JPH07260489A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広い温度範囲で温度オフセット出力変化が小
さく、かつ安価な角速度センサを提供する。 【構成】 方形断面の対称な振動腕２４，２５；２９，
３０を支持部２３，２８で平行一体に連結した形状をそ
れぞれ有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクの振動腕２４，
２５；２９，３０の周面に電極２２，２７をそれぞれ配
設してなる第１および第２の音叉形水晶振動子２１，２
６を互いに平行に面対向した状態に結合子３１を介し支
持部２３，２８において固着する。第１の音叉形水晶振
動子２１を駆動側音叉とし、第２の音叉形水晶振動子２
６を検知側音叉とし、駆動側音叉のコリオリ力による振
動を検知側音叉に伝達させる。検知側音叉は、伝達され
た振動による電気的信号を電極２７を介して検出し、そ
のレベルから角速度を検出する。第１の音叉形水晶振動
子２１は結晶軸ＸＹＺのＸＹ面内で切り出し、第２の音
叉形水晶振動子２６はＹＺ面内で切り出している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車・航空機・船舶
・車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム
に用いる角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の角速度センサとしては、特公昭４
ー１８５３号に、「板状圧電体の駆動部と、板状圧電体
の検知部とを直交して容量結合を遮断するように結合配
置するとともに、交流駆動電圧の印加により駆動部を振
動させたときにその振動方向と直交する方向の検知部の
屈曲状態を検出して角速度を得る」構成が開示されてい
る。

【０００３】以下に、この従来の角速度センサを図を用
いて説明する。図１３は、従来の角速度センサの斜視図
である。図１３において、１，１′は２枚の圧電体を接
着剤等で張り合わせた駆動用圧電バイモルフ（駆動部）
で、２，２′は駆動用圧電バイモルフ１，１′と同様に
２枚の圧電体を張り合わせた検知用圧電バイモルフ（検
知部）で、駆動用圧電バイモルフ１，１′と検知用圧電
バイモルフ２，２′とは互いに直交するように金属継手
３，３′によりそれぞれ一体固定されている。７，７′
は駆動用圧電バイモルフ１，１′と金属継手３，３′と
の間にそれぞれ介在する絶縁体、８，８′は検知用圧電
バイモルフ２，２′と金属継手３，３′との間にそれぞ
れ介在する絶縁体である。９，９′は駆動用圧電バイモ
ルフ１，１′の一面の圧電体と金属継手３，３′とをそ
れぞれ接続するリード線、１０，１０′は検知用圧電バ
イモルフ２，２′と金属継手３，３′とをそれぞれ接続
するリード線、１１，１１′は駆動用圧電バイモルフ
１，１′の他面の圧電体にそれぞれ接続するリード線、
１２，１２′は検知用圧電バイモルフ２，２′の他面の
圧電体にそれぞれ接続するリード線である。

【０００４】また、駆動用圧電バイモルフ１，１′の内
側の一面の圧電体は金属端子４に、溶接、半田等で固定
され、この金属継手３，３′は金属端子４を介して接地
されている。そして、駆動用圧電バイモルフ１，１′に
は、リード線１１，１１′を介して交流駆動電圧を印加
するようにしている。また、検知用圧電バイモルフ２，
２′の屈曲による検知信号はリード線１２，１２′から
取り出されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例の構成では、駆動用圧電バイモルフ１，１′、検知
用圧電バイモルフ２，２′は、２枚の圧電体を接着剤等
で張り合わせて構成しているため、外界の温度変化や接
着剤等の熱膨張や折り曲げた金属板の直交角度が変化す
るので、入力角速度が０のとき、温度変化により出力値
が変動する温度ドリフトの変動が大きいという問題を有
していた。

【０００６】また、駆動用圧電バイモルフ１，１′、検
知用圧電バイモルフ２，２′に張り合わせる圧電体の寸
法、厚み、張り合わせ等のばらつき、および、駆動用圧
電バイモルフ１、１′、検知用圧電バイモルフ２、２′
との直交ばらつきが発生し、高精度に角速度を検出する
ことができないという問題を有していた。本発明は、上
記従来の課題を解決するために、広い温度範囲で温度特
性に優れかつ各種ばらつきの少ない角速度センサを提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサ
は、所望の結晶軸とその面内で切り出された水晶ブラン
クに機械的あるいは電気的加工法で加工し、水晶ブラン
クだけで振動腕が面対称的に配置された一対の略Ｕ字音
叉形水晶振動子を形成し、それらの一方を駆動側音叉と
し他方を検知側音叉とし、両略Ｕ字音叉形水晶振動子の
作用を駆動用と検知用とに分離した一体構成、つまり２
つの略Ｕ字音叉形水晶振動子を互いに平行に面対向する
ように、２つの振動腕の基部である支持部において結合
子を介して一体構成したものである。

【０００８】結合子の支持部に対する結合部位は、略Ｕ
字音叉形水晶振動子の機械的Ｑ値の低下が少なく、かつ
有効に振動を伝達することができる箇所が望ましい。例
えば、支持部において、振動節（意味については後述す
る）を含むある面積をもった領域どうしを結合子を介し
一体構成すればよい。このように、駆動側音叉と検知側
音叉は、支持部に発生する振動節を部分的に含むある面
積をもった領域同士をブロック状の結合子を介して固着
すると、「エネルギー閉じ込め理論」により、音叉振動
の機械的Ｑ値と駆動側音叉から検知側音叉への機械伝達
効率を最大にすることができる。したがって、従来の音
叉結合部の基板における機械的伝達ロスが飛躍的に改善
でき、コリオリの力による角速度検出の感度を格段に向
上させることができる。

【０００９】なお、支持部の底面など、支持部の他の部
分同士を連結しても、駆動側から検知側へ振動を伝達で
きるので、結合の部位は、上記した振動節に限らないも
のである。上記のように、本発明は、一方の駆動側音叉
が駆動振動を持続するようにし、他方の検知側音叉はコ
リオリの力を検出するため、駆動側音叉の２つの振動腕
を結ぶ方向（Ｘ軸方向）、すなわち屈曲振動方向に対
し、直角方向の振動成分の電気的信号を検知側音叉で取
り出すための電極を備え、角速度を検出することによ
り、温度ドリフトが非常に少なく、かつ高精度で安価な
角速度センサを得ることができるものである。

【００１０】また、振動腕と支持部が一体に連結する略
Ｕ字音叉形水晶振動子を用いているので、従来例にみる
圧電素子貼り付け工程などの種々の製造工程がなく、温
度的にばらつきのない安定した角速度センサを得るもの
である。以下、各請求項に対応して説明する。請求項１
記載の角速度センサは、結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸周りに
回転した新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長
手方向にしてＸ，Ｙ′面内で切り出し、方形断面の一方
および他方の対称な振動腕を支持部で平行一体に連結し
た形状を有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクの前記一方お
よび他方の振動腕の周面に電極を配設してなる第１の音
叉形水晶振動子と、結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸周りに回転
した新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長手方
向にしてＹ′，Ｚ′面内で切り出し、方形断面の一方お
よび他方の対称な振動腕を支持部で平行一体に連結した
形状を有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクの前記一方およ
び他方の振動腕の周面に電極を配設してなる第２の音叉
形水晶振動子とを、互いに平行に面対向した状態に結合
子を介し前記支持部において固着したものであって、前
記第１の音叉形水晶振動子を、電極を介して交流電圧を
印加することにより、一方および他方の振動腕のＸ軸方
向に変位する互いに逆相の屈曲振動を発生させる駆動側
音叉とし、前記第２の音叉形水晶振動子を、前記結合子
を経由して前記第１の音叉形水晶振動子から伝播した
Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周
りの回転角速度に基づくコリオリの力によって発生する
一方および他方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲
振動により生じる交流電圧を電極を介して検出する角速
度検出用の検知側音叉としたことを特徴とする。

