JPH065168B2 - エネルギ−閉じ込めジヤイロスコ−プ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、物体の回転率すなわち回転角速度の測定に用
いるレート・ジャイロスコープに関し、特に、振動エネ
ルギーを閉じ込めるように駆動電極を配置して振動させ
た分極保有の圧電材平板が振動軸に直交する軸の周りに
受けた回転率をコリオリ力に基づいて測定する取扱い容
易な小型・高感度のエネルギー閉じ込めジャイロスコー
プを実現したものである。

（従来の技術） 一般に、この種レート・ジャイロスコープとしては、回
転ロータ型が数十年前から広く用いられて来たが、回転
体を用いたジャイロスコープは、軸受けベアリングを必
要とするために寿命が短く、しかも、動的および静的な
バランス調整など、製作工程に手数をかける必要があっ
た。

一方、かかる回転体の使用を排して、低周波の機械的振
動を利用した音叉ジャイロスコープあるいは音片ジャイ
ロスコープが最近話題になっているが、これらの振動型
ジャイロスコープは、研究が緒についたばかりであって
研究論文の発表も少ない。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した振動型ジャイロスコープも、従来の回転型と同
様に機械的振動を利用しているが故に、軸受摩耗の問題
こそないが、音叉や音片を用いているので本来その振動
周波数が低く、回転率印加の際のコリオリ力発生の感度
が不十分であり、振動エネルギー洩れの点で支持固定が
困難であり、外部衝撃に対して不安定である、など、ジ
ャイロスコープとして実用するうえで種々の問題点があ
った。

本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し、機械
的に振動する音叉や音片に替えて弾性波振動を行なう圧
電材素子を使用し、振動エネルギー閉じ込めモードで動
作させてエネルギー洩れをなくし、支持固定を容易にす
るとともに外部衝撃に対しても安定にし、高い周波数域
で使用して回転率印加時に発生するコリオリ力を増大さ
せて高効率、高感度の取扱い容易なレート・ジャイロス
コープを提供することにある。

本発明の他の目的は、エネルギー閉じ込めモードで動作
させることにより、従来の音叉ジャイロスコープや音片
ジャイロスコープを駆逐し、レート・ザジャイロスコー
プやオプトファイバージャイロスコープなどのオプトジ
ャイロスコープの機能に接近するのみならず、これを凌
駕し、民需品として将来勝ち残れるレート・ジャイロス
コープを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、小型、高安定であって、ロ
ボットや船舶、航空機などの方向センサとして好適な、
さらには、スペースシャトルやミサイルにも使用し得る
レート・ジャイロスコープを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明レート・ジャイロスコープにおいては、弾性波振
動を行なう圧電材振動子に交流電圧を印加して駆動する
ためにその圧電材振動子に被着する電極の質量負荷効果
および圧電反作用あるいは振動子とする圧電材平板の厚
味の部位による差違などによって振動エネルギーを圧電
材平板の中央部などに閉じ込め、振動エネルギーの少な
い両端部で安定に支持固定し得るようにするとともに、
駆動用および検出用の電極対を適切に構成配置して平行
電界励振型もしくは交差指電極駆動検出型のエネルギー
閉じ込めを行ない、高感度、高安定のジャイロ動作を行
ない得るようにしたものである。

すなわち、本発明レート・ジャイロスコープは、それぞ
れほぼ長方形をなす対称形状の各外周面を有する多結晶
圧電材平板を長手方向の両端部において支持し、厚味方
向の対称軸（Ｚ軸）にそれぞれ直交するとともに互いに
直交する他の２対称軸（ｘ軸、ｙ軸）の方向の圧電弾性
波振動にそれぞれ対応するそれぞれ少なくとも１個ずつ
電極片よりなる２組の電極対を前記他の２対称軸（ｘ
軸、ｙ軸）の方向にそれぞれ沿いそれぞれ互いに対向さ
せて外周面にそれぞれ設け、前記多結晶圧電材平板に予
め厚味方向の分極を施すとともに前記２組の電極対の一
方に交流電圧を印加してその電極対に対応する対称軸方
向の圧電弾性波振動を発生させ、厚味方向の対称軸（Ｚ
軸）の周りに回転率が加わったときにコリオリ力による
圧電弾性波振動に基づいて前記２組の電極対の他方に生
ずる前記回転率に比例した交流電圧を検出することによ
り、振動エネルギーを閉じ込めた状態で前記回転率を測
定し得るようにしたことを特徴とするものである。

