JPS61235716A - 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、特に片持ち的に支持した梁或い
は線状体の振動を利用した新規なジャイロ装置に関する
。

〔従来の技術〕

本発明は、原理的に従来用いられている各種の方式のジ
ャイロと異なったものであるが、その中で比較的原理や
構造が本発明に近い振動ジャイロを従来例として第６図
により説明する。同図の例においては、音叉（１）を、
撓み軸（３）を介して基台（２）に取付ける。音叉（１
１の上端に近い位置に、変位検出器（６）及び駆動コイ
ル（４）を取付け、変位検出器（６）の出力を駆動増幅
器（５）を通して駆動コイル（４）に入力し、音叉（１
）の振動振幅を一定に保持している。

音叉（１）の撓み軸（３）の軸（Ｚ−Ｚ）のまわりに、
角速度Ωが入力されると、音叉（１）の振動速度Ｖ、入
力角速度Ωに対応したコリオリの力Ｆｃが発生し、これ
により、音叉（１）全体が軸（Ｚ−２）のまわりに交番
的に回転する。即ち、捩り振動が、音叉（１）に発生す
る。

この第６図に示す従来例では、音叉（１）のこの捩り振
動を、捩り検出器（８）で検出し、この検出出力と駆動
増幅器（５）の出力とを、デモシュレータ（７）で同期
整流することにより、入力角速度Ωを検出して、ジャイ
ロ装置を構成している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、かかる従来の振動型ジャイロ装置にあっ
ては、音叉（１）等の振動体に入力角速度が作用して出
来るコリオリの力を角変位に変換し、この変位を捩り検
出器（８）で検出する方式のため、検出感度が低い。又
、捩り検出器（８）として、圧電素子等を用いた場合、
検出感度に対する温度の影響が大である。更に、音叉（
１１の振幅変動は、直接ジャイロの感度に影響してくる
ため、振幅を常に一定に保持する整制系が必須である。

又、音叉（１）自体のアンバランスは、軸（Ｚ　−Ｚ）
まわりの振動を生じ、出力にバイアス誤差を持たらすた
め、音叉（１）の精密なバランシングが必要であり、バ
ランス調整に多（の時間を必要とする等の多くの欠点が
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、基台（１１）と、該基台に一端が固設され円
形断面を有する振動し得る梁（１３）と、上記基台に固
設され上記梁に撓み方向の振動を与える駆動装置Ｑｌと
、上記基台に対する上記梁の軸線と直交する２つの方向
の変位を検出する変位検出装置（１６）と、上記変位検
出装置よりの出力信号を入力とし、上記梁の振動面の上
記基台に対する方向を演算するための演算装置（２０）
とよりジャイロ装置を構成したものである。

〔作用〕

本発明の上述したジャイロ装置によれば、一端が基台（
１１）に固定され、円形断面を有する振動梁（１３）を
略々一定振幅で継続的に撮動させれば、その振動面の方
向が基台の回転と無関係に慣性空間に保存されるという
フーコーの原理を応用し、基台に設けた基台に対する振
動梁の変位に対応する電気信号を発生する変位検出装置
（１６）の出力を、演算装置（２０）において信号処理
し、振動梁の振動面の方向を演算し、出力することによ
り、基台の慣性空間に対する回転角を検出するものであ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明のジャイロ装置の一実施例を示す一部を
除いた斜視図である。同図において、（１１）は円板状
の基台で、中心に開口（１２）を有する。開口（１２）
と略々同一直径の円形断面で、透明な弾性材から作られ
た振動し得る梁（以下振動梁と称する）の一端部をこの
開口（１２）へ挿入し、基台（１１）に固定する。この
振動梁（１３）は、光ファイバーをもって代替すること
ができる。振動梁（１３）の開口（１２）を貫通し、基
台（１１）の−側に突出した端部には、発光素子（１４
）を取付ける。この発光素子（１４）は、カップ状取付
部材（１５）を介して、基台（１１）に固設される。振
動梁（１３）の基台（１１）に関し、発光素子（１４）
と反対側の振動部（１３ａ）の延長上に、その略々中、
　　心（０）が来るように、２次元の光学的な平板状の
変位検出装置（１６）を、第２のカップ状部材（１７）
を介して上記基台（１１）に固定する。（１３ｂ）は振
動梁−（１３）の基部近傍の振動部（１３ａ）の外周に
設けた電極、（１９）は環状電極で、電極（１３ｂ　）
の外側に同心状に対向して配置され、円筒状の保持部材
（１８）を介して、基台（１１）に固設される。

