JP2008209209A - 角速度センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】音叉振動の駆動効率を高めてＣＩを小さくした角速度センサを供する。
【解決手段】音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片と、前記音叉腕の主面及び側面に設けられて音叉振動を励起する駆動電極と、前記音叉腕に設けられて前記駆動電極の基準電極を兼用するとともに角速度に起因して生じる電荷を検出するセンサ電極と、前記音叉状水晶片に設けられて前記音叉振動の振幅を検出するモニタ電極とを備える角速度センサにおいて、前記モニタ電極は前記音叉基部であって前記一対の音叉腕の股部近傍に設けた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は音叉振動の振幅を検出するモニタ電極を備えた角速度センサ素子を技術分野とし、特に音叉振動を強勢にした角速度センサ素子に関する。

（発明の背景）
角速度センサ素子は車の誘導装置（カーナビ）やカメラの手振れ防止等に適用され、需要も拡大の方向にある。このようなものの一つに、例えば本出願人による２枚の音叉状水晶片を直接接合によって張り合わせたものがある（特許文献１）。

（従来技術の一例）
第４図は一従来例を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は角速度センサ素子（音叉状水晶片）の外観図、同図（ｂ）は上面から見た結線図である。

角速度センサ素子は、音叉基部１とこれから延出した一対の音叉腕２（ａｂ）とからなり、Ｚカットとした音叉状水晶片３を備える。音叉状水晶片３は、結晶軸（ＸＹＺ）におけるＸ軸の±方向を逆向きとした２枚の水晶片３（ａｂ）を直接接合してなる。音叉状水晶片３の一対の音叉腕２（ａｂ）には駆動電極（Ｄ±、Ｄ0）、及びモニタ電極（Ｍ）を有する。

なお、駆動電極（Ｄ0）はセンサ電極（Ｓ±）を兼用し、駆動電極（Ｄ±）の基準電極として機能する。以下では、駆動電極（Ｄ0）を基準電極（Ｄ0）又はセンサ電極（Ｓ±）とも呼ぶ。そして、各電極（Ｄ±、Ｄ0、Ｍ）からは音叉状水晶片３の例えば一主面に引出部４が延出し、外部接続用の図示しない電極パッドとなる。

駆動電極（Ｄ±）のうちの（Ｄ−）は、一方の音叉腕２ａの一主面及び他方の音叉腕２ｂの他主面に形成されて共通接続され、（Ｄ＋）は一方の音叉腕２ａの他主面に形成される。センサ電極（Ｓ±）を兼用する駆動電極（Ｄ0）は、各音叉腕２（ａｂ）の両側面に形成され、基準電圧Ｅo（直流）が印加される。そして、内側面同士をセンサ電極（Ｓ＋）、外側面同士をセンサ電極（Ｓ−）として共通接続される。モニタ電極（Ｍ）は他方の音叉腕２ｂの一主面に形成される。

次に第５図、第４図（ｂ）を参照してこの角速度センサ素子の動作について簡単に説明する。反転及び非反転信号が駆動回路５から駆動電極（Ｄ±）に印加され、基準電極（Ｄ0）との間に生ずる矢印（第４図（ｂ）の実線）で示す電界によって、音叉振動が励起される。これにより、モニタ電極（Ｍ）と基準電極（Ｄ0）との間には音叉振動による電界（第４図（ｂ）の点線）を生じ、これに基づく電荷をチャージアンプ（オペアンプ、電流・電圧変換回路）６にて増幅する。

この場合、チャージアンプ６の一方の入力端にはモニタ電極（Ｍ）からの電荷（電流）が流入し、他方の入力端には基準電圧（Ｅ0）が印加される。これにより、モニタ電圧が出力される。そして、音叉振動の振幅（モニタ電圧）に応じてＡＧＣ７が機能し、モニタ電圧を一定にする電圧が駆動回路５に印加される。

また、センサ電極（Ｓ±）には、コリオリの力（角速度）に基づく板面に直交した垂直振動によって異符号の電荷を生じる。これら異符号の電荷はそれぞれチャージアンプ５によって増幅され、差動増幅器（合成器）８によって加算される。なお、センサ電極（Ｓ±）に生ずる電荷は音叉振動の振動周波数と同一の交流成分となる。そして、同期検波回路９及びローパスフィルタ（LPF）１０を経て、直流成分として検出される。
特開２００４−３４７３９８

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の角速度センサ素子では、音叉状水晶片３における他方の音叉腕２ｂの一主面にはモニタ電極（Ｍ）を形成することから、駆動電極Ｄ（＋）を形成できない。したがって、他方の音叉腕２ｂの半分となる一主面側領域には電界を印加できないので、音叉振動の駆動効率が悪い問題があった。これは、音叉振動でのクリスタルインピーダンス（以下、ＣＩとする）が大きくなることを意味する。

