JP2002195832A

JP2002195832A - 角速度検出装置および角速度検出方法

Info

Publication number: JP2002195832A
Application number: JP2000397036A
Authority: JP
Inventors: Noboru Wakatsuki; 昇若月; Hiroshi Tanaka; 浩田中; Kazuji Kikuchi; 一二菊池; Masaki Yanai; 雅紀谷内; Yoshitaka Takahashi; 芳孝高橋; Masaaki Ono; 正明小野
Original assignee: Fujitsu Media Devices Ltd
Current assignee: Fujitsu Media Devices Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高速応答（広帯域）と高感度との異なる圧電
ジャイロ機能を同時に提供する。【解決手段】圧電ジャイロと、その圧電ジャイロを二
つの駆動周波数で同時に励振する駆動手段と、二つの周
波数の角速度成分を検出する検出手段とにより、角速度
を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、角速度センサと
して用いられる、高感度で広い周波数範囲で動作する角
速度検出装置と角速度検出方法とに関するものである。

【０００２】更に具体的には、駆動振動モードの共振周
波数と検出振動モードの共振周波数とよりなる二つの周
波数で同一の圧電ジャイロを駆動することにより、高速
応答と高感度との異なる圧電ジャイロ機能を同時に提供
できる角速度検出装置と角速度検出方法とに関するもの
である。

【０００３】

【従来の技術】運動している物体を回転させると、その
物体の速度の大きさと回転角速度に比例して、運動の向
きにコリオリ力が生じる。

【０００４】圧電ジャイロは、この変位を圧電体で検出
し、センサ出力とするものである。

【０００５】その形状は、音片形、音さ形、Ｈ形などが
あり、圧電材料としては圧電セラミックス、水晶、タン
タル酸リチウムなどが用いられている。

【０００６】そして、並進運動と区別して回転角速度を
検出できる小形センサとして、カメラの手ぶれ検出や自
動車の進行方位の検出用などに用途が急激に広がってい
る従来の圧電ジャイロは駆動振動モードの共振周波数で
駆動している。

【０００７】これに対し、最近本願発明者らは、検出振
動モードの共振周波数での駆動方法を提案した（特開平
２０００−９４６９号公報）。

【０００８】しかしながら、これまでの圧電ジャイロの
駆動周波数は、いずれも単一の周波数であった。

【０００９】たとえば、特開平７−３１８３５４号公報
には振幅が特定周期ごとに変わる信号を発生させ、特定
周期に関連した大きさの異なる２つの検出信号を出力す
る方法が提案されているが、この場合は、ドリフト成分
を除去するため、２つの検出信号を差動で検出しなけれ
ばならず、結果として単一周波数の一つの角速度成分し
か検出できていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】自動車等の移動体やロ
ボットなどの動きにおける角速度特性は、時間応答の速
い運動は角速度が大きく、時間応答のおそい運動は角速
度の変化が小さい。

【００１１】高性能の圧電ジャイロは、このような状況
に対応して、高感度と広帯域の周波数応答性とを同時に
解決することが求められている。

【００１２】これについて、従来の駆動振動モードの共
振周波数駆動では、感度を上げるために駆動電圧を大き
くすることが有効であるが、あまり大きくすると、共振
現象により、圧電ジャイロが機械的応力の限界を超え、
破損する恐れがある。

【００１３】一方、本願発明者らの上記発明のように、
検出振動モードの共振周波数での駆動では、検出振動モ
ードの共振周波数を利用するので、駆動電圧を大幅に大
きくできる。

【００１４】しかしながら、この場合は、検出振動モー
ドのＱ値が高くなると検出可能帯域（３ｄＢ減帯域）が
狭くなり、検出の周波数特性が限定されてしまうという
問題がある。

【００１５】この矛盾した２つの要求に対し、従来のジ
ャイロは、両者のトレードオフによって設計していた。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本願発明は、これに対
し、高速応答だが低感度の圧電ジャイロと、低速応答だ
が高感度のジャイロとを一体化したものであり、これに
よって、ひとつの圧電ジャイロを、あたかも、性能（感
度および周波数応答特性）の異なる複数個のジャイロセ
ンサとして利用できるものである。

【００１７】すなわち、本願発明は次の通りである。

【００１８】１．圧電ジャイロと、前記圧電ジャイロ
を二つの駆動周波数で同時に励振する駆動手段と、二つ
の周波数の角速度成分を検出する検出手段とを具備する
角速度検出装置。

