JPH10197255A - 角速度センサー - Google Patents
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- JPH10197255A JPH10197255A JP9003374A JP337497A JPH10197255A JP H10197255 A JPH10197255 A JP H10197255A JP 9003374 A JP9003374 A JP 9003374A JP 337497 A JP337497 A JP 337497A JP H10197255 A JPH10197255 A JP H10197255A
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- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
- G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
- G01P3/46—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring amplitude of generated current or voltage
- G01P3/465—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring amplitude of generated current or voltage by using dynamo-electro tachometers or electric generator
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
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- G—PHYSICS
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- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
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- G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
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- G01P3/4805—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage by using electronic circuits in general by using circuits for the electrical integration of the generated pulses
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 より簡単な構成で、しかも、圧電素子の能力
を十分に活かすことができ、検出感度に優れた角速度セ
ンサを提供する。 【解決手段】 恒弾性金属振動子２に複数の圧電素子
３，４，５を取り付ける。そして、それらの圧電素子
３，４，５のうちの一つを、コルピッツ発振回路のイン
ピーダンス素子として機能させて、自励発振型駆動回路
６を構成する。そして、この自励発振型駆動回路６を駆
動して、恒弾性金属振動子２を振動させた状態で、他の
圧電素子４，５によって、恒弾性金属振動子２に生じる
コリオリ力を検出する。
を十分に活かすことができ、検出感度に優れた角速度セ
ンサを提供する。 【解決手段】 恒弾性金属振動子２に複数の圧電素子
３，４，５を取り付ける。そして、それらの圧電素子
３，４，５のうちの一つを、コルピッツ発振回路のイン
ピーダンス素子として機能させて、自励発振型駆動回路
６を構成する。そして、この自励発振型駆動回路６を駆
動して、恒弾性金属振動子２を振動させた状態で、他の
圧電素子４，５によって、恒弾性金属振動子２に生じる
コリオリ力を検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ビデオカ
メラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置におけ
る動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方
向検知等に用いられる角速度センサーに関する。
メラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置におけ
る動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方
向検知等に用いられる角速度センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】角速度センサーは、振動子を所定の共振
周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じる
コリオリ力を圧電素子等で検出することによって角速度
を検出する。
周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じる
コリオリ力を圧電素子等で検出することによって角速度
を検出する。
【０００３】従来、このような角速度センサーにおい
て、単一の圧電素子で振動ジャイロの振動子を駆動する
方法としては、他励発振型駆動回路による方法と、自励
発振型駆動回路による方法とがある。しかしながら、他
励発振型駆動回路による方法は、振動子、圧電素子、回
路等の温度特性によって、発振周波数と振動子の共振周
波数にずれが生じると、急激にコリオリ力の検出感度が
低下するという問題があり実用化に至っていない。
て、単一の圧電素子で振動ジャイロの振動子を駆動する
方法としては、他励発振型駆動回路による方法と、自励
