JPS6186612A

JPS6186612A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPS6186612A
Application number: JP59208179A
Authority: JP
Inventors: Hajime Tachikawa; 立川　肇; Hiroo Nakamura; 啓夫中村; Toshiya Shinozaki; 篠崎　利也
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1986-05-02

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】〔発明の利用分野〕本発明は回転する物体に取付けて、その角速度を検出す
る角速度センサに関するものでめυ特に、検出素子の特
性のバラツキや、その駆動信号の変動を補償する検出回
路を備えたものに関する。

〔発明の背景〕

物体の角速度を検出する角速度センサとして最近振動式
のものが注目されている。この振動式角速度センサとし
ては、ＳＡＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｐｅｒ　５ｔｒ
ｔｅｚ　、　８３０７２７　（Ａｐｒｉｌ　１２−１５
　、１９８３年）におけるＲｉｃｈａｒｄ　Ｏ，Ａｙｒ
ｅｚによる”　５ｏｌｉｄ−５ｔａｔｅ　Ｒａｔｅ　５
ｅｎｉｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｔｉＡｐｐｔ
ｉｃａｔｉｏｒＬｒ”　と題する文献において紹介され
ている。これらの振動式角速度センサの中でも、特開昭
５８−１７４８５４号公報に記載さｈている角度率セン
サ装置は二対の圧電素子を使用した音叉形状が採用され
ており、互いに位相が１８０度異ｌ９た同一の振幅９周
波数で駆動されているので、直線的な振動や加速度、ま
た、駆動用圧電素子が発生する音響振動の影響が取り除
かれ、精度の高い角速度の信号が得られる。

しかしながら、これらの角速度センサは駆動信号の振幅
と周波数に応じて電圧素子（振動子）の振動の振幅と周
波数が、当然ながら決定されるので、これらが変動する
と正確な角速度を検出できないという問題がある。そこ
で、センナ技術編集部情報会のセンサデバイスハンドブ
ック（１９８３，１ｔ１５　）に記載される角速度セン
サＣＰ　１９３　、　Ｐ　１９４　）の回路構成には振
幅を一定にするために自動利得制御方式が採用され、か
つ周波数を一定にするために補償用コンデンサが設けら
れている。

この振幅と周波数の変動によって角速度が正確に検出で
きなくなるという点については、他のコリオリの力を原
理とする角速度センサにおいても同様に問題となる。

たとえば、流体式角速度センサ（ガスレートジャイロ）
はピエゾポンプ内の圧電素子を駆動してガス流を発生し
、角速度によって変化するガス流の向きを２つの感温素
子の温度差で検出し、結果として角速度を検出するよう
にしている。つまり、ガスの粒子（分子）に働くコリオ
リの力をとらえているわけである。。この場合、圧電素
子の駆動信号の振幅と周波数が変動すると、ガス流の流
速が変動し、したがってガス流の向きが変動するので、
２つの感温素子の温度差も変動するわけである。そこで
、特開昭５８−７６３号公報に記載されるガスレートセ
ンサではピエゾポンプの圧電素子を一定振幅、かつ一定
周波数で駆動するためにフェーズロック発振駆動回路を
設けている。

しかし、このような対策では、物体（質量）の振動また
は進行の大きさく振幅）と周波数に検出した角速度の信
号が依存しているので、未だに補償が不十分であった。

なお、自動利得制御とフェーズロックのための補正量の
調節は非常に難かしく、熟練を必要としている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前述した従来の角速度センサの問題点
を解決し、振動する質量の振幅１周波数などに依存しな
い角速度センサを提供することである。

〔発明の概要〕

本発明は、前記の目的を達成するために、質量の駆動（
励振）用信号とコリオリの力の検出信号の比をとること
によって、角速度を検出する。

〔発明の実施例〕

まず、本発明の原理について説明する。

第１図は三次元座標における質量溝の振動を表わす図で
ある。図において、Ｘ軸とＹ軸からなるＸ−Ｙ平面がこ
の平面の原点０を通り、かつＸ−Ｙ平面に垂直なＺ軸の
回シに角速度Ωで回転するものとする。またＸ−Ｙ平面
上の位置（ｘ、ｙ）にある質量ｍが半径方向（Ａ−Ａ’
力方向に振幅７９周波数ｆで振動しているとすると、こ
の振動に次式で表わされるコリオリの力Ｆｃが働く。

