JPH0769179B2

JPH0769179B2 - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH0769179B2
Application number: JP1300823A
Authority: JP
Inventors: 信一青津; 厚吉寺嶋
Original assignee: 赤井電機株式会社
Priority date: 1989-11-21
Filing date: 1989-11-21
Publication date: 1995-07-26
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: JPH03162615A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、コリオリの力に起因して生じるねじりモー
メントまたは剪断応力を検知することによって、角速度
を検出する振動ジャイロに関するものである。

〔従来の技術〕

従来から広く一般に用いられている振動ジャイロとして
は、例えば、第４図に示すような圧電タイプのものがあ
る。

これは、圧電材料よりなるバイモルフ振動子，ユニモル
フ振動子等からなる、矩形板形状の二枚の駆動用振動子
41,41′を、三次元座標系のＺ軸方向へ平行に延在させ
るとともに、Ｙ軸方向に間隔をおいて配置し、そして、
それらのそれぞれの広幅面を互いに向き合わせた姿勢
で、各一端を支持基板49に固着し、また、かかる駆動用
振動子41,41′の遊端には、連結部材46,46′を介して、
これも圧電材料からなる矩形板形状の検知用振動子47,4
7′のそれぞれを、互いの広幅面が前記駆動用振動子41,
41′の広幅面と直交する方向に向く姿勢で連結すること
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、先ず、駆動
用振動子41,41′に交流電圧を印加して、それらの振動
子41,41′を図の矢印方向（Ｙ軸方向）に対称に振動さ
せる。すなわち、それぞれの広幅面を互いに直交する方
向に向けて連結した各振動子41,47ならびに41′,47′か
らなる両振動片48,48′の全体をＹ軸方向に振動させ
る。この状態下で、振動ジャイロをＺ軸のまわりで、図
に矢印で示す方向へ角速度ωで回転させると、Ｘ軸方向
にコリオリの力Fcが発生し、検知用振動子47,47′はと
もにそれらの厚み方向に撓むことになる。

ところで、検知用振動子47,47′の彎曲の程度は、発生
するコリオリの力Fc、ひいては、Ｚ軸周りの角速度ωに
比例する。したがって、検知用振動子47,47′のそれぞ
れに設けた電極間に生じる電圧の大きさを測定すれば、
角速度ωを求めることができる。

なおここで、支持基板49は、コリオリの力以外の外力の
影響を排除して、振動片48,48′を正しく対称振動させ
るべく機能する。

また、第５図に示す従来の振動ジャイロは、駆動用振動
子51,51′、連結部材56,56′および検知用振動子57,5
7′の各組合わせからなる一対の振動片58,58′のそれぞ
れの一端を、固定部材52に固定してなる音叉状のもので
あり、この型式の振動ジャイロは、一方の駆動用振動子
51だけに交流電圧を印加し、音叉の共振を利用して他方
の駆動用振動子51′をそれと対称に振動させると共に、
その振幅を増大させてコリオリの力Fcを強めるものであ
る。なお、この場合には、他方の駆動用振動子51′は、
振動モニターとして振動片の振動状態を検知するのに利
用することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、これらの従来技術はいずれも、駆動用振動子
41,41′および51,51′の先端に検知用振動子47,47′お
よび57,57′のそれぞれを連結する構造であるため、装
置が縦長で大型化して不安定となる他、駆動用振動子4
1,41′および51,51′に交流電圧を供給するための配
線、検知用振動子47,47′および57,57′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、とり
わけ、検知用振動子47,47′および57,57′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、検知用振動子47,47′および57,57′は、常
に、およそ数μｍ〜100μｍ程度の微小な振動振幅下に
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、駆動用振動子41,4
1′および51,51′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
用振動子41,41′および51,51′の側面に接着させて、振
動の小さい基台49,59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、あるいは所定の接続端
子を検知用振動子47,47′および57,57′の近傍まで延在
させて、線材の長さを短くすることによって、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、この一方において、振動用振動子41,41′および5
1,51′の広幅面と、検知用振動子47,47′および57,57′
の広幅面とが正確に直交していない場合には、検知用振
動子47,47′,57,57′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、駆動用振動子41,41′および51,51′の端面
と、検知用振動子47,47′および57,57′の各端面とを直
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、図示のような連結部材46,46′および56,56′を
介して、駆動用振動子41,41′および51,51′と検知用振
動子47,47′および57,57′とを連結することとしてお
り、連結部材46,46′,56,56′を用いるこの方法によれ
ば、駆動用振動子41,41′,51,51′および検知用振動子4
7,47′,57,57′のそれぞれの端部を、連結部材46,46′
および56,56′に形成されて、相互に直交する方向に向
くそれぞれの溝内に接合することによって、駆動用振動
子41,41′,51,51′と検知用振動子47,47′,57,57′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46,46′および56,56′
の、駆動用振動子接合溝と検知用振動子接合溝とが相互
に直交する方向に向いていることから、駆動用振動子4
1,41′,51,51′と検知用振動子47,47′,57,57′との、
各連結部材46,46′,56,56′への接合を同時に行うに際
しては、接着剤が硬化するまでの間、駆動用振動子41,4
1′,51,51′および検知用振動子47,47′,57,57′のそれ
ぞれを、各連結部材46,46′,56,56′に、所定の相対関
係の下で正確に位置決め保持するための特別の治具が必
要となり、しかも、その治具の構造が複雑になるととも
に、治具が大型化することから作業性が悪くなる。

