JPH03276013A - 角速度センサ - 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 本発明はジャイロスコープ、特に圧電素子振動を用いた
角速度センサに関するものである。

従来の技術 従来、ジャイロスコープを用いた慣性航法装置として飛
行機、船舶のような移動する物体の方位を知る方法とし
て機械式の回転ジャイロが主に使われている。

これは安定した方位が得られるが機械式であることから
装置が大がかりであり、コストも高く、小型化が望１れ
る機器への応用は困難である。

一方、回転力を使わずに物体を振動させて、振動された
検知素子からｒコリオリの力」を検出する振動型角速度
センサがある。多くは圧電式と電磁式のメカニズムを採
用している構造のものである。これらはジャイロを構成
する質量の運動が一定速度の運動ではなく振動になって
いる。従って角速度が加わった場合、コリオリの力は、
質量の振動数と等しい振動数の振動トルりとして生じる
ものである。このトルりによる振動を検出することによ
って角速度を測定するのが振動型角速度センサの原理で
あり、特に圧電体を用いたセンサが多く考案されている
。（日本航空宇宙学会誌第２３巻第２６７号３３９−３
５０ページ） 上記の原理に基づく角速度センサの構造を第３図に示す
。第３図において、１は検知用圧電素子、２は結合部材
、３は駆動用圧電素子であり、この駆動用圧電素子３と
検知用圧電素子１とは結合部材２により互いに直交させ
て接合することによりセンサ素子が構成されている。そ
して、この一対のセンサ素子を、前記（動用圧電素子３
の端部において、弾性結合部材４により音叉構造となる
ように接合することにより、音叉素子が構成されている
。さらに、この音叉素子は、弾性結合部材４のほぼ中心
部に一端が結合される支持ビン６により支持されてベー
ス６上に取付けられている。

７は駆動用圧電素子３の両面に相対するように形成した
駆動用電極、Ｅｌ　、８ｂはこの枢動用電極７の外側に
配設されるように、駆動用圧電素子３に形成した信号引
出線用電極で、前記検知用圧電素子１の電極から引出し
たリードワイヤ９が接続され、検知用圧電素子１からの
リード引出しが行われる。

１０はこの駆動用電極７．信号引出線８１Ｌ　、８ｂと
ペース６に植設したリードピン１１とを接続するリード
ワイヤである。

以上のように構成された従来の角速度センサを動作させ
るには、１ず一対の駆動用圧電素子３を駆動するために
対向している内側の面を共通電極とし、それぞれ外側の
面の、駆動用電極７との間に交流信号を印加する。信号
を印加された駆動用圧電素子３は弾性結合部材４を中心
にして対称な振動を始める、いわゆる音叉振動である。

速度υで振動している検知用圧電素子１に角速度ωの回
転が加わると、検知用圧電素子１には「コリオリの力」
が生ずる。この「コリオリの力」は速度υに垂直で大き
さは２ｍυωである。音叉振動をしているので、ある時
点で一方の検知用圧電素子１が速度υで振動していると
すれば、他方の検知用圧電素子１は速度−〇で振動して
おり、ｒコリオリの力」は−２ｍυωである。一対の検
知用圧電素子１には、互いに逆向きの「コリオリの力」
が働き、互いに逆向きの方向に変形し、素子表面には圧
電効果によって電荷が生じる。一対のセンサ素子ば「コ
リオリの力」による発生電荷が、互いに加算されるよう
に結線されている。

それゆえ、このセンサに角速度以外の並進運動を与えて
も一対の検知用圧電素子１の表面には同極性の電荷が生
ずるため、互に打ち消しあって出力は出ないように構成
されている。

ここでυは音叉振動によって生じる速度であり、音叉振
動速度が υ−υＯ−ｓｉｎωｏｔ　　υ０　：音叉振動速度振幅
ω０　：音叉振動の角周期 であるとすれば、ｒコリオリの力」は、ＦＱ＝２ｍ−υ
０・ω・ｓｔｎωｏｔ となり、角速度ω及び音叉振動速度υ０に比例しており
、検知用圧電素子１をそれぞれ面方向に変形させる力と
なるっ従って、検知用圧電素子１の表面電荷量Ｑｃは、 Ｑｃｏｃυ０−ω−ｓｔｎωｏ１ となり音叉振動速度振幅υ０が一定にコントロールされ
ているとすれば ＱＣＣ（ω−ｓｉｎωｏｔ となう、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑは角
速度ωに比例した出力として得られる。

検知用圧電素子１には上記のｒコリオリの力」の他に「
駆動慣性力」によシ変形が生じる。これを第４図および
第５図を用いて説明する。

第４図は検知用圧電素子１と、駆動用圧電素子３とを上
から見た図である。検知用圧電素子１と、駆動用圧電素
子３とは、互いに直交していることが望！しいが、組立
精度の問題で第４図に示すように直角からずれている。