ｒｃ−２ｍ　（Ｖ　Ｘ　ｕ）ここで１は質量ｍがＸ−Ｙ平面を動く速度のベクトルで
あり、Ωは角速度Ωのベクトルである。

Ａ−Ａ’力方向振動に対するコリオリの力ＦＣはＢ−Ｂ
’力方向働く。今、質量溝がＡ−Ａ’力方向ｒｓｆｎω
ｔで振動しているとすると、コリオリの力の大きさＦＣ
は次式で表わされる。なお、ωは２πｆである。

Ｆｃ　−２ｍΩｒωμｓωを一方、もともとのＡ−Ａ’力方向振動における半径方向
の力Ｆ、は、ＦＡ＝　−ｒｒＬｒ　ω”ｇ（Ｂωｔとなる。さらＫ、角速度Ωによる遠心力ＦＣＬはＲをＦ
匹＋　ｙＴとすると、ＦｃＬ＝ｍΩｔ（Ｒ”ｒｇｋωｔ　）となる。したがって、Ａ−Ａ’力方向発生している力Ｆ
ＴはＦ７−　Ｆ、（＋ＦｃＬ＝−ｍｒ（ω”−ΩすｇｌｔＩ
ωｉ＋ｍＲΩ２となる。

そこで、力ＦＴの交流会の振幅によって、コリオリの力
Ｆｃの振幅を割算すると、２ｍΩｒω　　　　　２Ωω ｒｒＬｒ（ω２−Ω”）　　　ＱＪ”４７２となり、ω
〉Ωと設定すると、と近似される。さらに比ωｔからωを抽出して掛算すれ
ば、振幅ｒと周波数ｆの変動にかかわらず角速度Ωを検
出することができる。なお、割算して比を算出するので
、２つの信号のレベルは異なっていても問題なく、補正
量の調節は特に必要としない。

なお、従来技術は質量ｍを振動させるために供給する駆
動信号（電気信号）のピークを用いて自動利得制御（Ａ
ＧＣ）を行なっているが、質量ｍの撮動の力ＦＴは圧電
素子では電圧に比例するので、 −ｍｒ　（ω”−Ω”　）　＋　ｍＲΩ２をほぼ一定に
していることになる。そこで一般にＲは大きくなるので
誤差が大きくなる。これに対処するために、フィルター
を用いて、−ｍｒ　（ω２−Ω２）を抽出し、これを用いてＡＧＣをかける方がよい。

さらに、コリオリの力ＦＣは前記の式から、Ω ＦＣ＝　２　　（ｍｒ　の２）　（Ｂωｔω となり、ω〉Ωに設定すると、ｍｒω２がＡＧＣによっ
て、はぼ一定にできるので、その定数をβとすると、次
式のようになる。

Ω ＦＣ＝２β−鳴ωｔ ω 従来技術は上式のωをほぼ一定にするために、補償用コ
ンデンサや位相同期ループ（ｐＬＬ　）を設けているが
、補償用コンデンサやＰＬＬでは、検出する角速度Ωが
小さいときに要求される周波数の一定化を現実には達成
しきれない。

さて、以上の原理にもとづく本発明の一実施例を図面を
用いて説明する。

第２図は２個の圧電素子を角棒の中央に取付けた検出素
子を示す図である。図において、１は振動する質量ｍの
角棒であり、４は駆動（励振）用の圧電素子、５はコリ
オリの力Ｆｃを検出するための圧電素子、２および３は
角棒１の支持部である。角速度Ωは角棒１の長さ方向に
加えられるものである。なお、図中のＡ−Ａ’方向とＢ
−Ｂ’力方向第１図のものと対応させて記載したもので
あって、圧電素子４によってＡ−Ａ′力方向振幅が発生
すると、Ｂ−Ｂ’力方向働くコリオリの力ＦＣは圧電素
子５によって検出される。このような検出素子は、次に
述べる回路構成により駆動され、そして角速度Ωを検出
されるものである。

