(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、前記振動子の振動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動情報に基づいて前記振動子の回転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、
前記振動子は一対の振動片を有する音叉型振動子であり、この一対の振動片の各振動片には励振用電極と検出用電極が同一断面上かつ対向する各同一面上にそれぞれ配置され、
前記検出手段は前記各振動片の検出用電極とこの各振動片の検出用電極に接続された検出回路とを備え、
前記各振動片の検出用電極は前記振動片の振動を伴って前記振動片にかかる内部応力の変化に応じた電荷の変化を発生するものであり、
前記検出回路は前記各振動片の検出用電極の電荷の変化を合成して所望の電気信号に変換処理するものであり、且つ、前記各振動片の検出用電極で発生した電荷の変化の合成の仕方を複数種備えることにより前記励振手段による励振振動とこの励振振動中に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とを検出するものであることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】
前記励振手段は前記各振動片の励振用電極とこの各振動片の励振用電極に接続された励振駆動回路とを備え、前記各振動片において少なくとも同一断面上かつ対向する各同一面上の前記励振用電極と前記検出用電極との間に定電位の電極が配置されてい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。この種の角速度検出装置では、たとえば、特開昭６０−１９２２０６号公報に記載の振動式角速度計のように、コリオリの力による振動を検出すると共に、励振振動を安定させるために励振振動の検出も行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開昭６０−１９２２０６号公報に記載の振動式角速度計では、励振振動を検出するために振動子に設けられた素子と、角速度検出用のコリオリの力による振動を検出するために振動子に設けられた素子とが別体であるため次のような不具合があった。すなわち、振動による応力が集中するのは振動片の根本であるため、励振振動を検出するための素子とコリオリの力による振動を検出するための素子を共に振動片の根本に設置することが検出効率の点で望ましいが、両素子を振動片の根本に設けるとすると各素子に与えられる面積が小さくなり、結局検出効率を高めることができない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の角速度検出装置はこのような問題に対して為されたものであり、振動子と、この振動子を励振する励振手段と、振動子の振動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動情報に基づいて振動子の回転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、振動子は一対の振動片を有する音叉型振動子であり、この一対の振動片の各振動片には励振用電極と検出用電極が同一断面上かつ対向する各同一面上にそれぞれ配置され、検出手段は各振動片の検出用電極とこの各振動片の検出用電極に接続された検出回路とを備え、各振動片の検出用電極は振動片の振動を伴って振動片にかかる内部応力の変化に応じた電荷の変化を発生するものであり、検出回路は各振動片の検出用電極の電荷の変化を合成して所望の電気信号に変換処理するものであり、且つ、各振動片の検出用電極で発生した電荷の変化の合成の仕方を複数種備えることにより励振手段による励振振動とこの励振振動中に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とを検出するものである。
【０００５】
本発明によれば、励振振動の検出とコリオリの力による振動の検出を同じ振動検知素子で行うので、両検出を別々の素子で検出する場合に比較して、振動片の根本という限られた領域に配置する際にも十分な面積を確保することができる。
【０００６】
励振手段は各振動片の励振用電極とこの各振動片の励振用電極に接続された励振駆動回路とを備え、各振動片において少なくとも同一断面上かつ対向する各同一面上の励振用電極と検出用電極との間に定電位の電極が配置されていることが望ましい。このように構成すると、励振用電極と振動用電極との間のクロストークを防止できる。
【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り、同図（ａ）は振動子１を斜め上方から見た図であり、同図（ｂ）はその振動子１の裏面が見えるように同図（ａ）の位置から水平軸５０を中心に９０度回転したものである。この図において、左右方向をＹ軸としその左向きを正の向きにとり、Ｙ軸に垂直な互いに直交する軸をそれぞれ図示のようにＸ軸およびＺ軸とする。振動子１は、Ｚ軸に垂直な面を有する水晶の単結晶基板からフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により音叉型に切り出されたものである。
