JPH10318755A - 加速度角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一の振動子で角速度および互いに直交する
２方向の加速度を検出する加速度角速度センサを提供す
ること。 【解決手段】 振動子と、振動子を励振する励振手段
と、振動子の振動を検出する検出手段とを備えた加速度
角速度センサであって、振動子は、ＸＹＺ三次元直交座
標空間においてＹ方向に延びる四角柱形状の第１振動片
と、この第１振動片と同一形状であって第１振動片と平
行に並んで配置された第２振動片と、ＸＹ平面上で第１
振動片と第２振動片とを連結する振動子基体とを有し、
励振手段は第１振動片および第２振動片をＸ方向に互い
に逆相で振動させるものであり、検出手段は、第１およ
び第２振動片のそれぞれのＺ方向およびＸ方向の振動を
検出し、第１および第２振動片のＺ方向振動の差からＹ
軸周りの角速度を検出し、第１および第２振動片のＺ方
向振動の和からＺ方向の加速度を検出し、第１および第
２振動片のＸ方向振動の和からＸ方向の加速度を検出す
るものであることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度と互いに直
交する２方向の加速度とを検出する加速度角速度センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年においては、自動車の種々の走行制
御は、車輌の旋回角速度、前後加速度、横加速度等に基
づいて行われることが多く、これらの情報を得るため
に、各車輌には角速度センサおよび加速度センサが搭載
されている。

【０００３】一方、車輌におけるこれらのセンサの搭載
スペースは限られており、できるだけ小さな空間内に収
納したいという要求がある。

【０００４】このような要求を満たすためになされた発
明として、特開平２−３１０４１８号公報に開示された
加速度・角速度検出装置がある。この検出装置は、面方
向を９０度ずらして長手方向に２枚繋げた薄板を一対の
音叉に構成し、この音叉の支持部に近い側の薄板の面を
一対の音叉軸を含む面に垂直な方向とした振動子を有す
る。そして、支持部に近い側の薄板に励振用電極を設
け、支持部に遠い側の薄板に検出用電極を設けており、
検出用電極から得た振動情報から角速度情報と加速度情
報を検出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この従来の加速度・角
速度検出装置によれば、検出用電極が設けられているの
は、一対の音叉軸を含む面と平行な薄板であるため、加
速度に関しては、その薄板が撓む方向、すなわち一対の
音叉軸を含む面と垂直な方向の加速度のみしか検出でき
ない。

【０００６】このような従来の加速度・角速度検出装置
を自動車に搭載した場合を考えると、この検出装置によ
っては、車輌の旋回角速度の他には、前後加速度または
横加速度のいずれか一方の加速度しか検出できず、互い
に直交する２方向の加速度を得るためには、さらに、別
の加速度センサを搭載しなければならなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の加速度角速度セ
ンサはこのような問題を解決するためになされたもので
あり、振動子と、振動子を励振する励振手段と、振動子
の振動を検出する検出手段とを備え、振動子は、ＸＹＺ
三次元直交座標空間においてＹ方向に延びる四角柱形状
の第１振動片と、この第１振動片と同一形状であって第
１振動片と平行に並んで配置された第２振動片と、ＸＹ
平面上で第１振動片と第２振動片とを連結する振動子基
体とを有し、励振手段は第１振動片および第２振動片を
Ｘ方向に互いに逆相で振動させるものであり、検出手段
は、第１および第２振動片のそれぞれのＺ方向およびＸ
方向の振動を検出し、第１および第２振動片のＺ方向振
動の差からＹ軸周りの角速度を検出し、第１および第２
振動片のＺ方向振動の和からＺ方向の加速度を検出し、
第１および第２振動片のＸ方向振動の和からＸ方向の加
速度を検出するものであることを特徴とする。

【０００８】この加速度角速度センサによれば、単一の
振動子の振動状態から角速度および互いに直交する２方
向の加速度を検出することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
加速度角速度センサの振動子を示す斜視図であり、図２
は図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。振動子１は振動子基
体２から２本の振動片３および４が突出した板状の音叉
型振動子であり、ここではステンレスのような金属を用
いている。振動片３および４は断面が略正方形の柱状体
であり、ＸＹ平面に平行な板体である振動子基体３から
所定間隔を隔てて＋Ｙの向きに同じ長さだけ突出してい
る。

