(57)【要約】【課題】２端子で駆動（励振）と角速度の検出とができるようにする。【解決手段】角速度センサ素子片１０は、水晶板１８から音叉型振動片に形成してある。水晶板１８は、主面が水晶の結晶軸をＸ、Ｙ、Ｚとした場合、ＸＹ平面に対するＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°除く範囲であるカット角を有する。この音叉型角速度センサ素子片１０は、振動腕１４、１６を励振すると、主面に沿った方向の屈曲振動の振動成分と、主面に直交した方向の屈曲振動の振動成分とが合成された円振動を行なう。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動片を円振動させるとともに、前記円振動の変化を検出して前記振動片の前記円振動の軸線に直交した面内における角速度を求めることを特徴とする角速度検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度検出方法において、
前記円振動の変化は、前記円振動の周波数または周期の変化であることを特徴とする角速度検出方法。
【請求項３】
水晶の結晶軸をＸ、Ｙ、Ｚとした場合、ＸＹ平面に対するＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°を除く範囲である主面を有する水晶板からなる音叉型振動片であることを特徴とする角速度センサ素子片。
【請求項４】
振動腕が円振動する振動片を共振子として備える第１の電圧制御発振器と、第２の電圧制御発振器と、前記第１の電圧制御発振器の出力信号と前記第２の電圧制御発振器の出力信号とを位相比較するための位相比較器と、前記位相比較器の出力信号を直流化するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第２の電圧制御発振器へ遅延回路を介して印加する構成と、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第１の電圧制御発振器へ印加する構成と、を有し、前記ローパスフィルタの出力信号を角速度情報として利用した構成を有することを特徴とする角速度検出回路。
【請求項５】
請求項４に記載の角速度検出回路において、
前記振動片が音叉型振動片であることを特徴とする角速度検出回路。
【請求項６】
請求項４に記載の角速度検出回路において、
前記振動片が水晶板からなる音叉型振動片であり、水晶の結晶軸をＸ、Ｙ、Ｚとして、ＸＹ平面に対するＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、前記音叉型振動片がθ＝０°、９０°、１８０°、２７０°を除く範囲である主面を有する水晶板からなることを特徴とする角速度検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度の検出方法に係り、特に振動方式による角速度の検出方法と、角速度センサ素子片および角速度検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度の検出には、回転するコマを利用した機械方式、光ファイバジャイロのような光学方式、ガス流を利用した流体方式、振動体の振動を利用した振動方式など、各種の方式がある。なかでも、振動させた振動体に回転により生ずるコリオリ力の作用による振動の変化を検出して角速度の大きさを求める振動方式のいわゆる振動ジャイロは、小型で安価に製造できる。このため、近年、振動ジャイロは、デジタルカメラの手ぶれの補正などに広く利用されている。
【０００３】
振動ジャイロの角速度センサ素子片としては、特許文献１に記載のように音叉型振動片が知られている。この特許文献１に記載の角速度センサ素子片は、水晶体からなる音叉型振動片の、一対の腕の一方を駆動腕として水晶結晶のＸ軸方向に強制的に屈曲振動させる。そして、一対の腕の他方は検出腕とし、振動片に作用する角速度に伴うコリオリ力によって、検出腕が撓んだときに生ずる電荷を検出できるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−２４１６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の角速度センサ素子片は、１対の腕の一方を駆動腕とし、他方の腕を検出腕としている。このため、特許文献１に記載の角速度センサ素子片は、駆動腕に駆動電圧を印加するための１対の駆動用端子と、検出腕に生ずる電荷を検出するための１対の検出用端子との４つの端子を必要とする。したがって、特許文献１に記載の角速度センサ素子片は、駆動用端子を２端子（一対）のみを有する音叉型圧電振動片（通常の共振子）と振動片の形状が同じであるが、端子数が異なるために、音叉型圧電振動片と同一の製造工程で製造することができないとともに、端子数が多いので音叉型圧電振動片の製造工程と比較して製造工程が複雑なものとなる。
【０００５】
