JPH1078327A - 角速度検出素子および角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度検出素子を、検出する角速度の回転軸
の方向に対して薄型化できるようにすること、及び高精
度で角速度を検出できるようにすること。 【解決手段】 圧電性を有する材料からなり、二つのア
ーム（１，２）を基部（１３）に一体に設けた音叉型の
振動体（１５）を有し、その各アーム（１，２）の表面
に電極を設けた角速度検出素子であって、その二つの各
アームの自由端部に、該アームの振動方向に沿ってそれ
ぞれ外方へ張り出すように伸びる伸張部（１１，１２）
を設ける。そして、二つの各アーム（１，２）の振動方
向に沿う各面と該面に垂直な各面のそれぞれに一つずつ
電極を設け、一定周期の駆動電圧を印加して各アーム
（１，２）を振動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電性を示す材
料からなる振動体（振動子）を用いた角速度検出素子、
およびその角速度検出素子を用いて角速度の検出を行な
う角速度検出装置に関するものであり、回転ジャイロス
コ−プの角速度センサ等に使用される。

【０００２】

【従来の技術】従来から機械式の回転ジャイロスコープ
が飛行機や船舶の慣性航法装置として使われてきた。こ
の機械式回転ジャイロスコープは、高安定かつ高性能で
あるが、その反面、装置が大きく価格も高いため、小型
機器に組み込むことは困難であった。

【０００３】そのため、近年では、圧電セラミックスで
振動体を励振させておき、回転の角速度にともなうコリ
オリ力（coriolis'force)で起きる振動により発生する
電圧を、振動体に設けた別の圧電セラミックで検出する
角速度検出素子を用いた、中程度の精度を有する小型の
振動式ジャイロスコープの実用化が進んできている。さ
らに、振動体として水晶を用いた角速度検出素子も、例
えば特開平４−５０４６１７号公報に開示されている。

【０００４】以下に、従来の水晶を用いた角速度検出素
子について図１２乃至図１４を用いて説明する。図１２
は従来の角速度検出素子の斜視図であり、図１３及び図
１４はそのＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

【０００５】この角速度検出素子６０は、これらの図に
示すように、水晶で形成された二つのア−ム４０，４１
と基部４２とからなる音叉型振動体６１を主体とする。
そして、図で左側のア−ム４０には、駆動電極４３，４
４，４５，４６と検出電極５１，５２，５３，５４とが
設けられ、右側のア−ム４１には、駆動電極４７，４
８，４９，５０と検出電極５５，５６，５７，５８とが
設けられている。

【０００６】各駆動電極４３〜５０に印加される駆動電
圧によって、図１２に示すア−ム４０とア−ム４１が音
叉平面（二つのアームが振動する方向の面）に沿って矢
印−Ｘ，Ｘ方向（Ｘ軸方向）に振動しているとき、矢印
Ｙで示すアーム４０，４１が延びる方向（Ｙ軸方向）の
軸を中心として、この各速度検出素子６０を角速度ωで
回転させると、Ｘ軸方向と直交する矢印−Ｚ，Ｚ方向
（Ｚ軸方向）に、角速度ωに比例したコリオリ力Ｆが働
く。このコリオリ力Ｆは次式で表される。 Ｆ＝２・Ｍ・ω・Ｖ この式において、Ｍはア−ムの質量、Ｖは振動の速度で
ある。

【０００７】このコリオリ力により、ア−ム４０，４１
のＺ軸方向に新たな振動が励振され、この振動により検
出電極５１〜５８に発生する電圧を検出回路で検出する
ことにより、この角速度検出素子６０が受けた角速度ω
の方向と大きさを検知することができる。図１３及び図
１４では、各駆動電極４３〜５０への駆動電圧の極性と
検出電極５１〜５８の発生電圧の極性を＋，−で示して
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の角速度検出素子は、角速度を検出しようとす
る回転の回転軸の方向が、音叉型振動子の二つのアーム
が平行に延びる方向（図１２のＹ軸方向）でなければな
らないため、その回転軸の方向に対しては薄型化できな
いという問題があった。

【０００９】また、このような角速度検出素子は、各ア
−ム４０，４１の上部に駆動電極を設け、下部に検出電
極を設ける構造であり、また各電極の接続処理を音叉型
振動子６１の基部４２で行うため、全体としてかなり複
雑な電極構造になる。そのため、真空蒸着やスパッタリ
ングにより、検出電極マスクを用いて検出電極を形成し
た後に、駆動電極マスクを用いて駆動電極を形成する工
程が必要になり、製造コストが高くなるという問題もあ
る。

【００１０】さらに、このような角速度検出素子は、駆
動電極に印加される一定周期の駆動電圧により振動して
いるだけで、角速度を受けていないときでも、機械的結
合のために検出電極にはわずかな漏れ出力電圧が発生す
る。この漏れ出力電圧は角速度の検出電圧と同相である
ため、検出出力には漏れ出力電圧と角速度の検出電圧と
が重畳されてしまう。

