JP3665131B2 - 音叉型角速度検出センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、励振電極に交流電圧を印加することによって音叉型振動子が振動している時、音叉型振動子の脚部の伸縮方向の回りに作用する回転角速度の大きさとその回転方向を、検出電極に生ずる電圧信号の大きさと、励振振動信号との位相比較により検出する音叉型角速度検出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−Z平面)におけるX軸に沿って振動している振動子がこのX−Z平面と直交するY軸の回りに回転すると、その回転角速度により振動子に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、或いは歪量として圧電素子の圧電効果、歪ゲージの抵抗変化などで直接的に測定すれば、振動子のY軸方向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5は音叉型水晶振動子を用いた従来の音叉型角速度検出センサの要部を示す図である。同図において、(a)は平面図、(b)は同図(a)をA方向から見た図である。図5において、1は音叉型水晶振動子、2−1〜2−4は励振電極、3−1〜3−4は検出電極であり、励振電極2−1〜2−4は水晶振動子1の一方の脚部1−1の先端の上下および左右の面に、検出電極3−1〜3−4は水晶振動子1の他方の脚部1−2の先端の左右の面に形成されている。
【0004】
この音叉型角速度検出センサにおいては、励振電極2−1と2−3とが端子P1に共通に接続され、励振電極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との間に交流電圧が印加される。このため、ある時は図5(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、水晶振動子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、すなわち脚部1−1,1−2の伸縮方向をY軸方向、このX−Y平面と直交する方向(水晶振動子1の板面に垂直な方向)をZ軸方向とした場合、Y軸方向の回りに回転角速度が作用すると、コリオリの力によりZ軸方向の振動成分が生じる。こ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、水晶振動子1の他方の脚部1−2には回転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、検出電極3−1と3−4とを共通に接続した端子P3と、検出電極3−2と3−3とを共通に接続した端子P4との間に、ある時には矢印の方向、次には逆方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号eが得られる。この電圧信号eの大きさによって、Y軸方向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eは基本的にサインカーブとして得られ、この電圧信号eの波形と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交流電圧の振幅は、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交流電圧に対して、端子P3とP4との間に得られる電圧信号e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、このような従来の音叉型角速度検出センサによると、水晶振動子1の一方の脚部1−1の振動(励振)が他方の脚部1−2に伝わりにくい。このため、端子P3とP4との間に得られる電圧信号eが小さくなり、充分な大きさの検出信号が得にくいという問題があった。また、一方の脚部1−1の振動が他方の脚部1−2に伝わるまでに時間がかかり、センサとしての立ち上がりが遅いという問題もあった。
【0009】
なお、別のタイプの音叉型角速度検出センサとして、図6に示すように、水晶振動子1の一方の脚部1−1の先端部に励振電極2−1〜2−4を形成し、脚部1−1の根元部に検出電極3−1〜3−4を形成したセンサがある。しかし、この音叉型角速度検出センサでは、小型化した場合に、脚部1−1に励振電極2−1〜2−4と検出電極3−1〜3−4を構成するのが難しい。また、励振電極2−1〜2−4が脚部1−1の先端部に配置されるので、脚部1−1を振動させにくく、充分な大きさの検出信号が得にくい。
【0010】
また、図6に示した音叉型角速度検出センサに対し、水晶振動子1の一方の脚部1−1の先端部に検出電極3−1〜3−4を形成し、脚部1−1の根元部に励振電極2−1〜2−4を形成することが考えられる。この場合、励振電極2−1〜2−4が脚部1−1の滑動端Sの付近に形成されるため、脚部1−1を振動させ易くなる。しかし、この場合、滑動端Sの付近が最も歪が大きいのに対し、脚部1−1の先端部の歪は小さく、充分な大きさの検出信号を得ることができない。
【0011】
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、充分な大きさの検出信号を得ることのできる、またセンサとしての立ち上がりが速く、小型化も容易に可能な、音叉型角速度検出センサを提供することにある。
【0012】
