JP2006267094A

JP2006267094A - 慣性センサ素子

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Publication number: JP2006267094A
Application number: JP2006047906A
Authority: JP
Inventors: Motoyasu Hanji; 元康判治; Ryota Kawai; 良太河合
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: JP5025965B2

Abstract

【課題】従来の慣性センサ素子において、多軸の慣性センサ素子ではその構造が複雑化し、素子を作成することが煩雑になるという問題があった。また１つの慣性体要素を時間的にも直交した２相駆動により円運動させる方式では、圧電振動材料の振動素子に均整な円運動を与えることが困難であり、他軸信号との直交性が乱れ、異なる成分の信号の分離が容易ではない
【解決手段】基部と、この基部より少なくとも直交する２つの空間軸方向に基部を挟んで対称方向に延設された、複数本の角柱状の脚部を有する一対の振動部が形成されており、基部及び各振動部が圧電材料で一体に形成されている慣性センサ素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、船舶、自動車などの姿勢制御や位置検出、カメラの手振れ補正などに用いる慣性センサに関するものである。

慣性センサには様々な種類があるが、組み込むために薄く小型にし、且つ軽量にするという要求を満たすものとして、振動型の角速度センサがある。従来よりある振動型の慣性センサは、四角柱を振動させて回転に伴って働くコリオリの力を検出するものである。

このような従来の慣性センサの一例として、音叉型振動素子を用いたものがある（特許文献１又は２を参照）。また、回転軸に対して交差する面内に延在する複数の支持部と、核支持部の先端に支持された複数の屈曲振動片とを備えた振動素子も提案されている（特許文献３を参照）。特許文献２に開示の振動素子によれば、上記面内の回転速度が検出でき、ジャイロスコープの低背化を可能としている。

一方、検出すべき運動の自由度に多軸化が求められるようになり、直交する２軸または３軸の各成分（角速度）を検出する角速度センサが提案されている。例えば、振動素子により３軸化を図ろうとする場合、角速度の検出原理であるコリオリの力を３軸のすべてについて発生させることになるため、素子は、駆動変位として少なくとも直交する２方向成分を有する必要がある。これを実現する技術として、１つの慣性体要素を直交した２相駆動により円運動させる方式が提案されている（非特許文献１参照）。

上記のような慣性センサ素子については、以下のような先行技術文献情報が開示されている。
特開平８−１２８８３３号公報特開平１０−０４７９７０号公報特開平１１−２８１３７２号公報田村英樹、市村敏也、富川義朗「２相駆動による３軸角速度検出ジャイロセンサ」、超音波ＴＥＣＨＮＯ、２００２．１−２、ｐ．６−１３、（２００２−０１）

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。

以上に説明したように、従来では、複数の振動素子を組み合わせることで、直交する空間軸の内の２軸（例えば２次元のＸ軸及びＹ軸）あるいは３軸（例えば３次元のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸）の各成分を検出するようにしているため、多軸角速度センサの構成が複雑化し、素子を作成することが煩雑になるという問題があった。また１つの慣性体要素を直交した２相駆動により円運動させる方式では、圧電振動材料の板（振動素子）に均整な円運動を与えることが困難であり、他軸信号との直交性が乱れ、異なる成分の信号の分離が容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、簡易に形成可能な形状の慣性センサ素子により、空間軸方向の内２軸以上の方向の角速度が検出できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る慣性センサ素子は、基部と、この基部より少なくとも直交する２つの空間軸方向に基部を挟んで対称方向に延設された、複数本の角柱状の脚部を有する一対の振動部が形成されており、基部及び各振動部が圧電材料で一体に形成されていることを特徴とする慣性センサ素子である。

又、基部と、この基部より少なくとも直交する２つの空間軸方向に該基部を挟んで対称方向に延設された、複数本の角柱状の脚部を有する一対の振動部が形成されており、基部及び各振動部は圧電材料で一体に形成されており、この一対の振動部のうちの一方の振動部を構成する各脚部の表面には、一方の振動部を所望の振動モードで振動するための励振電極が形成され、、又、一対の振動部のうちの他方の振動部を構成する各脚部の表面には、印加される慣性力に因って他方の振動部に起こる振動を検出するための検出電極が形成されていることを特徴とする慣性センサ素子である。

更に、基部と、この基部の一辺より延設された角柱状の第１脚部及び第２脚部を有する第１の音叉振動部と、この第１の音叉振動部に対し基部を挟んで１８０°対向する基部の一辺より延設された角柱状の第３脚部及び第４脚部を有する第２の音叉振動部と、第１の音叉振動部に対し基部を挟んで９０°の位置の基部の一辺より延設された角柱状の第５脚部及び第６脚部とを有する第３の音叉振動部と、この第３の音叉振動部に対し基部を挟んで１８０°対向する基部の一辺より延設された角柱状の第７脚部及び第８脚部を有する第４の音叉振動部から構成され、基部，第１の音叉振動部，第２の音叉振動部，第３の音叉振動部及び第４の音叉振動部が圧電材により一体で形成されていることを特徴とする上記記載の慣性センサ素子でもある。

