JP2000329559A

JP2000329559A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2000329559A
Application number: JP11137291A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Isono; 仁志磯野; Hisashi Ogaki; 久志大垣; Tomohisa Komoda; 智久薦田; Toru Kira; 徹吉良
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】角速度の検出出力のノイズを低減することが
可能な角速度センサを提供する。。【解決手段】振動子に作用するコリオリ力により生じ
る振動の検出手段としてコイルを用いることで、駆動信
号あるいはコイルの検出出力同士での差動をとることが
できる。その結果、低ノイズの角速度の検出出力を得る
ことができ、高い分解能を有する角速度センサを得るこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動している物体
に角速度が加わると物体の振動方向と直交する方向に働
くコリオリの力を検出することで、角速度の大きさを検
出する角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】角速度センサは、カーナビゲーションシ
ステムの自律航法センサや、ビデオムービーの手振れ防
止センサとして広く用いられている。中でも、圧電体を
振動子の駆動およびコリオリ力の検出に用いた圧電ジャ
イロは小型で、安価な角速度センサとして広く用いられ
ている。このような角速度センサの構成については、た
とえば、文献「圧電ジャイロ・センサ技術の基礎」エレ
クトロニク・セラミクス、１９９１年１０月号、ｐｐ．
２７−３５に開示されている。

【０００３】図８は、以上説明したうち、第１の従来技
術の角速度センサの構成を示す概略ブロック図である。
図８において、圧電ジャイロは平面図で示されている。

【０００４】図８に示す圧電ジャイロにおいて、横断面
が四角形の振動子１は、駆動用圧電体２０と帰還用圧電
体２１とを用いた自励発振回路３０により、ｘ軸方向に
所定の自励振動を行なう。そして、このような振動の下
に、ｚ軸まわりの角速度Ωが加わると、自励振動と直交
するｙ軸方向に振動が励起され、このｙ軸方向の振動に
より検出用圧電体２２および２３に電圧が発生する。

【０００５】これらの電圧を、差動回路３１、同期検波
回路３２、平滑回路３３を通過させることにより、角速
度Ωに比例する直流電圧出力として出力する。

【０００６】このような圧電ジャイロの場合、コリオリ
の力により検出用圧電体２２および２３に生じる電圧
は、自励発振回路３０の駆動信号と位相が一致するの
で、駆動信号でコリオリの力による電圧信号の位相を検
波することで、コリオリの力による信号のみを取出すこ
とができる。

【０００７】しかしながら、振動子１のｘ軸方向の振動
と、ｙ軸方向の振動の間に機械的な漏れ結合が生じる場
合には、振動子１は、角速度が加わっていないときに
も、ｘ軸方向の振動によりｙ軸方向にも振動してしま
う。このような振動により生ずる電圧が、ヌル電圧とし
て検出用圧電体２２および２３より出力される。

【０００８】検出用圧電体２２および２３の和動をとる
と、ヌル電圧は見かけ上ゼロにすることができるが、角
速度が加わったときのコリオリの力による電圧信号も相
殺されてしまい検出できなくなる。

【０００９】そこで、ヌル電圧が生じている場合には、
帰還用圧電体２１と、検出用圧電素子２２あるいは２３
とから出力されるヌル電圧の位相が一致することを利用
して、帰還用圧電体２１からの出力と検出用圧電体２２
あるいは２３からの出力との差動をとることで、見かけ
上ヌル電圧をゼロにすることができる。このようにし
て、駆動信号でコリオリの力による電圧信号の位相を検
波することで、コリオリの力による信号のみを取出すこ
とが一般に行なわれている。

【００１０】また、図９に示す第２の従来例の圧電ジャ
イロは、上述したヌル電圧の問題を解決するためのもの
であり、文献「小形ジャイロとその応用」、日本機械学
会誌、１１月号、１９９３年、ｐｐ．１４−１７に開示
されている。図９に示す圧電ジャイロで、横断面が三角
形の振動子１は、駆動用圧電体２４および２５と帰還用
圧電体２１とを用いた自励発振回路３０により、ｘ軸方
向に所定の自励振動を行なう。

