JP4591787B2 - 振動子および角速度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動子および角速度測定装置に関するものである。

圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される（例えば非特許文献１）。
「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７頁

本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。

こうした制御においては、高精度での角速度検出が必要不可欠である。しかし、高精度の角速度検出を行おうとすると、振動子の屈曲振動アームに不要な変位が生じやすく、不要な変位は、アームからの検出信号に直ちに誤差を生じさせる原因となる。即ち、振動型ジャイロスコープにおいては、振動子の駆動振動アームを励振し、この状態で振動子を回転ないし回動させ、振動子に励起された検出振動を、検出振動アームに取り付けた検出電極によって検出する。こうして得られた交流の出力信号を検出回路に供給し、駆動振動の影響をできるだけカットする処理を施し、最終的に回転角速度に対応する出力信号を得る。この出力信号は、通常、直流電圧値として出力される。このため、不要な振動や変位の影響が直ちに回転角速度の絶対値にノイズとして影響するし、このノイズを正確にカットすることが困難である。

本出願人は、特許文献１において、振動子の駆動振動アームや検出振動アームに、細長い貫通孔を形成することを開示した。このように細長い屈曲振動アームに、アームの長手方向に延びる貫通孔を設けることによって、アームの共振周波数を低減できるようにした。また、この貫通孔の内壁面に駆動電極や検出電極を設けることによって、前述した不要な変位や振動を低減することを試みた。
特開平１１−１２５５２８号公報

しかし、本出願人が更に検討を進めたところ、駆動振動アームや検出振動アームに貫通孔を形成した場合には、場合によってはノイズが大きくなることがあった。例えば、振動型ジャイロスコープを自動車に搭載し、自動車の車体の方向の制御に使用する場合には、振動型ジャイロスコープを収容したハウジングを、自動車の車体シャーシに取り付ける必要がある。この場合には、自動車の車体シャーシから振動子へと外部振動（直線加速度）が伝わる。このような不規則な直線加速度や外乱が加わった場合に、ノイズが大きくなることがあった。

本発明の課題は、屈曲振動アームを有する振動子を用いて物理量を検出する物理量測定装置において、駆動振動アームの剛性を低く抑えつつ、振動子に加わる直線加速度や外乱に起因する検出信号のノイズを抑制できるようにすることである。

本発明は、角速度を検出する振動子であって、
基部、
前記基部から第１の方向に延びる第１の支持部、
前記基部から前記第１の方向の反対方向に延びる第２の支持部、
前記第１の支持部に接続され、前記第１の方向と垂直な第２の方向に延びる第１の駆動振動アーム、
前記第１の支持部に接続され、前記第２の方向の反対方向に延びる第２の駆動振動アーム、
前記第２の支持部に接続され、前記第２の方向に延びる第３の駆動振動アーム、
前記第２の支持部に接続され、前記第２の方向の反対方向に延びる第４の駆動振動アーム、
前記基部から前記第２の方向に延びる第１の検出振動アーム、および
前記基部から前記第２の方向の反対方向に延びる第２の検出振動アーム、
を有し、
前記第１の駆動振動アーム、前記第２の駆動振動アーム、前記第３の駆動振動アーム、前記第４の駆動振動アーム、前記第１の検出振動アームおよび前記第２の検出振動アームが、それぞれ、前記第１の方向と前記第２の方向が成す面に平行でかつ凹部が形成された上面と、前記上面に対向しかつ凹部が形成された下面と、前記上面と前記下面とを接続する第１の側面と、前記第１の側面と対向する第２の側面とを有し、
前記第１の駆動振動アーム、前記第２の駆動振動アーム、前記第３の駆動振動アームおよび前記第４の駆動振動アームは、それぞれ、前記各駆動振動アームの第１の側面および前記第２の側面に形成された第１の駆動電極と、前記各駆動振動アームの前記各凹部に形成された第２の駆動電極とを有し、
前記第１の検出振動アームおよび前記第２の検出振動アームは、それぞれ、前記各検出振動アームの前記第１の側面および前記第２の側面に形成された第１の検出電極と、前記各検出振動アームの前記各凹部に形成された第２の検出電極とを有し、
前記各駆動振動アームの前記各第１の駆動電極と前記各第２の駆動電極の間にそれぞれ交流電圧が印加され、前記各駆動振動アームが屈曲運動し、かつ、前記振動子に前記第１および第２の方向に垂直な方向を回転軸とした角速度が働いたときに、前記第１の支持部および前記第２の支持部がそれぞれ屈曲振動し、この屈曲振動に対応して前記各検出振動アームが屈曲振動することを特徴とする。