【００１１】請求項２記載の角速度センサは、請求項１
記載の角速度センサにおいて、駆動側音叉のＸ軸方向に
変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音
叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とが
ほぼ等しく、かつ前記駆動側音叉のＸ軸方向に変位する
互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と前記検知側音叉の
一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に変位する互いに
逆相の屈曲振動の共振周波数とが異なるように、前記駆
動側音叉の振動腕と前記検知側音叉の振動腕とを異なる
形状寸法に設定したことを特徴とする。

【００１２】請求項３記載の角速度センサは、請求項１
記載の角速度センサにおいて、駆動側音叉のＸ軸方向に
変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音
叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と前
記検知側音叉の一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に
変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とが互いに
隔離して異なるように、前記駆動側音叉の振動腕と前記
検知側音叉の振動腕とを異なる形状寸法に設定したこと
を特徴とする。

【００１３】請求項４記載の角速度センサは、請求項１
記載の角速度センサにおいて、駆動側音叉の一方および
他方の振動腕の周面に配設する電極は、Ｚ′軸方向に見
て前記一方および他方の振動腕の表裏および両側の４周
面にそれぞれ４つの稜線部分で周方向に４分割された状
態にそれぞれ設けてあり、前記一方の振動腕の表裏面電
極と前記他方の振動腕の両側面電極とを共通接続し、前
記他方の振動腕の表裏面電極と前記一方の振動腕の両側
面電極とを共通接続し、かつ検知側音叉の一方および他
方の振動腕の周面に配設する電極は、Ｘ軸方向に見て前
記一方および他方の振動腕の表裏および両側の４周面に
それぞれ４つの稜線部分で周方向に４分割された状態に
それぞれ設けてあり、前記一方の振動腕の表裏面電極と
前記他方の振動腕の両側面電極とを共通接続し、前記他
方の振動腕の表裏面電極と前記一方の振動腕の両側面電
極とを共通接続したことを特徴とする。

【００１４】請求項５記載の角速度センサは、請求項１
記載の角速度センサにおいて、結合子は、両端面がある
面積を有する柱状であって、両端面が駆動側音叉および
検知側音叉の支持部に生成される振動節を部分的に含む
表面に接着されていることを特徴とする。請求項６記載
の角速度センサは、請求項１記載の角速度センサにおい
て、駆動側音叉および検知側音叉は、支持部に生成され
る振動節を部分的に含むある面積をもった貫通孔をそれ
ぞれ有し、結合子は、柱状であって、両端部が前記貫通
孔に貫挿した状態に前記駆動側音叉および検知側音叉の
支持部に接着されていることを特徴とする。

【００１５】

【作用】請求項１記載の構成によれば、駆動側音叉であ
る第１の音叉形水晶振動子に電極を介して交流電圧を印
加することにより、駆動側音叉に一方および他方の振動
腕のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動が発生す
る。このＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動は、
Ｙ′軸周りの回転角速度が加えられる（当然第２の音叉
形水晶振動子も同じ回転角速度が与えられる）と、第１
の音叉形水晶振動子のＹ′軸周りの回転角速度に基づく
コリオリの力によって第１の音叉形水晶振動子の一方お
よび他方の振動腕のＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動
が発生する。この結合子を介して伝播の第２の音叉形水
晶振動子の一方および他方の振動腕のＸ軸方向の互いに
逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を電極を介して検
出する。この交流電圧はＹ′軸周りの回転角速度に比例
した値をとるので、上記の交流電圧からＹ′軸周りの回
転角速度が検出できる。

【００１６】請求項２記載の構成によれば、駆動側音叉
のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周
波数と検知側音叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の
共振周波数とがほぼ等しく、かつ駆動側音叉のＸ軸方向
に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側
音叉の一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に変位する
互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とが異なることによ
り、駆動側音叉を共振駆動した場合において、検知側音
叉では、Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と
Ｙ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリの力によって
検知側音叉の一方および他方の振動腕に発生するＺ′軸
方向の互いに逆相の屈曲振動が効率よく検出できるとと
もに、Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の影
響が小さくなる。この結果、Ｚ′軸方向に変位する互い
に逆相の屈曲振動により生じる交流電圧の影響を抑えつ
つ、Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流
電圧を有効に検出できることになり、精度よくＹ′軸周
りの回転角速度を検出することが可能となる。

【００１７】請求項３記載の構成によれば、駆動側音叉
のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波
数と検知側音叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共
振周波数と検知側音叉の一方および他方の振動腕のＺ′
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と
が互いに隔離して異なることにより、駆動側音叉を共振
駆動した場合において、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相
の屈曲振動とＹ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリ
の力によって駆動側音叉の一方および他方の振動腕に発
生するＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動に対して、検
知側音叉では、Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲
振動が影響することがなくなる。この結果、Ｚ′軸方向
に変位する互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧
の影響を抑えつつ、Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動に
より生じる交流電圧を有効に検出できることになり、精
度よくＹ′軸周りの回転角速度を検出することが可能と
なる。

【００１８】請求項４記載の構成によれば、駆動側音叉
の共通接続した２組の電極間に交流電圧を加えてＸ軸方
向に変位する互いに逆相の屈曲振動を起こさせる。この
際、交流電圧の周波数は、一方および他方の振動腕のＸ
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数に
近いものとし、駆動側音叉を共振駆動する。一方、検知
側音叉の共通接続した２組の電極間には、一方および他
方の振動腕に発生するＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動
に伴う交流電圧が生じることになる。

【００１９】請求項５記載の構成によれば、駆動側音叉
のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動が、駆動側
音叉の機械的Ｑ値が低下することなく、効率よく検知側
音叉にＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動とし
て伝達されることになる。請求項６記載の構成によれ
ば、駆動側音叉のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動が、駆動側音叉の機械的Ｑ値が低下することな
く、効率よく検知側音叉にＸ軸方向に変位する互いに逆
相の屈曲振動として伝達されることになる。

【００２０】ここで、２つの略Ｕ字音叉形水晶振動子を
結合子を介して連結して一体化している理由について説
明する。音叉形水晶振動子において、今、仮にＹ軸を通
りＹＺ面対称に各一方および他方の振動腕がＸ軸方向に
＋ｖ，−ｖの速度で共振屈曲振動（Ｘモードの振動）を
しているものとする。この音叉形水晶振動子のＹ軸を回
転する方向に角速度ωの回転が加わったとすると、各振
動腕にはコリオリの力がＹ軸線対称の方向（Ｚ軸方向の
振動；Ｚモードの振動）に発生する。このとき、発生す
るＹ軸線対称の振動は、共振駆動の屈曲振動と直交する
Ｚ軸方向に振動することになる。

