JPH11125527A - 角速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角柱状の振動部を有する振動子を備えた角速
度センサにおいて、駆動振動の共振周波数ＦＤと検知振
動の共振周波数ＦＳとの周波数差ΔＦ（＝ＦＳ−ＦＤ）
を安定して所望の値とするセンサ構成およびその製造方
法を提供する。 【解決手段】 振動子１は、振動部としての一対の角柱
状のアーム部４、５と、各アーム部４、５の一端を連結
する連結部６とを有する音叉形状に圧電体により形成さ
れており、くびれ部３ａを有する支持部３を介して基板
２に固定支持されている。支持部３のくびれ部３ａは、
振動子１のｙ軸方向への駆動振動の共振周波数ＦＤと、
ｚ軸回りの角速度Ωｚが入力されたときに発生する検知
振動の共振周波数ＦＳとの周波数差ΔＦが所望の範囲内
に入るように削られて調整されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角柱状の振動部を
有する振動子を備えた角速度センサおよびその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、角柱状の振動部を有する振動子を
備えた角速度センサとしては、例えば、特開平８−２１
０８６０号公報に記載の角速度センサが提案されてい
る。その構成を図１１および図１２に示す。この角速度
センサは、振動子１と、振動子１を支持するための支持
部３と、振動子１および支持部３が取り付けられる基板
２とから構成されている。

【０００３】振動子１は、一対の四角柱状のアーム部
（振動部）４、５と、各アーム部４、５の一端を連結す
る連結部６とを有する音叉形状に形成された圧電体（い
わゆる角柱音叉型振動子）から形成されている。また、
この振動子１は、その表面に複数の電極を備えている。
そして、振動子１は、くびれ部３ａを有する支持部３を
介して、基板２に連結固定されている。ここで、支持部
３において、細いくびれ部３ａを設けているのは、振動
子１からの振動が基板２へ漏れにくくするためである。

【０００４】振動子１において、略コの字形状を呈し対
向する側面Ｘ１、Ｘ２面のうちＸ１面に、駆動電極１
０、１１、参照電極１２等が配置され、Ｘ１、Ｘ２面と
直交する側面であるＹ１面およびＹ２面に、角速度検出
用の検出電極１８、１９が配置され、Ｘ１面と対向する
Ｘ２面の全面に、Ｘ１面の各電極および検出電極１８、
１９の基準電位用電極となる共通電極２０が全面に配置
されている。

【０００５】また、このような角速度センサは、一般
に、次のような製造工程にて製造される。すなわち、圧
電体を切削加工して音叉形状とした後、音叉圧電体上に
電極を印刷、焼付け等により形成し、圧電体を分極処理
して振動子を形成する。この振動子を支持部に接着した
後、支持部と基板を溶接等により接合して角速度センサ
を完成させる。

【０００６】さらに、この角速度センサの作動原理は、
次のようである。すなわち、駆動電極１０、１１を介し
てアーム部４、５を、その長手方向に平行なｚ軸と直交
するｙ軸方向に、駆動振動させる。そして、振動してい
るアーム部４、５にｚ軸回りの角速度が入力された時に
生じるコリオリ力により、上記のｚ軸およびｙ軸と直交
するｘ軸方向に発生するアーム部４、５の振動を検知振
動として検出し、ｚ軸回りの角速度の大きさを求める。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ここで、上記の角速度
センサにおいては、検出精度を高めるために、駆動振動
の共振周波数ＦＤと検知振動の共振周波数ＦＳとの周波
数差ΔＦ（＝ＦＳ−ＦＤ）をある所定の値にする必要が
ある。これら共振周波数ＦＤ、ＦＳは振動子１の寸法に
より決定され、例えば、近似的にはＦＤはアーム部４、
５の幅、ＦＳは振動子１の板厚により決定される。

【０００８】従って、上記の角柱音叉型振動子において
は、共振周波数ＦＤ、ＦＳは近接したものとなってお
り、周波数差ΔＦは小さい値（例えば、数１０Ｈｚ）と
なっている。本発明者は、上記の角柱音叉振動子を備え
る角速度センサに基づき、周波数差ΔＦの所望の値を安
定して実現すべく検討を行ったが、振動子１の加工工程
における加工寸法誤差等のため、周波数差ΔＦを安定し
て所望の値とすることは困難であった。

【０００９】本発明は上記点に鑑みて、角柱状の振動部
を有する振動子を備えた角速度センサにおいて、駆動振
動の共振周波数ＦＤと検知振動の共振周波数ＦＳとの周
波数差ΔＦ（＝ＦＳ−ＦＤ）を安定して所望の値とする
センサ構成およびその製造方法を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の角速
度センサにおいて、振動子によって周波数差ΔＦを安定
して所望の値とすることは上記の加工寸法誤差等のため
困難であると考え、振動子以外の部分でΔＦ調整を行う
ことで、上記問題の解決を図った。すなわち、請求項１
記載の発明においては、支持部（３）のくびれ部（３
ａ）が、駆動振動の共振周波数（ＦＤ）と検知振動の共
振周波数（ＦＳ）との周波数差ΔＦが、所望の範囲内に
入るように調整された形状を有することを特徴とする。

【００１１】ここで、上記の調整された形状とは、具体
的には、支持部（３）のくびれ部（３ａ）のねじれ剛性
を実質的に変化させるべく、くびれ部（３ａ）が削られ
た構成、あるいは、くびれ部（３ａ）に別部材が接着、
溶接等により付加された構成となっているものをいう。
それによって、振動子（１、１０１、２０１）の加工寸
法誤差等が存在しても、周波数差ΔＦを安定して所望の
範囲内とした角速度センサを提供することができる。

