JP2001194149A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出感度を高くする。 【解決手段】 Ｈ型振動子素子４の腕部４−１，４−２
に細腕部４−１Ａ，４−２Ａを設ける。腕部４−１，４
−２に励振電極５−１〜５−８を形成し、腕部４−３，
４−４に検出電極６−１〜６−８を形成する。腕部４−
１，４−２をＺ軸方向に屈曲振動させながら振動子素子
４をＹ軸の回りに回転させたときＸ軸方向に生ずる屈曲
振動によって腕部４−３，４−４に発生する電荷を取り
出して、Ｙ軸の回りに作用する角速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、コリオリの力を
利用して角速度を検出する角速度センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図１２は振動子素子として水晶を用いた
従来の角速度センサの要部を示す図である。同図におい
て、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１２（ａ）をＡ方向か
ら見た図、（ｃ）は図１２（ａ）をＢ方向から見た図で
ある。同図において、１はＨ型振動子素子（Ｈ型水晶
板）、２−１〜２−８は励振電極、３−１〜３−８は角
速度検出用の電極（検出電極）である。

【０００３】振動子素子１は、図１２（ａ）に示される
ようにＨ型形状とされ、このＨ型形状の第１の空間部１
−５を挾んで対向する（長手方向を略平行として対向す
る）第１の腕部１−１および第２の腕部１−２と、第２
の空間部１−６を挾んで対向する（長手方向を略平行と
して対向する）第３の腕部１−３および第４の腕部１−
４と、第１〜第４の腕部１−１〜１−４の根元部をつな
ぐ共通の基部１−７とを有し、第３の腕部１−３の表裏
および左右の面に励振電極２−１〜２−４が、第４の腕
部１−４の表裏および左右の面に励振電極２−５〜２−
８が、第１の腕部１−１の左右の面に検出電極３−１〜
３−４が、第２の腕部１−４の左右の面に検出電極３−
５〜３−８が形成されている。

【０００４】ここで、腕部１−１〜１−４の長手方向を
Ｙ軸方向、このＹ軸と直交し素子面（紙面）に平行な軸
をＸ軸、Ｘ−Ｙ平面と直交する軸（振動子素子１の素子
面に垂直な軸）をＺ軸とした場合、この角速度センサに
おいては、図１２（ｂ）に示されるように、励振電極２
−２，２−４，２−５および２−７が端子Ｐ１に共通に
接続され、励振電極２−１，２−３，２−６および２−
８が端子Ｐ２に共通に接続され、この端子Ｐ１とＰ２と
の間に交流電圧（励振振動信号）ｅが印加される。この
ため、ある時は図１２（ｂ）の腕部１−３，１−４中に
矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向の電界が発
生し、逆圧電効果により振動子素子１の腕部１−３およ
び１−４がＸ軸にそって振動し、更に腕部１−１および
１−２も連動してＸ軸にそって振動（屈曲振動）する事
になる。

【０００５】そこで、Ｙ軸の回りに角速度が作用する
と、すなわち振動子素子１がＹ軸の回りに回転すると、
コリオリの力によりＺ軸方向の振動成分が生じる。この
振動成分の大きさはコリオリの力の大きさに比例してい
るので、振動子素子１の腕部１−１および１−２には圧
電効果により、角速度に比例した大きさで振動の方向に
応じた極の電荷が発生する。

【０００６】これにより、図１２（ｃ）に示されるよう
に、検出電極３−１，３−４，３−６および３−７を共
通に接続した端子Ｐ３と、検出電極３−２，３−３，３
−５および３−８を共通に接続した端子Ｐ４との間に電
荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号ｅｓが得ら
れる。この電圧信号ｅｓの大きさによって、すなわち振
動子素子１の腕部１−１および１−２のＺ軸方向に生ず
る屈曲振動の振幅の大きさによって、Ｙ軸の回りに作用
する角速度を知ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の角速度センサで
は、上述したように、腕部１−３および１−４をＸ軸方
向に屈曲振動させながら振動子素子１をＹ軸の回りに回
転させたときＺ軸方向に生ずる屈曲振動によって腕部１
−１および１−２に発生する電荷を取り出して、Ｙ軸の
回りに作用する角速度を検出するようにしている。しか
しながら、振動子素子１においてＺ軸方向の屈曲振動に
より発生する電荷量は非常に微弱であり、検出感度が悪
いという問題があった。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、検出感度の
高い角速度センサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、振動子素子をＺ軸方向へ強制的に屈
曲振動（励振）させながらＹ軸の回りに回転させたとき
Ｘ軸方向に生ずる屈曲振動の振幅の大きさを検出し、こ
の検出した屈曲振動の大きさに基づいてＹ軸の回りに作
用する角速度を検出するようにしたものである。この発
明によれば、励振電極に交流電圧を印加すると、振動子
素子がＺ軸方向へ屈曲振動する。この状態で、Ｙ軸の回
りに角速度が作用すると、すなわち振動子素子がＹ軸の
回りに回転すると、振動子素子は、コリオリの力がＺ軸
と直交するＸ軸方向に働き、その結果Ｘ軸方向（発生電
荷量が多い方向）に屈曲振動する。そして、このＸ軸方
向の屈曲振動の振幅の大きさが検出され、この検出され
た振幅の大きさに基づいてＹ軸の回りに作用する角速度
が検出される。なお、Ｘ軸方向の屈曲振動の振幅の大き
さを検出する方法として、後述する実施の形態では、屈
曲振動によって発生する電荷を取り出して圧電的に検出
する方法を採用しているが、Ｘ軸方向屈曲振動は等量の
コリオリ力で生じる振幅も大きいため、容量検出法（素
子−外部電極間の容量変化を検出する）を用いても大き
な容量変化となり、感度上昇の効果がある。

