JPH09159462A - 角速度センサとそのセンサ素子および角速度演算方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動子に励起したｘ軸方向の振動の漏れによ
り現われるオフセット成分の低減を通してセンサの感度
向上を図る。 【解決手段】 正１６面体の柱状に形成された振動子１
２は、その側面のそれぞれに、圧電素子２１ａ〜２８ｂ
を有する。これら圧電素子は、対向する同士で対とな
り、圧電素子２１ａ，２１ｂが振動子１２のｘ軸方向の
振動の励振用に使われる。また、残りの対の圧電素子の
うちの選ばれた圧電素子の対が、振動子１２に回転角速
度が作用した場合の検出用に用いられる。この検出用の
圧電素子の対は、圧電素子２１ａ，２１ｂにより振動子
１２をｘ軸方向に励振させた際に、その振動の漏れによ
り起きる振動変遷軸ｘ０を長軸とする楕円運動の振動成
分が最小レベルで検出されるものとして選別される。具
体的には、振動変遷軸ｘ０と直交する検出振動方向ｙ０
に沿った圧電素子２４ａ，２４ｂが検出用とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基部から突出した
振動子の側面に励振手段並びに検出手段を有するセンサ
素子とこれを用いて回転角速度を求める角速度センサお
よび角速度演算方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の角速度センサでは、角速
度算出に当たり、そのセンサ素子を構成する振動子をｘ
−ｙ平面におけるｘ軸に沿って定常の振動状態に置く。
そして、この振動状態にある振動子にｘ−ｙ平面と直交
するｚ軸回りに回転角速度が加わると、当該振動子には
定常の振動方向と交差してｙ軸方向にコリオリの力が作
用し、コリオリの力に起因して新たに励起したｙ軸方向
の振動がｘ軸方向の定常の振動に加わる。このため、振
動子は全体として楕円運動を起こすので、この楕円運動
におけるｙ軸方向の振動成分を電気信号（交流電圧）と
して取り出すことが行なわれている。なお、この電気信
号の周波数は、振動子にコリオリの力に起因して新たに
励起したｙ軸方向の振動の周波数となる。

【０００３】ところで、ｚ軸回りの回転角速度に基づく
コリオリの力は、ｘ軸方向の振動の振幅に比例した大き
さを示し、ｙ軸方向の振動を引き起こす。よって、コリ
オリの力、延いてはこの力を振動子に作用させる回転角
速度の検出感度を高めるには、ｘ軸方向の振幅を大きく
し、振動子のｘ軸方向の振動の固有振動数とｙ軸方向の
固有振動数をできるだけ近似させることが望ましい。従
って、従来は、ｘ軸，ｙ軸の固有振動数を近似させるた
めに、往々にして振動子のｘ−ｙ平面における断面形状
を正方形にすることが行なわれている。また、断面形状
をこのようにすることに加え、質量の付加或いは除去に
より、上記の両固有振動数をより近似させることも行な
われている。

【０００４】この場合、振動子の断面形状を正方形にし
たりｘ軸，ｙ軸の固有振動数を近似させたりすると、こ
のｘ軸，ｙ軸の振動モードも近似する。よって、振動子
をｘ軸方向に定常の振動状態に置くと、この振動がｙ軸
方向に漏れて、振動子には、当初置かれたｘ軸方向の定
常振動にこの漏れに起因する漏れ振動が加わる。このた
め、ｚ軸回りに回転角速度が加わっていないにも拘ら
ず、この漏れ振動のｙ軸方向に沿った振動成分（オフセ
ット成分）が検出されてしまい、このオフセット成分が
ｚ軸回りに回転角速度が加わったときのｙ軸方向の振動
成分に重畳する。従って、オフセット成分の低減がセン
サの感度向上にも必要となり、種々の技術が提案されて
いる。

【０００５】例えば、特開昭６０−４９２１６には、振
動子の振動状態を検出するために対向して配置された二
つの圧電素子から得られる信号のうち、一方の圧電素子
からの信号の位相反転をする技術が提案されている。こ
の技術によれば、当該信号に含まれるコリオリの力に起
因したｙ軸方向の振動成分については、対向する二つの
圧電素子に逆位相で現われるので、位相反転により同位
相とする。その一方、オフセット成分については、当該
成分は対向する二つの圧電素子にｘ軸方向の振動とは位
相の相関がない信号として現われるので、位相反転によ
り逆位相とし、両信号の合成時にオフセット成分を低減
させることが行なわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た公報で提案された角速度センサにあっても、以下にそ
の理由と共に記すようにオフセット成分を十分低減でき
ない場合が起きた。

