JP2003247828A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な回路構成で、的確に温度補償を
行う。 【解決手段】 発振回路４０により特定方向に振動する
振動子３０に、角速度が加わると、これにコリオリ力が
作用し、前記特定方向の振動とは直交する方向の振動が
生まれ、この振動により発生する電荷が検出電極３２
ａ，３２ｂで検出される。検出された電荷は、角速度検
出回路６０により電圧に変換され、角速度検出信号Ｓ６
４が出力される。Ｉ／Ｖ変換回路４１の出力電圧Ｓ４１
は、位相シフト回路４６で位相が４５°だけ進み、基準
信号Ｓ４６が出力される。信号Ｓ６３は、位相シフト回
路７１で位相が４５°だけ遅れ、出力信号Ｓ７１が出力
される。同期検波回路７２では、信号Ｓ４６に基づき、
信号Ｓ７１を同期検波して検波信号Ｓ７２を出力する。
信号Ｓ７２は、ＤＣ化出力回路７３でＤＣに変換され、
角速度に応じたＤＣ検出信号Ｓｏｕｔが出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、水晶振動
子等の圧電振動子や、シリコン振動子等を用いて構成さ
れた振動式角速度センサ等において、周囲の温度変化に
対して角速度検出精度を向上させた、温度特性に優れる
角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の角速度センサに関する技
術としては、例えば、次のような文献に記載されるもの
があった。 文献１；特許第２７８１１６１号公報（米国、優先日19
94年9月15日） 文献２；特開平１１−４４５４０号公報（出願日1997年
7月25日） 文献３；特開平２００１−８２９６４号公報（出願日19
99年12月3日）

【０００３】図２は前記文献１、２等に記載された従来
の角速度センサの概略の構成図、及び図３は図２中の位
相シフト回路の回路図である。又、図４は図２の動作波
形図である。

【０００４】図２に示すように、角速度センサの振動子
１として圧電振動子（例えば、音叉型水晶振動子）を用
いた場合、この振動子１の表面の所定の箇所に励振用の
＋側駆動電極２ａ、−側駆動電極２ｂ、及びコリオリ力
検出用の＋側検出電極３ａ、−側検出電極３ｂ等が設け
られる。＋側駆動電極２ａ及び−側駆動電極２ｂには、
振動子１を振動させるための交流（以下「ＡＣ」とい
う。）の駆動信号である駆動電圧Ｖａを供給する発振回
路１０が接続される。又、＋側検出電極３ａ及び−側検
出電極３ｂには、振動子１に加わる角速度に比例する直
流（以下「ＤＣ」という。）電圧の検出信号Ｓｏｕｔを
出力するコリオリ力検出回路２０が接続される。

【０００５】振動子１は質量ｍを有し、−側駆動電極２
ｂに発振回路１０からＡＣ駆動電圧Ｖａが印加される
と、この振動子１がＸ軸に沿ってＢ方向に所定の周波数
で振動する。Ｙ軸の回りに角速度ωが加わると、Ｘ軸と
直交するＺ軸方向にコリオリ力Ｆ（＝２ｍｖω、但し、
ｖは振動子１の振動速度）が発生する。コリオリ力Ｆは
角速度ωの大きさに比例して定まることから、＋側検出
電極３ａ、−側検出電極３ｂ及びコリオリ力検出回路２
０により、コリオリ力Ｆを振動子１の歪み変位量として
検出することで、この振動子１の角速度ωの大きさを求
めることができる。

【０００６】即ち、発振回路１０において、＋側駆動電
極２ａの出力電流は、電流／電圧（以下「Ｉ／Ｖ」とい
う。）変換回路１１で電圧に変換され、この電圧が自動
利得制御（以下「ＡＧＣ」という。）回路１２でゲイン
が制御され、バッファ増幅器（以下この「増幅器」を
「アンプ」という。）等を介してＡＣ駆動電圧Ｖａが−
側駆動電極２ｂに供給され、振動子１が振動する。

【０００７】一定の周波数で特定方向に振動する振動子
１に角速度が加わると、この振動子１にコリオリ力Ｆが
発生し、これに応じた電流が検出電極３ａ，３ｂから出
力される。この出力電流は、コリオリ力検出回路２０内
のＩ／Ｖ変換回路２１で電圧に変換され、この出力電圧
Ｓ２１が位相シフト回路２２へ送られる。

【０００８】位相シフト回路２２は、図３に示すよう
に、Ｉ／Ｖ変換回路２１の出力側に接続された入力ノー
ド２２ａが、抵抗２２ｂを介して出力ノード２２ｄに接
続されている。出力ノード２２ｄは、コンデンサ２２ｃ
を介して接地電位ノード（以下「ＧＮＤ」という。）に
接続されている。Ｉ／Ｖ変換回路２１の出力電圧Ｓ２１
は、振動子１の特性から、ＡＣ駆動電圧Ｖａに対して位
相が９０°遅れる。そこで、ＡＣ駆動電圧Ｖａに同期さ
せるために、抵抗２２ｂ及びコンデンサ２２ｃからなる
位相シフト回路２２により、Ｉ／Ｖ変換回路２１の出力
電圧Ｓ２１の位相を９０°遅らせ、この出力電圧Ｓ２２
を同期検波回路２３へ送る。

