JPH0324411A - 角速度検出装置 - 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」―の利用分野） この発叩は、角速度の検出に好適な音響式の角速度検出
装置に関する。

《従来の技術） 従来、この柿の角速度検出装置としては、米国特許２９
９９３８９号に記載のものが知られており、ジャイロ内
に定在波を発生させ、角速度が発生した場合センサ内部
に発生する音圧変化を検出することにより角速度の大き
さを検出するようなされている。

今、これを第９図に基づいて説川１するど、発振器３０
によってスピーカ３１を駆動させ、ケース３２内部に定
在波３３を発生させる。また、３４は定在波３３によっ
て形成される波の節で、ケース３２上であって、この波
の節３４の形成ｆ１γ置には音圧検知のための一対の導
管３５．３６が取１’Ｊ付けられ、導管３５．３６は差
圧マイクロホン３７に接続されている。

なお、３８は差圧マイクロホン３７の出力を増幅する増
幅器、３９は瞥流器である。

ここで、ケース３２にｆｆ速度が加わらない状態では２
つの導管３５．３６を介して検知される音圧は等しい。

一方、ケース３２に矢印Ｗ方向のｆｒ＋速度が加えられ
た場合、ケース３２内には同図においてｙ軸方向にコリ
オリフォースが発生し、これによって２つの導管３５．
３６を介して検知される音圧は異なってくる。

そこで、この例では、この音圧差を差圧マイクロホン３
７で検出することによってケース３２に加えられる角速
度Ｗの大きさを検出するよう構成されている。

《発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の如き従来の角速度検出装置にあっ
ては、ケース３２を正確に設計製作するのが困難なので
、ケース３２内に定在波３３を正確に発生させることが
できず、精度良く角速度を検出することができないとい
う問題点があった。

これは、ジャイロの設計が正確でない場合、定在波のふ
しの圧力を正確に検出できないので、コリオリフォース
が加わっても同時に角速度に比例しないノイズ成分が発
生し、Ｓ／Ｎ比が悪くなることに起因する。

この発叩は、上記課題に鑑み、精度良く角速度を検出す
ることができる角速度検出装置を提供することを目的と
する。

《課題を解決するための千段〉 この発明は、上記課題を解決するために、ケース内に振
動波を発生させる発振器と、 該ケース内の２箇所に設けられた圧力検出手段と、 上記２つの圧力検出手段により検出される圧力の差を検
出する圧力差検出手段と、 −１−記発振器の交流駆動電圧の所定位相点を基準とし
、該基準位相点より半周朋の奇数倍の時間までの上記圧
力差を積分して角速度を計測するＭ　ｌ７Ｉ［ｌＩ手段
と、 を有することを特徴とする。

《実施例の説明） 次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発叩が適用された第１の実施例の基本構成を
示すブロック図である。

同図において、発振器１では所定の周波数信号が出力さ
れており、その発振信号は音圧信号検知部２およびパル
ス回路３に出力されている。

一方、音圧信号検知部２は、角速度検出装置に角速度が
加えられた場合、ジャイロ内で発生する音圧変化を検知
している。

また、パルス回路３は、発振器１から出力される発振信
号電圧が０のときに所定のパルス信号を遅延回路４に出
力している。

そして、遅延回路４では、上記パルス信号を一定時間遅
延させて積分回路５に出力している。

一方、積分回路５は、遅延回路４からのパルス人力時か
ら所定時間、音圧信号検知部２から供給される音圧信号
を積分している。

そして、積分回路５で積分された検知信号は整流器６に
送られ、整流信号に変換されている。

以上が本実施例に係る角速度検出装同の基本摺戊である
が、次にこの挿音響式の角速度検出装置における角速度
検出の基本原理を説明する。

第２図には角速度検出装置の箱型のモデルＭが示されて
いる。今、このモデルＭのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の長さ
をそれぞれＬｘ，Ｌｙ，Ｌｚとずここで、モデル内の気
体密度をρ、波数を１（、気体速度ポテンシャルをφと
したとき、まず音場の一般式より次式が得られる。

