JP2005077168A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐振動衝撃性に優れ、かつ高精度で小型化にも対応可能な水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサを提供することができない。
【解決手段】二本のアーム部と前記アーム部の表面に形成した駆動用電極と前記アーム部の両端を支持する第１、第２の双音さ支持部とが一体となった双音さ型振動ジャイロセンサと該双音さ型振動ジャイロセンサより出力される検出電圧から前記双音さ型振動ジャイロセンサ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除去するための加速度除去手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図９

Description

本発明は、コリオリ力を利用した振動ジャイロセンサを用いた角速度センサに関するものである。

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さ型振動ジャイロセンサーが広く使われている。特に水平横置き型と呼ばれる音さ型振動ジャイロセンサは薄型化、及び小型化しやすいため、カメラの手振防止用やカーナビゲーションシステム用等、その応用範囲は広い。
近年、車両の走行制御用途向けに水平横置きタイプの音さ型振動ジャイロセンサが研究されるようになってきた。車両の走行制御はまさに車両全体の安全性を左右する生命線であり、この用途向けの振動ジャイロセンサには、特に耐振動衝撃性能に優れ高精度のものが要求される。

水平横置きタイプの音さ型振動ジャイロセンサの従来例が以下の文献に紹介されている。（N.Shiratori，Y.Tomikawa and K．Onishi，“Experimental Investigation of Flatly Supported Vibratory Gyro-Sensor Using Quartz Crystal Trident-Type Tuning Fork Resonator”，Transducers'99，No.3P2.26，pp.967-968，(1999)．）この文献で紹介されているものは３脚音さ型振動ジャイロと呼ばれているタイプである。一般に３脚音さ型振動ジャイロは、３本の音さアームの一端を固定しアームの他端をフリーにした片持ち支持構造となっている。

また、特開平１１−２８１３７２号公報において水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサが例示されている。この音さ型振動ジャイロセンサは振動子の重心を一点で支持する構造となっている。
このように、従来の水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサは一点支持、或いは片持ち支持といった支持構造をとっている。
特開平１１−２８１３７２号公報 N.Shiratori，Y.Tomikawa and K．Onishi，"Experimental Investigation of Flatly Supported Vibratory Gyro-Sensor Using Quartz Crystal Trident-Type Tuning Fork Resonator"，Transducers'99，No.3P2.26，pp.967-968，(1999)．

しかしながら、従来の水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサは一点支持、あるいは片持ち支持といった構造であり取付部分の面積も狭い。このため、外から振動や衝撃が加わるとセンサの支持部分に振動や衝撃が集中しやすいため、車両走行時のように長時間に渡り多大な振動と衝撃が加わる厳しい環境条件下においては、破損する怖れも高い。また、センサ全体を小型化するとさらに支持部分に衝撃が集中しやすくなるという問題点を抱えている。

また、従来の振動ジャイロセンサを角速度検出素子（角速度センサ）として用いた場合、角速度検出素子に角速度及び直線加速度が同時に加わったときには直線加速度の影響をうけた振動もするので、角速度に対応する電気信号と直線加速度に対応する電気信号とが合成されるという問題点が生じる。

