JPH03226620A - 角速度センサ駆動装置 - 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 従来の技術 近年角速度が検出できる角速度センサの実用化が進んで
おり、たとえばビデオカメラに角速度センサを取りつけ
、手ぶれによる撮影画面の揺れを、角速度センサの出力
によりレンズ位置を変えて補正する方式など実用化され
ている。とくに圧電素子を音叉構造に接合した振動型角
速度センサはその応答速度や感度の面で優れており、今
後の幅広い活用が期待されている。

従来の振動型角速度センサの駆動装置について図面に基
づいて説明する。第６図は従来の角速度センサ駆動装置
の構成を示す回路ブロック図であり、第１、の増幅器（
１）と、整流器（２）と、平滑回路（３）と、第２の増
幅器（４）で構成される駆動部分と、第３の増幅器（５
）と、同期検波器（６）と、ローパスフィルタ（７）と
で構成される検知部分とからなり、音叉構造振動型角速
度センサ（９）に接続されている。つぎに構成要素の互
いの関連動作を説明する。

音叉構造振動型角速度センサ（９）は、第１の増幅器（
１）と、第１の増幅器（１）の出力電荷を整流する整流
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、平滑回路（３）の出力電圧値によって
第１の増幅器（１）からの出力電圧を増幅する増幅度が
変化する第２の増幅器（４）とによって一定振幅に制御
されて音叉振動している。音叉構造振動型角速度センサ
（９）に角速度が加わると角速度信号は第３の増幅器（
５）で増幅および位相シフトされ、同期検波器（６）で
検波され、さらにローパスフィルタ（７）にて平滑、増
幅されて出力される。

発明が解決しようとする課題 しかしながら従来の振動型角速度センサの駆動回路では
角速度出力が零のときにセンサに加わる角速度が零なの
か、センサ素子自体が故障なのかまたはセンサの駆動回
路が故障なのかがわからなかった。

本発明は上記、課題に留意し角速度センサ駆動回路内部
に故障の自己診断ができる機能を有する角速度センサ駆
動装置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 本発明の上記目的を達成するために、音叉構造の振動型
角速度センサと、モニター用圧電素子の出力電荷を入力
信号として増幅し、この出力電圧によって駆動用圧電素
子を駆動することにより振動型角速度センサを音叉共振
させる第１の増幅器と、第１．第２の検知用圧電素子の
出力を入力とし角速度に比例した電圧を出力する第２の
増幅器と、第１の増幅器の出力を第１．第２の検知用圧
電素子のいずれか一方もしくは両方に接続できるスイッ
チ素子とを具備し、このスイッチ素子により第１の増幅
器の出力を、検知用圧電素子に接続することにより、角
速度センサが正常動作しているかどうかを、第２の増幅
器の出力により確認できる手段を有するものである。

作用 上記構成の本発明の角速度センサ駆動装置により、角速
度センサを音叉振動させている第１の増幅器の出力電圧
を、検知用圧電素子に印加することが可能となる。一方
検知用圧電素子は物理的なひずみを与えることにより角
速度に比例した電荷を発生させることができるが、逆に
前述のように電圧を印加すると物理的なひずみを生じる
。検知用圧電素子は音叉の振動方向と９０°の角度で取
付けられているため、ここに音叉振動と同一周波数の電
圧を印加すればセンサの上端部には楕円運動が生しる。

この楕円運動は、正常動作時に発生させることができる
ので楕円運動によって生した検知用圧電素子の出力を第
２の増幅器で増幅すれば、角速度センサおよび駆動回路
が正常に動作しているかどうかが検出できることになる
。

実施例 以下本発明による角速度センサ駆動装置の一実施例を図
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−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の振動ユニノ）　（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（＋０３）にはｒコリオ
リの力」が生しる。この「コリオリの力Ｊは速すυに垂
直で大きさは２　ｍ　ｔｔωである。

（ｍは検知素子（１０３）の先端の等価質蓋である）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−〇で振動−ておｒ５　＝
コリオリの力ｌは一２ｍυωである。よって検知素子（
１０３）　、　（１０４）は第５図のように互いにｒコ
リオリの力ｊ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υ−ａ−ｓｉｎω。ｔ　
　ａ　：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ｊは Ｆｃ＝ａ−ω・ｓ１ｎωａｔ 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）　、　（１
０４）の表面電荷量Ｑは Ｑｃｃ；１−ω・ｓｉｎωｅｔ 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、 Ｑｃｃω−５ｉ１ωｏｔ 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（１０
４）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よ
うになっている以上、圧電バイモルフ素子で説明したが
、一般の圧電素子でも同様の機能を有することは言うま
でもない。

