JPH06258083A

JPH06258083A - ビーム振動型ジャイロ測定装置

Info

Publication number: JPH06258083A
Application number: JP5141018A
Authority: JP
Inventors: Pierre Leger; ピエール・レジェール; Olivier Marchais; オリビエ・マルシェ; Francis Bienaime; フランシス・ビエネーム
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1993-06-11
Publication date: 1994-09-16
Also published as: TW226501B; DE69308659D1; DE69308659T2; US5597955A; EP0578519B1; EP0578519A1; NO932125L; NO932125D0

Abstract

(57)【要約】【目的】レートジャイロまたはジャイロスコープとし
て用いられるビーム振動型ジャイロ測定装置を小型かつ
簡易に構成する【構成】この装置は、方形ベース１０と、該方形ベー
スに一体成形され該方形ベースの四隅から突出するよう
に設けられた四の相互に平行なビーム１２ａ〜ｄとから
成る共鳴器を有している。各ビームは、該方形ベースの
二辺に平行な二方向毎に、同一の共振周波数を有してい
る。さらに、この装置は、駆動回路に接続され各ビーム
をそれらと垂直な第１の方向に振動させる第１の変換器
と、各々第１の方向に垂直な第２の方向に沿った各ビー
ムの振動振幅を検出する第２の変換器とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コリオリの力を利用
したビーム振動型ジャイロ測定装置に関する。このコリ
オリの力は、振動体が回転するとともに回転方向および
振動方向に対してちょうど垂直に向いている時に、その
振動体に働く力である。特に、本発明はレートジャイロ
に用いて好適である。さらに、本発明は、回転角を示す
信号を得るように実現することができ、その方が曲がり
速度を得るように構成するよりも好適である。

【０００２】

【従来の技術】今日、種々のビーム振動型レートジャイ
ロが提案されている。例えば、「Ｈ」字型の共鳴器を有
する振動ジャイロが欧州特許公報ＥＰ−Ａ−０３０９９
６３に開示されている。この公報によれば、ジャイロに
は四の金属ビームが設けられている。そして、これらビ
ームは、該ビームを第１の方向に振動させるための駆動
用圧電素子と、該第１の方向に直交する第２の方向に係
るビームの振動方向を検出するための検出用圧電素子と
を保持している。これら四のビームは「Ｈ」字状の各枝
をなすように構成され、これによってジャイロは、二の
回転するフォーク間に設けられた接続部を介して隔離さ
れている。すなわち、この接続部は、「Ｈ」字の中央の
横棒をなす物であり、振動の波節になっている。

【０００３】このような構成は、以下のような欠点があ
る。すなわち、ジャイロが回転運動した場合に、一対の
ねじれ力が二の回転フォーク間に発生する。これでは、
「Ｈ」字状のクロスバーを用いて振動体を支持するため
には、機械的に不都合である。各枝部あるいはビームに
対して全長にわたって均一な方形断面形状を施すことは
事実上不可能であり、従って駆動用圧電素子の振動方向
（入力方向）および検出方向（出力方向）の振動に対し
て均一な共振周波数を得ることも不可能である。

【０００４】また、入力方向および出力方向に対して各
々異なる周波数を得るために、長方形断面の複数の枝部
を設けて成るレートジャイロが、米国特許公報ＵＳ−Ａ
−３１２７７７５に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、よ
り進歩したビーム振動型ジャイロ測定装置を提供するも
のであり、小型かつ簡易に構成することができ、簡単に
波節に取り付けることができるビーム振動型ジャイロ測
定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１〜４に記載の発明にあっては、共鳴器と、第１
の変換器と、第２の変換器とを有するビーム振動型ジャ
イロ測定装置であって、前記共鳴器は、相互に平行に設
けられ同一の形状を有する四のビームを有する物であ
り、前記各ビームは、方形の基板と一体に構成され、前
記基板の四隅からそれぞれ突出するように設けられ、か
つ、前記方形の二辺と平行な二方向において同一の共振
周波数を有する物であり、前記第１の変換器は、駆動回
路に接続され、前記各ビームに対して垂直な第１の方向
に前記各ビームを振動させる物であり、前記第２の変換
器は、測定回路に接続され、前記各ビームの第２の方向
に沿った振動の振幅を測定する物であり、前記第２の方
向は、前記各ビーム毎に、前記第１の方向と直交するよ
うに定められたことを特徴としている。

【０００７】また、請求項５に記載の構成にあっては、
共鳴器と、第１の変換器と、第２の変換器とを有し、回
転量を測定するビーム振動型ジャイロ測定装置であっ
て、前記共鳴器は、相互に平行に設けられ同一の形状を
有する四のビームを有する物であり、前記各ビームは、
方形の基板と一体に構成され、前記基板の四隅からそれ
ぞれ突出するように設けられ、かつ、前記方形の二辺と
平行な二方向において同一の共振周波数を有する物であ
り、前記第１の変換器は、第１の回路に接続され、前記
各ビームに対して垂直な第１の方向に前記各ビームを振
動させる物であり、前記第２の変換器は、第２の回路に
接続され、前記各ビームを第２の方向に振動させるもの
であり、前記第２の方向は、前記各ビーム毎に、前記第
１の方向と直交するように定められたことを特徴として
いる。