【００１１】しかし、従来のこのような角速度検出素子
を用いた検出装置においては、この漏れ出力電圧を補償
する手段がなく、角速度検出素子からの漏れ出力電圧が
重畳された出力電圧の変化によって角速度を求めていた
ため、検出精度が著しく低下するという問題があった。

【００１２】この発明は、これらの問題を解決し、コス
トが安く、且つ角速度を検出する回転の回転軸の方向に
対して薄型化が可能な角速度検出素子を提供すること、
およびその角速度検出素子を用いた検出精度が高い角速
度検出装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明による角速度検
出素子は、この目的を達成するため、水晶や圧電セラミ
ックス等の圧電性を有する材料からなり、平行に延びる
二つのアームとその各アームを一体に設けた基部とから
なる音叉型の振動体と、その各アームの表面に設けた電
極とからなる角速度検出素子であって、上記振動体の二
つの各アームの自由端部に、該アームの振動方向に沿っ
てそれぞれ外方へ張り出すように伸びる伸張部を設けた
ものである。

【００１４】そして、上記二つの各アームの振動方向に
沿う第１方向の各面（Ｘ−Ｙ面）と該面に垂直な第２方
向の各面（Ｙ−Ｚ面）のそれぞれに一つずつ前記電極を
設けるのが望ましい。また、上記振動体を構成する圧電
性を有する材料としては、水晶または圧電セラミックス
などを使用するとよい。

【００１５】さらに、上記振動体の二つのアームの上記
第１方向の各面と第２方向の各面にそれぞれ一つずつ設
けた電極が全て駆動電極であり、一方のアームの第１方
向の各面に設けた一対の駆動電極を接続して第１の出力
端子を設け、該アームの第２方向の各面に設けた一対の
駆動電極と、他方のアームの第１方向の各面に設けた一
対の駆動電極とを全て接続して第２の出力端子を設け、
他方のアームの第２方向の各面に設けた一対の駆動電極
を接続して入力端子を設けた角速度検出素子も提供す
る。

【００１６】また、上記振動体の二つのアームのうち
の、一方のアームの上記第１方向の各面と第２方向の各
面にそれぞれ一つずつ上記電極として駆動電極を設け、
他方のアームの第１方向の各面と第２方向の各面にそれ
ぞれ一つずつ上記電極として検出電極を設け、上記一方
のアームの第１方向の各面に設けた一対の駆動電極を接
続して出力端子を設け、該アームの第２方向の各面に設
けた一対の駆動電極を接続して入力端子を設け、他方の
アームの第２方向の各面に設けた一対の検出電極を接続
して第１の検出端子を設け、該アームの第１方向の各面
に設けた一対の検出電極を接続して第２の検出端子を設
けた角速度検出素子も提供する。

【００１７】前者の角速度検出素子を用いる角速度検出
装置は、その角速度検出素子の入力端子と第１の出力端
子および第２の出力端子との間に一定周期の駆動電圧を
印加して上記二つのアームを振動させる発振回路を設
け、さらに、上記第１の出力端子の出力電圧を分圧する
第１の分圧回路と、第２の出力端子の出力電圧を分圧す
る第２の分圧回路とを設ける。

【００１８】そして、その第１の分圧回路と第２の分圧
回路によってそれぞれ分圧された電圧を入力してその差
に応じた電圧を出力する差動増幅回路と、上記発振回路
によって発生される駆動電圧を上記差動増幅回路の出力
と同相になるように移相する移相回路と、上記差動増幅
回路の出力電圧と移相回路の出力電圧とを乗算して出力
する検波回路と、該検波回路の出力から直流部分を取り
出して、角速度検出素子が受けた角速度の方向と大きさ
に応じた極性と電圧値の信号を出力するローパスフィル
タとを備えている。

【００１９】後者の角速度検出素子を用いる角度検出装
置は、その角速度検出素子の入力端子と出力端子との間
に一定周期の駆動電圧を印加して上記二つのアームを振
動させる発振回路を設け、さらに、上記第１の検出端子
と第２の検出端子との間に発生する出力電圧を入力して
増幅する増幅回路と、上記発振回路によって発生される
駆動電圧を分圧する分圧回路と、該分圧回路によって分
圧された電圧信号を上記増幅回路の出力と同相になるよ
うに移相する移相回路とを設ける。

【００２０】そして、上記増幅回路の出力電圧と移相回
路の出力電圧とを入力してその差に応じた電圧を出力す
る差動増幅回路と、この差動増幅回路の出力電圧と上記
移相回路の出力電圧とを乗算して出力する検波回路と、
この検波回路の出力から直流部分を取り出して、角速度
検出素子が受けた角速度の方向と大きさに応じた極性と
電圧値の信号を出力するローパスフィルタとを備えてい
る。

