JPH11271065A

JPH11271065A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH11271065A
Application number: JP10347287A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Watarai; 武宏度會
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】４本の梁部を有する振動子を備える角速度セ
ンサにおいて、効率よくコリオリ力を感度に変換し、更
なるＳ／Ｎ向上を可能とする。【解決手段】振動子１は、４本の平行な梁部２〜５が
連結部６によってその片端部を共通に支持された櫛形音
叉状をなし、内側１対の梁部３、４を駆動用梁部、外側
１対の梁部２、５をを検出用梁部としている。振動子１
は、振動子１の中心線すなわちｚ軸に位置しそのｙ軸方
向の幅が内側の１対の梁部３、４の配列間隔よりも狭い
トーションビーム８により支持されている。ｚ軸回りの
角速度入力時には、梁部２〜５のうち隣接する梁部同士
がｘ軸方向において互いに逆方向へ振動し、且つこのｘ
軸方向への振動において内側一対の梁部３、４の振幅Ｘ
Ｕと外側一対の梁部２、５の振幅ＸＳとの比ＸＵ／ＸＳ
が、１０以下となるように振動子１及びトーションビー
ム８の寸法は設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、４本の梁部を有す
る櫛形音叉形状をなし駆動と検出を別個の梁部にて行う
振動子を備えた角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の角速度センサのとして特
開平８−２７８１４１号公報に記載のものが提案されて
いる。これは４本の平行な梁部（振動腕）とこの梁部の
片端部を共通に支持する支持部を持つ櫛形状の複合音叉
（いわゆる４脚振動子）において、外側の２本の梁部を
駆動用梁部（駆動側音叉）、内側の２本の梁部を検出用
梁部（検出側音叉）として駆動・検出に対応させる構成
としたものである。

【０００３】そして、駆動用梁部を梁部の配列方向に励
振させ、所定軸回りに角速度が入力されたときに、駆動
用梁部の励振方向と直交する方向への検出用梁部の振動
を検知して角速度を検出するようになっている。この４
脚振動子は梁部を駆動用と検出用とに分離している為、
２脚振動子（音叉）と比較し高Ｓ／Ｎが得られるとされ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、上記４脚振動
子タイプの角速度センサにおいては、上記のように、駆
動用梁部と検出用梁部とを分離している為、駆動用梁部
からの振動等の不要振動が検出用梁部に伝達されにく
く、角速度入力時以外、すなわちコリオリ力が入力され
ないときには、検出用梁部は振動しにくい。従って、不
要振動によるノイズＮを小さくすることができる。

【０００５】ところが、逆に振動しにくいが故に、コリ
オリ力入力時（角速度入力時）の検出用梁部の振幅が小
さくなり、感度（感度の利得）Ｓが小さくなるため、所
望の高Ｓ／Ｎを得られないという不具合が起こる可能性
がある。ちなみに、本発明者が上記従来技術に基づい
て、４脚振動子を試作検討したところ、十分なＳ／Ｎを
得ることはできず、むしろ、２脚振動子タイプと比較し
て１桁小さい程であった。

【０００６】従って、感度Ｓを向上するためにコリオリ
力入力時の検出用梁部の振幅を大きくすることが必要と
なってくるが、上記従来公報においては、コリオリ力入
力時の検出用梁部の振幅を大きくするような振動子構造
及び振動子の支持方法等については、言及されていな
い。本発明は上記点に鑑みて、４本の梁部を有する櫛形
音叉形状の振動子を備える角速度センサにおいて、効率
よくコリオリ力を感度に変換し、更なるＳ／Ｎ向上を可
能とすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、まず、４脚
振動子タイプの角速度センサにおいて、角速度入力時に
角速度を検出する為の振動モード（検出共振モード）が
２つ存在することに着目した。すなわち、４脚振動子に
おいては、４本の梁部の内側の１対及び外側の１対のう
ちどちらか一方の１対を駆動用梁部、他方の１対を検出
用梁部とする。駆動用梁部を所定方向に互いに逆相に駆
動振動（駆動共振モード）させると、角速度入力時、駆
動用梁部はコリオリ力によって、駆動振動方向とは直交
する方向に逆相に振動する。

