JPH1038580A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動型角速度検出装置の検出効率を高める。 【解決手段】 振動子と、この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、この検出手
段により検出された振動情報に基づいて振動子の回転角
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、検出手段は振動子に取り付けられた複数の
振動検知素子とこの複数の振動検知素子に接続された検
出回路とを備え、複数の振動検知素子は振動子の振動に
伴って振動子にかかる内部応力の変化に応じた電荷の変
化を発生するものであり、検出回路は複数の振動検知素
子の電荷の変化を合成して所望の電気信号に変換処理す
るものであり、且つ、複数の振動検知素子で発生した電
荷の変化の合成の仕方を複数種備えることにより励振手
段による励振振動とこの励振振動中に振動子が回転する
ことに伴って発生するコリオリの力に基づく振動とを検
出するものである。

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。この種の角速度検出装置では、たとえば、特開昭６
０−１９２２０６号公報に記載の振動式角速度計のよう
に、コリオリの力による振動を検出すると共に、励振振
動を安定させるために励振振動の検出も行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６０−
１９２２０６号公報に記載の振動式角速度計では、励振
振動を検出するために振動子に設けられた素子と、角速
度検出用のコリオリの力による振動を検出するために振
動子に設けられた素子とが別体であるため次のような不
具合があった。すなわち、振動による応力が集中するの
は振動片の根本であるため、励振振動を検出するための
素子とコリオリの力による振動を検出するための素子を
共に振動片の根本に設置することが検出効率の点で望ま
しいが、両素子を振動片の根本に設けるとすると各素子
に与えられる面積が小さくなり、結局検出効率を高める
ことができない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度検出装置
はこのような問題に対して為されたものであり、振動子
と、この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、この検出手段により検出された振
動情報に基づいて振動子の回転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、検出手段
は振動子に取り付けられた複数の振動検知素子とこの複
数の振動検知素子に接続された検出回路とを備え、複数
の振動検知素子は振動子の振動に伴って振動子にかかる
内部応力の変化に応じた電荷の変化を発生するものであ
り、検出回路は複数の振動検知素子の電荷の変化を合成
して所望の電気信号に変換処理するものであり、且つ、
複数の振動検知素子で発生した電荷の変化の合成の仕方
を複数種備えることにより励振手段による励振振動とこ
の励振振動中に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とを検出するものである。

【０００５】本発明によれば、励振振動の検出とコリオ
リの力による振動の検出を同じ振動検知素子で行うの
で、両検出を別々の素子で検出する場合に比較して、振
動片の根本という限られた領域に配置する際にも十分な
面積を確保することができる。

【０００６】励振手段は振動子に取り付けられた励振駆
動素子とこの複数の励振駆動素子に接続された励振駆動
回路とを備え、励振駆動素子と振動検知素子との間に定
電位の電極が設けられていることが望ましい。このよう
に構成すると、励振駆動素子と振動検知素子との間のク
ロストークを防止できる。

【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
り、同図（ａ）は振動子１を斜め上方から見た図であ
り、同図（ｂ）はその振動子１の裏面が見えるように同
図（ａ）の位置から水平軸５０を中心に９０度回転した
ものである。この図において、左右方向をＹ軸としその
左向きを正の向きにとり、Ｙ軸に垂直な互いに直交する
軸をそれぞれ図示のようにＸ軸およびＺ軸とする。振動
子１は、Ｚ軸に垂直な面を有する水晶の単結晶基板から
フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により音
叉型に切り出されたものである。

【０００８】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、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１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】振動子１は、振動子基体２と、そこから＋
Ｙの向きに互いに平行に突出した２本の振動片３および
４とからなる。振動片３および４には励振駆動素子であ
る励振用電極と振動検知素子である検出用電極とが設け
られている。振動片３および４の側面の電極３１、３
２、４１、４２、上面の電極３５、４３、裏面の電極３
８、４６がそれぞれ励振用電極であり、上面の電極３
３、４５および裏面の電極３６、４８がそれぞれ検出用
電極である。また、上面の電極３４、４４および裏面の
電極３７、４７は、励振用電極と検出用電極との間のク
ロストークを防止するための接地電極（定電位電極）で
ある。なお、励振用電極３２および４２はそれぞれ励振
用電極３１および４１の反対側側面に設けられているも
のであり図１では見えていないが、後に説明する図２に
は符号を付して描いてある。励振用電極３１と３２は振
動片３の先端の帯状電極３９により、また、励振用電極
４１と４２は振動片４の先端の帯状電極４９により電気
的に接続されている。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。振動子基体２の上面にはボンディングパッド１１〜
２２が設けられており、裏面にはボンディングパッド２
３〜２８が設けられている。ボンディングパッド１１〜
２８と上述した各電極との接続は図示の通りであり、ボ
ンディングパッド１１、１２、１３、１７、１８、１
９、２３、２６が励振用であり、ボンディングパッド１
５、１６、２１、２２、２５、２８が検出用であり、ボ
ンディングパッド１４、２０、２４、２７が接地用であ
る。

