JPH0752105B2 - 角速度センサ− - Google Patents

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に用いる角速度センサーに関
するものである。

従来例の構成とその問題点 近年、コンピューター技術が発展し、多くの機能を有し
た製品が商品化されるようになり、そのための各種セン
サーの要求が大きくなってきている。角速度センサーの
応用も電装品におけるナビゲーションシステム，ロボッ
トの方向検知，駆動装置のスタビライザー装置などがあ
り、いずれも小型で高性能なものがこれから必要となっ
てくる。

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、小型化が望まれる民生用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、角速度が発
生した時に起こるコリオリの力から角速度を検出する振
動ジャイロ（特開昭58−174854号）が提案されている。
この振動ジャイロは音叉構造を有した振動センサーと考
えることができる。この構造の原型は米国特許第254464
6号にみることができる。これによれば駆動用弾性体
（励振用）と検知用弾性体の矩形板を直線的かつ直交接
合させたもので、速度（ｖ）を持った検知用弾性体に働
らくコリオリの力を検出するものである。

特開昭58−174854号の発明内容はこの米国特許第254464
6号に示されている振動素子を２本平行に、検知軸に沿
って駆動用振動素子の自由端にて接合したものと考えら
れる。この方法では実際の振動体の振動情報が得られな
いために大振幅駆動時の位相情報，振幅情報が正確に得
られないために駆動用圧電バイモルフにて励振される検
知用圧電バイモルフから得られるコリオリ力の情報が不
正確となりゼロ点ドリフトが発生し実用上DC領域での使
用に限界があった。

発明の目的 本発明の目的は検出精度が高く、外部雑音に影響が少な
く、ゼロ点ドリフトの少ない、量産性の高い角速度セン
サーを提供することである。

発明の構成 本発明の角速度センサーは、駆動用圧電素子と検知用圧
電素子とが角速度検知軸に平行で、かつ互いに直交配置
されたセンサー素子の一対が、駆動用圧電素子側にて結
合部を介して形成された音叉型振動素子と、前記結合部
を支持する弾性部材とを有する角速度センサーであっ
て、一方の駆動用圧電素子に駆動用電気信号を印加する
ことによって機械振動させ、他方の駆動用圧電素子を前
記一方の駆動用圧電素子とは逆位相になるように前記弾
性部材により支持された前記結合体を介して機械共振さ
せ、前記他方の駆動用圧電素子から基準電気信号を取り
出し、前記基準電気信号により前記駆動用電気信号を制
御するように構成したものである。これにより、左右の
センサー素子が正確に整合された状態にて振動し、検出
回路にとって重要である振動の位相信号，振幅信号が駆
動用圧電素子から得られるためにゼロ点トリフトが少な
く、検出精度を高くすることができ、外部雑音に強いセ
ンサーとなる。

実施例の説明 以下本発明の一実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図は本発明の一実施例における角速度センサーの平
面図を示し、第２図は側面図を示す。第３図は回路ブロ
ック図を示す。

第1,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は駆動検知用圧電素子、４は導電部材、５は
金属弾性部材、６はベース、７は接合部材を示す。

以上のように構成された本実施例の角速度センサーにつ
いて以下その動作を説明する。

まず駆動用圧電素子２のみを振動させるために駆動信号
（共振周波数）を印加する。その時のリード線はできる
限り細い導線を用いて振動に影響を与えにくい導電部材
４付近にハンダ付される。また、リード線を用いないで
これにかわる手段を用いてもよい。振動を始めた駆動用
圧電素子２と検知用圧電素子１とからなるセンサー素子
は導電部材４を介して１秒以内の起動時間にて他方に接
合されている駆動検知用圧電素子３と検知用圧電素子１
とからなるセンサー素子と機械共振し、左右対称の音叉
振動を開始する。

正確な音叉振動をさせるために、金属弾性部材５が左右
の組立精度による不整合をなくすると左右対称の振動モ
ードを得ることができ、重要である。駆動検知用圧電素
子３には電気信号は一切印加されていないので、圧電素
子３からは圧電材料の変換特性すなわち、機械エネルギ
ーを電気エネルギーとしてとりだすことができるため
に、実際の振動状態を電気信号としてとりだすことがで
きる。この時の信号は位相信号と振幅信号である。この
信号が振動式角速度センサーにとって非常に重要な役割
を果たす。役割については回路関係のところで詳述す
る。

駆動用圧電素子２と駆動検知用圧電素子３の機械インピ
ーダンスを整合させるために、両者は同一寸法形状，同
一圧電材料が好ましい。

検知用圧電素子１は整合された音叉振動をしているため
に加速度に対するキャンセル効果と外乱ノイズに対する
キャンセル効果も高く検出感度の直線性もよくなること
が分った。

本実施例では音叉の共振周波数は300Hz付近に設計して
あり、駆動回路もこれに合わせて設計する。次に第３図
のブロック図を用いて回路動作について詳述する。

駆動回路８は、前記共振系を励振するための電力を、前
記駆動用圧電素子に供給するためのものであり、その供
給電力は後述の駆動情報抽出回路からの信号により制御
され、角速度センサーとして常に一定の感度を得るよう
に、共振系の振動状態を保つ。

