JP4004129B2 - 運動センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は角速度あるいは加速度を検出する機械的な運動センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
十字型の振動体は１個の振動体で２方向の角速度を検出できる長所がある。たとえば特開平８−２７１２５６にはその原理的な開示が見られる。このような振動体は４本の各脚に励振あるいは検出の電極を多数有し、それらの引出し線を振動体の振動を妨げないように処理して外部回路と接続する必要があるので、外部回路との接続が混み合い、単純な工程での低コストな接続処理を行う構成に関する問題点があったが、その点に関する提案がなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、十字型の振動体を有し、２軸以上の角速度あるいは加速度を検出する運動センサにおいて、振動体上の電極と外部回路側の電極とを総合的に接続処理する合理的な構成および更に性能向上に関する構成を提供することであり、これによって多機能型の運動センサの実用化に寄与することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
下記（１）の特徴を有する運動センサを用いること、または更に下記（２）〜（１２）の特徴のうち少なくとも一つを加えた特徴を有する運動センサを用いること。
【０００５】
（１）中央基部から一平面に平行に四方に突出する４個のカギ型の負荷質量付きの片持振動脚を前記平面に直交し、また相互に直交する２つの鏡面に関して対称に有する振動体を基礎とし、前記各振動脚を前記平面内で前記各鏡面に対称な屈曲振動を行うよう圧電的に励振する電極と、前記各振動脚の前記平面に垂直な方向の屈曲歪みを圧電的に検出する電極と、前記平面内での屈曲歪みを圧電的に検出する電極とを設けたこと。
【０００６】
（２）（１）において、前記電極は前記振動体に重なる十字型の圧電性材料の表面に設けられていること。
（３）（１）において、前記振動体は水晶板から形成されたこと。
（４）（１）において、前記振動体は圧電性磁器から一体的に形成されたこと。
【０００７】
（５）（１）または（２）において、前記振動体を板材の曲げあるいは絞り加工によって形成したこと。
（６）（１）において、前記振動体を中央部で交差して固着された２本の棒材によって形成し、交差して固着された前記中央部を基部としたこと。
（７）（１）ないし（６）のいずれかにおいて、前記基部は棒状部材で基台に固着されたこと。
（８）（１）ないし（６）のいずれかにおいて、前記基部はバネ性を有する部材に固着されて基台上に支持されたこと。
（９）（１）ないし（７）のいずれかにおいて、前記各電極の引出線は前記振動体の基部に固着された小基板のバッド群に集められていると共に、前記小基板が複数箇所で基台上に支持されていること。
（１０）（１）ないし（９）のいずれかにおいて、リボン状のフレキシブル基板より成るリード板上に配したリードパターンの端部の各々を、前記基部上または基部に固着した小基板上の電極端子の各々と導電接着することによって、前記フレキシブル基板を外部回路への引出線としたこと。
【０００８】
（１１）（１）ないし（１０）のいずれかにおいて、圧電的な励振、３軸方向の屈曲歪みの圧電的検出のうちの少なくとも２つの機能を兼用する電極を備えており、時分割制御機能を付加した励振回路あるいは検出回路によって、前記兼用される機能が交互に発揮されること。
（１２）（１１）において、圧電的な励振と屈曲歪みの圧電的検出の機能を兼用する電極を備えており、前記電極に対して励振回路は間欠的に動作し、前記電極による角速度の検出動作は前記励振回路が機能していない期間に残存振動を利用して行われること。
【０００９】
（１８）圧電的な励振、３軸方向の屈曲歪みの圧電的検出のうちの少なくとも２つの機能を兼用する電極を備えており、時分割制御機能を付加した発振あるいは検出回路によって、前記兼用される機能が交互に発揮されること。
（１９）前記電極が兼用する少なくとも２つの機能は２軸以上の角速度検出機能と加速度検出機能であること。
（２０）前記励振機能は常時動作し、前記電極が兼用する少なくとも２つの機能は屈曲歪みの検出機能であること。
（２１）前記励振機能は前記電極が兼用する少なくとも２つの機能の内の１つであること。
（２２）前記電極が兼用する機能の少なくとも１つは角加速度検出機能であること。
（２３）前記電極が兼用する少なくとも２つの機能の内の１つで使用し、他の１つで使用しない電極があるときは、該使用しない電極を所定の電位に設定する機能を前記発振・検出回路が備えていること。
【発明の実施の形態】
【００１０】
図１は本発明の運動センサの第１の実施の形態である２軸の角速度センサーを示し、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は振動体の変形例の概略図、（ｃ）は中心部の断面図、（ｄ）は脚部の断面図、（ｅ）はその変形例における脚部の断面図である。
【００１１】
（ａ）において３は十字型振動体であり、恒弾性金属材料より成っている。ＡＢＣＤの４脚を有し、中心部は圧入された棒状の支持体９によって（ｃ）に示す基台１０上に支持される。各脚は十字面に垂直な基本振動モードを励振されている。隣り合う脚は逆位相で振動するので、ある瞬間の脚先端の速度ｖは図示のようである。この基本振動によって、いずれかの脚の長手方向に沿った軸、即ちＬ軸あるいはＭ軸のいずれかに平行な回転軸の回りに振動体全体が角速度ωL またはωM で回転すると、各脚には回転軸およびｖの両者に垂直な図示方向にｖおよびωに比例したコリオリ力ＦCLあるいはＦCMを生じる。回転軸がＬ軸にもＭ軸にも平行でない場合には、各軸方向の角速度の成分に比例したコリオリ力が各脚に生じる。
【００１２】
４、５は圧電素子で、振動の励振および角速度（コリオリ力）の検出を行う。斜視図（ａ）には十字振動体３の上面に接着された素子４のみが見える。圧電素子５は参照電圧発生用の素子で裏面に接着されており、断面図（ｃ）、（ｄ）に表れている。各圧電素子は振動歪みの大きい脚の根元付近に接着される方が能率的に動作する。各圧電素子は断面図（ｄ）に示すように板厚方向に分極されており、その部分の伸縮歪みに応じて電圧を発生する。隣り合う脚の圧電素子５の分極方向は、検出される信号の位相を考慮して互いに逆とされる。
【００１３】
振動体側に設けた電極膜ｄは金属振動体の表面に接地されていて共通の基準電位となる。圧電素子４の外側に分割して設けた電極膜ａ、ｂは検出・駆動兼用に用いられ、圧電素子５の外側に設けた電極膜ｃは振動体の振動を検出し、その信号を励振回路３２（図２に表示）に帰還し、励振（駆動）信号を得るためのフィードバック電極である。各脚の電極を個別に特定するにはＡa 、Ａb ……Ｄa 、Ｄb 等の記号を用いることにする。
【００１４】
支持体９の上端には、十字型振動体３の脚部との接触を避けるスペーサ６３によって隔離された小基板６が固定され、更にその上には検出・駆動回路を集積したＩＣ７が搭載（ダイボンデイング）されている。ＩＣ７の周縁部の各端子と小基板上の多数のボンディングパッド６１とはボンデイングワイヤ８にて接続される。またボンディングパッド６１と上面側の各圧電素子４の電極膜ａ、ｂもそれぞれワイヤボンデイングにより接続される。また下面側の各圧電素子５の電極膜ｃとはリード線８２にて接続される。ＩＣ７と外部回路との接続は、小基板６の配線パターン６２、スルーホール部の側面金属膜６４、それにハンダ付けされた外部リード線８３を経由して行われる。
【００１５】
（ｂ）に示した３個の各平面図は、十字型振動体３の中心の基部における各脚の異なる分岐部形状を示すものである。左端はＲを付けた場合、右の二つは分岐部に突起を設けて脚の振動歪の分離性を高めた場合である。また脚部の（ｅ）断面図は、本実施の形態における圧電素子の接着部位の変形例を示すもので、圧電素子４を圧電素子４３と４４に分割し、脚の側面に接着した。この他に種々の変形等があり得ることはもちろんである。
【００１６】
