JPH1054723A - 角速度検出装置 - Google Patents

角速度検出装置

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JPH1054723A
JPH1054723A JP8212615A JP21261596A JPH1054723A JP H1054723 A JPH1054723 A JP H1054723A JP 8212615 A JP8212615 A JP 8212615A JP 21261596 A JP21261596 A JP 21261596A JP H1054723 A JPH1054723 A JP H1054723A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】振動型角速度検出装置において、 検出感度の
環境温度変化に基づいくばらつきを抑える。 【解決手段】 振動子と、この振動子を励振する励振手
段と、この励振手段により励振された振動子が回転する
ことに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の振幅
を検出する検出手段と、この検出手段により検出された
振幅の大きさから回転の角速度を演算する角速度演算手
段とを備えた角速度検出装置において、振動子は、ＸＹ
Ｚ三次元座標空間において、ＸＹ平面上のＸ方向に延在
する振動子基体と、この振動子基体の中央部を通るＹ方
向の軸に対してほぼ対称の位置において振動子基体から
＋Ｙの向きに突出する２本の第１振動片と、Ｘ方向の位
置がそれぞれ２本の第１振動子と同じで振動子基体から
−Ｙの向きに突出する２本の第２振動片と、所望のねじ
り剛性を有し振動子基体の中央部から突出しその先端部
が被検出体に固定される単一の支持棒とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステムや姿勢制御などに用いられる角速度検出
装置に関するものであり、特に、振動型の角速度検出装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、振動体に回転を加えるとコリ
オリの力によって回転角速度に応じた新たな振動が発生
することを利用した振動型角速度検出装置が知られてい
る。このような角速度検出装置の一例として、たとえ
ば、特開平７−５５４７９号公報に記載の回転速度セン
サがある。この回転速度センサにおいて用いられている
振動子は、ＸＹ平面において、矩形のフレームの一辺か
ら＋Ｙの向きに２本の励振枝が突出しており、そのフレ
ームの対向する辺から−Ｙの向きに２本ピックアップ枝
が突出した構造を有している。この構造において、励振
枝をＸ方向に励振すると、振動子の回転に伴って発生し
たコリオリの力によって励振枝がＺ方向にも振動し、こ
のＺ方向（ＸＹ平面に垂直な方向）の振動はピックアッ
プ枝に伝達される。ピックアップ枝側では、この伝達さ
れたＺ方向の振動を検出し、検出結果から振動子の回転
角速度を導く。
【０００３】この従来技術における振動子は、フレーム
の内側に取り付け基部を備え、励振枝およびピックアッ
プ枝が設けられているフレームの各辺と取り付け基部と
の間にクロスブリッジが渡されることによりフレームと
取り付け基部とが連結されている。この振動子は、取り
付け基部が被検出体に固定されている固定子に取り付け
られることにより、被検出体に固定される。振動片の一
部が固定されると振動片の振動が低減される。これは固
定子へ振動が伝播してゆくためであり、この振動伝播を
振動の漏れと称する。振動片と固定子との固定強度が高
いほど振動の漏れが大きくなるのであるが、上記従来技
術の回転速度センサは振動子を上述のような構造とする
ことにより、固定強度に柔軟性をもたせ、振動片のＺ方
向の振動のエネルギがフレームを介して固定子に漏れる
ことを抑制している。振動の漏れに起因する検出精度の
低下を抑制しているのである。
【０００４】
【解決すべき課題】しかし、この従来技術の振動子によ
ると、取り付け基部とフレームとが２本のクロスブリッ
ジで、すなわち２カ所で固定されているので、温度変化
によりフレーム、クロスブリッジおよび取り付け基部の
それぞれに引っ張り応力や圧縮応力が加わる。この応力
により、フレームと取り付け基部との間の固定強度が変
動するため、振動の漏れ量も変動し、結果として角速度
検出の感度が環境温度の変化に基づいてばらつくという
問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の角速度検出装置
はこのような問題を解決するために為されたものであ
