JP3734955B2 - 角速度センサ - Google Patents
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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、振動子の（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９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９において、（ａ）は平面図、（ｂ）は図９（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９（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９（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軸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の波形は回転の方向に応じて位相が変化するので、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、Ｘ−Ｙ平面に平行かつＸ軸方向に励振振動が発生するのが望ましいが、このような従来の角速度センサでは、製造技術上、素子構造が非対称になったり、励振用の電極板２−１〜２−４の配置が振動面に対して非対称とならざるを得ず、その結果、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、傾いて振動する現象が発生する。
【０００９】
すなわち、素子構造がバランスがよく励振用電極板２−１〜２−４が図９のように対称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称となり、振動子の振動方向は図１０に示すようにＸ軸方向に対してθ゜ずれることになる。また、この振動方向のずれ（励振位相の回転）は、検出電極３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、静止状態であっても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「振動のもれ」により発生する電荷は温度変化など外部要因で変動するため、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１１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１１（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１１（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）、検出電極３には、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、その結果ｅsNが定まらないので、検出電圧が不安定になり、正確な計測ができない。
【００１２】
従来の角速度センサでは、振動モードとコリオリ力発生メカニズムから、Ｙ軸を高さ方向とし、Ｙ軸の回りに作用する回転角速度を検出している。すなわち、従来の角速度センサでは、コリオリの力を検出するために、Ｙ軸方向を立てて使用する必要があり、高さ方向に大きくなり小型化（薄型化）することができない。
【００１３】
その上、従来の角速度センサでは、励振側と検出側の周波数温度特性（温特）が異なるため、それぞれの温度での励振側周波数ｆXTと検出側周波数ｆZTの周波数差は温度により変動するので、結合度が変動し、その結果Ｑ値が変化するため、検出電荷量変化（感度変化）が発生し、これが零点ドリフトを発生させる一因となっている。すなわち、角速度センサの静止状態において、零点ドリフトがなければ、表示される測定位は所定の基準値となる（図１２参照）。すなわち、この基準値を起点として、例えば右回転では表示値が上昇し、左回転では表示値が下降する。この基準値を零点と呼ぶ。零点ドリフトとは、静止状態にも拘わらず、温度変化など外部擾乱（外因による乱れ）により零点位の電圧が変動する現象をいう。図１３は圧電振動式角速度センサ（以下、ＰＶＧと呼ぶ）の等価回路である。ＰＶＧはその感度を良くするため、励振側周波数ｆｘと検出側周波数ｆｚとが一致することが望ましい。しかし、ｆｘをｆｚに近づけて行くと、振動モードの縮退現象が発生し、本来（原理上）の計測ができなくなる。
【００１４】
そこで、縮退現象の影響がない程度まで２つの周波数を隔離して、２つのモードを分離するように設定する。したがって、２つのモード間には周波数差（ΔＦ＝｜ｆｘ−ｆｚ｜）を持って設定される。ところで、ΔＦの大きさは２つのモードの結合具合を左右するものであり、これによりＱ値が変化し、感度を変化させることが知られている。このΔＦの値は特定の温度（例えば、常温）で調整された値であるが、このΔＦの変動は温度変化によっても発生することを２つの振動モードの温特の違いから説明する。
【００１５】
図９に示した従来の角速度センサ（屈曲ｘ励振−屈曲ｚ検出）では、双方共に振動モードは屈曲振動であるが、材料の性質からその温特は異なる。図１４にその一例を示す。同図において、Ｔｘは励振側の温特、Ｔｚは検出側の温特であり、２つのモードは室温（ＲＴ）においてΔＦ0 だけ隔離して設定されている。この場合、２つのモードの温特の頂点温度Ｔ0t（Ｔ0x，Ｔ0z）が一致していないため、２つのモードは温度変動と共にΔＦの値が変動する。したがって、温度変動によるΔＦの変動により、回転角速度が作用していないにも拘わらず、出力の変動が発生し、あたかも回転角速度が作用しているかのような状態となる。この温度変動による零点ドリフトによって、検出電圧が不安定になり、正確な計測ができなくなる。
【００１６】
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、また温度変動による零点ドリフトが小さく、回転角速度を高精度で検出することの可能な高さ方向へ薄い角速度センサを提供することにある。
【００１７】
【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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ反復移動しているとき、振動子素子がＺ軸の回りに回転した場合、この第３の枝部および第４の枝部が慣性により生じるＸ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Ｙ軸方向へ反復移動する。この状態で、Ｚ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Ｘ軸方向に働き、その結果、第３の枝部および第４の枝部がＸ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Ｚ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００１８】
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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ振幅をもって振動しているとき、振動子素子がＺ軸の回りに回転した場合、この第４の枝部および第５の枝部が慣性により生じるＸ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および第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Ｙ軸方向へ反復移動する。この状態で、Ｚ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Ｘ軸方向に働き、その結果、第４の枝部および第５の枝部がＸ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Ｚ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００１９】
