JP2007163200A - 振動片、角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動モードにおける励振効率を低下させることなく、角速度の検出感度を高めることができる振動片を提供する。
【解決手段】振動片１０は、圧電材料からなり、Ｚ軸方向に厚みを有し、直交するＸ軸及びＹ軸面内に展開される振動片であって、Ｘ軸方向に延在される梁部５０と、梁部５０からＹ軸方向に垂直に延在され駆動電極を有する一対の駆動腕２０，３０と、一対の駆動腕２０，３０の中央に、梁部５０からＹ軸方向に垂直に延在され検出電極を有する検出腕４０と、梁部５０に連続し、主面６０ａに駆動電極及び検出電極それぞれが接続される電極端子が設けられる基部６０と、を備え、静止時において、駆動腕２０，３０がＸ軸方向に屈曲振動し、角速度が加えられた際に、検出腕４０がコリオリ力によりねじれ振動が誘発され、このねじれ振動により発生する電荷を検出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、振動片と、この振動片を備える角速度センサに関し、詳しくは、一対の駆動腕の間に設けられる検出腕のねじれ振動を検出する振動片の構造に関する。

従来、一対の駆動腕を有する音叉型の振動片において、一方の振動腕に駆動電極を設け、他方の振動腕に検出電極を設ける。前記一方の振動腕を励振腕とし、前記他方の駆動腕を検出腕として、コリオリ力によって検出腕に発生する信号を検出する角速度センサというものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４１６０６号公報（図１）

このような特許文献１では、駆動電極が励振腕のみに形成されているために、励振効率が悪いという課題を有している。
また、検出腕は、コリオリ力が付勢されていないときにも常時振動しているため、検出電極に漏れ電荷が発生し易い。さらに、検出腕と励振腕とを常時共用しているので検出感度が低いというような課題がある。

本発明の目的は、前述した課題を解決することを要旨とし、駆動モードにおける励振効率を低下させることなく、角速度の検出感度を高めることができる振動片と、この振動片を備える角速度センサを提供することである。

本発明の振動片は、圧電材料からなり、Ｚ軸方向に厚みを有し、直交するＸ軸及びＹ軸を含む平面と平行な主面内に展開される振動片であって、Ｘ軸方向に延在される梁部と、前記梁部からＹ軸方向に垂直に延在され駆動電極を有する一対の駆動腕と、前記一対の駆動腕の一方の駆動腕ともう一方の駆動腕の間に、前記梁部からＹ軸方向に垂直に延在され検出電極を有する検出腕と、前記梁部に連続し、前記主面に前記駆動電極及び前記検出電極それぞれが接続される電極端子が設けられる基部と、を備え、静止時において、前記駆動腕がＸ軸方向に屈曲振動し、角速度が加えられた際に、前記検出腕がコリオリ力によりねじれ振動し、このねじれ振動により発生する電荷を前記検出電極で検出することを特徴とする。
ここで、圧電材料としては、例えば、水晶や燐酸ガリウム（ＧａＰＯ₄）等を採用できる。

この発明の振動片によれば、一対の駆動腕とこれら駆動腕の間に設けられる検出腕を備え、駆動腕には励振用の駆動電極のみが設けられており、通常の音叉型の屈曲振動のみをさせ、検出腕は静止しているために、駆動モードにおいて効率よく励振させることができる。

また、一対の駆動腕が通常の音叉型の屈曲振動をしている状態で角速度を加えることにより検出腕が振動を開始する。つまり、検出腕は角速度検出のためにだけ設けられているため、駆動腕の屈曲振動の漏れが少なく、角速度の検出感度を高めることができるという効果がある。

さらに、上述した構成の振動片は、一般に三脚音叉と呼ばれる振動片に類似の形状、構成としているため、形状を簡素化でき、生産性を高めることができる。

また、上述の振動片は、前記検出腕の先端部にＸＹ平面に展開する錘部が設けられていることが好ましい。

このように、検出腕の先端部に錘部を設けているので、検出腕のねじれ振動の振動周波数（共振周波数）を駆動腕の振動周波数に対応して縮退させることができ、安定した検出出力を得ることができる。

また、上述した振動片は、前記梁部と前記基部との間に、振動の伝播を遮断する部位が形成されていることが好ましい。

梁部には、コリオリ力によってねじれの力が発生し、このねじれ力により検出腕がねじれ振動を誘発される。従って、特に、梁部に発生するねじれ力、検出腕に発生するねじれ振動が基部に漏れ振動として伝播しないように、振動の伝播を遮断する部位を設けることにより、振動の漏れを抑制することができる。

