JPH09250928A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度ωに応じて検出電極６ａに現われる電
圧Ｓ１１の角速度ω対応の位相ずれに基づいた角速度検
出の安定化と精度向上。低域の角速度ωの検出精度の向
上。 【解決手段】 圧電振動子(2)，該圧電振動子を加振す
るための励振電極(5a,5b)，これに励振電圧を与える励
振回路(26)，圧電振動子の、該加振による振動状態に作
用する角速度によって引き起こされる振動の節点もしく
はその近傍に装着された振動検出電極(6a,6b/7a,7b)、
および、振動検出電極に現われる電圧の位相ずれを検出
する位相差検出回路(13,14,23,24,31〜33)、を備える角
速度検出装置において、前記振動の腹点又は節点に、重
り(Qa〜Qd)又は切欠き(Ra〜Rd)を付けて、角速度により
発生するコリオリ力によって引き起こされる振動系と検
出系の共振周波数を異った値とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大略で言うと、角
続度が発生したときに生じるコリオリ力によって生じる
振動とは異なる方向の振動を検出し、該角速度を検出す
る装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、圧電振動子を用いて回転角速度
を検出する装置に関する技術が、特開平５−２４０６４
９号公報，特開平５−２８８５５５号公報，および英国
特許出願公報ＧＢ２２６６１４９Ａに開示されている。
これらにおいては、圧電振動子をそれの固有振動数と一
致する周波数で振動するように共振点で駆動する。振動
子の、この固有振動の節点には検出電極を設置してお
り、検出電極に発生する電圧より固有振動成分を除去し
た信号を角速度信号として得る。検出電極は固有振動の
節点にあるので、理論上は、振動子に角速度が加わって
いないときには検出電極には電圧が現われない。振動子
に、加振点（腹点：励振電極がある）から節点（検出電
極がある）に加かう方向又はその逆方向の角速度が加わ
ると、コリオリ力が振動子に加わり振動方向がコリオリ
力の方向（角速度の方向）にねじれる。このようにねじ
れた振動の節点が検出電極からずれるので、検出電極に
電圧が発生する。すなわちコリオリ力（角速度）に対応
する振動電圧が検出電極に発生する。この振動電圧のレ
ベルならびに励振電圧に対する位相ずれが、コリオリ力
（角速度）に対応した値となる。実際には、検出電極に
かなりの広がりがありしかも微視的に見ると検出電極の
中心が前記励振による固有振動の節点と完全に一致しな
いので、検出電極には、コリオリ力相当の電圧のみなら
ず、励振による固有振動による電圧も発生する。したが
って、検出電極に発生する電圧より、固有振動成分を除
去している。

【０００３】ところで、圧電振動子の固有振動数は、周
囲温度などの影響によって変動する。従って、温度変化
の生じる環境において一定の周波数で振動子を駆動する
場合には、振動子の振動状態を共振点に維持できない。
圧電振動子の振動状態が共振点からずれると、励振振動
の振幅が変動し、角速度と検出電圧レベルおよび位相ず
れとの関係に誤差が生じる。

【０００４】そこで例えば英国特許出願公報ＧＢ２２６
６１４９Ａにおいては、ＰＬＬ（位相同期ル−プ）回路
を用いて、振動子の振動状態を共振点に維持するように
制御している。即ち、振動子の駆動電圧印加端子の信号
と、振動子の帰環電圧取出端子の信号との位相差が９０
度になるように、ＶＣＯ（電圧制御発振器）の発振周波
数を自動的に調整している。特願平６−１２７８４７号
においては、ＲＯＭを用いた正弦波関数発生器に与える
クロックパルス（アドレスカウント用のパルス）の周波
数をＰＬＬ回路でシフトして、振動子の励振を固有振動
数に収束させる。特願平６−２４１１０１号において
は、振動子のフィ−ドバック励振ル−プに、バイアス電
圧により共振周波数及び移相量が変化するバンドパスフ
ィルタを介挿し、このバイアス電圧を励振電圧と帰還電
圧の位相差に対応して変化させて、振動子の励振を固有
振動数に収束させる。このように、振動子の励振を自動
的に固有振動数に合せることにより、角速度に対する検
出電圧レベルおよび位相ずれの変動が少くなり、検出精
度が安定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、振動子の対
称性が高い場合、振動子に加わる角速度に対応して検出
電極に発生する電圧に位相ずれを生じなくなり、検出電
極の電圧レベルに基づいた角速度検出は可能であるが、
位相ずれに基づいた角速度検出が難かしくなる。本発明
は位相ずれに基づいた角速度検出を安定して行なうこと
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】振動子の対称性が高い場
合、位相ずれに基づいた角速度検出が難かしくなる原因
を検討した。まず、この原因を、円筒状の圧電素子を用
いる、図４および図１に示すセンサ素子１０を例に、説
明する。

【０００７】図４を参照すると、センサ素子１０の円筒
状圧電体２（振動子）はその下端で、上端が円板でその
下面に丸棒状の脚が連続した素子台と一体に成形されて
いる。円筒状圧電体２の外周面の略上半分は回路基準電
位に接続される基準電位電極３ａで覆われているが、外
周面の下半分領域には、略４５度ピッチで、８個の同一
形状の電極セグメントが接合されている。円筒状圧電体
２の内周面は、電極３ａと同電位（回路基準電位）の基
準電位電極３ｂで覆われている。

