JPH116738A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電体からなる音叉形状若しくは複数の音叉
を合成した形状の振動子を備えた角速度センサにおい
て、オフセット温度ドリフトを抑制する。 【解決手段】 圧電体にて音叉形状に形成され、外壁面
に駆動電極１２ａ，１２ｂ及び検出電極２２ａ，２２ｂ
を有する振動子を備えた角速度センサにおいて、駆動電
極１２ａ，１２ｂへの電圧印加により振動子２をＹ軸方
向に励振させたときの駆動共振波数ｆｄと、検出電極２
２ａ，２２ｂを介して角速度を検出する際のＸ軸方向の
共振周波数ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓが、０．９以上０．９
６以下又は１．０４以上１．１以下となり、各アーム部
４，６における駆動電極１２ａ，１２ｂと検出電極２２
ａ，２２ｂとのＺ軸方向の電極間距離Ｇと、振動子２の
Ｘ軸方向の厚みｔｓとの比Ｇ／ｔｓが１．４以上となる
ように振動子２を形成する。この結果、検出信号のオフ
セット温度ドリフトを低減できる。尚、音叉を組み合わ
せた櫛形又はＨ字形の振動子ではｆｄ／ｆｓを上記範囲
内に設定すればよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の車両制
御、ナビゲーション、ビデオカメラの手振れ防止等に用
いられる角速度センサに関し、特に、圧電体からなる音
叉形状の振動子を用いて角速度を検出する角速度センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開平８−２１０８６
０号公報に開示されているように、一対のアーム部とこ
れを連結する連結部とにより音叉形状に形成された圧電
体からなる振動子を備え、この振動子をアーム部の配列
方向である駆動軸方向に一定振動させつつ、角速度入力
時に振動子が受けるコリオリ力を、駆動軸と直交する検
出軸方向への振動子の振動の変化状態から検出する角速
度センサが知られている。

【０００３】そして、この種の角速度センサにおいて
は、音叉形状に形成した圧電体の外壁面に、駆動（励
振）用或いは振動検出用の電極を形成するだけで振動子
を作製できるため、従来より一般に使用されている、振
動子を金属にて形成してその表面に圧電体を接合するタ
イプの角速度センサに比べて、部品点数が少なく、構
造，延いては製造工程が簡易であるという、利点があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動子
を圧電体で構成した角速度センサは、金属の振動子に圧
電体を接合したタイプのものに比べて上記のような利点
はあるものの、高感度を得るには、振動子を駆動軸方向
に励振する駆動モードでの共振周波数と、角速度を検出
する検知モードでの検出軸方向への共振周波数とを近く
する必要があるため、駆動モードと検知モードでの振動
が影響し合って不要振動が発生し易く、この不要振動に
よって生じる機械的なノイズ源の影響を大きく受けると
いった問題があった。また、振動子を圧電体で構成した
角速度センサでは、圧電体に駆動（励振）用或いは振動
検出用といった各種電極を形成することから、これら各
電極間の相互作用が複雑で、ノイズ発生経路が多く、電
気的なノイズ源の影響が大きいという問題もある。

【０００５】そして、こうした機械的或いは電気的なノ
イズは、角速度検出時に得られる検出信号に重畳され、
しかもこのノイズは、温度によって変化することから、
角速度が零であるときに得られる検出信号のノイズ成分
（以下、オフセットという）も、温度によって変化する
ことになり、上記従来の角速度センサでは、角速度を温
度の影響を受けることなく安定して検出することは難し
いといった問題があった。

【０００６】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
のであり、圧電体からなる音叉形状若しくは複数の音叉
を合成した形状の振動子を用いて角速度を検出する角速
度センサにおいて、振動子の構造を規定することによ
り、角速度検出時に生じるオフセットの温度変化（以
下、オフセット温度ドリフトという）を抑制することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項１に記載の角速度センサは、互いに
平行に配置された少なくとも一対のアーム部と各アーム
部の一端を連結する連結部とにより形成された圧電体か
らなり、外壁面に、少なくとも、外部から交流電圧を受
けて前記各アーム部を各アーム部の配列方向である駆動
軸方向に励振する駆動電極、及び、各アーム部において
前記駆動軸とは直交する検出軸方向に生じる振動を検出
する一対の検出電極、が形成された振動子を備える。そ
して、この角速度センサにおいては、振動子が、前記駆
動軸方向への共振周波数ｆｄと、前記検出軸方向への共
振周波数ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓが、０．９以上０．９６
以下、又は、１．０４以上１．１以下、の範囲内になる
ように形成される。

【０００８】一方、請求項４に記載の角速度センサは、
一対のアーム部と各アーム部の一端を連結する連結部と
により音叉形状に形成され、少なくとも外壁面に駆動電
極と検出電極とが形成された圧電体からなる振動子を備
える。そして、この角速度センサにおいては、振動子
が、各アーム部の長手方向に沿った駆動電極と検出電極
との間の電極間距離Ｇと振動子において凹字状を呈する
表裏面間の厚みｔｓとの比Ｇ／ｔｓが１．４以上となる
ように形成される。

【０００９】このように請求項１及び請求項４において
規定される振動子の形状（数値）は、以下の考えに則っ
て実験的に求めたものであり、本発明（請求項１，請求
項４）によれば、オフセット温度ドリフトを充分低減で
きる。即ち、オフセット温度ドリフトとは、既述したよ
うに、角速度が零であるときの検出電極からの出力（オ
フセット）の温度変化のことであるが、本発明者がその
発生要因を調査した結果、オフセット温度ドリフトの発
生要因は、下記〜の通りであることがわかった。

【００１０】 駆動共振モードと検知共振モードの相
互作用により発生する検知共振モードと同じ共振周波数
での不要振動の温度変化。 圧電体において駆動電極が形成されたエリアと検出
電極が形成されたエリアとが電気的に容量で結合されて
いるために発生する電気ノイズ。