【００１９】２．圧電ジャイロと、前記圧電ジャイロ
を二つの駆動周波数で交互に励振する駆動手段と、二つ
の周波数の角速度成分を検出する検出手段とを具備する
角速度検出装置。

【００２０】３．前記駆動周波数が、駆動振動モード
の共振周波数と検出振動モードの共振周波数とよりなる
ことを特徴とする上記１または上記２に記載の角速度検
出装置。

【００２１】４．検出手段が、駆動振動モードの共振
周波数である駆動周波数については高い方の周波数の角
速度成分を検出し、検出振動モードの共振周波数である
駆動周波数については低い方の周波数の角速度成分を検
出することを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の
角速度検出装置。

【００２２】５．駆動手段と圧電ジャイロとの間にイ
ンピーダンス変換回路を有することを特徴とする上記１
〜４のいずれかに記載の角速度検出装置。

【００２３】６．圧電ジャイロが、ＬｉＴａＯ₃また
はＬｉＮｂＯ₃の単結晶を使用した圧電ジャイロである
ことを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載の角速度
検出方法。

【００２４】７．圧電ジャイロが、Ｈ型振動子を使用
した圧電ジャイロであることを特徴とする上記１〜６の
いずれかに記載の角速度検出装置。

【００２５】８．圧電素子を用いて角速度を周波数の
角速度成分として検出する角速度検出方法であって、二
つの駆動周波数で同時に圧電ジャイロを励振する角速度
検出方法。

【００２６】９．圧電素子を用いて角速度を周波数の
角速度成分として検出する角速度検出方法であって、二
つの駆動周波数で交互に圧電ジャイロを励振する角速度
検出方法。

【００２７】１０．前記駆動周波数が、駆動振動モー
ドの共振周波数と検出振動モードの共振周波数とよりな
ることを特徴とする上記９に記載の角速度検出方法。

【００２８】１１．駆動振動モードの共振周波数であ
る駆動周波数については高い方の周波数の角速度成分を
検出し、検出振動モードの共振周波数である駆動周波数
については低い方の周波数の角速度成分を検出すること
を特徴とする上記１０に記載の角速度検出方法。

【００２９】駆動手段、検出手段、圧電ジャイロについ
ては、本願の目的に反しない限り、どのような装置、回
路等を採用しても良い。

【００３０】また、上記５において「駆動手段と圧電ジ
ャイロとの間にインピーダンス変換回路を有する」と
は、駆動手段の中にインピーダンス変換回路が含まれて
いる場合も含むことは言うまでもない。

【００３１】なお、ここで、「駆動振動モード」とは、
駆動振動の共振周波数で、駆動方向の振動が励振されて
いる状態を意味し、「駆動振動モードの共振周波数」と
は、駆動振動モードを励振する場合の周波数が、駆動振
動方向の共振周波数であることを意味している。

【００３２】また、「検出振動モード」とは、検出振動
の共振周波数で、駆動方向の振動が励振されている状態
を意味し、「検出振動モードの共振周波数」とは、検出
振動モードを励振する場合の周波数が、検出振動方向の
共振周波数であることを意味している。

【００３３】圧電ジャイロの駆動振動モードの振動子特
性は基本的には線形であるので、上記１または８に係る
圧電ジャイロのように、二つの周波数で同時に駆動する
ことが可能となる。

【００３４】そして、その振動状態で角速度が加わり、
コリオリ力によって生じる成分が、それぞれに駆動周波
数の信号への変調信号として観測されることになり、そ
れらを駆動周波数毎に分離して検出すれば、二つの角速
度成分が、それぞれの周波数に対応する検出信号となる
のである。

【００３５】上記２または９に係る圧電ジャイロに示す
ように、本願発明では、二つの周波数を同時に駆動する
かわりに、交互に、時間的に間欠的な駆動をさせること
も可能で、各々の時間的要求に応じた周波数の角速度成
分が得られる。また、要求によっては、駆動周波数を連
続的に変化させる手法も可能である。

【００３６】上記３または４あるいは１０または１１に
係る圧電ジャイロにおいては、駆動振動モードと検出振
動モードとの共振周波数は、周波数差のあることを前提
としている。

【００３７】すなわち、圧電ジャイロは一般的に、上記
両振動モードの共振周波数を完全に一致はできないの
で、本願発明はこれを積極的に利用せんとするものであ
る。

【００３８】駆動周波数として、駆動振動モードの共振
周波数と検出振動モードの共振周波数との２周波数を同
時に使用して駆動すれば、はやい時間応答の角速度は、
駆動振動モードの共振周波数の検出信号として検出され
る。

