JPH0153725B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転体の角速度を検出する角速度検出
装置に関するものである。

従来、この種の装置として、高速で回転するコ
マの軸が一定の方向を指示する性質を利用した機
械的ジヤイロ、あるいは光フアイバ等の光伝送路
内を右回り、左回りに光を伝播せしめて干渉さ
せ、その位相差によつて角速度を検出するように
した光フアイバ・レーザ・ジヤイロ等がある。

しかしながら、前者の機械的ジヤイロにおいて
は、コマを高速回転させるための電動機などの動
力が必要となり、全体の質量が大きくなるという
問題がある。また、後者の光フアイバ・レーザ・
ジヤイロにおいては、右回りと左回りの光の位相
差が、その位相差に応じた干渉稿として出力され
るため、それを電気信号の出力として得るために
かなり複雑な構成を必要とするという問題があ
る。

本発明は上記の機械的ジヤイロのように機械的
高速回転部を必要とせず、また光フアイバ・レー
ザ・ジヤイロのように電気信号出力を得るための
複雑な構成を必要としない新しい検出方式の角速
度検出装置を提供しようとするものである。

すなわち、本発明はマイクロ波を用いて角速度
を検出するように構成したことを特徴とするもの
で、マイクロ波を閉ループの伝送路内に左、右方
向に分離して伝送せしめるとともにその伝送路で
発振せしめ、その左、右方向に分離したマイクロ
波を混合検波し、その検波出力を低周波増幅手段
を介して、角速度に応じた低周波の電気信号出力
を得るようにしたものである。

以下本発明を図に示す実施例について説明す
る。第１図は本発明の第１実施例を示す構成図で
ある。この第１図において、１はマイクロ波（波
長がミリメートルあるいはセンチメートル）を発
生するマイクロ波発振器で、例えばガンダイオー
ド、インパツトダイオードを共振器内に装着した
もの、あるいはクライストロン、マグネトロンの
ようなものが用いられる。２はマイクロ波発振器
１の発振周波数に適合してマイクロ波を伝送する
マイクロ波伝送路で、例えば導波管あるいは同軸
ケーブル等であり、その伝送路は円形の閉ループ
をなしている。３はマジツクＴで、マイクロ波発
振器１にて発生したマイクロ波をその入口部で受
けてマイクロ波伝送路２の左、右方向へ等分して
伝送するとともに、その右回り、左回りのマイク
ロ波がマイクロ波伝送路２を一周した後、それぞ
れのマイクロ波をその出口部から混合検波器４に
伝送するものである。４はマジツクＴ３からの右
回り、左回りのマイクロ波を混合検波するもの
で、共振器の中に半導体検波ダイオードが内蔵さ
れたものが用いられる。ここで、マイクロ波発振
器１、マイクロ波伝送路２、マジツクＴ３、混合
検波器４は一体強固に作られてマイクロ波部を構
成している。５はコンデンサ、６は低周波増幅
器、７は周波数表示器である。この周波数表示器
７は、周波数一電圧変換器とその出力である電圧
を表示する電圧計とで構成されている。８は数ボ
ルトの安定化電圧を発生する安定化電源回路で、
その安定化電圧を前記マイクロ波発振器１に印加
しており、その安定化電圧はマイクロ波発振器１
からのマイクロ波がマイクロ波伝送路２内で発振
するよう適当な値に設定されている。

上記構成においてその作動を説明する。

マイクロ波発振器１で発振されたマイクロ波は
マジツクＴ３により等分されてマイクロ波伝送路
２内を互いに反対方向（右回り、左回り）に回
る。ここで、その右回りと左回りのマイクロ波に
対し、第２図の等価回路で示すように、２つの共
振回路M₁，M₂（それぞれの発振周波数をf₁、f₂と
する）が存在している。なお、１′はマイクロ波
発振器１の発振部である。そして、その右回り、
左回りのマイクロ波は、マイクロ波伝送路２を１
周した後、マジツクＴ３を介して混合検波器４に
入り、混合検波される。ここで、マイクロ波伝送
路２が共振器として動作する条件の１つは、マイ
クロ波伝送路２のＱがマイクロ波発振器１のQ₀
に対し、Ｑ＞Q₀の関係となることである。これ
は、上述したマイクロ波発振器１、マイクロ波伝
送路２、マジツクＴ３を一体強固に作ることによ
り達成される。また、他の１つの条件は、マイク
ロ波伝送路２内でマイクロ波の波が整数倍になる
ことである。これは、マイクロ波発振器１に印加
する安定化電圧を適切な値に調整することにより
達成される。

