JPS61247914A

JPS61247914A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPS61247914A
Application number: JP60088581A
Authority: JP
Inventors: Hajime Tachikawa; 立川　肇; Hiroo Nakamura; 啓夫中村; Toshiya Shinozaki; 篠崎　利也
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1985-04-26
Publication date: 1986-11-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は回転体に設置して、その角速度を検出する角速
度センサに関するものであり、特に、表面弾性波（以後
、ＳＡＩ！’と略称する。）を利用したものに関する。

〔発明の背景〕

最近、自動車や自走式ロボットなどの分野において、回
転体の角速度を検出する角速度センサへの要望が高まり
ている。中でも振動式のものが、軽量、長寿命、低ヒス
テリシス、低消費電力などの利点から注目されている。

この振動式角速度センサとしては、ニスニーイー　テク
ニカル　ペーパー　シリーズ８３０７２７（１９８五４
゜１２−１５　）における、エイレス著による［ソリッ
ドステート　センサ　チクノロシイ　アンドアプリケー
ジ、ンズＪ　（ＲｉｃｈａｒｔＬ　Ｏ，Ａｙｒａｚ　：
５ｏｌｉｔＬ−５ｔａｔａ　　５ｅｎｓｏｒ　　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ　　ａｎｄ　　Ａｐｐｌｉｃａ−ｔｉｏ
ｎｚ　　、　　Ｓ　　Ａ　　Ｅ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　
　Ｐａｐｅｒ　　５ａｒｉｉｚ、Ｂ５０７２７゜Ａｐｒ
ｉｌ　：　ｌ　１２−１５１９８５１と題する文献にシ
イ”（紹介されている。これらの振動式角速度センサの
中でも、特開昭５８−１７４８５４号公報やセンサデバ
イスハンドブック（１９Ｂ五Ｉｔ　１５　：　Ｐ１９５
〜Ｐ１９４）に記載されているものは、二対の圧電素子
を使用した音叉形状が採用されており、互いに位相が１
８０度異なった同一の振幅１周波数で駆動されているの
で、直線的な振動や加速度、また駆動用圧電素子が発生
する音響振動の影響が取シ除かれ、精度の高い角速度の
信号が得られる。

また、ＳＡＷを利用したものについても、１９８０ウル
トラソニツクス　シンポジウム（Ｐ６Ｂ７〜Ｐ６９１）
における、レオ著による「ジャイロスコーピ。

ク　エフェクト　イン　サーフェイス　アコウスティク
　ウェーブズＪ　〔Ｂｉｎｎｇｌ　Ｙ、Ｌａｏ：Ｇｙｒ
ｏｚ−ｃｏｐｉｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　５ｕｒｆａｃ
ｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅｓ、１９８０Ｕｌｔｒ
ａｚｏｎｉｅｚ　Ｓｙｍｐｏｚｉμｔｘ、　Ｐ６Ｂ７〜
Ｐ６９１〕と題する文献において紹介されている。この
方式は伝搬媒質となるシリンダの所定箇所から円周に沿
り°　　て、時計回り、反時計回シに５ＡＴＬ’を進行
させ、互いに逆方向の５ＡＩＬ’間の位相差から角速度
を求めるというものである。この場合にも、軽量。

長寿命、低ヒステリシスなどの利点を見込むことができ
る。

しかしながら、前者、すなわち特開昭５８−１７４８５
４号公報のＦＩＧ　、１〜ＦＩＧ。３に示されるような
振動式角速度センサは構造が複雑で量産性に難があった
。特に４枚の圧電素子の固着に高い精度が要求されると
いう問題があシ、４枚の圧電素子の特性を均一にし、そ
して１対の圧電素子を接着する接着材の量と形状を他の
１対と合わせる必要があった。また、後者は理論的には
角速度の検出が可能であるが、速度分散性（伝搬速度が
周波数によって変る性質）を示すので使用する５ＡＩＬ
’の周波数安定度が極めて高くなければならず、実用化
することが困難であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記した従来の角速度センサの問題点
を解決し、構造が簡単で量産性にすぐれた角速度センサ
を提供することである。

〔発明の概要〕

前記の目的を達成するために１本発明は圧電基板の上面
と下面に表面弾性波を発生させる駆動用電極と、発生し
た表面弾性波を反射するグレーティングと、表面弾性波
に働くコリオリの力を検出するための検出用電極を設け
る。特に、上面と下面に設ける駆動用電極およびグレー
ティングを、圧電基板の中心面に対して面対称となる位
置に設けるととによって、エネルギーの無駄な消費を避
け、コリオリの力の検出効率を向上させる。

〔発明の実施例〕

まず、本発明に関する角速度検出の原理について説明す
る。

第４図は三次元座標における質量隠の物体Ｍの振動を表
わす図である。図において、Ｘ軸とＹ軸からなるｘ−ｙ
平面がこの平面の原点Ｏを通シ、かつｘ−ｙ平面に垂直
なＺ軸の回りに角速度Ωで回転するものとする。またＸ
−Ｙ平面上の位置（ａｅ＃　ｙ　）　Ｋある物体Ｍが半
径方向、つま９、Ａ　−，４’方向に振幅ｒ、角周波数
Ｗで変位しているとすると、この変位θは次式で示すこ
とができる。

