JP3399150B2 - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
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Description
姿勢制御用などに用いられる角速度センサに関するもの
である。
する送信機に関するものである。
のは音叉形状をした圧電体に検知電極と駆動電極を設け
ており、前記駆動電極に電源から信号を供給することに
より前記圧電体を振動させ、この振動時において角速度
が加わるとコリオリ力により前記振動方向とは直交する
方向に圧電体が湾曲し、そのときに発生する電荷を検知
電極を介して導出する様に構成していた。
サでは、前記駆動電極から前記圧電体に供給される信号
の1部が前記駆動電極に対して容量結合してしまった検
知電極に流入してしまい、その結果、検知精度が低下し
てしまうという問題があった。すなわち、誘電体でもあ
る圧電体には上述の如く検知電極と駆動電極が設けられ
ているので両者間を少々離しても容量結合は避けられ
ず、どうしても前記駆動電極からの信号の一部が前記検
知電極側に誘電的に流入してしまうものであった。
ることを目的とするものである。
に本発明は、音叉形状をした圧電体と、この圧電体の音
叉アームに設けた検知電極および駆動電極と、前記駆動
電極に接続され、この駆動電極に駆動信号を供給する第
1の電源とを備え、前記音叉形状圧電体の開口部下方の
面には、前記検知電極に、前記第1の電源から駆動電極
に供給される信号とは位相がほぼ180度異なる信号を
供給するキャンセル電極を設けたものである。
駆動電極に供給される信号に対して前記キャンセル電極
から検知電極に供給される信号がほぼ180度位相が異
なるので、前記駆動電極から前記検知電極に誘電的に流
入しようとする信号は前記キャンセル電極から前記検知
電極に誘電的に流入しようとする信号によってキャンセ
ルされることとなり、この結果、前記検知電極はこれら
第1の電源による信号の影響を受けず、角速度に基づく
信号を正しく導出することとなり、その検知精度は極め
て高くなるのである。またキャンセル電極を音叉形状ア
ームの開口部下方に設けることにより、音叉アームの検
知電極と駆動電極を大きくすることができる。
4〜図7を用いて、その前程例を説明する。
この底板1上には金属角筒状のケース2が装着され、こ
れによりケース2内は密封空間となっている。この密封
空間内には音叉型をした圧電体3が設けられ、この圧電
体3の下端面はピン4により基台5を介して底板1上に
支持されている。前記圧電体3は図1〜図3に示す如く
左右に音叉アーム3a,3bを有しており、それぞれの
立壁面には各々3つの電極を有している。
極6を中心として左右に検知電極7,8が設けられ、ま
た、背面には駆動電極9を中心として左右に検知電極1
0,11が設けられ、さらに左側面には駆動電極12を
中心に前後に検知電極7,10が設けられ、さらにまた
右側面には駆動電極13を中心に前後に検知電極8,1
1が設けられている。
示す如く端子14を介して8kHzの正弦波信号が供給
されるようになっている。また前記駆動電極6,9には
端子15を介して同じく8kHzの正弦波信号が加えら
れるようになっているが、前記駆動電極12,13に供
給されるものとは位相が180度異なる。また、対角線
上の検知電極7,11は端子16に、検知電極8,10
は端子19に接続され、角速度信号はこれらの端子1
6,19を通して導出されるようになっている。
となっており、音叉アーム3a側と同一図番を付してい
るが、この音叉アーム3bは駆動振幅のモニタ側となっ
ているので、電極12,13,6,9は接続される端子
が音叉アーム3aとは異なる。すなわち音叉アーム3b
の電極12,13はモニタ用の端子17に接続され、電
極6,9はモニタ用の端子18に接続される。
接続され、さらにこの電流検出器20にはAGC調整器
21を介して端子14が接続されている。また、前記端
子19には電荷検出器22、同期検波器23、積分器2
4を介して出力端子25が接続されている。また、前記
電流検出器20はAGC比較器26を介してAGC調整
器21に接続されている。さらにこのAGC調整器21
の出力側には抵抗27、オペアンプ28のマイナス端子
およびその出力を介して端子15が接続されている。こ
のオペアンプ28のマイナス端子と出力端子間には可変
抵抗29が並列接続されている。
駆動電極12,13に正弦波の8kHzの駆動信号が印
加され、そのとき同時に前記端子15からは前記オペア
ンプ28で反転された180度位相が異なる駆動信号が
印加される。その状態を図2においては前記駆動電極1
