JPS61102513A - ジヤイロ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ジャイロ装置、特に振動型或いは音叉型ジャ
イロ装置のうち、電磁駆動型のジャイロ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の振動型ジャイロ装置としては、例えば第
６図に示すようなものがある。この第６図に示す従来の
ジャイロ装置では、音叉（１１を、撓み軸（３）を介し
て基台（２）に取り付ける。音叉（１）の右脚（１１）
及び左脚（ＩＩＡ）の振動端には、強磁性体より成る駆
、動体（１２）　、　　（１２Ａ）が図の如く装着され
ている。一方、基台（２）と一体をなす円筒状の外筺（
５）には、駆動コイル（４）があり、このコイル（４）
に電流を通じたとき生ずる磁界の中心線が、はぼ駆動体
（１２）　、　　（１２Ａ）の配列と一致するように、
駆動コイル（４）が位置ぎめされている。駆動コイル（
４）に交流電源（１６）から電路（２５）を経て交流電
流を通じると、これによって駆動コイル（４）に生じた
磁界により駆動体（１２）　、　　（１２Ａ）はそれぞ
れコイル（４）内に引込まれるような電磁力をうける。

このとき、駆動体（１２）　、　　（１２＾）が磁性的
に互いに引合う力も重畳して生ずる。交流電流の流れる
方向が逆転しても、駆動体（１２）　、　　（１２Ａ）
は駆動コイル（４）内に引込まれるので、音叉（１）は
、駆動コイル（４）に流す交流電流、すなわち電源（１
６）の周波数の２倍の周波数で振動する。駆動コイル（
４）に流す電流の周波数と振幅をほぼ一定に保つと、音
叉（１）も、はぼ一定の周波数と振１■で振動を持続す
る。音叉（１）の撓み軸（３）の軸（Ｚ−Ｚ）のまわり
に、角速度Ωが人力されると、音叉（１１の振動速度■
、入力角速度Ωに対応したコリオリの力Ｆｃが音叉（１
）に発生し、これにより、音叉（１）全体が軸（Ｚ−Ｚ
）のまわりに交番的に回転する。すなわち捩り振動が、
音叉（１１に発生し、その振幅はΩに正しく比例するの
で、これを撓み軸（３）から、振幅または応力変化を測
定して検出すると、装置全体をΩの検出器、すなわち回
転レートセンサーとして使うことができる。第６図の従
来の例では、撓み軸（３）の角振動検出器は、（１７）
で概念的に示されている。角振動検出器（１７）は、撓
み軸（３）の上下の偏角を直接求めるよう配置された差
動変圧器等の電磁式ピックアップや光電式ピックアップ
、撓み軸（３）に装着したストレインゲージや圧電素子
、さらには撓み軸（３）の捩れを曲げとして感知するよ
う撓み軸（３）に装着された電歪素子などが用いられ得
る。すなわち、一体構造のものの一部が基台側にあるも
の等多岐に渉るので、概念的に示した。

角振動検出器（１７）の出力は、電路（１９）を経てデ
モシュレータ（２１）で、電源（１６）の交流電圧、ま
たは図示のとおり電路（２０）を介して電源（１６）と
同期し、これと一定の位相関係を有するよう倍周波発生
器（２３）で作られた電路（２０Ａ　＞を介した２倍周
波交流電圧と、位相関係を比較して、同期整流され、そ
の出力は電路（２２）を経て出力される。一般にはΩが
方向、大きさ共一定であれば、デモシュレータ（２１）
の出力は一定の直流電圧であり、Ωの方向が逆となると
、出力の直流電圧の極性が反転し、出力電圧の絶対値は
Ωの大きさに比例する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来の振動ジャイロにあって
は駆動体（１２）　、　　（１２Ａ　）が互いに引き合
う力以外に、駆動コイル（４）が直接、駆動体（１２）
。

