JP2666506B2 - 角速度センサ駆動装置 - Google Patents

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。

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。

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図は従来の振動型角速度センサ
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。つぎに構成
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）の出力電荷を整流する整
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駆動回路で
は角速度出力が零のときに、センサに加わる角速度が零
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をす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、その角速度センサの第1,第２の検知
用圧電素子の表面電極に生ずる電荷を入力とする増幅器
と、この増幅器の出力電圧を検波する第１の検波器と、
この増幅器の出力電圧を音叉振動周期数のタイミングに
よって同期検波する第２の検波器と、この第1,第２の検
波器の出力を切換えるスイッチ手段とを具備し、スイッ
チ手段をきりかえることにより第１の検波器の出力で、
センサや駆動回路の故障を診断し、第２の検波出力で角
速度成分の出力信号を得る手数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は、まず角
速度センサを駆動すると第1,第２の検知用圧電素子は音
叉振動するモニタ用圧電素子もしくは駆動用圧電素子と
は直交しているため、原理的には角速度信号が加わらな
ければ表面電極には電荷は生じない。しかし実際にはわ
ずかに音叉振動によるもれ電荷が生じる。このため音叉
構造の振動周波数にあわせた第２の検波器による同期検
波によってこのもれ電荷の影響を除外して角速度信号の
み出力することができる。これが、角速度センサとして
の出力信号となる。

一方、もれ電荷があるということを検知することによ
り、角速度センサが音叉振動していることがわかり、ま
た音叉振動させるための駆動回路も正常に動作している
ことがわかる。さらにもれ電荷が生ずるということは検
知用圧電素子も感度があり、その増幅器も動作している
ことがかるので、同期検波さず単に検波する第１の検波
器の出力により、センサや、駆動回路の故障を検出する
ことができる。この第１と第２の検波器の出力をスイッ
チ手段により切りかえることにより、角速度センサの出
力をうる従来の機能に加えて、角速度センサや駆動回路
の正常動作しているかどうかの自己診断ができる出力が
得られる。

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。

まず音叉構造振動型角速度センサについて第３図〜第
５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および第２の検知素子で構成され、駆動素子
（101）と第１の検知素子（103）を第１の接合部材であ
る接合部（105）で直交接合した第１の振動ユニット（1
09）と、モニター素子（102）と第２の検知素子（104）
を接合部（106）で直交接合した第２の振動ユニット（1
10）とを第２の接合部材である連結板（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。なお、モニター素子（102）は、一
定振幅制御が不要な場合は、第２の駆動素子として駆動
される。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図および第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−２υω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および音叉振動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∝ａ・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。

第１図に示すように第３の増幅器（５）の出力に接続
された検波器（10）と、同期検波器（６）と検波器（1
0）の出力をきりかえるスイッチ手段（11）が構成とし
て、追加されており、またローパスフィルタ（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。

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
の同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。

第３の増幅器（５）の出力電圧は角速度が零のときに
は、検知用バイモルフに生じるもれ電荷によって第２図
（ａ）の正弦波が生じる。この波形の周期は音叉振動の
周期と同じであり、同検波器（６）によって音叉振動の
周期で検波されると同図（ｃ）の波形となり、この波形
を平滑すればもれ電荷の影響は全て除外されてしまう。
第２図の（ｂ）は第１図の検波回路（10）によって検波
された出力であり、スイッチ手段（11）によって検波回
路（10）の出力をローパスフィルタ（７）に接続すれば
もれ電荷の量を測定できる。もれ電荷は音叉振動がなけ
れば零になり、また検知用バイモルフが動作していない
場合も、もれ電荷は零になる。第３の増幅器（５）、ロ
ーパスフィルタ（７）が故障の場合も同様であり、この
もれ電荷をチェックすることにより、角速度センサ
（９）およびその駆動回路のほとんどのブロックがチェ
ックできる。もれ電荷はセンサの組立上のバラツキによ
って生じるため、センサ１つ１つが全く異なる値をも
つ、したがって故障を検出するには使用するセンサの正
常動作時のもれ電荷を記憶しておき、一定時間ごとスイ
ッチ手段（11）を切換えて測定したもれ電荷量と比較す
ることにより、目的が達成される。なお、この自己診断
を正常時の値を記憶し、切換え時に自動的に故障を知ら
せることは容易に実現できる。

発明の効果 以上説明より明らかなように、本発明の角速度センサ
駆動装置は音叉構造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
だちにこの故障の発生を検出できる。

【図面の簡単な説明】

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
の波形図、第３図は音叉構造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……同期
検波器、７……ローパスフィルタ、９……角速度セン
サ、10……検波器、11……スイッチ素子、101……駆動
素子、102……モニター素子、103……第１の検知素子、
104……第２の検知素子、105,106……接合部（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３−226620（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−111110（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−212711（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−148412（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動用圧電素子、検知用圧電素子、前記駆
   動用圧電素子と前記検知用圧電素子とを振動方向が直交
   するように積み上げ接合する第１の接合部材および前記
   接合された素子の一対を音叉構造に接合する第２の接合
   部材とを具備した角速度センサと、前記検知用圧電素子
   の表面電極に発生する電荷を入力とした増幅器と、前記
   増幅器の出力電圧を検波する第１の検波器と、前記増幅
   器の出力電圧を前記音叉構造の音叉振動周波数のタイミ
   ングで同期検波する第２の検波器と、前記第１および第
   ２の検波器の出力を切りかえるスイッチ手段とを具備
   し、前記スイッチ手段を切りかえることにより前記角速
   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。