【００１１】 検知共振モード以外の振動子の他の共
振モードによる機械的なバックグランドノイズの温度変
化。 そして、上記，の発生要因については、振動子の駆
動軸方向への共振周波数（以下、駆動共振周波数とい
う）ｆｄと検出軸方向への共振周波数（以下、検知共振
周波数という）ｆｓとを近付け、機械的に感度を増幅す
ることにより低減できる。つまり、角速度に対応した信
号成分に対して、ノイズ成分を相対的に低減させるので
ある。しかし、駆動共振周波数ｆｄと検知共振周波数ｆ
ｓとを近付け過ぎると、上記の発生要因（不要振動）
が大きくなり、オフセット温度ドリフトが悪化してしま
うことがわかった。この結果、駆動共振周波数ｆｄと検
知共振周波数ｆｓとの関係（比ｆｄ／ｆｓ）を規定すれ
ば、上記〜の発生要因（つまり機械的な要因と電気
的な要因）を低減して、オフセット温度ドリフトを抑制
できることがわかった。

【００１２】一方、上記の発生要因については、駆動
電極と検出電極との各アーム部における離隔距離（電極
間距離Ｇ）に関係することがわかった。従って、駆動電
極と検出電極との電極間距離Ｇを規定すれば、上記の
発生要因（電気的な要因）を低減して、オフセット温度
ドリフトを抑制できることがわかった。

【００１３】そこで本発明者は、こうした調査結果に鑑
み、駆動共振周波数ｆｄと検知共振周波数ｆｓとの比ｆ
ｄ／ｆｓ、及び駆動電極と検出電極との電極間距離Ｇ
を、夫々、オフセット温度ドリフトを低減するのに最適
な値に設定すべく、各種実験を行い、請求項１及び請求
項４に記載の発明を完成したのである。

【００１４】尚、請求項１，請求項４に記載の発明によ
るオフセット温度ドリフトの低減効果については、後述
の実施例にて各種実験結果を用いて説明する。ここで、
請求項１に記載の角速度センサに設けられる振動子は、
互いに平行に配置された少なくとも一対のアーム部と各
アーム部を連結する連結部とにより構成されるものであ
り、請求項１に記載の発明は、例えば、請求項２に記載
のような音叉形状の振動子であっても、或いは、請求項
３に記載のような櫛形或いはＨ字形の振動子であっても
適用できる。

【００１５】つまり、音叉を利用して角速度を検出する
場合、その振動子は、請求項２に記載のように一対のア
ーム部と連結部とにより音叉形状に形成するのが一般的
であるが、請求項３に記載のように、一対のアーム部と
連結部とからなる二組の音叉部を、各音叉部の連結部を
共通にして一体化することによって、櫛形又はＨ字形に
形成した振動子を使用しても角速度を検出することがで
きる。

【００１６】そして、このような櫛形又はＨ字形の振動
子を利用して角速度を検出する際には、一方の音叉部を
構成するアーム部に駆動電極を、他方の音叉部を構成す
るアーム部に検出電極を、夫々形成し、一方の音叉部を
構成する各アーム部を各アーム部の長手方向の中心軸に
直交した駆動軸方向に励振させ、他方の音叉部を構成す
る各アーム部に生じた駆動軸とは直交する検出軸方向の
振動を検出するようにすれば、各アーム部の軸方向に沿
った振動子の中心軸周りの角速度を検出することができ
る。

【００１７】一方、請求項４に記載の角速度センサに設
けられる振動子は、音叉形状の振動子であり、請求項４
に記載の発明は、櫛形或いはＨ字形といった、複数の音
叉を合成した形状の振動子を備えた角速度センサには適
用できない。これは、請求項４に記載の発明は、一つの
アーム部に駆動電極と検出電極とを設けた場合に、これ
ら各電極の電極間距離Ｇに起因するオフセット温度ドリ
フトを抑制するための発明であり、複数の音叉を合成し
た形状の振動子では、一つのアーム部に駆動電極と検出
電極とを形成する必要がないからである。

【００１８】尚、請求項２或いは請求項４に記載の音叉
形状に形成された振動子の具体例としては、例えば、請
求項５に記載のように、外壁面の内、表面に駆動電極
を、各アーム部の表面に分極用電極を、各アーム部側面
の各分極用電極との対応位置に検出電極を、裏面に各電
極に対応した共通電極を、夫々有する振動子を挙げるこ
とができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面と共
に説明する。図１は実施例の角速度センサ全体の構成を
表わす斜視図、図２は本実施例の振動子を前後，左右か
ら見た状態を表す説明図である。

【００２０】図１に示す如く、本実施例の角速度センサ
は、左右一対のアーム部４，６と各アーム部４，６の一
端を連結する連結部８とにより音叉形状に形成された振
動子２を備える。振動子２のアーム部４，６及び連結部
８は、夫々４角柱状になっており、振動子２は、これら
各部を圧電体にて一体形成することにより作製される。
尚、振動子２を構成する圧電体には、ＰＺＴ等のセラミ
ック圧電体や水晶等を用いることができるが、本実施例
の振動子２には、分極方向を任意に設定可能で製造し易
いＰＺＴが使用されている。

【００２１】次に、図２（ａ）に示す如く、振動子２に
おいて凹字状を呈する一方の面（表面；以下、Ｘ１面と
いう）には、連結部８から各アーム部４，６にかけて一
対の駆動電極１２ａ，１２ｂが形成され、これら各駆動
電極１２ａ，１２ｂから各アーム部４，６の先端に至る
部分には、モニタ電極１４ａ，１４ｂ及び仮ＧＮＤ電極
１６ａ，１６ｂと、分極用電極１８ａ，１８ｂとが順に
形成され、更に各アーム部４，６の先端には、検出信号
取出用のパット電極２０ａ，２０ｂが形成されている。

