JP2000321076A - 角速度検出装置およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度の検出精度を高める。 【解決手段】 面内（面外）方向に自励振動する駆動用
枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にと
もなうコリオリ力によって面外（面内）振動する少なく
とも２つの検出電極を有する検出用枝とを有する圧電単
結晶体からなる振動子１と、振動子１が自励振動するた
めの発振回路２と、振動子の検出用枝の一方の検出電極
とプラス入力端子に接続した抵抗とを同電位のアース線
に接続し、他方の検出電極とマイナス入力端子とを接続
し、マイナス入力端子と出力端子とを帰還容量３９を介
して接続した演算増幅器３８と演算増幅器３８の出力端
子とプラス入力端子とを接続する高域カット回路とから
なる検出回路５とを備える角速度検出装置およびその駆
動方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は単結晶水晶からなる
角速度検出素子を用いた角速度検出装置およびその駆動
方法に関するものである。

【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いる。
この機械式の回転ジャイロスコープは、高安定かつ高性
能を有しているが、その反面、装置が大きく価格も高
く、寿命も短いという欠点があった。

【０００３】さらに、この機械式回転ジャイロスコープ
に代わるものとして、チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛
系の圧電セラミックスである多結晶体の圧電素子を用い
て振動体を励振させておき、回転の角速度にともなうコ
リオリ力で励起する振動により発生する電圧を、圧電素
子で検出する小型の振動式ジャイロスコープの実用化が
進められている。たとえば、特開平３−１０１１３号公
報に振動体を用いた角速度検出装置が提案されている。

【０００４】以下に従来のジャイロスコープを用いた角
速度検出装置を簡単に説明する。特開平３−１０１１２
号公報に開示されている角速度検出装置は、中央の連結
部を有する音叉型振動体に駆動用の圧電素子を設け、振
動体の基部から伸張した中央の連結部と直交するヒンジ
部をケースを兼ねる円筒状部材で支持する構造である。

【０００５】この駆動用の圧電素子に交流電圧を加える
ことによって音叉型振動体を振動させ、回転にともなう
コリオリ力によってヒンジ部がＳ字状に変形しながら曲
げ振動するのをヒンジ部に設けた検出用の圧電素子の発
生電圧を電圧検出回路で検出し角速度を求める。

【０００６】図９は、この角速度検出用の圧電素子を用
いた電圧検出回路を示している。図９において、検出用
の圧電素子は、等価的に容量Ｃ３（９６）と電圧源９４
と抵抗Ｒ５（９５）とで表すことができ、圧電素子の一
端は演算増幅回路９３のプラス入力端子に接続し、発生
電圧Ｖｉはマイナス入力端子に接続された抵抗Ｒ３（９
７）と抵抗Ｒ４（９８）とにより、信号処理可能な（１
＋Ｒ４／Ｒ３）Ｖｉ倍の出力電圧まで電圧増幅される。
この出力電圧を音叉振動体の規準周波数で同期検波する
ことにより角速度を求めている。

【０００７】この従来技術に用いられる圧電セラミック
スのような多結晶体からなる圧電素子の入力抵抗９５
（Ｒ５）で示されている等価抵抗は、１ｋΩ以下の低い
値であり、しかも、１秒間に１度回転する角速度を受け
たときに圧電歪効果により圧電素子に発生する電圧は、
数百マイクロから数ミリＶ程度である。したがって、圧
電セラミックス系の圧電素子を検出用に用いた角速度検
出装置は、図９のような入力インピーダンスが数１０ｋ
Ω程度の通常の電圧増幅回路を用いた電圧検出回路によ
り、角速度を求めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−１０１１２号公報に開示されている角速度検出装置
は、つぎのような課題が指摘される。

【０００９】第１の課題として、音叉型振動体は、振動
体の基部から延長した中央の連結部と直交するヒンジ部
を設けて円筒状の部材で支持する構造のため、形状が複
雑である。さらに、金属製の音叉型振動体とヒンジ部に
複数の圧電素子を接着する必要があり、このため組立工
程が複雑になり、全体形状も大きくなり、低価格化が困
難である。

【００１０】第２の課題として、検出用素子として圧電
セラミックスの代わりに等価抵抗あるいは、等価電氣イ
ンピーダンスが１０ｋΩ以上高い物性値の単結晶材料を
用いると、１秒間に１度回転する角速度を受けたとき
に、圧電歪効果により発生する電圧は数マイクロＶであ
る。この発生電圧の検出に従来の電圧検出回路を用いる
とノイズ電圧のため角速度の検出ができなくなり実用化
が困難になるという課題がある。

【００１１】〔発明の目的〕そこで本発明の目的は、前
述の問題点を解決して、角速度の検出精度を高めること
が可能な角速度検出装置およびその駆動方法を提供する
ことである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の角速度検出装置およびその駆動方法は、下
記記載の手段を採用する。

