JP2005055267A - 圧電振動ジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】角速度検出及び直線加速度検出機能を備える双音さ型水晶振動子を用いた圧電振動ジャイロセンサ（角速度及び直線加速度センサ）を提供する。
【解決手段】双音さ型水晶振動子１と、第１のローパスフィルタ５１及び５２と符号反転回路５３と差動増幅回路５４とを備える加速度検出回路５０と、からなり、水晶振動子１の引き出し電極２０ｂに接続する第１のローパスフィルタ５１の出力を差動増幅回路５４の一方の入力に接続し、水晶振動子１の引き出し電極２２ｂに接続する第２のローパスフィルタ５２の出力を符号反転回路５３を介して差動増幅回路５４の他方の入力に接続している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コリオリ力を利用する圧電振動ジャイロセンサ、特に双音さ型圧電振動子を角速度及び直線加速度検出素子として用いた圧電振動ジャイロセンサに関するものである。

車両の走行制御用途向けの角速度検出センサとしての圧電振動ジャイロセンサ、特に水晶振動子を用いた圧電振動ジャイロセンサには耐振動衝撃性能に優れ小型且つ高精度のものが要求される。

従来の圧電振動ジャイロセンサに用いる角速度検出素子としての水晶振動子には、例えば本発明者により特願２００２−２６４８７２号で提案されたようなものがあり、図４は双音さ型水晶振動子の外観図を示したものである。なお、図４の紙面と平行な面が水平面（取付面）となっている。
図４に示すように水晶振動子１は、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片をウェットエッチング加工によって双音さ形状に形成し、その表面に蒸着やスパッタリングにより所定の電極を形成したものであって、一対の短冊状のアーム部１１ａ及び１１ｂと該アーム部１１ａ及び１１ｂの表面に形成した駆動電極１２ａ及び１２ｂとを有する駆動部１３と、前記駆動部１３の両端を支持すると共に前記駆動電極１２ａ及び１２ｂに接続するリード電極１３ａを備える第１及び第２の双音さ支持部１４及び１５と、第１の検出電極１６ａ及び１６ｂを有し前記第１の双音さ支持部１４を介して前記アーム部１１ａ及び１１ｂの振動を検出する第１の検出部１７と、第２の検出電極１８ａ及び１８ｂを有し前記第２の双音さ支持部１５を介して前記アーム部１１ａ及び１１ｂの振動を検出する第２の検出部１９と、前記第１の検出部１７の一端を支持すると共に前記第１の検出電極１６ａ及び１６ｂに接続する一対の第１の引き出し電極２０ａ及び２０ｂを有する第１の支持固定部２１と、前記第２の検出部１９の一端を支持すると共に前記第２の検出電極１８ａ及び１８ｂに接続する一対の第２の引き出し電極２２ａ及び２２ｂとを有する第２の支持固定部２３と、を備えている。なお、図４において図示した駆動電極、各検出電極及び各引き出し電極の電極パターンとリード電極の電極パターンとは裏面にも同様な電極パターンが形成され、側面のパターンを介して接続されている。
また、第１及び第２の支持固定部は接着材等で水晶振動子１のパッケージ等の取り付け面（水平面）に固定されて使用することとなるが、ここでは図示を省略する。

前記圧電振動ジャイロセンサ（前記水晶振動子１）は、次のように動作する。
まず、非回転時の状態において、前記駆動電極１２ａ及び１２ｂ間に駆動信号を与えると、前記アーム部１１ａ及び１１ｂは面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動（駆動モード）が発生する。このときアーム部１１ａ及び１１ｂは互いに図中左右対称に振動する（特許文献１の図２（ａ）を参照。）。
そこで、この駆動モードで振動している振動ジャイロセンサに結晶Ｚ軸周りの角速度（回転）を与える。すると、アーム部１１ａ及び１１ｂのそれぞれには一方がY方向（図中上向き）、他方がＹ方向（図中下向き）のコリオリ力が働く。この結果、前記左右相反するコリオリ力によってアーム部１１ａ及び１１ｂは面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生する（特許文献１の図２（ｂ）を参照。）。

このとき第１及び第２の双音さ支持部１４及び１５にはそれぞれモーメントが発生するので第１及び第２の検出部１７及び１９はこれに対応してＸ方向に振動する。その結果、前記振動に対応して検出電極１６ａ及び１６ｂ間と検出電極１８ａ及び１８ｂ間とにはそれぞれ符号（極性）が互いに反転する二つの検出電圧Ｖｄｅ１、−Ｖｄｅ２（水晶振動子１の平面外形形状及び各電極は水晶振動子１の重心を通るＺ軸に対して対称になるように設計・製作されていることから｜Ｖｄｅ１｜＝｜−Ｖｄｅ２｜になる。）が発生する。
よって、第１及び第２の検出部１７及び１９は非回転時（駆動モード時）にはＸ方向の振動成分がほとんど発生せず、回転時（検出モード時）にのみＸ方向の振動成分を発生するので、第１及び第２の検出部１７及び１９から出力する前記二つの検出電圧（角速度成分）の差動成分を検出信号とすれば、回転角速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。なお、回転方向が逆になると検出信号の符号が反転する。
特願２００２−２６４８７２号

