JPH0640008B2 - ジャイロスコープ - Google Patents

ジャイロスコープ

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JPH0640008B2
JPH0640008B2 JP3237850A JP23785091A JPH0640008B2 JP H0640008 B2 JPH0640008 B2 JP H0640008B2 JP 3237850 A JP3237850 A JP 3237850A JP 23785091 A JP23785091 A JP 23785091A JP H0640008 B2 JPH0640008 B2 JP H0640008B2
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gyroscope
rectangular plate
central
piezoelectric
electrodes
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ジェームス・ストーンハウス・バーデス
レナード・マーンダー
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    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5642Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はジャイロスコープに関
し、詳述すれば、ローターが回転するのではなくて、高
周波発振するビームないしその他の構成機素がローター
に代る主要可動機素を構成している剪断モード方式の発
振型ジャイロスコープに関する。
【0002】
【従来の技術】発振型ジャイロスコープの概念は以前よ
り知られており、その頃から発振型ジャイロスコープ
も、従来のローター式ジャイロスコープと同様に、回転
速度計測装置として作用することがわかっている。ロー
ター式ジャイロスコープにあっては、ローター回転軸と
直交する2つの直交軸のいづれか一方を中心とする回転
が作用すると、コリオリ効果により他方の直交軸に沿っ
て慣性力が発生する。従って、この慣性力を計測するこ
とによって、回転速度の指標が得られる。発振型ジャイ
ロスコープは、このローター式ジャイロスコープとは構
造が異なるものの、原理的にはローター式のものと同様
に作用する。
【0003】初期の発振型ジャイロスコープと、近時に
おけるその改良型においては、例えば音叉の如きの、す
でによく知られた機械的発振素子を用いるのが常套手段
となっている。通常、この発振素子は、静電手段または
電磁手段により励振されて、数キロヘルツの周波数で発
振するようになっている。
【0004】ところが、最近に至って、圧電効果を利用
して適当な結晶構造体を励振させることが注目されてお
り、それによれば、結晶構造体ははるかに小さい振幅で
より高速にて振動することから、見かけ上より大きなコ
リオリの慣性力が発生し、それよりはるかに有用な信号
が得られる、と考えられている。この考えは確かに価値
のあるものではあるが、装置として具体化するとなる
と、今のところ装置自体が複雑になる欠点がある。一例
を挙げると、現在商業ベースで生産されている圧電式発
振型ジャイロスコープは、いわゆるコンポネント型であ
る。つまり、互いに直交して配置された圧電結晶体製ウ
エハー部材が、結線材で互いに接続された状態で用いら
れている。そして、一方の結晶体は発振させておき、他
方の結晶体は「センサー」として作用するとともに、作用
する回転により生ずるコリオリの慣性力の作用で、前記
一方の結晶体が振動しない方向へ振動するようになって
いる。
【0005】
【発明の構成】本発明は、構造が簡単で、しかも、圧電
効果を生ずる構造体を用いれば、その構造体を1つの振
動モードで励振させることができるとともに、構造体に
回転運動が作用するとその構造体に生ずるコリオリの力
を検出するのに圧電効果を用いることができることを鑑
みてなされたものである。
【0006】本発明によるジャイロスコープは、少なく
とも一端が支持体に取り付けられ、かつ、圧電効果を奏
する矩形断面の棒状体と、該棒状体の前記一端と前記支
持体との連結点から隔離した部位において前記棒状体に
設けた励振電極と、圧電効果と前記励振電極とを用い
て、棒状体の前記部位における互いに反対側の表面が当
該表面上において互いに平行な方向に位相をずらして発
振するように、棒状体の前記部位を剪断モードにて発振
