(57)【要約】【課題】  小型に構成することができ、応答性に優れた角速度センサと、角速度センサ用のカンチレバーを提供すること。【解決手段】  固定側に配された支軸部２３と、該支軸部に沿って揺動する揺動部２４と、該揺動部に保持され回転駆動される回転体３５とを備えており、前記支軸部２３と前記回転体の回転軸Ｍ１とが交差されており、前記揺動部２３と前記固定側との間に設けられ、前記支軸部と前記回転軸とに交差する軸の軸回りに作用する回転角速度が働くことにより生じる前記揺動を検出するための検出体３１と有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象の物体に固定される支持部と、
支軸部を介して前記支持部に接続され、該支軸部に沿って揺動する揺動部と、
該揺動部に保持され回転駆動される回転体と、
前記支持部と前記揺動部との間に接続された検出体であって、前記回転体の回転軸と異なる軸まわりの角速度に基づいて回転体に生じる力に対応した力が加わる検出体と、
を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記揺動部が、前記回転体から前記支軸部に向かうの方向に延長された重り部を備えることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記検出体として、歪み検出体や応力を電気に変換する圧電素子を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記検出体として、双音叉型圧電振動片を使用することを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
角速度センサを形成するために用いるカンチレバーであって、
回転体であるモータが載置固定される揺動部と、
検出対象の物体に固定される支持部と、
前記揺動部と前記支持部とを接続し、揺動方向を規定する支軸部と、
頂点付近に前記支軸部が形成された前記支持部の一部を構成する支柱部と、
を有しており、
前記揺動部と前記固定側との間に検出体を取付けるように構成した
ことを特徴とする角速度検出用カンチレバー。
【請求項６】
前記揺動部は前記支軸を中心に前記モータの回転軸と平行に両方向に延びており、該両方向に延びる部分の端部が、さらに前記モータから前記支軸部に向かう方向に延長された重り部を備えることを特徴とする請求項５に記載した角速度検出用カンチレバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転による角速度を検出するための角速度センサに係り、特に、小型で応答性の優れた角速度センサとこれに用いるカンチレバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、船舶、飛行機などの移動体において、該移動体に作用する回転方向の力、すなわち回転角速度を検出するジャイロ（角速度センサ）には種々のものがある。
図７は、このようなジャイロの一例を示すものである（特許文献１、図１参照）。
図において、ジャイロ１は、モータ２のモータ軸３により回転可能に支持された回転剛体４を備えている。モータ軸３と回転剛体４の回転中心は、中心軸ｃと一致している。
回転剛体４は筒状であり、内側に前記モータ２を収容している。
回転剛体４の側面下端には、導体でなる金属側板５が接合されており、金属側板５には多数のスリットが形成されているから、回転剛体４の回転により点線で示すように下端が僅かに開くようになっている。
金属側板５の内側には、軸ｃを中心に円周上に固定された固定電極６ａ，６ｂ，６ｃが僅かな隙間７を介して対向するように配置されている。
【０００３】
このような構成のジャイロ１を移動体に搭載して、モータ２により回転剛体４を回転させると、金属側板５の先端が僅かに外方に変位するような状態となる。
ここで、移動体に回転角側度が作用すると、可撓性金属側板４の回転運動の一部が変化して、上記した隙間７の間隔が変化する。これにより静電容量が変化するので、移動体の姿勢角の検出が可能となるというものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−７５４７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の角速度センサ１は、中心軸Ｃの方向に沿って、モータや回転側板を配置し、さらにその軸線に沿って、比較的大きな固定電極を配置するため、モータ軸方向に大きくなり、小型化に不利であった。
また、回転角速度を静電容量に変換しているが、一般に該変換には時間がかかり、応答性が悪いという問題もある。
