JP3561135B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、所定方向に沿って振動している振動子、例えば直交座標のＸ−Ｙ平面においてＹ軸に平行に振動している振動子素子の伸縮振動を屈曲振動に変換して回転角速度を検出する角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
所定方向に沿って振動している振動子、例えば直交座標軸平面（Ｘ−Ｙ平面）におけるＸ軸に沿って振動している振動子がＹ軸の回りに回転すると、振動子に（Ｘ−Ｙ平面と直交する）Ｚ軸方向にコリオリの力が生じる。このコリオリの力は角速度の大きさに比例して定まることから、コリオリの力を振動子の撓み変位量として間接的に、圧電素子の圧電効果、容量変化などで直接的に測定すれば、振動子のＹ軸の回りに作用した回転角速度の大きさを求めることができる。このため、振動する振動子を角速度検出素子として車両や航空機等に搭載し、その走行或いは飛行軌跡を記録したり旋回時に発生するヨーレイトを検出することが行われている。また、この角速度検出素子をロボットに搭載して、その姿勢制御等にも応用されている。
【０００３】
図８は水晶を用いた従来の角速度センサの要部を示す図である。図８において、（ａ）は平面図、（ｂ）は図８（ａ）をＥ方向から見た図である。同図において、１は音叉型の振動子素子（水晶板）、２−１〜２−４は励振用の電極板、３−１〜３−４は角速度検出用の電極板であり、励振用の電極板２−１〜２−４を励振電極２の構成要素とし、角速度検出用の電極板３−１〜３−４を検出電極３の構成要素としている。励振用の電極板２−１〜２−４は振動子素子１の一方の脚部１−１の表裏および左右の面に、検出用の電極板３−１〜３−４は振動子素子１の他方の脚部１−２の左右の面に形成されている。脚部１−１および１−２は、この脚部１−１および１−２に対して平行な軸線Ｌを有する主軸１−３から分岐されており、脚部１−１，１−２と主軸１−３とは共通の平面に位置している。
【０００４】
この角速度センサにおいては、図８（ｂ）に示されるように、励振用の電極板２−１と２−３とが端子Ｐ１に共通に接続され、励振用の電極板２−２と２−４とが端子Ｐ２に共通に接続され、この端子Ｐ１とＰ２との間に交流電圧（励振振動信号）ｅが印加される。このため、ある時は図８（ｂ）中脚部１−１に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向の電界が発生することにより、逆圧電効果により振動子素子１の一方の脚部１−１が、更に他方の脚部１−２も連動して、左右に振動（屈曲振動）する。
【０００５】
ここで、脚部１−１，１−２の振動方向をＸ軸方向、このＸ軸方向と直交する紙面内の方向、すなわち主軸１−３の軸線Ｌの方向をＹ軸方向、このＸ−Ｙ平面と直交する方向（振動子素子１の板面に垂直な方向）をＺ軸方向とした場合、Ｙ軸の回りに回転角速度が作用すると、すなわち振動子素子１がＹ軸の回りに回転すると、コリオリの力によりＺ軸方向の振動成分が生じ、振動子素子１がＺ軸方向成分をもって紙面に対し斜めに振動（屈曲振動）する。このＺ方向の振動成分の大きさはコリオリの力に比例しているので、振動子素子１の他方の脚部１−２には圧電効果により、角速度に比例した大きさで振動の方向に応じた極の電荷が発生する。
【０００６】
これにより、検出用の電極板３−１と３−４とを共通に接続した端子Ｐ３と、検出用の電極板３−２と３−３とを共通に接続した端子Ｐ４との間に電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号ｅｓが得られる。この電圧信号ｅｓの大きさによって、Ｙ軸の回りに作用する回転角速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅｓは基本的にサインカーブとして得られ、この電圧信号ｅｓの波形と励振振動信号ｅの波形（励振波形）とを位相比較することにより、その位相の進み遅れで回転角速度の方向を知ることができる。
【０００７】
なお、端子Ｐ１とＰ２との間に印加される励振振動信号ｅの振幅は、図示せぬ温度補償回路によって、温度変化により素子の諸定数、振動姿態が変化しても、一定の振幅に保たれる。また、端子Ｐ１とＰ２との間に印加される励振振動信号ｅに対して、端子Ｐ３とＰ４との間に得られる電圧信号ｅｓは桁違いに小さい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の角速度センサでは、Ｘ軸方向に平行な励振振動が発生すればよいが、構成上、励振用の電極板２−１〜２−４の配置が振動面に対して非対象とならざるを得ず、励振電極２，検出電極３を含む振動子素子１（以下、総称して振動子と言う）がＸ軸方向に対して傾いた方向へ振動してしまう。
【０００９】
すなわち、励振用電極板２−１〜２−４が図８のように対象に配置されていれば問題はないが、実際には配線引き回しの関係で相互に直交する面を通過せざるを得ず、そのため電界が非対象となり、振動子の振動方向が図９に示すようにＸ軸方向に対してθ゜ずれてしまう。また、この振動方向のずれ（励振位相の回転）は、検出電極のある脚部１−２にも伝達され、また温度変化によっても変動することが知られている。この現象により、Ｚ軸方向成分の電荷が検出側電極に発生することを「振動のもれ」と呼ぶ。この励振位相の回転により、振動子のＺ軸方向に生じる電荷量がコリオリの力と無関係に変化し、検出される回転角速度に誤差が生じる。
【００１０】
