JPH0464409B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

航空機の運動の角速度は、あらゆる航行及び慣
性誘導装置にとつて重要な入力である。こういう
装置は普通航空機、宇宙船、船舶又はミサイルに
使われている。運動の角速度を感知することは、
現在ではジヤイロスコープによつて行なわれる。。 然し、ジヤイロスコープはいろいろな欠点があ
る。ジヤイロスコープは極めて高い精度に作らな
ければならないが、１時間あたり1゜未満というド
リフト率を持つことがある。ジヤイロスコープを
作る費用の為、非常に高価であり、物理的に大き
く且つ重い。ジヤイロスコープは、軸受の様な重
要な可動要素が時間と共に変化するという理由
で、その保守が頻繁に精密に行なわれなければな
らない。ジヤイロスコープは低レベルの衝撃及び
振動によつても損傷を受けることとがある。この
為、判らない時刻に判らない規模のドリフト率の
増加が起ることがある。ジヤイロスコープは衝撃
及び振動の影響を受け易いので、その保護の為に
重い取付け構造を用いる場合が多いが、これも高
価である。 従つて、それ程高価でなく、角速度を測定する
ことが出来、こうして車輌又は航空機の姿勢を測
定する他の何等かの装置により、ジヤイロスコー
プに置き換えることが望ましいことは明らかであ
る。この発明では、圧電特性を持つ石英の共振構
造を有し、、該構造が少なくとも２つの振動素子
を持ち、各々の素子が略平行な２叉及び共通の軸
で構成されていて、該２叉及び軸が１平面内に配
置され、共通の軸が出力軸として作用し、前記構
造が出力軸と平行な軸線の周りの角運動のみに応
答する平衡形共振感知装置となり、前記出力軸に
捩れの撓みを生じ、更に、前記２叉に結合されて
いて該２叉を駆動周波数で振動させる電磁手段
と、前記出力軸に結合されていて、装置が受け
る、前記軸線の周りの運動の角速度を表わす電気
信号を取り出す出力手段とを有する角速度感知装
置を提供する。 この感知装置は音叉であることが好ましい。音
叉は機械的に温度に対して略安定であつて、内部
の摩擦が小さく、フツクの法則に従うものにすべ
きである。音叉は石英で構成することが好ましい
が、必ずしもそうしなくてもよい。然し、合成結
晶、例えば酒石酸エチレンジアミン（EDT）、酒
石酸２カリウム（DKT）又は燐酸２水素アンモ
ニウム（ADP）の様な他の圧電材料も使うこと
が出来る。非圧電材料も圧電駆動装置と共に使う
ことが出来る。 音叉は石英の様な絶縁材料で構成することが好
ましいが、導電材料を使うことも出来る。この場
合、音叉の２叉は電磁的に、即ち不動のコイルと
２叉に設けた磁気装置とによつて励振しなければ
ならない。 音叉は互いに平行に配置されていて振動するこ
とが出来る２叉で構成される。２叉が出力軸又は
把手によつて相互接続され、これから出力信号を
取り出すことが出来る。出力信号は装置が受けた
運動の入力の角速度を表わす。これが振動の方向
に、直角の撓みを生ずる。光変調又は周波数変調
された出力信号を得ることも出来る。 ２叉又は出力軸に４つのコンデンサを結合する
ことによつて出力信号を取り出すことが出来る
し、或いは圧電式に、電気抵抗により、又は光学
式に取り出すことが出来る。この発明の感知装置
の毎時10゜程度の測定可能な入力速度は、磁気的
に補正した方向基準として、並びに重力を補正し
た垂直姿勢基準として使える位に低い。0.1゜／時
の入力速度が測定可能であれば、装置は自蔵式慣
性誘導装置の様な慣性級基準として使うことが出
来る。 この発明に特有と考えられる新規な特徴は特許
請求の範囲に具体的に記載してあるが、この発明
自体の構成、作用並びにその他の目的及び利点
は、以下図面について説明するところから最もよ
く理解されよう。 第１図及び第２図には、この発明の動作原理を
説明する為の簡単な音叉が示されている。前に述
べた様に、音叉１０は或る合成結晶、好ましくは
石英の様な圧電材料で作られている。第１図及び
第２図には２叉１１，１２及び出力軸又は把手１
３を持つ音叉１０が示されている。後で第４図乃
至第６図について説明する様に、電界を印加する
ことにより、２叉を振動させることが出来る。１
１に示すような２叉の各々の自由端から隔たる１
対の電極１４が第２図に示されており、これが容
量性出力を発生する。この時、２叉は矢印１５で
示すように互いに接近する向き、並びに矢印１６
で示すように、次の半サイクルには互いに遠ざか
る向きに振動する。従つて、２叉１１，１２が平
衡しているから、音叉は平衡形共振回路を表わ
す。２叉１１，１２と出力軸１３の間の区域に直
