JPH09210694A

JPH09210694A - 超音波ファイバー・ジャイロ・センサ

Info

Publication number: JPH09210694A
Application number: JP8017764A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川; Kazuhiro Kimura; 和博木村; Sumio Sugawara; 澄夫菅原
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 1997-08-12

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の光ファイバー・レーザー・ジャイロで
は、ファイバーが長く、また複雑な構成となっているの
で全体構造が大きくなってしまう。【解決手段】振動発生手段１（圧電セラミックス）と
振動検出手段２ａ，２ｂ（圧電セラミックス）とが線材
（カーボンファイバー）３ａ，３ｂによりそれぞれ接続
され、線材３ａ，３ｂはその途中にて互いに相反する方
向（α0又はβ0方向）に巻き付けられ超音波ファイバー
・ジャイロ・センサ（ＵＦＧ）が形成されている。ＵＦ
Ｇ全体が回転系内に置かれると、線材３ａ，３ｂ内を伝
搬する信号（縦波）にサグナック効果が発生し、角速度
等を検出することができる。また、振動発生手段１の信
号の周波数は、光に比べ低い周波数とすることができる
ので線材（伝搬経路）の長さを非常に短くすることがで
きる。また、複雑な構成とする必要がなく全体構造を小
さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビデオカメラの手
振れ防止、自動車用ナビゲーション・システムなど回転
運動を伴う電子機器に搭載されるジャイロに係り、特に
カーボン・ファイバーに超音波を伝搬させた超音波ファ
イバー・ジャイロ・センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、コマの原理を利用した機械式の
ジャイロが存在し、特に姿勢制御センサとして使用され
ていた。しかし、起動時間、高直線性、低消費電力、耐
振性などを考慮した場合、また微小な角速度の測定をす
るには機械式な可動部があるジャイロは必ずしも最適で
はなかった。そこで、最近では、圧電振動ジャイロ、あ
るいは光を利用したリング・レーザー・ジャイロ（以
下、「ＲＬＧ」という。）、光ファイバー・レーザー・
ジャイロ（以下、「ＦＯＧ」という。）などが使用され
ている。

【０００３】圧電振動ジャイロには、音叉型振動子を用
いるものと、音片振動子を用いるものなどが存在する。
共に振動子に圧電素子を張り付け、所定の共振周波数で
振動させた状態で回転系内に置くことにより、回転軸及
び振動方向に垂直な方向に発生するコリオリ力を検出す
ることができる。このコリオリ力から回転軸の角速度を
求めるものである。

【０００４】ＲＬＧは、ループ状のリング共振器にＨｅ
−Ｎｅガスのレーザー媒質を満たし、リング共振器に設
けられたアノードとカソード間に適当な電圧を印加する
と、光路を右回り、左回りに伝搬する２本のレーザー光
の発振が得られる。このＲＬＧ全体が回転系内に置かれ
ると、サグナック（サニャック）効果により左右両回り
の光の間に光路差が生じるため、発振周波数に差が発生
する。これらの両発振光を重ね合わせ、それらのビート
信号を受光素子で検出することにより、発振周波数差が
測定され角速度を求めることができる。

【０００５】また、ＦＯＧもサグナック効果を利用した
ものであり、リング干渉系の光路を長尺の低損失単一光
ファイバーで置き換えた構成である。すなわち、光ファ
イバーを左右逆方向にループを形成し、その中をレーザ
光が伝搬するようにしたものである。ＦＯＧでは、回転
系内に置いた場合の左右両回りの光路差により生じた位
相差等を検出し、角速度を求めるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】圧電振動ジャイロは、
小型かつ低価格な点で優れており、最近では数多くの民
生用の電子機器に応用される。しかしながら、圧電素子
から検出される信号成分には、コリオリ力以外の振動成
分、温度変化や経時変化によるドリフト成分などのノイ
ズが混在されており、検出精度に問題があった。また、
振動子を中空状態で、又は片持ち状態で振動させなけれ
ばならないので衝撃に弱く、所定許容量を越える衝撃が
加わった場合には、コリオリ力が検出されない場合があ
るばかりではなく、最悪の場合には振動子が折れてしま
う場合があった。また、コリオリ力は、地球の自転に起
因して発生するので北半球と南半球とでは逆方向に出力
される。したがって、この場合に備えた処置を施した別
途手段が必要であり、複雑な構成となっていた。