【００２１】この角速度検出素子は、音叉型振動体の二
つのアームの各自由端部にそれぞれ外方へ張り出す伸張
部を設けたことにより、音叉平面に垂直な方向の回転軸
を中心とする回転による角速度を受けた場合に、各アー
ムにコリオリ力が作用して曲げモーメントが発生するよ
うになり、それによって発生する電圧を検出することに
よって、受けた角速度の方向と大きさを検出することが
できる。従って、角速度検出素子を回転軸の方向に薄型
化することができる。

【００２２】また、上述したこの発明角速度検出装置に
よれば、角速度検出素子における検出電圧に重畳される
漏れ出力電圧分をキャンセルして、角速度検出素子が受
けた角速度の方向と大きさを高精度に検出することがで
きる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。まず、図１乃至図４によって、
この発明による角速度検出素子の一実施形態について説
明する。図１はその角速度検出素子の振動体のみを示す
斜視図、図２及び図３はその振動体の各表面に電極を形
成した角速度検出素子の正面図及び背面図、図４は図２
のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【００２４】この実施形態の角速度検出素子１４は、図
１に示すように、平行行に延びる二つのアーム１，２と
その各アーム１，２を一体に設けた基部１３とからなる
音叉型の振動体１５を主体とする。この振動体１５は圧
電性を有する材料、例えば水晶からなる。水晶によって
この振動体１５を形成する場合、水晶原石の結晶軸Ｘ，
Ｙ，Ｚと図１に示すＸ，Ｙ，Ｚの各軸とはそれそれ少し
ずれているが、便宜上同じ符号を用いる。

【００２５】ここでは、Ｘ軸が振動体１５の幅方向、Ｙ
軸がその長さ方向、Ｚ軸がその厚さ方向にそれぞれ対応
している。したがって、角速度検出素子１４のアーム１
とアーム２及び基部１３は、それぞれ各アーム１，２の
振動方向に沿う第１の方向の面であるＸ−Ｙ面（音叉平
面）と、その面に垂直な第２の方向の面であるＹ−Ｚ面
（音叉平面に垂直な面）とによって構成されている。

【００２６】また、この振動体１５のアーム１の自由端
部には、その振動方向に沿って外方（Ｘ軸のマイナス方
向）に張り出すように伸びる伸張部１１を設け、アーム
２の自由端部にも、その振動方向に沿って外方（Ｘ軸の
プラス方向）に張り出すように伸びる伸張部１２を設け
ている。このように、振動体１５のアーム１，２の各自
由端部にそれぞれ伸張部１１，１２を設けることによ
り、この角速度検出素子１４は、音叉平面に垂直な方向
の回転軸を中心とする回転による角速度を検出すること
が可能になる。その詳細は後述する。

【００２７】次に、この角速度検出素子１４の電極構造
について説明する。この角速度検出素子１４には、図２
乃至図４に示すように、振動体１５の各アーム１，２の
Ｘ−Ｙ面とＹ−Ｚ面のそれぞれに一つずつ駆動電極を設
けている。すなわち、アーム１には各面に駆動電極３，
４，５，６をそれぞれ設け、アーム２には各面に駆動電
極７，８，９，１０をそれぞれ設けている。

【００２８】なお、図２乃至図４において、同じハッチ
ング又は網掛けパターンを施した電極は互いに接続され
ていることを示している。すなわち、駆動電極３と４は
アーム１の上端部で接続され、駆動電極９と１０は振動
体１５の基部１３で接続され、駆動電極５，６，７，８
は振動体１５の基部１３とアーム２の上端部で互いに接
続されている。これら駆動電極３〜１０は、例えばマス
クパターンを使用して真空蒸着やスパッタリングによっ
て一度に形成することができる。

【００２９】また、アーム１の駆動電極３，４には図２
及び図４に示す出力端子Ｏ１を設け、アーム２の駆動電
極９，１０には図３及び図４に示す出力端子Ｏ２を設け
る。さらに、アーム１の駆動電極５，６とアーム２の駆
動電極７，８には、図２及び図４に示す入力端子Ｉを設
けている。なお、この角速度検出素子１４の各駆動電極
は検出電極を兼ている。

【００３０】そして、この角速度検出素子１４の入力端
子Ｉと出力端子Ｏ１，Ｏ２の間に一定周期の駆動電圧を
印加することにより、振動体１５の各アーム１，２が、
図４に実線矢印で示すように、Ｘ−Ｙ面に沿って左右の
アーム１，２が互いに逆位相の屈曲振動を行う。

【００３１】ここで、この実施例の角速度検出素子によ
る角速度検出の原理を、図５および図６によって説明す
る。図５および図６は、いずれも角速度検出素子１４が
振動時に音叉平面に垂直な方向（紙面に垂直なＺ軸方
向）の回転軸Ｃを中心とする回転による角速度を受けた
ときの状態を示し、図５は時計回りの回転（右回転）に
よる角速度ω１を受けた場合、図６は反時計回りの回転
（左回転）による角速度ω２を受けた場合をそれぞれ示
す。