2,13はD+、前記駆動電極6,9はD−(マイナ
ス)として表している。前記音叉アーム3aは駆動信号
が印加されると、この音叉アーム3a自体が8kHzの
自励共振点をもつものであるので、図2において左右に
振動することになる。すなわち、図2の如く前記音叉ア
ーム3aの各駆動電極12,13,6,9にD+,D−
が印加されると、図6の如くD+側からD−側への矢印
のような電気力線が形成され、これに呼応して前記音叉
アーム3aは前記駆動電極13側が縮み(図中、「ち」
と表現)、前記駆動電極12側が伸び(図中、「の」と
表現)、つまり外方に向けて湾曲することになる。図6
と図7はそれぞれ駆動用電極、検出用電極のみをわかり
やすく示したものであり、実際は両方の電極が音叉アー
ム3a,3b上に配置されている。
(図1の上下方向)の歪または応力と幅方向(図1の左
右方向)の電束密度または電界が極性を伴って相互変換
されるように形成されているので、図6の如く前記音叉
アーム3aにおいては前記駆動電極13から前記駆動電
極6,9に向けて電気力線が発生されると、この部分に
おいて軸方向の縮み現象(電界→歪変換)が起き、また
前記駆動電極12から前記駆動電極6,9に向けて上記
と反対側の電気力線が発生されると、この部分において
軸方向の伸び現象(電界→歪変換)が起き、この結果と
して前記音叉アーム3aは外方に向けて湾曲することに
なるのである。
ーム3bでの軸方向の伸び、縮み部分において前記音叉
アーム3aとは逆に幅方向の変位電流現象(歪→電束密
度変換)が起き、前記電極6,9,12,13から電流
信号がピックアップされ、前記端子17を基準に端子1
8、電流検出器20、AGC調整器21の自励発振ルー
プを介して正帰還がかかり、共振現象が誘起増幅され
る。
0の出力を一定に保つべく前記AGC調整器21に負帰
還をかけている。この様にして音叉アーム3a,3bは
一定の振幅で規則正しく振動をすることになる。
正しく振動している状況において、角速度が加わると、
コリオリ力により音叉アーム3a,3bはその音叉振動
方向とは直交する方向で互いに逆方向に振動する。そし
て、その角速度信号は図7に示す前記音叉アーム3a,
3bの検知電極8,10,7,11から導出され、前記
端子16を基準に端子19、電荷検出器22、同期検波
器23、積分器24を介して出力端子25から出力され
る。
すると、この図7に示す如く前記音叉アーム3aが下
方、前記音叉アーム3bが上方に振動した状態では前記
音叉アーム3aの図7における上辺側が伸び、下辺側が
縮み、また逆に前記音叉アーム3bの上辺側が縮み、下
辺側が伸びている。このとき、前記検知電極10から1
1、8から7への変位電流現象(歪→電束密度変換)が
起きる。したがって、矢印の起点の電極8,10を端子
19に、矢印の終点の電極7,11を端子16に接続し
て回路を構成し、前記端子16を基準に前記端子19か
ら電流に変換された角速度信号を電荷検出器22によっ
て積分し、電荷信号として取り出すのである。
記音叉アーム3a,3bの検知電極7,11を基準に前
記検知電極8,10から角速度信号を取り出すのである
が、この音叉アーム3aには前記駆動電極6,9,1
2,13から駆動信号が印加されており、電極間の容量
結合によりこの駆動信号の一部が前記検知電極8,10
に侵入し、仮に前記駆動電極が逆極性に構成されていな
ければ、この結果として角速度信号の精度が低下してし
まう恐れがある。ただし、前記音叉アーム3bの駆動電
極6,9は端子17,18を介してアース電位としてい
るので、前記検知電極7,11への容量結合は生じな
い。このことは音叉アームが圧電体であるような本前程
例では、圧電体は誘電体でもあるので容量結合が大き
く、この精度低下は特に顕著となる。
知電極8,10と誘電体(圧電材料)を介して両側に近
接された前記駆動電極6,9と12,13には位相が1
80度異なる互いに逆極性の駆動信号が印加され、その
結果、互いに打ち消し現象(キャンセル現象)が起き、
これにより検知信号の精度低下は起きなくなるのであ
る。尚、駆動信号の逆相印加はオペアンプ28を用いる
が、上記キャンセル現象をより精度の高いものとするた
めに可変抵抗29により調整が行われる。
ス側の駆動電極又はマイナス側の駆動電極の検知電極に
対する位置をキャンセル現象を最適化する様に設計した
り、さらにこれらの電極をレーザ等でトリミングするこ
とにより、調整することも出来る。
おいては音叉の開口部下方の側面にそれ専用のキャンセ
ル電極30を設け、このキャンセル電極30に図10に
示す如くオペアンプ28の出力である反転された駆動信
号をキャンセル信号として印加するものである。