【０００９】同期検波回路２３は、角速度が加わった方
向（即ち、回転方向であり、図４の出力電圧Ｓ２１の波
形は右回転を示し、この波形の位相が１８０°ずれると
左回転となる。）を知るために、Ｉ／Ｖ変換回路１１の
出力電圧に基づき、位相シフト回路２２の出力電圧Ｓ２
２を同期検波して、図４に示すような同一極性の検波信
号Ｓ２３を出力する。この検波信号Ｓ２３は、ローパス
フィルタ（以下「ＬＰＦ」という。）２４でＤＣ変換さ
れ、振動子１に加えられた角速度ωに比例したＤＣ検出
信号Ｓｏｕｔが出力される。

【００１０】このような角速度センサの用途としては、
例えば、車両や航空機等に搭載し、この走行あるいは飛
行軌跡を記録したり、旋回時に発生するヨーレイトを検
出することが行われている。角速度センサをロボットに
搭載し、この姿勢制御等にも応用されている。又、最近
では、ごく一般的なカーナビゲーション等での車両位置
検知や、カメラ等の手振れ検出等のためにも搭載されて
いる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
文献１、２等に記載されたような角速度センサでは、次
のような課題があった。従来の角速度センサでは、コリ
オリ力検出回路２０側に位相シフト回路２２を設け、Ｉ
／Ｖ変換回路１１の出力電圧に対して同期をとった後、
同期検波回路２３で検波している。ところが、角速度セ
ンサの小型化や軽量化を図るために、集積回路（以下
「ＩＣ」という。）化した場合、同期をとるために設け
た位相シフト回路２２内の特に抵抗２２ｂが、周囲の温
度変化に対して抵抗値が変化しやすいので、位相のずれ
が生じる。この結果、振動子１の検出電極３ａ，３ｂか
ら出力される電流は、微小電流であり、温度変化によっ
て大きな影響を受け、ＤＣ検出信号Ｓｏｕｔの精度が低
下するという問題がある。

【００１２】これを防止するために、従来は、ＬＰＦ２
４の出力側に温度補正回路を設けて温度補償を行うこと
がある。しかし、ＬＰＦ２４の出力側に温度補正回路を
設けた場合、この温度補正回路の入力側全ての温度変化
の悪影響を補正しなければならないので、回路構成が複
雑になると共に、温度変化による悪影響の発生源を精度
良く補正することが難しいという課題があった。

【００１３】又、従来の文献３に記載された角速度セン
サでは、振動子としてシリコン基板上に形成した平面振
動体（即ち、シリコン振動子）を用い、ＡＣ電圧を印加
してシリコン基板上の電極間に静電力を発生させ、この
静電力により平面振動体を振動させる。振動する平面振
動体に角速度が加わると、前記振動方向に対して直交す
る方向にコリオリ力が発生して平面振動体がコリオリ力
の方向に振動するので、この振動振幅の大きさに対応す
る電気信号を検出して角速度の大きさを検知するもので
ある。このようなシリコン振動子を用いた角速度セン
サ、あるいはその他の角速度センサにおいても、上記の
ような問題が生じる。

【００１４】本発明は、前記従来技術がもっていた課題
を解決し、温度変化による悪影響の発生源で、これを除
去することにより、比較的簡単な回路構成で、的確に温
度補償が行える角速度センサを提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの第１の発明は、角速度センサにおい
て、ＡＣ駆動信号を出力する発振回路と、前記駆動信号
により駆動され、角速度の大きさと方向に応じて振幅が
変化し、かつ該駆動信号に対して位相が９０°遅れたＡ
Ｃ信号を出力する振動子と、前記ＡＣ信号の位相を４５
°だけ遅らせる第１の位相シフト回路と、前記駆動信号
の位相を４５°だけ進ませ、前記第１の位相シフト回路
の出力信号に同期させた基準信号を出力する第２の位相
シフト回路と、前記基準信号に基づき、前記第１の位相
シフト回路の出力信号を同期検波して同一極性の検波信
号を出力する同期検波回路と、前記検波信号をＤＣに変
換して前記角速度に応じたＤＣ検出信号を出力するＤＣ
化出力回路とを備えている。

【００１６】これにより、発振回路からＡＣ駆動信号が
出力されると、振動子が振動する。発振回路の駆動信号
により、振動子が一定の周波数で特定方向に振動してい
る時、この振動子に角速度が加わると、振動方向に対し
て直交する方向に、角速度の大きさに比例したコリオリ
力が発生し、該振動子から、駆動信号に対して位相が９
０°遅れた交流信号が出力される。交流信号は、第１の
位相シフト回路によって位相が４５°だけ遅れ、同期検
波回路へ送られる。駆動信号は、第２の位相シフト回路
によって位相が４５°だけ進み、第１の位相シフト回路
の出力信号に同期した基準信号が、該第２の位相シフト
回路から出力され、同期検波回路へ送られる。

【００１７】同期検波回路では、角速度が加わった方向
（回転方向）を知るために、基準信号に基づき、第１の
位相シフト回路の出力信号を同期検波して同一極性の検
波信号を出力する。この検波信号は、ＤＣ化出力回路に
より、ＤＣに変換され、角速度に応じたＤＣ検出信号が
出力される。ここで、例えば、第１及び第２の位相シフ
ト回路を抵抗及びコンデンサ等で構成した場合、周囲の
温度変化に対して抵抗値等が変化して位相のずれが生じ
るが、このような位相のずれが生じても、これが第１及
び第２の位相シフト回路で相殺され、温度変化による悪
影響が発生源で消去されることになる。

【００１８】第２の発明は、第１の発明の角速度センサ
において、前記第１の位相シフト回路は、前記ＡＣ信号
の位相を（＋４５°−α／２）（但し、α＝（φ１−φ
２）／２、φ１は振動子から第１の位相シフト回路まで
の位相のずれ、φ２は振動子から第２の位相シフト回路
までの位相のずれ）だけ遅らせ、前記第２の位相シフト
回路は、前記駆動信号の位相を（−４５°＋α／２）だ
け進ませ、前記第１の位相シフト回路の出力信号に同期
させた前記基準信号を出力する構成にしている。

