(57)【要約】【課題】駆動用の電極と検出用の電極をそれぞれ駆動や検出の効率の高い箇所に配置することで、検出精度を高めることができるセンサと、ジャイロセンサを提供すること。【解決手段】圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ２０であって、固定されるための基部２１と、この基部から平行に延びる複数の振動腕２２，２２とを有していて、前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に設けたスリット４０によって分割された複数の分割基部３５，３５とされており、前記各振動腕に駆動用の電極２５ａ，２５ｂが設けられるとともに、前記分割基部に検出用の電極２７ａ，２７ｂを設けた。【選択図】    図１
2004251853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、
固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、
前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に設けたスリットによって分割されており、
前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けたことを特徴とする、圧電材料を利用したセンサ。
【請求項２】
前記圧電材料が単結晶材料であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項３】
前記圧電材料が水晶であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項４】
前記振動腕に長手方向に沿って溝が形成されており、この溝に前記駆動用電極が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項５】
前記基部には複数の溝が形成され、これら複数の溝の圧電材料を挟んで対向する壁面に前記検出用電極を形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項６】
圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、
固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、
前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に、両側に位置する振動腕の長さ方向に延びるように設けた長孔によって分割されており、
前記長孔を挟んだ両側の基部を、前記長孔の一部の領域で結合する結合部を有し、
さらに、前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けたことを特徴とする、圧電材料を利用したセンサ。
【請求項７】
前記長孔が貫通孔であることを特徴とする請求項６に記載の圧電材料を利用したセンサ。
【請求項８】
圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、
前記センサ本体を励振する手段と、
前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、
前記センサ本体が、
固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、
前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に設けたスリットによって分割されており、
前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けたことを特徴とする、ジャイロセンサ。
【請求項９】
圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、
前記センサ本体を励振する手段と、
前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、
前記センサ本体が、
固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、
前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に、両側に位置する振動腕の長さ方向に延びるように設けた長孔によって分割されており、
前記長孔を挟んだ両側の基部を、前記長孔の一部の領域で結合する結合部を有し、
