JPH116735A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度の検出感度をアップする。脚部の電界
のバランスを均一にし振動漏れを防ぐ。側面の検出用電
極板と主面のリード電極との導通の信頼性を上げる。 【解決手段】 励振用の電極板４-1〜４-4の交差範囲Ｌ
Ａの終端を脚部１-1の滑動端Ｓ１付近まで延ばす。これ
により、歪みが大きくなる方向への有効作用長が長くな
り、より大きな励振が得られる。電極板５’-1〜５’-4
の交差範囲ＬＢの終端を脚部１-2の滑動端Ｓ２付近まで
延ばす。これにより、歪みが大きくなる方向への有効作
用長が長くなり、より大きな電荷が得られる。歪みの小
さな最上部以外は滑動端Ｓ１，Ｓ２付近まで電極板を均
等に延ばし電界のバランスを均一にする。電極板５’-1
〜５’-4は脚部１-2の主面および側面にまたがって形成
する。これにより、側面から主面への電極板の廻し込み
幅が大となり、主面リード電極との導通の信頼性が上が
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、励振電極に交流
電圧を印加することによって振動子素子が振動している
とき、この振動子素子の脚部の伸縮方向の回りに作用す
る回転角速度を、検出電極に生ずる電圧信号に基づいて
検出する角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】所定方向に沿って振動している振動子、
例えば直交座標軸平面（Ｘ−Ｙ平面）におけるＸ軸に沿
って振動している振動子がＹ軸の回りに回転すると、振
動子に（Ｘ−Ｙ平面と直交する）Ｚ軸方向にコリオリの
力が生じる。このコリオリの力は角速度の大きさに比例
して定まることから、コリオリの力を振動子の撓み変位
量として間接的に、圧電素子の圧電効果、容量変化など
で直接的に測定すれば、振動子のＹ軸の回りに作用した
回転角速度の大きさを求めることができる。このため、
振動する振動子を角速度検出素子として車両や航空機等
に搭載し、その走行或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を検出することが行われている。
また、この角速度検出素子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。

【０００３】図６は水晶を用いた従来の角速度センサの
要部を示す図である。同図において、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は同図（ａ）における電極配置および結線状態を
拡大して示す図である。同図において、１はＵ字型の振
動子素子（水晶板）、２−１〜２−４は励振用の電極
板、３−１〜３−４は検出用の電極板であり、励振用の
電極板２−１〜２−４を励振電極２の構成要素とし、検
出用の電極板３−１〜３−４を検出電極３の構成要素と
している。励振用の電極板２−１〜２−４は振動子素子
１の一方の脚部１−１の表裏（主面）および左右（側
面）の面に、検出用の電極板３−１〜３−４は振動子素
子１の他方の脚部１−２の左右（側面）の面に形成され
ている。

【０００４】この角速度センサにおいては、図６（ｂ）
に示されるように、励振用の電極板２−１と２−３とが
端子Ｐ１に共通に接続され、励振用の電極板２−２と２
−４とが端子Ｐ２に共通に接続され、この端子Ｐ１とＰ
２との間に交流電圧が印加される。このため、ある時は
図６（ｂ）中に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆
方向の電界が発生することにより、振動子素子１の一方
の脚部１−１が、更に他方の脚部１−２も連動して、そ
の長手方向へ伸縮しながら左右に振動する。

【０００５】ここで、脚部１−１，１−２の振動方向
（励振方向）をＸ軸方向、このＸ軸方向と直交する図６
（ａ）における紙面内の方向、すなわち脚部１−１，１
−２の伸縮方向をＹ軸方向、このＸ−Ｙ平面と直交する
方向（振動子素子１の板面に垂直な方向）をＺ軸方向と
した場合、Ｙ軸の回りに回転角速度が作用すると、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
成分の大きさはコリオリの力に比例しているので、振動
子素子１の他方の脚部１−２には回転角速度に比例した
大きさで振動の方向に応じた極の電荷が発生する。

