JPH04118515A - 角速度検出器および加速度検出器 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、それ自身の回転を検出し回転に応じた信号を
出力する、いわゆる振動ジャイロと呼ばれる角速度検出
器に関し、また、他の観点からは、それ自身に加わる加
速度に応じた信号を出力する加速度検出器に関する。

本発明の角速度検出器あるいは加速度検出器は、例えば
、自動車、航空機、船舶などのナビゲーションに用いる
角速度センサおよび又は加速度センサ、自動車の姿勢制
御、ブレーキ制御、４ＷＳ制御、４ＷＤ制御等に用いる
ための自動車の運動検出用の角速度センサおよび又は加
速度センサ、ロボットアームなどの多軸制御に用いる角
速度センサおよび又は加速度センサ、等々に用い得る。

（従来の技術） いわゆる振動ジャイロは、一般的に、第３図に示すよう
な構造となっている。即ち、相対向する一対の音叉のよ
うな機械振動子を駆動素子により相対的に近づく方向お
よび離れる方向に駆動してそれらに位相が１８０度ずれ
た振動を与えて慣性力を作り出し、ベースの回転によっ
て振動子に作用するコリオリカを、音叉に装着した検知
素子によって検知する。コリオリカが角速度ωに応じて
変化するので、コリオリカにより発生する音叉のたわみ
を圧電素子などの歪検出素子によって検出することによ
り、回転の角速度を検出できる。特開昭６２−１０１＋
１０９号公報には、１対の円板状の振動子の中心間を結
ぶ連結部材のねじりを検出する振動ジャイロが提案され
ている。

なお、本出願人は、この種の振動ジャイロの改良をすで
に提示した（特願昭６３−２８３１５７号、特願昭６３
−２８３１５８号特願昭６３−２８３］５９号および特
願平１−２８４５４２号）。

（発明が解決しようとする課題） 従来の振動ジャイロにおいては、次のような様々な難点
があった。

第１点 音叉の形状が複雑であったり、振動面に対して対称でな
かったりして、定常振動の波形が正弦波の単振動からひ
ずむ。よって、検出角速度にかなりの誤差が含まれ、検
出した角速度の積分で得られる回転角にかなりの誤差（
偏差）を生ずる。

第２点 予定した共振周波数に音叉を製作することがむつかしい
。音叉の共振周波数や検出感度などの調整に多くの工数
が必要である。

第３点 音叉の構成機素、音叉を励振する振動子、コリオリカを
検出するセンサなど、素子数が多く、生産上、１つ１つ
組み付は精度を保証するために、各素子の製造および組
付けに多くの工数が必要である。

本発明は、これら従来の問題点を改善することを目的と
してなされた。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の角速度検出器は、音叉部材（１）、該音叉部材
（１）の中心軸（ｚ）を振る振動（Ｆｌ）を音叉部材に
励起する励振部材（４，５）、および、該音叉部材（１
）に接合され、該音叉部材（１）の、その中心軸（ｚ）
を含み前記振動（Ｆｉ）の方向に延びる面に対して対称
な位置に装着された第１および第２の応力検出部材（２
，３）、を備える。

本発明の加速度検出器は、音叉部材（１）、該音叉部材
（１）の中心軸（りを振る振動（Ｆｉ）を音叉部材に励
起する励振部材（４，５）、および、該音叉部材（１）
に接合され、該音叉部材（１）の、その中心軸（χ）を
含み前記振動（Ｆｉ）の方向に延びる面に対して対称な
位置に装着された第１および第２の応力検出部材（２，
３）、を備える。

なお、カッコ内の記号は、図面に示し後述する実施例の
対応要素を示すものである。

（作用） 本発明の角速度検出器によれば、音叉部材（１）の振動
方向（ｙ）に関して対称位置に第１および第２の応力検
出部材（２，３）があるので、音叉部材（１）の振動に
よる応力を第１および第２の応力検出部材（２゜３）が
同時に同相で検出する。また、音叉部材（１）の振動方
向と平行な方向（ｙ）に加速度が作用すると、第１およ
び第２の応力検出部材（２，３）の両者が共に加速度に
対応する同極性の実質上同一レベルの応力検出信号を発
生する。したがって第１および第２の応力検出部材（２
，３）の検出信号の差をとると、それは音叉部材（１）
の振動および振動方向（ｙ）の加速度の影響を受けず零
レベルとなる。ところで音叉部材（１）が例えば中心軸
（ｚ）を中心に回転すると、これにより前記振動方向に
垂直なコリオリカが発生し、これにより第１および第２
の応力検出部材（２，３）の一方は正の応力を他方は負
の応力を検出する。したがって第１および第２の応力検
出部材（２，３）の検出信号の差はコリオリカに対応し
た値を示すものとなる。すなわち１つの応力検出部材で
検出する信号レベルの２倍のレベルでコリオリカを検出
する。このコリオリカは回転角速度に比例するので、第
１および第２の応力検出部材（２，３）の検出信号の差
は角速度を示すものとなる。このように、第１および第
２の応力検出部材（２，３）の検出信号の差を得ること
により、音叉部材（１）の振動および該振動の方向に加
わる加速度に実質上無関係な角速度信号が得られる。