【００２２】そして、駆動電極１２ａ及び１２ｂは、連
結部８を通って、各アーム部４，６が互いに対向する対
向面側と、各アーム部４，６の左右の外側面（Ｙ１，Ｙ
２面）側とに夫々形成され、モニタ電極１４ａ及び１４
ｂは、各アーム部４，６の対向面側に夫々形成され、仮
ＧＮＤ電極１６ａ及び１６ｂは、各アーム部４，６のＹ
１，Ｙ２面側に夫々形成され、分極用電極１８ａ，１８
ｂは、各アーム部４，６のＹ１，Ｙ２面側から対向面側
に至る幅方向全体に夫々形成され、パット電極２０ａ及
び２０ｂは、各アーム部４，６のＹ１，Ｙ２面側に夫々
形成されている。尚、各分極用電極１８ａ，１８ｂは、
短絡用電極２６ａ，２６ｂを介して、仮ＧＮＤ電極１６
ａ，１６ｂに夫々接続（短絡）されている。

【００２３】一方、各アーム部４，６のＹ１，Ｙ２面に
は、図２（ｂ）及び（ｃ）に夫々示す如く、分極用電極
１８ａ，１８ｂと対応し、且つ、各アーム部４の長手方
向に沿った中心よりＸ２面に偏った位置に、検出電極２
２ａ，２２ｂが形成されている。また、振動子２におい
て凹字状を呈する他方の面（裏面；以下、Ｘ２面とい
う）には、図２（ｄ）に示す如く、駆動電極１２ａ，１
２ｂ、モニタ電極１４ａ，１４ｂ及び検出電極１８ａ，
１８ｂの共通電極となる仮ＧＮＤ電極２４が形成されて
いる。

【００２４】そして、Ｘ２面に形成された仮ＧＮＤ電極
２４とＸ１面に形成された仮ＧＮＤ電極１６ａ，１６ｂ
とは、夫々、各アーム部４，６のＹ１，Ｙ２面に形成さ
れた短絡用電極２８ａ，２８ｂを介して、互いに接続
（短絡）され、また、Ｘ１面に形成されたパット電極２
０ａ，２０ｂとＹ１，Ｙ２面に形成された検出電極２２
ａ，２２ｂとは、夫々、Ｙ１，Ｙ２面に形成された検出
信号引き出し用の電極（引出電極）３０ａ，３０ｂを介
して、互いに接続（短絡）されている。

【００２５】尚、本実施例の振動子２は、音叉形状に形
成した圧電体のＸ１，Ｘ２面に上記各電極を形成して、
各電極間に電圧を印加することにより、圧電体をＸ１面
からＸ２面に至る方向（図１に矢印で示す方向）に分極
処理し、その後、Ｙ１，Ｙ２面に上記各電極を形成す
る、といった手順で作製される。

【００２６】次にこのように作製された振動子２は、連
結部８側端面を、断面がエの字状に形成されたサポータ
３２の台座部３２ｂに接着剤（例えばエポキシ系の接着
剤）で接合し、更にサポータ３２の本体側を、スペーサ
３４を介して、溶接又は接着等で板状のベース３６の表
面に固定することにより、ベース３６に対して、Ｘ２面
がベース２２の表面と対向するように固定される。

【００２７】サポータ３２は、スペーサ３４を介してベ
ース３６に固定される本体側に対し、振動吸収用の首部
３２ａを介して、振動子２を接合するための台座部３２
ｂを形成したものであり、例えば、４２Ｎのような金属
により、断面エの字状に一体形成されている。また、ベ
ース３６は、振動子２を角速度センサの筐体或は角速度
の検出対象となる車体等に直接又は防振ゴムを介して固
定するためのものである。そして、ベース３６には、振
動子２に形成された駆動電極１２ａ，１２ｂ、モニタ電
極１４ａ，１４ｂ、仮ＧＮＤ電極１６ａ，１６ｂ、及び
パット電極２０ａ，２０ｂに対応した８個のターミナル
Ｔ１〜Ｔ８が立設されている。各ターミナルＴ１〜Ｔ８
は、上記各電極と図示しない検出回路との中継を行うた
めのものであり、各電極とターミナルＴ１〜Ｔ８とは、
夫々、ワイヤＷ１〜Ｗ８を介して、ワイヤボンディング
により接続されている。尚、ベース３６と各ターミナル
Ｔ１〜Ｔ８とは電気的に絶縁されている。

【００２８】このように構成された本実施例の角速度セ
ンサを用いて、角速度を検出する際には、仮ＧＮＤ電極
１６ａ，１６ｂに接続されたターミナルＴ５，Ｔ６を介
して、仮ＧＮＤ電極１６ａ，１６ｂ、分極用電極１８
ａ，１８ｂ、及び仮ＧＮＤ電極２４を基準電位に接地
し、駆動電極１２ａ，１２ｂに接続されたターミナルＴ
１，Ｔ２を介して、各駆動電極１２ａ，１２ｂに、位相
差１８０度の交流の駆動信号を夫々入力する。尚、この
駆動信号は、基準電位を中心に正負に変化する交流信号
であり、その周波数は、左右アーム部４，６の配列方向
である駆動軸（図１に示すＹ軸）方向への振動子２の共
振周波数（駆動共振周波数）である。

【００２９】この結果、Ｘ１面上の駆動電極１２ａ，１
２ｂとＸ２面上の仮ＧＮＤ電極２４との間に、夫々、位
相が反転した交流電圧が印加されることになり、各アー
ム部４，６は、Ｙ軸方向に共振する。また、この駆動時
には、ターミナルＴ３，Ｔ４を介してモニタ電極１４
ａ，１４ｂからの出力（具体的には、モニタ電極１４
ａ，１４ｂと仮ＧＮＤ電極２４との間に流れる電流）を
モニタし、各アーム部４，６のＹ軸方向への振幅が温度
が変わっても一定となるように、駆動信号を制御する
（自励制御発振）。

