JP2666505B2 - 角速度センサ駆動装置 - Google Patents
角速度センサ駆動装置Info
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- JP2666505B2 JP2666505B2 JP2023140A JP2314090A JP2666505B2 JP 2666505 B2 JP2666505 B2 JP 2666505B2 JP 2023140 A JP2023140 A JP 2023140A JP 2314090 A JP2314090 A JP 2314090A JP 2666505 B2 JP2666505 B2 JP 2666505B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はセラミック圧電素子を音叉構造に接合した振
動型角速度センサの駆動装置に関する。
動型角速度センサの駆動装置に関する。
従来の技術 近年角速度が検出できる角速度センサの実用化が進ん
でおり、たとえばビデオカメラに角速度センサを取りつ
け、手ぶれによる撮影画面の揺れを、角速度センサの出
力によりレンズ位置を変えて補正する方式など実用化さ
れている。とくに圧電素子を音叉構造に接合した振動型
角速度センサはその応答速度や感度の面で優れており、
今後の幅広い活用が期待されている。
でおり、たとえばビデオカメラに角速度センサを取りつ
け、手ぶれによる撮影画面の揺れを、角速度センサの出
力によりレンズ位置を変えて補正する方式など実用化さ
れている。とくに圧電素子を音叉構造に接合した振動型
角速度センサはその応答速度や感度の面で優れており、
今後の幅広い活用が期待されている。
従来の振動型角速度センサの駆動装置について図面に
基づいて説明する。第６図は従来の角速度センサ駆動装
置の構成を示す回路ブロック図であり、第１の増幅器
（１）と、整流器（２）と、平滑回路（３）と、第２の
増幅器（４）で構成される駆動部分と、第３の増幅器
（５）と、同期検波器（６）と、ローパスフィルタ
（７）とで構成される検知部分とからなり、音叉構造振
動型角速度センサ（９）に接続されている。つぎに構造
要素の互いの関連動作を説明する。
基づいて説明する。第６図は従来の角速度センサ駆動装
置の構成を示す回路ブロック図であり、第１の増幅器
（１）と、整流器（２）と、平滑回路（３）と、第２の
増幅器（４）で構成される駆動部分と、第３の増幅器
（５）と、同期検波器（６）と、ローパスフィルタ
（７）とで構成される検知部分とからなり、音叉構造振
動型角速度センサ（９）に接続されている。つぎに構造
要素の互いの関連動作を説明する。
音叉構造振動型角速度センサ（９）は、第１の増幅器
（１）と、第１の増幅器（１）の出力荷電を整流する整
流器（２）と、この整流器（２）の出力電圧を平滑する
平滑回路（３）と、平滑回路（３）の出力電圧値によっ
て第１の増幅器（１）からの出力電圧を増幅する増幅度
が変化する第２の増幅器（４）とによって一定振幅に制
御されて音叉振動している。音叉構造振動型角速度セン
サ（９）に角速度が加わると角速度信号は第３の増幅器
（５）で増幅および位相シフトされ、同期検波器（６）
で検波され、さらにローパスフィルタ（７）にて平滑，
増幅されて出力される。
（１）と、第１の増幅器（１）の出力荷電を整流する整
流器（２）と、この整流器（２）の出力電圧を平滑する
平滑回路（３）と、平滑回路（３）の出力電圧値によっ
て第１の増幅器（１）からの出力電圧を増幅する増幅度
が変化する第２の増幅器（４）とによって一定振幅に制
御されて音叉振動している。音叉構造振動型角速度セン
サ（９）に角速度が加わると角速度信号は第３の増幅器
（５）で増幅および位相シフトされ、同期検波器（６）
で検波され、さらにローパスフィルタ（７）にて平滑，
増幅されて出力される。
発明が解決しようとする課題 しかしながら従来の振動型角速度センサの駆動回路で
は角速度出力が零のときにセンサが加わる角速度が零な
のか、センサ素子自体が故障なのかまたはセンサの駆動
回路が故障なのかがわからなかった。
は角速度出力が零のときにセンサが加わる角速度が零な
のか、センサ素子自体が故障なのかまたはセンサの駆動
回路が故障なのかがわからなかった。
本発明は上記、課題に留意し角速度センサ駆動回路内
部に故障の自己診断ができる機能を有する角速度センサ
駆動装置を提供しようとするものである。
部に故障の自己診断ができる機能を有する角速度センサ
駆動装置を提供しようとするものである。
課題を解決するための手段 本発明の上記目的を達成するために、音叉構造の振動
型角速度センサと、モニター用圧電素子の出力電荷を入
力信号として増幅し、この出力電圧によって駆動用圧電
素子を駆動することにより振動型角速度センサを音叉共
振させる第１の増幅器と、前記第1,第２の検知用圧電素
子の出力を入力とし角速度に比例した電圧を出力する第
