JPH09203639A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部品のばらつき、温度変化があっても、角速
度を常に精度よく検出できるようにする。 【解決手段】 駆動用圧電素子１４ａ，１４ｂ、モニタ
用圧電素子１５ａ，１５ｂ及び自励振回路３０は、音叉
型振動子をその軸線方向と直交する方向に固有振動数か
つ一定振幅で振動させる。検出用圧電素子１６ａ，１６
ｂは、音叉型振動子の軸線回りの角速度に比例したコリ
オリ力によって発生する振動を検出する。バンドパスフ
ィルタ回路５０はスイッチドキャパシタンスフィルタで
構成され、検出信号に含まれる周波数成分のうちで固有
振動数近傍の周波数成分のみを抽出して出力する。フェ
ーズロックドループ回路４０は、自励振回路３０から固
有振動数に等しい周波数の電気信号を入力するともとも
に、同信号の周波数を逓倍してバンドパスフィルタ回路
５０の中心周波数を固有振動数に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固有振動数を有す
る振動子を用いて物体の角速度を検出する角速度検出装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置は、例えば特開平３
−１７２７１１号公報に示されているように、固有振動
数を有する音叉型の振動子をその軸線方向と直交する第
１方向へ固有振動数で振動させておくとともに軸線回り
にある角速度で回転させると、振動子が前記角速度に比
例した大きさのコリオリ力により前記軸線方向及び第１
方向の両方向に直交する第２方向へ前記固有振動数で振
動する原理を用い、前記第２方向の振動子の振動を電気
信号として取り出して、同取り出した電気信号の振幅値
の大きさにより振動子を固定した物体の前記軸線回りの
角速度を検出するようにしている。また、この従来の装
置においては、前記取り出した電気信号を中心周波数を
振動子の固有振動数に合わせたバンドパスフィルタを通
過させて、同取り出した電気信号に含まれるノイズ成分
を除去して、角速度の検出精度を良好にするようにして
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の装
置にあっては、振動子及びバンドパスフィルタの部品の
ばらつき、温度変化などの環境変化により、振動子の固
有振動数とバンドパスフィルタの中心周波数との間にず
れが生じて、バンドパスフィルタを通過した電気信号の
振幅が変動し、このために角速度の検出精度が悪化する
という問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、角速度を常に
精度よく検出できるようにすることを目的としてなされ
たもので、その構成上の特徴は、コリオリ力によって発
生する振動子の振動を表す電気信号を通過させるバンド
パスフィルタをその中心周波数を可変に構成するととも
に、バンドパスフィルタの中心周波数を振動子の固有振
動数と一致するように制御するフィルタ制御手段を設け
たことにある。

【０００５】

【発明の作用及び効果】上記のように構成した本発明に
よれば、フィルタ制御手段がバンドパスフィルタの中心
周波数を振動子の固有振動数と一致するように制御する
ので、振動子又はバンドパスフィルタの部品がばらつい
ても、温度変化などの環境が変化しても、バンドパスフ
ィルタの中心周波数と振動子の固有振動数は常に一致
し、振動子を固定した物体の角速度を表す電気信号が常
に精度よく取り出されて同角速度が常に精度よく検出で
きるようになる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る角速度検
出装置を構成する音叉型振動子１０を斜視図により示し
ている。

【０００７】この音叉型振動子１０は、角速度の検出さ
れる物体に固定した基台１１上に平行に立設した一対の
振動片１２，１３を備えている。振動片１２，１３の下
部には駆動用圧電素子１４ａ，１４ｂ及びモニタ用圧電
素子１５ａ，１５ｂがそれぞれ固着されている。駆動用
圧電素子１４ａ，１４ｂは振動片１２，１３をＸ軸方向
に励振する機能を有し、モニタ用圧電素子１５ａ，１５
ｂは振動片１２，１３のＸ軸方向の振動を検出して同振
動を表す電気信号を取り出す機能を有する。また、振動
片１２，１３の上部には検出用圧電素子１６ａ，１６ｂ
がそれぞれ固着されており、同素子１６ａ，１６ｂは振
動片１２，１３のＹ軸方向の振動を検出するとともに同
振動を電気信号として取り出す電気信号取り出し手段と
して機能する。なお、Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交して
いるとともに、音叉型振動子１０の軸線Ｌ１方向である
Ｚ軸に対してもそれぞれ直交している。

