JP2926139B2 - ２軸角速度／加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、２軸角速度／加速度
センサに関し、特に捻れ式音叉型水晶振動子を使用した
小型、軽量、安価、長寿命、高信頼性を示す２軸角速度
／加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この発明の従来例を図１および図２を参
照して説明する。図１は回転ビーム型２軸角速度／加速
度センサを示す。円筒ケース１１の両端板１１ａおよび
１１ｂに軸受１２および１３が固着せしめられており、
これらの軸受に軸支された回転軸２１に圧電ビーム回転
体２０が固着定されている。圧電ビーム回転体２０は２
本のビーム状圧電検出器２２ａおよび２２ｂより成り、
これらは回転軸２１に直角であると共に支持板２４を介
して回転軸２１に対称的に固定されている。圧電検出器
２２ａおよび２２ｂは例えば、バイモルフ圧電結晶ビー
ムの両面に電極２５ａおよび２５ｂを形成したものとす
ることができる。圧電検出器２２ａおよび２２ｂの自由
端には角速度検出感度を向上せしめるための錘２３ａお
よび２３ｂが具備される。１４はモータ・ステータ、１
５はそのモータ・ロータであり、このロータ１５により
回転軸２１を高速回転させる。圧電検出器２２ａおよび
２２ｂの電極２５ａおよび２５ｂにより検出される検出
出力は回転軸２１内の配線を介してスリップ・リング２
４ａ、２４ｂおよび２４ｃに到達し、ここからブラシ１
６ａ、１６ｂおよび１６ｃ、プリアンプ３１ａおよび３
１ｂを介して信号処理回路に送り込まれる。

【０００３】図２（ａ）についてみるに、ＸおよびＹ軸
は圧電検出器２２ａおよび２２ｂの共面内にある直交軸
であり、Ｚ軸はＸおよびＹ軸に直交する軸であって回転
軸２１と同軸状態にある。角速度／加速度センサのケー
ス１１をＸ軸を中心に角速度Ω_X で回転させると、Ｚ軸
を中心に角速度Ω_Z で高速回転している圧電検出器２２
ａおよび２２ｂにはコリオリ・フォースが作用し、圧電
検出器２２ａおよび２２ｂは図２（ａ）において鎖線に
より示される如くに互いに逆位相にたわむ。その結果、
圧電検出器２２ａおよび２２ｂからは、図２（ｂ）に示
されるが如く、振幅が相等しく位相が１８０°の正弦波
電圧信号Ｘａ、Ｘｂが得られる。

【０００４】角速度／加速度センサのケース１１をＹ軸
を中心に角速度Ω_Y 回転させた場合も同様である。今度
は、圧電検出器２２ａおよび２２ｂにＺ軸方向の振動加
速度αが加わった場合は、圧電検出器２２ａおよび２２
ｂは図２（ｃ）において鎖線により示される如く同相に
たわむ。その結果、圧電検出器２２ａおよび２２ｂから
は図２（ｄ）に示されるが如く、振幅が相等しく同相の
正弦波電圧信号ＺａおよびＺｂが得られる。

【０００５】ここで、圧電検出器２２ａおよび２２ｂの
出力電圧信号の差をとる。この場合、Ｚ軸方向の振動加
速度αに起因する出力電圧信号成分については、互いに
同相であるところから相殺されて零となる一方、Ｘ軸回
転角速度成分Ｘ＝Ｘａ−ＸｂおよびＹ軸回転角速度成分
Ｙ＝Ｙａ−Ｙｂが得られる。Ｘ軸回転角速度成分ＸとＹ
軸回転角速度成分Ｙとは位相が９０°異なるところか
ら、同期検波することによりこれら両成分を分離取り出
すことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１に示される２軸角
速度／加速度センサは角速度／加速度を検出する材料と
して圧電検出器を使用したものであるが、図示される通
り部品点数が多く、構造が複雑であり、特にスピン・モ
ータを使用してその回転部の軸受けの摩耗、摩滅による
寿命の制約のあるものである。

【０００７】この発明は、摩耗、摩滅部のない捻れ式音
叉型水晶振動子を使用して上述の通りの問題を解消した
２軸角速度／加速度センサを提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１：２本のビーム
４１を有する捻れ式音叉型水晶振動子を構成する水晶薄
板４０の支持部４２を、水晶薄板４０より剛性が高くビ
ームの振動を妨げない形状寸法を有する２本の溝部５５
および５６を形成した水晶板５０の２枚によりビームの
振動を妨げない様に両側から挟み込み、２本のビーム４
１が２軸角速度／加速度により変位する量を検出する変
位検出電極Ｃを２本のビーム４１および２枚の水晶板４
０に独立して２組形成した可変静電容量型変位検出器を
具備する２軸角速度／加速度センサを構成した。

