JP2001215122A - 角速度センサ - 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】 外側振動柱22、23および外側振動柱22、
23の間に位置する中央振動柱24を備え、外側振動柱22、
23を、くびれ部27を介して固定部材25に連結された第
１、２分岐軸22ａ、23ａと、第１、２分岐軸22ａ、23ａ
と直交する方向に延在する第１、２振動軸22ｂ、23ｂ
と、第１、２振動軸22ｂ、23ｂに対して直交する方向に
延在する第１、２張り出し軸22ｃ、23ｃとから構成し、
外側振動柱22、23を第１、２振動軸22ａ、23ａの面方向
と直交する方向に捩れ振動させるとともに、第１、２分
岐軸22ｂ、23ｂと平行な軸77回りに角速度が加わったと
きに、第１、２分岐軸22ａ、23ａに発生する前記捩れ方
向と直交する方向のコリオリ力を第１，２分岐軸22ａ、
23ａの面内歪みとして検出する。

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８に示すようなものが知られてい
る。図８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８（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８（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８（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９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】本発明の角速度センサ
は、３本の振動柱から構成される角速度検出用の３脚音
叉振動子を備えた角速度センサであって、前記振動柱の
うちの両端に位置する２本の外側振動柱は、くびれ部を
介して固定部材に連結された第１分岐軸および第２分岐
軸と、その第１、２分岐軸と直交する方向に延在する第
１振動軸および第２振動軸と、その第１、２振動軸に対
して直交する方向に延在する第１張り出し軸および第２
張り出し軸とからなり、前記振動柱のうちの中央に位置
する振動柱は、前記外側振動柱の第１振動軸および第２
振動軸と平行に延在する中央振動柱からなり、前記第１
張り出し軸および第２張り出し軸のそれぞれに第１励振
電極および第２励振電極を設けることにより、前記一対
の外側振動柱を前記第１振動軸および第２振動軸の面方
向と直交する方向に捩れ振動させるとともに、前記第１
分岐軸および第２分岐軸に第１コリオリ検出電極および
第２コリオリ検出電極を設けることにより、前記第１分
岐軸および第２分岐軸と平行な軸回りに角速度が加わっ
たときに、前記第１分岐軸および第２分岐軸に発生する
前記捩れ方向と直交する方向のコリオリ力を前記第１分
岐軸および第２分岐軸の面内歪みとして検出する構成を
有している。

【００１９】このような構成により、従来のように励振
用の振動柱とコリオリ検出用の振動柱を同一の振動柱と
して使用せず、励振に関しては、外側振動柱の第１、２
張り出し軸の屈曲振動（外側振動柱自体は捩り振動とな
る）を利用し、コリオリ力の検出に関しては、外側振動
柱の基部に設けられた第１、２分岐軸で検出するように
している。

【００２０】このため、外側振動柱の励振時に第１、２
張り出し軸が質量体（マス）となって励振時の振幅を拡
大することができ、角速度の発生時に高精度に角速度の
検出することができる上に、コリオリ力を変形量の大き
い外側振動柱の基部に設けられた第１、２分岐軸の面内
歪みを電圧として検出することで、角速度の検出精度を
向上させることができる。

【００２１】また、外側振動柱およびこの外側振動柱の
間に設けられた中央振動柱の３脚音叉振動子構造とする
ことにより、外側振動柱の加工寸法精度がばらついた場
合であっても、中央振動柱が外側振動柱との間で音叉と
して作用するため、音叉効果が低下するのを防止して角
速度の検出感度が低下してしまうのを防止することがで
きる。

【００２２】さらに、外側振動柱の基部に設けられた第
１、２分岐軸の面内歪みを電圧として検出することで角
速度を検出しているため、３脚音叉振動子を固定する固
定部材に大きな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。

【００２３】また、請求項２記載の発明の角速度センサ
は、請求項１記載の発明において、前記中央振動柱、第
１振動軸および第２振動軸の延在方向軸Ｘを電気軸と
し、この電気軸Ｘと直交する軸Ｙを機械軸とし、このＸ
軸およびＹ軸と直交する前記中央振動柱、第１振動軸お
よび第２振動軸の面垂直方向をＺ軸とし、単結晶一体構
成とした構成を有している。