【００３２】図５に示すように、角速度検出素子１４が
音叉平面で時計回りの角速度ω１を受けた場合、ある瞬
間におけるアーム１の伸張部１１の振動方向が−Ｘ方向
であるとすると、コリオリ力はＦ１は＋Ｙ方向（上向
き）に作用する。このとき、アーム２の伸張部１２の振
動方向は＋Ｘ方向になるため、そのコリオリ力はＦ２は
−Ｙ方向（下向き）に作用する。

【００３３】したがって、コリオリ力Ｆ１によりアーム
１に働くモーメントＭ１は、振動方向（−Ｘ方向）とは
逆方向（＋Ｘ方向）となり、コリオリ力Ｆ２によりアー
ム２に働くモーメントＭ２は、振動方向（＋Ｘ方向）と
同一方向となる。それ故、モーメントＭ１とモーメント
Ｍ２の作用方向は同一方向になる。

【００３４】一方、図６に示すように、この角速度検出
素子１４が音叉平面で反時計回りの角速度ω２を受けた
場合には、ある瞬間におけるアーム１の伸張部１１の振
動方向が、上述の場合と同様に−Ｘ方向であるとする
と、コリオリ力Ｆ１は−Ｙ方向（下向き）に作用する。
このとき、アーム２の伸張部１２の振動方向は＋Ｘ方向
になるため、そのコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向（上向き）
に作用する。

【００３５】したがって、コリオリ力Ｆ１によりアーム
１に働くモーメントＭ１は、振動方向（−Ｘ方向）と同
一方向となり、コリオリ力Ｆ２によりアーム２に働くモ
ーメントＭ２は、振動方向（＋Ｘ方向）とは逆方向（−
Ｘ方向）となる。それ故、モーメントＭ１とモーメント
Ｍ２の作用方向は図５の場合とは逆の同一方向になる。

【００３６】この上述した各アームに働くモーメントＭ
１，Ｍ２により、その作用方向に応じた向きでその大き
さに比例した電界を発生し、それによって角速度方向に
応じた極性でその大きさに比例した電圧を発生する。こ
の電界による発生電圧により角速度の検出を行うことが
できる。

【００３７】次に、上述した角速度検出素子１４を用い
た角速度検出装置の実施例について説明する。図７は、
その角速度検出装置の構成を示すブロック図である。こ
の角速度検出装置は、上述した角速度検出素子１４と、
発振回路３０，差動増幅回路３１，移相回路３２，検波
回路３３，ローパスフィルタ３４，および出力増幅回路
３５からなる検出回路とから構成されている。

【００３８】そして、角速度検出素子１４の入力端子Ｉ
は、発振回路３０を構成する増幅器２３の入力端子に接
続し、コンデンサ（容量）Ｃ１を介して接地する。その
増幅器２３の出力端子はコンデンサ（容量）Ｃ２を介し
て接地するとともに、第１の分圧回路を構成する直列抵
抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を介して接地し、第２の分圧回路を
構成する直列抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を介してもパラレル
に接地している。

【００３９】この直列抵抗Ｒ１とＲ２の接続点を角速度
検出素子１４の出力端子Ｏ１に接続し、直列抵抗Ｒ４と
Ｒ５の接続点を角速度検出素子１４の出力端子Ｏ２に接
続する。これによって、発振回路３０が発生する一定周
期の駆動電圧を角速度検出素子１４の入力端子Ｉと出力
端子Ｏ１，Ｏ２間に印加して、前述した振動体１５の二
つのアーム１，２を振動させる。そして、この角速度検
出素子１４の各アーム１，２で発生する出力電圧を出力
端子Ｏ１，Ｏ２から取り出す。

【００４０】第１の出力端子Ｏ１の出力電圧を第１の分
圧回路を構成する直列抵抗Ｒ２とＲ３で分圧して、電圧
信号Ｓ１として差動増幅回路３１の一方の入力端子に入
力させる。また、第２の出力端子Ｏ２の出力電圧を第２
の分圧回路を構成する直列抵抗Ｒ５とＲ６で分圧して、
電圧信号Ｓ２として差動増幅回路３１の他方の入力端子
に入力させる。

【００４１】なお、第１の分圧回路を構成する直列抵抗
Ｒ１〜Ｒ３と、第２の分圧回路を構成する直列抵抗Ｒ４
〜Ｒ６を発振回路３０内に設けているが、これらを発振
回路３０の外部に設けるようにしてもよい。差動増幅回
路３１は、入力する二つの電圧信号Ｓ２とＳ１の差に応
じた電圧信号Ｓ２−Ｓ１を出力する。

【００４２】移相回路３２は、発振回路３０によって発
生される一定周期の駆動電圧を差動増幅回路３１の出力
電圧と同相になるように移相し、電圧信号Ｓ０を出力す
る。検波回路３３は、差動増幅回路３１の出力電圧と移
相回路３２の出力電圧とを乗算して電圧信号Ｓ３を出力
する。

