JP2000131070A

JP2000131070A - 角速度検出装置およびその駆動方法

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Publication number: JP2000131070A
Application number: JP10300608A
Authority: JP
Inventors: Akio Nakajima; 章夫中島
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】角速度の検出精度を高める。【解決手段】面内（面外）方向に自励振動する３対の
電極を有する駆動用枝と駆動用枝の同期して面内（面
外）振動し、回転にともなうコリオリ力によって面外
（面内）振動する２対の検出電極を有する検出用枝とを
有する振動子１と、振動子１の駆動用枝の駆動電極に接
続し、駆動用枝が自励振動するための電流増幅回路と反
転回路と加減算回路とを有する発振回路２と、振動子１
の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換する検出
回路３と、検出回路３出力を発振回路２出力で検波する
検波回路４と、検波回路４の交流出力をカットするロー
パスフィルタ５と、非回転時のローパスフィルタ５の出
力に応じて発振回路２の加減算回路の入力を制御して振
動子の面外（面内）振動を抑制する制御回路６とを備え
る角速度検出装置およびその駆動方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は単結晶水晶からなる
角速度検出素子を用いた角速度検出装置およびその駆動
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から機械式の回転ジャイロスコープ
が、飛行機や船舶の慣性航法装置として使われている。
この機械式回転ジャイロスコープは、高安定かつ高性能
を有しているが、その反面、装置が大きく価格も高く、
小型機器に組み込むことは困難である。

【０００３】近年、振動子を励振さるための圧電素子を
振動体に接着し、回転の角速度にともなうコリオリ力で
起きる振動により発生する電圧を検出するための圧電素
子を振動子に接着した構造の角速度検出素子を用いた中
程度の精度を有する小型の振動式角速度検出装置の実用
化が進んでいる。さらに、水晶を用いた角速度検出素子
も、たとえば特開平４−５０４６１７号公報に開示され
ている。

【０００４】以下に従来技術の角速度検出素子を図面を
用いて説明する。図１９、図２０に示す音叉型の角速度
検出素子は、水晶で形成された二つの枝１１０と１１１
と基部１１２とからなる。１２１、１２２、１２３、１
２４は左側の枝に設けられた検出電極、１２５、１２
６、１２７、１２８は右側に設けられた検出電極、１１
３、１１４、１１５、１１６は左側の枝に設けられた駆
動電極、１１７、１１８、１１９、１２０は右側の枝に
設けられた駆動電極である。図１７における＋と−と矢
印の記号は、ある瞬間における電圧の極性と電界とを示
している。

【０００５】図１９において、駆動電極によって枝１１
０と１１１とが音叉平面に平行な実線矢印（Ｘ軸）方向
に振動しているとき、音叉の枝（Ｙ軸）方向を軸とし
て、角速度ωで回転させると、前述の振動と直角方向に
角速度ωに比例したコリオリ力Ｆが働く。Ｆは以下のよ
うに表せる。Ｆ＝２・Ｍ・ω・ＶＭは枝の質量、Ｖは振動の速さである。このコリオリ力
により点線矢印（Ｚ軸）方向に新たな振動が励振され
る。この振動により発生する電圧を検出電極で検出する
ことにより、角速度を知ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
角速度検出素子は、各枝の上部、下部に駆動電極、検出
電極を設けた構造のため、駆動電極の接続線が検出電極
のすぐ近くを通り、接続線に流れる駆動電流による電界
の影響を受けて、検出電極にも駆動電圧と同相の検出電
圧より大きな電圧が発生する。この発生電圧が検出回路
の出力電圧となるため、検出精度が低下するという課題
がある。

【０００７】さらに、角速度検出素子が駆動電極により
振動しているときには、機械的結合あるいは蒸着により
形成される各電極のわずかな寸法誤差により、非回転時
でも微少な面外振動が起こり、これによってわずかな漏
れ出力電圧が発生する。この漏れ出力電圧は角速度の検
出電圧と同相であるため、検出回路の出力電圧にはこの
漏れ出力電圧と角速度の検出電圧とが重畳してしまう。
これによって、さらに検出精度が著しく低下するという
課題がある。

【０００８】〔発明の目的〕本発明の目的は、上記課題
を解決して、検出精度の高い角速度検出装置およびその
駆動方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の角速度検出装置およびその駆動方法は、下
記記載の手段を採用する。

【００１０】本発明の角速度検出装置は、面内（面外）
方向に自励振動する３対の駆動電極を有する駆動用枝と
駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にともな
うコリオリ力によって面外（面内）振動する２対の検出
電極を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆
動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励振動するた
めの電流増幅回路と反転回路と加減算回路とを有する発
振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電
圧に変換する検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力
で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットす
るローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの
出力に応じて発振回路の加減算回路の入力を制御して振
動子の面外（面内）振動を抑制する制御回路と、を備え
たことを特徴とする。

【００１１】本発明の角速度検出装置は、面内（面外）
方向に自励振動する３対の駆動電極を有する駆動用枝と
駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にともな
うコリオリ力によって面外（面内）振動する２対の検出
電極を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆
動用枝が自励振動するための電流増幅回路と反転回路と
加減算回路とを有し、電流増幅回路の入力と振動子の駆
動用枝の第１の駆動電極の対ととを接続し、反転回路の
出力と第２の駆動電極の対とを接続し、加減算回路の出
力と第３の駆動電極の対とを接続する発振回路と、振動
子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換する検
出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波
回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィ
ルタと、非回転時のローパスフィルタの出力に応じて発
振回路の加減算回路の入力を制御して振動子の面外（面
内）振動を抑制するための制御回路と、を備えたことを
特徴とする。

