JPS62162915A - エネルギ−閉じ込めジヤイロスコ−プ - 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、物体の回転率すなわち回転速度の測定に用い
るレート・ジャイロスコープに関し、特に、振動エネル
ギーを閉じ込めるように駆動電極を配置して振動させた
圧電材平板が振動軸に直交する軸の周りに受けた回転率
をコリオリカに基づいて測定する取扱い容易な小型・高
感度のエネルギー閉じ込めジャイロスコープを実現した
ものである。

（従来の技術） 一般に、この種レート・ジャイロスコープとしては、回
転ロータ型が数十午前から広く用いられて来たが、回転
体を用いたジャイロスコープは、軸受はベアリングを必
要とするために寿命が短く、しかも、動的および静的な
バランス調整など、製作工程に手数をかける必要があっ
た。

一方、かかる回転体の使用を排して、低周波の機械的振
動を利用した音叉ジャイロスコープあるいは音片ジャイ
ロスコープが最近話題になっているが、これらの振動型
ジャイロスコープは、研究が緒についたばかりであって
研究論文の発表も少ない。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した振動型ジャイロスコープも、従来の回転型と同
様に機械的振動を利用しているが故に、軸受摩耗の問題
こそないが、音叉や音片を用いているので本来その振動
周波数が低く、回転率印加の際のコリオリカ発生の感度
が不十分であり、振動エネルギー洩れの点で支持固定が
困難であり、外部衝撃に対して不安定である、など、ジ
ャイロスコープとして実用するうえで種々の問題点があ
った。

本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し、機械
的に振動する音叉や音片に替えて弾性波振動を行なう圧
電材素子を使用し、振動エネルギー閉じ込めモードで動
作させてエネルギー洩れをなくし、支持固定を容易にす
るとともに外部衝撃に対しても安定にし、高い周波数域
で使用して回転率印加時に発生するコリオリカを増大さ
せて高効率、高感度の取扱い容易なレート・ジャイロス
コープを提供することにある。

本発明の他の目的は、エネルギー閉じ込めモードで動作
させることにより、従来の音叉ジャイロスコープや音片
ジャイロスコープを駆逐し、レーザジャイロスコープや
オプトファイバージャイロスコープなどのオプトジャイ
ロスコープの機能に接近するのみならず、これを凌駕し
、民需品として将来勝ち残れるレート・ジャイロスコー
プヲ提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、小型、高安定であって、ロ
ボットや船舶、航空機などの方向センサとして好適な、
さらには、スペースシャトルやミサイルにも使用し得る
レート・ジャイロスコープを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明レート・ジャイロスコープにおいては、弾性波振
動を行なう圧電材振動子に交流電圧を印加して駆動する
ためにその圧電材振動子に被着す・る電極の質量負荷効
果および圧電反作用あるいは振動子とする圧電材平板の
厚味の部位による差違などによって振動エネルギーを圧
電材平板の中央部などに閉じ込め、振動エネルギーの少
ない両端部で安定に支持固定し得るようにするとともに
、駆動用および検出用の電極対を適切に構成配置して平
行電界励振型もしくは交差指電極駆動検出型のエネルギ
ー閉じ込めを行ない、高感度、高安定のジャイロ動作を
行ない得るようにしたものである。

すなわち、本発明レート・ジャイロスコープは、それぞ
れほぼ長方形をなす対称形状の各外周面を有する圧電材
平板を長手方向の両端部において支持し、厚味方向の対
称軸にそれぞれ直交するとともに互いに直交する他の２
対称軸の方向の圧電弾性波振動にそれぞれ対応するそれ
ぞれ少なくとも１個ずつの電極片よりなる２組の・電極
対を外周面にそれぞれ設け、前記圧電材平板に予め厚味
方向の分極を施すとともに前記２組の電極対の一方に交
流電圧を印加してその電極対に対応する対称軸方向の圧
電弾性波振動を発生させ、厚味方向の対称軸の周りに回
転率が加わったときにコリオリ力による圧電弾性波振動
に基づいて前記２組の電極対の他方に生ずる前記回転率
に比例した交流電圧を検出することにより、振動エネル
ギーを閉じ込めた状態で前記回転率を測定し得るように
したことを特徴とするものである。

