(57)【要約】【課題】振動子を用いた角速度検出装置において、振動子を定常発振させるための信号は、振動子上の寄生容量を介して検出電極に結合し、検出信号に不要な成分を重畳させてしまう。このために増幅率を上げることができず、角速度検出装置のＳＮＲ改善を妨げていた。これに対し、振動子の振動脚の又部付近に補正電極を設けることで検出電極との間に新たな寄生容量を設け、これを介して不要な成分と逆位相の補正信号を注入することで、不要な成分を相殺する手法がある。しかし、定常的に振動する駆動脚とは別に、角速度の検出のための検出脚を有する設計の振動子の場合、駆動脚の又部は検出電極から遠くなる。したがって寄生容量が小さく、補正量が少ないという問題があった。【解決手段】基部の、検出脚付近に補正電極を設けることで、補正電極・検出電極間の寄生容量を大きくし、補正量を増やすことで、不要成分を充分に相殺する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定常的に振動する少なくとも２つの駆動脚と、角速度印加時に振動が発生する検出脚と、前記駆動脚および前記検出脚を接続する基部と、前記駆動脚を励振するために前記駆動脚に設けられた駆動電極と、前記検出脚の前記振動を検出するために前記検出客に設けられた検出電極と、前記検出電極に補正信号を印加するための補正電極と、を備える角速度検出装置用振動子において、前記補正電極が、前記基部における前記検出脚の接続部近傍に設けられたことを特徴とする、角速度検出装置用振動子。
【請求項２】
前記検出電極は第１の検出電極と第２の検出電極からなり、
前記補正電極が、前記基部における前記第１の検出電極と第２の検出電極との電極間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置用振動子。
【請求項３】
前記補正電極と前記第１の検出電極との距離と、前記補正電極と前記第２の検出電極との距離とが異なることを特徴とする請求項２記載の角速度検出装置用振動子。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の振動子と、前記駆動脚を励振するための発振回路と、
前記検出脚の振動を検出するための検出回路と、検出回路の信号を補正するための補正信号を生成する補正信号生成回路とを備え、前記発振回路は、前記駆動脚の振動を検出するための変位検出回路を含み、前記補正信号生成回路は、前記変位検出回路の出力信号を元に、前記振動子の発振周波数と同一周波数の補正信号を生成することを特徴とする角速度検出装置。
【請求項５】
前記補正信号生成回路が、位相を調整する移相回路と、振幅を調整する振幅調整回路と、を備えることを特徴とする、請求項４記載の角速度検出装置。
【請求項６】
前記発振回路が、該発振回路内の前記変位検出回路の出力信号振幅を検出する振幅検出回路と、この振幅検出回路の出力を元に前記出力信号の利得を調整する可変利得回路とを備え、前記振動子の振幅を一定にする自動利得制御機能を構成することを特徴とする、請求項４または５に記載の角速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は角速度検出装置用振動子及び角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度検出装置は、進行方向を検出する目的で車載用カーナビゲーションシステムに搭載されている。また、手振れ検出のためにスチールカメラあるいはビデオカメラ等にも搭載されており、また携帯情報端末や携帯ゲーム機器等の入力デバイスとしても応用が期待されている。
【０００３】
振動型角速度検出装置は、定常的に振動する振動子に対して角速度が印加されたとき、コリオリ力により生ずる振動の変化を検出する。
【０００４】
振動子は、圧電体により構成されるか、あるいは金属製の振動子（体）に圧電膜を付加したものが用いられる。この圧電体ないし圧電膜により、振動子の脚の変位が電荷に変換されるため、この電荷を、電極を介して集め、電流電圧変換あるいは電荷電圧変換することにより、振動子の脚の変位を読み取れる。
【０００５】
