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JP2998248B2 - 角速度センサ装置 - Google Patents

角速度センサ装置

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Publication number
JP2998248B2
JP2998248B2 JP3060034A JP6003491A JP2998248B2 JP 2998248 B2 JP2998248 B2 JP 2998248B2 JP 3060034 A JP3060034 A JP 3060034A JP 6003491 A JP6003491 A JP 6003491A JP 2998248 B2 JP2998248 B2 JP 2998248B2
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JP
Japan
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amplifier
angular velocity
velocity sensor
piezoelectric element
tuning fork
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JP3060034A
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JPH04295716A (ja
Inventor
俊彦 市瀬
二郎 寺田
和光 上田
純威 吉田
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Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は例えばセラミック圧電素
子を使用した音叉構造振動型角速度センサを駆動し、角
速度に比例した電圧を出力するための角速度センサ装置
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の角速度センサ装置を図面に基づき
説明する。図6は従来の角速度センサ装置の構成を示す
ブロック図であり、1は第1の増幅器、2は整流器、3
は平滑回路、4は第2の増幅器、5は第3の増幅器、6
は位相検波器、7は平滑回路、8は直流増幅器、9は音
叉構造振動型角速度センサをそれぞれ示すものである。
【0003】音叉構造振動型角速度センサ装置は、モニ
タ用圧電素子102の表面電荷を増幅する第1の増幅器
1と、この出力電圧を整流する整流器2と、この整流器
2の出力電圧を平滑する平滑回路3と、この平滑回路3
の出力電圧値が高くなると増幅度が低下し、低くなると
増幅度が高くなるように構成された第2の増幅器4とに
よって駆動用圧電素子101に印加される電圧振幅が制
御され、音叉は一定振幅で音叉振動するように構成され
ている。
【0004】また、第1,第2の検知用圧電素子10
3,104の表面電極には印加される角速度に応じて電
荷が生じる。この電荷は第3の増幅器5で増幅され、位
相検波器6で音叉振動の周期で位相検波されて角速度に
比例した電圧が得られる。この電圧は直流増幅器8によ
って直流増幅されて出力されるように構成されたもので
あった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】音叉構造振動型角速度
センサは、音叉振動方向と直交する方向に発生する角速
度に応じた信号を利用することを基本原理とするもので
あるがゆえに、どうしても音叉振動に起因するモレ信号
成分が発生しやすい。
【0006】例えば、駆動用圧電素子101と第1の検
知用圧電素子103との直交精度及びモニタ用圧電素子
102と第2の検知用圧電素子104との直交精度バラ
ツキにより、角速度信号がゼロの時でも第3の増幅器5
の入力端に音叉振動による電荷が生じる。
【0007】この電荷は位相検波器6を通過する時に完
全に除去することができるが、この電荷は角速度によっ
て生ずる電荷に対し非常に大きな値であるために位相検
波を行う前の第3の増幅器5で増幅度を上げることがで
きず、したがって位相検波を行った後の直流増幅器8の
増幅度を上げる必要があり、これによって位相検波器6
のスイッチングスピードの変動により出力電圧が不安定
になったり、直流増幅器8のオフセット変動による出力
電圧の温度変化によるドリフトの発生などによる性能バ
ラツキが大きく、出力信号にリップルやノイズなどの悪
影響を与えるという課題を有したものであった。
【0008】本発明は上記課題を解決し、性能の安定を
図った角速度センサ装置の提供を目的とするものであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明による角速度センサ装置は、音叉構造の角速度
センサと、この角速度センサのモニタ用圧電素子の表面
電極に生ずる電荷を入力とする第1の増幅器と、この第
1の増幅器の出力電圧を入力とする反転増幅器と、この
反転増幅器の出力電圧を入力とし前記駆動用圧電素子の
駆動用電圧を可変調整して出力する第2の増幅器と、こ
の角速度センサの第1と第2の検知用圧電素子の表面電
極に生ずる電荷を入力としこの電荷量に比例した電圧を
出力する第3の増幅器と、この第3の増幅器の出力電圧
を音叉振動のタイミングによって位相検波する位相検波
器と、この位相検波器の出力信号を平滑する平滑回路
と、この平滑回路の出力電圧を直流増幅する直流増幅器
と、前記第1の増幅器の出力端子もしくは前記反転増幅
器の出力端子のいずれかと前記第3の増幅器の入力端子
との間に抵抗素子もしくは容量素子を接続した構成とし