【００１０】振動片３および４の根本部には、それぞれ
励振素子１１、１２と振動検出素子１３〜１６が設けら
れている。励振素子１１、１２および振動検出素子１３
〜１６は、いずれも、片面が振動片に接着され他方の面
全体に膜状の電極が形成された板状の圧電材料で構成さ
れている。圧電材料には種々のものがあるが、ここでは
ＰＺＴが用いられている。

【００１１】励振素子１１、１２は、表面および裏面間
に電圧が与えられると逆圧電効果によりＰＺＴが極性に
応じて面方向に延伸または収縮することを利用して振動
片３および４を揺動させるものである。たとえば、励振
素子１１に電圧を印加して励振素子１１がＹ方向に縮む
と振動片３は外側に屈曲し、この電圧印加を止めれば元
に戻る。このような電圧印加を周期的に行えば、振動片
３はＸ方向に振動する。同様に、励振素子１２を用いて
振動片４をＸ方向に励振することができる。なお、励振
方法は後述する。

【００１２】振動検出素子１３〜１６は、圧電材料の圧
電効果を利用するものである。すなわち、面方向の伸び
縮みによって、ＰＺＴの表面と裏面との間に電位差が生
じることを利用して振動片の振動を検出するものであ
る。振動片３および４がＺ方向に振動すると、その振動
に伴う屈曲によって検出素子１３および１４は面方向に
伸び縮みし、その表面および裏面の間に伸び縮み量に応
じた電位差が発生する。同様に、振動片３および４がＸ
方向に振動すると、検出素子１５および１６が面方向に
伸び縮みし、その表面および裏面の間に伸び縮み量に応
じた電位差が発生する。これらの素子に現れる電位差に
基づいて、この振動子１に加わる角速度および加速度に
応じた信号、すなわち、角速度検出信号や加速度検出信
号を後述する検出回路により求める。

【００１３】ここで、図３および図４を用いて角速度検
出の原理を説明する。振動子１の振動片３および４が図
３に示すように左右逆相でＸ軸方向に励振され、この状
態で振動子１がＹ軸を中心に角速度Ωで回転すると、図
４に示すように、振動子１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
に左右逆相で振動する。したがって、振動片３および４
のＺ方向の振動からＹ軸周りの角速度を求めることがで
きる。

【００１４】つぎに、加速度検出の原理を説明する。振
動子１の振動子基体２が図示省略した測定対象たとえば
車輌に固定されており、その測定対象が＋Ｘの向きに加
速して移動したとすると、振動片３および４はその先端
部が慣性によって取り残されるため、共に、−Ｘの向き
に加速度に応じて屈曲する。振動片３および４は、通常
は、上述した角速度検出のためにＸ方向に互いに逆相で
励振されているので、−Ｘの向きの屈曲は、励振振動の
−Ｘ側へのオフセットとして現れる。逆に、測定対象が
−Ｘの向きに加速して移動したとすると、励振振動の＋
Ｘ側へのオフセットとして現れる。したがって、このオ
フセット量を検出すれば、Ｘ方向の加速度を逆算して求
めることができる。

【００１５】Ｚ方向の加速度も同様にして求めることが
できる。すなわち、測定対象が＋Ｚの向きに加速して移
動すれば、振動片３および４は、−Ｚの向きに加速度に
応じて屈曲する。振動片３および４は、角速度に応じて
Ｚ方向に互いに逆相で振動しており、その振動の−Ｚ側
へのオフセットとして現れる。逆に、測定対象が−Ｚの
向きに加速して移動したとすると、＋Ｚ側へのオフセッ
トとして現れる。したがって、このオフセット量を検出
すれば、Ｚ方向の加速度を逆算して求めることができ
る。

