JP2785429B2 - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
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- JP2785429B2 JP2785429B2 JP2077854A JP7785490A JP2785429B2 JP 2785429 B2 JP2785429 B2 JP 2785429B2 JP 2077854 A JP2077854 A JP 2077854A JP 7785490 A JP7785490 A JP 7785490A JP 2785429 B2 JP2785429 B2 JP 2785429B2
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- piezoelectric element
- electrode
- angular velocity
- driving
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はジャイロスコープ、特に圧電素子振動を用い
た角速度センサに関するものである。
た角速度センサに関するものである。
従来の技術 従来、ジャイロスコープを用いた慣性航法装置として
飛行機、船舶のような移動する物体の方位を知る方法と
して機械式の回転ジャイロが主に使われている。
飛行機、船舶のような移動する物体の方位を知る方法と
して機械式の回転ジャイロが主に使われている。
これは安定した方位が得られるが機械式であることか
ら装置が大がかりであり、コストも高く、小型化が望ま
れる機器への応用は困難である。
ら装置が大がかりであり、コストも高く、小型化が望ま
れる機器への応用は困難である。
一方、回転力を使わずに物体を振動させて、振動され
た検知素子から『コリオリの力』を検出する振動型角速
度センサがある。多くは圧電式と電磁式のメカニズムを
採用している構造のものである。これらはジャイロを構
成する質量の運動が一定速度の運動ではなく振動になっ
ている。従って角速度が加わった場合、コリオリの力
は、質量の振動数と等しい振動数の振動トルクとして生
じるものである。このトルクによる振動を検出すること
によって角速度を測定するのが振動型角速度センサの原
理であり、特に圧電体を用いたセンサが多く考案されて
いる。（日本航空宇宙学会誌23巻第257号339−350ペー
ジ） 上記の原理に基づく角速度センサの構造を第３図に示
す。第３図において、１は検知用圧電素子、２は結合部
材、３は駆動用圧電素子であり、この駆動用圧電素子３
と検知用圧電素子１とは結合部材２により互いに直交さ
せて接合することによりセンサ素子が構成されている。
そして、この一対のセンサ素子を、前記駆動用圧電素子
３の端部において、弾性結合部材４により音叉構造とな
るように接合することにより、音叉素子が構成されてい
る。さらに、この音叉素子は、弾性結合部材４のほぼ中
心部に一端が結合される支持ピン５により支持されてベ
ース６上に取付けられている。
た検知素子から『コリオリの力』を検出する振動型角速
度センサがある。多くは圧電式と電磁式のメカニズムを
採用している構造のものである。これらはジャイロを構
成する質量の運動が一定速度の運動ではなく振動になっ
ている。従って角速度が加わった場合、コリオリの力
は、質量の振動数と等しい振動数の振動トルクとして生
じるものである。このトルクによる振動を検出すること
によって角速度を測定するのが振動型角速度センサの原
理であり、特に圧電体を用いたセンサが多く考案されて
いる。（日本航空宇宙学会誌23巻第257号339−350ペー
ジ） 上記の原理に基づく角速度センサの構造を第３図に示
す。第３図において、１は検知用圧電素子、２は結合部
材、３は駆動用圧電素子であり、この駆動用圧電素子３
と検知用圧電素子１とは結合部材２により互いに直交さ
せて接合することによりセンサ素子が構成されている。
そして、この一対のセンサ素子を、前記駆動用圧電素子
３の端部において、弾性結合部材４により音叉構造とな
るように接合することにより、音叉素子が構成されてい
る。さらに、この音叉素子は、弾性結合部材４のほぼ中
心部に一端が結合される支持ピン５により支持されてベ
ース６上に取付けられている。