【００３９】一方、おそい時間応答の角速度成分は、高
いＱ値を利用した高感度な検出振動モードの共振周波数
によって、より高感度に検出される。

【００４０】このようにして、高感度と、はやい時間応
答の角速度成分に対応する高周波数帯域をカバーできる
広帯域応答性との２種類の圧電ジャイロを同時に実現可
能となる。

【００４１】ここで、上記４，１１において「高い方の
周波数の角速度成分」と「低い方の周波数の角速度成
分」とは、上記の「はやい時間応答の角速度成分」と
「おそい時間応答の角速度成分」とに対応するものであ
り、二つの周波数の角速度成分を検出する検出手段が検
出する角速度成分を二つに分けた場合の「高い方の周波
数の角速度成分」と「低い方の周波数の角速度成分」と
を意味し、この分け方は試行錯誤で定めることができ
る。

【００４２】また、本願発明では、上記５に示すよう
に、駆動手段と圧電ジャイロとの間にインピーダンス変
換回路を用いることにより、この回路を介して、２つの
周波数で同時に励振することが可能となる。

【００４３】また、本願発明では、上記６に示すよう
に、ＬｉＴａＯ₃，ＬｉＮｂＯ₃といった電気機械結合係
数が高い圧電単結晶を使用すると、高感度化が実現でき
る。

【００４４】また、本願発明では、上記７に示すよう
に、Ｈ形構造により駆動振動モードと検出振動モードと
の間の不要な電気機械的な結合が抑圧され、不要な機械
的な結合も非常に小さくできるので、漏れ出力を抑圧し
た圧電ジャイロが実現できる。

【００４５】

【発明の実施の形態】次に本願発明のいくつかの実施の
態様を詳述する。ただし、これらは本願発明を例示する
ものであり、本願発明はこれらによって限定されるもの
ではない。

【００４６】たわみ振動に対する電気機械結合係数が大
きなＬｉＴａＯ₃単結晶を用いて、Ｈ形の圧電振動体に
よる面内振動モードと面垂直振動モードとを利用した圧
電ジャイロは、高感度、高安定の圧電ジャイロの一つで
ある。

【００４７】そこで、以下において、この、特開平１０
−３８５７９号公報に示されているような、Ｈ形ＬｉＴ
ａＯ₃圧電ジャイロを例に、本願発明の構成と特長とを
説明する。

【００４８】（第一実施の形態）本願発明の第一実施の
形態をあらわすブロック図を図１に示す。

【００４９】本構成は、圧電ジャイロを二つの異なる周
波数で同時に駆動する駆動手段である駆動回路１１と、
二つの周波数で駆動され各々の周波数に対応した角速度
成分を検知する圧電ジャイロ１２と、二つの周波数に対
応した角速度成分を検波するための検出手段である検出
回路１３とから構成されている。

【００５０】駆動回路１１は発振回路１１ａ、発振回路
１１ｂ、インピーダンス変換回路１１ｃ等で構成されて
いる。

【００５１】また、発振回路１１ａ，１１ｂから各々異
なる二つの周波数ｆ１（駆動振動モードの周波数），ｆ
２（検出振動モードの周波数）の駆動信号がインピーダ
ンス変換回路１１ｃを介して、それぞれ圧電ジャイロ１
２の駆動電極１２ｃに印加される。駆動電極１２ｃに印
加された駆動信号は同一の電流値でも、駆動振動モード
の共振周波数での駆動と検出振動モードの共振周波数で
の駆動では、インピーダンスの違いで、検出振動モード
の共振周波数での駆動（高インピーダンス）は、感度を
高めるために高電圧駆動とすることができる。

【００５２】さらに、周波数ｆ１，ｆ２の駆動信号（図
１中には、「Ｒｅｆ．」として記されている）はそれぞ
れ同期検波回路１３ａ，１３ｂに入力される。したがっ
て、圧電ジャイロ１２の検出電極１２ｂ，１２ｄに接続
される同期検波回路１３ａ，１３ｂは、それぞれ周波数
ｆ１，ｆ２に同期した検波出力を得る。

【００５３】このようにして得られる構成により、二つ
の周波数の角速度成分の出力を同時に一つの圧電ジャイ
ロで得ることができ、二つの駆動周波数を、検波回路に
同期させて、二つの角速度成分として同時に得ることが
可能となる。

