JPH04269621A

JPH04269621A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH04269621A
Application number: JP3030024A
Authority: JP
Inventors: Kazumitsu Ueda; 上田　和光; Munehiro Tabata; 宗弘田端; Jiro Terada; 二郎寺田; Hiroshi Takenaka; 寛竹中; Toshihiko Ichise; 俊彦市瀬
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 1992-09-25

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はジャイロスコープ、とく
に圧電素子振動を用いた角速度センサに関する。

【０００２】

【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
望まれる機器への応用は困難である。

【０００３】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。したが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２５
７号３３９−３５０ページ）上記の原理に基づく一般的
な角速度センサの構造を図６に示す。図示のように、検
知用圧電素子１と、駆動用圧電素子２または駆動検知用
圧電素子３が接合部材４で直交接合され、第２の接合部
材である電極ブロック５により音叉構造に接合されてい
る。この音叉構造を支持棒６で支持しベース７に固定し
ている。なお８は駆動用または駆動検知用電極、９は信
号引出用電極、１０はリードペースト、１１はリード線
、１２はリードピンである。

【０００４】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、まず駆動用圧電素子２を駆動する
ために電極ブロック５と接合している面を接地電極とし
て、外側の駆動用電極（図６では陰になって見えない）
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および駆動検知用圧電素子３は電極ブロック５
を中心にして対称な振動を始める、いわゆる音叉振動で
あり、この振幅量を駆動検知用圧電素子３が検知し、こ
の検知電圧を一定に保つように駆動用圧電素子２に印加
する交流信号に帰還をかけることにより音叉振動が一定
振幅となる。これに角速度が加わると「コリオリの力」
が発生し、角速度が検出できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、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。

【０００６】駆動検知用圧電素子３からの発生電圧は音
叉振動が一定振幅となるように帰還されているが、外乱
加速度が加わった場合、駆動検知用圧電素子３はその外
乱加速度に応じて振動し、その振動に応じて電圧を発生
する。その発生電圧が帰還されるので音叉振動が変動す
る。すなわち、コリオリの力は、検知用圧電素子１の振
動の速度に比例するので、安定した角速度に比例した出
力が得られなくなる。

【０００７】本発明はかかる課題に留意し、外乱加速度
に対して耐性のある角速度センサを提供しようとするも
のである。

【０００８】

【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、駆動用圧電素子と検知用圧電素子とをこ
れらの駆動用圧電素子と検知用圧電素子とが振動方向が
直交するように積み上げて配置するとともに、この素子
を音叉構造に配置することにより構成され、かつ一対の
駆動用圧電素子の音叉構造の対称部位を駆動検知用電極
としたものである。

【０００９】

【作用】上記構成の本発明の角速度センサは、一対の駆
動用圧電素子の音叉構造の対称部位を駆動検知用電極と
しているので、外乱加速度により同方向に振動が発生し
た場合、すなわち、音叉の対称面に対して、反対称に振
動した場合、対称部位からの発生電荷は、互いに打ち消
し合うので、音叉駆動のための交流信号に帰還がかから
ないので、音叉振動は一定しており、安定した加速度に
比例した出力が得られる。

【００１０】

【実施例】図１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。図１において、図６と同一部分に
ついては同一番号を付している。１３は駆動用兼駆動検
知用の圧電バイモルフ素子、１４，１５はそれぞれ圧電
バイモルフ素子１３に配設された駆動用電極と、駆動検
知用電極、１６，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄはそ
れぞれ圧電バイモルフ素子１３を構成する中間電極板と
、圧電素子である。

【００１１】以上のように構成された本発明の角速度セ
ンサを動作させるには、まず一対の圧電バイモルフ素子
１３の中間電極板１６を接地電極として、駆動用電極１
４との間に交流信号をかける。信号を印加された圧電バ
イモルフは電極ブロック５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。この振幅量を駆動検知
用電極１５が検知し、この検知電圧を一定に保つように
駆動用電極１４に印加する交流信号に帰還をかけること
により音叉振動が一定振幅となる。これに角速度が加わ
ると「コリオリの力」が発生し、角速度が検出できる。