【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本発明は、音叉型振動子の一方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第1の励振電極と第1の検出電極とを同一距離内に並置して形成し、他方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第2の励振電極と第2の検出電極とを同一距離内に並置して形成し、第1の励振電極と第1の検出電極との間に第1のグランド電極を形成し、第2の励振電極と第2の検出電極との間に第2のグランド電極を形成し、第1のグランド電極を一方の脚部の先端部に形成した第1のバランス電極に接続し、第2のグランド電極を他方の脚部の先端部に形成した第2のバランス電極に接続したものである。
この発明によれば、一方の脚部の最も歪が大きい滑動端付近を出発点として、第1の励振電極と第1の検出電極とが同一距離内に並置され、また、他方の脚部の最も歪が大きい滑動端付近を出発点として、第2の励振電極と第2の検出電極とが同一距離内に並置され、効率よく大きな検出信号が得られる。また、第1の励振電極と第1の検出電極との間が第1のグランド電極によってインシュレートされ、また第2の励振電極と第2の検出電極との間が第2のグランド電極によってインシュレートされ、両者間の電気的な漏れ(クロストーク)とノイズが抑制される。また、第1および第2のバランス電極の面積や厚さ等を調整することにより、一方の脚部と他方の脚部との質量バランスの調整を行うことが可能となる。
【0018】
【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。図1はこの発明の一実施の形態を示す音叉型角速度検出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。図2は図1(a)におけるII−II線断面図である。
【0019】
これらの図において、4は音叉型水晶振動子、5(5−1〜5−3)は第1の励振電極、6(6−1〜6−3)は第2の励振電極、7(7−1〜7−4)は第1の検出電極、8(8−1〜8−4)は第2の検出電極、9(9−1,9−2)は第1のグランド電極、10(10−1,10−2)は第2のグランド電極、11(11−1,11−2)は第1のバランス電極、12(12−1,12−2)は第2のバランス電極である。
【0020】
第1の励振電極5と第1の検出電極7とは、水晶振動子4の一方の脚部4−1の滑動端S1付近を出発点として、同一距離L1内に並置して形成されている。また、第2の励振電極6と第2の検出電極8とは、水晶振動子4の他方の脚部4−2の滑動端S2付近を出発点として、同一距離L2内に並置して形成されている。この実施の形態では、脚部4−1,4−2の全長をLとしたとき、L1,L2(L1=L2)が0.4L〜0.6Lの間とされている。
【0021】
第1の励振電極5において、励振電極5−1,5−2は脚部4−1の上下の面に、励振電極5−3は脚部4−1の右側面(内面)に形成されている。第2の励振電極6において、励振電極6−1,6−2は脚部4−2の上下の面に、励振電極6−3は脚部4−3の左側面(内面)に形成されている。
【0022】
第1の検出電極7において、検出電極7−1,7−4は脚部4−1の上下の面に、検出電極7−2,7−3は左側面(外面)に形成されている。第2の検出電極8において、検出電極8−1,8−4は脚部4−2の上下の面に、検出電極8−2,8−3は右側面(外面)に形成されている。
【0023】
第1のグランド電極9において、グランド電極9−1は脚部4−1の上面かつ励振電極5−1と検出電極7−1との間に、グランド電極9−2は脚部4−1の下面かつ励振電極5−2と検出電極7−4との間に形成されている。第2のグランド電極10において、グランド電極10−1は脚部4−2の上面かつ励振電極6−1と検出電極8−1との間に、グランド電極10−2は脚部4−2の下面かつ励振電極6−2と検出電極8−4との間に形成されている。
【0024】
第1のバランス電極11において、バランス電極11−1は脚部4−1の先端部上面に、バランス電極11−2は脚部4−1の先端部下面に形成されている。第2のバランス電極12において、バランス電極12−1は脚部4−2の先端部上面に、バランス電極12−2は脚部4−2の先端部下面に形成されている。
【0025】
図2では各電極の接続関係を分かり易いように結線図として示している。すなわち、この音叉型角速度検出センサにおいて、励振用電極5−1と5−2と6−3とが端子T1(T1U ,T1D )に共通に接続され、励振用電極6−1と6−2と5−3とが端子T2(T2U ,T2D )に共通に接続されている。また、検出用電極7−1と7−3とが端子T3(T3U ,T3D )に共通に接続され、検出用電極7−2と7−4とが端子T4(T4U ,T4D )に共通に接続され、検出用電極8−1と8−3とが端子T5(T5U ,T5D )に共通に接続され、検出用電極8−2と8−4とが端子T6(T6U ,T6D )に共通に接続されている。
【0026】
また、グランド電極9−1およびバランス電極11−1とグランド電極9−2およびバランス電極11−2とが端子T7(T7U ,T7D )に共通に接続され、グランド電極10−1およびバランス電極12−1とグランド電極10−2およびバランス電極12−2とが端子T8(T8U ,T8D )に共通に接続されている。