【０００６】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、小型に構成することができ、応答性に優れた角速度センサと、角速度センサ用のカンチレバーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、第１の発明にあっては、検出対象の物体に固定される支持部と、支軸部を介して前記支持部に接続され、前記支軸部に沿って揺動する揺動部と、該揺動部に保持され回転駆動される回転体と、前記支持部と前記揺動部との間に接続された検出体であって、前記回転体の回転軸と異なる軸まわりの角速度に基づいて回転体に生じる力に対応した力が加わる検出体と、を有することを特徴とする角速度センサにより、達成される。
【０００８】
第１の発明の構成によれば、前記支軸部と前記回転軸とに交差する軸の軸回りに作用する回転角速度が働くと、前記揺動部に保持されて、回転駆動される回転体にあっては、その回転角速度の方向と直交する方向であって、前記回転体の回転を反時計回りとした時に、進行方向右向きにコリオリの力（広義には慣性力）を受ける。
すなわち、回転角速度をωとすると、コリオリ力（Ｆｃ）は、
Ｆｃ＝２ｍＶ・ω（ｍは、回転体の質量、Ｖは回転体の回転速度）・・・・・・（１）式
となる。
したがって、回転体を保持した揺動部は、回転角速度が作用した際に、回転体に生じるコリオリの力Ｆｃを受けて、前記支軸部に規定された方向に揺動する。
ここで、前記揺動部と前記固定側との間には、検出体が設けられているから、該検出体に前記コリオリ力に基づく揺動が応力として作用するので、この応力を検出することにより、回転角側を検出することができる。
この場合、前記構成では、モータなどの回転体の回転軸上には、なにもないので、センサが回転体の回転軸上に大きくなってしまうおそれがなく、また、コリオリの力は検出体に応力して働くようにしたので、直接この応力を検出するから応答速度が速い。
かくして、小型に構成することができ、応答性に優れた角速度センサを得ることができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記揺動部が、前記回転体から前記支軸部に向かう方向に延長された重り部を備えることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、支軸部を中心とした回転方向のどの位置に本センサを配置しても重量バランスが均衡するようにできる。
【００１０】
第３の発明は、第１または２の発明の構成において、前記検出体として、歪み検出体や応力を電気に変換する圧電素子を使用することを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、半導体を用いた歪みゲージや応力を電気信号に変換する圧電素子を用いることで、応答速度の良いセンサを容易に実現できる。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明の構成において、前記検出体として、双音叉型圧電振動片を使用することを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、双音叉型圧電振動片を用いると、その両端部を揺動体と、固定側基部とにそれぞれ固定することにより、往復いずれかの方向に揺動した際に、どちらの向きに揺動した場合でも等価の圧電作用を得ることができて、好ましい。
【００１２】
また、上記目的は、第５の発明にあっては、角速度センサを形成するために用いるカンチレバーであって、回転体であるモータが載置固定される揺動部と、検出対象の物体に固定される支持部と、前記揺動部と前記支持部とを接続し、揺動方向を規定する支軸部と、前記支持部には、頂点付近に前記支軸部が形成された前記固定側の一部を構成する支柱部と、とを有しており、前記揺動部と前記固定側との間に検出体を取付けるように構成した角速度検出用カンチレバーにより、達成される。
第５の発明の構成によれば、第１の発明において説明したのと同様の原理により、小型で応答速度に優れた角速度センサを実現することができる。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明の構成において、前記揺動部は前記支軸を中心に前記モータの回転軸と平行に両方向に延びており、該両方向に延びる部分の端部が、さらに前記モータから前記支軸部向かう方向にそれぞれ延長された重り部を備えることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、支軸を中心とした回転方向のどの位置にカンチレバーを配置しても重量バランスが均衡する角速度センサを作ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る角速度センサの概略斜視図であり、図２はその概略正面図である。
