JP2000321077A - 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すくな
くとも２対の駆動電極を有する少なくとも一つの駆動用
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１対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
１と、振動子が自励振動するために振動子の駆動電極に
接続した発振回路２と、振動子１の検出用枝の検出電極
に接続し、帰還容量とバイアス抵抗と演算増幅器とから
なる電流電圧変換回路と加減算回路とを有する検出回路
３と、検出回路３出力を発振回路出力で検波する検波回
路４と、検波回路４の交流出力をカットするローパスフ
ィルタ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、チタン酸バリウムや、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３−１０１１２号
公報に振動式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多結晶体からなる圧
電素子を設け、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
げ振動し、これによってヒンジ部に設けた検出用の多結
晶体からなる圧電素子に発生する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多結晶体の圧
電素子を用いた電圧増幅回路を用いた検出回路を示して
いる。図９において、検出用の圧電素子は、等価的に容
量８３（Ｃ３）と電圧源８１と抵抗８２（Ｒ７）とで表
すことができ、圧電素子の一端は演算増幅器８０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８４（Ｒ５）と抵抗８５（Ｒ６）とに
より、信号処理可能な（１＋Ｒ６／Ｒ５）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８２
（Ｒ７）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
電セラミック系の圧電素子を検出用に用いた角速度検出
装置では、図９のような入力インピーダンスが、数１０
ｋΩ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の課題としては、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。またさらに、金属振動体を用いるため、温
度特性も良好ではなくエージングにより特性が変化する
という課題がある。

【００１０】第２の課題としては、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、等価電器
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及びその駆動方法は、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少なくとも２対の駆動電極を有
する少なくとも一つの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１対の検出電極を有す
る検出用枝とを有する振動子と、振動子が自励振動する
ために振動子の駆動電極に接続した発振回路と、振動子
の検出用枝の検出電極に接続し、帰還容量とバイアス抵
抗と演算増幅器とからなる電流電圧変換回路と加減算回
路とを有する検出回路と、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。