さらに、前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けたことを特徴とする、ジャイロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料の振動や変位等を検出することで、角速度を検出するセンサ及びジャイロセンサの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電材料の振動や変位等を利用して、加速度や角速度等を検出する各種のセンサが広く利用されている。
図１４は、従来の圧電材料を利用したセンサの簡単な構成例を示しており、図１５は図１４のＡ−Ａ線断面図、図１６は図１４のＢ−Ｂ線断面図である（特許文献１参照）。
図１４において、センサ１は、圧電材料により形成された矩形の基部２と、この基部２から、図においてＹ１の方向に平行に延びる振動腕３，４を備えている。
各振動腕３，４には駆動用の電極と検出用の電極が形成されており、図１４では簡略化のため一方の振動腕４にだけ表されている。
【０００３】
すなわち、振動腕３の根元付近には、図１４及び図１６に示されているように駆動用電極５，５，５，５が形成されている。振動腕４の先端付近には、図１４及び図１５に示されているように検出用電極６，６，６，６が形成されている。
このようなセンサ１の駆動用電極５，５，５，５に駆動電圧を与えることで、振動腕３，４は図１４の矢印Ｃに示すように、その各先端が互いに接近，離間するように屈曲振動する。この状態において、図１４のＹ１軸の回りに、角速度ωが作用すると、コリオリの力によって、振動腕３，４には、矢印Ｄに示  Ｙ１−Ｚ１面内の変位が生じる。
この変位は、振動腕３，４がＹ１−Ｚ１面内で矢印Ｄ方向に交互に屈曲振動する所謂ウオーク振動であり、この変位により圧電材料に生じる電界が検出用電極６，６，６，６により信号として取り出され、かくして角速度ωを検出することができるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような、センサ１においては、ひとつの振動腕４の先端側と根元側に、それぞれ駆動用電極と検出用電極を形成している。つまり、ひとつの振動腕４に駆動用電極と検出用電極とをともに形成している。
ところが、センサ１では、振動腕３，４が駆動されることで矢印Ｃ方向に屈曲振動する場合にも、センサ１に角速度ωが作用することで生じる矢印Ｄ方向に屈曲振動する場合にも、圧電材料としては、振動腕３，４の付け根の箇所が最も応力が大きくなる。
このため、駆動用電極と検出用電極のうち、振動腕の付け根に近い電極では、駆動もしくは検出の効率が高いが、先端側に設けた方は効率が落ちる。つまり、駆動用電極と検出用電極の少なくとも一方の効率が、低下するという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特許第２９７７１３６号
【０００６】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、駆動用の電極と検出用の電極をそれぞれ駆動や検出の効率の高い箇所に配置することで、検出精度を高めることができるセンサ、およびそのセンサを利用したジャイロセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第１の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に設けたスリットによって分割されており、前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けた、圧電材料を利用したセンサにより、達成される。
【０００８】
第１の発明の構成によれば、圧電材料で形成されていて、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサに適用される。この場合、「振動」とは外部から作用する力に基づいて、圧電材料に生じる「振動や変位もしくは変形等」を全て含む。
この発明のセンサでは、前記振動腕に駆動用の電極が設けられている。すなわち、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕の付け根や股部に近い箇所には、駆動用の電極が設けられることで、センサの駆動効率が向上する。また、センサの振動腕が外部から加えられる力に基づいて、屈曲振動を生じると、これにともない基部に応力が加わることが見いだされた。したがって、このような応力が加わる基部に前記スリットを形成することで、基部のスリットが形成された領域である両側の部分が、振動腕の屈曲振動にしたがって、変形もしくは変位しやすいようになる。このため、基部に検出用の電極を設けると、この基部の変位により生じる検出信号を効率よく取り出すことができる。
かくして、本発明は、駆動用の電極と検出用の電極をそれぞれ駆動や検出の効率の高い箇所に配置することで、検出精度を高めることができるという効果を発揮することができる。
