JP3769322B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の振動片を第１方向に励振しておき、コリオリ力によって生じる第１方向と直交する第２方向への一対の振動片の振動を検出して、第１及び第２方向と直交する軸線回りの角速度を検出する角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセンサは、例えば特開平２−３８９１７号公報に示されているように、連結片の両端に平行に延設した一対の振動片を設けるように振動子をＨ型に構成し、励振による漏れ振動が検出されるべき振動に影響を与えないようにするために、振動子をその重心位置にて支持するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の角速度センサにあっては、振動子が重心位置からあらゆる方向に同一形状をしているわけではないので、種々の漏れ振動が発生し、漏れ振動を充分になくすことができない。
【０００４】
【本発明の特徴】
本発明は上記問題に対処するためになされたもので、その第１の特徴は、
角速度の被検出物体に少なくともその一端を固定した支持片の中央部から横方向に延設した連結片と、該連結片の両端に上方に延設した左右一対の励振用振動片と同連結片の両端に下方に延設した検出用振動片とにより構成した振動体と、前記支持片の軸線と直交する第１方向に前記励振用振動片を励振させる励振手段と、前記支持片の軸線及び前記第１方向の双方に直交する第２方向のコリオリ力による前記検出用振動片の各振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段により検出された前記検出用振動片の振動により前記支持片の軸線回りの角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、前記励振手段による励振周波数を、前記検出手段による検出振動の周波数に近い領域にて前記励振用振動片の励振による漏れ振動の共振周波数に近い周波数に設定して、前記検出用振動片の一方の振動片にてコリオリ力と同一方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生し、同検出用振動片の他方の振動片にてコリオリ力と逆方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生するようにし、前記検出手段が前記検出用振動片の振動を表す信号を合算して出力するようにしたことにある。
【０００５】
上記構成においては、励振用振動片の励振による漏れ振動は一方の検出用振動片にてコリオリ力と同一方向に発生するとともに、他方の検出用振動片にてコリオリ力と逆方向に発生しているので、一対の検出用振動片のコリオリ力による各振動を表す電気信号を加算して取り出すようにすれば、一方の検出用振動片に発生している漏れ振動と他方の検出用振動片に発生している漏れ振動に関する各電気信号が打ち消されるとともに、コリオリ力による振動を表す大きな電気信号を取り出すことができる。したがって、この第１の特徴によれば、角速度の検出精度が良好になる。
【０００６】
また、本発明の第２の特徴は、角速度の被検出物体にその一端を固定した支持片の中央部から横方向に延設した連結片と、該連結片の両端に上方に延設した左右一対の励振用振動片と同連結片の両端に下方に延設した検出用振動片とにより構成した振動体と、前記支持片の軸線と直交する第１方向に前記励振用振動片を互いに逆相に励振させる励振手段と、前記支持片の軸線及び前記第１方向の双方に直交する第２方向のコリオリ力による前記検出用振動片の各振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段により検出された前記検出用振動片の振動により前記支持片の軸線回りの角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、前記励振手段による励振周波数を、前記検出手段による検出振動の周波数に近い領域にて前記励振用振動片の励振による漏れ振動の共振周波数に近い周波数に設定して、前記検出用振動片の一方の振動片にてコリオリ力と同一方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生し、同検出用振動片の他方の振動片にてコリオリ力と逆方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生するようにし、前記検出手段が前記検出用振動片の振動を表す信号を合算して出力するようにしたことにある。
【０００７】
上記構成においても、前記場合と同様に、検出用振動片にそれぞれ発生している漏れ振動を互いに打ち消すことができ、コリオリ力による振動を表す大きな電気信号を取り出すことができて、角速度の検出精度が良好になる。また、上記構成においては、励振手段が励振用振動片を互いに逆相に励振するので、コリオリ力による検出用振動片の振動も逆相に現れ、この検出用振動片による振動によって上記の支持片に位置する角速度センサの重心位置は移動しない。したがって、角速度センサに作用する角速度によって、支持片の自由端部が振動することはない。一方、励振手段によって励振用振動片に同相の漏れ振動が発生した場合には、角速度センサの重心位置が移動することになり、上記の支持片の自由端部は同重心位置の移動を抑制する方向、すなわち前記漏れ振動と逆相に振動する。この支持片の振動は前記漏れ振動の負荷となり、同漏れ振動を抑制するとともに、前記重心の移動の抑制により検出用振動片の漏れ振動が安定化する。この漏れ振動の安定化により、検出用振動片が均等な振幅で漏れ振動するようになるので、前述のような各検出用振動片の振動を表す電気信号の合成により、漏れ振動を互いに打ち消し易くなる。その結果、この第２の特徴によれば、より角速度の検出精度が良好になる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
ａ．第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る角速度センサを正面図により示している。この角速度センサは、金属材料で一体的に構成した振動体１０を備えている。振動体１０は、その下端と上端に設けた固定部１８，１９にて角速度の被検出物体に上下方向に固定した支持片１６，１７と、これら支持片１６，１７の中央部から横方向に延設した連結片１１と、同連結片１１の両端にて上下方向にそれぞれ延設した左右一対の振動片１２〜１５とによりＨ型振動子を構成している。