【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少なくとも２対の駆動電極を有
する少なくとも一つの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１対の検出電極を有す
る検出用枝とを有する振動子と、振動子が自励振動する
ために振動子の駆動電極に接続した発振回路と、振動子
の検出用枝の検出電極の一方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第１の帰還容量
と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイアス抵抗と
を介して接続し、プラス入力端子を接地した第１の演算
増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、検出電極の
他方とマイナス入力端子とを接続し、マイナス入力端子
と出力端子とを第２の帰還容量と第２の帰還容量に並列
接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続し、プラス
入力端子を接地した第２の演算増幅器からなる第２の電
流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力端子とマイ
ナス入力端子とを接続し、第２の演算増幅器の出力端子
とプラス入力端子とを接続した演算増幅器からなる加減
算回路とを有する検出回路と、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少なくとも２対の駆動電極を有
する少なくとも一つの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１対の検出電極を有す
る検出用枝とを有する振動子と、振動子が自励振動する
ために振動子の駆動電極に接続した発振回路と、振動子
の検出用枝の検出電極の一方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第１の帰還容量
と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイアス抵抗と
を介して接続し、プラス入力端子を接地した第１の演算
増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、検出電極の
他方とマイナス入力端子とを接続し、マイナス入力端子
と出力端子とを第２の帰還容量と第２の帰還容量に並列
接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続し、プラス
入力端子を接地した第２の演算増幅器からなる第２の電
流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力端子とマイ
ナス入力端子とを第１の抵抗で接続し、マイナス入力端
子と出力端子と第２の抵抗で接続し、第２の演算増幅器
の出力端子とプラス入力端子とを第３の抵抗で接続し、
プラス入力端子を第４の抵抗を介して接地した演算増幅
器からなる加減算回路とを有する検出回路と、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少なくとも２対の駆動電
極を有する少なくとも一つの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１対の検出電極
を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子が自励振
動するために振動子の駆動電極に接続した発振回路と、
振動子の検出用枝の検出電極に接続し、帰還容量とバイ
アス抵抗と演算増幅器とからなる電流電圧変換回路と加
減算回路とを有する検出回路と、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、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
する短絡電流に比例した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、は
面内（面外）方向に自励振動する少なくとも２対の駆動
電極を有する少なくとも一つの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１対の検出電
極を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子が自励
振動するために振動子の駆動電極に接続した発振回路
と、振動子の検出用枝の検出電極の一方とマイナス入力
端子とを接続し、マイナス入力端子と出力端子とを第１
の帰還容量と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイ
アス抵抗とを介して接続し、プラス入力端子を接地した
第１の演算増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、
検出電極の他方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第２の帰還容量と第２の帰還
容量に並列接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続
し、プラス入力端子を接地した第２の演算増幅器からな
る第２の電流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力
端子とマイナス入力端子とを接続し、第２の演算増幅器
の出力端子とプラス入力端子とを接続した演算増幅器か
らなる加減算回路とを有する検出回路と、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、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第１の帰還容量への充電電圧の
交流成分と短絡電流の第２の帰還容量への充電電圧の交
流成分とを加算した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少なくとも２対の駆動電
極を有する少なくとも一つの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１対の検出電極
を有する検出用枝とを有する振動子と、振動子が自励振
動するために振動子の駆動電極に接続した発振回路と、
振動子の検出用枝の検出電極の一方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第１の帰
還容量と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイアス
抵抗とを介して接続し、プラス入力端子を接地した第１
の演算増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、検出
電極の他方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第２の帰還容量と第２の帰還容量
に並列接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続し、
プラス入力端子を接地した第２の演算増幅器からなる第
２の電流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力端子
とマイナス入力端子とを第１の抵抗で接続し、マイナス
入力端子と出力端子とを第２の抵抗で接続し、第２の演
算増幅器の出力端子とプラス入力端子とを第３の抵抗で
接続し、プラス入力端子を第４の抵抗を介して接地した
演算増幅器からなる加減算回路とを有する検出回路と、
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、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第１の帰還容量へ
の充電電圧の交流成分と短絡電流の第２の帰還容量への
充電電圧の交流成分とを加算した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
型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、本発明の
角速度検出装置においては、水晶を振動体に用いるた
め、温度特性も、従来より改良される。

【００２０】水晶振動子のひとつの枝を検出用枝とし、
この検出用枝に１対の検出電極を設けると、二つの検出
電極間の等価電気インピーダンスは、１０ｋオーム以上
となるが、従来の電圧検出回路の代わりに、等価的に二
つの検出用電極を短絡し、短絡電流を電圧に変換するバ
ランス型の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
置の全体の構成を示すブロック図であり、図２は本発明
の実施形態における角速度検出装置の発振回路、図３は
検出回路、図４は検波回路、図５はローパスフィルタの
構成を示す回路図であり、図６は振動子の前面斜視図、
図７は後面斜視図である。図８は本発明の第２の実施形
態における振動子の電極構造を示す断面図である。以
下、適時各図を参照しながら説明する。

【００２２】図１に示すように、角速度検出装置の全体
の構成は、振動子１と発振回路２と検出回路３と検波回
路４とローパスフィルタ５とを備え、ローパスフルタ５
の出力が角速度出力６となる。振動子１は図６と図７と
に示すように、単結晶水晶から一体形成した駆動用枝７
と検出用枝８とを備え、駆動用枝７には、駆動電極９、
１０、１１、１２を備える。

【００２３】駆動用枝７の下部で駆動電極９と駆動電極
１０とが接続して対となり、上部で駆動電極１１と駆動
電極１２とが接続して対となる。駆動電極９と駆動電極
１０の対は接続線６０を介して出力端子６３に接続し、
駆動電極１１と駆動電極１２の対は接続線６１を介して
出力端子６４に接続する。これらの電極は真空蒸着法や
スパッタリング法により形成する。さらに、出力端子６
３は接続線１８により発振回路２の入力端子と、出力端
子６４は接続線１９により発振回路２の出力端子に接続
する。

