JPH0384413A - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
- Publication number
- JPH0384413A JPH0384413A JP1220706A JP22070689A JPH0384413A JP H0384413 A JPH0384413 A JP H0384413A JP 1220706 A JP1220706 A JP 1220706A JP 22070689 A JP22070689 A JP 22070689A JP H0384413 A JPH0384413 A JP H0384413A
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- Japan
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- piezoelectric element
- angular velocity
- sensor
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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。
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。
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。
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、小型化が望ま
れる機器への応用は困難である。
ら装置が大がかりであり、コストも高く、小型化が望ま
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「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クとして生じ
るものである。このトルク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２５７号３３９−３
５０ページ）。
知素子から「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クとして生じ
るものである。このトルク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２５７号３３９−３
５０ページ）。
上記の原理に基づ〈従来の角速度センサの構造を第２図
に示す。第２図において、１は検知用圧電素子、２は駆
動用圧電素子、３は電極ブロック、４は支持棒、５はベ
ース、６は接合部材である。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、まず一対の駆動用
圧電素子２を駆動するために対向している面を共通電極
としてそれぞれ外側の面との間に交流信号をかける。
に示す。第２図において、１は検知用圧電素子、２は駆
動用圧電素子、３は電極ブロック、４は支持棒、５はベ
ース、６は接合部材である。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、まず一対の駆動用
圧電素子２を駆動するために対向している面を共通電極
としてそれぞれ外側の面との間に交流信号をかける。
信号を印加された駆動用圧電素子２は電極ブロック３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。
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ｊ
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。
転が加わると、検知用圧電素子１には「コリオリの力ｊ
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。
音叉素子は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「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。一対のセンサ素子は「コリオリの力Ｊ
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。
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「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。一対のセンサ素子は「コリオリの力Ｊ
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。
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＝υ０・ｓｉｎωａｔ 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「コリオリの力」は Ｆｃ＝２ｍ ＠ ｊＪｏ＠ ω−５ｉｎωｏｔ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
電素子工をそれぞれ面方向に変形させる力となる。従っ
て検知用圧電素子１の表面電荷量Ｑ６は Ｑ ｃ ” ｕ ｇ ・（１） ＊ Ｓｉｎωｏ ｔ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 Ｑｃｏｅω・８ｉｎωｏｔ となり検知用圧電素子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。
動速度が υ＝υ０・ｓｉｎωａｔ 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「コリオリの力」は Ｆｃ＝２ｍ ＠ ｊＪｏ＠ ω−５ｉｎωｏｔ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
電素子工をそれぞれ面方向に変形させる力となる。従っ
て検知用圧電素子１の表面電荷量Ｑ６は Ｑ ｃ ” ｕ ｇ ・（１） ＊ Ｓｉｎωｏ ｔ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 Ｑｃｏｅω・８ｉｎωｏｔ となり検知用圧電素子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「コリオリの力」の他に「
駆動慣性力」により変形が生じる。これを第３図を用い
て説明する。
駆動慣性力」により変形が生じる。これを第３図を用い
て説明する。
ところで、検知用圧電素子ｌと、駆動用圧電素子２とは
、互いに直交していることが望゛ましいが、組立精度の
問題で直角からずれている。そのため第３図に示すよう
に駆動用圧電素子２の振動に起因する変形が検知用圧電
素子１に生ずる。
、互いに直交していることが望゛ましいが、組立精度の
問題で直角からずれている。そのため第３図に示すよう