【００１６】つぎに、このような原理に基づいて、角速
度検出信号、Ｘ方向加速度検出信号およびＺ方向加速度
検出信号を求める検出回路およびその動作を図５の回路
および図６の波形図を用いて説明する。なお、図５には
励振回路も併せて描かれている。また、図６（ａ）〜
（ｍ）の各波形の脇に添えてある数字は、その波形を出
力する回路要素に付した番号である。

【００１７】振動子１は２本の振動片３、４を有する音
叉であり、振動片３、４は形状や材質で決まる固有振動
数でＸ方向に互いに逆相で振動する。励振回路２０は、
その振動を一定の振幅で継続させるために、固有振動数
と一致した周波数の励振信号を出力する回路である。

【００１８】チャージアンプ（電荷アンプ）２１〜２４
は、圧電効果によって各検出素子１３〜１６の表面電極
に発生した電荷量を反転増幅して電圧値に変換する増幅
回路である。図６（ａ）の波形は、振動子１が固有振動
数でＸ方向に振動して検出素子１５または１６が伸び縮
みし、その伸び縮みに伴って発生する電荷の変化を示し
ている。図示の例では、振動片３および４がＸ方向加速
度のために＋Ｘ側にオフセットしており、検出素子１６
にはそのオフセット分がプラス側に重畳され、検出素子
１５にはマイナス側に重畳される。したがって、それぞ
れの検出素子に接続されるチャージアンプ２１、２２の
出力信号は図６（ｂ）、（ｃ）のようになる。

【００１９】加算増幅器２５はチャージアンプ２１およ
び２２の出力電圧を加算して増幅する回路であり、加算
することにより、Ｘ方向加速度によるオフセット成分が
相殺され、図６（ｅ）に示すような零レベルを振幅の中
心とした波形となる。この信号は励振振動を表す信号で
あり、位相変調回路２９で位相を９０度ずらされ、さら
にパルス成形回路３０で矩形波に成形される。位相変調
回路２９およびパルス成形回路３０の出力波形をそれぞ
れ図６（ｆ）および（ｇ）に示す。パルス成形回路３０
の出力信号は励振回路２０に入力され、利得調整されて
励振信号として励振素子１１、１２に与えられる。な
お、位相変調回路２９において９０度位相を異ならせる
のは、振動片の励振振動と励振信号とが９０度位相がず
れているからである。

【００２０】差動増幅器２６は、チャージアンプ２１お
よび２２の出力信号の差をとる回路であり、その出力波
形を図６（ｄ）に示す。既に述べたように、検出素子１
６では、励振振動による電荷に対してＸ方向加速度成分
がプラス側に重畳され、検出素子１５ではＸ方向加速度
成分がマイナス側に重畳されているので、その差をとる
ことによりＸ方向振動の和をとることになり、励振振動
成分が相殺されると共にＸ方向加速度成分が２倍となっ
て残る。したがって、出力端子３２にはＸ方向加速度に
応じた電圧のＸ方向加速度検出信号が得られる。

【００２１】チャージアンプ２３および２４からは、そ
れぞれ振動片４および３のＺ方向の振動に応じた電圧信
号が出力される。既に述べたように、振動子１がＹ軸周
りに角速度Ωで回転しているとすると、Ｘ方向に振動し
ている振動片３および４に対してＦ＝２ｍＶ・Ωで表さ
れるコリオリの力ＦがＺ方向に発生し、励振振動に対し
て９０度位相がずれたＺ方向の振動が左右逆相で発生す
る。また、この例では振動片３および４がＺ方向加速度
のために−Ｚ側にオフセットしており、検出素子１３、
１４にはそのオフセット分がプラス側に重畳されてい
る。このような振動に基づくチャージアンプ２３および
２４の出力信号を図６（ｈ）および（ｉ）に示す。