θ＝　ｒ　　ｓｉｎ　（ｗｔ　）　　　　　　　　　　
　　”…−や　（１１そして、この振動によって物体Ｈ
には次式で表わされるコリオリの力Ｆｃが働く。

Ｆｔ、−２風（ｖ、×Ω）−−−−−−−−−＋２１こ
こで、襲は物体ＭがＸ−Ｙ平面を動く速度ベクトルであ
シ、言は角速度ベクトルである。したがって、シと７の
ベクトル積であるので、Ａ−７方向の振動に対するコリ
オリの力ｎはＢ−Ｂ′方向に働き、その大きさＦｃは次
式で表わされる。

＝２１８出二匹Ｃ旦ｔ＝２寓Ωｒ　ｗ　ｃｏｏ（ｗｔ）　　　　　＝−＝・−
（３１この弐において、ｍ、ｒ、ｗは単なる大きさを示
すものであるが、角速度Ωは向きによシ正負の値をもり
ている。したがって、コリオリの力Ｆｃは変位θに対し
て、その位相が角速度Ωの向きＫよって９度遅れ、また
は９度進みとなる。

一方、もともとのＡ−７方向の振動における半径方向の
力！、は次式のように表わされる。

ｄ！θ Ｆ）＝−ｔｔｔｘ＝　−７＋１　ｒ　ｗ”　ｐｉｎ（ｗｔ　）　　　　　
　−−−１１４＋さらに、角速度Ωによる遠心力ＦＣＬ
はＲ＝　５ｒＬｌ−ｙ”とすると、次式で表わされる。

ＦＣＺ　＝＝　ｒｉｇΩ”　（Ｒ＋ｒ　ｚｉｓ（＋ａｔ
））　　砂ｅ鎧・・畳・・・（５）したがって、Ａ　−
，４／方向に発生している力ＦＴは、ＦＴ　”　ＦＡ＋
ＦＣＬ＝　−ｍ　ｒ　（ｗ”−〇すｓｉｎ（ｗｔ）十ｎｈＲＱ
”　　”・−・＋６）の式で表わされる。ここで　Ｉｌ
＋＞Ωと設定し、力ＦＴの交流分を抽出すると、その力
ＰＴＡは次式のように表わされる。

ＦＴｌ中−ｎ＋　ｒ　ｗ”　ｐｉｎ（ｗｔ）＝Ｆ４　　
　　　　　・・・・・・・・・（７）したがって、力Ｐ
ＴＡは変位０に対して、その位相が１８０度ずれている
。

そこで、力ＰＴＡを基準としてコリオリの力ＦＣをみる
と、その位相φは角速度Ωの向きによって鈴鹿進み、ま
たは９度遅れとなっているので、この位相φを検出する
ことにより角速度Ωの向きが検出できる。また、コリオ
リの力Ｆｃにおいて、ｒ、ｗが一定であれば、その振幅
から角速度Ωの大きさが検出できるわけである。

なお、コリオリの力ＦＣの振幅を力ＰＴＡの振幅によっ
て割算すると、（２鶏Ωｒｗ’）÷（罵ｒｗ”）＝２−　　　・・・・
・・・・・（８１が得られる。さらに、力１１１のｔｉ
ｎ（ｗｔ）からＷを抽出して掛算すると、振幅ｒと角周
波数Ｗの変動Ｋかかわらず角速度Ωの大きさを検出でき
る。

次に、以上の原理を５ＡＦＥ’デバイスに適用すること
を検討し、第５図に示す一構成によって動作確認を行な
ったので、これについて説明する。

第５図において、圧電基板ｌの表面ｌＯ上にＳ、４Ｆ発
生のための駆動用電極２．３がＳ、４Ｆの１波長間隔で
くし形に蒸着されている。また、検出用電極４，５がＳ
ＡＷの１波長間隔でくし形に蒸着されている。さらに、
グレーティング６　、６’、７　、７’がＳＡＩ！’の
一波長の整数倍の間隔でアレイ構成に蒸着されている。

駆動用電極２．３間に所定の交流電圧が印加されると、
圧電基板ｌの表面１０上にＳＡＷが発生し、この発生し
たＳＡＴ！’はグレーティング６．６′と７，７′によ
って反射されるので定在波となる。図中においてはＳＡ
Ｗの一部分を波形８によって示している。なお、図中の
矢印は第４図に対応させた角速度Ω、Ａ−！方向、Ｂ−
１方向を示すものである。

今、駆動用電極２，３間に所定の交流電圧が印加された
とすると、５ＡＷｓが発生し、検出用電極４，５のそれ
ぞれの先端方向の質量がＡ−！方向に振動する。この状
態において、矢印で示した方向に角速度Ωの回転が加わ
ると、前記した（３）式で表わされるコリオリの力がＢ
　−Ｂ／方向に発生する。したがって、おる時点−１に
おいてＢ方向にコリオリの力が働いたとし、検出用電極
４の先端部分αの体積が圧縮されて正の電荷（＋９）を
電極４に発生させると、検出用電極５の先端部分すの体
積は伸張されて負の電荷（−９）を電極５に発生させる
。この電荷ｑはコリオリの力に比例（ｑ　ｃｃＦに　）
するものである。そして、検出用電極４，５間の静電容
量をＣとすると、Ｖｓｏ＝ｑ／Ｃ・・・・・・・・・（９）で表わされる
電圧ＶＳＯが検出用電極４，５間に発生する。なお、第
５図において、電極４，５のそれぞれの先端から５ＡＷ
８までの距離は、角速度Ωが発生していない状態（Ω＝
０）において、５ＡＷ（Ｄ、波長間隔にすることが効果
的である。また、第５図に示したＳＡＷ’デバイスは金
属製Ｉくツケージに収められ、このパッケージ内は真空
にされるものである。この理由は、圧電基板ｌの誘電率
と、圧電基板ｌの周囲の誘電率の差に比例した力が基板
１０表面１０に垂直に働くため、真空にした方がＡ　−
、（／方向に大きな力が発生することと、圧電基板ｌの
表面ｌＯから放射される音響振動が取シ除けることであ
る。