発振型駆動回路による方法とがある。しかしながら、他
励発振型駆動回路による方法は、振動子、圧電素子、回
路等の温度特性によって、発振周波数と振動子の共振周
波数にずれが生じると、急激にコリオリ力の検出感度が
低下するという問題があり実用化に至っていない。
【０００４】そこで、現在は、図２０や図２１に示すよ
うな、移相発振回路のループに振動子を組み入れた自励
発振型駆動回路による角速度センサーが一般的になって
いる。このような角速度センサーでは、振動子の共振周
波数で自励発振するので、温度特性による感度変化が少
なく、広温度範囲で感度の安定した角速度出力を得るこ
とができる。
うな、移相発振回路のループに振動子を組み入れた自励
発振型駆動回路による角速度センサーが一般的になって
いる。このような角速度センサーでは、振動子の共振周
波数で自励発振するので、温度特性による感度変化が少
なく、広温度範囲で感度の安定した角速度出力を得るこ
とができる。
【０００５】図２０に示す角速度センサーは、三角柱状
の恒弾性金属振動子１００の側面に、電極１０１ａ及び
圧電体１０１ｂからなる第１の圧電素子１０１と、電極
１０２ａ及び圧電体１０２ｂからなる第２の圧電素子１
０２と、電極１０３ａ及び圧電体１０３ｂからなる第３
の圧電素子１０３とがそれぞれ取り付けられた三角柱状
の振動子１０４を備えている。また、この角速度センサ
ーは、第１の圧電素子１０１に接続された増幅器１０５
と、増幅器１０５に接続された移相器１０６と、第２の
圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０３に接続された
作動増幅器１０７と、作動増幅器１０７に接続された同
期検波器１０８と、同期検波器１０８に接続されたロー
パスフィルタ１０９とを備えている。
の恒弾性金属振動子１００の側面に、電極１０１ａ及び
圧電体１０１ｂからなる第１の圧電素子１０１と、電極
１０２ａ及び圧電体１０２ｂからなる第２の圧電素子１
０２と、電極１０３ａ及び圧電体１０３ｂからなる第３
の圧電素子１０３とがそれぞれ取り付けられた三角柱状
の振動子１０４を備えている。また、この角速度センサ
ーは、第１の圧電素子１０１に接続された増幅器１０５
と、増幅器１０５に接続された移相器１０６と、第２の
圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０３に接続された
作動増幅器１０７と、作動増幅器１０７に接続された同
期検波器１０８と、同期検波器１０８に接続されたロー
パスフィルタ１０９とを備えている。
【０００６】このような三角柱状の振動子１０４を用い
た角速度センサーは、現在のところ最も感度が高く、主
流となっている。この角速度センサーでは、第２の圧電
素子１０２及び第３の圧電素子１０３が、自励発振させ
るために振動子１０４の振動を検出するとともに、振動
子１０４に生じるコリオリ力を検出する。すなわち、こ
の角速度センサーでは、自励発振させるために振動子１
０４の振動を検出するための素子と、コリオリ力を検出
するための素子とが、共通の圧電素子となる。このた
め、この角速度センサーでは、コリオリ力の検出電圧
が、振動子１０４の駆動電圧や電源電圧等によって制限
されてしまい、圧電素子の検出能力を十分に利用するこ
とができない。
た角速度センサーは、現在のところ最も感度が高く、主
流となっている。この角速度センサーでは、第２の圧電
素子１０２及び第３の圧電素子１０３が、自励発振させ
るために振動子１０４の振動を検出するとともに、振動
子１０４に生じるコリオリ力を検出する。すなわち、こ
の角速度センサーでは、自励発振させるために振動子１
０４の振動を検出するための素子と、コリオリ力を検出
するための素子とが、共通の圧電素子となる。このた
め、この角速度センサーでは、コリオリ力の検出電圧
が、振動子１０４の駆動電圧や電源電圧等によって制限
されてしまい、圧電素子の検出能力を十分に利用するこ
とができない。
【０００７】一方、図２１に示す角速度センサーは、四
角柱状の恒弾性金属振動子１１０の側面に、電極１１１
ａ及び圧電体１１１ｂからなる第１の圧電素子１１１
と、電極１１２ａ及び圧電体１１２ｂからなる第２の圧
電素子１１２と、電極１１３ａ及び圧電体１１３ｂから
なる第３の圧電素子１１３と、電極１１４ａ及び圧電体
１１４ｂからなる第４の圧電素子１１４とがそれぞれ取
り付けられた四角柱状の振動子１１５を備えている。ま
た、この角速度センサーは、第１の圧電素子１１１及び
第２の圧電素子１１２に接続された増幅器１１６及び移
相器１１７と、第３の圧電素子１１３及び第４の圧電素
子１１４に接続された作動増幅器１１８と、作動増幅器
１１８に接続された同期検波器１１９と、同期検波器１
１９に接続されたローパスフィルタ１２０とを備えてい
る。
角柱状の恒弾性金属振動子１１０の側面に、電極１１１
ａ及び圧電体１１１ｂからなる第１の圧電素子１１１
と、電極１１２ａ及び圧電体１１２ｂからなる第２の圧
電素子１１２と、電極１１３ａ及び圧電体１１３ｂから
なる第３の圧電素子１１３と、電極１１４ａ及び圧電体
１１４ｂからなる第４の圧電素子１１４とがそれぞれ取
り付けられた四角柱状の振動子１１５を備えている。ま
た、この角速度センサーは、第１の圧電素子１１１及び
第２の圧電素子１１２に接続された増幅器１１６及び移
相器１１７と、第３の圧電素子１１３及び第４の圧電素
子１１４に接続された作動増幅器１１８と、作動増幅器
１１８に接続された同期検波器１１９と、同期検波器１
１９に接続されたローパスフィルタ１２０とを備えてい
る。
【０００８】このような四角柱状の振動子１１５を用い
た角速度センサーでは、第１の圧電素子１１１によっ
て、振動子１１５を振動させ、第２の圧電素子１１２に
よって、自励発振させるために振動子１１５の振動を検
出し、第３の圧電素子１１３及び第４の圧電素子１１４
によって、振動子１１５に生じるコリオリ力を検出す
る。すなわち、この角速度センサーでは、振動子１１５
を振動させるための圧電素子と、自励発振させるために
振動子１１５の振動を検出するための圧電素子と、コリ
オリ力を検出するための圧電素子とを別々のものとする
