JP2000329560A

JP2000329560A - 角速度センサおよびその検出回路

Info

Publication number: JP2000329560A
Application number: JP11137292A
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】コリオリの力による出力信号と同期検波のゲ
ート信号となる信号の位相にずれが生じた場合でも、効
率よく角速度を検出することが可能な角速度センサを提
供する。【解決手段】振動子の振動状態を角速度が与えられる
前において、楕円運動にすることで、検出手段のヌル出
力とコリオリの力による出力の位相が一致するので、検
出信号自身でコリオリの力による出力を検波することが
できる。したがって、ヌル電圧とコリオリの力による出
力の位相が異なることがないので、ヌル電圧を差動回路
により見かけ上ゼロにし、かつ、駆動信号あるいは帰還
用信号で同期検波するという必要がない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運動している物体
に角速度が加わると物体の運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およびその検出回路に関するもので
ある。

【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、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。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には、このような圧電ジャイロが
開示されている。

【０００３】図１０は、このような第１の従来の圧電ジ
ャイロからなる角速度センサの構成を示す概略ブロック
図である。

【０００４】図１０においては、圧電ジャイロ部分は平
面図で示している。図１０を参照して、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２
０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、角速度センサは出
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圧力信号の位相を検
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い、こ
れがヌル電圧として検出用圧電体２２および２３から出
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から出力される電圧と、検出用圧電体
２２あるいは２３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の出力と、検出
用圧電体２２あるいは２３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、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方法がとられ
ている。

【００１０】上述したヌル電圧の問題を解決する方法
が、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に示され
ている。

【００１１】図１１は、圧電ジャイロにおいて振動子の
断面が三角形である場合の構成の例を示す概略ブロック
図である。

【００１２】図１１を参照して、従来の圧電ジャイロ
は、横断面が三角形である振動子１と、駆動用圧電体２
４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。
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、自励発振と直交するｙ軸方向に振動が励起
される。

【００１３】ここでは、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に発生する電圧
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。

【００１４】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、それら電圧の位相が一致するので、差動をとること
で見かけ上ゼロにすることができる。

【００１５】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
オリの力により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により、コ
リオリの力による電圧だけを取出すことができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示すような第
１の従来の圧電ジャイロは、ヌル電圧がゼロの場合に
は、コリオリの力による出力だけが検出用圧電体から出
力されるので、駆動信号と同期検波することにより、角
速度の大きさを検出出力の大きさによって、角速度の方
向成分を検出出力の正負によって検出することができ
る。

【００１７】ところが、振動子を理想的に駆動方向であ
るｘ軸方向にのみ変位成分を持つ振動状態にすることは
困難であり、何らかの方法でヌル電圧を相殺しないと、
同期検波によりコリオリの力による出力だけを抜き出す
ことができない。

【００１８】そこで、ヌル電圧を、位相の等しいあるい
は逆位相となる帰還用の圧電体信号と差動をとることで
見かけ上ゼロにしている。

【００１９】しかしながら、差動回路に入力される信号
の振幅を正確に一致させる必要があり、また、差動回路
に入力される信号の位相関係は、振動子の振動バランス
が崩れると、同位相あるいは逆位相からずれるので、ヌ
ル電圧を見かけ上ゼロにすることができず、同期検波し
てもコリオリの力による出力のみを抜き出すことができ
ないという問題を有していた。

【００２０】また、図１１に示すような第２の従来の圧
電ジャイロは、駆動用圧電体を兼ねた２個の検出用圧電
体からの出力の差動をとることで、見かけ上のヌル電圧
をゼロにしている。しかしながら、この場合も差動回路
に入力される２個の検出信号の振幅を正確に一致させる
必要があり、また、差動回路に入力される２個の検出信
号の位相関係は、振動子の振動バランスが崩れると、同
位相からずれるので、ヌル電圧を見かけ上ゼロにするこ
とはできない。したがって、同期検波してもコリオリの
力による出力のみを抜き出すことが必ずしもできないと
いう問題を有していた。

