JPH0384413A - Angular speed sensor - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain the angular speed sensor which correctly extracts only an angular speed component by signal processing by specifying errors in the orthogonal intersection of piezoelectric elements for detection and a piezoelectric element for driving. CONSTITUTION:The angular speed sensor is assembled so that the errors in the orthogonal intersection of the piezoelectric element for detection and piezoelectric element for driving are <=+ or -1 deg.. When the orthogonal intersection error of the couple of sensor elements are <=+ or -1 deg., their total is <=+ or -2 deg. and an unnecessary signal component which is generated by a driving inertial force is <=6Vpp. When the orthogonal intersection errors of the couple of the sensor elements are in opposite directions although they are >+ or -6Vpp, even unnecessary signal components which are >6Vpp cancel each other, so that the total unnecessary signal component after the signal processing is <=6Vpp. Therefore, the linearity of the amplification factor of a signal is maintained and only the angular speed component can correctly be extracted by the signal processing.

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、特に圧電素子振動を用いた
角速度センサに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a gyroscope, and particularly to an angular velocity sensor using vibration of a piezoelectric element.

従来の技術 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とし
て機械式の回転ジャイロが主に使われている。BACKGROUND OF THE INVENTION Conventionally, a mechanical rotary gyro has been mainly used as an inertial navigation device using a gyroscope to determine the direction of a moving object such as an airplane or a ship.

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
れる機器への応用は困難である。Although this method can provide stable orientation, since it is mechanical, the device is large-scale and costly, and it is difficult to apply it to equipment that requires miniaturization.

一方、回転力を使わずに物体を振動させて振動された検
知素子から「コリオリの力」を検出する振動型角速度セ
ンサがある。多くは圧電式と電磁式のメカニズムを採用
している構造のものである。これらはジャイロを構成す
る質量の運動が一定速度の運動ではなく振動になってい
る。従って角速度が加わった場合、「コリオリの力」は
、質量の振動数と等しい振動数の振動トルクとして生じ
るものである。このトルクによる振動を検出することに
よって角速度を測定するのが振動型角速度センサの原理
であり、特に圧電体を用いたセンサが多く考案されてい
る（日本航空宇宙学会誌第２３巻第２５７号３３９−３
５０ページ）。On the other hand, there is a vibration-type angular velocity sensor that vibrates an object without using rotational force and detects the "Coriolis force" from the vibrated sensing element. Many of these structures employ piezoelectric and electromagnetic mechanisms. In these cases, the mass that makes up the gyro does not move at a constant speed, but instead vibrates. Therefore, when angular velocity is applied, the "Coriolis force" is generated as a vibration torque with a frequency equal to the frequency of the mass. The principle of a vibration-type angular velocity sensor is to measure angular velocity by detecting vibrations caused by this torque, and in particular, many sensors using piezoelectric materials have been devised (Journal of the Japan Society for Aeronautics and Astronautics, Vol. 23, No. 257, 339). -3
50 pages).

上記の原理に基づ〈従来の角速度センサの構造を第２図
に示す。第２図において、１は検知用圧電素子、２は駆
動用圧電素子、３は電極ブロック、４は支持棒、５はベ
ース、６は接合部材である。以上のように構成された従
来の角速度センサを動作させるには、まず一対の駆動用
圧電素子２を駆動するために対向している面を共通電極
としてそれぞれ外側の面との間に交流信号をかける。Based on the above principle, the structure of a conventional angular velocity sensor is shown in FIG. In FIG. 2, 1 is a detection piezoelectric element, 2 is a driving piezoelectric element, 3 is an electrode block, 4 is a support rod, 5 is a base, and 6 is a joining member. In order to operate the conventional angular velocity sensor configured as described above, first, in order to drive the pair of driving piezoelectric elements 2, an alternating current signal is first applied between the opposing surfaces of the driving piezoelectric elements 2 and the outer surfaces thereof as a common electrode. put on.

信号を印加された駆動用圧電素子２は電極ブロック３を
中心にして対称な振動を始める、いわゆる音叉振動であ
る。The drive piezoelectric element 2 to which the signal is applied begins to vibrate symmetrically around the electrode block 3, which is what is called a tuning fork vibration.