ここで、基部とは、センサをパッケージ等に固定するための箇所であり、駆動電圧を印加して励振する目的がない箇所である。振動腕とは、駆動用電圧を印加して、積極的に励振するための箇所である。したがって、前記スリットにより分割された領域は、駆動電圧を印加して積極的に励振させる箇所ではない。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記圧電材料が単結晶材料であることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、圧電材料が単結晶材料である場合には、多結晶材料に比べて安定性は高いが電気機械的結合係数が低いので、安定した感度を有するセンサを得ることができるという利点がある。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明のいずれかの構成において、前記圧電材料が水晶であることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、水晶は単結晶材料の中で最も安定しているため、特に検出感度が安定したセンサを構成することができる。
【００１１】
第４の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかの構成において、前記振動腕に長手方向に沿って溝が形成されており、この溝に前記駆動用電極が形成されていることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、前記振動腕に長手方向に沿って溝を形成して、駆動用の電極を設けると、振動腕の電界効率が向上する。
【００１２】
第５の発明は、第１ないし第４の発明のいずれかの構成において、前記基部には複数の溝が形成され、これら複数の溝の圧電材料を挟んで対向する壁面に前記検出用電極を形成することを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、基部の圧電材料において、検出信号を得るための電界効率が向上し、検出効率を高めることができる。
【００１３】
上述の目的は、第６の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に、両側に位置する振動腕の長さ方向に延びるように設けた長孔によって分割されており、前記長孔を挟んだ両側の基部を、前記長孔の一部の領域で結合する結合部を有し、さらに、前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けた、圧電材料を利用したセンサにより、達成される。
第６の発明の構成によれば、基部を分割する形態が異なる以外は、第１の発明の構成と共通しており、共通する作用を発揮できる。特に、第６の発明では、基部の分割が、長孔を利用して行われ、長孔の一部の領域で両側の基部を結合する結合部を備えている。このため、駆動電圧が印加されて振動腕が振動する際には、この基部がより変形しにくく、応力の集中が抑制されることから、検出用電極の検出信号にノイズが乗りにくくなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明の構成において、前記長孔が貫通孔であることを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、基部を分割するための長孔が貫通孔であると、前記基部が、振動腕の屈曲振動にしたがって、一層変形もしくは変位しやすくなる。
【００１５】
また、上述の目的は、第８の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、前記センサ本体を励振する手段と、前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、前記センサ本体が、固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に設けたスリットによって分割されており、前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、前記基部に検出用の電極を設けた、ジャイロセンサにより、達成される。
第８の発明の構成によれば、この発明のジャイロセンサのセンサ本体を構成するための前記振動腕に駆動用の電極が設けられている。すなわち、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕の股部や付け根に近い箇所には、駆動用の電極が設けられることで、ジャイロセンサの駆動効率が向上する。また、ジャイロセンサの振動腕が外部から加えられる力に基づいて、屈曲振動を生じる際に応力が加わる前記基部を、スリットにより分割して、より変形しやすくしている。そして、この基部に検出用の電極を設けることで、基部の変位により生じる検出信号を効率よく取り出すことができる。