７は駆動用圧電素子３の両面に相対するように形成し
た駆動用電極、8a,8bはこの駆動用電極７の外側に配設
されるように駆動用圧電素子３に形成した信号引出線用
電極で、前記検知用圧電素子１の電極から引出したリー
ドワイヤ９が接続され、検知用圧電素子１からのリード
引出しが行われる。
た駆動用電極、8a,8bはこの駆動用電極７の外側に配設
されるように駆動用圧電素子３に形成した信号引出線用
電極で、前記検知用圧電素子１の電極から引出したリー
ドワイヤ９が接続され、検知用圧電素子１からのリード
引出しが行われる。
10はこの駆動用電極7,信号引出線8a,8bとベース６に
植設したリードピン11とを接続するリードワイヤであ
る。
植設したリードピン11とを接続するリードワイヤであ
る。
以上のように構成された従来の角速度センサを動作さ
せるには、まず一対の駆動用圧電素子３を駆動するため
に対向している内側の面を共通電極とし、それぞれ外側
の面の駆動用電極７との間に交流信号を印加する。信号
を印加された駆動用圧電素子３は弾性結合部材４を中心
にして対称な振動を始める、いわゆる音叉振動である。
せるには、まず一対の駆動用圧電素子３を駆動するため
に対向している内側の面を共通電極とし、それぞれ外側
の面の駆動用電極７との間に交流信号を印加する。信号
を印加された駆動用圧電素子３は弾性結合部材４を中心
にして対称な振動を始める、いわゆる音叉振動である。
速度υで振動している検知用圧電素子１に角速度ωの
回転が加わると、検知用圧電素子１には『コリオリの
力』が生ずる。この『コリオリの力』は速度υに垂直で
大きさは2mυωである。音叉振動をしているので、ある
時点で一方の検知用圧電素子１が速度υで振動している
とすれば、他方の検知用圧電素子１は速度−υで振動し
ており、『コリオリの力』は−2mυωである。一対の検
知用圧電素子１には、互いに逆向きの『コリオリの力』
が働き、互いに逆向きの方向に変形し、素子表面には圧
電効果によって電荷が生じる。一対のセンサ素子は『コ
リオリの力』による発生電荷が、互いに加算されるよう
に結線されている。
回転が加わると、検知用圧電素子１には『コリオリの
力』が生ずる。この『コリオリの力』は速度υに垂直で
大きさは2mυωである。音叉振動をしているので、ある
時点で一方の検知用圧電素子１が速度υで振動している
とすれば、他方の検知用圧電素子１は速度−υで振動し
ており、『コリオリの力』は−2mυωである。一対の検
知用圧電素子１には、互いに逆向きの『コリオリの力』
が働き、互いに逆向きの方向に変形し、素子表面には圧
電効果によって電荷が生じる。一対のセンサ素子は『コ
リオリの力』による発生電荷が、互いに加算されるよう
に結線されている。
それゆえ、このセンサに角速度以外の並進運動を与え
ても一対の検知用圧電素子１の表面には同極性の電荷が
生ずるため、互に打ち消しあって出力は出ないように構
成されている。
ても一対の検知用圧電素子１の表面には同極性の電荷が
生ずるため、互に打ち消しあって出力は出ないように構
成されている。
ここでυは音叉振動によって生じる速度であり、音叉
振動速度が υ＝υ０・sinω0t υ0:音叉振動速度振幅 ω0:音叉振動の角周期 であるとすれば、『コリオリの力』は、 Fc＝2m・υ０・ω・sinω0t となり、角速度ω及び音叉振動速度υ０に比例してお
り、検知用圧電素子１をそれぞれ面方向に変形させる力
となる。従って、検知用圧電素子１の表面電荷量Qcは、 Qc∝υ０・ω・sinω0t となり音叉振動速度振幅υ０が一定にコントロールされ
ているとすれば Qc∝ω・sinω0t となり、検知用圧電素子１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る。
振動速度が υ＝υ０・sinω0t υ0:音叉振動速度振幅 ω0:音叉振動の角周期 であるとすれば、『コリオリの力』は、 Fc＝2m・υ０・ω・sinω0t となり、角速度ω及び音叉振動速度υ０に比例してお
り、検知用圧電素子１をそれぞれ面方向に変形させる力
となる。従って、検知用圧電素子１の表面電荷量Qcは、 Qc∝υ０・ω・sinω0t となり音叉振動速度振幅υ０が一定にコントロールされ
ているとすれば Qc∝ω・sinω0t となり、検知用圧電素子１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る。
