JPH08304075A

JPH08304075A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH08304075A
Application number: JP7105498A
Authority: JP
Inventors: Masami Tamura; 雅巳田村; Jiro Terada; 二郎寺田; Masayoshi Murakami; 昌良村上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: JP3399150B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は角速度センサにおいて検知精度の低
下を防止することを目的とするものである。【構成】本発明は圧電体３と、この圧電体３に設けた
検知電極７，８および駆動電極６と、前記駆動電極６に
接続された第１の電源とを備え、前記圧電体３にキャン
セル電極を設けると共にこのキャンセル電極には前記第
１の電源から駆動電極に供給される信号とは位相がほぼ
１８０度異なる信号を供給する第２の電源を接続したも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカーナビゲーションや車
姿勢制御用などに用いられる角速度センサに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】この種、角速度センサとして振動型のも
のは音叉形状をした圧電体に検知電極と駆動電極を設け
ており、前記駆動電極に電源から信号を供給することに
より前記圧電体を振動させ、この振動時において角速度
が加わるとコリオリ力により前記振動方向とは直交する
方向に圧電体が湾曲し、そのときに発生する電荷を検知
電極を介して導出する様に構成していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の角速度セン
サでは、前記駆動電極から前記圧電体に供給される信号
の１部が前記駆動電極に対して容量結合してしまった検
知電極に流入してしまい、その結果、検知精度が低下し
てしまうという問題があった。すなわち、誘電体でもあ
る圧電体には上述の如く検知電極と駆動電極が設けられ
ているので両者間を少々離しても容量結合は避けられ
ず、どうしても前記駆動電極からの信号の一部が前記検
知電極側に誘電的に流入してしまうものであった。

【０００４】本発明の角速度センサは、検知精度を高め
ることを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、圧電体と、この圧電体に設けた検知電極お
よび駆動電極と、前記駆動電極に接続された第１の電源
とを備え、前記圧電体にキャンセル電極を設けると共に
このキャンセル電極には前記第１の電源から駆動電極に
供給される信号とは位相がほぼ１８０度異なる信号を供
給する第２の電源を接続したものである。

【０００６】

【作用】以上の構成とすると、前記第１の電源から前記
駆動電極に供給される信号に対して前記第２の電源から
前記キャンセル電極に供給される信号がほぼ１８０度位
相が異なるので、前記駆動電極から前記検知電極に誘電
的に流入しようとする信号は前記キャンセル電極から前
記検知電極に誘電的に流入しようとする信号によってキ
ャンセルされることとなり、この結果、前記検知電極は
これら第１、第２の電源による信号の影響を受けず、角
速度に基づく信号を正しく導出することとなり、その検
知精度は極めて高くなるのである。

【０００７】

【実施例】

（実施例１）図４、図５において、１はステンレスより
なる底板で、この底板１上には金属角筒状のケース２が
装着され、これによりケース２内は密封空間となってい
る。この密封空間内には音叉型をした圧電体３が設けら
れ、この圧電体３の下端面はピン４により基台５を介し
て底板１上に支持されている。前記圧電体３は図１〜図
３に示す如く左右に音叉アーム３ａ，３ｂを有してお
り、それぞれの立壁面には各々３つの電極を有してい
る。

【０００８】このうち音叉アーム３ａの正面には駆動電
極６を中心として左右に検知電極７，８が設けられ、ま
た、背面には駆動電極９を中心として左右に検知電極１
０，１１が設けられ、さらに左側面には駆動電極１２を
中心に前後に検知電極７，１０が設けられ、さらにまた
右側面には駆動電極１３を中心に前後に検知電極８，１
１が設けられている。

【０００９】そして前記駆動電極１２，１３には図３に
示す如く端子１４を介して８ｋＨｚの正弦波信号が供給
されるようになっている。また前記駆動電極６，９には
端子１５を介して同じく８ｋＨｚの正弦波信号が加えら
れるようになっているが、前記駆動電極１２，１３に供
給されるものとは位相が１８０度異なる。また、対角線
上の検知電極７，１１は端子１６に、検知電極８，１０
は端子１９に接続され、角速度信号はこれらの端子１
６，１９を通して導出されるようになっている。