この一方において、かかる接合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。

もちろん、このように多くの課題を抱えている従来技術
に対して、解決の方策が全くなかった訳ではなく、コリ
オリの力によって発生するねじりモーメントを利用して
角速度を検出するタイプの振動ジャイロも提案されてい
る。

第６図は、その一例を示すものであり、これは、圧電バ
イモルフその他からなる一対の駆動用振動子61a,61bの
それぞれの一端部を、少なくとも一部をすべり振動子63
a〜63dに構成した連結部材62によってコ字形に連結して
なる振動ジャイロである。

この振動ジャイロは、第６図（ｂ）に、一方の駆動用振
動子61bについての作動状態を示すように、駆動用振動
子61bを三次元座標系内のＹ軸方向に振動させた状態の
下で、連結部材62をＺ軸の周りに角速度ωで回転させた
場合に、Ｘ軸方向に発生するコリオリの力Fcにより、駆
動用振動子61bの固定面S₁に生じる、ねじりモーメント
による剪断応力τ′を、たとえば、Ｘ軸方向に分極処理
された二個の圧電材料の、Ｙ軸と直交するそれぞれの面
65a,65a′，および65b,65b′に検知用電極を設けてなる
すべり振動子63c,63dにて検知するものであり、ここ
で、端面S₁におけるねじり剪断応力τ′は、すべり振動
子63cとすべり振動子63dとでは逆符号となる。

かかる振動ジャイロによれば、駆動用振動子61a,61bお
よびすべり振動子63c,63dへの配線が連結部材62の付近
にて行い得る他、それぞれの振動子を面接着にて相互に
接合できることにより、作業性が良く、しかも、構造も
小型となる。

ところが、この振動ジャイロでは、基台62、とくにはそ
の一部を構成するすべり振動子63c,63dに、Ｘ軸方向に
向く単純剪断応力τも同時に作用することになるため、
それぞれの検出用すべり振動子63c,63dの出力の絶対値
に差が生ずることとなる。

それ故に、駆動用振動子61bが、Ｙ軸に対してその固定
面S₁が常に直交するような理想的な片持ちはりとしてＹ
軸方向に振動し、またコリオリの力FcによるＸ軸方向の
振動も同様に理想的なものである場合には、たしかにす
べり振動子63c,63dからの出力電圧を差動的にとること
によって、ねじり剪断応力τ′のみを取り出すことは可
能である。しかしながら、現実には、すべり振動子63c,
63dと駆動用振動子61bとの結合状態、駆動用振動子61b
と振動ジャイロを支持する固定枠との慣性モーメントと
の比などにより、ねじり剪断応力τ′の中心が固定面S₁
の中心からずれるため、精度的な面においてなお問題を
残している。

この発明の目的は、従来技術のかかる問題を有利に解決
するところにあり、基本的には、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、さらに
は、より一層優れた検出感度を有する振動ジャイロの提
供を目指すところにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、三次元座標系内で、Ｘ軸方向に間隔をおい
て、Ｚ軸方向へ相互に平行に延在する矩形板形状の一対
の駆動用振動子の各端部を、Ｘ軸方向へ平行に延在する
一対の連結部材によって、両駆動用振動子の広幅面を互
いに対向させた姿勢で相互連結し、それぞれの連結部材
のＸ軸方向の外側各端面を、たとえば接着剤をもって、
それぞれの基台に接合してなる振動ジャイロであって、各連結部材と各基台との間に、Ｙ軸方向へ分極処理した
圧電材料と、この圧電材料に対してＸ軸と直交するそれ
ぞれの面に電極を形成してなる検知手段を、少なくとも
一個設けたものである。

