JPH03291517A

JPH03291517A - 圧電振動速度センサー

Info

Publication number: JPH03291517A
Application number: JP2405436A
Authority: JP
Inventors: Samuel N Fersht; サミュエル　エヌ．フェルシト; Stanley F Wyse; スタンレイ　エフ．ワイス
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-25
Publication date: 1991-12-20
Also published as: EP0441020A1; CA2016808A1; US5056366A

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】

［０００１］

【産業上の利用分野】

本発明は、回転速度を検出するための装置に関する。さ
らに詳しくは、本発明は、振動型つまり音叉型の改良速
度センサーに関する。［０００２］

【従来の技術】

慣性空間内の予め選択した軸を中心とする回転速度を測
定するための様々な装置がある。その様な装置は、一般
にジャイロスコープと呼ばれ、あらゆる慣性航行方式の
必須要素になっている。［０００３］ジャイロスコープには、例えば、複雑で製造が難しいジ
ンバルで取り付けた回転子リングレーザ−の様なストラ
ップダウンセンサー（ｓｔｒａｐｄｏｗｎ　５ｅｎｓｏ
ｒｓ）　　および末だ実験段階の光フアイバージャイロ
スコープがある。上記の速度検出装置はすべて製造が複
雑である、保守に経費がかかる、またはその両方である
。［０００４］予め選択した軸を中心とする入力回転速度を測定するた
めのもう一つの機構は１００年以上も前に開発された音
叉原理に基づいている。「ジャイロトロン」の商品名で
市販された、この原理に基づく速度センサーは、スベリ
−ジャイロスコープ社によって開発された。平衡共鳴セ
ンサーまたは音叉型のすべてのジャイロスコープと同様
に、上記の型よりもはるかに機械的にも操作の点でも簡
単なこの装置は、音叉をその中実軸を中心に回転させる
と、その音叉は回転速度と回転慣性モーメントとの積に
等しい角運動量を持つという原理に基づいて作動する。音叉の先端の基準運動は、慣性モーメントを周期的に変
化させる。その結果、回転速度は、角運動量を保存する
ため補足する様に、周期的に変化しなければならない。そのため、音叉型速度センサーの物理的な作用は、速く
回転する時には腕を内側に引き込み、腕を延ばすことに
よって回転速度を落とす、回転中のアイススケータ−の
動きに似ている。結局、音叉型センサーにおいては、尖
端部の半径方向で外側および内側への振動が回転振動に
変換され、その大きさは平均入力速度に比例する。［０００５］振動共鳴型の先行技術のジャイロスコープは、不適切な
物理的設計および材料の不安定性が障害になっている。最近、この原理を採用した、石英の様な圧電結晶性材料
から成るセンサーを開発する試みがなされている。その
様な材料を使用することによって、装置を振動させ、出
力を固有物理特性の関数として検出する限りにおいて、
装置の設計を簡略化することができる。その様な機構の
一例が、ユルゲンＨ，シュタウテ所有の「振動角速度セ
ンサー機構」と題する米国特許第４．５２４，６１９号
に記載されている。開示されたこの装置はこの技術にお
ける進歩は示しているが、開ループ方式であるために、
その有用性は本来制限されている。即ち、枠に固定した
共通の脚部に接続した２対の尖端部から成るその装置で
は、振動する被励振尖端対に対する反作用により引き起
こされた、出力尖端対におけるコリオリ−誘導ひずみを
その機構の出力として測定する。［０００６］

【発明が解決しようとする課題】

その様な装置が受ける誤差の中で、前置増幅器（低イン
ピーダンス電流モードまたは高インピーダンス電圧モー
ドのどちらかで運転）に伴う電子的ノイズによる誤差が
最も重要で、障害になる。この電子的出力検出方法の第
一段階は、その装置の本質的な乱世特性を確立する上で
最も重大である。乱世を改良するためにピックアップ音
叉をその出力軸に沿って被励振音叉の共鳴周波数に近い
周波数に同調させることによって、信号対ノイズ比（Ｓ
／Ｎ）を高くすることができる。この様にして、ピック
オフ音叉で発生した出力信号を、被励振音叉の励振周波
数におけるその透過率により増幅する。残念ながら、ピ
ックオフ尖端部を被励振尖端部に同調させることによっ
て得られるＳ／Ｎ比の上昇は、好ましくない帯域幅減衰
によって帳消しになってしまう。例えば、ピックオフ尖
端部を被励振尖端の正確な周波数に同調させると、その
結果生じる出力信号の包絡線は、一定の入力速度に対し
て、時間と共に直線的に蓄積する。そのため、その様な
装置は、内部減衰が最終的に信号を励振周波数における
定常状態振動振幅に制限するまで、速度−積分（または
変位）ジャイロスコープとして作用することになる。出
力信号（与えられた速度に対する）は、入力の周波数に
反比例するので、非常に劣った速度センサーになる。そ
の様な仮説に基づいた装置の帯域幅は、無視できるであ
ろうが、最終的にはり、Ｃ，速度入力に対して非常に強
い信号を蓄積するであろう。［０００７］

