JPH0656300B2 - 振動型角速度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は振動型角速度検出装置に関する。

〔従来技術〕

従来、この種の振動型角速度検出装置としては、特開昭
５９−１８８５６１号公報に開示されているように、可
動体から延出してこの可動体の振動方向に振動する第１
振動片と、この第１振動片から延出して前記可動体に角
速度が生じたとき前記第１振動片とは直角方向に振動す
る第２振動片と、前記第１振動片にその振動方向に歪む
ように固着されて圧電変換作用を行い前記第１振動片を
振動させる第１圧電素子と、前記第２振動片にその振動
方向に歪むように固着されて圧電変換作用を行い前記角
速度の規定に必要な検出信号を生じる第２圧電素子と、
前記第１圧電素子の圧電変換作用の結果に基き前記検出
信号を同期検波しこの同期検波結果を前記角速度を表わ
す出力信号として発生する同期検波信号とにより構成し
たものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような構成においては、上述した各
圧電素子の圧電変換特性が周囲温度の変化に伴い敏感に
変動するため、角速度に対する感度が周囲温度の変化に
応じて変動したり、角速度が零であるにもかかわらず前
記出力信号の値、即ちオフセット量が変化するという不
具合が生じる。また、上述した第１振動片をその共振点
付近の振動数にて単に振動させるのみでは、前記同期検
波手段への両入力間の位相差が９０度になり難く、前記
出力信号に前記オフセット量による誤差が大きく混入す
るという不具合もある。

そこで、本発明は、これらの不具合に対処すべく、前記
第１振動片に第３と圧電素子を新たに固着して、この第
３圧電素子の圧電変換作用の結果が一定となるように前
記第１圧電素子を駆動するとともに前記同期検波手段へ
の両入力の位相差を９０度に維持するようにした振動型
角速度検出装置を提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる問題の解決にあたり、本発明の構成上の特徴は、
第１圧電素子および第２圧電素子を有する振動部材を備
え、前記第１圧電素子により前記振動部材を振動させた
時に、その振動方向と直交する振動成分を前記第２圧電
素子からの出力信号に基づき検出して、前記振動部材に
加わる角速度を検出するようにした振動型角速度検出装
置において、 前記振動部材に設けられ、前記第２圧電素子と同一の特
性を有し、前記第１圧電素子による前記振動部材の振動
方向の振動に応じた交流信号を出力する第３圧電素子
と、 この第３圧電素子から出力される交流信号を９０度移相
させる移相制御手段と、 前記第３圧電素子から出力される交流信号の振幅を一定
にするように、前記位相制御手段にて９０度移相された
交流信号の振幅を調整し、この調整された交流信号を駆
動信号として前記第１圧電素子に印加する駆動手段と、 前記位相制御手段にて９０度移相された交流信号に基づ
き前記第２圧電素子の出力信号を同期検波して角速度信
号を発生する同期検波手段と を備えたことを特徴としている。

〔作用効果〕

上記構成において、第１圧電素子により振動部材を振動
させた時に、振動部材にその振動方向と直交する方向に
角速度が加わると、第２圧電素子からの出力信号を同期
検波手段にて同期検波し、振動部材に加わる角速度を検
出する。

さらに、上記構成において、第２圧電素子と同一特性の
第３の圧電素子を振動部材に設け、第１圧電素子による
振動部材の振動方向の振動に応じた交流信号を出力する
ようにし、位相制御手段にてその交流信号を９０度移相
させる。さらに、駆動手段により、９０度移相された交
流信号の振幅を調整し、この調整された交流信号を駆動
信号として第１圧電素子に印加し、第３圧電素子から出
力される交流信号の振幅を一定にする。

従って、第３圧電素子と第２圧電素子とが同一特性のも
のであるため、第３圧電素子からの交流信号の振幅が一
定に制御されることは、第２圧電素子から出力される出
力信号の振幅が一定に制御されることを意味し、その結
果、周囲温度が変化してもそれにより第２圧電素子の出
力信号に含まれるオフセット量の変動が抑制される。さ
らに、上記第２圧電素子及び第３圧電素子の出力信号が
上記の関係に制御されることは、第２圧電素子と第３圧
電素子の出力信号の位相関係が、一定に保たれることを
意味し、その結果、同期検波手段における同期検波のた
めの２入力の位相関係を一定に保ち、同期検波における
誤差を低減させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面により説明すると、第１
図及び第２図は車両のロール角の角速度の検出に適用さ
れた本発明に係る振動型角速度検出装置を示していて、
この角速度検出装置は、車両の車体に組付けた振動機構
Ｍと、この振動機構Ｍに接続した電気回路Ｅとにより構
成されている。振動機構Ｍは、直方体形状の金属基体１
０と、振動体２０と、各圧電素子３０ａ，３０ｂ，４０
ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂを備えており、金属基体１
０は、その上下両表面１１，１２を水平にして車体の一
部から後方に延出している。