【０００７】振動子にｚ軸回りに回転角速度が加わって
いない状態において現われる上記の漏れ振動は、振動子
におけるｘ軸方向の振動と位相の関係がないと思われて
いたが、実際にはこのｘ軸方向の振動の所定関係にある
ことが実験的に確認されるに至った。この様子を図をも
って説明すると、図４に示すように、振動子をｘ軸方向
に沿った定常の振動状態に置くと、振動子は、ｙ軸方向
への漏れ振動により、定常の振動とされた際の振動方向
（ｘ軸方向）から所定角度θだけ検出方向たるｙ軸方向
にずれた軸を長軸とする偏平の楕円運動を起こす。従っ
て、検出方向たるｙ軸方向の振動成分は、ｘ軸方向の振
動と位相の相関がある振動の振動成分として対向する二
つの圧電素子に現われ、しかも、この二つの圧電素子に
はコリオリの力に起因したｙ軸方向の振動成分と同様に
逆位相で現われる。このため、位相反転による逆位相に
よってはオフセット成分を打ち消すことはできない。ま
してや、二つの圧電素子から得られる信号について位相
反転を行なわないとすれば、コリオリの力に起因したｙ
軸方向の振動成分の検出ができないことから、位相反転
によらずにオフセット成分を打ち消すこともできない。
また、漏れ振動に起因する振動子の楕円運動の長軸と検
出方向たるｙ軸とが斜めに交差することから、オフセッ
ト成分は大きな値として検出される。

【０００８】なお、漏れ振動と振動子のｘ軸方向の定常
振動との位相の関係を示す角度θは、振動子の材質，組
成や環境温度により定まることも実験的に判明した。

【０００９】本発明は、上記問題点を解決するためにな
され、オフセット成分の低減を通してセンサの感度向上
を図り、延いては回転角速度を正確に求めることを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】か
かる課題を解決するため、第１の発明のセンサ素子は、
基部から突出した振動子と、該振動子に定常振動を励起
する励振手段と、前記振動子にコリオリの力が作用して
前記振動子に励起した振動の振動状態を検出する検出手
段とを有するセンサ素子であって、該振動子の側面に設
けられ、前記振動子への定常振動の励起と前記振動子に
コリオリの力が作用して励起した振動の振動状態の検出
とが可能な励振／検出手段を、前記振動子の側面に亘っ
て複数有し、該複数の励振／検出手段のうちの一の励振
／検出手段を前記励振手段として備え、残りの複数の励
振／検出手段を前記検出手段として備える。

【００１１】上記構成を有する第１の発明のセンサ素子
では、振動子の側面に亘って複数設けた励振／検出手段
のうちの一の励振／検出手段を励振手段とし、この励振
手段たる一の励振／検出手段により、振動子が定常振動
の状態に置かれることになる。その一方、振動子の側面
に亘る残りの複数の励振／検出手段を、振動子にコリオ
リの力が作用した際に励起した振動（以下、この振動を
検出振動という）の検出手段とするので、この複数のう
ちのいずれかの励振／検出手段を検出振動の検出に用い
ることができる。このように検出振動の検出に用いる励
振／検出手段の選択が可能なことから、以下のようにし
てオフセット成分を低減することができる。

【００１２】振動子に回転角速度が加わっていない状態
において現われる上記の漏れ振動は、励振手段たる一の
励振／検出手段により振動子が置かれた定常振動の振動
方向と既述した関係をもって現われる。このため、この
漏れ振動により現われる振動子の振動は、振動子の側面
に亘る残りの励振／検出手段でそれぞれ検出される。つ
まり、漏れ振動により振動子は既述した楕円運動を起こ
し、この楕円運動を振動子の側面の上記残りの励振／検
出手段の設置箇所方向に分解したそれぞれの振動成分
が、それぞれの励振／検出手段で検出される。そして、
楕円運動の長軸の方向と最も合致した位置において振動
子の側面に設けられた励振／検出手段では、この楕円運
動の振動成分が最も大きい振動成分として検出される。
よって、こうしてこの最大成分が検出された励振／検出
手段とその設置位置が９０度ずれた位置にある励振／検
出手段又は最も９０度に近い角度だけずれた位置にある
励振／検出手段では、振動子に現われた漏れ振動による
振動成分、即ちオフセット成分は最小となり、当該励振
／検出手段は漏れ振動の影響を受けにくい。

【００１３】このようにして漏れ振動の影響を受けにく
い励振／検出手段は、振動子に回転角速度が加わってコ
リオリの力が作用した際の検出振動の振動状態を、オフ
セット成分を最小限にして検出することになる。この結
果、漏れ振動の影響を受けにくい励振／検出手段の検出
結果をセンサ出力として用いることでセンサの感度向上
を図ることができる。

【００１４】なお、環境温度により漏れ振動と振動子の
定常振動との関係がずれた場合であっても、具体的には
上記した角度θが変化した場合でも、漏れ振動の影響を
受けにくい励振／検出手段は、振動子の側面に亘って複
数設けられた残りの励振／検出手段のうちのいずれかが
該当する。

【００１５】第２の発明の角速度センサは、振動子に加
わってコリオリの力を作用させる回転角速度を求める角
速度センサであって、請求項１記載のセンサ素子の前記
励振手段を起動する励振起動手段と、前記複数の検出手
段のうち前記コリオリの力の非作用時における検出出力
が最小の検出手段の検出出力に基づいて、前記コリオリ
の力の作用時における前記回転角速度を演算する演算手
段とを有する。