【００１６】
さらにまた、上述の目的は、第９の発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、前記センサ本体を励振する手段と、前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、前記センサ本体が、固定されるための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを有していて、前記基部の一部が、前記各振動腕の間の股部に、両側に位置する振動腕の長さ方向に延びるように設けた長孔によって分割されており、前記長孔を挟んだ両側の基部を、前記長孔の一部の領域で結合する結合部を有し、さらに、前記各振動腕に駆動用の電極が設けられるとともに、この基部に検出用の電極を設けた、ジャイロセンサにより、達成される。
第９の発明の構成によれば、基部を分割する形態が異なる以外は、第８の発明の構成と共通しており、共通する作用を発揮できる。特に、第９の発明では、基部の分割が、長孔を利用して行われ、長孔の一部の領域で両側の基部を結合する結合部を備えている。このため、駆動電圧が印加されて振動腕が振動する際には、基部がより変形しにくく、応力の集中が抑制されることから、検出用電極の検出信号にノイズが乗りにくくなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサの概略平面図であり、図２は図１のＥ−Ｅ線切断端面図、図３は図１のＦ−Ｆ線切断端面図である。
これらの図において、符号２０で示すセンサ本体は、後述するジャイロセンサのセンサ本体として利用されたり、例えば、流水中のプロペラの回転等を検出してフローセンサ等に応用できるセンサとして利用されるものである。以下の説明では、符号２０に対応するセンサはジャイロセンサのセンサ本体として説明する。
【００１８】
図１において、センサ本体２０は、圧電材料で形成されており、好ましくは、単結晶の圧電材料で、例えば、水晶が使用されている。この場合、水晶以外の圧電材料として、例えば、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。
図１において、Ｘ方向は水晶のＸ軸（電気軸）、Ｙ，Ｚ方向は水晶のＹ軸（機械軸）、Ｚ軸（光軸）を示している。
図において、センサ本体２０は一方向（図においてＹ方向）に延びるほぼ矩形の基部２１と、この基部２１から、股部２４を挟んで、図においてＹ方向に平行に延びる一対の振動腕２２，２２とを有する、所謂音叉型の圧電振動片の形態を備えている。
【００１９】
センサ本体２０の基部２１は、上述した一対の振動腕２２，２２の間の股部２４の箇所、言い換えると、センサ２１の幅方向の中心の箇所に、振動腕２２，２２の長さ方向と同じ方向であるＹ方向に延びるスリット４０が設けられている。図５は、スリット４０の形態を理解しやすいように、実際のスリット４０よりも幅を大きくして示した説明図である。図示されているように、スリット４０は股部２４の箇所から始まり、その終端部４０ａは、後述する切欠き部３３，３３の箇所であるＬ１の位置まで形成されている。スリット４０の終端部４０ａは、好ましくは、スリット４０の幅よりも大きな内径を有する円形に形成されている。このような終端部４０ａを形成することで、スリット４０の終端部が補強されている。
【００２０】
図１及び図５に示されているように、上述のスリット４０によって、基部２１の一部、すなわち、先端側は、図において左右に同じ大きさで分割されている。基部２１の分割された領域を、以下、「分割基部」と言い、図示の場合、基部２１の先端側は、分割基部３５，３５とされている。
このようにすることで、各振動腕２２，２２に対応して、分割基部３５，３５がそれぞれ設けられることになる。
ここで、基部２１は、後述するように、センサ２０をパッケージ等に固定するための箇所であり、駆動電圧を印加して励振する目的がない箇所である。これに対して、振動腕２２，２２は、駆動用電圧を印加して、後述する音叉振動を行う箇所である。したがって、分割基部３５，３５は、各振動腕２２，２２に対応して分割形成されるものであるが、駆動用の電極を設けず、音叉振動に関与しない箇所である。
【００２１】
振動腕２２，２２には、それぞれの根元部、もしくは付け根２２ａ，２２ａの箇所に近接して、長さ方向に延びる溝２３，２３が形成されている。この溝２３，２３は、図２に示すように、振動腕２２の表裏に同様の形状となるように形成されている。
