JPH10239067A - 角速度センサ - Google Patents

角速度センサ

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JPH10239067A
JPH10239067A JP9045587A JP4558797A JPH10239067A JP H10239067 A JPH10239067 A JP H10239067A JP 9045587 A JP9045587 A JP 9045587A JP 4558797 A JP4558797 A JP 4558797A JP H10239067 A JPH10239067 A JP H10239067A
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JP
Japan
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tuning fork
angular velocity
velocity sensor
metal plate
pair
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Pending
Application number
JP9045587A
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English (en)
Inventor
Hideo Oogoshi
偉生 大越
Junichi Yukawa
潤一 湯河
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP9045587A priority Critical patent/JPH10239067A/ja
Publication of JPH10239067A publication Critical patent/JPH10239067A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム
等に用いる温度特性に優れ、外乱振動に強い角速度セン
サを提供することを目的とする。 【解決手段】 駆動部18に対して検知部17を(90
+α)°となるように配置し、前記駆動部18の平面上
と前記検知部17の平面上とに圧電素子12,13a,
13bを貼り付けた一対の音叉片と、この一対の音叉片
を上記駆動側において金属ブロック14を介して結合す
ることにより構成した音叉振動子を備え、上記一対の音
叉片は恒弾性の金属板11の中央近傍部において折り曲
げた構成にすることにより、不要信号としての発生電荷
がほとんどゼロとなり、温度特性に優れ、外乱振動に強
い高性能の角速度センサを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は航空機・自動車・車
両等の移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に
用いる角速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】以下に、従来の角速度センサについて、
図6〜図7を用いて説明する。
【0003】音叉振動子は図6に示すような構造であ
り、恒弾性の金属板1の中央近傍部において長手方向に
互い違いとなるように幅方向の端面から中央近傍に向か
って設けたスリット6a,6bにより幅方向に検知部7
と駆動部8とが直交関係となるように折り曲げ、前記駆
動部8を形成する金属板1の平面上に駆動圧電体2、前
記検知部7を形成する金属板1の平面上に検知圧電体3
を貼り付けた一対の音叉片と、この一対の音叉片を駆動
側において金属ブロック4を介して結合し、支持ピン5
で一点支持することにより音叉構造になっている。
【0004】この構成の角速度センサが、加わった角速
度に比例した出力を発生させる仕組みを図7を用いて説
明する。図7は図6に示した音叉振動子を上から見たも
のである。図7に示すように、速度vで振動している検
知圧電体3bに角速度ωの回転が加わると、検知圧電体
3bにはコリオリの力が生じる。このコリオリの力は速
度vに垂直で大きさは2mvω(mは検知部7の先端の
等価質量)である。
【0005】検知圧電体3aは音叉振動をしているの
で、ある時点で検知圧電体3bが速度vで振動している
とすれば、検知圧電体3aは速度−vで振動しておりコ
リオリの力は−2mvωである。よって検知圧電体3
a,3bには、図7のように互いに逆向きのコリオリの
力が働く方向に変形し、圧電体表面には圧電効果によっ
て電荷が生じる。
【0006】ここでvは音叉振動によって生じる速度で
あり、音叉振動速度が v=a・sinω0t 但し、aは音叉振動の振幅 ω0は音叉振動の周期とする。 であるとすれば、コリオリの力Fcは、 Fc=2・m・a・ω・sinω0t となり、角速度ω及び音叉振幅aに比例しており、検知
圧電体3a,3bを両方向に変形させる力となる。従っ
て検知圧電体3a,3bの表面電荷量Qは、 Q=a・sinω0t となり、音叉振幅aが一定にコントロールされていると
すれば、 Q=ω・sinω0t となり、検知圧電体3a,3bに発生する表面電荷量Q
は角速度ωに比例した出力として得られ、この信号を音
叉振動の周期ω0で同期検波すれば、角速度ωに比例し
た直流信号が得られる。なお、このセンサに角速度以外
の並進運動を与えても検知圧電体3aと検知圧電体3b
の表面には異極性の電荷が生ずるため、直流信号に変換