【００１２】本発明の角速度検出装置は、面内（面外）
方向に自励振動する３対の駆動電極を有する駆動用枝と
駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にともな
うコリオリ力によって面外（面内）振動する２対の検出
電極を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆
動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励振動するた
めの電流増幅回路と反転回路と加減算回路とを有する発
振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電
圧に変換する検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力
で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットす
るローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの
出力に応じて発振回路の加減算回路の入力を制御して振
動子の面外（面内）振動を抑制するためのスイッチと電
圧検出回路と積分回路とサンプルホールド回路と変調回
路とを有する制御回路と、を備えたことを特徴とする。

【００１３】本発明の角速度演出装置の駆動方法は、面
内（面外）方向に自励振動する３対の駆動電極を有する
駆動用枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回
転にともなうコリオリ力によって面外（面内）振動する
２対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子と、
振動子の駆動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励
振動するための電流増幅回路と反転回路と加減算回路と
を有する発振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検
出電流を電圧に変換する検出回路と、検出電圧出力を発
振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力
をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパス
フィルタ出力に応じて発振回路の加減算回路の入力を制
御して振動子の面外（面内）振動を抑制するための制御
回路と、を備え、非回転時のローパスフィルタ出力をつ
ねに一定値に保つことを特徴とする。

【００１４】本発明の角速度検出装置の駆動方法は、面
内（面外）方向に自励振動する３対の駆動電極を有する
駆動用枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回
転にともなうコリオリ力によって面外（面内）振動する
２対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子と、
振動子の駆動用枝が自励振動するための電流増幅回路と
反転回路と加減算回路とを有し、電流増幅回路の入力と
振動子の駆動用枝の第１の駆動電極の対とを接続し、反
転回路の出力と第２の駆動電極の対とを接続し、加減算
回路の出力と第３の駆動電極の対とを接続する発振回路
と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変
換する検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波
する検波回路と、検波回路の交流出力をカットするロー
パスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの出力に
応じて発振回路の加減算回路の入力を制御して振動子の
面外（面内）振動を抑制するための制御回路と、を備
え、非回転時のローパスフィルタの出力をつねに一定値
に保つことを特徴とする。

【００１５】本発明の角速度検出装置の駆動方法は、面
内（面外）方向に自励振動する３対の駆動電極を有する
駆動用枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回
転にともなうコリオリ力によって面外（面内）振動する
２対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子と、
振動子の駆動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励
振動するための電流増幅回路と反転回路と加減算回路と
を有する発振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検
出電流を電圧に変換する検出回路と、検出電圧出力を発
振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力
をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパス
フィルタの出力に応じて発振回路の加減算回路の入力を
制御して振動子の面外（面内）振動を抑制するためのス
イッチと電圧検出回路と積分回路とサンプルホールド回
路と変調回路とを有する制御回路と、を備え、非回転時
のローパスフィルタの出力をつねに一定値に保つことを
特徴とする。

【００１６】〔作用〕本発明においては、駆動用の枝に
駆動電極を、検出用の枝に検出用電極を各々分離して設
けた構造としている。これにより駆動電極の接続線と検
出電極とは離れた配置となり、駆動電極の接続線に流れ
る駆動電流の影響を受けることがないため、検出電極に
駆動電圧と同相の電圧が発生することはなく、検出回路
の出力にもこれによる出力電圧は発生しない。

【００１７】さらに、非回転時に検出回路が検出した振
動子の面外振動を制御回路が抑制して漏れ出力電圧をゼ
ロにすることにより、非回転時の検出回路の出力電圧を
つねに一定値に保つことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を実施す
るための最良の形態における角速度検出装置の構成を説
明する。図１は本発明の実施形態における角速度検出装
置の全体の構成を示すブロック図であり、図２は本発明
の実施形態における角速度検出装置の振動子の前面斜視
図であり、図３は後面斜視図である。図４は本発明の実
施形態における発振回路、図５は検出回路、図６は検波
回路、図７はローパスフィルタの回路図である。図８は
本発明の実施形態における制御回路の構成を示すブロッ
ク図である。図９は電圧検出回路、図１０は積分回路、
図１１はサンプルホールド回路、図１２は変調回路であ
り、図８のスイッチ５８とともに制御回路を構成する。
図１３は本発明の実施形態における制御回路の第１の動
作説明図、図１４は制御回路の第２の動作説明図であ
る。図１５は本発明の実施形態における振動子の面外振
動とその抑制を示す第１の説明図、図１６は振動子の面
外振動とその抑制を示す第２の説明図である。図１７は
本発明の第２の実施形態における振動子の電極構造を示
す断面図であり、図１８は本発明の第３の実施形態にお
ける振動子の電極構造を示す断面図である。以下、適時
各図を参照しながら説明する。

【００１９】〔角速度検出装置の全体構成説明：図１〕
図１に示すように、角速度検出装置の全体の構成は、振
動子１と発振回路２と検出回路３と検波回路４とローパ
スフィルタ５と制御回路６と角速度出力２０とを備え
る。また、制御回路６は図８に示すように、スイッチ５
８と電圧検出回路５９と積分回路６０とサンプルホール
ド回路６１と変調回路６２とを備える。

【００２０】〔振動子説明：図２および図３〕振動子１
は図２と図３とに示すように、単結晶水晶から一体形成
した駆動用枝７と検出用枝８とを備える。駆動用枝７に
は、駆動電極９、１０、１１、１２、１３、１４を備え
る。

【００２１】駆動用枝７の上部で駆動電極１１と１４が
接続して対となり、下部で駆動電極９と１０が接続して
対となり、また、駆動電極１２と１３が接続して対とな
る。さらに、駆動電極１１と１４の対は接続線２８を介
して出力端子２５に接続し、駆動電極９と１０の対は接
続線２９を介して出力端子２６に、駆動電極１２と１３
の対は接続線３０を介して出力端子２７に接続する。こ
れらの電極は真空蒸着法やスパッタリング法により形成
する。