【００１６】上記構成を有する第２の発明の角速度セン
サでは、上記した構成の第１の発明のセンサ素子の励振
手段（励振／検出手段）を励振起動手段により起動し
て、振動子を定常振動の状態に置く。そして、コリオリ
の力の非作用時における検出出力が最小の検出手段（励
振／検出手段）の検出出力に基づいて、演算手段によ
り、コリオリの力の作用時における回転角速度を演算す
る。このコリオリの力の非作用時における検出出力が最
小の検出手段は、振動子に現われている漏れ振動の影響
を最も受けない検出手段であるので、その検出出力は、
振動子に回転角速度が加わってコリオリの力が作用した
際の検出振動の振動状態を、オフセット成分を最小限に
して検出したものとなる。しかも、漏れ振動の影響を低
減するための特別の演算を要しない。従って、この第２
の発明の角速度センサによれば、漏れ振動の影響が最小
の検出出力を回転角速度演算に用いて、容易に高い精度
で回転角速度を求めることができる。

【００１７】第３の発明の角速度センサは、振動子に加
わってコリオリの力を作用させる回転角速度を求める角
速度センサであって、請求項１記載のセンサ素子の前記
励振手段を起動する励振起動手段と、前記複数の検出手
段のうち前記コリオリの力の非作用時における検出出力
が最大の検出手段と最も９０度に近い角度だけずれた位
置にある検出手段の検出出力に基づいて、前記コリオリ
の力の作用時における前記回転角速度を演算する演算手
段とを有する。

【００１８】上記構成を有する第３の発明の角速度セン
サでは、上記の第３の発明の角速度センサと同様、セン
サ素子の励振手段を励振起動手段により起動して、振動
子を定常振動の状態に置く。そして、コリオリの力の非
作用時における検出出力が最大の検出手段と最も９０度
に近い角度だけずれた位置にある検出手段の検出出力に
基づいて、演算手段により、コリオリの力の作用時にお
ける回転角速度を演算する。このコリオリの力の非作用
時における検出出力が最大の検出手段と最も９０度に近
い角度だけずれた位置にある検出手段は、振動子側面に
おける位置関係の都合により、コリオリの力の非作用時
における検出出力が最小となり、振動子に現われている
漏れ振動の影響を最も受けない検出手段に他ならない。
よって、その検出出力は、振動子に回転角速度が加わっ
てコリオリの力が作用した際の検出振動の振動状態を、
オフセット成分を最小限にして検出したものとなる。し
かも、漏れ振動の影響を低減するための特別の演算を要
しない。従って、この第３の発明の角速度センサによっ
ても、漏れ振動の影響の少ない検出出力を回転角速度演
算に用いて、容易に高い精度で回転角速度を求めること
ができる。

【００１９】第４の発明の角速度演算方法は、振動子に
加わってコリオリの力を作用させる回転角速度を求める
角速度演算方法であって、基部から突出した振動子を、
該振動子の側面に振動エネルギを与えて定常の振動状態
に置く振動工程と、前記コリオリの力の非作用時におけ
る前記振動子の振動状態を、前記振動子の側面に亘って
複数の位置で検出する検出工程と、該検出出力が最小の
位置で得られる検出出力に基づいて、前記コリオリの力
の作用時における前記回転角速度を演算する演算工程と
を有する。

【００２０】上記構成を有する第４の発明の角速度演算
方法では、基部から突出した振動子を、該振動子の側面
に振動エネルギを与えて定常の振動状態に置く。そし
て、コリオリの力の非作用時における振動子の振動状態
を、振動子の側面に亘って複数の位置で検出し、その検
出出力が最小の位置で得られた検出出力に基づいて、コ
リオリの力の作用時における回転角速度を演算する。こ
のコリオリの力の非作用時における検出出力が最小の位
置で得られた検出出力は、振動子に現われている漏れ振
動の影響を最も受けない位置のものであるので、振動子
に回転角速度が加わってコリオリの力が作用した際の検
出振動の振動状態を、オフセット成分を最小限にして検
出したものとなる。しかも、この際に、漏れ振動の影響
を低減するための特別の演算を要しない。従って、この
第４の発明の角速度演算方法によれば、漏れ振動の影響
の少ない検出出力を回転角速度演算に用いて、容易に高
い精度で回転角速度を求めることができる。

【００２１】第５の発明の角速度演算方法は、振動子に
加わってコリオリの力を作用させる回転角速度を求める
角速度演算方法であって、基部から突出した振動子を、
該振動子の側面に振動エネルギを与えて定常の振動状態
に置く振動工程と、前記コリオリの力の非作用時におけ
る前記振動子の振動状態を、前記振動子の側面に亘って
複数の位置で検出する検出工程と、該検出出力が最大の
位置と最も９０度に近い角度だけずれた位置で得られた
検出出力に基づいて、前記コリオリの力の作用時におけ
る前記回転角速度を演算する演算工程とを有する。