２の増幅器と、第１の増幅器の出力を第1,第２の検知用
圧電素子のいずれか一方もしくは両方に接続できるスイ
ッチ素子とを具備し、このスイッチ素子により第１の増
幅器の出力を、検知用圧電素子に接続することにより、
角速度センサが正常動作しているかどうかを、第２の増
幅器の出力により確認できる手段を有するものである。
型角速度センサと、モニター用圧電素子の出力電荷を入
力信号として増幅し、この出力電圧によって駆動用圧電
素子を駆動することにより振動型角速度センサを音叉共
振させる第１の増幅器と、前記第1,第２の検知用圧電素
子の出力を入力とし角速度に比例した電圧を出力する第
２の増幅器と、第１の増幅器の出力を第1,第２の検知用
圧電素子のいずれか一方もしくは両方に接続できるスイ
ッチ素子とを具備し、このスイッチ素子により第１の増
幅器の出力を、検知用圧電素子に接続することにより、
角速度センサが正常動作しているかどうかを、第２の増
幅器の出力により確認できる手段を有するものである。
作用 上記構成の本発明の角速度センサ駆動装置により、角
速度センサを音叉振動させている第１の増幅器の出力電
圧を、検知用圧電素子に印加することが可能となる。一
方検知用圧電素子は物理的なひずみを与えることにより
角速度に比例した電荷を発生させることができるが、逆
に前述のように電圧を印加すると物理的なひずみを生じ
る。検知用圧電素子は音叉の振動方向と90゜の角度で取
付けられているため、ここに音叉振動と同一周波数の電
圧を印加すればセンサの上端部には楕円運動が生じる。
この楕円運動は、正常動作時に発生させることができる
ので楕円運動によって生じた検知用圧電素子の出力を第
２の増幅器で増幅すれば、角速度センサおよび駆動回路
が正常に動作しているかどうかが検出できることにな
る。
速度センサを音叉振動させている第１の増幅器の出力電
圧を、検知用圧電素子に印加することが可能となる。一
方検知用圧電素子は物理的なひずみを与えることにより
角速度に比例した電荷を発生させることができるが、逆
に前述のように電圧を印加すると物理的なひずみを生じ
る。検知用圧電素子は音叉の振動方向と90゜の角度で取
付けられているため、ここに音叉振動と同一周波数の電
圧を印加すればセンサの上端部には楕円運動が生じる。
この楕円運動は、正常動作時に発生させることができる
ので楕円運動によって生じた検知用圧電素子の出力を第
２の増幅器で増幅すれば、角速度センサおよび駆動回路
が正常に動作しているかどうかが検出できることにな
る。
実施例 以下本発明による角速度センサ駆動装置の一実施例を
図面に基づいて説明する。
図面に基づいて説明する。
まず音叉構造振動型角速度センサについて第３〜第５
図を用いて説明する。
図を用いて説明する。
角速度センサは第３図に示すような構造であり、主に
４つの圧電バイモルフからなる駆動素子、モニター素
子、第１及び第２の検知素子で構成され、駆動素子（10
1）と第１の検知素子（103）を接合部（105）で直交接
合した第１の振動ユニット（109）と、モニター素子（1
02）と第２の検知素子（104）と接合部（106）で直交接
合した第２の振動ユニット（110）とを連結板（107）で
連結し、この連結板（107）を支持棒（108）で一点支持
した音叉構造となっている。
４つの圧電バイモルフからなる駆動素子、モニター素
子、第１及び第２の検知素子で構成され、駆動素子（10
1）と第１の検知素子（103）を接合部（105）で直交接
合した第１の振動ユニット（109）と、モニター素子（1
02）と第２の検知素子（104）と接合部（106）で直交接
合した第２の振動ユニット（110）とを連結板（107）で
連結し、この連結板（107）を支持棒（108）で一点支持
した音叉構造となっている。
駆動素子（101）に正弦波電圧信号を与えると、逆圧
電効果により第１の振動ユニット（109）が振動を始
め、音叉振動により第２の振動ユニット（110）も振動
を開始する。したがってモニター素子（102）の圧電効
果によって素子表面に発生する電荷は駆動素子（101）
へ印加している正弦波電圧信号に比例する。このモニタ
ー素子（102）に発生する電荷を検出し、これが一定振
幅になるように駆動素子（101）へ印加する正弦波電圧
信号をコントロールすることにより安定した音叉振動を
得ることができる。このセンサが角速度に比例した出力
を発生させるメカニズムを第４図及び第５図を用いて説
明する。
電効果により第１の振動ユニット（109）が振動を始
め、音叉振動により第２の振動ユニット（110）も振動
を開始する。したがってモニター素子（102）の圧電効
果によって素子表面に発生する電荷は駆動素子（101）
へ印加している正弦波電圧信号に比例する。このモニタ
ー素子（102）に発生する電荷を検出し、これが一定振
幅になるように駆動素子（101）へ印加する正弦波電圧
信号をコントロールすることにより安定した音叉振動を
得ることができる。このセンサが角速度に比例した出力
