JPH04502202A - 角速度を検出するためのセンサー - 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】 るためのセンサー 従来技術 本発明は請求の範囲第１項の上位概念によって角速度を検出するためのセンサー に関する。公知の振動型ジャイロメーターは一般に、パー振動子、円筒振動子ま たは音叉振動子のような低周波屈曲型振動子を利用している。パー振動子や円筒 振動子を持つジャイロメーターにおいては、比較的小さな圧電素子が大きな、非 圧電振動体上に取付けられている。これらは振動励振を起こさせ振幅制御のため のセンサーとして働き、そして振動体へのコリオリの力の作用を測定用信号に変 換する。素子または素子対は各個々の機能を必要とされているので、このジャイ ロメーターの構造は複雑となる。さらに、振動体と圧電素子の興なる膨張係数は 熱的に基因する機械的ひずみに導き、これは測定用信号の比較的大きな熱依存性 の原因となる。

音叉振動子を持つジャイロメーターにおいては、何の付加的励起素子も取付けら れていない圧電振動体が使用される。しかし、結合されている屈曲性振動子が同 様にコリオリの力の影響を持って共振するように励起され、その結果、このジャ イロメーターを利用しても測定用信号に関する大きな温度依存性が生じる。

前述の総てのジャイロメーターにおいては、使用されている振動周波数は比較的 低く、そして震動（バイブレーション）、または単にわずかにそこから離れてい るという程度の周波数の領域にあって、そのために、得られた測定用信号はそれ ら妨害信号によって比較的強く、障害、外乱を受ける。

発明の利点 つ本発明による、角速度をめるためのセンサーは、測定用信号の形成のための圧 電振動体を使用しているので、何の付加的な振動子も設ける必要がないという長 所を有している。その結果、これは極めて単純であり、しかも機械的に安定な構 造を有している。振動体上の付加的素子がないということは、温度変化の場合の 特性を改善する。さらに、このセンサーは震えに対して比較的低い感度を持つ、 １方、厚さ辷り振動子を構成することにより、信号周波数と震動（パイプレージ ３ン）の妨害周波数との間に大きな周波数間隔を設け、その間隔により、信号路 内のバイパスフィルターによって効果的にフィルターされることを可能とするよ うにもできる。これは震動によって誘起される妨害チャージをかなり補償するこ とによって実施できるが、この場合、第５図に示されているように、それらのＺ 軸に関して反対の配向の２つのセンサーが並列に接続い測定感度が達成される。

請求の範囲第１項で明らかにされているセンサーのさらに別の改善は、サブクレ ームに記載されている装置によって可能となる。

図面の簡単な説明 本発明の説明的な実施例は図面に表わされ、そして以下の説明でさらに詳細に説 明される。第１図および第２図は測定原理の概略的に示す図であり、第３図から 第６図は各々、説明的な実施例を示す図であり、そして第７図は励起用電圧への センサーの電気的接続を示す図である。

詳細な説明 その最も単純な形状を持つ圧電セラミック板１１を含む、センサー１０の測定原 理は第１図および第２図に概略的に表わされている。第１図に描かれているのと 同等の装置によれば、センサー１０は２方向、これは極軸方向での規定において 、他の２つの（ｘ、ｙ）方向よりも明らかに太き（な）ている。振動の励起は、 第２図に描かれている１面上の電極１３．１４を介して行なわれ、そしてそれを 通して、センサー１０は振動回路の周波数決定要素となる。平面の位置は、その ノーマルピリオドの方向によって知られている方法で表現されている。センサー １０を励起することの可能性は、セラミック板１１の圧電特性から生じ、そこで は板１１の周期釣上りＹｚが、交番電界ＥｙによってＹＺ−ｄ＋ｓ・ＥＶに従っ て生じている。電気と機械振動との間の関係における比例係数ｄｌｌおよびｄ３ １・・・・・・は圧電係数として示されている。

角速度Ωの測定はコリオリの力Ｋｃを基にしており、これは回転系において速度 Ｖで移動する質量ｍではＫｃｗｍ　２　ｍ　ｖ　ｘΩとして知られている。コリ オリの力Ｋｃの絶対値は角速度Ωの絶対値に比例しており、１方、ベクトル積ｖ ×Ωによって決まる、その方向は、角速度Ωの回転の方法によって符号が変化す る０回転の軸の距離は、ここでけ何の役も果たさない、センサー１０の質量素子 ｍに関しては、速度は交番電界Ｅ７によって生じる振動移動によって与えられ、 そのため第１図に描かれているように、速度ベクトルＶは２軸に平行に広がる。