ことができる。したがって、各圧電素子の能力を十分に
利用することができる。
た角速度センサーでは、第１の圧電素子１１１によっ
て、振動子１１５を振動させ、第２の圧電素子１１２に
よって、自励発振させるために振動子１１５の振動を検
出し、第３の圧電素子１１３及び第４の圧電素子１１４
によって、振動子１１５に生じるコリオリ力を検出す
る。すなわち、この角速度センサーでは、振動子１１５
を振動させるための圧電素子と、自励発振させるために
振動子１１５の振動を検出するための圧電素子と、コリ
オリ力を検出するための圧電素子とを別々のものとする
ことができる。したがって、各圧電素子の能力を十分に
利用することができる。
【０００９】しかしながら、この角速度センサーでは、
振動子１１５を駆動するためには最低２枚以上の圧電素
子が必要であり、更に、コリオリ力検出用のものまでも
含めると最低４枚の圧電素子が必要となってしまう。こ
のため、コストの面で不利である。しかも、このように
多数の圧電素子を使用しようとすると、振動子１１５の
振動周波数の調整も困難になってしまう。このように、
四角柱状の振動子１１５を用いた角速度センサーは種々
の問題があり、未だ実用化には至っていない。
振動子１１５を駆動するためには最低２枚以上の圧電素
子が必要であり、更に、コリオリ力検出用のものまでも
含めると最低４枚の圧電素子が必要となってしまう。こ
のため、コストの面で不利である。しかも、このように
多数の圧電素子を使用しようとすると、振動子１１５の
振動周波数の調整も困難になってしまう。このように、
四角柱状の振動子１１５を用いた角速度センサーは種々
の問題があり、未だ実用化には至っていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、他励発
振型駆動回路による方法では、温度特性による感度変化
が問題となる。そして、この問題を解決するために移相
発振回路を応用した自励発振型駆動回路を採用した場
合、図２０に示したような角速度センサーでは、振動子
１０４を駆動するための圧電素子とコリオリ力を検出す
るための圧電素子とが共用となってしまうので、感度を
犠牲にすることになり、一方、図２１に示したような角
速度センサーでは、圧電素子の数が多くなるためコスト
的に不利であり、しかも周波数調整が困難なため実用化
は困難である。
振型駆動回路による方法では、温度特性による感度変化
が問題となる。そして、この問題を解決するために移相
発振回路を応用した自励発振型駆動回路を採用した場
合、図２０に示したような角速度センサーでは、振動子
１０４を駆動するための圧電素子とコリオリ力を検出す
るための圧電素子とが共用となってしまうので、感度を
犠牲にすることになり、一方、図２１に示したような角
速度センサーでは、圧電素子の数が多くなるためコスト
的に不利であり、しかも周波数調整が困難なため実用化
は困難である。
【００１１】また、図２０や図２１に示したような従来
の角速度センサーでは、増幅器１０５，１１６や移相器
１０６，１１７等の部分の回路が比較的に複雑であり、
より簡単な回路で構成することが可能な角速度センサー
の開発が望まれている。
の角速度センサーでは、増幅器１０５，１１６や移相器
１０６，１１７等の部分の回路が比較的に複雑であり、
より簡単な回路で構成することが可能な角速度センサー
の開発が望まれている。
【００１２】本発明は、以上のような従来の実情に鑑み
て提案されたものであり、より簡単な構成で、しかも、
圧電素子の能力を十分に活かすことができ、検出感度に
優れた角速度センサを提供することを目的としている。
て提案されたものであり、より簡単な構成で、しかも、
圧電素子の能力を十分に活かすことができ、検出感度に
優れた角速度センサを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に係る角速度セン
サーは、恒弾性金属振動子に取り付けられた圧電素子
と、上記恒弾性金属振動子の振動を検出する検出部と、
上記圧電素子をコルピッツ発振回路のインピーダンス素
子として機能させることによって構成された自励発振型
駆動回路とを備えることを特徴とするものである。
サーは、恒弾性金属振動子に取り付けられた圧電素子
と、上記恒弾性金属振動子の振動を検出する検出部と、
上記圧電素子をコルピッツ発振回路のインピーダンス素
子として機能させることによって構成された自励発振型
駆動回路とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】上記角速度センサーにおいて、上記自励発
振型駆動回路を構成する圧電素子は１つだけで良い。ま
た、上記検出部には、上記恒弾性金属振動子に取り付け
られた角速度検出用圧電素子を備え、上記恒弾性金属振
動子に生じるコリオリ力を上記角速度検出用圧電素子に
よって検出するようなものが好適である。
振型駆動回路を構成する圧電素子は１つだけで良い。ま
た、上記検出部には、上記恒弾性金属振動子に取り付け
られた角速度検出用圧電素子を備え、上記恒弾性金属振
動子に生じるコリオリ力を上記角速度検出用圧電素子に
よって検出するようなものが好適である。
【００１５】また、本発明に係る他の角速度センサー
は、複数の電極が設けられた圧電体振動子と、上記圧電
体振動子の振動を検出する検出部と、上記圧電体振動子
をコルピッツ発振回路のインピーダンス素子として機能
させることによって構成された自励発振型駆動回路とを
備えることを特徴とするものである。
は、複数の電極が設けられた圧電体振動子と、上記圧電
体振動子の振動を検出する検出部と、上記圧電体振動子
をコルピッツ発振回路のインピーダンス素子として機能
させることによって構成された自励発振型駆動回路とを
備えることを特徴とするものである。
【００１６】上記角速度センサーでは、例えば、上記圧
電体振動子と、上記圧電体振動子に設けられた一対の電
極とによって、上記インピーダンス素子を構成する。ま
た、上記角速度センサーでは、例えば、上記圧電体振動
子に、上記自励発振型駆動回路に接続される一対の電極
と、上記検出部に接続される一対の電極とを少なくとも
設け、上記検出部では、上記検出部に接続された少なく