【０００８】図２に示すように、駆動用圧電素子１４
ａ，１４ｂ及びモニタ用圧電素子１５ａ，１５ｂは、こ
れらの素子１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと共に自励
振手段を構成する自励振回路３０にバッファアンプ２
１，２２を介してそれぞれ接続されている。この自励振
回路３０は、バッファアンプ２３を介してフェーズロッ
クドループ回路（フィルタ制御手段）４０に接続されて
いる。また、検出用圧電素子１６ａ，１６ｂは、バッフ
ァアンプ２４，２５及び差動増幅回路２６を介してバン
ドパスフィルタ回路５０に接続されている。

【０００９】自励振回路３０は、駆動用圧電素子１４
ａ，１４ｂに駆動信号を供給して振動片１２，１３をＸ
軸方向に励振させるもので、乗算器３１、ローパスフィ
ルタ３２、反転増幅器３３及び電圧制御型増幅器３４を
備えている。乗算器３１はモニタ用圧電素子１５ａ，１
５ｂからの電気信号を整流するために同電気信号を２乗
して出力し、ローパスフィルタ３２は乗算器３１からの
電気信号を積分する。これにより、振動片１２，１３の
Ｘ軸方向の振動の振幅を表す電圧信号が得られる。反転
増幅器３３はローパスフィルタ３２からの前記電圧信号
にほぼ反比例する電圧信号を出力し、電圧制御型増幅器
３４はモニタ用圧電素子１５ａ，１５ｂから入力した電
気信号の利得を反転増幅器３３からの電圧信号に応じて
制御して、駆動用圧電素子１４ａ，１４ｂに出力する。
これにより、振動片１２，１３は、一定振幅でかつ音叉
型振動子１０の固有振動数でＸ軸方向に振動し続ける。

【００１０】フェーズロックドループ回路（フィルタ制
御手段）４０は、音叉型振動子１０の固有振動数を逓倍
して出力する逓倍回路を構成するもので、電圧制御型発
振器４１、分周器４２、位相比較器４３及びローパスフ
ィルタ４４からなる。位相比較器４３には自励振回路３
０から音叉型振動子１０の固有振動数に等しい周波数の
電気信号が入力されており、同電気信号の周波数を所定
数だけ逓倍した周波数を有するクロック信号が電圧制御
型発振器４１から出力される。

【００１１】バンドパスフィルタ回路５０は、検出用圧
電素子１６ａ，１６ｂにより取り出された電気信号に含
まれる周波数成分のうちで音叉型振動子１０の固有振動
数近傍の周波数成分のみを抽出するものである。このバ
ンドパスフィルタ回路５０は、コンデンサＣ１〜Ｃ６、
オペアンプＯＰ１，ＯＰ２及びスイッチング回路ＳＷ１
〜ＳＷ３からなってその中心周波数を可変とするスイッ
チドキャパシタンスフィルタで構成されており、スイッ
チング回路ＳＷ１〜ＳＷ３が、電圧制御型発振器４１か
ら供給されるクロック信号のハイローレベルに応じて切
り換えられて、バンドパスフィルタ回路５０の中心周波
数を同クロック信号の周波数に応じて変更する機能を有
する。この場合、スイッチング回路ＳＷ１〜ＳＷ３が音
叉型振動子１０の固有振動数を前記所定数だけ逓倍した
周波数のクロック信号により切り換えられたとき、この
バンドパスフィルタ回路５０の中心周波数が前記固有振
動数に等しくなるように調整されている。

【００１２】このバンドパスフィルタ回路５０の出力に
は振幅検出回路６０が接続されており、同回路６０はバ
ンドパスフィルタ回路５０からＹ軸方向の振動を表す電
気信号の振幅値を検出して同振幅値を表す信号を出力す
る。

【００１３】上記のように構成した角速度検出装置にお
いては、駆動用圧電素子１４ａ，１４ｂ、モニタ用圧電
素子１５ａ，１５ｂ及び自励振回路３０の作用により、
振動片１２，１３はＸ軸方向に音叉型振動子１０の固有
振動数で振動する。この場合、振動片１２，１３の振動
の振幅は、自励振回路３０によりほぼ一定に制御され
る。この状態で、基台１１の固定された物体が音叉型振
動子１０の軸線Ｌ１（Ｚ軸）回りに回転すると、同回転
の角速度に比例したコリオリ力が振動片１２，１３のＹ
軸方向に発生し、同振動片１２，１３はＹ軸方向に振動
する。この場合の振動片１２，１３の振動の周波数は音
叉型振動子１０の固有振動数に等しく、同振動の振幅は
前記物体の回転角速度に比例する。

