JP3244925B2 - 角速度・加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車・航空機・船舶
・車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム
に用いる角速度・加速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の角速度センサとしては、特公昭４
ー１８５３号に、「板状圧電体の駆動部と、板状圧電体
の検知部とを直交して容量結合を遮断するように結合配
置するとともに、交流駆動電圧の印加により駆動部を振
動させたときにその振動方向と直交する方向の検知部の
屈曲状態を検出して角速度を得る」構成が開示されてい
る。

【０００３】以下に、この従来の角速度センサを図を用
いて説明する。図１７は、従来の角速度センサの斜視図
である。図１７において、１，１′は２枚の圧電体を接
着剤等で張り合わせた駆動用圧電バイモルフ（駆動部）
で、２，２′は駆動用圧電バイモルフ１，１′と同様に
２枚の圧電体を張り合わせた検知用圧電バイモルフ（検
知部）で、駆動用圧電バイモルフ１，１′と検知用圧電
バイモルフ２，２′とは互いに直交するように金属継手
３，３′によりそれぞれ一体固定されている。７，７′
は駆動用圧電バイモルフ１，１′と金属継手３，３′と
の間にそれぞれ介在する絶縁体、８，８′は検知用圧電
バイモルフ２，２′と金属継手３，３′との間にそれぞ
れ介在する絶縁体である。９，９′は駆動用圧電バイモ
ルフ１，１′の一面の圧電体と金属継手３，３′とをそ
れぞれ接続するリード線、１０，１０′は検知用圧電バ
イモルフ２，２′と金属継手３，３′とをそれぞれ接続
するリード線、１１，１１′は駆動用圧電バイモルフ
１，１′の他面の圧電体にそれぞれ接続するリード線、
１２，１２′は検知用圧電バイモルフ２，２′の他面の
圧電体にそれぞれ接続するリード線である。

【０００４】また、駆動用圧電バイモルフ１，１′の内
側の一面の圧電体は金属端子４に、溶接、半田等で固定
され、この金属継手３，３′は金属端子４を介して接地
されている。そして、駆動用圧電バイモルフ１，１′に
は、リード線１１，１１′を介して交流駆動電圧を印加
するようにしている。また、検知用圧電バイモルフ２，
２′の屈曲による検知信号はリード線１２，１２′から
取り出されるようになっている。

【０００５】一方、従来の加速度を検出する方法として
は、カンチレバーに歪ゲージを貼りつけた歪ゲージ式セ
ンサが主に使われていた。その例を図１８に示す。この
歪ゲージ式センサは、図１８に示すように、固定部１
３、カンチレバー１４、歪検知抵抗体１５で構成されて
いる。これらの関連する先行技術として、特開昭６１−
１４４５７６号公報がある。

【０００６】一方、半導体のシリコンチップを用いたセ
ンサでは、温度変化に対して温度補償されたものがある
が、広範囲の加速度に対して、シリコンチップの曲げ強
度から実用上、直流に近い低周波の加速度から高加速度
までのフルレンジで検知することは不十分であった。そ
こで、耐衝撃を十分に耐えるカンチレバーの形成が要求
されている。関連技術として特願昭６３−７４１５７号
がある。

【０００７】これらの角速度センサと加速度センサと
は、同一システムで使用されることが多い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例の構成では、駆動用圧電バイモルフ１，１′、検知
用圧電バイモルフ２，２′は、２枚の圧電体を接着剤等
で張り合わせて構成しているため、外界の温度変化や接
着剤等の熱膨張や折り曲げた金属板の直交角度が変化す
るので、入力角速度が０のとき、温度変化により出力値
が変動する温度ドリフトの変動が大きいという問題を有
していた。

【０００９】また、駆動用圧電バイモルフ１，１′、検
知用圧電バイモルフ２，２′に張り合わせる圧電体の寸
法、厚み、張り合わせ等のばらつき、および、駆動用圧
電バイモルフ１、１′、検知用圧電バイモルフ２、２′
との直交ばらつきが発生し、高精度に角速度を検出する
ことができないという問題を有していた。一方、上記の
ような２層構造の加速度センサは、外界の温度変化によ
って、検知部である歪検知抵抗体を貼りつけている接着
剤やカンチレバーの熱膨張などの変化を受けるために、
これら構造と材料的な要因により、温度ドリフトが大き
く、検知動作の安定性に難があり、温度変化により出力
値が変動するなど、センサ感度の変化が大きいなどの欠
点があった。

【００１０】また、角速度センサと角速度センサとを同
一システムに組み込む場合、これらは別体であったの
で、設置スペースも大きくなるという問題があった。本
発明は、上記従来の課題を解決するために、角速度およ
び加速度の両方を検出することができ、しかも広い温度
範囲で温度特性に優れかつ各種ばらつきの少ない角速度
・加速度センサを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度・加速度
センサは、所望の結晶軸とその面内で切り出された水晶
ブランクに機械的あるいは電気的加工法で加工し、水晶
ブランクだけで振動腕が面対称的に配置された一対の略
Ｕ字音叉形水晶振動子を形成し、それらの一方を駆動側
音叉とし他方を検知側音叉とし、両略Ｕ字音叉形水晶振
動子の作用を駆動用と検知用とに分離した一体構成、つ
まり２つの略Ｕ字音叉形水晶振動子を互いに平行に面対
向するように、２つの振動腕の基部である支持部におい
て結合子を介して一体構成したものである。

【００１２】結合子の支持部に対する結合部位は、略Ｕ
字音叉形水晶振動子の機械的Ｑ値の低下が少なく、かつ
有効に振動を伝達することができる箇所が望ましい。例
えば、支持部において、振動節（意味については後述す
る）を含むある面積をもった領域どうしを結合子を介し
一体構成すればよい。このように、駆動側音叉と検知側
音叉は、支持部に発生する振動節を部分的に含むある面
積をもった領域同士をブロック状の結合子を介して固着
すると、「エネルギー閉じ込め理論」により、音叉振動
の機械的Ｑ値と駆動側音叉から検知側音叉への機械伝達
効率を最大にすることができる。したがって、従来の音
叉結合部の基板における機械的伝達ロスが飛躍的に改善
でき、コリオリの力による角速度検出の感度を格段に向
上させることができる。

【００１３】なお、支持部の底面など、支持部の他の部
分同士を連結しても、駆動側から検知側へ振動を伝達で
きるので、結合の部位は、上記した振動節に限らないも
のである。上記のように、本発明は、一方の駆動側音叉
が駆動振動を持続するようにし、他方の検知側音叉はコ
リオリの力を検出するため、駆動側音叉の２つの振動腕
を結ぶ方向（Ｘ軸方向）、すなわち屈曲振動方向に対
し、直角方向（Ｚ′方向）の振動成分の電気的信号を検
知側音叉で取り出すための電極を備え、角速度を検出す
るとともに、一方の駆動側音叉が駆動振動（捩じれ振
動）を持続するようにし、他方の検知側音叉はコリオリ
の力を検出するため、検知側音叉の２つの振動腕を結ぶ
方向（Ｘ軸方向）、すなわち加速度による変位速度の方
向（Ｚ′軸方向）に対し直角方向（Ｘ軸方向）の振動成
分の電気的信号を検知側音叉で取り出すための電極を備
え、加速度を検出することにより、ことにより、温度ド
リフトが非常に少なく、かつ高精度で安価な角速度・加
速度センサを得ることができるものである。

【００１４】また、振動腕と支持部が一体に連結する略
Ｕ字音叉形水晶振動子を用いているので、従来例にみる
圧電素子貼り付け工程などの種々の製造工程がなく、温
度的にばらつきのない安定した角速度・加速度センサを
得るものである。以下、各請求項に対応して説明する。
請求項１記載の角速度・加速度センサは、結晶軸Ｘ，
Ｙ，ＺのＸ軸周りに回転した新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，
Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向にしてＸ，Ｙ′面内でそれ
ぞれ切り出し、方形断面の一方および他方の対称な振動
腕を支持部で平行一体に連結した形状をそれぞれ有する
略Ｕ字音叉形水晶ブランクの前記一方および他方の振動
腕の周面に電極をそれぞれ配設してなる第１および第２
の音叉形水晶振動子を、互いに平行に面対向した状態に
結合子を介し前記支持部において固着したもので、前記
第１の音叉形水晶振動子を、電極を介して交流電圧を印
加することにより、一方および他方の振動腕のＸ軸方向
に変位する互いに逆相の屈曲振動を発生させるととも
に、一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互
いに逆相の捩じれ振動を発生させる駆動側音叉とし、前
記第２の音叉形水晶振動子を、前記結合子を経由して前
記第１の音叉形水晶振動子から伝播したＸ軸方向に変位
する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周りの回転角速度に
基づくコリオリの力によって発生する一方および他方の
振動腕のＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じ
る交流電圧を電極を介して検出するとともに、前記結合
子を経由して前記第１の音叉形水晶振動子から伝播した
一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに
逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度とに基づくコリ
オリの力によって発生する一方および他方の振動腕のＸ
軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を
電極を介して検出する角速度・加速度検出用の検知側音
叉としたことを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の角速度・加速度センサは、
請求項１記載の角速度・加速度センサにおいて、駆動側
音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互
いに逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉の一方お
よび他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の
捩じれ振動の共振周波数とがほぼ等しく、駆動側音叉の
一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに
逆相の捩じれ振動の共振周波数と検知側音叉の一方およ
び他方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共
振周波数とがほぼ等しく、かつ前記駆動側音叉の一方お
よび他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動の共振周波数と前記検知側音叉の一方および他方
の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の
共振周波数とが異なり、前記駆動側音叉の一方および他
方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ
振動の共振周波数と前記検知側音叉の一方および他方の
振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動
の共振周波数とが異なるように、前記駆動側音叉の振動
腕と前記検知側音叉の振動腕とを異なる形状寸法に設定
したことを特徴とする。

【００１６】請求項３記載の角速度・加速度センサは、
請求項１記載の角速度・加速度センサにおいて、駆動側
音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互
いに逆相の屈曲振動の共振周波数とＹ′軸周りに変位す
る互いに逆相の捩じれ振動の共振周波数と検知側音叉の
一方および他方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲
振動の共振周波数とＹ′軸周りに変位する互いに逆相の
捩じれ振動の共振周波数とが互いに隔離して異なるよう
に、前記駆動側音叉の振動腕と前記検知側音叉の振動腕
とを異なる形状寸法に設定したことを特徴とする。

