JP2001041750A - 角速度センサおよび角速度センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、角速度の検出精度を高める。 【解決手段】 励振用柱23、24およびコリオリ検出用柱
25をそれぞれ２対の音叉を構成する方向に配置するとと
もに、励振用柱23、24の隣接する２つの面に励振電極30
ａ、30ｂ、31ａ、31ｂを設け、他の１面にアース電極30
ｃ、31ｃを設ける。また、コリオリ検出用柱25の隣接す
る２面にモニタ電極を兼用するコリオリ検出電極32ａ、
32ｂを設けるとともに他の１面にアース電極32ｃを設
け、励振用柱23、24の頂点27ａ、28ａとコリオリ検出用
柱25の頂点29ａを反対の向きになるように配置し、コリ
オリ発生時に励振用柱23、24とコリオリ検出用柱25を反
対側に撓ませる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角速度センサおよび
角速度センサの製造方法に関し、詳しくは、車両、航空
機、船舶等の移動体の姿勢制御やナビゲーションシステ
ムに用いられる角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高度情報化が進むにつれて、より
正確な情報を得ることができるセンサが求められ、様々
な分野でセンサの開発が進められている。特に、角速度
センサはこれらセンサの中でもニーズが高いものであ
り、中でも音叉振動型は小型軽量にできることから広い
分野で応用されている。

【０００３】従来のこの種の音叉振動型の角速度センサ
としては、例えば、図11に示すようなものが知られてい
る。図11において、１は基台であり、この基台１には固
定軸２を介してＵ字型の金属振動板３が設けられ、この
金属振動板３の上部にはこの金属振動板３の面と直交す
る方向に配設された一対の金属板４、５が設けられてい
る。

【０００４】金属振動板３の一方の面には励振用圧電素
子６が設けられているとともに、他方の面にはモニタ用
圧電素子７が設けられており、これら各圧電素子６、７
は接着剤によって金属振動板３に固着されている。ま
た、金属板４、５には前記圧電素子６、７の面と直交す
るようにコリオリ検出用圧電素子８、９が設けられてお
り、これら圧電素子８、９は接着剤によって金属板４、
５に固着されている。そして、これら金属振動板３、金
属板４、５、各圧電素子６〜９が音叉振動子20を構成し
ている。

【０００５】また、各圧電素子６〜９はそれぞれリード
線10〜13によってリードピン14〜17に接続されており、
このリードピン14〜17はガラス等の絶縁体18を介して基
台１と電気的に絶縁されている。

【０００６】次に、この角速度センサの動作を説明す
る。

【０００７】なお、図11（ａ）は角速度センサの励磁状
態を示す図であり、同図（ｂ）は角速度センサのコリオ
リ力を検出する状態を示す図である。

【０００８】まず、同図（ａ）において、励振用圧電素
子６に電圧を印加すると、音叉振動子20が矢印Ａで示す
方向に音叉励振される。このときの励振周波数と振幅は
モニタ用圧電素子７によってモニタリングされることに
より、音叉振動子20が常に一定の周波数と振幅で励振さ
れるように励振用圧電素子６への印加電圧がコントロー
ルされる。

【０００９】一方、図11（ｂ）に示すようにこのセンサ
の検出軸18に矢印Ｂ方向に回転角速度ωが加わると、励
振方向Ａと直角方向に発生するコリオリ力によって金属
板４、５が互いに逆方向19ａ、19ｂに撓む。

【００１０】なお、このときに発生するコリオリ力ＦＣ
は、ＦＣ＝２ｍＶωとなる。

【００１１】ここで、上記ｍは音叉振動子の質量、上記
Ｖは励振速度、上記ωは印加された回転角速度を示す。

【００１２】さて、このコリオリ力ＦＣはコリオリ検出
圧電素子８、９の一方に伸び、他方に縮みという逆方向
の歪みを発生させるため、差動出力としてコリオリ検出
圧電素子８、９の検出電圧をリード線10、11を介してリ
ードピン13、15から取り出すことができるため、この差
動出力から角速度を得ることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の角速度センサにあっては、回転角速度ωが発
生すると、音叉振動子20にコリオリ力が加わって音叉振
動子20が図11（ｂ）の19ａ、19ｂで示す方向に撓むこと
によって発生する回転モーメントＭが固定軸２に加わる
ため、固定軸２と基台１および金属振動板３の固定度合
いがセンサの角速度検出精度のばらつき要因となってし
まい、角速度の検出精度を高めることができないという
問題があった。

