JPH09145736A

JPH09145736A - 加速度と角速度の複合センサ

Info

Publication number: JPH09145736A
Application number: JP7310514A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Saito; 正裕斉藤; Masami Tamura; 雅巳田村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】角速度と加速度の両方を検出する複合センサ
を、１つの振動体により構成することを目的とする。【解決手段】角速度センサを構成する振動体に加速度
検知電極を設けることにより、角速度検知と加速度検知
とを同時に行なうことが可能な小型の複合センサを実現
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車の車体制御装
置の中で、車体の挙動を検知するために用いられる加速
度と角速度の複合センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、車体の挙動を検出する場合、車体
の天方向（Ｚ軸）回りの車体の回転（ヨー）の検出のた
め独立した角速度センサと、同じく車体横方向（Ｙ軸）
の加速度（ラテラルＧ）検出のための独立した加速度セ
ンサとを用いて、車体の挙動検出を行っていた。

【０００３】図５は従来の金属板の折り曲げ構造による
音叉型角速度センサの構成を示す。７は音叉形状の振動
体であり、左右一対となった振動片１より構成されてい
る。この振動片１は途中で９０度に曲げ加工されており
根元部分１ａ、先端部分１ｂを有し、両方の根元部分１
ａには圧電素子２ならびに圧電素子３がそれぞれ音叉の
外側の面に張り付けられている。一方、振動片１の先端
部分１ｂにも同様に圧電素子４ならびに圧電素子５が張
り付けられている。これらの振動片１の根元部分１ａに
は支持体８を設け、音叉形状に構成されている。６は音
叉形状の振動体７を保持する支柱である。圧電素子２に
交流電源を加え、発生した音叉の振動を圧電素子３で帰
還することにより、音叉振動体７に安定した機械的振動
を与えることができる。この状態でＺ軸回りの回転成分
が音叉に加わった場合、コリオリの力がそれぞれの振動
片１に加わり、このためそれぞれの先端部分１ｂには逆
方向に曲げ力が発生する。この曲げ力を圧電素子４およ
び圧電素子５によって検出することによりコリオリ力を
測定することができ、音叉のＺ軸回りの角速度を検出す
ることができる。

【０００４】図６は従来の加速度センサの構成を示す。
１１は梁であり、一部に切欠きを設け、たわみによる変
形が大きくなるように設計されている。１２は梁１１の
たわみがもっとも大きくなる部分に構成された歪み抵抗
素子である。１３は梁１１を保持する保持板である。こ
こでＸ方向の加速度が発生した場合、梁１１は図面下方
向へたわむため、歪み抵抗素子１２は伸び方向の力を受
け抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化から与えら
れた加速度が検出できる。

【０００５】従来の車体制御においては、上記のような
独立した角速度センサと加速度センサをそれぞれ用い、
車体に加わるヨーならびにラテラルＧの検出を行ってき
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の個別の角
速度センサと加速度センサとの組合せでは、形状的に占
有体積が大きくなり、自動車の限られた空間内での設置
には課題を有していた。一部では、同一パッケージ内に
２つのセンサを内包し、電源回路や信号コネクタの共用
化を行って占有体積の縮小を狙ったものもあったが、角
速度と加速度の検出素子については上述のような検出体
を２つ内包しており、やはり占有体積が大きく車体搭載
時にスペース的な困難を伴っていた。

【０００７】本発明は角速度と加速度の両方を検出する
検出体を提供することにより、センサの形状を大幅に小
型化する加速度と角速度の複合センサを提供するもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の複合センサは、音叉形状をもつ振動体と、こ
の振動体を音叉振動方向に加振する加振電極と、前記振
動体上に加わるコリオリの力によって発生する曲げ応力
を検出する角速度検知電極と、前記振動体の一部に設け
られ曲げ応力を検知する加速度検知電極とを備えたこと
を特徴とするものである。

【０００９】この構成によると、角速度検知用の振動体
の一部に曲げ応力を検知する加速度検知電極を設けたた
め、角速度検知用の振動体が車体の加速度検出を同時に
行うことができる。このため、外部に特別の加速度検知
センサを設ける事なく、角速度と加速度の両方の検知を
行う小型の加速度と角速度の複合センサを実現すること
ができるのである。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、音叉形
状をもつ振動体と、この振動体を音叉振動方向に加振す
る加振電極と、前記振動体上に加わるコリオリの力によ
って発生する曲げ応力を検出する角速度検知電極と、前
記振動体の一部に設けられ、曲げ応力を検知する加速度
検知電極とを備えた複合センサであり、加速度と角速度
の両検出機能を合せ持つことができる。