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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ反復移動しているとき、振動子素子がＺ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の枝部が慣性により生じるＸ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および第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Ｙ軸方向へ反復移動する。この状態で、Ｚ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Ｘ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Ｘ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Ｚ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００２０】
【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Ａ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の対向する左右の枝面Ａ３１およびＡ３２、表裏の枝面Ａ３３およびＡ３４、ならびに第４の枝部Ａ４の対向する左右の枝面Ａ４１およびＡ４２、表裏の枝面Ａ４３およびＡ４４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３次モード（３次の屈曲姿態）で屈曲振動する。
【００２３】
この場合、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４の形成位置は、第１の枝部Ａ１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、第１の枝部Ａ１の３次モードでの屈曲振動に際する節をＮ１，Ｎ２とした場合、第１の枝部Ａ１の一方の端部と節Ｎ１との中央位置を第１の腹位置Ｈ１とし、第１の枝部Ａ１の他方の端部と節Ｎ２との中央位置を第２の腹位置Ｈ２とし、第１の腹位置Ｈ１に第３の枝部Ａ３を、第２の腹位置Ｈ２に第４の枝部Ａ４を形成している。具体的に言えば、枝部Ａ１を３次モードで振動させた場合、第１の枝部Ａ１の長さを「１」とした時、第１の枝部Ａ１の一方の端部からほゞ「０．２」の位置に第３の枝部Ａ３を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第４の枝部Ａ４を形成するとよい。また、Ａ１が奇数モードで振動している時、振動の「腹」の部分が同相で振動するので、この部分にＡ３，Ａ４を形成すればよいが、振幅が大きくとれるのは３次モードであり、以下では３次モードについて記す。
【００２４】
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３次モードで屈曲振動すると、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４は、第１の枝部Ａ１の腹位置Ｈ１およびＨ２に形成されているので、Ｘ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ反復移動する。
【００２５】
ここで、振動子素子ＡがＺ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Ｘ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Ｘ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＸ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、かつ回転方向により位相が変動した形で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、Ｚ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。
【００２６】
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により、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Ｙ軸方向への反復移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Ｙ軸方向のみの成分をもった振動となり、図９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。
【００２７】
また、この場合、図４に励振側の温特Ｔｙと検出側の温特Ｔｘを示すように、その２つのモードの温特の頂点温度Ｔ0t（Ｔ0y，Ｔ0x）および２次曲線の２次係数が一致しているため、温度変動があってもΔＦは一定であり、出力変動の発生がないことから、温度変動による零点ドリフトが防止され、結果的に温特のよい（温度変化に優れた）角速度センサを得ることができる。
【００２８】
また、この場合、振動子素子ＡのＺ軸を高さ方向とし、Ｚ軸の回りに作用する回転角速度を検出する構成としているので、高さ方向の薄型化を促進することができる。
【００２９】
〔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。
【００３０】
〔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。
【００３１】
〔実施の形態１〕
図５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）は同図（ａ）を裏面側から見た図である。
【００３２】
図５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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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に検出用の電極板６−１および６−２を、表裏の枝面４−３ｃおよび４−３ｄ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に検出用の電極板７−１および７−２を、表裏の枝面４−４ｃおよび４−４ｄに検出用の電極板７−３および７−４を形成している。
【００３６】
図６は図５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５（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６−２と７−１と７−２が端子Ｔ３に共通に接続され、検出用の電極板６−３と６−４と７−３と７−４が端子Ｔ４に共通に接続されている。
【００３７】
