JPH11230758A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音叉型振動ジャイロの原理による角速度セン
サは、各脚の周囲に励振用、検出用の両電極を備えるの
で、電極構成および回路との接続が極めて複雑となる。
各電極と回路との総合的・合理的な接続を可能にすると
共に廉価、小型かつ高精度のセンサ特性を発揮しうる構
成を提案する。 【解決手段】 各脚の電極の端部を音叉基部の主面の少
なくとも一つに集め、基部の他の面を基台に固着し、基
部電極群と基台側の電極群とを導体により接続したこ
と。また音叉基部上にＩＣチップを搭載したこと。また
音叉を回路基板と一体化した気密容器に封入したこと。
また音叉の電極を共通に用いて音叉の励振と角速度の検
出を時分割で行うこと。また音叉の圧電結晶材からのカ
ット角を調節して主振動とコリオリ力による振動の両モ
ードの周波数温度特性を整合させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は音叉型振動体を用い
た角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、音叉は高い精度や安定度が達成で
きる優秀な振動体として知られているので、音叉型振動
体をいわゆる振動ジャイロスコープ技術に応用して、優
れたジャイロセンサを実現しようという提案が多数なさ
れている。また精度や安定性をより高めるため、振動体
を圧電性の磁器あるいは結晶材料、望ましくは水晶材で
一体的に形成しようという提案も複数ある。なお本明細
書で言う音叉型振動体とは、古典的な平行２脚の振動体
に限定せず、複数の片持ち型の屈曲振動脚が共通の基部
（実質的にはほとんど振動しておらず、振動歪も十分小
さいと見なせ、振動体を支持するために使用されること
が多い部分）から突出している形状の振動体を総称する
こととする。

【０００３】例えば従来例として（１）特開平９−７２
７４３号公報に開示された水晶製２脚音叉（各脚の四囲
の電極のうち３面を励振に、１面を検出に用いる）、
（２）特開平８−１１４４５７号公報に開示された圧電
結晶製２脚音叉（一方の脚に励振電極を、他方の脚に検
出電極を配置）、（３）特開平８−２９２０３２号公報
に開示された水晶製３脚音叉（外側の脚に励振電極を、
中央脚に検出電極を配置）、（４）特開平８−２７８１
４２号公報に開示された水晶製平行４脚音叉（外側の２
脚で励振、内側の２脚で検出、あるいはその逆）、
（５）特開平７−７７５３８号公報に開示された圧電結
晶製Ｈ形４脚音叉（一方の平行脚で励振、他方の平行脚
で検出）等がある。

【０００４】音叉形の振動ジャイロセンサにおいては本
来の音叉としての振動モードを励振しておき、それに脚
軸方向の軸を持つ回転が加わった際に発生するコリオリ
の力によって各脚が音叉の振動方向と垂直な方向に変形
するので、その歪みを検出用電極で検出する。励振用電
極も検出用電極も各脚の４つの側面に設けられる。一般
的に言って各脚の周囲の全ての側面に電極を配するのが
最も動作上能率または感度が良い。またいずれも最も効
果的な配置場所は励振の歪みも検出の歪みも最大となる
脚の根元（固定端）に近い部分に設けたいので場所的に
も競合する。腕時計等に使用される音叉形振動子は僅か
に２端子の接続で済んでいるが、上記のような理由で音
叉形ジャイロセンサの表面の電極の数は極めて多く、引
出し線の引回しも複雑になって振動体表面での立体交差
も要求されて電極形成コストも増え、外部回路との接続
も容易ではなくなるという問題点がある。脚数によって
も複雑さは飛躍的に増す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記各従来例では、
（１）は電極の一部省略と共用、（２）（３）（４）は
各脚の役割分担等の工夫を行ってはいるものの、それで
もまだ電極は十分複雑であり、その複雑な電極と外部回
路とを簡素な構造かつ単純な工程で接続する技術は提案
されていない。（５）は外部への接続構造（ワイヤボン
ディング）は提示されているが、音叉の基部自体がジン
バル的構造を含む複雑な形状であるという他の問題点が
ある。

【０００６】本発明の目的は、音叉型角速度センサにお
いて、振動体上の各電極と回路との総合的・合理的な接
続を可能にすると共に小型かつ高精度のセンサ特性を発
揮できるような構成を提案することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】２脚以上の音叉を用いた
音叉型角速度センサにおいて、下記の特徴を単独あるい
は適宜組合わせて用いること。 （１）各脚の各側面に設けた励振あるいは検出用の電極
の端部を前記音叉の基部の主面の少なくとも一つに集
め、前記基部の他の面を基台に固着し、前記基部電極群
と前記基台側の電極群との導体による接続を行ったこ
と。 （２）各脚の各側面に設けた励振あるいは検出用の電極
の端部を前記音叉の基部の主面の一つに集め、前記基部
の他の面を弾性部材を介して基台に接着し、前記基部電
極群と前記基台側の電極群との導体による接続を行った
こと。 （３）前記基台は真空容器の底部にあり、前記基台側の
電極群は前記基台より高所に設けたこと。 （４）前記基部電極群と前記基台側の電極群とをハンダ
あるいは導電接着剤で直接導電的に接合したこと。 （５）前記導体による接続は、可撓性のリボン状の絶縁
基板上に形成された多数の導体箔の各々の端部と前記基
部の主面の電極の各々の端部との導電性接着によってな
されたこと。