【０００８】

【作用】請求項１〜４に記載の構成にあっては、駆動回
路および第１の変換器によって各ビームを振動させ、第
２の方向に沿った振動の振幅を第２の変換器を介して検
出する。また、請求項５に記載の構成にあっては、第１
の回路および第１の変換器によって各ビームを第１の方
向に振動させるとともに、第２の回路および第２の変換
器によって各ビームを第２の方向に振動させる。ここ
で、各ビームは、各々独立に振動するのではない。基板
を介した機械的な結合により、一のビームに対して振動
を付与すると、他のビームにおいても振動が発生する。
それにもかかわらず、駆動用の第１変換器を複数のビー
ムに装着することが有利である。上記基板は、温度変化
に対して弾力性の変化が小さい金属、例えばエリンバー
（Elinvar）を用いて構成すると好適である。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。Ａ．実施例の概要本発明の第１の実施例においては、第１の変換器および
それらの駆動回路は全てのビームを、相互に平行な方向
（入力または駆動モード）に振動させるように構成され
る。そして、全てのビームが同一構成であれば、すなわ
ち同一の断面形状を有し方形の四頂点に配置されていれ
ば、入力および出力モードは位相幾何学的に同一にな
る。これによって、入力モードの共振周波数ｆ_Eおよび
出力モードの共振周波数ｆ_Sは、当然に一致することに
なる。

【００１０】かかる構成において、入力および出力モー
ドの結合度は、従来の装置と比較してきわめて小であ
る。しかし、第１の変換器とその駆動回路を上記ビーム
のうちの二つを、他の二つのビームの入力モードにおけ
る振動方向に対して垂直に振動させることにより、結合
度をさらに小とすることも可能である。

【００１１】第２の実施例にあっては、上記駆動回路
は、各ビームを放射方向に（または接線方向に）振動さ
せる「偶数モード」と称する入力モードを発生させるよ
うに構成されている。これに対して、出力モードは接線
方向（または放射方向）に発生する。

【００１２】第３の実施例にあっては、入力モードは
「混合モード」である。この「混合モード」は、複数の
「偶数モード」の一次結合によって得られる。上記各変
換器は、一般的には圧電素子である。これらは、各ビー
ムに固着され金属層を表面に形成したセラミック薄板
（例えばＺｒＯ₃−ＰｂＴｉセラミック）により構成す
ることができる。また、これらを分極化させることによ
り、回路にインバータや減算器を設ける必要が無くな
る。

【００１３】しかしながら、これら変換器はビームに保
持され、共振器のＱファクタを減少させる。従って、か
かる欠点を除去することも本発明の目的の一つである。
かかる要望に対して、変換器を静電トランスデューサに
よって構成するとともに、導体たる各ビームとの間で静
電容量を構成する静止部品を設けている。すなわち、各
静止部品は、各ビームから隔離されたスロットの中に設
けられる。

【００１４】また、圧電素子を用いた変換器は線形な特
性を有していないから、これらは一般的には、高いＱフ
ァクタを有する高性能の装置とともに用いられる。その
一方、圧電素子を用いた変換器は、低いＱファクタや時
間的変動を許容する低レベルの用途にも用いられる。

【００１５】この装置は、レートジャイロとしてより
も、回転量測定装置のジャイロスコープとして用いるこ
とが好適である。このような用途のため、本装置にあっ
ては、上述したような共振器を設けられている。この共
振器は、各々のビームを各ビームに対して垂直な第１の
方向に振動させるとともに第１の回路に接続された第１
の変換器と、各々の該ビームにおいて対応する第１の方
向に対して垂直な方向である第２の方向に振動させると
ともに第２の変換器とを有している。第１および第２の
回路は、第１および第２の変換器に、損失を補うような
駆動信号を出力するように構成されている。さらに、第
１および第２の回路は、これら信号によって生じた力の
ベクトル量の総和と標準角との間の、三角関数と角度と
を測定する。

【００１６】この装置がジャイロスコープとして用いら
れる場合においても、これら付帯回路は、同様に二のモ
ードの振動による損失を補償する。各ビームの寸法は、
測定すべき回転速度に応じた共振周波数が得られるよう
に、選択される。回転速度が「１００°／秒」を超えな
いのであれば、レートジャイロは以下のようにして製作
することが可能である。すなわち、長さは「５０ｍｍ」
を超えないようにし、断面積は「２０ｍｍ×２０ｍｍ」
以内にするとよい。基板は振動の波節を形成しても差し
支えないから、組立作業はきわめて単純である。あらゆ
る力やトルクは、基板の内部において相互に補償され
る。これにより、ジャイロは、相対的な外部振動に対し
ては反応しなくなる。この発明の詳細は、図面を参照し
種々の例を用いた以下の実施例の解説により、一層理解
することが可能である。

