(57)【特許請求の範囲】
【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、ＸＹＺ三次元座標空間において、ＸＹ平面上で同じ長さの２本の振動片が＋Ｙの向きに互いに平行に突出する第１音叉と、同じ長さの２本の振動片が−Ｙの向きに互いに平行に突出する第２音叉と、この第２音叉の根本中央部と前記第１音叉の根本中央部とを連結するＹ方向に延びる連結棒とを備え、前記第１音叉のＸ方向固有振動数と前記第２音叉のＸ方向固有振動数とが異なり、前記連結棒の中心軸を回転軸とする前記第１音叉のねじり回転慣性モーメントと前記第２音叉のねじり回転慣性モーメントとを略等しくしたことを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】
前記第１音叉の振動片の長さＬ１が前記第２音叉の振動片の長さＬ２よりも短く、前記第１音叉の振動片の間隔Ｗ１が前記第２音叉の振動片の間隔Ｗ２よりも大きく、前記前記励振手段は前記第１音叉の２本の振動片を互いに逆相でＸ方向に励振するものであり、前記検出手段は前記第２音叉のＺ方向の振動を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
【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。その中でも、２つの音叉を互いに逆向きに結合し、一方の音叉を励振すると共に他方の音叉の振動を検出するタイプが検出効率の高いものの一つとして考えられている。特開平７−１１３６４５号公報の図１２には、この種の振動子の一例が開示されている。この従来の振動子は、２つの音叉の励振方向の固有振動数を等しくして励振方向の振動を検出用音叉に伝達し、回転角速度に応じて検出用音叉に生じる励振方向に垂直な方向（検出方向）の振動を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来の振動子によれば、回転角速度に応じて励振用音叉に生じた検出方向振動も検出用音叉に伝達され、検出用音叉自身の検出方向振動と干渉を起こし、検出精度の低下を招くおそれがあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の角速度検出装置は、振動子として、ＸＹＺ三次元座標空間のＸＹ平面上で同じ長さの２本の振動片が＋Ｙの向きに互いに平行に突出する第１音叉と、同じ長さの２本の振動片が−Ｙの向きに互いに平行に突出する第２音叉と、この第２音叉の根本中央部と前記第１音叉の根本中央部とを連結するＹ方向に延びる連結棒とを備え、第１音叉のＸ方向固有振動数と第２音叉のＸ方向固有振動数とが異なり、連結棒の中心軸を回転軸とする第１音叉のねじり回転慣性モーメントと第２音叉のねじり回転慣性モーメントとを略等しくしたものを用いている。
【０００５】
この振動子によれば、第１音叉のＸ方向固有振動数と第２音叉のＸ方向固有振動数とが異なるので、第１または第２音叉のいずれか一方をＸ方向に励振したとき、その励振振動は他方の音叉に伝達されない。一方、２本の振動片が互いに逆相でＸ方向に励振された音叉が角速度ωでＹ方向の軸を中心に回転すると、コリオリの力により２本の振動片が互いに逆相でＺ方向に振動する。この振動は連結棒をねじるように働くねじり振動となるが、連結棒の中心軸を回転軸とする第１音叉のねじり回転慣性モーメントと第２音叉のねじり回転慣性モーメントとを略等しくしているので、効率よく他方の音叉に伝達される。他方の音叉に伝達されたねじり振動は２本の振動片を互いに逆相でＺ方向に振動させ、検出手段がこの振動を検出する。
【０００６】
励振用音叉の振動片間隔を検出用音叉の振動片間隔よりも大きくし、検出用音叉の振動片長を励振用音叉の振動片長よりも長くすれば、両音叉のＸ方向固有振動数を異ならせつつ回転慣性モーメントを略等しくすることが容易に達成できるだけでなく、検出用音叉の振動片のＺ方向振幅を大きくすることができる。したがって、検出感度を大きくすることができる。
【０００７】
【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に用いられる振動子を示す斜視図である。振動子１は第１音叉２と第２音叉６を備える。第１音叉２はＸ方向に長い音叉基部５から＋Ｙの向きに延びる長さＬ１の２本の振動片３および４を有する。第２音叉６はＸ方向に長い音叉基部９から−Ｙの向きに延びる長さＬ２の２本の振動片７および８を有する。長さＬ２は長さＬ１よりも長く設定されている。また、振動片７および８の間隔（内側の壁同士の間隔）Ｗ２は、振動片３および４の内壁間隔Ｗ１よりも小さな値に設定されている。音叉基部５と９はＹ方向に長い連結棒１０で連結されており、連結棒１０には、その中央部から＋Ｘおよび−Ｘの向きにそれぞれ延びる腕１１および１３が設けられており、腕１１および１３の先端には音叉２および６を被検出体から浮かせて固定するための固定板１２および１４が設けられている。振動子１を構成するこれらの各要素は、水晶の単結晶基板をエッチング技術により形抜きすることにより一体形成されている。
