JP4037474B2

JP4037474B2 - 角速度測定装置

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Inventors: シルヴィオ・ダラ・ピアッツァ
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、
角速度をもって回転する圧電変換器と；
一定の周波数で第１の方向へ変換器の第１の振動を起こさせる第１の励振手段と、
第１の振動によって引き起こされ、前記の一定の周波数を有し且つ第１の方向に対し垂直な第２の方向であると共に、角速度を表わす振幅を有する有効成分と、角速度とは無関係である振幅を有する寄生成分とを含む変換器の第２の振動に応答して、角速度の測定信号を発生する測定手段とを具備する角速度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以上定義されているような装置の変換器の第１の振動の励振手段は、周知のように、この変換器に配置される励振電極と、それらの電極に接続し且つこの第１の振動の励振信号を電極に印加するように配置される電子回路とを具備する。
【０００３】
さらに、そのような装置の測定手段は、変換器の第２の振動に応答して検出信号を発生するように変換器に配置される検出電極を具備する。測定手段は、その検出信号に応答して、変換器の角速度を表わす測定信号を発生する電子回路をさらに具備する。
【０００４】
角速度測定装置の変換器の第２の振動は、この変換器の角速度を表わす振幅を有する有効成分と、変換器の角速度によって左右されない振幅を有する寄生成分とを含むことは良く知られている。
【０００５】
先に述べた検出信号も、第２の振動の有効成分の振幅を表わす有効成分と、寄生成分の振幅を表す寄生成分とを含むことになる。
【０００６】
米国特許第４，６７１，１１２号に記載されているような周知の装置においては、検出信号を減結合増幅器により増幅した後に、検出信号を電子ミクサに印加する。変換器の励振信号も、減結合増幅器による増幅の後に、この混合回路に印加される。
【０００７】
このミクサにより発生した信号は、次に、低域フィルタに印加される。低域フィルタの出力端子は、変換器の角速度の測定信号である連続信号を発生する。ところが、この信号は、変換器により供給される検出信号の有効成分を表わし、従って、変換器の角速度を表わす第１の成分を含むのに加えて、この検出信号の寄生成分を表わす第２の成分をさらに含む。
【０００８】
しかしながら、特に変換器の角速度が低い場合に、角速度測定装置の変換器の第２の振動の有効成分の振幅は非常に小さくなると考えられ、そのような場合、この第２の振動の寄生成分の振幅は有効成分の振幅よりはるかに大きいことは良く知られている。
【０００９】
変換器の第２の振動の検出電極により発生される検出信号の有効成分と寄生成分についても全く同じことが当てはまるのは自明である。
【００１０】
たとえば、角速度測定装置の変換器はこの種の多くの装置の場合と同様に水晶音叉により構成されているとき、検出信号の有効成分はほぼ０．１ミリボルト、多くとも十分の数ミリボルトである振幅を有し、音叉の角速度が毎秒約数度である場合には、この検出信号の寄生成分は十分の数ミリボルト、さらには数百ミリボルトにもなる。
【００１１】
その結果、先に述べた米国特許第４，６７１，１１２号に記載されているような装置のフィルタにより供給される信号の第１の成分の値は非常に小さくなり、この信号の第２の成分の値は、変換器の角速度が低いときには、第１の成分の値よりはるかに大きい。
従って、そのような測定装置の感度は低い。
【００１２】
減結合増幅器は検出信号の２つの成分を同じように増幅してしまうので、混合回路に印加される前に検出信号を増幅する前述の減結合増幅器の利得を増加させても、この感度を向上できないことに注意すべきである。
【００１３】
さらに、言うまでもなく、この増幅器の利得はその出力端子が飽和させる利得より劣っていなければならない。先に示した通り、検出信号の寄生成分の増幅は相対的に大きいので、この利得が相対的に低くなる以外のことはありえない。そのため、変換器の角速度が低いときには、増幅器によって増幅した後でも、検出信号の有効成分の振幅は小さい。
