JP2009180713A - 角速度センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
中央の振動子110を、可撓性をもった4本の架橋部121〜124によって、枠状の固定部材130に接続する。架橋部121〜124の上面には、圧電素子を設ける。駆動用圧電素子X12,X13に同位相の交流駆動信号を与え、振動子110をZ軸(紙面垂直)方向に振動させる。このとき、モニタ用圧電素子X12U,X13Uから得られるモニタ電圧の振幅が所定の基準振幅値に維持され、かつ、モニタ電圧の平均電圧値が0に維持されるように、交流駆動信号の振幅をフィードバック制御する。検出用圧電素子X11,X14から得られる電圧に基づいてX軸方向のコリオリ力を検出してY軸まわりの角速度を求め、検出用圧電素子Y11,Y14から得られる電圧に基づいてY軸方向のコリオリ力を検出してX軸まわりの角速度を求める。
【選択図】図28
Description
複数の圧電素子を、振動子を駆動させるための駆動用圧電素子と、振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用圧電素子と、振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用圧電素子と、のいずれかとして用いるようにし、
更に、
交流駆動信号を供給して駆動用圧電素子を周期的に変形させ、可撓性部材を周期的に撓ませることにより振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
振動子が周期的運動を行っている状態において、周期的運動に同期した所定タイミングでコリオリ力検出用圧電素子の発生電荷を測定し、これを所定軸まわりの角速度の検出値として出力する角速度検出回路と、
を設け、
駆動制御回路が、モニタ用圧電素子の発生電荷に基づいて、振動子の周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしたものである。
各モニタ用圧電素子について、それぞれ対応する駆動用圧電素子を定め、
駆動制御回路が、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が、所定の基準振幅値よりも小さいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を大きくする制御を行い、所定の基準振幅値よりも大きいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を小さくする制御を行うようにしたものである。
駆動制御回路が、更に、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が所定の基準値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第1の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて大きくするような制御を行い、所定の基準値に対して第1の方向とは逆の第2の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて小さくするような制御を行うようにしたものである。
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第1の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に正のオフセット電圧を加える制御を行い、所定の基準値に対して第1の方向とは逆の第2の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に負のオフセット電圧を加える制御を行うようにしたものである。
複数のモニタ用圧電素子に同一の駆動用圧電素子を対応させ、これら複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の全振幅値の複数についての平均が所定の基準振幅値に維持されるように、もしくはこれら複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の時間的な平均値の複数についての平均が所定の基準値に維持されるように、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
各圧電素子の一方の面を接地電位に接続し、
駆動用圧電素子の他方の面に交流駆動信号を供給して振動子を駆動させ、
モニタ用圧電素子の他方の面の電位をモニタ電圧として測定し、このモニタ電圧に基づくフィードバック制御を行い、
コリオリ力検出用圧電素子の他方の面の所定タイミングにおける電位に基づいて、角速度の検出値を出力するようにしたものである。
各圧電素子の上面に上方電極を接合し、下面に下方電極を接合し、下方電極を可撓性部材の上面に接合するようにしたものである。
可撓性部材の表面に形成した単一の導電層を、各圧電素子に共通する下方電極として用いるようにしたものである。
接地電位を基準として、正および負の電圧を交互にとる交流駆動信号を駆動用圧電素子に供給することにより振動子を駆動し、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が接地電位に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、X′軸上に配置された圧電素子と、Y′軸上に配置された圧電素子と、を有し、
振動子をX軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸に沿って振動させた状態、もしくは、振動子をXY平面,XZ平面,YZ平面のいずれかの平面に沿って円運動させた状態において、X軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、X軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成したものである。
各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されているようにしたものである。
X′軸もしくはY′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子と、このI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子と、によって圧電素子対が構成されており、
U字状圧電素子は、I字状圧電素子の両脇位置において長手方向軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しており、
圧電素子対を構成する一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うようにしたものである。
U字状圧電素子の第1の並伸部および第2の並伸部が可撓性部材上に配置され、接続部が振動子上もしくは固定部材上に配置されているようにしたものである。
可撓性部材の固定部材に対する接続位置近傍に配置された第1の圧電素子と、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍に配置された第2の圧電素子と、を有し、第1の圧電素子と第2の圧電素子とは、同一の軸上に配置されており、これら一対の圧電素子のうち、一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うようにしたものである。
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第1および第2の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をZ軸方向に振動させ、第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
