(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉型振動子と、この音叉型振動子の一方の脚部に形成された第１の励振電極および第１の検出電極と、前記音叉型振動子の他方の脚部に形成された第２の励振電極および第２の検出電極とを備え、前記第１および第２の励振電極に交流電圧を印加することによって前記音叉型振動子を振動させながら、前記第１および第２の検出電極に生ずる電圧信号に基づいて前記脚部の伸縮方向の回りに作用する回転角速度を検出する音叉型角速度検出センサにおいて、
前記第１の励振電極と前記第１の検出電極とが前記一方の脚部の滑動端付近を出発点として同一距離内に並置して形成され、
前記第２の励振電極と前記第２の検出電極とが前記他方の脚部の滑動端付近を出発点として同一距離内に並置して形成され、
前記第１の励振電極と前記第１の検出電極との間に第１のグランド電極が形成され、
前記第２の励振電極と前記第２の検出電極との間に第２のグランド電極が形成され、
前記第１のグランド電極が前記一方の脚部の先端部に形成した第１のバランス電極に接続され、
前記第２のグランド電極が前記他方の脚部の先端部に形成した第２のバランス電極に接続されていることを特徴とする音叉型角速度検出センサ。
【請求項２】
請求項１に記載された音叉型角速度検出センサにおいて、
前記励振電極と前記検出電極とが、前記脚部の全長をＬとしたとき、前記脚部の滑動端付近を出発点として０．４Ｌ〜０．６Ｌの間に並置して形成されていることを特徴とする音叉型角速度検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【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を印加することによって音叉型振動子が振動している時、音叉型振動子の脚部の伸縮方向の回りに作用する回転角速度の大きさとその回転方向を、検出電極に生ずる電圧信号の大きさと、励振振動信号との位相比較により検出する音叉型角速度検出センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
所定方向に沿って振動している振動子、例えば直交座標軸平面（Ｘ−Ｚ平面）におけるＸ軸に沿って振動している振動子がこのＸ−Ｚ平面と直交するＹ軸の回りに回転すると、その回転角速度により振動子にＺ軸方向にコリオリの力が生じる。このコリオリの力は角速度の大きさに比例して定まることから、コリオリの力を振動子の撓み変位量として間接的に、或いは歪量として圧電素子の圧電効果、歪ゲージの抵抗変化などで直接的に測定すれば、振動子のＹ軸方向の回りに作用した回転角速度の大きさを求めることができる。このため、振動する振動子を角速度検出素子として車両や航空機等に搭載し、その走行或いは飛行軌跡を記録したり旋回時に発生するヨーレイトを検出することが行われている。また、この角速度検出素子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。
【０００３】
図５は音叉型水晶振動子を用いた従来の音叉型角速度検出センサの要部を示す図である。同図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）をＡ方向から見た図である。図５において、１は音叉型水晶振動子、２−１〜２−４は励振電極、３−１〜３−４は検出電極であり、励振電極２−１〜２−４は水晶振動子１の一方の脚部１−１の先端の上下および左右の面に、検出電極３−１〜３−４は水晶振動子１の他方の脚部１−２の先端の左右の面に形成されている。
【０００４】
この音叉型角速度検出センサにおいては、励振電極２−１と２−３とが端子Ｐ１に共通に接続され、励振電極２−２と２−４とが端子Ｐ２に共通に接続され、この端子Ｐ１とＰ２との間に交流電圧が印加される。このため、ある時は図５（ｂ）中に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向の電界が発生することにより、水晶振動子１の一方の脚部１−１が、更に他方の脚部１−２も連動して、左右に振動する。
【０００５】
ここで、脚部１−１，１−２の振動方向をＸ軸方向、このＸ軸方向と直交する紙面内の方向、すなわち脚部１−１，１−２の伸縮方向をＹ軸方向、このＸ−Ｙ平面と直交する方向（水晶振動子１の板面に垂直な方向）をＺ軸方向とした場合、Ｙ軸方向の回りに回転角速度が作用すると、コリオリの力によりＺ軸方向の振動成分が生じる。この振動成分の大きさはコリオリの力に比例しているので、水晶振動子１の他方の脚部１−２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。
