JPH02129514A - 角速度センサー - 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］ 本発明は音叉型振動子を用いて角速度を検出する角速度
センサーに関するものである。

物体の姿勢、動き、速度、等の情報を得るために物体の
方位を検出するものとしてジャイロが知られている。ジ
ャイロは既によく知られているように、駒の原理を利用
した機械的機構から成る方位検出装置として船舶や航空
機の慣性航法装置として利用されてきた。ジャイロは、
初期位置入力が正確であれば高精度の絶対位置検出が可
能であり、また、初期位置入力なしの場合にも相対位置
検出を常に高精度に行うことができるというすぐれた長
所を有している。しかし、従来のジャイロは純機械的構
造であるため極めて高精度の部品を要し、従って非常に
高価であり、しかも体積及び重量が大きいという欠点が
あった。このため、近年ではジャイロを用いて高精度の
検出を行いたいという需要は以前にくらべて一層増加し
ているにもかかわらず、従来の機械式ジャイロを各種装
置や機器に搭載した場合は該装置や該機器が大型化且つ
大重量化してしまう上に非常に高価になフてしまりとい
う問題が生ずるため、従来の機械式ジャイロの利用は比
較的限られた分野のみに留まっていた。

しかるに最近になって従来の機械式ジャイロに設けられ
ていた回転駒の代りに音叉などの振動子を用いる振動ジ
ャイロが開発されたため、ジャイロの利用分野の拡大が
可能になり、各種の機器や装置にジャイロ式検出器を搭
載できる可能性が大きくなった。

前記した振動ジャイロは、一定の振動数で振動している
音叉等の振動子に外力による角速度などが加わった時に
該振動子に生ずるコリオリの力を検出することによって
該角速度を検出するものであり、回転駒がないため非常
に小型であるとともに低コストで製作することがで台、
しかも高精度の検出が可能であるという長所を有してい
るため、各種機器の振動検出装置や方位検出装置として
利用されることが期待されている。

以下には本発明に関連のある前記振動ジャイロから成る
角速度センサーについて第３図を参照して説明する。

第３図において、３２及び３３は基部３１に固定された
振動片で、３４及び３５は振動片３２及び３３にそれぞ
れに取付けられた固定部材、３６及び３７は固定部材３
４及び３５に取付けられた検出用振動片である。５及び
６は振動片３２及び３３を図中Ｘ方向に振動させる駆動
用圧電素子であり、７及び８は駆動用圧電素子５及び６
で振動する振動片３２及び３３の実際の振動をモニター
するモニター用圧電素子であり、９＆び１０は振動片３
６及び３７に取付けられて角速度を検出するための検出
用圧電素子である。この振動ジャイロにおいて、振動片
３２及び３２を共振周波数ω、でＸ方向に互いに逆向き
に振動している状態にしておいて基部３１がたとえばＺ
軸の囲りに角速度Ωで回動されたと仮定すると、振動片
３６及び３７には角速度Ωに比例したコリオリの力Ｆｃ
がＹ軸方向に作用する。この時、Ｘ方向に振動中の振動
片３６及び３７のＸ方向速度Ｖは振幅をＡ１時間をｔと
すると次式で表わされる。

ｖ　＝　Ａ　ω、ｃｏｓω、ｔ　　　　　　　　（ａ）
ここでω、は振動片３２及び３３の共振周波数である。

ここで振動片３６及び３７の質量をＭとするとコリオリ
の力Ｆｃは次式で表わされる。

Ｆｃ＝　Ｚ−Ａ−Ｍ−Ω・ω、、ｃｏｓ　ω＋ｔ　　（
ｂ）（ｂ）式で明らかなように、フリオリの力Ｆｃが作
用した時に振動片３６及び３７はＹ方向に振動し、その
振幅は角速度Ωに比例するので振動片３６及び３７の振
幅を検出することにより角速度Ωを求めることができる
。

次に第４図において、振動片３２及び３３の駆動方法と
角速度検出方法を説明する。同図において５，６，７，
８，９．１０は圧電素子を表わし、第２図中に表わした
駆動用圧電素子５及び６、モニター用圧電素子フ及び８
、検出用圧電素子９及び１０は同一番号で表わしである
。１１，１７．１９は増幅器であり、それぞれ、増幅器
１１はモニター用圧電素子７及び８からの信号を増幅す
るもの、増幅器１７は駆動用圧電素子５及び６に駆動信
号を供給するもの、増幅器１９は検出用圧電素子９及び
１０からの角速度検出用信号を増幅するものである。

