JPH07128064A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動ジャイロのケース内において定在波の発
生を促進させ、更に音波干渉を軽減させて、コリオリの
力による屈曲運動から角速度を検出する感度を向上させ
る。 【構成】 振動子１、ボリューム１２及びＩＣパッケー
ジ１３を固定するハイブリットＩＣ基板１１を、振動子
１の振動によりケース１０′内において定在波を生じる
ように振動子１の長手方向に平行な仕切板１０ａ′を設
けたケース１０′で覆設し、この定在波の節部の位置に
振動子１の中立軸を合致させる。更にボリューム１２及
びＩＣパッケージ１３を振動子１の変位零点の位置に配
置させる。 【効果】 これにより検出感度を向上させることがで
き、特性の安定性を高くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は飛行体、船舶、車両、
ロボットなどの位置、姿勢制御に適した振動ジャイロに
係わり、特に、物体の慣性角速度を検出する振動ジャイ
ロに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図１３に示すように振動子２
１のｘ軸面２１x、ｙ軸面２１yに圧電トランスデューサ
２２、２３を貼着し、ｘ軸方向に運動している物体２１
にｚ軸回りに角速度Ωが加わるとｙ軸方向にコリオリの
力Ｆcが発生することが知られている。この原理を利用
し、物体をｘ軸方向に屈曲振動を起こさせて速度を与
え、ｚ軸回りに角速度Ωを受けたときにｙ軸方向に発生
するコリオリの力Ｆcにより起きる屈曲振動を検知する
ことにより、この角速度Ωを測定する振動ジャイロが提
案されている（特開昭６２−１０６３１５号、特開平１
−２５００１４号、特開平２−５１０６６号、特開平２
−８０９１１号、特開平２−８２１６４号、特開平２−
１８７６２１号、特開平２−１８７６２２号、特開平２
−２０１２１８号公報）。

【０００３】このような振動ジャイロは近年制御技術の
発達に伴い飛行体、船舶、車両、ロボットなどの位置、
姿勢制御装置として超小型で高性能なものが求められて
いる。したがって、振動ジャイロは図１４、図１５に示
すように、この振動ジャイロを駆動、検出するためのハ
イブリットＩＣ基板３２上に振動子２１と共にボリュー
ム３３および差動アンプ等が収められたＩＣパッケージ
３４も固定させている。この際、振動ジャイロの安定
化、検出効率等の特性を満足させるために、圧電トラン
スデューサ２２、２３を貼着していない振動子２１の振
動面２４、２５を適宜切削して、図１６に示すように共
振周波数ω_xと共振周波数ω_yを合致させる技法が適用さ
れている。

【０００４】このように振動子２１の振動面２４、２５
を切削後、図１７、図１８に示すように振動子２１と、
この振動ジャイロを駆動、検出するためのボリューム３
３およびＩＣパッケージ３４が固定されたハイブリット
ＩＣ基板３２とを、上側ケース３１Ａおよび下側ケース
３１Ｂで覆設する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、共振周
波数ω_xと共振周波数ω_yが合致した振動子２１等が固定
されたハイブリットＩＣ基板３２を、上側ケース３１Ａ
および下側ケース３１Ｂで覆設すると、図１７、図１８
に示すように振動子２１から発生する音波がケース３１
内で矢印で示す如く不規則に干渉して、図１９に示すよ
うに共振周波数ωxと共振周波数ω_yの重なりが少なくな
り、コリオリの力による屈曲運動から角速度を検出する
感度の低下を招いていた。

