JP4058378B2 - 角速度センサおよび角速度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪材料で構成された振動体を用いた角速度センサおよびこの角速度センサを用いた角速度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
角速度を検出するために、多くの方式が従来から実用化されている。その中でも比較的構造が簡単で、しかも安価な角速度センサとして、一次元の振動運動状態にある振動体に対して角速度が印加されたときに振動方向に対して直交する方向に生じるコリオリ力を何らかの方法で検出することによって角速度を検出する方法を採用した角速度センサが広く使用されている。この角速度センサは、別名、レートジャイロと呼ばれ、特に、上記した振動体を用いているものは、一般に振動ジャイロと呼ばれている。この振動ジャイロでは、多くの場合、圧電セラミックを用いて振動体が形成されており、交流電圧を印加することによって励振させた状態の振動体に角速度が加わった際に、コリオリ力によって振動体に生じる変位を圧電効果によって電気信号として取り出して角速度を検出している。
【０００３】
しかしながら、この圧電セラミックを用いた圧電型角速度センサには、以下のような問題点がある。すなわち、この角速度センサでは、振動体に圧電素子を接着する構成、および振動体自身を圧電素子とする構成のいずれかを採用する必要があるが、いずれの構成を採用したとしても、圧電素子を駆動し、かつ圧電効果による電気信号を検出するためには、圧電素子の電極に配線を接続する必要がある。その結果、この配線を通して外部振動が振動体に伝達されて、角速度を正確に検出できないという問題点がある。
【０００４】
そこで、この問題点を改善するために、例えば、特開平５−１９１７号公報に記載された振動ジャイロ（１０）では、同公報中の図１に示すように、振動体（１２）は、そのノード点付近に取り付けられた支持部材（２２ａ，２２ｂ）によって支持されている。また、リード線（２４ａ，２４ｂ）は、同公報中の図２に示すように、振動体（１２）に沿わせて支持部材（２２ｂ）に巻き付けられている。さらに、リード線（２４ａ，２４ｂ）は、支持部材（２２ｂ）から圧電素子（１４ａ，１４ｂ）付近に至るまで間、シリコンなどの弾性接着剤（２６）によって振動体（１２）に取り付けられている。同様にして、リード線（２４ｃ）は、振動体（１２）に沿わせた状態において弾性接着剤（２６）で部分的に接着されて、支持部材（２２ａ）に巻き付けられている。以上の構成により、この振動ジャイロ（１０）では、弾性接着剤（２６）を用いてリード線（２４ａ〜２４ｃ）を振動体（１２）に取り付けているため、弾性接着剤（２６）がダンピング材として機能する。したがって、リード線（２４ａ〜２４ｃ）に伝わった外部振動が弾性接着剤（２６）によってダンピング（低減）される結果、振動体（１２）の屈曲振動に対する外部振動の影響が軽減される。
【０００５】
しかしながら、この振動ジャイロ（１０）では、弾性接着剤（２６）の量によってダンピング特性が変化することに起因して、外部振動の軽減度合いを一定にすることが困難のため（再現性が良好でないため）、高精度で角速度を検出するのが困難であるという問題点が存在する。また、弾性接着剤（２６）は温度変化や経時変化によってその弾性特性が変化（劣化）する。このため、この振動ジャイロ（１０）には、振動の漏洩を長期に亘って良好に軽減することが困難であるという問題点も存在する。また、弾性接着剤（２６）はその管理が容易ではなく、しかも作業性に劣るため、振動ジャイロ（１０）の生産性を向上させるのが困難であるという問題点も存在する。
【０００６】
そこで、外部振動による振動体への影響をより効果的に軽減し得る方法として、外部振動によって振動体に引き起こされる可能性の少ない振動モードで振動体を振動させる振動ジャイロが提案されている。この種の振動ジャイロとしては、例えば、特開平１０−２６７６６７号公報に開示されているジャイロ（ジャイロスコープ）が知られている。このジャイロでは、リング形状の振動共振器（１）を複数の可撓性支持ビーム（５）で静磁場中に宙吊り状に支持すると共に、その形状がリング形状から楕円形に、また楕円形からリング形状に変化可能に電磁誘導によって振動共振器（１）を振動させる振動モードを利用している。このような振動モードは外部振動によっては極めて起こりにくい振動のため、外部振動が加わったときであっても上記の振動モードへの影響が非常に少ない構造となっている。したがって、このジャイロでは、外部振動が加わったときにも角速度を精度よく検出することが可能となっている。
【０００７】
ところが、このジャイロでは、振動共振器（１）を支持する複数の可撓性支持ビーム（５）を、例えばマイクロマシーニング（微細加工技術）を利用して非常に精密に製作する必要があるため、製造費が高価になるという問題点がある。
【０００８】
一方、特開平７−２０１４０号公報に開示されている角速度センサでは、磁歪材料によって形成された振動体（１１）に駆動コイル（１２）で発生した励磁界を与えて屈曲振動させる。この振動状態において、振動体（１１）に角速度が加わったときには、振動方向に対して直交する方向のコリオリ力が振動体（１１）の脚部に生じる。この場合、このコリオリ力によって振動方向が基本振動方向から若干ずれる（ねじれる）結果、脚部に作用する応力が変化して、逆磁歪効果によって生じる磁化も変化する。このため、この角速度センサでは、この磁化の変化を検出コイル（１３ａ，１３ｂ）で検出することにより、振動体（１１）に加わっている角速度を非接触で検出することが可能となっている。
【０００９】
しかしながら、この角速度センサで利用されている振動モード（振動体（１１）を屈曲振動させる振動モード）が外部振動によって影響を受け易い振動モードのため、この角速度センサには、高精度で角速度を検出するのが困難であるという問題点が存在する。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−１９１７号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１０−２６７６６７号公報（第３−５頁、第１図、第５図）
【特許文献３】
特開平７−２０１４０号公報（第６頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来、種々の角速度センサが開発されているが、上記したように、特開平５−１９１７号公報および特開平７−２０１４０号公報に開示された角速度センサでは、振動体が外部振動の影響を受け易いために、高精度で角速度を検出するのが困難であるという問題点が存在し、特開平１０−２６７６６７号公報に開示されたジャイロでは、振動体に対する外部振動の影響を低減できるものの、製造コストが非常に高価になるという問題点がある。
【００１２】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、外部振動によっては生じ得ない振動モードを使用して高精度の角速度検出を行い得る安価な角速度センサおよび角速度検出装置を提供することを主目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る角速度センサは、磁歪材料を用いて回転体に形成された振動体と、当該振動体の軸線上に配設されると共に当該振動体の表面における当該軸線の通過部位で当該振動体を支持する支持部材と、前記軸線を中心とする放射方向に沿った磁界を前記振動体の内部に発生させることによって当該放射方向の振動を当該振動体に発生させる磁界生成手段と、前記振動体と離間して配設されると共に角速度が加わったときの前記振動の変化に応じた磁束変化を検出する検出手段とを備えている。
【００１４】
この場合、磁性材料を用いて前記支持部材を構成するのが好ましい。
【００１５】
また、永久磁石を含んで前記支持部材を構成することもできる。
【００１６】
さらに、前記振動体、前記支持部材、前記磁界生成手段および前記検出手段を収容する磁性材料製のケースを備えて角速度センサを構成するのが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る角速度検出装置は、上記請求項に記載の角速度センサを直交する２軸上にそれぞれ配設して構成されている。