検知用圧電素子１には上記の『コリオリの力』の他に
『駆動慣性力』により変形が生じる。これを第４図およ
び第５図を用いて説明する。
『駆動慣性力』により変形が生じる。これを第４図およ
び第５図を用いて説明する。
第４図は検知用圧電素子１と駆動用圧電素子３とを上
から見た図である。検知用圧電素子１と、駆動用圧電素
子３とは、互いに直交していることが望ましいが、組立
精度の問題で第４図に示すように直角からずれている。
そのため第５図に示すように駆動用圧電素子３の振動に
起因する変形が検知用圧電素子１に生ずる。『駆動慣性
力』とは、駆動により発生する慣性力であり、検知用圧
電素子１と、駆動用圧電素子３との直交度がずれている
ときに検知用圧電素子１に変形を生じさせる力である。
検知用圧電素子１の変形は駆動用圧電素子３の変位に比
例し、又直交からのずれ角をθとすればsinθに比例す
る。従って、検知用圧電素子１の表面電荷量Qaは、 Qa∝υ0/ω０・sin（ω0t・π/2）・sinθ となり、音叉振動速度振幅υ０および駆動振動角周波数
ω０が一定にコントロールされているとすれば、 Qa∝sin（ω0t−π/2）・sinθ となり、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Qaはそ
の大きさは直交からのずれ角θによるが、その位相は
『コリオリの力』による検知用圧電素子１に発生する表
面電荷量Qcとπ/2だけずれている。
から見た図である。検知用圧電素子１と、駆動用圧電素
子３とは、互いに直交していることが望ましいが、組立
精度の問題で第４図に示すように直角からずれている。
そのため第５図に示すように駆動用圧電素子３の振動に
起因する変形が検知用圧電素子１に生ずる。『駆動慣性
力』とは、駆動により発生する慣性力であり、検知用圧
電素子１と、駆動用圧電素子３との直交度がずれている
ときに検知用圧電素子１に変形を生じさせる力である。
検知用圧電素子１の変形は駆動用圧電素子３の変位に比
例し、又直交からのずれ角をθとすればsinθに比例す
る。従って、検知用圧電素子１の表面電荷量Qaは、 Qa∝υ0/ω０・sin（ω0t・π/2）・sinθ となり、音叉振動速度振幅υ０および駆動振動角周波数
ω０が一定にコントロールされているとすれば、 Qa∝sin（ω0t−π/2）・sinθ となり、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Qaはそ
の大きさは直交からのずれ角θによるが、その位相は
『コリオリの力』による検知用圧電素子１に発生する表
面電荷量Qcとπ/2だけずれている。
従って、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量（Qc
＋Qa）をω0tで同期検波すれば、角速度ωに比例した直
流信号が得ることができる。
＋Qa）をω0tで同期検波すれば、角速度ωに比例した直
流信号が得ることができる。
同期検波の方法を第６図を用いて説明する。第６図で
は、通過−反転増幅器を用いて矩形波と掛け算を行なう
方式を示している。『コリオリの力』により発生した信
号成分は直流成分として残るが、『駆動慣性力』により
発生した不要信号成分は同期検波によりキャンセルされ
る。
は、通過−反転増幅器を用いて矩形波と掛け算を行なう
方式を示している。『コリオリの力』により発生した信
号成分は直流成分として残るが、『駆動慣性力』により
発生した不要信号成分は同期検波によりキャンセルされ
る。
また、それぞれの駆動用圧電素子３上の駆動用電極７
には、それぞれの駆動用圧電素子３の変形に応じて電荷
が発生するが、駆動用電極７とはその形状を対称にし、
面積を等しくしているので、発生電荷は等しいから、差
動入力により、信号処理することで、発生電荷をキャン
セルしている。
には、それぞれの駆動用圧電素子３の変形に応じて電荷
が発生するが、駆動用電極７とはその形状を対称にし、
面積を等しくしているので、発生電荷は等しいから、差
動入力により、信号処理することで、発生電荷をキャン
セルしている。
発明が解決しようとする課題 上記の構成による角速度センサには、下記のような課
題があった。
題があった。
検知用圧電素子１の幅は1.6mm、駆動用圧電素子３の
