JPH0748047B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

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を介して基台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Ｖ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10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廉であるととも
に、S/N比のすぐれた高感度の振動ジャイロを提供する
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、Ｚ軸方向へ
突出する検知手段を設け、この検知手段を、２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軸と直交する方向のいずれか一方の側へ
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Ｚ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×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τw,W方
向の剪断応力τｕ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Ｄを式に表すと、 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位は、 で表される。なおここにおいて、加わる応力T₁〜T₆は、
台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、 D₁＝d₁₅T₅ ………(5) となり、第２軸の周りの剪断応力T₅によってのみ電極に
電荷を発生し、他の応力T₁，T₂，T₃，T₄，T₆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(6)，(7)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τw,τｕ、ひいてはそれぞれの電気変位Dw,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u₁，u₂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w₁，w₂
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w₁，w₂に設けた電極の少なくとも一方を、
面u₁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w₂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図はこの発明の一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21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
用いることなく有効に防止して、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UWZ座標
系で示すように、直六面体形状をなす圧電材料１をＺ軸
方向へ分極処理するとともに、Ｗ方向と直交する面w₁，
w₂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u₁，u₂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、両電極19,20を面u₂側に偏せて位
置させることも可能であり、いずれか一方の電極を、面
w₁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w₁，w₂のそれぞれに、面u₁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
後にフォトエッ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w₁，w₂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w₁，w₂
に形成した電極を、それぞれの電極26,27,28,29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
w₁に電極30,31を、また面w₂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w₁側の電
極30,31が同極性の、そして、面w₂側の電極32,33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、面u₁，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Ｚ軸方向と、検知手段21のＺ
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、オフセット量を約30dB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、Ｚ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Ｚ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、4,5……腕部材、６……ベース部、７
……駆動振動子、９……基台、19,20,23〜23……電極、
21……検知手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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軸と直交する方向のいずれか一方
   の側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。