【０００８】そのため、梁部を連結する連結部がたわん
で、検出用梁部に振動が連成される。このように、駆動
用梁部に入力されたコリオリ力による振動が検出用梁部
に伝達され、４本の梁部はそれぞれ駆動振動方向とは直
交する方向に同期して振動する。この振動が検出共振モ
ードである。ここにおいて、１つの検出共振モードは、
平行に配列された４本の梁部において隣接する各梁部が
互いに逆方向に振動するモード（後述の図６（ａ）参
照、以下、第１の検出共振モードという）であり、もう
１つの検出共振モードは、平行に配列された４本の梁部
において中心から片側の２本を１組、他側の２本を１組
とした場合に、組内では同方向に振動し、組同士では互
いに逆方向に振動するモード（後述の図６（ｂ）参照、
以下、第２の検出共振モードという）である。

【０００９】これら各検出共振モードにおいては、振動
子形状、例えば梁部の幅や長さ等を適宜設定することで
所望の検出共振モードを実現できる。そして、各検出共
振モードについて、４本の梁部の内側の１対及び外側の
１対のうちどちらか一方の１対を駆動用梁部、他方の１
対を検出用梁部として、Ｓ／Ｎ向上可能な振動子構造を
検討した。

【００１０】駆動用梁部と検出用梁部と振動のエネルギ
ーが分散されるため、検出用梁部の振幅が不十分となる
のではないかと考え、各検出共振モードにおける内側の
一対の梁部の振幅ＸＵと外側の一対の梁部の振幅ＸＳと
の比ＸＵ／ＸＳもしくはＸＳ／ＸＵに着目して検討を進
めた結果、この比が上記感度の利得Ｓと相関性があるこ
とを見出した。

【００１１】そして、各検出共振モードに応じて、第１
の検出共振モードにおいては比ＸＵ／ＸＳを１０以下と
し、第２の検出共振モードにおいては、第１の検出共振
モードとは逆の比である比ＸＳ／ＸＵを１０以下とすれ
ば、従来の４脚振動子タイプよりも１桁高い、実用的な
レベルのＳ／Ｎを実現できることがわかった。請求項１
ないし請求項１４の発明は、上記知見に基づいてなされ
たものである。

【００１２】すなわち、請求項１記載の発明によれば、
ｘｙｚ直交座標系において、ｚ軸の両側に２本ずつｙ軸
方向に平行に配列された４本の梁部（２〜５）と、ｙ軸
方向に延びるとともに４本の梁部（２〜５）の片端部を
連結支持する連結部（６）とを有する櫛形音叉状に形成
された振動子（１）を備え、４本の梁部において内側の
１対（３、４）及び外側の１対（２、５）のうちどちら
か一方の１対を駆動用梁部（３、４）、他方の１対を検
出用梁部（２、５）とし、駆動用梁部には駆動用梁部を
ｙ軸方向へ互いに逆相に励振して駆動振動させるための
駆動手段（２０、６０、６１）が設けられ、検出用梁部
にはｚ軸回りの角速度入力時に発生する検出用梁部のｘ
軸方向への互いに逆相な振動を検知振動として検知して
角速度を検出するための角速度検出手段（２５〜２７、
６３、６４）が設けられている角速度センサ、つまり４
脚振動子タイプの角速度センサにおいて、角速度入力時
には、梁部（２〜５）において隣接する梁部同士がｘ軸
方向において互いに逆方向へ振動し、且つこのｘ軸方向
への振動において内側の一対の梁部の振幅ＸＵと外側の
一対の梁部の振幅ＸＳとの比ＸＵ／ＸＳが、１０以下と
なるように振動子の寸法が設定されていることを特徴と
する。

