JP3233514B2 - 圧電材料の物質不安定性の補償方法及び装置 - Google Patents
圧電材料の物質不安定性の補償方法及び装置Info
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- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電材料の物質不安定
性の補償方法及び補償装置、そしてこれに限られないが
特にジルコン酸鉛チタン酸鉛（ＰＺＴ）を使用する回転
速度センサの老化補償に関する。
性の補償方法及び補償装置、そしてこれに限られないが
特にジルコン酸鉛チタン酸鉛（ＰＺＴ）を使用する回転
速度センサの老化補償に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、R.M.Langdon の英国特許第２０
６１５０２号及びJ.S.Butdess の英国特許第２１５４７
３９号に記載されたシステム図と類似の、従来型単軸速
度センサのシステム図である。シリンダ１１２は、発振
信号が発振器から駆動トランスデューサへ与えられるこ
とによって共振を始める。上部から見た共振モードの振
動パターンを、図２に示す。最大径方向振動の波腹と、
最小径方向振動の波節の存在が見られる。一次ループ制
御は、一次駆動トランスデューサと一次ピックオフトラ
ンスデューサの間に９０度の位相のずれを確保して共振
を維持する。速度センサが回転すると、共振モードがシ
リンダに連関して回転し、信号を二次ピックオフトラン
スデューサで検出できる。この信号は増幅され、次いで
信号を無効にしてゼロにするため二次駆動トランスデュ
ーサへ送り戻される。無効化信号の強さは、回転速度に
比例する。この信号は、直流速度信号として復調され、
次いで出力される。
６１５０２号及びJ.S.Butdess の英国特許第２１５４７
３９号に記載されたシステム図と類似の、従来型単軸速
度センサのシステム図である。シリンダ１１２は、発振
信号が発振器から駆動トランスデューサへ与えられるこ
とによって共振を始める。上部から見た共振モードの振
動パターンを、図２に示す。最大径方向振動の波腹と、
最小径方向振動の波節の存在が見られる。一次ループ制
御は、一次駆動トランスデューサと一次ピックオフトラ
ンスデューサの間に９０度の位相のずれを確保して共振
を維持する。速度センサが回転すると、共振モードがシ
リンダに連関して回転し、信号を二次ピックオフトラン
スデューサで検出できる。この信号は増幅され、次いで
信号を無効にしてゼロにするため二次駆動トランスデュ
ーサへ送り戻される。無効化信号の強さは、回転速度に
比例する。この信号は、直流速度信号として復調され、
次いで出力される。
【０００３】振動パターンには、第２図に示されたもの
と異なる形状のものがあることに注意すべきである。し
かし、振動パターンには、シリンダの周囲に円筒状に生
ずる波節と波腹がある。シリンダは共振に際して必ず駆
動されねばならない訳ではないが、実際上はそうである
ことが望ましい。共振体は、円形あるいは円筒状でなけ
ればならない訳ではなく、実際には半球状及びリング状
のものが使用できる。しかし、一次及び二次電気回路
（一次及び二次共振と称する）によって見られる発振モ
ードは、同一か又はほぼ同一の共振数であることが望ま
しい。
と異なる形状のものがあることに注意すべきである。し
かし、振動パターンには、シリンダの周囲に円筒状に生
ずる波節と波腹がある。シリンダは共振に際して必ず駆
動されねばならない訳ではないが、実際上はそうである
ことが望ましい。共振体は、円形あるいは円筒状でなけ
ればならない訳ではなく、実際には半球状及びリング状
のものが使用できる。しかし、一次及び二次電気回路
（一次及び二次共振と称する）によって見られる発振モ
ードは、同一か又はほぼ同一の共振数であることが望ま
しい。
【０００４】英国特許第２０６１５０２号（図１参照）
には、図３に示すような、一端が閉じられ、柄で支持さ
れた金属シリンダ上に固着した圧電素子を用いて共振を
始める金属製の従来型シリンダ２１２（上記特許明細書
では符号１で指示）が開示されている。圧電素子はまた
その運動をピックオフするためにも使用される。
には、図３に示すような、一端が閉じられ、柄で支持さ
れた金属シリンダ上に固着した圧電素子を用いて共振を
始める金属製の従来型シリンダ２１２（上記特許明細書
では符号１で指示）が開示されている。圧電素子はまた
その運動をピックオフするためにも使用される。
【０００５】英国特許第２１５４７３９号（図１参照）
には、図４に示すような電極域間物質へ極性を与えて、
すなわち電極５０〜１２０を備えて、駆動ピックオフト
ランスデューサを形成する、圧電材料から成る円板状単
一構造３１２の類似の従来型装置が開示されている。こ
