JP2008139054A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を傾けて固定することなく、角速度センサの検出軸と、実際の回転が加わる軸との角度が大きくても精度の良い角速度を検出可能な角速度センサを提供する。
【解決手段】圧電振動片の振動を利用した角速度センサにおいて、角速度を検出する第１軸および該第１軸と直交する方向に設定された第２軸とを有し、第１軸の検出感度に対して第２軸の検出感度を１５〜５５％とした。このことで、本発明の角速度センサを取付角度が大きなナビゲーション装置に備えた場合、角速度センサの検出軸と、実際の回転が加わる軸との角度が４０°までの取り付けにおいて、±１５％以下の感度補正ですみ、この取付角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は角速度センサに関し、詳しくは２つの角速度検出軸を有する角速度センサに関する。

近年、ＧＰＳ（Global Positioning System）を用いて車両の位置を検出し、車両の目的地などへの移動を補助するナビゲーション装置が広く利用されている。このナビゲーション装置では、基準点からの車両の移動方向を自立的に測位する方法が用いられ、車両に加わる角速度をナビゲーション装置に備えられた角速度センサが検知することで移動方向が求められている。
通常、ナビゲーション装置の車両への取り付けは、室内のセンターコンソール内に装着することが行われている。例えば、図１１に示すように、車両１００の室内のセンターコンソール内にナビゲーション装置１０１が装着される。このとき、ナビゲーション装置１０１の視認性の向上および操作部の操作性向上のために、操作パネル面が上向きとなるように装着される。この場合、車両の接地面に対する垂直方向からナビゲーション装置１０１は角度θ°傾けて取り付けられることになる。
このナビゲーション装置１０１が車両１００に取り付けられた状態では、図１２に示すように、このナビゲーション装置に備えられた角速度センサ１０４が回路基板１０５上に車両の接地面に対する垂直方向の軸１０８から角度θ°傾けられている。軸１０８は車両が回転するときの回転軸であり、角速度センサ１０４に内蔵されたセンサ素子１０６の角速度の検出軸（Ｚ軸）１０９とは一致せず、θ°の傾きを持った状態に保持されている。このように、従来の角速度センサ１０４は回転の検出軸が１つであり、検出軸と直交する方向の軸に対する回転を検出しないことが一般的である。

角速度センサ１０４は上記の傾き角θが大きくなるに従い、出力感度が低下するという特性があり、できるだけこの傾き角θを小さい状態で使用するのが望ましい。また、ナビゲーション装置において、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが可能であるが、低下した出力感度を補正により増幅した場合、それに含まれるノイズも増幅され、精度が悪くなる問題があり、補正できる傾き角は３０°（±１５％の感度変化）が限界である。
また、これらを解決するために角速度センサに内蔵されたセンサ素子（圧電振動子）を取り付け角に対応して、予めその分を傾斜させて取り付けた角速度センサが提案されている（特許文献１、２参照）。

特開２００５−３３１４４８号公報 特開２００３−２２７８４４号公報

しかしながら、オーディオ機器などに比べて操作頻度の少ないナビゲーション装置はセンターコンソールの下段部分に装着される場合が多く、その取り付け角度θは３０°以上から４０°程度になることがある。
この場合、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが精度上好ましくなく、またセンサ素子（圧電振動子）を傾けて固定することはパッケージの大きさが大きくなるなどの問題がある。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、センサ素子を傾けて固定することなく、角速度センサの検出軸と、実際の回転が加わる軸との角度が大きくても精度の良い角速度を検出可能な角速度センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は圧電振動子の振動を利用した角速度センサであって、角速度を検出する第１軸および該第１軸と直交する方向に設定された第２軸とを有し、前記第１軸の検出感度に対して前記第２軸の検出感度を１５〜５５％としたことを特徴とする。