今、マイクロ波部が絶対静止状にあるときは、
混合検波器４に至る右回り、左回りのマイクロ波
の発振周波数f₁、f₂は等しくなり、従つて混合気
検波器４の出力は零になつて、周波数表示器７は
零を表示する。

しかし、マイクロ波部が絶対空間に対して回転
しているときは、右回り、左回りのマイクロ波の
発振周波数f₁、f₂に差が生じ、それを混合検波器
４で混合検波すると、f₁、f₂の周波数差であるΔf
の低周波が発生する。この周波数Δfはマイクロ
波部の角速度ωに正比例しており、Δf＝Ｎ・
ω／πで示される。ここで、Ｎはマイクロ波伝送
路２内に存在するマイクロ波の波数（正の整数）
を示している。そして、混合検波器４よりの低周
波はコンデンサ５を通り、低周波増幅器６で増幅
され、周波数表示器７にて表示される。従つて、
この周波数表示器７の表示はマイクロ波部の角速
度が大きくなるほど大きな値となる。

上記した右回り、左回りのマイクロ波の発振周
波数f₁、f₂に差が生じる理由について、次に説明
する。

第６図において、マイクロ波伝送路２におい
て、マイクロ波発振器１からのマイクロ波がＣ点
より右回り方向に回り、再びＣ点に戻るまでに要
する時間Δt₁は、 Δt₁＝2πr＋rω・Δt₁／Vp……(1) である。ここで、ｒはマイクロ波伝送路２の半
径、Vpはマイクロ波伝送路２中のマイクロ波速
度である。

また、左回り方向に回つたマイクロ波が再びＣ
点に戻るまでに要する時間Δt₂は、 Δt₂＝2πr−rω・Δt₂／Vp……(2) である。ここで、マイクロ波伝送路２中のマイク
ロ波速度Vpは、相対性理論により右回り方向も
左回り方向もωに無関係に同じ値である。

さて、(1)式よりΔt₁を求めると、 Δt₁＝2πr／Vp−rω ……(3) 同様に、Δt₂を求めると、 Δt₂＝2πr／Vp＋rω ……(4) マイクロ波がＣ点より発射されて、再びＣ点に
戻る時間がΔt₁、Δt₂であるから、戻るまでの一
周距離は、右回り方向に対してl₁、左回り方向に
対してl₂とすると、 l₁＝Vp・Δt₁ ……(5) l₂＝Vp・Δt₂ ……(6) となる。

さて、マイクロ波がマイクロ波伝送路２内で発
振するというのは、Ｃ点から出たマイクロ波がマ
イクロ波伝送路２を一周して戻つた時、マイクロ
波発振器１からまさに出るマイクロ波とが同軸に
なつて強め合うことをいう。この条件があれば
次々に発生するマイクロ波はすべて同相で加算さ
れ、発振することになる。この条件を右回りのマ
イクロ波にあてはめ、マイクロ波のマイクロ波伝
送路２中での波長をλg₁（＝Vp／f₁）とすると、 l₁＝Ｎ・λg₁＝Ｎ・Vp／f₁ ……(7) となる。また、左回りのマイクロ波について、波
長をλg₂（＝Vp／f₂）とすると、 l₂＝Ｎ・λg₂＝Ｎ・Vp／f₂ ……(8) となる。

さて、(3)式、(4)式を(5)式、(6)式に代入すると、 l₁＝Vp・2πr／Vp−rω ……(9) l₂＝Vp・2πr／Vp＋rω ……(10) となる。

(7)式と(9)式より、 Vp・2πr／Vp−rω＝Ｎ・Vp／f₁ ∴f₁＝（Vp−rω）・Ｎ／2πr (8)式と(10)式より、 Vp.2πr／Vp＋rω＝Ｎ・Vp／f₂ ∴f₂＝（Vp＋rω）・Ｎ／2πr と明らかに２つの発振周波数f₁、f₂が発生してい
ることになる。