【００２２】上記構成を有する第５の発明の角速度演算
方法では、上記の第４の発明の角速度演算方法と同様、
基部から突出した振動子を定常の振動状態に置き、コリ
オリの力の非作用時における振動子の振動状態を、振動
子の側面に亘って複数の位置で検出する。そして、その
検出出力が最大の位置と最も９０度に近い角度だけずれ
た位置で得られた検出出力に基づいて、コリオリの力の
作用時における回転角速度を演算する。このコリオリの
力の非作用時における検出出力が最大の位置と最も９０
度に近い角度だけずれた位置で得られた検出出力は、振
動子側面における位置関係の都合により、コリオリの力
の非作用時において最小の検出出力となり、振動子に現
われている漏れ振動の影響を最も受けない位置のものと
なる。このため、この検出出力は、振動子に回転角速度
が加わってコリオリの力が作用した際の検出振動の振動
状態を、オフセット成分を最小限にして検出したものと
なる。しかも、この際に、漏れ振動の影響を低減するた
めの特別の演算を要しない。従って、この第５の発明の
角速度演算方法によっても、漏れ振動の影響の少ない検
出出力を回転角速度演算に用いて、容易に高い精度で回
転角速度を求めることができる。

【００２３】

【発明の他の態様】本発明は、以下のような他の態様を
採ることも可能であり、第１の態様は、請求項１記載の
センサ素子において、前記振動子を、４ｎ（ｎは２以上
の自然数）の側面を有する正多面体の柱状体とし、該柱
状体の対向する一対の側面に前記励振手段を有し、残り
の対向する複数対の側面にそれぞれ前記検出手段を有す
る。

【００２４】この第１の態様では、振動子の成形が容易
となると共に、励振手段と検出手段の振動子側面への設
置が容易となる。また、コリオリの力の非作用時におけ
る検出出力が最大の検出手段と最も９０度に近い角度だ
けずれた位置にある検出手段を、幾何学的に容易に判別
できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づき説明する。図１は、実施例における角速度セ
ンサのセンサ素子１０をその平面と側面でもって示す外
観図である。

【００２６】図示するように、センサ素子１０は、基部
１１から突出した振動子１２を有し、この基部１１と振
動子１２は、コバール材等の金属弾性体により形成され
ている。振動子１２は、１６面の側面を有する正１６面
体の柱状に形成されており、その側面には、それぞれ圧
電素子（例えばピエゾ素子）２１ａ〜２８ａ，２１ｂ〜
２８ｂが接着・固定されている。つまり、圧電素子２１
ａ〜２８ａ，２１ｂ〜２８ｂは、振動子１２の側面に亘
って等間隔に設けられており、対向する素子ごとに対を
なして、図示しない導電ラインにより後述する励振側回
路又は検出用回路に接続されている。このため、対とな
る圧電素子、例えば圧電素子２２ａと圧電素子２２ｂ
は、一方が伸長したときには他方が縮むことになり、そ
の伸縮に応じた電気信号（交流電圧）を逆位相で発す
る。或いは、圧電素子２２ａと圧電素子２２ｂに逆位相
で交流電圧を印加すると、一方が伸長したときには他方
が縮む。また、両圧電素子の一方にのみ交流電流を印加
した場合には、当該一方の圧電素子の伸縮により振動子
１２が振動し、この振動子１２の振動に追従した他方の
圧電素子の伸縮により、当該伸縮に応じた電気信号（交
流電圧）を得ることができる。なお、この振動子１２に
おいては、図示するようにｘ軸，ｙ軸およびｚ軸が規定
されている。

【００２７】センサ素子１０を用いた角速度センサ１４
は、図２のブロック図に示すように、振動子１２を定常
的な振動状態におくための励振側回路３０と、角速度検
出用の信号を得るための検出側回路４０と角速度の算出
に用いる圧電素子の対を判別する入力判別回路５０とを
有する。

【００２８】励振側回路３０は、圧電素子がその圧電効
果により生じた電気信号を増幅する増幅回路３２と、振
動子１２のｘ軸方向の振動についての共振周波数を中心
とした所定幅の周波数の電気信号を選別するバンドパス
フィルタ３４と、入力した電気信号のレベルに拘らず一
定の出力レベルとするオートマティックゲインコントロ
ーラ（ＡＧＣ）３６と、圧電素子に交流電圧を印加する
励振回路３８とを備える。そして、増幅回路３２にはｘ
軸方向に沿った一方の圧電素子２１ａが、励振回路３８
には圧電素子２１ａと対向する圧電素子２１ｂがそれぞ
れ接続されている。よって、角速度センサ１４は、圧電
素子２１ｂを励振回路３８により起動（伸縮）させて振
動子１２をｘ軸方向に振動させ、圧電素子２１ｂへの交
流電圧の印加を圧電素子２１ｂと対向する圧電素子２１
ａが検出した振動子１２のｘ軸方向の振動状態に基づい
て制御することで、振動子１２をｘ軸方向に定常的に振
動させる。つまり、圧電素子２１ａと圧電素子２１ｂと
が、励振用の圧電素子として用いられる。