【００１７】請求項４記載の角速度・加速度センサは、
請求項１記載の角速度・加速度センサにおいて、駆動側
音叉の一方および他方の振動腕の周面に配設する電極は
前記一方および他方の振動腕の基部と先端部で分割さ
れ、駆動側音叉の前記一方および他方の振動腕の基部の
電極は、Ｚ′軸方向に見て前記一方および他方の振動腕
の表裏および両側の４周面にそれぞれ４つの稜線部分で
周方向に４分割された状態にそれぞれ設けてあり、前記
一方の振動腕の表裏面電極と前記他方の振動腕の両側面
電極とを共通接続し、前記他方の振動腕の表裏面電極と
前記一方の振動腕の両側面電極とを共通接続し、駆動側
音叉の前記一方および他方の振動腕の先端部の電極は、
Ｚ′軸方向に見て前記一方および他方の振動腕の表裏面
にそれぞれ周方向に３分割された状態でそれぞれ設けて
あり、前記一方および他方の振動腕の表裏面の３分割さ
れて外側にある電極を外電極とし中側にある電極を中側
電極とし内側にある電極を内電極としたとき、一方の振
動腕の表面内電極と表面外電極と裏面中側電極と他方の
振動腕の裏面内電極と裏面外電極と表面中側電極とを共
通接続し、かつ他方の振動腕の表面内電極と表面外電極
と裏面中側電極と一方の振動腕の裏面内電極と裏面外電
極と表面中側電極とを共通接続し、かつ検知側音叉の一
方および他方の振動腕の周面に配設する電極は、前記一
方および他方の振動腕の基部と先端部で分割され、検知
側音叉の前記一方および他方の振動腕の基部の電極は、
Ｚ′軸方向に見て前記一方および他方の振動腕の表裏お
よび両側の４周面にそれぞれ４つの稜線部分で周方向に
４分割された状態にそれぞれ設けてあり、前記一方の振
動腕の表裏面電極と前記他方の振動腕の両側面電極とを
共通接続し、前記他方の振動腕の表裏面電極と前記一方
の振動腕の両側面電極とを共通接続し、検知側音叉の前
記一方および他方の振動腕の先端部の電極は、Ｚ′軸方
向に見て一方および他方の振動腕の４周面にそれぞれ表
裏面および両側面の略中央を通る線で周方向に４分割さ
れて隣接する２周面に跨がる状態でそれぞれ設けてあ
り、一方および他方の振動腕をそれぞれＹ′軸方向に見
て４個の電極のうち左上がり対角線上にある２個の電極
をそれぞれ左対角電極とするとともに右上がり対角線上
にある２個の電極をそれぞれ右対角電極としたときに、
一方の振動腕の２個の右対角電極と他方の振動腕の２個
の左対角電極とを共通接続し、一方の振動腕の２個の左
対角電極と他方の振動腕の２個の右対角電極とを共通接
続したことを特徴とする。

【００１８】請求項５記載の角速度・加速度センサは、
請求項１記載の角速度・加速度センサにおいて、結合子
は、両端面がある面積を有する柱状であって、両端面が
駆動側音叉および検知側音叉の支持部に生成される振動
節を部分的に含む表面に接着されていることを特徴とす
る請求項１記載の角速度・加速度センサ。請求項６記載
の角速度・加速度センサは、請求項１記載の角速度・加
速度センサにおいて、駆動側音叉および検知側音叉は、
支持部に生成される振動節を部分的に含むある面積をも
った貫通孔をそれぞれ有し、結合子は、柱状であって、
両端部が前記貫通孔に貫挿した状態に前記駆動側音叉お
よび検知側音叉の支持部に接着されていることを特徴と
する。

【００１９】請求項７記載の角速度・加速度センサは、
請求項１記載の角速度・加速度センサにおいて、方形断
面の一方および他方の対称な振動腕を支持部で平行一体
に連結した形状をそれぞれ有する略Ｕ字音叉形水晶ブラ
ンクの前記一方および他方の振動腕の周面に電極をそれ
ぞれ配設してなる第１および第２の音叉形水晶振動子
を、互いに平行に面対向した状態に結合子を介し前記支
持部において固着したもので、前記第１の音叉形水晶振
動子を、電極を介して交流電圧を印加することにより、
前記一方および他方の振動腕の並び方向に変位する互い
に逆相の屈曲振動を発生させるとともに、一方および他
方の振動腕の長手方向の周りに変位する互いに逆相の捩
じれ振動を発生させる駆動側音叉とし、前記第２の音叉
形水晶振動子を、前記結合子を経由して前記第１の音叉
形水晶振動子から伝播した前記一方および他方の振動腕
の並び方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と前記一方
および他方の振動腕の長手方向の周りの回転角速度に基
づくコリオリの力によって発生する一方および他方の振
動腕の並び方向と直交する方向の互いに逆相の屈曲振動
により生じる交流電圧を電極を介して検出するととも
に、前記結合子を経由して前記第１の音叉形水晶振動子
から伝播した一方および他方の振動腕の長手方向の周り
に変位する互いに逆相の捩じれ振動と前記一方および他
方の振動腕の並び方向と直交する方向の加速度とに基づ
くコリオリの力によって発生する一方および他方の振動
腕の並び方向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流
電圧を電極を介して検出する角速度・加速度検出用の検
知側音叉としたことを特徴とする。

【００２０】

【作用】請求項１記載の構成によれば、駆動側音叉であ
る第１の音叉形水晶振動子に電極を介して交流電圧を印
加することにより、駆動側音叉に一方および他方の振動
腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動が発生す
るとともに、駆動側音叉に一方および他方の振動腕の
Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動が発生す
る。

【００２１】上記のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動は、Ｙ′軸周りの回転角速度が加えられる（当然
第２の音叉形水晶振動子も同じ回転角速度が与えられ
る）と、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と
Ｙ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリの力によって
一方および他方の振動腕のＺ′軸方向の互いに逆相の屈
曲振動が発生する。この第２の音叉形水晶振動子の一方
および他方の振動腕のＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振
動により生じる交流電圧を電極を介して検出する。この
交流電圧はＹ′軸周りの回転角速度に比例した値をとる
ので、上記の交流電圧からＹ′軸周りの回転角速度が検
出できる。

【００２２】同様にして、上記のＹ′軸周りに変位する
互いに逆相の捩じれ振動は、一方および他方の振動腕に
Ｚ′軸方向の加速度が加えられる（当然第２の音叉形水
晶振動子も同じ加速度が与えられる）と、Ｙ′軸周りに
変位する互いに逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度
に基づくコリオリの力によって第１の音叉形水晶振動子
の一方および他方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈
曲振動が発生する。この第２の音叉形水晶振動子の一方
および他方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動
により生じる交流電圧を電極を介して検出する。この交
流電圧はＺ′軸方向の加速度に比例した値をとるので、
上記の交流電圧からＺ′軸方向の加速度が検出できる。

【００２３】請求項２記載の構成によれば、駆動側音叉
の一方および他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに
逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉の一方および
他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じ
れ振動の共振周波数とがほぼ等しく、駆動側音叉の一方
および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相
の捩じれ振動の共振周波数と検知側音叉の一方および他
方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周
波数とがほぼ等しく、かつ前記駆動側音叉の一方および
他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振
動の共振周波数と前記検知側音叉の一方および他方の振
動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振
周波数とが異なり、前記駆動側音叉の一方および他方の
振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動
の共振周波数と前記検知側音叉の一方および他方の振動
腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共
振周波数とが異なることにより、駆動側音叉を共振駆動
した場合において、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動とＹ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリの力
によって駆動側音叉の一方および他方の振動腕に発生す
るＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動が効率良く抽出さ
れるとともに、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振
動の影響が小さくなる。この結果、Ｘ軸方向に変位する
互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧の影響を抑
えつつ、Ｚ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じ
る交流電圧を有効に検出できることになり、精度よく
Ｙ′軸周りの回転角速度を検出することが可能となる。

【００２４】また、駆動側音叉を共振駆動した場合にお
いて、検知側音叉では、一方および他方の振動腕のＹ′
軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向
の加速度に基づくコリオリの力によって駆動側音叉の一
方および他方の振動腕に発生するＸ軸方向の互いに逆相
の屈曲振動が効率良く抽出されるとともに、Ｙ′軸周り
に変位する互いに逆相の捩じれ振動の影響が小さくな
る。この結果、Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じ
れ振動により生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｘ軸方
向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効
に検出できることになり、精度よくＺ′軸方向の加速度
を検出することが可能となる。

【００２５】請求項３記載の構成によれば、駆動側音叉
の一方および他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに
逆相の屈曲振動の共振周波数とＹ′軸周りに変位する互
いに逆相の捩じれ振動の共振周波数と検知側音叉の一方
および他方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動
の共振周波数とＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じ
れ振動の共振周波数とが互いに隔離して異なることによ
り、駆動側音叉を共振駆動した場合において、検知側音
叉では、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と
Ｙ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリの力によって
駆動側音叉の一方および他方の振動腕に発生するＺ′軸
方向の互いに逆相の屈曲振動に対して、Ｘ軸方向に変位
する互いに逆相の屈曲振動の影響がなくなる。この結
果、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動により生
じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｚ′軸方向の互いに逆
相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効に検出できる
ことになり、精度よくＹ′軸周りの回転角速度を検出す
ることが可能となる。

【００２６】また、駆動側音叉を共振駆動した場合にお
いて、検知側音叉では、一方および他方の振動腕のＹ′
軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向
の加速度に基づくコリオリの力によって駆動側音叉の一
方および他方の振動腕に発生するＸ軸方向の互いに逆相
の屈曲振動に対して、Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相
の捩じれ振動の影響がなくなる。この結果、Ｙ′軸周り
に変位する互いに逆相の捩じれ振動により生じる交流電
圧の影響を抑えつつ、Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動
により生じる交流電圧を有効に検出できることになり、
精度よくＺ′軸方向の加速度を検出することが可能とな
る。