（作　用） 本発明レート・ジャイロスコープにおいては、従来の機
械的な回転もしくは振動にはよらず、圧電弾性波振動を
振動エネルギーを閉じ込めた状態でジャイロ動作に用い
ているので、従来に比してコリオリカが大きく、ジャイ
ロスコープとして従来に比し格段に優れた高感度、高安
定が得られとともに、支持固定などの取扱いが極めて容
易となり、堅牢で外部衝撃に強いなどの格別の作用効果
が得られる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、平行電界励振型とした本発明レート・ジャイロス
コープの構成例を第１図に示す。図示の構成においては
、例えばＮ−８材とする圧電セラミックスよりなる長方
形の圧電材平板１の両端部に比して中央部における厚味
をやや増大させる。

さらに、両端部の上下両面に駆動用電極対２．２′およ
び３．３′を対向配置するとともに、厚味を増大させた
中央部の上下両面に信号検出用電極４゜４′を対向配置
し、上下両面の各電極２．３．４と２’、３’、４’と
の間に直流電圧を印加して予め厚味方向に分極を施して
おく。

かかる構成の圧電材平板１について、第１図に示したよ
うに、長手方向にＸ軸、幅方向にｙ軸、厚味方向に２軸
をそれぞれ設定したとき、第２図に示すように、圧電材
平板１の分極軸５をＺ軸方向に一致させ、板面に平行で
分極軸５に垂直に交流電界６．６′が印加されるように
電極板２．２′および３，３′にそれぞれ接続した電源
端子Ｄ１およびＤ２に交流電圧源を接続して電気的に駆
動する。かかる平行電界により励振されて、圧電材平板
ｌの中央部における厚味の大きい部分には、圧電弾性波
が伝搬するＸ軸方向に平行な変位７，７′を有する１次
の厚味剪断（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　５ｈｅａｒ：ＴＳ）
　モードの定在波が立ち、一方、両端部における厚味の
小さい部分には圧電弾性波の振動が指数的に減少して振
動が及ばなくなり、振動エネルギーの閉じ込めが行なわ
れ、両端部を固定支持しても圧電振動の状態には影響し
ない。

かかる状態にある振動子としての圧電材平板１に両端支
持部を介して厚味方向の対称軸となるｚ軸の周わりに回
転率としての角速度Ωが印加されると、圧電振動軸Ｘお
よび回転軸２に直交するｙ軸方向に生ずる周知のコリオ
リカにより、第３図（ａ）　に示すように、ｙ軸方向の
変位８，８′を生ずる厚味捩り（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　
Ｔｗｉｓｔ：ＴＴ）モードの振動が励振される。この捩
り振動の圧電効果によって生ずる電圧を、圧電材平板Ｉ
の中央部にｙ軸方向に対向させて配置した電極対４．４
′に第３図（ｂ）に示すように接続した端子ＰＩ＋　Ｐ
２から、前述した圧電振動子駆動原理とは逆の発生原理
によって検出することができる。このコリオリカによっ
て生ずる圧電振動の振幅は印加した角速度Ωの大きさに
比例するので、端子ＰＩ、　Ｐ２に現われる検出出力電
圧の大きさによって印加した角速度すなわち回転率を測
定することができる。

