JPH0629733B2 - ジャイロスコ−プ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はジャイロスコープに関し、詳述すれば、ロータ
ーが回転するのではなくて、高周波発振するビームない
しその他の構成機素がローターに代る主要可動機素を構
成している剪断モード方式の発振型ジャイロスコープに
関する。

（従来の技術） 発振型ジャイロスコープの概念は以前より知られてお
り、その頃から発振型ジャイロスコープも、従来のロー
ター式ジャイロスコープと同様に、回転速度計測装置と
して作用することがわかっている。ローター式ジャイロ
スコープにあっては、ローター回転軸と直交する２つの
直交軸のいづれか一方を中心とする回転が作用すると、
コリオリ効果により他方の直交軸に沿って慣性力が発生
する。従って、この慣性力を計測することによって、回
転速度の指標が得られる。発振型ジャイロスコープは、
このローター式ジャイロスコープとは構造が異なるもの
の、原理的にはローター式のものと同様に作用する。

初期の発振型ジャイロスコープと、近時におけるその改
良型においては、例えば音叉の如きの、すでによく知ら
れた機械的発振素子を用いるのが常套手段となってい
る。通常、この発振素子は、静電手段または電磁手段に
より励振されて、数キロヘルツの周波数で発振するよう
になっている。

ところが、最近に至って、圧電効果を利用して適当な結
晶構造体を励振させることが注目されており、それによ
れば、結晶構造体ははるかに小さい振幅でより高速にて
振動することから、見かけ上より大きなコリオリの慣性
力が発生し、それよりはるかに有用な信号が得られる、
と考えられている。この考えは確かに価値のあるもので
はあるが、装置として具体化するとなると、今のところ
装置自体が複雑になる欠点がある。一例を挙げると、現
在商業ベースで生産されている圧電式発振型ジャイロス
コープは、いわゆるコンポネント型である。つまり、互
いに直交して配置された圧電結晶体製ウエハー部材が、
結線材で互いに接続された状態で用いられている。そし
て、一方の結晶体は発振させておき、他方の結晶体は
「センサー」として作用するとともに、作用する回転に
より生ずるコリオリの慣性力の作用で、前記一方の結晶
体が振動しない方向へ振動するようになっている。

（発明の目的と構成） 本発明は、構造が簡単で、しかも、圧電効果を生ずる構
造体を用いれば、その構造体を１つの振動モードで励振
させることができるとともに、構造体に回転運動が作用
するとその構造体に生ずるコリオリの力を検出するのに
圧電効果を用いることができることを鑑みてなされたも
のである。

本発明によるジャイロスコープは、少なくとも長手方向
の一端(42,43)が支持体に取り付けられ、かつ中央部(4
1)の厚さ(a)を端部(b)より大きくした三軸を持つ圧電材
料の矩形板よりなるビーム(40)と、該ビームの中央部の
上下両面に、電圧の印加で中央部の両面が互いに平行な
方向に位相をずらす剪段モードで発振させるために設け
た一対の励振電極(44,45,50,51)と、該励振電極に電圧
を印加する発振回路と、上記ビームの長手方向に沿って
ビームの中央部の中心点(O)を対称にして設けた一対の
検出電極(46,48,47,49,52,53)と、該検出電極の電気信
号を取り出す検出回路を設け、該制御回路の出力で、上
記発振方向とビームの長手方向とに直交する軸芯を中心
として作用させられる回転速度を検出するようにしたこ
とを特徴とするものである。

尚、構造体を支持体に対して前述のように片持ち状態で
取り付ける他に、両端にて支持されるようにしてもよ
い。この様に両端を以て支持体に取り付ける場合、前記
部位とは、両端間に臨む構造体の中間部が担うことにな
る。また、構造体の前記部位は、他の部分よりも横断面
積が大きくなっていてもよい。

（実施例） 以後、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施
例を詳述する。

先ず本発明の実施例を示す第１図から第３図において
は、発振型ジャイロスコープの構造体はビーム１からな
り、このビーム１はビスマスーゲルマニウム酸化物の結
晶を用いた矩形板40で構成されている。軸O_x、O_y、O_zは矩
形板40の結晶軸であって、軸O_yは矩形板40の平面に対し
て直交しており、また、軸O_x、O_zは矩形板40の互いに直
交する側縁と平行になっている。また、矩形板40の厚さ
は、端部42、43における厚さよりも中心部41の厚さが大
きくなるように選ばれている。この矩形板40は、両端が
適当な基体に固定された状態で支持されているが、基体
については本発明にとって重要でもないので、図示して
いない。

