JPH0760093B2

JPH0760093B2 - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH0760093B2
Application number: JP25694589A
Authority: JP
Inventors: 厚▲吉▼ 寺嶋
Original assignee: 赤井電機株式会社
Priority date: 1989-10-03
Filing date: 1989-10-03
Publication date: 1995-06-28
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH03120415A

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２図に
示すような圧電タイプのものがあり、これは、３次元座
標系内で、固定手段４の、Ｙ軸と直交するそれぞれの面
に、圧電材料よりなるバイモルフ振動子，ユニモルフ振
動子その他の駆動手段５の二枚を音叉状に固定し、そし
て、それらのそれぞれの駆動手段５の自由端に、これも
また圧電材料からなるそれぞれの検知手段６を、各々の
広幅面が一対の腕部材を形成する駆動手段５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、はじめに、
駆動手段５に交流電圧を印加して駆動手段５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、両駆動手段５に交流
電圧を印加する方法の他、一方の駆動手段５だけに交流
電圧を印加し、他方の駆動手段５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が、これらのいずれにおいても、後
述するコリオリの力を強くすべく、駆動手段５を共振状
態で振動させて、振動振幅を大きくすることとしてい
る。

次いで、駆動手段５の振動状態下で、振動ジャイロをＺ
軸の周りに角速度ωで回動させることによって、検知手
段６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、その検知手段６に
設けた電極間に電圧を発生させる。

ここで、この発生電圧は、コリオリの力Fcの大きさに比
例することから、その発生電圧を測定することによっ
て、角速度ωの大きさに応じた電圧が得られる。

なお一般的には、上述したような装置全体を、支持部材
７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、駆動手段５
の先端に検知手段６を連結する構造であることにより、
装置が大型化する他、駆動手段５に交流電圧を供給する
ための配線、検知手段６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り、とくに、検知手段６
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、検知手段６が、常におよそ数μｍ〜
100μｍ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、主には駆動手段５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、駆動手段５の側面５′に接着させて、振動の小さ
い固定手段４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手段６の
近傍位置まで延在させ、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、このことによれば、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。

またこの一方において、駆動手段５の広幅面と、検知手
段６の広幅面とが正確に直交していない場合には、検知
手段６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、駆動手段５の端面
と検知手段６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３図に示すような連結部材８を介して、駆動
手段５と検知手段６とを連結する方法が提案されてお
り、この連結部材８を用いる方法によれば、駆動手段５
および検知手段６のそれぞれの端部分を、連結部材８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、駆動手段５と検知手段６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。

ところがこの場合には、連結部材８の、駆動手段接着面
と検知手段接着面とが相互に直交する方向に向いている
ことから、駆動手段５と検知手段６との、連結部材８へ
の接着を同時に行うためには、接着剤が硬化するまで、
駆動手段５および検知手段６のそれぞれを、連結部材８
に、所定の相対関係の下で正確に位置決め保持するため
に必要となる治具の構造が複雑になるとともに、治具が
大型化して作業性が悪くなり、また、このような接着作
業を二工程に分けて行うときには、作業工数が著しく嵩
むことになる。

〔背景技術〕

一般に、一端を片持ち固定した圧電体バイモルフ素子
に、第４図に示すような力Ｆを加えてそれを撓ませた場
合は、シリーズ型バイモルフ13を例にとると、近似的に
は、Ｖ＝（3g₃₁・ｌ・Ｆ）／（2t・ｗ） g₃₁:電圧出力係数 l:長さ t:厚み w:幅で表される電圧Ｖを発生する。これに対し、第５図に示
すように、白抜矢印で示す方向に分極させるとともに、
上下面に図示しない電極を設けた、すべり振動子として
作用する圧電材料14に、力Ｆを加えて剪断変形させた場
合は、同様に、Ｖ′＝（ｔ′・g₁₅・Ｆ）／（ｌ′・ｗ′） g₁₅:電圧出力係数ｌ′：長さｔ′：厚みｗ′：幅で表される電圧Ｖ′を発生する。

ここで、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）その他をもって
代表される圧電セラミック材料を例にとると、電圧出力
係数g₃₁,g₁₅は、比にしてg₁₅/g₃₁３程度であり、加え
られた力に対し、電圧出力係数に関してはすべり振動子
の方が有利ではあるが、それぞれの圧電材料の厚みt,
t′，幅w,w′，長さl,l′を考慮すると、前記二式から
明らかなように、出力電圧としては、すべり振動子が常
に有利であるとはいえない。

しかるに、第６図に示すように、固定手段４に駆動手段
５の下端部を固定し、その駆動手段５の電極に交流電圧
を印加してＹ軸方向へ振動させながら、固定手段４をＺ
軸の周りに角速度ωで回動させると、発生したコリオリ
の力Fcは、固定手段４の、駆動手段５との連結部９に、
破線矢印で示す方向の剪断応力の他に、実線矢印で示す
ねじりモーメントＭを作用させて、固定手段４を捩る方
向の力を生じさせる。従って、このねじりモーメントＭ
を積極的に利用してコリオリの力Fcを測定することによ
り、振動ジャイロの製造上の作業性を向上させることが
できるとともに、それの小型化を実現することができ、
しかも、高い測定精度をもたらすことができる。

