JPS61102515A - 振動ジヤイロ装置 - Google Patents

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、ジャイロ装置、特に振動している質量部を用
いたジャイロ装置に関する。

〔従来の技術〕

本願出願人が先に提案した特願昭５８−４５２３４号の
ジャイロ装置の概略を、第３図及び第４図を参照して説
明する。このジャイロ装置は、その斜視図である第３図
に示す如く、平板状の基台（２）上に、その上面と略々
垂直となる如く、短冊状バイモルフから成る入力角速度
Ωを検出するための薄板状の検出用圧電素子（３０）を
取付ける。尚、この際、必要に応じて、取付部（３０Ａ
）を用いてもよい。

音叉（１）を、一対の大なる質量を有する振動質量ｍ；
（１−１）　、　　（１−１）と、これ等の夫々に連結
した撓み部（１−２）　、　　（１−２）と、両撓み部
（１−２）。

（１−２）の各遊端を連結する基部（１−３）とより構
成する。ここで基部（１−３）の上面に、Ｌ字状取付部
（１−４＞を、その一方の脚（１−４ａ）が略々垂直上
方に伸びる如く固定し、他方の脚（１−４ｂ）が両撓み
部（１−２）　、　　（１−２）と略々平行に伸びる如
（なすと共に、基部（１−３）の下面にカウンターウェ
イト部（１−５）を取り付ける。

上述の如く構成した音叉（１）を、次の如く、薄板状の
振動検出用圧電素子（３０）に固定する。即ち、音叉（
１）の両撓み部（１−２）　、　　（１−２）間の隙間
（ｆｆ＋に、薄板状の圧電素子（３０）の幅方向（Ｂ）
が延在する如く、圧電素子（３０）の上端に、Ｌ字状取
付部（１−４）の脚（１−４ｂ）を固定する。かくすれ
ば、第３図の側面図である第４図に示す如く、音叉（１
）は、その振動面（音叉面）が、水平に配置された基台
（２）の板面と略々平行、即ち圧電素子（３０）の長手
方向の中心軸（Ｘ−Ｘ　’）と直交する如く、圧電素子
（３０）に取付けられる。尚、この場合、両撓み部（１
−２）　、　　（１−２）間の隙間（ｅ）は、圧電素子
（３０）が振動し、音叉（１）の振動面が傾斜しても、
圧電素子（３０）と両撓み部（１−２）　、　　（１−
２）が接触しないような寸法及び形状に設定されている
と共に、音叉（１）の振動質量部（１−１）、　　（１
−１）及びカウンターウェイト部（１−５）等が、基台
（２）の上面に接触しないように、圧電素子（３０）の
基台（２）の上の高さは設定されている。

尚、第３図に於て、（４）、＋４１は、両撓み部（１−
２）。

（１−２）に夫々取付けた例えば駆動用圧電素子で、こ
れ等は、例えば交流信号源（５）よりの信号により駆動
され、音叉（１）の振動質量部（１−１）　、　　（１
−１）に、速度Ｖなる交番振動を励起させる。

この状態で第３図に於て（Ｚ−Ｚ　）で示す音叉軸のま
わりにΩで示す角速度が入力されると、２個の振動質量
部（１−１）　、　　（１−１）には、速度Ｖと再速度
Ωの積に比例したコリオリの力Ｆｃが発生し、音叉（１
）を上記音叉軸（Ｚ−Ｚ）のまわりに音叉（１）と同一
の振動数で交番振動させる。この交番振動の変角は、バ
イモルフ型の検出用圧電素子（３０）によって、電気信
号に変換され、電圧出力となる。

この場合、上記検出用圧電素子（３０）の出力電圧を、
基準電圧として交流信号源（５）よりの信号と共に、デ
モシュレータ（７）に入力し、同期整流することにより
、（Ｘ−Ｘ）軸と直交する音叉（１）の音叉軸（Ｚ−Ｚ
）まわりに入力される角速度Ωに比例した電圧が、この
デモシュレータ（７）より出力され、ジャイロ装置が構
成される。

第２図は第３及び第４図に示すジャイロ装置のブロック
図である。音叉（１）の両振動質量部（１−１）の質量
、該振動質量部（１−１）の振動振幅及び振動周波数等
の積を比例定数に丁で表わすものとする。音叉軸（Ｚ−
Ｚ　）まわりの角速度Ωと比例定数ＫＴとを乗じたコリ
オリの力ＦＣによる交番トルクΩＫｔｓｉｎωｔは、音
叉（１）全体を音叉軸（Ｚ−Ｚ）のまわりに交番角振動
させる。同図（３１）は音叉（１）を含む＜２−２軸）
まわりの機械系で、ブロック内はその伝達関数である。

交番角振動の偏角θは圧電素子（３０）によって電気信
号に変換され、プリアンプ（３５）において交流増幅し
た後、デモシュレータ（７）において、交流信号源（５
）からの信号と同期整流され、フィルタ（３６）を通し
て角速度ωに比例した電圧Ｙが出力できることになる。

