(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振回路とコリオリ力検出回路とを備えた角速度センサであって、
前記発振回路は、
励振用の駆動電極及びコリオリ力検出用の検出電極を有し、前記駆動電極に印加される交流の駆動電圧によって振動する音叉形状の圧電振動子と、
前記駆動電極の出力電流を電圧に変換して出力電圧を出力する電流／電圧変換回路と、
前記出力電圧を整流して直流電圧を出力する整流回路と、
定電圧素子で作った定電圧を演算増幅器に入力して一定の電圧を生成し、前記一定の電圧に基づき、前記整流回路の持つ温度係数を相殺するような基準電圧を出力する基準電源回路と、
前記直流電圧と前記基準電圧とを比較して電圧差を求め、前記電圧差を制御電圧として出力する比較手段と、
前記制御電圧に基づき、前記電圧差が零となるように利得が制御され、前記制御された利得によって前記電流／電圧変換回路の前記出力電圧を増幅し、前記駆動電極に与える前記駆動電圧を出力する自動利得制御回路と、
前記制御電圧に基づいて前記圧電振動子の起動期間と前記起動期間後の安定期間とを検出し、前記起動期間の時には利得を大きくし、前記安定期間の時には利得を小さくする起動補償用の増幅手段とを備え、
前記コリオリ力検出回路は、
前記圧電振動子に発生するコリオリ力に応じた検出電流が前記検出電極から出力されると、前記検出電流を電圧に変換して検出電圧を出力する検出手段と、
前記検出電圧を前記電流／電圧変換回路の前記出力電圧で同期検波して直流変換を行い、角速度に応じた検出信号を出力する同期検波手段と、
を備えたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
発振回路とコリオリ力検出回路とを備えた角速度センサであって、
前記発振回路は、
励振用の駆動電極及びコリオリ力検出用の検出電極を有し、前記駆動電極に印加される交流の駆動電圧によって振動する音叉形状の圧電振動子と、
前記駆動電極の出力電流を電圧に変換して出力電圧を出力する電流／電圧変換回路と、
前記出力電圧を整流して直流電流を出力する整流回路と、
定電圧素子で作った定電圧を演算増幅器に入力して一定の電圧を生成し、前記一定の電圧に基づき、前記整流回路の持つ温度係数を相殺するような基準電流を出力する基準電源回路と、
前記直流電流と前記基準電流とを比較して電流差を求め、前記電流差を積分して制御電圧を出力する比較手段と、
前記制御電圧に基づき、前記電流差が零となるように利得が制御され、前記制御された利得によって前記電流／電圧変換回路の前記出力電圧を増幅し、前記駆動電極に与える前記駆動電圧を出力する自動利得制御回路と、
前記制御電圧に基づいて前記圧電振動子の起動期間と前記起動期間後の安定期間とを検出し、前記起動期間の時には利得を大きくし、前記安定期間の時には利得を小さくする起動補償用の増幅手段とを備え、
前記コリオリ力検出回路は、
前記圧電振動子に発生するコリオリ力に応じた検出電流が前記検出電極から出力されると、前記検出電流を電圧に変換して検出電圧を出力する検出手段と、
前記検出電圧を前記電流／電圧変換回路の前記出力電圧で同期検波して直流変換を行い、角速度に応じた検出信号を出力する同期検波手段と、
を備えたことを特徴とする角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子等の圧電振動子を励振（即ち、駆動）するための周囲温度の影響を受け難い発振回路を用いて、位置の検出や姿態制御等を行うための角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の角速度センサに関する技術としては、例えば、次のような文献に記載されるものがあった。
文献１；特許第２７８１１６１号公報（米国、優先日１９９４年９月１５日）
文献２；米国特許第５８５００３５号公報（出願日１９９７年４月１１日）
文献３；特開平１１−４４５４０号公報（出願日１９９７年７月２５日）
【０００３】
図２は、前記文献１等に記載された角速度センサの原理を示す図である。
角速度センサの圧電振動子１として例えば音叉型水晶振動子を用いた場合、この圧電振動子１の表面の所定箇所に励振用の駆動電極２及びコリオリ力検出用の検出電極３等が設けられる。駆動電極２には、これに交流（以下「ＡＣ」という。）の駆動電圧を供給するための発振回路４が接続される。また、検出電極３には、コリオリ力検出回路５が接続される。
【０００４】
圧電振動子１は質量ｍを有し、駆動電極２に発振回路４からＡＣ駆動電圧が印加されると、この圧電振動子１がＸ軸に沿ってＢ方向に所定の周波数で振動する。Ｙ軸の回りに角速度ωが加わると、Ｘ軸と直交するＺ軸方向にコリオリ力Ｆ（＝２ｍｖω）（但し、ｖは圧電振動子１の振動速度）が発生する。コリオリ力Ｆは角速度ωの大きさに比例して定まることから、検出電極３及びコリオリ力検出回路５により、コリオリ力Ｆを圧電振動子１の撓み変位量として検出することで、この圧電振動子１の角速度ωの大きさを求めることができる。
【０００５】
角速度センサの使用用途としては、車両や航空機等に搭載し、この走行或いは飛行軌跡を記録したり、旋回時に発生するヨーレイトを検出することが行われている。角速度センサをロボットに搭載し、この姿勢制御等にも応用されている。また、最近ではごく一般的なカーナビゲーションでの車両位置検知（ＧＰＳの電波の届かない場所での位置検出）等のためにも搭載されている。
精度を向上させるために、前記文献１〜３には角速度センサの種々の提案が行われている。
【０００６】