（発明の目的）
本発明は音叉振動の駆動効率を高めてＣＩを小さくした角速度センサを提供することを目的とする。

（着目点及び特徴）
本発明は他方の音叉腕に設けたモニタ電極を例えば音叉基部主面に設ける点に着目し、これを実践したところ音叉股部近傍にモニタ電極を形成しても音叉振動の振幅に応じた電荷を検出できた点に特徴がある。

（解決手段）
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片と、前記音叉腕の主面及び側面に設けられて音叉振動を励起する駆動電極と、前記音叉腕に設けられて前記駆動電極の基準電極を兼用するとともに角速度に起因して生じる電荷を検出するセンサ電極と、前記音叉状水晶片に設けられて前記音叉振動の振幅を検出するモニタ電極とを備える角速度センサにおいて、前記モニタ電極は前記音叉基部であって前記一対の音叉腕の股部近傍に設けた構成とする。

このような構成であれば、モニタ電極は音叉基部の股部近傍に設けるので、従来のように他方の音叉腕の一主面に形成する必要がない。したがって、本発明では、他方の音叉腕の一主面に駆動電極を形成できる。これにより、一対の音叉腕の各４面に駆動電極を形成して音叉振動を励起するので、駆動効率を高められる。

ちなみに、従来では、他方の音叉腕の半分となる一主面側領域には音叉振動を励起する電界は生じないので、一対の音叉腕の利用効率は３／４（75％）となる。これに対し、一対の音叉腕の各４面に駆動電極を形成した本発明の場合は、一対の音叉腕の利用効率を４／４（100％）とする。したがって、音叉振動のＣＩを小さくして、しかもモニタ電極によって、音叉振動の振幅を検出できる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１の前記音叉状水晶片はＸ軸の±を互いに逆向きとして直接接合された２枚の水晶片からなり、前記一対の音叉腕の各両側面には基準電圧が印加されてセンサ電極を兼用する駆動電極が形成され、前記一対の音叉腕の両主面には前記一対の音叉腕間及び両主面間で互いに逆電圧が印加される駆動電極が形成される。これにより、請求項１での構成をさらに明確にする。

第１図は本発明の一実施形態を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は角速度センサ素子（音叉状水晶片）の外観図、同図（ｂ）は上面から見た結線図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

角速度センサ素子は、前述したように、Ｘ軸の±を逆向きとした２枚の水晶片３（ａｂ）を直接接合してなり、音叉基部１から一対の音叉腕２（ａｂ）が延出した音叉状水晶片３を備える。そして、駆動電極（Ｄ±）、センサ電極Ｓ（±）を兼用する基準電極（Ｄ0）、及びモニタ電極（Ｍ）を有する。

ここでは、一対の音叉腕２（ａｂ）の各４面には、基準電極（Ｄ0）を含む駆動電極（Ｄ±）を形成する。すなわち、一対の音叉腕２（ａｂ）の各両主面には、一対の音叉腕２（ａｂ）間及び両主面間で逆電圧が印加される駆動電極（Ｄ±）が形成される。両主面の駆動電極Ｄ（±）はそれぞれ内側から幅狭とした引出部４を音叉基部１に延出する。

また、一対の音叉腕２（ａｂ）の各両側面には基準電圧ＥOの印加される基準電極（Ｄ0）が前述同様に形成される。基準電極（Ｄ0）はここでもセンサ電極（Ｓ±）を兼用し、外側面同士（Ｓ−）及び内側面同士（Ｓ＋）が共通接続する。

モニタ電極（Ｍ）は音叉基部１における一対の音叉腕２（ａｂ）の股部近傍に形成される。この例では音叉股部の直下（下方）であって、音叉基部１に延出した一主面の駆動電極Ｄ（±）の引出部４との間に形成される。そして、前述のように、チャージアンプ６の一方の入力端に接続する（前第４図参照）。ここでは、モニタ電極（Ｍ）は一方の水晶片３ａの主面に形成される。

このようなものでは、音叉振動を励起してモニタ電極（Ｍ）からの電荷をチャージアンプ６にて検出したところ、音叉振動の振幅に応じて変化するモニタ電圧を検出できた。但し、モニタ電圧は従来（例えば Ｖ）に比較して２５％の電圧値であった。しかし、モニタ電圧として十分に活用（機能）できる。

本発明者等の考察によれば、モニタ電極（Ｍ）に電荷を生ずる理由は次になると推察された。すなわち、一対の音叉腕２（ａｂ）を音叉振動すると、第２図（ａ）に示したように水平方向の音叉振動ＰＱに伴い、音叉股部は上下方向（Ｙ軸方向、図中のＰ′Ｑ′）に幾何学的（物理的）に変位する。