U字状圧電素子は、I字状圧電素子の両脇位置においてX′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3の駆動用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4の駆動用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3のモニタ用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4のモニタ用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第1〜第4の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をZ軸方向に振動させ、第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第3のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第3の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第4のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第4の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
Y′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はY′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
各U字状圧電素子は、各I字状圧電素子の両脇位置においてX′軸もしくはY′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、
Y′軸の正の領域上に配置された第1および第2のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第3および第4のコリオリ力検出用圧電素子と、 を有し、
駆動制御回路は、第1および第2の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をX軸方向に振動させ、第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、第1および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、第2および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をZ軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されているようにしたものである。
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3の駆動用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4の駆動用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3のモニタ用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4のモニタ用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第1〜第4の駆動用圧電素子に対して、この順番でπ/2ずつ位相が遅れた交流駆動信号を供給することにより、振動子をXY平面に沿って円運動させ、第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第3のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第3の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第4のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第4の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がY軸方向に運動しているタイミングにおいて第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をZ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がY軸方向に運動しているタイミングにおいて第1〜第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出し、
振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて第1〜第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
Y′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はY′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
各U字状圧電素子は、各I字状圧電素子の両脇位置においてX′軸もしくはY′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、可撓性部材が振動子をその周囲から支持する構造をなし、
可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、
X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、第1の駆動用圧電素子に対して第1の交流駆動信号を供給し、第2の駆動用圧電素子に対して第1の交流駆動信号に対して位相がπ/2だけ遅れた第2の交流駆動信号を供給することにより、振動子をXZ平面に沿って円運動させ、第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がZ軸方向に運動しているタイミングにおいて第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて第1〜第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、
振動子がZ軸方向に運動しているタイミングにおいて第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出し、
振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をZ軸まわりの角速度として検出するようにしたものである。
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
U字状圧電素子は、I字状圧電素子の両脇位置においてX′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しているようにしたものである。
角速度検出回路が、モニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧に基づいて、コリオリ力検出用圧電素子の発生電荷の検出タイミングを決定するようにしたものである。
可撓性部材が、可撓性をもった複数の架橋部によって構成されており、各架橋部の一方の端が振動子に接続され、他方の端が固定部材に固定されているようにしたものである。
可撓性部材が、振動子の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体によって構成されており、板状構造体の内側部分が振動子に接続され、外側部分が固定部材に固定されているようにしたものである。
複数の圧電素子を、振動子を駆動させるための駆動用圧電素子と、振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用圧電素子と、のいずれかとして用いるようにし、
更に、
振動子の駆動状態をモニタするために、可撓性部材の表面の所定箇所に配置されたモニタ用ピエゾ抵抗素子と、
交流駆動信号を供給して駆動用圧電素子を周期的に変形させ、可撓性部材を周期的に撓ませることにより振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
振動子が周期的運動を行っている状態において、周期的運動に同期した所定タイミングでコリオリ力検出用圧電素子の発生電荷を測定し、これを所定軸まわりの角速度の検出値として出力する角速度検出回路と、
