(57)【要約】【課題】ジャイロセンサの構造および回路を複雑にすることなく、振動子に与えられた角速度および振動子の回転方向を検出することができる振動型ジャイロセンサを提供する。【解決手段】駆動部の駆動信号の位相と検出部の検出信号の位相との位相差に基づいて振動子２０に与えられた角速度を求める振動型ジャイロセンサにおいて、検出部として４つの磁気センサ２２、２４、２６、２８を互いに離間させて２行２列に配列したものを使用し、４つの磁気センサの配列体の対角線に沿って振動子を振動させつつ、４つの磁気センサの差分信号を検出するとともに、４つの磁気センサの中間部における前記差分信号のゼロクロス点の、４つの磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて、振動子の回転方向を検出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体からなる振動子と、前記振動子に振動を与える駆動部と、前記振動子の振動を検出する検出部とを具備し、前記駆動部の駆動信号の位相と前記検出部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、前記検出部として２つの磁気センサを互いに離間させて配列したものを使用し、前記２つの磁気センサの配列体の長手方向に沿って前記振動子を振動させつつ、前記２つの磁気センサの差分信号を検出するとともに、前記２つの磁気センサの中間部における前記差分信号のゼロクロス点の、前記２つの磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて、前記振動子の回転方向を検出することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
【請求項２】
磁性体からなる振動子と、前記振動子に振動を与える駆動部と、前記振動子の振動を検出する検出部とを具備し、前記駆動部の駆動信号の位相と前記検出部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、前記検出部として４つの磁気センサを互いに離間させて２行２列に配列したものを使用し、前記４つの磁気センサの配列体の対角線に沿って前記振動子を振動させつつ、前記４つの磁気センサの差分信号を検出するとともに、前記４つの磁気センサの中間部における前記差分信号のゼロクロス点の、前記４つの磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて、前記振動子の回転方向を検出することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
【請求項３】
前記磁気センサがＭＲ素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型ジャイロセンサ。
【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として、振動子と、振動子に振動を与える駆動部と、振動子の振動を検出する検出部とを具備し、駆動部の駆動信号の位相と検出部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求める振動型ジャイロセンサが提案されている（特許文献１〜３参照）。
【０００３】
一方、振動型ジャイロセンサにおいて、振動子の回転方向を検出する場合、加速度センサなどの前述した振動子の振動を検出する検出部とは別のセンサを振動素子に設けることが行われている。
【０００４】
また、振動子の横方向の振動位相に着目し、横方向の振動が回転方向によって１８０度位相が変化することから、検出部の検出信号の位相検波を行うことで振動子の回転方向の検出を行うことも提案されている（特許文献４参照）。
【０００５】
【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
【特許文献４】特開平５−３１２５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、振動子の回転方向を検出するために、振動子の振動を検出する検出部とは別のセンサを振動素子に設ける方法では、ジャイロセンサの構造が複雑になるという問題があった。
【０００７】
また、振動子の回転方向を検出するために、検出部の検出信号の位相検波を行う方法では、位相検波を行う回路を設ける必要があるため、ジャイロセンサの回路が複雑になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、ジャイロセンサの構造および回路を複雑にすることなく、振動子に与えられた角速度および振動子の回転方向を検出することができる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】
【０００９】
