JPH0854243A - Ultrasonic gyroscope - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain an ultrasonic gyroscope for measuring the rotational speed and direction of an oscillator equipped with input and output piezoelectric elements and loaded to an object. CONSTITUTION:When an electric signal is inputted to an input piezoelectric element 2, an elastic oscillation is excited to oscillate an oscillator 1. Consequently, in output piezoelectric elements 5, 6, elastic oscillation is excited which is then outputted in the form of an electric signal. In this regard, the voltages of electric signals outputted from the output piezoelectric elements 5, 6 are preset to be offset each other in the stationary state. Consequently, the rotational speed and direction of the oscillator 1 secured to an object can be represented by the difference of output voltage. This constitution realizes driving with a low voltage and a low power consumption while simplifying the structure and reducing the size.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【産業上の利用分野】本発明は音叉型構造を有する振動
体と、入力用電極と、出力用電極とから成り、前記振動
体を支持する被測定物の回転する速度および方向を出力
電圧の変化量で表わす超音波ジャイロスコープに関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention comprises a vibrating body having a tuning fork type structure, an input electrode and an output electrode. The rotational speed and direction of an object to be measured which supports the vibrating body is determined by the output voltage. The present invention relates to an ultrasonic gyroscope represented by a change amount.

【従来の技術】振動ジャイロスコープには音片型および
音叉型がある。従来の振動ジャイロスコープの代表的な
ものの１つとして、三角柱の圧電型音片振動ジャイロが
挙げられる。このような音片型のジャイロスコープは振
動の節を支持する必要があることから、製作上、支持の
仕方が難しいという問題があった。また、測定の精度を
増すためには使用する材料の音響インピーダンスが高い
ものを用いる必要があり、測定精度に限界があった。ま
た、従来の音叉型ジャイロスコープは支持の仕方におい
ては音片型よりも比較的容易であったが、測定精度にお
いて音片型よりも劣っていた。2. Description of the Related Art Vibrating gyroscopes include a tuning piece type and a tuning fork type. As a typical one of the conventional vibrating gyroscopes, there is a triangular prism-type piezoelectric vibrating piece vibrating gyro. Since such a sound piece type gyroscope needs to support a vibration node, there is a problem in that it is difficult to support it in production. Further, in order to increase the measurement accuracy, it is necessary to use a material having a high acoustic impedance, which limits the measurement accuracy. Further, the conventional tuning fork type gyroscope is relatively easier to support than the tuning fork type, but is inferior to the tuning fork type in measurement accuracy.

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は小型か
つ軽量であり、構造が簡単で、支持の仕方が簡単で、測
定方法が容易で、測定精度に優れ、低消費電力で低電圧
駆動の超音波ジャイロスコープを提供することにある。It is an object of the present invention to be small and lightweight, simple in structure, easy to support, easy in measuring method, excellent in measuring accuracy, low power consumption and low voltage driving. To provide an ultrasonic gyroscope.