しかも、特許文献１に記載の角速度センサ素子片は、１対の腕のうち一方のみで駆動（励振）させるようにしているために、ＣＩ値が大きくなり、駆動し難い。そして、このような振動片は、ますます要求が強くなっている小型化を進めると、ＣＩ値がさらに大きくなり、大きな駆動電力を必要とする等の副作用が発生してしまうので、このような副作用を好まない場合では充分に小型化を図ることができない。また、特許文献１に記載の角速度センサ素子片は、駆動腕に作用するコリオリ力による振動の状態が基部を介して検出腕に伝達され、その反力として検出腕を撓ませるようにしている。このため、検出腕の撓み量が小さく、撓み量に基づく電荷を検出するためには、大きなゲインを必要とするとともに、ノイズから電荷量に相当する信号電圧を得るためにロックインアンプなどの特殊な回路を必要とし、検出回路が高価となる。また、特許文献１に記載の角速度センサ素子片は、検出腕に生ずる電荷を検出するためのアナログの検出回路を必要とし、検出回路を構成する集積回路（ＩＣ）が大型化する。
【０００６】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、２端子で駆動（励振）と角速度の検出とができるようにすることを目的としている。
また、本発明は、通常の音叉型圧電振動片と同一の工程で製造できるようにすることを目的としている。
【０００７】
さらに、本発明は、消費電流を小さくできるようにすることを目的としている。
また、本発明は、角速度を検出するために特殊な回路を必要とせず、ＩＣの小型化を図ることができるようにすることなどを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明に係る角速度の検出方法は、振動片を円振動させるとともに、前記円振動の変化を検出して前記振動片の前記円振動の軸線に直交した面内における角速度を求めることを特徴としている。
【０００９】
このようになっている本発明は、振動片をわざと円振動させておく。そして、このような円振動している振動片に、円振動の軸線に直交した面内において回転（角速度が作用）すると、作用する角速度の方向によって円振動の周波数が高くなったり、低くなったりする。したがって、振動片の円振動の振動周波数を検出することにより、振動片の円振動の軸線に直交した面内に作用する角速度の方向と速さを求めることができる。
【００１０】
そして、振動腕が予め円振動している音叉型の振動片（共振子）である場合、振動片に作用する回転運動の影響により生じる駆動腕の円振動の周波数微変化を駆動用端子にて検知することができる。すなわち、検出用の端子を特別に設ける必要がなく、通常の音叉型圧電振動片と同様に２端子であっても角速度センサ素子を実現することができる。このため、通常の音叉型圧電振動片と同じ製造工程において製造することができ、従来設備をそのまま利用することができて、コストを削減することができる。そして、音叉型振動片の２本の腕を駆動（励振）するようにしているため、振動片のＣＩ値を小さくすることができ、消費電力を小さくできるとともに、センサ素子片をより小型にすることができる。なお、この発明において、円振動には、楕円振動を含んでいる。
【００１１】
円振動の変化は、円振動の周波数または周期の変化であってよい。円振動の変化は、振幅の変化として求めることができるが、周波数（共振周波数）の変化として検出するようにすると、角速度が作用しているときと、作用していないときの共振励振との差として容易に求めることができる。したがって、円振動の変化の検出を容易に行なうことができる。円振動の周期の変化を求める場合も同様である。このように、円振動の変化を振動数または周期の変化として求めると、検出回路にロックインアンプなどの特別な回路を必要とせず、検出回路を安価に製造することができる。特に、円振動の変化を振動数の変化として検出する場合、検出回路のデジタル化を容易に行なうことができ、Ａ／Ｄコンバータを必要としないことからＩＣの小型化を図ることができる。
【００１２】
上記の角速度検出方法を実施するための角速度センサ素子片は、水晶のＺ板に対するＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°を除く範囲である主面を有する水晶板からなる音叉型振動片であることを特徴としている。
【００１３】
水晶のＸＹ面に対する水晶のＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°を除くカット角を有する水晶板からなる音叉型振動片は、音叉の腕（振動腕）を励振すると、円振動をする。すなわち、振動腕を励振（駆動）すると、振動腕は、音叉型振動片の面内における通常の屈曲振動と、ウォーキングモードと呼ばれる振動片の主面に直交した方向の屈曲振動とを合成した円振動を行なう。したがって、上記したカット角の水晶板からなる音叉型振動片の駆動腕は、通常に励振するだけで円振動させることができる。そして、一対の振動腕の両方を駆動することができるため、ＣＩ値を小さくすることができ、消費電力の低減を図ることができるとともに、より小型化を図ることができる。
【００１４】