本発明は、前記目的を達成するため、第１発明として、磁性体からなる振動子と、前記振動子に振動を与える駆動部と、前記振動子の振動を検出する検出部とを具備し、前記駆動部の駆動信号の位相と前記検出部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、前記検出部として２つの磁気センサを互いに離間させて配列したものを使用し、前記２つの磁気センサの配列体の長手方向に沿って前記振動子を振動させつつ、前記２つの磁気センサの差分信号を検出するとともに、前記２つの磁気センサの中間部における前記差分信号のゼロクロス点の、前記２つの磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて、前記振動子の回転方向を検出することを特徴とする振動型ジャイロセンサを提供する。
【００１０】
本発明は、前記目的を達成するため、第２発明として、磁性体からなる振動子と、前記振動子に振動を与える駆動部と、前記振動子の振動を検出する検出部とを具備し、前記駆動部の駆動信号の位相と前記検出部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、前記検出部として４つの磁気センサを互いに離間させて２行２列に配列したものを使用し、前記４つの磁気センサの配列体の対角線に沿って前記振動子を振動させつつ、前記４つの磁気センサの差分信号を検出するとともに、前記４つの磁気センサの中間部における前記差分信号のゼロクロス点の、前記４つの磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて、前記振動子の回転方向を検出することを特徴とする振動型ジャイロセンサを提供する。
【００１１】
第１発明の振動型ジャイロセンサでは、２つの磁気センサの配列体の長手方向に沿って振動子を振動させつつ、２つの磁気センサの差分信号を検出するため、２つの磁気センサの中間部および２つの磁気センサの配列体の長手方向両端部で上記差分信号はゼロとなる。これは、２つの磁気センサの中間部に磁気センサが位置しているときは２つの磁気センサの出力は等しく、２つの磁気センサの配列体の長手方向両端部に磁気センサが位置しているときは２つの磁気センサの出力はいずれもゼロだからである。そのため、２つの磁気センサの差分信号の出力波形は、図１（ａ）に示す磁気センサの回転方向が右回転の場合と、図１（ｂ）に示す磁気センサの回転方向が左回転の場合とで、２つの磁気センサの中間部における差分信号のゼロクロス点Ｘの、２つの磁気センサの間の中心時間点Ｙに対する正負が逆になる。すなわち、図１（ａ）ではゼロクロス点Ｘは中心時間点Ｙよりもプラス側に位置し、図１（ｂ）ではゼロクロス点Ｘは中心時間点Ｙよりもマイナス側に位置している。なお、上記中心時間点とは、波形図において、２つの磁気センサの配列体の長手方向両端部間を振動子が振動する時間の１／２の時間の箇所をいう。したがって、第１発明によれば、２つの磁気センサの差分信号の大きさに基づいて振動子に与えられた角速度を求めることができるとともに、２つの磁気センサの中間部における差分信号のゼロクロス点の、２つの磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて、振動子の回転方向を求めることが可能となる。そのため、第１発明では、振動子の回転方向を検出するために、振動子の振動を検出する検出部とは別のセンサを振動素子に設けたり、位相検波を行う回路を設けたりすることなく、簡単な構造および回路で、振動子に与えられた角速度および振動子の回転方向の両方を検出することができる。
【００１２】
第２発明の振動型ジャイロセンサでは、４つの磁気センサの配列体の対角線に沿って振動子を振動させつつ、４つの磁気センサの差分信号を検出するため、４つの磁気センサの中間部および４つの磁気センサの配列体の対角部で上記差分信号はゼロとなる。これは、４つの磁気センサの中間部に磁気センサが位置しているときは４つの磁気センサの出力は等しく、４つの磁気センサの配列体の対角部に磁気センサが位置しているときは４つの磁気センサの出力はいずれもゼロだからである。そのため、４つの磁気センサの差分信号の出力波形は、第１発明と同様に、図１（ａ）に示す磁気センサの回転方向が右回転の場合と、図１（ｂ）に示す磁気センサの回転方向が左回転の場合とで、４つの磁気センサの中間部における差分信号のゼロクロス点Ｘの、４つの磁気センサの間の中心時間点Ｙに対する正負が逆になる。なお、上記中心時間点とは、波形図において、４つの磁気センサの配列体の対角部間を振動子が振動する時間の１／２の時間の箇所をいう。なお、上記中心時間点とは、波形図において、２つの磁気センサの配列体の長手方向両端部間を振動子が振動する時間の１／２の時間の箇所をいう。したがって、第２発明によれば、４つの磁気センサの差分信号の大きさに基づいて振動子に与えられた角速度を求めることができるとともに、４つの磁気センサの中間部における差分信号のゼロクロス点の、４つの磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて、振動子の回転方向を求めることが可能となる。そのため、第２発明では、振動子の回転方向を検出するために、振動子の振動を検出する検出部とは別のセンサを振動素子に設けたり、位相検波を行う回路を設けたりすることなく、簡単な構造および回路で、振動子に与えられた角速度および振動子の回転方向の両方を検出することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明において、駆動部に使用する素子としては、例えば、電磁誘導作用を利用するもの（トランス、コイルなど）、電流磁気効果を利用するもの（磁気抵抗効果素子、ホール素子、磁気トランジスタなど）、静電力を利用するもの、圧電効果を利用するものなど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。
