(57)【要約】【課題】  振動子に与えられた角速度を駆動信号と検出信号の位相差に基づいて検出する振動型ジャイロセンサであって、振動子と検出素子とが正しい位置関係になっていない場合でも検出素子の正しい出力を得ることができ、したがって駆動素子と検出素子との位置合わせに高い精度を要さない振動型ジャイロセンサを提供する。【解決手段】  複数の検出素子１６を振動子１２と離間して配置するとともに、角速度を求めるに当たり、振動子と複数の検出素子とが見かけ上で予め設定した所定の位置関係になるように、複数の検出素子の検出信号の演算処理を行う。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、前記振動子に振動を与える駆動素子と、前記振動子の振動を検出する検出素子とを具備し、前記駆動素子の駆動信号の位相と前記検出素子の検出信号の位相との位相差に基づいて前記振動子に与えられた角速度を求める振動型ジャイロセンサであって、複数の前記検出素子を前記振動子と離間して配置するとともに、前記角速度を求めるに当たり、前記振動子と前記複数の検出素子とが見かけ上で予め設定した所定の位置関係になるように、前記複数の検出素子の検出信号の演算処理を行うことを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
【請求項２】
前記振動子を管状容器の内部に配置するとともに、前記複数の検出素子を前記管状容器の外部に配置したことを特徴とする請求項１に記載の振動型ジャイロセンサ。
【請求項３】
前記複数の検出素子は、前記管状容器の外周に取り付けられ、互いに対向する一対または複数対の検出素子であることを特徴とする請求項２に記載の振動型ジャイロセンサ。
【請求項４】
前記複数の検出素子は、前記管状容器の軸方向一端部の先方に取り付けられ、前記振動子と直角をなす一対または複数対の検出素子であることを特徴とする請求項２に記載の振動型ジャイロセンサ。
【請求項５】
前記管状容器の内部を真空にしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の振動型ジャイロセンサ。
【請求項６】
前記振動子が音さ型振動子であり、前記駆動素子がコイルであり、前記複数の検出素子が複数のＭＲセンサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動型ジャイロセンサ。
【請求項７】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の振動型ジャイロセンサの製造方法であって、振動子を管状容器の内部に配置する工程と、複数の検出素子を前記管状容器の外部に配置する工程とを具備することを特徴とする振動型ジャイロセンサの製造方法。
【請求項８】
前記振動子を管状容器の内部に配置する工程を真空中で行うことにより、前記管状容器の内部を真空にすることを特徴とする請求項７に記載の振動型ジャイロセンサの製造方法。
【請求項９】
前記振動子として音さ型振動子を用い、前記駆動素子としてコイルを用い、前記複数の検出素子として複数のＭＲセンサを用いることを特徴とする請求項７または８に記載の振動型ジャイロセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子に与えられた角速度をコリオリ力を利用して検出する振動型ジャイロセンサに関し、さらに詳述すると、上記角速度を駆動信号と検出信号の位相差に基づいて検出する振動型ジャイロセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動子に与えられた角速度をコリオリ力を利用して検出する振動型ジャイロセンサであって、上記角速度を駆動信号と検出信号の位相差に基づいて検出する振動型ジャイロセンサとして、特許文献１〜３に記載されたものがある。
【０００３】