させる発振手段と、前記部位において棒状体に取り付け
られていると共に、棒状体の前記部位において生ずる慣
性力にして、剪断モードでの発振方向と棒状体の長手方
向とに直交する軸芯を中心として回転率を作用させる
と、棒状体の長手方向に沿って作用する慣性力に対応す
る電気信号を検出する検出電極とで構成したことを特徴
とするものである。
【0007】尚、構造体を支持体に対して前述のように
片持ち状態で取り付ける他に、両端にて支持されるよう
にしてもよい。この様に両端を以て支持体に取り付ける
場合、前記部位とは、両端間に臨む構造体の中間部が担
うことになる。また、構造体の前記部位は、他の部分よ
りも横断面積が大きくなっていてもよく、構造体として
は前記部位が、接地電位に保った板部材にして、一部の
層が圧電効果を奏する材料で構成された多層構造を呈す
るものであってもよい。
【0008】
【実施例】以後、添付図面を参照しながら、本発明の好
ましい一実施例を詳述する。先ず本発明の実施例の理解
を容易にするための一態様を示す図1から図3において
は、発振型ジャイロスコープの構造体はビーム1からな
り、このビーム1はビスマス−ゲルマニウム酸化物の結
晶を用いた矩形板40で構成されている。軸Ox、Oy、Ozは矩
形板40の結晶軸であって、軸Oyは矩形板40の平面に対し
て直交しており、また、軸Ox、Ozは矩形板40の互いに直
交する側縁と平行になっている。また、矩形板40の厚さ
は、端部42、43における厚さよりも中心部41の厚さが大
きくなるように選ばれている。この矩形板40は、両端が
適当な基体に固定された状態で支持されているが、基体
については本発明にとって重要でもないので、図示して
いない。
【0009】図1と図2とに示すように、矩形板40の中
心部41、即ち、両端に対して隆起している中心部41の両
面には、励振電極44、45が形成されている。これらの電
極44、45に夫々接続した端子T9、T10に電圧Vを印加する
と、軸Oyの方向に電界が発生することになり、矩形板40
それ自体が圧電材料でできているので、矩形板40は平面
yzにおいて剪断変形を起す。この剪断変形は図3に示す
通りであって、この変形が繰返して起る振動は、一般に
水平剪断振動モードと言われている。
【0010】即ち、端子T9、 T10を図4に示したブリッ
ジ回路、即ち、発振回路に接続して電圧を印加すれば、
矩形板40は厚み方向に水平剪断振動を起す。尚、中心部
41の厚さaと長さlおよび両端部42、43の厚さbとは、
電圧印加時に生ずる共振運動が中心部41に集中的に行な
われるように選ばれている。その際、共振周波数は、矩
形板40の両端部における水平剪断(SH)波の伝播に対応す
るカットオフ周波数よりも小さくなるようにすべきであ
る。このように共振周波数を定めると、水平剪断波によ
る運動は、端部42、43の方へ行けば行く程、指数関数的
に減衰し、基体に至っては無視しうるものとなる。即
ち、「エネルギーとじ込め現像」が起るのであって、その
現像があるが故に、矩形板40がどのように支持されてい
ようとも、換言すれば、矩形板40の支持形態に拘らず、
共振周波数を定めることができる。このことは、ジャイ
ロスコープの性能が支持構造の減衰能や弾性により影響
されるのを防ぐ上で重要なことである。
【0011】今、矩形板40の垂線方向、即ち、軸Oyを中
心とする回転速度Ωを作用させると、軸Ozに沿う剪断作
用とコリオリ効果の結果として、軸Oxの方向に慣性力が
発生する。この慣性力により、軸Oz方向に電界が発生す
る。そこで、矩形板40の中心部41の両面に中心点0に対
して対称となるように検出電極46、47と検出電極48、49と
が夫々形成されているので、電極46と48との共通端子T
11と、電極47と49の共通端子T12から電圧が取り出せ
る。この電圧を図5に示した制御回路で測定すれば、軸
Oz方向の電界の強度、即ち、作用させた回転速度を検出
することができる。
【0012】図6に示したものは、図1から図3に示し
た一態様の変形例であって、励振電極50、 51は矩形板40
のほぼ中心部の両面に、また、検出(pick-off)電極52、
53は、励振電極50、51が形成されている中心部の側面に
それぞれ形成されている。而して、これらの電極50〜53
は、前述の実施例におけるのと同様に図4に示した発振
回路と図5に示した制御回路とに図示のように接続され
る。即ち、励振電極50、51はそれぞれ端子T10、T9に、ま
た、検出電極52、53はそれぞれ端子T12、 T11に接続し
