JPH04324311A - 振動式ジャイロ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，移動体の角速度の検出
に使用される振動式ジャイロの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動ジャイロとは“振動している物体に
角速度が加わると，振動方向と垂直にコリオリの力が生
ずる”という力学現象を利用した回転体を持たないジャ
イロであり，質量ｍの質点が慣性座標系に対して一定角
速度Ωで回転する場合，回転座標系に設置されたセンサ
が検出する質点に作用する力Ｆは，Ｆ＝ｍα−ｍΩ・（
Ω・ｒ）−２ｍΩ・ｖ　　と表わすことができる。上式
において，右辺第１項は加速度αによる力，第２項は遠
心力（ｒは室点の動系ベクトル），第３項はコリオリの
力（ｖは質点の速度ベクトル）を表わしている。そして
右辺第３項のみに着目すると，質点に作用する力は，速
度ベクトルｖと角速度ベクトルΩに直交し，かつ，一軸
方向の速度のみを与えたとき，コリオリの力は角速度に
比例する。従って上式の右辺第１項および第２項を無視
できる様にジャイロを製作し，質点にｖなる速度を持た
すことができれば，その質点に作用する力から入力した
角速度を知ることができる。

【０００３】図１１は角柱振動方式と呼ばれる従来例を
示す斜視図である。図において１は角柱からなる振動体
であり，その４面の中央部に圧電素子２が接着されてい
る。対向する２面が振動体の駆動用，残りの２面がジャ
イロ信号の検出用として用いられる。３は振動体１の支
持部材であり，振動モ―ドの節になる位置で振動体の振
動に悪影響を与えないように振動体１を支持している。

【０００４】上記の構成において，角柱１上に配置され
た駆動用圧電素子に両端自由支持の１次の曲げ振動共振
周波数の電圧を加え，角柱の長手方向を軸とする角速度
を加えると，上式のコリオリの力により駆動振動面と直
角な面の振動が発生する。この振動を検出振動面内の一
方の圧電素子により検出し，ダンピング回路を介して他
方の圧電素子を制動することにより検出ル―プを構成し
ている。このジャイロは単純な形状の振動体であるが，
回転式のジャイロに比較して入力角度のダイナミックレ
ンジが広く，低消費電力，長寿命という特徴がある。

【０００５】図１２は他の従来例を示す音叉形振動方式
の斜視図である。図において４ａ，４ｂは圧電体からな
るベ―スクリスタルであり，このベ―スクリスタル上に
接続部材５ａ，５ｂを介してベ―スクリスタルと直交し
て同じく圧電体からなるセンサクリスタル６ａ，６ｂが
形成されている。

【０００６】上記の構成においてベ―スクリスタル４ａ
，４ｂを音叉と同様に振動させ，測定軸周りに角速度を
入力すると，ベ―スクリスタルの振動方向と垂直にコリ
オリの力が作用するので，そのコリオリの力をクリスタ
ルセンサ６ａ，６ｂにより検出することにより入力した
角速度を知ることができる。このジャイロは感度が高い
という特徴がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記従
来例における角柱振動方式は感度が低いという問題があ
り，音叉形振動方式は感度は高いが，温度係数が大きく
，ダイナミックレンジが狭いという問題がある。

【０００８】本発明は，このような問題点に鑑みてなさ
れたものであり，その目的は，ダイナミックレンジが広
く，安定で高感度なジャイロを提供することである。

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
る本発明は，請求項１においては断面が正方形の弾性体
の対向する面に，それぞれの面に１本ずつ，互いに方向
が直角となる対角線に切り込み溝をいれ，さらに，それ
ぞれの面に，振動方向が互いに直角で，切り込み溝に対
して４５度となるような，共振周波数が等しい１対の音
叉を形成し，該音叉に回転が与えられたとき，第１の音
叉に発生したコリオリの力による偶力が，前記弾性体に
設けられた２つの溝によって，第２の音叉の振動方向と
なるように変換され，第２の音叉の振動の大きさにより
回転速度を検出することを特徴とするものであり，

【０
００９】請求項２においては，断面が正方形の弾性体の
対向する面に，それぞれの面に１本ずつ，前記面の辺と
平行，または所定の角度を有する切り込み溝が面の中心
を通って（２つの溝のなす角度も任意でよい），かつ，
その切り込み溝深さが，互いに直角な面方向に形成され
，第２の音叉の共振周波数が，第１の音叉から生じるコ
リオリ力による振動の振動数に等しいか，または高次の
周波数に等しく，第２の音叉の振動モードが第１の音叉
と同一の振動モードまたは，異なった振動モードと関連
を有するように形成したことを特徴とするものであり，

