JP2004101255A

JP2004101255A - 圧電体振動ジャイロセンサ

Info

Publication number: JP2004101255A
Application number: JP2002260777A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 富川　義朗; Yoshiaki Tanaka; 田中　良明
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02
Also published as: US20040046485A1; US7053534B2

Abstract

【課題】コリオリ力を利用した振動ジャイロセンサにおいて、加工が容易でかつ検出感度にすぐれた一次、二次電極配置構造を備えた振動ジャイロセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】二つの角柱状アーム部と前記アーム部の下端を支持する基底部とが一体となった音叉型振動体と、前記角柱状アーム部に形成した一次電極と、前記アーム部に形成した弾性表面波素子用ＩＤＴ（二次電極）とを備える圧電体振動ジャイロセンサにおいて、前記角柱状アーム部の対向する二つの表面それぞれに一次電極を前記長軸方向に沿って所定間隔離して並列配置し、該弾性表面波素子用ＩＤＴを該角柱状アーム部下端の前記一次電極の間に配置したことを特徴とする圧電体振動ジャイロセンサ。
【選択図】　　　　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コリオリ力を利用した振動ジャイロセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の回転を検出するセンサーとして、コリオリ力を応用した音叉型振動ジャイロセンサーが良く使われている。音叉型振動ジャイロセンサは構造が簡単で小型化しやすいため、カメラの手振防止やカーナビゲーションシステム用としても利用価値が大変高い。
【０００３】
特開平１１−３７７６１号公報においては、音叉型振動ジャイロセンサについて４つの実施例が開示されている。
図４は特開平１１―３７７６１号公報にて提案された音叉型振動ジャイロセンサの第１の従来例の外観図を示したものである。図４に示した従来の音叉型振動ジャイロセンサは、アームにエネルギー閉じこめ型共振子を配置したものであって、回転速度の変化を該共振子の出力電圧振幅の変化として検出するタイプである。
【０００４】
図４に示した従来の音叉型ジャイロは、アーム部１と基底部２とが一体になった音叉振動体３に屈曲振動駆動用の駆動電極４（一次電極）を形成し、さらに二つのアーム部１それぞれの表裏面に対向するように電極５（二次電極）を配置して、エネルギー閉じこめ型共振子を形成した構造であり、駆動電極４に第１の駆動信号を加えてアーム部１を屈曲振動させ、さらにそれぞれの二次電極５ａ、５ｃ間に共通に第２の駆動信号を与え、二次電極５ｂ、５ｃ間のそれぞれから、屈曲振動に応じて振幅変調された信号を出力するようになっている。
【０００５】
ここで、二次電極５ｂ、５ｃの出力信号はアーム部１の屈曲振動によって振幅変調を与えられるが、回転時にアーム部１にコリオリ力が働くと、二つの出力信号には振幅差が生じる。従って、二つの出力信号の差動信号を取り出すと、該差動信号に振幅のビート成分が発生する。前記振幅のビート成分を駆動電極４に印加した駆動信号で同期検波すると、図４におけるＹ軸周りの回転速度に比例した直流電圧を生成することができる。
【０００６】
また、特開平１１―３７７６１号公報の図７において例示された第２の従来例はエネルギー閉じこめ型共振器を使用し回転速度の変化を出力周波数の変化として検出したものである。構造は図４に示したものとほぼ同じであるが、二次電極を含む二つの共振子はそれぞれ二つの独立した発振回路の発振素子として機能し、それぞれ異なる発振信号を二次電極から出力するようにしている。
【０００７】
