JPH10206167A - 音叉型水晶振動子を用いた角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】音叉型水晶振動子を用いて相対感度（検出感
度）を高めた角速度センサを提供する。 【解決手段】結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸を中心としてＹ軸
からＺ軸にθ度回転して設定される結晶軸（ＸＹ’
Ｚ’）のＸ軸を幅、Ｙ’軸を長さ、Ｚ’軸を厚みとし、
基部２と該基部から長さ方向に延出して溝部により分割
された一対の腕部３，４からなる音叉状水晶体５を形成
し、前記一対の腕部の前後面（Ｘ−Ｙ’面）及び左右面
（Ｙ’−Ｚ’面）に駆動電極６，７を設けて該一対の腕
部をＸ軸方向に音叉振動させ、前記一対の腕部における
各前後面の内外となる両側にセンサ電極８，９を設け
て、Ｚ’軸方向に互いに反対方向となるコリオリの力に
起因した垂直振動を検出する、音叉型水晶振動子を用い
た角速度センサにおいて、前記駆動電極は基部から延出
する各腕部の根本部から上端側にわたって形成され、前
記センサ電極は各腕部の前後面における駆動電極の両側
に配置した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車等の移動体におけ
る姿勢制御や誘導システムに適用される角速度センサを
利用分野とし、特に音叉型水晶振動子を用いたコリオリ
の力による高感度の角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

（発明の背景）コリオリの力を用いた角速度センサは、
互いに反対方向に平行運動する音叉状振動体に回転力を
加えたとき、平行運動に直交する方向に発生する力を検
出して構成される。このようなものの一つに、音叉状振
動体を温度特性等に優れた水晶振動子として、安定度を
高めた角速度センサ（以下音叉型水晶センサとする）が
ある（参照：米国特許第５２５１４８３号）。

【０００３】（従来技術の一例）第７図乃至第１３図は
この種の一従来例を説明する音叉型水晶センサの図であ
る。音叉型水晶センサは、結晶軸（ＸＹＺ）のＺ軸に主
面が直交するＺカット板を、Ｘ軸を回転軸としてＹ軸か
らＺ軸方向へθ゜（約０〜５度）傾けた水晶板１からな
る（第７図）。なお、回転した新たな軸をＹ’Ｚ’軸と
する。そして、第４図に示したように、結晶軸（ＸＹ’
Ｚ’）のＸ軸を幅、Ｙ’軸を長さ、Ｚ’軸を厚みとし
て、基部２と長さ方向に延出する一対の腕部３、４から
なる音叉状水晶体５を形成する（第８図）。

【０００４】音叉状水晶体５には、各腕部３、４に駆動
電極６、７（ａｂｃｄ）とセンサ電極８、９（ａｂｃ
ｄ）が形成される（第８図、第９図及び第１１図）。駆
動電極６、７（ａｂｃｄ）は、各腕部３、４の上端側の
４面（前後左右面）に形成され、Ｘ軸方向に互い反対方
向となる音叉振動を励振する（所謂、音叉型振動子）。
すなわち、第９図に示したように、駆動電極６、７（ａ
ｂｃｄ）は、各腕部３、４の前後面「ＸーＹ’面、６、
７（ａｃ）」及び左右面「Ｙ’ーＺ’面６、７（ｂ
ｄ）」を同電位とし、両者間を異符号とする。そして、
一方の腕部３の前後面と他方の腕部４の左右面を、ま
た、一方の腕部３の左右面と他方の腕部４の前後面を同
電位として結線される。なお、第８図ではこれらの接続
用電極は省略してある。

【０００５】音叉振動は、このような結線のもと、端子
ｐｑ間に接続する図示しない駆動回路（発振回路）によ
り、励振される。概説すれば、各腕部３、４には、前後
面と左右面間に発生する電界によって、腕部３、４間及
び各腕部３、４の左右面間の長さ方向において、互いに
反対方向の伸縮運動を引き起こす。その結果、互いに反
対方向となるＸ軸方向の屈曲振動によって音叉振動（開
閉振動）を生じる「第８図（ａｂ）参照」。

【０００６】センサ電極８、９（ａｂｃｄ）は、腕部
３、４の下端側の前後面（ＸーＹ’面）の内外となる両
側に一対づつ形成され、音叉振動に直交して、Ｚ’軸方
向に互いに反対方向となる垂直振動による電荷を検出す
る。すなわち、センサ電極８、９（ａｂｃｄ）は、第１
１図に示したように、両腕部間及び前後面間でＸ軸方向
にそれぞれ逆向きの電界が発生するように結線される。
垂直振動は、このような結線のもと、前後面の伸縮運動
によって、互いに反対方向となる、Ｚ’軸方向の屈曲振
動によって生じる「第１２図（ａｂ）参照」。逆に言え
ば、垂直振動を機械的に与えてやれば、電界が発生し、
前後面のセンサ電極に電荷が発生する。

