JPH0726849B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

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〕

従来のこの種の振動ジャイロとしては、例えば、第10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の二枚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それぞ
れの検知振動子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が、これらの
いずれにおいても、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
大きくすることとしている。

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。

なお一般的には、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〜100
μｍ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、そこから所定の接続端子
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11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。

ところがこの場合には、連結部材５の、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、駆動振動子２と検知振動子３との、連結
部材５への接着を同時に行うためには、接着剤が硬化す
るまで、駆動振動子２および検知振動子３のそれぞれ
を、連結部材５に、所定の相対関係の下で正確に位置決
め保持するために必要となる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り、また、こ
のような接着作業を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。

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〕

この発明の第１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、Ｚ軸方向へ突
出させて固定したところにおいて、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
面体形状の圧電材料の、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、Ｘ軸方向に分極された他
の圧電材料の、Ｚ軸と直交するそれぞれの面に検知用電
極を設けてなる第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、第１および
第２の腕部材のそれぞれの自由端に、Ｙ軸方向へ偏って
位置する第１および第２の振動質量を設けたものであ
り、この発明の第２の振動ジャイロは、第２の振動子
を、前述したところに代えて、直六面体形状をなす圧電
材料をＺ軸方向へ分極させるとともに、その圧電材料
の、Ｘ軸と直交するそれぞれの面に検知用電極を設ける
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12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Ｖ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 で表される。これによれば、振動速度Ｖ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も大きくなる。従ってここでは、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。

かくして、この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モーメント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。

またここでは、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
せて腕部材を構成することから、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、とかも、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ごと
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、それらの両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軸
と直交するそれぞれの面に配設した場合および／また
は、基台に、検知用電極に接続される電極を設けた場合
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1
8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Ｚ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
例として説明すると、第２図に示すように、Ｘ軸と直交
する２面x₁，x₂、Ｙ軸と直交する２面y₁，y₂およびＺ軸
と直交する二面z₁，z₂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y₁，y₂のそれぞれに駆動用電極
9,10を設けることによって、駆動手段として機能する第
１の振動子11を構成し、また、第３図に示すように、第
２図に示す圧電材料８と同様の形状および寸法を有する
圧電材料８をＸ軸方向に分極処理するとともに、それ
の、Ｚ軸と直交する面z₁，z₂に検知用電極12,13をそれ
ぞれ設け、そして好ましくは、これらの検知用電極12,1
3のそれぞれの接続端子12′,13′を、Ｙ軸と直交するそ
れぞれの面y₁，y₂上に配置することにとよって、検出手
段として機能する第２の振動子14を構成する。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y₁とを相互に対向させて、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。

このようにして構成される第１および第２の腕部材16,1
7において、第２の振動子14の接続端子12′,13′は、そ
れぞれの検知用電極12,13の外部接続を容易ならしめる
べく機能し、また、導電性シム15は、腕部材16,17の機
械的強度を向上させるとともに、電極10,12の相互接続
および、それらの電極10,12の外部接続を容易ならしめ
るべく機能する。

またこでは、第６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y₁，y₂に、検知用電極13に
接続される電極19,20を設け、これらの電極19,20の接続
端子19′,20′を、基台18の、Ｘ軸と直交するいずれか
一方の面、図では面x₁上に配設することによって、検知
信号の取り出しを容易ならしめる。

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接着させることに
より、それぞれの検知用電極13を、接続端子13′を介し
て基台電極19,20に接続し、そしてさらに、それぞれの
腕部材16,17の自由端に、第１および第２の振動質量の2
1,22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、これらの振動質量21,22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
れらの振動質量21,22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16,17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。

第７図は、この発明の他の実施例を示す斜視図である。
この図に示す実施例は、第８図に示すように、第１およ
び第２の腕部材16,17の、検知手段として機能する第２
の振動子26を、圧電材料８をＺ軸方向へ分極させるとと
もに、その圧電材料８の、Ｘ軸と直交するそれぞれの面
x₁，x₂に検知用電極27,28を設け、そして好ましくは、
それらの電極27,28の接続端子27′,28′を、Ｙ軸と直交
するそれぞれの面y₁，y₂上に配設することによって構成
したものである。このような第２の振動子26を用いた腕
部材16,17は、好ましくは第９図に示すように、その振
動子26の面y₁と第１の振動子11の面y₂とを、導電性シム
15を介して相互接合することにより構成される。

なお、この振動ジャイロの、他の部分の構成は、前述し
た実施例と同様である。

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23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24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1
6,17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14,26にはねじり剪断応力が作用して、検知用電
極12,13間および検知用電極27,28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が生じ
る。

そこでたとえば、基台18に設けた一方の電極19からリー
ド線25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、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
することができる。

また、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。

さらにここでは、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図〜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、基台への電極の形成例を示す斜視図、 第７図は、この発明の他の実施例を示す斜視図、 第8,9図はそれぞれ、第２の振動子の他の例およびその
振動子を用いた腕部材を例示する斜視図、 第10図は、従来例を示す斜視図、 第11図は、従来の連結部材を示す斜視図、 第12図は、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、
12,13,27,28…検知用電極、14,26…第２の振動子、15…
導電性シム、16…第１の腕部材、17…第２の腕部材、18
…基台、19,20…電極、21…第１の振動質量、22…第２
の振動質量

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 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状の圧電材料の、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、Ｘ軸方
   向に分極された他の圧電材料の、Ｚ軸と直交するそれぞ
   れの面に検知用電極を設けてなる第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、 第１および第２の腕部材のそれぞれの自由端に、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。
2. 【請求項２】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、 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状の圧電材料の、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の、Ｘ軸と直交するそれぞ
   れの面に検知用電極を設けてなる第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、 第１および第２の腕部材のそれぞれの自由端に、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。
3. 【請求項３】第１の振動子と第２の振動子とを、導電性
   シムを介して接合してなる請求項１もしくは２に記載の
   振動ジャイロ。
4. 【請求項４】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軸と直交する面に配設してなる請
   求項１〜３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
5. 【請求項５】前記基台に、検知用電極に接続される電極
   を設けてなる請求項１〜４のいずれかに記載の振動ジャ
   イロ。