【００１０】振動子素子としてＨ型振動子素子を用いる
場合、励振電極に交流電圧を印加して第１および第２の
腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させる。この場合、第１およ
び第２の腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させながらＨ型振動
子素子をＹ軸の回りに回転させたとき第３および第４の
腕部のＸ軸方向に生ずる屈曲振動の大きさを検出し、こ
の検出した屈曲振動の大きさに基づいてＹ軸の回りに作
用する角速度を検出する。また、振動子素子としてＨ型
振動子素子を用いる場合、第１および第２の腕部の先端
部をＸ軸方向に細く形成する。また、振動子素子として
Ｈ型振動子素子を用いる場合、第１の腕部と第２の腕部
とを左右対称の位置に設け、第１の腕部および第２の腕
部の形状を左右対称とし、また、第３の腕部と第４の腕
部とを左右対称の位置に設け、第３の腕部および第４の
腕部の形状を左右対称とする。

【００１１】振動子素子としてＵ字型振動子素子を用い
る場合、励振電極に交流電圧を印加して第１および第２
の腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させる。この場合、第１お
よび第２のの腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させながらＵ字
型振動子素子をＹ軸の回りに回転させたとき第１および
第２の腕部のＸ軸方向に生ずる屈曲振動の大きさを検出
し、この検出した屈曲振動の大きさに基づいてＹ軸の回
りに作用する角速度を検出する。また、振動子素子とし
てＵ字型振動子素子を用いる場合、第１および第２の腕
部の先端部をＸ軸方向に細く形成する。また、振動子素
子としてＵ字型振動子素子を用いる場合、第１の腕部と
第２の腕部とを左右対称の位置に設け、第１の腕部およ
び第２の腕部の形状を左右対称とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
き詳細に説明する。 〔実施の形態１：Ｈ型〕図１はＨ型振動子素子を用いた
本発明に係る角速度センサの要部を示す図である。同図
において、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）をＡ方
向から見た図、（ｃ）は図１（ａ）をＢ方向から見た図
である。同図において、４はＨ型振動子素子（Ｈ型水晶
板）、５−１〜５−８は励振電極、６−１〜６−８は角
速度検出用の電極（検出電極）である。

【００１３】振動子素子４は、図１（ａ）に示されるよ
うにＨ型形状とされ、このＨ型形状の第１の空間部４−
５を挾んで対向する（長手方向を略平行として対向す
る）第１の腕部４−１および第２の腕部４−２と、第２
の空間部４−６を挾んで対向する（長手方向を略平行と
して対向する）第３の腕部４−３および第４の腕部４−
４と、第１〜第４の腕部４−１〜４−４の根元部をつな
ぐ共通の基部４−７とを有している。

【００１４】第１の腕部４−１は、基部４−７との継ぎ
部４−７１から所定距離離れた位置からくびれ、Ｘ軸方
向に細く形成されている。同様に、第２の腕部４−２
も、基部４−７との継ぎ部４−７２から所定距離離れた
位置からくびれ、Ｘ軸方向に細く形成されている。ま
た、第１の腕部４−１と第２の腕部４−２とは左右対称
の位置に設けられており、第１の腕部４−１および第２
の腕部４−２の形状は左右対称とされている。第３の腕
部４−３と第４の腕部４−４も左右対称の位置に設けら
れており、第３の腕部４−３および第４の腕部４−４の
形状も左右対称とされている。