更に又、第１脚部及び第２脚部に各々設けられた第１の励振電極と、第３脚部及び第４脚部に各々設けられた第１の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で第３脚部及び第４脚部が延在する方向のＹ軸を中心とした慣性センサ素子の回転により起こる第１振動を検出するための第１の検出電極と、第５脚部及び第６脚部に各々設けられた第２の励振電極と、第７脚部及び第８脚部に各々設けられて第２の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で第７脚部及び第８脚部が配設された平面のＸ軸を中心とした慣性センサ素子の回転により起こる第２振動を検出するための第２の検出電極とを備えていることを特徴とする上記記載の慣性センサ素子でもある。

又、上記記載の慣性センサ素子において、第３脚部と第４脚部の間に第９脚部を備えたことを特徴とする慣性センサ素子でもある。

更に、上記記載の慣性センサ素子において、第１脚部に設けられた第３の励振電極と、第２脚部に設けられて第１脚部による屈曲振動が駆動されている状態で第２脚部が延在する方向のＹ軸を中心とした慣性センサ素子の回転により起こる振動を検出するための第３の検出電極と、第３脚部及び第４脚部に各々設けられた第４励振電極と、第９脚部に設けられて第４の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で基部及び第９脚部が配設された平面の法線方向のＺ軸を中心とした慣性センサ素子の回転により起こる振動を検出するための第２の検出電極と、第５脚部及び第６脚部に各々設けられた第５の励振電極と、第７脚部及び第８脚部に各々設けられて第５の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で第７脚部が配設された平面のＸ軸を中心とした該慣性センサ素子の回転により起こる振動を検出するための第４の検出電極とを備えられることを特徴とする慣性センサ素子でもある。

更に又、上記記載の慣性センサ素子において、第１脚部、第２脚部、第５脚部及び第６脚部には脚部長さ方向に延びるＸ軸方向の主面間を貫通する貫通穴を有しており、この貫通穴の穴内の長さ方向の２つの側面には、電気的極性が同極となる電極が各々形成され、且つ貫通穴内の各々の側面と対向するよう形成した各々の脚部外側面の電極が、貫通穴内の各々の側面に形成した電極と電気的極性が異なる電極が形成されていることを特徴とする慣性センサ素子でもある。

又、上記記載の慣性センサ素子において、基部より各々の空間軸方向に延設した各励振電極を形成した各脚部より構成される各一方の振動部と、励振用の振動部と対を成す検出電極を形成した各脚部より構成される検出用の各他方の振動部との間の共振周波数が、各々の空間軸方向に延設した一対の振動部毎に異なることを特徴とする慣性センサ素子でもあり、異なる空間軸を中心とした回転による起こる各々の振動が、より精度よく区別された状態で検出できるようになる。

以上説明したように、本発明の慣性センサ素子により、２軸以上の空間軸方向の角速度が、作成が簡易な形状の一素子で検出できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について各図を参照して説明する。

図１は、本発明おける慣性センサ素子を、慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図２（ａ）は仮想切断線ａ−ａ′，図２（ｂ）は仮想切断線ｂ−ｂ′，図２（ｃ）は仮想切断線ｃ−ｃ′及び図２（ｄ）は仮想切断線ｄ−ｄ′に各々対応している。尚、図面の各図は、説明を明りょうにするため部品又は構成体の一部を図示していない。特に図１，図４及び図６には慣性センサ素子の外観形状を明りょうに図示するため慣性センサ素子表面に形成してある電極を図示していない。又、図面内の各寸法も一部誇張して図示しており、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。

図１に示す慣性センサ素子１００は、構成部材として水晶からなり、基部１０１より一方に延在（図８中のＹｌ方向に延在）して配設された第１脚部１０２及び第２脚部１０３から構成される第１の音叉振動部１１０と、基部１０１を挟んで１１０は反対の方向に基部１０１より延在（図８中のＹ′１方向に延在）して配設された第３脚部１０４及び第４脚部１０５から構成される第２の音叉振動部１１１とを備え、更に慣性センサ素子１００の同一主面内で、１１０及び第２の音叉振動部１１１が設けられた基部１０１の２側面と垂直に交わる２面の一方に、第５脚部１０６（図８中のＹ′３方向に延在）及び第６脚部１０７（図８中のＹ２方向に延在）から構成される第３の音叉振動部１１２を、もう一方の側面に第７脚部１０８（図８中のＹ′２方向に延在）及び第８脚部１０９（図８中のＹ３方向に延在）から構成される第４の音叉振動部１１３から構成されている。各々の脚部は、角柱状に形成されている。また、慣性センサ素子１００は、基部１０１の側面部で外部のパッケージなどに固定（支持）される。また、素子の構成部材としては実施例の水晶に限らず他の圧電材料から慣性センサ素子を構成してもよい。