〔作用〕

この振動ジャイロでは、それぞれの駆動用振動子をＸ軸
方向へ対称振動させながら、それ全体をＺ軸の周りに角
速度ωで回転運動させると、それぞれの駆動用振動子
に、方向が逆で大きさが等しいコリオリの力FcがＹ軸方
向に作用し、このコリオリの力Fcが、両連結部材を、好
ましくはそれらの長さ方向の中央部を通る、Ｚ軸と平行
な線分の周りに、角速度ωの作用方向とは逆方向へ回動
させる偶力をもたらす。

これがため、各連結部材に設けた検知手段には、その偶
力の大きさ、ひいては、角速度ωに応じた剪断応力が作
用し、Ｘ軸と直交する面に形成したそれぞれの電極間に
はその剪断応力の大きさと対応する電圧が発生する。

従って、その電圧を測定することによって、角速度ωを
検知することができる。

かかる振動ジャイロでは、コリオリの力Fcの全てが連結
部材の偶力に変換され、そのコリオリの力Fcが、検知手
段に、前述した剪断応力を相殺する方向の応力を生じさ
せることがないので、常に優れた検知精度を発揮するこ
とができる。

しかも、この振動ジャイロは、それをほぼ平面的に構成
することにより、駆動用振動子と検知用振動子とを直列
に接合する従来技術に比し、装置の十分なる小型化を実
現することができるとともに、各種配線の引き回しを極
めて容易に、かつ適切に行うことができ、また、検知手
段を、連結部材の一部として、その本体部分に面接合す
ることにより、特別の治具、熟練などを全く必要とする
ことなく、検知手段の高精度の組付けを簡易かつ迅速に
行うことができる。

〔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、この発明の実施例を示す斜視図であり、図
中、1a,1bは、圧電バイモルフ、ユニモルフ等からなる
矩形板形状のそれぞれの駆動用振動子を示す。

ここでは、これらの駆動用振動子1a,1bを、三次元座標
系内で、Ｘ軸方向に間隔をおいてＺ軸方向へ相互に平行
に延在させ、そして、それらの駆動用振動子1a,1bの各
端部分を、Ｘ軸方向へ相互に平行に延在するそれぞれの
連結部材2a,2bで、駆動用振動子1a,1bの広幅面を互いに
対向させた状態で相互連結し、好ましくは、それぞれの
駆動用振動子1a,1bを、両連結部材2a,2bの長さ方向の中
央部を通る線分に対して線対称に位置させ、さらに、各
連結部材2a,2bの、Ｘ軸と直交する方向に向くそれぞれ
の端面を、各基台4a〜4dの、これもＸ軸と直交する方向
に向く側面に固定する。

なお、この例では、各基台4a〜4dは、矩形プレート４の
各偶部からＹ軸方向へ突出させた方形柱状部材からな
る。

ここで、各連結部材2a,2bは、それぞれの端部分に検知
手段3a〜3dを有し、これらの各検知手段3a〜3dは、全体
としてほぼ直六面体形状をなし、図に白抜矢印で示すよ
うに、Ｙ軸方向へ分極処理された、たとえばチタン酸ジ
ルコン酸鉛からなる圧電材料3a₁〜3d₁と、各圧電材料3a
₁〜3d₁の、Ｘ軸と直交するそれぞれの面に形成したそれ
ぞれの電極3a₂〜3d₂とからなる。

ところで、このような振動ジャイロの組立ては、駆動用
振動子1a,1bの各端部を、それぞれの連結部材2a,2bに設
けた条溝内に嵌め込むとともに、たとえば接着剤によっ
てそこに固着し、また、各検知手段3a〜3dのそれぞれ
を、連結部材2a,2bの各本体部分のそれぞれの端面に、
それらの各一方の電極3a₂〜3d₂を面接触させて接合し、
さらに、各連結部材2a,2bのそれぞれの端面、いいかえ
れば、各検知手段3a〜3dの他方の電極3a₂〜3d₂を、各基
台4a〜4dの側面に面接触させて接合することにより、簡
易、迅速に、しかも高い組立精度にて行うことができ
る。