【００１４】
また、変換器の第２の振動の寄生成分の振幅は変換器の温度の関数として変化するが、第２の振動の有効成分の振幅は実際には温度とは無関係であることも良く知られている。従って、米国特許第４，６７１，１１２号に記載されているような装置により供給される信号も温度の関数として変化する。
【００１５】
変換器の第２の振動の寄生成分は実質的には変換器の第１の振動と同じ位相であるが、第２の振動の有効成分は第１の振動に対してほぼ直角位相の関係にあることも良く知られている。
【００１６】
従って、検出信号の寄生成分と有効成分も、変換器の第１の振動の励振信号に対して、それぞれ、同一位相と直角位相の関係にある。
そこで、米国特許第４，６７１，１１２号に記載されているような装置において、混合回路の代わりに、入力端子に印加される、基準信号に対して直角位相の関係にある信号の成分を表わす信号を供給する出力端子をもつ周知の回路である直角位相復調回路を使用することも可能であろう。
このような装置の変形によって、装置が供給する信号は検出信号の有効成分のみを表わすことになるであろう。
【００１７】
ところが、先に述べた通り、変換器の角速度が低いとき、この有効成分はごく小さい振幅を有する。そのような変形を加えた装置により供給される信号についても同じことが当てはまり、装置により低い角速度を測定すべき場合には、この信号を強力に増幅することが必要になるであろう。そのような場合に必要である増幅器は製造が難しく、そのため、かなり高価になると考えられる。これは、増幅しなければならない信号が値の小さい連続信号であるので、この増幅器が温度変化に対しても非常に安定した仕様を有していなければならないためであろう。
【００１８】
感度の低さ及び温度変化に対するこの不安定さにより課される上記の問題を解決するために、いくつかの方法が提案されている。
たとえば、米国特許第５，２８７，７４５号に記載されている角速度測定装置においては、装置の出力信号は、変換器の第１の振動の励振信号と、変換器の第２の振動の検出信号との位相ずれを測定することによって得られる。さらに、この特許の具体例の１つにおいては、変換器の角速度がゼロであるときに、先に述べた位相ずれの値を記憶するメモリを具備しているために、この装置の感度は向上する。この位相ずれの値が検出信号の寄生成分の振幅を表わすことは自明である。この装置は、記憶されている値を測定値から永久的に減算する回路をさらに具備し、そのため、この回路により供給される信号は検出信号の有効成分の振幅によってのみ左右される。
【００１９】
この装置は前述の位相ずれを測定するためにきわめて安定したタイムベースを使用しなければならないので、相対的に複雑である。さらに、装置はデジタル信号である測定信号を発生する。しかしながら、角速度の測定信号を供給すべき装置は、アナログの性質をもつ装置である場合が多い。そのような場合には、先に挙げた米国特許第５，２８７，７４５号により説明されている装置は、相対的に複雑な回路であるデジタル／アナログ変換器によって完成されなければならず、それをさらに複雑にしない限り、変換器の温度安定性を保証することは不可能である。
【００２０】
米国特許第５，３２９，８１６号は、基部によって互いに接合された２本のアームを有する音叉の形状をとる変換器を含む角速度測定装置を説明している。
この変換器は、互いに絶縁され且つ音叉の第１のアームに配置され、それにより、第１の振動を励振する２つの別個の励振電極群を形成する６個の電極を具備する。
【００２１】
１群の検出電極は音叉の第２のアームに、変換器の第２の振動に応答して変換器の角速度を表わす検出信号を発生するように配置されている。
さらに、１群の電極、いわゆる帰還電極も音叉の第２のアームに、変換器の第１の振動に応答して帰還信号を発生するように配置されている。
この米国特許第５，３２９，８１６号により説明されている装置の電子回路は、検出信号及び上記の帰還信号に応答して変換器の角速度の測定信号を供給するために、従来通りの復調回路と、従来通りの低域フィルタとを具備する。
この装置は、同様に検出信号と帰還信号を受信して、変換器の励振電極群の一方にそれぞれ接続する２つの出力端子を有する被制御発振器に制御信号を供給する第２の復調回路をさらに具備する。
