JPH11351878A

JPH11351878A - 振動型角速度センサ

Info

Publication number: JPH11351878A
Application number: JP10162148A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Ando; 芳之安藤
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】入力軸Ｙ廻りに入力がないにもかかわらず入
力があるかの如き信号を出力する欠点を解消する角速度
センサを提供する。【解決手段】質量体２０と、質量体２０が固定されて
質量体２０の変位に応じて変形する可撓体１０と、可撓
体１０が固定される固定部３０と、質量体２０を加振す
る加振装置と、質量体２０の変位を検出して信号を出力
する変位検出装置と、変位検出装置から出力される信号
に基づいて角速度を求める信号処理装置とにより構成さ
れる角速度センサにおいて、質量体２０は可撓体１０の
上下両表面に固定されており、両質量体２０の重心位置
を可撓体１０の加振方向の回転軸とコリオリ力が作用し
て変形する方向の回転軸の交点に一致させた振動型角速
度センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、角速度センサに
関し、特に、振動型角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】角速度センサの第１の従来例を図３
（ａ）を参照して説明する。角速度センサは、一般に、
質量体と、質量体に接合されて質量体の変位に応じて変
形する可撓体と、固定基体と、質量体を加振する加振装
置と、質量体の変位を検出して信号を出力する変位検出
装置と変位検出装置から出力される信号に基づいて角速
度を求める信号処理装置とにより構成されている。以
下、図３（ａ）を参照して具体的に説明する。

【０００３】図３（ａ）において、質量体２０は薄肉状
の可撓体１０の下面に接合されている。可撓体１０の外
周は固定部３０に固定されている。可撓体１０の質量体
２０が接合されていない上方には固定部３０に固定され
固定基体５０が配置されている。固定基体５０には、図
３（ｂ）に示されるが如き固定電極５０１が形成されて
おり、この固定電極５０１に対向して可撓体１０には図
３（ｃ）に示されるが如き可動電極１００が形成されて
いる。これら可撓体１０の可動電極１００と固定基体５
０の固定電極５０１との間に静電容量を形成している。

【０００４】ここで、加振装置により質量体２０をＺ軸
方向に加振する。加振装置は、可撓体１０の可動電極１
００と固定基体５０の固定電極５０１との間に交流電圧
を印加する交流電源を接続することにより構成される。
加振装置は、可撓体１０の可動電極１００と固定基体５
０の固定電極５０１との間に静電気力を発生させること
により、質量体２０を加振する。加振装置の振動周波数
である交流電圧の周波数を質量体２０を有する可撓体１
０より成る振動部の固有振動数にほぼ一致させると、質
量体２０は共振してその振幅は大きくなる。この状態に
おいて、Ｙ軸廻りに角速度ω_yが入力されると、質量体
２０の質量ｍ、質量体２０のＺ軸方向の速度Ｖ_zの場
合、コリオリ力Ｆ_cx＝２ｍ・Ｖ_z・ω_yが発生し、質量体
２０はＸ軸の負方向に変位する。質量体２０のＺ軸方向
の速度Ｖ_zは正弦波状に変化しており、コリオリ力Ｆ_cx
も正弦波状に変化する。従って、このＹ軸廻りの角速度
ω_yが生じる場合、質量体２０はＸ軸方向に振動する。
この時、コリオリ力で発生した振動の振幅の大きさは入
力角速度ω_yに比例する。

【０００５】図５をも参照するに、質量体２０に作用し
たコリオリ力により可撓体１０は図４（ａ）に示される
如く変形せしめられる。この変形量を変位検出装置によ
り検出する。この検出には、可撓体１０の可動電極１０
０と固定基体５０の固定電極５０１との間に形成される
静電容量を測定する装置を変位検出装置として使用する
ことができる。この変位検出装置から出力される信号を
信号処理装置６０において角速度信号に変換する。信号
処理装置６０は変位検出装置から出力される信号をＺ軸
方向の加振周波数で同期検波し、これを積分している。
この角速度出力の変化を測定すれば、Ｙ軸廻りに印加さ
れた角速度ωｙが求められる。