振動体２０は、帯状金属板からＵ形状に形成した振動板
２１と、短冊状金属板により形成した一対の振動片２
２，２３とにより構成してなるもので、振動板２１は、
その基部２１ａを金属基体１０の後面１３から後方へ水
平に延出する支持部１３ａに鉛直状に半田付けするとと
もに、互いに並行に対向する両振動部２１ａ，２１ｂを
車体の後方に水平に延出させて金属基体１０に組付けら
れている。かかる場合、振動部２１ｂは振動部２１ｃの
直上に位置し、各振動部２１ｂ，２１ｃの両上下表面は
水平となっている。振動片２２はその板幅方向を振動部
２１ｂの板幅方向に直交させて同振動部２１ｂの先端中
央から振動部２１ｂと同様に長手状に延出しており、一
方振動片２３はその板幅方向を振動部２１ｃの板幅方向
に直交させて同振動部２１ｃの先端中央から振動部２１
ｃと同様に長手状に延出している。なお、各振動部２１
ｂ，２１ｃはＸ方向（第１図参照）に振動し、各振動片
２２，２３は当該車両の角速度ωに応じコリオリの力の
もとにＹ方向（第１図参照）に振動する。また、両振動
片２２，２３の各左側表面は共に同一鉛直面内にある。

圧電素子３０ａは、その一側電極にて、振動板２１の振
動部２１ｂの下側表面に貼着されて、その圧電変換作用
のもとに振動部２１ｂを振動させ、一方圧電素子３０ｂ
は、その一側電極にて、振動板２１の振動部２１ｃの上
側表面に貼着されて、その圧電変換作用のもとに振動部
２１ｃを振動させるようになっており、これら両圧電素
子３０ａ，３０ｂの各一側電極は接地されている（第２
図参照）。圧電素子４０ａは、その一側電極にて、振動
片２２の左側表面に貼着され、一方圧電素子４０ｂは、
その一側電極にて、振動片２３の左側表面に貼着されて
おり、両圧電素子４０ａ，４０ｂはその各他側電極にて
互いに接続されて共通端子を形成し、両振動片２２，２
３のＹ方向への振動に応じた圧電変換作用のもとに角速
度ωの規定に必要な検出電圧を前記共通端子から発生す
る。なお、各圧電素子４０ａ，４０ｂの一側電極は接地
されている。また、各圧電素子４０ａ，４０ｂの諸特性
は周囲温度に対する特性をも含めて互いに同一である。

圧電素子５０ａは、その一側電極にて、振動板２１の振
動部２１ｂの上側表面に貼着され、一方圧電素子５０ｂ
は、その一側電極にて、振動板２１の振動部２１ｃの下
側表面に貼着されており、両圧電素子５０ａ，５０ｂは
その各他側電極にて互いに接続されて共通端子を形成
し、両振動部２１ｂ，２１ｃのＸ方向への振動に応じた
各圧電変換作用のもとに、これら各振動部２１ｂ，２１
ｃの振動を検出し検出電圧として前記共通端子から発生
する。かかる場合、各圧電素子５０ａ，５０ｂは各圧電
素子４０ａ，４０ｂの諸特性と同一の特性を有する。な
お、各圧電素子５０ａ，５０ｂの一側電極は接地されて
いる。

電気回路Ｅは、第２図に示すごとく、両圧電素子４０
ａ，４０ｂに接続した増幅器６０と、両圧電素子５０
ａ，５０ｂに接続した増幅器７０を有しており、これら
各増幅器６０，７０は互いに同一特性を有し金属基体１
０の上下各表面１１，１２にそれぞれ固着されている
（第１図参照）。これにより、各増幅器６０，７０の他
の素子との間の不必要な電気的結合を減少させ得るとと
もに、各圧電素子４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂを各
増幅器６０，７０を介し金属基体１０にて熱的に結合し
得る。また、増幅器６０は両圧電素子４０ａ，４０ｂの
共通端子から検出電圧を受けて増幅し増幅検出電圧を発
生し、一方、増幅器７０は両圧電素子５０ａ，５０ｂの
共通端子から検出電圧を受けて増幅し増幅検出電圧を発
生する。