図２は上述の第１の実施の形態に使用される駆動検出回路のブロック図で、３１は検出回路、３２は励振回路であり、それぞれ角速度検出動作、十字型振動体の基本振動の励振動作をする。まず励振動作について述べる。圧電素子５の各電極ＡC 〜ＤC はまとめて結線され、振動歪による電圧は、インピーダンス変換器２０を経てＡＧＣ回路２６に入力され、ゲイン調整され、さらに移相回路２７で適宜な位相に調整され、増幅器２８で増幅された励振電圧信号となり、抵抗Ｒを通じて圧電素子４の各電極Ａa ……Ｄb に供給され、十字振動体３の基本振動を維持する。
【００１７】
次に角速度検出動作について述べる。Ａa 〜Ｄb の各電極の検出電圧は、コリオリ力による振動歪みに比例する振動成分を含んでいる。各検出電圧は、インピーダンス変換器２０を経、差動増幅回路増幅回路２１、加算回路２２を経由して同期検波回路２３にて、基本振動の歪みの位相と９０°異なる基本振動の速度の位相を持つコリオリ力による振動の歪みに比例する電圧成分が分離される。同期検波回路の同期信号には、励振回路で作られた信号が用いられる。検波出力は、ローパスフィルタ２４にて不要成分を除かれ、ＤＣアンプ２５にて増幅され、Ａ、Ｃ脚からはＦCLに比例しＢ、Ｄ脚からはＦCMに比例する２つの角速度検出出力が得られる。
【００１８】
図３は本発明の第２の実施の形態である３軸の加速度センサを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。本例においては励振を行わずに、各脚に作用するＬ軸、Ｍ軸、Ｎ軸方向の加速度による撓みを、直接各脚上の圧電素子４の電極１、２によって検出する。個別電極をＡ1 、Ａ2 、Ｂ1 ……Ｃ1 ……Ｄ2 等と記す。Ｌ軸方向の加速度はＢ、Ｄ脚の、Ｍ軸方向の加速度はＡ、Ｃ脚の横撓みを、Ｎ軸方向の加速度は全脚の上下方向の屈曲撓みを惹起する。横撓みは各圧電素子の電極１、２に誘起される電圧の差で、上下撓みは和で検出できる。
【００１９】
３軸加速度センサは十字型にせずとも、例えば脚Ａ、Ｂの２脚のみを用いたＶ字型振動体によっても原理的には検出可能であるが、十字型振動体を用いた方が重心（中心）に関する力のモーメントのバランスに優れ、検出出力が安定する。また関連する電極は配線パターン６２によりあらかじめ接続されたため電極からの引出線は４本にまとめられ、支柱を兼ねた外部リード線８３により、基台側に設けた検出回路（図示せず）に結線される。
【００２０】
なお本例では小基板６が太めで剛性のある外部リード線８３により絶縁体の基台１０上に支持され、十字型振動体３は短い支持体９によって小基板に吊られた形になっているが、これは他の支持形態を例示するもので原理的に必須の構造ではなく（しかし異なる材質を組合わせた支持構造であるため緩衝作用や外乱吸収効果が高い）、第１の実施の形態と同じく振動体の中心部を直接支持するようにしてもよい。
【００２１】
図４は本発明の第２の実施の形態である３軸加速度センサに使用する検出回路のブロック図である。Ａ1 〜Ｄ2 の各電極は、加速度の方向に対する電圧極性が等しいグループ毎にあらかじめ結線されて回路に接続される。各結線はインピーダンス変換器２０を経、差動増幅回路２１あるいは加算回路２２により３グループに分かれて演算され、それらの出力はローパスフィルタ２４、ＤＣアンプ２５を通って、Ｌ、Ｍ、Ｎ方向の加速度検出出力αL 、αM 、αN となる。
【００２２】
図５（ａ）は本発明の第３の実施の形態である２軸の角速度センサの平面図である。基本的には図１に示した第１の実施の形態の角速度センサと同じ構造であるが、本例では検出される角速度軸を第１の実施の形態の場合と４５°傾けたものである。このようにする利点は、基台１０をできるだけ小面積とし容器を極力小容積としたい場合、図示のように十字振動体３の各脚を正方形の基台の辺に平行に配置するよりも、基台の対角線に沿って配置するとよい。一方検出軸は基台の辺に平行であると使用に便利である。この２つの要請を本実施の形態は満足させることができる。
【００２３】
図６（ａ）は本発明の第３の実施の形態に適用される検出回路の一例の一部である。脚の方向と４５°をなすいずれか１つの軸の回りの回転角速度により生じるコリオリ力は、図示ＦCL、ＦCMのようにどの脚をも撓ませる成分を持つので、各脚のすべての検出用の圧電素子Ａ1 、Ａ2 ………Ｄ1 、Ｄ2 に検出出力を発生させる。２軸の検出成分を分離する構成について図に従って述べる。
【００２４】
まず４対の電極から得られる信号を左端の４個の差動増幅回路２１に通して各脚の歪みに比例した信号とし、その４出力を２組に分けて再度中央列の２個の差動増幅回路２１で差をとり、それらの出力を加算回路２２で加えることで角速度ΩL の原出力 (ΩL)が、右端の差動増幅回路２１で差をとることで角速度ΩM の原出力 (ΩM)が得られる。なお入力のインピーダンス変換器と後段の同期検波回路以降、および励振回路全体については第１の実施の形態における図２の回路と共通にできるので、それらの図示を省略した。
【００２５】
図５（ｂ）は本発明の第４の実施の形態である３軸の加速度センサの平面図であり、加速度を検出するＬ軸、Ｍ軸を脚の長手方向に対して４５°傾けたもので、その目的は本発明の第４の実施の形態の目的と同様、十字型振動体の対角線配置によるセンサ容積の小型化と検出軸方向の利便性を両立させることにある。十字振動体３は加速度の検出感度を上げるため、脚先端部を膨大させて負荷質量としている。振動体に関するその他の基本的な構造は図３に示した本発明の第２の実施の形態と類似している。各圧電素子はあらかじめ相互に結線されることなく、それぞれ検出回路に入力される。
【００２６】
図６（ｂ）は本発明の第４の実施の形態である３軸の加速度センサに使用されるＬ軸、Ｍ軸方向の加速度に関する検出回路の１例の一部を示すブロック図である。インピーダンス変換器や回路の後段、あるいはＮ軸方向の検出回路については図示を省略している。各電極からの引出し線は各脚毎に左端の差動増幅回路２１に入力して、各脚の歪みに比例した出力となされ、中央列の差動増幅回路２１にて相補的な脚毎の出力にまとめられ、右端の加算回路２２あるいは差動増幅回路２１によって各検出軸方向の加速度の原出力 (αL)と (αM)とに分離されるのは図６（ａ）の検出回路と同様である。なおＮ軸方向の加速度検出回路は第２実施例に用いた回路（図４の部分回路）と共通であるので図示を省略する。
【００２７】
次に本発明の第５の実施の形態について図面を用いずに説明する。本例は、一個のセンサ振動体を用いて２種類の測定を行うものである。それが可能な根拠は、まず図５（ａ）、（ｂ）に示した２軸角速度センサと３軸加速度センサとには用いる十字型振動体の構造に基本的な相違はない。（前者には励振用の圧電素子と励振回路が付加されているが。）また角速度と加速度の検出回路にも図６（ａ）、（ｂ）に見るように共通な部分がありうる。従って、一個の振動体を用い、検出回路を角速度用と加速度用との２組（一部共通化してもよい）用意し、更に各電極を選択された両回路のいずれかと一斉に接続する切替回路を設ける。加速度測定が選択された場合には励振回路は停止させればよい。この構成により、センサの万能性と小型化をますます高めることができる。このことは、Ｌ、Ｍ軸を脚方向と一致させたセンサについてももちろん同様である。
【００２８】
図７（ａ）は本発明の第６の実施の形態における十字型振動体の下面斜視図、（ｂ）は本発明の第７の実施の形態における十字型振動体の斜視図である。（ａ）は十字型振動体３を金属板の抜き絞り加工で成形作成した例で、脚の周囲３面に滑らかな表面が得られるし、生産上も能率的である。
【００２９】
（ｂ）は２本の棒材を中心部で交差させて溶接し、十字型振動体とした例である。振動脚が同一平面内にないが、基本振動方向が十字面に垂直であれば段差によるモーメントの発生はコリオリ力に基づく振動による慣性力だけで、これは小さいから力学的バランス上の問題はほとんど従来例と変わらない。棒材であるため、寸法精度および表面粗さと、材料取りの無駄がない点で優れている。
【００３０】