【００１８】
また、本発明に係る角速度検出装置は、上記請求項に記載の角速度センサを互いに直交する３軸上にそれぞれ配設して構成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る角速度センサおよび角速度検出装置の好適な実施の形態について説明する。
【００２０】
最初に、本発明に係る角速度センサの構成について、図面を参照して説明する。
【００２１】
角速度センサ１は、図１，２に示すように、振動体２、支持部材３、磁界生成手段としての励磁コイル４、発振駆動回路５、検出手段としての検出コイル６、同期検波回路７およびケース８を備えている。この場合、振動体２は、一例として、印加される磁界の向きとは関係なく伸長する正の磁歪特性を有する磁歪材料を用いて回転体（一例として、扁平な円板体）に形成されている。ここで、本実施の形態において回転体とは、平面上の平面図形を同一の平面内に配設された軸線（後述する軸線Ａ）を中心として回転させたときに形成される立体図形をいうものとする。また、磁歪材料としては、正または負の磁歪特性を有する材料、具体的にはＮｉ−Ｆｅ系磁歪材料やＲＦｅ系磁歪材料等を使用することができる。また、磁歪材料としては、磁歪効果を示す向きがランダムの等方性磁歪材料を用いてもよい。ただし、振動体２における振動の効率を高めるためには、印加される磁界の向きとその向きとが同一方向に揃っている異方性磁歪材料を用いるのが好ましい。
【００２２】
支持部材３は、一例として、図１に示すように、円柱体に形成された永久磁石で構成されている。また、支持部材３は、図２に示すように、振動体２の軸線Ａ上に各磁極が位置するように配設されると共に、振動体２の表面における軸線Ａの通過部位、すなわち本実施の形態では振動体２の下面中央部分にその一端側（同図中の上端側（Ｎ極））が固定されて振動体２を支持する。この場合、永久磁石で構成された支持部材３は、その一端側（Ｎ極）から他端側（Ｓ極）に向かう一定の強度の磁界を外部に向けて常時生成している。したがって、支持部材３の上端側（Ｎ極）が下面中央部分に固定された振動体２には、その中央部分からその外縁に向けて放射状に拡がる一定の強度の磁界（バイアス磁界）が支持部材３によって常時印加されている。また、支持部材３は、その磁界によって振動体２を直線性の良好な駆動領域にバイアス可能に、その磁力が予め設定されている。また、振動体２の下面中央部分は、振動体２による振動の中心点（不動点）として機能する。また、この不動点は、角速度センサ１に加わる角速度の大きさや加速度の方向が変化したときにも、振動の中心としての機能が不変であるという性質を有する。したがって、外部から加わる振動による影響を受けることなく広い角速度領域に亘って正確な角速度検出が可能となっている。
【００２３】
励磁コイル４は、図１，２に示すように、合成樹脂製のボビン１１と、ボビン１１に巻回されて形成されたコイル１２とを備えて構成されている。この場合、ボビン１１は、円筒状の巻枠部１１ａ、巻枠部１１ａの各端部に形成された一対のフランジ部１１ｂ，１１ｃ、およびリブ部１１ｄを備えて構成されている。また、ボビン１１は、支持部材３を介して間接的に振動体２を支持すると共に、検出コイル６を直接支持する機能を備えている。具体的には、巻枠部１１ａは、その中心孔Ｂにフランジ部１１ｂ側から支持部材３を挿入可能に構成されると共に、挿入された支持部材３をその内周面で保持可能に構成されている。また、巻枠部１１ａは、図２に示すように、その全長が支持部材３よりも短く構成されて、ボビン１１に装着された振動体２とフランジ部１１ｂとが離間するように（接触しないように）構成されている。リブ部１１ｄは、フランジ部１１ｂにおける振動体２との対向面の外縁部分に、一例としてリング状に形成されて、検出コイル６を支持可能に構成されている。また、リブ部１１ｄは、同図に示すように、その内径が振動体２の外径よりも大径に形成されて、振動体２に接触しないように構成されている。以上の構成により、励磁コイル４は、振動体２の一方の面側（図１，２中では下方側）に、その軸線と振動体２の軸線Ａとが一致するようにして配設されて、発振駆動回路５から供給される駆動信号Ｓａに基づいてコイル１２によって生成された磁界を支持部材３を介して振動体２に印加することにより、振動体２を振動させる。この場合、コイル１２によって生成される磁界は、交番磁界であって、その強度は支持部材３によって生成されるバイアス磁界よりも弱く設定されている。
【００２４】
発振駆動回路５は、図２に示すように、駆動信号Ｓａ、および駆動信号Ｓａに同期した基準信号Ｓｂを生成して、駆動信号Ｓａを励磁コイル４のコイル１２に供給すると共に、基準信号Ｓｂを同期検波回路７に供給する。一例として、発振駆動回路５は、駆動信号Ｓａとして交流電圧を生成する。
【００２５】
検出コイル６は、一例として、リブ部１１ｄとほぼ同径（振動体２よりも大径）のトロイダルコア６ａ、およびトロイダルコア６ａに巻回されたコイル６ｂを備え、その軸線と振動体２の軸線Ａとが同軸で、かつ振動体２と離間して振動体２の周囲に配設されて、振動体２の外周面近傍に発生する磁界の変化を検出可能に構成されている。同期検波回路７は、振動体２の外周面近傍に発生している磁界の変化に起因してコイル６ｂの両端に誘起する信号Ｓｃを基準信号Ｓｂで同期検波して、信号Ｓｃの電圧値に応じた電圧値であって、信号Ｓｃの位相に応じた極性（正負）の直流検出電圧Ｖｄを出力する。
【００２６】
ケース８は、図１，２に示すように、磁性材料を用いてそれぞれ構成された上ケース２１と下ケース２２とを備えている。この場合、上ケース２１は一端側（同図中の上端側）が閉塞して下端側が開口する円筒体に形成されている。また、上ケース２１の内径は、励磁コイル４および検出コイル６の各外径よりも若干大径に形成されて、これらの部材を収容可能に構成されている。一方、下ケース２２は、上ケース２１における開口側（同図中の下端側）を閉塞可能な円板体に形成されて、上ケース２１に対する蓋として機能すると共に、振動体２を固定する支持部材３および振動体２を載置するための載置台としても機能する。一例として、下ケース２２は、その上ケース２１側の面における中央部分が上ケース２１に嵌入可能な円柱状に形成されて、上ケース２１と嵌合可能な段付き円板体に構成されている。この構成により、上ケース２１の開口側を下ケース２２が閉塞した状態において、上ケース２１と下ケース２２との相対的な位置ずれを防止している。このような構成のケース８内に、振動体２、支持部材３、励磁コイル４、および検出コイル６が、各々の軸線をケース８の軸線に一致させた状態で収容されている。したがって、磁性材料製の上ケース２１および下ケース２２は、励磁コイル４による磁界のケース８の外部への漏洩を防止すると共に外部磁界のケース８の内部への侵入を抑制することによって振動体２および検出コイル６に対する外部磁界の影響を低減するシールド機能を備えている。さらに、ケース８は、振動体２および支持部材３と相俟って、励磁コイル４によって形成される磁界に対する閉磁路を形成する機能も備えている。
【００２７】
次いで、角速度センサ１の角速度検出動作について図２〜図５を参照して説明する。
【００２８】
発振駆動回路５からコイル１２に駆動信号Ｓａが供給されている状態では、励磁コイル４は交番磁界を生成している。この交番磁界は支持部材３によって生成されているバイアス磁界に重畳され、交番磁界とバイアス磁界の合成磁界Ｃは、図２に示すように、励磁コイル４に対するコア部材として機能する支持部材３を介して（磁路として）、振動体２の中心部分に効率よく供給される。また、振動体２の中心部分に供給された合成磁界Ｃは、図３に示すように、振動体２内をその中心部分から外縁部分に向けて半径方向に沿って放射状に拡がった後に、振動体２の外周面から抜け出てトロイダルコア６ａ内をその半径方向に沿って通過する。さらに、合成磁界Ｃは、トロイダルコア６ａを通過して上ケース２１内に吸収されて、上ケース２１内を通過した後に下ケース２２内を通過して支持部材３に戻る。この場合、振動体２は、その内部を合成磁界Ｃが中央部分から外縁部分に向けて放射状に通過することにより、合成磁界Ｃに含まれているバイアス磁界によって全体として拡径すると共に、合成磁界Ｃに含まれている交番磁界によってその拡径量が交番磁界の周期で変化する。すなわち、図３において矢印Ｄで示すように、軸線Ａを中心とした放射方向に沿って全方向に対して全体として伸縮を繰り返して振動している。言い換えれば、振動体２は、その平面形状を円形状態に維持しつつ、その外径が拡縮するようにして軸線Ａを中心として振動している（図３〜図５では、振動体２の外径の拡縮を誇張して示すものとし、外径の伸び量が最大の状態を実線で、外径の伸び量が最小の状態を一点鎖線で示す）。この際には、合成磁界Ｃが、トロイダルコア６ａ内を、その半径方向に沿って通過しているため、この合成磁界Ｃに起因する電圧がコイル６ｂに誘起しない結果、検出コイル６は電圧を検出しない。以下、理解を容易にするために、振動体２の軸線Ａを中心とする放射方向に沿った振動方向（同図中において矢印Ｄで示される向き）を基本振動方向ともいう。