【００２７】請求項４記載の構成によれば、駆動側音叉
の共通接続した２組の電極間に駆動側音叉に交流電圧を
加えてＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動を起こ
させるとともに、一方および他方の振動腕のＹ′軸周り
に変位する互いに逆相の捩じれ振動を起こさせる。この
際、交流電圧の周波数は、一方および他方の振動腕のＸ
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数お
よびＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共
振周波数に近いものとし、駆動側音叉を共振駆動する。
一方、検知側音叉の共通接続した２組の電極間には、一
方および他方の振動腕に発生するＺ′軸方向の互いに逆
相の屈曲振動に伴う交流電圧とＸ軸方向の互いに逆相の
屈曲振動に伴う交流電圧とが生じることになる。

【００２８】請求項５記載の構成によれば、駆動側音叉
のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動が、駆動側
音叉の機械的Ｑ値が低下することなく、効率よく検知側
音叉に伝達されることになる。同様にして、駆動側音叉
の一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互い
に逆相の捩じれ振動が、駆動側音叉の機械的Ｑ値が低下
することなく、効率よく検知側音叉に伝達されることに
なる。

【００２９】請求項６記載の構成によれば、駆動側音叉
のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動が、駆動側
音叉の機械的Ｑ値が低下することなく、効率よく検知側
音叉に伝達されることになる。同様にして、駆動側音叉
の一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に変位す屈曲振
動が、駆動側音叉の機械的Ｑ値が低下することなく、効
率よく検知側音叉に伝達されることになる。

【００３０】請求項７記載の構成によれば、駆動側音叉
および検知側音叉の切り出し方向が任意であるので、切
り出し方向の違いによる特性の違いはあるものの、本質
的には、請求項１と同様に作用する。ここで、２つの略
Ｕ字音叉形水晶振動子を結合子を介して連結して一体化
している理由について説明する。

【００３１】音叉形水晶振動子において、今、仮にＹ軸
を通りＹＺ面対称に各一方および他方の振動腕がＸ軸方
向に＋ｖ，−ｖの速度で共振屈曲振動（Ｘモードの振
動）をしているものとする。この音叉形水晶振動子のＹ
軸を回転する方向に角速度ωの回転が加わったとする
と、各振動腕にはコリオリの力がＹ軸線対称の方向（Ｚ
軸方向の振動；Ｚモードの振動）に発生する。このと
き、発生するＹ軸線対称の振動は、共振駆動の屈曲振動
と直交するＺ軸方向に振動することになる。

【００３２】しかしながら、単一の音叉形水晶振動子に
おいては、共振駆動のＸモードの共振周波数と、これに
同期して新たに発生するＺモードの非共振周波数は、同
一周波数であるので分離することは一般に困難である。
これは、仮に分離電極配置等の工夫によりこの２モード
をうまく分離し検出することができたとしても、共振駆
動の強いレベルに対して、検出レベルは極めて低いレベ
ルであることから、誘導等により検出レベルがマスクさ
れ、あるいは影響を受けて、もとより正確な検出ができ
ないことに起因している。かくして、周波数の差異によ
って、駆動と検出を分離する何らかの解決手段が望まれ
ていた。

【００３３】同様に、音叉形水晶振動子において、今仮
に、音叉形水晶振動子のＺ′軸に加速度を加えたとする
と、加速度による変位速度ｖにより、各振動腕には、コ
リオリの力がＸ軸線対称の方向に発生する。このとき、
発生するＸ軸線対称方向の振動は、Ｙ′軸の周りの捩じ
れ振動とＺ軸の加速度方向と直交するＸ軸方向成分に振
動をすることになる。すなわち、加速度検知の原理は、
一方および他方の振動腕がＹ′軸周りに変位する互いに
逆相の捩じれ振動を生じているとき、振動腕に加速度に
よる変位速度ｖが印加されたとすると、コリオリの力は
Ｚ軸方向と直交するＸ軸方向に屈曲振動として新たに発
生する。この屈曲振動の成分を検出することにより、加
速度を検出することが可能となる。

【００３４】しかしながら、単一の音叉形水晶振動子に
おいては、共振駆動のＹ′軸周りに変位する互いに逆相
の捩じれ振動の共振周波数と、これに同期して新たに発
生するＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の非共振周波数
は、同一周波数であるので分離することは一般に困難で
ある。これは、仮に分離電極配置等の工夫によりこの２
モードをうまく分離し検出することができたとしても、
共振駆動の強いレベルに対して、検出レベルは極めて低
いレベルであることから、誘導等により検出レベルがマ
スクされ、あるいは影響を受けて、もとより正確な検出
ができないことに起因している。かくして、周波数の差
異によって、駆動と検出を分離する何らかの解決手段が
望まれていた。

【００３５】そこで、本発明は、２個の略Ｕ字音叉形水
晶振動子を結合子を介して接合することにより、駆動側
と検知側に分離し、この困難性を解決したものである。
本発明においては、水晶振動子そのものが一対の振動腕
を面対称的に配置したものであり、音叉形状を有する略
Ｕ字音叉形水晶振動子の２つのうち一方を駆動側音叉と
し、他方を検知側音叉とし、結合子で一体化して、角速
度および加速度を単一のユニットで検出できるようにし
たものである。

【００３６】そして、これらの音叉の素材として、水晶
を用いることにより、角速度・加速度の検知感度が高
く、熱的膨張係数が小さく、電極配置によりＸモードの
屈曲振動をさせることにより温度変化に対する水晶の周
波数依存性がより小さくなり、結果的には角速度・加速
度センサの温度ドリフト低減につながり、小さくなるの
である。また、駆動側の駆動信号成分の検知側へ不要信
号成分としての混入が小さく、駆動時の共振周波数変動
が小さく、同期検波時の位相ずれ変化が小さいという作
用効果を得る。そして結果的には、広い温度範囲で温度
特性に優れた角速度・加速度センサを得ることができる
のである。

【００３７】ここで、本発明の作用についてもう少し説
明する。これは大きく振動している特定の駆動モード
（この場合はＸモード）で共振振動している音叉に、コ
リオリの力による新しい振動モード（この場合はＺモー
ド）が（絶対に共振ではなく）発生するので、この発生
した新しい振動モード（この場合はＺモード、但し、周
波数は駆動モードと同期しているので駆動モードと同一
である）をモード共振により選択的（一種のメカニカル
なフィルタリングです）に検出するものである。

【００３８】つまり、検知側音叉に駆動側振動モードが
混在すると、誤検出となる恐れがありますので（レベル
が１００ｄＢと隔絶しているので）、駆動の振動モード
に対し検出の振動モードを選択できるよう、検出側音叉
の電極構造を駆動側音叉と異なるものとし、また共振周
波数に対し共振選択特性を付与すべく振動腕の形状寸法
を異ならしめているのである。検知側音叉においては、
駆動モードを可能な限り抑制して、検出モードのみを可
能な限り効率よく検出するのである。

【００３９】この発明では、複数の振動モードを取り扱
うので、それらに対する対策が重要なポイントとなって
いる。すなわち、このＸ軸方向に変位する互いに逆相の
屈曲振動は、駆動側音叉の第１の音叉形水晶振動子の支
持部から結合子を介して検知側音叉である第２の音叉形
水晶振動子の支持部に一部伝播するが、第２の音叉のＸ
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と共振周波数が
一致せず共振しないように設定されてあるから、大部分
は駆動側音叉に閉じ込められる。このときに、第１の音
叉形水晶振動子にＹ′軸周りの回転角速度が与えられる
（当然第２の音叉形水晶振動子も同じ回転角速度が与え
られる）と、コリオリの力とによって、第１の音叉形水
晶振動子の一方及び他方の振動腕のＺ′軸方向の互いに
逆相の屈曲振動が新たに発生する。このＺ′軸方向の互
いに逆相の屈曲振動は結合子を介して第２の音叉形水晶
振動子に伝播するが、Ｚ′軸方向の互いに逆相の屈曲振
動の共振周波数とほぼ等しく設定してあると、効率よく
検出することができる。

【００４０】共振現象を利用した検出は高感度、高能率
であるから、小型化・高精度に好適であるが、他の信号
妨害を受け易い欠点も持っている。また、Ｘ軸方向の互
いに逆相の屈曲振動、あるいはＺ′軸方向の互いに逆相
の屈曲振動などの、多数の異なる振動を利用しようとす
る場合、不要振動による干渉を排除しと抑制することに
特に留意しなければならない。比較的容易な対策は、多
少感度を犠牲にしても互いの共振周波数を隔離しあるい
は近接を避けるよう設定することである。

【００４１】幸いにして、これら各種振動は互いに直交
していて境界条件が独立な関係にあるから、相互干渉も
なく制御しやすい利点がある。例えば、Ｚ′軸方向に変
位する屈曲振動とＸ軸方向に変位する屈曲振動は、振動
腕の長さを周波数決定の共通境界条件としているが、他
方、厚みと幅を他の境界条件としているので、圧電定数
の差異と併せ、厚みと幅を異ならしめることによりきわ
めて容易にそれら共振周波数を隔離し異なるよう設定す
ることができる。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図１は本発明の第１の実施例の角速度・加速
度センサの斜視図を示している。同図（ａ）は組み立て
状態の斜視図、同図（ｂ）は分解状態の斜視図である。
図１において、２１は方形断面の一方および他方の対称
な振動腕２４，２５を支持部２３で平行一体に連結した
形状をそれぞれ有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクからな
る第１の音叉形水晶振動子（以下、駆動側音叉という）
で、電気的加工または機械的加工によって切り出され、
一方および他方の振動腕２４，２５の周面に駆動用電極
２２を配設している。２６は同じく方形断面の一方およ
び他方の対称な振動腕２９，３０を支持部２８で平行一
体に連結した形状をそれぞれ有する略Ｕ字音叉形水晶ブ
ランクからなる第２の音叉形水晶振動子（以下、検知側
音叉という）で、一方および他方の振動腕２９，３０の
周面に検知用電極２７を配設している。

【００４３】３１は水晶からなる結合子で、両端面を駆
動側音叉２１および検知側音叉２６のそれぞれの駆動側
支持部２３および検知側支持部２８の略中央部表面に位
置する駆動側振動節を部分的に含む接合部３２と検知側
振動節を部分的に含む接合部３３とを接着により結合し
て角速度・加速度センサを構成している。この場合、駆
動側音叉２１と検知側音叉２６とは、互いに平行に面対
向した状態になっている。この結合子３１は、駆動側音
叉２１の振動を検知側音叉２６に伝達させる機能を有し
ているが、それは、結合子３１が駆動側音叉２１および
検知側音叉２６とともに音叉を構成しているからである
と考えられる。

