JPH07128355A - 1軸角速度/加速度センサ - Google Patents

1軸角速度/加速度センサ

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JPH07128355A
JPH07128355A JP5271797A JP27179793A JPH07128355A JP H07128355 A JPH07128355 A JP H07128355A JP 5271797 A JP5271797 A JP 5271797A JP 27179793 A JP27179793 A JP 27179793A JP H07128355 A JPH07128355 A JP H07128355A
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acceleration
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久 矢部
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 機構的に極く簡素でありながら、小型、軽
量、安価、長寿命、高信頼性を示す1軸角速度/加速度
センサを提供する。 【構成】 2本のビーム42およびビーム42’より成
る音叉を構成する水晶薄板40を両側から2枚の水晶板
50および水晶板60により僅かの間隙を保持して挟み
込み、2本のビーム42およびビーム42’が1軸角速
度/加速度により変位する量を検出する検出電極33、
43、51、61および33’、43’、51’、6
1’を2本のビーム42およびビーム42’および両側
の2枚の水晶板50および水晶板60に形成した屈曲式
音叉型水晶振動子を使用した1軸角速度/加速度セン
サ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、1軸角速度/加速度
センサに関し、特に屈曲式音叉型水晶振動子を具備して
小型、軽量、安価、長寿命、高信頼性を示す1軸角速度
/加速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】1軸角速度/加速度センサの従来例を図
1および図2を参照して説明する。図1は回転ビーム型
1軸角速度/加速度センサを示す。円筒ケース11の両
端板11aおよび11bに軸受12および13が固着せ
しめられており、これらの軸受に軸支された回転軸21
に圧電ビーム回転体20が固定されている。圧電ビーム
回転体20は2本のビーム状圧電検出器22aおよび2
2bより成り、これらは回転軸21に直角であると共に
対称的に支持板24を介して回転軸21に固定されてい
る。圧電検出器22aおよび22bは例えば、バイモル
フ圧電結晶ビームの両面に電極25aおよび25bを形
成したものとすることができる。圧電検出器22aおよ
び22bの自由端には角速度検出感度を向上せしめるた
めの錘23aおよび23bが具備される。14はスピン
・モータのステータ、15はそのロータであり、このロ
ータ15により回転軸21を高速回転させる。圧電検出
器22aおよび22bの電極25aおよび25bにより
検出される検出出力は回転軸21内の配線を介してスリ
ップ・リング24a、24bおよび24cに到達し、こ
こからブラシ16a、16bおよび16c、プリアンプ
31aおよび31bを介して信号処理回路に送り込まれ
る。
【0003】図2(a)についてみるに、X軸は圧電検
出器22aおよび22bの共面内にある軸であり、Z軸
はX軸に直交する軸であって回転軸21と同軸状態にあ
る。角速度/加速度センサのケース11をX軸を中心に
角速度Ωx で回転させると、Z軸を中心に角速度Ωz で
高速回転している圧電検出器22aおよび22bにはコ
リオリ力が作用し、圧電検出器22aおよび22bは図
2(a)において鎖線により示される如くに互いに逆位
相にたわむ。その結果、圧電検出器22aおよび22b
から、図2(b)に示されるが如き、振幅が相等しく位
相が180°の正弦波電圧信号Xa、Xbが得られる。
ここで、圧電検出器22aおよび22bの出力電圧信号
の差をとればX軸回転角速度成分X=Xa−Xbが得ら
れる。
【0004】圧電検出器22aおよび22bにZ軸方向
の振動加速度αが加わると、圧電検出器22aおよび2
2bは図2(c)において鎖線により示される如くに同