【００２４】このような構成により、角速度を機械軸で
あるＹ軸方向の第１、２分岐軸の伸縮で検出することが
できるため、角速度の検出感度を向上させることができ
るとともに、励振時の捩れをＸ軸回りに、角速度印加時
の回転軸をＹ軸回りに、さらにコリオリ力の検出モーメ
ントをＺ軸回りにすることができる。すなわち、各振動
成分をＸ、Ｙ、Ｚ方向に分散させることができる。この
ため、励振時の第１、２張り出し軸の屈曲振動による検
出軸（分岐軸）の振動方向をＺ軸方向にして検出出力を
不感の方向にすることができる。この結果、励振振動が
検出出力ノイズ成分となって混入するのを防止すること
ができ、検出感度を向上させることができる。

【００２５】請求項３記載の発明の角速度センサは、請
求項１または２記載の発明において、前記第１張り出し
軸および第２張り出し軸が逆方向に捩れ振動するように
前記第１励振電極および第２励振電極を配設するととも
に、前記第１分岐軸および第２分岐軸と平行な軸回りに
角速度が加わったときに、前記外側振動柱が音叉振動を
行なう構成を有している。

【００２６】このような構成により、第１張り出し軸お
よび第２張り出し軸が逆方向に捩れ振動するように第１
励振電極および第２励振電極を配設したため、励振振幅
を大きくして発生するコリオリ力も大きくすることがで
きる。これに加えて、コリオリ発生時の第１、２分岐軸
の内面振動も逆方向にすることができ、外側振動柱と中
央振動柱の間で角速度の検出を音叉振動にして、角速度
の検出精度を向上させることができる。

【００２７】請求項４記載の発明の角速度センサは、請
求項１〜３何れかに記載の発明において、前記中央振動
柱の延在方向長さを前記外側振動柱に対して短くする、
若しくは前記中央振動柱の稜部の一部を除去する構成を
有している。

【００２８】このような構成により、第１張り出し軸お
よび第２張り出し軸の捩れ振動時の共振周波数と、コリ
オリ発生時の第１分岐軸および第２分岐軸の共振周波数
を略一致させることができ、角速度の検出感度を向上さ
せることができる。

【００２９】請求項５記載の発明の角速度センサは、請
求項１〜４何れかに記載の発明において、前記コリオリ
検出電極を前記第１分岐軸および第２分岐軸のＸ方向に
離隔して配設することにより、前記第１分岐軸および第
２分岐軸の伸縮をＸ軸方向の電界差で検出するように構
成するとともに、前記第１、２コリオリ検出電極および
第１、２励振電極を前記固定部材に導出する引出し電極
を設けた構成を有している。

【００３０】このような構成により、コリオリ検出電極
を発生歪みの大きい外側振動柱の基部に設けたため、角
速度を高精度に検出することができる。また、第１、２
コリオリ検出電極および第１、２励振電極を固定部材に
導出する引出し電極を設けたため、固定部材に設けられ
た引出し電極を回路基板に接続することができ、電極の
接続の信頼性および感度の向上を図ることができる。

【００３１】

【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。

【００３２】図１〜７は本発明に係る角速度センサの一
実施形態を示す図である。なお、図１は振動子ユニット
の表側を示す図であり、図２は振動子ユニットの裏側を
示す図である。

【００３３】まず、構成を説明する。図１〜４におい
て、21は単結晶材またはユニモルフ圧電材料等からなる
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本の振動柱を備えている。

【００３４】この音叉振動子21は、両側に位置する外側
振動柱22、23および外側振動柱22、23の間に位置する中
央振動柱24から構成されており、外側振動柱22、23は固
定部材25と一体化されており、この３脚音叉振動子21お
よび固定部材25は振動子ユニット26を構成している。ま
た、固定部材26は図示しない加速度センサのパッケージ
に固定されるようになっている。