【０００６】
これにより、検出電極３−１と３−４とを共通に接続した端子Ｐ３と、検出電極３−２と３−３とを共通に接続した端子Ｐ４との間に、ある時には矢印の方向、次には逆方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号ｅが得られる。この電圧信号ｅ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、この電圧信号ｅは基本的にサインカーブとして得られ、この電圧信号ｅの波形と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。
【０００７】
なお、端子Ｐ１とＰ２との間に印加される交流電圧の振幅は、図示せぬ温度補償回路によって、温度変化により素子の諸定数、振動姿態が変化しても、一定の振幅に保たれる。また、端子Ｐ１とＰ２との間に印加される交流電圧に対して、端子Ｐ３とＰ４との間に得られる電圧信号ｅは桁違いに小さい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の音叉型角速度検出センサによると、水晶振動子１の一方の脚部１−１の振動（励振）が他方の脚部１−２に伝わりにくい。このため、端子Ｐ３とＰ４との間に得られる電圧信号ｅが小さくなり、充分な大きさの検出信号が得にくいという問題があった。また、一方の脚部１−１の振動が他方の脚部１−２に伝わるまでに時間がかかり、センサとしての立ち上がりが遅いという問題もあった。
【０００９】
なお、別のタイプの音叉型角速度検出センサとして、図６に示すように、水晶振動子１の一方の脚部１−１の先端部に励振電極２−１〜２−４を形成し、脚部１−１の根元部に検出電極３−１〜３−４を形成したセンサがある。しかし、この音叉型角速度検出センサでは、小型化した場合に、脚部１−１に励振電極２−１〜２−４と検出電極３−１〜３−４を構成するのが難しい。また、励振電極２−１〜２−４が脚部１−１の先端部に配置されるので、脚部１−１を振動させにくく、充分な大きさの検出信号が得にくい。
【００１０】
また、図６に示した音叉型角速度検出センサに対し、水晶振動子１の一方の脚部１−１の先端部に検出電極３−１〜３−４を形成し、脚部１−１の根元部に励振電極２−１〜２−４を形成することが考えられる。この場合、励振電極２−１〜２−４が脚部１−１の滑動端Ｓの付近に形成されるため、脚部１−１を振動させ易くなる。しかし、この場合、滑動端Ｓの付近が最も歪が大きいのに対し、脚部１−１の先端部の歪は小さく、充分な大きさの検出信号を得ることができない。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、充分な大きさの検出信号を得ることのできる、またセンサとしての立ち上がりが速く、小型化も容易に可能な、音叉型角速度検出センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明は、音叉型振動子の一方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第１の励振電極と第１の検出電極とを同一距離内に並置して形成し、他方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第２の励振電極と第２の検出電極とを同一距離内に並置して形成し、第１の励振電極と第１の検出電極との間に第１のグランド電極を形成し、第２の励振電極と第２の検出電極との間に第２のグランド電極を形成し、第１のグランド電極を一方の脚部の先端部に形成した第１のバランス電極に接続し、第２のグランド電極を他方の脚部の先端部に形成した第２のバランス電極に接続したものである。