【０００７】ＲＬＧやＦＯＧは、航空機などにも使用さ
れる高精度で信頼性に優れたジャイロである。しかしな
がら、ＲＬＧでは、低速回転時に両発振光が互いに結合
し、発振周波数差がゼロになるロックイン現象を有し、
角速度が検出できない等の問題があった。また、ＦＯＧ
では、単に光路を光ファイバーに置き換えただけでは、
２光波間の干渉出力が｛１＋ｃｏｓω0（ただしω0は角
速度）｝に比例して変化するため、微小回転時の回転検
出が困難である等の問題があった。これらの他にも、光
学的帰還によるレーザ雑音、光回路素子のフレネル反射
や光ファイバーのレーリー散乱によるスペックル雑音等
の問題があった。

【０００８】ＲＬＧやＦＯＧでは、これらの問題を解決
するために種々の方法が開発され非常に複雑な構成とな
り、ジャイロ自体も非常に高価なものとなっていた。ま
た、レーザ光の波長は、例えば６３２．８ｎｍ程度と短
いので、精度を向上するためには光路をできるだけ長く
設定する必要がある。例えば、ＦＯＧにおいては、光フ
ァイバーが数ｋｍ程度必要であり、そのために光ファイ
バーを何重にも巻き付けなければならず大型なものとな
ってしまっていた。したがって、ＲＬＧやＦＯＧは小型
のビデオカメラなどに搭載するには適したものではな
く、専ら航空機や船舶などの高価で大型なものに搭載さ
れていた。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、超音波を利用することにより、安価で小型
であり、しかも精度の高い角速度を検出できる超音波フ
ァイバー・ジャイロ・センサを提供することを目的とし
ている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波ファイバ
ー・ジャイロ・センサは、振動発生手段と、第１及び第
２の振動検出手段と、前記振動発生手段と前記第１の振
動検出手段とを接続する線材と、前記振動発生手段と前
記第２の振動検出手段とを接続する線材と、前記第１及
び第２の振動検出手段から出力されるそれぞれの振動成
分を検出する振動成分検出手段とを有し、前記両線材は
互いに逆方向で且つ同一長に巻かれていることを特徴と
するものである。

【００１１】上記において、前記両線材は、同軸上に巻
かれているものとすることが好ましい。

【００１２】また、振動発生手段および第１と第２の振
動検出手段は圧電素子で構成でき、線材は、カーボン・
ファイバーで構成できる。

【００１３】本発明における超音波ファイバー・ジャイ
ロ・センサ（ＵＦＧ）では、振動発生手段と２つの振動
検出手段とが線材によりそれぞれ接続されている。ま
た、線材は、その途中において互いに相反する方向に巻
き付けられている。よって、このＵＦＧが回転系内に置
かれた場合には、線材内を伝搬する信号（縦波）にサグ
ナック効果を発生させることができる。また、同一長、
かつ同軸上に巻かれていると、相対的に同じ大きさのサ
グナック効果を得ることができる。

【００１４】また、線材がカーボン・ファイバーである
と、信号（縦波）における減衰量が最低となる周波数
（約３４ｋＨｚ）を低く設定することができる。よっ
て、振動発生手段及び振動検出手段として、圧電素子
（圧電セラミックス）等を使用することができる。

【００１５】さらに周波数を低く設定することができる
ので、短い伝搬経路（線材）でサグナック効果を得るこ
とが可能となり、角速度を検出することができものとな
る。よって、振動検出手段での信号の減衰量も小さなも
のとなり、また全体の構成も小さくすることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。図１は、本発明である超音波ファイバー
・ジャイロ・センサ(Ultrasonic waveFiber Gyro senso
r 以下、「ＵＦＧ」という。）の構成例を示す概略図で
ある。図１において、符号１は振動発生手段、符号２
ａ，２ｂは第１と第２の振動検出手段を示しており、例
えば圧電セラミックスなどで構成される。圧電セラミッ
クスは、多結晶性の金属化合物であり、一定の方向に力
を加えると誘電分極を起こして電圧を発生し、またこれ
らの結晶に電圧を加えると歪みを引き起こす。すなわ
ち、電気的エネルギーを機械的エネルギーに、またその
反対に機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する
ことができるものである。圧電セラミックスとしては、
例えば強誘電体であるＢａＴｉＯ₃、これとＰｂＴｉＯ₃
やＣａＴｉＯ₃との固溶体、またはＰｂＺｒＯ₃とＰｂＴ
ｉＯ₃との固溶体（略称ＰＺＴ）を主体としたものが存
在する。