【００１１】図２は本実施形態の角速度検出装置の処理
回路およびこれらと振動子１に設けれられた各電極との
結線を示すブロック図である。また、図３は振動子１の
振動の様子を示す斜視図であり、図４および図５はそれ
ぞれ励振および振動検出における逆圧電効果および圧電
効果を説明するための図である。

【００１２】駆動回路１３１は、後述する自動利得制御
回路（ＡＧＣ回路）１３３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駆動信号として
端子３１０、３１０´から出力する。端子３１０には振
動片３の側面の電極３１、３２、および振動片４の上下
面の電極４３、４６が接続されており、端子３１０´に
は振動片３の上下面の電極３５、３８および振動片４の
側面の電極４１、４２が接続されている。

【００１３】このような接続のもとで、振動片３および
４の固有振動数に一致または近い値の周波数を持つ駆動
信号が駆動回路１３１から出力されると、図３（ａ）に
示すような振動モードで振動片３および４が振動する。
すなわち、振動片３および４はＸ軸方向に互いに逆相で
励振される。

【００１４】図４は振動片をＸ軸方向に励振させるため
の逆圧電効果の作用を説明するものである。ここでは、
振動片３を例に説明する。同図（ａ）は振動片３をＺＸ
平面で切った断面図であり、同図（ｂ）は振動片３の屈
曲動作を示した斜視図である。上述したように、電極３
１と３２が共通に端子３１０に接続され、電極３５と３
８が共通に端子３１０´に接続されているので、端子３
１０の出力信号がローレベル、端子３１０´の出力信号
がハイレベルであると、図４（ａ）に示すような電圧、
すなわち電極３１および３２には相対的に負の電圧が、
電極３５および３８には正の電圧がそれぞれ各電極に与
えられる。この電圧は駆動信号により与えられるもので
あり、所定の周波数で極性反転が繰り返される。

【００１５】いま、図４（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３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４
（ａ）の状態では、振動片３の電極３２側が縮み、電極
３１側が伸びるため、振動片３は電極３２を内側にして
屈曲する。電極３１、３２、３５、３８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３は電
極３１を内側にして屈曲する。したがって、振動片３の
一端を固定して駆動回路１３１から所定周波数の駆動信
号を電極３１、３２、３５、３８に印加すると、振動片
３は図４（ｂ）に示すようにＸ方向に振動する。

【００１６】本実施形態では、既に述べたように励振用
電極に関して振動片３の側面電極と振動片４の上下電極
とが共通に、また、振動片３の上下電極と振動片４の側
面電極とが共通に接続されているので、振動片３と４
は、図３（ａ）に示すようにＸ方向に互いに逆相で振動
する。

【００１７】検出回路１３２は水晶の圧電効果により検
出用電極に生じた電荷の変化を適当な組み合わせで合成
して所望の電気信号に変換処理するものである。検出用
電極３３、３６、４５、４８に生じた電荷の変化すなわ
ち電流はそれぞれ電流検出器３２４、３２３、３２２、
３２１に入力され電圧値に変換される。信号の合成は電
流検出器の出力側で行われ、加算器３３１、３３２およ
び作動増幅器３２５によるＸ軸方向の振動を示す信号を
作るための合成と、加算器３３３、３３４および作動増
幅器３２６によるＺ軸方向の振動を示す信号を作るため
の合成の２種類がある。前者の合成によって得られた信
号は駆動回路１３１による励振を安定させるためのフィ
ードバック信号であり、後者は回転角速度を検出するた
めの出力信号である。

【００１８】ここで、Ｚ軸方向の振動に伴う圧電効果に
ついて図５を用いて説明する。振動子１が図３（ａ）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３
（ｂ）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。

【００１９】図５（ｂ）は振動片３のＺ軸方向の振動の
様子を示す斜視図である。振動片３が＋Ｚの向きに屈曲
すると、振動片３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３の４つの角部に集中して現れ、検出
用電極３３および３６には図示のような正または負の電
荷が集まる。振動片３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。振動片
４は振動片３とは逆相で振動するので、振動片３および
４の上側の検出用電極３３と４５が互いに逆極性とな
り、裏側の検出用電極３６と４８とが逆極性となる。

【００２０】検出回路１３２は、このようにして発生し
た振動片３および４の各検出用電極における電荷の変化
量を加算器３３３、３３４で同極性同士を加算し、作動
増幅器３２６で差をとることにより、振動片３および４
のＺ軸方向の振動振幅に応じた信号を端子３１２から出
力する。

