JP2001235330A

JP2001235330A - 角速度検出装置

Info

Publication number: JP2001235330A
Application number: JP2000044686A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Funasaka; 司舩坂; Fumitaka Kitamura; 文孝北村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電振動子に腕部の電極パターンを最適化す
ることによって、検出した角速度の精度を向上させるこ
とができる角速度検出装置を提供すること。【解決手段】ほぼ同一形状に形成された複数の腕部２
２、２３を有する圧電振動子２０を用いた角速度検出装
置１０において、圧電振動子２０は、腕部２２、２３が
対向する第１の面２２ａ、２３ａに形成された第１の電
極２５と、第１の面２２ａ、２３ａと対向する第２の面
２２ｂ、２３ｂに形成されてなる第２の電極２４と、第
１の面２２ａ、２３ａ及び第２の面２２ｂ、２３ｂにほ
ぼ垂直な面に形成された第３の電極２６と、を有してお
り、第１の電極２５、第２の電極２４及び第３の電極２
６は、腕部２２、２３の長手方向と複数の腕部２２、２
３の配列方向により形成された平面に対してそれぞれほ
ぼ対称に形成されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度検出装置の
改良、特に、角速度検出装置における圧電振動子の電極
配置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の角速度検出装置（２脚ジャ
イロ又は角速度センサ）の一例を示す模式図であり、図
４を参照して角速度検出装置１について説明する。

【０００３】図４の角速度検出装置１はベース基板１ａ
に圧電振動子２が取り付けられた構造を有しており、圧
電振動子２は基部３、２つの腕部４、５、駆動電極６
Ａ、６Ｂ、グランド電極７Ａ、７Ｂ、検出電極８等を有
している。

【０００４】図５は図４における腕部のＡ−Ａ断面を示
す断面図であり、図５を参照して腕部４、５の電極構造
について説明する。腕部４は振動を検出するためのもの
であって、グランド電極７Ａ及び検出電極８が形成され
ている。検出電極８は腕部４の第３の面４ｃに形成され
ており、図４における基部３の外部電極に接続されてい
る。図５のグランド電極７Ａは、腕部４における第１の
面４ａ、第２の面４ｂ及び第４の面４ｄにわたって形成
されている。

【０００５】腕部５は、駆動電源によって腕部４、５を
振動させるものであって、駆動電極６Ａ、６Ｂ及びグラ
ンド電極７Ｂが形成されている。駆動電極６Ａは腕部５
における第３の面５ｃの一部に形成されていて、駆動電
極６Ｂは第４の面５ｄの一部に形成されている。グラン
ド電極７Ｂは第１の面５ａから第３の面５ｃ及び第４の
面５ｄの一部にかけて形成されている。また、グランド
電極７Ｂは腕部４のグランド電極７Ａと電気的に接続さ
れている。

【０００６】次に、図４と図５を参照して従来の角速度
検出装置の動作例について説明する。まず、図４の駆動
電極６Ａ、６Ｂに駆動電圧が供給されると、圧電効果に
より腕部５が矢印α方向に振動する。この振動は腕部５
から基部３を介して腕部４に伝達される。そして、圧電
振動子２が軸ＣＬを中心に矢印θ方向に回転すると、腕
部４、５にコリオリ力が矢印γ方向に生じる。そして、
コリオリ力により検出電極８とグランド電極７Ａの間に
生じる起電力を検出電圧として出力することにより、圧
電振動子２の角速度を検出する。すなわち、検出電圧の
大きさによってコリオリ力の大きさが検出され、コリオ
リ力の大きさにより角速度が検出される。

【０００７】図４に示す角速度検出装置１においては、
腕部５が振動して腕部４がコリオリ力による角速度を検
出する構造を有している。このように一方の腕部５のみ
で駆動した場合、検出側の腕部４にノイズが乗りにくい
という利点を有している。しかし、腕部４は腕部５の振
動を拾って振動するため、腕部４の振動の立ち上がり時
間が腕部５の立ち上がり時間に比べて遅くなってしま
う。また、腕部４と腕部５の電極パターンが異なるた
め、腕部４、５の共振周波数が圧電効果により若干異な
ってしまう。具体的には、電界を印加された腕部５は見
かけ上柔らかくなり、腕部４の共振周波数よりも低くな
る。従って、腕部４によって検出された角速度に誤差が
生じやすいという問題がある。