（１２Ａ）をコイル（４）内に引込もうとする強力な電
磁力が、駆動体（１２）　、　　（１２Ａ）に働いてい
るため、外筺（５）または基台（２）からのステー等（
図示せず）に固定されている駆動コイル（４）と、駆動
体（１２）　、　　（１２八）、いいかえると音叉（１
）との位置関係が、音叉（１）の振動状況に影響をもつ
という欠点をもっている。たとえば、駆動コイル（４）
が、紙面上、少し右へづれて支持されており、駆動体（
１２）の方が駆動体（１２Δ）よりコイル（４）に少し
深く入っていたとすると、同じ駆動電流に対し、駆動体
（１２）のうける電磁力は駆動体（１２Ａ）の受けるそ
れよりも大きく、このため右脚（１１）の方が左脚（Ｉ
ＩＡ　）より振幅が大きくなってしまい、このような不
平衡振動発生のため、Ω検出のスケールファクターや零
点に狂いを生ずることが知られている。

また、駆動コイル（４）の位置によっては、音叉（１）
にはじめから＜２−２）軸まわりの捩り振動を与えてし
まい、零点の狂いの原因になったりする。

このような、駆動体（１２）　、　　（１２Δ）に対す
る駆動コイル（４）の位置的不平衡は、微妙なことを言
えば、本来避は難いので、このため、第６図の公知の振
動ジャイロは駆動電源（１６）の周波数、電圧の変動に
対しスケールファクターや零点の変化を生ずる欠点があ
った。

また、このような従来例においては、電源（１６）の交
流電圧と、音叉（１）の力学的振動との間の位相関係が
、常に一定に保たれていないという問題がある。振動が
定宿状態であれば、理論上は両者間には一定の位相関係
が成立する筈であるが、実際には力学的外乱にさらされ
ているため、力学的振動には、常に定常解の他に過渡現
象解が混在しているためと考えられる。このためにデモ
シュレータ（２１）の出力は、精度低下と好ましくない
変動を有している。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、少なくとも１対の振動質量部を有する振動す
る音叉状振動子と、該振動子に連続振動を与えるための
駆動装置と、上記振動子の中心をとおり該振動子の脚と
平行な入力軸のまわりの上記振動子の角振動を検出する
装置とを有するジャイロ装置において、上記振動子を強
磁性体より形成し、上記駆動装置は上記振動子と無接触
に巻回されそれに交流電流通じたときのその発生磁界が
上記振動子を直列に一巡するよう配置された巻線とした
ことを特徴とするジャイロ装置を提供するものである。

〔作用〕

駆動コイル（１４）が電源（１６）よりの交流電流によ
り駆動され、それよりの交流磁界により、振動子又は音
叉（１）の両脚の端部の振動質量部（１１−１）　。

（１１−１＾）の対向部に、両極性の磁界が交流の１ナ
イクルに２回発生し、両振動質量部（１１−１）　。

（１１−１八）が互に吸引し合い、音叉（１）は交流の
周波数の２倍の周波数で振動する。この時、両脚（１１
）　、　　（ＩＩＡ）の振動を検出し、この検出出力に
基づき、音叉（１）の出力軸の角振動を同期整流し、角
速度Ωを検出する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。第１図は、本
発明の一実施例を示す図である。また、同図の音叉（１
１は簡単のため、強磁性体製とする。

同図の例では、第６図の駆動コイル（４）は除去され、
駆動体（１２）　、　　（１２Ａ　）も除去されている
。

一方、駆動コイル（１４）　、　　（１４八）が図の如
く、音叉（１）の１対の脚（１１）　、　　（１１＾）
の下方に、それぞれに対して非接触的に配置されている
。断面で示されている駆動コイル（１４）　、　　（１
４＾）は図では直列につながれていおり、例えば駆動コ
イル（１４）に流した電流により第１図中で脚（１１）
内に実線矢印で示したよって磁束を生ずるものとすれば
、駆動コイル（１４Ａ、　’）では同じく脚（１１八’
）内に実線矢印のような磁束を生ずるよう駆動コイル（
１４八）の極性を定めるものとする。図示せずも、駆動
コイル（１４）　、　　（１４＾）は音叉（１）とは無
接触に、基台（２）または外筺（５）（第６図参照）に
固定される。

