JPS62106314A

JPS62106314A - 振動ジヤイロ

Info

Publication number: JPS62106314A
Application number: JP60246030A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Konno; 近野　正
Original assignee: Tokyo Koku Keiki KK
Current assignee: Tokyo Koku Keiki KK
Priority date: 1985-11-01
Filing date: 1985-11-01
Publication date: 1987-05-16

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）本発明は、車両、船舶、飛行機、ロボット等の運動体の
方向・姿勢制御等に好適に利用できる振動ジャイロに関
し、特に、Ｈ形の撮動子を圧電素子で駆動・検出する撮
動ジャイロに関する。

（従来の技術）振動ジャイロとは、ある方向に撮動している振動子をそ
の振動方向と直交する軸の回りに回転させ、その振動と
直角方向にコリオリの力を誘起させるものをいい、その
コリオリの力が回転角速度に比例するので、角速度セン
サとして利用されている。

このような振動ジャイロは、従来のロータ回転形レート
ジャイロに比べて長寿命であるという大きな長所をもっ
ている。振動ジャイロの形状としては音叉形、角棒（音
片）形１弦形などが考えられるが、ここでは従来例とし
て音叉形について説明する。

第８図は、振動ジャイロの従来例を示した斜視図である
。

第８図において、１は音叉、２は支持棒、３はスプリン
グ、４は固定枠、５は検出手段、６は駆動手段である。

音叉１を駆動手段６でｒｙ方向に振動させ、音叉１を２
軸回りにΩなる角速度で回転させたとき、ｆｘ方向に生
ずるコリオリの力によりねじりトルクが発生し支持軸２
が固定枠４に取付けられたスプリング３と釣り合う位置
まで回転する。この変位を検出手段５によって検出する
。

（発明が解決しようとする問題点）このような音叉形の振動子は、大形でかつ全体の構造が
複雑であり、ロボット等に組み込むためには支持がしず
らかった。

また、検出側の設計では、両アームの剛体としての慣性
モーメントが対象になり、さらに、支持の集中スティフ
ネスとで共振させる点で無理があり、安定性のよい検出
ができないという問題点があった。

本発明の目的は、Ｈ形の振動子を圧電素子で駆動・検出
することにより、全体として小形で支持が容易であり、
かつ、安定性の高い検出ができる振動ジャイロを提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段）前記目的を達成するために本発明による振動ジャイロは
、Ｘ軸方向に励振させＺ軸回りに回転したときにＸ軸方
向に発生したコリオリの力による振動を検出する振動ジ
ャイロにおいて、前記Ｚ軸方向に配置された断面矩形の
第１〜第４のアームと前記Ｘ軸方向に配置されそれらの
アームを連結する連結部からなる）１形の振動子と、前
記振動子の前記各アームの前記Ｘ軸または前記ｙ軸に直
交する面に配置された駆動側圧電素子と、前記振動子の
前記各アームの前記ｙ軸または前記Ｘ軸に直交する面に
配置された検出側圧電素子と、前記振動子を前記連結部
の中央部で支持する支持手段とから構成されている。

（実施例）以下、図面等を参照にして、本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明による振動ジャイロのＨ形振動子の実
施例を示した斜視図である。

第１図に示すように、振動子１０は第１〜第４のアーム
１１〜１４と、それらを連結する連結部１５とからなる
Ｈ形の振動子である。振動子１０の各アーム１１〜１４
は、矩形断面である。ここでは、断面のたてとよこの長
さを変えることにより、ｆｘ、ｆｙ方向の共振周波数を
わずかにずらしてスプリアス振動の発生を防止している
。また、支持の影響を少なくするために連結部の幅寸法
を十分に大きくとっている。