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
ジャイロスコープは、ほぼ対称的な形状を成す２本の柱
および該２本の柱を支える支持台から成る音叉型構造を
成す振動体と、前記２本の柱のうちの一方の柱に設けら
れた少なくとも１つの入力用圧電素子と、前記２本の柱
のうちのもう一方の柱に設けられた少なくとも２つの出
力用圧電素子とから成る超音波ジャイロスコープであっ
て、前記振動体は金属で成り、前記入力用圧電素子は圧
電薄板Ｆと電極Ｔと電極Ｇとを含み、前記電極Ｔは前記
圧電薄板Ｆの一方の端面に設けられ、前記電極Ｇは前記
圧電薄板Ｆのもう一方の端面に設けられ、前記入力用圧
電素子は前記電極Ｇを介して前記一方の柱における側面
に設けられ、前記２つの出力用圧電素子のうちの一方は
圧電薄板Ｆ１と電極Ｒ１と電極Ｇ１とを含み、前記電極
Ｒ１は前記圧電薄板Ｆ１の一方の端面に設けられ、前記
電極Ｇ１は前記圧電薄板Ｆ１のもう一方の端面に設けら
れ、前記２つの出力用圧電素子のうちのもう一方は圧電
薄板Ｆ２と電極Ｒ２と電極Ｇ２とを含み、前記電極Ｒ２
は前記圧電薄板Ｆ２の一方の端面に設けられ、前記電極
Ｇ２は前記圧電薄板Ｆ２のもう一方の端面に設けられ、
前記２つの出力用圧電素子はそれぞれ前記電極Ｇ１およ
びＧ２を介して前記もう一方の柱における側面に設けら
れ、前記電極Ｔに電気信号を入力することにより、前記
圧電薄板Ｆに弾性振動を励振し、該弾性振動のエネルギ
ーによって前記振動体を振動させ、前記振動体の振動に
よって前記圧電薄板Ｆ１およびＦ２に弾性振動を励振
し、該弾性振動を前記電極Ｒ１およびＲ２から圧電性を
介して電気信号として出力させる手段が設けられてお
り、前記支持台が被測定物に固定されることにより、該
被測定物が前記柱の高さ方向を軸として回転する回転速
度および回転方向が前記電極Ｒ１およびＲ２からそれぞ
れ出力される電気信号の電圧の差で表わされることを特
徴とする。請求項２に記載の超音波ジャイロスコープ
は、前記支持台の体積が前記一方の柱若しくは前記もう
一方の柱の体積よりも大きいかまたはほぼ同じであるこ
とを特徴とする。請求項３に記載の超音波ジャイロスコ
ープは、前記支持台が上部、中間部および下部から成
り、前記中間部の体積は前記上部または前記下部の体積
よりも小さいことを特徴とする。請求項４に記載の超音
波ジャイロスコープは、前記各柱の高さ方向に垂直な断
面の形状が三角形を成し、前記各柱は、前記各柱におけ
るそれぞれの前記断面の形状が互いに点対称になるよう
に配置されていることを特徴とする。請求項５に記載の
超音波ジャイロスコープは、前記入力用圧電素子が前記
一方の柱における３つの側面のうちの１つに設けられ、
前記出力用圧電素子は前記もう一方の柱における３つの
側面のうちの２つにそれぞれに設けられていることを特
徴とする。請求項６に記載の超音波ジャイロスコープ
は、前記振動体がアルミニウム、チタンまたはニッケル
で成ることを特徴とする。請求項７に記載の超音波ジャ
イロスコープは、前記振動体がアルミニウム、チタンお
よびニッケルのうちの２成分または全成分を含む合金で
成ることを特徴とする。請求項８に記載の超音波ジャイ
ロスコープは、前記振動体がエリンバーで成ることを特
徴とする請求項９に記載の超音波ジャイロスコープは、
前記圧電薄板Ｆ，Ｆ１およびＦ２が圧電セラミックで成
ることを特徴とする。An ultrasonic gyroscope according to claim 1 is a vibration having a tuning fork type structure composed of two columns having a substantially symmetrical shape and a support for supporting the two columns. A body, at least one input piezoelectric element provided on one of the two columns, and at least two output piezoelectric elements provided on the other of the two columns An ultrasonic gyroscope including: the vibrating body made of metal; the input piezoelectric element includes a piezoelectric thin plate F, an electrode T, and an electrode G, and the electrode T is one end surface of the piezoelectric thin plate F. , The electrode G is provided on the other end surface of the piezoelectric thin plate F, the input piezoelectric element is provided on the side surface of the one column through the electrode G, and the two output piezoelectric elements are provided. One of them is piezoelectric thin plate F1 and electric R1 and an electrode G1 are provided, the electrode R1 is provided on one end face of the piezoelectric thin plate F1, the electrode G1 is provided on the other end face of the piezoelectric thin plate F1, and among the two output piezoelectric elements. The other of the electrodes includes a piezoelectric thin plate F2, an electrode R2 and an electrode G2.
Is provided on one end face of the piezoelectric thin plate F2, and the electrode G2 is provided on the other end face of the piezoelectric thin plate F2.
The two output piezoelectric elements are provided on the side surfaces of the other column via the electrodes G1 and G2, respectively, and by inputting an electric signal to the electrode T, elastic vibration is excited in the piezoelectric thin plate F. , The energy of the elastic vibration vibrates the vibrating body, the vibration of the vibrating body excites the elastic vibration in the piezoelectric thin plates F1 and F2, and the elastic vibration is transmitted from the electrodes R1 and R2 through an electric signal through a piezoelectric property. Is provided and the support base is fixed to the object to be measured, whereby the object to be measured is rotated about the height direction of the column as the axis of rotation and the rotation direction is the electrode R1 and It is characterized in that it is represented by the difference in voltage of the electric signals respectively outputted from R2. An ultrasonic gyroscope according to a second aspect of the present invention is characterized in that the volume of the support base is larger than or substantially the same as the volume of the one column or the other column. The ultrasonic gyroscope according to claim 3 is characterized in that the support base comprises an upper portion, an intermediate portion and a lower portion, and the volume of the intermediate portion is smaller than the volume of the upper portion or the lower portion. The ultrasonic gyroscope according to claim 4, wherein the shape of the cross section perpendicular to the height direction of each pillar is a triangle, and the shape of each cross section of each pillar is point-symmetric with respect to each other. It is characterized by being arranged so that. The ultrasonic gyroscope according to claim 5, wherein the input piezoelectric element is provided on one of three side surfaces of the one column,
The output piezoelectric elements are provided on two of the three side surfaces of the other column, respectively. The ultrasonic gyroscope according to claim 6 is characterized in that the vibrating body is made of aluminum, titanium, or nickel. An ultrasonic gyroscope according to a seventh aspect is characterized in that the vibrating body is made of an alloy containing two or all of aluminum, titanium and nickel. The ultrasonic gyroscope according to claim 8 is characterized in that the vibrating body is formed of an elinvar, and the ultrasonic gyroscope according to claim 9,
The piezoelectric thin plates F, F1 and F2 are made of piezoelectric ceramic.