第３図は本発明の一回路構成を示すブロック図である。

第２図の検出素子６の圧電素子４は発振用回路７に接続
される。このため、検出素子６は共振周波数ｆで振動す
る。このとき、駆動素子４には前記した力ＦＴに対応す
る電圧Ｖ、が発生している。つまり、Ｖ　、＋　ＱＣ−ｍｒ　（ω”−Ω”）ｍωｔ＋ｍｌΩ
２となっており、この電圧〆Ｉは発振用回路７内のバソ
７アヲ介シてバンドパスフィルタ９に供給される。

一方、圧電素子５には角速度Ωによるコリオリの力ＦＣ
が働き、この力ＦＣにもとづく電荷が発生する。圧電素
子５はこの電荷を電荷増幅回路８に供給し、電荷増幅回
路８は電圧Ｖｓをバントハスフィルタ１０へ出力する。

したがって、電圧Ｖｓは力Ｆｃ対応する電圧となる。つ
まりＶ５　ｃｃ　２７７１Ωｒ　（ｄ　ｃａｓ　Ｇ）　
ｔとなる。

バンドパスフィルタ９ｊ１０は中心周波数をｆに設定し
たものであって、バンドパスフィルタ９は電圧Ｖ、から
前記した力ＦＴの第１項の成分だけを通過させ、バンド
パスフィルタ１ｏは電圧Ｖ５　ｔ　バンドパスフィルタ
９と同じだけ遅延して通過させる。そして、バンドパス
フィルタ９は電圧り、をレベルシフト回路１１に出力し
、バンドパスフィルタ１０は電圧Ｖ５１を増幅回路１２
に出力する。そこで、電圧Ｖ□１　とＶＳ２はそれぞれ
以下の比例関係をもつことになる。

Ｖ、、　ｏｃ　−ｍｒ　（ω２−Ω”　）　ｔｈωｔＶ
５．ｏｃ　２ｒｎｌ１７ｒωｇωｔなお、ω＝２πｆである。

次に、増幅回路１２は電圧Ｖ５Ｎを増幅し、電圧Ｖ５□
を同期検波回路１４に供給する。また、レベルシフト回
路１１は電圧Ｖ、１の振幅を減衰させ、電圧ＶＩ２を同
期検波回路１４．整流回路１３および周波数電圧変換回
路１８に供給する。

同期検波回路１４は電圧Ｖ５２を電圧Ｖ、を用いて同期
検波し、平滑して直流電圧ＶＳ５をログ増幅回路１６に
供給する。なお、同期信号は電圧Ｖ、のほぼゼロクロス
で発生するもので、電圧Ｖ５２とＶ、の位相が９０度で
あるため、〆５２の波高値がサンプリングされる。また
、同期信号は周波数ｆの１周期に対して１回だけ発生さ
せるものである。さて、整流回路１３は電圧Ｖ、を整流
し、平滑して直流電圧Ｖ１５をログ増幅回路１５に供給
する。そこで、電圧ＶＩｓとＶｓｓ　はそれぞれ以下の
比例関係をもつことになる。

Ｖ、３ｃｘ：ｍｒ　（ω”　−Ω”　）Ｖｒ、５　”　
２７７！Ωｒω なお、同期検波を行なっているので角速度Ωの向きが判
別できるわけである。

ログ増幅回路１６は電圧Ｖｓｓを対数変換して、電圧Ｖ
、を差動増幅回路１９に供給する。また、ログ増幅回路
１５は電圧Ｖ、５を対数変換して、電圧ＶＬ１を同じく
差動増幅回路１９に供給する。そこで、電圧ＶＬ、とＶ
Ｌ２はそれぞれ以下の比例関係をもつことになる。

ＶＬｌｏｃ　ｉｎ　（ｒｒＬｒ　（ω”−Ω２））ＶＬ
２ｏｃｔｒＬ（２ｒｒＬΩｊＯＪ）差動増幅回路１９は
、一方の入力電圧ＶＬ２から他方の入力電圧ＶＬ、を減
算し、出力電圧ＶＬ５を加算回路２０に供給する。ここ
で、電圧ＶＬ、は以下の比例関係をもつことになる。