【００１３】本発明の角速度検出装置では、面内（面
外）方向に自励振動する駆動用枝と駆動用枝に同期して
面内（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によっ
て面外（面内）振動する少なくとも一対の検出電極を有
する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆動用枝が
自励振動するための発振回路と、振動子の検出用枝の検
出電極に接続し、帰還容量と演算増幅器とからなる電流
電圧変換回路と高域カット回路とを有する検出回路と、
検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波回路
と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタ
とを備えたことを特徴とする。

【００１４】本発明の角速度検出装置では、面内（面
外）方向に自励振動する駆動用枝と駆動用枝に同期して
面内（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によっ
て面外（面内）振動する少なくとも一対の検出電極を有
する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆動用枝が
自励振動するための発振回路と、検出用枝の第１の検出
電極とプラス入力端子に接続した抵抗とを同電位のアー
ス線に接続し、第２の検出電極とマイナス入力端子とを
接続し、マイナス入力端子と出力端子とを帰還容量Ｃｆ
を介して接続し、さらに出力端子とプラス入力端子とを
高域カット回路を介して接続した演算増幅器からなる検
出回路と検出電圧出力を発振回路出力で検波する検波回
路と検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタ
とを備えたことを特徴とする。

【００１５】本発明の角速度検出装置では、面内（面
外）方向に自励振動する駆動用枝と駆動用枝に同期して
面内（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力によっ
て面外（面内）振動する少なくとも一対の検出電極を有
する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆動用枝が
自励振動するための発振回路と、検出用枝の第１の検出
電極とプラス入力端子に接続した抵抗とを同電位のアー
ス線に接続し、第２の検出電極とマイナス入力端子とを
接続し、出力端子と第１の抵抗の一端とを接続し、第１
の抵抗の他端と第２の抵抗の一端とを接続し、第２の抵
抗の他端をプラス入力端子と同電位の電圧ラインに接続
し、マイナス入力端子と第１の抵抗の他端とを帰還容量
Ｃｆを介して接続し、さらに第１の抵抗の他端とプラス
入力端子とを高域カット回路を介して接続した演算増幅
器からなる検出回路と、検出電圧出力を発振回路出力で
検波する検波回路と検波回路の交流出力をカットするロ
ーパスフィルタとを備えたことを特徴とする。

【００１６】本発明の角速度検出装置の駆動方法は、面
内（面外）方向に自励振動する駆動用枝と駆動用枝に同
期して面内（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力
によって面外（面内）振動する少なくとも一対の検出電
極を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆動
用枝が自励振動するための発振回路と、振動子の検出用
枝の検出電極に接続し、帰還容量と演算増幅器とからな
る電流電圧変換回路と高域カット回路とを有する検出回
路と、検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波
回路と、検波回路の交流出力をカットするローパスフィ
ルタとを備え、回転にともなうコリオリ力によって、振
動子の検出用枝の検出電極に発生する短絡電流の帰還容
量への充電電圧の直流成分を高域カット回路を介して演
算増幅器に帰還することにより、交流成分のみの検出電
圧を得ることを特徴とする。

【００１７】本発明の角速度検出装置の駆動方法は、面
内（面外）方向に自励振動する駆動用枝と駆動用枝に同
期して面内（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力
によって面外（面内）振動する少なくとも一対の検出電
極を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆動
用枝が自励振動するための発振回路と、検出用枝の第１
の検出電極とプラス入力端子に接続した抵抗とを同電位
のアース線に接続し、第２の検出電極とマイナス入力端
子とを接続し、マイナス入力端子と出力端子とを帰還容
量Ｃｆを介して接続し、さらに出力端子とプラス入力端
子とを高域カット回路を介して接続した演算増幅器から
なる演算増幅器からなる検出回路と、検出回路の出力を
発振回路の出力で検波する検波回路と、検波回路の交流
出力をカットするローパスフィルタとを備え、回転にと
もなうコリオリ力によって、振動子の検出用枝の検出電
極に発生する短絡電流の帰還容量への充電電圧の直流成
分を高域カット回路を介して演算増幅器に帰還すること
により、交流成分のみの検出電圧を得ることを特徴とす
る。

【００１８】本発明の角速度検出装置の駆動方法は、面
内（面外）方向に自励振動する駆動用枝と駆動用枝に同
期して面内（面外）振動し、回転にともなうコリオリ力
によって面外（面内）振動する少なくとも一対の検出電
極を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子の駆動
用枝が自励振動するための発振回路と、検出用枝の第１
の検出電極とプラス入力端子に接続した抵抗とを同電位
のアース線に接続し、第２の検出電極とマイナス入力端
子とを接続し、出力端子と第１の抵抗の一端とを接続
し、第１の抵抗の他端と第２の抵抗の一端とを接続し、
第２の抵抗の他端をプラス入力端子と同電位の電圧ライ
ンに接続し、マイナス入力端子と第１の抵抗の他端とを
帰還容量Ｃｆを介して接続し、さらに第１の抵抗の他端
とプラス入力端子とを高域カット回路を介して接続した
演算増幅器からなる検出回路と、検出回路の出力を発振
回路の出力で検波する検波回路と、検波回路の交流出力
をカットするローパスフィルタとを備え、回転にともな
うコリオリ力によって、振動子の検出用枝の検出電極に
発生する短絡電流の帰還容量への充電電圧の直流成分を
高域カット回路を介して演算増幅器に帰還することによ
り、交流成分のみの検出電圧を得ることを特徴とする。

