JPH09250929A

JPH09250929A - 角速度検出装置

Info

Publication number: JPH09250929A
Application number: JP8058077A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kobayashi; 林聡宏小; Takeshi Okumura; 村健奥; Katsuyoshi Mizumoto; 元克芳水; Isao Hagiwara; 原勲萩
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】低い角速度の検出精度を高くする。【解決手段】振動子(2)；これを加振する励振手段(5
a,14)；加振による振動の腹点(5a)に関して対称な、第
１および第２節点(Np1a,Np2a)側の所定位置の振動を検
出する第１および第２の振動検出手段(6a,7a)；およ
び、これらが検出した振動の位相差(ΔT)を検出する手
段(11A,11B,15A,15B,51〜54)；を備える。第１および第
２の振動検出手段(6a,7a)は、腹点(5a)に関して対称位
置にある第１および第２の節点(Np1a,Np2a)のそれぞれ
より所定(θ)分腹点(5a)側の位置の振動を検出する。

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、振
動子を加振し該加振による角速度が発生したときに生じ
るコリオリカによって起こ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、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５−２４０６４９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、圧電素子などの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、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。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、検出電極が
励振振動の節点にあるので、角速度が低い場合には、検
出電圧レベルが低く、信号処理電気回路が補償しうるレ
ベル以下の場合は角速度の定量検出はできない。つま
り、信号処理電気回路が補償しうるレベル以下の検出電
圧のとき、角速度は０と見なされ（角速度０を表わす信
号が出力される）、低角速度時の分解能が低い。位相ず
れを表わす信号を生成し、この信号を角速度信号に変換
する態様でも、位相ずれ検出が、検出電圧レベルに基づ
いて行なわれるので、同様な問題がある。

【０００６】本発明は、低い角速度の検出精度を向上す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度検出装置
は、振動子(2)；該振動子(2)を加振する励振手段(5a,1
4)；該加振による振動の方向に関して対称であり該振動
に対して角速度が発生したときに生じるコリオリカによ
る振動方向（Ｄ３，Ｄ４）の所定位置の振動を検出する
第１および第２の振動検出手段(6a,7a)；および、第１
および第２の振動検出手段(6a,7a)が検出した振動の位
相差(ΔT)を検出する手段(11A,11B,15A,15B,51〜54)；
を備える。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
に付した記号を、参考までに付記した。

【０００８】これによれば、振動子(2)に、振動方向
（Ｄ１＆Ｄ２）を含む面に垂直な軸回りの回転が加わる
と、この角速度によって生じたコリオリカによる振動が
生じ、角速度が高くなるにつれて第１の振動検出手段の
信号の位相は遅れ、第２の振動検出手段の信号の位相は
進む。すなわち角速度の上昇／低下に対する位相の変化
は、第１振動検出手段と第２振動検出手段で逆方向であ
る。したがって両者の位相差は、それぞれの角速度対応
の位相変化量の差、すなわち一方のみの角速度対応の位
相変化量の２倍となり、位相差検出手段(11A,11B,15A,1
5B,51〜54)が検出する位相差(ΔT)の、角速度に対する
感度が高い。

【０００９】本発明の好ましい実施態様では、第１およ
び第２の振動検出手段(6a,7a)は、加振による振動に対
して角速度が作用したとき生じるコリオリカによる振動
の方向に対して、それぞれ所定（θ）分振動方向により
対称な位置の振動子の振動を検出する。これによれば、
第１および第２の振動の検出信号に、加振による振動成
分(D2)が、従来よりも高い割合いで含まれ、これがいわ
ばバイアス成分として作用して検出信号レベルを高くす
る。これにより例えば角速度０のときにも、検出信号レ
ベルは０ではなく、信号処理回路によって摘出されるレ
ベルとなる。したがって０近くの角速度の検出精度が高
くなる。

【００１０】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。

【００１１】

【発明の実施の形態】

【００１２】

【実施例】図１に本発明の一実施例の角速度検出装置の
構成を示し、図１の一部のブロックの詳細な構成を図２
に示し、図１に示すセンサ素子１０の外観を図３に示
す。図１ではセンサ素子１０は、図３の１Ａ−１Ａ線断
面を示している。センサ素子１０の円筒状圧電体２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
周面の略上半分は機器ア−ス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４
５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の内周面には、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。

