JP2000171257A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 故障検出が可能な角速度検出装置を提供す
る。 【解決手段】 この角速度検出装置は、振動子１０２か
ら出力され、振動子１０２の励振振動に基づく自己振動
成分（ｇ）及び振動子１０２に働くコリオリの力に基づ
く角速度成分（ｄ）を含む信号（ｄ＋ｇ）から、角速度
成分（ｄ）を抽出して出力する角速度検出装置におい
て、自己振動成分（ｇ）の振幅を監視する監視手段１０
３ｍ，１０３ｎ，１０３ｏ、１０３ｐを備える。

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】従来の圧電式角速度検出装置は、特開平
１０−１７０２７４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、圧電振動子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、圧電振動子の
圧電効果に基づいて検出電極からの出力信号が変化す
る。

【０００３】検出電極からの出力信号は、好ましくは検
出アンプによって電流電圧変換され、次段の回路に入力
される。圧電式角速度検出装置は、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。圧電振動子から出力される信号は、コリオリの力
に基づく角速度成分のみでなく、振動子自身が励振する
ことによって発生する自己振動成分を含んでいる。この
自己振動成分は、漏れ振動と呼ばれており、上記従来の
装置においては除去され、これによって高精度の角速度
検出を達成していた。

【０００４】

【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、その故障検出を行うことはできなかっ
た。本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので
あり、故障検出が可能な角速度検出装置を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【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、振動子から出力され、振動子の励振振動に基づ
く自己振動成分及び振動子に働くコリオリの力に基づく
角速度成分を含む信号から、角速度成分を抽出して出力
する角速度検出装置において、自己振動成分の振幅を監
視する監視手段を備えることを特徴とする。

【０００６】すなわち、自己振動成分はコリオリの力と
は独立した成分であるため、これは装置の故障検出に用
いることができる。監視手段によって自己振動成分の振
幅が異常値であると判断された場合は、装置故障と判定
することができる。

【０００７】勿論、監視手段は、前記信号から自己振動
成分を抽出することにより直接的に自己振動成分の振幅
を監視することとしてもよいし、前記信号の振幅を監視
することにより間接的に自己振動成分の振幅を監視する
こととしてもよい。

【０００８】

【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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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矢印断面を示す。本
装置は、振動子１０２に電気的に接続された処理回路１
０３を備えている。図３（Ａ）〜図３（Ｉ）は、処理回
路１０３内の電圧波形を示すタイミングチャートであ
る。以下の説明においては、このタイミングチャートを
適宜引用する。

【００１４】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。

【００１５】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。

【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】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。

【００１８】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。

【００１９】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（励振信号（ａ））が出力される（図３
（Ａ））。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。但し、このよう
な場合においても、差動増幅回路１０３ｇの出力信号
（ヨーレート信号（ｄ）（図３（Ｄ））＋漏れ信号
（ｇ）（図３（Ｇ））を含む）は完全な零とはならず、
漏れ信号（ｇ）は僅かに残存している。

【００２５】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
（ｄ，ｇ）が出力される。

【００２６】差動増幅回路１０３ｇから出力された交流
電圧信号（ｄ，ｇ）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１０３ｃから出力された交流電圧信号（励振信号
（ａ）（図３（Ａ））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（励振信号（ａ）（図３（Ａ））に同期した方形波
電圧信号（同期信号（ｂ）（図３（Ｂ））を生成し、こ
の方形波電圧信号（ｂ）で検出側の増幅回路１０３ｈか
ら出力された交流電圧信号（ｄ＋ｇ）を同期検波する。

【００２７】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。

【００２８】同期信号（ｂ）によるヨーレート信号
（ｄ）の同期検波によって、出力信号（ｅ＝ｂ×ｄ）が
得られ（図３（Ｅ））、 同期信号（ｂ）による漏れ信
号（ｇ）の同期検波によって、出力信号（ｈ＝ｂ×ｇ）
が得られる（図３（Ｈ））。

【００２９】同期検波回路１０３ｉから出力された交流
電圧信号（ｅ＋ｈ）は、積分回路１０３ｊに入力され、
積分回路１０３ｊはこの交流電圧信号（ｅ＋ｈ）を積分
／平滑化し、漏れ信号（ｇ）の振幅情報を除去すると共
に、ヨーレート信号（ｄ）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、本圧電式角速度検出
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、励振側の増幅回路１０３ｃの出力
の位相を移相回路１０３ｍによって９０°シフトさせ、
これから同期検波回路１０３ｎによって移相同期信号
（ｃ）（図３（Ｃ））を生成し、この移相同期信号
（ｃ）によって交流信号（ｄ＋ｇ）を同期検波し（図３
（Ｆ）、（Ｉ））、これを積分回路１０３ｏによって積
分すると、上記とは逆に、ヨーレート信号（ｄ）が除去
され、漏れ信号（ｇ）の成分が直流電圧信号として抽出
される。