【００３５】また、外側振動柱22、23はくびれ部27を介
して固定部材25に連結された第１分岐軸22ａおよび第２
分岐軸23ａと、第１、２分岐軸22ａ、23ａと直交する方
向に延在する第１振動軸22ｂおよび第２振動軸23ｂと、
第１、２振動軸22ｂ、23ｂに対して直交する方向に延在
する第１張り出し軸22ｃおよび第２張り出し軸23ｃとか
ら構成されている。

【００３６】また、中央振動柱24は外側振動柱22、23の
第１振動柱22ｂおよび第２振動柱23ｂと平行に延在して
おり、第１、２分岐軸22ａ、23ｂの中央部から突出して
いる。

【００３７】また、本実施形態の振動子ユニット26は、
中央振動柱24、第１振動軸22ｂおよび第２振動柱23ｂの
延在方向軸Ｘを電気軸とし、この電気軸Ｘと直交する軸
Ｙ、すなわち、第１、２分岐軸22ａ、23ａ、第１、２張
り出し軸22ｃ、23ｃを機械軸とし、このＸ軸およびＹ軸
と直交する中央振動柱24、第１振動軸22ｂおよび第２振
動柱22ｂの面垂直方向をＺ軸とした結晶軸から切り出し
加工されるものである。

【００３８】一方、第１、２張り出し軸22ｃ、23ｃの表
面には励振電極（第１励振電極）28ａ、28ｂおよび励振
電極（第２励振電極）29ａ、29ｂが蒸着等によって形成
されており、この第１、２張り出し軸22ｃ、23ｃの裏面
には励振電極（第２励振電極）30ａ、30ｂおよび励振電
極（第１励振電極）31ａ、31ｂが蒸着等によって形成さ
れている。励振電極28ａおよび励振電極31ｂは回し電極
32によって接続されており、この励振電極28ａ、31ｂは
引出し電極36によって固定部材25の表面に延出されてい
る。また、励振電極28ｂと励振電極31ａは回し電極33に
よって接続されており、この励振電極28ｂ、31ａは引出
し電極37によって固定部材25の裏面に延出されている。

【００３９】また、励振電極29ａおよび励振電極30ｂは
回し電極35によって接続されており、この励振電極29
ａ、30ｂは引出し電極38によって固定部材25の表面に延
出されている。

【００４０】また、励振電極29ｂおよび励振電極30ａは
回し電極34によって接続されており、この励振電極29
ｂ、30ａは引出し電極39によって固定部材25の裏面に延
出されている。

【００４１】また、引出し電極37、39はワイヤボンディ
ング40ａ、40ｂを介して電極41に接続されており、この
電極41は回し電極42を介して電極43に接続され、この電
極41はワイヤボンディング45を介して交流電源44に接続
されている。また、引出し電極36、38はワイヤボンディ
ング46を介して接続されており、引出し電極38はワイヤ
ボンディング47を介して交流電源44に接続されている。

【００４２】また、第１分岐軸22ａの表面にはコリオリ
検出用の電極48ａ、48ｂ（第１コリオリ検出電極）が蒸
着等によって形成されており、この電極48ａ、48ｂはＸ
軸方向に離隔している。また、第２分岐軸23ａの表面に
はコリオリ検出用の電極49ａ、49ｂ（第２コリオリ検出
電極）が蒸着等によって形成されており、この電極49
ａ、49ｂはＸ軸方向に離隔している。また、各電極48
ａ、48ｂ、49ａ、49ｂはそれぞれ引出し電極50ａ、50
ｂ、51ａ、51ｂによって固定部材25に導出されており、
これら引出し電極50ａ、50ｂ、51ａ、51ｂは共通電極52
によって接続されている。

【００４３】また、第１分岐軸22ａの裏面にはコリオリ
検出用の電極（第１コリオリ検出電極）53ａ、53ｂが蒸
着等によって形成されており、この電極53ａ、53ｂはＸ
軸方向に離隔している。また、第２分岐軸23ａの裏面に
はコリオリ検出用の電極（第２コリオリ検出電極）54
ａ、54ｂが蒸着等によって形成されており、この電極54
ａ、54ｂはＸ軸方向に離隔している。また、各電極53
ａ、53ｂ、54ａ、54ｂはそれぞれ引出し電極55ａ、55
ｂ、56ａ、56ｂによって固定部材25に導出されており、
これら引出し電極55ａ、55ｂ、56ａ、56ｂは共通電極57
によって接続され、この共通電極57は回し電極58によっ
て共通電極52に接続されている。