【００２９】
この状態において、図４に示すように、角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として時計方向回り（同図中の矢印の向き）の角速度が加わった場合、振動体２には基本振動方向Ｄに直交する方向に角速度に応じた大きさのコリオリ力が発生するため、振動体２の振動方向は、それまでの基本振動方向Ｄの方向から同図に矢印Ｅで示す振動方向の向きに変化する。この場合、基本振動方向Ｄと矢印Ｅで示す振動の向きとのずれ量は、角速度の大きさに応じて変化する。したがって、振動体２の外周面から抜け出て検出コイル６に向かう磁界（磁束）の方向も、同図において矢印Ｆで示す方向（振動体２における振動方向Ｅと同一方向）に角速度の大きさに応じて変化する（ずれる）。このため、基本振動時には検出コイル６におけるコイル６ｂの個々の巻線に対して平行に通過していた磁束が、個々の巻線によって形成される平面を通過するように変化する。この結果、角速度の大きさに応じた信号Ｓｃがコイル６ｂの両端に誘起する。したがって、同期検波回路７によって生成される直流検出電圧Ｖｄも、その電圧値が角速度に応じて変化する。
【００３０】
一方、図５に示すように、角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として反時計方向回り（同図中の矢印の向き）の角速度が加わった場合、上記と同様にして振動体２には角速度に応じた大きさのコリオリ力が発生して、振動体２の振動方向は、それまでの基本振動方向Ｄの方向から同図に矢印Ｇで示す振動方向の向きに変化する。この場合にも、基本振動方向Ｄと矢印Ｇで示す振動の向きとのずれ量は、角速度の大きさに応じて変化する。したがって、振動体２の外周面から抜け出て検出コイル６に向かう磁界（磁束）の方向も、同図において矢印Ｈで示す方向（振動体２における振動方向Ｇと同一方向）に角速度の大きさに応じて変化する（ずれる）。このため、基本振動時には検出コイル６におけるコイル６ｂの個々の巻線に対して平行に通過していた磁束が、個々の巻線によって形成される平面を通過するように変化する。この結果、角速度の大きさに応じた信号Ｓｃがコイル６ｂの両端に誘起する。この場合、信号Ｓｃの極性（位相）は、角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として時計方向回りの角速度が加わったときとは逆極性（逆相）となる。したがって、同期検波回路７によって生成される直流検出電圧Ｖｄも、その極性（正負）が角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として時計方向回りの角速度が加わったときとは逆になる以外は、同じようにして、その電圧値が角速度に応じて変化する。
【００３１】
したがって、この角速度センサ１を使用することにより、同期検波回路７によって生成される直流検出電圧Ｖｄの極性に基づいて、角速度センサ１に加わっている角速度の方向（時計方向か反時計方向か）を特定することができると共に、直流検出電圧Ｖｄの電圧値の大きさに基づいて、角速度の大きさを特定することができる。
【００３２】
このように、この角速度センサ１によれば、伸縮振動における不動点としての中心部分に固定された支持部材３で検出コイル６を含む他の部材と非接触の状態で振動体２を支持し、かつ、振動体２の内部に、その中央部分から外縁部分に向けた放射方向に沿って通過し、その強度が周期的に変化する合成磁界Ｃを支持部材３および励磁コイル４によって発生させてその放射方向に沿って全方向に振動体２を全体として伸縮させて振動させるという、通常の状態では起こり得ない振動状態（振動モード）で振動体２を振動させることにより、支持部材３による振動体２に対する振動の阻害を回避しつつ、外部振動が振動体２に伝わったときであっても、その外部振動による影響を殆ど受けることなく振動体２を基本振動での振動状態に維持することができる。したがって、この角速度センサ１によれば、外部振動が加わった状態においても、高い精度で角速度を検出することができる。
【００３３】
さらに、振動体２を支持部材３で支持する簡易な構成を採用したことにより、角速度センサ１を十分に安価に製造することができる。また、支持部材３を永久磁石で構成して振動体２に対してバイアス磁界を常時印加すると共に、励磁コイル４用のコアとしても機能させたことにより、励磁コイル４によって生成される磁界を振動体２の中央部分（軸線Ａ近傍）に効率よく供給することができ、しかも磁歪材料で形成された振動体２を直線性がよくかつ変化量の大きな領域で効率よく振動させることができる。したがって、小さいエネルギー（少ない励磁電力）で振動体２を効率よく振動させることができる。さらに、振動体２、支持部材３、励磁コイル４および検出コイル６を磁性材料製のケース８内に収容したことにより、励磁コイル４による磁界のケース８の外部への漏洩を防止できると共に、外部磁界のケース８の内部への侵入を抑制して振動体２および検出コイル６に対する外部磁界の影響を低減することができる。また、ケース８が振動体２および支持部材３と相俟って励磁コイル４によって生成される磁界に対する閉磁路を形成するため、漏れ磁束を低減できる結果、より一層効率よく振動体２を振動させることができる。
【００３４】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、支持部材３を永久磁石で構成すると共に駆動信号Ｓａとして交流電圧を用いて振動体２を交番磁界Ｃによって振動させる例について説明したが、支持部材３を着磁していない磁性体で構成することもできる。この場合、支持部材３を永久磁石で構成することで振動体２に印加していたバイアス磁界については、駆動信号Ｓａに直流電圧を重畳することにより、この直流電圧によって励磁コイル４で生成させる構成を採用する。この構成によれば、発振駆動回路５の回路構成が若干複雑になると共に重畳する直流電圧分だけ発振駆動回路５および励磁コイル４で消費される電力（励磁電力）が増加するものの、上記した実施の形態と同様にして、振動体２を直線性がよくかつ変化量の大きな領域で効率よく振動させることができる。また、支持部材３を着磁していない磁性体で構成すると共に、直流電圧が重畳していない交番電圧を駆動信号Ｓａとして励磁コイル４に供給する構成を採用することができる。この構成によれば、直流電圧を駆動信号Ｓａに重畳しないため、発振駆動回路５の複雑化を回避することができるものの、振動体２にバイアス磁界を印加しないために、振動体２を振動させる効率が低下する。しかしながら、支持部材３として単なる磁性体を使用することができると共に、発振駆動回路５を簡易に構成することができるため、簡易で安価に角速度センサ１を構成することができる。さらに、バイアス磁界を加えた構成と比較して、振動体２を２倍の周波数で振動させることができるため、振動周波数の高い加速度センサを簡易に構成することができる。
【００３５】
