JPH0781865B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

振動ジャイロ

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JPH0781865B2
JPH0781865B2 JP9062385A JP9062385A JPH0781865B2 JP H0781865 B2 JPH0781865 B2 JP H0781865B2 JP 9062385 A JP9062385 A JP 9062385A JP 9062385 A JP9062385 A JP 9062385A JP H0781865 B2 JPH0781865 B2 JP H0781865B2
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axis direction
vibrator
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vibration
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正 近野
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東京航空計器株式会社
正 近野
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、車両,船舶,飛行機,ロボット等の運動体の
方向・姿勢制御等に好適に利用できる振動ジャイロに関
し、特に、振動子を圧電材料単体で構成したときに、単
一振動モードで振動を検出できる電極の取付構造を有す
る振動ジャイロに関する。
(従来の技術) 振動ジャイロとは、ある方向に振動している振動子を長
軸回りに回転させ、その振動と直角方向にコリオリの力
を誘起させるものをいい、そのコリオリの力が回転速度
に比例するので、角速度センサとして利用されている。
振動ジャイロの形状としては音叉形,角棒(音片)形,
弦形などがあり、その基本構造はすでに知られている。
ここでは従来例として音叉形について説明する。第5図
は、振動ジャイロの従来例を示した斜視図である。
第5図において、1は音叉アーム,2は支持棒,3はスプリ
ング,4は固定枠,5は検出手段,6は駆動手段である。
音叉アーム1を駆動手段6により、y方向に振動させ
る。このとき、音叉アーム1が支持棒2を長軸まわりに
角速度Ωで回転すると、y方向に振動している音叉アー
ム1にコリオリの力が働き、x方向にy方向と同じ周波
数の振動成分が発生する。その結果、音叉アーム1には
破線の矢印で示したような偶力が発生し、支持棒2にね
じりモーメントが作用して、スプリング3と釣り合う角
度分だけ回転する。この支持棒2の回転角を検出手段5
で検出すれば、この振動ジャイロ全体が支持されている
移動物体の回転速度を知ることができる。
駆動手段6としては、電磁力により駆動する手段,圧電
体により駆動する手段等が使用され、検出手段5として
は、電磁センサ,静電センサ,圧電センサ,光センサ等
が使用されている。
(発明が解決しようとする問題点) このような音叉形の振動子は、構造が複雑であり、振動
ジャイロ全体が大形かつ高価になるという問題点があっ
た。また、音叉アームのアンバランスによる影響が大き
く、外部振動の影響を受けやすいので、スプリアスな出
力が大きくなり、出力のS/N比が悪くなるという問題点
もあった。さらに、振動方向の分布素子系と検出方向の
集中素子系の共振周波数を合わせるのが困難であり、感
度の低下を招くおそれがあった。
また、従来の振動ジャイロでは、振動子が複数の振動モ
ードで振動し、各振動モードの振動に対応してコリオリ
の力による振動が発生するので、他次振動モードを排除
して、必要な信号だけを取り出すことは難しかった。し
かも、この信号をできるだけ大きな信号として取り出す
ことが難しかった。
本発明の目的は、振動子を圧電材料単体で構成し、その
振動子が1次振動モードまたは2次振動モードのみで振
動するように駆動側の電極を配置することにより、構造
が簡単で製作が容易かつ安価にでき、スプリアスな出力