なお、前述した振動エネルギー閉じ込めが可能な振動モ
ードとしては圧電材平板１における３次の厚味剪断（Ｔ
Ｓ）モードも利用することができ、その場合には、第１
図に示したように両端部の厚味より増大させた圧電材平
板１の中央部における厚味は両端部の厚味と同一にし、
均一な厚味の圧電材平板ｌにより振動子を構成する。ま
た、第１図に示した本発明レート・ジャイロスコープの
構成例においては、圧電励振と圧電検出との人出力関係
を逆にして動作させることもできる。すなわち、圧電材
平板１の中央部に対向配置した検出用電極対４，４′を
励振用電極対として厚味捩り（ＴＴ）モードの圧電振動
を励振するとともに、両端部にそれぞれ対向配置した駆
動用電極対２．２′および３．３′をコリオリカによっ
て発生した圧電振動電圧の検出に用いるように動作させ
ることもできる。

以上に説明した構成例においては、圧電材平板の厚味方
向に予め分極を施して板面に平行に交流電界を印加する
と、前述したように電極の質量負荷効果あるいは圧電反
作用によって例えば厚味剪断（ＴＳ）モードのエネルギ
ー閉じ込め圧電振動が生じ、かかる状態のもとて板面に
垂直の軸の周りに角速度すなわち回転率が加わると、そ
の回転に基づくコリオリカ１ミより厚味捩り（ＴＴ）モ
ードの圧電振動が生ずる。この厚味捩り（ＴＴ）モード
の圧電振動による電圧を別に設けた電極対によって検出
することにより、印加した角速度Ωを知ることができる
ので、上述の構成はレート・ジャイロスコープとして使
用することができ、したがって、ロボット、船舶、航空
機などに用いるに適した小型、軽量、高安定の方位セン
サとして広く使用することができる。

上述のように平行電界励振型に構成した本発明レート・
ジャイロスコープは、高い周波数の弾性波を用いた振動
型ジャイロスコープであるから、従来の回転型は勿論、
音叉や音片を用いた振動型のジャイロスコープに比して
もコリオリカが大きく、したがって、ジャイロスコープ
としての印加角速度検出の感度および効率が従来に比し
て格段に向上しており、また、平行電界励振型の特徴と
して、振動子の駆動電極を、振動振幅の大きいエネルギ
ー閉じ込め部を避けて設けた構成とすることができるの
であるから、経時変化による特性の劣化が少ない。すな
わち、この構成例においては第４図（ａ）または（ｂ）
に示すように、振動エネルギーを閉じ込めた中央部を避
けて両端部を支持固定することができるので、従来の振
動型ジャイロスコープに比して、支持固定による振動エ
ネルギーの洩れが少なく、極めて堅牢で外部からの衝撃
に強い構造とすることができ、しかも、駆動電極のリー
ド線を振動子１の支持固定台９ａ、９ａ’および９ｂ、
９ｂ’に取付けることができるのであるから、特性の経
時変化をさらに少なくすることが可能となる。

なお、かかる構成は、上述した圧電セラミックスの他に
も、圧電単結晶や水晶などを圧電体として用いても実現
することができる。

つぎに、交差指電極駆動検出型とした本発明レート・ジ
ャイロスコープの構成例について、その駆動用および検
出用の電極配置を第５図および第６図にそれぞれ示し、
その全体構成を第７図に示す。また、圧電振動子に対し
、駆動用、検出用電極の配設に先立って施す分極に用い
る電極の構゛成配置および作用の態様を第８図に示す。

まず、駆動用電極の構成配置の例を示す第５図において
は、圧電材平板１の表面に駆動用の電極対２（男　３Ｃ
′ン（ｌ・１〜５）を設け、駆動端子０、。

０２間に交流駆動電圧を印加する。第８図につき後述す
るようにして予め施した厚味方向の分極２１　ｆｉｌを
施した領域に幅方向のｙ軸に平行な交流電界６（′）を
上述の駆動用電極対２（１）　３　ｔｉｔ　　によって
印加すると、圧電振動波の進行方向のＸ軸に直角であっ
て幅方向のｙ軸に平行な方向にすべり変位対７　［ｊｌ
、　７　’　（ｊｌ　（ｊ４〜４）が生ずる。かかる状
態においてＸ軸の周りに回転速度Ωが与えられると、コ
リオリカによりＸ軸に平行であって回転速度Ωに比例し
たすべり変位対８．８′が発生する。