【００１２】従来例と本実施例において接地電極が異な
るのは、本実施例においては、並列接続型のバイモルフ
を用いているからである。図２（ａ），（ｂ）は、バイ
モルフの並列型と直列型の違いを説明する模式図である
。それぞれ圧電素子１７が中間電極板１６を間に介在さ
せて接合した構成で、２枚の圧電素子１７に対し電圧を
、並列型は並列に、直列型は直列に印加するものである
。図２（ａ）は２枚の圧電素子１７の分極１８の向きは
同じだが、印加される電圧の向きが異なっており、図２
（ｂ）は印加される電圧の向きが同じだが、２枚の圧電
素子１７の分極１８の向きが異なっている。どちらも、
一方の圧電素子１７が伸びた時に、他方が縮むので、縮
んだ圧電素子の方へたわむことになる。たわんだときに
電圧の発生するのは上記の逆の効果である。ただし、本
実施例においては、駆動用交流信号を１枚の圧電素子１
７にのみ印加しているので、いわゆるユニモルフの原理
で駆動していることになる。図１の駆動検知用電極１５
を信号引出電極９のように小さくし分割した電極を用い
て同じ面に駆動電極を配設しバイモルフとして駆動させ
ることにより共振インピーダンスを小さくし、容易に音
叉振動させ得ることは言うまでもない。

【００１３】本実施例の圧電バイモルフ１３は並列接続
型のバイモルフを用いているので、駆動検知用電極１５
には、この電極と中間電極１６との間の圧電素子１７ａ
，１７ｃの伸縮に応じて電圧が発生する構成となってい
る。

【００１４】図３（ａ），（ｂ）は本実施例と、従来の
角速度センサとの構成の相違を明らかにするために、従
来例として、並列接続型のバイモルフを用いたものとの
比較を示す模式図である。検知用圧電素子に部分は省略
し、駆動系部分（駆動用圧電バイモルフ１３、及び、駆
動回路１９とそれに付随する部分）のみを図示し、特に
、圧電素子１７のうち駆動検知用に用いられているもの
を斜線で示している。

【００１５】図３（ａ）では、片面のバイモルフ１３ａ
の２枚の圧電素子１７ｅ，１７ｆが並列に接続され、駆
動を担っている。もう一方のバイモルフ１３ｂの２枚の
圧電素子１７ｇ，１７ｈが並列に接続され、駆動を検知
している。駆動検知用圧電素子１７ｇ，１７ｈの出力を
駆動回路１９が音叉振動が一定振幅となるように制御し
ながら増幅している。ただし、このとき第２の接合部材
５ａは、図３（ｂ）の実施例や図６の従来例とは異なり
絶縁体でなければならない。

【００１６】これに対して図３（ｂ）に示す本実施例で
は、駆動用圧電素子１７ｂ，１７ｄ、駆動検知用圧電素
子１７ａ，１７ｃ、駆動回路１９を備えているのは従来
例と同様であるが、駆動検知用圧電素子１７ａ，１７ｃ
が音叉の対称部位を占めているのが特徴である。

【００１７】さて、外乱加速度が、図１に示す本実施例
の角速度センサに加わった場合、角速度センサの各部位
の固有振動数以外の振動周波数成分は、速やかに減衰す
るので、その影響は、無視できる。図４に特に問題とな
る振動の模式図を示す。図４（ａ）は、一対の圧電バイ
モルフ１３が対称に振動する音叉振動を示し、図４（ｂ
）は、反対称、すなわち同方向に振動する、支持ピン６
をも含めた振動を示している。音叉振動は、すみやかに
一定振幅となり、反対称振動は、それが音叉振動に影響
を与えないようにしなくてはならない。