さらに、角速度Ωが０（ゼロ）の場合において、圧電基
板ｌの表面１０上に生じている５ＡＴＦ（定在波）自身
によっても検出用電極４，５間の１゜に部分の体積に伸
張（歪み）が生じ、検出用電極４，６に電荷が生じる。

しかし、これらの電荷は同一符号（かつ、２倍の周波数
）となるため、検出用電極４，５間の電圧を検出するこ
とに対しては問題とならない。

ところで、レイリー波のような進行する５Ａｌ（定在波
ではない。）においては、ある粒子に着目すると、一般
にその変位成分は波の進行方向に平行な成分Ｕｌと、こ
れに垂直な深さ方向の成分Ｕ、からなる。そして、成分
ＵｌとＵｔとの位相差が９度であるので、表面ｌＯの粒
子においては進行方向に対して逆回転する楕円軌道を画
く。

なお、となり合う粒子の回転は位相差をもっておシ、こ
れＫよって表面１０に凹凸が生じるわけである。また深
さ方向に対しては、ＳＡＷ’の波長λ。０７程度の深さ
のところから正回転する楕円軌道に変化する。そして、
深さ方向のエネルギー分布は表面における大きさから指
数関数的に減少する。その減少の仕方は表面を中心部に
置き換えて考えた場合の中骨効果に類似している。粒子
の変位軌道を第６図に示す。第６図において、１は圧電
基板であり、ｌＯは圧電基板１０表面、ｌ】は５ＡＩＬ
’の進行方向を示す矢印、１２は表面１０にある粒子の
変位軌道であり、１３は表１４は深さふの位置にある粒
子の変位軌道である。

そして、おのおのの変位軌道１２〜１４に記載した矢印
は回転の方向を示すものである。第５図において述べた
よりな定在波は、第６図の矢印ｌ】の方向に進行するＳ
ＡＷと矢印１】と反対方向に進行するＳＡＷの合成とし
て表わされる。その結果、粒子はほぼ表面ｌに垂直な深
さ方向の変位成分Ｕｔだけとなり、第５図のＡ　−Ａ’
力方向振動する。ただし、成分Ｕｔも０となる位置が表
面ｌに平行な方向にんごとに発生する。いずれにしても
、駆動用電極２，３から供給されたエネルギーは深さ方
向にも供給されるわけであり、波長λ０の深さまでに、
そのエネルギーの９５チ程度が粒子の振動（および熱）
に変換されている。

なお、為の深さまでに、そのエネルギーの７５％程度が
変換されている。

しかしながら、第５図に示した構成では検出用電極４，
５間のごく表面におけるＢ−８’方向の振動だけが有効
となるため、つまり、第６図における粒子の変位軌道１
２に関する部分だけが有効となるため、コリオリの力の
検出効率が悪く、エネルギーを無駄に消費していた。

さて、以下に本発明の一実施例を第、１図によシ説明す
る。

第１図は本発明の角速度センサにおけるＳＡＷデバイス
であって、第５図と同一構成要素については同一番号を
記載したものである。ただし、ＳＡＷの伝搬速度が速く
なっているので、波長λが第５図の場合の波長λ。より
長くなっておシ、寸法が大きくなっている。図中のＫ）
はＳＡＹデバイスの上面図であシ、（ロ）は（イ）のＤ
−ｆｆ断面図で、（ハ）は下面図である。圧電基板１の
上面１０にＳＡＷ発生のための駆動用電極２，３がＳＡ
Ｗのｉ波長（λ／２）間隔でくし形に蒸着されている。

また、検出用電極４，５がＳＡＷの１波長λ間隔でくし
形に蒸着され、かつ、グレーλ ティング６、．６’、　７　、７’が５ＡＷ（Ｑ丁の整
数倍の間隔でアレイ構成に蒸着されている。さらに本発
明においては、下面１０′の位置に圧電基板１の中心面
に対して面対称となるように駆動用電λ 極２２　、２３がｉ間隔でくし形に蒸着され、また、検
出用電極ｕ、２５がλ間隔でくし形に蒸着され、かつ、
グレーティング２６　、２６’　、　２７　、２７’が
区の整数倍の間隔でアレイ構成に蒸着されている。そし
て、圧電基板ｌの厚さａは−λ〜−λ程度に設定してい
る。

電極間の電気的接続に関しては、駆動用電極２と２２を
接続し、駆動用電極３と詔を接続する。

また検出用電極５と筋を電気的に接続し、検出用電極冴
はこのＳＡＷデバイスる収める金属製パッケージ（図示
せず）に接地する。駆動用電極２，３間に所定の交流電
圧が印加されると、圧電基板１の上面ｌＯに５ＡＴＥ’
が発生し、この発生したＳ、ｆＦはグレーティング６．
６′と７，７′によりて反射されるので定在波となる。

