JPH0351711A - 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】 （発明の利用分野） 本発明は、音叉型振動子を用いて角速度を検出する角速
度センサに関するものである。

（発明の背景） 物体の姿勢、動き、速度等の情報を得る為に物体の方位
を検出するものとして、ジャイロが知られている６例え
ば従来、慣性航法装置として船舶や飛行機のような移動
する物体の方位を知る方法に使われているが、これは初
期値入力が正確であれば安定した絶対位置が得られ、又
、初期位置入力なしでも相対位置が検出できる。しかし
、一方では機械式であることから装置が大がかりであり
、コスト高であるという欠点がある。近年、ナビゲーシ
ョンシステム、ロボットの方向検出、カメラなどの防振
装置などのセンサとして、小型で高性能なこの種の角速
度センサの応用が必要となっている。

ところで、回転力を使わずに音叉などを振動させて角速
度が音叉などの振動子に加わった時に起こるコリオリの
力から角速度を検出する振動ジャイロが考えられた。こ
の振動ジャイロは小型且つ低コストで高性能でありセン
サなどの応用に期待されている。

以下に図面を用いて上述した振動ジャイロの角速度セン
サを説明する。

第６図は従来の音叉型振動子を用いた振動ジャイロの斜
視図である。

該図において、１．２は基台９に固定された振動片で、
７．８は振動片１．２にそれぞれに取付けられた固定部
材、３，４は固定部材７．８に取付けられた検出用振動
片である。又、１１及び１２は振動片１，２を図中Ｘ方
向に振動させる駆動用圧電素子であり、１３及び１４は
駆動用圧電素子１１．１２で振動する振動片１．２の実
際の振幅をモニタするモニタ用圧電素子であり、１５及
び１６は振動片３．４に取付けられて、角速度を検出す
るための検出用圧電素子である。

この振動ジャイロにおいて、振動片１．２を共振周波数
ω、でＸ方向に互いに逆向きに振動している状態にして
おいて、Ｚ軸の回りに角速度Ωが生じると、振動片３．
４に角速度Ωに比例したコリオりの力ＦｃがＹ軸方向に
作用する。この時、Ｘ方向の振動片３．４の速度νは、
振幅をＡ１時間をｔとすると、次式で表される。

ν＝Ａｌω１　・ｃｏｓωｔ−ｔｌｌｌ・・・−・−・
・（１）尚ω１は、振動片１．２の共振周波数である。

ここで、振動片３．４の質量なＭとすると、フリオリの
力Ｆｃは次式で表される。

ＦＣ：Ｚ−Ａ−Ｍ−Ω・ω１ １Ｃｏｓω寡・ｔ・−・…（２） 上記（２）式で明らかなように、コリオリの力Ｆｃが作
用し７た時、振動片３．４はＹ方向に振動し、その振幅
は角速度Ωに比例することから、振動片３．４の振幅を
検出することにより角速度Ωを求めることができる。

次に第７図において、振動片１．２の駆動と角速度検出
について説明する。

該図において、！１，１２，１３，１４，１５１６は圧
電素子であり、これは第６図中に示した駆動用圧電素子
１１，１２、モニタ用圧電素子１３．１４、検出用圧電
素子１５．１６と同一のものである。２１，２７．２９
は増幅器であり、増幅器２１はモニタ用圧電素子１３．
１４からの信号を増幅するもの、増幅器２７は駆動用圧
電素子１１．１２に駆動信号を供給するもの、増幅器２
９は検出用圧電素子１５．１６からの角速度検出用信号
を増幅するものである。２２は増幅器２１で増幅された
モニタ用信号に応答し、この信号を移相させる移相回路
、２３は同様に増幅器２１からの信号に応答し、この信
号を整流し、整流電圧を発生する整流回路、２４は基準
電圧発生回路で、増幅器２１からの増幅電圧を一定にす
べく駆動用圧電素子１１．１２への入力電圧を制御する
ための基準電圧を発生する。