【００１０】一方、音叉アーム３ｂ側も同様な電極配置
となっており、音叉アーム３ａ側と同一図番を付してい
るが、この音叉アーム３ｂは駆動振幅のモニタ側となっ
ているので、電極１２，１３，６，９は接続される端子
が音叉アーム３ａとは異なる。すなわち音叉アーム３ｂ
の電極１２，１３はモニタ用の端子１７に接続され、電
極６，９はモニタ用の端子１８に接続される。

【００１１】また、前記端子１８には電流検出器２０が
接続され、さらにこの電流検出器２０にはＡＧＣ調整器
２１を介して端子１４が接続されている。また、前記端
子１９には電荷検出器２２、同期検波器２３、積分器２
４を介して出力端子２５が接続されている。また、前記
電流検出器２０はＡＧＣ比較器２６を介してＡＧＣ調整
器２１に接続されている。さらにこのＡＧＣ調整器２１
の出力側には抵抗２７、オペアンプ２８のマイナス端子
およびその出力を介して端子１５が接続されている。こ
のオペアンプ２８のマイナス端子と出力端子間には可変
抵抗２９が並列接続されている。

【００１２】上記構成において、前記端子１４から前記
駆動電極１２，１３に正弦波の８ｋＨｚの駆動信号が印
加され、そのとき同時に前記端子１５からは前記オペア
ンプ２８で反転された１８０度位相が異なる駆動信号が
印加される。その状態を図２においては前記駆動電極１
２，１３はＤ＋、前記駆動電極６，９はＤ−（マイナ
ス）として表している。前記音叉アーム３ａは駆動信号
が印加されると、この音叉アーム３ａ自体が８ｋＨｚの
自励共振点をもつものであるので、図２において左右に
振動することになる。すなわち、図２の如く前記音叉ア
ーム３ａの各駆動電極１２，１３，６，９にＤ＋，Ｄ−
が印加されると、図６の如くＤ＋側からＤ−側への矢印
のような電気力線が形成され、これに呼応して前記音叉
アーム３ａは前記駆動電極１３側が縮み（図中、「ち」
と表現）、前記駆動電極１２側が伸び（図中、「の」と
表現）、つまり外方に向けて湾曲することになる。図６
と図７はそれぞれ駆動用電極、検出用電極のみをわかり
やすく示したものであり、実際は両方の電極が音叉アー
ム３ａ，３ｂ上に配置されている。

【００１３】この点をさらに詳述すると、音叉は軸方向
（図１の上下方向）の歪または応力と幅方向（図１の左
右方向）の電束密度または電界が極性を伴って相互変換
されるように形成されているので、図６の如く前記音叉
アーム３ａにおいては前記駆動電極１３から前記駆動電
極６，９に向けて電気力線が発生されると、この部分に
おいて軸方向の縮み現象（電界→歪変換）が起き、また
前記駆動電極１２から前記駆動電極６，９に向けて上記
と反対側の電気力線が発生されると、この部分において
軸方向の伸び現象（電界→歪変換）が起き、この結果と
して前記音叉アーム３ａは外方に向けて湾曲することに
なるのである。

【００１４】これに伴う音叉共振現象による前記音叉ア
ーム３ｂでの軸方向の伸び、縮み部分において前記音叉
アーム３ａとは逆に幅方向の変位電流現象（歪→電束密
度変換）が起き、前記電極６，９，１２，１３から電流
信号がピックアップされ、前記端子１７を基準に端子１
８、電流検出器２０、ＡＧＣ調整器２１の自励発振ルー
プを介して正帰還がかかり、共振現象が誘起増幅され
る。

【００１５】前記ＡＧＣ比較器２６は前記電流検出器２
０の出力を一定に保つべく前記ＡＧＣ調整器２１に負帰
還をかけている。この様にして音叉アーム３ａ，３ｂは
一定の振幅で規則正しく振動をすることになる。

