JPH10332380A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出感度の良い角速度検出装置を提供するこ
と 【解決手段】 角速度を検出すべき物体に固定される圧
電体基板と、この圧電体基板の表面の所定領域に弾性表
面波の定在波を生成する弾性表面波共振器と、この弾性
表面波共振器内に生成されている定在波を震動源とし弾
性表面波共振器の共振方向と垂直な方向に伝搬する第２
の弾性表面波を検出する検出電極と、第２の弾性表面波
を反射して定在波を作る一対のグレーティング反射器と
を備えた角速度検出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板表面に弾性表
面波を発生させ、基板が回転したときの回転角速度に応
じた弾性表面波の変化に基づいて角速度を検出する角速
度検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】弾性表面波を利用した角速度検出装置と
して、特開昭６３−２７７９２０号公報に開示されたも
のがある。この従来技術の角速度検出装置は、回転体に
取り付ける圧電体基板上に、圧電体基板の回転軸方向に
弾性表面波を発生する励振電極と、弾性表面波の伝搬路
中に配置された中間電極と、弾性表面波の伝搬路外でか
つ中間電極を挟んで配置された２つの検出電極とを備え
たものであり、検出電極が、弾性表面波の伝搬方向とこ
れに直交した方向に弾性表面波の波長の１／２倍ずつ順
次離れた複数個の電圧検出部を有する検出電極列からな
ることを特徴とする。

【０００３】この従来の角速度検出装置によれば、励振
電極により圧電体基板表面に弾性表面波を励起させる
と、中間電極から検出電極に向かう第２の弾性表面波が
生成され、この状態で圧電体基板が回転すると、回転に
伴うコリオリの力により回転角速度に応じて第２の弾性
表面波の位相が変化し、その位相変化は検出電極の電圧
変化として現れる。したがって、検出電極の電圧変化量
から回転角速度を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の角
速度検出装置では、第２の弾性表面波が進行方向にその
まま発散してしまうので、検出電極における第２の弾性
表面波による振動振幅は非常に小さい。そのため、検出
電極に生じる信号変化も小さく、十分な検出感度を得る
ことが難しい。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度検出装置
は、このような問題を解決するためになされたものであ
り、角速度を検出すべき物体に固定される圧電体基板
と、この圧電体基板の表面の所定領域に弾性表面波の定
在波を生成する弾性表面波共振器と、この弾性表面波共
振器内に生成されている定在波を震動源とし弾性表面波
共振器の共振方向と垂直な方向に伝搬する第２の弾性表
面波を検出する検出電極と、第２の弾性表面波を反射し
て定在波を作る一対のグレーティング反射器とを備えて
いる。

【０００６】この角速度検出装置の動作は次の通りであ
る。まず、弾性表面波共振器中に弾性表面波による定在
波をたたせておく。この定在波の節と腹のうちの腹の部
分に当たる基板表面は、弾性表面波共振器の共振方向に
垂直な方向に所定の幅をもって上下（基板表面に垂直な
方向）に振動している。そして、この定在波による圧電
体基板表面の上下振動を震動源とする第２の弾性表面波
が、弾性表面波共振器の共振方向に垂直な方向に伝搬す
る。この第２の弾性表面波はグレーティング反射器で反
射され、グレーティング反射器間で定在波をつくる。こ
のグレーティング反射器間の定在波による振動は、検出
電極部の基板表面における圧電効果により電気信号に置
き換えられる。

【０００７】一方、圧電体基板が弾性表面波共振器の共
振方向と平行な軸を中心として回転すると、弾性表面波
共振器内に励起された定在波の腹の部分の上下振動は、
回転角速度に応じたコリオリの力を圧電体基板に平行で
弾性表面波共振器の共振方向に垂直な方向に受け、圧電
体基板に垂直な方向に対して角度をもつ。

【０００８】この定在波による上下振動の角度偏向は、
第２の弾性表面波の震動源の位置ずれを意味し、弾性表
面波共振器の共振方向に垂直な方向のグレーティング反
射器間に形成される定在波の位相ずれを生じさせる。

【０００９】したがって、この第２弾性表面波による定
在波の位相ずれ量を検出すれば、回転角速度を求めるこ
とができる。第２弾性表面波による定在波の位相ずれ量
は、検出電極に発生する電気信号から知ることもできる
し、この位相ずれを相殺するような電圧印加を検出電極
にかけて、その印加電圧を制御するコントロール電圧か
ら知ることもできる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
角速度検出装置を示す構成図である。同図において、圧
電体基板１はＸＹＺ直交座標空間のＸＹ平面に配置さ
れ、圧電体基板１の表面には、従来からの一般的な金属
蒸着技術やフォトリソグラフィ技術等によって励振電極
２、第１グレーティング反射器３、４、検出電極５〜
８、第２グレーティング反射器９、１０および浮き電極
１５が形成されている。