【００２４】検出用枝８の上部で検出電極１４と検出電
極１７とが接続して対となり、下部で検出電極１５と検
出電極１６とが接続して対となる。さらに、検出電極１
４と検出電極１７対は接続線６５を介して出力端子６７
に接続し、検出電極１５と検出電極１６との対は接続線
６６を介して出力端子６８に接続する。出力端子６７は
接続線２１、出力端子６８は接続線２２により検出回路
３の入力端子に接続する。

【００２５】発振回路２は、図２に示すように、演算増
幅器２５とトランジスタ２６と抵抗２７，２８と容量２
９とを備える。なお、演算増幅器２５とトランジスタ２
６の代わりにオープンコレクタタイプの演算増幅器とし
てもよい。振動子の駆動用枝７の出力端子６３は、接続
線１８により演算増幅器２５の一方の入力端子と接続
し、出力端子６８は接続線１９によりトランジスタ２６
のコレクタと接続する。演算増幅器２５の他方の入力端
子は容量２９を介して接地するとともに、抵抗２８によ
ってトランジスタ２６のコレクタに帰還をする。トラン
ジスタ２６のエミッタは、通常接地するが、利得を制御
するための負帰還用（ＡＧＣ）としても使用できる。

【００２６】検出回路３は図３に示すように、第１の演
算増幅器３０と第１の帰還容量３３（Ｃｆ１）と第１の
バイアス抵抗４６とからなる第１の電流電圧変換回路
と、第２の演算増幅器３１と第２の帰還容量３４（Ｃｆ
２）と第２のバイアス抵抗４７とからなる第２の電流電
圧変換回路と演算増幅器３２と抵抗３５（Ｒ１）、３６
（Ｒ２）、３７（Ｒ３）、３８（Ｒ４）とからなる加減
算回路とからなる。

【００２７】振動子１の検出用枝８の検出電極１４と検
出電極１７との出力端子６７は、接続線２１により第１
の演算増幅器３０のマイナス入力端子に接続し、さら
に、マイナス入力端子と出力端子とは第１の帰還容量３
３（Ｃｆ１）と第１の帰還容量３３に並列接続した第１
のバイアス抵抗４６とで接続する。プラス入力端子は接
地する。振動子１の検出用枝８の検出電極１５と検出電
極１６との出力端子６８は、接続線２２により第２の演
算増幅器３１のマイナス入力端子に接続し、さらに、マ
イナス入力端子と出力端子とは第２の帰還容量３４（Ｃ
ｆ２）と第２の帰還容量３４に並列接続した第２のバイ
アス抵抗４７とで接続する。プラス入力端子は接地す
る。

【００２８】第１の演算増幅器３０の出力端子と演算増
幅器３２のマイナス入力端子とは抵抗３５（Ｒ１）で接
続する。さらに、演算増幅器３２のマイナス入力端子と
出力端子とは抵抗３６（Ｒ２）で接続する。第２の演算
増幅器３１の出力端子と演算増幅器３２のプラス入力端
子とは抵抗３７（Ｒ３）で接続する。さらに、演算増幅
器３２のプラス入力端子は、抵抗３８（Ｒ４）を介して
接地する。第１の演算増幅器３０と第２の演算増幅器３
１のプラス入力端子がともに接地されるため、二つのマ
イナス入力端子も仮想接地される。これによって、振動
子１の検出用枝８の出力端子６７と出力端子６８は、と
もに等価的に接地される。回転にともなうコリオリ力に
よって、振動子１の振動周波数と同じ周波数の短絡電流
Ｉｓが検出電極の出力端子６７と出力端子６８との間、
および検出回路３の電流電圧変換回路に流れる。

