JPS63201518A - 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 本発明はジャイロスコープに用いる角速度検出装置に関
するものである。

従来の技術 近年メカトロニクス関連の技術が発展し、多くの機能を
有した製品が商品化されるようになり、そのため、各種
センサの要求が大きくなって来ている。

角速度センサの応用も電装品におけるナビケーシ四ンシ
ステム、ロボットの方向検知、駆動装置のスタビライザ
ー装置などがあ抄、いずれも小屋で高性能なものがこれ
から必要となって来る。

従来、ジャイロスコープを用いた慣性航法装置として、
飛行機、船舶のような移動する物体の方位を知る方法が
主に使われている。これは安定した方位が得られるが、
機械式であることから装置が大がかりでありコストも高
く、小型化が望まれる民生用機器への応用は困難である
。

一方、回転力を使わずに物体を振動させて角速度が発生
した時に生じるコリオリの力から角速度を検出する振動
ジャイロ（特開昭５８−１７４８５４号）が提案されて
いる。この振動ジャイロは音叉構造を有した振動ジャイ
ロと考えることができる。

発明が解決しようとする問題点 この様な方式の振動ジャイロスコープでは、角速度成分
以外の外乱振動による信号成分に対し、振動体の振動情
報のみを精度良く正確に抽出することが困難であり、そ
のため、小振幅駆動時の位相情報、振幅情報が正確に得
られないために駆動用圧電バイモルにて励振される検知
用圧電素子から得られるコリオリの力による情報が不正
確となり、実用上、高分解能を有する所での使用に限界
があった。

本発明は検出精度が高く、角速度成分以外の外乱振動に
よる信号成分の影響が非常に少なく、ゼロ点ドリフトの
少ない量産性の高い角速度センサ装置を提供することに
ある。

問題点を解決するための手段 本発明は、駆動系と検知系をもつ音叉構造体の振動先端
部左右２ケ所に音叉振動方向と直交方向の振動成分を検
知する検知情報検出体をそれぞれ設け、前記２つの検知
情報検出体より得た信号情報値を別途に設けてなるレベ
ル調整器で同値に近接させ、かつ、加算し、角速度成分
以外の外乱振動による信号成分を排除したものである。

作用 以上の構成により、前記２つの検知情報検出体より得た
それぞれの信号は同相でかつバラツキの範囲内でほぼ同
値であるがレベル調整器でより同値に近接調整し、かつ
、この信号を逆相で加算することにより、同相の信号成
分は完全に相殺され、コリオリの力による信号成分のみ
を抽出することが可能となる。

実施例 以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。第１図は本発明の一実施例における角速度検出
装置のブロック図を示す。第２図。

第３図は検知情報検出体より得た信号情報値をレベル調
整器でその値を同値に近接させ、逆相で加算させる一実
施例を示したものである。尚、本実施例は第１図の破線
で囲まれた部分人に該当する。

第４図は検出部分（第１図では１０，１１．１２゜１３
．１４．１５からなる部分に対応）を詳細に拡大した構
成図であり、正面図、側面図を示す。

次に、詳細に説明する。第１図において、１０゜１１は
検知情報検出体で検知用圧電バイモルフ素子、１２．１
３は駆動用圧電バイモルフ素子である。１４は導電部材
（真鍮を用いた）、１５は導電部材１４と接合された金
属弾性部材（Ｎｉを用いた）である。１６は支枝台（Ｆ
θを用いた）である。尚、駆動系の圧電バイモルフ１２
．１３さらには検知情報検出体の圧電体バイモルフ１０
゜１１から引出されたリードワイヤーは線径６０μのＣ
ｕワイヤーを用いた。

以上の様に構成された検知部を回路系とを含めた実施例
について説明を下記に行う。

まず、駆動用圧電バイモルフ１２を駆動するには圧電バ
イモルフ１２０両面に駆動信号Ｇ（共振周波数）を印加
する。駆動ループについては後で説明する。圧電バイモ
ルフ１２に駆動信号Ｇを印加したことにより、駆動用圧
電バイモルフ素子１２が振動を始め、圧電バイモルフ素
子１２と検知用圧電バイモルフ素子１０とからなる振動
系は導電部材１４を介して他方に接合されている駆動系
の圧電バイモルフ素子１３と検知用圧電バイモルフ素子
１１とからなる振動系と共振し、音叉振動を開始する。

