JPH04203926A - 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 本発明はジャイロスコープ、特に圧電素子振動を用いた
角速度センサに関するものである。

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方法とし
て機械式の回転ジャイロが主に使用されている。

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、振動する検知
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。従って、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、特に圧電体を用いた
センサが多く考案されている。（日本航空宇宙学会誌第
２３巻第２５７号３３９−３５０ページ） 発明が解決しようとする課題 上記の原理に基づき先願特許（特願昭６２−１２６２０
６号）の角速度センサを発明しているが、その構造を第
４図に示す。第４図において、１は検知用圧電素子、２
は結合部材、３は駆動用圧電素子であり、この駆動用圧
電素子３と検知用圧電素子１とは、結合部材２により互
いにほぼ直交させて接続することによりセンサ素子が構
成されている。そして、この１対のセンサ素子を、前記
駆動用圧電素子３の端部において、弾性部材４により音
叉構造となるように接合することにより、音叉振動素子
が構成されている。さらに、この音叉振動素子は、弾性
結合部材４のほぼ中心部に一端が固定されている支持棒
５により支持されて、ベース６上に取り付けられている
。７は駆動用圧電素子３の両面に相対するように形成し
た駆動用電極、８は駆動用電極７に配設されるように駆
動用圧電素子３に形成した信号引出線で、前記検知用圧
電素子１の電極からのリード引き出しを行うためのもの
である。９はこの駆動用電極７゜信号引出線８とベース
６に植設したリードビン１０とを接続するリードワイア
である。１１は中間電極板であり、駆動用圧電素子３を
構成する金属板であり、駆動用圧電素子３の機械的強度
を増すためのものである。

以上のように構成された従来の角速度センサを動作させ
るには、まず一対の駆動用圧電素子３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の駆
動用電極７との間に交流信号をかける。信号を印加され
た駆動用圧電素子３は弾性結合部材４を中心にして対称
な振動を始める、いわゆる音叉振動である。

速度νで振動している検知用圧電素子１に角速度ωの回
転が加わると、検知用圧電素子１には「コリオリの力」
が生ずる。このｒコリオリの力」は速度νに垂直で大き
さは２ｍνωである。

音叉振動をしているので、ある時点で一方の検知用圧電
素子１が速度νで振動しているとすれば、他方の検知用
圧電素子１は速度−νで振動しておりｒコリオリの力」
は−２ｍνωである。一対の検知用圧電素子１には、互
いに逆向きの「コリオリの力」が働き、互いに逆向きの
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。−対のセンサ素子は「コリオリの力」による発生
電荷が、互いに加算されるように結線されている。

・それゆえ、このセンサに角速度以外の並進運動を与え
ても一対の検知用圧電素子１の表面には同極性の電荷が
生ずるため、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、νは音叉振動によって生じる速度であり、音叉
振動速度が ｖ＝ｖ（Ｂｓｉｎ　　ωＯｔ シロ：音叉音叉振動速度 振輻：音叉振動の角周期 であるとすれば、ｒコリオリの力」は ＦＣ−２ｍ・νＯｓω・Ｓｉｎ　ωＯｔとなり、角速度
ω及び音叉振動速度ν０に比例しており、検知用圧電素
子１をそれぞれ面方向に変形させる力となる。従って検
知用圧電素子１の表面電荷量Ｑｃは Ｑｃ”ν０・ω・Ｓｉｎ　ωＯｔ となり音叉振動速度振幅ν０が一定にコントロールされ
ているとすれば Ｑｃｏｃω・ｓｉｎ　ωｏｔ となり検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑｃは角
速度ωに比例した出力として得られる。

また、駆動用圧電素子３上の信号引出線８には、駆動用
圧電素子３の変形に応じて電荷が発生するが、両側の信
号引出線８はその形状を対称にし、面積を等しくしてい
るので、発生電荷は等しいから、差動入力により、信号
処理することで、発生電荷をキャンセルしている。

発明が解決しようとする課題 上記の構成による角速度センサには、下記のような課題
があった。

駆動用圧電素子３上の信号引出線８は対向電極である中
間電極板１１との間に容量を持つので検知用圧電素子１
で発生した電荷の一部がこの信号引出線に蓄えられてし
まう。また中間電極板は駆動用圧電素子３の両側に印加
される電圧のほぼ中間の電圧値となるので、駆動電圧に
応じて信号引出線に電荷が発生してしまう。上記の容量
値、及び駆動電圧値は温度変化などにより変化する。し
たがって、従来の角速度センサでは、温度変化により最
終出力が変動してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、広い温度範
囲で出力の安定した角速度センサを得ることを目的とし
ている。

課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するために、駆動用圧電素子
を並列接続方式のバイモルフ素子で構成し、その駆動用
圧電バイモルフ素子に設けた中間電極を接地した構成と
したものである。

作用 上記の構成により、駆動電圧が、信号線の対向電極とな
る中間電極に影響しない。また、信号引出線と、中間電
極との電圧差がなくなるので、検知用圧電素子で発生し
た電荷の一部が蓄えられたりしないので、温度変化によ
り容量値が変化しても出力の安定した角速度センサを得
ることができる。