２５は整流回路２３からの整流電圧と基準電圧発生回路
２４からの基準電圧との差を増幅し、差動増幅電圧を発
生する差動増幅器、２６は移相回路２２からの移相電圧
に前記差動増幅器２５からの差動増幅電圧を乗じ、この
乗算結果を前記増幅器２７を通して駆動用圧電素子１１
．１２に印加する乗算回路、３０は増幅器２９で増幅さ
れた検出用圧電素子１５．１６からの信号を振動片３゜
４の共振周波数ω１の帯域成分を通過させる電気的フィ
ルタであるところのバンドパスフィルタであり、該バン
ドパスフィルタ３０からの信号は同期検波回路３１にお
いて、移相回路２８からの移相電圧により同期検波され
、同期検波電圧となる。３２は同期検波回路３１からの
同期検波電圧の低周波成分を通過させ、フィルタ電圧を
発生させるローパスフィルタ、３３はローパスフィルタ
３２からのフィルタ電圧を増幅し、この増幅結果を角速
度Ωを表す角速度電圧として出力する出力増幅回路であ
る。

上記構成において、先ず、音叉部振動片１．２の駆動時
の動作について説明する。

振動片１．２はそれぞれに取付けられた駆動用圧電素子
１１及び１２との協働により、Ｘ方向に振動し共振する
。これにより振動片１．２に取付けられた検出用振動片
３．４も同様にＸ方向に振動する。この時、モニタ用圧
電素子１３．１４は振動片１．２及び３．４のＸ方向の
振動の振幅に応答したモニタ電圧を出力する。増幅器２
１はかかるモニタ電圧を増幅し、これを受ける移相回路
２２は増幅器２１からの増幅電圧に応答し、該増幅電圧
を９０°移相して移相電圧を発生する。同時に整流回路
２３は増幅器２１からの増幅電圧を整流し、整流電圧を
発生する。そこで、差動増幅器２５は整流回路２３から
の整流電圧と基準電圧発生回路２４からの基準電圧との
差を差動増幅電圧として増幅して乗算回路２６へ出力す
る。すると、乗算回路２６は移相回路２２からの移相電
圧に前記差動増幅器２５からの差動増幅電圧を乗じて帰
還電圧を発生し、増幅器２７を通して駆動用圧電素子１
１．１２に付与する。

以上のことは、モニタ用圧電素子１３．１４の各圧電変
換作用、即ち、各振動片１，２の振動が乗算回路２６か
らの帰還電圧により増幅器２１からの増幅電圧を一定に
すべく帰還制御されることを意味する。

次に、角速度検出時の動作について説明する。

第６図２軸の回りに加わった角速度Ωにより振動片３．
４はそのコリオりの力Ｆｃを受け、第６図中Ｙ方向に角
速度に比例して変位する。即ち、上記（２）式に表した
ように、Ｘ方向の共振周波数ω１の振動速度νに入力角
速度Ωが乗算されて検出用圧電素子１５．１６により検
出される。増幅器２９は検出用圧電素子１５．１６から
の検出電圧を増幅検出電圧として出力する。この増幅検
出電圧の信号は振動片１．２の共振周波数ω、を入力角
速度Ωにより強度変調された信号である。ゆえに、バン
ドパスフィルタ３０は振動片１．２の共振周波数ωｌを
通過させるフィルタである。このバンドパスフィルタ３
０からの信号は、同期検波回路３１により移相回路２８
からの移相電圧に基き同期検波され、同期検波信号を発
生する。即ち移相回路２８はモニタ用圧電素子１３．１
４からの信号を９０°移相したものであり、同期検波信
号は入力角速度Ωに比例したものである。同期検波信号
はローパスフィルタ３２により低周波成分だけ通過され
、出力増幅回路３３よりシステムに合った電圧として出
力される。

しかしながら、上記従来例の振動ジャイロに、振動や音
など角速度以外の外乱が入った場合、その外乱により検
出用振動片３．４はその振動片自身が持つ振動モードに
より振動をしてしまう。多くの場合、固定部材７．８を
支点とした振動片の１次の共振周波数で振動する。即ち
、第６図増幅器２９の出力には、入力角速度により強度
変調された音叉共振周波数の信号に検出用振動片３．４
の共振周波数の信号が加えられた信号が表れる。

ところで、従来の振動ジャイロにおいては、検出用振動
片３．４は固定部材７．８の支点からの長さは、音叉を
構成する振動片、即ち音叉駆動用振動片１．２及び検出
用振動片３．４の長さより短く、その１次の共振周波数
は音叉共振周波数より高く、それほど離れていない、即
ち、増幅器２９からの出力は、バンドパスフィルタ３０
が高次のフィルタで音叉共振周波数と検出用振動片３．
４の共振周波数を十分に分離出来なければ、画周波数の
信号共通過してしまう、この信号を音叉共振の信号で同
期検波し、出力するとその出力は大きく変動をきたす。