【００２１】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、差動回路によ
りヌル電圧を見かけ上ゼロにする必要がなく、また、同
期検波のために検出手段以外の信号を用いる必要のない
角速度センサを提供することである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の角速度セ
ンサは、振動子と、振動子を励振する駆動手段と、励振
状態を検出し、駆動手段の励振動作を制御するための帰
還用の第１の検出手段と、振動子の中心軸と平行な軸を
中心軸として外部から作用する角速度に応じたコリオリ
の力による振動成分を検出する第２の検出手段とを備
え、角速度が角速度センサに加わる前において、駆動手
段により励振された振動子の振動が、振動子の中心軸と
直交する面内で円運動または楕円運動をする。

【００２３】請求項２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、第２の検出手段の
出力信号に基づいて、第２の検出手段からの信号の絶対
値の時間平均に比例する角速度検出信号を生成する信号
変換手段をさらに備える。

【００２４】請求項３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、コリオリの力によ
る振動成分を検出する第２の検出手段は、圧電体を含
む。

【００２５】請求項４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、コリオリの力によ
る振動成分を検出する第２の検出手段は、振動子の自由
端に設けられる少なくとも１個の永久磁石と、永久磁石
の位置変化により誘起される誘導電流を検出するコイル
とを含む。

【００２６】請求項５記載の角速度センサは、請求項４
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が、第２の検
出手段のコイル面と直交する方向に磁化された磁性体で
ある。

【００２７】請求項６記載の角速度センサは、請求項４
または５記載の角速度センサの構成に加えて、コリオリ
の力による振動成分を検出する第２の検出手段が含むコ
イルが、中心軸とコイル面とを平行に保ちながら回転移
動可能である。

【００２８】請求項７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、振動子を励振する駆動手段は、圧電体を含む。

【００２９】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、振動子を励振する駆動手段は、コイルを含む。

【００３０】請求項９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、コリオリの力によ
る振動成分を検出する第２の検出手段が含む圧電体の出
力信号の位相が、駆動手段の駆動信号の位相と同位相あ
るいは逆位相である。

【００３１】請求項１０記載の角速度センサは、請求項
４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、コリオリの力による振動成分を検出する第２の検
出手段の含むコイルの出力信号の位相が、駆動手段の駆
動信号の位相に対して９０°の位相差を有する。

【００３２】請求項１１記載の角速度センサは、請求項
１ないし１０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第１の検出手段
は、圧電体を含む。

【００３３】請求項１２記載の角速度センサは、請求項
１ないし１０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第１の検出手段
は、コイルを含む。

【００３４】請求項１３記載の角速度センサは、請求項
２記載の角速度センサの構成に加えて、信号変換手段
は、第２の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制
御信号を発生する検波制御手段と、同期検波制御手段に
基づいて、第２の検出手段の出力信号を同期検波し、角
速度検出信号を生成する同期検波手段をさらに備える。

【００３５】請求項１４記載の角速度センサは、請求項
２記載の角速度センサの構成に加えて、信号変換手段
は、第２の検出手段の出力信号を受けて、包絡線検波を
行い、角速度検出信号を生成する包絡線検波手段を含
む。

【００３６】請求項１５記載の角速度センサの検出回路
は、振動子と、振動子を励振する駆動手段と、励振状態
を検出する帰還用の第１の検出手段と、振動子の中心軸
と平行な軸を中心軸として外部から作用する角速度に応
じたコリオリの力による振動成分を検出する第２の検出
手段とを備える角速度センサの検出回路であって、第２
の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制御信号を
発生する検波制御手段と、同期検波制御手段に基づい
て、第２の検出手段の出力信号を同期検波する同期検波
手段とを備える。

【００３７】請求項１６記載の角速度センサの検出回路
は、振動子と、振動子を励振する駆動手段と、励振状態
を検出する帰還用の第１の検出手段と、振動子の中心軸
と平行な軸を中心軸として外部から作用する角速度に応
じたコリオリの力による振動成分を検出する第２の検出
手段とを備える角速度センサの検出回路であって、第２
の検出手段からの信号を入力する包絡線検波回路とを備
える。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図９を参照して、本
発明の実施例について詳細に説明する。

