(57)【要約】【課題】  従来の慣性センサ素子はＹ−Ｚ平面内の屈曲振動で励振させるが、その際に脚部付け根部分がＳ字型に歪み、対向している脚部は内側に向かうＸ軸方向成分を含む振動が発生（振動漏れ）する。そのため回転運動をしていなくても、角速度検出端子Ｅ３、Ｅ４には、振動漏れにより発生する電荷が検出される。これらの振動漏れ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、少なくとも複数の脚部を有している圧電材料から構成された慣性センサ素子において、対向している脚部先端の内側部分に凸部（錘）を備えたことを特徴とする慣性センサ素子で、対向している脚部先端内側に備えられた凸部（錘）の重量は、凸部分を除いた脚部の重量に対して０から２０％の重量比で備えること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】
少なくとも複数の脚部を有している圧電材料から構成された慣性センサ素子において、
対向している脚部先端の内側部分に凸部を備えたことを特徴とする慣性センサ素子。
【請求項２】
請求項１記載の慣性センサ素子において、対向している脚部先端内側に備えられた凸部の重量は、凸部分を除いた脚部の重量に対して０から２０％の重量比であることを特徴とする慣性センサ素子。
【請求項３】
請求項１記載の慣性センサ素子において、
対向している脚部先端の内側部分に備えられた凸部は慣性センサ素子を構成している圧電材料とは、同一の部材で構成されていることを特徴とする慣性センサ素子。
【請求項４】
請求項１記載の慣性センサ素子において、
対向している脚部先端の内側部分に備えられた凸部は慣性センサ素子を構成している圧電材料とは、異なる部材で構成されていることを特徴とする慣性センサ素子。
【請求項５】
請求項１記載の慣性センサ素子において、
対向している脚部先端の内側部分に備えられた凸部と内側部分に備えられた凸部重量以下の凸部を脚部外側にも備えていることを特徴とする慣性センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、船舶、自動車などの姿勢制御や位置検出などに用いる慣性センサ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
慣性センサには様々な種類があるが、組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、振動型の角速度センサがある。従来よりある振動型の慣性センサは、四角柱を振動させて回転に伴って働くコリオリの力を検出するものである。
このような従来の慣性センサとして、図８に示すように、音叉型振動子を用いたものがある（特許文献１）。
【０００３】
従来よりある慣性センサに用いる圧電振動子は、図８（ａ）の斜視図に示すように、２本の音叉脚部８０１、８０２と音叉基部８０３を備えている。また音叉脚部８０１、８０２には、図８（ｂ）の断面図に示すように、電極８１１、８１２、８１３、８１４および電極８２１、８２２、８２３、８２４を備えている。なお、図８（ａ）では、電極を省略している。
【０００４】
音叉脚部８０１においては、電極８１１と電極８１３が音叉脚部８０１を挟んで対向配置され、電極８１２と電極８１４が音叉脚部８０１と挟んで対向配置されている。また、電極８１１と電極８１２は同一の面に形成され、電極８１３と電極８１４も同一の面に形成されている。
また、図８（ｂ）に模式的に示すように、音叉脚部８０１においては、電極８１１と電極８１４が同極とされ、電極８１２と電極８１３とは、異極とされている。
【０００５】
一方、音叉脚部８０２においては、音叉脚部８０２の４つの側面の各々に、電極８２１、８２２、８２３、８２４が設けられ、電極８２１と電極８２２とが音叉脚部８０２を挟んで対向配置され、電極８２３と電極８２４とは異極とされている。
【０００６】
以上に示したように構成された音叉型振動子による慣性センサにおいて、音叉脚部８０２は角速度検出脚となり、端子Ｅ３、Ｅ４が角速度検出端子となる。また、音叉脚部８０１は振動子励振部であり、端子Ｅ１、Ｅ２が振動子励振端子となる。