【００２２】また、駆動電極１２の接続線と駆動電極１
０の接続線との短絡防止のため、駆動電極１２の接続線
上に同様の方法によって予め斜線で示した絶縁部１９を
形成する。さらに、出力端子２５と出力端子２７を発振
回路２の出力端子に、出力端子２６を発振回路２の入力
端子に接続する。

【００２３】検出用枝８の上部で検出電極１６と１７が
接続して対となり、下部で検出電極１５と１８が接続し
て対となる。さらに、検出電極１５と１８の対は接続線
２３を介して出力端子２１に接続し、検出電極１６と１
７の対は接続線２４を介して出力端子２２に接続する。
さらに、出力端子２１は図５のように、検出回路３の−
入力端子に接続し、出力端子２２は検出回路３の＋入力
端子に接続する。

【００２４】〔発振回路説明：図４〕発振回路２は、図
４に示すように、オペアンプ３１と、抵抗３２からなる
電流増幅回路と、直流カット容量３３と、オペアンプ３
４とトランジスタ３５と抵抗３６、３７と容量３７から
なる反転回路と、オペアンプ３９と抵抗４０、４１、４
２、４３からなる加減算回路を備える。なお、オペアン
プ３４とトランジスタ３５との代わりにオープンコレク
タタイプのオペアンプとしてもよい。また、電流増幅回
路の出力が直流分を含まなければ、直流カット容量３３
は省略できる。

【００２５】発振回路２の電流増幅回路のオペアンプ３
１の−入力端子と振動子１の駆動用枝７の駆動電極の対
の出力端子２６を接続し、さらに−入力端子と出力端子
とを電流電圧変換用の抵抗３２で接続する。オペアンプ
３１の＋入力端子は接地する。

【００２６】反転回路のオペアンプ３４の−入力端子と
電流増幅回路のオペアンプ３１の出力端子を直流カット
容量３３で接続する。オペアンプ３４の出力に接続した
トランジスタ３５のコレクタと電源の高電位側との間に
は負荷として抵抗３８を接続する。トランジスタ３５の
コレクタと振動子１の駆動用枝７の駆動電極の対の出力
端子２７を接続する。オペアンプ３４の＋入力端子は容
量３７を介して接地するとともに、抵抗３６によってト
ランジスタ３５のコレクタに帰還をする。トランジスタ
３５のエミッタは通常接地するが、利得を制御するため
の負帰還用（ＡＧＣ）としても使用できる。

【００２７】加減算回路のオペアンプ３９の＋入力端子
と反転回路のトランジスタ３５のコレクタを抵抗４１で
接続し、＋入力端子は抵抗４２で接地する。オペアンプ
３９の−入力端子と出力端子を抵抗４３で接続する。後
述する制御回路６の変調回路６２の出力端子とオペアン
プ３９の−入力端子を抵抗４０で接続する。さらに、加
減算回路のオペアンプ３９の出力端子と振動子１の駆動
用枝７の駆動電極の対の出力端子２５を接続する。加減
算回路の抵抗４０と４３の抵抗値と抵抗４１、４２の抵
抗値とを等しくする。これによって、反転回路の出力電
圧をＶ１、制御回路の出力電圧を△Ｖ２とすると加減算
回路の出力電圧ＶｏはＶｏ＝Ｖ１−△Ｖ２に設定でき
る。

【００２８】〔検出回路説明：図５〕検出回路３は図５
に示すように、オペアンプ４４と容量４５を備える。オ
ペアンプ４４の−入力端子と出力端子を容量４５で接続
し、オペアンプの＋入力端子は接地する。オペアンプ４
４の出力端子を検波回路４に接続する。

【００２９】検出回路３はフィードバック・クーロンメ
ータを構成する一種のトランスインピーダンス回路であ
り、振動子１の検出電極の発生電荷を検出電流として電
圧に変換する。この容量４５は高抵抗におきかえること
も可能である。

【００３０】〔検波回路説明：図６〕検波回路４は図６
に示すように、抵抗４６、４７とオペアンプ４８とトラ
ンスミッション・ゲート４９、５０とインバータ５１と
を備える。抵抗４６、４７とオペアンプ４８はゲイン１
の反転アンプを形成する。検出回路３の出力端子はトラ
ンスミッション・ゲート４９の入力端子と反転アンプを
介してトランスミッション・ゲート５０の入力端子に接
続する。トランスミッション・ゲート４９の出力端子は
トランスミッション・ゲート５０の出力端子に接続す
る。発振回路２の出力電圧とインバータ５１を介した反
転出力電圧をトランスミッション・ゲート４９と５０の
各々の制御端子に参照信号として供給する。

【００３１】〔ローパスフィルタ説明：図７〕ローパス
フィルタ５は図７に示すように、抵抗５２、５３、５４
と容量５５、５６とオペアンプ５７とを備える。検波回
路４の出力端子はローパスフィルタ５の入力端子である
抵抗５２の一端に接続する。抵抗５２の他端は抵抗５４
を介してオペアンプ５７の一方の入力端子に接続する。
また、抵抗５２の他端は抵抗５３を介してオペアンプ５
７の出力端子に接続するとともに、容量５５を介して接
地する。また、オペアンプ５７の一方の入力端子は容量
５６を介してオペアンプ５７の出力端子に接続する。さ
らに、オペアンプ５７の他方の入力端子は接地する。

【００３２】〔制御回路説明：図８〕制御回路６は図８
に示すように、スイッチ５８と電圧検出回路５９と積分
回路６０とサンプルホールド回路６１と変調回路６２と
を備える。以下、制御回路６の具体的な回路構成につい
て説明する。スイッチ５８は図８に示すようにＭＯＳト
ランジスタからなる。

