JPH08159775A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】振動子からの振動の漏洩を防止し、且つ振動を
妨げない振動吸収効果を維持しつつ、外部からの過剰衝
撃による変形を防止できる支持構造を備える振動ジャイ
ロを提供する。 【構成】柱状の振動子２と、振動子２の側面に設けられ
た駆動手段及び検出手段と、板材により略枠状に形成さ
れ、内側周縁部で振動子２のノード点付近を支持する支
持部材４と、振動子２の幅方向の両側に支持片９を有す
る保持基板６と、支持部材４と保持基板６の支持片９を
連結する連結部５，５とを備え、連結部５，５は振動子
２のノード点付近の断面の重心２Ｇを通り、且つ振動子
２の屈曲振動方向に垂直である直線上に位置することを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動ジャイロに関し、特
に例えば、回転角速度を検知することにより移動体の位
置を検出し、適切な誘導を行うナビゲーションシステ
ム、または外的振動を検知し、適切な制振を行う手振れ
防止装置などの除振システムなどに応用できる振動ジャ
イロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７はこの発明の背景となる従来の振動
ジャイロの一例を示す斜視図であり、図８はその正面図
である。振動ジャイロ２１は振動子２２を含む。振動子
２２は例えばエリンバなどの恒弾性金属からなり、略正
三角柱状に形成される。振動子２２の３つの側面には、
それぞれ圧電素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃが形成され
る。圧電素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、例えば圧電セ
ラミックの両面に電極を形成したものである。そして、
この圧電素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃが、振動子２２の
側面に接着され、このうち２つの圧電素子２３ａ，２３
ｂが、駆動用及び出力信号検出用として用いられる。ま
た、他の圧電素子２３ｃは、帰還用として用いられる。

【０００３】振動子２２はそのノード点付近の稜線部分
で支持部材２４，２４に支持される。支持部材２４は、
タングステン等からなる高い弾性率を有する細い線材
を、略コ字状に形成したものである。支持部材２４は、
保持基板２５に固定される。

【０００４】この振動ジャイロ２１では圧電素子２３
ａ，２３ｂとの圧電素子２３ｃとの間に、自励振動する
ための帰還ループとして発振回路（図示せず）などが接
続される。そして、発振回路からの駆動信号によって、
振動子２２は圧電素子２３ｃの形成面と主に垂直に屈曲
振動を生じる。この状態で、振動子２２の軸を中心とし
た回転が加わると、コリオリ力によって振動子２２の振
動方向が変わり、圧電素子２３ａ，２３ｂ間に出力差が
生じる。その出力差を測定することによって、振動子２
２に加わった回転角速度を検知することができる。

【０００５】ここで、支持部材２４を高い弾性率を有す
る細い線材から形成しているのは、振動子２２の振動を
保持基板２５に漏洩させず、また振動子の振動を妨げな
い振動吸収効果を得るためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の振動ジャイロ２１では外部から過剰衝撃を受けた
場合、支持部材２４が細い線材からなるため変形して、
その結果、所定の振動が得られなくなり、特性の劣化や
誤検知などを生じる恐れがあった。

【０００７】それゆえ、本発明の主たる目的は、従来の
振動子の支持構造と変わらない振動吸収効果を維持しつ
つ、外部からの過剰衝撃による変形を防止できる支持構
造をを備える振動ジャイロを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、柱状の振動子と、該振動子の側面に設
けられた駆動手段及び検出手段と、板材により略枠状に
形成され、内側周縁部で前記振動子のノード点付近を支
持する支持部材と、前記振動子の幅方向の両側に支持片
を有する保持基板と、前記支持部材と前記保持基板の支
持片を連結する連結部とを備え、前記連結部は前記振動
子のノード点付近の断面の重心を通り、且つ前記振動子
の屈曲振動方向に垂直である直線上に位置することを特
徴とする。