【０００６】ところで、この角速度センサは加速度も検
出することができる。以下、これについて説明する。Ｘ
軸方向に加速度α_xが印加されたものとする。この結
果、質量体２０には、慣性力ｆ_x＝ｍα_xがＸ軸方向に
作用する。ここで、ｍは質量体の質量である。この質量
体２０の慣性力ｆｘは可撓体１０の中心点廻りのモーメ
ントとして作用し、可撓体１０は結局Ｙ軸廻りに回転変
位することとなる。この可撓体１０の変位は可撓体１０
の可動電極１００と固定基体５０の固定電極５０１との
間に形成される静電容量の容量変化により検出すること
ができる。そして、Ｘ軸方向の変位はＸ軸方向の加速度
α_xに比例するので、容量変化を検出することによりＸ
軸方向の加速度α_xをも検出することができる。

【０００７】図５を参照して角速度信号と加速度信号の
信号処理の仕方を更に説明する。質量体２０のＸ軸方向
の変位は、Ｙ軸廻りの角速度で発生するＸ軸方向のコリ
オリ力で生じる変位とＸ軸方向の加速度で生じる変位の
和である。ここで、コリオリ力で生じる周波数は加振周
波数と一致している。ここで、測定する加速度および角
速度の周波数範囲をＤＣ〜３０Ｈｚとし、加振周波数を
２ｋＨｚとする。加振周波数は測定する加速度および角
速度の周波数より充分に高いので、変位検出装置から出
力される信号を信号処理装置のローパスフィルタＬＰＦ
を通過させ、コリオリ力による振動成分を除去すること
によりＸ軸方向の加速度信号を得ることができる。そし
て、変位検出装置の出力信号をハイパスフィルタＨＰＦ
を通過させ、加速度信号を除去した後、加振周波数で同
期検波することによりコリオリ力信号が得られ、Ｙ軸廻
りの角速度が求められる。従って、角速度センサにおい
ては、以上の信号処理を実施することにより加速度の成
分を除去し、所望の角速度成分のみを求めることができ
る。

【０００８】次に、第２の従来例について説明する。振
動ジャイロは、一般に、質量体の大きいもの程性能が優
れていることが知られている。これは、振動ジヤイロに
角速度が入力されたときに発生するコリオリ力はＦ＝２
ｍＶΩの関係式により表現され、質量体の質量ｍに比例
するところから、Ｓ／Ｎ比を大きくとることができるた
めであるとされている。

【０００９】更に、図４（ｂ）を参照して電磁駆動方式
の角速度センサを第３の従来例として説明する。角速度
センサは可撓体１０にコイル７１が接合固定されてい
る。７２はコイル７１が捲回されるボビンである。この
コイル７１は永久磁石７３およびこれに固定されるヨー
ク７４により形成される磁界中に配置されている。磁界
を形成する永久磁石７３およびヨーク７４より成る磁気
回路は固定部３０に固定されている。コイル７１に図示
される向きに直流電流を流通せしめると、矢印の向きに
電磁力が発生する。コイル７１に流れる電流を交流電流
にすると、コイル７１には上下方向に交互に力が発生
し、可撓体１０に固定される質量体２０を振動させるこ
とができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来例の問題点
を図６（ａ）を参照して説明する。角速度センサ８０を
レートテーブル８１の上面に設置する。加振方向を上下
方向であるＺ軸方向とし、角速度センサ８０の入力軸を
レートテーブル８１の半径方向と直交する方向であるＹ
軸方向とする。レートテーブル８１を角速度ωで回転さ
せた場合、この角速度センサ８０には遠心加速度が作用
する。角速度センサ８０の入力軸であるＹ軸廻りに発生
するコリオリ力を検出するＸ軸は遠心加速度が作用して
いる方向と一致している。本来は、加速度成分は信号処
理装置により除去することができ、図６（ｂ）に示され
るが如き出力信号が得られる筈であるが、実際はこの加
速度成分が除去できず、図６（ｃ）に示される如く角速
度信号中に残存する。従って、角速度センサ８０の入力
軸Ｙ廻りに入力がないにもかかわらず、入力があるかの
如き信号を出力することがある。