この回転角速度に誤差が生じる状況を図１０を用いて説明する。今、理想的な状態として、振動子がＸ軸方向へ振動しているものとする（図１０（ａ）参照）。この場合、振動子は、その振幅をＷ１として、Ｘ軸方向（θ＝０゜）へ振動している。この時、振動子のＹ軸の右回りに回転角速度ω１が作用すると、その回転角速度ω１により振動子のＺ軸方向にコリオリの力Ｆ１が生じる。そのため、振動子はＸ軸からθ１だけ位相を変化させて振動することになり、検出用電極にはこのＦ１に比例した電圧ｅｓ１が発生し、回転角速度ω１として検出することができる。
【００１１】
これに対し、図１０（ｂ）に示すように、励振位相がすでにθ゜回転していると、振動もれのため、すなわち振動子がその振幅をＷ１としてＸ軸方向に対してθ゜ずれて振動していると、検出用電極には、このため、すでにヌル電圧ｅｓＮが発生しており、さらに振動子のＹ軸の回りに上記同様右回りの回転角速度ω１が作用すれば、コリオリの力Ｆ１に比例した電圧ｅｓ２（＝ｅｓ１ｃｏｓ（θ１））が加算され、あたかも、より大きな角速度が発生したかのようにみえる。また、振動もれの量は、構造体の弾性率，寸法などが温度変化により変化するため、その振動姿態が変化するため、温度依存性があり、定まらないので、検出電圧が不安定になり、正確な計測ができない。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、振動のもれ（励振位相の回転）が小さく、回転角速度を高精度で検出することの可能な角速度センサを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、第１発明（請求項１に係る発明）は、その両端が支持固定された第１の枝部と、この第１の枝部のほゞ中央部の枝面からこの枝面と直交する方向に延びその先端が支持固定された第２の枝部と、第１の枝部の一方の端部と中央部との間および他方の端部と中央部との間の枝面から第２の枝部の長手方向と平行する方向に延びた第３の枝部および第４の枝部とを備え、第１の枝部の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、第２の枝部の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする振動子素子と、第２の枝部の枝面に形成された励振電極により、交流電圧の印加を受けて第２の枝部をＹ軸方向へ伸縮振動させ、この励振された伸縮振動によって第１の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、この屈曲振動によって更に第３の枝部および第４の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させる励振構造と、第３の枝部および第４の枝部の枝面に形成された検出電極により、この第３の枝部および第４の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって振動しているとき、振動子素子がＹ軸の回りに回転した場合、この第３の枝部および第４の枝部の枝部が慣性により生じるＺ軸方向成分による屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す検出構造とを設けたものである。
この発明によれば、励振電極に交流電圧を印加すると、第２の枝部がＹ軸方向へ伸縮振動し、この伸縮振動によって第１の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動し、この屈曲振動によって第３の枝部および第４の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。この状態で、Ｙ軸の回りに回転角速度が作用すると、コリオリの力がＹ軸と直交するＺ軸方向に働き、その結果、第３の枝部および第４の枝部がＺ軸方向成分をもって屈曲振動する。そして、この屈曲振動によって生ずる電荷が検出電極より取り出され、この取り出された電荷量に基づいてＹ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００１４】
第２発明（請求項２に係る発明）は、その両端が支持固定された第１の枝部と、この第１の枝部のほゞ中央部の枝面からこの枝面と直交する一方向および他方向に延びその先端が支持固定された第２および第３の枝部と、第１の枝部の一方の端部と中央部との間および他方の端部と中央部との間の枝面から第２，第３の枝部の長手方向と平行する方向に延びた第４の枝部および第５の枝部とを備え、第１の枝部の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、第２，第３の枝部の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする振動子素子と、第２の枝部および第３の枝部の枝面に形成された励振電極により、交流電圧の印加を受けて第２の枝部および第３の枝部をＹ軸方向へ伸縮振動させ、この励振された伸縮振動によって第１の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、この屈曲振動によって更に第４の枝部および第５の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させる励振構造と、第４の枝部および第５の枝部の枝面に形成された検出電極により、この第４の枝部および第５の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって振動しているとき、振動子素子がＹ軸の回りに回転した場合、この第４の枝部および第５の枝部の枝部が慣性により生じるＺ軸方向成分による屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す検出構造とを設けたものである。
