３軸検出角速度センサ
【課題】本発明の３軸検出角速度センサは、Ｙ軸方向の駆動信号とＺ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが同一位相となることのないＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出可能な３軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】駆動回路４９に位相シフト回路５５ｂを設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが互いに９０度以外の異なる位相となるように構成したものである。
【解決手段】駆動回路４９に位相シフト回路５５ｂを設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが互いに９０度以外の異なる位相となるように構成したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向の角速度を検出することが可能な３軸検出角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の３軸検出角速度センサは、図１３、図１４に示すように構成されていた。
【０００３】
図１３は従来の３軸検出角速度センサの側断面図、図１４は同３軸検出角速度センサの上面図である。
【０００４】
図１３、図１４において、１はＳｉからなる直方体形状の質量部である。そして、この質量部１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数が略同一になるように構成されている。２は内周および外周が８角形状をなし、かつその全周にわたって延出されたＳｉからなる支持部材で、この支持部材２は、前記質量部１を外方全周から支持するとともに、上面に複数のＰＺＴからなる外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４を設けている。また、支持部材２の上面には、前記外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４の間に位置して、外側検出圧電体５および内側検出圧電体６を設けている。７はＳｉからなる四角形筒状の枠体で、この枠体７は前記支持部材２を一体に支持している。
【０００５】
以上のように構成された従来の３軸検出角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
【０００６】
支持部材２における外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４に、図１５（ａ）（ｂ）に示すような、Ｚ軸方向とＹ軸方向の位相差が９０度である交流電圧を印加すると、図１６（ａ）〜（ｄ）に示すように、振動子１がＺ軸方向およびＹ軸方向の位相差が９０度になるように円形状の振動駆動をする。そして、その状態において、振動子１のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸周りに角速度が発生すると、振動子１が振動駆動する方向および角速度が発生する方向の両者と垂直な方向にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力により外側検出圧電体５および内側検出圧電体６から発生する電荷をＩＶ変換した後、同期検波することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を検出するものであった。
【０００７】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平８−１４５６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した従来の構成では、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号との位相差が９０度であるため、図１７（ａ）に示すＹ軸方向の駆動信号と、図１７（ｂ）に示すＺ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、図１７（ｃ）に示すように、同一位相で加算されるため、信号を分離することが困難となり、これにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができないという課題を有していた。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、Ｙ軸方向の駆動信号とＺ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが同一位相となることのないＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出可能な３軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、支持部材における検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたもので、この構成によれば、駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたため、異なる位相により位相検波をすることができることとなり、これにより、Ｙ軸方向の駆動信号と、Ｚ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、同一位相となることがないから、位相検波により信号を分離することが可能となり、その結果、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができるという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともにＸ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの検出圧電体を設けたＸ軸方向支持部材と、前記質量部を支持するとともにＹ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けたＹ軸方向支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、Ｘ軸方向支持部材またはＹ軸方向支持部材のうちのいずれか一方または両方の検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号と、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相となるようにしたもので、この構成によれば、駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたため、異なる位相により位相検波をすることができることとなり、これにより、Ｙ軸方向の駆動信号と、Ｚ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、同一位相となることがないから、位相検波により信号を分離することが可能となり、その結果、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができるという作用効果を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、位相シフト回路により、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせるかまたは進ませるようにしたもので、この構成によれば、位相シフト回路により、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせるかまたは進ませるようにしたため、検出信号に発生する不要な信号を位相検波する際に、確実に除去できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明の３軸検出角速度センサは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、支持部材における検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたもので、この構成によれば、駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたため、異なる位相により位相検波をすることができることとなり、これにより、Ｙ軸方向の駆動信号と、Ｚ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、同一位相となることがないから、位相検波により信号を分離することが可能となり、その結果、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができる３軸検出角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの側断面図、図２は同３軸検出角速度センサの上面図、図３は同３軸検出角速度センサにおける第１のＸ軸方向支持部材の側断面図、図４は同３軸検出角速度センサの回路図である。