ＶＬ５ｃＸ：１ｒＬ（２ＷＬΩｒω）−Ｉｎ（ｍｒｃω
”−Ω２））となる。ところで、前述したように検出す
る角速度Ωに対して周波数ｆを、つまり角周波数ωを十
分高い値としているので（ω２−Ωりはω２に近似でき
る。例えば、Ωを０．０１°／５ｅｌｃとした場合に、
ｆを１ＭＨ２とすれば、ω＝＝！２πｆであり、２πを
３６０″とおきかえると、３６０×１０６７ｓｅｃにな
る。

したがって近似しても問題は生じない。そこで前記の式
は、となる。

一方、レベルシフト回路１１から供給された電圧Ｖ、２
の周波数ｆを、周波数電圧変換回路１８は直流電圧Ｖア
に変換し、この電圧Ｖ、をログ増幅回路１７に供給する
。したがって、電圧Ｖ２はω（−２πｆ）に比例した電
圧となる。次に、ログ増幅回路１７は電圧Ｖ、を対数変
換して、電圧ＶＬ４を加算回路２０に供給する。ここで
、電圧ＶＬ４は以下の比例関係をもつことになる。

ＶＬ４　”　Ｉｎ　（、）さて、加算回路２０は一方の入力電圧ＶＬ３と他方の入
力電圧ＶＬ４を加算し、出力電圧ＶＬ５を逆ログ増幅回
路２１に供給する。この結果、電圧ＶＬ５は以下の比例
関係をもつことになる。

最後に、逆ログ増幅回路２１は供給された電圧ＶＬ５を
逆対数変換し、出力電圧ＶＯを出力端子２２に出力する
。このことにより、電圧Ｖ。は角速度Ωに直線的に比例
する電圧であって、検出素子６の質量ｍ、捩振動振幅１
２周波数ｆに依存しない出力となる。

なお、第３図の回路構成において、発振用回路７は自動
利得制御回路や位相同期ループ回路を含むものであって
もよい。また、増幅回路１２にサーミスタなどを設けて
、電圧’３２の振幅の温度、補償をしてもよい。さらに
、レベルシフト回路１５とバンドパスフィルタ９の配置
を逆にした方が、バンドパスフィルタ９の部品の振動が
小さいので好ましい。なお、各回路の部品の配置は、そ
れらの振動によるコリオリの力が相殺、もしくは出力電
圧Ｖ。にプラスとなるように設定するものである。また
、同期検波回路１４．整流回踏１３、および周波数電圧
変換回路１８の後にＡ７．変換回路を設けて、以後の回
路をディジタル回路で構成してもよく、またマイコンを
設けてソフトウェアで直接、電圧比を求めるような処理
を行なってもよい。ソフトウェアで処理した方が耐ノイ
ズ性にすぐれる。なお、周波数電圧変換回路１８の入力
電圧は’５２を用いてもよいが、Ｖ、の方が振幅の変化
が少ないので好ましい。また、逆ログ増幅回路２１の出
力電圧Ｖ。を直接出力端子２２に供給したが、必要があ
れば、利得と基準電圧を調節するための増幅回路を介し
て出力端子２２に供給すればよい。

なお、上記の本発明の一実施例の説明において、検出素
子６は第２図のような角柱状のものを考えてきたが、他
の形状のもの、例えば板状のものでも同様の効果が得ら
れる。また、検出素子を角柱状のもの１箇としたが、こ
れを音叉型、あるいは音叉型と同等の形態が得られるよ
うに２箇用意したものにして、直線的な振動等の影響を
除くようにした方が好ましい。この場合、同−振動子内
において逆方向の２つの振動を発生させてもよい。また
、検出素子は表面弾性波（ＳＡＷ）を用いるものであっ
てもよい。さらに、駆動（励振）する質量ｍとコリオリ
の力Ｆｏを検出するための質量ｍ′が異なっていても、
ｍとｍ′の比が一定となるので問題ない。