【０００９】
振動片１２，１３は励振用に設けられており、各振動片１２，１３の外側には連結片１１の近傍にて励振用の圧電素子２１，２２がそれぞれ添着されている。圧電素子２１，２２には所定の周波数で発振する発振源２３が接続されるようになっており、この発振源２３から供給される電気信号により、振動片１２，１３が紙面左右方向にそれぞれ振動するようになっている。振動片１４，１５は検出用に設けられており、各振動片１４，１５の正面側には連結片１１の近傍にて振動検出用の圧電素子２４，２５がそれぞれ添着されている。圧電素子２４，２５は振動片１４，１５の紙面垂直方向の各振動をそれぞれ表す各電気信号をそれぞれ取り出すもので、両圧電素子２４，２５には、前記各振動をそれぞれ表す各電気信号を入力して各電気信号の差信号を取り出す信号取り出し回路２６が接続されている。この信号取り出し回路２６はバンドパスフィルタ回路２７に接続されており、同フィルタ回路２７は予め決められた周波数帯域の電気信号のみを出力する。
【００１０】
上記のように構成した振動体１０において、発振源２３から圧電素子２１，２２に発振信号を付与することにより、振動片１２，１３を図２(Ａ)及び図３(Ａ)に示すように互いに紙面左右逆方向（逆相）にそれぞれ励振させると、振動片１４，１５も互いに紙面左右逆方向（逆相）に振動する。この場合、振動片１４，１５が図２(Ａ)に示すように振動片１２，１３と各逆方向（逆相）に振動する場合と、振動片１４，１５が図３(Ａ)に示すように振動片１２，１３と各同方向（同相）に振動する場合とがある。このような振動片１２，１３の振動に対する振動片１４，１５の振動モードは、振動体１０の材質、形状、寸法などにより決まる同振動体１０の左右方向の固有振動数と、発振源２３及び圧電素子２１，２２により励振される振動片１２，１３の励振周波数との関係により定まる。
【００１１】
このように振動片１４，１５を励振させた状態で、支持片１６，１７の軸線回りの角速度が振動体１０に作用すると、振動片１４，１５は図２(Ｂ)又は図３(Ｂ)に示すようにコリオリ力によって紙面垂直方向に同角速度の大きさに比例した振幅で振動し始める。なお、図示中、記号ｚ1は紙面に垂直な裏から表への振動片１２〜１５の変位を示しており、記号ｚ2は紙面に垂直な表から裏への振動片１２〜１５の変位を示しており、異なる記号ｚ1，ｚ2の組み合わせは互いに逆方向の振動（逆相振動）を意味しかつ同一な記号ｚ1，ｚ1（又はｚ2，ｚ2）の組み合わせは互いに同一方向の振動（同相振動）を意味する。
【００１２】
振動片１２〜１５を紙面左右方向に図２(Ａ)の振動モードで励振させた場合には、振動片１２と振動片１４の紙面左右方向の振動も、振動片１３と振動片１５の紙面左右方向の振動も互いに逆相であるので、振動片１２〜１５の前記コリオリ力による紙面垂直方向の振動は左右逆相かつ上下逆相となる。そして、この振動モードを本明細書では第１振動モードと呼び、この場合には、この第１振動モードの振動片１４，１５の振動が前記角速度の検出に利用される。また、振動片１２〜１５を紙面左右方向に図３(Ａ)の振動モードで励振させた場合には、振動片１２と振動片１４の紙面左右方向の振動も、振動片１３と振動片１５の紙面左右方向の振動も互いに同相であるので、振動片１２〜１５の前記コリオリ力による紙面垂直方向の振動は左右逆相かつ上下同相となる。そして、この振動モードを本明細書では第２振動モードと呼び、この場合には、この第２振動モードの振動片１４，１５の振動が前記角速度の検出に利用される。
【００１３】
一方、前記発振源２３及び圧電素子２１，２２による励振によって、振動片１２〜１５は前記角速度が作用しなくても紙面垂直方向に種々のモードで振動してしまう。この振動を本明細書では漏れ振動と呼び、この漏れ振動は角速度の検出精度を悪化させるものである。このような漏れ振動のうちで、本願発明において着目している漏れ振動は、図２(Ｃ)及び図３(Ｃ)に示すように、振動片１２〜１５の全てが紙面垂直の同一方向に同時に変位する振動モード（この振動モードを本明細書では第３振動モードという）であり、この漏れ振動は比較的大きなものである。
【００１４】
上記のような第１〜第３振動モードは、振動体１０の材質、形状、寸法などににより決まるものであって、同振動体１０が有する紙面垂直方向の種々の固有振動数に起因するものである。いま、振動体１０をＨ型振動子で構成するとともに各部の寸法を適当に定めることにより、図４に示すように、左右逆相かつ上下逆相の第１振動モード、左右及び上下同相の第３振動モード、及び左右逆相かつ上下同相の第２振動モードに対する各固有振動数ｆ1，ｆ3，ｆ2 がこの順に高くなるように設定する。
【００１５】
まず、第１振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に使う場合について説明する。発振源２３の発振周波数を固有振動数ｆ3の近傍に設定して、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動に伴う振動片１４，１５の紙面垂直方向の漏れ振動を第３振動モードに集中させる。この場合、振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数が高すぎるために振動片１４，１５が紙面垂直方向に第３振動モードで共振しなければ、連結片１１の近傍であって振動片１２，１３の各内側面の一部１２ａ，１３ａをそれぞれ削るようにする。また、振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数が低すぎるために振動片１４，１５が紙面垂直方向に第３振動モードで共振しなければ、振動片１４，１５の正面下端部に質量１４ａ，１５ａをそれぞれ付加するようにする。なお、質量１４ａ，１５ａの付加は、エポキシ樹脂の接着、金属の蒸着などにより行うとよい。このような振動片１２，１３の一部１２ａ，１３ａの削除又は振動片１４，１５への質量１４ａ，１５ａの付加により、振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数と振動片１４，１５の第３振動モードの振動周波数とを近づけることができ、互いの共振により、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動に伴う振動片１４，１５の紙面垂直方向の漏れ振動を第３振動モードに集中させることができる。