の装置は、２個の電荷増幅器Ａ１、Ａ２、発振器及び活
性利得制御装置ＯＣ及びフィードバック装置ＦＢを有す
る。
には、図４に示すような電極域間物質へ極性を与えて、
すなわち電極５０〜１２０を備えて、駆動ピックオフト
ランスデューサを形成する、圧電材料から成る円板状単
一構造３１２の類似の従来型装置が開示されている。こ
の装置は、２個の電荷増幅器Ａ１、Ａ２、発振器及び活
性利得制御装置ＯＣ及びフィードバック装置ＦＢを有す
る。
【０００６】上記の両特許は、図１に示したものに類似
の電子回路を記載する。図１より、位相同期ループＰＬ
Ｌは、位相検出器ＰＤ、低域フィルタＦ及び電圧制御発
振器ＶＣＯから構成されることがわかる。ＶＣＯ出力
は、利得制御素子Ｈを介する一次駆動電極Ｇと、位相検
出器ＰＤの基準入力の両方へ接続される。
の電子回路を記載する。図１より、位相同期ループＰＬ
Ｌは、位相検出器ＰＤ、低域フィルタＦ及び電圧制御発
振器ＶＣＯから構成されることがわかる。ＶＣＯ出力
は、利得制御素子Ｈを介する一次駆動電極Ｇと、位相検
出器ＰＤの基準入力の両方へ接続される。
【０００７】位相検出器ＰＤの特徴は、入力時の信号Ａ
及びＢ間の位相差に比例する信号Ｃを出力することであ
る。ここで使用される位相検出器ＰＤは、入力が直角で
あるときはゼロ出力となる。つまり、直角位相検出器で
ある。
及びＢ間の位相差に比例する信号Ｃを出力することであ
る。ここで使用される位相検出器ＰＤは、入力が直角で
あるときはゼロ出力となる。つまり、直角位相検出器で
ある。
【０００８】一次ループが固定されている場合は、位相
検出器ＰＤ出力信号Ａ、Ｂは直角であり、従ってシリン
ダ１２は共振状態である。Ｂでの信号の位相が変化する
と、位相検出器により感知され、位相検出器はＶＣＯ信
号の位相制御のため濾波され使用される補正信号Ｃを出
力する。
検出器ＰＤ出力信号Ａ、Ｂは直角であり、従ってシリン
ダ１２は共振状態である。Ｂでの信号の位相が変化する
と、位相検出器により感知され、位相検出器はＶＣＯ信
号の位相制御のため濾波され使用される補正信号Ｃを出
力する。
【０００９】不幸にして、ＰＺＴ等の圧電材料は、温度
に対するＱ値Ｑの大きな変化を起こす。一定の一次駆動
信号のための共振モードの振幅は、Ｑ値に比例して変化
し、従って温度によって変化する。
に対するＱ値Ｑの大きな変化を起こす。一定の一次駆動
信号のための共振モードの振幅は、Ｑ値に比例して変化
し、従って温度によって変化する。
【００１０】図１のシステムは、一次ピックオフ信号を
一定振幅に維持するため、コントローラＣＬを介して一
次ピックオフ信号（Ｂ）の振幅を外部基準電圧Ｖref と
比較する一次ループＰＬ内の利得制御回路を使用して、
上記問題点を回避する。これは、Ｑに対する依存を減ら
して、温度に伴う速度センサの換算係数の依存を固定す
るのに役立つ。
一定振幅に維持するため、コントローラＣＬを介して一
次ピックオフ信号（Ｂ）の振幅を外部基準電圧Ｖref と
比較する一次ループＰＬ内の利得制御回路を使用して、
上記問題点を回避する。これは、Ｑに対する依存を減ら
して、温度に伴う速度センサの換算係数の依存を固定す
るのに役立つ。
【００１１】二次駆動トランスデューサ１１６，一次ピ
ックオフトランスデューサ１１８、及び二次ピックオフ
トランスデューサ１２０は、低域フィルター１１９及び
復調器１２１と一緒になって、二次ループＳＬの一部を
形成する。
ックオフトランスデューサ１１８、及び二次ピックオフ
トランスデューサ１２０は、低域フィルター１１９及び
復調器１２１と一緒になって、二次ループＳＬの一部を
形成する。
【００１２】圧電セラミックスには、多数の小さな粒子
が含まれ、その各々には電気双極子の並ぶ分域がある。
この粒子はランダムに向けられているので、正味の電気
双極子はゼロである。すなわち、このバルク材料は圧電
性ではない。
が含まれ、その各々には電気双極子の並ぶ分域がある。
この粒子はランダムに向けられているので、正味の電気
双極子はゼロである。すなわち、このバルク材料は圧電
性ではない。
【００１３】該材料は、高温で強電界を該材料へ処理し
て極性化することにより圧電性になる。このプロセスは
電界方向へ双極子を整列し、該双極子は電界除去後もそ
の方向に留まる。かかる方法は、例えば、ＡＮＳＩ／Ｉ
ＥＥＥ std 176、1987年、「圧電気に関するＩＥＥＥ基
準」、及びドーバー出版、ニューヨーク、１９６４年W.
G. Cady著「圧電気」に開示されている。
て極性化することにより圧電性になる。このプロセスは
電界方向へ双極子を整列し、該双極子は電界除去後もそ
の方向に留まる。かかる方法は、例えば、ＡＮＳＩ／Ｉ
ＥＥＥ std 176、1987年、「圧電気に関するＩＥＥＥ基
準」、及びドーバー出版、ニューヨーク、１９６４年W.