【０００９】そして、請求項２：請求項１に記載される
２軸角速度／加速度センサにおいて角速度が印加された
場合にコリオリ力Ｆにより２本のビーム４１が捻れ方向
と直角な方向に入力角速度の量に比例して変位した状態
で歳差運動することによりこの変位成分を検出し、加速
度が印加された場合に２本のビーム４１の加速度の量に
比例して変位した変位成分を検出し、両検出信号を電気
回路により処理する２軸角速度／加速度センサを構成し
た。

【００１０】また、請求項３：請求項２に記載される２
軸角速度／加速度センサにおいて、可変静電容量型変位
検出器をビームの振動周波数より充分に高い安定化され
た交流電圧源１００により駆動し、角速度印加によるビ
ームの歳差運動の振動変位成分である交流信号および加
速度印加によるビームの変位成分である交流信号を検出
し、これら交流信号を水晶振発振回路１４０の発振周波
数に同期して検出する電気回路を具備する２軸角速度／
加速度センサを構成した。

【００１１】更に、請求項４：請求項２および請求項３
の内の何れかに記載される２軸角速度／加速度センサに
おいて、捻れ式音叉型水晶振動子により形成される静電
容量を可変静電容量型変位検出器の静電容量とし、可変
静電容量型変位検出器を４組具備し、捻れ式音叉型水晶
振動子の発振周波数と比較して充分に高い安定化された
変位検出器駆動用の交流電圧源器を具備し、２組の可変
静電容量型変位検出器の検出信号出力の差を求める信号
処理回路を２対具備し、各信号処理回路対について２組
の可変静電容量型変位検出器の出力の和を求める回路を
具備する２軸角速度／加速度センサ。また、請求項５：請求項４に記載される上述の２軸角速
度／加速度センサにおいて、各信号処理回路対につい
て、角速度の印加によるビームの歳差運動に伴う振動成
分および加速度印加によるビームの変位成分を可変静電
容量型変位検出器の交流信号出力として検出し、これら
交流信号出力について角速度に対する信号処理は差動回
路１２０に入力して２組の可変静電容量型変位検出器の
出力の差を求め、同期検波回路１３０に水晶発振回路１
４０の発振周波数を印加してして同期検波を行い、平滑
回路１５０で駆動交流電圧の残留成分を平滑化し、加速
度に対する信号処理は２組の可変静電容量型変位検出器
の内の一方の交流信号出力を差動回路１２１に入力する
と共に可変静電容量型変位検出器の内の他方の交流信号
出力を反転回路１７０を介して差動回路１２１に入力し
て和を求め、平滑回路１５１で駆動交流電圧の残留成分
を平滑化する２軸角速度／加速度センサを構成 した 。

【００１２】

【実施例】この発明の２軸角速度／加速度センサを図を
参照して説明する。先ず、図３はこの発明の２軸角速度
／加速度センサに使用される可変静電容量変位検出器の
分解斜視図である。この可変静電容量変位検出器は、捻
れ式音叉型水晶振動子４０とこれをその両側から挟み込
む２枚の水晶板５０₁ および水晶板５０₂ より成る。こ
の捻れ式音叉型水晶振動子４０は捻れ式音叉型振動をす
る２本のビーム４１₁ 、ビーム４１₂ および支持部４２
より成る。水晶振動子４０は水晶薄板を捻れ振動する音
叉を構成する２本のビーム４１₁ 、ビーム４１₂ および
支持部４２を残して切除することにより切り出されたも
のである。捻れ振動する音叉の２本のビーム４１₁ およ
びビーム４１₂ の双方には、それぞれの上下、左右の計
４面に変位検出電極が形成される。ビーム４１に形成さ
れる変位検出電極は、図４に示される通り、ビーム４１
₁ については電極Ｃ₁₁、電極Ｃ₁₂、電極Ｃ₁₃および電極
Ｃ₁₄であり、ビーム４１₂ については電極Ｃ₂₁、電極Ｃ
₂₂、電極Ｃ₂₃および電極Ｃ₂₄である。これらの変位検出
電極は、２本のビーム４１₁ およびビーム４１₂ が２軸
角速度／加速度により変位したときにこの変位量を検出
する電極であるが、この点については後で説明される。
なお、以上の音叉型水晶振動子４０を捻れ式振動子に構
成する技術は周知慣用の技術に属する（USP.4,437,773
参照）。

