JPH1054724A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動型の角速度検出装置において、振動子で
のねじれ力および重心移動を抑制して振動漏れを防止
し、検出効率を高める。 【解決手段】振動子と、この振動子を励振する励振手段
と、この励振手段により励振された振動子が回転するこ
とに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の振幅を
検出する検出手段と、この検出手段により検出された振
幅の大きさから回転の角速度を演算する角速度演算手段
とを備えた角速度検出装置において、振動子は一端が共
通に固定された互いに平行な４本の振動片を備え、この
４本の振動片は検出角速度の回転軸に平行な仮想軸から
略等距離で隣同士が略等間隔になるように配置されてお
り、さらに、励振手段は４本の振動片をそれぞれが仮想
軸を介して対向する振動片とは同方向且つ逆相となり、
隣り合う振動片とは直交する方向となるように励振する
ものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステムや姿勢制御などに用いられる角速度検出
装置に関するものであり、特に、振動型の角速度検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、振動体に回転を加えるとコリ
オリの力によって回転角速度に応じた新たな振動が発生
することを利用した振動型角速度検出装置が知られてい
る。振動子として４本の振動片をもつものとして、たと
えば、特開平６−３３１３６２号公報に開示されたいわ
ゆるＨ型のものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種のＨ型振動子は
振動モードとして種々のモードが考えられるが、いずれ
にしても励振振動またはそれと直交するコリオリの力に
基づく振動のいずれかによって、支持部にねじれが生じ
る。このねじれ振動は外部への振動漏れの原因となりや
すく、ノイズの原因となることもある。

【０００４】

【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のものであり、振動子
と、この振動子を励振する励振手段と、この励振手段に
より励振された振動子が回転することに伴って発生する
コリオリの力に基づく振動の振幅を検出する検出手段
と、この検出手段により検出された振幅の大きさから回
転の角速度を演算する角速度演算手段とを備えた角速度
検出装置において、振動子は一端が共通に固定された互
いに平行な４本の振動片を備え、この４本の振動片は検
出角速度の回転軸に平行な仮想軸から略等距離で隣同士
が略等間隔になるように配置されており、さらに、励振
手段は４本の振動片をそれぞれが仮想軸を介して対向す
る振動片とは同方向且つ逆相となり、隣り合う振動片と
は直交する方向となるように励振するものである。

【０００５】また、励振手段を、振動片のうち隣り合う
任意の２本の振動片を同一方向で逆相に励振し、残りの
２本の振動片を同一方向で逆相に且つ他の２本の振動片
とも逆相に励振するものとしてもよい。

【０００６】振動片をこのように配置して励振すること
により、４本の振動片が共通に固定されている部分に
は、励振振動によっても、また、この励振振動に直交す
る方向に発生するコリオリの力による検出すべき振動
（検出振動）によっても、各振動片からの力が相互に相
殺されてねじれ力が生じない。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の角速度検出装置に
用いられる振動子を示す斜視図である。振動子１は四角
柱の固定台１０の４つの側面に、それぞれ４枚の振動板
２〜５を非揮発性のはんだガラスのようなもので固定し
たものである。振動板２〜５は水晶の薄い単結晶基板で
あり、図示のように平面形状において長方形の基部の一
つの短辺から細長い振動片６〜９がそれぞれ突出した同
一の形状を有する。

【０００８】図２は振動板２を振動板２〜５を代表して
示した斜視図である。振動片６の４つ角部には励振用電
極２０ａ〜２０ｄ（ただし、電極２０ｃは裏側にあるた
めこの図では見えていない）がそれぞれ設けられてい
る。また、振動片６の４つの側面には検出用電極２１ａ
〜２１ｄ（ただし、電極２１ｃおよび２１ｄは裏側のた
めこの図では見えていない）がそれぞれ設けられてい
る。これらの電極は、クロムと金の２層構造となってお
り、振動片６の表面にこれらの金属を蒸着した後に、フ
ォトリソグラフィ技術を用いて適宜分離すると共に所望
の形状にパターニングすることにより得られる。また、
各電極は振動板２の基部に設けられている図示省略した
ボンディングパッドのいずれかと電気的に接続され、そ
こからさらにボンディングワイヤ等を介して後述する信
号処理回路に接続される。