【００１２】また、請求項２記載の発明においては、支
持部（３）が焼結金属からなることを特徴とする。それ
によって、例えば、支持部（３）のくびれ部（３ａ）を
削ることによりΔＦを調整する場合、焼結金属は削り性
に優れているので、より精度良く迅速にΔＦが調整され
た角速度センサを提供することができる。次に、請求項
３〜請求項５記載の発明は角速度センサの製造方法に関
するものである。

【００１３】請求項３記載の発明においては、基板
（２、１１０）に支持部（３）を介して振動子（１、１
０１、２０１）を取り付けた後、基板（２、１１０）に
取り付けられた振動子（１、１０１、２０１）の振動特
性をモニターして、駆動振動の共振周波数（ＦＤ）と検
知振動の共振周波数（ＦＳ）との周波数差ΔＦが所望の
範囲内に入るように支持部（３）のくびれ部（３ａ）の
ねじれ剛性を変化させることを特徴とする。

【００１４】それによって、基板（２、１１０）に支持
部（３）を介して振動子（１、１０１、２０１）を取り
付けた後、すなわち、角速度センサの組付け終了後に、
支持部（３）のくびれ部（３ａ）でΔＦを調整するの
で、振動子（１、１０１、２０１）の加工工程における
加工寸法誤差等が存在しても、ΔＦを安定して所望の値
とすることができる。

【００１５】ここで、請求項３において支持部（３）の
くびれ部（３ａ）のねじれ剛性を変化させることは、請
求項４記載の製造方法のように、支持部（３）のくびれ
部（３ａ）の形状を変えることで達成できる。さらに、
支持部（３）のくびれ部（３ａ）の形状を変えること
は、請求項５記載の製造方法のように、くびれ部（３
ａ）を削るかもしくはくびれ部（３ａ）に別部材を設け
ることで達成できる。

【００１６】また、請求項６および請求項７記載の発明
は角速度センサの調整方法に関するものである。すなわ
ち、請求項６記載の発明においては、支持部（３）のく
びれ部（３ａ）のねじれ剛性を変化させて、駆動振動の
共振周波数（ＦＤ）と検知振動の共振周波数（ＦＳ）と
の周波数差ΔＦが所望の範囲内に入るようすることを特
徴とする。それによって、上記請求項１記載の発明と同
等の効果を有する角速度センサを提供することができ
る。

【００１７】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すもの
である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。 （第１実施形態）図１は、本実施形態の角速度センサを
示す斜視図である。本実施形態は、例えば、自動車の姿
勢制御やカーナビゲーションシステム等に利用される角
速度センサとして使用される。本実施形態は、振動子１
と、振動子１を支持するための支持部３と、振動子１お
よび支持部３が取り付けられる基板２とから構成されて
いる。

【００１９】振動子１は、一対の四角柱状のアーム部
（振動部）４、５と、各アーム部４、５の一端を連結す
る連結部６とを有する音叉形状に形成された圧電体（例
えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）等）から形成され
ている。そして、振動子１は、連結部６にて例えばエポ
キシ系の接着材で支持部３に接合されており、この支持
部３によって支持されている。支持部３は、例えば４２
Ｎ（４２アロイ）の様な金属粉を焼結させたもの（焼結
金属）から成り、くびれ部３ａを有して略エ字型を呈し
ている。支持部３は、基板２に溶接等で接合されてお
り、基板２の面Ｋ１に形成された凹部２ｂによって、振
動子１は基板２に対して平行に浮遊した形となってい
る。

【００２０】また、このくびれ部３ａは、後述するよう
に、角速度センサにおける駆動共振周波数ＦＤ（例え
ば、約３．３０ｋＨｚ）と検知共振周波数ＦＳ（例え
ば、約３．３６ｋＨｚ）との周波数差ΔＦ（＝ＦＳ−Ｆ
Ｄ）が所望の範囲（例えば、６０Ｈｚ±５Ｈｚ）内とな
るように削られて調整された形状を有している。ここ
で、振動子１において、両アーム部４、５の長手方向と
平行且つ両アーム部４、５の中央に位置するｚ軸方向に
延びる各振動子面を、以下のように定義する。

【００２１】両アーム部４、５と連結部６とが同一平面
を形成し対向する略コ字形状の一対の面であるＸ１、Ｘ
２面のうち、基板２とは反対側の面をＸ１面、Ｘ１面と
対向する他方の面をＸ２面とする。また、振動子１の外
周に位置し且つアーム部４、５の配列方向であるｙ軸と
直交する面であるＹ１、Ｙ２面のうち、アーム部４側を
Ｙ１面、アーム部５側をＹ２面とする。

【００２２】また、Ｘ１面およびＸ２面と直交する方向
をｘ軸として、上記ｙ軸およびｚ軸とともに、図１に示
すｘｙｚ直交座標系が構成される。以下、本実施形態に
おいて、このｘｙｚ直交座標を用いて説明する。また、
以下、ｘ軸方向というのは、ｘ軸と平行な方向であるこ
とを意味する。ｙ軸、ｚ軸方向についても同様である。

【００２３】振動子１には、駆動および角速度検出のた
めの複数の電極が形成されているが、次に、その電極構
成について説明する。図２は、振動子１の外周面上に形
成された各電極１０〜２４の構成を、振動子１の前後、
左右から見た展開図である。（ａ）はＸ１面、（ｂ）は
Ｘ２面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面上の電極構成
を示すものである。

【００２４】Ｘ１面には、振動子１を駆動するための駆
動電極１０、１１と、駆動状態をモニタし自励発振させ
るため帰還用の参照電極１２、１３と、取出し用パット
電極（取出し電極）１４、１５と、検出用パット電極
（ポスト電極）１６、１７とが形成されている。一方、
Ｙ１、Ｙ２面には、コリオリ力によって発生する電荷を
取出し角速度を検出するための角速度検出電極１８、１
９が形成されている。また、Ｘ２面には、上記駆動およ
び参照電極１０〜１３および角速度検出電極１８、１９
の基準電位用電極である共通電極２０がほぼ全面に形成
されている。

