JPH0613970B2 - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
- Publication number
- JPH0613970B2 JPH0613970B2 JP12217387A JP12217387A JPH0613970B2 JP H0613970 B2 JPH0613970 B2 JP H0613970B2 JP 12217387 A JP12217387 A JP 12217387A JP 12217387 A JP12217387 A JP 12217387A JP H0613970 B2 JPH0613970 B2 JP H0613970B2
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- JP
- Japan
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- angular velocity
- output voltage
- vibrator
- vector
- velocity sensor
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、車両,船舶,航空機,ロボット等の運動体の
計測と方向姿勢制御に好適に利用できる角速度センサに
関し、特に、通常の駆動・検出手段の他に補助的手段を
設け、角速度による出力電圧のベクトルと静止時のナル
出力電圧のベクトルのなす位相差角度が90度になるよ
うにし、各電圧の合成ベクトルの位相変化から角速度を
検知するようにした角速度センサに関する。
計測と方向姿勢制御に好適に利用できる角速度センサに
関し、特に、通常の駆動・検出手段の他に補助的手段を
設け、角速度による出力電圧のベクトルと静止時のナル
出力電圧のベクトルのなす位相差角度が90度になるよ
うにし、各電圧の合成ベクトルの位相変化から角速度を
検知するようにした角速度センサに関する。
(従来の技術) 第11図(a)は、振動形の角速度センサの一例を示した
図、第11図(b)は、同角速度センサの振動モードを示
した図である。
図、第11図(b)は、同角速度センサの振動モードを示
した図である。
振動形の角速度センサの1つとして、角棒状の音片1を
面垂直方向(fx方向)に振動させておき、この音片1
を軸方向にある角速度(Ω)で回転させると、コリオリ
の力によって、駆動面と垂直方向(fy方向)に振動が
生ずるので、この振動の振幅が角速度に比例することを
利用して、角速度の値を検出するようにしたセンサがあ
る。
面垂直方向(fx方向)に振動させておき、この音片1
を軸方向にある角速度(Ω)で回転させると、コリオリ
の力によって、駆動面と垂直方向(fy方向)に振動が
生ずるので、この振動の振幅が角速度に比例することを
利用して、角速度の値を検出するようにしたセンサがあ
る。
(発明が解決しようとする問題点) このような従来の振動形の角速度センサでは、静止時の
センサ出力(ナル出力電圧)の存在が性能に悪影響を及
ぼすため、これをできる限り小さく、安定に保つことが
望まれていた。
センサ出力(ナル出力電圧)の存在が性能に悪影響を及
ぼすため、これをできる限り小さく、安定に保つことが
望まれていた。
しかしながら、このナル出力電圧は、振動子の構造上の
アンバランス等により発生するため、完全に取り除くこ
とは非常に困難であった。
アンバランス等により発生するため、完全に取り除くこ
とは非常に困難であった。
本発明の目的は、上記のようなナル出力電圧を取り除く
のではなく、それを利用して、出力信号の位相変化から
角速度を精度よく検出することができる角速度センサを
提供することにある。
のではなく、それを利用して、出力信号の位相変化から
角速度を精度よく検出することができる角速度センサを
提供することにある。
(問題点を解決するための手段) 本発明による角速度センサの第1の構成は、 振動子をX軸方向に駆動手段で励振させ、Z軸回りに回
転したときに、Y軸方向に発生したコリオリの力による
振動を検出手段で検出して、角速度を検出する角速度セ
ンサにおいて、 前記振動子の回転時の角速度による出力電圧のベクトル
と静止時のナル出力電圧のベクトルのなす位相差角度が