振動子１０の材質は、恒弾性合金、例えばＮｉ−３ＰＡ
Ｎ−Ｃまたはエリンバが適している。その他には、弾性
特性のよいステンレススチール。

石英、セラミックなどを用いることもできる。なお、振
動子１０として非導電材料を使用する場合には、その表
面に導電膜を設ける必要がある。

振動子１０には、駆動、検出手段として圧電素子が貼付
されている。振動子１０の１アームの１面に１枚の圧電
素子が配置され、振動子１０の駆動または検出を行う。

振動子１０に圧電素子を貼付する方法としては、接着剤
による接着または蒸着により行う。圧電素子の例として
は、ＰＺＴ系。

ＺｎＯ系、ＢａＴｉＯ３系などの材料が適している。

第２図は、本発明による振動ジャイロに用いられる圧電
素子の寸法例を示した図である。

第２図に示すように、振動子１０のアームの長さをｌａ
、幅をｄａとすれば、圧電素子の長さβｐ１幅Ｗｐは以
下の関係になるようにとる。

ｊ！　ｐ−１２ａ　／　２Ｗｐ’ｑｄａ／３このような寸法にするのは、フィギュアオブメリソトに
関係する容量比を最小にして、スプリアスオフセット出
力の原因となる第２次モードを抑圧するためである。

この振動子１０は、第２図に示した支持点Ｓで支持して
いる。この支持点Ｓは、連結部１５の中央に位置してい
る。

第３図は、本発明による振動ジャイロに用いられる制御
回路の実施例を示した回路図である。なお、第３図の上
側は第１図Ａ−Ａ断面、下側は第１図Ｂ−Ｂ断面を示し
た図に相当する。

第３図において、２０は駆動回路、３０は検出回路、４
０は制動抵抗である。

アーム１１には、圧電素子２１，２２，３１゜３２が取
付けられている。アーム１２には、圧電素子２３，２４
，３３．３４が取付けられている。

アーム１３には、圧電素子２５，２６．３５．３６が取
付けられている。アーム１３には、圧電素子２７．２８
，３７．３８が取付けられている。

なお、各圧電素子の分極特性は、電子回路と対応させて
任意に組合せることができる。

駆動回路２０の出力側には、圧電素子２１，２３．２５
．２７に接続されており、入力側には、圧電素子２２，
２４，２６．２８が接続されている。制動抵抗４０には
、圧電素子３１，３３，３５．３７が接続されており、
検出回路３０の入力側には、圧電素子３２，３４，３６
．３８が接続されている。

つまり、各アームにおいて、Ｅｘ方向の一対の圧力素子
を駆動用として、帰還自励振動を行わせる。一方、ｒｙ
力方向一対の圧力素子を検出および制動用として使用す
る。ここで、制動抵抗４０を用いるのは、応答性をよく
するためである。つまり、角速度のステップ的入力に対
して、出力がオーバシュートを起こし安定するのに時間
がかかるのを押さえるようにしている。このためには、
入力と反対の信号を加えればよいが、実際には、制動用
出力を抵抗で消費させることにより同様の効果を得るよ
うにしている。

第４図は、本発明による振動ジャイロの振動モードを示
した図である。

第３図のように圧電素子を配置した場合には、第４図（
ａ）に示したような第１次振動モードで振動する。ｆに
方向を駆動、ｒｙ力方向検出とすれば、第１図に示した
矢印方向に角速度Ωで回転させた場合に相当する。

第４図（ｂ）は、振動方向の違う他の振動モードの例を
示している。このような場合には、振動方向が違うので
、支持に対する回転時の力の加わり方が異なるので、そ
れぞれに対応する支持構造が必要になる。

第５図は、本発明による振動ジャイロに用いられる支持
構造の例を示した図である。

第５図（ａ）は、第４図（ａ）に示した振動モードの場
合に対応する支持構造である。この場合には、振動子１
０の連結部の両端を基台５２の支持凸部５２ａ、５２ａ
で２点支持すればよい。

第５図（ｂｌは、第４図（ｂｌに示した振動モードの場
合に対応する支持構造である。この場合には、振動子１
０の連結部の中心部を基台５２の支持凸部５２ｂで１点
支持する（第５図（ｂ））ようにすればよい。

なお、振動子１０の連結部を基台５２の支持凸部で直線
状に支持することも考えられる。

つぎに、本発明による振動ジャイロの動作を説明する。

第１図に示したＨ形の振動子１０に、第３図に示したよ
うに配置した駆動用の圧電素子２１〜２８で駆動すれば
、第４図（ａ）のようなモードで振動子１０の共振周波
数によりｆｘ方向に振動させることができる。