以上説明したような第１図の構造においては、駆動コイ
ル（１４）　、　　（１４＾）に電源（１６）より電路
（２５）を介して交流電流を通ずるとき、その交流の成
る半サイクルで、実線矢印のごとき磁束を生じたとする
と、両脚（１１）　、　　（ＩＩＡ）の遊端部の振動質
量部（１１−１）　’＋　　（１１−１＾）は、一方（
１１−ＩＡ　）がＮ極他方（１１−１）がＳ極となり、
互いに引きあう磁気力をうけ、このため振動質量部（１
１−１）　、　　（１１−ＩＡ）の間隔は狭くなるよう
脚（１１）　、　　（１１Δ）が運動させられる。この
ときの磁極を■、■であられしである。交流電流が逆転
し、磁束が点線矢印で示すように生ずると振動質量部（
１１−１）　、　　（１１−１八）に生ずる磁極も反転
し、・神ンで示したＮ極が振動質量部（１１−１）に、
（＄：・で示したＳ極が振動質量部（１１−１＾）に生
じる。しかしながら、磁気力は、やはり異極同志の引力
である。このため交流の１サイクルの間に、音叉＋１）
は２度内側へ運動する。したがって音叉（１）の振動数
は駆動交流の周波数の２倍となる。

本発明の実施例たる第１図の例に於いては、第６図で問
題となったような、駆動コイル（４）と音叉（１１の強
磁性体間の引力は、脚（１１）　、　　（ＩＩＡ）の長
手方向に働き、音叉（１）の振動方向と直角である。

このため、この力が存在しても、振動の状況に影響を与
えることはできない。また、第１図のごとく駆動コイル
（１４）　、　　（１４Ａ）が、強磁性体の音叉（１）
の両脚（１１）　、　　（１１へ）の振動基部近傍に挿
入された状態では、コイル（１４）　、　　（１４Ａ）
と音叉（１）の間に生ずる力は、第６図のように強磁性
体がコイル（４）の人口付近にあるのにくらべて、一般
的に小さい。このような理由により、第１図のものでは
、駆動コイル（１４）　、　　（１４Ａ　’）の音叉（
１）に対する取付けの位置及び姿勢は、音叉（１）の振
動状況に全く影響を与えないと言ってよく、本発明によ
れば、音叉（１）の振動は、自分自身の両脚間の引力に
よってのみ支配される。かくして第６図の例と異なり、
第１図の本発明の例では、駆動電源（１６）の電圧や周
波数の変化が、振動ジャイロとしての出力のスケールフ
ァクタや、零点に％９することはなく、第６図記載のも
のの持つ欠点を全く有しない振動ジャイロを得ることが
できる。

また、振動ジャイロは、本来温度変化の影響の少ないこ
とが望まれているが、第１図のものは温度変化に対し、
振動特性の変化の少ない材料、すなわち熱恒弾性材が用
いられ、この材料は同時に強磁性を有するので、この材
料でできた音叉に、そのま−通用して、すぐれた振動ジ
ャイロを得ることができる。

こ＼で、第１図の実施例における捩れ検出系についての
説明を加えておく。第１図の例においては、新に音叉（
１）の振動を直接測定する振動検出器（１８）　、　　
（１８Ａ）が、音叉（１）のそれぞれの脚（１１）　。

（ＩＩＡ）にもうけられている。第１図では振動検出器
の片方（１８Ａ）の出力が電路（２０）を通じてデモシ
ュレータ（２１）に基準位相信号として与えられている
ように画かれている。すなわち、本実施例の要点の一つ
は、デモシュレータ（２１）の基準信号が、電源（１６
）の位相を基準にしておらず振動検出器（１８）　、　
　（１８Ａ）の少なも一方、または両方の出力の位相を
基準にしていることである。