【００１３】本発明では、角速度を検出する為の検出共
振モードは、上記第１の検出共振モードを用い、そのモ
ードにおいて内側の一対の梁部（３、４）の振幅ＸＵと
外側の一対の梁部（２、５）の振幅ＸＳの比ＸＵ／ＸＳ
が１０以下となるように該振動子の寸法を設定している
ため、機械インピーダンスを小さくでき、駆動用梁部
（３、４）に入力されたコリオリ力による振動を効率よ
く検出用梁部（２、５）に伝達し、感度を向上させＳ／
Ｎを向上できる。

【００１４】また、請求項２記載の発明によれば、４脚
振動子タイプの角速度センサにおいて、角速度入力時に
は、４本の梁部のうちｚ軸の片側の２本（２、３）と他
側の２本（４、５）とがｘ軸方向において互いに逆方向
へ振動し、且つこのｘ軸方向への振動において内側の一
対の梁部の振幅ＸＵと外側の一対の梁部の振幅ＸＳとの
比ＸＳ／ＸＵが、１０以下となるように振動子の寸法が
設定されていることを特徴とする。

【００１５】本発明では、角速度を検出する為の検出共
振モードは、上記第２の検出共振モードを用い、そのモ
ードにおいて内側の一対の梁部の振幅ＸＵと外側の一対
の梁部の振幅ＸＳとの比ＸＳ／ＸＵが１０以下となるよ
うに振動子の寸法が設定されているため、上記請求項１
記載の発明と同等の効果が得られる。また、振動子の支
持方法についても検討を進めた結果、幅が内側の１対の
梁部の配列間隔よりも狭いトーションビームを振動子の
中心線上に配置し、このトーションビームを介して振動
子を支持するようにすれば、Ｓ／Ｎが向上できることが
わかった。請求項３及び請求項４記載の発明は、上記支
持方法に関する知見に基づいてなされたものである。

【００１６】すなわち、請求項３記載の発明は、４脚振
動子タイプの角速度センサにおいて、振動子（１）は、
ｚ軸上に位置してｚ軸方向に延びるように連結部（６）
と接続されるとともにｙ軸方向の幅が内側の１対の梁部
（３、４）の配列間隔よりも狭いトーションビーム
（８、５０、５１）により支持されており、角速度入力
時には、上記第１の検出共振モードで振動し、且つ、そ
のモードにおいて上記比ＸＵ／ＸＳが１０以下となるよ
うに振動子及びトーションビームの寸法が設定されてい
ることを特徴とする。

【００１７】本発明では、このように細いトーションビ
ーム（８、５０、５１）によって、連結部（６）にて振
動子（１）を支持するため、角速度入力時に連結部
（６）がｘ軸方向へたわむ際に、このトーションビーム
を軸として連結部がたわむから、このたわみは阻害され
ない。従って、トーションビームが無い場合より更に機
械インピーダンスを小さくでき、駆動振動から連成され
る検出用梁部の検知振動の振幅を大きくすることがで
き、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、より効果
的にＳ／Ｎを向上できる。

【００１８】また、請求項４記載の発明は、４脚振動子
タイプの角速度センサにおいて、振動子（１）は、ｚ軸
上に位置してｚ軸方向に延びるように連結部（６）と接
続されるとともにｙ軸方向の幅が内側の１対の梁部
（３、４）の配列間隔よりも狭いトーションビーム
（８、５０、５１）により支持されており、角速度入力
時には、上記第２の検出共振モードで振動し、且つ、そ
のモードにおいて上記比ＸＳ／ＸＵが１０以下となるよ
うに振動子の寸法が設定されていることを特徴とする。

【００１９】それによって、本発明では、請求項２記載
の発明の効果に加えて、上述したトーションビームの効
果を備える角速度センサを提供することができる。ま
た、請求項５記載の発明は、内側の一対の梁部（３、
４）の間隔ＷＵと外側の一対の梁部（２、５）の間隔Ｗ
Ｓとの比ＷＳ／ＷＵを２．５以下としたことを特徴とし
ている。即ち、ＷＵとＷＳとを近づけることにより、内
側の一対の梁部（３、４）と外側の一対の梁部（２、
５）の回転振動能率（慣性モーメント）を合わせる、も
しくは近づけることにより、振動子の機械インピーダン
スを小さくし、コリオリ力によるレスポンスを向上させ
る。