90度になるように前記振動子の前記検出側面に配置さ
れ駆動信号が印加される補助駆動用手段と、 前記出力電圧と前記ナル出力電圧の合成ベクトルの位相
差から角速度を検知する位相検出手段とを設けて構成さ
れている。
転したときに、Y軸方向に発生したコリオリの力による
振動を検出手段で検出して、角速度を検出する角速度セ
ンサにおいて、 前記振動子の回転時の角速度による出力電圧のベクトル
と静止時のナル出力電圧のベクトルのなす位相差角度が
90度になるように前記振動子の前記検出側面に配置さ
れ駆動信号が印加される補助駆動用手段と、 前記出力電圧と前記ナル出力電圧の合成ベクトルの位相
差から角速度を検知する位相検出手段とを設けて構成さ
れている。
本発明による角速度センサの第2の構成は、 振動子をX軸方向に駆動手段で励振させ、Z軸回りに回
転したときに、Y軸方向に発生したコリオリの力による
振動を検出手段で検出して、角速度を検出する角速度セ
ンサにおいて、 前記振動子の回転時の角速度による出力電圧のベクトル
と静止時のナル出力電圧のベクトルのなす位相差角度が
90度になるように前記振動子の前記駆動側面に配置さ
れ検出出力信号が加算される補助検出用手段と、 前記出力電圧と前記ナル出力電圧の合成ベクトルの位相
差から角速度を検地する位相検出手段とを設けて構成さ
れている。
転したときに、Y軸方向に発生したコリオリの力による
振動を検出手段で検出して、角速度を検出する角速度セ
ンサにおいて、 前記振動子の回転時の角速度による出力電圧のベクトル
と静止時のナル出力電圧のベクトルのなす位相差角度が
90度になるように前記振動子の前記駆動側面に配置さ
れ検出出力信号が加算される補助検出用手段と、 前記出力電圧と前記ナル出力電圧の合成ベクトルの位相
差から角速度を検地する位相検出手段とを設けて構成さ
れている。
前記各構成において、振動子は、音片形にでも音叉形に
でも、適用することができる。
でも、適用することができる。
(実施例) 以下、図面等を参照して、実施例について本発明を詳細
に説明する。
に説明する。
第1図は、本発明による角速度センサの第1の実施例を
示した斜視図、第2図は、同実施例センサの等価回路を
示した回路図、第4図は、同実施例センサの等価回路を
示した回路図、第4図は、同実施例センサの出力信号の
位相関係を示した図、第5図は、同実施例センサの出力
信号のベクトル図、第6図は、同実施例センサのナル出
力電圧と感度,直線性との関係を示した図である。
示した斜視図、第2図は、同実施例センサの等価回路を
示した回路図、第4図は、同実施例センサの等価回路を
示した回路図、第4図は、同実施例センサの出力信号の
位相関係を示した図、第5図は、同実施例センサの出力
信号のベクトル図、第6図は、同実施例センサのナル出
力電圧と感度,直線性との関係を示した図である。
第1図において、10は振動子,21〜25は圧電素
子,31および32は支持線である。
子,31および32は支持線である。
第1の実施例では、音片形の振動子10の例を示してお
り、その振動子10の断面は、たてと横の辺の比がほぼ
1に近い形の略正方形のものが用いられている。
り、その振動子10の断面は、たてと横の辺の比がほぼ
1に近い形の略正方形のものが用いられている。
振動子10の材料としては、弾性特性のよい金属または
非金属が使用される。その例としては、例えば、Ni−
SPAN−C,エリンバー等の恒弾性合金や、石英,セ
ラミック等が挙げられる。また、圧電材,水晶,PZ
T,LiTaO3などの結晶,セラミックを振動子10
としてもよい。この場合には、振動子10上に直接電極
を設けて、駆動検出を行うことができる。
非金属が使用される。その例としては、例えば、Ni−
SPAN−C,エリンバー等の恒弾性合金や、石英,セ
ラミック等が挙げられる。また、圧電材,水晶,PZ
T,LiTaO3などの結晶,セラミックを振動子10
としてもよい。この場合には、振動子10上に直接電極
を設けて、駆動検出を行うことができる。
振動子10の支持は、平行な支持線31,32で支持し
ている。
ている。
振動子10には、駆動用または検出用の圧電素子21〜
25が接着または蒸着等により貼付されている。振動子
10の第1の面11に駆動用の圧電素子21を,第2の
面12に検出用の圧電素子22を、第3の面13に駆動