【００２１】しかしながら、単一の音叉形水晶振動子に
おいては、共振駆動のＸモードの共振周波数と、これに
同期して新たに発生するＺモードの非共振周波数は、同
一周波数であるので分離することは一般に困難である。
これは、仮に分離電極配置等の工夫によりこの２モード
をうまく分離し検出することができたとしても、共振駆
動の強いレベルに対して、検出レベルは極めて低いレベ
ルであることから、誘導等により検出レベルがマスクさ
れ、あるいは影響を受けて、もとより正確な検出ができ
ないことに起因している。かくして、周波数の差異によ
って、駆動と検出を分離する何らかの解決手段が望まれ
ていた。

【００２２】そこで、本発明は、２個の略Ｕ字音叉形水
晶振動子を結合子を介して接合することにより、駆動側
と検知側に分離し、この困難性を解決したものである。
本発明においては、水晶振動子そのものが一対の振動腕
を面対称的に配置したものであり、音叉形状を有する略
Ｕ字音叉形水晶振動子の２つのうち一方を駆動側音叉と
し、他方を検知側音叉とし、結合子で一体化したもので
ある。

【００２３】そして、これらの音叉の素材として、水晶
を用いることにより、角速度検知感度が高く、熱的膨張
係数が小さく、電極配置によりＸモードの屈曲振動をさ
せることにより温度変化に対する水晶の周波数依存性が
より小さくなり、結果的には角速度センサの温度ドリフ
ト低減につながり、小さくなるのである。また、駆動側
の駆動信号成分の検知側へ不要信号成分としての混入が
小さく、駆動時の共振周波数変動が小さく、同期検波時
の位相ずれ変化が小さいという作用効果を得る。そして
結果的には、広い温度範囲で温度特性に優れた角速度セ
ンサを得ることができるのである。

【００２４】ここで、本発明の作用についてもう少し説
明する。これは大きく振動している特定の駆動モード
（この場合はＸモード）で共振振動している音叉に、コ
リオリの力による新しい振動モード（この場合はＺモー
ド）が（絶対に共振ではなく）発生するので、この発生
した新しい振動モード（この場合はＺモード、但し、周
波数は駆動モードと同期しているので駆動モードと同一
である）をモード共振により選択的（一種のメカニカル
なフィルタリングです）に検出するものである。

【００２５】つまり、検知側音叉に駆動側振動モードが
混在すると、誤検出となる恐れがありますので（レベル
が１００ｄＢと隔絶しているので）、駆動の振動モード
に対し検出の振動モードを選択できるよう、検出側音叉
の電極構造を駆動側音叉と異なるものとし、また共振周
波数に対し共振選択特性を付与すべく振動腕の形状寸法
を異ならしめているのである。検知側音叉においては、
駆動モードを可能な限り抑制して、検出モードのみを可
能な限り効率よく検出するのである。

【００２６】この発明では、複数の振動モードを取り扱
うので、それらに対する対策が重要なポイントとなって
いる。すなわち、このＸ軸方向に変位する互いに逆相の
屈曲振動は、駆動側音叉の第１の音叉形水晶振動子の支
持部から結合子を介して検知側音叉である第２の音叉形
水晶振動子の支持部に一部伝播するが、第２の音叉のＸ
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と共振周波数が
一致せず共振しないように設定されてあるから、大部分
は駆動側音叉に閉じ込められる。このときに、第１の音
叉形水晶振動子にＹ′軸周りの回転角速度が与えられる
（当然第２の音叉形水晶振動子も同じ回転角速度が与え
られる）と、コリオリの力とによって、第１の音叉形水
晶振動子の一方及び他方の振動腕のＺ′軸方向の互いに
逆相の屈曲振動が新たに発生する。このＺ′軸方向の互
いに逆相の屈曲振動は結合子を介して第２の音叉形水晶
振動子に伝播するが、Ｚ′軸方向の互いに逆相の屈曲振
動の共振周波数とほぼ等しく設定してあると、効率よく
検出することができる。

【００２７】共振現象を利用した検出は高感度、高能率
であるから、小型化・高精度に好適であるが、他の信号
妨害を受け易い欠点も持っている。また、Ｘ軸方向の互
いに逆相の屈曲振動、あるいはＺ′軸方向の互いに逆相
の屈曲振動などの、多数の異なる振動を利用しようとす
る場合、不要振動による干渉を排除しと抑制することに
特に留意しなければならない。比較的容易な対策は、多
少感度を犠牲にしても互いの共振周波数を隔離しあるい
は近接を避けるよう設定することである。

【００２８】幸いにして、これら各種振動は互いに直交
していて境界条件が独立な関係にあるから、相互干渉も
なく制御しやすい利点がある。例えば、Ｚ′軸方向に変
位する屈曲振動とＸ軸方向に変位する屈曲振動は、振動
腕の長さを周波数決定の共通境界条件としているが、他
方、厚みと幅を他の境界条件としているので、圧電定数
の差異と併せ、厚みと幅を異ならしめることによりきわ
めて容易にそれら共振周波数を隔離し異なるよう設定す
ることができる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図１は本発明の第１の実施例の角速度センサ
の斜視図を示している。同図（ａ）は組み立て状態の斜
視図、同図（ｂ）は分解状態の斜視図である。図１にお
いて、２１は方形断面の一方および他方の対称な振動腕
２４，２５を支持部２３で平行一体に連結した形状をそ
れぞれ有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクからなる第１の
音叉形水晶振動子（以下、駆動側音叉という）で、電気
的加工または機械的加工によって切り出され、一方およ
び他方の振動腕２４，２５の周面に駆動用電極２２を配
設している。２６は同じく方形断面の一方および他方の
対称な振動腕２９，３０を支持部２８で平行一体に連結
した形状をそれぞれ有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクか
らなる第２の音叉形水晶振動子（以下、検知側音叉とい
う）で、一方および他方の振動腕２９，３０の周面に検
知用電極２７を配設している。

【００３０】３１は水晶からなる結合子で、両端面を駆
動側音叉２１および検知側音叉２６のそれぞれの駆動側
支持部２３および検知側支持部２８の略中央部表面に位
置する駆動側振動節を部分的に含む接合部３２と検知側
振動節を部分的に含む接合部３３とを接着により結合し
て角速度センサを構成している。この場合、駆動側音叉
２１と検知側音叉２６とは、互いに平行に面対向した状
態になっている。この結合子３１は、駆動側音叉２１の
振動を検知側音叉２６に伝達させる機能を有している
が、それは、結合子３１が駆動側音叉２１および検知側
音叉２６とともに音叉を構成しているからであると考え
られる。

【００３１】以下に、要部である駆動側音叉２１および
検知側音叉２６に用いる略Ｕ字音叉形水晶ブランクにつ
いて説明する。図２は駆動側音叉２１に用いる略Ｕ字音
叉形水晶ブランクの斜視図であり、図３は検知側音叉２
６に用いる略Ｕ字音叉形水晶ブランクの斜視図である。
図２において、３４は駆動側音叉２１に用いる略凹形状
を有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクである。この水晶ブ
ランク３４は結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対して、Ｘ軸周りで角
度θ（＝１〜３°）回転した新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，
Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向にしてＸ，Ｙ′面内で切り
出したものであり、平行な２つの振動腕３５Ａ，３５Ｂ
を支持部３５Ｃで結合した構造である。

【００３２】図３において、３４′は検知側音叉２６に
用いる略凹形状を有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクであ
る。この水晶ブランク３４′は結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対し
て、Ｘ軸周りで角度θ（＝１〜５°）回転した新たな結
晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向にして
Ｙ′，Ｚ面内で切り出したものであり、平行な２つの振
動腕３５Ａ′，３５Ｂ′を支持部３５Ｃ′で結合した構
造である。