【００１１】請求項２〜５に記載の発明は、加速度検知
電極として、上記音叉の二本の音叉振動体の中間に構成
された一本の柱状体に設けたり、音叉を保持する支柱の
側面に構成したり、上記加振電極または角速度検知電極
と同一面上に構成したり、上記加振電極または角速度検
知電極と兼用するよう構成した複合センサであって、角
速度センサに対して加速度センサとしての構成要件の付
加が少なくない。

【００１２】請求項６に記載の発明は、角速度検知電極
に接続される角速度検知回路と上記加速度検知電極に接
続される加速度検知回路とに、それぞれ周波数分別回路
が内蔵され、角速度検知回路側に上記音叉加振の周波数
の信号を通過させ、それ以下の周波数成分の信号を減衰
するバイパスの機能をもたせ、加速度検知回路側に上記
音叉加振の周波数を減衰し、それ以下の周波数の信号を
通過するローパスの機能をもたせた複合センサであり、
角速度検知に加速度による外乱が、加速度検知角速度に
よる外乱が混入することが防止される。

【００１３】（実施の形態１）図１は本発明の第１の実
施形態における加速度と角速度の複合センサの構造を示
す。本実施形態では、音叉は恒弾性体の切削加工により
音叉形状の振動体を形成し、その音叉上に圧電体を張り
付ける構成によって作製されている。２１は音叉の振動
片であり、左右一対で音叉の振動を実現する。２２は柱
状体である固定片であり、振動片２１とは振動中立点の
関係にあり、振動片２１が振動した場合でも固定片２２
は共鳴による振動を発生しない。２３は振動片２１の側
面に構成された加振用圧電体であり、これは振動片２１
上に金属蒸着によって構成されている。２４は加振用圧
電体２３と相対する位置に構成されたモニター電極であ
り、同様に振動片２１上に金属蒸着によって構成されて
いる。２５および２６は振動片２１の表面に金属蒸着に
よって構成された角速度検知電極であり、加振用圧電体
２３やモニター電極２４とは９０度の位置関係にある。
２７は固定片２２の表面に金属蒸着された加速度検知電
極であり、角速度検知電極２５および２６と同一平面上
にある。

【００１４】上記の様に構成された加速度と角速度の複
合センサの動作を説明する。図５で示した従来の角速度
センサの場合と同様、水晶のもつ圧電効果により、加振
用圧電体２３に交流電源を加え、発生した機械的振動を
モニター電極２４からの信号を用いて帰還してやること
により、振動片２１は安定した振動を発生することがで
きる。この状態でＺ軸回りの回転成分が加わった場合、
発生するコリオリの力によって振動片２１は振動とは直
角方向の力を受けるため、この力によって発生する振動
片２１の曲げ力は角速度検知電極２５および２６によっ
て測定することができ、Ｚ軸回りの角速度を検出するこ
とができる。角速度検知電極２５と２６はコリオリ力に
よってそれぞれ反対方向の曲げ力を受けるため、両者の
出力値の差を求めることによって角速度が得られる。こ
の場合、加速度検知電極２７は振動していないためコリ
オリの力を受けず、したがって角速度による電荷の発生
はない。

【００１５】一方図１のＸ軸方向に加速度が加わった場
合、振動片２１の両方、固定片２２のいずれもが、振動
片２１や固定片２２のたわみによって電荷を発生する。
したがって、加速度検知電極２７に発生する電荷によっ
てＸ軸方向に加えられた加速度が測定できる。ただし、
加速度によって発生する振動片２１に発生する変位は同
方向であるため、角速度検知電極２４と２６の出力値の
差を用いる角速度検出には影響を与えない。

【００１６】このように本実施形態によれば、一つの音
叉上に角速度検知電極２５と２６、および加速度検知電
極２７を配置したため、外部に特別の加速度検知センサ
を設ける事なく、角速度と加速度の両方の検知を行う小
型の加速度と角速度の複合センサを実現することができ
る。また、振動体を水晶の矩形断面体としたため、曲げ
加工や機械加工に比べて水晶のエッチング加工精度の高
さから、角速度検知電極２５と２６、および加速度検知
電極２７の直角度を正確に実現することができ、角速度
検出のために必要とされる加振方向と検出方向の直交精
度を高精度に実現することができる。

【００１７】なお、本実施形態では加速度検知電極２７
を１個の構成としたが、さらにもう１個の加速度検知電
極を固定片２２の裏面に構成し、２個の電極の差によっ
てさらに高精度に加速度を検出することも可能である。
また加速度検知電極を固定片２２の側面に構成し、Ｙ方
向の加速度を検出することも可能である。

