JPS622119A - 振動型角速度検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自動車の走行方向などを検出するために用いら
れる振動型角速度検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

振動型角速度検出器は一般に第９図及び第１０図に示す
構成である。図において、１は例えばＮｉ−５ｐａｎ−
Ｃ等の高弾性材によって作られた振動体を示す。この振
動体１は角柱形状に作られ、所定の間隔を保持して一対
の孔が平行に形成される。この孔の位置は振動体１が基
本振動するときの節となるべき位置に選定される。

振動体１の孔が形成されない面に例えば圧電素子のよう
な励振素子２を被着する。励振素子２が被着された面の
反対側の面に第１０図に示すようにフィードバック用圧
電素子３を被着する。このフィードバック用圧電素子３
によって振動体１の振動強度を検出し、その検出信号を
励振素子２の励振回路にフィードバックし、振動体１が
常に一定の強度で振動するように制御される。　　゛励
振素子２及びフィードバック用素子３が被着された面と
直交する方向の面には続出素子４と、ダンピング用素子
５とが被着される。振動体１に形成した孔には支持ピン
６が嵌着され、この支持ピン６によって振動体ｌが支持
される。

かかる構成において、振動体１は励振素子２によって励
振され、支持ピン６の位置が基本振動の節となるように
振動する。このとき振動体１の振動は続出素子４の感知
方向と直交する方向の振動であるため読出素子４は出力
信号を発生しない。

ここで振動体１の軸芯Ｓを中心とする回転力が与えられ
ると振動体１に捩れが生じ、この捩れにより続出素子４
の感知方向に振動が発生する。この振動の発生量はコリ
オリの力に比例し、従って入力角速度に比例した電気信
号が続出素子４から出力され、与えられた入力角速度を
検知することができる。

振動型角速度検出器は上記したように比較的構造が簡単
であることから安価に作ることができる利点がある。然
し乍ら温度変化に対して出力感度特性が大きくドリフト
する欠点がある。このため一般には恒温槽に収納して使
う構造を採るものであるが、恒温槽を使うことになると
形状が大きくなることと、恒温槽自体が高価であるため
全体として高価な角速度検出器になってしまう欠点があ
る。

また、検出器の周囲温度を測定し、電子回路により温度
測定する手段や、検出器の特に温度の影響を受けやすい
支持部分や圧電素子による各素子２乃至５の接固着部分
を温度依存性のない構造にすることも提案されているが
、ドリフトを十分に吸収できない。

そこで本願出願人は恒温槽などの手段を用いることなく
正確な角速度を検出でき、精度の高い振動型角速度検出
器を提案した（特願昭５９−９６２８０号）。これは、
振動型角速度検出器の姿勢を非応動軸を中心に１８００
ずつ反転させ、姿勢を反転させることにより逆向の角速
度検出信号を得るようにし、この互に逆向の二つの角速
度検出信号を利用してドリフトを除去した真の角速度検
出値を得るように構成したものである。

第１１図はかかる既提案のものの斜視図を示し、図にお
いて、７はステッピングモータを示す。ステッピングモ
ータ７は直流モータ、交流モータの何れを問わないが、
車載用の場合は電源の関係で直流モータが用いられる。

モータ７の出力軸８に第９図に示す振動型角速度検出器
９を取付ける。

この取付の姿勢は出力軸８の軸芯と振動型角速度検出器
９の非応動軸Ｔとを一致させるとよい。第１１図の例で
はモータ１１の回転軸１２に回転板１４を取付け、回転
板７に振動型角速度検出器９を取付けた場合を示し、振
動型角速度検出器９の応動軸Ｓが出力軸８の軸芯と直交
する方向に取付ける。