【００１４】また、励振用圧電素子６、モニタ用圧電素
子７およびコリオリ検出用圧電素子８、９が接着剤によ
って金属振動板３および金属板４、５に固着されていた
ため、接着のばらつきおよび接着剤の温度特性がセンサ
の角速度の検出精度のばらつき要因となってしまう上
に、この接着精度、音叉振動子20の曲げ加工精度、固定
軸２と音叉振動子20および基台１の固定精度等の組立加
工時精度のばらつきもセンサによる角速度の検出精度の
ばらつき要因となってしまった。

【００１５】また、励振方向とコリオリ検出方向とで
は、金属振動板３と金属板４、５との形状（厚みおよび
幅）が一致しないため、図12に示すように励振時の共振
周波数とコリオリ検出時の共振周波数を一致させ難く、
非共振型角速度センサとなってしまい、共振型に比して
感度が低下してしまうという問題があった。

【００１６】また、リード線10〜13が各圧電素子６〜９
を介して振動する金属振動板３および振動板４、５に接
続されるため、リード線10〜13の捩れがセンサの角速度
の検出精度のばらつき要因になってしまった。

【００１７】そこで本発明は、角速度の検出精度を高め
ることができる角速度センサおよび角速度センサの製造
方法を提供することを目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を達成するため、ユニモルフ圧電素子からなる
３本の三角形状の柱を２対の音叉振動子を構成するよう
にそれぞれ対向して配設してなる角速度検出用の３脚音
叉振動子を備えた角速度センサであって、前記柱のうち
の両端に位置する２本の柱は、その分極方向と鋭角に交
叉して隣接する２つの面に励振電極が設けられるととも
に、残りの１つの面にアース電極が設けられた励振用柱
を構成し、前記柱のうちの中央に位置する柱は、その分
極方向と鋭角に交叉して隣接する２つの面に励振モニタ
電極を兼用するコリオリ検出電極が設けられるととも
に、残りの１つの面にアース電極が設けられたコリオリ
検出用柱を構成し、前記励振用柱の分極方向と鋭角に交
叉する頂点に対して、前記コリオリ検出用柱の分極方向
と鋭角に交叉する頂点が同方向または反対方向になるよ
うに配置されることを特徴とするものである。

【００１９】その場合、２つの励振用柱の励振電極に電
圧を印加すると、三角形状に起因する電界密度差によっ
て励振用柱が同一方向に撓む。このとき、コリオリ検出
用柱が音叉励振によって励振用柱の一方に近接するとと
もに励振用柱の他方に離隔しながら励振する。そして、
コリオリ検出用柱の励振モニタ電極を兼用するコリオリ
検出電極が励振周波数と振幅をモニタして励振用柱が常
に一定の周波数と振幅で励振されるように励振電極への
印加電圧をコントロールする。

【００２０】また、回転角速度が発生して各柱の励振方
向と直角する方向にコリオリ力が加わった場合には、励
振用柱が同一方向に撓むとともにコリオリ検出用柱が他
方に撓むため、コリオリ検出電極の一方に伸び、他方に
縮みという逆方向の歪みを発生するため、コリオリ検出
電極の差動電圧から角速度を検出することができる。

【００２１】このように本発明では、３本の三角形状の
柱を２対の音叉振動子を構成するようにそれぞれ対向し
て配設したため、コリオリ発生時に両端の励振用柱が撓
む方向に対して中央のコリオリ検出用柱の撓む方向を反
対方向にすることができ、コリオリ発生時の回転モーメ
ントをキャンセルすることができる。このため、振動ロ
スを最小限にすることができるとともに３脚音叉振動子
を固定する固定部に回転モーメントが生じるのを防止し
て角速度の検出精度を向上させることができる。

【００２２】また、中央のコリオリ検出用柱を両端の励
振用柱に対して励振させることができるため、コリオリ
検出用柱の励振振幅を大きくすることができ、３脚音叉
振動子を小型化しても角速度の検出感度を向上させるこ
とができる。

【００２３】請求項２記載の発明は、上記課題を達成す
るため、請求項１記載の発明において、前記３本の柱の
重心ピッチまたは図心間ピッチの寸法比が１：１または
２：１になるよう構成したことを特徴とするものであ
る。