【０００８】図１に示す電気回路接続において、８個の
電極セグメントの内、第１直径方向Ｄ１で相対向する１
対の電極セグメント４ａおよび４ｂがフィ−ドバック電
極、Ｄ１と直交する第２直径方向Ｄ２で相対向する１対
の電極セグメント５ａおよび５ｂは励振電極、Ｄ１とＤ
２の２等分線方向すなわちＤ１より４５度の方向である
第３直径方向Ｄ３近傍で相対向する第１組の１対の電極
セグメント６ａおよび６ｂは検出電極である。Ｄ３と直
交する第４直径方向Ｄ４近傍で相対向する第２組の１対
の電極セグメント７ａおよび７ｂも検出電極である。

【０００９】発振回路によって生成される交流電圧が、
センサ素子１０の励振電極５ａ，５ｂと基準電位電極３
ａ，３ｂとの間に印加され、それによって円筒状圧電体
２が変形し振動する。また円筒状圧電体２の振動によっ
てフィ−ドバック電極４ａ，４ｂに現われる信号が、発
振回路にフィ−ドバックされる。フィ−ドバックされる
信号を利用して、発振回路は円筒状圧電体２がそれの共
振周波数ｆmと一致する周波数で振動するように、出力
信号の周波数を自動的に調整する。

【００１０】発振回路に電源が投入されると、ある電圧
が、励振電極５ａ，５ｂと基準電位電極３の間に加わ
り、これにより円筒状圧電体２が第２直径方向Ｄ２で広
がる。又は縮小する。この変形によりフィ−ドバック電
極４ａ，４ｂと基準電位電極３ａ，３ｂの間に、ある電
圧が発生する。円筒状圧電体２が共振周波数ｆmで、第
２直径方向Ｄ２に、拡大／縮小振動する時の振動の縮小
ピ−クでの円筒状圧電体２を、図４に誇張して点線２Ｂ
で示し、拡大ピ−クでの円筒状圧電体２を、図４に誇張
して二点鎖線２Ａで示す。

【００１１】図４から分かるように、第２直径方向Ｄ２
の拡大／縮小は第１直径方向Ｄ１の縮小／拡大であり、
Ｄ２方向の縮小ピ−クにＤ１方向の拡大ピ−クが対応す
る。したがってこの例では、円筒状圧電体２は、十字方
向（Ｄ１＆Ｄ２）に振動する。

【００１２】上述のように円筒状圧電体２が十字方向
（Ｄ１＆Ｄ２）に振動しているとき（図４の２点鎖線２
Ａ＆点線２Ｂ）、検出電極６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂは、
振動の節近傍に位置するので、それらと基準電位電極３
ａ，３ｂとの間に電圧は実質上小さい。

【００１３】円筒状圧電体２が回転すると、例えば図５
に示すように時計方向ωに回転すると、この回転と円筒
状圧電体２の振動によりコリオリ力Ｆ１〜Ｆ４が発生
し、これにより円筒状圧電体２の振動方向（Ｄ２）が、
例えば図４に２点鎖線２Ｄで示すように、第４直径方向
Ｄ４にねじれて（回転して）、検出電極６ａ，６ｂの電
圧がが変化する。

【００１４】ここで、Ｄ２方向の振動を与える電極５
ａ，５ｂおよびそれに接続された電気回路を加振系と称
し、Ｄ３方向の振動を検出する電極６ａ，６ｂおよびそ
れに接続された電気回路を第１検出系と称し、Ｄ４方向
はＤ２方向に関してＤ３方向と対称であり、Ｄ４方向の
振動を検出する電極７ａ，７ｂおよびそれに接続された
電気回路を第２検出系と称す。

【００１５】ここで、加振系の振動をモ−ドＩと、第１
および第２検出系の振動をモ−ドIIと称し、モ−ドＩの
振動をＡsin（ψ₁ｔ＋ａ）で、モ−ドIIの振動をＢsin
（ψ₂ｔ＋ｂ）で、角速度ωが作用しているときの振動
をＣsin（ψ₃ｔ＋ｃ）と表わし、この振動Ｃsin（ψ₃ｔ
＋ｃ）が、モ−ドＩの振動Ａsin（ψ₁ｔ＋ａ）とモ−ド
IIの振動Ｂsin（ψ₂ｔ＋ｂ）の合成であるとすると、 Ａsin（ψ₁ｔ＋ａ）＋Ｂsin（ψ₂ｔ＋ｂ）＝Ｃsin（ψ₃ｔ＋ｃ） ・・・(1) Ｃ＝√〔Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢcos(ｂ−ａ）〕 ・・・(2) ｃ＝ア−クtan〔（Ａsinａ＋Ｂsinｂ）／（Ａcosａ＋Ｂcosｂ）〕 ・・・(3) であり、加振系と、第１および第２検出系の振動の周波
数が同一のときには角速度ω対応の位相変化（ｃの変
化）は現われず、異なるとき、すなわち、ａ≠ｂのと
き、角速度ω対応の位相変化（ｃの変化）を生ずる。な
お、第１検出系の振動の位相変化と第２検出系の振動の
位相変化の方向は逆である。加振系と検出系の共振周波
数差と、角速度ω対応の位相ずれの関係を図８に示す。

【００１６】図８上の実線曲線は角速度ωが90°/secの
ときのもの、点線曲線は20°/secのときのものである。
共振周波数差がほとんどないときには位相ずれが検出で
きないが、共振周波数差が略１０Ｈｚ以上で位相ずれが
検出できる。位相ずれが検出できる限り、角速度ωの変
化に対する位相ずれは、共振周波数差が小さいほど大き
い。例えば、共振周波数差Δｆ≒１６Ｈｚにすると、角
速度ωが90°/secから20°/secに、又はその逆に変化す
るとき、位相ずれの変化量は、略１５°となり、角速度
検出の分解能が高く、低域の角速度の検出精度が向上す
る。