【００２２】
この被制御発振器の構成と機能はこの特許の中には記載されておらず、励振電極を別個の電極群に分割したことと、帰還電極を設けたこととによって得られるべき所望の効果に関して、いくつかの具体的な説明が簡潔に述べられているのみである。ただし、専門家であれば、それらの説明から、発振器が変換器の２つの励振電極群に異なる励振信号に供給するべきであり、それらの信号の差は帰還信号によって決まり、それにより、変換器の第１の振動を変換器の第２の振動の寄生成分を相殺する成分を含むように修正しようとしていることを推論できるであろう。ところが、発振器に作用する帰還信号は変換器の第１の振動に応答して発生され、従って、変換器の第２の振動とは無関係であるので、この第１の振動の修正という目的をどのようにして達成しうるかはわからない。
【００２３】
いずれの場合にも、この装置で必要である被制御発振器は、少なくとも一方が可変である２つの異なる信号を供給しなければならないので、製造するのが相対的に複雑であり、従って、相対的に高価である。さらに、この装置で使用される変換器はその第１の振動を励振する２つの励振電極群を具備していなければならないために、これも相対的に複雑であり、従って、相対的に高価である。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、周知の装置の感度よりはるかに高い感度を有することができ且つ温度とは実質的に無関係である測定信号を供給し、それにより、相対的に単純で、低コストである変換器と電子回路を使用する角速度測定装置を提案することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この目的は、
角速度をもって回転する圧電変換器と；
一定の周波数で第１の方向へ変換器の第１の振動を起こさせる第１の励振手段と；
第１の振動によって引き起こされ且つ前記の一定の周波数を有し、第１の方向に対し垂直である第２の方向であり、角速度を表わす振幅を有する有効成分と、その角速度とは無関係である振幅を有する寄生成分とを含む変換器の第２の振動に応答して、角速度の測定信号を発生する測定手段とを具備する角速度測定装置であり、且つ
前記の一定の周波数で第２の方向へ、第２の振動の寄生成分に対して逆位相の関係にある変換器の第３の振動を起こさせる第２の励振手段と；
第３の振動の振幅を第２の振動の寄生成分の振幅に従属させる従属手段とをさらに具備することを特徴とする本発明による装置によって達成される。
【００２６】
以下にさらに詳細に説明するように、それらの特徴をもつ結果として、この装置の変換器の検出電極により発生される検出信号は有効成分によってのみ形成され、寄生成分を全く含まないということになる。従って、検出信号を復調回路に印加する減結合増幅器の利得を単純に増加させることにより、この装置の感度を向上させることが可能である。さらに、検出信号は変換器の温度には左右されず、これは装置により供給される測定信号についても当てはまる。
本発明のその他の目的及び利点は、添付の図面を参照してなされる以下の一実施形態の説明から明白になるであろう。
【００２７】
【発明の実施の形態】
限定的な意味をもたない例として図１に表わされている実施形態においては、全体を図中符号１により指示された本発明による角速度測定速度は、共通の基部２ｃ（図２を参照）により一体に接合された２本のアーム２ａ及び２ｂを有する音叉２から形成されている変換器を具備する。
【００２８】
この実施形態では、音叉２は、周知のように、水晶板から切出されており、その両面は水晶の光軸Ｚに対しほぼ垂直であり、また、そのアーム２ａ及び２ｂの長さの方向は水晶の機械的軸Ｙとほぼ平行である。水晶板の面と、水晶板の光軸Ｚとが成す角度及びアーム２ａ及び２ｂの長さの方向と、水晶板の軸Ｙとが成す角度は、周知のように、音叉２が有しているべきである特徴によってそれぞれ確定される。
【００２９】
従来の通り、音叉２はそのアーム２ａ及び２ｂの第１の振動を発生させる励振電極を具備する。励振電極はアーム２ａの２つの主面に互いに対向するように配置された２つの電極３及び４と、同様に、同じアーム２ａのそれぞれの側面に互いに対抗するように配置された２つの電極５及び６とにより形成されている。導通経路（図示せず）は電極３及び４を互いに接続すると共に、音叉２の基部２ｃに配置された接続端子に接続する一方で、電極５及び６を互いに接続すると共に、同様に基部２ｃに配置された別の接続端子に接続する。それら２つの接続端子も図示されていない。