【課題を解決するための手段】

本発明は、第一の特徴において、全体的に平らで、Ｈ字
形の、圧電材料製のセンサーフレームを有し、その様な
フレームが上側尖端部対および下側尖端部対を含み、そ
の様な尖端部が中間の横材に結合している型の回転速度
センサーを改良することによって、先行技術の上記の、
およびその他の欠点を克服する。その様な回転速度セン
サーは、さらに、下側尖端部のコリオリ誘導面外屈曲に
応答して下側尖端部に発生する電気信号を発するための
、上側尖端部に固定した第一の励振電極列を含む。上記
の型の回転速度センサーにおいて本発明が提供する改良
は上側尖端部のコリオリ誘導面外屈曲に反対作用するた
めの電気信号を発するための第三の制御電極列である。その様な制御電極は、フレームの横材に隣接して上側尖
端部に固定しである。［０００８］別の特徴として、本発明は新規なセンサーを提供する。その様なセンサーは、予め決めた性質の慣性入力に応答
して電気信号出力を与える様に配置した、圧電材料製の
本体を有する。その様な本体には、少なくとも一つのピ
ックオフ電極を固定しである。その様な電極は、その本
体への慣性入力の影響に反対作用するための電気信号を
その本体に送る様に配置しである。ピックオフ電極から
来る信号を受け入れ、反対作用信号を発生し、それを制
御電極に与えるためのフィードバック制御回路を備えて
いる。［０００９］