この第２の従来例において、二つの発振信号はそれぞれアーム部の屈曲振動によって周波数変調を与えられるが、回転時に働くコリオリ力によって、二つの発振信号に周波数差が生じる。従って、二つの発振信号の周波数差（周波数ビート成分）を検出し、一次電極に印加した駆動信号で同期検波すると、回転速度に比例した直流電圧を生成することができる。
【０００８】
また、特開平１１―３７７６１号公報の図８に図示された第３の従来例は、図４に示したエネルギー閉じこめ型共振子を弾性表面波素子で置き換えたものである。
この従来例の回転検出の原理は第１の従来例と同様、振幅のビート成分を利用したものである。また、第４の従来例として、図４に示したエネルギー閉じこめ型共振子を弾性表面波素子で置き換えたものが開示されている。この従来例は弾性表面波素子を発振回路の共振素子として利用したものであって、検出原理は前述した第２の従来例と同様に、二つの共振信号の周波数差（ビート周波数成分）の変化を検出したものである。このように、コリオリ力を応用した振動ジャイロセンサは振動体の材料や構造、一次、二次電極の配置、或いは回転の検出方法等含めて様々なタイプが存在する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来例を含め、コリオリ力を応用した一般の振動ジャイロセンサには、以下のような問題があった。
振動体の素材には通常、圧電セラミックスや水晶等といったものが使われる。圧電セラミックスは加工が容易であり、加工後に分極処理を施すことにより振動体として利用することができる。圧電セラミックスは外部から強い電界を加えると電界を加えた部位にのみ局部的に分極が形成されるという性質を持っているので、一次電極を形成した後に所定の一次電極間に強い電界を加えれば所定の部位に分極を自由に形成できる。従って、一次電極の形成位置に比較的制限が少ないという利点がある。しかしながら、水晶に比べると一般的に検出感度に劣るという欠点がある。
【００１０】
一方、水晶のような単結晶素材は圧電セラミックに比べて一般的にＱ値が高いので、これを音叉振動体の素材にすると検出感度を高くでき、信号対雑音比にすぐれた検出信号を取り出せるといった利点がある。しかしながら、圧電セラミックスのように後処理で局部的に分極を形成するといったことが物性的に不可能であり、予め所定の結晶軸方向に合わせて加工を施し、さらに所定の結晶軸方向に合わせて一次電極を配置しなければならない。また、特定の結晶軸方向（Ｚ方向）にはほとんど化学的にエッチングを施すことができないので、加工方法にも制限がある。従って、圧電セラミック素材のものと比較して一次電極の形成位置に制限があり、また検出感度が適正となる位置に二次電極を前記一次電極と重複しないように形成することは非常に困難であった。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、優れた検出感度を有する一次、二次電極配置構造を持ち、加工方法にも制限が少ない、水晶を音叉振動体の素材とする振動ジャイロセンサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決する為に本発明に係わる請求項１記載の発明は、二つの角柱状アーム部と前記アーム部の下端を支持する基底部とが一体となった音叉型振動体と、前記二つの角柱状アーム部に形成した駆動電極（一次電極）と、前記二つのアーム部に形成した弾性表面波素子用ＩＤＴ電極（二次電極）とを備える圧電体振動ジャイロセンサにおいて、前記角柱状アーム部の対向する二つの表面それぞれに前記駆動電極を前記長軸方向に沿って所定間隔離して並列配置し、前記角柱状アーム部の一方の表面に前記駆動用電極と共に前記弾性表面波素子用ＩＤＴ電極を形成したものであって、前記弾性表面波素子用ＩＤＴ電極を該角柱状アーム部下端の前記駆動電極の間に配置したものである。
【００１３】
本発明に係わる請求項２記載の発明は、請求項１において前記音叉型振動体の素材をＸカットの水晶とし、前記角柱状アーム部の長軸方向を水晶結晶軸のＹ方向としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる圧電体振動ジャイロセンサの外観図を示したものである。