【００１９】〔作用〕本発明の角速度検出装置において
は、圧電性を有する単結晶体の水晶を音叉あるいは三叉
振動子に用いたため、形状が単純になり、電極は真空蒸
着法やスパッタリング法により形成でき、圧電素子を接
着する必要がないため、組立工程が簡単になり、全体形
状も小さく、低価格化も可能になる。また、水晶を振動
体に用いるため、温度特性も改良される。

【００２０】水晶振動子の一つの枝を検出用枝とし、そ
の検出用枝に一対の検出電極を設けると、二つの電極間
の等価電氣インピーダンスは、１０ｋΩ以上となるが、
従来の電圧検出回路の代わりに、等価的に二つの検出電
極を短絡し、短絡電流を電圧に変換する検出回路を用い
たため、ノイズ電圧の影響を受けることなく従来よりも
大きな出力が得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を実施す
るための最良の形態における角速度検出装置の構成を説
明する。図１は本発明の実施形態における角速度検出装
置を示す全体システム図であり、図２は本発明の実施形
態における角速度検出装置の一部である検出回路の具体
的一実施例の動作原理図である。

【００２２】図３は本発明の実施形態における水晶振動
子の具体的実施例を斜め右表からみた斜視図であり、図
４は斜め右裏からみた斜視図である。図５は本発明の他
の実施形態における水晶振動子の電極構造を示す断面図
である。図６は本発明の実施形態における水晶振動子が
右回転の角速度をうけたときの、図７は左回転の角速度
を受けたときの図１の角速度検出装置の全体システム各
部の波形図である。図８は本発明の実施形態における角
速度検出装置の一部である検出回路の他の具体的実施例
である。以下、適時各図を参照しながら説明する。

【００２３】〔全体システムの説明：図１〕角速度検出
装置の全体システムは、水晶振動子１と発振回路２と移
相回路３と波形整形回路４と検出回路５と反転回路６と
検波回路７とローパスフィルタ８とから構成され、ロー
パスフィルタ８の出力が角速度出力９となる。水晶振動
子１は、図３と図４とに示すように、単結晶水晶から一
体に形成した駆動用枝１０と検出用枝１１とを備え、駆
動用枝１０には駆動電極１３、１４、１５、１６が検出
用枝１１には検出電極１７、１８、１９、２０が真空蒸
着法などにより形成される。

【００２４】発振回路２は、演算増幅器２５と演算増幅
器２６と抵抗２７，２９，３０と、容量２８とからな
る。水晶振動子１の駆動用枝１０の駆動電極１５と駆動
電極１６は、駆動用枝１０上で接続し、導線７６により
接続端子８２と接続する。接続端子７６は導線５０によ
り、演算増幅器２５のマイナス入力端子に接続する。ま
た、駆動電極１３と駆動電極１４とは、導線７７により
接続端子８３と接続する。接続端子８３は導線５１によ
り演算増幅器２６の出力端子に接続する。

【００２５】演算増幅器２５のプラス入力端子はアース
線５７に、マイナス入力端子は抵抗２７を介して出力端
子に接続している。演算増幅器２５の出力端子は容量２
８と抵抗３０とを介して演算増幅器２６のマイナス入力
端子に接続する。マイナス入力端子は抵抗２９を介して
出力端子に接続し、プラス入力端子はアース線５７に接
続する。

【００２６】ここに、演算増幅器２６は反転増幅器であ
り、抵抗２９と抵抗３０との抵抗比によって電圧増幅度
を設定している。また、演算増幅器２５は反転電流増幅
器であり、水晶振動子１の駆動用枝１０に流れる電流を
電圧に変換して、増幅器２６にフィードバックする。

【００２７】検出回路５は、演算増幅器３８と帰還容量
３９と抵抗８８と、抵抗６１と容量６９とからなる高域
カット回路とからなる。水晶振動子１の検出用枝１１の
検出電極１７と検出電極２０とは、検出用枝１１の上部
で接続し、導線７９により接続端子８５に接続する。接
続端子８５は導線５６により演算増幅器３８のマイナス
入力端子に接続する。さらに、検出用枝１１の検出電極
１８と検出電極１９とは、検出用枝１１の下部で接続
し、導線７８により接続端子８４に接続する。接続端子
８４はアース線５７に接続する。

【００２８】検出回路５の演算増幅器３８のマイナス入
力端子は帰還容量３９を介して、出力端子に接続され
る。さなにまた、演算増幅器３８のプラス入力端子は、
抵抗８８を介して検出電極１８と検出電極１９と同電位
のアース線５７に接続する。

【００２９】演算増幅器３８の出力端子は、抵抗６１の
一端に接続し抵抗６１の他端は容量６９の一端に接続す
る。さらに、抵抗６１の他端は演算増幅器３８のプラス
入力端子に接続し、容量６９の他端はアース線５７に接
続する。ここに、抵抗６１と容量６９とは高域カット回
路である。