を設け、
駆動制御回路が、モニタ用ピエゾ抵抗素子の電気抵抗に基づいて、振動子の周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うようにしたものである。
振動子が特定方向に変位したときに電気抵抗が増加する一対のピエゾ抵抗素子を対辺とし、振動子が上記特定方向に変位したときに電気抵抗が減少する一対のピエゾ抵抗素子を別な対辺とするブリッジ回路を形成し、
駆動制御回路が、このブリッジ回路のブリッジ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持されるように、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
駆動制御回路が、更に、ブリッジ回路のブリッジ電圧の時間的な平均値が所定の基準値に維持されるように、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
図1は、本発明に係る圧電素子を用いた角速度センサの基本構造体100の一例を示す平面図であり、図2は、図1に示す基本構造体100を切断線2−2に沿って切った側断面図である。もっとも、このような基本構造体100は、従来の圧電素子式角速度センサにおいても利用されてきたものであり、本発明に係る角速度センサは、このような従来のセンサで利用されている一般的な基本構造体100をそのまま利用して実現することができる。
さて、ここでは、図16に示す角速度センサの基本的な動作原理を説明する。この角速度センサでは、振動子110をX軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸に沿って振動させた状態、もしくは、振動子110をXY平面,XZ平面,YZ平面のいずれかの平面に沿って円運動させた状態において、X軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、X軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸まわりの角速度を検出することができる。
さて、§2では、図17に示す角速度センサを例にとって、その検出動作を述べた。しかしながら、この説明は、「角速度センサには外乱となる力が作用しない」という理想的な測定環境における説明であり、実用上は、このような理想的な測定環境でセンサが利用されることは稀である。前述したとおり、センサが実際に利用される環境では、たとえば、重力加速度などの外乱要因が存在するため、§2で説明した角速度センサには、この外乱の影響を受けて測定精度が低下するという問題がある。
図28は、本発明の第1の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体100は、既に§1で述べた構造体(図1の平面図および図2の側断面図参照)と全く同じものである。すなわち、振動子110と、固定部材130と、振動子110を固定部材130に対して接続する可撓性部材(4本の架橋部121〜124)とを備えており、固定部材130は、装置筐体に固定される。そして、可撓性部材の表面の所定箇所には、当該所定箇所の撓みに応じて機械的変形を生じるように配置された複数の圧電素子が固定されている。
さて、§4で述べた第1の実施形態に係る角速度センサは、図28に示すように、振動子110の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材(架橋部121〜124)を有しており、振動子110を取り囲む位置に固定部材130が配置されており、可撓性部材121〜124が振動子110をその周囲から支持する構造をもつ基本構造体100に8組の圧電素子を付加することにより構成されている。
図33は、本発明の第2の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体100は、既に§1で述べた構造体(図1の平面図および図2の側断面図参照)と全く同じものである。すなわち、この角速度センサは、振動子110の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材(架橋部121〜124)を有しており、振動子110を取り囲む位置に固定部材130が配置されており、可撓性部材121〜124が振動子110をその周囲から支持する構造をもつ基本構造体100に12組の圧電素子(いずれも図13に示す特性をもった圧電素子50)を付加することにより構成されている。
図34は、本発明の第3の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体100も、既に§1で述べた構造体(図1の平面図および図2の側断面図参照)と全く同じものである。この角速度センサは、この基本構造体100に8組の圧電素子(いずれも図13に示す特性をもった圧電素子50)を付加することにより構成されている。
これまで述べてきた実施形態は、いずれも振動子を1軸方向に振動させながら、当該振動軸に直交する2軸まわりの角速度を検出する2軸角速度センサに関するものであった。ここで述べる第4の実施形態および後述する第5の実施形態は、振動子を所定平面内で円運動させながら、所定タイミングでコリオリ力の検出を行い、3軸まわりの角速度を検出する3軸角速度センサに関するものである。
図36は、本発明の第5の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。この角速度センサにおける基本構造体100も、既に§1で述べた構造体(図1の平面図および図2の側断面図参照)と全く同じものである。この角速度センサは、この基本構造体100に8組の圧電素子(いずれも図13に示す特性をもった圧電素子50)を付加することにより構成されている。
最後に、本発明のいくつかの変形例を述べておく。
これまで述べた実施形態は、いずれも、可撓性をもった複数の架橋部121〜124によって可撓性部材を構成し、各架橋部の一方の端を振動子110に接続し、他方の端を固定部材130に固定した構造を有するものであったが、可撓性部材は必ずしも架橋部によって構成する必要はない。図38は、本発明に係る角速度センサに利用可能な別な基本構造体200の一例を示す平面図であり、図39は、この基本構造体200をX′軸に沿って切った側断面図である。図38の平面図を見ればわかるとおり、この基本構造体200は、全体的に円盤状をしており、その上面は平面となっている。
これまで述べた実施形態では、特定のモニタ用圧電素子と特定の駆動用圧電素子とを1対1に対応させ、当該特定のモニタ用圧電素子から得られたモニタ電圧に基づいて、当該特定の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御する形態をとっていた。しかしながら、モニタ用圧電素子と駆動用圧電素子との対応関係は、必ずしも1対1に定義する必要はない。
これまで述べた各実施形態に係る角速度センサでは、駆動用圧電素子、モニタ用圧電素子、コリオリ力検出用圧電素子という3種類の圧電素子が用いられるが、これらの圧電素子は、単に役割が異なるだけであり、物理的にはいずれも同一の圧電素子である。したがって、必要に応じて、役割を交換することも可能である。特に、互いに近傍に配置された一対の駆動用圧電素子とモニタ用圧電素子とは、相互に役割を交換しても、実質的なセンサの動作に変更は生じない。
これまで述べた実施形態では、図13に示すような分極特性をもつ圧電素子50を用いた例を述べたが、これと逆の分極特性(上方電極52を負、下方電極53を正とする電圧印加を行うと伸び、上方電極52を正、下方電極53を負とする電圧印加を行うと縮む特性)をもった圧電素子を用いることも勿論可能である。その場合は、交流駆動信号の極性(位相)を逆にしたり、生じた電圧信号の符号の取り扱いを逆にしたりすればよい。
これまで述べた実施形態では、振動子の運動をモニタするためにモニタ用圧電素子を設けていたが、圧電素子の代わりにピエゾ抵抗素子を用いて振動子の運動をモニタすることも可能である。図40は、§4で述べた第1の実施形態に係る角速度センサにおけるモニタ用圧電素子X12U,X13Uの代わりに、4個のピエゾ抵抗素子R1〜R4を用いた変形例を示す側断面図である。
30:駆動制御回路
31:交流信号源
40:角速度検出回路
50:圧電素子
51:圧電素子本体部
52:上方電極
