JPS6338110A - ジヤイロ装置 - Google Patents

ジヤイロ装置

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JPS6338110A
JPS6338110A JP61182353A JP18235386A JPS6338110A JP S6338110 A JPS6338110 A JP S6338110A JP 61182353 A JP61182353 A JP 61182353A JP 18235386 A JP18235386 A JP 18235386A JP S6338110 A JPS6338110 A JP S6338110A
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vibration
piezoelectric element
preamplifier
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JP61182353A
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Takeshi Hojo
武 北條
Kazuteru Sato
一輝 佐藤
Isao Masuzawa
益沢 功
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Tokyo Keiki Inc
Original Assignee
Tokyo Keiki Co Ltd
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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59−224760号
のジャイロ装置の概略を、第2図及び第3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2
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′3板状の検出用圧電素子(30
)を取付ける。尚、この際、必要に応して、取付部(3
0ii)を用いてもよい6名叉(1)を、一対の大なる
質量を有する撮動質量部(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)を、そ
の一方の脚(1−4a)が略々垂直上方に伸びる如(固
定シ、他方(7]1tIl (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+1
+の両撓み部(1−2) 、 (1−2)間の隙間(g
)に、薄板状の圧電素子(30)の幅方向CB)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
2図の側面図である第3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(g)は、圧電素子(30)が
振動し、音叉(11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膨軟に設定されていると共に、音叉
(11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。
音叉(1)の変位を検出するため、その両撓み部(1−
2) 、 (1−2)に取付けた変位検出器(圧電素子
)(6)、(6A)の出力は、制御装置(35A)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層の駆動素子(4
1,(4A) ((4A)は図示せず)に入力され、こ
れにより音叉(1)の自励発振系が構成される。
第4図は第2図に示す制御装置(35A)及び検出系(
7A)の一実施例を示すブロック線図である。
図中、(10)はその力学系、すなわち制御対象(振動
ジャイロの音叉系)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。VP2は上記変位
検出器(61,(6A)の出力電圧であり、この電圧V
P2は、プリアンプ(34) 、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(10)の駆動装置(41,(4
A)に加えられ、制御ループが閉じるよう構成されてい
る。
第4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、上式ンプ(34)の出力
電圧■p2′を一方の入力信号Xとすると、乗算器(1
2)のVP2’に対するゲインは、他方の入力信号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1で、■ρ2′を出力する。
第4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、V22′はそのまま制御回路(14
)に供給されることになるので、第4図の例からVP2
’を計算すると、次式のとおりとなる。
・−・−−−−−(1) (1)式はVp2′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、(1)式の右辺がD / I
 < G 1G2G4(K/I)μであれば、振動は発
散し、D/I >GI02 G4  (K/I)μであ
れば、振動は収束し、D/ I =Gs G2 G4 
 (K/ T )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4図に於いて一点鎖線で示したループについ