【００１５】
本発明において、検出部に使用する磁気センサとしては、例えば、ＭＲ素子、ホール素子、磁気トランジスタ、コイルなど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。
【００１６】
本発明においては、振動子を管状容器の内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。
【００１７】
本発明において、駆動部の駆動信号の位相と検出部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、磁気センサの差分信号の微分値と駆動部の駆動信号の微分値とを比較することにより上記位相差を検出する手段を用いることができる。
【００１８】
本発明において、磁気センサの中間部における差分信号のゼロクロス点の、磁気センサの間の中心時間点に対する正負に基づいて振動子の回転方向を検出する手段に限定はなく、例えば、磁気センサの差分信号の微分値の正負によって上記回転方向を判定する手段を用いることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の振動型ジャイロセンサによれば、構造および回路を複雑にすることなく、振動子に与えられた角速度および振動子の回転方向を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（第１実施形態）
図２は第１発明に係る振動型ジャイロセンサの一例を示すもので、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は模式的側面図である。本例の振動型ジャイロセンサは、磁性体からなる振動子１０と、振動子１０に振動を与える駆動部（図示せず）と、２つの同じ性能を有するＭＲ素子１２、１４を互いに離間させて配列した検出部とを具備する。振動子１０は、ＭＲ素子１２、１４と離間した状態でＭＲ素子１２、１４と対向するように配置されている。なお、図２（ａ）では振動子１０を一転鎖線で示してある。
【００２２】
振動子１０として、具体的には、例えば図３に示すものを用いることができる。本例の振動子は、線状支持体４０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４２を取り付けるとともに、振動子４２の近傍に駆動素子としてコイル４４を配置したものである。本例の振動子では、線状支持体４０の基端側およびコイル４４はエラストマーからなるモールド体４８内に封入されており、線状支持体４０の先端側および振動子４２は上記モールド体４８内に封入されたガラス製の断面円形の管状容器５０の内部に配置されている。また、コイル４４は、管状容器５０の外周に巻き付けられた状態でモールド体４８内に封入されている。本例の振動子１０は、コイル４４によって振動子４２に図中矢印方向の振動を振動子４２の先端が開閉するように与えるものである。
【００２３】
本実施形態の振動型ジャイロセンサは、駆動部の駆動信号の位相と検出部の検出信号の位相との位相差に基づいて振動子１０に与えられた角速度を求めるとともに、ＭＲ素子１２、１４の中間部における差分信号のゼロクロス点の、ＭＲ素子１２、１４の間の中心時間点に対する正負に基づいて振動子１０の回転方向を検出するものである。
【００２４】
この場合、本実施形態の振動型ジャイロセンサでは、２つのＭＲ素子１２、１４の配列体１６の長手方向１８に沿って振動子１０を振動させつつ、２つのＭＲ素子１２、１４の差分信号を検出するとともに、この差分信号の大きさに基づいて振動子１０に与えられた角速度を求め、２つのＭＲ素子１２、１４の中間部における差分信号のゼロクロス点の、２つのＭＲ素子１２、１４の間の中心時間点に対する正負に基づいて振動子１０の回転方向を求める（図１参照）。より具体的には、検出部の検出信号の微分値のゼロクロス点と、駆動部の駆動信号の微分値とを比較することにより、位相差を検出して振動子に与えられた角速度を求めるとともに、検出部の検出信号の微分値の正負によって振動子の回転方向を判定する。
【００２５】
第１実施形態の振動型ジャイロセンサにおいて、振動子に与えられた角速度を検出するとともに、振動子の回転方向を検出する手段としては、例えば、図４に示す回路を用いる手段が挙げられる。図４において、６０は基本信号、６２は基本信号６０の周波数を１／２に変換して振動素子の駆動信号６４を生成する分周回路、６６は基本信号の微分を行う微分回路、１２、１４はそれぞれＭＲ素子、６８、７０はそれぞれ抵抗、７２はＭＲ素子１２、１４の差分信号を出力するオペアンプ（差動増幅回路）、７４は上記差分信号の微分を行う微分回路、７６は基本信号の微分信号とＭＲ素子１２、１４の差分信号の微分信号との比較信号を出力する比較回路（本例ではＡＮＤ回路）を示す。本例の回路では、比較回路７６の出力信号（ＡＮＤ回路信号）に基づいて、振動子に与えられた角速度および振動子の回転方向を検出する。
【００２６】
（第２実施形態）
