JP3360479B2

JP3360479B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP3360479B2
Application number: JP07871495A
Authority: JP
Inventors: 正近野; 澄夫菅原; 信久跡地; 雅巳田村; 二郎寺田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1995-04-04
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JPH08278142A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は航空機・自動車・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種々の形態
があるが、最も近い先行技術として、特開公６０−７３
４１４号公報に示されるように、フォトリソグラフィと
エッチング加工法により、水晶圧電体を外側のフレーム
枠と一体で、内側には１個の音叉、あるいは口形の複合
音叉が設けられ、やはりコリオリの力を検出して角速度
を得る構成が開示されている。また、音叉の形としては
Ｈ形（金属板に電圧セラミック体を貼る方式が多い）の
変形で、検出部分の音叉を形状的に絞り、駆動側振動エ
ネルギー密度を増幅させたものが実用化されている。

【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１８は水晶結晶軸のＹ軸を音叉の長手
方向に、Ｚ軸を音叉の厚み方向に、Ｘ軸を音叉の幅方向
にして、Ｚ−Ｙ平面内で平板状の水晶直方体ブランクを
切り出し、フォトリソグラフィをエッチング加工法で抜
かれた従来の平板状の水晶直方体の角速度センサの斜視
図である。

【０００４】１，１′は駆動側音叉の振動腕、２は駆動
側音叉と検出側音叉の共通な支持部、３，３′は検出側
音叉の振動腕であり、これらは音叉支持部４，４′を介
して外側のフレーム枠５に一体になるように水晶で構成
されている。尚、Ｌは音叉の長手方向の全長、Ｗは音叉
のＸ方向の幅である。

【０００５】電極構成は図示していないが、駆動側音叉
の振動腕１，１′はＸ方向に互いに逆相の屈曲振動（Ｘ
Ｄ振動；矢印ａ，ｂ）をするように電極を配設し、ま
た、検出側音叉の振動腕３，３′には外部から支持部を
含むこの角速度センサ全体に回転作用する角速度ベクト
ルが入力したとき、その大きさが入力角速度の回転軸方
向とＸ方向の成す角の正弦（ｓｉｎ）と入力角速度の双
方に比例し、その方向がＸ方向と角速度の回転軸方向の
双方に垂直な方向をもち、その作用点がＸＤ振動をして
いる部分に働くコリオリの力のＺ方向成分による振動を
検出するように電極が配設されている。

【０００６】この従来例において駆動振動下での角速度
入力によるコリオリの力の発生、コリオリの力による振
動に至るメカニズムを説明する。検出側音叉のＸＳ振動
の共振周波数は駆動側音叉のＸＤ振動の共振周波数と離
してあるため（以下、この状態を非共鳴と呼ぶ）に対検
出側音叉のＸＳ振動は抑止されている。角速度入力によ
るコリオリの力はもっぱら駆動側音叉に働く。これが駆
動側音叉のＺＤ振動を発生させ、両音叉の中央部を介し
て検出側音叉にＺＳ振動が誘起され、検出側音叉に配設
された電極で角速度信号として検出される。この際に、
ＺＳ振動がＺＤ振動に結合誘起されるために音叉支持部
４，４′のＸ方向を軸とした捻れが必要不可欠であると
ころがこの従来例の大きな特徴となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】まず上記従来例にも当
てはまる一般的な課題を述べる。

【０００８】水晶を圧電体として用いた場合、水晶は圧
電定数が小さいため所望の出力感度を確保するために寸
法を大きくするか、駆動電圧を大きくするかしなければ
ならず小型化の妨げとなっていた。

【０００９】また、感度を確保するために応答速度を犠
牲にしてＺＳ振動の共振周波数をＸＤ振動の共振周波数
に近づけると角速度入力に対する応答性が悪化し、共振
周波数の温度特性から感度の安定性も問題となる。

【００１０】また、小型化してセンサ本体の感度を下
げ、出力感度を確保するために回路ゲインを大きくとれ
ば、加工精度との相対精度の悪化から、ＸＤ振動からＺ
Ｓ振動への不要機械的結合が発生し、不要ＺＳ振動成分
となってオフセットやその温度ドリフトの悪化に結びつ
くだけでなく、回路や基板、ケーシングなどのノイズ対
策に大きなコストを必要とし、例えば図１８に示すよう
な従来の構成では、音叉部だけでも幅Ｗ＝３〜４ｍｍ
で、全長Ｌ＝１５ｍｍまでが限度とされ、圧電特性や共
振周波数の温度特性が優れている水晶を使いながらその
良さを角速度センサの小型化に結びつけることが難し
い。

【００１１】また、振動型角速度センサの支持構造は一
般的に角速度入力の経路としての機能以外に、外部並進
加速度減衰、内部振動反射減衰、外部衝撃緩和の３つの
設計要件を満たさなければならない。すなわち第１に外
部の並進加速度に対してＺＳ振動を誘起しやすく不要な
加速度感度をもつので外部振動を減衰する外部並進加速
度減衰機能、第２に逆に内部のＸＤ振動やＺＳ振動の外
部への漏洩はオフセットやオフセット温度ドリフトの大
きな原因になるので最適な内部振動反射減衰機能、第３
に通常の並進加速度とは絶対値や周波数成分の異なる落
下や衝突などの耐衝撃吸収機能の３つである。

【００１２】この３つの設計要件は図１８に示す従来例
以外の支持構造にも一般的に当てはまるが、特にこの従
来例の支持構造の大きな欠点を次に示す。

【００１３】すなわち、図１８に示す従来の構成におい
ては音叉支持部４，４′上のバネ機構がそれらの設計要
件を達成しなければならない。しかし、外部並進加速度
減衰の要件については音叉内部への並進加速度成分の侵
入は減衰できるが、音叉の振動腕１，１′と３，３′の
Ｙ方向を軸とした捻れ、つまり不要な内部角速度振動を
誘起しやすい。

【００１４】また、前述のように音叉支持部は角速度信
号を担う駆動側音叉のＺＤ振動を検出側音叉のＺＳ振動
へ効率よく結合するために所望の角速度感度を得るため
にＸ方向回りに捻れ易く設計しなければならない。つま
り、角速度入力経路としての機能と前記３つの設計要件
にもうひとつ角速度感度確保という設計要件を加えて５
つもの機能を満足しなければならない。単一の構造だけ
でこれらの条件を全て満足するのは難しい。例えば感度
確保のために柔らかくすると角速度入力に対する応答性
が悪化したり、外部の並進加速度に対して不要角速度振
動を誘起し易くなるし、硬くすると感度の低下を招く。
結果的としてこの音叉支持構造４，４′は主として角速
度応答性を確保できる範囲で内部振動反射減衰機能と感
度確保機能を担い、外部並進加速度減衰機能、耐衝撃吸
収機能については別途にゴムなどの振動吸収機構を必要
としていた。

【００１５】また、外側のフレーム枠５はエッチング前
ウェハからの材料取りを悪くしており、しかも全水晶素
材体積のうち、角速度センサとしての本来機能構成部分
であるＸＤ振動部、ＺＳ振動部の比率は著しく小さく、
高価な水晶材料を用いているだけにコストパフォーマン
スが良いとはいえない。