【００１８】なお、音叉を恒弾性体に圧電体を貼り付け
た構成とする以外に、音叉材料を水晶とし、水晶の圧電
横効果を用いることによって、圧電素子の代わりに水晶
表面に金属電極を蒸着させる方法でも本発明の実現が可
能である。

【００１９】（実施の形態２）図２は本発明の第２の実
施形態における加速度と角速度の複合センサの構造を示
す。本実施形態でも、音叉は恒弾性体の切削加工により
音叉形状の振動体を形成し、その音叉上に圧電体を張り
付ける構成によって作製されている。３１は音叉の振動
片であり、左右一対で音叉の振動を実現する。３２は音
叉を支える支柱であり、振動片３１の加工時に同時に加
工されることによって得られる。３３は振動片３１の側
面に構成された加振用圧電体であり、３４は加振用圧電
体３３と相対する位置に構成されたモニター電極であ
る。３５および３６は角速度検知電極であり、加振用圧
電体３３やモニター電極３４とは９０度の位置関係にあ
る。これらの電極はすべて第１の実施形態と同様、水晶
体の上に金属蒸着することによって構成されている。３
７は支柱３２の表面に金属蒸着された加速度検知電極で
あり、角速度検知電極３５および３６と同一平面上にあ
る。

【００２０】上記の様に構成された加速度と角速度の複
合センサの動作を説明する。第１の実施形態の場合と同
様、図２においてＺ軸回りの回転があった場合、加振用
圧電体３３とモニター電極３４によって励起された音叉
振動とコリオリの力によって角速度検知電極３５および
３６に発生する電荷をもって角速度が測定される。さら
に、Ｘ方向の加速度があった場合、加速度は音叉全体を
Ｘ軸方向に与える力として作用するから、それは支柱３
２への曲げ力となり、加速度検知電極３７によって検出
される。

【００２１】このように本実施形態によれば、一つの音
叉上に角速度検知電極３５と３６、支柱３２部分に加速
度検知電極３７を配置したため、外部に特別の加速度検
知センサを設ける事なく、角速度と加速度の両方の検知
を行う小型の加速度と角速度の複合センサを実現するこ
とができる。また第１の実施形態同様、振動体を水晶の
矩形断面体としたため、曲げ加工や機械加工に比べて水
晶のエッチング加工精度の高さから、角速度検知電極３
５と３６、および加速度検知電極３７の直角度を正確に
実現することがができ、角速度検出のために必要とされ
る加振方向と検出方向の直交精度を高精度に実現するこ
とができる。

【００２２】なお、本実施形態では加速度検知電極３７
を１個の構成としたが、さらにもう１個の加速度検知電
極を支柱３２の裏面に構成し、２個の電極の差によって
さらに高精度に加速度を検出することも可能である。ま
た加速度検知電極を振動片３１の側面に構成し、Ｙ方向
の加速度を検出することも可能である。

【００２３】（実施の形態３）図３は本発明の第３の実
施形態における加速度と角速度の複合センサの構造を示
す。本実施形態では、音叉は従来例と同様、金属の曲げ
加工によって構成されている。本図において従来例と同
部材については同一番号を付し詳細な説明は省略する。
９および１０は音叉の外側に圧電素子２ならびに圧電素
子３と並んで配列された圧電素子である。圧電素子２と
圧電素子９、および圧電素子３と圧電素子１０は当初一
体の圧電素子を根元部分１ａ上に接着によって構成し、
接着完了後ダイヤモンドカッターによって２つに分割さ
れて作製されたものである。

【００２４】以上のように構成された本実施形態の加速
度と角速度の複合センサの動作を説明する。従来例と同
様、圧電素子２および圧電素子３によって音叉に振動が
発生し、Ｚ軸回りの回転速度を圧電素子４および５によ
って検出する。一方、Ｙ方向に加速度が生じた場合、こ
れは振動片１をＹ軸方向に曲げようとする力として作用
するため、圧電素子９および圧電素子１０は逆方向の曲
げ力を受ける。このため、それぞれに発生した電荷の差
を求めることによってＹ方向の加速度を求めることがで
きる。

【００２５】このように本実施形態によれば、一つの音
叉上に角速度を検知する圧電素子４ならびに５を、さら
に振動片１の根元部分１ａ上に加速度検知用の圧電素子
９および１０を配置したことにより、外部に特別の加速
度検知センサを設ける事なく、角速度と加速度の両方の
検知を行う小型の加速度と角速度の複合センサを実現す
ることができる。さらに、圧電素子２と圧電素子９、同
じく圧電素子３と圧電素子１０は当初同一部材であった
ものをダイヤモンドカッターによって分割して構成した
ため、両者の相対位置関係が高精度となり、高精度な測
定を実現するとともに、圧電素子の振動片１への接着添
付工数を削減することができる。