第１図と第２図とに示すように、矩形板40の中心部41、
即ち、両端に対して***している中心部41の両面には、
励振電極44、45が形成されている。これらの電極44、45に
夫々接続した端子T₉、T₁₀に電圧Ｖを印加すると、軸O_yの
方向に電界が発生することになり、矩形板40それ自体が
圧電材料でできているので、矩形板40は平面yzにおいて
剪断変形を起す。この剪断変形は第３図に示す通りであ
って、この変形が繰返して起る振動は、一般に水平剪断
振動モードと言われている。

即ち、端子T₉、T₁₀を第４図に示したブリッジ回路、即
ち、発振回路に接続して電圧を印加すれば、矩形板40は
厚み方向に水平剪断振動を起す。尚、中心部41の厚さａ
と長さｌおよび両端部42、43の厚さｂとは、電圧印加時
に生ずる共振運動が中心部41に集中的に行なわれるよう
に選ばれている。その際、共振周波数は、矩形板40の両
端部における水平剪断(SH)波の伝播に対応するカットオ
フ周波数よりも小さくなるようにすべきである。このよ
うに共振周波数を定めると、水平剪断波による運動は、
端簿42、43の方へ行けば行く程、指数関数的に減衰し、
基体に至っては無視しうるものとなる。即ち、「エネル
ギーとじ込め現像」が起るのであって、その現像がある
が故に、矩形板40がどのように支持されていようとも、
換言すれば、矩形板40の支持形態に拘らず、共振周波数
を定めることができる。このことは、ジャイロスコープ
の性能が支持構造の減衰能や弾性により影響されるのを
防ぐ上で重要なことである。

今、第７図に示す如く、矩形板40の垂線方向、即ち、軸
O_yを中心とする回転速度Ωを作用させると、軸O_zに沿う
前剪作用とコリオリ効果の結果として、軸O_xの方向に慣
性力が発生する。この慣性力により、軸O_z方向に電界が
発生する。そこで、矩形板40の中心部０に対して対称と
なるように検出電極46、47と検出電極48、49とが夫々形成
されているので、電極46、48の共通端子T₁₁と、電極47、4
9の共通端子T₁₂から電圧が取り出せる。この電圧を第５
図に示した制御回路で測定すれば、軸O_z方向の電界の強
度、即ち、作用させた回転速度を検出することができ
る。

第６図に示したものは、第１図から第３図に示した実施
例の変形例であって、励振電極50、51は矩形板40のほぼ
中心部の両面に、検出(pick-off)電極52、53は、励振電
極50、51が形成されている中心部の側面にそれぞれ形成
されている。而して、これらの電極50〜53は、前述の実
施例におけるのと同様に第４図に示した発振回路と第５
図に示した制御回路とに図示のように接続される。即
ち、励振電極50、51はそれぞれ端子T₁₀、T₉に、また、検
出電極52、53はそれぞれ端子T₁₂、T₁₁に接続して、前述の
実施例におけるのと同様に回転速度の測定に利用され
る。

このようなビーム１がジャイロスコープとして作用する
ためには、ビーム１が自己励起して共振するようにする
とともに、共振運動の振巾を制御しうるようにする必要
がある。これは、帰還利得が振巾に依存する発振回路に
前述の構成のビーム１を用いることにより達成できる。
この回路の一例を第４図に示す。第４図に示した回路に
おいては、第２図に示した端子T₉、T₁₀を夫々ブリッジ回
路の接続点B₂、B₃に接続することにより、ビーム１がこ
のブリッジ回路の一つのアームを構成している。ブリッ
ジ回路のコンデンサーＣの容量は、端子T₉、T₁₀間で測定
されるクランプ容量（clamped capacitance）と等しく
なるように、また、抵抗Ｒは、rad/secで表わしたビー
ムの共振周波数をωとすると、１≫ω・CRが成り立つよ
うな値に選ばれている。ブリッジ回路の接続点B₁、B₂間
における電位差を差動増巾器Amplで測定すれば、この増
巾器Amplからの出力電圧はビームの速度（即ち、時間に
対するビームの屈曲変化率）に比例したものとなる。増
巾器Amplの出力信号を、例えば非直線形スイッチ素子Ｓ
の如きの利得制御用能動素子を介して可変利得増巾器Am
p2へ供給し、この増巾器Amp2からの出力をブリッジ回路
の接続点B₃へ供給することにより、ビームに対する正帰
還回路を構成する。スイッチ素子Ｓに対する入力信号の
振巾が小さくても、このスイッチ素子の利得はほとんど
無限であるので、この正帰還回路により、歪のないビー
ムは動的に不安定状態をとるようにすることができる。
それ故、ビームに小さな攪乱を与えると、ビームはその
後共振周波数にて自ら振動するようになり、限界サイク
ルに達するまで振巾が増大する。この限界サイクルの大
きさは、ビームの内部減衰（internal damping）、スイ
ッチ素子Ｓの利得−入力振巾特性、それに、増巾器Amp2
の利得とによって定まる。ビームの共振運動の振巾は、
公知の方法により、例えば、増巾器Amp1の出力をモニタ
ーし、増巾器Amp2の利得を調節することにより、リセッ
トされる。