１２は増幅器１１で増幅されたモニター出力を移相させ
る移相回路である。１３は同様に増幅器１１からの信号
を整流して整流電圧を発生する整流回路である。１４は
基準電圧発生回路で増幅器１１からの増幅電圧を一定に
すべく駆動用圧電素子５及び６への入力電圧を制御する
ための基準電圧を発生する。差動増幅器１５は整流回路
１３の出力電圧と基準電圧発生回路１４からの基準電圧
との差を増幅した出力を発生する。乗算回路１６はＢ和
回路１２の出力電圧と差動増幅器１５の出力電圧とを乗
じ、この乗算結果を増幅器１７を介して駆動用圧電素子
５及び６に印加する。

２０は増幅器１９で増幅された検出用圧電素子９及び１
０の出力信号のうち振動片３２及び３３の共振周波数ω
１の帯域成分を通過させるバンドパスフィルターである
。このバンドバスフィルター２０の出力信号は同期検波
回路２１において移相回路１８の出力信号により同期検
波され、同期検波電圧となる。２２は同期検波回路２１
の出力のうち、特定の低周波成分を通過させるローパス
フィルターである。２３はローパスフィルター２２の出
力を増幅して角速度Ωを表わす出力を発生する出力増幅
器である。

次に第３図及び第４図を参照して前記角速度センサーの
動作を説明する。

振動片３２及び３３はそれぞれに取付けられた駆動用圧
電素子５及び６によって励振されるとＸ方向に振動し、
共振する。従フて、振動片３２及び３３に取付けられた
検出用振動片３６及び３フも同様にＸ方向に振動する。

この時モニター用圧電素子７及び８は振動片３２及び３
３と３６及び３７のそれぞれのＸ方向の振動の振幅に比
例したそニター電圧を出力する。増幅器ｌｌはこのモニ
ター電圧を増幅し、移相回路１２は増幅器１１の出力電
圧を９０”移相した出力電圧を発生する。同時に整流回
路１３は増幅器１１の出力電圧を整流した正電圧を発生
する。従って、差動増幅器１５は整流回路１３の出力電
圧と基準電圧発生回路１４の基準電圧との差を増幅した
出力を発生し、該出力が乗算回路１６に入力される０乗
算回路１６は移相回路１２の出力（すなわち、モニター
用圧電素子７及び８の出力を９０°移相した信号）と、
差動増幅器１５の出力とを取込んで両者の積に等しい出
力を発生し、増幅器１７は乗算回路１６の出力を増幅し
て駆動用圧電素子５及び６に印加する。すなわち、駆動
用圧電素子５及び６には乗算回路１６を介してモニター
用圧電素子７及び８の出力が帰還され、駆動用圧電素子
５及び６は常に一定電圧で駆動されるように乗算回路１
６によって制御される。

基部３１が２軸を中心として角速度Ωで回動されると振
動片３６及び３フはコリオリの力Ｆｃにより角速度Ωに
比例してＹ方向に変位する。

従って、検出用圧電素子９及び１ｏは振動片の振動速度
Ｖと角速度Ωとの積を表わす出力を生じ、該出力が増幅
器１９で増幅された後、バンドパスフィルター２０に入
力される。

検出用圧電素子９及び１０の出力は振動片３２及び３３
の共振周波数ω１を角速度Ωによって振幅変調した振幅
変調波となっており、また、バンドパスフィルター２０
の濾波帯域は共振周波数ω１に設定されているためバン
ドパスフィルター２０の出力は検出用圧電素子９及び１
０の出力から共振周波数ω１の振動成分が通過されたも
のとなる。

バンドパスフィルター２０の出力は同期検波回路２１に
おいて移相回路１８の出力により同期検波される。移相
回路１８の出力はモニター用圧電素子７及び８の出力を
９０°移相したものであり、従って同期検波回路２１の
出力はΩに比例したものとなる。

次いで同期検波回路２１の出力はローパスフィルター２
２に入力され、ローパスフィルター２２では高調波成分
が除去された後、出力増幅器２３に入力される。出力増
幅器２３ではローパスフィルター２２の出力を適当な振
幅に増幅して出力し、該出力が表示器などに供給される
。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような構成の従来の角速度センサーでは、振動片
３６及び３７が角速度入力がない場合でも振動片３２及
び３３の共振周波数ω、に同一もしくは近い周波数でＹ
方向に振動することがある。即ち、検出用圧電素子９及
び１０の出力にはこの振動による信号も含まれているわ
けである。もし振動片３６及び３７の振動周波数が振動
片３２及び３３の共振周波数と全く同一であれば第３図
に表わした回路で角速度を検出した場合、出力増幅器２
３の出力信号には定常的なりＣ電圧が表われるだけで出
力信号それ自身が根本的に狂っている訳ではないため、
表示器等の調整などで補正を行えばなんら問題はない、
しかしながら、製造上の問題などで振動片３６及び３７
のＹ方向の振動周波数と振動片３２及び３３の共振周波
数を全く同一にすることは不可能である。