【００３９】［実施の形態１］本発明の実施の形態１の
角速度センサ部１０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において、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、検出用圧電体４で構成されている。

【００４０】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（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、４としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ₃）を用いることが可能であり、ＢａＴｉＯ₃等の圧
電セラミックスを用いることも可能である。

【００４１】振動子１として圧電体を使用した場合に
は、圧電体２、３、４の代わりに電極を設ける構成とす
ることもできる。

【００４２】実施の形態１においては、振動子１は駆動
用圧電体２により励振される。このとき、振動子のｘ軸
方向の共振周波数とｙ軸方向の共振周波数が近いと、振
動子にはｘ軸方向とｙ軸方向の振動モードに機械的な結
合が生じ、振動子は図２の矢印ＤＡで示すような楕円運
動の振動状態となる。すなわち、振動子１がｘ方向に駆
動されたとしても、上記のような機械的結合が生じるて
いると、ｘ方向に振動している振動のエネルギーが、ｙ
方向に振動を生じるように漏れていく。このような機械
的結合が存在する限り、エネルギーはｙ方向の振動に漏
れるので、振動子１の運動は、円もしくは楕円運動にな
る。この機械的な結合は、ｘ方向、ｙ方向の共振周波数
が近づけば近づくほど、大きくなる傾向にある。

【００４３】本実施の形態では、たとえば、ｘ軸方向の
共振周波数とｙ軸方向の共振周波数の差を２Ｈｚとし、
駆動用圧電体２をｘ軸方向の共振周波数で駆動してい
る。

【００４４】しかしながら振動子１のｘ軸方向の共振周
波数とｙ軸方向の共振周波数、および駆動用圧電体２の
駆動周波数は、駆動振動状態が円運動あるいは楕円運動
の状態になるように設定すればよい、たとえば、共振周
波数が２〜８ｋＨｚ程度の振動子では、ｘ軸方向の共振
周波数とｙ軸方向の共振周波数の差が１０Ｈｚ以下の範
囲になるように調整すれば、振動子を円運動あるいは楕
円運動で振動させることができる。このように設定する
ことで、円運動または楕円運動によるヌル出力が十分検
出可能なレベルとなり、後に説明するような同期検波が
可能となる。

【００４５】従来は、このような機械的結合を如何に小
さくするかに努力が払われてきたが、本発明では、以下
に説明するように、このような機械的結合を角速度の検
出に利用する。

【００４６】また、駆動用圧電体２をｙ軸方向の共振周
波数で駆動する方法でも、振動子を円もしくは楕円の振
動状態で励振することができ、この場合には、ｘ軸方向
の共振周波数とｙ軸方向の共振周波数の差は１０Ｈｚ以
上あってもよい。

【００４７】これは、駆動方向（ｘ方向）をｙ方向の共
振周波数で駆動することにより、本来ｙ方向に非常に振
動しやすい周波数（ｙ方向の共振周波数）でｘ方向に振
動するので、ｘ、ｙ方向の共振周波数が離れていても、
ｙ方向の振動が容易に生じるためである。もともと、ｘ
方向に駆動しているため、当然にｘ方向の振動成分をも
ち、結果として、共振周波数の差Δｆが大きい場合で
も、振動子１は円または楕円運動をすることになる。

【００４８】すなわち、いずれの方式でも、角速度セン
サに角速度が加わる前の初期状態において、振動子１は
すでに、円運動ないし楕円運動を行っていることにな
る。

【００４９】帰還用圧電体３は、発信回路３０中の制御
回路により振動子を所望の周波数で駆動するための帰還
信号を出力する。

【００５０】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振動子の運動方向と直交す
る方向に生じる。その結果、振動子１は、楕円運動の長
軸と短軸の半径が角速度の方向により大小する。そし
て、検出用圧電体４から出力される信号が大小するの
で、これにより角速度Ωを検出することができる。