【００１６】以下に上記に述べた課題についてまとめ
る。課題１：高感度化と感度安定性、角速度応答性とのトレ
ードオフ課題２：高感度化と小型化、低電圧化、ＥＭＣ対策との
トレードオフ課題３：小型化とオフセットおよびその温度ドリフトの
改善相対精度の悪化改善不要ＺＳ振動の発生防止課題４：外部並進加速度に対する不要感度課題５：低オフセットとその温度ドリフトの実現内部振動反射減衰最適化課題６：外部衝撃緩和課題７：水晶素材の振動部体積への効率的利用本発明は前記従来例の支持構造としてのフレーム枠の部
分を廃し水晶の素材の大部分をＸＤ振動部あるいはＺＳ
振動部として有効に使用し、前記３つの設計要件は音叉
腕の支持部と非水晶素材である外部支持部材との接続方
法にその機能を凝縮することにより高感度化、低オフセ
ット化、低オフセットドリフト化、低並進加速度感度
化、高耐衝撃性を低コストで実現することを目的とする
ものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の角速度センサは、水晶材料からなり、４本の
平行な振動腕とこの振動腕の片端部または両端部を共通
に支持する支持部を持ち、内側、外側のそれぞれ２本の
振動腕の支持部への内側付け根の振動腕方向の位置が一
致するかまたは異なる櫛形状、目の字形状の複合音叉
を、目の字形状の場合はさらに内側または外側の２本振
動腕を中央で分離して６本の振動腕とし、複合音叉の幅
方向を水晶結晶軸の電気軸とし、複合音叉の長手方向と
厚み方向をそれぞれ水晶結晶軸の機械軸と光軸を起点と
して電気軸回りにθ度回転させた方向として形成し、こ
の複合音叉の外側の２本の振動腕を駆動側音叉または検
出側音叉に、内側の２本の振動腕を検出側音叉または駆
動側音叉として駆動・検出対応させ、この複合音叉の駆
動側音叉腕の支持部にわたる表裏面あるいは側面には検
出電極を配設し、前記駆動側音叉の片方または双方の振
動腕上の駆動側電極に交流電力を印加して駆動側音叉に
互いに逆相の音叉の幅方向の屈曲振動を発生持続させ、
外部から支持部を含むこの複合音叉全体に回転作用する
角速度ベクトルが入力したとき、駆動側音叉または検出
側音叉のＸ方向の振動をしている部分に働くコリオリの
力のＺ方向成分を源駆動力として誘起する検出側音叉上
の互いに逆相のＺ方向屈曲振動によって検出電極に発生
した電荷を検出することにより入力角速度に比例した電
気信号を得るように構成したものである。

【００１８】

【作用】上記構成とすることにより、水晶の素材の大部
分をＸＤ振動部あるいはＺＳ振動部として有効に使用
し、外部支持部材との接続部に課される前記３つの設計
要件は音叉の振動腕の支持部と非水晶素材である外部支
持部材との接続方法にその機能を限定し、感度の確保は
複合音叉構造のみで実現することにより高感度化、低オ
フセット化、低オフセットドリフト化、低並進加速度感
度化を小型、低コストで実現することを目的とするもの
である。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の水晶角速度センサの実施例に
ついて図面を用いて説明する。

【００２０】（実施例１）請求項１に記載の櫛形状の音
叉を利用し、請求項９、１０に記載のいわゆるモニタ方
式の駆動検出方式を採用した場合を中心に実施例１とし
て説明する。

【００２１】まず、基本的な概略構成を請求項３（水晶
結晶軸と音叉の方向を一致させる）に関する構成を交え
て説明した後、角速度センサとしての動作原理を解説
し、その後で請求項９、１０（モニタ方式に関する）、
請求項４、５、６、７（ＸＤ振動、ＸＳ振動、ＺＳ振
動、ＺＤ振動の共振周波数関係を設定する）、請求項８
（外部支持部材との接続方法）の順に各請求項に関する
構成詳細を上記課題の解決内容を含め説明する。

【００２２】以下に本実施例１の概略構成を図１〜図８
を用いて説明する。図１は請求項１に記載の櫛形複合音
叉の本実施例の外観でこの形状をとることにより図１８
に示す従来例のもっていた課題６としての水晶素材の振
動部体積への効率的利用を解決するものである。図１に
おいて、１０は水晶材料から音叉の幅方向（Ｘ方向とす
る）を水晶結晶軸の電気軸とし、複合音叉の長手方向
（Ｙ方向とする）と厚み方向（Ｚ方向とする）をそれぞ
れ水晶結晶軸の機械軸と光軸を起点として電気軸回りに
θ度回転させた方向として櫛形状に形成した複合音叉で
あり、その下端には共通の支持部１１が設けられ、この
支持部１１より上部には４本の平行な振動腕１２，１
３，１４，１５が形成されている。この振動腕１２〜１
５の外側の２本の振動腕１２，１５は駆動側音叉として
利用され、内側の２本の振動腕１３，１４は検出側音叉
として利用される。支持部１１の中央部にはこの櫛形状
の音叉１０の外部支持部材への取付用として小さな孔３
４が設けられている。

【００２３】図２、３は音叉の方向と水晶の材料異方性
の方向を示したもので、図２は上記櫛形状の音叉１０を
幅方向（Ｘ方向）が水晶結晶軸の電気軸と一致させ、音
叉の長手方向（Ｙ方向）と音叉の厚み方向（Ｚ方向）を
それぞれ水晶結晶軸の機械軸、光軸と零でない角度θを
成すように形成したものである。また、図３は上記櫛形
状の音叉１０を音叉形状の示す方向Ｘ、Ｙ、Ｚ方向がそ
れぞれ水晶結晶材料の電気軸、機械軸、光軸と一致する
（角度θが零度）ように形成した例を示し、図２、図３
の選択は請求項３に対応し、課題１としての高感度化と
感度安定性、角速度応答性とのトレードオフを選択解決
するものである。

【００２４】すなわち、角度θは水晶の共振周波数の温
度特性の安定化を通じて感度を安定化するために設定さ
れ、時計のクロック等への用途に用いる単純音叉では通
常１〜２度以内に設定されるが、角速度センサとしての
本実施例では、高感度は要求されるが比較的応答性の要
求されない車両のナビゲーション用等の用途では後述す
るようにＸＤ振動とＺＳ振動の共振周波数を精密に設定
するためθをもたせ、高応答性は要求されるが比較的低
感度でよい車両の姿勢制御用の用途では後述するように
各方向の振動の共振周波数の精密設定は不要となるので
θを零としてある。

【００２５】次に、図５、図７は図１と共に電極・端子
構成を示す。図５は請求の範囲９、１０に関わらない一
般的な方式（以下、非モニタ方式とする）の電極・端子
構成、図７は請求の範囲９、１０に関するいわゆるモニ
タ方式の電極・端子構成である。

【００２６】まず非モニタ方式を示す図５、モニタ方式
を示す図７の共通部分から説明すると、上記駆動側音叉
の外側の一方の振動腕１２と支持部１１の表裏面には＋
側の駆動電極１６，１７が、両側面には−（マイナス）
側の駆動電極１８，１９が形成され、外側の他方の振動
腕１５の表裏面には−側の駆動電極２０，２１が両側面
には＋側の駆動電極２２，２３が形成されている。ま
た、内側の検出側音叉の２本の振動腕１３，１４と支持
部１１の表裏面には、表面内側と裏面外側に＋側の検出
電極２６，２９が、表面外側と裏面内側に−側の検出電
極２７，２８が形成されている。また、駆動電極の＋
側、−側、検出電極の＋側、−側はそれぞれ支持部１１
の側面および裏面に形成した駆動電極用の導電パターン
２４，２５で、あるいは検出電極用の場合は図１の支持
部１１に示したような上向きコの字形の導電パターン、
あるいは本実施例では示していないが＋側の駆動電極１
６のように位相幾何的に支持部上で接続できない電極は
導電ワイヤーを通して外部回路上で接続されている。
（この点については取り出し端子表現の便宜上すべて支
持部の導電パターン上で接続されたものとして扱う。）次にモニタ方式と非モニタ方式で異なる端子結線につい
て説明する。まず、非モニタ方式である図５の端子構成
として＋側の駆動電極１６，１７，２２，２３は駆動端
子（Ｄ）３０に、−側の駆動電極１８，１９，２０，２
１は駆動基準端子（ＤＧＮＤ）３１に、＋側の検出電極
２６，２９は検出端子（Ｓ）３２に、−側の検出電極２
７，２８は基準端子（ＧＮＤ）３３に接続されている。

