JPH0356428B2 - - Google Patents
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- JPH0356428B2 JPH0356428B2 JP58179333A JP17933383A JPH0356428B2 JP H0356428 B2 JPH0356428 B2 JP H0356428B2 JP 58179333 A JP58179333 A JP 58179333A JP 17933383 A JP17933383 A JP 17933383A JP H0356428 B2 JPH0356428 B2 JP H0356428B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- output
- stress
- weight
- axis
- piezoelectric element
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/0888—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values for indicating angular acceleration
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(イ) 技術分野
本発明は角速度を高い分解能で確実に検出する
ことができるジヤイロに関する。
ことができるジヤイロに関する。
(ロ) 従来技術
従来移動物体の角速度を検出するジヤイロが
種々知られているが、最近たとえば日本航空宇宙
学会試第30巻第336号に記載されているように回
転部分がなくて構造が簡単且つ信頼性の高い振動
ジヤイロが開発されている。第１図は振動ジヤイ
ロの動作原理を示しており、１は低膨脹係数の金
属柱でその側面に駆動用圧電素子２と検出用圧電
素子３とが張り付けてあり、１次振動モードが発
生するように支点４，５で支持されている。圧電
素子２を発振器６で駆動し金属柱１をXZ面内で
振動させておく。このときＺ軸まわりに角速度Ω
が入力されると、金属柱１の振動部分にコリオリ
の力が働いて、YZ面内の振動が生じ、圧電素子
３により検出される。圧電素子３の出力はアンプ
７で増幅され、位相検波器８において発振器６の
出力で位相検波され、角速度に応じた出力Ｐを得
ることができる。角速度Ωの方向はこの出力Ｐの
位相でわかり、大きさはその出力Ｐの大きさで判
断できる。
種々知られているが、最近たとえば日本航空宇宙
学会試第30巻第336号に記載されているように回
転部分がなくて構造が簡単且つ信頼性の高い振動
ジヤイロが開発されている。第１図は振動ジヤイ
ロの動作原理を示しており、１は低膨脹係数の金
属柱でその側面に駆動用圧電素子２と検出用圧電
素子３とが張り付けてあり、１次振動モードが発
生するように支点４，５で支持されている。圧電
素子２を発振器６で駆動し金属柱１をXZ面内で
振動させておく。このときＺ軸まわりに角速度Ω
が入力されると、金属柱１の振動部分にコリオリ
の力が働いて、YZ面内の振動が生じ、圧電素子
３により検出される。圧電素子３の出力はアンプ
７で増幅され、位相検波器８において発振器６の
出力で位相検波され、角速度に応じた出力Ｐを得
ることができる。角速度Ωの方向はこの出力Ｐの
位相でわかり、大きさはその出力Ｐの大きさで判
断できる。
この振動ジヤイロは振動体である金属柱をその
振動の節で支持して自由に振動させるため振動体
に角速度が伝わりにくく、分解能が低く且つ支持
構造が衝撃などに弱いという問題があつた。
振動の節で支持して自由に振動させるため振動体
に角速度が伝わりにくく、分解能が低く且つ支持
構造が衝撃などに弱いという問題があつた。
(ハ) 発明の目的および構造
本発明は上記の点にかんがみてなされたもの
で、角速度を高い分解能で確実に検出することを
目的とする。