慣性センサ素子１００は、水晶結晶軸の電気軸、機械軸に対してそれぞれ０°乃至１５°回転し、光軸を法線とする水晶板から切り出すことで形成する。各図中の方位線Ｘ１は、電気軸より所定角度回転した軸であり、方位線Ｙ１は、機械軸より所定角度回転した軸であり、方位線Ｚは光軸とほぼ一致した軸である。

慣性センサ素子１００は水晶から構成されており、水晶は光軸に対して３回対称構造であるので、第５脚部１０６（Ｙ′３方向），第６脚部１０７（Ｙ２方向），第７脚部１０８（Ｙ′２方向）及び第８脚部１０９（Ｙ３方向）は、第１脚部１０２，第２脚部１０３，第３脚部１０４及び第４脚部１０５が延在している方向Ｙ１−Ｙ′１軸から、１２０゜回転した方向（Ｙ２−Ｙ′２）と、−１２０度回転した方向（Ｙ３−Ｙ′３）に延在している。更に第５脚部１０６，第６脚部１０７，第７脚部１０８及び第８脚部１０９の各々の先端部は、Ｘ１軸と平行な方向に更に延長している。

即ち、慣性センサ素子１００において、第５脚部１０６，第６脚部１０７，第７脚部１０８及び第８脚部１０９は、慣性センサ素子１００を形成する圧電材料の結晶軸の対称性に依存しており、厚み方向の軸に対して３回対称の結晶材料の場合であると、第５脚部１０６及び第８脚部１０９は、第１脚部１０２，第２脚部１０３，第３脚部１０４及び第４脚部１０５とは時計廻りに１２０度回転した軸上に延在しており、第６脚部１０７及び第７脚部１０８は、第１脚部１０２，第２脚部１０３，第３脚部１０４及び第４脚部１０５とは反時計廻りに１２０度回転した軸上に延在している。また、慣性センサ素子１００を形成する圧電材料が厚み方向の軸に対して４回対称の結晶材料の場合であると、第５脚部１０６，第６脚部１０７，第７脚部１０８及び第８脚部１０９は、第１脚部１０２，第２脚部１０３，第３脚部１０４及び第４脚部１０５とは垂直となる方向に延在している。

又、第１脚部１０２の延在方向の中心軸と第３脚部１０４の延在方向の中心軸は一致し、第２脚部１０３の延在方向の中心軸と第４脚部１０５の延在方向の中心軸は一致する。このように構成された各脚部において、まず、第１脚部１０２にはＹ軸励振電極１２１，１２２，１２３及び１２４が設けられ、第２脚部１０３にはＹ軸励振電極１３１，１３２，１３３及び１３４が設けられている。また、第３脚部１０４にはＹ軸検出電極１４１，１４２，１４３及び１４４が設けられ、第４脚部１０５にはＹ軸検出電極１５１，１５２，１５３及び１５４が設けられている。加えて、第５脚部１０６にはＸ軸励振電極１６１，１６２，１６３及び１６４が設けられ、第６脚部１０７にはＸ軸励振電極１７１，１７２，１７３及び１７４が設けられている。また、第７脚部１０８にはＸ軸検出電極１８１，１８２，１８３及び１８４が設けられ、第８脚部１０９にはＸ軸検出電極１９１，１９２，１９３及び１９４が設けられている。

第１脚部１０２及び第２脚部１０３において、Ｙ軸の励振電極１２１，１２３，１３２及び１３４は同じ電気的極性（以下、同極という）とし、Ｙ軸励振端子Ｅ１１に接続され、Ｙ軸の励振電極１２２，１２４，１３１及び１３３は同極とし、Ｙ軸励振端子Ｅ１２に接続される。第３脚部１０４及び第４脚部１０５において、Ｙ軸の検出電極１４１，１４４，１５２及び１５３は同極とし、Ｙ軸検出端子Ｅ１３に接続され、Ｙ軸の検出電極１４２，１４３，１５１及び１５４は同極とし、Ｙ軸検出端子Ｅ１４に接続される。第５脚部１０６及び第６脚部１０７において、Ｘ軸の励振電極１６１，１６３，１７１及び１７３は同極とし、Ｘ軸励振端子Ｅ１５に接続され、Ｘ軸の励振電極１６２，１６４，１７２及び１７４は同極とし、Ｘ軸励振端子Ｅ１６に接続される。第７脚部１０８及び第８脚部１０９において、Ｘ軸の検出電極１８１，１８４，１９１及び１９４は同極とし、Ｘ軸検出端子Ｅ１７に接続され、Ｘ軸の検出電極１８２，１８３，１９２及び１９３は同極とし、Ｘ軸検出端子Ｅ１８に接続される。