【００１０】請求項３においては，２つの音叉にそれぞ
れ，駆動系と検出系をつけ，各々を同相または位相が９
０度異なった正弦波で駆動し，２つの検出信号の相関を
取ることによって，回転を検出することを特長とするも
のであり，

【００１１】請求項４においては，断面が正方形の弾性
体の１つの面の角部のそれぞれに４本の角柱が形成され
，該４本の角柱の隣あった２本によって構成される２つ
の音叉を，位相が１８０度異なる正弦波により振動させ
，回転が加わったときのコリオリの力による振動を，前
記の音叉と方向が９０度異なる向きの２本の角柱から構
成される２組の音叉の振動として検出することを特徴と
するものである。

【００１２】

【作用】請求項１，２において，回転が無い場合は，第
１の音叉が振動すると，その振動は第２の音叉に伝搬さ
れるが，ブロックに刻まれた溝の方向が異なっているた
めにその振動は大幅に減衰される，また，漏洩により振
動が伝搬されても，第２の本来の振動方向とは直角の方
向になるために第２の音叉は振動しない。回転が加えら
れた場合，第１の音叉には振動方向と直角の向きの偶力
が働くために，この力はブロックによって減衰されずに
第２の音叉に伝搬され，この振動方向は第２の音叉の振
動方向と一致しているために効率よく振動が起こる。

【００１３】請求項４において，回転が無い場合は，第
１および第２の音叉が振動して，漏洩により振動が伝搬
されても，第３および第４音叉の本来の振動方向とは直
角の方向になるために第３および第４の音叉は振動しな
い。回転が加えられた場合，第１および第２の音叉には
振動方向と直角の向きの偶力が働き，この振動方向は第
３および第４の音叉の振動方向と一致しているために効
率よく振動が起こる。また，第３および第４の音叉に発
生する振動は位相が１８０度異なっているため，２つの
音叉の信号の差をとれば信号の振幅が２倍になる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す斜視図，図２
は図１のＡ視図，図３は図１のＢ視図である。これらの
図において，１０は板片１０ａ，１０ｂを一対とし，支
持部材１１を振動の節とする第１の音叉，１２は板片１
２ａ，１２ｂを一対とし，同じく支持部材１１を振動の
節とする第２の音叉１２であり，これら第１，第２の音
叉は互いに直角の向きに形成されるとともに形状および
共振周波数が等しく形成されている。

【００１５】１３は支持部材１１に形成された貫通孔，
１４は音叉が設けられた面の両側から中央付近の僅かな
部分を残して形成された座ぐり穴である。１５ａ，１５
ｂは切り込み溝で，音叉が設けられたそれぞれの面の対
角線上に互いに直角に形成され，その深さは互いの溝が
相手の溝にわずかに入込む程度とする。

【００１６】１６ａは第１の音叉１０の励振用圧電素子
，１６ｂは振幅制御の為の圧電素子，１７は第２の音叉
１２の検出用圧電素子で各音叉の所定の面に張りつけら
れている。なお，この構造体は恒弾性合金を用いて放電
ワイヤ−ソ−等により一体に加工され，これらの音叉は
支持部材１１の中央の穴に通したシャフト（図示せず）
によって，振動の節で支持される。また図では省略する
が，各圧電素子を励振する為の電気回路が設けられ，第
１の音叉１０の振幅を常に一定に制御し，さらに周波数
を音叉の共振周波数にトラッキングするための電気回路
，および，第２の音叉１２の振幅の信号を処理して表示
し，必要であれば，この信号を第１の音叉の駆動系にフ
ィードバックする電気回路が設けられている。

【００１７】上記の構成において，ジャイロに回転が加
わらない場合は，図４の斜視図に示す様に第１の音叉１
０が矢印ｖ方向に振動すると，その振動は第２の音叉１
２に伝搬されるが，支持部材１１に刻まれた切り込み溝
１５ａ，１５ｂの方向が異なっているために第２の音叉
１２に伝搬する振動は大幅に減衰される。また，漏洩に
より振動が伝搬されても，第２の音叉１２の本来の振動
方向とは直角の方向になるために第２の音叉１２は振動
しない。

