JPH08271256A - 振動ジャイロおよび防振装置 - Google Patents
振動ジャイロおよび防振装置Info
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Abstract
分を精度良く検出することができ、また、振動子形状の
単純化、部品点数の削減、組立工程の単純化、製造組立
精度の向上を図る。 【構成】 互いに直交した2軸腕を有する十字型の振動
子を形成し、2軸方向が互いに逆位相となるような屈曲
振動モードを励振させるよう夫々2軸方向に平行な振動
子の側面に配した加振手段と、該加振手段による励振駆
動に伴い該振動子の2軸の廻りの角速度の発生により生
ずる振幅変調信号を検出するよう該振動子の夫々2軸方
向に平行で且つ前記加振手段を有する面と直交する側面
に配した角速度信号検出手段と、該加振手段からの信号
を増幅位相変換して該加振手段へ帰還させ且つ前記角速
度信号検出手段に振幅変調信号の検波用参照信号を送る
移相増幅回路とで自励発振回路を構成する。
Description
ジャイロおよび防振装置に関する。
ジャイロが知られている。振動ジャイロは、「速度を持
った物体に角速度を加えるとコリオリの力が生じる」と
いう原理を基に、物体に振動を加えて速度を与え、この
物体に角速度が加わったときに生じるコリオリの力をバ
ネ系で受け、入力した角速度に比例したコリオリの力を
バネ系の変位として検出し、物体に加わった角速度を送
出するものである。
体、つまり、振動子の形状としては、音叉型、H型等が
あるが、従来の振動ジャイロは、単一の振動子を持ち、
単に一平面内での回転を検出する構造、すなわち一軸方
向の角速度を検出する構造としている。
メラその他の移動体に搭載してその角速度を検出しよう
とする場合、該移動体は一般的に1次元のみでなく、2
次元、3次元の角速度成分が生じるので、正確な角速度
を検出するには、1軸方向の角速度しか検出できない従
来の振動ジャイロでは適当でなかった。
分の角速度を検出できる振動ジャイロが種々提案され
た。この2軸タイプの振動ジャイロの作動原理について
以下に説明する。
図である。圧電体1,1′で圧電素子2を挟持固定した
構造の振動子Aは、圧電素子2の一部に、この振動子A
のねじり固有振動数に略一致する交流電圧VC を印加す
ると、振動子Aにはねじり振動が発生する。いま、振動
子Aに、x軸まわり又はy軸まわりの角速度が加わる
と、コリオリの力によってそれぞれz−x平面内、又は
y−z平面内の曲げ振動が発生し、それぞれの曲げ振動
による歪みを検出する圧電素子には、加えられた角速度
に比例した交流電圧VA 又はVB が発生する。
するための支持部材である。
来例では、振動体1と1′の間に数枚の圧電素子2を挟
持し固定する構成であったため、部品点数が多くなり、
その結果組立て工程が複雑になり、又、精度良い組立て
が難しいものとなり、更に、軸方向に長く、スペースを
とるなどの欠点があった。
に係る発明の第1の目的は、上記問題点を解決すること
にある。
状を単純化することにある。
ップにある。
にある。
純化にある。
度向上にある。
置として応用することにある。
発明の第1の目的を実現する構成は、請求項1に記載の
ように、互いに直交した2軸を有する十字型の振動弾性
体と、該振動弾性体の2軸方向が互いに逆位相となるよ
うな屈曲振動モードを励振させる加振手段と、該加振手
段による励振により該2軸の回りの角速度によって生じ
た変位を検出する検出手段とを有する振動子を備えたこ
とを特徴とする振動ジャイロにある。
2軸を有する十字型の振動弾性体で振動子を形成したの
で、2軸回りの角速度成分を同時に検出することができ
る。また、振動子形状が単純化でき、部品点数が削減さ
れて、その結果組立て工程が単純化され、且つ製造組立
精度も向上することができる。更に、振動子の屈曲振動
方向の厚みを小さくすることができるので、従来のよう
に屈曲振動方向にスペースを採られるようなことがな
い。
構成は、請求項2に記載のように、請求項1において、
振動弾性体は金属部材により形成され、加振手段と検出
手段は夫々電気−機械エネルギー変換素子で構成されて
いることを特徴とする振動ジャイロにある。
ことができ、電気−機械エネルギー変換効率の大きな出
力により精度の高い角速度信号検出を行なうことができ
る。本出願に係る発明の第3の目的を実現する構成は、
請求項3に記載のように、請求項1において、振動弾性