を発生させるメカニズムを第４図及び第５図を用いて説
明する。
第４図は第３図に示した角速度センサを上からみたも
ので、速度υで振動している検知素子（103）に角速度
ωの回転が加わると、検知素子（103）には『コリオリ
の力』が生じる。この『コリオリの力』は速度υに垂直
で大きさは2mυωである。（ｍは検知素子（103）の先
端の等価質量である）検知素子（103）は音叉振動をし
ているので、ある時点で検知素子（103）が速度υで振
動しているとすれば、検知素子（104）は速度−υで振
動しており『コリオリの力』は−2mυωである。よって
検知素子（103），（104）は第５図のように互いに『コ
リオリの力』が働く方向に変形し、素子表面には圧電効
果によって電荷が生じる。ここでυは音叉振動によって
生じる運動であり、音叉振動が υ＝ａ・sinω0t a:音叉振動の振幅 ω0:音叉振動の周期 であるとすれば、『コリオリの力』は Fc＝ａ・ω・sinω0t となり、角速度ωおよび音叉振幅ａに比例しており、検
知素子（103），（104）を面方向に変形させる力とな
る。したがって検知素子（103），（104）の表面電荷量
Ｑは Ｑ∝ａ・ω・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 となり検知素子（103），（104）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
ω0t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
えても検知素子（103）と検知素子（104）の２つの素子
表面には同極性の電荷が生ずるため、直流信号に変換
時、互に打ち消しあって出力は出ないようになっている
以上、圧電バイモルフ素子で説明したが、一般の圧電素
子でも同様の機能を有することは言うまでもない。
ので、速度υで振動している検知素子（103）に角速度
ωの回転が加わると、検知素子（103）には『コリオリ
の力』が生じる。この『コリオリの力』は速度υに垂直
で大きさは2mυωである。（ｍは検知素子（103）の先
端の等価質量である）検知素子（103）は音叉振動をし
ているので、ある時点で検知素子（103）が速度υで振
動しているとすれば、検知素子（104）は速度−υで振
動しており『コリオリの力』は−2mυωである。よって
検知素子（103），（104）は第５図のように互いに『コ
リオリの力』が働く方向に変形し、素子表面には圧電効
果によって電荷が生じる。ここでυは音叉振動によって
生じる運動であり、音叉振動が υ＝ａ・sinω0t a:音叉振動の振幅 ω0:音叉振動の周期 であるとすれば、『コリオリの力』は Fc＝ａ・ω・sinω0t となり、角速度ωおよび音叉振幅ａに比例しており、検
知素子（103），（104）を面方向に変形させる力とな
る。したがって検知素子（103），（104）の表面電荷量
Ｑは Ｑ∝ａ・ω・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 となり検知素子（103），（104）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
ω0t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
えても検知素子（103）と検知素子（104）の２つの素子
表面には同極性の電荷が生ずるため、直流信号に変換
時、互に打ち消しあって出力は出ないようになっている
以上、圧電バイモルフ素子で説明したが、一般の圧電素
子でも同様の機能を有することは言うまでもない。
第１図は本発明の角速度センサ駆動装置の一実施例で
あり、従来例と同一機能を有するものには同一符号を付
し説明を省略する。
あり、従来例と同一機能を有するものには同一符号を付
し説明を省略する。
第１図に示すように、スイッチ素子（10）と、抵抗
（11）が構成として追加されている。なおローパスフィ
ルタ（７）は、そのカットオフ周波数は使用される周波
数よりも充分低く設定されている。
（11）が構成として追加されている。なおローパスフィ
ルタ（７）は、そのカットオフ周波数は使用される周波
数よりも充分低く設定されている。
音叉構造振動型角速度センサ（９）の音叉振動の制御
は従来例で説明した通りであり、モニタ用圧電バイモル
フ素子の表面電荷を増幅する第１の増幅器（１）と、こ
の第１の増幅器（１）の出力電圧を整流する整流器
（２）と、この整流器（２）の出力電圧を平滑する平滑
回路（３）と、この平滑回路（３）の出力電圧値が高く
なると増幅度が低下し平滑回路（３）の出力電圧値が低
くなると増幅度が高くなる第２の増幅器（４）とによっ
て駆動用圧電バイモルフ素子に印加される電圧振幅が制
御されて音叉振動は一定振幅となる。
は従来例で説明した通りであり、モニタ用圧電バイモル
