JP2004347398A - 音叉型角速度センサ素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【目的】音叉の加工誤差に起因する不要信号の影響を受けにくい、生産性の高い角速度センサ素子の駆動方法を提供する。
【構成】少なくとも一方の音叉腕の４面に電極を設けて両主面から両側面に交流電圧を印加して音叉振動を駆動し、コリオリの力によって生ずる電荷を少なくとも他方の音叉腕の両側面に設けたセンサ電極によって検出する音叉型角速度センサ素子の駆動方法において、前記音叉腕の両主面から両側面に印加する交流電圧の大きさを異ならせて駆動する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコリオリの力を利用した音叉型角速度センサ素子（以下、角速度センサ素子とする）の駆動方法を産業上の技術分野とし、特に斜め振動による雑音成分を電気的に低減した駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）音叉型角速度センサ素子は、位置制御や誘導装置例えばカメラやカーナビに適用される。このようなものの一つに、圧電材特に貼り合わせ型の水晶を用いたものがあり、さらなる高感度及び生産性が求められている。
【０００３】
（従来技術の一例）第７図は一従来例を説明する角速度センサ素子の図である。
【０００４】
角速度センサ素子は音叉型水晶振動子（音叉型振動子とする）１を基礎として構成される。音叉型振動子１は結晶軸（ＸＹＺ）のＺ軸に主面が直交あるいは概ね直交したＺカット板からなり、音叉基部２から一対の音叉腕３（ａｂ）を延出する。ここでは、±Ｘ軸を逆方向とした二枚の音叉状水晶片１（ａｂ）を直接接合によって貼り合わせてなる。
【０００５】
一対の音叉腕３（ａｂ）のそれぞれには、音叉振動を駆動してコリオリの力を検出する電極４、５が設けられる。ここでは、第８図の結線図に示したように、一対の音叉腕３（ａｂ）の各内側面に設けた第１電極４ａ、５ａを接続し、各外側面に設けた第２電極４ｂ、５ｂを接続して、それぞれ第１及び第２センサ端子Ｓ１、Ｓ２を導出する。
【０００６】
また、一方の音叉腕３ａ（図の右側）の表面に設けた第３電極４ｃと、他方の音叉腕３ｂ（図の左側）の裏面に設けた第４電極５ｄとは共通接続して、第１駆動端子Ｄ１が導出する。そして、一方の音叉腕３ａの裏面に設けた第４電極４ｄからは第２駆動端子Ｄ２が導出する。さらに、他方の音叉腕３ｂの表面に設けた第３電極５ｃからはモニタ端子Ｍが導出する。
【０００７】
このようなものでは、第１及び第２センサ端子Ｓ１、Ｓ２には、第９図に示したように直流の基準電圧Ｅ０が印加され、各音叉腕３（ａｂ）の両側面の電位を一定にする。そして、第１及び第２駆動端子Ｄ１、Ｄ２には、基準電圧Ｅ０を中心値として互いに逆相となる交流電圧Ｖ１、Ｖ２を印加する。これにより、Ｘ軸の極性を逆として接合しているので、一方の音叉腕３ａでは表裏面と内外側面との間に生ずる電界によって、Ｙ軸方向に内側面が伸張（縮小）すると外側面が縮小（伸張）して左右方向に屈曲振動する。
【０００８】
また、他方の音叉腕３ｂでは、裏面に印加される交流電圧によって内外側面のいずれか一方が伸張又は縮小して屈曲するとともに、音叉構造であることから一方の音叉腕３ａに応答して逆向きの屈曲振動する。したがって、一対の音叉腕３（ａｂ）は互いに逆向きの水平方向に音叉振動する。
【０００９】