電極（１３ｂ）及び環状電極（１９）は、振動梁（１３
）の振動部（１３ａ）に一定振幅の振動を与えるための
静電気力を利用した静電型の駆動装置αのを構成する。

発光素子（１４）よりの光は駆動装置αφにより振動さ
れている振動梁（１３）の振動部（１３ａ）の内部を通
って、変位検出装置（１６）の表面に達し、光点（Ｐ）
を結像するゆ尚、この光点（Ｐ）は、振動梁（１３）が
静止していれば、変位検出装置（１６）の中心（０）に
一致する。光点（Ｐ）のＸ座標及びＸ座標は、変位検出
装置（１６）によって電気信号に変換させられ、演算装
置（２ｏ）のＡＤ変換器（２１）に供給され、そこでデ
ィジタル値に変換された後、サンプリング演算部（２２
）に送られ、そこにおいて振動梁（１３）の撮動部（１
３ａ）の振動の一周期当り、複数の対のデータがサンプ
リングされる。これ等の複数対のデータを振幅演算部（
２３）へ供給し、そこにおいて振動梁（１３）の振動部
（１３ａ）のその時点の振幅を演算し、且つその振幅を
基準振幅（Ｄｏ　）と比較し、その比較出力を駆動回路
（２４）を介して駆動装置ａωにフィードバックし、振
動梁（１３）の振動部（１３ａ）の振幅を略々一定値（
Ｄｏ）に保持するよう制御する。

一方、サンプリング演算部（２２）の複数対のデータを
、最小自乗演算部（２５）へ供給し、そこにおいて、最
小自乗直線を求め、それをアークタンジェント演算部（
２６）へ供給し、そこで、最小自乗直線の傾斜から振動
梁（１３）の振動部（１３ａ）の例えばＹ軸方向に対す
る振動方向を演算出力する。

上述の如く、基台（１１）に対してＹ軸から角θ１の傾
斜した方向で振動している振動梁（１３）を有する装置
を、振動梁（１３）の中心軸ｙ＝（０−０’）のまわり
に回転しても、慣性座標ｘｙ系から見た振動梁（１３）
の振動部（１３ａ）の振動面の方向θ１が変化しない、
即ち、振動面の方向が慣性空間に保存されることは、フ
ランスの物理学者フーコーによって１９世紀に発見され
ている。本発明は、上記フーコーの発見した原理（フー
コーの振子）を、ジャイロスコープに応用したもので、
振動している振動梁（１３）の振動部（１３ａ）の振動
軌跡を、変位検出装置（１６）で検出し、その方向を演
算することにより、装置の軸（０−０’）まわりの回転
角を検出するジャイロ装置を得ることができる。

尚、第１図において、基台（１１）と第２のカップ状部
材（１７）とで作られる空間は、振動梁（１３）の振動
の減衰を出来る限り小さくした方が、駆動装置α呻への
入力エネルギーが少く出来、ジャイロの性能が向上する
ため、真空に保持することが良い。

アークタンジェント演算部（２６）に、起動時或いは任
意の時にリセット信号（２７）を与えて、その出力角を
基準値（例えば０°）にすることも可能である。更には
、アークタンジェント演算部（２６）の出力角を、角速
度演算部（２８）へ供給し、そこにおいて微分すんるこ
とにより、角速度信号を出力することも可能である。