速度υで振動している検知用圧電素子１に角速度ωの回
転が加わると、検知用圧電素子１には「コリオリの力ｊ
が生ずる。この「コリオリの力」は速度υに垂直で大き
さは２ｍυωである。When a rotation with an angular velocity ω is applied to the detection piezoelectric element 1 which is vibrating at a speed υ, the detection piezoelectric element 1 is affected by the Coriolis force j.
occurs. This "Coriolis force" is perpendicular to the speed υ and has a magnitude of 2mυω.

音叉素子は音叉振動をしているので、ある時点で一方の
検知用圧電素子１が速度υで振動しているとすれば、他
方の検知用圧電素子１は速度−〇で振動しており「コリ
オリの力」は−２ｍυωである。一対の検知用圧電素子
１には、互いに逆向きの「コリオリの力」が働き、互い
に逆向きの方向に変形し、素子表面には圧電効果によっ
て電荷が生じる。一対のセンサ素子は「コリオリの力Ｊ
による発生電荷が、互いに加算されるように結線されて
いる。Since the tuning fork element vibrates like a tuning fork, if one of the detection piezoelectric elements 1 is vibrating at a speed υ at a certain point, the other detection piezoelectric element 1 is vibrating at a speed -〇. The Coriolis force is -2mυω. Coriolis forces acting in opposite directions act on the pair of detection piezoelectric elements 1, causing them to deform in opposite directions, and charges are generated on the surfaces of the elements due to the piezoelectric effect. A pair of sensor elements is ``Coriolis force J
The wires are connected so that the charges generated by the two are added together.

ここでυは音叉振動によって生じる速度であり、音叉振
動速度が υ＝υ０・ｓｉｎωａｔ υ０：音叉振動速度振幅 ω０：音叉振動の角周期 であるとすれば「コリオリの力」は Ｆｃ＝２ｍ　＠　ｊＪｏ＠　ω−５ｉｎωｏｔとなり角
速度ω及び音叉振動速度υ０に比例しており、検知用圧
電素子工をそれぞれ面方向に変形させる力となる。従っ
て検知用圧電素子１の表面電荷量Ｑ６は Ｑ　ｃ　”　ｕ　ｇ　・（１）　＊　Ｓｉｎωｏ　ｔと
なり音叉振動速度振幅υ０が一定にコントロールされて
いるとすれば Ｑｃｏｅω・８ｉｎωｏｔ となり検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑは角速
度ωに比例した出力として得られる。Here, υ is the speed caused by tuning fork vibration, and if the tuning fork vibration speed is υ = υ0・sinωat υ0: tuning fork vibration velocity amplitude ω0: angular period of tuning fork vibration, then "Coriolis force" is Fc = 2m @ jJo @ω-5inωot, which is proportional to the angular velocity ω and the tuning fork vibration velocity υ0, and becomes a force that deforms the detection piezoelectric element in the plane direction. Therefore, the surface charge Q6 of the detection piezoelectric element 1 becomes Q c '' u g ・(1) * Sinωot, and if the tuning fork vibration velocity amplitude υ0 is controlled to be constant, it becomes Qcoeω・8inωot. The generated surface charge amount Q is obtained as an output proportional to the angular velocity ω.

検知用圧電素子１には上記の「コリオリの力」の他に「
駆動慣性力」により変形が生じる。これを第３図を用い
て説明する。In addition to the above-mentioned "Coriolis force", the detection piezoelectric element 1 has "
Deformation occurs due to "driving inertia force". This will be explained using FIG.

ところで、検知用圧電素子ｌと、駆動用圧電素子２とは
、互いに直交していることが望゛ましいが、組立精度の
問題で直角からずれている。そのため第３図に示すよう
に駆動用圧電素子２の振動に起因する変形が検知用圧電
素子１に生ずる。By the way, it is desirable that the detection piezoelectric element 1 and the drive piezoelectric element 2 are perpendicular to each other, but they are deviated from the perpendicular angle due to assembly precision problems. Therefore, as shown in FIG. 3, deformation occurs in the detection piezoelectric element 1 due to the vibration of the drive piezoelectric element 2.

「駆動慣性力ｊとは、駆動により発生する慣性力であり
、検知用圧電素子１と、駆動用圧電素子２との直交度が
ずれているときに検知用圧電素子１に変形を生じさせる
力である。検知用圧電素子１の変形は駆動用圧電素子２
の変位に比例し、又直交からのずれ角をθとすればｓｉ
ｎθに比例する。“The drive inertia force j is an inertia force generated by driving, and is a force that causes deformation in the detection piezoelectric element 1 when the orthogonality between the detection piezoelectric element 1 and the drive piezoelectric element 2 is misaligned. The deformation of the sensing piezoelectric element 1 is the deformation of the driving piezoelectric element 2.
is proportional to the displacement of , and if the deviation angle from orthogonality is θ, then si
It is proportional to nθ.