この発明によれば、励振電極に交流電圧を印加すると、第２，第３の枝部がＹ軸方向へ伸縮振動し、この伸縮振動によって第１の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動し、この屈曲振動によって第４の枝部および第５の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。この状態で、Ｙ軸の回りに回転角速度が作用すると、コリオリの力がＹ軸と直交するＺ軸方向に働き、その結果、第４の枝部および第５の枝部がＺ軸方向成分をもって屈曲振動する。そして、この屈曲振動によって生ずる電荷が検出電極より取り出され、この取り出された電荷量に基づいてＹ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００１５】
第３発明（請求項３に係る発明）は、その両端が支持固定された第１の枝部と、この第１の枝部のほゞ中央部の枝面からこの枝面と直交する一方向および他方向に延びその先端が支持固定された第２および第３の枝部と、第１の枝部の一方の端部と中央部との間の枝面から第２，第３の枝部の長手方向と平行する一方向および他方向に延びた第４の枝部および第５の枝部と、第１の枝部の他方の端部と中央部との間の枝面から第２，第３の枝部の長手方向と平行する一方向および他方向に延びた第６の枝部および第７の枝部とを備え、第１の枝部の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、第２，第３の枝部の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする振動子素子と、第２の枝部および第３の枝部の枝面に形成された励振電極により、交流電圧の印加を受けて第２の枝部および第３の枝部をＹ軸方向へ伸縮振動させ、この励振した伸縮振動によって第１の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、この屈曲振動によって更に第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させる励振構造と、第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部の枝面に形成された検出電極により、この第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって振動しているとき、振動子素子がＹ軸の回りに回転した場合、この第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部の枝部が慣性により生じるＺ軸方向成分による屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す検出構造とを設けたものである。
この発明によれば、励振電極に交流電圧を印加すると、第２，第３の枝部がＹ軸方向へ伸縮振動し、この伸縮振動によって第１の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動し、この屈曲振動によって第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。この状態で、Ｙ軸の回りに回転角速度が作用すると、コリオリの力がＹ軸と直交するＺ軸方向に働き、その結果、第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部がＺ軸方向成分をもってに屈曲振動する。そして、この屈曲振動によって生ずる電荷が検出電極より取り出され、この取り出された電荷量に基づいてＹ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。
〔基本原理：第１発明〕
図１（ａ）はこの発明の基本原理を説明する図である。同図において、Ａは振動子素子であり、その材料は金属、セラミックス、単結晶など、どれを用いても構わないが、ここでは水晶板で説明する。振動子素子１は第１の枝部Ａ１と第２の枝部Ａ２と第３の枝部Ａ３と第４の枝部Ａ４とからなる。第１の枝部Ａ１はその両端が支持固定されている。第２の枝部Ａ２は第１の枝部Ａ１のほゞ中央部の枝面からこの枝面と直交する方向に延びその先端が支持固定されている。第３の枝部Ａ３は第１の枝部Ａ１の一方の端部と中央部との間の枝面から第２の枝部Ａ２の長手方向と平行する方向に延びている。第４の枝部Ａ４は第１の枝部Ａ１の他方の端部と中央部との間の枝面から第２の枝部Ａ２の長手方向と平行する方向に延びている。枝部Ａ１〜Ａ４は共通の平面に位置している。
【００１７】
この振動子素子Ａにおいて、第１の枝部Ａ１の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、第２の枝部Ａ２の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする。なお、図１（ａ）では、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４を第２の枝部Ａ２側に延ばしているが、図１（ｂ）に示すように、第２の枝部Ａ２とは反対の側に延ばした構成としてもよい。
