JPH11295073A - 角速度センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より簡単な構成で、しかも、検出感度に優れ
た角速度センサーを提供する。 【解決手段】 四角柱状の恒弾性振動子２の３側面にそ
れぞれ圧電素子３，４，５を取り付ける。そして、それ
らの圧電素子３，４，５のうちの一つを、コルピッツ発
振回路のインピーダンス素子として機能させて、自励発
振型駆動回路６を構成する。そして、この自励発振型駆
動回路６を駆動して、恒弾性振動子２を振動させた状態
で、他の圧電素子３，４によって、恒弾性振動子２に生
じるコリオリ力を検出する。このとき、恒弾性振動子２
の振動方向の共振周波数と、コリオリ力検出方向の共振
周波数とのバランスが最適なものとなるように、恒弾性
振動子２の断面形状を適切な寸法比の長方形としてお
く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ビデオカ
メラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置におけ
る動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方
向検知等に用いられる角速度センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、民生用の角速度センサーとして
は、棒状の振動子を所定の共振周波数で振動させてお
き、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子
等で検出することによって角速度を検出する、いわゆる
振動ジャイロ型の角速度センサーが広く使用されてい
る。

【０００３】このような角速度センサーにおいて、振動
子を駆動する方法としては、他励発振型駆動回路による
方法と、自励発振型駆動回路による方法とがある。しか
しながら、他励発振型駆動回路による方法は、振動子等
の温度特性によって発振周波数と振動子の共振周波数と
にずれが生じると急激にコリオリ力の検出感度が低下す
るという問題があり、実用化に至っていない。

【０００４】そこで、現在は、図９又は図１０に示すよ
うに、移相発振回路のループに振動子を組み入れた自励
発振型駆動回路による角速度センサーが一般的になって
いる。このような角速度センサーでは、振動子の共振周
波数で自励発振するので、温度特性による感度変化が少
なく、広温度範囲において感度の安定した角速度出力を
得ることができる。

【０００５】図９に示す角速度センサーは、三角柱状の
恒弾性振動子１００の側面に、電極１０１ａ及び圧電体
１０１ｂからなる第１の圧電素子１０１と、電極１０２
ａ及び圧電体１０２ｂからなる第２の圧電素子１０２
と、電極１０３ａ及び圧電体１０３ｂからなる第３の圧
電素子１０３とがそれぞれ取り付けられた三角柱状の振
動子１０４を備えている。また、この角速度センサー
は、第１の圧電素子１０１に接続された増幅器１０５
と、増幅器１０５に接続された移相器１０６と、第２の
圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０３に接続された
差動増幅器１０７と、差動増幅器１０７に接続された同
期検波器１０８と、同期検波器１０８に接続されたロー
パスフィルタ１０９とを備えている。

【０００６】この角速度センサーにおいて、第２の圧電
素子１０２及び第３の圧電素子１０３は、自励発振のた
めに振動子１０４の振動を検出するとともに、振動子１
０４に生じるコリオリ力を検出する。すなわち、この角
速度センサーでは、自励発振のために振動子１０４の振
動を検出する素子と、角速度検出のためにコリオリ力を
検出する素子とが、共通の圧電素子となる。

【０００７】このような三角柱状の振動子１０４を用い
た角速度センサーは、現在のところ最も感度が高く、主
流となっている。しかしながら、このような角速度セン
サーでは、自励発振のために振動子１０４の振動を検出
する素子と、角速度検出のためにコリオリ力を検出する
素子とが、共通の圧電素子となるため、コリオリ力の検
出電圧が、振動子１０４の駆動電圧や電源電圧等によっ
て制限されてしまい、圧電素子の検出能力を十分に利用
することができないという問題があった。