【００２７】また、モニタ方式である図７の端子構成と
して＋側の駆動電極１６，１７は駆動端子（Ｄ）３５
に、＋側の駆動電極２２，２３はモニタ端子（Ｍ）３６
に、＋側の検出電極２６，２９は検出端子（Ｓ）３７
に、−側の駆動電極１８，１９，２０，２１と−側の検
出電極２７，２８は基準端子（ＧＮＤ）３３に接続され
ている。（なお、この駆動側音叉の駆動電極１６，１７
側の振動腕を以下、駆動振動腕、駆動電極２２，２３側
の振動腕を以下、モニタ振動腕とする。）図８はモニタ方式を中心に説明する回路構成図で、電極
・端子構成を図７を参照して説明すると、３９は＋側の
駆動電極２２，２３に発生する電荷による電流（以下、
モニタ電流信号とする）をモニタ端子（Ｍ）３６を通し
てイマジナリショートによる基準電位のまま検出する電
流増幅器、４０は＋側の検出電極２６，２９に発生する
電荷（以下、検出電荷信号とする）を検出端子（Ｓ）３
７を通してイマジナリショートによる基準電位のまま電
荷検出する電荷増幅器、４１，４２は交流電圧増幅器、
４４は交直変換器、４３は交流電圧増幅器４１の出力の
増幅率を自身の出力からの負のフィードバックを通し、
交直変換器４４の出力に応じて制御する駆動電圧コント
ローラで、モニタ電流信号を一定に保つためのものであ
り、その出力（以下、駆動電圧とする）は駆動端子
（Ｄ）３５に接続される。４５は交流電圧増幅器４１の
出力を基準電位と比較する零クロスコンパレータで出力
は交流電圧増幅器４１の出力と同相の矩形波となる。４
６は検出電荷信号を担う交流増幅器４２の出力を零クロ
スコンパレータ４５の極性変化のタイミングを基準に正
転、反転することによりモニタ電流信号と同周波数、同
相の信号のみを直流化する同相検波器、４７は同相検波
器４６の出力のＤＣ成分を最終出力する積分フィルタで
ある。つまり、零クロスコンパレータ４５の出力は同相
検波のタイミング信号となっている。

【００２８】また、図８を非モニタ方式の図５を参照し
てモニタ方式との相違点だけを説明すると、電流増幅器
３９はその入力端子を駆動基準端子（ＤＧＮＤ）３１と
し、−側の駆動電極１８，１９，２０，２１に機械電気
変換により発生する電荷による電流（以下、駆動電流信
号とする）を検出し、交流電圧増幅器４１の出力をモニ
タ方式に対して極性反転させている。従って、駆動電圧
コントローラは駆動電流信号を一定に保つように働き、
同相検波器４６は駆動電流信号を基準タイミングに検出
電荷信号を検波する。なお、駆動端子（Ｄ）３５、駆動
基準端子（ＤＧＮＤ）３１には駆動電流の他に両端子間
に存在する水晶材料の誘電性に起因する静電容量に流れ
る電流（以下、これを駆動チャージ電流とする）も流れ
る。この静電容量はモニタ端子（Ｍ）３６、検出端子
（Ｓ）３７と基準端子（ＧＮＤ）３３間にも存在する
が、これらは基準端子（ＧＮＤ）３３にイマジナリショ
ートされているので電圧発生せず、動作に影響しない。

【００２９】以上が本実施例の基本構成であるが、請求
項と課題解決、構成の方式選択には詳細な関係がある。
これらの詳細な構成の説明の前に、ここで本実施例の角
速度センサの動作原理について図１、図５、図６、図９
を用いて説明する。

【００３０】駆動端子（Ｄ）３５と駆動基準端子（ＤＧ
ＮＤ）３１間、または駆動端子（Ｄ）３５と基準端子
（ＧＮＤ）３８間に上記構成回路の駆動電圧コントロー
ラ４３の出力である駆動電圧が加わるようにすると、駆
動側音叉のＸ方向に±電界が発生し、水晶の圧電特性よ
りＹ方向への伸縮応力が発生し、最初の音叉のＸＤ振動
を始める。この振動レベルに比例して駆動基準端子（Ｄ
ＧＮＤ）３１から駆動電流が、またはモニタ端子（Ｍ）
３６からモニタ電流が生成し、その電流信号が上記構成
回路の電流増幅器３９、交流電圧増幅器４１を通して駆
動電圧コントローラ４３へ正帰還する。音叉振動である
ＸＤ振動の共振点は非常に大きな先鋭度Ｑをもつのでこ
の正帰還ループのオープンループ特性は、ゲインがＸＤ
振動の共振周波数（以下ｆｘｄとする）で最大となる。
一方、位相については周波数ｆｘｄにおいて駆動電圧に
対して駆動電流は零度、モニタ電流は１８０度反転とな
り、回路側は周波数ｆｘｄにおいて駆動基準端子（ＤＧ
ＮＤ）３１に対して駆動端子（Ｄ）３５は零度、モニタ
端子（Ｍ）３６に対して駆動端子（Ｄ）３５は１８０度
反転となるので非モニタ方式、モニタ方式双方ともトー
タルで零度の位相となる。従って、この正帰還ループで
は周波数ｆｘｄでの発振条件が成立し、電気機械結合振
動であるＸＤ振動が自励発振を始める。ＸＤ振動レベル
については交直変換器４４のＸＤ振動レベル信号のＤＣ
化を経て駆動電圧コントローラ４３へ負帰還がかかり、
所定の振動レベルで安定駆動される。

【００３１】水晶音叉内での圧電現象である電圧・力変
換、振動速度・電流交換について詳述すると、駆動電圧
のかかっている駆動側振動腕の水晶の電気軸（Ｘ）方向
の±電界が機械軸（Ｙ）方向の±応力に変換することに
より振動腕がＸ方向にたわみ、音叉結合あるいは共鳴結
合した他の振動腕も含めて振動が励起、持続する。振動
が励起されると各振動腕はＸ方向の振動速度をもち、内
部的にはＹ方向の±歪速度（歪の時間微分）をもつこと
となる。水晶内でのＹ方向歪は歪・電荷変換によってＸ
方向の分極電荷を発生しこれが電極電荷をもたらす。す
なわち、振動速度・電流変換が行われ、駆動電流、モニ
タ電流として現れる。

【００３２】駆動電圧のかかっている振動腕上では駆動
電圧・駆動力変換、駆動力・振動速度応答、振動速度・
駆動電流変換が行われ、電圧のかかっていないモニタ振
動腕では音叉結合を介して音叉結合力・振動速度応答、
振動速度・モニタ電流変換が行われる。変換において位
相は保持される。また、ＸＤ振動は共振状態なので駆動
力に対する振動速度応答、音叉結合力に対する振動速度
は同相となる。一方、ＸＤ振動に対して非共鳴の機械結
合をしている振動腕はｆｘｄと離れた共振周波数を持っ
ているので非共鳴結合力に対する振動速度応答は９０度
の位相シフトを起こす。

【００３３】さて、このＸＤ振動（ｉ，ｊ）は支持部１
１の機械結合を介して力結合し、検出側音叉の振動腕１
３，１４にＸ方向逆相のＸＳ振動（ｑ，ｒ）を誘起する
力を及ぼし、ＸＳ振動の共振周波数の共鳴設定次第で大
きなＸＳ振動を誘起することができる。図には（ｉ，
ｊ）と（ｑ，ｒ）は逆相になる場合で表記したが、駆動
側振動腕の付け根と検出側振動腕の付け根の位置関係で
これは同相にも逆相にもなる。