又、振動梁（１３）と変位検出装置（１６）とは、加速
度計を構成するため、サンプリング演算部（２２）のデ
ータを平均値演算部（２９）において演算し、振動梁（
１３）の振動部（１３ａ）の中心位置を演算することに
より、Ｘ−Ｙ加速度信号を出力することも可能である。

更に、駆動回路（２４）は、第１図の場合、基本的には
振動梁（工３）の撓み共振周波数の２倍の周波数の電圧
を発生し、その振幅が上記振動梁（１３）の振動部（１
３ａ）の振動の振幅が一定になるように制御された交流
電源と考えればよいが、そのほか、振動梁（１３）の振
動部（１３ａ）の振幅及び位相により、動作する自動発
振系としても良いことは勿論である。

第２図は本発明の他の実施例の主要部の断面図である。

同図に於て、第１図と対応する部分には同一番号を付し
、それ等の説明は省略する。又、図示せずも、第１図に
示す演算装置（２０）を構成する各回路部材（２１）　
−（２９）も、勿論設けられている。又、この第２図の
例に於ては、第１図のカップ状部材（１５）　、　　（
１７）及び基台（１１）は一体となされ、全体としては
両端の閉じた円筒状に形成されているので、これ等を、
円筒状の基台（１１）で代表して示す。又、円筒状の基
台（１１）の内周面に、振動梁（１３）、駆動装置αω
等を支持するに供するリング状突部　（ＩＩＡ　）を設
ける。

この第２図の例と第１図の例との主たる相異は、振動梁
（１３）と駆動装置ａＩとに在る。先づ、振動梁（１３
）として光ファイバを用いる。次に駆動装置Ｑｌとして
は夫々中央に振動梁、即ち光ファイバ（１３）を貫通す
る透孔を有する、例えばバイモルフの如き円板状の圧電
素子（２０Ａ）　、　　（２０Ｂ）を、それ等の外周縁
に於て、リング状突部（ＩＩＡ）の両側に夫々固定し、
両バイモルフ（２０＾）、（２０Ｂ）を、夫々の中央部
分に於て、光ファイバ（１３）が貫通する透孔を有する
カラー（３１）で連結することにより、駆動装置Ｑｌを
構成する。この場合、光ファイバ、即ち振動梁（１３）
は、両バイモルフ（２０Ａ　’）　、　　（２０Ｂ　）
の中央の透孔及びカラー（３１）の透孔を貫通し、一方
、図の例では右方部分が振動部（１３ａ）となり、他方
、即ち左方部分の端に発光素子（１４）が固定される。

この発光素子（１４）は、円筒状の基台（１１）の左方
の蓋の例えば中央部に固定される。尚、光ファイバ（１
３）のバイモルフ（２ＯＡ）と発光素子（１４）との間
の部分（１３ｃ）は、直線状とせず、振動の余裕を見込
んで、ループ状となす。

次に、この例の駆動装置Ｑｌの動作を説明する。

駆動回路（２４）　　（第１図参照）から、周波数ｆ。

の交流電圧をバイモルフ（２０Ａ　）　、　　（２０Ｂ
　）に夫々印加すると、これ等バイモルフ（２０Ａ　）
　、　　（２０Ｂ　）は、第２図の矢印（Ａ）方向に機
械的に振動する（同図点線参照）。従って、両者を連結
しているカラー（３１）が同様に（同一振動数）で振動
するので、このカラー（３１）に固定されている光ファ
イバ（１３）が軸（０−０’）方向に振動する。このた
め、光ファイバ、即ち振動梁（１３）の振動部（１３ａ
）が、軸（０−０’）を中心に、角θだけ撓み撮動をす
る。従って、変位検出装置（１６）により、第１図の例
と同様に変位の検出を行い、その出力信号を演算装置（
２０）で処理すれば、ジャイロ装置が得られる。尚、こ
の場合、振動梁（１３）の撓み固有共振周波数ｆ１を駆
動回路（２４）よりの交流電圧の周波数ｔｏの１／　２
　　（ｆ　１＝　１／　２ｆｏ　）に選択すれば、最小
電圧で振動梁（１３）を励振できる。