前記文献１では、発振回路４を動作させるために印加する電源電圧に応じて、該発振回路４内に設けた自動利得制御（以下「ＡＧＣ」という。）回路により、該発振回路４から駆動電極２に供給される駆動電圧のレベルを制御し、該駆動電圧とコリオリ力検出回路５からの検出信号とが電源電圧に比例するようにしている。これにより、コリオリ力検出回路５から出力されるアナログの検出信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル（以下「Ａ／Ｄ」という。）変換器を該コリオリ力検出回路５の出力端子に接続した場合、このＡ／Ｄ変換器の変換精度がこれに印加される電源電圧の変動によって変化することを防止でき、変換精度を向上できるという効果がある。
【０００７】
前記文献２では、圧電振動子１に設ける駆動電極２及び検出電極３等の電極の構造に関して、少ない電極数で高精度の検出信号を得るための提案が行われている。
また、前記文献３では、前記文献１と同様に、発振回路４に印加される電源電圧の変動に応じて、該発振回路４から出力されるＡＣ駆動電圧の振幅を変化させるようにしている。また、周囲温度を検出する温度センサを設け、コリオリ力検出回路５から出力される検出信号に対し、該温度センサの出力によって温度補正処理を行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の文献１〜３に記載されたような角速度センサでは、次のような課題があった。
角速度センサは、発振回路４から出力されるＡＣ駆動電圧を駆動電極２に印加して圧電振動子１を振動させ、検出電極３及びコリオリ力検出回路５により、コリオリ力Ｆに対応する電位の検出信号を検出するものである。このような角速度センサでは、圧電振動子１を振動させるための駆動電圧（電荷）に対し、コリオリ力Ｆとして検出できる信号が非常に微少であることと、圧電振動子自体の素子の特性（構造）から、検出信号の安定性の要求が重要視される。また、圧電振動子１並びに発振回路４及びコリオリ力検出回路５等は、回路部品構成の観点から温度の影響を受け易いことから、極力、発振回路４の品質（安定性）を高める必要がある。
【０００９】
ところが、従来の角速度センサでは、コリオリ力検出回路５から出力される検出信号に対して温度補正処理を行ったり、或いは発振回路４内に設けたＡＧＣ回路によって温度変化を抑制するようにしているが、この発振回路４に対する温度補償が十分に行われているとはいえず、周囲温度の影響をなくし、より安定性の高い角速度センサ用発振回路４の改良が望まれていた。
本発明は、前記従来技術が持つ課題を解決し、周囲温度の影響を受けない安定性の高い発振回路を用いた角速度センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
例えば、図１に示す角速度センサにおいて、音叉形状の圧電振動子１１に角速度ωが加わった時に生じるコリオリ力Ｆ＝２ｍｖω（但し、ｍは圧電振動子の質量、ｖは圧電振動子の振動速度）から角速度ωを検出する場合、発振回路による該圧電振動子１１の振動速度ｖの変動をなくして一定にすれば角速度ωの検出精度を向上できる。即ち、振動速度ｖは圧電振動子１１の駆動電極１２ａからの出力電流に比例し、電流／電圧（以下「Ｉ／Ｖ」という。）変換回路２１の出力に比例すると共に、これを一定量増幅した出力電圧Ｖｏｕｔに比例することから、この出力電圧Ｖｏｕｔを一定にすれば、安定性の高い角速度センサを得ることができる。
【００１１】
そこで、本発明のうちの第１の発明の角速度センサは、発振回路とコリオリ力検出回路とを備えた角速度センサであって、前記発振回路は、励振用の駆動電極１２ａ，１２ｂ及びコリオリ力検出用の検出電極１３ａ，１３ｂを有し、前記駆動電極１２ｂに印加されるＡＣ駆動電圧Ｖａによって振動する音叉形状の圧電振動子１１と、前記駆動電極１２ａの出力電流を電圧に変換して出力電圧を出力するＩ／Ｖ変換回路２１と、前記出力電圧を整流して直流（以下「ＤＣ」という。）電圧を出力する整流回路３０と、定電圧素子で作った定電圧を演算増幅器（以下「オペアンプ」という。）に入力して一定の電圧を生成し、前記一定の電圧に基づき、前記整流回路３０の持つ温度係数を相殺するような基準電圧を出力する基準電源回路３１と、前記ＤＣ電流と前記基準電圧とを比較して電圧差を求め、前記電圧差を制御電圧として出力する比較手段３２と、前記制御電圧に基づき、前記電圧差が零となるように利得（以下「ゲイン」という。）が制御され、前記制御されたゲインによって前記Ｉ／Ｖ変換回路２１の前記出力電圧を増幅し、前記駆動電極１２ｂに与える前記ＡＣ駆動電圧Ｖａを出力するＡＧＣ回路２５と、前記制御電圧に基づいて前記圧電振動子１１の起動期間と前記起動期間後の安定期間とを検出し、前記起動期間の時にはゲインを大きくし、前記安定期間の時にはゲインを小さくする起動補償用の増幅手段２４，３３とを備えている。
更に、前記コリオリ力検出回路は、前記圧電振動子１１に発生するコリオリ力に応じた検出電流が前記検出電極１３ａ，１３ｂから出力されると、前記検出電流を電圧に変換して検出電圧を出力する検出手段４１，４２，４３と、前記検出電圧を前記Ｉ／Ｖ変換回路２１の前記出力電圧で同期検波してＤＣ変換を行い、角速度に応じた検出信号Ｓｏｕｔを出力する同期検波手段４４，４５とを備えている。
【００１２】
このような構成を採用したことにより、発振回路において、圧電振動子１１の駆動電極１２ｂにＡＣ駆動電圧Ｖａを供給すると、該圧電振動子１１が振動する。圧電振動子１１が振動すると、この駆動電極１２ａの出力電流がＩ／Ｖ変換回路２１によって電圧に変換され、整流回路３０及びＡＧＣ回路２５へ送られる。整流回路３０では、Ｉ／Ｖ変換回路２１の出力電圧を整流してＤＣ電圧を比較手段３２へ送る。基準電源回路３１では、定電圧素子及びオペアンプにより、電源電圧の変化や温度変化等に対して一定の電圧を作り、この一定の電圧に基づき、整流回路３０の持つ温度係数を相殺するような基準電圧を出力して比較手段３２へ与える。比較手段３２では、ＤＣ電圧と基準電圧とを比較し、この電圧差を制御電圧として出力し、増幅手段２４，３３及びＡＧＣ回路２５へ与える。
