JPH0341312A - 角速度センサ及び角速度検出装置 - 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 本発明は物体の慣性角速度を検出するジャイロスコープ
、特に圧電振動子を用いた角速度センサ及び角速度検出
装置に関するものである。

従来の技術 従来、飛行機・船舶のような移動する物体の方位を知る
方法としてジャイロスコープをもちいた慣性航法装置が
ある。そのセンサとして、主に機械式の回転型ジャイロ
、レーザを用いたレーザジャイロが使われている。これ
は安定した方位が得られるが機械式、光学式であること
から装置が大掛かりであり、コストも高く、小型化が望
まれる民生用機器への応用は困難である。一方、回転力
、レーザを使わずに、物体を振動させて励振された検知
用素子からコリオリの力を検出する振動型角速度センサ
があり、多くは圧電式と電磁式のメカニズムを採用して
いる構造のものがある。これらはジャイロを構成する質
量の運動が一定角速度の回転運動ではなく振動によって
いることが特徴である。したがって、Ωなる角速度が加
わった場合、コリオリの力が質量の振動数と等しい振動
トルクとして生しるものである。このような装置におけ
る問題点の一つに外乱慣性力に対する応答がある。

すなわち装置に外乱慣性力が加わると、これが上記検知
素子に作用する検知信号からコリオリの力に応じた成分
と外乱慣性力に応した成分をいかに分離するかがポイン
トとなる。ここてコリオリの力は入力慣性角速度と駆動
速度のベクトル積に比例するので、上記検知素子に作用
するコリオリの力は瞬時駆動速度と入力慣性角速度の両
者に直交した方向に作用する。そこで検知素子を対に設
けて、互いに逆方向に対称振動させてそれぞれの検知素
子に作用する力を機械電気変換して得た検知信号の差を
取り出し、逆向きに作用するコリオリの力に応じた成分
を加算し、同一方向に作用する外乱慣性力を相殺する方
式が広く知られている。このコリオリの力によるトルク
を振動によって検出し、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、特に圧電体を用いたセンサが
多く考案されている。（例えば、日本航空宇宙学会誌　
第２３巻　第２５７号３３９〜３５０ページ） 発明が解決しようとする課題 上記の原理に基ずき先願特許（特願昭５９５５４２０号
）の角速度センサを発明した。−殻内に、コリオリの力
を検出して角速度を測定するジャイロスコープはこの組
立精度が理論的にゼロの時において理想的に実現できる
センサである。

しかしながら、上記の圧電振動子を用いた角速度センサ
の構成では、それぞれの構成に使用されている圧電振動
子に対して、あるいは組立に用いられる各種部品に対し
て、非常に高精度の組立精度が要求される。しかしなが
ら、量産レベルにおいては平行度、面角度、対称性を誤
差無く組み立てることは不可能である。このため組立ズ
レによるモレ成分信号が発生する。

また振動型角速度センサでは外乱慣性力として、振動に
よる加速度成分が検知軸に発生ずるため、モレ成分信号
が発生ずる。このモレ成分信号がナビゲーションシステ
ム等に応用された場合、ドリフトとして測定誤差として
現れるので致命的欠陥となる。

また、このモレ成分は環境条件においても変化をする。

例えば、温度変化、時間変化、などの環境条件において
、組立ズレからくるモレ成分が変化したときにも出力と
して検出してしまう。さらに、特に圧電振動子は焦電性
という特性を持ち、温度変化が発生したときに大きな電
圧を発生することがよく知られており、温度変化が起こ
ると非常に大きな出力が検知素子から発生してしまう。

本発明は上記従来の問題点を解決するものて、組立ズレ
によるモレ成分信号、外乱慣性力によるモレ成分信号を
相殺することのできる角速度センザを提供することを目
的とする。

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、駆動用圧電振動子
と検知用圧電振動子とを互いに直交接合してセンサ素子
を構成し、そのセンサ素子をそれぞれの駆動用圧電振動
子の自由端同士を接合部材により接合して音叉構造体を
構成し、前記検知用圧電振動子それぞれの検知面が検知
軸を含む面に対して対称でかつその検知軸を含む面に対
して直交しないように配置したことを特徴とするもので
ある。

またこの角速度センサの検知用圧電振動子からでてくる
信号をそれぞれの検知回路で検知し角速度成分がゼロの
ときの出力がゼロとなるように調整し、ドリフト成分で
あるモレ信号を調整できる機能を有していることを特徴
とするものである。

作用 本発明によれば、組立ズレによるモレ成分信号が発生し
ても、検知用圧電振動子がそれぞれの検知面が検知軸を
含む面に対して対称でかつその検動軸を含む面に対して
直交しないように配置したことにより各々の検知用圧電
振動子に発生したモレ威分信号を相殺することができる
。また外乱慣性力によるモレ成分も同様に相殺すること
ができる。

