JPS61102519A - 制御装置 - 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、振動系の力学的振動を安定に持続せしめるた
めの制御装置に関する。尚、ここで述べる力学的振動と
は、最近の例では、振動ジャイロとか、リングレーザジ
ャイロのディザ−装置等の振動系の振動を挙げることが
できよう。これらは、いずれも質量とバネとから成るか
、慣性能率と捩りバネとから成る力学的共振系である。

ここでは代表して振動ジャイロを例にとって説明する。

〔従来の技術〕

先ず、従来公知の振動ジャイロを第４図を参照して説明
する。同図の振動ジャイロに於ては、音叉（１）が撓み
軸（３）を介して、基台（２）上にささえられている。

撓み軸（３）の中心線は、図示のごとく、音叉（１）の
両脚（１１）　、　　（１１八）の中心線と一致するよ
うになされているので、この中心線を、（Ｚ−Ｚ）軸と
称することにする。（４１，（４Ａ）は音叉（１）の両
脚（１１）　、　　（１１Ａ）を振動させるための駆動
装置であり、電歪素子や、電磁フォーサ−など、色々な
ものが使用可能である。駆動装置（４１，（４Ａ）へ、
交流電源（５）より駆動用交流　電圧を供給し、音叉（
１）を振動させると、音叉（１）の両脚（１１）　。

（ＩＩＡ）は、（Ｚ−Ｚ）軸に関して互いに対称に振動
する。ある−瞬を考える。この時、第４図のごと（、音
叉（１）の両脚（１１）　、　　（ＩＩＡ　）の先端は
、それぞれ速度Ｖで、外方へ運動中であり、全装置が基
台（２）と共に、（Ｚ−Ｚ）軸のまわりに角速度Ωで一
定回転していたとすると、音叉（１１の一脚（１１）に
は、コリオリの力ＦＣが、他の一脚（１１八）には、前
者と平行で向きが反対のコリオリの力Ｆ’ｃｔが生ずる
ので、音叉（１１は基台（２）に対し、撓み軸（３）を
捩る運動をすることになる。これは、コリオリの力Ｆｃ
ｌ１！：Ｆｃｔのつくる偶力による作用である。

音叉（１）は撮動しているので、両脚（１１）　、　　
（ＩＩＡ）の動きが反対に内側を向き、その速度が図の
Ｖと逆方向になると、ＦＣ＋ＦＣ１もまた逆の方向を向
くので、ＦＣとＦ’ｃｔのつくる偶力も逆向きになる。

このため、一定角速度Ωが（Ｚ　−Ｚ）軸まわりに存在
すると、音叉（１）は基台（２）に対して、（Ｚ−Ｚ）
軸のまわりに捩り振動を生じ、その振幅はＦＣ＋ｐａｔ
の作る偶力に比例するので、結局、角速度Ωに比例する
。よって、音叉（１）の（Ｚ−Ｚ）軸まわりの捩り振動
を検出する捩り検出器（８）を、図示のごとく、音叉（
１１の基部に設置し、その出力（７）を検出することで
、角速度Ωを知ることができ、第４図の装置は（Ｚ　−
Ｚ”）軸のまわりの角速度Ωの検゛小器として、レート
ジャイロと等価に使用することができる。

従来、もっとも一般的な音叉＋１１の励振方式は、その
駆動装置（４１，（４Ａ）に、一定周波数、一定電圧の
交流電圧を加えることである。音叉（１）をその力学的
共振点で振動させなくてよいのであれば、これは簡単に
して要を得ているが、音叉（１）の共振点を用いないと
、大きな振幅をとりにくく、また電力効率も良くない。