つまり解決しようとする問題点は、耐振動衝撃性に優れ、かつ高精度で小型化にも対応可能な水平横置き型の音さ型振動ジャイロセンサを提供することができない点である。

さらに、角速度及び直線加速度が同時に加わった場合でも正確に角速度に対応する電気信号を検出するために、直線加速度に対応する電気信号を除去する機能を備える角速度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、二本のアーム部と前記アーム部の表面に形成した駆動用電極と前記アーム部の両端を支持する第１、第２の双音さ支持部とが一体となった双音さ型振動ジャイロセンサと該双音さ型振動ジャイロセンサより出力される検出電圧から前記双音さ型振動ジャイロセンサ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除去するための加速度除去手段と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、前記加速度除去手段がＸ軸方向またはＺ軸方向の直線加速度の少なくとも一方により発生する直線加速度成分を除去するためのものであ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、Ｘ軸方向の直線加速度により発生する直線加速度成分を除去するための前記加速度除去手段は少なくとも２個のフィルタ回路を備えたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項３において、前記加速度除去手段に少なくとも差動回路を備えたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項３において、前記加速度除去手段に少なくとも符号反転回路と加算回路とを備えたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、Ｚ軸方向の直線加速度により発生する直線加速度成分を除去するための前記加速度除去手段は少なくとも４個のフィルタ回路を備えたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項７記載の発明は、請求項６において、前記加速度除去手段に少なくとも２個の差動回路を備えたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項８記載の発明は、請求項６において、前記加速度除去手段に少なくとも２個の加算回路と２個の符号反転回路とを備えたことを特徴とする。

本発明のコリオリ力を利用した角速度センサにおいて、水平横置きタイプの双音さ型の構造とし、回転の検出モードに面内非対称屈曲２次モードを利用し、また支持面積を広くとることができるようにしたので、自動車等で利用する上で必要とされる耐振動性、耐衝撃性に優れた高精度な角速度センサを提供する上で著効を奏す。
さらに、簡易な演算回路（加速度除去回路）を組み合わせることで加速度の影響を受けることなく、被測定物の角速度を長期に渡って正確に検出することが可能になる。

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の実施形態としての双音さ型振動ジャイロセンサの外観図である。なお、図１の紙面と平行な面が水平面（取付面）となっている。
図１に示した双音さ型振動ジャイロセンサは、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板水晶薄片を双音さ形状に加工し、その表面に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１ａ、１ｂと前記アーム部１ａ、１ｂの表面に形成した駆動電極２ａ、２ｂとを有する駆動部３と、前記駆動部３の両端を支持する第１，第２の双音さ支持部４、５と、第１の検出電極６ａ、６ｂを有し前記第１の双音さ支持部４を介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する第１の検出部７と、第２の検出電極８ａ、８ｂを有し前記第２の双音さ支持部５を介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する第２の検出部９と、前記第１の検出部７の一端を支持すると共に前記第１の検出電極６ａ、６ｂに接続する一対の引き出し電極１０ａ、１０ｂを有する第１の支持固定部１１と、前記第２の検出部９の一端を支持すると共に前記第２の検出電極８ａ、８ｂに接続する一対の引き出し電極１２ａ、１２ｂとを有する第２の支持固定部１３とを備えている。ここで、図１において図示した前記駆動電極と第１、第２の検出電極と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、第２の支持固定部は接着材等でセンサ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。

図１に示した双音さ型振動ジャイロセンサは次のように動作する。
まず、非回転時の状態を考える。駆動用電極２ａ、２ｂ間に駆動信号を与えると、図２（ａ）に示すようにアーム部１ａ、１ｂ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１ａ、１ｂは互いに図中左右対称に振動する。
そこで、この駆動モードで振動している双音さ型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１ａ、１ｂ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１ａ、１ｂは図２（ｂ）に示すような面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生する。

このとき第１，第２の双音さ支持部４、５にはそれぞれモーメントが発生するので第１，第２の検出部７、９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第１の検出部７に設けられた検出電極６ａ、６ｂ間には検出電圧Ｖｏ１、第２の検出部９に設けられた検出電極８ａ、８ｂ間には検出電圧Ｖｏ２が発生し該検出電圧Ｖｏ１及びＶｏ２にはそれぞれ極性が互いに反転する角速度成分Ｖｄｅ１及び−Ｖｄｅ２（双音さ型振動ジャイロセンサの平面外形形状及び各電極は双音さ型振動ジャイロセンサの重心を通る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。）が含まれる。
よって、第１、第２の検出部７、９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、第２の検出部７、９から出力する前記角速度成分の差動成分（Ｖｄｅ１−（−Ｖｄｅ２））＝Ｖｄｅ１＋Ｖｄｅ２＝２Ｖｄｅ１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極性が反転する。