53:下方電極
60:圧電素子
63:単一の導電層
100:角速度センサの基本構造体
110:振動子
121〜124:架橋部(可撓性部材)
130:固定部材
150:絶縁膜
200:角速度センサの基本構造体
210:振動子
220:可撓性部材
230:固定部材
A,A1,A2:振動の振幅(半振幅)
Am1,Am2:モニタ電圧の振幅(半振幅)
d:位相差/遅延時間
E:エッジ部
Ev:直流電源
+Fx,−Fx:X軸方向に作用する力
+Fy,−Fy:Y軸方向に作用する力
+Fz,−Fz:Z軸方向に作用する力
G:振動子の重心
H1〜H4:開口部
L,L+,L−:振動中心位置/振動中心レベル
R1〜R4:ピエゾ抵抗素子
St:基準電圧
t:時間
T1,T2:端子
V,Vx,Vy:電圧値
V(+),V(−):モニタ電圧の平均電圧値
Vm:モニタ電圧
Vp:ピーク電圧
X,Y,Z:座標軸
X′,Y′:各座標軸の正射影像
X11〜X14:X′軸上に配置された圧電素子
X11U〜X14U:X′軸上に配置されたU字状圧電素子
X12Ua,X12Ub:U字状圧電素子の一部(並伸部)
X12Uc:U字状圧電素子の一部(接続部)
Y11U,Y14U:Y′軸上に配置されたU字状圧電素子
αg:重力加速度
ΔV:オフセット電圧
φ,φ1,φ2,φ11〜φ14,φ21,φ22:交流電圧信号
ωx,ωy,ωz:角速度
Claims (33)
- 振動子と、固定部材と、前記振動子を前記固定部材に対して接続する可撓性部材と、前記可撓性部材の表面の所定箇所に、当該所定箇所の撓みに応じて機械的変形を生じるように配置された複数の圧電素子と、を備えた角速度センサであって、
前記複数の圧電素子には、前記振動子を駆動させるための駆動用圧電素子と、前記振動子の駆動状態をモニタするためのモニタ用圧電素子と、前記振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用圧電素子と、が含まれており、
前記角速度センサは、更に、
交流駆動信号を供給して前記駆動用圧電素子を周期的に変形させ、前記可撓性部材を周期的に撓ませることにより前記振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
前記振動子が前記周期的運動を行っている状態において、前記周期的運動に同期した所定タイミングで前記コリオリ力検出用圧電素子の発生電荷を測定し、これを所定軸まわりの角速度の検出値として出力する角速度検出回路と、
を備えており、
前記駆動制御回路が、前記モニタ用圧電素子の発生電荷に基づいて、前記振動子の前記周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサにおいて、
各モニタ用圧電素子について、それぞれ対応する駆動用圧電素子を定め、
駆動制御回路が、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項2に記載の角速度センサにおいて、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の全振幅が、所定の基準振幅値よりも小さいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を大きくする制御を行い、所定の基準振幅値よりも大きいときには、供給する交流駆動信号の全振幅を小さくする制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項2または3に記載の角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、更に、特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が所定の基準値に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項4に記載の角速度センサにおいて、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第1の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて大きくするような制御を行い、所定の基準値に対して前記第1の方向とは逆の第2の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号の奇数番目の半周期の振幅を偶数番目の半周期の振幅に比べて小さくするような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項4に記載の角速度センサにおいて、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が、所定の基準値に対して第1の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に正のオフセット電圧を加える制御を行い、所定の基準値に対して前記第1の方向とは逆の第2の方向に変動したときには、供給する交流駆動信号に負のオフセット電圧を加える制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項2〜6のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
複数のモニタ用圧電素子に同一の駆動用圧電素子を対応させ、前記複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の全振幅値の複数についての平均が所定の基準振幅値に維持されるように、もしくは前記複数のモニタ用圧電素子のモニタ電圧の時間的な平均値の複数についての平均が所定の基準値に維持されるように、対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項2〜7のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
各圧電素子の一方の面を接地電位に接続し、
駆動用圧電素子の他方の面に交流駆動信号を供給して振動子を駆動させ、
モニタ用圧電素子の他方の面の電位をモニタ電圧として測定し、このモニタ電圧に基づくフィードバック制御を行い、
コリオリ力検出用圧電素子の他方の面の所定タイミングにおける電位に基づいて、角速度の検出値を出力することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項8に記載の角速度センサにおいて、
各圧電素子の上面に上方電極を接合し、下面に下方電極を接合し、前記下方電極を可撓性部材の上面に接合したことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項9に記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材の表面に形成した単一の導電層を、各圧電素子に共通する下方電極として用いることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項8〜10のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
接地電位を基準として、正および負の電圧を交互にとる交流駆動信号を駆動用圧電素子に供給することにより振動子を駆動し、
特定のモニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧の時間的な平均値が接地電位に維持されるように、これに対応する駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、前記X′軸上に配置された圧電素子と、前記Y′軸上に配置された圧電素子と、を有し、
振動子をX軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸に沿って振動させた状態、もしくは、振動子をXY平面,XZ平面,YZ平面のいずれかの平面に沿って円運動させた状態において、X軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、X軸,Y軸,Z軸のいずれかの座標軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項12に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項13に記載の角速度センサにおいて、