【００２４】その場合、コリオリ検出用柱とこのコリオ
リ検出用柱と対をなす励振検出用柱とを最大効率で励振
させることができる。

【００２５】請求項３記載の発明は、上記課題を達成す
るため、請求項１または２記載の発明において、前記３
本の柱に設けられた前記各電極は、該３本の柱の基端部
の片側の面に導出されることを特徴としている。

【００２６】その場合、３脚音叉振動子の基端部を固定
部材に取付けたときに、信号線を振動部分ではなく、不
動部分に接続することができ、信号線の捩れ等が発生す
るのを防止して角速度の検出精度のばらつきが発生する
のを防止することができる。

【００２７】請求項４記載の発明は、上記課題を達成す
るため、請求項１〜３何れかに記載の発明において、前
記各柱が正三角形状をしていることを特徴としている。

【００２８】その場合、各柱の形状（幅、厚さ等）を同
一形状にすることができるため、励振時の共振周波数と
コリオリ検出時の共振周波数を略一致させることがで
き、角速度センサの感度を高めることができる。

【００２９】請求項５記載の発明は、上記課題を達成す
るため、請求項１〜４何れかに記載の発明において、前
記各柱の延在方向がそれぞれＸ方向、該Ｘ方向と直交す
るＹ方向および前記Ｘ、Ｙ方向と直交するＺ方向に位置
するように３つの３脚音叉振動子が設けられたことを特
徴としている。

【００３０】その場合、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向での角速度
を検出することができ、高性能な角速度センサを得るこ
とができる。

【００３１】請求項６記載の発明は、上記課題を達成す
るため、請求項１記載の角速度センサの製造方法であっ
て、前記３脚音叉振動子を分極方向が一定の方向に設定
された１枚の板状のユニモルフ圧電素子から切り出した
後、前記各柱の各面にメッキまたは蒸着により電極を形
成し、次いで、前記各柱の頂点を面取りしたことを特徴
としている。

【００３２】その場合、３脚音叉振動子を板状のユニモ
ルフ圧電素子から切り出した後、各柱にメッキを塗装し
て電極を形成しているため、電極を接着剤によって圧電
素子に固着するのを不要にすることができ、接着のばら
つきおよび接着剤の温度特性がセンサの角速度の検出精
度に影響を与えるのを防止して、角速度を検出精度を向
上させることができる。また、各柱の頂点を面取りして
いるので、各電極を電気的に絶縁することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に基づい
て説明する。

【００３４】図１〜10は本発明に係る角速度センサおよ
び角速度センサの製造方法の一実施形態を示す図であ
る。

【００３５】まず、構成を説明する。図１、２におい
て、21はユニモルフ圧電素子からなる角速度検出用の３
脚音叉振動子であり、この３脚音叉振動子21は３本の正
三角形状を有する３脚柱部22を有している。

【００３６】この３脚音叉振動子21は予め分極方向が一
定の方向（図２（ａ）中、Ｃ方向）に設定された１枚の
板状のユニモルフ圧電素子26から切り出されたものであ
り、切り出し直後には図２（ｂ）で示すように正三角形
状の頂点27ａ〜27ｃ、28ａ〜28ｃ、29ａ〜29ｃが鋭角に
なっている。そして、この状態で各柱22〜24の各面にメ
ッキを塗装するかまたは蒸着等の手段により後述する電
極を形成した後、図２（ｃ）に示すように各正三角形状
の頂点27ａ〜27ｃ、28ａ〜28ｃ、29ａ〜29ｃが面取りさ
れている。この結果、各柱23〜25はそれぞれＣ1、Ｃ2、
Ｃ3方向に分極される。

【００３７】また、３脚柱部22は両端部が励振用柱23、
24を構成するとともに中央部がコリオリ検出用柱25を構
成しており、励振用柱23とコリオリ検出用柱25が１対の
音叉振動子を構成するとともに励振用柱24とコリオリ検
出用柱25が１対の音叉振動子を構成している。すなわ
ち、３脚柱部22は２対の音叉振動子を有している。

【００３８】また、励振用柱23とコリオリ検出用柱25の
重心ピッチまたは図心間ピッチＬ1と励振用柱24とコリ
オリ検出用柱25の重心ピッチまたは図心間ピッチＬ2の
寸法比が１：１になるように３脚音叉振動子21がユニモ
ルフ圧電素子から切り出されるようになっている。