【００１８】図５はジャイロに回転が加えられた場合を
示す斜視図である。回転Ωによって発生したコリオリの
力による偶力Ｆｃは，第１の音叉１０には振動方向と直
角の向きに働くために，この力は支持部材１１によって
減衰されずに第２の音叉１２に伝搬され，この振動方向
は第２の音叉１２の振動方向ｕと一致しているために効
率よく振動が起こる。そして，この実施例においては２
つの音叉の共振周波数が一致しているため，コリオリの
力により発生した信号を，第２の音叉１２により高いＳ
／Ｎ比で検出することが可能である。第２の音叉１２で
検出された信号は第１の音叉を駆動している信号によっ
て同期検波される。

【００１９】なお，コリオリの力の検出方法として，２
つの音叉にそれぞれ，駆動系と検出系をつけ，各々を同
相または位相が９０度異なった正弦波で駆動し，２つの
検出信号の相関を取ることによって，回転を検出しても
よい。図６は請求項２に関する一実施例を示す斜視図，
図７は図６のＡ視図，図８は図６のＢ視図である。本実
施例においても第１，第２の音叉は互いに直角の向きに
形成されているが，形状および共振周波数は異なる様に
形成されており，１５ａ，１５ｂで示す切り込み溝は，
音叉が設けられた面の中央付に音叉の辺に平行に，かつ
，互いに直角に形成され，その深さは互いの溝が相手の
溝にわずかに入込む程度に形成されている。

【００２０】本実施例によれば，回転によって発生した
コリオリの力による偶力は，中央部の支持部材１１によ
って第２の音叉１２が高次のモードで振動するような方
向の力に変換される。第２の音叉１２は，この周波数に
共振するように設計されている。なお切り込み溝１５ａ
，１５ｂは図示の例に限ることなく，交差角を直角に保
った状態で板辺１０ａ，１２ａに対する角度を任意に選
択することにより高次のモードに感度よく振動させる様
にする。

【００２１】図１２は請求項４に関する一実施例を示す
斜視図である。図において２０は角柱からなる支持部材
，２１ａ〜２１ｄは支持部材２０の４角に垂直に形成さ
れた同一形状の角柱であり，例えば角柱２１ａと２１ｂ
で第１の音叉が形成され，２１ｃと２１ｄで第２の音叉
が形成され，角柱２１ａと２１ｃで第３の音叉が形成さ
れ，２１ｂと２１ｄで第４の音叉が形成されている。 この構造体は恒弾性合金を用いて放電ワイヤ−ソ−等に
より一体に加工され，これらの角柱には音叉を駆動する
為の圧電素子２２ａ，振幅制御の為の圧電素子２２ｂ，
振動を検出する為の圧電素子２２ｃが所定の面に張りつ
けられており，図では省略するが，各圧電素子を励振す
る為の電気回路が設けられ，第１，第２の音叉１０，１
２の振幅を常に一定に制御し，さらに周波数を音叉の共
振周波数にトラッキングするための電気回路，および，
第３，第４の音叉２３，２４の振幅の信号を処理して表
示し，必要であれば，この信号を第１，第２の音叉の駆
動系にフィードバックする電気回路が設けられている。

【００２２】上記の構成において，角柱２１ａ，２１ｂ
からなる第１の音叉１０と角柱２１ｃ，２１ｄからなる
第２の音叉１２は位相が１８０度異なる正弦波により振
動が与えられ，振幅検出用の圧電素子と電気回路により
振幅が一定になるように制御されている。また，駆動周
波数は，音叉の共振周波数と一致するように制御されて
いる。そして，ジャイロに回転が加わらない場合は，図
９に示す様に第１，第２の音叉１０，１２が矢印ｖ方向
に振動して，漏洩により振動が伝搬されても，その振動
は第３および第４の音叉の本来の振動方向とは直角の方
向になる為にこれらの音叉には伝搬しない。

【００２３】次に，ジャイロに回転が与えられた場合，
回転によって発生したコリオリの力による偶力は，角柱
２１ａと２１ｄからなる第３の音叉２３と角柱２１ｂ，
２１ｄからなる第４の音叉２４の振動方向と一致してい
るために，２つの音叉は位相が１８０度ことなり，振幅
が回転の角速度に比例した振動を起こす。この振動は，
信号検出用の圧電素子に検出される。

【００２４】第３および第４の２つの音叉２３，２４の
共振周波数は，第１および第２の音叉１０，１２の共振
周波数と等しいために，コリオリの力により発生した信
号を，第３および第４の音叉により高いＳ／Ｎ比で検出
が可能である。第３および第４の音叉で検出された信号
は第１および第２の音叉を駆動している信号によって同
期検波される。２つの音叉によって検出される信号は，
位相が１８０度異なっているため，差を取ることにより
，目的の回転による信号を２倍にして，同相で加わる加
速度による外乱や，温度の変動による外乱を打ち消すこ
とができる。