【００２５】ここで、角速度検出電極１８、１９は、そ
れぞれ、Ｙ１、Ｙ２面上の引出し電極２１、２２を介し
て検出用パット電極１６、１７と電気的に導通してい
る。また、共通電極２０は、それぞれ、Ｙ１、Ｙ２面上
の引出し電極２３、２４を介して取出し用パット電極１
４、１５と電気的に導通している。なお、角速度検出電
極１８は、アーム部４においてＹ１面と対向する面、角
速度検出電極１９は、アーム部５においてＹ２面と対向
する面にあってもよい。また、角速度検出電極は、Ｙ１
面またはＹ２面のどちらか一方のみにあってもよい。一
方のみの場合、角速度検出電極がある側のアーム部の検
知振動から角速度検出がなされる。

【００２６】また、振動子１は、図１の白抜き矢印に示
すように、Ｘ１、Ｘ２面に直交するｘ軸方向に分極処理
されている。なお、上記の取出し用パット電極１４、１
５は、振動子１を分極処理するための、分極用電極とし
ても用いられる。以上のように、本実施形態の角速度セ
ンサは構成されているが、次に、角速度センサの製造方
法について説明する。板状の圧電体（例えば、ＰＺＴ）
を所定形状に切断し、振動子形状とした（圧電体加工工
程）後、Ｘ１、Ｘ２面に各電極１０〜１７および２０を
印刷、焼付け等により形成する（第１の電極形成工
程）。

【００２７】続いて、Ｘ１、Ｘ２面に電圧を印加して分
極処理を行った（分極処理工程）後、Ｙ１、Ｙ２面に電
極１８、１９および２１〜２４を印刷、硬化等により形
成し（第２の電極形成工程）、振動子１が完成する。そ
して、振動子１を支持部３に接着した（支持部取付工
程）後、基板２に支持部３を介して振動子１を取り付け
る、すなわち支持部３を基板２に溶接する（基板取付工
程）。

【００２８】そして、最後に、振動子１の振動特性をモ
ニターして、駆動共振周波数ＦＤと検知共振周波数ＦＳ
との周波数差ΔＦが所望の範囲内に入るように支持部３
のくびれ部３ａのねじれ剛性を変化させるべく、くびれ
部３ａを削る等する（ΔＦ調整工程）ことにより角速度
センサが完成する。なお、ΔＦ調整工程の詳細は後述す
る。

【００２９】さらに、この角速度センサと外部との信号
の入出力は、例えば、図１に示すように、基板２上に絶
縁、構成された配線部材であるターミナルＴ１〜Ｔ８と
振動子１上の各電極とを、ワイヤボンディング等にてワ
イヤ（リード線）Ｗ１〜Ｗ８で結線することにより行
う。これらターミナルＴ１〜Ｔ８は、基板２を貫通して
設けられ、基板２の振動子１とは反対の面に突出してい
る。各ターミナルＴ１〜Ｔ８の外周には、絶縁ガラス２
ａが配置され、ターミナルＴ１〜Ｔ８と基板２との電気
絶縁、及び気密を保つ役割を果している。

【００３０】また、ターミナルＴ１〜Ｔ８は、基板２の
振動子１とは反対の面側にて、角速度センサと外部との
信号の入出力するための図示しない駆動・検出回路（外
部回路）に、電気的に接続されている。なお、基板２に
は、図示しない取付部が形成されており、本実施形態の
角速度センサは、この取付部によって被測定物（車両
等）の適所に、例えば、図１に示すｚ軸方向を上下方向
として取り付けられる。

【００３１】以上の構成に基づき、本実施形態の角速度
センサの作動について説明する。上記の駆動・検出回路
によって、取出し用パット電極１４、１５を介して、共
通電極２０と駆動電極１０および駆動電極１１との間
に、それぞれ位相の１８０度異なる交流電圧（駆動電
圧）をｘ軸方向に印加することにより、各アーム部４、
５をｙ軸方向に励振（駆動振動）させる。この時、参照
電極１２、１３と共通電極２０との間を流れる出力（電
流）を検知し、振動状態をモニターしながらフィードバ
ックを行う。その結果、周囲温度が変化してもアーム部
４、５のｙ軸方向の振幅（駆動振幅）が一定となるよう
に自励発振制御を行うことができる。

【００３２】上記の駆動振動時に、振動子１に対して、
ｚ軸（検出軸）回りに角速度Ωｚが入力された時、コリ
オリ力によりアーム部４、５は、ｘ軸方向に角速度Ωｚ
に比例した変位（検知振動）を発生し、そのとき角速度
検出電極１８、１９により角速度に比例した出力（電
流）が発生し、この出力を引出し電極２１、２２および
検出用パット電極１６、１７を介して検出して角速度Ω
ｚを検出する。

【００３３】ここで、単位角速度（１ｄｅｇ／ｓｅｃ）
当たりの出力を感度Ｓと定義し、角速度無しでの角速度
検出電極からの出力をオフセットノイズＮと呼び、感度
ＳとオフセットノイズＮとの比をＳ／Ｎとする。次に、
上述したように、支持部３のくびれ部３ａにおいて、周
波数差ΔＦ（＝ＦＳ−ＦＤ）が所望の値となるように削
られて調整されていることの根拠を述べる。