【００２９】検波回路４は図４に示すように、抵抗４
１、４２と演算増幅器４０とトランスミッション・ゲー
ト４３、４４とインバータ４５とを備える。抵抗４１、
４２と演算増幅器４０はゲイン１の反転アンプを形成す
る。検出回路３の出力端子は接続線２３によりトランス
ミッション・ゲート４３の入力端子と反転アンプを介し
てトランスミッション・ゲート４４の入力端子に接続す
る。トランスミッション・ゲート４３の出力端子は、ト
ランスミッション・ゲート４４の出力端子に接続する。
発振回路２との接続線２０から供給する発振回路２の出
力電圧と、インバータ４５を介した反転出力電圧をトラ
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の各々の制御端子の参照信号とする。

【００３０】ローパスフィルタ５は図５に示すように、
抵抗５１、５２、５３と容量５４、５５と演算増幅器５
０とを備える。検波回路４の出力端子は、接続線２４に
よりローパスフィルタ５の入力端子である抵抗５１の一
端に接続する。抵抗５１の他端は抵抗５３を介して演算
増幅器５０の一方の入力端子に接続する。また、抵抗５
１の他端は抵抗５２を介して演算増幅器５０の出力端子
に接続するとともに、容量５４を介して接地する。ま
た、演算増幅器５０の一方の入力端子は容量５５を介し
て演算増幅器５０の出力端子に接続する。さらに、演算
増幅器５０の他方の入力端子は接地する。ローパスフィ
ルタは多重帰還型二次ローパスフィルタである。

【００３１】〔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は演算増幅器２５とトランジスタ２６とからなる正
帰還の発振器であり、単結晶水晶の振動子１の共振周波
数ｆ０（Ｈｚ）で発振し、駆動用枝７は図６のＸ方向に
面内振動する。ここに、図６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１０度程度回転する
こともある。

【００３２】振動子１の駆動用枝７に同期して検出用枝
８もＸ方向に面内振動する。このとき振動子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７または検出用枝８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
リオリ力により面内振動と同じ周波数ｆ０（Ｈｚ）の面
外振動が励起される。この振動による圧電歪効果によ
り、振動の１周期の前半に検出用枝８の検出電極１４か
ら検出電極１６へ向かう電界と、検出電極１７から検出
電極１５へ向かう電界とが発生し、１周期の後半に検出
電極１６から検出電極１４へ向かう電界と検出電極１５
から検出電極１７へ向かう電界とが発生する。

【００３３】これにより、検出電極１４と検出電極１６
との間および検出電極１７と検出電極１５とのあいだに
は、周波数ｆ０（Ｈｚ）で正負の電荷が発生する。この
実施形態では検出電極１４と検出電極１７とを接続し、
検出電極１５と検出電極１６とを接続して、発生電荷を
並列出力として得ているが、検出電極としては検出電極
１４と検出電極１６、あるいは、検出電極１５と検出電
極１７のみでもよく、またさらに、検出電極１４と検出
電極１５とを接続し、検出電極１６と検出電極１７とか
ら発生電荷を直列出力として得ることも可能である。

【００３４】この振動子１の真空中で面外振動するとき
の等価抵抗は１０ｋΩ以上であり、１気圧の大気中ある
いは不活性ガス中では、等価抵抗は約１０倍の１００ｋ
Ω以上に増加する。

【００３５】検出回路３の第１の演算増幅器３０と第２
の演算増幅器３１との開ループ利得をともにＡとする
と、第１の演算増幅器３０の入力容量は、第１の帰還容
量３３（Ｃｆ１）により、Ａ・Ｃｆ１となり、第２の演
算増幅器３１の入力容量は第２の帰還容量３４（Ｃｆ
２）により、Ａ・Ｃｆ２となる。演算増幅器の開ループ
利得は１００ｄＢ以上ある。このため、第１の演算増幅
器３０と第２の演算増幅器３１の入力容量はひじょうに
大きくなり、検出電極に発生する電荷の帰還容量への転
送を完全に行うことができる。