で、角速度を高い分解能で確実に検出することを
目的とする。
また、本発明は、対称軸に対して対称なウエイ
トと、前記ウエイトの一方の面に設置され、前記
対称軸を中心とする前記ウエイトの回転による応
力に対して感度を有するように形成された第１の
応力変換手段と、前記ウエイトの他方の面に設置
され、前記ウエイトの前記対称軸方向の運動によ
る応力に対して感度を有するように形成された第
２の応力変換手段と、前記ウエイト、前記第１の
応力変換手段および前記第２の応力変換手段を同
軸的に固定する固定手段と、前記第１の応力変換
手段の出力と前記第２の応力変換手段の出力とを
所定の比率で加算する演算手段とを備え、第１の
応力変換素子の出力に含まれる対称軸方向の運動
による誤差を取り除くようにしたことを特徴とす
る。
トと、前記ウエイトの一方の面に設置され、前記
対称軸を中心とする前記ウエイトの回転による応
力に対して感度を有するように形成された第１の
応力変換手段と、前記ウエイトの他方の面に設置
され、前記ウエイトの前記対称軸方向の運動によ
る応力に対して感度を有するように形成された第
２の応力変換手段と、前記ウエイト、前記第１の
応力変換手段および前記第２の応力変換手段を同
軸的に固定する固定手段と、前記第１の応力変換
手段の出力と前記第２の応力変換手段の出力とを
所定の比率で加算する演算手段とを備え、第１の
応力変換素子の出力に含まれる対称軸方向の運動
による誤差を取り除くようにしたことを特徴とす
る。
(ニ) 実施例
以下本発明を図面に基づいて説明する。
第２図は本発明によるジヤイロの実施例を示し
ており、軸対称に作つたウエイト１０の上下に同
軸で且つ軸対称にドーナツ状の圧電素子１１と１
２とをワツシヤ１３を介してボルト１４で台座１
５に固定する。なお、圧電素子１１によつて第１
の圧力変換手段が構成され、台座１５およびボル
ト１４によつて固定手段が構成される。ボルト１
４は上記構造部品が同軸上に並ぶようにチユーブ
１６に通してある。ウエイト１０にはリード線１
７が接続され、台座１５との間の出力がアンプ１
８で増幅され積分器１９を通して取出される。な
お、各部品を組立てるのにボルトを用いずに接着
剤を用いれば、各部品の間のせん断力が再現性よ
く現われるので出力が安定する。
ており、軸対称に作つたウエイト１０の上下に同
軸で且つ軸対称にドーナツ状の圧電素子１１と１
２とをワツシヤ１３を介してボルト１４で台座１
５に固定する。なお、圧電素子１１によつて第１
の圧力変換手段が構成され、台座１５およびボル
ト１４によつて固定手段が構成される。ボルト１
４は上記構造部品が同軸上に並ぶようにチユーブ
１６に通してある。ウエイト１０にはリード線１
７が接続され、台座１５との間の出力がアンプ１
８で増幅され積分器１９を通して取出される。な
お、各部品を組立てるのにボルトを用いずに接着
剤を用いれば、各部品の間のせん断力が再現性よ
く現われるので出力が安定する。
第３図は第２図のジヤイロを分解してその一部
を示しており、圧電素子１１，１２は円周方向に
分極されており、上下の圧電素子１１，１２とも
分極方向を同方向に揃えている。圧電素子１１お
よび１２の上下両面にはそれぞれ銀電極２０およ
び２１が焼付けられている。
を示しており、圧電素子１１，１２は円周方向に
分極されており、上下の圧電素子１１，１２とも
分極方向を同方向に揃えている。圧電素子１１お
よび１２の上下両面にはそれぞれ銀電極２０およ
び２１が焼付けられている。
このジヤイロに対して第２図のようにＸ、Ｙ、
Ｚ軸を定めると、その軸まわりに角速度ΩX、Ω
Ｙ、ΩZが加わると、これらの運動に対する動作は
第４図に示すようになる。圧電素子は一般に力に
対して電荷を発生するが、定常的な力に対しては
発生した電荷が漏れてしまうため力の変化つまり
加速度または角加速度の測定には好都合である。
そこで第４図は様々な加速度、角速度に対する効
果を示している。
Ｚ軸を定めると、その軸まわりに角速度ΩX、Ω
Ｙ、ΩZが加わると、これらの運動に対する動作は