【００１１】そして、このような振動の下に、ｚ軸まわ
りの角速度Ωが加わると、自励振動と直交するｙ軸方向
に振動が励振される。ここでは、このｙ軸方向の振動
を、検出用圧電体を兼ねた駆動用圧電体２４および２５
により発生する電圧を、差動回路３１、同期検波回路３
２、平滑回路３３を通過させることにより、角速度Ωに
比例する直流電圧出力に変換して出力する。

【００１２】この場合、検出用圧電体を兼ねる駆動用圧
電体２４および２５には、角速度が加わっていないとき
にもｘ軸方向の振動により電圧が発生する。しかしなが
ら、それらの電圧の位相が一致するので、差動をとるこ
とで見かけ上この電圧をゼロとすることができる。しか
も、角速度が加わったときには、検出用圧電体を兼ねる
駆動用圧電体２４および２５には、コリオリの力による
電圧が逆位相に生じることになるので、両者の差動をと
ることで、見かけ上のヌル電圧を相殺するとともに、駆
動信号で位相を検波することで、コリオリの力による電
圧だけを取出すことができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の圧電
ジャイロは、圧電体からの出力の差動をとる回路構成に
なっている。ところが、圧電体から出力される電圧はそ
のノイズが大きい。圧電体は、微細な結晶が無秩序に並
んだ多結晶体に分極処理を施すことで、各結晶の自発分
極の方向を平均的に１方向に向かせることで作製されて
いる。

【００１４】この圧電体に歪みが加わると、自発分極し
ている微細な結晶の向きが変わり、全体としての分極状
態が変化するので、外部電極から歪みを電圧として取出
すことができる。圧電体から検出される電圧は、このよ
うに、圧電体内部の微細な結晶の回転や変形に起因する
ものであるので、圧電体の出力ノイズは大きくなると考
えられる。

【００１５】たとえば、圧電体としてＰＺＴ（１×９ｍ
ｍ、厚さ０．２ｍｍ）を用い、この圧電体を、共振周波
数が２４ｋＨｚの高弾性金属であるエリンバー合金から
なる振動子に張り付けて共振振動させる構成を考える。
このような圧電体からの出力が１．８Ｖとなるような歪
みを加えたとき、そのノイズは１４μＶ／√Ｈｚとな
る。

【００１６】これは、通常のアンプノイズが１ｎＶ／√
Ｈｚ程度であるので、４桁ほど大きい。

【００１７】また、圧電体からの出力ノイズは、圧電体
の振幅が大きくなるほど大きくなり、角速度の検出感度
を高くするために、振動子の振幅を大きくすれば、圧電
体からの出力ノイズも大きくなることを示している。

【００１８】従来の圧電ジャイロは、圧電体からの出力
信号の差動をとってヌル電圧を相殺しても、ノイズの大
きい圧電体からの信号を使う以上、たとえ、ヌル電圧を
相殺できてもノイズ成分が残ってしまう。このため、Ｓ
／Ｎ比が小さくなり、高い分解能で角速度を検出できな
いという問題点があった。

【００１９】本発明は、このような問題点に鑑みて出さ
れたものであり、コリオリの力を低いノイズで検出し、
高い分解能をもつ角速度センサを提供することを目的と
する。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の角速度センサは、振動子と、振動
子の自由端近傍に設けられた少なくとも１個の永久磁石
と、振動子を駆動方向に励振する駆動手段と、励振状態
を検出する帰還用の検出手段と、駆動手段により励振さ
れる振動子の振動方向と直交する方向の振動を検出する
ための振動方向と直交する方向に配置された少なくとも
１個の検出用コイルと、検出用コイルに生じるヌル電圧
と駆動信号の差動をとる差動回路と、帰還用の検出手段
からの信号で、差動回路の出力信号を検波する同期検波
回路とを備える。

【００２１】請求項２記載の角速度センサは、振動子
と、振動子の自由端近傍に設けられた少なくとも２個の
永久磁石と、振動子を駆動方向に励振する駆動手段と、
励振状態を検出する帰還用の検出手段と、駆動手段によ
り励振される振動子の振動方向と直交する方向の振動を
検出するための少なくとも２個の検出用コイルとを備
え、検出用コイルは、駆動手段により励振される振動子
の振動方向とコイル表面が９０°未満の角度を持ち、か
つ、永久磁石の磁化方向と直交するようにコイルの表面
を有するように配置されており、検出用コイルに振動子
の駆動方向の振動により生ずる電圧を、別の検出用コイ
ルに生じる電圧の差動をとって相殺する差動回路と、帰
還用の検出手段からの信号で、差動回路の出力信号を検
波する同期検波回路とをさらに備える。