各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項13または14に記載の角速度センサにおいて、
X′軸もしくはY′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子と、このI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子と、によって圧電素子対が構成されており、
前記U字状圧電素子は、前記I字状圧電素子の両脇位置において前記長手方向軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有しており、
前記圧電素子対を構成する一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、前記モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、前記駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項15に記載の角速度センサにおいて、
U字状圧電素子の第1の並伸部および第2の並伸部が可撓性部材上に配置され、接続部が振動子上もしくは固定部材上に配置されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項13または14に記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材の固定部材に対する接続位置近傍に配置された第1の圧電素子と、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍に配置された第2の圧電素子と、を有し、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とは、同一の軸上に配置されており、これら一対の圧電素子のうち、一方の圧電素子をモニタ用圧電素子、他方の圧電素子を駆動用圧電素子として用い、前記モニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として、前記駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号を制御するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第1および第2の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をZ軸方向に振動させ、前記第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、前記第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、前記第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項18に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
前記U字状圧電素子は、前記I字状圧電素子の両脇位置において前記X′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3の駆動用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4の駆動用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3のモニタ用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4のモニタ用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第1〜第4の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をZ軸方向に振動させ、前記第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第3のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第3の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第4のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第4の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、前記第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、前記第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項20に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
Y′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はY′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
前記各U字状圧電素子は、前記各I字状圧電素子の両脇位置において前記X′軸もしくは前記Y′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、
前記Y′軸の正の領域上に配置された第1および第2のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第3および第4のコリオリ力検出用圧電素子と、 を有し、
駆動制御回路は、前記第1および第2の駆動用圧電素子に対して交流駆動信号を供給することにより、振動子をX軸方向に振動させ、前記第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、前記第1および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、前記第2および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をZ軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項22に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3の駆動用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4の駆動用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3のモニタ用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4のモニタ用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第1〜第4の駆動用圧電素子に対して、この順番でπ/2ずつ位相が遅れた交流駆動信号を供給することにより、振動子をXY平面に沿って円運動させ、前記第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第3のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第3の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第4のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第4の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がY軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をZ軸まわりの角速度として検出し、
振動子がY軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第1〜第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出し、