【００１７】Ｂ．実施例の構成図１は、ビーム振動型レートジャイロに用いられる共鳴
器の全体構成を示している。この共鳴器には、方形ベー
ス１０が設けられており、方形ベース１０は、各振動ビ
ーム１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと一体に成形され
ている。詳細は後述するが、方形ベース１０は振動の波
節を形成している。方形ベース１０は、ロッド１６を介
してスタンド１４に固着されている。容器（あるいはカ
バー）１８は、スタンド１４に固定され、密閉あるいは
ガス気密容器になっている。また、これを排気すること
により、共鳴器のＱファクタを向上させてもよい。

【００１８】図２、３に示す実施例においては、各ビー
ムは、二のチューニングフォークを構成するものと考え
る。これらチューニングフォークに対しては、相互に位
相が反転した振動が付与され、「奇数モード」において
動作する。ところで、共鳴器全体を圧電素子によって構
成するのは困難である。従って、温度に対する弾性率変
動が小さく加工性能の高い金属のブロックを加工するこ
とが好適である。この場合、全てのあるいは一部のビー
ムに圧電素子を固着し、これによって振動を付与する
と、コリオリの力によって発生した振動が発生する。そ
して、この振動は、同様にビームに固着された圧電素子
によって検出される。これらの素子は、片面に金属膜を
施し他面をビームに接着した長方形小片から構成されて
おり、ビームは電気的な接地を兼ねている。

【００１９】一部の圧電素子は駆動素子とされ、励起回
路または駆動回路に接続される。駆動回路は、ビームを
振動させるとともに損失を補うのに必要なエネルギーを
供給する。他の圧電素子は検出回路に接続され、これに
よって、コリオリの力によって生じた振動が検出され
る。

【００２０】上記駆動回路は、一般的には閉ループ回路
であり、一定の振幅かつ共鳴器の共振角周波数に等しい
一定の角周波数（但し、厳密に一致することを要するも
のではない）の駆動振動を発生する。検出回路は、開ル
ープ回路または閉ループ回路によって構成することが可
能である。圧電素子の最低所要数は、駆動回路の性質に
基づく。実験結果においては、少なくとも八の素子が必
要であった。図１〜３に示す例にあっては、全ての素子
はビームの外面に配置されており、これによって、ビー
ム同志の間は、不要振動を抑制できる程度の狭い幅の空
隙のみを残しておけば足りる。図２において、これら八
の素子には、１８ａｂ〜１８ｄｂの符号を付す。

【００２１】上記共鳴器が開ループモードにおいて動作
する（すなわち、振幅ｘによって発生するコリオリの力
によるビームの振幅ｙを測定すると）、共鳴器のｚ軸の
を軸とする回転速度Ωは、下式によって得られる。ｙ＝２ｘＱΩ／ω ここに、ωは共鳴角周波数であり、ビームが正方形であ
れば、駆動モードおよび検出モードにかかわらず同一で
ある。また、Ｑは共鳴器の品質因子（Qualityfactor）
であり、共鳴器の構成物質によって決定される。

【００２２】開ループ測定における動作は、図４に示す
ように、励起または駆動回路と、圧電素子に接続された
検出回路とによりなされる。励起回路２１は、一対の圧
電素子（例えば１８ａｂおよび１８ｂａ）に接続され、
これによって一方のチューニングフォークが構成されて
いる。チューニングフォークは共鳴するとともに、他の
チューニングフォークに対しても共鳴を起こすように構
成される。ビームの振動振幅は、他のチューニングフォ
ークに設けられｚ軸に沿って同一レベルに位置する第２
の圧電素子対（例えば１８ｃｄおよび１８ｄｃ）によっ
て検出される。

【００２３】励起回路２１は、例えば後述するような種
々の方式によって構成することが可能であり、振動振幅
ｘを一定に保持する。ここで、振動方向は、図２の矢印
で示す方向およびその逆方向に設定される。図４に示す
ように、開ループにおける検出は、差分を取ることによ
ってなされる。二対の圧電素子の出力信号は、減算器２
２の二の入力端にそれぞれ供給される。減算器２２の出
力は、デモジュレータあるいは整流回路２４に供給さ
れ、回転角速度Ωを示す信号が出力される。圧電素子対
は、図３に示すように、半周期の間、逆位相の振動状態
を呈するように選択される。