【００１３】水晶板５０₁ および水晶板５０₂ は、その
両側部および中央部に軸方向全長に亘って隆起部５２な
い隆起部し５４が形成され、結局、両側部の隆起部５２
および隆起部５４と中央部の隆起部５３との間は溝部５
５および溝部５６とされる。そして、隆起部５２および
隆起部５４の内側面、溝部５５および溝部５６の底面、
および中央の隆起部５３の両側面にも、水晶振動子４０
の２本のビーム４１₁およびビーム４１₂ に形成される
上述の変位検出電極に対向する変位検出電極が形成され
る。ここで、図５を参照するに、ビーム４１₁ の電極Ｃ
₁₁に対向する溝部５５₁ の電極はＣ₁₁’、電極Ｃ₁₂に対
向する隆起部５２の電極はＣ₁₂’、電極Ｃ₁₃に対向する
溝部５５₂ の電極はＣ₁₃’、電極Ｃ₁₄に対向する隆起部
５３内側面の電極はＣ₁₄’である。同様に、ビーム４１
₂ の電極Ｃ₂₁に対向する溝部５６₁ の電極はＣ₂₁’、電
極Ｃ₂₂に対向する隆起部５３の電極はＣ₂₂’、電極Ｃ₂₃
に対向する溝部５６₂ の電極はＣ₂₃’、電極Ｃ₂₄に対向
する隆起部５４内側面の電極はＣ₂₄’である。

【００１４】そして、水晶板５０₁ および水晶板５０₂
は水晶振動子４０より剛性を高く構成する。水晶板５０
₁ および水晶板５０₂ と水晶振動子４０とは、図３に示
される順序に重ね合わせて３者一体に接合される。この
接合は水晶振動子４０の支持部４２と水晶板５０₁ およ
び水晶板５０₂ の支持部との間、および水晶板５０₁の
隆起部と水晶板５０₂ の隆起部との間において行われ
る。この接合により形成される水晶板５０₁ と水晶板５
０₂ との間の空間はは音叉の２本のビーム４１₁および
ビーム４１₂ に対してその振動を妨げることのない形状
寸法の空間とされる。

【００１５】ここで、捻れ式音叉型水晶振動子の振動の
仕方を説明するに先だって、スピン軸、角速度入力軸、
出力軸、コリオリ力に関する既知の物理法則について説
明しておく。先ず、一定方向に回転しているコマにその
回転ベクトル（スピン軸）に直角方向の角速度（入力
軸）が加わると、コリオリの力によって、スピン軸、入
力軸の各々に直角な方向（出力軸）回りのトルクが生
じ、コマは回転する。これは歳差運動として周知のこと
であり、従来、ジャイロスコープに応用されている。
（昭 和５８年９月１０日 産業調査会出版部初版発行
「産業用センサ（応用技術・利用技術）第３４０頁第
（２）ａ項」参照）。更に、コマを一定方向に回転させ
スピン軸について小さな角度で角振動させた場合、トル
クはこの角振動によって変化をする。即ち、スピン軸、
入力軸の何れにも直角な方向を軸とした角振動が生ず
る。この発明は音叉型水晶振動子を捻れ振動、即ち、小
さな角度で角振動させるものであり、これに相当する。
以下図６参照して説明する。図６は捻れ式音叉型水晶振
動子の振動モードを概念的に説明する図である。図６
（ａ）は角速度／加速度信号が入力されていない場合の
ビームの振動状態を示す無入力捻れ振動モードを示す。
この無入力捻れ振動モードは、図示される通り、捻れ式
音叉型水晶振動子の長さ方向軸についてビームは捻れ振
動をしている。２本のビームは、次の瞬間、図示される
変形状態からそれぞれの内側が下向きに変位すると共に
外側が上向きに変位した状態をとり、以後、両状態を交
互に捻れ振動を繰り返す。ここで、２本のビームの角振
動の向きについてみると、互いに逆向きに角振動してい
る。