【００４４】一方、第１分岐部22ａの一側面にはアース
電極を構成する電極（第１コリオリ検出電極）59ａが蒸
着等によって形成されているとともに第２分岐部23ａの
一側面にはアース電極を構成する電極（第２コリオリ検
出電極）60ａが蒸着等によって形成されており、これら
電極59ａ、60ａは引出し電極61ａ、61ｂによって固定部
材25に導出されている。

【００４５】また、第１分岐部22ａの他側面にはアース
電極を構成する電極（第１コリオリ検出電極）59ｂが蒸
着等によって形成されているとともに第２分岐部23ａの
他側面にはアース電極を構成する電極（第２コリオリ検
出電極）60ｂが蒸着等によって形成されており、これら
電極59b、60ｂは中央振動軸24の側面に形成された回し
電極63によって接続されている。この回し電極63は中央
振動軸24の中央部に形成された引出し電極64ａを介して
固定部材25に形成された引出し電極64ｂに導出されてお
り、この引出し電極64ｂはワイヤボンディング65ａ、65
ｂによって引出し電極61ａ、61ｂに接続されているとと
もにワイヤボンディング66を介して図示しないコリオリ
検出用のアンプ、差圧回路等を備えた回路基板に接続さ
れている。また、共通電極52もワイヤボンディング67を
介して上述したコリオリ検出用のアンプ、差圧回路等を
備えた回路基板に接続されている。

【００４６】次に、作用を説明する。

【００４７】まず、外側振動柱22、23が励振するメカニ
ズムを図１、図３、図５（ａ）に基づいて説明する。

【００４８】交流電源44から正負の電圧を各電極28ａ、
28ｂ、29ａ、29ｂ、30ａ、30ｂ、31ａ、31ｂに交互に印
加するのであるが、交流電源44から図１に示すような極
性の電圧、すなわち、電極28ａ、31ｂ、29ａ、30ｂに正
極を電圧を印加するとともに電極28ｂ、31ａ、29ｂ、30
ａに負極の電圧を印加すると、この交流電源44からの電
圧はワイヤボンディング45、電極43、引回し電極42、電
極41、ワイヤボンディング40ｂを介して引出し電極37に
印加され、さらにワイヤボンディング40ａを介して引出
し電極39に印加されることにより、引出し電極37、39か
ら電極31ａ、28ｂおよび電極30ａ、29ｂに印加されると
ともに、交流電源44からワイヤボンディング47を介して
引出し電極38に印加されるとともにワイヤボンディング
46を介して引出し電極36に印加されることにより、電極
29ａ、30ｂおよび電極28ａ、31ｂに印加される。

【００４９】このとき、図３に矢印71、72で示すような
方向の電界が発生するため、第１張り出し軸22ｃおよび
第２張り出し軸23ｃのＸ軸方向の73ｂおよび74ａで示す
部分に伸びが発生し、第１張り出し軸22ｃおよび第２張
り出し軸23ｃのＸ軸方向の73ａおよび74ｂで示す部分に
縮みが発生する。

【００５０】このため、図５（ａ）で示すように第１張
り出し軸22ｃおよび第２張り出し軸23ｃが実線で示す位
置から破線で示す方向ｂに変形する。次いで、交流電源
44から電極28ａ、31ｂ、29ａ、30ｂに負極を電圧を印加
するとともに電極28ｂ、31ａ、29ｂ、30ａに正極の電圧
を印加すると、図３に矢印71、72で示すような方向と反
対方向の電界が発生するため、第１張り出し軸22ｃおよ
び第２張り出し軸23ｃのＸ軸方向の73ｂおよび74ａで示
す部分に縮みが発生し、第１張り出し軸22ｃおよび第２
張り出し軸23ｃのＸ軸方向の73ａおよび74ｂで示す部分
に伸びが発生する。

