JP3756668B2 - 複合センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ひとつのセンサを用い、このセンサの一部を伸縮振動（縦振動）させ、更に屈曲振動に変換して、特定方向に振動する固有振動を誘起し、このセンサが移動・回転することにより発生する慣性力の作用で、初期振動方向からズレた変化分を検出・制御回路により電気的に検出する方法で角速度と加速度の異なるふたつの物理量を同時に、かつ、独立して検出する複合センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、それぞれ、センサと検出・制御回路を一体とした角速度センサユニット、或いは加速度センサユニットが別々に存在して有り、これらを単独、或いは組み合わせて必要とする物理量を検出していた。その為、システム全体の大きさは非常に大きなものになっていた。
なお、角速度センサユニットと、加速度センサユニットとを組み合わせ、更に、２つの情報を積分回路等を用いて処理することで、移動体の３次元変動量を正確に知ることが出来る為、航空機の慣性航法システム、自動車の自立航法システム、軌跡記録、姿勢制御、工場内の自動搬送システムなど幅広い分野で使用される。
【０００３】
それでは、従来からこれらの検出によく使用される角速度センサと加速度センサについて述べる。
角速度センサユニットでは、リング状のガラス管（共振器）の中でHe-Ne レーザ光をプラズマ放電により発生させ、ガラス管の中をCW、CCW の方向に進行する光の共振系を作る。これに、回転が印加されるとCW、CCW 光の共振器内１周に要する時間に差が生じ（サニャック効果）、２方向の光の周波数差が発生し、この時の干渉縞の移動速度と方向をフォトセンサで検出するリングレーザジャイロユニット（RLG ）や、円筒形状に巻いたガラスファイバの両端からレーザ光を入射させ、前記同様、CW、CCW 光を作り、外部から回転が加えられた時、サニャック効果により発生した光の干渉を検出するファイバーオプティックジャイロユニット（FOG ）が有り、近年では、価格的に安価、かつ、小型化が可能な圧電振動式角速度センサユニット（PVG ）が急速に市場に出回るようになった。
【０００４】
ここでは、圧電材料として水晶を用いた圧電振動式角速度センサの動作原理について、述べる。
図７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７において、（ａ）は平面図、（ｂ）は図７（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。
【０００５】
この角速度センサにおいては、図７（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７（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。
【０００６】
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。
【０００７】
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角速度の方向を知ることができる。
【０００８】
一方、加速度センサユニットでは、Siなど単結晶を使用して平板を形成しその片面に錘を付加する。少なくとも平板の１面に電極を構成し、この構造体をバネ構造を持つ支持体で外枠に固定する。そして、平板上に構成した電極と対向して平行に一定の間隔を維持して固定電極を配し、加速度が印加されたとき、その大きさに応じて錘にかかる慣性力で平板が変形し２電極間の距離が変動する。これを容量値変化として検出する静電容量式加速度センサユニットや、固有振動する振動子上に錘を付加した構造で、加速度が印加されたときその大きさに応じて錘にかかる慣性力により振動子の固有振動を束縛する為、振動子の振動周波数が加速度の大きさに応じて変化するのを周波数変化として検出する振動式加速度センサユニットなどがある。
【０００９】
ここでは、一般に広く用いられている静電容量式加速度センサの動作原理について述べる。
Siを材料とする、いわゆる半導体センサ構造体は、フォトリソグラフィ法によりエッチングで加工される。従って、上記のセンサ構造体部分、すなわち、外枠、バネ構造をした支持体、平板及び 錘は、電極が構築された状態で立体的に一体化して形成される。そして、対向電極部分近傍には、検出・制御などの回路が構築され、センサ構造体部分を陽極接合などにより電極間ギャップを確保して固定出来る構造を有している。今、電極面に平行な一方向に加速度が発生すると、平板上の片側の面に構築された錘には慣性力が働き平板が波打つ様に変形し、それに伴い電極間ギャップも変化する。その為、二電極間の静電容量値が変化する。この変化量が加速度の大きさに応じて変化するので、これを検出すれば加速度の大きさを知ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、それぞれのセンサユニットが単独で別々に存在し、これらを組み合わせ積分回路等を付加する事で慣性航法システムや、自立航法システム等を構築していた。その為、装置全体が大きくなり、小型化が困難で有ると同時にコスト面でも高いものになっていた。
【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、センサの高安定・高精度検出・小型化、および、センサユニット全体の小型化とを目的に、ひとつのセンサを用い、角速度と加速度の大きさを独立して検出し、それぞれ処理回路で出力可能とし、小型で省スペース対応、ローコストで有りながら異なった２種類の物理量を、安定、かつ、高精度で計測する能力を備えた複合センサを提供することにある。
また、完全対称の電極構成により対称的な電界発生から生み出される純粋な伸縮振動により、第１の枝部、更に、検出用枝部に純粋な屈曲振動を誘発させる事を可能とし、従来のコリオリ力を応用した圧電振動式センサの宿命とされる「振動モレ」（励振振動が、検出側に影響する現象。検出側の振動モードに影響したり、電気的に影響を与える現象で、環境温度に対し不安定な為、検出信号の信頼性、精度を著しく劣化させる。）を大幅に減少させる事の可能な複合センサを提供することにある。