この構成によれば、ナビゲーション装置などに角速度センサが備えられ、装置が傾いた状態で取り付けられることで角速度センサの姿勢が４０°まで傾いても、角速度を検出する第１軸および第２軸からの出力を検出して利用することで、ソフトによる補正を可能とする感度である±１５％の感度変化に対応できる。そして、この補正により精度の良い角速度センサを得ることができる。

本発明の角速度センサは、角速度の感度出力をＱ、前記第１軸と回転のかかる軸の方向との角度をθ、前記第１軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をＡ、前記第２軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をＢ、としたとき、Ｑ＝Ａｃｏｓθ＋Ｂｓｉｎθの式にて感度出力が算出されることを特徴とする。

この角速度センサによれば、角速度を検出する第１軸、第２軸からの感度出力を回転のかかる軸に対する分力に換算して、それぞれ加算することで、回転のかかる軸における感度出力を得ることができる。
なお、ここで角速度センサにおける検出軸が実際の回転のかかる軸に対して傾きが生ずると、感度出力が低下する特性を持ち、傾き角による感度比Ａ，Ｂが決められている。

また、本発明の角速度センサは、前記圧電振動片が、基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕から前記第２軸に平行に延出され前記第１軸および第２軸に直交する方向に屈曲振動可能な駆動腕と、前記基部から延出する前記駆動腕に平行な検出腕と、を有し、前記検出腕における前記第１軸の角速度の検出が屈曲振動の検出で、前記検出腕における前記第２軸の角速度の検出が捩れ振動の検出であることを特徴とする。

この、いわゆるＷＴ型の角速度センサにおいて、第１軸の振動成分は屈曲振動であり、第１軸と直交する第２軸の振動成分は捩れ振動となり、それぞれの振動モードが異なるため、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行える。

また、本発明の角速度センサは、前記圧電振動片が、前記第２軸に平行に延出された２本の振動腕部と、前記振動腕部の両端をそれぞれ支持する２つ双音叉支持部と、前記双音叉支持部の近傍に配置される２つの支持固定部と、前記支持固定部と前記双音叉支持部との間をそれぞれ連結し前記第２軸に平行に延出された２つ検出部と、を有し、前記第１軸の角速度の検出が前記検出部の前記第１軸方向および前記第２軸に直交する方向の屈曲振動の検出であり、前記第２軸の角速度の検出が前記双音叉支持部の前記第１軸方向の屈曲振動の検出であることを特徴とする。

この、いわゆる双音叉型の角速度センサにおいて、第１軸の振動成分の検出は検出部の屈曲振動の検出であり、第２軸の振動成分の検出は双音叉支持部の屈曲振動の検出である。また、これらの屈曲振動の方向はそれぞれ直交する方向に振動している。
このように、本発明の角速度センサは、角速度を検出する検出部が異なり、また、屈曲振動の方向が異なることから、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行える。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）

図１は、本発明の実施形態に係る角速度センサの構造を示す斜視図である。図１において、本実施形態の角速度センサ１は圧電振動片１０と図示しない検出手段としての検出回路と励振手段としての発振回路とから構成されている。なお、圧電振動片１０は、周知の圧電材料にて形成することが可能であるが、本実施形態では水晶振動片を例示する。

本実施形態では、圧電振動片１０は水晶で形成され、電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸及び光学軸と呼ばれるＺ軸のうち、Ｘ軸とＹ軸を含む平面に切り出したＺカットの水晶基板により形成されている。
圧電振動片１０の平面形状は、水晶の結晶軸に合わせてＸＹ平面に展開され、重心位置Ｇに対して１８０°点対称の形状である。