【００３０】
電極３〜６が音叉２のアーム２ａ及び２ｂの、主面の平面と平行な第１の方向への、実質的にその寸法によって決まる周波数のたわみ振動を起こさせることは当業者には容易に理解されるであろう。音叉２の第１の振動を形成するのは、それらのアーム２ａ及び２ｂのこのたわみ振動である。
音叉２のこの第１の振動が音叉の第２の振動を発生させることは良く知られている。第２の振動もアーム２ａ及び２ｂのたわみ振動であるが、その方向は主面の平面に対し垂直な方向、すなわち、第１の振動の方向に対し垂直な方向であり、第２の振動の周波数は第１の振動と等しい。
【００３１】
この第２の振動は、アーム２ａ及び２ｂが先に定義した第１の振動に従って振動するとき及び音叉２が図２に図中符号Ｓにより指示されている感度軸を中心として回転するときにアーム２ａ及び２ｂに作用するコリオリのカによって発生する第１の成分を含む。従って、この第１の成分の振副は、感度軸Ｓを中心とする音叉２の角速度を表わしており、この第１の成分はこの音叉２の第２の振動の有効成分である。
【００３２】
音叉２の第２の振動は第２の成分をさらに含み、この第２の成分は水晶の機械的な特徴の異方性によってのみ起こり、その振幅は音叉２の角速度とは無関係であるが、その代わりに温度の関数として変化することも良く知られている。一般に、この第２の成分を第２の振動の寄生成分と呼ぶ。
【００３３】
図１の装置１においては、音叉２は、さらに、以下に説明する態様で励振される第３の振動に従って振動する。ここでは、単に、この第３の振動も同様に主面の平面に対し垂直である方向への音叉２のアーム２ａ及び２ｂのたわみ振動であり、従って、先に述べた第２の振動と同じ方向の振動である。さらに、この第３の振動は第１の振動及び第２の振動と同じ振動数を有する。
【００３４】
また、音叉２は、アーム２ｂの主面の一方に互いに隣接して配置され且つこのアームの長さの約半分を占める２つの電極７及び８と、アーム２ｂの他方の主面に電極７及び８とそれぞれ対向するように配置された２つの電極９及び１０とをさらに具備する。導通経路（図示せず）は電極７及び１０を互いに接続すると共に、音叉２の基部２ｃに配置された接続端子に接続する。同様に、電極８及び９を互いに接続すると共に、基部２ｃに配置された別の接続端子に接続する。それら２つの接続端子も図示されていない。
【００３５】
以上説明した電極７〜１０がアーム２ｂの主面の平面に対し垂直な方向へのアーム２ｂのたわみに応答して信号を発生するための検出電極であることは、当業者には容易に理解されるであろう。
この場合、これらの電極７〜１０は、先に説明した音叉２の第２の振動と第３の振動の重ね合わせに応答して、検出信号ＳＤと呼ばれる信号を発生するものである。
【００３６】
音叉２は、同様にアーム２ｂに配置された４つの電極１１，１２，１３及び１４をさらに具備し、これらの電極は検出電極７，８，９及び１０の延長方向に沿ってそれぞれ延びており、このアーム２ｂの長さの残る半分をほぼ占めている。導通経路（図示せず）は電極１１及び１４を互いに接続すると共に、音叉２の基部２ｃに配置された接続端子に接続する一方で、電極１２及び１３を互いに接続すると共に、同様に基部２ｃに配置された別の接続端子に接続する。それら２つの接続端子も図示されていない。
これらの電極１１〜１４は、以下にさらに詳細に説明するように、先に述べた音叉２の第３の振動を励振しようとする。
【００３７】
図１に示されている図中符号Ａ、Ｂ及びＣは、図２の平面Ａ−Ａに沿ったアーム２ａ及び電極３〜６の概略切断面と、図２の平面Ｂ−Ｂに沿ったアーム２ｂ及び電極７〜１０の概略切断面と、図２の平面Ｃ−Ｃに沿ったアーム２ｂ及び電極１１〜１４の概略切断面とをそれぞれ表わす。
図１は、本発明による角速度測定装置１が、従来と同様に、音叉２の第１の振動を維持する回路（図中符号１５により示されている）を具備することを示している。この回路の入力端子と出力端子は電極５及び６と、電極３及び４とにそれぞれ接続している。