【００３０】次に、このように振動子２を自励制御発振
させている際に、各アーム部４，６の中心位置にて各ア
ーム部４，６に平行なＺ軸を中心とするＺ軸回りの角速
度Ωが入力されると、各アーム部４，６は、コリオリ力
により、Ｘ１，Ｘ２面を貫くＸ軸方向（検出軸方向）に
振動する。そして、このＸ軸方向の振動成分は、検出電
極２２ａ，２２ｂと、仮ＧＮＤ電極２４との間に流れる
電流に比例することから、これら各電極間の電流を、夫
々、検出電極２２ａ，２２ｂに引出電極３０ａ，３０ｂ
及びパット電極２０ａ，２０ｂを介して接続されたター
ミナルＴ７，Ｔ８を介して取り込み、電流−電圧変換回
路にて電圧信号に変換し、更に、各電圧信号を差動増幅
器を介して差動増幅することにより、Ｚ軸周りの角速度
Ωを表す検出信号を生成する。

【００３１】ところで、このように生成された検出信号
には、前述した機械的及び電気的要因によりオフセット
成分が含まれ、しかもこのオフセット成分は温度により
変化する。そこで、こうしたオフセットの温度変化（オ
フセット温度ドリフト）を抑制すべく、振動子２の駆動
共振周波数ｆｄと検知共振周波数ｆｓとの関係、及び、
駆動電極１２ａ，１２ｂと検出電極２２ａ，２２ｂとの
電極間距離の最適な領域について調査した。

【００３２】以下、この調査のために行った実験結果に
ついて説明する。まず、駆動共振周波数ｆｄと検知共振
周波数ｆｓとの関係を規定するために行った実験につい
て説明する。尚、この実験を行うに当たっては、図３
（ａ）に示す如く、振動子２を支持するサポータ３２に
おける台座部３２ｂ及び首部３２ａのＺ軸方向の長さ
（高さ）を、夫々、１ｍｍに設定すると共に、連結部８
から突出した各アーム部４，６の長手方向（Ｚ軸方向）
の長さをＬ，各アーム部４，６のＹ軸方向の幅をｔD ，
各アーム部４，６間のＹ軸方向の隙間（ギャップ）を
ｗ，連結部８のＺ軸方向の高さをｄ，サポータ３２の首
部３２ａのＹ軸方向の幅をｖとして、これら各値Ｌ，ｔ
D ，ｗ，ｄ，ｖを、図３（ｂ）に示す水準表に従い１〜
３の各水準に夫々設定し、更に、振動子２のＸ１面−Ｘ
２面間の厚み（換言すればＹ軸方向の厚み）ｔｓを調整
することにより、駆動共振周波数ｆｄと検知共振周波数
ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓを０．８〜０．９９の範囲内で段
階的に設定した、サポータ３２付きの振動子２を多数作
製した。但し、これら各振動子２において、各アーム部
４，６における駆動電極１２ａ，１２ｂと検出電極２２
ａ，２２ｂとのＺ軸方向の電極間距離Ｇと、振動子２の
厚みｔｓとの比Ｇ／ｔｓは、１．４以上１．８以下の範
囲内である。

【００３３】まず図４は、各アーム部４，６の幅ｔD を
２．０ｍｍ，各アーム部４，６間のギャップｗを０．６
ｍｍ，連結部８の高さｄを３．０ｍｍ，サポータ３２の
首部３２ａの幅ｖを１．０ｍｍとし、各アーム部４，６
の長さＬを、１０ｍｍ，１７ｍｍ，２７ｍｍとし、更
に、振動子２の厚みｔｓを調整することにより共振周波
数の比ｆｄ／ｆｓを段階的に設定した多数の振動子を用
いて、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度ドリ
フトとの関係を測定した実験１の結果を表す。そして、
この実験１の結果から、オフセット温度ドリフトは、ア
ーム部４，６の長さＬを問わず同様な傾向となり、共振
周波数の比ｆｄ／ｆｓが０．９８以上、０．８８以下で
は大きくなるので、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓの最適範
囲としては、０．９以上０．９６以下に設定すればよい
ことがわかった。

【００３４】尚、図４に示す各アーム部４，６の長さＬ
及び共振周波数の比ｆｄ／ｆｓに対するオフセット温度
ドリフトの測定値は、夫々、振動子１０個分の測定値の
平均を表し、以下に説明する図５〜図９における各測定
値についても同様である。次に、図５は、各アーム部
４，６の長さＬを１７ｍｍ，各アーム部４，６間のギャ
ップｗを０．６ｍｍ，連結部８の高さｄを３．０ｍｍ，
サポータ３２の首部３２ａの幅ｖを１．０ｍｍとし、各
アーム部４，６の幅ｔD を、１．５ｍｍ，２．０ｍｍ，
２．５ｍｍとし、更に、振動子２の厚みｔｓを調整する
ことにより共振周波数の比ｆｄ／ｆｓを段階的に設定し
た多数の振動子を用いて、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓと
オフセット温度ドリフトとの関係を測定した実験２の結
果を表す。そして、この実験２の結果から、オフセット
温度ドリフトは、アーム部４，６の幅ｔD を問わず同様
な傾向となり、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓが０．９８以
上、０．８８以下では大きくなるので、共振周波数の比
ｆｄ／ｆｓの最適範囲としては、０．９以上０．９６以
下に設定すればよいことがわかった。

【００３５】また、図６は、各アーム部４，６の長さＬ
を１７ｍｍ，各アーム部４，６の幅ｔD を２．０ｍｍ、
連結部８の高さｄを３．０ｍｍ，サポータ３２の首部３
２ａの幅ｖを１．０ｍｍとし、各アーム部４，６間のギ
ャップｗを、０．２ｍｍ，０．６ｍｍ，１．０ｍｍと
し、更に、振動子２の厚みｔｓを調整することにより共
振周波数の比ｆｄ／ｆｓを段階的に設定した多数の振動
子を用いて、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温
度ドリフトとの関係を測定した実験３の結果を表す。そ
して、この実験３の結果から、オフセット温度ドリフト
は、アーム部４，６間のギャップｗを問わず同様な傾向
となり、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓが０．９８以上、
０．８８以下では大きくなるので、共振周波数の比ｆｄ
／ｆｓの最適範囲としては、０．９以上０．９６以下に
設定すればよいことがわかった。