【実施例】

本発明の上記の、およびその他の特徴および利点を、以
下に添付の図面を参照しながらさらに詳しく説明する。図面の簡単な説明の番号に対応し、本発明の様々な特徴
を示す。説明および図面を通して、同じ番号は同じ特徴
を示す。［００１０］ここで図面に関して、図１は、本発明に係る圧電角速度
センサーの全体図である。センサー１０は、２対の尖端
部、即ち上側の「コリオリ感知」被励振対１２および下
側の「検出」対１４から成る。この尖端部の対は、横材
１６で支持してあり、この横材は、柔軟な屈曲部げ１ｅ
ｘｕｒｅ）　　２０．　２２によりフレーム１８に固定
しである。［００１１］センサー機構は、石英の様な圧電材料の単結晶板ででき
ている。図１に示す実施形態は、２−カット板を使用し
ている。この板は、通常のエツチング技術により図に示
す配置に成形しである。［００１２］それぞれ例えばチタン−全合金製で、蒸着およびパター
ンエツチングにより成形した複数の電極がセンサー本体
に固定しである。−組の励振電極が、上側の励振尖端部
対１２の上部を囲んでいる。従って、図１の線２　（ａ
）　−２（ａ）における上側尖端部の断面である図２（
ａ）に詳しく示す様に、励振電極２４．２６２８および
３０が上側尖端部３２の末端に近い表面を覆っているの
に対し、同様の励振電極３４，３６．３８および４０は
尖端部４２の末端に近い表面を覆っている。センサーの
石英本体に対する各種電極の位置により、この機構の閉
ループ制御が可能になり、それに付随する利点が得られ
る。その様な閉ループ作動に必要な電気的−機械的相互
作用は、電極の配置およびそれらの電気的な相互接続に
よって異なる。電極の配線を図２（ａ）〜図２（ｃ）に
示し、その効果を以下に説明する。注意すべきは、電極
の配置およびそれらの相互接続は、センサー本体に使用
する石英の結晶配向によって異なることである。しかし
、異なった電極配置を持つ別の実施形態も本発明の範囲
および精神に含まれることは明らかである。［００１３］一組の制御電極が、被励振尖端部対１２の、横材１６に
隣接する所に固定しであるが、その重要性を以下に説明
する。この、横材に隣接する制御電極の位置により、構
造的な最大屈曲がこの区域で起こるので、制御信号に対
する圧電構造の応答性が最大になる。このことから、フ
ィードバック制御ループ（以下に説明する）によるセン
サー本体の制御性が高くなることが分かる。図１の線２
（ｂ）２（ｂ）における上側尖端部対１２の断面である
図２（ｂ）は、図１に示す２−カット石英に対する制御
電極の配置を示す。制御電極対４４．４６および４８゜
５０が上側尖端部３２の対向する面で、ｙｚ面に配向し
ているのに対し、制御電極対５２．５４および５６．５
８は上側センサー尖端部４２の対向する面で、７２面に
配向している。図１に示す２−カットの実施形態は、運
転に対する石英の通常の応力トランスコンダクチュア（
ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔｕｒｅ）に依存している。そ
の様な作用には、予め決めた尖端部の表面に制御（およ
びピックオフ）電極の対を置くことが必要である。さも
なくば、単一の尖端部（その単一表面に）に同時に起こ
る引っ張りおよび圧縮応力の結果、ゼロ化効果が起こる
であろう。その様な圧電により発生した出力および応答
のゼロ化により、装置の制御は無効になるであろう。［００１４］図１の線２　（ｃ）　−２（ｃ）における断面図である
図２（ｃ）に示す様に、ピックオフ電極が下側尖端部６
０．６２に固定しである。図１の実施形態に示す特別な
配置は、コリオリ誘導面外屈曲に応答して圧電検出器尖
端部６０．６２で発生する電流を検出する様に設計しで
ある。これらの電極のそれぞれは、検出尖端部と同じ長
さを持っている。以下の説明で明らかな様に、横材１６
に隣接するピックオフ電極は、短くすると、本発明の範
囲内で、すぐ後の信号処理を行なうための電圧ピックオ
フとして利用できる。［００１５］図２（Ｃ）に示す様に、ピックオフ電極対６４．６６お
よび６８．７０は、ピックオフ尖端部６０の対向する面
でｙｚ面に位置しているのに対し、電極対７２７４およ
び７６．７８は、ピックオフ尖端部６２の対向する面で
ｙｚ面に位置している。従って、図１に示す様に、圧電
石英の２−カット板で形成した振動速度センサーは、本
発明に係わる電極配置を含み、ピックオフ電極対および
制御電極対がｙｚ面内に位置することを特徴としている
。［００１６］図１の配置は、ｙ−軸を中心とする回転（Ω）の入力速
度を計測するためのものである。公知の様に、音叉型の
回転センサーでは、感知尖端部は入力回転ベクトルを含
む平面内で振動する。励振発振器が電圧を励振電極２４
〜４０に印加しｘｙ−平面におけるセンサー尖端部３２
および４２を１８０度相外相外させる。第１および２（
ｂ）図には、スケールファクター電極１３０〜１４４も
示しである。これらの電極は、上側尖端部３２および４
２の面内（ｘｙ面）屈曲の振幅に関してフィードバック
し、電極２４〜４０に与えられる励振信号を調整するた
めの信号を与える。このスケールファクター電極の作用
の詳細については後で、特に図７　（ａ）〜図７（ｄ）
に関連して説明する。［００１７］この技術においては、フレーム１８がｙ−軸を中心に回
転する際、振動する上側尖端部３２および４２には、等
しいが反対方向のコリオリ加速度がかかる。シュタウテ
の特許に示されている型の開ループ振動回転センサーで
は、下側尖端部対１４に誘導されるひずみを、回転速度
の尺度として使用している。即ち、上側尖端対１２にか
かるコリオリの力に応答して、圧電性の下側尖端部６０
および６２で発生する信号を「解読」して回転を測定す
るのである。上に述べた様に、その様な開ループ方式は
、帯域幅とＳ／Ｎ比との間の、固有で、好ましくない交
換的限定のために、あまり役に立たない。［００１８］本発明は、センサー１０による、力を再調整した、閉ル
ープ制御機構を利用して、先行技術のこの重大な欠点を
克服するものである。その様な機構により、制御電極４
４〜５８を介して、矯正的な信号を与え、下側尖端部を
上側尖端部に密接に（事実、正確に）同調させ、Ｓ／Ｎ
比を高くすることができる。従って、帯域幅は犠牲にな
らず、出力Ｓ／Ｎ比の品質は帯域幅に依存しない。むし
ろ、明らかな様に、制御電極４４〜４８がサーボループ
により励振され、ピックオフ尖端部６０および６２に誘
導される応力を常にゼロに保つので、下側尖端部を上側