【００４３】ローパスフィルタ３４は、検波回路３３の
出力である電圧信号Ｓ３から直流分を取り出して平滑
し、角速度検出素子１４が受けた角速度の方向と大きさ
に応じた極性と電圧値の信号Ｓ４を出力する。出力増幅
回路３５は、ローパスフィルタ３４によって取り出した
直流電圧信号Ｓ４を増幅して角速度の検出信号Ｓ５とし
て出力する。

【００４４】ここで、この角速度検出装置による角速度
検出作用を、図４および図８も参照して詳述する。図８
は図７における各信号の波形図である。移相回路３２か
ら出力される駆動電圧に応じた電圧信号Ｓ０は、図８の
（ａ）に示すように波高値Ａのサイン波（Ａ・Sin ω
ｔ）である。

【００４５】角速度検出素子が角速度を受けていない非
回転時においては、差動増幅回路３１に入力する二つの
電圧信号Ｓ１とＳ２は、図８の（ｂ）に示すように等し
く、電圧信号Ｓ０とも同じ波高値Ａのサイン波（Ａ・Si
n ωｔ）になるように、分圧回路を構成する抵抗Ｒ２と
Ｒ３の抵抗値の比、および抵抗Ｒ５とＲ６の抵抗値の比
を調整しておく。それにより、差動増幅回路３１の出力
電圧（Ｓ２−Ｓ１）は零になり、角速度検出素子１４に
おける漏れ出力電圧分をキャンセルして精度のよい角速
度の検出が可能になる。

【００４６】次に、具体例として、図５によって説明し
たように、角速度検出素子１４が振動時に音叉平面に垂
直な方向の回転軸Ｃを中心とする時計方向の回転（右回
転）により角速度ω１を受けたときの角速度の検出につ
いて説明する。この角速度ω１を受けると、前述したよ
うに角速度検出素子１４のアーム１に作用するコリオリ
力によるモーメントＭ１は、図４に実線矢印で示す駆動
電圧による振動方向と逆位相の破線矢印で示す方向にな
るため、それによって発生する電圧は振動によって発生
する電圧と逆極性になる。

【００４７】そのため、この時の電圧信号Ｓ１は、図８
の（ｄ）に実線で示すように、破線で示す駆動電圧によ
る振動に応じた波高値Ａのサイン波（Ａ・Sin ωｔ）に
対して、アーム１に作用するコリオリ力によるモーメン
トＭ１に応じた電圧成分ΔＡだけ波高値が減少したサイ
ン波（Ａ−ΔＡ）Sin ωｔ になる。

【００４８】一方、角速度検出素子１４のアーム２に作
用するコリオリ力によるモーメントＭ２は、図４に実線
矢印で示す駆動電圧による振動方向と同位相の破線矢印
で示す方向になるため、それによって発生する電圧は振
動によって発生する電圧と同極性になる。

【００４９】そのため、この時の電圧信号Ｓ２は、図８
の（ｃ）に実線で示すように、破線で示す駆動電圧によ
る振動に応じた波高値Ａのサイン波（Ａ・Sin ωｔ）に
対して、アーム２に作用するコリオリ力によるモーメン
トＭ１に応じた電圧成分ΔＡだけ波高値が増加したサイ
ン波（Ａ＋ΔＡ）Sin ωｔ になる。

【００５０】したがって、差動増幅回路３１によって出
力される電圧信号Ｓ２−Ｓ１は、 Ｓ２−Ｓ１＝（Ａ＋ΔＡ）Sin ωｔ−（Ａ−ΔＡ）Sin ωｔ ＝２ΔＡ・Sin ωｔ となる。この電圧信号を図８の（ｅ）に実線で示す。な
お、破線は反時計方向の回転（左回転）による加速度を
受けた時の電圧信号Ｓ２−Ｓ１の波形を示し、右回転時
の実線で示す波形に対して位相が反転する。

【００５１】そして、検波回路３３によって、この差動
増幅回路３１の出力電圧が、図８の（ａ）に示した駆動
電圧に応じた電圧信号Ｓ０と乗算され、図８の(ｆ)に実
線で示す正の全波の検波出力電圧Ｓ３が出力される。な
お、破線は反時計方向の回転（左回転）による加速度を
受けた時の検波出力電圧Ｓ３の波形を示し、その場合は
負の全波の信号になる。この検波出力電圧はＳ３は次式
で表すことができる。

【００５２】 Ｓ３＝Ａ・Sin ωｔ・２ΔＡ・Sin ωｔ ＝Ａ・２ΔＡ（１−Cos２ωｔ）／２ ＝Ａ・ΔＡ（１−Cos２ωｔ）

【００５３】ローパスフィルタ３４によって、この検波
出力電圧Ｓ３の直流成分Ａ・ΔＡを取り出す。その信号
Ｓ４は右回転による場合は図８の（ｇ）に実線で示すよ
うに正の電圧となる。これは、角速度検出素子１４が受
けた角速度の方向と大きさに応じた極性と電圧値の信号
であり、角速度の大きさによって電圧値が変化する。

