JPH032614A

JPH032614A - ジャイロ装置

Info

Publication number: JPH032614A
Application number: JP1138141A
Authority: JP
Inventors: Takao Murakoshi; 尊雄村越; Takeshi Hojo; 武北條; Isao Masuzawa; 益沢　功; Kazuteru Sato; 一輝佐藤
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1991-01-09

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〕本発明は音叉を用いたジャイロ装置（角速度検出装置）
に関する。

〔従来の技術〕

従来のジャイロ装置の一実施例を、その斜視図である第
３図を参照して説明する。同図の実施例に於ては、音叉
（１）を、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ｉＱ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、
この基部（１−３）より両撓み部（１−２）　、　（１
−２）間の空隙内を両者に非接触で伸びる連結部（１−
４）とより構成する。

尚、（３０）はヒンジで、このヒンジ（３０）は、中央
の連結部（３０−２）と、これから左右に伸延する短冊
状のヒンジ部（３０−１）　、　（３０−３）　と、該
２個のヒンジ部（３０−１）　、　（３０−３）の遊端
を一体的に連結、結合する基部又は板部（３０−５）と
から構成される。ヒンジ（３０）は全体として一枚の板
からワイヤカット等の方法で製作することが望ましい。

又、音叉（１）は板部（３０−５）からワイヤカット等
の方法により作り出すことも可能である。

ヒンジ部（３０４）　、　（３０−３）には、音叉（１
）の入力軸（Ｚ−Ｚ）まわりに入力する角速度Ωによる
音叉（１）、従ってヒンジ（３０）に生ずる撓みを検出
するための圧電素子（３１−１）　、　（３１−２）が
夫々固定される。

又ヒンジ（３０）の連結部（３０−２）は、音叉（１）
の連結部（１−４）の口字状凹部（１−４ａ）に嵌合し
ている。

この場合、ヒンジ（３０）の板部（３０−５）の面は、
音叉軸或いは人力軸（２−２）と直交するようになされ
ている。ヒンジ（３０）の板部（３０−５）は、円筒状
の弾性部材（４２−１）　、　（４２−２）　、　（４
２−３）　、　（４２−４）を介し、下端部を取付基台
（４４）に固定されている。尚、上記構成において、音
叉（１）の重心が、ヒンジ（３０）の両ヒンジ部（３０
−１）　、　（３０−３）の中心、即ち連結部（３０−
２）の中心に一致するように、音叉（２）の各部は設計
されていることは勿論である。ジャイロ信号検出回路や
音叉駆動回路などの電気回路（４６）を、同図に示す如
く直接ヒンジ（３０）の板部（３０−５）に取付けるよ
うにすることも可能である。

第４図は第３図に示した従来例の原理を説明するための
説明図で、その主要部を第３図の軸（Ｚ−２）方向から
見たものである。同図に示す如く、このジャイロ装置に
、角速度Ωが軸（２−２）まわりに加わると、それに対
応したコリオリの力Ｆｃが、両振動質量部（１−１）　
、　（１−１，）に互に平行且つ反対向に発生し、これ
によるトルクが、ヒンジ（３０）の連結部（３０−２）
を介してヒンジ部（３０−１）　、　（３０−３）に、
同図に示す如く、Ｓ字状の曲げ変形を生せしめる。この
場合、圧電素子（３１−１）　、　（３１−２）は、そ
の分極方向が同図で＋、−で示したように、互に逆方向
になるように、夫々ヒンジ部（３０−１）　、　（３０
−３）に固定されているので、両圧電素子（３１−１）
　、　（３１−２）を短絡して一つの出力（４５）とし
、これを、第３図に示す音叉駆動回路（３５）からの電
圧と共にジャイロ信号検出回路（７）で同期整流するこ
とにより、入力角速度Ωを検出し、従ってジャイロ装置
を得ることが出来る。

尚、図示せずも、入力軸（Ｚ−Ｚ）と直角な軸（Ｙ−Ｙ
）方向に加速度が作用した場合には、圧電素子（３１−
１）と（３１−２）とに誘起される電圧は互に逆符号と
なり、これ等より出力はでない。