【０００８】（６）前記角速度センサを励振・検出する
回路手段を搭載する回路基板の一部を前記音叉を封入す
る気密容器の底部となし、前記音叉の周囲の前記回路基
板面に前記気密容器の上部となる蓋との接合部を枠状に
設け、該接合部の内側に前記基台と前記基台側の電極群
とを設け、該基台側の電極群と前記回路手段とを前記回
路基板の内部あるいは表面に設けられ前記気密容器とな
る部分を貫通する配線手段で結線し、前記基台に前記音
叉を取り付けて前記基部電極群と前記基台側の電極群と
の導体による接続を行いかつ前記接合部に前記蓋を接合
して気密封止を行うことによって、前記回路基板上に気
密容器入りの角速度センサとその励振・検出回路を一体
化したこと。

【０００９】（７）各脚の各側面に設けた励振あるいは
検出用の電極の端部を前記音叉の基部の主面の一つに集
め、前記基部の他の面を基台に固定し、前記主面に回路
素子の少なくとも一部を搭載し、かつ該回路素子と前記
電極との前記主面上での接続を行ったこと。 （８）前記回路素子は前記主面の一つの面上に搭載され
たＩＣチップであること。 （９）前記ＩＣチップは前記主面の一つの面上にダイボ
ンディングされており、前記ＩＣチップと前記電極の端
部とはワイヤボンディングで接続されていること。

【００１０】（１０）音叉に設けた複数の電極は個々に
切替え回路を経由して励振回路および角速度検出回路に
接続されており、前記切替え回路は制御回路によって操
作されて、励振作用と角速度検出作用とが同じ電極を用
いて交互に行われること。 （１１）前記励振作用と前記角速度検出作用との一方で
使用され他方では使用されない電極は、前記切替え回路
によって不使用時に所定の電位に接続されること。

【００１１】（１２）前記音叉の材料が圧電性の磁器で
あること。 （１３）前記音叉の材料が圧電性の結晶であること。 （１４）前記音叉の材料が水晶材であり、前記主面は水
晶材のＸ軸にほぼ平行あるいは垂直であり、前記脚の軸
方向はＹ軸の方向にほぼ近いこと。 （１５）音叉の材料が水晶材であり、前記主面の法線は
水晶材のＸ軸と１５°ないし７５°傾斜しており、前記
脚の軸方向はＹ軸の方向にほぼ近いこと。 （１６）前記脚の断面寸法がほぼ正方形であること。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
の角速度センサを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、
（ｂ）は音叉の裏面斜視図である。１はＡ、Ｂの２脚を
持つ水晶製の音叉であり、時計用に普通に用いられる３
２７６８Ｈｚの周波数を持ついわゆる＋５°ＸＹカット
の水晶音叉型振動子と実質的に同じ型の振動体であっ
て、Ｚ板をＸ軸回りに＋１〜７°回転して得たＺ’板か
らＵ字型に切り出される。なお、角速度センサーの振動
体の周波数温度特性の平坦さは時計用ほどは要求されな
いので、圧電性の方向性をよりよく脚の方向性に揃えて
検出電圧のノイズを減らし得るカット角、例えばＺ’板
の回転方向を約−１８．５°とすることも意味がある。

【００１３】各脚の周囲側面には、音叉１の基本振動の
励振あるいはコリオリ力による角速度検出に用いられ
る、銀等の電極膜を有する。本例では音叉の表裏の主面
（Ｕ字面に平行な表面）の脚側面に設けた電極は通常の
時計用音叉の場合１本であるのと異なり２本になってい
るが、これはコリオリ力による脚の歪を検出可能にする
ためである。Ａ、Ｂ各脚の電極膜には図示のように対称
的に１〜６の番号をつけておき、一方の脚の電極を特定
する必要のある場合にはＡ1,Ａ2,………Ｂ5,Ｂ6のよう
に呼ぶことにする。電極パターンは輪郭内を打点で示し
た。