【００３８】
この維持回路１５は当業者には良く知られているいくつかの方式で実現できるので、この回路については詳細には説明しない。
維持回路１５の出力端子により電極３及び４に印加される信号ＳＥを、音叉２の第１の振動の励振信号と呼ぶ。この信号ＳＥが音叉２の第１の振動と同じ周波数を有することは自明である。
【００３９】
また、図１において、電極８及び９は先に説明した検出電極の一部を形成し且つ装置１の接地点、すなわち、この装置１に給電する電圧供給源（図示せず）の端子の中の接地端子に接続していることがわかる。この電圧源の電圧は基準電圧として任意に選択される。従って、先に述べた検出信号ＳＤは、他の２つの検出電極７及び１０により供給される信号である。
【００４０】
先に既に述べた通り、この信号ＳＤは音叉２の第２の振動と第３の振動の重ね合わせに応答して発生されるので、それらの振動と同じ周波数を有する。信号ＳＤは、第２の振動の有効成分と、第２の振動の寄生成分と、第３の振動とをそれぞれ表わす３つの成分をさらに含む。信号ＳＤのこれら３つの成分は信号ＳＤと同じ、従って、信号ＳＥと同じ周波数を有するが、それらの成分をアナログ方式でこの信号ＳＤの有効成分、寄生成分及び第３の成分と呼ぶ。
【００４１】
音叉２の第３の振動が第２の振動の寄生成分と逆位相の関係にあることをさらに詳細に示す。これと同じことが信号ＳＤの寄生成分と第３の成分についてもいえる。以下の説明を簡単にするために、信号ＳＤの寄生成分と第３の成分の組合わせを信号ＳＤの組合わせ成分と呼ぶ。
【００４２】
検出信号ＳＤの有効成分が第１の振動の励振信号ＳＥに対してほぼ直角位相関係にある、すなわち、この有効成分とこの信号ＳＥとの差はほぼ±９０°に等しいことは良く知られており、この位相差のシグナムは電極３〜６及び７〜１０の配置と接続によって決まり、所定の位置と接続に対しては、音叉２の感度軸Ｓを中心とする音叉２の回転の方向によって決まる。
さらに、検出信号ＳＤの寄生成分が同様に電極３〜６及び７〜１０の配置と接続に従って、励振信号ＳＥに対してほぼ同じ位相又は逆位相の関係にあることも良く知られている。
【００４３】
この後の説明の中では、それらの電極３〜６及び７〜１０は、信号ＳＤの寄生成分が信号ＳＥと同じ位相になるように配置、接続されているものと想定する。この結果、先に定義した信号ＳＤの組合わせ成分は、この信号ＳＤの寄生成分の振幅が信号ＳＤの第３の成分の振幅より大きい場合は信号ＳＥと同じ位相にあり、逆の場合には、この信号ＳＥと逆の位相にあるということになる。
回路１５により電極３及び４に印加される音叉の第１の振動の励振信号ＳＥは、減結合増幅器１６の入力端子にも印加され、この減結合増幅器１６の出力端子は、この励振信号ＳＥに比例し且つ信号ＳＥと同じ位相にある信号ＳＥ′を供給する。
【００４４】
また、検出信号ＳＤは減結合増幅器１７に印加され、減結合増幅器１７の出力端子は、この検出信号ＳＤに比例し且つ検出信号ＳＤと同じ位相にある信号ＳＤ′を供給する。この信号ＳＤ′は、信号ＳＤの有効成分と、組合わせ成分とにそれぞれ比例し且つそれら２つの成分とそれぞれ同じ位相にある有効成分及び組合わせ成分を含むことは自明である。
【００４５】
同様に周知の通り、信号ＳＥ′及びＳＤ′は直角位相復調回路１８の入力端子に印加され、この回路１８の出力端子は装置１の出力端子を形成し、音叉２の角速度の測定信号ＳＭを供給する。
回路１８は当業者には良く知られているいくつかの方法で得られるので、ここでは回路１８について詳細には説明しない。単に、直角位相復調回路は、基準信号に対して直角位相の関係にある入力信号の成分の振幅を表わす値を有する連続信号を供給する出力端子を有する回路であり、この連続信号のシグナムはこれら２つの信号の位相差のシグナムによって決まるということを述べておく。
【００４６】
この例では、基準信号は信号ＳＥ′であり、入力信号は信号ＳＤ′であり、基準信号に対して直角位相の関係であるこの入力信号の成分はこの信号ＳＤ′の有効成分である。従って、回路１８により供給される信号ＳＭとそのシグナムは、信号ＳＤ′のこの有効成分の振幅と、この有効成分と信号ＳＥ′の位相差のシグナムとをそれぞれ表わしている。すなわち、この信号ＳＭは音叉２の感度軸Ｓを中心とする音叉２の角速度と、この角速度の方向をも表わしている。