図８（ａ）は本発明の第８の実施の形態における圧電素子の平面図である。図において４０は集合圧電素子で、すべての検出用と励振用の圧電素子と電極を１体にまとめた圧電素子である。これは十字型をしており、金属の十字型振動体（例えば図１の３の如き）の中心部と同形であり、各脚Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで両者が重なるように接着される。中央の穴に支持体９を通して位置決めを完全にしてもよい。本実施の形態は圧電素子接着の位置決め精度と工数を著しく改善する。
【００３１】
集合圧電素子４０は薄板状で、板厚方向に分極されている。裏側（接着面側）には基準電位を与える共通電極膜が全面に設けられている（図示せず）。上面には検出用電極ａ、ｂおよび励振用電極膜ｃを金属の真空蒸着、スパッタリング、あるいは焼付けにより設け、それらの電極端子４１を中央部に集めた。中央部にＩＣを実装することも可能で、本発明の第１の実施の形態（図１）における小基板６の役割も兼ねることができる。
【００３２】
図８（ｂ）はその変形例の中央部の部分拡大平面図で、電極端子４１を集合圧電素子４０の中央部に対角線に沿って配列した。４２は共通電極端子で、スルーホールで下面の共通電極に接続する。また（ｃ）は本例に使用するリード板８４である。本例はＩＣ搭載には適さないが、フレキシブル基板材料より成るリード板８４上に配したリードパターンの端部の各々を電極端子４１、４２と導電接着することによって外部回路と容易に接続することができる。
【００３３】
図９（ａ）は本発明の第９の実施の形態である、圧電材料で一体成形された十字型振動体の要部斜視図である。十字型振動体３は一体の圧電性セラミック材料より成り、矢印方向に分極される。Ａ脚上のａ、ｂは検出用電極膜、ｃは励振用電極膜、ｄは共通電極膜である。他の脚についても同様である。これらの電極の引出し線は改めて図示しないが、振動体の表面に沿う金属リードパターンで十字平面の一方の面に集めることは容易である。
【００３４】
図９（ｂ）は本発明の第１０の実施の形態である、水晶材料で一体成形された十字型振動体の平面図である。十字型振動体３は水晶から図示のような結晶軸との関係で切り出される。カット方位は水晶自身の圧電性による各脚の励振がほぼ同条件で可能であるように選ばれる。例えば十字面はＸ軸に垂直であり、各脚の方向はＹ軸と４５±２５°位とされる。電極膜（図示せず）は一般の水晶振動子と同様、表面に金属の真空蒸着にて形成され（例えば第９の実施の形態と同様な電極配置とする）、好ましくは真空容器内に納められる。優れた材質による、また圧電素子の接着等が不要であることによる高度の安定性と、量産による性能のよい再現性が期待できる効果がある。
【００３５】
図１０は本発明の第１１の実施の形態を示し、十字型振動体を弾性的に支持するための基台構造の１例の平面図である。基台１０はバネ性を持つ薄板であって、中心に棒状の支持体９の下端を固着し、その周囲に４個の円弧状の抜き穴を有し、いわゆるジンバルバネ構造をなす。このバネを更に剛性の高い基台に固着してもよい。本例は十字型振動体に作用する機械的な外乱力を緩衝することを目的としている。なお、緩衝バネ作用を有する支持体の形状は本例に限定されず、種々のものが考えられる。
【００３６】
図１１は本発明の第１２の実施の形態の平面図である。本例では３軸の角速度を検出するため、カギ付きの十字型をした脚を持つ。基本振動のモードも上に説明した実施の態様とは異なっており、図示ｖの如く十字平面に平行な脚の開閉運動である。Ｌ、Ｍ軸に関する角速度ωL 、ωM により発生する基本振動によるコリオリ力は図示のＦcL、ＦcMのようであり、対応する脚を十字平面に垂直方向に撓ませる。一方Ｎ軸まわりの角速度ωN によるコリオリ力ＦcNは各脚のカギ部分を十字面内で曲げるように作用する。各脚に設けた圧電素子（素子自体は図示せず）の電極ａ〜ｅのうち、ａ、ｂは基本振動の励振・駆動用、ｃはコリオリ力ＦcL、ＦcM、従って角速度ωL 、ωM の検出用、ｄ、ｅはＦcN即ちωN の検出用である。なお脚の十字部分が直交していない理由は、カギ部を含めた各脚の重心の位置がほぼＬ軸およびＭ軸上に来るようにしたためである。
【００３７】
図１２は本発明の第１２の実施の形態の３軸角速度センサに使用する励振・検出回路のブロック図である。検出回路３１の内部は原理的に上に述べた他の実施の形態に用いた検出回路と同じであり、適当な電極出力の差あるいは和をとり、検波・整形・増幅して角速度検出出力ΩL 、ΩM 、ΩN を得るのであり、改めて詳細を説明するまでもないと思われる。励振回路については、Ａ脚のａ，ｂ電極からの誘起電圧を参照電圧とし、これをＢ、Ｃ、Ｄ各脚にポジティブフィードバックして各脚を十字面内で屈曲させる構成になっている。励振される各脚のａ、ｂ電極には位相反転回路２９で逆位相の電圧を与える。
【００３８】
図１３（ａ）は本発明の第１３の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。本実施の形態においては、励振回路３２には各脚のａ、ｂ電極が結線され、本発明の第１２の実施の形態の場合と全く同様で常時駆動される。検出用電極はｂ、ｄ各２個のみで第１２の実施の形態よりも少数である。このため電極の面積を増やし、あるいは歪みに対する検出電圧のより高い脚の根元により近い位置を割り当てることができる。また端子処理も小面積でできる利点がある。電極の数を減らし得る理由は，同じ電極を脚の十字面内撓みの検出と面外撓みの検出とに時分割的に切替えて使用するからである。切替え頻度を十分上げ得れば、連続検出と実質的に同等の使用目的を達成することができる。
【００３９】
検出の時分割切替え作用は、切替回路群３０によって行われる。その各要素は電極Ａc 〜Ｄd 個々からのイ端子への入力を、ロあるいはハの出力端子へ一斉に切替えられ、検出回路３１にそれぞれ入力する。切替えのタイミング信号は、励振回路３２の内部から取り出した励振周波数信号を分周回路３４で適宜な周波数に分周して得た周期の長い信号を基に、切替制御回路３５で作成する。ロ端子からの出力群は加算回路２２群以下で処理され、Ｌ、Ｍ軸の角速度検出出力であるΩL あるいはΩM となる。ハ端子からの出力群は差動増幅回路２１群以下で処理されＮ軸の角速度検出出力であるΩN となる。加算回路２２群、差動増幅回路２１群は交互に動作・非動作となるが、各回路群の制御信号も切替制御回路３５が作成する。
【００４０】
図１４（ａ）は本発明の第１４の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。本例においては電極の時分割使用を更に徹底させ、励振も検出も同じ電極で交互に行わせるようにして電極数をもっと減らし、各脚につき僅かに２個づつとして、前述の第１３の実施の形態における電極数減少の利点（電極の面積増、好位置、端子処理容易化）を極限まで追求した。そして更に、検出動作中は励振が停止するので、励振駆動信号が浮遊容量などから検出電極に漏洩して混入するおそれがなくなり、検出ノイズも原理的に減少する。
【００４１】
回路図において、励振回路３２は電極Ａa 、Ａb から得られる参照電圧（断続励振のため変動するが、周波数は高度に一定に保たれる）を増幅し、電極Ｂa 〜Ｄb を駆動すべく出力しているが、この正帰還経路に切替回路群３０が挿入されている。切替回路群３０は電極Ｂa 〜Ｄb の接続を検出回路３１側と励振回路３２側とに交互に一斉に切替える。励振回路３２側に切替わった期間は残存振動により振幅が成長し速やかに飽和状態に達する。（検出間隔が延びる不便を厭わなければ、大きく減衰してしまってから励振を再開してもよい。）
【００４２】
ある時期に各電極接続は検出回路３１側に一斉に切替えられ、検出動作がなされる。振動体のＱ値が十分高ければその間の基本振動の振幅の減衰は遅いので、１回の検出動作が済むまでは検出に必要な大きさの振幅を持続していることができる。振幅減衰率は安定しているので、角速度検出出力はＤＣアンプの増幅率等で容易に補正できる。検出回路３１の細部は図示しないが、内部にも更に切替回路群があって、検出期間中更にΩL 、ΩM の測定と、ΩN の測定とが第１３の実施の形態の検出動作のように時分割で行われる。検出期間後は再び切替回路群３０が動作して励振状態となる。以上すべてのの動作切替信号は切替制御回路３５が作成する。切替え時間間隔は励振回路３２の励振周波数出力を分周する分周回路３４の分周比で決定される。