一方、その一部に永久磁石を含んで支持部材３を構成することもできる。言い換えれば、着磁していない磁性体と永久磁石とを組み合わて支持部材３を構成することもできる。この構成によれば、永久磁石を交換するだけで直流磁界の大きさを容易に変更することができる。このため、様々な特性の角速度センサを容易に製造することができる。例えば、図６に示すように、円筒状のフェライト材（着磁していない円筒状磁性体）３ａの中心孔３ｈ内に円柱状の金属磁石（永久磁石）３ｂを挿入して支持部材３を構成することもできる。この構成によれば、円筒状のフェライト材３ａを共通部品として使用し、その中心孔３ｈ内に挿入する金属磁石３ｂとして各種の磁気特性を有する金属磁石３ｂを予め用意しておくことにより、角速度センサ１の特性を容易に変更することができる。また、フェライト材３ａへの金属磁石３ｂの組み込みを容易に行える結果、支持部材３を容易に作製することができる。また、励磁コイル４に対するコア部材として支持部材３を利用しないときには、支持部材３を非磁性材料（例えば、合成樹脂材料）で構成することもできる。また、支持部材３を非磁性材料で構成した場合、振動体２の下方に配置して振動体２を支持する構成に代えて、振動体２の上面中央部分とケース８との間に軸線Ａと同軸に配置して、上端側をケース８に固定すると共に下端側を振動体２の上面中央部分に固定することにより、振動体２を上方から吊り下げた状態で支持する構成を採用することもできる。この場合、励磁コイル４の巻枠部１１ａ内に磁性体をコア部材として配置するのが好ましい。この構成により、上記した実施の形態と同様にして、この磁性体を介して励磁コイル４によって生成された磁界を振動体２の中心部分に効率よく供給することができる。この場合、磁性体と振動体２との接触状態を維持するのが好ましいが、必ずしも接触させる必要はなく、磁性体と振動体２との間にギャップが介在する構成を採用することもできる。また、振動体２の上下両面に支持部材３をそれぞれ固定して、一対の支持部材３，３で振動体２を支持する構成を採用することもできる。ただし、この場合、振動体２を挟んで励磁コイル４と反対側に配設した支持部材３については非磁性材料で構成する。
【００３６】
また、上記した実施の形態では、振動体２を円板体に形成した例について説明したが、振動体２の形状は、回転体であればよく、円板体以外にも、例えば、球体、円柱体（円板体よりも厚みのある立体）、円錐体もしくは円錐台、またはこれらを組み合わせて構成した立体形状を採用することもできる。同様にして、検出コイル６についても、リング体以外に、１または２以上の円弧状体を配設して構成することもできる。また、検出コイル６については、コイル６ｂのみのいわゆる空心コイルで形成することもできる。さらに、検出コイルに代えて、ホール効果や磁気抵抗効果を利用した半導体磁気センサを使用することもできる。また、正の磁歪材料に代えて、印加される磁界の向きとは関係なく収縮する負の磁歪材料を用いて振動体２を構成することもできる。
【００３７】
また、角速度センサ１は、単体で使用することもできるが、図７に示すように、３つの角速度センサ１，１，１を組み合わせて３軸の角速度検出装置３１を構成することもできる。この角速度検出装置３１は、３つの角速度センサ１，１，１と、固定部材３２と、各角速度センサ１用の発振駆動回路５および同期検波回路７（いずれも図示せず）とを備えて構成されている。この場合、１つの角速度センサ１はＸ軸と平行に、もう１つの角速度センサ１はＹ軸と平行に、残りの角速度センサ１はＺ軸と平行になるように設定されて、それぞれ固定部材３２に固定される。この角速度検出装置３１によれば、３軸の全てに対する角速度を同時に検出することができる。また、図示はしないが、所定の平面内においてのみ移動する物体に加わる角速度を検出する場合には、例えば、同図におけるＺ軸に配設した角速度センサ１を除いて、２つの角速度センサ１，１で２軸の角速度検出装置を構成することもできる。
【００３８】
また、角速度センサ１において、支持部材３を磁歪材料で構成することもできる。さらに、上記した角速度センサ１や角速度検出装置は、ビデオカメラ等に採用されている手ぶれ補正機構（動揺補正機構）に適用することができるのは勿論のこと、航法装置への適用や、自動車および航空機等の姿勢制御装置への適用を図ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る角速度センサによれば、磁界生成手段が振動体の軸線を中心とする放射方向に沿った磁界をその振動体の内部に発生させることによって放射方向の振動を振動体に発生させ、検出手段が、角速度が加わったときの振動の変化に応じた磁束変化を検出することにより、通常の状態では起こり得ない振動状態（振動モード）で振動体を振動させることができ、これにより、支持部材による振動体に対する振動の阻害を回避しつつ、外部振動が振動体に伝わったときであっても、その外部振動による影響を殆ど受けることなく振動体を基本振動での振動状態に維持することができる。したがって、この角速度センサによれば、外部振動が加わった状態においても、高い精度で角速度を検出することができる。また、振動体を支持部材のみで支持する簡易な構成を採用したことにより、角速度センサを十分安価に製造することができる。
【００４０】
また、本発明に係る角速度センサによれば、磁性材料で支持部材を構成したことにより、磁界生成手段によって生成される磁界を振動体の軸線近傍に効率よく供給することができる。したがって、小さいエネルギーで振動体を効率よく振動させることができる。
【００４１】
また、本発明に係る角速度センサによれば、永久磁石を含んで支持部材を構成したことにより、簡単な構成でありながら、交番磁界に直流磁界（バイアス磁界）を加えた合成磁界を振動体の内部に簡易に発生させることができる。したがって、磁歪材料の異なる各種の振動体に対しても、所望の磁界をその内部に簡易に生成させることができるため、磁歪変化が大きく、かつ直線性がよい領域で振動体を効率よく振動させることができる。また、交番電圧に直流電圧を重畳させて上記の合成磁界を生成させる構成と比較して、直流電圧が不要な分だけ、励磁電力を低減させることができる。
【００４２】
また、本発明に係る角速度センサによれば、振動体、支持部材、磁界生成手段および検出手段を磁性材料製のケース内に収容することにより、磁界生成手段による磁界のケースの外部への漏洩を防止できると共に、外部磁界のケースの内部への侵入を抑制して振動体および検出手段に対する外部磁界の影響を低減することができる。また、ケースが振動体および支持部材と相俟って磁界生成手段によって生成される磁界に対する閉磁路を形成するため、漏れ磁束を低減できる結果、より一層効率よく振動体を振動させることができる。
【００４３】
また、本発明に係る角速度検出装置によれば、上記の角速度センサを、直交する２軸上にそれぞれ配設したり、３軸上にそれぞれ配設したりすることにより、外部振動が加わった状態であっても２軸または３軸の方向に対する角速度を高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る角速度センサ１の分解斜視図である。
【図２】 角速度センサ１の内部構造、発振駆動回路５および同期検波回路７を説明するための説明図である。
【図３】 角速度センサ１に角速度が加わっていない状態における振動体２内部の磁界の方向および振動方向を示す振動体２および検出コイル６の平面図である。
【図４】 角速度センサ１に時計方向の角速度が加わった状態における振動体２内部の磁界の方向および振動方向を示す振動体２および検出コイル６の平面図である。
【図５】 角速度センサ１に反時計方向の角速度が加わった状態における振動体２内部の磁界の方向および振動方向を示す振動体２および検出コイル６の平面図である。
【図６】 永久磁石３ｂを含む支持部材３の構成を示す分解斜視図である。
【図７】 ３つの角速度センサ１を用いた角速度検出装置３１の構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１ 角速度センサ
２ 振動体
３ 支持部材
４ 励磁コイル
５ 発振駆動回路
６ 検出コイル
７ 同期検波回路
８ ケース
３１ 角速度検出装置
Ａ 軸線
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪材料で構成された振動体を用いた角速度センサおよびこの角速度センサを用いた角速度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
