JPS60239613A - 角速度感知装置 - 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】 航空機の運動の角速度は、あらゆる航行及び慣性誘導装
置にとって重要な入力である。こういう装置は普通航空
機、宇宙船、船舶又はミサイルに使われている。運動の
角速度を感知することは、現在ではジャイロスコープに
よって行なわれる。。

然し、ノヤイロスコープはいろいろな欠点がある。ジャ
イロスコープは極めて高い精度に作らなければならない
が、１時間島たり１°未満というドリフト率を持つこと
がある。ジャイロスコープを作る費用の為、非常に高価
であり、物理的に大きく且つ重い。ジャイロスコープは
、軸受の柿な重要な可動要素が時間と共に変化するとい
う理由で、その保守が頻繁に精密に行なわれなければな
らない。ジャイロスコープは低レベルの衝撃及び振動に
よっても損傷を受けることとがある。この為、判らない
時刻に判らない規模のドリフト率の増加が起ることがあ
る。−、ジャイロスコープは衝撃及び振動の影響を受け
易いので、その保護の為に重い取付は構造を用いる場合
が多いが、これも高価である。

従って、それ程高価でなく、角速度を測定することが出
来、こうして車輌又は航空様の姿勢を測定する他の何等
かの装置により、ジャイロスコープに置き換えることが
望ましいことは明らかである。この発明では、圧電特性
を持つ石英の共振構造を有し、該構造が少なくとも２つ
の振動素子を持ち、各々の素子が略平行な２叉及び共通
の柚で構成されていて、該２叉及び軸が１平面内に配置
され、共通の柚が出力軸として作用し、前記棺遣が出力
軸と平行な軸線の周りの角運動のみに応答する平衡形共
振感知装置となり、前記出力軸に捩れの撓みを生じ、更
に、前記２叉に結合されていて該２叉を駆動周波数で振
動させる電磁手段と、前記出力軸に結合されていて、装
置が受ける、前記軸線の周りの運動の角速度を表わす電
気信号を取り出す出力手段とを有する角速度感知装置を
提供する。

この感知装置は音叉であることが好ましい。音叉は機械
的に温度に対して略安定であって、内部の摩擦が小さく
、フックの法則に従うものにすべきである。音叉は石英
で構成することが好ましいが、必ずしもそうしなくても
よい。然し、合成結晶、例えば酒石酸エチレンジアミン
（ＥＤＴ）、酒石酸２カリウム（１）ＫＴ）又は燐酸２
水素アンモニウム（ＡＤＰ）の様な他の圧電材料も使う
ことが出来る。非圧電材料も圧電駆動装置と共に使うこ
とが出来る。

音叉は石英の様な絶縁材料で構成することが好ましいが
、導電材料を使うことも出来る。この場合、音叉の２又
は電磁的に、即ち不動のコイルと２叉に設けた磁気装置
とによって励振しなければならない。

音叉は互いに平行に配置されていて振動することが出来
る２叉で構成される。２叉が出力軸又は把手によって相
互接続され、これから出力信号を取り出すことが出来る
。出力信号は装置が受けた運動の入力の角速度を表わす
。これが振動の方向に、直角の撓みを生ずる。光変調又
は周波数変調された出力信号を得ることも出来る。

２叉又は出力軸に４つのコンデンサを結合することによ
って出力信号を取り出すことが出来るし、或いは圧電式
に、電気抵抗により、又は光学式に取り出すことが出来
る。この発明の感知装置の毎時１０°程度の測定可能な
入力速度は、磁気的に補正した方向基準として、並びに
重力を補正した垂直姿勢基準として使える位に低い。０
．１°／時の入力速度が測定可能であれば、装置は自蔵
式慣性誘導装置の様な慣性板基準として使うことが出来
る。

この発明に特有と考えられる新規な特徴は特許請求の範
囲に具体的に記載しであるが、この発明自体の構成、作
用並びにその他の目的及び利点は、以下図面について説
明するところから最もよく理解されよう。