本発明に係る角速度検出回路は、振動腕が円振動する振動片を共振子として備える第１の電圧制御発振器と、第２の電圧制御発振器と、前記第１の電圧制御発振器の出力信号と前記第２の電圧制御発振器の出力信号とを位相比較する為の位相比較器と、前記位相比較器の出力信号を直流化するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第２の電圧制御発振器へ遅延回路を介して印加する構成と、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第１の電圧制御発振器へ印加する構成と、を有し、前記ローパスフィルタの出力信号を角速度情報として利用した構成を有することを特徴としている。これにより、上記の効果を得ることができる。
【００１５】
振動片は、音叉型振動片であってよい。そして、振動片は、水晶板からなる音叉型振動片であり、水晶の結晶軸をＸ、Ｙ、Ｚとして、ＸＹ平面に対するＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°を除く範囲である主面を有する水晶板から形成するとよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る角速度検出方法、角速度センサ素子片および角速度検出回路の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る角速度センサ素子片の模式的に示した斜視図である。図１において、角速度センサ素子片１０は、圧電体基板によって音叉形状の振動片に形成してある。すなわち、角速度センサ素子片１０は、略矩形状に形成した基部１２と、基部１２の一辺から同方向に平行させて突設した一対の振動部である振動腕１４、１６とからなっている。
【００１７】
角速度センサ素子片１０は、実施形態の場合、圧電体基板が水晶板であって、図２に示したカット角の水晶板１８からなっている。図２に示したＸ、Ｙ、Ｚの直交した３軸は、水晶の結晶軸であって、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸、Ｚ軸が光軸である。そして、水晶板１８は、水晶のＺ板２０となるＸＹ平面に対してＹ軸回りに角度θ回転させたカット角となっている。水晶板１８の面が、角速度センサ素子片１０の主面となっている。
【００１８】
Ｙ軸回りの回転角θは、実施形態の場合、θ≠０°、９０°、１８０°、２７０°の範囲である。θ＝０°、１８０°の場合、振動腕１４、１６を励振すると、音叉型振動片の面内（Ｘ軸方向）における屈曲振動のみを行ない、振動片の面に直交した方向（Ｚ軸方向）の振動成分を含まず、またθ＝９０°、２７０°の場合、振動腕１４、１６を励振すると、音叉型振動片の面に直行した方向（Ｚ軸方向）における屈曲振動のみを行ない、振動片の面内（Ｘ軸方向）の振動成分を含まず、後述する円振動を行なわせることができない。これに対して、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°を除くカット角（主面）を有する水晶板１８は、音叉型振動片を形成して振動腕を駆動（励振）した場合、主面に沿った方向に２本の振動腕が対称的に動揺する音叉としての屈曲振動の振動成分と、水晶板１８の主面に直交した方向に２本振動腕が互いに相反する方向に動揺するいわゆるウォーキングモードと呼ばれる屈曲振動の振動成分とが合成された円振動を行なう。
【００１９】
角速度センサ素子片１０は、一対の振動腕１４、１６が略角柱状に形成してあり、それぞれ振動腕１４、１６に励振電極が設けてある。励振電極は、振動腕１４、１６のそれぞれの表裏主面に形成した主面電極２２、２４（裏面は、図示せず）と、主面に直交した両側側面に形成した側面電極２６、２８（図１の左側側面は、図示せず）とからなっている。各振動腕１４、１６のそれぞれの左右側面電極は、振動腕１４、１６のそれぞれの主面先端部に形成した先端連結電極部３０、３２を介して相互に接続してある。さらに、一方の振動腕１４の主面に形成した主面電極２２は、基部１２に設けた導電パターン３４を介して、他方の振動腕１６の両側面に形成した側面電極２８に接続してある。そして、主面電極２２と側面電極２８とは、基部１２に設けた引出し電極３６と一体に形成してある。同様に、他方の振動腕１６の主面電極２４は、一方の振動腕１４の側面電極２６に導電パターン３８を介して接続してある。そして、主面電極２４と側面電極２６とは、基部１２に設けた引出し電極４０と一体に形成してある。
【００２０】
これらの引出し電極３６、４０は、振動腕１４、１６の駆動（励振）するための駆動用端子であるとともに、振動腕１４、１６の円振動の変化を検出するための検出用端子でもある。したがって、通常の音叉型圧電振動片と同様に、２端子とすることができ、通常の音叉型圧電振動片の製造工程で製造することができる。このため、角速度センサ素子片１０の製造コストを低減することができる。なお、各引出し電極３６、４０は、基部１２の側面を介して裏面側にも延在されている。そして、角速度センサ素子片１０の裏面には、表面と対称に電極が形成してある。
【００２１】
