JPH1019576A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出感度の高い振動型角速度検出装置を提供
すること。 【解決手段】 振動子として、ＸＹＺ三次元座標空間
のＸＹ平面上で同じ長さの２本の振動片が＋Ｙの向きに
互いに平行に突出する第１音叉と、同じ長さの２本の振
動片が−Ｙの向きに互いに平行に突出する第２音叉と、
この第２音叉の根本中央部と前記第１音叉の根本中央部
とを連結するＹ方向に延びる連結棒とを備え、第１音叉
のＸ方向固有振動数と第２音叉のＸ方向固有振動数とが
異なり、連結棒の中心軸を回転軸とする第１音叉のねじ
り回転慣性モーメントと第２音叉のねじり回転慣性モー
メントとを略等しくしたものを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステムや姿勢制御などに用いられる角速度検出
装置に関するものであり、特に、振動型の角速度検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、振動体に回転を加えるとコリ
オリの力によって回転角速度に応じた新たな振動が発生
することを利用した振動型角速度検出装置が知られてい
る。その中でも、２つの音叉を互いに逆向きに結合し、
一方の音叉を励振すると共に他方の音叉の振動を検出す
るタイプが検出効率の高いものの一つとして考えられて
いる。特開平７−１１３６４５号公報の図１２には、こ
の種の振動子の一例が開示されている。この従来の振動
子は、２つの音叉の励振方向の固有振動数を等しくして
励振方向の振動を検出用音叉に伝達し、回転角速度に応
じて検出用音叉に生じる励振方向に垂直な方向（検出方
向）の振動を検出するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の振
動子によれば、回転角速度に応じて励振用音叉に生じた
検出方向振動も検出用音叉に伝達され、検出用音叉自身
の検出方向振動と干渉を起こし、検出精度の低下を招く
おそれがあった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の角速度
検出装置は、振動子として、ＸＹＺ三次元座標空間のＸ
Ｙ平面上で同じ長さの２本の振動片が＋Ｙの向きに互い
に平行に突出する第１音叉と、同じ長さの２本の振動片
が−Ｙの向きに互いに平行に突出する第２音叉と、この
第２音叉の根本中央部と前記第１音叉の根本中央部とを
連結するＹ方向に延びる連結棒とを備え、第１音叉のＸ
方向固有振動数と第２音叉のＸ方向固有振動数とが異な
り、連結棒の中心軸を回転軸とする第１音叉のねじり回
転慣性モーメントと第２音叉のねじり回転慣性モーメン
トとを略等しくしたものを用いている。

【０００５】この振動子によれば、第１音叉のＸ方向固
有振動数と第２音叉のＸ方向固有振動数とが異なるの
で、第１または第２音叉のいずれか一方をＸ方向に励振
したとき、その励振振動は他方の音叉に伝達されない。
一方、２本の振動片が互いに逆相でＸ方向に励振された
音叉が角速度ωでＹ方向の軸を中心に回転すると、コリ
オリの力により２本の振動片が互いに逆相でＺ方向に振
動する。この振動は連結棒をねじるように働くねじり振
動となるが、連結棒の中心軸を回転軸とする第１音叉の
ねじり回転慣性モーメントと第２音叉のねじり回転慣性
モーメントとを略等しくしているので、効率よく他方の
音叉に伝達される。他方の音叉に伝達されたねじり振動
は２本の振動片を互いに逆相でＺ方向に振動させ、検出
手段がこの振動を検出する。

【０００６】励振用音叉の振動片間隔を検出用音叉の振
動片間隔よりも大きくし、検出用音叉の振動片長を励振
用音叉の振動片長よりも長くすれば、両音叉のＸ方向固
有振動数を異ならせつつ回転慣性モーメントを略等しく
することが容易に達成できるだけでなく、検出用音叉の
振動片のＺ方向振幅を大きくすることができる。したが
って、検出感度を大きくすることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
角速度検出装置に用いられる振動子を示す斜視図であ
る。振動子１は第１音叉２と第２音叉６を備える。第１
音叉２はＸ方向に長い音叉基部５から＋Ｙの向きに延び
る長さＬ１の２本の振動片３および４を有する。第２音
叉６はＸ方向に長い音叉基部９から−Ｙの向きに延びる
長さＬ２の２本の振動片７および８を有する。長さＬ２
は長さＬ１よりも長く設定されている。また、振動片７
および８の間隔（内側の壁同士の間隔）Ｗ２は、振動片
３および４の内壁間隔Ｗ１よりも小さな値に設定されて
いる。音叉基部５と９はＹ方向に長い連結棒１０で連結
されており、連結棒１０には、その中央部から＋Ｘおよ
び−Ｘの向きにそれぞれ延びる腕１１および１３が設け
られており、腕１１および１３の先端には音叉２および
６を被検出体から浮かせて固定するための固定板１２お
よび１４が設けられている。振動子１を構成するこれら
の各要素は、水晶の単結晶基板をエッチング技術により
形抜きすることにより一体形成されている。