第１図及び第２図には、この発明の動作Ｉｇ、埋を説明
する為の簡単な音叉が示されている。前に述べた様に、
音叉１０は成る合成結晶、好ましくは石英の様な圧電材
料で作られている。第１図及び第２図には２叉１１．１
２及び出力軸又は把手１３を持つ音叉１０が示されてい
る。後で第４図乃至第６図について説明する様に、電界
を印加することにより、２叉を振動させることが出来る
。

１１に示すような２叉の各々の自由端から隔たる１対の
電極１４が第２図に示されており、これが容量性出力を
発生する。この時、２又は矢印１５で示すように互いに
接近する向き、並びに矢印１６で示すように、次の半サ
イクルには互いに遠ざかる向きに振動する。従って、２
叉１１，１２が平衡しているから、音叉は平衡形共振回
路を表わす。　２叉１１．１２と出力軸１３の間の区域
に直接的に適用し得る別の１対の電極１７．１８により
、電気出力を取り出すことが出来る。装置の角運動の為
に起った音叉１０の撓みにより、２つの電極１７．１８
は異なる極性を持つ。一旦角運動が加えられると、時間
微分、即ち運動の角運動が容易に得られる。

こ・で音叉の運動の中心から叉１１の端までの距離が０
．５ｃｍ、又は叉の内、電極１４によって覆われた部分
の距離が０．２ｃｍ、運動の中心から電極１４の中心ま
での距離が０．４ｃｍ、各々の叉の幅が０、０５ｃｍ、
各々の叉の厚さが０．００５ｃｍ、振動の半振幅が０．
０００２５ｃｍ、駆動周波数が１０ｋＨｚであると仮定
し、石英の密度を２．６ｇｍ／ｃτｃ３とする。こうい
う仮定をすると、角運動量は次の様に計算することが出
来る６ １（＝６，５３Ｘ１０　ｇ＋ｏｃｍ２／秒　（１）同様
に、トルクＴは次の様に計算することが出来る。

Ｔ”１，８９Ｘ１０−’ｇｍｃｍ　（２）最後に２叉の
撓みは Ｙ＝１．６２Ｘ１０−’ｃ　ｍ　（３）この時、音叉の
幅は変えずに、その寸法を増加する効果は、Ｎになり、
これは寸法の増加の５乗に比例することを示すことが出
来る。従って次の表の様な計算になる。

表−Ｌ Ｎｌ　２　３　４　５ Ｎ５１　３２　２４３　１０２４　３１２５従って、音
叉の寸法を増加すると、叉の撓みがかなり増加すること
が表１から明らかに判る。

次に第３図乃至ｊ１９図について全般的に説明するが、
特に第３図乃至ｔｊＳ６図には、この発明の好ましい実
施例が示されている。この実施例は２つの音叉を含んで
おり、その２つの軸線は中心軸線から隔て）、それと平
行に配置されている。即ち１対の音叉の第１の叉２０．
２０’は１個の区分２２で構成されている。区分２２は
、２つの音叉２０．２１を構成する２つの部分にすき間
２３によって分割されているが、このすき間は２つの部
分２０．２ノを相互接続する小さな架橋部２４を残して
いる。他方の区分２２゛は区分２２と正確に対称的であ
って、２つの音叉の他方の叉２０°、２１゛をｈ１成し
ている。

２つの区分２２．２２’の夫々の２つの端が相互接続部
材２５’、２５’によって相互接続される。部材２５は
２つのすき間２６．２８’により、２つの区分２２．２
２’から隔てられている。他方の相互接続部材２５゛も
同じ様に２つの区分２２．２２’から隔てられている。

２つの相互接続部材２５．２５’が出力軸を形成する。

これらは何れも小さな架橋部２７．２７’によって周囲
の枠３０と接続されており、この枠は２つの区分２２．
２２’から隔てられている。第４図に示すように、音叉
をケーシング３ノで取り囲むことが出来る。即ち、部分
２０．２０’が１対の叉を形成し、部分２　ｊ　、２１
　’が他方の音叉を形成する。

第５図は音叉の１対の叉２０．２０’の端に設けること
の出来る電極を示している。叉２０はその両側に１個の
電極３２　、．３３を有する。同様に、叉２０”は１つ
の電極３４　＋　３５を有する。ケーシング３１の一方
の内面が同様な電極３６を持ち、他方の又は反対側の内
面が電極３７を持っている。