接的に適用し得る別の１対の電極１７，１８によ
り、電気出力を取り出すことが出来る。装置の角
運動の為に起つた音叉１０の撓みにより、２つの
電極１７，１８は異なる極性を持つ。一旦角運動
が加えられると、時間微分、即ち運動の角運動が
容易に得られる。 こゝで音叉の運動の中心から叉１１の端までの
距離が0.5cm、又は叉の内、電極１４によつて覆
われた部分の距離が0.2cm、運動の中心から電極
１４の中心までの距離が0.4cm、各々の叉の幅が
0.05cm、、各々の叉の厚さが0.005cm、振動の半振
幅が0.00025cm、駆動周波数が10kHzであると仮定
し、石英の密度を2.6gm/cm³とする。こういう仮
定をすると、角運動量は次の様に計算することが
出来る。 Ｈ＝6.53X0^-4gmcm²/秒 (1) 同様に、トルクＴは次の様に計算することが出
来る。 Ｔ＝1.89X10^-7gmcm (2) 最後に２叉の撓みは Ｙ＝1.62X10^-7cm (3) この時、音叉の幅は変えずに、その寸法を増加
する効果は、Ｎになり、これは寸法の増加の５乗
に比例することを示すことが出来る。従つて次の
表の様な計算になる。

【表】 従つて、音叉の寸法を増加すると、叉の撓みが
かなり増加することが表１から明らかに判る。 次に第３図乃至第９図について全般的に説明す
るが、特に第３図乃至第６図には、この発明の好
ましい実施例が示されている。この実施例は２つ
の音叉を含んでおり、その２つの軸線は中心軸線
から隔てゝ、それと平行に配置されている。即ち
１対の音叉の第１の叉２０，２０′は１個の区分
２２で構成されている。区分２２は、２つの音叉
２０，２１を構成する２つの部分にすき間２３に
よつて分割されているが、このすき間は２つの部
分２０，２１を相互接続する小さな架橋部２４を
残している。他方の区分２２′は区分２２と正確
に対称的であつて、２つの音叉の他方の叉２０′，
２１′を構成している。 ２つの区分２２，２２′の夫々の２つの端が相
互接続部材２５，２５′によつて相互接続される。
部材２５は２つのすき間２６，２６′により、２
つの区分２２，２２′から隔てられている。他方
の相互接続部材２５′も同じ様に２つの区分２２，
２２′から隔てられている。 ２つの相互接続部材２５，２５が出力軸を形成
する。これは何れも小さな架橋部２７，２７′に
よつて周囲の枠３０と接続されており、この枠は
２つの区分２２，２２′から隔てられている。第
４図に示すように、音叉をケーシング３１で取り
囲むことが出来る。即ち、部分２０，２０′が１
対の叉を形成し、部分２１，２１′が他方の音叉
を形成する。 第５図は音叉の１対の叉２０，２０′の端に設
けることの出来る電極を示している。叉２０はそ
の両側に１個の電極３２，３３を有する。同様
に、叉２０′は１つの電極３４，３５を有する。
ケーシング３１の一方の内面が同様な電極３６を
持ち、他方の又は反対側の内面が電極３７を持つ
ている。 感知発振器３８がケーシング３１に設けられた
２つの内側電極３６，３７に接続される。この
為、電極３７，３２の間に静電容量４０が形成さ
れる。別の静電容量４１が電極３３，３６の間に
形成される。３番目の静電容量４２が電極３４，
３７の間に形成され、４番目の静電容量４３が電
極３５，３６の間に形成される。 第６図のブリツジ回路の出力を計器４４で読取
ることが出来る。 第６図の容量ブリツジの出力回路が第８図に示
されている。駆動発振器４６は掛算器４７によつ
て逓倍することが出来る。駆動発振器が第３図の
感知装置に用いられる。ブリツジ増幅器４８を使
つて、計器４４からの信号を増幅することが出来
る。この後、位相検波器５０を用いる。この位相
検波器は、駆動発振器４６に結合された掛算器４
７からの基準位相を用いる。位相検波器の後に
波器５１及びA/D変換器５２が続くが、この変
換器がマイクロプロセツサ、直線化装置、表示駆
動器及びA/D変換器５３に信号を供給する。従
つて、出力信号はデイジタル出力導線５４又はア
ナログ出力導線５５の何れかから得ることが出
来、適当な表示装置に印加することが出来る。 第７図には第３図の感知装置の一部分及びその
電極の拡大図が示されている。１対の駆動電極６
０，６１が叉２０上に配置されている。２つの駆
動電極が導線６２，６３には夫々接続され、これ
らの導線が駆動発振器に接続される。２つの電極
は互いに僅かに隔たつていて、叉を振動させる電
界を設定する。他方の叉２０′も同様な電極６
０′，６１′を持ち、これらが出力導線６２′，６
３′に接続される。導線６２，６２′は一緒に結合
されている。 ピツクアツプ電極６４がやはり叉２０上に配置
