JP2000171256A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な装置構成の加速度検出機能付き角速度
検出装置を提供する。 【解決手段】 この装置は、Ｙ軸に垂直な方向Ｚの圧電
性結晶２ｐの歪みを検出するように圧電性結晶２ｐの所
定部位に設けられた電極２ａ〜２ｄと、この電極２ａ〜
２ｄからの出力に基づいて垂直方向Ｚの加速度を検出す
る検出手段１０３ｓ，１０３ｔ，１０３ｕ，１０３ｖと
を備える。本装置によれば、加速度のみならず、加速度
を検出手段によって求めることができ、且つ、従来のよ
うに静電容量を構成するための基体が不要となるため装
置構成を簡易にすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両、航空機若し
くは船舶等の移動体又は撮像機器等の被検出体に設けら
れ、被検出体の角速度を検出する角速度検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の加速度検出機能を備えた静電容量
型の角速度検出装置は、特開昭６０−４７９１３号公報
に記載されている。角速度検出装置が被検出体に設けら
れ、被検出体が回転運動を行うと、振動体の特定方向の
振動がコリオリの力、すなわち被検出体の角速度に応じ
て変化し、振動体と基体との間の静電容量変化に基づい
て出力信号が変化する。この装置においては、この出力
信号を観察することによって被検出体の角速度を検出す
ることができるが、振動体自体に加速度が加わると振動
体全体が撓むため、この全体の撓み量を上記静電容量を
検出することにより加速度を検出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置においては、静電容量を構成するための基体が必要
であり、装置が複雑化するという問題がある。本発明
は、このような課題に鑑みてなされたものであり、簡易
な構成で加速度も検出可能な角速度検出装置を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る角速度検出
装置は、圧電性結晶を振動させ、この振動の速度と所定
軸回りの角速度に応じて発生するコリオリの力を圧電性
結晶に働かせ、コリオリの力による振動によって圧電性
結晶に発生する電荷を圧電性結晶に設けられた電極から
取り出し、角速度を検出する角速度検出装置において、
軸に垂直な方向の圧電性結晶の歪みを検出するように圧
電性結晶の所定部位に設けられた電極と、この電極から
の出力に基づいて垂直方向の加速度を検出する検出手段
とを備えることを特徴とする。

【０００５】本装置によれば、圧電性結晶の所定部位に
電極を設けることにより、加速度に応じた信号をこれか
ら出力させることができ、検出手段によって、この出力
を処理して加速度を求めるため、静電容量を構成するた
めの基体が不要となり、装置構成を簡易にすることがで
きる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る圧電式角
速度検出装置について説明する。同一要素又は同一機能
を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する
説明は省略する。

【０００７】図１は、本実施の形態に係る圧電式角速度
検出装置の平面図である。この圧電式角速度検出装置
は、支持台１０１及び支持台１０１上に一端部が固定さ
れた圧電振動子１０２を備える。

【０００８】以下の説明においては、支持台１０１から
振動子１０２に向かう方向を「上」方向とし、これと逆
向きの方向を「下」方向と規定する。また、振動子１０
２の上下方向、すなわち、厚み方向をＺ軸方向と規定
し、振動子１０２の長手方向をＹ軸方向、これらＺ軸及
びＹ軸に直交する方向をＸ軸方向と規定する。また、本
振動子１０２は水晶振動子であって、上記規定のＸ軸、
Ｙ軸及びＺ軸は、それぞれ水晶のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に
一致する。すなわち、本水晶振動子１０２は、表面が水
晶のＺ軸に垂直な水晶ウエハ（Ｚ板）をエッチングする
ことによって製造される。

【０００９】支持台１０１は、ＸＹ平面に平行な主表面
Ｓ１及び主表面Ｓ１に段差を介して連続する設置表面Ｓ
２を有する。なお、設置表面Ｓ２は、主表面Ｓ１よりも
振動子１０２に近い。