圧電振動片１０には、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ平行な端面をもつ矩形状の基部２０が形成され、基部２０のＹ軸に平行な２端面の中央からＸ軸に平行に延出される第１の連結腕３１と第２の連結腕３２の先端部からＹ軸に平行な一対の駆動腕４０，５０と、基部２０のＸ軸に平行な２端面の中央からＹ軸に平行な直線上に延出される検出腕６０とが形成されている。
駆動腕４０は、基部２０の端面からＸ軸方向に延出される第１の連結腕３１と、第１の連結腕３１に対して直交しＹ軸方向及びマイナスＹ軸方向に延出される２本の振動部４１，４２で構成されている。同様に、駆動腕５０は、基部２０からマイナスＸ軸方向に延出される第２の連結腕３２に直交しＹ軸方向及びマイナスＹ軸方向に延出される２本の振動部５１，５２で構成されている。

振動部４１，４２，５１，５２の先端にはそれぞれ、各振動部より幅の広い略四角形の錘部４３，４４，５３，５４が形成されている。
また、検出腕６０は、基部２０の２端部からＹ軸方向及びマイナスＹ軸方向の直線上に延出される検出腕部６１，６２と、検出腕部６１，６２の先端に形成される各検出腕部より幅の広い略四角形の錘部６３，６４と、から構成されている。
このように錘部６３，６４を設ける理由は、後述するＹ軸回転系の角速度検出において、検出腕６０の捩れ振動を効率よく発生させるためである。

振動部４１，４２，５１，５２及び検出腕部６１，６２それぞれの幅方向中央には、厚み方向に凹形状の溝４５，４６，５５，５６，６５，６６が形成されている。
なお、前述の錘部４３，４４，５３，５４，６３，６４、及び溝４５，４６，５５，５６，６５，６６は、圧電振動片１０を小型化するために設けられているが、本発明を特に限定するものではない。

駆動腕４０，５０は、所定の周波数の駆動振動が発生するように、振動部４１，４２，５１，５２の幅や長さ、錘部４３，４４，５３，５４の寸法、溝４５，４６，５５，５６の寸法が設定されている。また、検出腕６０は、所定の検出振動が発生するように、検出腕部６１，６２の幅や長さ、錘部６３，６４の寸法、溝６５，６６の寸法が設定されている。
上述したような形状の圧電振動片１０は、一般にＷＴ型圧電振動片と呼称され、小型化及び高精度化に有利であるとされており、検出腕部６１，６２の幅と錘部６３，６４の幅との関係以外は、既に提案されているＷＴ型（ダブルＴ型）の圧電振動片と同様な構成である。

なお、駆動腕４０，５０及び検出腕６０にはそれぞれ図示しない駆動電極、検出電極とが形成されている。これら駆動電極及び検出電極は、基部２０の裏面から図示しない検出回路、発振回路に接続されている。また、基部２０はリードまたはボンディングワイヤを介して基板に接続され、支持される。基板はパッケージ内部に固定される。このような構成とすれば、外部からの衝撃が加わった場合、リードまたはボンディングワイヤが衝撃を吸収するため、ノイズの発生を抑えることができる。また、リードまたはボンディングワイヤを介して駆動電極及び検出電極を駆動回路や検出回路に導通させる構成としても良い。検出回路、発振回路も従来のＷＴ型の角速度センサにて採用されているものと同じ構成である。また、各駆動電極、検出電極は重心位置Ｇに対して１８０°点対称に形成されている。

続いて、上述した本実施形態の圧電振動片１０の動作である、Ｚ軸回転系及びＹ軸回りの回転系（以降、単にＹ軸回転系と表すことがある）の振動モードについて説明する。
図２は、本実施形態の圧電振動片の駆動モード（回転が加わらない状態）を模式的に示す説明図、図３はＺ軸検出モードを模式的に示す説明図である。図２，３は、振動形態を分かりやすく表現するために、駆動腕４０，５０及び検出腕６０を簡略化して線で表している。図１と同じ構成部分を同じ符号で示し、構造の説明を省略する。