【００２５】なお，本実施例においてはジャイロの材質
を恒弾性金属としたが材料は，金属に限ることはなく，
シリコンや水晶をマイクロ加工で作成してもよく，振動
体全体を圧電材料で作成してもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明した様
に，本発明の振動式ジャイロによれば，　　請求項１，
２においては，振動方向が直交する２つの音叉を切り込
み溝を入れたブロックを介して結合することにより，以
下のような効果が得られる。 １．構造が対称であるために，温度変化等の外乱の影響
を自動的に補正できる。 ２．切り込み溝を入れたブロックにより不要な振動の漏
洩を低減できる。 ３．駆動，検出系を対称に構成することにより，漏洩に
よる信号を電気的にキャンセルできる。また，信号を差
動出力で取り出すことが可能になる。請求項４において
は，４本の角柱から構成された，振動方向が直交する２
組の音叉を逆相で駆動しているので， １．構造が対称で，２つの信号が逆相で得られるため，
加速度や温度変化等の外乱の影響を自動的に補正できる
。 ２．角柱で構成される音叉であるため，剛性が大きく，
加速度の影響を受けにくい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動式ジャイロの請求項１に関する一
実施例を示す斜視図である。

【図２】図１のＡ視図である。

【図３】図１のＢ視図である。

【図４】図１のジャイロを回転が加わらない状態で振動
させた場合の斜視図である。

【図５】図４のジャイロに回転が加えられた状態を示す
斜視図である。

【図６】本発明の振動式ジャイロの請求項２に関する一
実施例を示す斜視図である。

【図７】図６のＡ視図である。

【図８】図６のＢ視図である。

【図９】本発明の振動式ジャイロの請求項２に関する一
実施例を示す斜視図である。

【図１０】図９のジャイロに回転が加えられた状態を示
す斜視図である。

【図１１】従来例を示す斜視図である。

【図１２】他の従来例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０　　第１音叉 １１，２０　　支持部材 １２　　第２音叉 １５ａ，１５ｂ　　切り込み溝 １６ａ，１６ｂ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ　　圧電素子
２３　　第３音叉 ２４　　第４音叉

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断面が正方形の弾性体の対向する面に，そ
   れぞれの面に１本ずつ，互いに方向が直角となる対角線
   に切り込み溝をいれ，さらに，それぞれの面に，振動方
   向が互いに直角で，切り込み溝に対して４５度となるよ
   うな，共振周波数が等しい１対の音叉を形成し，該音叉
   に回転が与えられたとき，第１の音叉に発生したコリオ
   リの力による偶力が，前記弾性体に設けられた２つの切
   り込み溝によって，第２の音叉の振動方向となるように
   変換され，第２の音叉の振動の大きさにより回転速度を
   検出することを特徴とする振動式ジャイロ。
2. 【請求項２】断面が正方形の弾性体の対向する面に，そ
   れぞれの面に１本ずつ，前記面の辺と平行，または所定
   の角度を有する切り込み溝が面の中心を通って（２つの
   溝のなす角度も任意でよい），かつ，その切り込み溝の
   深さが，互いに直角な面方向に形成され，第２の音叉の
   共振周波数が，第１の音叉から生じるコリオリ力による
   振動の振動数に等しいか，または高次の周波数に等しく
   ，第２の音叉の振動モードが第１の音叉と同一の振動モ
   ードまたは，異なった振動モードと関連を有するように
   形成したことを特徴とする振動式ジャイロ。
3. 【請求項３】２つの音叉にそれぞれ，駆動系と検出系を
   つけ，各々を同相または位相が９０度異なった正弦波で
   駆動し，２つの検出信号の相関を取ることによって，回
   転を検出することを特長とする請求項１および請求項２
   記載の振動式ジャイロ。
4. 【請求項４】断面が正方形の弾性体の１つの面の角部の
   それぞれに４本の角柱が形成され，該４本の角柱の隣あ
   った２本によって構成される２つの音叉を，位相が１８
   ０度異なる正弦波により振動させ，回転が加わったとき
   のコリオリの力による振動を，前記の音叉と方向が９０
   度異なる向きの２本の角柱から構成される２組の音叉の
   振動として検出することを特徴とした振動式ジャイロ。