された別のピツクアツプ電極６５に接続される。
出力電極６４，６５が導線６６及び枠３０に接続
される。他方の叉２０′も同様な出力電極を持つ
ている。 出力電極６４，６４′が叉上に直接的に配置さ
れていて、第６図に示すような容量性出力を発生
することが認められよう。６２，６３の様な一方
の出力電極は接地することが出来る。 第１３図の電極に対する圧電出力回路が第９図
に示されている。この場合も、駆動発振器４６が
導線９４，９１を介して第３図及び第１３図の平
衡形感知装置を付勢する。この場合、叉の撓みに
よる結晶の歪みにより、圧電電圧が電極９６とそ
れに対応する見えない電極に現われる。バツフア
増幅器６７が第３図及び第１３図の感知装置の後
にあり、その後に位相検波器５０、波器５１、
Ａ／Ｄ変換器５２及びD/A変換器５３が続く。こ
れによつて出力導線５４，５５にデイジタル信号
又はアナログ信号が得られる。すき間２３，２６
（第３図参照）の様なすき間は、叉の質量を増加
して、一層低い共振周波数にすることが出来る様
にする。出力の撓みの方向に於ける叉の共振周波
数は、駆動信号の周波数に等しくすることが出来
る。この為、共振周波数は２０，２１に示すよう
な叉の質量と、すき間２３，２６の寸法とに関係
する。従つて、こういう値を任意に調節すること
が出来る。 第１０図及び第１１図にはこの発明の別の形の
感知装置が示されている。第１０図に明瞭に示す
ように、感知装置は、出力軸７２に対して直角
に、共通の軸線上に配置された２つの音叉７０，
７１で構成される。 出力軸７２は２つの壁７３，７４の間に固定す
ることが好ましい。出力軸７２に対称的な略矩形
の開口７５，７５′を設けて、主に出力軸の重量
を軽くすると共に、その剛性を減少することが好
ましい。その結果、出力軸７２の共振周波数が下
がる。従つて、出力軸７２は１対の音叉としても
作用する。 第１１図は曲線７６，７７に、即ち出力軸７２
の両側に、出力電圧の極性を示している。 第１２図及び第１３図はこの発明の別の形の感
知装置を示しており、２対の音叉を用いている。
第１２図に明瞭に示すように、共通の軸線を持つ
第１の１対の音叉８３，８４と、やはり共通の軸
線を持つ第２の１対の音８５，８６がある。２つ
の軸線は出力軸８７から隔たつている。２対の音
叉が接続部材８８によつて出力軸８７に接続され
る。第１３図には、例として、音叉をどの様に駆
動するかを示している。駆動発振器からの入力導
線９０，９１は入力導線９１が音叉８３，８４に
行く様に接続されている。同時に上側ケーシング
９４の下側ケーシング９５を入力導線９０で付勢
し、こうしてケーシング９４，９５と音叉８３，
８４の間に電界を発生する。 一方の出力又はピツクアツプ電極９６を相互接
続部分８８上に配置することが出来る。他方の出
力電極は電極９６の背後にあり、第１３図では見
えない。 第１４図の感知装置は夫々４つの音叉から成る
２対を持つている。即ち、第１組の音叉１００，
１０１，１０２，１０３が共通の軸線を持つてい
る。第２組の４つの音叉１００′乃至１０３′も共
通の軸線を持つているが、出力軸１０５からは隔
たつている。出力軸１０５がやはり各々の端に矩
形の切欠き１０６を設けて、その重量及び剛性を
減少し、こうしてその共振周波数を下げることが
出来る。１００乃至１０３の様な音叉が出力軸か
ら大きなすき間１０７，１０８，１１０によつて
隔てられている。出力軸１０５はやはり２つの壁
１１１，１１２の間に配置することが出来る。 出力軸１０５を予め捩つて移相することが出来
る。即ち、予め応力を加えることにより、角速度
の他に、角運動の方向を検出する。従つて、出力
軸１０５を用いて駆動周波数より高いことのある
出力周波数を発生することが出来る。第１０図の
出力軸７２についても同じことが言える。 電極は金めつきで構成するのが好ましいことに
注意されたい。レーザによる手入れにより、各々
の音叉の２叉の釣合をとることが出来る。即ち、
レーザが１つの叉の極の適当な部分を除去するこ
とが出来る。これによつて回路のＱが高くなる。 以上駆動発振器によつて付勢される音叉によつ
て基本的に構成された角速度感知装置を説明し
た。装置の角運動により、振動の方向に対して直
角に出力軸の撓みが起る。この撓みは静電容量効
果、抵抗効果、又は圧電効果によつて発生される
電圧によつて測定することが出来る。周波数変調
された出力信号を得ることも出来るし、或いは光
ビツクアツプを使うことが出来る。多数の音叉を
持つ種々の形式を説明した。好ましい構成は、感
知装置の振動に対して出力信号の周波数を制御す
ることが出来る。この角速度感知装置は普通のジ
ヤイロスコープよりもずつと低廉に、半導体技術