【０００８】ここで、水晶の結晶軸について簡単に説明
する。天然の水晶は、一般に柱状結晶であり、この柱状
結晶の縦方向の中心軸すなわち＜０００１＞結晶軸はＺ
軸または光軸と規定され、Ｚ軸を通り柱状結晶の各表面
に垂直に交わる線はＹ軸または機械軸と規定される。ま
た、Ｚ軸を通りこの柱状結晶の縦方向の稜線と直交する
線はＸ軸または電気軸と規定される。

【０００９】振動子１に用いられている単結晶基板はＺ
板と呼ばれる基板であり、Ｚ軸に垂直ないし略垂直な面
で切り出された単結晶基板である。したがって、本実施
形態においては、結晶方位のＺ軸と、図面上の振動子１
の配置方向を示すＺ軸とは一致している。また、水晶の
Ｘ軸およびＹ軸は互いに直交するものが３組あり、その
うちの一組と図面上の振動子１の配置方向を示すＸ軸お
よびＹ軸とが一致している。振動子１に用いられる水晶
は、人工水晶であるがその構造は天然の水晶と同じであ
る。

【００１０】第１音叉２は本実施形態では励振用音叉と
して用いられる。ハッチングで示した電極に後述する励
振回路から励振信号が与えられると、振動片３および４
は、白抜きの矢印１６Ａおよび１６Ｂで示すようにＸ方
向に互いに逆相で振動する。なお、励振周波数は、第１
音叉２のＸ方向の固有振動数ｆ_X1 にできるだけ近い値
にして共振させることがエネルギ効率の点から望まし
い。

【００１１】第２音叉６はＺ方向の振動を検出する検出
用音叉として用いられる。振動片７および８の長さＬ２
を第１音叉２の振動片３および４の長さＬ１よりも長く
することにより、Ｘ方向の固有振動数ｆ_X2が第１音叉２
のＸ方向の固有振動数ｆ_X1よりも小さい値に設定されて
いる。したがって、第１音叉２に生じている固有振動数
ｆ_X1 に近い値の励振振動が連結棒１０を介して伝達さ
れることがほとんどない。振動片７および８のＺ方向の
振動は、後述するようにＹ方向の軸を中心とする回転に
伴って第１音叉２に発生したＺ方向の振動がねじり振動
となって伝達されたものである。このねじり振動の伝達
は、連結棒１０の中心軸１５を回転軸とする第１音叉２
のねじり回転慣性モーメントと第２音叉６のねじり回転
慣性モーメントとがほぼ等しくなっているので、効率よ
く少ないロスで為される。

【００１２】つぎに、第１音叉２を励振し、第２音叉６
の振動を検出し、検出された振動から角速度演算を行う
処理回路について説明する。図２は励振回路５０、検出
回路６０および角速度演算回路７０を示すと共に、これ
らの回路と振動片３、４、７および８に設けられた電極
との接続関係を示すブロック図である。なお、同図に示
した振動片３および４は図１のＩＩ１−ＩＩ１断面を示
したものであり、振動片７および８は図１のＩＩ２−Ｉ
Ｉ２断面を示したものである。振動片４には、それぞれ
上面、下面および側面の４つの面に電極２１〜２４が音
叉基部５との結合部から先端部に向かって、すなわち＋
Ｙの向きに延在している。振動片３にも同様の電極３１
〜３４が設けられている。一方、第２音叉６の振動片８
には、矩形断面の４つの角部すなわち稜線部をそれぞれ
が覆うように、４つの電極２５〜２８が音叉基部９との
結合部から先端部に向かって、すなわち−Ｙの向きに延
在している。振動片７にも同様の電極３５〜３８が設け
られている。各電極は、クロムと金の２層構造となって
おり、振動子１の表面にこれらの金属を蒸着した後に、
フォトリソグラフィ技術を用いて適宜分離すると共に所
望の形状にパターニングすることにより得られる。ま
た、各電極は固定板１２および１４に設けられている図
示を省略したボンディングパッドのいずれかと電気的に
接続され、そこからさらに後述する信号処理回路に接続
される。振動片上の各電極とボンディングパッドとの間
の配線は、図示していないが腕１１および１３の表面に
膜形成技術により設けらている。