G. Cady著「圧電気」に開示されている。
【００１４】大部分の圧電セラミック材料は、時間とと
もに、すなわち老化により、徐々に圧電性が小さくな
る。この老化現象は、時間に対して典型的に対数的であ
り、該材料は、極化性後１日間の老化がそれ以降の１０
日間の老化と同量で、さらにそれ以後の１００日間の老
化と同量であるというように老化を起こす。
もに、すなわち老化により、徐々に圧電性が小さくな
る。この老化現象は、時間に対して典型的に対数的であ
り、該材料は、極化性後１日間の老化がそれ以降の１０
日間の老化と同量で、さらにそれ以後の１００日間の老
化と同量であるというように老化を起こす。
【００１５】老化に加えて、圧電パラメータも同様に温
度ヒステリシスを示す。さらに悪いことに、このパラメ
ータ値は、温度サイクルを経過した後同じパラメータ値
に必ずしも戻らない。この結果は、温度サイクルに対す
る該パラメータ変化を測定・プロットし、及び時間に伴
う該パラメータ値の度々の緩慢かつ不完全な回復に注目
すれば明らかである。
度ヒステリシスを示す。さらに悪いことに、このパラメ
ータ値は、温度サイクルを経過した後同じパラメータ値
に必ずしも戻らない。この結果は、温度サイクルに対す
る該パラメータ変化を測定・プロットし、及び時間に伴
う該パラメータ値の度々の緩慢かつ不完全な回復に注目
すれば明らかである。
【００１６】圧電パラメータ変化は、回転速度センサの
性能に重要な影響をもつ。例えば該材料の圧電性の変化
は、直接圧電効果（該材料が機械的応力を受けていると
き生じる電荷）及び逆圧電効果（印加電界下で生じる機
械的ひずみ）の両方を変化させる。そのため、圧電材料
で作られた装置の「有効入力出力利得」は変化する。さ
らに、該材料で作られた部分の振動数及び電極のキャパ
シタンスが変化し、次いでこれはまた有効入力出力利得
を変化させることができる。
性能に重要な影響をもつ。例えば該材料の圧電性の変化
は、直接圧電効果（該材料が機械的応力を受けていると
き生じる電荷）及び逆圧電効果（印加電界下で生じる機
械的ひずみ）の両方を変化させる。そのため、圧電材料
で作られた装置の「有効入力出力利得」は変化する。さ
らに、該材料で作られた部分の振動数及び電極のキャパ
シタンスが変化し、次いでこれはまた有効入力出力利得
を変化させることができる。
【００１７】特に、これらのパラメータ変化は、回転速
度センサの換算係数（又は感度、すなわち一定回転速度
のための出力信号）の変化を起こす。
度センサの換算係数（又は感度、すなわち一定回転速度
のための出力信号）の変化を起こす。
【００１８】さらに、速度センサの換算係数も、感知素
子（つまり、シリンダ）の振動数の正の関数である。シ
リンダの固有振動数は、物質パラメータ変化のため、時
間及び温度によって変化する。従って、速度センサの換
算係数は、直接の結果として変化する。
子（つまり、シリンダ）の振動数の正の関数である。シ
リンダの固有振動数は、物質パラメータ変化のため、時
間及び温度によって変化する。従って、速度センサの換
算係数は、直接の結果として変化する。
【００１９】前記のように、温度に伴って変化する一次
出力信号に基因する換算係数の変化をなくすため、速度
センサを回路（図１）と一体に設計できる。しかしこの
ループは、主に時間と温度によるＱ値Ｑの変化に逆らう
ため機能するものである。
出力信号に基因する換算係数の変化をなくすため、速度
センサを回路（図１）と一体に設計できる。しかしこの
ループは、主に時間と温度によるＱ値Ｑの変化に逆らう
ため機能するものである。
【００２０】残念ながら、このループは圧電パラメータ
のあらゆる変化に対応するものではない。この結果、速
度センサの換算係数は、時間と伴に老化し、温度ヒステ
リシスを表す。これらの変化は、５％ないし１５％の範
囲で最終製品についての変化に寄与する。これらは、特
に単一の原因、すなわち材料に帰する場合は、大きな変
化である。
のあらゆる変化に対応するものではない。この結果、速
度センサの換算係数は、時間と伴に老化し、温度ヒステ
リシスを表す。これらの変化は、５％ないし１５％の範
囲で最終製品についての変化に寄与する。これらは、特
に単一の原因、すなわち材料に帰する場合は、大きな変
化である。
【００２１】要約すれば、圧電材料から成る振動式シリ
ンダを用いる速度センサは、その特性において、老化及
び温度不安定性を示す。これらは、速度センサの換算係
数の許容できないほど大きな変化を生ずる。金属製の振
動式部材（英国特許第２０６１３０２号に記載されるも
の等）上に固着された圧電トランスデューサを用いる速
度センサにおける変化が、類似の影響を受けることが予
想される。感度が材料の圧電特性に依存する他のセンサ
における変化も、類似の影響を受けることが予想され
る。
ンダを用いる速度センサは、その特性において、老化及
び温度不安定性を示す。これらは、速度センサの換算係
数の許容できないほど大きな変化を生ずる。金属製の振
動式部材（英国特許第２０６１３０２号に記載されるも
の等）上に固着された圧電トランスデューサを用いる速
度センサにおける変化が、類似の影響を受けることが予
想される。感度が材料の圧電特性に依存する他のセンサ
における変化も、類似の影響を受けることが予想され
る。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的の一つ
は、圧電材料から成る、あるいはそれを組み込んだ製品
の老化及び温度不安定性の問題を軽減し、またできる限
りなくすことである。
は、圧電材料から成る、あるいはそれを組み込んだ製品
の老化及び温度不安定性の問題を軽減し、またできる限
りなくすことである。
【００２３】本発明の目的及び効果を、以下に記載の好
ましい実施態様において開示された詳細により、さらに
明らかにする。
ましい実施態様において開示された詳細により、さらに
明らかにする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴によれば、
圧電材料を組み込み、かつ軸を中心に設置したシリン
ダ、前記シリンダへ径方向振動を与える一次及び二次駆
動トランスデューサ、前記シリンダ中にひき起こされる
振動の有無を検出する一次及び十個の二次ピックオフト
ランスデューサ、一次ピックオフトランスデューサから
信号を受信し、一次駆動トランスデューサと一次ピック
オフトランスデューサの間に９０度の位相のずれを起こ
して共振を維持する一次制御ループ、及び二次ピックオ
フトランスデューサからその回転を表示する信号を受信
し、その信号を無効にしてゼロにするよう前記信号を二
次駆動トランスデューサへ向ける二次制御ループを備
え、またシリンダの作動温度を感知して作動温度信号
（To）を出力する温度センサ、及び、作動温度信号及び
一次ピックオフトランスデューサから共振数信号を受信
し、それらをシリンダ圧電材料中のパラメータ変化の補
償に使用する補償部材を備える、軸を中心とした回転運
動を検知する速度センサ装置が提供される。シリンダ圧
電材料は、亜チタン酸鉛（ＰＺＴ）であり、また、該材
料中でのパラメータ変化は、老化を含めて補償されるこ
とが好ましい。
圧電材料を組み込み、かつ軸を中心に設置したシリン
ダ、前記シリンダへ径方向振動を与える一次及び二次駆
動トランスデューサ、前記シリンダ中にひき起こされる
振動の有無を検出する一次及び十個の二次ピックオフト
ランスデューサ、一次ピックオフトランスデューサから
信号を受信し、一次駆動トランスデューサと一次ピック
オフトランスデューサの間に９０度の位相のずれを起こ
して共振を維持する一次制御ループ、及び二次ピックオ
フトランスデューサからその回転を表示する信号を受信
し、その信号を無効にしてゼロにするよう前記信号を二
次駆動トランスデューサへ向ける二次制御ループを備
え、またシリンダの作動温度を感知して作動温度信号
（To）を出力する温度センサ、及び、作動温度信号及び
一次ピックオフトランスデューサから共振数信号を受信
し、それらをシリンダ圧電材料中のパラメータ変化の補
償に使用する補償部材を備える、軸を中心とした回転運
動を検知する速度センサ装置が提供される。シリンダ圧
電材料は、亜チタン酸鉛（ＰＺＴ）であり、また、該材
料中でのパラメータ変化は、老化を含めて補償されるこ
とが好ましい。
【００２５】本発明装置には、前記一次制御ループ内
に、利得制御装置と一次ピックオフ信号の振幅を基準電
圧（Ｖref ）と比較し、利得制御装置へ補正信号CSを送
ることができる第１コントローラから構成される利得制
御回路があるのが便利である。補償部材には、作動温度
信号（To）を受信し、シリンダの共振数をモニターし、
それらを一次ピックオフ振幅の基準振幅のオープンルー
プ補償を行うために使用できる第２コントローラがある
のが有利である。
に、利得制御装置と一次ピックオフ信号の振幅を基準電
圧（Ｖref ）と比較し、利得制御装置へ補正信号CSを送
ることができる第１コントローラから構成される利得制
御回路があるのが便利である。補償部材には、作動温度
信号（To）を受信し、シリンダの共振数をモニターし、
それらを一次ピックオフ振幅の基準振幅のオープンルー
プ補償を行うために使用できる第２コントローラがある
のが有利である。
【００２６】第２コントローラには、シリンダ振動数と
周辺温度でのシリンダ振動数の初期設定値との差に比例
する出力電力Ｖ２を供給できる振動数差メータがあるの
が好ましい。
周辺温度でのシリンダ振動数の初期設定値との差に比例
する出力電力Ｖ２を供給できる振動数差メータがあるの
が好ましい。
【００２７】本発明装置には、一次制御ループ２２内に
利得制御装置があり、及び該装置内の補償部材には、温
度センサと利得制御装置の間に接続され、シリンダの共
振数をモニターし、振動数と温度を基準として入力駆動
振幅を調整できるコントローラがあるのが便利である。
利得制御装置があり、及び該装置内の補償部材には、温
度センサと利得制御装置の間に接続され、シリンダの共
振数をモニターし、振動数と温度を基準として入力駆動
振幅を調整できるコントローラがあるのが便利である。
【００２８】あるいは、制御手段としては、温度セン
サ、作動温度信号（To）及び一次ピックオフ信号（Ｂ）
が出力される補償回路であってもよい。
サ、作動温度信号（To）及び一次ピックオフ信号（Ｂ）
が出力される補償回路であってもよい。
【００２９】補償回路には、マイクロプロセッサがある
のが有利である。
のが有利である。
【００３０】一次制御ループには、直角に作動するよう
に配置された位相検出器を持つ位相同期ループ、低域フ
ィルタ及び電圧制御発振器があるのが好ましい。
に配置された位相検出器を持つ位相同期ループ、低域フ
ィルタ及び電圧制御発振器があるのが好ましい。
【００３１】本発明の別の特徴によれば、シリンダの作
動温度（To）を感知する工程、シリンダの共振数（Ｂ）
を感知する工程、及び感知温度（To）と感知振動数
（Ｂ）を利用して前記パラメータ変化を補償する工程、
を含む、シリンダの設置された軸（Ｘ）を中心とする回
転運動を検出する速度センサ装置のシリンダの少なくと
も一部を形成する圧電材料中のパラメータ変化の補償方
法が提供される。
動温度（To）を感知する工程、シリンダの共振数（Ｂ）
を感知する工程、及び感知温度（To）と感知振動数
（Ｂ）を利用して前記パラメータ変化を補償する工程、
を含む、シリンダの設置された軸（Ｘ）を中心とする回
転運動を検出する速度センサ装置のシリンダの少なくと
も一部を形成する圧電材料中のパラメータ変化の補償方
法が提供される。
【００３２】作動温度（To）及び共振数（Ｂ）が、一次
ピックオフ振幅の基準振幅のオープンループ補償を行う
コントローラへ送られることが好ましい。
ピックオフ振幅の基準振幅のオープンループ補償を行う
コントローラへ送られることが好ましい。
【００３３】あるいは、振動数（Ｂ）及び作動温度（Ｔ