尚、Ｋｖは圧電素子（３０）の偏角−電圧変換定数、Ｋ
１はプリアンプ（３５）のゲインである。ブロック（３
１）内の伝達関数内に於ける、■は音叉軸（Ｚ−Ｚ）ま
わりの音叉系の慣性能率、Ｃ１は音叉系の等酒精性抵抗
係数、Ｋは圧電素子（３０）の音叉軸（Ｚ−Ｚ）まわり
のトルクバネ定数、又、Ｓはラプラス演算子を夫々示す
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来のジャイロ装置にあって
は、音叉（１）の振動振幅を圧電素子（３０）によって
検出する構造となっていたため、周囲温度等が変化する
と、上記圧電素子（３０）の温度感度が大きいためその
出力電圧が変化し、結果として温度感度の大きな（悪い
）ジャイロ装置となるという問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、振動する質量部、振動変位を検出するための
圧電素子、入力抵抗Ｒを有し上記圧電素子の出力が人力
されるプリアンプとを有するジャ（但し、Ｃは上記圧電
素子の静電容量、ωは質量部の振動角速度）で表わされ
る値に選定したことを特徴とする振動ジャイロ装置を提
供したものである。

〔作用〕

音叉系の入力軸（Ｚ−Ｚ　）まわりの偏角θを圧電素子
（３０）を用いて電気信号に変換し、その電気信号をプ
リアンプ（３５）で増幅し、その出力と交流信号源（５
）よりの信号とをデモシュレータ（７）に入力し、プリ
アンプ（３５）の出力を同期整流して角速度Ωに比例し
た電圧Ｙを得る場合、プリアンプ定しく但し、Ｃは圧電
素子（３０）の静電容量、ωは音叉系の質量部の振動角
速度）ジャイロ装置の温度感度特性を向上させる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。第１図は、本
発明の一実施例の要部を示す結線図である。

即ち、第１図は、第２図のプリアンプ（３５）と圧電素
子（３０）との部分を示す結線図である。尚、本発明の
その他の部分は、第２図の例と略々同一なので、それ等
の図示及び説明を省略する。

圧電素子（３０）は、本発明のジャイロ装置に用いた場
合には、自己共振周波数に比して十分低い周波数におい
て動作しているため、偏角θに比例した電圧Ｖ６　＝Ｋ
ｖθの電源（３Ｏ−１）と静電容量Ｃとで近似的に構成
されている。一方、プリアンプ（３５）は入力抵抗Ｒの
抵抗器（３５−１）　、演算増幅器（３５−２）　、抵
抗Ｒ１，Ｒ２のフィードバック抵抗器（３５−３）　、
　　（３５−４）より構成される。演算増幅器（３５−
２）の入力電圧Ｖｔと、圧電素子（３０）の出力電圧Ｖ
θとの間には、次式（１）の関係がある。

Ｖｉ　＝ＲＣ３／　（ＲＣ３＋１）Ｖｅ　　”ｆｌ）こ
こで Ｖｓ　＝Ｋｖθｓｉｎ　ωｔ　　　　　　・・”（２１
（但しθ；振動振幅、ω：音叉の角周波数）なる（２）
式を（１）式に代入すれば、次式（３）が得られる。

・・・・（３） ここで、ψはＲ，Ｃ等で決まる位相角である。

入力電圧Ｖｉの振幅と振動振幅の比（ゲイン）をＳとす
れば、 一方、圧電素子（３０）のＫｖは次式（５）で表わされ
る。

ハ 但し、Ｋは圧電素子（３０）の寸法で決まる定数、ｋは
圧電素子（３０）の電気機械結合係数を表わす。

（５）式を（４）式に代入すれと次式（６）が得られる
。

今、（６）式に於て、静電容量Ｃ１電気機械結合係数ｋ
が、他の定数に比して温度感度が大なるため、これ等に
ついてのゲインＳの温度特性式をつくれば、次式となる
。

ここで、 を表わすものとすれば、（７）式は次式（８）となる。

（８）式をゼロと置いて、温度感度がない条件を求める
と、その時の入力抵抗Ｒは、次式（９）の如く表わせる
。

一般に、ＢＡＡなる故、（９）式は近似的にＲζｌ／Ｃ
ω　　　　　　　　　　・・・・ａｏとなる。

〔発明の効果〕

圧電素子（３０）の静電容量Ｃの温度特性Ｂは、一般に
、１０″３／℃のオーダーであり、温度変化を１００℃
と仮定すれば、１０％以上のゲイン変動となり、ジャイ
ロ装置としての性能に大きな制約をうける。

本発明によれば、圧電素子（３０）の出力を受けるプリ
アンプ（３５）の入力抵抗Ｒを、（９）式又は００式で
示す値に選定することにより、圧電素子（３０）の静電
容量Ｃや電気機械結合係数にの温度特性に起因する誤差
の全くない高精度のジャイロ装置を得ることが出来る。

　− 面、本発明の説明に当っては、第３図に示した構造のジ
ャイロ装置に通用した場合を示したが、一般の音叉を用
いる構造は熱論のこと、棒や坂の振動を利用する構造の
ものでも良く、要は圧電素子（３０）を振動のピックア
ップとして用いる所で温度特悸が問題となるケースには
全て適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の主要部の結線図、第２図は従来のジャ
イロ装置のブロック図、第３図は先願のジャイロ装置の
斜視図、第４図はその側面図である。 図に於て、（１１は音叉、（１−１）はその振動質量部
、（５）は交流信号源、（７）はデモシュレータ、（３
０）は圧電素子、（Ｃ）は静電容量、（３５）はプリア
ンプ、（３５−１）はその入力抵抗器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振動する質量部、振動変位を検出するための圧電素子、
   入力抵抗Ｒを有し上記圧電素子の出力が入力されるプリ
   アンプとを有するジャイロ装置において、上記入力抵抗
   Ｒを略々Ｒ≒（１／Ｃω）（但し、Ｃは上記圧電素子の
   静電容量、ωは質量部の振動角速度）で表わされる値に
   選定したことを特徴とする振動ジャイロ装置。