り、その振動子は、ＸＹＺ三次元直交座標空間におい
て、ＸＹ平面上のＸ方向に延在する振動子基体と、この
振動子基体の中央部を通るＹ方向の軸に対してほぼ対称
の位置において振動子基体から＋Ｙの向きに突出する２
本の第１振動片と、Ｘ方向の位置がそれぞれ２本の第１
振動子と同じで振動子基体から−Ｙの向きに突出する２
本の第２振動片と、所望のねじり剛性を有し振動子基体
の中央部から突出しその先端部が被検出体に固定される
単一の支持棒とを有するものである。
【０００６】この振動子においては、振動子の被検出体
への固定強度は、支持棒のねじり剛性によって決定され
る。この振動子によれば、支持棒のねじり剛性が所望の
値に調整されているので、支持棒からの振動漏れが調整
されており、検出感度が調整されている。また、振動子
基体が被検出体に固定される支持棒と１カ所で連結して
いるので、環境温度の変化に基づいて振動子の各要素が
膨張または収縮しても支持棒から振動子基体に加わる応
力は発生しない。したがって、支持棒のねじり剛性が変
化しないので、振動子基体を経て支持棒に至る振動の漏
れ量が温度変化の影響を受ない。
【０００７】本発明の角速度検出装置は、振動子の支持
棒を振動子基体から−Ｙ方向に突出させ、励振手段で第
１振動片をＸ方向に励振するものとすることができる。
このように構成すると、励振によって振動子基体の第１
振動片側の両第１振動片間に応力集中部ができるが、支
持棒は振動子基体の第２振動片側に設けられているため
に応力集中部と支持棒とが離隔する。そのため、第１振
動片の励振の振動応力が支持棒と両第１振動片との位置
ずれ等に起因して支持棒をＸ方向に振動してしまうとい
う現象が生じない。また、２本の第１振動片間の振動の
伝達を支持棒が妨げないので、Ｑ値が低下しない。さら
に、支持棒からの振動漏れが励振による応力の影響を受
けないため、検出精度が安定している。
【０００８】振動子基体と第１および第２振動片とを１
枚の等厚基板で形成すれば、第１振動片と第２振動片の
それぞれのＸ方向の幅を調整することにより、基板に垂
直な方向すなわちＺ方向の振動については第１振動片と
第２振動片とを連成させつつ、Ｘ方向については連成し
ないようにすることができる。また、基板を水晶単結晶
板とすれば、自身が圧電材料であるため、極性が周期的
に変化する電圧を所定の方向に印加するだけで励振する
ことができ、振動に伴って発生する分極の変化を検出す
るだけで振動を検出できる。
【０００９】また、本発明の角速度検出装置の一形態と
して、励振手段の回路部と第１または第２振動片に設け
られた励振用電極とを接続する配線および検出手段の回
路部と前記第１または第２振動片に設けられた検出用電
極とを接続する配線を備えたメタライズド基板を備え、
支持棒の先端はメタライズド基板に溶着され、このメタ
ライズド基板が被検出体に固定されているものがある。
【００１０】メタライズド基板の配線は焼成されている
ので支持棒を溶着しても配線が損なわれない。
【００１１】また、振動子を同電位の導電材で取り囲め
ば、電磁ノイズの影響を受けない。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１（ａ）は、本発明の角速度検
出装置の一実施形態における振動子１０を示す平面図で
ある。この図において、左右方向をＸ軸とし右向きを正
の向きにとり、上下方向をＹ軸とし上向きを正の向きに
とり、紙面に垂直な方向をＺ軸とし表向きを正の向きに
とっている。振動子１０は、Ｘ軸方向に延在する振動子
基体１１と、振動子基体１１から＋Ｙの向きに延びる励
振用の第１振動片１２および１３と、振動子基体１１か
らそれぞれ第１振動片１２および１３と同軸上で−Ｙの
向きに延びる検出用の第２振動片１４および１５と、第
２振動片１４および１５の間において振動子基体１１か
ら−Ｙの向きに延びる支持棒１６と、支持棒１６の端部
に設けられた固定板１７とが水晶の単結晶基板で一体に
構成されている。
【００１３】ここで、水晶の結晶軸について簡単に説明
する。天然の水晶は、一般に柱状結晶であり、この柱状
結晶の縦方向の中心軸すなわち＜０００１＞結晶軸はＺ
軸または光軸と規定され、Ｚ軸を通り柱状結晶の各表面
に垂直に交わる線はＹ軸または機械軸と規定される。ま
た、Ｚ軸を通りこの柱状結晶の縦方向の稜線と直交する
線はＸ軸または電気軸と規定される。
【００１４】振動子１０に用いられている単結晶基板は
Ｚ板と呼ばれる基板であり、Ｚ軸に垂直ないし略垂直な
面で切り出された単結晶基板である。したがって、本実
施形態においては、結晶方位のＺ軸と、図面上の振動子