とも一対の電極間の電圧変化を検出することにより、上
記圧電体振動子に生じるコリオリ力を検出するようにす
る。
電体振動子と、上記圧電体振動子に設けられた一対の電
極とによって、上記インピーダンス素子を構成する。ま
た、上記角速度センサーでは、例えば、上記圧電体振動
子に、上記自励発振型駆動回路に接続される一対の電極
と、上記検出部に接続される一対の電極とを少なくとも
設け、上記検出部では、上記検出部に接続された少なく
とも一対の電極間の電圧変化を検出することにより、上
記圧電体振動子に生じるコリオリ力を検出するようにす
る。
【００１７】以上のような本発明に係る角速度センサー
は、自励発振型の角速度センサーなので、他励発振型の
角速度センサーのように温度特性の影響によって感度が
低下してしまうようなことがない。しかも、本発明に係
る角速度センサーでは、恒弾性金属振動子に取り付けら
れた圧電素子、又は複数の電極が設けられた圧電体振動
子を、コルピッツ発振回路のインピーダンス素子として
機能させることによって、自励発振型駆動回路を構成し
ているので、振動子を振動させるための素子と、自励発
振させるために振動子の振動を検出するための素子とを
共通のものとすることができ、しかも、周波数の調整も
非常に容易に行うことが可能となる。更に、この自励発
振型駆動回路は、非常に簡単な回路によって構成するこ
とができる。
は、自励発振型の角速度センサーなので、他励発振型の
角速度センサーのように温度特性の影響によって感度が
低下してしまうようなことがない。しかも、本発明に係
る角速度センサーでは、恒弾性金属振動子に取り付けら
れた圧電素子、又は複数の電極が設けられた圧電体振動
子を、コルピッツ発振回路のインピーダンス素子として
機能させることによって、自励発振型駆動回路を構成し
ているので、振動子を振動させるための素子と、自励発
振させるために振動子の振動を検出するための素子とを
共通のものとすることができ、しかも、周波数の調整も
非常に容易に行うことが可能となる。更に、この自励発
振型駆動回路は、非常に簡単な回路によって構成するこ
とができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。なお、本発明は以下の例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能
であることは言うまでもない。
実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。なお、本発明は以下の例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能
であることは言うまでもない。
【００１９】図１に、本発明を適用した角速度センサー
の一例について、その基本構成を示す。この角速度セン
サーは、図１に示すように、振動ジャイロ部分に振動子
１を備えており、この振動子１は、図２及び図３に示す
ように、四角柱状に形成された音片型の恒弾性金属振動
子２と、恒弾性金属振動子２の一側面に接着された長方
形の第１の圧電素子３と、恒弾性金属振動子２の他の側
面に接着された長方形の第２の圧電素子４と、恒弾性金
属振動子２の他の側面に接着された長方形の第３の圧電
素子５とから構成されている。
の一例について、その基本構成を示す。この角速度セン
サーは、図１に示すように、振動ジャイロ部分に振動子
１を備えており、この振動子１は、図２及び図３に示す
ように、四角柱状に形成された音片型の恒弾性金属振動
子２と、恒弾性金属振動子２の一側面に接着された長方
形の第１の圧電素子３と、恒弾性金属振動子２の他の側
面に接着された長方形の第２の圧電素子４と、恒弾性金
属振動子２の他の側面に接着された長方形の第３の圧電
素子５とから構成されている。
【００２０】ここで、第１の圧電素子３は、恒弾性金属
振動子２を駆動するための素子であり、図３に示すよう
に、電極３ａが取り付けられた圧電体３ｂからなる。こ
の第１の圧電素子３は、振動子１を振動させるととも
に、後述する自励発振型駆動回路６のインピーダンス素
子として機能する。
振動子２を駆動するための素子であり、図３に示すよう
に、電極３ａが取り付けられた圧電体３ｂからなる。こ
の第１の圧電素子３は、振動子１を振動させるととも
に、後述する自励発振型駆動回路６のインピーダンス素
子として機能する。
【００２１】一方、第２の圧電素子４及び第３の圧電素
子５は、振動子１に生じるコリオリ力を検出するための
素子であり、図３に示すように、第２の圧電素子４は、
電極４ａが取り付けられた圧電体４ｂからなり、第３の
圧電素子５は、電極５ａが取り付けられた圧電体５ｂか
らなる。そして、これらの第２の圧電素子４及び第３の
圧電素子５は、恒弾性金属振動子２の相対向する側面に
それぞれ接着されている。
子５は、振動子１に生じるコリオリ力を検出するための
素子であり、図３に示すように、第２の圧電素子４は、
電極４ａが取り付けられた圧電体４ｂからなり、第３の
圧電素子５は、電極５ａが取り付けられた圧電体５ｂか
らなる。そして、これらの第２の圧電素子４及び第３の
圧電素子５は、恒弾性金属振動子２の相対向する側面に
それぞれ接着されている。
【００２２】そして、恒弾性金属振動子２からは端子Ｃ
が導出されており、第１の圧電素子３からは端子Ｄが導
出されており、第２の圧電素子４からは端子Ｓ１が導出
されており、第３の圧電素子５からは端子Ｓ２が導出さ
れている。
が導出されており、第１の圧電素子３からは端子Ｄが導
出されており、第２の圧電素子４からは端子Ｓ１が導出
されており、第３の圧電素子５からは端子Ｓ２が導出さ
れている。
【００２３】また、この角速度センサーは、第１の圧電
素子３をコルピッツ発振回路のインピーダンス素子とし
て機能させることによって構成された自励発振型駆動回
路６を備えている。そして、角速度センサーを駆動する
際は、この自励発振型駆動回路６によって自励発振を行
い、振動子１を振動させる。
素子３をコルピッツ発振回路のインピーダンス素子とし
て機能させることによって構成された自励発振型駆動回
路６を備えている。そして、角速度センサーを駆動する