【００３４】まず、センサ特性に関係する振動子の２つ
の振動モード（駆動振動、検知振動）について説明す
る。振動子１の左右のアーム部４、５がそれぞれｙ軸方
向に対称に曲がるモードを駆動モード（駆動振動）とい
い、その共振周波数を駆動共振周波数ＦＤという。ま
た、左右のアーム部４、５がそれぞれＸ軸方向に曲がる
モードを検知モード（検知振動、つまりコリオリ力が入
力されたときに発生するモード）といいその共振周波数
を検知共振周波数ＦＳという。ここで、駆動共振周波数
ＦＤと検知共振周波数ＦＳとの周波数差をΔＦ（＝ＦＳ
−ＦＤ）とする。

【００３５】次に、ＦＤ、ＦＳの決定因子について説明
する。ＦＤ、ＦＳは振動子１の寸法により決定され、例
えば、近似的にはＦＤはアーム部４、５の幅、ＦＳは振
動子１の板厚により決定される。また、上記の感度Ｓお
よびオフセットノイズＮ、すなわちＳ／Ｎも振動子１の
寸法（寸法誤差等）と密接な関係にある。従って、振動
子１の寸法を精度よく加工できれば、この２つの共振周
波数ＦＤ、ＦＳを適切に近付けることができるととも
に、高感度かつ高Ｓ／Ｎなセンサを得ることが出来る。
逆にいえば、ＦＤ、ＦＳの両者の適切な関係がずれてし
まうと、感度、Ｓ／Ｎが大きくバラツクこととなる。

【００３６】本実施形態のような角柱音叉型振動子を備
えた角速度センサにおいては、アーム部４、５の幅およ
び振動子１の板厚は近接した値であり、その結果、共振
周波数ＦＤ、ＦＳも近接（例えば、各々約３．３０ｋＨ
ｚ、約３．３６ｋＨｚ）しており、結果として、周波数
差ΔＦは小さい値（例えば、数１０Ｈｚ）を要求され
る。

【００３７】しかし、感度、Ｓ／Ｎを良好に維持しつつ
ΔＦを所望の値に調整するためには、振動子１の寸法面
からは、１、２μｍ程度の高い寸法精度が要求されるた
め、安定して大量生産することは困難である。本発明者
は、ΔＦの調整について鋭意検討した結果、上述したよ
うに、支持部３のくびれ部３ａを削ることにより，Ｓ／
Ｎを悪化させることなく、周波数差ΔＦ（＝ＦＳ−Ｆ
Ｄ）が所望の範囲内となるように、調整可能なことを見
出した。

【００３８】具体的には、上述したΔＦ調整工程におい
て、図３に示すように研削機（リュータ）Ｒにて、支持
部３のくびれ部３ａを削っていく。なお、くびれ部３ａ
を削るとは、実質的にくびれ部３ａのねじれ剛性を変化
させるべく、くびれ部３ａの形状（つまり、幅、厚さ、
および長さ）を変化させるように削ることをいう。そし
て、このねじれ剛性の変化によって、ｙ軸方向の駆動振
動およびｘ軸方向の検知振動に変化を与える。ここで、
削る際に、同時に以下に示す要領にてΔＦを確認し調整
を行う。

【００３９】まず、発振器にて駆動電極１０、１１に駆
動電圧（例えば４００ｍＶ_rms ）を印加し、角速度検出
電極１８、１９からの出力をモニターする。駆動電圧を
ＦＤ、ＦＳ近傍（例えば、３．２ｋＨｚ〜３．４ｋＨ
ｚ）でスウィープさせ、各振動モードの伝達特性（周波
数特性）を測定し、２つのピークの周波数差ΔＦを確認
し調整を行う。これにより高精度なΔＦ調整が可能とな
る。

【００４０】このくびれ部３ａを削る方法（以下、支持
部による調整という）と、比較例としてアーム部４、５
の幅を削る方法（以下、アーム部による調整という）と
を比較してみると、Ｓ／Ｎの差は歴然としている。図４
は、室温での支持部による調整およびアーム部による調
整において、横軸にΔＦの所望値（例えば、６０Ｈｚ）
からのずれ（Ｈｚ）、縦軸にＳ／Ｎ比をとっている。調
整前のＳ／Ｎを１とした。図４中、○マークは支持部に
よる調整の前、●マークは後を示し、□マークはアーム
部による調整の前、■マークは後を示す。

【００４１】図４より、本実施形態の支持部による調整
は、アーム部による調整に比べて、Ｓ／Ｎを維持しつ
つ、ΔＦの所望値からのずれを所望の範囲内（例えば±
５Ｈｚ程度）に調整できており、また、ばらつきも小さ
く安定した調整であることが分かる。一方、アーム部に
よる調整では、ΔＦに関しては支持部による調整と同程
度の効果を得ているが、Ｓ／Ｎが小さくなってしまう。
また、ばらつきも大きい。

【００４２】また、支持部による調整によるΔＦ調整前
後の感度改善効果として、図５に感度ばらつき改善効果
（室温）を示し、図６に感度温度特性（−３０℃〜８５
℃におけるばらつきの最大と最小の比）のばらつき改善
効果を示す。これらからわかるように、感度及び感度の
温度特性のばらつきも殆ど無くなり、センサとして温度
が変化しても安定した感度が得られ、回路での調整もな
く安価でかつ高精度な角速度センサが提供可能となる。

【００４３】このように、本実施形態は、ΔＦおよびＳ
／Ｎの調整に対して共に敏感な振動子にて調整すること
を避け、ΔＦとＳ／Ｎとで調整感度に差がある支持部に
て調整することで、ΔＦの最適化を容易に実現できる。
また、角速度センサの最終製造工程で、ΔＦ調整を行う
ため、振動子１の加工寸法誤差、振動子の支持部への接
着、さらには、基板への取付（溶接）等に影響されるΔ
Ｆの変化を包括的に調整できるので、良好なΔＦ調整が
できる。