【００１１】即ち、角速度センサ８０の加振状態につい
て、理想的には可撓体１０に直交する軸はＺ軸方向に対
して平行に並進する振動をする。この如く構成すること
により、図７（ａ）に示される質量体２０の振動結果が
得られるのであるが、現実は上述した通り遠心加速度が
Ｘ軸方向にも加わるところから、可撓体１０に直交する
軸は常にＺ軸に対して平行に並進振動をすることができ
ず、変位検出装置からは図７（ｃ）に示されるが如き出
力信号が得られる。この周波数は加振周波数と一致して
いる。出力信号の振幅は遠心加速度に比例している。こ
の出力信号を加振信号で同期検波し、積分した角速度信
号には図６（ｂ）に示される加速度成分が現われること
になる。

【００１２】上述した通り、角速度センサの第１の従来
例は可撓体１０の何れか一面に質量体２０が接合固定さ
れているセンサであるので、この角速度センサには角速
度センサ８０の入力軸Ｙ廻りに入力がないにもかかわら
ず、入力があるかの如き信号を出力する欠点がある。第
２の従来例の問題点について説明する。振動ジャイロ
は、上述した通り、性能を向上させるには質量体２０の
質量を増加させる必要があるが、質量体２０の質量を増
加させとその分だけ質量体２０を加振する駆動力を大き
くしなければならない。駆動の仕方としては、静電駆動
方式、圧電駆動方式、電磁駆動方式が考えられる。静電
駆動方式は質量の小さい半導体基板を使用したシリコン
マイクロマシンジャイロにおいて近年よく使用されてい
るが、格別大きな静電気力を発生することは難しく、質
量が大きい質量体を駆動するには不向きである。そし
て、圧電駆動方式は圧電素子を可撓体に付着させて圧電
素子に交流電圧を印加すれば可撓体は振動するが、圧電
素子は一般に温度特性がそれ程良好とはいい難く、これ
が角速度センサの性能を低減させる要因になる。従っ
て、質量の大きい質量体においては電磁駆動方式が適し
ている。

【００１３】更に、第３の従来例の問題点を図４（ｂ）
を参照して説明する。電磁駆動方式の場合、磁気回路を
固定部３０側に構成し、コイル７１を質量体２０および
可撓体１０側構成しているので、コイル７１の端末を可
撓体１０を介して固定部３０側まで引き出さなければな
らない。可撓体１０が絶縁体であれば金その他の金属導
電材料蒸着して配線パターンを形成し、コイル７１の端
末を質量体２０が接合されている近傍の配線パターンに
接続しなければならない。磁気回路を固定部３０側に構
成し、コイル７１を可撓体１０側に構成している場合、
可撓体１０への配線パターン製作工程が増えること、お
よびコイル７１端末と配線パターンの接続が複雑になる
という問題がある。

【００１４】この発明は、所望の入力軸に入力される角
速度成分のみを出力し、大きな駆動力を発生させ、磁気
駆動力を発生させる構造を組立構造上簡単にする上述の
問題を解消した振動型角速度センサを提供するものであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１：質量体２０
と、質量体２０が固定されて質量体２０の変位に応じ変
形する可撓体１０と、可撓体１０が固定される固定部３
０と、質量体２０を加振する加振装置と、質量体２０の
変位を検出して信号を出力する変位検出装置と、変位検
出装置から出力される信号に基づいて角速度を求める信
号処理装置とにより構成される角速度センサにおいて、
質量体２０は可撓体１０の上下両表面に固定されてお
り、両質量体２０の重心位置を可撓体１０の加振方向の
回転軸とコリオリ力が作用して変形する方向の回転軸の
交点に一致させた振動型角速度センサを構成した。