【００１７】そこで本発明は、振動子(2)，該振動子を
加振するための励振電極(5a,5b)，これに励振電圧を与
える励振回路(26)，前記振動子の、該加振による振動の
節点もしくはその近傍に装着された振動検出電極(6a,6b
/7a,7b)、および、該振動検出電極に現われる電圧の位
相ずれを検出する位相差検出回路(13,14,23,24,31〜3
3)、を備える角速度検出装置において、前記振動子(2)
を、前記励振電極(5a,5b)による加振の方向(D2,D1)の共
振周波数と、前記振動検出電極(6a,6b/7a,7b)の検出感
度が最も高い振動方向(D3,D4)の共振周波数とを異にし
たものとする。なお、理解を容易にするためにカッコ内
には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は対応事
項の記号を、参考までに付記した。

【００１８】これによれば、加振系の共振周波数と振動
検出系の共振周波数とが異なるので、加振系と、角速度
ω対応の位相ずれが振動検出電極(6a,6b/7a,7b)に現わ
れ、位相ずれに基づいた角速度の検出が可能となり、低
域の角速度の検出精度が高くなる。

【００１９】振動子(2)の共振周波数ｆは、振動子の質
量をｍとし、ばね係数をｋとすると、 ｆ＝（１／２π）√（ｋ／ｍ） ・・・(4) で表わされ、質量ｍを変えることにより、共振周波数ｆ
が変わる。そこで本発明の最も代表的な例では、前記振
動子(2)は、その中心軸に関して対称な形状とし、励振
電極(5a,5b)の中心点と該中心軸とを含む平面と交わる
位置に、励振電極(5a,5b)による加振の方向の共振周波
数を定めるための質量変更手段(Qa,Qb/Ra,Rb)を有する
ものとする。あるいは、振動検出電極の中心点と該中心
軸とを含む平面と交わる位置に、振動検出電極の検出感
度が最も高い振動方向の共振周波数を定めるための質量
変更手段を有するものとする。質量変更手段は、振動子
に添加した重り(Qa,Qb)、又は、振動子の切欠き(Ra,Rb)
である。

【００２０】これによれば、振動子(2)の、励振電極(5
a,5b)による加振(D2,D1)に対する質量と、振動検出電極
の検出感度が最も高い振動方向の振動に対する質量が相
違するので、加振系と検出系の共振周波数が相違し、角
速度ω対応の位相ずれが振動検出電極(6a,6b/7a,7b)に
現われ、位相ずれに基づいた角速度の検出が可能とな
り、低域の角速度の検出精度が高くなる。

【００２１】図１および図４に示すように振動子２が円
筒状であってその周面に励振電極５ａおよび検出電極６
ａを備える場合には、励振電極５ａにより、該平面に沿
う直径方向Ｄ２のみならずそれと直交する方向Ｄ１に振
動するので、すなわち十字方向に振動するので、この十
字方向の４点に質量変更手段(Qa〜Qd/Ra〜Rd)を設け
て、振動を安定(バランス)したものとする。同様な意味
で、振動検出電極の検出感度が最も高い振動方向の共振
周波数を定めるための質量変更手段を備える場合にも、
４点に質量変更手段を設ける。

【００２２】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００２３】

【発明の実施の形態】

【００２４】

【実施例】

−第１実施例− 図１および図４に本発明の第１実施例を示す。まず、図
４を参照されたい。円筒状圧電体２は、その中心軸（図
１において紙面に垂直、図４において紙面に平行）に関
して対称な形状であり、励振電極５ａ，５ｂの中心点と
該中心軸とを含む平面が圧電体２の上端の周縁と交わる
位置、ならびに、該平面に直交する平面が圧電体２の上
端の周縁と交わる位置、すなわち、周縁レベルの第１直
径方向Ｄ１，第２直径方向Ｄ２の延長線が周縁と交わる
位置に、各１個、計４個の、実質上同一の重さの重り
（ウエイト）Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄが固着されてい
る。さらに詳しく述べると、金属片であるこのウエイト
Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄは、その側面が円筒状圧電体２
の周面に沿って湾曲しており、円筒状圧電体２の上端部
の外周面に固着されている。そして、その上端部は円筒
状圧電体２の上端面に沿って円筒状圧電体２の軸心方向
に向って延びている。ウエイトＱａ，Ｑｂは第１直径方
向Ｄ１の延長線上すなわち励振電極５ａ，５ｂの上方に
配置され、ウエイトＱｃ，Ｑｄは、第２直径方向Ｄ２の
延長線上すなわちフィ−ドバック電極４ａ，４ｂの上方
に配置されている。

【００２５】ところで、主振動（Ｄ２）と副振動（Ｄ
１）は、位相が１８０度異るが、振動周波数ｆは同一で
あり、上記(4)式で表されるが、ウェイトＱａ，Ｑｂ，
Ｑｃ，Ｑｄがあり、その分質量が大きいので、共振周波
数ｆが低い。つまり、第１検出系の検出感度が最も高い
Ｄ３方向と第２検出系の検出感度が最も高いＤ４方向の
振動の共振周波数は、ウェイトＱａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄ
が無い場合の円筒状圧電体２の固有振動数と実質上同一
であるが、主振動（Ｄ２）と副振動（Ｄ１）は、該固有
振動数よりも低く、この実施例では、該固有振動数に対
してΔｆ≒１６Ｈｚ（図８に示すΔｆの値）分低くなる
ように、ウェイトＱａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄの重さを定め
ている。