【００１３】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よりθだけ電極セグメント５ａに近い
位置で相対向する第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よりθだけ電極セグメント５ｂに近い位置で相対
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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。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２Ａ＆点線２Ｂ）、検出電極６ａ，６
ｂ，７ａ，７ｂは、振動の節Ｎp1ａ，Ｎp1ｂ，Ｎp2ａ，
Ｎp2ｂの近くに位置するので、それらと基準電位電極３
ａ，３ｂとの間に現われる電圧は低い。これらの電極が
仮に振動の節（点）にあると電圧は現われないが、節よ
りθだけ、腹（５ａ，５ｂの位置）に近い位置にあるの
で、ある程度の電圧が発生する。

【００１７】円筒状圧電体２が回転すると、例えば図４
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に現
われる電圧が大きくなると共に、該電圧（交流）の位相
がシフトする。この位相シフト量が、円筒状圧電体２に
加わっている回転角速度ωに対応する。従って図１に示
す装置には、検出電極６ａ，６ｂに現われる信号の位相
シフト量を測定する回路が備わっている。時計方向ωの
角速度が加わった場合には、検出電極７ａ，７ｂに現わ
れる信号の位相は角速度に対応して進むが、検出電極６
ａ，６ｂに現われる信号の位相は遅れる。反時計方向の
角速度が加わった場合には逆に、検出電極７ａ，７ｂに
現われる信号の位相は角速度に対応して遅れ、検出電極
６ａ，６ｂに現われる信号の位相は進む。

【００１８】図１を参照して、円筒状圧電体２を励振す
る発振回路について説明する。ＰＬＬ（位相同期ル−
プ）回路２０の２つの入力端子には、それぞれ信号ＳＥ
及びＳＦが印加される。ＰＬＬ回路２０から出力される
信号（三角波）は、疑似正弦波発生回路６０及びロ−パ
スフィルタ内蔵のピエゾドライバ１４を通り、駆動信号
ＳＡとして励振電極５ａ，５ｂに印加される。また駆動
信号ＳＡは、ロ−パスフィルタ１３を介してシュミット
トリガ付のインバ−タ１７に入力される。インバ−タ１
７の出力に得られる二値信号ＳＤは、９０度移相回路４
０を通って信号ＳＥに変換される。信号ＳＥは、信号Ｓ
Ｄに対して位相が９０度遅れた信号である。フィ−ドバ
ック電極４ａ，４ｂに現われる信号は、ロ−パスフィル
タ１２を通り、シュミットトリガ付のインバ−タ１６に
入力される。インバ−タ１６の出力に得られる二値信号
ＳＦが、ＰＬＬ回路２０の一方の入力端子に印加され
る。

【００１９】疑似正弦波発生回路６０は、カウンタ６
１，読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）６２，及びＤ／Ａ変
換器６３を備えている。カウンタ６１は３２進カウンタ
であり、信号ＳＮを計数し、計数値ＳＯを読み出し専用
メモリ６２のアドレス端子に印加する。読み出し専用メ
モリ６２は、正弦波の１周期の波形デ−タを３２種類の
アドレスに記憶している。即ち、１周期を３２等分した
各位相での波形レベルの値が連続する３２個のアドレス
に保持されている。従って、読み出し専用メモリ６２の
アドレス端子に、０，１，２，３，・・・３０，３１，
０と順次にアドレス値を与えることによって、正弦波に
似た波形の１周期分のデ−タが、順次に読み出され、そ
のデ−タがＤ／Ａ変換器６３に印加される。従って、Ｄ
／Ａ変換器６３が出力する信号ＳＰは、図７に示すよう
に疑似正弦波になる。ＰＬＬ回路２０が出力する信号Ｓ
Ｎの３２波毎に、１周期分の疑似正弦波が信号ＳＰに現
われるので、疑似正弦波発生回路６０は、分周器として
も機能する。即ち、信号ＳＰの周期は、信号ＳＮの周期
の３２倍になる。