こうすることにより、第６図の従来例に示したような電
源（１６）に位相基準を求めることについての、−切の
欠点が解決する。なぜてらば振動検出器（１Ｂ）　、　
　（１８＾）の発生電圧は、力学的振動の位相をもって
いるので、これと同じ！力学系振動である撓み軸（３）
のまわりの角振動とは常に一定の位相関係があるため、
力学系が過渡現象を生じたときも、全く同じ位相関係が
音叉（１１の振動と角振動との間に成立するからである
。振動検出器（１８）。

（１８Ａ）は音叉（１１に直接装着した電歪素子やスト
レインゲージでよいが、基台（２）との間の電磁ピック
アップ、光電ピックアンプ等の使用をさまたげるもので
はない。また振動検出器（１８）　、　　（１８Ａ）の
出力は、シリースにして用いても、パラにして用いても
いだけでなく、第１図に示すとおり、振動検出器（１８
）　、　　（１８Ａ　）のうち、どちらか一方のみの使
用でもさつかえない。また、第１図の場合、第６図の倍
周波発生器（２３）が不要となるメリットもある。尚、
第１図に於いて、第６図と同一符号は、互いに同一素子
を示すものとし、それ等の説明は省略する。

第２図は、第１図と異なる他の実施例の主要部を示す。

この例では、′駆動コイル（１４）　、　　（１４＾）
は音叉（１）の夫々の脚（’１１）　、　　（ＩＩＡ　
）の基底部に設置されている。この部分では、音叉（１
）は殆ど振動しないので、第１図の例と異り、駆動コイ
ル（１４）　、　　（１４Δ）の巻枠を直接音叉（１）
の両脚（１１）　。

（１１Δ）の基底部に固定することが可能である。

駆動コイル（１４）　、　　（１４Ａ）は、これに交流
電流を通じたとき、音叉（１）内に第１図と全く同じ磁
束を生ずるので、この第２図の例の動作原理も、メリッ
トも全く第１図の例と同じである。またこの第２図の例
の捩れ振動検出系も、全く第１図の例と同じなので、そ
の図示も説明も省略する。

第１図及び第２図の例では、２つの駆動コイル（１４）
　、　　（１４Ａ）は直列に接続するとしたが、第１図
と同じ磁束を生ずるようにすればよいので、極性をその
ようにえらんで並列に接続してもさしつかえない。

第３図は本発明の更に他の実施例で、同一出願人による
特願昭５８−４５２３４号のジャイロ装置の音叉の駆動
に本発明の磁気駆動方式を適用したものである。尚、同
図に於いて、第１図と同一の機能を持つ部材は同一の番
号を付し一部説明を省略している。

第３図において、平板状の基台（２）上に、その上面と
略々垂直となる如く、短冊状バイモルフ圧電素子からな
る角振動検出器（１７）を取りつける。

尚、この際必要に応じて取付部（３０＾）を用いても良
い、こ、の例に於いては、高透磁率材製の音叉（１）を
、振動質量部（１１−１）　、　　（１１−ＩＡ）これ
等のそれぞれに連結した撓み部（１−２）　、　　（１
−２Ａ）及び両撓み部（１−２）　、　　（１−２Δ）
の冬遊端を連結する基部（１−３＞より構成する。基部
（１−３）の上面に、Ｌ字状取付部（１−４）の一方の
脚（１−４ａ）が略＼垂直上方に伸びる如く固定し、他
方の脚（１−４ｂ）が両撓み部（１−２）　、　　（１
−２Ａ）と略＼平行に伸びる如くなすと共に、基部（Ｌ
−３）の下面にカウンターウェイト部（１−５）を取り
つける。