【００３０】帰還容量３９には検出用枝１１の検出電極
１７、２０と検出電極１８、１９とのあいだを等価的に
短絡した短絡電流が流れ、帰還容量３９には電気量が蓄
積される。

【００３１】移相回路３は演算増幅器３１と抵抗３２、
３３、３４と容量３５とからなる。発振回路２の出力
は、容量２８に接続した導線５２により抵抗３２を介し
て演算増幅器３１のマイナス入力端子と、抵抗３４を介
して演算増幅器のプラス入力端子と接続する。また、プ
ラス入力端子は容量３５を介してアース線５７に接続
し、マイナス入力端子は抵抗３３を介して出力端子に接
続する。

【００３２】移相回路３はオールパス・フィルターで増
幅度を変えずに、発振回路２の発振周波数の位相を変え
ることができる。

【００３３】波形整形回路４は、インバータ３６、３７
と抵抗３８とからなる。移相回路３の出力端子は導線５
３によりインバータ３６の入力端子と接続する。インバ
ータ３６の入力端子と出力端子とは抵抗３８を介して接
続する。インバータ３６の出力端子はインバータ３７の
入力端子に接続する。導線５４と導線５５には、位相は
１８０度反転したパルス幅１体の検波用パルスが発生す
る。

【００３４】反転回路６は演算増幅器４０と抵抗４１、
４２とからなる。検出回路５の出力端子は、導線５８に
より反転回路６の抵抗４１を介して演算増幅器４０のマ
イナス入力端子と接続する。マイナス入力端子は抵抗４
２を介して出力端子と接続する。プラス入力端子はアー
ス線５７に接続する。反転回路６は検出回路５の交流出
力電圧を増幅度を変えずに位相を１８０度反転する。

【００３５】検波回路７はトランスミッションゲート４
３とトランスミッションゲート４４とからなる。検出回
路５の出力端子は、導線６８によりトランスミッション
ゲート４３の入力端子と、反転回路６の出力端子は導線
５９により、トランスミッションゲート４４の入力端子
と接続する。

【００３６】波形整形回路４のインバータ３６の出力端
子は、導線５４によりトランスミッションゲート４３の
反転制御端子とトランスミッションゲート４４の非反転
制御端子に接続する。また、インバータ３７の出力端子
は、導線５５によりトランスミッションゲート４３の非
反転制御端子とトランスミッションゲート４４の反転制
御端子とに接続する。さらにまた、トランスミッション
ゲート４３とトランスミッションゲート４４との出力端
子を導線６０に接続する。

【００３７】ローパスフィルター８は演算増幅器４５と
抵抗４６、４７と容量４８、４９とからなる。検波回路
７の各トランスミッションゲートの出力端子は導線６０
によりローパスフィルター８の抵抗４６と抵抗４７とを
介して演算増幅器４５のプラス入力端子に接続する。演
算増幅器４５のプラス入力端子は容量４９を介してアー
ス線５７に接続する。抵抗４６と抵抗４７との接続部分
は容量４８を介して演算増幅器４５のマイナス入力端子
と出力端子に接続する。ローパスフィルター８はアクテ
ィブフィルターの一種である電圧ソース型フィルターで
あり、高域は４０ｄＢ／ｄｅｃで減衰する。

【００３８】〔角速度検出装置の動作説明〕つぎに以上
の構成による角速度検出装置の動作を説明する。発振回
路２は反転電圧増幅回路である演算増幅器２６と反転電
流増幅回路である演算増幅器２５とからなる正帰還の発
振器であり、そのループの中に周波数選択素子として水
晶振動子１の駆動用枝１０を配置してあり、直列共振周
波数近傍の周波数ｆ０（Ｈｚ）で発振し、駆動用枝１０
は図３のＸ方向に面内振動する。ここに、図３のＸは水
晶の電氣軸に、Ｙは水晶の機械軸に、Ｚは水晶光軸にほ
ぼ平行であるが、最適な温度特性を得るため１度から１
０度程度回転することもある。

【００３９】反転電流増幅回路である演算増幅器２５は
水晶振動子１の駆動用枝１０の流れる交流の水晶電流を
交流電圧に変換した出力とする。すなわち、図６および
図７各部の波形図の５２に示すように、導線５２には、
発振周波数ｆ０（Ｈｚ）の信号電圧が発生する。

【００４０】水晶振動子１の駆動用枝１０に同期して検
出用枝１１も、Ｘ方向に面内振動する。このとき水晶振
動子１がベクトル軸がＹ方向に平行な角速度ωの回転を
受けると、面内振動と直角なＺ方向に角速度ωに比例し
たコリオリ力Ｆが働く。Ｆは以下のように表せる。 Ｆ＝２・ｍ・ω・Ｖ ここに、ｍは駆動用枝１０または検出用枝１１の等価質
量、Ｖは周波数 ｆ０（Ｈｚ）で振動する速度である。
このコリオリ力Ｆにより面内振動と同じ周波数ｆ０（Ｈ
ｚ）の面外振動が励振される。この振動により検出用枝
１１の検出電極にプラス電荷とマイナス電荷とが交互に
発生する。