また、本発明に係る角速度測定装置は、前記振動子、
前記各駆動振動アームの前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に前記交流電圧を印加するための自励発振回路、および
前記交流電流に基づいて角速度を検出する検出回路、
を有することを特徴とする。

本発明では、振動子に外乱や直線加速度が外部から加わったときに、振動子から出力される出力信号に含まれるノイズを低減できる。

以下、本発明の一実施形態に係る振動子を、各振動アームから順に説明する。
図１は、振動子の一対の駆動振動アーム１Ａ、１Ｂを模式的に示す図である。図２（ａ）は、図１のアーム１Ａ、１Ｂを下面１ｄ側から見た正面図であり、図２（ｂ）は、アーム１Ａ、１Ｂを、側面１ａ側から見た正面図である。

各アーム１Ａ、１Ｂは、それぞれ図２に示すように細長い形状をしており、アームの横断面形状は、図１に示すように略Ｈ字形状をしている。アーム１Ａ、１Ｂは所定の固定部６から真っ直ぐに延びている。各アーム１Ａ、１Ｂは、所定面（本例ではＸ−Ｙ平面）に沿って矢印Ｆのように屈曲振動するように設計されている。アーム１Ａ、１Ｂは、所定面に対して略垂直な一対の側面１ａ、１ｂと、所定面に対して略平行な一対の上面１ｃ、下面１ｄとを備えている。各アーム１Ａ、１Ｂは、一対の細長い基部２Ａ、２Ｂと、基部２Ａ、２Ｂを連結する接続部３とからなっている。基部２Ａ、２Ｂ、接続部３はそれぞれ細長い平板形状である。そして、接続部３の両側にはそれぞれ凹部８Ａ、８Ｂが設けられている。凹部８Ａは、上面１ｃからアームの中央へと向かって凹むように形成されており、凹部８Ｂは、下面１ｄからアームの中央へと向かって凹むように形成されている。

このような形態の駆動振動アームを採用すると、凹部８Ａ、８Ｂの分だけアームの質量が軽くなっていることから、アームの矢印Ｆ方向の振動に対する抵抗が少なく、共振周波数を低減できる。

ただし、矢印Ｆ方向の振動に対する抵抗を少なくするという観点からは、凹部８Ａと８Ｂとを連続させて貫通孔を形成することが一層好ましいはずである。しかし、貫通孔を形成した場合には、各基部２Ａ、２Ｂは互いに独立して振動する傾向が強い。ここで、アーム１Ａ、１Ｂに矢印Ｈのように直線加速度が一時的に加わったものとする。すると、各基部２Ａ、２Ｂは、この外乱に応答して変位しやすく、このためにアームの屈曲振動に影響が現れやすい。そして、外部からの外乱や直線加速度は、矢印Ｈ方向だけでなく、あらゆる方向から不規則に現れ、予測困難である。このように不規則な外乱に対して、比較的容易に変形し、反応すると、ノイズの低減やカットが難しい。

接続部３が一種の梁として作用し、各基部２Ａ、２Ｂが一体に動作するので、上記のような不要な変位が生じにくい。

更に、一対の凹部８Ａ、８Ｂを設けることで、所定面（Ｘ−Ｙ平面）に対するアームの対称性が高くなっていることが重要である。このためにアームが一方向のみに変位しにくい。かりに凹部８Ａだけを設け、凹部８Ｂを設けない場合にも、基部２Ａと２Ｂとは一体的に動作するので、貫通孔を形成した場合に比べると変位量そのものは小さくできるはずである。しかし、この場合にはアームの所定面に対する幾何学的対称性が低く、このためにアームが、所定面から見て、凹部がある方向へと向かって大きく変位する。この結果、振動子の所定面内の屈曲振動に長期間にわたって悪影響を及ぼしやすい。

図３は、検出電極の設けられた屈曲振動アームである。アーム１２は、前述した図２と同様に細長い形状をしている。アームの横断面形状は略Ｈ字形状をしている。アーム１２は、所定面（本例ではＸ−Ｙ平面）に沿って矢印Ｇのように屈曲振動するように設計されており、この振動を検出振動として検出手段によって検出する。アーム１２は、所定面に対して略垂直な一対の側面１２ａ、１２ｂと、所定面に対して略平行な一対の上面１２ｃ、下面１２ｄとを備えている。