まず、圧電振動片１０の駆動モード（回転加速度が加えられていないときの振動モード）について説明する。図２において、駆動振動は、振動部４１，４２，５１，５２の矢印Ａで示す屈曲振動であって、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返している。このとき、振動部４１，４２と振動部５１，５２とがバランス調整され、重心位置Ｇを通るＹ軸に対して線対称の振動を行っているので、基部２０、第１の連結腕３１、第２の連結腕３２及び検出腕部６１，６２はほとんど振動しない。

次に、Ｚ軸回りの回転角速度ωが加えられたときの検出モードについて説明する。図３において、Ｚ軸回転系において、検出振動は、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態を繰り返している。検出振動は、圧電振動片１０が図２に示した駆動振動（屈曲振動）を行っている状態で、圧電振動片１０にＺ軸回りの回転角速度ωが加わったとき、駆動腕４０，５０に矢印Ｂで示す方向のコリオリ力が働くことによって発生する。
矢印Ｂ方向のコリオリ力が働くことにより、駆動腕４０，５０は重心位置Ｇに対して周方向の振動となる。また同時に、検出腕部６１，６２は、矢印Ｃに示すように、矢印Ｂの振動に呼応して矢印Ｂとは周方向反対向きの屈曲振動を行う。

圧電振動片１０に形成されている駆動電極と検出電極が、基部２０に形成された接続電極を経由して、検出回路及び発振回路（共に半導体装置に搭載される）に電気的に接続されている（共に図示せず）。このことにより、圧電振動片１０は、発振回路により屈曲振動し、検出腕６０から角速度に応じた検出信号を検出回路に出力する。そして、半導体装置により角速度に対応した電気信号を出力する。
Ｚ軸回転系においては、Ｚ軸に垂直なＹ軸回転系またはＸ軸回転系の検出感度は無視できる。

続いて、Ｙ軸検出モードについて図面を参照して説明する。
図４〜図６は、Ｙ軸回転系の振動モードを示し、図４は斜視図、図５，６は図４の上方（矢印Ａ方向）から視認した状態を示す上側面図である。駆動腕４０，５０が屈曲振動している状態においてＹ軸回りに回転角速度ωが加えられたときに、駆動腕４０，５０は、図４に示すようにコリオリ力によりＸ方向の屈曲振動とＺ軸方向の屈曲振動とを合成した振動モードで振動する。
つまり、コリオリ力によって、駆動腕４０は第１の連結腕３１を振動の軸として、また駆動腕５０は第２の連結腕３２を振動の軸に対してそれぞれが逆位相でＺ方向に屈曲振動する。すると、検出腕６０には、矢印Ｔ方向の捩れ振動が発生する。この捩れ振動を検出することにより角速度に応じた検出信号を検出回路に出力する。そして、半導体装置により角速度に対応した電気信号を出力する。

Ｙ軸回転系におけるコリオリ力と捩れ振動（検出振動）との関係について図５，６を参照してさらに詳しく説明する。図５は、駆動腕４０，５０が、外側方向（図中、矢印＋Ｖで表す）に振動したときを表しており、駆動腕４０はコリオリ力Ｆにより＋Ｚ方向に、駆動腕５０は−Ｚ方向に変形する。すると、検出腕６０は、コリオリ力Ｆを打ち消す方向（＋Ｔ方向）に捩れ変形する。

図６は、駆動腕４０，５０が、内側方向（図中、矢印−Ｖで表す）に振動したときを表しており、駆動腕４０はコリオリ力Ｆにより−Ｚ方向に、駆動腕５０は＋Ｚ方向に振動変形する。すると、検出腕６０は、コリオリ力Ｆを打ち消す方向（−Ｔ方向）に捩れ変形する。
このようにして、検出腕６０は、コリオリ力Ｆにより図５，６に示すように捩れ振動を繰り返し、検出信号を出力し、Ｙ軸回転系の角速度を検出することができる。
なお、Ｘ軸回転系の場合にはコリオリ力が発生しないので検出腕６０に検出信号が出力されない。