前述したようにバンドパスフィルタ３０を音叉共振周波
数近辺だけを通過させる様な高次のフィルタとしたとし
ても、そのフィルタの位相特性は音叉共振周波数近辺で
急激に変化するものであ、す、音叉共振周波数が温度な
どの外的要因で変化してしまうと、同期検波用の信号と
の位相がずれてしまい、信号出力にオフセットが生じて
しまう。又、調整も難しくなる問題点がある。

以上の様に、従来の振動ジャイロでは、角速度に関係の
ない外乱により角速度信号出力が大きく変動してしまう
、即ち、外乱に非常に弱いという問題点があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述した問題点を解決し、外乱の影響
をなくし、安定した角速度の検出を行うことのできる角
速度センサを提供することである。

（発明の特徴） 上記目的を達成するために、本発明は、検出用部材の第
１次の共振周波数を、音叉型振動子の共振周波数の略１
／２以下に設定し、以て、検出用部材の第１次の共振周
波数と音叉型振動子の共振周波数とを分離し、以後の回
路にて前記第１次の共振周波数のみを取り除けるように
したことを特徴とする特 （発明の実施例） 以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の第１の実施例の振動ジャイロを表した
ものであり、該図において従来例と同一機能のものには
同一の番号を付しである。従来例と異なる部分は、振動
片３及び４の各々に重り５及び６が取付けられたところ
である。

また、第２図は第７図に示した従来の同期検波回路３１
に対応する、第１の実施例における同期検波回路３４の
具体的構成を示す回路図であり、他の回路部分は第７図
と全く同様である。

該図において、３５は差動増幅器、３６は移相回路２８
からの２値化された信号が人力するＦＥＴである。又、
図中Ｒ，，Ｒ２及びＲ３は抵抗器を表し、それぞれの抵
抗値はＲ１＝Ｒ３＝２Ｒ２の関係にある。

上記構成において、第１図の振動ジャイロに２軸の回り
に角速度Ωが生ずると、振動片３及び４に角速度Ωに比
例したコリオリの力ＦｃがＹ軸方向に作用する。この振
動片３及び４に作用したコリオリカＦｃは圧電素子１５
及び１６により検出され、従来例で示した様に角速度Ω
に比例した検出信号が得られる。

ここで、第１図の振動ジャイロに角速度Ωとは無関係な
振動やショックや音などの外乱が加わったとしよう、こ
の外乱により、音叉の振動は一時的に不安定になるが、
第７図に示した駆動系（増幅器２１から増幅器２７まで
及び圧電素子１１〜１４）にて駆動している為、その不
安定な時間はごく僅かで問題とはならない。

しかし、角速度検出部の振動片３及び４は先端が自由な
為、固定部材７及び８を支点として振動片３及び４の１
次の振動モードにて長時間振動してしまう、この１次の
振動周波数をω２とすると、第７図中増幅器２９の出力
信号は、角速度Ωにより強度変調されたω鴬の周波数の
信号とω２の周波数の信号の加えられたものとなってい
る。

この２つの周波数の信号は、位相特性を合せやすい低次
のバンドパスフィルタ３０を通過して同期検波回路３４
に入力される。ここで、ω２の周波数は第１図中の重り
５及び６を加えたことにより、ω１の１／２よりも十分
低く設定されている。

よって、同期検波回路３４への入力信号はω、の周波数
の信号及びω２の周波数の信号がバンドパスフィルタ３
０により多少減少された信号とが加え合された信号とな
っている。

第２図に示す同期検波回路３４において、バンドパスフ
ィルタ３０よりの入力信号ａが上記説明したω、及びω
２の周波数を含む信号であり、移相回路２８よりの入力
信号すは上記人力ａのω。

の周波数の信号と同期したω１の周波数の２値化された
信号である。ここで、該同期検波回路３４の出力信号Ｃ
はω２の周波数がω１の周波数の１７２より十分低いこ
とにより、ω２の周波数の成分が完璧に除去されたもの
となっている。