角速度の検出時に、定常的に振動させられる駆動電極と、角速度印加時の振動変化を検出するための検出電極とを有する角速度検出装置が、特許文献１に記載されている。
【０００６】
角速度印加により振動子の振動が変化すると、検出電極に誘起される電荷が変化する。この電荷の変化は、振動子の駆動周波数と同一周波数の情報であるため、まず、検出回路において、電流電圧変換回路ないし電荷電圧変換回路で電圧に変換し、さらに同期検波することで、角速度に比例した、直流の出力電圧信号を得ることができる。これが、振動型角速度検出装置の基本原理である。
【０００７】
なお、同期検波前の信号は交流であるが、同期検波後は直流になるため、信号振幅はここで小さくなる。
【０００８】
検出回路では複数の増幅器を用いて微弱な信号を増幅する。角速度検出装置のＳＮＲ向上のためには、検出回路内の、できるだけ信号源に近い増幅器に、大きな利得を持たせることが有効である。仮に信号源から離れた増幅回路で大きく増幅しようとすると、信号源との間の他の回路により重畳した雑音も一緒に増幅することになり、雑音が増大する。
【０００９】
ここで問題となるのが、静止時に検出電極に誘起される電荷量である。
【００１０】
静止時に、検出電極に電荷が誘起される要因は、２つある。ひとつは振動子の製造誤差などによるもれ振動、もうひとつは駆動電極―検出電極間の容量結合である。以降、もれ振動による雑音を機械もれ信号、容量結合による雑音を電気もれ信号、これらの和を単にもれ信号と呼ぶ。
【００１１】
もれ信号が大きいと、増幅率を大きくとることができない。したがってＳＮＲ改善のためには、もれ信号の振幅低減が必要である。
【００１２】
電気もれ信号については、脚を挟んで２つの検出電極を設け、それぞれから取り出された信号の差を取ることで、ある程度相殺できることが知られている。しかし、差をとる前の
信号振幅は大きいため、差を取る前の利得は制限される。また、駆動電極と、それぞれの検出電極との間の結合容量は必ずしも等しくないため、その差分は相殺できずに残る。
【００１３】
特許文献１には、もれ信号を抑える手法が記載されている。特許文献１に記載されてものは、電気もれ信号に着目し、電気もれ信号と逆位相の信号を印加することで、これを相殺するものである。
【００１４】
具体的には、振動子上の、駆動脚の又部下方の基部に、補正電極を設け、この補正電極と検出電極との間の寄生容量を用いて、補正信号を注入している。注入する信号は、振動子を駆動する駆動電圧の位相を反転して使用している。
【００１５】
特許文献１では、二脚音叉型の振動子における例が記載されている。このタイプの振動子では、同じ脚に駆動電極と検出電極の両方が設けられている。
【００１６】
これに対し、特許文献２に記載されているように、三脚以上音叉型振動子を用いた角速度検出装置も存在する。この装置においては、２つの駆動のための脚に対し、検出のための脚を独立させて設け、３つの脚を基部で接続するような構成をとる。このような振動子では、駆動電極を駆動脚に、検出電極を検出脚に、それぞれ設けている。
【００１７】
【特許文献１】特許第３３９９１５０号公報  （図８）
【特許文献２】特許第４０６８３７０号公報  （図１，２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
このように検出のための脚を独立させた振動子では、もれ振動を小さく抑える設計が可能となるため、機械もれ信号が低減できる。また駆動電極と検出電極が離れるため、結合容量が小さくなり、電気もれ信号も低減できる。
【００１９】
このような振動子に対して、さらに電気もれ信号を低減するために、特許文献１のように駆動脚の又部下方の基部に補正電極を設けた場合、補正電極と検出電極との距離が遠く、結合容量が小さくなるために、調整可能な範囲が狭まるという問題があった。
【００２０】