【００４１】検出用枝１１が受けるコリオリ力Ｆにした
がって、この検出用枝１１の検出電極１８と検出電極１
９とに、プラス電荷が、検出電極１７と検出電極２０と
にマイナス電荷が発生している状態と、検出電極１８と
検出電極１９とにマイナス電荷が、検出電極１７と検出
電極２０とにプラス電荷が発生する状態が交互に生じ
る。

【００４２】〔水晶振動子の検出用枝１１と検出回路５
との動作説明：図２〕ここで、水晶振動子１の検出用枝
１１と検出回路５との動作について、図２を用いて詳細
に説明する。図２の点線内は、コリオリ力Ｆによって水
晶振動子の駆動用枝１０と検出用枝１１とが発振周波数
ｆ０（Ｈｚ）で面外振動するときの機械的定数を電気的
等価回路に置き換えたものである。

【００４３】各等価回路定数のうち、Ｃ０（６２）は検
出電極１８、１９と検出電極１７、２０とのあいだの電
極間容量や形状寸法などによる等価並列容量、Ｌ１（６
３）は等価インダクタンス、Ｃ１（６４）は等価容量、
Ｒ１（６５）は等価抵抗である。水晶振動子１の機械的
な等価質量ｍ、等価コンプライアンスｃ、等価粘性抵抗
係数ｒ、比例定数である力係数Ａとすると、 Ｌ１＝ｍ／Ａ² Ｃ１＝ｃＡ² Ｒ１＝ｒ／Ａ² の関係がある。

【００４４】水晶振動子の具体的な実施形態として、形
状が時計用水晶振動子で厚さのみを変更する例を示す。
水晶振動子の面内振動の駆動用枝１０と検出用枝１１の
幅を５９０μｍとし、各枝の長さを３６６０μｍとし、
振動子の全長を５９００μｍとし、面外振動の教師周波
数ｆ１（Ｈｚ）を面内振動の共振周波数ｆ０（Ｈｚ）に
近づけるために厚さを７００μｍとする。

【００４５】この水晶振動子の真空中で面外振動すると
きの等価回路定数は、等価抵抗Ｒ１＝１０ｋΩ以上、等
価容量Ｃ１＝１×１０^-15 Ｆ、等価インダクタンスＬ１
＝２３．１×１０³ Ｈとなり、面外振動の共振周波数は
ｆ１は３３ｋＨｚとなる。大気中または１気圧の不活性
ガス中では、等価抵抗は約１０倍のＲ１＝１００ｋΩ以
上に増加する。

【００４６】水晶振動子１の検出用枝１１の検出電極の
等価容量Ｃ０の一端と、演算増幅器３８のプラス入力端
子とは抵抗８８を介して同じアース線５７に接続してい
る。一方、等価容量Ｃ０の他端はマイナス入力端子に接
続している。したがって、演算増幅器３８のマイナス入
力端子はバーチュアル・ショートされてプラス入力端子
と同じ電位になり、等価的に短絡された状態になる。し
かしながら、演算増幅器３８のマイナス入力端子とプラ
ス入力端子間の入力抵抗Ｒｉ（６６）は非常に大きく、
ほぼ無限大である。このため、等価的な短絡電流Ｉｓが
帰還容量Ｃｆ（３９）に流れる。

【００４７】この短絡電流Ｉｓは Ｉｓ＝Ｉ０・ｓｉｎ２πｆ０・ｔ と表せる。ここで、ｆ０は振動子の共振周波数である。
この短絡電流Ｉｓは帰還容量Ｃｆ（３９）を通って流
れ、演算増幅器３８の出力電圧Ｖは Ｖ＝（−１／Ｃｆ）∫Ｉｓ・ｄｔ ＝（−１／Ｃｆ）∫Ｉ０・ｓｉｎ２πｆ０・ｔ・ｄｔ ＝（−Ｉ０／２πｆ０・Ｃｆ１）（−ｃｏｓ２πｆ０・ｔ＋１） となる。

【００４８】ここに、水晶振動子の検出電極の短絡電流
は数ピコアンペアから数マイクロアンペアと小さいた
め、演算増幅器３８は、入力電流に比べて、フェムトア
ンペアオーダーの非常に小さいバイアス電流が要求され
るため、低雑音のＦＥＴ入力の演算増幅器あるいはＭＯ
Ｓ演算増幅器を用いる。

【００４９】演算増幅器３８の上記した出力電圧Ｖのう
ち、直流出力分は演算増幅器３８の出力端子に接続した
抵抗６１と容量６９とからなるカットオフ周波数が発振
周波数ｆ０（Ｈｚ）を含む高域カット回路により演算増
幅器３８のプラス入力端子にフィードバックすることに
より、直流出力成分をゼロになるように制御する。この
ため出力電圧は交流出力成分のみの出力電圧Ｖ０のみの Ｖ０＝（１／２πｆ０・Ｃｆ１）（ｃｏｓ２πｆ０・
ｔ） となる。また、高域カット回路は出力電圧Ｖのオフセッ
トドリフト変動の補償も行う。