【００２２】請求項３記載の角速度センサは、多角形形
状の断面を有する柱状の振動子と、振動子の自由端近傍
に設けられる少なくとも２個の永久磁石と、振動子を駆
動方向に励振する駆動手段と、励振状態を検出する帰還
用の検出手段と、駆動手段により励振される振動子の振
動方向と直交する方向の振動を検出するための少なくと
も２個の検出用コイルとを備え、検出用コイルは、永久
磁石の磁化方向と直交するコイル表面を有するように配
置されており、検出用コイルに振動子の駆動方向の振動
により生ずる電圧を、別の検出用コイルに生じる電圧の
差動をとって相殺する差動回路と、帰還用の検出手段か
らの信号で、差動回路の出力信号を検波する同期検波回
路とをさらに備える。

【００２３】請求項４記載の角速度センサは、請求項３
記載の角速度センサの構成に加えて、多角形形状は、頂
点の個数が３以上の奇数である。

【００２４】請求項５記載の角速度センサは、請求項１
記載の角速度センサの構成に加えて、自由端近傍に少な
くとも１個の永久磁石が設けられた振動子は、駆動手段
により励振される振動子の振動方向と直交する方向に磁
化された磁性体である。

【００２５】請求項６記載の角速度センサは、請求項１
ないし５のいずれかに記載の角速度センサの構成に加え
て、振動子を励振する駆動手段は、圧電体を含む。

【００２６】請求項７記載の角速度センサは、請求項１
ないし５のいずれかに記載の角速度センサの構成に加え
て、振動子を励振する駆動手段は、コイルを含む。

【００２７】請求項８記載の角速度センサは、請求項１
ないし６のいずれかに記載の角速度センサの構成に加え
て、励振状態を検出する帰還用の検出手段は、圧電体を
含む。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下図１〜図７を用いて、本発明
によるところの実施例について詳細に説明する。

【００２９】［実施の形態１］本発明の角速度センサの
第１の実施の形態の斜視図を図１に、平面図とブロック
線図を図２に示す。図１および図２を参照して、角速度
センサ部１０は、振動子１、駆動用圧電体２、帰還用圧
電体３、永久磁石４、検出用コイル５を備える。

【００３０】振動子１としては、周囲温度の変化に対し
て振動特性が変化しないように、恒弾性金属（たとえ
ば、住友特殊金属製、ＥＬ／３）を用いることができ
る。他のエリンバー合金等の恒弾性金属も用いることが
可能である。圧電体２、３としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ₃を用いたが、ＢａＴｉＯ₃等の圧電セラ
ミックスを用いることも可能である。

【００３１】振動子１として圧電体を使用した場合に
は、圧電体３、４の代わりに電極を設ける構成をとるこ
ともできる。永久磁石４としては希土類磁石（たとえ
ば、住友特殊金属製、ＮＥＯＭＡＸ）を用いることがで
きるが、たとえば、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁
石あるいは希土類磁石以外の永久磁石も用いることが可
能である。

【００３２】検出用コイル５としては、たとえば、線径
２０μｍの銅線を直径５ｍｍの円形に１００ターン巻い
たものを使用することができるが、材質、線径、コイル
の形状、ターン数は、検出感度、コスト等に応じて適宜
選択すればよい。

【００３３】本実施の形態では、検出用コイル５の中心
は空洞であるが、センダスト、パーマロイ等の高透磁性
材料のコアを設けることで、検出用コイル５の感度を向
上させることができる。

【００３４】また、本実施の形態では、検出用コイル５
等を対向する面の永久磁石４の磁極をＮ極としている
が、Ｓ極でも構わない。検出用コイル５と永久磁石４と
の間隔は、たとえば、０．１ｍｍとすることができる
が、０．０５〜３ｍｍ程度の範囲であればよい。

【００３５】また、本実施の形態では、永久磁石の形状
として四角柱のものを用いているが、円柱状、多角形の
柱状等の他の形状のものを用いてもよい。

【００３６】本実施の形態においては、振動子１は、駆
動用圧電体２により、ｘ方向に励振される。帰還用圧電
体３は、制御回路により振動子の共振周波数で駆動する
ための帰還信号を出力する。