そのため第５図に示すように１駆動用圧電素子３の振動
に起因する変形が検知用圧電素子１に生ずるっ　「駆動
慣性力」とは、駆動により発生する慣性力であり、検知
用圧電素子１と、駆動用圧電素子３との直交度がずれて
いるときに検知用圧電素子１に変形を生じさせる力であ
る。検知用圧電素子１の変形は駆動用圧電素子３の変位
に比例し、又直交からのずれ角をθとすればｓｉｎθに
比例する。従って、検知用圧電素子１の表面電荷量Ｑａ
は、 Ｑａ”υ０／ωｏ−５ｉｎ（ωｏｔ・π／２）−ｓｉｎ
θとなり、音叉振動速度振幅υ０および駆動振動角周波
数ω。が一定にコントロールされているとすれば、 Ｑａ　■ｓｉｎ　（ωｏ　ｔ　−π／２　）−ｓｉｎθ
となり、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑａは
その大きさは直交からのずれ角θによるが、その位相は
ｒコリオリの力」による検知用圧電素子１に発生する表
面電荷量Ｑｃとπ／２だけずれている。

従って、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量（Ｑｃ
＋Ｑａ）をωｏｔで同期検波すれば、角速度ωに比例し
た直流信号が得ることができる。

同期検波の方法を第６図を用いて説明する。第６図では
、通過−反転増幅器を用いて矩形波と掛は算を行なう方
式を示している。ｒコリオリの力」により発生した信号
成分は直流成分として残るが、「駆動慣性力」により発
生した不要信号成分は同期検波によりキャンセルされる
。

また、それぞれの駆動用圧電素子３上の駆動用電極７に
は、それぞれの駆動用圧電素子３の変形に応じて電荷が
発生するが、駆動用電極７とはその形状を対称にし、面
積を等しくしているので、発生電荷は等しいから、差動
入力により、信号処理することで、発生電荷をキャンセ
ルしている。

発明が解決しようとする課題 上記の構成による角速度センサには、下記のような課題
があった。

検知用圧電素子１の幅は１．６１１ｆｆｆｆ　、駆動用
圧電素子３の幅は２．５ＭＭと狭いので、直交組立にお
いて、直交精度を高めることは、難しい作業である。例
えば、検知用圧電素子１の幅の両端で０．１間の勾配が
できれば、それで直交誤差は３°３５′となる。

直交誤差が大きいと、「駆動慣性力」により発生する不
要信号成分は大きくなり、信号処理に使っている通過−
反転増幅器の信号増幅率の直線性が保たれる６　Ｖｐｐ
を超えてし１う。

捷た１、駆動用圧電素子３上の２本の信号引出線用電極
８は、互いに面積が等しくなるように設計しているが、
ばらつきを生じ、その差だけが、上記の不要信号成分に
重畳される。

従って、正しく角速度成分だけを抽出することができな
くなってし１っていた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、不要信号成
分がｅ　Ｖｐｐ以下というように低減され、信号処理に
よって正しく角速度成分だけを抽出することのできる角
速度センサを得ることを目的としている。

課１を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するために、駆動用圧電素子
の信号引出線として用いる電極の有効面積を調整したも
のである。

作用 上記の構成により不要信号成分が６Ｖｐｐ以下となり、
信号処理によって正しく角速度成分だけを抽出すること
のできる角速度センサを得ることが可能となる。

実施例 第１図は本発明による角速度センサの一実施例を示す斜
視図である。第１図にふ−いて、第３図と同一部分につ
いては同一番号を付している。１２Ｊ１２ｂは信号引出
線用電極８Ｉ！Ｌ　、８ｂの一部に設けられかつリード
配線用と調整用を兼ねた電極取出部、１３は電極取出部
１２１Ｌ、１２ｂの一部を取除いたトリミング部である
。

角速度検出の原理は、従来例と同じなので省略し、信号
用電極の面積を調整することで、「駆動慣性力」により
発生した不要信号成分をキャンセルできることを説明す
る。

信号引出線用電極８＆からの信号と信号引出線用電極８
ｂからの信号は差動で受けるので、電極８ａでの発生電
荷と検知用圧電素子１の電１Ｍ８２Ｌに接続された面（
以降ａ面という）での発生電荷との和と、電極８ｂでの
発生電荷と検知用圧電素子１の電極８ｂに接続された面
（以降す面という）での発生電荷との和との差が、不要
信号成分となる。信号線引出線用電極８ａ　、８ｂの電
極取出部１２１Ｌ、１２ｂをレーザにより焼取って面積
を調整、すなわちトリミングすることで、不要信号成分
を規定量以下にすることができる。