【００２１】一方、Ｘ方向の励振振動により発生する誘
電分極により、上下の検出用電極に同極性の電荷の変化
が現れ、その電荷の極性は曲げ方向に応じて正または負
のいずれかとなる。検出回路１３２では、この電荷の変
化量を加算器３３１、３３２で同極性同士を加算し、作
動増幅器３２５で差をとることにより、振動片３および
４のＸ軸方向の振動振幅に応じた信号を端子３１１から
出力する。

【００２２】ＡＧＣ回路１３３は端子３１１からのフィ
ードバック信号を入力し、その値が目標値になるように
駆動回路１３１に制御信号を出力するものである。端子
３１１から出力されるフィードバック信号は、振動片３
および４の振動振幅すなわち振動速度ｖに応じた値を示
すものであり、これが予め設定された目標値よりも大き
くなれば励振振幅が小さくなるように、逆に、小さくな
れば励振振幅が大きくなるように駆動回路１３１を制御
する。

【００２３】オフセット補正回路１３４は、検出回路１
３２の出力端子３１２から出力された信号に対し、回転
角速度Ωが零のときのオフセット成分を補正する回路で
あり、その補正はＡＧＣ回路１３３から取り出されたフ
ィードバック信号の変化分をもとに行われる。これによ
り、回転角速度Ωが零のときのオフセット出力を安定化
して温度ドリフトなどのセンサ性能を低下させる要因を
取り除き、検出精度の高い角速度検出装置とする。

【００２４】同期検波回路１３５は、駆動回路１３１の
励振信号を位相器１３６で９０度位相のずれた信号を基
準信号として、オフセット補正された検出出力信号を同
期検波して、この検出信号を直流信号に変換する回路で
ある。同期検波回路１３５の出力信号は、図示省略した
角速度演算回路に与えられ、角速度演算回路では上述し
たＦ＝２ｍＶ・Ωの式に基づいて、振動子１のＹ軸に平
行な軸を中心とする回転角速度が算出される。

【００２５】つぎに、このように構成された角速度検出
装置の全体動作を説明する。振動片３および４が駆動回
路１３１により図３（ａ）のようにＸ軸方向に励振さ
れ、Ｙ軸に平行な軸を中心に振動子１が角速度Ωで回転
すると、角速度Ωに振幅が比例したＺ軸方向の振動が図
３（ｂ）に示すように生じる。この振動振幅は検出用電
極３４、３６、４５、４８に電荷の変化として現れ、検
出回路１３２で検出され、オフセット補正回路１３４で
オフセット補正され、同期検波回路１３５で直流信号に
変換され、角速度演算回路でΩが算出される。一方、か
かる動作中に励振振幅に応じた電荷の変化も、Ｚ軸方向
の振動に応じた電荷の変化と同様に検出用電極３４、３
６、４５、４８に現れる。これを検出回路１３２で処理
し、ＡＧＣ回路１３３を介して駆動回路１３１にフィー
ドバックされる。このフィードバックにより励振振幅が
安定に動作する。このように、検出回路１３２では２種
類の信号合成が行われており、振動片３の上面の一側に
設けられた電極３３の電荷と、同振動片３の下面の一側
に設けられた電極３６の電荷とを加算することが励振振
動を検出する合成の仕方であり、それらの電荷の差を取
得することがコリオリの力に基づく振動を検出する合成
の仕方である。

【００２６】なお、これらの動作中、接地電極３４、３
７、４４、４７はボンディングパッド１４、２０を介し
て接地されており、検出用電極と励振用電極との間でク
ロストークが生じないようになっている。また、電極３
４、３７、４４および４７は電源電位や中間電位などの
定電位に接続されるものであってもよい。

【００２７】図６は本発明の第２実施形態を示すもので
あり、第１実施形態との相違点は振動片に設けられた電
極の数が異なるだけである。すなわち、第１実施形態の
励振用電極３２、４１および接地電極３４、３７、４
４、４７が省略されており、これら以外の電極は第１実
施形態と同一で、配線も同一である。動作原理は第１実
施形態と同じであるが、振動片３および４の内側の電極
のパターニングが不要となるため、電極形成が容易であ
るという利点がある。

【００２８】図７は本発明の第３実施形態を示すもので
あり、図６に示す第２実施形態の検出用電極３３、３
６、４５、４８の位置が側面に移動している点が第２実
施形態と相違する。既に述べたようにＺ軸方向の振動に
伴う分極の影響は、振動片の角部に集まるので、検出用
電極は角部の近傍であれば、本実施形態のように側面に
設けてもよい。