この角速度検出器は、少くとも１個の音叉部材（１）、
少くとも１個の振動部材（実施例では４．５の２個）お
よび少くとも２個の応力検出部材（２，３）で機構部を
構成しうるので、素子数が非常に少く、前記第３点の問
題が自動的に大幅に改善される。このように素子数が少
い上に１つの音叉部材（１）に振動部材（４，５）およ
び応力検出部材（２，３）を上述の位置関係で組込むこ
とは、比較的に容易であり、前記第１点の問題も大幅に
改善される。特に、音叉部材（１）を後述の実施例のよ
うに４角柱にすることにより、この改善効果はより高く
なる。更には、１個のみの音叉部材（１）を用いるので
その振動自由端を削るだけで共振周波数を調整できるの
で共振周波数の調整が簡単であるし、第１および第２の
応力検出部材（２，３）が対称位置にあるので検出感度
差は小さい。すなわち前記第５点の問題も改善される。

本発明の加速度検出器によれば、音叉部材（１）の振動
方向と平行な方向（ｙ）に加速度が作用すると、第１お
よび第２の応力検出部材（２，３）の両者が共に加速度
に対応する同極性の実質上同一レベルの応力検出信号を
発生する。これに加えて振動対応の応力検出信号も発生
しこれらも実質上同極性の同一レベルである。そこで第
１および第２の応力検出部材（２，３）の検出信号の和
をとると、この和のレベルは、前述のように回転によっ
て生ずるコリオリカによる信号レベルは相殺されて零と
なり、振動方向（ｙ）に加わる加速度に対応しかつ振動
に対応したレベルとなる。振動成分は、励振部材（４５
）を振動付勢する電気信号レベルに相対応するのでその
分を前記和より差し引くことにより、すなわち、第１お
よび第２の応力検出部材（２，３）の検出信号の和と励
振電気信号レベルとの差をとることにより、得られた差
は、回転によるコリオリカに実質上無関係な、振動方向
（ｙ）に加わる加速度に対応したものとなる。このよう
に回転によるコリオリカに影響されない加速度信号を得
ることかできる。

この加速度検出器は、少くとも１個の音叉部材（１）、
少くとも１個の振動部材（実施例では４，５の２個）お
よび少くとも２個の応力検出部材（２，３）で機構部を
構成しうるので、素子数が非常に少く、前記第３点の問
題が自動的に大幅に改善される。このように素子数が少
い上に１つの音叉部材（１）に振動部材（４，５）およ
び応力検出部材（２，３）を上述の位置関係で組込むこ
とは、比較的に容易であり、前記第１点の問題も大幅に
改善される。特に、音叉部材（１）を後述の実施例のよ
うに４角柱にすることにより、この改善効果はより高く
なる。更には、１個の音叉部材（１）のみを用いるので
その振動自由端を削ることにより共振周波数を調整でき
共振周波数の調整が簡単であるし、第１および第２の応
力検出部材（２，３）が対称位置にあるので検出感度差
は小さい。すなわち前記第５点の問題も改善される。

なお、上述のように本発明の角速度検出器と加速度検出
器は、機構要素は全く同じであり、１組の機構要素で上
述のように、振動方向（ｙ）の加速度に影響されない角
速度信号を得ることができると共に、回転によるコリオ
リカに影響されない振動方向（ｙ）の加速度信号を得る
ことができ。