【００３３】〔電圧検出回路説明：図９〕電圧検出回路
５９は、図９に示すように、抵抗６３とオペアンプ６４
とインバータ６５とデータ・フリップフロップ（以下Ｄ
−ＦＦと略記する）６６、６７とＡＮＤゲート６８、６
９とＯＲゲート７０とセットリセット・フリップフロッ
プ（以下ＳＲ−ＦＦと略記する）７１とを備える。

【００３４】ローパスフィルタ５の出力端子はスイッチ
５８を介して電圧検出回路５９の入力端子である抵抗６
３を介してオペアンプ６４の一方の入力端子に接続す
る。オペアンプ６４の他方の入力端子は接地する。な
お、ここで説明する接地部分の電圧は回路全体を両電源
（＋Ｖ電源と−Ｖ電源）動作とするときは０ボルト、片
電源（＋Ｖ電源）動作とするときは、＋Ｖ／２ボルトに
あらかじめ設定する。

【００３５】オペアンプ６４の出力端子はＤ−ＦＦ６６
のデータ端子Ｄ１に接続し、インバータ６５を介してＤ
−ＦＦ６７のデータ端子Ｄ２に接続する。各Ｄ−ＦＦの
クロック端子にはＣＫクロック信号として発振回路２の
出力電圧を供給する。ＡＮＤゲート６８の一方の入力端
子はＤ−ＦＦ６６のデータ端子Ｄ１に、他方の入力端子
はＤ−ＦＦ６６の反転出力端子−Ｑ１に接続する。ＡＮ
Ｄゲート６９の一方の入力端子はＤ−ＦＦ６７のデータ
端子Ｄ２に、他方の入力端子はＤ−ＦＦ６７の反転出力
端子−Ｑ２に接続する。

【００３６】ＡＮＤゲート６８、６９の各出力端子はＯ
Ｒゲート７０の各入力端子に接続する。ＯＲゲート７０
の出力端子はＳＲ−ＦＦ７１のリセット端子に接続す
る。ＳＲ−ＦＦ７１のセット端子は、ここには具体的な
回路図を示していないが、電源投入時、あるいは、角速
度出力の修正時にパルスが発生する回路の出力端子に接
続してあり、ＳＲ−ＦＦ７１の出力端子Ｑ３は「ｈｉｇ
ｈ」状態となる。

【００３７】〔積分回路説明：図１０〕積分回路６０は
図１０に示すように、抵抗７２と容量７４とＭＯＳトラ
ンジスタスイッチ７５とオペアンプ７３とを備える。ス
イッチ７５の出力端子は積分回路６０の入力端子である
抵抗７２の一端に接続する。抵抗７２の他端はオペアン
プ７３の−の入力端子に接続する。また、オペアンプ７
３の−の入力端子は容量７４およびＭＯＳトランジスタ
スイッチ７５を介してオペアンプ７３の出力端子に接続
する。オペアンプ７３の＋の入力端子は接地する。

【００３８】〔サンプル・ホールド回路説明：図１１〕
サンプル・ホールド回路６１は図１１に示すように、Ａ
ＮＤゲート７６とオペアンプ７７、８１と抵抗７８とＭ
ＯＳトランジスタスイッチ７９と容量８０を備える。積
分回路６０の出力端子はサンプル・ホールド回路６１の
入力端子であるオペアンプ７７の一方の入力端子に接続
する。オペアンプ７７の出力端子は抵抗７８の一端に接
続する。抵抗７８の他の一端はオペアンプ７７の他方の
入力端子とＭＯＳトタンジスタスイッチ７９の入力端子
に接続する。

【００３９】ＡＮＤゲート７６の一方の入力端子は電圧
検出回路５９の出力端子に接続し、他方の入力端子には
サンプル信号として発振回路２の出力電圧を供給する。
ＡＮＤゲート７６の出力端子はＭＯＳトランジスタスイ
ッチ７９の制御端子に接続する。ＭＯＳトランジスタス
イッチ７９の出力端子は電圧ホールド用の容量８０を介
して接地するとともに、オペアンプ８１の一方の入力端
子に接続する。オペアンプ８１の他方の入力端子は出力
端子に接続する。

【００４０】〔変調回路説明：図１２〕変調回路６２は
図１２に示すように、抵抗８２、８３、８８、８９とオ
ペアンプ８４、９０とトランスミッション・ゲート８
５、８６とインバータ８７とを備える。抵抗８２、８３
とオペアンプ８４はゲイン１の反転アンプを形成する。
サンプル・ホールド回路６１の出力端子はトランスミッ
ション・ゲート８５の入力端子と反転アンプを介してト
ランスミッション・ゲート８６の入力端子に接続する。
発振回路２の出力電圧とインバータ８７を介した反転出
力電圧をトランスミッション・ゲート８５と８６の各々
の制御端子に変調信号として供給する。

【００４１】トランスミッション・ゲート８５の出力端
子と、トランスミッション・ゲート８６の出力端子と
は、抵抗８８を介してオペアンプ９０の一方の入力端子
に接続する。オペアンプ９０の一方の入力端子は抵抗８
９を介してオペアンプ９０の出力端子と接続する。オペ
アンプ９０の他方の入力端子は接地する。この抵抗８
８、８９とオペランプ９０は反転増幅器を構成する。こ
の増幅器の増幅率は抵抗８８の抵抗値と抵抗８９の抵抗
値の比によって決定する。変調回路６２の出力端子は発
振回路２の加減算回路のオペアンプ３９の抵抗４０の一
端に接続する。

【００４２】〔角速度検出装置の動作説明〕つぎに以上
の構造による角速度検出装置の動作を説明する。まえに
述べたように、振動子１の駆動用枝７の駆動電極１１と
１４の対は接続線２８を介して出力端子２５と、駆動電
極９と１０の対は接続線２９を介して出力端子２６と、
駆動電極１２と１３の対は接続線３０を介して出力端子
２７といづれも駆動用枝７の下部延長線より外側に配置
された接続線で接続されている。