【００２９】検出側回路４０は、圧電素子２１ａ，２１
ｂ以外の圧電素子２２ａ〜２８ａ，２２ｂ〜２８ｂのそ
れぞれ対となる圧電素子同士が、入力切換／ロック回路
６０を介して、選択的に接続されている。よって、入力
切換／ロック回路６０により、角速度検出用の信号を得
るための圧電素子の対が切り換えられる。つまり、励振
用とした圧電素子２１ａ，２１ｂ以外の圧電素子の対
が、検出用の圧電素子として用いられる。なお、圧電素
子の対の切り換えの様子については後述する。

【００３０】この検出側回路４０は、切り換えられた圧
電素子の対におけるそれぞれの圧電素子（例えば、圧電
素子２２ａと圧電素子２２ｂ）の圧電効果により生じる
電気信号（交流電圧）の位相の調整を行なう検出バラン
ス調整回路４１と、検出バランス調整回路４１により調
整された電気信号の出力レベルを増幅する増幅回路４３
と、交流電圧である電気信号の負の部分を反転して正電
圧とし、整流作用をはたす同期検波回路４５と、正電圧
化された電気信号を整流電圧の電気信号とする積分回路
４７と、整流電圧の電気信号の出力レベルを増幅する増
幅出力回路４９とを備える。なお、同期検波回路４５に
は、同期を採るべき参照信号として、励振回路３８の出
力が入力される。

【００３１】入力判別回路５０は、入力切換／ロック回
路６０が順次切り換える圧電素子の対（圧電素子２２ａ
と圧電素子２２ｂの対ないし圧電素子２８ａと圧電素子
２８ｂの対）からの電気信号をそれぞれ入力し、当該電
気信号を増幅する増幅回路５１ａ，５１ｂと、増幅され
たそれぞれの圧電素子の電気信号を差動増幅に処する差
動増幅回路５３と、その結果を圧電素子の対ごとに比較
して最もレベルの低い電気信号を発していた圧電素子の
対を決定する判定回路５５とを備える。この判定回路５
５は、最もレベルの低い電気信号を発していた圧電素子
の対を決定すると、入力切換／ロック回路６０にそれ以
降の順次の入力切換を停止し決定済みの圧電素子の対に
入力をロックする信号を送る。これにより、上記した検
出側回路４０には、決定された一の圧電素子の対からし
か電気信号は入力されないことになる。

【００３２】以下に入力判別回路５０での圧電素子の対
の決定の様子と、入力切換／ロック回路６０における圧
電素子の対の切り換えの様子、並びに振動子１２の振動
の様子、振動子１２にｚ軸回りの回転角速度が作用した
ときのその回転角速度の検出の様子について、上記各回
路の動作と併せて説明する。

【００３３】励振側回路３０の励振回路３８から圧電素
子２１ｂに交流電圧を印加すると、この圧電素子２１ｂ
は、自身の逆圧電効果により電圧に応じて伸縮し、振動
子１２をｘ軸方向に振動させる。この際、圧電素子２１
ｂと対となって対向する圧電素子２１ａは、圧電素子２
１ｂが伸びるときに縮み、圧電素子２１ｂが縮むときに
伸びる。換言すれば、この圧電素子２１ａは、振動子１
２の振動に追従して伸縮する。そして、圧電素子２１ａ
はこの伸縮に応じた電気信号を増幅回路３２に送り出
す。よって、この電気信号は、バンドパスフィルタ３４
により共振周波数を中心とした所定幅の電気信号に選別
され、ＡＧＣ３６により出力レベルを一定にされる。そ
して、励振回路３８により選別された電気信号が圧電素
子２１ｂに印加される。従って、励振回路３８による圧
電素子２１ｂへの交流電圧の印加は、圧電素子２１ａが
検出した振動子１２のｘ軸方向の振動状態に基づいて一
定レベルに制御されることになり、振動子１２は、当初
ｘ軸方向に定常的に振動する。しかしながら、このｘ軸
方向の振動は、振動子１２におけるｘ軸方向，ｙ軸方向
の形状の近似等によりｙ軸方向に漏れる。このため、振
動子１２の振動は、常時加えられるｘ軸方向の振動とそ
の漏れ振動とにより次第に変遷し、やがて振動子１２
は、このｘ軸から角度θだけずれた軸（以下、この軸を
振動変遷軸ｘ０という）を長軸とする偏平の楕円運動を
起こす。

【００３４】振動子１２がこのように振動変遷軸ｘ０を
長軸として楕円運動を起こすと、入力切換／ロック回路
６０および入力判別回路５０により、検出側回路４０に
選択的に接続される圧電素子の対が、圧電素子２１ａ，
２１ｂ以外の圧電素子２２ａ〜２８ａ，２２ｂ〜２８ｂ
から以下のように決定される。まず、振動子１２にｚ軸
回りの回転角速度が加わっていないとき、例えばこの角
速度センサ１４が搭載された車両が停車しているとき
に、入力切換／ロック回路６０は、圧電素子２２ａ，２
２ｂの対から圧電素子２８ａ，２８ｂの対まで、順次そ
の接続を切り換えて、それぞれの圧電素子の対からの電
気信号を順次入力判別回路５０に入力する。このように
入力を受けた入力判別回路５０では、それぞれの圧電素
子の対における電気信号を差動増幅に処して得た結果を
圧電素子の対ごとに比較して、最もレベルの低い電気信
号を発していた圧電素子の対を決定する。

