JPH09250930A

JPH09250930A - 角速度検出装置

Info

Publication number: JPH09250930A
Application number: JP8059237A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kobayashi; 林聡宏小; Takeshi Okumura; 村健奥; Katsuyoshi Mizumoto; 元克芳水
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1997-09-22

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。【解決手段】圧電振動子２の振動の節点に装着された
検出電極６ａ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、振動子側から見た、励振電極５ａおよび
励振回路２６のインピ−ダンスと、検出電極６ａおよび
位相差検出回路(13,14)のインピ−ダンスを、加振系の
共振周波数と検出系の共振周波数とが所定(Δf)以上異
なるように、相対的に異った値としたことを特徴する。
検出電極を励振電極５ａに関して対称に配置された一対
６ａ，７ｂａとし、それらに接続された増幅器１３，１
４の終端抵抗Ｒｅの値で、共振周波数に差を付ける。

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、圧
電振動子を加振し該加振による振動速度に対して角速度
が作用したときに生じる振動を検出し、検出した振動に
基づいて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、圧電振動子
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。

【０００６】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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】圧電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。

【０００８】図４を参照すると、センサ素子１０の円筒
状圧電体２（圧電振動子）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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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、振動の節近傍に位置するので、それ
らと基準電位電極３ａ，３ｂとの間の電圧は実質上小さ
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。

【００１６】そこで本発明は、圧電振動子(2)，該圧電
振動子(2)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)，前記圧電振動子(2)の、
該加振による振動の節点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(6a,6b/7a,7
b)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、前記圧電振動子側から見た、励振電極(5a,5b)およ
びそれに接続された励振回路(26)のインピ−ダンスと、
振動検出電極(6a,6b/7a,7b)およびそれに接続された位
相差検出回路(13,14)のインピ−ダンスを、前記加振系
の共振周波数と前記振動検出系の共振周波数とが所定
(Δf)以上異なるように、相対的に異った値としたこと
を特徴する。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。

【００１７】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所定(Δf)以上異なるので、例
えば加振系の振動をフィ−ドバック制御により正確に固
有振動数に合せる場合、振動検出系の共振周波数と第１
及び第２検出系の共振周波数を所定(Δf)分ずらすよう
に、振動検出電極(6a,6b/7a,7b)およびそれに接続され
た位相差検出回路(13,14)のインピ−ダンスを設定する
ことにより、位相ずれに基づいた角速度検出が実現す
る。

【００１８】Ｄ２方向（加振系）とＤ３，Ｄ４方向（検
出系）とで振動子(2)の剛性，質量もしくは両者を変え
ることで、モ−ドＩ（加振系）とモ−ドII（検出系）の
共振周波数に差を生ずるが、圧電振動子(2)の電極に接
合された回路のインピ−ダンスにより該電極に関する圧
電振動子(2)の充放電時定数が変わり、これが共振周波
数に変化をもたらす。これは振動子(2)自身の機械的剛
性の変化といわば等価である。しかし、圧電振動子(2)
自身には格別な加工を施すことなく、電気回路素子の電
気値を調整するのみで実現するので、実施が容易であ
り、加振系の共振周波数と振動検出系の共振周波数との
差の調整が容易である。

【００１９】本発明の好ましい実施態様では、振動検出
電極(6a,6b/7a,7b)は、励振電極(5a,5b)に関して対称に
配置された第１の検出電極(6a,6b)および第２の検出電
極(7a,7b)を含み、位相差検出回路(13,14,23,24,31〜3
3)は、各検出電極(6a,6b/7a,7b)が発生する電圧を増幅
する第１の増幅器(13)および第２の増幅器(14)ならびに
これらの出力信号の位相差(ΔT)を表わす信号(SH)を発
生する比較手段(23,24,41)を含み、前記圧電振動子(2)
側から見た第１および第２の増幅器(13,14)の終端抵抗
値(Re)が実質上同一である。

【００２０】これによれば、角速度ωが加わると、第１
および第２の増幅器(13,14)の出力信号の励振電圧に対
する位相が、一方は遅れ他方は進むようにシフトし、両
出力信号の位相差が、角速度ωが加わることによるそれ
ぞれの位相ずれの２倍となる。したがって角速度ωの検
出精度、特に低域の角速度ωの検出精度が向上する。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。

【００２１】

【発明の実施の形態】

【００２２】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す。そこに示す
円筒状圧電体２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、増幅回路１１が接続され
ており、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に印加される。ＦＢ２が回路２
１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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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、増幅回路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。