【００１６】図６（ｂ）はビームに縦方向軸回りの角速
度が印加された場合のビームの振動状態である角速度印
加振動モードを示す。２本のビームは、図６（ａ）の捻
れ振動に加えて、角速度印加により生じたコリオリ力に
より捻れ方向と直角な方向にも角速度の量に比例した捻
れ成分を有して歳差運動をしている状態である。図６
（ｃ）はビームに縦方向加速度が印加された場合のビー
ムの振動状態である加速度印加振動モードを示す。ビー
ムは、図６（ａ）の捻れ振動に加えて、ビームの自由端
側はその慣性に起因して加えられる力の向きとは逆の向
きに屈曲する。

【００１７】図７を参照して捻れ振動する水晶振動子の
ビームの振動の状態を具体的に説明する。図７（ａ）の
如くビームに縦方向軸回りの角速度ωの回転が加えられ
ると、ビームにコリオリ力が加えられ、捻れ方向と入力
軸の何れにも直角な方向を軸とし たトルク作用した結
果、ビームは捻れ方向と直角な方向に変位し、変位した
状態においてその自由端は縦方向に長い歳差運動をする
に到る。即ち、算用数字１→２→３→４の経路に沿って
縦方向に長い単振動をする。 図７（ｂ）の如くビームに
横方向軸回りの角速度ωの回転が加えられる場合も同様
であり、ビームにトルクが作用した結果、ビームは捻れ
方向と直角な方向に変位し、変位した状態においてその
自由端は横方向に長い単振動、歳差運動１→２→３→４
をする。図８を参照して実際の捻れ式音叉型水晶振動子
の振動の状態を説明する。図８（ｃ）の如くビームに縦
方向軸回りの角速度ωの回転が加えられると、２本のビ
ーム４１₁ およびビーム４１₂ にコリオリ力Ｆが加えら
れるので、これらビームは捻れ方向と直角な方向に変位
し、変位した状態でその自由端は縦方向に長い歳差運動
をするに到る。この縦方向に長い歳差運動により、２本
のビーム４１₁ およびビーム４１₂ は縦方向の単振動を
していることになる。

【００１８】図８（ｄ）の如くビームに横方向軸回りの
角速度ωの回転が加えられる場合も同様であり、２本の
ビーム４１₁ およびビーム４１₂ にコリオリ力Ｆが加え
られるので、これらビームは捻れ方向と直角な方向に変
位し、変位した状態でその自由端は横方向に長い歳差運
動１→２→３→４をする。図８（ａ）は捻れ式音叉型水
晶振動子に縦方向加速度αが印加された場合のビームの
振動状態を示す。ビームは双方共加えられる加速度αの
向きとは逆の向きに同相の力を受け、その向きに屈曲す
る。

【００１９】図８（ｂ）は捻れ式音叉型水晶振動子に横
方向加速度αが印加された場合のビームの振動状態を示
す。ビームは、図８（ａ）の場合と同様に、加えられる
加速度αの向きとは逆の向きに同相の力を受け、その向
きに屈曲する。この発明の可変静電容量変位検出器の捻
れ式音叉型水晶振動子４０は、上述した通りに捻れ振動
しながら角速度、加速度入力により変位する。ここで、
捻れ式音叉型水晶振動子がこの如く振動、変位した場
合、この発明の可変静電容量変位検出器に形成された変
位検出電極Ｃがどの様な関係になるかについて、特に、
図５および図８を参照して説明する。

【００２０】（Ａ） 可変静電容量変位検出器に縦方向
角速度ωが印加された場合図５および図８（ｃ）を参照するに、 捻れ式音叉型水晶
振動子４０のビーム４１₁ およびビーム４１₂ はコリオ
リ力Ｆにより捻れ方向と直角な方向にも角速度の量に比
例した捻れ成分を有するに到り、図示される如く逆相に
変位する。従って、電極Ｃ ₁₁ 相互間は接近すると共に電
極Ｃ ₁₃ 相互間は離間する一方、電極Ｃ ₂₁ 相互間は離間す
ると共に電極Ｃ ₂₃ 相互間は接近する。縦方向角速度ωの
向きが図示される向きとは逆向きの場合は、電極Ｃ ₁₁ 相
互間は離間すると共に電極Ｃ ₁₃ 相互間は接近する一方、
電極Ｃ ₂₁ 相互間は接近すると共に電極Ｃ ₂₃ 相互間は離間
する。