Ｖ２φ十ｋ２φ＝Ｏ　　　　　　　　　　（１）また、
ｎ方向の拉子速度をＶｎとすると次式が得られる。

さらに、音圧Ｐは、次式で得られる。

ここで、上記（１）式およびモデルＭの壁面（Ｘ＝Ｑ，
Ｌｘ，Ｙ＝Ｏ，Ｌｙ，Ｚ＝０，Ｌｚの面）では粒子速度
Ｖｎ＝Ｏという境界条件より、次式（４）の一般解が得
られる。

Ｌｚ （ｎ，　ｍ，　　ｓは整数）（４） 一方、第３図は第２図のＸ−Ｙ平而図てあるが、同図に
示す如く、Ｘ＝０の平面に発音源Ｓを取り付け共振させ
ると、ｙ，　　ｚ方向の粒子速度を１頭視した場合、次
式（５）が得られる。

そして、さらに発音源Ｓの発振周波数をｎ＝１の単一周
波数にすると次式（６）が得られる（この場合、（υ一
π／ＬＸ−Ｃ）　　　（Ｃ：音速）このとき、Ｘ＝Ｌｘ
／２におけるＸ方向の粒子速度Ｖｘは、（２）式より次
式（７）で得られる。

さらに、１＝０のとき、Ｖ　ｘ　＝　Ａ　ｙｒ　／　Ｌ
　ｘと初朋条件を設定すると次式（８）が得られる。

Ｖｘ＝表”ｃｏｓ（（υｔ） Ｌ　ｘ　　　　　　　　　　　　（８）従って、Ｘ＝Ｌ
ｘにおける音圧Ｐｘは（３）式より次式（９）で得られ
ることになる。

Ｐｘ＝ｐ　（−Ｌ！ｅ−）　＝Ａωρｓｌｎ（ωｔ）６
　ｔ　　　　　　　　　　　（９） このような箱型モデルＭに第３図に示す如く角速度Ｗが
作用すると、ｘ　＝　Ｌ　ｘ　／　２、ｙ＝Ｌｙ／２に
ある気体拉子はｙ軸方向にＶｘをパラメータとするコリ
オリフォースＦを受ける。

Ｆ＝２ｍＷＶｘ　　　　　　　　　　　　　（１０）一
方、この点のｙ方向の速度をｖｙとすれば、ニュー１・
ンの法則により Ｆ＝ｍ・δｖｙ δｔ ここで、 Ｖｙ＝ｆＦ−ｄｔ＝ｆ２Ｗ■ｘｄｔ ｍ したがって、（８）式より、次式が得られる。

従って、ｙ方向の音圧Ｐｙは、次式（１４）で得られる
。

一方、ｙ＝ｏ，ｙ＝Ｌｙの境界条件下では、壁面の影響
でｖｙ＝ｏである。

ここで、Ｗくく（υであることと、（４）式より次式が
得られる。

また、Ｗ＜＜ωより、μ１速度ＷのＸ軸方向への影響を
無視すると、（８）式と（１２）式より、次式（１３）
が得られる。

ここで、例えは第３図において点Ａ（Ｌｘ／２．０），
Ｂ　（Ｌｘ／２，Ｌｙ）の２点における音斤差を得よう
とすれば、（１４）式において点Ａ，Ｂの座標値を代入
し、Ａ点における音圧ｐｙＡおよびＢ点における音圧Ｐ
ＹＢを求め、ｐｙＢ−ｐｙＡを演算することにより点Ａ
，　　Ｂ間の音汗差を検出することができる。ところで
、（１４）式において、角速度戊分Ｗが含まれていない
珀は、点Ａ，　　ＢのＸ座標の１六が等しいので、とも
に一ＡρωｃｏＳ（π／Ｌ　ｘ　＠Ｌ　ｘ／　２）　ｓ
ｉｎ（ωｔ）で示される。