角速度を検出するために、多くの方式が従来から実用化されている。その中でも比較的構造が簡単で、しかも安価な角速度センサとして、一次元の振動運動状態にある振動体に対して角速度が印加されたときに振動方向に対して直交する方向に生じるコリオリ力を何らかの方法で検出することによって角速度を検出する方法を採用した角速度センサが広く使用されている。この角速度センサは、別名、レートジャイロと呼ばれ、特に、上記した振動体を用いているものは、一般に振動ジャイロと呼ばれている。この振動ジャイロでは、多くの場合、圧電セラミックを用いて振動体が形成されており、交流電圧を印加することによって励振させた状態の振動体に角速度が加わった際に、コリオリ力によって振動体に生じる変位を圧電効果によって電気信号として取り出して角速度を検出している。
【０００３】
しかしながら、この圧電セラミックを用いた圧電型角速度センサには、以下のような問題点がある。すなわち、この角速度センサでは、振動体に圧電素子を接着する構成、および振動体自身を圧電素子とする構成のいずれかを採用する必要があるが、いずれの構成を採用したとしても、圧電素子を駆動し、かつ圧電効果による電気信号を検出するためには、圧電素子の電極に配線を接続する必要がある。その結果、この配線を通して外部振動が振動体に伝達されて、角速度を正確に検出できないという問題点がある。
【０００４】
そこで、この問題点を改善するために、例えば、特開平５−１９１７号公報に記載された振動ジャイロ（１０）では、同公報中の図１に示すように、振動体（１２）は、そのノード点付近に取り付けられた支持部材（２２ａ，２２ｂ）によって支持されている。また、リード線（２４ａ，２４ｂ）は、同公報中の図２に示すように、振動体（１２）に沿わせて支持部材（２２ｂ）に巻き付けられている。さらに、リード線（２４ａ，２４ｂ）は、支持部材（２２ｂ）から圧電素子（１４ａ，１４ｂ）付近に至るまで間、シリコンなどの弾性接着剤（２６）によって振動体（１２）に取り付けられている。同様にして、リード線（２４ｃ）は、振動体（１２）に沿わせた状態において弾性接着剤（２６）で部分的に接着されて、支持部材（２２ａ）に巻き付けられている。以上の構成により、この振動ジャイロ（１０）では、弾性接着剤（２６）を用いてリード線（２４ａ〜２４ｃ）を振動体（１２）に取り付けているため、弾性接着剤（２６）がダンピング材として機能する。したがって、リード線（２４ａ〜２４ｃ）に伝わった外部振動が弾性接着剤（２６）によってダンピング（低減）される結果、振動体（１２）の屈曲振動に対する外部振動の影響が軽減される。
【０００５】
しかしながら、この振動ジャイロ（１０）では、弾性接着剤（２６）の量によってダンピング特性が変化することに起因して、外部振動の軽減度合いを一定にすることが困難のため（再現性が良好でないため）、高精度で角速度を検出するのが困難であるという問題点が存在する。また、弾性接着剤（２６）は温度変化や経時変化によってその弾性特性が変化（劣化）する。このため、この振動ジャイロ（１０）には、振動の漏洩を長期に亘って良好に軽減することが困難であるという問題点も存在する。また、弾性接着剤（２６）はその管理が容易ではなく、しかも作業性に劣るため、振動ジャイロ（１０）の生産性を向上させるのが困難であるという問題点も存在する。
【０００６】
そこで、外部振動による振動体への影響をより効果的に軽減し得る方法として、外部振動によって振動体に引き起こされる可能性の少ない振動モードで振動体を振動させる振動ジャイロが提案されている。この種の振動ジャイロとしては、例えば、特開平１０−２６７６６７号公報に開示されているジャイロ（ジャイロスコープ）が知られている。このジャイロでは、リング形状の振動共振器（１）を複数の可撓性支持ビーム（５）で静磁場中に宙吊り状に支持すると共に、その形状がリング形状から楕円形に、また楕円形からリング形状に変化可能に電磁誘導によって振動共振器（１）を振動させる振動モードを利用している。このような振動モードは外部振動によっては極めて起こりにくい振動のため、外部振動が加わったときであっても上記の振動モードへの影響が非常に少ない構造となっている。したがって、このジャイロでは、外部振動が加わったときにも角速度を精度よく検出することが可能となっている。
【０００７】
ところが、このジャイロでは、振動共振器（１）を支持する複数の可撓性支持ビーム（５）を、例えばマイクロマシーニング（微細加工技術）を利用して非常に精密に製作する必要があるため、製造費が高価になるという問題点がある。
【０００８】
一方、特開平７−２０１４０号公報に開示されている角速度センサでは、磁歪材料によって形成された振動体（１１）に駆動コイル（１２）で発生した励磁界を与えて屈曲振動させる。この振動状態において、振動体（１１）に角速度が加わったときには、振動方向に対して直交する方向のコリオリ力が振動体（１１）の脚部に生じる。この場合、このコリオリ力によって振動方向が基本振動方向から若干ずれる（ねじれる）結果、脚部に作用する応力が変化して、逆磁歪効果によって生じる磁化も変化する。このため、この角速度センサでは、この磁化の変化を検出コイル（１３ａ，１３ｂ）で検出することにより、振動体（１１）に加わっている角速度を非接触で検出することが可能となっている。
【０００９】
しかしながら、この角速度センサで利用されている振動モード（振動体（１１）を屈曲振動させる振動モード）が外部振動によって影響を受け易い振動モードのため、この角速度センサには、高精度で角速度を検出するのが困難であるという問題点が存在する。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−１９１７号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１０−２６７６６７号公報（第３−５頁、第１図、第５図）
【特許文献３】
特開平７−２０１４０号公報（第６頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来、種々の角速度センサが開発されているが、上記したように、特開平５−１９１７号公報および特開平７−２０１４０号公報に開示された角速度センサでは、振動体が外部振動の影響を受け易いために、高精度で角速度を検出するのが困難であるという問題点が存在し、特開平１０−２６７６６７号公報に開示されたジャイロでは、振動体に対する外部振動の影響を低減できるものの、製造コストが非常に高価になるという問題点がある。
【００１２】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、外部振動によっては生じ得ない振動モードを使用して高精度の角速度検出を行い得る安価な角速度センサおよび角速度検出装置を提供することを主目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る角速度センサは、磁歪材料を用いて回転体に形成された振動体と、当該振動体の軸線上に配設されると共に当該振動体の表面における当該軸線の通過部位で当該振動体を支持する支持部材と、前記軸線を中心とする放射方向に沿った磁界を前記振動体の内部に発生させることによって当該放射方向の振動を当該振動体に発生させる磁界生成手段と、前記振動体と離間して配設されると共に角速度が加わったときの前記振動の変化に応じた磁束変化を検出する検出手段とを備えている。
【００１４】
この場合、磁性材料を用いて前記支持部材を構成するのが好ましい。
【００１５】
また、永久磁石を含んで前記支持部材を構成することもできる。
【００１６】
さらに、前記振動体、前記支持部材、前記磁界生成手段および前記検出手段を収容する磁性材料製のケースを備えて角速度センサを構成するのが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る角速度検出装置は、上記請求項に記載の角速度センサを直交する２軸上にそれぞれ配設して構成されている。
【００１８】
また、本発明に係る角速度検出装置は、上記請求項に記載の角速度センサを互いに直交する３軸上にそれぞれ配設して構成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る角速度センサおよび角速度検出装置の好適な実施の形態について説明する。
【００２０】
最初に、本発明に係る角速度センサの構成について、図面を参照して説明する。
【００２１】