圧電振動子１１は、例えば数百〜数ＭＨｚの周波数で振動するが、インピーダンスが大きいために起動が難しい。そこで、第１の発明では、圧電振動子１１の起動期間時には、起動補償用の増幅手段２４，３３のゲインが大きくなり、この起動期間経過後の安定期間では該増幅手段２４，３３のゲインが小さくなる。これにより、起動時間が短縮され、圧電振動子１１の起動が容易になる。
ＡＧＣ回路２５では、制御電圧に基づき、前記電圧差が零となるようにゲインが制御され、この制御されたゲインで圧電振動子１１が駆動され、この出力を受けたＩ／Ｖ変換回路２１の出力電圧を増幅するため、電源電圧の変動や周囲温度の影響、あるいは回路部品のばらつき等の影響を受けない電圧が出力される。これにより、電源電圧や周囲温度等が変動しても、出力電圧Ｖｏｕｔが、基準電源回路３１の出力に対して一定になるようなＡＣ駆動電圧Ｖａによって圧電振動子１１を駆動させることができる。
一方、コリオリ力検出回路において、発振回路によって振動する圧電振動子１１に生じるコリオリ力に応じた検出電流が検出電極１３ａ，１３ｂから出力されると、その検出電流が検出手段４１，４２，４３によって検出電圧に変換される。同期検波手段４４，４５では、検出電圧をＩ／Ｖ変換回路２１の出力電圧で同期検波してＤＣ変換を行い、角速度に応じた検出信号Ｓｏｕｔを出力する。
【００１３】
第２の発明の角速度センサは、発振回路とコリオリ力検出回路とを備えた角速度センサであって、前記発振回路は、励振用の駆動電極１２ａ，１２ｂ及びコリオリ力検出用の検出電極１３ａ，１３ｂを有し、前記駆動電極１２ｂに印加されるＡＣ駆動電圧Ｖａによって振動する音叉形状の圧電振動子１１と、前記駆動電極１２ａの出力電流を電圧に変換して出力電圧を出力するＩ／Ｖ変換回路２１と、前記出力電圧を整流してＤＣ電流を出力する整流回路３０と、定電圧素子で作った定電圧をオペアンプに入力して一定の電圧を生成し、前記一定の電圧に基づき、前記整流回路３０の持つ温度係数を相殺するような基準電流を出力する基準電源回路３１と、前記ＤＣ電流と前記基準電流とを比較して電流差を求め、前記電流差を積分して制御電圧を出力する比較手段３２と、前記制御電圧に基づき、前記電流差が零となるようにゲインが制御され、前記制御されたゲインによって前記Ｉ／Ｖ変換回路２１の前記出力電圧を増幅し、前記駆動電極１２ｂに与える前記駆動電圧Ｖａを出力するＡＧＣ回路２５と、前記制御電圧に基づいて前記圧電振動子１１の起動期間と前記起動期間後の安定期間とを検出し、前記起動期間の時にはゲインを大きくし、前記安定期間の時にはゲインを小さくする起動補償用の増幅手段２４，３３とを備えている。
更に、前記コリオリ力検出回路は、前記圧電振動子１１に発生するコリオリ力に応じた検出電流が前記検出電極１３ａ，１３ｂから出力されると、前記検出電流を電圧に変換して検出電圧を出力する検出手段４１，４２，４３と、前記検出電圧を前記Ｉ／Ｖ変換回路２１の前記出力電圧で同期検波してＤＣ変換を行い、角速度に応じた検出信号Ｓｏｕｔを出力する同期検波手段４４，４５とを備えている。
【００１４】
このような構成を採用したことにより、発振回路において、整流回路３０から出力されるＤＣ電流と、基準電源回路３１から出力される基準電流とが、比較手段３２によって比較されて電流差が求められ、これに対応した制御電圧が出力されて増幅手段２４，３３及びＡＧＣ回路２５へ与えられる。増幅手段２４，３３では、第１の発明と同様に、制御電圧に基づき、圧電振動子１１の起動期間の時にはゲインを大きくし、安定期間の時にはゲインを小さくするような起動補償を行う。ＡＧＣ回路２５では、前記電流差が零となるようにゲインが制御される。これにより、第１の発明と同様に、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電源回路３１の出力に対して一定になるようなＡＣ駆動電圧Ｖａによって圧電振動子１１を駆動させることができる。
一方、コリオリ力検出回路において、第１の発明と同様に、発振回路によって振動する圧電振動子１１に生じるコリオリ力に応じた検出電流が検出電極１３ａ，１３ｂから出力されると、その検出電流が検出手段４１，４２，４３によって検出電圧に変換される。同期検波手段４４，４５では、検出電圧をＩ／Ｖ変換回路２１の出力電圧で同期検波してＤＣ変換を行い、角速度に応じた検出信号Ｓｏｕｔを出力する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示す角速度センサの概略の構成図である。
この角速度センサは、例えば、図２と同一の原理に基づくものであり、音叉形状の圧電振動子（例えば、音叉型水晶振動子）１１を有し、この所定箇所に＋側駆動電極１２ａ及び−側駆動電極１２ｂと＋側検出電極１３ａ及び−側検出電極１３ｂとが設けられている。＋側駆動電極１２ａ及び−側駆動電極１２ｂには、圧電振動子１１を振動させるためのＡＣ駆動電圧Ｖａをこの駆動電極１２ａ，１２ｂに供給するための発振回路が接続されている。＋側検出電極１３ａ及び−側検出電極１３ｂには、圧電振動子１１に加わる角速度に応じたＤＣ電圧の検出信号Ｓｏｕｔを出力するコリオリ力検出回路が接続されている。
【００１８】