【００４３】
次に本発明の第１５の実施の形態につき、図面を用いずに説明する。十字型振動体を用いると、角加速度の検出が可能である。例えば脚ＡＣ方向の回転軸Ｌ軸に関して回転角加速度が生じると、脚Ｂ、Ｃには十字面に垂直にかつ互いに面の反対側に屈曲撓みが惹起される。この撓みを脚Ｂ、Ｃの十字面に貼った１枚電極の圧電素子の差電圧で検出すればよい。もし各脚電極が第１４の実施の形態のａ、ｂのように脚の左右に分かれているときは、まずａ、ｂの電圧の和をとり、次に反対脚における同様な和電圧との差を作ればよい。
【００４４】
また十字面に垂直なＮ軸のまわりの回転の角加速度が作用すると、各脚は十字面内で同方向（軸対称）に屈曲するので、各脚の左右に分割された電極の差電圧を各脚について加算し角加速度を検出することができる。この機能は１つのセンサの専門の機能として持たせてもよいが、上の実施の形態のように、時分割検出機能回路を応用して多機能センサの１機能として備えさせてもよく、これは電極構造や回路の構成要素に先に述べた実施の形態におけると共通のものを用いて容易に実施可能である。
【００４５】
以上本発明の多数の実施の形態について述べたが、もとより本発明の趣旨はこれらのみに限定されるものではない。例えば各実施例の特徴あるいは近似の技術を組み合わせて本発明を実施することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明においては、カギ付き十字型振動体を用いて、３軸の角速度が測定できる運動センサを実現することができた。また個々の実施の形態に示したように特徴的構成を与えることにより、運動センサの性能あるいは実用性を更に向上させ得た。
【００４７】
（１）振動体側にＩＣを搭載することを可能にし、更に外部への接続数が少なくコンパクトなセンサを実現できた。（第１の実施の形態）
（２）付加した小基板で支持を行い、緩衝効果を得た。（第２の実施の形態）
（３）検出回路構成により傾斜軸に関する角速度検出出力を得るようにし、利便性を向上させた。（第３の実施の形態）
（４）検出回路構成により傾斜軸に関する加速度検出出力を得るようにし、利便性を向上させた。（第４の実施の形態）
【００４８】
（５）検出回路構成により１個のセンサで角速度と加速度を切替え測定することができた。（第５の実施の形態）
（６）金属板材より成る量産上好適な振動体を提供した。（第６の実施の形態）
（７）金属棒材より成る高精度の振動体を提供した。（第７の実施の形態）
（８）圧電素子を集合化し構造を合理化した。（第８の実施の形態）
（９）振動体を圧電材料で構成し合理化した。（第９の実施の形態）
（１０）振動体を水晶で構成し高精度化した。（第１０の実施の形態）
（１１）振動体を板バネで支持し緩衝した。（第１１の実施の形態）
【００４９】
（１２）カギ付き十字振動体により３軸角速度センサを実現した。（第１２の実施の形態）
（１３）時分割の検出動作をさせることにより電極数を減少した。（第１３の実施の形態）
（１４）時分割の励振と検出の動作をさせることにより電極数を更に減少した。（第１４の実施の形態）
（１５）時分割の検出動作をさせることにより、角加速度をも検出可能にした。（第１５の実施の形態）
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である２軸の角速度センサを示し、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は振動体の変形例の概略図、（ｃ）は中心部の断面図、（ｄ）は脚部の断面図、（ｅ）はその変形例の脚部の断面図である。
【図２】第１の実施の形態に使用される駆動・検出回路のブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態である３軸の加速度センサを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に使用する検出回路のブロック図である。
【図５】（ａ）は本発明の第３の実施の形態である２軸の角速度センサの平面図、（ｂ）は本発明の第４の実施の形態である３軸の加速度センサの平面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第３の実施の形態に適用される検出回路の一部のブロック図、（ｂ）は本発明の第４の実施の形態に適用される検出回路の一部のブロック図である。
【図７】（ａ）は本発明の第６の実施の形態における十字型振動体の下面斜視図、（ｂ）は本発明の第７の実施の形態における十字型振動体の斜視図である。
【図８】（ａ）は本発明の第８の実施の形態における圧電素子の平面図、（ｂ）はその変形例の中央部の部分拡大平面図、（ｃ）はその変形例に用いるリード板の平面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第９の実施の形態である、圧電材料で一体成形された十字型振動体の要部斜視図、（ｂ）は本発明の第１０の実施の形態である、水晶材料で一体成形された十字型振動体の平面図である。
【図１０】本発明の第１１の実施の形態における基台構造の１例の平面図である。
【図１１】本発明の第１２の実施の形態の平面図である。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態の３軸角速度センサに使用する励振・検出回路のブロック図である。
【図１３】（ａ）は本発明の第１３の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。
【図１４】（ａ）は本発明の第１４の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。
【符号の説明】
３ 十字型振動体
４ 圧電素子
５ 圧電素子
６ 小基板
７ ＩＣチップ
８ ボンディングワイヤ
９ 支持体
１０ 基台
２０ インピーダンス変換器
２１ 差動増幅回路
２２ 加算回路
２３ 同期検波回路
２４ ローパスフィルタ
２５ ＤＣアンプ
２６ ＡＧＣ回路
２７ 移相回路
２８ 増幅器
２９ 位相反転回路
３１ 検出回路
３２ 励振回路
４０ 集合圧電素子
４１ 電極端子
４２ 共通電極端子
４３ 圧電素子
４４ 圧電素子
６１ ボンディングパッド
６２ 配線パターン
６３ スペーサ
６４ 側面金属膜
８２ リード線
８３ 外部リード線
Ａ 脚
Ｂ 脚
Ｃ 脚
Ｄ 脚
ＦcL コリオリ力
ＦcM コリオリ力
ＦcN コリオリ力
Ｒ 抵抗器
ｖ 速度
αL 加速度
αM 加速度
αN 加速度
ωL 角速度
ωM 角速度
ωN 角速度
ΩL 角速度検出出力
ΩM 角速度検出出力
ΩN 角速度検出出力
【発明の属する技術分野】
本発明は角速度あるいは加速度を検出する機械的な運動センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
十字型の振動体は１個の振動体で２方向の角速度を検出できる長所がある。たとえば特開平８−２７１２５６にはその原理的な開示が見られる。このような振動体は４本の各脚に励振あるいは検出の電極を多数有し、それらの引出し線を振動体の振動を妨げないように処理して外部回路と接続する必要があるので、外部回路との接続が混み合い、単純な工程での低コストな接続処理を行う構成に関する問題点があったが、その点に関する提案がなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、十字型の振動体を有し、２軸以上の角速度あるいは加速度を検出する運動センサにおいて、振動体上の電極と外部回路側の電極とを総合的に接続処理する合理的な構成および更に性能向上に関する構成を提供することであり、これによって多機能型の運動センサの実用化に寄与することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
下記（１）の特徴を有する運動センサを用いること、または更に下記（２）〜（１２）の特徴のうち少なくとも一つを加えた特徴を有する運動センサを用いること。
【０００５】