【００４７】
信号ＳＥ′及びＳＤ′は位相復調回路１９の入力端子にも印加され、この回路１９の出力端子は信号ＳＰを供給する。
この回路１９も当業者には良く知られている回路であるので、ここでは回路１９についてさらに詳細には説明しない。
ここでは、単に、位相復調回路は、出力端子が基準信号に対して同じ位相又は、逆位相の関係にある入力信号の成分の振幅を表わす値を有する連続信号を供給するような回路であり、この連続信号は、たとえば、この成分がこの基準信号に対して同じ位相にあるか又は逆位相の関係にあるかに従って正又は負であるということを述べておく。この例においては、基準信号は信号ＳＥ′であり、入力信号は信号ＳＤ′であり、この基準信号に対して同じ位相又は逆位相の関係にある入力信号の成分は信号ＳＤ′の組合わせ成分である。従って、この信号ＳＰの値はこの組合わせ成分の振幅を表わしており、そのシグナムは、組合わせ成分が信号ＳＥ′に対して同じ位相であるか又は逆位相であるかに従って、正又は負である。
【００４８】
回路１９により発生する信号ＳＰは調整回路２０の第１の入力端子に印加される。この調整回路２０の第２の入力端子は接地点に接続し、出力端子は、信号ＳＰがゼロの値を有するときは一定の値を有し、信号ＳＰが正であるときは増加し、信号ＳＰが負であるときには減少する信号ＳＧを供給する。
回路２０は当業者には良く知られているいくつかの方法で得られるので、ここでは回路２０についてさらに詳細には説明しない。ここでは、単に、そのような調整回路は、一般に、入力端子に印加される２つの信号を比較する比較回路と、その比較回路により発生される信号の積分回路と、所望の特徴を提供し且つその機能の安定性を確保するためのいくつかの素子とを具備するということを述べておく。
【００４９】
装置１は増幅器２１をさらに具備し、増幅器２１の入力端子は増幅器１６により供給される信号ＳＥ′を受信し、出力端子は音叉２のアーム２ｂに配置された電極１１及び１４に接続している。増幅器の利得は制御入力端子に印加される信号ＳＧの値の関数として可変である。
電極１２及び１３も音叉２のアーム２ｂに配置され、装置１の接地点に接続している。
【００５０】
増幅器２１の入力端子に印加される信号が音叉２の第１の振動と同じ周波数を有する交番信号であることは自明である。従って、電極１１及び１４に印加される信号ＳＣも交番信号であり、その周波数も音叉２の第１の振動の周波数と等しい。
【００５１】
容易に理解できるであろうが、この信号ＳＣは音叉２のアーム２ｂを励振し、アーム２ａをも励振する。その結果、電極１１〜１４は、この信号が音叉２の主面の平面に対し垂直な方向への音叉のアーム２ａ及び２ｂのたわみ振動であるような配置となっている。
【００５２】
さらに、それらの電極１１〜１４は、この第３の振動が音叉２の第２の振動に対して逆位相となるように配置された増幅器２１に接続している。
従って、先に述べた音叉２の第３の振動となるのは、増幅器２１により印加される信号ＳＣに応答して発生するこの振動である。
装置１が機能すると、維持回路１５は音叉２の第１の振動を励振し、それにより、この音叉の第２の振動を間接的に励振する。
そこで、復調回路１８は、周知のように、信号ＳＥ′及びＳＤ′に応答して音叉２の角速度の測定信号ＳＭを発生する。
【００５３】
次に、まず、増幅器２１の利得を制御する信号ＳＧは、信号ＳＣの振幅を音叉２の第３の振動が音叉の第２の振動の寄生成分の振幅と等しい振幅を有するようにさせる値を厳密に有すると仮定することにより、装置１の残る部分の機能を説明する。この第３の振動と、先に説明したように逆位相にあるこの寄生成分、信号ＳＤの組合わせ成分及び信号ＳＤ′の組み合わせ成分は、ゼロに等しい振幅を有する。従って、信号ＳＰはゼロの値を有するので、信号ＳＧは変化せず、先に述べたその値を維持する。
【００５４】
そのため、音叉２と、電極７〜１０と、増幅器１７と、復調器１９と、調整回路２０と、増幅器２１と、電極１１〜１４とにより形成されるループは安定状態にある。
