(57)【要約】【課題】音叉型慣性センサ素子の慣性質量アンバランスを改善することを目的とする。【解決手段】課題を解決するために本発明は、Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子を用いた音叉型慣性センサ素子において、前記２つの脚部の幅寸法をＷ１、前記基部の幅寸法をＷ２としたとき、Ｗ１＜Ｗ２の関係の形状により課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子を用いた音叉型慣性センサ素子において、
前記２つの脚部の幅寸法をＷ１、前記基部の幅寸法をＷ２としたとき、Ｗ１＜Ｗ２の関係の形状を持つことを特徴とする音叉型慣性センサ素子。
【請求項２】
Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子を用いた音叉型慣性センサ素子であって、前記少なくとも２つの脚部の間の寸法をＬ１、前記脚部と基部の主面の外寸法をＬ２としたとき、Ｌ１≧Ｌ２の寸法形状を持つ音叉型慣性センサ素子において、
前記２つの脚部の幅寸法をＷ１、前記基部の幅寸法をＷ２、としたとき、Ｗ２／Ｗ１の寸法比が１＜Ｗ２／Ｗ１＜１．５の関係にあることを特徴とする音叉型慣性センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、慣性センサのひとつである、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、旋回時に発生するヨーレイト（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ヨーレイトやロールレイト（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。
【０００４】
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。
【０００５】
図６は水晶を用いた音叉型角速度センサ素子の形状を示す斜視図である。同図において１０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１０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６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。
【０００６】
この角速度センサ素子において、図７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。
【０００７】
ここでセンサ素子１０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７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１０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。
【０００８】
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１０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１０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。
【０００９】
これにより、図７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。
【００１０】
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。
【００１１】
端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４をそれぞれワイヤボンディングまたは、金属バンプなどで外部に接続をおこなう。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−１９７２５３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に振動を用いた角速度センサにおいて、小型化を図るために振動枝（脚部間）を中心軸に近づけることによりＺ軸方向の純粋な振動とならず、中心軸（Ｙ軸に平行）の回りに回転するような（すなわちＸ軸方向成分を持った）振動をするようになる。
【００１４】
この様な振動モードが発生すると音叉型慣性センサ素子が回転することにより発生するコリオリ力に比例して純粋なＺ軸方向成分として正確に伝えることができないという課題がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そこで上記の課題を解決するために本発明は、Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子を用いた音叉型慣性センサ素子において、前記２つの脚部の幅寸法をＷ１、前記基部の幅寸法をＷ２としたとき、Ｗ１＜Ｗ２の関係の形状を持つことを特徴とする音叉型慣性センサ素子である。
【００１６】
またその素子形状については、前記音叉型慣性センサの少なくとも２つの脚部の間の寸法をＬ１、前記脚部と基部の主面の外寸法をＬ２としたとき、Ｌ１≧Ｌ２の寸法形状を有するとき、Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子の前記２つの脚部の幅寸法をＷ１、前記基部の幅寸法をＷ２としたとき、Ｗ２／Ｗ１の寸法比が１＜Ｗ２／Ｗ１＜１．５の関係にあることを特徴とする。
【００１７】
要するに本発明では、音叉型慣性センサ素子における、「Ｚ軸方向の振動モードはＹ軸を中心としする回転運動を伴い、コリオリ力が働くＺ軸方向成分の一部を回転運動に変えてしまう」という課題を解決するために、音叉型振動子の脚部と基部との慣性質量バランスを効率的な寸法比とすることにより、従来の課題に記述した（図８）、音叉型慣性センサ素子における脚部外寸法（Ｗ１）と基部幅寸法（Ｗ２）との寸法関係をＷ１＜Ｗ２とすることにより、振動系の外側に質量が付加され振動枝は正確なＺ軸方向成分を持って振動することにより振動子の振動姿態異常を補正するものである。
【００１８】