【００１６】
また、この場合、角速度の検出には振動片１４，１５の第１振動モードによる振動を利用しているので、角速度の検出感度を上げるために、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は第１振動モードの固有振動数ｆ1に近い方がよい。したがって、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は、振動片１４，１５の固有振動数ｆ3以下の近傍で、前記左右方向の振動により振動片１４，１５を第３振動モードで共振させる周波数に設定するとよい。当然ながら、発振源２３の発振周波数も前記紙面左右方向の振動周波数にほぼ等しく設定するとよい。また、バンドパスフィルタ２７の中心周波数は、第１振動モードの固有振動周波数ｆ1に設定するとよい。
【００１７】
次に、第２振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に使う場合について説明する。この場合も、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動に伴う振動片１４，１５の紙面垂直方向の漏れ振動を第３振動モードに集中させることは前記場合と同じである。一方、この場合には、角速度の検出感度を上げるために、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は第２振動モードの固有振動数ｆ2に近い方がよい。したがって、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は、振動片１４，１５の固有振動数ｆ3以上の近傍で、前記左右方向の振動により振動片１４，１５を第３振動モードで共振させる周波数に設定するとよい。この場合も、発振源２３の発振周波数も前記紙面左右方向の振動周波数にほぼ等しく設定するとよい。また、バンドパスフィルタ２７の中心周波数は、第２振動モードの固有振動周波数ｆ2に設定するとよい。
【００１８】
上記のように構成した角速度センサによれば、発振源２３及び圧電素子２１，２２により振動片１２，１３を励振させると、振動片１４，１５も図２(Ａ)又は図３(Ａ)のように励振される。この場合、前記励振による紙面垂直方向の漏れ振動は図２(Ｃ)又は図３(Ｃ)に示す第３振動モードに集中している。この第３振動モードでは、振動片１４，１５は同相に振動するので、圧電素子２４，２５は漏れ振動として同相の振動を検出し、同検出した振動を表す電気信号は信号取り出し回路２６に供給される。信号取り出し回路２６は圧電素子２４，２５からの各電気信号の差信号を出力するので、前記同相の漏れ信号は互いに打ち消される。一方、角速度の検出に用いられる紙面垂直方向の振動片１４，１５の振動は図２(Ｂ)又は図３(Ｂ)に示すような第１振動モード又は第２振動モードである。そして、この第１振動モードにおいても、第２振動モードにおいても、振動片１４，１５の紙面垂直方向の振動は逆相であり、圧電素子２４，２５により検出された振動片１４，１５の振動を表す各電気信号は互いに逆相になる。前記のように信号取り出し回路２６は入力した各電気信号の差信号を出力するので、前記各電気信号は合算されて大きな電気信号として出力される。その結果、上記第１実施形態に係る角速度センサによれば、角速度の検出精度が良好になる。
【００１９】
この角速度の検出精度が良好になったことを実験により確認すると、次のとおりである。上記第１実施形態のような形状の振動体１０において、発明者らは、振動片１２〜１５の紙面左右方向の励振による振動と同振動片１２〜１５の紙面垂直方向の第３振動モードの振動を共振させない場合（以下、従来例という）と、上記第１実施形態のように前記両振動を共振させた場合とで、ゼロ点ドリフト電圧の相違を比較した。前記両振動体１０の常温（２０℃）時における漏れ振動に対する出力電圧を電気的なレベルシフト操作によりゼロ点に調整した上で、振動体１０を８０℃の環境下において漏れ振動による出力電圧を測定したところ、前記従来例による角速度センサでは１．３Ｖの漏れ振動による出力電圧が観測された。これに対し、上記第１実施形態による角速度センサでは０．３Ｖの漏れ振動による出力電圧が観測された。したがって、この実験結果からも上記第１実施形態による角速度センサの検出精度が良好になったことが理解できる。
【００２０】
なお、上記第１実施形態においては、角速度検出に振動片１２〜１５の紙面垂直方向の第１又は第２振動モードを利用するとともに、漏れ振動を振動片１２〜１５の紙面垂直方向の第３振動モードに集中させるようにした。しかし、この発明では、振動片１４，１５の各振動を表す各電気信号を合成することにより、漏れ振動を表す電気信号を打ち消して取り出すとともに角速度に起因した振動を表す大きな電気信号を取り出すことにあるので、振動片１４，１５の一方でコリオリ力と同方向に漏れ振動が発生し、かつ他方でコリオリ力と逆方向に漏れ振動が発生するようにすればよい。
【００２１】
例えば、発振源２３及び圧電素子２１，２２によって振動片１２〜１５を紙面左右方向であって同一方向に励振するようにすれば、支持片１６，１７の軸線回りの角速度が作用した際には、コリオリ力により図２(Ｃ)及び図３(Ｃ)に示す第３振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に利用することになる。したがって、この場合には、発振源２３及び圧電素子２１，２２による励振に伴う漏れ振動を図２(Ｂ)の第１振動モード又は図３(Ｂ)の第２振動モードに集中させるようにすればよい。そして、信号取り出し回路２６としては、圧電素子２４，２５からの電気信号を加算して出力するようにすればよい。これにより、第１又は第２振動モードによる振動片１４，１５の振動を表す電気信号が打ち消されてしまうとともに、第３振動モードによる振動片１４，１５の振動を表す電気信号が大きな電気信号として取り出される。その結果、これによっても、上記第１実施形態と同様な効果を期待できる。
【００２２】
ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について図面を用いて説明すると、図５は同実施形態に係る角速度センサを正面図により示している。この角速度センサは、上記第１実施形態の固定部１８をなくして支持片１６の一端を自由端に構成し、同支持片１６を振動片１６Ａに代えたことを特徴としている。他の構成は上記第１実施形態と同じであり、発振源２３及び圧電素子２１，２２により振動片１２〜１５を図６(Ａ)又は図７(Ａ)に示すように紙面左右方向であって振動片１２，１３の組と振動片１４，１５の組が互いに逆相になるように励振し、図６(Ｂ)又は図７(Ｂ)に示すように上記第１又は第２振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に利用することも同じである。また、図６(Ｃ)又は図７(Ｃ)に示す第３振動モードの漏れ振動を前記振動片１２〜１５の励振に共振させて、漏れ振動を第３振動モードに集中させることも同じである。
【００２３】
このように構成した第２実施形態においても、第３振動モードによる漏れ振動を互いに電気的に打ち消し合うようにするとともに、第１又は第２振動モードによる振動を大きな電気信号として取り出すようにして、角速度の検出精度を良好にすることも上記第１実施形態と同じである。
【００２４】
さらに、この第２実施形態においては、角速度を検出するための第１又は第２振動モードによる振動片１２，１３の組と振動片１４，１５の組はそれぞれ逆相に振動するので、これらの振動によっては振動体１０の重心位置は移動しない（図８(Ａ)参照）。したがって、振動体１０に作用する角速度によって、振動片１６Ａが振動することはない。一方、第３振動モードによる振動片１２〜１５の振動はすべて同相であるので、振動体１０の重心位置が紙面垂直方向に移動することになり、振動片１６Ａは同重心位置の移動を抑制する方向、すなわち前記漏れ振動と逆相に振動する（図８(Ｂ)参照）。この振動片１６Ａの振動は前記漏れ振動の負荷となり、同漏れ振動を抑制するとともに、前記重心の移動の抑制により振動片１２〜１５の漏れ振動を安定化させる。この漏れ振動の安定化により、振動片１４，１５が均等な振幅で漏れ振動するようになるので、信号取り出し回路２６による振動片１４，１５の振動を表す電気信号の合成により、漏れ振動を互いに打ち消し易くなる。その結果、この第２実施形態によれば、角速度の検出精度がより良好になる。
【００２５】
また、この場合も、この角速度の検出精度が良好になったことを実験により確認すると、次のとおりである。上記第１実施形態と同様な条件で、この第２実施形態に係る角速度センサにおいて、振動体１０の常温（２０℃）時における漏れ振動に対する出力電圧を電気的なレベルシフト操作によりゼロ点に調整した上で、振動体１０を８０℃の環境下において漏れ振動による出力電圧を測定したところ、０．０６Ｖの漏れ振動による出力電圧が観測された。したがって、この実験結果からもこの第２実施形態による角速度センサの検出精度が極めて良好になったことが理解できる。
【００２６】
ｃ．その他の変形例
なお、上記第１及び第２実施形態においては、振動体１０をＨ型に構成するようにしたが、振動体１０の形状は一対の振動片を有するものであれば、Ｕ字型など種々の形状に変形させることもできる。
【００２７】
また、上記第１及び第２実施形態においては、振動体１０を金属材料で構成して、圧電素子２１，２２により振動片１２〜１５を励振するとともに圧電素子２４，２５により振動片１４，１５の振動を検出するようにしたが、振動体１０自体を圧電材料で構成するようにしてもよい。この場合、振動体１０を励振したり、振動体１０の振動を検出するために、上記圧電素子２１，２２，２４，２５に代えて導電材料で構成した励振用電極及び振動検出用電極を設けるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る角速度センサの正面図である。
【図２】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の一例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図３】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の他の例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図４】 振動体の各種振動モードを説明するための説明図である。
【図５】 本発明の第２実施形態に係る角速度センサの正面図である。
【図６】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の一例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図７】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の他の例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図８】 (Ａ)及び(Ｂ)は漏れ振動を抑制するための振動片の機能を説明するための各振動片の振動状態を説明するための作動説明図である。
【符号の説明】
１０…振動体、１１…連結片、１２〜１５，１６Ａ…振動片、１６，１７…支持片、１８，１９…固定部、２１，２２…励振用の圧電素子、２３…発振源、２４，２５…検出用の圧電素子、２６…信号取り出し回路、２７…バンドパスフィルタ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の振動片を第１方向に励振しておき、コリオリ力によって生じる第１方向と直交する第２方向への一対の振動片の振動を検出して、第１及び第２方向と直交する軸線回りの角速度を検出する角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセンサは、例えば特開平２−３８９１７号公報に示されているように、連結片の両端に平行に延設した一対の振動片を設けるように振動子をＨ型に構成し、励振による漏れ振動が検出されるべき振動に影響を与えないようにするために、振動子をその重心位置にて支持するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の角速度センサにあっては、振動子が重心位置からあらゆる方向に同一形状をしているわけではないので、種々の漏れ振動が発生し、漏れ振動を充分になくすことができない。
【０００４】
【本発明の特徴】
本発明は上記問題に対処するためになされたもので、その第１の特徴は、