【００１９】これにより、振動子から第１の位相シフト
回路までの間に位相がφ１だけずれ、該振動子から第２
の位相シフト回路までの間に位相がφ２だけずれても、
これらのずれが第１のシフト回路によって位相がα／２
だけ進み、第２の位相シフト回路によって位相がα／２
だけ遅れる。このため、位相φ１，φ２のずれが相殺さ
れ、同期検波回路で的確な検波が行える。位相のずれα
／２は、例えば、α／２≦±２０°程度まで許容可能で
ある。

【００２０】第３の発明は、第１又は第２の発明の角速
度センサにおいて、前記第１の位相シフト回路は、第１
の入力ノードと第１の出力ノードの間に接続された第１
の抵抗と、前記第１の出力ノードと一定電位ノードの間
に接続された第１のコンデンサとで構成し、前記第２の
位相シフト回路は、第２の入力ノードと第２の出力ノー
ドの間に接続され、前記第１のコンデンサと同一容量値
の第２のコンデンサと、前記第２の出力ノードと前記一
定電位ノードの間に接続され、前記第１の抵抗と同一抵
抗値及び同一温度特性の第２の抵抗とで構成している。

【００２１】これにより、周囲の温度変化によって第１
及び第２の抵抗の抵抗値が変化しても、これらの変化分
が相殺されるので、第１の位相シフト回路の出力信号と
基準信号との位相のずれが消去される。

【００２２】第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つ
の発明の角速度センサにおいて、前記同期検波回路は、
前記第１の位相シフト回路の出力と前記第２の位相シフ
ト回路の出力とを乗算して前記検波信号を生成する構成
にしている。

【００２３】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本発
明の第１の実施形態を示す角速度センサの要部の構成図
である。この角速度センサは、例えば、図２と同様の原
理に基づくものであり、振動子（例えば、音叉型水晶振
動子等の圧電振動子）３０を有している。振動子３０の
所定箇所には、この振動子３０を駆動するための＋側駆
動電極３１ａ及び−側駆動電極３１ｂと、該振動子３０
に加わる角速度に応じた（例えば、比例した）電荷を検
出するための＋側検出電極３２ａ及び−側検出電極３２
ｂとが設けられている。

【００２４】＋側駆動電極３１ａ及び−側駆動電極３１
ｂには、振動子３０の特定方向の振動を励起するための
ＡＣ駆動信号（例えば、ＡＣ駆動電圧）Ｖａを該−側駆
動電極３１ｂに供給するための発振回路４０が接続され
ている。＋側検出電極３２ａ及び−側検出電極３２ｂに
は、振動子３０に加わる角速度に比例したＤＣ電圧の検
出信号Ｓｏｕｔを出力するコリオリ力検出回路５０が接
続されている。

【００２５】発振回路４０は、＋側駆動電極３１ａに接
続されたＩ／Ｖ変換回路４１を有している。Ｉ／Ｖ変換
回路４１は、＋側駆動電極３１ａの出力電流を電圧に変
換して出力電圧Ｓ４１を出力する回路であり、カレント
アンプ等で構成されている。Ｉ／Ｖ変換回路４１の出力
端子には、この出力電圧Ｓ４１の高周波成分を除去する
ＬＰＦや、振動子３０が起動期間の時にはゲインを大き
くし、この起動期間経過後の安定期間の時にはゲインを
小さくする起動補償回路等を介して、ＡＧＣ回路４２が
接続されている。ＡＧＣ回路４２は、ＬＰＦや起動補償
回路等を介して送られてくる出力電圧Ｓ４１を入力し、
制御電圧Ｓ４５に基づきゲインが制御される回路であ
り、この回路の出力端子が、バッファアンプ等を介して
−側駆動電極３１ｂに接続されている。

【００２６】又、Ｉ／Ｖ変換回路４１の出力端子には、
バッファアンプ等を介して第２の位相シフト回路４６が
接続されている。位相シフト回路４６は、出力電圧Ｓ４
１がバッファアンプ等を介して送られてくると、この出
力電圧４１の位相を４５°だけ進ませ、基準信号Ｓ４６
を出力してコリオリ力検出回路５０へ与える回路であ
る。振動子３０の＋側駆動電極３１ａから位相シフト回
路４６までの間に位相のずれφ２があるので、この位相
のずれφ２を考慮して、位相シフト回路４６では、バッ
ファアンプ等を介して送られてくる出力電圧Ｓ４１の位
相を、（−４５°＋α／２）（但し、α／２は位相のず
れであって、例えば、α／２≦±２０°程度）だけ進ま
せ、基準信号Ｓ４６を生成する回路構成にすることが望
ましい。

【００２７】＋側検出電極３２ａ及び−側検出電極３２
ｂに接続されたコリオリ力検出回路５０は、該＋側検出
電極３２ａ及び−側検出電極３２ｂに接続された角速度
検出回路６０を有している。角速度検出回路６０は、振
動子３０の振動によって検出電極３２ａ，３２ｂから出
力される電荷を入力し、ＡＣ信号（例えば、角速度検出
信号）Ｓ６４を出力する回路であり、この出力端子に第
１の位相シフト回路７１が接続されている。