【００３６】第１の演算増幅器３０と第２の演算増幅器
３１のプラス入力端子は各々接地されているため、第１
の演算増幅器３０と演算増幅器３１のマイナス入力端子
は、各々バーテュアル・ショートされてプラス入力端子
と同じ電位になり、接地された状態になる。しかしなが
ら、第１の演算増幅器３０と第２の演算増幅器３１のそ
れぞれのマイナス入力端子とプラス入力端子間の入力抵
抗は、ひじょうに大きく、ほぼ無限大である。

【００３７】このため、振動子１の検出用枝８の検出電
極の出力端子６７と出力端子６８とのあいだが等価的に
短絡され、検出電極の出力端子６７と出力端子６８との
あいだに検出電極に発生する電荷による短絡電流Ｉｓが
流れる。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、第１の演算増幅器３０のマイナス
入力端子側から出力端子方向に第１の帰還容量３３（Ｃ
ｆ１）を通って流れ、さらに、第２の演算増幅器３１の
出力端子側からマイナス入力端子方向に第２の帰還容量
３４（Ｃｆ２）を通って逆方向に流れる。また、第１の
バイアス抵抗４６および第２のバイアス抵抗４７とによ
り、演算増幅器３０および演算増幅器３１の出力電圧の
直流レベルは常にゼロＶに保持される。したがって、第
１の演算増幅器３０の出力端子には出力電圧Ｖ１として Ｖ１＝（−１／Ｃｆ１）∫Ｉｓ・ｄｔ ＝（−１／Ｃｆ１）∫Ｉ０ｓｉｎ２πｆ０・ｔ ＝（Ｉ０／２πｆ０・Ｃｆ１）ｃｏｓ２πｆ０・ｔ 第２の演算増幅器３１の出力端子には出力電圧Ｖ２とし
て Ｖ２＝（１／Ｃｆ２）∫Ｉｓ・ｄｔ ＝−（Ｉ０／２πｆ０・Ｃｆ２）ｃｏｓ２πｆ０・ｔ が発生する。

【００３８】加減算回路の抵抗３５（Ｒ１）と抵抗３２
（Ｒ２）との値を等しく、抵抗３７（Ｒ３）と抵抗３８
（Ｒ４）との値を等しくすると、演算増幅器３２の出力
電圧Ｖは Ｖ＝−Ｖ１＋Ｖ２ ＝−Ｉ０／２πｆ０（１／Ｃｆ１＋１／Ｃｆ２）ｃｏｓ２πｆ０・ｔ とが得られる。Ｃｆ１＝Ｃｆ２＝Ｃｆとすれば、出力電
圧Ｖは Ｖ＝−２（Ｉ０／２πｆ０・Ｃｆ）ｃｏｓ２πｆ０・ｔ となる。

【００３９】１気圧の大気中あるいは不活性ガス中で１
秒間に１度回転する角速度を受けたときに、検出電極間
に発生する電荷の短絡電流Ｉｓのピーク値Ｉ０は５０ｐ
Ａ程度であり、帰還容量ＣｆをＭＯＳ構成のＣｆ＝０．
１ｐＦ程度の小さい容量値に設定することによって、振
動子１の共振周波数を１０ｋＨｚとしても、検出回路３
の検出電圧として、従来の多結晶セラミック体より大き
い約１０ｍＶ以上の検出出力が得られる。

【００４０】検出回路３の検出出力は接続線２３により
検波回路４に供給され、接続線２０による発振回路２の
出力電圧によって検波される。この検波回路４は、等価
的な乗算回路であり、角速度の回転方向を知るととも
に、検出精度を高める働きをする。

【００４１】検波回路４の出力電圧が接続線２４によ
り、ローパスフィルタ５に供給され、交流成分がカット
されて、角速度に比例した直流出力電圧が得られる。

【００４２】〔第２の実施形態における振動子説明：図
８〕図８は本発明の角速度検出装置の第２の実施形態に
おける振動子の電極構造を示す断面図である。図６およ
び図７の振動子に新たに駆動用枝７０を追加して三叉振
動子としたものである。駆動用枝７０に駆動電極７１、
７２、７３、７４を設け、駆動電極７１と駆動電極７２
とを接続線１８に接続し、駆動電極７３と駆動電極７４
とを接続線１９の接続する。この実施形態における三叉
振動子による角速度検出装置においては、駆動用枝が２
本になるため、発振の安定度が高くなる。