なお、「振動モレ」現象は、形状構造上のアンバランス、電極構成上のアンバランス、電極間の信号リーク、駆動側、検出側の振動数差の状態などが原因とされている。この中でも、電極構成・配置について、従来の様に、励振の手段として屈曲振動を起用するならば、その電極配置上どうしてもアンバランスに構成せざるを得ず、その結果、非対称電界による励振により異常な振動モードが発生し、振動モレの大きいセンサとなる。
【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、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軸方向とし、第５および第７の枝部が第１の枝部との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きく、かつ第５および第７の枝部の重心位置がＸ軸方向の互いに異なる方向に偏心している振動子素子（センサ）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軸方向へ逆相で伸縮振動させ、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の枝部および第６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６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６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第１の検出構造と、第５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５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、振動子素子へＺ軸方向の加速度が作用した場合、この第５の枝部および第７の枝部が慣性により生じるねじれ現象から誘発される屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す第２の検出構造とを設けたものである。
【００１４】
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の枝部および第３の枝部がＹ軸方向へ逆相で伸縮振動し、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軸の回りに角速度が作用すると、コリオリの力がＸ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逆相で屈曲振動する。そして、この屈曲振動によって第４の枝部および第６の枝部にはＺ軸方向成分に対応した電荷がその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角速度の大きさが検出される。この時、第５，第７の枝部は電極構造から逆相モードの電荷が打ち消されるので、角速度は検出されない。
また、振動子素子へＺ軸方向の加速度が作用すると、第５の枝部および第７の枝部に慣性によるねじれ現象が生じ、更に枝部が偏心しているため、ねじれが同相モードの屈曲振動を誘発する。それによる電荷を検出電極より取り出し、この取り出された電荷量に基づいて振動子素子のＺ軸方向に作用する加速度の大きさが検出される。なお、第４，第６の枝部は電極構造から同相モードの電荷が打ち消されるので、加速度は検出されない。
従って、２つの物理量は独立して検出が可能となる。
【００１５】
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の枝面から第２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３の枝部および第４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５の枝部および第６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軸方向とし、第４および第６の枝部が第１の枝部との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きく、かつ第４および第６の枝部の重心位置がＸ軸方向の互いに異なる方向に偏心している振動子素子（センサ）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３の枝部，第４の枝部，第５の枝部および第６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５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３の枝部および第５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第１の検出構造と、第４の枝部および第６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６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、振動子素子へＺ軸方向の加速度が作用した場合、この第４の枝部および第６の枝部が慣性により生じるねじれ現象から誘発される屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す第２の検出構造とを設けたものである。
【００１６】
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，第４の枝部，第５の枝部および第６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軸の回りに角速度が作用すると、コリオリの力がＸ軸と直交するＺ軸方向に働き、その結果、第３の枝部，第４の枝部，第５の枝部および第６の枝部がＺ軸方向成分をもって逆相で屈曲振動する。そして、この屈曲振動によって３の枝部および第５の枝部はＺ軸方向成分に対応した電荷がその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角速度の大きさが検出される。この時、第４，第６の枝部は電極構造から逆相モードの電荷が打ち消されるので、角速度は検出されない。
また、振動子素子へＺ軸方向の加速度が作用すると、第４の枝部および第６の枝部に慣性によるねじれ現象が生じ、更に枝部が偏心しているため、ねじれが同相モードの屈曲振動を誘発する。それによる電荷を検出電極より取り出し、この取り出された電荷量に基づいて振動子素子のＺ軸方向に作用する加速度の大きさが検出される。なお、第３，第５の枝部は電極構造から同相モードの電荷が打ち消されるので、加速度は検出されない。