【００２８】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。

【００２９】ところで、センサ素子１０の振動特性は、
特定の共振周波数（固有振動数）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３６０度から外れ発振が生じない。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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はロ−パス
フィルタ機能があり、高周波（高調波）を遮断する。９
０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，５
ｂ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。

【００４２】フィ−ドバック電極４ａ，４ｂには積分回
路１１が接続されており、これもロ−パスフィルタ機能
があり、高周波（高調波）を遮断する。フィ−ドバック
電極４ａ，４ｂも、この積分回路１１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積分回路
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を固有振動数で加振
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はその固有振動数（７５６６Ｈｚ）
で、効率良く加振される。

【００４３】増幅器１３および１４は同一構造，同一特
性のものであり、これらもロ−パスフィルタ機能があ
り、高周波（高調波）を遮断する。検出電極６ａ，６ｂ
／７ａ，７ｂが、これらの増幅器１３，１４の抵抗Ｒｅ
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、検出電極６ａ，６ｂ／７ａ，７ｂならび
にそれらに接続された増幅器１３／１４のインピ−ダン
スは、実質上抵抗Ｒｅの抵抗値に相当するものである。
これらの検出系（Ｄ３，Ｄ４方向）の共振周波数と、抵
抗Ｒｅの抵抗値との関係を図８に示す。

【００４４】図８上で、共振周波数７５６６Ｈｚが、こ
の例では円筒状圧電体２の固有振動数であり、抵抗Ｒｅ
の抵抗値が略１００Ω以下で、検出系（Ｄ３，Ｄ４方
向）の共振周波数が円筒状圧電体２の固有振動数に実質
上合致する。しかし、抵抗Ｒｅの抵抗値を１００Ωより
高くするにつれて、検出系（Ｄ３，Ｄ４方向）の共振周
波数が次第に上昇し、固有振動数との差（Ｄ１，Ｄ２方
向の共振周波数との差）が大きくなり、抵抗Ｒｅの抵抗
値を１ＭΩにすると、この差Δｆ≒１３Ｈｚとなる。

【００４５】図９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９
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。

【００４６】したがってこの実施例では、増幅器１３お
よび１４の抵抗Ｒｅの抵抗値を１ＭΩとし、検出系（Ｄ
３，Ｄ４方向）の共振周波数を、加振系（Ｄ１，Ｄ２方
向）の共振周波数（固有振動数）より、Δｆ≒１３Ｈｚ
分高い値に設定した。

【００４７】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ＳＳ１，ＳＳ２の内
ＳＳ１のみ高レベルＨの時は高レベルＨを、ＳＳ２のみ
高レベルＨの時は低レベルＬを、両者がいずれも高レベ
ルＨまたは低レベルＬのときは基準（中間）電位Ｍを発
生して平滑回路３１に与える。

【００４８】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には励振方向の振動成分のみが表れ
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（ＤＶ
１，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の一方は正の
位相ずれを生じ、他方は負の位相ずれを生じる。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。

【００４９】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。

【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に示す増幅器１３の抵抗Ｒｅの値と、図
１に示す円筒状圧電体２のＤ３方向の共振周波数との関
係を示すグラフである。

【図９】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。

【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１１：積分回路１２〜１４：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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子、該振動子を加振するための励振手
段、これに励振電圧を与える励振回路、前記振動子の加
振による振動方向の腹点もしくはその近傍に装着された
加振状態を検出する第１の振動検出手段、該振動検出手
段に現れる信号を検出する信号検出回路、前記振動子の
加振による角速度が作用したときに生ずるコリオリ力に
よって発生する振動の腹点もしくはその近傍に装着され
た第２の振動検出手段、該振動検出手段に現れる信号を
検出する信号検出回路、前記信号検出回路からの出力の
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、前記振動子側から見た、励振手段およびそれに接続され
た励振回路および第１の振動検出手段のインピーダンス
と、第２の振動検出手段およびそれに接続された信号検
出回路のインピーダンスを、前記加振系の共振周波数と
前記振動検出系の共振周波数とが所定以上異なるよう
に、相対的に異なった値としたことを特徴とする角速度
検出装置。
【請求項２】前記第２の振動検出手段は、前記励振手段
に関して前記第１の振動検出手段と加振方向に対して対
称に配置された検出電極を含み、前記位相差検出回路は
前記各振動検出手段が発生する電圧を増幅する第１およ
び第２の増幅器ならびにこれらの出力信号の位相差を表
す信号を発生する比較手段を含み、前記振動子側から見
た前記第１および第２の増幅器の終端抵抗値が実質上同
一である、請求項１記載の角速度検出装置。