JPH04500273A - 角速度検出センサ - 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】 角速度検出センサ 従来の技術 本発明は請求項１の上位概念に記載の角速度検出センサに関する。Ｏれと同一の 用途領域を有する公知の振動ジャイロメータは通常は、低周波数の曲げ振動で動 作し、曲げ振動は、回転の際に発生するコリオリカによシ１次蛋動に垂直な共振 振動を発生し、このようにして角速度の尺度ｆ：提供する。しかし、厚みすペク 振動から出発する振動ジャイロメータも提案された。

この場合、振動子の固有周波数はすでに大幅に大きくなっている（　＞　１００ 　ｋＨｚ　）。さらに、振動の温度依存性を小さくするために、コリオリカによ る共振振動の励振は行われない。この場合、コリオリカは、強制された長手方向 の厚み振動を生ぜしめる。

しかし本発明においては別の測定原理が使用される。

すなわち回転する媒体の中で超音匠にコリオリカを作用させることである。この 場合、新しい振動モードは発生しない。測定型として、角速度に比例する、回転 する媒体の中の超音波の偏向が用いられる。

発明の効果 振動ジャイロメータに対して、請求項１の待砿部分に記載Ｏｓ成を有する角速度 構出センサは、震動及びｉ！！１度に対する感応性が小さい利点を有する。本発 明の角速度検出センナは・簡単で機械的に安定した構造を有する。高い周波数の 使用により、このような周波数を使用しない場合には自動車に組込まれている音 波導波体の震動及び振動により発生される低周波の障害信号を抑圧することがで きる。別の振動モードへの移行が存在しないので、測定信号の一形成のために、 送減器におけるの凄同−〇圧電セラミックすベシ振動子が使用される。これによ シ超音波の振幅調整を、圧電係数ｄ工、の温度依存性に起因する、センナの温度 誤差の最大成分が補償されるように実施する。さらに信号形成のために、最も多 く利用される係数ｄ３１に比して約３倍大きい最大圧電係数ｄ工、が使用される 。送波領域と信号領域との空間的分離が大きいことによシ、測定信号に対する励 損電圧の障害作用の抑圧が容易になる。

センサ゛の構成の上゛で、音波吸収の観点から音波周波数を可能なかぎシ高ぐ選 択して、音波ビームを良好に集束すると非常に有利である。この場合に音響吸収 は、１つの音波が伝搬している状態に十分に近似的となるように大きくなければ ならない。平面波の代わシに円筒波を使用することにより集束ひいては感度を更 に改善することができる。音速は、感度を高くするためにできるかぎシ小さくな ければならなく、これは実質的に、償彼音匝の使用により実現される。音波導波 体の材料としてゼロデュール（Ｚｅｒｏｄｕｒ）が最適でおる。

図面 次に本発明を実施力に基づき図を用いて詳しく説明する。第１図及び第２図はセ ンサの１つの実施例の長手４面図である。

実施例 第１図には１０により、回転する装置の角速度Ωを検出するセンサが示さｎ１セ ンサ１０は、長さ１、幅ｂ、及び厚さｄ（図示せず）を有する音波導波体１１を 有する。音波導波体１１の端面には送波器１２、例えば圧電セラミックすペシ振 動子が配置され、送波器１２を用いて超音波１３が音波導波体１１の中に一方の 端面を介して放射される。音波導波体１１の他方の端面には２つの受波器１４． １５が設けられ、受渡器１４．１５の間でＸ方向に平行に走行する間隙１６が位 置する。前記の方向は、図面に記載の座標を基準とし、Ｘ方向は図面に垂直に走 行し、図面はｙ！平面内にある請求める角速度Ωのベクトルはｙｚｍ標面に垂送 波器として用いられる圧電セラミックすベシ振動子１２の励振方法は、使用すベ シ振動子、すなわち式ＹＺ”ｄ１５・ＥＹに相応する又番電界ＥＹによシセラミ ックプレーの周期的なすベク振動Ｙ２が発生される使用セラミックグレートの圧 電特性から生ずる。電気的量と機械的量との闇の関係を表す比例係数ｄ１３及び ｄ３１−・・は圧電係数として示される。圧電セラミックプレートにおける、２ 方向に平行な極軸はプレートレベル面内に位置する。プレートの１妊は所望の超 音波周波数から決まる。ｙｌ［ｆｆ１１７に介してすべり振動子１２は共系状態 １ててすべり倣動に励振さｎ、すべ９蚕動は、結合されている晋彼導波体１１の 中−に横波を発生する。