【００１７】
図１〜図４において、２１はＳｉからなる直方体形状の質量部である。２２はＳｉからなる第１のＸ軸方向支持部材で、この第１のＸ軸方向支持部材２２は、前記質量部２１における一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体２３を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体２４を設けているものである。また、前記第１のＸ軸方向支持部材２２の上面には、前記一対の外側駆動圧電体２３の間に位置して、外側検出圧電体２５を設けており、さらに前記内側駆動圧電体２４の間に位置して、内側検出圧電体２６を設けているものである。
【００１８】
２７はＳｉからなる第２のＸ軸方向支持部材で、この第２のＸ軸方向支持部材２７は、前記質量部２１における前記第１のＸ軸方向支持部材２２を設けた側と反対側の一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体２８を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体２９を設けているものである。また、前記第２のＸ軸方向支持部材２７の上面には、前記一対の外側駆動圧電体２８の間に位置して、外側検出圧電体３０を設けており、さらに前記内側駆動圧電体２９の間に位置して、内側検出圧電体３１を設けているものである。
【００１９】
３２はＳｉからなる第１のＹ軸方向支持部材で、この第１のＹ軸方向支持部材３２は、前記質量部２１における一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体３３を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体３４を設けているものである。また、前記第１のＹ軸方向支持部材３２の上面には、前記一対の外側駆動圧電体３３の間に位置して、外側検出圧電体３５を設けており、さらに前記内側駆動圧電体３４の間に位置して、内側検出圧電体３６を設けているものである。そしてまた、前記第１のＹ軸方向支持部材３２の上面には、前記外側駆動圧電体３３の外側に位置して外側モニタ圧電体３７を設けるとともに、内側駆動圧電体３４の外側に位置して内側モニタ圧電体３８を設けているものである。
【００２０】
３９はＳｉからなる第２のＹ軸方向支持部材で、この第２のＹ軸方向支持部材３９は、前記質量部２１における前記第１のＹ軸方向支持部材３２を設けた側と反対側の一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体４０を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体４１を設けているものである。また、前記第２のＹ軸方向支持部材３９の上面には、前記一対の外側駆動圧電体４０の間に位置して、外側検出圧電体４２を設けており、さらに前記内側駆動圧電体４１の間に位置して、内側検出圧電体４３を設けているものである。そしてまた、前記第２のＹ軸方向支持部材３９の上面には、一対の内側駆動圧電体４１の外側に位置して一対の内側モニタ圧電体７０を設けているものである。
【００２１】
また、前記第１のＸ軸方向支持部材２２の上面に位置する外側駆動圧電体２３および外側検出圧電体２５は、図３に示すように、Ｓｉからなる第１のＸ軸方向支持部材２２の上面に設けたＰｔとＴｉとの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極４４の上面に設けられ、そして、外側駆動圧電体２３の上面に駆動電極４５を設けるとともに、外側検出圧電体２５の上面に検出電極４６を設けているものである。そしてまた、前記質量部２１は、第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９で支持することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の駆動周波数が各々４０ｋＨｚになるように構成されているものである。そして、前記第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９は、図２に示すように、それらの間に４つの孔７１を有するとともに、外周側を一体に接続した外周部７２を有し、さらに前記外周部７２の上面にはＩＣからなる処理回路４８を設けているものである。
【００２２】
４７はＳｉからなる四角形筒状の枠体で、この枠体４７は前記第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９と連接された外周部７２を支持しているものである。
【００２３】
前記外周部７２の上面に設けた処理回路４８は、前記外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２および内側検出圧電体２６，３１，３６，４３と回路パターン（図示せず）により電気的に接続しており、さらに、この処理回路４８からの出力信号を回路パターン（図示せず）を介して外部回路（図示せず）に出力しているものである。
【００２４】
また、前記処理回路４８は、図４に示すように、駆動回路４９と検出回路５０で構成され、そして、駆動回路４９は、Ｚ軸方向駆動回路５１ａと、Ｙ軸方向駆動回路５１ｂとで構成されているものである。そしてまた、前記Ｚ軸方向駆動回路５１ａは第１のＹ軸方向支持部材３２における外側モニタ圧電体３７と第２のＹ軸方向支持部材３９における内側モニタ圧電体７０とからの出力信号の差動値をＺ軸方向駆動回路５１ａにおけるＩＶ変換器５２、バンドパスフィルター５３およびＡＧＣ回路５４を介して、駆動信号を外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０および内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に入力することにより、質量部２１をＺ軸方向に一定の振幅で振動駆動させているものである。また、これと同様に、駆動回路４９におけるＹ軸方向駆動回路５１ｂは、乗算器５５ａと駆動用位相シフト回路５５ｂとで構成されており、前記Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるＡＧＣ回路５４からの出力信号を、乗算器５５ａにより定数倍した後、駆動用位相シフト回路５５ｂにより、位相を４５度遅らせて、外側駆動圧電体３３、４０および内側駆動圧電体３４、４１に入力することにより、質量部２１をＹ軸方向に一定の振幅で駆動振動させているものである。また、前記Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるバンドパスフィルター５３の後段には、第１の検出用位相シフト回路５６および第２の検出用位相シフト回路５７を並列に設けており、第１の検出用位相シフト回路により、バンドパスフィルター５３からの出力信号を４５度遅らせた信号を出力するとともに、第２の検出用位相シフト回路５７により１３５度遅らせた信号を各々出力している。
【００２５】
そしてまた、前記検出回路５０はＹ方向コリオリ力検出回路５８とＸ方向コリオリ力検出回路５９とで構成され、そして、Ｙ方向コリオリ力検出回路５８は、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６の出力信号をＩＶ変換器６０に入力するとともに、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３の出力信号をＩＶ変換器６１に入力し、両者の差動を取った後、同期検波器６２によって、第２の検出用位相シフト回路５７からの出力信号を基準として位相検波した後、ローパスフィルター６３により平滑することにより、Ｘ軸周りの角速度を検出するものである。また、前記Ｘ方向コリオリ力検出回路５９は、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側検出圧電体２５および内側検出圧電体２６の出力信号を入力するＩＶ変換器６４と、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１からの出力信号を入力するＩＶ変換器６５からの出力信号との差動値を同期検波器６６によって、第１の検出用位相シフト回路５６からの出力信号を基準として、位相検波した後、ローパスフィルター６７により平滑することにより、Ｙ軸周りの角速度を検出するものである。さらに、これらと同様にして、同期検波器６８によって、Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるバンドパスフィルタ５３からの直接の出力信号を基準として位相検波した後、ローパスフィルター６９により平滑することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出するものである。