【００３６】一方、図７は、各アーム部４，６の長さＬ
を１７ｍｍ，各アーム部４，６の幅ｔD を２．０ｍｍ、
各アーム部４，６間のギャップｗを０．６ｍｍ、サポー
タ３２の首部３２ａの幅ｖを１．０ｍｍとし、連結部８
の高さｄを、２．０ｍｍ，３．０ｍｍとし、更に、振動
子２の厚みｔｓを調整することにより共振周波数の比ｆ
ｄ／ｆｓを段階的に設定した多数の振動子を用いて、共
振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度ドリフトとの
関係を測定した実験４の結果を表す。そして、この実験
４の結果から、オフセット温度ドリフトは、連結部８の
高さｄを問わず同様な傾向となり、共振周波数の比ｆｄ
／ｆｓが０．９８以上、０．８８以下では大きくなるの
で、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓの最適範囲としては、
０．９以上０．９６以下に設定すればよいことがわかっ
た。

【００３７】また、図８は、各アーム部４，６の長さＬ
を１７ｍｍ，各アーム部４，６の幅ｔD を２．０ｍｍ、
各アーム部４，６間のギャップｗを０．６ｍｍ、連結部
８の高さｄを３．０ｍｍとし、サポータ３２の首部３２
ａの幅ｖを、０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，１．５ｍｍと
し、更に、振動子２の厚みｔｓを調整することにより共
振周波数の比ｆｄ／ｆｓを段階的に設定した多数の振動
子を用いて、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温
度ドリフトとの関係を測定した実験５の結果を表す。そ
して、この実験５の結果から、オフセット温度ドリフト
は、サポータ３２の首部３２ａの幅ｖを問わず同様な傾
向となり、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓが０．９８以上、
０．８８以下では大きくなるので、共振周波数の比ｆｄ
／ｆｓの最適範囲としては、０．９以上０．９６以下に
設定すればよいことがわかった。

【００３８】尚、以上の実験は、駆動共振周波数ｆｄを
検知共振周波数ｆｓよりも低い周波数に設定するものと
して行ったが、駆動共振周波数ｆｄを検知共振周波数ｆ
ｓよりも高い周波数に設定することもあり得るので、本
願発明者は、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓが１より大きく
なる領域でも上記各実験と同様の実験を行った。この結
果、上記説明した共振周波数の比ｆｄ／ｆｓは、駆動共
振周波数ｆｄと検知共振周波数ｆｓとの相対関係を表す
ものであり、上記最適範囲の値は、比がｆｓ／ｆｄと逆
転しても同様の特性が得られることがわかった。つま
り、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓの最適範囲としては、
１．０４以上１．１以下の範囲内に設定してもよいこと
がわかった。

【００３９】従って、オフセット温度ドリフトを低減す
るのに最適な駆動共振周波数ｆｄと検知共振周波数ｆｓ
との比ｆｄ／ｆｓは、０．９以上０．９６以下、若しく
は、１．０４以上１．１以下の範囲内であり、共振周波
数の比ｆｄ／ｆｓがこの範囲内になるように振動子２の
各部の寸法を設定すれば、オフセット温度ドリフトの機
械的及び電気的要因を共に低減して、オフセット温度ド
リフトの少ない角速度センサを実現できることがわか
る。

【００４０】次に、各アーム部４，６における駆動電極
１２ａ，１２ｂと検出電極２２ａ，２２ｂとのＺ軸方向
の電極間距離Ｇを規定するために行った実験６について
説明する。この実験６では、図９に示す如く、各アーム
部４，６の長さＬを１７ｍｍ，各アーム部４，６の幅ｔ
D を２．０，各アーム部４，６間のギャップｗを０．６
ｍｍ，連結部８の高さｄを３．０ｍｍ，サポータ３２の
首部３２ａの幅ｖを１．０ｍｍとし、振動子２の厚みｔ
ｓを調整することにより、振動子２の駆動共振周波数ｆ
ｄと検知共振周波数ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓを、夫々、
０．８８、０．９２に設定し、更に、電極間距離Ｇを適
宜変更した多数の角速度センサを用いて、電極間距離Ｇ
と振動子２の厚みｔｓとの比Ｇ／ｔｓと、オフセット温
度ドリフトとの関係を測定した。

【００４１】そして、この実験６の結果から、オフセッ
ト温度ドリフトは、共振周波数の比ｆｄ／ｆｓによら
ず、電極間距離Ｇと振動子２の厚みｔｓとの比Ｇ／ｔｓ
が大きくなる程低減でき、この比Ｇ／ｔｓを１．４以上
にすれば、オフセット温度ドリフトが略フラットにな
り、オフセット温度ドリフトが小さく安定することがわ
かった。従って、オフセット温度ドリフトを低減するの
に最適な電極間距離Ｇとしては、振動子２の厚みｔｓに
対する比Ｇ／ｔｓが１．４以上となるように設定すれば
よく、これにより、オフセット温度ドリフトの電気的要
因を低減して、オフセット温度ドリフトの少ない角速度
センサを実現できることがわかる。

【００４２】以上、本発明の実施例として、図１，図２
に示した角速度センサを用いて、オフセット温度ドリフ
トを抑制するのに最適な駆動共振周波数ｆｄと検知共振
周波数ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓ、及び電極間距離Ｇと振動
子２の厚みｔｓとの比Ｇ／ｔｓを測定した実験結果につ
いて説明したが、本発明は、図１，図２に示した構成の
角速度センサに限定されるものではなく、圧電体からな
る音叉形状に形成され、その外壁面に駆動電極と検出電
極とが形成された振動子を用いた角速度センサであれ
ば、適用できる。