発振回路は、＋側駆動電極１２ａに接続されたＩ／Ｖ変換回路２１を有している。Ｉ／Ｖ変換回路２１は、＋側駆動電極１２ａの出力電流を電圧に変換する回路であり、この出力端子にゲイン１のバッファ増幅器（以下この「増幅器」を「アンプ」という。）２２の入力端子が接続されている。バッファアンプ２２の出力端子には、この出力電圧の高周波成分を除去するローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」という。）２３を介して起動補償回路２４が接続されている。起動補償回路２４は、補償信号Ｓ３３に基づき、圧電振動子１１が起動期間の時にはゲインを大きく（例えば、数倍〜１００倍程度）し、この起動期間経過後の安定期間の時にはゲインを小さく（例えば、１）する回路であり、この出力端子にＡＧＣ回路２５が接続されている。ＡＧＣ回路２５は、起動補償回路２４の出力電圧を入力し、制御電圧Ｖ３２に基づきゲインが制御される回路であり、この回路の出力端子がバッファアンプ２６を介して−側駆動電極１２ｂに接続されている。
【００１９】
バッファアンプ２２の出力端子には、この出力電圧を増幅するオペアンプ２７が接続されている。オペアンプ２７の出力端子には、バッファアンプ２８が接続され、この出力端子が出力電圧Ｖｏｕｔを出力する発振用出力端子２９に接続されている。
出力端子２９には、出力電圧ＶｏｕｔをＤＣ電圧に整流してＤＣ電流Ｉ1 を出力する整流回路３０が接続されている。また、この発振回路には、基準電源回路３１が設けられている。基準電源回路３１は、電源電圧の変化や温度変化等に対して一定の電圧を生成し、この一定の電圧に基づき、整流回路３０の持つ温度係数を相殺するような基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）を出力する回路であり、この出力端子と整流回路３０の出力端子とに、比較手段３２が接続されている。比較手段３２は、基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）とＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）とを比較し、この電流差を積分して制御電圧Ｖ３２を出力（又は電圧差を制御電圧Ｖ３２として出力）するものであり、この出力端子にＡＧＣ回路２５及び補償制御回路３３が接続されている。補償制御回路３３は、制御電圧Ｖ３２に基づいて圧電振動子１１の起動期間とこの起動期間経過後の安定期間とを検出し、補償信号Ｓ３３を出力して起動補償回路３４へ与える回路である。この起動補償回路２４及び補償制御回路３３により、起動補償用の増幅手段が構成されている。
【００２０】
＋側検出電極１３ａ及び−側検出電極１３ｂに接続されるコリオリ力検出回路は、該＋側検出電極１３ａに接続されたＩ／Ｖ変換回路４１と−側検出電極１３ｂに接続されたＩ／Ｖ変換回路４２とを有している。Ｉ／Ｖ変換回路４１，４２は、圧電振動子１１に角速度が加わった時に検出電極１３ａ，１３ｂに逆相の電流が発生するので、これを電圧に変換する回路であり、カレントアンプ等で構成され、これらの出力端子に差動アンプ４３が接続されている。差動アンプ４３は、２つのＩ／Ｖ変換回路４１，４２の出力電圧の差を増幅する回路であり、この出力端子に同期検波回路４４が接続されている。Ｉ／Ｖ変換回路４１，４２及び差動アンプ４３により、検出手段が構成されている。同期検波回路４４は、差動アンプ４３の出力電圧をバッファアンプ２２の出力電圧で同期検波して直流変換を行う回路であり、この出力端子にＬＰＦ４５が接続されている。ＬＰＦ４５は、同期検波回路４４の出力電圧の高周波成分を除去し、角速度に応じたＤＣ電圧の検出信号Ｓｏｕｔを出力する回路であり、この出力端子に検出用出力端子４６が接続されている。同期検波回路４４及びＬＰＦ４５により、同期検波手段が構成されている。
【００２１】
次に、図１の角速度センサの動作を説明する。
電源電圧を印加して圧電振動子１１を振動させるための起動期間においては、比較手段３２から出力される制御電圧Ｖ３２が小さいので、補償制御回路３３によって該圧電振動子１１の起動期間が検出され、この補償制御回路３３から出力される補償信号Ｓ３３により、起動補償回路２４のゲインが大きくなる。バッファアンプ２６から出力されるＡＣ駆動電圧Ｖａが駆動電極１２ｂに与えられ、圧電振動子１１が振動を開始する。圧電振動子１１が振動を開始すると、駆動電極１２ａの出力電流がＩ／Ｖ変換回路２１で電圧に変換される。このＩ／Ｖ変換回路２１の出力電圧は、バッファアンプ２２を介し、ＬＰＦ２３で高周波成分が除去された後、ゲインの大きな起動補償回路２４によって増幅される。この増幅された電圧は、ＡＧＣ回路２５及びバッファアンプ２６を介して駆動電極１２ｂに与えられるので、圧電振動子１１が振動を促進され、この圧電振動子１１が速やかに起動する。
【００２２】
圧電振動子１１が起動後安定期間になると、駆動電圧Ｖａによって圧電振動子１１が一定の周波数で振動する。すると、駆動電極１２ａの出力電流がＩ／Ｖ変換回路２１で電圧に変換され、バッファアンプ２２を介してオペアンプ２７で増幅され、バッファアンプ２８を介して出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。出力電圧Ｖｏｕｔは、整流回路３０でＤＣ電流Ｉ１  （又はＤＣ電圧）に変換されて比較手段３２へ送られるので、この比較手段３２から出力される制御電圧Ｖ３２が大きくなり、補償制御回路３３によって圧電振動子１１の振動状態が安定になったことが検出され、補償信号Ｓ３３が出力される。この補償信号Ｓ３３によって起動補償回路２４のゲインが小さくなり、バッファアンプ２６から出力される駆動電圧Ｖａによって圧電振動子１１が一定の周波数で振動を継続する。
【００２３】
