JP3036137B2 - Angular velocity sensor - Google Patents

Angular velocity sensor

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JP3036137B2
JP3036137B2 JP3209192A JP20919291A JP3036137B2 JP 3036137 B2 JP3036137 B2 JP 3036137B2 JP 3209192 A JP3209192 A JP 3209192A JP 20919291 A JP20919291 A JP 20919291A JP 3036137 B2 JP3036137 B2 JP 3036137B2
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二郎 寺田
寛 竹中
正晴 牛原
俊彦 市瀬
雅己 田村
純威 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、振動部材を用いたジャ
イロスコープや角速度センサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyroscope and an angular velocity sensor using a vibration member.

【0002】[0002]

【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ジャイロが主に使われていた。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an inertial navigation device using a gyroscope, a mechanical gyro has been mainly used as a method for finding the direction of a moving object such as an airplane or a ship.

【0003】これらは、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った。
[0003] Although these can obtain a stable orientation, they are mechanical, so that the apparatus is large, the cost is high, and it has been difficult to apply them to equipment for which miniaturization is desired.

【0004】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ない振動とな
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
点であり、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第23巻第257号239−
350P)。
On the other hand, there is a vibration type angular velocity sensor which detects Coriolis force from a vibrating sensing element by vibrating an object without using a rotational force. Many are of a structure that employs piezoelectric and electromagnetic mechanisms. These are vibrations in which the motion of the mass constituting the gyro is not a constant speed motion. Therefore, when an angular velocity is applied, the Coriolis force is generated as a vibration torque having a frequency equal to the frequency of the mass. Measuring the angular velocity by detecting the vibration due to the torque is the origin of the vibration type angular velocity sensor, and many sensors using a piezoelectric body have been devised in particular (Journal of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 23, No. 257, 239). −
350P).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記の原理に基づく構
成による角速度センサが発明されているが、下記のよう
な課題があった。
An angular velocity sensor having a configuration based on the above principle has been invented, but has the following problems.

【0006】音叉振動型センサでは、検知部と駆動部と
が金属板で一体化し、折曲げた構造のセンサがある。こ
れらは、温度変化を与えると、検知部と駆動部とが折曲
げられている部分で可動し、直交角度が、変化したりす
るために、これらの要因により、広い温度範囲でオフセ
ット出力変動が少ないセンサが得られなかった。
In the tuning fork vibration type sensor, there is a sensor having a structure in which a detection unit and a drive unit are integrated with a metal plate and bent. When a temperature change is applied, the detection unit and the drive unit move at a bent portion, and the orthogonal angle changes. Therefore, these factors cause an offset output variation in a wide temperature range. Few sensors could be obtained.

【0007】さらには、直交角度が変化せず、高精度を
得るために、金属ブロックを削り出して、製作したもの
がある。
Further, in order to obtain high accuracy without changing the orthogonal angle, a metal block is cut out and manufactured.

【0008】これらは、直交角度が変化せず、温度特性
も優れているが、製造コストが高いなどの欠点があっ
た。
[0008] These do not change the orthogonal angle and have excellent temperature characteristics, but have drawbacks such as high manufacturing cost.

【0009】本発明はかかる点に鑑みてなされたもの
で、広い温度範囲で温度特性に優れ、かつ安価な角速度
センサを得ることを目的としている。
The present invention has been made in view of the foregoing, and has as its object to obtain an inexpensive angular velocity sensor having excellent temperature characteristics over a wide temperature range.

【0010】[0010]

【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、駆動素子と検知素子とをほぼ直交配置し
てなる振動部材を上記駆動素子側において結合すること
により音叉振動部材を構成し、かつ上記振動部材を、平
板状の金属板のほぼ中央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部から中間部に向って設けたス
リットによりほぼ直角に折曲げるとともに、その折曲げ
部の両側の面に圧電素子を貼付けることにより構成した
ものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a tuning fork vibrating member by connecting a vibrating member having a driving element and a detecting element arranged substantially orthogonally to each other on the driving element side. And the above-mentioned vibrating member is bent at a substantially right angle by a slit provided from a widthwise end toward an intermediate portion so as to be staggered in a longitudinal direction at a substantially central portion of a flat metal plate. This is configured by attaching piezoelectric elements to both sides of the bent portion.

