JPH03120416A - 振動ジャイロ - 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〕 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８図
に示すものがある。

これは、三次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在し
てＹ軸方向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材
４．５の下端部を、ベース部６にて一体的に連結してな
る駆動振動子７を、支持棒８を介じて基台９に固定する
とともに、その駆動振動子７のベース部６に、Ｘ軸方向
へ突出する検知手段１０を設けることによって構成され
ている。

かかる振動ジャイロでは、例えば、駆動手段１１゜１２
に交流電圧を印加して、腕部材４，５を、圧電的方法、
電磁的方法などによってＹ軸方向へ対称振動させつつ、
駆動振動子７をＺ軸の周りに角速度ωで回動させると、
ある瞬間に速度Ｖで運動しているそれぞれの腕部材４，
５に、Ｘ軸方向の、相互に逆向きのコリオリの力Ｆｃが
発生する。

ここで、腕部材４．５の速度■は交番的に変化するので
、コリオリの力Ｆｃは、両腕部材４．５の振動数で変調
された形で生じ、駆動振動子７は基台９に対してＺ軸の
周りにねじれ振動することになり、そのねじれ角は、コ
リオリの力ＦＣ％ひいては角速度ωに比例する。

そこでこの従来装置では、そのねじれ振動の大きさを、
Ｘ軸方向へ突出する検知手段１０により、圧電的方法、
電磁的方法などをもって検知することとしており、例え
ば、バイモルフ素子その他を用いた圧電的方法では、ね
じれ振動を検知手段１０の撓み振動に変換し、撓み量に
応じてバイモルフ素子が発生する電荷を電圧として抽出
して検知することとしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、かかる従来技術にあっては、それぞれの腕部
材４．５の質量のアンバランス、長さのアンバランスな
どにより、腕部材４．５の振動が、ベース部６の、Ｙ軸
方向への不要な振動を引き起こすことに起因して、検知
手段１０が、その不要な振動によって発生される信号を
出力することになるため、角速度ωが零であるにもかか
わらず、コリオリの力を検知しているかの如き状態、す
なわち、オフセットを発生し、Ｓ／Ｎ比、ひいては検出
感度の低下をもたらすという問題があった。

このようなオフセットを低減させるには、検知手段ｌＯ
の出力を、同期検波、整流して直流化し、残留する直流
分を別に設けた基準電圧と加減算して零にする方法が一
般的に採用されている。しかしながら、この方法は、検
知手段１０の感度が環境温度の変化に伴って微妙に変化
することから、オフセットを十分にかつ有効に低減させ
ることが実質的に不可能であった。

しかも、この従来技術では、検知手段１０がＸ軸方向へ
突出することにより、構造が複雑になるとともに、装置
が大型化し、かつ装置コストが嵩むという問題があった
。

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、簡単な構造にして小型かつ低度であるととも
に、Ｓ／Ｎ比のすぐれた高感度の振動ジャイロを従供す
るものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の振動ジャイロは、とくに、二本の腕部材とベ
ース部とからなる駆動振動子のベース部に、Ｘ軸方向へ
突出する検知手段を設け、この検知手段を、Ｘ軸方向へ
分極させた圧電材料の、Ｚ軸と平行をなすいずれかの対
抗面のそれぞれに、電極を設け、それらの電極の少なく
とも一方を、Ｚ軸と直交するいずれかの方向へ偏せて位
置させたものである。

〔作　用〕

さて、第９図に示すように、基台１３からＸ軸方向へ突
出する、直六面体形状の柱状部材１４が、偶力Ｍｔを受
けて捩られる場合を考えると、その柱状部材１４の横断
面寸法が２ｂ　ｘ　２ｈであるときには、第１０図に示
すような横断面内の、任意の点Ｐ　（ｕ、ｗ）での、Ｕ
方向の剪断応力τ−１Ｗ方向の剪断応力τりは、それぞ
れ、 で与えられる。

