JP3860406B2 - 音叉型角速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置制御等に適用される音叉型角速度センサを産業上の技術分野とし、特に保持に起因した垂直振動の周波数変化を防止した音叉型角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）水晶振動子を用いた音叉型角速度センサは、例えばセラミック振動子に比較して周波数温度特性等に優れることから注目を浴び、近年になって実用化に至っている。これらは、自動車の誘導システムやカメラの手ぶれ防止等に使用され、量産化が期待されている。
【０００３】
（従来技術の一例）第３図乃至第５図は一従来例を説明する図で、第３図は音叉状水晶片の図、第４図は結線図、第５図は音叉型角速度センサの図である。
音叉型角速度センサは、音叉基部１から一対の音叉腕２（ａｂ）が延出した音叉状水晶片３からなる。音叉状水晶片３は、一般に、結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸を回転軸として主面に対する法線がＹ軸からＺ軸にα度（０〜５度）回転した所謂＋５度Ｘカットの水晶片からなる。新たにできた軸をＹ'及びＺ'軸とする。
【０００４】
音叉状水晶片３の音叉腕２（ａｂ）には、水平方向の音叉振動を生じさせる駆動電極４（ａｂｃｄ）と、コリオリの力によって生じる互いに反対方向となる垂直振動の検出電極５（ａｂｃｄ）が形成される。この例では、一方の音叉腕２ａに駆動電極４（ａｂｃｄ）を、他方の音叉腕２ａに検出電極５（ａｂｃｄ）を形成する。音叉振動及び垂直振動の振動周波数ｆｄ、ｆｓは、それぞれｆｄ＝ｋｄＷ／Ｌ２、ｆｓ＝ｋｓＴ／Ｌ２で基本的に決定される。但し、ｋd、ｋsはそれぞれ固有の周波数定数、Ｗは音叉腕２（ａｂ）の幅、Ｔは同厚みである。なお、音叉基部１には駆動電極４及び検出電極５と接続した端子電極６が形成される。
【０００５】
音叉振動と垂直振動との振動周波数ｆd、ｆsは、互いに近いほど感度は高くなるが、近すぎると例えばＳ／Ｎ比が悪化する。したがって、音叉振動と垂直振動とは所定量ずれた振動周波数ｆd、ｆsに設定され、感度及び検出精度を高めている。例えば、音叉振動の振動周波数ｆdを１７ＫＨｚとすると、垂直振動の振動周波数ｆsは離調周波数Δｆ（＝ｆd−ｆs）として規格値Δｆ0（例えば２５０Ｈｚ）±許容値Ａ（例えば５０Ｈｚ）に設定される。
【０００６】
これらのことから、音叉状水晶片３の厚みＴを例えばエッチングによって制御し、音叉振動からの垂直振動の離調周波数Δｆを規格値内に維持していた。そして、音叉基部１の例えば低端側の主面に台座７を接着し、気密端子８の導出した金属ベース９上に台座７を固着する。そして、音叉基部１の端子電極６と気密端子８とをワイヤボンディングによって電気的に接続し、凹状のカバーを抵抗溶接によって金属ベース９に接合して密閉封入していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の音叉型角速度センサでは、音叉状水晶片３の音叉底面からの保持位置（拘束位置）ｈによって（第６図）、第７図に示したように垂直振動（曲線イ）の振動周波数ｆｓが高い方に変化し、離調周波数がずれる問題があった。但し、音叉振動（曲線ロ）の振動周波数ｆｄは殆ど変化しない。
【０００８】
すなわち、音叉振動は音叉腕２（ａｂ）の根本部近傍に振動基点（節点）があるため、音叉基部１に一定の長さがあれば、音叉基部１の低端側を拘束しても振動周波数を一定に維持する。すなわち、音叉腕２（ａｂ）の長さを一致させることにより、漏れ振動が音叉基部１に吸収されて相殺され、振動周波数を一定に維持する。
【０００９】
しかし、垂直振動は振動起点が音叉腕２（ａｂ）の根本部近傍よりもさらに下方にあると考えられ、低端側を拘束することによって、振動周波数を高めると推察される。すなわち、垂直振動の実質的な長さは、音叉腕２（ａｂ）の長さを一致させても、音叉振動よりも拘束位置の影響を受けやすいと推察される。
【００１０】
但し、音叉基部１を無限長とすれば、音叉基部１への振動漏れは吸収されるので低端を保持しても振動周波数の変化はない。このことから、音叉基部１の保持位置（拘束位置）によって垂直振動の振動周波数が変化して、離調周波数を規定値内に維持することが困難であった。したがって、音叉型角速度センサの感度及び検出精度の悪化及びバラツキを生じさせ、結果として生産性の低下を招く問題があった。