【０００６】

【目的】本発明は、このような従来の問題点を解決する
ためになされたもので、定在波の発生を促進させ、更に
音波干渉を軽減させて、コリオリの力による屈曲運動か
ら角速度を検出する感度を向上させる振動ジャイロを提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の振動ジャイロは、横断面形状が正ｎ角形（ｎ
は３以上の正の整数）の角柱形状から成る振動子と、振
動子を駆動、検出するための電子部品と、振動子および
電子部品を固定する基板と、振動子および電子部品が固
定された基板を覆設するケースとから構成される振動ジ
ャイロにおいて、基板に固定された振動子の振動により
ケース内において定在波を生じるように振動子の長手方
向に平行な仕切部材を設けると共に、定在波の節部また
は（および）腹部の位置に振動子の中立軸を合致させる
ものであり、更に定在波の発生を阻害する電子部品を振
動子の変位零点の位置に配置するものである。

【０００８】

【作用】振動子および電子部品を固定する基板を、振動
子の振動によりケース内において定在波を生じるように
振動子の長手方向に平行な仕切部材を設けたケースで覆
設し、この定在波の節部または（および）腹部の位置に
振動子の中立軸を合致させる。更に電子部品を振動子の
変位零点の位置に配置させる。

【０００９】これによりケース内部に定在波を確実に発
生させることができ、しかも振動子の中立軸をケース内
部に発生する定在波の節部である変位零点の位置または
腹部である変位最大点の位置に合致させることができる
ので、ｘ軸方向の共振周波数とｙ軸方向の共振周波数と
を合致させた振動子をケースにより覆設させても、コリ
オリの力による屈曲運動から角速度を検出する感度を向
上させることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の振動ジャイロを両端自由の音
片型に適用した実施例につき図面を参照して説明する。
図７において、振動ジャイロは横断面４角形の直方体の
音片で構成された振動子１をｘ軸方向に屈曲運動を起こ
させて速度を与え、ｚ軸回りに角速度Ωを受けたときに
ｙ軸方向に発生するコリオリの力Ｆｃによる振動を検知
することにより、この角速度Ωを測定するものである。

【００１１】本発明の振動ジャイロにおいて、振動子１
は、メカニカルＱ、ヤング率、密度の温度係数、線膨張
係数、等方性などの諸特性を考慮して恒弾性材料が使用
されているＮｉ−ＳＰＡＮ−ＣまたはＣｏ−エリンバ等
の恒弾性金属材料やガラス、セラミック等の恒弾性電気
絶縁物で構成されている。後者の恒弾性電気絶縁物とし
てはヤング率の温度係数が小さく線膨張係数が小さい絶
縁物で、特殊ガラスが好適に採用される。特殊ガラスは
恒弾性である他、メカニカルＱが大きく等方的であり、
振動子として必要な特性を備えている。一般に、振動ジ
ャイロに使用する振動子は特に断面２次モーメントの関
係で厳密に正ｎ角形（ｎは３以上の正の整数）である必
要があるので、断面の角度精度、寸法精度等を厳格に規
定するため、切削、研磨して調整を行う際に、恒弾性絶
縁物、特にガラスではその作業が容易である。

【００１２】このような恒弾性絶縁物で構成された振動
子１は図８に示すように、振動子の共振周波数でｘ軸方
向に振動させて速度を与えるために、ｘ軸、ｙ軸に対し
て４５°の軸線に平行な面１Ａに圧電トランスデューサ
２、ｘ軸、ｙ軸に対して４５°の軸線に直交する軸線に
平行な面１Ｂに圧電トランスデューサ３が貼着されてい
る。この圧電トランスデューサ２、圧電トランスデュー
サ３に駆動信号を印加し振動子１のｘ軸方向に励振させ
るために、圧電トランスデューサ２、圧電トランスデュ
ーサ３は駆動回路に接続されている。

【００１３】振動子１のｘ軸方向に励振させた状態で、
ｚ軸回りに角速度Ωを受けることによりこの励振方向に
９０°の位相差をもつコリオリの力Ｆｃが発生する。こ
の励振方向に対して直交方向に励起されたコリオリの力
Ｆｃによる屈曲運動を検出測定するために、圧電トラン
スデューサ２、圧電トランスデューサ３は検出回路に接
続されている。