て、前述の実施例におけるのと同様に回転速度の測定に
利用される。
【0013】図7は、本発明の一実施例を示すジャイロ
スコープの斜視図であって、発振型ジャイロスコープの
構造体はビーム1からなり、このビーム1は、厚さが均
一な導電性の矩形板60を用いる一方、この矩形板60の両
端は適当な基体(図示せず)に固定された状態で支持され
ると共に、この矩形板60の中心部の両面に金属層61、62
と圧電板63、 64とを順次積層させて、図7に示す如く、
金属層61、圧電板63、 矩形板60、 圧電板64、 金属層62を
一体構造とする一つの積層体が構成される。矩形板60は
電気的に接地されており、また、圧電板63の圧電特性
は、金属層61に電圧を印加すると、積層体の部分が、図
3を参照しながら説明したのと同様に、平面yzで水平剪
断振動モードの剪断変形を起すように選ばれている。従
って、圧電板61と矩形板40とを図4に示したブリッジ回
路の接続点と夫々接続すれば、積層体(矩形板60の一部
と、金属層61、 62と圧電板63、 64よりなる部分)は厚み
剪断振動モードで共振する。それに、この実施例におい
ても、積層体の厚さa、長さL、および、矩形板60の端
部の厚さbとは、図1から図3とを参照して説明した一
態様におけるのと同様に選ばれている。それ故、共振運
動は、矩形板60の中心部(0)で集中して起ることにな
る。そこで、軸Oyを中心とする回転速度Ωを作用させる
と、軸Ozに沿う剪断作用とコリオリ効果の結果として、
軸Ox方向に慣性力が発生し、それにより、軸Oz方向に電
界が発生して圧電板64に電荷が出る。この電荷を測定す
れば、作用させた回転速度がわかるのである。
【0014】尚、この図7の実施例では、金属層61、 62
はそれぞれ端子T10、 T12に、また、金属層61に臨む矩形
板60の一方の表面と金属層62に臨む矩形板60の他方の表
面とはそれぞれ端子T9、 T11に接続されている。T9、 T10
は励磁電極、 T11、 T12は検出電極で、端子T9とT11は共
に矩形板60と同電極である。上記積層体の共振運動によ
って発生する電圧は、検出端子T11、T12から取出せる。
【0015】このようなビーム1がジャイロスコープと
して作用するためには、ビーム1が自己励起して共振す
るようにするとともに、共振運動の振巾を制御しうるよ
うにする必要がある。これは、帰還利得が振巾に依存す
る発振回路に前述の構成のビーム1を用いることにより
達成できる。この回路の一例を図4に示す。図4に示し
た回路においては、図示の端子T9、T10を夫々ブリッジ回
路の接続点B2、B3に接続することにより、ビーム1がこ
のブリッジ回路の一つのアームを構成している。ブリッ
ジ回路のコンデンサーCの容量は、端子T9、 T10間で測
定されるクランプ容量(clamped capacitance)と等しく
なるように、また、抵抗Rは、rad/secで表わしたビー
ムの共振周波数をωとすると、1》ω・CRが成り立つよ
うな値に選ばれている。ブリッジ回路の接続点B1、B2
における電位差を差動増巾器Amp1で測定すれば、この増
巾器Amp1からの出力電圧はビームの速度(即ち、時間に
対するビームの屈曲変化率)に比例したものとなる。増
巾器Amp1の出力信号を、例えば非直線形スイッチ素子S
の如きの利得制御用能動素子を介して可変利得増巾器Am
p2へ供給し、この増巾器Amp2からの出力をブリッジ回路
の接続点B3へ供給することにより、ビームに対する正帰
還回路を構成する。スイッチ素子Sに対する入力信号の
振巾が小さくても、このスイッチ素子の利得はほとんど
無限であるので、この正帰還回路により、歪のないビー
ムは動的に不安定状態をとるようにすることができる。
それ故、ビームに小さな撹乱を与えると、ビームはその
後共振周波数にて自ら振動するようになり、限界サイク
ルに達するまで振巾が増大する。この限界サイクルの大
きさは、ビームの内部減衰(internal damping)、スイッ
チ素子Sの利得−入力振巾特性、それに、増巾器Amp2の
利得とによって定まる。ビームの共振運動の振巾は、公
知の方法により、例えば、増巾器Amp1の出力をモニター
し、増巾器Amp2の利得を調節することにより、リセット
される。
【0016】今、ビームの長手軸Oxを中心とする回転速
度Ωを作用させると、ビームは平面Oxyにおいて共振
し、コリオリ効果によりOz方向に慣性力を生ずる。とこ
ろが、ビームの断面形状は正方形であって、平面Oxyと
平面Oxzにおける振動の共振周波数は同一であるから、
減衰でもしない限りこの慣性力によりビームは平面Oxz