【００４３】例えば、上記実施例では、振動子２を駆動
軸（Ｙ軸）方向に励振するための駆動電極１２ａ，１２
ｂを、振動子２の連結部８から左右の連結部４，６にか
けて連続的に形成した角速度センサについて説明した
が、図１０に示す如く、駆動電極１２ａ，１２ｂが、連
結部８にて切断され、左右のアーム部４，６にのみ形成
された振動子を用いた角速度センサであっても、本発明
を適用することにより、オフセット温度ドリフトを低減
できる。また、上記実施例では、検出電極２２ａ，２２
ｂが左右アーム部４，６の外側側面（Ｙ１，Ｙ２面）に
形成された振動子２を備えた角速度センサについて説明
したが、例えば、検出電極２２ａ，２２ｂを各アーム部
４，６のＸ１面に形成し、各検出電極２２ａ，２２ｂに
対応する仮ＧＮＤ電極を各アーム部４，６のＹ１，Ｙ２
面に形成することにより、検出信号を振動子２の表面
（Ｘ１面）に設けた検出電極から直接取り出すことがで
きるようにした角速度センサであっても、本発明を適用
することにより、オフセット温度ドリフトを低減でき
る。

【００４４】また、請求項１に記載の発明は、上記実施
例のような音叉形状の振動子２を備えた角速度センサ以
外にも、請求項３に記載のような振動子を備えた角速度
センサ、具体的には、図１１及び図１２に示すように、
音叉を構成する２本のアーム部を二組備え、これら各ア
ーム部１０３，１０４，１０５，１０６を平行に配置し
て、その一端を共通の連結部１０２にて連結することに
より、櫛形に形成した振動子１００を備えた角速度セン
サ、或いは、図１３に示すように、音叉を構成する２本
のアーム部を二組備え、これら各組のアーム部２０３，
２０４及び２０５，２０６を、夫々、連結部２０２の両
側に配置して連結することにより、Ｈ字形に形成した振
動子２００を備えた角速度センサ、であっても適用でき
る。

【００４５】以下、図１１〜図１３に示した振動子１０
０，２００を有する角速度センサについて説明する。図
１１及び図１２に示した角速度センサの振動子１００
は、アーム部１０３，１０４及び１０５，１０６の間隔
が異なる二組の音叉を組み合わせた所謂４脚音叉であ
り、アーム部１０５，１０６の間隔が広い一方の音叉の
間に、アーム部１０３，１０４の間隔が狭い音叉を配置
して、各音叉の連結部を連結した形状（櫛形形状）をし
ている。そして、この振動子１００の連結部１０２に
は、図１に示した振動子２と同様、断面がエの字状に形
成されることにより中央にトーションビーム１０８を有
するサポータ１０７が接着材等を用いて接合され、更
に、サポータ１０７は、各アーム部１０３〜１０６を、
ベース１１１から一定距離だけ離れた位置に平行に配置
にするために、スペーサ１１０を介して、ベース１１１
上に溶接等で固定されている。

【００４６】尚、図１１は、櫛形の振動子１００を備え
た角速度センサ全体の構成を表わす斜視図であり、図２
はその振動子１００を前後（Ｘ１面，Ｘ２面）・左右
（Ｙ１面，Ｙ２面）から見た状態を表す説明図である。
振動子１００は、例えば、ＰＺＴをダイシング等で機械
加工することにより櫛形に形成されている。そして、こ
の振動子１００を構成する４本のアーム部１０３〜１０
６の内、中央の音叉部を構成する一対のアーム部１０
３，１０４には、振動子１００を各アーム部１０３〜１
０６の配列方向（Ｙ軸方向）に振動させるための電極が
形成され、外側の音叉部を構成する一対のアーム部１０
５，１０６には、振動子１００に加わった各アーム部１
０３〜１０６の中心軸に平行なＺ軸周りの角速度Ωを検
出するための電極が形成されている。

【００４７】即ち、図１２に示すように、アーム部１０
３，１０４には、そのＸ１面（ベース１１１とは反対側
の表面）に、駆動電極１１２とモニタ電極１１３とが夫
々形成され、Ｘ２面（ベース１１１との対向面である裏
面）には、基準電位に接地するための仮ＧＮＤ電極１２
０が形成されている。そして、各アーム部１０３，１０
４に形成された駆動電極１１２及びモニタ電極１１３
は、夫々、連結部１０２のＸ１面で互いに接続され、各
アーム部１０３，１０４のＸ２面に形成された仮ＧＮＤ
電極１２０は、連結部１０２のＸ２面で互いに接続され
ている。

【００４８】一方、アーム部１０５のＸ１面には、検出
電極１１４が形成され、Ｘ２面には、検出電極１２２が
形成され、振動子１００の外側側面となるＹ１面には、
仮ＧＮＤ電極１２５が形成されると共に、Ｘ１，Ｘ２面
の検出電極１１４，１２２を互いに接続（短絡）する短
絡用電極１２９が形成されている。また、アーム部１０
６のＸ１面には、仮ＧＮＤ電極１１５が形成され、Ｘ２
面には、仮ＧＮＤ電極１２１が形成され、振動子１００
の外側側面となるＹ２面には、検出電極１２４が形成さ
れると共に、Ｘ１，Ｘ２面の仮ＧＮＤ電極１１５，１２
１を互いに接続（短絡）する短絡用電極１２８が接続さ
れている。

【００４９】次に、連結部１０２のＸ１面には、検出信
号取出用のパット電極１１６が形成されており、このパ
ット電極１１６には、引出電極１１８を介して、アーム
部１０５のＸ１面に形成された検出電極１１４に接続さ
れると共に、引出電極１２６を介して、アーム部１０６
のＹ２面に形成された検出電極１２４に接続されてい
る。また、連結部１０２のＸ１面には、仮ＧＮＤ電極接
地用のパット電極１１７も形成されており、このパット
電極１１７には、引出電極１１９を介して、アーム部１
０６のＸ１面に形成された仮ＧＮＤ電極１１５が接続さ
れている。そして、この仮ＧＮＤ電極１１５に接続され
たアーム部１０６の仮ＧＮＤ電極１２１には、連結部１
０２のＸ２面に形成された引出電極１２３及びアーム部
１０５のＹ１面に形成された引出電極１２７を介して、
アーム部１０５のＹ１面に形成された仮ＧＮＤ電極１２
５及びアーム部１０３，１０４のＸ２面に形成された仮
ＧＮＤ電極１２０が夫々接続されている。