【００５４】角速度検出素子１４が左回転による加速度
を受けた場合は、検波回路３３の検波出力電圧Ｓ３が図
８の（ｅ）に破線で示すように負の全波の電圧信号にな
る。したがって、ローパスフィルタ３４の出力信号Ｓ４
も（ｇ）に破線で示すように負の電圧になる。このロー
パスフィルタ３４の出力信号Ｓ４を出力増幅回路３５で
増幅して、角速度検出信号Ｓ５として出力する。

【００５５】以上説明したように、この角速度検出装置
によれば、角速度検出素子１４の振動体１５のアーム
１，２による出力電圧は、差動増幅回路３１により、駆
動電圧による部分がキャンセルされ、受けた角速度の大
きさに応じたコリオリ力に基づくモーメントによる発生
電圧のみを検出して、角速度に比例した出力電圧が得ら
れ、これを基に角速度の計測を行うことが可能になる。

【００５６】次に、この発明による角速度検出素子の他
の実施形態を図９によって説明する。この角速度検出素
子１４′の振動体の一方のアーム１の各面に設けた電極
３〜６だけを駆動電極とし、他方のアーム２の各面に設
けた電極１７〜２０は検出電極としている。

【００５７】そして、図９に示すように、アーム１の第
１方向の各面（Ｘ−Ｙ面）に設けた一対の駆動電極３と
４を接続して出力端子Ｏ１を設け、第２方向の各面（Ｙ
−Ｚ面）に設けた一対の駆動電極５と６を接続して入力
端子Ｉ０を設ける。一方、アーム２の第２方向の各面に
設けた一対の検出電極１７と１８を接続して第１の検出
端子Ｄ１を設け、第１方向の各面に設けた一対の検出電
極１９と２０を接続して第２の検出端子Ｄ２を設けてい
る。

【００５８】その他の構成は、図２における電極５，６
と電極７とが接続されていない点を除いて、図１乃至図
３に示した前述の角速度検出素子１４と同様であるの
で、その説明を省略する。

【００５９】次に、この発明による角速度検出装置の他
の実施形態として、上述の図９に示した角速度検出素子
１４′を用いた角速度検出装置を、図１０および図１１
によって説明する。図１０はその角速度検出装置の構成
を示すブロック図であり、上述した角速度検出素子１
４′と、発振回路３０′，増幅回路３７，差動増幅回路
３１′，移相回路３２′，検波回路３３，ローパスフィ
ルタ３４，および出力増幅回路３５からなる検出回路と
から構成されている。

【００６０】そして、角速度検出素子１４′の入力端子
Ｉ０は、発振回路３０′を構成する増幅器２３の入力端
子に接続し、コンデンサＣ１を介して接地する。発振回
路３０′の増幅器２３の出力端子は、角速度検出素子１
４′の出力端子Ｏ１に接続されるとともに、コンデンサ
Ｃ２を介して接地され、かつ分圧回路を構成する抵抗Ｒ
７とＲ８の直列回路を介しても接地される。

【００６１】この発振回路３０′が発生する一定周期の
駆動電圧を、角速度検出素子１４′の入力端子Ｉ０と出
力端子Ｏ１との間に印加して、振動体の二つのアーム
１，２を振動させる。その角速度検出素子１４′の第１
の検出端子Ｄ１は接地し、第２の検出端子Ｄ２に発生す
る出力電圧を増幅回路３７に入力して増幅する。

【００６２】一方、分圧回路を構成する抵抗Ｒ７，Ｒ８
によって、発振回路３０′によって発生する駆動電圧を
分圧してレベル調整し、その電圧信号を移相回路３２′
によって増幅回路３７の出力と同相になるように移相す
る。

【００６３】差動増幅回路３１′は、増幅回路３７の出
力電圧Ｓａと移相回路３２′の出力電圧Ｓ０との差Ｓａ
−Ｓ０に応じた電圧を出力する。検波回路３３はその差
動増幅回路３１′の出力電圧と移相回路３２′の出力電
圧Ｓ０とを乗算して検波出力電圧Ｓ３を出力する。ロー
パスフィルタ３４と出力増幅回路３５は、図７に示した
前述の実施形態と同じである。

【００６４】図１１は、図１０における各部の信号の波
形図である。(ａ)は移相回路３２′の出力電圧Ｓ０であ
り、(ｂ)は角速度検出素子１４′が角速度を受けていな
い非回転時における増幅回路３７の出力電圧Ｓａであ
る。この出力電圧０とＳａが波高値Ａと位相が等しいＡ
・Sin ωｔのサイン波形になるように、抵抗Ｒ７とＲ８
によるレベル調整と移相回路３２′による移相を行う。
それによって、高精度な角速度検出が可能になる。