角速度センサ１は、図１，２に示すように、振動体２、支持部材３、磁界生成手段としての励磁コイル４、発振駆動回路５、検出手段としての検出コイル６、同期検波回路７およびケース８を備えている。この場合、振動体２は、一例として、印加される磁界の向きとは関係なく伸長する正の磁歪特性を有する磁歪材料を用いて回転体（一例として、扁平な円板体）に形成されている。ここで、本実施の形態において回転体とは、平面上の平面図形を同一の平面内に配設された軸線（後述する軸線Ａ）を中心として回転させたときに形成される立体図形をいうものとする。また、磁歪材料としては、正または負の磁歪特性を有する材料、具体的にはＮｉ−Ｆｅ系磁歪材料やＲＦｅ系磁歪材料等を使用することができる。また、磁歪材料としては、磁歪効果を示す向きがランダムの等方性磁歪材料を用いてもよい。ただし、振動体２における振動の効率を高めるためには、印加される磁界の向きとその向きとが同一方向に揃っている異方性磁歪材料を用いるのが好ましい。
【００２２】
支持部材３は、一例として、図１に示すように、円柱体に形成された永久磁石で構成されている。また、支持部材３は、図２に示すように、振動体２の軸線Ａ上に各磁極が位置するように配設されると共に、振動体２の表面における軸線Ａの通過部位、すなわち本実施の形態では振動体２の下面中央部分にその一端側（同図中の上端側（Ｎ極））が固定されて振動体２を支持する。この場合、永久磁石で構成された支持部材３は、その一端側（Ｎ極）から他端側（Ｓ極）に向かう一定の強度の磁界を外部に向けて常時生成している。したがって、支持部材３の上端側（Ｎ極）が下面中央部分に固定された振動体２には、その中央部分からその外縁に向けて放射状に拡がる一定の強度の磁界（バイアス磁界）が支持部材３によって常時印加されている。また、支持部材３は、その磁界によって振動体２を直線性の良好な駆動領域にバイアス可能に、その磁力が予め設定されている。また、振動体２の下面中央部分は、振動体２による振動の中心点（不動点）として機能する。また、この不動点は、角速度センサ１に加わる角速度の大きさや加速度の方向が変化したときにも、振動の中心としての機能が不変であるという性質を有する。したがって、外部から加わる振動による影響を受けることなく広い角速度領域に亘って正確な角速度検出が可能となっている。
【００２３】
励磁コイル４は、図１，２に示すように、合成樹脂製のボビン１１と、ボビン１１に巻回されて形成されたコイル１２とを備えて構成されている。この場合、ボビン１１は、円筒状の巻枠部１１ａ、巻枠部１１ａの各端部に形成された一対のフランジ部１１ｂ，１１ｃ、およびリブ部１１ｄを備えて構成されている。また、ボビン１１は、支持部材３を介して間接的に振動体２を支持すると共に、検出コイル６を直接支持する機能を備えている。具体的には、巻枠部１１ａは、その中心孔Ｂにフランジ部１１ｂ側から支持部材３を挿入可能に構成されると共に、挿入された支持部材３をその内周面で保持可能に構成されている。また、巻枠部１１ａは、図２に示すように、その全長が支持部材３よりも短く構成されて、ボビン１１に装着された振動体２とフランジ部１１ｂとが離間するように（接触しないように）構成されている。リブ部１１ｄは、フランジ部１１ｂにおける振動体２との対向面の外縁部分に、一例としてリング状に形成されて、検出コイル６を支持可能に構成されている。また、リブ部１１ｄは、同図に示すように、その内径が振動体２の外径よりも大径に形成されて、振動体２に接触しないように構成されている。以上の構成により、励磁コイル４は、振動体２の一方の面側（図１，２中では下方側）に、その軸線と振動体２の軸線Ａとが一致するようにして配設されて、発振駆動回路５から供給される駆動信号Ｓａに基づいてコイル１２によって生成された磁界を支持部材３を介して振動体２に印加することにより、振動体２を振動させる。この場合、コイル１２によって生成される磁界は、交番磁界であって、その強度は支持部材３によって生成されるバイアス磁界よりも弱く設定されている。
【００２４】
発振駆動回路５は、図２に示すように、駆動信号Ｓａ、および駆動信号Ｓａに同期した基準信号Ｓｂを生成して、駆動信号Ｓａを励磁コイル４のコイル１２に供給すると共に、基準信号Ｓｂを同期検波回路７に供給する。一例として、発振駆動回路５は、駆動信号Ｓａとして交流電圧を生成する。
【００２５】
検出コイル６は、一例として、リブ部１１ｄとほぼ同径（振動体２よりも大径）のトロイダルコア６ａ、およびトロイダルコア６ａに巻回されたコイル６ｂを備え、その軸線と振動体２の軸線Ａとが同軸で、かつ振動体２と離間して振動体２の周囲に配設されて、振動体２の外周面近傍に発生する磁界の変化を検出可能に構成されている。同期検波回路７は、振動体２の外周面近傍に発生している磁界の変化に起因してコイル６ｂの両端に誘起する信号Ｓｃを基準信号Ｓｂで同期検波して、信号Ｓｃの電圧値に応じた電圧値であって、信号Ｓｃの位相に応じた極性（正負）の直流検出電圧Ｖｄを出力する。
【００２６】
ケース８は、図１，２に示すように、磁性材料を用いてそれぞれ構成された上ケース２１と下ケース２２とを備えている。この場合、上ケース２１は一端側（同図中の上端側）が閉塞して下端側が開口する円筒体に形成されている。また、上ケース２１の内径は、励磁コイル４および検出コイル６の各外径よりも若干大径に形成されて、これらの部材を収容可能に構成されている。一方、下ケース２２は、上ケース２１における開口側（同図中の下端側）を閉塞可能な円板体に形成されて、上ケース２１に対する蓋として機能すると共に、振動体２を固定する支持部材３および振動体２を載置するための載置台としても機能する。一例として、下ケース２２は、その上ケース２１側の面における中央部分が上ケース２１に嵌入可能な円柱状に形成されて、上ケース２１と嵌合可能な段付き円板体に構成されている。この構成により、上ケース２１の開口側を下ケース２２が閉塞した状態において、上ケース２１と下ケース２２との相対的な位置ずれを防止している。このような構成のケース８内に、振動体２、支持部材３、励磁コイル４、および検出コイル６が、各々の軸線をケース８の軸線に一致させた状態で収容されている。したがって、磁性材料製の上ケース２１および下ケース２２は、励磁コイル４による磁界のケース８の外部への漏洩を防止すると共に外部磁界のケース８の内部への侵入を抑制することによって振動体２および検出コイル６に対する外部磁界の影響を低減するシールド機能を備えている。さらに、ケース８は、振動体２および支持部材３と相俟って、励磁コイル４によって形成される磁界に対する閉磁路を形成する機能も備えている。
【００２７】
次いで、角速度センサ１の角速度検出動作について図２〜図５を参照して説明する。
【００２８】
発振駆動回路５からコイル１２に駆動信号Ｓａが供給されている状態では、励磁コイル４は交番磁界を生成している。この交番磁界は支持部材３によって生成されているバイアス磁界に重畳され、交番磁界とバイアス磁界の合成磁界Ｃは、図２に示すように、励磁コイル４に対するコア部材として機能する支持部材３を介して（磁路として）、振動体２の中心部分に効率よく供給される。また、振動体２の中心部分に供給された合成磁界Ｃは、図３に示すように、振動体２内をその中心部分から外縁部分に向けて半径方向に沿って放射状に拡がった後に、振動体２の外周面から抜け出てトロイダルコア６ａ内をその半径方向に沿って通過する。さらに、合成磁界Ｃは、トロイダルコア６ａを通過して上ケース２１内に吸収されて、上ケース２１内を通過した後に下ケース２２内を通過して支持部材３に戻る。この場合、振動体２は、その内部を合成磁界Ｃが中央部分から外縁部分に向けて放射状に通過することにより、合成磁界Ｃに含まれているバイアス磁界によって全体として拡径すると共に、合成磁界Ｃに含まれている交番磁界によってその拡径量が交番磁界の周期で変化する。すなわち、図３において矢印Ｄで示すように、軸線Ａを中心とした放射方向に沿って全方向に対して全体として伸縮を繰り返して振動している。言い換えれば、振動体２は、その平面形状を円形状態に維持しつつ、その外径が拡縮するようにして軸線Ａを中心として振動している（図３〜図５では、振動体２の外径の拡縮を誇張して示すものとし、外径の伸び量が最大の状態を実線で、外径の伸び量が最小の状態を一点鎖線で示す）。この際には、合成磁界Ｃが、トロイダルコア６ａ内を、その半径方向に沿って通過しているため、この合成磁界Ｃに起因する電圧がコイル６ｂに誘起しない結果、検出コイル６は電圧を検出しない。以下、理解を容易にするために、振動体２の軸線Ａを中心とする放射方向に沿った振動方向（同図中において矢印Ｄで示される向き）を基本振動方向ともいう。