相にたわむ。その結果、圧電検出器22aおよび22b
からは、図2(d)に示されるが如く、振幅が相等しく
同相の正弦波電圧信号Za、Zbが得られる。ここで圧
電検出器22aおよび22bの出力電圧信号の和をとれ
ば、Z軸方向加速度成分Z=Za+Zbが得られる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図1に示される1軸角
速度/加速度センサは角速度/加速度を検出する材料と
して圧電検出器22aおよび22bを使用したものであ
るが、図示される通り部品点数が多く、構造が複雑であ
り、そして、スピン・モータを使用してその回転部の軸
受け12および13の摩耗、摩滅による寿命の制約のあ
るものである。
【0006】この発明は、摩耗、摩滅する部材を使用す
るものではなく、屈曲式音叉型水晶振動子を使用して上
述の通りの問題を解消した1軸角速度/加速度センサを
提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】2本のビーム42および
ビーム42’より成る音叉を構成する水晶薄板40を両
側から2枚の水晶板50および水晶板60により僅かの
間隙を保持して挟み込み、2本のビーム42およびビー
ム42’が1軸角速度/加速度により変位する量を検出
する検出電極33、43、51、61および33’、4
3’、51’、61’を2本のビーム42およびビーム
42’および両側の2枚の水晶板50および水晶板60
に形成した屈曲式音叉型水晶振動子を使用した1軸角速
度/加速度センサを構成した。
【0008】そして、2枚の水晶板は水晶薄板より剛性
が高く、ビームの振動を妨げることのない様にビームの
周囲に僅かの間隙を保持して水晶薄板支持部のみに接す
る様に水晶薄板を挟み込むものであることを特徴とする
1軸角速度/加速度センサを構成した。また、屈曲式音
叉型水晶振動子により形成される静電容量を可変静電容
量型変位検出器の静電容量とする1軸角速度/加速度セ
ンサを構成した。
【0009】更に、可変静電容量型変位検出器を2組具
備し、屈曲式音叉型水晶振動子の発振周波数と比較して
充分に高い安定化された変位検出器励磁交流電源を具備
し、2組の可変静電容量型変位検出器の検出信号出力の
差を求める回路を具備し、2組の可変静電容量型変位検
出器の出力の和を求める回路を具備する1軸角速度/加
速度センサを構成した。
【0010】そして、角速度の印加によるビームの才差
運動に伴う振動成分および加速度印加によるビームの変
位成分を変位検出器の交流信号出力として検出し、この
検出信号について角速度に対する信号処理は2組の可変
静電容量型変位検出器の出力の差を求め、水晶振動子の
発振周波数で同期検波を行い、ローパスフィルタで励磁
交流信号の残留成分を平滑化し、加速度に対する信号処
理は2組の可変静電容量型変位検出器の出力の和を求
め、ローパスフィルタで励磁交流信号の残留成分を平滑
化する1軸角速度/加速度センサ、を構成した。
【0011】
【実施例】この発明の1軸角速度/加速度センサに採用
される屈曲式音叉型水晶振動子を図3(a)を参照して
説明する。図3(a)は屈曲式音叉型水晶振動子の分解
斜視図である。この屈曲式音叉型水晶振動子は屈曲式音
叉型振動をする2本のビーム42およびビーム42’よ
り成る音叉を形成する水晶薄板40、および水晶薄板4
0をその両側から挟み込む2枚の水晶板50および水晶
板60より成る。
【0012】晶薄板40は、屈曲式音叉型振動せしめら
れる2本のビーム42およびビーム42’およびその支
持枠41を残して一部切除することにより音叉を形成す
るものである。音叉を構成する2本のビーム42および
ビーム42’の双方には、1軸角速度/加速度が加えら
れた時、これにより変位する変位量を検出するための変
位検出電極が表裏両面に形成されている。即ち、ビーム
42の表裏両面には表電極43および裏電極33が形成
されており、ビーム42’の表裏両面には表電極43’
および裏電極33’が形成されている。
【0013】一方、音叉を構成する水晶薄板40をその
両側から挟み込む2枚の水晶板50および水晶板60に
ついてであるが、これらは互いに同一の形状構造に形成
されており、図示される通り互いに対向して水晶薄板4
0をその両側から挟み込む様にして屈曲式音叉型水晶振
動子を構成する水晶板である。この水晶板50の表面に
は、水晶薄板40のビーム42に形成される裏電極33