【００１５】第１の腕部４−１の先端部の細く形成され
た部分（細腕部）４−１Ａおよび根元部の太く形成され
た部分（太腕部）４−１Ｂには左右の面に励振電極５−
１〜５−４が、第２の腕部４−２の先端部の細く形成さ
れた部分（細腕部）４−２Ａおよび根元部の太く形成さ
れた部分（太腕部）４−２Ｂには左右の面に励振電極５
−５〜５−８が、第３の腕部４−３の表裏および左右の
面には検出電極６−１〜６−４が、第４の腕部４−４の
表裏および左右の面には検出電極６−５〜６−８が形成
されている。なお、図１（ｃ）では、第１の腕部４−１
の太腕部４−１Ｂへの励振電極５−１〜５−４、第２の
腕部４−２の太腕部４−２Ｂへの励振電極５−５〜５−
８の図示は複雑となるため省略している。

【００１６】この角速度センサにおいては、図１（ｃ）
に示されるように、励振電極５−１，５−４，５−６お
よび５−７が端子Ｐ１に共通に接続され、励振電極５−
２，５−３，５−５および５−８が端子Ｐ２に共通に接
続され、この端子Ｐ１とＰ２との間に交流電圧（励振振
動信号）ｅが印加される。このため、ある時は図１
（ｃ）の細腕部４−１Ａ，４−２Ａ中に矢印で示す如く
電界が発生し、次には逆方向の電界が発生し、水晶結晶
の電気軸であるＸ軸方向に発生する、相反する電界方向
成分により発生する逆圧電効果によりＹ軸方向の相反す
る伸縮作用の合成として腕部４−１および４−２がＺ軸
方向に振動し、更に腕部４−３および４−４も連動して
Ｚ軸方向に振動（屈曲振動）する。この時、腕部４−
１，４−２のＺ軸方向共振周波数と腕部４−３，４−４
のＺ軸方向共振周波数を必ずしも一致させる必要はな
い。

【００１７】なお、この実施の形態において、腕部４−
１〜４−４の長手方向をＹ軸方向、このＹ軸と直交し素
子面（紙面）に平行な軸をＸ軸、Ｘ−Ｙ平面と直交する
軸（振動子素子４の素子面に垂直な軸）をＺ軸とするこ
とは従来と同様である。

【００１８】ここで、Ｙ軸の回りに角速度が作用する
と、すなわち振動子素子４がＹ軸の回りに回転すると、
コリオリの力によりＸ軸方向の振動成分が生じる。この
振動成分の大きさはコリオリの力の大きさに比例してい
るので、振動子素子４の腕部４−３および４−４には圧
電効果により、角速度に比例した大きさで振動の方向に
応じた極の電荷が発生する。

【００１９】これにより、図１（ｂ）に示されるよう
に、検出電極６−２，６−４，６−５および６−７を共
通に接続した端子Ｐ３と、検出電極６−１，６−３，６
−６および６−８を共通に接続した端子Ｐ４との間に電
荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号ｅｓが得ら
れる。この電圧信号ｅｓの大きさによって、すなわち振
動子素子４の腕部４−３および４−４のＸ軸方向に生ず
る屈曲振動の振幅の大きさによって、Ｙ軸の回りに作用
する角速度を知ることができる。

【００２０】図２はこの励振電極５（５−１〜５−
８），検出電極６（６−１〜６−８）を含む振動子素子
４（以下、総称して振動子と呼ぶ）に付設された処理回
路の要部を示す図である。同図において、１０は発振お
よび振幅調整回路、１１は第１の増幅回路、１２は位相
補正回路、１３は同期検波回路、１４は第２の増幅回路
である。この処理回路において、発振および振幅調整回
路１０は、図１に示した端子Ｐ１とＰ２との間に励振振
動信号ｅを供給する。また、増幅回路１１には、図１に
示した端子Ｐ３とＰ４との間に生じる電圧信号ｅｓが入
力される。この電圧信号ｅｓは増幅回路１１において増
幅され、同期検波回路１３へ与えられる。同期検波回路
１３は、位相補正回路１２において補正された発振およ
び振幅調整回路１０からの励振振動信号ｅに基づいて増
幅回路１１からの電圧信号ｅｓを検波し、増幅回路１４
へ与える。増幅回路１４は同期検波回路１３からの検波
された電圧信号ｅｓを増幅する。この増幅回路１４から
の増幅出力より振動子素子４のＹ軸の回りに作用する角
速度を検出する。