図１において、振動ジャイロセンサは二本のアーム部１と基底部２とが一体になった水晶を用いた音叉型振動体３と、前記アーム部１の表裏面に対向するように平行に配置された長方形状の駆動電極６（一次電極）と、前記アーム部１の片面下端に前記駆動電極６の間に配置された弾性表面波素子用ＩＤＴ電極７（二次電極）とを備えている。ここで、アーム部１の長軸方向は水晶結晶軸のＹ方向に一致している。なお、二次電極としては一対のＩＤＴ電極のみを配置してもよいし、ＩＤＴ電極の両側に反射器を配置したもの、或いは複数のＩＤＴ電極を有するものであってもよい。また、アーム部１の下端に弾性表面波素子用ＩＤＴ電極７を配置する理由は、上端に配置する場合よりも検出感度を高くすることができるからである。
つまり、アーム部１の屈曲振動において歪みが最大となるのはアーム部１の付け根近傍となるからである。
【００１５】
図２は振動ジャイロセンサとその周辺回路全体を示したものである。
図２において、音叉振動体３のアーム部１の対向する表裏面それぞれに２本ずつ、合計８本の駆動電極６が配置されている。このうち各４本ずつが互いに図１に図示されない配線パターンによって接続されており、４本ずつペアになった駆動電極６間には駆動信号源８が接続され駆動信号が与えられている。またアーム部１の一方の面に形成した二つの弾性表面波素子用ＩＤＴ電極７が、それぞれ発振回路９、１０に接続され、前記発振回路９、１０の発振素子として機能している。
ここで、前記発振回路９、１０の発振周波数が異なる周波数となるように、それぞれの発振周波数に応じて弾性表面波用ＩＤＴ電極７が形成されている。
【００１６】
さらに、前記発振回路９、１０の出力する発振信号Ａ、Ｂは、前記駆動信号と共に検出部１１に供給される。また、前記検出部１１は周波数混合部１２と周波数検波部１３と同期検波部１４とを備え、ここで回転速度に比例した直流電圧を生成し検出信号として出力するようになっている。
【００１７】
図２に示した振動ジャイロセンサは以下のように動作する。
まず、Ｙ軸周りの回転がない状態を考える。駆動電極６に駆動信号を印加すると、アーム部１はそれぞれＺ軸方向に屈曲振動を起こす。
このとき、二つのアーム部１の屈曲状態に対応して、弾性表面波素子用ＩＤＴ電極７の電極間隔が微妙に変化するので、発振信号Ａ、Ｂの発振周波数が変化する。
このとき、発振信号Ａ、Ｂは屈曲状態に応じて、周波数が高い状態から低い状態へと変化する周波数変調を受ける。ところが、二つのアーム部１は互いに同期してＺ軸方向に屈曲振動し瞬時の屈曲状態がほぼ同じになるので、発振信号Ａ、Ｂそれぞれには駆動信号に同期した周波数変調がかかっているものの、発振信号Ａ、Ｂの周波数差はほぼ一定となっている。
【００１８】
従って、この状態（非回転時）で、検出回路１１にて発振信号１と発振信号２とをミキサ部１２で混合し両者の周波数差成分を取り出すと、ほぼ一定周波数の成分が得られる。そこで、前記周波数差成分を周波数検波部１３で復調するとその復調出力にはほとんど出力信号（駆動信号と同じ周波数成分）は現れない。従って、前記復調出力を前記駆動信号で同期検波しても、検出出力にはほとんど出力信号（直流成分）が現れない。
【００１９】
ここで、振動ジャイロセンサにＹ軸周りの回転が加わると、アーム部１にはＸ軸方向に回転速度に比例したコリオリ力が働き、アーム部１はＸ軸方向にも屈曲振動を起こす。各アームに働くコリオリ力は互いに逆向きに働き、弾性表面波素子用ＩＤＴ電極７の電極間隔が大きく変化する。
このとき、各アームは同期して動くが、一方のアームがＸ軸＋方向に動くとき他方はＸ軸−方向に動くので、二つの弾性表面波素子用ＩＤＴ電極７の電極間隔の変化は逆向きとなる。
【００２０】
従って、発振信号Ａ、Ｂには周波数変調がかかりその最大周波数偏移は回転速度に比例する。また、一方の周波数が高い方向に変化するとき他方は低い方向に変化するため、発振信号Ａ、Ｂの瞬時周波数には差が生じる。従って、発振信号Ａ、Ｂを周波数混合部１２にて混合し、二つの信号の周波数差成分をとりだすと周波数変調信号が得られる。そして、これを周波数検波部１３で復調すると駆動信号と同期した復調信号が出力される。さらに同期検波部１４において、前記復調信号を駆動信号にて同期検波すると、復調信号の振幅に比例した検出電圧（直流電圧）が出力される。