特許文献１のジャイロセンサは、柱状の振動体と、該振動体の第１の側面に取り付けられた駆動用圧電トランスジューサと、前記第１の側面と直交する第２の側面に取り付けられた読み出し用圧電トランスジューサとを備え、前記駆動用圧電トランスジューサにより駆動された前記振動体の振動を前記読み出し用圧電トランスジューサにより電気信号に変換し、該電気信号により角速度を検出するようになした振動ジャイロにおいて、前記駆動用圧電トランスジューサを駆動する駆動信号の位相に対する前記電気信号の位相の変化を検出する位相検出手段を備え、該位相検出手段により検出した位相の変化に基づいて角速度を検出するものである（特許請求の範囲第１項）。
【０００４】
特許文献２のジャイロセンサは、水平面内振動を駆動振動として用いる圧電性を持つ単結晶を用いて構成された振動子であって、駆動振動を駆動する駆動素子と、駆動素子による駆動振動に伴って発生した駆動振動と異なる振動モードの振動状態を検出する検出手段とを備える振動子と、駆動振動を発生するために使用した電気信号を参照信号とし、駆動振動に伴って発生した駆動振動と異なる振動モードを持つ振動を検出手段によって電気信号として取り出したときの信号を出力信号とするとき、参照信号と出力信号の位相差を検出する位相差検出手段とを備え、位相検出手段により検出した位相差の変化に基づいて角速度を検出するものである（請求項１）。
【０００５】
特許文献３のジャイロセンサは、振動子と、この振動子を所定方向へ振動駆動する駆動素子と、振動子の振動成分を圧電効果により電気信号として出力する検出部と、が設けられた振動型ジャイロスコープにおいて、前記検出部は、振動子が前記駆動素子により駆動され且つ振動子に角速度が与えられていないときに同じ位相の出力が得られ且つ前記角速度が与えられたときのコリオリ力による振動成分の出力が互いに逆の位相で重畳される対を成す検出出力部を有し、前記対を成す検出出力部の位相差を検出する位相差検出手段が設けられ、前記位相差検出手段からの出力に基づいて前記角速度が検出されるものである（請求項１）。
【０００６】
【特許文献１】特公平４−１４７３４号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３４３２号公報
【特許文献３】特開平１０−２０６１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した特許文献１のジャイロセンサは、駆動素子および検出素子としていずれも圧電素子を用いるものである。また、特許文献２、３のジャイロセンサは、駆動素子および検出素子としていずれも電極を用いるものである。
【０００８】
したがって、特許文献１〜３のジャイロセンサは、駆動素子および検出素子として同じ動作原理により動作するものを用いるため、駆動素子および検出素子としてそれぞれ最適な動作原理により動作するものを用いてジャイロセンサの性能、機能等を高めることができない。
【０００９】
これに対し、本発明者は、振動子に与えられた角速度を駆動信号と検出信号の位相差に基づいて検出する振動型ジャイロセンサであって、駆動素子および検出素子としてそれぞれ最適な動作原理により動作するものを用いて性能、機能等を高めることができる振動型ジャイロセンサとして、図１２に示すものを提案した。
【００１０】
図１２の振動型ジャイロセンサは、線状支持体１００の先端部に磁性体からなる音さ型振動子１０２を取り付けるとともに、振動子１０２の近傍に駆動素子としてコイル１０４、検出素子としてＭＲセンサ（磁気抵抗効果素子）１０６を配置したものである。また、図１２の振動型ジャイロセンサでは、線状支持体１００の基端側およびコイル１０４はエラストマーからなるモールド体１０８内に封入されており、線状支持体１００の先端側、振動子１０２およびＭＲセンサ１０６は上記モールド体１０８内に封入されたガラス管１１０の内部に配置されている。
【００１１】
図１２の振動型ジャイロセンサは、コイル１０４によって振動子１０２に振動を与えるとともに、振動子１０２の振動をＭＲセンサ１０６によって検出し、コイル１０４による駆動信号の位相とＭＲセンサ１０６による検出信号の位相との位相差に基づいて振動子１０２に与えられた角速度を求める。
【００１２】
しかし、図１２の振動型ジャイロセンサは、振動子とＭＲセンサとの位置関係によってＭＲセンサの出力が変動するため、振動子とＭＲセンサとの位置合わせを正確に行う必要があり、上記位置合わせに高い精度が要求されるものであった。この場合、図１２の振動型ジャイロセンサは、角速度を信号の位相差に基づいて検出するため、少々の検出素子の出力変動は吸収することができるが、検出素子の出力が大きく変動した場合は、位相検出時の増幅回路などで補正が必要となる。