【００２１】図３は図１に示した振動子１００を実物に
近い形とした場合の斜視図である。同図において、図１
と対応する部分には同一符号を付している。実物では、
金，銀，銅，アルミニウムなどの導電材料を振動子素子
４に蒸着し、励振電極５（５−１〜５−８），検出電極
６（６−１〜６−８）を形成している。また、振動子素
子４の基部４−７の中央部より下方へ一体的に逆Ｔ字型
の支持部４−８を延ばし、この支持部４−８に励振電極
５（５−１〜５−８），検出電極６（６−１〜６−８）
へのリード電極を形成している。支持部４−８の基端部
４−８Ａは固定する。

【００２２】この角速度センサでは、上述したように、
腕部４−１および４−２をＺ軸方向に屈曲振動させなが
ら振動子素子４をＹ軸の回りに回転させたときＸ軸方向
に生ずる屈曲振動によって腕部４−３および４−４に発
生する電荷を取り出して、Ｙ軸の回りに作用する角速度
を検出するようにしている。振動子素子４において、強
制的にＺ軸方向に励振させ角速度を印加した時に発生す
るＸ軸方向振動は屈曲振動し易く、かつ屈曲振動の変位
が大きい。このため、多くの電荷を獲得することがで
き、検出感度が上がる。

【００２３】腕部４−１，４−２に細腕部４−１Ａ，４
−２Ａを設けなくても検出感度はアップする。本実施の
形態では、腕部４−１，４−２に細腕部４−１Ａ，４−
２Ａを設け、この細腕部４−１Ａ，４−２ＡのＸ軸方向
の幅寸法Ｗ１やＹ軸方向の長さＬ１を適切な値として定
めることにより、Ｚ軸方向への屈曲振動の変位を最大と
して、検出感度のさらなる向上を図っている。

【００２４】図４に細腕部４−１Ａ，４−２Ａの幅Ｗ１
と腕部４−１，４−２の太腕部４−１Ｂ，４−２Ｂの幅
Ｗとの寸法比（Ｗ寸法比：Ｗ１／Ｗ）に対するＣＩ値
（クリスタルインピーダンスまたは等価直列抵抗）の実
測結果を示す。この例では、Ｗ＝５１０μｍとし、測定
結果ではＷ１＝５１０μｍ、測定結果ではＷ１＝２
４０μｍ、測定結果ではＷ１＝１３０μｍとした。図
５にＷ寸法比によるＣＩ値の変化をグラフに示す。この
グラフよりＷ寸法比が０．２５付近でＣＩ値が最小とな
ることが分かる。ＣＩ値が小さいほど細腕部４−１Ａ，
４−２Ａ、すなわち腕部４−１，４−２のＺ軸方向への
屈曲振動の変位は大きい。

【００２５】図６に細腕部４−１Ａ，４−２Ａの長さＬ
１と腕部４−１，４−２の全体の長さＬとの寸法比（Ｌ
寸法比：Ｌ１／Ｌ）に対するＣＩ値の実測結果を示す。
この例では、Ｌ＝５．１０ｍｍとし、測定結果ではＬ
１＝４．８５ｍｍ、測定結果ではＬ１＝３．７５ｍ
ｍ、測定結果ではＬ１＝３．６５ｍｍ、測定結果で
はＬ１＝０．００ｍｍとした。また、Ｗ寸法比として
は、０．２５＝１３０（μｍ）／５１０（μｍ）とし
た。図７にＬ寸法比によるＣＩ値の変化をグラフに示
す。このグラフよりＬ寸法比が０．７４付近でＣＩ値が
最小となることが分かる。ＣＩ値が小さいほど細腕部４
−１Ａ，４−２Ａ、すなわち腕部４−１，４−２のＺ軸
方向への屈曲振動の変位は大きい。

【００２６】本実施の形態では、上述したような測定結
果から、Ｗ寸法比を０．２５、Ｌ寸法比を０．７４とし
ており、これによりＣＩ値を最小とし、腕部４−１，４
−２のＺ軸方向への屈曲振動の変位を最大として、検出
感度の向上を図っている。

【００２７】また、本実施の形態では、腕部４−１，４
−２にＬ寸法比にして０．２６の太腕部４−１Ｂ，４−
２Ｂが残されているので、腕部４−１，４−２がこの太
腕部４−１Ｂ，４−２Ｂの根元部からＺ軸方向へ屈曲振
動し、細腕部４−１Ａ，４−２ＡのＷ１寸法が細くて
も、強度的に強いＺ軸方向への屈曲振動が得られる。ま
た、本実施の形態では、腕部４−１，４−２および４−
３，４−４は基部４−７につながる根元部からＺ軸方向
へ交互に屈曲振動するので、基部４−７にかかる応力が
打ち消される。また、本実施の形態では、腕部４−１と
４−２とを左右対称の位置に設け、腕部４−１および４
−２の形状を左右対称とし、腕部４−３と４−４とを左
右対称の位置に設け、腕部４−３および４−４の形状を
左右対称としているので、Ｚ軸方向への振動に対して他
の方向への振動漏れが少なく、精度よく角速度を検出す
ることができる。