１０の配置方向を示す上述したＺ軸とは一致している。
また、水晶のＸ軸およびＹ軸は互いに直交するものが３
組あり、そのうちの一組と図面上の振動子１０の配置方
向を示すＸ軸およびＹ軸とが一致している。なおこの結
晶方位と振動子１０の方向関係は、後に述べる他の実施
形態でも同様である。また、振動子１０に用いられる水
晶は、人工水晶であるがその構造は天然の水晶と同じで
ある。
【００１５】第１振動片１２および１３は互いに同一寸
法であり、本実施形態では共に励振用の振動片として用
いられる。また、第２振動片１４および１５も互いに同
一寸法であり、共に検出用の振動片として用いられる。
第２振動片１４および１５は、第１振動片１２および１
３に対して細くて長く、そのために、第１振動片１２、
１３のＸ方向の固有振動数ｆX1と第２振動片１４、１５
のＸ方向の固有振動数ｆX2とが互いに異なっている。Ｚ
方向の固有振動数も第１振動片と第２振動片とでは互い
に異なっているが、Ｚ方向の振動については、第１振動
片と第２振動片とが連成して振動するため連成の固有振
動数ｆZが存在する。Ｘ方向の振動については第１振動
片と第２振動片との間の振動の伝達率が非常に低いため
連成振動はほとんどない。このように、Ｘ方向の振動に
ついては第１振動片と第２振動片とが連成せず、Ｚ方向
の振動については第１振動片と第２振動片とが連成する
のは、振動子１０全体が非常に薄い水晶基板で一体に形
成されており、振動子基体１１のＹ方向の幅が水晶基板
の厚みに対して十分に広いという形状に起因している。
本実施形態では、第１振動片１２、１３のＸ方向の固有
振動数ｆX1と連成の固有振動数ｆZ との値が非常に近
い値になるように調整されている。
【００１６】各振動片にはそれぞれの用途に応じた電極
が設けられている。すなわち、第１振動片１２および１
３には励振用の電極が、第２振動片１４および１５には
検出用の電極がそれぞれ設けられている。電極の配置に
ついては、図面の微細描写を避けるために、図１（ａ）
では省略されており、これに代えて、図１（ｂ）および
（ｃ）を用いて表示されている。図１（ｂ）および
（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図お
よびＣ−Ｃ断面図である。図示のように、第１振動片１
３には、それぞれ上面、下面および側面の４つの面に電
極２１〜２４が、振動子基体１１との結合部から第１振
動片１３の先端部に向かって、すなわち＋Ｙの向きに、
振動片全長の２／３〜３／４程度の長さに延在してい
る。第１振動片１２にも同様の電極３１〜３４（図３参
照）が設けられている。一方、第２振動片１５には、矩
形断面の４つの角部すなわち稜線部をそれぞれが覆うよ
うに、４つの電極２５〜２８が振動子基体１１との結合
部から第２振動片１５の先端部に向かって、すなわち−
Ｙの向きに、振動片全長の２／３〜３／４程度の長さに
延在している。なお、第２振動片１４にも同様の電極３
５〜３８（図３参照）が設けられている。
【００１７】各電極は、クロムと金の２層構造となって
おり、振動子１０の表面にこれらの金属を蒸着した後
に、フォトリソグラフィ技術を用いて適宜分離すると共
に所望の形状にパターニングすることにより得られる。
また、各電極は固定板１７に設けられているボンディン
グパッド８１〜８４のいずれかと電気的に接続され、そ
こからさらに後述する信号処理回路に接続される。振動
片上の各電極とボンディングパッドとの間の配線は、図
示していないが支持棒１６の表面に膜形成技術により設
けらている。図２は、この振動子１０が４層のメタライ
ズド基板１００上に搭載され、さらに金属製のふた１１
０で密封された状態を示す図であり、同図（ａ）は平面
図、同図（ｂ）は側面図である。
【００１８】メタライズド基板は、一般に９０％ＳｉＯ
2のグリーンのシート（生状態）に、配線やボンディン
グパッド等をタングステンやモリブデンなどの金属で印
刷し、これを多層に積み上げてプレスした後、乾燥させ
て焼成することにより作製されるセラミックスの多層配
線基板のことである。各層の配線間はビアホールと呼ば
れる接続穴によって接続される。このメタライズド基板
は、生の状態（グリーンシートの状態）でのくり抜き加
工が容易なので、表面に段差のある基板を容易に作製す
ることができる。各層はプレス加工されて焼成されてい
るので、また、ビアホールはタングステンやモリブデン
等の金属によって埋められているので、各層間の気密性
は十分に保たれている。さらに、配線にはタングステン
やモリブデンといった高融点金属が用いられているの
で、これらの配線に影響を与えることなく種々の実装部
