JPH11230757A

JPH11230757A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH11230757A
Application number: JP10035148A
Authority: JP
Inventors: Juhei Takahashi; 橋寿平高
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】感度の増大および温度ドリフトの低減を図
る。【解決手段】恒弾性金属円柱１１の共振を利用し、駆
動方向とコリオリの力による変位方向の共振周波数を一
致させることにより、一致していない場合に比べて円柱
共振の尖鋭度をＱ倍大きくすることができる。したがっ
て、感度が高く、増幅利得および温度ドリフトの低い、
かつ生産時における共振周波数の無調整化により、低コ
ストで生産性の高い角速度センサを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両の左右への曲
がりを検出することにより、車体制御用センサとして応
用可能な角速度（ヨーレート）センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の圧電型振動ジャイロ方式の
角速度センサの一例を示しており、ベース１０１に固定
されたケース１０２の中に、いわゆる音叉の形状に形成
された一対の圧電セラミックからなるセンスエレメント
１０３と、このセンスエレメント１０３に対し測定軸０
の回りに９０度回転した状態でジョイント１０４を介し
て結合された一対の圧電セラミックからなるドライブエ
レメント１０５を備え、このドライブエレメント１０５
がリード配線１０６を介してベース１０１の端子に接続
されている。ドライブエレメント１０５は、センスエレ
メント１０３が近づいたり離れたりするように駆動する
が、感度を大きくするため、センスエレメント１０３を
共振周波数で駆動する。

【０００３】図５はこのような角速度センサを使用した
角速度検出装置の構成を示している。図５において、駆
動系は、１つのドライブエレメント１１２ｂの出力を取
り出して、その信号を入力するチャージアンプ１１３
と、チャージアンプ１１３の出力からドライブ回路１１
５の利得を決定する直流信号を生成するＡＧＣ回路１１
４と、もう１つのドライブエレメント１１２ａを駆動す
るドライブ回路１１５とから構成されている。センサ系
は、２つのセンスエレメント１１１ａ、１１１ｂからの
合成信号を電圧に変換するチャージアンプ１１６と、チ
ャージアンプ１１６の出力信号を９０度シフトするシフ
ト回路１１７と、駆動系のチャージアンプ１１３の出力
との間で同期検波する同期検波回路１１８と、同期検波
信号から角速度センサの出力となる信号を復調させる低
域フィルタ回路（ＬＰＦ）１１９とからなる。

【０００４】次に、上記角速度検出装置の動作について
説明する。まず、センスエレメント１１１ａ、１１１ｂ
の共振周波数（一般的には１〜２ｋＨｚ）でドライブエ
レメント１１２ａをドライブするが、チャージアンプ１
１３の出力にはノイズが含まれるため、共振周波数を中
心とする図示されない帯域フィルタ回路がチャージアン
プ１１３の後段に付加される。チャージアンプ１１３の
出力は、帯域ろ波されてＡＧＣ回路１１４に入力し、チ
ャージアンプ出力に応じた直流信号に変換され、ドライ
ブ回路１１５に入力する。この直流信号が一定の値とな
るようにドライブ回路１１５の出力が決定され、常に一
定の速度（共振周波数×振幅）でセンスエレメント１１
１ａ、１１１ｂが駆動される。

【０００５】このようにして駆動されているセンスエレ
メント１１１ａ、１１１ｂに測定軸０の回りに角速度が
加わると、次式で示すコリオリの力Ｆｃがセンスエレメ
ント１１１ａ、１１１ｂを撓ませる方向に生じ、センス
エレメント１１１ａ、１１１ｂの出力が駆動による信号
を搬送波とするならば、コリオリの力による信号が変調
波となるようにＡＭ変調される。Ｆｃ＝−２ｍｖω ｍ：移動する物体（振動子）の質量ｖ：移動する物体（振動子）の速度 ω：回転座標の回転角速度

【０００６】ドライブエレメント１１２ａ、１１２ｂを
駆動する信号に対してセンスエレメント１１１ａ、１１
１ｂが駆動される信号は、９０度シフトしているので、
９０度シフト回路１１７で９０度戻すことにより両者は
同相になる。次に、駆動系とセンサ系のチャージアンプ
１１３、１１６の出力どうしを同期検波回路１１８で同
期検波すると、コリオリの力で生じた信号が復調される
ことになる。この復調信号には駆動信号（１〜２ｋＨ
ｚ）のリーク分が入っているので、必要とする１００Ｈ
ｚ以下の信号を得るため低域フィルタ回路１１９で低域
ろ波する。

【０００７】このように、従来の角速度検出装置でも角
速度を正確に検出することができ、このような角速度セ
ンサを車体制御用センサとして車両に搭載することによ
り、車両の左右の曲がり（ヨー）を検出することができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の角速度センサでは、１対のセンスエレメントを、温
度特性も含めて厳密に共振周波数に合わせなければなら
ず、生産時の共振周波数調整のためのコストアップや生
産性の低下をもたらしていた。また、図６に示すよう
に、非共振型角速度センサ（ａ）であっても、共振型角
速度センサ（ｂ）であっても、音叉（駆動）共振とセン
ス共振が２軸である以上、これらを合致させることがで
きず、センシング感度が小さく、温度ドリフトが増大す
るという問題を有していた。