【００３７】ｚ軸まわりの角速度Ωが加わると、角速度
Ωに比例したコリオリの力がｙ方向に生じ、その結果、
振動子１はｙ方向にも振動する。

【００３８】そして、振動子１には、永久磁石４が設け
られているので、検出用コイル５では、コイルを貫く磁
束が変化し、その磁束の時間変化が電磁誘導の起電力の
変化となり、角速度Ωが検出される。

【００３９】本実施の形態の場合、コリオリの力は帰還
用圧電体３と同位相あるいは逆位相に検出用コイル５に
検出されるので、帰還用圧電体３の出力信号で同期検波
することで、角速度を検出することができる。

【００４０】なお、永久磁石４は、ｘ方向に励振される
ことから、厳密にはｘ方向の振動によっても検出用コイ
ル５を貫く磁束は変化する可能性がある。しかしなが
ら、ｙ方向の振動による磁束の変化に比較すると、非常
に小さく無視できる程度である。

【００４１】振動ジャイロセンサにおいては、振動子の
駆動方向での共振周波数とコリオリの力を検出する検出
方向の共振周波数は、検出感度を高くするためには近づ
ける必要がある。しかしながら、これらの共振周波数が
近くなると、各振動方向での機械的な漏れ結合が生じ、
たとえばｘ軸方向に駆動振動している場合にも、振動方
向がｘ軸とある角度をもった方向への振動になってしま
い、図２の矢印ＤＡで示したような方向の振動となる。

【００４２】この場合、検出用コイル５からは角速度が
加わっていないときにもヌル電圧と呼ばれる出力が検出
される。そこで、このヌル電圧とコリオリの力による出
力を分離する必要がある。本実施の形態においては、こ
のヌル電圧を相殺しコリオリの力による出力のみを検出
する方法および構成を示す。

【００４３】図３は、図１および図２で示した角速度セ
ンサの検出回路各部での波形を示すものであり、図３
（ａ）は無回転時の、図３（ｂ）は回転時の出力波形を
それぞれ示す。

【００４４】図２の矢印ＤＡ方向に駆動振動している振
動子１の場合、無回転時の駆動信号、帰還圧電体信号、
検出用コイル５のヌル電圧信号は、それぞれ図３（ａ）
の（１）、（２）、（３）となる。

【００４５】本実施の形態では、検出用コイル５のヌル
電圧信号は、駆動信号と同位相となるので、差動回路に
より、検出用コイル５の出力と駆動信号との差動をとる
ことで、図３（ａ）の（４）に示すように、見かけ上ヌ
ル電圧をゼロにすることができる。

【００４６】なお、このとき、検出用コイル５の出力レ
ベルと駆動信号の出力レベルを合わすために、検出用コ
イル５と駆動信号の両方あるいはどちらか一方をゲイン
調整回路に通し、差動回路通過後の出力がゼロとなるよ
うに調整すればよい。

【００４７】また、本実施の形態では、検出用コイル５
の信号と駆動信号の位相が一致するように、振動子の漏
れ結合による振動方向を考慮して検出用コイルの巻線方
向と磁石４の極性を合わせてある。しかしながら、検出
用コイル５の位相と駆動信号の位相とが逆位相となる場
合は、差動回路３１のかわりに和動をとる回路を設ける
構成とすればよい。

【００４８】次に、角速度センサ１０が回転した場合に
は、図３（ｂ）の（３）に示すように、コリオリの力に
よる出力は、検出用コイルのヌル電圧と９０°位相のず
れた位置に発生する。したがって、図３（ｂ）の（４）
に示すように、差動回路からの出力は、コリオリの力に
よる出力のみが検出される。

【００４９】そして、その位相は帰還用圧電体信号の位
相と一致するので、差動回路出力を帰還用圧電体出力で
同期検波した後に平滑化することで、図３（ｂ）の
（５）および（６）に示すように、コリオリの力による
信号のみを取出すことができる。