【００５１】図３は、図２に示したゲート回路３４およ
び同期検波回路３２の動作を説明するためのタイミング
チャートである。

【００５２】ゲート回路３４は、検出用圧電体４からの
信号ＤＳを受けて、この信号ＤＳの正側のレベルに応じ
て、２値化されたゲート信号ＧＳ１を生成し、信号ＤＳ
の負側のレベルに応じて、２値化されたゲート信号ＧＳ
２を生成する。

【００５３】同期検波回路３２では、信号ＤＳを信号Ｇ
Ｓ１により検波することにより信号ＤＭ１を生成し、一
方、信号ＤＳを信号ＧＳ２により検波することにより信
号ＤＭ２を生成する。同期検波回路３２は、この信号Ｄ
Ｍ１と信号ＤＭ２の差分信号を同期検波後の信号とし
て、平滑回路３３に出力する。

【００５４】図４は、実施の形態１の角速度センサの動
作を説明するためのタイミングチャートであり、図４
（ａ）は無回転時の、図４（ｂ）は回転時の検出回路各
部での波形をそれぞれ示す。

【００５５】図２の矢印Ａの方向に楕円運動で振動して
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、検出用圧電体のヌル電圧信号は、それぞれ図４
の（ａ）の（１）、（２）、（３）となる。

【００５６】本実施の形態では、振動子１が楕円運動し
ているので、検出用圧電体のヌル電圧信号は、駆動信号
と同位相となる。

【００５７】次に、角速度センサ１０が回転したときに
は、図４（ｂ）の（３）に示すように、コリオリの力に
よる出力は、検出用圧電体のヌル電圧信号と同位相に発
生するので、図４（ｂ）の（４）に示すように、検出用
圧電体信号ＤＳをゲート回路３４に入力し、ゲート回路
３４からのゲート信号ＧＳ１、ＧＳ２を使って同期検波
回路３２で同期検波し、平滑回路３３で平滑化すること
で角速度を検出できる。

【００５８】以上、本実施の形態で示したように、振動
子１が楕円運動している場合、検出用圧電体のヌル電圧
の出力とコリオリの力による出力の位相が一致するの
で、従来のように、差動回路により見かけ上のヌル電圧
をゼロにする必要がない。しかも、駆動信号あるいは帰
還用圧電体信号により同期検波を行なう必要もないの
で、同期検波のときの位相のずれが生じず、効率よくコ
リオリの力を検出することができる。

【００５９】なお、本実施の形態では、振動子１の振動
状態は楕円運動であるが、振動状態が円運動の場合も同
様の検出方法で角速度を検出することは可能である。。

【００６０】また、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。

【００６１】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
方法をとることもできる。

【００６２】また、本実施の形態では、帰還用検出手段
に圧電体３を用いたが、帰還用検出手段として、振動子
に固定された永久磁石と、これに対向するコイルとの組
み合わせを用いることも可能である。

【００６３】［実施の形態２］図５は、本発明の実施の
形態２の角速度センサの平面図およびブロック線図を示
す。本実施の形態において、検出回路の構成が異なる以
外は、振動子１の励振方法、振動状態についても、実施
の形態１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。

【００６４】実施の形態２では、検出信号をゲート回路
からのゲート信号で同期検波する代わりに、包絡線検波
回路３５を用いて、検出信号の振幅を検出している。

【００６５】振動子１が楕円運動しているので、検出用
圧電体のヌル電圧の出力とコリオリの力による出力の位
相が一致するため、従来のように、差動回路により見か
け上のヌル電圧をゼロにして、コリオリの力による出力
成分のみを同期検波により取出す必要がない。

【００６６】したがって、包絡線検波回路３５を用い
て、検出信号の振幅を検出するという簡単な回路構成で
効率よくコリオリの力を検出することができる。

【００６７】なお、本実施の形態では、振動子１の振動
状態は楕円運動であるが、振動状態が円運動の場合も、
同様の検出方法で角速度を検出することが可能である。

【００６８】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
好適に用いることができる。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
を励振する方法をとることもできる。

【００６９】また、本実施の形態では、帰還用検出手段
に圧電体３を用いたが、帰還用検出手段としてコイルを
用いることも可能である。

【００７０】［実施の形態３］図６は、本発明の実施の
形態３の角速度センサ部１２の斜視図を示す。さらに、
図７は、本発明の実施の形態３の角速度センサの平面図
およびブロック線図を示す。

