JPH03214017A - 角速度センサ - 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 本発明は音叉構造振動型角速度センサに関する。

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手段とし
て主として機械式の回転ジャイロかつかわれている。

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。

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。したが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、とくに圧電体を用いたセンサが多（考案されて
いる（日本航空宇宙学会誌第２３巻第２５７号３３９−
３５０ページ）。

従来の音叉構造振動型角速度センサについて第３図〜第
５図を用いて説明する。

角速度センサは第３図に示すような構造であり、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および第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の振動ユニット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の振動ユニット１０９が振動を始め、音叉
振動により第２の振動ユニット１１０も振動を開始する
。したがってモニター素子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ように駆
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４図及び第５図を用いて説明する。

第４図は第３図に示した角速度センサを上からみたもの
で、速度Ｖ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Ｖに垂直で大き
さは２１７１　ｖω（ｍは検知素子１０３の先端の等価
質量）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Ｖで振動している
とすれば、検知素子１０４は速度−Ｖで振動しており「
コリオリの力」は−２ｍ　ｖωである。よって検知素子
１０３，１０４は第５図のように互いに「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Ｖは音叉振動によって生じる運動
であり、音叉振動がＶ　”　ａ　”　Ｓｌｎωｏ　ｊ　
　　　ａ　　：音叉振動の振幅ω。：音叉振動の周期 であるとすれば「コリオリの力」は Ｆ　ｃ−ａ　’　ω＠ＳＩｎωｏ　ｊ となり、角速度ωおよび音叉振幅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。

したがって検知素子１０３．１０４の表面電荷量Ｑは Ｑｃｌ：ａ＠ωｌｌ５ｉｎωｏｔ となり音叉振幅ａが一定にコントロールされているとす
れば、 ＱＯ′：ωｌｌ５ｉｎωｏｔ 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。なお、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、
互いに打ち消しあって出力は出ないようになっている。

ここで、支持棒１０８は音叉構造の中心点すなわち連結
板１０７の中心に取付けられ音叉全体を支持しているが
支持棒の長さは音叉を構成する圧電体を振動、衝撃から
保護する弾性体としての特性および音叉の共振周波数と
音叉の重量を支持する支持棒の共振周波数を離して設定
する必要性から決定されている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら従来の構造では支持棒１ｏ８は真っすぐな
棒材で作られていたため支持棒の共振周波数を音叉の共
振周波数から離れた周波数に決めるとその長さが決まり
センサ全体の形状２寸法が制約を受けるという課題があ
った。

本発明は上記課題に留意し、支持棒の寸法により制約を
受けない小型形状の角速度センサを提供しようとするも
のである。

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、移動型角速度セン
サの駆動用圧電素子と検知用圧電素子を直交接続した素
子の一対と、その一対の素子を接合する弾性接合部材（
いわゆる連結板）と、この弾性接合部材をベースに支持
固定する支持棒で構成される音叉構造において、この支
持棒の中間部に湾曲した部分を有する構造としたもので
ある。

作用 上記構成の本発明の角速度センサは支持棒の共振周波数
を変えることなく、すなわち長さを変えないで、支持棒
の一部を湾曲させ、Ｕの字状にしたり、ら旋状にして、
強度を下げることなく、その分だけセンサ全体の形状を
小さくできる。このように音叉の共振周波数と、支持棒
の共振周波数とを離して干渉を防ぐ設計と小型化の設計
が両立させることができる。

実施例 以下本発明による角速度センサの一実施例を図面に基づ
いて説明する。

第１図、第２図に示すように、駆動用圧電素子１．２と
検知用圧電素子３，４を、それぞれ接合部材５，６で振
動方向が直交するように積み上げて接合し、第１の振動
ユニット９と第２の振動ユニット１０を構成する。その
第１の振動ユニット９、第２の振動ユニット１０が連結
板７で接合され音叉構造をなしている。この音叉を支持
するものが支持棒８で第１図の実施例では支持棒８はラ
セン構造をなしており第２図の実施例ではＵ字形に湾曲
している。この支持棒８がベース１１に固定されている
。−船釣にこのような構造のセンサではセンサを構成す
る各部分が固有の共振周波数をもつため全ての共振周波
数を適切に配分してやらないと充分な性能を得ることが
できない。ちなみにこの実施例の音叉の共振周波数はＩ
ＫＨｚ付近に設定しており、音叉の２倍の高調波周波数
と３倍の高調波周波数との間にリード線１２の共振周波
数を設定し、また音叉の共振周波数とその２倍の高調波
共振周波数との間に支持棒８の共振周波数を設定してい
る。支持棒８の共振周波数は支持棒８の先端にかかる音
叉の重量と支持棒８の長さとによって決まり音叉の重量
が一定であれば支持棒８の長さを調整することにより共
振周波数は自由に設定できる。この他４つの圧電素子（
図中の実施例では圧電バイモルフで表示している）１゜
２．３．４のそれぞれの共振周波数、ケース（図示せず
）の共振周波数などもセンサの性能に与える影響は大き
く、これら全ての共振周波数をそれぞれが干渉しないよ
うに適切に設定することが重要である。したがって支持
棒８の共振周波数がセンサ全体の寸法形状を変えること
なく設定できることは設計上大きな利点である。なお、
説明では圧電素子と表現したが、圧電バイモルフなど同
様の機能を有するものを使用した場合も同様であること
は言うまでもない。

発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明は、音叉構造振動
型角速度センサにおいてそれぞれの部分の共振周波数が
干渉しないように適切に設定することが設計上重要であ
るが、支持棒の中間部に湾曲を設けることにより、その
共振周波数がその全長を変えることなく自由に設定でき
るためセンサの特性を損うことなくセンサ全体の形状を
小さくできる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例の角速度センサ
の斜視図、第３図は従来例の角速度センサの斜視図、第
４図および第５図は角速度センサの動作原理を説明する
ための状態図である。 １．２・・・・・・駆動用圧電素子、３，４・・・・・
・検知用圧電素子、５，６・・・・・・接合部材、７・
・・・・・連結板（弾性接合部材）、８・・・・・・支
持棒、９・・・・・・第１の振動ユニット、１０・・・
・・・第２の振動ユニット、１１・・・・・・ベース。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 駆動用圧電素子と、検知用圧電素子と、前記駆動用圧電
   素子と前記検知用圧電素子を接合する接合部材と、前記
   接合した素子の一対を接合して音叉構造を構成する弾性
   接合部材と、前記音叉構造体をベースに固定支持する支
   持棒とを具備し、前記駆動用圧電素子と前記検知用圧電
   素子とを振動方向が直交するように前記接合部材で積み
   上げて接合し、前記接合した一対の素子を前記弾性接合
   部材で接合して音叉構造として構成し、前記音叉構造体
   の前記弾性接合部材を前記支持棒にて前記ベースに固定
   支持するとともに、前記支持棒の中間部に湾曲部を有す
   る角速度センサ。