振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第1〜第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項24に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
Y′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はY′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
前記各U字状圧電素子は、前記各I字状圧電素子の両脇位置において前記X′軸もしくは前記Y′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
振動子の重心位置に原点OをもつXYZ三次元座標系を定義したときに、XY平面に平行な上面をもった可撓性部材を有しており、前記振動子を取り囲む位置に固定部材が配置されており、前記可撓性部材が前記振動子をその周囲から支持する構造をなし、
前記可撓性部材の上面を投影面としてX軸の正射影像となるX′軸およびY軸の正射影像となるY′軸を定義したときに、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1の駆動用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第2の駆動用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のモニタ用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第2のモニタ用圧電素子と、
前記X′軸の正の領域上に配置された第1のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の正の領域上に配置された第2のコリオリ力検出用圧電素子と、前記X′軸の負の領域上に配置された第3のコリオリ力検出用圧電素子と、前記Y′軸の負の領域上に配置された第4のコリオリ力検出用圧電素子と、
を有し、
駆動制御回路は、前記第1の駆動用圧電素子に対して第1の交流駆動信号を供給し、前記第2の駆動用圧電素子に対して前記第1の交流駆動信号に対して位相がπ/2だけ遅れた第2の交流駆動信号を供給することにより、振動子をXZ平面に沿って円運動させ、前記第1のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第1の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、前記第2のモニタ用圧電素子の発生電荷をフィードバック量として前記第2の駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対する制御を行い、
角速度検出回路は、
振動子がZ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第1および第3のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたX軸方向に作用するコリオリ力もしくは振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第1〜第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたZ軸方向に作用するコリオリ力をY軸まわりの角速度として検出し、
振動子がZ軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をX軸まわりの角速度として検出し、
振動子がX軸方向に運動しているタイミングにおいて前記第2および第4のコリオリ力検出用圧電素子によって検出されたY軸方向に作用するコリオリ力をZ軸まわりの角速度として検出することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項26に記載の角速度センサにおいて、
圧電素子の配置パターンが、XZ平面に対称、かつ、YZ平面にも対称となるように構成されており、各圧電素子が、可撓性部材の振動子に対する接続位置近傍もしくは固定部材に対する接続位置近傍に配置されており、
X′軸上に配置されている一対の駆動用圧電素子およびモニタ用圧電素子のうち、一方はX′軸を長手方向軸とする細長い形状をしたI字状圧電素子からなり、他方はこのI字状圧電素子の近傍に配置されたU字状圧電素子からなり、
前記U字状圧電素子は、前記I字状圧電素子の両脇位置において前記X′軸に対して平行な方向に伸びる第1の並伸部および第2の並伸部と、この一対の並伸部の両端を接続する接続部と、を有していることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜27のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
角速度検出回路が、モニタ用圧電素子の発生電荷を示すモニタ電圧に基づいて、コリオリ力検出用圧電素子の発生電荷の検出タイミングを決定することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜28のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材が、可撓性をもった複数の架橋部によって構成されており、各架橋部の一方の端が振動子に接続され、他方の端が固定部材に固定されていることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1〜28のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
可撓性部材が、振動子の周囲を取り囲む形状をなし、可撓性をもった板状構造体によって構成されており、前記板状構造体の内側部分が振動子に接続され、外側部分が固定部材に固定されていることを特徴とする角速度センサ。 - 振動子と、固定部材と、前記振動子を前記固定部材に対して接続する可撓性部材と、前記可撓性部材の表面の所定箇所に、当該所定箇所の撓みに応じて機械的変形を生じるように配置された複数の圧電素子と、を備えた角速度センサであって、
前記複数の圧電素子には、前記振動子を駆動させるための駆動用圧電素子と、前記振動子に作用するコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用圧電素子と、が含まれており、
前記角速度センサは、更に、
前記振動子の駆動状態をモニタするために、前記可撓性部材の表面の所定箇所に配置されたモニタ用ピエゾ抵抗素子と、
交流駆動信号を供給して前記駆動用圧電素子を周期的に変形させ、前記可撓性部材を周期的に撓ませることにより前記振動子に周期的運動を生じさせる駆動制御回路と、
前記振動子が前記周期的運動を行っている状態において、前記周期的運動に同期した所定タイミングで前記コリオリ力検出用圧電素子の発生電荷を測定し、これを所定軸まわりの角速度の検出値として出力する角速度検出回路と、
を備えており、
前記駆動制御回路が、前記モニタ用ピエゾ抵抗素子の電気抵抗に基づいて、前記振動子の前記周期的運動が、予め設定された基準運動に維持されるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサにおいて、
振動子が特定方向に変位したときに電気抵抗が増加する一対のピエゾ抵抗素子を対辺とし、振動子が前記特定方向に変位したときに電気抵抗が減少する一対のピエゾ抵抗素子を別な対辺とするブリッジ回路が形成されており、
駆動制御回路が、前記ブリッジ回路のブリッジ電圧の全振幅が所定の基準振幅値に維持されるように、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項32に記載の角速度センサにおいて、
駆動制御回路が、更に、ブリッジ回路のブリッジ電圧の時間的な平均値が所定の基準値に維持されるように、駆動用圧電素子に供給する交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
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