【０００８】また、図１０に示す角速度センサーは、円
柱状の圧電セラミック振動子１１０の側面に６つの電極
１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６が印
刷された振動子１１７を備えている。ここで、第１乃至
第３の電極１１１，１１２，１１３はそれぞれ独立した
電極とされ、第４乃至第５の電極１１４，１１５，１１
６は共通のグランド電位に接続される。また、この角速
度センサーは、第１の電極１１１に接続された増幅器１
１８と、増幅器１１８に接続された移相器１１９と、移
相器１１９に接続された加算機１２０と、第２及び第３
の電極１１２，１１３に接続された差動増幅器１２１
と、差動増幅器１２１に接続された同期検波器１２２
と、同期検波器１２２に接続されたローパスフィルタ１
２３とを備えている。この角速度センサーでは、第１の
電極１１１に電圧を印加することにより、振動子１１７
を振動させるとともに、第２及び第３の電極１１２，１
１３によって、振動子１１７に生じるコリオリ力を検出
する。

【０００９】この角速度センサーでは、振動子１１７に
圧電素子を接着する必要がなく、比較的にシンプルな構
造となっている。しかしながら、この角速度センサーで
は、特に小型化を図った場合に、圧電セラミック振動子
１１０の製造、並びに当該圧電セラミック振動子１１０
への電極の印刷を精度良く行うことが難しいという問題
ある。

【００１０】すなわち、この角速度センサーでは、円柱
状の圧電セラミック振動子１１０を用いているが、三角
柱状や四角柱状のものに比べて、円柱状の圧電セラミッ
ク振動子１１０を精度良く製造することは難しい。しか
も、この角速度センサーでは、圧電セラミック振動子１
１０が円柱状であるため、電極は曲面上を印刷されるこ
ととなるが、曲面上に電極を精度良く印刷することは容
易ではない。

【００１１】このように、この角速度センサーでは、円
柱状の圧電セラミック振動子１１０を用いるために製造
が難しく、量産効果が期待できない構造となっており、
たとえ量産したとしても低コスト化を図ることは難し
い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、他励発
振型駆動回路による方法では、温度特性による感度変化
が問題となる。そして、この問題を解決するために、自
励発振型駆動回路を採用した角速度センサーが提案され
ているが、これらの角速度センサーにおいても、上述し
たように様々な問題が残されている。

【００１３】すなわち、図９に示したような角速度セン
サーでは、振動子を駆動するための圧電素子とコリオリ
力を検出するための圧電素子とが共用になってしまうの
で、圧電素子の検出能力を十分に利用することができ
ず、感度を犠牲にすることとなってしまう。また、図１
０に示したような角速度センサーでは、円柱状の圧電セ
ラミック振動子を用いるため、特に小型化を進めたとき
に、低コスト化を図ることが難しい。

【００１４】本発明は、以上のような従来の実情に鑑み
て提案されたものであり、より簡単な構成で、しかも、
検出感度に優れた角速度センサーを提供することを目的
としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る角速度セン
サーは、四角柱状の恒弾性振動子と、上記恒弾性振動子
の対向する２つの側面にそれぞれ取り付けられた第１及
び第２の圧電素子と、上記恒弾性振動子の他の側面に取
り付けられた第３の圧電素子とを備える。ここで、上記
恒弾性振動子は、長手方向に対して垂直な平面で切断し
たときの断面が略長方形とされる。そして、本発明に係
る角速度センサーでは、第３の圧電素子によって上記恒
弾性振動子を振動させるとともに、恒弾性振動子に生じ
るコリオリ力を第１及び第２の圧電素子によって検出
し、これにより、角速度を検出する。

【００１６】本発明に係る角速度センサーでは、第３の
圧電素子によって上記恒弾性振動子を振動させ、第１及
び第２の圧電素子によってコリオリ力を検出する。すな
わち、本発明に係る角速度センサーでは、恒弾性振動子
を駆動するための圧電素子と、コリオリ力を検出するた
めの圧電素子とが別々の素子となっている。したがっ
て、本発明に係る角速度センサーでは、圧電素子の検出
能力を十分に利用することが可能であり、高い検出感度
が得られる。