この発明によれば、一方の脚部の最も歪が大きい滑動端付近を出発点として、第１の励振電極と第１の検出電極とが同一距離内に並置され、また、他方の脚部の最も歪が大きい滑動端付近を出発点として、第２の励振電極と第２の検出電極とが同一距離内に並置され、効率よく大きな検出信号が得られる。また、第１の励振電極と第１の検出電極との間が第１のグランド電極によってインシュレートされ、また第２の励振電極と第２の検出電極との間が第２のグランド電極によってインシュレートされ、両者間の電気的な漏れ（クロストーク）とノイズが抑制される。また、第１および第２のバランス電極の面積や厚さ等を調整することにより、一方の脚部と他方の脚部との質量バランスの調整を行うことが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す音叉型角速度検出センサの要部を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は左側面図、同図（ｃ）は右側面図、同図（ｄ）は同図（ａ）を裏面側から見た図である。図２は図１（ａ）におけるII−II線断面図である。
【００１９】
これらの図において、４は音叉型水晶振動子、５（５−１〜５−３）は第１の励振電極、６（６−１〜６−３）は第２の励振電極、７（７−１〜７−４）は第１の検出電極、８（８−１〜８−４）は第２の検出電極、９（９−１，９−２）は第１のグランド電極、１０（１０−１，１０−２）は第２のグランド電極、１１（１１−１，１１−２）は第１のバランス電極、１２（１２−１，１２−２）は第２のバランス電極である。
【００２０】
第１の励振電極５と第１の検出電極７とは、水晶振動子４の一方の脚部４−１の滑動端Ｓ１付近を出発点として、同一距離Ｌ１内に並置して形成されている。また、第２の励振電極６と第２の検出電極８とは、水晶振動子４の他方の脚部４−２の滑動端Ｓ２付近を出発点として、同一距離Ｌ２内に並置して形成されている。この実施の形態では、脚部４−１，４−２の全長をＬとしたとき、Ｌ１，Ｌ２（Ｌ１＝Ｌ２）が０．４Ｌ〜０．６Ｌの間とされている。
【００２１】
第１の励振電極５において、励振電極５−１，５−２は脚部４−１の上下の面に、励振電極５−３は脚部４−１の右側面（内面）に形成されている。第２の励振電極６において、励振電極６−１，６−２は脚部４−２の上下の面に、励振電極６−３は脚部４−３の左側面（内面）に形成されている。
【００２２】
第１の検出電極７において、検出電極７−１，７−４は脚部４−１の上下の面に、検出電極７−２，７−３は左側面（外面）に形成されている。第２の検出電極８において、検出電極８−１，８−４は脚部４−２の上下の面に、検出電極８−２，８−３は右側面（外面）に形成されている。
【００２３】
第１のグランド電極９において、グランド電極９−１は脚部４−１の上面かつ励振電極５−１と検出電極７−１との間に、グランド電極９−２は脚部４−１の下面かつ励振電極５−２と検出電極７−４との間に形成されている。第２のグランド電極１０において、グランド電極１０−１は脚部４−２の上面かつ励振電極６−１と検出電極８−１との間に、グランド電極１０−２は脚部４−２の下面かつ励振電極６−２と検出電極８−４との間に形成されている。
【００２４】
第１のバランス電極１１において、バランス電極１１−１は脚部４−１の先端部上面に、バランス電極１１−２は脚部４−１の先端部下面に形成されている。第２のバランス電極１２において、バランス電極１２−１は脚部４−２の先端部上面に、バランス電極１２−２は脚部４−２の先端部下面に形成されている。
【００２５】
図２では各電極の接続関係を分かり易いように結線図として示している。すなわち、この音叉型角速度検出センサにおいて、励振用電極５−１と５−２と６−３とが端子Ｔ１（Ｔ１U ，Ｔ１D ）に共通に接続され、励振用電極６−１と６−２と５−３とが端子Ｔ２（Ｔ２U ，Ｔ２D ）に共通に接続されている。また、検出用電極７−１と７−３とが端子Ｔ３（Ｔ３U ，Ｔ３D ）に共通に接続され、検出用電極７−２と７−４とが端子Ｔ４（Ｔ４U ，Ｔ４D ）に共通に接続され、検出用電極８−１と８−３とが端子Ｔ５（Ｔ５U ，Ｔ５D ）に共通に接続され、検出用電極８−２と８−４とが端子Ｔ６（Ｔ６U ，Ｔ６D ）に共通に接続されている。
【００２６】
また、グランド電極９−１およびバランス電極１１−１とグランド電極９−２およびバランス電極１１−２とが端子Ｔ７（Ｔ７U ，Ｔ７D ）に共通に接続され、グランド電極１０−１およびバランス電極１２−１とグランド電極１０−２およびバランス電極１２−２とが端子Ｔ８（Ｔ８U ，Ｔ８D ）に共通に接続されている。
【００２７】
なお、この実施の形態では、励振電極５，６や検出電極７，８はその厚さを１０００〜１５００オングストローム、グランド電極９，１０やバランス電極１１，１２はその厚さを５０００オングストローム以上としている。また、グランド電極９，１０はバランス電極１１，１２と端子Ｔ７，Ｔ８とをつなぐリード配線を兼ねており、バランス電極１１，１２は大面積とされている。図２では分かり易いように各電極の厚さは同じとして示している。