以上説明したように、Ｚ軸回転系については検出腕６０のＸ軸方向の屈曲振動を検出信号として検出可能であり、Ｙ軸回転系については検出腕６０の捩れ振動を検出信号として検出することができる。
なお、Ｙ軸（＋Ｙ軸）側の検出腕とマイナスＹ軸側の検出腕は、基部２０から視認してそれぞれが逆方向に回転振動する。従って、それぞれの検出腕は逆位相の検出信号を出力し、この検出信号を合成することにより、出力は一方の検出腕からの出力の２倍となり、検出感度を高めている。

上記のような角速度センサ１を備えたナビゲーション装置が、図１１にて前述したような車両に装着された場合、図１２に示したように角速度センサが回路基板上に車両の接地面に対する垂直方向の軸１０８から角度θ°傾けて配置されることになる。
この状態で車両に回転が加わると、図７に示すように各軸に角速度が検出される。
車両の接地面に対する垂直方向の軸１０８が車両の回転軸となり角速度ωが生じるが、角速度センサは軸１０８からθ°傾いているため、Ｚ軸およびＹ軸に角速度ω_Z，ω_YがかかったようにＺ軸の感度出力Ｑ_Z，Ｙ軸の感度出力Ｑ_Yを検出する。そして、Ｚ軸の感度出力Ｑ_Z，Ｙ軸の感度出力Ｑ_Yのそれぞれを、軸１０８方向に分解した感度出力Ｑ１，Ｑ２が得られ、この感度出力Ｑ１，Ｑ２の和が軸１０８に加わる感度出力Ｑとなる。このことを数式で表すと下式（１）で表せる。
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２＝Ａｃｏｓθ＋Ｂｓｉｎθ ・・・（１）
ここで、ＡおよびＢは、角速度センサの角速度の検出軸（Ｚ軸，Ｙ軸）と実際に回転が加わる軸（回転軸）との傾き角により感度変化を表す感度比である。

また、本実施形態ではＺ軸の検出感度に対してＹ軸の検出感度を他軸感度と呼び、この他軸感度が１５〜５５％の範囲内に設定されている。
図８はＺ軸と実際の回転軸との傾き角が０°のときの感度出力を１００％とし、傾き角が０〜９０°における他軸感度０，１５，３５，５５％のときの相対感度を示したグラフである。このグラフから分かるように、他軸感度０％のとき、つまり検出軸がＺ軸のみの場合、傾き角が大きくなるに従い相対感度が低下していき、傾き角３０°あたりでソフトウェアに基づいた演算処理による補正の限界である相対感度が８５％を超え、傾き角４０°でおよそ相対感度が７７％にまで低下してしまう。
これに対して、他軸感度１５％のときは、傾き角が大きくなるに従い相対感度が低下していくが、傾き角４０°において相対感度が８５％となっている。
また、他軸感度５５％のときは、傾き角が約３０°までは傾き角が大きくなるにつれ相対感度が増加し、その値はおよそ１１５％を示している。そして、傾き角４０°でおよそ１１２％の相対感度を有している。
さらに、他軸感度３５％では一旦、相対感度が１０６％程度に増加するが、傾き角４０°で１００％の相対感度を有している。

このように、他軸感度が１５％〜５５％の範囲内では、ソフトウェアに基づいた演算処理による補正が可能である範囲である相対感度の変動が±１５％内にあり、傾き角０〜４０°の間でのソフト補正が可能である。
なお、他軸感度の調整には、Ｙ軸検出振動における離調周波数の調整により行われる。検出周波数を駆動周波数と離して調整することを離調するといい、駆動周波数から検出周波数が離れていくに従い感度が低下する特性を有している。このことを利用して、離調周波数を選ぶことで他軸感度を調整することが可能である。
例えば、Ｙ軸方向２ｍｍ、Ｘ軸方向１．９ｍｍの圧電振動片としたとき、他軸感度１５％の場合、駆動周波数５３ｋＨｚ、Ｚ軸離調周波数１０００Ｈｚ、Ｙ軸離調周波数１５００Ｈｚである。また、他軸感度３５％の場合、駆動周波数５３ｋＨｚ、Ｚ軸離調周波数１０００Ｈｚ、Ｙ軸離調周波数７００Ｈｚである。さらに、他軸感度５５％の場合、駆動周波数５３ｋＨｚ、Ｚ軸離調周波数１０００Ｈｚ、Ｙ軸離調周波数４００Ｈｚである。