このため、音叉（１）をその共振点で振動させて使いた
いと言う要求は多く、電源周波数を力学的共振点に一致
せしめ、必要な振幅を得られる電圧に、電源を関節して
使用する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の、この方法には重大な欠点がある
。すなわち、この種の力学系の共振点は、極めて鋭く、
その共振周波数は、温度に敏感に左右されるので、ある
時点でよい共振状態が得られていても、力学的共振周波
数は周囲の温度変化等により、電気的一定周波数から徐
々にはずれてしまい、振幅が急激に減少し、振動ジャイ
ロとしての特性が忽ち劣化してしまう。よって、従来型
においては、その振動が周囲温度等の影響を受けやすく
、振幅変化が大で、感度が一定しないという欠点があっ
た。また、一定周波数、一定電圧の電源も決して安価な
ものではなく、精度を向上しようとすれば、高価な電源
を使用することとなり、その割に上記の欠点に左右され
て振動ジャイロとしての性能向上が得られないという別
の欠点をも有する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、固有振動数の共振点を有する振動系と、該
振動系に振動を生ぜしめるための駆動装置と、上記振動
系の振動を検出するための圧電素子より成る変位検出器
と、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振動系に於て、上記振動糸の振動
を安定に持続せしめるための制御装置を設け、該制御装
置の人醤 子の静電容量、ωは振動系の角周波数）で表わさ、れる
値に選定した制御装置により、上記問題点を解決する。

〔作用〕

本発明の上述の構成によれば、力学的振動系を、温度変
化等の外乱に関係なく、その固有振動数且つ一定の振幅
で継続的に振動させ、上述した従来の諸°問題を全べて
解決するものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の一例をジャイロ装置（振動ジャイロ）
に通用した場合の斜視図である。

同図の例においては、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。

この例では、音叉（１）を、一対の大なる質量を有する
振動質量部（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）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くなすと共に、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（
１１の両撓み部（１−２）　、　　（１−２）間の隙間
（ｇ）に、薄板状のバイモルフ型圧電素子（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、音叉（１）は、その振動面（音叉面）が
、第１図に示す如く、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（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（ｇ）は、圧電素子（３０）が振動し、音叉
（１）の振動向が傾斜しても、圧電素子（３０）と両撓
み部（１−２）　、　　（１−２）とが接触しないよう
な値に設定されていると共に、音叉（１）の振動を置部
（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）上の晶さは設定され
ている。

音叉（１１の変位を検出するため、その両撓み部（１−
２）　、　　（１−２）に取り付けた変位検出器（圧電
素子）　［（５）、　　（６Ａ）の出力は、本発明の制
御装置（３５）を介して、音叉（１）の２個の撓み部（
１−２）。

（１−２）に取付けられた例えば圧電素子製の駆動素子
＋４１．（４八）（（４Ａ）は図示せず）に人力され、
これにより一つの制御閉ループが構成される。

ここで振動ジャイロの音叉（１）は、当然のことながら
左右両脚（各へ振動質量部（１−１）及び撓み部（１−
２）より成る）は対称で相等しいとし、−脚の振動支点
Ｑから見た等価慣性能率をＩ、復元バネ常数をｋとする
ならば、振動ジャイロの力学的運動方程式は各脚で次の
とおりとなる。ここでＳはラプラスの演算子である。

（Ｉ　Ｓ２＋ｋ）　φ−ＫＶ　　　　　　　・−・（１
）ここで、φは音叉（１）の１脚の振れ角（偏角）で、
■は一対の駆動装置（４）、　　（４Ａ）に加える電圧
を示し、Ｋは駆動装置（４＋、　　（４Ａ）のゲイン定
数で、ＫＶは駆動装置（４１，（４Ａ）の発生トルクを
示す。

（１）式より■とφの間の伝達関数は次のとおりとなる
。

Ｖ　　Ｓ２＋に／１ 以上は、音叉（１）に対する空気の抵抗や、その脚肉で
の歪みによるエネルギー損失を全く無視して導いた式で
あり、第１近似としては、これでよいが、実際には、上
記のごときエネルギー損失があるので、これをほぼ振動
角速度に比例するダンピングトルクの存在で代表させる
ならば、（２）式は、次の（３）式のとおりとなる。