第３図は、本発明の更に他の実施例の要部を示す断面図
で、同図の例では、第２図の例と同様の円筒状の基部（
１１）内のリング状突部（ＩＩＡ　）の両側に円板状ダ
イアフラム（３２）　、　　（３２’）の外周縁を夫々
固定し、両者を中央部に於て、連結部（３３）で一体に
連結し、振動梁（１３）の一端を例えば連結部（３３）
に固定する。振動梁（１３）の振動部　（１３ａ）の遊
端に、質量部（１３ｄ）を固定し、その遊端面に鏡面（
１３ｅ）を形成する。又、円板状のバイモルフ等より成
る圧電素子（２０Ａ　）を、一方のダイアフラム、例え
ば（３２’）の遊端面に接着或は蒸着等により形成する
。基台（１１）の一方の閉蓋（ＩＩＢ）が振動梁（１３
）の中心軸（０−０’）の延長線と交わる位置に、発光
素子（１４）を、鏡面（１３ｅ）を照射するように設け
ると共に、閉蓋（ＩＩＢ）の内面に、中心に細孔（３４
）を有する変位検出装置（１６）を設ける。従って、発
光素子（１４）からの光を、細孔（３４）を通り、非撮
動時、中心軸（０−０’）に略々垂直な鏡面（１３ｅ）
上に小さな光スポットとして照射させる。

今、上側と同様に、振動梁（１３）の撓み固有振動数の
２倍の周波数の交流電圧を駆動回路（２４）から圧電素
子（２ＯＡ）に印加することにより、これが振動しく第
３図点線）、従って、連結部（３３）に同図（Ａ）で示
す方向の交番振動が与えられ、これによって、振動梁（
１３）の振動部（１３ａ）に一定振幅（角θ）の撓み振
動を持続的に与えることができる。従って、鏡面（１３
ｅ）で反射された光のスポットは、変位検出装置（１６
）の受光面に・　　達し、これが振動梁（１３）の撓み
角θに比例した電圧を出力する。

尚、上述以外は、図示せずも、第１図の例と同様である
。

第４図は、本発明の更に他の実施例の要部の断面図であ
る。この例では、振動梁（１３）を、高透磁率を有する
磁性材製のパイプ（１３Ａ）内に光ファイバ（１３Ｂ）
を挿通固定することにより形成する。一方、その駆動装
置−を、コイル（４０）を内蔵する高透磁率を有する磁
性材製の置型部材（４１）より形成する。置型部材（４
１）の対称又は中心軸が、円筒状の基台（１１）の中心
軸（０−０’）と一致するように、その底部（４１Ａ　
）を、円筒状の基台（１１）内の円板状部（ＩＩＣ）の
透孔（ＬＩＤ　）に嵌合固定し、振動梁（１３）を構成
するパイプ（１３Ａ）を、−置型部材（４１）の底部（
４１Ａ　）に設けた透孔に挿通固定し、その振動部（１
３ａ）が円筒状の基台（１１）の中心軸（０−０’）に
沿って、置型部材（４１）の開口（４１Ｂ）を通じてそ
の外方へ伸びるようになす、その他の構成は、第２図の
実施例と略々同一である。

この例に於て、駆動回路（２４）　　（第１図参照）か
らコイル（４０）に、振動梁（１３）の撓み固有振動数
に等しい周波数の電圧を印加すると、置型部材（４１）
の開口（４１Ｂ　）とパイプ状の振動梁（１３）との間
に、空隙を通して同図（Ｂ）で示す交番磁界が発生し、
振動梁（１３）には、上記周波数の２倍の周波数をもつ
磁気力が半径方向に作用する。

即ち、振動梁（１３）が変位ゼロの位置からプラス・マ
イナスのいずれの方向に変位（角θ）しても、同一方向
の磁気力が発生するため、一種の共振状態となり、振動
梁（１３）の振動部（１３ａ）の撓み振動が持続するこ
とになる。即ち、この例も、上述の各側と同様の動作を
行うものである。