【００２２】差動増幅器２７はチャージアンプ２３およ
び２４の出力信号の差動増幅を行う回路であり、これに
よってＺ方向振動の差をとり、Ｚ方向加速度成分を除去
すると共に、角速度成分を加算する。差動増幅器２７の
出力信号は図６の（ｊ）のように、励振信号と同期した
正弦波信号となる。これを、同期検波積分回路３１によ
り励振信号の基礎信号であるパルス成形回路３０の出力
信号で同期検波し（図６（ｌ）参照）、さらに積分して
平滑化することにより角速度Ωに応じた電圧値を示す角
速度検出信号が得られる。図６（ｍ）は同期検波積分回
路３１の出力信号、すなわち、出力端子３４に現れる角
速度検出信号を示している。

【００２３】加算増幅器２８はチャージアンプ２３およ
び２４の出力信号を加算する回路であり、これによりＺ
方向振動の和をとり、コリオリの力に基づくＺ方向振動
成分すなわち角速度成分を除去すると共に、Ｚ方向加速
度成分を加算する。これにより、図６（ｋ）のような信
号が得られ、加算増幅器２８の出力信号のレベルはＺ方
向加速度を表す信号となる。

【００２４】以上説明したように、出力端子３２にはＸ
方向加速度に応じた電圧レベルとなるＸ方向加速度検出
信号（Ｘ方向Ｇ検出信号）が得られ、出力端子３３には
Ｙ軸周りの角速度Ωに応じた電圧レベルとなる角速度検
出信号が得られ、出力端子３４にはＺ方向加速度に応じ
た電圧レベルとなるＺ方向加速度検出信号（Ｚ方向Ｇ検
出信号）が得られる。

【００２５】これらの信号は、図示省略した演算回路に
入力され、それぞれに電圧レベルに対応するＸ方向加速
度、角速度Ω、Ｚ方向加速度が算出される。

【００２６】つぎに、本発明の第２実施形態を図７〜図
１１を用いて説明する。図７は第２実施形態に用いられ
る振動子４１を示す斜視図である。この振動子４１の形
状は第１実施形態の振動子１と同様の音叉型形状であ
り、振動子基体４２からＸＹ平面において互いに平行な
２本の振動片４３および４４が互いに同じ長さで＋Ｙの
向きに突出している。第１実施形態の振動子１との大き
な相違点は材質であり、この振動子４１は振動子自体が
圧電材料でできている。したがって、振動片に電圧印加
用の電極を直接張り付け、振動子自体が逆圧電効果によ
り歪むことを利用して振動させる。また、振動検出につ
いても、検出電極を振動片に直接張り付け、振動による
変形により振動片に発生する誘電分極を検出電極で直接
検出する。なお、この実施形態では圧電材料として水晶
が用いられている。

【００２７】このような振動子４１を第１実施形態の振
動子１と同様の方向の励振および振動検出を行うための
電極配置を図８および図９に示す。図８は図７のＩＩＸ
−ＩＩＸ断面図であり、駆動用電極およびＸ方向加速度
検出用電極の配置を示している。図９は図７のＩＸ−Ｉ
Ｘ断面図であり、角速度検出用電極およびＺ方向加速度
検出用電極の配置を示している。この電極を用いて、振
動片を互いに逆相でＸ方向に励振させ、コリオリの力に
よるＺ方向の振動に基づいてＹ軸周りの角速度を検出
し、Ｘ方向の振動のオフセット成分からＸ方向の加速度
を検出し、Ｚ方向の振動のオフセット成分からＺ方向の
加速度を検出する。

【００２８】振動子４１は水晶の単結晶基板から図７に
示すように音叉型に切り出されたものである。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。

【００２９】振動子４１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、水晶結晶方位の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、結晶方位のＺ軸と図面上の振動子４１の配置
方向を示す上述した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４１の配置方向を示すＸ
軸およびＹ軸とが一致している。なお、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。

【００３０】つぎに、この振動子４１の振動片をＸ軸方
向に励振させるための逆圧電効果の作用を図８を用いて
説明する。振動片４３および４４は同様の原理に基づい
て励振するので、代表して振動片４３を例に説明する。
端子Ｐ＋に正の電圧、端子Ｐ−に負の電圧を印加したと
する。上下面の電極４５および４６から側面の電極４９
に向かう矢印のような電界が生じる。この電界のうちＺ
方向成分については圧電効果および逆圧電効果が現れな
いので、逆圧電効果に影響のある成分は破線の矢印で示
すような−Ｘの向きの電界であり、これが振動片４３の
−Ｘ側の半分の領域に生じる。