尖端部の振動周波数に同調させることができる。従って
、速度測定の帯域幅を必要なだけ高くすることができる
。［００１９］図３は、本発明のセンサー１０の閉ループ制御のための
、フィードバック機構のブロックダイアダラムである。公知の様に、ｙ−軸を中心とする入力速度により、２一
方向にコリオリの加速度が生じる（頁の中に、および頁
から外に、尖端部３２および４２は反対方向に屈曲する
）。コリオリの加速度から生じた、上側尖端対１２に作
用する力は、下側尖端対１４に機械的に結合しており、
測定可能な応力Ｔ。を生じる。石英の圧電特性が、ピッ
クオフ電極６４〜７８の配置および位置との協同作用に
より、この機械的な応力を検出可能な電気的（電圧また
は電流）信号に変換する。図３に示す閉ループ制御機構
に関してみると、励振される上側尖端対１２にかかる力
に対する下側尖端対１４の機械的な反作用により生じる
応力Ｔ　は、測定可能な、電流または電圧のどちらかの
電気信号Ｓ　（Ｔｃ　）として検出されるが、その様な
変換は圧電ピックオフ変換に１により表わされる。ピッ
クオフ変換モデルに１は、結晶性センサー本体の圧電特
性と組み合わせて制御電極の位置および電気的な相互接
続により決定される。以下に詳しく説明する様に、図１
および図２の２−カット板の下側尖端部におけるピンク
オフ電極は、応力Ｔｃを示す電流を検出するために配置
しであるのに対し、図４および図５のＸ−カット石英セ
ンサーのピックオフ電極は、電圧を検出するために配置
しである。従って、圧電ピックオフ変換関数に１は本発
明の、図に示す２−カット実施形態に対しては電流を与
えるのに対し、同じ関数がＸ−カットの実施形態に対し
ては電圧を与える。どちらの場合も、本発明を先行技術
から区別する原理は同じである。［００２０］電気信号５（Ｔ）を、電気的変換関数に２の増幅器に送
り込む。この増幅器は、電流（図１および図２の２−カ
ット実施形態）または電圧（図４および図５のＸ−カッ
ト実施形態）入力のどちらかに応答して電圧出力Ｖを与
える様な機構になっている。どちらの場合も、この増幅
器は非常に高い利得を与える。即ち、その出力は、非常
に小さな電流または電圧入力の存在に対して敏感である
。増幅器の設計に関しては、高入力インピーダンス装置
は「電圧励振」の実施形態に使がある）は電流励振装置
に使用する。［００２１］増幅器の出力は、センサーの制御電極に送り込む。以下
に説明する様に、制御電極は、上側尖端部の面外屈曲が
力再調整機構の様式で反対作用を受ける様に、センサー
本体に関して配置する。［００２２］即ち、電圧Ｖは、尖端部にかかる正味の機械的応力を排
除する様に、制御電極（どちらの実施形態でも）に印加
する。下側尖端部にかかる機械的応力を、上側尖端部が
感知したコリオリ加速度を反対作用させることによって
ゼロにするのに必要な電圧Ｖは、直接変換後、回転の入
力速度を与える。［００２３］電圧Ｖは、電圧Ｖの効果をかたどる圧電制御変換に３を
通してフィードバックし、制御電極回路を通して上側尖
端部の機械的構造に印加する。即ち、Ｋ３は、制御電極
に電圧Ｖを印加することによって上側尖端部にかかる、
反対作用で相殺する応力に相当する。年輪、これは、セ
ンサー本体の物理的構造に関して、制御電極の位置およ
び電気的な相互接続によって異なる。上に説明した様に
、Ｋ１゜Ｋ　およびに３の値は二つの実施形態（２−カ
ット石英およびＸ−カット石英）で異なるが、その作動
モードおよび力を再調整するため制御機構の作用は本質
的に同一である。［００２４］変換に３の出力（制御電極により上側尖端部にかかる応
力Ｔ。　）は、上側尖端部が感知したコリオリ加速度力
に反応して下側尖端部にかかる応力Ｔ。と対照される。増幅器の非常に高い利得に２が、閉ループ機構に安定性
を与える。Ｔｃが、制御電圧により上側尖端部に発生し
た反応力を超えている限り、誤差信号５（Ｔｏ−Ｔｏ　
）は圧電ピックオフ変換機能に１を励振し続け、制御電
極に電圧信号を印加し続ける。Ｋ１の値が無限に近付い
た場合（即ち「積分利得」）にのみ考えられる、Ｔｃ　
　Ｔｃ　　””Ｏの場合だけ、二つの量は等しくなる。制御電圧は、上側尖端部にかかるコリオリの力の尺度と
なり、上に説明した様に、センサーの入力ｙ−軸を中心
とする回転速度の尺度となる。［００２５］図４は、本発明の別の実施形態の全体図で、センサーが
Ｘ−カット石英でできており、図５　（ａ）　、図５（
ｂ）および図５（Ｃ）は、それぞれ図４の線５　（ａ）
　−５（ａ）　、　　５　（ｂ）　−５（ｂ）および５
　（ｃ）　−５（ｃ）におけるこの別の実施形態の断面
図で、励振、制御およびピックオフ電極の配置を示して
いる。図１および図２の２−カット実施形態の場合の様
に、Ｘ−カットセンサー８４の上側尖端部８０．８２は
、上側尖端部の上部近くに配置した励振電極８６〜１０
０および全体的にｒＨＪ−字形のセンサー本体の横材１
１８近くに配置した制御電極１０２〜１１６を有する。前に述べた様に、上側尖端部８０．８２に対する励振お
よび制御電極の位置は、屈曲度が最も大きい点の近くに
制御電極を配置することによって得られる効率によって
決定される。この位置は、制御電圧信号に対する圧電性
の上側尖端部の応答が、その点で最大である限り、有利
である。［００２６］ピックオフ電極１１８および１２０は、図５（Ｃ）〜図
５（ｅ）に示す様に、下側尖端部１２２および１２４の
対向する内側表面に配置しである。これらの下側尖端部
はそれぞれ、関連するピックオフ電極を収容するための
、狭くなった中央部に向かって傾斜が付いている。下側
尖端部１２２および１２４の特殊な形状およびその様な
狭くなった部分に配置したピックオフ電極により、上側
尖端部８０および８２のコリオリ加速度により誘導され
た応力に対する下側尖端部１２２および１２４の機械的
な反作用により造り出される信号出力が最大になる。［００２７］前に説明した様に、電極の配置、および圧電性尖端部に
応力を誘導する電圧をかけ、そこに発生する応力により
誘導された電気信号を検出するための電極間の相互接続
が、センサー本体の結晶構造との組み合わせで作用し、
図３に示す再調整閉ループ制御図により、振動速度セン
サーを作動させるのに必要な入力および出力を与える。図６は、α石英の弾性圧電誘電マトリックスと呼ばれる
型の標準結晶特性図である。α石英は、その圧電性がβ
石英よりも優れているので、センサーの加工に適してる
。年輪、その図は、「丸」同土間の相互接続が結晶構造
に対する変数の影響の相対的な規模を示す、という標準