【００２８】位相シフト回路７１は、基準信号Ｓ４６と
同期させるために、角速度検出信号Ｓ６４の位相を４５
°だけ遅らせて出力信号Ｓ７１を出力する回路である。
振動子３０の検出電極３２ａ，３２ｂから位相シフト回
路７１までの間に位相のずれφ１があるので、この位相
のずれφ１を消去するために、位相シフト回路７１で
は、角速度検出信号Ｓ６４の位相を、（＋４５°−α／
２）だけ遅らせて、出力信号Ｓ７１を出力する回路構成
にすることが望ましい。位相のずれα／２において、α
＝（φ１−φ２）／２であり、例えば、α／２≦±２０
°程度である。

【００２９】位相シフト回路７１の出力端子には、同期
検波回路７２が接続されている。同期検波回路７２は、
振動子３０に対して角速度の加わった方向（回転方向）
を知るために、位相シフト回路４６から与えられる基準
信号Ｓ４６に基づき、位相シフト回路７１の出力信号Ｓ
７１を同期検波して同一極性の検波信号Ｓ７２を出力す
る回路であり、乗算回路等で構成されている。同期検波
回路７２の出力端子には、ＤＣ化出力回路７３が接続さ
れている。ＤＣ化出力回路７３は、検波信号Ｓ７２を入
力し、これをＤＣ成分に比例したＤＣ信号に変換し、振
動子３０に加えられる角速度に応じたＤＣ検出信号Ｓｏ
ｕｔを出力する回路であり、検波信号Ｓ７２を平滑して
ＤＣに変換するＬＰＦや、感度調整及び０点調整等を行
うアンプ等で構成されている。

【００３０】図５は、図１の動作波形図である。図５で
は、角速度検出信号Ｓ６４の波形として、例えば、振動
子３０が右回転した時が破線で示されている。振動子３
０が左回転した時の角速度検出信号Ｓ６４は、右回転し
た時の波形の位相が１８０°ずれた波形となる。

【００３１】次に、図５の動作波形図を参照しつつ、図
１の角速度センサの発振回路４０の動作（ａ）と、コリ
オリ力検出回路５０の動作（ｂ）とを説明する。 （ａ）発振回路４０の動作 電源電圧を印加すると、ＡＧＣ回路４２から出力される
ＡＣ駆動電圧Ｖａが振動子３０の−側駆動電極３１ｂに
与えられ、該振動子３０が振動を開始する。振動子３０
が振動を開始すると、＋側駆動電極３１ａの出力電流が
Ｉ／Ｖ変換回路４１で電圧に変換され、出力電圧Ｓ４１
が出力される。この出力電圧Ｓ４１は、ＬＰＦや起動補
償回路等を通して、制御電圧Ｓ４５によりＡＧＣ回路４
２でゲインが制御され、バッファアンプ等を介してＡＣ
駆動電圧Ｖａが振動子３０の−側駆動電極３１ｂに供給
される。振動子３０が振動を開始した後、安定期間にな
ると、ＡＧＣ回路４２からバッファアンプ等を介して出
力されるＡＣ駆動電圧Ｖａにより、振動子３０が一定の
周波数で特定方向に振動する。

【００３２】ＡＣ駆動電圧Ｖａによって振動子３０が一
定の周波数で特定方向の振動を継続すると、Ｉ／Ｖ変換
回路４１の出力電圧Ｓ４１が、バッファアンプ等を介し
て位相シフト回路４６に与えられる。位相シフト回路４
６では、出力電圧Ｓ４１の位相を４５°だけ進ませ、基
準信号Ｓ４６を生成し、同期検波回路７２へ送る。この
位相シフト回路４６では、位相のずれα／２を考慮し、
出力電圧Ｓ４１の位相を（−４５°＋α／２）だけ進ま
せて基準信号Ｓ４６を生成した方が、同期検波回路７２
での検波精度が向上するので、望ましい。

【００３３】（ｂ）コリオリ力検出回路５０の動作 一定の周波数で特定方向に振動している振動子３０に角
速度が加わると（図５では、右回転方向に角速度が加わ
った波形が示されている。）、この振動子３０にコリオ
リ力Ｆが作用し、該振動子３０の特定方向の振動方向に
対して直交する方向の振動が生まれ、この振動によって
振動子３０に発生する電荷が検出電極３２ａ，３２ｂに
よって検出され、この検出電流が検出電極３２ａ，３２
ｂから出力される。この検出電流は、角速度検出回路６
０で電圧に変換され、角速度検出信号Ｓ６４が出力され
て位相シフト回路７１へ送られる。

【００３４】位相シフト回路７１は、角速度検出信号Ｓ
６４の位相を４５°だけ遅らせ、出力信号Ｓ７１を同期
検波回路７２へ送る。ここで、位相のずれα／２を考慮
し、位相シフト回路７１では、角速度検出信号Ｓ６４の
位相を（＋４５°−α／２）だけ遅らせて出力信号Ｓ７
１を出力する方が、同期検波回路７２での検波精度が向
上するので、望ましい。

【００３５】同期検波回路７２では、角速度の加わった
方向（回転方向）を知るために、例えば、位相シフト回
路４６から与えられる基準信号Ｓ４６と、位相シフト回
路７１の出力信号Ｓ７１とを乗算することにより、該出
力信号Ｓ７１を同期検波して同一極性の検波信号Ｓ７２
を出力する。ここで、位相シフト回路４６で出力電圧Ｓ
４１の位相を（−４５°＋α／２）だけ進ませ、位相シ
フト回路７１で角速度検出信号Ｓ６４の位相を（＋４５
°−α／２）だけ遅らせた場合、該位相シフト回路４６
から出力される基準信号Ｓ４６と、位相シフト回路７１
の出力信号Ｓ７１とが、同期検波回路７２で乗算される
ので、２つの位相のずれ＋α／２と−α／２とが相殺さ
れ、該基準信号Ｓ４６と出力信号Ｓ７１の位相が同期す
るので、位相のずれα／２が消去された精度のよい同期
検波が行える。