【００１４】このように圧電トランスデューサ２、圧電
トランスデューサ３に接続される駆動回路と検出回路と
は図９に示すような回路構成で使用される。すなわち、
振動子１に貼着された圧電トランスデューサ２、圧電ト
ランスデューサ３はボリューム（可変抵抗器）ＶＲを介
して加算アンプ６に接続され、さらに加算アンプ６は移
相回路７を介して圧電トランスデューサ２、圧電トラン
スデューサ３に接続されることにより駆動回路を構成し
ている。したがって加算アンプ６で増幅された信号は移
相回路７で位相制御されて圧電トランスデューサ２、圧
電トランスデューサ３に印加される。この際、ボリュー
ムＶＲにより圧電トランスデューサ２、圧電トランスデ
ューサ３に印加された入力電圧の和信号を調整すること
ができる。そして、これらの加算アンプ６、移相回路７
およびボリュームＶＲによって、振動子１の共振周波数
でかつ安定なる駆動信号が与えられる。

【００１５】さらに、圧電トランスデューサ２、圧電ト
ランスデューサ３は差動アンプ８に接続される。この差
動アンプ８によって、圧電トランスデューサ２および圧
電トランスデューサ３に発生した出力電圧の差信号が測
定される。この差動アンプ８が検波回路９に接続される
ことにより検出回路を構成している。このように構成さ
れている加算アンプ６、移相回路７、差動アンプ８およ
び検波回路９は振動ジャイロを小型化するために、ひと
つのＩＣパッケージ１３に収められている。

【００１６】また、振動子１は振動子１の長手方向両端
間をＬとすれば両端から０．２２４Ｌの位置に振動の変
位零点、即ち振動の節部があり、振動子１はこの位置を
支持点として支持線５により担持されてハイブリットＩ
Ｃ基板１１に固定されている。このハイブリットＩＣ基
板１１は図１、図２に示すように、上側ケース１０Ａお
よび下側ケース１０Ｂで覆設されている。この上側ケー
ス１０Ａには上側ケース１０Ａの側面１０ｂから、ｘ軸
方向に発生する定在波の伝搬波長λのλ／２の整数倍の
位置に、振動子１の長手方向に平行な仕切板１０ａが設
けられている。更に、上側ケース１０Ａの側面１０ｂと
仕切板１０ａとの間および上側ケース１０Ａの上面１０
ｃとハイブリットＩＣ基板１１との間に位置する振動子
１の中立軸を、実質的にｘ軸方向およびｙ軸方向に発生
する定在波の伝搬波長λのλ／４の奇数倍の位置に合致
させている。

【００１７】このように構成された振動ジャイロにおい
て、振動子１を圧電トランスデューサ２、３によりｘ軸
方向に振動させて速度を与える。この状態でｚ軸回りに
角速度Ωを受けたときにｙ軸方向に発生するコリオリの
力による振動が圧電トランスデューサ２、３から検出さ
れる。このときに、ケース１０内のｘ軸方向に発生する
定在波の伝搬波長λのλ／２の整数倍の位置に仕切板１
０ａを設けているので、ケース１０内においてｘ軸方向
に定在波を発生させることができる。更に、このｘ軸方
向の定在波、およびこのｘ軸方向の定在波に基づき発生
するｙ軸方向の定在波の節部の位置に振動子１の中立軸
を合致させているので、ｘ軸方向およびｙ軸方向の定在
波の干渉を零にすることができる。

【００１８】また、図３、図４に示すように上側ケース
１０Ａ′の側面１０ｂ′から、ｘ軸方向に発生する定在
波の伝搬波長λのλ／２の整数倍の位置に振動子１の長
手方向に平行な仕切板１０ａ′を設ける際、上側ケース
１０Ａ′の側面１０ｂ′と仕切板１０ａ′との間に位置
させる振動子１の中立軸を、ｘ軸方向に発生する定在波
の伝搬波長λのλ／４の偶数倍の位置に合致させてもよ
い。但し、この場合には、ケース１０′の大きさ等の制
限からｘ軸方向に発生する定在波の長さｘとｙ軸方向に
発生する定在波の長さｙとは異なることになる。しか
し、ｘ軸方向の定在波の変位最大点、即ち腹部の位置に
振動子１の中立軸を合致させているので、振動子１の振
動を加速させることができる。