従って、２つの物理量は独立して検出が可能となる。
【００１７】
第３発明（請求項３に係る発明）は、第２発明において、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に延びその先端が支持固定された第２の枝部に代えて、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他方向に延びその先端が支持固定された第２の枝部を設けたものである。この発明によれば、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他方向に延びた第２の枝部がＹ軸方向へ伸縮振動し、第２発明と同様にして、Ｙ軸の回りに作用する角速度およびＺ軸方向に作用する加速度の大きさが検出される。
【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。
〔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（センサ）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と第５の枝部Ａ５と第６の枝部Ａ６と第７の枝部Ａ７とからなる。
【００１９】
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および第３の枝部Ａ３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一方向および他方向に延びその先端が支持固定されている。第４の枝部Ａ４および第５の枝部Ａ５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，第３の枝部Ａ３の長手方向と平行する一方向および他方向に延びている。第６の枝部Ａ６および第７の枝部Ａ７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，第３の枝部Ａ３の長手方向と平行する一方向および他方向に延びている。枝部Ａ１〜Ａ７は共通の平面に位置している。
【００２０】
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，第３の枝部Ａ３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。ここで、第５の枝部Ａ５は、第１の枝部Ａ１との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きく形成され、かつその重心位置がＸ軸方向の一方に偏心している。また、第７の枝部Ａ７は、第１の枝部Ａ１との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きく形成され、かつその重心位置がＸ軸方向の他方に偏心している。すなわち、この例では、枝部Ａ５が枝部Ａ１の付け根部から先端へ向けて枝部Ａ１の一方の端部側に拡がる傾斜形状とされ、枝部Ａ７が枝部Ａ１の付け根部から先端へ向けて枝部Ａ１の他方の端部側に拡がる傾斜形状とされている。
【００２１】
なお、この例では、枝部Ａ５を枝部Ａ１の付け根部から先端へ向けて枝部Ａ１の一方の端部側に拡がる傾斜形状とし、枝部Ａ７を枝部Ａ１の付け根部から先端へ向けて枝部Ａ１の他方の端部側に拡がる傾斜形状としたが、図１（ｂ）に示すように、枝部Ａ５を枝部Ａ１の付け根部から先端へ向けて枝部Ａ１の他方の端部側に拡がる傾斜形状とし、枝部Ａ７を枝部Ａ１の付け根部から先端へ向けて枝部Ａ１の一方の端部側に拡がる傾斜形状とするようにしてもよい。また、この例では傾斜形状としたが、必ずしも傾斜形状としなくてもよい。すなわち、第５の枝部Ａ５および第７の枝部Ａ７の重心位置がＸ軸方向の互いに異なる方向に偏心していればよく、その形状は傾斜形状に限られない。
【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ならびに第３の枝部Ａ３の対向する枝面Ａ３１およびＡ３２に励振電極（図示せず）を形成する。また、第４の枝部Ａ４の対向する枝面Ａ４１およびＡ４２ならびに第６の枝部Ａ６の対向する枝面Ａ６１およびＡ６２に、角速度検出用の検出電極（図示せず）を形成する。また、第５の枝部Ａ５の対向する枝面Ａ５１およびＡ５２ならびに第７の枝部Ａ７の対向する枝面Ａ７１およびＡ７２に、加速度検出用の検出電極（図示せず）を形成する。
【００２３】
そして、第２の枝部Ａ２および第３の枝部Ａ３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、枝部Ａ２およびＡ３をＹ軸方向へ逆相（枝部Ａ２が伸びたとき枝部Ａ３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。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１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４の枝部Ａ４、第５の枝部Ａ５、第６の枝部Ａ６、第７の枝部Ａ７を第１の枝部Ａ１の傾きが大きいところ、例えば３次モードでは後述する如く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４の枝部Ａ４、第５の枝部Ａ５、第６の枝部Ａ６および第７の枝部Ａ７がＸ−Ｙ平面に逆相、かつ、平行にＸ軸方向へ振幅をもって屈曲振動する。
【００２４】
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４の枝部Ａ４、第５の枝部Ａ５、第６の枝部Ａ６および第７の枝部Ａ７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、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た電荷が第４の枝部Ａ４および第６の枝部Ａ６の検出電極から取り出され、この検出電極よりコリオリの力に応じた電圧信号ｅｓωが得られる。この電圧信号ｅｓωの大きさによって、Ｙ軸の回りに作用する角速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅｓω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角速度の方向を知ることができる。