【００３６】同期検波回路７２から出力された検波信号
Ｓ７２は、ＤＣ化出力回路７３でＤＣ信号に変換され、
感度や０点電圧等が補正され、角速度に比例したＤＣ検
出信号Ｓｏｕｔが出力される。

【００３７】なお、振動子３０に角速度が加わり、該振
動子３０が左回転した場合、図５の出力信号Ｓ７１の位
相が１８０°ずれた波形となるので、検波信号Ｓ７２の
波形が破線のようになり、ＤＣ化出力回路７３から＋側
のＤＣ検出信号Ｓｏｕｔが出力されることになる。

【００３８】以上のように、この第１の実施形態では、
次の（ｉ）、（ii）のような効果がある。 （ｉ）例えば、発振回路４０及びコリオリ力検出回路５
０をＩＣ化して小型、軽量化を図るために、位相シフト
回路４６，７１を抵抗及びコンデンサ等で構成した場
合、周囲の温度変化によってその抵抗値が変化し、位相
のずれが生じる。ところが、本実施形態では、発振回路
４０側の位相シフト回路４６で位相を４５°進ませ、コ
リオリ力検出回路５０側の位相シフト回路７０で位相を
４５°遅らせて、基準信号Ｓ４６と出力信号Ｓ７１とを
同期させている。このため、同期検波回路７２において
位相のずれが相殺されて消去され、温度変化による悪影
響が除去され、ＤＣ検出信号Ｓｏｕｔの検出精度が向上
する。しかも、位相のずれの発生源近くで温度補償を行
っているので、回路構成が簡単になる。

【００３９】（ii）振動子３０から位相シフト回路４６
までの位相のずれφ２と、該振動子３０から位相シフト
回路７１までの位相のずれφ１とを考慮し、位相シフト
回路４６で位相を（−４５°＋α／２）だけ進め、位相
シフト回路７１で位相を（＋４５°−α／２）だけ遅ら
せるようにした場合、同期検波回路７２において位相の
ずれφ１，φ２が相殺され、基準信号Ｓ４６と出力信号
Ｓ７１が同期し、検波精度がより向上する。ここで、位
相のずれα／２は、例えばα／２≦±１０°程度にすれ
ば、位相のずれを的確に消去できる。

【００４０】（第２の実施形態）図６は、本発明の第２
の実施形態を示す角速度センサの概略の構成図であり、
第１の実施形態を示す図１中の要素と共通の要素には共
通の符号が付されている。

【００４１】この角速度センサは、図１の角速度センサ
の発振回路４０において、Ｉ／Ｖ変換回路４１がカレン
トアンプで構成されると共に、ＡＧＣ回路４２に与える
制御電圧Ｓ４５を生成するための回路が設けられてい
る。さらに、図１のコリオリ力検出回路５０において、
角速度検出回路６０がＩ／Ｖ変換回路６１，６２、差動
アンプ６３及び反転アンプ６４で構成されている。

【００４２】即ち、図６の発振回路４０において、振動
子３０の＋側駆動電極３１ａに接続されたＩ／Ｖ変換回
路４１は、演算増幅器（以下「オペアンプ」という。）
４１ａ、帰還抵抗４１ｂ、及び帰還コンデンサ４１ｃか
らなるカレントアンプで構成されている。オペアンプ４
１ａの＋側入力端子は固定電位ノードＡＧに接続され、
−側入力端子が＋側駆動電極３１ａに接続されている。
オペアンプ４１ａの−側入力端子と出力端子との間に
は、帰還抵抗４１ｂと帰還コンデンサ４１ｃが並列に接
続されている。オペアンプ４１ａの出力端子には、バッ
ファアンプ等を介して整流回路４３が接続され、さらに
基準電源回路４４が設けられている。

【００４３】整流回路４３は、バッファアンプ等を介し
て与えれる出力電圧Ｓ４１を整流し、ＤＣ電圧Ｓ４３
（又はＤＣ電流）を出力する回路である。基準電源回路
４４は、電源電圧の変化や温度変化等に対して一定の電
圧を生成し、この一定の電圧に基づき、整流回路４３の
もつ温度係数を相殺するような基準電圧Ｓ４４（又は基
準電流）を出力する回路であり、この出力端子と整流回
路４３の出力端子とに、比較回路４５が接続されてい
る。比較回路４５は、ＤＣ電圧Ｓ４３（又はＤＣ電流）
と基準電圧Ｓ４４（又は基準電流）とを比較し、この電
圧差（又は電流差）を積分して制御電圧Ｓ４５を出力す
る回路であり、この出力端子がＡＧＣ回路４２の制御端
子に接続されている。

【００４４】図６のコリオリ力検出回路５０において、
角速度検出回路６０は、＋側検出電極３２ａに接続され
たＩ／Ｖ変換回路６１と、−側検出電極３２ｂに接続さ
れたＩ／Ｖ変換回路６２とを有し、これらの出力端子に
差動アンプ６３及び反転アンプ６４が接続されている。
Ｉ／Ｖ変換回路６１，６２は、振動子３０に加速度が加
わった時に検出電極３２ａ，３２ｂに逆相の電流が発生
するので、これを電圧に変換する回路である。Ｉ／Ｖ変
換回路６１は、Ｉ／Ｖ変換回路４１と同様に、オペアン
プ６１ａ、帰還抵抗６１ｂ及び帰還コンデンサ４１ｃか
らなるカレントアンプで構成されている。同様に、Ｉ／
Ｖ変換回路６２も、オペアンプ６２ａ、帰還抵抗６２ｂ
及び帰還コンデンサ６２ｃからなるカレントアンプで構
成されている。