【作用】本発明の超音波ジャイロスコープは、ほぼ対称
的な形状を成す２本の柱および該２本の柱を支える支持
台から成るほぼＵ字型またはほぼ凹字型構造の金属で成
る振動体と、少なくとも１つの入力用圧電素子と、少な
くとも２つの出力用圧電素子とを備えた簡単な構造を有
する。入力用圧電素子は圧電薄板Ｆの両端面にそれぞれ
電極ＴおよびＧを設けた構造を有し、２本の柱のうちの
一方の柱における側面に電極Ｇを介して固着されてい
る。また、２つの出力用圧電素子のうちの一方は圧電薄
板Ｆ１の両端面にそれぞれ電極Ｒ１およびＧ１を設けた
構造を有し、２つの出力用圧電素子のうちのもう一方は
圧電薄板Ｆ２の両端面にそれぞれ電極Ｒ２およびＧ２を
設けた構造を有している。２つの出力用圧電素子はそれ
ぞれ電極Ｇ１およびＧ２を介して２本の柱のうちのもう
一方の柱における側面に設けられている。電極Ｇ，Ｇ１
およびＧ２はグランド電極を示す。本発明の超音波ジャ
イロスコープでは、振動体が必ずしも金属の塊である必
要はなく、２本の柱を鑞付によって支持台に固着させた
構造のものでもよい。また、本発明の超音波ジャイロス
コープでは、支持台の体積が２本の柱のうちのどちらか
一方の体積とほぼ同じかまたはそのどちらか一方の柱の
体積よりも大きい構造が採用される。本発明の超音波ジ
ャイロスコープでは、電極Ｔに電気信号を入力すること
により圧電薄板Ｆに弾性振動を励振し、その弾性振動の
エネルギーによって振動体を励振させ、その振動体の励
振によって圧電薄板Ｆ１およびＦ２に弾性振動を励振
し、その弾性振動を電極Ｒ１およびＲ２から圧電性を介
して電気信号として出力させる手段が設けられている。
このとき、電極Ｒ１およびＲ２から出力される電気信号
の電圧の差が静止時において零であるように予め設定さ
れる。本発明の超音波ジャイロスコープを使用する際に
は、振動体の支持台が被測定物に固定される。この際、
支持台のどの部分を被測定物に固定してもよい。支持台
の底面や側面を被測定物に接着剤で固定してもよい。ま
た、たとえば、支持台に柱状の溝を設け、その溝の中に
被測定物の一部を固定してもよい。固定する方法として
は、接着剤を用いる他に、支持台と溝との間に貫通孔を
設けその貫通孔からネジ釘を挿入して固定する方法など
が挙げられる。このようにして、その被測定物が柱の高
さ方向を軸として回転する回転速度および回転方向を電
極Ｒ１およびＲ２からそれぞれ出力される電気信号の電
圧の差で表わすことができる。このようにして、本発明
の超音波ジャイロスコープは支持の方法が簡単で、小型
かつ軽量で、測定方法も容易で、測定精度も良好であ
る。本発明の超音波ジャイロスコープでは、各柱の高さ
方向に垂直な断面の形状が三角形を成す構造を採用する
ことができる。しかも、２本の柱はそれぞれの断面の形
状が互いに点対称になるように配置される。この場合、
入力用圧電素子は一方の柱における３つの側面のうちの
１つに設けられている。２つの出力用圧電素子はもう一
方の柱における３つの側面のうちの２つにそれぞれ設け
られている。このような超音波ジャイロスコープを使用
すれば、さらに測定感度を向上させることができる。本
発明の超音波ジャイロスコープでは、振動体がアルミニ
ウム、チタンまたはニッケルで成る構造を採用すること
により、測定感度を向上させることができる。また、振
動体がアルミニウム、チタンおよびニッケルのうちの２
成分または全成分を含む合金で成る構造を採用すること
により、測定感度をさらに向上させることができる。ま
た、振動体がエリンバーで成る構造を採用することによ
り、測定感度を向上させることができる。The ultrasonic gyroscope of the present invention vibrates with a metal having a substantially U-shape or a substantially concave shape, which is composed of two columns having a substantially symmetrical shape and a support for supporting the two columns. It has a simple structure including a body, at least one input piezoelectric element, and at least two output piezoelectric elements. The input piezoelectric element has a structure in which electrodes T and G are provided on both end surfaces of a piezoelectric thin plate F, and is fixed to the side surface of one of the two pillars via an electrode G. Further, one of the two output piezoelectric elements has a structure in which electrodes R1 and G1 are provided on both end surfaces of the piezoelectric thin plate F1, respectively, and the other of the two output piezoelectric elements has both ends of the piezoelectric thin plate F2. The surface has electrodes R2 and G2, respectively. The two output piezoelectric elements are provided on the side surfaces of the other of the two columns via the electrodes G1 and G2, respectively. Electrodes G, G1
And G2 are ground electrodes. In the ultrasonic gyroscope of the present invention, the vibrating body does not necessarily have to be a lump of metal and may have a structure in which two columns are fixed to the support base by brazing. Further, the ultrasonic gyroscope of the present invention employs a structure in which the volume of the support table is substantially the same as the volume of either one of the two columns or is larger than the volume of either one of the columns. In the ultrasonic gyroscope of the present invention, an elastic signal is excited in the piezoelectric thin plate F by inputting an electric signal to the electrode T, the vibrating body is excited by the energy of the elastic vibration, and the piezoelectric thin plate F1 is excited by the vibrating body. And F2 are provided with means for exciting the elastic vibration and outputting the elastic vibration as an electric signal from the electrodes R1 and R2 via piezoelectricity.
At this time, the difference between the voltages of the electric signals output from the electrodes R1 and R2 is preset to be zero at rest. When using the ultrasonic gyroscope of the present invention, the support of the vibrating body is fixed to the object to be measured. On this occasion,
Any part of the support may be fixed to the object to be measured. The bottom surface or the side surface of the support base may be fixed to the object to be measured with an adhesive. Further, for example, a columnar groove may be provided on the support base, and a part of the object to be measured may be fixed in the groove. As a fixing method, in addition to using an adhesive, a method in which a through hole is provided between the support and the groove and a screw nail is inserted through the through hole to fix the method can be used. In this way, the rotation speed and the rotation direction of the measured object rotating about the height direction of the column can be represented by the voltage difference between the electric signals output from the electrodes R1 and R2. In this way, the ultrasonic gyroscope of the present invention is easy to support, small and lightweight, easy to measure, and good in measurement accuracy. In the ultrasonic gyroscope of the present invention, it is possible to adopt a structure in which the shape of the cross section perpendicular to the height direction of each column is a triangle. Moreover, the two columns are arranged such that their cross-sectional shapes are point-symmetric with respect to each other. in this case,
The input piezoelectric element is provided on one of the three side surfaces of the one pillar. The two output piezoelectric elements are provided on two of the three side surfaces of the other column, respectively. If such an ultrasonic gyroscope is used, the measurement sensitivity can be further improved. In the ultrasonic gyroscope of the present invention, by adopting a structure in which the vibrating body is made of aluminum, titanium or nickel, the measurement sensitivity can be improved. In addition, the vibrating body is 2 of aluminum, titanium and nickel.
The measurement sensitivity can be further improved by adopting a structure made of an alloy containing all or all components. Moreover, the measurement sensitivity can be improved by adopting a structure in which the vibrating body is composed of an elinvar.