【００２０】ロ−パスフィルタ１２ならびにピエゾドラ
イバ（ロ−パスフィルタ）１４は、入力信号に含まれる
高調波成分を除去し、基本波（円筒状圧電体２の共振周
波数と一致する周波数の正弦波）成分のみを抽出するも
のである。ロ−パスフィルタ１３は、ロ−パスフィルタ
１２により生じる位相ずれの影響を打ち消すために設け
てある。ロ−パスフィルタ１２，１３及び１４は、円筒
状圧電体２の共振周波数よりも少し高い遮断周波数を有
している。円筒状圧電体２の共振周波数は、温度の変動
などに伴なって多少は変化するが、大きな変化は生じな
いので、ロ−パスフィルタ１２，１３及び１４の遮断周
波数は固定されている。また、疑似正弦波発生回路６０
が出力する信号ＳＰに含まれる高調波成分は非常に少な
いため、ロ−パスフィルタ１４には高調波減衰率が比較
的小さいものが用いられている。従ってピエゾドライバ
１４内のロ−パスフィルタの入出力間に生じる位相変化
は非常に小さい。なお、ピエゾドライバ１４内のロ−パ
スフィルタを省略しても、多少ノイズが増えるだけであ
り、特に問題は生じない。

【００２１】ＰＬＬ回路２０は、図２に示すように、位
相比較器２１，ル−プフィルタ２２及びＶＣＯ（電圧制
御発振器）２３で構成されている。位相比較器２１は、
それの２つの入力端子に入力されるパルス信号間の位相
差に応じたパルス幅のパルス信号を出力する。ル−プフ
ィルタ２２は、位相比較器２１が出力する信号のパルス
幅に応じたアナログ電圧の信号を出力する。この信号が
ＶＣＯ２３に入力される。ＶＣＯ２３は、入力電圧に応
じた周波数の三角波信号を出力する。従って、ＰＬＬ回
路２０は、その２つの入力端子に入力されるパルス信号
間の位相差が零になるように、ＰＬＬ回路２０から出力
される三角波信号の周波数を自動的に調節する。

【００２２】９０度移相回路４０は、図２に示すよう
に、位相比較器４１，ル−プフィルタ４２，ＶＣＯ４
３，分周器４４，フリップフロップ４５及び４６で構成
されている。この中で、位相比較器４１，ル−プフィル
タ４２，ＶＣＯ４３及び分周器４４は、逓倍回路を構成
している。ＰＬＬ回路２０の場合と同様に、位相比較器
４１は、それの２つの入力端子に入力されるパルス信号
間の位相差に応じたパルス幅のパルス信号を出力する。
ル−プフィルタ４２は、位相比較器４１が出力する信号
のパルス幅に応じたアナログ電圧の信号を出力する。こ
の信号がＶＣＯ４３に入力される。ＶＣＯ４３は、入力
電圧に応じた周波数の三角波信号を出力する。ＶＣＯ４
３の出力信号は、分周器４４によって周波数が１／４に
分周されて位相比較器４１の一方の入力端子にフィ−ド
バックされる。従って、この逓倍回路では、９０度移相
回路４０に入力される信号の周波数ｆに対して４倍の周
波数の信号をＶＣＯ４３が出力する時に、位相比較器４
１の２つの入力端子に入力されるパルス信号間の位相差
が零になり、ロックされる。即ち、ＶＣＯ４３の出力信
号の周波数は４・ｆになる。

【００２３】ＶＣＯ４３の出力信号は、フリップフロッ
プ４５及び４６にクロックパルスとして印加される。そ
してフリップフロップ４６の出力端子（Ｑ）には、ＶＣ
Ｏ４３の出力信号Ｓ４３に対してそれの１周期分位相が
遅れ、周期が信号Ｓ４３の４倍の信号Ｓ４２が得られ
る。即ち、９０度移相回路４０の出力信号Ｓ４２は、入
力信号Ｓ４１と周波数が同一で、位相が９０度遅れたも
のになる。９０度移相回路４０における移相量は、入力
信号Ｓ４１の４倍の周波数の１周期分であるため、入力
信号Ｓ４１の周波数が変動する場合であっても、移相量
は常時９０度に維持される。

【００２４】再び図１を参照して説明を続ける。円筒状
圧電体２がそれの共振周波数で振動している時には、フ
ィ−ドバック電極４ａ，４ｂに現われる信号ＳＢは、励
振電極５ａ，５ｂに印加する信号ＳＡに対して９０度の
位相差を有しているが、信号の周波数が共振周波数から
ずれると、位相差が変化する。ＰＬＬ回路２０の一方の
入力端子には励振電極５ａ，５ｂに印加する信号ＳＡを
９０度移相回路４０で９０度遅らせた信号ＳＥが印加さ
れ、ＰＬＬ回路２０の他方の入力端子には、フィ−ドバ
ック電極４ａ，４ｂに現われる信号ＳＢから生成した信
号ＳＦが印加されるので、円筒状圧電体２がそれの共振
周波数で振動している時には、ＰＬＬ回路２０がロック
状態になり、振動周波数は一定であるが、例えば温度変
化によって共振周波数が振動周波数からずれると、ＰＬ
Ｌ回路２０の２つの入力信号の位相がずれるので、その
ずれがなくなるように、ＰＬＬ回路２０が振動周波数を
調節する。従って、円筒状圧電体２は常時それの共振周
波数で振動するように駆動される。