【００５４】（第二実施の形態）本願発明の第二実施の
形態をあらわすブロック図を図２に示す。

【００５５】本構成は、圧電ジャイロを二つの周波数で
交互に駆動する駆動回路２１、二つの周波数で駆動し各
々の周波数に対応した角速度成分を検知する圧電ジャイ
ロ２２と二つの周波数に対応した角速度成分を検波する
ための検出回路２３とから構成される。駆動回路２１
は、圧電ジャイロ２２を二つの駆動周波数でそれぞれ駆
動するための発振回路２１ａ，２１ｂ、インピーダンス
変換回路２１ｃ、異なる二つの周波数ｆ１（駆動振動モ
ードの周波数），ｆ２（検出振動モードの周波数）を交
互に駆動させるスイッチ２１ｄを含んで構成される。

【００５６】本構成により、上記２に示すように、一つ
の圧電ジャイロを使用して、異なる二つの駆動周波数
を、検波回路２３に同期させて、二つの角速度成分を交
互に得ることが可能となる。

【００５７】ここで、Ｈ形圧電ジャイロの面内振動モー
ドと面垂直振動モードとの有限要素法による数値解析結
果をわかりやすく示すと図３のようになる。

【００５８】図３（ａ）は面垂直振動を、図３（ｂ）は
面内振動を表している。

【００５９】Ｈ形圧電ジャイロでは、図３（ａ）に示す
ように、上部アーム３２ａに面垂直振動振動を与えた場
合、その面垂直振動モードの変位成分が下部アーム３２
ｂに現れるが、面内振動の場合には図３（ｂ）に示され
るように、下部アーム３２ｂには、上部アーム３２ａの
面内振動モードの変位成分が現れない特長がある。

【００６０】このため、たとえば面垂直振動を与え、面
内振動を検出すれば、この両モード間の不要な電気機械
的な結合が抑圧され、機械的な不要な結合も非常に小さ
な構成を得ることができる。

【００６１】なお、この場合のように、振動方向は面内
振動と面垂直振動とに分けて考えられるが、たとえば面
垂直振動の共振周波数で面垂直方向の励振を行えば、駆
動振動モードの励振となり、その周波数が、駆動振動モ
ードの共振周波数である。

【００６２】また、たとえば面内振動の共振周波数で面
垂直方向の励振を行えば、検出振動モードの励振とな
り、その周波数が、検出振動モードの共振周波数であ
る。

【００６３】図４は、図３のようなＨ形圧電ジャイロに
ついて、駆動振動モードとして選んだ面垂直振動用トラ
ンスジューサのインピーダンス特性を示すチャートであ
る。

【００６４】すなわち、図４の場合は、面垂直振動方向
を駆動振動方向としており、この場合の駆動振動モード
の共振周波数は１５，３１１ｋＨｚであり、Ｑ値は約６
０００である。

【００６５】図５は、検出振動モードとして選んだ面内
振動用トランスジューサのインピーダンス特性を示すチ
ャートである。

【００６６】この場合の検出振動モードは、駆動振動モ
ードと９０゜だけ位相がずれた固有値振動を指し、本振
動モードにて角速度検出を行うものである。

【００６７】この場合の検出振動モードの共振周波数は
１４，９０７ｋＨｚであり、Ｑ値は約９０００である。

【００６８】図６は、上記両トランスジューサ間の伝達
特性を示すチャートである。このチャートから、２つの
共振周波数付近で、共振特性に対応して応答レベルが上
がっていることが理解できる。

【００６９】なお、本構成では、駆動振動モードの共振
周波数で駆動する条件では、そのＱ値の大きさに起因し
て、５Ｖ（実効値）以上の電圧で駆動すると、時によっ
ては、機械的な破壊に至る場合がある。すなわち、この
電圧レベルの駆動電圧が限界となる。従って、実際には
１Ｖ以下の駆動電圧で使用されることが多い。

【００７０】この場合の角速度センサとしての角速度変
化に対する周波数応答性は、検出共振の影響を受けない
範囲での速い変化に追従できるのが特徴である。すなわ
ち共振周波数差の十分の１〜数分の１程度の角速度成分
の検出が可能である。

【００７１】この値は、通常の自動車や人体の動きなど
の角速度の変化に対応できる速度である（Ｍ．Ｙａｃｈ
ｉ，Ｋ．Ｍｏｒｉｍｕｎｅ，Ｈ．Ｋａｉｎｏ，”ロール
オーバーセンサの開発”，富士通テン技法，ｖｏ１．１
７，Ｎｏ．１，ｐｐ．２３−３０，１９９８および近
野、菅原、工藤，”圧電型振動ジャイロスコープ角速度
センサ”，電子情報通信学会誌Ｃ−ＩＩ，Ｖｏｌ．Ｊ７
８−Ｃ−Ｉ，Ｎｏ．１１，ｐｐ．５４７−５５６，１９
９５）。