品を高温でろう付けすることが可能である。
【００１９】メタライズド基板１００は４層構造となっ
ており、最下層である第１層１０１の裏面には、励振、
振動検出および角速度検演算等を行うための回路素子１
１１、１１２が搭載されている。第１層１０１の上には
順に第２層１０２、第３層１０３、第４層１０４が積層
されている。第２層１０２、第３層１０３、第４層１０
４はいずれも中央部が長方形にくり抜かれており、その
開口の長手方向（図２の左右方向）の長さが順に長くな
っていて、図示のように右側を揃えることで左側が階段
状になっている。
【００２０】このメタライズド基板１００の階段部の第
２層１０２上には、振動子１０の固定板１７が半田付け
により溶着固定されており、第３層１０３の表面にはボ
ンディングパッド１３１〜１３４が設けられている。ボ
ンディングパッド１３１〜１３４はそれぞれ図示を省略
した各層の配線およびビアホールを介して回路素子１１
１および１１２に接続されている。振動子１０の固定板
１７を第２層１０２上に溶着してあるので、振動片１２
〜１５を第１層１０１から浮いた状態に保つことができ
る。メタライズド基板１００側のボンディングパッド１
３１〜１３４を第２層１０２上に設けずに第３層１０３
上に設けてあるので、振動子１０のボンディングパッド
８１〜８４との高低差が緩和され、ボンディングワイヤ
１２１〜１２４の結線作業が容易である。
【００２１】金属製の蓋１１０の下端は全周に亘って封
止用樹脂で第４層１０４に固着されている。封止用の樹
脂による固着に代えて半田付けのようなろう付けで固着
してもよい。これにより、振動子１０が納められている
空間が完全に外界から遮断される。この内部空間は真空
引きされており、振動子１０の振動エネルギが空気を媒
介としてロスしないようになっている。
【００２２】第１層１０１の上面１４０は全面が金属膜
で覆われており、この金属膜と金属性の蓋１１０とがビ
アホールを介して電気的に接続されている。したがっ
て、振動子が納められている空間は等電位の金属でほと
んど覆われ、電磁シールドされている。後述する検出回
路等にはオペアンプが使用され、高増幅率の増幅が行わ
れるが、一般に高増幅率を持つ増幅回路は電磁ノイズに
弱く、特にその入力端である素子部からのノイズの侵入
を防ぐ必要がある。電磁シールドはこのようなノイズの
侵入防止に有効である。また、各振動片に設けられた電
極は互いに対向する電極同士でコンデンサを構成してお
り、後述するようにその電荷量の変化から角速度を求め
るものであるが、この電荷量は外部からの電磁ノイズの
影響を受けるので、その影響を抑えるためにも振動子１
０を取り囲む電磁シールドは有効である。なお、第１層
１０１の表面１４０に配線が施されている場合は、電磁
シールド用の金属膜はその配線と接続しないように、そ
の部分を除いて施される。
【００２３】つぎに、回路素子１１１および１１２に搭
載された励振、検出および角速度演算を行う処理回路に
ついて説明する。図３は励振回路５０、検出回路６０お
よび角速度演算回路７０を示すと共に、これらの回路と
振動片１２〜１５に設けられた電極２１〜２８および３
１〜３８との接続関係を示すブロック図である。また、
図４は、第１振動片１２および１３における逆圧電効果
を説明するための図であり、図５は第２振動片１４およ
び１５における圧電効果を説明するための図である。
【００２４】励振回路５０は、電流電圧変換回路５１と
自動利得制御回路５２と駆動回路５３とを備えており、
検出回路６０は、電流電圧変換回路６１および６２と作
動増幅回路６３と同期検波回路６４とを備えている。
【００２５】駆動回路５３は、自動利得制御回路５２の
出力電圧値に応じた振幅で所定の繰り返し周波数のパル
ス波を励振信号として出力するとともに、その出力信号
と９０度位相のずれた信号を同期検波回路６４の検波信
号として出力する回路であり、その出力端子は端子５４
を介して第１振動片１３の側面の電極２２、２４と第１
振動片１２の上下面の電極３１、３３に共通に接続され
ている。第１振動片１２および１３の残りの電極２１、
２３、３２、３４は、互いに共通に端子５５を介して電
流電圧変換回路５１の入力端子に接続されることによ
り、駆動回路５３が出力するパルス波の中間電位に固定
される。
【００２６】図４は、この励振回路５０による第１振動
片の励振動作を説明するものであり、同図（ａ）は第１
振動片１３をＺＸ平面で切った断面図であり、図１
（ｂ）と同等の図である。また、図４（ｂ）は第１振動
片１３の屈曲動作を示した斜視図である。上述したよう
に、電極２１と２３が共通に端子５５に接続され、電極
２２と２４が共通に端子５６に接続されているので、駆
