JPH0748048B2 - 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、この種の振動ジャイロとしては、例えば、第７図
に示すような圧電タイプのものがあり、これは、三次元
座標系内で、基台１の、Ｙ軸と直交する面のそれぞれ
に、圧電材料よりなるバイモルフ振動子，ユニモルフ振
動子その他の駆動振動子２を音叉状に固定して、それら
をＺ軸方向へ突出させ、そして、それぞれの駆動振動子
２の自由端に、これもまた圧電材料からなる検知振動子
３を、各々の広幅面が、駆動振動子２のそれと直交する
方向に向く状態で固定することにより構成されている。

このような振動ジャイロの使用に際しては、まず、駆動
振動子２に交流電圧を印加してその駆動振動子２を図の
実線矢印方向（Ｙ軸方向）に対称振動させる。なお、か
かる対称振動をもたらす方法としては、それぞれの駆動
振動子２に交流電圧を印加する方法の他、一方の駆動振
動子２だけに交流電圧を印加して、他方の駆動振動子２
を振動モニターとして利用して振動状態の制御を行い、
これによって振動を安定させる方法がある。これらはい
ずれも、後述するコリオリの力を強くすべく、駆動振動
子２を共振状態で振動させて、振動振幅を大きくする形
式のものである。

次いで、駆動振動子２の振動状態下で、振動ジャイロ全
体をＺ軸の周りに角速度ωで回動させることによって、
検知振動子３に、それを図の破線矢印方向（Ｘ軸方向）
へ、角速度ωの大きさに応じて撓ませるように作用する
コリオリの力Fcを生じさせ、この結果として、その検知
振動子３に設けた電極間に電圧を生じさせる。

ここで、この発生電圧は、コリオリの力Fcに比例するこ
とから、その電圧を測定することによって、角速度ωの
大きさを検出することができる。

なお一般的には、上述したような装置全体を、支持部材
４によって支持することにより、共振状態での作動効率
を高める工夫がなされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような従来技術にあっては、駆動振動子
２の先端に検知振動子３を連結する構造であるため、装
置が大型化する他、駆動振動子２に交流電圧を供給する
ための配線、検知振動子３から信号電圧を取り出すため
の配線などが複雑になる欠点があった。とりわけ、検知
振動子３に対する配線は、線材の引回しに苦労するとこ
ろが大であった。

すなわち、検知振動子３は、常に、およそ数μｍ〜100
μｍ程度の振動振幅下におかれており、信号電圧の取出
しのための線材の質量や弾性率、さらには変形状態その
他が、主には駆動振動子２の振動に大きな影響を及ぼし
て検知感度を変動させる要因となることから、その線材
を、駆動振動子２の側面２′に接着させて、振動の小さ
い基台１の付近まで延在させ、そこから所定の接続端子
まで引き出すこと、所定の接続端子を検知振動子３の近
傍位置まで延在させて、線材の長さを短くすることにて
その線材の影響を低減することなどの手段が講じられて
いる。

しかしながら、このような方法によれば、振動ジャイロ
の製造作業効率の著しい低減が不可避であった。

またその一方において、駆動振動子２の広幅面と、検知
振動子３の広幅面とが正確に直交していない場合には、
検知振動子３での検知信号中に、Ｙ軸方向の振動成分が
漏れ込むことになるとともに、検知精度それ自体が低下
することになる。ところで、図示のように、駆動振動子
２の端面と検知振動子３の端面とを直接的に連結する構
造の下においては、それらを接着剤によって単に固着す
るだけでは高い連結精度を望み得べくもない。

そこで、第８図に示すような連結部材５を介して、駆動
振動子２と検知振動子３とを連結する方法が提案されて
いる。この連結部材５を用いる方法によれば、駆動振動
子２および検知振動子３のそれぞれの端部分を、連結部
材５に形成されて、相互に直交する方向に向く面のそれ
ぞれに、それらに設けた電極を介して接着することによ
って、駆動振動子２と検知振動子３とを、比較的容易
に、高い直角度をもって連結することが可能となる。