【実施例】図１は本発明の超音波ジャイロスコープの第
１の実施例を示す斜視図である。本実施例は２本の柱お
よび支持台から成る振動体１、入力用圧電素子２、３、
４、出力用圧電素子５、６および７から成る。２本の柱
は同様な形状を成す。入力用圧電素子２、３および４は
振動体１の一方の柱に、出力用圧電素子５、６および７
はもう一方の柱にエポキシ系樹脂によって固着されてい
る。振動体１はアルミニウムの塊で成り、柱の高さ方向
に垂直な断面の形は二等辺三角形を成している。振動体
１は支持台の高さ（Ｈ）が２．５ｃｍ、柱の高さ（Ｌ）
が４ｃｍ、支持台の幅（Ｗ）が２．８ｃｍ、支持台の厚
さ（Ｔ）が１．５ｃｍ、二等辺三角形の等しい２辺の長
さ（ａ）が１．３ｃｍである。本実施例では、柱の断面
の形状が二等辺三角形であるが、正三角形でもよいし、
また、二等辺三角形でなくてもよい。支持台の底面のほ
ぼ中央部には円筒状の溝８が設けられ、溝８の側面と支
持台の側面との間には支持台の厚さ（Ｔ）方向と平行に
ネジ釘を挿入することにより、振動体１が被測定物に固
定される。図２は振動体１に固着された入力用圧電素子
２を示す断面図である。入力用圧電素子２は圧電薄板Ｆ
の両板面に電極ＴおよびＧを設けて成る。入力用圧電素
子３および４は入力用圧電素子２と同様な材質から成
り、同様な形状を成す。入力用圧電素子２、３および４
はそれぞれの電極Ｇを介して振動体１の一方の柱の上部
に固着されている。出力用圧電素子５は圧電薄板Ｆ１の
両板面に電極Ｒ１およびＧ１を設けて成る。出力用圧電
素子６は圧電薄板Ｆ２の両板面に電極Ｒ２およびＧ２を
設けて成る。出力用圧電素子７は圧電薄板Ｆ３の両板面
に電極Ｒ３およびＧ３を設けて成る。出力用圧電素子
５、６および７はそれぞれ電極Ｇ１、Ｇ２およびＧ３を
介して振動体１のもう一方の柱の上部に固着されてい
る。本実施例では各入力用圧電素子および各出力用圧電
素子を柱の上部に設置したが、上部に限らず下部でもそ
の中間部に設置することも可能である。また、各入力用
圧電素子を上部に設置し各出力用圧電素子を下部に設置
したりすることも可能である。すなわち、入力用圧電素
子と出力用圧電素子の設置箇所を必ずしも同等にする必
要はない。電極Ｔ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｇ、Ｇ１、Ｇ２
およびＧ３は厚さ０．２μｍの金属薄膜で成る。圧電薄
板Ｆ、Ｆ１、Ｆ２およびＦ３はＴＤＫ７２Ａ材（製品
名）で成り、その長さは１ｃｍ、幅は５ｍｍ、厚さは２
００μｍである。各圧電薄板の分極軸の方向はそれぞれ
の圧電薄板の厚さ方向に一致している。このようにし
て、入力用圧電素子２、３、４、出力用圧電素子５、６
および７は互いに同様な材質から成り、同様な形状を成
す。図３は図１の振動体１を上方から見た場合の平面図
である。振動体１の柱の高さ方向に垂直な断面の形は二
等辺三角形を成す。２つの二等辺三角形は互いの１辺を
平行に対面させている。本実施例では、２つの三角形が
互いに辺で対面する構造が採用されているが、角で対面
する構造であってもよい。すなわち、２つの三角形が互
いに点対称になるような構造であればよい。図４は本発
明の超音波ジャイロスコープの第２の実施例を示す斜視
図である。本実施例は振動体９、入力用圧電素子２、
３、４、出力用圧電素子５、６および７から成る。但
し、図４では振動体９のみが描かれている。振動体９の
２本の柱は同様な形状を成し、鑞付によって支持台に固
着されている。２本の柱のそれぞれの断面の形は二等辺
三角形を成し、２本の柱は互いの角で向き合っている。
支持台は上部、下部およびそれらの中央付近に挟まれた
中間部から成る構造を有する。中間部の体積は上部また
は下部の体積のほぼ２０％程度であり、上部の体積は２
本の柱のうちの一方の体積とほぼ同じである。振動体９
が被測定物に支持される場合、支持台の下部の底面が被
測定物に接着剤で固着される。図５は図４の振動体９を
上方から見た場合の平面図である。図６は本発明の超音
波ジャイロスコープの第３の実施例を示す平面図あっ
て、本実施例に含まれる振動体１０を上方から見た場合
の平面図である。本実施例は振動体１０、入力用圧電素
子２、３、４、出力用圧電素子５、６および７から成
る。但し、図６では振動体１０のみが描かれている。振
動体１０では２本の柱の断面が三角形を成し、その三角
形が互いに点対称になるような形で向き合っている。角
αとβとは互いに１度の差がある。本実施例では角αと
βとは１度の差があるが、５度までの差であれば、ジャ
イロスコープとして十分な効果があることが確認され
た。図７は本発明の超音波ジャイロスコープの第４の実
施例を示す斜視図である。本実施例は振動体１１、入力
用圧電素子２、３、４、出力用圧電素子５、６および７
から成る。但し、図７では本実施例に含まれる振動体１
１のみが描かれている。振動体１１における２本の三角
柱を支える支持台の底面の形は六角形である。図８は図
１の超音波ジャイロスコープを用いて被測定物の回転速
度および回転方向を測定する場合の一実施例を示す構成
図である。本実施例では、入力用圧電素子２、出力用圧
電素子５および６が用いられた。本実施例はパルス発生
器Ｐ、２つのインピーダンス変換器Ｉ、差動増幅器ＡＭ
Ｐ、直流化用ダイオードブリッジＤＢおよびオシロスコ
ープＯを含む。図１の超音波ジャイロスコープの駆動
時、パルス発生器Ｐから発生させたパルス信号（周波数
１．５９ｋＨｚ、電圧９Ｖ）を入力用圧電素子２の電極
Ｔに入力すると、入力用圧電素子２の圧電薄板Ｆに弾性
振動が励振される。その弾性振動のエネルギーは振動体
１を振動させ、振動体１の振動によって出力用圧電素子
５の圧電薄板Ｆ１および出力用圧電素子６の圧電薄板Ｆ
２に弾性振動が励振される。その弾性振動は電極Ｒ１お
よびＲ２から圧電性を介して電気信号として出力され、
それぞれのインピーダンス変換器Ｉを経て差動増幅器Ａ
ＭＰで増幅され、直流化用ダイオードブリッジＤＢで直
流化されてオシロスコープＯにおいて電圧波形として現
れる。このとき、電極Ｒ１から出力される電気信号の電
圧と電極Ｒ２から出力される電気信号の電圧とが静止時
において差動増幅器ＡＭＰで互いに打ち消しあって零電
圧となるように予め設定しておく。オシロスコープＯに
おいて現れる電圧波形の振幅の大小は、被測定物が振動
体１における柱の高さ方向を軸として回転する場合、そ
の回転速度および回転方向を電極Ｒ１およびＲ２からそ
れぞれ出力される電気信号の電圧の差で表わすことがで
きる。図９は図１の超音波ジャイロスコープを用いて測
定した被測定物の回転速度および回転方向と、電極Ｒ１
およびＲ２から出力される電圧の変化量との関係を示す
特性図である。但し、図９では被測定物の回転速度は角
速度として示されている。被測定物が振動体１における
柱の高さ方向を軸として時計回りに回転する場合と、そ
れと逆方向に回転する場合が示される。時計回りに回転
する場合、角速度の値はプラスとなり、出力変化の値も
プラスとなる。反時計回りに回転する場合、角速度の値
はマイナスとなり、出力変化の値もマイナスとなる。回
転速度および回転方向が出力電圧の変化量と良好な直線
関係にあることがわかる。1 is a perspective view showing a first embodiment of an ultrasonic gyroscope according to the present invention. In this embodiment, a vibrating body 1 including two columns and a support base, input piezoelectric elements 2 and 3,
4, output piezoelectric elements 5, 6 and 7. The two pillars have a similar shape. The input piezoelectric elements 2, 3 and 4 are provided on one pillar of the vibrating body 1 and the output piezoelectric elements 5, 6 and 7 are provided.
Is fixed to the other column with epoxy resin. The vibrating body 1 is made of a lump of aluminum, and the shape of the cross section perpendicular to the height direction of the column is an isosceles triangle. The vibrating body 1 has a support base height (H) of 2.5 cm and a pillar height (L).
Is 4 cm, the width (W) of the support is 2.8 cm, the thickness (T) of the support is 1.5 cm, and the lengths (a) of two equal sides of the isosceles triangle are 1.3 cm. In this embodiment, the shape of the cross section of the pillar is an isosceles triangle, but it may be an equilateral triangle,
Further, the shape need not be an isosceles triangle. A cylindrical groove 8 is provided substantially in the center of the bottom surface of the support, and a screw nail is inserted between the side surface of the groove 8 and the side surface of the support parallel to the thickness (T) direction of the support. Thereby, the vibrating body 1 is fixed to the object to be measured. FIG. 2 is a sectional view showing the input piezoelectric element 2 fixed to the vibrating body 1. The input piezoelectric element 2 is a piezoelectric thin plate F.
The electrodes T and G are provided on both plate surfaces. The input piezoelectric elements 3 and 4 are made of the same material as the input piezoelectric element 2 and have the same shape. Input piezoelectric elements 2, 3 and 4
Are fixed to the upper part of one pillar of the vibrating body 1 via the respective electrodes G. The output piezoelectric element 5 comprises electrodes R1 and G1 provided on both plate surfaces of a piezoelectric thin plate F1. The output piezoelectric element 6 comprises electrodes R2 and G2 on both sides of a piezoelectric thin plate F2. The output piezoelectric element 7 comprises electrodes R3 and G3 on both sides of a piezoelectric thin plate F3. The output piezoelectric elements 5, 6 and 7 are fixed to the upper part of the other column of the vibrating body 1 via electrodes G1, G2 and G3, respectively. In this embodiment, each input piezoelectric element and each output piezoelectric element are installed on the upper part of the column, but it is also possible to install not only on the upper part but also on the lower part in the middle part. It is also possible to install each input piezoelectric element on the upper part and each output piezoelectric element on the lower part. That is, the installation locations of the input piezoelectric element and the output piezoelectric element need not necessarily be the same. Electrodes T, R1, R2, R3, G, G1, G2
