JPH03162615A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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．　４７’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威されてい
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’を図の矢印方向く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しる電圧の大きさ
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．　５７’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５
２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４１．　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μ■〜ｌ００μ醜程度の微小
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．　４１’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、駆動用振動子４１．　４１’
および５１．　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軸方向の振動或分
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５
７．　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ぺくもない。

そこで、図示のような連結部材４６．　４６’および５
６．　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４７．　４７’，５７．　５７’
のそれぞれの端部を、連結部材４６．　４６’および５
６．　５６’に形威されて、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４１．　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．　４１’；　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，　４６７，　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，　
６ｌｂのそれぞれの一端部を、少なくとも一部をすべり
振動子６３ａ〜６３ｄに構威した連結部材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（１）》に、一方の駆動用
振動子６ｌｂについての作動状態を示すように、駆動用
振動子６ｌｂを三次元座標剪断のＹ軸方向に振動させた
状態の下で、連結部材６２を２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６ｌｂの固定面Ｓｌ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Ｓｌ
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，　
６ｌｂ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
はその一部を構戒するすべり振動子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６ｌｂが、Ｙ軸に対してその固
定面Ｓ，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６ｌｂとの結合
状態、駆動用振動子６ｌｂ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Ｓ，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、三次元座標剪断で、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で回動運動させると、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威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リ、図中
、１８．１ｂ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，　ｌｂを、三
次元座標剪断で、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１
ａ，　ｌｂ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，　ｌｂ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．　Ｉ
ｂ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４８〜４ｄ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４８〜４ｄ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３８〜３ｄを有し、これらの各検知手段３８
〜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３ａＩ〜３
ｄｌと、各圧電材料３ａ＋〜３ｄｌ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３ａｚ〜３ｄ！
　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，　ｌｂの各端部を、それぞれの連結部材２
ａ，　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３８
〜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３ａ．〜
３ｄ．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
３８〜３ｄの他方の電極３ａ，〜３ｄｔを、各基台４８
〜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，　ｌｂを、Ｘ軸方向へ、図に矢印■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，　ｔｂ
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３８〜３ｄは、第２図（′ｂ）にーの
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４８〜４ｄの変形が無視できるときには、各検知手
段３８〜３ｄ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３８〜３ｄで、Ｙ軸方向へ
分極させた圧電材料３ａ＋〜３ｄ，の、Ｘ軸と直交する
それぞれの面に設けた電極３ａ，〜３ｄｚ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，　ｌｂ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Ｆ
０を受け、これにより、それぞれの検知手段３８〜３ｄ
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。を生じることにな
るも、検知手段３ａ〜３ｄの圧電材料３ａ．〜３ｄ．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３８〜３ｄは、そのような剪断応力τ。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３８〜３
ｄが剪断応力τ。に応じた電荷を生ずることに起因する
オフセソ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４
８〜４ｄ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４８〜４ｄ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ｌ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。 ｌａ〜１ｄ・・・駆動用振動子、　２ａ，２ｂ・・・連
結部材、３８〜３ｄ・・・検知手段、　３ａ＋〜３ｄ．
・・・圧電材料、３ａｇ〜３ｄｚ・・・電極、　４・・
・矩形プレート、４８〜４ｄ・・・基台。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、三次元座標剪断で、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。