このようになっている角速度センサ素子片１０は、基部１２に設けた引出し電極３６、４０が導電性接着剤などを介して、図示しないパッケージに設けた接合電極に接合され、パッケージ内に真空または不活性ガスの雰囲気に気密に封止される。そして、音叉型振動片からなる角速度センサ素子片１０は、音叉型振動片の中心線４２が検出軸（感応軸）となっており、中心線４２回りの角速度ω検出する。
【００２２】
ＸＹ面に対してθ＝０°、９０°１８０°、２７０°を除く範囲にてθ回転させたカット角を有する水晶板１８から形成した角速度センサ素子片１０は、振動腕１４、１６を駆動（励振）すると、振動腕１４、１６が振動腕の軸線回りに円振動を行なう。すなわち、角速度センサ素子片１０は、引出し電極３６、４０との間に所定周波数の電圧を印加すると、各振動腕１４、１６が主面に沿った方向の屈曲振動の振動成分と、主面に直交した方向の屈曲振動の振動成分（ウォーキングモード）とが合成された時計回り、または反時計回りの円振動を行なう。この円振動の回転方向は、θの値によって一意に定まる。そして、実施形態の場合、振動腕１４、１６の主面に沿った方向の屈曲振動の周期と、主面に直交した方向の屈曲振動の周期とを略一致させている。この両周期の一致は、振動腕１４、１６の幅ｂと厚みｄとを調整することにより行なうことができる。
【００２３】
振動腕１４、１６が円振動をしている場合、この角速度センサ素子片１０の等価回路は、図３のように表すことができる。すなわち、円振動している角速度センサ素子片１０は、電気端子（引出し電極３６、４０）４４、４４から見た場合、主面に沿った方向の音叉の屈曲振動の等価成分４６と、主面に直交した方向のいわゆるウォーキングモードの屈曲振動の等価成分４８とが結合回路５０によって電気的に結合した状態とみなせる。そして、例えば、円振動の周波数が変化するなどの円振動が変化した場合、結合回路５０の結合係数が変わったとみなすことができる。
【００２４】
例えば、角速度センサ素子片１０は、振動腕１４、１６が励振されて、図４に示したように、反時計回りの円振動をしているとする。このとき、角速度センサ素子片１０に振動部である振動腕１４、１６の円振動の軸線に直交した面内において時計回りの回転を受けたとする。すなわち、角速度センサ素子片１０は、中心線４２と直交した面内における反時計回りの角速度ωが作用したとする。このとき、振動腕１４、１６は、角速度ωによって、円振動を妨げられるような力を受け、円振動の振幅が小さくなるとともに、円振動の周波数が低下する。反対に、図４のように、振動腕１４、１６が反時計回りの振動をしているときに、時計回りの角加速度の作用を受けると、円振動が助長され、円振動の振幅が大きくなるとともに周波数が高くなる。
【００２５】
このような円振動の変化（周波数の変化）は、図５に示したような回路によって検出され、図示しない変換回路（角速度演算回路）によって角速度の作用する方向と大きさに対応した信号に変換される。図５に示した回路は、周波数検出回路の一例である。音叉型振動片として形成された角速度センサ素子片１０は、共振子として電圧制御発振回路５２に接続され、電圧制御発振回路５２とともに第１の電圧制御発振器として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）５４を形成する。電圧制御水晶発振器５４の出力信号は、位相比較器５６に入力するようにしてある。位相比較器５６には、さらに、第２の電圧制御発振器（ＶＣＯ）５８の出力信号が入力するようになっている。
【００２６】
位相比較器５６の出力側には、ローパスフィルタ６０が設けてある。ローパスフィルタ６０の出力側には、増幅器６２と増幅器６４とが並列に接続してある。増幅器６２は、出力信号を電圧制御発振回路５２内の電圧制御型の可変容量素子に周波数制御電圧として入力する。また、増幅器６２の出力信号は、増幅器６６を介して円振動の周波数情報として出力される。一方、増幅器６４の出力信号は、遅延回路６８を介して電圧制御発振器５８に周波数制御信号として入力する。遅延回路６８は、実施形態の場合、抵抗ＲとコンデンサＣとを直列接続した積分回路からなる。遅延回路６８は、ＲとＣとにより定まる時定数だけ遅らせて増幅されたローパスフィルタの出力信号を電圧制御発振器５８の電圧制御型の可変容量素子に周波数制御電圧として与える。
【００２７】
このように構成した検出回路は、角速度センサ素子片１０に角速度が作用していないときの電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）５４の共振周波数と、電圧制御発振器５８の共振周波数とが一致させてある。また、図示しない位相調整回路により、位相比較器５６に入力する電圧制御水晶発振器５４の出力信号と電圧制御発振器５８の出力信号との初期位相（スイッチがオンされたときの位相）が同期させてある。したがって、角速度センサ素子片１０の中心線４２に直交した面内の角速度ωが作用していない場合、位相比較器５６に入力する電圧制御水晶発振器５４と電圧制御発振器５８との出力信号は、周波数が同じであり、同位相となる。このため、位相比較器５６の出力信号は、０である。