板１１のノーダルプレーンにおいては、速度ベクトルＶの大きさはゼロに等しく 、その方位相に関してπ／２だけシフトしている。

振動の振幅と振動周波数の積によって決まる速度の大きさは、周波数が相応して 高いので、マイクロメーターの程度の大きさの極めて小さな振幅を持つ辷り振動 の場合でさえ、十分な値となり得る０例えば１６０ＫＨｚの、高い振動周波数を 利用すると、振動周波数が同時に信号周波数にもなるので周波数の間隔は、公知 の処理の場合よりも震えから生ずる妨害信号に関して、より広くなる。こうして 可能となるのは、バイパスフィルターによって妨害信号を低減させた場合、震え に対してより低い感度を有するようになる。

測定されるべき角速度ベクトルΩに対するｚ軸の方向は、２面上の周期的機械的 ストレスがコリオリの力Ｋｃを通して、圧電特性の結果として、周期的チャージ を発生させるように、通訳される０次に、これらのチャージは角速度の測定結果 を表わす。

な方向（配向）となるべきである、結果的にコリオリの力ＫＣはｙ軸と平行に働 き、そして垂直なストレス要素ｙｙを発生し、それは次に、Ｄｚ諺ｄｓ＋’ＹＹ （Ｄｚは表面チャージ密度の単位を持っ誘電変位）に従って、２電極上に、角速 度Ωに比例した電荷を発生させる。もしベクトルがセンサーｌＯに関して異なる 位置を有しているとすれば、角速度Ωのｙ要素は電荷を発生させることのない辷 り応力ｘｙのみを発生させるだけなので、そのＸ要素のみが有効となる。さらに 、角速度ベクトルΩは振動質量の移動Ｖと平行な方向であるため、角速度ベクト ルΩの要素は全く何のコリオリの力も生じさせない、もし、例えばカーブを移動 中の自動車の場合においては、角速度は自動車の垂直軸に関して測定されるが、 センサー１０のＸ軸はこの軸に平行に延びている。

圧電材料の使用は、満足できる大きな値のｄ３１を得るのに必要である。感度は 、板の体積（容積）を増加させることによって増加させることができるものの、 しかし、これには適用条件によって狭い制限が付されている。

角速度Ωに比例する出力信号は、センサー１０の信号電極１５．１６においてフ ィルターされそして増幅された信号から位相感応整流によって得られる。２電極 の周期的な再充電の位相角は回転の方向の１８０゜だけ反転しているので、直流 電圧の符号は回転方向を表わしている。

センサー１０の設計の説明的な実施例が第３図に描かれている。ここではセンサ ー１０がコンタクトスプリング１８によってフレーム】７内に吊られている。

このコンタクトスプリング１８は、フレーム１７内にセンサーｌＯを弾性的に保 持するためと、そしてセンサーｌＯの電気的測定信号の、または相当する電極へ の電気的励起信号の伝達のための両方の働きを行う。

もし回転の角速度が垂直軸に関して測定されるべきであるならば、センサーｌＯ のフレーム１７は回転する全体装置内に水平的に設置されるべきである。コンタ クトスプリング１８として適当なのは、基本的にはセンサー１０の辷り振動を阻 止することのない、そして同時にそれ自体の導電性や、または金属化を通して、 あるいは薄い導線と結合して、電気的接触を可能とするような、あらゆる弾性体 である。このソフトな取付けによって、ある程度の震え絶縁が達成でき、それは おそらく、Ｘ面上での弾性的支持を必要とし、それはフレームの振動絶縁によっ てさらに支持されることができる。しかし、センサーｌＯのサスペンションをよ りソフトにすれば、角速度の測定の時間的な分解能は、より低くなる。

測定信号の、より高い時間的分解能は、第４図に描かれている説明的な実施例を 用いることによって達成されるが、そこではセンサーｌＯは２板のプレッシャー プレート２１．２２によって保持されている。この目的のために、プレッシャー プレート２１．２２のナイフェツジがその中に入る２つの長さ方向溝２４がセン サー１０のＸ面内で２方向に延びるノーダルライン（節の腺）中に構成される。