上述の如く構成した音叉（１）を次の如く短冊状バイモ
ルフからなる角振動検出器（１７）に固定する。

即ち音叉（１）の両撓み部（１−２）　、　　（１−２
八）の隙間に、角振動検出器（１７）の幅方向ＣＢ）が
延在する如く角振動検出器（１７）の上端に、Ｌ字状取
付部（１−４）の脚（１−４ｂ）を固定する。かくすれ
ば、音叉（１）はその振動面（音叉面）が第３図に示す
如く、水平に設置された基台（２）の板面と略〜平行即
ら角振動検出器（１７）の長手方向と直交する如く取付
けられることになる。尚、この場合両撓み部（１−２）
　、　　（１−２Ａ）間の隙間は、角振動検出器（１７
）が振動し、音叉（１）の振動面が傾斜しても角振動検
出器（１７）のバイモルフと両撓み部（１−２）。

（１−２４）とが接触しないような値に設定されている
と共に、音叉（１）の振動質量部（１１−１）　、　　
（１１−１八）及びカウンターウェイト部（１−５）等
が基台（２）の上面に接触しないように、角振動検出器
（１７）の基台（２）上の高さは設定されている。

又、（１−６）　、　　（１−６Ａ）は、音叉（１）の
両撓み部（１−２）　、　　（１−２Ａ）に取付けた音
叉（１１の振動検出用の検出圧電素子、（１４）は音叉
（１）の駆動コイルで基台（２）に固定されており、音
叉（１）の一方の撓み部（１−２Ａ）がこのコイル（１
４）の内部を非接触的に貫通している。

駆動コイル（１４）は交流電源（１６）により、励磁さ
れ音叉（１）に同図、φで示す交番磁束を生ぜしめ、こ
れによって音叉＋１）の振動質量部（１１−１）　。

（１１−１＾）は、交流電源（１６）の電源周波数の２
倍の周波数で吸引され、振動質量部（１１−１）　。

Ｊｌｌ−ＩＡ　）に同図■で示す方向反対の交番振動を
励起させる。

角振動検出器の（１７）の出力は電路（１９）により、
音叉（１）の検出圧電素子（１−６）　、　　（１−６
八）からの音叉（１）の振動に対応した信号は電路（２
ｏ）により、デモシュレータ（２１）に入力され、同期
整流することにより同図（Ｚ　−Ｚ）軸まわりに加えら
れた入力角速度Ωに対応した角速度信号が検出できる。

第４図に示す如く、本発明の第３図に示した構成の例で
は、音叉（１）、Ｌ字状取付は部（１−４）及びカウン
ターウェイト部（１−５）全体の重心（Ｇ）は、角振動
検出器（１７）のバイモルフの長手方向（同図に於いて
は、上下方向）の長さの略％の位置に来るように設計さ
れている。今、速度Ｖで振動しつつある音叉（１）の振
動質量部（１１−１）　、　　（１１−１Ａ）に、角速
度Ωが作用し、コリオリの力ＦＣが発生すると、音叉（
１）に偶力が働き、その振動面が前の状態（水平）より
、θで示す変角だけ傾斜し、角振動検出器（１７）のバ
ネ剛性と均りあう。

ここで、角振動検出器　（１７）は、第４図に示す如（
，２枚の薄板状圧電素子（１７−１）　、　　（１７−
２）を接合したバイモルフと称される素子であるので、
同図の如く変形した場合、一方の圧電素子（１７−２）
には、圧縮応力が、又、他方の圧電素子（１７−１）に
は、引張り応力が発生し、従って、それぞれに設けた電
極（図示せず）間には、変形量に応じた電圧が生ずる。

即ち音叉（１）の振動質量部（１１−１）　。

（１１−１＾）の振動振幅及び振動周波数が一定であれ
ば、圧電素子（１７−１）　、　　（１７−２）間に発
生する上記電圧は、入力角速度Ωに比例するので、ジャ
イロ装置を得ることが出来る。

第５図は、振動質量部（１１−１）　、　　（１１−１
＾）が振動速度■で振動している音叉（１）に、その振
動面に平行な外部加速度αが作用した時の角振動検出器
（１７）の変形状態を示したものである。上述の如く、
音叉（１）等の重心（Ｃ）は、角振動検出器（１７）の
長手方向の略中心に位置している為、角振動検出器（１
７）は、音叉（１）の水平を保持して、ΔＸだけ横（水
平）方向に変位して、加速度αと均り合う。