【００１８】
このように構成された振動子素子Ａに対して、その第２の枝部Ａ２の対向する枝面Ａ２１およびＡ２２に励振電極（図示せず）を形成する。また、第３の枝部Ａ３の対向する枝面Ａ３１およびＡ３２ならびに第４の枝部Ａ４の対向する枝面Ａ４１およびＡ４２に検出電極（図示せず）を形成する。そして、第２の枝部Ａ２に形成された励振電極へ交流電圧（励振振動信号）ｅを印加し、第２の枝部Ａ２をＹ軸方向へ伸縮振動させる。この励振された伸縮振動によって第１の枝部Ａ１がＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。図２ではこの屈曲振動を１次の屈曲姿態で表記しているが、奇数次（１、３、５・・・・）であれば構わない。そして、第３の枝部Ａ３、第４の枝部Ａ４を第１の枝部Ａ１の傾きが大きいところ、例えば３次モードでは節の位置に配置することが望ましい。そうすると、この屈曲振動によって、更に第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。
【００１９】
ここで、振動子素子ＡがＹ軸の回りに回転すると、コリオリの力により振動子素子ＡにＺ軸方向の振動成分が生じ、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４がＺ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＺ軸方向成分による屈曲振動により、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４に回転角速度に比例した大きさで、かつ回転方向で変動する振動の方向成分に応じて電荷が発生するために、検出電極からコリオリの力に応じた電圧信号ｅｓが得られる。この電圧信号ｅｓの大きさによって、Ｙ軸の回りに作用する回転角速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅｓの波形と励振振動信号ｅの波形とを位相比較することにより、その位相の進み遅れで回転角速度の方向を知ることができる。
【００２０】
この基本原理では、第２の枝部Ａ２に励振電極を設けて駆動することにより、すなわち第２の枝部Ａ２をＹ軸方向へ伸縮振動させることより、第１の枝部Ａ１をＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、この第１の枝部Ａ１の屈曲振動により第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４のＸ−Ｙ平面に平行なＸ軸方向に振幅をもつ屈曲振動を誘動しているので、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４の振動方向は純粋にＸ−Ｙ平面に平行なＸ軸方向のみの成分をもった振動となり、図８に示した脚部１−１に励振電極２を設けて直接駆動する従来の角速度センサと比較して振動のもれ（励振位相の回転）を小さくすることができる。
【００２１】
今、ここで説明を簡単にするため、図１（ｃ）のように第１の枝部Ａ１を３次の振動姿態になるように第２の枝部Ａ２を励振したときを考慮すると、第１の枝部Ａ１には２箇所の節と３箇所の腹をもつ屈曲振動形態であることが分かる。このとき、節の部分に注目すると、変位は最小であるが、このごく近傍では傾きが最大となる。このような位置に第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４を形成配置すると第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４のＸ軸方向への振幅が大きくなり、Ｙ軸の回りに回転角速度が作用した場合に得られる出力電荷が増大し、検出精度がアップする。
【００２２】
〔応用例１：第２発明〕
上述した基本原理では駆動する枝部を１つとした。これに対して、応用例１では、図２（ａ）に示すように、駆動する枝部を２つとする。すなわち、振動子素子Ｂとして、図１（ａ）の枝部Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４に対応する枝部Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４，Ｂ５に加え、枝部Ｂ３を設ける。この場合、枝部Ｂ２を枝部Ｂ１のほゞ中央部の板面からこの板面と直交する一方向に延ばしてその先端を支持固定しているのに対し、枝部Ｂ３は枝部Ｂ１のほゞ中央部の板面からこの板面と直交する他方向に延ばしてその先端を支持固定する。そして、この枝部Ｂ３にも枝部Ｂ２と同様にして励振電極を形成し、枝部Ｂ２およびＢ３をＹ軸方向へ逆相（枝部Ｂ２が伸びたとき枝部Ｂ３が縮み、次にはその逆になるように交互に）で伸縮振動させる。なお、図２（ａ）では、枝部Ｂ４およびＢ５を枝部Ｂ２側に延ばしているが、図２（ｂ）に示すように枝部Ｂ３側に延ばした構成としてもよい。
【００２３】
〔応用例２：第３発明〕