【００２５】
これに対し、振動子素子ＡへＺ軸方向（紙面前方、あるいは紙面後方）の加速度が作用すると、第５の枝部Ａ５および第７の枝部Ａ７は偏心しているために慣性によるねじれ現象が生じ、このねじれ現象により、同相モードでＺ軸方向成分を持った屈曲振動が発生するので、加速度に比例した大きさで、かつ加速度の方向で位相が変動した電荷が第５の枝部Ａ５および第７の枝部Ａ７の検出電極から取り出され、この検出電極より加速度に応じた電圧信号ｅｓαが得られる。この電圧信号ｅｓαの大きさによって、Ｚ軸方向へ作用する加速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅｓα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加速度の方向を知ることができる。
【００２６】
この複合センサでは、第２の枝部Ａ２および第３の枝部Ａ３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および第３の枝部Ａ３をＹ軸方向へ逆相で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４の枝部Ａ４、第５の枝部Ａ５、第６の枝部Ａ６および第７の枝部Ａ７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４の枝部Ａ４、第５の枝部Ａ５、第６の枝部Ａ６および第７の枝部Ａ７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７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振動式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、角速度を高精度で検出することができる。
【００２７】
また、この複合センサでは、角速度に加えて加速度を検出することができるので、すなわち角速度と加速度の両方を１つのセンサで検出することができるので、移動体の慣性航法制御などに際して角速度センサと加速度センサとを別々に設ける必要がなく、低コスト化を図ることができる。また、１つのセンサ分のスペースでよく、省スペース化を図ることができ、付随する回路の簡略化なども図られる
【００２８】
図２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および第３の枝部Ａ３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４の枝部Ａ４、第５の枝部Ａ５、第６の枝部Ａ６および第７の枝部Ａ７を形成配置すると、第４の枝部Ａ４、第５の枝部Ａ５、第６の枝部Ａ６および第７の枝部Ａ７のＸ軸方向への振幅が大きくなり、Ｙ軸の回りに角速度が作用した場合に得られる出力電荷が増大し、またＺ軸方向へ加速度が作用した場合に得られる出力電荷も増大し、検出精度がアップする。
【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２つとした。これに対して、応用例１では、図３に示すように、駆動する枝部を１つとする。すなわち、振動子素子Ｂとして、図１の枝部Ａ３に対応する枝部を省略し、枝部Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７に対応する枝部Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６を設ける。
【００３０】
〔応用例２：第３発明〕
上述した応用例１では図１の枝部Ａ３に対応する枝部を省略した。これに対して、応用例２では、振動子素子Ｃとして、図４に示すように、図１の枝部Ａ２に対応する枝部を省略し、枝部Ａ１，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７に対応する枝部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６を設ける。
【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）は左側面図、同図（ｃ）は右側面図であり、同図（ｄ）は同図（ａ）を裏面側から見た図である。
【００３２】
図５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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
ここで、第５の枝部８−５は、第１の枝部８−１との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きくされ、かつその重心位置がＸ軸方向の一方に偏心している。また、第７の枝部８−７は、第１の枝部８−１との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きくされ、かつその重心位置がＸ軸方向の他方に偏心している。すなわち、この例では、枝部８−５が枝部８−１の付け根部から先端へ向けて枝部８−１の一方の端部側に拡がる傾斜形状とされ、枝部８−７が枝部８−１の付け根部から先端へ向けて枝部８−１の他方の端部側に拡がる傾斜形状とされている。
【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に角速度検出用の検出電極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に角速度検出用の電極板１１−１および１１−２を、この枝面８−４ａに対向する枝面８−４ｂに角速度検出用の電極板１１−３および１１−４を形成している。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に角速度検出用の検出電極１２（１２−１〜１２−４）を形成している。すなわち、第６の枝部８−６の枝面８−６ａに角速度検出用の電極板１２−１および１２−２を、この枝面８−６ａに対向する枝面８−６ｂに角速度検出用の電極板１２−３および１２−４を形成している。
【００３８】