【００１８】駆動の検知にあっては、図１に示すように
互いに音叉の対称の部位にある圧電素子１７ａ，１７ｃ
はその伸縮は、同時に起こり駆動検知用電極１５には、
同相の電荷が発生するので、足し合わされるように結線
されている。したがって、外乱加速度が、音叉を対称に
振動させる音叉振動に影響した場合、その振幅量が駆動
のための交流信号に帰還されて、すみやかに一定振幅に
近づく。これは、従来の角速度センサの場合と同様であ
る。一方、外乱加速度が反対称振動に影響した場合、一
対の圧電バイモルフ素子１３は同方向にたわみ、駆動検
知用電極１５が配設された圧電素子１７ａ，１７ｃは、
一方が伸び、他方が縮むので、発生電荷は、互いに相殺
され、駆動のための交流信号に帰還されないので、音叉
振動に影響を与えない。したがって、外乱加速度が、あ
っても安定した角速度の検出ができることになる。

【００１９】図５は、本実施例と、従来の角速度センサ
との駆動用圧電素子の面に垂直な方向に加振したときの
、最終出力の変動を示した特性図である。２１は図６に
示す従来の角速度センサでの特性曲線であり、破線で示
されている。２２は図１に示す本実施例のもので実線で
示している。３５０Ｈｚは反対称に振動する支持ピンを
も含めた振動の周波数であり、この点で従来の角速度セ
ンサに比べて耐振性が６倍以上向上していることがわか
る。８５０Ｈｚは、音叉振動の周波数であり、駆動周波
数であるが、この点では、改善はみられず、破線２１は
実線２２と重なり区別できない。しかし、一般的の外乱
振動に含まれる振動レベルが高周波数のものほど低いの
で、衝撃を加えたときの最終出力の変動は約１／２に改
善されている。

【００２０】なお、本実施例では、振幅量を増すために
駆動用兼駆動検知用圧電素子に並列接続型の圧電バイモ
ルフ素子を用いているが、ユニモルフ素子、あるいは、
直列接続型のバイモルフ素子上に駆動検知用電極を配設
しても同様に耐振性向上の効果は得られる。前述したよ
うに、駆動検知用電極を小さくし、駆動用電極を大きく
することで、安定した高振幅の音叉振動を実現すること
により、角速度に対する感度を向上させ、相対的の外乱
加速度の感度を現象させることが可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、一対の駆動用圧電素子の音叉構造の対称部位
を駆動検知用電極としているので、外乱加速度により同
方向に振動が発生した場合、すなわち、音叉の対称面に
対して、反対称に振動した場合、対称部位からの発生電
荷は、互いに打ち消し合い、音叉駆動のための交流信号
に帰還がかからないので、音叉振動は一定しており、安
定した角速度に比例した出力が得られる。すなわち外乱
加速度に対して耐性のある角速度センサを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における角速度センサの構造
を示す斜視図

【図２】（ａ），（ｂ）はそれぞれ２種の圧電バイモル
フの模式図

【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来と本実施例での
駆動検知方式の違いを示す模式図

【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ音叉の対称振動と反
対称振動を示す模式図

【図５】従来品及び本実施例における角速度センサの加
速度応答の周波数特性図

【図６】従来の角速度センサの構造を示す斜視図

【符号の説明】

１　　検知用圧電素子５　　電極ブロック６　　支持棒１３　　圧電バイモルフ素子（駆動用兼駆動検知用圧電
素子）１５　　駆動検知用電極１６　　中間電極板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ　　圧電素子１９　　
駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを前記
駆動用圧電素子と検知用圧電素子とが振動方向が直行す
るように積み上げて配置するとともに、この素子を音叉
構造に配置することにより構成され、かつ一対の前記駆
動用圧電素子の音叉構造の対称部位を駆動検知用電極と
した角速度センサ。