帰還用の圧電素子23を、第4の面14に制動用の圧電
素子24を配置してある。さらに、第1の面11には、
検出側補助駆動用の圧電素子25が配置されている。
25が接着または蒸着等により貼付されている。振動子
10の第1の面11に駆動用の圧電素子21を,第2の
面12に検出用の圧電素子22を、第3の面13に駆動
帰還用の圧電素子23を、第4の面14に制動用の圧電
素子24を配置してある。さらに、第1の面11には、
検出側補助駆動用の圧電素子25が配置されている。
これらの圧電素子21〜25の材料としては、電気−機
械結合係数の大きい、PZT,ZnOなどが用いられて
いる。
械結合係数の大きい、PZT,ZnOなどが用いられて
いる。
この振動子10の制御回路は、第2図に示したように、
駆動用の圧電素子21および帰還用の圧電素子23とを
組み合わせて自励振動回路を構成し、検出側補助圧電素
子25に駆動側駆動信号を接続することにより、静止時
に微小で安定なナル出力電圧を発生させるように接続さ
れている。そして補助圧電素子駆動電極の配置が90°
異なっていることにより、基本的に90°位相のずれた
信号が得られる。位相検出回路42では、検出信号と駆
動信号の位相差を検知し、増幅回路43でその値を増幅
することにより、角速度出力としている。
駆動用の圧電素子21および帰還用の圧電素子23とを
組み合わせて自励振動回路を構成し、検出側補助圧電素
子25に駆動側駆動信号を接続することにより、静止時
に微小で安定なナル出力電圧を発生させるように接続さ
れている。そして補助圧電素子駆動電極の配置が90°
異なっていることにより、基本的に90°位相のずれた
信号が得られる。位相検出回路42では、検出信号と駆
動信号の位相差を検知し、増幅回路43でその値を増幅
することにより、角速度出力としている。
つまり、振動子10をfx方向に自励振動させておき、
Z軸方向に回転させると、fy方向に振動が発生する。
このときの振動モードは一次モード(第11図(b)と同
様)である。このとき検出される信号と、駆動信号の位
相差を測定、増幅して、角速度出力を得るようにしたも
のである。
Z軸方向に回転させると、fy方向に振動が発生する。
このときの振動モードは一次モード(第11図(b)と同
様)である。このとき検出される信号と、駆動信号の位
相差を測定、増幅して、角速度出力を得るようにしたも
のである。
なお、位相検出回路42で位相差を検知するのに、駆動
信号の替わりに、駆動帰還信号を用いることもできる。
また、第2図および後述する第8図において、補助圧電
素子は便宜上、横にならべて表現してある。
信号の替わりに、駆動帰還信号を用いることもできる。
また、第2図および後述する第8図において、補助圧電
素子は便宜上、横にならべて表現してある。
次に、第3図〜第6図を参照して、本発明の位相差によ
る角速度の検出原理について、さらに説明する。
る角速度の検出原理について、さらに説明する。
第3図は、第1図に示した音片形の角速度センサの場合
の等価回路を示した図である。
の等価回路を示した図である。
第3図(a)において、V1は駆動信号入力,V2は検出信
号出力,Cd1およびCd2は入出力容量,A1xおよび
A2yは力係数,ΔA1yは補助駆動の力係数,ωdは駆
動角周波数,ω0xおよびω0yは共振角周波数,Zxお
よびZyはインピーダンスである。なお、第3図(b)
は、上記の場合において、Ω0=0のときの等価回路を
示したものである。
号出力,Cd1およびCd2は入出力容量,A1xおよび
A2yは力係数,ΔA1yは補助駆動の力係数,ωdは駆
動角周波数,ω0xおよびω0yは共振角周波数,Zxお
よびZyはインピーダンスである。なお、第3図(b)
は、上記の場合において、Ω0=0のときの等価回路を
示したものである。
このような場合の出力信号の位相関係は、一般に第4図
のように表される。つまり、出力信号V2は、振動子1
の回転により発生する成分VΩと静止時の電圧(ナル出
力電圧)VNとのベクトル和になる。ここで、回転によ
り発生する成分VΩが印加角速度に比例し、ナル出力電
圧VNが不変であるとすれば、検出信号出力V2とナル出
力電圧VNの位相差から、Δθ=θ2−θNの関係により
角速度を検出することができる。
のように表される。つまり、出力信号V2は、振動子1