体は積層圧電素子で構成されていることを特徴とする振
動ジャイロにある。
効面積の増加により、加振モードの振幅、検出信号の分
極電荷量が増加して、角速度信号検出の出力を向上する
ことができる。
構成は、請求項4に記載のように、請求項1乃至3のい
ずれかにおいて、十字型の振動弾性体の各端部に振動変
位拡大構造を形成したことを特徴とする振動ジャイロに
ある。
て例えば十字型の振動しの腕先端の質量を増加させるこ
とにより、角速度の発生に伴うコリオリ力が増加し、角
速度検出感度を向上することができる。また、慣性モー
メントが大きくなるので、1つの加振手段と2つの角速
度信号検出との固有振動数を下げることができる。ま
た、同一固有振動数条件のときには、単純な十字形状に
比べて2軸方向に腕の寸法を極力小さくすることで振動
子を小型化することができる。
構成は、請求項5に記載のように、請求項1乃至4のい
ずれかにおいて、十字型の振動弾性体の各軸方向を構成
する部材は、各軸方向と直交する方向の厚みが一様であ
ることを特徴とする振動ジャイロにある。
純化することができ、且つ角速度検出感度を向上するこ
とができる。
構成は、請求項6に記載のように、請求項1乃至5のい
ずれかにおいて、振動弾性体は弾性支持部材により支持
されていることを特徴とする振動ジャイロにある。
できるので、角速度を精度良く検出することができる。
構成は、請求項7に記載のように、請求項1乃至6のい
ずれかに記載の振動ジャイロを防振センサーとして用い
たことを特徴とする防振装置にある。
カメラ等を手で持ったときに生ずる低周波数の手ぶれを
補正するための防振装置に用いられる補正用バリアング
ルプリズムの振動センサーとして用いることで、2軸回
りの防振対策を容易に行なうことができる。
す。
示しており、1は平面十字形状に形成された金属製の振
動弾性体で、同一平面上の4ケ所の腕部表面と、その腕
部の各側面に夫々圧電素子2が設けられて振動子が形成
される。これらの圧電素子2は印加された電気信号を機
械的変位に変換する機能、振動弾性体の貼り付けられた
面の伸縮変位(歪み)を電気信号に変換する機能を有し
ていて、これらの信号は表面に印刷された電極3を通し
て回路と入出力されるようになっている。
子2からの信号VZOUTを入力とし、他の3つの同一平面
に設けられている圧電素子2への信号VZIN を出力する
ことで自励発振を行なわせる。振動子1の自励発振する
モードは、図2の(a)に示したような、十字状の振動
子1において、y軸方向に沿って対向する2つの腕がz
軸の正方向に屈曲変形するときに、x軸方向に沿って対
向する2つの腕がz軸の負方向に屈曲変形するようなモ
ードである。
速度ωx が加わると、振動子が矢印↑又は↓で示したよ
うな方向に速度ベクトルをもつならば、回転軸(x軸)
と速度ベクトルとに互いに直交する白ぬき矢印で示した
ような方向にコリオリ力が発生する。振動子は図3に示
したような、y軸方向の曲げ固有モードを有するので、
このモードと自励発振しているモードの固有振動数が略
一致しているならば、コリオリ力によって図3のような
モードの振動が生ずる。なお、図2、図3のメッシュは
有限要素解析に用いたメッシュである。
側面は伸び又は縮む。そこで、このx軸方向の腕の側面
に、伸び又は縮みによって発生する電位Vx1,Vx2の符
号が逆であるような、少くとも1対の圧電素子2を貼り
付ける。例えば、図1のように1対でもよいし、その裏
側にも設けて2対にしてもよい。以上のように、VX1と
VX2は逆位相であるので、減算回路5aを用いて、両者
に適当な係数を掛けた後に減算すれば、信号Vx が得ら
れる。信号Vx は、角速度ωx が加わらないときほぼ0
で、ωx が加わっているときには、図4の(b)に示し
たような、自励発振振動の周波数の信号が角速度ωx の
振幅で変調されたAM波である。AM波Vx を、参照信
号VREF を用いて検波回路6aにより検波(復調)する
と、図4(c)のような角速度信号Vxoutが得られる。
同様で、コリオリ力によって生ずるx軸方向の振動モー
ド(図3をz軸まわりに90°回転させた形)を、1対
又は2対の圧電素子2で符号が逆の電位Vy1,Vy2に変
換し、減算回路5bでそれぞれに適当な係数を掛けた後
に減算して信号Vy を得、検波回路6bでAM検波(復
調)すれば、y軸まわりの角速度信号Vyoutが生ずる。
示す如く、振動する系8、例えばカメラやビデオカメラ
に設け、x軸及びy軸まわりの角速度信号を、防振装置
