JPH03108669A - 角速度センサ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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使用した音叉構造振動型
角速度センサを駆動し、角速度に比例した電圧を出力す
るための駆動回路に関する。

従来の技術 従来の角速度センサの駆動回路を図面に基づき説明する
。第９図は従来の角速度センサ駆動回路の構成を示す回
路ブロック図であり、１は第１の増幅器、２は整流器、
３は平滑回路、４は第２の増幅器、５は第３の増幅器、
６は位相検波器、７は平滑回路、８は直流増幅器、９は
音叉構造振動型角速度センサである。

音叉構造撮動型角速度センサ９は、モニタ用圧電バイモ
ルフ素子１０２の表面電荷を増幅する第１の増幅器１と
、こ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（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＠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、音叉は一定振幅で音叉振動している
。第１．第２の検知用圧電バイモルフ素子１０３．１０
４の表面電極には印加される角速度に応じて電荷が生じ
る。この電荷は第３の増幅器５で増幅され、位相検波器
６で音叉振動の周期で位相検波されて角速度に比例した
電圧が得られる。この電圧は直流増幅器８によって直流
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、前記の音叉構造振動型角速度センサは角
速度がゼロの時の出力電圧（以下ゼロ点と略す。）が温
度によって大きく変動し、しがち温度係数も１台ごとに
バラツキがあり、補正がむずかしい。又同一温度でも時
間と共にゼロ点が変動することもある。

従って角速度に対する出力電圧のゲインを太き（設定す
ると温度が変化した時、出力電圧が（＋）側か（−）側
に片寄ってしまいダイナミックレンジが小さくなるとい
う課題があった。

課題を解決するための手段 上記問題を解決するために、本発明は、位相検波器の出
力電圧を平滑しこれを増幅器の（−）入力端子に入力し
、この増幅器の出力電圧を角速度電圧出力として出力す
ると共にこの出力電圧と接地電圧との差電圧を入力とし
、これを平滑するローパスフィルタを設け、この出力電
圧を前記増幅器の（＋χ入力電圧とするものである。

作用 以上の構成によれば、角速度電圧出力のゼロ点と接地電
位上に差電圧が生じると、この差電圧をローパスフィル
タを介してネガティブフィードバックさせることにより
角速度電圧出力のゼロ点は常に接地電位とすることがで
きる。

実施例 以下本発明による角速度センサ駆動回路の一実施例を図
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６図〜第８
図を用いて説明する。

角速度センサは第６図に示す様な構造であり、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及び第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を接合部１０５で直交接合した第１
の撮動ユニット１０９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１１０とを連結板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の撮動ユニット１０９が振動を始め、音叉
振動により第２の撮動ユニット１１０も振動を開始する
。従ってモニター素子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様に駆動素子
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。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７図及び第８図を用いて説明する。

第７図は第６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。

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で振動しておリ「コリオリの力」
は−２ｍυωである。よって検知素子１０３，１０４は
第８図の様に互いにｒ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
７υ＝ａ−９ｉｎωｏｔａ：音叉振動の振幅ω。：音叉
振動の周期 であるとすれば、ｒコリオリの力」は ＦＣ＝ａ・ω・ｓｉｎωｏｔ となり、角速度ω及び音叉振幅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。従
って検知素子１０３，１０４の表面電荷量Ｑは Ｑ　”　ａ　”　ω’　ＳＩ　ｎ　ｅｔ）ｏｔとなり音
叉振幅ａが一定にコン［・ロールされているとすれば、 ＱＬｘω・Ｓｉｎωｏｔ 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ω
。ｔ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。尚、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様になっている。

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図において、１０はローパスフィルタであり、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（設
定されている。

音叉構造撮動型角速度センサ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で増幅され位相検波器６で音叉振動の周期で
位相検波されて角速度に比例した電圧となり直流増幅器
８によって直流増幅されて角速度電圧出力として出力さ
れる。ゼロ点の変動要因は音叉構造振動型角速度センサ
９の材料のバラツキや組立精度によって生ずるものが最
も大きく影響するが、これ以外にも駆動回路の音叉振動
を一定に保つ回路の変動や、位相検波器６の特性や、直
流増幅器８のオフセット電圧やバイアス電流の変動もこ
れに加算される。