このような電極構成の慣性センサ素子では、例えば、図３に示すように、Ｙ軸励振端子Ｅ１１及びＹ軸励振端子Ｅ１２は、発振回路３０１に接続し、発振回路３０１により第１脚部１０２及び第２脚部１０３に屈曲振動が駆動される。また、Ｙ軸検出端子Ｅ１３及びＹ軸検出端子Ｅ１４は、差動増幅回路３０２に接続されている。また、発振回路３０１の駆動周波数に基づいた基準位相信号が、位相回路３０３から出力される。

差動増幅回路３０２には、測定すべき角速度に基づいて発生した検出信号が各々入力される。入力された検出信号は、差動増幅回路３０２により増幅されて同期検波回路３０４に出力される。同期検波回路３０４は、位相回路３０３の出力信号を基準とし、差動増幅回路３０２により入力した検出信号を同期検波し、角速度信号として出力する。

図１に示す慣性センサ素子において、Ｙ軸の励振電極１２１，１２２，１２３，１２４，１３１，１３２，１３３及び１３４により第１脚部１０２及び第２脚部１０３に対して励振信号を印加すると、逆圧電効果により、第１脚部１０２及び第２脚部１０３はＸ−Ｙ平面内で屈曲振動（励振）を起こす。ここで、第１脚部１０２及び第２脚部１０３が屈曲振動を起こしても、第３脚部１０４及び第４脚部１０５は屈曲振動を起こさない。このように励振している状態で、Ｙ軸を回転軸とする回転運動のコリオリの力による歪みが図１の慣性センサ素子１００に加わると、第３脚部１０４及び第４脚部１０５はＹ−Ｚ平面内で屈曲振動を起こすようになり、この屈曲振動の歪み（角速度）の大きさに比例した電荷が、Ｙ軸の検出電極１４１，１４２，１４３，１４４，１５１，１５２，１５３及び１５４に発生する（圧電効果）。

従って、Ｙ軸の検出電極１４１，１４２，１４３，１４４，１５１，１５２，１５３及び１５４により検出される電気信号を図３に示すような回路により処理して角速度信号として検出すれば、Ｙ軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能となる。

同様に、Ｘ軸の励振電極１６１，１６２，１６３，１６４，１７１，１７２，１７３及び１７４により、第５脚部１０６及び第６脚部１０７に対して励振信号を印加すると、第５脚部１０６及び第６脚部１０７は、Ｘ−Ｙ平面内で屈曲振動（励振）を起こす。ここで、第５脚部１０６及び第６脚部１０７が屈曲振動を起こしても、第７脚部１０８及び第８脚部１０９は屈曲振動を起こさない。このように励振している状態で、Ｘ軸を回転軸とする回転運動のコリオリの力による歪みが図１の慣性センサ素子１００に加わると、第７脚部１０８及び第８脚部１０９はＸ−Ｚ平面内で屈曲振動を起こすようになり、この屈曲振動の歪み（角速度）の大きさに比例した電荷が、Ｘ軸の検出電極１８１，１８２，１８３，１８４，１９１，１９２，１９３及び１９４に発生する（圧電効果）。

従って、Ｘ軸の検出電極１８１，１８２，１８３，１８４，１９１，１９２，１９３及び１９４により検出される電気信号を図３に示すような回路により処理して角速度信号として検出すれば、Ｘ軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検地することが可能となる。以上に説明したように、図１に示す慣性センサ素子１００によれば、Ｙ軸とＸ軸との２軸の方向の角速度が検出できるようになる。

また、図１に示す慣性センサ素子１００では、第１脚部１０２及び第２脚部１０３の外形寸法と、第３脚部１０４及び第４脚部１０５の外形寸法、又は、第５脚部１０６及び第６脚部１０７の外形寸法と、第７脚部１０８及び第８脚部１０９との外形寸法が各々異なる状態とした。加えて、Ｙ軸の励振電極１２１，１２２，１２３，１２４，１３１，１３２，１３３及び１３４による第１脚部１０２及び第２脚部１０３に印加する励振信号の周波数と、Ｘ軸の励振電極１６１，１６２，１６３，１６４，１７１，１７２，１７３及び１７４による第５脚部１０６及び第６脚部１０７に印加する励振信号の周波数とを異なる状態とした。各脚部に印加する励振信号の周波数Ｆｓは、「Ｆｓ＝ｋ_ｆ×λ^２×（脚部の幅）÷（脚部の長さ）^２」（ｋ_ｆは周波数定数、λは境界条件）の式により決定すればよい。このように、脚部の寸法を異なる状態とし、異なる軸方向に対応する異なる励振電極により異なる周波数の励振信号が励振対象の脚部に印加されることで、各々の軸方向における各該励振電極を形成した各該脚部より構成される励振用音叉脚部と、該励振用音叉脚部と組を成す該各検出電極を形成した各該脚部より構成される検出用音叉脚部との間の共振周波数が、各々の軸方向毎に異なることとなり、異なる軸を中心とした回転により起こる各々の振動が、より精度よく区別された状態で検出できるようになる。