なお、第５図乃至第８図に示すＸ（１）〜Ｘ（”１は各
種の電極片に共通の電極位置番号であり、これらの電極
位置番号による各種の電極片全体の位置関係は第７図に
示すとおりである。

つぎに、検出用電極の構成配置の例を示した第６図にお
いては、圧電材平板１の上面並びに下面に、それぞれ電
極指ｔｏ　（Ｊ）　およびｔ２　（Ｊ）並びに１１（ｊ
ゝおよび１３”（ｊ・１〜４）よりなる検出用の電極対
を設けるとともに、第８図につき後述するようにして、
圧電材平板１に対し圧電振動波進行方向のＸ軸に平行に
互いに逆向きの分極１ｔ、　（Ｊｌ　および１５（ｊｌ
を予め交互ｉ４施しておく。かかる状態において、分極
１４（Ｊ）の領域に印加回転速度Ωによって励振された
すべり変位対８，８′が発生すると、正の圧電効果によ
って電極対１０’ｌ、　１１０）に電荷が誘起し、また
、同様にして、分極１５ｆｊ）の領域では電極対１２　
ｆｉｌ　、　１３　（Ｊｌ　　に電荷が誘起する。なお
、電極対１２　ｆｊｌ　、　１３　（Ｊｌ　に誘起した
電荷は電極対ＩＱ（ｊ）、　１１（Ｊｌ　　に誘起した
電荷とは逆極性になるが、電極指ＩＱ　（Ｊｌ　　と１
３（ｊｌ、また、１１（Ｊｌ　　と１２　ｆｉｌをそれ
ぞれ接続すると、それぞれに誘起した電荷の和が検出出
力端子Ｐ、、　Ｐ２に得られる。

上述した駆動用および検出用の各電極対を一括した電極
対全体の構成配置例を第７図に示す。なお、同図におい
ては、駆動用および検出用の各電極対と予め施した各分
極との相互の位置関係を明らかにするために、前述した
電極位置番号Ｘ（″）（Ｒ＝１〜１７）を示しである。

図示のように周期構造をなす駆動用電極対２（１）。

３　（１１および検出用電極対ＩＱ（ｊｌ　〜＋３（ｊ
）　を配設した電極領域には圧電振動波によるすべり変
位６（Ｊｌ、　　７　（Ｊ）が閉じ込められる。一方、
その電極領域から外れた両端部領域１６．１７において
は、圧電振動波の伝搬定数が虚数となるので、すべり変
位が急激に減衰してほとんど零となる。したがって、両
端部を支持固定しても振動エネルギーの洩れは極めて少
なく、従来の音叉や音片を用いた振動型ジャイロスコー
プとは異なり、強固な支持固定を行なうことができるの
で、外部衝撃に対して極めて強いという利点が得られる
。

なお、以上に説明した構成例による本発明レート・ジャ
イロスコープは、印加回転速度Ω＝０の無回転時には原
理的に検出用電極対に出力電荷が誘起しない構造になっ
ており、また、駆動用の電極対２（１）、３（１）ト検
出用（７）ｉｉ極対１０’ｌ　〜１３”とを交換して作
動させることができる。

さらに、上述の構成例において、駆動・検出の動作に先
立ち、圧電材平板１に予め付与する分極は、第８図に示
すような構成配置の電極によって施す。図示の番号の電
極位置に周期的に配置した分極用交叉電極指１８”’、
　１９目）間に端子Ｂｌｌ　Ｂ２を介して直流高電圧を
印加すると、例えば２１（１）→１４（１）→２０（１
）＋　２ｔ”→１５（１）→２０”’ｌ　　・・・のよ
うに分極が生じ、その結果、図示のように交互に逆方向
の周期的分極配列が構成される。かかる分極配列を構成
するための分極用電極１３　＋１１゜１９　（Ｌ）を分
極配列構成の後に工・ｌチングにより除去し、その後に
、第５図示の駆動用電極対および第６図示の検出用電極
対をそれぞれ配設する。