又、温度による影響を避けるために、音叉（１）及びヒ
ンジ（３０）を熱恒弾性材で作ることが望ましい。

更に、検出感度を上げるためには、音叉（１）の共振周
波数と、音叉（１）の入力軸（Ｚ−Ｚ）まわりの慣性能
率と、ヒンジ部（３０−１）　、　（３０−３）の入力
軸（Ｚ−Ｚ）まりわのトルクバネ定数及びヒンジ（３０
）の板部（３０−５）の人力軸（２−２）まりわの慣性
能率で決定される入力軸（Ｚ−Ｚ）まりわの自由用共振
周波数とを、略々等しい値に選定することが望ましい。

更に、駆動用の圧電素子（４）を音叉（１）の基部（１
−３）の端面（１−３ａ）の中央に固定し、又、変位検
出用の圧電素子（６）を音叉（１）の撓み部（１−２）
及び基部（１−３）に亘ってその片側に固定し、圧電素
子（４）を、音叉駆動回路（３５）からの電圧により駆
動すると共に、この圧電素子（３１−１）　、　（３１
−２）よりの出力電圧を、ジャイロ信号検出回路（７）
により同期整流することにより、入力角速度Ωを検出し
、ジャイロ装置となす。

第５図は音叉駆動回路（３５）を含んだ音叉駆動系（３
５Ａ）及びジャイロ信号検出回路（７）を含んだ検出系
（７Ａ）の一実施例を示すブロック線図である。図中、
（１０）は音叉（１）の力学的振動系、すなわち制御対
象（振動ジャイロの音叉系）を示し、そのブロック内は
その伝達関数を示す。（１１Ｂ）は変位検出用圧電素子
（６）を含む変位検出器全体を示し、Ｇ２は、そのゲイ
ンである。上記変位検出器（ＩＩＢ）の出力電圧■ｐ２
は、音叉駆動回路（３５）のプリアンプ（３４）に加え
られ、その出力ｖ　ｐ２’は４５°移相器（３７）　。

乗算器（１２）を介して、音叉駆動回路（３５）の出力
として制御信号Ｖｃを出力し、その出力Ｖｃは駆動圧電
素子（４）よりなる駆動装置　（４Ｂ）を介して、力学
的振動系（ｌＯ）に加えられ、制御ループが閉じるよう
構成されている。

４５°移相器（３７）の出力ＶＧ１３はへＣ−ＤＣ変換
部（１６）にも加えられる。＾Ｃ→ＤＣ変換部（１６）
は、入力端子Ｖ９３を全波整流し、図示せずも適当な平
滑回路によりＶｌ）ｓの振幅に対応した直流電圧を出力
する。

Ｖｐｉの直流電圧は、基準電圧■を例えばボテンシジメ
ータのような設定素子（１５）を通して得られた設定電
圧■１と、加算器（ＭＤＩ）で比較され、その偏差信号
は、ゲインＧ、の偏差増幅器（１８）に加えられる。偏
差増幅器（１Ｂ）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。

上述の如く、構成された音叉駆動回路（３５）を含んだ
音叉駆動系（３５Ａ）の閉ループは発散振動する性質を
もち、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Ｖ９３
も増大するので、設定電圧■１とＡＣ→ＤＣ変換部（１
６）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）の出力は、Ｖρ、の増大
と共に偏差増幅器（１８）の出力電圧の減少の影響で小
さな値となって行き、ついにはループ−巡の信号も音叉
（１）の振幅も一定となる。

次に、検出系（７Ａ）について述べる。前述の如く音叉
（１）を動作させた状態で第３図に示す音叉軸（２−２
）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と入
力角速度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（Ｚ−Ｚ）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、圧電素子（３１−１）　、　（
３１−２）からなる角振動検出器（１８１）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、上記角
振動検出器（１８１）の出力電圧Ｖｐｌを、プリアンプ
（３２）を介してデモジュレータ（３３）に人力し、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、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）の再振動質量部（１
−１）、　（１−１）の質量、該振動質量部（１，−１
）。