しかし、長さ方向溝を設けずにセンサー１０のＸ面にプレッシャープレート２１ ．２２を適合させることもまた考えられる。

もし、第４図によって、フレーム１７に対して比較的にハードな取付けが行なわ れた場合、震えによって誘起される妨害電圧の影響を、バイパスフィルターによ り低周波信号成分をフィルターするという前述方法で抑制することは十分ではな く、妨害電荷の発生を信号電極１５．１６上で早目に減衰させるよう配慮される べきであって、そのためには第５図に描かれているように、２つのセンサー１０ ．すなわち２つのセンサー板１１．１２を結合させることによって補償する必要 がある。センサーｌＯの載せられている側における低周波振動は、例えば道路の 高低によって、またはエンジンの震えによって生ずるものである。震え（バイブ レーション）動作がセンサー板１．１に伝達された時、内部の力がそこに生じ、 それは機械的ストレスを誘発する。それによって発生される辷りストレスは２面 の信号電極上に何の電荷も生じさせないが、！！！ての正常電圧要素ＸＸ、Ｙｙ 、Ｚｚによって電荷が生じる０個々のプレートの場合には、それによって生じる 電荷の大きさは、望ましい検出限界においては測定信号よりも極めて大きい、し かし、生じた震えの結果として垂直に同じ機械的上りストレスが、第５図に描か れているように、平行なＺ軸を持つ２つのセンサー板１１゜１２上のマウンティ ング２５を通して働くならば、前記震えによって２つの板１１．１２の信号電極 １５゜１６上に発生する妨害電荷は等しい大きさである。各場合における２つの 電極の相互接続によって、妨害電荷は反対符号であるため、妨害電荷の望ましい 補償が実施される。同時に、第５図による説明的な実施例に描かれているように 、２つの板１１．１２の振動が逆位相で励起されるならば信号もまた、互いに加 えられる。この処理においては、１つのセンサー板１１には圧縮ストレス（応力 、ひずみ）が生じ、他方、別の板には引張ストレスが生じ、あるいはその反対の 状況が生じる。このことは、例えば加速、遠心力およびコリオリの力のような、 線形の振動や回転振動の結果として生ずる、どのような方向の、どのような型の 力に対しても保持される。

出力信号の増加および妨害影響の補償はまた、第６図による装置で可能となるの であるが、これは大幅に第５図による装置に相応している。ここでは基板３５に しっかりと接続された４つの圧電板３１から３４がλ／２振動子の代わりに用い られている。こうして、板３１および３４はλ／４＊動子を表わしている。この 結果として、極めてコンパクトな、そして安定性のある装置となる。板３１およ び３４は、例えば金属板上に半田付けされるか、または導電性接着材によってセ ラミック基板上に固定されることができる。この金属板または導電性接着材は電 極１３または１４の１つとして励起の目的を果たす、板３１から３４の２軸、つ まりそれらの極軸は基板３５の平面内に存在している。板３１．３２または３３ ．３４の対において、それらの方向はどのような場合でも同一であり、それは割 当てられた座標系によって、第６図に描かれている。

板３１から３４の辷り動作は個々に対角線的に同じ位相となる。この振動の分配 は板３１と３４および基板３５の系の重心のモーメントを無効とし、そしてそれ によって基板３５への横断動作の結合を無効とする。

さらに、辷り動作に結び付いているトルクは基板３５内で補償される。２軸の前 もって決められた場所で、望ましい逆位相状況の厚さ辷り振動が可能となるよう に、センサー板３１から３４のｙ電極３６から３９は第７図に示されるように、 トランス３９を介して電圧源に接続される。Ｘ軸に関するセンサーの回転によっ て、例えば第６図における４１から４４のような、１方の側の２電極上に発生す る電荷は同符号であるため、各側の４つの２電極は、２電極４１から４４に関し て表わされているように相互接続される。ここでもまた、第５図によるセンサー １０の場合のように、低周波の妨害は大幅に補償され、有効な信号は互いに加え られる。