そこで、音叉２の第２の振動の寄生成分の振幅が何らかの理由により、たとえば、この音叉２の温度の変化に続いて増加した場合、ゼロであった信号ＳＤ及びＳＤ′の組合わせ成分の振幅は少なくとも第１の瞬間については増加する。さらに、それらの組合わせ成分は信号ＳＥ及びＳＥ′と同じ位相ということになる。この結果、ゼロであった信号ＳＰの値は正になる。従って、信号ＳＧの値は、信号ＳＣの振幅、ひいては音叉２の第３の振動の振幅の場合と同様に増加し始める。
【００５５】
この第３の振動の振幅の増加によって、信号ＳＤ及びＳＤ′の組合わせ成分の振幅は減少し、そのため、信号ＳＰの値も減少する。
信号ＳＰが正のままである間は、信号ＳＧの値は増加し続け、信号ＳＣと音叉２の第３の振動の振幅も増加し続ける。
【００５６】
ところが、第３の振動の振幅が音叉２の第２の振動の寄生成分の振幅と等しくなると、信号ＳＤ及びＳＤ′の組合わせ成分の振幅は再びゼロになり、信号ＳＰの値も同様である。信号ＳＧは増加を停止し、先に規定したループは再び新たな安定状態に入ることがわかる。
【００５７】
音叉２の第２の振動の寄生成分の振幅が何らかの理由により減少した場合、類似するプロセスが起こることは容易にわかるであろう。そのような場合には、信号ＳＤ及びＳＤ′の組合わせ成分の振幅も増加するが、その組合わせ成分は信号ＳＥ及びＳＥ′に対して逆位相の関係にある。
従って、信号ＳＰの値は負になるので、信号ＳＧの値は減少し、その結果、信号ＳＣの振幅は減少し、そのため、音叉２の第３の振動の振幅も減少する。
この第３の振動の振幅が音叉２の第２の振動の寄生成分の振幅と等しくなったとき、先に規定したループは再び安定状態に到達する。
【００５８】
そこで、先に規定したループは、音叉２の第２の振動の寄生成分の振幅や、その変動又はそのような変動の原因とは無関係に、第３の振動の振幅を第２の振動の寄生成分の振幅に従属させることがわかる。
さらに、この従属させる動作は、先に説明したプロセスが起こることが必要である時間中を除いて、信号ＳＤ及びＳＤ′の組合わせ成分が常にゼロの振幅を有するという効果をもつことがわかる。
【００５９】
ところが、この従属ループを形成している様々な回路の特徴、特に調整回路２０の特徴を当業者の能力の範囲内で慎重に選択すれば、音叉２の第２の振動の寄生成分の振幅の変化は決してごく速くはならないので、先に説明したプロセスの発生が必要になる時間を非常に短くできるであろう。
信号ＳＤ及びＳＤ′の組合わせ成分の振幅は実際には常にゼロであり、従って、これらの信号は実際にはその有効成分によってのみ形成されることがわかる。従って、これら２つの信号は実際には音叉２の第２の振動の寄生成分の振幅及びこの寄生成分の変動とは無関係であり、これは、周知の装置と比較した場合の本発明による装置の非常に重要な利点である。
【００６０】
従って、本発明による測定装置によって低い角速度を測定すべきときに、測定装置の感度を高めるのは簡単であることが容易にわかるであろう。そのような場合には、実質的には信号ＳＤ′の唯一の成分であるこの信号の有効成分に、それ自体が実現に際して相当の困難を伴う直流増幅器による増幅を要求せずに測定信号ＳＭを直接に使用することを可能にするような振幅をもたせるのに十分な高さの利得をもつ増幅器１７を設けるだけで十分である。
【００６１】
また、本発明による装置のこれらの利点は先の述べたフィードバックループを形成している様々な回路の特徴のいかなる変動とも無関係であることもわかるであろう。従って、このような装置の機能は周知の装置の機能よりはるかに安定している。
【００６２】
さらに、本発明による装置で使用する全ての回路は良く知られており、相対的に単純である。また、このような装置の変換器は製造するのが非常に簡単であり、この装置が第１の振動の励振電極を１組しか具備していないため、米国特許第５，３２９，８１６号に記載されている装置と比べて、はるかに安価である。
【００６３】
この点に関して、先に説明した装置１において使用される音叉２の製造は、電極８及び１２と、電極９及び１３とを単一の部材から製造することにより、この実施形態では、それら４つの電極が装置１の接地点に接続しているので、さらに簡略化されうることを述べておく。この簡略化によって、この実施形態においてそれらの電極に接続している２つの接続端子の一方を取り除くこともできる。
【００６４】
さらに、本発明の範囲から逸脱せずに、先に説明したこの装置にいくつかの変形を適用できる。