角速度の被検出物体に少なくともその一端を固定した支持片の中央部から横方向に延設した連結片と、該連結片の両端に上方に延設した左右一対の励振用振動片と同連結片の両端に下方に延設した検出用振動片とにより構成した振動体と、前記支持片の軸線と直交する第１方向に前記励振用振動片を励振させる励振手段と、前記支持片の軸線及び前記第１方向の双方に直交する第２方向のコリオリ力による前記検出用振動片の各振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段により検出された前記検出用振動片の振動により前記支持片の軸線回りの角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、前記励振手段による励振周波数を、前記検出手段による検出振動の周波数に近い領域にて前記励振用振動片の励振による漏れ振動の共振周波数に近い周波数に設定して、前記検出用振動片の一方の振動片にてコリオリ力と同一方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生し、同検出用振動片の他方の振動片にてコリオリ力と逆方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生するようにし、前記検出手段が前記検出用振動片の振動を表す信号を合算して出力するようにしたことにある。
【０００５】
上記構成においては、励振用振動片の励振による漏れ振動は一方の検出用振動片にてコリオリ力と同一方向に発生するとともに、他方の検出用振動片にてコリオリ力と逆方向に発生しているので、一対の検出用振動片のコリオリ力による各振動を表す電気信号を加算して取り出すようにすれば、一方の検出用振動片に発生している漏れ振動と他方の検出用振動片に発生している漏れ振動に関する各電気信号が打ち消されるとともに、コリオリ力による振動を表す大きな電気信号を取り出すことができる。したがって、この第１の特徴によれば、角速度の検出精度が良好になる。
【０００６】
また、本発明の第２の特徴は、角速度の被検出物体にその一端を固定した支持片の中央部から横方向に延設した連結片と、該連結片の両端に上方に延設した左右一対の励振用振動片と同連結片の両端に下方に延設した検出用振動片とにより構成した振動体と、前記支持片の軸線と直交する第１方向に前記励振用振動片を互いに逆相に励振させる励振手段と、前記支持片の軸線及び前記第１方向の双方に直交する第２方向のコリオリ力による前記検出用振動片の各振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段により検出された前記検出用振動片の振動により前記支持片の軸線回りの角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、前記励振手段による励振周波数を、前記検出手段による検出振動の周波数に近い領域にて前記励振用振動片の励振による漏れ振動の共振周波数に近い周波数に設定して、前記検出用振動片の一方の振動片にてコリオリ力と同一方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生し、同検出用振動片の他方の振動片にてコリオリ力と逆方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生するようにし、前記検出手段が前記検出用振動片の振動を表す信号を合算して出力するようにしたことにある。
【０００７】
上記構成においても、前記場合と同様に、検出用振動片にそれぞれ発生している漏れ振動を互いに打ち消すことができ、コリオリ力による振動を表す大きな電気信号を取り出すことができて、角速度の検出精度が良好になる。また、上記構成においては、励振手段が励振用振動片を互いに逆相に励振するので、コリオリ力による検出用振動片の振動も逆相に現れ、この検出用振動片による振動によって上記の支持片に位置する角速度センサの重心位置は移動しない。したがって、角速度センサに作用する角速度によって、支持片の自由端部が振動することはない。一方、励振手段によって励振用振動片に同相の漏れ振動が発生した場合には、角速度センサの重心位置が移動することになり、上記の支持片の自由端部は同重心位置の移動を抑制する方向、すなわち前記漏れ振動と逆相に振動する。この支持片の振動は前記漏れ振動の負荷となり、同漏れ振動を抑制するとともに、前記重心の移動の抑制により検出用振動片の漏れ振動が安定化する。この漏れ振動の安定化により、検出用振動片が均等な振幅で漏れ振動するようになるので、前述のような各検出用振動片の振動を表す電気信号の合成により、漏れ振動を互いに打ち消し易くなる。その結果、この第２の特徴によれば、より角速度の検出精度が良好になる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
ａ．第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る角速度センサを正面図により示している。この角速度センサは、金属材料で一体的に構成した振動体１０を備えている。振動体１０は、その下端と上端に設けた固定部１８，１９にて角速度の被検出物体に上下方向に固定した支持片１６，１７と、これら支持片１６，１７の中央部から横方向に延設した連結片１１と、同連結片１１の両端にて上下方向にそれぞれ延設した左右一対の振動片１２〜１５とによりＨ型振動子を構成している。
【０００９】
振動片１２，１３は励振用に設けられており、各振動片１２，１３の外側には連結片１１の近傍にて励振用の圧電素子２１，２２がそれぞれ添着されている。圧電素子２１，２２には所定の周波数で発振する発振源２３が接続されるようになっており、この発振源２３から供給される電気信号により、振動片１２，１３が紙面左右方向にそれぞれ振動するようになっている。振動片１４，１５は検出用に設けられており、各振動片１４，１５の正面側には連結片１１の近傍にて振動検出用の圧電素子２４，２５がそれぞれ添着されている。圧電素子２４，２５は振動片１４，１５の紙面垂直方向の各振動をそれぞれ表す各電気信号をそれぞれ取り出すもので、両圧電素子２４，２５には、前記各振動をそれぞれ表す各電気信号を入力して各電気信号の差信号を取り出す信号取り出し回路２６が接続されている。この信号取り出し回路２６はバンドパスフィルタ回路２７に接続されており、同フィルタ回路２７は予め決められた周波数帯域の電気信号のみを出力する。
【００１０】