以下に第２図の同期検波回路３４の出力信号Ｃを第３図
を用いて説明する。

第３図［ＩＩは同期検波回路３４へのバンドパスフィル
タ３０からの入力信号ａであり、一定角速度（ωｌ）が
入力しており、且つ外乱による信号（ω２）が重畳され
ているものである。第３図［ＩＩ　］は同期検波の為の
同期信号となる移相回路２８よりの入力信号すである。

第３図［１１１３は上記［ＩＩの入力信号ａを反転した
ものである。

第３図［ＩＶ］は上記［ＩＩの信号中、第３図［１１１
の信号が“１“の時には上記［ＩＩの信号の２倍の値を
出力しており、“Ｏ”の時は「０」を出力した信号であ
る。第３図［Ｖ］は上記［Ｉ１１］と上記［ＴＶ］を加
えた信号であり、これは該同期検波回路３４の出力信号
Ｃにあたる。

第３図［１１の入力信号ａは、一定の入力角速度におい
て振幅変調されたω鳳の周波数の信号と、外乱によって
検出振動片３．４が持つ振動モードによって振動してい
るω２の周波数の信号とが加わっている信号である。こ
の入力信号ａはバンドパスフィルタ３０を通過した信号
で、ω２の周波数の信号がω、の周波数より十分に遠く
離れていれば、該バンドパスフィルタ３０で十分減衰す
るが、このバンドパスフィルタ３０はＤＣな減衰させる
程度のものであり、ω２の周波数は完全に除去できない
、この［ＩＩの入力信号ａを［ＩＩ　］に示す同期検波
信号であるところの入力信号すで同期検波をするが、第
２図の回路によれば、［ＩＩの入力信号ａの反転信号（
第３図中［■］）と［１Ｆの入力信号ａにおいて、［１
１］の信号すが“１“の時にその信号の２倍の値、“０
”の時には「０」を加えたもの（第３図中［■］）であ
る、又第３図中［Ｖ］は上記信号［Ｉ１１］及び［ｒＶ
］を加えたもので、該回路の出力信号Ｃとなっている。

即ち上記出力信号Ｃはもはや周波数を含んでいない一定
入力角速度による信号である。この出力信号Ｃはその実
効値が第７図に示したローパスフィルタ３２により得ら
れ、第３図出力増幅器３３により入力角速度に比例した
出力が得られることになる。

以上説明したように、第２図の同期検波回路３４を使用
して、２つの周波数が含まれる信号を同期検波すれば、
同期検波する周波数より低い他の周波数成分は除去され
る。

ところで、第７図のローパスフィルタ３２は音叉駆動の
周波数ω１を完全に除去するもので、かつ角速度の検出
帯域により決定されるものである為、該ローパスフィル
タ３２からは音叉駆動周波数ω、が入力角速度により強
度変調された成分だけが出力される。

前述したように、外乱により重畳する検出用振動片３．
４の１次の振動信号は音叉振動周波数の１／２以下であ
れば、外乱による出力信号の変動は低く押えられ、安定
した出力が得られる。

また、上記第１の実施例においては、検出用振動片３．
４に重り５．６を付加することによって、該検出用振動
片３，４の共振周波数を音叉共振周波数の１／２以下に
下げる設計法について述べたが、振動片の１次共振周波
数は一般的に振動片の長さ、厚さ、材質などにより決定
されるものであり、例えば、検出用振動片の厚さを変え
ることにより、該検出用振動片の周波数を音叉共振周波
数の１／２以下にすることも可能であるし、又駆動用振
動片の材質を変えることにより、音叉共振周波数を検出
用振動片の周波数の２倍以上に設定することも可能であ
る。

第４図は本発明の第２の実施例を表す振動ジャイロの構
成図であり、第１の実施例と同一の機能のものには同一
の番号を付しである。

該図において、音叉振動ジャイロは振動片３及び４と基
部４１とにより構成され、４２．４３．４４及び４５は
該音叉振動ジャイロを基台９に支持する支持部材である
。又、該実施例では第１の実施例と同様の回路にて音叉
の駆動、角速度の検出を行うが、第４図に示すように該
実施例では音叉基台４１にて音叉を駆動する為、駆動用
圧電素子１１及びモニタ用圧電素子１３は各々１枚づつ
である。

第４図において、基部４１は１次の共振での節にて基台
９に支持部材４２，４３．４４及び４５にて支持されて
いる。圧電素子１１は振動片３及び４と基部４１で構成
される音叉をその１次の共振周波数にて駆動し、振動片
３及び４をＹ軸方向に振動させる。モニタ用圧電素子１
３の出力は音叉の振動振幅を一定にすべく基部４１の振
幅をモニタする。この音叉を一定振幅で駆動する回路は
第１の実施例回路と同じものである。