【００１３】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、振動子に与えられた角速度を駆動信号と検出信号の位相差に基づいて検出する振動型ジャイロセンサであって、振動子と検出素子とが正しい位置関係になっていない場合でも検出素子の正しい出力を得ることができ、したがって駆動素子と検出素子との位置合わせに高い精度を要さない振動型ジャイロセンサ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】
【００１４】
本発明は、前記目的を達成するため、振動子と、前記振動子に振動を与える駆動素子と、前記振動子の振動を検出する検出素子とを具備し、前記駆動素子の駆動信号の位相と前記検出素子の検出信号の位相との位相差に基づいて前記振動子に与えられた角速度を求める振動型ジャイロセンサであって、複数の前記検出素子を前記振動子と離間して配置するとともに、前記角速度を求めるに当たり、前記振動子と前記複数の検出素子とが見かけ上で予め設定した所定の位置関係になるように、前記複数の検出素子の検出信号の演算処理を行うことを特徴とする振動型ジャイロセンサを提供する。
【００１５】
本発明において、「振動子と複数の検出素子とが見かけ上で予め設定した所定の位置関係になるように、複数の検出素子の検出信号の演算処理を行う」とは、振動子と検出素子との位置関係にかかわらず、検出素子の検出信号が、振動子と検出素子との位置関係が予め設定した所定の位置関係になっている場合の検出信号と同じ値になるように演算処理することをいう。
【００１６】
したがって、本発明の振動型ジャイロセンサは、振動子と複数の検出素子とが予め設定した正しい位置関係になっていない場合でも、上記演算処理によって正しい検出信号を得ることができる。そのため、本発明の振動型ジャイロセンサは、駆動素子と検出素子との位置合わせに高い精度を要さず、振動子と複数の検出素子とが正しい位置関係になっていない場合でも、角速度を精度良く求めることができる。
【００１７】
本発明において、前述した演算処理の方法は、振動子と検出素子との位置関係、検出素子の数などに応じて適宜設定することができ、例えば各検出素子の検出信号の加算、減算、位相の変更などによって上記演算処理を行うことができる。
【００１８】
以下、本発明につきさらに詳しく説明する。本発明において、振動子の材質に限定はなく、例えば磁性材料、圧電材料、恒弾性材料等から適宜選択することができる。また、振動子の形状にも限定はなく、例えば音さ型、ビーム型、プレート型、リング型、ボール型、線型、リードリレー型等から適宜選択することができる。
【００１９】
本発明において、駆動素子として使用する素子としては、例えば、電磁誘導作用（トランス、コイルなど）、電流磁気効果（磁気抵抗効果素子、ホール素子、磁気トランジスタなど）、静電力、圧電効果等を利用するものを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。この場合、駆動素子として静電力を利用するものを用いると、磁束が生じないので高精度の測定を行うことができる。
【００２０】
また、本発明において、検出素子として使用する素子としては、例えば、電磁誘導作用（同前）、電流磁気効果（同前）、静電力、圧電効果等を利用するものを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
本発明においては、駆動素子および検出素子として互いに異なる動作原理により動作するものを用いることが好ましく、これにより駆動素子および検出素子としてそれぞれ最適な動作原理により動作するものを用いて性能、機能等を高めることができる。この場合、前述した電磁誘導作用、電流磁気効果、静電力、圧電効果等を利用する素子は、それぞれ互いに異なる動作原理により動作する素子である。
【００２２】