また、前記振動の伝播を遮断する部位が、前記梁部と前記基部との間のＸ軸方向両端面に穿設されるくびれ部であることが望ましい。

このようにくびれ部を設けることにより、単純な形状で駆動腕または検出腕からの振動が基部にまで漏れることを抑制することができ、角速度の検出感度を高めることができる。

前記振動の伝播を遮断する部位が、前記梁部と前記基部との間に開設される孔であることが望ましい。

このようにすれば、梁部が棒状の単純梁状の形状となり、同一振動条件内において、ねじれ力の発生の形態が単純化されることから、検出腕のねじれ振動の効率を高めることができる。さらに、振動の伝播を遮断する部位が、梁部と基部との間に開設される孔であることから、駆動腕または検出腕相互の振動漏れを、より一層、抑制することができるという効果がある。

また、本発明の角速度センサは、前述した振動片が、筐体内に格納されていることを特徴とする。

このように、角速度センサは、前述した構成の振動片を備えているため、検出感度が高く、生産性が優れる角速度センサを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は、本発明の実施形態１に係る振動片の構成を示し、図４は駆動腕を励振させた状態、図５はコリオリ力による検出腕のねじれ振動の状態を示し、図６，７は実施形態２に係る振動片の形状、図８は角速度センサの構造を示している。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係る振動片の形状を示す斜視図である。図１において、本実施形態の振動片１０は、Ｚ軸方向に厚みを有し、直交するＸ軸及びＹ軸面内に展開される水晶基板からなる大略Ｚ基板で形成される。

この振動片１０の基本構成としては、Ｘ軸方向に延在される梁部５０と、梁部５０からＹ軸方向に垂直に延在され駆動電極を有する一対の駆動腕２０，３０と、これら駆動腕２０，３０のＸ軸方向の中央に、梁部５０からＹ軸方向に垂直に延在される１本の検出腕４０と、梁部５０に連続する基部６０とから構成されている。このような３本の振動腕を有する振動片の形状は、三脚音叉と呼称されることがある。

駆動腕２０，３０及び検出腕４０のそれぞれには、Ｚ方向両面（主面と表すことがある）に溝２１，２２，３１，３２，４１、４２が穿設されている（図２，３も参照する）。従って、図中、Ａ−Ａ破断線によって切断された断面形状はＨ字状をなしている。これら溝２１，３１，４１は、駆動腕２０，３０及び検出腕４０の根元部、つまり梁部５０との接合部近傍から、同じ長さ、幅、深さを有して形成されている。この溝を設けることにより、同一周波数帯域において小型化を可能にしている。

また、検出腕４０は、腕部が駆動腕２０，３０よりも長く、その先端部には、ＸＹ平面に展開される錘部４３が形成されている。この錘部４３の形状は、図１では略五角形としているが、略三角形や略円形等、特に限定されるものではない。

これら、駆動腕２０，３０と検出腕４０の寸法、溝２１，２２，３１，３２，４１，４２の寸法、錘部４３の大きさは、所望の共振周波数、検出出力に応じて設定される。

また、梁部５０と基部６０の間には、＋Ｘ方向及び−Ｘ方向の側面に、駆動腕２０，３０と検出腕４０から基部６０（後述するケース１０１も含む）への振動の伝播を遮断するための部位としてのくびれ部７０が穿設されている。このくびれ部７０によって振動漏れを抑制している。
上述した形状を有する振動片１０には、駆動電極、検出電極及び電極端子が形成されている。

図２、図３は、振動片１０の電極構成を示す説明図である。図２は、駆動腕２０，３０の電極構成、図３は、検出腕４０の電極構成を表している。なお、図２、図３は、図１のＡ−Ａ切断面を視認した断面を表している。
図２において、駆動腕２０には、＋Ｚ方向の主面及び溝２２の内面に連続する駆動電極２４と、−Ｚ方向の主面及び溝２１の内面に連続する駆動電極２３、＋Ｘ方向の側面の駆動電極２５と−Ｘ方向の側面の駆動電極２６とが形成されている。

