JPS60138471A - ジヤイロメ−タ - Google Patents

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】 ノ１１２遺」し この発明は、共振空洞に含まれている流体の粒子に対す
るコリオリカの作用を利用した形式のジャイロメータに
関するものであって、前記空洞内で励起軸に沿って長手
方向の音響的振動を発生し、維持するための励起手段、
および、該空洞が振動平面に対する直交軸の周囲で回転
するとき、計測軸に沿って、振動ノードのレベルにおい
て現われる横断圧力変動を計測するための手段が含まれ
ているジャイロメータに関するものである。

米国特許第一、９９９．３ｔ９号に説明されている音響
的ジャイロメータのような、この形式の既知のデバイス
においては、電気的振動発生器が、閉止された空洞の底
部に配設されているダイアフラムな、トリップ・コイル
を介して振動するようにされている。長手方向の音響波
が空洞内で設定される。空洞の寸法および励起周波数の
関数として、該音響波は良好に規定された点において圧
力ノードを現わすようにされている。

該空洞が振動平面に対する直交軸の周囲で回転するとき
、コリオリカは励起モードを横断する安定振動モードを
発生するが、その振幅は空洞の回転速度に比例するもの
である。この横断音響圧力、横断振動の振幅のイメージ
を計測するために、二個のチューブが計測軸上で該空洞
のいずれかの側に配設され、圧力ノードのレベルにある
よう、にされて、差動的なマイクロホンに対して圧力の
変動を伝えるようにされている。

空洞の回転速度は下記の関係から導かれることが許容さ
れる。

Ｆ’　＝　２　ｐΩμＩＢ１ｎω１ｔ こ＼に、ｐはガス分子の質量、μ・は分子の励起の瞬時
的な正弦速度の振幅、Ωはカードの回転の角速度、ω１
は分子の振動周波数、Ｆはコリオリカによる横断圧力変
動の振幅である。

しかしながら、実際には、このようなジャイロメータに
はいくつかの欠点がある。

−音響的励起波の半波長が正確に空洞の長さに対応して
いなげればならず、これに失敗すると計測がされる圧力
ノードの位置が正確ではなくなることから、その扱いが
困難である。

−高調波の影響を無視することができず、計測のエラー
にされる。

一励起部材とガスとの間のカップリングは重要であυ、
これは空洞の過電圧に対する低い係数および圧力ノード
の正確な位置におけるエキサイタの欠点に対する相当な
影響を生じる；圧力ビック・アツープ・チューブによっ
て結合された差動マイクロホンの使用は、気体のおくれ
による位相シフトを生じる；これに加えて、振動の波長
に関して必要なパイプの直径の寸法のために、空洞との
カップリングを無視することができない。

発明の要約 この発明による音響的ジャイロメータはこれらの欠点を
克服するものである。それに含まれているものは、既知
のデバイスに加えて、空洞内の長手方向の音響的振動に
対して位相を合わせてサーボ制御を行なうための手段で
ある。これの特徴は、計測軸に沿った空洞の自然周波数
がその励起軸に沿った空洞の自然周波数に等しいという
ことである。また、これの特徴としては、エキサイタと
空洞との間の弱いカップリング・モードが用いられて、
空洞に含まれている音響的インピーダンスに関してその
音響的インピーダン２が極めて高いエキサイタを用いる
ことによって見られることもある。

空洞に対する位相を合わせたサーボ制御は、空洞の長さ
の変動および温度の関数としての流体内の振動の伝播速
度の変動を克服するものである。これに加えて、永続的
な位相のサーボ制御のために、励起波のループの位置、
したがって計測のために用いられるノードの位置は安定
化され、また１、計測マイクロホンの位置に対して厳密
に対応されている。高調波による影響は、放射波を厳密
な基準正弦波と比較することによって排除される。この
発明によるジャイロメータの動作を改善するための別異
のやシ方は、エキサイタと音響的空洞との間の弱いカッ
プリング・モードを用いることである。このために、空
洞内に含まれているガスの音響的インピーダンスに関し
て、その音響的インピーダンスが極めて高いエキサイタ
が用いられる。このことで、空洞に高い過電圧係数をも
たせることができる。