次に、本発明に係わる双音さ型振動ジャイロセンサをシミュレーションした結果について説明する。図３〜図５は図１に示した形状のものを汎用解析ソフトであるＡＮＳＹＳ Ｒｅｖ．６．０（ＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ）を用いてシミュレーションを行った結果を示したものである。
図３は双音さ型振動ジャイロセンサの検出部７、９の幅Ｗ３（横軸）に対する共振周波数（縦軸）の変化を示したものである。ここで、共振周波数とは駆動電極２ａ、２ｂに印加する駆動信号の周波数を一定振幅で変化させたときに、アーム部１ａ、１ｂが最も良く振動する周波数のことをいい、このとき振動の振幅が最大となる。

図３において実線Ａは駆動モード時（非回転時）の共振周波数を、実線Ｂは検出モード（回転時）の共振周波数のシミュレーション結果を示している。図３が示すように検出電極Ｗ３の幅に比例して検出モードの共振周波数が変化し、またＷ３＝０．３５８［ｍｍ］付近で駆動モードと検出モードの共振周波数が一致していることが分かった。

次に図３のシミュレーション結果から、駆動モードと検出モードにおける共振周波数が少し異なるように検出部幅をＷ３＝０．３５６［ｍｍ］とし、共振周波数の差すなわち離調周波数をｆ_Δ＝５７．９［Ｈｚ］として選択した。これは、駆動モードと検出モードの二つの振動が混在して発生しないように考慮している。
そこで、回転角速度をΩｚ＝１［ｒａｄ／ｓｅｃ］一定で駆動信号の周波数を変化させたとき、駆動周波数（横軸）に対する検出電圧の差動成分（縦軸）の振幅、位相特性をシミュレーションした結果を図４に示す。

図４において実線Ｃは振幅特性を、実線Ｄは位相特性のシミュレーション結果を示している。ここで、振幅特性の縦軸の値は検出電圧の差動成分（Ｖｏ１−Ｖｏ２）の駆動信号振幅値（Ｖｉ）に対する電圧比（Ｖｏ１−Ｖｏ２）／Ｖｉとして表示している。
図４が示すように、駆動周波数ｆｄｒ＝３２４０８［Ｈｚ］のとき、検出信号（差動成分）の最大値が得られた。

次に、Ｚ軸周りの回転角速度Ωｚ（横軸）に対する検出信号（縦軸）の変化についてシミュレーションした結果を図５に示す。ここで、検出電極幅Ｗ３＝０．３５６［ｍｍ］、及び駆動信号周波数ｆｄｒ＝３２４０８［Ｈｚ］としている。
図５のシミュレーション結果が示すように、検出信号は回転角速度Ωｚに比例し、回転方向が反転するとそれに応じて検出信号の極性も反転していることが分かる。

従って、図３〜５のシミュレーション結果から、双音さ型の振動ジャイロセンサを水平横置きタイプの角速度センサとして利用可能なことが分かった。また、以上説明したように、双音さ型の振動ジャイロセンサは支持固定部を二つ備える構造であり支持面積を広くとることができるので、外部からの振動や衝撃が特定の部位に集中しにくい構造とすることができる。よって、従来の片持ち型や一点支持型といった構造のものよりも耐振動性、耐衝撃性に優れたものとすることができる。

図６及び図７に基づいて、本発明の第２の実施形態としての双音さ型振動ジャイロセンサを用いた角速度センサについて説明する。
図６は第２の実施形態に係わる直線加速度が加わった時の双音さ型振動ジャイロセンサの動作を説明するための図である。
第２の実施形態の特徴は、第１の実施形態に直線加速度（以下「加速度」と略す。）成分除去回路を付加した（Ｚ軸周りの）角速度センサとして用いた点にある。そこで、まずＸ軸方向の加速度が加わった時の双音さ型振動ジャイロセンサの動作について説明する。
前記双音さ型振動ジャイロセンサ（第１の実施形態）がＺ軸周りの回転が加わった時（検出モード時）には、前記検出電圧Ｖｏ１及びＶｏ２には前記角速度成分Ｖｄｅ１及び−Ｖｄｅ２のみが含まれる、即ちＶｏ１＝Ｖｄｅ１及びＶｏ２＝−Ｖｄｅ２になることを前述した。ここにＸ軸方向（図２（ｂ）中下側の矢印方向）の加速度が加わった時、図６に示すように、前記第１及び第２の双音さ支持部４及び５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４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５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、第１及び第２の検出部７及び９は互いに同一のＸ軸方向（右方向）に振動する。該振動に対応して加速度成分Ｖａが発生し、前記検出電圧Ｖｏ１及びＶｏ２には前記振動成分と加速度成分Ｖａとが含まれることになる。