また、各溝２３，２３には、そのほぼ全長にわたって、センサ２０に駆動電圧を印加するための駆動用の電極である励振電極が形成されている。具体的には、溝２３の各側壁と、各側壁に近接した振動腕２２の各側壁とで互いに対になるように、互いに異極となる励振電極２５ａ，２５ｂが形成されている。この励振電極２５ａ，２５ｂは、例えば、圧電材料の表面に、スパッタリング．蒸着法によりクロム及び金を成膜することにより形成することができる。
【００２２】
そして、図１に示されているように、励振電極２５ａ，２５ｂは、例えば基部２１の長さ方向の中央付近で、幅方向の両端に、それぞれ設けた引き出し電極３１，３１と接続されている。
さらに、センサ本体２０の基部２１の長さ方向の中央付近で、幅方向の両端には、くびれ部もしくは切欠き部３３，３３が形成されている。これにより、振動腕２２，２２からの振動の基部２１側への漏れ込みを抑制するようになっている。
【００２３】
また、図１に示すように、分割基部３５，３５には、それぞれ検出用の電極２７ａ，２７ｂと２７ａ，２７ｂを備えている。
さらに、この実施形態では、図１及び図３に示されているように、好ましくは、各分割基部３５，３５に、それぞれ、Ｙ方向に延びる平行な各一対の検出用溝２６，２６，２６，２６を形成している。図３に示すように、分割基部３５の検出用溝２６，２６は、この分割基部３５の表面と裏面に同様の構成で、それぞれ形成されている。
【００２４】
そして、図３に示すように、これらの各一対の検出用溝２６，２６においては、圧電材料を挟んで対向する壁面に検出用電極２７ａ，２７ｂを形成している。検出用電極２７ａ，２７ｂは、互いに異極となるようにされている。このような検出用電極２７ａ，２７ｂは、検出用溝を形成せずに分割基部３５の表面に設けても、検出用電極２７ａと検出用電極２７ｂとの間で電界が形成されるので、信号検出を行うことができる。しかしながら、図３のように各一対の検出用溝２６，２６を形成して、検出用電極２７ａ，２７ｂを設けるのが好ましい。
これにより、分割基部３５を構成する圧電材料においては、その表面もしくは裏面において電界が形成されるだけでなく、溝の厚み方向にわたり、検出用電極２７ａ，２７ｂの間で、矢印で示すように電界が形成されることで、検出信号を得るための電界効率が向上し、検出効率を高めることができる。
【００２５】
ここで、基部２１に形成する検出用電極２７ａ，２７ｂと、これを形成するための検出用溝２６，２６は、分割基部３５の表面もしくは裏面のいずれか一方に形成してもよい。
しかしながら、本実施形態のように、分割基部３５の表面及び裏面にそれぞれ検出用溝２６，２６を設けると、分割基部３５の構造を表面と裏面でバランスさせることができ、屈曲振動がより適切に行われる。また、分割基部３５の表面と裏面に検出用電極２７ａ，２７ｂを設けて、圧電材料の振動（変形もしくは変位）をそれぞれ検出することで、所定の信号処理によって振動レベルを向上させることができる。
【００２６】
図４は、センサ本体２０がウオーク振動をしている状態を側面から見た説明図である。
また、図６と図７は、センサ２０に対応した音叉型振動片２０−１に関して、その屈曲振動により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いてコンピュータにより解析した図である。この音叉型振動片２０−１には、スリットにより分割された分割基部がなく従来の形態と同じものである。
【００２７】
図６は、振動腕２２−１，２２−１が、駆動電圧を印加された場合に、矢印Ｈに示すように交互に接近離間するように屈曲振動を行う様子を示しており（音叉振動）、図７は振動腕２２−１，２２−１が、図６の駆動が行われ、かつ所定の角速度が作用した状態で、コリオリ力が作用して、矢印Ｉに示すように、ウオーク振動による屈曲振動を行う様子を示している。
【００２８】
これらの図において、アルファベットの小文字の符号ａないしｉを付した各領域が応力の大きさによる境界で仕切られた領域の区分を示し、アルファベットの順序にしたがって、応力が大きくなっている。
図６に示されているように、振動腕２２−１，２２−１が、駆動電圧を印加された場合には、振動腕２２−１，２２−１の間の股部２４−１付近に最も大きな応力が集中しており、順次、振動腕２２−１，２２−１の各付け根２２ａ−１，２２ａ−１は応力が大きく、振動腕の先端にむかって次第に応力は小さくなっていて、基部２１−１には、殆ど応力が加わっていないか、加わる応力は僅かである。
【００２９】
これに対して、図７に示されているように、ウオーク振動時においては、振動腕２２−１，２２−１の各付け根２２ａ−１，２２ａ−１は応力が大きく、振動腕の先端にむかって次第に応力は小さくなっている点は、図６と共通する。図７が、図６と異なるのは、ウオーク振動時には、基部２１−１の振動腕側の領域Ａ１においても作用する応力が比較的大きくなっている点である。図７では、領域Ａ１は基部２１−１の右側に現れているが、左側の振動腕２２−１が紙面において遠ざかる位置に来た際には、領域Ａ１は基部２１の左側に現れる。
【００３０】