【００１７】振動発生手段１と振動検出手段２ａ，２ｂ
の間は、符号３ａ，３ｂで示す線材によって各々接続さ
れている。線材３ａ，３ｂは、振動を伝搬することがで
きる線材、例えばカーボン・ファイバー、光ファイバー
などを使用することができる。ただし、光ファイバー
は、被覆を付けたまま振動を伝搬させると、振動の減衰
率が大きく、また被覆を外した状態で使用した場合には
折れ易い欠点がある。さらに、圧電セラミックスなどの
トランスデューサとの接合がしにくいなどの欠点があ
り、振動伝搬用の線路としては、カーボン・ファイバー
を使用することが好ましい。

【００１８】カーボン・ファイバーは、レーヨンやポリ
アクリロニトリルなどの有機繊維や精製した石油ピッチ
を紡糸した繊維を、不活性気体中で熱処理し炭化して作
られる繊維である。高強度、高弾性、耐熱性、耐酸化
性、耐薬品性などに優れ、金属、樹脂、セラミックスな
どの強化用繊維として使用される。また、丸棒状だけで
はなく帯状構成とすることもできるので圧電トランスデ
ューサとの接合も容易である。

【００１９】線材３ａ，３ｂは、振動発生手段１と振動
検出手段２ａ，２ｂの間において、互いに逆方向に巻か
れてリング３が形成されている。例えば、同図に示すよ
うに線材３ａがα0方向に巻かれているとすると、線材
３ｂはその反対方向であるβ0方向に巻かれたものとな
っている。また、線材３ａと３ｂとは、同じ長さに設定
されており、巻き数はそれぞれ数ターンである。すなわ
ち、振動が伝わる伝搬線路の距離は同一であり、上記Ｆ
ＯＧに比べ非常に短い振動伝搬線路となっている。な
お、線材３ａ，３ｂは、例えば台座等に固定された筒体
（ボビン）などに巻き付けることにより、確実に且つ所
定の張力で固定しておくことが好ましい。

【００２０】図２は、振動発生手段１及び振動検出手段
２ａまたは２ｂと、線材３ａまたは３ｂとの接続構成例
の１つとして、圧電セラミックスとカーボン・ファイバ
ーとの接続を示す構成図である。図２（Ａ）は側面図、
図２（Ｂ）はその左端面図である。入力側となる振動発
生手段１では、線材（カーボン・ファイバー）３ａ（又
は３ｂ）が、分極方向を同一方向とした２枚の圧電セラ
ミックス１ａ，１ｂの間に挟持され接合されている。ま
た、同様に出力側となる振動検出手段２ａ，２ｂでも２
枚の圧電セラミックスに線材（カーボン・ファイバー）
３ａ（又は３ｂ）が挟持されている。入力側において圧
電セラミックス１ａと１ｂとの間に、外部から所定の交
流電圧が印加されると、圧電セラミックス１ａ，１ｂは
同一方向に伸縮を繰り返して歪みを生じ、線材３ａ（又
は３ｂ）に縦波を重畳することができる。この縦波は線
材（カーボン・ファイバー）３ａ（又は３ｂ）中を伝搬
し、出力側に設けられた圧電セラミックスに伝えられ
る。圧電セラミックスでは、この縦波を受けることによ
り歪みが発生する。

【００２１】この歪みにより振動検出手段２ａ，２ｂの
圧電セラミックスに誘電分極が引き起され、各々電圧を
発生することができる。また、この場合において横波も
一緒に重畳されることになるが、上記したように筒体
（ボビン）などにカーボン・ファイバー３ａ（又は３
ｂ）が巻き付けられ固定されることにより、横波は打ち
消されるので出力側に伝搬されることはない。

【００２２】上記において、例えばＵＦＧが回転軸Ｏ−
Ｏを中心としてα0方向に角速度＋Ω、又はβ0方向に角
速度−Ωで回転した場合、以下の現象が生じる。振動発
生手段１で発生される縦波Ｓ0は、常に一定の周波数，
波長等で、同一の長さの線材３ａ，３ｂ中を振動検出手
段２ａ，２ｂに伝搬される。しかし、ＵＦＧ全体が回転
軸Ｏ−Ｏのまわりを角速度＋Ωで回転すると、回転と同
一方向（例えば、α0方向）上に伝搬する縦波Ｓ0は、静
止しているときよりも見掛け上長い距離を進むことにな
る。また、逆に反対方向（例えば、β0方向）に伝搬す
る縦波Ｓ0は短い距離を進むことになる。したがって、
線材３ａと３ｂを進む縦波には伝搬線路に差（線路差）
が生じ、振動検出手段２ａ，２ｂで検出される縦波Ｓ1
とＳ2の間には位相差が生じる。この現象が、いわゆる
サグナック（サニャック）効果と呼ばれるものである。
この位相差を検出すれば回転角速度Ωを測定することが
でき、そのデータを積分などの処理を施すことにより回
転角や方位の測定も可能となる。