【０００８】
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、水晶結晶方位の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、結晶方位のＺ軸と図面上の振動子１の配置方向を示す上述した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】
振動子１は、振動子基体２と、そこから＋Ｙの向きに互いに平行に突出した２本の振動片３および４とからなる。振動片３および４には励振駆動素子である励振用電極と振動検知素子である検出用電極とが設けられている。振動片３および４の側面の電極３１、３２、４１、４２、上面の電極３５、４３、裏面の電極３８、４６がそれぞれ励振用電極であり、上面の電極３３、４５および裏面の電極３６、４８がそれぞれ検出用電極である。また、上面の電極３４、４４および裏面の電極３７、４７は、励振用電極と検出用電極との間のクロストークを防止するための接地電極（定電位電極）である。なお、励振用電極３２および４２はそれぞれ励振用電極３１および４１の反対側側面に設けられているものであり図１では見えていないが、後に説明する図２には符号を付して描いてある。励振用電極３１と３２は振動片３の先端の帯状電極３９により、また、励振用電極４１と４２は振動片４の先端の帯状電極４９により電気的に接続されている。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。
振動子基体２の上面にはボンディングパッド１１〜２２が設けられており、裏面にはボンディングパッド２３〜２８が設けられている。ボンディングパッド１１〜２８と上述した各電極との接続は図示の通りであり、ボンディングパッド１１、１２、１３、１７、１８、１９、２３、２６が励振用であり、ボンディングパッド１５、１６、２１、２２、２５、２８が検出用であり、ボンディングパッド１４、２０、２４、２７が接地用である。
【００１１】
図２は本実施形態の角速度検出装置の処理回路およびこれらと振動子１に設けれられた各電極との結線を示すブロック図である。また、図３は振動子１の振動の様子を示す斜視図であり、図４および図５はそれぞれ励振および振動検出における逆圧電効果および圧電効果を説明するための図である。
【００１２】
駆動回路１３１は、後述する自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）１３３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駆動信号として端子３１０、３１０´から出力する。端子３１０には振動片３の側面の電極３１、３２、および振動片４の上下面の電極４３、４６が接続されており、端子３１０´には振動片３の上下面の電極３５、３８および振動片４の側面の電極４１、４２が接続されている。
【００１３】
このような接続のもとで、振動片３および４の固有振動数に一致または近い値の周波数を持つ駆動信号が駆動回路１３１から出力されると、図３（ａ）に示すような振動モードで振動片３および４が振動する。すなわち、振動片３および４はＸ軸方向に互いに逆相で励振される。
【００１４】
図４は振動片をＸ軸方向に励振させるための逆圧電効果の作用を説明するものである。ここでは、振動片３を例に説明する。同図（ａ）は振動片３をＺＸ平面で切った断面図であり、同図（ｂ）は振動片３の屈曲動作を示した斜視図である。上述したように、電極３１と３２が共通に端子３１０に接続され、電極３５と３８が共通に端子３１０´に接続されているので、端子３１０の出力信号がローレベル、端子３１０´の出力信号がハイレベルであると、図４（ａ）に示すような電圧、すなわち電極３１および３２には相対的に負の電圧が、電極３５および３８には正の電圧がそれぞれ各電極に与えられる。この電圧は駆動信号により与えられるものであり、所定の周波数で極性反転が繰り返される。
【００１５】
いま、図４（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３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４（ａ）の状態では、振動片３の電極３２側が縮み、電極３１側が伸びるため、振動片３は電極３２を内側にして屈曲する。電極３１、３２、３５、３８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３は電極３１を内側にして屈曲する。したがって、振動片３の一端を固定して駆動回路１３１から所定周波数の駆動信号を電極３１、３２、３５、３８に印加すると、振動片３は図４（ｂ）に示すようにＸ方向に振動する。
【００１６】
本実施形態では、既に述べたように励振用電極に関して振動片３の側面電極と振動片４の上下電極とが共通に、また、振動片３の上下電極と振動片４の側面電極とが共通に接続されているので、振動片３と４は、図３（ａ）に示すようにＸ方向に互いに逆相で振動する。
【００１７】