【００３９】一方、励振用柱23は、分極方向Ｃ1と鋭角
に交叉して隣接する２つの面に励振電極30ａ、30ｂが設
けられるとともに、残りの１つの面にアース電極30ｃが
設けられており、励振用柱24は、分極方向Ｃ2と鋭角に
交叉して隣接する２つの面に励振電極31ａ、31が設けら
れるとともに、残りの１つの面にアース電極31ｃが設け
られている。そして、これら各電極30ａ、30ｂ、31ｂお
よび31ａ、31ｂ、31ｃは頂点27ａ〜27ｃ、28ａ〜28ｃが
上述したように面取りされることによって独立するた
め、電気的に絶縁される。

【００４０】また、コリオリ検出用柱25は、分極方向Ｃ
3と鋭角に交叉して隣接する２つの面に励振モニタ電極
を兼用するコリオリ検出電極32ａが設けられるととも
に、残りの１つの面にアース電極32ｃが設けられてい
る。そして、これら各電極32ａ、32ｂ、32ｂは頂点29ａ
〜29ｃが上述したように面取りされることによって独立
するため、電気的に絶縁される。

【００４１】また、本実施形態では、励振用柱23、24の
分極方向Ｃ1、Ｃ2と鋭角に交叉する頂点27ａ、28ａに対
して、コリオリ検出用柱25の分極方向Ｃ3と鋭角に交叉
する頂点29ａが反対の向きになるように配置されてい
る。

【００４２】また、３脚柱部22の基端部には引出し電極
が設けられており、各電極30ａ〜30ｃ、31ａ〜31ｃ、32
ａ〜32ｃはこの引出し電極に導出されるようようになっ
ている。

【００４３】具体的には、励振電極30ｂは３脚柱部22の
基端部表面の引出し電極33ａに導出され、アース電極30
ｃは３脚柱部22の基端部表面の引出し電極33ｂに導出さ
れ、励振電極30ａは３脚柱部22の基端部背面に導出され
た引出し電極33ｃからスルーホール34を介して３脚柱部
22の基端部表面の引出し電極33ｄに導出される。

【００４４】また、コリオリ検出電極32ｂは３脚柱部22
の基端部表面の引出し電極35ａに導出され、アース電極
32ｃは３脚柱部22の基端部背面に導出された引出し電極
35ｂからスルーホール36ａを介して３脚柱部22の基端部
表面の引出し電極35ｃに導出され、コリオリ検出電極32
ａは３脚柱部22の基端部背面に導出された引出し電極35
ｄからスルーホール36ｂを介して３脚柱部22の基端部表
面の引出し電極35ｅに導出される。

【００４５】また、励振電極31ｂは３脚柱部22の基端部
表面の引出し電極37ａに導出され、アース電極31ｃは３
脚柱部22の基端部表面の引出し電極37ｂに導出され、励
振電極31ａは３脚柱部22の基端部背面に導出された引出
し電極37ｃからスルーホール38を介して３脚柱部22の基
端部表面の引出し電極37ｄに導出される。

【００４６】なお、図１において、引き出し電極100ｂ
は特に使用しない電極であるが、基端部背面に導出され
た引出し電極100ａをスルーホールを介して３脚柱部22
の基端部表面に導出して、引出し電極33ｂと同電位の電
極としても良い。

【００４７】このように本実施形態では、各引出し電極
33ａ〜33ｄ、35ａ〜35ｅおよび37ａ〜37ｂが３脚柱部22
の基端部39、40の表面に分割されて導出されている。ま
た、図１柱、符号41は３脚音叉振動子21を角速度センサ
の基台に固定するための固定部である。

【００４８】図３は３脚音叉振動子21の回路図を示す図
である。図３において、励振用柱23、24の各励振電極30
ａ、30ｂ、31ａ、31ｂはドライブ電源42の一方の極側に
接続されており、アース電極30ｃ、31ｃはドライブ電源
42の他方の極側に接続されている。

【００４９】また、コリオリ検出用柱25のコリオリ検出
電極32ａ、32ｂにはアンプ43、44、45が接続されてお
り、出力端子46、47から出力される差動増幅によって電
圧変化分Ｖが出力される。

【００５０】また、コリオリ検出電極32ａ、32ｂは励振
をモニタする電極を兼用するようになっており、アンプ
48、49を介して出力端子50、51から出力される電圧変化
Ｍがモニタされるようになっている。

【００５１】図４はこの３脚音叉振動子21が組込まれた
１次元角速度センサを示す図である。図４において、符
号52は車両、航空機、船舶等の移動体の姿勢制御やナビ
ゲーションシステムに搭載される角速度センサであり、
３脚音叉振動子21は基端部39、40側の表面の引出し電極
33ａ等が上面側に位置した状態で板ばね56によって固定
部41が基台（固定部材）55に固定され、この板ばね56は
両端部がスポット溶接部53、54によって基台55に固定さ
れている。