【００２３】以下に、上記の原理に基いた本発明である
ＵＦＧに付いて説明する。図３は、図１の本発明である
ＵＦＧにおける測定結果であり、（ａ）は角速度−振幅
特性、（ｂ）は角速度−位相差特性を示している。図３
に示した測定結果は、ＵＦＧ全体をターンテーブル（図
示せず）の上に設置することにより行われたものであ
る。例えば、ＵＦＧをα0方向（（＋）方向）又はβ0方
向（（−）方向）に一定の回転速度（等速円運動）に設
定することにより、既知の角速度とすることができる。
図３（ａ）及び（ｂ）では、この既知の角速度の設定を
変え、各角速度に対する差電圧（図中においては、振幅
Ｅout）およびこの時の位相差の測定を行った結果であ
る。

【００２４】入力電圧は、振動発生手段１に２０Ｖp-p
（３３．９４ＫＨｚ）の交流信号電圧Ｓ0を印加し、振
動検出手段２ａ（信号出力Ｓ1），２ｂ（信号出力Ｓ2）
によって検出される差電圧（Ｓ2−Ｓ1）の大きさ（振幅
Ｅout）、並びに位相差を測定したものである。また、
この時の線材（カーボン・ファイバー）は、直径０．１
５μｍの素ファイバーを１．０×０．１５（ｍｍ²）の
帯状縒線構造、リング３の径を４０ｍｍ、線材３ａ，３
ｂともに巻き数を１ターン、入力側−出力側間隔６３ｍ
ｍ、ファイバーの全長２００ｍｍとして測定したもので
ある。なお、交流信号電圧の周波数（３３．９４ＫＨ
ｚ）は、線材（カーボン・ファイバー）のアドミッタン
スを測定することにより、縦波の減衰量が最低となるよ
うに、共振ピークよりも少し高い周波数に設定したもの
である。

【００２５】図３（ａ）に示されるように、ＵＦＧをα
0方向（（＋）方向）又はβ0方向（（−）方向）に角速
度を与えることにより、その回転方向（（＋）又は
（−））及び角速度に反応して差電圧（Ｓ2−Ｓ1）が検
出されることがわかる。同様に、図３（ｂ）では回転方
向（（＋）又は（−））及び角速度に反応して位相差が
検出されることがわかる。これらの結果は、多少測定上
の誤差が含まれてはいるものの回転角速度による効果で
あることがわかる。

【００２６】図４は、同期検波出力による回転方向の判
別結果を示している。すなわち、上記図３と同様の構成
において、ターンテーブルの回転速度を１２０（°／ｓ
ｅｃ）一定とし回転方向をα0方向（＋）又はβ0方向
（−）に１秒間隔で反転させた結果である。また、同図
において、（ア）はターンテーブルからの回転信号出
力、（イ）はロックインアンプによる同期検波出力をそ
れぞれ示している。すなわち、振動検出手段２ａ（Ｓ
1），２ｂ（Ｓ2）から出力される電圧をロックインアン
プによって、同期検波出力として示したものである。

【００２７】図４において、回転信号出力（ア）に同期
して、同期検波出力（イ）が変化することが確認でき
る。すなわち、回転信号出力（ア）がα0回転の場合に
は、同期検波出力（イ）では、基線（ウ）に対して信号
（＋）側に位置している。また、回転信号出力（ア）が
β0回転に反転した場合には、これに追従して同期検波
出力（イ）は信号（−）側に変化することがわかる。そ
して、この現象は繰り返し再現されることを確認するこ
とができる。すなわち、このＵＦＧは、ロックインアン
プによる同期検波出力を見ることによって、回転方向の
判別が可能であると判断することができる。

【００２８】上記、図３（ａ）及び（ｂ）において、振
動検出手段２ａ，２ｂで出力される各電圧は、以下に示
す方法で差電圧として検出したものである。図１におい
て、線材３ａ及び線材３ｂを伝搬して、振動検出手段２
ａ，２ｂから出力される縦波Ｓ1及びＳ2の出力電圧をそ
れぞれ数１とする。