感知発振器３８がケーシング３１に設けられた２つの内
側電極３６．３７に接続される。この為、電極３７．３
２の間に静電容量４０が形ｔ、される。

別の静電容量４１が電極３３．３６の開に形成される。

３番目の静電容量４２が電極３４．３７の間に形成され
、４番目の静電容量４３が電極３５゜３６の間に形成さ
れる。

第６図のブリッジ回路の出力を計器４４で読取ることが
出来る。

第６図の容量ブリッジの出力回路がｔｊ＆８図に示され
ている。駆動発振器４６は掛算器４７によって避倍する
ことが出来る。駆動発振器が第３図の感知装置に用いら
れる９ブリッジ増幅器４８を使て、計器４４からの信号
を増幅することが出来る。

この後、位相検波器５０を用いる。この位相検波器は、
駆！ＩＩＪＪ発振器４６に結合された掛算器４７がらの
基準位相を用いる。位相検波器の後にγ波器５ノ及びΔ
／Ｄ変換器５２が続くが、この変換器がマイクロプロセ
ッサ、直線化装置、表示駆動器及びへ／１１変換器５３
に信号を供給する。従って、出力イｇ号はディジタル出
力導ａ５４又はアナログ出力導＃１Ｉ５５の何れかから
得ることが出来、適当な表示装置に印加することが出来
る。

ＰＳ７図には第３図の感知装置の一部分及びその電極の
拡大図が示されている。１対の駆動型＋Ｍ６０．６１が
又２０上に配置されている。２つの駆動電極が導ｍ１３
２，１３３には夫々接続され、こｔらの導線が駆動発振
器に接続される。２つの電極は互いに僅かに隔たってい
て、叉を振動させる電界を設定する。他方の叉２０゛も
同様な電極６０゛。

６１゛を持ち、これらが出力導線６２’、６３’に接続
される。導線６２．ｆ３２’は一緒に結合されてぃフ　
る。

ピックアップ電極６４がやはり叉２０上に配置された別
のピックアップ電極６５に接続される。

出力電極６４．６５が導＃ｉ６６及び枠３０に接続され
る。他方の叉２０゛も同様な出力電極を持っている。

出力電極６４．６４゛が父上に直接的に配置されていて
、第６図に示すような容量性出力を発生することが認め
ｂれよう。６２．６３の様な一方の出力電極は接地する
ことが出来る。

第１３図の電極に対する圧電出力回路が第９図に示され
ている。この場合も、駆動発振器４６が導ｆｔ１Ａ９４
．９１を介して第３図及び第１３図の平衡形感釦装置′
を付勢する。この場合、叉の撓みによる結晶の歪みによ
り、圧電電圧が電極９６とそれに対応する見えない電極
に現われる。バッファ増幅器６７が１３３図及び第１３
図の感知装置の後にあり、その後に位相検波器５０、γ
波器５１、＾／Ｄ変換器５２及びＤ／＾変換器５３が続
く。これによって出力導線５４．５５にディジタル信号
又はアナログ（ｇ号が得られる。すき１１１１２３．２
８（第３図参照）の様なすきｎ旧よ、叉の質量を増加し
て、一層低い共振周波数にすることが出来る様にする。

出力の撓みの方向に於ける叉の共振周波数は、駆動信号
の周波数に等しくすることが出来る。この為、共振周波
数は２０．２１に示すような叉の質量と、すき間２３．
２６の寸法とに関係する。従って、こういう値を任意に
調節することが出来る。

第１０図及び第１１図にはこの発明の別の形の感知装置
が示されている。第１０図に明瞭に示すように、感知装
置は、出力軸７２に対して直角に、共通の軸線上に配置
された２つの音叉７０．７１で構成される。

出力軸７２は２つの壁７３．７４の間に固定することが
好ましい。出力軸７２に対称的な略矩形の開ロア５．７
５”を設けて、主に出力軸の重量を軽くすると共に、そ
の剛性を減少することが好ましい。その結果、出力軸７
２の共振周波数が下がる。従って、出力軸７２は１対の
音叉としても作用する。