（１−１）間の距離の積を比例定数に７で表わすものと
する。音叉軸＜２−２）まわりの入力角速度Ωと比例定
数Ｋｔと音叉（１）の速度、即ち振幅φ＝工ｓｉｎωａ
ｔを微分したものとを乗じたコリオリの力Ｆｃによる交
番トルクΩに７φｃｏｓωｔは、音叉（１）全体を音叉
軸（Ｚ−Ｚ）のまわりに交番角振動させる。第５図の（
１３１）は、音叉（１）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は角振動検出器（１８１）によって電気信号Ｖ
ｐｌに変換され、ジャイロ信号検出装置（７）のプリア
ンプ（３２）に加えられる。

プリアンプ（３２）で交流増幅した後の信号Ｖｐ１’は
、デモジュレータ（３３）において、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がジ
ャイロ信号検出装置（７）から出力できることになる。

ここで、デモジュレータ（３３）の基準信号Ｖ。

として、音叉駆動系（３５Ａ）の音叉駆動回路（３５）
内のプリアンプ（３４）の出力Ｖｌ）２’が、検出系（
７Ａ）のジャイロ信号検出装置（７）内の９０’移相器
（５０）を介して供給されている。尚、Ｋｖｌは角振動
検出器（１８１）を構成する圧電素子（３１−１）　、
　（３１−２）の偏角−電圧変換定数、Ｋ、はプリアン
プ（３２）のゲインである。ブロック（１３１）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、Ｃｉは音叉系の等価粘性抵抗係数、Ｋは
圧電素子（３１−１）　、　（３１−２）の音叉軸＜２
−２）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、９０＠移相器（５０）は入力信号に対し、９０°進
んだ出力信号を得るものであるが、９０’遅れるもので
もよい。

第６図Ａ及びＢは、夫々９０°移相器（５０）の具体的
実施例を示す。第６図Ａは９０°移相器（５０）の９０
゜進みの一実施例であり、本例の９０°移相器（５０）
は、電圧入力端子（５０Ａ）と演算増幅器（５０−１５
）の非反転入力端子との間に、静電容ｆｆｌ　ＣＩ　＋
の入力コンデンサ（５０−１１）を接続すると共に、演
算増幅器（５０−１５）の非反転入力端子とコモン電位
との間に抵抗Ｒ３２の人力抵抗器（５０−１２）を接続
し、抵抗Ｒ１’ｌのフィードバック抵抗器（５０−１３
）を演算増幅器（５０−１５）の反転入力端子とコモン
電位との間に接続すると共に、抵抗Ｒ１４のフィードバ
ック抵抗器（５０−１４）を、演算増幅器（５０−１５
）の反転入力端子と出力端子との間に接続してなる。

又、同図Ｂは９０°遅れの場合の移相器（５０）の例で
、その詳細明は自明であるので省略する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のジャイロ装置用の電気
回路を通常の設計法に従って、−枚のプリント基板上に
構成した場合、発熱体である乗算器（１２）や、プリア
ンプ（３２）の発熱が、９０°位相器（５０）の位相を
決定するコンデンサや抵抗器の温度上昇をもらし、結果
として、起動後、ジャイロ出力が安定するまでに長時間
を要し、長い予ｖｊｌ運転時間がかかるという問題があ
った。

従って、本発明の主目的は、上記従来の課題を一掃した
ジャイロ装置を提供せんとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、音叉（１）と、該音叉に生ずるコリオ
リカＦｃによるモーメントを検出する検出部と、音叉駆
動回路（３５）とジャイロ信号検出回路（７）とより成
るジャイロ装置に於て、上記音叉駆動回路は、振幅制御
用の乗算器（１２）とアンプとを含むと共に、上記ジャ
イロ信号検出回路はプリアンプ（３２）とデモジュレー
タ回路（３３）と９０°移相器（５０）とを有し、少く
共も上記９０°移相器に対して発熱源である上記乗算器
及びプリアンプを離間し、且つ一体的に一枚のプリント
基板（６４）に配置したジャイロ装置が得られる。

