JPS6061613A - 円筒振動式角速度計 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は航空機等の移動体の姿勢制御信号源として必須
な角速度計に関し、管に物体の固有振動数の変化を利用
した角速度計の構成に関する。

〈従来技術〉 振動を利用した角速度計としては、音叉を用いて回転に
より生ずるコリオリカによる変位を測定して角速度をめ
る方式のものがよく知られている。これは回転軸に対向
配置させた音叉を一定周期で振動させたと負、回転によ
り対向面、Ｌ−直角方向に角速度に比例したコリオリカ
が発生するので、この力を音叉の変位又は歪により測定
する。この場合には変位又は歪を電気信号に変換する必
要があるが、変換手段に高感度で温度変動等に対して安
定な手段の実現がむずかしく、高精度の角速度計が得ら
れないという問題点がある。

音叉を用いた角速度側の別の方式として、回転によシ生
ずる遠心力により音叉自身が変位し、それによって固有
振動数が変ることに着目した角速度計も知られている。

しかしながらこの方式は音叉自体の先端部がかなｐの振
幅をもって振動変位するために構造的に安定なものを実
現するのがむずかしく、高精度のものを得ることが困難
である。

〈本発明の構成〉 本発明は、従来技術の上記問題点を解消することを目的
とするものであり、固有振動数の変化を利用するが、物
理的な振動変位が極めて小さい部材、即ち円筒部月を用
いる点を特徴とする。

以下第１図乃至第５図によｐ本発明角速度計の構成の一
例を説明する。第１図は全体斜視図を示し、１は測定す
べき角速度ωが与えられる中心軸２を有する薄肉の金属
製円筒部材であシ、その一端は解放され、他端は励振手
段取付部２を介して取付フランジ５に固定されておシ、
このフランジ６を適当な固定手段で回転運動体に数句け
て使用する。励振手段取付部２は四角柱状に形成され、
夫々対向する面に励振用圧電素子と振動の検出用圧電素
子が接着されている。４．５（５は図示せａ　ａ　ａ ず）は第１の励振用圧電素子、検出用圧電素子、４、、
５ｂ（５ｂは図示せず）は第２の励振用圧電素子。

検出用圧電素子の夫々の対を示す。夫々の対において検
出用圧電素子で検出された振動は、電気信号に変換され
増幅器を介して励振用圧電素子に正帰還されて連続的な
振動エネルギーを円筒部材１に与える。

円筒部材の振動の態様は、励振用と検出用圧電素子の数
と、検出用圧電素子により検出される振動の位相の加算
又は減算操作で種々のモードが実現できる。一般Ｋ、円
周方向に発生するたわみ振波の数ｎ（円ＥＪｉ−ｅ−ド
次数）と軸方向に発生するたわみ撮動の動のａｒｎ／２
（ｍ＝軸方向モード次数　の組合せで振動モードが表現
される。第２図に）は第１図の実施例の構成で実現でき
る振動モードの一例を示すもので、円環モード次数ｎ＝
４．軸方向モード次数ｍ＝４の場合の振動の態様を示し
、この場合における固有振動数は円筒の形状、材質９弾
性係数等の種々の祭件により決定されるが、極めて単純
化した第２図０３）に示すごときモデルで考えたとき、
その固有振動数ｆ。は、角速度ω＝０のとき、ｆＯ＝ｒ
”−（１） で表わされる。ここでＭは円筒部材１の等価分布質量、
Ｋは等価分布バネ定数を示す。

次に中心軸２のまわりに測定すべき角速度ωが与えられ
た場合には、円商部拐１には遠心力が働き、円環のテン
ションを強める。この場合の遠心力は、円筒部材の半径
ｔ−ｒとすると、Ｍｒω２で表わすことができ、等価分
布バネ定１ｔｚｃを増加させる。

従ってこの時の円筒部材の固有振動数ｆａｌは、Ｃを定
数とするとき、 で表わすことができる。

（２）式は角速度ωの関数であるから、ｆａｌを測定す
ることによって角速度ωを測定することが可能である。

（２）式を変形すると、 ｆ　２＝　”−＋　ＣｒＯ２ ω　Ｍ これに（１）式を代入して これよりωをめると、Ａを定数として、ω≠ＡＦｖｆ、
”　（！Ｓ） となる。ここでｆ。はω＝０のときの固有振動数であり
、円筒部材の形状、材質で決定される定数であるから、
（３）式の計算は極めて単純であシ、マイクロコンピュ
ータ等の手段で容易に実現可能である。