この発明は、かかる点に着目してなされたものであり、
従来にない新規な振動ジャイロを提供するものである。

これをさらに詳述すると、第７図に示すように、基台10
とアーム12とを、第８図で示すような、長辺長さがａ、
短辺長さがｂの長方形輪郭を有する中間部材11を介して
連結した場合に、アーム12の先端にＸ軸方向の力Ｆを加
えると、中間部材11には、剪断応力τ＝F/a・ｂととも
に、Ｙ軸を回転中心とするねじりモーメントＭ＝Ｆ・
Ｌ′が作用し、このねじりモーメントＭによって、中間
部材11には、座標軸X,Y,Zの交点Ｏを中心とするねじり
剪断応力τ′が生じる。このねじり剪断応力τ′は、第
８図に示す中間部材11の、長辺の中点Ａにおいて最大と
なり、その値は、 τ′max＝Ｆ・Ｌ′／α・ａ・b² α：長辺と短辺の長さの比a/bによって定まる定数となる。

このτ′maxはτに対し、τ′max/τ＝Ｌ′／α・ｂの
相対関係を有することから、ねじり剪断応力τ′を測定
することは極めて効果的である。

なお、ここでは、説明を容易ならしめるべく、中間部材
11を、ａ＞ｂの長方形輪郭形状としたが、第８図におい
てａ＜ｂであれば、中点Ｂに最大ねじり剪断応力が作用
することになり、ａ＝ｂであれば、両中点A,Bに最大ね
じり剪断応力が作用することになる。ところで、ねじり
剪断応力τ′は、中間部材11の中心Ｏと四隅において零
となり、辺の中点において高い値となる分布を示す。

以上に述べたように、中間部材11には、剪断応力τの
他、ねじり剪断応力τ′が作用する結果、その中間部材
11は、第９図に示すように、剪断応力τによる剪断歪γ
と、ねじり剪断応力τ′による剪断歪γ′とを生じるこ
とになる。

ここで、引張および剪断応力と電気変位との関係につい
てみるに、圧電材料に応力Ｔと電界Ｅが加わった場合に
発生する電気変位Ｄを式にて表現すると、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、ここにおいては、加わる応力T₁〜T₆
は、第10図および第11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。

以上のことから、第１軸と直交する面に電極を設けた場
合には、応力による第１軸方向の電気変位D₁は、 D₁＝d₁₅・T₅ となり、これは第２軸の周りの剪断応力T₅に対して電気
変位を発生するすべり振動子となる。

次に、第12図に示すように、Ｘ軸と直交する平面x₁,x₂
と、Ｙ軸と直交する平面y₁,y₂と、Ｚ軸と直交する平面z
₁,z₂とで形成される直六面体の圧電材料14に、その中心
を通るＹ軸の周りのねじりモーメントＭにより、Ｙ軸と
直交する面内にねじり剪断応力τ′が作用することで発
生する電気変位を考える。

まず、圧電材料14がＸ軸方向に分極されており、平面y₁
上の点P₁に作用するねじり剪断応力τ′p₁の方向がＸ軸
に対して角度αをなすとすると、平面y₂上の、点P₁と対
抗する点P₂には、点P₁に作用するねじり剪断応力τ′p₁
と大きさが等しく方向が逆のねじり剪断応力τ′p₁が作
用し、両点P₁,P₂を結ぶ領域で、点P₁から点P₂に向かう
電気変位は、 Dp＝d₁₅τ′p₁cosα となるので、この電気変位は、−π/2α＜π/2の範囲
と、π/2α＜３π/2の範囲とでは極性が相違する。

そこで、この発明は、圧電材料の分極方向と電極配置と
を適宜に組合わせることによって、ねじりモーメントＭ
を高い感度で検出することができる、小型で、生産性に
優れた高精度の振動ジャイロを提供する。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の振動ジャイロは、二本の矩形状（隣接面が相
互に直交する方向に向く）腕部分と、これらの腕部分を
それらの下端部で相互連結する基台部分とを圧電材料に
て一体成形して全体形状を音叉状とし、両腕部分を、三
次元座標系のＺ軸方向へ向けるとともに、Ｙ軸方向に間
隔をおいて位置させた状態の下において、基台部分をＹ
軸方向に分極させ、その基台部分の、Ｘ軸と直交する各
面に、基台部分の上面，下面，または上面と下面の両側
にそれぞれ近接して位置し、Ｙ軸方向へ延在する検知用
電極を設けたものである。

〔作用〕

ここでは、両腕部分をＹ軸方向に対称振動させつつ、そ
れをＺ軸の周りに回転させて、それぞれの腕部分にコリ
オリの力を生じさせると、基台部分には、前述したよう
に、そのコリオリの力によるねじりモーメントが作用す
るとともに、このねじりモーメントによるねじり剪断応
力が生じることから、この発明の振動ジャイロでは、両
腕部分によって基台部分に発生される、Ｚ軸の周りのね
じり剪断応力成分を検出することにより、ねじりモーメ
ント、ひいては、コリオリの力を優れた感度をもって検
知することができる。