【０００９】

【作用】上記の構成によれば、支持部材が板材によって
形成されることにより、外部からの過剰衝撃による変形
を防止することができる。また、支持部材と保持基板の
支持片との連結部が振動子のノード点付近の断面の重心
を通り、且つ振動子の屈曲振動方向に垂直である直線上
に位置することにより、支持基板から連結部を介して支
持片に伝わる振動子の振動を最小にすることができる。
さらに、この支持片に伝わった振動を支持片の撓み振動
として吸収できる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す振動ジャイロ
の斜視図であり、図２はその正面図である。振動ジャイ
ロ１は振動子２を含む。振動子２は例えばエリンバ等の
恒弾性金属、或いは石英、ガラス、水晶、セラミック等
の一般に機械的振動を生じる材料からなり、略正三角柱
状に形成される。

【００１１】振動子２の３つの側面にはそれぞれ駆動手
段及び検出手段としての圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃが形
成される。圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃは例えば圧電セラ
ミックの両面に電極を形成してなり、これら電極の一方
が振動子２の側面に接着剤などで接着される。このうち
圧電素子３ａ，３ｂが駆動用及び出力信号検出用として
用いられ、圧電素子３ｃが帰還用として用いられる。そ
して、圧電素子３ａ，３ｂと圧電素子３ｃとの間に、自
励振駆動するための帰還ループとして発振回路（図示せ
ず）などが接続される。

【００１２】また、振動子２は板材からなり略ロ字形の
枠状の支持部材４，４によって支持される。支持部材４
の外側周縁部における両側辺の中央付近には略帯状の連
結部５，５が設けられ、支持部材４と連結部５，５と
は、Ｆｅ−Ｎｉ合金、恒弾性綱等の板材をエッチングす
ることによって一体に成型されている。そして、振動子
２のノード点付近の稜線部分がスポット溶接、レーザ溶
接、半田付け、銀ロウ付け等により、支持部材４の内側
周縁部の上辺の中央部に接合されることによって、連結
部５，５が振動子２のノード点付近の断面の重心２Ｇを
通り、且つ前記振動子２の屈曲振動方向に垂直である直
線上に位置する。ここで、支持部材４の板材の厚みは、
０．１〜１ｍｍ程度が望ましく、支持部材４の幅は板材
の厚みよりも十分大きくすることが望ましい。

【００１３】なお、支持部材４の形状は略ロ字形の枠状
としたが、台形や楕円形等の枠状でもよい。また、支持
部材４は、圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃと発振回路を結ぶ
配線の通路としても使用することができる。

【００１４】この支持部材４は略矩形状の保持基板６に
保持される。保持基板６はＦｅ−Ｎｉ合金からなり、幅
方向の両側縁部に直立する壁部７，７を備え、壁部７，
７間に支持部材４の下側部分が十分に収納されるように
形成されている。そして、振．動子２の軸方向が保持基
板６の長手方向に対して平行になるように、支持部材４
の外側周縁部に設けた連結部５，５をそれぞれ壁部７，
７の上面にスポット溶接、レーザ溶接、半田付け、銀ロ
ウ付け等によって接合する。ここで、壁部７と連結部５
の接合部分の両側にスリット８，８が壁部７の上面から
下方に向かって削成され、スリット８，８間には支持片
９が形成される。この結果、支持部材４は連結部５，５
を介して支持片９，９に支持されることになる。

【００１５】なお、上述の実施例では、壁部７と連結部
５の接合部分の両側にスリット８，８を削成することで
支持片９を形成したが、図３に示すように、壁部７の中
央部から壁部７と連結部５の接合部分付近にかけて切り
欠き部１１を設け、該切り欠き部１１と１つのスリット
８により支持片９を形成してもよく、さらに図４に示す
ように、壁部７の端部側を切り欠くことにより保持基板
６の幅方向の両側縁部に支持片９を単独で設けてもよ
く、支持片９の形成手段はどのような手段でもよい。ま
た、図５及び図６に示すように、連結部５，５を保持基
板６の中央部側に向かって折曲し、支持部材４を支持片
９を形成するスリット８，８のうち保持基板６の長手方
向の端部側にある一方のスリット８のなかに収納するよ
うな支持構造でもよく、この支持構造であれば、保持基
板６の幅を小さくできる。さらに、保持基板６はＦｅ−
Ｎｉ合金の変わりに、アルミニウム、真鍮等の非鉄金
属、或いはガラスエポキシ材、アルミナ等のセラミック
材、ガラス材を用いてもよい。