公知０方法で′ｗ１極平面の位置はその垂線の方向によシ示されている。

受波器１４．１５も同様に圧電すベシ徽動子であシ、これらの圧電すベク振動子 は、到来する横波超音波により同様に共振状態ですべり振動に励振される。これ により受波器１４．１５のｙ電極１８．１９で、直接的な圧電効果により周期的 に電荷が発生される。

角速度Ωの測定は、回転する系の中で速度Ｖで運動′ｅｃ−２１゛プ　ｎｏ　こ の場合に、媒体１ｃおける振動する質量部材が運動質量コと見なされる。Ｖは、 質量部材がその静止位置の回りを振動する速度である。コリオリカに−の値は角 速度Ωの頂に比例し、ベクトルと共−に正負符号上交互に変化する。この場合に 回転細線までの船艦は何ら影響しない。

センサＯ杆ｊ装置には次の考察が泰礎となっている。

回転する系においては、質量部材に対して角速度Ωが作用する際にコリオリカが 生ずるので、ｆｉ＃波及び縦波の波動方程式は、対応する項により補足されなけ ればならない−０こｎにより平面波において、短い伝搬距離Δが生じる。ただし Ｖは超音波の位相速度である。従ってビーム偏向Δの測定を介して角速度Ωをめ ることができる。偏向や果は）」・さいが、しかし柾明限界に対する要求が高す ぎない場合には十分でろる。

センサ１０に１．ｘ方向に対して平行に位置する回転棚Ｎを有する角速度Ωが作 用すると、ビームはコリオリカの作用によりｙｚ座標面の内で偏向される。２つ の受波器１４．１５は、角速度Ω；０の場合には相互に補償する、すなわち２つ の受波器１．４．１５（ｉＤ速度信号ｑ大きさは等しい。角速度Ω≠０の場合に は音波ビームの偏向に起因して２つ０受波器１４．１５は異なる強さで励振され 、一方の受波器は角速度Ω＝Ｏの場合より強く、他方は弱い。２つの受波器１４ ．１５の受波信号差が形成されると、角速度Ωに比例する差信号が生じ、この差 信号は角速度Ωの変化に対応してその正負の極性を交互に習える。高Ａｅ信号に おいては、正負極性の交替は１８００の位相変化を意味する。

従って、位相に敏感に応答する整流器を用いて、角速度Ωに比例し正負の極性が 回転方向を表すｉｌＬ流電圧電圧られる。

前記式に相応してできるだけ高い感応度、すなわちできるだけ大きいビーム偏向 を得るために、棒状体り長さ１ば、用途により許容さｎるかき′９大さくするＯ とができる。同一〇考察から超音波の音速Ｖは、横波音用いることによジ、そし て音波導波体１１の材料を選択することＶｃｊりできるだけ小さくさｎる。しか し相科Ｏ選択においてはく熱膨張率をできるだけ小さくするという要求が優先さ ｎる。差信号を形成するためシでビームと２つの受波器１４．１５との間の相対 運動のうちの１だ１つの相対運動しか必要としないので、音波導波体１１のｙｚ 座標面におけるそれぞれの曲がりにより、望ましくない信号発生が行われる。Ｏ の点で最も危険なのは、温度勾配によりｚ方向に平行に生ずる、音波導波体１１ の曲がりである、何故ならばこのような曲がりは、膨張率に縁形に依存する相対 運動を生じさせるからである。従って棒状固体の場合に非常に小さい熱膨張率を 有する、マインツ（ＤＥ）所在の５ｅｔ）Ｏｔｔ社の硝子セラミックである商品 名ゼクヂ１−ル（Ｚｅｒｏｄｕｒ）が音彼導波工１１として最適な材料である。