【００４５】差動アンプ６３は、２つのＩ／Ｖ変換回路
６１，６２の出力電圧の差を増幅する回路であり、又発
振回路４０のＡＣ駆動電圧Ｖａによるクロストーク等の
同相信号をキャンセルする機能を有している。この差動
アンプ６３は、Ｉ／Ｖ変換回路６１の出力端子に接続さ
れた入力抵抗６３ａと、Ｉ／Ｖ変換回路６２の出力端子
に接続された入力抵抗６３ｂとを有し、該入力抵抗６３
ａの出力側が、抵抗６３ｃを介して固定電位ノードＡＧ
に接続されると共に、オペアンプ６３ｄの＋側入力端子
に接続されている。入力抵抗６３ｂの出力側には、オペ
アンプ６３ｄの−側入力端子が接続されると共に、帰還
抵抗６３ｅを介して該オペアンプ６３ｄの出力端子に接
続されている。

【００４６】差動アンプ６３の出力端子に接続された反
転アンプ６４は、差動アンプ６３の出力信号を反転増幅
して角速度検出信号Ｓ６４を位相シフト回路７１へ出力
する回路であり、オペアンプ６３ｄの出力端子に接続さ
れた入力抵抗６４ａを有している。入力抵抗６４ａの出
力側は、オペアンプ６４ｂの−側入力端子に接続される
と共に、帰還抵抗６４ｃを介して該オペアンプ６４ｂの
出力端子に接続されている。オペアンプ６４ｂの＋側入
力端子は、固定電位ノードＡＧに接続されている。

【００４７】図７（ａ）、（ｂ）は図６中の位相シフト
回路４６，７１の構成例を示す回路図である。図７
（ａ）の第２の位相シフト回路４６は、入力ノード４６
ａを有し、この入力ノード４６ａに、容量値Ｃの第２の
コンデンサ４６ｂの一端が接続され、この他端が、抵抗
値Ｒの第２の抵抗４６ｃを介して固定電位ノードＡＧに
接続されると共に、出力ノード４６ｄに接続されてい
る。

【００４８】この位相シフト回路４６では、出力電圧Ｓ
４１が入力ノード４６ａに入力されると、該出力電圧Ｓ
４１の位相が４５°だけ進み、あるいは（−４５°＋α
／２）だけ進み、基準信号Ｓ４６が出力ノード４６ｄか
ら出力される。位相のずれα／２は、容量値Ｃあるいは
抵抗値Ｒを調整することにより設定される。

【００４９】図７（ｂ）の第１の位相シフト回路７１
は、入力ノード７１ａを有し、この入力ノード７１ａ
に、抵抗値Ｒの抵抗７１ｂの一端が接続されている。抵
抗７１ｂの他端は、容量値Ｃの第１のコンデンサを介し
て固定電位ノードＡＧに接続されると共に、出力ノード
７１ｄに接続されている。

【００５０】この位相シフト回路７１では、入力ノード
７１ａに角速度検出信号Ｓ６３が入力されると、これが
抵抗７１ｂ及びコンデンサ７１ｃにより位相が４５°遅
れ、あるいは位相が（＋４５°−α／２）だけ遅れ、出
力ノード７１ｄから出力信号Ｓ７１が出力される。位相
のずれα／２は、抵抗値Ｒあるいは容量値Ｃを調整する
ことにより設定される。

【００５１】図７（ａ）及び（ｂ）の抵抗４６ｃ，７１
ｂは、温度特性が同一のものを使用することが望まし
い。又、コンデンサ４６ｂ，７１ｃは、同一素子を使用
することが望ましい。

【００５２】次に、図６及び図７の角速度センサの動作
を説明する。電源電圧の印加によって振動子３０が振動
を開始する。振動子３０の＋側駆動電極３１ａから出力
された電流は、Ｉ／Ｖ変換回路４１で電圧に変換され、
出力電圧Ｓ４１が出力される。この出力電圧Ｓ４１は、
バッファアンプ等を介して、整流回路４３でＤＣ電圧Ｓ
４３（又はＤＣ電流）に変換され、比較回路４５へ送ら
れる。比較回路４５では、基準電源回路４４から出力さ
れた基準電圧Ｓ４４（又は基準電流）と、整流回路４３
から出力されたＤＣ電圧Ｓ４３（又はＤＣ電流）とを比
較し、制御電圧Ｓ４５をＡＧＣ回路４２へ出力する。Ｉ
／Ｖ変換回路４１の出力電圧Ｓ４１は、ＬＰＦや起動補
償回路等を介して、ＡＧＣ回路４２によりゲインが制御
される。このＡＧＣ回路４２から、バッファアンプ等を
介してＡＣ駆動電圧Ｖａが−側駆動電極３１ｂに供給さ
れ、振動子３０が一定の周波数で特定方向に振動する。

【００５３】一定周波数で特定方向に振動している振動
子３０に角速度が加わると、この振動子３０にコリオリ
力Ｆが作用し、該振動子３０の特定方向の振動方向に対
して直交する方向の振動が生まれる。この振動によって
振動子３０に発生する電荷が、検出電極３２ａ，３２ｂ
によって検出され、この検出電流が検出電極３２ａ，３
２ｂから出力される。この検出電流は、角速度検出回路
６０内のＩ／Ｖ変換回路６１，６２で電圧に変換され、
これらのＩ／Ｖ変換回路６１，６２の出力電圧が差動ア
ンプ６２で差動増幅される。差動アンプ６３の出力電圧
は、反転アンプ６４で反転増幅され、角速度検出信号Ｓ
６４が出力される。