また、駆動腕３０には、＋Ｚ方向の主面及び溝３２の内面に連続する駆動電極３４と、−Ｚ方向の主面及び溝３１の内面に連続する駆動電極３３、＋Ｘ方向の側面の駆動電極３５と−Ｘ方向の側面の駆動電極３６とが形成されている。
これら上述した電極の接続について説明する。

駆動電極２３，２４，３５，３６とは、駆動腕２０，３０の側面及び表裏の主面または基部の−Ｙ方向の端面において接続され、基部６０の一方の主面６０ａまで延在されて電極端子８１に接続される。また、駆動電極２６，２５，３３，３４も、駆動腕２０，３０の側面及び表裏の主面または基部の−Ｙ方向の端面において接続され、基部６０の一方の主面６０ａまで延在されて電極端子８２に接続される（電極パターンは図示せず）。電極端子８１，８２は、励振信号を入力する端子であり、屈曲振動を検出する端子でもある。

続いて、検出腕４０に形成される検出電極の構成について説明する。図３において、検出腕４０には、−Ｚ方向の主面及び溝４２の内面に連続する検出電極４５と、＋Ｚ方向の主面及び溝４１の内面に連続する検出電極４４、＋Ｘ方向の側面の検出電極４６と−Ｘ方向の側面の検出電極４７とが形成されている。

検出電極４４，４５は、検出腕４０と駆動腕３０との間の梁部側面及び表裏の主面において接続され、基部６０の一方の主面６０ａまで延在されて電極端子９２に接続される。また、検出電極４６，４７は、検出腕４０の側面及び表裏の主面において接続され、基部６０の一方の主面６０ａまで延在されて電極端子９１に接続される。電極端子９１，９２は、検出信号を検出するための検出端子である。

上述した電極端子８１，８２，９１，９２は、それぞれ独立して、基部６０の一方の主面６０ａに配列され、後述するケース１０１に形成される電極に接続固定される（図８、参照）。
このように構成された振動片１０の駆動モード、検出モードにおける振動形態について図面を参照して説明する。

図４は、本実施形態の振動片の静止時（角速度が加えられない）の駆動モードにおける振動形態を模式的に示す斜視図である。図４において、各駆動電極に接続される電極端子８１，８２（図２、参照）に交流電圧を印加すると、駆動腕２０，３０は、Ｘ軸方向（図中、矢印方向）に屈曲振動する。駆動腕２０と駆動腕３０とは、それぞれの外形形状及び電極構成が等しいため振動バランスがとれている。従って、駆動腕２０，３０の屈曲振動は検出腕４０に伝播せず、検出腕４０は静止しており、検出信号は出力されない。また、くびれ部７０を設けることにより、基部６０に振動は伝播しない。すなわち、振動漏れが抑制されている。

図５は、振動片１０をＹ軸を回転中心として回転させた検出モードにおける振動形態を模式的に示す斜視図である。図５において、駆動腕２０，３０には、コリオリ力が発生し、Ｚ軸方向の振動が加わる。つまり、駆動腕２０，３０はそれぞれ＋Ｚ方向と−Ｚ方向（図中、矢印Ｆ１方向とＦ２方向）とに振動を繰り返す。この際、駆動腕２０，３０のＺ方向の振動成分により、駆動腕２０，３０の間の梁部５０にねじれ力が発生し、このねじれ力によって、検出腕４０にねじれ振動が誘発される。そして、ねじれ振動による発生電荷を検出電極によって検出する。

ねじれ振動は、駆動腕２０，３０が矢印Ｆ１方向に振動したときには矢印Ｔ１方向に、駆動腕２０，３０が矢印Ｆ２方向に振動したときには矢印Ｔ２方向にねじれ振動する。ここで、検出腕４０には錘部４３が設けられており、ねじれ振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数に対応して縮退させる機能を有する。

従って、前述した実施形態１によれば、一対の駆動腕２０，３０とこれら駆動腕の中央に設けられる検出腕４０とを備え、駆動腕２０，３０には励振用の駆動電極２３〜２６，３３〜３６のみが設けられており、通常の音叉型の屈曲振動のみをさせ、検出腕４０は静止しているために、駆動モードにおいて効率よく励振させることができる。

また、一対の駆動腕２０，３０が通常の音叉型の屈曲振動をしている状態で角速度を加えることにより検出腕４０が振動を誘発される。つまり検出腕４０は、角速度検出のためにだけ設けられているため、駆動腕の屈曲振動の漏れが少なく、角速度の検出感度を高めることができるという効果がある。