【０００７】
ここで、端子Ｅ１に負、端子Ｅ２に正となるように直流電圧を印加すると、電解は矢印のように働き、音叉脚部８０１に示す電解成分の向きが反対となり、音叉脚部はＺ方向に曲げを生じる。従って、端子Ｅ１、Ｅ２に交流電圧を印加すると、音叉脚部８０１、８０２はＹ−Ｚ平面内で屈曲振動をする。
【０００８】
この状態で、Ｙ軸の回りに回転運動を発生させて角速度を発生させると、Ｙ−Ｚ平面に垂直となる方向に、角速度に比例したコリオリの力が発生し、Ｘ軸方向の成分を持った屈曲振動を引き起こす。このときに音叉脚部８０２に発生するＸ軸方向に応じた電荷のみを、電極８２１、８２２、８２３、８２４に誘電すれば、角速度検出端子Ｅ３、Ｅ４より角速度の大きさを検出することが可能となる。
【特許文献１】特開平１０−１９７２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の慣性センサ素子はＹ−Ｚ平面内の屈曲振動で励振させるが、その際に脚部付け根部分がＳ字型に歪み、対向している脚部は内側に向かうＸ軸方向成分を含む振動が発生（振動漏れ）する。そのため回転運動をしていなくても、角速度検出端子Ｅ３、Ｅ４には、振動漏れにより発生する電荷が検出され、振動漏れによる誤検出が発生していた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の慣性センサは、圧電材料から構成された対向している複数の脚部と、励振電極および検出電極を備え、棒状の部分には少なくとも励振電極もしくは検出電極のいずれかが形成された慣性センサ素子において、脚部先端に複数で構成された脚部が対向している面に凸部（錘）を備えたものである。ここで、凸部（錘）とは、基部に備えられた棒状の部分（脚部）の先端に、側面（Ｙ−Ｚ平面）からＸ方向に向かって延長した（付加された）部分であり、脚部とは凸部を含まない棒状部分である。
【発明の効果】
【００１１】
この慣性センサ素子では複数の脚部の脚部どうしが互いに対向している面の先端部分に凸部（錘）を備えることで、Ｙ−Ｚ平面内の屈曲振動をする際、脚部内側のモーメントを大きくすることで脚部の振動がＹ−Ｚ平面内で平行になるように振動のバランスを調節することができる。そのため振動漏れを小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
Ｙ−Ｚ平面内の屈曲振動で励振させる慣性センサの振動漏れを小さくさせるために、水晶からなる音叉型振動子の２本の脚部先端の対向している面に脚部との重量比が９％となるような凸部備える。
【実施例１】
【００１３】
以下本発明による一実施形態を図面を参照しながら説明する。なお実施例に示す凸部（錘）は、該当する各図面中ではハッチング表示を変えて描画した部分である。図１は、本発明の実施の形態における慣性センサ素子の構成例を示す斜視図（ａ）および脚部の断面を示す断面図（ｂ）である。この慣性センサは水晶からなり、２本の音叉脚部１０１、１０２を備えた音叉型振動子である。音叉脚部１０１、１０２のＸ方向の凸部を除いた寸法Ｗｘは０．３８ｍｍ、Ｚ方向の寸法Ｗｚは０．４５ｍｍ、Ｙ方向の長さＬ１は４．７ｍｍであり、音叉基部を含めた全体の長さは７ｍｍである。また凸部のＸ方向の寸法Ｗｍは０．２ｍｍ、Ｙ方向の寸法Ｌｍは１．０ｍｍである。音叉脚部１０１において、電極１１１、１１４は同極とされて、端子Ｅ２に接続されている。また、電極１１２、１１３が同極とされ、端子Ｅ１に接続されている。一方、音叉脚部１０２において、電極１２１、１２２は同極とされ、端子Ｅ３に接続されている。また、電極１２３、１２４は同極とされ、端子Ｅ４に接続されている。
【００１４】
以上に示したように構成された音叉型振動子による慣性センサにおいて、音叉脚部１０２は角速度検出部となり、電極１２１、１２２と電極１２３、１２４とが角速度検出電極となる。また、音叉脚部１０１は振動子励振部であり、電極１１１、１１４と電極１１２、１１３とが振動子励振電極となる。なお、図１におけるＸＹＺの直交座標系において、Ｘ軸は、慣性センサを構成する水晶の電気軸を示し、Ｙ軸は機械軸、Ｚ軸は光軸である。