【００１６】この様に前記音叉アーム３ａ，３ｂが規則
正しく振動している状況において、角速度が加わると、
コリオリ力により音叉アーム３ａ，３ｂはその音叉振動
方向とは直交する方向で互いに逆方向に振動する。そし
て、その角速度信号は図７に示す前記音叉アーム３ａ，
３ｂの検知電極８，１０，７，１１から導出され、前記
端子１６を基準に端子１９、電荷検出器２２、同期検波
器２３、積分器２４を介して出力端子２５から出力され
る。

【００１７】この角速度信号の誘起について詳しく説明
すると、この図７に示す如く前記音叉アーム３ａが下
方、前記音叉アーム３ｂが上方に振動した状態では前記
音叉アーム３ａの図７における上辺側が伸び、下辺側が
縮み、また逆に前記音叉アーム３ｂの上辺側が縮み、下
辺側が伸びている。このとき、前記検知電極１０から１
１、８から７への変位電流現象（歪→電束密度変換）が
起きる。したがって、矢印の起点の電極８，１０を端子
１９に、矢印の終点の電極７，１１を端子１６に接続し
て回路を構成し、前記端子１６を基準に前記端子１９か
ら電流に変換された角速度信号を電荷検出器２２によっ
て積分し、電荷信号として取り出すのである。

【００１８】さて、本実施例においては、上述の如く前
記音叉アーム３ａ，３ｂの検知電極７，１１を基準に前
記検知電極８，１０から角速度信号を取り出すのである
が、この音叉アーム３ａには前記駆動電極６，９，１
２，１３から駆動信号が印加されており、電極間の容量
結合によりこの駆動信号の一部が前記検知電極８，１０
に侵入し、仮に前記駆動電極が逆極性に構成されていな
ければ、この結果として角速度信号の精度が低下してし
まう恐れがある。ただし、前記音叉アーム３ｂの駆動電
極６，９は端子１７，１８を介してアース電位としてい
るので、前記検知電極７，１１への容量結合は生じな
い。このことは音叉アームが圧電体であるような本実施
例では、圧電体は誘電体でもあるので容量結合が大き
く、この精度低下は特に顕著となる。

【００１９】しかしながら、本実施例においては前記検
知電極８，１０と誘電体（圧電材料）を介して両側に近
接された前記駆動電極６，９と１２，１３には位相が１
８０度異なる互いに逆極性の駆動信号が印加され、その
結果、互いに打ち消し現象（キャンセル現象）が起き、
これにより検知信号の精度低下は起きなくなるのであ
る。尚、駆動信号の逆相印加はオペアンプ２８を用いる
が、上記キャンセル現象をより精度の高いものとするた
めに可変抵抗２９により調整が行われる。

【００２０】可変抵抗２９による調整を行なわずにプラ
ス側の駆動電極又はマイナス側の駆動電極の検知電極に
対する位置をキャンセル現象を最適化する様に設計した
り、さらにこれらの電極をレーザ等でトリミングするこ
とにより、調整することも出来る。

【００２１】（実施例２）図８〜図１０は本発明の他の
実施例を示す。この実施例においては音叉の開口部下方
の側面にそれ専用のキャンセル電極３０を設け、このキ
ャンセル電極３０に図１０に示す如くオペアンプ２８の
出力である反転された駆動信号をキャンセル信号として
印加するものである。

【００２２】つまり、図１０に示す如くこの実施例にお
ける音叉アーム３ｂは上記実施例１とは異なり、その駆
動電極６，９に駆動信号が供給され、上記実施例１と同
じく駆動信号が駆動電極１２，１３に供給される音叉ア
ーム３ａと共に自励共振駆動力を発生させる。また、音
叉アーム３ａの駆動電極６，９、音叉アーム３ｂの駆動
電極１２，１３はアース電位としているので、上記実施
例１のような自らのキャンセル現象を生じさせることが
出来ない。

【００２３】そこで本実施例ではキャンセル電極３０を
別途設け、ここから供給する駆動信号に対して１８０度
位相が反転されたキャンセル信号により駆動信号の侵入
による検知信号の精度低下を防止しているのである。

【００２４】なお、この実施例においてキャンセル電極
３０を開口部３１の下方の側面に設けたこと、および、
その幅を開口部３１の幅よりも小さくしたのは振動する
音叉アーム３ａ，３ｂの電極を少しでも大きくするため
と、このキャンセル電極３０による電界で音叉アーム３
ａ，３ｂに不用意な振動を誘起させないためである。つ
まりここは振動の支点だからである。