的な取り決めを採用している。即ち、黒丸を正の量とし
て、それに接続した同じ大きさで中空の丸は、大きさが
等しく、反対の符合の影響を示し、より大きな中空丸内
の黒丸は、はるかに大きな規模の影響を示す。［００２８］図６に関して、α石英の圧電特性を、番号１２６のブロ
ック内の丸の配置により図式的に示す。電界Ｅ、および
変位界り、が三列の丸を特徴付け、各界は、図１および
図４の座標系が示す、対応する軸に沿って配列している
。圧電図１２６の最初の三つの欄は、示された方向で結
晶にかかる縦方向の応力σ、またはひずみε、を示すの
に対し、最後の三つの欄は、図１および図４の座標系に
関して指示された面内で結晶にかかる横方向のびずみｙ
ｏ、およびτ１．を示す。図３の閉ルＩＪ　　　　　　
　ＩＪ −プ再調整機構による、図１および図２の２−カット結
晶センサーおよび図４および図５のＸ−カット結晶セン
サーの、電気機械的作動の説明ではすべて、α石英の圧
電特性について述べる。本発明はα石英を加工した二つ
の実施形態に関して説明しているが、熱論、本発明は、
異なった圧電特性を持つ、β石英を始めとする他の圧電
材料を加工することもできる。その様な別の加工には、
電極の配置およびその電極間の相互接続を変える必要が
あろうが、その様な変形は本発明の範囲内に含まれるも
のであり、必要な修正は、α石英を加工した実施形態の
設計に取り入れた原理の説明から容易に判断できる。［００２９］閉ループ作動のための電極の相互接続［００３０１再び図２（ａ）に関して、上側尖端部３２の対向側面で
ｙｚ面に配置した励振電極２６と３０、および上側尖端
部４２の前後面でｘｙ面に配置した電極３４と３８は接
地している。上側尖端部３２の前後面（ｘｙ面）にある
励振電極２４と２８、および上側尖端部４２の電極３６
と４０（ｙｚ面）は、正弦波形励振電圧信号■６を受け
取る。瞬時電界の方向は、図２（ａ）の上側尖端部３２
および４２の断面内に示されている。ここで明らかな様
に、等しいおよび反対方向の電界Ｅ　が、上側尖端部３
２および４２のそれぞれの対向する（即ち「内側」およ
び「外側」）側面で造られ、その方向は二つの尖端部で
逆である。図６を参照すると、このことによって、上側
尖端部３２および４２のそれぞれの内側および外側端部
において等規模で、向き合った方向の応力が生じ、これ
らの尖端部のそれぞれの内側および外側端部を同時に「
引き下げ」および「引上げ」ることになり、その様な端
部における相対的な応力は、尖端部毎に逆である、つま
り位相が１８０°ずれている。その様な応力が各尖端部
を励振し、内側および外側に向けて（即ちＸ−軸に沿っ
て）屈曲させ、コリオリ加速度力を感知するための上側
尖端部の面外の音叉振動を起こす。【００３月上側尖端部の面外コリオリ誘導応力は、下側尖端部６０
および６２に、それに反応した面外屈曲を起こす。下側
尖端部６０および６２がｙｚ平面で屈曲するとそれらの
尖端部のそれぞれの前後で、等しい、または反対の符合
の剪断応力γ７．Ｚ、が生じる。応力の方向が向き合っ
ている場合は、ある与えられた時間で、一方の端部が圧
縮され、他方が引っ張られているのである。図６を参照
して、符合が等しいおよび反対の変位電荷界Ｄ　が、屈
曲の最中に下側尖端部のそれぞれの前後端部で発生する
。前に述べた様に、ｙｚ平面にある、２−カット実施形
態のピックオフ電極は下側尖端部６０および６２の長さ
にわたって延びており、図２（Ｃ）に示す様に、電極６
４，７０．７４および７６は接地しであるのに対し、電
極６６．６８．７２および７８は下側尖端部６０および
６２に関して、それらに向き合って配置されており、電
流合計点７９と連絡している。下側尖端部のそれぞれの
向き合った側で電極が接地しであるため、下側尖端部６
０および６２の側面におけるピックオフ電極対同士の間
で、同一符合の電流が流れる。これらの流れは、合計さ
れて、図２（Ｃ）に示す様に、上側尖端部が検出したコ
リオリの力に応答して、下側尖端部に誘導される応力を
示す出力電流信号を与える。図に示す様に配向した一対
の電流感知電極を使用する場合、その様な信号は誘導さ
れる電流の４倍になる。従って、図２（ｃ）に示す様な
電極配置は、図３に示す制御機構の変換機能に１を行う
。［００３２］制御電極は図２（ｂ）に示す様に配置しである。上側尖
端部３２および４２のそれぞれに取り付けた２組の制御
電極対は、電極の接地に関する限り、図２　（ｃ−１，
５３− ）に示すピックオフ電極と同じ様に配線する。これらの
制御電極は、上側尖端部３２および４２の面外応力に反
対作用する機械的応力を引き起こす電圧をかけるが、こ
れは年輪、下側尖端部６０および６２の対に伝達される
。正弦波形の制御電圧Ｖ。が、上側尖端部の後方内側表
面に形成された非接地電極４８と５２、および前方外側
表面に形成された電極４６と５６に同時に印加される。その結果、上側尖端部のそれぞれの前後表面におけるＸ
−軸方向に沿って、反対符合の電界が誘導され、その電
界の方向は、尖端部毎に逆になる。再び図６に関して、
その様な電界の分布は、各上側尖端部の前および後端部
で、大きさは等しいが反対方向の応力σ　を生み出す。［００３３］この前および後端部における同時で反対方向の応力は、
コリオリ加速度力に応答して生じる上側尖端部の面外屈
曲に反対作用する。この様に、図３に関して、図２（ｂ
）に示す制御電極配列が、上側尖端部における反対作用
応力Ｔ′ｏを造ることによって下側尖端部における応力
Ｔ。をゼロにするのに必要な変換に３をもたらす。従っ
て、図１および図２の配置が、この装置の２−カットα
石英実施形態の閉ループフィードバック制御を実行する
のに必要な電極配置を与える。［００３４］図７（ａ）〜図７（ｄ）は、スケールファクター電極１
３０〜１４４の配置および相互の電気的接続を示す、上
側尖端部３２および４２の部分前後立面図である。尖端
部３２の前後面は、それぞれ図７（ａ）および図７（ｂ
）に示す。そこに示す様に、前方スケールファクター電
極１３０は接地してあり、前方および後方スケールファ
クター電極は導体１４５で接続してあり、出力電圧は後
方電極１３６から取り出す。上側尖端部４２のスケール
ファクター電極も同じ様な配置になっている。［００３５］スケールファクター電極は、電極２４〜４０に印加され
た励振電圧に応答する各上側尖端部の面内振動の振幅を
測定する。二つの尖端部の表面仕上の差が異なった減衰
特性を与え得るので、振動の面内振幅は尖端部毎に変化
することがあるド排除は不完全になろう。従って、各尖