（作用） 本発明レート・ジャイロスコープにおいては、従来の機
械的な回転もしくは振動にはよらず、圧電弾性波振動を
振動エネルギーを閉じ込めた状態でジャイロ動作に用い
ているので、従来に比してコリオリ力が大きく、ジャイ
ロスコープとして従来に比し格段に優れた高感度、高安
定が得られとともに、支持固定などの取扱いが極めて容
易となり、堅牢で外部衝撃に強いなどの格別の作用効果
が得られる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳細に説明
する。

まず、平行電界励振型とした本発明レート・ジャイロス
コープの構成例を第１図に示す。図示の構成において
は、例えばＮ−８材とする特定の方向性を有しない多結
晶の圧電セラミックスよりなる長方形の圧電材平板１の
両端部に比して中央部における厚味をやや増大させる。
さらに、両端部にそれぞれの上下両面にそれぞれ対向被
着した駆動用電極対２，２′と３，３′とを対向配置す
るとともに、厚味を増大させた中央部の両側面に信号検
出用電極４と４′とを対向配置し、中央部の上下両面に
第８図につき後述する他の構成例におけると同様に予め
被着して分極構成後に除去する電極間に直流電圧を印加
して均質の多結晶圧電材料の厚味方向に予め分極を施
し、分極軸を軸とした回転率が加わったときにコリオリ
力による圧電弾性波振動が生ずるようにしておく。

かかる構成の圧電材平板１について、第１図に示したよ
うに、長手方向にｘ軸、幅方向にｙ軸、厚味方向にｚ軸
をそれぞれ設定したとき、第２図に示すように、圧電材
平板１の分極軸５をｚ軸方向に一致させ、板面に平行で
分極軸５に垂直に交流電界6,６′が印加されるように電
極板2,２′および3,３′にそれぞれ接続した電源端子D₁
およびD₂に交流電圧源を接続して電気的に駆動する。か
かる平行電界により励振されて、圧電材平板１の中央部
における厚味の大きい部分には、圧電弾性波が伝搬する
ｘ軸方向に平行な変位7,７′を有する１次の厚味剪断(T
hickness Shear:TS)モードの定在波が立ち、一方、両端
部における厚味の小さい部分には圧電弾性波の振動が指
数的に減少して振動が及ばなくなり、振動エネルギーの
閉じ込めが行なわれ、両端部を固定支持しても圧電振動
の状態には影響しない。

かかる状態にある振動子としての圧電材平板１に両端支
持部を介して厚味方向の対称軸となるｚ軸の周わりに回
転率としての角速度Ωが印加されると、圧電振動軸ｘお
よび回転軸ｚに直交するｙ軸方向に生ずる周知のコリオ
リ力により、第３図(a)に示すように、ｙ軸方向の変位
8,８′を生ずる厚味捩り(Thickness Twist:TT)モードの
振動が励振される。この捩り振動の圧電効果によって生
ずる電圧を、圧電材平板１の中央部にｙ軸方向に対向さ
せて配置した電極対4,４′に第３図(b)に示すように接
続した端子P₁，P₂から、前述した圧電振動子駆動原理と
は逆の発生原理によって検出することができる。このコ
リオリ力によって生ずる圧電振動の振幅は印加した角速
度Ωの大きさに比例するので、端子P₁，P₂に現われる検
出出力電圧の大きさによって印加した角速度すなわち回
転率を測定することができる。

なお、前述した振動エネルギー閉じ込めが可能な振動モ
ードとしては圧電材平板１における３次の厚味剪断(TS)
モードも利用することができ、その場合には、第１図に
示したように両端部の厚味より増大させた圧電材平板１
の中央部における厚味は両端部の厚味と同一にし、均一
な厚味の圧電材平板１により振動子を構成する。また、
第１図に示した本発明レート・ジャイロスコープの構成
例においては、圧電励振と圧電検出との入出力関係を逆
にして動作させることもできる。すなわち、圧電材平板
１の中央部に対向配置した検出用電極対4,４′を励振用
電極対として厚味捩り(TT)モードの圧電振動を励振する
とともに、両端部にそれぞれ対向配置した駆動用電極対
2,２′および3,３′をコリオリ力によって発生した圧電
振動電圧の検出に用いるように動作させることもでき
る。

以上に説明した構成例においては、圧電材平板の厚味方
向に予め分極を施して板面に平行に交流電界を印加する
と、前述したように電極の質量負荷効果あるいは圧電反
作用によって例えば厚味剪断(TS)モードのエネルギー閉
じ込め圧電振動が生じ、かかる状態のもとで板面に垂直
の軸の周りに角速度すなわち回転率が加わると、その回
転に基づくコリオリ力により厚味捩り(TT)モードの圧電
振動が生ずる。この厚味捩り(TT)モードの圧電振動によ
る電圧を別に設けた電極対によって検出することによ
り、印加した角速度Ωを知ることができるので、上述の
構成はレート・ジャイロスコープとして使用することが
でき、したがって、ロボット、船舶、航空機などに用い
るに適した小型、軽量、高安定の方位センサとして広く
使用することができる。