ところがこの場合であっても、駆動振動子接着面と検知
振動子接着面とが相互に直交する方向に向いていること
から、その接着を同時に行うためには、駆動振動子２お
よび検知振動子３のそれぞれを、接着剤が硬化するま
で、連結部材５に、所定の相対関係の下で正確に位置決
め保持しなければならず、そのために必要とする治具の
構造も複雑なものが要求される。その結果、治具が大型
化して作業性が悪くなる。また、このような接着作業を
２工程に分けて行うとすれば、作業工数が著しく嵩むこ
とにもなる。

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、装置の十分なる小型化を実現することに加
え、各種配線の引き回し、および検出手段と駆動手段と
の高精度の組付けを極めて容易ならしめることによっ
て、生産性を大きく向上させることができ、しかも、す
ぐれた検出感度を有する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、三次元座標系内で、基台の
Ｙ軸と直交するそれぞれの面に、第１および第２の腕部
材を、Ｚ軸方向へ突出させて固定してなる振動ジャイロ
であって、 Ｚ軸方向が長軸となる前記各腕部材を、Ｘ軸と直交する
二面、Ｙ軸と直交する二面および、Ｚ軸と直交する二面
を有し、Ｙ軸方向に分極された直六面体形圧電材料の、
Ｙ軸と直交するそれぞれの面に駆動用電極をＸ軸方向へ
片寄らせることなく設けてなる第１の振動子と、 前記圧電材料と同様の直六面体形状をなし、Ｚ軸方向に
分極された他の圧電材料における、Ｙ軸と直交するそれ
ぞれの面に、少なくとも一方の検知用電極をＸ軸方向の
いずれか一方側に片寄らせて配設してなる第２の振動子
とを、 Ｙ軸と直交するそれぞれの面を、検知用電極のうちのＸ
軸方向へ片寄らせた電極が外側に位置するように相互に
接合し、 そして、第１および第２の腕部材のそれぞれの自由端に
は、Ｙ軸方向へ偏って位置する第１および第２の振動質
量を設けることによって構成したものである。

ここで好ましくは、第１および第２の振動子は、導電性
シムを介して接合し、また好ましくは、第２の振動子に
設けた検知用電極の接続端子を、圧電材料の、Ｙ軸と直
交するそれぞれの面に配設する。

〔作用〕

かかる振動ジャイロの作用を、第９図に示す模式図をも
とに以下に説明する。

図において、腕部材６の自由端を速度Ｖで振動させつ
つ、装置をＺ軸の周りに角速度ωで回動させると、Ｘ軸
方向にコリオリの力Fcが発生し、このコリオリの力Fcの
大きさは、 Fc＝2mVω で表わされる。これによれば、振動速度Ｖおよび角速度
ωが同じであっても質量ｍが大きければ発生するコリオ
リの力Fcも大きくなる。

そこで、本発明では、腕部材６の自由端に、図示のよう
な振動質量７を設けることによって、発生するコリオリ
の力それ自体を十分大ならしめ、しかも、その振動質量
７をＹ軸方向に偏せて位置させることによって、腕部材
６に作用するねじりモーメントＭのモーメントアームを
十分大ならしめるようにする。

かくして、このような振動ジャイロによれば、角速度ω
に起因して発生するねじりモーメントＭ、ひいてはコリ
オリの力Fcを高い感度にて検知することができる。

また本発明は、駆動手段として機能する第１の振動子
と、検出手段として機能する第２の振動子とを面接着さ
せて腕部材を構成していることから、装置の高精度の組
み立てを簡易・迅速に行うことができるとともに、装置
を十分小型のものとすることができ、しかも、信号の供
給および取り出しを基台の近傍部分にて行うことが可能
となって、線材を長く引き回すことに起因する不都合を
ことごとく除去することができる。

なおここで、第１および第２の振動子を、導電性シムを
介して接合した場合には、腕部材の機械的強度を高める
ことができるとともに、それらの両振動子の相互接続お
よび、それらの、外部回路への接続を容易ならしめるこ
とができ、なかでも、電気的接続の容易さは、第２の振
動子に設けた検知用電極の接続端子を、圧電材料の、Ｙ
軸と直交するそれぞれの面に配設した場合に一層顕著な
ものとなり、また、それらのいずれによっても、線材の
引き回しの困難さを有利に除去することができる。