【００２５】ところで、ロ−パスフィルタ１２，１３及
び１４は各々時定数回路であり、入力と出力との間に位
相差が生じる。またこの位相差は、信号の周波数に応じ
て変化する。しかし、ロ−パスフィルタ（ピエゾドライ
バ）１４によって生じる位相ずれは、非常に小さく、し
かも信号ＳＥとＳＦに共通に影響を及ぼす。また、ロ−
パスフィルタ１２によって生じる位相ずれの信号ＳＦに
対する影響と、ロ−パスフィルタ１３によって生じる位
相ずれの信号ＳＥに対する影響とが略同一であるため、
両者の影響はＰＬＬ回路２０に対しては互いに相殺され
る。即ち、ロ−パスフィルタ１２，１３及び１４によっ
て生じる位相ずれは、ＰＬＬ回路２０に実質的に影響を
及ぼさないため、振動周波数が変動しても、円筒状圧電
体２は常時共振状態に維持される。

【００２６】次に、回転角速度を測定する回路について
説明する。円筒状圧電体２の検出電極６ａ，６ｂに現わ
れる信号は、ロ−パスフィルタ１１Ａを通り、シュミッ
トトリガ付のインバ−タ１５Ａに印加され、二値信号Ｓ
Ｇａに変換される。この信号ＳＧａが位相比較回路５１
の一方の入力端子に印加される。また、検出電極７ａ，
７ｂに現われる信号は、ロ−パスフィルタ１１Ｂを通
り、シュミットトリガ付のインバ−タ１５Ｂに印加さ
れ、二値信号ＳＧｂに変換される。この信号ＳＧｂは、
位相比較回路５１の他方の入力端子に印加される。

【００２７】図５および図６に、検出電極６ａ，６ｂ／
７ａ，７ｂと、２値信号ＳＧａ／ＳＧｂ，ＳＨを示す。
図４に示すように時計方向ωの角速度が振動子２に加わ
ったときには、第２組の検出電極７ａ，７ｂに、図５の
（ａ）に実線サイン波で示す電圧が現われ、第１の検出
電極６ａ，６ｂに、図５の（ｂ））に実線サイン波で示
す電圧が現われる。これらの図中に、Ｄ２方向の電圧成
分（一点鎖線細線）および角速度によるＤ４方向の電圧
成分（二点鎖線）をも示した。図１および図４に示すよ
うに、検出電極６ａ，６ｂ／７ａ，７ｂが、励振振動
（Ｄ２）の節点Ｎp1ａ，Ｎp1ｂ／Ｎp1ａ，Ｎp1ｂよりも
θ度だけ腹点（５ａ，５ｂ）側に近いので、検出電極６
ａ，６ｂ／７ａ，７ｂには、Ｄ４方向の電圧成分がかな
り現われ、これと角速度によるＤ４方向の電圧成分の合
成波が、検出電極６ａ，６ｂ／７ａ，７ｂに現われる
（図５の（ａ）および（ｂ）の実線）。

【００２８】時計方向ωの角速度が加わるとき、これに
より発生する電圧成分（Ｄ４方向の電圧成分：二点鎖
線）は、検出電極７ａ，７ｂのものに対して検出電極６
ａ，６ｂのものは大略１８０°（振動の一周期を３６０
°とした場合）の遅れがあるが、時計方向ωの角速度に
よるＤ２方向からＤ４方向への振動のねじれ（位相シフ
ト）に対して、検出電極７ａ，７ｂは前方側、検出電極
６ａ，６ｂは後方側であるので、検出電極７ａ，７ｂの
Ｄ４電圧成分は時計方向ωの角速度により位相が進む
が、検出電極６ａ，６ｂのＤ４電圧成分は位相が遅れ
る。これにより、検出電極７ａ，７ｂに現われる電圧
（図５の（ａ）の実線）と６ａ，６ｂに現われる電圧
（図５の（ｂ）の実線）との間には、両者のそれぞれと
励振電圧（Ｄ２）との位相差（角速度ωに対応する）の
２倍の位相差（ΔＴ）を生ずる。位相比較回路５１が、
この位相差（ΔＴ）の間のみ高レベルＨの信号ＳＨを発
生する。