上述した応用例１では検出用の枝部を２つとした。これに対し、応用例２では、図３に示すように、検出用の枝部を４つとする。すなわち、振動子素子Ｃとして、図２（ａ）の枝部Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５に対応する枝部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ４，Ｃ６に加え、枝部Ｃ５およびＣ７を設ける。この場合、枝部Ｃ４およびＣ６を枝部Ｃ２，Ｃ３の長手方向と平行する一方向に延ばしているのに対し、枝部Ｃ５およびＣ７は枝部Ｃ２，Ｃ３の長手方向と平行する他方向に延ばす。そして、この枝部Ｃ５およびＣ７にも枝部Ｃ４およびＣ６と同様にして検出電極を形成する。
【００２４】
〔実施の形態１〕
図４は上述した基本原理（図１（ａ））に基づいて作製した角速度センサの要部を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は左側面図、同図（ｃ）は右側面図、同図（ｄ）は同図（ａ）を裏面側から見た図である。
【００２５】
図４において、４は振動子素子（水晶板）、４−１は第１の枝部、４−２は第２の枝部、４−３は第３の枝部、４−４は第４の枝部、４−５は外枠である。第１の枝部４−１はその両端４−１ａ，４−１ｂが外枠４−５につながっている。第２の枝部４−２は第１の枝部４−１のほゞ中央部４−１ｃの枝面４−１ｄからこの枝面４−１ｄと直交する方向に延びその先端４−２ａが外枠４−５につながっている。
【００２６】
第３の枝部４−３は第１の枝部４−１の一方の端部４−１ａと中央部４−１ｃとの間の枝面４−１ｄから第２の枝部４−２の長手方向と平行する方向に延びている。第４の枝部４−４は第１の枝部４−１の他方の端部４−１ｂと中央部４−１ｃとの間の枝面４−１ｄから第２の枝部４−２の長手方向と平行する方向に延びている。この場合、第１の枝部４−１の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、第２の枝部４−２の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする。
【００２７】
このように構成された振動子素子４に対して、その第２の枝部４−２の対向する左右の枝面４−２ｂおよび４−２ｃに励振電極５（５−１，５−２）を形成している。すなわち、第２の枝部４−２の枝面４−２ｂに励振用の電極板５−１を、この枝面４−２ｂに対向する枝面４−２ｃに励振用の電極板５−２を形成している。また、第３の枝部４−３の対向する左右の枝面４−３ａおよび４−３ｂに検出電極６（６−１〜６−４）を形成している。すなわち、第３の枝部４−３の枝面４−３ａに検出用の電極板６−１および６−２を、この枝面４−３ａに対向する枝面４−３ｂに検出用の電極板６−３および６−４を形成している。また、第４の枝部４−４の対向する左右の枝面４−４ａおよび４−４ｂに検出電極７（７−１〜７−４）を形成している。すなわち、第４の枝部４−４の枝面４−４ａに検出用の電極板７−１および７−２を、この枝面４−４ａに対向する枝面４−４ｂに検出用の電極板７−３および７−４を形成している。
【００２８】
図５は図４における各電極の接続関係を分かり易いように示した結線図であり、図４（ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図に各電極の接続関係を示した図である。すなわち、この角速度センサにおいては、励振用の電極板５−１が端子Ｔ１に接続され、励振用の電極板５−２が端子Ｔ２に接続されている。また、検出用の電極板６−１と６−４と７−２と７−３が端子Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５に共通に接続され、検出用の電極板６−２と６−３と７−１と７−４が端子Ｔ６に共通に接続されている。なお、図４では、振動子素子４でのリード電極の引き回し状況を示すために第１の枝部４−１をＹ軸方向へ厚く示したが、実際にはスパッタや蒸着などによる薄膜形成が望ましい。しかし、恒弾性金属などの材料として使用する場合は薄辺に加工された圧電セラミックス板を貼付することもある。
【００２９】
〔検出動作〕
端子Ｔ１とＴ２との間に交流電圧（励振振動信号）ｅを印加する。これにより、励振電極５の電極板５−１と５−２との間に、ある時は図５中に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向の電界が発生することにより、第２の枝部４−２がＹ軸方向へ伸縮振動する。この伸縮振動によって第１の枝部４−１がＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。この屈曲振動によって更に第３の枝部４−３および第４の枝部４−４がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。
【００３０】
ここで、振動子素子４がＹ軸の回りに回転すると、コリオリの力により振動子素子４にＺ軸方向の振動成分が生じ、第３の枝部４−３および第４の枝部４−４がＺ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＺ軸方向成分による屈曲振動により、第３の枝部４−３および第４の枝部４−４に回転角速度に比例した大きさで回転方向により位相が変動した形で電極板（６−２）−（６−４），（６−１）−（６−３），（７−２）−（７−４），（７−１）−（７−３）それぞぞの間に対応した電荷が発生する。これにより、電極板６−１，６−４，７−２，７−３を共通に接続した端子Ｔ４と電極板６−２，６−３，７−１，７−４を共通に接続した端子Ｔ６との間にコリオリの力に応じた電圧信号ｅｓ が得られる。
【００３１】