さらに角速度センサの検知用圧電振動子がらててくる信
号をそれぞれの検知回路で検知し角速度成分がゼロのと
きの出力がゼロとなるように調整し、ドリフト成分であ
るモレ信号機能を有していることにより、検知信号に含
まれるコリオリの力に応じた成分と外乱慣性力に応した
成分とを回路上で精度高く分離することができる。

実施例 以下本発明の一実施例の角速度センサ及び角速度検出装
置について詳述する。

（実施例１） 本発明の一実施例について図面を用いて説明する。第１
図は本実施例の角速度センサ構造図、第２図は第１図の
角速度センサの上部から見た拡大図を示す。第３図は本
実施例に於ける角速度検出の構成を示すブロック図であ
る。

ｌａ、ｌｂは検知用圧電振動子、２は駆動用圧電振動子
、３は電極ブロック、４は支持棒、５はベース、６は接
合部材、７は検知軸を示す。

本実施例の構成は第１図、第２図に示すように、駆動用
圧電振動子２と検知用圧電振動子１ａ。

１ｂは検知軸７に平行でかつ互いに接合部材６にて直交
接合してセンサ素子を構成し、そのセンサ素子を駆動用
圧電振動子２の一方の自由端同士を電極ブロック３と半
田すけで接合し音叉構造体としている。電極ブロック３
は支持棒４で支持され、さらに支持棒４の他端はベース
５に接続されている。ここで直交接合されている検知用
圧電振動子１ａ、ｌｂと駆動用圧電振動子２は第２図に
示すように、検知用圧電振動子１ａ、Ｉｂそれぞれの検
知面が検知軸を含む面に対して対称でかつその検知軸を
含む面に対して直交しないように配置されている。どれ
だけ傾けるかについては直交組立の精度と関係し、セン
サに組み立てられた時、検知用圧電振動子１ａ、ｌｂが
「ハ」の字状になることがポイントである。本実施例で
は直交組立精度は２０分であるので検知用圧電振動子ｌ
ａ、ｌｂの検知面が検知軸を含む面に対して１度だけ直
角からずらして組立を行っている。

本実施例の場合、電極ブロック３の駆動用圧電振動子２
が半田接合される面が平行ではなく「ハ」の字状に加工
されておらず、駆動用圧電振動子２は振動面が「ハ」の
字状となり、これに伴い検知用圧電振動子１ａ、ｌｂも
「ハ」の字状にずれて構成されている。

この圧電型角速度センサの動作原理は、まず駆動用圧電
振動子２を駆動するために、対向している面を共通電極
として、それぞれ外側の面との間に交流信号を印加する
。信号を印加された駆動用圧電振動子２は電極ブロック
３をヘースとして１８０度の位相差にて振動を始める、
いわゆる音叉振動である。一般に片持ちはり構造を有す
る圧電振動子は材料の圧電定数・寸法形状によって決定
されるが、この場合には検知用圧電振動子１ａ。

ｌｂ、駆動用圧電振動子２、接合部材である電極ブロッ
ク３、そして接合に用いる接着材などの総合的な性能で
決まる。本実施例での音叉振動子の共振周波数は１００
０〜１１００　Ｈｚに設計してあり、検知用圧電振動子
１ａ、ｌｂの自由端での振幅量は２５μｍ程度に振幅し
ている。この時、検知用圧電振動子１ａ、ｌｂからコリ
オリの力によって発生するたわみの電荷量を取り出すた
めに、ワイヤにて配線し、ベース５に設けられた電極端
子などに接続される。このときワイヤの形状としては振
動の妨げにならないような固さ・太さが必要になってく
る。

このようにして組み立てられた角速度センサは第３図に
示すところの検知回路にて電気的に検知される。

第３図においてｌａ、ｌｂは検知用圧電振動子であり、
電気出力（変位検知信号）ｌａ’　　ｌｂ’を出力する
。このとき、この変位検知信号１ａｌｂ’にはコリオリ
の力に応した成分の他に駆動にともなう慣性力、外乱慣
性力などに伴う成分が各々の検知用圧電素子１ａ、ｌｂ
の感度に応して　０ 含まれている。２ａ、２ｂは変位検知信号↓ａｌｂ’を
低インピーダンスの電圧信号２ａ２ｂ’に変換するため
のプリアンプであり、検知用圧電振動子１ａ、ｌｂに逆
向きの力が作用したときに同極性の信号を出力するよう
に結線されており、等しい増幅度を持つ。８は電圧信号
２ａ２ｂ’を重みずけして加算する加算器であり　その
重みずけの比は］：１を中心にして微調整が出来るよう
になっている。９は加算器８の出力信号からコリオリの
力に応した成分を抽出、処理して入力角速度に比例した
出力を発生する信号処理回路であり、通常同期検波回路
にて構成される。このようにして構成すれば１対の検知
用圧電振動子ｌａ、ｌｂのノイズ成分である、駆動にと
もなう慣性力、外乱慣性力なとに応した成分を加算器の
重みずけによって補うことができる。この重みずけは検
知用圧電素子１ａ、ｌｂがハの字状に構成されることに
よって可能であり、そのためには組立精度のズレよりも
少し太き目の角度分だけ９００からずらして（図中では
θで表わしている）１ａ、ｌｂを検知軸７を含む面に対
して配置することが必要である。以上のように構成され
た本実施例の角速度センサ及び角速度検出装置では外乱
慣性力に応じた出力成分（モレ信号）を完全に相殺する
ことができる。