【００２６】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、次に、その組立方法を説明する。
【００２７】
まず、予め準備したＳｉからなる基材（図示せず）の上面に、ＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極４４を蒸着により形成し、その後、共通ＧＮＤ電極４４の上面にＰＺＴ薄膜からなる外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２、内側検出圧電体２６，３１，３６，４３、外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体３８，７０を蒸着により形成する。
【００２８】
次に、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２、内側検出圧電体２６，３１，３６，４３、外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体３８，７０の上面にＴｉとＡｕの合金薄膜からなる駆動電極４５、検出電極４６およびモニタ電極（図示せず）を形成する。
【００２９】
次に、共通ＧＮＤ電極４４側に電圧を印加するとともに、駆動電極４５、検出電極４６およびモニタ電極（図示せず）を接地することにより、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２、内側検出圧電体２６，３１，３６，４３、外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体３８，７０を分極する。
【００３０】
最後に、基材（図示せず）における不要な箇所を除去することにより、質量部２１、第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２、第２のＹ軸方向支持部材３９、外周部７２および枠体４７を形成した後、回路パターン（図示せず）にＩＣからなる処理回路４８を半田付けする。
【００３１】
以上のように構成され、かつ組み立てられた本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
【００３２】
まず、最初に質量部２１にＸ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。
【００３３】
内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に正電圧を印加すると同時に、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０に負電圧を印加すると、図５に示すように、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１は伸びるとともに外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０は縮むことになり、その結果、質量部２１は上方に向かって移動する。次に、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に負電圧を印加すると同時に、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０に正電圧を印加すると、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１は縮むとともに外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０は伸びることになり、その結果、質量部２１は下方に向かって移動する。すなわち、図６（ａ）に示すような、正弦波からなる交流電圧を外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０および内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に印加することにより、質量部２１はＺ軸方向の駆動周波数で速度Ｖの振動駆動するものである。そして、この質量部２１の振動駆動は外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体７０から発生する出力信号が一定になるように、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１および外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０に印加する電圧を調整することにより、振動駆動の振幅を制御している。
【００３４】
また、同様に、質量部２１はＹ軸方向にも振動駆動している。すなわち、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４に正電圧を印加すると同時に、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１に負電圧を印加すると、外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４は伸びるとともに外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１は縮むことになり、その結果、質量部２１は第１のＹ軸方向支持部材３２に向かって移動する。
【００３５】
次に、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４に負電圧を印加すると同時に、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１に正電圧を印加すると、外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４は縮むとともに外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１は伸びることになり、その結果、質量部２１は第２のＹ軸方向支持部材３９に向かって移動する。すなわち、駆動用位相シフト回路５５ｂにより、図６（ａ）よりも４５度位相の遅れた図６（ｂ）に示すような、正弦波からなる交流電圧を外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０および内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に印加することにより、質量部２１はＹ軸方向の駆動周波数で速度Ｖの振動駆動するものである。そして実際には、質量部２１はＹＺ平面状に楕円軌道を描くように、駆動することになる。この質量部２１の振動駆動は内側モニタ圧電体３８，７０から発生する出力信号が一定になるように、外側駆動圧電体３３、内側駆動圧電体３４、外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１に印加する電圧を調整することにより、振動駆動の振幅を制御している。
【００３６】
そしてまた、質量部２１がＺ軸方向の駆動周波数で振動駆動をしている状態において、質量部２１がＸ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、図７に示すように、質量部２１にＹ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、質量部２１はＹ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、例えば、図８に示すように、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３が縮むことにより負電荷が発生する。そして、外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６から発生する電荷をＩＶ変換器６０により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３から発生する電荷をＩＶ変換器６１により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、図９（ｂ）に示す出力信号が発生する。このとき、前述の如く、質量部２１はＹ軸方向に駆動振動しているため、外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３には、図６（ｂ）と同じ波形である図９（ａ）に示す出力信号も発生しており、図９（ａ）および図９（ｂ）を合成した図９（ｃ）に示す出力信号が出力される。そして、第２の検出用位相シフト回路５７を基準信号として、同期検波器６２が位相検波することにより、図９（ｂ）に示す信号成分は図９（ｅ）に示すように、一方、図９（ａ）に示す出力信号は、図９（ｆ）に示すようになる。したがって、ローパスフィルター６３により、平滑化することにより、図９（ｆ）に示す信号は零値となり、Ｘ軸周りの角速度成分のみを検出することができるものである。