【００４４】以下に、要部である駆動側音叉２１および
検知側音叉２６に用いる略Ｕ字音叉形水晶ブランクにつ
いて説明する。図２は駆動側音叉２１および検知側音叉
２６に用いる略Ｕ字音叉形水晶ブランクの斜視図であ
る。図２において、３４は駆動側音叉２１および検知側
音叉２６に用いる略凹形状を有する略Ｕ字音叉形水晶ブ
ランクである。この水晶ブランク３４は結晶軸Ｘ，Ｙ，
Ｚに対して、Ｘ軸周りで角度θ（＝２〜３°）回転した
新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向に
してＸ，Ｙ′面内で切り出したものであり、平行な２つ
の振動腕３５Ａ，３５Ｂを支持部３５Ｃで結合した構造
である。

【００４５】ここで、略Ｕ字音叉形水晶振動子を構成す
る水晶ブランクの寸法の一例について説明する。例え
ば、第１の実施例として、駆動側音叉および検知側音叉
の振動腕は、水晶をＵ字形状に長さ（Ｌ）１０mm×厚み
（ｔ）２．５mm×幅（Ｗ）３．５mmの寸法で図２に示し
たカット方向にて成型加工される。駆動側音叉および検
知側音叉の寸法は、上記の例に限らず、両音叉の寸法は
同じである必要はなく、各屈曲および捩じれ振動のモー
ドの共振周波数に応じて適宜設定される。

【００４６】この略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４を図１
に示した角速度・加速度センサの駆動側音叉２１および
検知側音叉２６に用いる場合、駆動側音叉２１の一方お
よび他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動の共振周波数と検知側音叉２６の一方および他方
の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振
動の共振周波数とがほぼ等しく、駆動側音叉２１の一方
および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相
の捩じれ振動の共振周波数と検知側音叉２６の一方およ
び他方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共
振周波数とがほぼ等しく、かつ駆動側音叉２１の一方お
よび他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動の共振周波数と検知側音叉２６の一方および他方
の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の
共振周波数とが異なり、駆動側音叉２１の一方および他
方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ
振動の共振周波数と検知側音叉２６の一方および他方の
振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動
の共振周波数とが異なるような形状寸法で切りだして用
いている。

【００４７】上記の駆動側音叉２１は、駆動用電極２２
を介して交流電圧を印加することにより、一方および他
方の振動腕２４，２５のＸ軸方向に変位する互いに逆相
の屈曲振動を発生させる。この場合、交流電圧の周波数
は、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周
波数にほぼ一致した周波数として、共振駆動を行う。同
様にして、駆動用電極２２を介して交流電圧を印加する
ことにより、一方および他方の振動腕２４，２５のＹ′
軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動を発生させ
る。この場合、交流電圧の周波数は、Ｙ′軸周りに変位
する互いに逆相の捩じれ振動の共振周波数にほぼ一致し
た周波数として、共振駆動を行う。

【００４８】また、検知側音叉２６は、結合子３１を経
由して駆動側音叉２１から伝播したＸ軸方向に変位する
互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周りの回転角速度に基づ
くコリオリの力によって発生する一方および他方の振動
腕２９，３０のＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動によ
り生じる交流電圧を電極を介して検出する（角速度）。
同様にして、検知側音叉２６は、結合子３１を経由して
駆動側音叉２１から伝播したＹ′軸周りに変位する互い
に逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度に基づくコリ
オリの力によって発生する一方および他方の振動腕２
９，３０のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じ
る交流電圧を電極を介して検出する（加速度）。

【００４９】以下に、要部である駆動用電極２２の具体
構成について説明する。駆動用電極２２としては、振動
腕２４，２５の基部にはＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振
動を生成する電極が設けられ、先端部にはＹ′軸周りに
変位する互いに逆相の捩じれ振動を生成する電極が設け
られている。図３は、要部である駆動側音叉２１の一方
および他方の振動腕の基部の周面に形成された駆動用電
極２２の結線図である。図３において、３６ａ，３６ｃ
は一方の振動腕２４のＺ′軸方向から見て表面および裏
面にそれぞれ形成された駆動用電極、３６ｂ，３６ｄは
一方の振動腕２４のＺ′軸方向から見て両側面にそれぞ
れ形成された駆動用電極である。３７ａ，３７ｃは他方
の振動腕２５のＺ′軸方向から見て表面および裏面にそ
れぞれ形成された駆動用電極、３７ｂ，３７ｄは他方の
振動腕２５のＺ′軸方向から見て両側面にそれぞれ形成
された駆動用電極であり、図１に示した通り、Ｚ′軸方
向に見て一方および他方の振動腕の表裏および両側の４
周面にそれぞれ４つの稜線部分で周方向に４分割された
状態にそれぞれ設けてある。

【００５０】そして、一方の振動腕２４の表裏面の駆動
用電極３６ａ，３６ｃと他方の振動腕２５の両側面の駆
動用電極３７ｂ，３７ｄとを共通接続し、他方の振動腕
２５の表裏面の駆動用電極３７ａ，３７ｃと一方の振動
腕２４の両側面の駆動用電極３６ｂ，３６ｄとを共通接
続している。駆動用電極３６ａ，３６ｃ，３７ｂ，３７
ｄの共通接続、ならびに駆動用電極３６ｂ，３６ｄ，３
７ａ，３７ｃの共通接続は、振動腕２４，２５の周面上
で電極パターンを延長形成することにより行っている。

【００５１】３８は共通接続した駆動用電極３６ａ，３
６ｃ，３７ｂ，３７ｄに接続された共通線路、３９は共
通接続した駆動用電極３６ｂ，３６ｄ，３７ａ，３７ｃ
に接続された共通線路である。図４は、要部である駆動
側音叉２１の一方および他方の振動腕の先端部の周面に
形成された駆動用電極２２の結線図である。図４におい
て、３６ａ′，３６ｂ′，３６ｃ′は一方の振動腕２４
のＺ′軸方向から見て表面に形成された外側、中側、内
側の駆動用電極、３６ｄ′，３６ｅ′，３６ｆ′は一方
の振動腕２４のＺ′軸方向から見て裏面に形成された外
側、中側、内側の駆動用電極である。３７ａ′，３７
ｂ′，３７ｃ′は他方の振動腕２５のＺ′軸方向から見
て表面に形成された内側、中側、外側の駆動用電極、３
７ｄ′，３７ｅ′，３７ｆ′は他方の振動腕２５のＺ′
軸方向から見て裏面に形成された内側、中側、外側の駆
動用電極であり、図１に示した通り、Ｚ′軸方向に見て
一方および他方の振動腕の表裏面にそれぞれ周方向に３
分割された状態にそれぞれ設けてある。

【００５２】そして、一方の振動腕２４の表裏面の駆動
用電極３６ａ′，３６ｃ′，３６ｅ′と他方の振動腕２
５の両側面の駆動用電極３７ｂ′，３７ｄ′，３７ｆ′
とを共通接続し、他方の振動腕２５の表裏面の駆動用電
極３７ａ′，３７ｃ′，３７ｅ′と一方の振動腕２４の
両側面の駆動用電極３６ｂ′，３６ｄ′，３７ｆ′とを
共通接続している。駆動用電極３６ａ′，３６ｃ′，３
６ｅ′，３７ｂ′，３７ｄ′，３７ｆ′の共通接続、な
らびに駆動用電極３６ｂ′，３６ｄ′，，３６ｆ′，３
７ａ′，３７ｃ′，３７ｅ′の共通接続は、振動腕２
４，２５の周面上で電極パターンを延長形成することに
より行っている。

【００５３】３８は共通接続した駆動用電極３６ａ′，
３６ｃ′，３６ｅ′，３７ｂ′，３７ｄ′，３７ｆ′に
接続された共通線路、３９は共通接続した駆動用電極３
６ｂ′，３６ｄ′，，３６ｆ′，３７ａ′，３７ｃ′，
３７ｅ′に接続された共通線路である。以上のように構
成された駆動用電極２２の動作について説明すると、共
通線路３８，３９間に駆動信号（交流電圧）を印加して
共振駆動を行えば、一方および他方の振動腕２４，２５
のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動が発生し、駆動音叉
２１の一方の振動腕２４、他方の振動腕２５が開いた
り、閉じたりする。また、このときに同時に、一方およ
び他方の振動腕２４，２５のＹ′軸周りに変位する互い
に逆相の捩じれ振動が発生し、駆動音叉２１の一方の振
動腕２４、他方の振動腕２５が互いに逆方向に捩じれる
のである。

【００５４】以下に、要部である検知用電極２７につい
て説明する。図５および図６は、要部である検知側音叉
２６の一方および他方の振動腕の周面に形成された検知
用電極２７の結線図である。検知用電極２７としては、
振動腕２９，３０の先端部にはＺ′軸方向の互いに逆相
の屈曲振動を検出する電極が設けられ、基部にはＸ軸方
向の互いに逆相の屈曲振動を検出する電極が設けられて
いる。

【００５５】図５は、要部である検知側音叉２６の一方
および他方の振動腕の先端部の周面に形成された検知用
電極２７の結線図である。図５において、４０ａおよび
４０ｃは一方の振動腕２９をＹ′軸方向に見て一方の振
動腕２９の左上がり対角線上の２隅にそれぞれ位置する
検知用電極、４０ｂ，４０ｄは一方の振動腕２９をＹ′
軸方向に見て一方の振動腕２９の右上がり対角線上の２
隅にそれぞれ位置する検知用電極である。４１ａおよび
４１ｃは他方の振動腕３０をＹ′軸方向に見て他方の振
動腕３０の左上がり対角線上の２隅にそれぞれ位置する
検知用電極、４１ｂ，４１ｄは他方の振動腕３０をＹ′
軸方向に見て他方の振動腕３０の右上がり対角線上の２
隅にそれぞれ位置する検知用電極であり、図１に示した
通り、Ｚ′軸方向に見て一方および他方の振動腕２９，
３０の４周面にそれぞれ表裏面および両側面の略中央を
通る線で周方向に４分割されて隣接する２周面に跨がる
状態でそれぞれ設けてある。