たものである。
【0010】
【作用】この構成によって第3の増幅器の入力信号に含
まれる音叉振動によるモレ信号成分を打ち消すことが可
能となり、これにより第3の増幅器の増幅度を上げるこ
とが可能となる。
【0011】すなわち、音叉振動によるモレ信号成分は
音叉振動電圧を増幅している第1の増幅器の出力電圧と
同位相もしくは180°位相のズレた信号成分である。
【0012】このため、同位相の場合には、この信号を
反転増幅した信号をモレ信号の大小に応じて一定量加え
てやればモレ信号を打ち消すことが可能であり、第1の
増幅器の出力電圧と180°位相のズレた信号成分であ
れば第1の増幅器の出力電圧をモレ信号の大小に応じて
一定量加えてやればモレ信号を打ち消すことが可能とな
るものである。
【0013】
【実施例】以下、本発明による角速度センサ装置の一実
施例を図面に基づいて説明する。
【0014】まず音叉構造振動型角速度センサについて
図3〜図5を用いて説明する。図3は本発明による角速
度センサの構成を示す斜視図であり、主に4つの圧電素
子からなる駆動素子101,モニタ素子102,第1及
び第2の検知素子103,104で構成され、駆動素子
101と第1の検知素子103とを接合部105で直交
接合した第1の振動ユニット109と、モニタ素子10
2と第2の検知素子104とを接合部106で直交接合
した第2の振動ユニット110とを連結板107で連結
し、この連結板107を支持棒108で一点支持した音
叉構造に構成されている。なお、上記4つの圧電素子1
01〜104はそれぞれ金属振動体により構成された音
叉に圧電体を接合して構成されたものである。
【0015】このように構成された角速度センサの駆動
素子101に正弦波電圧信号を与えると、逆圧電効果に
より第1の振動ユニット109が振動を始め、音叉振動
により第2の振動ユニット110も振動を開始する。従
ってモニタ素子102の圧電効果によってモニタ素子1
02表面に発生する電荷は駆動素子101へ印加してい
る正弦波電圧信号に比例する。このモニタ素子102に
発生する電荷を検出し、これが一定振幅になるように駆
動素子101へ印加する正弦波電圧信号をコントロール
することにより安定した音叉振動を得ることができる。
【0016】この角速度センサ9が角速度に比例した出
力を発生させるメカニズムを図4及び図5を用いて説明
する。
【0017】図4は上記図3に示した角速度センサ9を
上からみた状態を示すもので、速度υで振動している第
1の検知素子103に角速度ωの回転が加わると、第1
の検知素子103には『コリオリの力』が生じる。この
『コリオリの力』は速度υに垂直で大きさは2mυωで
ある。第1の検知素子103は音叉振動をしているの
で、ある時点で速度υで振動しているとすれば、第2の
検知素子104は速度−υで振動しており『コリオリの
力』は−2mυωである。よって第1,第2の検知素子
103,104は図5のように互いに『コリオリの力』
が働く方向に変形し、第1,第2の検知素子表面には圧
電効果によって電荷が生じる。
【0018】 ここでυは音叉振動によって生じる運動であり、音叉振動が υ=a・sinω0t a:音叉振動の振幅 ω0:音叉振動の周期 であるとすれば、『コリオリの力』は Fc=a・ω・sinω0t となり、角速度ω及び音叉振幅aに比例しており、第
1,第2の検知素子103,104を面方向に変形させ
る力となる。
【0019】従って第1,第2の検知素子103,10
4の表面電荷量Qは Q∝a・ω・sinω0t となり音叉振幅aが一定にコントロールされているとす
れば、 Q∝ω・sinω0t となり第1,第2の検知素子103,104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、
この信号をω0tで同期検波すれば角速度ωに比例した
直流信号が得られる。
【0020】なお、このセンサに角速度以外の並進運動
を与えても第1の検知素子103と第2の検知素子10
4の2つの素子表面には同極性の電荷が生ずるため、直
流信号に変換時、互いに打ち消しあって出力は出ないよ
うになっている。
【0021】図1は本発明による角速度センサ装置の一
実施例を示すものであり、図1は本発明の角速度センサ
装置の構成を示すブロック図であり、1は第1の増幅
器、2は整流器、3は平滑回路、4は第2の増幅器、5
は第3の増幅器、6は位相検波器、7は平滑回路、8は
直流増幅器、9は音叉構造振動型の角速度センサ、10
は反転増幅器、11は容量素子をそれぞれ示すものであ
る。
【0022】また、図2(a),(b),(c)は前記
図1に示すブロック図における各部分の出力電圧を示す
出力波形図であり、(a)は第1の増幅器1の出力電
圧、(b)は反転増幅器10の出力電圧、(c)の破線
は第3の増幅器5に入力される角速度信号に比例した振
幅で音叉振動周期と同周期の電荷、実線は音叉振動のモ
レ信号成分の電荷である。この音叉振動のモレ信号成分
は前記した通り角速度センサの組立上の角度ズレによっ
て生じ、その振幅量はズレの大きさに比例し、位相は角
度ズレが90°に対し(+)側か(−)側によって18
0°異なった位相となるものである。
【0023】従って、あらかじめ角速度センサ単品ごと
にモレ信号成分の位相と大きさを測定し、このモレ信号
成分を打ち消すために最適な容量素子もしくは抵抗素子
11を選択し、モレ信号成分の位相の極性により第1の
増幅器1の出力端子もしくは反転増幅器10の出力端子
のいずれかを選択して上記端子と第3の増幅器5の入力
端子との間に容量素子もしくは抵抗素子11を接続する
ことにより前記図2(c)に実線で示すモレ信号成分を
減少させることができる。
【0024】このように構成された角速度センサ装置
おいて、仮に図2(c)に実線で示すモレ信号成分が破