【００３７】
次に、質量部２１にＹ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。この場合も、前述したＸ軸周りの角速度を検出する場合と同様に、質量部２１がＺ軸方向に振動駆動をしている状態において、質量部２１がＹ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、図１０に示すように、質量部２１にＸ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、質量部２１はＸ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側検出圧電体２３および内側検出圧電体２５が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１が縮むことにより負電荷が発生する。そして、外側検出圧電体２３および内側検出圧電体２６から発生する電荷をＩＶ変換器６４により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１から発生する電荷をＩＶ変換器６５により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、図１１（ａ）に示す出力信号が発生する。
【００３８】
次に、質量部２１にＺ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。質量部２１がＹ軸方向に振動駆動をしている状態において、質量部２１がＺ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、図１２に示すように、質量部２１にＸ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、質量部２１はＸ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側検出圧電体２５および内側検出圧電体２６が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１が縮むことにより負電荷が発生する。そして、外側検出圧電体２５および内側検出圧電体２６から発生する電荷をＩＶ変換器６４により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１から発生する電荷をＩＶ変換器６５により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、図１１（ａ）よりも位相が４５度遅れた、図１１（ｂ）に示す出力信号が出力される。したがって、実際に、差動された出力信号は、図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを合成した図１１（ｃ）に示す出力信号が出力される。そして、Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるバンドパスフィルタ５３からの出力信号図１１（ｄ）を基準信号として、同期検波器６８が位相検波することにより、図１１（ａ）に示す信号成分は図１１（ｅ）に示すように、一方、図１１（ｂ）に示す出力信号は、図１１（ｆ）に示すようになる。したがって、ローパスフィルター６９により、平滑化することにより、図１１（ｅ）に示す信号は零値となり、Ｚ軸周りの角速度成分のみを検出することができるものである。
【００３９】
また、第１の検出用位相シフト回路５６からの出力信号図１１（ｇ）を基準信号として、同期検波器６６が位相検波することにより、図１１（ａ）に示す信号成分は図１１（ｈ）に示すように、一方、図１１（ｂ）に示す出力信号は、図１１（ｉ）に示すようになる。したがって、ローパスフィルター６７により、平滑化することにより、図１１（ｉ）に示す信号は零値となり、Ｙ軸周りの角速度成分のみを検出することができるものである。
【００４０】
なお、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおいては、駆動用位相シフト回路５５ｂにより、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせる構成としたが、略４５度進ませる構成としても同様の効果を有するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る３軸検出角速度センサは、Ｙ軸方向の駆動信号とＺ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが同一位相となることのないＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出可能な３軸検出角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、特にＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向の角速度を検出することが可能な３軸検出角速度センサに適用して有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの側断面図
【図２】同３軸検出角速度センサの上面図
【図３】同３軸検出角速度センサにおける第１のＸ軸方向支持部材の側断面図
【図４】同３軸検出角速度センサの回路図
【図５】同３軸検出角速度センサをＺ軸方向に振動駆動させる状態を示す側断面図
【図６】同３軸検出角速度センサを駆動する信号を示す図
【図７】同３軸検出角速度センサのＸ軸周りの角速度を検出する状態を示す図
【図８】同３軸検出角速度センサがＹ軸方向のコリオリ力により動作する状態を示す側断面図
【図９】同３軸検出角速度センサが動作したときの出力信号を示す図
【図１０】同３軸検出角速度センサのＹ軸周りの角速度を検出する状態を示す図
【図１１】同３軸検出角速度センサが動作したときの出力信号を示す図
【図１２】同３軸検出角速度センサのＺ軸周りの角速度を検出する状態を示す図
【図１３】従来の３軸検出角速度センサの側断面図
【図１４】同３軸検出角速度センサの上面図
【図１５】従来の３軸検出角速度センサを駆動する信号を示す図
【図１６】従来の３軸検出角速度センサが動作する状態を示す図
【図１７】従来の３軸検出角速度センサが動作したときの出力信号を示す図
【符号の説明】
【００４３】
２１ 質量部
２２，２７ Ｘ軸方向支持部材
２３，２４，２８，２９，３３，３４，４０，４１ 駆動圧電体
２５，２６，３０，３１，３５，３６，４２，４３ 検出圧電体
３２，３９ Ｙ軸方向支持部材
３７，３８，７０ モニタ圧電体
４９ 駆動回路
５０ 検出回路
５５ｂ 位相シフト回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向の角速度を検出することが可能な３軸検出角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の３軸検出角速度センサは、図１３、図１４に示すように構成されていた。
【０００３】
図１３は従来の３軸検出角速度センサの側断面図、図１４は同３軸検出角速度センサの上面図である。
【０００４】
図１３、図１４において、１はＳｉからなる直方体形状の質量部である。そして、この質量部１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数が略同一になるように構成されている。２は内周および外周が８角形状をなし、かつその全周にわたって延出されたＳｉからなる支持部材で、この支持部材２は、前記質量部１を外方全周から支持するとともに、上面に複数のＰＺＴからなる外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４を設けている。また、支持部材２の上面には、前記外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４の間に位置して、外側検出圧電体５および内側検出圧電体６を設けている。７はＳｉからなる四角形筒状の枠体で、この枠体７は前記支持部材２を一体に支持している。