第１１図は曲９７Ｂ、７７１こ、即ち出力軸７２の両側
に、出力電圧の極性を示している。

第１２図及び第１３図はこの発明の別の形の感知装置を
示しており、２対の音叉を用いている。

ｖＪ１２図に明瞭に示すように、共通の軸線を持つ第１
の１対の音叉ＦＩ３．８４と、やはり共通の軸線を持つ
第２の１　、ｔＩの音叉８５．８６がある。２つの軸線
は出力軸８７から隔たっている。２対の音叉が接続部材
８８によって出力軸８７に接続される。　第１３図には
、例として、音叉をどの様に駆動するかを示している。

駆動発振器からの入力導線９０．９１は入力導線９ノが
音叉８３．８４に行く様に接続されている。同時に上側
ケーシング９４の下側ケーシング９５を人力導線９０で
付勢し、こうしてケーシング９４．９５と音叉８３゜８
４の開に電界を発生する。

一方の出力又はピックアップ電極９６を相互接続部分８
８上に配置することが出来る。他方の出力電極は電極９
６の背後にあり、第１３図では見えない。

第１４図の感知装置は夫々４つの音叉から成る２対を持
っている。即ち、第１組の音叉１００゜１０１．１０２
．１０３が共通の軸線を持っている。ｆｔ５２組の４つ
の音叉１００゛乃至１ｏ３゛も共通の軸線を持っている
が、出力軸１０５がらは隔たっている。出力軸１０５が
やはり各々の端に矩形の切欠き１０６を設けて、その重
量及び剛性を減少し、こうしてその共振周波数を下げる
ことが出来る。１００乃至１０３の様な音叉が出力軸か
ら大きなすき間１０７．１０Ｂ、１１０によって隔てら
れている。出力軸１０５はやはり２つの壁１１１．１１
２の間に配置することが出来る。

出力軸１０５を予め捩って移相することが出来る。即ち
、予め応力を加えることにより、角速度の他に、角運動
の方向を検出する。従って、出力軸１０５を用いて駆動
周波数より高いことのある出力周波数を発生することが
出来る。第１０図の出力軸７２についても同じことが言
える。

電極は金めつきで構成するのが好ましいことに注意され
たい。レーザによる手入れにより、各々の音叉の２叉の
釣合をとることが出来る。即ち、レーザが１つの叉の電
極の適当な部分を除去することが出来る。これによって
回路のＱが高くなる。

以上駆動発振器によって付勢される音叉によって基本的
に構成された角速度感知装置を説明した。

装置の角運動により、振動の方向に対して直角に出力軸
の撓みが起る。この撓みは静電容量効果、抵抗効果、又
は圧電効果によって発生される電圧によって測定するこ
とが出来る。周波数変調された出力信号を得ることも出
来るし、或いは光ピツクアップを使うことが出来る。多
数の音叉を持つ種々の形式を説明した。好ましい構成は
、感知装置の振動に対して出力信号の周波数を制御する
ことが出来る。この角速度感知装置は普通のノヤイロス
コープよりもずっと低廉に、半導体技術を用いて製造す
ることが出来る。製造費が安いことの他に、その精度は
、磁気的に又は重力に対して補正した使い方で、方向及
び姿勢基準として、或いは自蔵式慣性誘導装置として使
われる慣性用基準としても、実際的な大抵の用途に十分
である筈である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の詳細な説明する為の音叉の平面図、
第２図は第１図の音叉の側面図で、出力信号を取り出す
２対の電極を示している。第３図は２つの音叉を持つこ
の発明の好ましい実施例の平面図で、ケーシングは省略
しである。第４図は第３図の実施例の断面図で、音叉を
取り囲むケーシングを示す。第５図は第３図の＃１５−
５で切った断面図で、ケーシングを示すと共に、ブリッ
ジ回路で使うことの出来る容量出力を示している。 第６図は第５図の電極装置によって得られる容量ブリッ
ジを示す回路図、第７図はｍ３図の感知装置の一部分の
拡大平面図で、ｐｔＳ３図の感知装置からの出力導線を
含めた駆動及び出力電極の両方を示している。ｒｊＳ８
図は第７図のブリッジ回路の出力回路のブロック図、第
９図はｉｌＢ図と同様なブロック図であるが、第１３図
の形の電極によって得られる圧電出力を示す。第１０図
は出力軸に対して法線方向に一直程上に配置された２つ
の音叉で構成される別の角速度感知装置の平面図、第１
１図はｒＩｉ械的な変形によって出力軸に発生される電
圧を図式的に示す図、ｔｔＳ１２図は各対の音叉が一直
線上にあって、２対が出力軸と平行に配置されている様
な４つの音叉を持つこの発明の角速度感知装置の別の実
施例の図、第１３−図は第１２図の感知装置の一部分の
拡大図で、駆動電極と共に１つのピックアップ電極を示
している。ｔＩＳ１４図は４つの音叉が同じ軸線上に配
置され、２組の音叉の夫々の軸線が出力軸の軸線と平行
に配置されている様な８個の音叉を持つこの発明の感知
装置の更に別の実施例の平面図である。