【００２８】
この角速度検出センサにおいては、端子Ｔ１とＴ２との間に交流電圧を印加する。これにより、ある時は図２中に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向に電界が発生することにより、水晶振動子４の脚部４−１，４−２が左右に振動する。
【００２９】
ここで、脚部４−１，４−２の振動方向をＸ１，Ｘ２軸方向、このＸ１，Ｘ２軸方向と直交する紙面内の方向、すなわち脚部４−１，４−２の伸縮方向をＹ１，Ｙ２軸方向、このＸ−Ｙ平面と直交する方向（水晶振動子４の板面に垂直な方向）をＺ１，Ｚ２軸方向とした場合、Ｙ１，Ｙ２軸方向の回りに回転角速度が作用すると、コリオリの力によりＺ１，Ｚ２軸方向の振動成分が生じる。
【００３０】
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、水晶振動子４の脚部４−１，４−２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。これにより、検出電極７−１と７−３とを共通に接続した端子Ｔ３と、検出電極７−２と７−４とを共通に接続した端子Ｔ４との間に、また検出電極８−１と８−３とを共通に接続した端子Ｔ５と、検出電極８−２と８−４とを共通に接続した端子Ｔ６との間に、ある時には矢印の方向、次には逆方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号ｅ１，ｅ２が得られる。
【００３１】
この電圧信号ｅ１，ｅ２の大きさによって、Ｙ１，Ｙ２軸方向すなわち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、この電圧信号ｅ１，ｅ２は基本的にサインカーブとして得られ、この電圧信号ｅ１，ｅ２の波形と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。
【００３２】
この実施の形態では、両方の脚部４−１，４−２によってＹ軸方向の回りに作用する回転角速度が検出されるので、片方の脚部によって検出するようにした場合に比べ、その検出感度がアップする。
【００３３】
また、この実施の形態では、励振電極５と検出電極７とが脚部４−１の滑動端Ｓ１付近を出発点として、また励振電極６と検出電極８とが脚部４−２の滑動端Ｓ２付近を出発点として、０．４Ｌ〜０．６Ｌ内に並置して形成されているので、２次モード振動を抑圧した充分な大きさの検出信号を得ることができる。
【００３４】
すなわち、この実施の形態では、励振電極５，６が脚部４−１，４−２の滑動端Ｓ１，Ｓ２の付近に形成されているため、脚部４−１，４−２を振動させ易い。また、滑動端Ｓ１，Ｓ２付近は最も歪が大きく、この歪の大きい滑動端Ｓ１，Ｓ２付近でＺ１，Ｚ２軸方向の振動成分を検出するようにしているので、充分な大きさの検出信号を得ることができる。また、滑動端Ｓ１，Ｓ２付近を出発点として励振電極５，６が０．４Ｌ〜０．６Ｌ内に形成されているので、２次モード振動のＣＩ値が基本波振動のＣＩ値よりも大きくなり、２次モード振動を抑圧することができる。なお、この２次モード振動の抑圧については、本出願人による実公昭５６−４１３８７号公報に示されているので、ここでの詳しい説明は省略する。
【００３５】
また、この実施の形態では、励振電極５と検出電極７とが脚部４−１に、また励振電極６と検出電極８とが脚部４−２に並置して形成されているので、すなわち励振電極と検出電極とが同一箇所に配置されているので、小型化し易く、センサとしての立ち上がりも速くなる。
【００３６】
また、この実施の形態では、励振電極５と検出電極７との間にグランド電極９が、また励振電極６と検出電極８との間にグランド電極１０が形成されているので、励振電極５と検出電極７との間がグランド電極９によってインシュレートされ、また励振電極６と検出電極８との間がグランド電極１０によってインシュレートされ、両者間の電気的な漏れ（クロストーク）とノイズが抑制される。
【００３７】
また、この実施の形態では、脚部４−１，４−２の先端部に設けたバランス電極１１，１２の面積や厚さ等を調整することにより、脚部４−１と脚部４−２との質量バランスの調整を行うことができ、動作をより安定化することが可能となる。この場合、脚部４−１，４−２を振動させ、質量バランスの調整を行いながら、バランス電極１１，１２を形成する方法が考えられる。また、バランス電極１１，１２を形成した後で、脚部４−１，４−２を振動させながら、電極を部分的に除去し、質量バランスの調整を行う方法が考えられる。