【００１９】さらに、図５、図６に示すように振動子１
の長手方向両端から０．２２４Ｌの位置にある振動の節
部に上述のボリューム１２およびＩＣパッケージ１３
を、ハイブリットＩＣ基板１１上に配置させることによ
り、定在波の発生を阻害する要因を最小限に食止めるこ
とができる。本発明による振動ジャイロによる安定性、
検出効率の効果を確認するために以下のような実験を行
った。

【００２０】実施例１ 本発明による振動ジャイロにおいて、図１、図２に示す
上側ケース１０Ａの仕切板１０ａを上側ケース１０Ａの
側面１０ｂからケースの中心に向って５mmの位置、即ち
ｘ＝５mmの位置に設け、更にハイブリットＩＣ基板１１
を上側ケース１０Ａの上面１０ｃからケース１０の下部
に向って５mmの位置、即ちｙ＝５mmの位置に設ける。

【００２１】このような構成において振動子１を圧電ト
ランスデューサ２、３によりｘ軸方向に周波数ｆ＝３０
kHz、波長λ＝１０mmの振動により振動させる場合、定
在波は波長λ＝１０mmなので、振動子１の中立軸を実質
的にｘ軸方向およびｙ軸方向に発生する定在波の伝搬波
長λのλ／４の奇数倍の位置に合致させれば、振動子１
の中立軸はｘ軸方向およびｙ軸方向の定在波の節部に合
致する。これにより定在波の干渉が零になり、図１０に
示すように共振周波数ω_xと共振周波数ω_yとを実質的に
合致させることができるので、検出感度劣化のほとんど
ない特性を得ることができた。

【００２２】実施例２ 本発明による振動ジャイロにおいて、図３、図４に示す
上側ケース１０Ａ′の仕切板１０ａ′を上側ケース１０
Ａ′の側面１０ｂ′からケースの中心に向って１０mmの
位置、即ちｘ＝１０mmの位置に設け、更にハイブリット
ＩＣ基板１１を上側ケース１０Ａ′の上面１０ｃ′から
ケースの下部に向って５mmの位置、即ちｙ＝５mmの位置
に設ける。

【００２３】このような構成において振動子１を圧電ト
ランスデューサ２、３によりｘ軸方向に周波数ｆ＝３０
kHz、波長λ＝１０mmの振動により振動させる場合、定
在波は波長λ＝１０mmなので、振動子１の中立軸を実質
的にｘ軸方向に発生する定在波の伝搬波長λのλ／４の
偶数倍の位置およびｙ軸方向に発生する定在波の伝搬波
長λのλ／４の奇数倍の位置に合致させれば、振動子１
の中立軸はｘ軸方向の定在波の腹部およびｙ軸方向の定
在波の節部に合致する。これにより振動子１の振動が加
速され、図１１に示すように共振周波数ω_xのメカニカ
ルＱが増大したので、検出感度を向上させることができ
た。

【００２４】また、振動子１の長手方向両端から０．２
２４Ｌの位置にある振動の節部に上述のボリューム１２
およびＩＣパッケージ１３を、ハイブリットＩＣ基板１
１上に配置させれば、図１２に示すように、さらに共振
周波数ω_yのメカニカルＱが増大し、検出感度を向上さ
せることができる。なお、以上の実施例では振動ジャイ
ロを４角形の直方体振動子を使用した音片型に適用した
例について説明したが、本発明の振動ジャイロは横断面
ｎ角形（ｎは３以上の正の整数）の多辺体の音片型にも
適用でき、音又型等に応用する場合についても等しく適
用できる。この場合、ｘ軸方向、ｙ軸方向とはその横断
面ｎ角形のｘ軸方向、ｙ軸方向成分をいういものとす
る。