【００７２】一方、検出振動モードの共振周波数で圧電
ジャイロを駆動するときには、場合によっては、機械的
な破壊に至ることなく１００Ｖ程度の大電圧を印加する
ことが可能である。

【００７３】従って、検出振動モードでの共振を利用す
れば、高い駆動電圧比による発生電荷感度の向上が期待
でき、効率的なコリオリ出力の検出が可能となる（Ｎ．
Ｗａｋａｔｓｕｋｉ，Ｓ．Ｋｕｄｏ，ａｎｄＭ．Ｃ
ｈｉｂａ，”Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓ
ａｔｅｄ１ｉｔｈｉｕｍｔａｎｔａｌａｔｅｐｉ
ｅｚｏｅ１ｅｃｔｒｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅ”、Ｕ１
ｔｒａｓｏｎｉｃｓ，３８（１−８），（２０００），
ｐｐ．４６−５０）。

【００７４】図７は、上記５におけるインピーダンス変
換回路としてトランス７１ｄを用い、駆動振動モードの
共振周波数発振器７１ａと検出振動モードの共振周波数
発振器７１ｂとを用いて２つの周波数で同時に励振し、
２つの同期検波回路７３ａと７３ｂとでそれぞれの周波
数に相当する成分を検出する本願発明の構成ブロック図
である。

【００７５】図８は、図７のようにして、２つの周波数
で同時に励振した場合の伝達特性の測定例である。

【００７６】このチャートは、角速度が０（ゼロ）の時
の漏れ出力を示している。

【００７７】この図から、それぞれの漏れ出力に対応し
た伝達特性（番号８１，８２）が観測され、両者が結合
した出力は観測されていないことが分かる。

【００７８】図９は、２つの周波数で同時に駆動した圧
電ジャイロに、異なる周波数の角速度を与えた時のそれ
ぞれの周波数に対応する検出出力を測定した実験結果を
示している。なお、駆動振動モードの共振周波数の駆動
レベルは１Ｖ、検出振動モードの共振周波数の駆動レベ
ルは１Ｖと１０Ｖと１００Ｖとの場合である。駆動振動
モードの共振周波数の駆動レベルが１０Ｖと１００Ｖと
の場合は圧電ジャイロ自体が破損する可能性がある。

【００７９】すなわち、図９は、検出振動モードの共振
周波数で駆動する場合には、図９に示すように高い駆動
電圧レベルが可能なため、感度を高めることができる一
方、駆動振動モードの共振周波数で駆動する場合には高
い電圧レベルが不可能なため感度の向上に限界のあるこ
とを示している。

【００８０】一方、図１０は、角速度の変化周波数
（０．０１〜１０Ｈｚ）と角速度検出出力との関係を、
駆動振動モード共振条件（駆動振動モードの共振周波数
で駆動する条件）の出力と、検出振動モード共振条件
（検出振動モードの共振周波数で駆動する条件）の出力
とについて比較したものである。

【００８１】この結果から、検出振動モード共振条件の
場合には、角速度の変化周波数が０．１Ｈｚを超えると
応答が劣って来るのに対し駆動振動モード共振条件の場
合には、そのような傾向が見られず、高速応答性を保っ
ていることが理解される。

【００８２】すなわち、これらの結果から、角速度セン
サとして駆動振動モードの共振周波数と検出振動モード
の共振周波数とを組み合わせて使用する本願発明が、高
感度と高速応答とを同時に実現できる手法であることが
確認できる。

【００８３】なお、本実施の形態ではＨ形圧電ジャイロ
を例にとったが、音叉形によっても同様に高感度と高速
応答とが実現できることは言うまでもない。

【００８４】（第三実施の形態）第三実施の形態のブロ
ック図を図１１に示す。

【００８５】図１１は、駆動振動モードと検出振動モー
ドとで同時に圧電ジャイロを駆動するための駆動回路の
一例である。

【００８６】図１１には、圧電ジャイロを駆動する駆動
回路１１１と圧電ジャイロ１１２とが示されている。圧
電ジャイロは、ピックアップ（ｐ．ｕ．）を介して検出
回路（図示されず）に接続される。

【００８７】この図では、制御回路１１１ｆによってＩ
Ｒ変換され三角波発振器１１１ｂから発振された三角波
をＶＣＯ（電圧制御発振器）１１１ａに挿入し、駆動振
動モードと検出振動モードとの間の周波数を連続で発振
させ、圧電ジャイロを振動モードと検出振動モードとで
駆動することを可能としている。