上述のように平行電界励振型に構成した本発明レート・
ジャイロスコープは、高い周波数の弾性波を用いた振動
型ジャイロスコープであるから、従来の回転型は勿論、
音叉や音片を用いた振動型のジャイロスコープに比して
もコリオリ力が大きく、したがって、ジャイロスコープ
としての印加角速度検出の感度および効率が従来に比し
て格段に向上しており、また、平行電界励振型の特徴と
して、振動子の駆動電極を、振動振幅の大きいエネルギ
ー閉じ込め部を避けて設けた構成とすることができるの
であるから、経時変化による特性の劣化が少ない。すな
わち、この構成例においては第４図(a)または(b)に示す
ように、振動エネルギーを閉じ込めた中央部を避けて両
端部を支持固定することができるので、従来の振動型ジ
ャイロスコープに比して、支持固定による振動エネルギ
ーの洩れが少なく、極めて堅牢で外部からの衝撃に強い
構造とすることができ、しかも、駆動電極のリード線を
振動子１の支持固定台9a，9a′および9b，9b′に取付け
ることができるのであるから、特性の経時変化をさらに
少なくすることが可能となる。

つぎに、交差指電極駆動検出型とした本発明レート・ジ
ャイロスコープの構成例について、その駆動用および検
出用の電極配置を第５図および第６図にそれぞれ示し、
その全体構成を第７図に示す。また、圧電振動子に対
し、駆動用、検出用電極の配設に先立って施す分極に用
いる電極の構成配置および作用の態様を第８図に示す。

まず、駆動用電極の構成配置の例を示す第５図において
は、圧電材平板１の表面に駆動用の電極対２⁽ⁱ⁾，３⁽ⁱ⁾
(i＝１〜5)を設け、駆動端子D₁，D₂間に交流駆動電圧を
印加する。第８図につき後述するようにして予め施した
厚味方向の分極21⁽ⁱ⁾を施した領域に幅方向のｙ軸に平
行な交流電界６⁽ⁱ⁾を上述の駆動用電極対２⁽ⁱ⁾，３⁽ⁱ⁾
によって印加すると、圧電振動波の進行方向のｘ軸に直
角であって幅方向のｙ軸に平行な方向にすべり変位対７
^(j)，７′^(j)(j＝１〜4)が生ずる。かかる状態において
ｘ軸の周りに回転速度Ωが与えられると、コリオリ力に
よりｘ軸に平行であって回転速度Ωに比例したすべり変
位対8,８′が発生する。

なお、第５図乃至第８図に示すＸ⁽¹⁾〜Ｘ⁽¹⁷⁾は各種の
電極片に共通の電極位置番号であり、これらの電極位置
番号による各種の電極片全体の位置関係は第７図に示す
とおりである。

つぎに、検出用電極の構成配置の例を示した第６図にお
いては、圧電材平板１の上面並びに下面に、それぞれ電
極指10⁽ⁱ⁾および12^(j)並びに11^(j)および13^(j)(j＝１〜
4)よりなる検出用の電極対を設けるとともに、第８図に
つき後述するようにして、圧電材平板１に対し圧電振動
波進行方向のｘ軸に平行に互いに逆向きの分極14^(j)お
よび15^(j)を予め交互に施しておく。かかる状態におい
て、分極14^(j)の領域に印加回転速度Ωによって励振さ
れたすべり変位対8,８′が発生すると、正の圧電効果に
よって電極対10^(j)，11^(j)に電荷が誘起し、また、同様
にして、分極15^(j)の領域では電極対12^(j)，13^(j)に電
荷が誘起する。なお、電極対12^(j)，13^(j)に誘起した電
荷は電極対10^(j)，11^(j)に誘起した電荷とは逆極性にな
るが、電極指10^(j)と13^(j)、また、11^(j)と12^(j)をそれ
ぞれ接続すると、それぞれに誘起した電荷の和が検出出
力端子P₁，P₂に得られる。

上述した駆動用および検出用の各電極対を一括した電極
対全体の構成配置例を第７図に示す。なお、同図におい
ては、駆動用および検出用の各電極対と予め施した各分
極との相互の位置関係を明らかにするために、前述した
電極位置番号Ｘ^(R)(R＝１〜17）を示してある。