【００６５】そして、角速度検出素子１４′が右回転に
よる角速度を受けたときには、増幅回路３７の出力電圧
Ｓａが、図１１の（ｃ）に実線で示すようになり、破線
で示す非回転時の出力電圧よりも、加速度に応じた発生
電圧分のΔＡだけ波高値が増加し、(Ａ＋ΔＡ）Sin ω
ｔのサイン波形になる。

【００６６】従って、差動増幅回路３１′による出力電
圧Ｓａ−Ｓ０は、図１１の（ｄ）に実線で示すようにな
り、検波回路３３による検波出力電圧Ｓ３は（ｅ）に実
線で示すように、角速度の大きさに依存する正の全波の
電圧信号になる。角速度検出素子１４′が左回転による
角速度を受けたときには、増幅回路３７の出力電圧Ｓａ
が、非回転時の出力電圧よりも、加速度に応じた発生電
圧分のΔＡだけ波高値が減少し、(Ａ−ΔＡ）Sin ωｔ
のサイン波形になる。

【００６７】従って、差動増幅回路３１′による出力電
圧Ｓａ−Ｓ０は、図１１の（ｄ）に破線で示すようにな
り、検波回路３３による検波出力電圧Ｓ３は（ｅ）に破
線で示すように、角速度の大きさに依存する負の全波の
電圧信号になる。この検波回路３３の検波出力電圧Ｓ３
からローパスフィルタ３４によって直流分を取り出し、
角速度検出素子１４′が受けた角速度の方向と大きさに
応じた極性と電圧値の信号Ｓ４を出力する。その信号Ｓ
４を出力増幅回路３５によって増幅して角速度検出信号
Ｓ５として出力する。

【００６８】なお、上述した各実施例では、角速度検出
素子１４，１４′の振動体１５の材料が水晶である場合
の例で説明したが、これに限定されるものでなく、例え
ば、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム単結
晶、またはホウ酸リチウム単結晶等の圧電性を示す材料
を用いて振動体を形成することも可能である。また、圧
電セラミックスのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を
用いることも可能である。

【００６９】あるいは、シリコン基板にＺｎＯ等の圧電
材料を用いて高周波スパッタリング法で圧電膜を形成し
て、振動体を形成することも可能である。さらに、角速
度検出素子の電極構造として、振動体の二つのアームの
すべての面に一つずつ駆動電極を設けるようにしたが、
二つのアームの対向するＸ−Ｙ面に３本のストライプ状
に駆動電極を設けることもできる。

【００７０】また、振動体の二つのアームの自由端部に
それぞれ設ける伸張部の材料は、水晶に限定する必要は
なく、水晶より密度の大きい材料を各アームの自由端部
接着して取り付けることも可能である。

【００７１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
による角速度検出素子は、音叉型振動体の二つのアーム
の自由端部にそれぞれ、アームの振動方向に沿って外方
に張り出す伸張部を設けたため、音叉平面に垂直な回転
軸を中心とする回転による角速度の検出が可能になり、
回転軸方向に対する薄型化が可能になった。

【００７２】また、この角速度検出素子は、振動体の各
アームに駆動電極と検出電極とを設けることなく、各ア
ームのすべての面に一つずつの電極を設けるだけでよい
ため、電極構造を単純化できるので、電極形成を安価に
かつ容易に行うことができる。さらに電極構造は、すべ
て対称であるため、時計用の音叉型水晶振動子の製造ラ
インで製造できるなどの理由により、低コスト化が可能
である。

【００７３】さらに、この発明による角速度検出装置
は、角速度検出素子からの駆動電圧による振動に基づく
角速度によらない発生電圧や漏れ出力電圧を完全にキャ
ンセルして、角速度を受けたときにの発生電圧のみを検
出することができるので、高精度に角速度の方向及び大
きさを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による角速度検出素子の一実施形態の
振動体のみを示す斜視図である。

【図２】図１に示した振動体の各表面に電極を形成した
角速度検出素子の正面図である。

【図３】同じくその背面図である。

【図４】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図５】図１乃至図４に示した角速度検出素子による時
計回りの回転（右回転)による角速度検出原理を説明す
るための図である。

【図６】同じく反時計回りの回転（左回転）による角速
度検出原理を説明するための図である。

【図７】この発明による角速度検出装置の一実施形態を
示すブロック図である。

【図８】図７における検出回路の各部の信号波形を示す
波形図である。

【図９】この発明による角速度検出素子の他の実施形態
を示す図４と同様な断面図である。

【図１０】この発明による角速度検出装置の他の実施形
態を示すブロック図である。

【図１１】図１０における検出回路の各部の信号波形を
示す波形図である。

【図１２】従来の角速度検出素子の斜視図である。

【図１３】図１２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図１４】図１２のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