【００２１】（Ｂ） 可変静電容量変位検出器に横方向
角速度ωが印加された場合図５および図８（ｄ）を参照するに、 捻れ式音叉型水晶
振動子４０のビーム４１₁ およびビーム４１₂ はコリオ
リ力Ｆにより捻れ方向と直角な方向にも角速度の量に比
例した捻れ成分を有するに到り、図示される如く逆相に
変位する。従って、電極Ｃ ₁₂ 相互間は接近すると共に電
極Ｃ ₁₄ 相互間は離間する一方、電極Ｃ ₂₂ 相互間は離間す
ると共に電極Ｃ ₂₄ 相互間は接近する。横方向角速度ωの
向きが図示される向きとは逆向きの場合は、電極Ｃ ₁₂ 相
互間は離間近すると共に電極Ｃ ₁₄ 相互間は接近する一
方、電極Ｃ ₂₂ 相互間は接近すると共に電極Ｃ ₂₄ 相互間は
離間する。

【００２２】（Ｃ） 可変静電容量変位検出器に縦方向
加速度αが印加された場合図５および図８（ａ）を参照するに、 捻れ式音叉型水晶
振動子４０のビーム４１₁ およびビーム４１₂ は、双方
共加えられる縦方向加速度αの向きとは逆の向きに同相
の力Ｆを受け、その向きに屈曲する。加速度αが図示さ
れる向きの場合は、電極Ｃ₁₁相互間および電極Ｃ₂₁相互
間は離間する一方、電極Ｃ₁₃相互間および電極Ｃ₂₃相互
間は接近する。加速度αが図示される向きとは逆の場合
は、電極Ｃ₁₁相互間および電極Ｃ₂₁相互間は接近する一
方、電極Ｃ₁₃相互間および電極Ｃ₂₃相互間は離間する。

【００２３】（Ｄ） 可変静電容量変位検出器に横方向
加速度αが印加された場合図５および図８（ｂ）を参照するに、 捻れ式音叉型水晶
振動子４０のビーム４１₁ およびビーム４１₂ は、双方
共加えられる横方向加速度αの向きとは逆の向きに同相
の力Ｆを受け、その向きに屈曲する。加速度αが図示さ
れる向きの場合、電極Ｃ₁₂相互間および電極Ｃ₂₂相互間
は離間する一方、電極Ｃ₁₄相互間および電極Ｃ₂₄相互間
は接近する。加速度αが図示される向きとは逆の場合
は、電極Ｃ₁₂相互間および電極Ｃ₂₂相互間は接近する一
方、電極Ｃ₁₄相互間および電極Ｃ₂₄相互間は離間する。

【００２４】次に、この発明の２軸角速度／加速度セン
サを図９および図１０を参照して説明する。図９は縦方
向軸角速度／加速度の測定に対応し、図１０は横方向軸
角速度／加速度の測定に対応する。可変静電容量型変位
検出器の合計１６枚の変位検出電極は、特に図５に図示
される通りに対向して合計８個の可変容量を構成する。
これら８個の可変容量の参照記号はＣ₁₁、Ｃ₁₂、Ｃ₁₃、
Ｃ₁₄、Ｃ₂₁、Ｃ₂₂、Ｃ₂₃、Ｃ₂₄とする。これら８個の可
変容量を図９および図１０に図示される通りに２個づつ
組み合わせ使用して変位検出用の差動ブリッヂ回路を４
個構成する。即ち、捻れ式音叉型水晶振動子４０のビー
ム４１₁ により形成される可変容量Ｃ₁₁および可変容量
Ｃ₁₃を使用して第１のブリッヂ回路を構成する。ビーム
４１₂ により形成される可変容量Ｃ₂₁および可変容量Ｃ
₂₃を使用して第２のブリッヂ回路を構成する。ビーム４
１₁ により形成される可変容量Ｃ₁₂および可変容量Ｃ₁₄
を使用して第３のブリッヂ回路を構成する。そして、ビ
ーム４１₂ により形成される可変容量Ｃ₂₂および可変容
量Ｃ₂₄を使用して第４のブリッヂ回路を構成する。そし
て、これら差動ブリッヂ回路はその接続端子Ａおよび接
続端子Ｂを介して、或は接続端子αおよび接続端子βを
介して交流電圧源１００により交流駆動される。