これらの図において、角速度センサ３０は、カンチレバー２０に回転体としての例えばモータ３５を取り付けた構造である。
カンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）（片持ち梁）２０は、以下のような構成である。
図において、このカンチレバー２０は、全体が例えば、リン青銅などの金属により形成された一体の構造である。
【００１５】
カンチレバー２０は、水平に一方向に延びる例えば角柱状の支持部２１と、支持部２１の中央部で該水平な支持部２１から垂直に起立する支柱部２２とを有している。
支持部２１は、全体を載置する場合の支持台となる部分で、角速度が作用しても動かない固定側を構成するため、安定性がある形態が好ましく、角速度センサ３０
の装着スペースが大きくとれる場合には、安定性向上のため、支持部２１は図示の場合よりも大きな底面積を持つものにしてもよい。
支柱部２２は、支持台である支持部２１から延びる部分であり、例えば、丈夫な角柱でなり、先端部に支軸部２３が形成されている。すなわち、支柱部２２の先端部はその幅寸法、すなわち図１のＸ方向の寸法を極端に小さくした支軸部２３が形成されている。この支軸部２３はＹ方向の寸法は狭められていない。このため、支軸部２３では、Ｙ方向に延びる支軸が形成されることになる。
【００１６】
この支軸部２３を介して、その上には、該支軸部２３を中心として両側方（図１のＹ方向）に延びるアーム状の揺動部２４が一体に形成されている。揺動部２４は梁部分であり、図示の構成とは異なり、単なる水平な横棒状のものでもよい。
これにより、揺動部２４は、支柱部２２の上で支軸部２３により支持されつつ、後述するように、角速度が作用すると、該支軸部２３の周囲の方向に沿って、矢印Ｂに示すように僅かに揺動されるようになっている。
【００１７】
また、この実施形態では、カンチレバー２０がどのような姿勢とされてもバランスよく動作できるように以下の構成とされている。
つまり、揺動部２４の水平方向の両端部は、それぞれ下方に一体に延長された垂直な延長部を有し、この延長部を重り部２５、２６としている。
各重り部２５と２６の先端から支持部２１までの間には、空間Ｓ，Ｓが形成されている。また、重り部２５と、２６の先端部の各側面２５ａ，２６ｂには、段部を形成することにより、凹状部（逃げ部）２５ｂ，２６ｂが設けられている。
このように、揺動部２４は全体として門型の構造とされており、その中心部を支軸部２３により支柱部２２に対して接合し、一体に支える構成とされている。これにより、揺動部２４の表面と同一の面内で、支軸部２３の中心を通るいかなる仮想の直線を想定しても（例えば図２の符合Ｇ）該直線Ｇに関して、その両側の重量がほぼ線対称を保つようにされている。
これにより、支軸部２３を中心とした回転方向のどの位置に角速度センサ３０を配置しても重量バランスが均衡するようにされている。
【００１８】
揺動部２４の上面は水平な面とされて、回転体としてのモータ３５の載置面２７とされている。モータ３５は、載置面２７に対して、接着などの手段により固定されて、揺動部２４と一体の構造とされている。
モータ３５は回転ムラやノイズの少ないブラシレスモータを用いることが好ましい。
ここで、モータ３５は、回転軸Ｍ１の回りで矢印Ｒ方向に回転させるもので、該モータ３５の回転軸Ｍ１は、支軸部２３の支軸方向であるＹ方向と直交する方向であり、支柱部２２の延びる方向であるＺ方向とも直交したＸ方向に沿うものとされている。
【００１９】
さらに、揺動体２４の延長部であり重り部２６と支持部２１との間に検出体３１が固定されている。
図３に角速度センサ３０に用いる検出体３１の好ましい構成例として、振動片を用いた例を示す。
振動片には、屈曲振動、縦振動、厚みすべり振動、ＳＡＷ（弾性表面波）などの振動モードを使うものがあり、共振周波数が応力に対して変化することが知られている。この周波数変化を利用した検出体３１を用いる。ここで、屈曲振動モードを使う振動片は、応力に対する周波数変化率と温度特性との比、すなわち良好度（応力感度／温度特性）が高いため、感圧素子に適する。そこで、屈曲振動モードを利用した感圧素子として双音叉振動片を用いる。双音叉型圧電振動片は、一方向に長い形態であって、例えば水晶により形成されており、その両端部に固定端として使用できる基部３２，３３を有している。すなわち、双音叉型圧電振動片は、２つの音叉型圧電振動片を平面上に置いて、その振動腕の先端同士を向き合わせ、一体に接続したような形状であり、励振される部分である振動ビーム、すなわち、励振部３４は、矩形の水晶板の中央を矩形にくりぬいた枠状の形態である。固定端として使用する基部３２、３３にＭ１の方向の力を加えると、屈曲振動を行う励振部３４に、Ｍ１の方向の引張り応力が働く。固定端として使用する基部３２、３３にＭ２の方向の力を加えると、屈曲振動を行う励振部３４に、Ｍ２の方向の圧縮応力が働く。この応力を周波数変化に基づいて検出する。