（１）中央基部から一平面に平行に四方に突出する４個のカギ型の負荷質量付きの片持振動脚を前記平面に直交し、また相互に直交する２つの鏡面に関して対称に有する振動体を基礎とし、前記各振動脚を前記平面内で前記各鏡面に対称な屈曲振動を行うよう圧電的に励振する電極と、前記各振動脚の前記平面に垂直な方向の屈曲歪みを圧電的に検出する電極と、前記平面内での屈曲歪みを圧電的に検出する電極とを設けたこと。
【０００６】
（２）（１）において、前記電極は前記振動体に重なる十字型の圧電性材料の表面に設けられていること。
（３）（１）において、前記振動体は水晶板から形成されたこと。
（４）（１）において、前記振動体は圧電性磁器から一体的に形成されたこと。
【０００７】
（５）（１）または（２）において、前記振動体を板材の曲げあるいは絞り加工によって形成したこと。
（６）（１）において、前記振動体を中央部で交差して固着された２本の棒材によって形成し、交差して固着された前記中央部を基部としたこと。
（７）（１）ないし（６）のいずれかにおいて、前記基部は棒状部材で基台に固着されたこと。
（８）（１）ないし（６）のいずれかにおいて、前記基部はバネ性を有する部材に固着されて基台上に支持されたこと。
（９）（１）ないし（７）のいずれかにおいて、前記各電極の引出線は前記振動体の基部に固着された小基板のバッド群に集められていると共に、前記小基板が複数箇所で基台上に支持されていること。
（１０）（１）ないし（９）のいずれかにおいて、リボン状のフレキシブル基板より成るリード板上に配したリードパターンの端部の各々を、前記基部上または基部に固着した小基板上の電極端子の各々と導電接着することによって、前記フレキシブル基板を外部回路への引出線としたこと。
【０００８】
（１１）（１）ないし（１０）のいずれかにおいて、圧電的な励振、３軸方向の屈曲歪みの圧電的検出のうちの少なくとも２つの機能を兼用する電極を備えており、時分割制御機能を付加した励振回路あるいは検出回路によって、前記兼用される機能が交互に発揮されること。
（１２）（１１）において、圧電的な励振と屈曲歪みの圧電的検出の機能を兼用する電極を備えており、前記電極に対して励振回路は間欠的に動作し、前記電極による角速度の検出動作は前記励振回路が機能していない期間に残存振動を利用して行われること。
【０００９】
（１８）圧電的な励振、３軸方向の屈曲歪みの圧電的検出のうちの少なくとも２つの機能を兼用する電極を備えており、時分割制御機能を付加した発振あるいは検出回路によって、前記兼用される機能が交互に発揮されること。
（１９）前記電極が兼用する少なくとも２つの機能は２軸以上の角速度検出機能と加速度検出機能であること。
（２０）前記励振機能は常時動作し、前記電極が兼用する少なくとも２つの機能は屈曲歪みの検出機能であること。
（２１）前記励振機能は前記電極が兼用する少なくとも２つの機能の内の１つであること。
（２２）前記電極が兼用する機能の少なくとも１つは角加速度検出機能であること。
（２３）前記電極が兼用する少なくとも２つの機能の内の１つで使用し、他の１つで使用しない電極があるときは、該使用しない電極を所定の電位に設定する機能を前記発振・検出回路が備えていること。
【発明の実施の形態】
【００１０】
図１は本発明の運動センサの第１の実施の形態である２軸の角速度センサーを示し、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は振動体の変形例の概略図、（ｃ）は中心部の断面図、（ｄ）は脚部の断面図、（ｅ）はその変形例における脚部の断面図である。
【００１１】
（ａ）において３は十字型振動体であり、恒弾性金属材料より成っている。ＡＢＣＤの４脚を有し、中心部は圧入された棒状の支持体９によって（ｃ）に示す基台１０上に支持される。各脚は十字面に垂直な基本振動モードを励振されている。隣り合う脚は逆位相で振動するので、ある瞬間の脚先端の速度ｖは図示のようである。この基本振動によって、いずれかの脚の長手方向に沿った軸、即ちＬ軸あるいはＭ軸のいずれかに平行な回転軸の回りに振動体全体が角速度ωL またはωM で回転すると、各脚には回転軸およびｖの両者に垂直な図示方向にｖおよびωに比例したコリオリ力ＦCLあるいはＦCMを生じる。回転軸がＬ軸にもＭ軸にも平行でない場合には、各軸方向の角速度の成分に比例したコリオリ力が各脚に生じる。
【００１２】
４、５は圧電素子で、振動の励振および角速度（コリオリ力）の検出を行う。斜視図（ａ）には十字振動体３の上面に接着された素子４のみが見える。圧電素子５は参照電圧発生用の素子で裏面に接着されており、断面図（ｃ）、（ｄ）に表れている。各圧電素子は振動歪みの大きい脚の根元付近に接着される方が能率的に動作する。各圧電素子は断面図（ｄ）に示すように板厚方向に分極されており、その部分の伸縮歪みに応じて電圧を発生する。隣り合う脚の圧電素子５の分極方向は、検出される信号の位相を考慮して互いに逆とされる。
【００１３】
振動体側に設けた電極膜ｄは金属振動体の表面に接地されていて共通の基準電位となる。圧電素子４の外側に分割して設けた電極膜ａ、ｂは検出・駆動兼用に用いられ、圧電素子５の外側に設けた電極膜ｃは振動体の振動を検出し、その信号を励振回路３２（図２に表示）に帰還し、励振（駆動）信号を得るためのフィードバック電極である。各脚の電極を個別に特定するにはＡa 、Ａb ……Ｄa 、Ｄb 等の記号を用いることにする。
【００１４】
支持体９の上端には、十字型振動体３の脚部との接触を避けるスペーサ６３によって隔離された小基板６が固定され、更にその上には検出・駆動回路を集積したＩＣ７が搭載（ダイボンデイング）されている。ＩＣ７の周縁部の各端子と小基板上の多数のボンディングパッド６１とはボンデイングワイヤ８にて接続される。またボンディングパッド６１と上面側の各圧電素子４の電極膜ａ、ｂもそれぞれワイヤボンデイングにより接続される。また下面側の各圧電素子５の電極膜ｃとはリード線８２にて接続される。ＩＣ７と外部回路との接続は、小基板６の配線パターン６２、スルーホール部の側面金属膜６４、それにハンダ付けされた外部リード線８３を経由して行われる。
【００１５】
（ｂ）に示した３個の各平面図は、十字型振動体３の中心の基部における各脚の異なる分岐部形状を示すものである。左端はＲを付けた場合、右の二つは分岐部に突起を設けて脚の振動歪の分離性を高めた場合である。また脚部の（ｅ）断面図は、本実施の形態における圧電素子の接着部位の変形例を示すもので、圧電素子４を圧電素子４３と４４に分割し、脚の側面に接着した。この他に種々の変形等があり得ることはもちろんである。
【００１６】
図２は上述の第１の実施の形態に使用される駆動検出回路のブロック図で、３１は検出回路、３２は励振回路であり、それぞれ角速度検出動作、十字型振動体の基本振動の励振動作をする。まず励振動作について述べる。圧電素子５の各電極ＡC 〜ＤC はまとめて結線され、振動歪による電圧は、インピーダンス変換器２０を経てＡＧＣ回路２６に入力され、ゲイン調整され、さらに移相回路２７で適宜な位相に調整され、増幅器２８で増幅された励振電圧信号となり、抵抗Ｒを通じて圧電素子４の各電極Ａa ……Ｄb に供給され、十字振動体３の基本振動を維持する。
【００１７】
次に角速度検出動作について述べる。Ａa 〜Ｄb の各電極の検出電圧は、コリオリ力による振動歪みに比例する振動成分を含んでいる。各検出電圧は、インピーダンス変換器２０を経、差動増幅回路増幅回路２１、加算回路２２を経由して同期検波回路２３にて、基本振動の歪みの位相と９０°異なる基本振動の速度の位相を持つコリオリ力による振動の歪みに比例する電圧成分が分離される。同期検波回路の同期信号には、励振回路で作られた信号が用いられる。検波出力は、ローパスフィルタ２４にて不要成分を除かれ、ＤＣアンプ２５にて増幅され、Ａ、Ｃ脚からはＦCLに比例しＢ、Ｄ脚からはＦCMに比例する２つの角速度検出出力が得られる。
【００１８】