図７は本発明の第２の実施形態としての双音さ型振動ジャイロセンサを用いた角速度センサの検出信号に含まれる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。
しかしながら、前記加速度成分Ｖａは角速度センサとっては正確な角速度成分の検出を阻害する雑音であるため加速度成分Ｖａを除去するための手段が必要である。加速度成分Ｖａを除去するため手段として、例えば図７に示すような、加速度除去回路５０があり該加速度除去回路５０は、角速度成分（が有する周波数成分）を通過させる、換言すれば加速度成分（が有する周波数成分）を減衰させるための公知技術の第１及び第２のフィルタ回路５１及び５２（例えば高域通過フィルタ）と、前記第１及び第２のフィルタ回路５１及び５２で加速度成分が減衰できない、例えば想定した周波数より高い周波数成分を有する加速度成分を演算処理により破棄するための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５３（後述する第４の実施形態に用いる差動回路との区別を明確にするため「第１」と採番する。）と、を備えている。前記引き出し電極、例えば１０ｂに接続する第１のフィルタ回路５１の出力を第１の差動回路５３の一方の入力（非反転入力）に接続し、前記引き出し電極、例えば１２ｂに接続する第２のフィルタ回路５２の出力を第１の差動回路５３の他方の入力（反転入力）に接続している。なお、他方の引き出し電極１０ａ及び１２ａは接地している。

前記検出電圧Ｖｏ１＝（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）及びＶｏ２＝（−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除去回路５０による演算処理について説明する。特に、フィルタ回路で加速度成分が減衰できない場合で説明する。
前記検出電圧Ｖｏ１＝（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）と前記検出電圧Ｖｏ２（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）との差動成分、即ち（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）−（Ｖｄｅ２＋Ｖａ）＝Ｖｄｅ１＋Ｖｄｅ２＝２Ｖｄｅ１を前記第１の差動回路５３によって採り、これを検出信号とすれば加速度に比例した電圧を除去し角速度に比例した電圧のみを検出信号として得ることができる。

図８は本発明の第３の実施形態としての双音さ型振動ジャイロセンサからの検出信号に含まれる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。
第３の実施形態としての加速度除去回路が第２の実施形態と異なる点は、前記第１の差動回路を加算回路に置換した点にある。
第３の実施形態の加速度除去回路６０は、前記第１及び第２のフィルタ回路５１及び５２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６３（後述する第５の実施形態に用いる符号反転回路との区別を明確にするため「第１」と採番する。）と、前記第１及び第２のフィルタ回路５１及び５２で減衰できない加速度成分を演算処理により破棄するための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６４（後述する第４及び第５の実施形態に用いる加算回路との区別を明確にするため「第１」と採番する。）と、を備えている。前記引き出し電極、例えば１０ｂに接続する第１のフィルタ回路５１の出力を第１の加算回路６４の一方の入力に接続し、前記引き出し電極、例えば１２ｂに接続する第２のフィルタ回路５２の出力を第１の符号反転回路６３を介して第１の加算回路６４の他方の入力に接続している。なお、引き出し電極１０ａ及び１２ａは接地している。

