JP4441165B2 - 角速度検出センサ素子の電極構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、励振電極に交流電圧（励振振動信号）を印加することによって振動子がＸ軸方向に励振しているとき、この振動子のＹ軸方向の回りに作用する回転角速度をコリオリの力により角速度検出用電極に生ずる電荷量に基づいて、角速度の大きさを検出する圧電振動式角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、角速度を検出するセンサとして様々なジャイロスコープ（以下、ジャイロという）が開発されている。その種類は大まかに機械式のコマジャイロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の振動を用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイロとリングレーザージャイロに分類される。光学式のジャイロはサニャック効果、それ以外のものは回転運動をするときの慣性力（見かけの力）のひとつ、コリオリ力を用いて角速度の検出を行っており、使用用途により精度と価格、寸法等が勘案され使用するセンサが選択されている。
【０００３】
圧電振動式角速度センサを車両や航空機等に搭載し、その走行あるいは飛行軌跡を記録したり、旋回時に発生する角速度（鉛直線を中心とする大地に水平な面内での回転の角速度）を検出することが行われている。自動車用途ではシャシー系の制御やナビゲーションシステムの方位算出等に用いられる。例えば急旋回時の車両姿勢制御の場合には、車両の姿勢情報として角速度やロールレイト（車両進行方向を軸とする回転の角速度）を制御システム側にフィードバックし、姿勢制御性能を向上させるために用いられる。またナビゲーションシステムの場合には、角速度を時間積分することによって車両の旋回角度を算出するために用いられる。また、この角速度センサ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。他にビデオカメラやスチルカメラの手ぶれ補正システム等にも用いられている。
【０００４】
図１は水晶を用いた音叉型角速度センサ素子の要部の一例を示す斜視図である。同図において１はセンサ素子（水晶板）、３−１、３−２は励振電極、４−１、４−２は角速度検出電極であり、励振電極４−１、４−２はセンサ素子１の対向する２本の脚部２−１および２−２のどちらか一方の前後および左右の面に、角速度検出用電極４−１、４−２はもう一方の脚部の左右の面に設けられている。図１では励振電極を脚部２−２に、検出電極を脚部２−１に配置されている。
【０００５】
この角速度センサ素子において、図２に示すように励振電極３−１が端子Ｐ２に接続され、励振電極３−２が端子Ｐ１に接続される。また検出電極４−１が端子Ｐ３に接続され、検出電極４−２がＰ４に接続される。
【０００６】
ここでセンサ素子１の短辺に平行で水晶結晶の電気軸の方向をＸ軸方向、長辺方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向（センサ素子の板面に垂直な方向）をＺ軸方向とする。ここで、端子Ｐ１とＰ２との間に交流電圧（励振振動信号）ｅ１を印加すると、水晶内に図２中脚部２−２に示すような電界が発生する。このとき励振脚部内には、電界のＸ軸方向成分の大きさに比例した歪みがＹ軸方向に発生する。次には逆方向の電界が発生することにより、センサ素子１の２本の脚部２−１および２−２はＸ軸方向に逆相で振動することとなる。
【０００７】
このとき、Ｙ軸方向の回りに回転角速度が作用すると、すなわちセンサ素子１がＹ軸中心に回転すると、コリオリの力によりＺ軸方向の振動成分が生じる。この振動成分の振幅の大きさはコリオリの力に比例しているので、センサ素子１の２本の脚部２−１および２−２には圧電効果により、回転角速度に比例した量の電荷が発生する。
【０００８】
これにより、図２中脚部２−１に示すように端子Ｐ３と端子Ｐ４との間に、あるときには矢印の方向、次には逆方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電気信号ｅｓ１が得られる。この電気信号ｅｓ１の大きさによって、Ｙ軸方向の回りに作用する回転角速度の大きさを知ることができる。また、この電気信号ｅｓ１は基本的にサインカーブとして得られ、この電気信号ｅｓ１の波形と交流電圧ｅ１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。
【０００９】
また、端子Ｐ１とＰ２との間に印加される交流電圧ｅ１に対して、端子Ｐ３とＰ４との間に得られる電気信号ｅｓ１は桁違いに小さい。
【００１０】
端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４をそれぞれワイヤボンディングで外部に接続をおこなう。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−０３９７６０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