【００１４】各電極の引出し線は必要の応じて音叉の側
面を経由しすべて音叉１の上側の主面の基部（各脚を連
結し、実質的に振動しない部分）に集められ、ボンディ
ングパッド１２で終端する。また裏側の主面にはハンダ
付け可能な材質膜より成る支持用パッド１４が設けてあ
る。２はケースで、音叉１を収容する気密容器（内部は
真空あるいは不活性ガスが封入される）となるセラミッ
ク製の箱である。

【００１５】その各部は、音叉１を収容しかつ自由な振
動を許すための凹部２１、音叉の基部を載置する台座２
２および音叉の支持用パッド１４とハンダあるいは接着
剤で接合されて音叉をケース内に支持・固定する支持用
パッド２３、収容された音叉の上面とほぼ等しい高さに
設けたプラットフォーム２４とその面に設けた複数の小
面積のメタライズ部であるボンディングパッド２５、気
密容器の蓋となるガラス板（図示せず）が載置・接着さ
れる接合部２６、ケース外部への励振・検出電極の引出
し部である外部端子２７（他の回路基板に対してケース
をＳＭＤ方式で実装することが可能なように、ケースの
稜部に側面と底面にかかるように設けられる）等よりな
る。

【００１６】音叉１を台座２２に取り付ける場合、直接
両者を固着するのではなく、間に適当な弾性材あるいは
バネ構造体を介在させてもよい。これは振動絶縁効果に
よって、音叉の振動漏れを防いで振動を安定化させ、あ
るいは外部からの振動が音叉に伝わって検出信号にノイ
ズが混入するのを防止する効果を狙うものである。

【００１７】なお音叉１を台座２２に取り付け後、音叉
側のボンディングパッド１２とケース側のボンディング
パッド２５とは各々金やアルミニウムの細線より成るボ
ンディングワイヤ１３にて個々にワイヤボンデイングさ
れる。両ボンディングパッドの高さの差を既述の如くす
べて小さくしてあるのでワイヤボンディングは容易であ
り、ワイヤも短く、音叉の周囲に広いスペースを要しな
いのでケース全体を小型化できる。またボンディングパ
ッド２５と外部端子２７とは、ケース２の内部で多層基
板印刷配線技術等を用いて接続されている。その際同時
に用いられる電極はケース側面に例えばＡ2 ＋Ａ5 と表
示してあるように内部結線されて同じ外部端子にまとめ
られる。

【００１８】なお図１（ａ）に示した矢印ｖはある瞬間
の各脚の速度、矢印Ｒは角速度が検出される回転軸の方
向、ωはその角速度であり、矢印Ｆc はそのような回転
がケース２に加わったとき各脚に作用するコリオリ力を
示している。このコリオリ力Ｆc は角速度に比例し、そ
れにより脚Ａ、Ｂの主面に垂直な撓みが生じるが、これ
は電極Ａ1 とＡ2 、Ａ4 とＡ5 、Ｂ1 とＢ2 、Ｂ4 とＢ
5 の差電圧に比例するので、結果的に角速度の検出がで
きる。

【００１９】上記本発明の第１の実施の形態においては
音叉の各電極を音叉外部に引出すのにワイヤボンディン
グ技術を用いたが、第２の実施の形態においては可撓性
の基板から成るリード板を用いる。図２はそのリード板
３のみを平面図で示したものである。リード板３上のリ
ードパターン３２の末端であるボンディングパッド３１
を図１に示したと同様な電極構造を持つ音叉１の基部に
対向させて重ね、導電接着剤にて接着する。リード板３
の他端は図示しないが外部回路に適合する形状としてお
きそれに接続する。これは液晶表示パネルと外部回路と
の接続技術の応用である。音叉を気密容器に封入せず、
大気中で使用する場合により適する接続構造である。

【００２０】図３の各図は本発明の第３の実施の形態に
関し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は脚部の断面図、
（ｃ）はその変形例の脚部の断面図である。本例では脚
Ｃ、Ｄ、Ｅを有する３脚音叉４をセンサとして用いると
共に、駆動・検出回路を収めたＩＣチップ５を音叉基部
上に搭載している。励振・駆動用電極１１の末端である
ボンディングパッド１２は、ＩＣチップ５の周縁部の電
極パッドに直接ワイヤボンディングされる。この構成に
より、回路を含めた角速度センサを極めて小型化するこ
とができる。

【００２１】電源、回路制御用の入力、角速度検出出力
等外部との連絡のため、外部端子１５も備えている。ケ
ースは図示しないが、第１の実施の形態におけるケース
２と類似の構造の気密容器を用いることができる。本例
の３脚音叉は（ａ）、（ｂ）に示すように、各脚の基本
振動は音叉の主面に垂直方向であり、２脚音叉とは異な
る。従って３脚音叉の素材水晶板のカット方位は（ａ）
に示すようにＸ板となる。