時、互いに打ち消しあって出力は出ないようになってい
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記角
速度センサでは一枚の恒弾性の金属板1の折り曲げによ
り駆動部8と検知部7との直交関係を構成しているた
め、図8(a)に示すように駆動部8の恒弾性の金属板
1の厚み方向の中心線aに対し検知部7の恒弾性の金属
板1の形状は非対称であり、また図8(b)に示すよう
に検知部7の恒弾性の金属板1の厚み方向の中心線bに
対し駆動部8の恒弾性の金属板1の形状も非対称であ
る。
【0008】そのため、音叉振動している一対の検知部
7の動きは理想とする水平運動ではなく図5(a),
(b)のように逆ハの字運動になり、検知部7は厚み方
向に慣性力を受け個々の検知圧電体3a,3bの表面に
電荷が生じる。この不要信号としての発生電荷は音叉振
動子が高精度に組み立てられたとしても音叉構造のわず
かな重量バランスや微妙な形状の非対称などにより、必
ずしもキャンセルされてゼロにならず温度特性を悪化さ
せるという課題を有していた。また、音叉振動が検知部
7の厚み方向に漏れているため、音叉振動時の共振せん
鋭度が低くなり、安定した音叉振動ができず外乱振動に
弱いという課題も有していた。
【0009】本発明は上記従来の課題を解決し、検知部
の厚み方向に漏れる音叉振動を最小にし、検知部の厚み
方向に受ける慣性力を最小にすることで温度特性に優
れ、外乱振動に強い高性能の角速度センサを得ることを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の角速度センサは、駆動部と検知部とを直交関
係となるように配置し、前記駆動部を形成する金属板の
平面上と前記検知部を形成する金属板の平面上とに圧電
素子を貼り付けた一対の音叉片を有し、この一対の音叉
片を上記駆動側において金属ブロックを介して結合する
ことにより構成した音叉振動子を備え、上記一対の音叉
片のそれぞれは平板状の金属板の中央近傍部において長
手方向に互い違いとなるように幅方向の端面から中央近
傍に向かって設けたスリットにより幅方向に折り曲げた
構成とし、かつ前記駆動部に対する前記検知部の曲げ角
度が(90+α)°の関係をもって配置されていること
を特徴とするものである。
【0011】この構成とすることにより、検知部の厚み
方向に漏れる音叉振動を最小に、検知部の厚み方向に受
ける慣性力を最小にして温度特性に優れ外乱振動に強い
ものとできる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、駆動部と検知部とを直交関係となるように配置し、
前記駆動部を形成する金属板の平面上と前記検知部を形
成する金属板の平面上とに圧電素子を貼り付けた一対の
音叉片を有し、この一対の音叉片を上記駆動側において
金属ブロックを介して結合することにより構成した音叉
振動子を備え、上記一対の音叉片のそれぞれは平板状の
金属板の中央近傍部において長手方向に互い違いとなる
ように幅方向の端面から中央近傍に向かって設けたスリ
ットにより幅方向に折り曲げた構成とし、かつ前記駆動
部に対する前記検知部の曲げ角度が(90+α)°の関
係をもって配置されている角速度センサであり、音叉振
動している検知部の逆ハの字の運動方向に対して一対の
検知部の平面を平行に近づけることより検知部の厚み方
向に対する慣性力を小さくし検知部を形成する金属板の
平面上に貼り付けられた圧電体表面の不要な電荷を減ら
すという作用を有する。
【0013】請求項2に記載の発明は、音叉片の重心が
金属板の幅及び厚みに対する中心線上に位置する請求項
1に記載の角速度センサであり、音叉振動が検知部の厚
み方向に漏れず音叉振動時の共振せん鋭度が高くなり、
安定した音叉振動ができるという作用を有する。
【0014】請求項3に記載の発明は、αは、0<α<
3である請求項1に記載の角速度センサであり、音叉振
動している検知部の逆ハの字の運動に対して一対の検知
部の平面は平行であるため検知部の厚み方向に対して慣
性力を受けず検知圧電体表面に不要な電荷が発生しない
という作用を有する。
【0015】請求項4に記載の発明は、音叉片の検知部
を形成する金属板に複数の貫通孔を有する請求項1に記
載の角速度センサであり、検知部の共振周波数を上げか
つ検知部を形成する金属板の平面上に貼り付けられた圧
電体が受ける感応歪力が増加することにより感度を上げ
ることができるという作用を有する。
【0016】請求項5に記載の発明は、駆動部の共振周
波数と検知部の共振周波数とが異なり、かつ前記検知部
の共振周波数を前記駆動部の共振周波数より大きくした
請求項1に記載の角速度センサであり、前記検知部の厚
み方向に加振した加速度の周波数が前記駆動部の共振周
波数に近い場合、前記検知部の共振周波数を前記駆動部
の共振周波数より大きくすることにより加振した加速度
の位相に対し前記検知部の加速度応答の振幅の位相ずれ
を少なくできるという作用を有する。
【0017】以下、本発明の実施の形態について、図1
から図3を用いて説明する。図1(a)〜(c)は本発
明の一実施の形態における角速度センサの音叉振動子の
正面図、側面図および上面図である。図1(a)〜
(c)において、長さ22.5mm、厚さ0.6mmの
恒弾性の金属板11の中央近傍部において長手方向に互
い違いとなるように幅方向の端面から中央近傍に向かっ
て設けたスリット16a,16bにより幅方向に駆動部
18に対して検知部17が92.0°となるように折り
曲げ、前記駆動部18の平面上に駆動圧電体12、前記