【００１０】振動子１０２は、設置表面Ｓ１に固定され
る固定部１と、固定部１の一端に一端が連続し、Ｙ軸の
正方向に沿って延びる支持部２と、支持部２の他端に連
続し、Ｘ軸の正負の方向に沿って延びる基部３と、基部
３の両端からそれぞれＹ軸の正方向に沿って延びる１対
の励振用振動片４，５と、基部３の両端からそれぞれＹ
軸の負方向に沿って延びる１対の検出用振動片６，７と
を備える。

【００１１】更に、この振動子１０２の支持部には、加
速度検出用電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが設けられてい
る（図２参照）。

【００１２】図２は、本実施の形態に係る圧電式角速度
検出装置の電気的構成を示す説明図である。なお、図２
中の点線領域ＸＡ内には図１に示した励振用振動片４，
５のＡ−Ａ矢印断面を示し、点線領域ＸＢ内には図１に
示した検出用振動片６，７のＢ−Ｂ矢印断面を示し、点
線領域ＸＣ内には図１に示した支持部２のＣ−Ｃ矢印断
面を示す。

【００１３】本装置は、振動子１０２に電気的に接続さ
れた処理回路１０３を備えている。励振用振動片４，５
は、Ｙ軸に垂直な断面が略長方形を有する圧電性結晶部
４ｐ，５ｐをそれぞれ備える。圧電性結晶部４ｐ，５ｐ
は水晶からなる。圧電性結晶部４ｐの長方形断面は、Ｚ
軸に垂直な上辺及び下辺とＸ軸に垂直な左辺及び右辺と
を有する。圧電性結晶部４ｐの上辺、下辺、左辺及び右
辺上には、それぞれ、電極４ｕ、４ｓ、４ｈ及び４ｍが
固定されており、電極４ｕ、４ｓ、４ｈ及び４ｍは互い
に離隔し、それぞれＹ軸方向に沿って延びている。励振
用振動片５の構造は、励振用振動片４の構造と同一であ
り、圧電性結晶部５ｐ及び圧電性結晶部５ｐ断面内のそ
れぞれの辺に設けられた電極５ｕ、５ｓ、５ｈ及び５ｍ
を備える。

【００１４】検出用振動片６，７は、Ｙ軸に垂直な断面
が略長方形を有する圧電性結晶部６ｐ，７ｐをそれぞれ
備える。圧電性結晶部６ｐ，７ｐは水晶からなる。圧電
性結晶部６ｐの長方形断面は、Ｚ軸に垂直な上辺及び下
辺とＸ軸に垂直な左辺及び右辺とを有する。これらの辺
の交点で規定される圧電性結晶部６ｐ断面内の４つの角
の近傍には、電極６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄがそれぞれ
固定されており、電極６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄは互い
に離隔し、それぞれＹ軸方向に沿って延びている。検出
用振動片７の構造は、検出用振動片６の構造と同一であ
り、圧電性結晶部７ｐ及び圧電性結晶部７ｐ断面内の４
つの角の近傍にそれぞれ設けられた電極７ａ、７ｂ、７
ｃ及び７ｄを備える。

【００１５】支持部２の断面構造は検出用振動片６の構
造と同一であり、支持部２は、圧電性結晶部６ｐ及び電
極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに対応して、圧電性結晶部２
ｐ及び電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備えている。

【００１６】処理回路１０３は、振動子１０２に接続さ
れる４つの端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４と、角速度情
報を有する信号が出力される出力端子Ｔ５とを有する。

【００１７】更に、処理回路１０３は、振動子１０２の
支持部２に接続される２つの端子Ｔ６及びＴ７と、加速
度情報を有する信号が出力される出力端子Ｔ８とを有す
る。

【００１８】励振用振動片４，５の電極４ｕ、４ｓ、５
ｍ、５ｈは端子Ｔ１に接続されており、電極４ｍ、４
ｈ、５ｕ、５ｓは端子Ｔ２に接続されている。すなわ
ち、電極４ｕ、４ｓ、５ｍ、５ｈ、４ｍ、４ｈ、５ｕ、
５ｓは、端子Ｔ２に方形波電圧信号などの電圧信号を印
加することによって圧電性結晶部４ｐ，５ｐがＸ軸方向
に振動するように圧電性結晶部４ｐ，５ｐに設けられて
いる。