【００３４】以上のようにして、これらのＸＤ振動、Ｘ
Ｓ振動の振動レベルは駆動電圧コントローラ４３により
駆動電流またはモニタ電流信号をコントロールするとい
う方法で一定に保たれる。この状態がセンサの駆動励起
状態で少なくとも一定のＸＤ振動が発生・持続してい
る。

【００３５】ここに外部から支持部を介して音叉全体に
回転角速度Ωが入力すると、ＸＤ振動（ｉ，ｊ）または
ＸＳ振動（ｑ，ｒ）をしている部分にコリオリの力がは
たらく。コリオリの力Ｆｃは速度ｖをもった質量ｍ部分
に次の式にもとづいてはたらくからである。

【００３６】Ｆｃ＝２・ｍ・ｖ×Ω ただし、Ｆｃ、ｖ、Ωはベクトルで・はスカラー積、×
はベクトル積を表し、ｖはＸＤ振動、またはＸＳ振動の
速度である。コリオリの力のＺ方向の成分はＺＤ振動
（ｈ，ｕ）またはＺＳ振動（ｐ，ｋ）を誘起する。ＸＳ
振動がＸＤ振動と非共鳴の場合はＸＤ振動に基づくＺＤ
振動がＺＳ振動に結合し、いずれにしてもＺＳ振動は誘
起することになる。またＺＤ振動、ＺＳ振動の位相はＸ
Ｄ振動またはＸＳ振動の速度ｖが最大のとき、つまり変
位零のときに最大のコリオリの駆動力を受ける位相とな
る。

【００３７】ＺＳ振動が誘起すると検出側音叉の振動腕
１３，１４のＹ方向に応力が発生しＸ方向に誘電分極し
て検出側電極２７から２６、２８から２９へ向けて電荷
の移動が起こる。この際の移動の向き（±）は（ｐ，
ｋ）の向きに対応する。

【００３８】ここで並進加速度に対するキャンセル効果
について述べる。並進加速度は直接には検出側振動腕に
同相で作用するので並進加速度による振動または変位は
同相となる。言わば（ｐ，ｋ）の向きが同じになった状
態になり、発生した電荷は２つの振動腕上にまたがる検
出側電極２７と２６または２８と２９の内部でキャンセ
ルし合い、検出電極（Ｓ）３２へは現れない。

【００３９】さて、コリオリの力に基づく移動電荷は駆
動基準端子（Ｄ）３５とイマジナリショートされた検出
端子（Ｓ）３７間の電荷増幅器４０による電荷移動で即
座に検出キャンセルされ検出端子（Ｓ）３７には電圧は
発生しない。電荷増幅器４０の出力は交流電圧増幅器４
２によって増幅され、同相検波器４６によってモニタ電
流信号と同周波数の同相成分（つまり角速度信号）のみ
が直流化出力され、積分フィルタ４７によって完全ＤＣ
成分に変換されて最終出力する。

【００４０】ここで同相検波について詳述すると、電荷
増幅器４０へは角速度信号以外に角速度入力零のときで
もＸＤ振動、ＸＳ振動に不要に結合した不要ＺＳ振動
（これはＸＤ振動振幅最大のときに最大の結合駆動力と
なる位相で振動するのでコリオリの力駆動の位相と９０
度異なる）に基づくキャンセルしきれなかった電荷や、
外来の並進加速度による振動に基づく不要電荷、ＥＭＣ
ノイズ等が発生している。これらの不要電荷はすべて、
角速度信号とは周波数が異なるか、もしくは位相が９０
度ずれているので同相検波器４６によって検波減衰され
直流化はされない。従って次段の積分フィルタ４７によ
って大幅に減衰され、最終出力には現れない。

【００４１】以上の動作原理による各部の電気波形を図
９を用いて説明する。（ａ）はＸＤ振動による自励発振
下での駆動端子（Ｄ）３５上の駆動電圧波形である。
（ｂ）は駆動端子（Ｄ）上を流れる駆動電流波形であ
る。駆動電圧は水晶の圧電特性により同相の駆動力に変
換され共振ＸＤ振動状態では駆動力はＸＤ振動の振動速
度に比例する粘性抵抗、摩擦抵抗による反力と逆相釣合
いの状態になり、振動腕の慣性力と弾性力が駆動力と９
０度異なる位相で互いに逆相で釣り合っている。従っ
て、駆動のエネルギー変換原理に基づきＸＤ振動の速度
に同相比例した電流成分が駆動電流として流れる。一方
で、水晶は誘電体で駆動端子（Ｄ）３５と基準端子（Ｇ
ＮＤ）３８間に静電容量を持つのでこの静電容量への充
電電流（以下、駆動チャージ電流とする）が駆動電圧よ
り９０度進んで流れる。振動電流波形（ｂ）が駆動電圧
波形（ａ）よりも若干位相が進んでいるのはこの２つの
成分が重畳しているからである。（ｃ）はモニタ端子
（Ｍ）３６を流れるモニタ電流で前記駆動電流と同相と
なる。また、駆動電流、モニタ電流は音叉へ流れ込む方
を＋にして表現している。

【００４２】次に検出側の波形を説明する。（ｄ）は角
速度検出電荷波形で（ｄ′）が前記不要ＺＳ振動に基づ
く電荷波形である。不要ＺＳ振動は駆動力に基づき、角
速度によるＺＳ振動はコリオリの力に基づくので両者は
位相が９０度ずれる。電荷は電流を積分したものなので
駆動電圧波形（ａ）（駆動力と同相）に対して不要ＺＳ
振動電荷波形（ｄ′）が９０度遅れる。ちなみに、ここ
では角速度検出電荷波形のほうが小さい場合について表
現している。電流増幅器３９は（ｄ）と（ｄ′）の重畳
した波形を電圧出力し、この波形が同相のまま同相検波
器４６に入力する。一方、モニタ電流波形（ｃ）に基づ
き同相検波のタイミング信号波形（ｅ）が零クロスコン
パレータ４５から出力される。（ｆ′）、（ｆ）は同相
検波器の出力波形を不要ＺＳ振動電荷波形（ｄ′）、角
速度検出電荷波形（ｄ）毎に表現したものである。最終
的には（ｆ′）、（ｆ）が積分フィルタ４７で積分され
たＤＣ波形が出力されるので不要ＺＳ振動に基づく
（ｆ′）はほとんど減衰し、角速度に基づく（ｆ）の波
形レベルが出力される。

【００４３】ここで請求項９、１０、請求項４〜１０に
関わる詳細な構成とその課題解決効果について以下に説
明する。まず請求項９、１０はモニタ方式に関わり、非
モニタ方式と共に、課題２の高感度化と低電圧化のトレ
ードオフ、課題３の小型化（高感度化）とオフセットお
よびその温度ドリフトとのトレードオフを選択解決する
ものであり、そのそれぞれの特徴を述べる。

【００４４】非モニタ方式での駆動電流信号は駆動端子
（Ｄ）３０と駆動基準端子（ＤＧＮＤ）３１間に与えた
電圧に伴う電流なので水晶のＸＤ振動の共振振動速度に
対応する純駆動電流以外に水晶の誘電体としての静電容
量に流れる位相の異なる駆動チャージ電流も加算される
ので、この静電容量が温度特性をもった場合等に駆動電
流信号の一定制御方式にとって外乱の原因となり感度の
不安定性をもたらし、同相検波の基準タイミングに対し
ても外乱因子となるのでオフセットおよびその温度ドリ
フトも悪化する。しかし、駆動側音叉の双方の振動腕か
ら駆動エネルギーを供給するので感度に対する駆動の電
圧効率が高い。つまり、非モニタ方式は精度が悪いが低
電圧仕様を要求される用途に好適に設定する。