本発明は上述した従来技術による問題点を解決するためになされたものであり、もれ信号の影響の小さく、ＳＮＲの高い角速度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の課題を解決するために、本発明にかかる角速度検出装置用振動子では、定常的に振動する少なくとも２つの駆動脚と、角速度印加時に振動が発生する検出脚と、前記駆動脚および前記検出脚を接続する基部と、前記駆動脚を励振するために前記駆動脚に設けられた駆動電極と、前記検出脚の前記振動を検出するために前記検出客に設けられた検出電極と、前記検出電極に補正信号を印加するための補正電極と、を備える角速度検出装置用振動子において、前記補正電極を、前記基部における前記検出脚の接続部近傍に設けることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、補正電極を検出電極の近くに設けることができ、寄生容量を大きくすることができるため、効果的なもれ信号の相殺が可能となる。
【００２３】
前記検出電極は第１の検出電極と第２の検出電極からなり、
前記補正電極が、前記基部における前記第１の検出電極と第２の検出電極との電極間に設けることができる。この構成によれば、第１の検出電極と第２の検出電極の両方に対して、効率よく補正信号を注入することができる。
【００２４】
前記補正電極と第１の検出電極との距離と、前記補正電極と第２の検出電極との距離とを異ならせることができる。この構成によれば１つの補正電極からの補正信号で、第１の検出電極と第２の検出電極への補正量を最適化することができる。
【００２５】
本発明にかかる角速度検出装置は、前記振動子と、前記駆動脚を励振するための発振回路と、前記検出脚の振動を検出するための検出回路と、検出回路の信号を補正するための補正信号を生成する補正信号生成回路とを備え、前記発振回路は、前記駆動脚の振動を検出するための変位検出回路を含み、前記補正信号生成回路は、前記変位検出回路の出力信号を元に、前記振動子の発振周波数と同一周波数の補正信号を生成する。この構成によれば、補正信号を生成するために専用の発振器を用意する必要が無く、回路規模を削減できる。
また、発振回路の出力を基にする場合に比べ、歪の少ない補正信号を生成することができ、低雑音化が図れる。
【００２６】
前記補正信号生成回路が、位相を調整する移相回路と、振幅を調整する振幅調整回路と、を備えることが出来る。この構成によれば、発振回路内の増幅器の位相遅れなどにより、電気もれと補正信号とに位相差が生じた場合や、振幅に過不足が生じた場合に、これを補正することができる。この結果、もれ信号振幅を効果的に低減でき、低雑音化が可能となる。
【００２７】
前記発振回路が、該発振回路内の前記変位検出回路の出力信号振幅を検出する振幅検出回路と、この振幅検出回路の出力を元に前記出力信号の利得を調整する可変利得回路とを備え、前記振動子の振幅を一定にする自動利得制御機能を構成することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ＳＮＲの高い振動型角速度検出装置用振動子及び振動型角速度検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の最適な実施形態について、図１〜図３を用いて説明する
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の角速度検出装置用振動子の第１の実施形態を示す図である。振動子１は、角速度検出時に定常的に振動する２つの駆動脚２と、振動子１にコリオリ力が印加された際に振動する検出脚３と、駆動脚２および検出脚３を接続する基部４と、を備える。駆動脚２と検出脚３と基部４は、圧電体により形成される。駆動脚２は第１の駆動電極５ａと、第２の駆動電極５ｂと、を備え、また検出脚３は、第１の検出電極６ａと、第２の検出電極６ｂと、からなる検出電極対６を備える。さらに、振動子１は基部４において第１の検出電極６ａと、第２の検出電極６ｂと、の間に補正電極７を備える。三脚以上の振動子の構造については、よく知られたものであるので、以上の説明にとどめておく。各電極に、図３に示す制御回路が接続される。この制御回路については後述する。
【００３１】
振動子１は、定常時には駆動脚２が面内方向に振動し、検出脚３は静止している。振動子１に角速度が印加されると、コリオリ力により駆動脚２に面外方向振動成分が生じ、これ
により検出脚３が振動する。この振動を、検出電極対６によって検出することで、印加された角速度を検出する。
【００３２】