Ｖ　　Ｓ２＋Ｄ／Ｉ　Ｓ＋に／Ｉ ここで１．Ｄはダンピング項の係数である。

第２図は第１図に示す本発明の制御装置（３５）の一実
施例を示すブロック線図である。図中、ＧＯＩはその力
学系、すなわち制御対象（振動ジャイロ）、を示し、ブ
ロック内はその伝達関数を示す。（ＩＩＢ）は変位検出
器（６）、　　（６Ａ）全体を示し、Ｇ２は、そのゲイ
ンである。Ｖｐは上記変位検出器ｆ１３１．　　（６＾
）の出力電圧であり、この電圧ＶＰは、プリアンプ（３
４）　、乗算器（１２）を介して制御回路（１４）に印
加される。制御回路（１４）は、代表的には微分操作を
行い、その微分係数をμとする。制御回路（１４）の出
力は、初期値電圧Ｖｏに、加算器（ＡＤ）で加算され、
その出力を増幅器（１７）で増幅して、力学的振動系叫
の駆動装置（４１，（４＾）に加えられ、制御ループが
閉じるよう構成されている。

第２図に示す乗算器（１２）は、２つの入力信号を有し
、これをそれぞれＸ、Ｙとし、乗算器（１２）の出力信
号をＺとすると、入出力信号の関係は、（１２）によっ
て決まる定数である。ここで、上式％式％ の出力電圧■Ｐ′を一方の入力信号Ｘとすると、乗算器
（１２）の■Ｐ′に対するゲインは、他方の人力信号Ｙ
の値に応じて変化する。例えば他方の入力信号Ｙの値が
乗算器（１２）の定数ＶＣと等しいと、乗算器（１２）
はゲイン■で、■Ｐ′を出力する。

第２図で、乗算器（１２）のゲイン＝１の場合を先ず説
明する。この場合、■Ｐ′はそのまま制御回路（１４）
に供給されることになるので、第２図の例から■Ｐ′を
計算すると、次式のとおりとなる。

・・・・（勾 （４）式はｖＰ′がＶＯに対応した振幅をもつ振動解に
なることを示しており、（４）式の右辺がＤ　／　Ｉ　
＜　Ｇ　ＩＧ２Ｇ４（Ｋ／Ｉ）μであれば、振動は発散
し、Ｄ／　Ｉ　＞ＧＩ　０２　Ｇ４　　（Ｋ／　Ｉ　）
μであれば、振動は集束し、Ｄ／　Ｉ　＝　ＧＩ　Ｇ２
　Ｇ４　　（Ｋ／　Ｉ　）μであれば、一定振幅となる
ことを、表わしている。

ここで、第２図に於て一点鎖線で示したループについて
説明する。電圧■Ｐ′はＡＣ−ＤＣ変換部（１６）にも
加えられる。ＡＣ−ＤＣ変換部（１６）は“、入力電圧
Ｖ　Ｐ／を全波整流し、図示せずも適当な平滑回路によ
りＶＰ′の振幅に対応した直流電圧を出力する。■Ｐ′
の直流電圧は、基準電圧を例えばポテンショメータのよ
うな設定素子（１５）を通して得られた設定電圧Ｖｌと
、加算器（ＡＤＩ）で比較され、その偏差信号は、偏差
増幅器（１８）に加えられる。偏差増幅器（１８）は、
加えられた偏差信号を増幅し、その出力を乗算器（１２
）へ供給する。