9、例えば低周波数の手ぶれの補正用バリアングルプリ
ズムの入力に用いれば、2軸まわりの防振(例えば手ぶ
れ補正)装置を構成することができる。
度良く容易に製造でき、z軸方向にうすいためスペース
を取らない2軸検出振動ジャイロ及びこれを用いた防振
装置を得ることができる。
例において、第1の実施例と略同じ部分には同じ符号を
付し、その説明を省略する。
施例を示す。
出モード(y軸方向に振動するモード)の有限要素解析
結果を示す。
の先端に三角形の部分が設けられている。この図は第1
の実施例の図3に対応しており、腕の先端の形状が異な
る他は第1の実施例と同じ動作をする。
によって生ずる速度)で表されるコリオリ力Fが大きく
なり角速度ωの検出感度を良くすることができる。
トが大きくなり3つ(加振1つ、検出2つ)の固有振動
数を下げる、または単純十字棒に比べ固有振動数が同等
なときx,y方向寸法を小さくすることができる。
す。
出モードの有限要素解析結果を示す。
腕の先端に四角形の部分が設けられている。この図は第
1の実施例の図3に対応しており、腕の先端の形状が異
なる他は第1の実施例と同じ動作をする。
によって生ずる速度)で表されるコリオリ力Fが大きく
なり角速度ωの検出感度を良くすることができる。
ントが大きくなり3つ(加振1つ、検出2つ)の固有振
動数を下げる、または、単純十字棒に比べx,y方向寸
法を小さくすることができる。さらに、四角形の板に4
つの切欠きを設けた形状となっているので、図5に示し
た第2の実施例よりも加工が容易である。
実施例を示す。
に圧電素子2を設けて振動子を形成しているが、本実施
例は、十字形の振動子自体を積層型の圧電素子により形
成したものであり、図7の(a)、(b)、(c)に各
層を形成する圧電素子板1a、1b、1cの平面図を示
し、図7の(a)に示す最上層の圧電素子板1aには電
極パターン3a1 〜3a12が形成され、図7の(b)に
示す中間層の圧電素子板1bには電極パターン3b1 〜
3b12が形成され、図7の(c)に示す最下層の圧電素
子板1cには電極板パターン3c1 〜3c12が夫々形成
されており、これらの電極パターンを示す符号の添字
(1〜12)は電気的に導通する電極パターンのグルー
プを示している。なお、10はスルーホールを示す。
a、3b、3cを形成した圧電素子板1a、1b、1c
は、各層の圧電体の下面を隣接する電極で接合するよう
に挟持して積層されて振動子を形成している。
理は、図8の(a)に示すように、最上層の電極3aの
夫々に配線を行い、高電圧Vpo1 を加えることにより行
っている。
圧電素子内部は、図8の(b)の断面図に矢印で示した
方向に分極される。即ち、図中左側の電極パターン3a
1 の下の部分は上から順に上向き、下向きと交互に分極
される。また、図中右側の電極パターン3a7 の下の部
分は、上半分が上下に交互に分極され、中央の電極パタ
ーン3b8 の上下では同方向に、そしてその下の部分は
再び交互に分極される。
a7 と3a9 にVZIN を印加すると、図9の(a)に示
したように、上半分が伸びたとき下半分が縮むように変
形するのでz軸方向の加振モードが励起される。
形するモードが生じているとき、電極パターン3a1 の
下の部分は縮み、電極パターン3a3 の下の部分は伸び
るので、電極パターン3a1 と3a3 からは符号が反転
した信号Vy1及びVy2が生ずる。
接続すると、図1に示す第1の実施例と同様な2軸まわ
りの角速度を検出できる振動ジャイロを構成できる。な
お、この実施例の効果は、圧電素子を積層化して有効面
積を大きくしているため、加振モードの振幅を大きくで
きること、及び、検出信号の電荷量を大きくして検出精
度を向上し得ることである。
示すものであり、印加電圧VZIN を可変抵抗Rx 、Ry
を介して、電位Vx1、Vx2、Vy1、Vy2に重畳している
点が異なる。
よって発生するVx1、Vx2、Vy1、Vy2に含まれる不要
な電圧を除去して角速度検出精度を向上させることがで
きるものである。
は他のパターンでもよい。即ち、十字状振動子に交互に
z軸方向に振動するモードを発生させることができ、か
つ、x軸方向及びy軸方向の曲げ変位を検出させること
ができる任意のパターンであればよい。
斜視図(電極は不図示)を示すものであり、ループ状の
弾性支持部材10aによって、振動体1が支持台7に支
持固定されている。なお、この弾性支持部材10aは、
加振及び検出に用いる3つの振動モードへの影響が小さ