端部に対して、スケールファクター電極の組が、その尖
端部を励振する信号を調整するための入力を与える。［００３６］スケールファクター電極は、剪断応力γ　により誘導さ
れた電圧Ｅ　を測定すＸｙ　　　　　　　　　　　　　
　　　ｙるために配置しである。上側尖端部の末端に近
い部分は、横材１６に近い部分よりも、小さな剪断応力
を受ける。図６に示す様に、その様な剪断応力は、上側
尖端部３２および４２の長さに沿って電界Ｅ　を誘導す
る。そのため、上側尖端部の、下側スケールファクター
電極１３０，１３４，１３８，１４２に近い区域と上側
スケールファクター電極１３２，１３６，１４０，１４
４に近い区域との間の各列において、電位差が生じる。図７に示す様な、スケールファクター電極間の位置およ
び相互接続のために、各上側尖端部の上部と下部に近い
所の剪断応力の差による積分電位差を電圧として測定す
る。［００３７］上側尖端部の上側および下側スケールファクター電極間
の相互接続により、抽出力が生じる。即ち、スケールフ
ァクター電極１３６および１４４で引き出した電圧■ｓ
ｆは、上側尖端部３２および４２内で誘導された積分電
位差Ｅ、のそれぞれ２倍である。そのため、スケールフ
ァクター電極配置から来る正弦波形信号は各上側尖端部
に対する正弦波形励振電圧Ｖ、の影響を明らかに示す。従って、各上側尖端部の励振電極に印加された励振信号
を調整するために、・従来の制御回路を使用することが
できる。［００３８］ここで図４および図５（ａ）〜図５（ｅ）に示すＸ−カ
ットα石英を使用する別の実施形態に関して、励振電極
８６〜１００は、上側尖端部８０および８２の前後表面
の内側および外側縁部に、対で配置しである。その様な
対の一つは接地しである。この様に、対になった電極８
６と９２は上側尖端部８０の外側縁部近くにあり、電極
対８８と９０は上側尖端部８０の内側縁部近くにあり、
電極対９４と１００は上側尖端部８２の内側縁部近くに
あり、電極対９６と９８は上側尖端部８２の外側縁部近
くにある。そこで明らかな様に、二つの上側尖端部８０
および８２に関連する回路は、互いに鏡像の用に配線し
である。［００３９］Ｘ−カット実施形態に対する励振電極の配置により、正
弦波形励振信号を上側尖端部に印加すると、反対符合の
電界Ｅ　が上側尖端部８０および８２の内側および外側
縁部に沿って生じ、交互の電界の方向は、尖端部毎に、
内側縁部と外側縁部において同じであることが分かる。従って、再び図６に関して、上側尖端部８０および８２
のそれぞれには、その内側および外側縁部においてｙ軸
に沿って大きさは等しいが、反対方向の応力が同時にか
かる。上側尖端部の内側および外側縁部にその様な同時
応力がかかる結果、尖端部が交互に内側および外側に振
動することになる。即ち、尖端部は［面内Ｊ（ｙｚ平面
）振動する。上側尖端部の内側および外側縁部は同じ様
に配線しであるので、両尖端部の内側および外側の面内
屈曲は同時に起こる。その結果、励振電極８６〜１００
に正弦波形電圧信号を印加することにより、この装置の
作動に必要な、上側尖端部の１８０度位相のずれた面内
振動が生じる。［００４０］Ｘ−カット実施形態のピックオフ電極１１８および１２
０を図５（Ｃ）〜図５（ｅ）に示す。ここで分かる様に
、その様な電極の一つ、電極１２０は接地しであるのに
対し、他の、電極１１８は「浮いて」いて良い。回転速
度を検出する時は、下側尖端部１２２および１２４面外
に屈曲することになる。即ち、下側尖端部１２２および
１２４はｘｙ面内で屈曲する。従って、二つの下側尖端
部１２２および１２４には、大きさが同じで反対符合の
応力γ　が同時にかかる。図６にｙ関して、その様な剪断応力は、下側尖端部１２２および
１２４に、ｙ−軸に沿って大きさが等しく反対方向の電
位差を生み出す。（各下側尖端部の中央が狭くなってい
るために、下側尖端部にかかる剪断応力の影響が最大に
なり、その結果、各下側尖端部１２２および１２４内に
生じる電位差が増加する。）［００４１］導体１２５が下側尖端部１２２および１２４の下側つま
り末端を接続している。運転の際、電極１２０が接地し
てあり、下側尖端部１２２および１２４の下縁部間で相
互接続しであるために、電極１１８で取り出すピックオ
フ電極の電圧出力は、図６に示す大きさの倍の大きさを
持つ正弦波形信号である。従って、図５（Ｃ）〜図５（
ｅ）に示す電極の配置は、図３に示す制御機構の変換に
１に加えるための比較的強い信号出力を与える。［００４２］Ｘ−カット実施形態の制御電極を図５（ｂ）に示す。そ
こで分かる様に、４個の制御電極の組が上側尖端部８０
および８２のそれぞれを囲んでいる。さらに、２組の制
御電極が非対称的に配線してあり、上側尖端部８０のそ
れぞれ前、後電極１０４および１０８、および上側尖端
部８２の内側および外側電極１１０および１１４が接地
しである。運転の際、Ｘ−カット実施形態の制御電極は
、図２（ａ）の２−カット実施形態の励振電極と本質的
に同じ様に作動する。即ち、上側尖端部８０の内側表面
と外側表面、および上側尖端部８２の前表面と後表面に
配置しである電極に正弦波形電圧を印加すると、上側尖
端部８０および８２の前、後縁部に大きさが等しく、反
対方向の電界Ｅ　が生じ、その電界の方向は二つの尖端
部で逆である。これによって、各上側尖端部の前後縁部
に、大きさが等しく反対方向の応力σ　がかかり、それ
ぞれ面外（内側および外側）屈曲させ、その屈曲方向は
尖端部毎に逆になる。再び図３のフィードバック制御ル
ープに関して、図５（ｂ）に示す制御電極の配置および
配線により、本発明のＸ−カット実［００４３１【発明の効果］この様に、本発明は、圧電性材料から成る全体的に平ら
で、Ｈ−字形センサーフレームを含む回転速度センサー
において、非常に望ましい閉ループ制御を達成するため
の新規な機構を提供する。本発明の技術を採用すること
によって、多数の結晶配向に従ってその様なフレームを
加工することができ、その様な配向のそれぞれで、上下
尖端部対を相互に共鳴状態に同調させた時に実現する高
度の作動特性が得られる。［００４４］本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、これら
の実施形態に限定するものではない。本発明は請求項に
定義する内容にのみ限定され、それらと同等のものすべ
てを含む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる圧電角速度センサーの全体図