上述した変位検出装置（１６）は、振動梁（１３）の振
動部（１３ａ）の振動中の撓みによる変位を２次元的に
検出できるようなものであれば、どのような方式のもの
でも使用可能である。例えば、第２図或いは第４図に示
した光ファイバを用いる具体例においては、光ファイバ
から出た光点の径が小さいので、２次元型半導体装置検
出器（浜松テレビ・Ｓ　１２００．　Ｓ　１３００型）
、或いは２次元型のＣＯＤ　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐ
ｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　）等が適している。

又、第１図や第３図の如く、光点の直径が大きい場合、
変位検出装置（１６）として、例えば４個の受光素子（
１６Ａ）　、　　（１６Ｂ）　、　　（１６Ｇ）　、　
　（１６０）を第５図に示す如く「田」の字型に配列し
、対角同志の受光素子（１６Ａ　）　、　　（１６Ｇ　
）及び（１６Ｂ＞。

（１６０）を差動的に接続することにより、２次元の出
力を得ることが出来る。

上述の例においては、光学的な２次元変位検出装置を示
したが、振動梁（１３）の振動部（１３ａ）の先端に小
さな永久磁石をとりつける一方、これと相対する基台（
１１）の位置にマグネットダイオード或いは、コイルを
変位検出装置（１６）として取りつけても、同様の効果
が得られる。

又、上記の小さな永久磁石の代りに、小さなコイルを取
りつけ、これを可撓性のある電路を通して、直流或いは
交流電源によって、励磁する方式でも同様の効果が得ら
れる。

〔発明の効果〕

振動梁の振動方向を直接２次元の変位検出装置で検出す
る構造の為、基本的に、レート積分ジャイロ（レートジ
ャイロではない）であり、ドリトフ変動が少く、高精度
のジャイロが得られる。

構造が簡単なため、低コストで高性能のジャイロが得ら
れる。

機械式ジャイロのようにボールベアリング等の摺動部が
皆無なため、信頼性が高く、長寿命のジャイロを提供で
きる。

振動ジャイロの場合には、角速度を音叉の質量と速度に
よりコリオリの力に変換し、更にこのコリオリの力を圧
電素子等により電圧に変換しているため、音叉の振動数
や振幅を厳密に一定値に保持する必要があったが、本発
明の場合、振動方向を検出しているため、振動梁の振動
数や、振幅を厳密に一定とする必要がなく、簡単な制御
回路で十分である。

検出系に圧電素子等の温度感度の大きい素子を使わない
ために、本質的に温度特性に優れたジャイロを得ること
が出来る。

変位検出装置の出力を演算処理することにより、角速度
信号及び加速度振動も、合せて出力できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一部を取り除いた斜視図、
第２図は本発明の他の実施例の主要部の断面図、第３図
は本発明の更に他の実施例の主要部の断面図、第４図は
本発明の他の実施例の主要部の断面図、第５図は変位検
出装置の一例の路線図、第６図は従来の振動ジャイロの
斜視図である。 図に於て、α〔は駆動装置、（１１）は基台、（１３）
は振動梁、（１４）は発光素子、（１６）は変位検出装
置、（２０）は演算装置、（２１）はＡＤ変換器、（２
２）はサンプリング演算部、（２３）は振幅演算部、（
２４）は駆動回路、（２５）は最小自乗直線演算部、（
２６）はアークタンジェント演算部、（２８）は角速度
演算部、（２９）は平均値演算部を夫々示す。 第４図 が 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基台と、該基台に対し一端が固設され円形断面を有する
   振動し得る梁と、上記基台に固設され上記梁に撓み方向
   の振動を与える駆動装置と、上記基台に対する上記梁の
   軸線と直交する２つの方向の変位を検出する変位検出装
   置と、上記変位検出装置よりの出力信号を入力とし上記
   梁の振動面の上記基台に対する方向を演算するための演
   算装置とからなるジャイロ装置。