これは次の２個のや夛方で行われる。

−空洞の寸法に対してその直径が極めて小さい圧電ディ
スクからなるエキサイタを用いることによる。この場合
、球面波が発生される；または、 −その直径は大きいが、その厚みは数μ程度と極めて小
さいエキサイタを用いることによる。

この場合、平面波が発生される。

米国特許第コ、？　９９．３　ｆｆ　９号で説明されて
いるようなチューブの有害な影響を排除するために、音
響波のノードのレベルにおける圧力の変動は、空洞内ま
たはその直近に差動的に搭載され、配設されている一個
のマイクロホンによって計測される。この配列によシ、
ジャイロメータが搭載されている支持体の振動または音
響によって発生される気体のおくれおよび寄生信号の影
響が排除される。

これらのマイクロホンをカップリングさせるためのオリ
フィスは、極めて精細なスロットによって形成される。

このスロットは、励起波の方向において、その波長に関
して著しく減少された寸法を保持し、一方、充分な通過
断面を保持することを可能にする。

発明の実施例 １軸ジヤイロメータのための空洞は、金属製で、その長
手方向軸Ｓの周囲で対称にされた容積のものが好都合で
ある。それは、例えば第１図に示されているような、円
筒または矩形状の平行六面体である。

ｌ軸ジャイロメータのためには、回転軸Ｒ上の対向壁部
ＥおよびＦは、ｌＩＯｘｌＡＯｙｎｍ’程度の方形区部
であって、それらは互いに約、２７Ｉｌ１１１はど離さ
れている。この空洞は、壁部Ａに設仕られているトラン
スジューサ１０によって音響的に励起される。このトラ
ンスジューサは圧電材料からなるディスクで構成されて
おシ、その直径は２０闘、厚さは数μである。このよう
なディスクで供給される音響レベルは約７００　ｄＢで
ある。

励起のさいの共振周波数は周囲温度におい”Ｃ約１．７
４０Ｈ２である。空洞が空気で充たされているとき、そ
の過電圧係数はＩＳＯに達する。

これらの条件の下に、ウェーブノードＮはその横断軸Ｔ
上で空洞の中心部に生起される。−個の計測マイクロホ
ンＩ／およびｌλは、平行六面体の一個の平面の各々の
上に設けられてお９、これらは横断軸で交差され、また
、ノードの存在する場所、すなわち、問題にされている
この例においては空洞の中心部にあるように正確に調整
される。空洞の過電圧係数が充分に高いものである限り
は、軸Ｒの周囲のデバイスの回転運動がないとき、差動
的に搭載されて、マイクロホンｉｉおよび１２の端部に
おける信号は観測されない。１個のマイクロホンだけを
使用できることが注意される。軸Ｒまたはこれと平行な
別異の軸の周囲での空洞の回転は、空洞内に含まれてい
るガスの分子の振動状態を変更させる。

その回転の間、長手方向軸Ｓに対して直角の伝播方向（
第２図）をもつ音響波は、計測用マイクロホン／／およ
び１２によって形成され、検出される。この音波の振幅
は、軸Ｒまたはこれと平行な別異の軸の周囲での空洞の
回転速度に比例している。位相開放ループｌ弘は、空洞
および前記空洞の共振周波数に関して、これらの周波数
変動、例えば、空洞／に含まれている流体の温度変動に
対する連続性がどのようなものであっても、定在波の状
態を同位相に維持することを可能にする。このデバイス
では、を洞の中心部における圧力ノードは、全てのしよ
う乱効果から独立しておシ、この形式のジャイロメータ
の特性を根本的に改善するものである。