さらに、上述した構成の振動片１０は、一般に三脚音叉と呼ばれる振動片に類似の形状、構成としているため、形状及び構成を簡素化でき、生産性を高めることができる。

また、検出腕４０の先端部に錘部４３を設けているので、検出腕４０のねじれ振動の振動周波数（共振周波数）を一対の駆動腕の振動周波数に対応して縮退させることができ、安定した検出出力を得ることができる。

また、梁部５０と基部６０との間にくびれ部７０を設けることにより、単純な形状で駆動腕２０，３０または検出腕４０からの振動が基部６０にまで漏れることを抑制し、つまり漏れ振動を抑制することができ、角速度の検出感度を高めることができる。
（実施形態２）

続いて、本発明の実施形態２について図面を参照して説明する。実施形態２は、前述した実施形態１に対して振動の伝播を遮断する部位の形状、つまり、梁部と基部との関係形状に工夫を加えたことに特徴を有している。従って、駆動腕及び検出腕の形状は実施形態１と同じであるため説明を省略する。
図６は、実施形態２に係る振動片１０の形状を示す正面図である。図６において、梁部５０と基部６０との間には、振動の伝播を遮断する部位としての四角形の孔７１が開設されている。

孔７１は、Ｘ方向において駆動腕２０，３０の根元部に達する長方形を有している。この孔７１を開設することにより、梁部５０と基部６０とは、連結部５５，５６によって連結されている。また、梁部５０は、駆動腕２０，３０と検出腕４０との間を梁５０ａ，５０ｂで連続した単純梁状に形成されている。

この振動片１０の駆動電極及び検出電極は、駆動腕２０，３０、検出腕それぞれに実施形態１（図２、図３参照）と同様に形成されるが、基部６０の主面６０ａに設けられる電極端子（図示せず）とは、連結部５５，５６または孔７１の内側側面を通して接続することができる。

従って、前述した実施形態２によれば、梁部５０が棒状の単純梁状の形状となり、同一振動条件内において、ねじれ力の発生の形態が単純化されることから、検出腕４０のねじれ振動の効率を高めることができる。さらに、振動の伝播を遮断する部位が梁部と基部との間に開設される孔７１であり、梁部５０と基部６０との接続は連結部５５，５６となることから、駆動腕２０，３０または検出腕４０からの振動漏れが基部６０に伝播することを、より一層、抑制することができるという効果がある。

なお、図６では、振動の伝播を遮断する部位としての孔７１が長方形である場合を例示して説明したが、振動の伝播を遮断する機能を有すれば長方形に限らない。たとえば、Ｘ方向に長辺を備える三角形、楕円形状、台形等、適宜選択して設定することができる。

また、孔７１の長辺は、駆動腕２０の−Ｘ方向側面から駆動腕３０の＋Ｘ方向側面の範囲としているが、駆動腕２０の＋Ｘ方向側面から駆動腕３０の−Ｘ方向側面の範囲としてもよい。
（実施形態２の変形例）

次に、実施形態２の変形例について図面を参照して説明する。この変形例は、前述した実施形態２において説明した梁部と基部との連結形状をさらに工夫したことに特徴を有しており、他は共通であるため説明を省略し、同じ符号を付して説明する。
図７は、変形例に係る振動片１０を示す正面図である。図７において、振動の伝播を遮断する部位として、孔７２，７３が開設されている。つまり、図６で示した孔７１を連結部５７でＸ方向に２分割した形状を有している。

連結部５７は、検出腕４０の腕部を基部６０にまで延在している。このようにすることで、梁部５０は、梁５０ａ，５０ｂとに連結部５７によって区切られる。
孔７２，７３の形状も、Ｘ方向に長辺を備える三角形、楕円形状、台形等を設定することが可能である。

このようにすれば、前述した実施形態２と同様な効果を得ることができることに加え、駆動腕２０，３０の屈曲振動の検出腕４０への振動漏れを抑制することができるという効果がある。
（角速度センサの構造）

続いて、前述した実施形態１、実施形態２に記載の振動片を備える角速度センサの構造について、図面を参照して説明する。
図８は、本発明に係る角速度センサ１００を示す構造説明図である。図８において、振動片１０は、ケース１０１と蓋体１２０とから構成される筐体の内部に密閉格納されている。