いま、振動子１０を第１図の矢印で示すＺ軸方向に角速
度Ωで回転させれば、第４図（ａ）のｒｙ力方向コリオ
リの力が発生し、その方向に振動子１０が駆動周波数と
同じ周波数で振動する。

このｆｙ方向の振動を圧電素子３１〜３８により検出し
、その信号を検出回路３０内で増幅検波することにより
、角速度信号を得ることができる。

第６図は、本発明による振動ジャイロの第２の実施例を
示した図、第７図は、本発明による振動ジャイロの第３
の実施例を示した図である。

第２．第３の実施例では、振動子１０の各アーム１１〜
１４の１ア一ム面に圧電素子を２枚配置しである。それ
らの圧電素子を第６図、第７図に示すように駆動、駆動
帰還および検出、検出制動側に接続して、信号の入出力
を可変抵抗により調整する。このようにすれば、効果的
にスプリアス出力を減少させることができる。

第３の実施例は、アームの１ア一ム面に２枚の圧電素子
を配置しである点では、第２の実施例と類似しているが
、対向面の圧電素子を組み合わせて接続し駆動検出を行
う点が異なる。

前述の第１の実施例では、圧電素子が１面に１個設けら
れている基本形であるが、第２．第３の実施例では、圧
電素子が１面に２個設けられており、駆動、キ★出のバ
ランスをとることができるので、同じようにスプリアス
を減少させることができる。第３の実施例は、第２の実
施例より対角線方向のスプリアス振動の発生が少ない。

完全にバランスがとれれば、第２．第３の実施例とも同
じ効果が得られる。

（発明の効果）以上詳しく説明したように、本発明によれば、振動子を
Ｈ形構造にしたので、バランスのよい振動をさせること
ができ安定性が向上するとともに、容易に支持ができる
ようになった。

また、同一共振周波数としてアームの全長は、角棒形の
約０．８倍の長さでよいので、小形化することができる
。角棒形の約０．８倍の長さでよい理由は、理論上自由
端棒の共振周波数と片持環の共振周波数を同じにしたと
きに、その長さの比は約０、４になるので、Ｈ形を音叉
が対向したものと考えれば、約０．８になるからであ名
。

さらに、駆動、検出部を増加することにより、感度がよ
く、スプリアスオフセット出力の少ない、安定度の高い
検出をすることができる。

さらにまた、出力信号を差動的に接続して、同方向の加
速度により各アームに生ずる同じ大きさの信号を相殺さ
せるので、外乱となる加速度の影響を減少させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による振動ジャイロのＨ形振動子の実
施例を示した斜視図である。第２図は、本発明による振動ジャイロに用いられる圧電
素子の寸法例を示した図である。第３図は、本発明による振動ジャイロに用いられる制御
回路の実施例を示した回路図である。第４図は、本発明による振動ジャイロの振動モードを示
した図である。第５図は、本発明による振動ジャイロに用いられる支持
構造の例を示した図である。第６図は、本発明による振動ジャイロの第２の実施例を
示した図である。第７図は、本発明による振動ジャイロの第３の実施例を
示した図である。第８図は、振動ジャイロの従来例を示した斜視図である
。１０・・・振動子　　　　　１１〜１４・・・アーム２
１〜２８．３１〜３８・・・圧電素子２０・・・駆動回
路　　　　３０・・・検出回路４０・・・制動抵抗　　
　　５２・・・基台特許出願人　　近　　野　　　正東京航空計器株式会社代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽 ′Ａｆ５図

Claims

【特許請求の範囲】

ｘ軸方向に励振させｚ軸回りに回転したときにｙ軸方向
に発生したコリオリの力による振動を検出する振動ジャ
イロにおいて、前記ｚ軸方向に配置された断面矩形の第
１〜第４のアームと前記ｘ軸方向に配置されそれらのア
ームを連結する連結部からなるＨ形の振動子と、前記振
動子の前記各アームの前記ｘ軸または前記ｙ軸に直交す
る面に配置された駆動側圧電素子と、前記振動子の前記
各アームの前記ｙ軸または前記ｘ軸に直交する面に配置
された検出側圧電素子と、前記振動子を前記連結部の中
央部で支持する支持手段とから構成したことを特徴とす
る振動ジャイロ。