【００１５】
ところで、水晶などの圧電材料は、圧電−逆圧電効果を有している。本実施の形態の慣性センサにおいても、適正に構成された電極を介して電気軸に平行に電解をかけると、機械軸に平行に歪（伸あるいは縮）が発生する（逆圧電効果）。これに対し、外部から機械的な外力歪（この場合はコリオリの力による歪）が、本慣性センサに印加されると、歪んだ部分に大きさに比例した電荷が発生する（圧電効果）。この電荷が発生する箇所に適正に構成された電極を配すると、発生した電荷を有効に集める事が可能となる。ここで脚部先端の内側に備えられた凸部（錘）の一端がＸ軸方向に対して６０°になっているのは、水晶のエッチングの異方性、結晶性によるものである。
【００１６】
ここで、電極１１１、１１４に正、電極１１２、１１３に負となるように直流電圧を印加すると、音叉脚部は、Ｚ方向に曲げを生じる。従って、電極１１１、１１４と電極１１２、１１３との間に交流電圧を印加すると、音叉脚部１０１、１０２はＹ−Ｚ平面で屈曲振動を起こす（励振する）。
【００１７】
この状態で、Ｙ軸の回りに回転運動を発生させると、Ｙ−Ｚ平面に垂直となるＸ方向に、角速度に比例したコリオリの力が発生し、Ｘ方向の成分を持った屈曲振動を引き起こす。この屈曲振動により、音叉脚部１０２には、圧電効果により電荷が発生し、これが、角速度検出電極である電極１２１、１２２と電極１２３、１２４により検出され、端子Ｅ３、Ｅ４より出力される。発生する電荷は、発生させた回転運動の角速度に比例した量となるので、角速度検出電極により検出される電気信号で、角速度の大きさを求めることができる。また、上記電荷の極性と励振信号の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の方向も検知することが可能となる。
【００１８】
以上のように構成された図１に示す慣性センサ素子によれば、音叉脚部の先端部のそれぞれ対向している面に凸部（錘）を設けることによって、Ｙ−Ｚ平面内の屈曲振動が、脚部内側のモーメントが大きくなるため、捻りが少なくＹ−Ｚ平面に対して平行な振動を得ることができる。また、脚部根元、センサ基部への振動の伝播が小さくなることにより、支持することによる歪みを小さくすることができる。
【００１９】
この結果、本実施の形態によれば、励振したＺ方向の振動が、検出側のＺ方向に漏れることが抑制されるようになる。従って、コリオリの力が発生していない状態における、角速度検出電極による誤検出が抑制できるようになり、従来より高い精度で角速度を検出できるようになる。
【００２０】
ここで、凸部（錘）と脚部の重量比と、振動漏れとの関係について考察した結果を以下に示す。
図４は、凸部と凸部を除いた脚部の重量の割合を変化させたときの、脚部先端での振動漏れの変化を示している。凸部を備えていない従来のものは図４中横軸が零の時であり、従来のものに凸部を加え、大きくしていくことで振動漏れは小さくなっていくが、凸部と脚部の重量比が９％となった点よりも凸部を大きくしていくと、逆に振動漏れは大きくなることを示している。凸部と脚部の重量比が９％よりも大きくしていくと、凸部によって振動のバランスは悪くなり、振動漏れが大きくなる。図４中でグラフが３種類あるのは、慣性センサ素子の２本の音叉脚部の幅（スリット幅）の違いであり、図４によると、凸部と脚部の重量比の関係はスリット幅によらないことを示している。
【００２１】
図５はＹ−Ｚ平面内の屈曲振動をする際、凸部と脚部の重量比を変化させたとき、脚部の根元部分のねじれがＸ軸方向に生じる量を示す。これより、凸部（錘）と脚部の重量比が大きいほど、脚部の根元でのねじれは小さくなる。
【００２２】
図６は慣性センサ素子が自由振動を行なう際（支持をおこなっていない）のセンサ基部の振動変位を示している。これより、凸部（錘）と脚部の重量比が大きいほど、センサ基部の振動変位は小さくなる。これより慣性センサ素子を片持ちで支持した場合、凸部（錘）と脚部の重量比が大きいほど、センサ基部の振動による歪みが小さくなる。
【実施例２】
【００２３】