〔作用〕

音叉を、その重心位置において短冊状ヒンジの中央部と
連結すると共に、短冊状ヒンジの上記音叉との連結部の
上下に検出用の圧電素子を取り付けることにより、音叉
軸まわりの角速度によって音叉に生じたコリオリの力に
よるモーメントを上記検出用の圧電素子の電圧として検
出する。この電圧を音叉の駆動電圧と同期整流すること
により、角速度検出装置、即ちジャイロ装置となす。こ
の際、動作中に熱を発生する乗算器（１２）及びプリア
ンプ（３２）を互に離間すると共に、９０°移相器（５
０）等より離間して配置し、９０°移相器（５０）等が
上記熱により悪影響を受けるのを回避する。

（実施例〕以下、本発明の一実施例を第１及び第２図を参照して説
明する。

第１図は本発明の主要部を示す側面図であり、第２図は
第１図のＡ−Ａ矢印の断面図である。尚、第１及び第２
図に於て、第３図に示す従来例と同一部材には同一番号
を付しこれらの説明は省略する。又、第１及び第２図に
明示されていない本発明のジャイロ装置を構成する部材
は、第３図の金弟６図に示す従来例と全く同様の部材が
使用されているものである。

第１図に於て、（６０）は第３図に示す電気回路（４６
）を具体化したプリント板組立体で、これを３個の良熱
伝導体製のスペーサ（６１−１）〜（６１−３）を介し
てネジ（６２−１）〜（６２−３）を用いて、ヒンジ（
３０）のヒンジ板部（３０−５）に固定する。

第２図に於て、（６４）は長方形且つその音叉（１）に
対応する位置に切欠部（６５）を設けたプリント基板で
、プリント板組立体（６０）に設けられる。（６３）は
プリント基板（６４）に設けた接続端子で、これ等に、
第５図に示す変位検出器（ＩＩＢ）、駆動装置（４Ｂ）
及び角振動検出器（１８１）の出力端が図示せずも、可
撓性のリード線を介して接続される。プリント基板（６
４）の左方上部の第１の半島部には、動作時、発熱の大
きい乗算器（１２）が、又その左方下部の第２の半島部
にはやはり発熱体であるプリアンプ（３２）としてのＩ
ｃ（８５）が配置される。プリント基板（６４）の第１
及び第２の半島部の根元及びその右端中央部には、スペ
ーサ（６１−１）〜（６１−３）用の取付穴（６５）。

（６６）　、　（６７）が夫々設けられている。プリン
ト基板（６４）の取付穴（６５）〜（６７）の外周部に
は、グランドラインを兼ねたランド部（６Ｂ）　、　（
６９）　、　（７０）が設けられ、これ等に上記スペー
サ（６１−１）〜（６１−３）がネジ（６２−１）〜（
６２−３）により夫々取付けられ、ヒートシンク部が構
成される。

更に、プリン）Ｍ板（６４）の中央部には、バイアス調
整、温度補正及びスケールファクタ調整用の可変抵抗器
（７１）、　（７２）　、　（７３）が取付けられる。

更に、プリント基板（６４）上に於て、可変抵抗器（７
１）〜（７３）の右方には、９０°移相器（５０）及び
デモジュレータ（３３）で用いる基準信号用のコンパレ
ータとしてのＩ　Ｃ（８０）が配置され、このコンパレ
ータ用ＩＣ（８０）の下方には、フィルタ（３６）部に
あるＤＣアンプ（８１）及びバイアス修正回路（４３）
として用いる修正用ＩＣ（８２）が配置される。又、プ
リント基板（６４）の右上部には、音叉駆動回路（３５
）で用いる基準電圧Ｖ用のアンプ（８３）と、そのＡＣ
−ＤＣ変換部（１６）用のＩＣ（８４）が配置しである
。