本回路構成においてはこれらの要因によってゼロ点が接
地電位から（＋）か（−）かの方向に時間や温度変化と
共に移動するとローパスフィルタ１０が接地電位と角速
度電圧出力との差を増幅し角速度信号成分はフィルタに
よってカットし、直流成分だけを取り出して直流増幅器
８の（＋）入力端子に電圧を出力することによって角速
度電圧出力のゼロ点は常に接地電位と等しくなる。

−数的にゼロ点の変動は直流的であり周囲の温度変化に
対してもセンサ部分が充分に断熱された構造となってお
れば、その追従もきわめて直流的であり、かつ角速度信
号は一般的に交流的であることが多いので、本発明の構
成により従来の音叉構造振動型角速度センサの特性をそ
こなうことなくゼロ点の変動をなくすことができる。

第２図に従来の音叉構造振動型角速度センサのゼロ点の
温度変化特性を、第３図に本発明の角速度センサ駆動回
路を使用した場合のゼロ点の温度変化特性を示す。

第４図は本発明の他の実施例による角速度センサ駆動回
路を示すものであり、ローパスフィルタ１０の入力端子
に振幅制限器１１を付加した構成である。

この構成により大振幅で低周波の角速度信号が印加され
た場合に前記ゼロ点の変動をなくする効果によって、角
速度電圧出力に誤差が生じるのに対し、この誤差を少な
（するためのものである。

その効果を第５図に示す。

前記の通りゼロ点の変動は直流的であり、きわめてゆっ
（りとした動きであるから、ゼロ点の変動量が振幅制限
器１１に制限されることは少ないが、大振幅の角速度信
号によりむやみにゼロ点が変動することを防止すること
ができる。

発明の効果 本発明における効果は以下の通りである。すなわち、音
叉構造振動型角速度センサのゼロ点の変動はきわめてゆ
っくりとした直流的な変動であり、一方角速度信号は短
時間における交流的な変動を検出できることが要求され
る場合が多いことに着目し、直流分のみを注出して制御
することにより信号成分をそこなわずにゼロ点の変動の
みを抑制できる。

また振幅制限器を付加することにより、大振幅の角速度
信号がゼロ点を変化させてしまうのを防止することがで
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回路の一実施例を示
すブロック図、第２図は音叉構造振動型角速度センサの
ゼロ点の温度変化を示す特性図、第３図は本発明の角速
度センサ駆動回路を使用した場合のゼロ点の温度変化を
示す特性図、第４図は本発明の角速度センサ駆動回路の
他の実施例を示すブロック図、第５図は第４図の構成に
よる効果を説明する説明図、第６図は音叉構造振動型角
速度センサの斜視図、第７図及び第８図は動作説明図、
第９図は従来の角速度センサ駆動回路のブロック図であ
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・・・・・・位相検
波器、７・・・・・・平滑回路、８・・・・・・直流増
幅器、９・・・・・・角速度センサ、１０・・・・・・
ローパスフィルタ、１１・・・・・・振幅制限器、１０
１・・・・・・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、１０７・・・・・・連結板、１０９・・・・・
・第１の振動ユニット、１１０・・・・・・第２の振動
ユニット。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動用圧電バイモルフ素子と第１の検知用圧電バ
   イモルフ素子とを互に直交接合してなる第１の振動ユニ
   ット、及びモニター用圧電バイモルフ素子と第２の検知
   用圧電バイモルフ素子とを互に直交接合してなる第２の
   振動ユニットからなりかつ前記第１、第２の振動ユニッ
   トを検知軸に沿って互に平行になるように前記駆動用圧
   電バイモルフ素子と前記モニター用圧電バイモルフ素子
   の自由端どうしを連結板で連結して音叉構造とした角速
   度センサと、この角速度センサの第１と第２の検知用圧
   電バイモルフ素子の表面電極に生ずる電荷を入力としこ
   の電荷量に比例した電圧を出力する増幅器と、この増幅
   器の出力電圧を音叉振動のタイミングによって位相検波
   する位相検波器と、この位相検波器の出力信号を平滑す
   る平滑回路と、この平滑回路の出力電圧を（−）入力端
   子に入力し（＋）入力端子の電圧との差電圧を増幅し出
   力する直流増幅器と、この直流増幅器の出力電圧と接地
   電圧との差電圧を入力とし、これを平滑し前記直流増幅
   器の（＋）入力端子に出力端子を接続するローパスフィ
   ルタとによって構成した角速度センサ駆動回路。
2. （２）直流増幅器の出力端子とローパスフィルタとの間
   に振幅制限器を付加した請求項１記載の角速度センサ駆
   動回路。