【０００５】
以上のように構成された従来の３軸検出角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
【０００６】
支持部材２における外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４に、図１５（ａ）（ｂ）に示すような、Ｚ軸方向とＹ軸方向の位相差が９０度である交流電圧を印加すると、図１６（ａ）〜（ｄ）に示すように、振動子１がＺ軸方向およびＹ軸方向の位相差が９０度になるように円形状の振動駆動をする。そして、その状態において、振動子１のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸周りに角速度が発生すると、振動子１が振動駆動する方向および角速度が発生する方向の両者と垂直な方向にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力により外側検出圧電体５および内側検出圧電体６から発生する電荷をＩＶ変換した後、同期検波することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を検出するものであった。
【０００７】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平８−１４５６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した従来の構成では、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号との位相差が９０度であるため、図１７（ａ）に示すＹ軸方向の駆動信号と、図１７（ｂ）に示すＺ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、図１７（ｃ）に示すように、同一位相で加算されるため、信号を分離することが困難となり、これにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができないという課題を有していた。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、Ｙ軸方向の駆動信号とＺ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが同一位相となることのないＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出可能な３軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、支持部材における検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたもので、この構成によれば、駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたため、異なる位相により位相検波をすることができることとなり、これにより、Ｙ軸方向の駆動信号と、Ｚ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、同一位相となることがないから、位相検波により信号を分離することが可能となり、その結果、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができるという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともにＸ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの検出圧電体を設けたＸ軸方向支持部材と、前記質量部を支持するとともにＹ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けたＹ軸方向支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、Ｘ軸方向支持部材またはＹ軸方向支持部材のうちのいずれか一方または両方の検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号と、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相となるようにしたもので、この構成によれば、駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたため、異なる位相により位相検波をすることができることとなり、これにより、Ｙ軸方向の駆動信号と、Ｚ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、同一位相となることがないから、位相検波により信号を分離することが可能となり、その結果、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができるという作用効果を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、位相シフト回路により、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせるかまたは進ませるようにしたもので、この構成によれば、位相シフト回路により、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせるかまたは進ませるようにしたため、検出信号に発生する不要な信号を位相検波する際に、確実に除去できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明の３軸検出角速度センサは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、支持部材における検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたもので、この構成によれば、駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるようにしたため、異なる位相により位相検波をすることができることとなり、これにより、Ｙ軸方向の駆動信号と、Ｚ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが、同一位相となることがないから、位相検波により信号を分離することが可能となり、その結果、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出することができる３軸検出角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの側断面図、図２は同３軸検出角速度センサの上面図、図３は同３軸検出角速度センサにおける第１のＸ軸方向支持部材の側断面図、図４は同３軸検出角速度センサの回路図である。
【００１７】
図１〜図４において、２１はＳｉからなる直方体形状の質量部である。２２はＳｉからなる第１のＸ軸方向支持部材で、この第１のＸ軸方向支持部材２２は、前記質量部２１における一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体２３を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体２４を設けているものである。また、前記第１のＸ軸方向支持部材２２の上面には、前記一対の外側駆動圧電体２３の間に位置して、外側検出圧電体２５を設けており、さらに前記内側駆動圧電体２４の間に位置して、内側検出圧電体２６を設けているものである。
【００１８】
２７はＳｉからなる第２のＸ軸方向支持部材で、この第２のＸ軸方向支持部材２７は、前記質量部２１における前記第１のＸ軸方向支持部材２２を設けた側と反対側の一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体２８を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体２９を設けているものである。また、前記第２のＸ軸方向支持部材２７の上面には、前記一対の外側駆動圧電体２８の間に位置して、外側検出圧電体３０を設けており、さらに前記内側駆動圧電体２９の間に位置して、内側検出圧電体３１を設けているものである。
【００１９】
３２はＳｉからなる第１のＹ軸方向支持部材で、この第１のＹ軸方向支持部材３２は、前記質量部２１における一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体３３を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体３４を設けているものである。また、前記第１のＹ軸方向支持部材３２の上面には、前記一対の外側駆動圧電体３３の間に位置して、外側検出圧電体３５を設けており、さらに前記内側駆動圧電体３４の間に位置して、内側検出圧電体３６を設けているものである。そしてまた、前記第１のＹ軸方向支持部材３２の上面には、前記外側駆動圧電体３３の外側に位置して外側モニタ圧電体３７を設けるとともに、内側駆動圧電体３４の外側に位置して内側モニタ圧電体３８を設けているものである。