幅は2.5mmと狭いので、直交組立において、直交精度を
高めることは、難しい作業である。例えば、検知用圧電
素子１の幅の両端で0.1mmの勾配ができれば、それで直
交誤差は３゜35′となる。
幅は2.5mmと狭いので、直交組立において、直交精度を
高めることは、難しい作業である。例えば、検知用圧電
素子１の幅の両端で0.1mmの勾配ができれば、それで直
交誤差は３゜35′となる。
直交誤差が大きいと、『駆動慣性力』により発生する
不要信号成分は大きくなり、信号処理に使っている通過
−反応増幅器の信号増幅率の直線性が保たれる6Vppを超
えてしまう。
不要信号成分は大きくなり、信号処理に使っている通過
−反応増幅器の信号増幅率の直線性が保たれる6Vppを超
えてしまう。
また、駆動用圧電素子３上の２本の信号引出線用電極
８は、互いに面積が等しくなるように設計しているが、
ばらつきを生じ、その差だけが、上記の不要信号成分に
重畳される。
８は、互いに面積が等しくなるように設計しているが、
ばらつきを生じ、その差だけが、上記の不要信号成分に
重畳される。
従って、正しく角速度成分だけを抽出することができ
なくなってしまっていた。
なくなってしまっていた。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、不要信号
成分が6Vpp以下というように低減され、信号処理によっ
て正しく角速度成分だけを抽出することのできる角速度
センサを得ることを目的としている。
成分が6Vpp以下というように低減され、信号処理によっ
て正しく角速度成分だけを抽出することのできる角速度
センサを得ることを目的としている。
課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するために、駆動用圧電素
子の信号引出線として用いる電極の有効面積を調整した
ものである。
子の信号引出線として用いる電極の有効面積を調整した
ものである。
作用 上記の構成により不要信号成分が6Vpp以下となり、信
号処理によって正しく角速度成分だけを抽出することの
できる角速度センサを得ることが可能となる。
号処理によって正しく角速度成分だけを抽出することの
できる角速度センサを得ることが可能となる。
実施例 第１図は本発明による角速度センサの一実施例を示す
斜視図である。第１図において、第３図と同一部分につ
いては同一番号を付している。12a,12bは信号引出線用
電極8a,8bの一部に設けられかつリード配線用と調整用
を兼ねた電極取出部、13は電極取出部12a,12bの一部を
取除いたトリミング部である。
斜視図である。第１図において、第３図と同一部分につ
いては同一番号を付している。12a,12bは信号引出線用
電極8a,8bの一部に設けられかつリード配線用と調整用
を兼ねた電極取出部、13は電極取出部12a,12bの一部を
取除いたトリミング部である。
角速度検出の原理は、従来例と同じなので省略し、信
号用電極の面積を調整することで、『駆動慣性力』によ
り発生した不要信号成分をキャンセルできることを説明
する。
号用電極の面積を調整することで、『駆動慣性力』によ
り発生した不要信号成分をキャンセルできることを説明
する。
信号引出線用電極8aからの信号と信号引出線用電極8b
からの信号は差動で受けるので、電極8aでの発生電荷と
検知用圧電素子１の電極8aに接続された面（以降ａ面と
いう）での発生電荷との和と、電極8bでの発生電荷と検
知用圧電素子１の電極8bに接続された面（以降ｂ面とい
う）での発生電荷との和との差が、不要信号成分とな
る。信号線引出線用電極8a,8bの電極取出部12a,12bをレ
ーザにより焼取って面積を調整、すなわちトリミングす
ることで、不要信号成分を規定量以下にすることができ
る。
からの信号は差動で受けるので、電極8aでの発生電荷と
検知用圧電素子１の電極8aに接続された面（以降ａ面と
いう）での発生電荷との和と、電極8bでの発生電荷と検
知用圧電素子１の電極8bに接続された面（以降ｂ面とい
う）での発生電荷との和との差が、不要信号成分とな
る。信号線引出線用電極8a,8bの電極取出部12a,12bをレ
ーザにより焼取って面積を調整、すなわちトリミングす
ることで、不要信号成分を規定量以下にすることができ
る。
駆動用圧電素子３が変形した状態での各電極の電荷発