【００２６】（実施の形態４）図４は本発明の第４の実
施形態における加速度と角速度の複合センサの構造を示
す。本図においても従来例と同部材については同一番号
を付し詳細な説明は省略する。ここで、圧電素子４およ
び５を加速度検出用の圧電素子として兼用している。

【００２７】以上のように構成された本実施形態の加速
度と角速度の複合センサの動作を説明する。従来例と同
様、圧電素子２および圧電素子３によって音叉に振動が
発生し、Ｚ軸回りの回転速度を圧電素子４および５の差
を求めることによって検出する。一方、Ｘ方向に加速度
が生じた場合、これは振動片１をＸ軸方向に曲げようと
する力として作用するため、圧電素子４および圧電素子
５は同方向の曲げ力を受ける。このためそれぞれの和を
求めることによってＸ方向の加速度が求められる。

【００２８】このように本実施形態によれば、一つの音
叉上に配置された圧電素子４ならびに５の信号の差およ
び和を用いることにより、外部に特別の加速度検知セン
サを設ける事なく、角速度と加速度の両方の検知を行う
小型の加速度と角速度の複合センサを提供することがで
きる。すなわち圧電素子４および圧電素子５は角速度検
出と加速度検出の両方の機能を兼用することとなる。

【００２９】（実施の形態５）図７は本発明の第５の実
施形態における複合センサの構造を示し、振動体と圧電
体を一体構造の水晶で構成した場合について例示してあ
る。図７（ａ）において、３８は水晶よりなる音叉本体
であり、一方の振動片の根元部分に相対向して加振電極
３９が、他方の振動片の根元部分に相対向してモニター
用電極４０が設けられている。また、上記音叉本体の両
方の振動片の先端部分に相対向して角速度検知電極４１
が設けられる。また、上記音叉本体の他方の振動片の根
元部分に相対向して加速度検知電極４２が設けられてい
る。この加速度検知電極４２は前記角速度検知電極４１
と直交関係に配置されている。

【００３０】ここで、前記角速度検知電極４１は図７
（ｂ）に示すように配線され、角速度検出端子Ｓに両振
動片に生じる差分信号を出力する。また、前記加振電極
３９およびモニター用電極４０は図７（ｃ）に示すよう
に配線され、加振端子Ｄに交流電源を加え、モニター端
子にモニター信号を得る。さらに、前記加速度検知電極
４２は図７（ｄ）に示すように配線され、加速度検出端
子Ｇに加速度信号を得る。

【００３１】このように水晶材料を用いることにより、
角速度センサに付加する加速度センサ部分は単に電極だ
けとなり、工数を省略することができる。

【００３２】図８は本実施形態における複合センサの回
路配置を示す。４３は角速度センサとして安定な音叉振
動を持続せしめるモニター加振回路、４４は角速度によ
って振幅変動を受けた角速度検知信号を同期検波し角速
度に比例した振幅信号に処理して出力する角速度検知回
路、４５は加速度検知回路である。モニター加振回路４
３は音叉振動レベルをモニターするためのモニター電流
アンプ４６、角速度検出回路４４と共通構成の周波数分
別回路としてのバンドパスフィルタ４７、音叉振動レベ
ルを一定に保つＡＧＣ（オートゲインコントロール）回
路４８、加振電極に電圧を与えるアンプ４９より構成さ
れている。角速度検出回路４４は角速度検知電荷を電圧
に変換するチャージアンプ５０、モニター信号から検波
のタイミングを決定する検波タイミング回路５１、角速
度検知信号（これは音叉加振周波数で振幅が角速度信号
に比例した振幅変調信号となっている）を角速度信号に
復調するための同期検波回路５２、角速度信号を所望の
電圧にスケール変換するアンプ５３より構成されてい
る。さらに、加速度検出回路４５は加速度検知電荷を電
圧に変換するチャージアンプ５４、周波数分別回路とし
てのバンドパスフィルタ５５、加速度信号を所望の電圧
にスケール変換するアンプ５６より構成されている。

【００３３】第１〜第４の実施形態の複合センサでは、
角速度検知電極には加速度による「外乱」が、加速度検
知電極には音叉加振による「外乱」（加速度検知信号も
含む）が当然混入してくる。したがって、本実施形態に
おいては、バンドパスフィルタ４７に音叉加振周波数を
通過させ、それより低い周波数を減衰するハイパスフィ
ルタ機能を、バンドパスフィルタ５５には音叉加振周波
数を減衰し、それより低い周波数を通過させるローパス
フィルタ機能を持たせることにより、それぞれの回路の
「外乱」をカットしている。