さて、混合検波器４より検出できるのは、その
周波数差Δfであるから、 Δf＝｜f₁−f₂｜＝｜（Vp−rω
）・Ｎ／2πr−（Vp＋rω）・Ｎ／2πr｜＝Ｎ・ω／π となり、ωに比例する。

なお、この周波数表示器７の表示はマイクロ波
部の角速度が小さくても正確に表示される。これ
は、マイクロ波発振器１からの右回り、左回りの
マイクロ波がマジツクＴ３に至つた時、それぞれ
の位相が逆になつていて、それぞれの相互関係が
少なくなつている（理想的には相互関係がなくな
つている）ためである。このことを詳述すると、
第７図において、マイクロ波発振器１からのマイ
クロ波（図中の矢印ａで示す）は、マジツクT₃
においてマイクロ波伝送ループに入る段階で左回
り方向のマイクロ波（図中の矢印ｂで示す）と右
回り方向のマイクロ波（図中の矢印Ｃで示す）と
で逆方向、すなわち位相が逆になる。このよう
に、位相が逆になつた右回り、左回りのマイクロ
波がマイクロ波伝送路２中を回ることになるた
め、それぞれのマイクロ波間においては理想的に
は相互関係がなく、相互に独立したものとなつて
いる。従つて、マジツクＴ３に至る右回り、左回
りのマイクロ波は相互に独立したものとなつてい
るため、それぞれの発振周波数の同期吸込み現象
（ロツク・イン）が起らず、従つて低い角速度に
おいても周波数表示器７にその角速度に応じた値
が正確に表示される。

第３図は本発明の第２実施例を示す構成図であ
る。この第２実施例は第１図に示す第１実施例と
比べて、マジツクＴを用いずに、マイクロ波発振
器１、混合検波器４をマイクロ波伝送路２に直接
結合した点で異なつた構成をとつている。ここ
で、マイクロ波発振器１、マイクロ波伝送路２、
混合検波器４は一体強固に作られてマイクロ波部
を構成しており、特にマイクロ波発振器１とマイ
クロ波伝送路２とは強い結合度で結合されてい
る。また、マイクロ波発振器１と混合検波器４と
の位置関係は特に限定されるものではないが、好
ましくは対角位置に設置され、マイクロ波発振器
１から混合検波器４に至る右回り、左回りの伝送
路が同じ長さになるようにするのがよい。この第
２実施例の作動は第１実施例とほぼ同じで、ただ
マイクロ波発振器１からのマイクロ波が左、右に
分かれてマイクロ波伝送路２内を回り、半周した
後に混合検波器４に入るようにした点で異なつて
いる。

なお、上記した第１、第２実施例ではマイクロ
波伝送路２の形状を円形のものとしたが、矩形
（正方形）のものとしても同様に行なうことがで
きる。

また、混合検波器４に接続されてその低周波の
直流分を除去するコンデンサ５は、低周波増幅器
６の作動上あつた方が好ましいが、低周波増幅器
６を飽和しない領域内で使用できるならばコンデ
ンサ５はなくてもよい。

他方、上記マイクロ波伝送路２に導波管を用い
た場合、その内部の導波部は通常空隙となつたも
のが用いられるが、第４図に示すようにその導波
部１０に高誘電率εの物質を満たすと、その高誘
電率εに応じて高感度の出力を得ることができ
る。すなわち、マイクロ波はその伝送路の媒質に
よつて波長が変化し、その媒質に高誘電率εの物
質を用いた場合、その物質中を伝播するマイクロ
波の波長は１／√となる。また、周波数Δfと
角速度ωとの関係は先に示したようにΔf＝Ｎ・
ω／πであり、マイクロ波伝送路２の円周の長さ
ｌ、マイクロ波の波長をλgとした場合、マイク
ロ波伝送路２内に存在するマイクロ波の数ＮはＮ
＝ｌ／λgとなるため、波長λgが１／√倍にな
ればマイクロ波の数Ｎは√倍になり、従つて周
波数Δfも√倍になる。例えば、誘電率εを25
としたとき、波長は1/5になり、出力される周波
数は５倍のものになる。ここで、導波部１０の物
質としては、誘電損失が小さく、かつ高誘電率を
有するものが望ましい。かかる物質としては、
TiO₂、BaO−TiO₂、Sr（Li1／４・Nb3／４）O₃
−SrTiO₃、PbTiO₃−PbZrO₃、MgTiO₃、
CaTiO₃等のセラミツク系のものがある。また、
塩化ビニル、ポリエチレン、エポキシ、ナイロン
等の樹脂を用いても同様に導波部を形成すること
ができる。