【００１４】この振動片１２，１３のＹ軸方向の振動は
検出用圧電素子１６ａ，１６ｂにより検出されるととも
に電気信号として取り出されて、バンドパスフィルタ回
路５０に供給される。一方、電圧制御型発振器４１は音
叉型振動子１０の固有振動数を前記所定数だけ逓倍した
周波数を有するクロック信号を出力しており、バンドパ
スフィルタ回路５０の中心周波数はこのクロック信号に
より前記固有振動数に等しく制御されているので、振動
片１２，１３のＹ軸方向の振動を表す電気信号は音叉型
振動子１０の固有振動数に等しい中心周波数を有するバ
ンドパスフィルタ回路５０を介して振幅検出回路６０に
出力される。そして、振幅検出回路６０にて振動片１
２，１３のＹ軸方向の振動を表す電気信号の振幅値が検
出されるので、音叉型振動子１０を固定した物体の軸線
Ｌ１（Ｚ軸）回りの角速度が前記振幅値として検出され
る。

【００１５】この場合、自励振回路３０は振動片１２，
１３を常に一定振幅で励振させるように作用する。ま
た、フェーズロックドループ回路（フィルタ制御手段）
４０がバンドパスフィルタ回路５０の中心周波数を音叉
型振動子１０の固有振動数に一致させるように制御する
ので、音叉型振動子１０又はバンドパスフィルタ回路４
０のコンデンサＣ１〜Ｃ６、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２
などの製造精度にばらつきがあっても、温度変化などの
環境が変化しても、バンドパスフィルタ回路５０の中心
周波数と音叉型振動子１０の固有振動数は常に一致し、
音叉型振動子１０を固定した物体の角速度を表す電気信
号が常に精度よく取り出され、同角速度を常に精度よく
検出できるようになる。

【００１６】また、上記実施形態においては、バンドパ
スフィルタ回路５０をスイッチドキャパシタンスフィル
タで構成するようにしたので、同フィルタ回路５０を集
積回路化し易くなり、角速度検出装置の回路部分を小さ
く構成できるようになるとともに量産化し易くなる。そ
して、このバンドパスフィルタ回路５０の中心周波数を
音叉型振動子１０の固有振動数に等しく制御するための
クロック信号であって同固有振動数より少なくとも高い
周波数を有するクロック信号を得るために、フェーズロ
ックドループ回路４０を用い、同回路４０が同固有振動
数に等しい周波数を有する電気信号を音叉型振動子１０
の自励振回路３０から入力するとともに、同入力した電
気信号の周波数を逓倍するようにしたので、精度よくバ
ンドパスフィルタ回路５０の中心周波数を音叉型振動子
１０の固有振動数に等しく制御できる。

【００１７】なお、上記実施形態においては、音叉型振
動子１０の振動片１２，１３をＸ軸方向に駆動用圧電素
子１４ａ，１４ｂによって励振させるとともに、同振動
片１２，１３のＸ軸方向及びＹ軸方向の各振動をモニタ
用圧電素子１５ａ，１５ｂ及び検出用圧電素子１６ａ，
１６ｂでそれぞれ検出して電気信号として取り出すよう
にした。しかし、図３に示すように、音叉型振動子７０
自体を水晶などの圧電材料で構成するようにしてもよ
い。この場合には、圧電素子を用いて音叉型振動子７０
の振動片７２，７３を励振させたり、同振動片７２，７
３の振動を電気信号に変換したりする必要がないので、
上記実施形態の２つの駆動用圧電素子１４ａと１４ｂと
に代えて、振動片７２，７３をＸ軸方向に励振させるた
めの２組の駆動用電極７４ａ１，７４ａ２と７４ｂ１、
７４ｂ２とを音叉型振動子７０に設けるようにすればよ
い。また、上記実施形態の２つのモニタ用圧電素子１５
ａと１５ｂとに代えて、振動片７２，７３のＸ軸方向の
振動を電気信号として取り出すための電気信号取り出し
手段としての２組のモニタ用電極７５ａ１，７５ａ２と
７５ｂ１，７５ｂ２とを音叉型振動子７０に設けるよう
にすればよい。さらに、上記実施形態の１組の検出用圧
電素子１６ａ，１６ｂに代えて、振動片７２，７３のＹ
軸方向の振動を電気信号として取り出すための電気信号
取り出し手段として１組の検出用電極７６ａ，７６ｂを
音叉型振動子７０に設けるようにすればよい。