実施例 第１図は本発明による角速度センサの一実施例を示す構
造図であり、第４図と同一部分については、同一番号を
付している。１２は並列接続方式の駆動用圧電バイモル
フ素子、１３は前記駆動用圧電バイモルフ素子１２を構
成する一対の圧電素子、１４は駆動用電極、１５は導電
ペースト、１６は絶縁材であり、駆動用圧電バイモルフ
素子１２の外側に配設された駆動用電極７と内側に配設
された駆動用電極１４とは導電ペースト１５にて電気的
に接続されている。絶縁材１６は、導電ペースト１５と
中間電極板１１．信号引出線８との絶縁のために用いら
れる。中間電極板１１は導電ペースト１５により弾性結
合部材４と電気的に接続された上で接地されている。従
来例において駆動用圧電素子３としてバイモルフ素子を
用いる場合、その配線の容易さのために、直列接続方式
のバイモルフ素子を用いてきた。直列接続方式のバイモ
ルフ素子においては、それを構成する一対の圧電素子の
分極の向きが逆向きとなるように構成しているので同じ
向きの電圧を印加することで、駆動用圧電素子３はたわ
みを生じる。一方並列接続方式のバイモルフ素子では、
それを構成する一対の圧電素子の分極の向きが同じであ
り、印加する電圧が、中間電極板１１を１極として両側
の駆動用電極７，１４に対して逆向きになっている。

以下角速度検出の原理は、従来例と同じなので省略する
。

第２図は検知用圧電素子からの信号電荷を作動増幅する
回路のブロック図である。１７は電荷増幅器、１８は差
動増幅器であり、電荷増幅器１７は、検知用圧電素子１
の両側の電極に信号引出線８を経由して結線しており、
それ゛らに発生する信号電荷を増幅する。差動増幅器１
８は信号引出線８に発生する電荷を打ち消すために差動
増幅している。１９は演算増幅器であり、電荷増幅器１
７゜差動増幅器１８を構成する基本要素である。２０は
演算増幅器１９の正入力端子、２１は同じく負入力端子
、２２は同じく出力端子、２３は帰還容量、２４は抵抗
であり、正入力端子２０と、負入力端子２１とは、仮想
的に接地されていると考えることができるので、検知用
圧電素子１．信号引出線８からの発生電荷はすべて帰還
容量２３に蓄えられ、それに応じた電圧が、出力端子２
２に発生する。抵抗２４の値を適当に選ぶことにより、
差動増幅の正入力側、負入力側の増幅率を適当な値に設
定し、検知用圧電素子１と駆動用圧電バイモルフ素子１
２との直交接合の角度誤差のためによる不要信号や、一
対の信号引出ＡＩ！８の面積の差のためによる発生電荷
の差を調整することができる。

第３図は、従来の角速度センサと本発明の一実施例にお
ける最終出力の温度依存性を示す特性図である。従来の
センサでは、波線で示すように８５度を超えると急激に
最終出力が変動していた。本発明の角速度センサは入力
角速度に応じて、最終出力が変動するので、最終出力の
変動が、入力角速度を示す。入力角速度が零であるにも
かかわらず、最終出力が変動すれば、それは、角速度セ
ンサの誤動作と言うことになる。本発明の一実施例にお
ける角速度センサでは実線で示すように少な（とも１２
０度までは最終出力の変動が緩やかであり、またそのレ
ベルも従来のセンサに比べて約１／２であり、広い温度
範囲で出力の安定したことが示されている。

また、短時間（１０ｓｅｃ程度）の変動においても従来
の角速度センサは、最大０．１ｄｅｇ／ｓｅｅ程度の変
動がみられたが、本発明の一実施例における角速度セン
サは０．０５ｄｅｇ／ｓｅｅ以上の変動はみられなかっ
た。従来の角速度センサでは、信号引出線の対向電極に
駆動電圧の約２／１が交流的に印加されていたのが、本
発明においては、接地され安定しているからである。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、信号引出線と、その
対向電極である中間電極は、接地または仮想接地されて
いるので、検知用圧電素子からの信号電荷を安定して取
り出すことができ、広い温度範囲で最終出力の安定した
角速度センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における角速度センサの構造
を示す斜視図、第２図は信号処理の前段部分である差動
増幅の説明のための電気配線図、第３図は従来例と本発
明のセンサの温度依存性を示す特性図、第４図は従来の
角速度センサを示す斜視図である。 １・・・・・・検知用圧電素子、２・・・・・・接合部
材、４・・・・・・電極ブロック、１１・・・・・・中
間電極板、１２・・・・・・駆動用圧電バイモルフ素子
、１５・・・・・・導電ペースト。 代理人の氏名　弁理士小鍜治明　ほか２名第１図 第２図 第３図 ′；ＩＬ　　度　じＣ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　駆動用圧電バイモルフ素子と検知用圧電素子とを接合
   部材を介して互いにほぼ直交するように接合してセンサ
   素子を構成し、前記駆動用圧電バイモルフ素子に設けた
   電極の一部に前記検知用圧電素子からの信号引出線とし
   て用いる電極を設け、かつ前記駆動用圧電バイモルフ素
   子に設けた中間電極を接地したことを特徴とする角速度
   センサ。