そして、音叉振動中にＹ軸を中心とした回転力が加わると、一対の音叉腕３（ａｂ）は板面に直交する互いに反対方向に屈曲振動、即ち水平振動に対して直交する互いに逆向きの垂直振動を生ずる。そして、各音叉腕３（ａｂ）の両側面に回転力に応じた電荷を発生する。なお、各音叉腕３（ａｂ）の両側面間での電荷の符号は逆となる。具体的には、各音叉腕３（ａｂ）の内側面の第１電極４ａ、５ａが同極性、外側面の第２電極４ｂ、５ｂが同極性となる。
【００１０】
そして、各音叉腕３（ａｂ）の第１と第２電極４（ａｂ）、５（ａｂ）には連続的に変化する電荷が収拾され、基準電圧Ｅ０に交流分として重畳し、第１及び第２センサ端子Ｓ１、Ｓ２に検出される。そして、振動周波数に応答した図示しない同期検波等によって交流分（電荷量）を検出し、回転角を計測する。なお、モニタ端子Ｍは音叉振動によって誘起される電荷量を検出し、振動振幅量（変位量）を一定の基準値とするために設けられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の角速度センサ素子では、一対の音叉腕３（ａｂ）は音叉振動の際、第１０図の矢印Ｐ−Ｐで示す水平方向に必ずしも振動することなく、製造に起因した断面形状の非対称性から同矢印Ｑ−Ｑで示す斜め方向に所謂斜め振動する。したがって、斜め振動における垂直方向のベクトル成分によって、コリオリの力とは無関係に電荷が発生し、不要信号としてセンサ端子Ｓ１、Ｓ２に検出される。これにより、角速度が及んでいない場合にも、角速度が及んでいるような誤信号を生じる。
【００１２】
このため、通常では、角速度センサ素子毎に斜め振動による不要信号を検出する。そして、一対の音叉腕３（ａｂ）を数回となく繰り返して研削（トリミング）し、斜め振動を抑制すべく調整していた。しかし、この場合には、トリミング工程に多くの時間を要し、生産性の低下を招く問題があった。
【００１３】
（発明の目的）本発明は音叉の加工誤差に起因した不要信号の影響を軽減できる角速度センサ素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本件に係る請求項１の発明では、音叉腕の両主面から両側面に印加して音叉振動を駆動する交流電圧の大きさを異ならせて駆動する。これにより、音叉腕の両主面から両側面に向かう電界及び表面側と裏面側の屈曲量も異なる。したがって、音叉腕は斜め振動を生ずる。このことから、加工誤差に起因した機械的な斜め振動に応じて、交流電圧の大きさを異ならせれば電子的に斜め振動を相殺（抑制）できる。
【００１５】
同請求項２の発明では、前記音叉型角速度センサ素子は結晶軸（ＸＹＺ）の±Ｘ軸を逆向きにした２枚の音叉状水晶片を貼り合わせてなり、前記音叉腕の両主面から両側面に印加される交流電圧は互いに逆相とする。これにより、２枚の音叉状水晶片を貼り合わせた角速度センサ素子で斜め振動を抑制できる。
【００１６】
同請求項３の発明では、前記音叉型角速度センサ素子は１枚の音叉状水晶片からなり、前記音叉腕の両主面から両側面に印加される交流電圧は互いに同相とする。これにより、単板からなる角速度センサ素子で斜め振動を抑制できる。
【００１７】
【第１実施例】
第１図は本発明の第１実施例の駆動方法を説明する角速度センサ素子の結線図を示した上面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
【００１８】
角速度センサ素子は、前述したように２枚の音叉状水晶片１（ａｂ）を貼り合せてなり、音叉基部２及び一対の音叉腕３（ａｂ）を有する音叉型振動子からなる（前第７図参照）。各音叉腕３（ａｂ）の内外側面には基準電圧Ｅ０の印加される第１及び第２電極４（ａｂ）、５（ａｂ）を有し、第１及び第２電極同士４ａ、５ａ及び４ｂ、５ｂが共通接続してセンサ端子Ｓ１、Ｓ２に導出する。