【０００８】
ここで、水晶の結晶軸について簡単に説明する。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＜０００１＞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。
【０００９】
振動子１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。したがって、本実施形態においては、結晶方位のＺ軸と、図面上の振動子１の配置方向を示すＺ軸とは一致している。また、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、そのうちの一組と図面上の振動子１の配置方向を示すＸ軸およびＹ軸とが一致している。振動子１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】
第１音叉２は本実施形態では励振用音叉として用いられる。ハッチングで示した電極に後述する励振回路から励振信号が与えられると、振動片３および４は、白抜きの矢印１６Ａおよび１６Ｂで示すようにＸ方向に互いに逆相で振動する。なお、励振周波数は、第１音叉２のＸ方向の固有振動数ｆX1  にできるだけ近い値にして共振させることがエネルギ効率の点から望ましい。
【００１１】
第２音叉６はＺ方向の振動を検出する検出用音叉として用いられる。振動片７および８の長さＬ２を第１音叉２の振動片３および４の長さＬ１よりも長くすることにより、Ｘ方向の固有振動数ｆX2が第１音叉２のＸ方向の固有振動数ｆX1よりも小さい値に設定されている。したがって、第１音叉２に生じている固有振動数ｆX1  に近い値の励振振動が連結棒１０を介して伝達されることがほとんどない。振動片７および８のＺ方向の振動は、後述するようにＹ方向の軸を中心とする回転に伴って第１音叉２に発生したＺ方向の振動がねじり振動となって伝達されたものである。このねじり振動の伝達は、連結棒１０の中心軸１５を回転軸とする第１音叉２のねじり回転慣性モーメントと第２音叉６のねじり回転慣性モーメントとがほぼ等しくなっているので、効率よく少ないロスで為される。
【００１２】
つぎに、第１音叉２を励振し、第２音叉６の振動を検出し、検出された振動から角速度演算を行う処理回路について説明する。図２は励振回路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３、４、７および８に設けられた電極との接続関係を示すブロック図である。なお、同図に示した振動片３および４は図１のＩＩ１−ＩＩ１断面を示したものであり、振動片７および８は図１のＩＩ２−ＩＩ２断面を示したものである。振動片４には、それぞれ上面、下面および側面の４つの面に電極２１〜２４が音叉基部５との結合部から先端部に向かって、すなわち＋Ｙの向きに延在している。振動片３にも同様の電極３１〜３４が設けられている。一方、第２音叉６の振動片８には、矩形断面の４つの角部すなわち稜線部をそれぞれが覆うように、４つの電極２５〜２８が音叉基部９との結合部から先端部に向かって、すなわち−Ｙの向きに延在している。振動片７にも同様の電極３５〜３８が設けられている。各電極は、クロムと金の２層構造となっており、振動子１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、各電極は固定板１２および１４に設けられている図示を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、そこからさらに後述する信号処理回路に接続される。振動片上の各電極とボンディングパッドとの間の配線は、図示していないが腕１１および１３の表面に膜形成技術により設けらている。
【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とを備えており、検出回路６０は、電流電圧変換回路６１および６２と差動増幅回路６３と同期検波回路６４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を介して第１音叉２の振動片４の側面の電極２２、２４と振動片３の上下面の電極３１、３３に共通に接続されている。第１音叉２の振動片４および３の残りの電極２１、２３、３２、３４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。
【００１５】