And G3 are made of a metal thin film having a thickness of 0.2 μm. The piezoelectric thin plates F, F1, F2, and F3 are made of TDK72A material (product name), and have a length of 1 cm, a width of 5 mm, and a thickness of 2.
It is 00 μm. The direction of the polarization axis of each piezoelectric thin plate coincides with the thickness direction of each piezoelectric thin plate. In this way, the input piezoelectric elements 2, 3, 4 and the output piezoelectric elements 5, 6
And 7 are made of the same material and have the same shape. FIG. 3 is a plan view of the vibrating body 1 of FIG. 1 when viewed from above. The shape of the cross section of the column of the vibrating body 1 perpendicular to the height direction forms an isosceles triangle. The two isosceles triangles have one side facing each other in parallel. In this embodiment, a structure in which two triangles face each other at their sides is adopted, but a structure in which they face each other at corners may be used. That is, any structure may be used as long as the two triangles are point-symmetric with respect to each other. FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the ultrasonic gyroscope of the present invention. In this embodiment, the vibrating body 9, the input piezoelectric element 2,
3, 4 and output piezoelectric elements 5, 6 and 7. However, in FIG. 4, only the vibrating body 9 is illustrated. The two columns of the vibrating body 9 have the same shape and are fixed to the support base by brazing. The shape of the cross section of each of the two columns is an isosceles triangle, and the two columns face each other at the corners.
The support base has a structure composed of an upper portion, a lower portion, and an intermediate portion sandwiched near the center thereof. The volume of the middle part is about 20% of the volume of the upper part or the lower part, and the volume of the upper part is 2%.
It is almost the same as the volume of one of the columns of the book. Vibrating body 9
Is supported by the object to be measured, the bottom surface of the lower portion of the support is fixed to the object to be measured with an adhesive. FIG. 5 is a plan view of the vibrating body 9 of FIG. 4 when viewed from above. FIG. 6 is a plan view showing a third embodiment of the ultrasonic gyroscope of the present invention, and is a plan view of the vibrating body 10 included in this embodiment as seen from above. This embodiment comprises a vibrating body 10, input piezoelectric elements 2, 3, 4 and output piezoelectric elements 5, 6 and 7. However, in FIG. 6, only the vibrating body 10 is illustrated. In the vibrating body 10, the cross sections of two columns form a triangle, and the triangles face each other in a point-symmetrical manner. The angles α and β differ from each other by one degree. In the present embodiment, there is a difference of 1 degree between the angles α and β, but it has been confirmed that if the difference is up to 5 degrees, there is a sufficient effect as a gyroscope. FIG. 7 is a perspective view showing a fourth embodiment of the ultrasonic gyroscope of the present invention. In this embodiment, the vibrating body 11, the input piezoelectric elements 2, 3, 4 and the output piezoelectric elements 5, 6 and 7 are used.
Consists of. However, in FIG. 7, the vibrator 1 included in this embodiment is
Only 1 is drawn. The shape of the bottom surface of the support base that supports the two triangular prisms in the vibrating body 11 is a hexagon. FIG. 8 is a configuration diagram showing an embodiment in the case of measuring the rotation speed and the rotation direction of the measured object using the ultrasonic gyroscope of FIG. In this example, the input piezoelectric element 2 and the output piezoelectric elements 5 and 6 were used. In this embodiment, a pulse generator P, two impedance converters I, a differential amplifier AM
P, DC diode bridge DB and oscilloscope O are included. When the ultrasonic gyroscope of FIG. 1 is driven, when a pulse signal (frequency 1.59 kHz, voltage 9 V) generated from the pulse generator P is input to the electrode T of the input piezoelectric element 2, the piezoelectric element 2 for input piezoelectric Elastic vibration is excited in the thin plate F. The elastic vibration energy vibrates the vibrating body 1, and the vibration of the vibrating body 1 causes the piezoelectric thin plate F1 of the output piezoelectric element 5 and the piezoelectric thin plate F of the output piezoelectric element 6 to vibrate.
2 is excited by elastic vibration. The elastic vibration is output as an electric signal from the electrodes R1 and R2 via piezoelectricity,
Differential amplifier A through each impedance converter I
It is amplified by MP, converted into DC by the diode bridge DB for DC, and appears as a voltage waveform on the oscilloscope O. At this time, the voltage of the electric signal output from the electrode R1 and the voltage of the electric signal output from the electrode R2 cancel each other by the differential amplifier AMP in a stationary state and are set in advance to a zero voltage. The magnitude of the amplitude of the voltage waveform appearing on the oscilloscope O depends on the rotation speed and rotation direction of the electrical signal output from the electrodes R1 and R2 when the DUT rotates about the height direction of the column of the vibrating body 1. Can be represented by the difference in voltage. FIG. 9 shows the rotation speed and rotation direction of the object measured using the ultrasonic gyroscope of FIG.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the output voltage and the amount of change in the voltage output from R2. However, in FIG. 9, the rotation speed of the measured object is shown as an angular speed. The case where the DUT rotates clockwise about the height direction of the column of the vibrating body 1 and the case where it rotates in the opposite direction are shown. When rotating clockwise, the value of angular velocity becomes positive and the value of output change also becomes positive. When rotating counterclockwise, the value of angular velocity becomes negative and the value of output change also becomes negative. It can be seen that the rotation speed and the rotation direction have a good linear relationship with the change amount of the output voltage.