【００２０】
３９はＳｉからなる第２のＹ軸方向支持部材で、この第２のＹ軸方向支持部材３９は、前記質量部２１における前記第１のＹ軸方向支持部材３２を設けた側と反対側の一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体４０を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体４１を設けているものである。また、前記第２のＹ軸方向支持部材３９の上面には、前記一対の外側駆動圧電体４０の間に位置して、外側検出圧電体４２を設けており、さらに前記内側駆動圧電体４１の間に位置して、内側検出圧電体４３を設けているものである。そしてまた、前記第２のＹ軸方向支持部材３９の上面には、一対の内側駆動圧電体４１の外側に位置して一対の内側モニタ圧電体７０を設けているものである。
【００２１】
また、前記第１のＸ軸方向支持部材２２の上面に位置する外側駆動圧電体２３および外側検出圧電体２５は、図３に示すように、Ｓｉからなる第１のＸ軸方向支持部材２２の上面に設けたＰｔとＴｉとの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極４４の上面に設けられ、そして、外側駆動圧電体２３の上面に駆動電極４５を設けるとともに、外側検出圧電体２５の上面に検出電極４６を設けているものである。そしてまた、前記質量部２１は、第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９で支持することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の駆動周波数が各々４０ｋＨｚになるように構成されているものである。そして、前記第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９は、図２に示すように、それらの間に４つの孔７１を有するとともに、外周側を一体に接続した外周部７２を有し、さらに前記外周部７２の上面にはＩＣからなる処理回路４８を設けているものである。
【００２２】
４７はＳｉからなる四角形筒状の枠体で、この枠体４７は前記第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９と連接された外周部７２を支持しているものである。
【００２３】
前記外周部７２の上面に設けた処理回路４８は、前記外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２および内側検出圧電体２６，３１，３６，４３と回路パターン（図示せず）により電気的に接続しており、さらに、この処理回路４８からの出力信号を回路パターン（図示せず）を介して外部回路（図示せず）に出力しているものである。
【００２４】
また、前記処理回路４８は、図４に示すように、駆動回路４９と検出回路５０で構成され、そして、駆動回路４９は、Ｚ軸方向駆動回路５１ａと、Ｙ軸方向駆動回路５１ｂとで構成されているものである。そしてまた、前記Ｚ軸方向駆動回路５１ａは第１のＹ軸方向支持部材３２における外側モニタ圧電体３７と第２のＹ軸方向支持部材３９における内側モニタ圧電体７０とからの出力信号の差動値をＺ軸方向駆動回路５１ａにおけるＩＶ変換器５２、バンドパスフィルター５３およびＡＧＣ回路５４を介して、駆動信号を外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０および内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に入力することにより、質量部２１をＺ軸方向に一定の振幅で振動駆動させているものである。また、これと同様に、駆動回路４９におけるＹ軸方向駆動回路５１ｂは、乗算器５５ａと駆動用位相シフト回路５５ｂとで構成されており、前記Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるＡＧＣ回路５４からの出力信号を、乗算器５５ａにより定数倍した後、駆動用位相シフト回路５５ｂにより、位相を４５度遅らせて、外側駆動圧電体３３、４０および内側駆動圧電体３４、４１に入力することにより、質量部２１をＹ軸方向に一定の振幅で駆動振動させているものである。また、前記Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるバンドパスフィルター５３の後段には、第１の検出用位相シフト回路５６および第２の検出用位相シフト回路５７を並列に設けており、第１の検出用位相シフト回路により、バンドパスフィルター５３からの出力信号を４５度遅らせた信号を出力するとともに、第２の検出用位相シフト回路５７により１３５度遅らせた信号を各々出力している。
【００２５】
そしてまた、前記検出回路５０はＹ方向コリオリ力検出回路５８とＸ方向コリオリ力検出回路５９とで構成され、そして、Ｙ方向コリオリ力検出回路５８は、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６の出力信号をＩＶ変換器６０に入力するとともに、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３の出力信号をＩＶ変換器６１に入力し、両者の差動を取った後、同期検波器６２によって、第２の検出用位相シフト回路５７からの出力信号を基準として位相検波した後、ローパスフィルター６３により平滑することにより、Ｘ軸周りの角速度を検出するものである。また、前記Ｘ方向コリオリ力検出回路５９は、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側検出圧電体２５および内側検出圧電体２６の出力信号を入力するＩＶ変換器６４と、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１からの出力信号を入力するＩＶ変換器６５からの出力信号との差動値を同期検波器６６によって、第１の検出用位相シフト回路５６からの出力信号を基準として、位相検波した後、ローパスフィルター６７により平滑することにより、Ｙ軸周りの角速度を検出するものである。さらに、これらと同様にして、同期検波器６８によって、Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるバンドパスフィルタ５３からの直接の出力信号を基準として位相検波した後、ローパスフィルター６９により平滑することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出するものである。
【００２６】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、次に、その組立方法を説明する。
【００２７】
まず、予め準備したＳｉからなる基材（図示せず）の上面に、ＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極４４を蒸着により形成し、その後、共通ＧＮＤ電極４４の上面にＰＺＴ薄膜からなる外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２、内側検出圧電体２６，３１，３６，４３、外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体３８，７０を蒸着により形成する。
【００２８】
次に、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２、内側検出圧電体２６，３１，３６，４３、外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体３８，７０の上面にＴｉとＡｕの合金薄膜からなる駆動電極４５、検出電極４６およびモニタ電極（図示せず）を形成する。
【００２９】
次に、共通ＧＮＤ電極４４側に電圧を印加するとともに、駆動電極４５、検出電極４６およびモニタ電極（図示せず）を接地することにより、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体２５，３０，３５，４２、内側検出圧電体２６，３１，３６，４３、外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体３８，７０を分極する。
【００３０】