なお、図５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電極パターンを厚くしたが、実際にはスパッタや蒸着などによる薄膜形成が実施されている。しかし、恒弾性金属（例えば、エリンバ）などの材質を使用する場合は薄片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。
【００３８】
また、第３の枝部４−３および第４の枝部４−４の形成位置は、第１の枝部Ａ１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、３次モードで振動させた場合、第１の枝部４−１の長さを「１」とした時、第１の枝部４−１の一方の端部４−１ａからほゞ「０．２」の位置に第３の枝部４−３を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第４の枝部４−４を形成している。
【００３９】
〔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６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３次モード（３次の屈曲姿態）で屈曲振動する。この３次モードの屈曲振動によって、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Ｙ軸方向へ反復移動する。
【００４０】
ここで、振動子素子４がＺ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Ｘ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Ｘ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＸ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（６−１），（６−２）−（６−３），（６−４）、（７−１），（７−２）−（７−３），（７−４）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６−１，６−２，７−１，７−２を共通に接続した端子Ｔ３と電極板６−３，６−４，７−３，７−４を共通に接続した端子Ｔ４との間にコリオリの力に応じた電圧信号ｅs が得られる。
【００４１】
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。
【００４２】
〔実施の形態２〕
図７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。
【００４３】
図７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。
【００４４】
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６の枝部８−６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。
【００４５】
第５の枝部８−５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。
【００４６】
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。
【００４７】
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に検出用の電極板１１−１および１１−２を、表裏の枝面８−４ｃおよび８−４ｄ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に検出用の電極板１３−１および１３−２を、表裏の枝面８−５ｃおよび８−４ｄに検出用の電極板１３−３および１３−４を形成している。
【００４８】
また、第６の枝部８−６の対向する左右の枝面８−６ａおよび８−６ｂに検出用の電極板１２−１および１２−２を、表裏の枝面８−６ｃおよび８−６ｄに検出用の電極板１２−３および１２−４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に検出用の電極板１４−１および１４−２を、表裏の枝面８−７ｃおよび８−７ｄに検出用の電極板１４−３および１４−４を形成している。
【００４９】
図８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８（ａ）は図７（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８（ｂ）は図７（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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、検出用の電極板１１−１、１１−２、１２−１、１２−２、１３−３、１３−４、１４−３、１４−４は共通に接続され端子Ｔ５に、検出用の電極板１１−３、１１−４、１２−３、１２−４、１３−１、１３−２、１４−１、１４−２は共通に接続され端子Ｔ６として２端子を形成している。
【００５２】
なお、図７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電極パターンを厚くしたが、実際にはスパッタや蒸着などによる薄膜形成が実施されている。しかし、恒弾性金属（例えば、エリンバ）などの材質を使用する場合は薄片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。
【００５３】
また、第４の枝部８−４および第６の枝部８−６の形成位置は、第１の枝部８−１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、第１の枝部８−１を３次モードで振動させた場合、第１の枝部８−１の長さを「１」とした時、第１の枝部８−１の一方の端部８−１ａからほゞ「０．２」の位置に第４の枝部８−４を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第６の枝部８−６を形成している。
【００５４】
また、第５の枝部８−５および第７の枝部８−７の形成位置は、第１の枝部８−１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、第１の枝部８−１を３次モードで振動させた場合、第１の枝部８−１の長さを「１」とした時、第１の枝部８−１の一方の端部８−１ａからほゞ「０．２」の位置に第５の枝部８−５を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第７の枝部８−７を形成している。
【００５５】
〔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８（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８−２が伸びたとき枝部８−３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３次モード（３次の屈曲姿態）で屈曲振動する。この３次モードの屈曲振動によって、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Ｙ軸方向へ反復移動する。
【００５６】
ここで、振動子素子８がＺ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Ｘ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Ｘ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＸ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、電極板（１１−１），（１１−２）と（１１−３），（１１−４）、（１２−１），（１２−２）と（１２−３），（１２−４）、（１３−１），（１３−２）と（１３−３），（１３−４）、（１４−１），（１４−２）と（１４−３），（１４−４）、それぞぞの間に対応した電荷が発生する。