【００５０】そして、図１１に示すように、ベース１１
１には、連結部１０２のＸ１面に形成された駆動電極１
１２、モニタ電極１１３、パット電極１１６、及びパッ
ト電極１１７に対応した４個のターミナルＴ３１〜Ｔ３
４が立設されており、これら各電極と各ターミナルＴ３
１〜Ｔ３４とは、夫々、夫々、ワイヤＷ３１〜Ｗ３４を
ボンディングすることにより接続される。尚、振動子１
００の各面への電極の形成手順等は、図１に示した振動
子２と全く同様である。

【００５１】このように構成された角速度センサを用い
て、角速度を検出する際には、駆動用のアーム部１０
３，１０４に形成された駆動電極１１２と仮ＧＮＤ電極
１２０との間に駆動信号（交流電圧）を印加することに
より、これらアーム部１０３，１０４にて構成される内
側の音叉部を左右の駆動軸方向（図に示すＹ軸方向）に
共振させると共に、モニタ電極１１３からの出力が一定
になるように、図示しない制御回路を用いて駆動信号を
制御することにより、振動子１００の内側の音叉部を自
励発振させる。そして、このように振動子１００を自励
制御発振させているときに、振動子１００の長手方向の
中心軸（Ｚ軸）を中心とする角速度Ωが入力されると、
上記各アーム部１０３，１０４は、コリオリ力によっ
て、Ｘ１，Ｘ２面を貫くＸ軸方向（検出軸方向）にも振
動する。すると、外側の音叉部を構成する各アーム部１
０５，１０６もＸ軸方向に振動し、検出電極１１４，１
２２と仮ＧＮＤ電極１２５との間、及び、検出電極１２
４と仮ＧＮＤ電極１１５，１２１７０との間には、Ｘ軸
方向の振動に比例した電流が流れることから、これら各
電極間の電流を電圧値に変換することにより、Ｚ軸回り
の角速度Ωを検出する。

【００５２】そして、上記のように櫛形の振動子１００
を備えた角速度センサにおいても、駆動共振周波数ｆｄ
と検知共振周波数ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓを、上述の最適
範囲内に設定すれば、上記音叉形状の振動子２を備えた
角速度センサと同様の効果が得られることがわかった。

【００５３】次に図１３に示した角速度センサの振動子
２００は、同一形状の音叉を、各音叉のアーム部２０
３，２０４及び２０５，２０６が互いに逆方向を向くよ
うに、各音叉の連結部２０２にて連結したＨ字形形状を
している。この振動子２００は、ＰＺＴをダイシング等
で機械加工することによりＨ字形に形成されており、一
方の音叉部を構成する一対のアーム部２０３，２０４に
は、振動子２００をアーム部２０３，２０４の配置方向
（Ｙ軸方向）に振動させるための電極が形成され、他方
の音叉部を構成する一対のアーム部２０５，２０６に
は、振動子２００に加わった各アーム部２０３〜２０６
の中心軸に平行なｚ軸周りの角速度を検出するための電
極が形成されている。

【００５４】即ち、アーム部２０３，２０４のＸ１面
（振動子２００においてＨ字形を呈する一方の面）に
は、駆動電極２０７及びモニタ電極２０８が形成されて
いる。そして各アーム部２０３，２０４の駆動電極２０
７及びモニタ電極２０８は、夫々、連結部２０２で連結
されている。また、アーム部２０５，２０６のＸ１面に
は、夫々、仮ＧＮＤ電極２１０，２１１が形成され、Ｙ
１，Ｙ２面（各アーム部２０５，２０６における振動子
２００の外側側面）には、夫々、検出電極２１２，２１
３が形成されている。

【００５５】また、振動子２００のＸ２面（振動子２０
０においてＨ字形を呈する一方の面）には、アーム部２
０３，２０４から連結部２０２を通ってアーム部２０
５，２０６に至る略全域に仮ＧＮＤ電極２０９が形成さ
れており、アーム部２０５，２０６のＸ１面に形成され
た仮ＧＮＤ電極２１０，２１１は、各アーム部２０５，
２０６のＹ１面及びＹ２面に形成された短絡用電極２１
８，２１９を介して、Ｘ１面の仮ＧＮＤ電極２０９に接
続されている。また、連結部２０２のＸ１面には、検出
信号取出用のパット電極２１４，２１５が形成され、各
アーム部２０５，２０６のＹ１，Ｙ２面に形成された検
出電極２１２，２１３は、引出電極２１６，２１７を介
して、各パット電極２１４，２１５に夫々接続されてい
る。

【００５６】このように構成された振動子２００を用い
て角速度を検出する際には、例えば、連結部２０２のＸ
２面をサポータを介してベース上に固定すると同時に、
Ｘ２面の仮ＧＮＤ電極２０９を基準電位に接地する。そ
して、アーム部２０３，２０４に形成された駆動電極２
０７と仮ＧＮＤ電極２０９との間に駆動信号（交流電
圧）を印加することにより、これらアーム部１０３，１
０４にて構成される音叉部を左右の駆動軸方向（図に示
すＹ軸方向）に共振させると共に、モニタ電極２０８か
らの出力が一定になるように、図示しない制御回路を用
いて駆動信号を制御することにより、振動子２００の内
側の音叉部を自励発振させる。