従って、一般には、Ｐｙｓ−ＰＹＡの１直は、角速度成
分Ｗの含まれない項同士が相殺されて、ｆｒ＋速度成分
Ｗが含まれた項のみで表せることになる。

そこで、このＰＩ／Ｂ−ＰｙＡの｛笛に７ｉ％いて角速
度Ｗの大きさを検出しようとするのが、この挿音響式ｆ
ｒ１速度検出装１ｄにおけるｆＦ＋速度検出の基本原理
である。

ところで、すでに述べたように角速度検出装茂を正確に
設旧製作することは困難である。

このため、Ｐｙｓ−ＰＹＡの演算を行った場合、角速度
成分Ｗが含まれない項同士で相殺されず、この結果ｐｙ
ｓ−ＰＹＡの演算値に角速度戊分Ｗが含まれない項が残
ることになる。

そして、このことはＳ／Ｎ比を悪化させ、Ｆｓ速度Ｗの
検出精度を下げることになる。

ところで、（１４）式より理解されることは、ｙ方向の
音圧ｐｙは、角速度成分Ｗが含まれた項と、位相が９０
度ずれてＦ（＋速度成分Ｗが含まれていない項との和と
して表わされていることである。

そこで、ｙ軸方向に加わる差圧Ｐｙａ−ＰｙＡのうち、
スピーカの人力信号に対して９０度ｆｓ’ｔ．相ずれし
て人力される角速度成分Ｗだけを含んだ成分を検出し、
これにより、ノイズ成分の影響を受けない正確なｆｒ＋
速度成分だけを検出しようとするのが本実施例である。

第４図は、本実施例に係わる角速度検出装訴の平面図で
あるが、発振器１によってスピーカ１２を駆動させ、ケ
ース１３内部に定在波１４を発生させる。また、１５ａ
．１５ｂは、ケース１３の長手方向中央部分に設けられ
たマイクロホンで、ケース１３に角速度Ｗが加えられた
場合、両マイクロホン１５ａ，１５ｂで検知される音圧
差を検出することにより、角速度Ｗの検出をするような
されている。

以下、本実施例における角速度Ｗの検出処理゛ト順につ
いて説明する。

なお、同図においては、説四の便宜上点０の拉置を原点
（０．　０）とするｘ−ｙＰ’＋標上にケース１３を示
し、ケース１３の長手方向の長さをＬｘ，幅方同の長さ
をＬｙとする。

まず、発振器１の出力電Ｈｖを次のように定める。

Ｖ＝ＶＯＳＩｌｌｔυｔ　　　　　　　　　　（１５）
このときスピーカ１２によるケース１３内のＪ：Ｅ力Ｐ
は、音圧の振幅をＰ。、発振器１とスピーカ１２間のＩ
Ｉ．ｌＪ間遅れをＴとすると、次式（１６）で表わせる
。

ここで、第４図に示ず如＜ｒｒ＋速度Ｗが印加されると
、コリオリフォースによりｙ軸方向の式Ｘ＝Ｌ　ｘ　／
　２で示される直線上の汗力Ｐ′は次式（１７）で示さ
れる。

Ｌｙ　　　　　　　　　　（１７） ここで、（Ｌｘ／２．０）、（Ｌｘ／２，Ｌｙ）のｆ＼
γ評にある２つのマイクロホン１５ａ，１５ｂが、正確
にその座標位置にあり、正みのない定在波が発生してい
れば、両マイクロホン間の圧力差はｆｒｊ速度Ｗに比例
するが、マイクロホン位置がずれていたり、定在波に走
みが発生していれば、注力差Ｐ′は、次式（１８）にお
いてＰ″で示される。

Ｐ’　−ＰＯ　αｓｌ＋（（υ（ｔ−Ｔ））（ただしα
は定数）　　　　　　　　　　　（１８）また、このと
き両マイクロホン１５ａ．１５ｂにより出力される出力
電圧Ｖｙ　（ｔ）は次式（１９）で示される。