さて、このような第２図の装置を起動すると、はじめは
未だ発振していないので、プリアンプ（３４）の出力■
Ｐ′は零からスタートするから、ＡＣ−ＤＣ変換部（１
６）の出力は零である。このため偏差増幅器（１８）は
Ｇ３ＶＩなる出力電圧を発生する。ここで、偏差増幅器
（１８）のゲインＧ３を適当に大きく選んでおくと、Ｇ
３　Ｖｌ　＞ＶＣとなり、上記偏差増幅器（１８）の出
力電圧は乗算器（１２）の定数ＶＣより大となる。これ
により、乗算器（１２）はゲイン１以上の状態からスタ
ートするので、Ｄ／　Ｉ　＜　ＧＩ　Ｇ２　Ｇ４　　（
Ｋ’／　Ｉ　）μが成り立つように制御回路（１４）の
微分係数μを選んでおくと、第２図の一巡閉ループは発
散振動する性質をもち、ω＝五フ了の角周波数で正弦波
状の振動を生じ、その振幅は次第に増大する。これは、
ループ−巡の信号がそのように撮動しつつ増大すること
をあられずので、音叉（１１もまた、その周波数で力学
的に振動しつつ、その振幅を増大する。これにつれ、Ａ
Ｃ−ＤＣ変換部（１６）の入力端子ＶＰ′も増大するの
で、設定電圧Ｖ＋とＡＣ−ＤＣ変換部（１６）の出力電
圧との差は次第に減少していき、乗算器（１２）に加わ
る偏差増幅器（１８）の出力電圧も減少する。このため
、乗算器（１２）のゲインは、■Ｐ′の増大と共に偏差
増幅器（１日）の出力電圧の減少の影響でどんどん小さ
な値となって行く。従って、この乗算器（１２）のゲイ
ンと、制御回路（１４）の微分係数μとを来じた等価な
μをμ′であられすと、μ′は起動待最大で、ＶＰ′が
大きくなるにつれ、急速に小さくなって行く。このため
、μのかわりにμ′を用いたとき、Ｄ／Ｔ＜ＧＩ　０２
　Ｇ４　　（Ｋ／Ｉ）μ′は、いつまでも保たれず、右
辺のμ′の低下にともない、やがてＤ／Ｉ　＝ＧＩＧ２
　Ｇ４　　（Ｋ／Ｉ）μ′の条件が満たされ、ここで、
ルー°ブー巡の信号も、音叉＋１）の振幅も一定となる
。この点の周辺では、外乱により振幅が増大すると、μ
′は一層小さくなるので、Ｄ、／　Ｉ　＞ＧＩ　０２　
Ｇ４　　（Ｋ／　Ｉ　）μ′となって、振動は減衰振動
にかわり、元の一定振幅になるよう振幅が制御され、同
様に外乱により、一度振幅が小さくなり、■Ｐ′が小と
なれば、μ′が大きくなるので、振動は増大し、やはり
元の一定振幅に向って振幅を制御する。こうして、第２
図の制御ループは、振幅を一定にするような自動制御機
能をもち、且つその周波数を正しく力学的Ｉ駆動系の共
振周波数に保つ機能をも、あわせ備えていることがわか
る。一定となる振幅は、μを一度定めてしまえば、接点
電圧Ｖｌと偏差増幅器（１８）のゲインとで定まるが、
偏差増幅器（１８）の伝達関数に、周波数が低くなるに
従ってゲインが増加するような特性（例えば「比例＋積
分」特性）を用いると、振幅の定席値は接点電圧Ｖ１の
みによって定まる。これより、設定素子（１５）でＶＩ
を変えることにより振幅を任意にきめることができる。

第３図は第１図に不した本発明の制御装置のプリアンプ
（３４）と圧電素子＋６１．　　（６Δ）の部分を示す
結線図である。例えば圧電素子より成る変位検出器１６
１．　　（６Ａ）の各々は、本発明の制御装置に用いた
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、音叉（１）の各脚の振れ角φに
比例した電圧Ｖｐ＝Ｋｖφの電圧源（６−１）と静電容
量Ｃとで近似的に構成される。

一方、プリアンフ（３４）は、抵抗Ｒの入力抵抗器（３
４−１）　、演算増幅器（３４−２）　、抵抗Ｒ１，Ｒ
２のフィードバック抵抗器（３４−３）　、　　（３４
−４）より構成される。演算増幅器（３４−２）の入力
電圧Ｖｉと圧電素子（６１，（６Ａ）の出力電圧ＶＰと
の間には、Ｖｉ　＝ＲＣ３／　（ＲＣ３＋１）Ｖｐ　　
”（５）但し、Ｓはラプラス演算子である。