駆動用圧電素子３が変形した状態での各電極の電荷発生
の状態を説明する。検知用圧電素子１と、駆動用圧電素
子３との直交度のずれは、電極８ａ側が鋭角の場合と、
鈍角の場合とがある。筐ず、電極８ａ側が鋭角の場合を
考える。

第２図に示すように、駆動用圧電素子３が内側の共通電
極側に傾いた時は、外側の信号電極側は伸び正電荷が発
生する。検知用圧電素子１はａ面側に傾き、その面側は
縮み、負電荷を発生する。

ｂ面側は伸び、正電荷を発生する。従って、電極８ｂの
電極面積をトリミングすれば良いことになる。反対に、
駆動用圧電素子３が外側の信号電極側に傾いた時は、信
号電極側は縮み負電荷が発生する。検知用圧電素子１は
ｂ面側に傾き、その面側は縮み、負電荷を発生する。ま
た、ａ面側は伸び、正電荷を発生する。従って、やはり
、電極８ｂの電極面積をトリミングすれば良く、検知用
圧電素子１の変位量は駆動用圧電素子３の変位量に比例
するので、必要なトリミング部は上述の反対側に傾いた
時と同じである。

また、電極８ａ側が鈍角の場合、上述の内容とは対称で
、電極８１Ｌと、検知用圧電素子１のａ面とが同じ極性
の電荷を発生するので、電極８ａをトリミングすれば良
い。

これらのことから、検知用圧電素子１と、駆動用圧電素
子３との交わる角度が、鈍角の側の信号引出線用電極を
トリミングすれば良いことがわかる。

通過−反転増幅器の信号増幅率の直線性が保たれるのは
、５Ｖｐｐｔでなので、不要信号成分が６ｖｐｐ以下と
なるようにトリミングすれば、上述の信号処理によって
正しく角速度成分だけを抽出することができる。不要信
号成分を小さくすれば、通過−反転の際の誤差も小さく
なるので、角速度検知の精度は壕す捷す上がり、周囲温
度が変化しても、安定した角速度検知が行える。

本実施例では調整用電極としての電極取出部１２１Ｌ、
１２ｂを駆動用圧電素子３の固定端付近に置いているが
、その位置が、歪が大きいので、同一面積のトリミング
による不要信号成分の調整効果が大となるからである。

特に、調整用電極を設ける必要はなく信号引出線用電極
のいずれの位置をトリミングしてもか壕わない。また、
調整の精度を上げるためには結合部材の近くで歪の小さ
い所（直近は逆に歪は大きくなっている）をトリミング
すれば良い。

捷た、本実施例では、両方の信号引出線用電極に調整用
電極を設けているが、一方の電極にだけ、調整用電極を
設け、直交組立でその電極側が最小鋭角となった時でも
、この調整用電極をトリミングすることで調整できるよ
うに面積を取って釦けば、トリミング部を可変するだけ
で、トリミングする電極の選択をする必要はなくなる。

本実施例では、レーザにより、電極を暁取っているが、
ピンをはんだ付けの後、ピンごと電極を剥離させるなど
いかなる方法で、電極をトリミングしてもか筐わない。

筐た、有効電極面積を調整することが目的なので、加熱
等により信号電極部分の圧電素子の分極を外すことによ
っても、本発明の目的は達せられる。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、駆動用圧電素子の信
号引出線用電極の面積を調整することにより、不要信号
成分を規定値以下とできるので、信号処理によって正し
く角速度成分だけを抽出することができ、高精度、耐環
境温度変化に強い角速度センサを得ることが可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における角速度センサの斜視
図、第２図は同センサにおける電荷の発生状態を示す説
明図、第３図は従来の角速度センサの斜視図、第４図は
同センサの検知用圧電素子と駆動用圧電素子との上面図
、第６図は、駆動慣性力の発生を示す説明図、第６図は
交流−直流変換の方法を説明するための説明図である。 １・・・・・・検知用圧電素子、２．４・・・・・・結
合部材、３・・・・・駆動用圧電素子、７・・・・・・
駆動用電極、Ｓａ。 ８ｂ・・・・・信号引出線用電極、１２＆、１２ｂ・・
・・・電極取出部、１３・・・・　トリミング部。 ・代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名第 ３ 図 ７・駈動用電不ｂ ＾ 第 図 第 図 第５図 ２０Ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを結合部材により互
   に直交するように結合してセンサ素子を構成し、前記駆
   動用圧電素子に設けた電極の一部を上記検知用圧電素子
   からの信号引出線として用いるとともに、その信号引出
   線用電極にこの電極の有効面積を調整する調整部分を設
   けたことを特徴とする角速度センサ。