【０００９】ここで、振動板２を構成する水晶の単結晶
基板について説明する。天然の水晶は、一般に柱状結晶
であり、この柱状結晶の縦方向の中心軸すなわち＜００
０１＞結晶軸はＺ軸または光軸と規定され、Ｚ軸を通り
柱状結晶の各表面に垂直に交わる線はＹ軸または機械軸
と規定される。また、Ｚ軸を通りこの柱状結晶の縦方向
の稜線と直交する線はＸ軸または電気軸と規定される。
振動板２に用いられている単結晶基板はＺ板と呼ばれる
基板であり、Ｚ軸に垂直ないし略垂直な面で切り出され
た単結晶基板である。水晶のＸ軸およびＹ軸は互いに直
交するものが３組あり、そのうちの一組のＸＹ座標のＹ
軸を振動片６の長手方向と一致させ、振動片６の突出方
向を＋Ｙの向きと一致させている。図２に示すＸＹＺ座
標軸はこれを示している。なお、この振動板２に用いら
れる水晶は、人工水晶であるがその構造は天然の水晶と
同じである。

【００１０】つぎに、振動片６のＺ方向励振動作を図３
を用いて説明する。同図（ａ）は振動片６をＸＺ平面で
切った断面図であり、同図（ｂ）は振動片６の屈曲動作
を示した斜視図である。いま、図３（ａ）に示すような
極性の電圧が印加されている状態を考える。すなわち、
電極２０ａと２０ｃに負、電極２０ｂと２０ｄに正の電
圧を与える。水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないの
でＺ軸方向の電界を無視すると、圧電効果に影響を与え
る有効電界は矢印３１および３２で示すように上側には
−Ｘの向きに、下側には＋Ｘの向きに電界が生じる。水
晶の結晶は逆圧電効果により、Ｘ軸の正の向きに電界が
与えられるとＹ軸方向に伸び、Ｘ軸の負の向きに電界が
与えらるとＹ軸方向に縮む。したがって、図３（ａ）の
状態では、振動片６の上半分が縮み下半分が伸びるた
め、振動片６は上向きに屈曲する。電極２０ａから２０
ｄに対する印加電圧の極性が逆転すると、同様の原理に
より振動片６は下向きに屈曲する。この極性反転を繰り
返すことにより、振動片６は図３（ｂ）に示すようにＺ
方向に振動する。

【００１１】検出用電極２１ａから２１ｄは、振動片６
のＸ方向の振動振幅を検出するための電極である。図４
はその検出原理を説明するためのものである。振動片６
が図４（ｂ）に示すようにＸ方向に振動して、＋Ｘの向
きに屈曲すると、振動片６の電極２１ｂ側がＹ方向に伸
び、電極２１ｄ側がＹ方向に縮む。水晶の圧電効果によ
り、Ｙ方向に縮むとＸ方向の誘電分極４１が生じ、Ｙ方
向に伸びると逆向きのＸ方向の誘電分極４２が生じる。
これによって、電極２１ａおよび２１ｃに正の電荷が集
まり、電極２１ｂおよび２１ｄに負の電荷が集まる。こ
の電荷量は屈曲が大きくなれば大きな値となる。振動片
６が−Ｘの向きに屈曲すると、同様の原理に基づいて上
述したものと全く逆の極性が現れる。振動板３〜５は結
晶方位および電極配置も含めて振動板２と全く同一の構
造であり、＋Ｚの向きがすべて外側を向くように、また
各振動片のＹ方向の位置が揃うように固定台１０の４つ
側面に固定されている。したがって、振動片６〜９は互
いに平行で、固定台１０の長手方向の中心軸１９に対し
てすべて等距離にある。

【００１２】図５は本実施形態の励振回路５０、検出回
路６０および角速度演算回路７０を示すと共に、これら
の回路と振動片６〜９に設けられた電極２０ａ〜２０ｄ
および２１ａ〜２１ｄとの接続関係を示すブロック図で
ある。

【００１３】励振回路５０は、電流電圧変換回路５１と
自動利得制御回路５２と駆動回路５３とを備えている。

【００１４】駆動回路５３は、自動利得制御回路５２の
出力電圧値に応じた振幅で所定の繰り返し周波数のパル
ス波を励振信号として出力するとともに、その出力信号
と９０度位相のずれた信号を同期検波回路６４の検波信
号として出力する回路であり、その出力端子は端子５４
を介して振動片６〜９の励振用電極の中から２つが選択
され図示のように接続されている。振動片６〜９の残り
の励振用電極は、互いに共通に端子５５を介して電流電
圧変換回路５１の入力端子に接続されることにより、駆
動回路５３が出力するパルス波の中間電位に固定され
る。このような接続のもとで、振動片６〜９に振動片の
固有振動数に近い励振周波数の励振信号が励振回路５０
から与えられると、振動片６〜９はそれぞれ矢印１１〜
１４で代表されるような位相で励振される。すなわち、
振動片６および８は図１における上下方向に互いに逆相
で励振され、振動片７および９は図１における左右方向
に互いに逆相で励振される。しかも、振動片６および８
が矢印１１および１３に示すように外側に広がった時に
は振動片７および９が矢印１２および１４に示すように
内側に閉じるようなタイミングで励振される。