第１の検出電極６ａと第２の検出電極６ｂの両方に対して近い位置に、補正電極７が設けられる。この構成によれば、補正信号を効率よく第１の検出電極６ａならびに第２の検出電極６ｂに注入することができる。
【００３３】
なお、基部４上において、第１の検出電極６ａは、第２の検出電極６ｂよりも第１の駆動電極５ａとの間の距離が近い。従って、第１の駆動電極５ａの信号は、距離の近い第１の検出電極６ａに、より強く結合する。一方、距離の遠い第２の検出電極６ｂに対しては、相対的に弱い結合となる。このため、第１の検出電極６ａに印加される電気もれ信号の振幅と第２の検出電極６ｂに印加される電気もれ信号の振幅に差が生じる。
【００３４】
この差を補正するために、補正電極７と第１の検出電極６ａの距離と、補正電極７と第２の検出電極６ｂの距離とを異ならせる。すなわち補正電極７・第１の検出電極６ａの間隔（図１中のＡ１）を、補正電極７・第２の検出電極６ｂの間隔（図中のＡ２）に比べて近くすることで調整量をバランスさせることができる。
【００３５】
この様に、第１の検出電極６ａと第２の検出電極６ｂに対して補正電極７との距離を異ならせることで、電極間の結合容量を変化させ、それぞれの検出電極に対して最適な補正信号を注入することができる。これにより、第１の検出電極６ａと、第２の検出電極６ｂのそれぞれに対して最適なもれ信号振幅抑圧が可能となり、ＳＮＲの高い角速度検出装置が実現できる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の角速度検出装置用振動子の第２の実施形態を示す図である。振動子２１は、角速度検出時に定常的に振動する２本の駆動脚２２と、振動子２１にコリオリ力が印加された際に振動する２本の検出脚２３ａ、２３ｂと、駆動脚２２および検出脚２３ａ、２３ｂを接続する基部２４と、を備える。また第１の検出脚２３ａは、第１の検出電極２６ａと、第２の検出電極２６ｂとを備え、第２の検出脚２３ｂは、第３の検出電極２６ｃと、第４の検出電極２６ｄとを備える。さらに、振動子２１は、基部２４において第１の検出電極２６ａと、第２の検出電極２６ｂと、の間に第１の補正電極２７ａを備え、また第３の検出電極２６ｃと、第４の検出電極２６ｄと、の間に第２の補正電極２７ｂを備える。
【００３７】
この振動子２１は、定常時には駆動脚２２が面内方向に振動し、検出脚２３は静止している。振動子２１に角速度が印加されると、コリオリ力により駆動脚２２に面外方向振動成分が生じ、これにより検出脚２３ａ、２３ｂが振動する。この振動を、検出電極対２６によって検出することで、角速度を検出する。
【００３８】
この構成によれば、第１の検出電極２６ａと、第２の検出電極２６ｂとの両方に対して近い位置に、補正電極２７を設けることができる。したがって、補正信号を効率よく第１の検出電極２６ａならびに第２の検出電極２６ｂに注入することができる。
【００３９】
また、本実施例のように検出脚を複数持つ振動子については、それぞれの検出脚に対して補正電極を設けることで、補正特性を向上させている。すなわち補正電極が１つの場合に比べ、補正範囲を広げることができる。
【００４０】
図３は、実施形態１及び２における振動子１，２１を制御する制御回路の構成を示すブロ
ック図である。制御回路は、振動子１，２１を定常的に発振させるための発振回路５１と、振動子１，２１の角速度検出信号を処理する検出回路５２と、補正電極７，２７に印加するための補正信号を生成する、補正信号生成回路５３と、を備える。
【００４１】
発振回路５１は、振動子の振動脚の変位を検出する変位検出回路５５と、その振幅を検知する振幅検出回路５７と、振幅検出回路５７の出力を元にして、正弦波発振をさせるために利得を変化させる可変利得回路５６と、を備える。
【００４２】
検出回路５２は、検出脚の変位を検出するための変位検出回路６０を、それぞれの検出電極６，２６に対して備え、これらの変位検出回路６０の出力の差分をとるための差動増幅回路６１と、差動増幅された信号を同期検波し、角速度信号を直流に変換するための同期検波回路６２と、さらにこの信号を所望のレベルに増幅するための増幅回路６３と、交流成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）６４と、を備える。