の回転により発生する成分VΩと静止時の電圧(ナル出
力電圧)VNとのベクトル和になる。ここで、回転によ
り発生する成分VΩが印加角速度に比例し、ナル出力電
圧VNが不変であるとすれば、検出信号出力V2とナル出
力電圧VNの位相差から、Δθ=θ2−θNの関係により
角速度を検出することができる。
第4図において、回転により発生する成分VΩが正(例
えば、時計方向回転)のときと負(例えば、反時計方向
回転)のときの検出信号出力V2の大きさの対称性をみ
ると、θN≠90°のため非対称であることがわかる。
えば、時計方向回転)のときと負(例えば、反時計方向
回転)のときの検出信号出力V2の大きさの対称性をみ
ると、θN≠90°のため非対称であることがわかる。
従って、回転により発生する成分VΩとナル出力電圧V
Nの関係が、第5図に示すように、90度の位相差にな
るように設定すれば、±VΩに対してΔθが対称的に変
化するので、精度のよい測定を行うことができる。
Nの関係が、第5図に示すように、90度の位相差にな
るように設定すれば、±VΩに対してΔθが対称的に変
化するので、精度のよい測定を行うことができる。
なお、ナル出力電圧VN=0の場合には、検出信号出力
V2と回転により発生する成分VΩの位相差が零にな
り、|V2|とΩ0が比例関係にあるので、位相差による
検出はできない。この事実は、等価回路を考察したこと
によって初めて明らかになった。
V2と回転により発生する成分VΩの位相差が零にな
り、|V2|とΩ0が比例関係にあるので、位相差による
検出はできない。この事実は、等価回路を考察したこと
によって初めて明らかになった。
本発明では、駆動検出のための通常必要な圧電素子21
〜24の他に、第1図に示した検出側補助駆動用の圧電
素子25を設け、第2図のように接続することにより、
ナル出力電圧VNを小さな安定した値に保ち、VΩとの
位相差を90度にしてある。このナル出力電圧VNの大
きさは、検出側補助駆動用の圧電素子25の特性,寸
法,位置などによって任意に決められる。
〜24の他に、第1図に示した検出側補助駆動用の圧電
素子25を設け、第2図のように接続することにより、
ナル出力電圧VNを小さな安定した値に保ち、VΩとの
位相差を90度にしてある。このナル出力電圧VNの大
きさは、検出側補助駆動用の圧電素子25の特性,寸
法,位置などによって任意に決められる。
この位相の微調整は圧電素子の形状寸法圧電素子の
設置場所および駆動信号の大きさと位相のそれぞれま
たは組み合わせて調整することにより行われる。
設置場所および駆動信号の大きさと位相のそれぞれま
たは組み合わせて調整することにより行われる。
第6図に示すように、感度はナル出力電圧VNが小さい
ほど高くなる。一方、直線性はナル出力電圧VNが大き
いほどよくなる。従って、角速度検出範囲の大小の用途
に応じて、適度の値に設定すればよい。
ほど高くなる。一方、直線性はナル出力電圧VNが大き
いほどよくなる。従って、角速度検出範囲の大小の用途
に応じて、適度の値に設定すればよい。
第7図は、本発明による角速度センサの第2の実施例を
示した斜視図、第8図は、同実施例センサの制御回路を
示した回路図である。
示した斜視図、第8図は、同実施例センサの制御回路を
示した回路図である。
なお、前述の第1の実施例で説明したのと、同様な機能
を果たす部分については、同一の符号を付してある。
を果たす部分については、同一の符号を付してある。
第2の実施例では、第7図に示すように、駆動側の補助
検出圧電素子26を第1の面11に設け、その圧電素子
26の出力を、第8図に示すように、検出側の圧電素子
22に接続し、静止時に微小で安定なナル電圧を発生さ
せようとしたものである。
検出圧電素子26を第1の面11に設け、その圧電素子
26の出力を、第8図に示すように、検出側の圧電素子
22に接続し、静止時に微小で安定なナル電圧を発生さ
せようとしたものである。
第8図に示すように、位相検出器42で検出信号と駆動
信号の位相差を検知し、増幅回路43でその値を増幅す
ることにより、角速度出力としている。なお、位相検出
回路42で位相差を検知するのに、駆動信号の替わり
に、駆動帰還信号を用いることもできるのは、前述と同
様である。
信号の位相差を検知し、増幅回路43でその値を増幅す