【０００６】これにより、図６（ｂ）に示されるよう
に、検出用の電極板３−１と３−４とを共通に接続した
端子Ｐ３と、検出電極３−２と３−３とを共通に接続し
た端子Ｐ４との間に、ある時には矢印の方向、次には逆
方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号ｅ
ｓが得られる。この電圧信号ｅｓの大きさによって、Ｙ
軸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、この電圧信号ｅｓは基本的にサインカーブ
として得られ、この電圧信号ｅｓの波形と励振振動信号
ｅ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。

【０００７】なお、端子Ｐ１とＰ２との間に印加される
励振振動信号ｅの振幅は、図示せぬ温度補償回路によっ
て、温度変化により素子の諸定数、振動姿態が変化して
も、一定の振幅に保たれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示した従来の角速度センサでは、励振電極２を構成する
電極板２−１〜２−４の交差範囲ＬＡおよび検出用電極
３を構成する電極板３−１〜３−４の交差範囲ＬＢが短
い。すなわち、脚部１−１および１−２の滑動端Ｓ１お
よびＳ２はこの脚部１−１および１−２の根元部に位置
するが、励振用の電極板２−１〜２−４の交差範囲ＬＡ
および検出用の電極板３−１〜３−４の交差範囲ＬＢの
終端が滑動端Ｓ１およびＳ２から離れている。滑動端Ｓ
１およびＳ２では最も歪みが大きくなる。従来において
は、この滑動端Ｓ１およびＳ２付近を交差範囲ＬＡおよ
びＬＢに有効作用長として入れていないので、脚部１−
１ではより大きな励振が得られず、脚部１−２ではＹ軸
の回りの回転に対しより大きな電荷を得ることができ
ず、角速度の検出感度が落ちる。また、この角速度セン
サでは、励振用の電極板２−１，２−３を根元付近、２
−２，２−４を最上部付近でそれぞれの組を段違いに廻
し込んでいるため、脚部１−１において、滑動端となる
根元付近で、電界のバランスを不均一にしている。一
方、検出用の電極板は３−２，３−３を根元付近、３−
１，３−４を最上部付近で廻し込んでいるため、最上部
付近、根元付近共に電界のバランスを不均一にしてい
る。このため、脚部１−１，１−２は共に目的の方向
（Ｘ軸方向）への振動に対し振動漏れ（直角成分を持つ
振動）が生じる虞れがある。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、角速度の検
出感度をアップすることの可能な、また脚部の電界のバ
ランスを均一にして振動漏れが生じないようにすること
の可能な角速度センサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、第１発明（請求項１に係る発明）は、Ｕ字型
の振動子素子を用いた角速度センサにおいて、一方の脚
部に形成された励振電極および他方の脚部に形成された
検出電極の少なくとも一方について、その電極を構成す
る各電極板の交差範囲の終端をその電極が形成された脚
部の滑動端付近まで延ばしたものである。第２発明（請
求項２に係る発明）は、Ｈ型の振動子素子を用いた角速
度センサにおいて、第１の脚部に形成された励振電極お
よび第２の脚部に形成された検出電極の少なくとも一方
について、その電極を構成する各電極板の交差範囲の終
端をその電極が形成された脚部の滑動端付近まで延ばし
たものである。この第１発明および第２発明によれば、
励振電極および検出電極の両方あるいは片方について、
その電極を構成する各電極板の交差範囲の終端がその電
極が形成された脚部の滑動端付近まで延ばされ、歪みが
大きくなる方向への有効作用長が長くなる。また、歪み
の小さな最上部以外は滑動端付近まで電極を均等に延ば
し、電界のバランスを均一にすることが可能となる。