【００２２】また音叉の主振動モードの励振駆動は両側
の脚で行い、角速度の検出は中央の脚で行う。検出用の
脚を励振用の脚と分離でき、検出用電極の出力に励振電
圧がノイズとして混入することを避けることが容易にで
きるのが３脚音叉の利点である。そのための電極１１の
配置は（ｂ）のようである。なお同図に角速度の検出軸
Ｒの方向、角速度ωも振動速度ｖ，コリオリ力Ｆc と共
に示した。

【００２３】またｔは音叉板の厚さ、ｗは中央脚Ｄの幅
である。各脚の屈曲振動の固有振動数は主にｔで決まり
ｗに無関係なので、本例では中央脚幅ｗは両側の脚幅と
異なっていてもよい。各脚幅が全て等しい場合、中央脚
の振幅は両側脚の２倍となるので検出感度上は有利とな
る。ｗが大きくなれば、それに反比例して中央脚の外側
脚に対する振幅比は減少する。

【００２４】図３（ｃ）にはこの実施の形態の変形例
で、音叉の各脚の基本振動の方向が９°異なり、音叉の
主面に平行である角速度センサである。本例では中央脚
と両側脚とが互いに逆位相で基本振動をする。各脚の固
有振動数はその幅で決まり、それらは全て等しい要請か
ら、各脚は全て等しいｗを持つ。切出し方位も変化し、
第１の実施の形態である２脚音叉の場合とほぼ等しくな
る。その他は第２の実施の形態の基本形と変わらない構
成を取り得る。

【００２５】図４は本発明の第４の実施の形態を示し、
（ａ）はガラス蓋を除いたその平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ
断面図、（ｃ）はその変形例のＸ−Ｘ断面図である。本
例は励振・検出回路を実装した回路基板がセンサ振動体
の気密ケースを兼ねている構造である。振動体としては
前例と同じ３脚音叉を用いた。電極構造等細部の図示は
省略した。

【００２６】ケース２の回路基板となる部分には、回路
の主体であるＩＣチップ５および抵抗、容量等の外付け
素子５１が実装されている。それら同士の基板内の配線
は図示を省略した。回路基板の一部には３脚音叉４の収
納部である凹部２１があり、その内部の台座２２に３脚
音叉４が取り付けられる。凹部２１を囲んで接合部２６
があるが、これはガラス蓋２８（周波数トリミングのた
めレーザー光透過性の材質より成り、（ａ）には図示せ
ず）の周辺部を接着封止するために枠状にコーティング
された低融点ガラスの層である。

【００２７】断面図（ｂ）、（ｃ）には気密容器部分の
２つの異なる形態を示した。（ｂ）においてはケース２
が気密容器の側面部まで覆う例で、接合部２６はケース
２（回路基板）の上面から突出した側壁部の上縁に設け
られ、ガラス蓋２８は板状の例であり、（ｃ）において
は接合部２６はケース２（回路基板）の凹部の底に設け
られ、ケース２は気密容器の底面のみを覆う例で、ガラ
ス蓋２８は箱状をなしている。後者においては回路基板
の最大厚さを薄くすることができる。

【００２８】励振あるいは検出用の電極端は細部は図示
しないが音叉４の上側の主面の基部の端の縁に集めら
れ、ケース２（回路基板）側の電極端にワイヤボンディ
ングされる（１３はボンディングワイヤ）。ケース側の
電極端はケース２（回路基板）の内部を経由する（ある
いは表面に沿う）配線パターン２９によってＩＣチップ
５側の端子に導かれる。図示しないがもちろん外付け素
子５１を経由してもよい。センサ全体の入出力や電源と
の接続は外部端子２７によって行われる。

【００２９】図５は本発明の第５の実施の形態を示す音
叉の脚部の断面図であり、（ａ）はその概念を２脚音叉
に適用した例、（ｂ）は３脚音叉に適用した例である。
第５の実施の形態の意図は次の通りである。音叉の基本
的な（本来の）振動モードにおける固有振動数と、コリ
オリ力による振動モード（脚の撓み方向が基本モードの
場合と垂直になる）の固有振動数が極めて近いとき、両
モードが共振してコリオリ力による振動の振幅が増加
し、角速度の検出感度が高くなるとされる。

【００３０】そのために音叉の厚みｔと脚の幅ｗをほぼ
等しくする。しかし２つの固有振動数を完全に一致させ
るのではなく、ｔ、ｗを調節して僅かな離調度を保つの
がよい。しかるに、水晶材の異方性により、両モードの
周波数温度特性は一般的に一致しない。＋５°ＸＹカッ
トの場合、基本モードの周波数温度特性は比較的フラッ
トな２次曲線状であるが、コリオリ振動モードの周波数
温度特性はほぼ直線的で大きな負の値を持つ。従って離
調度は使用温度範囲でかなりずれてしまう。