移相回路８０は増幅器７０からの増幅検出電圧に応答し
てこの増幅検出電圧の位相を略９０度だけ移相し移相電
圧を発生する。整流回路９０は増幅器７０からの増幅検
出電圧に応答して同増幅検出電圧を整流し整流電圧を発
生する。基準電圧発生回路１００は増幅器７０からの増
幅検出電圧を一定にすべく両圧電変換素子３０ａ，３０
ｂへの入力電圧を制御するための基準電圧を発生する。
差動増幅器１１０は整流回路９０からの整流電圧と基準
電圧発生回路１００からの基準電圧との差を増幅し差動
増幅電圧を発生する。掛算回路１２０は移相回路８０か
らの移相電圧に差動増幅器１１０からの差動増幅電圧を
乗じこの乗算結果を前記入力電圧に相当する帰還電圧と
して両圧電素子３０ａ，３０ｂの各他側電極に印加す
る。

同期検波回路１３０は移相回路８０からの移相電圧に応
答し同移相電圧との関連により増幅器６０からの増幅検
出電圧を同期検波しこの同期検波結果を同期検波電圧と
して発生する。フィルタ１４０は同期検波回路１３０か
らの同期検波電圧の低周波成分以外の周波数成分を除去
し、前記低周波成分をフィルタ電圧として発生する。増
幅回路１５０はフィルタ１４０からのフィルタ電圧を増
幅し、この増幅結果を、角速度ωを表わす角速度電圧と
して発生する。

以上のように構成した本実施例において、本発明装置の
作動下にて当該車両を角速度ω＝０の状態にて走行させ
れば、振動機構Ｍにおける振動板２１の各振動部２１
ａ，２１ｂが基部２１ａを基準として各圧電素子３０
ａ，３０ｂとの協働によりＸ方向に振動し、各圧電素子
５０ａ，５０ｂが各振動部２１ｂ，２１ｃの振動に応答
してその共通端子から検出電圧を発生し、増幅器７０が
かかる検出電圧を増幅検出電圧として増幅し、移相回路
８０が増幅器７０からの増幅検出電圧に応答して同増幅
検出電圧を９０度だけ移相して移相電圧を発生すると同
時に整流回路９０が増幅器７０からの増幅検出電圧を整
流して整流電圧を発生する。

すると、差動増幅器１１０が整流回路９０からの整流電
圧と基準電圧発生回路１００からの基準電圧との差を差
動増幅電圧として増幅し、掛算回路１２０が移相回路８
０からの移相電圧に差動増幅器１００からの差動増幅電
圧を乗じ帰還電圧を発生し各圧電素子３０ａ，３０ｂに
付与する。このことは、両圧電素子３０ａ，３０ｂの各
圧電変換作用、即ち各振動部２１ｂ，２１ｃの振動が掛
算回路１２０からの帰還電圧により増幅器７０からの増
幅検出電圧を一定にすべく帰還制御されることを意味す
る。

また、現段階においては角速度ω＝０であるから、振動
機構Ｍの各振動片２２，２３のＹ方向振動成分が零とな
っているが、両圧電素子４０ａ，４０ｂが種々の外乱に
より圧電変換作用をし当該外乱に基くオフセット量をそ
の共通端子から検出電圧として発生し、増幅器６０が両
圧電素子４０ａ，４０ｂからの検出電圧を増幅検出電圧
として増幅する。すると、同期検波回路１３０が移相回
路８０からの移相電圧に基き増幅器６０からの増幅検出
電圧を同期検波して同期検波電圧を発生し、これに応答
してフィルタ１４０がフィルタ電圧を発生し、かつ増幅
回路１５０が同フィルタ電圧に応答して角速度電圧を発
生する。かかる場合、移相回路８０からの移相電圧の位
相が増幅器７０からの増幅検出電圧の位相に比べて９０
度だけずれているので、同期検波回路１３０における同
期検波が、増幅器６０からの増幅検出電圧（即ち、前記
オフセット量）の同期検波出力への影響を減少させるよ
うになされることとなり、その結果、増幅回路１５０か
らの角速度電圧は前記ドリフト量の誤差としての混入を
伴うことなく略ω＝０に相当する値となる。