【００１６】そして、請求項２：請求項１に記載される
振動型角速度センサにおいて、上下両質量体２０の全体
の重心を可撓体１０の中心部に設定した振動型角速度セ
ンサを構成した。また、請求項３：請求項１および請求
項２の内の何れかに記載される振動型角速度センサにお
いて、質量体２０は質量体２０内に一定磁界を生成する
永久磁石２１とヨーク２０とにより構成される振動型角
速度センサを構成した。

【００１７】更に、請求項４：請求項３に記載される振
動型角速度センサにおいて、固定部３０に固定され、永
久磁石２１の生成する一定磁界を横切るコイル４０を具
備する振動型角速度センサを構成した。ここで、請求項
５：請求項１ないし請求項４の内の何れかに記載される
振動型角速度センサにおいて、加振装置は電磁駆動加振
装置であることを特徴とする振動型角速度センサを構成
した。

【００１８】そして、請求項６：請求項１ないし請求項
５の内の何れかに記載される振動型角速度センサにおい
て、変位検出装置は静電容量変化検出装置であることを
特徴とする振動型角速度センサを構成した。また、請求
項７：請求項６に記載される振動型角速度センサにおい
て、静電容量変化検出装置は質量体２０のヨーク２２に
形成される可動電極１００とヨーク２２に対向する固定
基体５０に形成される固定電極５０１との間に形成され
る静電容量により構成されるものである振動型角速度セ
ンサを構成した。

【００１９】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図１を参
照して説明する。図１（ａ）はこの発明による振動型角
速度センサの縦方向断面を示す図である。図１（ｂ）は
図１（ａ）における線Ｎ−Ｎ’に沿った水平方向断面矢
印方向に視た図である。図１（ｃ）は可撓体を示す図で
ある。

【００２０】この振動型角速度センサは、可撓体１０
と、可撓体１０の両面に接合固定された質量体２０と、
可撓体１０を保持する固定部３０とにより構成されてい
る。可撓体１０は、図１（ｃ）に示される如く、外枠１
０１、内枠１０２、中央板１０３、外枠１０１と内枠１
０２とを連結する外側連結軸１０４、および内枠１０２
と中央板１０３とを連結する内側連結軸１０５により構
成されている。これら可撓体１０の構成部材は非磁性金
属板を打ち抜き加工して一体構造としたものとすること
ができる。外側連結軸１０４はこれを軸として内枠１０
２をＹ軸廻りに回転せしめる。内側連結軸１０５はこれ
を軸として中央板１０３をＸ軸廻りに回転せしめる。外
枠１０１は固定部３０に結合固定されている。

【００２１】質量体２０は２個の永久磁石２１、磁気回
路を形成するヨーク２２により構成されている。上下の
質量体２０全体の重心位置１６は外側連結軸１０４と内
側連結軸１０５の交点に一致している。永久磁石２１と
ヨーク２２の間には図における上下方向に一定磁界が発
生している。４０はコイルであるが、これは図１（ｂ）
に示される如く、磁界に直交する方向に固定部３０に位
置決め固定されている。コイル４０は固定部３０に固定
されているので、可撓体１０を介さずにコイル４０の端
末を外部接続することができる。

【００２２】図２（ａ）を参照して振動型角速度センサ
の動作を説明する。質量体２０の加振装置は、質量体２
０の内部に形成される一定磁界と、コイル４０と、図示
されない交流電流発生装置により構成される。上側の質
量体２０に着目すると、右側の永久磁石２１は点線によ
り示される下から上向きの一定磁界を発生すると共に左
側の永久磁石２１は点線により示される上から下向きの
一定磁界を発生しており、コイル４０には図２に示され
る向きの電流が流通しているものとすると、上側のコイ
ル４０には実線矢印により示される左向きの力が作用す
る。ところで、上側のコイル４０は、その両端が固定部
３０に固定されているのでこの左向きの力が作用しても
変位することはできず、反作用として質量体２０に右向
きの力が発生するに到る。ところで、質量体２０は、可
撓体１０の中央板１０３に接合固定されているので、こ
の中央板１０３と共に可撓体１０の外側連結軸１０４を
軸とするＹ軸廻りに回転することとなる。