【００２５】ここで、可変静電容量型変位検出器の第１
のブリッヂ回路および第２のブリッ ヂ回路により縦方向
軸角速度／加速度を検出することができるが、これを図
９および図８（ｃ）を参照して説明する。無入力の場合
は、２本のビーム４１ ₁ およびビーム４１ ₂ が単に捻れ
振動をしているのみであるので、可変容量Ｃ ₁₁ と可変容
量Ｃ ₁₃ の間に容量差は生じないし、可変容量Ｃ ₂₁ と可変
容量Ｃ ₂₃ の間にも容量差は生じない。この状態におい
て、第１のブリッヂ回路および第２のブリッヂ回路は平
衡している。ここで、接続端子Ｃ、Ｄ、Ｃ’およびＤ’
の出力電圧波形は、図１１（ａ）に示される如く振幅一
定の出力電圧波形である。ところが、図示される向きに
角速度ωの回転が加えられると、２本のビーム４１₁ お
よびビーム４１₂ にコリオリ力Ｆが加えられるので、こ
れらビームは先に説明した通り捻れ方向と直角な方向に
変位し、変位した状態でその自由端は縦方向に長い歳差
運動をするに到る。従って、可変容量Ｃ ₁₁ の静電容量は
増加するのに対して、可変容量Ｃ ₁₃ の静電容量は逆に減
少する。そして、可変容量Ｃ ₂₁ の静電容量は減少するの
に対して、可変容量Ｃ ₂₃ の静電容量は増加する。図示さ
れる向きとは逆向きの角速度ωの回転が加えられると、
可変容量Ｃ ₁₁ の静電容量は減少するのに対して、可変容
量Ｃ ₁₃ の静電容量は逆に増加する。そして、可変容量Ｃ
₂₁ の静電容量は増加するのに対して、可変容量Ｃ ₂₃ の静
電容量は減少する。可変容量Ｃ₁₁ないし可変容量Ｃ₂₄の
静電容量が上述した通りに変化することにより、接続端
子ＣとＤの間の電圧は図１１（ｂ）に示される如くビー
ムの振動周波数により振幅変調された様な電圧波形とな
る。接続端子Ｃ’、Ｄ’の電圧は図１１（ｃ）に示され
る如くビームの振動周波数により振幅変調された様な電
圧波形となる。図１１（ｂ）に示される電圧波形と図１
１（ｃ）に示される電圧波形とは互いに逆位相である。

【００２６】これら電圧波形を検波差動回路１１０によ
り半波整流した結果の電圧である点Ｆ、Ｅ、Ｊ、Ｈの電
圧は、それぞれ、図１２（ａ）ないし図１２（ｄ）に示
される如きものとなる。検波差動回路１１０の出力であ
る点Ｇおよび点Ｋの電圧を図１３（ａ）、図１３（ｂ）
に示す。これら点ＧおよびＫの電圧を入力電圧とする差
動回路１２０の出力電圧である点Ｌの電圧は図１３
（ｃ）に示される如きものである。図１３（ｃ）は角速
度ωの向きに左右されて、ビームの発振周波数と点Ｌの
電圧とが同相である場合を示す。これは図１３（ａ）と
相似形である。ビームの発振周波数と点Ｌの電圧とが逆
相である場合、図１３（ｃ）とは逆になり丁度図１３
（ｂ）と相似形となる。１３０はビームの変位成分であ
る交流信号を検出し、この交流信号を水晶振動子の発振
周波数に同期して検出する同期検波回路であり、この同
期検波回路１３０の出力電圧である点Ｎの電圧は図１３
（ｃ）の場合、図１４（ａ）に示されるが如きものであ
り、図１３（ｃ）と逆の場合は図１４（ｂ）に示される
が如きものである。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に
おいて、直線Ｐは角速度ωに比例した電圧を示す。とこ
ろで、詳細な説明は省略するが、一定方向に回転してい
るコマに一定の入力角速度が加わる様な場合は歳差運動
する方向も一定方向であるのに対して、この実施例の如
く往復運動する捻れ運動するビームの場合、入力角速度
が一定であっても、歳差運動する方向は単振動（＝往復
運動）になる。従って、入力角速度を検出するには、単
振動（＝往復運動）するビームの振動周波数と同期させ
て出力を処理する同期検波を適用する必要がある。