【００５２】また、各電極30ａ〜30ｃ、31ａ〜31ｃ、32
ａ〜32ｃはリード線を介して回路基板57に形成されたパ
ッド58ａ〜58ｍに接続されている。すなわち、３脚音叉
振動子21は回路基板57にワイヤボンディングによって接
続されている。また、３脚音叉振動子21のコリオリ検出
電極32ａ、32ｂからの出力信号は回路基板57から回路基
板59を介して基台55に絶縁固定されたリードピン60ａ、
60ｂに導出されるようになっている。

【００５３】次に、作用を説明する。

【００５４】まず、各柱23〜25が図２（ｃ）中、矢印Ｅ
方向に移動するメカニズムを励振用柱23を例にとって図
２（ｂ）（ｃ）、図３および図５に基づいて説明する。

【００５５】まず、励振用柱23の各電極30ａ〜30ｃに図
５（ａ）で示すような電圧を交互に印加すると、図３の
極性の電圧印加では、電界方向は分極方向Ｃ1と一致す
るものの、図５（ａ）で示すように三角形の頂点27ｂ、
27ｃ部分の電界密度が頂点27ａ部分の電界密度よりも大
きくなるため、図５（ｂ）に示すようにコリオリ検出用
柱25に対向する励振用柱23の部分（図５（ａ）で61で示
す部分）の矢印Ｆ方向への伸びが小さくなるとともに、
61で示す部分と反対側の部分62の矢印Ｇ方向への伸びが
大きくなり、励振用柱23は矢印Ｈ方向に倒れる。

【００５６】このとき、励振用柱23とコリオリ検出用柱
25の音叉構成によってコリオリ検出用柱25も矢印Ｉ方向
に倒れる。また、同様にして励振用柱24が励振用柱23と
同方向（Ｈ方向）に励振されるため、コリオリ検出用柱
25はコリオリ検出用柱25の音叉構成によってＩ方向に倒
れる。すなわち、コリオリ検出用柱25は励振用柱23と24
によって両面から駆動されるため、振幅が大きくなる。

【００５７】そして、次の瞬間に励振用柱23の各電極30
ａ〜30ｃに図３の極正とは逆の極正の電圧を印加する
と、電界方向が分極方向Ｃ1と反対方向になり、励振用
柱23は矢印Ｈ方向と反対方向に倒れる。このとき、励振
用柱23とコリオリ検出用柱25の音叉構成によってコリオ
リ検出用柱25も矢印Ｉ方向と反対方向に倒れる。また、
同様にして励振用柱24がＨ方向と反対方向に励振される
ため、コリオリ検出用柱25の音叉構成によってコリオリ
検出用柱25は矢印Ｉ方向と反対方向に倒れるため（すな
わち、励振用柱23とコリオリ検出用柱25が離隔し、励振
用柱24とコリオリ検出用柱25が近接する）、結果的にコ
リオリ検出用柱25の振幅が増大される。

【００５８】次に、コリオリ力の検出メカニズムを図２
（ｃ）、図３および図６に基づいて説明する。

【００５９】上述したように図２（ｃ）の矢印Ｅ方向に
常時励振している各柱23〜25に、図６に示す検出軸63に
対してＪ方向に角速度が加わると、各柱23〜25には面垂
直方向Ｋにコリオリ力が発生し、各柱23〜25は面垂直方
向Ｋに撓みを生じながら振動することになる。

【００６０】このコリオリ力に対する各柱23〜25の面垂
直撓みの方向は励振の方向によって決まるため、ある瞬
間では励振用柱23および24は同方向（矢印Ｐで示す）に
撓み、コリオリ検出用柱25は逆方向（矢印Ｑで示す）に
撓むことになる。そして、次の瞬間には励振用柱23、24
およびコリオリ検出用柱25は上記の方向とは逆の方向に
撓むため、この振動を繰返すことになる。

【００６１】また、コリオリ検出用柱25がＱ方向に撓む
とコリオリ検出電極32ａが伸び、コリオリ検出電極32ｂ
が縮むため、電極32ａ、32ｂ間の電位が変化し、アンプ
43、44、45を介して端子46、47間で差動増幅によって電
圧変化分Ｖを出力する。このとき、コリオリ検出電極32
ａ、32ｂはコリオリ発生方向に対して垂直に近い形で配
置されるため、検出感度が高くなる。