【０００７】このようなものでは、第１３図に示したよ
うに、音叉振動中に、Ｙ’軸を中心とした回転力が作用
すると、±Ｚ’軸方向にコリオリの力が発生する。すな
わち、前述した機械的な力によって、各腕部３、４に互
いに反対方向の垂直振動を発生する。したがって、垂直
振動による電荷をセンサ電極８、９（検出回路）により
検出する。そして、センサ出力の大きさにより、回転角
を識別できる。

【０００８】そして、この例では、駆動電極６、７を各
腕部３、４の上端側にし、センサ電極８、９を音叉状水
晶体５の機械的歪の最も大きい、基部から延出する各腕
部３、４の根本部に配置して、両者をいわば上下分割と
する。したがって、根本部には、Ｚ’軸方向の屈曲振動
（垂直振動）による電荷が多く発生し、これをセンサ電
極８、９によって検出するので、一般的に絶対感度を高
めることができる。但し、両者の電極面積にも起因す
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする解決課題】

（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の音叉型
水晶センサでは、根本部にセンサ電極８、９を配置し、
絶対感度を高めるようにしているが、駆動電極６、７を
腕部３、４の上端側にするので、音叉振動を発生するに
は多大な電力を要し、その駆動効率を悪くする。また、
逆に、駆動電極６、７を根本部にし、センサ電極８、９
を上端にすると、電力は小さくして駆動効率は高める
が、センサ出力は小さくなる。したがって、上下分割で
は、駆動電力とセンサ出力の間で相反することになり、
いずれにしても、音叉振動を駆動する単位電圧に対する
センサ電極による発生電荷量（ｃ／deg/sec／Ｖ）「以
下、相対感度とする）を高めることのできない問題があ
った。

【００１０】また、前述したように、垂直振動は前後面
のＸ軸方向における逆向きの平行電界によって発生す
る。したがって、第１４図に示したように、本来は、各
腕部３、４の左右面にセンサ電極８、９（ａｂｃｄ）を
設けて、直線的に電界を発生させれば、電界強度が増し
て垂直振動の駆動効率は高まり、発生電荷量も多くな
る、と考えられる。しかし、音叉状水晶体５の音叉溝内
の側面に一対のセンサ電極を設けることができないこと
から、通常では、前述のように前後面の両側に一対のセ
ンサ電極８、９（ａｂｃｄ）を設け、その平行電界成分
により、垂直振動を発生させている。したがって、この
ようにものでは、垂直振動の駆動効率が悪く、発生電荷
量も少なく前述のように絶対感度が低下し、結果的に前
述した相対感度を悪くする問題もあった。

【００１１】（発明の目的）本発明は、相対感度を高め
た音叉型水晶センサの提供を基本的な目的とする。

【００１２】

【問題を解決するための手段】本発明は、各腕部の前後
面に形成されるセンサ電極をそれぞれ駆動用電極の両側
に配置し、従来例の上下分割に対し、いわば水平分割と
したことを、第１の解決手段とする。また、一対の腕部
における前後面に設けた外側のセンサ電極は、隣接する
側面にまたがって形成したことを第２の解決手段とす
る。

【００１３】

【作用】本発明では、第１の解決手段として駆動用電極
の両側にセンサ電極を配置して水平分割としたので、セ
ンサ電極のみならず駆動用電極を駆動効率の高い腕部の
根本部に配置できる。したがって、駆動電極又はセンサ
電極を上端側に配置した上下分割に比較して、駆動電力
を小さくし、センサ出力を高めることができる。また、
第２解決手段として各腕部における外側のセンサ電極を
隣接する側面にまたがって形成したので、音叉溝内側に
センサ電極を設けなくても垂直振動を励振する電界強度
が増す。以下、本発明の一実施例を説明する。