一定の周波数で振動する圧電振動子１１に角速度が加わると、この圧電振動子１１にコリオリ力Ｆが発生し、これに応じた電流が検出電極１３ａ，１３ｂから出力される。この検出電極１３ａ，１３ｂの出力電流は、Ｉ／Ｖ変換回路４１，４２で電圧に変換され、これらのＩ／Ｖ変換回路４１，４２の出力電圧が差動アンプ４３で差動増幅され、同期検波回路４４へ送られる。同期検波回路４４では、差動アンプ４３の出力電圧をバッファアンプ２２の出力電圧で同期検波して直流変換を行う。同期検波回路４４の出力電圧は、ＬＰＦ４５でＤＣに変換され、角速度に応じたＤＣ検出信号Ｓｏｕｔが出力端子４６から出力される。
【００２４】
以上のように、図１の角速度センサでは、次の（ａ）及び（ｂ）のような効果がある。
（ａ）  起動補償回路２４及び補償制御回路３３を設けたので、圧電振動子１１の起動期間において該起動補償回路２４のゲインが大きくなり、該圧電振動子１１を短時間に起動できる。
【００２５】
（ｂ）  ＡＧＣ回路２５を設けたので、電源電圧の変化や周囲温度の変化、あるいは回路部品のばらつき等を打ち消して圧電振動子１１の駆動電極１２ａの出力振幅が一定に保たれる。このため、バッファアンプ２２の出力電圧が電源電圧の変化や周囲温度の変化等によって変動せず、このバッファアンプ２２の出力電圧によって差動アンプ４３の出力電圧が同期検波されるので、電源電圧の変化や周囲温度の温度変化、あるいは回路部品のばらつき等が消去された検出信号Ｓｏｕｔを出力することができる。
【００２６】
図３は、図１中の発振回路の一構成例を示す回路図である。
図１の圧電振動子１１に角速度ωが加わった時に生じるコリオリ力Ｆ（＝２ｍｖω）から角速度を検出する場合、発振回路による該圧電振動子１１の振動速度ｖの変動をなくして一定にすれば、角速度ωの検出精度を向上できる。そこで、図３の発振回路では、周囲温度が変化しても圧電振動子１１の振動速度ｖが一定になるように、例えば、電源電圧ＶＤＤが＋５Ｖ、接地電圧ＶＳＳが０Ｖ、固定電圧ＡＧ（＝ＶＤＤ／２）が＋２．５Ｖを用い、最大振幅が約３ＶP-P の駆動電圧Ｖａを圧電振動子１１に印加し、発振用出力端子２９から最大振幅が約３ＶP-P の安定化した出力電圧Ｖｏｕｔを出力するようにしている。
【００２７】
圧電振動子１１の＋側駆動電極１２ａに接続されたＩ／Ｖ変換回路２１は、オペアンプ２１ａ、帰還抵抗２１ｂ、及び帰還コンデンサ２１ｃからなるカレントアンプにより構成されている。オペアンプ２１ａの＋側入力端子は固定電圧ＡＧに接続され、−側入力端子が＋側駆動電極１２ａに接続されている。オペアンプ２１ａの−側入力端子と出力端子との間には、帰還抵抗２１ｂと帰還コンデンサ２１ｃが並列に接続されている。オペアンプ２１ａの出力端子には、バッファアンプ２２の＋側入力端子が接続されている。バッファアンプ２２の出力端子には、オペアンプ２７の＋側入力端子が接続されている。オペアンプ２７の−側入力端子は、入力抵抗２７ａを介して固定電圧ＡＧに接続されると共に、帰還抵抗２７ｂを介して該オペアンプ２７の出力端子に接続されている。帰還抵抗２７ｂを調整することにより、このオペアンプ２７のゲインが変化する。オペアンプ２７の出力端子には、バッファ２８を介して発振用出力端子２９が接続されている。
【００２８】
バッファアンプ２２の出力端子には、高周波成分除去用のＬＰＦ２３の入力端子が接続されている。ＬＰＦ２３は、入力抵抗２３ａ，２３ｃ、帰還コンデンサ２３ｂ、入力コンデンサ２３ｄ、及びバッファアンプ２３ｅより構成されている。入力抵抗２３ａの一端はバッファアンプ２２の出力端子に接続され、この入力抵抗２３ａの他端が、入力抵抗２３ｃを介してバッファアンプ２３ｅの＋側入力端子に接続されている。バッファアンプ２３ｅの＋側入力端子は、入力コンデンサ２３ｄを介して固定電圧ＡＧに接続されている。バッファアンプ２３ｅの出力端子は、帰還コンデンサ２３ｂを介して抵抗２３ａの他端及び抵抗２３ｃの一端に接続されている。バッファアンプ２３ｅの出力端子は、起動補償回路２４の入力端子に接続されている。
【００２９】
起動補償回路２４は、補償制御回路３３から与えられる補償信号Ｓ３３に基づき、圧電振動子１１の起動時においてゲインが数倍〜百倍程度になり、起動後の安定時にはゲインが小さくなる回路であり、オペアンプ２４ａ、入力側の分圧抵抗２４ｂ，２４ｃ、帰還抵抗２４ｄ、出力側のコンデンサ２４ｅ、及び出力側の抵抗２４ｆより構成されている。オペアンプ２４ａの＋側入力端子は、バッファ２３ｅの出力端子に接続され、このオペアンプ２４ａの−側入力端子が、分圧抵抗２４ｂ，２４ｃを介して固定電圧ＡＧに接続されている。分圧抵抗２４ｂと２４ｃの接続点には、圧電振動子１１の起動時においてＡＧレベルの補償信号Ｓ３３が与えられ、起動後の安定時においてハイインピーダンス状態の補償信号Ｓ３３が与えられる。オペアンプ２４ａの−側入力端子と出力端子との間には、帰還抵抗２４ｄが接続されている。オペアンプ２４ａの出力端子は、コンデンサ２４ｅ及び抵抗２４ｆを介して固定電圧ＡＧに接続されている。コンデンサ２４ｅと抵抗２４ｆの接続点には、ＡＧＣ回路２５の入力端子が接続されている。
【００３０】
ＡＧＣ回路２５は、比較手段３２から与えられる制御電圧Ｖ３２によってゲインが制御される回路であり、オペアンプ２５ａ、帰還抵抗２５ｂ、入力抵抗２５ｃ、可変抵抗素子（例えば、Ｎチャネル型電界効果トランジスタ、以下これを「ＮＦＥＴ」という。）２５ｄ、帰還コンデンサ２５ｅ、帰還抵抗２５ｆ、及びゲート抵抗２５ｇより構成されている。オペアンプ２５ａの＋側入力端子は、コンデンサ２４ｅと抵抗２４ｆの接続点に接続されている。オペアンプ２５ａの−側入力端子は、帰還抵抗２５ｂを介して該オペアンプ２５ａの出力端子に接続されている。オペアンプ２５ａの−側入力端子は、入力抵抗２５ｃを介してＮＦＥＴ２５ｄのドレインに接続されている。ＮＦＥＴ２５ｄのソースは固定電圧ＡＧに接続され、ゲートに抵抗２５ｇを介して制御電圧Ｖ３２が与えられるようになっている。