次に、本発明の第２の一実施例として１、流体式角速度
センサ（ガスレートジャイロ）への適用例を挙げ、図面
を用いて説明する。

第４図は１個の圧電素子を用いたピエゾポンプと、２つ
の温度検知素子を用いた検出素子を示す図である。

図において、ピエゾポンプ２３の圧電素子２４が駆動さ
れて振動すると、圧電素子２４の付近にあるガスに振動
が伝達される。ガスの振動は整流されて、ノズル２５か
ら吹き出される。このガス流はノズル２５に対向する２
つの感温素子２７．２８に均等にあたる。感温素子２７
．２８は自己加熱させられており、吹きつけられたガス
流の流量によって所定の温度になっている。

今、図面に直交するＺ軸の回シに角速度Ωが発生したと
する。このとき、ガス流の向きはコリオリの力ＦｃＫよ
って、図示の２６の如く向きを変える。このため、感温
素子２７は角速度Ωがないときよりも多い流量を検出し
、感温素子２８は同じ分だけ少ない流量を検出すること
になる。

したがって、コリオリの力ＦｃＫ対応した温度変化が感
温素子２７．２８に発生するので、温度差（流量差）に
よって角速度Ωの大きさと向きが検出できる。

次に、第５図は本発明の第２の一回路構成を示すブロッ
ク図である。第４図の検出素子２９の圧電素子２４は発
振用回路３１に接続される。このため、圧電素子２４は
共振周波数ｆ′で振動する。

このとき、圧電素子２４には第３図の場合と同様に、以
下の比例式をもつ電圧Ｖ；が発生している。

つまり、Ｖ、’　ｃｘ＝　−ｍ、ｒ’　（ωｉ−Ω２）自ωｐ　
ｔ　”　ｍｐ　Ｒ’Ω２となる。ここで、ｒｒＬＰは圧
電素子２４の質量、ｒ′は圧電素子２４の振動の振幅、
ω、は同じく振動の角周波数（−２πｆ′）、Ｒ′は第
４図のＺ軸から圧電素子２４までの距離である。この電
圧Ｖ１′　　は発振用回路３１内のバッファを介してバ
ンドパスフィルタ３６に供給される。

このとき、圧電素子２４の振動の速度Ｖ、は次の比例関
係をもっている。

ν　ＯＣｆ’ωＰそして、この速度Ｕｐに比例した速度ν、で、圧電素子
２４の付近のガスはノズル２５から吹き出される。この
ガス流は圧電素子２４に対向する感温素子２７．’２８
に吹きつけられる。

一方、感温素子２７．２８は定電流源３０から供給され
る電流によって自己加熱しており、ノズル２５から吹き
つけられるガス流によって所定の放熱係数をもつ状態に
なっている。そして、感温素子２７．２８はこの状態の
ときの温度の信号を検出回路６２に供給している。

今、検出素子２９に角速度Ωが加えられたとすると、ガ
ス流のガス粒子には以下で表わされるコリオリの力Ｆｃ
が働く。つまり、Ｆｃｗ　２７７Ｌ　１υ！Ω ここで、ｒＩＬ、はガス粒子の質量である。そして、こ
のコリオリの力Ｆｃによって、ガス流の向きは第４図の
２６のように変化する。

このガス流の向きの変化により、感温素子２７゜２８に
吹きつけられるガス流の流量が、それぞれ変化する。し
たがって、感温素子２７．２８の放熱係数が変化して、
それぞれの検知する温度も変化する。

検出回路３２はガスレートジャイロ（角速度センサ）で
用いられる公知のものであって、以下の比例関係をもつ
電圧弓を出力するものである。

よって求められるものである。

サテ、バンドパスフィルタ３６は中心周波数ヲｆ′に設
定したものであって、発振用回路３１から供給された電
圧Ｖ；から角周波数ω、の成分だけを通過させ、電圧Ｖ
、４を整流回路３７と周波数電圧変換回路３Ｂに供給す
る。そこで、電圧Ｖ、４は次の比例関係をもつことにな
る。