に駆動用圧電素子２の振動に起因する変形が検知用圧電
素子１に生ずる。
「駆動慣性力ｊ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２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２
の変位に比例し、又直交からのずれ角をθとすればｓｉ
ｎθに比例する。
、検知用圧電素子１と、駆動用圧電素子２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２
の変位に比例し、又直交からのずれ角をθとすればｓｉ
ｎθに比例する。
従って検知用圧電素子１の表面電荷量Ｑ１はＱ 、ｏｃ
υ０／ωｏ ＠ｓｉｎ （ωｏｊ −π／２） ＠
ｓｉｎθとなり、音叉振動速度振幅υ０及び駆動振動角
周波数ω０が一定にコントロールされているとすれば、 Ｑａｏｅｓｉｎ （ωｏｔ −π／ ２） ・ｓｉｎθ
となり、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑ、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
「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Ｑｅとπ／２だけずれている。
υ０／ωｏ ＠ｓｉｎ （ωｏｊ −π／２） ＠
ｓｉｎθとなり、音叉振動速度振幅υ０及び駆動振動角
周波数ω０が一定にコントロールされているとすれば、 Ｑａｏｅｓｉｎ （ωｏｔ −π／ ２） ・ｓｉｎθ
となり、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑ、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
「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Ｑｅ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＋
Ｑ、）をωｏｔで同期検波すれば角速度ωに比例した直
流信号を得ることができる。
Ｑ、）をωｏｔで同期検波すれば角速度ωに比例した直
流信号を得ることができる。
同期検波の方法を第４図を用いて説明する。第４図では
、通過−反転アンプを用いて矩形波と掛は算を行なう方
式を示している。「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
生した信号成分は同期検波によりキャンセルされる。ち
なみに、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、互いに打ち消しあって出力は出ないようになっ
ている。
、通過−反転アンプを用いて矩形波と掛は算を行なう方
式を示している。「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
生した信号成分は同期検波によりキャンセルされる。ち
なみに、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、互いに打ち消しあって出力は出ないようになっ
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。
があった。
検知用圧電素子１及び、駆動用圧電素子２の幅は１．６
閣と狭いので、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０．１ｍｓの勾配ができれば、それで直交誤
差は３°３５′となる。
閣と狭いので、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０．１ｍｓ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」により発生する信号
成分は大きくなり、信号処理に使っている通過−反転ア
ンプの信号増幅率の直線性が保たれる６ｖ、、を超えて
しまいキャンセルされなくなる。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まっていた
。
成分は大きくなり、信号処理に使っている通過−反転ア
ンプの信号増幅率の直線性が保たれる６ｖ、、を超えて
しまいキャンセルされなくなる。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まっていた
。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、駆動慣性力
により発生する不要信号成分が６ｖ９．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を目的としている。
により発生する不要信号成分が６ｖ９．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を目的としている。
課題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、センサ素子の直
交接合の直交誤差を±１°以内としたものである。また
、音叉素子では、一対のセンサ素子の直交接合のそれぞ
れの直交誤差を±５°以内とするとともに、合計を±２
１１以内としたものである。
交接合の直交誤差を±１°以内としたものである。また
、音叉素子では、一対のセンサ素子の直交接合のそれぞ
れの直交誤差を±５°以内とするとともに、合計を±２
１１以内としたものである。
作用
上記の構成により駆動慣性力により発生する不要信号成
分が６ｖｏ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。
分が６ｖｏ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２図は従来例であると同時に、本発明による角速度セ
ンサの一実施例を示す構造図である。第２図において、
１は検知用圧電素子、２は駆動用圧電素子、３は電極ブ
ロック、４は支持棒、５はベース、６は接合部材で構成
されている。
ンサの一実施例を示す構造図である。第２図において、
１は検知用圧電素子、２は駆動用圧電素子、３は電極ブ
ロック、４は支持棒、５はベース、６は接合部材で構成
されている。
本発明を特徴付ける構成を第１図に示す。第１図は本発
明の一実施例における直交素子の上面図である。まず、
検知用圧電素子１と駆動用圧電素子２の直交誤差が±１
°以内であれば、フィードバック容量３９０ｐＦの電荷
増幅器で初段増幅した後、利得３０倍の交流増幅器で通
過−反転アンプに接続すると、そこでの信号電圧は３ｖ
、、以下となり、一対のセンサ素子の合計の信号電圧は
、必ず６ｖ、、以下となる。−本のセンサ素子のみで角
速度センサとする時最終感度を一定にするため、上記交
流増幅器の利得を６０倍にするとすれば、通過−反転ア
ンプへの不要信号電圧は、やはり６ｖｏ以下となる。６
Ｖ、。まで信号の増幅率の直線性が保たれていれば、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。ちなみに、センサ素子の直交誤差の測定