【００３１】
ＮＦＥＴ２５ｄは、ゲート・ソース間電圧によってドレイン・ソース間抵抗が変化する素子である。ＮＦＥＴ２５ｄを可変抵抗として使っても低ひずみ特性が得られないので、該ＮＦＥＴ２５ｄのドレイン・ゲート間に帰還コンデンサ２５ｅ及び帰還抵抗２５ｆを接続し、ドレインからゲートに対して局部的な帰還をかけて低ひずみ特性が得られるようにしている。オペアンプ２５ａの出力端子は、バッファ２６の＋側入力端子に接続されている。
【００３２】
バッファ２６は、出力端子が−側駆動電極１２ｂに接続され、この出力端子からＡＣ駆動電圧Ｖａを出力して−側駆動電極１２ｂに供給するようになっている。
発振用出力端子２９は、抵抗２９ａを介して整流回路３０の入力端子に接続されている。整流回路３０は、発振用出力端子２９から出力されるＡＣ出力電圧Ｖｏｕｔを整流してＤＣ電流Ｉ１  （又はＤＣ電圧）を出力する回路であり、例えば、アノードが抵抗２９ａに接続された第１のダイオード３０ａで構成されている。ダイオード３０ａのカソードは、比較手段３２の第１の入力端子に接続され、この比較手段３２の第２の入力端子に基準電源回路３１が接続されている。
【００３３】
基準電源回路３１は、定電圧を作る定電圧素子３１ａ、入力抵抗３１ｂ、オペアンプ３１ｃ、入力抵抗３１ｄ、帰還抵抗３１ｅ、出力振幅レベル調整用の抵抗３１ｆ、及び整流用の第２のダイオード３１ｇより構成されている。定電圧素子３１ａのカソードは固定電圧ＡＧに接続され、このアノードが抵抗３１ｂを介して接地電圧ＶＳＳに接続されている。定電圧素子３１ａのアノードと抵抗３１ｂの接続点には、オペアンプ３１ｃの＋側入力端子が接続されている。
【００３４】
オペアンプ３１ｃは、電源として与えられる固定電圧ＡＧと接地電圧ＶＳＳとの間で動作するようになっており、この−側入力端子が入力抵抗３１ｄを介して固定電圧ＡＧに接続されている。オペアンプ３１ｃの−側入力端子は、帰還抵抗３１ｅを介して該オペアンプ３１ｃの出力端子に接続され、この出力端子から一定の電圧が出力されるようになっている。この一定の電圧は、電源電圧ＶＤＤの変化や周囲温度の変化、あるいは回路部品のばらつき等の影響がない最大振幅（３ＶP-P ／２＝１．５Ｖ）が一定の電圧である。オペアンプ３１ｃの出力端子には、レベル調整用の抵抗３１ｆを介して、第１のダイオード３０ａと同一特性の第２のダイオード３１ｇのカソードが接続され、このアノードが比較手段３２の第２の入力端子に接続されている。ダイオード３１ｇは、オペアンプ３１ｃの出力端子から出力される一定の電圧を整流して基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）を生成する回路であるが、ダイオード３０ａが温度特性を持っているため、このダイオード３０ａの順方向電圧の温度係数を相殺するための温度補償用のために設けられている。
【００３５】
整流回路３０及び基準電流出力回路３１に接続された比較手段３２は、該整流回路３０からのＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）と基準電源回路３１の基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）とを比較し、この比較結果を増幅して制御電圧Ｖ３２を出力し、ＡＧＣ回路２５及び補償制御回路３３に与える回路である。この比較手段３２は、オペアンプからなる積分器３２ａ、帰還抵抗３２ｂ，３２ｃ、及び帰還コンデンサ３２ｄ，３２ｅより構成されている。積分器３２ａの＋側入力端子は固定電圧ＡＧに接続され、−側入力端子がダイオード３０ａのカソード及びダイオード３１ｇのアノードに接続されている。積分器３２ａの−側入力端子は、帰還抵抗３２ｂ，３２ｃを介して該積分器３２ａの出力端子に接続されている。帰還抵抗３２ｂ，３２ｃには、それぞれ帰還コンデンサ３２ｄ，３２ｅが並列に接続されている。積分器３２ａの出力端子は、ＡＧＣ回路２５内の抵抗２５ｇに接続されると共に、補償制御回路３３の入力端子に接続されている。
【００３６】
補償制御回路３３は、比較手段３２から与えられる制御電圧Ｖ３２に基づき、圧電振動子１１の起動時にＡＧレベルの補償信号Ｓ３３を出力し、該圧電振動子１１の安定時に補償信号Ｓ３３をハイインピーダンスにする回路である。この補償制御回路３３は、入力抵抗３３ａと、オペアンプ３３ｂと、帰還抵抗３３ｃと、Ｐチャネル型電界効果トランジスタ（以下「ＰＦＥＴ」という。）３３ｄ及びＮＦＥＴ３３ｅからなるインバータと、スイッチ素子（例えば、ＮＦＥＴ）３３ｆとより構成されている。
【００３７】
入力抵抗３３ａの一端は抵抗２５ｇの一端及び積分器３２ａの出力端子に接続され、この抵抗３３ａの他端がオペアンプ３３ｂの−側入力端子に接続され、この＋側入力端子が固定電圧ＡＧに接続されている。オペアンプ３３ｂの−側入力端子は、帰還抵抗３３ｃを介して該オペアンプ３３ｂの出力端子に接続されている。オペアンプ３３ｂの出力端子は、ＰＦＥＴ３３ｄのゲート及びＮＦＥＴ３３ｅのゲートに接続され、これらのＰＦＥＴ３３ｄとＮＦＥＴ３３ｅが電源電圧ＶＤＤと固定電圧ＡＧとの間に直列に接続されている。ＰＦＥＴ３３ｄとＮＦＥＴ３３ｅの接続点には、ＮＦＥＴ３３ｆのゲートが接続され、このソースが固定電圧ＡＧに接続され、ドレインが起動補償回路２４内の分圧抵抗２４ｂ，２４ｃに接続されている。
【００３８】