【００５６】そして、一方の振動腕２９の左対角の検知
用電極４０ａ，４０ｃと他方の振動腕２５の右対角の検
知用電極４１ｂ，４１ｄとを共通接続し、他方の振動腕
３０の左対角の検知用電極４１ａ，４１ｃと一方の振動
腕２９の右対角の検知用電極４０ｂ，４０ｄとを共通接
続している。検知用電極４０ａ，４０ｃ，４１ｂ，４１
ｄの共通接続、ならびに検知用電極４０ｂ，４０ｄ，４
１ａ，４１ｃの共通接続は、振動腕２９，３０の周面上
で電極パターンを延長形成することにより行っている。

【００５７】４２は共通接続した検知用電極４０ａ，４
０ｃ，４１ｂ，４１ｄに接続された共通線路、４３は共
通接続した検知用電極４０ａ，４０ｃ，４１ｂ，４１ｄ
に接続された共通線路である。図６は、要部である検知
側音叉２６の一方および他方の振動腕の基部の周面に形
成された検知用電極２７の結線図である。図６におい
て、４０ａ′，４０ｃ′は一方の振動腕２９のＺ′軸方
向から見て表面および裏面にそれぞれ形成された検知用
電極、４０ｂ′，４０ｄ′は一方の振動腕２９のＺ′軸
方向から見て両側面にそれぞれ形成された検知用電極で
ある。４１ａ′，４１ｃ′は他方の振動腕３０のＺ′軸
方向から見て表面および裏面にそれぞれ形成された検知
用電極、４１ｂ′，４１ｄ′は他方の振動腕３０のＺ′
軸方向から見て両側面にそれぞれ形成された検知用電極
であり、図１に示した通り、Ｚ′軸方向に見て一方およ
び他方の振動腕の表裏および両側の４周面にそれぞれ４
つの稜線部分で周方向に４分割された状態にそれぞれ設
けてある。

【００５８】そして、一方の振動腕２９の表裏面の検知
用電極４０ａ′，４０ｃ′と他方の振動腕３０の両側面
の検知用電極４１ｂ′，４１ｄ′とを共通接続し、他方
の振動腕３０の表裏面の検知用電極４１ａ′，４１ｃ′
と一方の振動腕２９の両側面の検知用電極４０ｂ′，４
０ｄ′とを共通接続している。検知用電極４０ａ′，４
０ｃ′，４１ｂ′，４１ｄ′の共通接続、ならびに検知
用電極４０ｂ′，４０ｄ′，４１ａ′，４１ｃ′の共通
接続は、振動腕２９，３０の周面上で電極パターンを延
長形成することにより行っている。

【００５９】４２は共通接続した検知用電極４０ａ′，
４０ｃ′，４１ｂ′，４１ｄ′に接続された共通線路、
４３は共通接続した検知用電極４０ｂ′，４０ｄ′，４
１ａ′，４１ｃ′に接続された共通線路である。以下
に、図１において駆動側振動節３２および検知側振動節
３３として示した振動節について詳しく説明する。図７
は、略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４の側面図で、振動節
の検出のための構成を示している。図８（ａ）は振動節
の位置を示す略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４の斜視図、
図８（ｂ）は同じく正面図、図８（ｃ）は同じく側面図
である。

【００６０】図７において、略Ｕ字音叉形水晶ブランク
３４の支持部３５Ｃを挟み込むように対称なピンポイン
ト支持具４３で略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４を保持
し、この略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４に電気信号を与
えて、図８（ａ），（ｂ）の矢印方向（Ｘ軸方向）に示
すように、振動腕３５Ａ，３５Ｂが開閉する方向、つま
り、Ｘモードの屈曲振動を与えて、屈曲振動（共振）の
機械的先鋭度（以下、「機械的Ｑ値」と記す。）を測定
し、機械的Ｑ値の減少が少ない点を測定する。図８
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す曲線ＡＭＢ，ＢＮＣより
下側の斜線部は、機械的Ｑ値の減少が数％以内に留まる
部分を示している。

【００６１】上記曲線ＡＭＢ，ＢＮＣを便宜上、振動節
と定義している。つまり、略Ｕ字音叉形水晶ブランク３
４が振動している部分と振動していない部分の境界線に
近いラインをイメージしている。つまり、それを含むよ
うにある面積の結合子で２つの略Ｕ字音叉形水晶ブラン
クを結合したときに、一方の略Ｕ字音叉形水晶ブランク
の屈曲振動がよく行われ、かつ一方の略Ｕ字音叉形水晶
ブランクの屈曲振動が他方の略Ｕ字音叉形水晶ブランク
に伝わりやすい部分が振動節である。

【００６２】図８（ｂ），（ｃ）にはＸモードの振動状
態を点線で示しているが、略Ｕ字音叉形水晶ブランクの
側面は表裏面に比べて下の方まで振動していることを示
している。振動腕と支持部の寸法にもよるが、支持部が
十分大きいなら、Ｍ点はおよそ中点にある。また、Ｎ点
は支持部の８０％〜９０％のところにある。Ｍ点を通る
音叉の対称軸上で斜線内で結合すれば、駆動側音叉とな
る略Ｕ字音叉形水晶ブランクの共振Ｑ値の減少は少ない
が、検知側音叉となる略Ｕ字音叉形水晶ブランクへの振
動エネルギーの伝達が非常に悪い。

【００６３】したがって、その曲線ＡＭＢからなる振動
節を含むある面積をもった結合子で結合すれば、有効な
振動の授受が可能となる。例えば、Ｍ点を中心とした矩
形ＰＱＲＳ（図８（ｂ）参照）を接着面積とする柱状の
結合子で結合すればよい。その矩形ＰＱＲＳの面積の大
きさは支持部の大きさと考え合わせ、設計上の事項であ
る。

【００６４】図９および図１０はピンポイント支持位置
（ｘ）に対する機械的Ｑ値の減少の度合いを示す一つの
実験例を示すものである。実験に使用した略Ｕ字音叉形
水晶ブランクのサンプルの寸法とカット軸を図９
（ａ），（ｂ）に示す。図９（ａ），（ｂ）において、
寸法ｚ₁ は９５mm、ｚ₂ は２５mm、ｚ₃ は７０mm、ｚ₄
は５mm、ｚ₅ は１５mmである。図９（ａ），（ｂ）の略
Ｕ字音叉形水晶ブランクについて、Ｘモードの振動を起
こさせ、ピンポイント支持位置を、ｈ線上、ｇ線上、
ｈ′線上、ｉ線上をそれぞれ移動させて、機械的Ｑ値の
減少の度合いを測定した。その実験結果を図１０に示
す。図１０の実験結果の縦軸は略Ｕ字音叉形水晶ブラン
クの底（ｘ＝０）は支持できないので、ｘ＝２mmのデー
タで基準化した。図１０において、実線はｇ線上の特性
を示し、破線はｈ線上およびｈ′線上の特性を示し、一
点鎖線はｉ線上の特性を示している。この図より、略Ｕ
字音叉形水晶ブランクの振動腕および支持部の側面は表
裏面よりかなり下の方までピンポイント支持の影響が現
れていることがわかる。

【００６５】また、ｈ，ｈ′上では、支持点をかなり振
動腕に近づけても機械的Ｑ値に影響を与えないことがわ
かる。以上のように構成された角速度・加速度センサの
動作原理について、以下に説明する。図１１（ａ）は、
本発明の角速度検出の原理を示す図である。図１１
（ａ）において、ＹＺ軸面に対して面対称な±Ｘ軸方向
に速度ベクトルｖで２質点ｍ，ｍが屈曲振動している状
態で、Ｙ軸周りに角速度ベクトルωの回転が印加された
とすると、これらの質点ｍ，ｍには２ｍω×ｖの外積で
表現されるコリオリの力Ｆが発生する。

【００６６】このコリオリの力Ｆは、ベクトルω，ｖの
なす平面に右座標垂直方向であるから、この発生したコ
リオリの力Ｆを検出することにより、印加した角速度ベ
クトルωを直接検出できる。このコリオリの力Ｆの大き
さは、質点ｍの変位を ｄ＝ＡｓｉｎΩｔ とすると、速度｜ｖ｜は、 ｜Ｖ｜＝ｄｄ／ｄｔ＝ＡΩｃｏｓΩｔ であるから、その力｜Ｆ｜は、 ｜Ｆ｜＝２ｍＡΩ｜ω｜ として求められる。

【００６７】ここで、角速度センサの出力信号、つまり
検知側音叉からの出力信号をＡとすると、出力信号Ａは
つぎのように表すことができる。 Ａ＝Ｂ×Ｃ×｜Ｆ｜ ただし、Ｂは圧電材料常数、Ｃは形状サイズに関係する
常数である。したがって、入力角速度ωを与えると、検
知側音叉から得られる出力信号Ａは、 Ａ＝２×Ｂ×Ｃ×ｍ×ｖ×｜ω｜ で表されることになり、 ２×Ｂ×Ｃ×ｍ×ｖ＝Ｄ とおくと、 Ａ＝Ｄ×｜ω｜ となり、検知側音叉から得られる出力信号Ａは入力角速
度｜ω｜に比例することになり、出力信号Ａの値から入
力角速度｜ω｜がわかることになる。

【００６８】ここで、図１１（ｂ）は、本発明の要部で
ある水晶ブランク３４の動作原理を示す図であり、同図
（ａ）の原理図に対応するものである。図１１（ｂ）に
おいて、Ｙ軸を通りＹＺ対称面に振動腕３５Ａ，３５Ｂ
がＸ軸方向に＋ｖ、−ｖの速度で共振屈曲振動をするも
のすると、水晶ブランク３４のＹ軸が回転する方向に角
速度ωが加わったときに、それぞれの振動腕３５Ａ，３
５Ｂにコリオリの力Ｆが発生する。

【００６９】図１２（ａ）は、本発明の加速度検出の原
理を示す図である。図１２（ａ）において、ＸＹ面に対
し面対称な±Ｚ軸方向に加速度を加え、そのとき、質量
２ｍの角柱体が変位した速度をｖとする。角柱体が変位
がＹ軸周りに角速度ベクトルωの捩じれ振動をしている
とすると、ＸＹ面に対し面対称な±Ｚ軸方向に加速度を
加えると、これら角柱体には、２ｍω×ｖのベクトル外
積で表現されるコリオリの力Ｆが発生する。