いような位置及び形状のものとすればよい。
斜視図(電極は不図示)を示すものであり、棒状の弾性
支持部材10bによって、振動体1が支持台7に固定さ
れている。なお、この弾性支持部材10bは、加振及び
検出に用いる3つの振動モードへの影響が小さいような
太さ及び長さの軸とする。
子1を固定できるので、角速度を精度良く検出できる。
両者は形状が異なるので、振動子を置くスペースに応じ
て使い分ければよい。
互いに直交した2軸を有する十字型の振動弾性体で振動
子を形成したので、2軸回りの角速度成分を同時に検出
することができる。また、振動子形状が単純化でき、部
品点数が削減されて、その結果組立て工程が単純化さ
れ、且つ製造組立精度も向上することができる。更に、
振動子の屈曲振動方向の厚幅を小さくすることができる
ので、従来のように屈曲振動方向にスペースを採られる
ようなことがない。
を単純化することができ、電気−機械エネルギー変換効
率の大きな出力により精度の高い角速度信号検出を行な
うことができる。
素子による有効面積の増加により、加振モードの振幅、
検出信号の分極電荷量が増加して、角速度信号検出の出
力を向上することができる。
拡大構造として例えば十字型の振動子の腕先端の質量を
増加させることにより、角速度の発生に伴うコリオリ力
が増加し、角速度検出感度を向上することができる。ま
た、慣性モーメントが大きくなるので、1つの加振手段
と2つの角速度信号検出との固有振動数を下げることが
できる。また、同一固有振動数条件のときには、単純な
十字形状に比べて2軸方向の腕の寸法を極力小さくする
ことで振動子を小型化することができる。
外観形状を単純化することができ、且つ角速度検出感度
を向上することができる。
緩衝的に支持できるので、角速度を精度良く検出するこ
とができる。
メラやビデオカメラ等を手で持ったときに生ずる低周波
数の手ぶれを補正するための防振装置に用いられる補正
用バリアングルプリズムの振動センサーとして用いるこ
とで、2軸回りの防振対策を容易に行なうことができ
る。
(a)は振動ジャイロの回路ブロック図、(b)は防振
装置の概略斜視図
子の振動モードを示す斜視図
子の振動モードを示す平面図
子の信号波形を示し、(a)はX軸方向の振動子側面に
発生する電位、(b)は角速度による振幅変調信号、
(c)は振幅変調信号を復調した後の角速度信号
子の振動モードを示す平面図
子の振動モードを示す平面図
子の分解図で、(a)は最上部の圧電素子板の上面図、
(b)は中間部の圧電素子板の上面図、(c)は最下部
の圧電素子板の上面部
子を示し、(a)は斜視図、(b)は断面図
子を示し、(a)はz軸方向の加振モードの励起状態の
斜視図、(b)は(a)の励起状態の平面図
路ブロック図
路ブロック図
動ジャイロの斜視図
動ジャイロの斜視図
Claims (7)
- 【請求項1】 互いに直交した2軸を有する十字型の振
動弾性体と、該振動弾性体の2軸方向が互いに逆位相と
なるような屈曲振動モードを励振させる加振手段と、該
加振手段による励振により該2軸の回りの角速度によっ
て生じた変位を検出する検出手段とを有する振動子を備
えたことを特徴とする振動ジャイロ。 - 【請求項2】 請求項1において、振動弾性体は金属部
材により形成され、加振手段と検出手段は夫々電気−機
械エネルギー変換素子で構成されていることを特徴とす
る振動ジャイロ。 - 【請求項3】 請求項1において、振動弾性体は積層圧
電素子で構成されていることを特徴とする振動ジャイ
ロ。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかにおいて、十
字型の振動弾性体の各端部に振動変位拡大構造を形成し
たことを特徴とする振動ジャイロ。 - 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかにおいて、十
字型の振動弾性体の各軸方向を構成する部材は、各軸方
向と直交する方向の厚みが一様であることを特徴とする
振動ジャイロ。 - 【請求項6】 請求項1乃至5のいずれかにおいて、振
動弾性体は弾性支持部材により支持されていることを特
徴とする振動ジャイロ。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかに記載の振動
ジャイロを防振センサーとして用いたことを特徴とする
防振装置。
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