なお、Ｙ軸回転系の離調周波数調整は、錘部６３，６４（図１、参照）における質量の付加または除去によって行う。ここでは、質量を除去する例をあげ説明する。
錘部６３，６４の表裏両面には予めＡｕ層を形成しておく。このＡｕ層が付加質量であり、このＡｕ層をレーザを用いて所定の離調周波数になるように除去する。
この際、錘部６３，６４の幅方向外側端部または内側端部から長手方向に線状に、しかも徐々に内側端部に向かって除去していく。前述したように、Ｙ軸回転系の検出は捩れ振動成分を検出するため、捩れ振動に影響を与えやすい錘部の幅方向外側から質量除去を行えば、効率よく離調周波数調整を行える。

また、離調周波数調整を錘部６３，６４の質量除去にて行う場合には、Ａｕ層は狙いの周波数よりも検出離調周波数をマイナス方向になるように形成しておく。
一方、質量付加による検出離調周波数の調整については詳しい説明を省略するが、上述した質量除去の考え方を応用することで可能である。つまり、予め、Ｙ軸離調周波数をプラス側に設定しておき、錘部６３，６４にスパッタリングや蒸着法により質量を付加すればよい。

以上のように、いわゆるＷＴ型の角速度センサ１において、ナビゲーション装置などに角速度センサ１が備えられ、装置が傾いた状態で取り付けられることで角速度センサ１の姿勢が傾いても、角速度を検出するＺ軸およびＹ軸からの出力を利用して、実際の回転軸にかかる角速度を検出することができる。このとき、角速度センサ１のＺ軸の検出感度に対してＹ軸の検出感度を１５〜５５％とすることで、傾き角が４０°までにおいては相対感度の変動が±１５％内に抑えることができ、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが可能である。また、角速度センサ１において、Ｚ軸の振動成分は屈曲振動であり、Ｚ軸と直交するＹ軸の振動成分は捩れ振動となり、それぞれの振動モードが異なるため、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行うことができる。
（第２の実施形態）

次に、他の２軸の検出軸を持つ角速度センサについて説明する。
図９は、本発明の実施形態に係る他の角速度センサの構造を示す構成図であり、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は同図（ａ）の側面図である。
図９において、本実施形態の角速度センサ２は圧電振動片７０と図示しない検出手段としての検出回路と励振手段としての発振回路とから構成されている。なお、圧電振動片７０は、周知の圧電材料にて形成することが可能であるが、本実施形態では水晶振動片を例示する。

圧電振動片７０はＺカットの水晶基板により双音叉形状に形成されている。圧電振動片７０には一対のＹ軸方向に延出されて形成された振動腕部７１ａ，７１ｂと、この振動腕部７１ａ，７１ｂの両端で支持する双音叉支持部７２ａ，７２ｂと、双音叉支持部７２ａ，７２ｂに連結し振動腕部７１ａ，７１ｂの振動を検出する検出部７３ａ，７３ｂと、検出部７３ａ，７３ｂの一端を支持するとともに台座に接着剤などで固定される支持固定部７４ａ，７４ｂとが備えられている。
なお、振動腕部７１ａ，７１ｂには図示しない駆動電極と第２の検出電極が形成され、さらに、検出部７３ａ，７３ｂには第１の検出電極が形成されている。これら駆動電極および検出電極は支持固定部７４ａ，７４ｂまで引き出されて図示しない発振回路、検出回路に接続されている。