【００２５】（実施例３）図１１は本発明のさらに他の
実施例を示し、キャンセル電極３０を圧電体３の最下辺
の近傍に水平方向に設けると共に左右の検知電極７の下
辺部分を接続してキャンセル電極３０と水平に対向させ
たものである。

【００２６】この様にすれば、キャンセル電極３０から
検知電極７に向かう電界は圧電体３の音叉アーム３ａ，
３ｂよりも下方でしかも軸方向に向かうことになる。こ
れは圧電体として水晶を利用した場合に好適であり、こ
の電界は機械軸方向を向くので機械駆動力を発生しな
い。したがって、音叉駆動の外乱とならない。

【００２７】なお、キャンセル電極３０の上辺はそのま
まで両側辺を下方に向かって広げるように傾斜させるこ
とにより駆動電極６、検知電極８に向かう両サイドの電
界ベクトルの方向を軸方向に向けるようにしてもよく、
また逆に上辺はそのままで下方に向かって両側辺を狭め
る様にして駆動電極６、検知電極８に向かう両サイドの
電界成分を大幅に減少させるようにしても良い。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明は、圧電体と、この
圧電体に設けた検知電極および駆動電極と、前記駆動電
極に接続された第１の電源とを備え、前記圧電体にキャ
ンセル電極を設けると共にこのキャンセル電極には前記
第１の電源から駆動電極に供給される信号とは位相がほ
ぼ１８０度異なる信号を供給する第２の電源を接続した
ものである。

【００２９】したがって、前記第１の電源から駆動電極
に供給される信号に対して第２の電源からキャンセル電
極に供給される信号がほぼ１８０度位相が異なるので、
駆動電極から検知電極に流入しようとする信号はキャン
セル電極から検知電極に流入しようとする信号によって
キャンセルされることとなり、この結果、検知電極はこ
れら第１、第２の電源による信号の影響を受けず角速度
に基づく信号を正しく導出することとなり、その検知精
度は極めて高くなるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の角速度センサの正面図

【図２】同角速度センサの上面図

【図３】同角速度センサの電気回路図

【図４】同角速度センサの全体を示す正面断面図

【図５】同角速度センサの全体を示す側面断面図

【図６】同角速度センサの動作原理を示す図

【図７】同角速度センサの動作原理を示す図

【図８】本発明の他の実施例の角速度センサの正面図

【図９】同角速度センサの上面図

【図１０】同角速度センサの電気回路図

【図１１】本発明のさらに他の実施例の角速度センサの
正面図

【符号の説明】

３圧電体３ａ音叉アーム３ｂ音叉アーム６駆動電極（キャンセル電極）７検知電極８検知電極３０キャンセル電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体と、この圧電体に設けた検知電極
および駆動電極と、前記駆動電極に接続された第１の電
源とを備え、前記圧電体にキャンセル電極を設けると共
にこのキャンセル電極には前記第１の電源から駆動電極
に供給される信号とは位相がほぼ１８０度異なる信号を
供給する第２の電源を接続した角速度センサ。
【請求項２】第２の電源は第１の電源から供給される
信号を反転させて得るように構成した請求項１に記載の
角速度センサ。
【請求項３】圧電体は音叉形状をしており、この圧電
体の音叉アームの少なくとも１本には検知電極と駆動電
極とキャンセル電極とを設けた請求項１または２に記載
の角速度センサ。
【請求項４】圧電体は音叉形状をしており、この音叉
形状の開口部下方の面にキャンセル電極を設けた請求項
１または２に記載の角速度センサ。
【請求項５】キャンセル電極は圧電体の開口部の幅よ
りも小さくした請求項４に記載の角速度センサ。
【請求項６】キャンセル電極は音叉形状の圧電体の下
方において水平方向に配置した請求項４または５に記載
の角速度センサ。
【請求項７】水平方向に配置されたキャンセル電極の
両側辺を傾斜させた請求項６に記載の角速度センサ。
【請求項８】キャンセル電極が駆動電極と兼用される
構成とした請求項１に記載の角速度センサ。