【００２９】

【数１】

【００３０】ただし、ＥS1：線材３ａの縦波、ＥS2：線
材３ｂの縦波、Ｅ1，Ｅ2：入力電圧の振幅、ω：入力電
圧を発生するコイルの回転角速度、ｔ：時間、φ1，φ
2：位相のずれをそれぞれ示している。また、これらは
以下のように表わすことができる。

【００３１】

【数２】

【００３２】

【数３】

【００３３】また、ここで数２と数３との差をとると、

【００３４】

【数４】

【００３５】の差信号を得ることができる。なお、

【００３６】

【数５】

【００３７】Ｅ0：超音波ファイバーの入力信号振幅、
α：減衰定数、Ｌ：超音波ファイバーの全長である。ま
た数４において、

【００３８】

【数６】

【００３９】とする。ここで、図示α0方向回転におい
て、位相変化を

【００４０】

【数７】

【００４１】と仮定する。ただし、ａは比例定数であ
る。また、

【００４２】

【数８】

【００４３】であるから、

【００４４】

【数９】

【００４５】を得ることができる。以上より出力信号さ
れる差電圧は、

【００４６】

【数１０】

【００４７】とすることができる。また、上記図４にお
いて、ロックインアンプで検出した場合には、入力信号
は

【００４８】

【数１１】

【００４９】であるので、同期検波の原理より、

【００５０】

【数１２】

【００５１】又は、

【００５２】

【数１３】

【００５３】が導かれる。これらより、数１３の直流項
のうち以下の数１４

【００５４】

【数１４】

【００５５】により、その方向と大きさが検出すること
ができる。また、回転方向の検出は、数６により

【００５６】

【数１５】

【００５７】数９により

【００５８】

【数１６】

【００５９】となるので、数１５び数１６の符号によ
り、回転方向が示される。したがって、ロックインアン
プで検出することにより、その同期検波の出力

【００６０】

【数１７】

【００６１】を測定すればよいことがわかる。上記にお
いて、差電圧又は同期検波出力を得るためには、ＯＰア
ンプ等を用いて差動増幅器や乗算回路を構成することに
より検出することが可能である。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、振動検出
手段からそれぞれ出力される信号電圧の振幅や位相差に
より、回転方向、その大きさを検出することができる。
また、この位相差を検出すれば回転角速度Ωを測定する
ことができ、そのデータを積分などの処理を施すことに
より回転角や方位の測定も可能となる。

【００６３】さらに、光ファイバー・レーザー・ジャイ
ロよりも、極めて短いファイバーで構成することができ
るので、全体の構成も小さなものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における、超音波ファイバー・ジャイロ
・センサ（ＵＦＧ）の構成例を示す概略図

【図２】圧電セラミックスとカーボン・ファイバーとの
接続を示す構成図、

【図３】図１のＵＦＧにおける測定結果として（ａ）は
角速度−振幅特性、（ｂ）は角速度−位相差特性を示す
図、

【図４】同期検波出力による回転方向の判別結果を示す
図、

【符号の説明】

１振動発生手段１ａ，１ｂ圧電セラミックス２ａ，２ｂ振動検出手段（圧電セラミックス）３リング３ａ，３ｂ線材（カーボン・ファイバー）Ｓ1 振動検出手段２ａの信号出力Ｓ2 振動検出手段２ｂの信号出力＋Ω α0方向（＋）の角速度 −Ω β0方向（−）の角速度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動発生手段と、第１及び第２の振動検
出手段と、前記振動発生手段と前記第１の振動検出手段
とを接続する線材と、前記振動発生手段と前記第２の振
動検出手段とを接続する線材と、前記第１及び第２の振
動検出手段から出力されるそれぞれの振動成分を検出す
る振動成分検出手段とを有し、前記両線材は互いに逆方
向で且つ同一長に巻かれていることを特徴とする超音波
ファイバー・ジャイロ・センサ。
【請求項２】前記両線材は、同軸上に巻かれている請
求項１記載の超音波ファイバー・ジャイロ・センサ。
【請求項３】振動発生手段および第１と第２の振動検
出手段は圧電素子である請求項１または２記載の超音波
ファイバー・ジャイロ・センサ。
【請求項４】線材は、カーボン・ファイバーである請
求項１ないし３のいずれかに記載の超音波ファイバー・
ジャイロ・センサ