【００５０】ここで、検出用コイル５の信号ノイズを測
定したところ、８ｎＶ／√Ｈｚであった。これは、従来
の圧電ジャイロでの検出に用いられる圧電体のノイズに
比べ、３桁以上小さなノイズであった。また、駆動信号
のノイズは、アンプノイズと同等であり、１ｎＶ／√Ｈ
ｚであるので、本実施の形態のように、検出用コイル５
の信号を駆動信号で差動をとれば、非常に小さいノイズ
の検出信号を得ることができる。

【００５１】従来の圧電ジャイロの検出信号のノイズを
測定したところ２ｍＶであったが、本実施例のジャイロ
センサでは０．８μＶであり、３桁以上本実施例の検出
信号のノイズは小さい。

【００５２】このように、本実施の形態では、従来のよ
うに圧電体信号を駆動信号で差動をとる場合に比べて、
非常に小さいノイズの検出信号を得ることができるの
で、高い分解能をもつ角速度センサを実現することが可
能である。

【００５３】言い換えると、本実施の形態では、ノイズ
の少ないコイルからの検出信号を、同じくノイズの少な
い駆動信号で差動をとることにより、低いノイズの信号
を得ることができる。このとき、帰還信号とコリオリ力
により発生する信号成分との位相が合っているために、
帰還信号で同期検波することで、コリオリ力により発生
する信号成分を分離できる。このとき、帰還用の圧電体
からの信号は、単に同期検波をするための信号（ゲート
信号）を取り出すために用いられているので、圧電体か
らの比較的ノイズの大きな信号であっても、角度センサ
の出力へ与えるノイズの影響は小さい。

【００５４】なお、本実施の形態では、振動子１として
片持ち針状の振動子を用いたが、音叉型、Ｈ型等の振動
子も用いることが可能である。また、本実施例では、自
由端に磁石を取付けられた振動子を用いたが、振動子と
しては、駆動振動方向と直交する方向に磁化方向をもつ
磁性材料を用いることもできる。また、本実施例では、
駆動手段として圧電体を用いたが、振動子の駆動振動側
の辺に磁石と駆動用のコイルを設け、電磁誘導により振
動子を励振する方法とすることも可能である。

【００５５】［実施の形態２］図４は、本発明の実施の
形態２の角速度センサの構成を示す概略ブロック図であ
る。

【００５６】図４においては、振動ジャイロセンサ部は
平面図で示されている。図４を参照して、角速度センサ
部１０は、振動子１、駆動用圧電体２、帰還用圧電体
３、永久磁石４、検出用コイル５ａおよび５ｂで構成さ
れている。

【００５７】実施の形態２においては、検出用コイル５
が振動子１を挟んでｘ軸対称に２個備えられていること
以外は、実施の形態１の角速度センサの構成と同様であ
るので、同一部には同一符号を付してその説明は繰返さ
ない。

【００５８】実施の形態２では、検出用コイル５ａと５
ｂおよび駆動信号の３個の信号の位相が一致するよう
に、振動子の漏れ結合による振動方向を考慮して、検出
用コイルの巻線方向と磁石４の極性を合わせてある。

【００５９】実施の形態２では、和動回路３４で検出用
コイル５ａと５ｂの信号の和をとるので、検出用コイル
から出力されるヌル電圧は２倍となる。

【００６０】角速度センサ１０が回転すると、コリオリ
の力による出力は、検出用コイル５ａおよび５ｂにそれ
ぞれヌル電圧の位相と９０°ずれた位置に発生するの
で、差動回路３１で駆動信号との差動をとることで、コ
リオリの力による出力のみを取出すことができる。さら
に、検出用コイルが２個あるために、２倍の大きさで角
速度を検出できる。同期検波の方法や、検出用コイルの
信号ノイズについては、実施の形態１と同様であるので
その説明は繰返さない。

【００６１】なお、本実施例で、検出用コイル５ａと５
ｂの信号が逆位相の場合には、和動回路３４のところで
差動をとり、さらにその信号が駆動信号と同位相の場合
には差動回路３１のところで差動を、逆位相の場合には
差動回路３１のところで和動をとればよい。

【００６２】また、本実施例では、振動子１として片持
ち針状の振動子を用いたが、音叉型、Ｈ型等の振動子も
用いることが可能である。

【００６３】また、実施の形態２では自由端に磁石を取
付けた振動子を用いたが、振動子としては、駆動振動方
向と直交する方向に磁化方向をもつ磁性材料を用いるこ
とも可能である。