すなわち、振動片３２及び３３の共振周波数をω１１振
動片３６及び３７のＹ方向の振動周波数をω２、両周波
数の差の絶対値をω。、とし、ωｏ−１ω皇−ω２１が
０に近い低周波であると仮定する。この場合、２つの周
波数の振動が検出用圧電素子により検出され増幅器１９
により増幅されたのちバンドパスフィルター２０に入力
されるがω、とω２とは互いに周波数が近いため、両周
波数とも通過してしまう、この両周波数を移相回路１８
からの移相電圧、即ちω１の信号において同期検波回路
２１で同期検波され、この同期検波回路からの同期検波
信号はローパスフィルタ２２を介して出力増幅器２３か
ら出力される。この出力信号には第２図中２軸のまわり
の角速度成分が含まれるのはもちろんであるが、周波数
ω、の信号を周波数ω１で同期検波するため、その両周
波数の差の周波数ω０の信号も含まれている。前述した
ようにω０角速度の検出帯域同様低周波である。

従って、出力増幅器２３の出力には前記のω。

による信号が含まれることになる。その結果、該振動ジ
ャイロの信頼生は著るしく低いものとなる。

［課題を解決するための手段］ 前記の如き現象を生じさせぬためには、前記の周波数ω
０と角速度Ωの周波数とを充分に離すことが必要である
０周波数ω。と角速度Ωの周波数帯域を充分に離すため
の方法として、本発明では前記の振動ジャイロの機械的
構造を改善することによって前記周波数ω。と角速度Ω
との周波数差を大きくし、これにより前記した欠点を有
することのない角速度センサーを実現した。

具体的に言えば、本発明の角速度センサーでは、音叉型
振動子を支持する支持部材を設け、該支持部材の長さを
該音叉型振動子の長さよりも長くしたことを特徴とする
。本発明の角速度センサーにおいては該音叉型振動子の
共振周波数と該支持部材に生ずる角速度の周波数との差
を非常に大台くすることができるので高精度の角速度検
出を行うことができる。

［作　　用］ 以下に示す本発明の実施例では支持部材３が音叉部の振
動片１及び２より長くかつ、支持部材３の先端に音叉部
があり質量は音叉部の振動片よりも大きくなっている。

そのため、第１図において矢印ａ方向の副共振振動周波
数ω、は音叉部振動片共振周波数ω１よりも十分に低い
。

即ち両周波数の差ω。は角速度検出周波数帯域よりも十
分に大きい、従って第３図の角速度検出回路で角速度を
検出すると、バンドパスフィルター２０は音叉部振動片
共振周波数ω１を中心としたフィルターであるため、ω
１より十分離れた副共振周波数ω２は十分減衰してしま
う、また、仮りに副共振周波数ω２の振幅がバンドパス
フィルター２０で充分に減衰しないほど大きい場合であ
っても、同期検波回路２１から出力される信号の周波数
はω。となり、ω。

は角速度検出周波数帯域よりも充分に高いため、ローパ
スフィルター２２ではω。の成分を充分に減衰させるこ
とができる。

従って、出力増幅器２３にドリフトが生ずる恐れがなく
なり、信頼生の高い検出値を得ることができる。

［実施例］ 以下に第１図を参照して本発明により改良された角速度
センサーの機械的構造を説明する。

なお、該角速度センサーの電気的構成（すなわち信号処
理手段）は第４図に示した従来の構成と同じであるため
図示及び説明を省略する。

第１図において、１及び２は音叉を構成している振動片
であり、３は振動片１．２で構成される音叉を支持する
とともに基部４に固定されている支持部材である。５及
び６は振動片１及び２の上に取付けられて振動片１及び
２を図中Ｘ方向に振動させる駆動用圧電素子である。

７及び８は駆動用圧電素子５及び６によって振動されて
いる振動片１及び２の実際の振動をモニターするモニタ
ー用圧電素子である。９及び１０は第１図において基部
４が２軸の周りに回動された時の角速度を支持部材３の
ねじりによって検出する検出用圧電素子である。

上記構成において、従来例で説明したようにモニター用
圧電素子７及び８と駆動用圧電素子５及び６とは第４図
に示した電気的構成を介して互いに電気的構成により該
振動片１及び２の振幅を常に一定に保つための帰還回路
が構成されている。従って、第１図において振動片１及
び２は常に一定振幅でＸ方向に互いに逆向きに振動する
。この状態において基部４がＺ軸の周りに角速度Ωで回
動されると支持部材３と振動片１及び２とにコリオリの
力ＦｃがＹ軸方向に作用する。このコリオリの力Ｆｃに
よって支持部材３にはＺ軸を軸としてＸ−Ｙ平面上でね
じれを生ずる。コリオリの力Ｆｃが作用した時の支持部
材３のねじれ量は角速度Ωに比例するため支持部材のね
じれを検出用圧電素子９及び１０で検出することにより
角速度Ωを求めることができる。また、検出用圧電素子
９及び１０からの検出信号が第４図に示す角速度検出手
段によフて処理されることにより従来例と同様にして角
速度Ωが検出される。