【００２０】それによって、内側の一対もしくは外側の
一対の梁部にコリオリ力が入力されたときに発生する回
転捩れ振動により、外側の一対もしくは内側の一対の梁
部の回転捩れ振動を発生しやすくし、効率よくコリオリ
力による振動エネルギーを伝達し高感度を得ることがで
きる。また、請求項６記載の発明は、内側の一対の梁部
（３、４）の間隔ＷＵと内側の一対の梁部（３、４）の
幅ＨＵとの比ＷＵ／ＨＵが２．５以上１００以下とした
ことを特徴としている。即ち、検出側となる外側の一対
もしくは内側の一対の梁部を振動させるための回転捩れ
力（軸トルク）を大きくするために、駆動側となる内側
の一対もしくは外側の一対の梁部のコリオリ力が作用す
る力点を、一対の梁部の間の略中心軸から離すことによ
り、コリオリ入力時の検出側である外側の一対もしくは
内側の一対の梁部の振幅を大きくする、即ち高感度を得
ることができる。なお、比ＷＵ／ＨＵが１００以上であ
ると音叉としての機能が低下し、十分な駆動振幅が得ら
れない。

【００２１】また、請求項７記載の発明は、トーション
ビーム（５０、５１）が振動子（１）とともに圧電体よ
り一体に形成されたことを特徴とするものであり、安価
にＳ／Ｎを向上した角速度センサを提供することができ
る。また、請求項８記載の発明は、トーションビーム
（８）が振動子（１）とは別体に形成され、振動子
（１）と接合されたことを特徴とするものであり、トー
ションビーム（８）を耐久性の高い材料で製造できるこ
と等のため、信頼性が高く、Ｓ／Ｎを向上した角速度セ
ンサを提供することができる。

【００２２】また、請求項９記載の発明は、トーション
ビーム（８、５０）が連結部（６）からｚ軸方向におい
て前記４本の梁部（２〜５）の反対方向に延びるように
形成されていることを特徴とするものであり、上記請求
項７及び請求項８記載のトーションビーム構成の一手段
を提供するものである。また、請求項１０記載の発明
は、トーションビーム（５１）は、連結部（６）からｚ
軸方向において４本の梁部（２〜５）の同一方向に延び
るように形成されていることを特徴とするものであり、
振動子（１）の重心を保持することが容易に可能であ
り、外部振動に対して強く、スペース効率に優れたもの
にできる。

【００２３】また、請求項１１記載の発明は、トーショ
ンビーム（５０、５１）が連結部（６）より梁部（２〜
５）と同一、反対両方向に形成されたことを特徴とする
ものであり、外部の衝撃に強いものにできる。また、請
求項１２記載の発明は、ｙ軸方向への振動モードの共振
周波数が、内側の一対の梁部（３、４）と外側の一対の
梁部（２、５）とで異なるようにしたことを特徴とする
ものであり、両一対の共振周波数を互いに異ならせるこ
とにより、内側１対もしくは外側１対の梁部の屈曲振動
が、外側１対もしくは内側１対の梁部へ伝達しても、外
側１対もしくは内側１対の梁部は屈曲振動しないか、も
しくはほとんど屈曲振動しないようになるため、駆動振
動の影響が十分小さくなり、ノイズＮが低減でき、Ｓ／
Ｎを向上できる。

【００２４】また、請求項１３記載の発明は、前記駆動
用梁部（３、４）の駆動振動の共振周波数ｆｄと前記検
出用梁部（２、５）の検知振動の共振周波数ｆｓの比ｆ
ｄ／ｆｓが、０．８≦ｆｄ／ｆｓ≦０．９９又は１．０
１≦ｆｄ／ｆｓ≦１．２、の関係にあることを特徴とす
るものであり、比ｆｄ／ｆｓを上記の範囲とすることに
より駆動共振モードと検出共振モードの連成を抑制し、
Ｓ／Ｎを向上できる。