振動型角速度検出器９に供給する励振信号および角速度
検出信号の取出は例えば出力軸８に設けたスリッピング
（特に図示しない）を通じて伝達することができる。

かかるステッピングモータ７を正転及び逆転駆動させ、
振動型角速度検出器９の反転動作を繰返すようにする。

即ち、第１３図において、１０は回転板を示し、この回
転板１０は軸１１によって回転自在に支持されると共に
モータ７の回転軸８と回転板１０とを例えば歯車１２．
１３によって結合し、歯車１２．１３を介して回転板１
０を１８０°ずつ正転及び逆転駆動し、振動型角速度検
出器９の姿勢を反転させる。

回転板１０には１８０°対向した位置にＶ溝を形成し、
このＶ溝が１８０６回転する毎にレバー１４Ａ、１４Ｂ
に取付けたローラ１５Ａ、１５Ｂと係合し、停止位置を
正確に規定する。１Ｇはレバー２４Ａ、２４Ｂを一方向
に弾性的に偏倚させローラ１５Ａ、１５Ｂを回転板１０
の周面に圧接させるためのスプリングである。１７はロ
ーラ１５Ａが回転板１０に形成した■溝に係合したこと
を検出してモータ７の回転を停止させる光学スイッチ、
１８．１９は回転板１０の回転位置を検出しモータ７の
回転方向を切換る光学スイッチを示す。即ち回転板１４
の周縁に遮光板３１を突設し、この遮光板２０と光学ス
イッチ１８．１９によって回転板１０の回転位置を検出
し、次にモータ７を起動させるときの駆動方向を逆向と
なるように制御する。反転動作の周期は例えば１秒程度
としこれを繰返す。

第１２図に示す角速度検出器９の感度出力特性を示す。

図に示す直線Ｌ１が検出器９を静止した場合における上
側にあるときの角速度検出器９の感度出力特性を示す。

また直線Ｌ２はその反転した状態にあるときの角速度検
出器９の感度出力特性を示す。

振動型角速度検出器９の姿勢を反転させることにより検
出方向の極性が反転する。従ってドリフトＤが発生した
とすると感度出力特性ＬＩとＬ２は第１２図に示すよう
にＬ１２とＬ１２に変化する。ドリフトＤが発生したこ
とにより角速度がゼロの状態でもＤの出力を発生するこ
とになる。

そこで振動型角速度検出器９は１８０°の角度範囲で反
転させることにより、感度出力特性Ｌ　、　／とＬ２／
で検出した角速度検出値Ａ、とＡ２との絶対値を求め、
その絶対値Ａ、とＡ２を利用して（Ａ＋　＋Ａｚ　）／
２を演算する。この演算の結果得られた値Ａユが真の角
速度の値となり、よってドリフトＤが発生していたとし
ても、（Ａ＋　＋Ａｚ　）／２を演算することにより真
の角速度を求めることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

かかる既提案の構成及び動作にあっては、ステッピング
モータフの起動、停止にオーバーシュートが生じ、不必
要な力が振動型角速度検出器９に加わり、回転速度の制
約から正立、倒立に時間がかかることになり、充分に安
定した補正値を得ることができないという欠点があった
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はかかる問題点に鑑み、ドリフトを抑制すると共
に、オーバーシュート分を吸収した振動型角速度検出装
置を提供しようとするもので、本発明によりなされた振
動型角速度検出装置は、振動型角速度検出器を非応動軸
を中心に一方向に回転させ、所定位置及びこれから１８
０°回転したときの雨検出出力によりドリフトを打消し
た角速度を得るように構成されている。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面ととも説明する。

第１図（ａ）は本発明に係る検出器本体を示し、図にお
いて振動体ｌの中央部を支持ビン６が貫通し、振動体１
の両端が自由に振動できるようにする。

第１図（ｂｌにはこの振動体１を取付ける構成が示され
ており、振動体１を支持する断面コ字状の支持ケース２
１に支持ピン６が挿通され、支持ケース２１の開口部に
摺動導体２２が取付けられている。この摺動導体２２は
振動体１の各圧電素子２乃至５の夫々に接続しており、
同心円状でかつ振動体１の方向に対して左右分離した２
つの導体が設けられている。