【００２８】
角速度センサ素子片１０に、中心線４２と直交した面内の成分を有する角速度ωが作用すると、前記したように円振動の周波数（振動腕１４、１６の回転スピード）が変化する。このため、位相比較器５６に入力する電圧制御水晶発振器５４の出力信号と電圧制御発振器５８の出力信号との間に位相にずれを生じる。位相比較器５６は、この位相差に対応した位相差信号（電圧）を出力する。位相比較器５６の出力信号は、ローパスフィルタ６０によって高周波成分が除かれ、直流信号（直流電圧）にされる。この直流電圧は、増幅器６２によって増幅されて電圧制御水晶発振器５４の電圧制御発振回路５２に周波数制御電圧として与えられる。電圧制御水晶発振器５４は、電圧制御発振回路５２に入力する周波数制御電圧に応じた周波数で発振する。
【００２９】
一方、電圧制御発振器５８には、遅延回路６８介して増幅器６４が増幅したローパスフィルタ６０の出力信号（電圧）が周波数制御信号として入力する。すなわち、電圧制御発振器５８は、遅延回路６８のＲとＣとで定まる時定数の時間だけ遅れてローパスフィルタの出力する制御電圧に追随して発振周波数が変化する。したがって、増幅器６２の出力側から取り出された電圧信号は、そのときに角速度センサ素子片１０が受けている角速度の大きさに基づいた発振周波数の変化による位相差に相当する信号である。よって、増幅器６２の出力信号を増幅器６６によって増幅し（この増幅器６６は、増幅器６２の出力が十分に大きい場合には省略することができる）、図示しない変換器（角速度演算器）に出力する。これにより、角速度センサ素子片１０に作用する角速度の方向と大きさとを求めることができる。
【００３０】
このように、実施形態の角速度センサ素子片１０は、一対の振動腕１４、１６を励振するようにしているため、ＣＩ値を小さくすることができる。したがって、角速度センサ素子片１０は、ＣＩ値が小さいために消費電力を小さくすることができる。また、円振動の変化を周波数の変化として検出するため、ロックインアンプなどの特殊な回路を必要とせず、検出回路を安価に構成することができる。さらに、周波数を検出して角速度を求めることができるため、アナログ回路を必要とせず、検出回路を小型化でき、容易にデジタル化することができる。
【００３１】
上記の実施形態は、本発明の一態様であって、実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、振動体を音叉形状に形成した場合について説明したが、振動体は、単なる棒状などの円振動をさせられるものであればよい。また、前記実施形態においては、円振動の変化を周波数の変化として検出する場合について説明したが、円振動の変化は、周期の変化や振幅の変化として検出してもよい。
【００３２】
また、上記の実施形態における振動腕１４、１６の円振動とは楕円振動、真円振動も含まれる。
特に、振動腕１４、１６を真円運動またはこれに近い円運動であるほど回転運動のバランスが良いので高感度特性を有する角速度センサ素子を得ることができる。
【００３３】
なお、前記検出回路においては、電圧制御水晶発振器５４と位相を比較する発振器が電圧制御発振器５８の共振子として特定した説明をしていないが、共振子としてコイルとコンデンサからなるＣＬ共振回路の他に、ＡＴ水晶振動子などを用いた電圧制御水晶発振器を適用すれば高い周波数温度特性が得られるため、角速度検出回路の起動特性等に対して高い性能を得ることができる。
【００３４】
すなわち、周波数温度特性が比較的悪いＣＬ共振回路の場合、温度によって角速度検出回路の起動時に所望の周波数から大きく外れてしまう場合があるため、所望の動作状態に達するまでに幾度のフィードバック制御（位相比較および周波数制御）を必要としてしまう、または、フィードバック制御が不可能となってしまう。
【００３５】
これに対して、周波数温度特性に優れるＡＴ水晶振動子を使用した場合では、温度によって所望の周波数から大きく外れることがないので、所望の動作状態に達するまでのフィードバック制御が少ない回数で足りるのである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施の形態に係る角速度センサ素子片の斜視図である。
【図２】実施形態に係る角速度センサ素子片を形成する水晶板のカット角の説明図である。
【図３】実施形態に係る角速度センサ素子片の等価回路図である。
【図４】実施形態に係る角速度センサ素子片の作用の説明図である。
【図５】実施形態に係る角速度センサ素子片の角速度による周波数変化を検出する回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０………角速度センサ素子片（振動片）、１２………基部、１４、１６………振動腕、２２、２４………主面電極、２６、２８………側面電極、３６、４０………引出し電極（端子）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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