JP2005069801A - 圧電振動ジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】２軸の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を提供する。
【解決手段】第１の直線加速度検出回路５１は第１のＬＰＦ１０１の出力を第１の差動回路１０４の一方の入力に接続し第２のＬＰＦ１０２の出力を第１の符号反転回路１０３を介して第１の差動回路１０４の他方の入力に接続する。第２の直線加速度検出回路５２は第３のＬＰＦ１１１の出力を第２の差動回路１１７の一方の入力に接続し第４のＬＰＦ１１２の出力を第２の符号反転回路１１５を介して第２の差動回路１１７の他方の入力に接続する。第５のＬＰＦ１１３の出力を第３の差動回路１１８の一方の入力に接続し第６のＬＰＦ１１４の出力を第３の符号反転回路１１６を介して第３の差動回路１１８の他方の入力に接続する。第２の差動回路１１７の出力及び第３の差動回路１１８の出力を第４の差動回路１１９に接続する。
【選択図】 図２

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２軸の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１０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１０の紙面と平行な面が水平面（取付面）となっている。
図１０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１０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（（Ｚ軸）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Ｖｚ１、−Ｖｚ２（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｜Ｖｚ１｜＝｜−Ｖｚ２｜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（Ｚ軸検出モード時）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２つの検出電圧（Ｚ軸周りの角速度成分）の差動成分、即ちＶｚ１−（−Ｖｚ２）＝２Ｖｚ１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。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

近年ではより高精度な車両の走行制御、例えば立体的な道路状況に対応するように車両の傾斜角も検出することが可能な圧電振動ジャイロセンサが要望されており、本発明が解決しようとする問題点は、２軸の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（２軸角速度・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、結晶のＹ軸を長手方向とする２本の振動ビームを備えた双音さ型水晶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に作用するＸ軸方向及びＺ軸方向の少なくとも一方の直線加速度により発生する検出電圧の直線加速度成分を検出信号とすることを特徴とする。

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、前記検出電圧からＺ軸周りの角速度成分を除去しＸ軸方向の直線加速度成分を検出するための第１の直線加速度検出回路と、前記検出電圧からＹ軸周りの角速度成分を除去しＺ軸方向の直線加速度成分を検出するための第２の直線加速度検出回路と、を備え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２において、前記第１及び第２の直線加速度検出回路が少なくとも差動回路と符号反転回路とからな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２において、前記第１及び第２の直線加速度検出回路が少なくとも加算回路からな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、Ｚ軸及びＹ軸の少なくとも一方の軸周りに回転している前記双音さ型圧電振動子より発生する検出電圧の差動成分を前記第１及び第２の直線加速度検出回路を介せずに検出信号とすることを特徴とする。

本発明は、圧電振動子の出力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Ｘ軸方向及びＺ軸方向の直線加速度の大きさに対応する成分を個別に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に係わる水晶振動子の平面図であって、本図の紙面に平行な面が水晶振動子の水平面（取付け面）になる。図２（ａ）は第１の実施形態のＸ軸方向の直線加速度成分検出するための第１の直線加速度検出回路ブロック図、図２（ｂ）はＺ軸方向の直線加速度成分検出するための第２の直線加速度検出回路ブロック図である。以下の説明における軸方向は、図１に示すように、水晶振動子の主面の法線方向をＺ軸、該Ｚ軸に直交すると共に水晶振動子の長手方向をＹ軸、Ｚ軸及びＹ軸の直交方向をＸ軸とする。
第１の発明実施形態の圧電振動ジャイロセンサは、双音さ型水晶振動子５０と、第１及び第２の直線加速度検出回路５１及び５２と、からなる。水晶振動子５０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６１ａ及び６１ｂと該アーム部６１ａ及び６１ｂの表面に形成した駆動電極６２ａ及び６２ｂとを有する駆動部６３と、前記駆動部６３の一方端部（図１における上側端部）を支持すると共に一方主面（図１の紙面側）に形成する前記駆動電極６２ａ及び６２ｂに接続する第１の出力電極パッド６３ａ及び６３ｂと他方主面（図１の向う面側）に形成する前記駆動電極（不図示）に接続する第２の出力電極パッド６３ｃ、６３ｄとを備える第１の双音さ支持部６４と、前記駆動部６３の他方端部（図１における下側端部）を支持すると共に前記駆動電極６２ａ及び６２ｂに接続する駆動入力電極パッド６３ｅ、６３ｆ及び接地電極パッド６３ｇ及びモニタ電極パッド６３ｈを備える第２の双音さ支持部６５と、第１の検出電極６６ａ及び６６ｂを有し前記第１の双音さ支持部６４を介して前記アーム部６１ａ及び６１ｂの振動を検出する第１の検出部６７と、第２の検出電極６８ａ及び６８ｂを有し前記第２の双音さ支持部６５を介して前記アーム部６１ａ及び６１ｂの振動を検出する第２の検出部６９と、前記第１の検出部６７の一端を支持すると共に前記第１の検出電極６６ａ及び６６ｂに接続する第１の引き出し電極７０ａ及び７０ｂを有する第１の支持固定部７１と、前記第２の検出部６９の一端を支持すると共に前記第２の検出電極６８ａ及び６８ｂに接続する第２の引き出し電極７２ａ及び７２ｂを有する第２の支持固定部７３と、を備えている。なお、図１において図示した駆動電極、検出電極、各電極パッド及び引き出し電極の電極パターン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５０のパッケージ等の取付け面（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。