同様に、駆動用電極２２　、２３間にも所定の交流電圧
が印加されるので、下面１ゲにＳＡＷが発生し、この発
生したＳＡＷはグレーティング２６，２ダと２７，２τ
によって反射されるので定在波となる。図中の右側に第
４図に対応させた角速度Ω、Ａ−１方向、Ｂ　−Ｅ１方
向を示す矢印を付記したが、各電極の位置が圧電基板ｌ
の中心面に対して面対称となっているので、上面ｌＯの
ある位置Ｐの粒子がＡ方向に変位したとすると、面対称
の位置Ｐ′（下面１σ上）の粒子は！方向に変位する。

今、駆動用電極２，３間に所定の交流電圧が印加された
とすると、上面１０にＳＡＷが発生し、検出用電極４，
５のそれぞれの先端方向の質量がＡ　−Ａ’力方向振動
する。この状態において、矢印で示した方向に角速度Ω
の回転が加わると、コリオリの力がＢ　−Ｂ’力方向発
生する。したがって、ある時点１．においてＢ方向にコ
リオリの力が働いたとし、検出用電極４の先端部分の体
積が圧縮されて、正の電荷（十ｑ）を電極４に発生させ
ると、検出用電極５の先端部分の体積は伸張されて負の
電荷（−ｑ）を電極５に発生させる。この電荷ｑはコリ
オリの力に比例するものである。同様に、駆動用電極＝
、２３間に２゜３間と同一の交流電圧が印加されるので
、下面１ゲにＳＡＷが発生し、検出用電極ア、２５のそ
れぞれの先端方向の質量が７−Ａ方向に振動する。

角速度Ωの回転が加わると、コリオリの力がＩ−Ｂ方向
に発生する。したがって、時点ｔ、では１方向にコリオ
リの力が働き、検出用電極部の先端部分の体積が圧縮さ
れて、正の電荷（＋ｑ）を電極部に発生させ、また、検
出用電極スの先端部分の体積は伸張されて負の電荷（−
ｑ）を電極部に発生させる。この結果、検出用電極４゜
冴間にコリオリの力に比例した電圧が発生する。

なお、第１図において、電極４　、５　、ｕ、２Ｂのそ
れぞれの先端からＳＡＷまでの距離は、角速度Ωが発生
していない状態において、ＳＡＷλ ０７間隔にすることが効果的である。また、角速度Ωが
０の場合に生ずるＳＡＷ自身による電荷の影響は第５図
の説明と同じ理由によシ問題とならない。さらに、第１
図の実施例においては外乱振動を自己吸収することがで
きる。すなわち、外乱振動によって、検出用電極４，５
間の粒子と検出用電極ス、２５間の粒子にＢ方向の外力
が加わったとすると、検出用電極４の先端部分の体積が
圧縮されて、正の電荷（＋　ｑ’　）を電極４に発生さ
せるが、検出用電極Ｕの先端部分の体積も圧縮されて、
正の電荷（＋９’）を電極部に発生させるので、検出用
電極４，２４間には電圧を生じない。

次に、第１図におけるＳＡＷの粒子の変位軌道を第２図
に示し説明する。第２図は５ＡＦＥ’が発生している上
面ｌＯの位置Ｐと下面ｌゲの位置？の間における粒子の
変位軌道を示すものであって、（イ）は駆動用電極２，
３によって生じ、矢印１１の方向に進む進行波に関する
ものであシ、（ロ）は駆動用電極２２　、２３によって
生じ、矢印１】の方向に進む進行波に関するものである
。また、に）は駆動用電極２２　、２３によって生じた
ものが、グレーティング２７　、２７’によって反射さ
れて矢印１１′の方向に進むもの、つまシ反射波に関す
るものである。（ホ）は駆動用電極２，３によって生じ
たものが、グレーティング７．７′によって反射されて
矢印１１′の方向に進む反射波に関するものである。そ
して、（ハ）は（イ）、（ロ）の進行波とに）、（ホ）
の反射波を合成した定在波に関するものである。

図中のイ）では、上面１０において粒子は進行方λ 向に対して逆回転する楕円軌道を画き、−程度の深さの
ところから正回転する楕円軌道に変化する。そして、深
さ方向のエネルギー分布は上面ｌＯにおける大きさから
指数関数的に減少する。

１５は上面ｌＯにある粒子の変位軌道であり、１６はλ
　　　λ 上面１０から深さ５”’−４（中心面）の位置にある粒
子の変位軌道、１７は下面１ゲにある粒子の変位軌道で
ある。そして、変位軌道１５〜１７に記載した矢印は回
転の方向を示すものである。なお、実際には下面１ａ’
による反射が生じるものであるが、ここでは説明を簡単
にするために述べないことにする。以下、仲１〜（ホ）
に関しても同様でｂ７）。

図中の（ロ）では、駆動用電極器が電極２に対し、駆動
用電極詔が電極３に対して面対称に設けられているので
、粒子の変位軌道も面対称になシ、深さ方向のエネルギ
ー分布も同様に面対称となる。五８は下面ｒｏ’に６る
粒子の変位軌道であり、λ　　　λ １９は下面ｌグから深さｉ〜７（中心面）の位置にある
粒子の変位軌道、加は上面１０にある粒子の変位軌道で
ある。図示するように、上面ｌＯにある粒子の変位軌道
器は楕円形状が異なるものの、変位軌道１５と同じ方向
に回転する。下面１Ｇ’の場合も同様に、変位軌道１８
は変位軌道１７と同じ方向に回転する。また、中心面の
位置にある粒子の変位軌道１９は楕円形状が変位軌道１
６と同一で異なる方向に回転する。この結果、（イ）と
−）を合成した進行波における粒子の変位軌道は、上面
１０と下面ｌゲにおいてはよシ大きな楕円軌道を画き、
中心面においては図の横方向（矢印１１　、１）’の方
向）の直線軌道を画く。このことは、圧電基板ｌの表面
１０　、１０’ではＳＡＷとなり、中心面では縦波とな
って進行することを表わしている。