【0027】
なお、この実施の形態では、励振電極5,6や検出電極7,8はその厚さを1000〜1500オングストローム、グランド電極9,10やバランス電極11,12はその厚さを5000オングストローム以上としている。また、グランド電極9,10はバランス電極11,12と端子T7,T8とをつなぐリード配線を兼ねており、バランス電極11,12は大面積とされている。図2では分かり易いように各電極の厚さは同じとして示している。
【0028】
この角速度検出センサにおいては、端子T1とT2との間に交流電圧を印加する。これにより、ある時は図2中に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向に電界が発生することにより、水晶振動子4の脚部4−1,4−2が左右に振動する。
【0029】
ここで、脚部4−1,4−2の振動方向をX1,X2軸方向、このX1,X2軸方向と直交する紙面内の方向、すなわち脚部4−1,4−2の伸縮方向をY1,Y2軸方向、このX−Y平面と直交する方向(水晶振動子4の板面に垂直な方向)をZ1,Z2軸方向とした場合、Y1,Y2軸方向の回りに回転角速度が作用すると、コリオリの力によりZ1,Z2軸方向の振動成分が生じる。
【0030】
こ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、水晶振動子4の脚部4−1,4−2には回転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。これにより、検出電極7−1と7−3とを共通に接続した端子T3と、検出電極7−2と7−4とを共通に接続した端子T4との間に、また検出電極8−1と8−3とを共通に接続した端子T5と、検出電極8−2と8−4とを共通に接続した端子T6との間に、ある時には矢印の方向、次には逆方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号e1,e2が得られる。
【0031】
この電圧信号e1,e2の大きさによって、Y1,Y2軸方向すなわちY軸方向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e1,e2は基本的にサインカーブとして得られ、この電圧信号e1,e2の波形と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。
【0032】
この実施の形態では、両方の脚部4−1,4−2によってY軸方向の回りに作用する回転角速度が検出されるので、片方の脚部によって検出するようにした場合に比べ、その検出感度がアップする。
【0033】
また、この実施の形態では、励振電極5と検出電極7とが脚部4−1の滑動端S1付近を出発点として、また励振電極6と検出電極8とが脚部4−2の滑動端S2付近を出発点として、0.4L〜0.6L内に並置して形成されているので、2次モード振動を抑圧した充分な大きさの検出信号を得ることができる。
【0034】
すなわち、この実施の形態では、励振電極5,6が脚部4−1,4−2の滑動端S1,S2の付近に形成されているため、脚部4−1,4−2を振動させ易い。また、滑動端S1,S2付近は最も歪が大きく、この歪の大きい滑動端S1,S2付近でZ1,Z2軸方向の振動成分を検出するようにしているので、充分な大きさの検出信号を得ることができる。また、滑動端S1,S2付近を出発点として励振電極5,6が0.4L〜0.6L内に形成されているので、2次モード振動のCI値が基本波振動のCI値よりも大きくなり、2次モード振動を抑圧することができる。なお、この2次モード振動の抑圧については、本出願人による実公昭56−41387号公報に示されているので、ここでの詳しい説明は省略する。
【0035】
また、この実施の形態では、励振電極5と検出電極7とが脚部4−1に、また励振電極6と検出電極8とが脚部4−2に並置して形成されているので、すなわち励振電極と検出電極とが同一箇所に配置されているので、小型化し易く、センサとしての立ち上がりも速くなる。
【0036】
また、この実施の形態では、励振電極5と検出電極7との間にグランド電極9が、また励振電極6と検出電極8との間にグランド電極10が形成されているので、励振電極5と検出電極7との間がグランド電極9によってインシュレートされ、また励振電極6と検出電極8との間がグランド電極10によってインシュレートされ、両者間の電気的な漏れ(クロストーク)とノイズが抑制される。
【0037】
また、この実施の形態では、脚部4−1,4−2の先端部に設けたバランス電極11,12の面積や厚さ等を調整することにより、脚部4−1と脚部4−2との質量バランスの調整を行うことができ、動作をより安定化することが可能となる。この場合、脚部4−1,4−2を振動させ、質量バランスの調整を行いながら、バランス電極11,12を形成する方法が考えられる。また、バランス電極11,12を形成した後で、脚部4−1,4−2を振動させながら、電極を部分的に除去し、質量バランスの調整を行う方法が考えられる。
【0038】
なお、この実施の形態においては、励振電極5,6を脚部4−1,4−2の内側に検出電極7,8を外側に形成したが(図3参照)、励振電極5,6を脚部4−1,4−2の外側に検出電極7,8を内側に形成するようにしてもよい(図4参照)。この場合、検出電極7,8を外側に形成するようにした方が、水晶振動子4が大きく伸縮するので、大きな検出信号が得られる。また、励振電極5,6を内側に形成するようにした方が、検出電極7,8を内側に形成するよりも製作が簡単となる。