前記第１の直線加速度検出回路５１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。）１０１及び１０２と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の第１の符号反転回路１０３と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の第１の差動回路１０４と、を備えている。前記第１の引き出し電極のいずれか一方、例えば７０ａに接続する第１のＬＰＦ１０１の出力を第１の差動回路１０４の一方の入力（非反転入力）に接続し、前記第２の引き出し電極のいずれか一方、例えば７２ａに接続する第２のＬＰＦ１０２の出力を第１の符号反転回路１０３を介して第１の差動回路１０４の他方の入力（反転入力）に接続している。なお、各引き出し電極の他方の７０ｂ及び７２ｂは接地している。

前記第２の直線加速度検出回路５２は、高周波等のノイズを除去するための第３乃至第６のＬＰＦ１１１乃至１１４と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の第２及び第３の符号反転回路１１５及び１１６と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の第２乃至第４の差動回路１１７乃至１１９と、を備えている。前記第２の出力電極パッド６３ｄに接続する第３のＬＰＦ１１１の出力を第２の差動回路１１７の一方の入力（非反転入力）に接続し、前記第１の出力電極パッド６３ｂに接続する第４のＬＰＦ１１２の出力を第２の符号反転回路１１５を介して第２の差動回路１１７の他方の入力（反転入力）に接続している。前記第１の出力電極パッド６３ａに接続する第５のＬＰＦ１１３の出力を第３の差動回路１１８の一方の入力（非反転入力）に接続し、前記第２の出力電極パッド６３ｃに接続する第６のＬＰＦ１１４の出力を第３の符号反転回路１１６を介して第３の差動回路１１８の他方の入力（反転入力）に接続している。そして、第２の差動回路１１７の出力を前記第４の差動回路１１９の一方の入力（非反転入力）に接続すると共に、第３の差動回路１１８の出力を第４の差動回路１１９の他方の入力（反転入力）に接続している。

図１に示す前記水晶振動子５０の動作について図３乃至図８を斟酌して説明する。図３は駆動モードを示す図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。図４はＺ軸検出モードを示す図で、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。図５はＹ軸検出モードに係わるコリオリ力の作用図であって、アーム部の縦断面図である。図６はＹ軸検出モードを示す図で、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は側面図である。図７はＸ軸方向の直線加速度が加わった時の振動を示す図で、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は側面図である。図８はＺ軸方向の直線加速度が加わった時の振動を示す図で、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は側面図である。
まず、非回転時の状態において、前記駆動電極６３ｅ及び６３ｆ間に駆動信号を与えると、図３（ａ）に示すような前記アーム部６１ａ及び６１ｂは（Ｘ−Ｙ）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。この駆動モード（非回転時）にある水晶振動子５０のＺ軸周りの角速度（回転）を与えると、従来例と同様に、図４（ａ）に示すような（Ｘ−Ｙ）面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（Ｚ軸検出モード）が発生し該振動に対応して前記検出電極６６ａ及び６６ｂ間と検出電極６８ａ及び６８ｂ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、即ちＺ軸周りの角速度成分Ｖｚ１及び−Ｖｚ２（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｜Ｖｚ１｜＝｜−Ｖｚ２｜になる。）が発生する。
よって、前記検出電圧（Ｚ軸周りの角速度成分）の差動成分、即ちＶｚ１−（−Ｖｚ２）＝２Ｖｚ１を検出信号とすれば、Ｚ軸周りの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。