【００５１】このため、図５（ａ）で示すように第１張
り出し軸22ｃおよび第２張り出し軸23ｃが破線で示す方
向と反対方向に変形する。すなわち、交流電源44から印
加する電圧の極性を変えることによって第１張り出し軸
22ｃおよび第２張り出し軸23ｃが図５（ａ）中、矢印76
ａ、76ｂで示すようにＺ軸方向（第１張り出し軸22ｃお
よび第２張り出し軸23ｃの面垂直方向）に屈曲変形し、
この変形はＸ軸を回転軸とする捩りモーメントとなり、
第１張り出し軸22ｃと第２張り出し軸23ｃとでは捩り方
向が逆方向となるモーメントＭ1、Ｍ2が発生する。この
ため、第１張り出し軸22ｃおよび第２張り出し軸23ｃの
変位の方向は常に同一方向で正負方向の捩れ振動が繰返
され、外側振動柱22、23は常に反対方向に捩り変形を繰
返すことになる。

【００５２】次に、コリオリ力の検出メカニズムを図
４、図５（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。

【００５３】上述した励振を行なっている振動子ユニッ
ト26に対して、Ｙ軸と平行な軸77を回転軸とする角速度
Ωが加わると、ある瞬間ではコリオリ力が図５（ｂ）に
示すＺ方向と平行する軸78を回転軸とするモーメントＭ
3を発生させるように作用するため、第１、２分岐軸22
ａ、23ａがそれぞれ矢印79ａ、79ｂに示す方向に撓み、
結果として第１、２分岐軸22ａ、22ｂに対しＹ軸方向に
矢印80ａで示す伸び、矢印80ｂで示す縮みを発生する。

【００５４】このため、図４に示すように第１、２分岐
軸22ａ、23ａの一側面側（81ａで示す）が縮むとともに
第１分岐軸22ａ、23ａの他側面側（81ｂで示す）が伸び
るため、第１、２分岐軸22、23に対して82ａ、82ｂで示
す電界が発生し、これが電極48ａ、54ａおよび49ａ、53
ａから矢印83ａで示す方向の発生電界となるととにも
に、電極48ｂ、54ｂおよび49ｂ、53ｂから矢印84ｂで示
す発生電圧となる。

【００５５】そして、この発生電圧を引出し電極64ｂか
らワイヤボンディング66を介して取り出すとともに引出
し電極52からワイヤボンディング67を介して取り出す。

【００５６】また、次の瞬間には、図５（ｃ）に示すよ
うに第１、２分岐軸22ａ、23ａがそれぞれ矢印79ａ、79
ｂと反対方向に撓み、結果として第１、２分岐軸22ａ、
22ｂに対しＹ軸方向に矢印81ａで示す縮み、矢印81ｂで
示す伸びを発生し、検出電圧が逆になる。

【００５７】このように、第１、２分岐軸22ａ、23ａの
Ｘ軸方向の伸縮をＸ軸方向の交流電圧の電界差として検
出することにより、コリオリ力を検出することができ
る。

【００５８】また、外側振動柱22、23が中央振動柱24に
対して図５（ｂ）（ｃ）に示すように近接、離隔する振
動を繰返すことにより、中央振動柱24がバランサとして
作用して外側振動柱22、23が中央振動柱24と共に音叉励
振を行なうため、外側振動柱24が効率良く励振する。

【００５９】また、励振時に外側振動柱23に着目する
と、図６に示すように第２張り出し軸23ｃの91ａで示す
部分に伸びが発生するとともに91ｂで示す部分に縮みが
発生するため、発生電界は矢印92ａ、92ｂで示す方向に
なり、電極49ａ、49ｂ、53ａ、53ｂおよび60ａ、60ｂに
かかる電界としては、86ａ〜86ｄとなり、出力検出端子
93ａ、93ｂに発生する電圧はゼロとなって励振に起因す
る振動のノイズ成分が検出出力に混入するのを防止する
ことができ、検出精度の向上を図ることができる。