【００１９】検出用振動片６，７の電極６ａ、６ｄ、７
ｂ、７ｃは端子Ｔ３に接続されており、電極６ｂ、６
ｃ、７ａ、７ｄは端子Ｔ４に接続されている。すなわ
ち、電極６ａ、６ｄ、７ｂ、７ｃ（第１電極）及び電極
６ｂ、６ｃ、７ａ、７ｄ（第２電極）は、それぞれ、検
出用の圧電性結晶部６ｐ，７ｐのＺ軸方向の振動振幅に
応じた互いに逆位相の信号が端子Ｔ３及びＴ４からそれ
ぞれ出力されるように圧電性結晶部６ｐ，７ｐに設けら
れている。

【００２０】励振用振動片４，５がＸ軸方向に沿って振
動すると、圧電性結晶部４ｐ，５ｐが変形し、端子Ｔ１
に接続された電極４ｕ、４ｓ、５ｍ、５ｈから圧電性結
晶部４ｐ，５ｐの圧電効果に基づく電流が電流電圧変換
回路１０３ｂに流れ込む。電流電圧変換回路１０３ｂか
らは、振動片４，５の振動の周波数と同一の周波数の交
流電圧信号が出力される。

【００２１】電流電圧変換回路１０３ｂから出力された
交流電圧信号は増幅回路１０３ｃに入力され、増幅回路
１０３ｃからは増幅された交流電圧信号が出力される。
この交流電圧信号は、比較器１０３ａに入力される。比
較器１０３ａは、入力される交流電圧信号の振幅中心を
基準電圧として、交流電圧信号と基準電圧との比較結果
に応じて出力レベルの切り換る方形波電圧信号を出力す
る。比較器１０３ａから出力される方形波電圧信号に
は、増幅回路１０３ｃに接続された自動利得制御回路１
０３ｄからの出力が重畳され、端子Ｔ２に加えられる。

【００２２】自動利得制御回路１０３ｄは、増幅回路１
０３ｃから出力される交流電圧信号の振幅を監視してお
り、この交流電圧信号の振幅、すなわち、励振用振動片
４，５の振動振幅が大きくなった場合には、端子Ｔ２に
印加される方形波電圧信号の振幅を小さくして励振用振
動片４，５の振動振幅を小さくし、逆に、励振用振動片
４，５の振動振幅が小さくなった場合には、端子Ｔ２に
印加される方形波電圧信号の振幅を大きくして励振用振
動片４，５の振動振幅を大きくし、励振用振動片４，５
の振動振幅を一定値に保持する。

【００２３】励振用振動片４，５をＸ軸方向に振動させ
た状態で、この角速度検出装置が設けられた被検出体が
Ｙ軸を回転軸とする回転運動を行うと、励振用振動片
４，５の振動速度及び被検出体の角速度の積に応じたコ
リオリの力が、励振用振動片４，５に働き、励振用振動
片４，５がＺ軸方向に屈曲振動する。したがって、励振
用振動片４，５の振動速度に応じてコリオリの力の大き
さも時間的に変化して振動する。なお、励振用振動片
４，５の振動速度は、振動の振幅中心に励振用振動片
４，５が位置する場合に最も大きいため、励振用振動片
４，５の振動速度から決定されるコリオリの力の振動の
位相は励振用振動片４，５のＸ軸方向の振動位置の位相
と約９０°ずれている。