フ素子の表面電荷を増幅する第１の増幅器（１）と、こ
の第１の増幅器（１）の出力電圧を整流する整流器
（２）と、この整流器（２）の出力電圧を平滑する平滑
回路（３）と、この平滑回路（３）の出力電圧値が高く
なると増幅度が低下し平滑回路（３）の出力電圧値が低
くなると増幅度が高くなる第２の増幅器（４）とによっ
て駆動用圧電バイモルフ素子に印加される電圧振幅が制
御されて音叉振動は一定振幅となる。
第1,第２の検知用圧電バイモルフ素子の表面電極には
印加される角速度に応じて電荷が生じ、この電荷は第３
の増幅器（５）で増幅され同期検波器（６）で音叉振動
の周期で検波されて角速度に比例した電圧となり、ロー
パスフィルタ（７）によって増幅されて角速度電圧出力
として出力される。
印加される角速度に応じて電荷が生じ、この電荷は第３
の増幅器（５）で増幅され同期検波器（６）で音叉振動
の周期で検波されて角速度に比例した電圧となり、ロー
パスフィルタ（７）によって増幅されて角速度電圧出力
として出力される。
スイッチ素子（10）は、第1,第２の検知用圧電バイモ
ルフ素子の一方に抵抗（11）を介して音叉振動の電圧を
印加するものである。第２図に角速度センサ（９）を上
部から見た図を示す。ベクトルV1は音叉振動によって生
じており、これに対し一方の検知用圧電バイモルフ素子
（103）に音叉振動の電圧を印加すると、ベクトルV2が
生じる。ベクトルV1とV2は同一周波数の正弦波であるか
らV1とV2の合成によりセンサの先端は楕円運動となる。
音叉振動の電圧を印加してない検知用圧電バイモルフ素
子（104）にも、音叉構造による振動の伝達によりV2'の
ベクトルが生じる。このV2'によって生じる電荷量を第
３の増幅器（５）で増幅し、同期検波器（６）で検波
し、ローパスフィルタ（７）によって増幅した後の電圧
をチェックすれば、角速度センサ（９）を構成する全て
の素子およびその駆動回路を構成する全ての回路ブロッ
クのいずれか１つにでも、異常があれば前述の楕円運動
が発生しないか、振幅が変わるので電圧差が発生するた
め、故障が検出できることになる。すなわちスイッチ素
子（10）を切りかえるだけで、故障の自己診断ができる
ことになる。また、音叉振動の電圧をスイッチ素子（1
0）で検知用圧電素子に印加する代わりに、別の音叉振
動と同じ周波数のパルス電圧出力回路の出力を印加して
も同効果は得られることは明白であり、周波数が異なっ
ても、ベクトルV2は発生し、動作確認は可能と言える。
ルフ素子の一方に抵抗（11）を介して音叉振動の電圧を
印加するものである。第２図に角速度センサ（９）を上
部から見た図を示す。ベクトルV1は音叉振動によって生
じており、これに対し一方の検知用圧電バイモルフ素子
（103）に音叉振動の電圧を印加すると、ベクトルV2が
生じる。ベクトルV1とV2は同一周波数の正弦波であるか
らV1とV2の合成によりセンサの先端は楕円運動となる。
音叉振動の電圧を印加してない検知用圧電バイモルフ素
子（104）にも、音叉構造による振動の伝達によりV2'の
ベクトルが生じる。このV2'によって生じる電荷量を第
３の増幅器（５）で増幅し、同期検波器（６）で検波
し、ローパスフィルタ（７）によって増幅した後の電圧
をチェックすれば、角速度センサ（９）を構成する全て
の素子およびその駆動回路を構成する全ての回路ブロッ
クのいずれか１つにでも、異常があれば前述の楕円運動
が発生しないか、振幅が変わるので電圧差が発生するた
め、故障が検出できることになる。すなわちスイッチ素
子（10）を切りかえるだけで、故障の自己診断ができる
ことになる。また、音叉振動の電圧をスイッチ素子（1
0）で検知用圧電素子に印加する代わりに、別の音叉振
動と同じ周波数のパルス電圧出力回路の出力を印加して
も同効果は得られることは明白であり、周波数が異なっ
ても、ベクトルV2は発生し、動作確認は可能と言える。
発明の効果 以上説明より明らかなように、本発明は音叉構造の振
動型角速度センサに故障が生じた場合、もしくはその駆
動回路に故障が生じた場合に、ただちにその故障の発生
を検出できるものである。
動型角速度センサに故障が生じた場合、もしくはその駆
動回路に故障が生じた場合に、ただちにその故障の発生
を検出できるものである。
第１図は本発明の角速度センサ駆動装置の一実施例を示
すブロック図、第２図は同実施例の動作を説明するため
の角速度センサの説明図、第３図は音叉構造の振動型角
速度センサの斜視図、第４図および第５図は同センサの
動作説明図、第６図は従来の角速度センサ駆動装置のブ
ロック図である。 １……第１の増幅器、２……整流器、３……平滑回路、
４……第２の増幅器、５……第３の増幅器、６……位相
検波器、７……ローパスフィルタ、９……角速度セン
サ、10……スイッチ素子、101……駆動素子、102……モ
ニター素子（第２の駆動素子）、103……第１の検知素
子、104……第２の検知素子、105,106……結合部（第１