【００１１】励振電極２は、Ｙ方向に延びる複数の帯状
の電極が櫛歯状にＸ方向に配列された４つの櫛形電極２
１〜２４から構成されている。第１グレーティング反射
器３および４は、Ｙ方向に延びる帯状の複数のストリッ
プ線が、励振電極２の帯状の電極と同列にＸ方向に配列
されたものであり、第１グレーティング反射器３および
４で励振電極２を挟むように配置することにより弾性表
面波共振器が構成されている。

【００１２】つまり、第１グレーティング反射器３およ
び４を適当な間隔を隔てて配置すると、反射器間には光
波の分野におけるファブリペロー共振器と同様な共振空
胴が形成されて空胴内に弾性表面波の定在波が立つの
で、この定在波と強く結合するように励振電極を配置す
ることにより弾性表面波共振器が構成されるのである。

【００１３】本実施形態の第１グレーティング反射器３
および４は、上述したように圧電体基板１上に帯状の薄
い金属膜であるストリップ線を形成したものであり、各
ストリップ線の間隔ｐを、共振状態の弾性表面波の波長
λのｎ／２倍（ｎは自然数）に設定することにより、全
体として強い反射を得ることができる。なお、ストリッ
プ線に代えて、溝（グルーブ）で縞を形成してもよい。

【００１４】励振電極２の櫛形電極２１および２２は、
交流電源１１の一方の端子に接続され、櫛形電極２３お
よび２４は、交流電源１１の他方の端子に接続されてい
るので、圧電体基板１表面の励振電極部においてＸ方向
に進行する弾性表面波が発生し、この励振周波数が第１
グレーティング反射器３および４のストップバンド周波
数内であれば、弾性表面波の波長や励振電極２と第１グ
レーティング反射器３および４との距離などについての
所定の条件を満たすことにより、弾性表面波は両反射器
間で多重反射して定在波を作る。

【００１５】励振電極２は櫛形電極２１と２３からなる
第１の励振部と、櫛形電極２２と２４からなる第２の励
振部とに分かれ、両者の間に浮き電極１５が形成されて
いる。浮き電極１５は、この弾性表面波共振器により形
成される定在波の腹の部分と重なる位置に配置されてお
り、この部分での定在波による上下振動を安定させる。

【００１６】検出電極５〜８は、この浮き電極１５をＹ
方向において挟むように配置されており、検出電極５〜
８の外側には、第２グレーティング反射器９および１０
が配置されている。

【００１７】第１グレーティング反射器３、４および励
振電極２で構成される弾性表面波共振器がつくる定在波
によって、浮き電極１５の位置における基板表面部が上
下（Ｚ方向）に振動すると、その振動を震動源とする第
２の弾性表面波が＋Ｙの向きおよび−Ｙの向きに進行す
る。この第２の弾性表面波は第２グレーティング反射器
９および１０で反射して定在波を作る。

【００１８】検出電極５〜８は、それぞれの位置におけ
る定在波の振動に応じた電気信号を出力する。すなわ
ち、圧電体基板の表面は定在波の振動に応じた応力が与
えられ、圧電効果により誘電分極を起こすので、検出電
極５〜８は誘電分極に応じた電荷の変化を出力する。

【００１９】検出電極５〜８のうちの少なくとも１つの
検出電極、たとえば、検出電極５は、圧電体基板１の外
に設けられた位相比較器１２の一方の入力端子に接続さ
れる。位相比較器１２は、この検出電極５からの電気信
号の位相と、他方の入力端子に入力される励振信号の位
相とを比較し、その差を電圧値として出力する。

【００２０】つぎに、この角速度検出装置の圧電体基板
１がＸ軸と平行な軸（以下、単にＸ軸という）を中心と
して回転したときの動作を図２の振動方向説明図と、図
３の波形図を用いて説明する。

【００２１】図２は浮き電極１５の位置の圧電体基板表
面の振動状態を示す振動方向説明図であり、図１の左方
から視たときの振動方向を矢印で示したものである。同
図において、矢印１５はＸ軸周りの回転がないときの振
動であり、矢印１６は図１の左方からみて半時計方向に
回転したときの振動であり、矢印１７は時計方向に回転
したときの振動である。

【００２２】また、図３（ａ）は交流電源１１が出力す
る励振信号波形を示し、同図（ｂ）は検出電極５の出力
信号波形を示し、同図（ｃ）は位相比較器１２の出力波
形を示す。

【００２３】圧電体基板１がＸ軸を中心とする回転力を
受けていないときには、浮き電極１５の位置の圧電体基
板１表面は、図２の矢印１５に示すように、Ｚ軸方向す
なわち圧電体基板１の表面に垂直な方向に振動してい
る。このとき、図３の時刻Ｔ２に示すように、励振信号
と検出電極出力信号とは位相が一致しており、位相比較
器１２の出力電圧は基準電圧値Ｖ１となる。