【００２６】励振電極５ａ，５ｂと基準電位電極３ａ，
３ｂの間に電圧が加わり、円筒状圧電体２が図５に点線
および２点鎖線で示されるように第１直径方向Ｄ１およ
び第２直径方向Ｄ２方向に振動（主振動）すると、各ウ
エイトの配置されている位置はその振動の腹になる。し
かし、検出電極６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂは該振動の節の
位置にあるので、ウエイトＱａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄは主
振動に対してはその振動周波数を低くするように作用す
るが、検出電極６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの検出感度が最
も高いＤ３，Ｄ４方向の振動に対しては、実質上増加質
量として作用しない。

【００２７】図８に、共振周波数の差と、角速度ωが加
わったときの検出電圧の位相ずれ量の関係を示す。図８
に示すグラフの横軸が共振周波数の差、縦軸が角速度ω
が加わったときの検出電圧の位相ずれ量であり、実線カ
−ブは角速度ωが±９０°／secの場合を、点線カ−ブ
は角速度ωが±２０°／secの場合を示す。共振周波数
の差が０付近では、検出電圧の位相ずれ検出が不可であ
り、略１０Ｈｚ以上の共振周波数の差で位相ずれ検出が
可能であるが、その範囲内では、共振周波数の差が小さ
い方が位相ずれ検出の分解能が高い。つまり角速度ωの
検出精度が高く、低域の角速度ωの検出分解能が高い。

【００２８】再度図１を参照されたい。円筒状圧電体２
のその他の構造と動作は先に説明したので、ここでの説
明は省略し、円筒状圧電体２に接続された電気回路を説
明する。図１において、円筒状圧電体２のフィ−ドバッ
ク電極４ａ，４ｂには、ロ−パスフィルタ（ＬＰＦ）機
能を持つ増幅器１１が接続されており、それらに発生す
る電圧をフィ−ドバック信号ＦＢ１として、バッファア
ンプ＆波形変換回路２１に印加する。ＦＢ２が回路２１
のバッファアンプから出力されるアナログ信号であり、
ＦＢ３が回路２１の波形変換回路から出力される２値信
号である。信号ＦＢ２はオ−トゲインコントロ−ル回路
２５の第１の入力端子に印加され、信号ＦＢ３はオ−ト
ゲインコントロ−ル回路２５の第２の入力端子と、９０
度位相比較回路２７の一方の入力端子に印加される。

【００２９】オ−トゲインコントロ−ル回路２５は、入
力電圧ＦＢ２が設定値未満の間は略入力電圧ＦＢ２に比
例する出力電圧（ＦＢ４）を出力するが、設定値以上の
領域では０（機器ア−ス）レベルに近い極低値の定電圧
（ＦＢ４）を出力する。すなわちその出力に得られる信
号ＦＢ４は、入力信号ＦＢ２とほぼ同一であるが、過大
レベル（設定値以上）の信号は遮断され、ＦＢ４には現
われない。オ−トゲインコントロ−ル回路２５が出力す
る信号ＦＢ４は、バンドパスフィルタ２９の第１の入力
端子と発振起動回路２８の入力端子に印加される。発振
起動回路２８が出力する信号ＣＯＮ１は、バンドパスフ
ィルタ２９の第２の入力端子に印加される。また、バン
ドパスフィルタ２９の第３の入力端子に印加される信号
ＣＯＮ２は、積分回路３０の出力信号である。図２に、
積分回路３０および９０度位相遅延回路２６の構成を示
す。

【００３０】バンドパスフィルタ２９が出力する信号
は、９０度位相遅延回路２６を通ってドライブ信号ＤＶ
１になる。このドライブ信号ＤＶ１が、円筒状圧電体２
の励振電極５ａ，５ｂに印加される。また、ドライブ信
号ＤＶ１は、波形変換回路２２によって２値信号に変換
され、９０度位相比較回路２７に入力される。９０度位
相比較回路２７は、イクスクル−シブオアゲ−トであ
り、バッファアンプ及び比較器を用いた波形変換回路２
１が出力するフィ−ドバック信号ＦＢ３と、波形変換回
路２２が出力する信号ＳＶＤとの位相差に応じたパルス
幅を有するパルス信号を出力する。このパルス信号が、
積分回路３０に印加される。

【００３１】積分回路３０が出力する信号ＣＯＮ２のレ
ベルは、バッファアンプ＆波形変換回路２１が出力する
フィ−ドバック信号ＦＢ３と、波形変換回路２２が出力
する信号ＳＶＤとの位相差に対応して、位相差０度で最
高値Ｖmax、位相差−１８０度で最低値Ｖmin、位相差−
３６０度で最高値Ｖmax、となる位相差に対してＶ形特
性となる出力電圧ＣＯＮ２を発生する。この出力電圧Ｃ
ＯＮ２は、バンドパスフィルタ２９の第３の入力端子に
印加される。

【００３２】バンドパスフィルタ２９は、図３に示すよ
うに可変容量ダイオ−ド（バリキャップ）２９ａを備え
ており、可変容量ダイオ−ド２９ａは逆バイアス状態で
使用される。従って、可変容量ダイオ−ド２９ａに印加
するバイアス電圧を変えることによって、バンドパスフ
ィルタ２９の位相特性（中心周波数ｆｏで入出力間位相
差が−９０度、中心周波数ｆｏを中心とする所定領域の
間で入力周波数の増大と共に入出力間位相差が−１８０
度方向に順次に広がり、該所定領域より低域では入出力
間位相差はほとんどなく略一定、該所定領域より高域側
では入出力間位相差は略−１８０度で略一定）が、横軸
方向（入力周波数軸方向：中心周波数ｆｏをずらす方
向）にシフトする。可変容量ダイオ−ド２９ａに印加す
るバイアス電圧は、バンドパスフィルタ２９の３つの入
力端子に印加される信号ＦＢ４，ＣＯＮ１及びＣＯＮ２
のレベルによって変化する。