【００３３】ここで、略Ｕ字音叉形水晶振動子を構成す
る水晶ブランクの寸法の一例について説明する。例え
ば、駆動側音叉の振動腕は、水晶をＵ字形状に長さ
（Ｌ）１０mm×厚み（ｔ）２．５mm×幅（Ｗ）３．５mm
の寸法で図２に示したカット方向にて成型加工される。
駆動側音叉および検知側音叉の寸法は、上記の例に限ら
ず、両音叉の寸法は同じである必要はなく、Ｘモード、
Ｚモードの共振周波数に応じて適宜設定される。また、
検知側音叉の振動腕は、水晶をＵ字形状に長さ（Ｌ）１
０mm×厚み（ｔ）３．５mm×幅（Ｗ）２．５mmの寸法で
図３に示したカット方向にて成型加工される。駆動側音
叉および検知側音叉の寸法は、上記の例に限らず、両音
叉の寸法は同じである必要はなく、Ｘモード、Ｚモード
の共振周波数に応じて適宜設定される。

【００３４】この略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４，３
４′を図１に示した角速度センサの駆動側音叉２１およ
び検知側音叉２６に用いる場合、駆動側音叉２１のＸ軸
方向に変位する屈曲振動（以下、「Ｘモード」と記
す。）の共振周波数と検知側音叉２６の一対の振動腕が
Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動との共振周波数が等し
く、かつ、駆動側音叉２１のＸモードの共振周波数と検
知側音叉２６の一対の振動腕がＺ′軸方向の互いに逆相
の屈曲振動（以下、「Ｚモード」と記す。）の共振周波
数が異なるような形状寸法で切り出して用いている。

【００３５】上記の駆動側音叉２１は、駆動用電極２２
を介して交流電圧を印加することにより、一方および他
方の振動腕２４，２５のＸ軸方向に変位する互いに逆相
の屈曲振動を発生させる。この場合、交流電圧の周波数
は、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周
波数にほぼ一致した周波数として、共振駆動を行う。ま
た、検知側音叉２６は、結合子３１を経由して駆動側音
叉２１のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動と
Ｙ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリの力によって
発生する一方および他方の振動腕２９，３０のＸ軸方向
の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を電極を
介して検出する。

【００３６】以下に、要部である駆動用電極２２の具体
構成について説明する。図４（ａ）は、要部である駆動
側音叉２１の一方および他方の振動腕の周面に形成され
た駆動用電極２２の結線図である。図４（ａ）におい
て、３６ａ，３６ｃは一方の振動腕２４のＺ′軸方向か
ら見て表面および裏面にそれぞれ形成された駆動用電
極、３６ｂ，３６ｄは一方の振動腕２４のＺ′軸方向か
ら見て両側面にそれぞれ形成された駆動用電極である。
３７ａ，３７ｃは他方の振動腕２５のＺ′軸方向から見
て表面および裏面にそれぞれ形成された駆動用電極、３
７ｂ，３７ｄは他方の振動腕２５のＺ′軸方向から見て
両側面にそれぞれ形成された駆動用電極であり、図１に
示した通り、Ｚ′軸方向に見て一方および他方の振動腕
の表裏および両側の４周面にそれぞれ４つの稜線部分で
周方向に４分割された状態にそれぞれ設けてある。

【００３７】そして、一方の振動腕２４の表裏面の駆動
用電極３６ａ，３６ｃと他方の振動腕２５の両側面の駆
動用電極３７ｂ，３７ｄとを共通接続し、他方の振動腕
２５の表裏面の駆動用電極３７ａ，３７ｃと一方の振動
腕２４の両側面の駆動用電極３６ｂ，３６ｄとを共通接
続している。駆動用電極３６ａ，３６ｃ，３７ｂ，３７
ｄの共通接続、ならびに駆動用電極３６ｂ，３６ｄ，３
７ａ，３７ｃの共通接続は、振動腕２４，２５の周面上
で電極パターンを延長形成することにより行っている。

【００３８】３８は共通接続した駆動用電極３６ａ，３
６ｃ，３７ｂ，３７ｄに接続された共通線路、３９は共
通接続した駆動用電極３６ｂ，３６ｄ，３７ａ，３７ｃ
に接続された共通線路である。以上のように構成された
駆動用音叉２１の動作について説明すると、共通線路３
８，３９間に駆動信号（交流電圧）を印加して共振駆動
を行えば、一方および他方の振動腕２４，２５のＸ軸方
向の互いに逆相の屈曲振動が発生し、駆動音叉２１の一
方の振動腕２４、他方の振動腕２５が開いたり、閉じた
りする。具体的に説明すると、例えば、共通線路３８を
正極とし、共通線路３９を負極として駆動用電極２２に
電圧を印加すると、電界は、図４（ａ）において矢印の
方向に加わり、駆動側音叉のＸ軸方向に対し、振動腕２
４，２５の内側が強まり、外側が弱まる。したがって、
強まった所が伸び、弱まったところが縮むので、振動腕
２４，２５は互いに外側に屈曲し、いわゆる逆相の屈曲
振動を行う。加わる電圧の極性が逆になると、振動腕２
４，２５は互いに内側に屈曲することになる。

【００３９】以下に、要部である検知用電極２７につい
て説明する。図４（ｂ）は、要部である検知側音叉２６
の一方および他方の振動腕の周面に形成された検知用電
極２７の結線図である。図４（ｂ）において、４０ａ，
４０ｃは一方の振動腕２９のＸ軸方向から見て表面およ
び裏面にそれぞれ形成された検知用電極、４０ｂ，４０
ｄは一方の振動腕２９のＸ軸方向から見て両側面にそれ
ぞれ形成された検知用電極である。４１ａ，４１ｃは他
方の振動腕３０のＸ軸方向から見て表面および裏面にそ
れぞれ形成された検知用電極、４１ｂ，４１ｄは他方の
振動腕３０のＸ軸方向から見て両側面にそれぞれ形成さ
れた検知用電極であり、図１に示した通り、Ｘ軸方向に
見て一方および他方の振動腕の表裏および両側の４周面
にそれぞれ４つの稜線部分で周方向に４分割された状態
にそれぞれ設けてある。

【００４０】そして、一方の振動腕２９の表裏面の検知
用電極４０ａ，４０ｃと他方の振動腕３０の両側面の検
知用電極４１ｂ，４１ｄとを共通接続し、他方の振動腕
３０の表裏面の検知用電極４１ａ，４１ｃと一方の振動
腕２９の両側面の検知用電極４０ｂ，４０ｄとを共通接
続している。検知用電極４０ａ，４０ｃ，４１ｂ，４１
ｄの共通接続、ならびに検知用電極４０ｂ，４０ｄ，４
１ａ，４１ｃの共通接続は、振動腕２９，３０の周面上
で電極パターンを延長形成することにより行っている。

【００４１】４２は共通接続した検知用電極４０ａ，４
０ｃ，４１ｂ，４１ｄに接続された共通線路、４３は共
通接続した検知用電極４０ｂ，４０ｄ，４１ａ，４１ｃ
に接続された共通線路である。この検知側音叉２６の動
作について説明すると、駆動側音叉２１と同様の電極配
置を行っているので、伝播したＸモードで振動腕２９，
３０が互いに逆相の伸縮が起こり、表裏面の検知用電極
４１ａ〜４１ｄに図示したような＋、−の電荷が発生
し、共通線路４２，４３間に角速度に比例した出力電圧
が現れる。なお、振動腕２９，３０は逆相の伸縮である
から、逆電荷が発生し、両振動腕２９，３０で２倍の出
力となる。