Ｊ／’、　４ｏｃ　−＠、　ｙ　’　（ω；−Ωりｔｈ
ω、１次に、整流回路３７は電圧Ｖ、４を整流し、平滑
して直流電圧Ｖ１５をログ増幅回路４０に供給する。

また、周波数電圧変換回路３８は電圧ＶＩ４の周波数ｆ
′を直流電圧Ｖ；に変換し、この電圧Ｖ；　　をログ増
幅回路３９に供給する。したがって、電圧Ｖ、５とＶ；
はそれぞれ以下の比例関係をもつことになる。

Ｖ、、　ｏｃ　ｍ、ｒ　’　（ω；−Ω２）Ｖ；〜ω。

ログ増幅回路３９．４０はそれぞれ電圧Ｖ；　　Ｖ、ｓ
を対数変換して、電圧ＶＬ６．　ＶＬ７を差動増幅回路
３５に供給する。したがって、電圧ＶＬ６とＶＬ７はＶ
Ｌ６ｏｃハω。

１”Ｌｙ　Ｏｅ　Ｉｎ　（ｍ、ｒ’　（ωｐ−Ωり）の
比例関係をもつ。

そして、差動増幅回路３５は電圧Ｖｔ７からＶＬ６を減
算して、電圧ＶＬ８を差動増幅回路３４に供給する。し
たがって、比例式は以下のようになる。

ＶＬ、　ＱＣＩｎ　（ｍ、ｒ　’　（ωｊ−Ω”）−１
ｎω。

つまり、そして、角周波数ω；を角速度Ωよシ十分太きくとると
、と近似できる。さらに、圧電素子２４の振動の速度υ２
はｒ′ω、に比例するので、ＶＬｐ、　ｏｃ　Ｉｎ　（ｒｎ、　ｖ、　）となる。

一方、ログ増幅回路３３は公知の検出回路３２から供給
された電圧ＶＬを対数変換して、電圧ＶＬ９を加算回路
３４に供給する。したがって、電圧ＶＬ９は・ Ω ＶＬ、ｔｘ扛（−）ｐの比例関係にある。

次に、加算回路３４は電圧ＶＬ、に電圧ＶＬ８を加算し
、電圧ＶＬ１ｏを逆ログ増幅回路４１に供給する。そこ
で、つ廿り、となる。ここで、圧電素子２４の質量ｍ、は、検出素子
２９の構造で決まる値である。そして、圧電素子２４の
振動の速度ν、とガス流の流速Ｖ、は比例関係にあるの
で、ＶＨａ　”　ＩｎΩ となる。

最後に、逆ログ増幅回路４１は供給された電圧ＶＬ、。

を逆対数変換し、出力電圧ＶＯ′を出力端子４２に出力
する。このことにより、電圧ＶＯ′は角速度Ωに直線的
に比例する電圧であって、圧電素子２４の振動の振幅ｒ
ｅ１周波数ｆ′に依存しない出力となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、質量の駆動（励
損）用信号とコリオリの力の検出信号の比をとって角速
度を検出するので、振動する質量の振幅９周波数などに
依存しないため、これらが変動しても正確な角速度を検
出できる角速度センサを提供できる。なお、補正量の調
節は特になく、調節する場合にも従来に比べて簡単な作
業で済み、熟練を必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための図、第２図は本
発明の一実施例において使用した振動式の検出素子を示
す図、第３図は本発明の一実施例を示すブロック図、第
４図は本発明の第２の一実施例において使用した流体式
の検出素子を示す図、第５図は本発明の第２の一実施例
を示すブロック図である。図において、

Claims

【特許請求の範囲】

１．角速度をコリオリの力にもとずいて検出する検出素
子と、この検出素子を駆動する駆動手段と、この駆動手
段の出力にもとずく第１の信号と上記検出素子が出力す
る第２の信号の比を出力する手段とを備えたことを特徴
とする角速度センサ。
２．上記第１の信号と上記第２の信号はともに振幅の信
号であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
角速度センサ。
３．上記第１の信号と上記第２の信号はともに周波数の
信号であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の角速度センサ。
４．上記第１の信号は少なくとも振幅または周波数の一
方の信号であり、第２の信号は温度差の信号であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の角速度センサ
。