【００５０】〔全体システム図の動作説明：図６と図
７〕以上で検出回路５の動作の説明を終わり、図１の全
体システム図の動作の説明を、図６と図７の各部の波形
図を参照しながら行う。

【００５１】図６はＹ軸方向の右回転する角速度を受け
たときの波形図である。発振回路２の出力は周波数ｆ０
（Ｈｚ）の電圧波形５２であり、この電圧波形５２は、
移相回路３により検出回路５の出力の電圧波形５８と同
相にするため、時刻ｔ＝ｔ１が時刻ｔ＝ｔ２に対応する
ように全体が移相されて、電圧波形５３となる。この移
相回路３は、発振回路２の後段に入れる代わりに、検出
回路５の後段に入れて電圧波形５８を移相する構成とす
ることもできる。

【００５２】右回転の角速度を受けると、検出回路５は
角速度に比例したピーク電圧の電圧波形５８を発生す
る。この電圧波形５８は反転回路６で１８０度反転し
て、同じピーク値の電圧波形５９となる。

【００５３】移相回路３の出力の電圧波形５３は、波形
整形回路４によって、電圧波形５４と１８０度位相の異
なる電圧波形５５とになる。この電圧波形５４と電圧波
形５５とにより、検波回路７のトランスミッションゲー
ト４３が電圧波形５４がｈｉｇｈのとき、たとえば、時
刻ｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ４、時刻ｔ＝ｔ６からｔ＝ｔ８の
間導通する。電圧波形５８のプラス部分のみが検波回路
７の出力となる。

【００５４】また、この電圧波形５４と電圧波形５５と
により、検波回路７のトランスミッションゲート４４が
電圧波形５５がｈｉｇｈのとき、たとえば、時刻ｔ＝ｔ
１からｔ２、ｔ＝ｔ４からｔ＝ｔ６の間導通する。電圧
波形５９のプラス部分のみが検波回路７の出力となり、
二つの波形５８と波形５９とは検波されて、プラス部分
が連続した電圧波形６０となる。この電圧波形６０が、
ローパスフィルタ８により交流成分がカットされ、角速
度に比例した正の直流出力波形９となる。

【００５５】つぎに、Ｙ軸方向の左回転する角速度を受
けたときは、図７のような波形図となる。発振回路２出
力の電圧波形５２と、移相回路３の出力の電圧波形５３
と、波形整形回路４の出力の電圧波形５４と、電圧波形
５５とは、右回転時と同じである。

【００５６】左回転の角速度を受けると、検出回路５は
角速度に比例したピーク値の電圧波形５８を発生する。
この波形は右回転をうけたときの電圧波形を反転した波
形である。電圧波形６８は反転回路６で１８０度反転し
て同じピーク値の電圧波形５９となる。

【００５７】波形整形回路４の出力の電圧波形５４と５
５とにより、右回転のときに述べたように検波回路７の
トランスミッションゲート４３が電圧波形５４がｈｉｇ
ｈのとき、たとえば、時刻ｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ４、時刻
ｔ＝ｔ６からｔ＝ｔ８のあいだ導通する。電圧波形５８
のマイナス部分のみが検波回路７の出力となる。

【００５８】また、この電圧波形５４と電圧波形５５と
のより、検波回路７のトランスミッションゲート４４が
電圧波形５５がｈｉｇｈのとき、たとえば、時刻ｔ＝ｔ
１からｔ＝ｔ２，ｔ＝ｔ４からｔ＝ｔ６のあいだ導通す
る。電圧波形５９のマイナス部分のみが検波回路７の出
力となり、二つの波形５８と波形５９とは検波されて、
マイナス部分が連続した電圧波形６０となる。この電圧
波形６０が、ローパスフィルタ８により交流部分がカッ
トされ、角速度に比例した負の出力電圧波形９となる。

【００５９】このようにして、右回転の角速度を受けた
ときは、角速度に比例した正の直流の出力電圧を、左回
転の角速度を受けたときは、角速度に比例した負の直流
の出力電圧を得ることができる。

【００６０】図５は本発明の角速度検出装置の第２の実
施形態における水晶振動子の電極構造を示す断面図であ
る。図３および図４の水晶振動子に新たに駆動用枝２１
を追加して三叉振動子としたものである。駆動用枝が２
本になるため、発振の安定度が高くなる。