【００３４】通常、角速度センサの加振周波数は角速度
センサの内部仕様であり、応用分野から要求される感度
などの外部仕様とは異なり、設計上の自由パラメータで
あるのに対し、加速度センサとしての検知周波数範囲は
応用分野から要求される外部仕様として設計上の固定パ
ラメータとなる。そこで、例えば加速度センサとしての
要求検知周波数範囲０．００５Hz〜２００Hzに対し、角
速度センサとしての加振周波数を２ＫHzと設定するとす
れば、バンドパスフィルタ４７，５５の遮断周波数は角
速度検知側４７のハイパス遮断周波数を１．３ＫHz、加
速度検知側５５のローパス遮断周波数を３４０Hzに設定
するとよい。このように要求される加速度の検知周波数
範囲０．０５Hz〜２００Hzに対して、音叉加振周波数の
角速度周波数（ＤＣ〜１００Hz）による変調信号である
角速度検知周波数を１．９ＫHz〜２．１ＫHzとバンド分
離することにより、角速度センサの機能と加速度センサ
の機能を同一の音叉振動体上で実現できる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明は、音叉形状をもつ
振動体と、この振動体を音叉振動方向に加振する加振電
極と、前記振動体上に加わるコリオリの力によって発生
する曲げ応力を検出する角速度検知電極と、前記振動体
の一部に設けられ、曲げ応力を検知する加速度検知電極
とを備えたことにより、角速度検知用の振動体が車体の
加速度検出を同時に行うことができるため、外部に特別
の加速度検知センサを設ける事なく、角速度と加速度の
両方の検知を行う小型の加速度と角速度の複合センサを
提供することができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における加速度と角速
度の複合センサの斜視図

【図２】本発明の第２の実施形態の加速度と角速度の複
合センサの斜視図

【図３】本発明の第３の実施形態の加速度と角速度の複
合センサの斜視図

【図４】本発明の第４の実施形態の加速度と角速度の複
合センサの斜視図

【図５】従来の角速度センサの斜視図

【図６】従来の加速度センサの斜視図

【図７】（ａ）本発明の第５の実施形態における加速度
と角速度の複合センサの斜視図（ｂ）同センサの角速度検出のための配線図（ｃ）同センサの加振のための配線図（ｄ）同センサの加速度検出のための配線図

【図８】同センサの回路図

【符号の説明】

１振動片１ａ根元部分１ｂ先端部分２〜５圧電素子６支柱９，１０圧電素子１１梁１２歪み抵抗素子２１振動片２２固定片２３加振用圧電体２４モニター電極２５，２６角速度検知電極２７加速度検知電極３１振動片３２支柱３３加振用圧電体３４，４０モニター電極３５，３６，４１角速度検知電極３７，４２加速度検知電極３９加振電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音叉形状をもつ振動体と、この振動体を
音叉振動方向に加振する加振電極と、前記振動体上に加
わるコリオリの力によって発生する曲げ応力を検出する
角速度検知電極と、前記振動体の一部に設けられ、当該
振動体の一部に加わる曲げ応力を検知する加速度検知電
極とを備えた加速度と角速度の複合センサ。
【請求項２】加速度検知電極は、上記音叉振動体の中
間に構成された一本の柱状体に設けた請求項１記載の加
速度と角速度の複合センサ。
【請求項３】加速度検知電極は、音叉形状を持つ振動
体を保持する支柱の側面に構成した請求項１記載の加速
度と角速度の複合センサ。
【請求項４】加速度検知電極は、上記加振電極または
角速度検知電極と同一面上に構成した請求項１記載の加
速度と角速度の複合センサ。
【請求項５】加速度検知電極は、上記加振電極または
角速度検知電極を兼用した請求項１記載の加速度と角速
度の複合センサ。
【請求項６】角速度検知電極に接続される角速度検知
回路と加速度検知電極に接続される加速度検知回路と
に、それぞれ周波数分別回路が内蔵され、角速度検知回
路側における周波数分別回路は上記音叉加振の周波数の
信号を通過させ、それ以下の周波数成分の信号を減衰す
るバイパスの機能を有せしめ、一方加速度検知回路側に
おける周波数分別回路は上記音叉加振の周波数を減衰
し、それ以下の周波数の信号を通過するローパスの機能
を有せしめた請求項１ないし５記載の加速度と角速度の
複合センサ。