図５は第２発明に係る振動型ジャイロセンサの一例を示すもので、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は模式的側面図である。本例の振動型ジャイロセンサは、磁性体からなる振動子２０と、振動子２０に振動を与える駆動部（図示せず）と、４つの同じ性能を有するＭＲ素子２２、２４、２６、２８を互いに離間させて２行２列に配列した検出部とを具備する。ＭＲ素子２２、２６は図中縦方向の磁気に感度を有し、ＭＲ素子２４、２８は図中縦方向の磁気に感度を有する。振動子１０は、ＭＲ素子２２、２４、２６、２８と離間した状態でＭＲ素子２２、２４、２６、２８と対向するように配置されている。なお、図３（ａ）では振動子２０を一点鎖線で示してある。振動子２０として、具体的には、例えば図３に示したものを用いることができる。
【００２７】
本実施形態の振動型ジャイロセンサは、駆動部の駆動信号の位相と検出部の検出信号の位相との位相差に基づいて振動子２０に与えられた角速度を求めるとともに、ＭＲ素子２２、２４、２６、２８の中間部における差分信号のゼロクロス点の、ＭＲ素子２２、２４、２６、２８の間の中心時間点に対する正負に基づいて振動子の回転方向を検出するものである。
【００２８】
この場合、本実施形態の振動型ジャイロセンサでは、４つのＭＲ素子２２、２４、２６、２８の配列体３０の対角線３２に沿って振動子を振動させつつ、４つのＭＲ素子２２、２４、２６、２８の差分信号を検出するとともに、この差分信号の大きさに基づいて振動子２０に与えられた角速度を求め、４つのＭＲ素子２２、２４、２６、２８の中間部における差分信号のゼロクロス点の、４つのＭＲ素子ＭＲ素子２２、２４、２６、２８の間の中心時間点に対する正負に基づいて振動子２０の回転方向を求める（図１参照）。より具体的には、検出部の検出信号の微分値のゼロクロス点と駆動部の駆動信号とを比較することにより、位相差を検出して振動子２０に与えられた角速度を求めるとともに、検出部の検出信号の微分値の正負によって振動子２０の回転方向を判定する。
【００２９】
第２実施形態の振動型ジャイロセンサにおいて、振動子に与えられた角速度を検出するとともに、振動子の回転方向を検出する手段としては、例えば、図６に示す回路を用いる手段が挙げられる。図６において、６０は基本信号、６２は基本信号６０の周波数を１／２に変換して振動素子の駆動信号６４を生成する分周回路、６６は基本信号の微分を行う微分回路、２２、２４、２６、２８はそれぞれＭＲ素子、７２はＭＲ素子２２、２４、２６、２８の差分信号を出力するオペアンプ（差動増幅回路）、７４は上記差分信号の微分を行う微分回路、７６は基本信号の微分信号とＭＲ素子２２、２４、２６、２８の差分信号の微分信号との比較信号を出力する比較回路（本例ではＡＮＤ回路）を示す。本例の回路では、比較回路７６の出力信号（ＡＮＤ回路信号）に基づいて、振動子に与えられた角速度および振動子の回転方向を検出する。本実施形態における検出部の検出信号の微分波形の一例を図７に示す。図７における検出信号のデジタル値の正負を調べることにより、振動子の回転方向がわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】磁気センサの差分信号の出力波形を模式的に示すグラフである。
【図２】第１発明に係る振動型ジャイロセンサの一例を示すもので、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は模式的側面図である。
【図３】振動子の一例を示すもので、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は概略側面図である。
【図４】第１実施形態の振動型ジャイロセンサに使用する角速度および回転方向検出回路の一例を示す回路図である。
【図５】第２発明に係る振動型ジャイロセンサの一例を示すもので、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は模式的側面図である。
【図６】第２実施形態の振動型ジャイロセンサに使用する角速度および回転方向検出回路の一例を示す回路図である。
【図７】検出部の検出信号の微分波形の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１０  振動子
１２、１４  ＭＲ素子
１６  ＭＲ素子の配列体
１８  長手方向
２０  振動子
２２、２４、２６、２８  ＭＲ素子
３０  ＭＲ素子の配列体
３２  対角線
【図１】
2008224509.tif 000003
【図２】
2008224509.tif 000004
【図３】
2008224509.tif 000005
【図４】
2008224509.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2008224509.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月16日(2007.3.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008224509.tif 000012
【図４】
2008224509.tif 000013
【図５】
2008224509.tif 000014
【図６】
2008224509.tif 000015
【図７】
2008224509.tif 000016