【００２４】開ループレートジャイロの通過帯域は、
「ω／４πＱ」に等しい。仮に通過帯域を広げる必要が
ある場合には、閉ループ測定回路を用いることができ
る。すなわち、これによってコリオリの力による振動振
幅を「０」にすることが可能になる。この場合、ゲイン
および通過帯域は、機械的な共鳴器の品質因子に比較し
て、サーボ制御品質にさらに大きな影響を与える。閉ル
ープ動作を行うためには、さらに多数の圧電素子が必要
である。図１に示す例にあっては、八の追加の圧電素子
２０ａｂ〜２０ｄｃが、素子１８ａｂ〜１８ｄｂの直上
に環状に配置されている。これら二重の素子を、同一の
符号とともに図５に示す。図５は、位相および振幅をサ
ーボ制御する励起回路と、閉ループ測定回路との構成を
示している。この回路は、「１６個」の圧電素子を有す
るジャイロに用いて好適であるが、素子の数は「１６
個」に限られないことは勿論である。

【００２５】図５に示す励起回路は、図４のものと以下
の点において相違する。すなわち、回路に供給される入
力信号は、各々一のビームに設けられた（二に代えて）
四の圧電素子から得られたものであり、回路の出力信号
は、（二に代えて）四の圧電素子に供給される。

【００２６】各圧電素子１８ａｂ，１８ｂａ，１８ｃ
ｄ，１８ｄｂは、各々対応するビームの動きに応じた出
力信号を出力し、これら出力信号は減算器３０を介して
合成され、位相および振幅をサーボ制御する励起回路２
１に入力信号として供給される。この回路にあってはア
ンプ３２が設けられており、アンプ３２の出力信号は、
位相発生回路によって駆動されるフィルタ３６を介し
て、乗算器３４に供給される。乗算器３４は減衰用に設
けられたものであり、そのゲインは振幅発生システム３
８によって制御される。振幅発生システム３８には、ア
ンプ３２の出力信号と、振幅の目標値たる基準信号ＲＥ
Ｆとが供給される。

【００２７】フィルタ３６は一般的にはアクティブフィ
ルタであり、位相比較器４０によって制御される。位相
比較器４０は、アンプ３２の出力信号と、乗算器３４か
ら出力される回路全体としての出力信号とを受信し、位
相変位が所定値（一般的には「０」）になるようにフィ
ルタを制御する。励起回路２１の出力信号は、圧電素子
２０ｃｄおよび２０ｄｃに直接供給されるとともに、イ
ンバータ４２を介して、圧電素子２０ｂａおよび２０ａ
ｂに供給される。なお、上述したように、二の素子のみ
を励起するように構成した方が好適な場合もある。

【００２８】圧電素子１８ｄｂ，１８ｂｄ，１８ｃａ，
１８ａｃから出力された出力信号は、減算器２８を介し
て合成され、閉ループ測定回路２４に入力信号として供
給される。閉ループ測定回路２４の構成自体は、従来技
術のものと同様である。図示の回路は、アンプ４４と、
その後段の同期復調器４６とを有している。同期復調器
４６は、励起回路２１の出力信号を基準信号として受信
している。復調された信号はローパスフィルタ４８に供
給され、その出力信号２６は、回転角速度Ωを示すもの
になる。ここで、アンプ４４の出力端が圧電素子２０ａ
ｃ，……に接続されることにより、閉ループ回路が構成
されている。インバータ５０は、圧電素子２０ｂｄ，２
０ｄｂに供給される信号の極性を反転させている。詳細
は後述するが、減算器２８，３０およびインバータ４
２，５０は、相互に対応する圧電素子片の極性ベクトル
を適切に検出することにより省略することが可能であ
る。

【００２９】ここで、一例として、回転角速度が「１０
０°／秒」以下であるとして設計されたレートジャイロ
の詳細について説明する。機械式共振器は、「６ｍｍ×
６ｍｍ」の断面を有し長さが「３０〜３５ｍｍ」の四の
ビームを有している。圧電素子は、十分の数ｍｍ厚のＰ
ＺＴ小片により構成し、両面に金属膜を形成するととも
に各ビームに接着すると良い。

【００３０】次に、図６を参照し、「偶数モード」にお
ける振動方向を矢印で示す。なお、図において図２の各
部に対応する部分には同一の符号を付する。この場合、
励起回路は、放射方向（実線の矢印の方向）の入力モー
ドを出力するように各変換器を駆動する。これによっ
て、出力モードは接線方向（破線の矢印の方向）にな
る。このようにして、入力方向（放射方向）の共振周波
数ｆ_eと、出力方向（接線方向）の共振周波数ｆ_sとは、
当然には一致しなくなる。計算によれば、仮にスロット
の幅ｈが、断面積「ａ・ａ」とビーム長ｌによって特定
される所定の値になれば、共振周波数ｆ_eと共振周波数
ｆ_sとは等しくなる。

【００３１】しかし、製造誤差を考えると、同一性を確
保することは困難である。従って、放射方向の振動周波
数ｆ_Rが振動周波数ｆ_Tよりも僅かに高くなるように設定
すると好適である。そして、各ビームの外側のエッジ
に、全長に亙ってあるいは基部のみに面取部１９を形成
することにより、振動周波数ｆ_Rを調節するとよい。仮
に、初期状態において振動周波数ｆ_Tが振動周波数ｆ_Rよ
りも高い場合には内側のエッジ２１を削ればよいが、作
業性が若干低下するであろう。