したがって、音叉股部（音叉溝）近傍となる音叉基部１には圧電逆作用によってＸ軸方向に電界Ｅp、Ｅqを生じる「同図（ｂ）」。この場合、音叉状水晶片３はＸ軸の±方向を逆向きとした２枚の水晶片３（ａｂ）からなるので、各水晶片３（ａｂ）間での電界Ｅp、Ｅqはそれぞれ逆方向となる「同図（ｃ）の底面図」。

そして、前述したように、音叉水晶片３における一方の水晶片３ａの音叉股部の両側となる下方の音叉基部１には駆動電極（Ｄ±）の引出部４が延出する。そして、両者間となる音叉股部の直下にはチャージアンプ（オペアンプ）６の一方の入力端に接続したモニタ電極（Ｍ）が存在する。なお、チャージアンプ（オペアンプ）６の一方の入力端は基準電位Ｅ0と同電位なので、モニタ電極Ｍは基準電圧Ｅ0になる。

したがって、第２図（ｄｅ）に示したように、水晶片３ａでのＸ軸方向の電界Ｅp、Ｅqは引出部（Ｄ＋）から基準電極（Ｅ0）へ、基準電極（Ｅ0）から引出部（Ｄ−）へ向かう電界を生ずる。これにより、モニタ電極には、音叉振動の振動周波数として振幅に応じた電荷を発生する、と推察される。

このような構成であれば、効果の欄でも説明したように、従来ではモニタ電極（Ｍ）を形成していた他方の音叉腕２ｂの一主面に、駆動電極（Ｄ＋）を形成して、一対の音叉腕２（ａｂ）の各４面に基準電極（Ｄ0）を含む駆動電極Ｄ（±、0）を形成できる。したがって、音叉振動の駆動効率を高めてＣＩを小さくできる。ちなみに、音叉を一定振幅にできる電圧が５００ｍＶであった場合、本実施例ではおおよそ４００ｍＶに低減できた。

（他の事項）
上記実施形態ではモニタ電極（Ｍ）は音叉基部の一主面のみに形成したが、音叉基部１の両主面に形成し、これらの電荷を合成すれば、チャージアンプ５でのモニタ電圧はさらに高まる。また、音叉状水晶片は単純化して示したが、例えば第３ 図に示したように、一対の音叉腕２（ａｂ）の外側面間の幅よりも大きい幅広とし、中間部に絞りを設けた音叉基部１とした場合であっても同様に適用でき、音叉状水晶片３の形状は任意に選択できる。

本発明の一実施形態を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は角速度センサ素子（音叉状水晶片）の外観図、同図（ｂ）は上面から見た結線図である。 本発明の作用を説明する図で、同図（ａｂ）は音叉状水晶片の正面図、同図（ｃｄe）は同底面図である。 本発明の他の適用例を示す音叉状水晶片の正面図である。 従来例を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は角速度センサ素子（音叉状水晶片）の外観図、同図（ｂ）は上面から見た結線図である。 従来例を説明する角速度センサの概略回路図である。

符号の説明

１ 音叉基部、２ 音叉腕、３ 音叉状水晶片、４ 引出部、５ 駆動回路、６ チャージアンプ、７ ＡＧＣ、８ 差動増幅器、９ 同期検波回路、１０ ＬＰＦ、Ｄ± 駆動電極、Ｄ0 基準電極、Ｓ± センサ電極。

Claims (4)

1. 音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片と、前記音叉腕の主面及び側面に設けられて音叉振動を励起する駆動電極と、前記音叉腕に設けられて前記駆動電極の基準電極を兼用するとともに角速度に起因して生じる電荷を検出するセンサ電極と、前記音叉状水晶片に設けられて前記音叉振動の振幅を検出するモニタ電極とを備える角速度センサにおいて、前記モニタ電極は前記音叉基部であって前記一対の音叉腕の股部近傍に設け、前記駆動電極は前記一対の音叉腕の各４面に設けたことを特徴とする角速度センサ。
2. 請求項１において、前記音叉状水晶片はＸ軸の±を互いに逆向きとして直接接合された２枚の水晶片からなり、前記一対の音叉腕の各両側面には基準電圧が印加されてセンサ電極を兼用する駆動電極が形成され、前記一対の音叉腕の両主面には前記一対の音叉腕間及び両主面間で互いに逆電圧が印加される駆動電極が形成された角速度センサ。
3. 請求項１において、前記モニタ電極の形成される前記一対の音叉腕の股部近傍は、前記股部の直下となる音叉基部の表面である角速度センサ。
4. 請求項１において、前記モニタ電極の形成される前記一対の音叉腕の股部近傍は、前記股部の直下であって、前記両主面の少なくとも一方の主面に設けられて前記音叉基部に延出した駆動電極との間に設けられた角速度センサ。

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