図３は本発明の第２の実施の形態である３軸の加速度センサを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。本例においては励振を行わずに、各脚に作用するＬ軸、Ｍ軸、Ｎ軸方向の加速度による撓みを、直接各脚上の圧電素子４の電極１、２によって検出する。個別電極をＡ1 、Ａ2 、Ｂ1 ……Ｃ1 ……Ｄ2 等と記す。Ｌ軸方向の加速度はＢ、Ｄ脚の、Ｍ軸方向の加速度はＡ、Ｃ脚の横撓みを、Ｎ軸方向の加速度は全脚の上下方向の屈曲撓みを惹起する。横撓みは各圧電素子の電極１、２に誘起される電圧の差で、上下撓みは和で検出できる。
【００１９】
３軸加速度センサは十字型にせずとも、例えば脚Ａ、Ｂの２脚のみを用いたＶ字型振動体によっても原理的には検出可能であるが、十字型振動体を用いた方が重心（中心）に関する力のモーメントのバランスに優れ、検出出力が安定する。また関連する電極は配線パターン６２によりあらかじめ接続されたため電極からの引出線は４本にまとめられ、支柱を兼ねた外部リード線８３により、基台側に設けた検出回路（図示せず）に結線される。
【００２０】
なお本例では小基板６が太めで剛性のある外部リード線８３により絶縁体の基台１０上に支持され、十字型振動体３は短い支持体９によって小基板に吊られた形になっているが、これは他の支持形態を例示するもので原理的に必須の構造ではなく（しかし異なる材質を組合わせた支持構造であるため緩衝作用や外乱吸収効果が高い）、第１の実施の形態と同じく振動体の中心部を直接支持するようにしてもよい。
【００２１】
図４は本発明の第２の実施の形態である３軸加速度センサに使用する検出回路のブロック図である。Ａ1 〜Ｄ2 の各電極は、加速度の方向に対する電圧極性が等しいグループ毎にあらかじめ結線されて回路に接続される。各結線はインピーダンス変換器２０を経、差動増幅回路２１あるいは加算回路２２により３グループに分かれて演算され、それらの出力はローパスフィルタ２４、ＤＣアンプ２５を通って、Ｌ、Ｍ、Ｎ方向の加速度検出出力αL 、αM 、αN となる。
【００２２】
図５（ａ）は本発明の第３の実施の形態である２軸の角速度センサの平面図である。基本的には図１に示した第１の実施の形態の角速度センサと同じ構造であるが、本例では検出される角速度軸を第１の実施の形態の場合と４５°傾けたものである。このようにする利点は、基台１０をできるだけ小面積とし容器を極力小容積としたい場合、図示のように十字振動体３の各脚を正方形の基台の辺に平行に配置するよりも、基台の対角線に沿って配置するとよい。一方検出軸は基台の辺に平行であると使用に便利である。この２つの要請を本実施の形態は満足させることができる。
【００２３】
図６（ａ）は本発明の第３の実施の形態に適用される検出回路の一例の一部である。脚の方向と４５°をなすいずれか１つの軸の回りの回転角速度により生じるコリオリ力は、図示ＦCL、ＦCMのようにどの脚をも撓ませる成分を持つので、各脚のすべての検出用の圧電素子Ａ1 、Ａ2 ………Ｄ1 、Ｄ2 に検出出力を発生させる。２軸の検出成分を分離する構成について図に従って述べる。
【００２４】
まず４対の電極から得られる信号を左端の４個の差動増幅回路２１に通して各脚の歪みに比例した信号とし、その４出力を２組に分けて再度中央列の２個の差動増幅回路２１で差をとり、それらの出力を加算回路２２で加えることで角速度ΩL の原出力 (ΩL)が、右端の差動増幅回路２１で差をとることで角速度ΩM の原出力 (ΩM)が得られる。なお入力のインピーダンス変換器と後段の同期検波回路以降、および励振回路全体については第１の実施の形態における図２の回路と共通にできるので、それらの図示を省略した。
【００２５】
図５（ｂ）は本発明の第４の実施の形態である３軸の加速度センサの平面図であり、加速度を検出するＬ軸、Ｍ軸を脚の長手方向に対して４５°傾けたもので、その目的は本発明の第４の実施の形態の目的と同様、十字型振動体の対角線配置によるセンサ容積の小型化と検出軸方向の利便性を両立させることにある。十字振動体３は加速度の検出感度を上げるため、脚先端部を膨大させて負荷質量としている。振動体に関するその他の基本的な構造は図３に示した本発明の第２の実施の形態と類似している。各圧電素子はあらかじめ相互に結線されることなく、それぞれ検出回路に入力される。
【００２６】
図６（ｂ）は本発明の第４の実施の形態である３軸の加速度センサに使用されるＬ軸、Ｍ軸方向の加速度に関する検出回路の１例の一部を示すブロック図である。インピーダンス変換器や回路の後段、あるいはＮ軸方向の検出回路については図示を省略している。各電極からの引出し線は各脚毎に左端の差動増幅回路２１に入力して、各脚の歪みに比例した出力となされ、中央列の差動増幅回路２１にて相補的な脚毎の出力にまとめられ、右端の加算回路２２あるいは差動増幅回路２１によって各検出軸方向の加速度の原出力 (αL)と (αM)とに分離されるのは図６（ａ）の検出回路と同様である。なおＮ軸方向の加速度検出回路は第２実施例に用いた回路（図４の部分回路）と共通であるので図示を省略する。
【００２７】
次に本発明の第５の実施の形態について図面を用いずに説明する。本例は、一個のセンサ振動体を用いて２種類の測定を行うものである。それが可能な根拠は、まず図５（ａ）、（ｂ）に示した２軸角速度センサと３軸加速度センサとには用いる十字型振動体の構造に基本的な相違はない。（前者には励振用の圧電素子と励振回路が付加されているが。）また角速度と加速度の検出回路にも図６（ａ）、（ｂ）に見るように共通な部分がありうる。従って、一個の振動体を用い、検出回路を角速度用と加速度用との２組（一部共通化してもよい）用意し、更に各電極を選択された両回路のいずれかと一斉に接続する切替回路を設ける。加速度測定が選択された場合には励振回路は停止させればよい。この構成により、センサの万能性と小型化をますます高めることができる。このことは、Ｌ、Ｍ軸を脚方向と一致させたセンサについてももちろん同様である。
【００２８】
図７（ａ）は本発明の第６の実施の形態における十字型振動体の下面斜視図、（ｂ）は本発明の第７の実施の形態における十字型振動体の斜視図である。（ａ）は十字型振動体３を金属板の抜き絞り加工で成形作成した例で、脚の周囲３面に滑らかな表面が得られるし、生産上も能率的である。
【００２９】
（ｂ）は２本の棒材を中心部で交差させて溶接し、十字型振動体とした例である。振動脚が同一平面内にないが、基本振動方向が十字面に垂直であれば段差によるモーメントの発生はコリオリ力に基づく振動による慣性力だけで、これは小さいから力学的バランス上の問題はほとんど従来例と変わらない。棒材であるため、寸法精度および表面粗さと、材料取りの無駄がない点で優れている。
【００３０】
図８（ａ）は本発明の第８の実施の形態における圧電素子の平面図である。図において４０は集合圧電素子で、すべての検出用と励振用の圧電素子と電極を１体にまとめた圧電素子である。これは十字型をしており、金属の十字型振動体（例えば図１の３の如き）の中心部と同形であり、各脚Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで両者が重なるように接着される。中央の穴に支持体９を通して位置決めを完全にしてもよい。本実施の形態は圧電素子接着の位置決め精度と工数を著しく改善する。
【００３１】
集合圧電素子４０は薄板状で、板厚方向に分極されている。裏側（接着面側）には基準電位を与える共通電極膜が全面に設けられている（図示せず）。上面には検出用電極ａ、ｂおよび励振用電極膜ｃを金属の真空蒸着、スパッタリング、あるいは焼付けにより設け、それらの電極端子４１を中央部に集めた。中央部にＩＣを実装することも可能で、本発明の第１の実施の形態（図１）における小基板６の役割も兼ねることができる。
【００３２】
図８（ｂ）はその変形例の中央部の部分拡大平面図で、電極端子４１を集合圧電素子４０の中央部に対角線に沿って配列した。４２は共通電極端子で、スルーホールで下面の共通電極に接続する。また（ｃ）は本例に使用するリード板８４である。本例はＩＣ搭載には適さないが、フレキシブル基板材料より成るリード板８４上に配したリードパターンの端部の各々を電極端子４１、４２と導電接着することによって外部回路と容易に接続することができる。
【００３３】