この電圧信号ｅｓ の大きさによって、Ｙ軸の回りに作用する回転角速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅｓ の波形と励振振動信号ｅの波形とを位相比較することにより、その位相の進み遅れで回転角速度の方向を知ることができる。
なお、この例では、端子Ｔ４とＴ６との間から電圧信号ｅｓを得るものとしたが、端子Ｔ３とＴ６との間、あるいは端子Ｔ５とＴ６との間から電圧信号ｅｓを得るようにしてもよい。
【００３２】
〔実施の形態２〕
図６は上述した応用例２（図３）に基づいて作製した角速度センサの要部を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）を裏面側から見た図である。
【００３３】
図６において、８は振動子素子（水晶板）、８−１は第１の枝部、８−２は第２の枝部、８−３は第３の枝部、８−４は第４の枝部、８−５は第５の枝部、８−６は第６の枝部、８−７は第７の枝部、８−８は外枠である。第１の枝部８−１はその両端８−１ａ，８−１ｂが外枠８−８につながっている。第２の枝部８−２は第１の枝部８−１のほゞ中央部８−１ｃの枝面８−１ｄからこの枝面８−１ｄと直交する一方向に延びその先端８−２ａが外枠８−８につながっている。第３の枝部８−３は第１の枝部８−１のほゞ中央部８−１ｃの枝面８−１ｅからこの枝面８−１ｅと直交する他方向に延びその先端８−３ａが外枠８−８につながっている。
【００３４】
第４の枝部８−４は第１の枝部８−１の一方の端部８−１ａと中央部８−１ｃとの間の枝面８−１ｄから第２の枝部８−２，第３の枝部８−３の長手方向と平行する一方向に延びている。第５の枝部８−５は第１の枝部８−１の他方の端部８−１ｂと中央部８−１ｃとの間の枝面８−１ｄから第２の枝部８−２，第３の枝部８−３の長手方向と平行する一方向に延びている。
【００３５】
第６の枝部８−６は第１の枝部８−１の一方の端部８−１ａと中央部８−１ｃとの間の枝面８−１ｅから第２の枝部８−２，第３の枝部８−３の長手方向と平行する他方向に延びている。第７の枝部８−７は第１の枝部８−１の他方の端部８−１ｂと中央部８−１ｃとの間の枝面８−１ｅから第２の枝部８−２，第３の枝部８−３の長手方向と平行する他方向に延びている。この場合、第１の枝部８−１の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、第２の枝部８−２，第３の枝部８−３の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする。
【００３６】
このように構成された振動子素子８に対して、その第２の枝部８−２の対向する左右の枝面８−２ｂおよび８−２ｃに励振電極９（９−１，９−２）を形成している。すなわち、第２の枝部８−２の枝面８−２ｂに励振用の電極板９−１を、この枝面８−２ｂに対向する枝面８−２ｃに励振用の電極板９−２を形成している。また、第３の枝部８−３の対向する左右の枝面８−３ｂおよび８−３ｃに励振電極１０（１０−１，１０−２）を形成している。すなわち、第３の枝部８−３の枝面８−３ｂに励振用の電極板１０−１を、この枝面８−３ｂに対向する枝面８−３ｃに励振用の電極板１０−２を形成している。
【００３７】
また、第４の枝部８−４の対向する左右の枝面８−４ａおよび８−４ｂに検出電極１１（１１−１〜１１−４）を形成している。すなわち、第４の枝部８−４の枝面８−４ａに検出用の電極板１１−１および１１−２を、この枝面８−４ａに対向する枝面８−４ｂに検出用の電極板１１−３および１１−４を形成している。また、第５の枝部８−５の対向する左右の枝面８−５ａおよび８−５ｂに検出電極１２（１２−１〜１２−４）を形成している。すなわち、第５の枝部８−５の枝面８−５ａに検出用の電極板１２−１および１２−２を、この枝面８−５ａに対向する枝面８−５ｂに検出用の電極板１２−３および１２−４を形成している。
【００３８】
また、第６の枝部８−６対向する左右の枝面８−６ａおよび８−６ｂに検出電極１３（１３−１〜１３−４）を形成している。すなわち、第６の枝部８−６の枝面８−６ａに検出用の電極板１３−１および１３−２を、この枝面８−６ａに対向する枝面８−６ｂに検出用の電極板１３−３および１３−４を形成している。また、第７の枝部８−７の対向する左右の枝面８−７ａおよび８−７ｂに検出電極１４（１４−１〜１４−４）を形成している。すなわち、第７の枝部８−７の枝面８−７ａに検出用の電極板１４−１および１４−２を、この枝面８−７ａに対向する枝面８−７ｂに検出用の電極板１４−３および１４−４を形成している。
【００３９】
図７は図６における各電極の接続関係を分かり易いように示した結線図である。図７（ａ）は図６（ａ）におけるＩＩ−ＩＩ線断面図に各電極の接続関係を示した図であり、図７（ｂ）は図６（ａ）におけるＩＩＩ −ＩＩＩ 線断面図に各電極の接続関係を示した図である。
【００４０】
すなわち、この角速度センサにおいては励振用の電極板９−１が端子Ｔ１に、９−２がＴ２に、１０−１がＴ３に、１０−２がＴ４にそれぞれ接続されている。ここでＴ１とＴ３、Ｔ２とＴ４は同一の極性であり、配線の関係で素子の外で接続して２端子としている。
【００４１】
また、検出電極１１−１、１１−４、１２−２、１２−３、１３−２、１３−３、１４−１、１４−４は共通に接続され端子Ｔ５に、一方の検出電極、１１−２、１１−３、１２−１、１２−４、１３−１、１３−４、１４−２、１４−３は共通に接続され端子Ｔ６として２端子を形成している。なお、図６では、振動子素子８でのリード電極の引き回し状況を示すために第１の枝部８−１をＹ軸方向へ厚く示したが、実際にはスパッタや蒸着などによる薄膜形成が望ましい。その他、材料の種類として圧電セラミック板を貼付けることもある。