【００２８】なお、本実施の形態では、腕部４−１およ
び４−２に励振電極５（５−１〜５−８）を、腕部４−
３および４−４に検出電極６（６−１〜６−８）を設け
たが、図８に示すように、腕部４−１および４−２に検
出電極６（６−１〜６−８）を、腕部４−３および４−
４に励振電極５（５−１〜５−８）を設けるようにして
もよい。また、本実施の形態では、腕部４−１および４
−２の先端部をＸ軸方向に細くしたが、Ｚ軸方向に薄く
してもよく、Ｘ軸方向に細く且つＺ軸方向に薄くするな
どしてもよい。また、本実施の形態では、Ｘ軸方向の屈
曲振動の振幅の大きさを検出する方法として、屈曲振動
によって発生する電荷を取り出して圧電的に検出する方
法を採用しているが、容量検出法（素子−外部電極間の
容量変化を検出する）を採用してもよい。

【００２９】〔実施の形態２：Ｕ字型〕図９はＵ字型振
動子素子を用いた本発明に係る角速度センサの要部を示
す図である。同図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は
図９（ａ）をＡ方向から見た図である。同図において、
７はＵ字型振動子素子（Ｕ字型水晶板）、８−１〜８−
４は励振電極、９−１〜９−４は角速度検出用の電極
（検出電極）である。

【００３０】振動子素子７は、図９（ａ）に示されるよ
うにＵ字型形状とされ、このＵ字型形状の空間部７−４
を挾んで対向する（長手方向を略平行として対向する）
第１の腕部７−１および第２の腕部７−２と、第１の腕
部７−１と第２の腕部７−２の根元部をつなぐ共通の基
部７−３とを有している。

【００３１】第１の腕部７−１は、基部７−３との継ぎ
部７−３１から所定距離離れた位置からくびれ、Ｘ軸方
向に細く形成されている。同様に、第２の腕部７−２
も、基部７−３との継ぎ部７−３２から所定距離離れた
位置からくびれ、Ｘ軸方向に細く形成されている。ま
た、第１の腕部７−１と第２の腕部７−２とは左右対称
の位置に設けられており、第１の腕部７−１および第２
の腕部７−２の形状は左右対称とされている。

【００３２】第１の腕部７−１の先端部の細く形成され
た部分（細腕部）７−１Ａおよび根元部の太く形成され
た部分（太腕部）７−１Ｂには４つの角面に励振電極８
−１〜８−４が、第２の腕部７−２の先端部の細く形成
された部分（細腕部）７−２Ａおよび根元部の太く形成
された部分（太腕部）７−２Ｂには表裏および左右の面
に励振電極９−１〜９−４が形成されている。なお、図
９（ｂ）では、第１の腕部７−１の太腕部７−１Ｂへの
励振電極８−１〜８−４、第２の腕部７−２の太腕部７
−２Ｂへの検出電極９−１〜９−４の図示は複雑となる
ため省略している。

【００３３】この角速度センサにおいては、図９（ｂ）
に示されるように、励振電極８−１，８−３が端子Ｐ１
に共通に接続され、励振電極８−２，８−４が端子Ｐ２
に共通に接続され、この端子Ｐ１とＰ２との間に交流電
圧（励振振動信号）ｅが印加される。このため、ある時
は図９（ｂ）の細腕部７−１Ａ中に矢印で示す如く電界
が発生し、次には逆方向の電界が発生し、水晶結晶の電
気軸であるＸ軸方向に発生する、相反する電界方向成分
により発生する逆圧電効果によりＹ軸方向の相反する伸
縮作用の合成として腕部７−１がＺ軸方向に振動し、更
に腕部７−２も連動してＺ軸方向に振動（屈曲振動）す
る。

【００３４】なお、この実施の形態において、腕部７−
１，７−２の長手方向をＹ軸方向、このＹ軸と直交する
素子面（紙面）に平行な軸をＸ軸、Ｘ−Ｙ平面に直交す
る軸（振動子素子７の素子面に垂直な軸）をＺ軸方向と
することは実施の形態１と同じである。