そして、アーム１２は、一対の細長い基部１２Ａ、１２Ｂと、基部１２Ａ、１２Ｂを連結する接続部１３とからなっている。基部１２Ａ、１２Ｂ、接続部１３はそれぞれ細長い平板形状である。そして、接続部１３の両側にはそれぞれ凹部１８Ａ、１８Ｂが設けられている。凹部１８Ａは、上面１２ｃからアームの中央へと向かって凹むように形成されており、凹部１８Ｂは、下面１２ｄからアームの中央へと向かって凹むように形成されている。

このような検出振動アームにおいても、前述したようにして、外乱や不規則な直線加速度の印加に対して、不要な振動変位を抑制することができる。特に、検出振動アーム側において不要かつ所定面に対して非対称な振動変位を惹起すると、その信号がそのまま真正の検出信号に重畳されてしまう。

振動アームが、所定面に対して略垂直な一対の側面と、所定面に対して略水平な一対の上面、下面とを備えており、凹部が上面、下面側に設けられている形状は、図１、図３に例示した。

第一の平面上に設けられた第一の駆動電極と、凹部の内壁面に、第一の駆動電極に対向するように設けられた第二の駆動電極とが設けられている。

図１、図２を参照しつつ説明する。側面１ａ、１ｂ上に、それぞれ第一の電極４Ａ、４Ｂを形成する。凹部８Ａ、８Ｂの内壁面１ｅ、１ｆ上には第二の電極５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｆが形成されている。第二の電極５Ａ、５Ｄは第一の電極４Ａに対向しており、第二の電極５Ｂ、５Ｆは第一の電極４Ｂに対向している。

接続部３の一方の表面１ｇ上には導電膜５Ｃが形成されている。導電膜５Ｃは、電極５Ａ、５Ｂと接続されており、電極５Ａ、５Ｂに電力を供給する。接続部３の他方の表面１ｇ上には導電膜５Ｅが形成されている。導電膜５Ｅは、電極５Ｄ、５Ｆと接続されており、電極５Ｄ、５Ｆに電力を供給する。

アーム１Ａ、１Ｂを屈曲振動させるのと共に、アーム１Ａにおける振動の位相とアーム１Ｂにおける振動の位相とを逆相に設定している。即ち、アーム１Ａの第一の電極４Ａ、４Ｂとアーム１Ｂの第二の電極５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｆとを同電位で接続し、アーム１Ａの第二の電極５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｆとアーム１Ｂの第一の電極４Ａ、４Ｂとを同電位で接続している。振動子を構成する圧電材料は、矢印Ｆ方向に分極しているものとする。この状態で、基部２Ａ、２Ｂに矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのように交流電圧を印加する。ここで、基部２Ａ側における電圧の位相と、基部２Ｂ側における電圧の位相とを逆相とすると、基部２Ａの変位と基部２Ｂの変位とは逆相となる。即ち、ある瞬間において基部２Ａが伸長していると、基部２Ｂは収縮しており、基部２Ａが収縮していると、基部２Ｂは伸長する。この結果、アーム１Ａ、１Ｂは矢印Ｆ方向に屈曲振動する。また、アーム１Ａの振動変位とアーム１Ｂの振動変位とは逆相になる。

また、図３に示すように、側面１２ａ、１２ｂ上に設けられた第一の検出電極１４Ａ、１４Ｂと、凹部１８Ａ、１８Ｂの内壁面に、第一の検出電極に対向するように設けられた第二の検出電極１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｄ、１５Ｆとが設けられている。導電膜１５Ｃは、電極１５Ａ、１５Ｂと接続されており、電極１５Ａ、１５Ｂに電力を供給する。導電膜１５Ｅは、電極１５Ｄ、１５Ｆと接続されており、電極１５Ｄ、１５Ｆに電力を供給する。

図３に示す検出振動アーム１２においては、第一の電極１４Ａと１４Ｂとを接続して同電位とし、また、第二の電極１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｄ、１５Ｆを接続して同電位とする。アーム１２を構成する圧電材料は、矢印Ｇの方向に分極しているものとする。この状態で、アーム１２を矢印Ｇのように屈曲振動させると、第一の電極と第二の電極との間で交流電流が発生するので、これを出力信号として取り出す。そして、検出回路において所定の処理を施し、角速度に対応する検出信号を取り出す。