図３は、この励振回路５０による第１音叉２の振動片の励振動作を説明するものであり、同図（ａ）は振動片４をＺＸ平面で切った断面図であり、図２に示すものと同等の図である。また、図３（ｂ）は振動片４の屈曲動作を示した斜視図である。上述したように、電極２１と２３が共通に端子５５に接続され、電極２２と２４が共通に端子５４に接続されているので、駆動回路５３の出力パルスがローレベルであると、図３（ａ）に示すような電圧、すなわち電極２２および２４には相対的に負の電圧が、電極２１および２３には正の電圧がそれぞれ各電極に与えられる。駆動回路５３の出力パルスがハイレベルであれば、その逆の極性が与えられる。
【００１６】
いま、図３（ａ）のような電圧が印加されている状態を考えると、振動片４の内部には矢印９１から９４で示したような電界が与えられることになる。一方、水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、圧電効果に影響を与える有効電界は矢印９５および９６となる。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４の電極２４側が縮み、電極２２側が伸びるため、振動片４は電極２４を内側にして屈曲する。電極２１から２４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４は電極２２を内側にして屈曲する。したがって、振動片４の一端を固定して駆動回路５３から所定周波数のパルス信号を電極２１、２３に印加すると、振動片４は図３（ｂ）に示すようにＸ方向に振動する。
【００１７】
なお、本実施形態では、図２に示すように振動片４の上下の電極２１および２３と振動片３の左右の電極３２および３４とを共通に接続し、振動片４の左右の電極２２および２４と振動片３の上下の電極３１および３３とを共通に接続しているので、振動片３と４は、Ｘ方向に互いに逆相で振動する。
第１音叉２の振動片３と４のＸ方向の振動情報は、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３および４の屈曲に伴う圧電効果によって電極２１、２３、３２、３４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。
【００１８】
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３および４の振動振幅が大きくなれば、電極２１、２３、３２、３４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、第１振動片１２および１３の振動振幅は常に安定する。
【００１９】
つぎに、図４を用いて、第２音叉６の振動片のＺ方向の振動を検出する検出回路６０を説明する。第２音叉６の振動片８が図４（ｂ）に示すようにＺ方向に振動して、＋Ｚの向きに屈曲すると、振動片８の上側の半分がＹ方向に縮み、下側の半分がＹ方向に伸びる。水晶の圧電効果により、Ｙ方向に縮むとＸ方向の誘電分極が生じ、Ｙ方向に伸びると逆向きのＸ方向の誘電分極が生じる。そして、誘電分極の強さは伸縮の大きさに依存するので上面または下面において強く現れ、中間部に向かうほど弱い。したがって、誘電分極は振動片８の４つの角部に集中して現れ、この誘電分極によって角部に設けられた各電極２５〜２８には図示のような正または負の電荷が集まる。つまり、電極２５と２７が同じ極性となり、これらの極性が電極２６と２８の極性と逆になる。振動片８が下側に振れると、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。
【００２０】
検出回路６０は、このようにして発生した振動片８の各電極における電荷の変化量を検出し、振動片８の振動振幅に応じた信号を出力する。本実施形態では、第１音叉２の振動片３および４をＸ方向に互いに逆相で励振し、振動子１が回転したときに生じるコリオリの力により第１音叉２に軸１５を中心とするねじり振動を発生させ、これを第２音叉６に伝達するものである。ねじり振動は矢印１９および２０で示すように第１音叉２から第２音叉６へ互いに逆相で伝達し、第１音叉２の振動片３および４がそれぞれ矢印１７Ａおよび１７Ｂで示すように振れたときには第２音叉６の振動片７および８はそれぞれ矢印１８Ａおよび１８Ｂで示すようにＺ方向に互いに逆相で振れる。なお、この第２音叉６の振動片７および８のＺ方向の振動は、振動子１が回転したときに生じるコリオリの力に基づいて発生したものだけでなく、第１音叉２の振動片３および４のＸ方向励振振動がＺ方向振動として漏れた成分も含まれた合成振動である。コリオリの力に基づくＺ方向振動の発生メカニズムの詳細については後述するが、いずれにしろＺ方向に関して左右逆相の振動が発生するので、図２に示すように第２音叉６の振動片８の電極２５と２８に対してこれらと面対称の位置にある振動片７の電極３６と３７が共通に接続され、さらに検出回路６０の端子６５に接続されている。そして、残りの電極２６、２７、３５、３８が共通に検出回路６０の端子６６に接続されている。
【００２１】