動回路５３の出力パルスがローレベルであると、図４
（ａ）に示すような電圧、すなわち電極２２および２４
には相対的に負の電圧が、電極２１および２３には正の
電圧がそれぞれ各電極に与えられる。駆動回路５３の出
力パルスがハイレベルであれば、その逆の極性が与えら
れる。
【００２７】いま、図４（ａ）のような電圧が印加され
ている状態を考えると、振動片１３の内部には矢印９１
から９４で示したような電界が与えられることになる。
一方、水晶の圧電効果はＺ軸方向には現れないので、圧
電効果に影響を与える有効電界は矢印９５および９６と
なる。水晶の結晶は逆圧電効果により、Ｘ軸の正の向き
に電界が与えられるとＹ軸方向に伸び、Ｘ軸の負の向き
に電界が与えらるとＹ軸方向に縮む。したがって、図４
（ａ）の状態では、振動片１３の電極２４側が縮み、電
極２２側が伸びるため、振動片１３は電極２４を内側に
して屈曲する。電極２１から２４に対する印加電圧の極
性が逆転すると、同様の原理により振動片１３は電極２
２を内側にして屈曲する。したがって、振動片１３の一
端を固定して駆動回路５３から所定周波数のパルス信号
を電極２１、２３に印加すると、振動片１３は図４
（ｂ）に示すようにＸ方向に振動する。
【００２８】なお、本実施形態では、図３に示すように
振動片１３の上下の電極２１および２３と振動片１２の
左右の電極３２および３４とを共通に接続し、振動片１
３の左右の電極２２および２４と振動片１２の上下の電
極３１および３３とを共通に接続しているので、振動片
１２と１３は、Ｘ方向に互いに逆相で振動する。
【００２９】第１振動片１２と１３のＸ方向の振動情報
は、電流電圧変換回路５１および自動利得制御回路５２
を介してフィードバックされる。電流電圧変換回路５１
は、第１振動片１２および１３の屈曲に伴う圧電効果に
よって電極２１、２３、３２、３４に発生した電荷の変
化量を電圧値に変換する回路である。
【００３０】自動利得制御回路５２は、電流電圧変換回
路５１から出力された電圧信号を入力し、その入力電圧
値が大きくなると出力電圧値を小さくし、入力電圧値が
小さくなると出力電圧値が大きくなるように動作する。
したがって、第１振動片１２および１３の振動振幅が大
きくなれば、電極２１、２３、３２、３４に発生する電
荷も大きくなり、電流電圧変換回路５１の出力電圧も大
きくなる。これによって、自動利得制御回路５２の出力
電圧値は低くなり、駆動回路５３の出力パルスの振幅は
小さくなる。このように、駆動回路５３から出力される
パルス信号の振幅はフィードバック制御され、第１振動
片１２および１３の振動振幅は常に安定する。
【００３１】つぎに、図５に示すような第２振動片のＺ
方向の振動を検出する検出回路６０を説明する。第２振
動片１５が図５（ｂ）に示すようにＺ方向に振動して、
＋Ｚの向きに屈曲すると、振動片１５の上側の半分がＹ
方向に縮み、下側の半分がＹ方向に伸びる。水晶の圧電
効果により、Ｙ方向に縮むとＸ方向の誘電分極が生じ、
Ｙ方向に伸びると逆向きのＸ方向の誘電分極が生じる。
そして、誘電分極の強さは伸縮の大きさに依存するので
上面または下面において強く現れ、中間部に向かうほど
弱い。したがって、誘電分極は振動片１５の４つの角部
に集中して現れ、この誘電分極によって角部に設けられ
た各電極２５〜２８には図示のような正または負の電荷
が集まる。つまり、電極２５と２７が同じ極性となり、
これらの極性が電極２６と２８の極性と逆になる。振動
片１５が下側に振れると、同様の原理に基づいて上述し
たものと全く逆の極性が現れる。
【００３２】検出回路６０は、このようにして発生した
振動片１５の各電極における電荷の変化量を検出し、第
２振動片の振動振幅に応じた信号を出力する。本実施形
態では、第１振動片１２、１３をＸ方向に互いに逆相で
励振し、第１振動片と第２振動片とをＺ方向について互
いに逆相で振動させるものなので、第２振動片１４と１
５はＺ方向に関して互いに逆相で振動する。この第２振
動片１４、１５のＺ方向の振動は、第１振動片１２、１
３のＸ方向励振振動がＺ方向振動として漏れたものと、
振動子１０が回転したときに生じるコリオリの力に基づ
いて発生したものとの合成振動であるが、いずれの成分
についても第２振動片１４と１５について互いに逆相と
なる。コリオリの力に基づくＺ方向振動の発生メカニズ
ムの詳細については後述するが、いずれにしろＺ方向に
関して左右逆相の振動が発生するので、図３に示すよう
に第２振動片１５の電極２５と２８に対してこれらと面
対称の位置にある第２振動片１４の電極３６と３７が共
通に接続され、さらに検出回路６０の端子６５に接続さ