【００１３】励振回路５０は、電流電圧変換回路５１と
自動利得制御回路５２と駆動回路５３とを備えており、
検出回路６０は、電流電圧変換回路６１および６２と差
動増幅回路６３と同期検波回路６４とを備えている。

【００１４】駆動回路５３は、自動利得制御回路５２の
出力電圧値に応じた振幅で所定の繰り返し周波数のパル
ス波を励振信号として出力するとともに、その出力信号
と９０度位相のずれた信号を同期検波回路６４の検波信
号として出力する回路であり、その出力端子は端子５４
を介して第１音叉２の振動片４の側面の電極２２、２４
と振動片３の上下面の電極３１、３３に共通に接続され
ている。第１音叉２の振動片４および３の残りの電極２
１、２３、３２、３４は、互いに共通に端子５５を介し
て電流電圧変換回路５１の入力端子に接続されることに
より、駆動回路５３が出力するパルス波の中間電位に固
定される。

【００１５】図３は、この励振回路５０による第１音叉
２の振動片の励振動作を説明するものであり、同図
（ａ）は振動片４をＺＸ平面で切った断面図であり、図
２に示すものと同等の図である。また、図３（ｂ）は振
動片４の屈曲動作を示した斜視図である。上述したよう
に、電極２１と２３が共通に端子５５に接続され、電極
２２と２４が共通に端子５４に接続されているので、駆
動回路５３の出力パルスがローレベルであると、図３
（ａ）に示すような電圧、すなわち電極２２および２４
には相対的に負の電圧が、電極２１および２３には正の
電圧がそれぞれ各電極に与えられる。駆動回路５３の出
力パルスがハイレベルであれば、その逆の極性が与えら
れる。

【００１６】いま、図３（ａ）のような電圧が印加され
ている状態を考えると、振動片４の内部には矢印９１か
ら９４で示したような電界が与えられることになる。一
方、水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、圧電
効果に影響を与える有効電界は矢印９５および９６とな
る。水晶の結晶は逆圧電効果により、Ｘ軸の正の向きに
電界が与えられるとＹ軸方向に伸び、Ｘ軸の負の向きに
電界が与えらるとＹ軸方向に縮む。したがって、図３
（ａ）の状態では、振動片４の電極２４側が縮み、電極
２２側が伸びるため、振動片４は電極２４を内側にして
屈曲する。電極２１から２４に対する印加電圧の極性が
逆転すると、同様の原理により振動片４は電極２２を内
側にして屈曲する。したがって、振動片４の一端を固定
して駆動回路５３から所定周波数のパルス信号を電極２
１、２３に印加すると、振動片４は図３（ｂ）に示すよ
うにＸ方向に振動する。

【００１７】なお、本実施形態では、図２に示すように
振動片４の上下の電極２１および２３と振動片３の左右
の電極３２および３４とを共通に接続し、振動片４の左
右の電極２２および２４と振動片３の上下の電極３１お
よび３３とを共通に接続しているので、振動片３と４
は、Ｘ方向に互いに逆相で振動する。第１音叉２の振動
片３と４のＸ方向の振動情報は、電流電圧変換回路５１
および自動利得制御回路５２を介してフィードバックさ
れる。電流電圧変換回路５１は、振動片３および４の屈
曲に伴う圧電効果によって電極２１、２３、３２、３４
に発生した電荷の変化量を電圧値に変換する回路であ
る。

【００１８】自動利得制御回路５２は、電流電圧変換回
路５１から出力された電圧信号を入力し、その入力電圧
値が大きくなると出力電圧値を小さくし、入力電圧値が
小さくなると出力電圧値が大きくなるように動作する。
したがって、振動片３および４の振動振幅が大きくなれ
ば、電極２１、２３、３２、３４に発生する電荷も大き
くなり、電流電圧変換回路５１の出力電圧も大きくな
る。これによって、自動利得制御回路５２の出力電圧値
は低くなり、駆動回路５３の出力パルスの振幅は小さく
なる。このように、駆動回路５３から出力されるパルス
信号の振幅はフィードバック制御され、第１振動片１２
および１３の振動振幅は常に安定する。