電流電圧変換回路６１は電極２５、２８、３６、３７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は電極２６、２７、３５、３８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第２音叉６の振動片７および８の振動振幅変化に比例している。
【００２２】
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。Ｘ励振の漏れによるＺ方向振動は励振と同相であり、コリオリの力によるＺ方向の振動は励振に対して９０度位相がずれているため、同期検波および積分により、前者は常に零の値となり、後者は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、第２音叉６の振動片７および８のコリオリの力によるＺ方向の振動振幅を示している。
【００２３】
角速度演算回路７０は、第２音叉６の振動片７および８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Ｙ軸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。
【００２４】
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、第１音叉２の振動片３および４のＸ方向の固有振動数ｆX1に一致した周波数の励振信号を駆動回路５３から出力する。これにより第１音叉２の振動片３および４は逆圧電効果により、矢印１６Ａおよび１６Ｂで示すようにＸ方向に互いに逆相で固有振動数ｆX1で振動する。
【００２５】
この状態で、振動子１がＹ軸に平行な軸（Ｙ軸を含む）を中心として角速度ωで回転すると、第１音叉２の振動片３および４には、Ｆ＝２ｍＶ・ωで表されるコリオリの力ＦがＺ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３および４はＸ方向の振動に対して９０度位相がずれてＺ方向に振動する。つまり、振動片３および４は、矢印１７Ａおよび１７Ｂで示すように、Ｚ方向についても励振周波数で互いに逆相で振動する。
【００２６】
この振動片３および４の逆相Ｚ方向振動は、連結棒１０を軸１５を中心軸とするねじり振動となる。このねじり振動は第２音叉６に逆相のねじり振動として伝達される。これにより、４本の振動片がＺ方向について上下左右逆相で振動する。中心軸１５を回転軸とする第１音叉２のねじり回転慣性モーメントと第２音叉６のねじり回転慣性モーメントは略等しくなっているので、ねじり振動は効率よく第１音叉２から第２音叉６へ伝達される。しかも、第２音叉６の振動片間隔Ｗ２が第１音叉２の振動片間隔Ｗ１よりも小さい値となっているので、第２音叉６の振動片７および８のＺ方向振幅を大きくすることができ、検出感度を大きくすることができる。
【００２７】
なお、第１音叉２に与えられるＸ方向励振が同相のＺ方向の励振として漏れ、この振動も第２音叉６に伝達されるが、上述したように検出回路６０では、第２音叉６の振動片７および８のＺ方向振動のうちコリオリの力による振動のみを選択的検出するので、この漏れ振動は無視してよい。
【００２８】
本実施形態では、振動子１を圧電材料である水晶で構成したが、非圧電材料たとえば、ジュラルミンのような軽合金で構成してもよい。その場合には、励振用音叉の振動片に励振用圧電素子を設け、検出用音叉の振動片に検出用圧電素子を設けることが必要である。
【００２９】
【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、振動子として励振用音叉と検出用音叉を別々に備え、検出用音叉のＸ方向固有振動数と励振用音叉のＸ方向固有振動数とを異なるものとしているので、励振振動が検出用音叉に伝達されない。したがって、検出用音叉では回転によって発生したコリオリの力に基づく振動のみを純粋に検出できる。したがって、高い感度の角速度検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である角速度検出装置の振動子を示す図。
【図２】第１実施形態の角速度検出装置に用いられる励振回路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に設けられた電極との接続関係を示すブロック図。
【図３】第１音叉２の振動片における逆圧電効果を説明するための図。
【図４】第２音叉６の振動片における圧電効果を説明するための図。
【符号の説明】
１…振動子、２…第１音叉、３、４、７および８…振動片、６…第２音叉、１０…連結棒、２１〜２８、３１〜３８…電極、５０…励振回路、６０…検出回路、７０…角速度演算回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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