このような検討を通じて、本発明者等は、音叉型振動片２０−１の駆動電圧を印加した屈曲振動時（図６）の場合には、ほとんど基部２１−１に応力が働かないが、ウオーク振動時（図７）には、基部２１−１の領域Ａ１には、比較的大きな応力が作用していることを見いだした。
このような知見に基づいて、図１に示すように、センサ２０は、駆動用の電極である励振電極２５ａ，２５ｂは、各振動腕２２，２２の付け根２２ａ，２２ａから近い位置で、各振動腕２２，２２に設けた溝２３，２３内に形成した。
さらに、スリット４０により、基部２１の一部を分割基部３５，３５として、検出用電極２７ａ，２７ｂを、分割基部３５に形成した検出用溝２６，２６内に設けるようにしたものである。
【００３１】
これにより、図１のセンサ２０では、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕２２，２２の付け根２２ａ，２２ａに近い箇所には、駆動用の電極２５ａ，２５ｂが設けられることで、センサの駆動効率が向上する。また、センサ２０に外部から加えられる角速度ωに基づいて、コリオリ力の作用により、矢印Ｚ方向に屈曲振動を生じると、これにともない、図７で説明したように基部２１−１に大きな応力が加わることが見いだされた。したがって、このような応力が加わる基部２１を分割して、分割基部３５，３５とし、検出用の電極２７ａ，２７ｂを設けることで、検出信号を効率よく取り出すことができるようにしたものである。
【００３２】
図４に示されているように、基部２１の振動腕２２側の一部である分割基部３５は、ウオーク振動時に振動腕２２とともに僅かに変形する。この変形が検出信号として取り出される。尚、図４では、分割基部３５の変形もしくは変位につき理解の便宜のため実際よりも極端な状態で表している。
図８及び図９は、図１で説明したセンサ本体２０のように、スリット４０−２により基部２１の一部をふたつの分割基部３５−２，３５−２を設けた場合に、このセンサ２０−２について、それぞれ音叉振動時とウオーク振動時の応力の集中箇所を、図６及び図７と同様の手法でそれぞれ示した図である。
【００３３】
図８を参照すると、音叉振動時においては、振動腕２２−２，２２−２に関しては、その付け根２２ａ−２，２２ａ−２の各内側付近に大きな応力が作用しており、順次、先端側に向かって、次第に応力は小さくなる。そして、基部２１−２に関しては、応力は分割基部３５−２，３５−２の間のスリット４０−２の周辺に集中しており、図１で検出用電極を設けた付近には、応力はほとんどかからない。したがって、分割基部３５−２，３５−２は音叉振動にほとんど関与しておらず、音叉振動によるノイズが検出用電極に乗りにくいことが理解される。
【００３４】
これに対して、図９に示されているように、センサ２０−２がウオーク振動している状態では、各分割基部３５−２，３５−２の広い範囲にわたり応力がかかっており、分割基部３５−２，３５−２の領域に検出用電極を設けることで、適切に振動を検出することができることが理解される。
【００３５】
以上の説明から明らかなように、図１のセンサ本体２０では、振動腕２２，２２の付け根２２ａ，２２ａや股部２４に近い箇所には、励振電極２５ａ，２５ｂが設けられることで、センサの駆動効率が向上する。また、センサ本体２０の振動腕２２が角速度ωに基づいて振動を生じると、これにともない基部２１に応力が加わることが見いだされた。したがって、このような応力が加わる基部２１に前記スリット４０を形成することで、基部２１のスリット４０が形成された領域である分割基部３５，３５が、振動腕２２，２２の振動にしたがって、変形もしくは変位しやすいようになる。このため、分割基部３５，３５に検出用の電極２７ａ，２７ｂをそれぞれ設けると、各分割基部３５，３５の変位により生じる検出信号を効率よく取り出すことができる。
【００３６】
図１０は、本発明の第２の実施形態の要部を示しており、図示される構造を除き第２の実施形態は、第１の実施形態の主要部を共通に備えている。したがって、図１０において、第１の実施形態と同一の符号を付した箇所は共通した構成であるから、重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
センサ本体６０においては、図１のセンサ本体２０のスリットに代えて、同じ位置に長孔４１が形成されている。
図１０の場合、長孔４１は、貫通しており、その振動腕２２，２２側の端部は、結合部４２により、各分割基部３５，３５を結合する構成とされている。
【００３７】
具体的には、長孔４１の一部は、リードフレームのタイバーのようなバー形状の結合部４２を備えており、スリットとなっていない。このようなバー形状の結合部４２は、センサ６０の製造の際に、音叉型の水晶振動片をエッチングしてその外形を形成する際に、長孔４１は外形とともにエッチングし、長孔４１の一部をハーフエッチングすることで形成できる。