本実施例では音叉の共振周波数をＩ　ＫＨｚ付近に設計
した。そして、この音叉振動を連続して行うために、次
の様な駆動信号ループにより構成している。駆動回路７
は前記音叉の共振系を励振するための電力を、駆動用圧
電バイモルフ素子１２に供給するだめのものであり、そ
の供給電力は後述の駆動情報抽出回路６からの信号によ
り制御され、常に一定の角速度検出感度を得るように、
音叉共振系の振動状態を保つ。ここで、駆動信号ループ
内の駆動効率を最大にするために、共振系の共振周波数
で駆動する必要がある。そのため、駆動回路７は駆動用
圧電バイモルフ素子１２を周波数選択素子として含む発
振ループで構成し、そのループ中に利得可変増幅器８を
挿入し、後述の動作説明によ−って、駆動信号ループ中
の利得配分を調整することで所定振幅に保っている。駆
動情報抽出回路６は駆動系圧電バイモルフ素子１３で得
た出力信号Ｈを駆動振幅信号Ｎと駆動振幅信号工とに信
号処理を行う。具体的には出力信号Ｈを整流、平滑、増
幅して物理的な振動振幅に対応したＤＣ電圧（駆動振幅
信号）を発生する機能と、出力信号Ｈに適当な移相調整
をほどこして、後述する位相検波における基準位相とな
る駆動位相信号を発生する機能を有する。利得調整回路
８は前記駆動振幅信号Ｎと参照用基準電圧源９よりの基
準電圧にとを比較して、その差が零となる様に前記利得
可変増幅器８の利得を自動調整するものである。

次に、第１図の駆動系（１０〜１６）の圧電バイモルフ
素子１０．１１より得た２つの信号情報値Ｂ、０はバラ
ツキ範囲内でほぼ同値であるが、より効果的に２つの信
号値Ｂ、Ｏをレベル調整器１．２で、さらに同値となる
様に近接させて得た信号り、Ｒを逆相で加算器３で加算
させる。ここで、２つの信号を逆相で加算すると言うこ
とは、音叉構造体（１０〜１７）が外乱からの振動成分
に対して検知情報検出体１０と１１が同一方向に振動す
るため、得られる信号は同相であるので、どちらか一方
の出力の極性を逆に接続することにより得られる。そし
て、この外乱による信号成分を含む情報信号Ｂ、Ｃはレ
ベル調整器により、おのおのの振幅値を同値に調整した
信号成分り、ＩＥを加算すると外乱信号成分は互いに相
殺され、信号成分は外乱振動に対して非常に小さな信号
レベルとなる。−刃駆動系（１０〜１７）を図示の如き
０の方向に回転させると駆動系（１０〜１７）を中心と
して回転するため圧電バイモルフ素子１０．１１に生じ
るコリオリの力によって得られる情報信号Ｂ、（ｊは前
記外乱振動で得られた信号とは異なり、位相的には１８
０°異なり、前記同様に逆相で加算すると、コリオリの
力による信号成分のみが重畳されたことになる。すなわ
ち、駆動系（１０〜１７）全体の軸に対して回転Ｏさせ
た時、信号Ｆは駆動系（１０〜１７）に働くコリオリの
力による信号成分のみが残り、外乱振動による信号成分
が排除される。

次に、前記で得られた信号Ｆは検波回路４で信号処理さ
れる。検波回路１１は圧電バイモルフ素子１０．１１よ
り得た出力信号成分から、角速度に対応した検波信号成
分りを抽出するものであり、前記駆動振幅信号工を基準
位相とした同期検波回路である。そして、前記に得られ
た信号りはフィルター回路６．で平滑して角速度に対応
した直流信号Ｍを得る。ところで、前記に説明した様に
圧電バイモルフ素子１０．１１より得た信号Ｂ、Ｃを同
値のレベルに調整し、そして逆相で加算する実施例とし
て以下に説明する。実施例として、構成図を第２図に示
す。第２図は第１図の破線部分を詳細に示したものであ
る。第２図は入力信号Ｂ。