【００３５】ここで、Ｙ軸の回りに角速度が作用する
と、すなわち振動子素子７がＹ軸の回りに回転すると、
コリオリの力によりＸ軸方向の振動成分が生じる。この
振動成分の大きさはコリオリの力の大きさに比例してい
るので、振動子素子７の腕部７−１および腕部７−２に
は圧電効果により、角速度に比例した大きさで振動の方
向に応じた極の電荷が発生する。

【００３６】これにより、図９（ｂ）に示されるよう
に、検出電極９−２，９−４を共通に接続した端子Ｐ３
と、検出電極９−１，９−３を共通に接続した端子Ｐ４
との間に電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号
ｅｓが得られる。この電圧信号ｅｓの大きさによって、
すなわち振動子素子４の腕部７−１および７−２のＸ軸
方向に生ずる屈曲振動の振幅の大きさによって、Ｙ軸の
回りに作用する角速度を知ることができる。図９では、
振動子素子４の腕部７−１および７−２のＸ軸方向への
屈曲振動の内、腕部７−２の屈曲振動の振幅の大きさを
代表して検出し、この振幅の大きさに基づきＹ軸の回り
に作用する角速度を検出するようにしている。

【００３７】図１０は図９に示した振動子２００を実物
に近い形とした場合の斜視図である。同図において、図
９と対応する部分には同一符号を付している。実物で
は、金，銀，銅，アルミニウムなどの導電材料を振動子
素子７に蒸着し、励振電極８（８−１〜８−４），検出
電極９（９−１〜９−４）を形成している。振動子素子
７の基部７−３を支持部とし、この支持部７−３に励振
電極８（８−１〜８−４），検出電極９（９−１〜９−
４）へのリード電極を形成している。支持部７−３の基
端部７−３Ａは固定する。

【００３８】この角速度センサでは、上述したように、
腕部７−１および７−２をＺ軸方向に屈曲振動させなが
ら振動子素子７をＹ軸の回りに回転させたときＸ軸方向
に生ずる屈曲振動によって腕部７−１および腕部７−２
に発生する電荷の内、代表して腕部７−２に発生する電
荷を取り出して、Ｙ軸の回りに作用する角速度を検出す
るようにしている。振動子素子７において、強制的にＺ
軸方向に励振させ角速度を印加した時に発生するＸ軸方
向振動は屈曲振動し易く、かつ屈曲振動の変位が大き
い。このため、多くの電荷を獲得することができ、検出
感度が上がる。

【００３９】腕部７−１，７−２に細腕部７−１Ａ，７
−２Ａを設けなくても検出感度はアップする。本実施の
形態では、腕部７−１，７−２に細腕部７−１Ａ，７−
２Ａを設け、この細腕部７−１Ａ，７−２ＡのＸ軸方向
の幅寸法Ｗ１やＹ軸方向の長さＬ１を適切な値として定
めることにより、Ｚ軸方向への屈曲振動の変位を最大と
して、検出感度のさらなる向上を図っている。すなわ
ち、本実施の形態では、実施の形態１と同様の理由か
ら、Ｗ寸法比を０．２５、Ｌ寸法比を０．７４としてお
り、これによりＣＩ値を最小とし、腕部４−１，４−２
のＺ軸方向への屈曲振動の変位を最大として、検出感度
の向上を図っている。

【００４０】また、本実施の形態では、腕部７−１，７
−２にＬ寸法比にして０．２６の太腕部７−１Ｂ，７−
２Ｂが残されているので、腕部７−１，７−２がこの太
腕部７−１Ｂ，７−２Ｂの根元部からＺ軸方向へ屈曲振
動し、細腕部７−１Ａ，７−２ＡのＷ１寸法が細くて
も、強度的に強いＺ軸方向への屈曲振動が得られる。ま
た、本実施の形態では、腕部７−１と７−２とを左右対
称の位置に設け、腕部７−１および７−２の形状を左右
対称としているので、Ｚ軸方向への振動に対して他の方
向への振動漏れが少なく、精度よく角速度を検出するこ
とができる。

【００４１】なお、本実施の形態では、腕部７−１に励
振電極８（８−１〜８−４）を、腕部７−２に検出電極
９（９−１〜９−４）を設けたが、図１１に示すよう
に、腕部７−１に検出電極９（９−１〜９−４）を、腕
部７−２に励振電極８（８−１〜８−４）を設けるよう
にしてもよい。また、本実施の形態では、腕部７−１に
励振電極８（８−１〜８−４）を、腕部７−２に検出電
極９（９−１〜９−４）を設けたが、腕部７−１，７−
２共に励振電極８（８−１〜８−４）と検出電極９（９
−１〜９−４）を設け、腕部７−１および７−２をＺ軸
方向へ強制的に屈曲振動（励振）させるようにし、Ｘ軸
方向へ屈曲振動する腕部７−１および７−２から電荷を
取り出して、Ｙ軸の回りに作用する角速度を検出するよ
うにしてもよい。