【００１９】つぎに、図４を用いて、第２音叉６の振動
片のＺ方向の振動を検出する検出回路６０を説明する。
第２音叉６の振動片８が図４（ｂ）に示すようにＺ方向
に振動して、＋Ｚの向きに屈曲すると、振動片８の上側
の半分がＹ方向に縮み、下側の半分がＹ方向に伸びる。
水晶の圧電効果により、Ｙ方向に縮むとＸ方向の誘電分
極が生じ、Ｙ方向に伸びると逆向きのＸ方向の誘電分極
が生じる。そして、誘電分極の強さは伸縮の大きさに依
存するので上面または下面において強く現れ、中間部に
向かうほど弱い。したがって、誘電分極は振動片８の４
つの角部に集中して現れ、この誘電分極によって角部に
設けられた各電極２５〜２８には図示のような正または
負の電荷が集まる。つまり、電極２５と２７が同じ極性
となり、これらの極性が電極２６と２８の極性と逆にな
る。振動片８が下側に振れると、同様の原理に基づいて
上述したものと全く逆の極性が現れる。

【００２０】検出回路６０は、このようにして発生した
振動片８の各電極における電荷の変化量を検出し、振動
片８の振動振幅に応じた信号を出力する。本実施形態で
は、第１音叉２の振動片３および４をＸ方向に互いに逆
相で励振し、振動子１が回転したときに生じるコリオリ
の力により第１音叉２に軸１５を中心とするねじり振動
を発生させ、これを第２音叉６に伝達するものである。
ねじり振動は矢印１９および２０で示すように第１音叉
２から第２音叉６へ互いに逆相で伝達し、第１音叉２の
振動片３および４がそれぞれ矢印１７Ａおよび１７Ｂで
示すように振れたときには第２音叉６の振動片７および
８はそれぞれ矢印１８Ａおよび１８Ｂで示すようにＺ方
向に互いに逆相で振れる。なお、この第２音叉６の振動
片７および８のＺ方向の振動は、振動子１が回転したと
きに生じるコリオリの力に基づいて発生したものだけで
なく、第１音叉２の振動片３および４のＸ方向励振振動
がＺ方向振動として漏れた成分も含まれた合成振動であ
る。コリオリの力に基づくＺ方向振動の発生メカニズム
の詳細については後述するが、いずれにしろＺ方向に関
して左右逆相の振動が発生するので、図２に示すように
第２音叉６の振動片８の電極２５と２８に対してこれら
と面対称の位置にある振動片７の電極３６と３７が共通
に接続され、さらに検出回路６０の端子６５に接続され
ている。そして、残りの電極２６、２７、３５、３８が
共通に検出回路６０の端子６６に接続されている。

【００２１】電流電圧変換回路６１は電極２５、２８、
３６、３７での電荷の変化量を増幅して電圧値に変換す
る回路であり、電流電圧変換回路６２は電極２６、２
７、３５、３８での電荷の変化量を増幅して電圧値に変
換する回路である。作動増幅回路６３は電流電圧変換回
路６１および６２のそれぞれの出力信号を入力し、両信
号の電位差を増幅する回路であり、この出力信号の振幅
変化は第２音叉６の振動片７および８の振動振幅変化に
比例している。

【００２２】同期検波回路６４は作動増幅回路６３から
出力された交流電圧信号を駆動回路５３からの励振信号
に対して９０度位相のずれたパルス信号を検波信号とし
て用いて同期検波を行った後、積分処理を行うものであ
り、通常の同期検波回路に積分回路が付加された回路で
ある。Ｘ励振の漏れによるＺ方向振動は励振と同相であ
り、コリオリの力によるＺ方向の振動は励振に対して９
０度位相がずれているため、同期検波および積分によ
り、前者は常に零の値となり、後者は全波整流の積分値
となる。すなわち、同期検波回路６４の出力信号電圧
は、第２音叉６の振動片７および８のコリオリの力によ
るＺ方向の振動振幅を示している。

【００２３】角速度演算回路７０は、第２音叉６の振動
片７および８の振動振幅を示す検出回路６０の出力信号
に基づいて、振動子１のＹ軸に平行な軸を中心とする回
転角速度を後述する角速度とコリオリの力との関係式を
基にして算出する回路である。

【００２４】次に、以上のように構成された角速度検出
装置の動作を説明する。励振回路５０は、第１音叉２の
振動片３および４のＸ方向の固有振動数ｆ_X1に一致した
周波数の励振信号を駆動回路５３から出力する。これに
より第１音叉２の振動片３および４は逆圧電効果によ
り、矢印１６Ａおよび１６Ｂで示すようにＸ方向に互い
に逆相で固有振動数ｆ_X1で振動する。