【００１９】
また、一方の音叉腕３ａの表裏面には駆動端子Ｄ１、Ｄ２に接続して互いに逆相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２の印加される第３及び第４電極４（ｃｄ）を有し、他方の音叉腕３ｂの表面にはモニタ端子Ｍに接続した第３電極５ｃを、裏面には一方の音叉腕３ａの表面の第３電極４ｃに接続した第４電極５ｄを有する（前第８図と同一）。
【００２０】
そして、この実施例では、特に第２図に示したように、第１及び第２駆動端子Ｄ１、Ｄ２から一方の音叉腕３ａの第３及び第４電極（表裏面電極）４（ｃｄ）に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２は、前述同様に基準電圧Ｅ０を中心とし互いに逆相とし、ここではさらに電圧レベル（振幅レベル）を異にする。
【００２１】
このようなものでは、先ず、一方の音叉腕３ａの第３電極（表面電極）４ｃには、駆動端子Ｄ１から半周期の大電圧が、第４電極（裏面電極）４ｄには逆相の小電圧が印加されると、第３図（ａ）に示したように、貼り合せによる表面側水晶１ｂの屈曲量は大きく、裏面側水晶１ａの屈曲量は小さくなる。したがって、先の半周期では貼り合わせた２枚の水晶片１（ａｂ）各々の伸張及び縮小量が異なるので、音叉腕３ａは例えば電極４ｃ側へ偏る成分をもった斜め方向の変位をする。
【００２２】
次に、一方の音叉腕３ａの第３電極（表面電極）４ｃには次の半周期の小電圧が、第４電極（裏面電極）４ｄには逆相の大電圧が印加されると、第３図（ｂ）に示したように、貼り合せによる表面側水晶１ｂの屈曲量は小さく、裏面側水晶１ａの屈曲量は大きくなる。したがって、次の半周期では例えば電極４ｄ側へ偏る成分を持った斜め方向の変位をする。これらのことから、第４図に示したように、交流電圧の一周期では斜め方向に振動する。
【００２３】
このような駆動法であれば、加工誤差に基づく音叉型振動子の斜め振動による電荷量を相殺するように、駆動端子Ｄ１、Ｄ２に逆位相で大きさの異なる交流電圧を印加すれば、斜め振動を抑制して水平振動を維持できる。要するに、機械的な斜め振動を電子的に抑制できる。例えば駆動端子Ｄ１に印加する交流電圧Ｖ１は以下にして形成される。
【００２４】
すなわち、先ず、第５図（ａ）に示したように、モニタ端子Ｍの電荷量から音叉振動を一定の振幅とする交流電圧Ｖ０を生成する。次に、交流電圧Ｖ０の振幅レベルを小さくした調整電圧Ａ０を得る「同図（ｂ）」。次に、調整電圧Ａ０の−側を反転した整流電圧Ａ１を得る「同図（ｃ）」。最後に、交流電圧Ｖ０に整流電圧Ａ１を加え、正負間で振幅の異なる非対称の交流電圧Ｖ１を得る「同図（ｄ）」。
【００２５】
なお、調整電圧Ａ０（整流電圧Ａ１）は斜め振動に応じて振幅が決定される。また、駆動端子Ｄ２に印加する交流電圧Ｖ２は、交流電圧Ｖ１の位相を１８０度ずらすことによって得られる。これらのことから、加工誤差に起因した不要信号の影響が小さい角速度センサ素子を得られる。また、研削等のトリミングに比較し、電子的に制御するので要する時間も短くして生産性を高められる。
【００２６】
【第２実施例】
第６図は本発明の第２実施例の駆動方法を説明する角速度センサ素子の結線図を示した上面図である。なお、第１実施例と同一部分の説明は簡略又は省略する。
【００２７】
第１実施例では２枚の水晶片１（ａｂ）を貼り合せた音叉型振動子での例を説明したが、第２実施例は一枚（単板）の音叉状水晶片からなる音叉型振動子での例である。この例では、一方の音叉腕３ａを音叉振動の駆動用として、他方の音叉腕３ｂをコリオリの力による垂直振動の検出用とする。