第４図に示すようになる。圧電素子は一般に力に
対して電荷を発生するが、定常的な力に対しては
発生した電荷が漏れてしまうため力の変化つまり
加速度または角加速度の測定には好都合である。
そこで第４図は様々な加速度、角速度に対する効
果を示している。
第４図ａは台座１５にＺ方向の加速度d2Z／dt2が
加わつた場合で、この場合はウエイト１０は慣性
を持つため、Ｚの反対方向に力が働き上の圧電素
子１１には伸張力が働き下の圧電素子１２には圧
縮力が働く。両圧電素子１１，１２の分極方向は
一致しているため圧電素子１１，１２で発生する
電荷はウエイト１０に対して同方向になりリード
線１７を介して出力端子Ｆには両者の圧電素子１
１，１２で発生する電荷の和が得られる。この様
子を第４図の(3)に示す。ところが、このときの圧
電効果は、分極方向に垂直な力を加え、力の方向
に電荷を取り出すためd11効果である。d11効果は
PZTなどの圧電セラミクスでは小さいのでＺ方
向に加速度d2Z／dt2が加わつても出力端子Ｆに現わ れる出力は無視できるほど小さい。
を持つため、Ｚの反対方向に力が働き上の圧電素
子１１には伸張力が働き下の圧電素子１２には圧
縮力が働く。両圧電素子１１，１２の分極方向は
一致しているため圧電素子１１，１２で発生する
電荷はウエイト１０に対して同方向になりリード
線１７を介して出力端子Ｆには両者の圧電素子１
１，１２で発生する電荷の和が得られる。この様
子を第４図の(3)に示す。ところが、このときの圧
電効果は、分極方向に垂直な力を加え、力の方向
に電荷を取り出すためd11効果である。d11効果は
PZTなどの圧電セラミクスでは小さいのでＺ方
向に加速度d2Z／dt2が加わつても出力端子Ｆに現わ れる出力は無視できるほど小さい。
次に第４図ｂは台座１５のＺ軸のまわりに角加
速度ｄΩZ／dtが加わつた場合で、ウエイト１０は反 対方向の慣性力を圧電素子１１，１２に与える。
圧電素子１１と圧電素子１２には、ウエイト１０
に対して逆方向のせん断力が働き、ウエイト１０
に対して同方向の電荷が発生し、リード線１７で
出力端子Ｆに取出すことができる。このときの圧
電効果は分極方向に平行にせん断力が働き、せん
断力が働く面で電荷を取り出すためd15効果であ
る。d15効果は値が大きいとともに温度変化があ
つたとき圧電素子で電荷が発生するというパイロ
効果がないため、温度変化による出力変動が少な
く遅い力変化を検知するのに有効である。従つて
Ｚ軸のまわりの角加速度の感度よくかつ非常にゆ
つくりした変化も検出できる。またウエイト１０
は周囲の重さを大きくしてあるため角加速度に対
する回転モーメントが大きくなるので感度はさら
に大きくなる。
速度ｄΩZ／dtが加わつた場合で、ウエイト１０は反 対方向の慣性力を圧電素子１１，１２に与える。
圧電素子１１と圧電素子１２には、ウエイト１０
に対して逆方向のせん断力が働き、ウエイト１０
に対して同方向の電荷が発生し、リード線１７で
出力端子Ｆに取出すことができる。このときの圧
電効果は分極方向に平行にせん断力が働き、せん
断力が働く面で電荷を取り出すためd15効果であ
る。d15効果は値が大きいとともに温度変化があ
つたとき圧電素子で電荷が発生するというパイロ
効果がないため、温度変化による出力変動が少な
く遅い力変化を検知するのに有効である。従つて
Ｚ軸のまわりの角加速度の感度よくかつ非常にゆ
つくりした変化も検出できる。またウエイト１０
は周囲の重さを大きくしてあるため角加速度に対
する回転モーメントが大きくなるので感度はさら
に大きくなる。
次に第４図ｃは台座１５にＸ、Ｙ方向の加速度
d2X／dt2、d2Y／dt2が加わつた場合で、ウエイト１０は 圧電素子１１，１２にその接する面に対して加速
度の反対方向に力を与え、圧電素子１１，１２に
はせん断力が加わる。このとき圧電効果は圧電素
子上の場所によつて異なり、図のＡ，A′の場所
では分極方向に垂直にせん断力が働き、せん断力