つぎに、前記駆動モードにある水晶振動子５０にＹ軸周りの角速度（回転）を与えると、図５に示すような前記アーム部のいずれか一方、例えば６１ａが−Ｚ方向（図中下向き）の、他方の６１ｂが＋Ｚ方向（図中上向き）のコリオリ力Ｆｃｙが働く。この結果、上下相反するコリオリ力Ｆｃｙによって、図６（ｂ）に示すようなアーム部６１ａは−Ｚ方向（図中右方向）に向かって屈曲すると共にアーム部６１ｂはＺ方向（図中左方向）に向かって振動する、即ち互いに相反する振動方向を有する（Ｘ−Ｙ）面外対称１次屈曲振動と呼ばれる屈曲振動（Ｙ軸検出モード）が発生する。その結果、前記振動に対応してアーム部６１ａの両主面に形成する前記駆動電極に接続する前記出力電極パッド６３ａ及び６３ｃにはそれぞれ符号（極性）が互いに反転する２つの出力電圧Ｖ_ｙ２＋及び（−Ｖ_ｙ２−）と
アーム部６１ｂの両主面に形成する前記駆動電極に接続する前記出力電極パッド６３ｂ及び６３ｄにはそれぞれ符号が互いに反転する２つの出力電圧（−Ｖ_ｙ１−）及びＶ_ｙ１＋とが、即ちＹ軸周りの角速度成分が発生する。なお水晶振動子の両主面に形成する駆動電極が同一になるように設計・製作されていることから｜Ｖ_ｙ２＋｜＝｜−Ｖ_ｙ２−｜、｜−Ｖ_ｙ１−｜＝｜Ｖ_ｙ１＋｜になる。
よって、前記出力電圧Ｖ_ｙ２＋及び（−Ｖ_ｙ２−）の差動成分、即ちＶ_ｙ２＋−（−Ｖ_ｙ２−）＝２Ｖ_ｙ２＋若しくは前記出力電極パッド６３ｂ及び６３ｄから出力する２つの出力電圧（−Ｖ_ｙ１−）及びＶ_ｙ１＋の差動成分、即ち（−Ｖ_ｙ１−）−Ｖ_ｙ１＋＝−２Ｖ_ｙ１−のいずれかを検出信号とすれば、Ｙ軸周りの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。

以上のことから、前記Ｚ軸検出モードはＸ−Ｙ面内での振動で前記Ｙ軸モードはＸ−Ｙ面外での振動であり、且つ、互いに異なる電極からの出力であることから、互いの検出信号が合成することなく正確に得ることができる。

図４（ａ）に示すような前記Ｚ軸検出モードにある前記水晶振動子５０にＸ軸方向（同図中下側の矢印方向）の直線加速度α１が加わった場合、前記第１及び第２の双音さ支持部６４及び６５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６４には（Ｚ軸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６５に（Ｚ軸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７に示すような前記第１及び第２の検出部６７及び６９が互いに同一のＸ軸方向（同図中の右方向）に振動する。該振動に対応して、前記第１の検出電極６７の角速度成分Ｖｚ１及び前記第２の検出電極６９の角速度成分−Ｖｚ２にＸ軸方向の直線加速度成分Ｖａｘが合成される。つまり、Ｚ軸周りの回転且つＸ軸方向の直線加速状態にある水晶振動子５０は第１の検出電極６７から検出電圧（Ｖｚ１＋Ｖａｘ）が、また第２の検出電極６９から検出電圧（−Ｖｚ２＋Ｖａｘ）が出力される。この場合、前記出力電極パッド６３ａ乃至６３ｄのいずれからも出力電圧（検出信号）は出力されない。