【００１５】振動片の励振振動情報は、電流電圧変換回
路５１および自動利得制御回路５２を介してフィードバ
ックされる。電流電圧変換回路５１は、振動片６〜９の
Ｚ軸方向の屈曲に伴う圧電効果によって励振電極に発生
した電荷の変化量を電圧値に変換する回路である。

【００１６】自動利得制御回路５２は、電流電圧変換回
路５１から出力された電圧信号を入力し、その入力電圧
値が大きくなると出力電圧値を小さくし、入力電圧値が
小さくなると出力電圧値が大きくなるように動作する。
したがって、振動片６〜９の励振振動振幅が大きくなれ
ば、励振電極に発生する電荷も大きくなり、電流電圧変
換回路５１の出力電圧も大きくなる。これによって、自
動利得制御回路５２の出力電圧値は低くなり、駆動回路
５３の出力パルスの振幅は小さくなる。このように、駆
動回路５３から出力されるパルス信号の振幅はフィード
バック制御され、振動片６〜９の励振振幅は常に安定す
る。

【００１７】つぎに、各振動片６〜９のＸ軸方向の振動
を検出する検出用電極の結線および検出回路６０を説明
する。振動片６〜９に設けられた検出用電極は図５に示
すように結線され端子６５および６６に接続されてい
る。振動片６〜９を矢印１１〜１４のような位相で励振
しつつ振動子１が軸１９を中心に回転すると、コリオリ
の力に基づくＸ軸結晶方向の振動が矢印１５〜１８に示
すような位相で発生する。このＸ方向振動に基づいて各
検出用電極には図４で説明したような電荷の変化が生じ
るので、この変化を検出回路６０で検出する。検出用電
極は、励振振動との位相関係に基づいて、同極の電荷同
士が重畳されるように結線されている。

【００１８】検出回路６０は、電流電圧変換回路６１お
よび６２と作動増幅回路６３と同期検波回路６４とを備
えている。

【００１９】電流電圧変換回路６１は、その入力端子に
振動片６〜９の検出用電極の中からそれぞれ２つずつ選
択された合計８つの電極が図示のように共通に接続され
ており、これらの電極での電荷の変化量を増幅して電圧
値に変換する回路であり、電流電圧変換回路６２は残り
の検出用電極での電荷の変化量を増幅して電圧値に変換
する回路である。作動増幅回路６３は電流電圧変換回路
６１および６２のそれぞれの出力信号を入力し、両信号
の電位差を増幅する回路であり、この出力信号の振幅変
化は振動片６〜９の振動振幅変化に比例している。

【００２０】同期検波回路６４は作動増幅回路６３から
出力された交流電圧信号を駆動回路５３からの励振信号
に対して９０度位相のずれたパルス信号を生成し、その
パルス信号を検波信号として用いて同期検波を行った
後、積分処理を行うものであり、通常の同期検波回路に
積分回路が付加された回路である。コリオリの力による
Ｘ軸方向の振動は励振に対して９０度位相がずれている
ため、この同期検波および積分により、全波整流の積分
値となる。すなわち、同期検波回路６４の出力信号電圧
は、振動片６〜９のコリオリの力によるＸ軸方向の振動
振幅を示している。なお、Ｘ軸方向の振動にはＺ軸方向
の励振の漏れによるものも含まれているが、その振動は
励振振動と同相であるため、同期検波の際に零となって
しまう。

【００２１】角速度演算回路７０は、振動片６〜９の振
動振幅を示す検出回路６０の出力信号に基づいて、振動
子１の軸１９またはこれに平行な軸を中心とする回転角
速度を後述する角速度とコリオリの力との関係式を基に
して算出する回路である。

【００２２】次に、以上のように構成された角速度検出
装置の動作を説明する。励振回路５０は、振動片６〜９
の固有振動数にほぼ一致した周波数の励振信号を駆動回
路５３から出力する。これにより振動片６〜９は逆圧電
効果により自励振する。振動片６〜９の振動位相は矢印
１１〜１４に示すように、各振動片が軸１９を介して対
向する振動片とは同方向且つ逆相となり、隣り合う振動
片とは直交する方向となるように励振する。