【００６２】また、励振用柱23、24とコリオリ検出用柱
25の逆方向の面垂直撓みを利用して励振用柱23または励
振用柱24とコリオリ検出用柱25との所謂、柱間の差動出
力も取り出すことも可能であるため、出力感度のより一
層の向上を期待することができる。

【００６３】さらに、コリオリ検出用柱25の励振をモニ
タする際には、励振用柱23、24とコリオリ検出用柱25が
矢印Ｅ方向に面内励振しているときのコリオリ検出電極
32ａ、32ｂとアース電極32ｃ間ので電界密度変化をアン
プ48、49を介して端子50および端子51との間で和動出力
として検出することができるため、励振用柱23、24が常
に一定の周波数と振幅で励振されるように励振電極30
ａ、30ｂ、31ａ、31ｂへの印加電圧をコントロールする
ことができる。

【００６４】このように本実施形態では、正三角形状の
３本の励振用柱23、24およびコリオリ検出用柱25を２対
の音叉振動子を構成するようにそれぞれ対向して配設す
ることにより、角速度を検出するようにしたため、コリ
オリ発生時に両端の励振用柱23、24が撓む方向に対して
中央のコリオリ検出用柱25の撓む方向を反対方向にする
ことができる。

【００６５】このため、図７に示すようにコリオリ発生
時に各柱23、24、25に発生する回転モーメントＭを＋
Ｍ、−Ｍの逆等モーメントにすることができ、各柱23、
24、25に発生する回転モーメントをキャンセルすること
ができる。このため、振動ロスを最小限にすることがで
きるとともに３脚音叉振動子21の固定部41に回転モーメ
ントが生じるのを防止して（殆ど零にして）、角速度の
検出精度を向上させることができる。

【００６６】また、コリオリ検出用柱25を励振用柱23、
24に対して励振させることができるため、コリオリ検出
用柱25の励振振幅を大きくすることができ、３脚音叉振
動子を小型化しても角速度の検出感度を向上させること
ができる。

【００６７】また、励振用柱23とコリオリ検出用柱25の
重心ピッチまたは図心間ピッチＬ1と励振用柱24とコリ
オリ検出用柱25の重心ピッチまたは図心間ピッチＬ2の
寸法比が１：１になるように３脚音叉振動子21を構成し
たため、コリオリ検出用柱25とこのコリオリ検出用柱25
と対をなす励振検出用柱23、24とを最大効率で励振させ
ることができる。なお、励振用柱23とコリオリ検出用柱
25が重心ピッチまたは図心間ピッチＬ1と励振用柱24と
コリオリ検出用柱25の重心ピッチまたは図心間ピッチＬ
2の寸法比が２：１になるようにしても同様の効果を得
ることができる。

【００６８】また、各柱23、24、25に設けられた電極30
ａ〜30ｃ、31ａ〜31ｃ、32ａ〜32ｃを引出し電極33ａ〜
35ｄ、35ａ〜35ｅ、37ａ〜37ｄおよびスルーホール34、
36ａ、36ｂ、38を介して基端部39、40の片側の面に導出
したため、３脚音叉振動子21の固定部41を基台55に取付
けたときに、信号線を振動部分ではなく、不動部分に接
続することができ、信号線の捩れ等が発生するのを防止
して角速度の検出精度のばらつきが発生するのを防止す
ることができる。これに加えて、信号線の取り出しを容
易に行なうことができる上に、信号線の取り出しを半田
ではなくワイヤボンディングで実施することができ、超
小型化に対応することができるとともに検出精度の影響
を小さくすることができる。

【００６９】また、各柱23、24、25を正三角形状として
形状（幅、厚さ等）を同一形状にしたため、図８に示す
ように励振時の共振周波数とコリオリ検出時の共振周波
数を略一致させることができ、角速度センサ52の感度を
高めることができる。

【００７０】さらに、３脚音叉振動子21を、分極方向Ｃ
が一定の方向に設定された１枚の板状のユニモルフ圧電
素子26から切り出した後、各柱23、24、25の各面にメッ
キを塗装したり蒸着する等して電極30ａ〜30ｃ、31ａ〜
31ｃ、32ａ〜32ｃを形成し、次いで、各柱23、24、25の
頂点27ａ〜27ｃ、28ａ〜28ｃ、29ａ〜29ｃを面取りした
ため、電極30ａ等を接着剤によって圧電素子からなる各
柱23、24、25に固着するのを不要にすることができ、接
着のばらつきおよび接着剤の温度特性がセンサ52の角速
度の検出精度に影響を与えるのを防止して、角速度を検
出精度を向上させることができる。また、各柱23、24、
25の頂点を面取りしているので、各電極30ａ等を電気的
に絶縁することができる。