【００７１】図６および図７を参照して、角速度センサ
部１２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で構成されている。

【００７２】永久磁石４としては、たとえば、希土類磁
石（住友特殊金属製、ＮＥＯＭＡＸ）を用いることが可
能であり、サマリウムコバルト磁石（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。

【００７３】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に円形に１００ターン巻
いたものを使用することが可能であるが、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。

【００７４】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率
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。

【００７５】また、本実施の形態では、検出用コイル５
と対向する面の永久磁石４の磁極をＮ極としたが、これ
はＳ極でも構わない。

【００７６】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。

【００７７】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たが、円柱状、多角形の柱状
等の他の形状のものを用いることも可能である。

【００７８】本実施の形態において、上述のように永久
磁石４と検出用コイル５が備えられていること以外は、
振動子１の励振方法、振動状態についても、実施の形態
１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。

【００７９】角速度センサに、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振動子の
運動方向と直交する方向に生じる。その結果、振動子１
は、楕円運動の長軸と短軸の半径が角速度の方向により
大小する。そして、検出用コイル５から出力される信号
が大小するので、これにより角速度Ωを検出することが
可能である。

【００８０】なお、永久磁石４は励振されている状態で
は、ｘ軸方向成分ももつので、厳密にはｘ軸方向の振動
成分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軸方向の振動成分による
磁束の変化に比較すると非常に小さいため、このような
可能性は無視できる程度である。

【００８１】図８は、本発明の実施の形態３の角速度セ
ンサの動作を説明するためのタイミングチャートであ
り、図８（ａ）は無回転時の、図８（ｂ）は回転時の検
出回路各部での波形をそれぞれ示す。

【００８２】図７の矢印ＤＡの方向に楕円運動で振動し
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、検出用コイルのヌル電圧信号は、それぞれ図
８の（ａ）の（１）、（２）、（３）となる。

【００８３】本実施の形態では、振動子１が楕円運動し
ているので、検出用コイルのヌル電圧信号は、帰還用圧
電体信号と同位相になる。

【００８４】次に、角速度センサ１０が回転したときに
は、図８（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信号と同位相に発
生するので、図８（ｂ）の（４）に示すように、検出用
圧電体信号をゲート回路３４に入力し、ゲート回路３４
からのゲート信号を使って同期検波回路３２で同期検波
し、平滑回路３３で平滑化することで、角速度を検出す
ることが可能である。

【００８５】以上、本実施の形態で示すように、振動子
１が楕円運動しているため、検出用コイルのヌル電圧の
出力とコリオリの力による出力の位相が一致するので、
従来のように、差動回路により見かけ上のヌル電圧をゼ
ロにする必要がなく、しかも、駆動信号あるいは帰還用
圧電体信号により同期検波を行なう必要もないので、同
期検波のときの位相のずれが生じず、効率よくコリオリ
の力を検出することが可能である。

【００８６】なお、本実施の形態では、振動子１の振動
状態は楕円運動であるが、振動状態が円運動の場合も同
様の検出方法で角速度を検出することが可能である。

【００８７】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。

【００８８】また、本実施の形態では、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
こともできる。

【００８９】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
方法をとることもできる。

【００９０】さらに、本実施の形態では、帰還用検出手
段に圧電体３を用いる構成としたが、帰還用検出手段と
してコイルを用いることもできる。

【００９１】さらに、本実施の形態では、検出用コイル
信号をゲート回路３４に入力し、ゲート回路３４からの
ゲート信号を使って同期検波回路３２で同期検波し、平
滑回路３３で平滑化する構成としたが、実施の形態２で
説明したように、包絡線検波回路３５を用いることも可
能である。

【００９２】［実施の形態４］図９は、本発明の実施の
形態４の角速度センサ部の平面図を示す。図９を参照し
て、角速度センサ部１４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で構
成されている。

【００９３】本実施の形態において、検出用コイル５が
図中矢印ＤＢの方向に回転移動可能であること以外は、
実施の形態２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。