ここで、圧電材料に応力Ｔと電界Ｅとが加わった場合に
発生する電気変位りを式にて表すと、となり、圧電材料
としてチタン酸ジルコン酸鉛を例にとると、応力Ｔだけ
が加わった場合の電気変で表される。なおここにおいて
、加わる応力Ｔ。

〜Ｔ、は、第１１図および第１２図で示される方向に作
用しているものとし、圧電材料は白抜矢印で示すように
、第３軸方向に分極されているものとする。

このことから、例えば、第１軸と直交するそれぞれの面
に電極を設けた場合には、第１軸方向の電気変位Ｄ１は
、 Ｄ＋＝ｄ＋ｓＴｓ　　　　　　　・・・・・・・・・（
５）となり、第２軸の周りの剪断応力Ｔｓによってのみ
電極に電荷を発生し、他の応力’ｒ、、Ｔ、、’ｒ。

Ｔ　４　、Ｔ　ｂに対しては感度を有しない検知手段と
して機能することになる。

従って、第９図に示す柱状部材１４を圧電材料としてＺ
軸方向へ分極処理すると、点Ｐ　（ｕ、ｗ）におけるＵ
方向の電気変位ＤｗおよびＷ方向の電気変位Ｄｕは、（
１）式、（２）式および（５）式により、で与えられる
。

ところで、（１）、　（２）式および（６１，Ｔ７）式
から明らかなように、第１０図におけるＵＷ座標系では
、第１象現１５と第３象現１７、第２象現１６と第４象
現１８とで、それぞれの剪断応力τ−９τＵ、ひいては
それぞれの電気変位Ｄ％Ｉｌ、　Ｄｕの極性が相互に相
違するので、第１０図の、Ｕ方向と直交するそれぞれの
面ｕｌ＋Ｕ！の全体に電極を形成しただけでは、電気変
位Ｄｗが全体として零となり、電極には電荷が発生しな
い。同様に、Ｗ方向と直交するそれぞれの面１゜ｌｌＩ
２の全体に電極を形成しただけでは、電極には、電気変
位Ｄｕに基づく電荷は発生しない。

そこでこの発明では、検知手段を、第９図に示す柱状部
材１４の如く、言い換えれば、第８図に示す支持棒８の
如くに構成したところにおいて、圧電材料の、Ｚ軸と平
行をなすいずれかの対抗面のそれぞれに設けた電極の少
なくとも一方を、Ｚ軸と直交する一方側へ偏せて配置す
ることとし、例えば、電気変位Ｄｕによる電荷を発生さ
せるためには、面一、−２に設けた電極の少なくとも一
方を、面Ｕ、もしくはｕ２側へ偏せて配置する。

なおここで、電気変位Ｄｕを効果的に出力させるために
は、面ｗ１または町の中心を境としてその半分に電極を
設けることが好ましい。

かくして、この発明によれば、簡単な構造で、小型かつ
低廉な振動ジャイロをもたらすことができるとともに、
腕部材の質量、長さなどのアンバランスの影響を有利に
除去して、検出感度を大きく向上させることができる。

〔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＝実施例を示す斜視図であり、図中
従来技術で述べた部分と同様の部分は、それらと同一の
番号で示す。

すなわち、４．５はそれぞれ、Ｚ軸方向へ相互に平行に
延在して、Ｙ軸方向に所定の間隔をおいて位置する腕部
材を示し、６は、それら腕部材４゜５を、図では下端部
にて一体的に連結するベース部を示し、７は、腕部材４
．５とベース部６とからなる駆動振動子を示す。

ここでは、この駆動振動子７のベース部６から、検知手
段２１を下方へ突出させて設け、そしてこの検知手段２
１の下端部に、基台９を固定することによって振動ジャ
イロを構成する。

従って、この振動ジャイロは、従来技術で述べた支持棒
８に代えて検知手段２１を配設することのみにて製造す
ることができ、それ故に、装置の構造が簡単になるとと
もに、装置それ自体が十分に小型かつ低廉なものとなる
。