次に、第４図２軸の回りに角速度Ωが生じると、振動片
３及び４に角速度Ωに比例したコリオりの力ＦｃがＸ軸
方向に作用する。この振動片３及び４からの角速度Ωに
比例した信号は検出用圧電素子１５及び１６により電気
信号として検出され、第２図に示した回路系を経て出力
信号Ｃが、つまり角速度信号が再生される。

第４図において、基部４１を支点とした振動片３及び４
の１次の共振周波数ω２は振動片３及び４と基部４１で
構成される音叉の振動周波数ω１の１／２以下に、振動
片の長さ、厚さ、材質等により設定されている。

以上の様に構成された振動ジャイロに角速度に無関係な
外乱が作用した場合、音叉の振動は一時的に不安定にな
るが、その時間はごく僅かで問題とはならないが、振動
片３及び４は基部４１を支点として、その１次の共振周
波数にて長時間振動する。ここで、この振動片３及び４
の１次の共振周波数ω２は音叉振動周波数ω１の１／２
以下に設定されている為、第１の実施例で述べた理由に
より、その外乱による影響は非常に少ない。

第５図は本発明の第３の実施例を表す振動ジャイロの構
成図であり、第１の実施例と同一の機能のものには同一
の番号を付しである。

該図において、振動片ｌ及び２で音叉は構成され、この
振動片１．２は検出用振動片を兼ねる支持部材５０によ
り基台９に支持されている。又、該実施例においても第
１の実施例と同様の回路にて音叉の駆動及び角速度の検
出を行う。又、検出用圧電素子１５及び１６は支持部材
５０に図に示すように取付けられており、Ｚ軸の回りに
加わった角速度Ωは支持部材５０のねじれを検出するこ
とにより行われる。

以上の様に構成された振動ジャイロに角速度に無関係な
外乱が作用した場合、音叉の振動は一時的に不安定にな
るが、その時間はごく僅かで問題とはならないが、支持
部材５０は基台９を支点としてその１次の共振周波数に
て長時間振動する。

この振動は、支持部材５０の１次の共振というより支持
部材５０を支持とした音叉の副共振としてみることもで
きる。ここで、この支持を含めた音叉の副共振の共振周
波数は音叉の共振周波数の１／２以下に設定（例えば支
持部材５０の長さ、厚さ、材質等により）しである。よ
って、第１の実施例で述べた理由によりその外乱による
影響は非常に少ないものとなる。

本実施例によれば、振動片３．４の各々に重り５．６を
取り付けたり、振動片３．４等の厚さ、長さ、材質を変
えたりして、角速度を検出する部材の第１次の共振周波
数を音叉の振動周波数の！／２以下に設定する構成とし
ているため、角速度に無関係な外乱の影響を小さくでき
る効果がある。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、検出用部材の第
１次の共振周波数を、音叉型振動子の共振周波数の略１
／２以下に設定し、以て、検出用部材の第１次の共振周
波数と音叉型振動子の共振周波数とを分離し、以後の回
路にて前記第１次の共振周波数のみを取り除けるように
したから、外乱の影響をなくし、安定した角速度の検出
を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す斜視図、第２図は
本発明の第１〜３の実施例における同期検波回路の構成
を示す回路図、第３図は第２図図示同期検波回路のタイ
ミングチャート、第４図は本発明の第２の実施例を示す
斜視図、第５図は本発明の第３の実施例を示す斜視図、
第６図は従来の構成を示す斜視図、第７図はこの種の角
速度センサの回路構成を示すブロック図である。 ３．４・・・・・・検出用振動片、９・・・・・・基台
、１１〜１６・・・・・・圧電気素子、４２〜４５．５
０・・・・・・支持部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）音叉型振動子と、該振動子を振動させる駆動手段
   と、前記音叉型振動子に固着される角速度を検出するた
   めの検出用部材とを備え、前記音叉型振動子の主振動方
   向に直角な方向の変位を検知して角速度を検出する角速
   度センサにおいて、前記検出用部材の第１次の共振周波
   数を、前記音叉型振動子の共振周波数の略１／２以下に
   設定したことを特徴とする角速度センサ。