【００３２】偶数モードの動作にあっては、一の共通の
周回行に属する変換器が、入力モードにおける励起と、
出力モードにおける検出とを行う。従って、回路構成は
奇数モードのものよりも複雑になる。このような欠点を
除去するため、二つの偶数モードを一次結合することに
よって得られる混合モードを用いると好適である。図７
に示す実施例にあっては、放射モードおよび接線モード
の総和によって入力モードが得られている。一方、出力
モードは、放射モードおよび接線モードの差によって得
られている。なお、振動周波数ｆ_Rと振動周波数ｆ_Tとが
相違する場合、「０」ではない直角位相信号（quadratu
re signals）が測定回路において発生するから、周波数
偏差を容易に検出し調節することが可能である。

【００３３】図７は、混合モードにおける開ループ駆動
および測定回路の構成を示しており、公知の圧電素子と
ともに動作するようになっている。なお、図において図
４の各部に対応する部分には同一の符号を付する。この
励起回路は、圧電素子１８ｃａ，１８ｂｄを直接駆動す
るとともに、インバータを介して素子１８ａｂ，１８ｄ
ｃを駆動する。測定回路２４は、素子１８ａｃ，１８ｄ
ｂの出力信号を直接受信するとともに、インバータを介
して素子１８ｂｃ，１８ｃｄの出力信号を受信する。

【００３４】なお、製造時においてこれらの素子が高電
圧によって分極するようになっていれば、インバータを
省略することが可能である。この場合、初期の電極（一
面は金属膜、他面はビーム）に対して、伸張するか縮小
するかに応じて電圧を印加するとよい。変換器を他の用
途に用いる場合には、図７において必要であった電圧減
算器またはインバータを省略し、回路を簡略化すること
が可能である。図９、１０においては、奇数モードおよ
び混合モードにおける動作を示す。ここで、変換器の極
性は、「＋」および「−」によって示されている。上記
何れの回路も、開ループと同様に閉ループにおいても実
現することができる。例えば、駆動回路は閉ループで動
作するように構成し、これによって入力モードの振幅を
所定値に保持することが可能である。開ループまたは閉
ループの何れを選択するかは、その装置にとって何れが
好適であるかによって決定すると良い。

【００３５】仮に、精密な制御と安定したスケールファ
クタと広い通過帯域が必要であれば、閉ループ方式の装
置を採用することが好適である。この場合、多数の変換
器が必要になる。図１に示す実施例においては、圧電素
子１８ａｂ〜１８ｄｂの直上に八の追加の圧電素子２０
ａｂ〜２０ｄｃを周回行に沿って配置することが必要で
あった。図１１は、図５のものと同様の、閉ループ方式
の入出力回路を示している。より詳述すると、共鳴器２
８，３８は図１１に示したものと同様であり、種々の機
構部品（方形ベースおよびビーム）から構成されてい
る。

【００３６】また、複数の変換器は、便宜上、変換器２
６として表示している。これら変換器は、入力モードの
振動を測定するとともに交流信号を励起回路３０に出力
する。この交流信号は、共鳴器２８の移動量に直接対応
する量である。励起回路３０は、共振周波数ｆ_Eで、駆
動用変換器３２を駆動する。ここで発生するコリオリの
力は、共鳴器２８，３０を結合する演算回路３６とし
て、機能的に示されている。

【００３７】この測定回路は、アンプ４４を有してお
り、検出用変換器の出力信号を受信する。また、その後
段には同期復調器４６が設けられており、ここに励起回
路３０の出力信号が基準信号として供給される。そし
て、復調された信号は、結合ネットワーク（一般的には
ＲＣフィルタ）４８に供給される。結合ネットワーク４
８の通過帯域は、装置の通過帯域に基づいて設定され
る。結合ネットワーク４８は、回転角速度Ωの評価値を
出力する。この出力信号は、変調器５０、アンプ５２を
介して変換器にフィードバックされる。

【００３８】品質因子Ｑｍに対してスケールファクタを
高くする必要のある場合には、開ループによる測定回路
が好適である。しかし、品質因子Ｑｍは安定ではなく、
種々の損失が変動すると、それがたとえ小さなものであ
っても、品質因子Ｑｍに対して多大な変動が発生する。
もう一つの制約としては、通過帯域（これは共振周波数
ｆに対してｆ／２Ｑｍに等しい）が狭く、一部の用途に
は適さないことである。

【００３９】図１２は、かかる制約を解決した開ループ
型の測定回路を有する装置を図示したものである。な
お、図において図１１の各部に対応する部分には同一の
符号を付する。この装置においては、電気的なダンピン
グ手段が設けられており、図１１に示すものよりも簡易
な構成になっている。出力用の共鳴器３８は、ゲインＫ
（ｐ）のオペアンプ５２を含むループによって、電気的
にダンプされる。オペアンプ５２の出力は、検出された
共鳴器３８の回転速度に関係して直接生ずる力を表すも
のである。ここで、出力信号＾Ωを決定する品質係数Ｑ
ｔは、次式によって得られる。１／Ｑｔ＝（１／Ｑｔ）＋（１／Ｑｅ）