【００１４】

【第１実施例】第１図及び第２図は本発明の一実施例
（第１解決手段に相当）を説明する図で、第１図は音叉
型水晶センサの図、第２図は同平面図である。なお、前
従来例図と同一部分には同番号を付与してその説明は簡
略する。音叉型水晶センサは、前述同様に、結晶軸（Ｘ
Ｙ’Ｚ’）のＸ軸を幅、Ｙ’軸を長さ、Ｚ’軸を厚みと
した、基部２と腕部３、４を有する音叉状水晶体５から
なる。この実施例では、音叉振動を励振する駆動電極
６、７（ａｂｃｄ）を、各腕部３、４の４面（前後左右
面）において、根本部から上端側に至って形成する。そ
して、センサ電極８、９（ａｂｃｄ）を、前後面（Ｘー
Ｙ’面）にて、駆動電極６、７（ａｂｃｄ）の両側に配
置する。なお、駆動電極６、７及びセンサ電極８、９
は、前述したように結線される（前第９図及び第１１図
参照）

【００１５】ちなみに、表１は、従来例と比較した相対
感度の比較表である。但し、相対感度とは、前述したよ
うに、音叉振動を励振する単位電圧に対するセンサ電極
による発生電荷量（ｃ／deg/sec／Ｖ）である。

【００１６】

【００１７】この表から明らかなとおり、水平分割（本
発明）の場合は、従来例の10^-17オーダに対し、１０^-16
オーダとなり、相対感度を一桁向上する。すなわち、音
叉状水晶体５の根本部に駆動電極６、７を設けたので、
小さな電力で音叉振動を励振できる。したがって、音叉
振動の駆動効率を高めることができる。また、センサ電
極８、９も同様に根本部に配置したので、垂直振動の駆
動効率を良好にして発生電荷量も多い。したがって、相
対感度を良好とする。

【００１８】表１には、音叉振動のＣＩ（クリスタルイ
ンピーダンス）値も示したが、駆動電極６、７を根本部
及び上端側に配置した従来に比較し、本発明では両者の
中間値よりも良好な２００ＫΩとなった。これは、両側
にセンサ電極８、９を配置したことにより、駆動電極
６、７の面積が少なくなってＣＩが大きくなるものの、
駆動電極６、７を根本部に配置したことにより上端側の
場合よりもＣＩを基本的に小さくする効果のあることが
理解される。また、このことはセンサ電極８、９による
垂直振動についても同様であり、いずれも駆動効率を高
める根本部から上端側に配置した、両者の相乗作用によ
って、音叉型水晶センサの相対感度を高めることができ
る、と言える。

【００１９】なお、表１の従来例において、根本部にセ
ンサ電極８、９を配置した場合の方が、上端側に配置し
たばあいよりも相対感度は低下したが、これは両者の面
積の関係に起因した、と考えられる。

【００２０】

【第２実施例】第２図は本発明の第２実施例（第２解決
手段に相当）を説明する図で、第１図は音叉型水晶セン
サの図、第２図は同平面図である。なお、前実施例図と
同一部分には同番号を付与してその説明は簡略する。音
叉型水晶センサは、前述同様に、結晶軸（ＸＹ’Ｚ’）
のＸ軸を幅、Ｙ’軸を長さ、Ｚ’軸を厚みとした、基部
２と腕部３、４を有する音叉状水晶体５からなり、駆動
電極６、７とセンサ電極８、９を、前実施例と同様に水
平分割する。そして、この実施例では、各腕部３、４に
おける外側のセンサ電極８（ａｄ）、９（ｂｃ）を隣接
する側面にまたがって形成した構成とする。

【００２１】表２は、このような電極構造の、第１実施
例に対する相対感度の比較表である。

【００２２】この表から明らかなとおり、第２実施例の
ように外側のセンサ電極８（ａｄ）、９（ｂｃ）を、隣
接する側面にまたがって形成した場合には、第１実施例
に比較し、さらに一桁オーダで、相対感度を高めること
ができる。すなわち、外側のセンサ電極８（ａｄ）、９
（ｂｃ）を側面にまたがって形成した場合には、垂直振
動を励振するＸ方向の電界成分が大きくなって有効に作
用する。このことは、表１に併せて示したように垂直振
動のＣＩを一桁程度低下させることから明らかであり、
その結果、前述のとおり相対感度を高めることができ
る。また、音叉溝内の側面には、センサ電極を形成しな
いので、従来とおり、製造を容易にする。

【００２３】

【他の事項】上記第２実施例では、一対の腕部３、４に
おける前後面のセンサ電極８（ａｄ）、９（ｂｃ）を隣
接する側面にまたがって形成したが、第４図に示したよ
うに側面のみに設けたとしても、あるいは側面から隣接
する前後面にまたがって設けたとしても同様な効果を期
待できる。また、水平分割としたセンサ電極を例とした
が、上下分割した場合等であっても、その効果は同様で
あり、本発明はこれを排除するものではない。