【００３３】さて、この実施例においては、円筒状圧電
体２のフィ−ドバック電極４ａ，４ｂに現われる信号を
増幅し、位相をシフトした信号を励振電極５ａ，５ｂに
印加することにより、閉ル−プ回路を構成するととも
に、正帰還をかけて発振が生じるようにしている。実際
には、図１において、フィ−ドバック電極４ａ，４ｂに
現われる信号は、増幅器１１を通って信号ＦＢ１にな
り、バッファアンプ＆波形変換回路２１を通ってＦＢ２
になり、オ−トゲインコントロ−ル回路２５を通ってＦ
Ｂ４になり、この信号ＦＢ４が、バンドパスフィルタ２
９を通り、９０度位相遅延回路２６及びドライブ電流検
出回路１２を通って励振電極５ａ，５ｂに印加されるの
で、閉ル−プ回路が形成される。

【００３４】この閉ル−プ回路において発振が生じるた
めには、２つの条件が満たされる必要がある。１つは、
閉ル−プ回路のル−プゲインが１以上であること。もう
１つは、閉ル−プ回路を１周する間の位相変化が３６０
度の整数倍になることである。図１に示す回路の場合、
センサ素子１０が共振状態である時には、その励振電極
５ａ，５ｂとフィ−ドバック電極４ａ，４ｂとの間の位
相差が９０度になる。また、９０度位相遅延回路２６
は、センサ素子１０の共振周波数の近傍の周波数に対し
ては、入力と出力との位相差が約９０度になる。更に、
所定の条件においては、バンドパスフィルタ２９の入力
（ＦＢ４）と出力との位相差が１８０度になる。従っ
て、励振電極５ａ，５ｂとフィ−ドバック電極４ａ，４
ｂとの間の位相シフトと、９０度位相遅延回路２６にお
ける位相シフトと、バンドパスフィルタ２９における位
相シフトによって、閉ル−プ回路を１周する間の位相変
化が３６０度になりうる。また、ル−プ中には増幅回路
が含まれているので、センサ素子１０の共振周波数に対
するル−プゲインが１以上になりうる。このため、図１
に示す装置の閉ル−プ回路は発振する可能性がある。

【００３５】ところで、センサ素子１０の振動特性は、
特定の、加振系の共振周波数ｆo において、ゲインが最
大になり、ＤＶ１とＦＢ３との位相差が約９０度になる
ものである。しかしながら、製造上生じる寸法のばらつ
きや、温度変化によって生じる寸法の変化の影響によっ
て、共振周波数はｆo から多少ずれる。ずれた特性のセ
ンサ素子１０を使用する場合には、周波数ｆo に対して
は、ＤＶ１とＦＢ３との位相差が９０度から大きくずれ
るので、仮に９０度位相遅延回路２６における位相シフ
トと、バンドパスフィルタ２９における位相シフトの和
が２７０度であるなら、発振が生じない。

【００３６】また、９０度位相遅延回路２６は、上述の
位相特性を有しているので、周波数がｆo である時には
９０度の位相シフトが生じるが、それ以外の周波数に対
しては、位相シフト量が９０度からずれる。従って、ｆ
o とは異なる周波数ｆo'でセンサ素子１０が共振する場
合に、その共振周波数ｆo'に対しても、閉ル−プ回路を
１周する間の位相差が３６０度からずれ、正規の周波数
で発振しない可能性がある。

【００３７】しかしながらこの実施例においては、主と
してバンドパスフィルタ２９の働きによって、比較的広
い範囲の周波数に対して、閉ル−プ回路を１周する間の
位相変化が３６０度に維持されるように自動的に制御さ
れる。従って、特性のばらつきや温度変化などによっ
て、センサ素子１０の加振系の共振周波数が基準周波数
ｆo からずれている場合であっても、確実に発振が生じ
る。

【００３８】バンドパスフィルタ２９は、図７に示すよ
うに、バイアス電圧Ｖｂ（＝ＦＢ４＋ＣＯＮ１＋ＣＯＮ
２）が中位レベルのときにｆｏ１を中心周波数とし、高
位レベルのときにｆｏ１より高いｆｏ３を中心周波数と
し、低位レベルのときにはｆｏ１より低いｆｏ２を中心
周波数とする、上述の位相特性を有しており、その共振
周波数（ｆｏｉ）は可変容量ダイオ−ド２９ａに印加さ
れるバイアス電圧Ｖｂに応じて変化する。例えばバイア
ス電圧Ｖｂが「中」の時には共振周波数（中心周波数）
がｆo1であり、ゲイン特性においては周波数ｆo1に対し
てゲインが最大であり、位相特性においては周波数ｆo1
に対して位相シフト量が１８０度になり、周波数ｆo1よ
りも低い周波数ｆo2に対しては位相シフト量が１８０度
より小さくなり、周波数ｆo1よりも高い周波数ｆo3に対
しては位相シフト量が１８０度より大きくなる。

【００３９】またバイアス電圧Ｖｂが「低」の時には共
振周波数がｆo2であり、ゲイン特性においては周波数ｆ
o2に対してゲインが最大であり、位相特性においては周
波数ｆo2に対して位相シフト量が１８０度になり、周波
数ｆo2よりも低い周波数に対しては位相シフト量が１８
０度より小さくなり、周波数ｆo2よりも高い周波数ｆo1
に対しては位相シフト量が１８０度より大きくなる。バ
イアス電圧Ｖｂが「高」の時には共振周波数がｆo3であ
り、ゲイン特性においては周波数ｆo3に対してゲインが
最大であり、位相特性においては周波数ｆo3に対して位
相シフト量が１８０度になり、周波数ｆo3よりも低い周
波数ｆo1に対しては位相シフト量が１８０度より小さく
なり、周波数ｆo3よりも高い周波数に対しては位相シフ
ト量が１８０度より大きくなる。

