JPS6365312A - 角速度センサ - 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、シイロスコープに用いる角速度センサに関す
るものである。

従来の技術 近年、コンピューター技術が発展し、多くの機能を有し
た製品が商品化されるようになり、そのための各種セン
サの要求が大きくなってきている。

角速度センサの応用も電装品におけるナビゲーションシ
ステム、ロボットの方向検知、駆動装置のスタビライザ
ー装置などがあり、いずれも小型で高性能なものがこれ
から必要となってくる。

従来、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一方、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
生した時に起こ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５９−５５４２０号公報）が考えら
れた。この振動ジャイロは音叉構造を有した振動センサ
と考えることができ、小型、低コストで高性能であり期
待された技術である。

以下図面を参照しながら上述した従来の角速度センサの
一例について説明する。

第４図、第５図、第６図は従来の角速度センサの正面図
、側面図、検知用圧電素子の結線図を示すものであり第
７図は従来の角速度センサの加速度応答ノイズの周波数
特性を示すものである。第４図、第５図において、１．
２は駆動用圧電素子、３．４は検知用圧電素子でバイモ
ルフになっている。５は金属部材、６は弾性部材（支持
棒）で寸法は０．６ｍ（Φ）ｘ３．２ｍ　（Ｌ）である
。７はベース部材である。駆動用圧電素子１と検知用圧
電素子３とを互いに９０″の角度で直交接合してなる一
対のセンサ素子を検知軸に沿って、互いに平行に配設し
それぞれの駆動用圧電素子１の端部を金属部材５により
接合し、金属部材５を弾性部材（支持棒）６で支持し音
叉構造をとっている。

以上のように構成された角速度センサについて以下その
動作について説明する。

片側の駆動用圧電素子をある周波数に−Ｃ駆動させ音叉
振動させる。音叉振動によって発生するもう一方の駆動
用圧電素子の出力をモニターし自動利得調整により音叉
振動レベルを一定に保つ。このことにより検知用圧電素
子に加速度が働き、ここに角速度が加わった時に起るコ
リオリの力によって検知用圧電素子に機械的歪が生じ、
角速度に比例した電荷が発生する。この時、角速度セン
サ出力としては検知用圧電素子３．４の和の出力となり
並進加速度に対しては差の出力となるため、検知用圧電
素子３．４の整合性がとれていれば出力は零となる。し
かしながら左右素子のばらつきや音叉振動子としての不
整合が生じるため、加速度応答ノイズとして差の出力が
発生する。

第７図はＩＧでの加速度応答ノイズについて初段増幅後
の周波数特性を示したものであり、実線は５次のＬＰＦ
（ローパスフィルタ）特性と最終出力における加速度応
答ノイズの周波数特性との和から求めた許容値であり、
最終出力１００ｉ＋Ｖ／Ｇに任意に設定している。セン
サの共振周波数をｆｄ、加速度の周波数をＪｇ、ＬＰＦ
のカット周波数をｆｃ（２５０Ｈｚ）とした場合、次式
の関係にある。

ＬＰＦ特性 ｌｆｇ−ｆｄｌ≦ＩＣ→ＯｄＢ 最終出力の加速度応答ノイズの周波数特性ｌｆｇ−ｆｄ
ｌ≦１）１ｚ→０ｄＢ 一点鎖線は初段増幅後の検知用圧電素子片側の加速度応
答出力、破線は検知用圧電素子２本の差の出力で片側出
力と比較してキャンセル効果が３０ｄＢ程度有している
。加速度応答ノイズの周波数特性においてセンサ共振周
波数の低域側と高域側にそれぞれ共振点がある。低域側
の共振点ｆｒｌは支持棒による共振点で４６０　Ｈｚ近
傍にあり、高域側の共振点ｊｒ２は検知用圧電素子によ
る共振点で１９００１１ｚ近傍にある。高域側は共振が
生じるため検知用圧電素子１．２の位相がずれキャンセ
ル効果は無（なり片側の加速度応答出力より大きくなっ
ている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では検知用圧電素子によ
る共振点が１９００Ｈｚ近傍にあり、しかも２本の素子
の出力の差とならず逆に大きくなる逆転現象が生じる。