に対向してこれと共働する変位検出電極51が形成され
ると共に、ビーム42’に形成される裏電極33’に対
向してこれと共働する変位検出電極51’が形成されて
いる。同様に、水晶板60の裏面には、水晶薄板40の
ビーム42に形成される表電極43に対向してこれと共
働する変位検出電極61が形成されると共に、ビーム4
2’に形成される表電極43’に対向してこれと共働す
る変位検出電極61’が形成されている。水晶薄板4
0、水晶板50および水晶板60は図3(a)に示され
る順序で互いに一体に接合される。ただし、この接合は
2本のビーム42およびビーム42’が水晶板50およ
び水晶板60に触れてその振動が妨げられることのない
様になされる。そのためには、例えば水晶薄板40の2
本のビーム42およびビーム42’の厚さを水晶薄板4
0自体の厚さより薄く切り出して、水晶薄板40と水晶
板50および水晶板60との接合がなされた時に水晶薄
板40と水晶板50および水晶板60との間に僅かの空
間が形成される様にする。
【0014】屈曲式音叉型水晶振動子の振動の態様を図
4(a)と図4(b)を参照して説明する。先ず、水晶
薄板40の音叉を構成するビーム42およビームび4
2’が図4(a)に示される通り互いに逆位相に速度V
の単振動をしている無入力の場合、これらのビーム42
およびビーム42’に図示される如くに角速度ωの回転
が加えられると、ビームには図示される向きのコリオリ
フォースF=2mVω(mはビームの質量)が生じ、ビ
ームは上下方向にも単振動をするに到る。次に、水晶薄
板40の振動子である2本のビーム42およびビーム4
2’が図4(b)に示される通り互いに逆位相に速度V
の単振動をしている無入力の場合、これらのビーム42
およびビーム42’に図において上向きの力F即ち直線
加速度が加わると、ビームは下向きに屈曲する。
【0015】ここで、図5に示される可変静電容量型変
位検出器のブロック図を参照する。図3(a)により図
示説明される屈曲式音叉型水晶振動子は、可変静電容量
型変位検出器の可変容量C1 、C2 、C3 およびC4 を
形成するものである。これについて、図3(b)をも含
めて更に説明すると、可変容量C1 はビーム42に形成
される表電極43と水晶板60に形成される検出電極6
1とにより形成され、可変容量C2 はビーム42に形成
される裏電極33と水晶板50に形成される検出電極5
1により形成され、可変容量C3 はビーム42’に形成
される表電極43’と水晶板60に形成される検出電極
61’により形成され、そして可変容量C4 はビーム4
2’に形成される裏電極33’と水晶板50に形成され
る検出電極51’により形成される。この屈曲式音叉型
水晶振動子により形成されるキャパシタC1 、C2 、C
3 およびC4 は差動ブリッジ接続されると共に、そのA
接続端子およびB接続端子間は交流発振器100により
交流励振される。
【0016】音叉を構成する2本のビーム42およびビ
ーム42’が図4(a)に示される通り単に互いに逆位
相に速度Vの単振動をしている場合、C、D、C’、
D’接続端子の電圧は、何れのキャパシタCにも変化は
生じないところから、図6(a)に示される如く振幅一
定の単振動出力電圧波形となる。ところが、上述の通り
に角速度ωの回転が加えられると、2本のビーム42お
よびビーム42’にコリオリフォースFが加えられるの
で、これらビームは図4(a)に示される如く上下方向
にも単振動するに到る。2本のビーム42およびビーム
42’が上下方向に単振動をするに到ると、キャパシタ
C1 およびキャパシタC4 の静電容量は図示される瞬間
においては増加する一方、キャパシタC2 およびキャパ
シタC3 の静電容量は逆に減少する。しかし、2本のビ
ーム42およびビーム42’は上下方向に単振動してい
るので、次の瞬間は逆にキャパシタC1 およびキャパシ
タC4の静電容量は減少する一方、キャパシタC2 およ
びキャパシタC3 の静電容量は増加することとなる。以
降、これを繰り返す。キャパシタC1 ないしキャパシタ
C4 の静電容量が上述した通りに変化することに起因し
て、C、D接続端子の電圧は図6(b)に示される如く
振動子の振動周波数により振幅変調された様な電圧波形
となる。同様に、C’、D’接続端子の電圧は図6
(c)に示される如く振動子の振動周波数により振幅変
調された様な電圧波形となる。図6(b)に示される電