【０００９】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、感度の増大および温度ドリフトの低減を
図ることのできる角速度センサを提供することを目的と
するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、恒弾性金属による一軸円柱により、駆動
方向とコリオリの力による変位方向の共振周波数を一致
させるようにしたものであり、一致していない場合に比
べて、円柱共振の尖鋭度をＱ倍大きくすることができ
る。したがって、本発明によれば、感度をＱ倍近く増加
でき、増幅利得および温度ドリフトを１／Ｑ近くまで低
減することができ、かつ生産時における共振周波数の無
調整化により、低コストで生産性の高い優れた角速度セ
ンサを得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、恒弾性金属円柱からなる振動子の共振を利用し、駆
動振動とコリオリの力による変位の周波数とを同一に合
わせることにより、倍率高くコリオリの力による変位を
発生させ、前記変位を角速度として検出することを特徴
とする角速度センサであり、感度の増大および温度ドリ
フトの低減を図ることができるという作用を有する。

【００１２】本発明の請求項２に記載の発明は、レーザ
光を恒弾性金属円柱の円柱面稜線近傍に結像させ、その
反射光を２分割フォトダイード上の光量差として検出す
ることにより、コリオリの力による変位を検出すること
を特徴とする請求項１記載の角速度センサであり、感度
の増大および温度ドリフトの低減を図ることができると
いう作用を有する。

【００１３】本発明の請求項３に記載の発明は、コリオ
リの力によって生じる振幅を前記恒弾性金属円柱に形成
した圧電体によって検出することにより、コリオリの力
による変位を検出することを特徴とする請求項１記載の
角速度センサであり、感度の増大および温度ドリフトの
低減を図ることができるという作用を有する。

【００１４】本発明の請求項４に記載の発明は、恒弾性
金属円柱の稜線近傍に配置した磁性体とコイルにより、
前記恒弾性金属円柱を駆動し振動させることを特徴とす
る請求項１または２または３記載の角速度センサであ
り、感度の増大および温度ドリフトの低減を図ることが
できるという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項５に記載の発明は、恒弾性
金属円柱に形成した圧電体により、前記恒弾性金属円柱
を駆動し振動させることを特徴とする請求項１または２
または３記載の角速度センサであり、感度の増大および
温度ドリフトの低減を図ることができるという作用を有
する。

【００１６】以下、本発明の実施の形態を図面を参照し
て説明する。まず、図１を参照して本発明の原理につい
て説明する。図１（ａ）において、１は金属円柱であ
り、その下端部を回転台２に固定されている。３は金属
円柱１の稜線上の近傍に配置された磁性体であり、コイ
ル４が巻いてある。図１（ｂ）は金属円柱１の両端部を
回転台２ａおよび２ｂに固定したものである。コイル４
を巻いた磁性体３は、金属円柱１の中央部に配置されて
いる。このような状態で、コイル４に通電し、金属円柱
１をその固有振動数で加振させながら円柱軸の回りに回
転させると、回転速度の軸方向成分と駆動振動速度に比
例したコリオリの力が駆動振動面に対し垂直方向に働
き、この力により垂直方向に新たな振動成分が発生す
る。この新たに発生した振動成分、すなわちコリオリの
力に比例する振動成分を測ることによって回転角速度を
測定することができる。

【００１７】金属円柱１として弾性特性の均質な恒弾性
金属円柱を使用すると、駆動振動面に対し垂直方向面内
の共振周波数は同一であるから、コリオリの力による振
動成分も共振状態で測ることになり、振動成分を大きく
拡大して感度よく測定することができる。コリオリの力
による変位は、一般に極めて小さいが、駆動方向とコリ
オリの力による変位方向の共振周波数を一致させること
により、一致してない場合に比べて円柱共振の尖鋭度を
Ｑ倍大きくすることができる。なお、金属円柱１は両端
自由で加振させてもよく、また金属円柱１の駆動は、図
示の電磁型の他に、円柱面に貼付したり積層した圧電素
子により駆動する圧電型を使用してもよい。

【００１８】（実施の形態１）図２は本発明の第１の実
施の形態を示し、極めて小さいコリオリの力による変位
を検出するのに光学的梃子の原理を応用した例である。
図２において、１１は下端部が固定された恒弾性金属円
柱であり、１２は金属円柱１１の稜線近傍に配置された
磁性体、１３は磁性体１２に巻かれたコイルであり、図
１（ａ）と同様のものである。１４はレーザ光源であ
り、その光路上にレンズ１５、ビームスプリッタ１６、
レンズ１７が配置され、レンズ１７からの集束光が金属
円柱１１の稜線近傍に結像されるようになっている。ビ
ームスプリッタ１６により分岐された光路上には、レン
ズ１８と、その焦点位置に配置された２分割フォトダイ
オード１９が設けられている。２分割フォトダイオード
１９の出力はオペアンプ２０に入力されている。