また、図３のように基部３２、３３と励振部３４との間にくびれ４１を設けてもよい。くびれ４１によって、励振部３４から基部３２、３３への振動漏れが低減できる。くびれ４１は、切り込み部４２をウエットエッチングすることにより形成する。そのようにすれば、外形とともにくびれ４１を形成することができる。
【００２０】
このような双音叉型圧電振動片である検出体３１においては、符合Ｍのように応力が作用して長さ方向に励振部３４の長さが変わると、共振周波数が変化することが広く知られている。
図示の場合、Ｍ１方向に応力が作用すると、検出体３１は、全体に長くなり、周波数は高く変化する。Ｍ２方向に応力が作用すると、検出体３１は全体に短くなり、周波数は低く変化する。
双音叉型圧電振動片である検出３１では、長さ方向の中心線に沿って対称の構造であるから、後述するように、角速度センサ３０に固定された場合に、固定された揺動部が往復いずれかの方向に揺動した際に、どちらの向きに揺動した場合でも等価の圧電作用を得ることができて、好ましい。
なお、検出体３１としては、このような双音叉型圧電振動片だけでなく、他のＡＴカット圧電振動片や、ＳＡＷ素子、音叉型圧電振動片等を用いることもできる。
【００２１】
図１および図２に示すように、上述の検出体３１は、基部３２を揺動部２４の重り部２６の側面２６ａの下端付近に接着剤などにより固定される。
他方、基部３３は支持部の側面２１ａに接着剤などで固定される。これにより、検出体３１は、揺動部２４と支持部２１との間で空間Ｓに励振部３４が位置するように掛けわたされる。特に、この場合、重り部２６の側面２６ａの下端付近には、凹状部２６ｂが形成されているので、検出体３１の励振部３４に揺動部２４が当接することがないようにされており、該励振部３４の振動を妨げないようになっている。
【００２２】
本実施形態は以上のように構成されており、その作用を以下説明する。
図４は回転体ＭＢに存在する所定の質点ＳＴに角速度が作用した場合の応力を説明する図である。
回転体ＭＢの回転方向Ｒが、ここで作用する回転角速度ωの方向である軸ＲＫと直交する方向であって、この回転体ＭＢの回転Ｒを視点Ｅから見て、反時計回りとした時に、所定の質量をもつ質点ＳＴを想定すると、該質点ＳＴの進行方向右向きに、コリオリの力Ｆｃを受ける（進行方向左から来る力）。
すなわち、回転角速度をωとすると、コリオリ力（Ｆｃ）は、
Ｆｃ＝２ｍＶ・ω（ｍは、回転体の質量、Ｖは回転体の回転速度）・・・・・・（１）式
となる。
したがって、回転体ＭＢ上に存在する質点ＳＴは、回転角速度ωが作用した際に、回転体ＭＢに生じるコリオリの力Ｆｃを受ける。
【００２３】
図５は図４のモデルを本実施形態の角速度センサに適用したもので、図１および図２で説明したように、支軸部２３の上に揺動部２４があり、その上に回転体であるモータ３５が載置されている。図５は揺動部２４の厚み寸法（縦寸法）を省略した説明モデルである。
図において、支軸部２３上のモータ３５は支軸部２３により矢印Ｂ方向に揺動可能である。モータ３５のロータが寸法Ｔ１の径を有するものとする。ロータ径の中心には回転軸Ｍ１が存在する。
【００２４】
モータ３５のロータが矢印Ｒ方向に回転している状態で、回転角速度ωが作用した場合に、当該回転体であるモータ３５のロータの外周上に存在する質点ＳＴ１と、質点ＳＴ２とは同じ回転体上にあり、回転中心であるモータ軸Ｍ１から等距離の外周上にあるから、それぞれ作用するコリオリ力Ｆｃ１とＦｃ２とは同じ大きさである（ｈ１＝ｈ２）。
しかしながら、支軸部２３からの距離を考えると、質点ＳＴ１は、支軸部２３である支点とｌだけ離れた位置にあるのに対して、ＳＴ２は支軸部２３である支点からｌ＋ｈ１＋ｈ２だけ離れた位置となる。
ここで、支軸部２３を支点とする質点ＳＴ１のモーメントＳＴ１は、
ＭＳＴ１＝Ｆｃ１×ｌ・・・・（２）式
支軸部２３を支点とする質点ＳＴ１のモーメントＳＴ１は、
ＭＳＴ２＝Ｆｃ２×（ｌ＋ｈ１＋ｈ２）・・・・（３）式
ここで、Ｆｃ１＝Ｆｃ２だから
ＭＳＴ１＜ＭＳＴ２・・・・（４）式