Ｃに対し、増幅器１８．１９を設け、インピーダンス整
合した後、この両信号に可変抵抗器２ｏの両端子を接続
し、中点は両信号レベルを同値に調整すると共に両信号
を加算し、レベル調整器１゜２そして加算器３を構成し
たものである。この様にして得た本願の角速度検出装置
によると、従来と比較して、外乱振動に対するノイズ信
号除去効果は約４０ｄｂ程度の減衰効果が得られた。又
、第２図において、インピーダンス整合、設計的、その
他の条件が整えば増幅器１８．１９を用いなくても第２
図は第３図の様に可変抵抗器２０のみを用いても同様の
効果が得られた。たとえば可変抵抗器２０は６にΩのも
のを使用した。

尚、第４図ａ、ｂは駆動系部分の正面図、側面図である
。

以上の構成の中で外乱振動に対する除去について、駆動
用圧電バイモルフ素子、−動検知用圧電バイモルフ素子
及び検知用圧電バイモルフ素子に同一の材料を用いるこ
とでは単に左右対称の音叉構造の共振系で外乱振動によ
る信号成分を除去することはできない。それは、音叉構
造の共振系を構成する構成体の形状、材料特性、さらに
は寸法や組立等の精度バラツキによる特性変化のアンバ
ランスが生じるから外乱振動に対し、２つの検知情報検
出体で得た信号を相殺して除去できないのである。これ
は単に駆動用圧電バイモルフ素子を定電流あるいは定電
圧駆動をするといった方法では決して実現し得ない。

しかし、前記で説明した様に本願によれば、外乱振動に
よる信号成分を２つの検知情報体の信号をレベル調整加
算することにより常に安定した出力を得ることが始めて
可能とさせることができた゛のである。

発明の効果 以上の説明から明らかなように本願は駆動系と検知系を
もつ音叉構造体の振動先端部２ケ所に音叉振動方向と直
交方向の振動成分を検知する検知情報検出体をそれぞれ
設けたものに、前記２つの検知情報検出体より得た信号
情報値をすでに設けてなるレベル調整器で同値に近接さ
せ、かつ加算し、角速度成分以外の外乱振動による信号
成分を排除したものである。特に外乱振動による信号成
分の排除効果にすぐれた角速度検出装置を実現させるこ
とができたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す角速度検出装置のブロ
ック構成図、第２図、第３図は第１図のブロック図の一
部分の詳細を示す回路図、第４図ａ、ｂはセンサ部分の
音叉振動系の正面図、側面図である。 １・・・・・・レベル調整器、２・・・・・・レベル調
整器、３・・・・・・加算器、４・・・・・・検波回路
、６・・・・・・フィルター回路、６・・・・・・駆動
情報抽出回路、７・・・・・・駆動回路、８・・・・・
・利得可変増幅器、９・・・・・・基準電圧源、１゜・
・・・・・圧電バイモルフ素子、１１・・“°゛°圧電
圧電７身圧電バイモルフ素子、１４・・・・・・導電部
材、１５・・・・・・金属弾性部材、１６・・・・・・
支持台、１７・・・・・・電気的絶縁接合支持部材、１
８・・・・・・増幅器、１９・・・・・・増幅器、２ｏ
・・・・・・可変抵抗器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 駆動系と検知系をもつ音叉構造体の振動先端部２ヶ所に
   音叉振動方向と直交方向の振動成分を検知する検知情報
   検出体をそれぞれ設け、前記、２つの検知情報検出体よ
   り得た信号情報値を別途に設けてなるレベル調整器で同
   値に近接させ、かつ加算し、角速度成分以外の外乱振動
   による信号成分を排除することを特徴とする角速度検出
   装置。