このループは位相比較器３で形成されている。

この位相比較器３は、壁部ＡおよびＢ上に夫々に存在す
る音圧波間の位相シフトに比例した信号ψを出力する。

この信号ψは、電圧制御、可変周波数発振器形式の電気
信号発生器Ｓを制御する。この信号ψは、次の条件が充
たされたときに相殺される。

一発生器の周波数＝空洞の音響的共振周波数；−壁部Ａ
およびＢのレベルにおける音圧間のｉｇｏ’を通しての
位相シフト。

これらの条件のひとつについてのどのような変動でも、
訂正電圧ψを発生する位相比較器３によって計測され、
この装置は自動的に調整される。発振器５の出力信号γ
は、増幅器ｌによる増幅の後でエキサイタ１０に注入さ
れ、一方、基準マイクロホン１３によって収集された信
号は比較−増幅器コによって整形される。

計測されるべき角速度を示す信号艙は、計測マイクロホ
ン／／−／２からの信号を増幅器りによシ増幅、Ｐ波し
て集中復調をすることによって見られる。このために、
増幅器を通して整形した後の発生器５の信号によって、
復調器ｇは同期がとられる。

空洞内の発振を開始させるために、開始デバイス９は全
体についての位相設定に先立って初期励起を許容する。

この開始デバイスは、空洞の全体的な共振範囲の掃引を
許容する電圧傾度発生器からなるものである。この開始
信号は、発振器５０入力部において、信号ψと加算され
て入力される。一旦、音響空洞の自然周波数で発振がな
された後は、発振器の周波数出力は信号ψによって制御
される。

基準マイクロホンまたは計測マイクロホンによる空洞の
寄生カップリングをさけるために、後者は極めて小さい
寸法のものにされる。それらは、例えば、直径がｋ　ｍ
ｍのエレクトレットによるマイクロホンで構成されてお
り、直径が０．１ｍで深さが／　ｍＴＡの孔部１７によ
って空洞に結合されている。その動作の感度、特に安定
度を更に改善するために、計測マイクロホン／／および
ｌコに対し、軸Ｔに沿って横断波の音響的カップリング
のためにスロットが使用される。

このことにより、長手方向の励起軸Ｓに沿った計測圧力
跳躍オリフィスの寸法を小さくすることが可能にされ、
その結果として、空気の流れのお（れを排除しながら、
励起波の圧力ノードＮに対する計測ゾーンを正確に設定
するようにされる。第３図および第７図に示されている
ように、長さ１０ｘｍで幅が０．０ｋｍのスロット１６
を壁部ＣおよびＤにおける空洞に形成することで、良好
な結果がえられる。

別異の実施例として、コ軸または３軸の感度軸をもつジ
ャイロメータを構成することができる。

第５図に示されているようなコ軸ジャイロメータを構成
するためには、励起軸Ｓに対する直交平面内の一本の直
交軸に沿って、また発振のノードＮを通してａ対の計測
マイクロホン／／−／２および／／’　−／、２’を配
設することができるように、共振空洞は、例えば立方体
状、円筒状または球状にされて、励起軸Ｓの周囲で対称
にされねばならない。このようにして、マイクロホン／
／−７，２による計測で軸Ｒ／の周囲の回転を検出する
ことが可能にされ、また、マイクロホンＩｔ’−１２’
による計測で軸Ｒ２の周囲の回転を検出することが可能
にされる。この場合には、付加的な電子回路が必要にな
り、この回路には前述され九復調器と同様なやり方で計
測マイクロホン／／’および１．２′からの信号に作用
する第コの復調器が含まれている。