が働く面で電荷を取り出すためd16効果である。
d16効果もPZTなどの圧電セラミクスでは小さい。
また図示したように、Ａ、A′の場所では発生す
る電荷の方向が逆なため、出力としては現われな
い。またＢの場所ではＺ軸のまわりの角加速度と
同様にd15効果であるが、B′と逆方向の出力のた
め打消し合い出力としては現われない。
d2X／dt2、d2Y／dt2が加わつた場合で、ウエイト１０は 圧電素子１１，１２にその接する面に対して加速
度の反対方向に力を与え、圧電素子１１，１２に
はせん断力が加わる。このとき圧電効果は圧電素
子上の場所によつて異なり、図のＡ，A′の場所
では分極方向に垂直にせん断力が働き、せん断力
が働く面で電荷を取り出すためd16効果である。
d16効果もPZTなどの圧電セラミクスでは小さい。
また図示したように、Ａ、A′の場所では発生す
る電荷の方向が逆なため、出力としては現われな
い。またＢの場所ではＺ軸のまわりの角加速度と
同様にd15効果であるが、B′と逆方向の出力のた
め打消し合い出力としては現われない。
次に、第４図ｄは台座１５にＸ、Ｙ軸のまわり
の角加速度ｄΩX／dt、ｄΩY／dtが加わつた場合で、図 示したように圧電素子１１，１２には場所によつ
て圧縮力と伸張力が加わる。圧電効果はＺ方向の
加速度の場合と同じでd11効果なので小さく、ま
た場所によつて力の方向が反転するので打消し合
い出力端子Ｆには出力はでない。
の角加速度ｄΩX／dt、ｄΩY／dtが加わつた場合で、図 示したように圧電素子１１，１２には場所によつ
て圧縮力と伸張力が加わる。圧電効果はＺ方向の
加速度の場合と同じでd11効果なので小さく、ま
た場所によつて力の方向が反転するので打消し合
い出力端子Ｆには出力はでない。
以上のように、このジヤイロではＺ方向の加速
度（第４図ａの場合）とＺ軸のまわりの加速度
（第４図ｂの場合）に対して出力がでるが、Ｚ方
向の加速度に対する感度は小さいので無視でき、
従つてほとんどＺ軸のまわりの角加速度に対する
感度だけになる。そして角加速度ｄΩZ／dtの方向と 大きさは、それぞれ出力の極性と大きさで判断で
きる。なお、分極方向をすべて逆にすれば、逆方
向の出力が得られるのは自明である。
度（第４図ａの場合）とＺ軸のまわりの加速度
（第４図ｂの場合）に対して出力がでるが、Ｚ方
向の加速度に対する感度は小さいので無視でき、
従つてほとんどＺ軸のまわりの角加速度に対する
感度だけになる。そして角加速度ｄΩZ／dtの方向と 大きさは、それぞれ出力の極性と大きさで判断で
きる。なお、分極方向をすべて逆にすれば、逆方
向の出力が得られるのは自明である。
次に第５図について説明する。ここでは圧電素
子１１はそのままとして、絶縁ワツシヤ２２を介
してウエイト１０の下方に、第２の応力変換素子
としての圧電素子２３を入れる。この圧電素子２
３はＺ方向の上下両面に銀電極２３ａがつけら
れ、Ｚ方向に分極されている。このため圧電効果
d33によつてＺ方向の加速度に対してのみ感度を
持たせることができ、リード線２７で出力を取り
出すことができる。そして、圧電素子１１の出力
から圧電素子２３の出力の一部を差し引いてい
る。チヤージアンプ２４で得られる圧電素子１１
の出力にはＺ軸方向の加速度成分による出力がわ
ずかながら含まれている。このためＺ軸方向だけ
の出力が得られる圧電素子２３のチヤージアンプ
２５の出力とチヤージアンプ２４の出力とがそれ
ぞれ抵抗R2、R1を介してフイードバツク抵抗Rf
を有する加算器２６で加える。加える比率はR1
とR2の比で決められる。なお、抵抗Ｒ１，Ｒ２
および加算器２６によつて演算手段が構成され
る。第５図の装置によると、Ｚ方向に加速度が加
わると圧電素子１１ではd11効果によつて正の出
力が得られ、圧電素子２３ではd33効果で負の出
力が得られるため両者は逆位相の出力である。こ
のため両者を比率を合わせて加えるだけでＺ方向
に対する感度を打消してなくすことができる。
子１１はそのままとして、絶縁ワツシヤ２２を介