第７図に示したように圧電材平板１の表面に設けた交叉
電極指を用いて圧電振動波の駆動および検出を行なう構
成例の本発明によるエネルギー閉じ込め型のレート・ジ
ャイロスコープにおいては、上述したようにして予め設
けた第８図示の電極配置によって圧電材平板１に分極を
施した後に、残留分極を活用することにより、従来の均
一分極によっては実現し得ない多対電極構成を可能にし
である。すなわち、第８図示の分極用電極をエツチング
によって除去した後に、改めて、圧電材平板１の幅方向
に対向した周期構造の電極対を設けてその電極対の間に
交流電界を印加することにより、上述した残留分極のう
ち圧電材平板１の表面から内部に向う分極成分に対して
平行な交流電界励振が行なわれ、その結果、厚味捩り（
ＴＴ）モードの変位対が生ずる。一方、検出用として圧
電材平板１の上下両面にそれぞれ交叉電極指を設けた状
態においてそれら上下両面に垂直の軸の周りに回転速度
Ωが与えられると、コリオリカによって厚味剪断（ＴＳ
）モードの変位対が生じ、その結果、かかる変位対と圧
電材平板１の上下両面に平行な分極成分とによって回転
速度Ωに比例した検出出力電圧が得られる。また、上述
の構成による本発明レート・ジャイロスコープの特質と
して、周期構造の電極配置に基づく低インピーダンス化
が可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明レート・ジャイ
ロスコープは、エネルギー閉じ込めモードの圧電振動を
利用しているがために、音叉や音片を用いた従来の振動
型ジャイロスコープに比して振動エネルギーの洩れが少
なく、強固な支持固定が容易で外部衝撃に対しても安定
に動作するジャイロスコープを実現することができる。