ることにより、角速度出力としている。なお、位相検出
回路42で位相差を検知するのに、駆動信号の替わり
に、駆動帰還信号を用いることもできるのは、前述と同
様である。
第9図は、本発明による角速度センサの第3の実施例を
示した図、第10図は、本発明による角速度センサの第
4の実施例を示した図である。
示した図、第10図は、本発明による角速度センサの第
4の実施例を示した図である。
第3および第4の実施例は、音叉形の振動子に適用した
ものであり、それぞれ音片形の第1および第2の実施例
と対応している。
ものであり、それぞれ音片形の第1および第2の実施例
と対応している。
音叉50の各アーム51,52に駆動用の圧電素子6
1,62および検出用の圧電素子63,64が配置され
ている。
1,62および検出用の圧電素子63,64が配置され
ている。
第3の実施例の場合には、検出用の圧電素子64と同一
の面に補助圧電素子65が設けられている。
の面に補助圧電素子65が設けられている。
第4の実施例の場合には、駆動用の圧電素子61,62
と同一の面に補助圧電素子66が設けられている。
と同一の面に補助圧電素子66が設けられている。
なお、補助圧電素子65,66の配置は、音叉のアーム
51,52の先端寄りでもよい。その場合、アーム5
1,52の先端に近づくほど力係数が小さくなり、自由
端では零になる。また、先端部ほど質量変化により共振
周波数の変化が大きくなる。なお、第9図(b),第10
図(b)においては、補助圧電素子は、便宜上ずらして表
現してある。
51,52の先端寄りでもよい。その場合、アーム5
1,52の先端に近づくほど力係数が小さくなり、自由
端では零になる。また、先端部ほど質量変化により共振
周波数の変化が大きくなる。なお、第9図(b),第10
図(b)においては、補助圧電素子は、便宜上ずらして表
現してある。
以上説明した実施例にとらわれることなく、種々の変形
を施すことができる。
を施すことができる。
振動子の支持は、支持線に限らず、細棒,枠等であって
もよい。
もよい。
また、補助圧電素子25,26は1枚に限らず、2枚以
上であってもよい。
上であってもよい。
(発明の効果) 以上詳しく説明したように、本発明によれば、補助圧電
素子等の補助手段を設け、微小かつ安定で、駆動電圧と
の位相差が90度であるようなナル出力電圧を発生さ
せ、各出力電圧のベクトル和の位相から角速度を検出す
るので、時計方向,反時計方向に関し、対称で精度のよ
い測定を行うことができるという効果がある。
素子等の補助手段を設け、微小かつ安定で、駆動電圧と
の位相差が90度であるようなナル出力電圧を発生さ
せ、各出力電圧のベクトル和の位相から角速度を検出す
るので、時計方向,反時計方向に関し、対称で精度のよ
い測定を行うことができるという効果がある。
第1図は、本発明による角速度センサの第1の実施例を
示した斜視図、第2図は、同実施例センサの制御回路を
示した回路図、第3図は、同実施例センサの等価回路を
示した回路図、第4図は、同実施例センサの出力信号の
位相関係を示した図、第5図は、同実施例センサの出力
信号のベクトル図、第6図は、同実施例センサのナル出
力電圧と感度,直線性との関係を示した図である。 第7図は、本発明による角速度センサの第2の実施例を
示した斜視図、第8図は、同実施例センサの制御回路を
示した回路図である。 第9図は、本発明による角速度センサの第3の実施例を
示した図、第10図は、本発明による角速度センサの第
4の実施例を示した図である。 第11図(a)は、振動形の角速度センサの一例を示した
図、第11図(b)は、同角速度センサの振動モードを示
した図である。 10…振動子、21〜26…圧電素子 31,32…支持線 41…駆動回路、42…位相検出回路 43…増幅回路、44…制動回路 50…振動子、61〜66…圧電素子
示した斜視図、第2図は、同実施例センサの制御回路を
示した回路図、第3図は、同実施例センサの等価回路を
示した回路図、第4図は、同実施例センサの出力信号の
位相関係を示した図、第5図は、同実施例センサの出力
信号のベクトル図、第6図は、同実施例センサのナル出
力電圧と感度,直線性との関係を示した図である。 第7図は、本発明による角速度センサの第2の実施例を
示した斜視図、第8図は、同実施例センサの制御回路を