【００３８】
これにより、センサ本体６０では、音叉振動時の分割基部３５，３５側への振動漏れが一層低減されるようになっている。これに対して、ウオーク振動時には、各分割基部３５，３５は、第１の実施形態とほぼ同等に変位することができる。したがって、第２の実施形態のセンサ本体６０も、第１の実施形態のセンサ本体２０と共通した作用効果を発揮できるものであり、さらに、音叉振動におけるノイズが、検出信号に乗ることがより低減されるので、より一層、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
また、センサ本体６０に設ける長孔４１は、貫通孔でなくてもよく、例えば、図１０の長孔４１の形状を有底の溝部で形成するようにしてもよい。この場合は溝の底部が、結合部として機能する。
【００３９】
図１１及び図１２は、図１０で説明したセンサ本体６０のように、長孔４１−３及び結合部４２−３を設けて、基部２１−３の一部をふたつの分割基部３５−３，３５−３とした場合に、このセンサ６０−３について、それぞれ音叉振動時とウオーク振動時の応力の集中箇所を、図６及び図７と同様の手法でそれぞれ示した図である。
図１１と図８を比較してわかるように、図１１では、センサ本体６０−３の音叉振動時の基部にかかる応力が、より狭い範囲となっている。これに対して、図１２に示されているように、センサ本体６０−３がウオーク振動している際に、分割基部３５−３，３５−３には適切に応力が加わることが理解される。
【００４０】
図１３は、本実施形態による圧電材料を利用したセンサ２０をセンサ本体として利用したジャイロセンサの概略構成例を示すブロック図である。
図において、ジャイロセンサ１０は、センサ本体２０と、このセンサ本体２０を励振させ駆動するための回路及び、センサ本体２０からの信号を検出する回路を備える処理回路５１を有している。
センサ本体２０は、例えば、セラミック等の圧電材料等で形成され図示しないパッケージやケースに収容され、外部との導通を行う端子である引き出し電極３１，３１が導電性接着剤やワイヤボンディング等によりパッケージ内の端子と接続される。
処理回路５１は、図示されているように、後述する各回路を集積したひとつまたは複数の集積回路で形成されており、あるいは処理回路５１に含まれる一部の回路だけ集積回路と別に構成してもよい。
【００４１】
処理回路５１の発振回路５６は、センサ本体２０の励振電極２５ａ，２５ｂに接続された引き出し電極３１に接続され、センサ本体２０の振動腕２２，２２を駆動するための駆動電圧を印加するものである。ＡＧＣ（オート・ゲイン・コントローラ）５５は、発振回路５６の出力信号のゲインを調整して、振動腕２２，２２が一定の振幅で振動するように制御するものである。増幅回路５２，５３は、センサ本体２０の引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ，３２ｂと接続されている。これにより、増幅回路５２，５３は、センサ本体２０の後述するウオーク振動による検出用電極２７ａ，２７ｂの出力信号が引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ，３２ｂを介して入力され、この出力信号を増幅して、増幅回路５２，５３と接続された差動回路５４に与えるものである。
【００４２】
差動回路５４は同期検波回路５７と発振回路５６に接続されている。差動回路５４は、図１で説明したように、複数対、この場合二対の検出用電極２７ａ，２７ｂの出力差を取る。これによりセンサ本体２０に加わった衝撃（加速度）によって生じた不要な検出信号を打ち消すことができる。すなわち、センサ本体２０に角速度が加わると、振動腕はＺ方向に振動し、検出用電極２７ａ，２７ｂからは逆相の信号が出力されるため、差を取ると信号の振幅が倍になる。Ｚ方向に加速度が加わると検出用電極２７ａ，２７ｂから同相信号が出力されるため、差を取るとことで打ち消すことができるものである。差動回路５４の出力信号は、同期検波回路５７に与えられる。同期検波回路５７は、発振回路５６から得られる周波数を基準として、差動回路５４からの出力信号を同期検波するものである。
【００４３】
ジャイロセンサ１０は、以上のように構成されており、このジャイロセンサ１０は、励振手段としての発振回路５６により、振動腕２２，２２に駆動電圧を印加して、矢印Ｇの方向に沿って、所謂音叉振動させる。この際に、Ｙ軸の回りに回転角速度ωが作用すると、振動腕２２，２２は、Ｘ方向の振動の方向と、回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリの力を受けて、ＹＺ平面に沿ってウオーク振動する。
【００４４】