【００２４】また、各実施例では、コリオリの力によっ
て（起因して）発生する電荷を直接検出したが、例えば
垂直振動のＣＩ変動を検出したとしても良い。また、垂
直振動を予め励振し、コリオリの力によって変化する周
波数を検出することも考えられ、要するに電荷を直接検
出するのは一手段であって、垂直振動を実質的に検出す
る場合においても、本発明は同様な効果を奏する。特
に、周波数変化を検出する場合には、その変化がＰＰＭ
オーダであり、さらに検出精度を高めることができる。
このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内で
適宜変更可能であり、これらを排除するものではない。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、一対の腕部の前後面に形成さ
れるセンサ電極をそれぞれ駆動用電極の両側に配置し、
従来例の上下分割に対し、いわば水平分割とした。ま
た、各腕部における前後面に設けた外側のセンサ電極
は、隣接する側面にまたがって形成した。したがって、
それぞれ独立的に、また併用することにより、相対感度
を高めた音叉型水晶センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を説明する音叉型水晶セン
サの図である。

【図２】本発明の第１実施例を説明する音叉型水晶セン
サの平面図である。

【図３】本発明の第２実施例を説明する音叉型水晶セン
サの図である。

【図４】本発明の第２実施例を説明する音叉型水晶セン
サの平面図である。

【図５】本発明の第２実施例の作用を説明する音叉型水
晶センサの平面図である。

【図６】本発明の第２実施例の他の例を説明する、駆動
電極は省略した音叉型水晶センサの平面図である。

【図７】従来例を説明する音叉状水晶体の切断方位図で
ある。

【図８】従来例を説明する音叉型水晶センサの図であ
る。

【図９】従来例を説明する音叉振動の電極配置及び結線
図である。

【図１０】従来例を説明する音叉振動の模式動作図であ
る。

【図１１】従来例を説明する垂直振動の電極配置及び結
線図である。

【図１２】従来例を説明する垂直振動の模式動作図であ
る。

【図１３】従来例を説明する音叉型水晶センサの模式動
作図である。

【図１４】従来例を説明する音叉型水晶センサの平面図
である。

【符号の説明】

１ 水晶板、２ 基部、３、４ 腕部、５ 音叉状水晶
体、６、７ 駆動電極、８、９ センサ電極．

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸を中心としてＹ軸
   からＺ軸にθ度回転して設定される結晶軸（ＸＹ’
   Ｚ’）のＸ軸を幅、Ｙ’軸を長さ、Ｚ’軸を厚みとし、
   基部と該基部から長さ方向に延出して溝部により分割さ
   れた一対の腕部からなる音叉状水晶体を形成し、前記一
   対の腕部の前後面（Ｘ−Ｙ’面）及び左右面（Ｙ’−
   Ｚ’面）に駆動電極を設けて該一対の腕部をＸ軸方向に
   音叉振動させ、前記一対の腕部における各前後面の内外
   となる両側にセンサ電極を設けて、Ｚ’軸方向に互いに
   反対方向となるコリオリの力に起因した垂直振動を検出
   する、音叉型水晶振動子を用いた角速度センサにおい
   て、前記駆動電極は基部から延出する各腕部の根本部か
   ら上端側にわたって形成され、前記センサ電極は各腕部
   の前後面における駆動電極の両側に配置したことを特徴
   とする角速度センサ。
2. 【請求項２】結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸を中心としてＹ軸
   からＺ軸にθ度回転して設定される結晶軸（ＸＹ’
   Ｚ’）のＸ軸を幅、Ｙ’軸を長さ、Ｚ’軸を厚みとし、
   基部と該基部から長さ方向に延出して溝部により分割さ
   れた一対の腕部からなる音叉状水晶体を形成し、前記一
   対の腕部の前後面（Ｘ−Ｙ’面）及び左右面（Ｙ’−
   Ｚ’面）に駆動電極を設けて該一対の腕部をＸ軸方向に
   音叉振動させ、前記一対の腕部における各前後面の内外
   となる両側にセンサ電極を設けて、Ｚ’軸方向に互いに
   反対方向となるコリオリの力に起因した垂直振動を検出
   する、音叉型水晶振動子を用いた角速度センサにおい
   て、前記各腕部における前後面の外側に設けたセンサ電
   極を、隣接する側面にまたがって形成したことを特徴と
   する角速度センサ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項において、前記各腕
   部における前後面の隣接する側面にまたがって設けられ
   た外側のセンサ電極を、隣接する側面のみとしたこと
   を、又は隣接する側面から前後面にまたがって形成した
   ことを特徴とする角速度センサ。