を用いて製造することが出来る。製造費が安いこ
との他に、その精度は、磁気的に又は重力に対し
て補正した使い方で、方向及び姿勢基準として、
或いは自蔵式慣性誘導装置として使われる慣性用
基準としても、実際的な大抵の用途に十分である
筈である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の考えを説明する為の音叉の
平面図、第２図は第１図の音叉の側面図で、出力
信号を取り出す２対の電極を示している。第３図
は２つの音叉を持つこの発明の好ましい実施例の
平面図で、ケーシングは省略してある。第４図は
第３図の実施例の断面図で、音叉を取り囲むケー
シングを示す。第５図は第３図の線５−５で切つ
た断面図で、ケーシングを示すと共に、ブリツジ
回路で使うことの出来る容量出力を示している。
第６図は第５図の電極装置によつて得られる容量
ブリツジを示す回路図、第７図は第３図の感知装
置の一部分の拡大平面図で、第３図の感知装置か
らの出力導線を含めた駆動及び出力電極の両方を
示している。第８図は第７図のブリツジ回路の出
力回路のブロツク図、第９図は第８図と同様なブ
ロツク図であるが、第１３図の形の電極によつて
得られる圧電出力を示す。第１０図は出力軸に対
して法線方向に一直線上に配置された２つの音叉
で構成される別の角速度感知装置の平面図、第１
１図は機械的な変形によつて出力軸に発生される
電圧を図式的に示す図、第１２図は各対の音叉が
一直線上にあつて、２対が出力軸と平行に配置さ
れている様な４つの音叉を持つこの発明の角速度
感知装置の別の実施例の図、第１３図は第１２図
の感知装置の一部分の拡大図で、駆動電極と共に
１つのピツクアツプ電極を示している。第１４図
は４つの音叉が同じ軸線上に配置され、２組の音
叉の夫々の軸線が出力軸の軸線と平行に配置され
ている様な８個の音叉を持つこの発明の感知装置
の更に別の実施例の平面図である。 〔主な符号の説明〕 ２０，２０′，２１，２
１′：音叉の叉、２５，２５′：出力軸、３２，３
３，３４，３５，３６，３７：電極、３８：発振
器、４４：計器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２つの分岐部を有する圧電材料の単結晶で作
   つた音叉と、２つの分岐部に対して平行な軸線を
   有する軸とを用い、２つの分岐部と軸とが共通の
   平面に位置するようにし、また、ケーシング内に
   単結晶を取り付ける手段をケーシングに設けるこ
   とによつて回転を感知する方法において、前記圧
   電材料単結晶の分岐部を電気的に駆動して前記単
   結晶の分岐部を前記共通の平面内にある最初の経
   路に沿つて移動させ、ケーシングからもケーシン
   グ内に単結晶を取り付ける手段からも間隔をあけ
   て且つ軸の軸線まわりの音叉の回転運動によつて
   生じた前記単結晶の領域における前記単結晶圧電
   材料の応力を、共通平面に対して直角の方向にお
   ける分岐部の運動を検知することによつて圧電式
   に検出することを特徴とする方法。 ２ ケーシングと、共通平面内に２つの分岐部を
   有する音叉と、これら２つの分岐部に対して平行
   な軸線を有する軸と、音叉をケーシングに取り付
   ける手段と、分岐部に連結してあつてこれら分岐
   部に共通平面内での駆動振動数の振動を与える駆
   動手段と、軸の軸線まわりの回転角を測定して回
   転入力率に比例した電気信号の発生する出力手段
   とを包含する角速度感知装置において、第１およ
   び第２の部分を有する圧電材料の単結晶を設け、
   音叉１０は第１の部分に形成した分岐部１１，１
   ２または２０，２０′または２１、または２１′お
   よび第２の部分に形成した軸１３または１７を有
   することを特徴とし、また、前記出力手段が少な
   くとも第１および第２のピツクアツプ電極６４，
   ６５または６４′，６５′からなり、これらピツク
   アツプ電極が、前記ケーシング３１からもまた前
   記ケーシング内に前記単結晶を取り付ける前記手
   段２７，２７′，３０からも間隔をあけた位置に
   おいて前記第２の部分に機械的に結合してあつ
   て、音叉の軸まわりの回転によつて生じた前記第
   ２の部分の応力を圧電式に測定するようにしたこ
   とを特徴とする角速度感知装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の角速度感知装置
   において、さらに、圧電材料が石英であることを
   特徴とする角速度感知装置。