生の状態を説明する。検知用圧電素子１と、駆動用圧電
素子３との直交度のずれは、電極8a側が鋭角の場合と、
鋭角の場合とがある。まず、電極8a側が鋭角の場合を考
える。
生の状態を説明する。検知用圧電素子１と、駆動用圧電
素子３との直交度のずれは、電極8a側が鋭角の場合と、
鋭角の場合とがある。まず、電極8a側が鋭角の場合を考
える。
第２図に示すように、駆動用圧電素子３が内側の共通
電極側に傾いた時は、外側の信号電極側は伸び正電荷が
発生する。検知用圧電素子１はａ面側に傾き、その面側
は縮み、負電荷を発生する。ｂ面側は伸び、正電荷を発
生する。従って、電極8bの電極面積をトリミングすれば
良いことになる。反対に、駆動用圧電素子３が外側の信
号電極側に傾いた時は、信号電極側は縮み負電荷が発生
する。検知用圧電素子１はｂ面側に傾き、その面側は縮
み、負電荷を発生する。また、ａ面側は伸び、正電荷を
発生する。従って、やはり、電極8bの電極面積をトリミ
ングすれば良く、検知用圧電素子１の変位量は駆動用圧
電素子３の変位量に比例するので、必要なトリニング量
は上述の反対側に傾いた時と同じである。
電極側に傾いた時は、外側の信号電極側は伸び正電荷が
発生する。検知用圧電素子１はａ面側に傾き、その面側
は縮み、負電荷を発生する。ｂ面側は伸び、正電荷を発
生する。従って、電極8bの電極面積をトリミングすれば
良いことになる。反対に、駆動用圧電素子３が外側の信
号電極側に傾いた時は、信号電極側は縮み負電荷が発生
する。検知用圧電素子１はｂ面側に傾き、その面側は縮
み、負電荷を発生する。また、ａ面側は伸び、正電荷を
発生する。従って、やはり、電極8bの電極面積をトリミ
ングすれば良く、検知用圧電素子１の変位量は駆動用圧
電素子３の変位量に比例するので、必要なトリニング量
は上述の反対側に傾いた時と同じである。
また、電極8a側が鈍角の場合、上述の内容とは対称
で、電極8aと、検知用圧電素子１のａ面とが同じ極性の
電荷を発生するので、電極8aをトリミングすれば良い。
で、電極8aと、検知用圧電素子１のａ面とが同じ極性の
電荷を発生するので、電極8aをトリミングすれば良い。
これらのことから、検知用圧電素子１と、駆動用圧電
素子３との交わる角度が、鈍角の側の信号引出線用電極
をトリミングすれば良いことがわかる。
素子３との交わる角度が、鈍角の側の信号引出線用電極
をトリミングすれば良いことがわかる。
通過−反転増幅器の信号増幅率の直線性が保たれるの
は、6Vppまでなので、不要信号成分が6Vpp以下となるよ
うにトリミングすれば、上述の信号処理によって正しく
角速度成分だけを抽出することができる。不要信号成分
を小さくすれば、通過−反転の際の誤差も小さくなるの
で、角速度検知の精度はますます上がり、周囲温度が変
化しても、安定した角速度検知が行える。
は、6Vppまでなので、不要信号成分が6Vpp以下となるよ
うにトリミングすれば、上述の信号処理によって正しく
角速度成分だけを抽出することができる。不要信号成分
を小さくすれば、通過−反転の際の誤差も小さくなるの
で、角速度検知の精度はますます上がり、周囲温度が変
化しても、安定した角速度検知が行える。
本実施例では調整用電極としての電極取出部12a,12b
を駆動用圧電素子３の固定端付近に置いているが、その
位置が、歪が大きいので、同一面積のトリミングによる
不要信号成分の調整効果が大となるからである。特に、
調整用電極を設ける必要はなく信号引出線用電極のいず
れの位置をトリミングしてもかまわない。また、調整の
精度を上げるためには結合部材の近くで歪の小さい所
（直近は逆に歪は大きくなっている）をトリミングすれ
ば良い。
を駆動用圧電素子３の固定端付近に置いているが、その
位置が、歪が大きいので、同一面積のトリミングによる
不要信号成分の調整効果が大となるからである。特に、
調整用電極を設ける必要はなく信号引出線用電極のいず
れの位置をトリミングしてもかまわない。また、調整の
精度を上げるためには結合部材の近くで歪の小さい所
（直近は逆に歪は大きくなっている）をトリミングすれ
ば良い。
また、本実施例では、両方の信号引出線用電極に調整
用電極を設けているが、一方の電極にだけ、調整用電極
を設け、直交組立でその電極側が最小鋭角となった時で
も、この調整用電極をトリミングすることで調整できる
ように面積を取っておけば、トリミング量を可変するだ