また図２に示したように、図１で示した音叉脚部の内側に凸部（錘）を備えている構造の慣性センサ素子に、音叉脚部の外側にも凸部（錘）を備え、振動のバランスを調節するようにしても良い。
図７は音叉脚部内側の凸部と脚部との重量比が９％で固定したとき、音叉脚部の内側の凸部（Ｍｉｎ）と音叉脚部の外側の凸部（Ｍｏｕｔ）の重量比を変化させたときの振動漏れの変化を示している。図７より、音叉脚部外側の凸部を大きくしていくほど、振動漏れは大きくなる。しかし、音叉脚部の外側の凸部（Ｍｏｕｔ）と内側の凸部（Ｍｉｎ）の重量比が同じ（Ｍｏｕｔ／Ｍｉｎ＝１）ものであっても、脚部先端部に凸部を備えていないものと比較すると振動漏れは小さい。また、音叉脚部内側の凸部を脚部との重量比を９％よりも大きくした場合、音叉脚部外側に適切な大きさの凸部を備えることで、脚部内側のみに、脚部との重量比が９％の凸部を備えたものと同等に振動漏れを小さくすることができる。
【実施例３】
【００２４】
ところで、上述した実施の形態では、本発明を音叉型振動子に適応した場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、図３に示すように、２つの音叉型振動子を音叉基部で接続したものでもよい。
【００２５】
また、上述した実施の形態では、水晶を用いるようにしたが、これに限るものではなく、ニオブ酸リチウムの結晶や、圧電セラミックなど、他の圧電材料を用いるようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
ビデオカメラの画像補正用、航空機、船舶、自動車などの姿勢制御、位置検出などに用いられる角速度センサとしてだけではなく、加速度と角速度の測定が可能な慣性センサにも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態における慣性センサ素子の構成例を示す斜視図（a）、および脚部に形成する電極配置を示す断面図である。
【図２】この発明の他の形態における慣性センサ素子の構成例を示す斜視図である。
【図３】この発明の他の形態における慣性センサ素子の構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明による慣性センサ素子の凸部と凸部を除いた脚部の重量の割合を変化させたときに発生する脚部先端の振動漏れの変化量を示す特性図である。
【図５】本発明による慣性センサ素子の凸部と脚部の重量比を変化させたときに発生する脚部の根元部分のねじれ特性を示す特性図である。
【図６】本発明による慣性センサ素子の自由振動を行なう際（支持をおこなっていない）センサ基部の振動変位の特性を示す特性図である。
【図７】本発明による慣性センサ素子の音叉脚部内側の凸部と脚部との重量比が９％で固定したとき、音叉脚部の内側の凸部（Ｍｉｎ）と音叉脚部の外側の凸部（Ｍｏｕｔ）の重量比を変化させたときの振動漏れの変化量を示す特性図である。
【図８】従来技術の慣性センサ素子の構成例を示す斜視図（a）、および脚部に形成する電極配置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１、１０２            ・・・・音叉脚部
１０３            ・・・・・・・・音叉基部
１１１、１１２、１１３、１１４・・励振電極
１２１、１２２、１２３、１２４・・検出電極
E１、E２、E３、E４・・・・・・端子
８０１、８０２      ・・・・・・・音叉脚部
８０３            ・・・・・・・・音叉基部
８１１、８１２、８１３、８１４・・励振電極
８２１、８２２、８２３、８２４・・検出電極
【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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【図７】
2005156395.tif 000009
【図８】
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