このような圧電振動片７０の動作について説明する。
図１０は圧電振動片の各振動モード（駆動モード、Ｚ軸検出モード、Ｙ軸検出モード）を模式的に示す説明図であり、各振動モードにおいて平面図と側面図を示している。
図１０（ａ）は圧電振動片７０に回転が加わらない状態の駆動モードにおける振動を示し、振動腕部７１ａ，７１ｂがお互いに左右対称にＸ軸方向の屈曲振動する。この振動は面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動である。
次に、この駆動モードで振動している圧電振動片７０にＺ軸回りの回転を与える。例えば、図１０（ａ）において、時計回りの回転が生じると、振動腕部７１ａ，７１ｂがお互い遠ざかる方向に振動しているときには、左側の振動腕部７１ａに図中下向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部７１ｂには図中上向きのコリオリ力が働く。また、振動腕部７１ａ，７１ｂがお互い近づく方向に振動しているときには、左側の振動腕部７１ａに図中上向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部７１ｂには図中下向きのコリオリ力が働く。従って、振動腕部７１ａ，７１ｂには図中上下方向（Ｙ軸方向）にすべるようにお互い逆向きにコリオリ力が働くので、振動腕部７１ａ，７１ｂには図１０（ｂ）に示すような屈曲振動が生じる。この振動は面内非対称屈曲２次振動モードと呼ばれる屈曲振動である。このとき、この屈曲振動によって、双音叉支持部７２ａ，７２ｂにはそれぞれモーメントが発生し、検出部７３ａ，７３ｂはこれに対応してＸ軸方向に振動する。

従って、検出部７３ａ，７３ｂのＸ軸方向の振動に対応して、検出部７３ａ，７３ｂに設けられた検出電極から検出電圧が出力される。
なお、検出信号としてはＺ軸回りの角速度ω_Zに比例した電圧が得られるが、Ｚ軸回りの回転方向が逆になると振動腕部７１ａ，７１ｂのそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する検出信号の位相差を測定しておけば、Ｚ軸に対する回転方向の検出が可能である。

次に、駆動モードで振動している圧電振動片２にＹ軸回りの回転を与える。例えば、図１０（ａ）において、Ｙ軸時計回りに回転が生じると、振動腕部７１ａ，７１ｂがお互いに遠ざかる方向に振動しているときには、左側の振動腕部７１ａにＺ軸方向上向き、すなわち図中紙面を垂直に貫く方向にコリオリ力が働き、右側の振動腕部７１ｂにＺ軸方向下向きにコリオリ力が働く。
また、振動腕部７１ａ，７１ｂがお互い近づく方向に振動しているときには、左側の振動腕部７１ａにＺ方向下向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部７１ｂにはＺ軸方向上向きのコリオリ力が働く。この結果、図１０（ｃ）に示すようなＺ軸方向の屈曲振動が生ずる。

このとき、振動腕部７１ａ，７１ｂに形成された検出電極から検出信号が発生する。これにより、Ｙ軸回りの回転に対応する検出信号が出力される。
なお、検出信号としてはＹ軸回りの角速度ω_rに比例した電圧が得られるが、Ｙ軸回りの回転方向が逆になると振動腕部７１ａ，７１ｂのそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する検出信号の位相差を測定しておけば、Ｙ軸に対する回転方向の検出が可能である。