圧電振動子１１の起動時においては、発振用出力端子２９から出力される出力電圧Ｖｏｕｔが低いので、ダイオード３０ａで整流されたＤＣ電流Ｉ１  （又はＤＣ電圧）が小さく、基準電源回路３１の基準電流Ｉ２  （又は基準電圧）との差が大きくなり、比較手段３２から出力される制御電圧Ｖ３２が高くなる。制御電圧Ｖ３２が高いと、オペアンプ３３ｂの出力電圧が低くなり、これがＰＦＥＴ３３ｄ及びＮＦＥＴ３３ｅからなるインバータで反転され、このインバータの出力電圧が高くなってＮＦＥＴ３３ｆがオンする。ＮＦＥＴ３３ｆがオンすると、このＮＦＥＴ３３ｆのドレインが固定電圧ＡＧになり、この固定電圧ＡＧが補償信号Ｓ３３として起動補償回路２４内の分圧抵抗２４ｃ，２４ｂに与えられるので、オペアンプ２４ａの入力抵抗が小さくなり、このオペアンプ２４ａのゲインが大きくなる。圧電振動子１１の起動後の安定時には、比較手段３２から出力される制御電圧Ｖ３２が低くなるので、前記と逆の作用によってＮＦＥＴ３３ｆがオフし、このＮＦＥＴ３３ｆのドレインから出力される補償信号Ｓ３３がハイインピーダンス状態になる。これにより、オペアンプ２４ａの入力抵抗が大きくなり、ゲインが小さくなる。
【００３９】
図３の発振回路には、固定電圧ＡＧを生成するための固定電圧生成回路５０が設けられている。固定電圧生成回路５０は、分圧抵抗５０ａ，５０ｂ、及びバッファアンプ５０ｃより構成されている。分圧抵抗５０ａ，５０ｂは、電源電圧ＶＤＤと接地電圧ＶＳＳとの間に直列に接続され、この分圧抵抗５０ａ，５０ｂの接続点が、バッファアンプ５０ｃの＋側入力端子に接続され、この出力端子から固定電圧ＡＧが出力されるようになっている。
【００４０】
次に、図３の発振回路の動作を説明する。
電源が投入されると、圧電振動子１１が起動して振動を始める。この＋側駆動電極１２ａの出力電流は、Ｉ／Ｖ変換回路２１により電圧に変換され、バッファアンプ２２、オペアンプ２７、及びバッファアンプ２８を通して出力電圧Ｖｏｕｔが発振用出力端子２９から出力される。この出力電圧Ｖｏｕｔは低いので、整流回路３０内のダイオード３０ａで整流されたＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）が小さい。この小さなＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）と、基準電源回路３１で生成された基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）とが、比較手段３２で比較され、この比較結果が増幅されて積分器３２ａの出力端子から制御電圧Ｖ３２が出力される。この制御電圧Ｖ３２は高いので、補償制御回路３３内のＮＦＥＴ３３ｆがオンし、このＮＦＥＴ３３ｆのドレインからＡＧレベルの補償信号Ｓ３３が出力され、起動補償回路２４内の分圧抵抗２４ｂ，２４ｃへ与えられる。すると、オペアンプ２４ａの入力抵抗が小さくなり、このオペアンプ２４ａのゲインが大きくなる。このため、バッファアンプ２２の出力電圧がＬＰＦ２３で高周波成分を除去された後、ゲインの大きなオペアンプ２４ａで増幅され、これがＡＧＣ回路２５及びバッファアンプ２６を通して−側駆動電極１２ｂへ送られる。従って、圧電振動子１１を短時間で起動できる。
【００４１】
圧電振動子１１が起動して安定期間になると、＋側駆動電極１２ａの出力電流がＩ／Ｖ変換回路２１で電圧に変換され、バッファアンプ２２、オペアンプ２７及びバッファアンプ２８を通して出力電圧Ｖｏｕｔが発振用出力端子２９から出力される。出力電圧Ｖｏｕｔは起動時よりも高くなっているので、整流回路３０内のダイオード３０ａで整流されたＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）も大きくなる。このＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）と基準電源回路３１で生成された基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）とが、比較手段３２で比較される。この際、ダイオード３０ａは温度係数を持っているため、周囲温度が上昇すると出力電圧Ｖｏｕｔが低下するが、このダイオード３０ａの温度係数が基準電源回路３１内のダイオード３１ｇによって相殺される。ＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）と基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）とが比較手段３２で比較されると、この比較結果が小さいので、オペアンプ３２ａから出力される制御電圧Ｖ３２が低い。制御電圧Ｖ３２が低いと、補償制御回路３３内のＮＦＥＴ３３ｆがオフし、このＮＦＥＴ３３ｆのドレインから出力される補償信号Ｓ３３がハイインピーダンス状態になる。このため、起動補償回路２４内のオペアンプ２４ａの入力抵抗が大きくなり、このオペアンプ２４ａのゲインが小さくなって発振回路が安定期間へ移行する。
【００４２】
発振回路の安定期間では、発振用出力端子２９から出力される出力電圧Ｖｏｕｔが温度変化等によって変動した場合、整流回路３０から出力されるＤＣ電流Ｉ１  （又はＤＣ電圧）と、温度変化等に対して常に一定の基準電流Ｉ２  （又は基準電圧）とが、比較手段３２で比較され、該ＤＣ電流Ｉ１  と基準電流Ｉ２  との差が積分器３２ａで増幅され（又はＤＣ電圧と基準電圧との差が増幅され）、該積分器３２ａから出力される制御電圧Ｖ３２が変化する。制御電圧Ｖ３２が変化すると、ＡＧＣ回路２５内のＮＦＥＴ２５ｄのソース・ドレイン間抵抗が変化し、オペアンプ２５ａのゲインが変化する。つまり、基準電源回路３１内のオペアンプ３１ｃの出力である一定の電圧と、ＤＣ電流Ｉ１  の電圧とが比較され、両者の電圧の差が零となるようにオペアンプ２５ａのゲインが制御される。このため、バッファアンプ２６から出力される駆動電圧Ｖａによって圧電振動子１１が一定の振動速度ｖで振動する。従って、発振用出力端子２９から最大振幅が約３ＶＰ−Ｐ  の安定した出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。