つぎに、前記検出電圧（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除去回路６０による演算処理について説明する。特に、フィルタ回路で加速度成分が減衰できない場合で説明する。
前記引き出し電極１２ｂから出力する検出電圧（−Ｖｄｅ２＋Ｖａ）は前記第１の符号反転回路６３を介して（Ｖｄｅ２−Ｖａ）になり該検出電圧（Ｖｄｅ２−Ｖａ）と前記検出電圧（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）との加算成分、即ち（Ｖｄｅ１＋Ｖａ）＋（Ｖｄｅ２−Ｖａ）＝Ｖｄｅ１＋Ｖｄｅ２＝２Ｖｄｅ１を前記第１の加算回路６４によって採り、これを検出信号とすれば加速度に比例した電圧を除去し角速度に比例した電圧のみ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のフィルタ回路５１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５３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（２Ｖｄｅ１）を増幅しても構わない。

図９乃至図１２に基づいて、本発明の第４の実施形態としての双音さ型振動ジャイロセンサを用いた２軸角速度センサについて説明する。
図９は第４の実施形態に係わる双音さ型振動ジャイロセンサの平面外観図である。
第４の実施形態が第１乃至第３の実施形態と異なる点は、Ｚ軸方向の加速度を除去するための加速度成分除去回路をも付加した２軸（Ｚ軸及びＹ軸周りの）角速度センサとして、若しくは前記加速度除去回路５０又は６０をＺ軸方向の加速度を除去するための加速度成分除去回路に置換し１軸（Ｙ軸周りの）角速度センサとして用いた点にある。
そこで、まず２軸角速度センサ若しくは１軸角速度センサとして用いるための双音さ型振動ジャイロセンサについて説明する。
第４の実施形態に係わる双音さ型振動ジャイロセンサ７０（以下「ジャイロ」と示す。）が第１の実施形態と異なる点は、図９に示すように、ジャイロ７０の一方主面側（図９の紙面側）に形成する前記駆動電極２ａ及び２ｂに接続する第１の出力電極パッド７１ａ及び７１ｂと他方主面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７２ａ及び７２ｂとを前記第１の双音さ支持部４に配設すると共に、前記駆動電極２ａ及び２ｂに接続する駆動入力電極パッド７３ａ及び７３ｂと接地電極パッド７４及びモニタ電極パッド７５とを前記第２の双音さ支持部５に配設した点にある。

図１０はＹ軸周りの角速度によって発生するコリオリ力を説明するための図であって、図１１はＹ軸検出モードを説明するための図で、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は側面図ある。
つぎに、Ｙ軸検出モードについて説明する。
図２（ａ）に示すような駆動モードにある前記ジャイロにＹ軸周りの角速度（回転）を与えると、図１０に示すような前記アーム部のいずれか一方、例えば１ａが−Ｚ方向（図中下向き）の、他方の１ｂ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１１（ｂ）に示すようなアーム部１ａは−Ｚ方向（図中右方向）に向かって屈曲振動すると共にアーム部１ｂはＺ方向（図中左方向）に向かって屈曲振動する、即ち互いに相反する振動方向を有する面外対称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、前記屈曲振動に対応して前記アーム部１ａ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７１ａ及び７２ａ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−）と前記アーム部１ｂ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７１ｂ及び７２ｂ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。なお前記ジャイロ７０の両主面に形成する駆動電極は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＋と（−Ｖ_ｙ２−）との差動成分、即ちＶ_ｙ２＋−（−Ｖ_ｙ２−）＝２Ｖ_ｙ２＋若しくは前記出力電圧（−Ｖ_ｙ１−）とＶ_ｙ１＋との差動成分、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。Ｚ軸周りの角速度成分の検出については第１の実施形態と同様である。