（実施例２） 第４図は第２の実施例にお（）る角速度センサを説明す
るための概念図である。

角速度センサの動作原理は第１の実施例と同様の構造を
有するものである。すなわち駆動用圧電振動子２と検知
用圧電振動子１ａ、ｌｂが検知軸に平行で、かつ互いに
直交しないように接合してセンサ素子を構成し、そのセ
ンサ素子をそれぞれの駆動用圧電振動子２の自由端を接
合部材である電極ブロック３により接合し、音叉構造と
するものである。この時、駆動用圧電振動子２は検知軸
７を含む面に対して平行に配置されている。

すなわち、本実施例においては検知用圧電振動子１ａ、
　ｌｂの検知面が「ハ」の字となるように構成されてい
る。本実施例では検知用圧電振動子ｌａ、］、ｂと駆動
用圧電振動子２との組立精度は２０分であるのて、接合
の際直交ではなく前記組立精度よりも太き目の角度だ（
Ｊすらして（図中ではθで表わしている）構成すればよ
い。

本実施例においても、前実施例と同様に検知用圧電振動
子１ａ、ｌｂの検知面が「ハ」の字状に組み立てること
によって外乱慣１に力を相殺することかできる角速度セ
ンサを実現てきる。さらに前実施例と同様の回路をイ」
加することで、組立誤差からくる対称性の差によって現
れる外乱慣性力に対して各検知用圧電振動子１ａ、ｌｂ
ごとに重みずけをして加算する加算手段を設け、整合性
に制限されることなく高い精度にてコリオリの力に応し
た成分と外乱慣性力に応した成分を分離することが出来
、外乱慣性力に対する応答の非常に少ない高精度な角速
度センサおよび角速度検出装置を提供できる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、検知用圧電振動子の検知
面が「ハ」の字状となるように組み立て３ ることによって、各々の検知用圧電振動子に発生したモ
レ成分信号を相殺することがてきるのて、組立ズレが原
因のモレ成分信号や外乱慣性力によるモレ成分信号を相
殺することができる角速度センサを実現てきる。また、
組立誤差からくる対称性の差によって現れる外乱慣性力
に対して重みずけをして加算する加算手段を設け、整合
性に制限されることなく高い精度にてコリオリの力に応
じた成分と外乱慣性力に応した成分を分離することが出
来、外乱慣性力に対する応答の非常に少ない高精度な角
速度センサおよび角速度検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の角速度センサの一実施例を示す構造図
、第２図は第１の角速度センサの」二部から見た拡大平
面図、第３図は本実施例における角速度検出回路の構成
を示すブロック図、第４図は他の実施例における角速度
センサの拡大平面図である。 ｌａ、ｌｂ・・・・・・検知用圧電振動子、２・・・・
・・駆動１＜ 用圧電振動子、３・・・・・・電極ブロック、４・・・
・・・支持棒、５・・・・・・ベース、６・・・・・・
接合部材、７・・・・・・検知軸、８・・・・・・加算
器、９・・・・・・信号処理回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動用圧電振動子と検知用圧電振動子とを互いに
   直交接合してセンサ素子を構成し、そのセンサ素子をそ
   れぞれの駆動用圧電振動子の自由端同士を接合部材によ
   り接合して音叉構造体を構成し、前記検知用圧電振動子
   それぞれの検知面が検知軸を含む面に対して対称でかつ
   その検知軸を含む面に対して直交しないように配置した
   ことを特徴とする角速度センサ。
2. （２）駆動用圧電振動子と検知用圧電振動子とを直交し
   ないように接合してセンサ素子を構成し、そのセンサ素
   子をそれぞれの駆動用圧電振動子の自由端同士を接合部
   材により接合して音叉構造体を構成し、前記駆動用圧電
   振動子が検知軸を含む面に対して平行となるように構成
   することを特徴とする角速度センサ。
3. （３）請求項１または２記載の角速度センサの検知用圧
   電振動子からでてくる信号をそれぞれの検知回路で検知
   １角速度成分がゼロのときの出力がゼロとなるように調
   整し、ドリフト成分であるモレ信号を調整できる機能を
   有していることを特徴とする角速度検出装置。