【発明の効果】本発明の超音波ジャイロスコープでは、
電極Ｔに電気信号を入力することにより圧電薄板Ｆに弾
性振動を励振し、その弾性振動のエネルギーによって振
動体を励振させることができる。振動体の励振は圧電薄
板Ｆ１およびＦ２に弾性振動を励振させることから、そ
の弾性振動を電極Ｒ１およびＲ２から圧電性を介して電
気信号として出力させることができる。このとき、電極
Ｒ１およびＲ２から出力される電気信号の電圧の差が静
止時において零になるように予め設定することができ
る。従って、被測定物を振動体の支持台に固定した場
合、その被測定物が柱の高さ方向を軸として回転する回
転速度および回転方向を電極Ｒ１およびＲ２からそれぞ
れ出力される電気信号の電圧の差で表わすことができ
る。このようにして、本発明の超音波ジャイロスコープ
は被測定物を支持台のどの部分に固定してもよいことか
ら支持の方法が簡単で、小型かつ軽量で、測定方法も容
易で、測定精度も良好である。また、本発明の超音波ジ
ャイロスコープでは、振動体が必ずしも金属の塊である
必要はなく、２本の柱を鑞付によって支持台に固着させ
た構造のものでもよい。また、本発明の超音波ジャイロ
スコープでは、支持台の体積がどちらか一方の柱の体積
とほぼ同じかまたはどちらか一方の柱の体積よりも大き
い構造が採用される。本発明の超音波ジャイロスコープ
では、柱の高さ方向に垂直な断面の形状が三角形を成す
構造を採用することができる。このときの三角形は正三
角形、二等辺三角形または２つの角における角度の差が
１度から５度までの三角形である。しかも、２本の柱は
それぞれの断面の形状が互いに点対称になるように配置
される。この場合、入力用圧電素子は一方の柱における
３つの側面のうちの１つに設けられる。２つの出力用圧
電素子はもう一方の柱における３つの側面のうちの２つ
にそれぞれ設けられる。このような超音波ジャイロスコ
ープを使用すれば、さらに測定感度を向上させることが
できる。本発明の超音波ジャイロスコープでは、振動体
がアルミニウム、チタンまたはニッケルで成る構造や、
それらのうちの２成分または全成分を含む合金で成る構
造を採用することにより、測定感度をさらに向上させる
ことができる。また、振動体がエリンバーで成る構造を
採用することにより、測定感度を向上させることができ
る。According to the ultrasonic gyroscope of the present invention,
By inputting an electric signal to the electrode T, elastic vibration can be excited in the piezoelectric thin plate F, and the vibrating body can be excited by the energy of the elastic vibration. Since the vibration of the vibrating body excites elastic vibrations on the piezoelectric thin plates F1 and F2, the elastic vibrations can be output as electric signals from the electrodes R1 and R2 via piezoelectricity. At this time, the difference between the voltages of the electric signals output from the electrodes R1 and R2 can be set in advance so as to be zero at rest. Therefore, when the object to be measured is fixed to the support of the vibrating body, the rotational speed and the rotational direction at which the object to be measured rotates about the height direction of the column are the voltages of the electric signals output from the electrodes R1 and R2, respectively. Can be expressed as the difference between. In this way, the ultrasonic gyroscope of the present invention can fix the object to be measured to any part of the support base, so that the supporting method is simple, small and lightweight, the measuring method is easy, and the measurement accuracy is high. Is also good. Further, in the ultrasonic gyroscope of the present invention, the vibrating body does not necessarily have to be a metal block, and may have a structure in which two columns are fixed to the support base by brazing. Further, the ultrasonic gyroscope of the present invention employs a structure in which the volume of the support base is substantially the same as the volume of either one of the columns or larger than the volume of either one of the columns. The ultrasonic gyroscope of the present invention can adopt a structure in which the shape of the cross section perpendicular to the height direction of the column is a triangle. The triangle at this time is an equilateral triangle, an isosceles triangle, or a triangle having an angle difference between two angles of 1 degree to 5 degrees. Moreover, the two columns are arranged such that their cross-sectional shapes are point-symmetric with respect to each other. In this case, the input piezoelectric element is provided on one of the three side surfaces of the one pillar. The two output piezoelectric elements are provided on two of the three side surfaces of the other column, respectively. If such an ultrasonic gyroscope is used, the measurement sensitivity can be further improved. In the ultrasonic gyroscope of the present invention, the vibrating body is a structure made of aluminum, titanium or nickel,
The measurement sensitivity can be further improved by adopting a structure made of an alloy containing two or all of these components. Moreover, the measurement sensitivity can be improved by adopting a structure in which the vibrating body is composed of an elinvar.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の超音波ジャイロスコープの第１の実施
例を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of an ultrasonic gyroscope of the present invention.