【００２４】つぎに、圧電体基板１が図１の左方から視
て半時計方向に回転すると、Ｙ方向にＦ＝２ｍＶ・Ωで
表されるコリオリの力が働く。ここに、ｍは振動してい
る基板表面部の質量、Ｖは振動速度、Ωは圧電体基板１
のＸ軸周りの回転角速度である。このコリオリの力によ
って、浮き電極１５での振動は図２の矢印１６のように
Ｚ軸に対して偏向する。この振動方向の偏向により、第
２の弾性表面波の震動源として位置がＹ方向にずれて、
第２の弾性表面波による定在波の位相がずれる。この位
相ずれによって検出電極５に現れる電気信号は図３
（ｂ）の時刻Ｔ１のときのようになり、位相比較器１２
は、その位相差に応じた値だけ基準電圧Ｖ１より高い電
圧を出力する（図３（ｃ）参照）。

【００２５】逆に、圧電体基板１が図１の左方から視て
時計方向に回転すると、半時計方向の回転のときと同方
向で逆向きのコリオリの力が働き、浮き電極１５での振
動は図２の矢印１７に示すように偏向する。この振動方
向の偏向により、第２の弾性表面波による定在波の位相
がずれ、検出電極５に現れる電気信号は図３（ｂ）の時
刻Ｔ３のときのようになり、位相比較器１２は、その位
相差に応じた値だけ基準電圧Ｖ１より低い電圧を出力す
る（図３（ｃ）参照）。

【００２６】以上のように、位相比較器１２の出力は、
圧電体基板１のＸ軸周りの回転角速度に応じた電圧を出
力するので、逆にこの位相比較器１２の出力から角速度
を検出することができる。

【００２７】図４は本発明の第２の実施形態である角速
度検出装置を示す構成図である。圧電体基板４１は、Ｘ
ＹＺ直交座標空間のＸＹ平面に配置され、圧電体基板４
１の表面には、金属蒸着技術やフォトリソグラフィ技術
等によって励振電極６１〜６４、第１グレーティング反
射器４３、４４、検出電極４５〜４８、第２グレーティ
ング反射器４９、５０および浮き電極６５〜６８が形成
されている。

【００２８】第１グレーティング反射器４３と４４の間
に励振により定在波を作り、浮き電極６５〜６８が配置
されている励振電極間の定在波を震動源とするＹ方向に
進む第２の弾性表面波を発生させ、これを第２グレーテ
ィング反射器４９、５０で反射させて定在波つくること
は、第１実施形態と同じである。なお、第１グレーティ
ング反射器４３と４４の間に生成される定在波のＹ方向
の幅、および、第２グレーティング反射器４９と５０の
間に生成される定在波のＸ方向の幅が第１実施形態より
も広いが、本質的な相違ではない。

【００２９】この実施形態では、検出電極４８に現れる
電気信号と電源１１の励振信号との位相を比較する位相
比較器１２の出力信号は、位相同期回路７１に与えら
れ、その出力信号が検出電極４８にフィードバックされ
ている。これにより、第２の弾性表面波による定在波の
位相を励振信号の位相に強制的に一致させている。その
ときの位相同期回路７１のコントロール電圧は、第２の
弾性表面波による定在波の位相ずれ量に対応しているた
め、出力端子７２からそのコントロール電圧を取り出せ
ば、この信号から回転角速度を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の角速度検
出装置によれば、圧電体基板に弾性表面波による定在波
を作り、その定在波を新たな震動源とする第２の弾性表
面波の位相変化から角速度を検出する角速度検出装置に
おいて、コリオリの力に応じて位相が変化する第２の弾
性表面波をグレーティング反射器で反射させて定在波を
つくり、その定在波の位相ずれを検出することができる
ので、高感度に角速度を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である角速度検出装置を
示す構成図。

【図２】浮き電極１５の位置の圧電体基板表面の振動状
態を示す図。

【図３】第１実施形態の動作を示す波形図。

【図４】本発明の第２実施形態である角速度検出装置を
示す構成図。

【符号の説明】

１、４１…圧電体基板、３、４、４３、４４…第１グレ
ーティング反射器、５〜８、４５〜４８…検出電極、
９、１０、４９、５０…第２グレーティング反射器、１
１…励振用交流電源、１２…位相比較器、１３、７２…
出力端子、１５、６５〜６８…浮き電極、２１〜２４、
６１〜６４…励振電極、７１…位相同期回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角速度を検出すべき物体に固定される圧
   電体基板と、 この圧電体基板の表面の所定領域に弾性表面波の定在波
   を生成する弾性表面波共振器と、 この弾性表面波共振器内に生成されている定在波を震動
   源とし前記弾性表面波共振器の共振方向と垂直な方向に
   伝搬する第２の弾性表面波を検出する検出電極と、 前記第２の弾性表面波を反射して定在波を作る一対のグ
   レーティング反射器とを備えたことを特徴とする角速度
   検出装置。