【００２９】位相比較回路５１の出力信号ＳＨは、ナン
ドゲ−ト５２の一方の入力端子に印加される。ナンドゲ
−ト５２の他方の入力端子には、逓倍回路３０の出力信
号ＳＩが印加される。逓倍回路３０の入力には、分周器
５６の出力信号が印加される。分周器５６の入力端子に
は、前記ＰＬＬ回路２０の出力信号ＳＮが印加される。
またこの信号ＳＮは、カウンタ５５にクロックパルスと
して印加される。カウンタ５５が出力するキャリ−信号
ＳＪは、カウンタ５３のクリア端子及びラッチ５４のク
ロック端子に印加される。ナンドゲ−ト５２の出力信号
ＳＫは、カウンタ５３にクロックパルス（計数信号）と
して印加される。カウンタ５３の計数値ＳＬは、ラッチ
５４の入力端子に印加される。

【００３０】この実施例では、疑似正弦波発生回路６０
は入力信号に対して周期が３２倍の信号を出力する。ま
た分周器５６は、入力信号に対して周期が３１倍の信号
を出力する。また逓倍回路３０は、入力信号に対して周
波数が１０２４倍の信号を出力する。カウンタ５５は、
９９２進カウンタである。従って、信号ＳＡの周期及び
周波数をそれぞれＴ及びｆとすれば、各信号の周期及び
周波数は次の通りである。

【００３１】信号周期周波数ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ：Ｔ，ｆＳＮ：Ｔ／３２，３２ｆＳＪ：３１Ｔ，ｆ／３１ＳＩ： 31Ｔ／(32×1024)， (32×1024)ｆ／31 信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＦ，ＳＧ及びＳ
Ｈのタイミングの例を図６に示す。信号ＳＡとＳＢとの
位相差は、ＰＬＬ回路２０の制御によって常時９０度に
維持される。信号ＳＢ（ＳＦ）と信号ＳＣ（ＳＧ）との
位相差は、円筒状圧電体２に加わる回転角速度に比例し
て変化する。励振電圧ＳＡ（Ｄ２）の周期をＴとし、位
相比較回路５１が出力する信号ＳＨのパルス幅をΔＴと
すれば、ΔＴ／Ｔが、信号ＳＦと信号ＳＧとの位相差、
即ち角速度に比例して変化する。従って、ΔＴ／Ｔを測
定すれば、角速度を示す情報が得られる。

【００３２】逓倍回路３０は、図２に示すように、位相
比較器３１，ル−プフィルタ３２，ＶＣＯ３３及び分周
器３４で構成されている。逓倍回路３０における分周器
３４の分周比は１０２４になっている。従って、逓倍回
路３０の出力には、入力信号の１０２４倍の周波数の信
号が得られる。

【００３３】図６および図７に示すように、信号ＳＨは
周期Ｔ毎にΔＴだけ高レベルＨまたは低レベルＬにな
る。そして信号ＳＨが高レベルＨまたは低レベルＬの期
間に、信号ＳＩのパルスが信号ＳＫに現われる。この信
号ＳＫのパルス数、即ち角速度に対応するΔＴ相当の時
間が、カウンタ５３によって計数される。カウンタ５３
をクリアする信号ＳＪの周期が３１Ｔであるため、カウ
ンタ５３は、３１Ｔの間に、ΔＴ×３１の時間積算値を
計算し、その積算値がラッチ５４に保持され信号ＳＭと
して出力される。この信号ＳＭが角速度デ−タであり、
角速度の値（絶対値）を示す。

【００３４】図１の方向検出回路５７が、信号ＳＧｂが
低レベルＬのときにＳＧａが低レベルＬから高レベルに
立上るときにセットされて出力信号ＳＮを低レベルＬか
ら高レベルＨ（角速度が時計方向）に反転し、信号ＳＧ
ｂがＨのときにＳＧａがＬからＨに立上るとリセットさ
れて出力信号ＳＮを低レベルＬ（角速度が反時計方向）
とするフリップフロップを含み、その出力信号ＳＮが角
速度の方向（時計方向／反時計方向）を示す。