〔発明の効果〕

上述した構造の本発明によれば、発熱源である乗算器（
１２）及びプリアンプ用Ｉ　Ｃ（８５）をプリント基板
（６４）の−側の上下に離間して配置し、比較的熱の影
響を受けにくい可変抵抗器（７１）〜（７３）をプリン
ト基板（６４）の中央に配して、発熱の影響を受けやす
い９０°移相器（５０）を乗算器（１２）及びプリアン
プ用Ｉ　Ｃ（８５）より離れたプリント基板（６４）の
他側に配置したことにより、９０°移相器（５０）に対
する発熱の影響を少なくでき、起動時のジャイロ出力の
バイアス変動を減少させる事ができる。

更に、発熱源である乗算器（１２）及びプリアンプ用Ｉ
　Ｃ（８５）をプリント基板（６４）の第１及び第２の
半島部に配置し、これ環筒１及び第２の半島部の根元に
、周囲にランド部を設けたプリント基板取付用の取付穴
（６５）　、　（６６）を設け、かつ熱の良導体製のス
ペーサ（６１−１）　、　（６１−２）を介してプリン
ト基板（６４）をその上部に有するプリント板組立体（
６０）をヒンジ板部（３０−５）に取付ける構造とした
ことにより、乗算器等の発熱をヒンジ板部（３０−５）
に逃すヒートシンクとしての作用を持たせることができ
、上記発熱源の９０°移相器（５０）に対する影響をさ
らに減少させることができる。

【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主要部の側面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ矢印断面図、第３図は従来のジ
ャイロ装置の一実施例の斜視図、第４図は第３図の要部
の軸（２−２）方向より見た側面図、第５図は従来のジ
ャイロ装置の動作説明のためのブロック図、第６図Ａ及
びＢはその一部の接続図である。図に於て、（１）は音叉、（３０−５）はヒンジ板部、
（６０）はプリント板組立体、（６１−１）〜（６１−
３）はスペーサ、（６２−１）〜（６２−３）はネジ、
（６３）は接続端子、（６４）はプリント基板、（６５
）〜（６７）は取付穴、（６８）〜（７０）はランド部
、（７１）〜（７３）は可変抵抗器、（８０）はコンパ
レータ用ＩＣ１（８１）はＤＣアンプ、（８２）は基準
電圧Ｖ用ＩＣ１（８３）は修正用ＩＣ１（８４）はＡＣ
ＤＣ変換用ＩＣ１（１２）は乗算器、（８５）はプリア
ンプ用ＩＣ１（５０）は９０＠移相器、（３２）　、　
（３４）はプリアンプを夫々示す。

Claims

【特許請求の範囲】１、音叉と、該音叉に生ずるコリオリ力によるモーメン
トを検出する検出部と、音叉駆動回路と、ジャイロ信号
検出回路とより成るジャイロ装置に於て、上記音叉駆動回路は、振幅制御用の乗算器とアンプとを
含むと共に、上記ジャイロ信号検出回路は、プリアンプと、デモジュ
レータ回路と、９０°移相器とを有し、少く共も上記９
０°移相器に対して発熱源である上記乗算器及びプリア
ンプを離間し、且つ一体的に一枚のプリント基板に配置
したことを特徴とするジャイロ装置。２、音叉と、該音叉に生ずるコリオリ力によるモーメン
トを検出する検出部と、音叉駆動回路と、ジャイロ信号
検出回路とより成るジャイロ装置に於て、上記音叉駆動回路は、振幅制御用の乗算器とアンプとを
含むと共に、上記ジャイロ信号検出回路は、プリアンプと、デモジュ
レータ回路と、９０°移相器とを有し、少く共も上記９
０°移相器に対して発熱源である上記乗算器及びプリア
ンプを離間し、且つ一体的に一枚のプリント基板に配置
し、更に、上記９０°移相器と上記乗算器との間及び上記９
０°移相器と上記プリアンプとの間の上記プリント基板
に夫々ヒートシンク部を設け、該ヒートシンク部におい
て上記プリント基板を熱の良導体製のスペーサを介して
上記検出部に固定した事を特徴とするジャイロ装置。