その結果、従来に示す図８の慣性質量のアンバランスを解消することにより、Ｘ軸に平行に往復運動をしている振動枝にＹ軸回りの回転が加わると見かけの慣性力のひとつであるコリオリの力が発生しＺ軸方向の成分を持つ振動モードとなる。このとき、Ｗ１＜Ｗ２の関係の素子形状であれば、大きくなった部分が質量となり、これが慣性質量となり外側端が動き難くなるため、回転モーメント（θ）によるねじれの発生を防止することで課題を解決する。
【００１９】
【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。また本明細書では慣性センサ素子の一例として具体的には音叉型角速度検出センサ素子を事例として説明する。
【００２０】
図１は本発明の音叉型角速度検出センサ素子の一例を示す斜視図であり、図２は図１の上部から見た図を示す上面図である。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。
【００２１】
この音叉型慣性センサ素子１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。
【００２２】
ここで音叉型慣性センサ素子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、音叉型慣性センサ素子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。
【００２３】
ここで本願発明について、図３の音叉型慣性センサ素子１の要部拡大図で説明する。図３は図１で示す音叉型慣性センサ素子１の外形形状に注目した側面図で、電極は図示しない。ここで図３の音叉型慣性センサ素子１を形成する脚部と基部との形状に注目すると、Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子を用いた音叉型慣性センサ素子１で、２つの脚部の幅寸法をＷ１、基部の幅寸法をＷ２としたとき、Ｗ１＜Ｗ２の関係の形状を持つことを特徴とする。
【００２４】
またその一方で、音叉型振動子の少なくとも２つの脚部の間の寸法をＬ１、脚部と基部の主面の外寸法をＬ２としたとき、Ｌ１≧Ｌ２の寸法形状を有するとき、Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子の２つの脚部の幅寸法をＷ１、基部の幅寸法をＷ２としたとき、Ｗ２／Ｗ１の寸法比が１＜Ｗ２／Ｗ１＜１．５の関係の寸法構成となっている。ここで、本実施例に記載するＷ１寸法、Ｗ２、Ｌ１、Ｌ２寸法は音叉型慣性センサ素子１を水晶材料で構成し、エッチング加工で処理する場合の、水晶材料の異方性に伴う形状は考慮していない。
【００２５】
なお、本実施例に示す音叉型慣性センサ素子は、図３に示す各部寸法を以下の寸法で設計したもので励振側の振動周波数が３５ｋＨｚ（検出側も同様）である。脚部主面の幅寸法が０．２４ｍｍ、脚部間の隙間が ０．６ｍｍ、素子の全体の長さが５ｍｍとなる。
【００２６】
そして、本発明により図４に示すように音叉型慣性センサ素子の慣性質量のバランスとして評価したとき、脚部と基部の寸法の違いで大きいな効果をもたらし、図中に示すようにＺ軸方向の振動モードはＹ軸を中心としする回転運動を伴い、コリオリ力が働くＺ軸方向成分の一部を回転運動に変えてしまう従来の現象（図８）を改善するものである。
【００２７】
また、音叉型振動子の２つの脚部の間の寸法をＬ１、脚部と基部の主面の外寸法をＬ２としたとき、Ｌ１≧Ｌ２の関係でその差は０．０７０ｍｍが最善と考えられ、この条件を基本として音叉型慣性センサ素子１を設計した場合、Ｙ軸に平行に基部から突出した少なくとも２つの脚部を持つ音叉型振動子の２つの脚部の幅寸法をＷ１、基部の幅寸法をＷ２としたときのＷ２／Ｗ１の寸法比は、脚部と基部の寸法差（１＜Ｗ２／Ｗ１＜１．５）は図５に示すようなバランス特性を持っていることから、Ｗ２／Ｗ１は１．２６〜１．２８程度が最も最良の慣性質量バランスを得るものと考えられる。
【００２８】
なお、本実施例に示す音叉型慣性センサ素子１は、音叉型形状を一例として説明しているが、音叉型慣性センサ素子１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。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、音叉型振動子の脚部と基部との慣性質量バランスを効率的な寸法比とすることにより、従来発生していたＺ軸方向の振動モードはＹ軸を中心としする回転運動を伴い、コリオリ力が働くＺ軸方向成分の一部を回転運動に変えてしまう振動現象を解消できることから、製造歩留まりの向上と、角速度検出器の精度の向上が図れ、製品品質の改善と製造工程の簡略化の実現も行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の音叉型慣性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。
【図３】本発明の素子要部外形を示す部分拡大図である。
【図４】本発明で慣性質量バランスが改善された様子を示す概念図である。
【図５】Ｗ２／Ｗ１の寸法比と慣性質量バランスの関係を示す特性図である。
【図６】従来の音叉型慣性センサ素子の概略図の一例を示した斜視図である。
【図７】従来の音叉型慣性センサ素子（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８】従来の音叉型慣性センサ素子で慣性質量がアンバランスの状態で動作する状態を示す概念図である。
【符号の説明】
１、１０                        慣性（角速度検出）センサ素子
Ｂ１、Ｂ１０                    基部
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
【図１】
2004205426.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004205426.tif 000007
【図６】
2004205426.tif 000008
【図７】
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【図８】
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