【００１６】このような振動ジャイロ１では、発振回路
からの駆動信号によって、振動子２が圧電素子３ｃの形
成面に垂直な方向に屈曲振動する。この状態で、振動子
２の軸を中心とした回転が加わると、コリオリ力によっ
て振動子２の振動方向が変わり、圧電素子３ａ，３ｂ間
に出力差が生じる。その出力差を測定することによっ
て、振動子２に加わった回転角速度を検知することがで
きる。

【００１７】また、本実施例の振動ジャイロ１では、支
持部材４が板材を一体成型してなるため、１ｍ落下の耐
衝撃試験を行っても、支持部材４の変形は認められず、
従来に比べ、格段に支持構造が強固になった。

【００１８】次に、本実施例の振動ジャイロ１におい
て、振動子２の振動を妨げず、保持基板６への振動の漏
洩を防止する動作について説明する。

【００１９】３次元座標軸のＸ軸を振動子２の圧電素子
３ｃを含む側面と垂直方向にとり、Ｙ軸を振動子２の圧
電素子３ｃを含む側面と水平方向にとり、Ｚ軸を振動子
２の軸方向にとる。そして、振動子２の屈曲振動を、Ｘ
軸方向の屈曲振動（以下、Ｆｘモードと呼ぶ）と、Ｙ軸
方向の屈曲振動（以下、Ｆｙモードと呼ぶ）に分解して
考える。

【００２０】まず、連結部５，５が、振動子２のノード
点付近の断面の重心２Ｇを通り、且つ前記振動子２の屈
曲振動方向に垂直である直線上に位置することにより、
支持部材４から連結部５，５を介して支持片９，９に伝
わる振動子２のＦｘモード及びＦｙモードの振動を最小
にする。

【００２１】Ｆｘモードの振動に対しては、支持部材４
はＸ軸方向の並進運動エネルギーと、連結部５，５を通
るＹ軸まわりの回転運動エネルギーとを受ける。Ｘ軸方
向の並進運動エネルギーによる支持部材４の振動は連結
部５，５に収束し、保持基板６の支持片９，９の撓み振
動として吸収される。Ｙ軸まわりの回転運動エネルギー
による支持部材４の振動も、連結部５，５で節をつく
り、支持片９，９の撓み振動として吸収される。

【００２２】一方、Ｆｙモードの振動に対しては、支持
部材４はＹ軸方向の並進運動エネルギーと、支持部材４
と振動子２の接合点１０を通るＸ軸まわりの回転運動エ
ネルギーとを受ける。Ｙ軸方向の並進運動エネルギーに
よる支持部材４の振動は、連結部５，５に収束し、支持
片９，９の撓み振動として吸収される。Ｘ軸まわりの回
転運動エネルギーによる支持部材４の振動も、接合点１
０で節をつくり、連結部５，５に収束し、支持片９，９
の撓み振動として吸収される。

【００２３】このように、振動子２のＦｘモード及びＦ
ｙモードの振動を支持片９，９の撓み振動として吸収す
ることにより、振動子２の振動を妨げず、保持基板６へ
の振動の漏洩が非常に小さい振動吸収効果を得ることが
できる。

【００２４】次に、本実施例の支持構造の振動吸収効果
を確認するために、壁部７のスリット８，８の深さを変
えて、振動子２のＦｘモード及びＦｙモードの振動の機
械的品質係数（以下、Ｑｍと呼ぶ）を測定した実験結果
を示す。