ここで、駆動効率を最大にするために、共振系の共振周
波数で駆動する必要があるが、そのために、駆動回路は
駆動用圧電素子を周波数選択素子として含む発振ループ
で構成し、そのループ中に利得可変増幅器を挿入して、
後述の制御メカニズムによって、ループ中のGain配分を
調整することで所定振幅に保つことができる。

駆動情報抽出回路10は、駆動検知用圧電素子の出力信号
（以後モニタ信号とする）をうけて、駆動振幅信号と駆
動位相信号を発生するもので、具体的には、モニタ信号
を整流，平滑，増幅して物理的な振動振幅に応じたDC電
圧（駆動振幅信号）を発生する機能と、モニタ信号に適
当な移相をほどこして、後述する位相検波における基準
位相となる駆動位相信号を発生する機能を有する。

自動利得調整回路９は、前記駆動振幅信号と、基準電圧
を比較して、その差が零となるように前記利得可変増幅
器の利得を調整する。

検波回路11は、検知用圧電素子の出力（以後センス出力
とする）から、不要成分を除去して角速度に対応した成
分を抽出するもので、前記駆動位相信号を基準位相とし
た同期検波回路である。

フィルタ回路12は、前記検波出力を平滑して角速度に応
じた出力を発生するためのものである。

以上の構成の中で、駆動用圧電素子，駆動検知用圧電素
子，及び検知用圧電素子に同一の材料を用いることで、
単に左右対称の理想的共振系を得るのみならず、温度等
による素子の特性変化を吸収して、常に安定した出力を
得ることができる。

例えば、駆動振幅信号は、物理的振動振幅を反映するも
のであるが、その係数として、圧電素子の機械−電気変
換効率を含んでおり、それを一定に制御することで、コ
リオリの力をセンス出力に変換する際の、検知用圧電素
子の機械−電気変換における変換効率の変化を吸収し
て、結果的に、角速度とセンス出力を結ぶ係数関係を、
常に一定に保つことができる。

これは、単に駆動用圧電素子を定電流、あるいは定電圧
駆動をするといった方法では決して実現し得ない。

また、センス出力から角速度成分を抽出するための位相
検波においても、検知用圧電素子の機械−電気変換の際
に生ずる、作用する力とセンス出力の間の相対的位相変
化を吸収して、常に角速度成分と同期した理想的な基準
を得ることができ、角速度成分の完全な抽出と、駆動慣
性力成分の完全な除去が可能となる。

発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明は、駆動用圧電素
子と検知用圧電素子とが角速度検知軸に平行で、かつ互
いに直交配置されたセンサー素子の一対が、駆動用圧電
素子側にて結合部を介して形成された音叉型振動素子
と、前記結合部を支持する弾性部材とを有する角速度セ
ンサーであって、一方の駆動用圧電素子に駆動用電気信
号を印加することによって機械振動させ、他方の駆動用
圧電素子を前記一方の駆動用圧電素子とは逆位相になる
ように前記弾性部材により支持された前記結合体を介し
て機械共振させ、前記他方の駆動用圧電素子から基準電
気信号を取り出し、前記基準電気信号により前記駆動用
電気信号を制御するように構成したものであり、小振幅
から大振幅にかけて広い範囲で完全左右対称の振動モー
ドが得られDCドリフトの少ない、外乱ノイズに影響され
ない角速度センサーが実現できる。又、他方の駆動用圧
電素子から音叉振動の振動状態を電気信号としてモニタ
ーでき、さらに圧電部品であることから小型，軽量で消
費電力の少ないセンサーが得られる。

さらに圧電材料を同じ材料とすることによって温度特性
についてもキャンセルする効果が得られる。

【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ーの正
面図、第２図は本発明の一実施例における角速度センサ
ーの側面図、第３図は本発明の一実施例における角速度
センサーの回路ブロック図である。 １……検知用圧電素子、２……駆動用圧電素子、３……
駆動検知用圧電素子、４……導電部材、５……金属弾性
部材、６……ベース、７……接合部材、８……駆動回
路、９……自動利得調整回路、10……駆動情報抽出回
路、11……検波回路、12……フィルタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動用圧電素子と検知用圧電素子とが角速
   度検知軸に平行で、かつ互いに直交配置されたセンサー
   素子の一対が、駆動用圧電素子側にて結合部を介して形
   成された音叉型振動素子と、前記結合部と支持する弾性
   部材とを有する角速度センサーであって、一方の駆動用
   圧電素子に駆動用電気信号を印加することによって機械
   振動させ、他方の駆動用圧電素子を前記一方の駆動用圧
   電素子とは逆位相になるように前記弾性部材により支持
   された前記結合体を介して機械共振させ、前記他方の駆
   動用圧電素子から得られる振幅の大きさを基準電気信号
   として取り出し、前記基準電気信号により前記駆動用電
   気信号の大きさを制御することを特徴とする角速度セン
   サー。