けで、トリミングする電極の選択をする必要はなくな
る。
用電極を設けているが、一方の電極にだけ、調整用電極
を設け、直交組立でその電極側が最小鋭角となった時で
も、この調整用電極をトリミングすることで調整できる
ように面積を取っておけば、トリミング量を可変するだ
けで、トリミングする電極の選択をする必要はなくな
る。
本実施例では、レーザにより、電極を焼取っている
が、ピンをはんだ付けの後、ピンごと電極を剥離させる
などいかなる方法で、電極をトリミングしてもかまわな
い。また、有効電極面積を調整することが目的なので、
加熱等により信号電極部分の圧電素子の分極を外すこと
によっても、本発明の目的は達せられる。
が、ピンをはんだ付けの後、ピンごと電極を剥離させる
などいかなる方法で、電極をトリミングしてもかまわな
い。また、有効電極面積を調整することが目的なので、
加熱等により信号電極部分の圧電素子の分極を外すこと
によっても、本発明の目的は達せられる。
発明の効果 以上説明したように本発明によれば、駆動用圧電素子
の信号引出線用電極の面積を調整することにより、不要
信号成分を規定値以下とできるので、信号処理によって
正しく角速度成分だけを抽出することができ、高精度，
耐環境温度変化に強い角度センサを得ることが可能とな
る。
の信号引出線用電極の面積を調整することにより、不要
信号成分を規定値以下とできるので、信号処理によって
正しく角速度成分だけを抽出することができ、高精度，
耐環境温度変化に強い角度センサを得ることが可能とな
る。
第１図は本発明の一実施例における角速度センサの斜視
図、第２図は同センサにおける電荷の発生状態を示す説
明図、第３図は従来の角速度センサの斜視図、第４図は
同センサの検知用圧電素子と駆動用圧電素子との上面
図、第５図は駆動慣性力の発生を示す説明図、第６図は
交流−直流変換の方法を説明するための説明図である。 １……検知用圧電素子、2,4……結合部材、３……駆動
用圧電素子、７……駆動用電極、8a,8b……信号引出線
用電極、12a,12b……電極取出部、13……トリミング
部。
図、第２図は同センサにおける電荷の発生状態を示す説
明図、第３図は従来の角速度センサの斜視図、第４図は
同センサの検知用圧電素子と駆動用圧電素子との上面
図、第５図は駆動慣性力の発生を示す説明図、第６図は
交流−直流変換の方法を説明するための説明図である。 １……検知用圧電素子、2,4……結合部材、３……駆動
用圧電素子、７……駆動用電極、8a,8b……信号引出線
用電極、12a,12b……電極取出部、13……トリミング
部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野津 幹雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 千田 博史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 寺田 二郎 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 昭63−290911（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−250309（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04
Claims (1)
- 【請求項１】駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを結合
部材により互に直交するように結合してセンサ素子を構
成し、前記駆動用圧電素子に設けた電極の一部を上記検
知用圧電素子からの信号引出線として用いるとともに、
その信号引出線用電極にこの電極の有効面積を調整する
調整部分を設けたことを特徴とする角速度センサ。
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| JP2077854A JP2785429B2 (ja) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | 角速度センサ |
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