このような状態において、周囲温度が変化すると、各圧
電素子４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂの振動−電圧変
換比が変動する。然るに、上述のごとく、各増幅器６
０，７０が互いに同一の温度特性を有し、かつ各圧電素
子４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂが互いに同一の温度
特性を有し各増幅器６０，７０を介し金属基体１０によ
り熱的に結合されているため、各増幅器６０，７０の温
度特性が周囲温度の変化に伴い互いに同一の状態で変化
し、かつ各圧電素子４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂの
温度特性が周囲温度の変化に伴い互いに同一の状態で変
化する。このことは、各圧電素子４０ａ，４０ｂ，５０
ａ，５０ｂの振動−電圧変換比が周囲温度の変化に応じ
互いに一致した値にて変化することを意味する。

また、振動板２１の各振動部２１ｂ，２１ｃの振動速度
をＶｓとし、両圧電素子５０ａ，５０ｂからの検出電圧
をＥ１とし、かつ両圧電素子４０ａ，４０ｂからの検出
電圧をＥ２とすれば、一般に、 Ｅ１ ∝ Ｖ・・・(1) Ｅ２ ∝ ω×Ｖ・・・(2) が成立する。そこで、各圧電素子４０ａ，４０ｂ，５０
ａ，５０ｂの振動−電圧変換比が周囲温度の変化により
共にＫ倍に変動したものとすると、上述のごとく、増幅
器７０からの増幅検出電圧Ｅ１が掛算回路１２０の各圧
電素子３０ａ，３０ｂに対する帰還制御を受けて常に一
定となっているため、振動速度Ｖが（１／Ｋ）となって
も、増幅検出電圧Ｅ２は、前記振動−電圧変換比のＫ倍
への変化のため変化しない。このことは、同期検波回路
１３０への両入力たる増幅器６０からの増幅検出電圧及
び移相回路８０からの移相電圧が周囲温度の変化にもか
かわらず常に変化することなく維持されることを意味す
る。従って、同期検波回路１３０の出力、即ち増幅回路
１５０からの角速度電圧は、周囲温度の変化に対する各
圧電素子の特性変化とはかかわりなく、略ω＝０に相当
する値に維持される。なお、以上のような作用効果は、
ω≠０の場合にも実質的に同様に達成し得る。

次に、前期実施例の変形例を第３図を参照して説明する
と、本変形例においては、前記実施例にて述べた移相回
路８０に代えて、位相比較回路８０Ａ、フィルタ８０Ｂ
及び電圧制御発振回路８０ＣからなるＰＬＬ回路を採用
したことにその構成上の特徴がある。位相比較回路８０
Ａは掛算回路１２０からの後述のごとく生じる帰還電圧
の位相と増幅器７０からの増幅検出電圧の位相とを比較
してこれら両位相の差を位相差電圧として発生する。フ
ィルタ８０Ｂは位相比較回路８０Ａからの位相差電圧を
濾波してフィルタ電圧を発生する。電圧制御発振回路８
０Ｃは、フィルタ８０Ｂからのフィルタ電圧に応じて、
増幅器７０からの増幅検出電圧の位相との位相差が９０
度となるような交流電圧を発生する。掛算回路１２０は
電圧制御発振回路８０Ｃからの交流電圧に差動増幅器１
１０からの差動増幅電圧を乗じこの乗算結果を帰還電圧
として発生する。同期検波回路１３０は、電圧制御発振
回路８０Ｃからの位相電圧に基き増幅器６０からの増幅
検出電圧を同期検波して同期検波電圧を発生する。な
お、その他の構成は前記実施例と同様である。

しかして、このように構成した本変形例において、当該
車両を角速度ω＝０の状態にて走行させれば、前記実施
例の場合と同様に各増幅器６０，７０がそれぞれ増幅検
出電圧を発生し、差動増幅器１１０が差動増幅電圧を発
生する。しかして、位相比較回路８０Ａが掛算回路１２
０からの帰還電圧と増幅器７０からの増幅検出電圧との
各位相を比較して位相差電圧を生じると、フィルタ８０
Ｂがフィルタ電圧を発生し、電圧制御発振回路８０Ｃが
増幅器７０からの増幅検出電圧の位相との位相差が９０
度となるような交流電圧を発生し、掛算回路１２０が同
交流電圧に差動増幅器１１０からの差動増幅電圧を乗
じ、帰還電圧として発生し各圧電素子３０ａ，３０ｂに
付与する。このことは、両圧電素子３０ａ，３０ｂの各
圧電変換作用、即ち各振動部２１ｂ，２１ｃの振動が掛
算回路１２０からの帰還電圧により増幅器７０からの増
幅検出電圧を一定にすべく帰還制御されることを意味す
る。