【００５７】
これにより、電極板１１−１、１１−２、１２−１、１２−２、１３−３、１３−４、１４−３、１４−４を共通に接続した端子Ｔ５と電極板１１−３、１１−４、１２−３、１２−４、１３−１、１３−２、１４−１、１４−２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。
【００５８】
この電圧信号ｅs の大きさによって、Ｚ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。
【００５９】
【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、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の枝部のＸ−Ｙ平面に平行なＹ軸方向への反復移動を誘導しているので、第３の枝部および第４の枝部の誘動振動のＸ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。
また、この発明によれば、励振側の温特と検出側の温特では、その２つの振動モードの頂点温度温特のＴ0tおよび２次曲線の２次係数が一致しているため、温度変動があってもΔＦは一定であり、出力変動の発生がないことから、温度変動による零点ドリフトが防止され、結果的に温特のよい（温度変化に優れた）角速度センサを得ることができる。
また、この発明によれば、振動子素子のＺ軸を高さ方向とし、Ｚ軸の回りに作用する回転角速度を検出する構成としているので、高さ方向の薄型化を促進することができる。
【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】 本発明における励振側の温特Ｔｙと検出側の温特Ｔｘを示す図である。
【図５】 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６】 図５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】 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８】 図７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９】 従来の角速度センサの要部を示す図である。
【図１０】 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１１】 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。
【図１２】 センサの出力を表示される測定値の一例を説明する図である。
【図１３】 圧電振動式角速度センサの等価回路を示す図である。
【図１４】 従来の角速度センサの励振側の温特Ｔｘと検出側の温特Ｔｚを示す図である。
【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。
【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、振動子の（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９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９において、（ａ）は平面図、（ｂ）は図９（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９（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９（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軸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の波形は回転の方向に応じて位相が変化するので、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、Ｘ−Ｙ平面に平行かつＸ軸方向に励振振動が発生するのが望ましいが、このような従来の角速度センサでは、製造技術上、素子構造が非対称になったり、励振用の電極板２−１〜２−４の配置が振動面に対して非対称とならざるを得ず、その結果、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、傾いて振動する現象が発生する。
【０００９】
すなわち、素子構造がバランスがよく励振用電極板２−１〜２−４が図９のように対称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称となり、振動子の振動方向は図１０に示すようにＸ軸方向に対してθ゜ずれることになる。また、この振動方向のずれ（励振位相の回転）は、検出電極３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、静止状態であっても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「振動のもれ」により発生する電荷は温度変化など外部要因で変動するため、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１１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１１（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１１（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）、検出電極３には、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、その結果ｅsNが定まらないので、検出電圧が不安定になり、正確な計測ができない。
【００１２】
従来の角速度センサでは、振動モードとコリオリ力発生メカニズムから、Ｙ軸を高さ方向とし、Ｙ軸の回りに作用する回転角速度を検出している。すなわち、従来の角速度センサでは、コリオリの力を検出するために、Ｙ軸方向を立てて使用する必要があり、高さ方向に大きくなり小型化（薄型化）することができない。
【００１３】
その上、従来の角速度センサでは、励振側と検出側の周波数温度特性（温特）が異なるため、それぞれの温度での励振側周波数ｆXTと検出側周波数ｆZTの周波数差は温度により変動するので、結合度が変動し、その結果Ｑ値が変化するため、検出電荷量変化（感度変化）が発生し、これが零点ドリフトを発生させる一因となっている。すなわち、角速度センサの静止状態において、零点ドリフトがなければ、表示される測定位は所定の基準値となる（図１２参照）。すなわち、この基準値を起点として、例えば右回転では表示値が上昇し、左回転では表示値が下降する。この基準値を零点と呼ぶ。零点ドリフトとは、静止状態にも拘わらず、温度変化など外部擾乱（外因による乱れ）により零点位の電圧が変動する現象をいう。図１３は圧電振動式角速度センサ（以下、ＰＶＧと呼ぶ）の等価回路である。ＰＶＧはその感度を良くするため、励振側周波数ｆｘと検出側周波数ｆｚとが一致することが望ましい。しかし、ｆｘをｆｚに近づけて行くと、振動モードの縮退現象が発生し、本来（原理上）の計測ができなくなる。
【００１４】