従って検知用圧電素子１の表面電荷量Ｑ１はＱ　、ｏｃ
υ０／ωｏ　＠ｓｉｎ　（ωｏｊ　　−π／２）　　＠
ｓｉｎθとなり、音叉振動速度振幅υ０及び駆動振動角
周波数ω０が一定にコントロールされているとすれば、 Ｑａｏｅｓｉｎ　（ωｏｔ　−π／　２）　・ｓｉｎθ
となり、検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑ、は
その大きさは直交からのずれ角θによるが、その位相は
「コリオリの力」による検知用圧電素子１に発生する表
面電荷量Ｑｅとπ／２だけずれている。Therefore, the amount of surface charge Q1 of the detection piezoelectric element 1 is Q,oc
υ0／ωo @sin (ωoj −π/2) @
If the tuning fork vibration velocity amplitude υ0 and drive vibration angular frequency ω0 are controlled to be constant, then Qaoesin (ωot −π/2) ・sinθ
The amount of surface charge Q generated on the detection piezoelectric element 1 depends on the deviation angle θ from orthogonality, but its phase depends on the amount of surface charge Qe generated on the detection piezoelectric element 1 due to the "Coriolis force". It deviates by π/2.

従って検知用圧電素子１に発生する表面電荷量（Ｑｃ＋
Ｑ、）をωｏｔで同期検波すれば角速度ωに比例した直
流信号を得ることができる。Therefore, the amount of surface charge (Qc+
If Q, ) is synchronously detected with ωot, a DC signal proportional to the angular velocity ω can be obtained.

同期検波の方法を第４図を用いて説明する。第４図では
、通過−反転アンプを用いて矩形波と掛は算を行なう方
式を示している。「コリオリの力」により発生した信号
成分は直流成分として残るが、「駆動慣性力」により発
生した信号成分は同期検波によりキャンセルされる。ち
なみに、このセンサに角速度以外の並進運動を与えても
一対の検知用圧電素子１の表面には同極性の電荷が生ず
るため、互いに打ち消しあって出力は出ないようになっ
ている。The method of synchronous detection will be explained using FIG. FIG. 4 shows a method in which a pass-inverting amplifier is used to perform multiplication with a rectangular wave. The signal component generated by the "Coriolis force" remains as a DC component, but the signal component generated by the "drive inertia force" is canceled by synchronous detection. Incidentally, even if a translational motion other than angular velocity is applied to this sensor, charges of the same polarity are generated on the surfaces of the pair of detection piezoelectric elements 1, so that they cancel each other out and no output is produced.

発明が解決しようとする課題 上記の構成による角速度センサには、下記のような課題
があった。Problems to be Solved by the Invention The angular velocity sensor having the above configuration has the following problems.

検知用圧電素子１及び、駆動用圧電素子２の幅は１．６
閣と狭いので、直交組立において、直交精度を高めるこ
とは、難しい作業である。例えば、検知用圧電素子１の
幅の両端で０．１ｍｓの勾配ができれば、それで直交誤
差は３°３５′となる。The width of the detection piezoelectric element 1 and the drive piezoelectric element 2 is 1.6
Because the space is narrow, it is difficult to improve orthogonal accuracy in orthogonal assembly. For example, if a gradient of 0.1 ms is created at both ends of the width of the detection piezoelectric element 1, the orthogonal error will be 3°35'.

直交誤差が大きいと「駆動慣性力」により発生する信号
成分は大きくなり、信号処理に使っている通過−反転ア
ンプの信号増幅率の直線性が保たれる６ｖ、、を超えて
しまいキャンセルされなくなる。従って、正しく角速度
成分だけを抽出することができなくなってしまっていた
。If the orthogonal error is large, the signal component generated by the "drive inertia" becomes large, exceeding 6V, which maintains the linearity of the signal amplification factor of the pass-inverting amplifier used for signal processing, and is no longer canceled. . Therefore, it has become impossible to correctly extract only the angular velocity component.