【００３１】Ｘ軸の負の向きに電界が与えらると逆圧電
効果により水晶はＹ軸方向に縮む。したがって、振動片
４３の−Ｘ側が縮むことになり振動片４３は−Ｘ側に屈
曲する。同様の原理により、振動片４４は、電極５３、
５４、５６が図示のように配置されているため＋Ｘ側が
Ｙ方向に縮み、＋Ｘ側に屈曲する。すなわち、振動片４
３および４４は先端がＸ方向に開くように屈曲する。端
子Ｐ＋およびＰ−への印加極性を反転させると、逆に振
動片４３の−Ｘ側および振動片４４の＋Ｘ側がそれぞれ
Ｙ方向に伸び、振動片４３および４４の先端がＸ方向に
閉じるように屈曲する。

【００３２】したがって、端子Ｐ＋およびＰ−への印加
極性を周期的に切り替えれば振動片４３および４４をＸ
方向に互いに逆相で励振させることができる。なお、端
子Ｐ＋およびＰ−へ印加する励振信号は、後述する回路
により振動子４１の固有振動に基づいて生成される。

【００３３】つぎに振動検出について説明する。Ｘ方向
の振動は振動片４３および４４の側面のＹ方向の伸び縮
みとなって現れる。電極４７、４８、５０は振動片４３
の＋Ｘ側半分のＹ方向の伸び縮みを検出し、電極５１、
５２、５５は振動片４４の−Ｘ側半分のＹ方向の伸び縮
みを検出する。

【００３４】振動片４３の＋Ｘ側がＹ方向に伸びると＋
Ｘの向きに誘電分極が生じ、電極４７および４８に正の
電荷、電極５０に負の電荷が生じる。逆に、Ｙ方向に縮
むと−Ｘの向きに誘電分極が生じ、電極４７および４８
に負の電荷、電極５０に正の電荷が生じる。したがっ
て、端子Ｓ１２＋および端子Ｓ１２−に現れる電荷の変
化を検出すれば、振動片４３のＸ方向の屈曲、すなわ
ち、振動を検出することができる。同様に、端子Ｓ１１
＋および端子Ｓ１１−に現れる電荷の変化を検出すれ
ば、振動片４４のＸ方向の屈曲、すなわち、振動を検出
することができる。

【００３５】Ｚ方向の振動の検出は図９に示すように、
振動片４３および４４のそれぞれの４つのエッジ部に設
けられた電極５７〜６４により検出する。振動片４３が
＋Ｚの向きに屈曲すると、振動片４３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４３の４つのエッ
ジ部に集中して現れ、電極５７、５８に同一極性の電荷
が集まり、電極５９、６０にそれと逆の極性の電荷が集
まる。振動片４３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。すなわち、
電極５７、５８を共通接続した端子Ｓ２２＋と、電極５
９、６０を共通接続した端子Ｓ２２−との電位差から振
動片４３のＺ方向の振動を検出できる。

【００３６】一方、振動片４４は振動片４３とは逆相で
振動するので、振動片４４の電極６１、６２、６３、６
４には、これらと同じ位置にある振動片４３の電極５
９、６０、５７、５８に逆極性の電荷が集まり、端子Ｓ
２１＋と端子Ｓ２１−との電位差から振動片４４のＺ方
向の振動を検出できる。

【００３７】つぎに、この振動片４３、４４をＸ方向に
逆相で励振し、Ｘ方向振動およびＺ方向振動から、角速
度検出信号、Ｘ方向加速度検出信号およびＺ方向加速度
検出信号を求める回路と、その動作を図１０の回路図お
よび図１１の波形図を用いて説明する。