次に、本発明おける慣性センサ素子の他の実態の形態について説明する。図４は、本発明おける慣性センサ素子を慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図５は、図４に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図５（ａ）は仮想切断線ｅ−ｅ′，図２（ｂ）は仮想切断線ｆ−ｆ′，図２（ｃ）は仮想切断線ｇ−ｇ′及び図２（ｄ）は仮想切断線ｈ−ｈ′に各々対応している。図４に示す慣性センサ素子４００は、構成部材として水晶からなり、基部４０１より一方に延在（図８中のＹｌ方向に延在）して配設された第１脚部４０２及び第２脚部４０３から構成される４１１と、基部４０１を挟んで４１１とは反対の方向に基部１０１より延在（図８中のＹ′１方向に延在）して配設された第３脚部４０４及び第４脚部４０５、更に第３脚部４０４と第４脚部との間に第３脚部４０４と第４脚部４０５と平行に延在した第９脚部４０６から構成される第２の音叉振動部４１２とを備え、更に慣性センサ素子４００の同一主面内で、４１１及び第２の音叉振動部４１２が設けられた基部４０１の２側面と垂直に交わる２面の一方に、第５脚部４０７（図８中のＹ′３方向に延在）及び第６脚部４０８（図８中のＹ２方向に延在）から構成される第３の音叉振動部４１３を、もう一方の側面に第７脚部４０９（図８中のＹ′２方向に延在）及び第８脚部４１０（図８中のＹ３方向に延在）から構成される第４の音叉振動部４１４から構成されている。各々の脚部は、角柱状に形成されている。

慣性センサ素子４００は、水晶結晶軸の電気軸、機械軸に対してそれぞれ０°乃至１５°回転し、光軸を法線とする水晶板から切り出すことで形成する。各図中の方位線Ｘ１は、電気軸より所定角度回転した軸であり、方位線Ｙ１は、機械軸より所定角度回転した軸であり、方位線Ｚは光軸とほぼ一致した軸である。

上記慣性センサ素子において、第５脚部４０７，第６脚部４０８，第７脚部４０９及び第８脚部４１０は慣性センサ素子を形成する圧電材料の結晶軸の対称性に依存しており、厚み方向の軸に対して３回対称の結晶材料の場合であると、第５脚部４０７及び第８脚部４１０は、第１脚部４０２，第２脚部４０３，第３脚部４０４，第４脚部４０５及び第９脚部４０６とは時計廻りに１２０度回転した軸上に延在しており、第６脚部４０８及び第７脚部４０９は、第１脚部４０２，第２脚部４０３，第３脚部４０４，第４脚部４０５及び第９脚部４０６とは反時計廻りに１２０度回転した軸上に延在している。また、慣性センサ素子を形成する圧電材料が厚み方向の軸に対して４回対称の結晶材料の場合であると、第５〜第８脚部は第１脚部４０２，第２脚部４０３，第３脚部４０４，第４脚部４０５及び第９脚部４０６とは垂直となる方向に延在している。

第１脚部４０２の延在方向の中心軸と第３脚部４０４の延在方向の中心軸は一致し、第２脚部４０３の延在方向の中心軸と第４脚部４０５の延在方向の中心軸は一致する。また、第９脚部４０６は第３脚部４０４と第５脚部４０５との間の中心部に配設されている。このように構成された各脚部において、図４に示す慣性センサ素子では、まず、第１脚部４０２にはＹ軸の励振電極４２１，４２２，４２３及び４２４が設けられ、第２脚部４０３にはＹ軸の検出電極４３１，４３２，４３３及び４３４が設けられている。また、第３脚部４０４にはＺ軸の励振電極４４１，４４２，４４３及び４４４が、第４脚部４０５にはＺ軸の励振電極４５１，４５２，４５３，４５４が設けられ、第９脚部４０６にはＺ軸の検出電極４６１，４６２，４６３及び４６４が設けられ、第５脚部４０７にはＸ軸の励振電極４７１，４７２，４７３及び４７４が、第６脚部４０８にはＸ軸の励振電極４８１，４８２，４８３及び４８４が設けられ、第７脚部４０９にはＸ軸の検出電極４９１，４９２，４９３及び４９４が、第８脚部４１０にはＸ軸の検出電極４１１，４１２，４１３及び４１４が設けられている。