【００３５】図をもって具体的に説明すると、図２に示
すように、振動子１２は振動変遷軸ｘ０を長軸として楕
円運動を起こしているので、この振動変遷軸ｘ０と合致
する圧電素子の対、即ち圧電素子２８ａ，２８ｂでは最
も大きな検出結果となり、この圧電素子の対（圧電素子
２８ａ，２８ｂ）とその位置関係が９０度ずれた位置に
ある圧電素子の対、即ち圧電素子２４ａ，２４ｂでは最
も小さな検出結果となる。よって、入力判別回路５０に
より、入力切換／ロック回路６０を介した検出側回路４
０への圧電素子の接続は、最も小さな検出結果であった
圧電素子２４ａ，２４ｂに固定される。

【００３６】この場合、最も小さな検出結果となる圧電
素子の対を各検出結果の比較から直接決定してもよく、
最も大きな検出結果となる圧電素子の対を決定し当該圧
電素子の対とその位置関係が９０度ずれた位置にある圧
電素子の対を、幾何学的に決定してもよい。また、上記
した一連の動作を通した圧電素子の接続の固定を、車両
のイグニッションスイッチがオンされてから所定時間の
内にのみ行なうよう構成したり、車両の停車の都度に行
なうよう構成することができる。或いは、上記した一連
の動作を通した圧電素子の接続の固定を、車両購入者へ
の納車の前や修理時にメーカーや修理工場でのみ実施す
るよう構成することもできる。この場合には、角速度セ
ンサ１４には入力判別回路５０が不要となるので、コス
ト低下を図ることができる。

【００３７】このようにして検出側回路４０に接続され
る圧電素子の対が決定されると、具体的には圧電素子２
４ａ，２４ｂが検出側回路４０に選択的に接続される
と、検出側回路４０には、この圧電素子２４ａ，２４ｂ
からの電気信号のみが入力される。そして、振動子１２
が振動変遷軸ｘ０を長軸として楕円運動を起こしている
状態にあるときに、ｚ軸の回りに回転角速度ωが加わる
と、振動子１２に式Ｆ＝２ｍＶ・ωで表わされるコリオ
リの力Ｆが、この振動変遷軸ｘ０と直交する方向（以
下、この方向の検出振動方向ｙ０という）に作用する。
ここで、ｍは振動部分の質量、Ｖは振動部分の速度であ
る。振動部分の速度Ｖは、式Ｖ＝Ａω・cosωｔで表わ
される。なお、回転角速度ωが一定のときには、振動子
１２の楕円運動の振動変遷軸ｘ０成分の振動の振幅Ａに
比例する。

【００３８】このようにしてコリオリの力Ｆが作用する
と、振動子１２は、振動変遷軸ｘ０と直交する検出振動
方向ｙ０に振動する。このため、振動子１２は、励振側
回路３０による振動変遷軸ｘ０を長軸とする楕円運動と
この検出振動方向ｙ０の振動とにより、全体として新た
な楕円運動を起こす。そして、圧電素子２４ａ，２４ｂ
は、この新たな楕円運動の検出振動方向ｙ０成分の振動
に伴って伸縮し、各素子の圧電効果により各素子の伸縮
に応じた交流電圧の電気信号、即ち回転角速度の大きさ
に応じた電気信号を逆位相で生じて、この電気信号は、
検出側回路４０に入力される。

【００３９】この検出側回路４０の検出バランス調整回
路４１では、各素子から生じる電気信号の位相が揃えら
れる。増幅回路４３では、電気信号の出力レベルが増幅
される。同期検波回路４５では、励振回路３８の参照信
号と同期して交流電圧である電気信号を検波して正電圧
となる。積分回路４７では、正電圧化された電気信号は
整流電圧の電気信号となる。整流電圧の電気信号は、増
幅出力回路４９により増幅されて、演算装置６２に出力
される。この演算装置６２は、入力を受けた電気信号
を、予め回転角速度と対応付けたマップに参照して、回
転角速度を演算する。

【００４０】以上説明した角速度センサ１４では、振動
子１２の側面に等間隔に設けた圧電素子の内の一の対で
ある圧電素子２１ａ，２１ｂにより、振動子１２にｘ軸
方向に沿った定常的な振動を励起する。これを受けて、
振動子１２は、このｘ軸方向の定常的な振動とその漏れ
振動とにより、ｘ軸から所定角度θだけずれた振動変遷
軸ｘ０を長軸とする楕円運動を起こす。この振動変遷軸
ｘ０を長軸とする楕円運動は、ｘ軸方向の振動の漏れに
起因し、振動子１２に回転角速度が加わっているかいな
いかに拘らず起きる。そして、この振動子１２に回転角
速度が加わっていないときのこの楕円運動の各方向につ
いての振動子１２の振動成分は、振動子１２の側面に等
間隔に設けたそれぞれの圧電素子の対により検出され
る。この場合、振動変遷軸ｘ０と合致した位置において
振動子１２の側面に設けられた圧電素子２８ａ，２８ｂ
の対で、この振動変遷軸ｘ０方向の振動子１２の振動成
分が最大のレベルで検出され、この圧電素子２８ａ，２
８ｂの対と直交する位置関係にある圧電素子２４ａ，２
４ｂの対では、振動子１２には漏れ振動はごく僅かしか
検出されず、漏れ振動の影響を受けにくい。