【００９４】本実施の形態では、振動子１は、図９の矢
印ＤＡで示すような楕円運動の振動状態となっている。
ここでは、振動子１の振動バランスが悪く、実施の形態
３とは異なり、楕円の長軸の方向がｘ軸方向と角度θだ
け傾いている場合を示している。

【００９５】この振動状態で検出用コイル５が図９中の
Ｃのようにその面をｘ軸と平行に一致している場合に
は、検出用コイル５からのヌル出力の位相は、コリオリ
の力による出力の位相と一致しなくなる。

【００９６】そこで、本実施の形態では、検出用コイル
５が矢印ＤＢで示すように、回転移動可能となってい
る。

【００９７】検出用コイル５のコイル面が図９中のＤの
ように、振動子１の楕円運動の長軸方向と平行になるよ
うに、矢印Ｂ方向に角度θだけ回転させると、検出用コ
イル５からのヌル出力の位相は、コリオリの力による出
力の位相と一致させることができる。

【００９８】よって、検出用コイル信号をゲート回路３
４に入力し、ゲート回路３４からのゲート信号を使って
同期検波回路３２で同期検波し、平滑回路３３で平滑化
することで、角速度を検出することができる。

【００９９】以上、本実施例で示すように、検出用コイ
ル５が回転移動可能なように設置されているので、振動
子の振動バランスが悪く、振動状態が傾いた楕円運動に
なっている場合でも、検出用コイルのヌル電圧の出力と
コリオリの力による出力の位相を一致させることが可能
で、駆動信号あるいは帰還用圧電体信号により同期検波
をする必要がなくなる。このため、同期検波のときの位
相のずれが生じないので、効率よくコリオリの力を検出
することが可能である。

【０１００】また、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。

【０１０１】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。

【０１０２】また、本実施の形態では、帰還用検出手段
に圧電体３を用いたが、帰還用検出手段としてコイルを
用いることもできる。

【０１０３】また、本実施の形態では、検出用圧電体信
号をゲート回路３４に入力し、ゲート回路３４からのゲ
ート信号を使って同期検波回路３２で同期検波し、平滑
回路３３で平滑化したが、実施の形態２で示したよう
に、包絡線検波回路３５を用いることも可能である。

【０１０４】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。

【０１０５】

【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、振動子が円運動または楕円運動しているの
で、検出手段が圧電体あるいはコイルの場合でも、検出
手段からのヌル電圧の出力とコリオリの力による出力の
位相が一致するので、従来のように、差動回路により見
かけ上のヌル電圧をゼロにする必要がない。しかも、駆
動信号あるいは帰還用圧電体信号等の検出信号以外の信
号により同期検波を行なう必要がないので、同期検波の
ときの位相のずれが生じず、効率よくコリオリの力を検
出することができる。

【０１０６】また、検出信号を包絡線検波すれば、同期
検出回路も不要となり、回路構成を簡単にすることがで
きる。

【０１０７】さらに、検出手段として、検出用コイルが
回転移動可能なように設置されている場合には、振動子
の振動バランスが悪く、振動状態が傾いた楕円運動にな
っている場合でも、検出用コイルのヌル電圧の出力とコ
リオリの力による出力の位相を一致させることが可能
で、駆動信号あるいは帰還用圧電体信号により同期検波
する必要がなくなる。このため、同期検波のときの位相
のずれが生じないので、効率よくコリオリの力を検出す
ることが可能である。

【０１０８】また、検出信号を包絡線検波すれば、同期
検波回路も不要となり、回路構成を簡単にすることが可
能である。

【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】図２に示したゲート回路３４および同期検波回
路３２の動作を説明するためのタイミングチャートであ
る。

【図４】本発明の実施の形態１の角速度センサの動作を
説明するためのタイミングチャートであり、図４（ａ）
は無回転時の、図４（ｂ）は回転時の検出波形をそれぞ
れ示す。

【図５】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６】本発明の実施の形態３の角速度センサを示す斜
視図である。

【図７】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８】本発明の実施の形態３の角速度センサの動作を
説明するためのタイミングチャートであり、図８（ａ）
は無回転時の、図８（ｂ）は回転時の検出波形をそれぞ
れ示す。