【００４０】仮に、電気的品質係数Ｑｅが品質因子Ｑｍ
よりも充分小さい場合には、その結果としての品質係数
Ｑｔは品質因子Ｑｍに対してほぼ無関係になり、安定す
ることが判る。オペアンプ５２の通過帯域は、最も動作
頻度の高い周波数が中心周波数になるように設定され
る。また、伝達関数Ｋ（ｐ）は、共鳴器において発生す
る他の自然モードの振動を増幅しない程度に設定され
る。

【００４１】上述したように、変換器としては、一般的
に種々の圧電素子が用いられる。これらは、種々のサイ
ズにおいて完全な互換性を有し、かつビームの平滑な表
面に接着可能なものが市場に提供されている。その一
方、これらは機械的な品質因子（Ｑファクタ）を顕著に
減少させる。一例として、アルミ合金の共鳴器が本来
「２５０００」のＱファクタを有する場合においても、
圧電素子を装着することにより、Ｑファクタが「２５０
０」に低下する。ほとんどの用途においては、このよう
なＱファクタあるいは「１／１０°毎秒」程度の時間変
動は許容されるから、圧電素子を用いることは好適であ
る。

【００４２】その一方、高性能機器に用いられる共鳴器
としては、機械的なＱファクタに悪影響が及ばないよう
な物を用いることが好適である。このような用途に対し
ては、電気的な変換器を用いることが好適である。その
ような変換器の一例を図１３に示す。図において、共鳴
器の上部からビーム同士の間に変換器が示されている。
この変換器においては、絶縁物で構成されたクロスプレ
ート５４が設けられており、その表面には複数の電極５
６が設けられている。各ビームの電位は所定値に保持さ
れ、各電極５６はビームとの間で各々コンデンサを形成
している。クロスプレート５４は、共鳴器を収容する容
器１８（図１参照）に固着するのが好適であり、容器１
８の底板を介して各電極と外部の回路とを接続するとよ
い。この実施例においても、圧電素子を用いた場合と同
様に、図１３に示すように変換器をさらに一列設けても
よく、２つの列を重ね合せてもよい。

【００４３】電気的変換器を用いた場合においても、圧
電素子を用いた場合と同様の入出力回路を使用すること
が可能である。しかし、電気的変換器に適した回路構成
を用いることが望ましく、高周波のキャリアを出力およ
び遮断する回路を用いるとよい。このような電気的変換
器の主な特徴としては、反発力を生じることができない
こと、および応答特性が線形でないことがとが挙げられ
る。図１４においては、奇数モードの測定回路が示され
ている。図において、各々増幅器５８を有する二のブラ
ンチが設けられ、各ブランチの出力が加算器６０に入力
される。また、共鳴器にはＤＣバイアス電圧Ｖ₀が印加
されている。

【００４４】コリオリの力によって振動が生ずると、四
のコンデンサのギャップ長が変動し、振動周波数に等し
い周波数を有する交流電圧が発生する。この電圧の変動
振幅は、振動振幅に比例するものであり、入力モードに
おける励起においても用いられる。測定回路のスケール
ファクタは、ＤＣバイアス電圧Ｖ₀に比例する。このよ
うな一定の電圧が現れることを考慮して、入力回路の構
成もそれに応じて変更するとよい。

【００４５】図１５に、線形の応答が得られる実施例の
構成を示す。なお、図において、それぞれ二のビームか
ら構成される二のチューニングフォークは、分離して示
されている。回路６２は、入力あるいは出力モードにお
いて発生する損失を補うためのエネルギーを供給するも
のであり、電圧＋Ｖおよび−Ｖ（但しＶはＶ₀より小で
ある）を、電極あるいは静電変換器に交互に印加する。
従って、電極とビームとの間に発生する吸引力は、（Ｖ
₀＋Ｖ）²および（Ｖ₀−Ｖ）²に比例する。この結果、
「Ｖ₀ ²＋Ｖ²」の近辺においては、吸引力の変動は４Ｖ₀
Ｖに比例する。

【００４６】この変動は、ビームの動きではなく速度の
位相に応じて付与される。時刻に対するギャップ幅ｈの
変動の状態を図１６の再上段に示す。図においてｈ₀は
静止状態におけるギャップ幅である。二組の電極Ｂ，
Ｂ’およびＤ，Ｄ’によって生ずるギャップ幅は、逆位
相で変動する。回路６２は、位置センサ（図示せず）に
よって、ビームの速度が吸引方向に向いている時に吸引
力を最大にするように制御される。