【００４１】このため、漏れ振動の影響を受けにくい圧
電素子２４ａ，２４ｂの対は、振動子１２に回転角速度
が加わってコリオリの力が作用した際の検出振動方向ｙ
０の検出振動の振動状態を、漏れ振動の影響を最小限に
して検出することになる。よって、漏れ振動の影響を受
けにくい圧電素子２４ａ，２４ｂの対におけるそれぞれ
の圧電素子の電気信号には、オフセット成分が最小限し
か含まれないので、この電気信号のみを検出側回路４０
で入力してセンサ出力として用いることができる。この
結果、本実施例の角速度センサ１４によれば、当該電気
信号から得たセンサ出力により演算装置６２で回転角速
度を演算するので、センサの感度向上を図ることができ
る。

【００４２】また、本実施例の角速度センサ１４では、
漏れ振動の影響を受けにくい圧電素子２４ａ，２４ｂの
対の決定を車両の停車の都度に行なう。このため、環境
温度等によりｘ軸方向の振動の漏れの様子が変化して振
動変遷軸ｘ０とｘ軸とのズレ角度θが変化した場合で
も、漏れ振動の影響を受けにくい圧電素子の対を振動子
１２の側面に設けた複数の圧電素子２２ａ〜２８ａ，２
２ｂ〜２８ｂのうちからその都度、適宜選択することが
できる。このため、環境温度等に拘らずセンサの感度を
高く維持できるので、信頼性を向上させることができ
る。

【００４３】また、振動子１２を正１６面体の柱状とし
たので、振動子１２を面切削等の比較的単純な工程で容
易に形成することができる。しかも、圧電素子の接着・
固定も、振動子１２のそれぞれの側面に行なえばよいこ
とから、容易となる。加えて、漏れ振動の影響を受けに
くい圧電素子の対の判別を、振動子１２に回転角速度が
加わっていないときの検出結果が最小の圧電素子の対を
調べなくても、その検出結果が最も大きな検出結果とな
る圧電素子の対から幾何学的に容易に下すことができ
る。

【００４４】なお、本実施例の振動子１２は金属弾性体
により形成したが、適当な振動を生じるものであればア
ルミニウム，ジュラルミン，恒弾性材等の金属や、Ｓ
ｉ，Ｇｅ等の半導体、ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ガラス等の
誘電体、水晶，ＰＺＴ，ＴｉＰｂＯ₃等の圧電体等如何
なる材料により形成しても差し支えない。振動子１２を
水晶で形成した場合は、水晶の圧電効果を利用すること
ができるので、圧電素子の代わりに、水晶の逆圧電効果
により振動を与える励振用電極の対と、水晶の圧電効果
により発生する電圧を検出する複数の検出用電極の対と
を、振動子１２の周囲側面に等間隔に設置すればよい。
振動子１２を水晶で形成する場合、振動子１２の制作
は、半導体の製造工程を用いることができ、小型の素子
を高精度に多量に作成できる。

【００４５】次に、変形例について説明する。図３に示
すように、変形例の振動子１２Ａは、基部１１から突出
した下部振動部１３ａとこれに連設された上部振動部１
３ｂとを備える。この下部振動部１３ａと上部振動部１
３ｂとは、共に正１６面体の柱状であるが、その側面の
中心角が１１．２５度（３６０／１６／２）だけずらし
て形成されている。この振動子１２Ａは、下部振動部１
３ａおよび上部振動部１３ｂのそれぞれの側面に、振動
子１２と同様に圧電素子（図示省略）を有し、下部振動
部１３ａにおいて対向する一対の圧電素子を、振動子１
２における励振用の圧電素子２１ａ，２１ｂとする。そ
の一方、下部振動部１３ａにおける残りの対向する圧電
素子の対と、上部振動部１３ｂにおける総ての圧電素子
の対とを、検出用の圧電素子とし、振動の検出箇所の分
解能を振動子１２の倍に高める（１／１６から１／３２
に高める）。

【００４６】そして、この変形例の振動子１２Ａでは、
下部振動部１３ａの一対の圧電素子によりＸ軸方向の定
常的な振動を起こし、その漏れ振動に起因して振動変遷
軸ｘ０を長軸として起きる振動子１２Ａの楕円運動の振
動成分を、上記の検出用の圧電素子の対で検出する。こ
のため、この楕円運動の振動成分の検出結果が最低レベ
ルとなる圧電素子をより高い精度で判別できるので、セ
ンサの感度をより高めることができる。また、振動の検
出箇所の分解能を高めるに当たって、圧電素子の固定箇
所である側面の幅を狭くする必要がなく、圧電素子の大
きさも確保できる。よって、圧電素子により過不足なく
エネルギを与えて、振動子１２をＸ軸方向に振動させる
ことができる。