【００４５】それに対してモニタ方式ではモニタ端子
（Ｍ）３６は電流増幅器３９によって基準電位にイマジ
ナリショートしてあるのでモニタ端子（Ｍ）には水晶の
誘電体に静電容量に伴う駆動チャージ電流は流れない。
その結果、モニタ端子には音叉の共振ＸＤ振動のモニタ
側振動腕の速度に完全に比例したモニタ電流のみが発生
する。従って非モニタ方式のような静電容量を流れる電
流に起因する外乱は発生しない。モニタ方式は感度に対
する駆動の電圧効率が低いので、電圧仕様が厳しくなく
高感度な用途に好適に設定する。

【００４６】次に、以下請求項４〜７に記載の設計につ
いて説明する。これらは全て課題１の高感度化と角速度
応答性とのトレードオフを共通に選択解決するためのも
のである。図４は水晶より、ブレードソー、サンドブラ
スト等の機械加工またはフォトリソグラフィー等のエッ
チング技術によって形成された櫛形状の本実施例の寸法
を示し、例えば以下の寸法に設定してある。

【００４７】駆動側音叉の振動腕１２，１５の長さＬｄ＝１１．００ｍｍ駆動側音叉の振動腕１２，１５の幅Ｗｄ＝１．００ｍｍ検出側音叉の振動腕１３，１４の長さＬｓ＝９．９８ｍｍ検出側音叉の振動腕１３，１４の幅Ｗｓ＝０．８０ｍｍ櫛形状の音叉の厚みＴ＝０．７０ｍｍ櫛形状の音叉全体の幅Ｗ＝５．００ｍｍ駆動側音叉の支持部の長さＬｄｂ＝４．００ｍｍ検出側音叉の支持部の長さＬｓｂ＝１．０２ｍｍ駆動側と検出側の振動腕間のスリット間隔Ｓ１＝０．５０ｍｍ検出側音叉の振動腕１３，１４のスリット間隔Ｓ２＝０．４０ｍｍ上記寸法設定はＸＤ振動の共振周波数ｆｘｄとＸＳ振動
の共振周波数ｆｘｓをほぼ同じくし、ＺＳ振動の共振周
波数ｆｚｓを異ならせるように意図した請求項５に記載
の角速度センサに属する寸法であり、ｆｘｄ＝ｆｘｓ＝
６６３５Ｈｚ、ｆｚｓ＝５２５１Ｈｚになるように設計
してある。実際は加工精度の限界からｆｘｄとｆｘｓの
離調ｆｘｄ−ｆｘｓをトリミングにより１Ｈｚ以下にな
るように調整することを前提とする。これは自励共振状
態にあるＸＤ振動に対してＸＳ振動を完全共鳴させるこ
とにより検出側音叉に十分なＸ方向逆相振動（ＸＳ振
動）を与えて角速度入力時に検出側音叉に最大のコリオ
リの力をもたらすためである。

【００４８】この寸法設定は検出側音叉のＺ方向に逆相
におよぶコリオリの力の周波数はＸＤ振動の自励発振周
波数ｆｘｄになるので、この場合ｆｚｓとｆｘｄの離調
ｆｚｓ−ｆｘｄ＝−１３８４Ｈｚは大きいのでコリオリ
の力の反応としての検出側音叉のＺ方向逆相振動（ＺＳ
振動）はＸＤ振動との共鳴から大きく離れ、その結果、
入力角速度に対して高速に応答する寸法設定となってい
る。ただし、感度は次に述べるＷｄ＝０．７８ｍｍの寸
法設定の場合より小さい。これは角速度入力レンジが比
較的大きく、高速応答を要求される車両等の姿勢制御用
として好適な設定である。

【００４９】また、駆動側音叉の振動腕１２，１５の幅
だけをＷｄ＝０．７８ｍｍに変更すればｆｘｄ＝５２７
５Ｈｚとなり、寸法設定がＸＤ振動の共振周波数ｆｘｄ
とＸＳ振動の共振周波数ｆｘｓをほぼ同じくし、ＺＳ振
動の共振周波数ｆｚｓをもほぼ同じくするように意図し
た請求項４に記載の角速度センサに属する寸法となり、
前記寸法設定下でのトリミングに加えてｆｘｄとｆｚｓ
の離調ｆｘｄ−ｆｚｓをトリミングにより２４Ｈｚ±１
Ｈｚになるように調整することを前提とする。

【００５０】これは前記寸法設定のようにＸＤ振動とＸ
Ｓ振動を共鳴させて検出側音叉に最大のコリオリの力を
もたらすだけでなく、その反応としてのＺＳ振動をも共
鳴に近づける（近共鳴とする）ことにより、その結果、
入力角速度に対して高感度な寸法設定となっている。た
だし、応答速度は前述のＷｄ＝１．００ｍｍの寸法設定
より小さい。これは角速度入力レンジが小さく、応答速
度が比較的低速でも使用できる車両等のナビゲーション
システム用として好適な設定となる。

【００５１】なお、トリミングは既に公知な方法で、振
動腕１２〜１５の先端の角を斜めにカットしたり、振動
腕１２〜１５の付け根をＶ溝カットしたり、支持部１１
の低部をカットしたり、先端に小さい質量を接着添加す
る方法がある。

【００５２】また、Ｗｄ＝０．７８ｍｍのままで検出側
音叉の幅Ｗｓを変更することでｆｘｓが変化するのでｆ
ｘｄとｆｚｓを同じくし、ｆｘｓを異ならせる請求項６
記載の角速度センサを構成することができる。これは課
題１の選択解決だけでなく課題３の小型化とオフセット
およびその温度ドリフトの改善も解決するものである。
この構成においては検出側音叉のＸＳ振動は駆動側音叉
のＸＤ振動に共鳴せず角速度が入力したときのＺ方向逆
相のコリオリの力はもっぱら駆動側音叉が受けることに
なる。このコリオリの力は共振ＸＤ振動の周波数で音叉
の支持部を介して検出側音叉に機械的に結合し、検出側
音叉のＺＳ振動は共振周波数がＸＤ振動の共振周波数に
近接しているので大きく振動し、角速度センサとして機
能することになる。この構成の特徴は、ＸＳ振動がＸＤ
振動に非共鳴であるためにＸＤ振動からＺＳ振動への不
要機械結合が発生せず、不要ＺＳ振動成分もほとんどな
くなりオフセットやその温度ドリフトの改善に結びつく
ところにある。

【００５３】また、前記寸法設定から音叉の厚みＴを変
え、それに伴うｆｚｓの変化を検出側音叉の振動腕の長
さＬｓを変更することでｆｘｄとｆｚｓを同じくし、ｆ
ｘｓを異ならせたまま、さらにｆｚｄをｆｘｄと同じく
する寸法設定、すなわち請求項７記載の角速度センサを
構成することができ、この構成は前記同様課題１の選択
解決、課題３の解決をもたらす。この構成の特徴は駆動
側音叉に現れたコリオリの力によって駆動側音叉のＺＸ
振動を共振させ、さらに検出側音叉のＺＳ振動を共鳴さ
せることで前記寸法設定と同様、オフセットやその温度
ドリフトを改善するのみならず、高感度の特性をも図っ
たものである。

【００５４】以上述べた共振周波数の共鳴設定はＸＤ振
動とＺＳ振動に限って２本の単純音叉でも可能である
が、駆動電極、検出電極を近づけて各振動腕に配置する
と駆動電圧が水晶の静電容量を介して検出電極に電荷を
運び、これは角速度信号と同相となるので同相検波器４
６でも分離できず、オフセットおよびその温度ドリフト
の原因となる。また左右の振動腕に駆動電極、検出電極
と分けて配置すると並進加速度に対してキャンセル効果
がなくなり、大きな並進加速度電荷として検出端子
（Ｓ）３２から現れ、同相検波器の検波減衰後もＤＣ電
圧として残ってしまう。