１組の検出機構で角速度検出と加速度検出を同時に行な
いうる。

本願発明の他の目的および特徴は図面を参照した以下の
実施例の説明より明らかになろう。

（実施例） 第１図に本発明の一実施例の機構部の外観を示し、第２
図に機構要素に結合された電気回路の構成を示す。

まず第１図を参照すると、音叉部材１の４側面のそれぞ
れには、圧電素子２〜５のそれぞれが接合されている。

音叉部材１の下底には振動吸収材６が固着されており、
この振動吸収材６がセンサベース７に固着されている。

センサベース７は、センサケーシング８の内底に固着さ
れている。なお、第１図では、センサケーシング８は２
個面壁の全体および上面壁の一部を破断して示している
。

音叉部材１は、その水平横断面が正方形の４角柱である
。圧電素子２〜５は、実質上同一の形状および構造であ
ってしかも実質上同一の振動特性および応力検出特性を
有するもの、すなわち互に均等なものであり、音叉部材
ｌの中心軸（ｚ−ｚ）に関して対称位置にある。

この実施例では、隣り合う２個の圧電素子４と５を音叉
部材１の励振用に割り当てている。圧電素子４．５を同
一周期、同一位相および同一振幅で振動付勢すると、音
叉部材１が、圧電素子４゜５が接合された２つの側面が
交わる稜（辺）、この稜に対向するもう１つの稜（圧電
素子２．３が接合された２つの側面が交わる稜）および
中心軸（ｚ−ｚ）を含む面に沿う方向（ｙ−ｙ）に振動
（Ｆｉ）する。

応力検出用の圧電素子２および３は、該面に関して対称
位置にあるので、この振動（Ｆｉ）に対応して、実質上
同一レベルおよび同一位相の応力検出電圧を発生する。

したがって圧電素子２．３の応力検出電圧の差をとると
、音叉部材１が前記面に沿う方向（ｙ−ｙ）に振動して
も差電圧は実質上零である。

ところで音叉部材１が、前記振動（Ｆｌ）をしていると
きに例えば中心軸（ｚ−ｚ）を中心に回転すると、この
回転と前記振動により振動の方向（ｙ−ｙ）および中心
軸が延びる方向（ｚ−ｚ）に垂直な方向（ｘ）のコリオ
リカＦｃが発生する。

このコリオリカＦｃは、圧電素子２．３が接合された側
面の１つには引張り応力をもう１つには圧縮応力をもた
らすので、圧電素子２，３の応力検出電圧は逆極性の、
レベル（の絶対値）が実質上等しいものとなる。したが
って圧電素子２，３の応力検出電圧の差をとると、差電
圧は、コリオリカに対応する１つの圧電素子の応力検出
電圧の２倍のレベルのものとなる。

ところで、音叉部材１に、振動方向（ｙ−ｙ）に加速度
が加わると、圧電素子２，３が同極性の、レベルが実質
上等しい応力検出電圧を発生する。

したがって圧電素子２，３の応力検出電圧の差をとると
、差電圧は、振動方向＜ｙ−ｙ＞に加速度が加わっても
実質上零である。

以上の結果、圧電素子２．３の応力検出電圧の差をとる
ことにより、差電圧は、圧電素子４，５による音叉部材
１の振動（Ｆｌ）および振動の方向（ｙ−ｙ）に加わる
加速度の影響を実質上受けず、回転の角速度に対応する
レベルとなり、この差電圧により角速度を知ることがで
きる。

一方、圧電素子２，３の応力検出電圧の和をとると和電
圧は、振動（Ｆｌ）により生ずる応力および振動方向（
ｙ−ｙ）に加わる加速度による応力に対応するが、コリ
オリカ（回転）による応力の影響が実質上ないものとな
る。この和電圧より振動（Ｆｉ）による影響分を減算す
ると、例えば圧電素子４，５付勢電圧（正確にはそれに
ある係数を乗算した値）を減算すると、得られる差電圧
は、回転による影響が実質上なくしかも振動（Ｆｌ）の
影響分が実質上消去された、振動方向（ｙ−ｙ）に加わ
る加速度を示すものとなる。

第２図を参照すると、音叉部材１を励振する圧電素子４
および５には発振器９が励振電圧を印加する。応力検出
用の圧電素子２および３の応力検出電圧は電荷増幅器１
０および１１のそれぞれで増幅される。電荷増幅器１０
および１１は位相調整回路を内蔵している。それらの位
相調整回路は、音叉部材１を静止系に置き圧電素子４．
５を振動付勢したとき同一位相の出力を発生するように
微調整される。また増幅ゲインは、同一レベルの出力を
生ずるように微調整される。

電荷増幅器１０．１１の出力電圧は差動増幅器１２およ
び加算器１６に与えられる。

差動増幅器１２は電荷増幅器１０．１１の出力電圧レベ
ルの差に対応する電圧を発生する。この差電圧は復調器
１３を経て、更に信号処理回路１４を経て角速度信号出
力端１５に与えられる。