また、上述のごとく、増幅器６０が増幅検出電圧（前記
オフセット量に対応する）を発生し、電圧制御発振回路
８０Ｃが交流電圧を発生すると、同期検波回路１３０が
前記増幅検出電圧に基き前記交流電圧を同期検波し同期
検波電圧を発生し、増幅回路１５０がフィルタ１４０と
の協働により角速度電圧を発生する。かかる場合、位相
比較回路８０Ａ及びフィルタ８０Ｂとの協働による電圧
制御発振回路８０Ｃからの交流電圧が、増幅器７０から
の増幅検出電圧に比べ、位相において９０度だけずれて
いるので、同期検波回路１３０における同期検波が、増
幅器６０からの増幅検出電圧（即ち、前記オフセット
量）の同期検波出力への影響を減少させるようになされ
ることとなり、その結果、増幅回路１５０からの角速度
電圧は前記オフセット量の誤差としての混入を伴うこと
なく略ω＝０に相当する値となる。なお、その他の作用
効果は前記実施例と実質的に同様である。

なお、前記実施例及び変形例においては、振動機構Ｍの
両振動部２１ｂ，２１ｃを振動板２１により一体的に形
成したが、これに代えて、各振動部２１ｂ，２１ｃに相
当する二つの振動片を独立して採用しこれら各振動片を
金属基体１０に固着するようにしてもよい。

また、前記実施例及び変形例においては、振動機構Ｍに
両振動部２１ｂ，２１ｃ及び両振動片２２，２３を設け
るようにしたが、これに限らず、振動部２１ｃ及び振動
片２３を省略して実施してもよく、かかる場合には、振
動部２１ｂに相当する振動片を採用し金属基体１０に固
着すればよい。

また、前記実施例及び変形例においては、本発明を車両
に適用した例について説明したが、これに限らず、船
舶、航空機その他各種可動体の角速度の検出にあたり本
発明を適用して実施してもよい。

なお、特許請求の範囲に記載した各構成要件と実施例と
の対応関係は、振動体２０が振動部材に相当し、圧電素
子３０ａ，３０ｂ、圧電素子４０ａ、４０ｂ、圧電素子
５０ａ、５０ｂが、それぞれ第１、第２、第３圧電素子
に相当する。また、移相回路８０が位相制御手段に相当
し、整流回路９０、基準電圧発生回路１００、作動増幅
器１１０、掛算回路１２０が駆動手段に相当する。さら
に、同期検波回路１３０が同期検波手段に相当する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示す全体構成
図、並びに第３図は前記実施例の変形例を示す電気回路
図である。 符号の説明 ２０……振動体，２１ｂ，２１ｃ……振動部、２２，２
３……振動片、３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂ，５０
ａ，５０ｂ……圧電素子、８０……移相回路、８０Ａ…
…位相比較回路、８０Ｃ……電圧制御発振回路、９０…
…整流回路、１００……基準電圧発生回路、１１０……
差動増幅器、１２０……掛算回路、１３０……同期検波
回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１圧電素子および第２圧電素子を有する
   振動部材を備え、前記第１圧電素子により前記振動部材
   を振動させた時に、その振動方向と直交する振動成分を
   前記第２圧電素子からの出力信号に基づき検出して、前
   記振動部材に加わる角速度を検出するようにした振動型
   角速度検出装置において、 前記振動部材に設けられ、前記第２圧電素子と同一の特
   性を有し、前記第１圧電素子による前記振動部材の振動
   方向の振動に応じた交流信号を出力する第３圧電素子
   と、 この第３圧電素子から出力される交流信号を９０度移相
   させる位相制御手段と、 前記第３圧電素子から出力される交流信号の振幅を一定
   にするように、前記位相制御手段にて９０度移相された
   交流信号の振幅を調整し、この調整された交流信号を駆
   動信号として前記第１圧電素子に印加する駆動手段と、 前記位相制御手段にて９０度移相された交流信号に基づ
   き前記第２圧電素子の出力信号を同期検波して角速度信
   号を発生する同期検波手段と を備えた振動型角速度検出装置。