【００１７】このとき、恒弾性振動子の断面形状が正方
形だと、恒弾性振動子の振動方向の共振周波数と、コリ
オリ力検出方向の共振周波数とのバランスが崩れてしま
う。しかし、本発明に係る角速度センサーでは、恒弾性
振動子の断面形状を略長方形状にすることで、恒弾性振
動子の振動方向の共振周波数とコリオリ力検出方向の共
振周波数とのバランスをとることが可能となっている。

【００１８】しかも、本発明に係る角速度センサーで
は、恒弾性振動子の形状を平面だけから構成される四角
柱状としているので、製造も容易である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明
は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うま
でもない。

【００２０】図１に、本発明を適用した角速度センサー
の一例について、その基本構成を示す。この角速度セン
サー１は、図１に示すように、振動ジャイロとして動作
する恒弾性振動子２を備えている。この恒弾性振動子２
は、恒弾性を有する金属等からなり、四角柱状に形成さ
れてなる。そして、この恒弾性振動子２には、図２及び
図３に示すように、当該恒弾性振動子２の３側面に、長
方形状の第１乃至第３の圧電素子３，４，５がそれぞれ
接着されている。

【００２１】ここで、恒弾性振動子２は、長手方向に対
して垂直な平面で切断したときの断面の形状（以下、単
に断面形状と称する。）が長方形となるように形成され
ている。なお、以下の説明では、恒弾性振動子の幅を２
ａ、高さを２ｂ、長手方向の長さを２ｃとする。幅２ａ
は、第１の圧電素子３が接着された側面と、第２の圧電
素子４が接着された側面との間隔に相当する。また、高
さ２ｂは、第３の圧電素子５が接着された側面と、圧電
素子が接着されていない側面との間隔に相当する。

【００２２】このような恒弾性振動子２の側面にそれぞ
れ接着された第１乃至第３の圧電素子３，４，５のう
ち、第１及び第２の圧電素子３，４は、恒弾性振動子２
の相対向する側面にそれぞれ接着されており、第３の圧
電素子５は、恒弾性振動子２の他の側面に接着されてい
る。

【００２３】ここで、第１の圧電素子３は、恒弾性振動
子２に生じるコリオリ力を検出するための素子であり、
図３に示すように、電極３ａが取り付けられた圧電体３
ｂからなる。同様に、第２の圧電素子４も、恒弾性振動
子２に生じるコリオリ力を検出するための素子であり、
電極４ａが取り付けられた圧電体４ｂからなる。また、
第３の圧電素子５は、恒弾性振動子２を振動させるため
の素子であり、電極５ａが取り付けられた圧電体５ｂか
らなる。なお、第３の圧電素子５は、恒弾性振動子２を
振動させるとともに、後述する自励発振型駆動回路６の
インピーダンス素子としても機能する。

【００２４】この角速度センサー１において、恒弾性振
動子２からは端子Ｃが導出されており、第１の圧電素子
３からは端子Ｓ１が導出されており、第２の圧電素子４
からは端子Ｓ２が導出されており、第３の圧電素子５か
らは端子Ｄが導出されている。

【００２５】また、この角速度センサー１は、図１に示
すように、第３の圧電素子５をコルピッツ発振回路のイ
ンピーダンス素子として機能させることによって構成さ
れた自励発振型駆動回路６を備えている。そして、角速
度センサー１を駆動する際は、この自励発振型駆動回路
６によって自励発振を行い、恒弾性振動子２を第３の圧
電素子５によって振動させる。すなわち、この角速度セ
ンサー１では、第３の圧電素子５をコルピッツ発振回路
のインピーダンス素子として用いることにより、第３の
圧電素子５が接着された側面に対して垂直な方向に、恒
弾性振動子２を第３の圧電素子５によって振動させる。
なお、本明細書では、恒弾性振動子２の振動方向、すな
わち第３の圧電素子５が接着された側面に対して垂直な
方向のことを、振動方向と称する。