膨張率は３０′Ｃと１７０℃とに２いて零ｔ−通過しその１１Ｉは動作温度領域 番・で２いて獲６　Ｘ　１０−８に−１を上回らない。

汁彼導波体１１ｖｃ？沃不テ用い２ｔば、音速が小さくなって何オリであるが、 しか（−喉諏の中に、慎注力及び温度４：ｊ配により、不定の４讐偏向金音書ビ ームに生じさせる流れが形成さ扛ることがある。

音波導波体の４　ｂは、第１に、音波ビームの偏向に影響金与えず、側面での音 波の反射を大幅に回避する几め（（、音波ビームが側面に実際−Ｋｖｉれないよ うに、第２に、できるだけ大きい信号を得るために、受波器１４．１５によシ廿 彼振幅プロフィルの側縁が捕捉されるまうに選択しなけｎ（ばならない。必要な 場合には、反射音ｅ、を抑圧する定めに側面に音波吸収層２０を設けることもで きる。超音波の周波数は、音波ビームを良好に集束する力めにできるだけ太きく −ｇｈる。周波数の上限は音波導波体１１の中の音波吸収により与えられている 。公知のように吸収は超音波の周波数が増加すると増加する。音波液収は、端面 及び側面における反射により生ずる漏１バンクグラウンドビーム（障害信号）を 低減し、従って望ましい。

バンクグラウンドビームを低減し、同時に使用消号金減衰することにより最大Ｏ ８’／　Ｎ比が得られる最適な音波吸収層が存在する６ｊｌｌ逼周波数は約５か ら１０ＭＨｚの領域に位置する。この高い周波数は、棒状体における震動及び振 動から生ずることがあるすべての低周波数４書信号Ｏ聞隼な抑圧を可乾（Ｃする 。

送波器１２及び受波器１４．１５は同一のタイプでろり、すべてｙｌ［極【有す る。送波器側と受板器側とが９関的１ｃ大きく離ルていることにより送波器領域 と受肢器憤域との電気粘合の排除が容易になる。送波器と受波器とが同一のタイ プでろるＯとは待に仄の利点全）する。すなわち、震動及び振動により発生さｎ る機械的障薔応力の中め・ら、すべ９応力成分Ｙ。のみがｙ［極に障害電荷を生 じさせる。係数ｄ３□に比して約６倍大きい圧電係数ｄ１５が信号の形成に利用 される。

係数ｄ１５の温度依存性により発生する感度変化は、音反を振幅調侵して２つの 受波器１４．１５の出力信号の和を安定化すると完全に補償される。すなわち振 幅調整により、出力信号の一：）ＦＯ傷信号一定に保持されると、温度変化の際 に音波の振幅が、感度変化が圧電変換器の係数ｄｌｉ５の温度係数によう補償さ れるようｔて変化される。

良好な熱伝導性材料から成る図示されていないケーシングと、ケーシングと音波 導波体１１との間の熱伝導をできるだけ対称にすることによ・り音波導波体１１ の中の温度勾配はできるだけ小さく保持される。これにより、前述の零点変動、 すなわち角速度Ωが作用していない状態での零点変動を禅状体の曲がりによって 十分に抑圧するための手段が提供される。

第２図１では、前述Ｏｆ＃ビーム集束をいかに改善できるかが示さｎている。こ の場合、ｄ４波ａ、送波器１２ａとしての円間状圧１を変換器により励起される 。

この変ｍ１Ｚａは超音波音２つの受波器１４ａ、１５＆の間の間隙に集束する。

音波導波体１１の端面はその曲がりによｐ円面状の送波器プレート１２ａＫ整合 されている。更に送波器１２ａの幅を広げ、Ｏのようにして変換器の幅対波長の 比が＄１図の実凡例に比してほぼ２倍となり、Ｃれによｐ彼の振幅プロフィルの 側嫌急峻性が犬きくなる。