【００２７】次に、可変静電容量型変位検出器に縦方向
加速度αが印加された図８（ａ）の場合について説明す
る。ビーム４１₁ およびビーム４１₂ は、双方共、加え
られる加速度αの向きとは逆向きに同相の力Ｆ＝ｍαを
受け、その向きに屈曲する。この場合、可変容量Ｃ ₁₁ の
静電容量は減少するのに対して可変容量Ｃ ₁₃ の静電容量
は共に増加する一方、可変容量Ｃ ₂₁ の静電容量は減少す
るのに対して可変容量Ｃ ₂₃ の静電容量は増加する。その
結果、接続点ＣおよびＣ’の電圧は中立点にある場合よ
り上昇する。即ち、接続点ＣおよびＣ’の電圧は図１５
（ａ）の如くになり、接続点ＤおよびＤ’の電圧は図１
５（ｂ）の如くになる。

【００２８】この様にして接続点Ｃおよび接続点Ｄ間、
接続点Ｃ’および接続点Ｄ’間に生じた変位検出信号を
半波整流した点Ｆ、Ｅ、Ｊ、Ｈの電圧は、図１６（ａ）
ないし図１６（ｄ）に示される如きものになる。差動回
路１２１の出力電圧である点Ｒの電圧は図１７（ａ）に
示される点Ｇの電圧に反転回路を介して図１７（ｂ）に
示される点Ｋの電圧を相加したものに等価的に等しい。
この点Ｒの電圧は図１７（ｃ）に示されるが如きもので
ある。なお、相加することにより角速度成分は相殺され
る。従って加速度零の状態における電圧を基準とすれ
ば、加速度により変化した信号を求めることができる。

【００２９】以上は、図９を参照して第１のブリッヂ回
路および第２のブリッヂ回路を含む可変静電容量型変位
検出器により縦方向軸角速度／加速度を検出する説明で
あったが、図１０を参照して第３のブリッヂ回路および
第４のブリッヂ回路を含む可変静電容量型変位検出器に
より全く同様に横方向軸角速度／加速度を検出すること
ができるので、これについての説明は省略する。上述の
通りにして、可変静電容量型変位検出器を４組具備し、
２組の可変静電容量型変位検出器を２対構成し、各対に
よりそれぞれ１軸角速度／加速度を検出して合計して２
軸の角速度／加速度を検出することができる。

【００３０】上述の可変静電容量型変位検出器の駆動は
交流電圧源１００により行うものであるが、駆動を直流
電圧により行うと下記の通りになる。即ち、振動子に角
速度が加わった場合、振動子はコリオリ力により必ず捻
れ方向と直角な方向にも捻れ振動成分を有してその自由
端は歳差運動をするに到るので、直流電界中においても
電極に交流電圧を発生する。しかし、加速度が加わった
場合、加速度の周波数が低いと電極に電圧が発生しにく
いことから、加速度信号の検出には交流駆動を採用する
ことが前提となる。

【００３１】

【発明の効果】上述の通りであって、この発明は捻れ式
音叉型水晶振動子と、これに対向してこれとの間に可変
容量を形成する変位検出電極を形成した水晶板とにより
可変静電容量変位検出器を構成し、これにより２軸角速
度／加速度を検出するものであるので部品点数は少な
く、構造は極く単純であり、また回転部は存在しないの
で軸受けの摩耗、摩滅による寿命の制約はないものであ
ると言うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２軸角速度／加速度センサの従来例を示す図。

【図２】圧電ビーム回転体を説明する図。

【図３】この発明の可変静電容量変位検出器を説明する
図。

【図４】この発明の水晶薄板および変位検出電極を説明
する図。

【図５】この発明の可変静電容量変位検出器の横方向断
面を説明する図。

【図６】捻れ式音叉型水晶振動子の振動モードを概念的
に示す図。

【図７】捻れ式音叉型水晶振動子の振動の状態を説明す
る図。

【図８】捻れ式音叉型水晶振動子の振動の状態を説明す
る図。

【図９】この発明の２軸角速度／加速度センサを説明す
る図。

【図１０】この発明の２軸角速度／加速度センサを説明
する図。

【図１１】可変静電容量型変位検出器中の点の電圧を示
す図であり、（ａ）は２本のビームが上下方向に変位し
ていない場合の点Ｃ、Ｄ、Ｃ’、Ｄ’の電圧、（ｂ）は
２本のビームが上下方向に単振動している場合の点Ｃ、
Ｄ’の電圧、（ｃ）は２本のビームが上下方向に単振動
している場合の点Ｃ’、Ｄの電圧を示す図。

【図１２】出力電圧波形を半波整流回路により半波整流
した結果の電圧であり、（ａ）は点Ｆの電圧、（ｂ）は
点Ｅの電圧、（ｃ）は点Ｊの電圧、（ｄ）は点Ｈの電圧
を示す図。