本発明において、駆動素子の駆動信号の位相と検出素子の検出信号の位相との位相差に基づいて振動子に与えられた角速度を検出する手段に限定はなく、例えば、前述した特許文献１〜３に記載されたような公知の手段を用いることができる。
【００２３】
本発明においては、振動子を管状容器の内部に配置するとともに、複数の検出素子を管状容器の外部に配置することができる。この場合、上記管状容器としては、例えばガラス、金属（アルミニウム、非磁性ステンレス鋼、銅、真鍮など）、セラミック、プラスチック等からなるものを用いることができる。
【００２４】
上述したように振動子を管状容器の内部、複数の検出素子を管状容器の外部に配置する場合、上記複数の検出素子は、管状容器の外周に取り付けられ、互いに対向する一対または複数対の検出素子としたり、管状容器の軸方向一端部の外方に取り付けられ、振動子と直角をなす一対または複数対の検出素子としたりすることができる。
【００２５】
また、本発明は、上記振動子を管状容器の内部、複数の検出素子を管状容器の外部に配置した振動型ジャイロセンサの製造方法として、振動子を管状容器の内部に配置する工程と、複数の検出素子を管状容器の外部に配置する工程とを具備する振動型ジャイロセンサの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の振動型ジャイロセンサは、駆動素子と検出素子との位置合わせに高い精度を要さず、振動子と複数の検出素子とが正しい位置関係になっていない場合でも、角速度を精度良く求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は下記例に限定されるものではない。下記実施形態の振動型ジャイロセンサは、いずれも、振動子に与えられた角速度をコリオリ力を利用して検出するものである。
【００２８】
（第１実施形態）
図１および図２は本発明に係る振動型ジャイロセンサの一例を示すもので、図１は概略正面図、図２は概略側面図である。本例の振動型ジャイロセンサは、線状支持体１０の先端部に磁性体（例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏなど）からなる音さ型振動子１２を取り付けるとともに、振動子１２の近傍に駆動素子としてコイル１４、検出素子として一対のＭＲセンサ１６を配置したものである。
【００２９】
本例の振動型ジャイロセンサでは、線状支持体１０の基端側、コイル１４および一対のＭＲセンサ１６はエラストマーからなるモールド体１８内に封入されており、線状支持体１０の先端側および振動子１２は上記モールド体１８内に封入されたガラス製の断面円形の管状容器２０の内部に配置されている。また、コイル１４は、管状容器２０の外周に巻き付けられた状態でモールド体１８内に封入されている。さらに、一対のＭＲセンサ１６は、管状容器２０の外周に接した状態で、かつ互いに対向した状態でモールド体１８内に封入されており、両ＭＲセンサ１６の間に振動子１２が配置されている。
【００３０】
本例の振動型ジャイロセンサは、コイル１４によって振動子１２に図中矢印方向の振動を振動子１２の先端が開閉するように与えるとともに、振動子１２の振動をＭＲセンサ１６によって検出し、コイル１４による駆動信号の位相とＭＲセンサ１６による検出信号の位相との位相差に基づいて振動子１２に与えられた角速度を求める。
【００３１】
この場合、本例の振動型ジャイロセンサでは、上述した角速度を求めるに当たり、振動子１２と両ＭＲセンサ１６とが見かけ上で予め設定した所定の位置関係になるように、両ＭＲセンサ１６の検出信号の演算処理を行う。具体的には、本例の振動型ジャイロセンサでは、図２に示すように、振動子１２の先端部間の中心と両ＭＲセンサ１６間の中心とが一致するのが振動子１２と両ＭＲセンサ１６との正しい位置関係である。しかし、実際には、例えば図３に示すように、振動子１２が正しい位置からずれることがある。
【００３２】
そこで、本例の振動型ジャイロセンサでは、振動子１２と両ＭＲセンサ１６とが見かけ上で図２に示した正しい位置関係になるように、両ＭＲセンサ１６の検出信号の演算処理を行い、これにより振動子１２と両ＭＲセンサ１６との位置関係にかかわらず、正しい検出信号を得るようにする。上記演算処理は、振動子１２と両ＭＲセンサ１６との位置関係などに応じて適宜決定するものであり、本例では両ＭＲセンサ１６の出力を平均すればよい。