を少なくしてS/N比を向上させるとともに、検出側との
共振周波数のマッチングがよく、効率の高い検出ができ
る振動ジャイロを提供することにある。
(問題点を解決するための手段) 本発明による振動ジャイロは、以下に示す第1から第2
の構成により前記目的を達成するものである。
第1の構成は、x軸方向に駆動手段で励振させ,z軸回り
に回転したときに,y軸方向に発生したコリオリの力によ
る振動を検出手段で検出する振動ジャイロにおいて、 z軸方向に長軸を有し, x軸に交わる第1の側のx1面と第2の側のx2面と y軸に交わる第1の側のy1面と第2の側のy2面と z軸に交わる第1の側のz1面と第2の側のz2面を有する
6面体形状をしており, z1面側とz2面側が異なるようにx軸方向に分極処理され
た圧電材料からなる振動子と、 前記駆動手段に接続され,前記振動子のy2面とx1面およ
びx2面のy2寄りの面端に配置された板状の駆動側電極
と、 前記検出手段に接続され,前記振動子のx1面およびx2
のy1寄りの面端に配設された板状の検出側電極とからな
り、 各電極は分極の境界面を中心としてz1側とz2側に均等に
またがって配置されて構成されている。
第2の構成は、x軸方向に駆動手段で励振させ,z軸回り
に回転したときに,y軸方向に発生したコリオリの力によ
る振動を検出手段で検出する振動ジャイロにおいて、 z軸方向に長軸を有し, x軸に交わる第1の側のx1面と第2の側のx2面とy軸に
交わる第1の側のy1面と第2の側のy2面とz軸に交わる
第1の側のz1面と第2の側のz2面を有する6面体形状を
しており, x軸方向に分極処理された圧電材料からなる振動子と、 前記駆動手段に接続され,前記振動子のy2面のz1面側お
よびz2面側とx1面およびx2面のz1面側およびz2面側のy2
寄りの面端とに配置された板状の駆動側電極と、 前記検出手段に接続され、前記振動子のx1面およびx2
のz1面側およびz2面側のy1寄りの面端に配設された板状
の検出側電極とからなり、 振動子のz1側半分とz2側半分がそれぞれ逆に振動するよ
うに電極を接続し,それに2次振動をさせる信号を印加
し,z1側とz2側からの逆相出力が加算されるように検出
するように構成されている。
(実施例) 以下、図面等を参照して本発明を詳細に説明する。
第3図から第4図に示される本発明による振動ジャイロ
の実施例を説明する前に、第1図と第2図を参照してよ
り基本的なジャイロの動作を説明する。
第1図は基本的な振動ジャイロの斜視図および振動モー
ドを示した図であり、第2図はその電極配置を示す図で
ある。
音片10は、長方体形状の振動子であって、圧電材料単体
で構成されている。
圧電材料の例としては、PbTiO3系,PZT系,PCM系などの材
料が適している。
第1図(a)において、x軸が励振方向であり、z軸を
中心に角速度Ωで回転したときに、y軸方向にコリオリ
の力が発生する。
ここで、音片10の各面を前記xyz座標を用いて、x軸に
交わる第1の側の面をx1面と,x軸に交わる第2の側の面
をx2面と,y軸に交わる第1の側の面をy1面と,y軸に交わ
る第2の側の面をy2面と,z軸に交わる第1の側の面をz1
面と,z軸に交わる第2の側の面をz2面と定義しておく。
この場合、音片10をx軸方向に一次振動モードで励振す
れば、y軸方向のコリオリの力による振動も一次振動モ
ードになり(第1図(b))、二次振動モードで励振す
れば、コリオリの力による振動も二次振動モードになる
(第1図(c))。
音片10は、白抜きの矢印の方向に分極処理が施されてい
る。振動子10のy2面およびx1,x2面には駆動側の電極20,
22,24が配置されている。
また、振動子の10のx1およびx2面には検出側の電極21,2
3が配置されている。
電極22,24は接続され、電極23,24は接地されている。各
電極20〜24の大きさは、音片10の大きさに対応して定め
られている。
音片10の長さをl,幅をdとすれば、電極20〜24の長さは
lp≒0.6,幅はwp≒1/3dで与えられる。この寸法にす
る理由は、音片10の振動子としてのフィギュアオブメリ
ットに関係する容量比を最小にするとともに、スプリア
スオフセット出力の原因となる3次振動モードの振動の