【００７０】このコリオリの力Ｆは、ベクトルω、ｖの
なす平面に右座標垂直方向であるから、この発生したコ
リオリの力のベクトルＦを検出することにより、印加し
た加速度を直接検出することができるのである。後の信
号処理は上記角速度検出と同様である。以下に、本発明
の第１の実施例の角速度・加速度センサの動作について
説明する。

【００７１】図１３は、動作を説明するための角速度・
加速度センサをＹ′軸方向から見た状態の平面図であ
る。主として、以下のように動作する。駆動側音叉２１
にＸ軸方向の駆動振動を持続させるように振動駆動手段
（図示せず）を用いて振動腕２４，２５の駆動用電極に
上記した通りに交流電圧を加えて振動腕２４，２５を屈
曲振動させると、コリオリの力による他のモードの振動
が生じる。検知側音叉２６に結合子３１を通じて伝播し
た振動成分により検知側音叉２６がＸ軸方向に振動す
る。また、駆動側音叉２１にＹ′軸周りに変位する互い
に逆相の捩じれ振動を持続させるように振動駆動手段
（図示せず）を用いて振動腕２４，２５の駆動用電極に
上記した通りに交流電圧を加えて振動腕２４，２５を捩
じれ振動させると、コリオリの力による他のモードの振
動が生じる。検知側音叉２６に結合子３１を通じて伝播
した振動成分により検知側音叉２６がＹ′軸周りに変位
する互いに逆相の捩じれ振動をする。一方、検知側音叉
２６のＺモードの振動成分の電気的信号、すなわち、コ
リオリの力を検知側音叉２６の振動腕２９，３０の表面
に設けた検知用電極から上記した通りに交流信号を信号
検知手段（図示せず）により取り出すことにより、駆動
側音叉２１，検知側音叉２６の回転角速度に対応した角
速度信号が得られる。また、検知側音叉２６のＸ軸方向
の互いに逆相の屈曲振動の振動成分の電気的信号、すな
わち、コリオリの力を検知側音叉２６の振動腕２９，３
０の表面に設けた検知用電極から上記した通りに交流信
号を信号検知手段（図示せず）により取り出すことによ
り、駆動側音叉２１，検知側音叉２６の回転角速度に対
応した加速度信号が得られる。

【００７２】なお、以下のような動作もする。駆動側音
叉２１にＸ軸方向の駆動振動を持続させるように振動駆
動手段（図示せず）を用いて振動腕２４，２５の駆動用
電極に上記した通りに交流電圧を加えて振動腕２４，２
５を屈曲振動させると、検知側音叉２６に結合子３１を
通じて伝播した振動成分により検知側音叉２６がＸ軸方
向に振動する。また、駆動側音叉２１にＹ′軸周りに変
位する互いに逆相の捩じれ振動を持続させるように振動
駆動手段（図示せず）を用いて振動腕２４，２５の駆動
用電極に上記した通りに交流電圧を加えて振動腕２４，
２５を捩じれ振動させると、検知側音叉２６に結合子３
１を通じて伝播した振動成分により検知側音叉２６が
Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動をする。
一方、検知側音叉２６の振動方向に対して、直角方向の
Ｚモードの振動成分の電気的信号、すなわち、コリオリ
の力を検知側音叉２６の振動腕２９，３０の表面に設け
た検知用電極から上記した通りに交流信号を信号検知手
段（図示せず）により取り出すことにより、駆動側音叉
２１，検知側音叉２６の回転角速度に対応した角速度信
号が得られる。また、検知側音叉２６の振動方向に対し
て、直角方向のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の振動
成分の電気的信号、すなわち、コリオリの力を検知側音
叉２６の振動腕２９，３０の表面に設けた検知用電極か
ら上記した通りに交流信号を信号検知手段（図示せず）
により取り出すことにより、駆動側音叉２１，検知側音
叉２６の回転角速度に対応した加速度信号が得られる。

【００７３】この実施例の角速度・加速度センサによれ
ば、駆動側音叉２１および検知側音叉２６ としてそれ
ぞれ従来例のような貼り合わせタイプではない振動腕２
４，２５；２９，３０と支持部２５；２８とがそれぞれ
一体となった略Ｕ字音叉形水晶ブランクを用いているの
で、広い温度範囲で温度特性に優れかつ各種ばらつきが
少なく高精度に角速度および加速度を検出することがで
きる。

【００７４】また、駆動側音叉２１の一方および他方の
振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共
振周波数と検知側音叉２６の一方および他方の振動腕の
Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共振周
波数とがほぼ等しく、駆動側音叉２１の一方および他方
の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振
動の共振周波数と検知側音叉２６の一方および他方の振
動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と
がほぼ等しく、かつ前記駆動側音叉２１の一方および他
方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動
の共振周波数と前記検知側音叉２６の一方および他方の
振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共
振周波数とが異なり、前記駆動側音叉２１の一方および
他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じ
れ振動の共振周波数と前記検知側音叉２６の一方および
他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じ
れ振動の共振周波数とが異ならせているので、駆動側音
叉２１を共振駆動した場合において、Ｘ軸方向に変位す
る互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周りの回転角速度に基
づくコリオリの力によって駆動側音叉２１の一方および
他方の振動腕２４，２５に発生するＺ′軸方向の互いに
逆相の屈曲振動を効率良く抽出できるとともに、Ｘ軸方
向に変位する互いに逆相の屈曲振動の影響を小さくでき
る。この結果、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振
動により生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｚ′軸方向
の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効に
検出できることになり、精度よくＹ′軸周りの回転角速
度を検出することが可能となる。また同様にして、駆動
側音叉２１を共振駆動した場合において、Ｙ′軸周りに
変位する互いに逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度
に基づくコリオリの力によって駆動側音叉２１の一方お
よび他方の振動腕２４，２５に発生するＸ軸方向の互い
に逆相の屈曲振動を効率良く抽出できるとともに、Ｙ′
軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の影響を小さ
くできる。この結果、Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相
の捩じれ振動により生じる交流電圧の影響を抑えつつ、
Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧
を有効に検出できることになり、精度よくＺ′軸方向の
加速度を検出することが可能となる。

【００７５】また、検知用電極４０ａ〜４０ｄ，４１ａ
〜４１ｄを振動腕２９，３０の２周面に跨がって形成し
ているので、検知側音叉２６の電極面積を大きくでき、
内部抵抗を小さくでき、出力レベルをより大きくするこ
とができ、感度を高くできる。また、結合子３１の両端
面を駆動側音叉２１および検知側音叉２６の支持部２
３，２８に生成される振動節を部分的に含む表面に接着
しているので、駆動側音叉２１のＸ軸方向に変位する互
いに逆相の屈曲振動、ならびに駆動側音叉２１のＹ′軸
周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動を、駆動側音叉
２１の機械的Ｑ値を低下させることなく、最大の機械伝
達効率で検知側音叉２６に伝達することができるととも
に、駆動側音叉２１と検知側音叉２６とを結合子３１で
簡単に一体化することができ、製造が容易である。

【００７６】ここで、上記実施例をもとに、従来例と比
較し、その特性効果について説明する。前記に説明の本
発明の実施例によると、略Ｕ字音叉形水晶振動子からな
る駆動側音叉２１と検知側音叉２６を平行に面対向する
ように結合子３１で一体化することにより、機械的な共
振先鋭度（機械的Ｑ値）が高く、角速度および加速度検
出感度が高く、熱膨張係数が小さく、駆動周波数が安定
し、その結果、前記に説明したセンサの信号処理におけ
る同期整流の位相ずれ変化が小さく、さらに駆動側の駆
動信号成分の一部が検知部へ不要信号成分として混入す
ることがなく、結果的には、ドリフト安定度は従来の１
／１０と優れた特性を得ることができた。

【００７７】図１４は本発明の第２の実施例の角速度・
加速度センサの斜視図を示している。同図（ａ）は組み
立て状態の斜視図、同図（ｂ）は分解状態の斜視図であ
る。この実施例の角速度・加速度センサは、図１の円柱
状の結合子に代えて、角柱状の結合子３１Ａを用いたも
ので、その他の構成は図１のものと同様である。この実
施例の効果は前記第１の実施例と同様である。

【００７８】図１５は本発明の第３の実施例の角速度・
加速度センサの斜視図を示している。同図（ａ）は組み
立て状態の斜視図、同図（ｂ）は分解状態の斜視図であ
る。この実施例の角速度・加速度センサは、駆動側音叉
２１および検知側音叉２６の支持部２３，２８に振動節
を含むある面積の円形の貫通孔２３ａ，２８ａを例えば
エッチングにより設け、結合子３１を貫通孔２３ａ，２
８ａに貫挿した状態で接着したものである。その他の構
成は図１の実施例の同様である。

【００７９】この実施例では、結合子３１の両端を駆動
側音叉２１および検知側音叉２６の支持部２３，２８に
生成される振動節を部分的に含む貫通孔２３ａ，２８ａ
に貫挿した状態で接着しているので、駆動側音叉２１の
Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動を、駆動側音
叉２１の機械的Ｑ値を低下させることなく、最大の機械
伝達効率で検知側音叉２６に伝達することができるとと
もに、駆動側音叉２１と結合側音叉２６とを結合子３１
で強固に一体化で、耐振性に優れている。その他の効果
は第１の実施例と同様である。

【００８０】図１６は本発明の第４の実施例の角速度・
加速度センサの斜視図を示している。同図（ａ）は組み
立て状態の斜視図、同図（ｂ）は分解状態の斜視図であ
る。この実施例の角速度・加速度センサは、駆動側音叉
２１および検知側音叉２６の支持部２３，２８に振動節
を含むある面積の方形の貫通孔２３ｂ，２８ｂを例えば
えっチングにより設け、結合子３１Ａを貫通孔２３ｂ，
２８ｂに貫挿した状態で接着したものである。その他の
構成は図１１の実施例の同様である。