図９（ａ）は本発明の第９の実施の形態である、圧電材料で一体成形された十字型振動体の要部斜視図である。十字型振動体３は一体の圧電性セラミック材料より成り、矢印方向に分極される。Ａ脚上のａ、ｂは検出用電極膜、ｃは励振用電極膜、ｄは共通電極膜である。他の脚についても同様である。これらの電極の引出し線は改めて図示しないが、振動体の表面に沿う金属リードパターンで十字平面の一方の面に集めることは容易である。
【００３４】
図９（ｂ）は本発明の第１０の実施の形態である、水晶材料で一体成形された十字型振動体の平面図である。十字型振動体３は水晶から図示のような結晶軸との関係で切り出される。カット方位は水晶自身の圧電性による各脚の励振がほぼ同条件で可能であるように選ばれる。例えば十字面はＸ軸に垂直であり、各脚の方向はＹ軸と４５±２５°位とされる。電極膜（図示せず）は一般の水晶振動子と同様、表面に金属の真空蒸着にて形成され（例えば第９の実施の形態と同様な電極配置とする）、好ましくは真空容器内に納められる。優れた材質による、また圧電素子の接着等が不要であることによる高度の安定性と、量産による性能のよい再現性が期待できる効果がある。
【００３５】
図１０は本発明の第１１の実施の形態を示し、十字型振動体を弾性的に支持するための基台構造の１例の平面図である。基台１０はバネ性を持つ薄板であって、中心に棒状の支持体９の下端を固着し、その周囲に４個の円弧状の抜き穴を有し、いわゆるジンバルバネ構造をなす。このバネを更に剛性の高い基台に固着してもよい。本例は十字型振動体に作用する機械的な外乱力を緩衝することを目的としている。なお、緩衝バネ作用を有する支持体の形状は本例に限定されず、種々のものが考えられる。
【００３６】
図１１は本発明の第１２の実施の形態の平面図である。本例では３軸の角速度を検出するため、カギ付きの十字型をした脚を持つ。基本振動のモードも上に説明した実施の態様とは異なっており、図示ｖの如く十字平面に平行な脚の開閉運動である。Ｌ、Ｍ軸に関する角速度ωL 、ωM により発生する基本振動によるコリオリ力は図示のＦcL、ＦcMのようであり、対応する脚を十字平面に垂直方向に撓ませる。一方Ｎ軸まわりの角速度ωN によるコリオリ力ＦcNは各脚のカギ部分を十字面内で曲げるように作用する。各脚に設けた圧電素子（素子自体は図示せず）の電極ａ〜ｅのうち、ａ、ｂは基本振動の励振・駆動用、ｃはコリオリ力ＦcL、ＦcM、従って角速度ωL 、ωM の検出用、ｄ、ｅはＦcN即ちωN の検出用である。なお脚の十字部分が直交していない理由は、カギ部を含めた各脚の重心の位置がほぼＬ軸およびＭ軸上に来るようにしたためである。
【００３７】
図１２は本発明の第１２の実施の形態の３軸角速度センサに使用する励振・検出回路のブロック図である。検出回路３１の内部は原理的に上に述べた他の実施の形態に用いた検出回路と同じであり、適当な電極出力の差あるいは和をとり、検波・整形・増幅して角速度検出出力ΩL 、ΩM 、ΩN を得るのであり、改めて詳細を説明するまでもないと思われる。励振回路については、Ａ脚のａ，ｂ電極からの誘起電圧を参照電圧とし、これをＢ、Ｃ、Ｄ各脚にポジティブフィードバックして各脚を十字面内で屈曲させる構成になっている。励振される各脚のａ、ｂ電極には位相反転回路２９で逆位相の電圧を与える。
【００３８】
図１３（ａ）は本発明の第１３の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。本実施の形態においては、励振回路３２には各脚のａ、ｂ電極が結線され、本発明の第１２の実施の形態の場合と全く同様で常時駆動される。検出用電極はｂ、ｄ各２個のみで第１２の実施の形態よりも少数である。このため電極の面積を増やし、あるいは歪みに対する検出電圧のより高い脚の根元により近い位置を割り当てることができる。また端子処理も小面積でできる利点がある。電極の数を減らし得る理由は，同じ電極を脚の十字面内撓みの検出と面外撓みの検出とに時分割的に切替えて使用するからである。切替え頻度を十分上げ得れば、連続検出と実質的に同等の使用目的を達成することができる。
【００３９】
検出の時分割切替え作用は、切替回路群３０によって行われる。その各要素は電極Ａc 〜Ｄd 個々からのイ端子への入力を、ロあるいはハの出力端子へ一斉に切替えられ、検出回路３１にそれぞれ入力する。切替えのタイミング信号は、励振回路３２の内部から取り出した励振周波数信号を分周回路３４で適宜な周波数に分周して得た周期の長い信号を基に、切替制御回路３５で作成する。ロ端子からの出力群は加算回路２２群以下で処理され、Ｌ、Ｍ軸の角速度検出出力であるΩL あるいはΩM となる。ハ端子からの出力群は差動増幅回路２１群以下で処理されＮ軸の角速度検出出力であるΩN となる。加算回路２２群、差動増幅回路２１群は交互に動作・非動作となるが、各回路群の制御信号も切替制御回路３５が作成する。
【００４０】
図１４（ａ）は本発明の第１４の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。本例においては電極の時分割使用を更に徹底させ、励振も検出も同じ電極で交互に行わせるようにして電極数をもっと減らし、各脚につき僅かに２個づつとして、前述の第１３の実施の形態における電極数減少の利点（電極の面積増、好位置、端子処理容易化）を極限まで追求した。そして更に、検出動作中は励振が停止するので、励振駆動信号が浮遊容量などから検出電極に漏洩して混入するおそれがなくなり、検出ノイズも原理的に減少する。
【００４１】
回路図において、励振回路３２は電極Ａa 、Ａb から得られる参照電圧（断続励振のため変動するが、周波数は高度に一定に保たれる）を増幅し、電極Ｂa 〜Ｄb を駆動すべく出力しているが、この正帰還経路に切替回路群３０が挿入されている。切替回路群３０は電極Ｂa 〜Ｄb の接続を検出回路３１側と励振回路３２側とに交互に一斉に切替える。励振回路３２側に切替わった期間は残存振動により振幅が成長し速やかに飽和状態に達する。（検出間隔が延びる不便を厭わなければ、大きく減衰してしまってから励振を再開してもよい。）
【００４２】
ある時期に各電極接続は検出回路３１側に一斉に切替えられ、検出動作がなされる。振動体のＱ値が十分高ければその間の基本振動の振幅の減衰は遅いので、１回の検出動作が済むまでは検出に必要な大きさの振幅を持続していることができる。振幅減衰率は安定しているので、角速度検出出力はＤＣアンプの増幅率等で容易に補正できる。検出回路３１の細部は図示しないが、内部にも更に切替回路群があって、検出期間中更にΩL 、ΩM の測定と、ΩN の測定とが第１３の実施の形態の検出動作のように時分割で行われる。検出期間後は再び切替回路群３０が動作して励振状態となる。以上すべてのの動作切替信号は切替制御回路３５が作成する。切替え時間間隔は励振回路３２の励振周波数出力を分周する分周回路３４の分周比で決定される。
【００４３】
次に本発明の第１５の実施の形態につき、図面を用いずに説明する。十字型振動体を用いると、角加速度の検出が可能である。例えば脚ＡＣ方向の回転軸Ｌ軸に関して回転角加速度が生じると、脚Ｂ、Ｃには十字面に垂直にかつ互いに面の反対側に屈曲撓みが惹起される。この撓みを脚Ｂ、Ｃの十字面に貼った１枚電極の圧電素子の差電圧で検出すればよい。もし各脚電極が第１４の実施の形態のａ、ｂのように脚の左右に分かれているときは、まずａ、ｂの電圧の和をとり、次に反対脚における同様な和電圧との差を作ればよい。
【００４４】
また十字面に垂直なＮ軸のまわりの回転の角加速度が作用すると、各脚は十字面内で同方向（軸対称）に屈曲するので、各脚の左右に分割された電極の差電圧を各脚について加算し角加速度を検出することができる。この機能は１つのセンサの専門の機能として持たせてもよいが、上の実施の形態のように、時分割検出機能回路を応用して多機能センサの１機能として備えさせてもよく、これは電極構造や回路の構成要素に先に述べた実施の形態におけると共通のものを用いて容易に実施可能である。
【００４５】
以上本発明の多数の実施の形態について述べたが、もとより本発明の趣旨はこれらのみに限定されるものではない。例えば各実施例の特徴あるいは近似の技術を組み合わせて本発明を実施することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明においては、カギ付き十字型振動体を用いて、３軸の角速度が測定できる運動センサを実現することができた。また個々の実施の形態に示したように特徴的構成を与えることにより、運動センサの性能あるいは実用性を更に向上させ得た。