【００４０】従って、バイアス電圧Ｖｂを大きくすれ
ば、バンドパスフィルタ２９を通る信号の位相シフト量
を大きくすることができ、バイアス電圧Ｖｂを小さくす
れば、バンドパスフィルタ２９を通る信号の位相シフト
量を小さくすることができる。このバイアス電圧Ｖｂ
は、バンドパスフィルタ２９の３つの入力端子に印加さ
れる電圧に応じて定まる。なお、バンドパスフィルタ２
９の入力端子に印加される信号には、直流成分（主に制
御信号）と交流成分（フィ−ドバック信号）とが含まれ
ており、両方がバイアス電圧Ｖｂに影響を与えるが、こ
の実施例では、直流成分のレベルに比べて交流成分の振
幅を充分に小さく設定し、交流成分の影響でバンドパス
フィルタ２９の特性が大きく変動するのを防止してい
る。

【００４１】例えば、センサ素子１０が共振している時
には、９０度位相比較回路２７の２つの入力端子に印加
される信号の位相差は９０度になるので、積分回路３０
から出力される信号ＣＯＮ２のレベルは、最大値Ｖmax
と最小値Ｖminの中間値である基準レベルＶｃになり、
バンドパスフィルタ２９の共振周波数は例えばｆo1にな
る。そして、センサ素子１０の共振周波数ｆo とバンド
パスフィルタ２９の共振周波数ｆo1とが一致する場合に
は、その周波数に対するバンドパスフィルタ２９の位相
シフト量が１８０度になり、９０度位相遅延回路２６の
位相シフト量が９０度になり、閉ル−プ回路を１周する
間の位相シフト量が３６０度になるので、この回路に発
振が生じる。

【００４２】センサ素子１０の共振周波数においては、
励振電極５ａ，５ｂとフィ−ドバック電極４ａ，４ｂの
間の位相シフト量が９０度になるので、閉ル−プ中のセ
ンサ素子１０以外の部分での位相シフト量が２７０度で
あれば、センサ素子１０の共振周波数ｆがその基準値ｆ
o からずれている場合であっても、周波数ｆで発振が生
じる。バンドパスフィルタ２９における位相シフト量は
周波数に応じて変化し、９０度位相遅延回路２６におけ
る位相シフト量も周波数に応じて変化する。仮に、周波
数ｆに対してバンドパスフィルタ２９における位相シフ
ト量ψＡと、９０度位相遅延回路２６における位相シフ
ト量ψＢとの和ψＡ＋ψＢが、２７０度よりも小さい場
合、信号ＦＢ３とＤＶ１との位相差が２７０度より小さ
くなるので、この位相差に対応する信号ＣＯＮ２のレベ
ルは、Ｖｃよりも小さくなる。その結果、バンドパスフ
ィルタ２９の共振周波数がｆo1よりも低くなり、バンド
パスフィルタ２９における位相シフト量ψＡが増大す
る。そして、積分回路３０の出力電圧ＣＯＮ２が増大
し、位相シフト量ψＡ＋ψＢは２７０度に近づき、積分
回路３０の出力電圧はＶｃに収束する。

【００４３】また、周波数ｆに対してバンドパスフィル
タ２９における位相シフト量ψＡと、９０度位相遅延回
路２６における位相シフト量ψＢとの和が、２７０度よ
りも大きい場合、信号ＦＢ３とＤＶ１との位相差が２７
０度より大きくなるので、この位相差に対応する信号Ｃ
ＯＮ２のレベルは、Ｖｃよりも大きくなる。その結果、
バンドパスフィルタ２９の共振周波数がｆo1よりも高く
なり、バンドパスフィルタ２９における位相シフト量ψ
Ａが減少する。そして、積分回路３０の出力電圧ＣＯＮ
２が低下し、位相シフト量ψＡ＋ψＢは２７０度に近づ
き、積分回路３０の出力電圧はＶｃに収束する。

【００４４】バンドパスフィルタ２９には発振起動回路
２８が接続されている。この発振起動回路２８は、図３
に示すように構成されており、電源投入時に、一時的に
前記閉ル−プ回路のル−プゲインを高める機能を果た
す。ル−プゲインを高くすると、発振の条件を満足する
周波数の範囲がより広くなるので、例えば、センサ素子
１０が電源投入直後に共振周波数から大きくずれた周波
数で不安定な振動を始めた場合であっても、その振動周
波数を共振周波数に近づけて発振を安定化することがで
きる。

【００４５】図３を参照すると、発振起動回路２８には
アナログスイッチ２８ａが備わっている。アナログスイ
ッチ２８ａのスイッチの入力側には信号ＦＢ４が印加さ
れ、スイッチの出力側に現われる信号ＣＯＮ１がバンド
パスフィルタ２９に入力される。アナログスイッチ２８
ａの制御端子には、電圧Ｖｃｒが印加される。この電圧
Ｖｃｒは、定常状態ではほぼ０Ｖであり、その時にはア
ナログスイッチ２８ａがオフになる。そして、コンデン
サＣ１と抵抗器Ｒ１でなる時定数回路の働きにより、電
源投入直後に一時的にＶｃｒの電圧が高くなる。そし
て、電圧Ｖｃｒのレベルが所定のしきい値以上の時に
（電源投入後所定時間の間）、アナログスイッチ２８ａ
がオンになる。なお、発振起動回路２８の入力端子２８
ｂに所定のリセット信号を印加することにより、電源を
再投入しなくても、一時的にル−プゲインを上げること
ができる。