において共振されて振動する。それにより、検出電極46
〜49のあるビームの部分に最大値の弾性歪が生じ、かく
て、圧電効果により、端子T11、T12から電圧が発生す
る。この電圧は、軸Oxを中心とする回転作用により生じ
たビームの共振運動を相殺させる制御ループ回路を駆動
するのに必要な誤差信号として用いることができる。
【0017】前記した制御ループ回路の一例を図5に示
す。図5に示したループ回路は、図4に示したものと非
常によく似ているが、ここでは速度負帰還回路を用いて
いる。この回路においても、ブリッジ回路の接続点
B'2、B'3に端子T11、 T12が夫々接続した状態でビームが
挿入されている。Amp3は差動増巾器であって、その増巾
器Amp3からの出力信号はブリッジ回路の接続点B'3に帰
還されるようになっている。コンデンサーC'の容量と抵
抗Rの値は、図4に示したコンデンサーCと抵抗Rの夫
々の値と同様に選ばれている。
【0018】図5に示した構成において、増巾器Amp3か
らの出力は、軸Ozに沿うビームの速度に対応しているか
ら、負帰還電圧により、平面Oxzにおけるビームの運動
を減衰させることができる。また、ビームはその共振周
波数にて励振させられるから、慣性と弾性とによるビー
ムの力は相殺され、ビームの運動は材質の内部減衰と、
帰還回路の減衰とによって限られてくる。それ故、増巾
器Amp3の利得が、作用する減衰力が材質によって醸し出
される減衰力よりも大きくなる程大きいものであれば、
増巾器Amp3からの出力電圧が、作用させた回転率そのも
のの指標となる。従って、電圧計Vを読み取れば、作用
させた回転速度がわかり、結局、ジャイロスコープは単
軸回転速度計測用ジャイロスコープ(Single axis rate
gyroscope)として使うことができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の理解を容易にするための一態様によ
るジャイロスコープのビームの側面図。
【図2】 図1に示したジャイロスコープのビームの平
面図。
【図3】 図2に示したビームの作用説明図。
【図4】 ジャイロスコープの発振回路図。
【図5】 ジャイロスコープの制御回路図。
【図6】 図1の変形例としてのビームの平面図。
【図7】 本発明の実施例によるジャイロスコープの主
要部の斜視図。
【符号の説明】
60・・・・矩形板 61・・・・金属層 62・・・・金属層 63・・・・圧電板 64・・・・圧電板 T9、T10、T11、T12・・・・端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レナード・マーンダー イギリス国イングランド、ニューキャッス ル・アポン・ティン エヌ・イー・4 9・ビイ・ビイ、ムアサイド・サウス46番 地 (56)参考文献 米国特許3520195(US,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも長手方向の一端が支持体に取
    り付けられた導電性の矩形板(60)の中央部の両面に夫々
    圧電板(63,64)を積層して該中央部の厚さ(a)を端部(b)
    より大きくした三軸を持つ積層体よりなるビームと、 上記両圧電板の上下両面に、電圧の印加で中央部の両面
    が互いに平行な方向に位相をずらす剪断モードで発振さ
    せるために設けた一対の励振電極(T9、T10)を接続する金
    属層(61、62)と、 該励振電極に電圧を印加する発振回路と、 上記ビームの長手方向に沿ってビームの中央部の中心点
    (0)を対称にして設けた一対の検出電極(T11、T12)と、 該検出電極の電気信号を取り出す検出回路を設け、 該検出回路の出力で、上記発振方向とビームの長手方向
    とに直交する軸芯を中心として作用させられる回転速度
    を検出するようにしたことを特徴とするジャイロスコー
    プ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のものであって、前記ビ
    ームの両端が支持体に取り付けられており、かつ、励振
    電極を設けた部位がその両端間の中間点にあることを特
    徴とするジャイロスコープ。
JP3237850A 1981-12-08 1991-09-18 ジャイロスコープ Expired - Lifetime JPH0640008B2 (ja)

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