しかも、この振動ジャイロでは、検知手段２１が、コリ
オリの力Ｆｃの発生に起因してそこに作用するねじりモ
ーメントＭｔを検知すべく機能することから、た〜とえ
腕部材４，５が、その質量、長さその他のアンバランス
によって、Ｙ軸方向への不要な振動を生じることがあっ
ても、その影響が検知信号に漏れ込むのを、特別の信号
処理手段を用いることな（有効に防止して、検知感度を
大きく向上させることができる。

ところで、このようにして適用されて、ねじりモーメン
トＭｔを検知する検知手段２１は、例えば第２図にＵＷ
Ｚ座標系で示すように、直六面体形状をなす圧電材料１
をＸ軸方向へ分極処理するとともに、Ｗ方向と直交する
′面Ｗ＋＋’！のそれぞれに設けた電極１９．２０の双
方を、Ｕ方向と直交する面ｕ、、　ｕ！のいずれか一方
側、図では面ｕ１方向へ偏せて位置させることによって
構成することができ、この検知手段２１によれば、ねじ
りモーメントＭｔの作用に対し、電極１９．２０に挟ま
れた領域内の電気変位Ｄｕを検知することができる。

なおこの例において、画電極１９．２０を面ｕ２側に偏
せで位置させることも可能であり、いずれか−方の電極
を、面ＷｌもしくはＷ２の全面にわたって形成すること
も可能である。

第３図は、圧電材料１の面一１＋Ｗ２のそれぞれに、面
Ｕ、側に偏って位置する電極２２．２４と、面ｕ２側に
偏って位置する電極２３．２５とをそれぞれ配設するこ
とによって検知手段２１を構成したものであり、この例
では、ねじりモーメントＭｔに対し、電極２２、２５と
、電極２３．２４とは相互に逆極性の電荷を発生する。

ここで、第２図および第３図に示すそれぞれの電極は、
真空蒸着、めっきなどによって導電性被膜を付着させた
後にフォトエツチングを施すことにて形成し得る他、リ
フトオフ法その他の方法によっても形成することができ
る。

また、第４図に示す検知手段２１は、面一１＋Ｗ！のほ
ぼ中央部に、精密切断機その他によって、Ｚ軸と平行に
延在する条溝を適宜の深さで形成することによって、面
ＷＩ＋Ｗ！に形成した電極を、それぞれの電極２６．２
７．２８．２９に分割したものであり、この例では、ね
じりモーメントＭｔに対し、電極２６、２９と電極２７
．２８とは逆極性の電荷を発生する。

この検知手段２１では、圧電材料１の切断加工と併せて
電極分割加工を機械的に行うことができるので、検知手
段２１の生産性を大きく向上させることができる。

そしてさらに、第５図は、２個の圧電材料１を組合わせ
てなる検知手段２１を示し、これは、分極方向を相互に
逆方向としたそれぞれの圧電材料１をＵ方向に所定の間
隔をおいて配置するとともに、それぞれの圧電材料１の
面一に電極３０．３１を、また面一２に電極３２．３３
をそれぞれ設けたものである。

これによれば、ねじりモーメントＭｔに対し、面り側の
電極３０．３１が同極性の、そして、面Ｗ２側の電極３
２．３３が、それらとは逆極性の電荷をそれぞれ発生す
るので、組立て時のリード線の接続が容易になる。

以上電気変位Ｄｕを検知するための検知手段について説
明したが、電気変位Ｄｗを検知する場合には、而ｕ、、
　ｕ２に、上述したと同様にして電極を形成することに
よ、り検知手段を構成することができる。

このような検知手段２１の、第１図に示す振動ジャイロ
への適用は、駆動振動子７のＸ軸方向と、検知手段２１
のＸ軸方向とを一致させて、検知手段２１を、その駆動
振動子７に取付けることによって行うことができ、この
場合、ＸＹＺ座標系のＸ。