【００４３】また、検出用枝８の検出電極１６と検出電
極１７の対は接続線２２を介して出力端子２２と、検出
電極１５と検出電極１８の対は接続線２１を介して出力
端子２１と、ともに検出用枝８の下部延長線より外側に
配置された接続線で接続されている。

【００４４】駆動用枝と検出用枝とを完全に分離した構
造として、駆動電極の接続線を検出電極の接続線とかな
り離して配置したことにより、実用上、駆動電極の接続
線に流れる駆動電流による電界の影響を受けることがな
い。

【００４５】また、図には示していないが、振動子１の
基部のＸ面に直交する一部導電性の支持部材で振動子を
支持し、支持部材の導電性の部分を接地すれば、電界の
影響をより完全に防ぐことも可能である。

【００４６】まえにも述べたように、振動子１の駆動用
枝７の駆動電極９と駆動電極１０の対は発振回路２の電
流増幅回路のオペアンプ３１の入力端子に、駆動電極１
２と駆動電極１３の対は反転回路の出力側に、駆動電極
１１と駆動電極１４の対は加減算回路のオペアンプ３９
の出力側に接続している。制御回路の出力電圧△Ｖ２は
発振回路２の起動時は０であり、反転回路の出力電圧Ｖ
１はそのまま加減算回路の出力電圧Ｖｏ＝Ｖ１となり、
駆動電極１２と駆動電極１３の対と駆動電極１１と駆動
電極１４の対には同じ大きさの電圧Ｖ１が加わる。これ
によって、電流増幅回路と反転回路と加減算回路と振動
子１の駆動用枝７とは正帰還ループを形成し、この帰還
が最大になるところで安定に発振を持続する。抵抗３６
と容量３７は発振開始のための時定数であり、振動子１
の発振周波数より高く設定する。このオペアンプ３４は
コンパレータを用いると高い利得が得られるため振動子
１への負荷が小さくなり、安定度の高い発振回路にな
る。

【００４７】振動子１の駆動用枝７は共振周波数ｆ０で
振動し、また検出用枝８も同じ周波数ｆ０で共振する。
水晶単結晶板としてＺ板を用いると、振動方向は図２の
Ｘ方向（面内振動）となる。Ｚ板を９０度回転したＸ板
を用いると振動方向はＺ方向（面外振動）となる。Ｚ板
を９０度回転した板の場合は、Ｚ板の面内振動を面外振
動に面外振動を面内振動に置き換えればよいので、以下
の説明はＺ板について行う。

【００４８】角速度検出装置が起動したときに振動子１
の微少な面外振動によって、検出用枝８の二つの検出電
極対の間にわずかな漏れ出力電圧が発生する。この漏れ
出力電圧による検出回路３の検出電圧を制御回路６が抑
制する動作を図１３、図１４と図１５、図１６とを用い
て説明する。

【００４９】制御回路の第１の動作説明図である図１３
において、時刻ｔ＝ｔ１で角速度検出装置が起動し、発
振回路２が共振周波数ｆ０で振動状態になると、振動子
１のわずかな面外振動にもとづく漏れ出力電圧により検
出回路３の検出電圧の波形は（ａ）のような正弦波とな
る。発振回路２の出力電圧の波形は（ｅ）である。この
検出電圧が検波回路４の入力端子に加わると、時間ｔ＝
ｔ１からｔ２では、トランスミッション・ゲートの制御
端子に加わる発振回路２の出力電圧によって、トランス
ミッション・ゲート４９のみが導通し、検出電圧はその
まま検波回路４の出力電圧となる。

【００５０】つぎに、時間ｔ＝ｔ２からｔ３では、発振
回路２の出力電圧は反転するため、検波回路４のトラン
スミッション・ゲート５０のみが導通する。抵抗４６、
４７とオペアンプ４８による反転回路により反転した検
出電圧が検波回路４の出力電圧となる。このため、検波
回路の出力電圧の波形は（ｂ）となる。以下はこのくり
返しとなり、検出電圧の負の部分が正方向に折り返した
検波波形となる。

【００５１】検波回路４の出力電圧は直流分と共振周波
数ｆ０の２倍の周波数成分とを含む波形となる。この検
波回路４の出力電圧がローパスフィルタ５の入力端子に
加わる。このローパスフィルタ５は多重帰還型二次低域
通過アクティブフィルタであり、周波数２・ｆ０を含む
交流周波数成分をカットし、直流成分のみとする。この
結果、ローパスフィルタ５の出力電圧の波形は（ｃ）と
なり、時間ｔ＝ｔ１からｔ３までの間は、ほぼ一定値を
示す。

【００５２】制御回路６の電圧検出回路５９の出力電圧
はあらかじめ「ｈｉｇｈ」に設定されているため、スイ
ッチ５８は導通状態である。したがって、ローパスフィ
ルタ５の出力電圧はスイッチを通して積分回路６０の入
力端子に加わる。

【００５３】積分回路６０は図１０に示すように抵抗７
２と容量７４を時定数として、ローパスフィルタ５の出
力電圧を積分する。容量７４はあらかじめＭＯＳトラン
ジスタスイッチ７５を導通して積分回路６０の出力電圧
を「０」としておく。ローパスフィルタ５の直流の出力
電圧により、積分回路６０の出力電圧は時間ｔ＝ｔ１か
らｔ３までは「０」から直線状に増加して、その波形は
（ｄ）となる。積分回路６０の出力電圧はサンプル・ホ
ールド回路６１の入力端子に加わる。