角速度検出センサ素子の小型化に伴い、各電極間の距離間隔が狭くなると、角速度検出センサ素子において電極間の信号電位が異なるため容量結合による信号の伝達が発生し、これが検出信号に不要信号として検出される。これを電気的クロストークという。この電気的クロストークの影響を削減する構造をもつ角速度検出センサ素子を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、Ｙ軸に平行に基部から突出した２つの脚部を持つ音叉型水晶振動子を用いた角速度検出センサ素子の電極構造において、一方の脚部には、この一方の脚部の内側面に所定の極性の励振電極が配置され、この一方の脚部の内側面に対向する面にはこの励振電極とは極性の異なる２つの励振電極が配置されており、他方の脚部には、この他方の脚部の４面のうち対向する２面に所定の極性の角速度検出電極が配置され、この他方の脚部の４面のうち所定の極性の角速度検出電極が配置されたこの２面と隣り合う２面には、この角速度検出電極とは異なる極性の角速度検出電極が配置されており、一方の脚部と他方の脚部との間で向き合う脚部内側面に配置された励振電極と角速度検出電極とが接地されていることを特徴とする角速度検出センサ素子の電極構造としたものである。
【００１５】
その結果、従来に示す図１の脚部２−１、２−２の互いに向き合う面に配置された電極（図２脚部２−１に配置された電極４−１、４−２と脚部２−２に配置された電極３−２）はそれぞれ電位が異なるために図２の電極４−１と３−２の間、４−２と３−２の間で容量結合が起こり、電気的クロストークが生じ課題に対し、脚部２−１、２−２の互いに向き合う面に配置される電極をそれぞれ同電位としてこの電極間での容量結合をなくし、電気的クロストークを削減した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施の一形態について説明する。なお、各図において同一の符号は同じ対象を示すものとする。
【００１７】
図３は本発明の音叉型角速度検出センサ素子７の一例を示す斜視図である。図４に図３の上部からみた図を示す。脚部２−３の脚部２−４と向き合う面の電極６−１と脚部２−４の左右の面の電極５−３、５−４を端子Ｐ６に一つに接続し、Ｐ６をアナロググラウンドとして、電極６−１、５−３、５−４の電位をそれぞれ仮想零電位（接地）とする。脚部２−３の電極６−２を端子Ｐ７に接続し、電極６−３を端子Ｐ８に接続する。Ｐ７とＰ８は異なる極性とする。脚部２−４の電極５−１、５−２をそれぞれ端子Ｐ５に接続する。
【００１８】
脚部２−３に配置された電極６−１、６−２、６−３を励振電極とし、脚部２−４に配置された電極５−１、５−２、５−３、５−４を角速度検出電極とする。
【００１９】
ここで、端子Ｐ７とＰ８との間に交流電圧（励振振動信号）ｅ２を印加すると、水晶内に図４中脚部２−３に示すような電界が発生する。このとき励振脚部内には、電界のＸ軸方向成分の大きさで決定される歪がＹ軸方向に発生する。次には逆方向の電界が発生することにより、センサ素子７の２本の脚部２−３および２−４はＺ軸方向に逆相で振動する。
【００２０】
このとき、Ｙ軸方向の回りに回転角速度が作用すると、すなわちセンサ素子７がＹ軸中心に回転すると、コリオリの力によりＸ軸方向の振動成分が生じる。この振動成分の大きさはコリオリの力に比例しているので、センサ素子７の２本の脚部２−３および２−４には回転角速度に比例した大きさで振動の方向に応じた極の電荷が発生する。
【００２１】
これにより、図４中脚部２−４に示すように端子Ｐ５には、あるときには矢印の方向（このとき電極５−１、５−２の極性は陽極）、次には逆方向（このとき電極５−１、５−２、の極性は陰極）の電荷が発生し、コリオリの力に応じて端子６にはアナロググラウンドに対する電気信号ｅｓ２が得られる。この電気信号ｅｓ２の大きさによって、Ｙ軸方向の回りに作用する回転角速度の大きさを知ることができる。
【００２２】
なお、本実施例に示す角速度検出センサ素子７は、音叉型形状を一例として説明しているが、センサ素子７の形状については音叉型形状に限定するもので無く、脚部が両方向に延びるＨ型構造であっても同様の効果を奏することは言うまでも無い。
【００２３】
【発明の効果】
本発明により、脚部２−３、２−４の互いに向き合う面に配置する電極の電位を等しくすることで、電極間の容量結合を削減させ電気的クロストークを軽減することができるため、検出信号中の不要信号を小さくすることができる。従って、より高感度、高精度な角速度センサ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の角速度検出センサ素子の概略図の一例を示した斜視図である。
【図２】図１の上部からＹ軸方向に垂直な向きから見た電極の配置と電気軸方向（Ｘ軸）の向きにできる電界を示した図である。
【図３】本発明の角速度検出センサ素子の概略図の一例を示した斜視図である。
【図４】図３の上部からＹ軸方向に垂直な向きからみた電極の配置と電気軸方向（Ｘ軸）の向きにできる電界を示した図である。
【符号の説明】
１、７ 角速度検出センサ素子
２−１、２−２、２−３、２−４ 脚部
３−１、３−２ 励振電極
４−１、４−２ 角速度検出電極
５−１、５−２、５−３、５−４ 角速度検出電極
６−１、６−２、６−３ 励振電極

Claims (1)

1. Ｙ軸に平行に基部から突出した２つの脚部を持つ音叉型水晶振動子を用いた角速度検出センサ素子の電極構造において、一方の脚部には、該一方の脚部の内側面に所定の極性の励振電極が配置され、該一方の脚部の内側面に対向する面には該励振電極とは極性の異なる２つの励振電極が配置されており、他方の脚部には、該他方の脚部の４面のうち対向する２面に所定の極性の角速度検出電極が配置され、該他方の脚部の４面のうち所定の極性の角速度検出電極が配置された該２面と隣り合う２面には、該角速度検出電極とは異なる極性の角速度検出電極が配置されており、該一方の脚部と該他方の脚部との間で向き合う脚部内側面に配置された該励振電極と該角速度検出電極とが接地されていることを特徴とする角速度検出センサ素子の電極構造。

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