【００１１】第３発明（請求項３に係る発明）は、第１
発明および第２発明において、検出電極を構成する各電
極板を、その電極の形成面である脚部の主面および側面
にまたがって形成したものである。この発明によれば、
検出電極を構成する各電極板は、脚部の主面および側面
にまたがることにより、側面から主面への検出用の電極
板の廻し込み幅を大として、側面の検出用電極板と主面
のリード電極との導通の信頼性を高めることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
き詳細に説明する。 〔実施の形態１〕図１はこの発明の一実施の形態の要部
を示す図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同
図（ａ）における電極配置および結線状態を拡大して示
す図である。

【００１３】同図において、１はＵ字型の振動子素子
（水晶板）、４−１〜４−４は励振用の電極板、５−１
〜５−４は検出用の電極板であり、電極板４−１〜４−
４を励振電極４の構成要素とし、電極板５−１〜５−４
を検出電極５の構成要素としている。励振用の電極板４
−１〜４−４は振動子素子１の一方の脚部１−１の表裏
（主面）および左右（側面）の面に、検出用の電極板５
−１〜５−４は振動子素子１の他方の脚部１−２の左右
（側面）の面に形成されている。

【００１４】この角速度センサにおいては、図１（ｂ）
に示されるように、励振用の電極板４−１と４−３とが
端子Ｐ１に共通に接続され、励振用の電極板４−２と４
−４とが端子Ｐ２に共通に接続され、この端子Ｐ１とＰ
２との間に交流電圧が印加される。このため、ある時は
図１（ｂ）中に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆
方向の電界が発生することにより、振動子素子１の一方
の脚部１−１が、更に他方の脚部１−２も連動して、そ
の長手方向へ伸縮しながら左右に振動する。

【００１５】ここで、脚部１−１，１−２の振動方向
（励振方向）をＸ軸方向、このＸ軸方向と直交する図１
（ａ）における紙面内の方向、すなわち脚部１−１，１
−２の伸縮方向をＹ軸方向、このＸ−Ｙ平面と直交する
方向（振動子素子１の板面に垂直な方向）をＺ軸方向と
した場合、Ｙ軸の回りに回転角速度が作用すると、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
成分の大きさはコリオリの力に比例しているので、振動
子素子１の他方の脚部１−２には回転角速度に比例した
大きさで振動の方向に応じた極の電荷が発生する。

【００１６】これにより、図１（ｂ）に示されるよう
に、検出用の電極板５−１と５−４とを共通に接続した
端子Ｐ３と、検出電極５−２と５−３とを共通に接続し
た端子Ｐ４との間に、ある時には矢印の方向、次には逆
方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号ｅ
ｓが得られる。この電圧信号ｅｓの大きさによって、Ｙ
軸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、この電圧信号ｅｓは基本的にサインカーブ
として得られ、この電圧信号ｅｓの波形と励振振動信号
ｅ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。

【００１７】ここで、図６に示した従来の角速度センサ
と異なる点は、励振電極４を構成する電極板４−１〜４
−４、および検出電極５を構成する電極板５−１〜５−
４の形状および配置にある。

【００１８】すなわち、この実施の形態では、脚部１−
１の右側面１−１Ｒに電極板４−１を形成しているが、
この電極板４−１の下端部を脚部１−１の根元部まで延
ばし、脚部１−１の根元部の傾斜面１−１ａにおいて表
側主面１−１Ｆ側からのリード電極（主面リード電極）
６−１と結合している。脚部１−１の左側面１−１Ｌに
形成した電極板４−３についても電極板４−１と同様に
形成している。

【００１９】また、脚部１−１の表側主面１−１Ｆに電
極板４−２を形成しているが、この電極板４−２の下端
部を脚部１−１の根元部よりもさらに下方、すなわち脚
部１−１の滑動端Ｓ１よりもさらに下方に延ばしてい
る。脚部１−１の裏側主面１−１Ｂに形成した電極板４
−４についても電極板４−２と同様に根元部（滑動端Ｓ
１）まで形成している。