【００３８】図１０において、端子Ｐ＋、Ｐ−、Ｓ１１
＋、Ｓ１１−、Ｓ１２＋、Ｓ１２−、Ｓ２１＋、Ｓ２１
−、Ｓ２２＋、Ｓ２２−は、図８および図９に示す同一
符号の端子と同じものである。また、励振回路７０、チ
ャージアンプ７２〜７９、差動増幅器８０〜８３、８
５、８６、加算増幅器８４、８７、位相変調回路８８、
パルス成形回路８９、同期検波積分回路９０のそれぞれ
の機能は、第１実施形態の図５に示す回路における同一
名の要素と同じであるので説明は省略する。なお、反転
回路７１は励振回路７０の極性を反転させる回路であ
る。

【００３９】図１１は図１０の各要素の出力信号波形を
示す波形図であり、（ａ）〜（ｕ）までの各波形の脇に
添えてある数字は、その波形を出力する回路要素に付し
た番号である。

【００４０】図１１（ａ）は、振動片の振動により電極
４７、４８と電極５０との間、および電極５５と電極５
１、５２との間に生じる電位差を示したものである。差
動増幅器８０の出力信号、すなわちチャージアンプ７２
と７３の出力信号の差信号は、振動片４４のＸ方向の励
振振動にＸ方向の加速度成分がオフセットとして加わっ
た振動を示す（図１１（ｂ）（ｃ）（ｄ）参照）。差動
増幅器８１の出力信号、すなわちチャージアンプ７４と
７５の出力信号の差は、振動片４４とは逆相の振動片４
３のＸ方向の励振振動にＸ方向の加速度成分がオフセッ
トとして加わった振動を示す（図１１（ｅ）（ｆ）
（ｇ）参照）。

【００４１】この差動増幅器８０と８１のそれぞれの出
力信号を差を差動増幅器８５でとることにより、振動片
４３と４４のＸ方向振動の和をとることになり、励振振
動成分を除去してＸ方向加速度成分が抽出される。すな
わち、図１１（ｈ）に示す差動増幅器８５の出力信号が
Ｘ方向加速度検出信号として出力端子９１に現れる。

【００４２】加算増幅器８４により差動増幅器８０と８
１のそれぞれの出力信号の和をとるとＸ方向加速度成分
が除去され、図１１（ｉ）に示すような零レベルを振幅
の中心とした正弦波形となる。この信号は励振振動を表
す信号であり、位相変調回路８８で位相を９０度ずらさ
れ、さらにパルス成形回路８９で矩形波に成形される。
位相変調回路８８およびパルス成形回路８９の出力波形
をそれぞれ図１１（ｊ）および（ｋ）に示す。パルス成
形回路８９の出力信号は励振回路７０に入力され、利得
調整されて励振信号として端子Ｐ＋に与えられ、さらに
反転回路７１で極性を反転して端子Ｐ−に与えられる。
位相変調回路８８において９０度位相を異ならせるの
は、第１実施形態と同様に、振動片の励振振動と励振信
号とが９０度位相がずれているからである。

【００４３】差動増幅器８２の出力信号は、チャージア
ンプ７６および７７の出力信号の差であり、振動片４４
のコリオリの力によるＺ方向の振動にＺ方向の加速度成
分がオフセットとして加わった振動を示す（図１１
（ｌ）（ｍ）（ｎ）参照）。差動増幅器８３の出力信
号、すなわちチャージアンプ７８と７９の出力信号の差
は、振動片４４とは逆相の振動片４３のＺ方向の振動に
Ｚ方向の加速度成分がオフセットとして加わった振動を
示す（図１１（ｏ）（ｐ）（ｑ）参照）。

【００４４】差動増幅器８６によって差動増幅器８２の
出力信号と差動増幅器８３の出力信号の差をとると、振
動片４３と４４のＺ方向振動の差をとることになり、Ｚ
方向加速度成分が除去されて角速度に基づくコリオリの
力による成分のみが残る（図１１（ｒ）参照）。これを
同期検波積分回路９０で検波および平滑化を行うことに
より、角速度に応じた電圧値を示す角速度検出信号を得
る（図１１（ｕ）参照）。

