から成る振動子５１、６１
では、横断面の寸法精度（Ｌ＝Ｌ′）、角度精度（α＝
α′）のバラツキが断面２次モーメントに大きく影響す
るので、振動ジャイロの測定効率に大きく影響を与える
ことになる。従って振動子は極めて高精度に加工する必
要があった。一方、正ｎ角形のｎが大きくなれば横断面
の寸法精度（Ｌ＝Ｌ′）、角度精度（α＝α′）のバラ
ツキによる断面２次モーメントに与える影響が少なくな
るので、振動ジャイロの測定効率のバラツキが良好にな
るが、加工が困難となり相対的に逆効果になる。

【０００６】また、振動子の横断面形状を円形（ｎ＝
∞）にすることにより、加工技術に係わらず振動ジャイ
ロの測定効率を良好にすることができる。しかし、振動
子に圧電素子を貼着する振動ジャイロでは、振動子に対
して圧電素子を適切に貼着することが困難であった。

【０００７】

【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、安定した振動モードになる振動
子を容易に加工することができ、更に圧電素子を容易に
貼着することができる振動ジャイロを提供することを目
的とする。

【０００８】

【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、横断面形状が正ｎ角形（但
しｎは３以上の正の整数）で構成された角柱形状の振動
子を備えた振動ジャイロにおいて、正ｎ角形で構成され
た振動子を正ｎ角形の内心円の半径より長く正ｎ角形の
外心円の半径より短い半径の円形により面取りされる横
断面形状にしたものである。

【０００９】

【作用】横断面形状が正ｎ角形から成る振動子を正ｎ角
形の内心円の半径より長く正ｎ角形の外心円の半径より
短い半径の円形により面取りされる横断面形状にしたの
で、正ｎ角形の重心を通るどのような中立軸に対して
も、断面２次モーメントを安定させることができる。こ
れにより安定した振動モードになる振動子を容易に加工
することができ、更に圧電素子を容易に貼着することが
できる。

【００１０】

【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。
本発明の振動ジャイロは図２に示すように、振動子１を
ｘ軸方向に屈曲運動の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による振動を検知することにより、この
角速度Ωを測定するものである。この振動ジャイロに使
用する振動子１は図１に示すように、正四角形１ａの内
心円５の半径より長く正四角形１ａの外心円６の半径よ
り短い半径の円形１ｂにより正四角形１ａを面取りした
横断面形状から成る柱状である。即ち図３（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に示すように、正四角形の内心円５、正
四角形の外心円６間の範囲に円形１ｂを位置させれば、
正四角形１ａを円形１ｂにより面取りした横断面形状に
することができる。

【００１１】これにより振動子１の横断面形状を形成す
る正四角形１ａの重心と円形１ｂの中心とを通るどのよ
うな中立軸に対しても、断面２次モーメントを一定にさ
せることができる。更に、このように形成される振動子
１の横断面形状には鋭角部や直角部がないので、断面２
次モーメントの急激な変化部分がなくなる。尚、図４
（ａ）、（ｂ）に示すように、正四角形１ａと円形１ｂ
とが接触しているだけでは、振動子１の断面２次モーメ
ントを一定にさせたり、断面２次モーメントの急激な変
化部分をなくすことはできない。

【００１２】このような振動子１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−ＳＰ
ＡＮ−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、Pb
O-P₂O₅系、R₂O-PbO-SiO₂、R₂O-CaO-PbO-SiO₂、R₂O-ZnO-
PbO-SiO₂、R₂O-BaO-PbO-SiO₂、R₂O-Al₂O₃-PbO-SiO₂(R
₂O:Na₂O、K2O)系またはこれらのSiO₂分をB₂O₃若しくはP
₂O₅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。

【００１３】更に振動子１には、振動子の共振周波数で
ｘ軸方向に振動させて速度を与えるために、そのｘ面１
ｘに駆動用圧電トランスデューサ２、ｙ軸方向に発生す
るコリオリの力Ｆｃによる振動を検知するために、その
ｙ面１ｙに検出用圧電トランスデューサ３が貼着されて
いる。駆動用圧電トランスデューサ２に駆動信号を印加
し、振動子１のｘ軸方向に振動させて速度を与えれば、
検出用圧電トランスデューサ３によりｙ軸方向の信号を
検出してｙ軸方向に発生するコリオリの力Ｆｃによる振
動を検知し、出力信号を取り出す。尚、振動子１のｘ面
１ｘ、ｙ面１ｙにそれぞれ駆動用圧電トランスデューサ
２、検出用圧電トランスデューサ３を４個貼着し、これ
らのトランスデューサをブリッジ回路に形成することに
より効率よく信号を取り出すことができる。