れている。そして、残りの電極２６、２７、３５、３８
が共通に検出回路６０の端子６６に接続されている。
【００３３】電流電圧変換回路６１は電極２５、２８、
３６、３７での電荷の変化量を増幅して電圧値に変換す
る回路であり、電流電圧変換回路６２は電極２６、２
７、３５、３８での電荷の変化量を増幅して電圧値に変
換する回路である。作動増幅回路６３は電流電圧変換回
路６１および６２のそれぞれの出力信号を入力し、両信
号の電位差を増幅する回路であり、この出力信号の振幅
変化は第２振動片１４および１５の振動振幅変化に比例
している。
【００３４】同期検波回路６４は作動増幅回路６３から
出力された交流電圧信号を駆動回路５３からの励振信号
に対して９０度位相のずれたパルス信号を検波信号とし
て用いて同期検波を行った後、積分処理を行うものであ
り、通常の同期検波回路に積分回路が付加された回路で
ある。Ｘ励振の漏れによるＺ方向振動は励振と同相であ
り、コリオリの力によるＺ方向の振動は励振に対して９
０度位相がずれているため、同期検波および積分によ
り、前者は常に零の値となり、後者は全波整流の積分値
となる。すなわち、同期検波回路６４の出力信号電圧
は、第２振動片１４および１５のコリオリの力によるＺ
方向の振動振幅を示している。
【００３５】角速度演算回路７０は、第２振動片１４お
よび１５の振動振幅を示す検出回路６０の出力信号に基
づいて、振動子１０のＹ軸に平行な軸を中心とする回転
角速度を後述する角速度とコリオリの力との関係式を基
にして算出する回路である。
【００３６】次に、以上のように構成された角速度検出
装置の動作を説明する。励振回路５０は、第１振動片１
２、１３のＸ方向の固有振動数ｆX1（これを第１固有振
動数という）に一致した周波数の励振信号を駆動回路５
３から出力する。これにより第１振動片１２、１３は逆
圧電効果により、Ｘ方向に固有振動数ｆX1で振動する。
振動片１２と振動片１３の位相は上述したように互いに
逆相である。
【００３７】この状態で、振動子１０がＹ軸に平行な軸
（Ｙ軸を含む）を中心として角速度ωで回転すると、第
１振動片１２、１３には、Ｆ＝２ｍＶ・ωで表されるコ
リオリの力ＦがＺ方向に発生する。ここに、ｍは振動片
の質量、Ｖは振動速度である。このコリオリの力Ｆの発
生によって、第１振動片１２、１３はＸ方向の振動に対
して９０度位相がずれてＺ方向に振動する。つまり、第
１振動片１２、１３はＺ方向についても、励振周波数
（第１固有振動数）で互いに逆相で振動する。この周波
数は、Ｚ方向の第１および第２振動片の連成固有振動数
とほぼ一致しているので、第２振動片１４、１５に効率
よく伝達される。
【００３８】一方、第１振動片１２、１３に与えられる
Ｘ方向励振が、同相のＺ方向の励振として漏れ、この振
動も連成により第２振動片１４、１５に伝達される。振
動エネルギは、漏れ振動の方がコリオリの力による振動
よりも遥かに大きいため、第２振動片のＺ方向の振動
は、漏れ振動上に９０度位相のずれたコリオリの力によ
る振動が重畳しているものとなる。検出回路６０によっ
て第２振動片のＺ方向の振動からコリオリの力による振
動のみを選択的検出することは上述したとおりである。
【００３９】ところで、この実施形態ではＺ方向の振動
について、左右（Ｘ方向）逆相、上下（Ｙ方向）逆相に
振動する。この振動モードでは、支持棒１６を通るＹ軸
を回転中心として励振と同相で揺動する力が振動子基体
１１に対して加わる。これに対して、支持棒１６はねじ
り剛性が調整されており、ねじり力に対して適度な柔軟
性があるため、振動子基体１１に働く揺動力をうまく緩
衝して振動エネルギの漏れを防いでいる。ねじり剛性は
ねじりこわさとも呼ばれ、棒のねじれにおけるねじりモ
ーメントとねじれ角との比のことであり、棒の形状とこ
わさによって定まる。本実施形態では支持棒１６の長さ
を調整することによりねじり剛性の調整が可能である。
本実施形態では、支持棒１６の長さを第２振動片１４、
１５よりも長くすることにより、ねじり剛性に柔軟性を
持たせている。
【００４０】なお、同軸で対となった第１および第２振
動子の慣性モーメントが一致していれば振動子基体１１
に対する揺動のエネルギが生じないことが推測できる。
しかし、現実には種々の条件から慣性モーメントを厳密
に一致させることが困難で、振動子基体１１に対する揺
動のエネルギを完全に零にすることは容易ではない。そ
こで、第１および第２振動片の慣性モーメントの一致性
を考慮しつつも、支持棒１６のねじり剛性を考慮するこ
とが望ましい。
【００４１】また、振動子基体１１が支持棒１６と１カ
所で連結しているので、環境温度の変化に基づいて振動