以上のように構成された本実施例の角速度センサーにお
いて、従来例と同様に音叉部の共振周波数をω３、検出
用圧電素子９及び１０に検出される支持部材３の副共振
などの振動周波数をω２であると仮定し、以下に本実施
例の角速度センサーの機能について説明する。

周波数ω２の振動でもっとも大きなものは第１図中矢印
ａの方向の振動である。この振動による周波数ω２は支
持部材３の長さと音叉部を含めた質量とによってきまる
０本実施例では支持部材３は音叉部の振動片１及び２よ
り長くかつ、支持部材３の先端に音叉部があり質量は音
叉部の振動片よりも大きくなっている。そのため、矢印
ａ方向の振動周波数ω２は音叉部振動片共振周波数ω１
よりも十分に低い、即ち画周波数の差ω。は角速度検出
周波数帯域よりも十分に大きい、従って第４図の角速度
検出回路で角速度を検出すると、バンドパスフィルター
２０は音叉部振動片共振周波数ω１を中心としたフィル
ターであるため、ω１より十分離れた副共振周波数ω２
は十分減衰してしまう、また、仮りに副共振周波数ω２
の振幅がバンドパスフィルター２０で充分に減衰しない
ほど大きい場合であっても、同期検波回路２１から出力
される信号の周波数はω。となり、ω。は角速度検出周
波数帯域よりも充分に高いため、ローパスフィルター２
２ではω。の成分を充分に減衰させることができる。

また、本発明の角速度センサーでは、検出用圧電素子９
及び１０が支持部材３の両面に取付けられているため、
矢印ａ方向の振動が生じた場合は検出用圧電素子９及び
１０のそれぞれの出力は互いに逆相であり、角速度検出
信号は検出用圧電素子９及び１０の和信号である為、ａ
方向の振動による出力は相殺されドリフトの原因とはな
らない。

従って、本実施例の角速度センサーによれば安定した角
速度の検出が可能となる。又、単純な構造である為、小
型・軽量化が容易であり量産にもむいている。更に、角
速度を検出する支持部材が長い為ねじれを検出しやすく
、高感度になるという効果も得られる。

第２図は本発明の第２の実施例を表わす図で第１の実施
例と同一機能の部材には第１図と同一の番号を付しであ
る。第２図において、支持部材３は音叉を構成する振動
片３２及び３３と振動片３６及び３７とを支持しており
、音叉の振動片の長さより長くなっている。なお、角速
度の検出原理は従来例で示した原理と同じであり、角速
度の検出回路も第４図に示した従来例の回路と同じ構成
である０本実施例の角速度センサーにおいても第１の実
施例で示した振動片３２及び３３の共振周波数ω１と検
出用圧電素子９．１０に検出される支持部材３の副共振
などの振動周波数ω２との差の周波数ω０が角速度検出
周波数帯域より十分に大ぎくなるため第４図に示した検
出回路で角速度を検出すると出力増幅器２３の出力とし
てドリフトを生ずることがなく、従って信頼生の高い角
速度検出を行うことができる。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明の角速度センサーでは音
叉型振動子を支持する支持部材の長さを該音叉型振動子
よりも長くした構造となっているため、ドリフトなどが
生ずることがなく、従って信頼生の高い角速度検出を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の角速度センサーの機械的
構造部分を示した斜視図、第２図は本発明の第２実施例
の角速度センサーの機械的構造部分を示した斜視図、第
３図は従来の角速度センサーの機械的構造を示した斜視
図、第４図は第１図乃至第３図に示した機械的構造部分
とともに使用される電気的構成部分の概略図である。 １及び２・・・振動片　　３・・・支持部材４・・・基
部 ５及び６・・・Ｗｉ動用圧電素子 ７＆び８・・・モニター用圧電素子 ９及び１０・・・検出用圧電素子。 他４名 第１図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　音叉型振動子を振動させて、前記音叉型振動子の主
   振動方向に直角な方向の変位を検出することにより角速
   度を検出する角速度センサーにおいて、前記音叉型振動
   子を支持する支持部材の長さを前記音叉型振動子の長さ より長くしたことを特徴とする角速度セン サー。 ２　前記支持部材のねじれを検出することにより角速度
   を検出することを特徴とする請求項１記載の角速度セン
   サー。