かかる振動ジャイロにおいて、それぞれの駆動用振動子
1a,1bを、Ｘ軸方向へ、図に矢印Ｖで示すように対称振
動させつつ、その全体を、Ｚ軸の周りに角速度ωで回動
させると、それぞれの駆動用振動子1a,1bには、図に矢
印Fcで示すように、互いに逆向きで大きさが等しい、Ｙ
軸方向のコリオリの力Fcが発生し、このコリオリの力Fc
が、各連結部材2a,2bに、好ましくはそれらの長さ方向
の中央部を通り、Ｚ軸と平行をなす線分の周りで、第２
図（ａ）に示すところから明らかなような、角速度ωと
は逆方向の偶力Ｍをもたらす。

このため、各連結部材2a,2bの両端部に設けたそれぞれ
の検知手段3a〜3dは、第２図（ｂ）に一の検知手段につ
いて部分正面図で例示するように、連結部材本体部分と
の接合面S₀に剪断力Ｆを受ける。この場合において、連
結部材2a,2bの回動量が小さく、基台4a〜4dの変形が無
視できるときには、各検知手段3a〜3dは、剪断力Ｆの大
きさに対応する剪断応力τを受けたように変形する。

従って、それらの各検知手段3a〜3dで、Ｙ軸方向へ分極
させた圧電材料3a₁〜3d₁の、Ｘ軸と直交するそれぞれの
面に設けた電極3a₂〜3d₂間に発生する電圧を検知するこ
とにより、コリオリの力Fc、ひいては、角速度ωを検出
することができる。

なお、上述したような構造の振動ジャイロにあっては、
駆動用振動子1a,1bがＸ軸方向へ対称振動することによ
り、それぞれの連結部材2a,2bが、第３図（ａ）に略線
平面図で示すように、Ｚ軸方向の剪断力F₀を受け、これ
により、それぞれの検知手段3a〜3dが、検知手段3c,3d
について第３図（ｂ）に例示するように、Ｚ軸方向の剪
断応力τ_０を生じることになるも、検知手段3a〜3dの圧
電材料3a₁〜3d₁はいずれもＹ軸方向へ分極されているこ
とから、各検知手段3a〜3dは、そのような剪断応力τ_０
に対しては原理的に感度を有しておらず、従って、検知
手段3a〜3dが剪断応力τ_０に応じた電荷を生ずることに
起因するオフセットの発生を十分に防止することができ
る。

しかも、この振動ジャイロでは、各種の配線を、基台4a
〜4dの近傍部分にて行い得ることから、配線作業が極め
て容易になる。またここでは、稼働部分に対し、基台4a
〜4dを含む固定部分の体積が大きくなることから、装置
が小型であるにもかかわらず、振動もれや外部振動の侵
入を十分に防止して検知精度を向上させることができ
る。

以上この発明の実施例を図面に基づいて説明したが、一
本の連結部材、たとえばその長さ方向の中央部に、一の
検知手段だけを設けることもできる。

〔発明の効果〕

かくして、この発明によれば、装置を十分に小型化で
き、しかも、各種配線の引き回しおよび装置の高精度の
組付けを、極めて簡易、迅速に行い得ることはもちろ
ん、とくには、コリオリの力の全てを連結部材の偶力に
変換することにより、高精度の振動ジャイロをもたらす
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図（ａ），（ｂ）および第３図（ａ），（ｂ）は、
それぞれ検知手段の分極方向および電極配置状態と、そ
の検知手段に作用する応力を説明するための図、第４、５図はそれぞれ、従来例を示す斜視図、第６図（ａ），（ｂ）は、検知手段としてすべり振動子
を用いた装置を示す図である。 1a〜1d……駆動用振動子、2a,2b……連結部材、 3a〜3d……検知手段、3a₁〜3d₁……圧電材料、 3a₂〜3d₂……電極、４……矩形プレート、 4a〜4d……基台。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元座標系内で、Ｘ軸方向に間隔をお
き、Ｚ軸方向へ相互に平行に延在する矩形板状の一対の
駆動用振動子と、Ｘ軸方向へ平行に延在して、前記駆動
用振動子の各端部をそれらの広幅面が互いに対向する姿
勢下に相互連結する一対の連結部材と、かかる連結部材
のＸ軸方向の各外側端にそれぞれの基台を設けてなり、かつ前記各連結部材と前記基台との間に、Ｙ軸方向に分
極された圧電材料に対し、それのＸ軸と直交するそれぞ
れの面に電極を形成してなる検知手段を設けてなる振動
ジャイロ。