前述の総てのセンサー（第３図から第６図）の場合、可能な限り効果的に補償さ れるぺぎ、しかし信号と同位相とはなっていない、妨害電圧は、センサーの回転 がない時にでも信号出力に現われる。それらは、部分的には、励起電極と導線お よび信号電極との間の、除くことのできない容量によって生ずるものである。励 起および信号電極間のストレー電界の圧電２次効果による妨害信号は重ね合わせ られる。センサー板の信号出力に重ね合わせられる、適当な大きさの、そして適 当な位相角の電圧成分は、補償の目的のための励起電圧から形成される。さらに 、自由に振動する板を持つセンサー（第３図から第５図）の場合には、高調波信 号、すなわちλ／２振動を持つ信号が発生する。前記信号は板振動のｙ成分から 生ずるものであり、それは表面においてストレス（ひずみ）から解放されている 結果として、板の終端において２面に垂直に形成されるものである０位相感応整 流のスイッチングは高調波信号によって無効とはならないため、この高調波信号 はローパスフィルターによって信号路内で十分に抑圧されるべきである。

前に述べたように、測定信号の大きさはセンサーｌＯの振動の振幅に依存するも のであるため、前記大きさは一定に保たれる必要がある。これは振動の振幅測定 によって長い周期にわたって、最善の信頼性を発揮する。自由に振動する板を持 つセンサーの場合、前述の高調波信号は明らかに振動の振幅に依存しており、そ して結果的に制御に適している。この地理においては、励起電圧は、高調波信号 の値が前もって決められた一定を保つように制御される。この目的のために、高 調波信号は、フィルターを通る前の信号路内において取り出される。高調波信号 の使用は、振動の振幅の測定が何の付加的センサーやまたは電極を必要とせずに 行なえ、そしてより大きな励起電圧の漏れによる制御信号の悪影響が実際的に、 フィルターされることが可能であるため、排除される、という利点を有している 。第６図によるセンサーの場合に、励起電極３６゜３７に小さな電極４５．４６ を付加することは、振動の振幅の測定のために、７表面上に適用される。

国＠調査報告 国際調斎報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．振動型ジャイロメーターの型式の少なくとも１つの圧電セラミック素子（１ １）によって動作する、例えば自動車用の、角速度（Ω）を求めるためのセンサ ー（１０）において、上記の１つの素子または複数の素子（１１）が厚さ上り振 動子として構成され、圧電セラミック素子の極軸に垂直で、当該素子の平面に平 行な回転の軸を中心とした回転の場合に、センサー（１０）に働くコリオリの力 （Ｋｃ）が生じ、それが上記の１つの素子または複数の素子（１１）の極軸に垂 直な面上に電荷を発生させ、その電荷が回転の角速度（Ω）の尺度量を表わすこ とを特徴とする、センサー。
2. ２．励起電極（１３または１４）がセンサー（１０）の板表面上に設けられ、そ してその電荷が角速度（Ω）に比例しているような、圧電セラミック素子（１１ ）の電荷を測定するように働く測定用電極（１５，１６）が、極軸に垂直である センサー（１０）の表面上に設けられているような、請求の範囲第１項記載のセ ンサー。
3. ３．２つのマウンティング（保持体）（２１，２２）が、１つの素子または複数 の素子（１１）の節（の）線（２４）の範囲内においてセンサー（１０）に取付 けられているような、請求の範囲第１項および／または第２項記載のセンサー。
4. ４．マウンティング（２１，２２）がその中に係合する長さ方向の溝（２４）が 、センサー（１０）の節線の範囲（領域）内に設けられているような、請求の範 囲第１項から第３項までの１つに記載のセンサー。
5. ５．センサー（１０）が、弾性のある、電気的に導体の接触スプリング（１８） によってフレーム（１７）に取付けられているような、請求の範囲第１項および ／または第２項記載のセンサー。
6. ６．センサー（１０）が２つの素子（１１，１２）からなっており、それらの極 軸は平行となるように配置され、そしてそれらは振動と逆位相で励起され、そし て、２つの測定用電極（１５，１６）は、測定信号が互いに加えられ、他方、震 動に基因する妨害電荷は互いに補償するように、接続されているような、請求の 範囲第１項から第５項までの１つに記載のセンサー。
7. ７．各々が２対の板（３１，３２または３３，３４）を持つ少なくとも２つのセ ンサが、基板（３５）上に配置され、その極軸はその対板内では同じ方向にあっ て、それらの上り動作は対の板において逆位相で励起され、対角線的に同位相で あるような、請求の範囲第１項から第６項までの１つに記載のセンサ８．センサ ー（１０）の測定用電極（１５，１６）において生ずる、そして振動の振幅の大 きさに依存する高調波信号が、信号路中でフィルターされる前に取り出され、振 動の大きさを制御するために用いられるような、請求の範囲第１項から第６項ま でに記載のセンサー。