【００２９】図８は本発明の第４実施形態を示すもので
あり、第１実施形態の側面電極３１、３２、４１、４２
をそれぞれ２分割して、電極３１ａ、３１ｂ、３２ａ、
３２ｂ、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂとし、内側の
電極３２ａ、３２ｂ、４１ａ、４１ｂを検出用に用いた
ものである。このように構成すると、励振電界を上下対
称にできるので、励振による検出方向の振動漏れが少な
い。また、上面と側面の２つの電極を組み合わせて検出
電圧を取得することにより、角速度印加により角部に発
生する電荷を効率よく検出できる。そのため、励振に伴
う検出方向の漏れを減らして、オフセット電圧発生を抑
制でき、検出感度の向上およびＳ／Ｎの向上を期待でき
る。

【００３０】上述した第１〜第４実施形態は振動子とし
て水晶単結晶のＺ板を用いたものであるが、本発明はこ
れに限定されるものではない。例えば、水晶のＺ板に代
えてリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ₃ ）のいわゆる
Ｙ板を用いてもよい。図９は振動子としてリチウムタン
タレートのＹ板をワイヤーソーなどの機械加工により音
叉型に切り出したものであり、２本の振動片４０３およ
び４０４を＋Ｚの向きに突出させている。図１０はこの
リチウムタンタレートで構成された振動子４０１のため
の電極配置および処理回路を示す図である。外側の４つ
の電極４１１、４１３、４２０、４２３が駆動回路１３
１の出力端子３１０および３１０´に図示のように接続
されて駆動信号が与えられると、振動片４０３および４
０４は図９に示すようにＸ軸方向に互いに逆相で励振さ
れる。検出回路１３２´は第１〜第３実施形態の検出回
路１３２とは加算器の接続が異なっており、このように
接続することにより端子３１２から出力信号を出力し、
端子３１１からフィードバック信号を出力することがで
きる。

【００３１】

【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、励振の安定化のための励振振動の検出
とそれと直交する方向のコリオリの力による振動の検出
とを同じ振動検知素子で行うので、両検出を別々の素子
で検出する場合に比較して、十分な面積を確保すること
ができる。振動片を振動させたときに最も応力が集中す
るのはその根本である。本願発明によれば、振動片の根
本という限られた領域にも十分に面積を確保して振動検
知素子を配置することができるので、振動検知素子の位
置の点からも面積の点からも高い検出効率を確保するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の角速度検出装置に用いら
れる振動子を示す斜視図。

【図２】この実施形態の角速度検出装置の処理回路を示
すブロック図。

【図３】この実施形態の振動子の振動モードを示す斜視
図。

【図４】この実施形態の励振の際の逆圧電効果を説明す
るための図。

【図５】この実施形態の振動検出の際の圧電効果を説明
するための図。

【図６】本発明の第２の実施形態を示すブロック図。

【図７】本発明の第３の実施形態を示すブロック図。

【図８】本発明の第４の実施形態を示すブロック図。

【図９】本発明の第５の実施形態に用いられるリチウム
タンタレートの振動子を示す斜視図。

【図１０】その処理回路を示すブロック図。

【符号の説明】

１、４０１…振動子、２…振動子基体、３、４、４０
３、４０４…振動片、３１〜３９、３１ａ、３１ｂ、３
２ａ、３２ｂ、４１〜４９、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、
４２ｂ、４１０〜４１３、４２０〜４２３…電極、１３
１…駆動回路、１３２、１３２´…検出回路、１３３…
ＡＧＣ回路、１３４…オフセット回路、１３５…同期検
波回路、１３６…位相器。

フロントページの続き (72)発明者 辻 公壽 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大▲くわ▼ 政幸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

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、前記振動子の振動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動情報に基づいて前記振動子
   の回転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、 前記検出手段は前記振動子に取り付けられた複数の振動
   検知素子とこの複数の振動検知素子に接続された検出回
   路とを備え、 前記複数の振動検知素子は前記振動子の振動に伴って前
   記振動子にかかる内部応力の変化に応じた電荷の変化を
   発生するものであり、 前記検出回路は前記複数の振動検知素子の電荷の変化を
   合成して所望の電気信号に変換処理するものであり、且
   つ、前記複数の振動検知素子で発生した電荷の変化の合
   成の仕方を複数種備えることにより前記励振手段による
   励振振動とこの励振振動中に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とを検出す
   るものであることを特徴とする角速度検出装置。
2. 【請求項２】 前記励振手段は前記振動子に取り付けら
   れた励振駆動素子とこの励振駆動素子に接続された励振
   駆動回路とを備え、前記励振駆動素子と前記振動検知素
   子との間に定電位の電極が設けられていることを特徴と
   する請求項１に記載の角速度検出装置。