Ｖｙ　（ｔ）　−Ａｓｌｎ（ω（ｔ　−Ｔ）　）→−Ｂ
Ｗｃｏｓ（ω（　ｔ　−Ｔ）　）（ただし、Ａ，　　Ｂ
は定数）　　　　　　　　（１９）ここで、マイクロホ
ンｆクＬ置のずれや定在波の歪みが大きいと、ＢＷに対
してＡが大きくなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。

そこで、本実施例では、角速度比列成分ＢＷのみを検出
すべ《、以下の如き処理がなされることになる。

なお、第５図には第２図に示した各構戊部分間を流れる
信号の信号波形が示されており、以下第５図を参照しな
がら本実施例の動作を説明する。

まず、発振器１の発振信号は音圧信弓検知部２およびパ
ルス回路３に、第５図（ａ）に示す如く出力される。

続いて、音圧信号検知部２では、（ｂ）図に示す如く、
発振器１とスビーカ１２間の距離相当時間であるＴだけ
遅れて音圧検知信号Ｓｎが積分回路５に出力される。

ところで、このときの検知信号Ｓｎは（１つ）式におい
て式Ａ　ｓ　Ｉ　ｎ　（ω（ｔ−Ｔ））に相当するもの
でありノイズ戊分である。一方、同図において、角速度
Ｗを含んだ式ＢＷｃｏｓ（ω（ｔ　　Ｔ）　）に相当す
る戊分は、検知信号Ｓｎより９０゜僚相ずれしてＳｗと
して出力されている。従って、この実施例では、信号Ｓ
ｗに注目して角速度戊分を検出しようとするものである
。

一方、パルス回路３は発振器１の発振信号電圧が０のと
き、すなわちｔ”＝ａπ／ωのとき（ただしａは正の整
数）遅延回路４にパルスを１』（給している（同図（ｃ
）参照）。

そして、遅延回路４は、 ｔ’　＝　（　（ｂ＋１／２）π／ω＋Ｔ）（ただし、
ｂはｔ′が正となるような任意の整数）の時間だけ遅延
されたパルスを積分回路５に出力している（同図（ｄ）
参照）。

従って、積分回路５には、ｔ　”＋ｔ’　＝　（ａ＋ｂ
＋１／２）π／ω＋Ｔの時間経過ごと、すなわち（ｄ）
図においてＴＩ　＋　”ｒ２１　’ｒ３１　・・・時に
、パルスが出力されている。そして、このとき、積分回
路５は所定時間、すなわち次目のパルスが人力されるま
で音圧信−弓検知部２の検知出力（ｐＶｙ（１）を積分
する。

いま、これを同図（ｂ）に基づいて説明すると、Ｔ　，
　ｌＲｊｌこ遅延目１１δ４からパルスの人力があると
、次回にパルス人力があるまでのＴ２時までの音汗信弓
検知部２の検知出力値Ｖｙ　（ｔ）を積分する。

この場合、出力値Ｖｙ　（ｔ）の中にはノイズ或分Ｓｎ
と角速度成分Ｓｗがともに含まれている。ところで、Ｔ
，時からＴ２時までのＶｙ　（ｔ）を積分すると、Ｔ，
時からＴ２時までの間ではｆ６速度戊分Ｓｗはそのまま
積分されて（ｅ）図のＷ，の如き角速度成分が得られる
。一方、ノイズ成分Ｓｎに着目ずると、Ｔ１時からＴ２
時までのｖｙ（１）を積分すると、ノイス戊分Ｓｎは（
ｂ）図においてＮ，とＮ２が相殺されて０となる。