第１図は本発明の角速度センサ駆動装置の一実施例であ
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図に示すように、スイッチ素子００）と、抵抗００
が構成として追加されている。なおローパスフィルタ（
７）は、そのカントオフ周波数は使用される周波数より
も充分低く設定されている。

音叉構造振動型角速度センサ（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（１１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、二の平滑回路（３）の出力電圧値が高く；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）で増幅され同期検波器（６）で音叉振動
の周期で輪渡されて角速度に比例した電圧となり、ロー
パスフィルタ（７）によって増幅されて角速度電圧出力
として出力される。

スイッチ素子００は、第１．第２の検知用圧電バイモル
フ素子の一方に抵抗ａＯを介して音叉振動の電圧を印加
するものである。第２図に角速度センサ（９）を上部か
ら見た図を示す、ベクトル■、は音叉振動によって生じ
ており、これに対し一方の検知用圧電バイモルフ素子（
１０３）に音叉振動の電圧を印加すると、ベクトルｖ２
が生じる。ベクトル■、とＶ□は同一周波数の正弦波で
あるからｖｌとＶ□の合成によりセンサの先端は楕円運
動となる。音叉振動の電圧を印加してない検知用圧電バ
イモルフ素子（１０４）にも、音叉構造による振動の伝
達によりＶ、ｌのベクトルが生じる。このｖ２°によっ
て生じる電荷量を第３の増幅器（５）で増幅し、同期検
波器（６）で検波し、ローパスフィルタ（７）によって
増幅した後の電圧をチエツクすれば、角速度センサ（９
）を構成する全ての素子およびその駆動回路を構成する
全ての回路ブロックのいずれか１つにでも、異常があれ
ば前述の楕円運動が発生しないか、振幅が変わるので電
圧差が発生するため、故障が検出できることになる。す
なわちスイッチ素子０ωを切りかえるだけで、故障の自
己診断ができることになる。また、音叉振動の電圧をス
イッチ素子０ωで検知用圧電素子に印加する代わりに、
別の音叉振動と同し周波数のパルス電圧出力回路の出力
を印加しても同効果は得られることは明白であり、周波
数が異なっても、ベクトル■２は発生し、動作確認は可
能と言える。

発明の詳細 な説明より明らかなように、本発明は音叉構造の振動型
角速度センサに故障が生した場合、もしくはその駆動回
路に故障が生じた場合に、ただちにその故障の発生を検
出できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の角速度センサ駆動装置の一実施例を示
すブロック図、第２図は同実施例の動作を説明するため
の角速度センサの説明図、第３図は音叉構造の振動型角
速度センサの斜視図、第４図および第５図は同センサの
動作説明図、第６図は従来の角速度センサ駆動装置のブ
ロック図である。 ｌ・・・・・・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・・・・・・ローパスフィルタ、９・・・・・
・角速度センサ、１０・・・・・・スイッチ素子、　１
０１・・・・・・駆動素子、１０２・・・・・・モニタ
ー素子（第２の駆動素子）、１０３・・・・・・第１の
検知素子、１０４・・・・・・第２の検知素子、１０５
　、１０６・・・・・・接合部（第１の接合部材）、１
０７・・・・・・連結板（第２の接合部材）、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）駆動用圧電素子と第１の検知用圧電素子とを互に
   直交接合してなる第１の振動ユニット、およびモニター
   用圧電素子と第２の検知用圧電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
   に前記駆動用圧電素子と前記モニター用圧電素子の自由
   端どうしを連結板で連結して音叉構造とした振動型角速
   度センサと、前記モニター用圧電素子の出力電荷を入力
   信号として増幅し、この出力電圧によって前記駆動用圧
   電素子を駆動することにより前記振動型角速度センサを
   音叉共振させる第１の増幅器と、前記第１および第２の
   検知用圧電素子の出力を入力とする第２の増幅器と、前
   記第１の増幅器の出力を前記第１および第２の検知用圧
   電素子のいずれか一方もしくは両方に接続できるスイッ
   チ素子とを具備し、前記第１の増幅器の出力を前記検知
   用圧電素子に接続することにより前記第２の増幅器の出
   力から前記角速度センサの動作確認ができるように構成
   した角速度センサ駆動装置。
2. （２）第１、第２の検知用圧電素子のいずれか一方もし
   くは両方にパルス電圧を印加する回路を有する請求項１
   記載の角速度センサ駆動装置。