総括して、第１図のセンサに比して、ビームの偏向によシ２つの受波器１４ａ、 １５ａの励振強度の相対的変化が大幅に犬きくなり、ひいて（グＳ／Ｎ比、すな わち測定信号対雑音信号の比が改善される。２つの受波器ｉ４．１５Ｃ）密に前 に位置する第２囚に示されている振幅プロフィル２２は、弾状体長１が１０ａ１ 送波器１２ａ（０％が１６ＣＴＲ及び属音波長が０．５關の場合に得られる。振 幅がＡ／ＡＯに降下した場合に測定されたビーム＠は０，４醇である。念だし Ａ＝個、所２における振幅 Ａ□＝ｚ＝［ｌの場合の振４（最大振幅）ｅ＝自然対数の底 国際調査報告 国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．振動ジヤイロメータの形式で超音波領域の中で動作する、例えば自動車の、 角速度（■）を検出する角速度検出センサ（１０）において、 音波導波性媒体（１１）の中に横波の集束されている超音波が放射されるように 送波器（１２）を構成し、媒体（１１）の側方境界面における音波反射を大幅に 回避し、 送波器（１２）に対向して位置する、媒体（１１）の境界面の上に、超音波ビー ムの偏向（Δ）を一緒に測定するために少なくとも２つの受波器（１４、１５） を設け、受波器（１４、１５）を狭い間隙（１６）により分離して、角速度（■ ）が加わつた場合に、コリオリ力（■）により生じた偏向（Δ）により異なる信 号が受波器（１４、１５）の中に発生され、このようにして受波器（１４、１５ ）の信号の差を形成することにより、求める角速度（■）に比例する測定信号を 得ることを特徴とする角速度検出センサ。
2. ２．受波器（１４、１５）の間の間隙（１６）が、検出する角速度（■）のベク トルに平行に位置することを特徴とする請求項１に記載の角速度検出センサ。
3. ３．媒体（１１）が低い音波速度と小さい膨張係数とを有することを特徴とする 請求項１及び／または２のいずれかに記載の角速度検出センサ。
4. ４．媒体（１１）が固体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項 に記載の角速度検出センサ。
5. ５．固体がゼロデユール（Ｚｅｒｏｄｕｒ）材料から成ることを特徴とする請求 項４に記載の角速度検出センサ。
6. ６．横波を媒体（１１）の一端で送波器としての圧電変換器（１２）により励振 し、 変換器（１２）の極軸を角速度（■）のベクトルに垂直に、かつ媒体（１１）の 端面に平行に配向することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の 角速度検出センサ。
7. ７．周波数に依存する音波吸収の領域の中で超音波の周波数を、この音波吸収に より得られる、多重反射に起因する音響バツクグラウンドビームの低減が最大の 雑音間隔が得られるように選択することを特徴とする請求項１から６のいずれか １項に記載の角速度検出センサ。
8. ８．受波器（１４、１５）が圧電セラミツクすべリ振動子であることを特徴とす る請求項１から７のいずれか１項に記載の角速度検出センサ。
9. ９．受波器（１４、１５）と送波器（１２）とが同一のタイプと材料の圧電セラ ミツクすべり振動子であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記 載の角速度検出センサ。
10. １０．送波器（１２）の励振電圧のための電気調整器を用いて２つの受波器（１ ４、１５）の測定信号の和を一定に保持することを特徴とする請求項１から９の いずれか１項に記載の角速度検出センサ。
11. １１．超音波が、間隙（１６）に集束される横波円筒波であることを特徴とする 請求項１から１０のいずれか１項に記載の角速度検出センサ。
12. １２．送波器（１２）ガ円筒状圧電セラミツクすべり振動子（１２ａ）であるこ とを特徴とする請求項１１に記載の角速度検出センサ。