好適な実施形態においては、振動子が圧電材料から構成されており、好ましくは圧電性単結晶によって形成されている。

圧電性単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ほう酸リチウム、ランガサイトを例示できる。特に好ましくは、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体の１３０°Ｙ板である。

図４を参照しつつ、各振動アームの各部分の設計例について述べる。図４は、屈曲振動アームの横断面図である。ここで、基部の厚さ（一対の第二の平面間の距離）ｂに対する接続部の厚さａの比率ａ／ｂは、屈曲振動アームの共振周波数を低下させるという観点からは０．４以下であることが好ましく、０．２以下であることが更に好ましい。ａ／ｂは、アームに外乱や直線加速度が加わったときの基部のねじれ振動などの不規則な振動を抑制するという観点からは０．０５以上であることが好ましい。

屈曲振動アームの全体の幅ｃに対する凹部の幅ｄの比率ｄ／ｃは、屈曲振動アームの共振周波数を低下させるという観点からは０．４以上であることが好ましく０．６以上であることが更に好ましい。ｄ／ｃは、アームに外乱や直線加速度が加わったときの基部のねじれ振動などの不規則な振動を抑制するという観点からは０．９５以下であることが好ましい。

本発明は、いわゆる横置き型の振動型ジャイロスコープに対して好適する。横置き型の振動型ジャイロスコープにおいては、振動子が、回転軸に対して略水平な所定面内に延びている。この場合に特に好ましくは、駆動振動アームと検出振動アームとの両方が、所定面に沿って屈曲振動する。図５は、本発明に係る振動子２１を示す。

振動子２１においては、基部２２の周縁部から第１および第２の支持部２３Ａ、２３Ｂが突出している。各支持部２３Ａ、２３Ｂの先端側から、各支持部に直交する方向に第１、第２、第３、第４の駆動振動アーム２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄが延びている。各屈曲振動アームの断面形状および正面形状は、図１、図２に示したものと同じである。なお、図５においては、図面を見やすくするために、駆動電極および検出電極は図示していない。各駆動振動アーム２４Ａ−２４Ｄに対して、それぞれ前述のように交流電圧を印加することによって、矢印ＦのようにＸ−Ｙ平面内で屈曲振動させる。

また、基部２２の周縁部から、細長い第１および第２の周方向屈曲振動アーム２５Ａ、２５Ｂが突出している。各アーム２５Ａ、２５Ｂは、それぞれ、図３に示したような形態のものである。

各駆動振動アームを矢印Ｆのように振動させ、この状態で振動子２１を軸Ｚの回りに回転させると、一対の支持部２３Ａ、２３Ｂが矢印Ｈのように、その付け根を中心として屈曲振動する。これに対応し、検出振動アーム２５Ａ、２５Ｂが、矢印Ｇのように、アームの付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動に基づいて検出信号を発生させ、検出回路において処理する。

図６は、振動子の駆動回路および検出回路の一例を示すブロック図である。振動子２１には、駆動電極４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｆと、検出電極１４Ａ、１４Ｂとが設けられている。２４Ａ−２４Ｄは駆動振動アームであり、２５Ａ、２５Ｂは検出振動アームである。

駆動電極には、外部の自励発振回路３６が接続されている。起動時には、自励発振回路３６に対して起動回路から雑音を入力する。この雑音は、振動子を通過して周波数選択を受け、次いで交流増幅器３４に入力されて増幅を受ける。交流増幅器３４からの出力信号の一部を取り出し、整流器に入力し、振幅の水準（大きさ）に変換する。この振幅の信号を振幅制御増幅器３５に入力する。

検出回路３２は、振動子の出力信号を処理し、真正の検出信号を抽出するための回路である。振動子の検出電極１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｄ、１５Ｆからの出力信号を各前置増幅器２６Ａ、２６Ｂによって増幅する。各増幅器２６Ａ、２６Ｂからの各出力は、少なくとも、角速度に対応する真正の検出信号を含んでいる。本例では、各出力信号に含まれる各検出信号は逆位相となっている。従って、各出力信号を減算器２７に入力して減算し、駆動振動の影響を相殺し、真正の検出信号を残す。次いで、減算器２７からの出力を、交流増幅器２８、検波器２９、ローパスフィルター３０、リミッタ３１に通し、端子から真正の検出信号を得る。