【００２３】下側の質量体２０に着目すると、同様に、
右側の永久磁石２１は点線により示される下から上向き
の一定磁界を発生すると共に左側の永久磁石２１は点線
により示される上から下向きの一定磁界を発生してお
り、コイル４０には図２に示される通りの上側のコイル
４０とは逆向きの電流が流通しているものとすると、下
側のコイル４０には実線矢印により示される右向きの力
が作用する。ところで、上側のコイル４０は、その両端
が固定部３０に固定されているので、この右向きの力が
作用しても変位することはできず、反作用として質量体
２０に左向きの力が発生するに到る。質量体２０は、可
撓体１０の中央板１０３に接合固定されているので、こ
の中央板１０３と共に可撓体１０の外側連結軸１０４を
軸として上側の質量体２０と同一向きにＹ軸廻りに回転
することとなる。

【００２４】以上の説明において、コイル４０に流通す
る電流は直流電流であるものとしたが、これを交流電流
にすると、外側連結軸１０４廻りに回動角振動が発生す
ることになる。加振周波数を質量体２０を含む可撓体１
０の振動体の振動周波数である固有振動数にほぼ一致さ
せると、質量体２０の振動の振幅は大きくなる。ここ
で、上側の質量体２０に着目するに、Ｚ軸廻りの角速度
ωｚが生じると、上側の質量体２０の質量ｍ、質量体２
０のＸ軸方向の正の向きの速度Ｖ_xの時、コリオリ力Ｆ
_cv＝２ｍ・Ｖ_x・ω_zが発生して、質量体２０はＹ軸の負
方向に変位する。

【００２５】次に、下側の質量体２０に着目するに、Ｚ
軸廻りの角速度ω_zが生じると、下側の質量体２０の質
量ｍ、質量体２０のＸ軸方向の負の向きの速度Ｖ_xの
時、コリオリ力Ｆ_cv＝２ｍ・Ｖ_x・ω_zが発生して、質量
体２０はＹ軸の正方向に変位する。図２（ｂ）に示され
る如く、質量体２０はＸ軸である内側連結軸廻りに回転
する。質量体２０のＸ軸方向速度Ｖ_xは正弦波状に変化
しており、コリオリ力Ｆ_cvも正弦波状に変化する。従っ
て、以上のＺ軸廻りの角速度ω_zが生じた場合、質量体
２０はＹ軸方向に振動する。この時、コリオリ力で発生
した振動の振幅の大きさは角速度ω_zに比例する。質量
体２０に作用するコリオリ力により可撓体１０に変形を
生ぜしめる。この発生した変化量を変位検出装置により
検出する。変位検出装置としては図３（ａ）に示される
如く質量体２０に形成される可動電極１００と質量体２
０に対向する固定基体５０に形成される固定電極５０１
との間に形成される静電容量を使用することができる。
この変位検出装置から出力される信号を信号処理装置に
おいて角速度出力に変換する。信号処理装置は変位検出
装置から出力される信号をＸ軸方向の加振周波数で同期
検波し、積分している。この角速度出力の変化を測定す
ることにより、Ｚ軸廻りに印加された角速度ω_zが求め
られる。

【００２６】以上の通りにして、この発明は、加速度成
分が入り込まない角速度信号を取り出すことができ、電
磁駆動により大きな駆動力を発生させることができ、し
かもコイルが固定基体に固定されているのでコイルの端
末は可撓体を介せず直接に電流発生装置に接続すること
ができて構造が簡単になる。