この共振点の影響を受はセンサ共振点における加速度応
答ノイズが大きくなっているため、センサ共振周波数に
近い外乱振動（加速度）がセンサに加わると最終出力と
して大きい加速度応答ノイズ出力が発生するという問題
点を有している。

本発明は上記問題点に鑑み加速度応答ノイズの小さい周
速センサを提供するものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明の角速度センサは、
駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを互いに直交接合し
てなる一対のセンサ素子を、互いに平行に配設し、それ
ぞれの駆動用圧電素子端部を金属部材に接合し、さらに
金属部材とベース部材とを支持棒で支持、接合し音叉構
造をした角速度センサであって、加速度応答出力におけ
る弾性部材の反共振点と検知用圧電素子によって生ずる
共振点、あるいは角速度センサの共振点とを同周波数に
するか近接させるという構成にしたものである。

作用 本発明は上記した構成により支持棒による反共振点との
キャンセル効果により、検知用圧電素子の共振点あるい
はセンサ共振点の加速度応答ノイズを小さくすることが
できることとなる。

実施例 以下本発明の一実施例の角速度センサについて図面を参
照しながら説明する。

第４図において、検知用圧電素子３．４の寸法を９１龜
（Ｌ）Ｘｌ、５寵（Ｗ）　Ｘ　Ｏ、３５＊ｍ　（Ｔ）、
駆動用圧電素子１．２の寸法を９曹ｓ（１，）Ｘｌ、５
ｖｍ　（Ｗ）　Ｘ　Ｑ　、５　ｍ　（Ｔ）　、金属部材
５の寸法を１．８ｍ　（Ｌ）Ｘ　１．５ｍ　（Ｗ）Ｘ　
１．５ｍｍ　（ＩＩ）として支持棒６の寸法を０．５ｍ
ｍ（Φ）Ｘ４．Ｏｎ重（Ｌ）とし駆動用圧電素子１．２
と検知用圧電素子３．４を互いに直交接合し、駆動用圧
電素子の端部を金属部材に接合しこの金属部材を支持棒
にて支持された音叉振動子になっている。

以上のように構成された角速度センサについて第１図を
用いてその動作を説明する。

センサに外乱振動（加速度）が生じた時に支持棒６の形
状効果で支持棒６の共振点（ｊ　ｒ　１）は３６０Ｈｚ
になり、反共振点がセンサ共振点（ｊｄ）１１００１１
ｚと同じになりこのキャンセル効果によりセンサ共振点
の加速度応答ノイズを減少させることができる。

以上のように本実施例によれば、角速度センサの支持棒
の形状を０．５鶴（Φ）Ｘ４．Ｏｍｍ（Ｌ）にすること
により支持棒の反共振点をセンサの共振点を同周波数に
することができ、キャンセル効果によってセンサ共振周
波数と近接する外乱振動の加速度応答ノイズを１５ｄＢ
程度減少させることができる。

以下、本発明の第２の実施例について説明する。

角速度センサの構成として第１の実施例に示した第４図
と同様なものである。第１の実施例と構成が異なるのは
支持棒６の寸法を０．６ｍｍ（Φ）×４．５ｍ（Ｌ）と
した点である。

上記のように構成された角速度センサについて第２図を
参照しながら以下その動作説明をする。

センサに外乱振動（加速度）が生じた時に支持棒の形状
効果で支持棒の共振点は（ｊ　ｒ　１＞４００Ｈｚにな
り、その反共振点が検知用圧電素子の共振点（Ｓｒ２）
１１００１１ｚと同周波数になりこのキャンセル効果に
より検知用圧電素子の共振点、及び共振ピークによって
影響を受けていたセンサ共振点の加速度応答ノイズを減
少させることができる。