また、従来に比して格段に高い周波数の振動に基づいて
動作するので、振動周波数に比例して生ずるコリオリカ
が従来に比して格段に大きく、回転率検出の効率および
感度を著しく向上させ得るという格別の効果が得られる
。特に、交叉電極指によるエネルギー閉じ込め型の駆動
・検出を行なうように構成した本発明レート・ジャイロ
スコープは、多対分極を付与して周期構造の多対電極構
成とすることができるので、従来の均一分極型に比して
格段に低インピーダンス化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明レート・ジャイロスコープの基本的な概
略構成を示す斜視図、 第２図は同じくその基本的な動作の態様を示す断面図、 第３図（ａ）、　（ｂ）は同じくその圧電振動による変
位発生の態様の例をそれぞれ示す斜視図、第４図（ａ）
、　（ｂ）は同じくその支持固定の態様の例をそれぞれ
示す断面図、 第５図は本発明レート・ジャイロスコープの他の構成例
における駆動用電極配置を示す斜視図、第６図は同じく
その構成例における検出用電極配置を示す斜視図、 第７図は同じくその構成例における電極配置の全体構成
を示す斜視図、 第８図は同じくその構成例における多対分極付与の態様
を示す斜視図である。 ■・・・圧電材平板 ２、２’、　３．３’、　２’”１．３（′１　・・・
駆動用電極４．４′・・・検出用電極 ５・・・分極軸 ６．６′・・・交流電界 ７、７’、　８．８’・・・変位 ９ａ、　９ａ　’、　９ｂ、　９ｂ　’　、、、支持固
定台ＩＱ　ｆｊｌ、　ｌｌ　（ｊｌ、　１２　（ｊｌ、
　１３　（Ｊ）・・・電極指１４°ｊｌ、　１５　ｆｊ
ｌ、　２Ｑ　ｆｊｌ、　２１　（Ｊｌ　・・・分極１６
、１７・・・端部領域 １８（１）　１９ＴＩｌ　・・・分極用電極Ｄ１，０□
・・・駆動電源端子 Ｐ、、　Ｐ２・・・検出出力端子 ８、、　Ｂ２・・・分極電源端子 ｙ、　（Ｒ１・・・電極位置番号 特許出願人　　　山　　形　　大　　学　　長第 （ａ） 第 ３図 （ｂ） ア ４図 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、それぞれほぼ長方形をなす対称形状の各外周面を有
   する圧電材平板を長手方向の両端部において支持し、厚
   味方向の対称軸にそれぞれ直交するとともに互いに直交
   する他の２対称軸の方向の圧電弾性波振動にそれぞれ対
   応するそれぞれ少なくとも１個ずつの電極片よりなる２
   組の電極対を外周面にそれぞれ設け、前記圧電材平板に
   予め厚味方向の分極を施すとともに前記２組の電極対の
   一方に交流電圧を印加してその電極対に対応する対称軸
   方向の圧電弾性波振動を発生させ、厚味方向の対称軸の
   周りに回転率が加わったときにコリオリ力による圧電弾
   性波振動に基づいて前記２組の電極対の他方に生ずる前
   記回転率に比例した交流電圧を検出することにより、振
   動エネルギーを閉じ込めた状態で前記回転率を測定し得
   るようにしたことを特徴とするレート・ジャイロスコー
   プ。 ２、特許請求の範囲第１項記載のジャイロスコープにお
   いて、前記圧電材平板の前記両端部に比して中央部の厚
   味を増大させ、前記両端部における厚味方向に垂直の両
   外周面を覆ってそれぞれ電極対を対向配置するとともに
   、中央部における厚味方向の両外周面を覆って電極対を
   対向配置することにより、前記２組の電極対を設けたこ
   とを特徴とするレート・ジャイロスコープ。 ３、特許請求の範囲第１項記載のジャイロスコープにお
   いて、前記圧電材平板の前記両端部における厚味方向に
   垂直の両外周面を覆ってそれぞれ電極対を対向配置する
   とともに、中央部における厚味方向の両外周面を覆って
   電極対を対向配置することにより、前記２組の電極対を
   設けたことを特徴とするレート・ジャイロスコープ。 ４、特許請求の範囲第２項または第３項記載のジャイロ
   スコープにおいて、前記２組の電極対の一方に交流電圧
   を印加して平行電界励振型エネルギー閉じ込めモードの
   圧電弾性波振動を発生させることを特徴とするレート・
   ジャイロスコープ。 ５、特許請求の範囲第１項記載のジャイロスコープにお
   いて、前記圧電材平板の厚味方向に垂直の外周面におけ
   る長手方向の両縁辺部に沿い複数個ずつの突起片を互い
   に対向させて等間隔に有する電極対を対向配置するとと
   もに、前記圧電材平板の厚味方向に垂直の両外周面にお
   ける中心部に当該外周面の幅方向の電極指を複数個ずつ
   長手方向に等間隔に前記突起片に対応させるとともに互
   いに交差させて設けた幅方向に対向する電極対を厚味方
   向に対向させて当該両外周面にそれぞれ配置することに
   より、前記２組の電極対を設けたことを特徴とするレー
   ト・ジャイロスコープ。 ６、特許請求の範囲第５項記載のジャイロスコープにお
   いて、長手方向の縁辺部に沿って前記電極対を対向配置
   した前記外周面に前記突起片にそれぞれ対応して設ける
   複数個の幅方向の電極片と当該電極片の中間にそれぞれ
   設ける複数個の幅方向の電極片とに直流電圧を印加する
   ことにより少なくとも厚味方向の分極を予め施すととも
   に、当該電極対に交流電圧を印加して交差指電極駆動検
   出型エネルギー閉じ込めモードの圧電弾性波振動を発生
   させることを特徴とするレート・ジャイロスコープ。