【００２５】また、以上の実施例では上側ケースに仕切
板を設けていたが、これに限らずケース内に定在波を発
生させることができれば、ケース内においてどのように
仕切板を設けてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように本発
明の振動ジャイロによれば、横断面形状が正ｎ角形（ｎ
は３以上の正の整数）の角柱形状から成る振動子と、振
動子を駆動、検出するための駆動、検出回路と、振動子
および駆動、検出回路を固定する基板と、振動子および
駆動、検出回路が固定された基板を覆設するケースとか
ら構成される振動ジャイロにおいて、基板に固定された
振動子の振動によりケース内において定在波を生じるよ
うに振動子の長手方向に平行な仕切部材を設けると共
に、定在波の節部および（または）腹部の位置に振動子
の中立軸を合致させるものであり、更に定在波の発生を
阻害する駆動、検出回路を振動子の変位零点の位置に配
置することにより、ケース内の音波の変位零点の位置ま
たは変位最大点の位置を容易に振動子の中立軸の位置に
合せることができるので、コリオリの力による屈曲運動
から角速度を検出する感度が向上し、特性の安定性を高
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動ジャイロの一実施例を示す平面
図。

【図２】本発明の振動ジャイロの一実施例を示す立面
図。

【図３】本発明の振動ジャイロの他の実施例を示す平面
図。

【図４】本発明の振動ジャイロの他の実施例を示す立面
図。

【図５】本発明の振動ジャイロの他の実施例を示す平面
図。

【図６】本発明の振動ジャイロの他の実施例を示す立面
図。

【図７】本発明の振動ジャイロを示す説明図。

【図８】本発明の振動ジャイロを示す説明図。

【図９】本発明の振動ジャイロの制御系を示すブロック
図。

【図１０】本発明の振動ジャイロの動作特性を示す図。

【図１１】本発明の振動ジャイロの他の実施例による動
作特性を示す図。

【図１２】本発明の振動ジャイロの他の実施例による動
作特性を示す図。

【図１３】従来の振動ジャイロを示す斜視図。

【図１４】従来の振動ジャイロを示す平面図。

【図１５】従来の振動ジャイロを示す立面図。

【図１６】従来の振動ジャイロの動作特性を示す図。

【図１７】従来の振動ジャイロの音波特性を示す図。

【図１８】従来の振動ジャイロの音波特性を示す図。

【図１９】従来の振動ジャイロの動作特性を示す図。

【符号の説明】

１…振動子 １０、１０′…ケース １０Ａ、１０Ａ′…上側ケース １０Ｂ、１０Ｂ′…下側ケース １０ａ、１０ａ′…仕切板 １０ｂ、１０ｂ′…側面 １０ｃ、１０ｃ′…上面 １１…ハイブリットＩＣ基板 １２…ボリューム １３…ＩＣパッケージ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】横断面形状が正ｎ角形（ｎは３以上の正の
   整数）の角柱形状から成る振動子と、前記振動子を駆
   動、検出するための電子部品と、前記振動子および前記
   電子部品を固定する基板と、前記振動子および前記電子
   部品が固定された前記基板を覆設するケースとから構成
   される振動ジャイロにおいて、前記基板に固定された前
   記振動子の振動により前記ケース内において定在波を生
   じるように前記振動子の長手方向に平行な仕切部材を設
   けると共に、前記定在波の節部または（および）腹部の
   位置に前記振動子の中立軸を合致させることを特徴とす
   る振動ジャイロ。
2. 【請求項２】前記定在波の発生を阻害する前記電子部品
   を前記振動子の変位零点の位置に配置することを特徴と
   する請求項１記載の振動ジャイロ。