【００６４】また、実施の形態２では駆動手段として圧
電体を用いたが、振動子の駆動振動側の辺に磁石と駆動
用のコイルを設け、電磁誘導により振動子を励振する方
法をとることもできる。

【００６５】［実施の形態３］図５は、本発明の実施の
形態３の角速度センサの構成を示す概略ブロック図であ
る。

【００６６】図５においては、振動型ジャイロ部分は平
面図で示されている。図５を参照して、角速度センサ部
１０は、振動子１、駆動用圧電体２、帰還用圧電体３、
永久磁石４、検出用コイル５ｃおよび５ｄで構成されて
いる。

【００６７】実施の形態３において、振動子の横断面は
三角形であり、検出用コイルが駆動振動方向であるｘ軸
と９０°未満の角度をもって、ｘ軸対称に２個備えられ
ていること以外は、実施の形態１の角速度センサの構成
と同様であるので、同一部分には同一符号を付してその
説明は繰返さない。

【００６８】実施の形態３においては、振動子１は、駆
動用圧電体２によりｘ方向に励振される。帰還用圧電体
３は、駆動用圧電体が設けられるのと同一の振動子の側
面上に設けられ、自励発信回路３０により振動子１の共
振周波数で駆動するための帰還信号を出力する。すなわ
ち、帰還用圧電体３は、振動子１が駆動される方向と直
交する面上に設けられる。

【００６９】ｚ軸まわりの角速度Ωが加わると、角速度
Ωに比例したコリオリの力がｙ方向に生じ、その結果、
振動子１はｙ方向にも振動する。そして、振動子１に
は、永久磁石４が設けられているので、検出用コイル５
ｃおよび５ｄでは、コイルを貫く磁束が変化し、その磁
束の時間変化が電磁誘導の起電力の変化となり、角速度
Ωが検出される。

【００７０】実施の形態３の場合、コリオリの力は帰還
用圧電体３と同位相あるいは逆位相に検出用コイル５に
検出されるので、帰還用圧電体３の出力信号で同期検波
することで、角速度を検出することができる。

【００７１】実施の形態３において、コリオリの力によ
る出力のみを検出する方法を以下に説明する。

【００７２】図６は、図５に示した角速度センサの各部
での波形を示すためのタイミングチャートであり、図６
（ａ）は、無回転時の、図６（ｂ）は回転時の各部の波
形をそれぞれ示す。

【００７３】駆動振動している振動子１の場合、無回転
時の駆動信号、帰還用圧電体信号、検出用コイル５ａお
よび５ｂのヌル電圧信号は、それぞれ図６（ａ）の
（１）、（２）、（３）、（４）となる。本実施例で
は、検出用コイル５ｃのヌル電圧信号は、検出用コイル
５ｄのヌル電圧信号と同位相となるので、差動回路によ
り、検出用コイル５ｃの出力と検出用コイル５ｄとの差
動をとることで、図６（ａ）の（５）に示すように、見
かけ上ヌル電圧をゼロにすることができる。

【００７４】なお、このとき、検出用コイル５ｃと５ｄ
の出力レベルを合わせるために、検出用コイル５ｃと５
ｄの両方あるいはどちらか一方をゲイン調整回路に通
し、差動回路通過後の出力がゼロとなるように調整すれ
ばよい。

【００７５】また、実施の形態３では、検出用コイル５
ｃと５ｄの信号の位相が一致するように、検出用コイル
の巻線方向と磁石４の極性を合わせてある。しかしなが
ら、検出用コイル５ｃと５ｄの位相が逆位相となる場合
は、差動回路３１の代わりに、和動回路を用いる構成と
すればよい。

【００７６】次に、角速度センサ１０が回転したときに
は、図６（ｂ）の（３）と（４）に示すように、コリオ
リの力による出力は、検出用コイル５ｃ、５ｄのヌル電
圧と、それぞれ９０°位相の進んだ位置と遅れた位置に
発生する。

【００７７】したがって、図６（ｂ）の（５）に示すよ
うに、差動回路からの出力は、コリオリの力による出力
のみが検出される。そして、その位相は帰還用圧電体３
からの信号の位相と一致するので、差動回路出力を帰還
用圧電体３の出力で同期検波した後、平滑化すること
で、図６（ｂ）の（６）に示すように、コリオリの力に
よる信号のみを取出すことができる。