第３図は、円筒部材の励振回路並びに（５）式を計算し
て角速度ωをめるための信号処理の基本回路を示す。検
出用圧電素子５゜、５．、で検出された振動信号社、加
算点６で同位相で加算されるので、ｎ　＝　２のモード
は除去される。しかるのち、高次振動周波数を除去する
ローパスフィルタ及びＡＧＣ機能を有する増幅器７によ
シ増幅され、励振用圧電素子４ａ、　４．に同位相で正
帰還される。この結果円筒部材は、ｎ＝４．ｍ＝１のモ
ードで撮動し、増幅器７の出力には角速度ωに関連した
固有振動数ｆ。の出力信号が得られる。この信号ｆ６）
は、分周器８で適当・な周波数に分周され、カウンタ９
に一時記憶される。１ｏ１ｉマイクロプロセツサ、１１
は定ａｈ及びω＝０のときの固有振動数ｆ。を表わす定
数及びプログラムを記憶するリードオンリメモリ、１２
は（６）式の計算結果のωを表示するだめのディスプレ
イ、１３はこれら要素９〜１２を結ぶデータ及びアドレ
スバスを示す。

このように、本発明角速度計は、固有振動ムｆ（ｌ。

の簡単な信号処理により、角速度ωを測定することが可
能である。測定信号は適当なインターフェイス手段を介
して連続信号に変換し制す１１装置を駆動するための信
号として用いることも極めて容易である。

励振用及び検出用圧電素子としては、ＰＺＴの接着又は
ＺｎＯの蒸着が一般的構成と考えられる。又円筒部材の
励振手段はエネルギー駆動源として電磁コイル手段でも
よく、振動の検出手段は容量式、光電式等積々の変形１
組合せが考えられる。又振動のモードは実施例では感度
を高くして構成が簡単にできるｎ＝４．ｍ＝１で説明し
たが、ｎ　＝　２　。

ｍ　＝　１など他のモードでもよく、又感度の異なる二
つのモードを組合せる多重モード励振によって温度等の
環境条件の変化による影響を除くととも可能である。

円筒形振動子は一般に高いメカニカルＱを有し、安定な
動作を期待できるが、その性能を最大に発揮させるため
には、振動子を真空中又は軽ガス中において作動させる
ことが望ましい。又円筒部材を薄肉構成することによシ
、微小な角速度でも大きな周波数変化を期待できるが、
遠心力Ｍｒω２を大きくして更に感度を上けるために、
第４図に示すごとく、円筒部材中央部に部分的に質量１
４〜１７を付加することも有効である。

く効果〉 以上説明した本発明角速度計の工業計測上の効果をまと
めると次のようＫなる。

（１）　センサとしての形状が円筒であシ、対称構造で
極めてシンプルであって、高精度のものが安価に機械加
工できる。

（２）　円筒部材１の軸方向の振動は第２図（ト）で示
すごとく、上端部、下端部を節とする振動となるので、
円筒部材１の物理的な変位は中腹部の極めて微小な振動
であって、音叉を用いた加速度計のごとく大きく変位す
る個所は無く、機械的に極めて安定なものが実現できる
。

（５）振動周波数は円筒部材の形状、材質で一元的に決
まる安定な固有振動数となるので、励振手段は極めて簡
単な電気回路で実現できる。

（４）　角速度ωと出力周波数ｆ。の関係が単純であり
、ωをめる計算手段はマイクロコンビエータ等を利用す
れば極めて簡単に実現することができる。

（５）　円筒部材の固有振動を利用することによｐ、外
部環境の変動等に対しても安定な角速度計を実現でき、
航空機等の環境条件のきびしい測定対象に最適なものを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明角速度計の一実施例を示す斜視図、第２
図（４）は円筒部材の振動のモードを示す説明図、同図
（Ｂ）　ｉｆ角速度計の原理を説明するモデル、第３図
は円筒部材の励振及び出方信号の処理手段を示す回路構
成図、第４図は円筒部材の他の実施例を示す構成図であ
る。 １・・・円筒部拐、４ＩＬ、４ｂ・・・励振用圧電素子
、５ａ。 ５、・・・検出用圧電素子、７・・・増幅器、１ｏ・・
・マイクロプロセッサ、１１・・・リードオンリメモリ
、１２・・・ディスプレイ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中心軸のまわりに回転する円筒部材と、この円筒部材を
   その固有振動数で振動させるための励振手段とを有し、
   上記固有振動数が上記回転の速さにより変化することを
   利用して角速度を検出することを特徴とする円筒振動式
   角速度側。