検出回路１３２は水晶の圧電効果により検出用電極に生じた電荷の変化を適当な組み合わせで合成して所望の電気信号に変換処理するものである。検出用電極３３、３６、４５、４８に生じた電荷の変化すなわち電流はそれぞれ電流検出器３２４、３２３、３２２、３２１に入力され電圧値に変換される。信号の合成は電流検出器の出力側で行われ、加算器３３１、３３２および作動増幅器３２５によるＸ軸方向の振動を示す信号を作るための合成と、加算器３３３、３３４および作動増幅器３２６によるＺ軸方向の振動を示す信号を作るための合成の２種類がある。前者の合成によって得られた信号は駆動回路１３１による励振を安定させるためのフィードバック信号であり、後者は回転角速度を検出するための出力信号である。
【００１８】
ここで、Ｚ軸方向の振動に伴う圧電効果について図５を用いて説明する。振動子１が図３（ａ）に示すように左右逆相でＸ軸方向に励振され、この状態で振動子１がＹ軸を中心に角速度Ωで回転すると、図３（ｂ）に示すように、振動子１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方向に左右逆相で振動する。
【００１９】
図５（ｂ）は振動片３のＺ軸方向の振動の様子を示す斜視図である。振動片３が＋Ｚの向きに屈曲すると、振動片３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３の４つの角部に集中して現れ、検出用電極３３および３６には図示のような正または負の電荷が集まる。振動片３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。振動片４は振動片３とは逆相で振動するので、振動片３および４の上側の検出用電極３３と４５が互いに逆極性となり、裏側の検出用電極３６と４８とが逆極性となる。
【００２０】
検出回路１３２は、このようにして発生した振動片３および４の各検出用電極における電荷の変化量を加算器３３３、３３４で同極性同士を加算し、作動増幅器３２６で差をとることにより、振動片３および４のＺ軸方向の振動振幅に応じた信号を端子３１２から出力する。
【００２１】
一方、Ｘ方向の励振振動により発生する誘電分極により、上下の検出用電極に同極性の電荷の変化が現れ、その電荷の極性は曲げ方向に応じて正または負のいずれかとなる。検出回路１３２では、この電荷の変化量を加算器３３１、３３２で同極性同士を加算し、作動増幅器３２５で差をとることにより、振動片３および４のＸ軸方向の振動振幅に応じた信号を端子３１１から出力する。
【００２２】
ＡＧＣ回路１３３は端子３１１からのフィードバック信号を入力し、その値が目標値になるように駆動回路１３１に制御信号を出力するものである。端子３１１から出力されるフィードバック信号は、振動片３および４の振動振幅すなわち振動速度ｖに応じた値を示すものであり、これが予め設定された目標値よりも大きくなれば励振振幅が小さくなるように、逆に、小さくなれば励振振幅が大きくなるように駆動回路１３１を制御する。
【００２３】
オフセット補正回路１３４は、検出回路１３２の出力端子３１２から出力された信号に対し、回転角速度Ωが零のときのオフセット成分を補正する回路であり、その補正はＡＧＣ回路１３３から取り出されたフィードバック信号の変化分をもとに行われる。これにより、回転角速度Ωが零のときのオフセット出力を安定化して温度ドリフトなどのセンサ性能を低下させる要因を取り除き、検出精度の高い角速度検出装置とする。
【００２４】
同期検波回路１３５は、駆動回路１３１の励振信号を位相器１３６で９０度位相のずれた信号を基準信号として、オフセット補正された検出出力信号を同期検波して、この検出信号を直流信号に変換する回路である。同期検波回路１３５の出力信号は、図示省略した角速度演算回路に与えられ、角速度演算回路では上述したＦ＝２ｍＶ・Ωの式に基づいて、振動子１のＹ軸に平行な軸を中心とする回転角速度が算出される。
【００２５】
つぎに、このように構成された角速度検出装置の全体動作を説明する。振動片３および４が駆動回路１３１により図３（ａ）のようにＸ軸方向に励振され、Ｙ軸に平行な軸を中心に振動子１が角速度Ωで回転すると、角速度Ωに振幅が比例したＺ軸方向の振動が図３（ｂ）に示すように生じる。この振動振幅は検出用電極３４、３６、４５、４８に電荷の変化として現れ、検出回路１３２で検出され、オフセット補正回路１３４でオフセット補正され、同期検波回路１３５で直流信号に変換され、角速度演算回路でΩが算出される。一方、かかる動作中に励振振幅に応じた電荷の変化も、Ｚ軸方向の振動に応じた電荷の変化と同様に検出用電極３４、３６、４５、４８に現れる。これを検出回路１３２で処理し、ＡＧＣ回路１３３を介して駆動回路１３１にフィードバックされる。このフィードバックにより励振振幅が安定に動作する。このように、検出回路１３２では２種類の信号合成が行われており、振動片３の上面の一側に設けられた電極３３の電荷と、同振動片３の下面の一側に設けられた電極３６の電荷とを加算することが励振振動を検出する合成の仕方であり、それらの電荷の差を取得することがコリオリの力に基づく振動を検出する合成の仕方である。
【００２６】
なお、これらの動作中、接地電極３４、３７、４４、４７はボンディングパッド１４、２０を介して接地されており、検出用電極と励振用電極との間でクロストークが生じないようになっている。また、電極３４、３７、４４および４７は電源電位や中間電位などの定電位に接続されるものであってもよい。
【００２７】