示した回路図である。 第9図は、本発明による角速度センサの第3の実施例を
示した図、第10図は、本発明による角速度センサの第
4の実施例を示した図である。 第11図(a)は、振動形の角速度センサの一例を示した
図、第11図(b)は、同角速度センサの振動モードを示
した図である。 10…振動子、21〜26…圧電素子 31,32…支持線 41…駆動回路、42…位相検出回路 43…増幅回路、44…制動回路 50…振動子、61〜66…圧電素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大島 末明 東京都狛江市和泉本町1丁目35番1号 東 京航空計器株式会社内
Claims (2)
- 【請求項1】振動子をX軸方向に駆動手段で励振させ、
Z軸回りに回転したときに、Y軸方向に発生したコリオ
リの力による振動を検出手段で検出して、角速度を検出
する角速度センサにおいて、 前記振動子の回転時の角速度による出力電圧のベクトル
と静止時のナル出力電圧のベクトルのなす位相差角度が
90度になるように前記振動子の前記検出側面に配置さ
れ駆動信号が印加される補助駆動用手段と、 前記出力電圧と前記ナル出力電圧の合成ベクトルの位相
差から角速度を検知する位相検出手段とを設けて構成し
たことを特徴とする角速度センサ。 - 【請求項2】振動子をX軸方向に駆動手段で励振させ、
Z軸回りに回転したときに、Y軸方向に発生したコリオ
リの力による振動を検出手段で検出して、角速度を検出
する角速度センサにおいて、 前記振動子の回転時の角速度による出力電圧のベクトル
と静止時のナル出力電圧のベクトルのなす位相差角度が
90度になるように前記振動子の前記駆動側面に配置さ
れ検出出力信号が加算される補助検出用手段と、 前記出力電圧と前記ナル出力電圧の合成ベクトルの位相
差から角速度を検地する位相検出手段とを設けて構成し
たことを特徴とする角速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12217387A JPH0613970B2 (ja) | 1987-05-19 | 1987-05-19 | 角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12217387A JPH0613970B2 (ja) | 1987-05-19 | 1987-05-19 | 角速度センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63286707A JPS63286707A (ja) | 1988-11-24 |
JPH0613970B2 true JPH0613970B2 (ja) | 1994-02-23 |
Family
ID=14829378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP12217387A Expired - Lifetime JPH0613970B2 (ja) | 1987-05-19 | 1987-05-19 | 角速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0613970B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4334736A1 (de) * | 1992-10-12 | 1994-04-14 | Nippon Soken | Winkelgeschwindigkeitssensor und Verfahren zum Justieren desselben |
JPH10339637A (ja) * | 1997-06-06 | 1998-12-22 | Nippon Soken Inc | 振動型角速度検出装置 |
-
1987
- 1987-05-19 JP JP12217387A patent/JPH0613970B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63286707A (ja) | 1988-11-24 |
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