【００４５】加算増幅器８７によって差動増幅器８２の
出力信号と差動増幅器８３の出力信号の和をとると、振
動片４３と４４のＺ方向振動の和をとることになり、角
速度成分が除去されＺ方向の加速度成分のみが残り、こ
れがそのままＺ方向加速度検出信号となる（図１１
（ｓ）参照）。

【００４６】以上説明したように、出力端子９１にはＸ
方向加速度に応じた電圧レベルとなるＸ方向加速度検出
信号が得られ、出力端子９２にはＹ軸周りの角速度Ωに
応じた電圧レベルとなる角速度検出信号が得られ、出力
端子９３にはＺ方向加速度に応じた電圧レベルとなるＺ
方向加速度検出信号が得られる。

【００４７】これらの信号は、図示省略した演算回路に
入力され、それぞれに電圧レベルに対応するＸ方向加速
度、角速度Ω、Ｚ方向加速度が算出される。

【００４８】図１２は本発明の第３実施形態に用いられ
る振動子であり、第１および第２振動子が音叉型であっ
たのに対して、この振動子１０１はＨ型をしている。す
なわち、この振動子１０１は、ＸＹ平面においてＹ方向
に並列配置した２本の第１振動片１０９および第２振動
片１１０を有し、その長手方向のほぼ中央でＸ方向に延
在する振動子基体１０２により連結した構造を有する。

【００４９】第１振動片１０９は振動子基体１０２との
連結部を堺にして第１振動片前側部１０３と第１振動片
後側部１０５で構成されており、第２振動片１１０は振
動子基体１０２との連結部を堺にして第２振動片前側部
１０４と第１振動片後側部１０６で構成されている。換
言すると、第１振動片前側部１０３および第２振動片前
側部１０４は互いに同じ長さで振動子基体１０２から＋
Ｙの向きに突出し、第１振動片後側部１０５および第２
振動片後側部１０６は振動子基体１０２から−Ｙの向き
に同じ長さで突出している。

【００５０】第１振動片後側部１０５および第２振動片
後側部１０６は、第１振動片前側部１０３および第２振
動片前側部１０４に対して細く且つ長い寸法となってい
る。このような形状とすることにより、ほぼ同軸上に配
置されている第１振動片前側部１０３と第１振動片後側
部１０５、並びに、第２振動片前側部１０４と第２振動
片後側部１０６が、それぞれＸ方向振動に関しては連成
せずＺ方向振動に関しては連成するという特性を持たせ
ることができる。

【００５１】そこで、第１振動片前側部１０３および第
２振動片前側部１０４を互いに逆相でＸ方向に励振させ
た状態で、振動子１０１がＹ軸周りに回転すると、その
回転角速度に応じてコリオリの力により第１振動片前側
部１０３および第２振動片前側部１０４が互いに逆相で
Ｚ方向に振動する。このように第１および第２振動片１
０３および１０４は、共にＸ方向とＺ方向の双方に振動
するが、上述したように振動子の構造上の特徴から、Ｚ
方向の振動だけが第１振動片後側部１０５および第２振
動片後側部１０６に大きく伝達される。したがって、第
１振動片後側部１０５および第２振動片後側部１０６で
Ｚ方向振動の検出を行えば、Ｚ方向振動にとってノイズ
であるＸ方向励振振動の影響を受けない。

【００５２】また、第１振動片後側部１０５および第２
振動片後側部１０６は、振動子１０１が支持棒１０７、
固定片１０８を介して固定されている車輌等の測定対象
がＸ方向あるいはＺ方向に加速度的に移動したときに、
それぞれに−Ｘの向きあるいは−Ｚの向きに屈曲する。
この屈曲量を第１または第２実施形態と同様に検出すれ
ば、Ｘ方向加速度検出信号、Ｚ方向加速度検出信号を得
ることができる。この場合、特に、Ｘ方向の振動が第１
振動片後側部１０５および第２振動片後側部１０６には
ほとんど生じていないため、高いＳ／Ｎ比でＸ方向加速
度検出信号を得ることができる。