図中のに）は、仲）に示した進行波に対する反射波での
変位軌道であり、変位軌道１＆′は軌道１８に対応し、
変位軌道１ｖは軌道ｉｓ　Ｆｃｓ変位軌道２０′は軌道
器に対応したものである。また同様に、図中の（ホ）は
、（イ）に示した進行波に対する反射波での変位軌道で
あり、変位軌道ｌダは軌道１５　Ｋ対応し、変位軌道１
６′は軌道１ｓ　Ｋ　ｓ変位軌道１７′は軌道１７に対
応したものである。（イ）、（ロ）、（：４．（ホ）は
同一位置における変位軌道を示すものであり、これらの
変位軌道の合成が実際の変位軌道となる。

この状態を図中の（ハ）に示しているが、図示の如く、
上面１０と下面１０′の粒子の変位軌道２１　、２１’
は圧電基板ｌの表面（ｘｏ、ｘｃｒ）に対して垂直な（
深さ）方向の直線軌道を画く。これは定在波を示すもの
である。なお、変位の方向は軌道２１と軌道２１’では
逆になる。そして、圧電基板１の深さ方向における粒子
の質量のほとんど全てが振動し、その振動がコリオリの
力の検出に有効となるので、エネルギーの無駄な消費が
なく、コリオリの力の検出効率が高いものとなる。

次に、第１図に示したＳＡＷデバイスを駆動し、そして
角速度Ωを検出するための一回路構成を第３図に示して
説明する。

第３図において、四は第１図のＳＡＷデバイスである。

ＪＡＦデバイス２９の駆動用電極２（および２２）は弱
度移相器３２と発振用回路３１に接続され、駆動用電極
３（および２３）は弱度移相器３２に接続される。弱度
移相器３２はブリッジ回路と差動増幅器（図示せず。）
から構成されるもので、ブリッジ回路の一辺が駆動用電
極２゜３に接続される。９度移相器３２の差動増幅器の
出力電圧ＶＩ２は発振用回路３１と５．（Ｆバンドパス
フィルタ３３に供給される。この結果として、発振用回
路３１と弱度移相器３２およびＳＡＷデバイス９は自動
を発振器を構成するものである。

なお、発振用回路３１は自動利得制御回路と差動出力製
増幅器を内蔵するものであって、この差動出力型増幅器
の一方の出力電圧’／１が前述の駆動用電極２と、９度
移相器３２のブリッジ回路の第１の結線部に供給され、
他方の出力電圧Ｆ７’１が弱度移相器３２のブリッジ回
路の第２の結線部に供給されるものである。このような
構成の自励型発振器は、ＳＡＷデバイス四を水晶発振子
に置き換えれば公知のものである。

また、ＳＡＷデバイス四の検出用電極翼はパッケージ２
８１Ｃ接地され、検出用電極４はインピーダンス変換器
３５１ＩＣ接続される。インピーダンス変換器部の出力
電圧ＶＳ１は増幅器３６に供給され、増幅器３６の出力
電圧ＶＳ２はＳＡＷバンドパスフィルタ３４に供給され
る。ＳＡＷバンドパスフィルタあの出力電圧Ｆ５３は同
期検波器３７の掛算器側に供給される。一方、ＳＡＷバ
ンドパスフィルタ３３の出力電圧ＶＩ３は掛算器Ｊ、３
９および周波数−電圧変換器４３に供給される。掛算器
側は電圧ＶＳ３とＶＩ３を掛算して、出力電圧ＶＳ４を
同期検波器３７０ローパスフイルタ４０に供給する。ロ
ーパスフィルタ４０は出力電圧ＶＳ５を割算器４２に供
給する。掛算器３９は電圧ＶＩＢを二乗して出力電圧Ｖ
Ｉ４をローパスフィルタ４１に供給し、ローパスフィル
タ４１は出力電圧ＶＩ５を割算器４２に供給する。割算
器４２は電圧ＶＳ５を電圧ＶＩ５で割算して出力電圧Ｖ
Ｓ６を掛算器偏に供給する。

そして、周波数−電圧変換器４３は電圧ＶＩ３の周波数
Ｉを電圧Ｖ、ＪＩＣ変換して掛算器祠に供給する。

掛算器Ｉは電圧ＶＳ６とｒ！を掛算して出力電圧ＶＯを
出力端子４５に供給する。なお、ＳＡＷバンド／寸スラ
スフィルタ３３３４は同一構成であって周波数ｆ（また
は角周波数ｗ　＝　２πｆ）の成分だけを出力するもの
である。また、掛算器圀、３９も同一構成であり、さら
にローパスフィルタ菊、４１も同一構成である。