【００５４】サンプル・ホールド回路６１は図１１に示
すように、ＡＮＤゲート７６の一方の入力端子は電圧検
出回路のあらかじめ「ｈｉｇｈ」に設定されている出力
電圧が加えられる。ＡＮＤゲート７６の他方の入力端子
は図面には示していないが、簡単な回路により、発振回
路２の出力電圧の波形（ｅ）の立ち上がりの矢印波形を
含む短いパルス幅のサンプル信号に変換して加えられ
る。ＡＮＤゲート７６の一方の入力端子は「ｈｉｇｈ」
であるので、ＡＮＤゲート７６の出力端子には出力電圧
としてサンプル信号が表れる。

【００５５】このサンプル信号によりＭＯＳトランジス
タスイッチ７９が導通して、その時点での積分回路６０
の出力電圧を容量８０がホールドする。すなわち、時刻
ｔ＝ｔ１、ｔ３、ｔ５、ｔ７時の積分回路６０の出力電
圧をサンプルしてホールド電圧とするため、波形（ｆ）
のような階段状の波形になる。このホールド電圧は、高
入力インピーダンスであるオペアンプ８１を介して、サ
ンプルホールド回路６１の出力端子に出力電圧として表
れる。

【００５６】サンプルホールド回路６１の出力電圧は変
調回路６２の入力端子に加わる。ホールド電圧は発振回
路２の出力電圧によって変調され、変調回路６２の電圧
波形は（ｇ）のように段階的に増加する。変調回路６２
の利得はオペアンプ９０の抵抗８８と抵抗８９の抵抗比
によって最適化する。この変調回路６２の出力電圧は発
振回路２の加減算回路の抵抗４０に加わる。

【００５７】時刻ｔ＝ｔ３からｔ４のとき、振動子１は
図１５の点線で示すように、駆動用枝７が左方向、検出
用枝８が右方向にごくわずか面外方向に振動している。
この状態で発振回路２の加減算回路の出力電圧Ｖｏは反
転回路の正の出力電圧Ｖ１から制御回路６の変調回路６
２の電圧波形（ｇ）で示される正の出力電圧△Ｖ２を減
算してＶ１より小さい電圧となるため、この加減算回路
の出力電圧Ｖｏが加わる駆動電極１１と１４の電位は駆
動電極１２と１３より低くなり、実質的に実線の矢印方
向に電界が発生する。この発生電界により駆動用枝７は
面外振動を阻止するように実線矢印の右方向の力、駆動
用枝７に同期した検出用枝８は左方向の力を受ける。

【００５８】また、時刻ｔ＝ｔ４からｔ５までは図１３
の逆方向に面外振動するが、発振回路２の反転回路の出
力電圧Ｖ１と制御回路６の変調回路６２の出力電圧△Ｖ
２はともに負になり、加減算回路の出力電圧Ｖｏは絶対
値がｔ＝ｔ３からｔ４までと絶対値が同じ負の電圧とな
るため、発生電界が逆になり、このときも駆動用枝７に
同期した検出用枝８はｔ＝ｔ３からｔ４までと同じ面外
振動を阻止する力を受ける。

【００５９】時刻ｔ＝ｔ５からｔ６になると、変調回路
６２の出力電圧△Ｖ２がさらに大きくなり、加減算回路
の出力電圧はさらに減少して実質的な発生電界はより大
きくなる。これにともなって、面外振動を阻止する力も
大きくなる。

【００６０】時刻ｔ＝ｔ６からｔ７までは、加減算回路
の出力電圧はｔ＝ｔ５からｔ６までと絶対値が同じ負の
電圧となるため、発生電界が逆になり、ｔ＝ｔ５からｔ
６までと同じ面外指導を阻止する力を受ける。

【００６１】時刻ｔ＝ｔ７になると、さらに変調回路６
２の電圧波形（ｆ）のように、出力電圧△Ｖ２が大きく
なり、面外振動を阻止する力も大きくなって、面外振動
の振幅とつりあった状態になり、面外振動はゼロにな
る。これによって、検出回路の出力電圧はゼロとなり、
検波回路４とローパスフィルタ５の出力電圧もともにゼ
ロになる。

【００６２】このとき、図９の電圧検出回路５９のオペ
アンプ６４はローパスフィルタ５の出力電圧が正からゼ
ロになるゼロクロス検出をして、オペアンプ６４の出力
電圧は「ｌｏｗ」から「ｈｉｇｈ」になる。Ｄ−ＦＦ６
６とＡＮＤゲート６８とによって、波形（ｈ）のリセッ
ト信号が発生し、ＯＲゲート７０を介してＳＲ−ＦＦ７
１のリセット端子に加わる。

【００６３】このＳＲ−ＦＦ７１の出力である電圧検出
回路５９の出力端子の出力電圧は、波形（ｉ）のように
「ｈｉｇｈ」から「ｌｏｗ」となり、サンプルホールド
回路６１の一方の入力は「ｌｏｗ」になり、サンプル信
号はＡＮＤゲート７６で阻止され、ＭＯＳトランジスタ
スイッチ７９は非導通し、容量８０は波形（ｆ）のよう
に、積分回路６０の出力電圧をホールドする。また、電
圧検出回路５９の出力電圧により、同様に制御回路６の
スイッチ５８も非導通になる。

【００６４】以後、振動子１の面外振動の振幅をゼロに
する一定の変調回路３４の出力電圧が発振回路２の加減
算回路に常時加減算される。

【００６５】ここで、制御回路６の第２の動作説明図で
ある図１４では、図１３の動作説明図と１８０度位相の
異なる面外振動における波形を示している。振動子２は
図１６のように、図１５と逆方向に面外振動するため、
検出回路３の出力波形（ａ）は１８０度ずれ、検波回路
４の出力波形は（ｂ）のように０より下側となり、ロー
パスフィルタ５の出力波形も（ｃ）のように負となる。
積分回路６０の出力波形も（ｄ）のように負側に増加
し、サンプルホールド回路６１の出力波形は負側に階段
状になる。これによって、変調回路６２の出力波形は
（ｇ）のように図１０に比較して１８０度位相の異なる
波形となる。