【００７１】なお、本実施形態では、スルーホール34、
36ａ、36ｂ、38を介して裏面の引出し電極33ｃ、35ｃ、
35ｂ、37ｃを３脚柱部22の基端部39、40の表面に導出し
ているが、これに限らず、図９に示すように、引出し電
極33ｃ、35ｃ、35ｂ、37ｃをメッキによる回し電極64ａ
〜64ｅを介して３脚柱部22の表面に導出（接続）しても
良い。

【００７２】また、本実施形態では、各柱23、24、25を
正三角形にしているが、これに限らず、二等辺三角形、
不等辺三角形であっても良い。また、励振用柱23、24の
分極方向Ｃ1、Ｃ2と鋭角に交叉する頂点27ａ、28ａに対
して、コリオリ検出用柱25の分極方向Ｃ3と鋭角に交叉
する頂点29ａが同方向となるように配設しても良い。要
は、励振用柱23、24の頂点27ａ、28ａが同方向に配設さ
れていれば良いのである。

【００７３】また、本実施形態では、３脚音叉振動子21
を１次元の角速度センサ52に取付けた例を示している
が、これに限らず、図10に示すように、各柱23、24、25
の延在方向がそれぞれＸ方向、このＸ方向と直交するＹ
方向およびＸ、Ｙ方向と直交するＺ方向に位置するよう
に３つの３脚音叉振動子21ａ、21ｂ、21ｃを基台55に取
付けて３次元の角速度センサ65を構成しても良い。この
ようにすれば、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向での角速度を検出す
ることができ、高性能な角速度センサを得ることができ
る。

【００７４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、３本の三
角形状の柱を２対の音叉振動子を構成するようにそれぞ
れ対向して角速度検出用の３脚音叉振動子を構成して角
速度を検出するようにしたため、コリオリ発生時に両端
の励振用柱が撓む方向に対して中央のコリオリ検出用柱
の撓む方向を反対方向にすることができ、コリオリ発生
時の回転モーメントをキャンセルすることができる。こ
のため、振動ロスを最小限にすることができるとともに
３脚音叉振動子を固定する固定部に回転モーメントが生
じるのを防止して角速度の検出精度を向上させることが
できる。

【００７５】また、中央のコリオリ検出用柱を両端の励
振用柱に対して励振させることができるため、コリオリ
検出用柱の励振振幅を大きくすることができ、３脚音叉
振動子を小型化しても角速度の検出感度を向上させるこ
とができる。

【００７６】請求項２記載の発明によれば、コリオリ検
出用柱とこのコリオリ検出用柱と対をなす励振検出用柱
とを最大効率で励振させることができる。

【００７７】請求項３記載の発明によれば、３脚音叉振
動子の基端部を固定部材に取付けたときに、信号線を振
動部分ではなく、不動部分に接続することができ、信号
線の捩れ等が発生するのを防止して角速度の検出精度の
ばらつきが発生するのを防止することができる。

【００７８】請求項４記載の発明によれば、各柱の形状
（幅、厚さ等）を同一形状にすることができるため、励
振時の共振周波数とコリオリ検出時の共振周波数を略一
致させることができ、角速度センサの感度を高めること
ができる。

【００７９】請求項５記載の発明によれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ
の各方向での角速度を検出することができ、高性能な角
速度センサを得ることができる。

【００８０】請求項６記載の発明によれば、３脚音叉振
動子を板状のユニモルフ圧電素子から切り出した後、各
柱にメッキを塗装して電極を形成しているため、電極を
接着剤によって圧電素子に固着するのを不要にすること
ができ、接着のばらつきおよび接着剤の温度特性がセン
サの角速度の検出精度に影響を与えるのを防止して、角
速度の検出精度を向上させることができる。また、各柱
の頂点を面取りしているので、各電極を電気的に絶縁す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る角速度センサおよび角速度センサ
の製造方法の一実施形態を示す図であり、（ａ）はその
３脚音叉振動子の表面側の斜視図、（ｂ）は３脚音叉振
動子の裏面側の斜視図である。

