JPH0599676A

JPH0599676A - ジヤイロスコープ

Info

Publication number: JPH0599676A
Application number: JP3237850A
Authority: JP
Inventors: James S Burdess; ジエームス・ストーンハウス・バーデス; Leonard Maunder; レナード・マーンダー
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1993-04-23
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: JPS58160809A; US4489609A; JPH0640008B2; JPH0629733B2; FR2517823A1; FR2517823B1

Abstract

(57)【要約】【目的】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、構造体が奏する圧電効果
を利用して、回転時にその構造体に生ずるコリオリの力
を検出するのに適したジャイロスコープを提供する。【構成】矩形断面の導電性棒状体と、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、該励振電極と前記棒状体
との間に挟持させた圧電板とからなるビームを用いる。

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
率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、回転率の指標が得られる。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、回転がそ
れに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
ましい実施例を詳述する。先ず本発明の実施例を示す図
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、4
3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
心とする回転率Ωを作用させると、軸Ozに沿う前剪作用
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、作用させた回転率を検出す
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
た実施例の変形例であって、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、5
3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率の測定に利用さ
れる。

【００１３】図７も別の変形例を示すものてあって、こ
の変形例においては、厚さが均一な矩形板60を用いる一
方、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ある。矩形板60は電気的に
接地されており、また、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
の変形例においても、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
照して説明した実施例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を中心とする回転率Ωを
作用させると、軸Ox方向に慣性力が発生し、それによ
り、圧電板64に電荷が出る。この電荷を測定すれば、作
用させた回転率がわかるのである。

【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。

【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間に
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Amp2
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を中心とする回転率
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
させた回転率がわかり、結局、ジャイロスコープは単軸
回転率計測用ジャイロスコープ(Single axis rate gyro
scope)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】本発明の実施例によるジャイロスコープの主
要部の側面図。

【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に示した主要部の作用説明図。

【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】本発明の変形例としてのビームの平面図。

【図７】本発明の別の変形例としてのビームの斜視
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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジエームス・ストーンハウス・バーデスイギリス国イングランド、テイン・アンド・ウエアエヌ・イー・25 ９・ユー・エヌ、ウイツトリイ・ベイ、アーンシヨー・ウエイ12番地 (72)発明者レナード・マーンダーイギリス国イングランド、ニユーキヤツスル・アポン・テインエヌ・イー・４９・ビイ・ビイ、ムアサイド・サウス46番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一端が支持体に取り付けらる
矩形断面の導電性棒状体と、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、該励振電極と前記棒状体との間に
挟持させた圧電板と、外圧電板が奏する圧電効果と前記
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。
【請求項２】請求項１に記載のものであって、前記棒
状体の両端が支持体に取り付けられており、而して、前
記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。