復調器１３は、圧電素子４．５の励振電圧に基づいて、
差電圧より、励振電圧に同期して変動する電圧成分を除
去する。これにより復調器１３の出力電圧は、音叉部材
１の回転角速度に対応する信号すなわち角速度信号とな
る。信号処理回路１４は、角速度信号のレベルを５、出
力端１５に接続される信号読取機器（図示せず）が必要
とする範囲の電圧レベルに校正する。また出力インピー
ダンスを所要値に定める。

加算器１６は演算増幅器を主体とする加算増幅器であり
、電荷増幅器１０．１１の出力電圧レベルの和に対応す
る電圧を発生する。この和電圧は復調器２０を経て、更
に信号処理回路２１を経て加速度信号出力端２２に与え
られる。復調器２０は、圧電素子４．５の励振電圧に基
づいて、励振電圧のみに対応する加算器１６の出力電圧
相当の振動電圧を生成し、これを和電圧より減算する。

これにより復調器２０の出力電圧は、振動方向（ｙ−ｙ
）に加わる加速度に対応する信号すなわち加速度信号と
なる。信号処理回路２１は、加速度信号のレベルを、出
力端２２に接続される信号読取機器（図示せず）が必要
とする範囲の電圧レベルに校正する。また出力インピー
ダンスを所要値に定める。

発振器９は、この実施例では音叉部材１の振動Ｆｉを自
動的にその共振周波数に定める自励発振回路であり、増
幅器（ピエゾドライバ）１９．自動利得調整回路（ＡＧ
Ｃ）１７および自動移相回路（ＡＰＣ）１８を備える。

ＡＰＣ１８は、電源が投入されるとその内部のＣＲ時定
数回路への充電を開始する。これによりＣＲ時定数回路
の電圧（ＡＰＣ１８の出力電圧）が漸増する。この出力
電圧に対応する励振電圧（ＣＲ時定数回路の電圧が上ピ
ーク電圧のとき正ピークでＣＲ時定数回路の電圧が基底
電圧のとき負ピーク）を増幅器１９が発生して圧電素子
４．５に印加するので、圧電素子４．５が次第に外反り
になり音叉部材１が第１図で左側に到れるように曲る。

これに伴って加算器１６の出力が漸増する。励振電圧に
対して加算器１６の出力電圧はある位相遅れがあるので
、ＡＰＣ１８の出力電圧が上ピークに達した後に加算器
１６の出力電圧が正ピークに達する。ＡＰＣ１８は、加
算器１６の出力電圧が正ピークに達する（増幅器１９の
出力電圧と加算器１６の出力電圧が等しくなる）とそこ
でＣＲ時定数回路の放電を開始する。これによりＡＰＣ
１８の出力電圧が漸減する。これにより圧電素子４．５
が次第に中立姿勢に戻り次いで内反りになり音叉部材１
が第１図で右側に到れるように曲る。これに伴って加算
器１６の出力が漸減しそして負極性に転換する。

ＡＰＣ１８は、加算器１６の出力電圧が下ピークに達す
る（加算器１６の出力電圧が増幅器１９の出力電圧と等
しくなる）とそこでＣＲ時定数回路の充電を開始する。

このようにして、増幅器１９の励振電圧がサイン波状に
振動しこれに伴って音叉部材１が左右に振動（Ｆｌ）す
るが、音叉部材１の曲りをフィードバンクして励振電圧
を振るので、励振電圧の周波数は自動的に、音叉部材１
が最も振動し易い周波数すなわち共振周波数に定まる。

ＡＧＣ１７は、加算器１６の出力レベル（の時系列平均
値）を基準値と比較して、前者が後者よりも低いときに
は増幅器１９のゲインを高く変更し逆のときには低く変
更する。これにより増幅器１９のゲインは、加算器１６
の出力レベル（圧電素子２．３の振動対応の電圧レベル
）が基準値になるように自動的に調整され、音叉部材１
の振幅が基準値となる。

以上に説明した実施例は、角速度信号と加速度信号の両
者を同時に得る、ｙ方向加速度検出器兼用の角速度検出
器であり、出力端１５で角速度を表わす信号が、出力端
２２でｙ方向加速度を表わす信号が、得られる。このよ
うな信号は、音叉部材１を四角柱状またはその倍数角柱
状とし、更に音叉部材１を対角線方向に振動させる二と
によって音叉部材１中に対称振動を発生することにより
得られる。