かかる振動体を第２図に示す回転機構に取付ける。この
回転機構は第１１図の構成とほぼ同様であり、相違点の
み説明する。

ステッピングモータ７の回転軸には遮光板２３が取付け
られ、遮光板２３を挟んでフォトセンサ゛　２４が設け
られ、モータの１回転を検出する零位置検出センサ２５
を構成する。回転軸８に取付けた振動体１の摺動導体２
２と接触する摺動スプリング２６が設けられ、信号処理
部２７に振動体１の各圧電素子２乃至５の検出信号が供
給される。

また、２８は振動体１や信号処理部を収容するケース、
２９は防振ゴム足である。

第２図の回転機構において、駆動用圧電素子２に交流電
圧を印加すると、第３図山）の如く振動体１の固有振動
数に一致する周波数近傍の周波数のとき最大振幅となる
。このとき第３図（ａｌのように回転角速度Ｗが加わる
と、第４図に示すベクトルにおいて、コリオリの力Ｆｃ
が振動体１の振動方向及び回転角速度のベクトル方向と
垂直な方向に生じ、このコリオリの力Ｆｃは、 Ｆｃ＝ｍｖｘω で表わすことができる。ここでｍは振動体１の質量、■
は振動速度である。このコリオリの力Ｆｃにより振動体
１は駆動されている力方向と垂直方向にも振動し、その
大きさは振動速度Ｖを一定とすれば、回転角速度ωに比
例する。よって、第１０図に示す検出用圧電素子４から
このコリオリの力Ｆｃの大きさを検出することにより回
転角速度ωを算出することができる。

第５図は第２図における信号処理系のブロック図であり
、振動体駆動回路３０から励振用圧電素子。ｃｄＬ”ｉ
：駆動信号を与え振動体１．、、振動あり　　　　　す
る。この振動振幅はフィードバック圧電素子３を通して
検出され、フィードバンクアンプ３１により増幅して制
御回路３２に人力し、制御回路３２の出力を駆動回路３
０に負帰還することにより振幅をコントロールする。読
出し用圧電素子４から検出されるコリオリの力に比例す
る交流信号をセンスアンプ３３に入力し、この出力を波
形整形・検出回路３４に供給する。波形整形・検出回路
３４により交流信号を検波及び微分することで、その微
分出力はコリオリの力Ｆｃに比例することになる。更に
微分出力を整流してＡ／Ｄコンバータ３５によりデジタ
ル信号に変換してマイクロコンピュータ３６にデータ入
力する。マイクロコンピュータ３６には、遮光板２３及
びフォトセンサ２４による零位置検出センサ２５からの
出力が零位置検出センサ駆動アンプ３８を通して加えら
れ、モータの回転とマイクロコンピュータ動作とを同期
するための信号とする。マイクロコンピュータ３６で処
理した信号を必要ならばＤ／Ａコンバータ３７によりア
ナログ変換して検知信号（角速度）を得る。また３９は
モータ駆動回路である。

ここで振動体１のコリオリの力Ｆｃは、温度変化や経時
変化によってドリフトを生しることがあり、これをでき
るだけ小さくすることが精度の高い検出信号を得るため
に必要である。そこで第２図の回転機構において、振動
体１をモータ７により一定の回転数で回転させ、その出
力を摺動導体２２を通して非回転の摺動スプリング２３
により信号処理部２８に供給する。かかる手段により回
転状態における状態における振動体１の王立時と倒立時
の検出出力中にドリフト成分が互いに打消す方向に生じ
、ドリフトの少ない信号を得ることができる。

即ち、第６図（ａ）のように回転角速度ω１が加わると
コリオリの力Ｆｃによる振動が得られ、更に第６図（ｂ
）のように角速度ω１より大きい角速度ω２が加わると
、より大きい振幅で振動する。この振幅と角速度との関
係は第７図ｔ０に示すように直線となる。ただし、実際
には上述の如くドリフトのためにｔｎ９ｔｍ及びｔ２な
どのように経過時間に対してシフトする。