【図２】振動体１に固着された入力用圧電素子２を示す
断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an input piezoelectric element 2 fixed to a vibrating body 1.

【図３】図１の振動体１を上方から見た場合の平面図。FIG. 3 is a plan view of the vibrating body 1 of FIG. 1 when viewed from above.

【図４】本発明の超音波ジャイロスコープの第２の実施
例を示す斜視図。FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the ultrasonic gyroscope of the present invention.

【図５】図４の振動体９を上方から見た場合の平面図。5 is a plan view of the vibrating body 9 of FIG. 4 when viewed from above. FIG.

【図６】本発明の超音波ジャイロスコープの第３の実施
例を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing a third embodiment of the ultrasonic gyroscope of the present invention.

【図７】本発明の超音波ジャイロスコープの第４の実施
例を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing a fourth embodiment of the ultrasonic gyroscope of the present invention.

【図８】図１の超音波ジャイロスコープを用いて被測定
物の回転速度および回転方向を測定する場合の一実施例
を示す構成図。FIG. 8 is a configuration diagram showing an embodiment in the case of measuring the rotation speed and the rotation direction of an object to be measured using the ultrasonic gyroscope of FIG.

【図９】図１の超音波ジャイロスコープを用いて測定し
た被測定物の回転速度および回転方向と、電極Ｒ１およ
びＲ２から出力される電圧の変化量との関係を示す特性
図。9 is a characteristic diagram showing the relationship between the rotation speed and rotation direction of the object measured using the ultrasonic gyroscope of FIG. 1 and the amount of change in the voltage output from the electrodes R1 and R2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１，９，１０，１１ 振動体 ２，３，４ 入力用圧電素子 ５，６，７ 出力用圧電素子 ８ 溝 Ｆ，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ 圧電薄板 Ｔ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｇ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ 電極 Ｐ パルス発生器 Ｉ インピーダンス変換器 ＡＭＰ 差動増幅器 ＤＢ 直流化用ダイオードブリッジ Ｏ オシロスコープ 1, 9, 10, 11 Vibrating body 2, 3, 4 Input piezoelectric element 5, 6, 7 Output piezoelectric element 8 Grooves F, F1, F2, F3 Piezoelectric thin plate T, R1, R2, R3, G, G1, G2, G3 Electrode P Pulse generator I Impedance converter AMP Differential amplifier DB DC diode bridge O Oscilloscope