検知部17の平面上に検知圧電体13a,13bをエポ
キシ系接着剤で貼り付けた一対の音叉片と、この一対の
音叉片を駆動側において金属ブロック14を介して結合
し、支持ピン15で一点支持した音叉構造になってい
る。検知部17の恒弾性の金属板11には複数の貫通孔
19を有する。またこの角速度センサの駆動原理や角速
度の検出原理は従来例と同じなので省略する。
【0018】本実施の形態の音叉振動子は音叉片の重心
位置が検知部17の恒弾性の金属板11の幅及び厚みに
対する中心線上に位置するように設計している。なお、
検知部17の恒弾性の金属板11に複数の貫通孔19を
設けることにより、検知部17の共振周波数を上げかつ
検知圧電体13a,13bが受ける感応歪力が増加する
ため感度を上げることができる。
【0019】図2は、音叉駆動時における駆動部18に
対する検知部17の曲げ角度とそれぞれの検知圧電体1
3a,13bの表面に生じる不要電荷との関係を示した
実験データである。図2より不要電荷をほとんどゼロに
できる最適な曲げ角度が存在し、その角度は92.0°
であることがわかる。また、図3は音叉駆動時における
駆動部18に対する検知部17の曲げ角度と共振せん鋭
度との関係を示した実験データである。図3より共振せ
ん鋭度が最大値をとる最適角度が存在し、その角度は9
2.0°であることがわかる。
【0020】図4(a),(b)は、音叉振動している
一対の検知部17の動きを示しており、検知部17は逆
ハの字の運動に対して一対の検知部17の平面は平行で
あるため、検知部17の厚み方向に対して慣性力を受け
ず、検知圧電体13a,13bに不要な電荷が発生しな
いことになる。
【0021】
【発明の効果】以上のように本発明は、駆動部に対して
検知部を(90+α)°となるように配置し、前記駆動
部の平面上と前記検知部の平面上とに圧電素子を貼り付
けた一対の音叉片と、この一対の音叉片を上記駆動側に
おいて金属ブロックを介して結合することにより構成し
た音叉振動子を備え、上記一対の音叉片は平板状の金属
板の中央近傍部において長手方向に互い違いとなるよう
に幅方向の端面から中央近傍に向かって設けたスリット
により幅方向に折り曲げた構成にすることにより、不要
信号としての発生電荷がほとんどゼロとなり、音叉振動
子の共振せん鋭度が高くなることにより温度特性に優
れ、外乱振動に強い高性能の角速度センサを得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)本発明の一実施の形態による角
速度センサの正面図、側面図と上面図
【図2】不要電荷に対する曲げ角度の影響を示した特性
【図3】共振せん鋭度に対する曲げ角度の影響を示した
特性図
【図4】(a),(b)本発明の角速度センサの音叉振
動の動きを示す説明図
【図5】(a),(b)従来の角速度センサの音叉振動
の動きを示す説明図
【図6】従来の角速度センサの斜視図
【図7】従来の角速度センサの角速度検出の原理を示す
説明図
【図8】(a),(b)従来の角速度センサの音叉片の
非対称性を示す説明図
【符号の説明】
11 恒弾性の金属板 12 駆動圧電体 13a,13b 検知圧電体 14 金属ブロック 15 支持ピン 16a,16b スリット 17 検知部 18 駆動部 19 貫通孔

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 駆動部と検知部とを直交関係となるよう
    に配置し、前記駆動部を形成する金属板の平面上と前記
    検知部を形成する金属板の平面上とに圧電素子を貼り付
    けた一対の音叉片を有し、この一対の音叉片を上記駆動
    側において金属ブロックを介して結合することにより構
    成した音叉振動子を備え、上記一対の音叉片のそれぞれ
    は平板状の金属板の中央近傍部において長手方向に互い
    違いとなるように幅方向の端面から中央近傍に向かって
    設けたスリットにより幅方向に折り曲げた構成を具有
    し、かつ前記駆動部に対する前記検知部の曲げ角度が
    (90+α)°の関係をもって配置されている角速度セ
    ンサ。
  2. 【請求項2】 音叉片の重心が金属板の幅及び厚みに対
    する中心線上に位置する請求項1に記載の角速度セン
    サ。
  3. 【請求項3】 αは、0<α<3である請求項1に記載
    の角速度センサ。
  4. 【請求項4】 音叉片の検知部を形成する金属板に複数
    の貫通孔を有する請求項1に記載の角速度センサ。
  5. 【請求項5】 駆動部の共振周波数と検知部の共振周波
    数とが異なり、かつ前記検知部の共振周波数を前記駆動
    部の共振周波数より大きくした請求項1に記載の角速度
    センサ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007266632A (ja) * 2002-01-11 2007-10-11 Ngk Insulators Ltd 圧電/電歪デバイス
JP2007300140A (ja) * 2001-09-11 2007-11-15 Ngk Insulators Ltd 圧電/電歪デバイス

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007300140A (ja) * 2001-09-11 2007-11-15 Ngk Insulators Ltd 圧電/電歪デバイス
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