一方、角速度ω、にｖｌの出力、振動体１が１８０″回
転して上下位置が逆に なった状態での角速度−ω１に対する出力はｖ２となる
。ドリフトのない状態における出力■は、第７図におい
て、 ｖ＝ｖｌ　−Δｖ　ｒ　　・＝　＝・＜１）ｖ＝ｖｚ＋
Δｖ２　・・・・・・　（２）であり、ΔＶ、＝ΔＶｇ
であるから、 Ｖ”　（Ｖ＋　＋ｖ、）／２　−＝　　（３）となる。

第８図（ａｌは振動体１を回転させたときに得られる信
号出力であり、その正逆出力値は速度ＶＩｓＶ！である
。尚、第８図中）に示す零位置検出センサ２５の出力パ
ルス間が振動波形の１周期となっており、０″及び３６
０’時における出力がドリフト成分ΔＶｌｙΔＶｇであ
る。以上よりマイクロコンピュータ３６にこの検出値Ｖ
ｌ＊Ｖ！を入力することにより、上述の処理を行ない、
（３）式の■を算出してドリフトのない信号を得る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、自動車、航空機、船舶な
どで、自己機器の位置を知るためにナビゲーションシス
テムとしてジャイロスコープが用いられていたが、かか
る装置は非常に高価で大きく、重量が大きかったが、本
発明によれば低コストで小型の装置が実現できる。

また、温度や経時変化によるドリフトに対して充分に吸
収することができ、しかも恒温槽を必要としないので自
動車のナビゲーションシステムなどに好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は夫々本発明に係る振動型角
速度検出器を示す上面図及び正面図、第２図は第１図の
検出器を回転させるための回転機構を示す側面図、第３
図（ａ）　、　（ｂ）は夫々第１図の検出器を回転させ
たときの状態図及び振幅特性図、第４図は第３図（ａｌ
の状態におけるコリオリの力、回転角速度及び振動速度
の関係を示すベクトル図、第５図は第２図における信号
処理系を示すブロック図、第６図（ａ）　、　（ｂ）は
夫々第１図の検出器を回転角速度ω１　。 ω２で回転させたときの出力波形を示す図、第７図は第
２図装置を回転させたときの角速度に対する検出出力特
性を示す図、第８図（ａ）　、　（ｂ）は夫々第５図に
おける検出出力波形及び零位置検出センサ出力パルス波
形を示す図、第９図は一般の振動型角速度検出器を示す
斜視図、第１０図は第９図の正面図、第１１図は本出願
が既に提案した角速度検出器の回転機構を示す斜視図、
第１２図は第１１図装置における回転角速度に対する検
出出力を示す特性図、第１３図は既提案の回転機構を示
す正面図である。 ■・・・振動体、２・・・励振素子、３・・・フィード
バック用圧電素子、４・・・読出素子、６・・・支持ビ
ン、７・・・ステッピングモータ、９・・・振動型角速
度検出器、１０・・・回転板、２２・・・摺動導体、２
５・・・零位置検出センサ、２６・・・摺動スプリング
、２７・・・信号処理部、３０・・・振動体駆動回路、
３１・・・フィードバックアンプ、３２・・・制御回路
、３３・・・センスアンプ、３４・・・波形整形・検出
回路、３５・・・Ａ／Ｄコンバータ、３６・・・マイク
ロコンピュータ、３７・・・Ｄ／Ａコンバータ。 第１図 第２図 第３図 （０）　　　　（ｂ） 第６図 （ａ）　　　　　（ｂ） ω１　　　　　　　　　　　　　　　　　ω２第７図 第８図 （ｂ） 第１０図 第１１図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　振動型角速度検出器を非応動軸を中心に一方向に回転
   させ、所定位置における検出出力と所定位置から１８０
   °回転したときの検出出力とを検出し、両検出信号から
   ドリフトを打消した真の角速度を得るようにしたことを
   特徴とする振動型角速度検出装置。