【００４２】以下に、図１において駆動側振動節３２お
よび検知側振動節３３として示した振動節について詳し
く説明する。図５は、略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４の
側面図で、振動節の検出のための構成を示している。図
６（ａ）は振動節の位置を示す略Ｕ字音叉形水晶ブラン
ク３４の斜視図、図６（ｂ）は同じく正面図、図６
（ｃ）は同じく側面図である。

【００４３】図５において、略Ｕ字音叉形水晶ブランク
３４の支持部３５Ｃを挟み込むように対称なピンポイン
ト支持具４３で略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４を保持
し、この略Ｕ字音叉形水晶ブランク３４に電気信号を与
えて、図６（ａ），（ｂ）の矢印方向（Ｘ軸方向）に示
すように、振動腕３５Ａ，３５Ｂが開閉する方向、つま
り、Ｘモードの屈曲振動を与えて、屈曲振動（共振）の
機械的先鋭度（以下、「機械的Ｑ値」と記す。）を測定
し、機械的Ｑ値の減少が少ない点を測定する。図６
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す曲線ＡＭＢ，ＢＮＣより
下側の斜線部は、機械的Ｑ値の減少が数％以内に留まる
部分を示している。

【００４４】上記曲線ＡＭＢ，ＢＮＣを便宜上、振動節
と定義している。つまり、略Ｕ字音叉形水晶ブランク３
４が振動している部分と振動していない部分の境界線に
近いラインをイメージしている。つまり、それを含むよ
うにある面積の結合子で２つの略Ｕ字音叉形水晶ブラン
クを結合したときに、一方の略Ｕ字音叉形水晶ブランク
の屈曲振動がよく行われ、かつ一方の略Ｕ字音叉形水晶
ブランクの屈曲振動が他方の略Ｕ字音叉形水晶ブランク
に伝わりやすい部分が振動節である。

【００４５】図６（ｂ），（ｃ）にはＸモードの振動状
態を点線で示しているが、略Ｕ字音叉形水晶ブランクの
側面は表裏面に比べて下の方まで振動していることを示
している。振動腕と支持部の寸法にもよるが、支持部が
十分大きいなら、Ｍ点はおよそ中点にある。また、Ｎ点
は支持部の８０％〜９０％のところにある。Ｍ点を通る
音叉の対称軸上で斜線内で結合すれば、駆動側音叉とな
る略Ｕ字音叉形水晶ブランクの共振Ｑ値の減少は少ない
が、検知側音叉となる略Ｕ字音叉形水晶ブランクへの振
動エネルギーの伝達が非常に悪い。

【００４６】したがって、その曲線ＡＭＢからなる振動
節を含むある面積をもった結合子で結合すれば、有効な
振動の授受が可能となる。例えば、Ｍ点を中心とした矩
形ＰＱＲＳ（図６（ｂ）参照）を接着面積とする柱状の
結合子で結合すればよい。その矩形ＰＱＲＳの面積の大
きさは支持部の大きさと考え合わせ、設計上の事項であ
る。

【００４７】図７および図８はピンポイント支持位置
（ｘ）に対する機械的Ｑ値の減少の度合いを示す一つの
実験例を示すものである。実験に使用した略Ｕ字音叉形
水晶ブランクのサンプルの寸法とカット軸を図７
（ａ），（ｂ）に示す。図７（ａ），（ｂ）において、
寸法ｚ₁ は９５mm、ｚ₂ は２５mm、ｚ₃ は７０mm、ｚ₄
は５mm、ｚ₅ は１５mmである。図７（ａ），（ｂ）の略
Ｕ字音叉形水晶ブランクについて、Ｘモードの振動を起
こさせ、ピンポイント支持位置を、ｈ線上、ｇ線上、
ｈ′線上、ｉ線上をそれぞれ移動させて、機械的Ｑ値の
減少の度合いを測定した。その実験結果を図８に示す。
図８の実験結果の縦軸は略Ｕ字音叉形水晶ブランクの底
（ｘ＝０）は支持できないので、ｘ＝２mmのデータで基
準化した。図８において、実線はｇ線上の特性を示し、
破線はｈ線上およびｈ′線上の特性を示し、一点鎖線は
ｉ線上の特性を示している。この図より、略Ｕ字音叉形
水晶ブランクの振動腕および支持部の側面は表裏面より
かなり下の方までピンポイント支持の影響が現れている
ことがわかる。

【００４８】また、ｈ，ｈ′上では、支持点をかなり振
動腕に近づけても機械的Ｑ値に影響を与えないことがわ
かる。以上のように構成された角速度センサの動作原理
について、以下に説明する。図９（ａ）は、本発明の角
速度センサの原理を示す図である。図９（ａ）におい
て、ＹＺ軸面に対して面対称な±Ｘ軸方向に速度ベクト
ルｖで２質点ｍ，ｍが屈曲振動している状態で、Ｙ軸周
りに角速度ベクトルωの回転が印加されたとすると、こ
れらの質点ｍ，ｍには２ｍω×ｖの外積で表現されるコ
リオリの力Ｆが発生する。

【００４９】このコリオリの力Ｆは、ベクトルω，ｖの
なす平面に右座標垂直方向であるから、この発生したコ
リオリの力Ｆを検出することにより、印加した角速度ベ
クトルωを直接検出できる。このコリオリの力Ｆの大き
さは、質点ｍの変位を ｄ＝ＡｓｉｎΩｔ とすると、速度｜ｖ｜は、 ｜Ｖ｜＝ｄｄ／ｄｔ＝ＡΩｃｏｓΩｔ であるから、その力｜Ｆ｜は、 ｜Ｆ｜＝２ｍＡΩ｜ω｜ として求められる。

【００５０】ここで、角速度センサの出力信号、つまり
検知側音叉からの出力信号をＡとすると、出力信号Ａは
つぎのように表すことができる。 Ａ＝Ｂ×Ｃ×｜Ｆ｜ ただし、Ｂは圧電材料常数、Ｃは形状サイズに関係する
常数である。したがって、入力角速度ωを与えると、検
知側音叉から得られる出力信号Ａは、 Ａ＝２×Ｂ×Ｃ×ｍ×ｖ×｜ω｜ で表されることになり、 ２×Ｂ×Ｃ×ｍ×ｖ＝Ｄ とおくと、 Ａ＝Ｄ×｜ω｜ となり、検知側音叉から得られる出力信号Ａは入力角速
度｜ω｜に比例することになり、出力信号Ａの値から入
力角速度｜ω｜がわかることになる。

【００５１】ここで、図９（ｂ）は、本発明の要部であ
る水晶ブランク３４の動作原理を示す図であり、同図
（ａ）の原理図に対応するものである。図９（ｂ）にお
いて、Ｙ軸を通りＹＺ対称面に振動腕３５Ａ，３５Ｂが
Ｘ軸方向に＋ｖ、−ｖの速度で共振屈曲振動をするもの
すると、水晶ブランク３４のＹ軸が回転する方向に角速
度ωが加わったときに、それぞれの振動腕３５Ａ，３５
Ｂにコリオリの力Ｆが発生する。