【００４６】アナログスイッチ２８ａがオフの時には、
信号ＦＢ４の電流はバンドパスフィルタ２９中の抵抗器
ＲＡのみを通るが、アナログスイッチ２８ａがオンにな
ると、信号ＦＢ４の電流はバンドパスフィルタ２９中の
抵抗器ＲＡとＲＢの並列回路を通る。従って、アナログ
スイッチ２８ａがオンの時には、それがオフの時に比べ
てル−プゲインが高くなる。

【００４７】再び図１を参照すると、励振電極５ａ，５
ｂに接続された増幅器１２は、駆動電圧ＤＶ１を増幅し
て波形整形回路２２に与えるが、増幅器１２はＬＰＦ機
能があり、高周波（高調波）を遮断する。９０度位相遅
延回路２６（図２）はピエゾドライバであり、その出力
段の駆動用アンプの出力インピ−ダンスが低いため、円
筒状圧電体２から見た、振励電極５ａ，５ｂならびにそ
れらに接続された９０度位相遅延回路２６および増幅器
１２でなる加振系（Ｄ２）のインピ−ダンスは低い。

【００４８】フィ−ドバック電極４ａ，４ｂには増幅器
１１が接続されており、これもＬＰＦ機能があり、高周
波（高調波）を遮断する。フィ−ドバック電極４ａ，４
ｂも、この増幅器１１の内部回路の演算増幅器の入力端
のイマジナリショ−トを介して機器ア−スに接続されて
いるので、円筒状圧電体２から見た、フィ−ドバック電
極４ａ，４ｂならびにそれらに接続された増幅器１１で
なるフィ−ドバック系（Ｄ１）のインピ−ダンスは低
い。すなわち、円筒状圧電体２を加振系の共振周波数で
加振するフィ−ドバック振動駆動系の、円筒状圧電体２
から見たインピ−ダンスは低く、上述の、バンドパスフ
ィルタ２９の励振周波数調整機能により、Ｄ１，Ｄ２方
向には、円筒状圧電体２は、加振系の固有振動数（７５
６６Ｈｚ）で、効率良く加振される。

【００４９】増幅器１３および１４は同一構造，同一特
性のものであり、これらもＬＰＦ機能があり、高周波
（高調波）を遮断する。

【００５０】再び図１を参照すると、センサ素子１０の
第１検出電極６ａ，６ｂに現われる信号は、増幅回路１
３で検出され、波形変換回路２３によって２値信号（方
形波）に変換され、信号ＳＳ１として出力される。第２
検出電極７ａ，７ｂに現われる信号は、増幅回路１４で
検出され、波形変換回路２４によって２値信号（方形
波）に変換され、信号ＳＳ２として出力される。これら
の２値信号ＳＳ１およびＳＳ２は、位相比較回路４１に
与えられる。該位相比較回路４１は、一方のみが高レベ
ルＨのときは高レベルＨを、他方のみが高レベルＨのと
きは低レベルＬを、両方が同レベルの時は中間のレベル
Ｍを発生して、平滑回路３１に与える。

【００５１】図６に、検出電極６ａ，６ｂ／７ａ，７ｂ
に発生する電圧Ｓ１１，Ｓ１２ならびにそれらに基づい
て発生する信号を示す。角速度ωが加わっていなときに
は、Ｄ３，Ｄ４方向の振動成分が実質上無いので、検出
電圧Ｓ１１，Ｓ１２は加振振動成分のみであるが、ある
方向の角速度ωが円筒状圧電体２に加わると、検出電圧
Ｓ１１，Ｓ１２が、Ｄ１，Ｄ２方向（ＤＶ１，ＦＢ２）
に対して角速度ω対応の位相ずれがある、角速度ω対応
のレベルの電圧となる。しかも、角速度ωの増減に対し
て、検出電圧Ｓ１１，Ｓ１２の一方は位相ずれが小さく
レベルが高くなる方向に変化し、他方は位相ずれが大き
くレベルが低くなる方向に変化する。角速度ωの方向が
逆になると、この関係も反転する。これにより、位相比
較回路４１の出力信号ＳＨは、角速度ωの変化分の位相
ずれの２倍のＨ幅のパルスとなり、このＨ幅ΔＴが角速
度ωを表わす。

【００５２】図１に示す平滑回路３１はパルス幅／電圧
コンバ−タであり、信号ＳＨのＨ幅及びＬ幅に比例する
レベルのアナログ電圧（Ｖout)を発生し、増幅回路３２
がこれを増幅して出力する。この出力電圧Ｖoutのレベ
ルが、角速度ωの絶対値及び方向を表す。

【００５３】−第２実施例− 図９および図１０に第２実施例を示す。図１０は、第２
実施例のセンサ素子１０Ｂをフィ−ドバック電極４ｂの
方向より見た側面図であり、図９は、センサ素子１０Ｂ
を図１０に示す１点鎖線矢印９Ａ方向より見た横断面図
である。第２実施例は、第１実施例とはセンサ素子１０
Ｂの機械的な構造が異り、他の構成要素は第１実施例と
同一であるので、センサ素子１０Ｂの構造についてのみ
説明する。