【００２４】検出用振動片６，７は、励振用振動片４，
５に機械的に結合しているため、励振用振動片４，５の
Ｚ軸方向の振動が検出用振動片６，７に伝達され、検出
用振動片６，７がＺ軸方向に振動する。検出用振動片
６，７がＺ軸方向に振動すると、この振動に応じて検出
用の圧電性結晶部６ｐ，７ｐがＺ軸方向に変形するた
め、圧電性結晶部６ｐ，７ｐの圧電効果に基づいて、端
子Ｔ３及びＴ４からは、それぞれ逆位相の電流信号がチ
ャージアンプ１０３ｅ及び１０３ｆに入力される。チャ
ージアンプ１０３ｅ及び１０３ｆと、電流電圧変換回路
１０３ｂとは、入出力信号間の位相が約９０°ずれてい
るため、結果的にチャージアンプ１０３ｅ又は１０３ｆ
から出力される交流電圧信号の位相と、電流電圧変換回
路１０３ｂから出力される交流電圧信号の位相とは同位
相または逆位相となる。

【００２５】チャージアンプ１０３ｅ及び１０３ｆから
それぞれ出力される第１及び第２交流電圧信号（第１及
び第２信号）は、被検出体の角速度に応じて発生した互
いに逆位相の信号であり、これらの逆位相の信号は差動
増幅回路１０３ｇに入力される。差動増幅回路１０３ｇ
は、入力される第１及び第２交流電圧信号をそれぞれ第
１及び第２増幅率で増幅し、増幅された信号の差を出力
する。これらの第１及び第２増幅率は、被検出体の角速
度が零のときの差動増幅回路１０３ｇの出力の振幅が略
零となるように設定される。したがって、被検出体の角
速度が零のときには、差動増幅回路１０３ｇから出力さ
れる交流電圧信号の振幅は略零となる。

【００２６】被検出体が適当な角速度を有する場合に
は、この角速度に応じて励振用振動片４，５がＺ軸方向
に振動し、この振動が検出用振動片６，７に伝達される
ことによって検出用振動片６，７がＺ軸方向に振動し、
差動増幅回路１０３ｇからは検出用振動片６，７のＺ軸
方向の振動振幅にその振幅が略比例した交流電圧信号が
出力される。

【００２７】差動増幅回路１０３ｇから出力された交流
電圧信号は、交流増幅回路１０３ｈに入力されることに
よって増幅された後、同期検波回路１０３ｉに入力され
る。同期検波回路１０３ｉには、励振側の増幅回路１０
３ｃから出力された交流電圧信号も入力されており、同
期検波回路１０３ｉは、増幅回路１０３ｃから出力され
た交流電圧信号に同期した方形波電圧信号を生成し、こ
の方形波電圧信号で検出側の増幅回路１０３ｈから出力
された交流電圧信号を同期検波する。

【００２８】ここで、励振側の増幅回路１０３ｃから出
力される交流電圧信号と、検出側の増幅回路１０３ｈか
ら出力される交流電圧信号とは、上述のように位相が揃
っているため、これらの信号の位相を揃えるための移相
回路を必要としない。移相回路は出力信号が温度によっ
て変化する温度特性を有しているため、このような移相
回路を用いないことによって、角速度の検出精度を向上
させることができ、また、移相回路分のコストを削減す
ることができる。

【００２９】同期検波回路１０３ｉから出力された交流
電圧信号は、積分回路１０３ｊに入力され、積分回路１
０３ｊはこの交流電圧信号を積分／平滑化し、入力され
る交流電圧信号に含まれる漏れ信号の振幅情報を除去す
ると共に、ヨーレート信号の振幅情報を抽出して直流電
圧信号に変換する。積分回路１０３ｊから出力された直
流電圧信号は、直流増幅回路１０３ｋに入力され、増幅
された直流電圧信号は出力端子Ｔ５から出力される。な
お、差動増幅回路１０３ｇにおいて、角速度零状態にお
ける出力の振幅が略零となるように設定されているの
で、交流増幅回路１０３ｈの出力を飽和させることな
く、その増幅率を直流増幅回路１０３ｋの増幅率よりも
高く設定することができる。