なお、上記実施例では、音叉部材１は４角柱形状である
が、他の形状にすることもできる。例えば、それを水平
横断面が２等辺３角形の３角柱として、２等辺部に実質
上同一形状および同一特性の応力検出用の圧電素子を装
着し、１個の圧電素子を２等辺に対向する底辺部に装着
してこの圧電素子を振動付勢するようにしてもよい。あ
るいは、第１図に示す音叉部材１を、圧電素子４，５が
接合された２個面の交わる稜と中心軸ｚ−ｚの間（例え
ば中間点）でＸ方向と平行に縦方向に切断して５角柱と
し、圧電素子４．５は省略して新たに生じた側面に１つ
の圧電素子を接合してこれを励振付勢するようにしても
よい。更には、音叉部材１を５角柱、６角柱、・・・等
の角柱として、励振用の圧電素子は中心軸（ｚ　−ｚ　
）と１つの稜を含む面に沿う方向に振動を励起するよう
に装着し、二の面に関して対称な位置に応力検出用の圧
電素子を装着すればよい。あるいは音叉部材１を円柱と
して側周面の１部に中心軸に向けて励振用の圧電素子を
接合し、この圧電素子の中心と円柱の中心軸とを含む面
に関して対称な位置に応力検出用の圧電素子を装着して
もよい。

また、励振用の圧電素子は必ずしも側面又は側周面に装
着する必要はない。例えば、第３図に示す従来例と同様
に、音叉部材１を圧電素子で支持し、この圧電素子を従
来と同様に励振付勢してもよい。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明の角速度検出器あるいは加速度検出器
は、少くとも１個の音叉部材（１）、少くとも１個の振
動部材（実施例では４，５の２個）および少くとも２個
の応力検出部材（２，３）で機構部を構成しうるので、
素子数が非常に少く、従来の第３点の問題が自動的に大
幅に改善される。このように素子数が少い上に１つの音
叉部材（１）に振動部材（４，５）および応力検出部材
（２，３）を上述の位置関係で組込むことは、比較的に
容易であり、従来の第１点の問題も大幅に改善される。

更には、１個のみの音叉部材（１）を用いるのでその振
動自由端を削るだけで共振周波数を調整できるので共振
周波数の調整が簡単であるし、第１および第２の応力検
出部材（２，３）が対称位置にあるので検出感度差は小
さい。すなわち従来の第を点の問題も改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の機構主要部の外観を示す
斜視図である。 第２図は、該実施例の電気回路部の構成を示すブロック
図である。 第３図は、従来の振動ジャイロの機構部の外観を示す斜
視図である。 １°音叉部材（音叉部材） ２．３圧電素子（第１および第２の応力検出部材）４．
５圧電素子（励振部材）　　　６振動吸収部材７センサ
ベース　　　８：センサケーシング　　９部発振器１０
．１１電荷増幅器　１２差動増幅器　　　　１３．２０
復調器１４．２１信号処理回路１５角速度信号出力端　
１６：加算器１７自動利得調整回路Ｉ８自動移相調整回
路１９増幅器第１図 完３ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）音叉部材、該音叉部材の中心軸を振る振動を音叉
   部材に励起する励振部材、および、該音叉部材に接合さ
   れ、該音叉部材の、その中心軸を含み前記振動の方向に
   延びる面に対して対称な位置に装着された第１および第
   ２の応力検出部材、を備える角速度検出器。（２）励振
   部材は、音叉部材の、その中心軸を含む前記面に対して
   対称な位置に装着された第１および第２の振動子でなる
   、前記特許請求の範囲第（１）項記載の角速度検出器。 （３）励振部材および応力検出部材はそれぞれ圧電素子
   であり、応力検出用圧電素子が発生する応力検出電圧を
   移相した電圧を励振用圧電素子に印加する発振回路を備
   える、前記特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項記
   載の角速度検出器。 （４）音叉部材、該音叉部材の中心軸を振る振動を音叉
   部材に励起する励振部材、および、該音叉部材に接合さ
   れ、該音叉部材の、その中心軸を含み前記振動の方向に
   延びる面に対して対称な位置に装着された第１および第
   ２の応力検出部材、を備える加速度検出器。（５）励振
   部材は、音叉部材の、その中心軸を含む前記面に対して
   対称な位置に装着された第１および第２の振動子でなる
   、前記特許請求の範囲第（４）項記載の加速度検出器。 （６）励振部材および応力検出部材はそれぞれ圧電素子
   であり、応力検出用圧電素子が発生する応力検出電圧を
   移相した電圧を励振用圧電素子に印加する発振回路を備
   える、前記特許請求の範囲第（４）項又は第（５）項記
   載の加速度検出器。