o）は、その振動数（Ｂ）及び作動温度（Ｔo）を基準と
してシリンダへの入力駆動振幅を調整するコントローラ
へ送られてもよい。
o）は、その振動数（Ｂ）及び作動温度（Ｔo）を基準と
してシリンダへの入力駆動振幅を調整するコントローラ
へ送られてもよい。
【００３４】温度（To）及び共振数（Ｂ）は、補償回路
へ出力されることが便利である。
へ出力されることが便利である。
【００３５】
【実施例】以下、本発明につき、添付の図面を参照して
実施例により詳細に説明する。
実施例により詳細に説明する。
【００３６】以下、図５ないし図６を全般的に参照すれ
ば、本発明の一実施例による軸Ｘを中心とする回転運動
を検出する振動式速度センサ１０は、前記軸Ｘを中心に
設置されたシリンダ１２、前記シリンダへ半径方向振動
を与える一次及び二次駆動トランスデューサ１４、１
６、前記シリンダ１２内にひき起こされる振動の有無を
検出する一次及び二次ピックオフトランスデューサ１
８、２０及び、一次及び二次制御ループ２２、２３を有
する。一次制御ループは、一次ピックオフトランスデュ
ーサ１８から信号を受信し且つ、一次駆動トランスデュ
ーサ１４と一次ピックオフトランスデューサ１８との間
に90度の位相ずれを起こして、構造体の共振を維持する
ために設けられる。
ば、本発明の一実施例による軸Ｘを中心とする回転運動
を検出する振動式速度センサ１０は、前記軸Ｘを中心に
設置されたシリンダ１２、前記シリンダへ半径方向振動
を与える一次及び二次駆動トランスデューサ１４、１
６、前記シリンダ１２内にひき起こされる振動の有無を
検出する一次及び二次ピックオフトランスデューサ１
８、２０及び、一次及び二次制御ループ２２、２３を有
する。一次制御ループは、一次ピックオフトランスデュ
ーサ１８から信号を受信し且つ、一次駆動トランスデュ
ーサ１４と一次ピックオフトランスデューサ１８との間
に90度の位相ずれを起こして、構造体の共振を維持する
ために設けられる。
【００３７】二次制御ループ２３は、構造体の回転を表
示する二次ピックオフトランスデューサから信号を受信
するために設けられている。この信号は、それを無効に
してゼロにするため、二次駆動トランスデューサへ向け
られる。一次制御ループ２２には、直角に作動するよう
に配置した位相検出器３０、低域フィルタ３２及び電圧
制御発信器３４を有する位相ロックループ（ＰＬＬ）が
あってもよい。電圧制御発信器３４は、一次駆動トラン
スデューサ１４を駆動する出力信号と、位相同期ループ
の一部を形成するため位相検出器３０へ戻す基準信号
（Ａ）を発信する。かかる一次駆動回路の作動は、当該
技術分野では周知であり、本文ではこれ以上は説明しな
い。
示する二次ピックオフトランスデューサから信号を受信
するために設けられている。この信号は、それを無効に
してゼロにするため、二次駆動トランスデューサへ向け
られる。一次制御ループ２２には、直角に作動するよう
に配置した位相検出器３０、低域フィルタ３２及び電圧
制御発信器３４を有する位相ロックループ（ＰＬＬ）が
あってもよい。電圧制御発信器３４は、一次駆動トラン
スデューサ１４を駆動する出力信号と、位相同期ループ
の一部を形成するため位相検出器３０へ戻す基準信号
（Ａ）を発信する。かかる一次駆動回路の作動は、当該
技術分野では周知であり、本文ではこれ以上は説明しな
い。
【００３８】しかしながら、上記特許及び出願人同時係
属英国特許出願第９２０７８８６．４号を参照すること
ができる。この装置は、一次ループ内へ利得制御回路４
０を組み込んで圧電材料のＱ値の温度に伴う変化に関連
する問題を克服する。回路４０は、利得制御装置４２と
コントローラ４４から構成される。コントローラは、一
次ピックオフ信号Ｐ5 の振幅を基準電圧Ｖref と比較
し、一次ピックオフ信号を一定振幅に維持するため、補
正信号ＣＳを利得制御装置（４２）へ送信する。これ
は、速度センサの換算係数の温度への依存を固定するの
を助ける。
属英国特許出願第９２０７８８６．４号を参照すること
ができる。この装置は、一次ループ内へ利得制御回路４
０を組み込んで圧電材料のＱ値の温度に伴う変化に関連
する問題を克服する。回路４０は、利得制御装置４２と
コントローラ４４から構成される。コントローラは、一
次ピックオフ信号Ｐ5 の振幅を基準電圧Ｖref と比較
し、一次ピックオフ信号を一定振幅に維持するため、補
正信号ＣＳを利得制御装置（４２）へ送信する。これ
は、速度センサの換算係数の温度への依存を固定するの
を助ける。
【００３９】本発明装置は、シリンダ１２の作動温度を
感知し、作動温度信号Ｔｏを発生する温度センサ（５
２）を有する。この信号Ｔｏは、シリンダの共振数及び
作動温度Ｔｏをモニターし、一次ピックオフ振幅の基準
振幅のオープループ補償を行うためにこれらを使用する
第２コントローラ（５０）により受信される。
感知し、作動温度信号Ｔｏを発生する温度センサ（５
２）を有する。この信号Ｔｏは、シリンダの共振数及び
作動温度Ｔｏをモニターし、一次ピックオフ振幅の基準
振幅のオープループ補償を行うためにこれらを使用する
第２コントローラ（５０）により受信される。
【００４０】第２コントローラ（５０）は、シリンダか
らの所望の一次ピックオフ振幅に比例した出力信号Ｖ４
を駆動するように、温度センサ（５２）からの信号、定
電圧源Ｖref 及び振動数変化ｆｖを組み合わせる。
らの所望の一次ピックオフ振幅に比例した出力信号Ｖ４
を駆動するように、温度センサ（５２）からの信号、定
電圧源Ｖref 及び振動数変化ｆｖを組み合わせる。
【００４１】温度センサ（５２）は、出力電圧Ｖ１が温
度に比例すれば、どのような市販の温度センサでもよ
い。本実施例では、Ｖ１はボルト／°Ｃの単位で表され
る。センサの精度は、一般的には２°Ｃである必要があ
る。コントローラ（４０）及び（５０）の詳細は第９図
に示されており、図中コントローラ（５０）は、シリン
ダ振動数と周辺でのシリンダ振動数の初期設定値との差