ける音叉アーム3bは上記前程例とは異なり、その駆動
電極6,9に駆動信号が供給され、上記前程例と同じく
駆動信号が駆動電極12,13に供給される音叉アーム
3aと共に自励共振駆動力を発生させる。また、音叉ア
ーム3aの駆動電極6,9、音叉アーム3bの駆動電極
12,13はアース電位としているので、上記前程例の
ような自らのキャンセル現象を生じさせることが出来な
い。
別途設け、ここから供給する駆動信号に対して180度
位相が反転されたキャンセル信号により駆動信号の侵入
による検知信号の精度低下を防止しているのである。
30を開口部31の下方の側面に設けたこと、および、
その幅を開口部31の幅よりも小さくしたのは振動する
音叉アーム3a,3bの電極を少しでも大きくするため
と、このキャンセル電極30による電界で音叉アーム3
a,3bに不用意な振動を誘起させないためである。つ
まりここは振動の支点だからである。
0を圧電体3の最下辺の近傍に水平方向に設けると共に
左右の検知電極7の下辺部分を接続してキャンセル電極
30と水平に対向させたものである。
検知電極7に向かう電界は圧電体3の音叉アーム3a,
3bよりも下方でしかも軸方向に向かうことになる。こ
れは圧電体として水晶を利用した場合に最適であり、こ
の電界は機械軸方向を向くので機械駆動力を発生しな
い。したがって、音叉駆動の外乱とならない。
まで両側辺を下方に向かって広げるように傾斜させるこ
とにより駆動電極6、検知電極8に向かう両サイドの電
界ベクトルの方向を軸方向に向けるようにしてもよく、
また逆に上辺はそのままで下方に向かって両側辺を狭め
る様にして駆動電極6、検知電極8に向かう両サイドの
電界成分を大幅に減少させるようにしても良い。
圧電体と、この圧電体の音叉アームに設けた検知電極お
よび駆動電極と、前記駆動電極に接続され、この駆動電
極に駆動信号を供給する第1の電源とを備え、前記音叉
形状圧電体の開口部下方の面には、前記検知電極に、前
記第1の電源から駆動電極に供給される信号とは位相が
ほぼ180度異なる信号を供給するキャンセル電極を設
けたものである。
前記駆動電極に供給される信号に対して前記キャンセル
電極から検知電極に供給される信号がほぼ180度位相
が異なるので、前記駆動電極から前記検知電極に誘電的
に流入しようとする信号は前記キャンセル電極から前記
検知電極に誘電的に流入しようとする信号によってキャ
ンセルされることとなり、この結果、前記検知電極はこ
れら第1の電源による信号の影響を受けず、角速度に基
づく信号を正しく導出することとなり、その検知精度は
極めて高くなるのである。またキャンセル電極を音叉形
状アームの開口部下方に設けることにより、音叉アーム
の検知電極と駆動電極を大きくすることができる。
Claims (4)
- 【請求項1】 音叉形状をした圧電体と、この圧電体の
音叉アームに設けた検知電極および駆動電極と、前記駆
動電極に接続され、この駆動電極に駆動信号を供給する
第1の電源とを備え、前記音叉形状圧電体の開口部下方
の面には、前記検知電極に、前記駆動信号に対して18
0度位相が反転されたキャンセル信号を供給するキャン
セル電極を設けた角速度センサ。 - 【請求項2】 キャンセル電極は音叉形状圧電体の開口
部の幅よりも小さくした請求項1に記載の角速度セン
サ。 - 【請求項3】 キャンセル電極は音叉形状圧電体の下方
において水平方向に配置した請求項1に記載の角速度セ
ンサ。 - 【請求項4】 水平方向に配置されたキャンセル電極の
両側辺を傾斜させた請求項3に記載の角速度センサ。
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US20170059393A1 (en) | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Seiko Epson Corporation | Physical Quantity Detection Device, Manufacturing Method For Physical Quantity Detection Device, Electronic Apparatus, And Moving Object |
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- 1995-04-28 JP JP10549895A patent/JP3399150B2/ja not_active Expired - Fee Related
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