【００４７】このようなジャイロメータ装置は、共鳴器
に付帯する回路を変更することにより、ジャイロスコー
プとして用いることが可能である。すなわち、角度を測
定するのであれば、想定する最高回転速度に対しても振
動面の位置が充分安定するようにビームの長さを設定し
ておくとよい。この装置をジャイロスコープとして用い
る場合には、入力励起回路と出力回路とは上述したよう
に構成し、入力および出力共鳴器の損失を補うようにす
ればよい。

【００４８】また、振動面が慣性領域においても安定で
あるならば、静止時における基準値と比較することによ
り、共鳴器（および容器）の軸に対する回転Θを測定す
ることが可能になる。すなわち、入力および出力共鳴器
は相互に直交する方向に振動するから、その余弦および
正弦が入力および出力共鳴器の振動振幅に比例する角度
Φが特定される。従って、この角度Φを介して回転Θを
測定することが可能になる。

【００４９】このようなジャイロスコープは、従来の物
と比較して、角度のレンジが制限されないという利点を
呈する。次に、図１の共鳴器を上述したジャイロスコー
プとして動作させるのに好適な付帯回路を図１７に示
す。図において複数の変換器６４，６６は、各々一対の
物に代表して図示されている。変換器６４はＹ軸方向の
振動を検出するとともに損失を補償するものであり、変
換器６６はＸ軸方向の振動を検出するとともに対応する
損失を補償するものである。

【００５０】図１７のブロック図においては、フォロワ
レゾルバと同様に構成され、基準位置からの角度Θの予
測値を出力するエンコード回路と、ｓｉｎΦおよびｃｏ
ｓΦをそれぞれ補償する二の損失補償ブランチとが設け
られている。二のチャンネルは、それぞれ同様に構成さ
れている。すなわち、図１７において、余弦チャンネル
への入力信号は、一方の変換器６６において検出され、
アンプ６８を介して、アナログ・デジタル乗算器７０に
供給される。このアナログ・デジタル乗算器は、さらに
予測角度＾Φを示す信号を受信し、該入力信号とｃｏｓ
＾Φとの乗算結果をアナログ状態で出力する。そして、
第２の乗算器７４は、その入力信号とｓｉｎ＾Φとの乗
算結果を出力する。

【００５１】他方のチャンネルにおける動作は、関数
「ｃｏｓ」と「ｓｉｎ」とを入替えたものになる。両チ
ャンネルの乗算器７４の出力信号は、加算回路７６にお
いて加算され、加算回路７６から出力される交流信号は
整流器７８によって整流される。この結果得られた直流
信号は、生じた振動（Ｘ方向およびＹ方向の振動を組合
わせたもの）の振幅を表すものとなる。この直流信号は
減算器８０に供給される。また、減算器８０には、振動
振幅の目標値として設定された信号Ｕ₀が供給される。

【００５２】各チャンネルにおいて振動を継続するため
に必要な力は、縦続接続された変動利得アンプ８４と固
定利得アンプ８２とを介して得られる。変動利得アンプ
８４は、一入力端において減算器８０の出力信号を受信
し、Ｘ軸に沿った実際の振動振幅であるアンプ６８の出
力信号を他入力端において受信する。このエンコーダ回
路において、減算器８６は、加算回路７６および同期復
調器８８の出力信号を受信する。この同期復調器８８
は、加算回路７６の出力信号を基準信号として受信す
る。

【００５３】このように、図示の実施例にあっては、複
数のアナログ・デジタル乗算器によって各チャンネルの
損失補償を行っている。同期復調器８８の後段には、電
圧／周波数コンバータ９０が設けられており、その出力
はアップ・ダウンコンバータ９２に供給される。アップ
・ダウンコンバータ９２は、上述したように、アナログ
・デジタル乗算器７０において用いられる信号を生成す
る。電圧／周波数コンバータ９０の出力は、一連のパル
ス信号より成っており、その各々が回転の一単位を示し
ている。そして、別に設けられた他のアップ・ダウンコ
ンバータ９４は、これらパルスを受信し、回転角を出力
する。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、ビーム振動型ジャイロ測定装置を小型かつ簡易に構
成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレートジャイロの、振
動または構造部の正面図である。

【図２】図１におけるII-II断面図であり、共鳴器の軸
に沿った回転Ωの期間において、回路が奇数モードで駆
動されている際の、駆動回路およびコリオリの力による
駆動方向を示す。

【図３】図１におけるII-II断面図であり、共鳴器の軸
に沿った回転Ωの期間において、回路が奇数モードで駆
動されている際の、駆動回路およびコリオリの力による
駆動方向を示す。

【図４】図１〜３のジャイロに用いられる開ループ型励
起測定回路のブロック図である。

【図５】図１〜３のレートジャイロに用いられる閉ルー
プ型励起測定回路のブロック図である。

【図６】図１におけるII-II断面図であり、各々偶数モ
ードおよび混合モードにおける、入力モードおよび出力
モードの駆動方向を示している。

【図７】図１におけるII-II断面図であり、各々偶数モ
ードおよび混合モードにおける、入力モードおよび出力
モードの駆動方向を示している。

【図８】共鳴器に設けられたビームの端部における断面
図であり、接線モードにおける振動周波数ｆ_Tと放射モ
ードにおける振動周波数ｆ_Rとが一致する様子を示して
いる。