【００４２】また、本実施の形態では、腕部７−１およ
び７−２の先端部をＸ軸方向に細くしたが、Ｚ軸方向に
薄くしてもよく、Ｘ軸方向に細く且つＺ軸方向に薄くす
るなどしてもよい。また、本実施の形態では、Ｘ軸方向
の屈曲振動の振幅の大きさを検出する方法として、屈曲
振動によって発生する電荷を取り出して圧電的に検出す
る方法を採用しているが、容量検出法（素子−外部電極
間の容量変化を検出する）を採用してもよい。

【００４３】また、上述した実施の形態１や２では振動
子素子として水晶を用いたが、エンリバなどの恒弾性合
金、あるいは圧電セラミックス、ＬｉＴａＯ３単結晶、
ＬｉＮｂＯ３単結晶などの単結晶圧電材料やＳｉを使用
してもよい。但し、Ｓｉの励振、検出には圧電薄膜、磁
性薄膜を電極として用いるとよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、振動子素子をＺ軸方向へ強制的に屈曲振
動（励振）させながらＹ軸の回りに回転させたときＸ軸
方向に生ずる屈曲振動の振幅の大きさを検出し、この検
出した屈曲振動の大きさに基づいてＹ軸の回りに作用す
る角速度を検出するようにしたので、振幅を大きくとる
ことのできるＸ軸方向への屈曲振動から角速度が検出さ
れるものとなり、検出感度を向上させることができるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Ｈ型振動子素子を用いた本発明に係る角速度
センサの要部を示す図（実施の形態１）である。

【図２】 この角速度センサの振動子に付設された処理
回路の要部を示す図である。

【図３】 図１に示した振動子を実物に近い形とした場
合の斜視図である。

【図４】 この振動子における細腕部の幅と太腕部の幅
とのＷ寸法比に対するＣＩ値の実測結果を示す図であ
る。

【図５】 Ｗ寸法比によるＣＩ値の変化を示すグラフで
ある。

【図６】 この振動子における細腕部の長さと全体の長
さとのＬ寸法比に対するＣＩ値の実測結果を示す図であ
る。

【図７】 Ｌ寸法比によるＣＩ値の変化を示すグラフで
ある。

【図８】 この振動子の変形例を示す図である。

【図９】 Ｕ字型振動子素子を用いた本発明に係る角速
度センサの要部を示す図（実施の形態２）である。

【図１０】 図９に示した振動子を実物に近い形とした
場合の斜視図である。

【図１１】 この振動子の変形例を示す図である。

【図１２】 従来の角速度センサの要部を示す図であ
る。

【符号の説明】

４…Ｈ型振動子素子、４−１〜４−４…腕部、４−７…
基部、４−１Ａ，４−２Ａ…細腕部、４−１Ｂ，４−２
Ｂ…太腕部、５−１〜５−８…励振電極、６−１〜６−
８…検出電極、７…Ｕ字型振動子素子、７−１，７−２
…腕部、７−３…基部、７−１Ａ，７−２Ａ…細腕部、
７−１Ｂ，７−２Ｂ…太腕部、８−１〜８−４…励振電
極、９−１〜９−４…検出電極。

フロントページの続き (72)発明者 和田 ひとみ 東京都狛江市和泉本町１丁目８番１号 キ ンセキ株式会社内 (72)発明者 判治 元康 東京都狛江市和泉本町１丁目８番１号 キ ンセキ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 AA10 BB02 CC01 CC04 CD03 CD06 CD11 CD13