【００７８】本実施の形態３に示すように、ノイズの小
さい検出用コイルからの出力同士の差動をとることで、
コリオリの力の検出信号は低ノイズとなり、高い分解能
をもつ角速度センサを得ることができる。

【００７９】しかも、本実施の形態では、駆動用圧電体
２が、駆動振動方向に直行する面上に設けられているの
で、駆動の効率が高いばかりでなく，駆動振動の乱れが
生じにくいという効果がある。

【００８０】なお、本実施の形態では、振動子１とし
て、片持ち針状の振動子を用いたが、音叉型、Ｈ型等の
振動子も用いることが可能である。また、本実施の形態
では、駆動手段として圧電体を用いたが、振動子の駆動
振動側の辺に磁石と駆動用のコイルを設け、電磁誘導に
より振動子を励振する方法をとることも可能である。

【００８１】また、図５においては、振動子の断面形状
は、３角形としたが、一般に、頂点の個数が３以上の奇
数である多角形の断面形状を有すれば、駆動方向と直交
する面上に帰還用の検出手段、たとえば、圧電体を設け
る配置とすることが容易である。

【００８２】［実施の形態４］図７は、本発明の実施の
形態４の角速度センサの構成を示す概略ブロック図であ
る。

【００８３】図７においては、角速度センサ部１０は、
平面図により示されている。図７を参照して、角速度セ
ンサ部１０は、振動子１、駆動用圧電体２ａと２ｂ、帰
還用圧電体３、永久磁石４、検出用コイル５ｃおよび５
ｄで構成されている。

【００８４】実施の形態４において、振動子の横断面が
三角形であり、駆動用圧電体が側面に２個設けられてい
る構成となっている以外は、実施の形態３の構成と基本
的に同様であるので、同一部分には同一符号を付してそ
の説明は繰返さない。

【００８５】したがって、実施の形態４でも、永久磁石
が設けられる面が互いになす角度は９０度未満でもよ
い。

【００８６】実施の形態４においては、駆動用圧電体２
ａと２ｂが、側面に１個ずつ２個設けられているので、
駆動振動の方向がｘ軸方向からずれた場合に、駆動用圧
電体２ａと２ｂへ供給する駆動電圧の大きさとバランス
を調整することで、駆動振動方向をｘ軸方向に一致させ
ることができる。駆動振動方向のｘ軸方向とのずれにつ
いては、検出用コイル５ｃと５ｄの出力を帰還すること
で調整できる。

【００８７】このように、駆動振動の方向を、駆動用圧
電体２ａと２ｂからの駆動電圧の大きさとバランスで調
整することができるので、振動子のバランスが悪い場合
にも、容易に駆動振動方向を調整でき、検出感度の高い
角速度センサを得ることができる。

【００８８】また、図７においても、振動子の断面形状
は、３角形としたが、一般に、頂点の個数が３以上の奇
数である多角形の断面形状を有すれば、駆動方向と直交
する面上に帰還用の検出手段、たとえば、圧電体を設け
る配置とすることが容易である。

【００８９】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る角速
度センサは、駆動振動方向と直交するコリオリの力によ
る振動を検出コイルにより検出するので、振動子の漏れ
振動によるヌル電圧を、駆動信号との差動をとることで
相殺することができる。コイルの検出信号は、従来の圧
電体による信号に比べて、３桁以上小さなノイズであ
り、駆動信号のノイズも小さいので、低ノイズの角速度
検出出力を得ることができる。したがって、高い分解能
の角速度センサを得ることができる。

【００９１】さらに、２個の検出用コイルを備え、これ
らの検出用コイルのコイル表面が、駆動振動方向と所定
の角度をもち、しかも永久磁石の磁化方向と直交するよ
うにコイルの表面を有するように配置されている場合
は、２個の検出用コイルの信号同士の差動をとること
で、ヌル電圧を相殺することができるので、低ノイズの
角速度検出出力を得ることができ、高い分解能の角速度
センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の角速度センサの構成を
示す斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態１の角速度センサの構成を
示す概略ブロック図である。