また図６（ｂ）に示すようなＹ軸検出モードにある前記水晶振動子５０にＺ軸方向（同図中下側の矢印方向）の直線加速度α２が加わった場合、前記アーム部６１ａには前記コリオリ力Ｆｃｙと反対方向の荷重、また前記アーム部６１ａには前記コリオリ力Ｆｃｙと同一方向の荷重が作用し、図８（ｂ）に示すようなアーム部６１ａ及び６１ｂは直線加速度α２の反対方向（同図の左方向）に振動する。該振動に対応して、前記出力電極パッド６３ａ及び６３ｃから出力する２つの出力電圧Ｖ_ｙ２＋及び（−Ｖ_ｙ２−）に直線加速度成分−Ｖａｚが、また前記出力電極パッド６３ｂ及び６３ｄから出力する２つの出力電圧（−Ｖ_ｙ１−）及びＶ_ｙ１＋にＺ軸方向の直線加速度成分＋Ｖａｚが合成される。つまり、Ｙ軸周りの回転且つＸ軸方向の直線加速状態にある水晶振動子５０は出力電極パッド６３ａから出力電圧Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ）が、出力電極パッド６３ｃから出力電圧（−Ｖ_ｙ２−）−Ｖａｚが、出力電極パッド６３ｂから出力電圧（−Ｖ_ｙ１−）＋Ｖａｚが、出力電極パッド６３ｄから出力電圧Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚが出力する。この場合、前記検出電極６７及び６９のいずれからも検出電圧（検出信号）は出力されない。

図２（ａ）に基づいて、前記検出電圧（Ｖｚ１＋Ｖａｘ）及び（−Ｖｚ２＋Ｖａｘ）の角速度成分及び直線加速度成分の符号関係を利用した前記第１の直線加速度検出回路５１による演算処理について説明する。
前記引き出し電極７２ａから出力する検出電圧（−Ｖｚ２＋Ｖａｘ）は前記第１の符号反転回路１０３を介して（Ｖｚ２−Ｖａｘ）になり該検出電圧（Ｖｚ２−Ｖａｘ）と前記引き出し電極２０ｂから出力する検出電圧（Ｖｚ１＋Ｖａｘ）との差動成分、即ち（Ｖｚ１＋Ｖａｘ）−（Ｖｚ２−Ｖａｘ）＝２Ｖａｘ（Ｖｚ１＝Ｖｚ２）を前記第１の差動回路１０４によって採り、これを検出信号とすればＸ軸方向の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。
つぎに、図２（ｂ）に基づいて、前記出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））、（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）、（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）及び（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）の角速度成分及び直線加速度成分の符号関係を利用した前記第２の直線加速度検出回路５２による演算処理について説明する。
前記出力電極パッド６３ｂから出力する出力電圧（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）は前記第２の符号反転回路１１５を介して（Ｖ_ｙ１−−Ｖａｚ）になり該検出電圧（Ｖ_ｙ１−−Ｖａｚ）と前記出力電極パッド６３ｄから出力する出力電圧（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）との差動成分、即ち（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）−（Ｖ_ｙ１−−Ｖａｚ）＝２Ｖａｚ（Ｖ_ｙ１＋＝Ｖ_ｙ１−）を前記第２の差動回路１１７によって採りだす。前記出力電極パッド６３ｃから出力する出力電圧（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）は前記第３の符号反転回路１１６を介して（Ｖ_ｙ２−＋Ｖａｚ）になり該検出電圧（Ｖ_ｙ２−＋Ｖａｚ）と前記出力電極パッド６３ａから出力する出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））との差動成分、即ち（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））−（Ｖ_ｙ２−＋Ｖａｚ）＝−２Ｖａｚ（Ｖ_ｙ２＋＝Ｖ_ｙ２−）を前記第３の差動回路１１８によって採りだす。そして、第２の差動回路１１７の出力２Ｖａｚと第３の差動回路１１８の出力（−２Ｖａｚ）との差動成分、即ち４Ｖａｚを前記第３の差動回路１１９によって採りだす。これを検出信号とすればＺ軸方向の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。