しかも、この振動ジャイロでは、腕部分と一体をなす固
定部分をすべり振動子として機能させることにより、従
来技術で述べた検知手段６を不要ならしめて、装置を十
分小型化することができる他、電極の、固定部分および
その近傍部分への配設を可能ならしめて、線材の引き回
しに伴う苦労を有利に取り除くことができる。

加えてここでは、固定部分に対する腕部分の連結作業が
不要になるので、寸法精度の高い、性能の揃った振動ジ
ャイロを製造することができる。

〔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（ａ）〜（ｃ）は、いずれもこの発明の実施例を
示す斜視図である。

第１図（ａ）において、図中15は基台部分を、また、1
6,17はそれぞれ第１および第２の腕部分を示し、これら
の腕部分16,17は、それらの下端部を相互連結する基台
部分15とともに、圧電材料によって一体成形してなる。

そしてここでは、隣接する面を相互に直交する方向に向
けて、全体形状を音叉状としたこの成形体を、腕部分1
6,17が、三次元座標系のＺ軸方向に向くとともに、Ｙ軸
方向に間隔をおいて位置する姿勢とした状態の下で、第
１の腕部分16を、図に白抜矢印で示すようにＸ軸方向へ
分極させ、そして、この第１の腕部分16の、Ｘ軸と直交
する第１の面（図の手前側の面）x₁および第２の面x₂の
それぞれに、第２の腕部分17から離隔して位置して、腕
部分16の長さ方向へ延在する第１および第２の電極18,1
9を設ける。

ここで、これらの電極のうち、第１の電極18を接地さ
せ、第２の電極19に駆動用の交流電圧を印加すると、第
１の腕部分16はＹ軸方向に振動する。ところで、印加す
る交流電圧の周波数を、成形体の共振周波数とすると、
第１の腕部分16と第２の腕部分17とがＹ軸方向に対称振
動して、大きな振動振幅が得られる。

なお、ここにおいて、第２の腕部分17を適宜方向へ分極
させるとともに、そこにも電極を形成した場合には、そ
の第２の腕部分17を、振動状態の制御を行うための振動
モニタとして機能させることができる。

さらに、前記姿勢とした成形体の基台部分15において
は、それをＹ軸方向へ分極させ、そして、それぞれの面
x₁,x₂の、基台上面z₁に近接する位置に、電極24,25のそ
れぞれを、Ｙ軸方向へ延在させて設けたものである。

なお、第１図（ｂ）に示すものは、両検知用電極24′,2
5′を基台部分15の底面z₂に近接させて設けた例を示し
ており、そして、第１図（ｃ）に示すものは、基台部分
15の上面z₁と下面z₂との両側にそれぞれ一対の検知用電
極24,24′,25,25′を設けた例を示しており、これらも
また、上記実施例（第１図ａ）と同様の作用・効果をも
たらすものである。

このような構成によれば、例えば、電極24を接地させ、
電極25を検知用回路に接続することにより、第１の腕部
分16と第２の腕部分17とをＹ軸方向に対称振動させつ
つ、Ｚ軸の周りに回転させることによって、それぞれの
腕部分16,17に生じるコリオリの力に基づくねじりモー
メントが基台部分15に作用すると、そのねじりモーメン
トによるねじり剪断応力の、Ｚ軸の周りの成分を感知す
る振動ジャイロがもたらされる。

以上この発明を図示例に基づいて説明したが、圧電材料
14としては、チタン酸ジルコン酸鉛の他、チタン酸鉛、
チタン酸バリウムなどの各種材料を用い得ることはもち
ろんである。

〔発明の効果〕

かくしてこの発明によれば、コリオリの力を基台部分に
て検知することにて、振動ジャイロの小型，軽量化を実
現することができ、また、電極を基台部分およびその近
傍に集中させることにより、線材の引き回しを極めて容
易ならしめることができる。

しかも、基台部分と、第１および第２の腕部分とを圧電
材料によって一体成形することにより、それらの連結作
業を全く不要ならしめることができる他、寸法精度の高
い、安定した性能の振動ジャイロをもたらすことができ
る。

加えて、電極形成面がＸ軸と直交する二面x₁,x₂に限定
されるので、電極印刷工程を少ならしめて生産コストを
低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は、いずれもこの発明の実施例を
示す斜視図、第２図は、従来例を示す斜視図、第３図は、従来の連結部材を例示する斜視図、第４〜12図はそれぞれ、この発明を説明するための参考
図である。 14……圧電材料、15……基台部分、 16,17……腕部分、18,19……電極、 20〜27……電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二本の矩形状腕部分と、これらの腕部分を
それらの下端部で相互連結する基台部分とを圧電材料に
て一体成形して全体形状を音叉状とし、前記両腕部分
を、三次元座標系のＺ軸方向へ向けるとともに、Ｙ軸方
向に間隔をおいて位置させた姿勢で、基台部分をＹ軸方
向に分極させ、かつ、その基台部分の、Ｘ軸と直交する
各面に、基台部分の上面，下面，または上面と下面の両
側にそれぞれ近接して位置する検知用電極を設けてなる
振動ジャイロ。