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、駆動慣性力
により発生する不要信号成分が６ｖ９．以下となり、信
号処理によって正しく角速度成分だけを抽出することの
できる角速度センサを得ることを目的としている。The present invention has been made in view of this point, and the unnecessary signal component generated by the drive inertia is 6v9. The purpose is to obtain an angular velocity sensor that can correctly extract only the angular velocity component through signal processing.

課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するために、センサ素子の直
交接合の直交誤差を±１°以内としたものである。また
、音叉素子では、一対のセンサ素子の直交接合のそれぞ
れの直交誤差を±５°以内とするとともに、合計を±２
１１以内としたものである。Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present invention makes the orthogonal error of orthogonal joining of sensor elements within ±1°. In addition, in the tuning fork element, the orthogonal error of each orthogonal junction of a pair of sensor elements is within ±5°, and the total is ±2
11 or less.

作用 上記の構成により駆動慣性力により発生する不要信号成
分が６ｖｏ以下となり、信号処理によって正しく角速度
成分だけを抽出することのできる角速度センサを得るこ
とが可能となる。Effect: With the above configuration, the unnecessary signal component generated by the driving inertia force is reduced to 6 vo or less, and it becomes possible to obtain an angular velocity sensor that can correctly extract only the angular velocity component through signal processing.

実施例 第２図は従来例であると同時に、本発明による角速度セ
ンサの一実施例を示す構造図である。第２図において、
１は検知用圧電素子、２は駆動用圧電素子、３は電極ブ
ロック、４は支持棒、５はベース、６は接合部材で構成
されている。Embodiment FIG. 2 is a structural diagram showing an embodiment of an angular velocity sensor according to the present invention as well as a conventional example. In Figure 2,
1 is a piezoelectric element for detection, 2 is a piezoelectric element for drive, 3 is an electrode block, 4 is a support rod, 5 is a base, and 6 is a joining member.

本発明を特徴付ける構成を第１図に示す。第１図は本発
明の一実施例における直交素子の上面図である。まず、
検知用圧電素子１と駆動用圧電素子２の直交誤差が±１
°以内であれば、フィードバック容量３９０ｐＦの電荷
増幅器で初段増幅した後、利得３０倍の交流増幅器で通
過−反転アンプに接続すると、そこでの信号電圧は３ｖ
、、以下となり、一対のセンサ素子の合計の信号電圧は
、必ず６ｖ、、以下となる。−本のセンサ素子のみで角
速度センサとする時最終感度を一定にするため、上記交
流増幅器の利得を６０倍にするとすれば、通過−反転ア
ンプへの不要信号電圧は、やはり６ｖｏ以下となる。６
Ｖ、。まで信号の増幅率の直線性が保たれていれば、上
述の信号処理によって正しく角速度成分だけを抽出する
ことができる。ちなみに、センサ素子の直交誤差の測定
は、投影器に固定した治具でセンナ素子の状態で駆動用
圧電素子２の端部を固定し検知用圧電素子１の端部の向
きを測定する。The configuration that characterizes the present invention is shown in FIG. FIG. 1 is a top view of a quadrature element in one embodiment of the present invention. first,
Orthogonal error between detection piezoelectric element 1 and drive piezoelectric element 2 is ±1
If it is within °, if the first stage is amplified with a charge amplifier with a feedback capacitance of 390 pF and then connected to a pass-inverting amplifier with an AC amplifier with a gain of 30 times, the signal voltage there will be 3 V.
, , or less, and the total signal voltage of the pair of sensor elements is always 6 V or less. - When making an angular velocity sensor using only one sensor element, if the gain of the AC amplifier is increased to 60 times in order to keep the final sensitivity constant, the unnecessary signal voltage to the pass-invert amplifier will still be 6 vo or less. 6
V. If the linearity of the signal amplification factor is maintained until then, only the angular velocity component can be correctly extracted by the above-mentioned signal processing. Incidentally, the orthogonal error of the sensor element is measured by fixing the end of the drive piezoelectric element 2 in the Senna element state with a jig fixed to the projector, and measuring the orientation of the end of the detection piezoelectric element 1.

一方、一対のセンサ素子の直交誤差がそれぞれ±１°以
上であっても、互いに逆向きの直交誤差を持っていれば
、それぞれの直交誤差の合計が±２°以内となるように
組合わせる。それにより、それぞれの不要信号成分は、
互いにキャンセルし信号処理される合計の不要信号成分
は６ｖ、。On the other hand, even if the orthogonal errors of a pair of sensor elements are each ±1° or more, if they have mutually opposite orthogonal errors, they are combined so that the sum of their orthogonal errors is within ±2°. As a result, each unnecessary signal component is
The total unnecessary signal components that cancel each other out and undergo signal processing are 6V.