【００２６】この角速度センサー１の自励発振型駆動回
路６の部分だけを抜き出した図を図４に示す。自励発振
型駆動回路６は、図４に示すように、恒弾性振動子２
と、第３の圧電素子５と、抵抗７と、インバータ８と、
第１のコンデンサ９と、第２のコンデンサ１０とから構
成されている。そして、恒弾性振動子２からの端子Ｃ
が、抵抗７の一端と、インバータ８の入力側端子と、第
１のコンデンサ９の一端とに接続され、第３の圧電素子
５からの端子Ｄが、抵抗７の他端と、インバータ８の出
力側端子と、第２のコンデンサ１０の一端とに接続さ
れ、第１のコンデンサ９の他端と、第２のコンデンサ１
０の他端とがグランド電位に接続されている。

【００２７】すなわち、この自励発振型駆動回路６にお
いて、第３の圧電素子５はインバータ８の出力に接続さ
れ、インバータ８の入出力にまたがって抵抗７が接続さ
れている。そして、インバータ８の入力は、接地された
第１のコンデンサ９と恒弾性振動子２とに接続され、イ
ンバータ７の出力は、第２のコンデンサ１０を通じて接
地されている。そして、恒弾性振動子２に接着された第
３の圧電素子５は、コルピッツ発振回路のインピーダン
ス素子として機能し、これにより、自励発振型駆動回路
６が構成されている。

【００２８】このような自励発振型駆動回路６におい
て、恒弾性振動子２に接着された第３の圧電素子５は、
直列共振周波数ｆｓと並列共振周波数ｆｐの付近におい
て、図５に示すようなインピーダンス特性を示す。そし
て、この等価回路は、図６に示すように、等価並列容量
Ｃｐ、等価直列インダクタＬｓ、等価直列容量Ｃｓ及び
等価直列抵抗Ｒｓによって表される。これは、一般に使
用されている水晶振動子の等価回路と同じである。すな
わち、図４に示した回路は、水晶発振回路において広く
使用されているコルピッツ発振回路と同様に動作する。
換言すれば、図４に示したように回路を組み、第３の圧
電素子５をコルピッツ発振回路のインピーダンス素子と
して機能させることによって、自励発振型駆動回路が構
成される。

【００２９】また、この角速度センサー１は、図１に示
すように、差動増幅器１１と、同期検波器１２と、ロー
パスフィルタ１３とを備えており、これらと、上記第１
及び第２の圧電素子３，４とが、恒弾性振動子２の振動
を検出する検出部として機能する。すなわち、この検出
部によって、自励発振型駆動回路６により恒弾性振動子
２を振動させているときに恒弾性振動子２が回転するこ
とによって生じたコリオリ力を検出する。

【００３０】この検出部において、第１の圧電素子３か
らの端子Ｓ１は、差動増幅器１１のプラス側入力端子に
接続されており、第２の圧電素子４からの端子Ｓ２は、
差動増幅器１１のマイナス側入力端子に接続されてい
る。すなわち、第１の圧電素子３及び第２の圧電素子４
からの出力はそれぞれ差動増幅器１１に入力され、それ
らの差動が差動増幅器１１によって取られる。換言すれ
ば、この角速度センサー１は、自励発振型駆動回路６に
よって恒弾性振動子２を振動方向に振動させているとき
に、恒弾性振動子２が回転することによって恒弾性振動
子２に生じたコリオリ力を、第１及び第２の圧電素子
３，４によって検出し、それらの差動を差動増幅器１１
によってとる。

【００３１】そして、差動増幅器１１から出力は、同期
検波器１２に入力され、同期検波が行われる。このと
き、同期検波器１２には、同期検波を行うために、イン
バータ８からの出力が同期信号として供給される。そし
て、同期検波器１２からの出力が、ローパスフィルタ１
３を介して、恒弾性振動子２に生じたコリオリ力を検出
することにより得られた角速度信号として出力される。

【００３２】以上のように、この角速度センサー１で
は、第３の圧電素子５を用いて恒弾性振動子２を振動さ
せ、そのときに恒弾性振動子２に生じるコリオリ力を第
１及び第２の圧電素子３，４によって検出し、第１及び
第２の圧電素子３，４によって検出されたコリオリ力に
基づいて角速度を検出する。