に比例する出力電圧Ｖ2を表示する回路形状の振動数差
メータ（５６）をもっている。コントローラ４４には整
形装置（５３）がある。本実施例では、Ｖ2 はボルトＨ
ｚの単位で表される。正確な基準振動数Ｆref とジャイ
ロへ供給される振動数との振動数の差の測定が実施され
る。基準振動数は、シリンダ振動数の低整数倍あるいは
高整数倍で、かつ振動数メータ（５６）に従った単位で
も供給される。振動数差メータの精度は、約０．２％で
ある必要がある。
度に比例すれば、どのような市販の温度センサでもよ
い。本実施例では、Ｖ１はボルト／°Ｃの単位で表され
る。センサの精度は、一般的には２°Ｃである必要があ
る。コントローラ（４０）及び（５０）の詳細は第９図
に示されており、図中コントローラ（５０）は、シリン
ダ振動数と周辺でのシリンダ振動数の初期設定値との差
に比例する出力電圧Ｖ2を表示する回路形状の振動数差
メータ（５６）をもっている。コントローラ４４には整
形装置（５３）がある。本実施例では、Ｖ2 はボルトＨ
ｚの単位で表される。正確な基準振動数Ｆref とジャイ
ロへ供給される振動数との振動数の差の測定が実施され
る。基準振動数は、シリンダ振動数の低整数倍あるいは
高整数倍で、かつ振動数メータ（５６）に従った単位で
も供給される。振動数差メータの精度は、約０．２％で
ある必要がある。
【００４２】Ｖref は基準電圧であり、おそらく専有の
バンドギャップ半導体基準から得られる。本実施例で
は、Ｖref は１ボルトであり、Ｖ3 ＝Ｖref である。
バンドギャップ半導体基準から得られる。本実施例で
は、Ｖref は１ボルトであり、Ｖ3 ＝Ｖref である。
【００４３】これらの信号は組み合わされ、電圧Ｖ4 を
生ずる。ここで、Ｖ4 は、以下の式で与えられる。
生ずる。ここで、Ｖ4 は、以下の式で与えられる。
【００４４】 Ｖ4 ＝Ｋ１．Ｖ１＋Ｋ２・Ｖ２＋Ｋ３・Ｖ３… （１） 係数の典型値は次のとうりである。
【００４５】Ｋ１＝−２×１０-5 Ｋ２＝５．５×１０-4 Ｋ３＝１ 上記の実施は、１例のみにすぎないことを強調してお
く。実用上は、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のより便宜な尺度構成
を、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３の対応値とともに選択することが
できる。
く。実用上は、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のより便宜な尺度構成
を、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３の対応値とともに選択することが
できる。
【００４６】さらに、コントローラの実用的実施には、
多数の方法がある。しかしこれらの方法のいずれも、結
果的に得られる式は上記と類似するという一般的特徴を
持っている。
多数の方法がある。しかしこれらの方法のいずれも、結
果的に得られる式は上記と類似するという一般的特徴を
持っている。
【００４７】第１コントローラの目的は、第１ピックオ
フ振幅をＶ４にするため、制御信号を利得制御エレメン
トへ発信することである。
フ振幅をＶ４にするため、制御信号を利得制御エレメン
トへ発信することである。
【００４８】一次ピックオフ信号の振幅を測定するた
め、ＶＣＯ信号に関して一次ピックオフ信号を復調する
ことが実施可能である。復調された信号は次いでＶ４と
比較され、整形回路へ送られたエラー信号は、必要な制
御信号を利得制御エレメントへ送る。
め、ＶＣＯ信号に関して一次ピックオフ信号を復調する
ことが実施可能である。復調された信号は次いでＶ４と
比較され、整形回路へ送られたエラー信号は、必要な制
御信号を利得制御エレメントへ送る。
【００４９】ループ安定性と適正精度が得られることを
確保するため、この実施には制御理論の知識が要求され
る。しかし、可能な実施は、この振幅制御ループと他の
制御ループとの相互作用を回避するため、整形回路中に
極めて緩慢な積分器を用いることである。
確保するため、この実施には制御理論の知識が要求され
る。しかし、可能な実施は、この振幅制御ループと他の
制御ループとの相互作用を回避するため、整形回路中に
極めて緩慢な積分器を用いることである。
【００５０】利得制御エレメントの目的は、第１コント
ローラからの制御入力との関連でＶＣＯの振幅を調整す
ることである。種々の実施が可能であるが、その一つと
して、市販の自動利得制御積分回路を使用することがあ
る。
ローラからの制御入力との関連でＶＣＯの振幅を調整す
ることである。種々の実施が可能であるが、その一つと
して、市販の自動利得制御積分回路を使用することがあ
る。
【００５１】閉鎖ループ系の概略図を図５に示す。
【００５２】開放ループ系の一般的モデルは図６に示さ
れており、図中、感知エレメントが外部駆動回路によっ
て発振を始める。励振振幅は振動数及び温度を基準とし
て調整される。本系は、一次ピックオフ振幅が固定され
ていないので、開放ループである。かかるセンサには、
Ｑの変化から生じる温度に伴う予想可能な変化が起こ
る。これらの変化は、一次ピックオフ信号の振幅の測定
によって、外部的に補償することができる。
れており、図中、感知エレメントが外部駆動回路によっ
て発振を始める。励振振幅は振動数及び温度を基準とし
て調整される。本系は、一次ピックオフ振幅が固定され
ていないので、開放ループである。かかるセンサには、
Ｑの変化から生じる温度に伴う予想可能な変化が起こ
る。これらの変化は、一次ピックオフ信号の振幅の測定
によって、外部的に補償することができる。
【００５３】図７及び図８は、上記に類似の開放及び閉
鎖ループ系を示しているが、圧電パラメータの変化補償
は、マイクロプロセッサ（図示省略）等により、外部か
ら行われる。必要なアルゴリズムは当該技術分野ではよ
く理解されているので、本文中での記載を省略する。