【００５２】以下に、本発明の第１の実施例の角速度セ
ンサの動作について説明する。図１０は、動作を説明す
るための角速度センサをＹ′軸方向から見た状態の平面
図である。この角速度センサは、主として以下のような
動作をする。駆動側音叉２１にＸ軸方向の駆動振動を持
続させるように振動駆動手段（図示せず）を用いて振動
腕２４，２５の駆動用電極３６ａ〜３６ｄ，３７ａ〜３
７ｄに上記した通りに交流電圧を加えて振動腕２４，２
５を屈曲振動させると、コリオリの力によりＺ軸方向の
振動が生じ、それが検知側音叉２６に伝播する。検知側
音叉２６に結合子３１を通じて伝播した振動成分により
検知側音叉２６がＸ軸方向に振動する。一方、検知側音
叉２６のＸモードの振動成分の電気的信号、すなわち、
コリオリの力を検知側音叉２６の振動腕２９，３０の表
面に設けた検知用電極４０ａ〜４０ｄ，４１ａ〜４１ｄ
から上記した通りに交流信号を信号検知手段（図示せ
ず）により取り出すことにより、駆動側音叉２１，検知
側音叉２６の回転角速度に対応した角速度信号が得られ
る。なお、一部、以下のような動作もする。駆動側音叉
２１にＸ軸方向の駆動振動を持続させるように振動駆動
手段（図示せず）を用いて振動腕２４，２５の駆動用電
極３６ａ〜３６ｄ，３７ａ〜３７ｄに上記した通りに交
流電圧を加えて振動腕２４，２５を屈曲振動させると、
検知側音叉２６に結合子３１を通じて伝播した振動成分
により検知側音叉２６がＸ軸方向に振動する。一方、検
知側音叉２６の振動方向（Ｚ′軸方向）に対して、直角
方向のＸモードの振動成分の電気的信号、すなわち、コ
リオリの力を検知側音叉２６の振動腕２９，３０の表面
に設けた検知用電極４０ａ〜４０ｄ，４１ａ〜４１ｄか
ら上記した通りに交流信号を信号検知手段（図示せず）
により取り出すことにより、駆動側音叉２１，検知側音
叉２６の回転角速度に対応した角速度信号が得られる。

【００５３】この実施例の角速度センサによれば、駆動
側音叉２１および検知側音叉２６としてそれぞれ従来例
のような貼り合わせタイプではない振動腕２４，２５；
２９，３０と支持部２５；２８とがそれぞれ一体となっ
た略Ｕ字音叉形水晶ブランクを用いているので、広い温
度範囲で温度特性に優れかつ各種ばらつきが少なく高精
度に角速度を検出することができる。

【００５４】また、駆動側音叉２１の一方および他方の
振動腕２４，２５のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動の共振周波数と検知側音叉２６のＸ軸方向の互い
に逆相の屈曲振動の共振周波数とをほぼ等しく、かつ駆
動側音叉２１のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振
動の共振周波数と検知側音叉２６の一方および他方の振
動腕２９，３０のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動の共振周波数とを異ならせているので、駆動側音
叉２１を共振駆動した場合において、検知側音叉２６で
は、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸
周りの回転角速度に基づくコリオリの力によって検知側
音叉２６の一方および他方の振動腕２９，３０に発生し
伝播するＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動を大きくでき
るとともに、Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振
動を小さくできる。この結果、Ｚ′軸方向に変位する互
いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧の影響を抑え
つつ、Ｘ軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交
流電圧を有効に検出できることになり、精度よくＹ′軸
周りの回転角速度を検出することが可能となる。

【００５５】また、結合子３１の両端面を駆動側音叉２
１および検知側音叉２６の支持部２３，２８に生成され
る振動節を部分的に含む表面に接着しているので、駆動
側音叉２１のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動
を、駆動側音叉２１の機械的Ｑ値を低下させることな
く、最大の機械伝達効率で検知側音叉２６に伝達するこ
とができるとともに、駆動側音叉２１と検知側音叉２６
とを結合子３１で簡単に一体化することができ、製造が
容易である。

【００５６】ここで、上記実施例をもとに、従来例と比
較し、その特性効果について説明する。前記に説明の本
発明の実施例によると、略Ｕ字音叉形水晶振動子からな
る駆動側音叉２１と検知側音叉２６を平行に面対向する
ように結合子３１で一体化することにより、機械的な共
振先鋭度（機械的Ｑ値）が高く、角速度検出感度が高
く、熱膨張係数が小さく、駆動周波数が安定し、その結
果、前記に説明したセンサの信号処理における同期整流
の位相ずれ変化が小さく、さらに駆動側の駆動信号成分
の一部が検知部へ不要信号成分として混入することがな
く、結果的には、ドリフト安定度は従来の１／１０と優
れた特性を得ることができた。

【００５７】図１１は本発明の第２の実施例の角速度セ
ンサの斜視図を示している。同図（ａ）は組み立て状態
の斜視図、同図（ｂ）は分解状態の斜視図である。この
角速度センサは、水晶で形成した角柱状ブロックの結合
子３１Ａを駆動側音叉２１と検知側音叉２６の両支持部
の振動節を含めて図１１に示すように、支持部２３，２
８のほぼ中点Ｍを中心に、ある矩形面積ＰＱＲＳに接着
により固着させる。検知側音叉２６の裏面の固着部分は
図１１では見えないが、駆動側音叉２１と同じ位置に固
着される。

【００５８】この実施例の角速度センサは、図１の円柱
状の結合子に代えて、角柱状の結合子３１Ａを用いたも
ので、その他の構成は図１のものと同様である。この実
施例の効果は前記第１の実施例と同様である。図１２は
本発明の第３の実施例の角速度センサの斜視図を示して
いる。同図（ａ）は組み立て状態の斜視図、同図（ｂ）
は分解状態の斜視図である。

【００５９】この実施例の角速度センサは、駆動側音叉
２１および検知側音叉２６の支持部２３，２８に例えば
エッチングにより振動節を含むある面積の方形（円形で
もよい）の貫通孔２３ａ，２８ａを設け、方形（または
円形）の結合子３１を貫通孔２３ａ，２８ａに貫挿した
状態で接着したものである。その他の構成は図１の実施
例の同様である。

【００６０】この場合の結合は駆動側音叉２１および検
知側音叉２６の各支持部２３，２８の振動節を含む面
で、音叉の表裏方向（厚み方向）にエッチング等によっ
て矩形の貫通孔２３ａ（ＰＱＲＳ），２８ａ（Ｐ′Ｑ′
Ｒ′Ｓ′）を設け、角柱状ブロックの結合子３１Ａを貫
挿して接着している。この実施例では、結合子３１の両
端を駆動側音叉２１および検知側音叉２６の支持部２
３，２８に生成される振動節を部分的に含む貫通孔２３
ａ，２８ａに貫挿した状態で接着しているので、駆動側
音叉２１のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動
を、駆動側音叉２１の機械的Ｑ値を低下させることな
く、最大の機械伝達効率で検知側音叉２６に伝達するこ
とができるとともに、駆動側音叉２１と結合側音叉２６
とを結合子３１で強固に一体化で、耐振性に優れてい
る。その他の効果は第１の実施例と同様である。