【００８１】この実施例では、結合子３１Ａの両端を駆
動側音叉２１および検知側音叉２６の支持部２３，２８
に生成される振動節を部分的に含む貫通孔２３ｂ，２８
ｂに貫挿した状態で接着しているので、駆動側音叉２１
のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動を、駆動側
音叉２１の機械的Ｑ値を低下させることなく、最大の機
械伝達効率で検知側音叉２６に伝達することができると
ともに、駆動側音叉２１と結合側音叉２６とを結合子３
１Ａで強固に一体化で、耐振性に優れている。その他の
効果は第１の実施例と同様である。

【００８２】なお、前記各実施例では、駆動側音叉の一
方および他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相
の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉の一方および他方
の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振
動の共振周波数とがほぼ等しく、駆動側音叉の一方およ
び他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩
じれ振動の共振周波数と検知側音叉の一方および他方の
振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周波数
とがほぼ等しく、かつ前記駆動側音叉の一方および他方
の振動腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の
共振周波数と前記検知側音叉の一方および他方の振動腕
のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波
数とが異なり、前記駆動側音叉の一方および他方の振動
腕のＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共
振周波数と前記検知側音叉の一方および他方の振動腕の
Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共振周
波数とが異なるように、駆動側音叉の振動腕と検知側音
叉の振動腕とを異なる形状寸法に設定していたが、これ
に代えて、駆動側音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸
方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と
Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共振周
波数と検知側音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸方向
の互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とＹ′軸周りに変
位する互いに逆相の捩じれ振動の共振周波数とが互いに
隔離して異なるように、駆動側音叉の振動腕と検知側音
叉の振動腕とを異なる形状寸法に設定してもよい。

【００８３】このように構成すると、駆動側音叉を共振
駆動した場合において、検知側音叉２６では、Ｘ軸方向
に変位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周りの回転角
速度に基づくコリオリの力によって検知側音叉２６の一
方および他方の振動腕２８，２９に発生するＺ′軸方向
の互いに逆相の屈曲振動に対して、Ｘ軸方向に変位する
互いに逆相の屈曲振動を極端に大きくならないようにで
きる。この結果、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲
振動により生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｚ′軸方
向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効
に検出できることになり、精度よくＹ′軸周りの回転角
速度を検出することが可能となる。

【００８４】また、検知側音叉２６では、Ｙ′軸周りに
変位する互いに逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度
に基づくコリオリの力によって検知側音叉２６の一方お
よび他方の振動腕２８，２９に発生するＸ軸方向の互い
に逆相の屈曲振動に対して、Ｙ′軸周りに変位する互い
に逆相の捩じれ振動が極端に大きくならないようにでき
る。この結果、Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じ
れ振動により生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｘ軸方
向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効
に検出できることになり、精度よくＺ′軸方向の加速度
を検出することが可能となる。

【００８５】その他の点については、前記各実施例と同
様である。なお、駆動側音叉および検知側音叉の支持部
における振動節ではなく、支持部の例えば下底部同士を
結合子を介して結合しても、駆動側音叉から検知側音叉
へ振動を有効に伝達することができ、このような構成も
実施例として含まれる。つまり、音叉振動の機械的振動
先鋭度が低下せずに、振動エネルギーの一部を伝達させ
る部位なら支持部のどこを結合してもよい。また、結合
は１箇所で行っているが、２個以上の結合子を用いるこ
とにより、２箇所以上で行ってもよいのは当然である。

【００８６】また、駆動側音叉２１，検知側音叉２６の
電極構造は、上記各実施例に示したものに限らず、種々
変更可能であり、要は屈曲振動とコリオリの信号成分を
検出することができればよいものである。なお、上記実
施例では、結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸周りに２〜３度程度
回転した新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長
手方向にしてＸ，Ｙ′面内で切り出した水晶ブランクを
使用したが、結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＹ軸方向を長手方向に
して切り出した水晶ブランクを使用することもできる。
したがって、特許請求の範囲における「結晶軸Ｘ，Ｙ，
ＺのＸ軸周りに回転した新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′」
の表現には、回転角度が０度の場合、つまり、結晶軸
Ｘ，Ｙ，Ｚと結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′とが重なっている場
合も含まれる。また、上記の結晶軸の回転角度２〜３度
以外の角度でもよい。つまり、駆動側音叉２１，検知側
音叉２６の切り出し方向は、図２に示したものに限ら
ず、結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＹ軸方向を長手方向にしてＸ，
Ｙ面内でそれぞれ切り出しても、所期の効果は達成でき
る。ただ、図１および図２の実施例に比べると、切り出
し方向の違いから多少効果は落ちるが、特に問題はな
い。また、長手方向とする軸は、Ｙ，Ｙ′にかぎらず、
Ｘ，Ｘ′軸、Ｚ，Ｚ′軸でも、所期の効果は得られる。

【００８７】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、不要信号成分が低減され、広い温度範囲でかつ、急
激な温度変化に対し、特性変化のきわめて少ない安定し
た角速度・加速度センサを得ることができる。また、駆
動側音叉と検知側音叉を、支持部に発生する振動節を部
分的に含むある面積をもったブロック結合子を介して固
着すれば、、音叉振動の機械的Ｑ値と駆動側音叉から検
知側音叉への機械的伝達効率を最も向上させることがで
きる。

【００８８】したがって、両音叉を結合する際の機械的
伝達ロスが飛躍的に改善でき、コリオリ力による角速度
検出の感度を向上させることができる。そして、構成が
簡単な構造であるため、低コスト化を図ることができ、
工業的価値が大である。以下、各請求項毎の効果につい
て説明する。請求項１記載の角速度・加速度センサによ
れば、駆動側音叉および検知側音叉としてそれぞれ従来
例のような貼り合わせタイプではない振動腕と支持部と
が一体となった略Ｕ字音叉形水晶ブランクを用いている
ので、広い温度範囲で温度特性に優れかつ各種ばらつき
が少なく高精度に角速度および加速度を検出することが
できる。

【００８９】請求項２記載の角速度・加速度センサによ
れば、駆動側音叉を共振駆動した場合において、Ｘ軸方
向に変位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周りの回転
角速度に基づくコリオリの力によって駆動側音叉の一方
および他方の振動腕に発生するＺ′軸方向の互いに逆相
の屈曲振動を効率良く抽出できるとともに、Ｘ軸方向に
変位する互いに逆相の屈曲振動の影響を小さくできる。
この結果、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動に
より生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｚ′軸方向の互
いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効に検出
できることになり、精度よくＹ′軸周りの回転角速度を
検出することが可能となる。

【００９０】また、Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の
捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度に基づくコリオリの力
によって駆動側音叉の一方および他方の振動腕に発生す
るＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動を効率良く抽出でき
るとともに、Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ
振動の影響を小さくできる。この結果、Ｙ′軸周りに変
位する互いに逆相の捩じれ振動により生じる交流電圧の
影響を抑えつつ、Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動によ
り生じる交流電圧を有効に検出できることになり、精度
よくＺ′軸方向の加速度を検出することが可能となる。

【００９１】請求項３記載の角速度・加速度センサによ
れば、駆動側音叉を共振駆動した場合において、検知側
音叉では、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と
Ｙ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリの力によって
駆動側音叉の一方および他方の振動腕に発生するＺ′軸
方向の互いに逆相の屈曲振動に対して、Ｘ軸方向に変位
する互いに逆相の屈曲振動の影響がないようにできる。
この結果、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動に
より生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｚ′軸方向の互
いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効に検出
できることになり、精度よくＹ′軸周りの回転角速度を
検出することが可能となる。

【００９２】また、検知側音叉では、Ｙ′軸周りに変位
する互いに逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度に基
づくコリオリの力によって駆動側音叉の一方および他方
の振動腕に発生するＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動に
対して、Ｙ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動
の影響がないようにできる。この結果、Ｙ′軸周りに変
位する互いに逆相の捩じれ振動により生じる交流電圧の
影響を抑えつつ、Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動によ
り生じる交流電圧を有効に検出できることになり、精度
よくＺ′軸方向の加速度を検出することが可能となる。

【００９３】請求項４記載の角速度・加速度センサによ
れば、駆動側音叉および検知側音叉の製造が容易であ
る。請求項５記載の角速度・加速度センサによれば、駆
動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動、
ならびに駆動側音叉の一方および他方の振動腕のＹ′軸
周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動を、駆動側音叉
の機械的Ｑ値を低下させることなく、最大の機械伝達効
率で検知側音叉に伝達することができるとともに、駆動
側音叉と結合側音叉とを結合子で簡単に一体化すること
ができ、製造が容易である。

【００９４】請求項６記載の角速度・加速度センサによ
れば、駆動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動、ならびに駆動側音叉の一方および他方の振動腕
のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動を、駆動側音叉の機
械的Ｑ値を低下させることなく、最大の機械伝達効率で
検知側音叉に伝達することができるとともに、駆動側音
叉と結合側音叉とを結合子で強固に一体化で、耐振性に
優れている。請求項７記載の角速度・加速度センサによ
れば、駆動側音叉および検知側音叉としてそれぞれ従来
例のような貼り合わせタイプではない振動腕と支持部と
が一体となった略Ｕ字音叉形水晶ブランクを用いている
ので、請求項１の場合と程度の差はあるが、広い温度範
囲で温度特性に優れかつ各種ばらつきが少なく高精度に
角速度および加速度を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の角速度・加速度センサ
の斜視図である。