【０００８】そこで、圧電振動子の２つの腕部にそれぞ
れ駆動電極と検出電極が形成された角速度検出装置が提
案されている。図６は角速度検出装置における圧電振動
子の別の一例を示す断面図であり、図６を参照して圧電
振動子２００について説明する。

【０００９】図６の圧電振動子２００の腕部２０１、２
０２にはそれぞれ駆動電極２１０と検出電極２２０が形
成されている。駆動電極２１０は、腕部２０１、２０２
の第１の面２０１ａ、２０２ａ及び第２の面２０１ｂ、
２０２ｂにそれぞれ形成されている。一方、検出電極２
２０は、腕部２０１、２０２の第３の面２０１ｃ、２０
２ｃ及び第４の面２０１ｄ、２０２ｄにそれぞれ２つず
つ形成されている。

【００１０】図６の圧電振動子２００において、駆動電
極２１０に駆動電圧が印加されて腕部２０１、２０２が
矢印α方向に振動する。そして、圧電振動子２００が矢
印θ方向に回転すると、コリオリ力によって腕部２０
１、２０２が矢印γ方向に振動する。コリオリ力の振動
により発生する起電力が検出電極２２０から検出されて
角速度の検出が行われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図６の圧電振動子２０
０において、腕部２０１、２０２にそれぞれ駆動電極２
１０と検出電極２２０を形成することによって、腕部２
０１、２０２の双方で駆動及び検出を行うこととなる。
これにより、駆動振動及び検出振動が安定して立ち上が
り時間も早くすることができる。

【００１２】しかし、圧電振動子２００において、駆動
電極２１０と検出電極２２０は近接した構造を有してい
る。従って、角速度検出装置の小型化の要請に伴い圧電
振動子２００を小さくした場合、駆動電極２１０と検出
電極２２０の間で電界が漏れてしまうという問題があ
る。具体的には、圧電振動子２００が小さくなると腕部
２０１、２０２に形成された駆動電極２１０及び検出電
極２２０の間隔も小さくなる。そして、駆動電極２１０
から出力される電界が検出電極２２０に影響を及ぼして
しまい、検出電極２２０から検出される検出電圧にノイ
ズが含まれてしまうという問題がある。

【００１３】そこで本発明は上記課題を解消し、圧電振
動子の腕部に形成された電極配置の最適化を図ることに
よって、検出される角速度の精度を向上させることがで
きる角速度検出装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ほぼ
同一形状に形成された複数の腕部を有する圧電振動子
と、前記圧電振動子を保持するためのベースと、前記ベ
ースに取り付けられており、前記圧電振動子と電気的に
接続されているリードとを有する角速度検出装置におい
て、前記圧電振動子は、前記腕部が対向する第１の面に
形成されてなる第１の電極と、前記腕部における前記第
１の面と対向する第２の面に形成されてなる第２の電極
と、前記第１の面及び前記第２の面にほぼ垂直な面に形
成されている第３の電極とを有しており、前記第１の電
極、前記第２の電極及び前記第３の電極は、前記腕部の
長手方向と複数の前記腕部の配列方向により形成された
平面に対してほぼ対称に形成されてなる角速度検出装置
を特徴とする。

【００１５】請求項１の構成によれば、第１の面に第１
の電極が形成されており、第１の面に対向する第２の面
に第２の電極が形成されている。そして、第１の面及び
第２の面にほぼ垂直な面に第３の電極が形成されてい
る。そして、腕部を振動させる際には、第２の電極と第
３の電極に駆動電源を供給することにより行われ、角速
度を検出する際には、第１の電極と第３の電極に生じる
起電力を検出することにより行われる。このように、振
動側と検出側の電極の組み合わせを独立させることによ
り、第１の電極に対する第２の電極からの電界の漏れを
低減させ、感度の向上を図ることができる。

【００１６】また、第１の電極、第２の電極及び第３の
電極は、腕部の長手方向と複数の腕部の配列方向により
形成される面に対してほぼ対称になるように形成されて
いる。これにより、腕部の厚さ方向に対する振動が安定
して第１の電極と第３の電極で検出する起電力にばらつ
きが生じなくなり、角速度の高精度な検出が可能とな
る。

【００１７】請求項２の発明は、請求項１の構成におい
て、前記第１の電極は検出電極であって、前記第２の電
極は前記腕部を振動させるための駆動電極であって、前
記第３の電極はグランド電極である角速度検出装置を特
徴とする。