今、第３図の回路構成に電力が供給されたとすると、５
Ａｒｒデバイス２９はＳＡＷを発生し、共振周波数ｆで
振動する。このとき、駆動用電極２，３間には第４図で
述べた式（６）で表わされる力ＦＴＪＩＣ対応する電圧
ＶＩＯが発生している。つまり、Ｆ、　６　ｏｃ−ｍ　ｒ　（Ｊ−Ω”）ｓｉｎ（ｗｔ）
＋ｎｒＲΩ！となってお９、この電圧Ｊ’７０が９度移
相器３２によりて、匍度遅れ位相にされる。したがりて
、電圧ＶＩ２は次式で表わされる。

Ｖｌ２　ｏ１！：ｔｚ　ｒ　（ｗ”−Ωり　ｃｏｔ（ｗ
ｔ）＋ｒｍＲΩ！この電圧ＶＩ２はＳＡＷバンドパスフ
ィルタｓｓヲ通って、次式で表わされる電圧ＶＩ３とな
る。

Ｖｌ　３　ａｅ　ｒｎｒ　（ｗ”−〇すｃａｐ（ｗｔ）
一方、角速度Ωによるコリオリの力Ｆｃによって検出用
電極４，２４間に電圧ＶＳＯが発生する。

この電圧ＶＳ’Ｏはインピーダンス変換器工によって低
インピーダンスに変換され、電圧ｒｓｌとして増幅器ｓ
ｅＫ供給される。増幅器３６は電圧”５１を増幅して電
圧Ｆｊ２を、５，４ＦバンドパスフイルタＵに供給し、
ＳＡＦバンドパスフィルタＵは周波数ｆの成分である電
圧ＶＳ３を出力する。ここで、説明を簡単にするために
１駆動用電極２゜３間の質量（す、ＳＡＷの振幅（デ）
と同じ値に検出用電極４，５間の質量、ＳＡＷの振幅が
なっているとすると、電圧ＶＳ３は式（３１で表わされ
るコリオリの力ＦｃＫ対応し、次式で表わされる。

ＶＢ２　ＤＣ２＠ｒｗＱａＯ＃（ｗｔ）掛算器郭は電圧
ＶＳＢと’１３を掛算し、次式で表わされる電圧ＶＳ４
をローパスフィルタ４０に供給する。

ＶＢ２　ｏｃｓｒ（ｖｌ−ｊｌ”）　ｃａｐ（ｗｔ）　
・２ｒｘｒｗΩＣ６＃　（ｗ　ｔ　）＝　’ｌ　−一（
ｗ”−〇すｗＱｃｏｐ”　（ｗＱ＝　２．２．２＜　、
ｔ−ΩすＷΩ−、（ｌ−１−ＣａＪＰ（２ａｆ））＝　
ｙｉ”　、＋１（，１−ΩすＷΩ（１＋ｅｏｚ（２ｗｔ
　）　）ローパスフィルタ４０は角周波数（２ｗ）よシ
も低い角周波数成分を通過させるものである。したがっ
て、ローパスフィルタφの出力電圧ＶＳ５は次式で表わ
される。

ＶＢ２　ｏｃ　ｙｉ”ｒ”（ｗ”−〇すＷΩところで、
第４図で説明したように、検出する角速度Ωに対して周
波数ｆを十分高い値に設定すると、つｔｂ、Ｗ〉Ωに設
定すると、（−一が）は−に近似できる。例えば、Ω＝
（ＬＯ１汐−Ｃとした場合に、！＝１０ＭＨ２とすれば
、ｗ＝２ｘｆ５　であシ、２πを３６０°　と置き換え
るとＷは約６．３Ｘ１０’７ｐｇｃになる。したがって
、近似しても問題は生じない。そこで前記の式は次式で
表わされる。

ＶＢ２　ｏＣｍ”ｒ”−〇ここで、質量風はＳＡＷデバイス四の形状等で定まる値
であり、ＳＡＷの振幅ｒと角周波数−が一定であれば、
電圧ＶＳ５によって角速度Ωを検出できるわけである。

しかし、発振用回路３１の自動利得制御回路によって（
ｔａｒｓ”）を一定にするように試みても検出する角速
度Ωが小さい場合に対しては十分に一定にすることは実
際上困難であった。そこで、第３図の回路構成において
は掛算器３９、ローパスフィルタ４１、割算器４２、周
波数−電圧変換器４３、掛算器Ｕからなる補正回路を加
えている。

さて、掛算器３９は電圧ＶＩ３を二乗して電圧ＶＩ４を
ローパスフィルタ４１ｉＣ供給し、ローパスフィルタ４
１は電圧ＶＩ４から角周波数（２りよりも低い角周波数
成分だけを通過させる。したがりて、ローパスフィルタ
４１の出力電圧ＶＩ５は次式で表わされる。

Ｆ７５ｃｃＨｍ”ｒ”（ｗ”−Ωす！中−風！、！Ｗ４割算器４２は電圧ＶＳ５をこの電圧ＶＩ５で割算し、次
式で表わされる電圧ＶＳ６を掛算器祠に供給する。

Ｖ５６ｃｘｃｒｍ”ｒ”−Ω／＋ｍ２７２　ｍ＋４＝２
８一方、周波数−電圧変換器４３は電圧ＶＩ３の周波数ｆ
に比例した電圧ｒ！を掛算器祠に供給する。

したがってｒｌは次式で表わされる。

ＦＪＦ　ｏｃ　ｗ掛算器祠は電圧ＶＳ６とｒ、を掛算して電圧ＶＱを出力
端子４５に出力する。電圧Ｖｏは次式で表わされる。

ｒＯＯｌ−２−・Ｗ＝　２０よって、電圧Ｖｏは角速度Ωにのみ比例する電圧となる
。（角速度Ωの向きは電圧Ｖｏの符号で示される。）なお、第３図の説明の過程において、駆動用電極２，３
間の質量（ＴＩ＆）、ＳＡＷの振幅（ｒ）と検出用電極
４，５間の質量（的、ＳＡＷの振幅（ｒつが同じ値にな
っているものとしたが、これらの関係は定数をＸｌ、Ｘ
、とすると、ｍ＝ｆ１ｍ’　　、　　ｒ＝にｒｌのように表わされ、異なる値であっても何ら問題を生じ
ない。