【００２９】
この状態において、図４に示すように、角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として時計方向回り（同図中の矢印の向き）の角速度が加わった場合、振動体２には基本振動方向Ｄに直交する方向に角速度に応じた大きさのコリオリ力が発生するため、振動体２の振動方向は、それまでの基本振動方向Ｄの方向から同図に矢印Ｅで示す振動方向の向きに変化する。この場合、基本振動方向Ｄと矢印Ｅで示す振動の向きとのずれ量は、角速度の大きさに応じて変化する。したがって、振動体２の外周面から抜け出て検出コイル６に向かう磁界（磁束）の方向も、同図において矢印Ｆで示す方向（振動体２における振動方向Ｅと同一方向）に角速度の大きさに応じて変化する（ずれる）。このため、基本振動時には検出コイル６におけるコイル６ｂの個々の巻線に対して平行に通過していた磁束が、個々の巻線によって形成される平面を通過するように変化する。この結果、角速度の大きさに応じた信号Ｓｃがコイル６ｂの両端に誘起する。したがって、同期検波回路７によって生成される直流検出電圧Ｖｄも、その電圧値が角速度に応じて変化する。
【００３０】
一方、図５に示すように、角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として反時計方向回り（同図中の矢印の向き）の角速度が加わった場合、上記と同様にして振動体２には角速度に応じた大きさのコリオリ力が発生して、振動体２の振動方向は、それまでの基本振動方向Ｄの方向から同図に矢印Ｇで示す振動方向の向きに変化する。この場合にも、基本振動方向Ｄと矢印Ｇで示す振動の向きとのずれ量は、角速度の大きさに応じて変化する。したがって、振動体２の外周面から抜け出て検出コイル６に向かう磁界（磁束）の方向も、同図において矢印Ｈで示す方向（振動体２における振動方向Ｇと同一方向）に角速度の大きさに応じて変化する（ずれる）。このため、基本振動時には検出コイル６におけるコイル６ｂの個々の巻線に対して平行に通過していた磁束が、個々の巻線によって形成される平面を通過するように変化する。この結果、角速度の大きさに応じた信号Ｓｃがコイル６ｂの両端に誘起する。この場合、信号Ｓｃの極性（位相）は、角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として時計方向回りの角速度が加わったときとは逆極性（逆相）となる。したがって、同期検波回路７によって生成される直流検出電圧Ｖｄも、その極性（正負）が角速度センサ１に対して軸線Ａを中心として時計方向回りの角速度が加わったときとは逆になる以外は、同じようにして、その電圧値が角速度に応じて変化する。
【００３１】
したがって、この角速度センサ１を使用することにより、同期検波回路７によって生成される直流検出電圧Ｖｄの極性に基づいて、角速度センサ１に加わっている角速度の方向（時計方向か反時計方向か）を特定することができると共に、直流検出電圧Ｖｄの電圧値の大きさに基づいて、角速度の大きさを特定することができる。
【００３２】
このように、この角速度センサ１によれば、伸縮振動における不動点としての中心部分に固定された支持部材３で検出コイル６を含む他の部材と非接触の状態で振動体２を支持し、かつ、振動体２の内部に、その中央部分から外縁部分に向けた放射方向に沿って通過し、その強度が周期的に変化する合成磁界Ｃを支持部材３および励磁コイル４によって発生させてその放射方向に沿って全方向に振動体２を全体として伸縮させて振動させるという、通常の状態では起こり得ない振動状態（振動モード）で振動体２を振動させることにより、支持部材３による振動体２に対する振動の阻害を回避しつつ、外部振動が振動体２に伝わったときであっても、その外部振動による影響を殆ど受けることなく振動体２を基本振動での振動状態に維持することができる。したがって、この角速度センサ１によれば、外部振動が加わった状態においても、高い精度で角速度を検出することができる。
【００３３】
さらに、振動体２を支持部材３で支持する簡易な構成を採用したことにより、角速度センサ１を十分に安価に製造することができる。また、支持部材３を永久磁石で構成して振動体２に対してバイアス磁界を常時印加すると共に、励磁コイル４用のコアとしても機能させたことにより、励磁コイル４によって生成される磁界を振動体２の中央部分（軸線Ａ近傍）に効率よく供給することができ、しかも磁歪材料で形成された振動体２を直線性がよくかつ変化量の大きな領域で効率よく振動させることができる。したがって、小さいエネルギー（少ない励磁電力）で振動体２を効率よく振動させることができる。さらに、振動体２、支持部材３、励磁コイル４および検出コイル６を磁性材料製のケース８内に収容したことにより、励磁コイル４による磁界のケース８の外部への漏洩を防止できると共に、外部磁界のケース８の内部への侵入を抑制して振動体２および検出コイル６に対する外部磁界の影響を低減することができる。また、ケース８が振動体２および支持部材３と相俟って励磁コイル４によって生成される磁界に対する閉磁路を形成するため、漏れ磁束を低減できる結果、より一層効率よく振動体２を振動させることができる。
【００３４】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、支持部材３を永久磁石で構成すると共に駆動信号Ｓａとして交流電圧を用いて振動体２を交番磁界Ｃによって振動させる例について説明したが、支持部材３を着磁していない磁性体で構成することもできる。この場合、支持部材３を永久磁石で構成することで振動体２に印加していたバイアス磁界については、駆動信号Ｓａに直流電圧を重畳することにより、この直流電圧によって励磁コイル４で生成させる構成を採用する。この構成によれば、発振駆動回路５の回路構成が若干複雑になると共に重畳する直流電圧分だけ発振駆動回路５および励磁コイル４で消費される電力（励磁電力）が増加するものの、上記した実施の形態と同様にして、振動体２を直線性がよくかつ変化量の大きな領域で効率よく振動させることができる。また、支持部材３を着磁していない磁性体で構成すると共に、直流電圧が重畳していない交番電圧を駆動信号Ｓａとして励磁コイル４に供給する構成を採用することができる。この構成によれば、直流電圧を駆動信号Ｓａに重畳しないため、発振駆動回路５の複雑化を回避することができるものの、振動体２にバイアス磁界を印加しないために、振動体２を振動させる効率が低下する。しかしながら、支持部材３として単なる磁性体を使用することができると共に、発振駆動回路５を簡易に構成することができるため、簡易で安価に角速度センサ１を構成することができる。さらに、バイアス磁界を加えた構成と比較して、振動体２を２倍の周波数で振動させることができるため、振動周波数の高い加速度センサを簡易に構成することができる。
【００３５】
一方、その一部に永久磁石を含んで支持部材３を構成することもできる。言い換えれば、着磁していない磁性体と永久磁石とを組み合わて支持部材３を構成することもできる。この構成によれば、永久磁石を交換するだけで直流磁界の大きさを容易に変更することができる。このため、様々な特性の角速度センサを容易に製造することができる。例えば、図６に示すように、円筒状のフェライト材（着磁していない円筒状磁性体）３ａの中心孔３ｈ内に円柱状の金属磁石（永久磁石）３ｂを挿入して支持部材３を構成することもできる。この構成によれば、円筒状のフェライト材３ａを共通部品として使用し、その中心孔３ｈ内に挿入する金属磁石３ｂとして各種の磁気特性を有する金属磁石３ｂを予め用意しておくことにより、角速度センサ１の特性を容易に変更することができる。また、フェライト材３ａへの金属磁石３ｂの組み込みを容易に行える結果、支持部材３を容易に作製することができる。また、励磁コイル４に対するコア部材として支持部材３を利用しないときには、支持部材３を非磁性材料（例えば、合成樹脂材料）で構成することもできる。また、支持部材３を非磁性材料で構成した場合、振動体２の下方に配置して振動体２を支持する構成に代えて、振動体２の上面中央部分とケース８との間に軸線Ａと同軸に配置して、上端側をケース８に固定すると共に下端側を振動体２の上面中央部分に固定することにより、振動体２を上方から吊り下げた状態で支持する構成を採用することもできる。この場合、励磁コイル４の巻枠部１１ａ内に磁性体をコア部材として配置するのが好ましい。この構成により、上記した実施の形態と同様にして、この磁性体を介して励磁コイル４によって生成された磁界を振動体２の中心部分に効率よく供給することができる。この場合、磁性体と振動体２との接触状態を維持するのが好ましいが、必ずしも接触させる必要はなく、磁性体と振動体２との間にギャップが介在する構成を採用することもできる。また、振動体２の上下両面に支持部材３をそれぞれ固定して、一対の支持部材３，３で振動体２を支持する構成を採用することもできる。ただし、この場合、振動体２を挟んで励磁コイル４と反対側に配設した支持部材３については非磁性材料で構成する。