図６は本発明の第２実施形態を示すものであり、第１実施形態との相違点は振動片に設けられた電極の数が異なるだけである。すなわち、第１実施形態の励振用電極３２、４１および接地電極３４、３７、４４、４７が省略されており、これら以外の電極は第１実施形態と同一で、配線も同一である。動作原理は第１実施形態と同じであるが、振動片３および４の内側の電極のパターニングが不要となるため、電極形成が容易であるという利点がある。
【００２８】
図７は本発明の第３実施形態を示すものであり、図６に示す第２実施形態の検出用電極３３、３６、４５、４８の位置が側面に移動している点が第２実施形態と相違する。既に述べたようにＺ軸方向の振動に伴う分極の影響は、振動片の角部に集まるので、検出用電極は角部の近傍であれば、本実施形態のように側面に設けてもよい。
【００２９】
図８は本発明の第４実施形態を示すものであり、第１実施形態の側面電極３１、３２、４１、４２をそれぞれ２分割して、電極３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂとし、内側の電極３２ａ、３２ｂ、４１ａ、４１ｂを検出用に用いたものである。このように構成すると、励振電界を上下対称にできるので、励振による検出方向の振動漏れが少ない。また、上面と側面の２つの電極を組み合わせて検出電圧を取得することにより、角速度印加により角部に発生する電荷を効率よく検出できる。そのため、励振に伴う検出方向の漏れを減らして、オフセット電圧発生を抑制でき、検出感度の向上およびＳ／Ｎの向上を期待できる。
【００３０】
上述した第１〜第４実施形態は振動子として水晶単結晶のＺ板を用いたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、水晶のＺ板に代えてリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ3 ）のいわゆるＹ板を用いてもよい。図９は振動子としてリチウムタンタレートのＹ板をワイヤーソーなどの機械加工により音叉型に切り出したものであり、２本の振動片４０３および４０４を＋Ｚの向きに突出させている。図１０はこのリチウムタンタレートで構成された振動子４０１のための電極配置および処理回路を示す図である。外側の４つの電極４１１、４１３、４２０、４２３が駆動回路１３１の出力端子３１０および３１０´に図示のように接続されて駆動信号が与えられると、振動片４０３および４０４は図９に示すようにＸ軸方向に互いに逆相で励振される。検出回路１３２´は第１〜第３実施形態の検出回路１３２とは加算器の接続が異なっており、このように接続することにより端子３１２から出力信号を出力し、端子３１１からフィードバック信号を出力することができる。
【００３１】
【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、励振の安定化のための励振振動の検出とそれと直交する方向のコリオリの力による振動の検出とを同じ振動検知素子で行うので、両検出を別々の素子で検出する場合に比較して、十分な面積を確保することができる。振動片を振動させたときに最も応力が集中するのはその根本である。本願発明によれば、振動片の根本という限られた領域にも十分に面積を確保して振動検知素子を配置することができるので、振動検知素子の位置の点からも面積の点からも高い検出効率を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の角速度検出装置に用いられる振動子を示す斜視図。
【図２】この実施形態の角速度検出装置の処理回路を示すブロック図。
【図３】この実施形態の振動子の振動モードを示す斜視図。
【図４】この実施形態の励振の際の逆圧電効果を説明するための図。
【図５】この実施形態の振動検出の際の圧電効果を説明するための図。
【図６】本発明の第２の実施形態を示すブロック図。
【図７】本発明の第３の実施形態を示すブロック図。
【図８】本発明の第４の実施形態を示すブロック図。
【図９】本発明の第５の実施形態に用いられるリチウムタンタレートの振動子を示す斜視図。
【図１０】その処理回路を示すブロック図。
【符号の説明】
１、４０１…振動子、２…振動子基体、３、４、４０３、４０４…振動片、３１〜３９、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、４１〜４９、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４１０〜４１３、４２０〜４２３…電極、１３１…駆動回路、１３２、１３２´…検出回路、１３３…ＡＧＣ回路、１３４…オフセット回路、１３５…同期検波回路、１３６…位相器。
【図１】
0003732582.tif 000002
【図２】
0003732582.tif 000003
【図３】
0003732582.tif 000004
【図４】
0003732582.tif 000005
【図５】
0003732582.tif 000006
【図６】
0003732582.tif 000007
【図７】
0003732582.tif 000008
【図８】
0003732582.tif 000009
【図９】
0003732582.tif 000010
【図１０】
0003732582.tif 000011