【図２（ａ
）］励振電極の配置を示すための、センサーの尖端部の断面
図【図２　（ｂ）　］制御電極の配置を示すための、センサーの尖端部の断面
図【図２（Ｃ）］ピックオフ電極の配置を示すための、センサーの尖端部
の断面図【図３】本発明に係るセンサーの閉ループ制御を行なうための、
フィードバック機構のブロックダイアダラム

【図４】本発明の別の実施形態の全体図

【図５　（ａ）　］図４の分断線５　（ａ）　−５（ａ）における別の実施
形態の尖端部の断面図【図５　（ｂ）　］図４の分断線５　（ｂ）　−５（ｂ）における別の実施
形態の尖端部の断面図【図５（Ｃ）］図４の分断線５　（ｃ）　−５（ｃ）における別の実施
形態の尖端部の断面図【図５（ｄ）］図４の分断線５　（ｄ）　−５（ｄ）における別の実施
形態の尖端部の断面図【図５（ｅ）］図４の分断線５　（ｅ）　−５（ｅ）における別の実施
形態の尖端部の断面図【図６】 α石英の標準結晶特性図

【図７（ａ））２−カット実施形態の、スケールファクター電極の配置
を示す、上側尖端部の部分的前後立面図【図７　（ｂ）　］２−カット実施形態の、スケールファクター電極の配置
を示す、上側尖端部の部分的前後立面図【図７（Ｃ）］２−カット実施形態の、スケールファクター電極の配置
を示す、上側尖端部の部分的前後立面図【図７（ｄ）］２−カット実施形態の、スケールファクター電極の配置
を示す、上側尖端部の部分的前後立面図を示す。【符号の説明】１０　センサーフレーム１２　上側尖端部対１４　下側尖端部対２４．２６，２８，３０，３４，３６，３８，４０　　
励振電極６４．６６．６８，７０，７２，７４，７６．
７８　　ピックオフ電極４４．４６，４８，５０，５２
，５４，５６．５８　　制御電極