近年では前記圧電振動ジャイロセンサ（角速度検出センサ）に対して多機能化への要求、例えば直線加速度検出センサとしての機能も付加することが望まれており、本発明が解決しようとする問題点は、角速度検出及び直線加速度検出機能を備える双音さ型水晶振動子を用いた圧電振動ジャイロセンサ（角速度及び直線加速度検出センサ）を提供することができない点である。

上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、双音さ型圧電振動子を用いる圧電振動ジャイロセンサにおいて、前記双音さ型圧電振動子より出力される検出電圧から前記双音さ型圧電振動子に作用する直線加速度により発生する直線加速度成分を検出するための加速度検出手段を備えたことを特徴とする。

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、前記加速度検出手段は前記検出電圧から角速度成分を除去することにより前記直線加速度成分を検出していることを特徴とする。

本発明に係わる請求項３記載の発明は、請求項１又は２において、前記加速度検出手段は少なくとも差動回路と符号反転回路とを備えていることを特徴とする。

本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項１又は２において、前記加速度検出手段は少なくとも加算回路を備えていることを特徴とする。

本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記双音さ型圧電振動子より発生する検出電圧から前記双音さ型圧電振動子に作用する回転により発生する角速度成分を検知するための差動回路を備えていることを特徴とする。

本発明は、検出電圧から角速度の大きさに対応する成分を除去ことにより直線加速度の大きさに対応する成分を検出信号として出力すると共に、自動車等で利用する上で必要とされる耐振動性、耐衝撃性に優れた構造を有する圧電振動ジャイロセンサを提供することができるという利点がある。

以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１は本発明の第1の実施形態の圧電振動ジャイロセンサの概略構成図である。
本発明実施形態の圧電振動ジャイロセンサは、前記水晶振動子１と、加速度検出回路５０と、からなる。加速度検出回路５０は、高周波等のノイズを除去するための第１及び第２のローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」と示す。）５１及び５２と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の符号反転回路５３と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の差動回路５４と、を備えており、水晶振動子１（前記第１の引き出し電極のいずれか一方、例えば２０ｂ）に接続する第１のＬＰＦ５１の出力を差動回路５４の一方の入力（非反転入力）に接続し、水晶振動子１（前記第２の引き出し電極のいずれか一方、例えば引き出し電極２２ｂ）に接続する第２のＬＰＦ５２の出力を符号反転回路５３を介して差動回路５４の他方の入力（反転入力）に接続している。なお、引き出し電極２０ａ及び２２ａは接地している。

図２は第１の実施形態に係わる水晶振動子の屈曲振動の様子を示す図である。
まず、前記圧電振動ジャイロセンサ（前記水晶振動子１）の動作について説明する。図２（ａ）に示すように、検出モード（回転状態）にある水晶振動子１に該水晶振動子１のＸ軸方向、例えば同図中下側に示す矢印方向に加速度が作用した場合、前記第１及び第２の双音さ支持部１４及び１５に互いに逆方向のモーメントが発生し、第１の双音さ支持部１４には（検出モード時に発生したモーメントに）同一方向のモーメントが合成され第２の双音さ支持部１５に（検出モード時に発生したモーメントに）反対方向のモーメントが合成され、これに対応して、図２（ｂ）に示すように、第１及び第２の検出部１７及び１９は互いに同一のＸ軸方向（右方向）に変形する。該変形に対応して、前記第１の検出電極の角速度成分Ｖｄｅ１及び前記第２の検出電極の角速度成分−Ｖｄｅ２に加速度成分Ｖａが合成される。つまり、回転且つ直線加速状態にある水晶振動子１は第１の検出電極から検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）が、第２の検出電極から検出電圧（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）が出力される。

つぎに、図１を参酌して、前記二つの検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）及び（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）の角速度成分及び加速度成分の符号関係を利用した前記加速度検出回路５０による演算処理について説明する。
前記引き出し電極２２ｂから外部出力する検出電圧（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）は前記符号反転回路５３を介して（Ｖｄｅ２−Ｖａ）になり該検出電圧（Ｖｄｅ２−Ｖａ）と前記引き出し電極２０ｂから外部出力する検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）との差動成分、即ち（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）−（Ｖｄｅ２−Ｖａ）＝２Ｖａ（Ｖｄｅ２＝Ｖｄｅ１）を前記差動回路５４によって採り、これを検出信号とすれば（直線）加速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。