際は、この自励発振型駆動回路６によって自励発振を行
い、振動子１を振動させる。
【００２４】ここで、この自励発振型駆動回路６の部分
だけを抜き出した図を図４に示す。この図４に示すよう
に、この自励発振型駆動回路６は、恒弾性金属振動子２
と、第１の圧電素子３と、抵抗７と、インバータ８と、
第１のコンデンサ９と、第２のコンデンサ１０とから構
成されている。そして、恒弾性金属振動子２からの端子
Ｃが、抵抗７の一端と、インバータ８の入力側端子と、
第１のコンデンサ９の一端とに接続され、第１の圧電素
子３からの端子Ｄが、抵抗７の他端と、インバータ８の
出力側端子と、第２のコンデンサ１０の一端とに接続さ
れ、第１のコンデンサ９の他端と、第２のコンデンサ１
０の他端とが接地されている。
だけを抜き出した図を図４に示す。この図４に示すよう
に、この自励発振型駆動回路６は、恒弾性金属振動子２
と、第１の圧電素子３と、抵抗７と、インバータ８と、
第１のコンデンサ９と、第２のコンデンサ１０とから構
成されている。そして、恒弾性金属振動子２からの端子
Ｃが、抵抗７の一端と、インバータ８の入力側端子と、
第１のコンデンサ９の一端とに接続され、第１の圧電素
子３からの端子Ｄが、抵抗７の他端と、インバータ８の
出力側端子と、第２のコンデンサ１０の一端とに接続さ
れ、第１のコンデンサ９の他端と、第２のコンデンサ１
０の他端とが接地されている。
【００２５】この自励発振型駆動回路６において、抵抗
７の抵抗値Ｒ、第１のコンデンサ９の容量Ｃ1及び第２
のコンデンサ１０の容量Ｃ2は、図５及び図６に示すよ
うに恒弾性金属振動子２に第１の圧電素子３が接着され
てなる振動子１の形状や材料特性によって決まる定数で
ある。なお、図５及び図６では、第２の圧電素子４及び
第３の圧電素子５を省略している。
７の抵抗値Ｒ、第１のコンデンサ９の容量Ｃ1及び第２
のコンデンサ１０の容量Ｃ2は、図５及び図６に示すよ
うに恒弾性金属振動子２に第１の圧電素子３が接着され
てなる振動子１の形状や材料特性によって決まる定数で
ある。なお、図５及び図６では、第２の圧電素子４及び
第３の圧電素子５を省略している。
【００２６】そして、図５及び図６に示したような振動
子１の固有の負荷容量をＣLと、第１のコンデンサ９の
容量Ｃ1及び第２のコンデンサ１０の容量Ｃ2との間に
は、下記式（１）が成り立つ。
子１の固有の負荷容量をＣLと、第１のコンデンサ９の
容量Ｃ1及び第２のコンデンサ１０の容量Ｃ2との間に
は、下記式（１）が成り立つ。
【００２７】 １／ＣL＝１／Ｃ1＋１／Ｃ2 ・・・（１） ところで、図５及び図６に示した振動子１は、直列共振
周波数ｆｓと並列共振周波数ｆｐの付近において、図７
に示すようなインピーダンス特性を示し、この等価回路
は図８に示すように、等価並列容量Ｃｐ、等価直列イン
ダクタＬｓ、等価直列容量Ｃｓ及び等価直列抵抗Ｒｓに
よって表される。これは、一般に使用されている水晶振
動子の等価回路と同様である。したがって、水晶発振回
路において広く使用されているコルピッツ発振回路を、
図５及び図６に示したような振動子１に対して応用する
ことが可能である。すなわち、図４に示したように回路
を組み、第１の圧電素子３をコルピッツ発振回路のイン
ピーダンス素子として機能させることによって、自励発
振回路を構成することができる。なお、図４に示した自
励発振型駆動回路６は、コルピッツ発振回路の一例であ
り、本発明はこのような回路構成に限定されるものでは
ない。
周波数ｆｓと並列共振周波数ｆｐの付近において、図７
に示すようなインピーダンス特性を示し、この等価回路
は図８に示すように、等価並列容量Ｃｐ、等価直列イン
ダクタＬｓ、等価直列容量Ｃｓ及び等価直列抵抗Ｒｓに
よって表される。これは、一般に使用されている水晶振
動子の等価回路と同様である。したがって、水晶発振回
路において広く使用されているコルピッツ発振回路を、
図５及び図６に示したような振動子１に対して応用する
ことが可能である。すなわち、図４に示したように回路
を組み、第１の圧電素子３をコルピッツ発振回路のイン
ピーダンス素子として機能させることによって、自励発
振回路を構成することができる。なお、図４に示した自
励発振型駆動回路６は、コルピッツ発振回路の一例であ
り、本発明はこのような回路構成に限定されるものでは
ない。
【００２８】また、上記角速度センサーは、図１に示す
ように、作動増幅器１１と、同期検波器１２と、ローパ
スフィルタ１３とを備えており、これらと、上記第２の
圧電素子４及び第２の圧電素子５とが、恒弾性金属振動
子２の振動を検出する検出部として機能する。すなわ
ち、この検出部によって、上述のような自励発振型駆動
回路６により振動子１を振動させているときに振動子１
が回転することによって振動子１に生じたコリオリ力を
検出する。そして、この角速度センサーでは、このよう
に検出されたコリオリ力に基づいて角速度を検出する。
ように、作動増幅器１１と、同期検波器１２と、ローパ
スフィルタ１３とを備えており、これらと、上記第２の
圧電素子４及び第２の圧電素子５とが、恒弾性金属振動
子２の振動を検出する検出部として機能する。すなわ
ち、この検出部によって、上述のような自励発振型駆動
回路６により振動子１を振動させているときに振動子１
が回転することによって振動子１に生じたコリオリ力を
検出する。そして、この角速度センサーでは、このよう
に検出されたコリオリ力に基づいて角速度を検出する。
【００２９】上記検出部において、第２の圧電素子４か
らの端子Ｓ１は、作動増幅器１１のプラス側入力端子に
接続されており、第３の圧電素子５からの端子Ｓ２は、
作動増幅器１１のマイナス側入力端子に接続されてい
る。すなわち、第２の圧電素子４及び第３の圧電素子５
からの出力が作動増幅器１１に入力され、それらの作動
が作動増幅器１１によって取られる。そして、作動増幅
器１１から出力は、同期検波器１２に入力され、同期検
波が行われる。ここで、同期検波器１２には、同期検波
を行うために、自励発振型駆動回路６のインバータ８か
らの出力も入力される。そして、同期検波器１２からの
出力が、ローパスフィルタ１３を介して、振動子１に生