〔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る。

図中16,17はそれぞれ、第１および第２の腕部材を示
し、これらの腕部材16,17は、三次元座標系内で、基台1
8の、Ｙ軸と直交するそれぞれの面に各１端部を固定さ
れてＺ軸方向へ突設する。

ここで、それぞれの腕部材16,17は、第１の腕部材16を
例として第２図〜第５図にもとづき説明すると、それら
は少なくとも第１の振動子11と第２の振動子14とで構成
されている。すなわち、第１の振動子11は、Ｘ軸と直交
する２面x₁，x₂、Ｙ軸と直交する２面y₁，y₂およびＺ軸
と直交する二面z₁，z₂を有する直六面体形状の圧電材料
８を、Ｙ軸方向に分極処理するとともに、その圧電材料
８の、Ｙ軸と直交する面y₁，y₂のそれぞれに駆動用電極
9,10を設けることによって、それらが駆動手段として機
能するように構成されているものである。

また、第２の振動子14は、第３図に示すように、第２図
に示す第１の振動子11と同様の形状および寸法を有する
圧電材料８をＺ軸方向に分極処理するとともに、それ
の、Ｙ軸と直交する面y₁，y₂に、それぞれＺ軸（長軸方
向）に延在しかつＸ軸と交差するx₂面寄りに配設される
検知用電極12,13をそれぞれ設けることによって、それ
らが検出手段として機能するように構成してある。

すなわち、検知用電極12,13の少なくとも一方はＸ軸方
向のいずれか一方側に片寄らせて配設する。

そして、このような第１および第２の振動子11,14は、
これもまた好ましくは、第４図に示すような金属薄板そ
の他からなる導電性シム15を介して、第１の振動子11の
面y₂と第２の振動子14の面y₁とを、Ｘ軸方向へ片寄らせ
た検知用電極13が少なくとも外側に位置するように相互
に対向させて、電気的な接続を図るために導電性接着剤
により加圧接着することにより、第５図に示すような第
１の腕部材16を構成する。なお、この加圧接着は、電気
的な接続を目的とする他に、機械的強度を向上させると
共に電極10,12の相互接続および外部回路への接続を容
易ならしめるべく機能する。

各部材をこのように構成したところにおいて、第１図に
斜視図で示すように、基台18の、Ｙ軸と直交するそれぞ
れの面に、第１および第２の腕部材16,17を、それらの
第２の振動子14を相互に向き合わせて加圧接着し、さら
に、それぞれの腕部材16,17の自由端には、第１および
第２の振動質量の19,20のそれぞれを、Ｙ軸方向へ偏せ
て、図では、それらのそれぞれが相互に離隔する方向へ
偏せて取付ける。

ここで、これらの振動質量19,20は、前述したように、
発生するコリオリの力Fcを大ならしめるべく、また、そ
れらの振動質量19,20の、Ｙ軸方向への偏りは、これも
前述したように、それぞれの腕部材16,17に、コリオリ
の力Fcに起因して生じるねじりモーメントを大ならしめ
るべく、それぞれ作用する。

なお、第３図に示す第２の振動子14の上記電極構成は、
この形態だけに限定されるものではなく、例えば第６図
に示すような構成にしてもよい。すなわち、直六面体形
状の圧電材料８を、Ｚ軸方向に分極するとともに、それ
の、Ｙ軸と直交する一方の面y₁には、その略全面に検知
用電極12を取付ける一方で他方の面y₂にはＸ軸交差面寄
りの部分だけに配設したものでもよい。さらにまた、第
３図，第６図に例示した各振動子14の面y₁およびy₂の検
知用電極を形成していない部分に、既に形成されている
隣接電極とは分離した形態で、とくにx₁面寄りに新たな
電極を追加してもよく、これらもまた作動効果には差が
ない。

以上に述べたようなそれぞれの振動ジャイロにおいて、
導電性シム15の下端部に接続したリード線21を接地する
とともに、第１の腕部材16の第１の振動子11に設けた駆
動用電極９に、その下端部に接続したリード線22を介し
て交流電圧を印加すると、第１の腕部材16はＹ軸方向へ
振動し、共振点においては、第１の腕部材16と第２の腕
部材17とが、大きな振幅で対称振動する。そこで、腕部
材16,17のかかる振動状態を維持したまま、装置を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1
6,17にはコリオリの力に起因するねじりモーメントが作
用し、それらの腕部材16,17の構成部品としての第２の
振動子14にはねじり剪断応力が作用して、検知用電極1
2,13間には、ねじり剪断応力、ひいては、コリオリの力
に応じた電気変位（電圧）を発生するようになる。