発生を抑止するためである。
第2図に示す簡単な振動子を例にして駆動と検出の基本
的な態様を説明する。
〔駆動〕ドライブ端子(Dr 端子)20に交流信号を印加
する。
電極20,22に囲まれる部分(第2図(b)の破線の示す
部分の上側)でZ軸方向に伸縮歪みが発生する。
電極20,24に囲まれる部分(第2図(b)の破線の示す
部分の下側)でZ軸方向に縮伸歪みが発生する。
その結果、第2図(c)に示すようにx方向に振動す
る。
〔検出〕振動子がx方向に振動している状態で電極21,2
3の出力電圧は零に近い値となる。
ジャイロを回転し角速度を加える(長軸方向を中心にし
て、角速度Ωで回転させる)とコリオリの力により振動
子はy方向(分極方向と直交する方向)にも振動する。
y方向の振動に対して電極21,23にコリオリの力に比例
する電圧が発生する(y方向の振動は電極21,23間の振
動子のz方向の伸縮を意味し,これに対応する電圧が電
極に現れる。)。
以上の動作を整理すると次のとおりである。
〔逆圧電効果〕ドライブ端子(Dr)に駆動電圧を印加し
て逆圧電効果により歪み振動を発生させる。
〔コリオリの力〕z軸中心の回転を加えてコリオリの力
による前記振動に直角方向の歪み振動を発生させ
る。
〔圧電効果〕前記歪み振動による圧電効果により検出
電極(PU)に発生する電圧を検出する。
第3図は本発明による振動ジャイロの第1の実施例を示
す図である。
第2図に示した振動子と同様にx軸方向に駆動手段で励
振する。振動子をz軸回りに回転させるとy軸方向に発
生したコリオリの力による振動が発生する。
振動子はz軸方向に長軸を有し,x軸に交わる第1の側の
x1面と第2の側のx2面とy軸に交わる第1の側のy1面と
第2の側のy2面とz軸に交わる第1の側のz1面と第2の
側のz2面を有する6面体形状をしている。
この第1の実施例は、分極方向を2方向にしたものであ
り、z1面側とz2面側が異なるようにx軸方向に分極処理
されている。
駆動電極30,32,34は図示しない駆動手段に接続されてい
る。
検出電極31,33は図示しない検出手段に接続されてい
る。
〔駆動〕第2図と同様に電極30,32および34で囲まれる
部分でz軸方向の伸縮が発生する。左半分右半分の分極
方向が逆であるためx方向の2次屈曲振動となる。
第2図と同様に電極30,32または34の信号の大きさを変
えることにより振動の振幅を制御することができる。
〔検出〕x方向の振動に対して電極31,33の出力は零と
なるが、コリオリの力によるy方向の振動に対して左半
分と右半の信号が加算されて31,33に圧電効果による電
圧が現れる。
第4図は本発明による振動ジャイロの第2の実施例を示
した図である。
振動子は前記実施例同様に6面体であり分極方向は、第
2図に示した例と同じでx軸方向に分極処理されてい
る。そして電極はz軸方向に分割されている。
つまり、音片10の10a側には電極40a〜44aが配置され、1
0b側には電極40b〜44bが配置されている。
このように電極を配置することにより、音片10は2次振
動モードで動作する。
第1の実施例および第2の実施例はともに2次振動モー
ドで動作するが、第1の実施例では連続した電極、第2
の実施例では分割した電極を使用している。
第1の実施例は、効率上第2の実施例に劣るが、接続線
が少なくて済むという利点がある。
逆に、第2の実施例は、効率上は最適であるが接続線の
数が多くなる。
〔駆動〕第2図,第3図と同様に電極を分割し、左半
分,右半分を逆相駆動しているためx方向の2次屈曲振
動となる。
第3図に示した実施例と同様40,42または40,44の信号の
大きさを変えることにより振動の振幅を制御することが
できる。
〔検出〕第3図に示した実施例と同様に検出電極に圧電
効果により電圧が現れる。
左半分と右半分の出力が加算される。電極間はリード線
で図示のように接続されている。
以上説明した実施例の分極方向については、圧電材料単
体の中で部分的に変えることができ、その方向と配置の
組合せが種々考えられるが、本実施例ではその中で最も
実用性の高い組合せを示したものである。
なお、各実施例において、駆動方向と検出方向の関係を
逆にすることも、入出力の電極の接地を逆にすることも