【００２０】これにより、電極板４−１〜４−４の交差
範囲ＬＡの終端が脚部１−１の滑動端Ｓ１付近まで延ば
され、歪みが大きくなる方向への有効作用長が長くな
り、脚部１−１においてより大きな励振が得られる。ま
た、歪みの小さな最上部以外は滑動端Ｓ１付近まで電極
板４−１〜４−４が均等に延ばされているので、電界の
バランスが均一になり、振動漏れが防がれる。

【００２１】一方、脚部１−２では、その右側面１−２
Ｒの前方に電極板５−１を形成しているが、この電極板
５−１の先端部を脚部１−２の根元部まで延ばし、脚部
１−２の根元部の傾斜面１−２ｂにおいて表側主面１−
２Ｆ側からのリード電極（主面リード電極）６−２と結
合している。また、脚部１−２の右側面１−２Ｒの後方
に電極板５−２を形成しているが、この電極板５−２の
下端部を脚部１−２の根元部まで延ばし、脚部１−２の
根元部の傾斜面１−２ｂにおいて裏側主面１−２Ｂ側か
らのリード電極（主面リード電極）６−３と結合してい
る。脚部１−２の左側面１−２Ｌに形成した電極板５−
３および５−４ついても電極板５−２および５−１と同
様に根元部（滑動端Ｓ２）まで形成している。

【００２２】これにより、電極板５−１〜５−４の交差
範囲ＬＢの終端が脚部１−２の滑動端Ｓ２付近まで延ば
され、歪みが大きくなる方向への有効作用長が長くな
り、Ｙ軸の回りの回転に対し脚部１−２においてより大
きな電荷が得られる。また、歪みの小さな最上部以外は
滑動端Ｓ２付近まで電極板５−１〜５−４が均等に延ば
されているので、電界のバランスが均一になり、振動漏
れが防がれる。

【００２３】ところで、従来において、脚部の根元部ま
で電極板を配置することができなかったのには理由があ
る。例えば、図１（ａ）では、脚部１−２における電極
板５−１および５−２を脚部１−２の根元部まで配置し
ている。このような電極板５−１および５−２はフォト
リソグラフィによって形成する。すなわち、先ず、振動
子素子に金属電極膜を蒸着する。そして、フォトレジス
トを塗布し、マスクをかけて露光する。これにより、マ
スクをかけた部分だけ、フォトレジストが残される。次
に、フォトレジストの残されていない金属電極膜をエッ
チングによって除去し、フォトレジストをはく離するこ
とによって、電極板を作る。

【００２４】ところが、従来このフォトリソグラフィ工
程において、フォトレジストは表面張力などの影響によ
り角部にのりにくく、エッチングに際して角部の金属電
極膜が除去されてしまう。すなわち、電極板５−１につ
いていえば、この電極板５−１に結合される主面リード
電極６−２が図２に示すように角部１−２ｃにおいて導
通不良となってしまう。この改善策として、部分的にス
リットのある蒸着マスクを用い、この蒸着マスクのスリ
ット１００を通して金属を飛ばし、導通不良部分をなく
す。この際、スリット１００からの金属が奥の方まで飛
び、電極板５−１と５−２とが傾斜面１−２ｂにおいて
ショートしてしまう。このようなショートを起こさせな
いために、電極板５−１と５−２とは段違いの構造とす
る必要があり、電極板５−１と５−２との交差範囲ＬＢ
の終端が滑動端Ｓ２から離れることになる。

【００２５】本出願人は、フォトリソグラフィ工程にお
けるフォトレジストの塗布方法の改良を重ねることによ
り、フォトレジストの塗布を完璧とし、従来エッチング
に際して除去されてしまっていた角部の金属電極膜を残
すことに成功した。この成功によって、後から導通不良
部分をなくすという工程が不要となり、図１において、
電極板４−１〜４−４の交差範囲ＬＡの終端および電極
板５−１〜５−４の交差範囲ＬＢの終端を滑動端Ｓ１お
よびＳ２の付近まで延ばせるようになった。