【００１１】
（発明の目的）本発明は、垂直振動の振動周波数を固定し、離調周波数を規定値内に維持して感度及び検出精度を良好にし、生産性を高めた音叉型角速度センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【発明の解決手段】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、一対の音叉腕が音叉基部から延出した音叉状水晶片からなり、前記音叉腕による互いに反対方向となる水平方向の音叉振動に対し、コリオリの力によって生ずる前記音叉腕の互いに反対方向となる垂直振動を検出してなる音叉型角速度センサにおいて、前記音叉基部の前記水平方向である一主面を保持した際に生ずる前記垂直振動の周波数変化を防止する境界条件としての段差を前記音叉基部の厚み方向に設け、前記境界条件としての段差よりも前記音叉基部の底面側となる前記音叉基部の一主面を保持した構成とする。
【００１３】
【作用】
本発明は、垂直振動の振動周波数を固定する段差（境界）を音叉基部領域の厚み方向に設けたので、音叉基部の拘束位置による垂直振動の周波数変化を防止する。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１４】
【実施例】
第１図及び第２図は本発明の一実施例を説明する図で、第１図は音叉型角速度センサの特に音叉状水晶片の図、第２図は同断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
音叉型角速度センサは、前述したように音叉基部１と一対の音叉腕２（ａｂ）の延出した＋５゜Ｘカットの音叉状水晶片３からなり、一方の音叉腕２ａに音叉振動を励起する駆動電極４を、他方の音叉腕２ａに垂直振動による電荷を検出する検出電極５を形成する。
【００１５】
そして、この実施例では、音叉基部１に厚み方向（Ｙ´軸方向）の段差を設けた構成とする。但し、音叉基部１の下方を上方より厚くし、便宜的に下方を第１基部１ａとし、上方を第２基部１ｂとする。そして、音叉基部１の第１基部１ａの主面を、金属ベース９上の台座７に固着する。あるいは、台座７に固着して金属ベース９に一体化する。
【００１６】
このような構成であれば、音叉振動は前述したように一対の音叉腕２（ａｂ）の長さを一致させることにより、音叉基部１の拘束位置（保持位置）による振動漏れを防止して振動周波数を基本的に安定にする。
【００１７】
また、ここでは、音叉基部１の厚み方向に段差を設けたので、段差部が垂直振動に対する機械的に強制的な振動起点（あるいは振動制限点）となる。したがって、音叉基部１の低端側に設けた第１基部１ａを拘束（保持）しても、垂直振動の周波数変化を防止する。要するに、垂直振動の振動周波数を段差によって固定する。
【００１８】
なお、垂直振動の振動周波数ｆsは、基本的には前述したように音叉腕２（ａｂ）の長さＬと厚みＴで決定されるが、少なくても振動起点から音叉腕の先端までの距離即ち厚みの等しい第２基部１ｂと音叉腕２（ａｂ）の合計長さに依存して決定される。このようなことから、音叉振動と垂直振動との保持による周波数変化を防止するので、離調周波数を規定値内に維持できる。したがって、感度及び検出精度を良好として生産性を高めた音叉型角速度センサを得られる。
【００１９】
【他の事項】
上記実施例では、音叉状水晶片３に設けた段差は一段としたが、これを複数段として最も最下位の厚みの大きい音叉基部１の主面を保持すればよい。但し、音叉基部１の主面ではなく底面を保持してもよい。また、段差は例えば溝等であっても期待でき、要は垂直振動の周波数変化を防止する境界条件を設ければよい。
【００２０】