３軸ジヤイロメータにおいては、例えば立方体または球
体のような対称中心を有する共振望洞が必要にされる。

これらの条件の下に、３本の直父軸に沿って配設されて
いる同様な要素は、計測されるべき回転Ω／、Ωユまた
はΩ３に依存して、連続的な切換えでエキサイタ、基準
または計測マイクロホンと１つ交番的に使用するように
、エキサイタ、基準マイクロホンおよび計測マイクロホ
ンが使用される。第６図には、このような３軸ジヤイロ
メータの実施例が概略的に示されている。３対のマイク
ロホン／／、７．２−／／’、／λ１および１／”、／
ｌ”は励起スイッチ６０に結合されている。

このスイッチ６００目的は、／対のマイクロホンをエキ
サイタ−基準マイクロホンのカップルとして連続的に這
択し、それを位相開放ループ回路６１に接続さぜること
にある。

計測／Ｉ−／２．　／／’−／２’、ｌ／”−７，２’
は夫々に３個の復調器Ｄｔ、Ｄ２およびＤ３に達し、こ
＼で、出力インヒビタ６３により、考えられている回転
軸Ω／、ΩコまたはΩ３に沿って所定の信号が選択され
る。

シーケンサＡｌｌは、エキサイタまたは計測マイクロホ
ンとしてのマイクロホンの組合せを時間的に連続して行
わせることを確実にする。

この発明のデバイスによれば、宇宙空間で使用されるよ
うな広範な温度範囲で操作されるように適合された信頼
性の高いジャイロメータを特に好適に製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、その特権軸を使用する共振空洞の概略図、第
２図は、この発明によるジャイロメータの概略図、第３
図および第を図は、カップリングのためのスロットの例
示図、第５図は、コ軸ジャイロメータのための共振空洞
の概略図、第６図は、３軸ジヤイロメータの概略図であ
る。 ｌ・・空洞、Ｉ／、／２・・計測マイクロホン、３・・
位相比較器、左・・電気信号発生器、ｇ・・復調器、ワ
・・開始デバイス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ　共振空洞内に含まれている流体に対するコリオリカ
   の作用を利用したジャイロメータであって、前記空洞内
   で励起軸に沿って長手方向の音響的振動を発生し、維持
   するためのエキサイタ手段、および、該空洞が振動平面
   に対する直交軸の周囲に配設されているときに計測軸に
   沿った振動ノードのレベルにおいて現われる横断圧力変
   化を計測するための手段を含み、該空洞の音響的な励起
   波に位相を合わせてサーボ制御を行うための手段が備え
   られていることを特徴とするジャイロメータ。 ユ　エキサイタと空洞との間の弱いカップリング・モー
   ドが用いられ、該空洞に含まれている流体の音響的イン
   ピーダンスに関して、その音響的インピーダンスが極め
   て高いエキサイタを用いることによってえられるように
   されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジ
   ャイ・ロメータ。 ３　計測軸に沿った該空洞の自然周波数は、励起軸に沿
   った該空洞の自然周波数に等しいことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のジャイロメータ。 弘　該エキサイタは、該空間の寸法に対してその直径が
   極めて小さい圧電ディスクで構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第一項記載のジャイロメータ。 Ｓ　該エキサイタは該空洞の寸法に対して直径が犬であ
   り、その厚みが数μ程度と極めて小さいディスクで構成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第一項記載
   のジャイロメータ。 ム　圧力変動を計測するための手段は、該空洞のいずれ
   かに差動的に搭載された一個のマイク、ロホンからなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジャイロ
   メータ。 ７　＃マイクロホンは夫々に極めて精細なスロットによ
   って該空間に結合されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第６項記載のジャイロメータ。 ｇ　回転速度の二個の直交軸における同時的な計測は、
   該励起軸に対して対称であって、該励起軸に対する直交
   平面内の２個の直交軸に沿って配設された２対の計測マ
   イクロホンを有する共振空洞を使用することで可能にさ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジャ
   イロメータ。 ？　放出および受入れの切換装置で、シーケンサの連続
   的なサンプリングによって、３本の直交軸に沿つ念回転
   速度の計測を可能にされることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のジャイロメータ。