ケース１０１はセラミックからなり、図８に示すような段部を積層して形成されている。このケース１０１の底面１０４には、駆動制御回路としてのＩＣ１１０が実装されている。また、段部１０２には、本発明の振動片１０（ここでは、実施形態１による振動片が図示されている）が実装される。振動片１０は、電極端子８１，８２，９１，９２が設けられている主面６０ａを下方側にして、図示しないが、段部１０２に形成されている電極パッドに電極端子８１，８２，９１，９２を半田または他の周知の接続手段によって接続され、ケース１０１に固着される。なお、接着剤等で基部６０の周辺を補強してもよい。

振動片１０と段部１０２との位置関係を説明すると、基部６０と段部１０２のみが接合され、梁部５０（くびれ部７０の領域）から先端方向は浮いている。このような状態で、蓋体１２０の周縁部がケース１０１の縁部１０３に固着される。
蓋体１２０はガラスからなり、ケース１０１とは陽極接合、接着剤等により密着固定される。

ＩＣ１１０と振動片１０とは、図示しない電極パターンによって接続され、やはり図示しない電極パターンのうち、外部から駆動電極に駆動電力を供給する電極パターンと、検出電極からの検出信号を出力するための電極パターンが、ケース１０１の外部まで延在されている。

従って、上述した構成の角速度センサは、梁部５０と基部６０との間に振動の伝播を遮断する部位（くびれ部７０や孔７１または孔７２，７３）を備え、基部６０のみをケース１０１に接合していることや、前述した実施形態１、実施形態２により説明した構成の振動片１０を備えているため検出感度が高く、生産性が優れる角速度センサ１００を提供することができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明しているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲に逸脱することなく、以上説明した実施形態に対し、形状、材質、組み合わせ、その他の詳細な構成、及び製造工程間の加工方法において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

従って、上記に開示した形状、材質、製造工程などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものでないから、それらの形状、材質、組み合わせなどの限定の一部もしくは全部の限定をはずした部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

従って、本発明によれば、駆動モードにおける励振効率を低下させることなく、角速度の検出感度を高めることができる振動片１０と、この振動片１０を備える角速度センサ１００を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る振動片の形状を示す斜視図。 本発明の実施形態１に係る駆動腕の電極構成を示す断面図。 本発明の実施形態１に係る検出腕の電極構成を示す断面図。 本発明の実施形態１に係る振動片の静止時（角速度が加えられない）の駆動モードにおける振動形態を模式的に示す斜視図。 本発明の実施形態１に係る振動片をＹ軸を回転中心として回転させた検出モードにおける振動形態を模式的に示す斜視図。 本発明の実施形態２に係る振動片の形状を示す正面図。 本発明の実施形態２の変形例に係る振動片を示す正面図。 本発明に係る角速度センサを示す構造説明図。

符号の説明

１０…振動片、２０，３０…駆動腕、４０…検出腕、５０…梁部、６０…基部。

Claims (6)

1. 圧電材料からなり、Ｚ軸方向に厚みを有し、直交するＸ軸及びＹ軸を含む平面と平行な主面内に展開される振動片であって、
   Ｘ軸方向に延在される梁部と、
   前記梁部からＹ軸方向に垂直に延在され駆動電極を有する一対の駆動腕と、
   前記一対の駆動腕の一方の駆動腕ともう一方の駆動腕の間に、前記梁部からＹ軸方向に垂直に延在され検出電極を有する検出腕と、
   前記梁部に連続し、前記主面に前記駆動電極及び前記検出電極それぞれが接続される電極端子が設けられる基部と、を備え、
   静止時において、前記駆動腕がＸ軸方向に屈曲振動し、
   角速度が加えられた際に、前記検出腕がコリオリ力によりねじれ振動し、
   このねじれ振動により発生する電荷を前記検出電極で検出することを特徴とする振動片。
2. 請求項１に記載の振動片において、
   前記検出腕の先端部にＸＹ平面に展開する錘部が設けられていることを特徴とする振動片。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動片において、
   前記梁部と前記基部との間に、振動の伝播を遮断する部位が形成されていることを特徴とする振動片。
4. 請求項３に記載の振動片において、
   前記振動の伝播を遮断する部位が、前記梁部と前記基部との間のＸ軸方向両端面に穿設されるくびれ部であることを特徴とする振動片。
5. 請求項３に記載の振動片において、
   前記振動の伝播を遮断する部位が、前記梁部と前記基部との間に開設される孔であることを特徴とする振動片。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片が、筐体内に格納されていることを特徴とする角速度センサ。
   

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