【００４３】
以上のように、図３の発振回路では、次の（ｉ）〜（ｉｉｉ）のような効果がある。
（ｉ）  基準電源回路３１では、定電圧素子３１ａで定電圧を作り、この定電圧をオペアンプ３１ｃに入力して該オペアンプ３１ｃから一定の電圧を出力するようにしているので、電源電圧ＶＤＤや周囲温度等が変化しても、最大振幅が３ＶＰ−Ｐ  ／２（＝１．５Ｖ）の一定の電圧を生成できる。
【００４４】
（ii）  基準電源回路３１によって一定の基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）を生成し、これをＤＣ電流Ｉ1 （又はＤＣ電圧）と比較手段３２で比較しているので、電源電圧ＶＤＤや周囲温度等が変化しても、最大振幅が約３ＶP-P の駆動電圧Ｖａによって圧電振動子１１を振動させることができる。特に、ダイオード３０ａの持つ温度係数が、これと同一特性のダイオード３１ｇによって相殺されるので、周囲温度の影響をより完全に除去することができる。
【００４５】
(iii）  比較手段３２に積分器３２ａを使用しているので、ＡＧＣ回路２５において大きなゲインを確保できる。このため、ほぼ基準電流Ｉ2 （又は基準電圧）の精度と安定度で決まる駆動電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｏｕｔの振幅安定度が得られる。さらに、積分器３２ａを使用しているので、圧電振動子１１の起動期間とこの起動期間経過後の安定期間の検出を的確に行え、より短時間に圧電振動子１１を起動し、安定動作に移行させることができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次の（１）〜（３）のようなものがある。
（１）  図１の発振回路は、図３以外の回路で構成してもよい。例えば、ＡＧＣ回路２５内のＮＦＥＴ２５ｄは、他のトランジスタ等の可変抵抗素子で構成してもよい。また、補償制御回路３３では、オペアンプ３３ｂ、ＰＦＥＴ３３ｄ、及びＮＦＥＴ３３ｅ，３３ｆを他のトランジスタ等を用いて構成してもよい。さらに、電源電圧ＶＤＤ、固定電圧ＡＧ及び接地電圧ＶＳＳは、他の電圧レベルに変更することも可能である。
【００４７】
（２）  図１のコリオリ力検出回路は、図示以外の回路構成に変更することも可能である。
（３）  図１の圧電振動子１１は、音叉型水晶振動子を例にとって説明したが、振動子材料として水晶以外の他の圧電材料を用いることも可能である。さらに、駆動電極１２ａ，１２ｂや検出電極１３ａ，１３ｂの数や配置位置等は、適宜変更可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、第１及び第２の発明の角速度センサによれば、発振回路において、基準電源回路３１を定電圧素子及びオペアンプを用いて構成することにより、電源電圧の変化や周囲温度の変化等の影響を受けない一定の電圧を生成することができ、この基準電源回路３１の整流回路３０の持つ温度係数を相殺するような基準電圧又は基準電流を出力する回路を用いて出力電圧Ｖｏｕｔが基準電源回路３１の出力に対して一定振幅になる様な駆動電圧Ｖａによって圧電振動子１１を駆動させることができる。そのため、電源電圧や周囲温度の変化、あるいは回路部品のばらつき等の影響を受けずに、圧電振動子１１を振動させることができる。
さらに、比較手段３２では、基準電圧又は基準電流とＤＣ電圧又はＤＣ電流とを比較して制御電圧を出力する構成にしたので、ＡＧＣ回路２５を含めて大きなゲインを確保でき、ほぼ基準電圧又は基準電流の精度や安定度で決まる駆動電圧の振幅安定度を得ることができる。
【００４９】
しかも、制御電圧に基づき起動補償用の増幅手段２４，３３で圧電振動子１１の起動期間と安定期間とを検出するようにしたので、検出精度が向上し、より短時間に圧電振動子を起動させることができる。
その上、このような発振回路と、検出手段４１，４２，４３及び同期検波手段４４，４５を有するコリオリ力検出回路とにより角速度センサを構成したので、電源電圧や周囲温度の変化、あるいは回路部品のばらつき等の影響を受けることなく、精度良く角速度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の角速度センサの概略の構成図である。
【図２】角速度センサの原理を示す図である。
【図３】図１中の発振回路の一構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１１    圧電振動子
１２ａ，１２ｂ    駆動電極
１３ａ，１３ｂ    検出電極
２１，４１，４２    Ｉ／Ｖ変換回路
２３，４５    ＬＰＦ
２４    起動補償回路
２５    ＡＧＣ回路
３０    整流回路
３０ａ，３１ｇ    ダイオード
３１    基準電源回路
３１ａ    定電圧素子
３１ｃ    オペアンプ
３２    比較手段
３２ａ    積分器
３３    補償制御回路
４３    差動アンプ
４４    同期検波回路
【図１】
0004668407.tif 000002
【図２】
0004668407.tif 000003
【図３】
0004668407.tif 000004