【００３１】本実施の形態においては、音叉のカット角
を傾けることによって、両モードの周波数温度特性をほ
ぼ一致させ、環境温度が変化しても両モードの固有振動
数が平行移動するので離調度（あるいは固有振動数の
差）があまり変わらないようにした。ただし周波数温度
特性自体はフラットではなく負の値となるが、それは止
むを得ないものとする。更に説明すると、

【００３２】基本振動の固有振動数をｆn 、コリオリ振
動の固有振動数をｆc 、脚長をｌ、ヤング率をＥ、密度
をρ，比例定数をλとすると、 ｆn ＝λ×ｗ×√（Ｅ／ρ）／（ｌ×ｌ） ｆc ＝λ×ｔ×√（Ｅ／ρ）／（ｌ×ｌ） となる。両式を温度θで微分して差をとると、 dfn/(fndθ) −dfc/(fcdθ) ＝〔ｄｗ/(ｗｄθ) −ｄｔ
/(ｔｄθ) 〕 であるから、ｗとｔとの線膨張係数が等しくなれば上式
の右辺はゼロになり、２つのモードの周波数の温度変化
は平行する。

【００３３】水晶材の線膨張率は理科年表によると光軸
（Ｚ軸）に平行な方向では６．８ｐｐｍ、垂直な方向
（ＸＹ平面に平行）では１２．２ｐｐｍである。従って
ｗとｔとを共にＺ軸に関してほぼ等角度傾斜させれば、
上記の条件を満たすことができる。実際には約４５°近
辺の任意の範囲で最適角度を実験的に探せばよい。図５
（ａ）、（ｂ）はこのような角度状態を概念的に示して
いる。脚の長手方向がＹ’軸方向であるので、励振・検
出電極は前述の他の実施の形態とほぼ同様とすることが
できる。

【００３４】図６は本発明の角速度センサの２脚音叉に
おける脚部電極と励振・検出回路との結線状態を説明す
る実施の形態２例の概念図であり、（ａ）は第６の実施
の形態、（ｂ）は第７の実施の形態を示す。第６の実施
の形態（ａ）は第１の実施の形態あるいは第５の実施の
形態にて述べた如く２脚音叉の各脚に６個づつの電極を
設けた場合、Ａ1,Ａ2,Ｂ1,Ｂ2 を検出回路７に用い、他
を励振回路６に結線した例である。

【００３５】第７の実施の形態（ｂ）は一方の脚Ａ上の
各電極を励振回路６に接続して励振を行い、脚Ｂ上の各
電極を検出回路７に接続して検出動作を行わせるよう
に、音叉脚の役割分担をしたものである。この実施の形
態においては、特に検出の高能率化と共に、励振電圧が
ノイズとして検出電圧に混入することが極めて少ない利
点がある。なお、Ｂ3,Ｂ6 の電極は検出用に用いないこ
とにしたので、これらの電極は始めから設けないでおく
か、あるいは図示のように所定の電位ＶE に固定してお
く。

【００３６】図７は本発明の第８の実施の形態におけ
る、２脚音叉励振・検出回路の概念図であり、（ａ）、
（ｂ）はその動作の２状態をそれぞれ示している。本例
では同じ電極を用いて励振と検出を交互に時分割で行い
（即ちある期間には電極群が励振回路６に接続され、次
の期間には検出回路７に接続される動作を反復する）、
励振、検出のいずれの場合も、最も能率的な位置（歪み
の大きい脚の根元付近）にある全電極を競合なく利用
し、脚側面の有効全面積を活用して能率的かつ高感度に
行うと共に、検出時に励振電圧が影響するのを避けるこ
とができる。

【００３７】励振動作の最小必要な持続時間は、検出期
間中の振幅減衰を回復して再び振幅が飽和に近づくまで
とし、検出時間は容量成分に充電された前の励振電圧が
放電してその影響が小さくなるまでの時間と検出時間と
の和で、振幅があまり減衰してしまう前に終わらせねば
ならない。音叉のＱ値が十分高ければ振幅減衰がゆるや
かになるので検出の時間的余裕が生まれ、本実施の形態
の動作が可能となる。また励振・検出のサイクルを短時
間で行うことが、サンプリングの頻度を増し、連続検出
に近い検出精度を得る観点から一般的に望ましい。

【００３８】図８は上記第８の本発明の実施の形態に用
いる回路を説明するブロック図である。音叉上の各電極
は適宜に（図示例は６群）まとめられ、切替回路群８４
に入力する。切替回路群８４は６個の切替回路要素より
成り、各切替回路要素は端子イを切替制御回路８３の出
力の変化に応じて端子ロまたは端子ハのいずれかに一斉
に切替え接続する動作を行う。