なお、前記Ｚ軸検出モードにある前記水晶振動子にＺ軸方向の直線加速度が加わった場合、前記検出電極からＺ軸周りの角速度成分が、前記出力電極パッドからＺ軸方向の直線加速度成分が出力する。
また、前記Ｙ軸検出モードにある前記水晶振動子にＸ軸方向の直線加速度が加わった場合、前記検出電極からＸ軸方向の直線加速度成分が、前記出力電極パッドからＹ軸周りの角速度成分が出力する。
さらに、前記Ｚ軸検出モード及び前記Ｙ軸検出モードにある前記水晶振動子にＺ軸方向及びＸ軸方向の直線加速度が加わった場合、前記検出電極からはＺ軸周りの角速度成分とＸ軸方向の直線加速度成分とが合成されたものが、前記出力電極パッドからはＺ軸方向の直線加速度成分とＹ軸周りの角速度成分とが合成されたもの出力される。この前記第１及び第２の直線加速度検出回路を用いて各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（２Ｖａｘ）及び前記出力電圧（４Ｖａｚ）は微小電圧であるため、例えば前記第１乃至第６のＬＰＦ１０１乃至１１４の入力側に前置増幅器を接続するか前記第１乃至第４の差動回路１０４、１１７乃至１１９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第１乃至第３の符号反転回路１０３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２Ｖａｘ及び４Ｖａｚを増幅しても構わない。

図９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直線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第１及び第２の直線加速度検出回路が第１の実施形態と異なる点は、前記第１乃至第３の符号反転回路を削除すると共に、前記第１乃至第３の差動回路を第１乃至第３の加算回路に置換した点にある。
図９（ａ）に示すように第１の直線加速度検出回路８１は、高周波等のノイズを除去するための第１及び第２のＬＰＦ１０１及び１０２と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の第１の加算回路１２１と、を備えている。前記第１の引き出し電極のいずれか一方、例えば７０ａに接続する第１のＬＰＦ１０１の出力を第１の加算回路１２１の一方の入力に接続し、前記第２の引き出し電極のいずれか一方、例えば７２ａに接続する第２のＬＰＦ１０２の出力を第１の加算回路１２１の他方の入力に接続している。なお、各引き出し電極の他方の７０ｂ及び７２ｂは接地している。
図９（ｂ）に示すように第２の直線加速度検出回路８２は、高周波等のノイズを除去するための第３乃至第６のＬＰＦ１１１乃至１１４と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の第２及び第３の加算回路１２２乃至１２３と、オペアンプを主構成部品にする公知技術の第４の差動回路１１９と、を備えている。前記第２の出力電極パッド６３ｄに接続する第３のＬＰＦ１１１の出力を第２の加算回路１２２の一方の入力に接続し、前記第１の出力電極パッド６３ｂに接続する第４のＬＰＦ１１２の出力を第２の加算回路１２２の他方の入力に接続している。さらに、前記第１の出力電極パッド６３ａに接続する第５のＬＰＦ１１３の出力を第３の加算回路１２３の一方の入力に接続し、前記第２の出力電極パッド６３ｃに接続する第６のＬＰＦ１１４の出力を第３の加算回路１２３の他方の入力に接続している。そして、第２の加算回路１２２の出力を前記第４の差動回路１１９の一方の入力（非反転入力）に接続すると共に、第３の加算回路１２３の出力を第４の差動回路１１９の他方の入力（反転入力）に接続している。

まず、前記検出電圧（Ｖｚ１＋Ｖａｘ）及び（−Ｖｚ２＋Ｖａｘ）の角速度成分及び直線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前記第１の直線加速度検出回路８１による演算処理について説明する。
前記検出電圧（Ｖｚ１＋Ｖａｘ）と前記検出電圧（−Ｖｚ２＋Ｖａｘ）との加算成分、即ち（Ｖｚ１＋Ｖａｘ）＋（−Ｖｚ２＋Ｖａｘ）＝２Ｖａ（Ｖｚ１＝Ｖｚ２）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Ｙ軸方向の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。