【００４４】また、本実施形態によれば、支持部３の材
質を溶融させた金属ではなく、金属粉を成形し焼結させ
た焼結金属を使用しているので、溶融金属に比べて削り
性がよく、同じだけΔＦを調整するのに調整時間が半分
以下となるとともに、リュータＲの刃の消耗も少なく量
産性に長けていることが分かった。 （第２実施形態）本発明の第２実施形態を図７及び図８
に示す。本実施形態の角速度センサは、振動子１０１
と、振動子１０１を支持するための支持部３と、振動子
１０１および支持部３が取り付けられる基板１１０とか
ら構成されている。そして本実施形態では、図に示すよ
うな４脚音叉形状の圧電体からなる振動子１０１を用い
ていることが上記第１実施形態と異なる。図７は本実施
形態の角速度センサの斜視図である。

【００４５】振動子１０１は、例えばＰＺＴ等の圧電体
からなり、略平行に配列された４本の四角柱状のアーム
部（振動部）１０２、１０３、１０４、１０５と、各ア
ーム部１０２〜１０５の片端部を共通に固定支持する共
通の連結部１０６とを有し、櫛形音叉形状を成してい
る。そして、内側一対のアーム部１０３、１０４が駆動
用アーム部、外側一対のアーム部１０２、１０５が検出
用アーム部として構成されている。

【００４６】ここで、図７に示す様に、アーム部１０２
〜１０５の配列方向をｙ軸、アーム部１０２〜１０５の
長手方向をｚ軸、アーム部１０２〜１０５及び連結部１
０６の厚み方向をｘ軸としてｘｙｚ直交座標系が構成さ
れる。ここで、ｚ軸は内側一対のアーム部１０３、１０
４の間の中央部に位置する。以下、このｘｙｚ直交座標
系に基づいて本実施形態を説明する。なお、ｘ軸方向と
いうのはｘ軸と平行な方向をいうものとし、ｙ軸、ｚ軸
についても同様である。

【００４７】また、振動子１０１においてｘ軸と直交す
る面のうち基板１１０と対向する面をＸ２面とし、この
Ｘ２面とは反対側の面をＸ１面とする。また振動子１０
１においてｙ軸と直交する外側一対のアーム部１０２、
１０５の外周面のうちアーム部１０２側の面をＹ２面と
し、アーム部１０５側の面をＹ１面とする。そして、各
アーム部１０２〜１０５および連結部１０６は、図７の
白抜き矢印で示すように、Ｘ１面からＸ２面に向かって
ｘ軸方向に一様に分極処理されている。

【００４８】支持部３は、上記第１実施形態と同様に、
くびれ部３ａを有する略エの字型形状の焼結金属からな
る。なお、くびれ部３ａは、連結部１０６の略中央部位
（すなわち内側の１対のアーム部１０３、１０４の支持
部位の間の略中央部位）から、ｚ軸方向においてアーム
部１０２〜１０５とは反対側に延びるように位置する。

【００４９】また、本実施形態のくびれ部３ａも、上記
第１実施形態と同様に、角速度センサにおける駆動共振
周波数ＦＤと検知共振周波数ＦＳとの周波数差ΔＦ（＝
ＦＳ−ＦＤ）が所望の範囲内となるように削られて調整
された形状を有している。そして、支持部３は、図７に
示す様に、一方側で連結部１０６と接着等により固定さ
れ、他方側で上記スペーサ１０７を介して基板（ベー
ス）１１０と溶接等により接合固定されている。

【００５０】従って、振動子１０１は支持部３及びスペ
ーサ１０７を介し、基板１１０に対して浮遊した状態で
支持される。また、くびれ部３ａの中心軸はｚ軸とほぼ
一致する。つまり、くびれ部３ａは、実質的に振動子１
０１の中心線上に位置し、ｚ軸回りに捩じれ可能なトー
ションビームとしての機能を有する。次に、振動子１０
１上のＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２面上に形成された電極構
成について、図８の展開図を参照して説明する。図８に
おいて（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、（ｃ）はＹ１
面、（ｄ）はＹ２面の電極構成を示す。

【００５１】１２０は駆動電極であり、Ｘ１面において
アーム部１０３の外周側から連結部１０６を通ってアー
ム部１０４の外周側に渡って連続して形成されている。
１２１は参照電極であり、Ｘ１面においてアーム部１０
３の内周側から連結部１０６を通ってアーム部１０４の
内周側に渡って連続して形成されている。１２２、１２
３及び１２４は角速度検出用の角速度検出電極である。
角速度検出電極１２２は、Ｙ１面においてアーム部１０
５の略全域に渡って形成されている。一方、角速度検出
電極１２３は、Ｘ１面においてアーム部１０２の略全域
に渡り、角速度検出電極１２４は、Ｘ２面においてアー
ム部１０２の略全域に渡って形成されている。

【００５２】そして、全ての角速度検出電極１２２〜１
２４は、図８に示す様に、各面上に形成された引出し電
極１２５、１２６及び１２７によって接続され導通して
いる。角速度検出電極１２２と１２３とは、引出し電極
１２５（Ｙ１面上）及び引出し電極１２６（Ｘ１面上）
を介して接続され、角速度検出電極１２３と１２４と
は、引出し電極１２７（Ｙ２面上）を介して接続されて
いる。

【００５３】１２８、１２９、１３０及び１３１は、上
記駆動、参照、及び角速度検出電極１２０〜１２４の基
準電位となる共通電極である。共通電極１２８はＸ１面
においてアーム部１０５の略全域、共通電極１２９はＸ
２面においてアーム部１０５の略全域に渡り形成されて
いる。また、共通電極１３０はＸ２面においてアーム部
１０３の略全域から連結部１０６を通ってアーム部１０
４の略全域に渡って連続して形成されており、共通電極
１３１はＹ２面においてアーム部１０２の略全域に渡り
形成されている。