【００５５】以上、請求項４〜７に関する各振動共振周
波数の近共鳴構成について説明した。

【００５６】次に請求項８に関する説明を行う。請求項
８は課題４の外部並進加速度に対する不要感度、課題５
の低オフセットとその温度ドリフトの実現、課題６の外
部衝撃緩和の３つの課題を解決するものである。

【００５７】上記小さな孔３４は図６に示すように、Ｘ
Ｙ面内での複合音叉の対称の中央線を基準とする同じく
対称となるような外部支持部材との接続のための孔構造
で、ＸＤ振動やＸＳ振動の音叉のＸ方向バランス節点上
に配置して振動の外部への漏洩を減衰し、オフセットや
オフセット温度ドリフトを低減すること、コリオリの力
の応答としてのＺＳ振動（検出側音叉の逆相のＺ方向振
動）とＺＤ振動（ドライブ側音叉の逆相のＺ方向振動）
が同相の場合に、つまりＹ軸まわりの回転振動（これを
Ｙ回転振動とする）が誘起する場合、Ｙ回転振動の機械
的インピーダンスを安定化設定するか、逆相の場合に
（このとき、Ｙ回転振動はキャンセルされる）、両振動
Ｙ回転のバランス節点上の配置として振動の外部への漏
洩を減衰し、同じくオフセットやオフセット温度ドリフ
トを低減するためのものである。

【００５８】なお、ＺＳ振動とＺＤ振動が同相（Ｙ回転
振動が誘起する状態）になるか逆相（Ｙ回転振動がキャ
ンセルされる状態）になるかは請求項１、２に記載した
内側、外側のそれぞれ２本の振動腕（これらは駆動側、
検出側に割り当てられる）の支持部への内側付け根のＹ
方向の位置関係に依存し、内側の音叉の内側付け根の位
置の方が音叉の先端側にあればＹ回転振動誘起、支持部
側にあればＹ回転振動キャンセルとなる。

【００５９】すなわち、感度はＺＳ振動がもたらすもの
であるが、それを基本的に決定づけるのは検出側の振動
腕および支持部１１の構造インピーダンスである。しか
し、下記のように外部との接続支持部の構造インピーダ
ンスも関与させたり、させなかったりできるので設計自
由度が向上する。ＺＳ振動の共振周波数ｆｚｓをＸＤ振
動の共振周波数ｆｘｄと異ならせる場合はＺＳ振動レベ
ルは比較的小さく、ＺＳ振動とＺＤ振動がＹ回転振動誘
起となる付け根位置関係に設計して音叉全体に回転モー
メントを与え、孔３４に接続した外部支持部材による機
械インピーダンスによってＺＳ振動における振動腕のた
わみレベルを決めることもできる。つまり、外部支持を
硬くするとたわみ振動が振動腕に集中して高感度設計と
なり、柔らかくするとたわみは外部支持部材に集中して
低感度設計となる。低感度設計は角速度入力レンジが比
較的大きく、高速応答を要求される車両等の姿勢制御用
として好適な設計である。

【００６０】また、ＺＳ振動の共振周波数ｆｚｓをＸＤ
振動の共振周波数ｆｘｄと同じくする場合はＺＳ振動レ
ベルが大きく、ＺＤ振動の共振周波数ｆｚｄも同じくし
てＺＳ振動とＺＤ振動がＹ回転振動キャンセルとなる付
け根位置関係に設計して両振動の回転モーメントを打ち
消し合う。これは角速度入力レンジが小さく、応答速度
が比較的低速でも使用できる車両等のナビゲーションシ
ステム用として好適な設計となる。

【００６１】つまり、ＺＳ振動は基本的に音叉上の振動
腕の支持部１１を介して結合するので図１８に示す従来
例のように感度確保のために外部支持部に設計制約を与
えることがなく、対衝撃緩和、外部並進角速度に対する
感度低減のための設計自由度を十分確保でき、オフセッ
ト安定化のための内部振動反射減衰の設計もＸＤ振動、
ＺＳ振動ともに容易となる。

【００６２】また、本実施例の孔３４のようにＹ方向対
称の中心線上に外部支持部を配すると、外部並進加速度
に対するＹ方向回転捻れを誘起しにくく従来例に比べて
外部並進加速度感度低減の効果はいっそう大である。

【００６３】上記設計目的を達成するための外部支持接
続部は孔３４以外に、ＸＹ面内での複合音叉の対称の中
央線を基準に、同じく対称となるような構造であれば突
起構造や平面的な接続構造でもよい。

【００６４】以上、本実施例１の構成と動作説明を各請
求項、各課題との関係をまじえて詳細に解説した。

【００６５】最後に、参考までに共振周波数の設計方法
を図４を用いて説明する。図４に示す櫛形状音叉１０の
振動腕１２〜１５は、電気音響振動工学の理論から片持
支持棒として取り扱えるが、振動腕１２，１５の有効長
さはＬｄより長く、Ｈｄとすれば、そのＸＤ振動の共振
周波数ｆｘｄは〔数１〕のように表わされる。

【００６６】

【数１】

【００６７】ＸＤ振動により誘起された検出側音叉のＸ
Ｓ振動の共振周波数ｆｘｓは検出側の振動腕１３，１４
の有効長さをＨｓとすれば同様に〔数２〕となる。

【００６８】

【数２】

【００６９】ＸＳ振動を誘起させるための音叉の支持部
の機械結合の設計条件は〔数１〕＝〔数２〕とすればよ
いから〔数３〕を満足するように設計すればよいことが
わかる。

【００７０】

【数３】

【００７１】また、３つの共振周波数の選択によるＷ
ｄ，Ｗｓ，Ｌｄの設計によってはＬｓ≧Ｌｄの場合もあ
り得る。

【００７２】次に、ＺＳ振動の共振周波数ｆｚｓは、Ｚ
Ｓ振動の振動腕の有効長さは実験的にＨｓより長いこと
がわかっているから、これをＨｚとすれば〔数４〕とな
り、もし、共振形の音叉設計を条件とするならば〔数
２〕＝〔数４〕あるいは〔数１〕＝〔数４〕を満足すれ
ばよい。

【００７３】

【数４】

【００７４】すなわち、以下に示す〔数５〕あるいは
〔数６〕となる。

【００７５】

【数５】

【００７６】

【数６】

【００７７】したがって、検出側音叉の振動腕１３，１
４の厚みＴと幅Ｗｓ，Ｗｄの比は、そのヤング率Ｅｚ，
Ｅｘを測定し、振動腕１３，１４の有効長さ（Ｈｚ／Ｈ
ｓ） ²および（Ｈｚ／Ｈｄ）²から求めることができる。
この実施例ではθ＝３°であるから、回転前の既知の定
数を使って計算し目安とした。

【００７８】〔数３〕および〔数５〕の両方を満たす設
計条件、すなわちｆｘｄ、ｆｘｓ、ｆｚｓの３つの共振
周波数を等しくすれば高感度が期待できるが、製造での
周波数調整に手間どり、かえってコスト高になるのでｆ
ｘｄ＝ｆｘｓ≒ｆｚｓとｆｚｓ＝ｆｘｄ≒ｆｘｓの場合
が望ましい。また、水晶の共振のＱ値が１０，０００以
上と高いので、ｆｘｄ＝ｆｘｓとすることは製造的に困
難な場合が多く、縮退現象を利用して近似的にｆｘｄ≒
ｆｘｓとすることができる。

【００７９】参考までにこの目の字形状の音叉の設計
は、外側の振動腕５１，５２を準両端固定と仮定し、そ
の第１次固有値をβとすれば〔数１〕に対応してＸＤ振
動の共振周波数ｆｘｄは〔数７〕となり、長さが２倍に
なった分と考え合せると、ｆｘｄは櫛形状の音叉の場合
の約１．５９倍（〔β／α〕²÷４）大きくなるので、
その分Ｗｄを小さくすればよい。