じたコリオリ力を検出した結果として出力される。
らの端子Ｓ１は、作動増幅器１１のプラス側入力端子に
接続されており、第３の圧電素子５からの端子Ｓ２は、
作動増幅器１１のマイナス側入力端子に接続されてい
る。すなわち、第２の圧電素子４及び第３の圧電素子５
からの出力が作動増幅器１１に入力され、それらの作動
が作動増幅器１１によって取られる。そして、作動増幅
器１１から出力は、同期検波器１２に入力され、同期検
波が行われる。ここで、同期検波器１２には、同期検波
を行うために、自励発振型駆動回路６のインバータ８か
らの出力も入力される。そして、同期検波器１２からの
出力が、ローパスフィルタ１３を介して、振動子１に生
じたコリオリ力を検出した結果として出力される。
【００３０】以上のような本発明を適用した角速度セン
サーと、従来最も感度が高いと言われている図２０に示
したような角速度センサーとについて、角速度センサー
を回転させたときのコリオリ成分の検出感度を、実際に
測定して比較した結果を図９に示す。この図９から、本
発明を適用した角速度センサーでは、従来の角速度セン
サーに比べて、約４０倍もの高い感度が得られているこ
とが分かる。
サーと、従来最も感度が高いと言われている図２０に示
したような角速度センサーとについて、角速度センサー
を回転させたときのコリオリ成分の検出感度を、実際に
測定して比較した結果を図９に示す。この図９から、本
発明を適用した角速度センサーでは、従来の角速度セン
サーに比べて、約４０倍もの高い感度が得られているこ
とが分かる。
【００３１】ところで、従来、四角柱状の振動子を用い
た角速度センサーでは、図２１に示したように、自励発
振型駆動回路を構成するための圧電素子として、少なく
とも２枚の圧電素子１１１，１１２が必要だった。これ
に対して、上記角速度センサーでは、四角柱状の振動子
１を用いているが、自励発振型駆動回路６を構成するた
めの圧電素子は、第１の圧電素子３だけでよい。すなわ
ち、本発明を適用した角速度センサーでは、自励発振型
駆動回路６を構成するための圧電素子の数が、従来のも
のよりも少なくて済む。しかも、この角速度センサーで
は、自励発振型駆動回路６を構成するための圧電素子が
第１の圧電素子３だけでよいので、振動子１の振動周波
数の調整を非常に容易に行うことができる。
た角速度センサーでは、図２１に示したように、自励発
振型駆動回路を構成するための圧電素子として、少なく
とも２枚の圧電素子１１１，１１２が必要だった。これ
に対して、上記角速度センサーでは、四角柱状の振動子
１を用いているが、自励発振型駆動回路６を構成するた
めの圧電素子は、第１の圧電素子３だけでよい。すなわ
ち、本発明を適用した角速度センサーでは、自励発振型
駆動回路６を構成するための圧電素子の数が、従来のも
のよりも少なくて済む。しかも、この角速度センサーで
は、自励発振型駆動回路６を構成するための圧電素子が
第１の圧電素子３だけでよいので、振動子１の振動周波
数の調整を非常に容易に行うことができる。
【００３２】また、上記角速度センサーは、自励発振型
駆動回路６を構成しており、基本的に振動子１の共振周
波数で発振する。したがって、他励発振型の角速度セン
サーのように温度特性の影響によって感度が低下してし
まうようなことがない。
駆動回路６を構成しており、基本的に振動子１の共振周
波数で発振する。したがって、他励発振型の角速度セン
サーのように温度特性の影響によって感度が低下してし
まうようなことがない。
【００３３】しかも、上記角速度センサーでは、図２０
や図２１に示したような従来の角速度センサーに比べ
て、自励発振型駆動回路６の構成が非常に簡単なものと
なっている。したがって、上記角速度センサーでは、回
路構成に必要な部品点数を大幅に削減することができ
る。また、部品点数が減少することで、歩留まりの向上
も期待できる。
や図２１に示したような従来の角速度センサーに比べ
て、自励発振型駆動回路６の構成が非常に簡単なものと
なっている。したがって、上記角速度センサーでは、回
路構成に必要な部品点数を大幅に削減することができ
る。また、部品点数が減少することで、歩留まりの向上
も期待できる。
【００３４】なお、本発明は、以上の説明で挙げたよう
な四角柱状の振動子１を有する角速度センサーに限定さ
れるものではなく、図７に示したようなインピーダンス
特性を示す振動子を有する角速度センサー全てに広く適
用することができる。図１０乃至図１９に、そのような
振動子の例の一部を示す。なお、図１０乃至図１９にお
いて、振動子に生じるコリオリ力を検出するための素子
等については省略している。
な四角柱状の振動子１を有する角速度センサーに限定さ
れるものではなく、図７に示したようなインピーダンス
特性を示す振動子を有する角速度センサー全てに広く適
用することができる。図１０乃至図１９に、そのような
振動子の例の一部を示す。なお、図１０乃至図１９にお
いて、振動子に生じるコリオリ力を検出するための素子
等については省略している。
【００３５】図１０及び図１１に示す振動子は、三角柱
状の恒弾性金属振動子２１に、電極２２ａ及び圧電体２
２ｂからなる圧電素子２２を取り付けたタイプの振動子
である。本発明では、このような三角柱状に代表される
あらゆる多角柱状或いは円柱状の恒弾性金属振動子に圧
電素子を取り付けたタイプの振動子を使用することがで
きる。
状の恒弾性金属振動子２１に、電極２２ａ及び圧電体２
２ｂからなる圧電素子２２を取り付けたタイプの振動子
である。本発明では、このような三角柱状に代表される
あらゆる多角柱状或いは円柱状の恒弾性金属振動子に圧
電素子を取り付けたタイプの振動子を使用することがで
きる。
【００３６】ところで、図２０に示したような三角柱状
の振動子を用いた従来の角速度センサーでは、自励発振
させるために振動子の振動を検出するための圧電素子
と、コリオリ力を検出するための圧電素子とが、共通の
圧電素子となるため、コリオリ力の検出電圧が駆動電圧
や電源電圧で制限されてしまっていた。これに対して、
本発明を適用した角速度センサーでは、自励発振用の圧
電素子と、コリオリ力を検出するための圧電素子とが、
別々の圧電素子となるため、各圧電素子の能力を十分に