【0011】[0011]

【作用】上記の構成により、駆動素子を振動させた時、
駆動素子の中央と検知素子の中央とが一直線上で一致さ
せることができるので、音叉振動させた時、検知素子は
重量バランスがとれ、捩れて振動することがなく、たと
え音叉振動部材が、温度特性を持っていても、検知素子
が捩れて振動することがないので、検知素子部より不要
な信号成分が生じることなく広い温度範囲において、出
力オフセット信号変動の小さい角速度センサが得られる
のである。
According to the above configuration, when the driving element is vibrated,
Since the center of the driving element and the center of the sensing element can be aligned on a straight line, when the tuning fork is vibrated, the sensing element is balanced in weight and does not twist and vibrate. Even if it has characteristics, the sensing element does not twist and vibrate, so that an angular velocity sensor with a small output offset signal fluctuation over a wide temperature range without generating unnecessary signal components from the sensing element portion can be obtained.

【0012】[0012]

【実施例】図1,図2は本発明による角速度センサの一
実施例を示す構造図であり、音叉振動系について以下に
述べる。
1 and 2 are structural views showing an embodiment of an angular velocity sensor according to the present invention. A tuning fork vibration system will be described below.

【0013】まず、センサの振動部分の構造より説明す
る。図2において、1,2は振動部材で、この振動部材
1,2は、Fe,Niを主体とした平板状の金属板3,
4のほぼ中央部において長手方向に互い違いとなるよう
に幅方向の端部から中間部に向って設けたスリットによ
りほぼ直角に折曲げるとともに、その折曲げ部3a,4
aの両側の面に圧電セラミックスの両面にAg電極を設
けた圧電素子5,6を貼付けることにより構成されてい
る。そして振動部材1,2には、折曲げ部3a,4aを
境にして上部が検知素子となり、下部が駆動素子とな
り、この検知素子と駆動素子とがほぼ直交配置されてい
る。
First, the structure of the vibration part of the sensor will be described. In FIG. 2, reference numerals 1 and 2 denote vibration members, and the vibration members 1 and 2 are flat metal plates 3 mainly made of Fe and Ni.
4 are bent substantially at right angles by slits provided from the ends in the width direction toward the intermediate portion so as to be staggered in the longitudinal direction at substantially the center, and the bent portions 3a, 4
The piezoelectric elements 5 and 6 provided with Ag electrodes on both sides of the piezoelectric ceramic are attached to both sides of the element a. The upper and lower portions of the vibrating members 1 and 2 serve as detecting elements, and the lower portions of the vibrating members 1 and 4a serve as driving elements. The detecting elements and the driving elements are arranged substantially orthogonal to each other.

【0014】また、圧電素子5,6は、振動部材1,2
に、エポキシ接着剤にて接着されて一体に接合され、さ
らに圧電素子5,6の片面は、電気的にも導通されてい
る。
The piezoelectric elements 5 and 6 include vibration members 1 and 2
The piezoelectric elements 5 and 6 are electrically connected to each other by bonding with an epoxy adhesive.

【0015】次に、このようにして得られた図2に示す
左右一対の振動部材1,2が図1に示すように、金属ブ
ロック7によって平行になるように保持されて音叉振動
部材が構成されている。この金属ブロック7は中央部に
穴が空いており、支持棒8により支持されている。
Next, as shown in FIG. 1, the pair of left and right vibrating members 1 and 2 obtained as described above is held in parallel by a metal block 7 to constitute a tuning fork vibrating member. Have been. The metal block 7 has a hole at the center and is supported by a support rod 8.

【0016】また、振動部材1,2は駆動素子側におい
て電極ブロックに結合されている。そして、上記支持棒
8は、端子ベース9に固定されている。
The vibrating members 1 and 2 are connected to the electrode block on the driving element side. The support rod 8 is fixed to the terminal base 9.