【図９】本発明の実施の形態４の角速度センサの構成を
示す平面図である。

【図１０】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１１】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３４ゲート回路３５包絡線検波回路

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 BB08 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、前記振動子を励振する駆動手段と、前記励振状態を検出し、前記駆動手段の励振動作を制御
するための帰還用の第１の検出手段と、前記振動子の中心軸と平行な軸を中心軸として外部から
作用する角速度に応じたコリオリの力による振動成分を
検出する第２の検出手段とを備え、角速度が前記角速度センサに加わる前において、前記駆
動手段により励振された前記振動子の振動が、前記振動
子の前記中心軸と直交する面内で円運動または楕円運動
をする、角速度センサ。
【請求項２】前記第２の検出手段の出力信号に基づい
て、前記第２の検出手段からの信号の絶対値の時間平均
に比例する角速度検出信号を生成する信号変換手段をさ
らに備える、請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】前記コリオリの力による振動成分を検出
する第２の検出手段は、圧電体を含む、請求項１記載の
角速度センサ。
【請求項４】前記コリオリの力による振動成分を検出
する第２の検出手段は、前記振動子の自由端に設けられる少なくとも１個の永久
磁石と、前記永久磁石の位置変化により誘起される誘導電流を検
出するコイルとを含む、請求項１記載の角速度センサ。
【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が、前記第２の検出手段の
コイル面と直交する方向に磁化された磁性体である、請
求項４記載の角速度センサ。
【請求項６】前記コリオリの力による振動成分を検出
する第２の検出手段が含むコイルが、前記中心軸とコイ
ル面とを平行に保ちながら回転移動可能である、請求項
４または５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、
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。
【請求項８】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６のいずれかに記載の角
速度センサ。
【請求項９】前記コリオリの力による振動成分を検出
する第２の検出手段が含む圧電体の出力信号の位相が、
前記駆動手段の駆動信号の位相と同位相あるいは逆位相
である、請求項３記載の角速度センサ。
【請求項１０】前記コリオリの力による振動成分を検
出する第２の検出手段の含むコイルの出力信号の位相
が、前記駆動手段の駆動信号の位相に対して９０°の位
相差を有する、請求項４ないし６のいずれかに記載の角
速度センサ。
【請求項１１】前記励振状態を検出する前記帰還用の
第１の検出手段は、圧電体を含む、請求項１ないし１０
のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項１２】前記励振状態を検出する前記帰還用の
第１の検出手段は、コイルを含む、請求項１ないし１０
のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項１３】前記信号変換手段は、前記第２の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制
御信号を発生する検波制御手段と、前記同期検波制御手段に基づいて、前記第２の検出手段
の出力信号を同期検波し、前記角速度検出信号を生成す
る同期検波手段をさらに備える、請求項２記載の角速度
センサ。
【請求項１４】前記信号変換手段は、前記第２の検出手段の出力信号を受けて、包絡線検波を
行い、前記角速度検出信号を生成する包絡線検波手段を
含む、請求項２記載の角速度センサ。
【請求項１５】振動子と、前記振動子を励振する駆動
手段と、前記励振状態を検出する帰還用の第１の検出手
段と、前記振動子の中心軸と平行な軸を中心軸として外
部から作用する角速度に応じたコリオリの力による振動
成分を検出する第２の検出手段とを備える角速度センサ
の検出回路であって、前記第２の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制
御信号を発生する検波制御手段と、前記同期検波制御手段に基づいて、前記第２の検出手段
の出力信号を同期検波する同期検波手段とを備える、角
速度センサの検出回路。
【請求項１６】振動子と、前記振動子を励振する駆動
手段と、前記励振状態を検出する帰還用の第１の検出手
段と、前記振動子の中心軸と平行な軸を中心軸として外
部から作用する角速度に応じたコリオリの力による振動
成分を検出する第２の検出手段とを備える角速度センサ
の検出回路であって、前記第２の検出手段からの信号を入力する包絡線検波回
路とを備える、角速度センサの検出回路。