【００４７】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種
々なる態様で実施し得ることは勿論である。

【００４８】例えば、振動子１２に振動を励起する圧電
素子の対を、圧電素子２１ａ，２１ｂ以外の圧電素子の
対とすることもでき。また、正１６面体の柱状に限ら
ず、柱状体の面数は８以上であればよい。この場合、４
ｎ（ｎは２以上の自然数）の側面を有する正多面体の柱
状体であれば、より好ましい。

【００４９】また、上記構成の振動子１２を基部１１か
ら２本平行に突出して備え、一方の振動子１２と他方の
振動子１２とでｘ軸方向の振動の位相が１８０度ずれる
よう、両振動子を振動させる構成を採ることもできる。
この場合には、回転角速度以外の外乱、例えば横加速度
等が加わった場合に、その影響を２本の振動子１２から
の検出出力で相殺することでき、外乱の影響を受けるこ
となく正確に回転角速度を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の角速度センサのセンサ素子１０をその
平面と側面でもって示す外観図。

【図２】センサ素子１０を用いた角速度センサ１４の全
体構成を示すブロック図。

【図３】変形例の振動子１２Ａを示す概略斜視図。

【図４】従来の角速度センサでの問題点を説明するため
の説明図。

【符号の説明】

１０…センサ素子 １１…基部 １２…振動子 １２Ａ…振動子 １３ａ…下部振動部 １３ｂ…上部振動部 １４…角速度センサ ２１ａ〜２８ａ，２１ｂ〜２８ｂ…圧電素子 ３０…励振側回路 ３８…励振回路 ４０…検出側回路 ４１…検出バランス調整回路 ４９…増幅出力回路 ５０…入力判別回路 ５５…判定回路 ６０…入力切換／ロック回路 ６２…演算装置 ｘ０…振動変遷軸 ｙ０…検出振動方向 ω…回転角速度

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基部から突出した振動子と、 該振動子に定常振動を励起する励振手段と、 前記振動子にコリオリの力が作用して前記振動子に励起
   した振動の振動状態を検出する検出手段とを有するセン
   サ素子であって、 該振動子の側面に設けられ、前記振動子への定常振動の
   励起と前記振動子にコリオリの力が作用して励起した振
   動の振動状態の検出とが可能な励振／検出手段を、前記
   振動子の側面に亘って複数有し、 該複数の励振／検出手段のうちの一の励振／検出手段を
   前記励振手段として備え、残りの複数の励振／検出手段
   を前記検出手段として備えるセンサ素子。
2. 【請求項２】 振動子に加わってコリオリの力を作用さ
   せる回転角速度を求める角速度センサであって、 請求項１記載のセンサ素子の前記励振手段を起動する励
   振起動手段と、 前記複数の検出手段のうち前記コリオリの力の非作用時
   における検出出力が最小の検出手段の検出出力に基づい
   て、前記コリオリの力の作用時における前記回転角速度
   を演算する演算手段とを有する角速度センサ。
3. 【請求項３】 振動子に加わってコリオリの力を作用さ
   せる回転角速度を求める角速度センサであって、 請求項１記載のセンサ素子の前記励振手段を起動する励
   振起動手段と、 前記複数の検出手段のうち前記コリオリの力の非作用時
   における検出出力が最大の検出手段と最も９０度に近い
   角度だけずれた位置にある検出手段の検出出力に基づい
   て、前記コリオリの力の作用時における前記回転角速度
   を演算する演算手段とを有する角速度センサ。
4. 【請求項４】 振動子に加わってコリオリの力を作用さ
   せる回転角速度を求める角速度演算方法であって、 基部から突出した振動子を、該振動子の側面に振動エネ
   ルギを与えて定常の振動状態に置く振動工程と、 前記コリオリの力の非作用時における前記振動子の振動
   状態を、前記振動子の側面に亘って複数の位置で検出す
   る検出工程と、 該検出出力が最小の位置で得られる検出出力に基づい
   て、前記コリオリの力の作用時における前記回転角速度
   を演算する演算工程とを有する角速度演算方法。
5. 【請求項５】 振動子に加わってコリオリの力を作用さ
   せる回転角速度を求める角速度演算方法であって、 基部から突出した振動子を、該振動子の側面に振動エネ
   ルギを与えて定常の振動状態に置く振動工程と、 前記コリオリの力の非作用時における前記振動子の振動
   状態を、前記振動子の側面に亘って複数の位置で検出す
   る検出工程と、 該検出出力が最大の位置と最も９０度に近い角度だけず
   れた位置で得られた検出出力に基づいて、前記コリオリ
   の力の作用時における前記回転角速度を演算する演算工
   程とを有する角速度演算方法。