【００２３】この状態で、振動子１が軸１９またはこれ
に平行な軸を中心として角速度ωで回転すると、各振動
片６〜９には、Ｆ＝２ｍＶ・ωで表されるコリオリの力
Ｆが各振動片のＸ結晶軸方向に発生する。ここに、ｍは
振動片の質量、Ｖは振動速度である。このコリオリの力
Ｆの発生によって、振動片６〜９はＺ結晶軸方向の振動
に対して９０度位相がずれてＸ結晶軸方向に振動する。
検出回路６０はこの振動振幅を検出して角速度演算回路
７０に与え、角速度演算回路７０ではＦ＝２ｍＶ・ωに
基づいてωを算出する。

【００２４】ところで、この振動子１は、一端が共通に
固定された互いに平行な４本の振動片６〜９を備え、こ
の４本の振動片６〜９が検出角速度の回転軸に平行な軸
１９から略等距離で隣同士が略等間隔になるように配置
されており、さらに軸１９を介して対向する振動片とは
同方向且つ逆相となり、隣り合う振動片とは直交する方
向となるように励振される。すなわち、振動片６〜９
は、固定台１０の中心軸１９を中心として放射方向に、
且つ、対向するもの同士が逆相で振動するので、固定台
１０に対してねじれ力が生じない。また、回転に伴って
軸１９を中心とする円の接線方向（矢印１５〜１８）に
コリオリの力に基づく検出振動が発生するが、隣接する
振動片同士がねじれ力を相殺し合うため、やはり、ねじ
れ力は生じない。このように、本実施形態に用いられる
振動子によれば、励振振動によっても検出振動によって
もねじれ力が発生しない。また、重心も軸１９上からは
ずれない。したがって、ねじれや重心移動に伴う外部へ
の振動漏れが発生せず、高い検出効率を保持できる。こ
の作用効果は、軸１９を介して対向する振動片とは同方
向且つ逆相となり、隣り合う振動片とは直交する方向と
なるように励振すればよく、したがって、矢印１１から
１４の励振に代えて、矢印１５から１８のように励振し
てもよい。

【００２５】図６は本発明の第２実施形態に用いられる
振動子１０１を示す斜視図である。この振動子１０１は
固定台と配線基板とを兼ねた中間基板１１０の上下面に
それぞれ振動板１０２および１０３を固定したものであ
り、各振動板１０２および１０３にはそれぞれ２本の振
動片１０６、１０７および１０８、１０９が一体に設け
られている。振動板１０２および１０３と基板１１０と
の接着固定は、非揮発性はんだガラス等で固定されてい
るため、振動漏れを抑制するために真空密封容器内に収
納した場合でも、高分子接着剤のときのようなガスを発
生させることがない。

【００２６】振動板１０２および１０３はいずれも水晶
単結晶のＺ板であり、中間基板１１０も水晶基板で構成
されている。このように、振動板と中間基板とを同一の
材料で構成することにより、温度変化などによって振動
板に不要な応力が発生しない。そのため、不要な応力に
基づく振動漏れを防止できる。

【００２７】振動板１０２および１０３はそれぞれ２本
の振動片を有する音叉型振動板であり、両者同一の形状
である。振動片１０６、１０７、１０８および１０９
は、すべて水晶のＹ結晶軸方向に突出しており、励振用
電極および検出用電極が設けられている。この振動子１
０１では、４本の振動片１０６、１０７、１０８および
１０９をそれぞれが中心軸（４本の振動片からほぼ等距
離にある仮想軸）を介して対向する振動片とは同方向且
つ同相となり、隣り合う振動片とは同方向且つ逆相とな
るように励振する。ここでは、振動片１０６および１０
７をＸ結晶軸方向に互いに逆相に励振し（矢印１１１お
よび１１２参照）、振動片１０８および１０９をＸ結晶
軸方向に互いに逆相に且つそれぞれの上方にある振動片
１０７および１０６とも逆相に励振する（矢印１１３お
よび１１４参照）。励振用電極は振動片の４つの側面に
配置される。一方、検出用電極は各振動片の４つの角部
に配置される。励振方向と励振用電極との関係、および
検出振動方向と検出用電極との関係は、図３および図４
を用いて説明した圧電効果に基づくものでり、ここで
は、詳しい説明は省略する。