図示のように周期構造をなす駆動用電極対２⁽ⁱ⁾，３^(j)
および検出用電極対10^(j)〜13^(j)を配設した電極領域に
は圧電振動波によるすべり変位６^(j)，７^(j)が閉じ込め
られる。一方、その電極領域から外れた両端部領域16，
17においては、圧電振動波の伝搬定数が虚数となるの
で、すべり変位が急激に減衰してほとんど零となる。し
たがって、両端部を支持固定しても振動エネルギーの洩
れは極めて少なく、従来の音叉や音片を用いた振動型ジ
ャイロスコープとは異なり、強固な支持固定を行なうこ
とができるので、外部衝撃に対して極めて強いという利
点が得られる。

なお、以上に説明した構成例による本発明レート・ジャ
イロスコープは、印加回転速度Ω＝０の無回転時には原
理的に検出用電極対に出力電荷が誘起しない構造になっ
ており、また、駆動用の電極対２⁽ⁱ⁾，３⁽ⁱ⁾と検出用の
電極対10^(j)〜13^(j)とを交換して作動させることができ
る。

さらに、上述の構成例において、駆動・検出の動作に先
立ち、圧電材平板１に予め付与する分極は、第８図に示
すような構成配置の電極によって施す。図示の番号の電
極位置に周期的に配置した分極用交叉電極指18⁽ⁱ⁾，19
⁽ⁱ⁾間に端子B₁，B₂を介して直流高電圧を印加すると、
例えば21⁽¹⁾→14⁽¹⁾→20⁽¹⁾，21⁽¹⁾→15⁽¹⁾→20⁽¹⁾，…
………のように分極が生じ、その結果、図示のように交
互に逆方向の周期的分極配列が構成される。かかる分極
配列を構成するための分極用電極18⁽ⁱ⁾，19⁽ⁱ⁾を分極配
列構成の後にエッチングにより除去し、その後に、第５
図示の駆動用電極対および第６図示の検出用電極対をそ
れぞれ配設する。

第７図に示したように圧電材平板１の表面に設けた交叉
電極指を用いて圧電振動波の駆動および検出を行なう構
成例の本発明によるエネルギー閉じ込め型のレート・ジ
ャイロスコープにおいては、上述したようにして予め設
けた第８図示の電極配置によって圧電材平板１に分極を
施した後に、残留分極を活用することにより、従来の均
一分極によっては実現し得ない多対電極構成を可能にし
てある。すなわち、第８図示の分極用電極をエッチング
によって除去した後に、改めて、圧電材平板１の幅方向
に対向した周期構造の電極対を設けてその電極対の間に
交流電界を印加することにより、上述した残留分極のう
ち圧電材平板１の表面から内部に向う分極成分に対して
平行な交流電界励振が行なわれ、その結果、厚味捩り(T
T)モードの変位対が生ずる。一方、検出用として圧電材
平板１の上下両面にそれぞれ交叉電極指を設けた状態に
おいてそれら上下両面に垂直の軸の周りに回転速度Ωが
与えられると、コリオリ力によって厚味剪断(TS)モード
の変位対が生じ、その結果、かかる変位対と圧電材平板
１の上下両面に平行な分極成分とによって回転速度Ωに
比例した検出出力電圧が得られる。また、上述の構成に
よる本発明レート・ジャイロスコープの特質として、周
期構造の電極配置に基づく低インピーダンス化が可能と
なる。

以上の説明から明らかなように、本発明レート・ジャイ
ロスコープは、エネルギー閉じ込めモードの圧電振動を
利用しているがために、音叉や音片を用いた従来の振動
型ジャイロスコープに比して振動エネルギーの洩れが少
なく、強固な支持固定が容易で外部衝撃に対しても安定
に動作するジャイロスコープを実現することができる。
また、従来に比して格段に高い周波数の振動に基づいて
動作するので、振動周波数に比例して生ずるコリオリ力
が従来に比して格段に大きく、回転率検出の効率および
感度を著しく向上させ得るという格別の効果が得られ
る。特に、交叉電極指によるエネルギー閉じ込め型の駆
動・検出を行なうように構成した本発明レート・ジャイ
ロスコープは、多対分極を付与して周期構造の多対電極
構成とすることができるので、従来の均一分極型に比し
て格段に低インピーダンス化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明レート・ジャイロスコープの基本的な概
略構成を示す斜視図、 第２図は同じくその基本的な動作の態様を示す断面図、
第３図(a)，(b)は同じくその圧電振動による変位発生の
態様の例をそれぞれ示す斜視図、 第４図(a)，(b)は同じくその支持固定の態様の例をそれ
ぞれ示す断面図、 第５図は本発明レート・ジャイロスコープの他の構成例
における駆動用電極配置を示す斜視図、第６図は同じく
その構成例における検出用電極配置を示す斜視図、 第７図は同じくその構成例における電極配置の全体構成
を示す斜視図、 第８図は同じくその構成例における多対分極付与の態様
を示す斜視図である。 １…圧電材平板 2,２′，3,３′，２⁽ⁱ⁾，３⁽ⁱ⁾…駆動用電極 4,４′…検出用電極 ５…分極軸 6,６′…交流電界 7,７′，8,８′…変位 9a，9a′，9b，9b′…支持固定台 10^(j)，11^(j)，12^(j)，13^(j)…電極指 14^(j)，15^(j)，20^(j)，21^(j)…分極 16，17…端部領域 18⁽ⁱ⁾，19⁽ⁱ⁾…分極用電極 D₁，D₂…駆動電源端子 P₁，P₂…検出出力端子 B₁，B₂…分極電源端子 X^(R)…電極位置番号