【００３９】全ての電極側の端子イが端子ハ即ち励振回
路６に接続されているとき、音叉は励振期間にある。そ
のとき切替制御回路８３は励振回路６に対して励振動作
を許す励振許可信号ＰA を出力している。また励振回路
６は音叉と同じ周波数を有するクロック信号発生回路８
１と自分の励振動作との位相を合せるための同期信号Ｐ
S を授受している。同期をとる理由は検出期間が終わっ
て次の励振期間が開始されるとき、減衰途中の残留振動
と異なる位相で励振が再開されると却って減衰し、新た
な振幅の成長に長時間を要するので、この現象を避ける
ためである。

【００４０】クロック信号発生回路８１のクロック出力
は分周回路８２で数分の１ないし数万分の１に分周さ
れ、励振・検出の反復に適した周波数に変換され、切替
え制御回路８３の動作タイミングを与える。

【００４１】切替回路８３が検出期間を指令したとき、
即ち切替回路群８４に各電極側端子イが端子ロに接続さ
れると、主要な電極の検出電圧はそれぞれ検出回路７に
入力する。即ち電極（Ａ1 ＋Ａ4 ＋Ｂ1 ＋Ｂ4 ）と（Ａ
2 ＋Ａ5 ＋Ｂ2 ＋Ｂ5 ）との総合検出電圧とはインピー
ダンス変換器７１を経てインピーダンスを調整された上
で差動増幅回路７２で差電圧を増幅され、更に同期検波
回路７３で検波して、出力信号に混入している基本振動
歪みによる電圧が除かれる。

【００４２】なお同期検波の制御信号としては従来は励
振回路の出力の一部が使われたが、本回路では励振動作
が停止中なので前述のクロック信号発生回路８１の出力
の一つである検波同期信号ＰD が用いられる。前記検波
出力はローパスフィルタ７４で高周波ノイズ成分が除か
れ、更にＤＣアンプ７５で適度に増幅されて、コリオリ
力ＦC に比例する角速度検出出力Ωが得られる。検出期
間に使用しない電極Ａ3,Ａ6,Ｂ3,Ｂ6 があるが、それら
は所定電位ＶE に接続される。

【００４３】なお回路構成の変形例について述べてお
く。本実施の形態ではクロック信号発生回路を設けて切
替えによる位相状態を維持するようにしたが、構成を変
えて、検出期間中のクロック信号作成回路の出力に相当
する信号を、減衰中の振動により任意の音叉電極から得
られる振動電圧を適宜増幅して作成する回路は、減衰が
甚だしくないという条件下で容易に構成可能である。こ
の場合はわざわざ励振回路との位相調整は不要となる
か、更に簡単化され得る。

【００４４】また１つの脚を常時励振して振動の位相情
報を維持しておき、他の脚については励振と検出を時分
割で行うとか、あるいはその一種として１つの脚に属す
る電極の全部または一部から発生する電圧を常時参照信
号として用い、参照信号を増幅器で増幅して励振駆動用
の正帰還出力とし、切替回路群を用いて、残りの全電極
に対しては、前記該駆動用出力を供給する期間と検出電
極として利用する期間とを交互に切替えるというよう
に、電極の役割が発振か検出かのいずれかに固定されて
いる従来例と第８の実施の形態との中間的な種々の形態
も実現可能であり、本発明の実施の形態として採用し得
る。もちろんセンサ振動体に３脚音叉や４脚音叉を使用
してもよく、構成に対応した効果を発揮する。例えば励
振時には検出用の電極まで動員することによって、検出
時には却って大きな振幅（励振用電極と検出用電極が固
定されている場合よりも）が得られる場合もあり得る。

【００４５】図９は本発明の第９の実施の形態の斜視図
である。１は音叉で、図１に示した第１の実施の形態に
おけると同様な１〜６の番号を付した励振・検出用の電
極１１を各脚Ａ、Ｂの周囲に有する。各電極は音叉の基
部主面上に配置したボンディングパッド１２（本例では
支持用パッド１４も兼ねる）に引出し線パターンで接続
されている。音叉１をその中心軸（対称軸）に関して１
８０°回転したとき、各ボンディングパッド１２とそれ
らに対応する電極１１は図上で全く同じパターンで表れ
る（反転すると図示電極およびボンディングパッドはＡ
2 、Ａ1 、Ｂ1、Ｂ2 がＢ4 、Ｂ5 、Ａ5 、Ａ4 に変わ
るが）ように配慮されている。なおボンディングパッド
１２は基部の縁の２列配置に限定する必要はなく、基部
主面の内部の可能な位置を選んで自由に配置してよい。