してウエイト１０の下方に、第２の応力変換素子
としての圧電素子２３を入れる。この圧電素子２
３はＺ方向の上下両面に銀電極２３ａがつけら
れ、Ｚ方向に分極されている。このため圧電効果
d33によつてＺ方向の加速度に対してのみ感度を
持たせることができ、リード線２７で出力を取り
出すことができる。そして、圧電素子１１の出力
から圧電素子２３の出力の一部を差し引いてい
る。チヤージアンプ２４で得られる圧電素子１１
の出力にはＺ軸方向の加速度成分による出力がわ
ずかながら含まれている。このためＺ軸方向だけ
の出力が得られる圧電素子２３のチヤージアンプ
２５の出力とチヤージアンプ２４の出力とがそれ
ぞれ抵抗R2、R1を介してフイードバツク抵抗Rf
を有する加算器２６で加える。加える比率はR1
とR2の比で決められる。なお、抵抗Ｒ１，Ｒ２
および加算器２６によつて演算手段が構成され
る。第５図の装置によると、Ｚ方向に加速度が加
わると圧電素子１１ではd11効果によつて正の出
力が得られ、圧電素子２３ではd33効果で負の出
力が得られるため両者は逆位相の出力である。こ
のため両者を比率を合わせて加えるだけでＺ方向
に対する感度を打消してなくすことができる。
第６図は本発明によるジヤイロの他の実施例を
組立て状態で示しており、ウエイト３０を一方向
だけのものとした例である。ウエイト３０は回転
モーメントを発生すればよいのでＺ軸に対して軸
対称であれば使える。３１はリード線である。こ
のような構成にすればジヤイロのサイズを小さく
することができる。
組立て状態で示しており、ウエイト３０を一方向
だけのものとした例である。ウエイト３０は回転
モーメントを発生すればよいのでＺ軸に対して軸
対称であれば使える。３１はリード線である。こ
のような構成にすればジヤイロのサイズを小さく
することができる。
また上記実施例ではすべて圧電素子を用いた
が、本発明のジヤイロは圧電素子に限らず磁歪素
子、光偏向素子などの方向性を有する応力変換素
子などを使うことができる。
が、本発明のジヤイロは圧電素子に限らず磁歪素
子、光偏向素子などの方向性を有する応力変換素
子などを使うことができる。
(ホ) 発明の効果
以上説明したように、本発明においては、軸対
称のウエイトと、第１の応力変換素子と、第２の
応力変換素子とを同軸的に固定し、第１の応力変
換素子によつて対称軸を中心とする回転方向の応
力を検出し、第２の応力変換素子によつて対称軸
方向の運動による応力を検出し、第１の応力変換
手段の出力と第２の応力変換手段の出力とを所定
の比率で加算するようにした。
称のウエイトと、第１の応力変換素子と、第２の
応力変換素子とを同軸的に固定し、第１の応力変
換素子によつて対称軸を中心とする回転方向の応
力を検出し、第２の応力変換素子によつて対称軸
方向の運動による応力を検出し、第１の応力変換
手段の出力と第２の応力変換手段の出力とを所定
の比率で加算するようにした。
そのため、第１の応力変換素子の出力に含まれ
る対称軸方向の応力による誤差を取り除くことが
でき、対称軸を中心とする回転運動をより精度よ
く検出できるという効果が得られる。
る対称軸方向の応力による誤差を取り除くことが
でき、対称軸を中心とする回転運動をより精度よ
く検出できるという効果が得られる。
また、本発明によるジヤイロは構造上衝撃に強
く耐久性が高い。
く耐久性が高い。
第１図は従来のジヤイロの一例としての振動ジ
ヤイロの概略構成図、第２図は本発明によるジヤ
イロの構造を示す部分断面斜視図、第３図は第２
図に示したジヤイロの要部分解斜視図、第４図は
本発明によるジヤイロに様々な加速度および角加
速度が加わつたときの効果を示した図、第５図は
本発明によるジヤイロの実施例の要部分解斜視
図、第６図は本発明によるジヤイロの他の実施例
の部分断面斜視図である。 １０，３０……ウエイト、１１，１２，２３，
３２，３４，３６，３８……圧電素子、１５……
台座、２０，２１，２３ａ，３２ａ，３４ａ，３
６ａ，３８ａ……銀電極、１７，３１……リード