そこでたとえば、検知用電極13,からリード線23を介し
て電気信号を出力することにより、コリオリの力を検知
することができる。なお、ここにおいては、第２の腕部
材17の第１の振動子を、振動状態のモニターとして利用
することによって振動を安定させることもでき、また、
第２の腕部材17の第２の振動子からも、コリオリの力に
起因する電気信号を取り出すことができる。

以上この発明を図示例に基づいて説明したが、それぞれ
の腕部材の第１および第２の振動子を、図示例とは逆の
相対位置関係とすることもでき、また、それぞれの振動
質量を、それらが相互に近接する方向へ偏せることも可
能である。

〔発明の効果〕

かくして、この発明によれば、駆動手段として機能する
第１の振動子と、検出手段として機能する第２の振動子
とを面接着させて腕部材を構成することにより、装置の
高精度の組み立てを極めて容易ならしめるとともに、装
置を十分小型化することができ、応用分野が拡大され
る。しかも、広幅のそれぞれの振動子を相互に接合した
後に、それを所定の幅に切断することによって、大量の
腕部材を効率よく生産できることに加え、各腕部材の性
能のばらつきを有効に除去することができ、バランスの
良い振動ジャイロを安価かつ大量に供給することが可能
となる。

また、第２振動子の電極は、第１の振動子と同じように
Ｙ軸と直交する広い面に形成すればよいので、エッチン
グなどの作業が容易であり、リード線の接続が一般的な
バイモルフと同じようにできるという効果もある。

さらに、本発明装置では、信号の供給および取り出しの
すべてを、基台の近傍部分にて行うことができるので、
線材の引き回しに起因する不都合をほぼ完全に取り除く
ことができる。

なお、この装置では、腕部材の自由端に振動質量を設
け、かつその振動質量をＹ軸方向に偏せて位置させるこ
とによって、コリオリの力の検知感度を大きく向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す斜視図、 第２〜５図はそれぞれ、腕部材の構成部品およびそれら
からなる腕部材を例示する斜視図、 第６図は、この発明の、とくに第２の振動子についての
実施例を示す斜視図、 第７図は、従来例を示す斜視図、 第８図は、従来の連結部材を示す斜視図、 第９図は、本発明装置の作用を説明するための模式図で
ある。 ８……圧電材料、9,10……駆動用電極、11……第１の振
動子、12,13……検知用電極、14……第２の振動子、15
……導電性シム、16……第１の腕部材、17……第２の腕
部材、18……基台、19,20……振動質量、21,22,23……
リード線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三次元座標系内で、基台のＹ軸と直交する
   それぞれの面に、第１および第２の腕部材を、Ｚ軸方向
   へ突出させて固定してなる振動ジャイロであって、 Ｚ軸方向が長軸となる前記各腕部材を、Ｘ軸と直交する
   二面、Ｙ軸と直交する二面および、Ｚ軸と直交する二面
   を有し、Ｙ軸方向に分極された直六面体形圧電材料の、
   Ｙ軸と直交するそれぞれの面に駆動用電極をＸ軸方向へ
   片寄らせることなく設けてなる第１の振動子と、 前記圧電材料と同様の直六面体形状をなし、Ｚ軸方向に
   分極された他の圧電材料における、Ｙ軸と直交するそれ
   ぞれの面に、少なくとも一方の検知用電極をＸ軸方向の
   いずれか一方側に片寄らせて配設してなる第２の振動子
   とを、 Ｙ軸と直交するそれぞれの面を、検知用電極のうちのＸ
   軸方向へ片寄らせた電極が外側に位置するように相互に
   接合し、 そして、第１および第２の腕部材のそれぞれの自由端に
   は、Ｙ軸方向へ偏って位置する第１および第２の振動質
   量を設けてなる振動ジャイロ。