【００４７】
（１）振動体側にＩＣを搭載することを可能にし、更に外部への接続数が少なくコンパクトなセンサを実現できた。（第１の実施の形態）
（２）付加した小基板で支持を行い、緩衝効果を得た。（第２の実施の形態）
（３）検出回路構成により傾斜軸に関する角速度検出出力を得るようにし、利便性を向上させた。（第３の実施の形態）
（４）検出回路構成により傾斜軸に関する加速度検出出力を得るようにし、利便性を向上させた。（第４の実施の形態）
【００４８】
（５）検出回路構成により１個のセンサで角速度と加速度を切替え測定することができた。（第５の実施の形態）
（６）金属板材より成る量産上好適な振動体を提供した。（第６の実施の形態）
（７）金属棒材より成る高精度の振動体を提供した。（第７の実施の形態）
（８）圧電素子を集合化し構造を合理化した。（第８の実施の形態）
（９）振動体を圧電材料で構成し合理化した。（第９の実施の形態）
（１０）振動体を水晶で構成し高精度化した。（第１０の実施の形態）
（１１）振動体を板バネで支持し緩衝した。（第１１の実施の形態）
【００４９】
（１２）カギ付き十字振動体により３軸角速度センサを実現した。（第１２の実施の形態）
（１３）時分割の検出動作をさせることにより電極数を減少した。（第１３の実施の形態）
（１４）時分割の励振と検出の動作をさせることにより電極数を更に減少した。（第１４の実施の形態）
（１５）時分割の検出動作をさせることにより、角加速度をも検出可能にした。（第１５の実施の形態）
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である２軸の角速度センサを示し、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は振動体の変形例の概略図、（ｃ）は中心部の断面図、（ｄ）は脚部の断面図、（ｅ）はその変形例の脚部の断面図である。
【図２】第１の実施の形態に使用される駆動・検出回路のブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態である３軸の加速度センサを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に使用する検出回路のブロック図である。
【図５】（ａ）は本発明の第３の実施の形態である２軸の角速度センサの平面図、（ｂ）は本発明の第４の実施の形態である３軸の加速度センサの平面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第３の実施の形態に適用される検出回路の一部のブロック図、（ｂ）は本発明の第４の実施の形態に適用される検出回路の一部のブロック図である。
【図７】（ａ）は本発明の第６の実施の形態における十字型振動体の下面斜視図、（ｂ）は本発明の第７の実施の形態における十字型振動体の斜視図である。
【図８】（ａ）は本発明の第８の実施の形態における圧電素子の平面図、（ｂ）はその変形例の中央部の部分拡大平面図、（ｃ）はその変形例に用いるリード板の平面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第９の実施の形態である、圧電材料で一体成形された十字型振動体の要部斜視図、（ｂ）は本発明の第１０の実施の形態である、水晶材料で一体成形された十字型振動体の平面図である。
【図１０】本発明の第１１の実施の形態における基台構造の１例の平面図である。
【図１１】本発明の第１２の実施の形態の平面図である。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態の３軸角速度センサに使用する励振・検出回路のブロック図である。
【図１３】（ａ）は本発明の第１３の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。
【図１４】（ａ）は本発明の第１４の実施の形態の３軸角速度センサの一部平面図の略図であり、（ｂ）は同実施の形態に使用する励振・検出回路のブロック図である。
【符号の説明】
３ 十字型振動体
４ 圧電素子
５ 圧電素子
６ 小基板
７ ＩＣチップ
８ ボンディングワイヤ
９ 支持体
１０ 基台
２０ インピーダンス変換器
２１ 差動増幅回路
２２ 加算回路
２３ 同期検波回路
２４ ローパスフィルタ
２５ ＤＣアンプ
２６ ＡＧＣ回路
２７ 移相回路
２８ 増幅器
２９ 位相反転回路
３１ 検出回路
３２ 励振回路
４０ 集合圧電素子
４１ 電極端子
４２ 共通電極端子
４３ 圧電素子
４４ 圧電素子
６１ ボンディングパッド
６２ 配線パターン
６３ スペーサ
６４ 側面金属膜
８２ リード線
８３ 外部リード線
Ａ 脚
Ｂ 脚
Ｃ 脚
Ｄ 脚
ＦcL コリオリ力
ＦcM コリオリ力
ＦcN コリオリ力
Ｒ 抵抗器
ｖ 速度
αL 加速度
αM 加速度
αN 加速度
ωL 角速度
ωM 角速度
ωN 角速度
ΩL 角速度検出出力
ΩM 角速度検出出力
ΩN 角速度検出出力
Claims (12)
- 中央基部から一平面に平行に四方に突出する４個のカギ型の負荷質量付きの片持振動脚を前記平面に直交し、また相互に直交する２つの鏡面に関して対称に有する振動体を基礎とし、前記各振動脚を前記平面内で前記各鏡面に対称な屈曲振動を行うよう圧電的に励振する電極と、前記各振動脚の前記平面に垂直な方向の屈曲歪みを圧電的に検出する電極と、前記平面内での屈曲歪みを圧電的に検出する電極とを設けたことを特徴とする運動センサ。
- 前記電極は前記振動体に重なる十字型の圧電性材料の表面に設けられていることを特徴とする請求項１の運動センサ。
- 前記振動体は水晶板から形成されたことを特徴とする請求項１の運動センサ。
- 前記振動体は圧電性磁器から一体的に形成されたことを特徴とする請求項１の運動センサ。
- 前記振動体を板材の曲げあるいは絞り加工によって形成したことを特徴とする請求項１または２の運動センサ。
- 前記振動体を中央部で交差して固着された２本の棒材によって形成し、交差して固着された前記中央部を基部としたことを特徴とする請求項１の運動センサ。
- 前記基部は棒状部材で基台に固着されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの運動センサ。
- 前記基部はバネ性を有する部材に固着されて基台上に支持されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの運動センサ。
- 前記各電極の引出線は前記振動体の基部に固着された小基板のバッド群に集められていると共に、前記小基板が複数箇所で基台上に支持されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかの運動センサ。
- リボン状のフレキシブル基板より成るリード板上に配したリードパターンの端部の各々を、前記基部上または基部に固着した小基板上の電極端子の各々と導電接着することによって、前記フレキシブル基板を外部回路への引出線としたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかの運動センサ。
- 圧電的な励振、３軸方向の屈曲歪みの圧電的検出のうちの少なくとも２つの機能を兼用する電極を備えており、時分割制御機能を付加した励振回路あるいは検出回路によって、前記兼用される機能が交互に発揮されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかの運動センサ。
- 圧電的な励振と屈曲歪みの圧電的検出の機能を兼用する電極を備えており、前記電極に対して励振回路は間欠的に動作し、前記電極による角速度の検出動作は、前記励振回路が機能していない期間に残存振動を利用して行われることを特徴とする請求項１１の運動センサ。
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