て説明する。電圧Vρ2′はAC−DC変換部(16)
乙こも加えられる。AC−=DC変換部(16)は、入
力電圧v P:′を仝波整流し、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。Vp2′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vI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4図の装置を起動すると、1′!シ
め巳よ未た発振していないので、プリアンプ(34)の
出力Vpダは零からスタートするから、AC−DC変換
部(16)の出力は零である。このため偏差増幅器(1
8)はG3 VI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、G3 Vl >Vcとなり、上記偏差増幅器(1
8)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 G
4  (K/ I )μが成り立つように制御回路(1
4)の微分係数μを選んでおくと、第4図の制御装置(
35A)の−巡閲ループは発散振動する性質をもち、ω
−々′−にフ2−■の角周波数で正弦波状の振動を生し
、その振幅は次第に増大する。これは、ループ−巡の信
号がそのように振動しつつ増大することをあられすので
、音叉(1)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、AC−DC変換部
(16)の入力電圧Vp2′も増大するので、設定電圧
VI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(1
2)のゲインは、Vpダの増大と共に偏差増幅器(18
)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とを乗じた等価なμをμ′であ
られすと、μ′は起動待最大で、Vp2′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/I<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 =Gt G2 G4
 (K/I)μ′の条件が満たされ、ここで、ループ−
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>Gt G= Gs  (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、VP2′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4図の制御装置(35
A)の−巡ループは、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振動系の共
振周波数に保つ機能をも、あわせ備えている自動発振系
であることがわかる。一定となる振幅は、μを一度定め
てしまえば、設定電圧Vr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、振幅の定常値
は設定電圧VI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5図Aは第4図に示した制御装置(35A)のプリア
ンプ(34)と圧電素子(61,(6A)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ヰ★出器(
61,(6A)の各々は、制御装置(35A)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VP2=KV2φの電圧源(6−1)と静
電容量C2とで近似的に構成される。一方、プリアンプ
(34)は、抵抗R2の入力抵抗器(34−1)、演算
増幅器(34−2)、抵抗R3,R4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■12と圧電素子
(61,(6A)の出力電圧VP2との間には、 V;2= R2C2S/(R2C2S +1) Vp2
−121但し、Sはラプラス演算子である。
ここでVP2は次式(3)で表わせるので、V R2=
 K V2 # sin (JJ t        
 −−−(3)(f;振動振幅、ω;音叉の角周波数)
この(3)式を(2)式に代入し、時間領域に変換すれ
ば、次式が得られる。
−・・−・・(4) ここで、φはR,C等で決まる位相角である。
一方、変位検出器(61,(6A)のゲインKV2は次
式1式% 但し22は変位検出器の寸法で決まる定数、v2は変位
検出器(61、(6A)の電気機器結合係数を表わす。
(5)式を(4)式に代入すれば プリアンプ(34)及びAC−DC変換部(16)のゲ
インを1とし、(6)式の振幅が設定電圧VIに等しい
ことから音叉の振幅fは次式にて表わされる。
上述の如く音叉(1)を動作させた状態で第3図に示す
音叉軸(Z−Z)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と角速度Ωの積に比例したコリオリの力Fcが夫
々発生し、音叉(1)を上記音叉軸<2−2)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、第5図の検出系(7A)に示す如く、上記検
出用圧電素子(30)の出力電圧を、プリアンプ(35
)を介して、基準電圧としてのプリアンプ(34)より