図１２はＺ軸方向の加速度が加わった時の双音さ型振動ジャイロセンサの動作を説明するための図で、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は側面図ある。
まず、Ｚ軸方向の加速度が加わった時の前記ジャイロ７０の動作について説明する。
前記Ｙ軸検出モードにある時前記ジャイロ７０にＺ軸方向（図１１（ｂ）中下側の矢印方向）の加速度αが加わった時、前記アーム部１ａ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１ｂには前記コリオリ力Ｆｃｙと同一方向の荷重が作用し、図１２（ｂ）に示すようなアーム部１ａ及び１ｂは加速度αの向きと反対の方向（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７１ａ及び７２ａから出力する２つの出力電圧Ｖ_ｙ２＋及び（−Ｖ_ｙ２−）に加速度成分−Ｖａｚが、また前記出力電極パッド７１ｂ及び７２ｂ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Ｚ軸方向の加速状態にあるジャイロ７０は出力電極パッド７１ａから出力電圧Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ）が、出力電極パッド７２ａから出力電圧（−Ｖ_ｙ２−）−Ｖａｚが、出力電極パッド７１ｂから出力電圧（−Ｖ_ｙ１−）＋Ｖａｚが、出力電極パッド７２ｂから出力電圧Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚが出力する。この場合、前記検出電極のいずれからも検出電圧（検出信号）は出力されない。

図１３は第４の実施形態に係わる検出信号に含まれる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。
しかしながら、前記加速度成分Ｖａｚは角速度センサとっては正確な角速度成分の検出を阻害する雑音であるため加速度成分Ｖａｚを除去するため手段が必要である。加速度成分Ｖａｚを除去するため手段として、例えば図１３に示すような、加速度除去回路８０があり該加速度除去回路８０は、角速度成分（が有する周波数成分）を通過させる、換言すれば加速度成分（が有する周波数成分）を減衰させるための公知技術の第３乃至第６のフィルタ回路８１乃至８４（例えば高域通過フィルタ）と、前記第３乃至第６のフィルタ回路８１乃至８４で加速度成分が減衰できない、例えば想定した周波数より高い周波数成分を有する加速度成分を演算処理により破棄するための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の差動回路８５及び８６と、１つの出力に集約するための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８７と、を備えている。前記第２の出力電極パッド７２ｂに接続する第３のフィルタ回路８１の出力を第２の差動回路８５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７１ｂに接続する第４のフィルタ回路８２の出力を第２の差動回路８５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７１ａに接続する第５のフィルタ回路８３の出力を第３の差動回路８６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７２ａに接続する第６のフィルタ回路８４の出力を第３の差動回路８６の他方の入力（反転入力）に接続している。さらに、第２の差動回路８５の出力を前記第４の差動回路８７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８６の出力を第４の差動回路８７の他方の入力（反転入力）に接続している。

つぎに、前記出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））、（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）、（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）及び（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）の角速度成分及び加速度成分の符号関係を利用した前記加速度除去回路８０による演算処理について説明する。特に、フィルタ回路で加速度成分が減衰できない場合で説明する。
前記出力電極パッド７２ｂから出力する出力電圧（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）と前記出力電極パッド７１ｂ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）＝（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）を前記第２の差動回路８５によって採りだす。前記出力電極パッド７１ａから出力する出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））と前記出力電極パッド７２ａ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）＝（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）を前記第３の差動回路８６によって採りだす。第２の差動回路８５の出力（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）若しくは第３の差動回路８６の出力（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）の少なくとも一方を検出信号とすればＺ軸方向の加速度に比例した電圧を除去し（Ｙ軸周りの）角速度に比例した電圧のみを検出信号として得ることができる。なお、加速度方向が逆になると検出信号の符号が反転する。Ｘ軸方向の直線加速度に比例した電圧を除去しＺ軸周りの角速度成分に比例した電圧のみを検出信号として得るのは第２又は第３の実施形態と同様である。
さらに、第２の差動回路８５の出力（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）と第３の差動回路８６の出力（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）との差動成分、即ち（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）−（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）＝２（Ｖ_ｙ１＋）−２（Ｖ_ｙ２＋）を前記第４の差動回路８７によって採りだすことで、前記加速度除去回路８０の出力を１個に集約することができる。また、前記第４の差動回路８７を公知技術の加算回路に置換し、前記第２の差動回路８５の出力（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）と前記第３の差動回路８６の出力（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）との加算成分、即ち（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）＋（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）＝２（Ｖ_ｙ１＋）＋２（Ｖ_ｙ２＋）でも同等の作用効果が得られる。