【００２７】

【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれ
ば、可撓体の両側に質量体を接合固定して、質量体の重
心位置を可撓体の加振の回転軸とコリオリ力が作用して
変形する回転軸の交点に一致させることにより、加速度
が加わったときの上側の質量体に発生する力と下側の質
量体に発生する力とが相殺されるので、角速度センサの
角速度出力に図６（ｃ）の加速度成分が入り込まない角
速度信号を取り出すことができる。加速度成分が入り込
むことがないところから、これと無関係に電磁駆動力を
大きく設定することができる。そして、コイルが固定基
体に固定されているので、コイルの端末を可撓体を介さ
ずに直接電流発生装置に接続することができて振動型角
速度センサの形状構造を簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を説明する図であり、（ａ）は縦方向断
面を示す図、（ｂ）は（ａ）における線Ｎ−Ｎ’に沿っ
た断面を矢印方向に視た図、（ｃ）は可撓体を示す平面
図である。

【図２】実施例の動作を説明する図であり、（ａ）は静
止状態を示す図、（ｂ）はコリオリ力が作用して変形し
た状態を示す図である。

【図３】従来例を説明する図であり、（ａ）はその縦方
向断面を示す図、（ｂ）は固定電極を示す図、（ｃ）は
可動電極を示す図である。

【図４】従来例の動作を説明する図であり、（ａ）はコ
リオリ力が作用して変形した状態を示す図、（ｂ）は電
磁駆動装置を説明する図である。

【図５】信号処理装置を説明する図である。

【図６】従来例の問題点を説明する図であり、（ａ）は
角速度センサの動作を説明する図、（ｂ）は角速度セン
サの理想状態の角速度出力を示す図、（ｃ）は角速度セ
ンサの現実の角速度出力を示す図である。

【図７】加振状態を説明する図であり、（ａ）は質量体
の理想の加振状態を示す図、（ｂ）はＸ方向に加速度が
入力されている場合の加振状態を示す図、（ｃ）は変位
検出装置の出力を示す図である。

【符号の説明】

１０可撓体２０質量体３０固定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量体と、質量体が固定されて質量体の
変位に応じて変形する可撓体と、可撓体が固定される固
定部と、質量体を加振する加振装置と、質量体の変位を
検出して信号を出力する変位検出装置と、変位検出装置
から出力される信号に基づいて角速度を求める信号処理
装置とにより構成される角速度センサにおいて、質量体は可撓体の上下両表面に固定されており、両質量
体の重心位置を可撓体の加振方向の回転軸とコリオリ力
が作用して変形する方向の回転軸の交点に一致させたこ
とを特徴とする振動型角速度センサ。
【請求項２】請求項１に記載される振動型角速度セン
サにおいて、上下両質量体の全体の重心を可撓体の中心部に設定した
ことを特徴とする振動型角速度センサ。
【請求項３】請求項１および請求項２の内の何れかに
記載される振動型角速度センサにおいて、質量体は質量体内に一定磁界を生成する永久磁石とヨー
クとにより構成されることを特徴とする振動型角速度セ
ンサ。
【請求項４】請求項３に記載される振動型角速度セン
サにおいて、固定部に固定され、永久磁石の生成する一定磁界を横切
るコイルを具備することを特徴とする振動型角速度セン
サ。
【請求項５】請求項１ないし請求項４の内の何れかに
記載される振動型角速度センサにおいて、加振装置は電磁駆動加振装置であることを特徴とする振
動型角速度センサ。
【請求項６】請求項１ないし請求項５の内の何れかに
記載される振動型角速度センサにおいて、変位検出装置は静電容量変化検出装置であることを特徴
とする振動型角速度センサ。
【請求項７】請求項６に記載される振動型角速度セン
サにおいて、静電容量変化検出装置は質量体のヨークに形成される可
動電極とヨークに対向する固定基体に形成される固定電
極との間に形成される静電容量により構成されるもので
あることを特徴とする振動型角速度センサ。