【００４２】
〔検出動作〕
端子Ｔ１とＴ２との間および端子Ｔ３とＴ４との間に交流電圧（励振振動信号）ｅを印加する。これにより、励振電極９の電極板９−１と９−２との間および励振電極１０の電極板１０−１と１０−２との間に、ある時は図７（ａ），（ｂ）中に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向の電界が発生することにより、第２の枝部８−２と第３の枝部８−３が逆相（枝部Ｂ２が伸びたとき枝部Ｂ３が縮み、次にはその逆になるように交互に）でＹ軸方向へ伸縮振動する。この伸縮振動によって第１の枝部８−１がＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。この屈曲振動によって更に第４の枝部８−４，第５の枝部８−５，第６の枝部８−６および第７の枝部８−７がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。
【００４３】
ここで、振動子素子８がＹ軸の回りに回転すると、コリオリの力により振動子素子８にＺ軸方向の振動成分が生じ、第４の枝部８−４，第５の枝部８−５，第６の枝部８−６および第７の枝部８−７がＺ軸方向成分をもって八の字型でねじれた形で屈曲振動する。このＺ軸方向成分をもつ屈曲振動により、第４の枝部８−４，第５の枝部８−５，第６の枝部８−６および第７の枝部８−７に回転角速度に比例した大きさで回転方向により位相が変動した形で電荷が発生する。これにより、電極板１１−１，１１−４，１２−２，１２−３，１３−２，１３−３，１４−１，１４−４を共通に接続した端子Ｔ５と電極板１１−２，１１−３，１２−１，１２−４，１３−１，１３−４，１４−２，１４−３を共通に接続した端子Ｔ６との間にコリオリの力に応じた交流の電圧信号ｅｓ が得られる。
【００４４】
この電圧信号ｅｓ の大きさによって、Ｙ軸の回りに作用する回転角速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅｓ の波形と励振振動信号ｅの波形とを位相比較することにより、その位相の進み遅れで回転角速度の方向を知ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、第１発明に代表されるように、第２の枝部をＹ軸方向へ伸縮振動させることより、第１の枝部をＸ−Ｙ平面に平行でＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、更にこの第１の枝部の屈曲振動により第３の枝部および第４の枝部をＸ−Ｙ平面に平行でＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させるようにしているので、第３の枝部および第４の枝部の誘動振動のＺ軸方向成分がきわめて小さくなり、回転運動が作用しない状態で検出側のヌル電圧を限りなく零にすることができ、すなわち振動のもれ（励振位相の回転）を小さくして回転角速度を高精度で検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理（第１発明）を説明する図である。
【図２】本発明の応用例１（第２発明）を説明する図である。
【図３】本発明の応用例２（第３発明）を説明する図である。
【図４】基本原理に基づいて作製した角速度センサの要部（実施の形態１）を示す図である。
【図５】図４における各電極の接続関係を分かり易いように示した結線図である。
【図６】応用例３に基づいて作製した角速度センサの要部（実施の形態２）を示す図である。
【図７】図６における各電極の接続関係を分かり易いように示した結線図である。
【図８】従来の角速度センサの要部を示す図である。
【図９】この角速度センサにおける励振位相の回転を説明する図である。
【図１０】この角速度センサにおいて励振位相がθ゜回転した場合に検出される回転角速度に誤差が生じる状況を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ…振動子素子、Ａ１…第１の枝部、Ａ２…第２の枝部、Ａ３…第３の枝部、Ａ４…第４の枝部、Ｂ…振動子素子、Ｂ１…第１の枝部、Ｂ２…第２の枝部、Ｂ３…第３の枝部、Ｂ４…第４の枝部、Ｂ５…第５の枝部、Ｃ…振動子素子、Ｃ１…第１の枝部、Ｃ２…第２の枝部、Ｃ３…第３の枝部、Ｃ４…第４の枝部、Ｃ５…第５の枝部、Ｃ６…第６の枝部、Ｃ７…第７の枝部、４…振動子素子（水晶板）、４−１…第１の枝部、４−２…第２の枝部、４−３…第３の枝部、４−４…第４の枝部、５（５−１，５−２）…励振電極、６（６−１〜６−４），７（７−１〜７−４）…検出電極、８…振動子素子（水晶板）、８−１…第１の枝部、８−２…第２の枝部、８−３…第３の枝部、８−４…第４の枝部、８−５…第５の枝部、８−６…第６の枝部、８−７第７の枝部、９（９−１，９−２），１０（１０−１，１０−２）…励振電極、１１（１１−１〜１１−４），１２（１２−１〜１２−４），１３（１３−１〜１３−４），１４（１４−１〜１４−４）…検出電極。

Claims (3)