【0039】
すなわち、励振電極5,6を内側に形成するようにした場合、励振電極5−3,6−3が脚部4−1,4−2の内面に位置し、これらの電極は1つの電極であるので形成し易い。これに対して、検出電極7,8を内側に形成するようにした場合、検出電極7−2,7−3,8−2,8−3が脚部4−1,4−2の内面に位置し、これらの電極は2つの電極であるので形成しにくい。
【0040】
また、この実施の形態においては、音叉型振動子として水晶を用いたが、水晶に限られるものではない。例えば、チタン酸バリウムを用いてもよく、種々の圧電材料の使用が可能である。また、この実施の形態においては、音叉型振動子を用いたが、H型振動子に応用することも可能である。
【0041】
【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、音叉型振動子の一方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第1の励振電極と第1の検出電極とを同一距離内に並置して形成し、他方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第2の励振電極と第2の検出電極とを同一距離内に並置して形成したので、歪の最も大きい両方の脚部の滑動端付近で励振と検出が行われるようになり、効率よく大きな検出信号が得られるようになる。また、センサとしての立ち上がりが速くなり、小型化も容易に可能となる。また、片方の脚部によって回転角速度を検出する場合に比べ、その検出感度がアップする。
また、本発明によれば、第1の励振電極と第1の検出電極との間に第1のグランド電極を形成し、第2の励振電極と第2の検出電極との間に第2のグランド電極を形成し、第1のグランド電極を一方の脚部の先端部に形成した第1のバランス電極に接続し、第2のグランド電極を他方の脚部の先端部に形成した第2のバランス電極に接続したので、第1の励振電極と第1の検出電極との間が第1のグランド電極によってインシュレートされ、第2の励振電極と第2の検出電極との間が第2のグランド電極によってインシュレートされ、両者間の電気的な漏れ(クロストーク)とノイズが抑制されるものとなる。
また、本発明によれば、第1および第2のバランス電極の面積や厚さ等を調整することにより、一方の脚部と他方の脚部との質量バランスの調整を行うことが可能となり、動作をより安定化させることができるようになる。
また、本発明において、励振電極と検出電極とを、脚部の全長をLとしたとき、脚部の滑動端付近を出発点として0.4L〜0.6Lの間に並置すれば、2次モード振動を抑圧しかつ充分な大きさの検出信号を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態を示す音叉型角速度検出センサの要部を示す図である。
【図2】 図1(a)におけるII−II線断面図である。
【図3】 この音叉型角速度検出センサの各電極の配置状況を示す斜視図である。
【図4】 励振電極を脚部の外側に検出電極を脚部の内側に形成した例を示す斜視図である。
【図5】 音叉型水晶振動子を用いた従来の音叉型角速度センサの要部を示す図である。
【図6】 音叉型水晶振動子を用いた従来の音叉型角速度センサの別の例を示す図である。
【符号の説明】
4…音叉型水晶振動子、4−1,4−2…脚部、5(5−1〜5−3)…第1の励振電極、6(6−1〜6−3)…第2の励振電極、7(7−1〜7−4)…第1の検出電極、8(8−1〜8−4)…第2の検出電極、9(9−1,9−2)…第1のグランド電極、10(10−1,10−2)…第2のグランド電極、11(11−1,11−2)…第1のバランス電極、12(12−1,12−2)…第2のバランス電極。
Claims (2)
- 音叉型振動子と、この音叉型振動子の一方の脚部に形成された第1の励振電極および第1の検出電極と、前記音叉型振動子の他方の脚部に形成された第2の励振電極および第2の検出電極とを備え、前記第1および第2の励振電極に交流電圧を印加することによって前記音叉型振動子を振動させながら、前記第1および第2の検出電極に生ずる電圧信号に基づいて前記脚部の伸縮方向の回りに作用する回転角速度を検出する音叉型角速度検出センサにおいて、
前記第1の励振電極と前記第1の検出電極とが前記一方の脚部の滑動端付近を出発点として同一距離内に並置して形成され、
前記第2の励振電極と前記第2の検出電極とが前記他方の脚部の滑動端付近を出発点として同一距離内に並置して形成され、
前記第1の励振電極と前記第1の検出電極との間に第1のグランド電極が形成され、
前記第2の励振電極と前記第2の検出電極との間に第2のグランド電極が形成され、
前記第1のグランド電極が前記一方の脚部の先端部に形成した第1のバランス電極に接続され、
前記第2のグランド電極が前記他方の脚部の先端部に形成した第2のバランス電極に接続されていることを特徴とする音叉型角速度検出センサ。 - 請求項1に記載された音叉型角速度検出センサにおいて、
前記励振電極と前記検出電極とが、前記脚部の全長をLとしたとき、前記脚部の滑動端付近を出発点として0.4L〜0.6Lの間に並置して形成されていることを特徴とする音叉型角速度検出センサ。
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