【００５４】ＡＣ駆動電圧Ｖａによって振動子３０が一
定の周波数で特定方向に振動すると、この出力電圧Ｓ４
１がバッファアンプ等を介して、位相シフト回路４６で
位相が４５°進められ、あるいは位相が（−４５°＋α
／２）だけ進められ、この位相シフト回路４６から基準
信号Ｓ４６が出力されて同期検波回路７２へ送られる。
一方、反転アンプ６４から出力された角速度検出信号Ｓ
６４は、位相シフト回路７１で位相が４５°遅れ、ある
いは位相が（＋４５°−α／２）だけ遅れ、この出力信
号Ｓ７１が同期検波回路７２へ送られる。

【００５５】同期検波回路７２では、第１の実施形態と
同様に、位相シフト回路４６から与えられる基準信号Ｓ
４６に基づき、位相シフト回路７１の出力信号Ｓ７１を
同期検波して同一極性の検波信号Ｓ７２を出力する。こ
の検波信号Ｓ７２は、ＤＣ化出力回路７３によってＤＣ
に変換され、角速度に応じたＤＣ検出信号Ｓｏｕｔが出
力される。

【００５６】以上のように、この第２の実施形態では、
第１の実施形態の効果が得られる上に、次の（イ）〜
（ハ）のような効果もある。 （イ）基準電源回路４４によって一定の基準電圧Ｓ４４
（又は基準電流）を生成し、これを比較回路４５によっ
てＤＣ電圧Ｓ４３（又はＤＣ電流）と比較して制御電圧
Ｓ４５を生成しているので、電源電圧や周囲温度等が変
化しても、Ｉ／Ｖ変換回路４１に入力する振動子電流Ｉ
ｘが一定となるように、ＡＧＣ回路４２が働く。振動子
電流Ｉｘと振動速度は比例することから、振動子電流Ｉ
ｘを一定に保つことは高精度の角速度センサ回路の要諦
となる。コリオリ力Ｆは振動子電流Ｉｘを一定に保つこ
とにより、角速度を正確に検出できる。これにより、Ｄ
Ｃ検出信号Ｓｏｕｔの検出精度を向上できる。

【００５７】（ロ）角速度検出回路６０は、２つのＩ／
Ｖ変換回路６１，６２の出力を差動アンプ６３で差動増
幅し、これを反転アンプ６４で反転増幅して角速度検出
信号Ｓ６４を出力するようにしているので、検出精度や
安定性がよい。

【００５８】（ハ）位相シフト回路４６，７１は、同一
の抵抗値Ｒの抵抗４６ｃ，７１ｂと、同一の容量値Ｃの
コンデンサ４６ｂ，７１ｃで構成しているので、温度変
化による位相のずれが相殺され、該位相シフト回路４６
から出力される基準信号Ｓ４６と、位相シフト回路７１
の出力信号Ｓ７１とを、簡単な構成で的確に同期させる
ことができる。特に、抵抗４６ｃと７１ｂを同一の温度
特性の素子で構成すれば、温度変化による悪影響をより
精度良く除去することができる。

【００５９】（変形例）本発明は、上記実施形態に限定
されず、種々の変形が可能である。この変形例として
は、例えば、次の（１）〜（５）のようなものがある。 （１）振動子３０は、音叉型水晶振動子を例にとって説
明したが、音叉型以外の音片型、Ｈ型、リング型等の他
の形式のものを用いたり、振動子材料として水晶以外の
他の圧電材料を用いることも可能である。さらに、駆動
電極３１ａ，３１ｂや検出電極３２ａ、３２ｂの数や配
置位置等は、適宜変更可能である。

【００６０】（２）振動子３０としては、圧電振動子以
外のシリコン振動子等の他の構造の振動子を用いてもよ
い。他の構造の振動子を用いる場合には、振動子の構造
に対応して図１の角速度検出回路６０の回路構成を変更
し、さらにこれに対応させて図１のＩ／Ｖ変換回路４１
を他の回路に置換える等の変更を行えば、実施形態のよ
うな効果が得られる。

【００６１】（３）図７の位相シフト回路４６，７１で
は、固定型のコンデンサ４６ｂ，７１ｃ及び抵抗４６
ｃ，７１ｂで構成したが、これらを可変型の抵抗あるい
は可変型のコンデンサで構成して、位相調整を可能な回
路構成にしたり、あるいはこれらとトランジスタを組合
せて位相調整が可能にする回路構成も可能である。

【００６２】（４）角速度検出回路６０の回路構成をよ
り簡単にするために、図６の反転アンプ６４を省略し、
これに代えて差動アンプ６３を反転差動アンプに置換え
ることにより、回路の素子数を削減できる。又、図６の
角速度検出回路６０を１つのＩ／Ｖ変換回路等で構成す
ることも可能である。この場合、例えば、振動子３０に
設けられる２つの検出電極３２ａ又は３２ｂのいずれか
一方を固定電位ノードに接続し、他方の電極から出力さ
れた電荷を１つのＩ／Ｖ変換回路で電圧に変換して角速
度検出信号Ｓ６３を生成すればよい。これにより、角速
度検出回路６０の回路構成をより簡単化できる。