【００２５】今回の実験では、中央部に連結部５，５が
設けられた支持部材４の外側周縁部の側辺の長さをＬと
して、スリット８，８の深さはこの長さＬとの比率で表
す。

【００２６】まず、条件１では、スリット８，８の深さ
を０．２Ｌとした。条件２では、スリット８，８の深さ
を０．４Ｌとした。条件３では、スリット８，８の深さ
を０．５Ｌとした。条件４では、比較例としてスリット
８，８を設けなかった。

【００２７】条件１乃至４において、振動子２のＦｘモ
ード及びＦｙモードの振動のＱｍを測定した結果と、比
較例として従来の線材を用いた支持構造を用いた場合の
振動子２のＦｘモード及びＦｙモードの振動のＱｍを表
１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１に示したように、今回の実験では、ス
リット８，８の深さを０．５Ｌとした条件３で、Ｆｘモ
ード及びＦｙモードの振動のＱｍが共に従来の線材を用
いた支持構造の振動ジャイロと変わらない良好な値を示
した。特に、Ｆｘモードの振動のＱｍについては、スリ
ット８，８を深くするに従って値が良好となった。

【００３０】この実験から、スリット８，８の深さを調
整して支持片９の撓み振動が十分に得られるようにする
ことで、Ｆｘモード及びＦｙモードの振動のＱｍを従来
の振動ジャイロと変わらない値にできることが確認され
た。また、条件３のような支持構造で、別に振動子２の
静止時の出力電圧の温度特性を別途測定した結果、−３
０℃から８５℃の範囲で１００ｍＶ／℃以下と良好であ
ることが確認された。これら２つの測定結果は、条件３
の支持構造が従来と変わらずに振動子２の振動を妨げ
ず、保持基板６への振動の漏洩を防いでいることを示し
ている。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる振
動ジャイロよれば、支持部材が板材により形成されるこ
とにより、外部からの過剰衝撃による変形を防止するこ
とができる。また、支持部材と保持基板との連結部を保
持基板に設けた支持片において支持し、連結部を振動子
のノード点付近の断面の重心を通り、且つ振動子の屈曲
振動方向に垂直である直線上に位置させることにより、
支持部材から連結部を介して保持基板の支持片に伝わる
振動を最小にすることができる。さらに、この支持片に
伝わった振動を支持片の撓み振動として吸収できる。こ
の結果、保持基板への振動の漏洩を防止し、振動子の振
動を妨げない良好な振動吸収効果を得られ、耐振性・耐
衝撃性に優れた振動ジャイロを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における振動ジャイロを示す斜
視図である。

【図２】図１に示した振動ジャイロの正面図である。

【図３】図１に示した振動ジャイロの支持部材の変形例
を示す斜視図である。

【図４】図１に示した振動ジャイロの支持部材の他の変
形例を示す斜視図である。

【図５】図１に示した振動ジャイロの支持部材のさらに
他の変形例を示す側面図である。

【図６】図５に示した振動ジャイロの正面図である。

【図７】従来の振動ジャイロを示す斜視図である。

【図８】図７に示した振動ジャイロの正面図である。

【符号の説明】

１ 振動ジャイロ ２ 振動子 ３ａ 圧電素子 ３ｂ 圧電素子 ３ｃ 圧電素子 ４ 支持部材 ５ 連結部 ６ 保持基板 ７ 壁部 ８ スリット ９ 支持片 １０ 接合点

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】柱状の振動子と、該振動子の側面に設けら
   れた駆動手段及び検出手段と、板材により略枠状に形成
   され、内側周縁部で前記振動子のノード点付近を支持す
   る支持部材と、前記振動子の幅方向の両側に支持片を有
   する保持基板と、前記支持部材と前記保持基板の支持片
   を連結する連結部とを備え、 前記連結部は前記振動子のノード点付近の断面の重心を
   通り、且つ前記振動子の屈曲振動方向に垂直である直線
   上に位置することを特徴とする振動ジャイロ。