の接合部材）、107……連結板（第２の接合部材）、109
……第１の振動ユニット、110……第２の振動ユニッ
ト。
すブロック図、第２図は同実施例の動作を説明するため
の角速度センサの説明図、第３図は音叉構造の振動型角
速度センサの斜視図、第４図および第５図は同センサの
動作説明図、第６図は従来の角速度センサ駆動装置のブ
ロック図である。 １……第１の増幅器、２……整流器、３……平滑回路、
４……第２の増幅器、５……第３の増幅器、６……位相
検波器、７……ローパスフィルタ、９……角速度セン
サ、10……スイッチ素子、101……駆動素子、102……モ
ニター素子（第２の駆動素子）、103……第１の検知素
子、104……第２の検知素子、105,106……結合部（第１
の接合部材）、107……連結板（第２の接合部材）、109
……第１の振動ユニット、110……第２の振動ユニッ
ト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 和光 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−226621（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−148412（ＪＰ，Ｕ)
Claims (2)
- 【請求項１】駆動用圧電素子と第１の検知用圧電素子と
を互に直交接合してなる第１の振動ユニット、およびモ
ニター用圧電素子と第２の検知用圧電素子とを互に直交
接合してなる第２の振動ユニットからなり、かつ前記第
1,第２の振動ユニットを検知軸に沿って互に平行になる
ように前記駆動用圧電素子と前記モニター用圧電素子の
自由端どうしを連結板で連結して音叉構造とした振動型
角速度センサと、前記モニター用圧電素子の出力電荷を
入力信号として増幅し、この出力電圧によって前記駆動
用圧電素子を駆動することにより前記振動型角速度セン
サを音叉共振させる第１の増幅器と、前記第１および第
２の検知用圧電素子の出力を入力とする第２の増幅器
と、前記第１の増幅器の出力を前記第１および第２の検
知用圧電素子のいずれか一方もしくは両方に接続できる
スイッチ素子とを具備し、前記第１の増幅器の出力を前
記検知用圧電素子に接続することにより前記第２の増幅
器の出力から前記角速度センサの動作確認ができるよう
に構成した角速度センサ駆動装置。 - 【請求項２】第1,第２の検知用圧電素子のいずれか一方
もしくは両方にパルス電圧を印加する回路を有する請求
項１記載の角速度センサ駆動装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023140A JP2666505B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 角速度センサ駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023140A JP2666505B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 角速度センサ駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03226620A JPH03226620A (ja) | 1991-10-07 |
| JP2666505B2 true JP2666505B2 (ja) | 1997-10-22 |
Family
ID=12102255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023140A Expired - Fee Related JP2666505B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 角速度センサ駆動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2666505B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012230052A (ja) * | 2011-04-27 | 2012-11-22 | Denso Corp | 振動子駆動回路 |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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- 1990-01-31 JP JP2023140A patent/JP2666505B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH03226620A (ja) | 1991-10-07 |
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