前記検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）及び（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）は微小電圧であるため、例えば前記第１及び第２のＬＰＦ５１及び５２の入力側に前置増幅器を接続するか前記差動回路５４の増幅度を所望値に変換して差動増幅回路として使用するか前記符号反転回路５３の増幅度を所望値に変換して符号反転増幅回路として使用するかなどして前記検出信号（２Ｖａ）を増幅しても構わない。
なお、角速度成分の検出は、加速度検出回路５０を介せずに、検出モードにおける前記二つの検出電圧Ｖｄｅ１及び−Ｖｄｅ２の差動成分を検出信号とすれば、回転角速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。

図３は本発明の第２の実施形態の圧電振動ジャイロセンサに係わる加速度検出回路ブロック図である。
第２の実施形態に係わる加速度検出回路が第１の実施形態と異なる点は、前記差動回路を加算回路に置換した点にある。前記二つの検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）及び（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）の角速度成分及び加速度成分の符号関係を利用した第２の実施形態に係わる加速度検出回路６０による演算処理について説明する。
加速度検出回路６０は、高周波等のノイズを除去するための第１及び第２のＬＰＦ５１及び５２と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の加算回路６４と、を備えており、前記水晶振動子１（前記第１の引き出し電極のいずれか一方、例えば２０ｂ）に接続する第１のＬＰＦ５１及び該水晶振動子１（前記第２の引き出し電極のいずれか一方、例えば引き出し電極２２ｂ）に接続する第２のＬＰＦ５２の出力を加算回路６４の他方の入力（反転入力）に接続し一方の入力（非反転入力）はアース電位にする。なお、引き出し電極２０ａ及び２２ａは接地している。
前記引き出し電極２２ｂから出力される検出電圧（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）と前記引き出し電極２０ｂから出力される検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）との加算成分、即ち（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）＋（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）＝２Ｖａを前記加算回路６４によって採り、これを検出信号とすれば（直線）加速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。

前記検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）及び（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）は微小電圧であるため、例えば前記第１及び第２のＬＰＦ５１及び５２の入力側に前置増幅器を接続するか前記加算回路６４の増幅度を所望値に変換して加算増幅回路として使用するかなどして前記検出信号（２Ｖａ）を増幅しても構わない。
なお、前記検出電圧から前記水晶振動子１に作用する回転により発生する角速度成分を検知するための差動回路の出力、即ち前記加速度検出回路６０を用いずに、検出モードにおける前記二つの検出電圧Ｖｄｅ１及び−Ｖｄｅ２の差動成分を検出信号とすれば、角速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。

以上のことから、本発明の圧電振動ジャイロセンサは従来と同一の双音さ型水晶振動子を用いつつ簡易な演算回路（加速度検出回路）と組み合わせることによって、被測定物の角速度及び直線加速度を長期に渡って正確に検出することが可能になる。

本発明は、水晶振動子（水晶）のみに限定するものではなくランガサイト、四方酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等のその他の圧電材料からなる振動子に適用できることは云うまでもない。

本発明に係る圧電振動ジャイロセンサの概略構成図である。 本発明に係る水晶振動子の屈曲振動の様子を示す図である。 第２の実施形態に係わる加速度検出回路ブロック図である。 従来の水晶振動子の概略構成図である。

符号の説明

１・・水晶振動子 １１ａ、１１ｂ・・アーム部
１２ａ、１２ｂ・・駆動電極 １３・・駆動部 １３ａ・・リード電極
１４・・第１の双音さ支持部 １５・・第２の双音さ支持部
１６ａ、１６ｂ・・第１の検出電極 １７・・第１の検出部
１８ａ、１８ｂ・・第２の検出電極 １９・・第２の検出部
２０ａ、２０ｂ・・第１の引き出し電極 ２１・・第１の支持固定部
２２ａ、２２ｂ・・第２の引き出し電極 ２３・・第２の支持固定部
５０・・加速度検出回路
５１・・第１のローパスフィルタ ５２・・第２のローパスフィルタ
５３・・符号反転回路 ５４・・差動回路
６０・・加速度検出回路 ６４・・加算回路

Claims (5)

1. 双音さ型圧電振動子を用いる圧電振動ジャイロセンサにおいて、
   前記双音さ型圧電振動子より出力される検出電圧から前記双音さ型圧電振動子に作用する直線加速度により発生する直線加速度成分を検出するための加速度検出手段を備えたことを特徴とする圧電振動ジャイロセンサ。
2. 前記加速度検出手段は前記検出電圧から角速度成分を除去することにより前記直線加速度成分を検出していることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動ジャイロセンサ。
3. 前記加速度検出手段は少なくとも差動回路と符号反転回路とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動ジャイロセンサ。
4. 前記加速度検出手段は少なくとも加算回路を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動ジャイロセンサ。
5. 前記双音さ型圧電振動子より発生する検出電圧から前記双音さ型圧電振動子に作用する回転により発生する角速度成分を検知するための差動回路を備えていることを特徴とする請求項１乃至４に記載の圧電振動ジャイロセンサ。
   

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