【００４３】以上説明した実施形態では振動子の自励振
動方向をＸ方向である面内方向としたが、自励方向振動
をＺ方向である面外振動として用いることも可能であ
る。同様のことは、水晶のＹ軸を中心に９０度回転した
Ｘカット振動子としても可能である。

【００４４】以上説明した実施形態では、振動子の基板
の材料が水晶の励を示したが、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
晶など圧電性を示す材料でもよい。

【００４５】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
出用枝を有する振動子であればよい。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の角速度検出装置においては、検出回路３によって振動
子１の検出用枝８の検出電極の出力端子６７と出力端子
６８とを等価的に短絡し、検出回路３の第１の演算増幅
器３０と第１の帰還容量３３と第１のバイアス抵抗４６
とからなる第１の電流電圧変換回路によって、短絡電流
Ｉｓを出力電圧Ｖ１＝（Ｉ０／２πｆ０・Ｃｆ）ｃｏｓ
２πｆ０・ｔに変換し、さらに、第２の演算増幅器３１
と第２の帰還容量３４と第２のバイアス抵抗４７とから
なる第２の電流電圧変換回路によって短絡電流Ｉｓを電
圧Ｖ２＝−（Ｉ０／２πｆ０・Ｃｆ）ｃｏｓ２πｆ０・
ｔに変換し、抵抗と演算増幅器とからなる加減算回路に
よって、検出出力Ｖ＝Ｖ２−Ｖ１＝−２（Ｉ０／２πｆ
０・Ｃｆ）ｃｏｓ２πｆ０・ｔと２倍にすることができ
る。

【００４７】さらに、検出回路３は、バランス入力とな
るため、第１に演算増幅器３０と第２の演算増幅器３１
とに共通なバイアス電流Ｉｂやオフセット電圧Ｖｏｆお
よび振動子１と検出回路３の接続線２１と接続線２２に
外部から加わるコモンモード雑音電圧等が加減算回路に
よりキャンセルできるため、低雑音で温度特性の良い検
出回路となる。この検出回路を用いることによって、検
出精度が高い角速度検出装置が実現できる。

【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
体の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施形態における角速度検出装置の発
振回路の構成を示す回路図である。

【図３】本発明の実施形態における角速度検出装置の検
出回路の構成を示す回路図である。

【図４】本発明の実施形態における角速度検出装置の検
波回路の構成を示す回路図である。

【図５】本発明の実施形態における角速度検出装置のロ
ーパスフィルタの構成を示す回路図である。

【図６】本発明の実施形態における角速度検出装置の振
動子の前面斜視図である。

【図７】本発明の実施形態における角速度検出装置の振
動子の後面斜視図である。

【図８】本発明の第２の実施形態における振動子の電極
構造を示す断面図である。

【図９】従来技術における角速度検出装置の検出回路を
示す図面である。

【符号の説明】

１：振動子 ２：発振回路 ３：検出回路 ４：検波回路 ３０：第１の演算増幅器 ３１：第２の
演算増幅器 ３３：第１の帰還容量 ３４：第２の帰
還容量 ４６：第１のバイアス抵抗 ４７：第２
のバイアス抵抗