【００２５】また、請求項１４記載の発明は、駆動用梁
部（３、４）には、駆動振動をモニタするためのモニタ
手段（２１）が設けられ、駆動振動においてモニタ手段
（２１）からのモニタ信号に基づいて駆動用梁部を自励
振動させるようにしたことを特徴とするもので、温度変
化等に対して安定した駆動振動が得られる。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。

【００２６】

【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。なお、以下各実施形態で述べる各図
において、後述の各電極は外観を示すものであり、便宜
上斜線のハッチングで示してあるが断面を示すものでは
ない。（第１実施形態）本実施形態の基本構成を図１に示す。
図１は本実施形態の角速度センサの斜視図である。１は
振動子であり、略平行に配列された４本の四角柱状の梁
部２、３、４、５を有し、内側一対の梁部３、４が駆動
用梁部、外側一対の梁部２、５が検出用梁部として構成
されている。各梁部２〜５は、片端部を共通の連結部６
にて固定支持されており、振動子１は櫛形音叉形状を成
している。

【００２７】ここで、図１に示す様に、連結部６の長手
方向すなわち梁部２〜５の配列方向をｙ軸、梁部２〜５
の長手方向をｚ軸、梁部２〜５及び連結部６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軸は内側一対の梁部３、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説明する。な
お、以下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。

【００２８】なお、連結部６はｚ軸方向の寸法が、内側
一対の梁部３、４の間の方が外側一対の梁部２、５間よ
りも大きくなっている。換言すれば、ｚ軸方向において
内側一対の梁部３、４の長さは、外側一対の梁部２、５
の長さよりも短くなっている。これら梁部２〜５及び連
結部６は、例えばＰＺＴのような圧電体をダイシング等
の機械加工することによって一体成形されている。そし
て振動子１は、図１に示す白抜き矢印に示す様に、ｘ軸
方向に分極処理されている。

【００２９】７は支持部であり、中央部が細くくびれた
略エの字型形状を成し、このくびれた部分はトーション
ビーム８として構成され、トーションビーム８の一端側
に位置する部分は連結部６と固定される連結部側接続部
７ａ、トーションビーム８の他端側に位置する部分は後
述のスペーサ７ｃと固定される基板側接続部７ｂとして
構成されている。両接続部７ａ、７ｂのｙ軸方向の長さ
は、共に連結部６と略同等としている。なお、両接続部
７ａ、７ｂはなくてもよく、直接トーションビーム８の
両端にて連結部６及びスペーサ７ｃと接続してもよい。

【００３０】トーションビーム８は、連結部６の略中央
部位（すなわち内側の１対の梁部３、４の支持部位の間
の略中央部位）から、ｚ軸方向において梁部２〜５とは
反対側に延びるように位置する。また、そのｙ軸方向の
幅は内側の１対の梁部３、４の配列間隔よりも狭いもの
としている。支持部７は、例えば４２アロイ等の金属か
ら形成されており、図１に示す様に、一方側で連結部６
と接着等により固定され、他方側で上記スペーサ７ｃを
介して基板（ベース）１０と溶接等により接合固定され
ている。

【００３１】従って、振動子１は支持部７及びスペーサ
７ｃを介し、基板１０に対して浮遊した状態で支持され
る。また、トーションビーム８の中心軸はｚ軸とほぼ一
致し、換言すればトーションビーム８は、実質的に振動
子１の中心線上に位置する。さらに、振動子１及び支持
部７の寸法関係は、後述するように、内側一対の梁部
３、４の振幅ＸＵと外側一対の梁部２、５の振幅ＸＳと
の比ＸＵ／ＸＳを１０以下とすること、ｙ軸方向への
振動モードの共振周波数を内側一対の梁部３、４（ｆ
ｄ）と外側一対の梁部２、５（ｆｄ₀）とで異なるよう
にすること、駆動用梁部（本例では内側一対の梁部）
３、４の駆動振動の共振周波数ｆｄと検出用梁部（本例
では外側一対の梁部）２、５の検知振動の検知共振周波
数ｆｓの比ｆｄ／ｆｓが所定範囲になるようにするこ
と、等の制約条件を満足するように設定されている。