【００８０】

【数７】

【００８１】（実施例２）請求項２に記載の目の字形状
の音叉を利用し、非モニタ方式の駆動検出方式を採用し
た場合を実施例２として説明する。この目の字形状の櫛
形状に対する相違点は構造が複雑であることと感度が高
くとれるということである。動作原理と請求項３〜１０
に関する構成の詳細、その課題解決に対する効果との対
応は基本的に実施例１と同じなので省略する。

【００８２】以下に第２の実施例の概略構成を図１０〜
図１７を用いて説明する。図１０は請求項２に記載の目
の字形複合音叉の実施例の外観で、４８は水晶材料から
音叉の幅方向（Ｘ方向とする）を水晶結晶軸の電気軸と
し、複合音叉の長手方向（Ｙ方向とする）と厚み方向
（Ｚ方向とする）をそれぞれ、水晶結晶軸の機械軸と光
軸を起点として、電気軸回りにθ度回転させた方向とし
て目の字形状に形成した複合音叉であり、その上下端に
は共通の支持部４９，５０が設けられ、この支持部４
９，５０をつなぐように両側に駆動側振動腕５１，５２
が設けられ、その内側に支持部４９，５０のそれぞれか
ら２本ずつの検出側振動腕５３，５４と５５，５６が設
けられている。さらに支持部４９，５０の中央部にはこ
の櫛形状の音叉４８の外部支持部材への取付用として小
さな孔５７，５８が設けられている。

【００８３】上記構成では２本の振動腕５１，５２は駆
動側音叉、４本の振動腕５３〜５６は検出側音叉として
利用され、結果的には実施例１で示した櫛形状の音叉を
２個突き合わせ、駆動側音叉を一体で検出側音叉を分離
した構造とし、出力感度を２倍大きくしたものである。

【００８４】図１１は図１０と対比して音叉の方向と水
晶の材料異方性の方向を示したもので、図１０は上記目
の字形状の音叉４８を幅方向（Ｘ方向）を水晶結晶軸の
電気軸と一致させ、音叉の長手方向（Ｙ方向）と音叉の
厚み方向（Ｚ方向）をそれぞれ水晶結晶軸の機械軸、光
軸と零でない角度θを成すように形成したものであり、
図１１はその角度θを零にしたものである。これらは実
施例１と同じく請求項３に対応し、課題１の高感度化と
感度安定性、角速度応答性とのトレードオフを選択解決
するものである。

【００８５】図１７は内側の２本の振動腕５１，５２を
連続にしてこれを駆動音叉の振動腕とし、外側の２本の
振動腕を中央で切断して４本の検出側音叉の振動腕５
３，５４，５５，５６としても同様の構成・動作を実現
するものである。

【００８６】図１３、図１４は図１０、図１１の目の字
形複合音叉の場合の電極・端子構成を示す。一方の駆動
側振動腕５１の表裏面には＋側の駆動電極５９，６０
が、両側面には−側の駆動電極６１，６２が、他方の駆
動側振動腕５２の表裏面には−側の駆動電極６３，６４
が、両側面には＋側の駆動電極６５，６６が振動腕の中
央部が接続のため細くした状態で形成されている。ただ
し、この中央部分は下部から中央部のところでパターン
を９０度よじるようにしてそれぞれ隣の面に接続移動
し、上部に移るところで元の面に戻るようにするともっ
と駆動電極として効率のいい配置となる。

【００８７】また、上方内側の検出側音叉の２本の振動
腕５３，５４と支持部４９には表面側は内側に−側の検
出電極６９、外側に＋側の検出電極７０が設けられ、裏
面には内側に＋側の検出電極７１、外側に−側の検出電
極７２が形成されている。

【００８８】また、下方内側の検出側音叉の２本の振動
腕５５，５６と支持部５０には表面側は内側に−側の検
出電極７３、外側に＋側の検出電極７４が設けられ、裏
面には内側に＋側の検出電極７５、外側に−側の検出電
極７６が形成されている。

【００８９】そして駆動側音叉の＋側の駆動電極５９，
６０，６５，６６は駆動端子（Ｄ）７７に、−側の駆動
電極６１，６２，６３，６４は駆動基準端子（ＤＧＮ
Ｄ）７８に、検出側音叉の＋側の検出電極７０，７１，
７４，７５は検出端子（Ｓ）７９に、−側の検出電極６
９，７２，７３，７６は基準端子（ＧＮＤ）８０に接続
されている。

【００９０】また、図１６は実施例２の角速度センサを
モニタ方式で駆動・検出する場合の電極結線図である。

【００９１】目の字形複合音叉はワイヤソー、ブレード
ソー等の工法は難点があるが、サンドブラスト等の機械
加工またはフォトリソグラフィー等のエッチング技術を
用いると櫛形よりも複雑なこの構造が同じコストで形成
できる。図１２は目の字形状の実施例２の寸法図を示
し、例えば以下の寸法に設定してある。

【００９２】駆動側音叉の振動腕５１，５２の長さＬｄ＝２２．００ｍｍ駆動側音叉の振動腕５１，５２の幅Ｗｄ＝０．６２ｍｍ検出側音叉の振動腕５３〜５６の長さＬｓ＝９．７４ｍｍ検出側音叉の振動腕５３〜５６の幅Ｗｓ＝０．８０ｍｍ目の字形状の音叉の厚みＴ＝０．７０ｍｍ目の字形状の音叉全体の幅Ｗ２＝５．００ｍｍ駆動側と検出側の振動腕間のスリット間隔Ｓ１＝０．５０ｍｍ検出側音叉の振動腕間のスリット間隔Ｓ２＝０．４０ｍｍ上記寸法設定はＸＤ振動の共振周波数ｆｘｄとＸＳ振動
の共振周波数ｆｘｓをほぼ同じくし、ＺＳ振動の共振周
波数ｆｚｓを異ならせるように意図した請求項５に記載
の角速度センサに属する寸法であり、ｆｘｄ＝ｆｘｓ＝
６７６６Ｈｚ、ｆｚｓ＝５２５１Ｈｚになるように設計
してある。

【００９３】また、駆動側音叉の振動腕１２，１５の幅
だけを小さくしてｆｘｄ＝５２７５Ｈｚとすることがで
き、寸法設定がＸＤ振動の共振周波数ｆｘｄとＸＳ振動
の共振周波数ｆｘｓをほぼ同じくし、ＺＳ振動の共振周
波数ｆｚｓをもほぼ同じくするように意図した請求項４
に記載の角速度センサに属する寸法となる。請求項６、
７、８についても実施例１と同様の設計が可能であるこ
とは言うまでもない。

【００９４】このような目の字形状の複合音叉を用いる
ことによって櫛形状の音叉を用いた角速度センサの約
２．１倍の感度が得られた。以上、実施例２の目の字形
状複合音叉による角速度センサについて実施例１との相
違点を中心に説明した。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように櫛形、目の字形の複
合音叉構造をとり、水晶の異方性の方向に対する音叉の
方向、各振動の共振周波数の近共鳴関係設計、駆動検出
方式を最適に選ぶことにより、以下の効果を得ることが
できる。

【００９６】（１）小型化高感度化、それに伴う回路や
基板、ケーシングなどのノイズ対策のコスト減、（２）
感度の安定化、（３）オフセットの低減、（４）オフセ
ット温度ドリフトの低減、（５）外部並進加速度感度の
低減、（６）外部衝撃に対する信頼性向上、（７）水晶
材料効率の向上が図れる。

【００９７】本発明は、各請求項に示すような設計を適
切に選ぶことで用途に応じて上記のような優れた角速度
センサを安価に得ることができ、産業的価値の大なるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の櫛形音叉による角速度センサの実施例
１の斜視図