【００４６】ケース２側には僅かに突起したボンディン
グパッド２５（台座２２および支持用パッド２３を兼ね
る）が２列に設けられ、上面はメタライズされ外部配線
に接続されている。音叉１はこの上に置かれ、両ボンデ
ィングパッド（音叉側のは下の主面にあるもの）は位置
合わせの上ハンダあるいは導電接着材で接合され、音叉
の支持と端子の接続処理とが同時に行われる。余分のハ
ンダ等はボンディングパッド２５間の溝内に逃がされ短
絡を避けられる。この構成ではセンサの組立時に音叉１
の表裏を判別しないでもよく、しかも接続が支持と同時
にできて容易である利点を有する。またこの構成は任意
の電極配置あるいは多脚の音叉に対して適用し得る。ま
たボンディングパッドが上下の主面にできるが、上面側
のボンディングパッドを第１の実施の形態の如くワイヤ
ボンディングに用いても表裏判別を不要化できる。

【００４７】以上各種の実施の形態について述べたが、
本発明はもとよりそれらに限定されるものではなく、各
実施の形態やその変形例の特徴を種々に組合わせた諸形
態もまた本発明に属するものである。

【００４８】

【発明の効果】本発明は各電極と回路との総合的・合理
的な接続を可能にすると共に廉価で小型かつ高精度のセ
ンサ特性が得られる効果を有する。具体的には構成の諸
特徴に従って下記の諸効果が得られる。

【００４９】（１）音叉の各脚の各側面の電極端部を基
部の少なくとも１つの主面に集め、基部の主面の１つを
基台に取り付けたので、ワイヤボンディングにも直接導
電接着にも適する構造が得られ、基台あるいは容器側電
極との接続が極めて容易になり従って製造コストも削減
できた。 （２）音叉基部上にＩＣチップを実装搭載した構造では
音叉内部での接続により外部との接続数を減少できやは
り接続が容易になりセンサの小型化ができた。 （３）励振・検出回路を実装した回路基板の一部を気密
容器として音叉を封入することにより、気密容器の外側
の回路との接続を回路基板配線技術を用いて容易確実に
行うと共に角速度センサの一体化・小型化を達成するこ
とができた。

【００５０】（４）上記の接続技術のいずれかに加えて
圧電結晶からのカット角を変えた音叉を用いることによ
り音叉の主振動とコリオリ振動との離調度の温度特性を
改善し広い温度範囲にわたって高い感度と安定性を得る
ことができた。 （５）共通の音叉電極を用いて励振と角速度検出を時分
割で行うことにより、電極構成を単純化し、励振駆動、
検出のいずれの目的に対しても電極が最も能率的に働く
位置を脚上で占めることができてセンサ感度を高め得た
と共に、駆動電圧の影響を受けない検出を可能にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図であり、
（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は音叉の裏面斜視図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施の形態に用いる接続部材の
平面図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に関する図であり、
（ａ）はその斜視図、（ｂ）は脚部の断面図、（ｃ）は
その変形例の脚部の断面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態を示す図であり、
（ａ）はその平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は
その変形例のＸ−Ｘ断面図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態を示す音叉の脚部の
断面図であり、（ａ）は２脚音叉の場合、（ｂ）は３脚
音叉の場合である。

【図６】本発明の脚部電極と励振・検出回路との結線状
態に関する実施の形態２例の概念図であり、（ａ）は第
６の実施の形態、（ｂ）は第７の実施の形態を示す。

【図７】本発明の励振・検出回路に関する第８の実施の
形態の概念図であり、（ａ）、（ｂ）はその動作の２状
態を示す。

【図８】本発明の上記第８の実施の形態に用いる回路の
ブロック図である。

【図９】本発明の第９の実施の形態の斜視図である。

【符号の説明】

１ 音叉 １１ 電極 １２ ボンディングパッド １３ ボンディングワイヤ １４ 支持用パッド １５ 外部端子 ２ ケース ２１ 凹部 ２２ 台座 ２３ 支持用パッド ２４ プラットフォーム ２５ ボンディングパッド ２６ 接合部 ２７ 外部端子 ２８ ガラス蓋 ２９ 配線 ３ リード板 ３１ ボンディングパッド ３２ リードパターン ４ ３脚音叉 ５ ＩＣチップ ５１ 外付け素子 ６ 励振回路 ７ 検出回路 ７１ インピーダンス変換器 ７２ 差動増幅回路 ７３ 同期検波回路 ７４ ローパスフィルタ ７５ ＤＣアンプ ８１ クロック信号発生回路 ８２ 分周回路 ８３ 切替制御回路 ８４ 切替回路群 Ａ 脚 Ｂ 脚 Ｃ 脚 Ｄ 脚 Ｅ 脚 Ｒ 検出回転軸 ｔ 音叉厚さ ｗ 音叉脚幅 ｖ 速度 ω 角速度 Ω 角速度検出出力 ＦC コリオリ力 ＰA 励振許可信号 ＰD 検波同期信号 ＰS 同期信号 ＶE 所定の電位