【００３３】なお、以上のような角速度センサー１にお
いて、第１及び第２の圧電素子３，４によって検出され
るコリオリ力は、第１及び第２の圧電素子３，４が接着
された各側面に対して垂直な方向に働く力である。そし
て、本明細書では、コリオリ力が検出される方向、すな
わち第１及び第２の圧電素子３，４が接着された各側面
に対して垂直な方向のことを、コリオリ力検出方向と称
する。

【００３４】以上のような角速度センサー１では、自励
発振型駆動回路６を構成するための圧電素子として、第
３の圧電素子５だけを用いている。すなわち、この角速
度センサー１は、自励発振型駆動回路６を構成するため
の圧電素子が一つだけでよく、非常に簡単な構成となっ
ている。このように、この角速度センサー１では、必要
な部品点数が非常に少なくて済むため、低コスト化が容
易である。しかも、部品点数が少なくて済むので、歩留
まりの向上も期待できる。

【００３５】また、この角速度センサー１は、自励発振
型駆動回路６を備えており、基本的に恒弾性振動子２の
共振周波数で発振する。したがって、他励発振型の角速
度センサーのように温度特性の影響によって感度が低下
してしまうようなことがない。したがって、この角速度
センサー１では、広温度範囲において感度の安定した角
速度出力を得ることができる。しかも、この角速度セン
サー１では、自励発振型駆動回路６を構成するための圧
電素子が第３の圧電素子５だけでよいので、恒弾性振動
子２の振動周波数の調整等を非常に容易に行うことがで
きる。

【００３６】ところで、このような角速度センサー１に
おいて、恒弾性振動子２の断面形状が正方形であると、
共振周波数付近において、第３の圧電素子５のインピー
ダンス特性と、第１及び第２の圧電素子３，４のインピ
ーダンス特性とが一致しない。この様子を図７に示す。
図７において、曲線２０，２１は、第３の圧電素子５の
インピーダンス特性を示しており、曲線２２，２３は、
第１及び第２の圧電素子３，４のインピーダンス特性を
示している。

【００３７】すなわち、恒弾性振動子２の断面形状が正
方形の場合には、図７に示すように、第３の圧電素子５
のインピーダンス特性を示す曲線２０，２１に対して、
第１及び第２の圧電素子３，４のインピーダンス特性を
示す曲線２２，２３が、周波数シフトした曲線となり、
両者は一致しない。これは、恒弾性振動子２の振動方向
の共振周波数と、コリオリ力検出方向の共振周波数との
ズレを意味する。そして、このような共振周波数のズレ
があると、角速度を感度良く検出することができない。

【００３８】そこで、本発明を適用した角速度センサー
１では、恒弾性振動子２の断面形状を長方形とする。こ
れにより、恒弾性振動子２の振動方向の共振周波数と、
コリオリ力検出方向の共振周波数とのバランスをとるこ
とが可能となる。

【００３９】具体的には、図８に示すように、共振周波
数付近において、第３の圧電素子５のインピーダンス特
性を示す曲線２４，２５と、第１及び第２の圧電素子
３，４のインピーダンス特性を示す曲線２６，２７とが
重なるように、恒弾性振動子２の幅２ａ，高さ２ｂ，長
さ２ｃを設定する。このように、恒弾性振動子２の断面
形状を長方形として、恒弾性振動子２の幅２ａ，高さ２
ｂ，長さ２ｃを適切に設定することにより、恒弾性振動
子２の振動方向の共振周波数と、コリオリ力検出方向の
共振周波数とのズレを無くすことができ、その結果、角
速度を感度良く検出することが可能となる。

【００４０】より具体的には、恒弾性振動子２の断面形
状を長方形とし、当該恒弾性振動子２の高さ２ｂを幅２
ａよりも大きくし（すなわち２ｂ＞２ａとし）、それら
の比率を適切に設定する。これにより、恒弾性振動子２
の振動方向の共振周波数と、コリオリ力検出方向の共振
周波数とのズレを最小限に抑えることができ、高感度な
角速度センサーを実現することができる。