【００１８】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
のいずれかの構成において、前記第１の電極は複数形成
されていて、前記複数の第１の電極のうち少なくとも一
部は、前記第１の面とほぼ直交する面にわたって形成さ
れてなる角速度検出装置を特徴とする。

【００１９】請求項３の構成によれば、第１の電極は腕
部に対して複数形成されており、そのうち少なくとも１
つは、第１の面からそれに直交する面にわたって形成さ
れている。第１の電極を複数形成することにより、第１
の電極によって検出される信号の不要部分をキャンセル
することができる。また、第１の電極を複数の面にわた
って形成させることで、第１の電極が検出する信号の感
度を向上させることができる。

【００２０】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
のいずれかの構成において、前記第２の電極は、前記第
２の面とほぼ直交する面にわたって形成されてなる角速
度検出装置を特徴とする。

【００２１】請求項４の構成によれば、第２の電極は第
２の面からこれにほぼ直交する面にわたって形成されて
いる。これにより、第２の電極から発生する電界が漏れ
にくくなり、感度の向上を図ることができる。

【００２２】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
のいずれかの構成において、前記腕部における幅と厚さ
は、ほぼ等しくなるように形成されてなる角速度検出装
置を特徴とする。

【００２３】請求項５の構成によれば、腕部の幅と厚さ
は、ほぼ等しくなるように形成されているので、腕部の
幅方向の振動と厚さ方向の振動における共振周波数がほ
ぼ一致することになる。これにより、駆動側と検出側の
周波数が結合し、感度の良い角速度検出装置を提供する
ことができる。

【００２４】請求項６の発明は、前記圧電振動子の材料
は水晶の回転Ｚ板からなる角速度検出装置を特徴とす
る。

【００２５】請求項６の構成によれば、圧電振動子は水
晶からなっているので、温度特性が向上するとともに、
エッチング等の行程を容易に行うことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。

【００２７】図１は本発明の角速度検出装置の好ましい
実施の形態を示す概略斜視図であり、図１を参照して角
速度検出装置１０について説明する。図１の角速度検出
装置１０は、筐体１１、ベース１２、リード１３、圧電
振動子２０等を有している。圧電振動子２０は筐体１１
内に配置されており、ベース１２により保持されてい
る。また圧電振動子２０は、筐体１１とベース１２によ
り真空封止されている。圧電振動子２０にはリード１３
が電気的に接続されていて、リード１３は後述する駆動
電極２４に駆動電圧を供給するとともに、検出電極２５
により検出された検出電圧を外部に出力するものであ
る。

【００２８】図２は本発明の角速度検出装置における圧
電振動子の好ましい実施の形態を示す平面図であり、図
２を参照して圧電振動子２０について説明する。なお、
図２（Ａ）は、圧電振動子２０における第３の面２０ｃ
の平面図であり、図２（Ｂ）は圧電振動子２０における
第４の面２０ｄの平面図である。

【００２９】図２の圧電振動子２０は、基部２１、２つ
の腕部２２、２３、第２の電極である駆動電極２４、第
１の電極である検出電極２５、第３の電極であるグラン
ド電極２６等から構成されている。この圧電振動子２０
は、たとえば水晶の回転Ｚ板からなっていて、分極方向
は矢印Ｘ方向になるように形成されている。圧電振動子
２０の材料として水晶を用いることによって、圧電振動
子２０の温度特性を向上させるとともに、エッチングや
機械加工等の形状加工を容易に行うことができる。

【００３０】基部２１には同一の形状を有する２つの腕
部２２、２３が形成されており、図３の腕部２２、２３
の幅Ｗと厚さＤはほぼ同一になるように形成されている
（Ｗ＝Ｄ）。すなわち、腕部２２、２３の断面形状はほ
ぼ正方形状になっている。これにより、矢印Ｘ方向（腕
部２２、２３の配列方向）に振動する際の共振周波数
（駆動振動）とＹ方向に振動する際の共振周波数（検出
振動）をほぼ同一にすることができる。このため、駆動
側と検出側の周波数が結合して、感度の向上を図ること
ができる。

【００３１】基部２１から腕部２２、２３の長手方向
（矢印Ｚ方向）に向かって、駆動電極２４、検出電極２
５、グランド電極２６が形成されている。また、基部２
１には貫通穴３１、リード線を取り出すための電極パッ
ド３２、３３、３４、３５が形成されている。電極パッ
ド３２、３３は、駆動電極２４とそれぞれ電気的に接続
されているとともに、発振回路４０と接続されている。
一方、電極パッド３４、３５は検出電極２５とそれぞれ
電気的に接続されているとともに、検出回路４１と接続
されている。