【００３５】ところで、図１に示す回路において、疑似
正弦波発生回路６０の分周比と分周器５６の分周比とを
異なる値に定めているのには特別な理由がある。即ち、
カウンタ５３の計数パルスになる信号ＳＩの周波数を、
円筒状圧電体２の振動周期数（１／Ｔ）の整数倍からず
らすことによって、信号ＳＩの周波数をあまり高くする
ことなく、測定精度を高めることができる。

【００３６】図１に示す回路において、仮に、分周器５
６の分周比を１／３２に変更すると、信号ＳＩの周波数
が１０２４ｆになるので、位相差（ΔＴ／Ｔ）を測定す
る場合の分解能が１／１０２４になり、微妙な角速度の
変化を測定することができない。分解能を高めるため
に、信号ＳＩの周波数を上げると、カウンタ５３等の測
定回路を高速で動作する特殊な回路で構成しなければな
らず、非常に高価になってしまう。

【００３７】図１に示す実際の回路においては、信号Ｓ
Ｉの周波数が(32×1024)ｆ／31であるため、例えば時間
Ｔの間のＳＩのパルス数は３２×１０２４／３１個にな
る。デジタル回路においては通常、パルス数の小数点以
下は切り捨て又は切り上げられるため、それが誤差にな
る。しかし図１の回路では、疑似正弦波発生回路６０と
分周器５６の分周比がずれているため、時間Ｔの中でＳ
Ｉのパルスが現われる位相は、時間とともに少しずつず
れることになり、ある周期においては時間Ｔの中で計数
されるＳＩのパルス数の小数点以下が切り捨てられる
が、別のある周期においては時間Ｔの中で計数されるＳ
Ｉのパルス数の小数点以下が切り上げられる。従って、
複数周期の中で計数したパルス数を平均化すれば、誤差
が低減される。

【００３８】実際には、カウンタ５３の計数周期を定め
る信号ＳＪの周期が３１Ｔであるため、ΔＴに対する時
間の測定が３１回繰り返され、３１Ｔの期間のΔＴの積
算値、即ち切り捨てと切り上げの誤差を平滑化した値
が、カウンタ５３で計数され、それがラッチ５４に保持
される。即ち、３１Ｔの期間のＳＩのパルス数が３２×
１０２４であるため、位相差（ΔＴ／Ｔ）の測定分解能
は、１／(３２×１０２４)になる。従って、疑似正弦波
発生回路６０分周器５６の分周比を同一にする場合と比
べて、分解能が３２倍になる。これにより、信号ＳＪの
周波数が低い場合でも、角速度を高精度で測定しうる。

【００３９】例えば、円筒状圧電体２の振動周波数が８
ＫＨｚの場合に、０.０２度の分解能で位相差を検出す
るためには、一般的な回路では１４４ＭＨｚのクロック
パルスを計数しなければならず、回路の構成が極めて難
しいが、この実施例の場合、クロックパルス（ＳＩ）の
周波数を約４.８ＭＨｚに下げることができるため、回
路構成が非常に簡単になる。

【００４０】なお上記実施例においては、９０度移相回
路４０を用いて、信号ＳＡを９０度シフトした信号をＰ
ＬＬ回路２０の一方の入力に印加しているが、９０度移
相回路４０を介挿する位置を変更し、信号ＳＢを９０度
シフトした信号をＰＬＬ回路２０の他方の入力に印加し
てもよい。

【００４１】以上に説明した実施例においては、振動子
２を加振する電極５ａ（腹点）に関して対称な、第１お
よび第２節点Ｎp1ａ，Ｎp2ａ側の第１電極６ａおよび第
２電極７ａが発生する電圧の位相差ΔＴを、角速度対応
値として検出するので、角速度特に低域の角速度に対す
る感度が高い。