【００４１】そして、実際に本発明者が実験したとこ
ろ、恒弾性振動子２の幅２ａを０．６ｍｍとし、高さ２
ｂを０．６４５ｍｍとし、長さ２ｃを７ｍｍとすること
により、恒弾性振動子２の振動方向の共振周波数と、コ
リオリ力検出方向の共振周波数とのズレがほぼ無くな
り、恒弾性振動子２の断面形状が正方形の場合に比べ
て、非常に感度良く角速度を検出することができた。

【００４２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明で
は、四角柱状の恒弾性振動子を用いることで、非常に簡
単な構成で、検出感度に優れた角速度センサーを実現し
ている。特に、本発明では、恒弾性振動子の断面形状を
略長方形にすることで、振動子の振動方向の共振周波数
と、コリオリ力検出方向の共振周波数とのバランスを最
適なものとすることが可能となっている。したがって、
本発明によれば、非常に高い検出感度が得られる角速度
センサーを実現できる。

【００４３】このように、本発明によれば、角速度セン
サーの低コスト化、小型化及び高感度化を更に推進する
ことが可能となる。したがって、本発明によれば、ビデ
オカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーシ
ョンシステム等の更なる小型化やハイコストパフォーマ
ンス等の要求に応えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した角速度センサーの一例を示す
図である。

【図２】図１に示した角速度センサーの恒弾性振動子の
部分を示す斜視図である。

【図３】図１に示した角速度センサーの恒弾性振動子の
部分について、恒弾性振動子の長手方向に対して垂直な
平面で切断したときの断面を示す断面図である。

【図４】図１に示した角速度センサーの自励発振型駆動
回路の部分を示す図である。

【図５】図１に示した角速度センサーにおいて、恒弾性
振動子に接着された第３の圧電素子のインピーダンス特
性を示す図である。

【図６】図１に示した角速度センサーにおいて、恒弾性
振動子に接着された第３の圧電素子の等価回路を示す図
である。

【図７】恒弾性振動子の断面形状が正方形とされた角速
度センサーについて、共振周波数付近のインピーダンス
特性の一例を示す図である。

【図８】恒弾性振動子の断面形状が適切な寸法比の長方
形とされた角速度センサーについて、共振周波数付近の
インピーダンス特性の一例を示す図である。

【図９】従来の角速度センサーの一例を示す図であり、
（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図であ
り、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｃ）
は振動子の中央部分における断面を示す断面図である。

【図１０】従来の角速度センサーの他の例を示す図であ
り、（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図で
あり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、
（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 角速度センサー、 ２ 恒弾性振動子、 ３ 第１
の圧電素子、 ４ 第２の圧電素子、 ５ 第３の圧電
素子、 ６ 自励発振型駆動回路、 ７ 抵抗、 ８
インバータ、 ９ 第１のコンデンサ、 １０ 第２の
コンデンサ、１１ 差動増幅器、 １２ 同期検波器、
１３ ローパスフィルタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 四角柱状の恒弾性振動子と、 上記恒弾性振動子の対向する２つの側面にそれぞれ取り
   付けられた第１及び第２の圧電素子と、 上記恒弾性振動子の他の側面に取り付けられた第３の圧
   電素子とを備え、 上記恒弾性振動子は、長手方向に対して垂直な平面で切
   断したときの断面が略長方形であり、 上記第３の圧電素子によって上記恒弾性振動子を振動さ
   せるとともに、上記恒弾性振動子に生じるコリオリ力を
   上記第１及び第２の圧電素子によって検出することで、
   角速度を検出することを特徴とする角速度センサー。
2. 【請求項２】 上記第３の圧電素子をコルピッツ発振回
   路のインピーダンス素子として機能させることによって
   構成された自励発振型駆動回路を備えることを特徴とす
   る請求項１記載の角速度センサー。