また、第３図において、９度移相器３２の出力電圧ＶＩ
２を発振用回路３１に供給したが、ＳＡＷバンドフィル
タ３３の出力電圧ＶＩ３を発振用回路３１に供給するよ
うにして、自励型発振器を構成してもよい。

次に、本発明の第２の実施例を第７図に示し、簡単に説
明する。

第７図は本発明の角速度センサにおける第２のＳＡＷデ
バイスであって、第１図と同一物は同一番号とする。図
において、第１図と異なる点はガード用電極５Ｇ　、　
５１　、５ゲ、５１′を圧電基板１の上面ｌＯおよび下
面１Ｇ’に蒸着したことである。

ガード用電極父は駆動用電極２，３と検出用電極４の間
に設けられ、グレーティング６．６’。

７．７′の方向に対して、ＳＡＷの波長λの整数倍の長
さで蒸着される。また、ガード用電極５ゲは圧電基板１
の中心面に対して面対称の位置に設けられる。同様に、
ガード用電極５１は駆動用電極２，３と検出用電極５の
間に設けられ、グレーティング６　、６’　、　７　、
７’の方向に対して、ＳＡＷの波長λの整数倍の長さで
蒸着され、ガード用電極５１′は圧電基板ｌの中心面に
対して面対称の位置に設けられる。それぞれのガード用
電極５０　、　Ｗ　、　５１　、５１’は、このＳＡＷ
デバイスを収める金属製パッケージに接地する。

このようなガード用電極５０　、５０’　、　５１　、
５１’を設けると、駆動用電極２　、３．２２，２３か
ら検出用電極４　、５．２４．２５へ直接つながる電気
的結合の影響が取シ除かれる。なお、グレーティング６
．６’、７，７’の方向の、ガード用電極５０　、５１
などの長さをＳＡＷの波長λの整数倍に設定した理由は
、グレーティング６〜７′の方向に対して傾いた方向に
進行するＳＡＷの影響がほぼ取り除けるためである。

次に、第１図または第７図に示したＳＡＷデバイスから
角速度Ωを検出するための第２の回路構成を第８図に示
し、簡単に説明する。なお、説明の重複を避けるために
、５ＡＦＩ’デバイスの検出用電極からＳＡＷバンドパ
スフィルタｕｉでの構成を示す。この他の回路構成は第
３図と同一である。

第８図において、第３図と同一物は同一番号とする。四
は第１図または第７図のＳＡＷデバイステする。ＳＡＷ
デバイス四の検出用電極腕はパッケージ四の接地をはず
して、（ＳＡＷデバイスを収める金属製パッケージへの
接地をはずす。）インピーダンス変換器５２に接続する
。

検出用電極５（および２５）はＳＡＷデバイスを収める
金属製パッケージ部に接地する。検出用電極４はインピ
ーダンス変換器３５に接続される。

インピーダンス変換器３５と５２の出力電圧は差動増幅
器５３に供給され、差動増幅器５３の出力電圧はＳＡＷ
バンドパスフィルタ３４に供給される。

ＳＡＷバンドパスフィルタＵ以後は第３図と同様である
。このような回路構成にすると、インピーダンス変換器
３５　、５２の特性が相殺されて、より安定な検出が可
能となる。

次に、本発明の第３の実施例を第９図に示し、簡単に説
明する。

第９図は本発明の角速度センサにおける第３のＳＡＷデ
バイスであって、第７図と同一物は同一番号とする。図
において、第７図と異なる点は検出用電極５，２５とガ
ード用電極５１　、５１’を取シ除いたことと、検出用
電極４．ｕの先端方向に振動吸収材５４　、５４’を塗
布したことである。

検出用電極５，２５を取シ除いても、検出用電極４．２
４間にはコリオリの力に対応した電荷が得られる。この
理由は検出用電極４の先端部分の体積が圧縮されて正の
電荷（＋　ｑ’　）を電極４に発生させるときには、検
出用電極腕の先端部分の体積が伸張されておシ、負の電
荷（−ｑ’　）を電極腕に発生させているためである。

また、振動吸収材５４　、５４’によりて、Ｅ　−Ｂ’
力方向スプリアスがほぼ除去できる。

なお、第１図、第７図、第９図において、検出用１１ｔ
極４　、５．２４．２５の幅を細くすると、面対称とな
る電極間の静電容量が小さくなって検出電圧が大きくな
る。また、グレーティング部。

２σ、ｒｒ、ｒｆは電極（金属）を蒸着するもの（スト
リップ型）としたが、グループ型やイオン打込み型でも
効果はかわらない。さらに、検出用電極４　、５．２４
．２５のＢ−Ｅ方向の長さは、ＳＡＹの波長λの整数倍
が好ましい。