上記のように構成した振動体１０において、発振源２３から圧電素子２１，２２に発振信号を付与することにより、振動片１２，１３を図２(Ａ)及び図３(Ａ)に示すように互いに紙面左右逆方向（逆相）にそれぞれ励振させると、振動片１４，１５も互いに紙面左右逆方向（逆相）に振動する。この場合、振動片１４，１５が図２(Ａ)に示すように振動片１２，１３と各逆方向（逆相）に振動する場合と、振動片１４，１５が図３(Ａ)に示すように振動片１２，１３と各同方向（同相）に振動する場合とがある。このような振動片１２，１３の振動に対する振動片１４，１５の振動モードは、振動体１０の材質、形状、寸法などにより決まる同振動体１０の左右方向の固有振動数と、発振源２３及び圧電素子２１，２２により励振される振動片１２，１３の励振周波数との関係により定まる。
【００１１】
このように振動片１４，１５を励振させた状態で、支持片１６，１７の軸線回りの角速度が振動体１０に作用すると、振動片１４，１５は図２(Ｂ)又は図３(Ｂ)に示すようにコリオリ力によって紙面垂直方向に同角速度の大きさに比例した振幅で振動し始める。なお、図示中、記号ｚ1は紙面に垂直な裏から表への振動片１２〜１５の変位を示しており、記号ｚ2は紙面に垂直な表から裏への振動片１２〜１５の変位を示しており、異なる記号ｚ1，ｚ2の組み合わせは互いに逆方向の振動（逆相振動）を意味しかつ同一な記号ｚ1，ｚ1（又はｚ2，ｚ2）の組み合わせは互いに同一方向の振動（同相振動）を意味する。
【００１２】
振動片１２〜１５を紙面左右方向に図２(Ａ)の振動モードで励振させた場合には、振動片１２と振動片１４の紙面左右方向の振動も、振動片１３と振動片１５の紙面左右方向の振動も互いに逆相であるので、振動片１２〜１５の前記コリオリ力による紙面垂直方向の振動は左右逆相かつ上下逆相となる。そして、この振動モードを本明細書では第１振動モードと呼び、この場合には、この第１振動モードの振動片１４，１５の振動が前記角速度の検出に利用される。また、振動片１２〜１５を紙面左右方向に図３(Ａ)の振動モードで励振させた場合には、振動片１２と振動片１４の紙面左右方向の振動も、振動片１３と振動片１５の紙面左右方向の振動も互いに同相であるので、振動片１２〜１５の前記コリオリ力による紙面垂直方向の振動は左右逆相かつ上下同相となる。そして、この振動モードを本明細書では第２振動モードと呼び、この場合には、この第２振動モードの振動片１４，１５の振動が前記角速度の検出に利用される。
【００１３】
一方、前記発振源２３及び圧電素子２１，２２による励振によって、振動片１２〜１５は前記角速度が作用しなくても紙面垂直方向に種々のモードで振動してしまう。この振動を本明細書では漏れ振動と呼び、この漏れ振動は角速度の検出精度を悪化させるものである。このような漏れ振動のうちで、本願発明において着目している漏れ振動は、図２(Ｃ)及び図３(Ｃ)に示すように、振動片１２〜１５の全てが紙面垂直の同一方向に同時に変位する振動モード（この振動モードを本明細書では第３振動モードという）であり、この漏れ振動は比較的大きなものである。
【００１４】
上記のような第１〜第３振動モードは、振動体１０の材質、形状、寸法などににより決まるものであって、同振動体１０が有する紙面垂直方向の種々の固有振動数に起因するものである。いま、振動体１０をＨ型振動子で構成するとともに各部の寸法を適当に定めることにより、図４に示すように、左右逆相かつ上下逆相の第１振動モード、左右及び上下同相の第３振動モード、及び左右逆相かつ上下同相の第２振動モードに対する各固有振動数ｆ1，ｆ3，ｆ2 がこの順に高くなるように設定する。
【００１５】
まず、第１振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に使う場合について説明する。発振源２３の発振周波数を固有振動数ｆ3の近傍に設定して、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動に伴う振動片１４，１５の紙面垂直方向の漏れ振動を第３振動モードに集中させる。この場合、振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数が高すぎるために振動片１４，１５が紙面垂直方向に第３振動モードで共振しなければ、連結片１１の近傍であって振動片１２，１３の各内側面の一部１２ａ，１３ａをそれぞれ削るようにする。また、振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数が低すぎるために振動片１４，１５が紙面垂直方向に第３振動モードで共振しなければ、振動片１４，１５の正面下端部に質量１４ａ，１５ａをそれぞれ付加するようにする。なお、質量１４ａ，１５ａの付加は、エポキシ樹脂の接着、金属の蒸着などにより行うとよい。このような振動片１２，１３の一部１２ａ，１３ａの削除又は振動片１４，１５への質量１４ａ，１５ａの付加により、振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数と振動片１４，１５の第３振動モードの振動周波数とを近づけることができ、互いの共振により、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動に伴う振動片１４，１５の紙面垂直方向の漏れ振動を第３振動モードに集中させることができる。
【００１６】
また、この場合、角速度の検出には振動片１４，１５の第１振動モードによる振動を利用しているので、角速度の検出感度を上げるために、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は第１振動モードの固有振動数ｆ1に近い方がよい。したがって、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は、振動片１４，１５の固有振動数ｆ3以下の近傍で、前記左右方向の振動により振動片１４，１５を第３振動モードで共振させる周波数に設定するとよい。当然ながら、発振源２３の発振周波数も前記紙面左右方向の振動周波数にほぼ等しく設定するとよい。また、バンドパスフィルタ２７の中心周波数は、第１振動モードの固有振動周波数ｆ1に設定するとよい。
【００１７】
次に、第２振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に使う場合について説明する。この場合も、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動に伴う振動片１４，１５の紙面垂直方向の漏れ振動を第３振動モードに集中させることは前記場合と同じである。一方、この場合には、角速度の検出感度を上げるために、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は第２振動モードの固有振動数ｆ2に近い方がよい。したがって、発振源２３及び圧電素子２１，２２による振動片１４，１５の紙面左右方向の振動周波数は、振動片１４，１５の固有振動数ｆ3以上の近傍で、前記左右方向の振動により振動片１４，１５を第３振動モードで共振させる周波数に設定するとよい。この場合も、発振源２３の発振周波数も前記紙面左右方向の振動周波数にほぼ等しく設定するとよい。また、バンドパスフィルタ２７の中心周波数は、第２振動モードの固有振動周波数ｆ2に設定するとよい。