【００３８】
なお、この実施の形態においては、励振電極５，６を脚部４−１，４−２の内側に検出電極７，８を外側に形成したが（図３参照）、励振電極５，６を脚部４−１，４−２の外側に検出電極７，８を内側に形成するようにしてもよい（図４参照）。この場合、検出電極７，８を外側に形成するようにした方が、水晶振動子４が大きく伸縮するので、大きな検出信号が得られる。また、励振電極５，６を内側に形成するようにした方が、検出電極７，８を内側に形成するよりも製作が簡単となる。
【００３９】
すなわち、励振電極５，６を内側に形成するようにした場合、励振電極５−３，６−３が脚部４−１，４−２の内面に位置し、これらの電極は１つの電極であるので形成し易い。これに対して、検出電極７，８を内側に形成するようにした場合、検出電極７−２，７−３，８−２，８−３が脚部４−１，４−２の内面に位置し、これらの電極は２つの電極であるので形成しにくい。
【００４０】
また、この実施の形態においては、音叉型振動子として水晶を用いたが、水晶に限られるものではない。例えば、チタン酸バリウムを用いてもよく、種々の圧電材料の使用が可能である。また、この実施の形態においては、音叉型振動子を用いたが、Ｈ型振動子に応用することも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、音叉型振動子の一方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第１の励振電極と第１の検出電極とを同一距離内に並置して形成し、他方の脚部に、その脚部の滑動端付近を出発点として第２の励振電極と第２の検出電極とを同一距離内に並置して形成したので、歪の最も大きい両方の脚部の滑動端付近で励振と検出が行われるようになり、効率よく大きな検出信号が得られるようになる。また、センサとしての立ち上がりが速くなり、小型化も容易に可能となる。また、片方の脚部によって回転角速度を検出する場合に比べ、その検出感度がアップする。
また、本発明によれば、第１の励振電極と第１の検出電極との間に第１のグランド電極を形成し、第２の励振電極と第２の検出電極との間に第２のグランド電極を形成し、第１のグランド電極を一方の脚部の先端部に形成した第１のバランス電極に接続し、第２のグランド電極を他方の脚部の先端部に形成した第２のバランス電極に接続したので、第１の励振電極と第１の検出電極との間が第１のグランド電極によってインシュレートされ、第２の励振電極と第２の検出電極との間が第２のグランド電極によってインシュレートされ、両者間の電気的な漏れ（クロストーク）とノイズが抑制されるものとなる。
また、本発明によれば、第１および第２のバランス電極の面積や厚さ等を調整することにより、一方の脚部と他方の脚部との質量バランスの調整を行うことが可能となり、動作をより安定化させることができるようになる。
また、本発明において、励振電極と検出電極とを、脚部の全長をＬとしたとき、脚部の滑動端付近を出発点として０．４Ｌ〜０．６Ｌの間に並置すれば、２次モード振動を抑圧しかつ充分な大きさの検出信号を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態を示す音叉型角速度検出センサの要部を示す図である。
【図２】  図１（ａ）におけるII−II線断面図である。
【図３】  この音叉型角速度検出センサの各電極の配置状況を示す斜視図である。
【図４】  励振電極を脚部の外側に検出電極を脚部の内側に形成した例を示す斜視図である。
【図５】  音叉型水晶振動子を用いた従来の音叉型角速度センサの要部を示す図である。
【図６】  音叉型水晶振動子を用いた従来の音叉型角速度センサの別の例を示す図である。
【符号の説明】
４…音叉型水晶振動子、４−１，４−２…脚部、５（５−１〜５−３）…第１の励振電極、６（６−１〜６−３）…第２の励振電極、７（７−１〜７−４）…第１の検出電極、８（８−１〜８−４）…第２の検出電極、９（９−１，９−２）…第１のグランド電極、１０（１０−１，１０−２）…第２のグランド電極、１１（１１−１，１１−２）…第１のバランス電極、１２（１２−１，１２−２）…第２のバランス電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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