第１脚部４０２において、Ｙ軸の励振電極４２１及び４２３は同極とされ、Ｙ軸の励振電極４２２及び４２４は同極とされている。一方、第２脚部４０３において、Ｙ軸の検出電極４３１及び４３４は同極とされ、Ｙ軸の検出電極４３２及び４３３は同極とされている。また、第３脚部４０４及び第４脚部４０５においてＺ軸の励振電極４４１，４４３，４５２及び４５４は同極とされ、Ｚ軸の励振電極４４２，４４４，４５１及び４５３は同極とされている。一方、第９脚部４０６においてＺ軸の検出電極４６１及び４６３は同極とされ、Ｚ軸の検出電極４６３及び４６４は同極とされている。また、第５脚部４０７及び第６脚部４０８において、Ｘ軸の励振電極４７１，４７３，４８１及び４８３は同極とされ、Ｘ軸の励振電極４７２，４７４，４８２及び４８４は同極とされている。一方、第７脚部４０９及び第８脚部４１０において、Ｘ軸の検出電極４９１，４９４，４１５，４１８は同極とされ、Ｘ軸の検出電極４９２，４９３，４１６，４１７は同極となっている。

図４に示す慣性センサ素子４００では、Ｙ軸の励振電極４２１，４２２，４２３及び４２４に対して励振信号を印加し、第１脚部４０２及び第２脚部４０３を励振させる。この状態で、Ｙ軸の検出電極４３１，４３２，４３３及び４３４により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Ｙ軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度が発生している方向も検知することが可能となる。

また、Ｚ軸の励振電極４４１，４４２，４４３，４４４，４５１，４５２，４５３及び４５４に対して励振信号を印加し、第３脚部４０４及び第４脚部４０５を励振させる。この状態で、Ｚ軸の検出電極４６１，４６２，４６３，４６４により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Ｚ軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能である。

また、Ｘ軸の励振電極４７１，４７２，４７３，４７４，４８１，４８２，４８３及び４８４に対して励振信号を印加し、第５脚部４０７及び第６脚部４０８を励振させる。この状態で、Ｘ軸の検出電極４９１，４９２，４９３，４９４，４１５，４１６，４１７及び４１８により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Ｘ軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能である。図４に示す慣性センサ素子４００によれば、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の３軸の方向の角速度が検出できるようになる。

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図６は、本発明おける慣性センサ素子を慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図７は、図６に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図７（ａ）は仮想切断線ｉ−ｉ′，図２（ｂ）は仮想切断線ｊ−ｊ′，図２（ｃ）は仮想切断線ｋ−ｋ′及び図２（ｄ）は仮想切断線ｍ−ｍ′に各々対応している。図６に示す慣性センサ素子６００は、図１に示した慣性センサ素子１００の脚部１０２，１０３，１０６，１０７の各脚部付け根の根元部分に脚部の長さ方向に伸び且つ素子の表裏両主面間を貫通する穴を設けた構造である。慣性センサ素子６００は水晶から構成されており、基部６０１より一方に延在（図８中のＹｌ方向に延在）して配設された第１脚部６０２及び第２脚部６０３から構成される６１４と、基部６０１を挟んで６１４は反対の方向に基部６０１より延在（図８中のＹ′１方向に延在）して配設された第３脚部６０４及び第４脚部６０５から構成される第２の音叉振動部６１５とを備え、更に慣性センサ素子６００の同一主面内で、６１４及び第２の音叉振動部６１５が設けられた基部６０１の２側面と垂直に交わる他の２側面の一方に、第５脚部６０６（図８中のＹ′３方向に延在）及び第６脚部６０７（図８中のＹ２方向に延在）から構成される第３の音叉振動部６１６を、もう一方の側面に第７脚部６０８（図８中のＹ′２方向に延在）及び第８脚部６０９（図８中のＹ３方向に延在）から構成される第４の音叉振動部６１７から構成されている。各々の脚部は、角柱状に形成されており、第１脚部６０２の根元部分には貫通穴６１０を、第２脚部６０３の根元部分には貫通穴６１１を、第５脚部６０６の根元部分には貫通穴６１２を、第６脚部６０７の根元部分には貫通穴６１３を備えた構造となっている。

このように構成された各脚部において、Ｙ軸の励振電極６２１，６２２，６３３及び６３４は同極とされ、Ｙ軸の励振電極６２３，６２４，６３１及び６３２は同極とされている。Ｙ軸の検出電極６４１，６４４，６５２及び６５３は同極とされ、Ｙ軸の検出電極６４２，６４３，６５１及び６５４は同極とされている。Ｘ軸の励振電極６６１，６６２，６７１及び６７２は同極とされ、Ｘ軸の励振電極６６３，６６４，６７３及び６７４は同極とされている。又、Ｘ軸の検出電極６８１，６８４，６９１及び６９４は同極とされ、Ｘ軸の検出電極６８２，６８３，６９２及び６９３は同極とされている。