また、第５の枝部８−５の対向する左右の枝面８−５ａおよび８−５ｂに加速度検出用の検出電極１３（１３−１〜１３−４）を形成している。すなわち、第５の枝部８−５の枝面８−５ａに加速度検出用の電極板１３−１および１３−２を、この枝面８−５ａに対向する枝面８−５ｂに加速度検出用の電極板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に加速度検出用の検出電極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に加速度検出用の電極板１４−１および１４−２を、この枝面８−７ａに対向する枝面８−７ｂに加速度検出用の電極板１４−３および１４−４を形成している。
【００３９】
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る。図６（ａ）は図５（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６（ｂ）は図５（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、この複合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、角速度検出用の電極板１１−１、１１−４、１２−２、１２−３が端子Ｔ４，Ｔ５に、角速度検出用の電極板１１−２、１１−３、１２−１、１２−４が端子Ｔ６，Ｔ７に接続されている。
【００４２】
また、加速度検出用の電極板１３−１と１３−４が端子Ｔ１０に、加速度検出用の電極板１４−１と１４−４が端子Ｔ１１に、加速度検出用の電極板１３−２と１３−３が端子Ｔ８に、加速度検出用の電極板１４−２と１４−３が端子Ｔ９に接続されている。端子Ｔ８とＴ９とは振動子素子８の外側で端子Ｔ１２に接続され、また端子Ｔ１０とＴ１１は振動子素子８の外側で端子Ｔ１３に接続され、２端子とされている。
【００４３】
なお、図５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。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。
【００４４】
〔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６（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。
【００４５】
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および第６の枝部８−６の検出電極１１および１２より、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取り出される。
【００４６】
この場合、電極板１１−１，１１−４，１２−２，１２−３を共通に接続した端子Ｔ４（Ｔ５）と電極板１１−２，１１−３，１２−１，１２−４を共通に接続した端子Ｔ６（Ｔ７）との間に、コリオリの力に応じた交流の電圧信号ｅsωが得られる。
【００４７】
この電圧信号ｅsωの大きさによって、Ｙ軸の回りに作用する角速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅsω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角速度の方向を知ることができる。
【００４８】
これに対し、振動子素子８へＺ軸方向の加速度が作用すると、第５の枝部８−５および第７の枝部８−７に慣性によるねじれ現象が生じ、第５の枝部８−５および第７の枝部８−５より、加速度に比例した大きさでかつ加速度の方向で位相が変動した形で電荷が取り出される。
【００４９】
この場合、電極板１３−１，１３−４，１４−１，１４−４を共通に接続した端子Ｔ１２と電極板１３−２，１３−３，１４−２，１４−３を共通に接続した探知Ｔ１３との間に交流の電圧信号ｅｓαが得られる。
【００５０】
この電圧信号ｅｓαの大きさによって、Ｚ軸方向へ作用する加速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号ｅｓα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加速度の方向を知ることができる。
【００５１】
なお、言うまでもないが、例えば図１（ａ）において、枝部Ａ４およびＡ６を省略するか、Ａ４，Ａ６の代わりにＡ５，Ａ７を対称的に付加すれば、単独の加速度センサが得られる。また、枝部Ａ５およびＡ７を省略するか、Ａ５，Ａ７の代わりにＡ４，Ａ６を対称的に付加すれば、単独の角速度センサが得られる。
【００５２】
【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の枝部および第３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４の枝部、第５の枝部、第６の枝部および第７の枝部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、第４の枝部、第５の枝部、第６の枝部および第７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、運動停止時の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、本発明によれば、角速度と加速度を同時に別々にして検出することができるので、すなわち角速度と加速度の両方を１つのセンサで独立して検出することができるので、移動体の慣性航法制御などに際して角速度センサと加速度センサとを別々に設ける必要がなく、低コスト化を図ることができる。また、１つのセンサ分のスペースでよく、省スペース化を図ることができ、付随する回路の簡略化なども図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】 第１の枝部の３次の振動姿態を示す図である。
【図３】 本発明の応用例１（第２発明）を説明する図である。
【図４】 本発明の応用例２（第３発明）を説明する図である。
【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】 従来の角速度センサの要部を示す図である。