【００５４】そして、全ての各共通電極１２８〜１３１
は、図８に示す様に、各面上に形成された引出し電極１
３２、１３３、１３４及び１３５によって接続され導通
している。共通電極１２８と１２９とは、引出し電極１
３２（Ｙ１面）を介して接続され、共通電極１２９及び
１３０と共通電極１３１とは、引出し電極１３３、１３
４（共にＸ２面）及び引出し電極１３５（Ｙ２面）を介
して接続されている。

【００５５】また、Ｘ１面において、連結部１０６に
は、後述のワイヤボンディング用の検出用パット電極１
３６及び取出し用パット電極１３７が形成されている。
検出用パット電極１３６は、角速度検出電極１２２〜１
２４と導通する引出し電極１２６の途中部に、取出し用
パット電極１３７は、共通電極１２８から延びる引出し
電極１３８の終端部に位置し、それぞれ引出し電極１２
６、１３８よりも幅広に形成されている。

【００５６】従って、検出用パット電極１３６は角速度
検出電極１２２〜１２４と導通し、取出し用パット電極
１３７は共通電極１２８〜１３１と導通する形となる。
ところで、本実施形態の角速度センサも、上記第１実施
形態と同様の工程を適用することにより製造可能であ
る。すなわち、まず、圧電体加工工程にて振動子形状を
形成した後、第１の電極形成工程にてＸ１、Ｘ２面に各
電極を形成する。続いて、分極処理工程後、第２の電極
形成工程にてＹ１、Ｙ２面に各電極形成し、振動子１０
１が完成する。

【００５７】そして、支持部取付工程にて振動子１０１
を支持部３に接着した後、基板取付工程にて、基板１１
０に支持部３及びスペーサ１０７を介して振動子１０１
を取り付ける。最後に、ΔＦ調整工程にて、振動子１０
１の振動特性をモニターしながら、研削機（リュータ）
Ｒにてくびれ部３ａを削る等することにより角速度セン
サが完成する。

【００５８】さらに、この角速度センサと外部との信号
の入出力は、例えば、図７に示すように、基板１１０上
に絶縁、構成された配線部材であるターミナルＴ９〜Ｔ
１２と振動子１０１のＸ１面上の各電極１２０、１２
１、１３６、１３７とをワイヤボンディング等にてワイ
ヤＷ９〜Ｗ１２で結線することにより行う。また、本実
施形態においても、ターミナルＴ９〜Ｔ１２は図示しな
い駆動・検出回路（外部回路）に電気的に接続されてお
り、この駆動・検出回路によって、振動子１０１に信号
が入出力されるようになっている。

【００５９】そして、本実施形態の角速度センサは、上
記駆動・検出回路によって次のように作動する。まず、
駆動電極１２０と共通電極１３０間に交流電圧（駆動電
圧）を印加することにより、内側一対のアーム部１０
３、１０４を互いにｚ軸（つまり振動子１０１の中心
線）に対し対称なｙ軸方向への屈曲振動をするモードに
て共振（駆動振動）させる。そのときの振幅として参照
電極１２１からの出力をモニターし、参照電極１２１か
らの出力（電流）が一定となるように上記駆動・検出回
路を用いて自励発振（自励振動）させる。

【００６０】次に、ｚ軸（検出軸）回りに角速度が入力
された場合、振動している内側一対のアーム部１０３、
１０４にはコリオリ力が発生し、これらアーム部１０
３、１０４は、ｘ軸方向において互いに逆方向に力を受
ける。そのとき外側一対のアーム部１０２、１０５も連
成して、角速度に比例してｘ軸方向に振動（検知振動）
するが、この検知振動の振動振幅を角速度検出電極１２
２〜１２４からの出力（電流）として、検出用パット電
極１３６を介して検出し、角速度を検出する。

【００６１】ところで、本実施形態においても、上記第
１実施形態と同様に、ΔＦとＳ／Ｎとで調整感度に差が
ある支持部にて調整することで、ΔＦの最適化を容易に
実現できる。そして、センサとして温度が変化しても安
定した感度が得られ、回路での調整もなく安価でかつ高
精度な角速度センサが提供可能となる。また、その他、
上記第１実施形態と同様の効果も有する。

【００６２】（第３実施形態）本発明の第３実施形態を
図９及び図１０に示す。本実施形態の角速度センサは、
振動子２０１と、振動子２０１を支持するための支持部
３（本例では２つ）と、振動子２０１および支持部３が
取り付けられる基板１１０とから構成されている。本実
施形態は、図に示すような４脚のＨ型音叉形状の圧電体
からなる振動子２０１を用いていることが、上記各実施
形態とは異なる。

【００６３】図９は、本実施形態の角速度センサの斜視
図である。なお、図９では、後述の振動子２０１上の各
電極、及びターミナル、ワイヤは省略してある。振動子
２０１は、例えばＰＺＴ等の圧電体からなり、４本の平
行な四角柱状のアーム部２０２、２０３、２０４、２０
５と連結部２０６とから構成される。ここで、片側一対
のアーム部２０２、２０３が駆動用アーム部、他側一対
のアーム部２０４、２０５が検出用アーム部として構成
されている。

【００６４】本実施形態では図９に示す様に、アーム部
２０２〜２０５の配列方向をｙ軸、アーム部２０２〜２
０５の長手方向をｚ軸、アーム部２０２〜２０５及び連
結部２０６の厚み方向をｘ軸としてｘｙｚ直交座標系が
構成される。また、振動子２０１においてｘ軸と直交す
る面のうち一側の面をＸ１面とし、他側の面をＸ２面と
する。また振動子２０１においてｙ軸と直交する面であ
って各一対のアーム部２０２と２０３、及び２０４と２
０５が対向しない面のうち一側面をＹ１面とし、他側面
をＹ２面とする。なお、振動子２０１は、Ｘ１面からＸ
２面に向かってｘ軸方向に一様に分極処理されている。