【００６３】（５）同期検波回路７２は、乗算回路で構
成する以外に、他の回路で構成してもよい。例えば、基
準信号Ｓ４６を方形波の信号に変換し、この方形波の信
号に基づいて位相シフト回路７１の出力信号Ｓ７１を検
波し、この検波した信号の極性を切換えて同一極性の検
波信号Ｓ７２を生成するような回路構成等も採用でき
る。

【００６４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明
によれば、第１の位相シフト回路でＡＣ信号の位相を４
５°だけ遅らせ、第２の位相シフト回路によって駆動信
号の位相を４５°だけ進ませ、同期をとるようにしてい
る。このため、例えば、回路をＩＣ化して小型、軽量化
を図るために、第１及び第２の位相シフト回路を抵抗及
びコンデンサ等で構成した場合、周囲の温度変化によっ
てその抵抗値が変化するが、しかし、抵抗値が変化して
も、第１及び第２の位相シフト回路によって温度変化に
よる位相のずれが相殺されて消去される。よって、温度
変化による悪影響を除去でき、ＤＣ検出信号の検出精度
を向上できる。しかも、温度変化による悪影響の発生源
近くで温度補償を行えるので、回路構成が簡単になる。

【００６５】第２の発明によれば、第１の位相シフト回
路でＡＣ信号の位相を（＋４５°−α／２）だけ遅ら
せ、第２の位相シフト回路で駆動信号の位相を（−４５
°＋α／２）だけ進ませるようにしているので、位相の
ずれφ１及びφ２を該第１及び第２の位相シフト回路で
相殺でき、検波精度を向上できる。

【００６６】第３の発明によれば、第１と第２の位相シ
フト回路を、同一抵抗値でかつ同一温度特性の抵抗と、
同一容量値のコンデンサとで構成しているので、温度変
化によって第１及び第２の抵抗の抵抗値が変化して位相
のずれが生じても、これが第１及び第２の位相シフト回
路で相殺されるので、温度変化による検出精度の低下を
的確に防止することができる。

【００６７】第４の発明によれば、第１の位相シフト回
路の出力と第２の位相シフト回路の出力とを乗算して検
波信号を生成するので、温度変化による位相のずれを簡
単かつ的確に相殺でき、検出精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す角速度センサの
要部の構成図である。

【図２】従来の角速度センサの概略の構成図である。

【図３】図２中の位相シフト回路２２の回路図である。

【図４】図２の動作波形図である。

【図５】図１の動作波形図である。

【図６】本発明の第２の実施形態を示す角速度センサの
概略の構成図である。

【図７】図６中の位相シフト回路４６，７１の回路図で
ある。

【符号の説明】

３０ 振動子 ４０ 発振回路 ４１，６１，６２ Ｉ／Ｖ変換回路 ４２ ＡＧＣ回路 ４６，７１ 位相シフト回路 ４６ｃ，７１ｂ 抵抗 ４６ｂ，７１ｃ コンデンサ ５０ コリオリ力検出回路 ６０ 角速度検出回路 ６３ 差動アンプ ６４ 反転アンプ ７２ 同期検波回路 ７３ ＤＣ化出力回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 明 東京都狛江市和泉本町１丁目８番１号 キ ンセキ株式会社内 (72)発明者 石塚 友茂 東京都狛江市和泉本町１丁目８番１号 キ ンセキ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 AA01 AA06 AA08 BB03 BB09 CC01 CD02 CD06 CD11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流の駆動信号を出力する発振回路と、 前記駆動信号により駆動され、角速度の大きさと方向に
   応じて振幅が変化し、かつ該駆動信号に対して位相が９
   ０°遅れた交流信号を出力する振動子と、 前記交流信号の位相を４５°だけ遅らせる第１の位相シ
   フト回路と、 前記駆動信号の位相を４５°だけ進ませ、前記第１の位
   相シフト回路の出力信号に同期させた基準信号を出力す
   る第２の位相シフト回路と、 前記基準信号に基づき、前記第１の位相シフト回路の出
   力信号を同期検波して同一極性の検波信号を出力する同
   期検波回路と、 前記検波信号を直流に変換して前記角速度に応じた直流
   検出信号を出力する直流化出力回路と、 を備えたことを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の角速度センサにおいて、 前記第１の位相シフト回路は、前記交流信号の位相を
   （＋４５°−α／２）（但し、α＝（φ１−φ２）／
   ２、φ１は圧電振動子から第１の位相シフト回路までの
   位相のずれ、φ２は圧電振動子から第２の位相シフト回
   路までの位相のずれ）だけ遅らせ、 前記第２の位相シフト回路は、前記駆動信号の位相を
   （−４５°＋α／２）だけ進ませ、前記第１の位相シフ
   ト回路の出力信号に同期させた前記基準信号を出力する
   構成にしたことを特徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の角速度センサにお
   いて、 前記第１の位相シフト回路は、第１の入力ノードと第１
   の出力ノードの間に接続された第１の抵抗と、前記第１
   の出力ノードと一定電位ノードの間に接続された第１の
   コンデンサとで構成し、 前記第２の位相シフト回路は、第２の入力ノードと第２
   の出力ノードの間に接続され、前記第１のコンデンサと
   同一容量値の第２のコンデンサと、前記第２の出力ノー
   ドと前記一定電位ノードの間に接続され、前記第１の抵
   抗と同一抵抗値及び同一温度特性の第２の抵抗とで構成
   したことを特徴とする角速度センサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の角
   速度センサにおいて、 前記同期検波回路は、前記第１の位相シフト回路の出力
   と前記第２の位相シフト回路の出力とを乗算して前記検
   波信号を生成する構成にしたことを特徴とする角速度セ
   ンサ。