従って、Ｔ，時からＴ２時までの出力値ｖｙ（１）を積
分すると、角速度成分Ｓｗのみを検出することができる
ことになる。

このときの積分｛西よ（１９）式より次式（２ｏ）で示
される。

，＝＋ＢＷ 一　ω （２０） 第５図（ｅ）には、Ｔ，〜Ｔ２時、Ｔ２〜Ｔ３時、Ｔ３
〜丁４時，・・・における積分値±ＢＷが示されている
。

この積分値は、整流器６に出力されて、角速度に比例し
た餠が出力されることになる（第６図（ｆ）参照）。

本実施例では、上記の如く、角速度戊分Ｓｗはノイズ成
分Ｓｎより９０°位相ずれして加えられることに着目し
、Ｔ１時からＴ２時の如く、出力値を積分処理した鳩合
川速度成分Ｓｗは完全に計測できるがノイズ成分Ｓｎは
相殺されて０となる所定時間を設定し角速度ＷのＨＬ／
ｌＭをするよう構戊した。このため、角速度検出装ＩＨ
に角速度が加えられた場合、角速度成分だけを抽出して
正確な角速度の旧測かできることになる。なお、半周期
の奇数恰の区間、積分してもよい。

また、本実施例では、半周期の区間で積分しているため
、高周波ノイズが除去され、ローバスフィルタの機能も
果たしていることになる。

なお、この実施例では、発振器１から出力される発振信
号は、一旦パルス回路３に出力し、次に遅延凹路４に出
力ずるよう構成したが、第６図に示す如く、パルス回路
３と遅延四路４の１〜゜ｆ置を逆にしても良い。この場
合、発振器１の発振信号はまず遅延回路４で遅延され、
しかる後パルス回路３でパルス化されることになる。

また、第７図に示す如く、パルス回路３と遅延−路４を
一体化してパルス遅延回路７を設けるよう構成すること
もできる。

第８図は、上記パルス遅延回路７の回路図である。同図
に示す如く、パルス遅延回路７は、ＯＰアンプ２０，マ
ルチバイブレータ２１，フリップフロップ２２を中心と
して構戊されており、パルス発生部３Ａで発生されたパ
ルスは、パルス遅延部４Ａで遅延化されている。

《発叩の効果） 本発明に係わる角速度検出装置は、上記の如く、ケース
内に振動波を発生させる発振器の交流駆動電圧の所定位
相点を基準とし、該京準１１゛乙川点より半周期の奇数
倍の時間までのケース内圧力差戊分を積分することによ
り角速度を計測するよう構成したので、ジャイロの設計
が正確でない場合においても、精度良く角速度を検出す
ることができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発四が適用された第１の実施ト！１の基本構
成を示すブロック図、第２図は音響式角速度検出装置の
基本原理を説リ１するためのモデル、第３図は第２図に
おけるモデルに角速度Ｗが加えられる場合の説明図、第
４図は第１の本実施例における角速度検出装置の平而図
、第５図は第１図に示した各構戊部分間の信号波形図、
第６図は第２の実施例の基木Ｉ１ｉ成を示すブロック図
、第７図は第３の実施例の基本構成を示すブロック図、
第８図は第７図におけるパルス遅延回路の詳細回路図、
第９因は従来利におけるＦｒＪ速度検出装はの説明図で
ある。 １・・・発振器 ２・・・音汗信弓検知部 ３・・・パルス一路 ４・・・遅延ロ路 ５・・・積分口路 ６・・・幣流器 ７・・・パルス遅延回路 １２・・・スピーカ １３・・・ケース １４・・・定在波 １５ａ．１５ｂ・・・マイクロホン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ケース内に振動波を発生させる発振器と、該ケース
   内の２箇所に設けられた圧力検出手段と、 上記２つの圧力検出手段により検出される圧力の差を検
   出する圧力差検出手段と、 上記発振器の交流駆動電圧の所定位相点を基準とし、該
   基準位相点より半周期の奇数倍の時間までの上記圧力差
   を積分して角速度を計測する計測手段と、 を有することを特徴とする角速度検出装置。