【００６１】〔第２の実施形態：図８〕図８は検出回路
５の第２の実施形態を示す。検出用枝１１の検出電極１
８、１９と、プラス入力端子に接続した抵抗Ｒｉ２（８
８）を同じ電位のアース線５７に接続し、検出電極１
７、２０とマイナス入力端子とを導線５６で接続し、出
力端子と第１の抵抗Ｒａ（９１）の一端とを接続し、第
１の抵抗Ｒａ（９１）の他端と第２の抵抗Ｒｂ（９２）
の一端とを接続し、第２の抵抗Ｒｂ（９２）の他端をプ
ラス入力端子と同電位のアース線５７に接続し、さら
に、マイナス入力端子と第１の抵抗Ｒａ（９１）の他端
とを帰還容量Ｃｆ２（９０）を介して接続した演算増幅
器３８と、第１の抵抗Ｒａ（９１）の他端と抵抗６１の
一端とを接続し、抵抗６１の他端と容量６９の一端とを
接続し、抵抗６１の他端と演算増幅器３８のプラス入力
端子とを接続し、さらに、容量６９の他端をアース線５
７に接続した抵抗６１と容量６９とからなる高域カット
回路とを有する。

【００６２】この演算増幅器３８の出力電圧Ｖ０２は、
Ｖ０（１＋Ｒａ／Ｒｂ）となる。第１の実施形態で詳細
に説明したように、直流電圧成分は高域カット回路によ
って反転出力が演算増幅器３８のプラス入力端子に加算
されるため、直流出力は発生しない。また、図８の回路
構成にすると抵抗比Ｒａ／Ｒｂで出力電圧が調節でき
る。たとえば、比較的高い容量値の帰還容量を用いて
も、抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂとに温度特性の等しい抵抗を使
用すれば、温度特性のひじょうに良い検出回路が実現で
きる。

【００６３】以上説明した実施形態では、水晶振動子の
Ｘ軸方向の面内振動を共振周波数としたが、検出用枝を
駆動用とし、駆動用枝を検出用とすることにより、Ｚ軸
方向の面外振動を共振周波数にすることも可能である。
同様のことは、水晶のＹ軸を通信に９０度回転したＸカ
ット振動子としても可能である。

【００６４】以上説明した実施の形態においては、振動
子の基板の材料が水晶の例を示したが、タンタル酸リチ
ウム単結晶や、ニオブ酸リチウム単結晶や、ホウ酸リチ
ウム単結晶などの圧電性を示す単結晶材料でもよい。

【００６５】また、実施形態では、振動子の形状とし
て、音叉および三叉の例を示したが、これに限定せず
に、少なくとも一つの駆動用枝と少なくとも一つの検出
用枝とを有する振動子であればよい。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の角速度検出装置は、圧電性を有する単結晶水晶体を用
いた振動子として、駆動用枝に駆動電極を、検出用枝に
検出電極を直接真空蒸着法やスパッタリング法などによ
って形成できるため、形状が単純になる。また、本発明
の角速度検出装置は、従来技術のように圧電素子を接着
する必要がないため、組立工程が簡単になり、全体形状
も小さくでき、低価格化が実現できる。さらに本発明で
は、水晶を振動子に用いているため、エージングによる
特性の低下が防止でき、温度特性が向上する。

【００６７】さらに、本発明の角速度検出装置は、水晶
振動子の検出用枝の一方の検出電極とプラス入力端子に
接続した抵抗とを同電位のアース線に接続し、他方の検
出電極とマイナス入力端子とを接続し、さらにマイナス
入力端子と出力端子とを帰還容量Ｃｆを介して接続した
演算増幅器と、演算増幅器の出力端子とプラス入力端子
とのあいだを接続する高域カット回路とからなる検出回
路を用い、等価的に二つの検出電極を短絡して、帰還容
量Ｃｆに短絡電流を充電するともとに直流カットするこ
とにより、大きな交流出力電圧を得ることができる。

【００６８】また、本発明の角速度検出装置では、上に
述べたように、検出回路の演算増幅器の出力端子とプラ
ス入力端子との間に高域カット回路を挿入してある。こ
のため、直流オフセット電圧を反転して直流出力がつね
にゼロになるように補償している。したがって、本発明
の角速度検出装置においては、検出精度も著しく向上で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における角速度検出装置の全
体システム図を示す回路図である。

【図２】本発明の実施形態における角速度検出装置の検
出回路の動作原理の説明図である。

【図３】本発明の実施形態における角速度検出装置の水
晶振動子を表側からみた斜視図である。

【図４】本発明の実施形態における角速度検出装置の水
晶振動子を裏側からみた斜視図である。

【図５】本発明の実施形態における角速度検出装置の他
の実施形態の水晶振動子の電極構造を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の実施形態の角速度検出装置の水晶振動
子が右回転の角速度を受けたときの各部の波形図であ
る。

【図７】本発明の実施形態の角速度検出装置の水晶振動
子が左回転の角速度を受けたときの各部の波形図であ
る。

【図８】本発明の他の実施形態における角速度検出装置
の検出回路を示す図面である。

【図９】従来技術における角速度検出装置の検出回路の
動作を説明するための図面である。

【符号の説明】

１：水晶振動子 ２：発振回路
３：移相回路 ４：波形整形回路 ５：検出回路
６：反転回路 ７：検波回路 ８：ローパスフルタ １０、２１、２２：駆動用枝 １１、２
３：検出用枝 １３、１４、１５，１６：駆動電極 １７、１８、１８、２０：検出電極 ３９：帰還容量 ３８：演算増幅器 ６１、８８：抵抗 ６９：容量