【００１９】次に、本実施の形態における動作について
説明する。レーザ光源１４から出射した光は、レンズ１
５により平行光化され、ビームスプリッタ１６を通過し
てレンズ１７により金属円柱１１の稜線近傍に結像され
る。金属円柱１１から反射した光は、レンズ１７により
平行光化され、ビームスプリッタ１６により直角に反射
され、レンズ１８を通って２分割フォトダイオード１９
の基準点にスポット状に結像される。金属円柱１１が、
その位置から入射光軸に対し垂直な方向Ａに移動する
と、金属円柱１１の反射面が傾き、２分割フォトダイオ
ード１９におけるスポット位置がずれる。このずれ量
は、金属円柱１１の移動量が小さい範囲では比例するの
で、２分割フォトダイオード１９における光量差をオペ
アンプ２０で検出することにより、金属円柱１１の移動
量、この場合はコリオリの力による微小変位を測定する
ことができる。一方、磁性体１２およびコイル１３によ
り金属円柱１１に光軸方向Ｂの振動を加えると、その変
位による２分割フォトダイオード１９におけるスポット
変化は、形状は変わるが基準点からずれないので、２分
割フォトダイオード１９における光量差は変化しない。
したがって、入射光軸に対して垂直な方向の変位、すな
わちコリオリの力による変位だけを検出することができ
る。

【００２０】（実施の形態２）図３は本発明の第２の実
施の形態を示しており、上記実施の形態１が金属円柱を
電磁型で駆動しているのに対し、本実施の形態２では、
圧電型で駆動している点が異なるだけである。図３にお
いて、恒弾性金属円柱１１の下部表面には、スパッタ法
または気相成長法等により形成された圧電被膜２１が積
層され、その上に直交する２組の対電極２２ａ、２２ｂ
および２３ａ、２３ｂが形成されている。片方の対電極
２２ａ、２２ｂに通電して金属円柱１１を駆動し、他方
の対電極２３ａ、２３ｂでコリオリの力を検出する。検
出の方法は、図５に示した従来例とほぼ同様であり、コ
リオリの力によってＡＭ変調された振幅を復調すること
により、コリオリの力による変位だけを検出することが
できる。

【００２１】なお、上記各実施の形態において、金属円
柱１１の下部を一端固定としたが、金属円柱１１を両端
固定または両端自由としても実施可能であり、その場合
は、磁性体１２や圧電被膜２１および対電極２２、２３
は、金属円柱１１の中央部付近に配置する。

【００２２】また、金属円柱１１の駆動と検出は、実施
の形態１と実施の形態２を交互に組み合わせることがで
きる。例えば、電磁型で駆動し、圧電型で検出したり、
圧電型で駆動し、光学型で検出してもよい。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、上記実施の形態から明らかな
ように、恒弾性金属による一軸円柱により、駆動方向と
コリオリの力による変位方向の共振周波数を一致させる
ようにしたので、一致していない場合に比べて、円柱共
振の尖鋭度をＱ倍大きくすることができ、感度が高く、
増幅利得および温度ドリフトの低い、かつ生産時におけ
る共振周波数の無調整化により、低コストで生産性の高
い優れた角速度センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための模式図

【図２】本発明の実施の形態１における角速度センサの
概略構成図

【図３】本発明の実施の形態２における角速度センサの
部分斜視図

【図４】従来の角速度センサの内部構成を示す斜視図

【図５】従来の角速度センサを用いた角速度検出装置の
概略ブロック図

【図６】従来の角速度センサにおける特性図

【符号の説明】

１金属円柱２回転台３磁性体４コイル１１恒弾性金属円柱１２磁性体１３コイル１４レーザ光源１５レンズ１６ビームスプリッタ１７レンズ１８レンズ１９２分割フォトダイオード２０オペアンプ２１圧電被膜２２駆動側対電極２３出力側対電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】恒弾性金属円柱からなる振動子の共振を
利用し、駆動振動とコリオリの力による変位の周波数と
を同一に合わせることにより、倍率高くコリオリの力に
よる変位を発生させ、前記変位を角速度として検出する
ことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】レーザ光を恒弾性金属円柱の円柱面稜線
近傍に結像させ、その反射光を２分割フォトダイード上
の光量差として検出することにより、コリオリの力によ
る変位を検出することを特徴とする請求項１記載の角速
度センサ。
【請求項３】コリオリの力によって生じる振幅を前記
恒弾性金属円柱に形成した圧電体によって検出すること
により、コリオリの力による変位を検出することを特徴
とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項４】恒弾性金属円柱の稜線近傍に配置した磁
性体とコイルにより、前記恒弾性金属円柱を駆動し振動
させることを特徴とする請求項１または２または３記載
の角速度センサ。
【請求項５】恒弾性金属円柱に形成した圧電体によ
り、前記恒弾性金属円柱を駆動し振動させることを特徴
とする請求項１または２または３記載の角速度センサ。