図１４は本発明の第５の実施形態としての双音さ型振動ジャイロセンサからの検出信号に含まれる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。
第５の実施形態の加速度除去回路９０は、前記第３乃至第６のフィルタ回路８１乃至８４（例えば高域通過フィルタ）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９１乃至９２と、前記第３乃至第６のフィルタ回路８１乃至８４で加速度成分が減衰できない、例えば想定した周波数より高い周波数成分を有する加速度成分を演算処理により破棄するための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９３及び９４と、１つの出力に集約するためのオペアンプを主構成部品にする公知技術の第４の加算回路９５と、を備えている。前記第２の出力電極パッド７２ｂに接続する第３のフィルタ回路８１の出力を第２の加算回路９３の一方の入力に接続し、前記第１の出力電極パッド７１ｂに接続する第４のフィルタ回路８２の出力を第２の符号反転回路９１を介して第２の加算回路９３の他方の入力に接続している。前記第１の出力電極パッド７１ａに接続する第５のフィルタ回路８３の出力を第３の加算回路９４の一方の入力に接続し、前記第２の出力電極パッド７２ａに接続する第６のフィルタ回路８４の出力を第３の符号反転回路９２を介して第３の加算回路９４の他方の入力に接続している。さらに、第２の加算回路９３の出力を前記第４の加算回路９５の一方の入力に接続すると共に、第３の加算回路９４の出力を第４の加算回路９５の他方の入力に接続している。

つぎに、前記出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））、（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）、（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）及び（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）の角速度成分及び加速度成分の符号関係を利用した前記加速度除去回路９０による演算処理について説明する。特に、フィルタ回路で加速度成分が減衰できない場合で説明する。
前記出力電極パッド７１ｂ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９１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７２ｂから出力する出力電圧（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）との加算成分、即ち（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）＋（Ｖ_ｙ１−−Ｖａｚ）＝（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）を前記第２の加算回路９３によって採りだす。前記出力電極パッド７２ａ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９２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７１ａから出力する出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））との加算成分、即ち（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））＋（Ｖ_ｙ２−＋Ｖａｚ）＝（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）を前記第３の加算回路９４によって採りだす。第３の加算回路９３の出力（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）若しくは第４の加算回路９４の出力（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）の少なくとも一方を検出信号とすればＺ軸方向の加速度に比例した電圧を除去し（Ｙ軸周りの）角速度に比例した電圧のみを検出信号として得ることができる。なお、加速度方向が逆になると検出信号の符号が反転する。Ｘ軸方向の直線加速度に比例した電圧を除去しＺ軸周りの角速度成分に比例した電圧のみを検出信号として得るのは第２又は第３の実施形態と同様である。
さらに、第３の加算回路９３の出力（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）と第４の加算回路９４の出力（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）との加算成分、即ち（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）＋（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）＝２（Ｖ_ｙ１＋）＋２（Ｖ_ｙ２＋）を前記第４の加算回路９５によって採りだすことで、前記加速度除去回路９０の出力を１個に集約することができる。また、前記第４の加算回路９５を公知技術の差動回路に置換し、第３の加算回路９３の出力（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）と第４の加算回路９４の出力（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）との差動成分、即ち（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖ_ｙ１−）−（Ｖ_ｙ２＋＋Ｖ_ｙ２−）＝２（Ｖ_ｙ１＋）−２（Ｖ_ｙ２＋）でも同等の作用効果が得られる。

前記出力電圧（Ｖ_ｙ２＋＋（−Ｖａｚ））、（−Ｖ_ｙ２−−Ｖａｚ）、（−Ｖ_ｙ１−＋Ｖａｚ）及び（Ｖ_ｙ１＋＋Ｖａｚ）は微小電圧であるため、例えば前記第３乃至第６のフィルタ回路それぞれの入力側に前置増幅器を接続するか前記第２乃至第３の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第２乃至第４の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２（Ｖ_ｙ１＋）＋２（Ｖ_ｙ２＋）を増幅しても構わない。