このような双音叉型の角速度センサ２においても、角速度センサ２のＺ軸の検出感度に対してＹ軸の検出感度を１５〜５５％とすることで、第１の実施形態の図８に示した傾き角と相対感度の関係と同様な関係が得られ、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
つまり、いわゆる双音叉型の角速度センサ２において、ナビゲーション装置などに角速度センサ２が備えられ、装置が傾いた状態で取り付けられることで角速度センサ２の姿勢が傾いても、角速度を検出するＺ軸およびＹ軸からの出力を利用して、実際の回転軸にかかる角速度を検出することができる。このとき、角速度センサ２のＺ軸の検出感度に対してＹ軸の検出感度を１５〜５５％とすることで、傾き角４０°までにおいては相対感度を±１５％内に抑えることができ、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが可能である。
この、いわゆる双音叉型の角速度センサ２において、Ｚ軸の振動成分の検出は検出部７３ａ，７３ｂの屈曲振動の検出であり、Ｙ軸の振動成分の検出は振動腕部７１ａ，７１ｂの屈曲振動の検出である。また、これらの屈曲振動の方向はそれぞれ直交する方向に振動している。このように、本発明に係る角速度センサ２は、角速度を検出する検出部が異なり、また、屈曲振動の方向が異なることから、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの構造を示す斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る圧電振動片の回転加速度が加えられないときの振動モードを模式的に示す説明図。 本発明の第１の実施形態に係るＺ軸回転系の振動モードを模式的に示す説明図。 本発明の第１の実施形態に係るＹ軸回転系の振動モードを示す斜視図。 図４の上方（矢印Ａ方向）から視認した状態を示す上側面図。 図４の上方（矢印Ａ方向）から視認した状態を示す上側面図。 第１の実施形態における感度出力を説明する説明図。 角速度センサの傾き角と相対感度の関係を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態に係る角速度センサの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。 本発明の第２の実施形態に係る角速度センサの屈曲振動の様子を示す模式図。 ナビゲーション装置を車両に取り付けた状態を示す模式図。 車両にナビゲーション装置を取り付けたとき、角速度センサの状態を示す模式図。

符号の説明

１，２…角速度センサ、１０…圧電振動片、２０…基部、４０，５０…駆動腕、６０…検出腕、６１，６２…検出腕部、６３，６４…錘部、７０…圧電振動片、７１ａ，７１ｂ…振動腕部、７２ａ，７２ｂ…双音叉支持部、７３ａ，７３ｂ…検出部、７４ａ，７４ｂ…支持固定部。

Claims (4)

1. 圧電振動片の振動を利用した角速度センサであって、
   角速度を検出する第１軸および該第１軸と直交する方向に設定された第２軸とを有し、
   前記第１軸の検出感度に対して前記第２軸の検出感度を１５〜５５％としたことを特徴とする角速度センサ。
2. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、
   角速度の感度出力をＱ、前記第１軸と回転のかかる軸の方向との角度をθ、前記第１軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をＡ、前記第２軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をＢ、としたとき、
   Ｑ＝Ａｃｏｓθ＋Ｂｓｉｎθ
   の式にて感度出力が算出されることを特徴とする角速度センサ。
3. 請求項１または２に記載の角速度センサにおいて、
   前記圧電振動片が、基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕から前記第２軸に平行に延出され前記第１軸および第２軸に直交する方向に屈曲振動可能な駆動腕と、前記基部から延出する前記駆動腕に平行な検出腕と、を有し、
   前記検出腕における前記第１軸の角速度の検出が屈曲振動の検出で、
   前記検出腕における前記第２軸の角速度の検出が捩れ振動の検出であることを特徴とする角速度センサ。
4. 請求項１または２に記載の角速度センサにおいて、
   前記圧電振動片が、前記第２軸に平行に延出された２本の振動腕部と、前記振動腕部の両端をそれぞれ支持する２つ双音叉支持部と、前記双音叉支持部の近傍に配置される２つの支持固定部と、前記支持固定部と前記双音叉支持部との間をそれぞれ連結し前記第２軸に平行に延出された２つ検出部と、を有し、
   前記第１軸の角速度の検出が前記検出部の前記第１軸方向および前記第２軸に直交する方向の屈曲振動の検出であり、
   前記第２軸の角速度の検出が前記双音叉支持部の前記第１軸方向の屈曲振動の検出であることを特徴とする角速度センサ。

Images