子の各要素が膨張または収縮しても支持棒１６から振動
子基体１１に加わる応力は発生しない。したがって、振
動子基体１１を経て支持棒１６に至る振動の漏れ量が温
度変化の影響を受ない。
【００４２】ところで、励振回路５０で第１振動片１
２、１３を互いに逆相でＸ方向に励振するので、振動子
基体１１の第１振動片１２、１３側の両第１振動片間に
応力集中部１５０ができる（図１（ａ）参照）。仮に、
支持棒１６が応力集中部１５０から＋Ｙ方向に突出した
ものとすると、支持棒１６のＸ方向の位置ずれによっ
て、支持棒１６に左右（Ｘ方向）に振動する力が発生す
る。この力によって、支持棒１６が左右に振動すると、
第１振動片１２と１３の励振振幅に差が生じ、検出精度
が低下する。また、応力集中部１５０から支持棒１６が
突出しているとすると、応力集中部１５０が支持棒１６
に広がるため、不必要に応力が分散される部分が発生
し、そのために左右の振動片間の伝達効率が下がり、Ｑ
値が下がる。さらに、支持棒１６に柔軟性を持たせて振
動漏れを抑制しているが、振動漏れを完全に無くせるも
のではなく、僅かではあるが漏れる。応力集中部１５０
と支持棒１６とが連結していると、この漏れ量が励振に
よる応力の影響を受け、検出精度が不安定となる。
【００４３】しかし、本実施形態では、支持棒１６が振
動子基体１１の第２振動片１４、１６側に設けられてい
るために応力集中部１５０と支持棒１６とが離隔してお
り、上述したような問題がない。
【００４４】本実施形態では、第２振動片１４、１５が
第１振動片１２、１３よりも細くて長い形状であるが、
逆に、Ｘ方向に励振される第１振動片１２、１３を第２
振動片１４、１５よりも細くて長いものとしてもよい。
その場合には、第２振動片１４、１５に設けていた検知
用電極２５〜２８、３５〜３８を第１振動片１２、１３
に設けることが望ましい。
【００４５】図６は振動片の別の実施形態を示す平面図
である。この振動片２００は支持棒２０１にくびれ部２
０２が設けられている点に特徴がある。支持棒には振動
片１２〜１５に設けられた電極と外づけの処理回路とを
接続する配線が設けられることは既に述べた。これらの
配線は、クロストークの影響を少なくするためにできる
だけ線を太くしてインピーダンスを下げ、且つ、線間を
離すことが望ましい。この観点から考えると、支持棒を
できるだけ幅の広いものにしたい。しかし、単に幅を広
げれば、ねじり剛性が高くなりＱ値の低下を招く。そこ
で、図６に示すように、支持棒２０１を全体としては幅
の広いものとすると共にくびれ部２０２を設けることに
より、ねじり剛性の柔軟性を維持しつつ、配線のクロス
トークをできるだけ抑制することができる。なお、振動
子２００として、第１実施形態の振動子１０と同様の水
晶のＺ板を用い、振動子基体および振動子を同様の方向
に形成するのであれば、図示のごとくＸ方向に対して約
３０度で切り欠かかれたくびれ部２０２のある支持棒２
０１を有する振動子２００を非常に安定的に作製でき
る。これは、結晶方位とエッチング方向との関係に起因
する。
【００４６】また、この振動子２００の固定板１７には
貫通穴２０３および２０４が設けれれており、この貫通
穴２０３および２０４の側壁には金属が蒸着されてい
る。振動子の上下面間での配線に有効に利用できる。
【００４７】振動子１０のパッケージングに関しても種
々の変形が考えられる。たとえば、振動子１０のボンデ
ィングパッド８１〜８４とメタライズド基板１００のボ
ンディングパッド１３１〜１３４とをボンディングワイ
ヤ１２１〜１２４で接続しているが、これに代えて、振
動子１０のボンディングパッド８１〜８４を固定板１７
の裏面に設け、固定板１７をメタライズド基板１００に
溶着する際に、同時に、ボンディングパッド８１〜８４
をメタライズド基板１００のボンディングパッド１３１
〜１３４にダイボンディングしてもよい。回路部品１１
１、１１２は全体の面積を小さくするために、メタライ
ズド基板１００の第１層１０１の裏面に設けられている
が、密封空間の外側で第１層１０１の面積を広げ、その
上面に搭載してもよい。また、蓋１１０をフラットなも
のに置換してコストダウンを図ることができる。電磁シ
ールドのために、蓋１１０は金属材料で構成されている
が、これに代えて、セラミックスのような絶縁材料のも
のを用い、全面に金属膜を蒸着等により形成したものを
用いてもよい。さらに、振動子１０を第２層１０２の厚
みを利用して第１層１０１から浮かしているが、これに
代えて、第１層の配線パターンで凸面を形成し、その上
に固定板１７を溶着することにより、振動子１０を第１
層１０１から離隔させてもよい。
【００４８】本実施例の振動子１０は水晶のＺ板をパタ