【００３２】図３は図２の圧電振動子２０におけるＡ−
Ａ断面を示す断面図であり、図２と図３を参照して駆動
電極２４について説明する。図２の駆動電極２４は第２
の面２２ｂ、２３ｂから第３の面２２ｃ、２３ｃ及び第
４の面２２ｄ、２３ｄの一部にかけて形成されている。
駆動電極２４はグランド電極２６との間に電界を発生さ
せることにより、圧電効果を利用して腕部２２、２３を
矢印Ｘ方向に振動させるものである。このとき、駆動電
極２４が３つの面２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ（２３ｂ、２
３ｃ、２３ｄ）にかけて形成するようにすることによっ
て、第２の面２２ｂ、２３ｂから発生した電界を第３の
面２２ｃ、２３ｃ及び第４の面２２ｄ、２３ｄに漏らさ
ないようなシールド効果を発揮して、効率よく腕部２
２、２３を振動させることができる。

【００３３】次に、図２と図３を参照して検出電極２５
について説明する。検出電極２５は、コリオリ力により
腕部２２、２３が矢印Ｙ方向に振動したとき、圧電効果
によりに生じる起電力を検出電圧として出力するもので
ある。図３の検出電極２５はたとえば第４電極２５ａ、
第５電極２５ｂからなっていて、第４電極２５ａは腕部
２２、２３が対向する面、すなわちの第１の面２２ａ、
２３ａから第３の面２２ｃ、２３ｃにかけてそれぞれ形
成されている。一方、第５電極２５ｂは腕部２２、２３
が対向する面、すなわち第１の面２２ａ、２３ａから第
４の面２２ｄ、２３ｄにかけてそれぞれ形成されてい
る。

【００３４】これにより、腕部２２、２３が矢印Ｙ方向
に振動したときに生じる起電力を検出する際に、第１の
面２２ａ、２３ａに形成された電極が第１の面２２ａ、
２３ａへの電界の漏れを防止するシールド効果を有する
ようになり、感度の向上を図ることができる。また、検
出電極２５を第４電極２５ａ、第５電極２５ｂの２つの
電極パターンで構成することによって、検出電極２５で
の検出電圧に含まれる不要成分をキャンセルすることが
でき、ノイズの低減を図ることができる。

【００３５】第３の面２２ｃ、２３ｃにはグランド電極
２６が形成されている。グランド電極２６は、駆動電極
２４との間で電界を発生させるものであって、これによ
り腕部２２、２３が音叉振動するようになる。また、グ
ランド電極２６は、検出電極２５との間においてもコリ
オリ力により電界を発生させて、検出電圧を出力させる
ものである。従って、腕部２２、２３を駆動させるため
に構成される電極の組み合わせとと、コリオリ力による
起電力を検出するために構成される電極の組み合わせは
それぞれ独立したものとなる。従って、検出電極２５側
に駆動電極２４からの電界の漏れを低減させて、感度良
く高精度に角速度を検出することができる。

【００３６】さらに、図３の腕部２２、２３のそれぞれ
において、駆動電極２４、検出電極２５、グランド電極
２６及び溝２７は、ＸＺ平面に対してほぼ対称になるよ
うに形成されている。すなわち、腕部２２、２３は、ほ
ぼ上下対称になるように形成されている。これにより、
腕部２２、２３における検出振動（矢印Ｙ方向の振動）
を安定させることができ、高精度な角速度の検出を行う
ことができる。

【００３７】次に、図１乃至図３を参照して角速度検出
装置１０の動作例について詳しく説明する。まず、図３
の駆動電極２４の振動対の共振周波数に近い周波数を供
給すると、圧電効果により腕部２２、２３が音叉振動を
開始する。このとき、腕部２２、２３の振動周波数（共
振周波数）は図２の腕部２２、２３の長さＬ及び幅Ｗに
よって決定する。

【００３８】そして、図１の圧電振動子２０が軸ＣＬを
中心に矢印θ方向に回転すると、矢印Ｙ方向にコリオリ
力が働く。具体的には、たとえば圧電振動子２０の音叉
が開く運動をしている際には、矢印θ１方向の回転が加
えられると、腕部２２は矢印Ｙ１方向にゆがみ、腕部２
３は矢印Ｙ２方向にゆがむ。その後、音叉が閉じる運動
をしている際には、腕部２２、２３はそれぞれ矢印Ｙ２
方向及び矢印Ｙ１方向に戻ろうとする。これにより、腕
部２２、２３は矢印Ｙ方向に振動し始める。この振動に
より発生する検出電圧が検出電極２５から図２の電極パ
ッド３４、３５を介して差動アンプにノイズ成分を除去
され増幅される。その後、増幅された検出信号は検出回
路４１により角速度に換算される。