【図８】 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９】 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、Ａ５…第５の枝部、Ａ６…第６の枝部、Ａ７…第７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、Ｂ６…第６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、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軸方向とし、前記第５および第７の枝部が前記第１の枝部との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きく、かつ前記第５および第７の枝部の重心位置がＸ軸方向の互いに異なる方向に偏心している振動子素子と、
   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軸方向へ逆相で伸縮振動させ、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の枝部および第６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６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の枝部および第６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第１の検出構造と、
   前記第５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５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、前記振動子素子へＺ軸方向の加速度が作用した場合、この第５の枝部および第７の枝部が慣性により生じるねじれ現象から誘発される屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す第２の検出構造と
   を備えたことを特徴とする複合センサ。
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の枝面から前記第２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３の枝部および第４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５の枝部および第６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軸方向とし、前記第４および第６の枝部が前記第１の枝部との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きく、かつ前記第４および第６の枝部の重心位置がＸ軸方向の互いに異なる方向に偏心している振動子素子と、
   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３の枝部，第４の枝部，第５の枝部および第６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３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３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、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５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第１の検出構造と、
   前記第４の枝部および第６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６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、前記振動子素子へＺ軸方向の加速度が作用した場合、この第４の枝部および第６の枝部が慣性により生じるねじれ現象から誘発される屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す第２の検出構造と
   を備えたことを特徴とする複合センサ。
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他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の枝面から前記第２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３の枝部および第４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５の枝部および第６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軸方向とし、前記第４および第６の枝部が前記第１の枝部との付け根部付近のＸ軸方向幅寸法よりも先端付近のＸ軸方向幅寸法の方が大きく、かつ前記第４および第６の枝部の重心位置がＸ軸方向の互いに異なる方向に偏心している振動子素子と、
   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３の枝部，第４の枝部，第５の枝部および第６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３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３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、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５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第１の検出構造と、
   前記第４の枝部および第６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６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、前記振動子素子へＺ軸方向の加速度が作用した場合、この第４の枝部および第６の枝部が慣性により生じるねじれ現象から誘発される屈曲振動によって生ずる電荷を取り出す第２の検出構造と
   を備えたことを特徴とする複合センサ。

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