活かすことができる。したがって、図１０及び図１１に
示すような三角柱状の振動子を用いた角速度センサーに
本発明を適用したときには、検出感度を格段に向上する
ことができる。
の振動子を用いた従来の角速度センサーでは、自励発振
させるために振動子の振動を検出するための圧電素子
と、コリオリ力を検出するための圧電素子とが、共通の
圧電素子となるため、コリオリ力の検出電圧が駆動電圧
や電源電圧で制限されてしまっていた。これに対して、
本発明を適用した角速度センサーでは、自励発振用の圧
電素子と、コリオリ力を検出するための圧電素子とが、
別々の圧電素子となるため、各圧電素子の能力を十分に
活かすことができる。したがって、図１０及び図１１に
示すような三角柱状の振動子を用いた角速度センサーに
本発明を適用したときには、検出感度を格段に向上する
ことができる。
【００３７】図１２及び図１３に示す振動子は、四角柱
状の圧電体振動子２３に一対の電極２４，２５を設けた
タイプの振動子である。本発明では、このような四角柱
状に代表されるあらゆる多角柱状の圧電体振動子に一対
の電極を設けたタイプの振動子を使用することができ
る。また、図１４及び図１５に示すような、円柱状の圧
電体振動子２６に一対の電極２７，２８を設けたタイプ
の振動子も使用することができる。
状の圧電体振動子２３に一対の電極２４，２５を設けた
タイプの振動子である。本発明では、このような四角柱
状に代表されるあらゆる多角柱状の圧電体振動子に一対
の電極を設けたタイプの振動子を使用することができ
る。また、図１４及び図１５に示すような、円柱状の圧
電体振動子２６に一対の電極２７，２８を設けたタイプ
の振動子も使用することができる。
【００３８】また、本発明では、図１６乃至図１９に示
すような音叉型の振動子を使用することもできる。ここ
で、図１６及び図１７に示す振動子は、結合子２９によ
って結合された一対の圧電バイモルフ３０，３１と、同
様に結合子３２によって結合された一対の圧電バイモル
フ３３，３４とを台座３５に固定したタイプの複合音叉
型振動子である。ここで、圧電バイモルフ３０は、図１
７に示すように、電極が３０ａが取り付けられた圧電体
３０ｂと、電極３０ｃが取り付けられた圧電体３０ｄと
が、電極３０ｅを介して接合されてなる。他の圧電バイ
モルフ３１，３３，３４についても同様に構成される。
また、図１８及び図１９に示す振動子は、音叉型の恒弾
性金属振動子３６に、電極３７ａ及び圧電体３７ｂから
なる圧電素子３７を取り付けたタイプの音叉型振動子で
ある。
すような音叉型の振動子を使用することもできる。ここ
で、図１６及び図１７に示す振動子は、結合子２９によ
って結合された一対の圧電バイモルフ３０，３１と、同
様に結合子３２によって結合された一対の圧電バイモル
フ３３，３４とを台座３５に固定したタイプの複合音叉
型振動子である。ここで、圧電バイモルフ３０は、図１
７に示すように、電極が３０ａが取り付けられた圧電体
３０ｂと、電極３０ｃが取り付けられた圧電体３０ｄと
が、電極３０ｅを介して接合されてなる。他の圧電バイ
モルフ３１，３３，３４についても同様に構成される。
また、図１８及び図１９に示す振動子は、音叉型の恒弾
性金属振動子３６に、電極３７ａ及び圧電体３７ｂから
なる圧電素子３７を取り付けたタイプの音叉型振動子で
ある。
【００３９】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
では、振動子の一部をコルピッツ発振回路のインピーダ
ンス素子として機能させることによって自励発振型駆動
回路を構成することにより、非常に簡単な構成で、しか
も、検出感度や温度特性に優れた角速度センサーを実現
している。したがって、本発明によれば、角速度センサ
ーの低コスト化、小型化、高感度化を更に推進すること
が可能となる。そして、この結果、ビデオカメラ、バー
チャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステム等
の更なる小型化やハイコストパフォーマンス等の要求に
応えることができる。
では、振動子の一部をコルピッツ発振回路のインピーダ
ンス素子として機能させることによって自励発振型駆動
回路を構成することにより、非常に簡単な構成で、しか
も、検出感度や温度特性に優れた角速度センサーを実現
している。したがって、本発明によれば、角速度センサ
ーの低コスト化、小型化、高感度化を更に推進すること
が可能となる。そして、この結果、ビデオカメラ、バー
チャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステム等
の更なる小型化やハイコストパフォーマンス等の要求に
応えることができる。
【図１】本発明を適用した角速度センサーの一例を示す
図である。
図である。
【図２】図１に示した角速度センサーに使用される振動
子を示す斜視図である。
子を示す斜視図である。
【図３】図１に示した角速度センサーに使用される振動
子について、その中央部分における断面を示す断面図で
ある。
子について、その中央部分における断面を示す断面図で
ある。
【図４】図１に示した角速度センサーの自励発振型駆動
回路の部分を示す図である。
回路の部分を示す図である。
【図５】図１に示した角速度センサーに使用される振動
子の、自励発振型駆動回路を構成する部分を示す斜視図
である。
子の、自励発振型駆動回路を構成する部分を示す斜視図
である。
【図６】図１に示した角速度センサーに使用される振動
子の、自励発振型駆動回路を構成する部分について、そ
の中央部分における断面を示す断面図である。
子の、自励発振型駆動回路を構成する部分について、そ
の中央部分における断面を示す断面図である。
【図７】図１に示した角速度センサーに使用される振動
子のインピーダンス特性を示す図である。
子のインピーダンス特性を示す図である。
【図８】図１に示した角速度センサーに使用される振動
子の等価回路を示す図である。
子の等価回路を示す図である。
【図９】本発明を適用した角速度センサーの出力と、従
来の角速度センサーの出力とを比較して示す図である。