【００８８】ＶＣＯ１１１ａの中心周波数は駆動振動・
検出振動の両モード間の周波数であり、周波数制御範囲
以内に両モードの共振周波数が存在するようになってい
る。

【００８９】つぎに、昇圧回路１１１ｃで検出振動モー
ドの周波数駆動における感度を上げるために電圧を上
げ、過電流による駆動振動モードの周波数による圧電ジ
ャイロの破損を防止するため定電流回路１１１ｄで必要
な電流の調整を行う。定電流回路１１１ｄにより、検出
振動モード（高インピーダンス）と駆動振動モード（低
インピーダンス）とのインピーダンスの違いにより、検
出振動モードの駆動には高電圧で駆動でき、駆動振動モ
ードの駆動には低電圧で駆動でき、一つの圧電ジャイロ
１１２で高感度と高速応答とを同時に実現するようにな
っている。

【００９０】なお、ＶＣＯ１１１ａからの温度による出
力信号の変動を抑制するため、制御回路１１１ｅで三角
波発振器１１１ｂからＶＣＯ１１１ａに入力される交流
信号に対してＤＣバイアスの制御を行い、温度の影響を
補償する。

【００９１】（第四実施の形態）第四実施の形態をあら
わすブロック図を図１２に示す。

【００９２】図１２はＨ形ジャイロの片側（上部もしく
は下部）アームのみに駆動振動モードと検出振動モード
の二つの周波数を交互に駆動させるための構成である。

【００９３】図１２（Ａ）には、圧電ジャイロを二つの
周波数で交互に駆動する駆動回路１２１と圧電ジャイロ
１２２と角速度成分を検波するための検出回路１２３と
が示されている。

【００９４】本構成では、たとえばスイッチ１２１ｃを
インピーダンス変換回路１２１ａ側に選択することによ
って、圧電ジャイロの上部１２２ａが駆動振動モードの
共振周波数で駆動され、同期検波回路１２３ａで角速度
成分を検出する。

【００９５】また、スイッチ１２１ｃをインピーダンス
変換回路１２１ｂ側に選択することによって、圧電ジャ
イロの上部１２２ａが検出振動モードで駆動され、同期
検波回路１２３ｂで角速度成分を検出する。

【００９６】図１２（Ｂ）はこのような装置を使用した
場合の周波数の検出状況を示すモデル図である。すなわ
ち、スイッチ１２１ｃの切り替えによって、ｆ１とｆ２
との二つの周波数が検出される。ここでｆ１，ｆ２はと
もに、圧電ジャイロの下部１２２ｂを通り、検出回路１
２３ａまたは検出回路１２３ｂで検出される周波数であ
る。

【００９７】本構成では、このようにして、各々の時間
的要求に応じた周波数成分の角速度成分が得られる。ま
た、要求によっては、駆動周波数を連続的に変化させる
手法も可能となる。

【００９８】（第五実施の形態）第五実施の形態をあら
わすブロック図を図１３に示す。

【００９９】図１３（Ａ）には、圧電ジャイロを二つの
周波数で交互に駆動する駆動回路１３１と圧電ジャイロ
１３２と角速度成分を検波するための検出回路１３３と
が示されているが、本構成では、たとえばスイッチ１３
１ｃをインピーダンス変換回路１３１ａ側に選択するこ
とによって、圧電ジャイロの上部１３２ａが駆動振動モ
ードの共振周波数で駆動され、検出回路１３３ｂで角速
度成分を検出する。

【０１００】また、スイッチ１３１ｃをインピーダンス
変換回路１３１ｂ側に選択することによって、圧電ジャ
イロの下部１３２ｂが検出振動モードで駆動され、検出
回路１３３ａで角速度成分を検出する。

【０１０１】図１３（Ｂ）はこのような装置を使用した
場合の周波数の検出状況を示すモデル図である。すなわ
ち、スイッチ１３１ｃの切り替えによって、ｆ１の周波
数が検出回路１３３ａと１３３ｂとによって交互に検出
される。圧電ジャイロの下部１３２ｂを通って検出回路
１３３ｂで検出される周波数と、圧電ジャイロの上部１
３２ａを通って検出回路１３３ａで検出される周波数と
である。ここで、圧電ジャイロの上部１３２ａを通って
検出回路１３３ａで検出される周波数は、圧電ジャイロ
下部１３２ｂについての検出振動モードの共振周波数で
あり、従って圧電ジャイロ上部１３２ａの駆動振動モー
ドの共振周波数と一致する。故に、この図１３の場合
は、駆動振動モードの共振周波数についても検出振動モ
ードの共振周波数についてもｆ１を検出することにな
る。