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少なく
   とも２対の駆動電極を有する少なくとも一つの駆動用枝
   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１対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子が自励振動するために振動子の駆動電極に接続し
   た発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極に接続し、帰還容量とバイ
   アス抵抗と演算増幅器とからなる電流電圧変換回路と加
   減算回路とを有する検出回路と、 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少なく
   とも２対の駆動電極を有する少なくとも一つの駆動用枝
   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１対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子が自励振動するために振動子の駆動電極に接続し
   た発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極の一方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第１の帰
   還容量と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイアス
   抵抗とを介して接続し、プラス入力端子を接地した第１
   の演算増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、検出
   電極の他方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第２の帰還容量と第２の帰還容量
   に並列接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続し、
   プラス入力端子を接地した第２の演算増幅器からなる第
   ２の電流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力端子
   をマイナス入力端子に接続し、第２の演算増幅器の出力
   端子とプラス入力端子と接続した演算増幅器からなる加
   減算回路とを有する検出回路と、 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少なく
   とも２対の駆動電極を有する少なくとも一つの駆動用枝
   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１対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子が自励振動するために振動子の駆動電極に接続し
   た発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極の一方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第１の帰
   還容量と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイアス
   抵抗とを介して接続し、プラス入力端子を接地した第１
   の演算増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、検出
   電極の他方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第２の帰還容量と第２の帰還容量
   に並列接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続し、
   プラス入力端子を接地した第２の演算増幅器からなる第
   ２の電流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力端子
   とマイナス入力端子とを第１の抵抗で接続し、マイナス
   入力端子と出力端子とを第２の抵抗で接続し、第２の演
   算増幅器の出力端子とプラス入力端子とを第３の抵抗で
   接続し、プラス入力端子を第４の抵抗を介して接地した
   演算増幅器からなる加減算回路とを有する検出回路と、 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少なく
   とも２対の駆動電極を有する少なくとも一つの駆動用枝
   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１対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子が自励振動するために振動子の駆動電極に接続し
   た発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極に接続し、帰還容量とバイ
   アス抵抗と演算増幅器とからなる電流電圧変換回路と加
   減算回路とを有する検出回路と、 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、 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に比例した検出電圧を得
   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少なく
   とも２対の駆動電極を有する少なくとも一つの駆動用枝
   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１対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子が自励振動するために振動子の駆動電極に接続し
   た発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極の一方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第１の帰
   還容量と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイアス
   抵抗とを介して接続し、プラス入力端子を接地した第１
   の演算増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、検出
   電極の他方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第２の帰還容量と第２の帰還容量
   に並列接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続し、
   プラス入力端子を接地した第２の演算増幅器からなる第
   ２の電流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力端子
   とマイナス入力端子とを第１の直流カット容量とで接続
   し、第２の演算増幅器の出力端子とプラス入力端子とを
   第２の直流カット容量とで接続した演算増幅器からなる
   加減算回路とを有する検出回路と、 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、 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第１の帰還容量への充
   電電圧の交流成分と短絡電流の第２の帰還容量への充電
   電圧の交流成分とを加算した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少なく
   とも２対の駆動電極を有する少なくとも一つの駆動用枝
   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１対の検出電極を有する検出用枝とを有する振動子
   と、 振動子が自励振動するために振動子の駆動電極に接続し
   た発振回路と、 振動子の検出用枝の検出電極の一方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第１の帰
   還容量と第１の帰還容量に並列接続した第１のバイアス
   抵抗とを介して接続し、プラス入力端子を接地した第１
   の演算増幅器からなる第１の電流電圧変換回路と、検出
   電極の他方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第２の帰還容量と第２の帰還容量
   に並列接続した第２のバイアス抵抗とを介して接続し、
   プラス入力端子を接地した第２の演算増幅器からなる第
   ２の電流電圧変換回路と、第１の演算増幅器の出力端子
   とマイナス入力端子とを第１の抵抗で接続し、マイナス
   入力端子と出力端子とを第２の抵抗で接続し、第２の演
   算増幅器の出力端子とプラス入力端子とを第３の抵抗で
   接続し、プラス入力端子を第４の抵抗を介して接地した
   演算増幅器からなる加減算回路とを有する検出回路と、 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、 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第１の帰還容量への充
   電電圧の交流成分と短絡電流の第２の帰還容量への充電
   電圧の交流成分とを加算した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。