【００３０】直流増幅回路１０３ｋから出力される直流
電圧信号のレベルは、差動増幅回路１０３ｇから出力さ
れる交流電圧信号の振幅の大きさ、すなわち、被検出体
の角速度に比例する。したがって、この角速度検出装置
は、被検出体の角速度を検出することができる。

【００３１】ここで、振動子１０２にＺ軸方向の加速度
が加わると、支持部２はＺ軸方向に歪み、歪み量、すな
わち加速度に応じて各電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄから
は、圧電電圧信号が出力される。支持部２は殆ど励振の
影響を受けないため、この圧電電圧信号が加速度を直接
示すこととなる。歪みに応じて端子Ｔ６及びＴ７から逆
相で出力される圧電電圧信号は、チャージアンプ１０３
ｓ及び１０３ｔに入力され、電流電圧変換された後、差
動増幅回路１０３ｕに入力されることによって、振幅が
増幅され、しかる後、増幅回路１０３ｖにこれが入力さ
れることによって、更に信号振幅が大きくなる。端子Ｔ
８から出力される増幅回路１０３ｖの出力は、加速度を
示すため、本装置においては、角速度と共に角速度を検
出することができる。なお、増幅回路１０３ｖの後段に
は必要に応じて積分回路等の直流化回路を設けてもよい
し、また、信号中のノイズを除去するために、励振信号
を用いてこの励振信号成分及び／又はヨーレート信号成
分が除去されるように増幅回路１０３ｖの出力信号を同
期検波してもよい。

【００３２】以上、説明したように、上記角速度検出装
置は、圧電性結晶４ｐ、５ｐを振動させ、この振動の速
度と所定軸Ｙ回りの角速度に応じて発生するコリオリの
力を圧電性結晶４ｐ、５ｐに働かせ、コリオリの力によ
る振動によって圧電性結晶に発生する電荷を圧電性結晶
６ｐ、７ｐに設けられた電極６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄか
ら取り出し、角速度を検出する角速度検出装置におい
て、軸Ｙに垂直な方向Ｚの圧電性結晶２ｐの歪みを検出
するように圧電性結晶２ｐの所定部位に設けられた電極
２ａ〜２ｄと、この電極２ａ〜２ｄからの出力に基づい
て垂直方向Ｚの加速度を検出する検出手段１０３ｓ，１
０３ｔ，１０３ｕ，１０３ｖとを備えることを特徴とす
る。

【００３３】本装置によれば、圧電性結晶２ｐの所定部
位に電極２ａ〜２ｄを設けることにより、加速度に応じ
た信号をこれから出力させることができ、検出手段１０
３ｓ，１０３ｔ，１０３ｕ，１０３ｖによって、この出
力を処理して加速度を求めるため、従来のように静電容
量を構成するための基体が不要となり、装置構成を簡易
にすることができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の角速度検出装置によれば、圧電
性結晶の所定部位に電極を設けることにより、加速度に
応じた信号をこれから出力させることができ、検出手段
によって、この出力を処理して加速度を求めるため、装
置構成を簡易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る角速度検出装置の平面図。

【図２】実施の形態に係る角速度検出装置の回路構成を
説明するための説明図。

【符号の説明】

４ｐ，５ｐ，６ｐ，７ｐ，２ｐ…圧電性結晶、６ａ〜６
ｄ，７ａ〜７ｄ…電極、２ａ〜２ｄ…電極、１０３ｓ，
１０３ｔ，１０３ｕ，１０３ｖ…検出手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性結晶を振動させ、該振動の速度と
   所定軸回りの角速度に応じて発生するコリオリの力を前
   記圧電性結晶に働かせ、前記コリオリの力による振動に
   よって前記圧電性結晶に発生する電荷を前記圧電性結晶
   に設けられた電極から取り出し、角速度を検出する角速
   度検出装置において、前記軸に垂直な方向の前記圧電性
   結晶の歪みを検出するように前記圧電性結晶の所定部位
   に設けられた電極と、この電極からの出力に基づいて前
   記垂直方向の加速度を検出する検出手段とを備えること
   を特徴とする角速度検出装置。