【主な符号の説明】

２０．２０’、２１．２　ｊ　’：　音叉の叉２５．２
５’：　出力軸 ３２．３３．３４．３５．３６．３７：　電１色３８＝
　発振器 ４４：　計器 図面の浄書（内容に変更なし） Ｆｉｇ、／ Ｆｉａ、１１゜ 手　続　補　正　書（自発） 昭和５９年７月１８日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第９４７５９号 ２、発明の名称 角速度感知装置 ３、＠正をする者 ７件との関係　出願人 ゛　名　称　ピエゾエレクトリックテクノロジーインヴ
エスターズリミテッド ４、代理人 ５、補正命令の日付　昭和年月日（自発）６、補正の対
象 （１）願書出願人代表者の欄 （２）図面全部の浄■（但し、内容についての変更はな
い）（３）委任状及び訳文 ７、補正の内容 別紙の通り

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）圧電特性を持つ石英の共振＊ｉを有し、該構造は
   少なくとも２つの振動素子を持ち、各々の素子は略平行
   な２叉及び共通の軸で構成され、該２叉及び柚は１平面
   内に配置されており、前記共通の柚が出力軸として作用
   し、前記枯遺は前記出力軸と平行な軸線の周りの角運動
   のみに応答して平衡形共振感知装置となり、前記出力軸
   に捩れの撓みを起し、更に、前記２叉に結合されていて
   、該２叉を駆動周波数で振動させる電磁手段と、前記出
   力軸に結合されていて、角速度感知装置が受ける、前記
   軸線の周りの運動の角速度を表わす電気信号を取り出す
   出力手段とを有する角速度感知装置。 （２、特許請求の範囲第１項に記載の角速度感知装置に
   於いて、前記振動素子が前記−出力軸に対して対称的に
   配ｆＦｌされていて、それと略平行にそれから隔たって
   いる角速度感知装置。 （３）特許請求の範囲第１項に記載の角速度感知装置に
   於いて、前記振動素子が前記出力軸に対して対称的に配
   置されていて、該出力軸に対して略垂直に配置されてい
   る角速度感知装置。 （４）特許請求の範囲第３項に記載の角速度感知装置に
   於いて、前記素子及び出力軸が圧電特性を持つ石英の音
   叉で構成され、該音叉又は前記出力軸と平行な軸線の周
   りの角運動のみに応答して平衡形共振感知装置となり、
   前記出力軸の捩れによる撓みを起し、前記出力手段が前
   記電気信号に対する位相検波器並びに運動の角速度を表
   わす出力信号を発生する手段を含んでいる角速度感知装
   置。 （５）特許請求の範囲＠４項に記載の角速度感知装置に
   於いて、前記電磁手段が、駆動発振器、前記２叉の各々
   に接続された第１の電極及び該ｍｉの電極から隔たる固
   定電極を含んでおり、前記電極が前記発振器に結合され
   ている角速度感知装置。 （６）特許請求の範囲第５項に記載の角速度感知装置に
   於いて、前記出力手段が前記２又の各々に対して前記出
   力軸に設けられた１対の出力電極を持っていて、角運動
   による前記軸の撓みを表わす電気信号を発生し、前記１
   対の出力電極が前記位相検波器に結合されている角速度
   感知装置。 （７）　特許請求の範囲第６項に記載の角速度感知装置
   に於いて、前記出力電極が前記位相検波器に接続され、
   該位相検波器が前記駆動発振器に接続されて前記出力信
   号を取り出す様にした角速度感知装置。 （８）　特許請求の範囲ｔＩＳ４項乃至＠７項に記載の