以上のように本実施例によれば、センサの支持棒の形状
を０．６ｍｍ（Φ）Ｘ４．５龍（１，）にすることによ
り支持棒の反共振点を検知用圧電素子の共振点とを同周
波数にすることができキャンセル効果によって検知用圧
電素子の共振点の加速度応答ノイズを２０ｄＢ程度減少
し、この共振ビークの影響をうけていたセンサの加速度
応答ノイズも５〜１０ｄＢ程度減少させることができる
。又、検知用圧電素子の共振点を減少させその２次効果
としてセンサ共振点の加速度応答ノイズを減少させてい
るのでセンサ共振点を中心として広域にわたって加速度
応答ノイズを減少することができるため、温度変化、経
時変化によって生ずるセンサ共振周波数などの特性変動
による影響をうけにくい。

本実施例では支持棒の反共振点と検知用圧電素子の共振
点が同周波数になった場合であるが、実際には部品や組
立ばらつきにより必ずしも一致しない。第３図は支持棒
の反共振点と検知用圧電素子の共振点がばらつき範囲で
ずれた場合の例であり＋ａ）はＪｒｌが３９０　Ｈｚ、
　（ｃｌはＪｒｌが４２０Ｈｚで共に反共振点とＳｒ２
がずれておりＳｒ２でのキャンセル効果は一１ＯｄＢ程
度になってしまうが、センサ共振点では５〜１０ｄＢの
キャンセル効果が得られている。（ｂｌはＳｒｌが４０
０Ｈｚで反共振点とＳｒ２が一致している。（ｄ）は従
来例でｊｒｌが４６０Ｈｚで反共振点とｊｒ２は完全に
はずれている。

なお、実施例において支持棒６の反共振点と検知用圧電
素子３．４の共振点（ｊｒ２）あるいはセンサ共振点（
ｆｄ）とを一致させるために、支持棒６の形状を変えた
が、駆動用圧電素子１，２、検知用圧電素子３，４、金
属部材５等の形状を変えることにより一致させてもよい
。

発明の効果 以上のように本発明は駆動用圧電素子と検知用圧電素子
とを互いに直交接合してなる一対のセンサ素子を、互い
に平行に配設しそれぞれの駆動用圧電素子端部を金属部
材により接合し、金属部材とベース部材とを弾性部材に
て支持、接合した角速度センサであって、加速度応答ノ
イズにおける弾性部材（支持棒）の反共振点と検知用圧
電素子の共振点、あるいは角速度センサの共振点を同周
波数にすることにより、誤差出力として生ずる加速度応
答ノイズを減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の一実施例のおける角速度センサ
の加速度応答ノイズの周波数特性図、第２図、第３図は
本発明の第２の一実施例における角速度センサの加速度
応答ノイズの周波数特性図、第４図は角速度センサの正
面図、第５図は角速度センサの側面図、第６図は検知用
圧電素子の結線図、第７図は従来の角速度センサの加速
度応答ノイズの周波数特性図である。 １．２・・・・・・駆動用圧電素子、３．４・・・・・
・検知用圧電素子、５・・・・・・金属部材、６・・・
・・・弾性部材（支持棒）、７・・・・・・ベース部材
、８・・・・・・ジヨイント。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名用塙放（Ｋ
Ｈｚ） 周ｆｉ歓（ＫＨＩ） 第３図 （αン　　　　　　　　　　　　（ｂ＋　　　　　　　
　　　　　　　（Ｃ）　　　　　　　　　　　　　（ｄ
＋、■■閣１ 特上１ｌｌｌＵ６３−６５３１２　（５）イ、２−−−
．．し’ｉｉシａｉ　王憎嘴！：１、；５・−３，４−
１ｊ　ｂ　ｆｆｉ　　” ５−　　匁！％舒木） 第４図　　　　Ｇ−ね８捧 ７−−−　へ・　−大 ｉ”°げ上■更院 第　５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを互いに直交接合し
   てなる一対のセンサ素子を、互いに平行に配設し、前記
   それぞれの駆動用圧電素子端部を金属部材に接合し、前
   記金属部材とベース部材とを弾性部材にて支持、接合し
   音叉構造をした角速度センサであって、加速度応答出力
   における前記弾性部材の反共振点と、前記検知用圧電素
   子の共振点あるいは角速度センサの共振点とを同周波数
   にするか近接させることにより、前記検知用圧電素子の
   共振点あるいは角速度センサの共振点における加速度応
   答出力を小さくしたことを特徴とする角速度センサ。