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれほぼ長方形をなす対称形状の各外
   周面を有する多結晶圧電材平板を長手方向の両端部にお
   いて支持し、厚味方向の対称軸（Ｚ軸）にそれぞれ直交
   するとともに互いに直交する他の２対称軸（ｘ軸、ｙ
   軸）の方向の圧電弾性波振動にそれぞれ対応するそれぞ
   れ少なくとも１個ずつの電極片よりなる２組の電極対を
   前記他の２対称軸（ｘ軸、ｙ軸）の方向にそれぞれ沿い
   それぞれ互いに対向させて外周面にそれぞれ設け、前記
   多結晶圧電材平板に予め厚味方向の分極を施すとともに
   前記２組の電極対の一方に交流電圧を印加してその電極
   対に対応する対称軸方向の圧電弾性波振動を発生させ、
   厚味方向の対称軸（Ｚ軸）の周りに回転率が加わったと
   きにコリオリ力による圧電弾性波振動に基づいて前記２
   組の電極対の他方に生ずる前記回転率に比例した交流電
   圧を検出することにより、振動エネルギーを閉じ込めた
   状態で前記回転率を測定し得るようにしたことを特徴と
   するレート・ジャイロスコープ。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のジャイロスコ
   ープにおいて、前記多結晶圧電材平板の前記両端部に比
   して中央部の厚味を増大させ、前記両端部における厚味
   方向に垂直の両外周面を覆ってそれぞれ電極対を対向配
   置するとともに、中央部における厚味方向の両外周面を
   覆って電極対を対向配置することにより、前記２組の電
   極対を設けたことを特徴とするレート・ジャイロスコー
   プ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載のジャイロスコ
   ープにおいて、前記多結晶圧電材平板の前記両端部にお
   ける厚味方向に垂直の両外周面を覆ってそれぞれ電極対
   を対向配置するとともに、中央部における厚味方向の両
   外周面を覆って電極対を対向配置することにより、前記
   ２組の電極対を設けたことを特徴とするレート・ジャイ
   ロスコープ。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項または第３項記載の
   ジャイロスコープにおいて、前記２組の電極対の一方に
   交流電圧を印加して平行電界励振型エネルギー閉じ込め
   モードの圧電弾性波振動を発生させることを特徴とする
   レート・ジャイロスコープ。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項記載のジャイロスコ
   ープにおいて、前記多結晶圧電材平板の厚味方向に垂直
   の外周面における長手方向の両縁辺部に沿い複数個ずつ
   の突起片を互いに対向させて等間隔に有する電極対を対
   向配置するとともに、前記多結晶圧電材平板の厚味方向
   に垂直の両外周面における中心部に当該外周面の幅方向
   の電極指を複数個ずつ長手方向に等間隔に前記突起片に
   対応させるとともに互いに交差させて設けた幅方向に対
   向する電極対を厚味方向に対向させて当該両外周面にそ
   れぞれ配置することにより、前記２組の電極対を設けた
   ことを特徴とするレート・ジャイロスコープ。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項記載のジャイロスコ
   ープにおいて、長手方向の縁辺部に沿って前記電極対を
   対向配置した前記外周面に前記突起片にそれぞれ対応し
   て設ける複数個の幅方向の電極片と当該電極片の中間に
   それぞれ設ける複数個の幅方向の電極片とに直流電圧を
   印加することにより少なくとも厚味方向の分極を予め施
   すとともに、当該電極対に交流電圧を印加して交差指電
   極駆動検出型エネルギー閉じ込めモードの圧電弾性波振
   動を発生させることを特徴とするレート・ジャイロスコ
   ープ。