最後に、基材（図示せず）における不要な箇所を除去することにより、質量部２１、第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２、第２のＹ軸方向支持部材３９、外周部７２および枠体４７を形成した後、回路パターン（図示せず）にＩＣからなる処理回路４８を半田付けする。
【００３１】
以上のように構成され、かつ組み立てられた本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
【００３２】
まず、最初に質量部２１にＸ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。
【００３３】
内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に正電圧を印加すると同時に、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０に負電圧を印加すると、図５に示すように、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１は伸びるとともに外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０は縮むことになり、その結果、質量部２１は上方に向かって移動する。次に、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に負電圧を印加すると同時に、外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０に正電圧を印加すると、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１は縮むとともに外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０は伸びることになり、その結果、質量部２１は下方に向かって移動する。すなわち、図６（ａ）に示すような、正弦波からなる交流電圧を外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０および内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に印加することにより、質量部２１はＺ軸方向の駆動周波数で速度Ｖの振動駆動するものである。そして、この質量部２１の振動駆動は外側モニタ圧電体３７および内側モニタ圧電体７０から発生する出力信号が一定になるように、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１および外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０に印加する電圧を調整することにより、振動駆動の振幅を制御している。
【００３４】
また、同様に、質量部２１はＹ軸方向にも振動駆動している。すなわち、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４に正電圧を印加すると同時に、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１に負電圧を印加すると、外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４は伸びるとともに外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１は縮むことになり、その結果、質量部２１は第１のＹ軸方向支持部材３２に向かって移動する。
【００３５】
次に、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４に負電圧を印加すると同時に、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１に正電圧を印加すると、外側駆動圧電体３３および内側駆動圧電体３４は縮むとともに外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１は伸びることになり、その結果、質量部２１は第２のＹ軸方向支持部材３９に向かって移動する。すなわち、駆動用位相シフト回路５５ｂにより、図６（ａ）よりも４５度位相の遅れた図６（ｂ）に示すような、正弦波からなる交流電圧を外側駆動圧電体２３，２８，３３，４０および内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１に印加することにより、質量部２１はＹ軸方向の駆動周波数で速度Ｖの振動駆動するものである。そして実際には、質量部２１はＹＺ平面状に楕円軌道を描くように、駆動することになる。この質量部２１の振動駆動は内側モニタ圧電体３８，７０から発生する出力信号が一定になるように、外側駆動圧電体３３、内側駆動圧電体３４、外側駆動圧電体４０および内側駆動圧電体４１に印加する電圧を調整することにより、振動駆動の振幅を制御している。
【００３６】
そしてまた、質量部２１がＺ軸方向の駆動周波数で振動駆動をしている状態において、質量部２１がＸ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、図７に示すように、質量部２１にＹ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、質量部２１はＹ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、例えば、図８に示すように、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３が縮むことにより負電荷が発生する。そして、外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６から発生する電荷をＩＶ変換器６０により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３から発生する電荷をＩＶ変換器６１により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、図９（ｂ）に示す出力信号が発生する。このとき、前述の如く、質量部２１はＹ軸方向に駆動振動しているため、外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３には、図６（ｂ）と同じ波形である図９（ａ）に示す出力信号も発生しており、図９（ａ）および図９（ｂ）を合成した図９（ｃ）に示す出力信号が出力される。そして、第２の検出用位相シフト回路５７を基準信号として、同期検波器６２が位相検波することにより、図９（ｂ）に示す信号成分は図９（ｅ）に示すように、一方、図９（ａ）に示す出力信号は、図９（ｆ）に示すようになる。したがって、ローパスフィルター６３により、平滑化することにより、図９（ｆ）に示す信号は零値となり、Ｘ軸周りの角速度成分のみを検出することができるものである。
【００３７】
次に、質量部２１にＹ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。この場合も、前述したＸ軸周りの角速度を検出する場合と同様に、質量部２１がＺ軸方向に振動駆動をしている状態において、質量部２１がＹ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、図１０に示すように、質量部２１にＸ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、質量部２１はＸ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側検出圧電体２３および内側検出圧電体２５が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１が縮むことにより負電荷が発生する。そして、外側検出圧電体２３および内側検出圧電体２６から発生する電荷をＩＶ変換器６４により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１から発生する電荷をＩＶ変換器６５により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、図１１（ａ）に示す出力信号が発生する。
【００３８】