また、一方の音叉腕２に駆動電極４を、他方の音叉腕２ｂに検出電極５等を設けたが、一対の音叉腕２（ａｂ）にそれぞれ駆動電極４及び検出電極５を設けてもよく、要は音叉振動及び垂直振動を励起できる電極配置であればよい。そして、金属ベース９上に保持し、ワイヤボンディングによる電極導出としたが、これらは任意に構成できる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、一対の音叉腕が音叉基部から延出した音叉状水晶片からなり、前記音叉腕による互いに反対方向となる水平方向の音叉振動に対し、コリオリの力によって生ずる前記音叉腕の互いに反対方向となる垂直振動を検出してなる音叉型角速度センサにおいて、前記音叉基部を保持した際に生ずる前記垂直振動の周波数変化を防止する境界条件としての段差を前記音叉基部の厚み方向に設け、前記境界条件よりも前記音叉基部の底面側となる音叉基部を保持したので、垂直振動の振動周波数を固定して離調周波数を規定値内に維持して、感度及び検出精度を良好にして生産性を高めた音叉型角速度センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を説明する音叉型角速度センサ特に音叉状水晶片の図である。
【図２】 本発明の一実施例を説明する音叉型角速度センサの断面図である。
【図３】 従来例を説明する音叉型角速度センサの特に音叉状水晶片の図である。
【図４】 従来例を説明する音叉型角速度センサの結線図である。
【図５】 従来例を説明する音叉型角速度センサのカバーを除く斜視図である。
【図６】 従来例を説明する音叉型角速度センサの断面図である。
【図７】 従来例を説明する音叉振動及び垂直振動の拘束位置に対する振動周波数の変化特性図である。
【符号の説明】
１ 音叉基部、２ 音叉腕 ３ 音叉状水晶片、４ 駆動電極、５ 検出電極、６ 端子電極、７ 台座、８ 気密端子、９ 金属ベース．
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置制御等に適用される音叉型角速度センサを産業上の技術分野とし、特に保持に起因した垂直振動の周波数変化を防止した音叉型角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）水晶振動子を用いた音叉型角速度センサは、例えばセラミック振動子に比較して周波数温度特性等に優れることから注目を浴び、近年になって実用化に至っている。これらは、自動車の誘導システムやカメラの手ぶれ防止等に使用され、量産化が期待されている。
【０００３】
（従来技術の一例）第３図乃至第５図は一従来例を説明する図で、第３図は音叉状水晶片の図、第４図は結線図、第５図は音叉型角速度センサの図である。
音叉型角速度センサは、音叉基部１から一対の音叉腕２（ａｂ）が延出した音叉状水晶片３からなる。音叉状水晶片３は、一般に、結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸を回転軸として主面に対する法線がＹ軸からＺ軸にα度（０〜５度）回転した所謂＋５度Ｘカットの水晶片からなる。新たにできた軸をＹ'及びＺ'軸とする。
【０００４】
音叉状水晶片３の音叉腕２（ａｂ）には、水平方向の音叉振動を生じさせる駆動電極４（ａｂｃｄ）と、コリオリの力によって生じる互いに反対方向となる垂直振動の検出電極５（ａｂｃｄ）が形成される。この例では、一方の音叉腕２ａに駆動電極４（ａｂｃｄ）を、他方の音叉腕２ａに検出電極５（ａｂｃｄ）を形成する。音叉振動及び垂直振動の振動周波数ｆｄ、ｆｓは、それぞれｆｄ＝ｋｄＷ／Ｌ２、ｆｓ＝ｋｓＴ／Ｌ２で基本的に決定される。但し、ｋd、ｋsはそれぞれ固有の周波数定数、Ｗは音叉腕２（ａｂ）の幅、Ｔは同厚みである。なお、音叉基部１には駆動電極４及び検出電極５と接続した端子電極６が形成される。
【０００５】
音叉振動と垂直振動との振動周波数ｆd、ｆsは、互いに近いほど感度は高くなるが、近すぎると例えばＳ／Ｎ比が悪化する。したがって、音叉振動と垂直振動とは所定量ずれた振動周波数ｆd、ｆsに設定され、感度及び検出精度を高めている。例えば、音叉振動の振動周波数ｆdを１７ＫＨｚとすると、垂直振動の振動周波数ｆsは離調周波数Δｆ（＝ｆd−ｆs）として規格値Δｆ0（例えば２５０Ｈｚ）±許容値Ａ（例えば５０Ｈｚ）に設定される。
【０００６】
これらのことから、音叉状水晶片３の厚みＴを例えばエッチングによって制御し、音叉振動からの垂直振動の離調周波数Δｆを規格値内に維持していた。そして、音叉基部１の例えば低端側の主面に台座７を接着し、気密端子８の導出した金属ベース９上に台座７を固着する。そして、音叉基部１の端子電極６と気密端子８とをワイヤボンディングによって電気的に接続し、凹状のカバーを抵抗溶接によって金属ベース９に接合して密閉封入していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の音叉型角速度センサでは、音叉状水晶片３の音叉底面からの保持位置（拘束位置）ｈによって（第６図）、第７図に示したように垂直振動（曲線イ）の振動周波数ｆｓが高い方に変化し、離調周波数がずれる問題があった。但し、音叉振動（曲線ロ）の振動周波数ｆｄは殆ど変化しない。