【００３９】上記実施の形態において、腕部２２、２３
の電極パターンをＸＺ平面に対してほぼ対称に形成する
ことにより、検出電極２５により検出される検出電圧の
ノイズが低減され、検出精度の向上を図ることができ
る。また、２つの腕部２２、２３の双方で駆動し検出す
るため、駆動の立ち上がり時間を短縮することができる
とともに、２つの腕部２２、２３の共振周波数をほぼ同
一にすることができる。さらに、腕部２２、２３を振動
させるための電界の閉ループと角速度を検出するための
電界の閉ループをそれぞれ独立に形成させることによっ
て、駆動電極２４から検出電極２５への電界の漏れを防
止して、高精度な角速度の検出を行うことができる。

【００４０】また、腕部２２、２３の幅Ｗと厚さＤをそ
れぞれほぼ同一の大きさにして、腕部２２、２３の断面
形状をほぼ正方形とすることにより、腕部２２、２３の
駆動電圧による共振周波数と、コリオリ力による共振周
波数をほぼ同一にすることができる。これにより、出力
される検出電圧を最大にして効率よく角速度を検出する
ことができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧電振動子の第１の電極、第２の電極及び第３の電極の
電極パターンを最適化する事によって、第１の電極と第
２の電極の間で生じる電界の漏れを低減して、検出した
角速度の精度を向上させることができる角速度検出装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の角度検出装置の好ましい実施の形態を
示す概略斜視図。

【図２】本発明の角度検出装置における圧電振動子の好
ましい実施の形態を示す平面図。

【図３】図２の圧電振動子においけるＡ−Ａ断面を示す
断面図。

【図４】従来の角速度検出装置の一例を示す模式図。

【図５】図４の角度検出装置における腕部の一例を示す
断面図。

【図６】従来の角速度検出装置の別の一例を示す断面
図。

【符号の説明】

１０・・・角速度検出装置１１・・・筐体１２・・・ベース１３・・・リード２０・・・圧電振動子２１・・・基部２２、２３・・・腕部２２ａ、２３ａ・・・第１の面２２ｂ、２３ｂ・・・第２の面２２ｃ、２３ｃ・・・第３の面２２ｄ、２３ｄ・・・第４の面２４・・・駆動電極（第２の電極）２５・・・検出電極（第１の電極）２６・・・グランド電極（第３の電極）Ｄ・・・腕部の厚さＷ・・・腕部の幅

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼ同一形状に形成された複数の腕部を
有する圧電振動子と、前記圧電振動子を保持するための
ベースと、前記ベースに取り付けられており、前記圧電
振動子と電気的に接続されているリードとを有する角速
度検出装置において、前記圧電振動子は、前記腕部が対向する第１の面に形成されてなる第１の電
極と、前記腕部における前記第１の面と対向する第２の面に形
成されてなる第２の電極と、前記第１の面及び前記第２の面にほぼ垂直な面に形成さ
れている第３の電極と、を有しており、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極
は、前記腕部の長手方向と複数の前記腕部の配列方向に
より形成された平面に対してそれぞれほぼ対称に形成さ
れてなることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】前記第１の電極は検出電極であって、前
記第２の電極は前記腕部を振動させるための駆動電極で
あって、前記第３の電極はグランド電極であることを特
徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
【請求項３】前記第１の電極は複数形成されていて、
前記複数の第１の電極のうち少なくとも一部は、前記第
１の面とほぼ直交する面にわたって形成されてなること
を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の
角速度検出装置。
【請求項４】前記第２の電極は、前記第２の面とほぼ
直交する面にわたって形成されてなることを特徴とする
請求項１から請求項３のいずれかに記載の角速度検出装
置。
【請求項５】前記腕部における幅と厚さは、ほぼ等し
くなるように形成されてなることを特徴とする請求項１
から請求項５のいずれかに記載の角速度検出装置。
【請求項６】前記圧電振動子の材料は水晶の回転Ｚ板
からなる請求項１から請求項５のいずれかに記載の角速
度検出装置。