【００３６】
また、上記した実施の形態では、振動体２を円板体に形成した例について説明したが、振動体２の形状は、回転体であればよく、円板体以外にも、例えば、球体、円柱体（円板体よりも厚みのある立体）、円錐体もしくは円錐台、またはこれらを組み合わせて構成した立体形状を採用することもできる。同様にして、検出コイル６についても、リング体以外に、１または２以上の円弧状体を配設して構成することもできる。また、検出コイル６については、コイル６ｂのみのいわゆる空心コイルで形成することもできる。さらに、検出コイルに代えて、ホール効果や磁気抵抗効果を利用した半導体磁気センサを使用することもできる。また、正の磁歪材料に代えて、印加される磁界の向きとは関係なく収縮する負の磁歪材料を用いて振動体２を構成することもできる。
【００３７】
また、角速度センサ１は、単体で使用することもできるが、図７に示すように、３つの角速度センサ１，１，１を組み合わせて３軸の角速度検出装置３１を構成することもできる。この角速度検出装置３１は、３つの角速度センサ１，１，１と、固定部材３２と、各角速度センサ１用の発振駆動回路５および同期検波回路７（いずれも図示せず）とを備えて構成されている。この場合、１つの角速度センサ１はＸ軸と平行に、もう１つの角速度センサ１はＹ軸と平行に、残りの角速度センサ１はＺ軸と平行になるように設定されて、それぞれ固定部材３２に固定される。この角速度検出装置３１によれば、３軸の全てに対する角速度を同時に検出することができる。また、図示はしないが、所定の平面内においてのみ移動する物体に加わる角速度を検出する場合には、例えば、同図におけるＺ軸に配設した角速度センサ１を除いて、２つの角速度センサ１，１で２軸の角速度検出装置を構成することもできる。
【００３８】
また、角速度センサ１において、支持部材３を磁歪材料で構成することもできる。さらに、上記した角速度センサ１や角速度検出装置は、ビデオカメラ等に採用されている手ぶれ補正機構（動揺補正機構）に適用することができるのは勿論のこと、航法装置への適用や、自動車および航空機等の姿勢制御装置への適用を図ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る角速度センサによれば、磁界生成手段が振動体の軸線を中心とする放射方向に沿った磁界をその振動体の内部に発生させることによって放射方向の振動を振動体に発生させ、検出手段が、角速度が加わったときの振動の変化に応じた磁束変化を検出することにより、通常の状態では起こり得ない振動状態（振動モード）で振動体を振動させることができ、これにより、支持部材による振動体に対する振動の阻害を回避しつつ、外部振動が振動体に伝わったときであっても、その外部振動による影響を殆ど受けることなく振動体を基本振動での振動状態に維持することができる。したがって、この角速度センサによれば、外部振動が加わった状態においても、高い精度で角速度を検出することができる。また、振動体を支持部材のみで支持する簡易な構成を採用したことにより、角速度センサを十分安価に製造することができる。
【００４０】
また、本発明に係る角速度センサによれば、磁性材料で支持部材を構成したことにより、磁界生成手段によって生成される磁界を振動体の軸線近傍に効率よく供給することができる。したがって、小さいエネルギーで振動体を効率よく振動させることができる。
【００４１】
また、本発明に係る角速度センサによれば、永久磁石を含んで支持部材を構成したことにより、簡単な構成でありながら、交番磁界に直流磁界（バイアス磁界）を加えた合成磁界を振動体の内部に簡易に発生させることができる。したがって、磁歪材料の異なる各種の振動体に対しても、所望の磁界をその内部に簡易に生成させることができるため、磁歪変化が大きく、かつ直線性がよい領域で振動体を効率よく振動させることができる。また、交番電圧に直流電圧を重畳させて上記の合成磁界を生成させる構成と比較して、直流電圧が不要な分だけ、励磁電力を低減させることができる。
【００４２】
また、本発明に係る角速度センサによれば、振動体、支持部材、磁界生成手段および検出手段を磁性材料製のケース内に収容することにより、磁界生成手段による磁界のケースの外部への漏洩を防止できると共に、外部磁界のケースの内部への侵入を抑制して振動体および検出手段に対する外部磁界の影響を低減することができる。また、ケースが振動体および支持部材と相俟って磁界生成手段によって生成される磁界に対する閉磁路を形成するため、漏れ磁束を低減できる結果、より一層効率よく振動体を振動させることができる。
【００４３】
また、本発明に係る角速度検出装置によれば、上記の角速度センサを、直交する２軸上にそれぞれ配設したり、３軸上にそれぞれ配設したりすることにより、外部振動が加わった状態であっても２軸または３軸の方向に対する角速度を高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る角速度センサ１の分解斜視図である。
【図２】 角速度センサ１の内部構造、発振駆動回路５および同期検波回路７を説明するための説明図である。
【図３】 角速度センサ１に角速度が加わっていない状態における振動体２内部の磁界の方向および振動方向を示す振動体２および検出コイル６の平面図である。
【図４】 角速度センサ１に時計方向の角速度が加わった状態における振動体２内部の磁界の方向および振動方向を示す振動体２および検出コイル６の平面図である。
【図５】 角速度センサ１に反時計方向の角速度が加わった状態における振動体２内部の磁界の方向および振動方向を示す振動体２および検出コイル６の平面図である。
【図６】 永久磁石３ｂを含む支持部材３の構成を示す分解斜視図である。
【図７】 ３つの角速度センサ１を用いた角速度検出装置３１の構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１ 角速度センサ
２ 振動体
３ 支持部材
４ 励磁コイル
５ 発振駆動回路
６ 検出コイル
７ 同期検波回路
８ ケース
３１ 角速度検出装置
Ａ 軸線
Claims (6)
- 磁歪材料を用いて回転体に形成された振動体と、当該振動体の軸線上に配設されると共に当該振動体の表面における当該軸線の通過部位で当該振動体を支持する支持部材と、前記軸線を中心とする放射方向に沿った磁界を前記振動体の内部に発生させることによって当該放射方向の振動を当該振動体に発生させる磁界生成手段と、前記振動体と離間して配設されると共に角速度が加わったときの前記振動の変化に応じた磁束変化を検出する検出手段とを備えている角速度センサ。
- 前記支持部材は、磁性材料を用いて構成されている請求項１記載の角速度センサ。
- 前記支持部材は、永久磁石を含んで構成されている請求項２記載の角速度センサ。
- 前記振動体、前記支持部材、前記磁界生成手段および前記検出手段を収容する磁性材料製のケースを備えている請求項１から３のいずれかに記載の角速度センサ。
- 請求項１から４のいずれかに記載の角速度センサを直交する２軸上にそれぞれ配設して構成されている角速度検出装置。
- 請求項１から４のいずれかに記載の角速度センサを互いに直交する３軸上にそれぞれ配設して構成されている角速度検出装置。
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