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一面内に方向を揃えて第１〜第Ｎ（Ｎ
   ≧１）の腕部を持ち、前記第１〜第Ｎの腕部の長手方向
   をＹ軸方向，このＹ軸と直交し前記同一面内に平行な軸
   をＸ軸，Ｘ−Ｙ平面と直交する軸をＺ軸とする振動子素
   子と、 交流電圧の印加を受け前記振動子素子をＺ軸方向へ屈曲
   振動させる励振電極と、 前記振動子素子をＺ軸方向へ屈曲振動させながらＹ軸の
   回りに回転させたときＸ軸方向に生ずる屈曲振動の振幅
   の大きさを検出する検出電極とを備えたことを特徴とす
   る角速度センサ。
2. 【請求項２】 同一面内に方向を揃えて第１〜第４の腕
   部を持ち、第１および第２の腕部がその長手方向を略平
   行として対向し、第３および第４の腕部がその長手方向
   を略平行として対向し、これら第１〜第４の腕部の根元
   部をつなぐ共通の基部を有し、前記第１〜第４の腕部の
   長手方向をＹ軸方向，このＹ軸と直交し前記同一面内に
   平行な軸をＸ軸，Ｘ−Ｙ平面と直交する軸をＺ軸とする
   Ｈ型振動子素子と、 交流電圧の印加を受けて前記第１および第２の腕部をＺ
   軸方向へ屈曲振動させる励振電極と、 前記第１および第２の腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させな
   がら前記Ｈ型振動子素子をＹ軸の回りに回転させたとき
   前記第３および第４の腕部のＸ軸方向に生ずる屈曲振動
   の振幅の大きさを検出する検出電極とを備えたことを特
   徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】 同一面内に方向を揃えて第１〜第４の腕
   部を持ち、第１および第２の腕部がその長手方向を略平
   行として対向し、第３および第４の腕部がその長手方向
   を略平行として対向し、これら第１〜第４の腕部の根元
   部をつなぐ共通の基部を有し、前記第１〜第４の腕部の
   長手方向をＹ軸方向，このＹ軸と直交し前記同一面内に
   平行な軸をＸ軸，Ｘ−Ｙ平面と直交する軸をＺ軸とし、
   前記第１および第２の腕部の先端部がＸ軸方向に細く形
   成されたＨ型振動子素子と、交流電圧の印加を受けて前
   記第１および第２の腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させる励
   振電極と、 前記第１および第２の腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させな
   がら前記Ｈ型振動子素子をＹ軸の回りに回転させたとき
   前記第３および第４の腕部のＸ軸方向に生ずる屈曲振動
   の振幅の大きさを検出する検出電極とを備えたことを特
   徴とする角速度センサ。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記第１の腕部と第
   ２の腕部とが左右対称の位置に設けられ、前記第１の腕
   部および第２の腕部の形状が左右対称とされ、前記第３
   の腕部と第４の腕部とが左右対称の位置に設けられ、前
   記第３の腕部および第４の腕部の形状が左右対称とされ
   ていることを特徴とする角速度センサ。
5. 【請求項５】 同一面内に方向を揃えて第１および第２
   の腕部を持ち、この第１および第２の腕部がその長手方
   向を略平行として対向し、この第１および第２の腕部の
   根元部をつなぐ共通の基部を有し、前記第１および第２
   の腕部の長手方向をＹ軸方向，このＹ軸と直交し前記同
   一面内に平行な軸をＸ軸，Ｘ−Ｙ平面と直交する軸をＺ
   軸とするＵ字型振動子素子と、 交流電圧の印加を受けて前記第１および第２の腕部をＺ
   軸方向へ屈曲振動させる励振電極と、 前記第１および第２の腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させな
   がら前記Ｕ字型振動子素子をＹ軸の回りに回転させたと
   き前記第１および第２の腕部のＸ軸方向に生ずる屈曲振
   動の振幅の大きさを検出する検出電極とを備えたことを
   特徴とする角速度センサ。
6. 【請求項６】 同一面内に方向を揃えて第１および第２
   の腕部を持ち、この第１および第２の腕部がその長手方
   向を略平行として対向し、この第１および第２の腕部の
   根元部をつなぐ共通の基部を有し、前記第１および第２
   の腕部の長手方向をＹ軸方向，このＹ軸と直交し前記同
   一面内に平行な軸をＸ軸，Ｘ−Ｙ平面と直交する軸をＺ
   軸とし、前記第１および第２の腕部の先端部がＸ軸方向
   に細く形成されたＵ字型振動子素子と、 交流電圧の印加を受けて前記第１および第２の腕部をＺ
   軸方向へ屈曲振動させる励振電極と、 前記第１および第２の腕部をＺ軸方向へ屈曲振動させな
   がら前記Ｕ字型振動子素子をＹ軸の回りに回転させたと
   き前記第１および第２の腕部のＸ軸方向に生ずる屈曲振
   動の振幅の大きさを検出する検出電極とを備えたことを
   特徴とする角速度センサ。
7. 【請求項７】 請求項６において、前記第１の腕部と第
   ２の腕部とが左右対称の位置に設けられ、前記第１の腕
   部および第２の腕部の形状が左右対称とされていること
   を特徴とする角速度センサ。