【図２】略Ｕ字音叉形水晶ブランクの切り出し方向を示
す概略図である。

【図３】駆動側音叉に設けた駆動用電極の様子を示す概
略図である。

【図４】駆動側音叉に設けた駆動用電極の様子を示す概
略図である。

【図５】検知側音叉に設けた検知用電極の様子を示す概
略図である。

【図６】検知側音叉に設けた検知用電極の様子を示す概
略図である。

【図７】略Ｕ字音叉形水晶ブランクのピンポイント支持
位置を示す概略図である。

【図８】振動節を説明するための略Ｕ字音叉形水晶ブラ
ンクの概略図である。

【図９】略Ｕ字音叉形水晶ブランクのサンプルの寸法と
カット軸を示す概略図である。

【図１０】本発明の角速度・加速度センサのピンポイン
ト支持位置の違いによる機械的Ｑ値の違いを示す特性図
である。

【図１１】本発明の第１の実施例の角速度・加速度セン
サにおいて角速度検出の原理を示す概略図である。

【図１２】本発明の第１の実施例の角速度・加速度セン
サにおいて加速度検出の原理を示す概略図である。

【図１３】本発明の第１の実施例の角速度・加速度セン
サにおいて角速度・加速度検出の動作を示す概略図であ
る。

【図１４】本発明の第２の実施例の角速度・加速度セン
サを示す斜視図である。

【図１５】本発明の第３の実施例の角速度・加速度セン
サを示す斜視図である。

【図１６】本発明の第４の実施例の角速度・加速度セン
サを示す斜視図である。

【図１７】従来の角速度センサの一例を示す斜視図であ
る。

【図１８】従来の加速度センサの一例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

２１ 駆動側音叉 ２２ 電極 ２３ 支持部 ２４ 一方の振動腕 ２５ 他方の振動腕 ２６ 検知側音叉 ２７ 電極 ２８ 支持部 ２９ 一方の振動腕 ３０ 他方の振動腕 ３１ 結合子 ３２ 振動節を含む接合部 ３３ 振動節を含む接合部 ３６ａ〜３６ｄ 駆動用電極 ３７ａ〜３７ｄ 駆動用電極 ３８，３９ 共通線路 ４０ａ〜４０ｄ 検知用電極 ４１ａ〜４１ｄ 検知用電極 ４２，４３ 共通線路 ３１Ａ 結合子 ２３ａ，２８ａ 貫通孔 ２３ｂ，２８ｂ 貫通孔 ５０ａ〜５０ｄ 検知用電極 ５１ａ〜５１ｄ 検知用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市瀬 俊彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 寺田 二郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 大友 惇 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波 工業株式会社 狭山事業所内 (72)発明者 太田 治良 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波 工業株式会社 狭山事業所内 (72)発明者 太田 紘一郎 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波 工業株式会社 狭山事業所内 (72)発明者 石原 実 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波 工業株式会社 狭山事業所内 (56)参考文献 特開 平７−260489（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−260490（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−260488（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−324311（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−73414（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−291517（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−113310（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−16911（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−361165（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−148392（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−136014（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−236808（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 3/00 G01P 9/04

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸周りに回転した
   新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向に
   してＸ，Ｙ′面内でそれぞれ切り出し、方形断面の一方
   および他方の対称な振動腕を支持部で平行一体に連結し
   た形状をそれぞれ有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクの前
   記一方および他方の振動腕の周面に電極をそれぞれ配設
   してなる第１および第２の音叉形水晶振動子を、互いに
   平行に面対向した状態に結合子を介し前記支持部におい
   て固着した角速度・加速度センサであって、 前記第１の音叉形水晶振動子を、電極を介して交流電圧
   を印加することにより、一方および他方の振動腕のＸ軸
   方向に変位する互いに逆相の屈曲振動を発生させるとと
   もに、一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する
   互いに逆相の捩じれ振動を発生させる駆動側音叉とし、 前記第２の音叉形水晶振動子を、前記結合子を経由して
   前記第１の音叉形水晶振動子から伝播したＸ軸方向に変
   位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周りの回転角速度
   に基づくコリオリの力によって発生する一方および他方
   の振動腕のＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生
   じる交流電圧を電極を介して検出するとともに、前記結
   合子を経由して前記第１の音叉形水晶振動子から伝播し
   た一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互い
   に逆相の捩じれ振動とＺ′軸方向の加速度とに基づくコ
   リオリの力によって発生する一方および他方の振動腕の
   Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧
   を電極を介して検出する角速度・加速度検出用の検知側
   音叉としたことを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 駆動側音叉の一方および他方の振動腕の
   Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数
   と検知側音叉の一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに
   変位する互いに逆相の捩じれ振動の共振周波数とがほぼ
   等しく、駆動側音叉の一方および他方の振動腕のＹ′軸
   周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共振周波数と
   検知側音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸方向の互い
   に逆相の屈曲振動の共振周波数とがほぼ等しく、かつ前
   記駆動側音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸方向に変
   位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と前記検知側
   音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸方向に変位する互
   いに逆相の屈曲振動の共振周波数とが異なり、前記駆動
   側音叉の一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位す
   る互いに逆相の捩じれ振動の共振周波数と前記検知側音
   叉の一方および他方の振動腕のＹ′軸周りに変位する互
   いに逆相の捩じれ振動の共振周波数とが異なるように、
   前記駆動側音叉の振動腕と前記検知側音叉の振動腕とを
   異なる形状寸法に設定したことを特徴とする請求項１記
   載の角速度・加速度センサ。
3. 【請求項３】 駆動側音叉の一方および他方の振動腕の
   Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数
   とＹ′軸周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動の共振
   周波数と検知側音叉の一方および他方の振動腕のＸ軸方
   向の互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とＹ′軸周りに
   変位する互いに逆相の捩じれ振動の共振周波数とが互い
   に隔離して異なるように、前記駆動側音叉の振動腕と前
   記検知側音叉の振動腕とを異なる形状寸法に設定したこ
   とを特徴とする請求項１記載の角速度・加速度センサ。
4. 【請求項４】 駆動側音叉の一方および他方の振動腕の
   周面に配設する電極は前記一方および他方の振動腕の基
   部と先端部で分割され、 駆動側音叉の前記一方および他方の振動腕の基部の電極
   は、Ｚ′軸方向に見て前記一方および他方の振動腕の表
   裏および両側の４周面にそれぞれ４つの稜線部分で周方
   向に４分割された状態にそれぞれ設けてあり、前記一方
   の振動腕の表裏面電極と前記他方の振動腕の両側面電極
   とを共通接続し、前記他方の振動腕の表裏面電極と前記
   一方の振動腕の両側面電極とを共通接続し、 駆動側音叉の前記一方および他方の振動腕の先端部の電
   極は、Ｚ′軸方向に見て前記一方および他方の振動腕の
   表裏面にそれぞれ周方向に３分割された状態でそれぞれ
   設けてあり、前記一方および他方の振動腕の表裏面の３
   分割されて外側にある電極を外電極とし中側にある電極
   を中側電極とし内側にある電極を内電極としたとき、一
   方の振動腕の表面内電極と表面外電極と裏面中側電極と
   他方の振動腕の裏面内電極と裏面外電極と表面中側電極
   とを共通接続し、かつ他方の振動腕の表面内電極と表面
   外電極と裏面中側電極と一方の振動腕の裏面内電極と裏
   面外電極と表面中側電極とを共通接続し、 かつ検知側音叉の一方および他方の振動腕の周面に配設
   する電極は、前記一方および他方の振動腕の基部と先端
   部で分割され、 検知側音叉の前記一方および他方の振動腕の基部の電極
   は、Ｚ′軸方向に見て前記一方および他方の振動腕の表
   裏および両側の４周面にそれぞれ４つの稜線部分で周方
   向に４分割された状態にそれぞれ設けてあり、前記一方
   の振動腕の表裏面電極と前記他方の振動腕の両側面電極
   とを共通接続し、前記他方の振動腕の表裏面電極と前記
   一方の振動腕の両側面電極とを共通接続し、 検知側音叉の前記一方および他方の振動腕の先端部の電
   極は、Ｚ′軸方向に見て一方および他方の振動腕の４周
   面にそれぞれ表裏面および両側面の略中央を通る線で周
   方向に４分割されて隣接する２周面に跨がる状態でそれ
   ぞれ設けてあり、一方および他方の振動腕をそれぞれ
   Ｙ′軸方向に見て４個の電極のうち左上がり対角線上に
   ある２個の電極をそれぞれ左対角電極とするとともに右
   上がり対角線上にある２個の電極をそれぞれ右対角電極
   としたときに、一方の振動腕の２個の右対角電極と他方
   の振動腕の２個の左対角電極とを共通接続し、一方の振
   動腕の２個の左対角電極と他方の振動腕の２個の右対角
   電極とを共通接続したことを特徴とする請求項１記載の
   角速度・加速度センサ。
5. 【請求項５】 結合子は、両端面がある面積を有する柱
   状であって、両端面が駆動側音叉および検知側音叉の支
   持部に生成される振動節を部分的に含む表面に接着され
   ていることを特徴とする請求項１記載の角速度・加速度
   センサ。
6. 【請求項６】 駆動側音叉および検知側音叉は、支持部
   に生成される振動節を部分的に含むある面積をもった貫
   通孔をそれぞれ有し、結合子は、柱状であって、両端部
   が前記貫通孔に貫挿した状態に前記駆動側音叉および検
   知側音叉の支持部に接着されていることを特徴とする請
   求項１記載の角速度・加速度センサ。
7. 【請求項７】 方形断面の一方および他方の対称な振動
   腕を支持部で平行一体に連結した形状をそれぞれ有する
   略Ｕ字音叉形水晶ブランクの前記一方および他方の振動
   腕の周面に電極をそれぞれ配設してなる第１および第２
   の音叉形水晶振動子を、互いに平行に面対向した状態に
   結合子を介し前記支持部において固着した角速度・加速
   度センサであって、 前記第１の音叉形水晶振動子を、電極を介して交流電圧
   を印加することにより、前記一方および他方の振動腕の
   並び方向に変位する互いに逆相の屈曲振動を発生させる
   とともに、一方および他方の振動腕の長手方向の周りに
   変位する互いに逆相の捩じれ振動を発生させる駆動側音
   叉とし、 前記第２の音叉形水晶振動子を、前記結合子を経由して
   前記第１の音叉形水晶振動子から伝播した前記一方およ
   び他方の振動腕の並び方向に変位する互いに逆相の屈曲
   振動と前記一方および他方の振動腕の長手方向の周りの
   回転角速度に基づくコリオリの力によって発生する一方
   および他方の振動腕の並び方向と直交する方向の互いに
   逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を電極を介して検
   出するとともに、前記結合子を経由して前記第１の音叉
   形水晶振動子から伝播した一方および他方の振動腕の長
   手方向の周りに変位する互いに逆相の捩じれ振動と前記
   一方および他方の振動腕の並び方向と直交する方向の加
   速度とに基づくコリオリの力によって発生する一方およ
   び他方の振動腕の並び方向の互いに逆相の屈曲振動によ
   り生じる交流電圧を電極を介して検出する角速度・加速
   度検出用の検知側音叉としたことを特徴とする角速度・
   加速度センサ。