【００１４】尚、振動子１は支持用ピン４でケーシング
内に支持されている。以上のように構成された振動ジャ
イロの動作について以下に述べる。振動子１を駆動用圧
電トランスデューサ２によりｘ軸方向に振動させて速度
を与える。この状態で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による振動が検出用
トランスデューサ３から検出される。この場合、振動子
１は、正四角形１ａを正四角形１ａの内心円５の半径よ
り長く正四角形１ａの外心円６の半径より短い半径の円
形１ｂにより面取りした横断面形状から成るので、振動
子１の横断面形状を形成する正四角形１ａの重心と円形
１ｂの中心とを通るどのような中立軸に対しても、断面
２次モーメントを一定にさせることができ、かつｘ軸方
向共振周波数ωｘとｙ軸方向共振周波数ωｙとを合致す
ることが可能になる。

【００１５】更に、このような振動子１の横断面形状に
は鋭角部や直角部がないので、断面２次モーメントの急
激な変化部分がなくなり、振動モードを安定させること
ができる。このため検出効率が向上し、特性の安定性を
高くすることができる。尚、本実施例では振動ジャイロ
を、正四角形１ａを正四角形１ａの内心円５の半径より
長く正四角形１ａの外心円６の半径より短い半径の円形
１ｂにより面取りした横断面形状から成る振動子１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（但しｎは３以上の正の
整数）を横断面ｎ角形の内心円の半径より長く横断面ｎ
角形の外心円の半径より短い半径の円形により面取りし
た横断面形状から成る振動子を使用する音片型にも適用
できる。例えば図５に示すように、正三角形１０ａを正
三角形１０ａの内心円１１の半径より長く正三角形１０
ａの外心円１２の半径より短い半径の円形１０ｂにより
面取りした横断面形状から成る振動子１０でも同様の効
果を得ることができる。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。

【００１６】

【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、横断面形状が正ｎ角形（但
しｎは３以上の正の整数）で構成された角柱形状の振動
子において、正ｎ角形で構成された振動子を正ｎ角形の
内心円の半径より長く正ｎ角形の外心円の半径より短い
半径の円形により面取りされた横断面形状にしたことに
より、振動子を加工する際に厳密な角度精度、寸法精度
が要求されないので加工が容易になり、更に振動子の振
動モードを安定させることができる。また、単なる円形
ではなく、正ｎ角形を正ｎ角形の内心円の半径より長く
正ｎ角形の外心円の半径より短い半径の円形により面取
りした横断面形状にしたので、振動子に対して圧電素子
を容易に貼着させることができる。このため検出効率が
向上し、特性の安定性を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動ジャイロに使用する振動子の形状
を示す断面図。

【図２】本発明の振動ジャイロを示す斜視図。

【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の他の実
施例における振動ジャイロに使用する振動子の形状を示
す断面図。

【図４】図４（ａ）、（ｂ）は正四角形と円形との組合
せでも本発明の振動ジャイロに使用する振動子として使
用できない形状を示す断面図。

【図５】本発明の他の実施例における振動ジャイロに使
用する振動子の形状を示す断面図。

【図６】従来の振動ジャイロを示す斜視図。

【図７】従来の振動ジャイロに使用される正四角形の振
動子を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面
図。

【図８】従来の振動ジャイロに使用される正三角形の振
動子を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面
図。

【符号の説明】

１…振動子 １ａ…正四角形 １ｂ…円形 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…支持用ピン Ω…角速度 Ｆc…コリオリの力

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】横断面形状が正ｎ角形（但しｎは３以上の
   正の整数）で構成された角柱形状の振動子を備えた振動
   ジャイロにおいて、前記正ｎ角形で構成された前記振動
   子を前記正ｎ角形の内心円の半径より長く前記正ｎ角形
   の外心円の半径より短い半径の円形により面取りされる
   横断面形状にしたことを特徴とする振動ジャイロ。