【００６６】この変調回路６２の出力電圧は図１６の点
線の矢印方向の面外振動の力を阻止する実線の矢印方向
の力となる。動作の詳細は制御回路６の第１の動作説明
図である図１３と同じであるため省略する。ただし、電
圧検出回路５９のオペアンプ６４ははローパスフィルタ
５の出力電圧が負からゼロになるゼロクロス電圧を検出
してオペアンプ６４の出力電圧は「ｈｉｇｈ」から「ｌ
ｏｗ」になる。この出力電圧はインバータ６５により反
転し、Ｄ−ＦＦ６７とＡＮＤゲート６９とにより、同様
にリセット信号（ｈ）を発生するところが異なるのみで
ある。

【００６７】このような制御回路６の動作によって、検
出回路３と検波回路４とローパスフィルタ５の出力電圧
はすべてゼロに、かつ制御回路６のスイッチ５８は非導
通の状態に保たれる。

【００６８】この状態で振動子１を図２のＹ軸方向を中
心軸に回転すると、角速度出力端子２０に回転に比例し
た角速度出力が得られる。

【００６９】〔別の実施形態における振動子の電極構造
説明：図１７〕図１７は本発明の第２の実施形態におけ
る振動子の電極構造を示す断面図である。振動子の電極
構造以外の全体の構成は図１と同じである。駆動用枝７
のＸ方向振動面に分割された駆動電極９３、９４と駆動
電極９５、９６とをＺ方向振動面全体に駆動電極９１、
９２とを設ける。駆動電極９３と駆動電極９６を対とし
て出力端子２７に、駆動電極９４と駆動電極９５を対と
して出力端子２５に、駆動電極９１と駆動電極９２を対
として出力端子２６に接続する。

【００７０】さらに、検出用枝８のＸ方向振動面に分割
された検出電極９７、９８と検出電極９９、１００とを
設ける。検出電極９７と検出電極１００とを対として出
力端子２１に接続し、検出電極９８と検出電極９９を接
続して出力端子２２に接続する。

【００７１】この電極構造とすると、振動子のＸ方向の
振動面に分割電極を形成すればよいので、比較的製作が
容易になり低価格な角速度検出装置が実現できる。

【００７２】〔別の実施形態における振動子の電極構造
説明：図１８〕図１８は本発明の第３の実施形態におけ
る振動子の電極構造を示す断面図である。振動子の電極
構造以外の全体の構成は図１と同じである。また振動子
の駆動用枝７の駆動電極の構造は本発明の第２の実施形
態における振動子と同じである。

【００７３】検出用枝８の検出電極は、Ｘ方向振動面と
Ｚ方向振動面ともに中心部を除いた４つの検出電極１０
１、１０２、１０３、１０４の電極構造とする。検出電
極１０１と検出電極１０４を対として出力端子２１に接
続し、検出電極１０２と検出電極１０３を対として出力
端子２２に接続する。

【００７４】この電極構造とすると、検出電極の面積が
大きくなって、検出用枝の検出感度が向上するので、よ
り高感度の角速度検出装置が実現できる。

【００７５】上述した説明では、両電源（＋Ｖ電源と−
Ｖ電源）を用いたため、制御回路６の動作によって、検
出回路３と検波回路４とローパスフルタ５の出力電圧は
すべてゼロに保たれるとしたが、片電源（＋Ｖ電源）の
みを用いた場合は、電源電圧＋Ｖの半分である＋Ｖ／２
に保ってもよく、また、任意の一定値に設定してもよ
い。

【００７６】以上説明した実施形態では振動子の自励振
動方向をＸ方向である面内方向としたが、自励方向振動
をＺ方向である面外振動として用いてもよく、検出用枝
はコリオリ力によって面内振動する。

【００７７】以上説明した実施形態では、振動子の基板
の材料が水晶の励を示したが、タンタル酸リチウム単結
晶、ニオブ酸リチウム単結晶、ホウ酸リチウム単結晶当
圧電性を示す材料でもよい。

【００７８】また、圧電セラミックスのチタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）当を用いて振動子とすることも可能で
ある。さらに、シリコン基板にＺｎＯ等の圧電材料を用
いて高周波スパッタリング法で圧電膜を形成して振動子
とすることも可能である。

【００７９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
角速度検出装置においては、面内方向に自励振動する３
対の駆動電極を有する駆動用枝と駆動用枝に同期して面
内振動し、回転にともなうコリオリ力によって面外振動
する２対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
として、駆動電極の接続線が検出電極から離れた構造と
したため、駆動電極の接続線に流れる電流による電界の
影響を受けることなく、検出電極に駆動電圧と同相の検
出電圧が発生することがない。これによって、検出精度
を高めることができる。

【００８０】さらに、機械的結合あるいは各電極のわず
かな蒸着誤差により、非回転時にわずかな面外振動によ
る漏れ出力電圧を、ローパスフィルタの出力に応じて振
動子の面外振動を抑制する制御回路によって検出出力を
ゼロとすることにより、さらに検出精度を高めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における角速度検出装置の全
体の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施形態における角速度検出装置の振
動子の前面斜視図である。