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面内（面外）方向に自励振動する駆動用
   枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にと
   もなうコリオリ力によって面外（面内）振動する少なく
   とも一対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子の駆動用枝が自励振動するための発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極に接続し、帰還容量と演算
   増幅器とからなる電流電圧変換回路と高域カット回路と
   を有する検出回路と、 検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波回路
   と、 検波回路の交流出力をカット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。
2. 【請求項２】 面内（面外）方向に自励振動する駆動用
   枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にと
   もなうコリオリ力によって面外（面内）振動する少なく
   とも一対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子の駆動用枝が自励振動するための発振回路と、 検出用枝の第１の検出電極とプラス入力端子に接続した
   抵抗とを同電位のアース線に接続し、 第２の検出電極とマイナス入力端子とを接続し、 マイナス入力端子と出力端子とを帰還容量Ｃｆを介して
   接続し、 さらに出力端子とプラス入力端子とを高域カット回路を
   介して接続した演算増幅器からなる検出回路と、 検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波回路
   と、 検波回路の交流出力をカット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。
3. 【請求項３】 面内（面外）方向に自励振動する駆動用
   枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にと
   もなうコリオリ力によって面外（面内）振動する少なく
   とも一対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子の駆動用枝が自励振動するための発振回路と、 検出用枝の第１の検出電極とプラス入力端子に接続した
   抵抗とを同電位のアース線に接続し、 第２の検出電極とマイナス入力端子とを接続し、 出力端子と第１の抵抗の一端とを接続し、第１の抵抗の
   他端と第２の抵抗の一端とを接続し、第２の抵抗の他端
   をプラス入力端子と同電位の電圧ラインに接続し、マイ
   ナス入力端子と第１の抵抗の他端とを帰還容量Ｃｆを介
   して接続し、 さらに第１の抵抗の他端とプラス入力端子とを高域カッ
   ト回路を介して接続した演算増幅器からなる検出回路と
   検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波回路
   と、 検波回路の交流出力をカット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。
4. 【請求項４】 面内（面外）方向に自励振動する駆動用
   枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にと
   もなうコリオリ力によって面外（面内）振動する少なく
   とも一対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子の駆動用枝が自励振動するための発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極に接続し、帰還容量と演算
   増幅器とからなる電流電圧変換回路と高域カット回路と
   を有する検出回路と、 検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波回路
   と、 検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタとを
   備え、 回転にともなうコリオリ力によって、振動子の検出用枝
   の検出電極に発生する短絡電流の帰還容量への充電電圧
   の直流成分を高域カット回路を介して演算増幅器に帰還
   することにより、交流成分のみの検出電圧を得ることを
   特徴とする角速度検出装置の駆動方法。
5. 【請求項５】 面内（面外）方向に自励振動する駆動用
   枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にと
   もなうコリオリ力によって面外（面内）振動する少なく
   とも一対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子の駆動用枝が自励振動するための発振回路と、 検出用枝の第１の検出電極とプラス入力端子に接続した
   抵抗とを同電位のアース線に接続し、 第２の検出電極とマイナス入力端子とを接続し、 マイナス入力端子と出力端子とを帰還容量Ｃｆを介して
   接続し、 さらに出力端子とプラス入力端子とを高域カット回路を
   介して接続した演算増幅器からなる検出回路と、 検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波回路
   と、 検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタとを
   備え、 回転にともなうコリオリ力によって、振動子の検出用枝
   の検出電極に発生する短絡電流の帰還容量への充電電圧
   の直流成分を高域カット回路を介して演算増幅器に帰還
   することにより、交流成分のみの検出電圧を得ることを
   特徴とする角速度検出装置の駆動方法。
6. 【請求項６】 面内（面外）方向に自励振動する駆動用
   枝と駆動用枝に同期して面内（面外）振動し、回転にと
   もなうコリオリ力によって面外（面内）振動する少なく
   とも一対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子の駆動用枝が自励振動するための発振回路と、 検出用枝の第１の検出電極とプラス入力端子に接続した
   抵抗とを同電位のアース線に接続し、 第２の検出電極とマイナス入力端子とを接続し、 出力端子と第１の抵抗の一端とを接続し、第１の抵抗の
   他端と第２の抵抗の一端とを接続し、第２の抵抗の他端
   をプラス入力端子と同電位の電圧ラインに接続し、マイ
   ナス入力端子と第１の抵抗の他端とを帰還容量Ｃｆを介
   して接続し、さらに第１の抵抗の他端とプラス入力端子
   とを高域カット回路を介して接続した演算増幅器からな
   る検出回路と、 検出回路の出力を発振回路の出力で検波する検波回路
   と、 検波回路の交流出力をカットするローパスフィルタとを
   備え、 回転にともなうコリオリ力によって、振動子の検出用枝
   の検出電極に発生する短絡電流の帰還容量への充電電圧
   の直流成分を高域カット回路を介して演算増幅器に帰還
   することにより、交流成分のみの検出電圧を得ることを
   特徴とする角速度検出装置の駆動方法。