【００６５】ここで、支持部３は、各々、上記第各実施
形態と同様に、くびれ部３ａを有する略エの字型形状の
焼結金属からなる。本実施形態においては、図９に示す
様に、２つの支持部３が、それぞれ、くびれ部３ａ以外
の部分の片方にて連結部２０６のＹ１、Ｙ２面に固定さ
れて、他方にてスペーサ１０７を介して基板１１０に固
定される。支持部３は略ｙ軸方向に延びるように位置す
る。従って、振動子２０１は両支持部３及びスペーサ１
０７を介して、基板１１０に対して浮遊支持される。

【００６６】なお、図９のように、連結部２０６のＹ
１、Ｙ２面を両支持部３で挟む形以外にも、振動子２０
１の一対のアーム部２０２〜２０５の間の部位２０１ａ
を、両支持部３で挟むことにより、振動子２０１を支持
してもよい。また、本実施形態のくびれ部３ａも、上記
第１実施形態と同様に、角速度センサにおける駆動共振
周波数ＦＤと検知共振周波数ＦＳとの周波数差ΔＦ（＝
ＦＳ−ＦＤ）が所望の範囲内となるように削られて調整
された形状を有している。

【００６７】次に、振動子２０１上のＸ１、Ｘ２、Ｙ
１、Ｙ２面上に形成された電極構成について図１０を参
照して説明する。図１０は振動子２０１を前後左右から
みた展開図である。図１０において（ａ）はＸ１面、
（ｂ）はＸ２面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面の電
極構成を示す。なお、図１０の座標は（ａ）に対応した
ものである。

【００６８】２０７は片側一対のアーム部２０２、２０
３を駆動するための駆動電極であり、Ｘ１面においてア
ーム部２０２から連結部２０６、アーム部２０３に渡っ
て連続的に形成されている。２０８は振動状態をモニタ
するための参照電極であり、Ｘ１面においてアーム部２
０２から連結部２０６、アーム部２０３に渡って、駆動
電極２０７の外周側に連続的に形成されている。

【００６９】２０９及び２１０は角速度検出用の角速度
検出電極であり、それぞれアーム部２０４のＹ２面、ア
ーム部２０５のＹ１面に形成されている。角速度検出電
極２０９は、Ｙ２面上の引出し電極２１１を介してＸ１
面上のパット電極２１２に導通し、一方、角速度検出電
極２１０は、Ｙ１面上の引出し電極２１３を介してＸ１
面上のパット電極２１４に導通している。

【００７０】２１５、２１６及び２１７は上記駆動、参
照、角速度検出電極２０７〜２１０の基準電位となる共
通電極である。共通電極２１５はＸ２面の略全域に形成
され、共通電極２１６及び２１７は、それぞれアーム部
２０４のＸ１面、アーム部２０５のＸ１面に形成されて
いる。そして、各共通電極２１５〜２１７は、Ｙ２面及
びＹ１面に形成された引出し電極２１８、２１９によっ
て導通されている。

【００７１】ところで、本実施形態の角速度センサも、
上記第各実施形態と同様の工程を適用することにより製
造可能である。また、本実施形態においても、各電極と
図示しない駆動・検出回路（制御回路）との接続は、上
記各実施形態と同様に、ターミナルとＷＢのワイヤ等に
よるリード線との結線にて行われる。本実施形態の作動
について述べる。

【００７２】まず、駆動電極２０７と共通電極２１５間
に交流電圧を印加することにより、片側一対のアーム部
２０２、２０３を互いに振動子２０１の中心線に対し対
称なｙ軸方向への屈曲振動をするモードにて共振させ
る。そのときの振幅として参照電極２０８からの出力を
モニターし、参照電極２０８からの出力が一定となるよ
うに上記駆動・検出回路を用いて自励発振（自励振動）
させる。

【００７３】次に、ｚ軸回りに角速度が入力された場
合、振動している片側一対のアーム部２０２、２０３に
はコリオリ力が発生し、これらアーム部２０２、２０３
は、ｘ軸方向において互いに逆方向に力を受ける。その
とき他側一対のアーム部２０４、２０５も連成してｘ軸
方向に振動するため、角速度に比例したｘ軸方向の振動
振幅を角速度検出電極２０９、２１０からの出力として
検出し、角速度を検出する。

【００７４】そして、本実施形態においても、上記第各
実施形態と同様の効果を有し、センサとして温度が変化
しても安定した感度が得られ、回路での調整もなく安価
でかつ高精度な角速度センサが提供可能となる。 （他の実施形態）なお、支持部３のくびれ部３ａにおけ
るねじれ剛性を変化させるためには、くびれ部３ａに、
剛性の別部材（例えば、金属等）を溶接、接着等により
接合することでも実現できる。さらに、くびれ部３ａ形
状に対応した形状を有する剛性の部材を用い、くびれ部
３ａに挟み付けることで取り付けるようにしてもよい。

【００７５】また、振動子１と支持部３との接合、およ
び、支持部３と基板２との接合は、各々、接着、および
溶接に限定されるものではないことは勿論である。ま
た、上記実施形態では、振動子１は圧電体からなるもの
であるが、振動子は角柱の振動部を有する音叉型振動子
であれば、例えば駆動、検出用等の圧電素子が貼付けら
れた金属製のものであってもよい。この場合にも、上記
実施形態と同じく、この金属製振動子が支持部を介して
基板に取り付けられた後、ΔＦ調整工程を行うことで、
上記と同様のΔＦ調整効果が得られる。

【００７６】従って、上記のΔＦ調整工程は、角柱音叉
型振動子の調整方法として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る角速度センサの全
体構成を示す斜視図である。