【０００８】
すなわち、音叉振動は音叉腕２（ａｂ）の根本部近傍に振動基点（節点）があるため、音叉基部１に一定の長さがあれば、音叉基部１の低端側を拘束しても振動周波数を一定に維持する。すなわち、音叉腕２（ａｂ）の長さを一致させることにより、漏れ振動が音叉基部１に吸収されて相殺され、振動周波数を一定に維持する。
【０００９】
しかし、垂直振動は振動起点が音叉腕２（ａｂ）の根本部近傍よりもさらに下方にあると考えられ、低端側を拘束することによって、振動周波数を高めると推察される。すなわち、垂直振動の実質的な長さは、音叉腕２（ａｂ）の長さを一致させても、音叉振動よりも拘束位置の影響を受けやすいと推察される。
【００１０】
但し、音叉基部１を無限長とすれば、音叉基部１への振動漏れは吸収されるので低端を保持しても振動周波数の変化はない。このことから、音叉基部１の保持位置（拘束位置）によって垂直振動の振動周波数が変化して、離調周波数を規定値内に維持することが困難であった。したがって、音叉型角速度センサの感度及び検出精度の悪化及びバラツキを生じさせ、結果として生産性の低下を招く問題があった。
【００１１】
（発明の目的）本発明は、垂直振動の振動周波数を固定し、離調周波数を規定値内に維持して感度及び検出精度を良好にし、生産性を高めた音叉型角速度センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【発明の解決手段】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、一対の音叉腕が音叉基部から延出した音叉状水晶片からなり、前記音叉腕による互いに反対方向となる水平方向の音叉振動に対し、コリオリの力によって生ずる前記音叉腕の互いに反対方向となる垂直振動を検出してなる音叉型角速度センサにおいて、前記音叉基部の前記水平方向である一主面を保持した際に生ずる前記垂直振動の周波数変化を防止する境界条件としての段差を前記音叉基部の厚み方向に設け、前記境界条件としての段差よりも前記音叉基部の底面側となる前記音叉基部の一主面を保持した構成とする。
【００１３】
【作用】
本発明は、垂直振動の振動周波数を固定する段差（境界）を音叉基部領域の厚み方向に設けたので、音叉基部の拘束位置による垂直振動の周波数変化を防止する。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１４】
【実施例】
第１図及び第２図は本発明の一実施例を説明する図で、第１図は音叉型角速度センサの特に音叉状水晶片の図、第２図は同断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
音叉型角速度センサは、前述したように音叉基部１と一対の音叉腕２（ａｂ）の延出した＋５゜Ｘカットの音叉状水晶片３からなり、一方の音叉腕２ａに音叉振動を励起する駆動電極４を、他方の音叉腕２ａに垂直振動による電荷を検出する検出電極５を形成する。
【００１５】
そして、この実施例では、音叉基部１に厚み方向（Ｙ´軸方向）の段差を設けた構成とする。但し、音叉基部１の下方を上方より厚くし、便宜的に下方を第１基部１ａとし、上方を第２基部１ｂとする。そして、音叉基部１の第１基部１ａの主面を、金属ベース９上の台座７に固着する。あるいは、台座７に固着して金属ベース９に一体化する。
【００１６】
このような構成であれば、音叉振動は前述したように一対の音叉腕２（ａｂ）の長さを一致させることにより、音叉基部１の拘束位置（保持位置）による振動漏れを防止して振動周波数を基本的に安定にする。
【００１７】
また、ここでは、音叉基部１の厚み方向に段差を設けたので、段差部が垂直振動に対する機械的に強制的な振動起点（あるいは振動制限点）となる。したがって、音叉基部１の低端側に設けた第１基部１ａを拘束（保持）しても、垂直振動の周波数変化を防止する。要するに、垂直振動の振動周波数を段差によって固定する。