【００２６】〔実施の形態２〕図３はこの発明の他の実
施の形態の要部を示す図であり、同図（ａ）は斜視図、
同図（ｂ）は同図（ａ）における電極配置および結線状
態を拡大して示す図である。この角速度センサでは、検
出用の電極板５’−１〜５’−４を、脚部１−２の主面
および側面にまたがって形成している。すなわち、電極
板５’−１を表側主面１−２Ｆと右側面１−２Ｒとにま
たがって、電極板５’−２を裏側主面１−２Ｂと右側面
１−２Ｒとにまたがって、電極板５’−３を表側主面１
−２Ｆと左側面１−２Ｌとにまたがって、電極板５’−
４を裏側主面１−２Ｂと左側面１−２Ｌとにまたがって
形成している。

【００２７】これにより、脚部１−２において、側面か
ら主面への検出用の電極板の廻し込み幅が著しく大とな
り、側面の検出用の電極板と主面リード電極との接続が
確実となり、導通の信頼性が極めて高くなる。すなわ
ち、実施の形態１では、脚部１−２の側面の検出用の電
極板から主面リード電極につなげる角部（図２に示した
角部１−２ａや１−２ｃ）で廻し込みを行っているた
め、その廻し込み幅が小さく、導通の信頼性が低い。こ
れに対して、この実施の形態３では、脚部１−２の稜線
で廻し込みが行われるため、その廻し込み幅が大きく、
導通の信頼性が高い。この脚部１−２の稜線での廻し込
みについても、角部と同様、フォトレジストの塗布方法
の改良によって実現されている。

【００２８】〔実施の形態３〕図４はこの発明の他の実
施の形態を示す角速度センサの斜視図である。この角速
度センサでは、Ｈ型の振動子素子７を用いている。そし
て、この振動子素子７の４本の脚部７−１〜７−４のう
ち、脚部７−１および７−２に励振電極８および９を形
成し、脚部７−３および７−４に検出電極１０および１
１を形成している。この場合、励振電極８を構成する電
極板８−１〜８−４および励振電極９を構成する電極板
９−１〜９−４の形状および配置は、図１に示した励振
用の電極板４−１〜４−４と同様とされている。また、
検出電極１０を構成する電極板１０−１〜１０−４およ
び検出電極１１を構成する電極板１１−１〜１１−４の
形状および配置は、図１に示した検出用の電極板５−１
〜５−４と同様とされている。

【００２９】〔実施の形態４〕図５はこの発明の他の実
施の形態を示す角速度センサの斜視図である。この角速
度センサでは、振動子素子７の４本の脚部７−１〜７−
４のうち、脚部７−１および７−２に励振電極８および
９を形成し、脚部７−３および７−４に検出電極１０’
および１１’を形成している。この場合、励振電極８を
構成する電極板８−１〜８−４および励振電極９を構成
する電極板９−１〜９−４の形状および配置は、図３に
示した励振用の電極板４−１〜４−４と同様とされてい
る。また、検出電極１０’を構成する電極板１０’−１
〜１０’−４および検出電極１１’を構成する電極板１
１’−１〜１１’−４の形状および配置は、図３に示し
た検出用の電極板５’−１〜５’−４と同様とされてい
る。

【００３０】なお、上述した各実施の形態では、励振電
極および検出電極の両方について、その電極を構成する
各電極板の交差範囲の終端をその電極が形成された脚部
の滑動端付近まで延ばしているが、励振電極および検出
電極の何れか一方についてその電極を構成する各電極板
の交差範囲の終端をその電極が形成された脚部の滑動端
付近まで延ばすようにしてもよい。