【００２１】
ここで、前記復調信号の振幅は回転速度に比例するが、回転が加わらないときには、発振信号Ａ、Ｂの周波数差成分には周波数変調成分がほとんど現れず、前記復調信号の振幅はほとんどゼロとなる。従って、Ｙ軸周りの回転が生じたときにのみ角速度に比例した直流電圧を検出電圧として出力することができる。また、回転方向が逆になった場合はそれぞれのアームに働くコリオリ力が反転し、駆動信号に対して復調信号の極性が反転するので、検出電圧（直流電圧）がそれに応じて正（或いは負）から負（或いは正）へ反転する。従って、回転方向を含めて回転速度に比例した直流電圧を出力することができる。
【００２２】
なお、検出部１１については、周波数混合部１２と周波数検波部１３と同期検波部１４とを備えた構成としたが、図３に示すように、二つの周波数検波部１３、及び差動増幅部１５とを備えた構成としてもよい。
この場合、発振信号Ａ、Ｂの出力は直接周波数検波部１３で検波され、それぞれの復調信号は差動増幅部１５で差動増幅される。すると、回転が加わったときのみ、差動増幅部１５には差動出力が現れるので、これを同期検波部１４で同期検波すると回転速度に比例した直流電圧を発生することができる。この実施例では周波数混合部１２を不要とし周波数差の成分を取り出す必要がないため、発振信号Ａ、Ｂの出力周波数が同一周波数となるように弾性表面波用ＩＤＴ電極７を形成してもよい。
このときは、前記弾性表面波用ＩＤＴ電極７の電極パターンを同一のものとすることができる。勿論異なった周波数としてもよい。
【００２３】
あるいは、検出部１１において発振信号Ａ、Ｂ及び駆動信号をデジタル処理し、検出出力（直流電圧）に対応したデジタル信号を検出出力としてもよい。いずれにせよ、回転時に生じる発振信号Ａ、Ｂの周波数差の変化を回転方向を含め検出できるものであれば、発振周波数Ａ、Ｂ及び検出部１１はどのようなものであってもよい。このように、駆動電極を所定間隔離して並列配置し、アーム部下端に表面弾性波素子用ＩＤＴ電極を配置する構造としたので、検出感度に優れた振動ジャイロセンサとすることができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、Ｘカット水晶を素材としたアーム部の対向する表裏面それぞれに駆動電極を並列配置し、アーム部下端において前記並列配列した駆動電極の間に弾性表面波素子用ＩＤＴ電極を配置するように構成したので、前記弾性表面波素子用ＩＤＴを発振素子として利用することで、加工が容易な検出感度にすぐれた振動ジャイロセンサを提供するのに著効を奏す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電体振動ジャイロセンサの外観図。
【図２】本発明に係る圧電体振動ジャイロセンサの検出部のブロック図。
【図３】本発明に係る圧電体振動ジャイロセンサの検出部の変形例。
【図４】従来の圧電体振動ジャイロセンサの外観図。
【符号の説明】
１…アーム部
２…基底部
３…音叉振動体
４、６…駆動電極（一次電極）
５…二次電極
７…弾性表面波素子用ＩＤＴ電極（二次電極）
８…駆動信号源
９、１０…発振回路
１１…検出部
１２…周波数混合部
１３…周波数検波部
１４…同期検波部
１５…差動増幅部

Claims

二つの角柱状アーム部と前記アーム部の下端を支持する基底部とが一体となった音叉型振動体と、前記二つの角柱状アーム部に形成した駆動電極（一次電極）と、前記二つのアーム部に形成した弾性表面波素子用ＩＤＴ電極（二次電極）とを備える圧電体振動ジャイロセンサにおいて、
前記角柱状アーム部の対向する二つの表面それぞれに前記駆動電極を前記長軸方向に沿って所定間隔離して並列配置し、前記角柱状アーム部の一方の表面に前記駆動用電極と共に前記弾性表面波素子用ＩＤＴ電極を形成したものであって、前記弾性表面波素子用ＩＤＴ電極を該角柱状アーム部下端の前記駆動電極の間に配置したことを特徴とする圧電体振動ジャイロセンサ。
前記音叉型振動体の素材をＸカットの水晶とし、前記角柱状アーム部の長軸方向を水晶結晶軸のＹ方向としたことを特徴とする請求項１記載の圧電体振動ジャイロセンサ。