【００５４】円筒状圧電体２の上端の周縁には、図１に
示した第１直径方向Ｄ１，第２直径方向Ｄ２の延長線と
交わる位置に４個のＶ型の切欠きが設けられている。切
欠きＲａ，Ｒｂは第１直径方向Ｄ１の延長線上すなわち
励振電極５ａ，５ｂの上方に設けられ、切欠きＲｃ，Ｒ
ｄは、第２直径方向Ｄ２の延長線上すなわちフィ−ドバ
ック電極４ａ，４ｂの上方に設けられている。すなわ
ち、第１実施例では、重りＱａ〜Ｑｄを付加して加振系
の共振周波数ｆを下げているが、第２実施例では、重り
を切欠きＲａ〜Ｒｄに変えて加振系の共振周波数ｆを上
げている。これにより第１実施例と第２実施例とでは、
加振系の共振周波数は２Δｆ≒３２Ｈｚの差がある。

【００５５】以上に述べた第１，第２実施例において
は、円筒状圧電体２の振動に対称性をもたせることで検
出精度を向上させる為に円筒状圧電体２の加振系の振動
の腹にあたる４箇所にウエイトＱａ〜Ｑｄあるいは切欠
きＲａ〜Ｒｄを設けている。しかし、加振系と検出系の
共振周波数に差を生じさせるという目的を達成するに
は、ウエイトあるいは切欠きは円筒状圧電体２の少くと
も１箇所に設けるだけでもよい。さらに、円筒状圧電体
２の加振系の振動の腹にあたる位置でなく、節にあたる
位置に設けてもよい。この場合には、加振系の共振周波
数が円筒状圧電体２の固有振動数となり、検出系の、検
出感度が最も高くなる方向（Ｄ３，Ｄ４）の共振周波数
が、該固有振動数よりも低く（ウェイトを付加する場
合）、又は高く（切欠きを付す場合）なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の構成を示すブロック図
である。

【図２】 図１に示す積分回路３０および９０度位相遅
延回路２６の構成を示す電気回路図である。

【図３】 図１に示すバンドパスフィルタ２９および発
振起動回路２８の構成を示す電気回路図である。

【図４】 図１に示すセンサ素子１０の外観と一部の断
面を示す正面図である。

【図５】 図１および図４に示す円筒状圧電体２の振動
状態を示す平面図である。

【図６】 図１の電気回路各部の信号を示すタイムチャ
−トである。

【図７】 バンドパスフィルタ２９の、周波数／ゲイン
特性を表わすグラフと、周波数／入出力間位相差特性を
表わすグラフを示す。

【図８】 図１に示す円筒状圧電体２のＤ２方向とＤ３
方向の共振周波数差と、励振電極５ａに加わる励振電圧
ＤＶ１に対する検出電極６ａに発生する電圧Ｓ１１の位
相ずれの関係を示すグラフである。実線は角速度９０°
/secが円筒状圧電体２に加わたときのもの、点線は角速
度２０°/secが加わったときのものである。

【図９】 本発明の第２実施例のセンサ素子１０Ｂの横
断面図である。

【図１０】 図９に示すセンサ素子１０Ｂの外観と一部
の断面を示す正面図である。

【符号の説明】

１：素子台 ２：円筒状圧電体 ３ａ，３ｂ：基準電位電極 ４ａ，４ｂ：フィ−ド
バック電極 ５ａ，５ｂ：励振電極 ６ａ，６ｂ，７ａ，７
ｂ：検出電極 ４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ：電
極セグメント １０：センサ素子 １１〜１４：増幅器 ２１：バッファアンプ
＆波形変換回路 ２２〜２４：波形変換回路 ２５：オ−トゲインコ
ントロ−ル回路 ２６：９０度位相遅延回路 ２７：９０度位相比較
回路 ２８：発振起動回路 ２８ａ：アナログスイ
ッチ ２９：バンドパスフィルタ ２９ａ：可変容量ダイ
オ−ド ３０：積分回路 ４１：位相比較回路 Ｑａ〜Ｑｄ：ウェイト Ｒａ〜Ｒｄ：切欠き

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 萩 原 勲 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子，該振動子を加振するための励振電
   極，これに励振電圧を与える励振回路，前記振動子の該
   加振による振動状態に作用する角速度によって引き起こ
   される振動の腹点もしくはその近傍に装着された振動検
   出電極、および、該振動検出電極に現われる電圧の位相
   ずれを検出する位相差検出回路、を備える角速度検出装
   置において、 前記振動子は、角速度により発生するコリオリ力によっ
   て引き起こされる振動の振動方向の共振周波数と、前記
   振動検出電極の検出感度が最も高い振動方向の共振周波
   数とを異にする、ことを特徴とする角速度検出装置。
2. 【請求項２】前記振動子はその中心軸に関して対称な形
   状であり、励振電極の中心点と該中心軸とを含む平面と
   交わる位置に、励振電極による加振の方向の共振周波数
   を定めるための質量変更手段を有する、請求項１記載の
   角速度検出装置。
3. 【請求項３】前記振動子はその中心軸に関して対称なコ
   リオリ力によって引き起こされる振動の方向と該中心軸
   とを含む平面と交わる位置に、振動検出電極の検出感度
   が最も高い振動方向の共振周波数を定めるための質量変
   更手段を有する、請求項１記載の角速度検出装置。
4. 【請求項４】前記振動子は更に、前記平面と直交する平
   面と交わる位置にも質量変更手段を有する、請求項２又
   は請求項３記載の角速度検出装置。
5. 【請求項５】質量変更手段は、振動子に添加した重りで
   ある、請求項１，請求項２，請求項３又は請求項４記載
   の角速度検出装置。
6. 【請求項６】質量変更手段は、振動子の切欠きである、
   請求項１，請求項２，請求項３又は請求項４記載の角速
   度検出装置。