【００３２】ここで、図２の説明図を参照して、上記振
動子１及び支持部７の各部の具体的寸法の一例を挙げ
る。図２は振動子１及び支持部７をｘ軸方向からみたも
のである。まず、ｚ軸方向において、内側一対の梁部
３、４の長さＬ１は９ｍｍであり、外側一対の梁部２、
５の長さＬ２は１１ｍｍであり、連結部６も含めた振動
子１全体の最大寸法Ｌ３は１４ｍｍである。また、支持
部７の連結部側接続部７ａ、及びトーションビーム８の
ｚ軸方向寸法Ｌ４及びＬ５は、それぞれ共に１ｍｍであ
る。

【００３３】一方、ｙ軸方向において、各梁部２〜５の
寸法（梁部の幅）Ｗ１は、いずれも１．２ｍｍである。
隣接する各梁部２〜５の間隔（スリット幅）について
は、梁部２と梁部３との間隔Ｗ２、及び、梁部４と梁部
５との間隔Ｗ３が、それぞれ０．４ｍｍであり、梁部３
と梁部４との間隔Ｗ４が４．０ｍｍである。従って、振
動子１全体では９．６ｍｍとなる。また、トーションビ
ーム８のｙ軸方向寸法Ｗ５は２．０ｍｍとしている。さ
らに、内側一対の梁部３、４の中心軸間隔ＷＵと外側一
対の梁部２、５の中心軸間隔ＷＳの比ＷＳ／ＷＵは約
１．６となるようにしてある。

【００３４】このように、トーションビーム８のｙ軸方
向寸法Ｗ５は梁部３と梁部４との間隔Ｗ４よりも小さ
い。つまり、上述のように、トーションビーム８のｙ軸
方向の幅は内側の１対の梁部３、４の配列間隔よりも狭
いものとしている。また、振動子１及び支持部７のｘ軸
方向寸法（厚み）ｔは１．５５ｍｍとしている。次に、
振動子１上に形成された電極構成について説明する。こ
こで、振動子１においてｘ軸と直交する面のうち基板１
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１においてｙ軸と直交する
外側一対の梁部２、５の外周面のうち梁部２側の面をＹ
２面とし、梁部５側の面をＹ１面とする。

【００３５】本実施形態では、これらＸ１、Ｘ２、Ｙ
１、Ｙ２面上に後述の各電極が構成されており、その電
極構成は図３の展開図に示される。図３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。以下、図３を参照して説明す
る。２０は駆動電極（駆動手段）であり、Ｘ１面におい
て梁部３の外周側から連結部６を通って梁部４の外周側
に渡って連続して形成されている。２１はモニタ電極
（モニタ手段）であり、Ｘ１面において梁部３の内周側
から連結部６を通って梁部４の内周側に渡って連続して
形成されている。

【００３６】２２、２３及び２４は角速度検出用の角速
度検出電極（角速度検出手段）である。角速度検出電極
２２は、Ｙ１面において梁部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２３はＸ１面において梁
部２の略全域に渡り、角速度検出電極２４はＸ２面にお
いて梁部２の略全域に渡って形成されている。そして、
全ての角速度検出電極２２〜２４は、図３に示す様に、
各面上に形成された引出し電極２５、２６及び２７によ
って接続され導通している。角速度検出電極２２と２３
とは、引出し電極２５（Ｙ１面上）及び引出し電極２６
（Ｘ１面上）を介して接続され、角速度検出電極２３と
２４とは、引出し電極２７（Ｙ２面上）を介して接続さ
れている。

【００３７】２８、２９、３０及び３１は、上記駆動、
モニタ、及び角速度検出電極２０〜２４の基準電位とな
る共通電極である。共通電極２８はＸ１面において梁部
５の略全域、共通電極２９はＸ２面において梁部５の略
全域に渡り形成されている。また、共通電極３０はＸ２
面において梁部３の略全域から連結部６を通って梁部４
の略全域に渡って連続して形成されており、共通電極３
１はＹ２面において梁部２の略全域に渡り形成されてい
る。