前記第４の差動回路８７及び前記第４の加算回路９５は前記加速度除去回路８０及び９０の出力信号を１個に集約するためのものであって、例えば加速度除去回路８０及び９０の次段の回路が複数の入力（即ち前記ジャイロ７０からの複数の出力）を必要とすることがあれば、第４の差動回路８７及び第４の加算回路９５を省略しても構わない。

本発明は、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に適用できることは云うまでもない。

本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサの外観図である。 本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサの屈曲振動の様子を示した図である。 本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサのシミュレーション結果である。 本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサのシミュレーション結果である。 本発明に係る双音さ型振動ジャイロセンサのシミュレーション結果である。 第２の実施形態に係わる双音さ型振動ジャイロセンサのＸ軸方向の加速度が加わった時の動作説明図である。 第２の実施形態に係わる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。 第３の実施形態に係わる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。 第４の実施形態に係わる双音さ型振動ジャイロセンサの平面外観図である。 Ｙ軸周りの角速度によって発生するコリオリ力の説明図である。 Ｙ軸検出モードの説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 双音さ型振動ジャイロセンサのＺ軸方向の加速度が加わった時の動作説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 第４の実施形態に係わる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。 第５の実施形態に係わる加速度成分を除去するための手段の回路ブロック図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ・・アーム部
２ａ、２ｂ・・駆動電極
３・・駆動部
４、５・・双音さ支持部
６ａ、６ｂ・・第１の検出電極
７・・第１の検出部
８ａ、８ｂ・・第１の検出電極
９・・第２の検出部
１０ａ、１０ｂ・・第１の引出電極
１１・・第１の支持固定部
１２ａ、１２ｂ・・第２の引出電極
１３・・第２の支持固定部
５０・・加速度除去回路
５１・・第１のフィルタ回路
５２・・第２のフィルタ回路
５３・・第１の差動回路
６０・・加速度除去回路
６３・・第１の符号反転回路
６４・・第１の加算回路
７０・・双音さ型振動ジャイロセンサ
７１ａ、７１ｂ・・第１の出力電極パッド
７２ａ、７２ｂ・・第２の出力電極パッド
７３ａ、７３ｂ・・駆動入力電極パッド
７４・・接地電極パッド
７５・・モニタ電極パッド
８０・・加速度除去回路
８１・・第３のフィルタ回路
８２・・第４のフィルタ回路
８３・・第５のフィルタ回路
８４・・第６のフィルタ回路
８５・・第２の差動回路
８６・・第３の差動回路
８７・・第４の差動回路
９０・・加速度除去回路
９１・・第２の符号反転回路
９２・・第３の符号反転回路
９３・・第２の加算回路
９４・・第３の加算回路
９５・・第４の加算回路

Claims (8)

1. 二本のアーム部と前記アーム部の表面に形成した駆動用電極と前記アーム部の両端を支持する第１、第２の双音さ支持部とが一体となった双音さ型振動ジャイロセンサと該双音さ型振動ジャイロセンサより出力される検出電圧から前記双音さ型振動ジャイロセンサ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除去するための加速度除去手段とを備えたことを特徴とする角速度センサ。
2. 前記加速度除去手段がＸ軸方向またはＺ軸方向の直線加速度の少なくとも一方により発生する直線加速度成分を除去するためのものであることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
3. Ｘ軸方向の直線加速度により発生する直線加速度成分を除去するための前記加速度除去手段は少なくとも２個のフィルタ回路を備えたことを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
4. 前記加速度除去手段に少なくとも差動回路を備えたことを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ。
5. 前記加速度除去手段に少なくとも符号反転回路と加算回路とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ。
6. Ｚ軸方向の直線加速度により発生する直線加速度成分を除去するための前記加速度除去手段は少なくとも４個のフィルタ回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の角速度センサ。
7. 前記加速度除去手段に少なくとも２個の差動回路を備えたことを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
8. 前記加速度除去手段に少なくとも２個の加算回路と２個の符号反転回路とを備えたことを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
   
   

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