【００１８】
上記のように構成した角速度センサによれば、発振源２３及び圧電素子２１，２２により振動片１２，１３を励振させると、振動片１４，１５も図２(Ａ)又は図３(Ａ)のように励振される。この場合、前記励振による紙面垂直方向の漏れ振動は図２(Ｃ)又は図３(Ｃ)に示す第３振動モードに集中している。この第３振動モードでは、振動片１４，１５は同相に振動するので、圧電素子２４，２５は漏れ振動として同相の振動を検出し、同検出した振動を表す電気信号は信号取り出し回路２６に供給される。信号取り出し回路２６は圧電素子２４，２５からの各電気信号の差信号を出力するので、前記同相の漏れ信号は互いに打ち消される。一方、角速度の検出に用いられる紙面垂直方向の振動片１４，１５の振動は図２(Ｂ)又は図３(Ｂ)に示すような第１振動モード又は第２振動モードである。そして、この第１振動モードにおいても、第２振動モードにおいても、振動片１４，１５の紙面垂直方向の振動は逆相であり、圧電素子２４，２５により検出された振動片１４，１５の振動を表す各電気信号は互いに逆相になる。前記のように信号取り出し回路２６は入力した各電気信号の差信号を出力するので、前記各電気信号は合算されて大きな電気信号として出力される。その結果、上記第１実施形態に係る角速度センサによれば、角速度の検出精度が良好になる。
【００１９】
この角速度の検出精度が良好になったことを実験により確認すると、次のとおりである。上記第１実施形態のような形状の振動体１０において、発明者らは、振動片１２〜１５の紙面左右方向の励振による振動と同振動片１２〜１５の紙面垂直方向の第３振動モードの振動を共振させない場合（以下、従来例という）と、上記第１実施形態のように前記両振動を共振させた場合とで、ゼロ点ドリフト電圧の相違を比較した。前記両振動体１０の常温（２０℃）時における漏れ振動に対する出力電圧を電気的なレベルシフト操作によりゼロ点に調整した上で、振動体１０を８０℃の環境下において漏れ振動による出力電圧を測定したところ、前記従来例による角速度センサでは１．３Ｖの漏れ振動による出力電圧が観測された。これに対し、上記第１実施形態による角速度センサでは０．３Ｖの漏れ振動による出力電圧が観測された。したがって、この実験結果からも上記第１実施形態による角速度センサの検出精度が良好になったことが理解できる。
【００２０】
なお、上記第１実施形態においては、角速度検出に振動片１２〜１５の紙面垂直方向の第１又は第２振動モードを利用するとともに、漏れ振動を振動片１２〜１５の紙面垂直方向の第３振動モードに集中させるようにした。しかし、この発明では、振動片１４，１５の各振動を表す各電気信号を合成することにより、漏れ振動を表す電気信号を打ち消して取り出すとともに角速度に起因した振動を表す大きな電気信号を取り出すことにあるので、振動片１４，１５の一方でコリオリ力と同方向に漏れ振動が発生し、かつ他方でコリオリ力と逆方向に漏れ振動が発生するようにすればよい。
【００２１】
例えば、発振源２３及び圧電素子２１，２２によって振動片１２〜１５を紙面左右方向であって同一方向に励振するようにすれば、支持片１６，１７の軸線回りの角速度が作用した際には、コリオリ力により図２(Ｃ)及び図３(Ｃ)に示す第３振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に利用することになる。したがって、この場合には、発振源２３及び圧電素子２１，２２による励振に伴う漏れ振動を図２(Ｂ)の第１振動モード又は図３(Ｂ)の第２振動モードに集中させるようにすればよい。そして、信号取り出し回路２６としては、圧電素子２４，２５からの電気信号を加算して出力するようにすればよい。これにより、第１又は第２振動モードによる振動片１４，１５の振動を表す電気信号が打ち消されてしまうとともに、第３振動モードによる振動片１４，１５の振動を表す電気信号が大きな電気信号として取り出される。その結果、これによっても、上記第１実施形態と同様な効果を期待できる。
【００２２】
ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について図面を用いて説明すると、図５は同実施形態に係る角速度センサを正面図により示している。この角速度センサは、上記第１実施形態の固定部１８をなくして支持片１６の一端を自由端に構成し、同支持片１６を振動片１６Ａに代えたことを特徴としている。他の構成は上記第１実施形態と同じであり、発振源２３及び圧電素子２１，２２により振動片１２〜１５を図６(Ａ)又は図７(Ａ)に示すように紙面左右方向であって振動片１２，１３の組と振動片１４，１５の組が互いに逆相になるように励振し、図６(Ｂ)又は図７(Ｂ)に示すように上記第１又は第２振動モードの振動片１４，１５の振動を角速度の検出に利用することも同じである。また、図６(Ｃ)又は図７(Ｃ)に示す第３振動モードの漏れ振動を前記振動片１２〜１５の励振に共振させて、漏れ振動を第３振動モードに集中させることも同じである。
【００２３】
このように構成した第２実施形態においても、第３振動モードによる漏れ振動を互いに電気的に打ち消し合うようにするとともに、第１又は第２振動モードによる振動を大きな電気信号として取り出すようにして、角速度の検出精度を良好にすることも上記第１実施形態と同じである。
【００２４】
さらに、この第２実施形態においては、角速度を検出するための第１又は第２振動モードによる振動片１２，１３の組と振動片１４，１５の組はそれぞれ逆相に振動するので、これらの振動によっては振動体１０の重心位置は移動しない（図８(Ａ)参照）。したがって、振動体１０に作用する角速度によって、振動片１６Ａが振動することはない。一方、第３振動モードによる振動片１２〜１５の振動はすべて同相であるので、振動体１０の重心位置が紙面垂直方向に移動することになり、振動片１６Ａは同重心位置の移動を抑制する方向、すなわち前記漏れ振動と逆相に振動する（図８(Ｂ)参照）。この振動片１６Ａの振動は前記漏れ振動の負荷となり、同漏れ振動を抑制するとともに、前記重心の移動の抑制により振動片１２〜１５の漏れ振動を安定化させる。この漏れ振動の安定化により、振動片１４，１５が均等な振幅で漏れ振動するようになるので、信号取り出し回路２６による振動片１４，１５の振動を表す電気信号の合成により、漏れ振動を互いに打ち消し易くなる。その結果、この第２実施形態によれば、角速度の検出精度がより良好になる。