【書類芯】

図面

【図３】旨

【図４】

【図５（ｄ）】

【図５（ｅ）】

【図６】どるＴ

【図７（ａ）】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全体的に平らで、Ｈ字形の、圧電性材料製
のセンサーフレームを有し、該フレームが上側尖端部対
および下側尖端部対を含み、該尖端部が中間の横材に結
合しており、さらに、該上側尖端部を面内で励振するた
めの電気信号を送信するための、該上側尖端部に固定し
た第一の励振電極列、および下側尖端部のコリオリ誘導
面外屈曲（ｃｏｒｉｏｌｉｓ−ｉｎｄｕｃｅｄｏｕｔ−
ｏｆ−ｐｌａｎｅｂｅｎｄｉｎｇ）に応答して下側尖端
部に発生する電気信号を送信するための、該下側尖端部
に固定した第二のピックオフ電極列を含む型の回転速度
センサーにおいて、ａ）該上側尖端部のコリオリ誘導面
外屈曲に反対作用するための電気信号を送信するための
第三の制御電極列を備え、ｂ）該制御電極が、該横材に隣接して該上側尖端部に固
定してあることを特徴とする回転速度センサー。
【請求項２】さらに、ａ）面内屈曲を検出するために配
置した第四のスケールファクター電極列を備え、ｂ）該スケールファクター電極列が該上側尖端部に固定
してあることを特徴とする請求項１記載の回転速度セン
サー。
【請求項３】α石英から成ることを特徴とする請求項２
記載の回転速度センサー。
【請求項４】該全体的に平らなセンサーフレームがｚ−
カット結晶であることを特徴とする請求項３記載の回転
速度センサー。
【請求項５】ｘｚ−平面内にあり、該下側尖端部の対向
側面に固定してある、全体的に平らなピックオフ電極対
を含むことを特徴とする請求項４記載の回転速度センサ
ー。
【請求項６】該ピックオフ電極のそれぞれの上部が、該
横材に隣接していることを特徴とする請求項５記載の回
転速度センサー。
【請求項７】該ピックオフセンサーのそれぞれが、実質
的に下側尖端部の長さにわたって延びていることを特徴
とする請求項６記載の回転速度センサー。
【請求項８】さらに、ａ）該ピックオフ電極に選択的に
接続する第一の電気回路を備え、ｂ）該回路が、該下側尖端部の面外屈曲に応答する電流
を与えるようにしてあることを特徴とする請求項７記載の回転速度センサー。
【請求項９】ｘｚ−平面内にあり、該上側尖端部の対向
側面に固定してある、全体的に平らな制御電極対を含む
ことを特徴とする請求項４記載の回転速度センサー。
【請求項１０】該制御電極のそれぞれの底部が、該横材
に隣接していることを特徴とする請求項９記載の回転速
度センサー。
【請求項１１】さらに、ａ）該制御電極に選択的に接続
する第二の電気回路を備え、ｂ）該回路が、該上側尖端部の面外振動に反対作用する
ための電圧信号を受け取るようにしてあることを特徴とする請求項１０記載の回転速度センサー。
【請求項１２】ｘｙ−平面内にあり、該上側尖端部の対
向側面に固定してある、全体的に平らなスケールファク
ター電極対を含むことを特徴とする請求項４記載の回転
速度センサー。
【請求項１３】該スケールファクター電極対のそれぞれ
が、下側電極および上側電極を含み、各下側および上側
電極が上側尖端部の表面に固定してあり、該尖端部の該
表面に固定した励振電極により分離されていることを特
徴とする請求項１２記載の回転速度センサー。
【請求項１４】各下側スケールファクター電極が、該横
材に隣接していることを特徴とする請求項１３記載の回
転速度センサー。
【請求項１５】該全体的に平らなセンサーフレームがｘ
−カット結晶であることを特徴とする請求項３記載の回
転速度センサー。
【請求項１６】ｘｙ−平面内にあり、該下側尖端部の内
側側面に固定してある、全体的に平らなピックオフ電極
を含むことを特徴とする請求項１５記載の回転速度セン
サー。
【請求項１７】該ピックオフ電極のそれぞれの上部が、
該横材に隣接していることを特徴とする請求項１６記載
の回転速度センサー。
【請求項１８】さらに、ａ）該下側尖端部が、狭くなっ
た中央部分を含み、ｂ）該狭くなった中央部分がｘｙ−平面内に向いており
、ｃ）該ピックオフ電極が、該下側尖端部の該狭くなっ
た部分内に位置していることを特徴とする請求項１７記
載の回転速度センサー。
【請求項１９】さらに、ａ）該ピックオフ電極に選択的
に接続する第四の電気回路を備え、ｂ）該回路が、該下側尖端部の面外振動に応答する電圧
信号を与えるようにしてあることを特徴とする請求項１８記載の回転速度センサー。
【請求項２０】該上側尖端部のすべての表面に位置する
、全体的に平らな制御電極を含むことを特徴とする請求
項１５記載の回転速度センサー。
【請求項２１】さらに、ａ）第五の電気回路を備え、ｂ
）該回路が、該上側尖端部の振動をゼロにするための電
圧信号を受け入れるようにしてあることを特徴とする請
求項２０記載の回転速度センサー。
【請求項２２】ａ）予め決まった性格の慣性入力に応答
して電気信号出力を与えるようにした圧電性材料から成
る本体、ｂ）該慣性入力に応答して該圧電性材料製の本
体中に発生する電気信号を送信するようにした、該本体
に固定した、少なくとも一つのピックオフ電極、ｃ）該
本体に対する該慣性入力の影響に反対作用させるために
、該圧電性材料製本体に電気信号を送信するようにした
、該本体に固定した、少なくとも一つの制御電極、およ
びｄ）該少なくとも一つのピックオフ電極から来る該信号
を受け入れ、該反対作用信号を発生し、それを該少なく
とも一つの制御電極に与えるためのフィードバック制御
回路から成るセンサー。