鎖ループ系を示しているが、圧電パラメータの変化補償
は、マイクロプロセッサ（図示省略）等により、外部か
ら行われる。必要なアルゴリズムは当該技術分野ではよ
く理解されているので、本文中での記載を省略する。
【００５４】この基本系は、出願人同時係属出願第９２
０７８８６．４号に記載のいずれの組合せ装置にも加え
ることができる。
０７８８６．４号に記載のいずれの組合せ装置にも加え
ることができる。
【００５５】以下の請求の範囲に限定される本発明の範
囲内で、本発明の実施態様へ種々の改良及び変形を行う
ことができる。
囲内で、本発明の実施態様へ種々の改良及び変形を行う
ことができる。
【図１】単軸速度センサの一般的模式図である。
【図２】第１図の従来型速度センサの振動部位の共振モ
ードの上部から見た振動パターンの図示である。
ードの上部から見た振動パターンの図示である。
【図３】先行技術装置に組み込まれたタイプの従来型振
動式シリンダ、及びシリンダ上に配置した電極を示す。
動式シリンダ、及びシリンダ上に配置した電極を示す。
【図４】圧電材料から成り、電極域間の該材料を極性化
して駆動ピックオフトランスデューサを形成した、単一
構造の類似の従来型装置を示す。
して駆動ピックオフトランスデューサを形成した、単一
構造の類似の従来型装置を示す。
【図５】本発明の一実施例による速度センサを模式的に
表したものである。
表したものである。
【図６】本発明の別の実施例による速度センサを模式的
に表したものである。
に表したものである。
【図７】本発明のさらに別の実施例による速度センサを
模式的に表したものである。
模式的に表したものである。
【図８】本発明のさらに別の実施例による速度センサを
模式的に表したものである。
模式的に表したものである。
【図９】本発明へのコントローラ及び利得制御ブロック
の実施の１例を示すブロック図である。
の実施の１例を示すブロック図である。
12：シリンダ、 14：一次駆動トランスデューサ、 16：二次駆動トランスデューサ、 18：一次ピックオフトランスデューサ、 20：二次ピックオフトランスデューサ、 22：一次制御ループ、 23：二次制御ループ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルコルム・ピイ．ヴアーナム イギリス国．ピイエル６・６デイイー. デボンシヤー．ピリマウス．クルタフオ ード・ロード．（番地なし）ブリテツシ ユ・エアロスペース・システムズ・アン ド・エクイプメント内 (72)発明者 ジエームス・マツキニーズ イギリス国．エスジイ１・２エヌジエ イ．ハートフオードシヤー．ステイブン エイヂ．アンゴツツ・ミード．10 (56)参考文献 特開 平４−134208（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−61613（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−278414（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開153189（ＥＰ，Ａ １) 欧州特許出願公開492739（ＥＰ，Ａ １) 英国特許出願公開2061502（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 3/481 - 3/489 G01C 19/56
Claims (9)
- 【請求項１】 圧電材料を組み込みかつ軸(Ｘ)を中心に
設置したシリンダ(１２)、前記シリンダへ半径方向振動
を与える一次及び二次駆動トランスデューサ（１４，１
６）、前記シリンダ中に引き起こされる振動の有無を検
出する一次及び二次ピックオフトランスデューサ（１
８，２０）、一次ピックオフトランスデューサから信号
を受信し、一次駆動トランスデューサと一次ピックオフ
トランスデューサの間に90度の位相のずれを起こして共
振を維持する一次制御ループ（２２）、二次ピックオフ
トランスデューサからその回転を表示する信号を受信し
その信号を無効にしてゼロになるように、信号を二次駆
動トランスデューサへ向ける二次制御ループ（２３）を
備え、またシリンダの作動温度を感知して作動温度信号
（Ｔｏ）を出力する温度センサ、及び、作動温度信号及
び一次ピックオフトランスデューサから共振数信号を受
信し、それらをシリンダ圧電材料中のパラメータ変化の
補償に使用する補償部材を備える、軸（Ｘ）を中心とし
た回転運動を検出する速度センサ装置。 - 【請求項２】シリンダ圧電材料が、亜チタン酸鉛であ
り、補償されるパラメータ変化に老化も含まれる、請求
項１に記載の速度センサ装置。 - 【請求項３】利得制御装置及び、一次ピックオフ信号の
振幅を基準電圧（Ｖｒｅｆ）と比較し、利得制御装置へ
補正信号（ＣＳ）を与えることができる第一コントロー
ラから構成される利得制御回路を、一次制御ループ内に
有する請求項２に記載の速度センサ装置。 - 【請求項４】補償部材が、作動温度信号（Ｔo）を受信
し、且つシリンダの共振数をモニターし、それらを一次
ピックオフ振幅の基準振幅の開放ループ補償を与えるた
めに使用できる第二コントローラを有する、請求項３に
記載の速度センサ。 - 【請求項５】第二コントローラが、シリンダ振動数と周
辺温度でのシリンダ振動数の初期設定値との差に比例す
る出力電圧Ｖ２を与えることができる振動数差メータを
有する、請求項４に記載の速度センサ装置。 - 【請求項６】一次制御ループ内に利得制御装置を有し、
補償部材が温度センサと利得制御装置の間に接続され、
シリンダの共振数をモニターし、振動数及び温度を基準
として入力駆動振幅を調整できるコントローラを有する
請求項１に記載の温度センサ装置。 - 【請求項７】 制御手段が、温度センサ、作動温度信号
（To）及び一次ピックオフ信号（Ｂ）が出力される補償
回路である、請求項１から６のいずれかに記載の速度セ