ここでＶＰは次式（６）で表わせるので、Ｖｐ　＝Ｋｖ
　　φｓｉｎ　ωＬ　　　　　　　　・・・・（６）（
Ｔ；振動振幅、ω；音叉の角周波数）この（６）式を（
５）式に代入し、時間領域に変換すれば、次式が得られ
る。

・・・・（７） 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）一方、変
位検出器（６）　、　　（６Ａ）のゲインＫｖは次式（
９）で表わされる。

ＫＶ　＝Ｋｋ７　（Ｅ　　　　　　　　　　・−−−＜
９＞但し、Ｋは変位検出器の寸法で決まる定数、ｋは変
位検出器（６１，（６＾）の電気機器結合係数を表わす
。

（９）式を（８）式に代入すれば となる。

今、００式に於いて、静電容量Ｃ１電気器械結合係数ｉ
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、（１１）式は次の如くとなる。

（１２）式をゼロと置いて、温度感度がない条件を求め
ると、その時の人力抵抗Ｒは、次式の如く表わせる。

一般に、Ｂ＞Ａなる故に、（１３）式は近似的にＲ＝１
／Ｃω　　　　　　　　　　・・・・（１４）となる。

向、上述は、本発明を第１図に示した構造のジャイロ装
置（振動ジャイロ）に通用した場合であるが、本発明の
制御装置は、一般の音叉を用いる構造のものは熱論のこ
と、棒や板の振動を利用する構造のものにも適用でき、
要は圧電素子の如き変位検出器を１辰動のビックアンプ
として用いる所で、その温度特性が問題となる場合には
、全て通用して卓効がある。

又、本発明を、音叉の如き力学的振動系の振動振幅を一
定とする制御ループに用いた場合に就き説明したが、音
叉の振動角速度振幅を一定とする制御ループにも、本発
明が応用出来ることは言うまでもない。更に、レーザジ
ャイロのディザ−装置の振動制御にも、勿論使用し得る
ものである。

〔発明の効果〕

変位検出器の静電容量Ｃの温度特性Ｂは、一般に、１０
−’／’Ｃ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、制御装置と
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（６）、　　（６Ａ）の出力
を受けるプリアンプ（３４）の入力抵抗Ｒを、（１３）
弐又は（１４）式で示す値に選定することに、より、圧
電素子（６１，（６＾）の静電容量Ｃや電気器械結合係
数にの温度特性に起因する振動振幅誤差の全くない高ｔ
ＩＩｔ度の制御装置を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御装置を振動ジャイロに適用し
た場合の斜視図、第２図は本発明の一例の系統的ブロッ
ク線図、第３図は本発明の一部の結線図、第４図は従来
の振動ジャイロの一例の斜視図である。 図に於て、＋１１は音叉、１４１．　　（Δ）は駆動装
置、１（５）は交流電源、（６１，（６＾）、（ＩＩＢ
）は変位検出器、（ＡＤ）、（ＡＤＩ）は加算器、αψ
は振動ジャイロ、（１２）は乗箆器、（１４）は制御回
路、（１５）は設定素子、（１６）はＡＣ−ＤＣ変換部
、（１７）は増幅器、（１８）は偏差増幅器、（６−１
＞は電圧源、（Ｃ）は静電容量、（３４）はプリアンプ
、（３４−１）は人力抵抗器、（３４−２）は演算増幅
器、（３４−３）　、　　（３４−４）はフィードバッ
ク抵抗器を夫々示す。 第２図 暮ψ電圧

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固有振動数の共振点を有する振動系と、該振動系に振動
   を生ぜしめるための駆動装置と、上記振動系の振動を検
   出するための圧電素子より成る変位検出器と、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
   を有する振動系に於て、上記振動系の振動を安定に持続
   せしめるための制御装置を設け、該制御装置の入力抵抗
   Ｒを略々Ｒ≒（１／Ｃω）（但し、Ｃは上記圧電素子の
   静電容量、ωは振動系の角周波数）で表わされる値に選
   定したことを特徴とする制御装置。