Ｙ軸方向と、ＵＷＺ座標系のＵ、Ｗ方向とは必ずしも一
致させる必要はない。

かかる振動ジャイロでは、従来技術で述べたと同様に、
駆動手段１１．１２に交流電圧を印加して、それぞれの
腕部材４．５をＹ軸方向に対称振動させた状態で、駆動
振動子７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４．５に、Ｘ軸方向の、互いに逆向きの
コリオリの力Ｆｃが発生し、このコリオリの力Ｆｃによ
り、駆動振動子７が、基台９に対し、Ｚ軸のまわりにね
じれ振動することになる。

そこでここでは、そのねじれ振動に基づいて、検知手段
２１に作用するねじりモーメントＭｔをそれ自身によっ
て検知することにより、コリオリの力Ｆｃを求めること
ができる。

なおここで、両腕部材４，５にアンバランスが存在する
場合には、検知手段２１に、第６図に例示するような撓
み振動が発生し易くなるが、前述したように、検知手段
２１は、撓み変形に起因する応力に対しては原理的に感
度を有しないことから、腕部材４．５のアンバランスの
許容幅を広くとることができ、大量生産に際して生産効
率を大きく向上させることができる。ちなみに、第４図
に示す検知手段２１と、通常のバイモルフ素子とのそれ
ぞれを振動ジャイロに取付けてオフセット量の比較をし
たところ、その検知手段２１では、オフセットｉを約３
０ｄＢ低減することができた。

しかも、この振動ジャイロでは、検知手段２１をベース
部６からＸ軸方向へ突出させる必要がないので、Ｘ軸方
向の占有空間を十分小ならしめて装置を小型化すること
ができ、また、構造を単純ならしめて組立作業工数を有
効に低減することができる。

第７図はこの発明の他の実施例を示す斜視図であり、こ
れは、Ｘ軸方向の占有空間を低減する目的の下で、駆動
振動子７を前述した実施例とは逆の姿勢とし、それぞれ
の腕部材４．５間に検知手段２１および基台９を設けた
ものである。

この例によってもまた、検知手段２１は、前述の実施例
と同様の作用効果をもたらすことができる。

〔発明の効果〕

かくして、この発明によれば、それぞれの腕部材のアン
バランスに起因するオフセット量を著しく低減できるの
で、装置の感度を大きく向上させることができるととも
に、そのアンバランスの許容幅を拡大して生産効率を有
効に向上させることができる。

しかも、この発明では、検知手段をＸ軸方向へ突出させ
ることにより、Ｘ軸方向の占有空間を小さくして装置を
小型化することができる他、組立作業を容易ならしめて
装置コストを充分に低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例を示す斜視図、第２〜５図
はそれぞれ、検知手段を例示する斜視図、 第６図は、それぞれの腕部材のアンバランスの影響を示
す正面図、 第７図は、この発明の他の実施例を示す斜視図、第８図
は、従来例を示す斜視図、 第９〜１２図はそれぞれ、この発明の作用原理を説明す
るための図である。 １・・・圧電材料、 ６・・・ベース部、 ９・・・基台、　１９゜ ２１・・・検知手段。 ４．５・・・腕部材、 ７・・・駆動振動子、 ２０、２２〜３３・・・電極、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、三次元座標系のＺ軸方向へ相互に平行に延在してＹ
   軸方向に所定の間隔をおいて位置する二本の腕部材と、
   これらの腕部材の各一端部を一体的に連結するベース部
   とで駆動振動子を構成し、この駆動振動子の前記ベース
   部に、Ｚ軸方向へ突出する検知手段を該ベース部支持手
   段として設け、この検知手段を、Ｚ軸方向へ分極させた
   圧電材料の、Ｚ軸と平行をなすいずれかの対抗面のそれ
   ぞれに、対をなす電極を設け、それらの電極の少なくと
   も一方を、Ｚ軸と直交する方向へ偏せて位置させること
   により構成してなる振動ジャイロ。