【００３１】また、実施の形態３（図４）および４（図
５）では、励振電極を脚部７−１，７−２に形成し、検
出電極を脚部７−３，７−４に形成するようにしたが、
脚部７−１，７−２に検出電極を、脚部７−３，７−４
に励振電極を形成するようにしてもよい。また、この他
にも色々な組合せが考えられ、脚部７−１，７−３に励
振電極を脚部７−２，７−４に検出電極を、また脚部７
−２，７−３に励振電極を脚部７−１，７−４に検出電
極を、また脚部７−１に励振電極を脚部７−２，７−
３，７−４に検出電極を形成するなどとしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、第１発明および第２発明では、励振電極
および検出電極の両方あるいは片方について、その電極
を構成する各電極板の交差範囲の終端がその電極が形成
された脚部の滑動端付近まで延ばされ、歪みが大きくな
る方向への有効作用長が長くなり、角速度の検出感度が
アップする。また、歪みの小さな最上部以外は滑動端付
近まで電極を均等に延ばし、電界のバランスを均一にす
ることが可能となり、振動漏れを防止することができる
ようになる。また、第３発明によれば、検出電極を構成
する各電極板について、脚部の主面および側面にまたが
せることによって、側面から主面への検出用の電極板の
廻し込み幅を大とし、主面リード電極との導通の信頼性
を向上させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態（実施の形態１）の要
部を示す図である。

【図２】 従来において脚部の根元部まで電極板を配置
することができなかった理由を説明するための要部拡大
図である。

【図３】 本発明の他の実施の形態（実施の形態２）の
要部を示す図である。

【図４】 本発明の他の実施の形態（実施の形態３）を
示す斜視図である。

【図５】 本発明の他の実施の形態（実施の形態４）を
示す斜視図である。

【図６】 従来の角速度センサの要部を示す図である。

【符号の説明】

１…振動子素子（Ｕ字型）、１−１，１−２…脚部、１
−１Ｆ，１−２Ｆ…表側主面、１−１Ｂ，１−２Ｂ…裏
側主面、１−１Ｒ，１−２Ｒ…右側面、１−１Ｌ，１−
２Ｌ…左側面、４−１〜４−４…励振用の電極板、５−
１〜５−４，５’−１〜５’−４…検出用の電極板、Ｓ
１，Ｓ２…滑動端、７…振動子素子（Ｈ型）、７−１〜
７−４…脚部、８−１〜８−４，９−１〜９−４，…励
振用の電極板、１０−１〜１０−４，１１−１〜１１−
４，１０’−１〜１０’−４，１１’−１〜１１’−４
…検出用の電極板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｕ字型の振動子素子と、このＵ字型の振
   動子素子の一方の脚部に形成された励振電極と、他方の
   脚部に形成された検出電極とを備え、前記励振電極に交
   流電圧を印加することにより前記振動子素子を振動させ
   ながら、前記検出電極に生ずる電圧信号に基づいて前記
   脚部の伸縮方向の回りに作用する回転角速度を検出する
   角速度センサにおいて、 前記励振電極および前記検出電極の少なくとも一方は、
   その電極を構成する各電極板の交差範囲の終端がその電
   極が形成された脚部の滑動端付近まで延びていることを
   特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 Ｈ型の振動子素子と、このＨ型の振動子
   素子の第１の脚部に形成された励振電極と、第２の脚部
   に形成された検出電極とを備え、前記励振電極に交流電
   圧を印加することにより前記振動子素子を振動させなが
   ら、前記検出電極に生ずる電圧信号に基づいて前記脚部
   の伸縮方向の回りに作用する回転角速度を検出する角速
   度センサにおいて、 前記励振電極および前記検出電極の少なくとも一方は、
   その電極を構成する各電極板の交差範囲の終端がその電
   極が形成された脚部の滑動端付近まで延びていることを
   特徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記検出電極
   は、その電極を構成する各電極板がその電極の形成面で
   ある脚部の主面および側面にまたがって形成されている
   ことを特徴とする角速度センサ。