そこで、縮退現象の影響がない程度まで２つの周波数を隔離して、２つのモードを分離するように設定する。したがって、２つのモード間には周波数差（ΔＦ＝｜ｆｘ−ｆｚ｜）を持って設定される。ところで、ΔＦの大きさは２つのモードの結合具合を左右するものであり、これによりＱ値が変化し、感度を変化させることが知られている。このΔＦの値は特定の温度（例えば、常温）で調整された値であるが、このΔＦの変動は温度変化によっても発生することを２つの振動モードの温特の違いから説明する。
【００１５】
図９に示した従来の角速度センサ（屈曲ｘ励振−屈曲ｚ検出）では、双方共に振動モードは屈曲振動であるが、材料の性質からその温特は異なる。図１４にその一例を示す。同図において、Ｔｘは励振側の温特、Ｔｚは検出側の温特であり、２つのモードは室温（ＲＴ）においてΔＦ0 だけ隔離して設定されている。この場合、２つのモードの温特の頂点温度Ｔ0t（Ｔ0x，Ｔ0z）が一致していないため、２つのモードは温度変動と共にΔＦの値が変動する。したがって、温度変動によるΔＦの変動により、回転角速度が作用していないにも拘わらず、出力の変動が発生し、あたかも回転角速度が作用しているかのような状態となる。この温度変動による零点ドリフトによって、検出電圧が不安定になり、正確な計測ができなくなる。
【００１６】
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、また温度変動による零点ドリフトが小さく、回転角速度を高精度で検出することの可能な高さ方向へ薄い角速度センサを提供することにある。
【００１７】
【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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ反復移動しているとき、振動子素子がＺ軸の回りに回転した場合、この第３の枝部および第４の枝部が慣性により生じるＸ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Ｙ軸方向へ反復移動する。この状態で、Ｚ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Ｘ軸方向に働き、その結果、第３の枝部および第４の枝部がＸ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Ｚ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００１８】
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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ振幅をもって振動しているとき、振動子素子がＺ軸の回りに回転した場合、この第４の枝部および第５の枝部が慣性により生じるＸ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および第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Ｙ軸方向へ反復移動する。この状態で、Ｚ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Ｘ軸方向に働き、その結果、第４の枝部および第５の枝部がＸ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Ｚ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００１９】
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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ反復移動しているとき、振動子素子がＺ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の枝部が慣性により生じるＸ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および第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Ｙ軸方向へ反復移動する。この状態で、Ｚ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Ｘ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Ｘ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Ｚ軸の回りに作用する回転角速度の大きさが検出される。
【００２０】
【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Ａ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の対向する左右の枝面Ａ３１およびＡ３２、表裏の枝面Ａ３３およびＡ３４、ならびに第４の枝部Ａ４の対向する左右の枝面Ａ４１およびＡ４２、表裏の枝面Ａ４３およびＡ４４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３次モード（３次の屈曲姿態）で屈曲振動する。
【００２３】
この場合、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４の形成位置は、第１の枝部Ａ１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、第１の枝部Ａ１の３次モードでの屈曲振動に際する節をＮ１，Ｎ２とした場合、第１の枝部Ａ１の一方の端部と節Ｎ１との中央位置を第１の腹位置Ｈ１とし、第１の枝部Ａ１の他方の端部と節Ｎ２との中央位置を第２の腹位置Ｈ２とし、第１の腹位置Ｈ１に第３の枝部Ａ３を、第２の腹位置Ｈ２に第４の枝部Ａ４を形成している。具体的に言えば、枝部Ａ１を３次モードで振動させた場合、第１の枝部Ａ１の長さを「１」とした時、第１の枝部Ａ１の一方の端部からほゞ「０．２」の位置に第３の枝部Ａ３を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第４の枝部Ａ４を形成するとよい。また、Ａ１が奇数モードで振動している時、振動の「腹」の部分が同相で振動するので、この部分にＡ３，Ａ４を形成すればよいが、振幅が大きくとれるのは３次モードであり、以下では３次モードについて記す。
【００２４】
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３次モードで屈曲振動すると、第３の枝部Ａ３および第４の枝部Ａ４は、第１の枝部Ａ１の腹位置Ｈ１およびＨ２に形成されているので、Ｘ−Ｙ平面に平行にＹ軸方向へ反復移動する。
【００２５】
ここで、振動子素子ＡがＺ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Ｘ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Ｘ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＸ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、かつ回転方向により位相が変動した形で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、Ｚ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。
【００２６】