【００１８】
なお、垂直振動の振動周波数ｆsは、基本的には前述したように音叉腕２（ａｂ）の長さＬと厚みＴで決定されるが、少なくても振動起点から音叉腕の先端までの距離即ち厚みの等しい第２基部１ｂと音叉腕２（ａｂ）の合計長さに依存して決定される。このようなことから、音叉振動と垂直振動との保持による周波数変化を防止するので、離調周波数を規定値内に維持できる。したがって、感度及び検出精度を良好として生産性を高めた音叉型角速度センサを得られる。
【００１９】
【他の事項】
上記実施例では、音叉状水晶片３に設けた段差は一段としたが、これを複数段として最も最下位の厚みの大きい音叉基部１の主面を保持すればよい。但し、音叉基部１の主面ではなく底面を保持してもよい。また、段差は例えば溝等であっても期待でき、要は垂直振動の周波数変化を防止する境界条件を設ければよい。
【００２０】
また、一方の音叉腕２に駆動電極４を、他方の音叉腕２ｂに検出電極５等を設けたが、一対の音叉腕２（ａｂ）にそれぞれ駆動電極４及び検出電極５を設けてもよく、要は音叉振動及び垂直振動を励起できる電極配置であればよい。そして、金属ベース９上に保持し、ワイヤボンディングによる電極導出としたが、これらは任意に構成できる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、一対の音叉腕が音叉基部から延出した音叉状水晶片からなり、前記音叉腕による互いに反対方向となる水平方向の音叉振動に対し、コリオリの力によって生ずる前記音叉腕の互いに反対方向となる垂直振動を検出してなる音叉型角速度センサにおいて、前記音叉基部を保持した際に生ずる前記垂直振動の周波数変化を防止する境界条件としての段差を前記音叉基部の厚み方向に設け、前記境界条件よりも前記音叉基部の底面側となる音叉基部を保持したので、垂直振動の振動周波数を固定して離調周波数を規定値内に維持して、感度及び検出精度を良好にして生産性を高めた音叉型角速度センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を説明する音叉型角速度センサ特に音叉状水晶片の図である。
【図２】 本発明の一実施例を説明する音叉型角速度センサの断面図である。
【図３】 従来例を説明する音叉型角速度センサの特に音叉状水晶片の図である。
【図４】 従来例を説明する音叉型角速度センサの結線図である。
【図５】 従来例を説明する音叉型角速度センサのカバーを除く斜視図である。
【図６】 従来例を説明する音叉型角速度センサの断面図である。
【図７】 従来例を説明する音叉振動及び垂直振動の拘束位置に対する振動周波数の変化特性図である。
【符号の説明】
１ 音叉基部、２ 音叉腕 ３ 音叉状水晶片、４ 駆動電極、５ 検出電極、６ 端子電極、７ 台座、８ 気密端子、９ 金属ベース．
Claims (1)
- 一対の音叉腕が音叉基部から延出した音叉状水晶片からなり、前記音叉腕による互いに反対方向となる水平方向の音叉振動に対し、コリオリの力によって生ずる前記音叉腕の互いに反対方向となる垂直振動を検出してなる音叉型角速度センサにおいて、前記音叉基部の前記水平方向である一主面を保持した際に生ずる前記垂直振動の周波数変化を防止する境界条件としての段差を前記音叉基部の厚み方向に設け、前記境界条件としての段差よりも前記音叉基部の底面側となる前記音叉基部の一主面を保持したことを特徴とする音叉型角速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000315238A JP3860406B2 (ja) | 2000-10-16 | 2000-10-16 | 音叉型角速度センサ |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000315238A JP3860406B2 (ja) | 2000-10-16 | 2000-10-16 | 音叉型角速度センサ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002122432A JP2002122432A (ja) | 2002-04-26 |
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