【符号の説明】

１，２：アーム ３〜１０：駆動電極 １１，１２：伸張部 １３：基部 １４，１４′：角速度検出素子 １５：音叉型の振動体 １７〜２０：検出電極 ２３：増幅器 ３０，３０′：発振回路 ３１，３１′：差動増幅器 ３２，３２′：移相回路 ３３：検波回路 ３４：ローパスフィルタ ３５：出力増幅回路 ３７：増幅回路 Ｉ，Ｉｏ：入力端子 Ｏ1，Ｏ2：出力端子 Ｄ1，Ｄ2：検出端子 Ｒ1，Ｒ8：分圧回路の抵抗 Ｃ1，Ｃ2：コンデンサ(容量）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性を有する材料からなり、平行に延
   びる二つのアームとその各アームを一体に設けた基部と
   からなる音叉型の振動体と、前記各アームの表面に設け
   た電極とからなる角速度検出素子であって、 前記振動体の二つの各アームの自由端部に、該アームの
   振動方向に沿ってそれぞれ外方へ張り出すように伸びる
   伸張部を設けたことを特徴とする角速度検出素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の角速度検出素子であっ
   て、 前記振動体の二つの各アームの振動方向に沿う第１方向
   の各面（Ｘ−Ｙ面）と該面に垂直な第２方向の各面（Ｙ
   −Ｚ面）のそれぞれに一つずつ前記電極を設けたことを
   特徴とする角速度検出素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の角速度検出素子で
   あって、 前記振動体を構成する圧電性を有する材料が、水晶また
   は圧電セラミックスであることを特徴とする角速度検出
   素子。
4. 【請求項４】 請求項２記載のの角速度検出素子であっ
   て、 前記振動体の二つのアームの前記第１方向の各面と前記
   第２方向の各面にそれぞれ一つずつ設けた前記電極が全
   て駆動電極であり、 一方のアームの前記第１方向の各面に設けた一対の駆動
   電極を接続して第１の出力端子を設け、 該アームの前記第２方向の各面に設けた一対の駆動電極
   と、他方のアームの前記第１方向の各面に設けた一対の
   駆動電極とを全て接続して第２の出力端子を設け、 前記他方のアームの前記第２方向の各面に設けた一対の
   駆動電極を接続して入力端子を設けたことを特徴とする
   角速度検出素子。
5. 【請求項５】 請求項２記載の角速度検出素子であっ
   て、 前記振動体の二つのアームのうちの、一方のアームの前
   記第１方向の各面と前記第２方向の各面にそれぞれ一つ
   ずつ前記電極として駆動電極を設け、他方のアームの前
   記第１方向の各面と前記第２方向の各面にそれぞれ一つ
   ずつ前記電極として検出電極を設け、 前記一方のアームの前記第１方向の各面に設けた一対の
   駆動電極を接続して出力端子を設け、 該アームの前記第２方向の各面に設けた一対の駆動電極
   を接続して入力端子を設け、 前記他方のアームの前記第２方向の各面に設けた一対の
   検出電極を接続して第１の検出端子を設け、 該アームの前記第１方向の各面に設けた一対の検出電極
   を接続して第２の検出端子を設けたことを特徴とする角
   速度検出素子。
6. 【請求項６】 請求項４記載の角速度検出素子と、 該角速度検出素子の前記入力端子と前記第１の出力端子
   および前記第２の出力端子との間に一定周期の駆動電圧
   を印加して前記二つのアームを振動させる発振回路と、 前記第１の出力端子の出力電圧を分圧する第１の分圧回
   路と、 前記第２の出力端子の出力電圧を分圧する第２の分圧回
   路と、 その第１の分圧回路と第２の分圧回路によってそれぞれ
   分圧された電圧を入力してその差に応じた電圧を出力す
   る差動増幅回路と、 前記発振回路によって発生される前記駆動電圧を前記差
   動増幅回路の出力と同相になるように移相する移相回路
   と、 前記差動増幅回路の出力電圧と前記移相回路の出力電圧
   とを乗算して出力する検波回路と、 該検波回路の出力から直流部分を取り出して、前記角速
   度検出素子が受けた角速度の方向と大きさに応じた極性
   と電圧値の信号を出力するローパスフィルタとを備えた
   ことを特徴とする角速度検出装置。
7. 【請求項７】 請求項５記載の角速度検出素子と、 該角速度検出素子の前記入力端子と前記出力端子との間
   に一定周期の駆動電圧を印加して前記二つのアームを振
   動させる発振回路と、 前記第１の検出端子と前記第２の検出端子との間に発生
   する出力電圧を入力して増幅する増幅回路と、 前記発振回路によって発生される前記駆動電圧を分圧す
   る分圧回路と、 該分圧回路によって分圧された電圧信号を前記増幅回路
   の出力と同相になるように移相する移相回路と、 前記増幅回路の出力電圧と前記移相回路の出力電圧とを
   入力してその差に応じた電圧を出力する差動増幅回路
   と、 該差動増幅回路の出力電圧と前記移相回路の出力電圧と
   を乗算して出力する検波回路と、 該検波回路の出力から直流部分を取り出して、前記角速
   度検出素子が受けた角速度の方向と大きさに応じた極性
   と電圧値の信号を出力するローパスフィルタとを備えた
   ことを特徴とする角速度検出装置。