【００１８】そして、この場合、２組の駆動用電極７４
ａ１，７４ａ２と７４ｂ１，７４ｂ２のうちで各組の一
方の電極をそれぞれ接地して、各組の他方の電極を上記
図２の検出用圧電素子１４ａ，１４ｂに代えてバッファ
アンプ２１にそれぞれ接続するようにすればよい。ま
た、２組のモニタ用電極７５ａ１，７５ａ２と７５ｂ
１，７５ｂ２のうちで各組の一方の電極をそれぞれ接地
して、各組の他方の電極を上記図２のモニタ用圧電素子
１５ａ，１５ｂに代えてバッファアンプ２２にそれぞれ
接続するようにすればよい。さらに、１組の検出用電極
７６ａ，７６ｂを上記図２の１組の検出用圧電素子１６
ａ，１６ｂに代えてバッファアンプ２４，２５にそれぞ
れ接続するようにすればよい。このように構成した変形
例においては、上記実施形態と同様に動作するとともに
同様な効果が期待されるのに加えて、音叉型振動子７０
自体を小さく構成できるので、角速度検出装置全体をコ
ンパクトに構成できる。

【００１９】また、上記実施形態及び変形例において
は、モニタ用圧電素子１５ａ，１５ｂ及びモニタ用電極
７５ａ１，７５ａ２，７５ｂ１，７５ｂ２により変換し
た電気信号を自励振回路３０に入力するとともに、フィ
ルタ制御手段としてのフェーズロックドループ回路４０
にも入力するようにした。しかし、自励振回路３０のた
めのモニタ用圧電素子（又はモニタ用電極）と、フェー
ズロックドループ回路４０のためのモニタ用圧電素子
（又はモニタ用電極）をそれぞれ別個に設けて、各モニ
タ用圧電素子（又は各電極）にてそれぞれ変換した各電
気信号を自励振回路３０及びフェーズロックドループ回
路４０にそれぞれ供給するようにしてもよい。

【００２０】また、上記実施形態及び変形例において
は、駆動用圧電素子及び一対の駆動用電極、並びにモニ
タ用圧電素子及び一対のモニタ用電極をそれぞれ２組ず
つ設けるようにしたが、充分に大きな振動及び電気信号
が得られる場合には、駆動用圧電素子及び一対の駆動用
電極、並びにモニタ用圧電素子及び一対のモニタ用電極
をそれぞれ１組ずつ設けるようにしてもよい。

【００２１】さらに、上記実施形態及びその変形例にお
いて、固有振動数を有する振動子として音叉型振動子を
例にして説明したが、この振動子としては、音叉型に限
らず、Ｈ型、他の形をした種々の振動子を利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の角速度検出装置の一実施形態に係る
音叉型振動子の概略斜視図である。

【図２】 同角速度検出装置の一実施形態に係る回路部
分のブロック線図である。

【図３】 同実施形態の変形例に係る音叉型振動子の概
略斜視図である。

【符号の説明】

１０…音叉型振動子、１２，１３…振動片、１４ａ，１
４ｂ…駆動用圧電素子、１５ａ，１５ｂ…モニタ用圧電
素子、１６ａ，１６ｂ…検出用圧電素子、３０…自励振
回路、４０…フェーズドロックドループ回路、５０…バ
ンドパスフィルタ回路、６０…振幅検出回路、７０…音
叉型振動子、７２，７３…振動片、７４ａ１，７４ａ
２，７４ｂ１，７４ｂ２…駆動用電極、７５ａ１，７５
ａ２，７５ｂ１，７５ｂ２…モニタ用電極、７６ａ，７
６ｂ…検出用電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の固有振動数を有する振動子と、 前記振動子を一軸線方向と直交する第１方向へ前記固有
   振動数で振動させる自励振手段と、 前記一軸線方向と前記第１方向との両方向に直交する第
   ２方向への前記振動子の振動を電気信号として取り出す
   電気信号取り出し手段と、 前記電気信号取り出し手段に接続されて前記取り出され
   た電気信号に含まれる周波数成分のうちで前記固有振動
   数近傍の周波数成分のみを抽出するバンドパスフィルタ
   とを備え、前記バンドパスフィルタの出力信号に基づい
   て前記一軸線回りの角速度を検出する角速度検出装置に
   おいて、 前記バンドパスフィルタをその中心周波数を可変に構成
   するとともに、 前記バンドパスフィルタの中心周波数を前記振動子の固
   有振動数と一致するように制御するフィルタ制御手段を
   設けたことを特徴とする角速度検出装置。