【００５７】そして、このように振動子２００を自励制
御発振させているときに、Ｚ軸周りの角速度Ωが入力さ
れると、各アーム部２０３，２０４は、コリオリ力によ
って、Ｘ１，Ｘ２面を貫くＸ軸方向（図示せず）にも振
動する。すると、他方の音叉部を構成する各アーム部２
０５，２０６もＸ軸方向に振動するため、検出電極２１
２と仮ＧＮＤ電極２０９，２１０との間、及び、検出電
極２１３と仮ＧＮＤ電極２０９，２１１との間には、Ｘ
軸方向の振動に比例した電流が流れる。そこで、この電
流をパット電極２１４，２１５を介して取り出し、電圧
値に変換することにより、Ｚ軸回りの角速度Ωを検出す
る。そして、このようにＨ字形の振動子２００を備えた
角速度センサにおいても、駆動共振周波数ｆｄと検知共
振周波数ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓを、上述の最適範囲内に
設定すれば、上記音叉形状の振動子２を備えた角速度セ
ンサと同様の効果が得られることがわかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の角速度センサの構成を表す斜視図で
ある。

【図２】 図１に示した振動子に形成された電極を表す
説明図である。

【図３】 共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度
ドリフトとの関係を測定するために作製した振動子及び
サポータの形状を説明する説明図である。

【図４】 共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度
ドリフトとの関係を測定した実験１の測定結果を表すグ
ラフである。

【図５】 共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度
ドリフトとの関係を測定した実験２の測定結果を表すグ
ラフである。

【図６】 共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度
ドリフトとの関係を測定した実験３の測定結果を表すグ
ラフである。

【図７】 共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度
ドリフトとの関係を測定した実験４の測定結果を表すグ
ラフである。

【図８】 共振周波数の比ｆｄ／ｆｓとオフセット温度
ドリフトとの関係を測定した実験５の測定結果を表すグ
ラフである。

【図９】 電極間距離Ｇと振動子２の厚みｔｓとの比Ｇ
／ｔｓとオフセット温度ドリフトとの関係を測定した実
験６の測定結果を表すグラフである。

【図１０】 音叉形状の振動子の他の構成例を表す説明
図である。

【図１１】 二組の音叉部を有する櫛形形状の振動子を
備えた角速度センサの構成を表す説明図である。

【図１２】 図１１に示した櫛形形状の振動子に形成さ
れた電極を表す説明図である。

【図１３】 二組の音叉部を有するＨ字形形状の振動子
の構成を説明する説明図である。

【符号の説明】

２，１００，２００…振動子、４，６，１０３〜１０
６，２０３〜２０６…アーム部、８，１０２，２０２…
連結部、１２ａ，１２ｂ，１１２，２０７…駆動電極、
１４ａ，１４ｂ，１１３，２０８…モニタ電極、１６
ａ，１６ｂ，２４，１１５，１２０，１２１，１２５，
２０９，２１０，２１１…仮ＧＮＤ電極、１８ａ，１８
ｂ…分極用電極、２０ａ，２０ｂ，１１６，１１７，２
１４，２１５…パット電極、２２ａ，２２ｂ，１１４，
１２２，１２４，２１２，２１３…検出電極、２６ａ，
２６ｂ，２８ａ，２８ｂ，１２８，１２９，２１８，２
１９…短絡用電極 ３０ａ，３０ｂ，１１８，１１
９，１２３，１２６，１２７，２１６，２１７…引出電
極、３２，１０７…サポータ ３４，１１０…スペー
サ、３６，１１１…ベース、Ｔ１〜Ｔ８，Ｔ３１〜３４
…ターミナル、４０…電流−電圧変換回路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに平行に配置された少なくとも一対
   のアーム部と各アーム部の一端を連結する連結部とによ
   り形成された圧電体からなり、外壁面に、少なくとも、
   外部から交流電圧を受けて前記各アーム部を各アーム部
   の配列方向である駆動軸方向に励振する駆動電極、及
   び、各アーム部において前記駆動軸とは直交する検出軸
   方向に生じる振動を検出する一対の検出電極、が形成さ
   れた振動子を備えた角速度センサにおいて、 前記振動子を、前記駆動軸方向への共振周波数ｆｄと、
   前記検出軸方向への共振周波数ｆｓとの比ｆｄ／ｆｓ
   が、０．９以上０．９６以下、又は、１．０４以上１．
   １以下、の範囲内になるように形成したことを特徴とす
   る角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記振動子は、一対のアーム部と該各ア
   ーム部の一端を連結する連結部とにより音叉形状に形成
   されてい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】 前記振動子は、一対のアーム部と該各ア
   ーム部の一端を互いに連結する連結部とからなる二組の
   音叉部を、各音叉部の連結部を共通にして一体化するこ
   とにより櫛形又はＨ字形に形成し、前記駆動電極を、一
   方の音叉部を構成するアーム部に形成し、前記検出電極
   を、他方の音叉部を構成するアーム部に形成してなるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】 一対のアーム部と各アーム部の一端を連
   結する連結部とにより音叉形状に形成された圧電体から
   なり、外壁面に、少なくとも、外部から交流電圧を受け
   て前記各アーム部を各アーム部の配列方向である駆動軸
   方向に励振する駆動電極、及び、各アーム部において前
   記駆動軸とは直交する検出軸方向に生じる振動を検出す
   る一対の検出電極、が形成された振動子を備えた角速度
   センサにおいて、 前記振動子を、前記各アーム部の長手方向に沿った前記
   駆動電極と前記検出電極との間の電極間距離Ｇと、前記
   振動子において凹字状を呈する表裏面間の厚みｔｓとの
   比Ｇ／ｔｓが、１．４以上となるように形成したことを
   特徴とする角速度センサ。
5. 【請求項５】 前記振動子は、前記外壁面の内、表面側
   に前記駆動電極を、前記各アーム部の表面側に分極用電
   極を、前記各アーム部側面の前記各分極用電極との対応
   位置に前記検出電極を、裏面側に前記各電極に対応した
   共通電極を、夫々有することを特徴とする請求項２又は
   請求項４に記載の角速度センサ。