   角速度感知装置に於いて、前記音叉を２個設け、該音叉
   は前記出力軸に対して略法線方向に配置され、前記出力
   軸が実質的に固定の２つの要素の間に配置されている角
   速度感知装置。 （９）特許請求の範囲第４項乃至第７項に記載の角速度
   感知装置に於いて、前記音叉を４個設け、各対の音叉が
   共通軸線に沿って配置され、各々の軸線は前記出力軸と
   平行であり、前記出力軸が実質的に固定の２つの要素の
   間に配置されている角速度感知装置。 （１０）特許請求の範囲１１９項に記載の角速度感知装
   置に於いて、前記電磁手段が各々の音叉の２叉に対する
   駆動電極と、該駆動電極に対する２本の出力導線を持つ
   駆動発振器とを含んでおり、１対の音叉の１対の２叉の
   各々の駆動電極が前記駆動発振器の反対の導線に接続さ
   れ、他方の１対の音叉の各々の駆動電極が前記駆動発振
   器の導線に接続されて、最初に記載した１対の音叉と反
   対の位相で振動する様にした角速度感知装置。 （１１）　特許請求の範囲第４項乃至第７項に記載の角
   速度感知装置に於いて、前記音叉が８個設けられており
   、４つの音叉は共通の第１の軸線を持ち、残りの４つの
   音叉は共通の１２の軸線を持ち、前記第１及び第２の軸
   線は前記共通の釉と平行に略等距離の所にあり、該共通
   の軸は前記軸線と略同じ長さであって平行であり、前記
   共通の軸が実質的に固定の２つの要素の間に配置されて
   いる角速度感知装置。 （１２）　略平行な２つの区分を持つ石英の一体の素子
   を有し、各々の区分は中心にｆ：ｔＳｌのすき開を持つ
   ていて、各区分２つの部分の間に小さな験橋部を残し、
   各々の部分が音叉の叉を形成し、前記区分の各々の端が
   出力軸を形成する相互接続部材によって相互接続され、
   各々の部材はそれに関連した区分から第２のすき間だけ
   隔たっていて、各々の部材とそれに関連した区分の間に
   小さな架橋部を残し、前記すき間が感知装置の入力の慣
   性及び周波数を制御し、この為、前記すき間及び前記部
   分の寸法と前記区分、前記部分及び部材の質量が、前記
   叉の共振周波数並びに前記感知装置が受けた運動の角速
   度を表わす出力信号の周波数を決定する様にした角速度
   感知装置。 （１３）特許請求の範囲第１２項に記載の角速度感知装
   置に於いて、ケーシングを設け、各々の叉に１対の駆動
   電極を設け、各々の叉に出力電極を設けて前記叉の撓み
   を表わす電気信号を取り出し、前記ケーシングが前記電
   極から隔たっている角速度感知装置。 （１４）特許請求の範囲ｒＩＳ１３項に記載−の角速度
   感知装置に於いて、　各々の音叉に対し、ケーシングの
   内面に１対の内側電極を設け、該内側電極が駆動発振器
   に結合されている角速度感知装置。 （１５）特許請求の範囲ｔｔＳ１４項に記載の角速度感
   知装置に於いて、前記ケーシングを食刻して前記電極を
   受入れる様にした角速度感知装置。 （１６）特許請求の範囲＠１項乃至第１５項に記載の角
   速度感知装置に於いで、出力軸を予め捩って、角運動の
   方向を表わす出力信号を発生する様にした角速度感知装
   置。 （１７）特許請求の範囲第１６項に記載の角速度感知装
   置に於いて、前記出力軸に少なくとも１つの略矩形の切
   欠きを設けて、その重力と剛性を減少した角速度感知装
   置。