【００２５】この状態で、振動子１がＹ軸に平行な軸
（Ｙ軸を含む）を中心として角速度ωで回転すると、第
１音叉２の振動片３および４には、Ｆ＝２ｍＶ・ωで表
されるコリオリの力ＦがＺ方向に発生する。ここに、ｍ
は振動片の質量、Ｖは振動速度である。このコリオリの
力Ｆの発生によって、振動片３および４はＸ方向の振動
に対して９０度位相がずれてＺ方向に振動する。つま
り、振動片３および４は、矢印１７Ａおよび１７Ｂで示
すように、Ｚ方向についても励振周波数で互いに逆相で
振動する。

【００２６】この振動片３および４の逆相Ｚ方向振動
は、連結棒１０を軸１５を中心軸とするねじり振動とな
る。このねじり振動は第２音叉６に逆相のねじり振動と
して伝達される。これにより、４本の振動片がＺ方向に
ついて上下左右逆相で振動する。中心軸１５を回転軸と
する第１音叉２のねじり回転慣性モーメントと第２音叉
６のねじり回転慣性モーメントは略等しくなっているの
で、ねじり振動は効率よく第１音叉２から第２音叉６へ
伝達される。しかも、第２音叉６の振動片間隔Ｗ２が第
１音叉２の振動片間隔Ｗ１よりも小さい値となっている
ので、第２音叉６の振動片７および８のＺ方向振幅を大
きくすることができ、検出感度を大きくすることができ
る。

【００２７】なお、第１音叉２に与えられるＸ方向励振
が同相のＺ方向の励振として漏れ、この振動も第２音叉
６に伝達されるが、上述したように検出回路６０では、
第２音叉６の振動片７および８のＺ方向振動のうちコリ
オリの力による振動のみを選択的検出するので、この漏
れ振動は無視してよい。

【００２８】本実施形態では、振動子１を圧電材料であ
る水晶で構成したが、非圧電材料たとえば、ジュラルミ
ンのような軽合金で構成してもよい。その場合には、励
振用音叉の振動片に励振用圧電素子を設け、検出用音叉
の振動片に検出用圧電素子を設けることが必要である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の角速度検
出装置によれば、振動子として励振用音叉と検出用音叉
を別々に備え、検出用音叉のＸ方向固有振動数と励振用
音叉のＸ方向固有振動数とを異なるものとしているの
で、励振振動が検出用音叉に伝達されない。したがっ
て、検出用音叉では回転によって発生したコリオリの力
に基づく振動のみを純粋に検出できる。したがって、高
い感度の角速度検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である角速度検出装置の振
動子を示す図。

【図２】第１実施形態の角速度検出装置に用いられる励
振回路５０、検出回路６０および角速度演算回路７０を
示すと共に、これらの回路と振動片に設けられた電極と
の接続関係を示すブロック図。

【図３】第１音叉２の振動片における逆圧電効果を説明
するための図。

【図４】第２音叉６の振動片における圧電効果を説明す
るための図。

【符号の説明】

１…振動子、２…第１音叉、３、４、７および８…振動
片、６…第２音叉、１０…連結棒、２１〜２８、３１〜
３８…電極、５０…励振回路、６０…検出回路、７０…
角速度演算回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子と、この振動子を励振する励振手
   段と、この励振手段により励振された前記振動子が回転
   することに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の
   振幅を検出する検出手段と、この検出手段により検出さ
   れた振幅の大きさから前記回転の角速度を演算する角速
   度演算手段とを備えた角速度検出装置において、 前記振動子は、ＸＹＺ三次元座標空間において、ＸＹ平
   面上で同じ長さの２本の振動片が＋Ｙの向きに互いに平
   行に突出する第１音叉と、同じ長さの２本の振動片が−
   Ｙの向きに互いに平行に突出する第２音叉と、この第２
   音叉の根本中央部と前記第１音叉の根本中央部とを連結
   するＹ方向に延びる連結棒とを備え、前記第１音叉のＸ
   方向固有振動数と前記第２音叉のＸ方向固有振動数とが
   異なり、前記連結棒の中心軸を回転軸とする前記第１音
   叉のねじり回転慣性モーメントと前記第２音叉のねじり
   回転慣性モーメントとを略等しくしたことを特徴とする
   角速度検出装置。
2. 【請求項２】 前記第１音叉の振動片の長さＬ１が前記
   第２音叉の振動片の長さＬ２よりも短く、前記第１音叉
   の振動片の間隔Ｗ１が前記第２音叉の振動片の間隔Ｗ２
   よりも大きく、前記前記励振手段は前記第１音叉の２本
   の振動片を互いに逆相でＸ方向に励振するものであり、
   前記検出手段は前記第２音叉のＺ方向の振動を検出する
   ものであることを特徴とする請求項１に記載の角速度検
   出装置。