さらに、導波管は第５図に示すように、高誘電
率εの物質で一定形状に成形された固体の導波部
１０′と、その表面にメタライジングにより形成
された金属薄膜よりなる管部１１とで構成するこ
とができる。すなわち、導波部１０′を高誘電率
の物質で一定形状に成型し、その後、その表面に
金属薄膜をメタライジングして管部１１を形成す
る。このことにより、導波部１０′の寸法精度を
高くすることができ、また導波部１０′と管部１
１との間には何等の隙間も介在しないため、導波
部１０′と管部１１の界面における電波のじよう
乱を無視できる。ここで、導波部１０′の物質は、
上記述べた第４図の導波部１０と同じものを用い
ることができる。また、管部１１は無電解メツ
キ、化学蒸着法、物理蒸着法（PVD）等のメタ
ライジング法により導波部１０′の表面に金属層
を形成する。なお、その金属層の金属としては
金、銀、銅等の良導電物質が用いられる。

以上述べたように本発明では、マイクロ波を閉
ループの伝送路内に左、右方向に分離して伝送せ
しめるとともにその伝送路内で発振せしめ、その
左、右方向に分離したマイクロ波により混合検波
器、低周波増幅手段を介して、角速度に応じた電
気信号出力を直接得ることができ、従つて装置全
体の構成を簡素化でき、また前記左、右方向に分
離したマイクロ波が相互に独立したものとなつて
いるため、ロツク・インが起らず、このことによ
り角速度が小さくてもそれを正確に検出すること
ができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す構成図、第
２図は作動説明に供する等価回路図、第３図は本
発明の第２実施例を示す構成図、第４図、第５図
はマイクロ波伝送路に導波管を用いた場合の実施
例を示す部分構成図、第６図、第７図は作動説明
に供する説明図である。 １……マイクロ波発振器、２……マイクロ波伝
送路、３……マジツクＴ、４……混合検波器、５
……コンデンサ、６……低周波増幅器、７……周
波数表示器、８……安定化電源回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段
   と、マイクロ波の伝送路が閉ループをなして形成
   され前記マイクロ波発生手段よりのマイクロ波を
   前記伝送路内の所定部分から伝送路内の左、右方
   向に分離して伝送せしめるとともに、前記伝送路
   の出口部から前記左、右方向に分離したそれぞれ
   のマイクロ波を出力するように構成したマイクロ
   波伝送手段と、このマイクロ波伝送手段における
   前記出口部からの左、右方向のマイクロ波を混合
   検波する混合検波器と、この混合検波器の出力を
   低周波増幅する低周波増幅手段とを備え、前記マ
   イクロ波発振器からのマイクロ波の発振周波数を
   適当な値に設定してそのマイクロ波を前記伝送路
   で発振せしめ、前記伝送路を所定の角速度で回転
   させた時に前記低周波増幅手段よりその角速度に
   比例した低周波の電気信号を発生させるようにし
   た角速度検出装置。 ２ 前記マイクロ波伝送手段がマイクロ波伝送路
   とマジツクＴにて構成された特許請求の範囲第１
   項に記載の角速度検出装置。 ３ 前記伝送路が同軸ケーブルで構成された特許
   請求の範囲第１項または第２項に記載の角速度検
   出装置。 ４ 前記伝送路が導波管で構成された特許請求の
   範囲第１項または第２項に記載の角速度検出装
   置。 ５ 前記導波管の導波部が高誘電率の物質で満た
   されてなる特許請求の範囲第４項に記載の角速度
   検出装置。 ６ 前記導波管が高誘電率の物質で一定形状に成
   型された固体の導波部と、この導波部の表面にメ
   タライジングにより形成された金属薄膜よりなる
   管部とで構成された特許請求の範囲第４項に記載
   の角速度検出装置。 ７ 前記低周波増幅手段がコンデンサと低周波増
   幅器とで構成された特許請求の範囲第１項乃至第
   ６項のいずれかに記載の角速度検出装置。