検波器２９においては、駆動信号に基づく移相信号を利用して出力信号を検波する。即ち、駆動振動からの派生信号を移相器３３に通して例えば９０°移相させ、移相信号を得る。検波回路２９に移相信号を入力し、出力信号を検波すると、検波出力からは、不要な漏れ信号は消去されており、真正の検出信号が得られる。この検波信号を平滑化回路に入力し、その出力を増幅する。

以上特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上述の実施形態には限定されない。

駆動振動アームの横断面の形状を模式的に示す図である。 （ａ）は、図１のアームを第二の平面１ｄ側から見た正面図であり、（ｂ）は、図１のアームを第一の平面１ａ側から見た正面図である。 検出振動アームの横断面形状を模式的に示す図である。 振動アームの設計例を示す横断面図である。 本発明の振動子の一例を示す斜視図である。 本発明に係る振動型ジャイロスコープの一例を示すブロック図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ 駆動振動アーム １ａ、１ｂ 側面 １ｃ、１ｄ 上面および下面 １ｅ、１ｆ 凹部の内壁面（第一の平面に対向する内壁面） １ｇ 接続部の表面 ２Ａ、２Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ 基部 ３、１３ 接続部 ４Ａ、４Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ 第一の電極 ５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｆ、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｄ、１５Ｆ 第二の電極 ６ 固定部 ８Ａ、８Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ 凹部 １２、２５Ａ、２５Ｂ 検出振動アーム Ｘ−Ｙ面 所定面 Ｚ 回転軸 Ｆ、Ｇ、Ｈ 所定面内の屈曲振動

Claims (3)

1. 角速度を検出する振動子であって、
   基部、
   前記基部から第１の方向に延びる第１の支持部、
   前記基部から前記第１の方向の反対方向に延びる第２の支持部、
   前記第１の支持部に接続され、前記第１の方向と垂直な第２の方向に延びる第１の駆動振動アーム、
   前記第１の支持部に接続され、前記第２の方向の反対方向に延びる第２の駆動振動アーム、
   前記第２の支持部に接続され、前記第２の方向に延びる第３の駆動振動アーム、
   前記第２の支持部に接続され、前記第２の方向の反対方向に延びる第４の駆動振動アーム、
   前記基部から前記第２の方向に延びる第１の検出振動アーム、および
   前記基部から前記第２の方向の反対方向に延びる第２の検出振動アーム、
   を有し、
   前記第１の駆動振動アーム、前記第２の駆動振動アーム、前記第３の駆動振動アーム、前記第４の駆動振動アーム、前記第１の検出振動アームおよび前記第２の検出振動アームが、それぞれ、前記第１の方向と前記第２の方向が成す面に平行でかつ凹部が形成された上面と、前記上面に対向しかつ凹部が形成された下面と、前記上面と前記下面とを接続する第１の側面と、前記第１の側面と対向する第２の側面とを有し、
   前記第１の駆動振動アーム、前記第２の駆動振動アーム、前記第３の駆動振動アームおよび前記第４の駆動振動アームは、それぞれ、前記各駆動振動アームの第１の側面および前記第２の側面に形成された第１の駆動電極と、前記各駆動振動アームの前記各凹部に形成された第２の駆動電極とを有し、
   前記第１の検出振動アームおよび前記第２の検出振動アームは、それぞれ、前記各検出振動アームの前記第１の側面および前記第２の側面に形成された第１の検出電極と、前記各検出振動アームの前記各凹部に形成された第２の検出電極とを有し、
   前記各駆動振動アームの前記各第１の駆動電極と前記各第２の駆動電極の間にそれぞれ交流電圧が印加され、前記各駆動振動アームが屈曲運動し、かつ、前記振動子に前記第１および第２の方向に垂直な方向を回転軸とした角速度が働いたときに、前記第１の支持部および前記第２の支持部がそれぞれ屈曲振動し、この屈曲振動に対応して前記各検出振動アームが屈曲振動することを特徴とする、振動子。
2. 前記各検出振動アームが屈曲運動すると、前記第１の検出電極と前記第２の検出電極との間で交流電流が発生し、この交流電流を出力信号として検出回路に出力することを特徴とする、請求項１記載の振動子。
3. 請求項２記載の振動子、
   前記各駆動振動アームの前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に前記交流電圧を印加するための自励発振回路、および
   前記交流電流に基づいて角速度を検出する検出回路、
   を有することを特徴とする、角速度測定装置。

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