即ち、角振動検出器（１７）は、第５図に示す如く、Ｓ
字状に彎曲するため、その上半分と下半分とでは、その
曲率が逆転して、その電極間に電圧は発生しない。即ち
、音叉（１）の振動面と平行な、即ち水平方向の振動等
による加速度が、音叉（１１に加わっても、入力角速度
Ωの検出に影響を与えることはない。

上述の如く、第３図に示した例においては、音叉（１）
の基部（１−３）に、振動質量部（１１−１）　。

（１１−１４）方向に向かってその一脚（１−４ｂ）が
伸びるＬ字状取付部（１−４）を設け、基台（２）に垂
直に取付けた角振動検出器（１７）を、音叉（１）等の
略重心ＣＧ）の位置を通ってその中央隙間を貫通させ、
その他端に、Ｌ字状取付部（１−４）の脚（１−４ｂ）
を結合させるという極めて簡単な構造で、ジャイロ装置
を実現している。

面、第１図及び第２図に示した例においては、音叉（１
）を交流電源（１６）にて励振させる構成を示したが、
その代わりに、第３図の検出圧電素子（１−６）　、　
　（１−６Ａ）の出力を入力とした自励発振回路を用い
、音叉（１）をその自己共振周波数で振動させるような
構造としても差しつかえない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、以下に列挙
する効果が得られる。

（１１駆動電源（１６）の周波数、電圧の変動などに対
応するスケールファクタの変化や零点の狂いを防止もし
くは著しく低減することができる。

（２）駆動コイル（１４）　、　　（１４Ａ　）の位置
に関し、微妙な調整を一切必要としない。

（３）　　熱恒弾性材の音叉に通用して、特にすくれた
安定性をもつ振動ジャイロを得ることができる。

（４）　　撓み軸（３）のまわりの振動を角振動検出器
（１７）で検出しこれを音叉（１）の振動を検出する検
出器（１Ｂ）　、　　（１８Ａ）の位相を基準として処
理することにより従来より高精度かつ安定な振動ジャイ
ロ装置を得ることができる。

（５）さらに倍周波発生器（２３）は全く不必要で取・
り去ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構造説明図、第２図は
本発明の第１図の例と異なる他の実施例を示す部分説明
図、第３図は本発明のさらに他の実施例を示す斜視図、
第４図及び第５図は夫々第３図の例の動作の説明に供す
る路線図、第６図は従来のジャイロ装置の一例を示す構
造説明図である。 図計いて、＋１）は音叉、（１１）　、　　（ＩＩＡ）
はその脚、（１１−１）　、　　（１１−ＩＡ）はその
振動質量部、（１−２）　、　　（１−２Ａ）はその撓
み部、（２）は基台、（３）は撓み軸、（５）は外筺、
（１４）　、　　（１４＾）は駆動コイル、（１６）は
交流電源、（１７）は角振動検出器、（１Ｂ）　、　　
（１８＾）は振動検出器、（２１）はデモシュレータ、
（１−６）　、　　（１−６Ａ）は圧電素子、（Ｚ−２
＞は入力軸、（Ω）は入力角速度を夫々示す。 第４図 第５図 第６図 手続ネｄｉｒＥ書　　　（方式） ％式％ ３．１市ＩＦをする者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　東京都大田区南浦田２丁目１６番４６号名称（
３３８）株式会社東京計器 代表取締役　廣　野　信　衛 ４、代理人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも１対の振動質量部を有する振動する音叉状振
   動子と、該振動子に連続振動を与えるための駆動装置と
   、上記振動子の中心をとおり該振動子の脚と平行な入力
   軸のまわりの上記振動子の角振動を検出する装置とを有
   するジャイロ装置において、上記振動子を強磁性体より
   形成し、上記駆動装置は上記振動子と無接触に巻回され
   それに交流電流通じたときのその発生磁界が上記振動子
   を直列に一巡するよう配置された巻線としたことを特徴
   とするジャイロ装置。