【００６１】なお、前記各実施例では、駆動側音叉のＸ
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と
検知側音叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周
波数とがほぼ等しく、かつ駆動側音叉のＸ軸方向に変位
する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉の
一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に変位する互いに
逆相の屈曲振動の共振周波数とが異なるように、駆動側
音叉の振動腕と検知側音叉の振動腕とを異なる形状寸法
に設定していたが、これに代えて、駆動側音叉のＸ軸方
向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と検知
側音叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周波数
と検知側音叉の一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に
変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とが互いに
隔離して異なるように、駆動側音叉の振動腕と検知側音
叉の振動腕とを異なる形状寸法に設定してもよい。この
場合の検知側音叉の振動腕の寸法の一例としては、長さ
（Ｌ）１０mm×厚み（ｔ）３mm×幅（Ｗ）２．５mmとし
た。なお、駆動側音叉の振動腕の寸法は先に示したもの
と同じである。

【００６２】このように構成すると、駆動側音叉２１の
Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数
と検知側音叉２６のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の
共振周波数と検知側音叉２６の一方および他方の振動腕
のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周
波数とを互いに隔離して異ならせているので、駆動側音
叉を共振駆動した場合において、検知側音叉２６では、
Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周り
の回転角速度に基づくコリオリの力によって駆動側音叉
２１の一方および他方の振動腕２４，２５に発生するＸ
軸方向の互いに逆相の屈曲振動に対して、Ｚ′軸方向に
変位する互いに逆相の屈曲振動を効率良く抽出できる。
この結果、Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動
により生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｘ軸方向の互
いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効に検出
できることになり、精度よくＹ′軸周りの回転角速度を
検出することが可能となる。その他の点については、前
記各実施例と同様である。

【００６３】上記の図１１の実施例は、駆動側音叉のＸ
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と
検知側音叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動の共振周
波数とがほぼ等しく、かつ駆動側音叉のＸ軸方向に変位
する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉の
一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に変位する互いに
逆相の屈曲振動の共振周波数とが異なるように、駆動側
音叉の振動腕と検知側音叉の振動腕とを異なる形状寸法
に設定した状態の実施例を示す。また、図１２の実施例
は、駆動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲
振動の共振周波数と検知側音叉のＸ軸方向の互いに逆相
の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉の一方および他方
の振動腕のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動
の共振周波数とが互いに隔離して異なるように、駆動側
音叉の振動腕と検知側音叉の振動腕とを異なる形状寸法
に設定した状態の実施例を示す。

【００６４】なお、駆動側音叉および検知側音叉の支持
部における振動節ではなく、支持部の例えば下底部同士
を結合子を介して結合しても、駆動側音叉から検知側音
叉へ振動を有効に伝達することができ、このような構成
も実施例として含まれる。つまり、音叉振動の機械的振
動先鋭度が低下せずに、振動エネルギーの一部を伝達さ
せる部位なら支持部のどこを結合してもよい。また、結
合は１箇所で行っているが、２個以上の結合子を用いる
ことにより、２箇所以上で行ってもよいのは当然であ
る。

【００６５】また、駆動側音叉２１，検知側音叉２６の
電極構造は、上記各実施例に示したものに限らず、種々
変更可能であり、要は屈曲振動とコリオリの信号成分を
検出することができればよいものである。例えば検知用
電極としては、振動腕の４つの稜線にそれぞれ跨がって
形成した４個の電極でもよいし、振動腕の両側面にそれ
ぞれ周方向に２分割した電極でもよい。

【００６６】また、上述した２種類の共振周波数条件を
維持し、水晶の結晶軸の違いによるヤング率の違いを活
用することで、駆動側音叉２１の振動腕２４，２５と検
知側音叉２６の振動腕２９，３０とを同じ寸法でかつ断
面正方形にすることが可能である。このように、駆動側
音叉２１と検知側音叉２６とを全く同じ形状にすると、
両電極２２，２７の形状も同じであることから、製造、
組立が簡単であり、低コスト化を達成できる。

【００６７】また、上記実施例では、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚ
のＸ軸周りに１〜３度程度回転した新たな結晶軸Ｘ，
Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向にしてＸ，Ｙ′面内
で切り出した水晶ブランクを使用したが、結晶軸Ｘ，
Ｙ，ＺのＹ軸方向を長手方向にして切り出した水晶ブラ
ンクを使用することもできる。したがって、特許請求の
範囲における「結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸周りに回転した
新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′」の表現には、回転角度が
０度の場合、つまり、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚと結晶軸Ｘ，
Ｙ′，Ｚ′とが重なっている場合も含まれる。また、上
記の結晶軸の回転角度１〜３度以外でもよい。

【００６８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、不要信号成分が低減され、広い温度範囲でかつ、急
激な温度変化に対し、特性変化のきわめて少ない安定し
た角速度センサを得ることができる。また、駆動側音叉
と検知側音叉を、支持部に発生する振動節を部分的に含
むある面積をもったブロック結合子を介して固着すれ
ば、、音叉振動の機械的Ｑ値と駆動側音叉から検知側音
叉への機械的伝達効率を最も向上させることができる。

【００６９】したがって、両音叉を結合する際の機械的
伝達ロスが飛躍的に改善でき、コリオリ力による角速度
検出の感度を向上させることができる。そして、構成が
簡単な構造であるため、低コスト化を図ることができ、
工業的価値が大である。以下、各請求項毎の効果につい
て説明する。請求項１記載の角速度センサによれば、駆
動側音叉および検知側音叉としてそれぞれ従来例のよう
な貼り合わせタイプではない振動腕と支持部とが一体と
なった略Ｕ字音叉形水晶ブランクを用いているので、広
い温度範囲で温度特性に優れかつ各種ばらつきが少なく
高精度に角速度を検出することができる。

【００７０】請求項２記載の角速度センサによれば、駆
動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の
共振周波数と検知側音叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲
振動の共振周波数とをほぼ等しく、かつ駆動側音叉のＸ
軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と
検知側音叉の一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に変
位する互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とを異ならせ
ているので、駆動側音叉を共振駆動した場合において、
検知側音叉では、Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈
曲振動とＹ′軸周りの回転角速度に基づくコリオリの力
によって駆動側音叉の一方および他方の振動腕に発生す
るＺ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動を効率良く抽出で
きるとともに、Ｘ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振
動を小さくできる。この結果、Ｘ軸方向に変位する互い
に逆相の屈曲振動により生じる交流電圧の影響を抑えつ
つ、Ｚ′軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生じる交
流電圧を有効に検出できることになり、精度よくＹ′軸
周りの回転角速度を検出することが可能となる。

【００７１】請求項３記載の角速度センサによれば、駆
動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の
共振周波数と検知側音叉のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲
振動の共振周波数と検知側音叉の一方および他方の振動
腕のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動の共振
周波数とを互いに隔離して異ならせているので、駆動側
音叉を共振駆動した場合において、検知側音叉では、
Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周
りの回転角速度に基づくコリオリの力によって検知側音
叉の一方および他方の振動腕に発生するＸ軸方向の互い
に逆相の屈曲振動に対して、Ｚ′軸方向に変位する互い
に逆相の屈曲振動を極端に大きくならないようにでき
る。この結果、Ｚ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲
振動により生じる交流電圧の影響を抑えつつ、Ｘ軸方向
の互いに逆相の屈曲振動により生じる交流電圧を有効に
検出できることになり、精度よくＹ′軸周りの回転角速
度を検出することが可能となる。