図６に示す慣性センサ素子６００では、Ｙ軸の励振電極６２１，６２２，６２３，６２４，６３１，６３２，６３３及び６３４に対して励振信号を印加し、第１脚部６０２及び第２脚部６０３を励振させる。第１脚部６０２及び第２脚部６０３の根元部分に貫通穴６１０及び６１１を設け、上記及び図７（ａ）に示したように電極を構成することで、電気軸方向に平行に電界をかけることが可能であり、且つ励振脚部全範囲に電界を分布することができるので、効率良く電界をかけることができるため、等価直列抵抗Ｒｌが小さく、Ｑ値が高く、大きい角速度検出感度の慣性センサ素子を得られる。この状態で、Ｙ軸の検出電極６４１，６４２，６４３，６４４，６５１，６５２，６５３及び６５４により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Ｙ軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度が発生している方向も検知することが可能となる。

また、Ｘ軸の励振電極６６１，６６２，６６３，６６４，６７１，６７２，６７３及び６７４に対して励振信号を印加し、第５脚部６０６及び第６脚部６０７を励振させる。この場合においても、同様に第５脚部６０６及び第６脚部６０７の根元部分に貫通穴６１２及び６１３を設けることで、上記第１脚部６０２及び第２脚部６０３と同様な作用を奏し、等価直列抵抗Ｒｌが小さく、Ｑ値が高く、大きい角速度検出感度の慣性センサ素子を得られる。Ｘ軸の検出電極６８１，６８２，６８３，６８４，６９１，６９２，６９３及び６９４により検出される電気信号を角速度信号として検出すれば、Ｘ軸を回転軸とする回転運動の角速度の大きさを求めることができる。検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の発生している方向も検知することが可能である。図６に示す慣性センサ素子によれば、Ｘ軸及びＹ軸の２つの空間軸方向の角速度が検出できるようになる。

尚、上述した各実施例では、Ｘ軸及びＹ軸の２つの空間軸方向の慣性力（角速度）が検出できる慣性センサ素子の形態を開示したが、本発明は上記実施例に開示の形態に限定されるものではなく、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３つの空間軸方向の慣性力（角速度）を検出できる形態の慣性センサ素子も含まれることは自明である。又、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等は可能である。

図１は、本発明おける慣性センサ素子を慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図２（ａ）は仮想切断線ａ−ａ′に、図２（ｂ）は仮想切断線ｂ−ｂ′に、図２（ｃ）は仮想切断線ｃ−ｃ′に、及び図２（ｄ）は仮想切断線ｄ−ｄ′に各々対応している。図３は、本発明における慣性センサ素子において、角速度検出のための回路構成例を示すブロック図である。図４は、本発明おける慣性センサ素子を、慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図５は、図４に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図５（ａ）は仮想切断線ｅ−ｅ′に、図２（ｂ）は仮想切断線ｆ−ｆ′に、図２（ｃ）は仮想切断線ｇ−ｇ′に、及び図２（ｄ）は仮想切断線ｈ−ｈ′に各々対応している。図６は、本発明おける慣性センサ素子を慣性センサ素子の一つである角速度センサ素子を例示して外観構成の一例を示す斜視図である。図７は、図６に示した各仮想切断線で切断した場合の断面図を各々示し、図７（ａ）は仮想切断線ｉ−ｉ′に、図２（ｂ）は仮想切断線ｊ−ｊ′に、図２（ｃ）は仮想切断線ｋ−ｋ′に、及び図２（ｄ）は仮想切断線ｍ−ｍ′に各々対応している。図８は、本実施例の慣性センサ素子における水晶の光軸に垂直な面の結晶の対称性を示す結晶方位図である。

符号の説明

１００，４００，６００・・・慣性センサ素子
１０１，４０１，６０１・・・基部
１０２，４０２，６０２・・・第１脚部
１０３，４０３，６０３・・・第２脚部
１０４，４０４，６０４・・・第３脚部
１０５，４０５，６０５・・・第４脚部
１０６，４０７，６０６・・・第５脚部
１０７，４０８，６０７・・・第６脚部
１０８，４０９，６０８・・・第７脚部
１０９，４１０，６０９・・・第８脚部
４０６・・・第９脚部
１１０，４１１，６１４・・・第１の音叉振動部
１１１，４１２，６１５・・・第２の音叉振動部
１１２，４１３，６１６・・・第３の音叉振動部
１１３，４１４，６１７・・・第４の音叉振動部
１２１，１２２，１２３，１２４，１３１，１３２，１３３，１３４，４２１，４２２，４２３，４２４，４４１，４４２，４４３，４４４，４５１，４５２，４５３，４５４，４７１，４７２，４７３，４７４，４８１，４８２，４８３，４８４，６２１，６２２，６２３，６２４，６３１，６３２，６３３，６３４，６６１，６６２，６６３，６６４，６７１，６７２，６７３，６７４・・・励振電極
１４１，１４２，１４３，１４４，１５１，１５２，１５３，１５４，４３１，４３２，４３３，４３４，４６１，４６２，４６３，４６４，４９１，４９２，４９３，４９４，４１５，４１６，４１７，４１８，６４１，６４２，６４３，６４４，６５１，６５２，６５３，６５４，６８１，６８２，６８３，６８４，６９１，６９２，６９３，６９４・・・検出電極
６１０，６１１，６１２，６１３・・・貫通穴