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により、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Ｙ軸方向への反復移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Ｙ軸方向のみの成分をもった振動となり、図９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。
【００２７】
また、この場合、図４に励振側の温特Ｔｙと検出側の温特Ｔｘを示すように、その２つのモードの温特の頂点温度Ｔ0t（Ｔ0y，Ｔ0x）および２次曲線の２次係数が一致しているため、温度変動があってもΔＦは一定であり、出力変動の発生がないことから、温度変動による零点ドリフトが防止され、結果的に温特のよい（温度変化に優れた）角速度センサを得ることができる。
【００２８】
また、この場合、振動子素子ＡのＺ軸を高さ方向とし、Ｚ軸の回りに作用する回転角速度を検出する構成としているので、高さ方向の薄型化を促進することができる。
【００２９】
〔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。
【００３０】
〔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。
【００３１】
〔実施の形態１〕
図５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）は同図（ａ）を裏面側から見た図である。
【００３２】
図５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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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に検出用の電極板６−１および６−２を、表裏の枝面４−３ｃおよび４−３ｄ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に検出用の電極板７−１および７−２を、表裏の枝面４−４ｃおよび４−４ｄに検出用の電極板７−３および７−４を形成している。
【００３６】
図６は図５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５（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６−２と７−１と７−２が端子Ｔ３に共通に接続され、検出用の電極板６−３と６−４と７−３と７−４が端子Ｔ４に共通に接続されている。
【００３７】
なお、図５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電極パターンを厚くしたが、実際にはスパッタや蒸着などによる薄膜形成が実施されている。しかし、恒弾性金属（例えば、エリンバ）などの材質を使用する場合は薄片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。
【００３８】
また、第３の枝部４−３および第４の枝部４−４の形成位置は、第１の枝部Ａ１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、３次モードで振動させた場合、第１の枝部４−１の長さを「１」とした時、第１の枝部４−１の一方の端部４−１ａからほゞ「０．２」の位置に第３の枝部４−３を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第４の枝部４−４を形成している。
【００３９】
〔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６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３次モード（３次の屈曲姿態）で屈曲振動する。この３次モードの屈曲振動によって、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Ｙ軸方向へ反復移動する。
【００４０】
ここで、振動子素子４がＺ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Ｘ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Ｘ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＸ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（６−１），（６−２）−（６−３），（６−４）、（７−１），（７−２）−（７−３），（７−４）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６−１，６−２，７−１，７−２を共通に接続した端子Ｔ３と電極板６−３，６−４，７−３，７−４を共通に接続した端子Ｔ４との間にコリオリの力に応じた電圧信号ｅs が得られる。
【００４１】
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。
【００４２】
〔実施の形態２〕
図７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。
【００４３】
図７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。
【００４４】
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６の枝部８−６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。
【００４５】
第５の枝部８−５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。
【００４６】
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。
【００４７】
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に検出用の電極板１１−１および１１−２を、表裏の枝面８−４ｃおよび８−４ｄ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に検出用の電極板１３−１および１３−２を、表裏の枝面８−５ｃおよび８−４ｄに検出用の電極板１３−３および１３−４を形成している。
【００４８】
また、第６の枝部８−６の対向する左右の枝面８−６ａおよび８−６ｂに検出用の電極板１２−１および１２−２を、表裏の枝面８−６ｃおよび８−６ｄに検出用の電極板１２−３および１２−４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に検出用の電極板１４−１および１４−２を、表裏の枝面８−７ｃおよび８−７ｄに検出用の電極板１４−３および１４−４を形成している。
【００４９】
図８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８（ａ）は図７（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８（ｂ）は図７（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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、検出用の電極板１１−１、１１−２、１２−１、１２−２、１３−３、１３−４、１４−３、１４−４は共通に接続され端子Ｔ５に、検出用の電極板１１−３、１１−４、１２−３、１２−４、１３−１、１３−２、１４−１、１４−２は共通に接続され端子Ｔ６として２端子を形成している。