【００４２】また、第１および第２節点Ｎp1ａ，Ｎp2ａ
より所定角度θ分腹点（５ａ）側の位置に第１電極６ａ
および第２電極７ａを配置しているので、これらの電極
が発生する電圧に、電極５ａによる加振の振動成分Ｄ２
（ＳＡ）が、従来よりも高い割合いで含まれ、これがい
わばバイアス成分として作用して、電極６ａ，７ａの検
出電圧レベルを高くする。これらの検出電圧が時定数回
路を有するル−プフィルタ１１Ａ，１１Ｂに与えられる
が、電圧レベルが高いので、角速度成分（Ｄ４）が低く
ても（角速度が低くても）それがフィルタ１１Ａ，１１
Ｂで消失してしまうことがなく、位相差ΔＴの検出（１
５Ａ，１５Ｂ，５１）に反映される。これにより０近く
の角速度の検出精度が高くなる。

【００４３】なお、ずらし角θを大きくするに従がい、
図９に示すように、励振振動成分（図５のＤ２電圧成
分）の検出感度は上昇するが、角速度対応成分（図５の
Ｄ４対応成分）の検出感度は低下する。なお図９は計算
値であり、その縦軸は、角速度対応成分に関しては、節
点Ｎｐ２ａに電極７ａを配置したときに電極７ａに発生
する電圧（ピ−ク値）に対する、電極７ａをθ分ずらし
たときに電極７ａに発生する電圧（ピ−ク値）の比、す
なわち正規化レベルを示す。励振振動成分に関しては、
電極７ａが５ａの位置にあるときに電極７ａに発生する
電圧を１と正規化した場合の、電極７ａをθ分ずらした
ときに発生する電圧の正規化値を示す。略、θ＝３°以
内では、角速度対応成分に対する感度低下は僅少である
が、励振振動成分に対する感度上昇が比較的に大きく、
例えばθ＝３°で、励振電圧ＳＡの略０．１（１０％）
の励振振動成分が電極７ａに現われ、これが角速度対応
成分を大きくバイアスするので、角速度対応成分が励振
振動成分との合成波となってロ−パスフィルタ１１Ｂを
通過してシュミットトリガ付のインバ−タ１５Ｂに加わ
る。したがってインバ−タ１５Ｂの出力信号ＳＧｂは、
角速度による遅れを含むパルスとなる。電極６ａに関し
ても同様であるので、結局、０近くの角速度の検出精度
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】図１に示す装置の一部のブロックの詳細な構
成を示すブロック図である。

【図３】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４】図１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５】図１に示す電極６ａ，６ｂ／７ａ，７ｂに発
生する電圧と発生電圧に含まれる成分を示すタイムチヤ
−トである。

【図６】図１の回路各部の信号の例を示すタイムチャ
−トである。

【図７】図１の回路各部の信号の例を示すタイムチャ
−トである。

【図８】図１の回路各部の信号の例を示すタイムチャ
−トである。

【図９】図１に示す電極７ａのずらし角θと、該ずら
し角θで電極７ａが発生する電圧の正規化値の関係（計
算値）を示すグラフである。

【符号の説明】

１：素子台２：円筒状圧電体３：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１２，１３：ロ−パス
フィルタ１４：ピエゾドライバ１６，１７：インバ−
タ１８，５６：分周器２０：ＰＬＬ回路３０：逓倍回路２１，３１，４１：位
相比較器２２，３２，４２：ル−プフィルタ２３，３３，４３：ＶＣＯ（電圧制御発振器）３４，４４，５６：分周器４０：９０度移相回路４５，４６：フリップフロップ５１：位相比較回路５２：ナンドゲ−ト５３，５５：カウンタ５４：ラッチ６０，６０Ｂ：疑似正
弦波発生回路６１，６１Ｂ：カウンタ６２，６２Ｂ：読み出
し専用メモリ６３：Ｄ／Ａ変換器７１：分周器ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＦ，ＳＧ，ＳＨ，Ｓ
Ｉ，ＳＪ，ＳＫ，ＳＬ，ＳＭ，ＳＮ，ＳＯ，ＳＰ，Ｓ
Ｑ，Ｓ４１，Ｓ４２，Ｓ４３：信号

───────────────────────────────────────────────────── 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

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子；該振動子を加振する励振手段；該
加振による振動の方向に関して対称な、角速度により発
生するコリオリカによる振動方向の振動を検出する第１
および第２の振動検出手段；および、第１および第２の
振動検出手段が検出した振動の位相差を検出する手段；
を備える角速度検出装置。
【請求項２】第１および第２の振動検出手段は、振動子
のコリオリカにより引き起こされる第１および第２の腹
点よりそれぞれ所定分加振による振動方向の位置の振動
子の振動を検出する、請求項１記載の角速度検出装置。