このウオーク振動は、基部２１に伝えられ、基部２１の応力に基づく逆圧電現象により、検出用電極２７ａ，２７ｂに電圧が生じる。この電圧が引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ，３２ｂを介して増幅回路５２，５３に与えられる。増幅回路５２，５３は、増幅した出力信号を差動回路５４に与えると、差動回路５４は検出用電極２７ａ，２７ｂの出力信号の差を取ることで、センサ本体２０に加わった角速度ωを打ち消す。この差動回路５４の出力信号は同期検波回路５７に与えられ、同期検波回路５７は、発振回路５６から得られる周波数を基準として、差動回路５４からの出力信号を同期検波する。これにより、直流電圧に変換し、加速度によるノイズを除去して、角速度に対応した電圧を出力する。
【００４５】
したがって、本実施形態によれば、ジャイロセンサ１０のセンサ本体２０を構成するための振動腕２２，２２に駆動用の励振電極２５ａ，２５ｂが設けられている。すなわち、外部から駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕２２，２２の股部２４や付け根２２ａ，２２ａに近い箇所には、駆動用の電極が設けられることで、ジャイロセンサ１０の駆動効率が向上する。また、ジャイロセンサの振動腕２２，２２が外部から加えられる力である角速度ωに基づいて、屈曲振動を生じる際に応力が加わる基部２１を、スリット４０により分割して、より変形しやすくしている。そして、分割基部３５，３５に検出用の電極２７ａ，２７ｂを設けることで、分割基部３５，３５の変位により生じる検出信号を効率よく取り出すことができる。
さらに、図１３の場合は、センサ本体２０を利用した例を説明したが、第２の実施形態であるセンサ本体６０を、センサ本体２０と全く同様に利用してジャイロセンサを構成できることは言うまでもない。
【００４６】
本発明は上述の実施形態に限定されない。センサに働く角速度を検出する構成のものであれば、ジャイロセンサ等に限らずいかなる名称のセンサにも適用される。
本発明は、基部に対して、一対の振動腕を形成したセンサに限らず、例えば、基部２１を中心として、互いに反対方向に各一対、もしくは複数の数の振動腕が延びる構成のセンサに対しても、同様の原理に基づいて適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るセンサの概略平面図。
【図２】図１のＥ−Ｅ線切断端面図。
【図３】図１のＦ−Ｆ線切断端面図。
【図４】図１のセンサ本体がウオーク振動する場合の変形の様子を示す説明図。
【図５】図１のセンサ本体の要部を示す説明図。
【図６】音叉型振動片を利用した従来のセンサに関して、駆動電圧に基づく屈曲振動（音叉振動）により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図７】音叉型振動片を利用した従来のセンサに関して、ウオーク振動により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図８】スリットにより基部の一部をふたつの分割基部としたセンサに関して、駆動電圧に基づく屈曲振動（音叉振動）により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図９】スリットにより基部の一部をふたつの分割基部としたセンサに関して、ウオーク振動により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るセンサ（本体）の要部を示す概略斜視図。
【図１１】長孔および結合部を設けて基部の一部をふたつの分割基部としたセンサに関して、駆動電圧に基づく屈曲振動（音叉振動）により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図１２】長孔および結合部を設けて基部の一部をふたつの分割基部としたセンサに関して、ウオーク振動により、構造上のどの箇所に応力が集中するかについて、有限要素法を用いたコンピュータによる解析に基づく図。
【図１３】本発明の第１の実施形態のセンサ本体を利用したジャイロセンサの構成例を示すブロック図。
【図１４】従来のジャイロセンサの構成を示す概略斜視図。
【図１５】図１４のＡ−Ａ線断面図。
【図１６】図１４のＢ−Ｂ線断面図。
【符号の説明】
１０・・・ジャイロセンサ、２０，６０・・・センサ，（センサ本体）、２１・・・基部、２２・・・振動腕、２３・・・溝、２４・・・股部、２５ａ，２５ｂ・・・駆動用電極（励振電極）、２６・・・検出用溝、２７ａ，２７ｂ・・・検出用電極、３５・・・分割基部、４０・・・スリット、４１・・・長孔、４２・・・結合部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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