【０１０２】本構成では、このようにして、Ｈ形ジャイ
ロの片側（上部もしくは下部）アームのみを駆動振動モ
ードの周波数で駆動し、もう一方のアームを検出振動モ
ードの周波数で駆動させ、スイッチにより交互に駆動さ
せるようになっている。

【０１０３】本構成により、同一の駆動周波数で各々の
時間的要求に応じた周波数の角速度成分が得られる。

【０１０４】図１４は、図１３に示す圧電振動ジャイロ
１３２として使用できるＨ形振動子の結晶軸配向（４０
゜回転ｙ板）とＨ形振動子形状と電極配置とをモデル的
に示した図である。ここで、ｆｘモードは面内の振動方
向を意味し、ｆｚモードは面に垂直の振動方向を意味す
る。

【０１０５】図１４（Ａ）はＨ形振動子を横から眺めた
図であり、図１４（Ｂ）はＨ形振動子を上から眺めた図
である。Ｈ形の形状は、アームａ１，ａ２，ｂ１，ｂ１
の４本によって形成されている。Ｈ形振動子の全体の形
状は、長さ２１ｍｍ、厚さ１ｍｍ、上下アーム長７ｍｍ
である。

【０１０６】図１４（Ａ），（Ｂ）に示すように、アー
ムａ１には、Ｙ軸周りの４面にそれぞれ駆動電極ｅ１，
ｅ２，ｅ３，ｅ４が設けられている。駆動電極ｅ１，ｅ
２，ｅ３，ｅ４はそれぞれアームａ１の長さ方向に設け
られており、矢印の方向に電圧が印加されることによ
り、アームａ１を面垂直振動させる（ｆｚモード）。

【０１０７】また、アームａ２には、アームａ１と同様
に、Ｙ軸周りの４面にそれぞれ駆動電極ｅ５，ｅ６，ｅ
７，ｅ８が設けられている。駆動電極ｅ５，ｅ６，ｅ
７，ｅ８はそれぞれアームａ２の長さ方向に設けられて
おり、矢印の方向に電圧が印加されることにより、アー
ムａ２を面内振動させる（ｆｚモード）。

【０１０８】また、図１４（Ａ），（Ｂ）に示すよう
に、アームｂ１には、Ｘ軸に平行な外表面に検出電極ｅ
９，ｅ１０，ｅ１１，ｅ１２が設けられている。各検出
電極ｅ９，ｅ１０，ｅ１１，ｅ１２はそれぞれアームｂ
１の長さ方向に設けられている。アームｂ１が面内方向
に振動する（ｆｘモード）とき、各検出電極ｅ９，ｅ１
０，ｅ１１，ｅ１２はそれぞれ対向する電極間に電流が
生じるように構成されている。

【０１０９】アームｂ２には、アームｂ１と同様に、Ｘ
軸に平行な外表面に検出電極ｅ１３，ｅ１４，ｅ１５，
ｅ１６が設けられている。各検出電極ｅ１３，ｅ１４，
ｅ１５，ｅ１６はそれぞれアームｂ２の長さ方向に設け
られている。アームｂ２が面内方向に振動する（ｆｘモ
ード）とき、各検出電極ｅ１３，ｅ１４，ｅ１５，ｅ１
６はそれぞれ対向する面に設けられた電極間に電流が生
じるように構成されている。

【０１１０】上記の電極の内、駆動電極ｅ１とｅ３とｅ
６とｅ８とが接続され、他方の駆動電極ｅ２とｅ４とｅ
５とｅ７とが接続されている。このことにより、各駆動
電極に与えられる駆動信号に基づいてアームａ１および
アームａ２が同期して振動することとなる。

【０１１１】また、検出電極ｅ９とｅ１２とｅ１４とｅ
１５とが接続され、他方の検出電極ｅ１０とｅ１１とｅ
１３とｅ１６とが接続され、アームｂ１およびアームｂ
２の振動によって、周波数の角速度成分を検出する。

【０１１２】なお、このような形状を持つ圧電ジャイロ
では、圧電単結晶（ＬｉＴａＯ₃，ＬｉＮｂＯ₃）を採用
すると、電気機械結合係数が高く、高感度化が実現でき
るので好ましい。

【０１１３】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明によれ
ば、二つの周波数で同時にまたは交互に駆動することに
より、駆動振動モード共振条件では高速応答だが低感度
であり、検出振動モード共振条件では低速応答だが高感
度であるため、高速応答（広帯域）と高感度との異なる
圧電ジャイロを同時に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施の形態を表すブロック図である。