【図２】図１における振動子に形成された各電極の構成
を示す展開図であり、（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２
面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面上の電極構成を示
すものである。

【図３】上記第１実施形態におけるΔＦ調整工程の説明
図である。

【図４】上記第１実施形態における支持部による調整の
ΔＦとＳ／Ｎに与える効果を示すグラフである。

【図５】上記第１実施形態における支持部による調整の
感度ばらつき改善効果を示すグラフである。

【図６】上記第１実施形態における支持部による調整の
感度温度特性のばらつき改善効果を示すグラフである。

【図７】本発明の第２実施形態に係る角速度センサの全
体構成を示す斜視図である。

【図８】図７の振動子上に形成された電極の構成を示す
展開図であり、（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、
（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面を表す。

【図９】本発明の第３実施形態に係る角速度センサの全
体構成を示す斜視図である。

【図１０】図９の振動子上に形成された電極の構成を示
す展開図であり、（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、
（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面を表す。

【図１１】従来の角速度センサの全体構成を示す斜視図
である。

【図１２】図１１の振動子の各面上に形成された電極構
成を示す展開図である。

【符号の説明】

１、１０１、２０１…振動子、２、１１０…基板、３…
支持部、３ａ…くびれ部、４、５、１０２〜１０５、２
０２〜２０５…アーム部、６、１０６、２０６…連結
部、ＦＤ…駆動共振周波数、ＦＳ…検知共振周波数。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角柱状に形成された少なくとも一対のア
   ーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）
   と、各アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２
   ０５）の一端を連結する連結部（６、１０６、２０６）
   とにより形成された振動子（１、１０１、２０１）と、 前記振動子（１、１０１、２０１）を支持するためのく
   びれ部（３ａ）を有する支持部（３）とを備え、 前記振動子（１、１０１、２０１）を前記アーム部
   （４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）の配列方
   向であるｙ軸方向に駆動振動させるとともに、少なくと
   も１つの前記アーム部（４、５、１０２、１０５、２０
   ４、２０５）の前記ｙ軸に直交する所定方向の振動状態
   を検知振動として検出し、該検知振動の状態から所定軸
   回りの角速度を検出するようにした角速度センサにおい
   て、 前記支持部（３）のくびれ部（３ａ）は、前記駆動振動
   の共振周波数（ＦＤ）と前記検知振動の共振周波数（Ｆ
   Ｓ）との周波数差ΔＦが所望の範囲内に入るように調整
   された形状を有することを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記支持部（３）が焼結金属からなるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 角柱状に形成された少なくとも一対のア
   ーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）
   と、各アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２
   ０５）の一端を連結する連結部（６、１０６、２０６）
   とにより形成された振動子（１、１０１、２０１）と、 前記振動子（１、１０１、２０１）を支持するためのく
   びれ部（３ａ）を有する支持部（３）と、 前記支持部（３）を介して前記振動子（１、１０１、２
   ０１）が取り付けられる基板（２、１１０）とを備え、 前記振動子（１、１０１、２０１）を前記アーム部
   （４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）の配列方
   向であるｙ軸方向に駆動振動させるとともに、少なくと
   も１つの前記アーム部（４、５、１０２、１０５、２０
   ４、２０５）の前記ｙ軸に直交する所定方向の振動状態
   を検知振動として検出し、該検知振動の状態から所定軸
   回りの角速度を検出するようにした角速度センサの製造
   方法において、 前記基板（２、１１０）に前記支持部（３）を介して前
   記振動子（１、１０１、２０１）を取り付ける工程と、 前記振動子（１、１０１、２０１）の振動特性をモニタ
   ーして、前記駆動振動の共振周波数（ＦＤ）と前記検知
   振動の共振周波数（ＦＳ）との周波数差ΔＦが所望の範
   囲内に入るように前記支持部（３）のくびれ部（３ａ）
   のねじれ剛性を変化させる工程とを有することを特徴と
   する角速度センサの製造方法。
4. 【請求項４】 前記支持部（３）のくびれ部（３ａ）の
   形状を変えて、前記支持部（３）のくびれ部（３ａ）の
   ねじれ剛性を変化させることを特徴とする請求項３に記
   載の角速度センサの製造方法。
5. 【請求項５】 前記くびれ部（３ａ）を削るかもしくは
   前記くびれ部（３ａ）に別部材を設けて、前記支持部
   （３）のくびれ部（３ａ）の形状を変えることを特徴と
   する請求項４に記載の角速度センサの製造方法。
6. 【請求項６】 角柱状に形成された少なくとも一対のア
   ーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）
   と、各アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２
   ０５）の一端を連結する連結部（６、１０６、２０６）
   とにより形成された振動子（１、１０１、２０１）と、 前記振動子（１、１０１、２０１）を支持するためのく
   びれ部（３ａ）を有する支持部（３）とを備え、 前記振動子（１、１０１、２０１）を前記アーム部
   （４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）の配列方
   向であるｙ軸方向に駆動振動させるとともに、少なくと
   も１つの前記アーム部（４、５、１０２、１０５、２０
   ４、２０５）の前記ｙ軸に直交する所定方向の振動状態
   を検知振動として検出し、該検知振動の状態から所定軸
   回りの角速度を検出するようにした角速度センサの調整
   方法において、 前記支持部（３）のくびれ部（３ａ）のねじれ剛性を変
   化させて、前記駆動振動の共振周波数（ＦＤ）と前記検
   知振動の共振周波数（ＦＳ）との周波数差ΔＦが所望の
   範囲内に入るようすることを特徴とする角速度センサの
   調整方法。
7. 【請求項７】 前記支持部（３）のくびれ部（３ａ）の
   形状を変えて、前記支持部（３）のくびれ部（３ａ）の
   ねじれ剛性を変化させることを特徴とする請求項６に記
   載の角速度センサの調整方法。