線で示す第3の増幅器5に入力される角速度信号に比例
した振幅で音叉振動周期と同周期の電荷の信号に対し1
0倍の大きさであったとすると、実線のモレ信号成分を
打ち消すことにより第3の増幅器5の増幅度を10倍に
上げることができ、従来と同感度の出力電圧を得るため
には直流増幅器8の増幅度は1/10でよいことにな
る。
【0025】この結果、位相検波器6のスイッチングス
ピードによる誤差や直流増幅器8のオフセット変動によ
る誤差が1/10に縮小され、またノイズ及びリップル
も小さくなる。
【0026】なお、第3の増幅器5の増幅度を10倍に
することにより第3の増幅器5のオフセット変動も10
倍の影響が生じるが、位相検波器6を介した構成とする
ことによりこの影響は除去され、性能の安定化を図るこ
とが可能になる。
【0027】
【発明の効果】本発明による角速度センサ装置は、角速
度がゼロの時に検知用圧電素子に発生し第3の増幅器に
入力する電荷を打ち消すことが可能となり、これにより
位相検波前の増幅段における増幅度を上げることが可能
となり、これにより出力信号に含まれる音叉振動周波数
のリップルの減少、位相検波器のスイッチングスピード
の変動による出力電圧のフラツキや温度ドリフトの低
下、直流増幅器のオフセット変動による出力電圧の温度
ドリフトの低下、出力電圧に含まれるノイズの減少など
の効果を得ることが可能になるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における角速度センサ装置
構成を示すブロック図
【図2】(a)同実施例における第1の増幅器の出力電
圧を示す出力波形図 (b)同実施例における反転増幅器の出力電圧を示す出
力波形図 (c)音叉振動のモレ信号成分の電荷を示す出力波形図
【図3】同実施例における角速度センサの構成を示す斜
視図
【図4】同実施例における角速度センサの動作を説明す
る主要部平面図
【図5】同実施例における角速度センサの動作を説明す
る主要部斜視図
【図6】従来の角速度センサ装置の一例を示すブロック
【符号の説明】
1 第1の増幅器 2 整流器 3,7 平滑回路 4 第2の増幅器 5 第3の増幅器 6 位相検波器 8 直流増幅器 9 角速度センサ 10 反転増幅器 11 容量素子 101 駆動用圧電素子 102 モニタ用圧電素子 103 第1の検知用圧電素子 104 第2の検知用圧電素子 105,106 接合部 107 連結板 109 第1の振動ユニット 110 第2の振動ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 純威 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−206516(JP,A) 特開 平4−297874(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 音叉構造の角速度センサと、この角速度
    センサのモニタ用圧電素子の表面電極に生ずる電荷を入
    力とする第1の増幅器と、この第1の増幅器の出力電圧
    を入力とする反転増幅器と、この反転増幅器の出力電圧
    を入力とし駆動用圧電素子の駆動用電圧を可変調整して
    出力する第2の増幅器と、前記角速度センサの第1と第
    2の検知用圧電素子の表面電極に生ずる電荷を入力とし
    この電荷量に比例した電圧を出力する第3の増幅器と、
    この第3の増幅器の出力電圧を音叉振動のタイミングに
    よって位相検波する位相検波器と、この位相検波器の出
    力信号を平滑する平滑回路と、この平滑回路の出力電圧
    を直流増幅する直流増幅器と、前記第1の増幅器の出力
    端子もしくは前記反転増幅器の出力端子のいずれかと前
    記第3の増幅器の入力端子との間に抵抗素子もしくは容
    量素子を接続して構成された角速度センサ装置。
  2. 【請求項2】 角速度センサは駆動用圧電素子と第1の
    検知用圧電素子とを互いに直交接合してなる第1の振動
    ユニット及びモニタ用圧電素子と第2の検知用圧電素子
    とを互いに直交接合してなる第2の振動ユニットからな
    り、かつ前記第1、第2の振動ユニットを検知軸に沿っ
    て互いに平行になるように前記駆動用圧電素子と前記モ
    ニタ用圧電素子の自由端どうしを連結板で連結して音叉
    構造とした請求項1記載の角速度センサ装置。
  3. 【請求項3】 角速度センサが金属振動体により構成さ
    れた音叉に圧電体を接合して構成されたものである請求
    項2記載の角速度センサ装置。
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US6732586B2 (en) 1995-05-30 2004-05-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Angular velocity sensor
US6705151B2 (en) 1995-05-30 2004-03-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Angular velocity sensor
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JP2005227214A (ja) * 2004-02-16 2005-08-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd 角速度センサ及びそれを用いた自動車

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