【００６０】このように本実施形態では、従来のように
励振用の振動柱とコリオリ検出用の振動柱を同一の振動
柱として使用せず、励振に関しては、外側振動柱22、23
の第１、２張り出し軸22ｃ、23ｃの屈曲振動（外側振動
柱22、23自体は捩り振動となる）を利用し、コリオリ力
の検出に関しては、外側振動柱22、23の基部に設けられ
た第１、２分岐軸22ａ、23ａで検出するようにしたた
め、外側振動柱22、23の励振時に第１、２張り出し軸22
ｃ、23ｃが質量体（マス）となって励振時の振幅を拡大
することができ、角速度の発生時に高精度に角速度を検
出することができる上に、コリオリ力を変形量の大きい
外側振動柱22、23の基部に設けられた第１、２分岐軸22
ａ、23ａの面内歪みを電圧として検出することで、角速
度の検出精度を向上させることができる。

【００６１】また、外側振動柱22、23およびこの外側振
動柱22、23の間に設けられた中央振動柱24の３脚音叉振
動子構造とすることにより、外側振動柱22、23の加工寸
法精度がばらついた場合であっても、中央振動柱24が外
側振動柱22、23との間で音叉として作用するため、音叉
効果が低下するのを防止して角速度の検出感度が低下し
てしまうのを防止することができる。

【００６２】さらに、第１、２分岐軸22ａ、23ａの面内
歪みを電圧として検出することで角速度を検出している
ため、３脚音叉振動子21を固定する固定部材25に大きな
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。

【００６３】また、本実施形態では、中央振動柱24、第
１振動軸22ｂおよび第２振動軸23ｂの延在方向軸Ｘを電
気軸とし、この電気軸Ｘと直交する軸Ｙを機械軸とし、
このＸ軸およびＹ軸と直交する中央振動柱24、第１振動
軸22ｂおよび第２振動軸23ｂの面垂直方向をＺ軸とした
ため、角速度を機械軸であるＹ軸方向の第１、２分岐軸
22ａ、23ａの伸縮で検出することができる。このため、
角速度の検出感度を向上させることができるとともに、
励振時の捩れをＸ軸回りに、角速度印加時の回転軸をＹ
軸回りに、さらにコリオリ力の検出モーメントをＺ軸回
りにすることができる。

【００６４】すなわち、各振動成分をＸ、Ｙ、Ｚ方向に
分散させることができるため、励振時の第１、２張り出
し軸22ｃ、23ｃの屈曲振動による検出軸（分岐軸）の振
動方向をＺ軸方向にして検出出力を不感の方向にするこ
とができる。この結果、励振振動が検出出力ノイズ成分
となって混入するのを防止することができ、検出感度を
向上させることができる。

【００６５】また、本実施形態では、第１張り出し軸22
ｃおよび第２張り出し軸23ｃが逆方向に捩れ振動するよ
うに電極28ａ、28ｂ、29ａ、29ｂ、30ａ、30ｂ、31ａ、
31ｂを配設するとともに、第１分岐軸22ａおよび第２分
岐軸23ａと平行な軸77回りに角速度が加わったときに、
中央振動柱24と外側振動柱22、23が音叉振動を行なう構
成にしたため、励振振幅を大きくして発生するコリオリ
力も大きくすることができる。これに加えて、コリオリ
発生時の第１、２分岐軸22ａ、23ａの内面振動も逆方向
にすることができ、外側振動柱22、23と中央振動柱24の
間で角速度の検出を音叉振動にして、角速度の検出精度
を向上させることができる。

【００６６】また、本実施形態では、コリオリ検出用の
電極48ａ、48ｂ、49ａ、49ｂ、53ａ、53ｂ、54ａ、54
ｂ、59ａ、59ｂを発生歪の大きい第１分岐軸22および第
２分岐軸23のＸ方向に離隔して配設し、第１分岐軸22お
よび第２分岐軸23の伸縮をＸ軸方向の電界差で検出する
ようにしたため、角速度を高精度に検出することができ
る。