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２脚以上の音叉を用いた角速度センサで
   あって、前記各脚の周囲面に設けた励振あるいは検出用
   の電極の端部を前記音叉の基部の主面の少なくとも一つ
   に集め、前記基部の主面で基台に固着し、前記基部電極
   群と前記基台側の電極群との導体による接続を行ったこ
   とを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 ２脚以上の音叉を用いた角速度センサで
   あって、前記各脚の周囲面に設けた励振あるいは検出用
   の電極の端部を前記音叉の基部の主面の一つに集め、前
   記基部の他の面を弾性部材を介して基台に接着し、前記
   基部電極群と前記基台側の電極群との導体による接続を
   行ったことを特徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記基台は前記音叉を封入する気密容器
   の底部にあり、前記基台側の電極群は前記基台より高所
   に設けたことを特徴とする請求項１あるいは２の角速度
   センサ。
4. 【請求項４】 前記基部電極群と前記基台側の電極群と
   をハンダあるいは導電接着剤で直接導電的に接合したこ
   とを特徴とする請求項１の角速度センサ。
5. 【請求項５】 前記導体による接続は、可撓性のリボン
   状の絶縁基板上に形成された多数の導体箔の各々の端部
   と前記基部の主面の電極の各々の端部との導電性接着に
   よってなされたことを特徴とする請求項１ないし３のい
   ずれかの角速度センサ。
6. 【請求項６】 前記角速度センサを励振・検出する回路
   手段を搭載する回路基板の一部を前記音叉を封入する気
   密容器の底部となし、前記音叉の周囲の前記回路基板面
   に前記気密容器の上部となる蓋との接合部を枠状に設
   け、該接合部の内側に前記基台と前記基台側の電極群と
   を設け、該基台側の電極群と前記回路手段とを前記回路
   基板の内部あるいは表面に設けられ前記気密容器となる
   部分を貫通する配線手段で結線し、前記基台に前記音叉
   を取り付けて前記基部電極群と前記基台側の電極群との
   導体による接続を行いかつ前記接合部に前記蓋を接合し
   て気密封止を行うことによって、前記回路基板上に気密
   容器入りの角速度センサとその励振・検出回路を一体化
   したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの角
   速度センサ。
7. 【請求項７】 ２脚以上の音叉を用いた角速度センサで
   あって、前記各脚の各側面に設けた励振あるいは検出用
   の電極の端部を前記音叉の基部の主面の一つに集め、前
   記基部の他の面を基台に固定し、前記主面に回路素子の
   少なくとも一部を搭載し、かつ該回路素子と前記電極と
   の前記主面上での接続を行ったことを特徴とする角速度
   センサ。
8. 【請求項８】 前記回路素子は前記主面の一つの面上に
   搭載されたＩＣチップであることを特徴とする請求項７
   の角速度センサ。
9. 【請求項９】 前記ＩＣチップは前記主面の一つの面上
   にダイボンディングされており、前記ＩＣチップと前記
   電極の端部とはワイヤボンディングで接続されているこ
   とを特徴とする請求項８の角速度センサ。
10. 【請求項１０】 ２脚または多脚の音叉を用いた角速度
    センサであって、前記音叉に設けた複数の電極は個々に
    切替え回路を経由して励振・検出回路に接続されてお
    り、前記切替え回路は制御回路によって操作されて、励
    振作用と角速度検出作用とが共通の電極を用いて交互に
    行われることを特徴とする角速度センサ。
11. 【請求項１１】 前記励振作用と前記角速度検出作用と
    の一方で使用され他方では使用されない電極は、前記切
    替え回路によって不使用時に所定の電位に接続されるこ
    とを特徴とする請求項１０の角速度センサ。
12. 【請求項１２】 前記音叉の材料が圧電性の磁器である
    ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかの角速
    度センサ。
13. 【請求項１３】 前記音叉の材料が圧電性の結晶である
    ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかの角速
    度センサ。
14. 【請求項１４】 前記音叉の材料が水晶材であり、前記
    主面は水晶材のＸ軸にほぼ平行あるいは垂直であり、前
    記脚の軸方向はＹ軸の方向にほぼ近いことを特徴とする
    請求項１ないし１１のいずれかの角速度センサ。
15. 【請求項１５】 音叉の材料が水晶材であり、前記主面
    の法線は水晶材のＸ軸と１５°ないし７５°傾斜してお
    り、前記脚の軸方向はＹ軸の方向にほぼ近いことを特徴
    とする請求項１ないし１１のいずれかの角速度センサ。
16. 【請求項１６】 前記脚の断面寸法がほぼ正方形である
    ことを特徴とする請求項１ないし１５の角速度センサ。