【００７２】請求項４記載の角速度センサによれば、検
知側音叉の電極が一対の振動腕の表裏面に形成している
だけであるので、電極の形成が容易であり、製造が容易
である。請求項５記載の角速度センサによれば、駆動側
音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動を、駆
動側音叉の機械的Ｑ値を低下させることなく、最大の機
械伝達効率で検知側音叉に伝達することができるととも
に、駆動側音叉と結合側音叉とを結合子で簡単に一体化
することができ、製造が容易である。

【００７３】請求項５記載の角速度センサによれば、駆
動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動
を、駆動側音叉の機械的Ｑ値を低下させることなく、最
大の機械伝達効率で検知側音叉に伝達することができる
とともに、駆動側音叉と結合側音叉とを結合子で強固に
一体化で、耐振性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の角速度センサの斜視図
である。

【図２】略Ｕ字音叉形水晶ブランクの切り出し方向を示
す概略図である。

【図３】略Ｕ字音叉形水晶ブランクの切り出し方向を示
す概略図である。

【図４】駆動側音叉に設けた駆動用電極および検知側音
叉に設けた検知用電極の様子を示す概略図である。

【図５】略Ｕ字音叉形水晶ブランクのピンポイント支持
位置を示す概略図である。

【図６】振動節を説明するための略Ｕ字音叉形水晶ブラ
ンクの概略図である。

【図７】略Ｕ字音叉形水晶ブランクのサンプルの寸法と
カット軸を示す概略図である。

【図８】本発明の角速度センサのピンポイント支持位置
の違いによる機械的Ｑ値の違いを示す特性図である。

【図９】本発明の第１の実施例の角速度センサにおいて
角速度検出の原理を示す概略図である。

【図１０】本発明の第１の実施例の角速度センサにおい
て角速度検出の動作を示す概略図である。

【図１１】本発明の第２の実施例の角速度センサを示す
斜視図である。

【図１２】本発明の第３の実施例の角速度センサを示す
斜視図である。

【図１３】従来の角速度センサの一例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

２１ 駆動側音叉 ２２ 電極 ２３ 支持部 ２４ 一方の振動腕 ２５ 他方の振動腕 ２６ 検知側音叉 ２７ 電極 ２８ 支持部 ２９ 一方の振動腕 ３０ 他方の振動腕 ３１ 結合子 ３２ 振動節を含む接合部 ３３ 振動節を含む接合部 ３６ａ〜３６ｄ 駆動用電極 ３７ａ〜３７ｄ 駆動用電極 ３８，３９ 共通線路 ４０ａ〜４０ｄ 検知用電極 ４１ａ〜４１ｄ 検知用電極 ４２，４３ 共通線路 ３１Ａ 結合子 ２３ａ，２８ａ 貫通孔 ２３ｂ，２８ｂ 貫通孔 ５０ａ〜５０ｄ 検知用電極 ５１ａ〜５１ｄ 検知用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市瀬 俊彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 寺田 二郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 大友 惇 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波工 業株式会社狭山事業所内 (72)発明者 太田 治良 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波工 業株式会社狭山事業所内 (72)発明者 太田 紘一郎 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波工 業株式会社狭山事業所内 (72)発明者 石原 実 埼玉県狭山市上広瀬1275−２ 日本電波工 業株式会社狭山事業所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸周りに回転した
   新たな結晶軸Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向に
   してＸ，Ｙ′面内で切り出し、方形断面の一方および他
   方の対称な振動腕を支持部で平行一体に連結した形状を
   有する略Ｕ字音叉形水晶ブランクの前記一方および他方
   の振動腕の周面に電極を配設してなる第１の音叉形水晶
   振動子と、 結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸周りに回転した新たな結晶軸
   Ｘ，Ｙ′，Ｚ′のＹ′軸方向を長手方向にしてＹ′，
   Ｚ′面内で切り出し、方形断面の一方および他方の対称
   な振動腕を支持部で平行一体に連結した形状を有する略
   Ｕ字音叉形水晶ブランクの前記一方および他方の振動腕
   の周面に電極を配設してなる第２の音叉形水晶振動子と
   を、互いに平行に面対向した状態に結合子を介し前記支
   持部において固着した角速度センサであって、 前記第１の音叉形水晶振動子を、電極を介して交流電圧
   を印加することにより、一方および他方の振動腕のＸ軸
   方向に変位する互いに逆相の屈曲振動を発生させる駆動
   側音叉とし、 前記第２の音叉形水晶振動子を、前記結合子を経由して
   前記第１の音叉形水晶振動子から伝播したＺ′軸方向に
   変位する互いに逆相の屈曲振動とＹ′軸周りの回転角速
   度に基づくコリオリの力によって発生する一方および他
   方の振動腕のＸ軸方向の互いに逆相の屈曲振動により生
   じる交流電圧を電極を介して検出する角速度検出用の検
   知側音叉としたことを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 駆動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに
   逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉のＸ軸方向の
   互いに逆相の屈曲振動の共振周波数とがほぼ等しく、か
   つ前記駆動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに逆相の屈
   曲振動の共振周波数と前記検知側音叉の一方および他方
   の振動腕のＺ′軸方向に変位する互いに逆相の屈曲振動
   の共振周波数とが異なるように、前記駆動側音叉の振動
   腕と前記検知側音叉の振動腕とを異なる形状寸法に設定
   したことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 駆動側音叉のＸ軸方向に変位する互いに
   逆相の屈曲振動の共振周波数と検知側音叉のＸ軸方向の
   互いに逆相の屈曲振動の共振周波数と前記検知側音叉の
   一方および他方の振動腕のＺ′軸方向に変位する互いに
   逆相の屈曲振動の共振周波数とが互いに隔離して異なる
   ように、前記駆動側音叉の振動腕と前記検知側音叉の振
   動腕とを異なる形状寸法に設定したことを特徴とする請
   求項１記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】 駆動側音叉の一方および他方の振動腕の
   周面に配設する電極は、Ｚ′軸方向に見て前記一方およ
   び他方の振動腕の表裏および両側の４周面にそれぞれ４
   つの稜線部分で周方向に４分割された状態にそれぞれ設
   けてあり、前記一方の振動腕の表裏面電極と前記他方の
   振動腕の両側面電極とを共通接続し、前記他方の振動腕
   の表裏面電極と前記一方の振動腕の両側面電極とを共通
   接続し、 かつ検知側音叉の一方および他方の振動腕の周面に配設
   する電極は、Ｘ軸方向に見て前記一方および他方の振動
   腕の表裏および両側の４周面にそれぞれ４つの稜線部分
   で周方向に４分割された状態にそれぞれ設けてあり、前
   記一方の振動腕の表裏面電極と前記他方の振動腕の両側
   面電極とを共通接続し、前記他方の振動腕の表裏面電極
   と前記一方の振動腕の両側面電極とを共通接続したこと
   を特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
5. 【請求項５】 結合子は、両端面がある面積を有する柱
   状であって、両端面が駆動側音叉および検知側音叉の支
   持部に生成される振動節を部分的に含む表面に接着され
   ていることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
6. 【請求項６】 駆動側音叉および検知側音叉は、支持部
   に生成される振動節を部分的に含むある面積をもった貫
   通孔をそれぞれ有し、結合子は、柱状であって、両端部
   が前記貫通孔に貫挿した状態に前記駆動側音叉および検
   知側音叉の支持部に接着されていることを特徴とする請
   求項１記載の角速度センサ。