【００５２】
なお、図７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電極パターンを厚くしたが、実際にはスパッタや蒸着などによる薄膜形成が実施されている。しかし、恒弾性金属（例えば、エリンバ）などの材質を使用する場合は薄片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。
【００５３】
また、第４の枝部８−４および第６の枝部８−６の形成位置は、第１の枝部８−１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、第１の枝部８−１を３次モードで振動させた場合、第１の枝部８−１の長さを「１」とした時、第１の枝部８−１の一方の端部８−１ａからほゞ「０．２」の位置に第４の枝部８−４を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第６の枝部８−６を形成している。
【００５４】
また、第５の枝部８−５および第７の枝部８−７の形成位置は、第１の枝部８−１の３次モードでの屈曲振動に際する腹位置としている。すなわち、第１の枝部８−１を３次モードで振動させた場合、第１の枝部８−１の長さを「１」とした時、第１の枝部８−１の一方の端部８−１ａからほゞ「０．２」の位置に第５の枝部８−５を形成し、ほゞ「０．８」の位置に第７の枝部８−７を形成している。
【００５５】
〔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８（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８−２が伸びたとき枝部８−３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３次モード（３次の屈曲姿態）で屈曲振動する。この３次モードの屈曲振動によって、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Ｙ軸方向へ反復移動する。
【００５６】
ここで、振動子素子８がＺ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Ｘ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Ｘ軸方向成分をもって屈曲振動する。このＸ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、電極板（１１−１），（１１−２）と（１１−３），（１１−４）、（１２−１），（１２−２）と（１２−３），（１２−４）、（１３−１），（１３−２）と（１３−３），（１３−４）、（１４−１），（１４−２）と（１４−３），（１４−４）、それぞぞの間に対応した電荷が発生する。
【００５７】
これにより、電極板１１−１、１１−２、１２−１、１２−２、１３−３、１３−４、１４−３、１４−４を共通に接続した端子Ｔ５と電極板１１−３、１１−４、１２−３、１２−４、１３−１、１３−２、１４−１、１４−２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。
【００５８】
この電圧信号ｅs の大きさによって、Ｚ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。
【００５９】
【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、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の枝部のＸ−Ｙ平面に平行なＹ軸方向への反復移動を誘導しているので、第３の枝部および第４の枝部の誘動振動のＸ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。
また、この発明によれば、励振側の温特と検出側の温特では、その２つの振動モードの頂点温度温特のＴ0tおよび２次曲線の２次係数が一致しているため、温度変動があってもΔＦは一定であり、出力変動の発生がないことから、温度変動による零点ドリフトが防止され、結果的に温特のよい（温度変化に優れた）角速度センサを得ることができる。
また、この発明によれば、振動子素子のＺ軸を高さ方向とし、Ｚ軸の回りに作用する回転角速度を検出する構成としているので、高さ方向の薄型化を促進することができる。
【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】 本発明における励振側の温特Ｔｙと検出側の温特Ｔｘを示す図である。
【図５】 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６】 図５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】 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８】 図７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９】 従来の角速度センサの要部を示す図である。
【図１０】 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１１】 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。
【図１２】 センサの出力を表示される測定値の一例を説明する図である。
【図１３】 圧電振動式角速度センサの等価回路を示す図である。
【図１４】 従来の角速度センサの励振側の温特Ｔｘと検出側の温特Ｔｚを示す図である。
【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)
- 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Ｙ軸方向へ反復移動させる励振構造と、
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Ｙ軸方向へ反復移動しているとき、前記振動子素子がＺ軸の回りに回転した場合、この第３の枝部および第４の枝部が慣性により生じるＸ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。 - 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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ反復移動しているとき、前記振動子素子がＺ軸の回りに回転した場合、この第４の枝部および第５の枝部が慣性により生じるＸ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。 - 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Ｙ軸方向へ反復移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Ｙ軸方向へ反復移動しているとき、前記振動子素子がＺ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の枝部が慣性により生じるＸ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。
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