たとえば、音叉２の第１の振動の方向がその主面の平面に対し垂直であり且つその第２の振動及び第３の振動の方向はそれらの平面と平行になるように、音叉２のいくつかの電極を配置しても良い。
【００６５】
また、これら様々な電極を音叉のアーム２ａ及び２ｂに、先に説明したのとは異なる配列で配置しても良い。たとえば、第１の振動の励振電極と第３の振動の励振電極をそれらのアームの一方に配置し、第２の振動及び第３の振動の検出電極を他方のアームに配置しても良い。
さらに、１例として、先に説明した装置１において変換器として使用されている音叉２の代わりに、そのような装置で使用可能な別の変換器を使用してもさしつかえない。
【図面の簡単な説明】
【図１】角速度測定装置の一実施形態のブロック線図。
【図２】図１の装置で使用しうる変換器の概略図。
【符号の説明】
２…音叉、２ａ，２ｂ…アーム、２ｃ…基部、３，４，５，６…電極、７，８，９，１０…検出電極、１１，１２，１３，１４…電極、１５…維持回路、１６，１７…減結合増幅器、１８…直角位相復調回路、１９…位相変調回路、２０…調整回路、２１…増幅器。

Claims

音叉型圧電変換器の角速度測定装置であって、圧電変換器の主面に平行な方向の第１の振動の励振を第１のアーム(2a)で行い、前記主面に垂直な方向の第２の振動の検出を第２のアーム(2b)で行い、前記第２の振動は、前記第１の振動と同じ周波数を有し、かつ、コリオリの力に由来する有効成分および寄生成分を有しており、
前記第１の振動の励振用に前記第１のアーム(2a)に設けられた電極(3-6)と、第１の励振信号(SE)を供給する維持回路(15)とを含んで成る第１の励振手段を備え、
前記第１の振動と同じ周波数で、前記第２の振動と同じ方向で、前記第２の振動の寄生成分と逆位相である第３の振動の励振を行う第２の励振手段を備え、
前記第２の振動の検出用に前記第２のアーム(2b)に設けられた検出電極(7-10)を備え、それによって検出信号(SD)が得られ、
前記第１の励振信号(SE)を基準信号として、前記検出信号(SD)に応答して、前記検出信号(SD)の直角位相成分に応じた測定信号(SM)を出力する直角位相復調回路(18)を備え、この測定信号(SM)は角速度測定装置の出力を与えるものであり、
前記第１の励振信号(SE)を基準信号として、前記検出信号(SD)に応答して、前記検出信号(SD)の同位相または逆位相の成分に応じた信号(SP)を得る位相復調回路(19)を備え、この信号(SP)は、前記寄生成分と前記第３の振動とを重ね合わせて成る組み合わせ成分を示す信号であり、
前記第２の励振手段には、第３の振動の励振用に前記第１または第２のアームに設けられた電極(11-14)と、それらの励振用の第２の励振信号(SC)を生じる手段とが備えられ、前記第２の励振信号(SC)は、前記組み合わせ成分を示す信号(SP)がゼロに等しい値を示すように、第３の振動の励振を行うものである
ことを特徴とする、角速度測定装置。
請求項１に記載の角速度測定装置において、
前記第２の励振手段には、第３の振動の励振用に前記第２のアームに設けられた電極(11-14)が備えられている、
ことを特徴とする、角速度測定装置。
請求項２に記載の角速度測定装置において、
前記圧電変換器は水晶音叉によって形成され、
前記第１の振動の励振用の電極は、前記第１のアーム(2a)の２つの主面および２つの側面のそれぞれに配設された併せて４つの電極で構成され、
前記検出電極は、前記第２のアーム(2b)の２つの主面に、それぞれ２つづつ、アーム幅方向に並べて配設された併せて４つの電極で構成され、
前記第３の振動の励振用の電極は、前記第２のアーム(2b)の２つの主面に、それぞれ２つづつアーム幅方向に並べて且つ前記検出電極とアーム長さ方向に並べて配設された併せて４つの電極で構成されている
ことを特徴とする、角速度測定装置。
請求項１、２または３に記載の角速度測定装置において、
前記第２の励振信号(SC)を生じる手段は、
前記組み合わせ成分を示す信号(SP)に応じて制御信号(SG)を生じる調整手段(20)と、前記第１の励振信号(SE)および前記制御信号(SG)に応じて前記第２の励振信号(SC)を生じる可変利得増幅回路(21)と
を備えている
ことを特徴とする、角速度測定装置。