【図３】本発明の実施形態における角速度検出装置の振
動子の後面斜視図である。

【図４】本発明の実施形態における角速度検出装置の発
振回路の構成を示す回路図である。

【図５】本発明の実施形態における角速度検出装置の検
出回路の構成を示す回路図である。

【図６】本発明の実施形態における角速度検出装置の検
波回路の構成を示す回路図である。

【図７】本発明の実施形態における角速度検出装置のロ
ーパスフィルタの構成を示す回路図である。

【図８】本発明の実施形態における角速度検出装置の制
御回路の構成を示すブロック図である。

【図９】本発明の実施形態における角速度検出装置の電
圧検出回路の構成を示す回路図である。

【図１０】本発明の実施形態における角速度検出装置の
積分回路の構成を示す回路図である。

【図１１】本発明の実施形態における角速度検出装置の
サンプルホールド回路の構成を示す回路図である。

【図１２】本発明の実施形態における角速度検出装置の
変調回路の構成を示す回路図である。

【図１３】本発明の実施形態における角速度検出装置の
制御回路の第１の動作説明図である。

【図１４】本発明の実施形態における角速度検出装置の
制御回路の第２の動作説明図である。

【図１５】本発明の実施形態における角速度検出装置の
振動子の面外振動とその抑制を示す第１の説明図であ
る。

【図１６】本発明の実施形態における角速度検出装置の
振動子の面外振動とその抑制を示す第２の説明図であ
る。

【図１７】本発明の第２の実施形態における振動子の電
極構造を示す断面図である。

【図１８】本発明の第３の実施形態における振動子の電
極構造を示す断面図である。

【図１９】従来技術における角速度検出素子を示す外観
斜視図である。

【図２０】従来技術における角速度検出素子を示す断面
図である。

【符号の説明】

１：振動子２：発振回路３：検出回路４：検波回路５：ローパスフィルタ
６：制御回路５８：スイッチ５９：電圧検出回路６
０：積分回路６１：サンプルホールド回路６２：変調回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】面内（面外）方向に自励振動する３対の
駆動電極を有する駆動用枝と駆動用枝に同期して面内
（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によって面
外（面内）振動する２対の検出電極を有する検出用枝と
を有する振動子と、振動子の駆動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励
振動するための電流増幅回路と反転回路と加減算回路と
を有する発振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換す
る検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの出力に応じて発振回路の
加減算回路の入力を制御して振動子の面外（面内）振動
を抑制する制御回路とを備えることを特徴とする角速度
検出装置。
【請求項２】面内（面外）方向に自励振動する３対の
駆動電極を有する駆動用枝と駆動用枝に同期して面内
（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によって面
外（面内）振動する２対の検出電極を有する検出用枝と
を有する振動子と、振動子の駆動用枝が自励振動するための電流増幅回路と
反転回路と加減算回路とを有し、電流増幅回路の入力と
振動子の駆動用枝の第１の駆動電極の対とを接続し、反
転回路の出力と第２の駆動電極の対とを接続し、加減算
回路の出力と第３の駆動電極の対とを接続する発振回路
と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換す
る検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの出力に応じて発振回路の
加減算回路の入力を制御して振動子の面外（面内）振動
を抑制する制御回路とを備えることを特徴とする角速度
検出装置。
【請求項３】面内（面外）方向に自励振動する３対の
駆動電極を有する駆動用枝と駆動用枝に同期して面内
（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によって面
外（面内）振動する２対の検出電極を有する検出用枝と
を有する振動子と、振動子の駆動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励
振動するための電流増幅回路と反転回路と加減算回路と
を有する発振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換す
る検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの出力に応じて発振回路の
加減算回路の入力を制御して振動子の面外（面内）振動
を抑制するためのスイッチと電圧検出回路と積分回路と
サンプルホールド回路とを有する制御回路とを備えるこ
とを特徴とする角速度検出装置。
【請求項４】面内（面外）方向に自励振動する３対の
駆動電極を有する駆動用枝と駆動用枝に同期して面内
（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によって面
外（面内）振動する２対の検出電極を有する検出用枝と
を有する振動子と、振動子の駆動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励
振動するための電流増幅回路と反転回路と加減算回路と
を有する発振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換す
る検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタ出力に応じて発振回路の加
減算回路の入力を制御して振動子の面外（面内）振動を
抑制するための制御回路と、を備える角速度検出装置の駆動方法であって、非回転時の角速度出力をつねに一定値に保つことを特徴
とする角速度検出装置の駆動方法。
【請求項５】面内（面外）方向に自励振動する３対の
駆動電極を有する駆動用枝と駆動用枝に同期して面内
（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によって面
外（面内）振動する２対の検出電極を有する検出用枝と
を有する振動子と、振動子の駆動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励
振動するための電流増幅回路と反転回路と加減算回路と
を有し、電流増幅回路の入力と振動子の駆動用枝の第１
の駆動電極の対とを接続し、反転回路の出力と第２の駆
動電極の対とを接続し、加減算回路の出力と第３の駆動
電極の対とを接続する発振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換す
る検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの出力に応じて発振回路の
加減算回路の入力を制御して振動子の面外（面内）振動
を抑制する制御回路と、を備える角速度検出装置の駆動方法であって、非回転時の角速度出力をつねに一定値に保つことを特徴
とする角速度検出装置の駆動方法。
【請求項６】面内（面外）方向に自励振動する３対の
駆動電極を有する駆動用枝と駆動用枝に同期して面内
（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によって面
外（面内）振動する２対の検出電極を有する検出用枝と
を有する振動子と、振動子の駆動用枝の駆動電極に接続し、駆動用枝が自励
振動するための電流増幅回路と反転回路と加減算回路と
を有する発振回路と、振動子の検出用枝の検出電極の検出電流を電圧に変換す
る検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタと、非回転時のローパスフィルタの出力に応じて発振回路の
加減算回路の入力を制御して振動子の面外（面内）振動
を抑制するためのスイッチと電圧検出回路と積分回路と
サンプルホールド回路とを有する制御回路と、を備える角速度検出装置の駆動方法であって、非回転時の角速度をつねに一定値に保つことを特徴とす
る角速度検出装置の駆動方法。