可能である。
(発明の効果) 以上詳しく説明したように、本発明によれば、振動子を
圧電材料単体で構成したので、信頼性が高く製造が容易
かつ安価にできた。
また、振動子に1次振動モードまたは2次振動モードの
いずれか1つの振動モードのみの振動が発生するように
したので、スプリアスオフセット出力が少なく、S/N比
を向上させることができた。さらに、駆動系と検出系と
の共振周波数のマッチングが容易で、効率のよい駆動と
検出が可能である。さらにまた、振動子の形状が単純で
あるので、振動の安定性が良く、安定性のよい検出がで
きる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基礎となる振動ジャイロの形状を示し
た斜視図およびその形状に対応する振動モードを示した
図であり、第2図は前記ジャイロの電極配置と接続を示
した図である。 第3図は、本発明による振動ジャイロの第1の実施例を
示した図である。 第4図は、本発明による振動ジャイロの第2の実施例を
示した図である。 第5図は、振動ジャイロの従来例を示した斜視図であ
る。 Dr……駆動端子、PU……検出端子 1……音叉アーム、2……支持棒 3……スプリング、4……固定枠 5……検出手段、6……励振手段 10……音片 20〜24,30〜34,40a〜44a, 40b〜44b,50〜55,60a〜65a, 60b〜65b……電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】x軸方向に駆動手段で励振させ,z軸回りに
    回転したときに,y軸方向に発生したコリオリの力による
    振動を検出手段で検出する振動ジャイロにおいて、 z軸方向に長軸を有し, x軸に交わる第1の側のx1面と第2の側のx2面と y軸に交わる第1の側のy1面と第2の側のy2面と z軸に交わる第1の側のz1面と第2の側のz2面を有する
    6面体形状をしており, z1面側とz2面側が異なるようにx軸方向に分極処理され
    た圧電材料からなる振動子と、 前記駆動手段に接続され,前記振動子のy2面とx1面およ
    びx2面のy2寄りの面端に配置された板状の駆動側電極
    と、 前記検出手段に接続され,前記振動子のx1面およびx2
    のy1寄りの面端に配設された板状の検出側電極とからな
    り、 各電極は分極の境界面を中心としてz1側とz2側に均等に
    またがって配置されて構成したことを特徴とする振動ジ
    ャイロ。
  2. 【請求項2】x軸方向に駆動手段で励振させ,z軸回りに
    回転したときに,y軸方向に発生したコリオリの力による
    振動を検出手段で検出する振動ジャイロにおいて、 z軸方向に長軸を有し, x軸に交わる第1の側のx1面と第2の側のx2面とy軸に
    交わる第1の側のy1面と第2の側のy2面とz軸に交わる
    第1の側のz1面と第2の側のz2面を有する6面体形状を
    しており, x軸方向に分極処理された圧電材料からなる振動子と、 前記駆動手段に接続され,前記振動子のy2面のz1面側お
    よびz2面側とx1面およびx2面のz1面側およびz2面側のy2
    寄りの面端とに配置された板状の駆動側電極と、 前記検出手段に接続され、前記振動子のx1面およびx2
    のz1面側およびz2面側のy1寄りの面端に配設された板状
    の検出側電極とからなり、 振動子のz1側半分とz2側半分がそれぞれ逆に振動するよ
    うに電極を接続し,それに2次振動をさせる信号を印加
    し,z1側とz2側からの逆相出力が加算されるように検出
    するように構成した振動ジャイロ。
JP9062385A 1985-04-26 1985-04-26 振動ジャイロ Expired - Lifetime JPH0781865B2 (ja)

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JPS61247915A JPS61247915A (ja) 1986-11-05
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