となる。同様に、ロータ内において、モータ軸Ｍ１に対して点対称となる質点同士の支軸部２３回りのモーメントを比べると、支軸部２３から離れた質点のモーメントの方が高くなる。したがって、ロータ全体では、支軸部２３を中心として、矢印Ｂ１の方向のモーメントが働く。その結果、モータ３５を搭載した図１および図２の揺動部２４は、図５の支軸部２３を中心として、矢印Ｂの方向に沿って、Ｂ１の向きに僅かに揺動する。
【００２５】
かくして、この動きは、図１および図２において、揺動部２４のＢ１方向の動きとなり、重り部２６は矢印Ｙ２方向に移動するから、検出体３１を長さ方向に僅かに長くなるように引っ張ることになる。このため、検出体３１の共振周波数を検出すると、周波数が高い方に変化する。
これに対して、回転角速度ωが逆方向に作用すると、上述の原理により、揺動体は図１および図２において、Ｂ２の方向に僅かに揺動する。このため、重り部２６は矢印Ｙ１方向に移動するから、検出体３１の共振周波数は低い方に変化する。
【００２６】
図６は、図１の角速度センサを利用して角速度を求めるための電気的構成の一例を示すブロック図である。
検出体３１は、図１の角速度センサ３０に取付けられた状態で、発振器に組み込まれ、特定のモードで振動するセンサ発振器５１とされている。
センサ発振器５１はアンド回路６１を介して、カウンタ回路５３に接続されている。
センサ発振器５１とは別に、温度補償型の基準発振器５２が用いられており、該基準発振器５２はアンド回路６２を介してカウンタ回路５４に接続されている。
【００２７】
基準発振器５２は、さらにタイミングパルス発生器５６に接続されている。該タイミングパルス発生器５６は、２つのナンド回路で構成するフリップフロップ６４に接続され、該フリップフロップを介してアンド回路６２に接続されている。
またタイミングパルス発生器５６は各カウンタ回路５３，５４に接続されており、これら各カウンタ回路５３，５４はタイミングパルス発生器５６からのパルスによりリセットされるようになっている。
カウンタ回路５４はラッチ回路５５に接続されている。また、カウンタ回路５３は、ノット回路６３を介して上記フリップフロップ６４に接続されている。
ラッチ回路５５は、計測結果の出力部５７を介して、マイクロコンピュータなどでなる数値変換部（角度演算部）に接続されている。
【００２８】
センサ発振器５１は以上のように構成されており、例えば、以下のように動作する。
カウンタ回路５３は、例えば１００００パルスを計測したら、ゲートを閉じる信号を出力し、カウンタ回路５４と接続されたラッチ回路は、１００００回毎にラッチし、それに要した時間を求める。計測結果の出力部は当該時間に対応して変化した周波数Δｆを求め、角度演算部５８は、たとえば、図示しないメモリなどを参照して、Δｆに対応した角速度を算出する。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態の角速度センサ３０によれば、回転軸方向にサイズが大きくなることもなく、加速度が作用すると、検出体の共振周波数は直ちに変化するから、静電容量の変化の場合のように、応答に時間を要することがない。
このため、小型に構成することができ、応答性に優れた角速度センサ３０を得ることができる。
【００３０】
本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
上述の実施形態では、検出体３１を重り部２６にだけ取付けているが、重り部２５と支持部２１との間にも検出体を配置すると、感度は二倍となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の角速度センサの実施形態の概略斜視図。
【図２】図１の角速度センサの概略正面図。
【図３】図１の角速度センサに用いる検出体の一例を示す概略斜視図。
【図４】回転体に角速度が作用した際に生じるコリオリ力を説明する図。
【図５】図１の角速度センサにより回転角速度を検出する原理を説明する図。
【図６】図１の角速度センサを利用して角速度を求めるための電気的構成の一例を示すブロック図。
【図７】従来の角速度センサの一例を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００３２】
２０・・・カンチレバー、２１・・・支持部、２２・・・支柱部、２３・・・支軸部、２４・・・揺動部、３０・・・角速度センサ、３１・・・検出体、３５・・・（回転体）モータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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