【００４３】
ここで、検出回路５２の動作について簡単に説明する。
【００４４】
振動子１，２１に対してコリオリ力が印加された場合、変位検出回路６０の出力には、振幅が変化する、駆動周波数と同一周波数の信号として現れる。印加される角速度が大きいほど、この振幅変化は大きくなる。
【００４５】
ただし、変位検出回路６０の出力には、前述した電気もれ信号が重畳されている。従って、差動増幅回路６１によって、第１の検出電極側の変位検出回路６０の出力と、第２の検出電極側の変位検出回路６０の出力との差をとり、電気もれ信号をある程度相殺する。
【００４６】
角速度検出装置の出力としては、角速度に比例した直流電圧であることが望ましいので、変位検出回路６０の信号を同期検波回路６２により同期検波する。この際の検波クロックとしては、発振回路５３の中から信号を取り出し、位相を調整して使用する。
【００４７】
同期検波した信号は、角速度情報が直流に変換されているが、駆動周波数成分も雑音として重畳されている。そこで、ＬＰＦ６４を通すことで駆動周波数成分を除去し、所望の信号を得る。
【００４８】
また、角速度情報を所望のレベルに増幅するために、増幅回路６３を用いる。
【００４９】
以上が検出回路５２の動作の説明である。本発明では、さらに補正回路５３を設ける。
【００５０】
補正回路５３では、発振回路５１の変位検出回路５５から駆動周波数の信号を取り出し、移相回路５８および振幅調整回路５９で位相と振幅を調整して、補正信号を生成し、振動子上の補正電極に印加する。なお、移相回路５８および振幅調整回路５９での位相と振幅の調整は、第１の検出電極６ａと第２の検出電極６ｂとのもれ信号の波形を測定し、そのもれ信号の移相と振幅に従って最適な補正が行われる（検出電極６ａ，６ｂのもれ信号が低減される）ように調整を行う。また、この調整は角速度検出装置の製造時に１度行うことにより、以後角速度検出装置の動作時には常に補正が行われる。
【００５１】
補正電極７に印加された補正信号は、補正電極７と検出電極６ａ、６ｂの間の寄生容量を通して、検出回路５２内の変位検出回路６０に入力される。これにより、変位検出回路６０の電気もれ信号による出力振幅を相殺することができる。
【００５２】
さらに、補正電極７と第１の検出電極６ａ間の寄生容量と、補正電極７と第２の検出電極６ｂ間の寄生容量とに対して、図１に示したように、意図的に差を設けることで、それぞ
れの検出電極６ａ、６ｂに対して適した補正信号を注入することができる。
【００５３】
このようにしてもれ信号振幅を低減することにより、変位検出回路６０の利得を上げることができ、角速度検出装置のＳＮＲを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の角速度検出装置用振動子の第１の実施例を示す平面図である。
【図２】本発明の角速度検出装置用振動子の第２の実施例を示す平面図である。
【図３】本発明の角速度検出装置の制御回路の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    振動子
２    駆動脚
３    検出脚
４    基部
５ａ  第１の駆動電極
５ｂ  第２の駆動電極
６  検出電極対
６ａ  第１の検出電極
６ｂ  第２の検出電極
７    補正電極
２１    振動子
２２    駆動脚
２３ａ  第１の検出脚
２３ｂ  第２の検出脚
２４    基部
２６ａ  第１の検出電極
２６ｂ  第２の検出電極
２６ｃ  第３の検出電極
２６ｄ  第４の検出電極
２７ａ  第１の補正電極
２７ｂ  第２の補正電極
５１    発振回路
５２    検出回路
５３    補正信号生成回路
５５    変位検出回路
５６    可変利得回路
５７    振幅検出回路
５８    移相回路
５９    振幅調整回路
６０    変位検出回路
６１    差動増幅回路
６２    同期検波回路
６３    増幅回路
６４    ＬＰＦ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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