【図３】本発明の実施の形態１の角速度センサの検出波
形を示すタイミングチャートであり、図３（ａ）は無回
転時の、図３（ｂ）は回転時の波形をそれぞれ示す。

【図４】本発明の実施の形態２の角速度センサの構成を
示す概略ブロック図である。

【図５】本発明の実施の形態３の角速度センサの構成を
示す概略ブロック図である。

【図６】本発明の実施の形態３の角速度センサの検出波
形を示すタイミングチャートであり、図６（ａ）は無回
転時の、図６（ｂ）は回転時の波形をそれぞれ示す。

【図７】本発明の実施の形態４の角速度センサの構成を
示す概略ブロック図である。

【図８】第１の従来の角速度センサの構成を示す概略ブ
ロック図である。

【図９】第２の従来の角速度センサの構成を示す概略ブ
ロック図である。

【符号の説明】

１振動子２駆動用圧電体３帰還用圧電体４永久磁石５、５ａ〜５ｄ検出用コイル３０自励発振回路３１差動回路３２同期検波回路３３平滑回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者薦田智久大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者吉良徹大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 2F105 AA02 AA08 BB03 BB14 CC04 CC05 CC06 CD01 CD06 CD11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】角速度センサであって、振動子と、前記振動子の自由端近傍に設けられた少なくとも１個の
永久磁石と、前記振動子を駆動方向に励振する駆動手段と、前記励振状態を検出する帰還用の検出手段と、前記駆動手段により励振される前記振動子の振動方向と
直交する方向の振動を検出するための前記振動方向と直
交する方向に配置された少なくとも１個の検出用コイル
と、前記検出用コイルに生じるヌル電圧と駆動信号の差動を
とる差動回路と、前記帰還用の検出手段からの信号で、前記差動回路の出
力信号を検波する同期検波回路とを備える、角速度セン
サ。
【請求項２】角速度センサであって、振動子と、前記振動子の自由端近傍に設けられた少なくとも２個の
永久磁石と、前記振動子を駆動方向に励振する駆動手段と、前記励振状態を検出する帰還用の検出手段と、前記駆動手段により励振される前記振動子の振動方向と
直交する方向の振動を検出するための少なくとも２個の
検出用コイルとを備え、前記検出用コイルは、前記駆動手段により励振される前
記振動子の振動方向とコイル表面が９０°未満の角度を
持ち、かつ、前記永久磁石の磁化方向と直交するように
コイルの表面を有するように配置されており、前記検出用コイルに前記振動子の前記駆動方向の振動に
より生ずる電圧を、別の検出用コイルに生じる電圧の差
動をとって相殺する差動回路と、前記帰還用の検出手段からの信号で、前記差動回路の出
力信号を検波する同期検波回路とをさらに備える、角速
度センサ。
【請求項３】角速度センサであって、多角形形状の断面を有する柱状の振動子と、前記振動子の自由端近傍に設けられる少なくとも２個の
永久磁石と、前記振動子を駆動方向に励振する駆動手段と、前記励振状態を検出する帰還用の検出手段と、前記駆動手段により励振される前記振動子の振動方向と
直交する方向の振動を検出するための少なくとも２個の
検出用コイルとを備え、前記検出用コイルは、前記永久磁石の磁化方向と直交す
るコイル表面を有するように配置されており、前記検出用コイルに前記振動子の前記駆動方向の振動に
より生ずる電圧を、別の検出用コイルに生じる電圧の差
動をとって相殺する差動回路と、前記帰還用の検出手段からの信号で、前記差動回路の出
力信号を検波する同期検波回路とをさらに備える、角速
度センサ。
【請求項４】前記多角形形状は、頂点の個数が３以上
の奇数である、請求項３記載の角度センサ。
【請求項５】前記自由端近傍に少なくとも１個の永久
磁石が設けられた前記振動子は、前記駆動手段により励
振される前記振動子の振動方向と直交する方向に磁化さ
れた磁性体である、請求項１記載の角速度センサ。
【請求項６】前記振動子を励振する前記駆動手段は、
圧電体を含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の角
速度センサ。
【請求項７】前記振動子を励振する前記駆動手段は、
コイルを含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の角
速度センサ。
【請求項８】前記励振状態を検出する前記帰還用の検
出手段は、圧電体を含む、請求項１ないし６のいずれか
に記載の角速度センサ。