【図９】分極した圧電素子に対して何故インバータを省
略することができるのかを示す断面図である。

【図１０】図９と同様の断面図であるが、「混成」また
は「混合モード」における場合のものを示している。

【図１１】本発明による、閉ループ方式の励起・測定回
路のブロック図である。

【図１２】図９と同様の断面図であるが、電気的に構成
された開ループ方式のものを示している。

【図１３】共鳴器に設けられた静電トランスデューサの
一例を示す斜視図である。

【図１４】静電トランスデューサを有する共鳴器ととも
に用いて好適な測定回路の一例を示す図である。

【図１５】静電トランスデューサの他の配置例を示す図
である。

【図１６】図１５に示す装置における、空隙、印加電
圧、および駆動力の時間的変動を示す図である。

【図１７】ジャイロスコープに用いて好適な装置のブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０方形ベース１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄビーム１８ａｂ，１８ｂａ，１８ｃｄ，１８ｄｃ圧電素子
（第１の変換器）１８ａｃ，１８ｃａ，１８ｂｄ，１８ｄｂ圧電素子
（第２の変換器）２１励起回路３２増幅器３４乗算器３８振幅発生システム（閉ループ）４４アンプ４６同期復調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フランシス・ビエネームフランス・95150・タヴェルニー・リュ・アドルフ・ティエル・32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共鳴器と、第１の変換器と、第２の変換器
とを有するビーム振動型ジャイロ測定装置であって、前記共鳴器は、相互に平行に設けられ同一の形状を有す
る四のビームを有する物であり、前記各ビームは、方形の基板と一体に構成され、前記基
板の四隅からそれぞれ突出するように設けられ、かつ、
前記方形の二辺と平行な二方向において同一の共振周波
数を有する物であり、前記第１の変換器は、駆動回路に接続され、前記各ビー
ムに対して垂直な第１の方向に前記各ビームを振動させ
る物であり、前記第２の変換器は、測定回路に接続され、前記各ビー
ムの第２の方向に沿った振動の振幅を測定する物であ
り、前記第２の方向は、前記各ビーム毎に、前記第１の方向
と直交するように定められたことを特徴とするビーム振
動型ジャイロ測定装置。
【請求項２】前記駆動回路（２０）は、入力モードにお
ける振動振幅を所定値に保持する閉ループ回路によって
構成され、二の前記ビーム（１２ｃ，１２ｄ）に設けら
れた前記第１の変換器（１８ｃｄ，１８ｄｃ）のうち何
れかから入力信号を受信し、他の前記ビーム（１２ａ，
１２ｂ）に設けられた第１の変換器（１８ａｂ，１８ｂ
ａ）に駆動信号を供給することを特徴とする請求項１記
載のビーム振動型ジャイロ測定装置。
【請求項３】前記駆動回路（２０）は、バンドパスフィ
ルタを介して乗算器（３４）を駆動する増幅器（３２）
を有し、前記バンドパスフィルタは位相発生ループによ
って制御され、前記乗算器（３４）の利得は利得発生閉
ループ（３８）によって制御され、前記利得発生閉ルー
プ（３８）は、前記増幅器（３２）の出力信号と所定の
基準信号とを受信することを特徴とする請求項２記載の
ビーム振動型ジャイロ測定装置。
【請求項４】前記測定回路は所定の閉ループ内に設けら
れ、四の前記ビームに設けられた第２の変換器の全てに
コリオリの力の平衡をとる回路を設け、後段に同期復調
器（４６）が接続された入力用のアンプ（４４）を設
け、前記同期復調器（４６）は励起回路（２１）から基
準信号を受信するとともに前記共鳴器の回転に応じた出
力信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のビ
ーム振動型ジャイロ測定装置。
【請求項５】共鳴器と、第１の変換器と、第２の変換器
とを有し、回転量を測定するビーム振動型ジャイロ測定
装置であって、前記共鳴器は、相互に平行に設けられ同一の形状を有す
る四のビームを有する物であり、前記各ビームは、方形の基板と一体に構成され、前記基
板の四隅からそれぞれ突出するように設けられ、かつ、
前記方形の二辺と平行な二方向において同一の共振周波
数を有する物であり、前記第１の変換器は、第１の回路に接続され、前記各ビ
ームに対して垂直な第１の方向に前記各ビームを振動さ
せる物であり、前記第２の変換器は、第２の回路に接続され、前記各ビ
ームを第２の方向に振動させるものであり、前記第２の方向は、前記各ビーム毎に、前記第１の方向
と直交するように定められたことを特徴とするビーム振
動型ジャイロ測定装置。