以下となる。従って信号の増幅率の直線性が保たれるの
で、信号処理によって正しく角速度成分だけを抽出する
ことができるので、容易に特性の安定した角速度センサ
を得ることかで−きる。尚、単一のセンサ素子の直交誤
差が±５°以上あれば、音叉素子全体が不要な振動をお
こし、最終出力が安定しないことが実験により明らかと
なっているため、±５°以内にする必要がある。The following is true. Therefore, since the linearity of the signal amplification factor is maintained, only the angular velocity component can be extracted correctly through signal processing, and therefore an angular velocity sensor with stable characteristics can be easily obtained. Experiments have shown that if the orthogonality error of a single sensor element is more than ±5°, the entire tuning fork element will cause unnecessary vibration and the final output will not be stable, so it should be within ±5°. There is a need.

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、一対のセンサ素子の
直交誤差がそれぞれ±１０以内であれば、その合計は±
２°以内となり、駆動慣性力により発生する不要信号成
分は６Ｖ、、以下となる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION According to the present invention, if the orthogonal errors of a pair of sensor elements are each within ±10, the total is ±10.
It is within 2 degrees, and the unnecessary signal component generated by drive inertia is 6V or less.

一方、一対のセンサ素子の直交誤差がそれぞれ±１°以
上であっても、互いに逆向きの直交誤差を持っていれば
それぞれの不要信号成分は６ｖ２゜以上となっても、互
いにキャンセルし信号処理される合計の不要信号成分は
６Ｖ２．以下となる。On the other hand, even if the orthogonal error of a pair of sensor elements is ±1° or more, if they have orthogonal errors in opposite directions, the unnecessary signal components of each sensor element will cancel each other out and process the signal even if they are more than 6v2°. The total unnecessary signal component is 6V2. The following is true.

従って信号の増幅率の直線性が保たれるので、信号処理
によって正しく角速度成分だけを抽出することができる
ので、容易に特性の安定した角速度センサを得ることが
できる。Therefore, since the linearity of the signal amplification factor is maintained, only the angular velocity component can be correctly extracted through signal processing, and an angular velocity sensor with stable characteristics can be easily obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の一実施例における角速度センサの要部
の上面図、第２図は一般的な角速度センサの構造を示す
概略図、第３図は「駆動慣性力」の発生を示す説明図、
第４図は交流−直流変換の方式説明図である。 １・・・・・・検知用圧電素子、２・・・・・・駆動用
圧電素子、３・・・・・・電極ブロック、４・・・・・
・支持棒、５・・・・・・ベース、６・・・・・・接合
部材。Fig. 1 is a top view of the main parts of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a schematic diagram showing the structure of a general angular velocity sensor, and Fig. 3 is an explanation showing the generation of "driving inertia force". figure,
FIG. 4 is an explanatory diagram of the AC-DC conversion method. 1... Piezoelectric element for detection, 2... Piezoelectric element for drive, 3... Electrode block, 4...
- Support rod, 5...base, 6...joining member.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを接続部材を
介して互いに直交接合したセンサ素子を有し、そのセン
サ素子の直交接合の直交誤差を±１゜以内としたことを
特徴とする角速度センサ。(1) It has a sensor element in which a drive piezoelectric element and a detection piezoelectric element are orthogonally joined to each other via a connecting member, and the orthogonal error of the orthogonal joint of the sensor element is within ±1°. Angular velocity sensor. （２）駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを接続部材を
介して互いに直交接合したセンサ素子を有し、このセン
サ素子の一対を駆動用圧電素子の端部で弾性接合部材に
より接合して音叉素子とし、かつ前記一対のセンサ素子
の直交接合のそれぞれの直交誤差を±５゜以内とすると
ともにその合計を±２゜以内としたことを特徴とする角
速度センサ。(2) It has a sensor element in which a drive piezoelectric element and a detection piezoelectric element are orthogonally joined to each other via a connecting member, and the pair of sensor elements are joined at the end of the drive piezoelectric element by an elastic joining member. An angular velocity sensor characterized in that it is a tuning fork element, and the orthogonal error of each orthogonal junction of the pair of sensor elements is within ±5°, and the total thereof is within ±2°.