Claims

基部と、該基部より少なくとも直交する２つの空間軸方向に該基部を挟んで対称方向に延設された、複数本の角柱状の脚部を有する一対の振動部が形成されており、該基部及び各振動部が圧電材料で一体に形成されていることを特徴とする慣性センサ素子。
基部と、該基部より少なくとも直交する２つの空間軸方向に該基部を挟んで対称方向に延設された、複数本の角柱状の脚部を有する一対の振動部が形成されており、該基部及び各振動部は圧電材料で一体に形成されており、且つ該一対の振動部のうちの一方の振動部を構成する各脚部の表面には、該一方の振動部を所望の振動モードで振動するための励振電極が形成され、又、該一対の振動部のうちの他方の振動部を構成する各脚部の表面には、印加される慣性力に因って該他方の振動部に起こる振動を検出するための検出電極が形成されてことを特徴とする慣性センサ素子。
基部と、該基部の一辺より延設された角柱状の第１脚部及び第２脚部を有する第１の音叉振動部と、該第１の音叉振動部に対し該基部を挟んで１８０°対向する該基部の一辺より延設された角柱状の第３脚部及び第４脚部を有する第２音叉振動部と、該第１の音叉振動部に対し該基部を挟んで９０°の位置の該基部の一辺より延設された角柱状の第５脚部及び第６脚部とを有する第３の音叉振動部と、該第３の音叉振動部に対し該基部を挟んで１８０°対向する該基部の一辺より延設された角柱状の第７脚部及び第８脚部を有する第４の音叉振動部から構成され、該基部，該第１の音叉振動部，第２音叉振動部，第３音叉振動部及び第４音叉振動部が圧電材により一体で形成されていることを特徴とする請求項１記載の慣性センサ素子。
該第１脚部及び該第２脚部に各々設けられた第１の励振電極と、該第３脚部及び該第４脚部に各々設けられた該第１の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で該第３脚部及び該第４脚部が延在する方向のＹ軸を中心とした該慣性センサ素子の回転により起こる第１振動を検出するための第１の検出電極と、該第５脚部及び該第６脚部に各々設けられた第２の励振電極と、該第７脚部及び第８脚部に各々設けられて該第２の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で該第７脚部及び該第８脚部が配設された平面のＸ軸を中心とした該慣性センサ素子の回転により起こる第２振動を検出するための第２の検出電極とを備えていることを特徴とする請求項３記載の慣性センサ素子。
請求項３記載の慣性センサ素子において、該第３脚部と該第４脚部の間に第９脚部を備えたことを特徴とする慣性センサ素子。
請求項５に記載の慣性センサ素子において、該第１脚部に設けられた第３の励振電極と、該第２脚部に設けられて該第１脚部による屈曲振動が駆動されている状態で該第２脚部が延在する方向のＹ軸を中心とした該慣性センサ素子の回転により起こる振動を検出するための第３の検出電極と、前記第３脚部及び第４脚部に各々設けられた第４励振電極と、第９脚部に設けられて該第４の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で該基部及び第９脚部が配設された平面の法線方向のＺ軸を中心とした慣性センサ素子の回転により起こる振動を検出するための第２の検出電極と、該第５脚部及び該第６脚部に各々設けられた第５の励振電極と、該第７脚部及び該第８脚部に各々設けられて該第５の励振電極による屈曲振動が駆動されている状態で該第７脚部が配設された平面のＸ軸を中心とした該慣性センサ素子の回転により起こる振動を検出するための第４の検出電極とを備えられることを特徴とする慣性センサ素子。
請求項３記載の慣性センサ素子において、該第１脚部、該第２脚部、該第５脚部及び該第６脚部には脚部長さ方向に延びるＸ軸方向の主面間を貫通する貫通穴を有しており、該貫通穴の穴内の長さ方向の２つの側面には、電気的極性が同極となる電極が各々形成され、且つ該貫通穴内の各々の側面と対向するよう形成した各々の脚部外側面の電極が、該貫通穴内の各々の側面に形成した電極と電気的極性が異なる電極が形成されていることを特徴とする慣性センサ素子。
請求項１乃至７に記載の慣性センサ素子において、該基部より各々の空間軸方向に延設した各該励振電極を形成した各該脚部より構成される各該一方の振動部と、励振用の該振動部と対を成す該検出電極を形成した各該脚部より構成される検出用の各該他方の振動部との間の共振周波数が、各々の空間軸方向に延設した一対の振動部毎に異なることを特徴とする慣性センサ素子。