つぎに、前記出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））、（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）、（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）及び（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）の角速度成分及び直線加速度成分の符号関係を利用した前記第２の直線加速度検出回路８２による演算処理について説明する。
前記出力電圧（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）と前記出力電圧（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）との加算成分、即ち（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）＋（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）＝２Ｖａｚ（Ｖ_ｙ１＋＝Ｖ_ｙ１−）を前記第２の加算回路１２２によって採りだす。前記出力電圧（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）と前記出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））との加算成分、即ち（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）＋（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））＝−２Ｖａｚ（Ｖ_ｙ２＋＝Ｖ_ｙ２−）を前記第３の加算回路１２３によって採りだす。第２の加算回路１２２の出力２Ｖａｚと第３の加算回路１２３の出力（−２Ｖａｚ）との差動成分、即ち４Ｖａｚを前記第３の差動回路１１９によって採りだす。これを検出信号とすればＺ軸方向の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（２Ｖａｘ）及び前記出力電圧（４Ｖａｚ）は微小電圧であるため、例えば前記第１乃至第６のＬＰＦ１０１乃至１１４の入力側に前置増幅器を接続するか前記差動回路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加算回路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２Ｖａｘ及び４Ｖａｚを増幅しても構わない。

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（直線加速度検出回路）と組み合わせることによって、被測定物の２軸方向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。

なお第１及び第２の実施形態における前記ＬＰＦはノイズを除去するためのものであり、このノイズ成分が小さい場合には前記直線加速度検出回路から削除しても構わない。

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。 第１の実施形態に係わる加速度検出回路ブロック図である。 水晶振動子の駆動モードを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 水晶振動子のＺ軸検出モードを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 Ｙ軸検出モードに係わるコリオリ力の作用図であって、アーム部の縦断面図である。 水晶振動子のＹ軸検出モードを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 Ｘ軸方向の直線加速度が加わった時の水晶振動子の振動を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 Ｚ軸方向の直線加速度が加わった時の水晶振動子の振動を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 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直線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・・水晶振動子 ５１、８１・・第１の直線加速度検出回路
５１、８２・・第２の直線加速度検出回路
６１ａ、６１ｂ・・アーム部 ６２ａ、６２ｂ・・駆動電極
６３・・駆動部 ６３ａ、６３ｂ・・第１の出力電極パッド
６３ｃ、６３ｄ・・第２の出力電極パッド
６３ｅ、６３ｆ・・駆動入力電極パッド ６３ｇ・・接地電極パッド
６３ｈ・・モニタ電極パッド ６４・・第１の双音さ支持部
６５・・第２の双音さ支持部
６６ａ、６６ｂ・・第１の検出電極 ６７・・第１の検出部
６８ａ、６８ｂ・・第２の検出電極 ６９・・第２の検出部
７０ａ、７０ｂ・・第１の引き出し電極 ７１・・第１の支持固定部
７２ａ、７２ｂ・・第２の引き出し電極 ７３・・第２の支持固定部
１０１・・第１のローパスフィルタ １０２・・第２のローパスフィルタ
１０３・・第１の符号反転回路 １０４・・第１の差動回路
１１１・・第３のローパスフィルタ １１２・・第４のローパスフィルタ
１１３・・第５のローパスフィルタ １１４・・第６のローパスフィルタ
１１５・・第２の符号反転回路 １１６・・第３の符号反転回路
１１７・・第２の差動回路 １１８・・第３の差動回路
１１９・・第４の差動回路 １２１・・第１の加算回路
１２２・・第２の加算回路 １２３・・第３の加算回路

Claims (5)

1. 結晶のＹ軸を長手方向とする２本の振動ビームを備えた双音さ型水晶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に作用するＸ軸方向及びＺ軸方向の少なくとも一方の直線加速度により発生する検出電圧の直線加速度成分を検出信号とすることを特徴とする圧電振動ジャイロセンサ。
2. 前記検出電圧からＺ軸周りの角速度成分を除去しＸ軸方向の直線加速度成分を検出するための第１の直線加速度検出回路と、
   前記検出電圧からＹ軸周りの角速度成分を除去しＺ軸方向の直線加速度成分を検出するための第２の直線加速度検出回路と、
   を備え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. 前記第１及び第２の直線加速度検出回路が少なくとも差動回路と符号反転回路とからなることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動ジャイロセンサ。
4. 前記第１及び第２の直線加速度検出回路が少なくとも加算回路からなることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動ジャイロセンサ。
5. Ｚ軸及びＹ軸の少なくとも一方の軸周りに回転している前記双音さ型圧電振動子より発生する検出電圧の差動成分を前記第１及び第２の直線加速度検出回路を介せずに検出信号とす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。
   

Images