【００２５】
また、この場合も、この角速度の検出精度が良好になったことを実験により確認すると、次のとおりである。上記第１実施形態と同様な条件で、この第２実施形態に係る角速度センサにおいて、振動体１０の常温（２０℃）時における漏れ振動に対する出力電圧を電気的なレベルシフト操作によりゼロ点に調整した上で、振動体１０を８０℃の環境下において漏れ振動による出力電圧を測定したところ、０．０６Ｖの漏れ振動による出力電圧が観測された。したがって、この実験結果からもこの第２実施形態による角速度センサの検出精度が極めて良好になったことが理解できる。
【００２６】
ｃ．その他の変形例
なお、上記第１及び第２実施形態においては、振動体１０をＨ型に構成するようにしたが、振動体１０の形状は一対の振動片を有するものであれば、Ｕ字型など種々の形状に変形させることもできる。
【００２７】
また、上記第１及び第２実施形態においては、振動体１０を金属材料で構成して、圧電素子２１，２２により振動片１２〜１５を励振するとともに圧電素子２４，２５により振動片１４，１５の振動を検出するようにしたが、振動体１０自体を圧電材料で構成するようにしてもよい。この場合、振動体１０を励振したり、振動体１０の振動を検出するために、上記圧電素子２１，２２，２４，２５に代えて導電材料で構成した励振用電極及び振動検出用電極を設けるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る角速度センサの正面図である。
【図２】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の一例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図３】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の他の例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図４】 振動体の各種振動モードを説明するための説明図である。
【図５】 本発明の第２実施形態に係る角速度センサの正面図である。
【図６】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の一例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図７】 (Ａ)は励振による振動片の振動状態の他の例を説明するための作動説明図であり、(Ｂ)は(Ａ)の励振状態においてコリオリ力による振動片の振動状態を説明するための作動説明図であり、(Ｃ)は励振による振動片の漏れ振動の状態を説明するための作動説明図である。
【図８】 (Ａ)及び(Ｂ)は漏れ振動を抑制するための振動片の機能を説明するための各振動片の振動状態を説明するための作動説明図である。
【符号の説明】
１０…振動体、１１…連結片、１２〜１５，１６Ａ…振動片、１６，１７…支持片、１８，１９…固定部、２１，２２…励振用の圧電素子、２３…発振源、２４，２５…検出用の圧電素子、２６…信号取り出し回路、２７…バンドパスフィルタ。
Claims (2)
- 角速度の被検出物体に少なくともその一端を固定した支持片の中央部から横方向に延設した連結片と、該連結片の両端に上方に延設した左右一対の励振用振動片と同連結片の両端に下方に延設した検出用振動片とにより構成した振動体と、前記支持片の軸線と直交する第１方向に前記励振用振動片を励振させる励振手段と、前記支持片の軸線及び前記第１方向の双方に直交する第２方向のコリオリ力による前記検出用振動片の各振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段により検出された前記検出用振動片の振動により前記支持片の軸線回りの角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、
前記励振手段による励振周波数を、前記検出手段による検出振動の周波数に近い領域にて前記励振用振動片の励振による漏れ振動の共振周波数に近い周波数に設定して、前記検出用振動片の一方の振動片にてコリオリ力と同一方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生し、同検出用振動片の他方の振動片にてコリオリ力と逆方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生するようにし、前記検出手段が前記検出用振動片の振動を表す信号を合算して出力するようにしたことを特徴とする角速度センサ。 - 角速度の被検出物体にその一端を固定した支持片の中央部から横方向に延設した連結片と、該連結片の両端に上方に延設した左右一対の励振用振動片と同連結片の両端に下方に延設した検出用振動片とにより構成した振動体と、前記支持片の軸線と直交する第１方向に前記励振用振動片を互いに逆相に励振させる励振手段と、前記支持片の軸線及び前記第１方向の双方に直交する第２方向のコリオリ力による前記検出用振動片の各振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段により検出された前記検出用振動片の振動により前記支持片の軸線回りの角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、
前記励振手段による励振周波数を、前記検出手段による検出振動の周波数に近い領域にて前記励振用振動片の励振による漏れ振動の共振周波数に近い周波数に設定して、前記検出用振動片の一方の振動片にてコリオリ力と同一方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生し、同検出用振動片の他方の振動片にてコリオリ力と逆方向に前記励振用振動片の励振による漏れ振動が発生するようにし、前記検出手段が前記検出用振動片の振動を表す信号を合算して出力するようにしたことを特徴とする角速度センサ。
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