次に、質量部２１にＺ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。質量部２１がＹ軸方向に振動駆動をしている状態において、質量部２１がＺ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、図１２に示すように、質量部２１にＸ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、質量部２１はＸ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側検出圧電体２５および内側検出圧電体２６が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１が縮むことにより負電荷が発生する。そして、外側検出圧電体２５および内側検出圧電体２６から発生する電荷をＩＶ変換器６４により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体３０および内側検出圧電体３１から発生する電荷をＩＶ変換器６５により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、図１１（ａ）よりも位相が４５度遅れた、図１１（ｂ）に示す出力信号が出力される。したがって、実際に、差動された出力信号は、図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを合成した図１１（ｃ）に示す出力信号が出力される。そして、Ｚ軸方向駆動回路５１ａにおけるバンドパスフィルタ５３からの出力信号図１１（ｄ）を基準信号として、同期検波器６８が位相検波することにより、図１１（ａ）に示す信号成分は図１１（ｅ）に示すように、一方、図１１（ｂ）に示す出力信号は、図１１（ｆ）に示すようになる。したがって、ローパスフィルター６９により、平滑化することにより、図１１（ｅ）に示す信号は零値となり、Ｚ軸周りの角速度成分のみを検出することができるものである。
【００３９】
また、第１の検出用位相シフト回路５６からの出力信号図１１（ｇ）を基準信号として、同期検波器６６が位相検波することにより、図１１（ａ）に示す信号成分は図１１（ｈ）に示すように、一方、図１１（ｂ）に示す出力信号は、図１１（ｉ）に示すようになる。したがって、ローパスフィルター６７により、平滑化することにより、図１１（ｉ）に示す信号は零値となり、Ｙ軸周りの角速度成分のみを検出することができるものである。
【００４０】
なお、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおいては、駆動用位相シフト回路５５ｂにより、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせる構成としたが、略４５度進ませる構成としても同様の効果を有するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る３軸検出角速度センサは、Ｙ軸方向の駆動信号とＺ軸方向の駆動でかつＸ軸周りの角速度により発生するＹ軸方向のコリオリ力による検出信号とが同一位相となることのないＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を正確に検出可能な３軸検出角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、特にＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向の角速度を検出することが可能な３軸検出角速度センサに適用して有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの側断面図
【図２】同３軸検出角速度センサの上面図
【図３】同３軸検出角速度センサにおける第１のＸ軸方向支持部材の側断面図
【図４】同３軸検出角速度センサの回路図
【図５】同３軸検出角速度センサをＺ軸方向に振動駆動させる状態を示す側断面図
【図６】同３軸検出角速度センサを駆動する信号を示す図
【図７】同３軸検出角速度センサのＸ軸周りの角速度を検出する状態を示す図
【図８】同３軸検出角速度センサがＹ軸方向のコリオリ力により動作する状態を示す側断面図
【図９】同３軸検出角速度センサが動作したときの出力信号を示す図
【図１０】同３軸検出角速度センサのＹ軸周りの角速度を検出する状態を示す図
【図１１】同３軸検出角速度センサが動作したときの出力信号を示す図
【図１２】同３軸検出角速度センサのＺ軸周りの角速度を検出する状態を示す図
【図１３】従来の３軸検出角速度センサの側断面図
【図１４】同３軸検出角速度センサの上面図
【図１５】従来の３軸検出角速度センサを駆動する信号を示す図
【図１６】従来の３軸検出角速度センサが動作する状態を示す図
【図１７】従来の３軸検出角速度センサが動作したときの出力信号を示す図
【符号の説明】
【００４３】
２１ 質量部
２２，２７ Ｘ軸方向支持部材
２３，２４，２８，２９，３３，３４，４０，４１ 駆動圧電体
２５，２６，３０，３１，３５，３６，４２，４３ 検出圧電体
３２，３９ Ｙ軸方向支持部材
３７，３８，７０ モニタ圧電体
４９ 駆動回路
５０ 検出回路
５５ｂ 位相シフト回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも１つの駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、支持部材における検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるように構成した３軸検出角速度センサ。
【請求項２】
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともにＸ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの検出圧電体を設けたＸ軸方向支持部材と、前記質量部を支持するとともにＹ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けたＹ軸方向支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、Ｘ軸方向支持部材またはＹ軸方向支持部材のうちのいずれか一方または両方の検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号と、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相となるように構成した３軸検出角速度センサ。
【請求項３】
位相シフト回路により、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせるかまたは進ませるようにした請求項１記載の３軸検出角速度センサ。
【請求項１】
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも１つの駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、支持部材における検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号とＹ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相差となるように構成した３軸検出角速度センサ。
【請求項２】
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともにＸ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの検出圧電体を設けたＸ軸方向支持部材と、前記質量部を支持するとともにＹ軸方向に延出されかつ上面に少なくとも一対の駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けたＹ軸方向支持部材と、前記質量部をＹ軸方向およびＺ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部に付加される角速度により、Ｘ軸方向支持部材またはＹ軸方向支持部材のうちのいずれか一方または両方の検出圧電体に発生する出力信号を検出する検出回路とを備え、前記駆動回路に位相シフト回路を設け、Ｚ軸方向に振動駆動させる駆動信号と、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号とが９０度以外の互いに異なる位相となるように構成した３軸検出角速度センサ。
【請求項３】
位相シフト回路により、Ｙ軸方向に振動駆動させる駆動信号をＺ軸方向に振動駆動させる駆動信号より、略４５度遅らせるかまたは進ませるようにした請求項１記載の３軸検出角速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２２３８５４（Ｐ２０１０−２２３８５４Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７３３０３（Ｐ２００９−７３３０３）
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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