【0017】この端子ベース9はFeを主体とし、リー
ド端子10,11,12,13,14,15と支持棒8
とが絶縁ガラス16,17,18,19,20,21,
22を介して植設されている。リード端子10,12,
13は、2箇所の圧電素子5,6からの電気信号を外部
に導き取り出す端子である。
The terminal base 9 is mainly composed of Fe, and the lead terminals 10, 11, 12, 13, 14, 15 and the support rod 8 are provided.
And insulating glass 16, 17, 18, 19, 20, 21,
22 are implanted. Lead terminals 10, 12,
Reference numeral 13 denotes a terminal for guiding electric signals from the two piezoelectric elements 5 and 6 to the outside.

【0018】また、リードワイヤ23,24,25,2
6は、圧電素子5,6とリード端子10,12,13と
を接続するためのものである。
The lead wires 23, 24, 25, 2
Reference numeral 6 is for connecting the piezoelectric elements 5 and 6 to the lead terminals 10, 12, and 13.

【0019】27はFeを主体とした缶キャップ27
で、端子ベース9の外周縁が溶接により接合され、角速
度センサとしている。
Reference numeral 27 denotes a can cap 27 mainly composed of Fe.
Thus, the outer peripheral edge of the terminal base 9 is joined by welding to form an angular velocity sensor.

【0020】以上のように構成された本実施例の角速度
センサについて、以下その動作概要を説明する。
The outline of the operation of the angular velocity sensor of the present embodiment configured as described above will be described below.

【0021】まず、音叉振動部材を駆動するには、振動
部材1または2に設けた駆動素子側の圧電素子6の一方
に、たとえばリード端子13側の圧電素子に交流信号を
印加すると、この圧電素子6は振動を開始し、振動部材
1,2は、支持棒8を中心に対称な音叉振動を始める。
この音叉振動は、振動している系に角速度を加えると物
理的な力(コリオリの力)が作用し、振動部材1,2に
設けた検知素子側の圧電素子5により、角速度信号を検
出することができる。一般に音叉振動を有する音叉は、
音叉の構成素材である圧電素子5,6や、振動部材1,
2等の総合的な性能で決まる。
First, in order to drive the tuning fork vibrating member, an AC signal is applied to one of the piezoelectric elements 6 on the driving element side provided on the vibrating member 1 or 2, for example, to the piezoelectric element on the lead terminal 13 side. The element 6 starts vibrating, and the vibrating members 1 and 2 start symmetric tuning fork vibration around the support rod 8.
In this tuning fork vibration, when an angular velocity is applied to a vibrating system, a physical force (Coriolis force) acts, and an angular velocity signal is detected by the piezoelectric element 5 on the detecting element side provided on the vibration members 1 and 2. be able to. Generally, a tuning fork having tuning fork vibration
The piezoelectric elements 5 and 6, which are constituent materials of the tuning fork, and the vibrating members 1 and
It is determined by overall performance such as 2.

【0022】次に、上記実施例を基に、従来例のもの
と、その特性評価を比較した結果について説明する。な
お、比較した従来の角速度センサは、検知部と駆動部が
同一の金属板で、金属板側部で、折曲げたものである。
Next, based on the above embodiment, the result of comparing the characteristic evaluation with the conventional example will be described. In the comparative conventional angular velocity sensor, the detection unit and the driving unit are the same metal plate, and are bent at the side of the metal plate.

【0023】図3は本発明と従来例との温度−オフセッ
ト出力特性を比較したものである。この図3によると、
−40℃〜85℃の温度変化を与え、温度オフセット変
化の比較をすると、本発明の実施例の方が、約1/5と
オフセット出力値の変化が少ないことが判明した。
FIG. 3 compares the temperature-offset output characteristics of the present invention and the conventional example. According to FIG.
When a temperature change of −40 ° C. to 85 ° C. was given and the temperature offset change was compared, it was found that the example of the present invention had a smaller change in the offset output value of about 1/5.