さらに、本発明の第４の実施例を第１０図に示し、簡単
に説明する。

第１０図は本発明の角速度センサにおける第４のＳＡＷ
デバイスでありて、第７図と同一物は同一番号とする。

図において、第７図と異なる点は検出用電極ス、２５を
、グレーティング２７゜λ ゴの方向へＳＡＷの一波長（−）ずらして蒸着したこと
である。このずらした検出用電極を図中に５５　、５６
で示す。検出用Ｎ極間は電極５と電気的に接続するとと
もに、このＳＡＷ’デバイスを収める金属製パッケージ
に接地する。また検出用電極５６は電極４と電気的に接
続する。検出用電極５６が電極４に対してグレーティン
グ７１λ ｎの方向に丁ずれているので、電極５６に発生する電荷
は電極４に発生する電荷と同相になる。

この利点は電極４，５６間の静電容量と、電極５゜５５
間の静電容量がなくなることである。

なお、第１図、第７図、第９図、第１０図に示したよう
に、駆動用電極２の裏側に電極２２を設け、駆動用電極
３の裏側に電極囚を設けるとともに、電極２と２２、電
極３と囚を電気的に接続しているので、圧電基板ｌのＳ
ＡＷ発生部分においては圧電基板１の上面１０ｔたは下
面１０’にほぼ平行な電界しか発生せず、つまυ、面１
Ｇ　、　１０’に垂直な方向の電界がほとんどないので
、スプリアスの発生が少なくなる。

また、圧電基板１の厚さδを一λ〜Ｔλとして説明して
きたが、■λ〜λとしても本発明は効果を有する。

なお、第１０図において、検出用電極腕、２５をグレー
ティング２７，２τの方向にずらした電極５５゜閏を示
したが、グレーティング２６，２ダの方向へλ ずらしてもよく、ずらす長さも丁の奇数倍であれば、有
効である。

また、ＳＡＷデバイスの各電極、グレーティングについ
ては、図中に２対の場合だけを示したが、何対にするか
は設計上の問題である。

さらに１検出用電極４と５．２４と郷、および５５と５
６の先端方向の部分、つまり、中央部分にアレイ構成の
電極を蒸着して、検出用Ｎ極間のインピーダンスを下げ
てもよく、これも単に設計上の問題である。

なお、ＳＡＷ’デバイスの駆動用電極とグレーティング
の位置を圧電基板の中心面に対して面対称の位置に設け
ることが好ましいが、上面または下面の一方の駆動用電
極とグレーティングを、個々に、あるいは共に、発生す
る５ＡＷＯ伝搬方向に波長λの整数倍でずらして配置し
ても効果がある。同様に、上面または下面のどちらか一
方の駆動用電極をｉ波長（λ／２）の整数倍でずらして
配置し、これらの駆動用電極への印。

加電圧を逆極性にしても良い。つまシ、圧電基板の上下
面における粒子の変位方向が逆となるように駆動用電極
を設ければ効果がある。

また、第７図、第１Ｏ図のガード用電極５０と５１゜お
よびｌと５１′は、それぞれをつないで１本の電極とし
てもよく、その場合には駆動用電極、グレーティングに
対して角度を持たせる必要がある。ただし、１本の電極
にすると、発生する５ＩＴＥ’に若干の擾乱が生じる。

、　〔発明の効果〕以上説明したように、本発明によれば、１枚の圧電基板
の上面と下面に、表面弾性波を発生させる駆動用電極と
、発生した表面弾性波を反射するグレーティングを、そ
れぞれ圧電基板の中心面に対して面対称となる位置に設
けるとともに、表面弾性波に働くコリオリの力を検出す
るための検出用電極を圧電基板の上面と下面に設ける構
成を採用しているので、構造が簡単で量産性にすぐれ、
かつエネルギーの利用率の高い角速度センサを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による角速度センサの第１の実施例を示
す構成図、第２図は第１図における圧電基板の粒子の変
位軌道を示す模式的な断面図、第６図は第１図の５ＡＦ
Ｅ’デバイスを用いた第１の回路構成を示すブロック図
、第４図は本発明の詳細な説明するための図、第５図は
本発明による角速度センサの原理的な構成を示す斜視図
、第６図はレイリー波における粒子の変位軌道を示す模
式図、第７図は本発明の第２の実施例を示す構成図、第
８図は第１図のＳＡＭＪ’デバイスを用いた第２の回路
構成を示すブロック図、第９図は本発明の第６の実施例
を示す構成図、第１０図は本発明の第４の実施例を示す
構成図である。図において、１・・・圧電基板　　　　　２　、３．２２．２３・・
・駆動用電極６　、６’　、　７　、７’　、２６．２
８’、２７．２７’・・・グレーティング４　、５　、
ｕ、２５．５５．５６・・・検出用電極筒　１　図婢２　図姉３　図篇４図騎　５５０第　６　図第　７１２］第８図曽第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　圧電基板と、前記圧電基板の上面および下面に
設けられ、表面弾性波を発生する複数の駆動用電極およ
びこの表面弾性波を反射するグレーティングと、前記圧
電基板の上面および下面に設けられ、前記表面弾性波に
働くコリオリの力を検出する複数の検出用電極を有する
ことを特徴とする角速度センサ。
（２）　特許請求の範囲第１項記載の角速度センサにお
いて、駆動用電極およびグレーティングが、前記圧電基
板の中心面に対して面対称となる位置に設けられている
ことを特徴とする角速度センサ。