【００６７】また、励振用の電極28ａ、28ｂ、29ａ、29
ｂ、30ａ、30ｂ、31ａ、31ｂおよびコリオリ検出の電極
48ａ等を固定部材25に導出する引出し電極36〜39、50
ａ、50ｂ、51ａ、51ｂ、55ａ、55ｂ、56ａ、56ｂ、61
ａ、61ｂ、62ａ、62ｂを設けたため、固定部材25に設け
られた引出し電極36等を回路基板に接続することがで
き、コリオリ検出用の電極48ａ等および励振用の電極28
ａ等の接続の信頼性および感度の向上を図ることができ
る。

【００６８】また、本実施形態では、中央振動柱24の延
在方向長さを砥石、砥粒またはレーザ等を用いて外側振
動柱22、23よりも短くする、若しくは中央振動柱24の稜
部の一部を砥石、砥粒またはレーザ等を用いて除去する
ようにしても良い。このようにすれば、第１張り出し軸
22ｃおよび第２張り出し軸23ｃの捩れ振動時の共振周波
数と、コリオリ発生時の第１分岐軸22ａおよび第２分岐
軸23ａの共振周波数を略一致させることができ、角速度
の検出感度を向上させることができる。

【００６９】また、本実施形態では、第１張り出し軸22
ｃおよび第２張り出し軸23ｃをＹ軸方向外方に突出させ
ているが、これに限らず、図７に示すように第１張り出
し軸95ｃおよび第２張り出し軸96ｃをＹ軸方向内方に突
出させるようにしても同様の効果を得ることができる。
なお、動作に関しては、第１張り出し軸22ｃおよび第２
張り出し軸23ｃをＹ軸方向外方に突出させたものと同様
であるため、説明を省略する。

【００７０】

【発明の効果】本発明によれば、従来のように励振用の
振動柱とコリオリ検出用の振動柱を同一の振動柱として
使用せず、励振に関しては、外側振動柱の第１、２張り
出し軸の屈曲振動（外側振動柱自体は捩り振動となる）
を利用し、コリオリ力の検出に関しては、外側振動柱の
基部に設けられた第１、２分岐軸で検出するようにして
いる。

【００７１】このため、外側振動柱の励振時に第１、２
張り出し軸が質量体（マス）となって励振時の振幅を拡
大することができ、角速度の発生時に高精度に角速度の
検出することができる上に、コリオリ力を変形量の大き
い外側振動柱の基部に設けられた第１、２分岐軸の面内
歪みを電圧として検出することで、角速度の検出精度を
向上させることができる。

【００７２】また、外側振動柱およびこの外側振動柱の
間に設けられた中央振動柱の３脚音叉振動子構造とする
ことにより、外側振動柱の加工寸法精度がばらついた場
合であっても、中央振動柱が外側振動柱との間で音叉と
して作用するため、音叉効果が低下するのを防止して角
速度の検出感度が低下してしまうのを防止することがで
きる。

【００７３】さらに、外側振動柱の基部に設けられた第
１、２分岐軸の面内歪みを電圧として検出することで角
速度を検出しているため、３脚音叉振動子を固定する固
定部材に大きな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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る角速度センサの一実施形態を示す
図であり、その振動子ユニットの表面を示す斜視図であ
る。

【図２】一実施形態の振動子ユニットの裏面を示す斜視
図である。

【図３】（ａ）は一実施形態の第１、２張り出し部の図
１におけるＡ−Ａ方向断面図およびＢ−Ｂ方向断面図を
示す図である。

【図４】一実施形態の（ｂ）は第１、２分岐軸の図１に
おけるＣ−Ｃ方向断面図およびＤ−Ｄ方向断面図を示す
図である。

【図５】（ａ）は一実施形態の振動子ユニットが励振し
た状態を示す図、（ｂ）は角速度が発生したときに振動
子ユニットがＹ軸方向外方に振動する状態を示す図、
（ｃ）は角速度が発生したときに振動子ユニットがＹ軸
方向内方に振動する状態を示す図である。