の信号と共に、デモジュレータ(7)に入力し、同期整
流した後、必要があればフィルタ(36)を通すことに
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に比例した電圧が出
力され、ジャイロ装置が構成される。即ち、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KT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と音叉(1)の振幅φ=≠sinωtと
を乗じたコリオリの力Fcによる交番トルクΩKrPs
inωtは、音叉(11全体を音叉軸(Z−Z)のまわ
りに交番角振動させる。第4図の(31)は、音叉t1
)を含む(Z −Z)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(3
5)において交流増幅した後、デモジュレータ(7)に
おいて、プリアンプ(34)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、KVlは圧電素子(30)の偏角−電圧変換定数、
K1はプリアンプ(35)のゲインである。ブロック(
31)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、ζ1は音叉系の等酒粕性抵
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。
尚、第5図Bは検出系(7八)のプリアンプ(35)と
圧電素子(30)との−例を示す結線図で、同図に於て
、圧電素子より成る角振動検出器(30)は、検出系(
7A)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、機械系(31)
の偏角θに比例した電圧V P1= K vlθの電圧
源(30−1)と静電容量C1とで近似的に構成される
。一方、プリアンプ(35)は、抵抗R2の入力抵抗器
(35−1)、演算増幅器(35−2) 、抵抗R5゜
R6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Vixと電圧素子(30)の出力電圧VPiとの間
には、Vit=Rx Ct s/(RICI S+1)
VP2 −(8)但し、Sはラプラス演算子である。
〔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)の自励発振系(35A)の変位検出器や
検出系(7^)の偏角検出に、圧電素子(6)。
(6A) 、 (30)等を用いていたため、周囲温度
等が変化すると、これ等圧電素子の温度感度が大きいた
め、入力角速度に対する出力電圧の比、即ちスケールフ
ァクターが変化し、検出角速度に誤差を生ずるという問
題点があった。
又、圧電素子の容量にバラツキがあると、スケールファ
クターが温度変化によって、大きく変動するという問題
もあった。
更に、上記、先願の如く、検出系のプリアンプ(35)
の入力抵抗R1を1/Cωとしただけでは、音叉系の振
動振幅の温度変化のスケールファクターに対する影響が
残ってしまうという問題もあった。
又、温度変化に対して、スケールファクターばかりでな
く、出力電圧(バイアス)そのものが変化するという問
題もあった。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記問題点を解決せんとするもので、その手段
は、角周波数ωで振動する質量部、核質9邪の振動の振
幅を検出し且つ静電容量C2の第1の圧電素子、入力抵
抗R2を有し、上記第1の圧電素子の出力が入力される
第1のプリアンプ、上記質量部の振動振幅を一定に保持
するための制御回路、上記質9部の振動方向及び振動面
の双方に直交する方向の振動を検出し且つ静電容量C1
の第2の圧電素子、該第2の圧電素子の出力が入力され
、且つ入力抵抗R1を有する第2のプリアンプ、第2の
プリアンプの出力を入力とし上記第1のプリアンプの出
力を基準とするデモジュレータより成るジャイロ装置に
おいて、上記第1及び第2の圧電素子を同一温度特性を
有する材料で構成すると共に上記入力抵抗RI R2を
R1= 1/Ctω、  R2= 1/C2ωとなるよ
うに設定すると共に上記第1のプリアンプの出力側に移
相器を設けたことを特徴とするジャイロ装置である。
〔作用〕
音叉系の振動振幅7は、その値が一定となるような制御
装置(35A)の作用により、その振幅fを検出する圧
電素子(6)、(6A)のゲインが増大すると逆に、小
さくなる。一方、検出系(7^)の圧電素子(30)の
ゲインが増大すると、その出力は増大する。ジャイロ出
力は音叉系の振動振幅と検出系の出力との積になってい
るため、上記、音叉系及び検出系のプリアンプを含めた
圧電素子の温度特性を夫々最小にすることにより、温度
変化の影響を受けないジャイロ装置を得ることができる
〔実施例〕
第1図は、本発明による制御装置(自動発振系)(35
A )及び検出系(7A)の一実施例を示すブロック図
である。尚、同図に於て、第4図と同一符号は相互に同
一素子を示し、それ等の詳細説明は省略する。
すでに第4図に関連して述べたように、符号(35A)
  は、音叉(1)(第3図参照)の振動振幅を一定に
保持するだめの自動発振系を全体として示し、符号(7
A)はジャイロ系に角速度Ωが入力されたときに角振動
検出器の圧電素子(30)からの出力を角速度信号とし
て取り出すための検出系を示す。
温度変化に対するスケールファクターの変化が問題なの
で、例えば機械系(31)はほとんど温度の影響がない