【００３３】
（第２実施形態）
図４は本発明に係る振動型ジャイロセンサの一例を示す概略側面図である。本例の振動型ジャイロセンサは、第１実施形態の振動型ジャイロセンサにおいて、一対のＭＲセンサ１６に加え、さらに上記ＭＲセンサ１６と直角をなすもう一対のＭＲセンサ２２を設置したものである。もう一対のＭＲセンサ２２は、管状容器２０の外周に接した状態で、かつ互いに対向した状態でモールド体１８内に封入されており、両ＭＲセンサ２２の間に振動子１２が配置されている。
【００３４】
本例の振動型ジャイロセンサは、第１実施形態と同様にコイル１４によって振動子１２に振動を与えるとともに、振動子１２の振動をＭＲセンサ１６、２２によって検出し、コイル１４による駆動信号の位相とＭＲセンサ１６、２２による検出信号の位相との位相差に基づいて振動子１２に与えられた角速度を求める。
【００３５】
この場合、本例の振動型ジャイロセンサでは、上述した角速度を求めるに当たり、振動子１２と各ＭＲセンサ１６、２２とが見かけ上で予め設定した所定の位置関係になるように、各ＭＲセンサ１６、２２の検出信号の演算処理を行う。具体的には、本例の振動型ジャイロセンサでは、図４に示すように、振動子１２の先端部間の中心とＭＲセンサ１６間の中心とＭＲセンサ２２間の中心とが一致するのが振動子１２とＭＲセンサ１６、２２との正しい位置関係である。しかし、実際には、例えば図５に示すように、振動子１２が正しい位置からずれることがある。
【００３６】
そこで、本例の振動型ジャイロセンサでは、振動子１２と各ＭＲセンサ１６、２２とが見かけ上で図４に示した正しい位置関係になるように、各ＭＲセンサ１６、２２の検出信号の演算処理を行い、これにより振動子１２と各ＭＲセンサ１６、２２との位置関係にかかわらず、正しい検出信号を得るようにする。上記演算処理は、振動子１２と各ＭＲセンサ１６、２２との位置関係などに応じて適宜決定するものであり、本例では各ＭＲセンサ１６、２２の出力を平均すればよい。
【００３７】
（第３実施形態）
本実施形態では、下記工程（１）〜（３）により本発明に係る振動型ジャイロセンサを製造した。
（１）図６に示す構造の音さ型振動子３０を、アルニコ、軟鉄、パーマロイ、ニッケル、ニッケル合金等の強磁性体の薄膜からエッチング、打ち抜きなどの加工方法によって作製した。図６の振動子３０は、支持部３２と、支持部３２から突出したばね部３４と、ばね部３４の先端に設けられた振動部３６とを具備する。また、支持部３２の一部を半田付け部３８とし、この半田付け部３８に金めっきを施した。なお、振動子は電鋳によって作製してもよい。
（２）図７、図８に示すように、ガラス、金属（アルミニウム、非磁性ステンレス鋼、銅、真鍮など）、セラミック、プラスチック等からなる断面円形の管状容器４０の内部に（１）で作製した振動子３０を封入した。この場合、管状容器４０の内部に振動子３０を挿入した状態で、真空中で振動子３０の半田付け部３８と管状容器４０とを半田槽に漬けるなどして半田４２によって接合するとともに、管状容器４０を蓋４４で閉塞することにより、管状容器４０の内部を真空にした。なお、管状容器４０の内面の半田付け部３８と対応する部分には、金めっきを施しておいた。本例の振動型ジャイロセンサでは、管状容器４０の内部を真空にすることにより、振動子３０の振動の安定性を向上させている。ただし、管状容器４０に振動子３０を半田付けした後に、管状容器４０内の真空引きを行ってから管状容器４０を蓋４４で閉塞することにより、管状容器４０の内部を真空にしてもよい。
（３）図７に示すように、管状容器４０の外方に駆動素子としてコイル４６を配置した。また、管状容器４０の外周に検出素子として一対のＭＲセンサ４８を互いに対向した状態で取り付け、これにより両ＭＲセンサ４８の間に振動子３０を配置した。ＭＲセンサ４８は、図９に示すように、薄膜状の検知部５０にリード線５２が連結されたものである。
【００３８】