【0024】また、前述した実施例と従来例の角速度セ
ンサとを、センサ感度,オフセット出力について、−4
0℃〜85℃の温度で100サイクルの繰返し温度衝撃
を加え、前と後の特性を比較したところ、本実施例のも
のは、繰返し温度衝撃範囲内において、感度変化1/2
以下、オフセット出力変化1/5以下が得られた。
Further, the above-described embodiment and the conventional angular velocity sensor are compared with each other in terms of sensor sensitivity and offset output by -4.
When 100 cycles of repeated temperature shocks were applied at a temperature of 0 ° C. to 85 ° C., and the characteristics before and after were compared, the example of this example showed a sensitivity change of に お い て within the range of the repeated temperature shocks.
Hereinafter, an offset output change of 1/5 or less was obtained.

【0025】なお、本発明は、実施例として、音叉振動
部材の中央部を金属ブロックにて保持し、支持した構造
のセンサについて、説明したが、音叉中央部がU字型の
音叉振動部材で一体化し、金属ブロック7がない音叉構
造においても、同様の効果が得られる。
Although the present invention has been described with reference to a sensor having a structure in which the central portion of the tuning fork vibration member is held and supported by a metal block as an embodiment, the central portion of the tuning fork is a U-shaped tuning fork vibration member. The same effect can be obtained even in a tuning fork structure integrated with no metal block 7.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、音
叉振動させた時、検知素子部は、中央での重量バランス
性がとれるため、検知素子が捩れて振動することがな
く、検知素子の不要振動成分が低減され、広い温度範囲
で、かつ急激な温度変化に対し、特性変化のない安定し
た角速度センサが得られるものである。さらに、金属板
の折曲げ加工で可能なことから、低コスト化を図ること
ができる。
As described above, according to the present invention, when the tuning fork is vibrated, the sensing element portion has a good weight balance at the center, so that the sensing element does not twist and vibrate, and the sensing element does not vibrate. The unnecessary vibration component is reduced, and a stable angular velocity sensor with no characteristic change over a wide temperature range and a sudden temperature change can be obtained. Furthermore, since the metal plate can be bent, cost reduction can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例による角速度センサを示す分
解斜視図
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】同センサの振動部材を示す斜視図FIG. 2 is a perspective view showing a vibration member of the sensor.

【図3】本発明のセンサと従来のセンサの温度−オフセ
ット出力特性図
FIG. 3 is a temperature-offset output characteristic diagram of a sensor of the present invention and a conventional sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 振動部材 3,4 金属板 3a,4a 折曲げ部 5,6 圧電素子 1, 2 vibrating member 3, 4 metal plate 3a, 4a bent portion 5, 6 piezoelectric element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市瀬 俊彦 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 田村 雅己 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 吉田 純威 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2−163611(JP,A) 特開 昭61−180107(JP,A) 実開 平2−88109(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 19/56 G01P 9/04 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Toshihiko Ichise 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. No. (72) Inventor Junsei Yoshida 1006 Kadoma, Kazuma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-2-163611 (JP, A) JP-A-61-180107 (JP, A) ) Actually Opened Hei 2-88109 (JP, U) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】駆動素子と検知素子とをほぼ直交配置して
なる振動部材を上記駆動素子側において結合することに
より音叉振動部材を構成し、かつ上記振動部材を、平板
状の金属板のほぼ中央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部から中間部に向って設けたスリ
ットによりほぼ直角に折曲げるとともに、その折曲げ部
の両側の面に圧電素子を貼付けることにより構成した角
速度センサ。
A tuning fork vibrating member is formed by connecting a vibrating member having a driving element and a detecting element arranged substantially orthogonally to each other on the driving element side, and the vibrating member is substantially formed of a flat metal plate. Structurally formed by slitting at approximately the right angle with slits provided from the widthwise end to the middle so that they are staggered in the longitudinal direction at the center, and pasting piezoelectric elements on both sides of the bent part Angular velocity sensor.
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