ため、ゲインを1とすれば、プリアンプ(35)の出力
電圧Vi1は次式(9)で与えられる。
−−−−−−・(9) 上式(9)の中で、温度変化の影響をうけやすいものは
、ネ★出系(7A)の圧電素子(30)の静電容♀CL
  (第5図B参照)及び自励発振系(35A)中の変
位検出器(6)、(6A)の静電容量C2(第5図A参
照)であり、これ等が温度変化をうけないためには次式
(10)が成立する必要がある。
しかしながら、自動発振動系(35A)としてみると、
R2=1/C2ωという条件は、位相的に音叉(11の
振幅φに対して45°進んでいることになり、理想発振
系として90°進みの条件が満たされていないため、こ
のままでは、音叉(11は自励発振しない。
この問題を解決するため、本発明では、第1図に示す如
(、一般には通常のR,C回路で構成される第1の45
°移相器(34−1)を、プリアンプ(34)の出力段
に設けている。
以上の構成により、検出用圧電素子として最も温度変化
の影響をうけにくいR=l/Cωという条件を満たすと
同時に、自励発振系として必要な90゜位相進みを第1
の45°移相器(34−1)を持ち込むことにより実施
した。
尚、上述の構成により、スケールファクターの温度変化
の少いジャイロを得ることが出来るが、実際には、スケ
ールファクターのわずかな温度変化が残存し、又、音叉
(1)の制作上のアンバランス等により、バイアス自体
が温度による影響をうけることが避けがたい。第1図の
符号(40)は、音叉(11の近傍に設けた温度センサ
ーでその出力を調定器(41)を介してデモジュレータ
(7)の出力に加算器(42)で加算入力することによ
り、バイアス温度変化を補償する。
尚、(43)はバイアス修正回路で、音叉(11のアン
バランス等による固定的なバイアス出力を修正するため
のものであり、(34−2)は第2の45゛移相器で、
第1の45°移相器(34−1)とデモジュレータ(7
)との間に挿入され、デモジュレータ(7)の基準信号
を、音叉(1)の振幅φに対して所定の値なすためのも
のである。
尚、上述においては、振動体として音叉を用いたジャイ
ロ装置について説明したが、本発明は上記に限定される
ことはなく、棒状の振動体等を用いたジャイロ装置にも
通用し得ることは勿論である。
〔発明の効果〕
圧電素子(6) 、 (6A) 、 (30)の静電容
1cの温度特性は、一般に10−3/”Cのオーダであ
り、温度変化を100’ Cとすれば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。
本発明はジャイロ出力に対し、音叉(1)の振動系の検
出圧電素子(6)、(6A)の出力伝達関数と、検出系
の圧電素子(30)の出力伝達関数とが、分母・分子の
関係になる点に着目し、これ等を同種の素子で構成する
と共に、それぞれのプリアンプの入力抵抗を(1/Cω
)にすると共に、音叉の自動発振系のプリアンプの後段
に移相器を設けることにより自励発振系としての動作を
確保すると同時に、圧電素子の温度特性に依存しない高
精度のジャイロ装置を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるジャイロ装置の一例の音叉系及び
検出系のブロック図、第2図は本発明が適用されるジャ
イロ装置の斜視図、第3図はその主要部の側面図、第4
図は従来のジャイロ装置の音叉系及び検出系の結線図、
第5図A及びBは夫々圧電素子を変位及び角振動検出装
置とする変位及び角振動検出系の結線図である。 図に於て、(1)は音叉、(1−1)はその振動質量部
、(7)はデモジュレータ、(7A)は検出系、(34
)及び(35)はプリアンプ、(R2)、 (R1)は
その入力抵抗、(C2)、 (C1)は音叉系及び検出
系の圧電素子の静電容量、(35A)は自動発振系、(
40)は温度センサー、(41)は調定器、(34−1
) 、 (34−2)は45°移相器、(42)は加算
器、(43)はバイアス修正回路を夫々示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、角周波数ωで振動する質量部、該質量部の振動の振
    幅を検出し且つ静電容量C_2の第1の圧電素子、入力
    抵抗R_2を有し、上記第1の圧電素子の出力が入力さ
    れる第1のプリアンプ、上記質量部の振動振幅を一定に
    保持するための制御回路、上記質量部の振動方向及び振
    動面の双方に直交する方向の振動を検出し且つ静電容量
    C_1の第2の圧電素子、該第2の圧電素子の出力が入
    力され入力抵抗R_1を有する第2のプリアンプ、該第
    2のプリアンプの出力を入力とし上記第1のプリアンプ
    の出力を基準とするデモジュレータよりなるジャイロ装
    置において、上記第1及び第2の圧電素子を同一温度特
    性を有する材料で構成すると共に、上記入力抵抗R_1
    、R_2を R_1=1/C_1ω、R_2=1/C_2ωとなるよ
    うに選定すると共に、上記第1のプリアンプの出力側に
    移相器を設けたことを特徴とするジャイロ装置。 2、上記特許請求の範囲第1項記載のジャイロ装置にお
    いて、上記質量部の近傍に温度検出器を設け、該温度検
    出器の出力を調定器を介して上記デモジュレータの出力
    に加算するようにしたことを特徴とするジャイロ装置。
JP61182353A 1986-08-02 1986-08-02 ジヤイロ装置 Pending JPS6338110A (ja)

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