は、投影器に固定した治具でセンナ素子の状態で駆動用
圧電素子２の端部を固定し検知用圧電素子１の端部の向
きを測定する。
明の一実施例における直交素子の上面図である。まず、
検知用圧電素子１と駆動用圧電素子２の直交誤差が±１
°以内であれば、フィードバック容量３９０ｐＦの電荷
増幅器で初段増幅した後、利得３０倍の交流増幅器で通
過−反転アンプに接続すると、そこでの信号電圧は３ｖ
、、以下となり、一対のセンサ素子の合計の信号電圧は
、必ず６ｖ、、以下となる。−本のセンサ素子のみで角
速度センサとする時最終感度を一定にするため、上記交
流増幅器の利得を６０倍にするとすれば、通過−反転ア
ンプへの不要信号電圧は、やはり６ｖｏ以下となる。６
Ｖ、。まで信号の増幅率の直線性が保たれていれば、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。ちなみに、センサ素子の直交誤差の測定
は、投影器に固定した治具でセンナ素子の状態で駆動用
圧電素子２の端部を固定し検知用圧電素子１の端部の向
きを測定する。
一方、一対のセンサ素子の直交誤差がそれぞれ±１°以
上であっても、互いに逆向きの直交誤差を持っていれば
、それぞれの直交誤差の合計が±２°以内となるように
組合わせる。それにより、それぞれの不要信号成分は、
互いにキャンセルし信号処理される合計の不要信号成分
は６ｖ、。
上であっても、互いに逆向きの直交誤差を持っていれば
、それぞれの直交誤差の合計が±２°以内となるように
組合わせる。それにより、それぞれの不要信号成分は、
互いにキャンセルし信号処理される合計の不要信号成分
は６ｖ、。
以下となる。従って信号の増幅率の直線性が保たれるの
で、信号処理によって正しく角速度成分だけを抽出する
ことができるので、容易に特性の安定した角速度センサ
を得ることかで−きる。尚、単一のセンサ素子の直交誤
差が±５°以上あれば、音叉素子全体が不要な振動をお
こし、最終出力が安定しないことが実験により明らかと
なっているため、±５°以内にする必要がある。
で、信号処理によって正しく角速度成分だけを抽出する
ことができるので、容易に特性の安定した角速度センサ
を得ることかで−きる。尚、単一のセンサ素子の直交誤
差が±５°以上あれば、音叉素子全体が不要な振動をお
こし、最終出力が安定しないことが実験により明らかと
なっているため、±５°以内にする必要がある。
発明の詳細
な説明したように本発明によれば、一対のセンサ素子の
直交誤差がそれぞれ±１０以内であれば、その合計は±
２°以内となり、駆動慣性力により発生する不要信号成
分は６Ｖ、、以下となる。
直交誤差がそれぞれ±１０以内であれば、その合計は±
２°以内となり、駆動慣性力により発生する不要信号成
分は６Ｖ、、以下となる。
一方、一対のセンサ素子の直交誤差がそれぞれ±１°以
上であっても、互いに逆向きの直交誤差を持っていれば
それぞれの不要信号成分は６ｖ２゜以上となっても、互
いにキャンセルし信号処理される合計の不要信号成分は
６Ｖ２．以下となる。
上であっても、互いに逆向きの直交誤差を持っていれば
それぞれの不要信号成分は６ｖ２゜以上となっても、互
いにキャンセルし信号処理される合計の不要信号成分は
６Ｖ２．以下となる。
従って信号の増幅率の直線性が保たれるので、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る
ので、容易に特性の安定した角速度センサを得ることが
できる。
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
ので、容易に特性の安定した角速度センサを得ることが
できる。
第１図は本発明の一実施例における角速度センサの要部
の上面図、第２図は一般的な角速度センサの構造を示す
概略図、第３図は「駆動慣性力」の発生を示す説明図、
第４図は交流−直流変換の方式説明図である。 １・・・・・・検知用圧電素子、２・・・・・・駆動用
圧電素子、３・・・・・・電極ブロック、４・・・・・
・支持棒、５・・・・・・ベース、６・・・・・・接合
部材。
の上面図、第２図は一般的な角速度センサの構造を示す
概略図、第３図は「駆動慣性力」の発生を示す説明図、
第４図は交流−直流変換の方式説明図である。 １・・・・・・検知用圧電素子、２・・・・・・駆動用
圧電素子、３・・・・・・電極ブロック、４・・・・・
・支持棒、５・・・・・・ベース、６・・・・・・接合
部材。
Claims (2)
- （１）駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを接続部材を
介して互いに直交接合したセンサ素子を有し、そのセン
サ素子の直交接合の直交誤差を±１゜以内としたことを
特徴とする角速度センサ。 - （２）駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを接続部材を
介して互いに直交接合したセンサ素子を有し、このセン
サ素子の一対を駆動用圧電素子の端部で弾性接合部材に
より接合して音叉素子とし、かつ前記一対のセンサ素子
の直交接合のそれぞれの直交誤差を±５゜以内とすると
ともにその合計を±２゜以内としたことを特徴とする角
速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1220706A JPH0384413A (ja) | 1989-08-28 | 1989-08-28 | 角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1220706A JPH0384413A (ja) | 1989-08-28 | 1989-08-28 | 角速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0384413A true JPH0384413A (ja) | 1991-04-10 |
Family
ID=16755226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1220706A Pending JPH0384413A (ja) | 1989-08-28 | 1989-08-28 | 角速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0384413A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002351221A (ja) * | 2001-05-30 | 2002-12-06 | Ricoh Co Ltd | 現像装置および画像形成装置 |
-
1989
- 1989-08-28 JP JP1220706A patent/JPH0384413A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002351221A (ja) * | 2001-05-30 | 2002-12-06 | Ricoh Co Ltd | 現像装置および画像形成装置 |
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