圧波形と図6(c)に示される電圧波形とは互いに逆位
相である。
【0017】ここで、角速度ωの極性、向きを判別する
に位相弁別回路130が具備されている。そして、これ
ら電圧波形を半波整流回路110により半波整流した結
果の電圧であるF点、E点、J点、H点の電圧は図7
(a)〜図7(d)に示される如きものとなる。差動回
路の出力であるG点およびK点の電圧を図8(a)、図
8(b)に示すが、これを入力電圧とする差動回路12
0の出力電圧であるL点の電圧は図8(c)に示される
が如きものである。ここで、図8(c)は角速度ωの極
性に左右されて、振動子の発振周波数とL点の電圧とが
同相である場合を示す。これは図8(a)と相似形であ
る。振動子の発振周波数とL点の電圧とが逆相である場
合は図8(c)とは逆になり丁度図8(b)と相似形と
なる。位相弁別器130の出力電圧であるN点の電圧
は、図8(c)の場合は図9(a)に示されるが如きも
のであり、図8(c)と逆の場合は図9(b)に示され
るが如きものである。図9(a)および図9(b)にお
いて、直線Pは角速度ωに比例した電圧を示す。
【0018】振動子に直線加速度が加わった場合、振動
子は図4(b)に示される如く屈曲する。この場合、キ
ャパシタC1 およびキャパシタC3 の静電容量は共に減
少する結果、C接続点およびC’接続点の電圧は中立点
にある場合より上昇する。即ち、図10に示される如く
(a)はC、C’点の電圧、(b)はD、D’点の電圧
である。これらを半波整流したF、E、J、H点の電圧
は図11(a)〜図11(d)に示されるが如きもので
ある。差動回路121の出力電圧であるR点の電圧は、
図12(a)に示されるG点の電圧に、反転回路を介し
て図12(b)に示されるK点の電圧を相加したものに
等価的に等しい。このR点の電圧は図12(c)に示さ
れるが如きものである。なお、相加することにより角速
度成分は相殺される。従って加速度零の状態における電
圧を基準とすれば、加速度により変化した信号を求める
ことができる。
【0019】以上は、可変静電容量型変位検出器の励磁
を交流発振器100により行う場合についてのものであ
るが、励磁を直流電圧により行うと下記の通りになる。
即ち、振動子に角速度が加わった場合、振動子はコリオ
リ力により必ず直角方向にも振動成分を持つに到るの
で、直流電界中においても電極に交流電圧を発生する。
しかし、加速度が加わった場合は、加速度の周波数が低
いと電極に電圧が発生しにくいことから、加速度信号の
検出には交流励磁を採用することが前提となる。なお、
直流励磁の場合の信号、電圧は各図において励磁周波数
を除いたものである。
【0020】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明は、音叉
を構成する水晶薄板40をその両側から2枚の水晶板5
0および水晶板60挟み込むという簡単な構成の屈曲式
音叉型水晶振動子を使用して可変静電容量型変位検出器
の可変静電容量を形成することにより1軸角速度/加速
度を検出するセンサ部とするため、機構的に極く簡素で
ありながら、小型、軽量、安価、長寿命、高信頼性を示
す1軸角速度/加速度センサを提供することができる。
【0021】この発明は、音叉の2本のビームの位置変
化をそれぞれ独立して可変静電容量型変位検出器および
電気回路により検出、信号処理することを可能とするも
のであるので、それぞれの信号差から1軸角速度を、そ
してそれぞれの信号和から1軸加速度を正確に検出する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】1軸角速度/加速度センサの従来例を示す図。
【図2】圧電ビーム回転体を説明する図。
【図3】屈曲式音叉型水晶振動子を説明する図であり、
(a)はその全体の分解斜視図(b)は音叉の斜視図。
【図4】屈曲式音叉型水晶振動子の音叉の振動態様を説
明する図。
【図5】可変静電容量型変位検出器のブロック図。
【図6】可変静電容量型変位検出器中の点の電圧を示す
図であり、(a)は2本のビームが上下方向に変位して
いない場合のC、D、C’、D’点の電圧、(b)は2
本のビームが上下方向に単振動している場合のC、D’
点の電圧、(c)は2本のビームが上下方向に単振動し
ている場合のC’、D点の電圧を示す図。
【図7】出力電圧波形を半波整流回路により半波整流し
た結果の電圧であり、(a)はF点の電圧、(b)はE