本例の振動型ジャイロセンサでは、振動子３０の振動部３６間の中心と両ＭＲセンサ４８間の中心とが一致するのが振動子３０と両ＭＲセンサ４８との正しい位置関係である。そこで、本例の振動型ジャイロセンサでは、振動子３０とＭＲセンサ４８とが見かけ上で正しい位置関係になるように、両ＭＲセンサ４８の検出信号の演算処理を行い、これにより振動子３０と両ＭＲセンサ４８との位置関係にかかわらず、正しい検出信号を得るようにする。上記演算処理は、振動子３０と両ＭＲセンサ４８との位置関係などに応じて適宜決定するものであり、本例では両ＭＲセンサ４８の出力を平均すればよい。
【００３９】
（第４実施形態）
本実施形態では、下記工程（イ）〜（ロ）により本発明に係る振動型ジャイロセンサを製造した。
（イ）第３実施形態と同様に、図６に示した構造の音さ型振動子３０を作製するとともに、管状容器４０の内部に上記振動子３０を封入した（図１０参照）。一方、図１１に示すように、セラミック基板、プリント基板、ガラス基板等の基板５４上に一対のＭＲセンサ５６を所定間隔離間して形成するとともに、基板５４上に各種回路を含むＩＣ５８を形成した。なお、ＭＲセンサは複数対形成してもよい。
（ロ）図１０に示すように、振動子３０を封入した管状容器４０の外方に駆動素子としてコイル６０を配置するとともに、管状容器４０の軸方向一端部の先方にＭＲセンサ５６とＩＣ５８を形成した基板を配置することにより振動型ジャイロセンサを作製した。本例では、振動子３０とＭＲセンサ５６とは直角をなしている。
【００４０】
本例の振動型ジャイロセンサでは、振動子３０の振動部３６間の中心とＭＲセンサ５６間の中心とが一致するのが振動子３０とＭＲセンサ５６との正しい位置関係である。そこで、本例の振動型ジャイロセンサでは、振動子３０とＭＲセンサ５６とが見かけ上で正しい位置関係になるように、両ＭＲセンサ５６の検出信号の演算処理を行い、これにより振動子３０と両ＭＲセンサ５６との位置関係にかかわらず、正しい検出信号を得るようにする。上記演算処理は、振動子３０と両ＭＲセンサ５６との位置関係などに応じて適宜決定するものであり、本例では両ＭＲセンサ５６の出力を平均すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態の振動型ジャイロセンサを示す概略正面図である。
【図２】第１実施形態の振動型ジャイロセンサを示す概略側面図である。
【図３】第１実施形態の振動型ジャイロセンサの振動子が正しい位置からずれている状態を示す概略側面図である。
【図４】第２実施形態の振動型ジャイロセンサを示す概略側面図である。
【図５】第２実施形態の振動型ジャイロセンサの振動子が正しい位置からずれている状態を示す概略側面図である。
【図６】第３実施形態で用いた振動子を示す概略正面図である。
【図７】第３実施形態の振動型ジャイロセンサを示す概略正面図である。
【図８】第３実施形態の振動型ジャイロセンサを示す概略側面図である。
【図９】第３実施形態で用いたＭＲセンサを示す概略正面図である。
【図１０】第４実施形態の振動型ジャイロセンサを示す概略正面図である。
【図１１】第４実施形態で用いた基板を示す概略平面図である。
【図１２】角速度を駆動信号と検出信号の位相差に基づいて検出する振動型ジャイロセンサの一例を示す概略正面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１２  振動子
１４  コイル
１６  ＭＲセンサ
１８  モールド体
２０  管状容器
２２  ＭＲセンサ
３０  振動子
４０  管状容器
４６  コイル
４８  ＭＲセンサ
５６  ＭＲセンサ
６０  コイル
【図１】
2006292504.tif 000003
【図２】
2006292504.tif 000004
【図３】
2006292504.tif 000005
【図４】
2006292504.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2006292504.tif 000009
【図８】
2006292504.tif 000010
【図９】
2006292504.tif 000011
【図１０】
2006292504.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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