ーニングしたものであるが、その他の圧電材料、たとえ
ば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やニオブ酸リチウ
ムといったその他の圧電材料を用いてもよい。さらに、
振動子１０をステンレスのような単なる振動子とし、電
極に代えて電歪手段を用いて振動させてもよい。
【００４９】
【発明の効果】本発明の角速度検出装置によれば、振動
子の支持棒のねじり剛性が所望の値に調整されているの
で、支持棒からの振動漏れを抑制することができる。ま
た、振動子基体が被検出体に固定される支持棒と１カ所
で連結しているので、環境温度の変化に基づいて振動子
の各要素が膨張または収縮しても支持棒から振動子基体
に加わる応力は発生しない。したがって、振動子基体を
経て支持棒に至る振動の漏れ量が温度変化の影響を受な
い。そのため、振動ロスが少なく高感度でコリオリの力
による振動を検出することができ、また、その検出値が
環境温度のような外乱の影響を受けないため、高精度で
安定した角速度検出を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である角速度検出装置の振
動子を示す図。
【図２】図１の振動子がメタライズド基板に搭載されパ
ッケージングされた状態を示す図。
【図３】第１実施形態の角速度検出装置に用いられる励
振回路５０、検出回路６０および角速度演算回路７０を
示すと共に、これらの回路と振動片１２〜１５に設けら
れた電極２１〜２８および３１〜３８との接続関係を示
すブロック図。
【図４】第１振動片１２および１３における逆圧電効果
を説明するための図。
【図５】第２振動片１４および１５における圧電効果を
説明するための図。
【図６】振動子の他の実施形態を示す平面図。
【符号の説明】
１０、２００…振動子、１１…振動子基体、１２、１３
…第１振動片、１４、１５…第２振動片、１６、２０１
…支持棒、１７…固定板、２１〜２８、３１〜３８…電
極、５０…励振回路、６０…検出回路、７０…角速度演
算回路、１００…メタライズド基板。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 振動子と、この振動子を励振する励振手
    段と、この励振手段により励振された前記振動子が回転
    することに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の
    振幅を検出する検出手段と、この検出手段により検出さ
    れた振幅の大きさから前記回転の角速度を演算する角速
    度演算手段とを備えた角速度検出装置において、 前記振動子は、ＸＹＺ三次元直交座標空間において、Ｘ
    Ｙ平面上のＸ方向に延在する振動子基体と、この振動子
    基体の中央部を通るＹ方向の軸に対してほぼ対称の位置
    において前記振動子基体から＋Ｙの向きに突出する２本
    の第１振動片と、Ｘ方向の位置がそれぞれ前記２本の第
    １振動子と同じで前記振動子基体から−Ｙの向きに突出
    する２本の第２振動片と、所望のねじり剛性を有し前記
    振動子基体の中央部から突出しその先端部が被検出体に
    固定される単一の支持棒とを有することを特徴とする角
    速度検出装置。
  2. 【請求項２】 前記支持棒は前記振動子基体から−Ｙ方
    向に突出し、前記励振手段は前記第１振動片をＸ方向に
    励振するものであることを特徴とする請求項１に記載の
    角速度検出装置。
  3. 【請求項３】 前記振動子を構成する前記振動子基体と
    前記第１および第２振動片とが１枚の等厚水晶基板で形
    成されていることを特徴とする請求項２に記載の角速度
    検出装置。
  4. 【請求項４】 前記励振手段の回路部と前記第１または
    第２振動片に設けられた励振用電極とを接続する励振用
    配線および前記検出手段の回路部と前記第１または第２
    振動片に設けられた検出用電極とを接続する検出用配線
    と、それら励振用配線と検出用配線とを備えたメタライ
    ズド基板を備え、前記支持棒の先端は前記メタライズド
    基板に溶着され、このメタライズド基板が被検出体に固
    定されていることを特徴とする請求項２に記載の角速度
    検出装置。
  5. 【請求項５】 前記振動子は同電位の導電材で取り囲ま
    れていることを特徴とする請求項４に記載の角速度検出
    装置。
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