1. その両端が支持固定された第１の枝部と、この第１の枝部のほゞ中央部の枝面からこの枝面と直交する方向に延びその先端が支持固定された第２の枝部と、前記第１の枝部の一方の端部と中央部との間および他方の端部と中央部との間の枝面から前記第２の枝部の長手方向と平行する方向に延びた第３の枝部および第４の枝部とを備え、前記第１の枝部の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、前記第２の枝部の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする振動子素子と、
   前記第２の枝部の枝面に形成された励振電極により、交流電圧の印加を受けて前記第２の枝部をＹ軸方向へ伸縮振動させ、この励振された伸縮振動によって前記第１の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、この屈曲振動によって更に前記第３の枝部および第４の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動をさせる励振構造と、
   前記第３の枝部および第４の枝部の枝面に形成された検出電極により、この第３の枝部および第４の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動しているとき、前記振動子素子がＹ軸の回りに回転した場合、この第３の枝部および第４の枝部の枝部が慣性により生じるＺ軸方向成分による屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す検出構造と
   を備えたことを特徴とする角速度センサ。
2. その両端が支持固定された第１の枝部と、この第１の枝部のほゞ中央部の枝面からこの枝面と直交する一方向および他方向に延びその先端が支持固定された第２および第３の枝部と、前記第１の枝部の一方の端部と中央部との間および他方の端部と中央部との間の枝面から前記第２，第３の枝部の長手方向と平行する方向に延びた第４の枝部および第５の枝部とを備え、前記第１の枝部の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、前記第２，第３の枝部の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする振動子素子と、
   前記第２の枝部および第３の枝部の枝面に形成された励振電極により、交流電圧の印加を受けて前記第２の枝部および第３の枝部をＹ軸方向へ伸縮振動させ、この励振された伸縮振動によって前記第１の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、この屈曲振動によって更に前記第４の枝部および第５の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させる励振構造と、
   前記第４の枝部および第５の枝部の枝面に形成された検出電極により、この第４の枝部および第５の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動しているとき、前記振動子素子がＹ軸の回りに回転した場合、この第４の枝部および第５の枝部の枝部が慣性により生じるＺ軸方向成分による屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す検出構造と
   を備えたことを特徴とする角速度センサ。
3. その両端が支持固定された第１の枝部と、この第１の枝部のほゞ中央部の枝面からこの枝面と直交する一方向および他方向に延びその先端が支持固定された第２および第３の枝部と、前記第１の枝部の一方の端部と中央部との間の枝面から前記第２，第３の枝部の長手方向と平行する一方向および他方向に延びた第４の枝部および第５の枝部と、前記第１の枝部の他方の端部と中央部との間の枝面から前記第２，第３の枝部の長手方向と平行する一方向および他方向に延びた第６の枝部および第７の枝部とを備え、前記第１の枝部の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、前記第２，第３の枝部の長手方向に平行な方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向と平行な方向をＺ軸方向とする振動子素子と、
   前記第２の枝部および第３の枝部の枝面に形成された励振電極により、交流電圧の印加を受けて前記第２の枝部および第３の枝部をＹ軸方向へ伸縮振動させ、この励振した伸縮振動によって前記第１の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させ、この屈曲振動によって更に前記第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部をＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動させる励振構造と、
   前記第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部の枝面に形成された検出電極により、この第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部がＸ−Ｙ平面に平行にＸ軸方向へ振幅をもって振動しているとき、前記振動子素子がＹ軸の回りに回転した場合、この第４の枝部，第５の枝部，第６の枝部および第７の枝部の枝部が慣性により生じるＺ軸方向成分による屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す検出構造と
   を備えたことを特徴とする角速度センサ。

Images