【００２８】
すなわち、一方の音叉腕３ａの両側面電極を共通接続して基準電圧Ｅ０を印加する。そして、駆動端子Ｄ１、Ｄ２から、同相として大きさの異なる交流電圧Ｖ１、Ｖ２を表裏面電極に印加する。また、他方の音叉腕３ｂの内側面電極は例えば基準電圧Ｅ０（あるいはアース電位）に設定し、外側面に設けた分割電極との間で垂直振動による電荷をセンサ端子Ｓ１、Ｓ２によって検出する。なお、表裏面に設けたＭはモニタ端子であり、前述同様に音叉振動による電荷を検出して振幅を一定にする。
【００２９】
このような構成であれば、先ず半周期の交流電圧Ｖ１＞Ｖ２によって、一方の音叉腕３ａの表面側は電界強度が高くて屈曲量が大きく、裏面側は電界強度が低くて屈曲量は小さい。そして、次の半周期の交流電圧Ｖ１＜Ｖ２によって、同様にして表面側の屈曲量は小さく、裏面側は大きくなる。したがって、第１実施例と同様に斜め振動を生ずる。このことから、加工誤差による機械的な斜め振動を電子的に相殺して抑制できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、音叉腕の両主面から両側面に印加して音叉振動を駆動する交流電圧の大きさを異ならせて駆動するので、音叉腕の両主面から両側面に向かう電界及び表面側と裏面側の屈曲量も異なって、音叉腕は斜め振動を生ずる。このことから、加工誤差に起因した機械的な斜め振動を電子的に相殺して抑制できるので、加工誤差の影響が小さく生産性の高い角速度センサ素子を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の駆動方法を説明する角速度センサ素子の結線図を示した上面図である。
【図２】本発明の第１実施例を説明する駆動電圧の図である。
【図３】本発明の第１実施例の作用を説明する一方の音叉腕の上面図である。
【図４】本発明の第１実施例の作用を説明する一方の音叉腕の上面図である。
【図５】本発明の第１実施例を説明する駆動電圧の形成方法の図である。
【図６】本発明の第２実施例の駆動方法を説明する角速度センサ素子の結線図を示した上面図である。
【図７】従来例を説明する音叉型角速度センサの図である。
【図８】従来例を説明する角速度センサ素子の結線図を示した上面図である。
【図９】従来例を説明する駆動電圧の図である。
【図１０】従来例を説明す音叉腕の上面図である。
【符号の説明】
１ 音叉状水晶片、２ 音叉基部、３ 音叉腕、４、５ 電極．

Claims (4)

1. 少なくとも一方の音叉腕の４面に電極を設けて両主面から両側面に交流電圧を印加して音叉振動を駆動し、コリオリの力によって生ずる電荷を少なくとも他方の音叉腕の両側面に設けたセンサ電極によって検出する音叉型角速度センサ素子の駆動方法において、前記音叉腕の両主面から両側面に印加する交流電圧の大きさを異ならせたことを特徴とする音叉型角速度センサ素子の駆動方法。
2. 前記音叉型角速度センサ素子は結晶軸（ＸＹＺ）の±Ｘ軸を逆向きにした２枚の音叉状水晶片を貼り合わせてなり、前記音叉腕の両主面から両側面に印加される交流電圧は互いに逆相である請求項１の音叉型角速度センサ素子。
3. 前記音叉型角速度センサ素子は１枚の音叉状水晶片からなり、前記音叉腕の両主面から両側面に印加される交流電圧は互いに同相である請求項１の音叉型角速度センサ素子。
4. 前記交流電圧の大きさの異ならせ方は、前記音叉の加工誤差に起因して前記音叉に生じる斜め方向振動を相殺又は抑圧できる条件である請求項１の音叉型角速度センサ素子の駆動方法。

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