【図２】実施例１の音叉と水晶結晶軸の方向を示す図

【図３】同音叉と水晶結晶軸の方向を示す図

【図４】実施例１の寸法設定図

【図５】実施例１の電極配置・結線図

【図６】実施例１の機械的動作を示す図

【図７】実施例１の電極配置、結線図

【図８】実施例１の回路ブロック図

【図９】実施例１の回路の電気的動作を示す図

【図１０】本発明の目の字形音叉による実施例２の斜視
図

【図１１】図１０と共に実施例２の音叉と水晶結晶軸の
方向を示す図

【図１２】実施例２の寸法設定図

【図１３】実施例２の電極配置図

【図１４】実施例２の電極配置・結線図

【図１５】実施例２の機械的動作を示す図

【図１６】実施例２の電極配置・結線図

【図１７】実施例２を変形した場合の斜視図

【図１８】従来の角速度センサの斜視図

【符号の説明】

１０櫛形状の複合音叉１１支持部１２〜１５振動腕１６〜２３駆動電極２６〜２９検出電極３０，３５駆動端子３１駆動基準端子３２，３７検出端子３３，３８基準端子３４孔３６モニタ端子３９電流増幅器４０電荷増幅器４１，４２交流電圧増幅器４３駆動電圧コントローラ４４交直変換器４５零クロスコンパレータ４６同相検波器４７積分フィルタ４８目の字形状の複合音叉４９，５０支持部５１〜５６振動腕５７，５８孔５９〜６６駆動電極６９〜７６検出電極７７駆動端子７８駆動基準端子７９検出端子８０基準端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献特開平８−278141（ＪＰ，Ａ) 特開平４−324311（ＪＰ，Ａ) 特開平６−258083（ＪＰ，Ａ) 特開平２−129514（ＪＰ，Ａ) 特開平７−83671（ＪＰ，Ａ) 実開平７−6719（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01C 9/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水晶材料からなり、４本の平行な振動腕
とこの振動腕の片端部を共通に支持する支持部を持ち、
内側、外側のそれぞれ２本の振動腕の支持部への内側付
け根の振動腕方向の位置が一致するかまたは異なる櫛形
状の複合音叉を、複合音叉の幅方向（Ｘ方向とする）を
水晶結晶軸の電気軸とし、複合音叉の長手方向（Ｙ方向
とする）と厚み方向（Ｚ方向とする）をそれぞれ水晶結
晶軸の機械軸と光軸を起点として電気軸回りにθ度回転
させた方向として形成し、この複合音叉の外側の２本の
振動腕を駆動側音叉または検出側音叉に、内側の２本の
振動腕を検出側音叉または駆動側音叉として駆動・検出
対応させ、この複合音叉の駆動側音叉腕の支持部にわた
る表裏面あるいは側面には駆動電極を、検出側音叉腕の
支持部にわたる表裏面あるいは側面には検出電極を配設
し、前記駆動側音叉の片方または双方の振動腕上の駆動
側電極に交流電力を印加して駆動側音叉に互いに逆相の
Ｘ方向屈曲振動を発生持続させ、外部から支持部を含む
この複合音叉全体に回転作用する角速度ベクトルが入力
したとき、駆動側音叉または検出側音叉のＸ方向の振動
をしている部分に働くコリオリの力のＺ方向成分を源駆
動力として誘起する検出側音叉上の互いに逆相のＺ方向
屈曲振動によって検出電極に発生した電荷を検出するこ
とにより入力角速度に比例した電気信号を得るように構
成した角速度センサ。
【請求項２】水晶材料からなり、４本の平行な振動腕
とこの振動腕をその両端部で共通に支持する２つの支持
部を持ち、内側、外側のそれぞれ２本の振動腕の支持部
への内側付け根の振動腕方向の位置が一致するかまたは
異なる目の字形状の内側または外側の２本の腕を中央部
で切り離し、合計６本の振動腕を持つ形状の複合音叉
を、複合音叉の幅方向（Ｘ方向とする）を水晶結晶軸の
電気軸とし、複合音叉の長手方向（Ｙ方向とする）と厚
み方向（Ｚ方向とする）をそれぞれ、水晶結晶軸の機械
軸と光軸を起点として電気軸回りにθ度回転させた方向
として形成し、この複合音叉の切り離されていない形状
の２本の振動腕を駆動側音叉に、切り離された形状の４
本の振動腕を２つの検出側音叉として駆動・検出対応さ
せ、この複合音叉の駆動側音叉の振動腕の支持部にわた
る表裏面あるいは側面には駆動電極を、検出側音叉の振
動腕の支持部にわたる表裏面あるいは側面には検出電極
を配設し、前記駆動側音叉の片方または双方の振動腕上
の駆動側電極に交流電力を印加して駆動側音叉に互いに
逆相のＸ方向屈曲振動を発生持続させ、外部から支持部
を含むこの複合音叉全体に回転作用する角速度ベクトル
が入力したとき、駆動側音叉または検出側音叉のＸ方向
の振動をしている部分に働くコリオリの力のＺ方向成分
を源駆動力として誘起する検出側音叉上の互いに逆相の
Ｚ方向屈曲振動によって検出電極に発生した電荷を検出
することにより入力角速度に比例した電気信号を得るよ
うに構成した角速度センサ。
【請求項３】複合音叉の長手方向と厚み方向を水晶結
晶軸の機械軸と光軸を起点として電気軸回りに回転させ
るθ度を零度として構成した請求項１または２記載の角
速度センサ。
【請求項４】駆動側音叉の互いに逆相のＸ方向の屈曲
振動（以下、ＸＤ振動という）の共振周波数と検出側音
叉の互いに逆相のＸ方向の屈曲振動（以下、ＸＳ振動と
いう）の共振周波数をほぼ同じくし、且つ、検出側音叉
の互いに逆相のＺ方向の屈曲振動（以下、ＺＳ振動とい
う）の共振周波数もほぼ同じくなるように支持部および
振動腕の形状寸法を設定した請求項１または２記載の角
速度センサ。
【請求項５】ＸＤ振動の共振周波数とＸＳ振動の共振
周波数をほぼ同じくし、且つ、ＺＳ振動の共振周波数を
異ならせるように支持部および振動腕の寸法形状を設定
した請求項１または２記載の角速度センサ。
【請求項６】ＸＤ振動の共振周波数とＺＳ振動の共振
周波数をほぼ同じくし、且つ、ＸＳ振動の共振周波数を
異ならせるように支持部および振動腕の寸法形状を設定
した請求項１または２記載の角速度センサ。
【請求項７】駆動側音叉の互いに逆相のＺ方向の屈曲
振動（以下、ＺＤ振動という）の共振周波数とＺＳ振動
の共振周波数をほぼ同じくなるように支持部および振動
腕の寸法形状を設定した請求項１または２記載の角速度
センサ。
【請求項８】複合音叉の前記支持部が、ＸＹ面内での
複合音叉の対称の中央線を基準に、同じく対称となるよ
うな外部支持部材との接続領域を持つか、同じく対称と
なるような外部支持部材との接続のための孔構造または
突起構造を持つ請求項１記載の角速度センサ。
【請求項９】駆動側音叉の片方の振動腕上の駆動電極
に交流電力を印加し、もう一方の振動腕上の駆動電極に
誘起するＸＤ振動に基づく交流電気信号の実効値を一定
に保持する振幅制御回路を持つ請求項１または２記載の
角速度センサ。
【請求項１０】角速度が入力したとき検出電極に発生
する電荷に基づく角速度信号を他の外乱信号の中から検
波抽出するためのタイミング信号を駆動側音叉の片方の
振動腕上の駆動電極に誘起するＸＤ振動に基づく交流電
気信号より発生する請求項９記載の角速度センサ。