線、１９……積分器、２４，２５……チヤージア
ンプ、２６……加算器。
ヤイロの概略構成図、第２図は本発明によるジヤ
イロの構造を示す部分断面斜視図、第３図は第２
図に示したジヤイロの要部分解斜視図、第４図は
本発明によるジヤイロに様々な加速度および角加
速度が加わつたときの効果を示した図、第５図は
本発明によるジヤイロの実施例の要部分解斜視
図、第６図は本発明によるジヤイロの他の実施例
の部分断面斜視図である。 １０，３０……ウエイト、１１，１２，２３，
３２，３４，３６，３８……圧電素子、１５……
台座、２０，２１，２３ａ，３２ａ，３４ａ，３
６ａ，３８ａ……銀電極、１７，３１……リード
線、１９……積分器、２４，２５……チヤージア
ンプ、２６……加算器。
Claims (1)
- １ 対称軸に対して対称なウエイトと、該ウエイ
トの一方の面に設置され、前記対称軸を中心とす
る前記ウエイトの回転による応力に対して感度を
有するように形成された第１の応力変換手段と、
前記ウエイトの他方の面に設置され、前記ウエイ
トの前記対称軸方向の運動による応力に対して感
度を有するように形成された第２の応力変換手段
と、前記ウエイト、前記第１の応力変換手段およ
び前記第２の応力変換手段を同軸的に固定する固
定手段と、前記第１の応力変換手段の出力と前記
第２の応力変換手段の出力とを所定の比率で加算
する演算手段とを備え、第１の応力変換素子の出
力に含まれる対称軸方向の運動による誤差を取り
除くようにしたことを特徴とするジヤイロ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58179333A JPS6071909A (ja) | 1983-09-29 | 1983-09-29 | ジヤイロ |
| US06/654,389 US4611490A (en) | 1983-09-29 | 1984-09-26 | Angular acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58179333A JPS6071909A (ja) | 1983-09-29 | 1983-09-29 | ジヤイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6071909A JPS6071909A (ja) | 1985-04-23 |
| JPH0356428B2 true JPH0356428B2 (ja) | 1991-08-28 |
Family
ID=16064001
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58179333A Granted JPS6071909A (ja) | 1983-09-29 | 1983-09-29 | ジヤイロ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4611490A (ja) |
| JP (1) | JPS6071909A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012042478A (ja) * | 2011-10-11 | 2012-03-01 | Kyocera Kinseki Corp | 慣性センサ素子 |
| JP2012185153A (ja) * | 2011-02-15 | 2012-09-27 | Canon Inc | 圧電振動型力センサ及びロボットハンド並びにロボットアーム |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4759220A (en) * | 1986-02-28 | 1988-07-26 | Burdess James S | Angular rate sensors |
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