ンサ装置。 - 【請求項８】補償回路がマイクロプロセッサを有する、
請求項７に記載の速度センサ装置。 - 【請求項９】一次制御ループが、直角に作動するように
配置された位相検出器をもつ位相ロックループ（ＰＬ
Ｌ）、低減フィルタ及び電圧制御発振器を有する請求項
８に記載の速度センサ装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9220977:4 | 1992-10-06 | ||
| GB9220977A GB9220977D0 (en) | 1992-10-06 | 1992-10-06 | Method of and apparatus for compensating for material instabilities in piezoelectric materials |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06281661A JPH06281661A (ja) | 1994-10-07 |
| JP3233514B2 true JP3233514B2 (ja) | 2001-11-26 |
Family
ID=10723026
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25039693A Expired - Fee Related JP3233514B2 (ja) | 1992-10-06 | 1993-10-06 | 圧電材料の物質不安定性の補償方法及び装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0592171B1 (ja) |
| JP (1) | JP3233514B2 (ja) |
| DE (1) | DE69317346T2 (ja) |
| GB (1) | GB9220977D0 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07301534A (ja) * | 1994-04-29 | 1995-11-14 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電振動ジャイロ |
| JP3453724B2 (ja) * | 1994-06-03 | 2003-10-06 | アイシン精機株式会社 | 角速度検出装置 |
| FR2749394B1 (fr) * | 1996-05-29 | 1998-08-07 | Sagem | Appareil de mesure de rotation |
| DE19710359B4 (de) * | 1997-03-13 | 2006-05-11 | Robert Bosch Gmbh | Vorrichtung zur Ermittlung einer Bewegungsgröße mit automatischer Schalenfaktornachführung |
| GB9823410D0 (en) * | 1998-10-26 | 1998-12-23 | Smithkline Beecham Plc | Novel device |
| GB0227098D0 (en) | 2002-11-20 | 2002-12-24 | Bae Systems Plc | Method of calibrating bias drift with temperature for a vibrating structure gyroscope |
| US7801694B1 (en) | 2007-09-27 | 2010-09-21 | Watson Industries, Inc. | Gyroscope with temperature compensation |
| GB201008526D0 (en) * | 2010-05-21 | 2010-07-07 | Silicon Sensing Systems Ltd | Sensor |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| GB8404668D0 (en) * | 1984-02-22 | 1984-03-28 | Burdess J S | Gyroscopic devices |
| GB9027992D0 (en) * | 1990-12-22 | 1991-02-13 | British Aerospace | Piezo-electric sensors |
-
1992
- 1992-10-06 GB GB9220977A patent/GB9220977D0/en active Pending
-
1993
- 1993-10-04 DE DE1993617346 patent/DE69317346T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1993-10-04 EP EP19930307867 patent/EP0592171B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-10-06 JP JP25039693A patent/JP3233514B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB9220977D0 (en) | 1992-11-18 |
| DE69317346D1 (de) | 1998-04-16 |
| EP0592171B1 (en) | 1998-03-11 |
| JPH06281661A (ja) | 1994-10-07 |
| EP0592171A1 (en) | 1994-04-13 |
| DE69317346T2 (de) | 1998-07-02 |
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