来の角速度センサーの出力とを比較して示す図である。
【図１０】本発明を適用した角速度センサーに使用され
る振動子の他の例を示す斜視図である。
る振動子の他の例を示す斜視図である。
【図１１】図１０に示した振動子の中央部分における断
面を示す断面図である。
面を示す断面図である。
【図１２】本発明を適用した角速度センサーに使用され
る振動子の他の例を示す斜視図である。
る振動子の他の例を示す斜視図である。
【図１３】図１２に示した振動子の中央部分における断
面を示す断面図である。
面を示す断面図である。
【図１４】本発明を適用した角速度センサーに使用され
る振動子の他の例を示す斜視図である。
る振動子の他の例を示す斜視図である。
【図１５】図１４に示した振動子の中央部分における断
面を示す断面図である。
面を示す断面図である。
【図１６】本発明を適用した角速度センサーに使用され
る振動子の他の例を示す斜視図である。
る振動子の他の例を示す斜視図である。
【図１７】図１６に示した振動子に使用される圧電バイ
モルフの断面を示す断面図である。
モルフの断面を示す断面図である。
【図１８】本発明を適用した角速度センサーに使用され
る振動子の他の例を示す斜視図である。
る振動子の他の例を示す斜視図である。
【図１９】図１８に示した振動子の断面図である。
【図２０】従来の角速度センサーの一例を示す図であ
り、（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図で
あり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、
（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図で
ある。
り、（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図で
あり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、
（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図で
ある。
【図２１】従来の角速度センサーの他の例を示す図であ
り、（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図で
あり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、
（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図で
ある。
り、（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図で
あり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、
（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図で
ある。
１ 振動子、 ２ 恒弾性金属振動子、 ３ 第１の圧
電素子、 ４ 第２の圧電素子、 ５ 第３の圧電素
子、 ６ 自励発振型駆動回路、 ７ 抵抗、８ イン
バータ、 ９ 第１のコンデンサ、 １０ 第２のコン
デンサ、 １１作動増幅器、 １２ 同期検波器、 １
３ ローパスフィルタ
電素子、 ４ 第２の圧電素子、 ５ 第３の圧電素
子、 ６ 自励発振型駆動回路、 ７ 抵抗、８ イン
バータ、 ９ 第１のコンデンサ、 １０ 第２のコン
デンサ、 １１作動増幅器、 １２ 同期検波器、 １
３ ローパスフィルタ
Claims (6)
- 【請求項１】 恒弾性金属振動子に取り付けられた圧電
素子と、 上記恒弾性金属振動子の振動を検出する検出部と、 上記圧電素子をコルピッツ発振回路のインピーダンス素
子として機能させることによって構成された自励発振型
駆動回路とを備えることを特徴とする角速度センサー。 - 【請求項２】 上記自励発振型駆動回路を構成する圧電
素子が１つだけであることを特徴とする請求項１記載の
角速度センサー。 - 【請求項３】 上記検出部は、上記恒弾性金属振動子に
取り付けられた角速度検出用圧電素子を備え、 上記恒弾性金属振動子に生じるコリオリ力を、上記角速
度検出用圧電素子によって検出することを特徴とする請
求項１記載の角速度センサー。 - 【請求項４】 複数の電極が設けられた圧電体振動子
と、 上記圧電体振動子の振動を検出する検出部と、 上記圧電体振動子をコルピッツ発振回路のインピーダン
ス素子として機能させることによって構成された自励発
振型駆動回路とを備えることを特徴とする角速度センサ
ー。 - 【請求項５】 上記圧電体振動子と、上記圧電体振動子
に設けられた一対の電極とによって、上記インピーダン
ス素子が構成されていることを特徴とする請求項４記載
の角速度センサー。 - 【請求項６】 上記圧電体振動子には、上記自励発振型
駆動回路に接続される一対の電極と、上記検出部に接続
される一対の電極とが少なくとも設けられており、 上記検出部は、上記検出部に接続された少なくとも一対
の電極間の電圧変化を検出することにより、上記圧電体
振動子に生じるコリオリ力を検出することを特徴とする
請求項４記載の角速度センサー。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9003374A JPH10197255A (ja) | 1997-01-10 | 1997-01-10 | 角速度センサー |
| US09/004,736 US6049157A (en) | 1997-01-10 | 1998-01-09 | Angular velocity sensor |
| CN98103615A CN1190182A (zh) | 1997-01-10 | 1998-01-09 | 角速度传感器 |
| KR1019980000345A KR19980070417A (ko) | 1997-01-10 | 1998-01-09 | 각속도 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20040406 |