【００２８】中間基板１１０の両側部には配線用ピン１
２１ａ〜１２１ｈが嵌合固定されている。振動片１０６
〜１０９の励振用電極および検出用電極は振動板１０２
および１０３上の配線および中間基板１１０上の配線を
経て配線用ピン１２１ａ〜１２１ｈに接続され、この配
線用ピン１２１ａ〜１２１ｈを介して外部に設けられた
励振回路および検出回路に接続される。振動板１０２お
よび１０３の配線と中間基板１１０上の配線とはボンデ
ィングワイヤで接続される。なお、振動板上および中間
基板上の配線、並びにボンディングワイヤは図示を省略
してある。配線用ピン１２１ａ〜１２１ｈは、ハーメチ
ックステム１２０に設けられた８つの貫通穴に先端が裏
面から突出するようにはめ込まれ、非揮発性の固着材で
密封固定されている。このように構成することにより、
配線用ピン１２１ａ〜１２１ｈを振動子１の取り付け固
定手段としても利用することができる。

【００２９】この振動子１の各振動片１０６〜１０９を
矢印１１１〜１１４のように励振しながら、振動片の長
手方向に平行な軸を中心に振動子１が回転すると、矢印
１１５〜１１８に示す方向および位相でコリオリの力に
よる振動が発生するので、検出電極に電荷の変化が生じ
る。これを第１実施形態と同様に検出回路で検出し、そ
の結果に基づいて角速度演算回路が角速度を算出する。

【００３０】本実施形態の場合も励振振動および検出振
動のいずれについてもねじれ力が発生せず、また、重心
の移動も中心軸から外れることがない。

【００３１】上記いずれの実施形態も、振動板は水晶の
Ｚ板をパターニングしたものであるが、その他の圧電材
料、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やニオ
ブ酸リチウムやタンタル酸リチウムといったその他の圧
電材料を用いてもよい。さらに、振動板をステンレスの
ような単なる振動板とし、電極に代えて電歪手段を用い
て振動および検出させてもよい。

【００３２】

【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、振動子の振動片が励振されているとき
に、励振振動によっても、また、回転に伴って発生した
コリオリの力によっても、振動子の内部にねじれ力が発
生せず、しかも、重心が検出回転の中心軸を外れない。
したがって、ねじれ力や重心移動に基づく振動漏れがな
く、ωの検出を高効率で達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の角速度検出装置に用いら
れる振動子を示す斜視図。

【図２】その振動子に用いられる振動板を示す斜視図。

【図３】振動片のＺ軸方向の励振動作を説明するための
図。

【図４】振動片のＸ軸方向の振動検出動作を説明するた
めの図。

【図５】第１実施形態の処理回路およびそれらと振動片
に設けられた電極との結線を示すブロック図。

【図６】本発明の第２の実施形態の角速度検出装置に用
いられる振動子を示す斜視図。

【符号の説明】

１、１０１…振動子、２〜５、１０２、１０３…振動
板、６〜９、１０６〜１０９…振動子、１０…固定台、
１１０…中間基板、１２０…ステム、１２１ａ〜１２１
ｈ…固定・配線用ピン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子と、この振動子を励振する励振手
   段と、この励振手段により励振された前記振動子が回転
   することに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の
   振幅を検出する検出手段と、この検出手段により検出さ
   れた振幅の大きさから前記回転の角速度を演算する角速
   度演算手段とを備えた角速度検出装置において、 前記振動子は一端が共通に固定された互いに平行な４本
   の振動片を備え、この４本の振動片は検出角速度の回転
   軸に平行な仮想軸から略等距離で隣同士が略等間隔にな
   るように配置されており、 前記励振手段は、前記４本の振動片をそれぞれが前記仮
   想軸を介して対向する振動片とは同方向且つ逆相とな
   り、隣り合う振動片とは直交する方向となるように励振
   するものであることを特徴とする角速度検出装置。
2. 【請求項２】 振動子と、この振動子を励振する励振手
   段と、この励振手段により励振された前記振動子が回転
   することに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の
   振幅を検出する検出手段と、この検出手段により検出さ
   れた振幅の大きさから前記回転の角速度を演算する角速
   度演算手段とを備えた角速度検出装置において、 前記振動子は一端が共通に固定された互いに平行な４本
   の振動片を備え、この４本の振動片は検出角速度の回転
   軸に平行な仮想軸から略等距離で隣同士が略等間隔にな
   るように配置されており、 前記励振手段は前記４本の振動片をそれぞれが前記仮想
   軸を介して対向する振動片とは同方向且つ同相となり、
   隣り合う振動片とは同方向且つ逆相となるように励振す
   るものであることを特徴とする角速度検出装置。