点の電圧、(c)はJ点の電圧、(d)はH点の電圧を
示す図。
【図8】(a)はG点の電圧、(b)はK点の電圧、
(c)はL点の電圧を示す図。
【図9】位相弁別器の出力電圧であるN点の電圧を示
し、(a)は図8(a)に対応する図、(b)は図8
(b)に対応する図。
【図10】(a)はC、C’点の電圧、(b)はD、
D’点の電圧。
【図11】(a)はF点の電圧、(b)はE点の電圧、
(c)はJ点の電圧、(d)はH点の電圧を示す図。
【図12】(a)はG点の電圧、(b)はK点の電圧、
(c)はR点の電圧を示す図。
【符号の説明】
40 水晶薄板 41 水晶薄板支持枠 42 ビーム 42’ ビーム 33 裏検出電極 43 表検出電極 51 検出電極 61 検出電極 50 水晶板 60 水晶板 100 交流電圧

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2本のビームより成る音叉を構成する水
    晶薄板をその両側から2枚の水晶板により挟み込み、2
    本のビームが1軸角速度/加速度により変位する量を検
    出する検出電極を2本のビームおよび両側の2枚の水晶
    板に形成した屈曲式音叉型水晶振動子を具備することを
    特徴とする1軸角速度/加速度センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載される1軸角速度/加速
    度センサにおいて、2枚の水晶板は水晶薄板より剛性が
    高く、ビームの振動を妨げることのない様にビームの周
    囲に僅かの間隙を保持して水晶薄板支持部のみに接する
    様に水晶薄板を挟み込むものであることを特徴とする1
    軸角速度/加速度センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1および2の何れかに記載される
    1軸角速度/加速度センサにおいて、屈曲式音叉型水晶
    振動子により形成される静電容量を可変静電容量型変位
    検出器の静電容量とすることを特徴とする1軸角速度/
    加速度センサ。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載される1軸角速度/加速
    度センサにおいて、可変静電容量型変位検出器を2組具
    備し、屈曲式音叉型水晶振動子の発振周波数と比較して
    充分に高い安定化された変位検出器励磁交流電源を具備
    し、2組の可変静電容量型変位検出器の検出信号出力の
    差を求める回路を具備し、2組の可変静電容量型変位検
    出器の出力の和を求める回路を具備することを特徴とす
    る1軸角速度/加速度センサ。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載される1軸角速度/加速
    度センサにおいて、角速度の印加によるビームの才差運
    動に伴う振動成分および加速度印加によるビームの変位
    成分を変位検出器の交流信号出力として検出し、この検
    出信号について角速度に対する信号処理は2組の可変静
    電容量型変位検出器の出力の差を求め、水晶振動子の発
    振周波数で同期検波を行い、ローパスフィルタで励磁交
    流信号の残留成分を平滑化し、加速度に対する信号処理
    は2組の可変静電容量型変位検出器の出力の和を求め、
    ローパスフィルタで励磁交流信号の残留成分を平滑化す
    る1軸角速度/加速度センサ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7337669B2 (en) 2003-10-03 2008-03-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Inertial sensor and combined sensor therewith
JP2009222475A (ja) * 2008-03-14 2009-10-01 Panasonic Corp 複合センサ
CN106124796A (zh) * 2016-06-28 2016-11-16 蚌埠大洋传感系统工程有限公司 一种高精度角速度传感器

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