【図１３】（ａ）は点Ｇの電圧、（ｂ）は点Ｋの電圧、
（ｃ）は点Ｌの電圧を示す図。

【図１４】位相弁別器の出力電圧である点Ｎの電圧を示
し、（ａ）は図７（ａ）に対応する図、（ｂ）は図８
（ｂ）に対応する図。

【図１５】（ａ）は点Ｃ、Ｃ’の電圧、（ｂ）は点Ｄ、
Ｄ’の電圧。

【図１６】（ａ）は点Ｆの電圧、（ｂ）は点Ｅの電圧、
（ｃ）は点Ｊの電圧、（ｄ）は点Ｈの電圧を示す図。

【図１７】（ａ）は点Ｇの電圧、（ｂ）は点Ｋの電圧、
（ｃ）は点Ｒの電圧を示す図。

【符号の説明】

４０ 水晶薄板 ４１ ビーム ４２ 支持部 ５５ 溝部 ５６ 溝部 Ｃ 変位検出電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−128355（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−93668（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−164109（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−93907（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−192206（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−239613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−113105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−47913（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72 G01P 9/04 G01P 15/125

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２本のビームを有する捻れ式音叉型水晶振
   動子を構成する水晶薄板の支持部を水晶薄板より剛性が
   高くビームの振動を妨げない形状寸法を有する２本の溝
   部を形成した水晶板２枚によりビームの振動を妨げない
   様に両側から挟み込み、２本のビームが２軸角速度／加
   速度により変位する量を検出する変位検出電極を２本の
   ビームおよび２枚の水晶板に独立して２組形成した可変
   静電容量型変位検出器を具備することを特徴とする２軸
   角速度／加速度センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される２軸角速度／加速
   度センサにおいて、 角速度が印加された場合にコリオリ力により２本のビー
   ムが捻れ方向と直角な方向に入力角速度の量に比例して
   変位した状態で歳差運動することによりこの変位成分を
   検出し、加速度が印加された場合に２本のビームの加速
   度の量に比例して変位した変位成分を検出し、両検出信
   号を電気回路により処理する２軸角速度／加速度セン
   サ。
3. 【請求項３】請求項２に記載される２軸角速度／加速度
   センサにおいて、 可変静電容量型変位検出器をビームの振動周波数より充
   分に高い安定化された交流電圧源により駆動し、角速度
   印加によるビームの歳差運動の振動変位成分である交流
   信号および加速度印加によるビームの変位成分である交
   流信号を検出し、これら交流信号を水晶振発振回路の発
   振周波数に同期して検出する電気回路を具備する２軸角
   速度／加速度センサ。
4. 【請求項４】請求項２および請求項３の内の何れかに記
   載される２軸角速度／加速度センサにおいて、捻れ式音叉型水晶振動子により形成される静電容量を可
   変静電容量型変位検出器の静電容量とし、可変静電容量
   型変位検出器を４組具備し、捻れ式音叉型水晶 振動子の
   発振周波数と比較して充分に高い安定化された変位検出
   器駆動用の交流電圧源器を具備し、２組の可変静電容量
   型変位検出器の検出信号出力の差を求める信号処理回路
   を２対具備し、各信号処理回路対について２組の可変静
   電容量型変位検出器の出力の和を求める回路を具備する
   ２軸角速度／加速度センサ 。
5. 【請求項５】 請求項４に記載される上述の２軸角速度
   ／加速度センサにおいて、 各信号処理回路対について、角速度の印加によるビーム
   の歳差運動に伴う振動成分および加速度印加によるビー
   ムの変位成分を可変静電容量型変位検出器の交流信号出
   力として検出し、これら交流信号出力について角速度に
   対する信号処理は差動回路に入力して２組の可変静電容
   量型変位検出器の出力の差を求め、同期検波回路に水晶
   発振回路の発振周波数を印加してして同期検波を行い、
   平滑回路で駆動交流電圧の残留成分を平滑化し、加速度
   に対する信号処理は２組の可変静電容量型変位検出器の
   内の一方の交流信号出力を差動回路に入力すると共に可
   変静電容量型変位検出器の内の他方の交流信号出力を反
   転回路を介して差動回路に入力して和を求め、平滑回路
   で駆動交流電圧の残留成分を平滑化する２軸角速度／加
   速度センサ 。