【００３２】故障判定回路１０３ｐは、漏れ信号（ｇ）
の振幅に応じてレベルの変化する積分回路１０３ｏの出
力信号を監視し、このレベルＶが所定範囲（Ｖ２以上Ｖ
１以下）内にある場合には異常なしの旨の信号を端子Ｔ
６から出力し、所定範囲外にある場合には異常ありの旨
の信号を出力する。なお、図４は故障判定回路１０３ｐ
の一例を示す回路図であり、図５は故障判定回路１０３
ｐへの入力信号のタイミングチャートである。故障判定
回路１０３ｐはコンパレータＣ及びＯＲ回路Ｒを図示の
如く接続してなる。なお、図４に示す回路の出力は逐次
サンプリングされ、異常ありの旨の期間が所定期間を超
えた場合に、異常と判定し、例えばこれが車両に搭載さ
れている場合には、その警告表示等を点灯させる。

【００３３】上記角速度検出装置は、振動子１０２から
出力され、振動子１０２の励振振動に基づく自己振動成
分（ｇ）及び振動子１０２に働くコリオリの力に基づく
角速度成分（ｄ）を含む信号（ｄ＋ｇ）から、角速度成
分（ｄ）を抽出して出力する角速度検出装置において、
自己振動成分（ｇ）の振幅を監視する監視手段１０３
ｍ，１０３ｎ，１０３ｏ、１０３ｐを備える。すなわ
ち、自己振動成分（ｇ）はコリオリの力とは独立した成
分であるため、本装置においては、これを装置の故障検
出に利用した。

【００３４】なお、本実施の形態においては、監視手段
は、信号（ｄ＋ｇ）から自己振動成分（ｇ）を抽出する
ことにより直接的に自己振動成分（ｇ）の振幅を監視す
ることとしたが、これは以下に説明するように、信号
（ｄ＋ｇ）の振幅を監視することにより間接的に自己振
動成分（ｇ）の振幅を監視することとしてもよい。

【００３５】図２は、別の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。本装置に
おいては、交流増幅回路からの出力信号（ｄ＋ｇ）を故
障判定回路１０３ｐに入力する。

【００３６】図７は模式的に示される出力信号（ｄ＋
ｇ）のタイミングチャートである。漏れ信号（ｇ）の振
幅が大きくなったり、極端に小さくなった場合には、出
力信号（ｄ＋ｇ）が上記範囲（Ｖ２〜Ｖ１）から逸脱す
るため、故障判定回路１０３ｐからは異常ありの旨の信
号が出力され、範囲内にある場合には異常なしの旨の信
号が出力される。なお、故障判定回路１０３ｐは差動増
幅回路１０３ｇの出力側や直流増幅回路１０３ｋの出力
側に接続することとしてもよい。

【００３７】図８は、直流増幅回路１０３ｋに接続され
る回路を示す回路図である。本装置においては、直流増
幅回路１０３ｋに、温度変化に対する感度特性が一定と
なるように特性補償又は調整を行う感度／温度補正回路
１０３ｋ’と、温度変化に対する零点やオフセットレベ
ルの変化を抑制するようにレベル補償又は調整を行うレ
ベル補正回路１０３ｋ”とを接続し、高精度の角速度検
出が行えるようにされている。

【００３８】

【発明の効果】本発明の角速度検出装置によれば、自己
振動成分を用いて故障判定を行うことができる。

【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。

【図３】回路内の電圧波形を示すタイミングチャート。

【図４】故障判定回路一例を示す回路図。

【図５】故障判定回路への入力信号のタイミングチャー
ト。

【図６】別の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。

【図７】故障判定回路への入力信号のタイミングチャー
ト。

【図８】直流増幅回路に接続される回路を示す回路図。

【符号の説明】

１０２…振動子、１０３ｍ，１０３ｎ，１０３ｏ，１０
３ｐ…監視手段。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子から出力され、該振動子の励振振
   動に基づく自己振動成分及び該振動子に働くコリオリの
   力に基づく角速度成分を含む信号から、該角速度成分を
   抽出して出力する角速度検出装置において、前記自己振
   動成分の振幅を監視する監視手段を備えることを特徴と
   する角速度検出装置。
2. 【請求項２】 前記監視手段は、前記信号から前記自己
   振動成分を抽出することにより直接的に前記自己振動成
   分の振幅を監視することを特徴とする請求項１に記載の
   角速度検出装置。
3. 【請求項３】 前記監視手段は、前記信号の振幅を監視
   することにより間接的に前記自己振動成分の振幅を監視
   することを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装
   置。