このように、ビームの長手軸O_xを中心とする回転速度Ω
を作用させると、ビームは第７図に示す如く、平面O_xy
において共振し、コリオリ効果によりO_z方向に慣性力を
生ずる。ところが、ビームの断面形状は正方形であっ
て、平面O_xyと平面O_xzにおける振動の共振周波数は同一
であるから、減衰でもしない限りこの慣性力によりビー
ムは平面O_xzにおいて共振されて振動する。それによ
り、検出電極46〜49のあるビームの部分に最大値の弾性
歪が生じ、かくて、圧電効果により、端子T₁₁、T₁₂から
電圧が発生する。この電圧は、軸O_xを中心とする回転作
用により生じたビームの共振運動を相殺させる制御ルー
プ回路を駆動するのに必要な誤差信号として用いること
ができる。

前記した制御ループ回路の一例を第５図に示す。第５図
に示したループ回路は、第４図に示したものと非常によ
く似ているが、ここでは速度負帰還回路を用いている。
この回路においても、ブリッジ回路の接続点Ｂ′_２、
Ｂ′_３に端子T₁₁、T₁₂が夫々接続した状態でビームが挿
入されている。Amp3は差動増巾器であって、その増巾器
Amp3からの出力信号はブリッジ回路の接続点Ｂ′_３に帰
還されるようになっている。コンデンサーＣ′の容量と
抵抗Ｒの値は、第４図に示したコンデンサーＣと抵抗Ｒ
の夫々の値と同様に選ばれている。

第５図に示した構成において、増巾器Amp3からの出力
は、軸O_zに沿うビームの速度に対応しているから、負帰
還電圧により、平面O_xzにおけるビームの運動を減衰さ
せることができる。また、ビームはその共振周波数にて
励振させられるから、慣性と弾性とによるビームの力は
相殺され、ビームの運動は材質の内部減衰と、帰還回路
の減衰とによって限られてくる。それ故、増巾器Amp3の
利得が、作用する減衰力が材質によって醸し出される減
衰力よりも大きくなる程大きいものであれば、増巾器Am
p3からの出力電圧が、作用させた回転速度そのものの指
標となる。従って、電圧計Ｖを読み取れば、作用させた
回転速度がわかり、結局、ジャイロスコープは単軸回転
速度計測用ジャイロスコープ（Single axis rate gyros
cope）として使うことができることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例によるジャイロスコープの主
要部の側面図、第２図は同主要部の平面図、第３図は同
主要部の作用説明図、第４図はジャイロスコープの発振
回路図、第５図は制御回路図、第６図は本発明の実施例
の変形を示す斜視図、第７図は第１図のジャイロスコー
プの各作用力を示す斜視図である。 40……ビーム 41……ビームのの中央部 44、45、50、51……励振電極 46〜49、52、53……検出電極器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レナ−ド・マ−ンダ− イギリス国イングランド・ニユ−キヤツス ル・アポン・テイン・エヌ・イ−４ ９ビ イ・ビイ・ムアサイド・サウス46番地 (56)参考文献 米国特許3520195（ＵＳ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも長手方向の一端(42,43)が支持
   体に取り付けられ、かつ中央部(41)の厚さ(a)を端部(b)
   より大きくした三軸持つ圧電材料の矩形板よりなるビー
   ム(40)と、該ビームの中央部の上下両面に、電圧の印加
   で中央部の両面が互いに平行な方向に位相をずらす剪段
   モードで発振させるために設けた一対の励振電極(44,4
   5,50,51)と、 該励振電極に電圧を印加する発振回路と、 上記ビームの長手方向に沿ってビームの中央部の中心点
   (O)を対称にした設けた一対の検出電極(46,48,47,49,5
   2,53)と、 該検出電極の電気信号を取り出す検出回路を設け、 該制御回路の出力で、上記発振方向とビームの長手方向
   とに直交する軸芯を中心として作用させられる回転速度
   を検出するようにしたことを特徴とするジャイロスコー
   プ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものであって、前記ビー
   ムの両端が支持体に取り付けられており、かつ、励振電
   極を設けた部位がその両端間の中間点にあることを特徴
   とするジャイロスコープ。
3. 【請求項３】請求項２に記載のものであって、前記ビー
   ムの断面の幅が、前記部位において他の部位よりも大き
   くなっていることを特徴とするジャイロスコープ。