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 ほぼ対称的な形状を成す２本の柱および
該２本の柱を支える支持台から成る音叉型構造を成す振
動体と、前記２本の柱のうちの一方の柱に設けられた少
なくとも１つの入力用圧電素子と、前記２本の柱のうち
のもう一方の柱に設けられた少なくとも２つの出力用圧
電素子とから成る超音波ジャイロスコープであって、 前記振動体は金属で成り、 前記入力用圧電素子は圧電薄板Ｆと電極Ｔと電極Ｇとを
含み、前記電極Ｔは前記圧電薄板Ｆの一方の端面に設け
られ、前記電極Ｇは前記圧電薄板Ｆのもう一方の端面に
設けられ、 前記入力用圧電素子は前記電極Ｇを介して前記一方の柱
における側面に設けられ、 前記２つの出力用圧電素子のうちの一方は圧電薄板Ｆ１
と電極Ｒ１と電極Ｇ１とを含み、前記電極Ｒ１は前記圧
電薄板Ｆ１の一方の端面に設けられ、前記電極Ｇ１は前
記圧電薄板Ｆ１のもう一方の端面に設けられ、 前記２つの出力用圧電素子のうちのもう一方は圧電薄板
Ｆ２と電極Ｒ２と電極Ｇ２とを含み、前記電極Ｒ２は前
記圧電薄板Ｆ２の一方の端面に設けられ、前記電極Ｇ２
は前記圧電薄板Ｆ２のもう一方の端面に設けられ、 前記２つの出力用圧電素子はそれぞれ前記電極Ｇ１およ
びＧ２を介して前記もう一方の柱における側面に設けら
れ、 前記電極Ｔに電気信号を入力することにより、前記圧電
薄板Ｆに弾性振動を励振し、該弾性振動のエネルギーに
よって前記振動体を振動させ、前記振動体の振動によっ
て前記圧電薄板Ｆ１およびＦ２に弾性振動を励振し、該
弾性振動を前記電極Ｒ１およびＲ２から圧電性を介して
電気信号として出力させる手段が設けられており、 前記支持台が被測定物に固定されることにより、該被測
定物が前記柱の高さ方向を軸として回転する回転速度お
よび回転方向が前記電極Ｒ１およびＲ２からそれぞれ出
力される電気信号の電圧の差で表わされることを特徴と
する超音波ジャイロスコープ。1. A vibrating body having a tuning fork type structure comprising two columns having substantially symmetrical shapes and a support for supporting the two columns, and provided on one of the two columns. An ultrasonic gyroscope including at least one input piezoelectric element and at least two output piezoelectric elements provided on the other of the two columns, wherein the vibrating body is made of metal. The input piezoelectric element includes a piezoelectric thin plate F, an electrode T, and an electrode G, the electrode T is provided on one end surface of the piezoelectric thin plate F, and the electrode G is provided on the other end of the piezoelectric thin plate F. The input piezoelectric element is provided on an end surface, the input piezoelectric element is provided on a side surface of the one column through the electrode G, and one of the two output piezoelectric elements is a piezoelectric thin plate F1.
And an electrode R1 and an electrode G1, the electrode R1 is provided on one end face of the piezoelectric thin plate F1, the electrode G1 is provided on the other end face of the piezoelectric thin plate F1, and the two output piezoelectric elements are provided. The other includes a piezoelectric thin plate F2, an electrode R2, and an electrode G2, the electrode R2 being provided on one end surface of the piezoelectric thin plate F2, and the electrode G2.
Is provided on the other end surface of the piezoelectric thin plate F2, the two output piezoelectric elements are provided on the side surfaces of the other column via the electrodes G1 and G2, and an electric signal is input to the electrode T. By doing so, the elastic vibration is excited in the piezoelectric thin plate F, the vibrating body is vibrated by the energy of the elastic vibration, and the elastic vibration is excited in the piezoelectric thin plates F1 and F2 by the vibration of the vibrating body. Is provided from the electrodes R1 and R2 as an electric signal through piezoelectricity, and the support base is fixed to the object to be measured, so that the object to be measured changes in the height direction of the column. An ultrasonic gyro characterized in that a rotation speed and a rotation direction of rotation about an axis are represented by a voltage difference between electric signals output from the electrodes R1 and R2. Co-op. 【請求項２】 前記支持台の体積は前記一方の柱若しく
は前記もう一方の柱の体積よりも大きいかまたはほぼ同
じであることを特徴とする請求項１に記載の超音波ジャ
イロスコープ。2. The ultrasonic gyroscope according to claim 1, wherein the volume of the support table is larger than or substantially the same as the volume of the one column or the other column. 【請求項３】 前記支持台は上部、中間部および下部か
ら成り、前記中間部の体積は前記上部または前記下部の
体積よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に
記載の超音波ジャイロスコープ。3. The ultrasonic gyro according to claim 1, wherein the support base comprises an upper portion, an intermediate portion and a lower portion, and the volume of the intermediate portion is smaller than the volume of the upper portion or the lower portion. scope. 【請求項４】 前記各柱の高さ方向に垂直な断面の形状
が三角形を成し、 前記各柱は、前記各柱におけるそれぞれの前記断面の形
状が互いに点対称になるように配置されていることを特
徴とする請求項１、２または３に記載の超音波ジャイロ
スコープ。4. The shape of a cross section perpendicular to the height direction of each of the pillars is a triangle, and the pillars are arranged such that the shapes of the cross sections of the respective pillars are point-symmetrical to each other. The ultrasonic gyroscope according to claim 1, 2, or 3. 【請求項５】 前記入力用圧電素子は前記一方の柱にお
ける３つの側面のうちの１つに設けられ、前記出力用圧
電素子は前記もう一方の柱における３つの側面のうちの
２つにそれぞれに設けられていることを特徴とする請求
項４に記載の超音波ジャイロスコープ。5. The input piezoelectric element is provided on one of the three side surfaces of the one column, and the output piezoelectric element is provided on two of the three side surfaces of the other column, respectively. The ultrasonic gyroscope according to claim 4, wherein the ultrasonic gyroscope is provided in the. 【請求項６】 前記振動体がアルミニウム、チタンまた
はニッケルで成ることを特徴とする請求項１、２、３、
４または５に記載の超音波ジャイロスコープ。6. The vibrating body is made of aluminum, titanium or nickel.
The ultrasonic gyroscope according to 4 or 5. 【請求項７】 前記振動体がアルミニウム、チタンおよ
びニッケルのうちの２成分または全成分を含む合金で成
ることを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記
載の超音波ジャイロスコープ。7. The ultrasonic gyroscope according to claim 1, wherein the vibrating body is made of an alloy containing two or all components of aluminum, titanium and nickel. . 【請求項８】 前記振動体がエリンバーで成ることを特
徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の超音波
ジャイロスコープ。8. The ultrasonic gyroscope according to claim 1, wherein the vibrating body is an elinvar. 【請求項９】 前記圧電薄板Ｆ，Ｆ１およびＦ２が圧電
セラミックで成ることを特徴とする請求項１、２、３、
４、５、６、７または８に記載の超音波ジャイロスコー
プ。9. The piezoelectric thin plates F, F1 and F2 are made of piezoelectric ceramic.
The ultrasonic gyroscope according to 4, 5, 6, 7 or 8.