【図２】第二実施の形態を表すブロック図である。

【図３】Ｈ形圧電ジャイロの面内振動モードと面垂直振
動モードとの有限要素法による解析結果を示す図であ
る。

【図４】面垂直振動用トランスジューサーのインピーダ
ンス特性を示すチャートである。

【図５】面内振動用トランスジューサーのインピーダン
ス特性を示すチャートである。

【図６】面垂直振動用トランスジューサーと面内振動用
トランスジューサーとの間の伝達特性を示すチャートで
ある。

【図７】駆動振動モードのインピーダンス変換回路を介
して、２つの周波数で同時に励振し、検出する構成を示
すブロック図である。

【図８】図７のようにして、２つの周波数で同時に励振
した場合の伝達特性の測定例である。

【図９】駆動振動モードの周波数と検出振動モードの周
波数とで圧電ジャイロを駆動した場合の、対応する検出
出力を測定した実験結果を示すチャートである。

【図１０】角速度の変化周波数と角速度検出出力との関
係を、駆動振動モード共振条件の出力と、検出振動モー
ド共振条件の出力とについて比較したものである。

【図１１】第三実施の形態を表すブロック図である。

【図１２】第四実施の形態を表すブロック図である。

【図１３】第五実施の形態を表すブロック図である。

【図１４】圧電振動ジャイロの結晶軸配向（４０゜回転
ｙ板）とＨ形振動子形状と電極配置とを示すモデル図で
ある。

【符号の説明】１１，２１，７１，１１１，１２１，１３１駆動回
路１２，２２，７２，１１２，１２２，１３２圧電ジ
ャイロ１３，２３，７３，１２３，１３３検出回路３２ａ上部アーム３２ｂ下部アーム８１漏れ出力に対応した伝達特性８２漏れ出力に対応した伝達特性

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷内雅紀長野県須坂市大字小山460番地富士通メディアデバイス株式会社内 (72)発明者高橋芳孝長野県須坂市大字小山460番地富士通メディアデバイス株式会社内 (72)発明者小野正明長野県須坂市大字小山460番地富士通メディアデバイス株式会社内Ｆターム(参考） 2F105 BB02 BB20 CC01 CD02 CD06 CD11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電ジャイロと、前記圧電ジャイロを二
つの駆動周波数で同時に励振する駆動手段と、二つの周
波数の角速度成分を検出する検出手段とを具備する角速
度検出装置。
【請求項２】圧電ジャイロと、前記圧電ジャイロを二
つの駆動周波数で交互に励振する駆動手段と、二つの周
波数の角速度成分を検出する検出手段とを具備する角速
度検出装置。
【請求項３】前記駆動周波数が、駆動振動モードの共
振周波数と検出振動モードの共振周波数とよりなること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の角速度検
出装置。
【請求項４】検出手段が、駆動振動モードの共振周波
数である駆動周波数については高い方の周波数の角速度
成分を検出し、検出振動モードの共振周波数である駆動
周波数については低い方の周波数の角速度成分を検出す
ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の角
速度検出装置。
【請求項５】駆動手段と圧電ジャイロとの間にインピ
ーダンス変換回路を有することを特徴とする請求項１〜
４のいずれかに記載の角速度検出装置。
【請求項６】圧電ジャイロが、ＬｉＴａＯ₃またはＬ
ｉＮｂＯ₃の単結晶を使用した圧電ジャイロであること
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の角速度検
出方法。
【請求項７】圧電ジャイロが、Ｈ型振動子を使用した
圧電ジャイロであることを特徴とする請求項１〜６のい
ずれかに記載の角速度検出装置。
【請求項８】圧電素子を用いて角速度を周波数の角速
度成分として検出する角速度検出方法であって、二つの
駆動周波数で同時に圧電ジャイロを励振する角速度検出
方法。
【請求項９】圧電素子を用いて角速度を周波数の角速
度成分として検出する角速度検出方法であって、二つの
駆動周波数で交互に圧電ジャイロを励振する角速度検出
方法。
【請求項１０】前記駆動周波数が、駆動振動モードの
共振周波数と検出振動モードの共振周波数とよりなるこ
とを特徴とする請求項９に記載の角速度検出方法。
【請求項１１】駆動振動モードの共振周波数である駆
動周波数については高い方の周波数の角速度成分を検出
し、検出振動モードの共振周波数である駆動周波数につ
いては低い方の周波数の角速度成分を検出することを特
徴とする請求項１０に記載の角速度検出方法。