【００５３】Ｈ型振動子を形成する際に圧電材料を用い
ない場合は、第１実施形態のような励振素子および振動
検出素子を適当な場所に設け、図５に示す回路と同じ技
術思想に基づいて励振および検出用の回路を構成すれば
よい。Ｈ型振動子として水晶のような圧電材料を用いる
場合には、第２実施形態のような励振電極および振動検
出電極を適当な場所に設け、図１０に示す回路と同じ技
術思想に基づいて励振および検出用の回路を構成すれば
よい。

【００５４】なお、第１実施形態では励振素子および検
出素子の圧電材料としてＰＺＴを用いたがこれに限定さ
れるものではない。また、第２実施形態では振動子を構
成する圧電材料として水晶を用いたが他の圧電材料でも
よく、また、励振または検出方法も実施形態に限定され
ない。

【００５５】圧電材料が異なれば、その励振の方法や検
出の方法が異なることがあるが、要するに、第１および
第２振動片のＺ方向振動の差からＹ軸周りの角速度を検
出し、第１および第２振動片のＺ方向振動の和からＺ方
向の加速度を検出し、第１および第２振動片のＸ方向振
動の和からＸ方向の加速度を検出すればよい。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の加速度角
速度センサによれば、単一の振動子における２つの振動
片の２方向の振動を組み合わせを換えて加算もしくは減
算することにより、角速度および互いに直交する２方向
の加速度を検出することができる。したがって、この加
速度角速度センサをたとえば車輌に搭載すれば、車輌の
ヨーレイト、前後加速度、横加速度を全て検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加速度角速度センサの第１実施形態に
用いられる振動子を示す斜視図。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図。

【図３】第１実施形態における振動子１の励振状態を示
す図。

【図４】第１実施形態における振動子１の回転に伴うコ
リオリの力による振動状態を示す図。

【図５】第１実施形態の励振および振動検出回路を示す
回路図。

【図６】第１実施形態の励振および振動検出回路の動作
を示す波形図。

【図７】本発明の加速度角速度センサの第２実施形態に
用いられる振動子を示す斜視図。

【図８】図７のＩＩＸ−ＩＩＸ断面図。

【図９】図７のＩＸ−ＩＸ断面図。

【図１０】第２実施形態の励振および振動検出回路を示
す回路図。

【図１１】第２実施形態の励振および振動検出回路の動
作を示す波形図。

【図１２】本発明の加速度角速度センサの第３実施形態
に用いられる振動子を示す斜視図。

【符号の説明】

１、４１、１０１…振動子、２、４２、１０２…振動子
基体、３、４３、１０９…第１振動片、４、４４、１１
０…第２振動片、１１、１２…励振素子、１３〜１６…
振動検出素子、２０、７０…励振回路、２１〜２４、７
２〜７９…チャージアンプ、２５、２８、８４、８７…
加算増幅器、２６、２７、８０〜８３、８５、８６…差
動増幅器、２９、８８…位相変調回路、３０、８９…パ
ルス成形回路、３１、９０…同期検波積分回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子と、前記振動子を励振する励振手
   段と、前記振動子の振動を検出する検出手段とを備え、 前記振動子は、ＸＹＺ三次元直交座標空間においてＹ方
   向に延びる四角柱形状の第１振動片と、この第１振動片
   と同一形状であってＸＹ平面上で第１振動片と平行に並
   んで配置された第２振動片と、この第１振動片と第２振
   動片とを連結する振動子基体とを有し、 前記励振手段は前記第１振動片および第２振動片をＸ方
   向に互いに逆相で振動させるものであり、 前記検出手段は、前記第１および第２振動片のそれぞれ
   のＺ方向およびＸ方向の振動を検出し、前記第１および
   第２振動片のＺ方向振動の差からＹ軸周りの角速度を検
   出し、前記第１および第２振動片のＺ方向振動の和から
   Ｚ方向の加速度を検出し、前記第１および第２振動片の
   Ｘ方向振動の和からＸ方向の加速度を検出するものであ
   ることを特徴とする加速度角速度センサ。