【図６】外側振動柱の励振時の発生電界を示す図であ
る。

【図７】（ａ）は田の形状の第１、２張り出し軸がＹ軸
方向内方に突出した態様を示す図、（ｂ）は同図（ａ）
の振動子ユニットに角速度が発生したときに振動子ユニ
ットがＹ軸方向外方に励振する状態を示す図である。

【図８】（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９】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、23 外側振動柱 22ａ 第１分岐軸 23ａ 第２分岐軸 22ｂ 第１振動軸 23ｂ 第２振動軸 22ｃ 第１張り出し軸 23ｃ 第２張り出し軸 24 中央振動軸 25 固定部材 26 振動子ユニット 27 くびれ部 28ａ、28ｂ、31ａ、31ｂ 励振電極（第１励振電極） 29ａ、29ｂ、30ａ、30ｂ 励振電極（第２励振電極） 36、37、38、39、50ａ、50ｂ、51ａ、51ｂ、55ａ、55
ｂ、56ａ、56ｂ、61ａ、61ｂ、62ａ、62ｂ 引出し電
極 48ａ、48ｂ、53ａ、53ｂ 電極（第１コリオリ検出電
極） 49ａ、49ｂ、54ａ、54ｂ 電極（第２コリオリ検出電
極） 59ａ、59ｂ 電極（第１コリオリ検出電極） 60ａ、60ｂ 電極（第２コリオリ検出電極）

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 BB04 CC01 CD02 CD06 CD13

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３本の振動柱から構成される角速度検出
   用の３脚音叉振動子を備えた角速度センサであって、 前記振動柱のうちの両端に位置する２本の外側振動柱
   は、くびれ部を介して固定部材に連結された第１分岐軸
   および第２分岐軸と、その第１、２分岐軸と直交する方
   向に延在する第１振動軸および第２振動軸と、その第
   １、２振動軸に対して直交する方向に延在する第１張り
   出し軸および第２張り出し軸とからなり、 前記振動柱のうちの中央に位置する振動柱は、前記外側
   振動柱の第１振動軸および第２振動軸と平行に延在する
   中央振動柱からなり、 前記第１張り出し軸および第２張り出し軸のそれぞれに
   第１励振電極および第２励振電極を設けることにより、
   前記一対の外側振動柱を前記第１振動軸および第２振動
   軸の面方向と直交する方向に捩れ振動させるとともに、 前記第１分岐軸および第２分岐軸に第１コリオリ検出電
   極および第２コリオリ検出電極を設けることにより、前
   記第１分岐軸および第２分岐軸と平行な軸回りに角速度
   が加わったときに、前記第１分岐軸および第２分岐軸に
   発生する前記捩れ方向と直交する方向のコリオリ力を前
   記第１分岐軸および第２分岐軸の面内歪みとして検出す
   ることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記中央振動柱、第１振動軸および第２
   振動軸の延在方向軸Ｘを電気軸とし、この電気軸Ｘと直
   交する軸Ｙを機械軸とし、このＸ軸およびＹ軸と直交す
   る前記中央振動柱、第１振動軸および第２振動軸の面垂
   直方向をＺ軸とし、単結晶一体構成としたことを特徴と
   する請求項１記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記第１張り出し軸および第２張り出し
   軸が逆方向に捩れ振動するように前記第１励振電極およ
   び第２励振電極を配設するとともに、前記第１分岐軸お
   よび第２分岐軸と平行な軸回りに角速度が加わったとき
   に、前記外側振動柱が音叉振動を行なうことを特徴とす
   る請求項１または２記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】 前記中央振動柱の延在方向長さを前記外
   側振動柱に対して短くする、若しくは前記中央振動柱の
   稜部の一部を除去す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】 前記コリオリ検出電極を前記第１分岐軸
   および第２分岐軸のＸ方向に離隔して配設することによ
   り、前記第１分岐軸および第２分岐軸の伸縮をＸ軸方向
   の電界差で検出するように構成するとともに、前記第
   １、２コリオリ検出電極および第１、２励振電極を前記
   固定部材に導出する引出し電極を設けたことを特徴とす
   る請求項１〜４何れかに記載の角速度センサ。