【図２】（ａ）は一実施形態の３脚音叉振動子を切り出
す前のユニモルフ圧電素子の外観図、（ｂ）は３脚音叉
振動子をメッキした直後の電極構成を示す図、（ｃ）は
３脚音叉振動子の各柱の面取りをした電極構成を示す図
である。

【図３】一実施形態の角速度センサの回路構成を示す図
である。

【図４】一実施形態の３脚音叉振動子を組込んだ１次元
角速度センサの外観図である。

【図５】（ａ）は一実施形態の励振用柱に電圧を印加し
たときの電界密度を示す図、（ｂ）は各柱の励振方向を
示す図である。

【図６】一実施形態の３脚音叉振動子にコリオリが発生
したときの撓み方向を示す図である。

【図７】一実施形態のコリオリ発生時に各柱に発生する
モーメントを示す図であり、（ａ）はその３脚音叉振動
子の上面図、（ｂ）はその３脚音叉振動子の正面図であ
る。

【図８】一実施形態の共振角速度センサの共振点を示す
特性図である。

【図９】一実施形態の３脚音叉振動子の他の態様を示す
図であり、（ａ）はその３脚音叉振動子の表面側の斜視
図、（ｂ）はその回し電極を示す３脚音叉振動子の底面
図、（ｃ）は３脚音叉振動子の裏面側の斜視図である。

【図10】一実施形態の３脚音叉振動子を組込んだ３次元
角速度センサの外観図である。

【図11】（ａ）は従来の角速度センサの斜視図、（ｂ）
はそのセンサのコリオリ発生時の状態を示す斜視図であ
る。

【図12】非共振角速度センサの共振点を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

21 ３脚音叉振動子 22 ３脚柱部 23、24 励振用柱 25 コリオリ検出用柱 26 ユニモルフ圧電素子 27ａ〜27ｃ、28ａ〜28ｃ、29ａ〜29ｃ 頂点 30ａ、30ｂ、31ａ、31ｂ 励振電極 30ｃ、31ｃ、32ｃ アース電極 32ａ、32ｂ コリオリ検出電極 39、40 基端部 41 固定部 52、65 角速度センサ Ｃ、Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3 分極方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 徹 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 (72)発明者 関野 晴彦 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 AA01 AA02 AA03 BB02 BB11 BB15 CC01 CC05 CD02 CD06

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ユニモルフ圧電素子からなる３本の三角形
   状の柱を２対の音叉振動子を構成するようにそれぞれ対
   向して配設してなる角速度検出用の３脚音叉振動子を備
   えた角速度センサであって、 前記柱のうちの両端に位置する２本の柱は、その分極方
   向と鋭角に交叉して隣接する２つの面に励振電極が設け
   られるとともに、残りの１つの面にアース電極が設けら
   れた励振用柱を構成し、 前記柱のうちの中央に位置する柱は、その分極方向と鋭
   角に交叉して隣接する２つの面に励振モニタ電極を兼用
   するコリオリ検出電極が設けられるとともに、残りの１
   つの面にアース電極が設けられたコリオリ検出用柱を構
   成し、 前記励振用柱の分極方向と鋭角に交叉する頂点に対し
   て、前記コリオリ検出用柱の分極方向と鋭角に交叉する
   頂点が同方向または反対方向になるように配置されるこ
   とを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】前記３本の柱の重心ピッチまたは図心間ピ
   ッチの寸法比が１：１または２：１になるよう構成した
   ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】前記３本の柱に設けられた前記各電極は、
   該３本の柱の基端部の片側の面に導出されることを特徴
   とする請求項１または２記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】前記各柱が正三角形状をしていることを特
   徴とする請求項１〜３何れかに記載の角速度センサ。
5. 【請求項５】前記各柱の延在方向がそれぞれＸ方向、該
   Ｘ方向と直交するＹ方向および前記Ｘ、Ｙ方向と直交す
   るＺ方向に位置するように３つの３脚音叉振動子が設け
   られたことを特徴とする請求項１〜４何れかに記載の角
   速度センサ。
6. 【請求項６】請求項１記載の角速度センサの製造方法で
   あって、前記３脚音叉振動子を分極方向が一定の方向に
   設定された１枚の板状のユニモルフ圧電素子から切り出
   した後、前記各柱の各面にメッキまたは蒸着により電極
   を形成し、次いで、前記各柱の頂点を面取りしたことを
   特徴とする角速度センサの製造方法。