【００３８】そして、全ての各共通電極２８〜３１は、
図３に示す様に、各面上に形成された引出し電極３２、
３３、３４及び３５によって接続され導通している。共
通電極２８と２９とは、引出し電極３２（Ｙ１面）を介
して接続され、共通電極２９及び３０と共通電極３１と
は、引出し電極３３、３４（共にＸ２面）及び引出し電
極３５（Ｙ２面）を介して接続されている。

【００３９】また、Ｘ１面において、連結部６には、後
述のワイヤボンディング用のパット電極３６及び３７が
形成されている。パット電極３６は、角速度検出電極２
２〜２４と導通する引出し電極２６の途中部に、パット
電極３７は、共通電極２８から延びる引出し電極３８の
終端部に位置し、それぞれ引出し電極２６、３８よりも
幅広に形成されている。従って、パット電極３６は角速
度検出電極２２〜２４と導通し、パット電極３７は共通
電極２８〜３１と導通する形となる。

【００４０】なお、振動子１におけるｙ軸方向と直交す
る面のうち梁部２と梁部３との対向面、梁部３と梁部４
との対向面、梁部４と梁部５との対向面には電極は形成
されていない。また、駆動電極２０とモニタ電極２１、
角速度検出電極２２と共通電極２８、２９、及び角速度
検出電極２３、２４と共通電極３１は、それぞれ隙間を
開けて形成され、導通していない。

【００４１】また、図１に示す様に、基板１０には、後
述の制御回路（制御手段）Ａ１０と接続されるターミナ
ル（リード端子）Ｔ１〜Ｔ４が設けられている。そし
て、ターミナルＴ１はワイヤＷ１を介して駆動電極２０
と接続され、ターミナルＴ２はワイヤＷ２を介してパッ
ト電極３７と接続され、ターミナルＴ３はワイヤＷ３を
介してモニタ電極２１と接続され、ターミナルＴ４はワ
イヤＷ４を介してパット電極３６と接続されている。上
記各ワイヤの結線は、例えばワイヤボンディングにて行
われる。

【００４２】次に、本実施形態の角速度センサに備えら
れた上記制御回路Ａ１０について、図４に示すブロック
図を参照して述べる。制御回路Ａ１０は大きくは、駆動
用梁部３、４を自励発振（自励振動）によって駆動振動
させる駆動系Ａ１１と、検出用梁部２、５の検知振動を
検知して角速度検出を行う検出系Ａ１２とに分かれる。
振動子１はパット電極３７より回路に接続され基準電位
に設置されている。

【００４３】駆動系Ａ１１は、モニタ電極２１からの出
力（電流）を電圧に変換するチャージアンプ１００と、
チャージアンプ１００以降に設けられたＡＧＣ（オート
ゲインコントロール）回路１０１とから構成される。Ａ
ＧＣ回路１０１は、チャージアンプ１００からのフィー
ドバック信号が一定電圧となるように維持しつつ、この
一定電圧を駆動電極２０に印加する。

【００４４】検出系Ａ１２は、パット電極３６を介して
角速度検出電極２２〜２４からの出力（電流）を電圧に
変換する電流−電圧変換回路１０２と、電流−電圧変換
回路１０２以降に設けられた同期検波回路１０３と、同
期検波回路１０３以降に設けられたＬＰＦ（ローパスフ
ィルタ）１０４と、チャージアンプ１００からのフィー
ドバック信号を９０°移相する移相回路１０５とから構
成されている。

【００４５】そして、電流−電圧変換回路１０２からの
出力は、同期検波回路１０３にて、上記移相回路１０５
で移相されたフィードバック信号に基づき同期検波され
た後、ＬＰＦ１０４にて、平滑化されて直流電圧に変換
されて角速度信号として出力されるようになっている。
次に、本実施形態の作動について説明する。まず、Ｘ１
面、Ｘ２面に形成された駆動電極２０と共通電極３０と
の間に交流電圧を印加することにより、駆動用梁部（内
側一対の梁部）３、４において電荷の偏在が発生する。
そのため、駆動用梁部３、４が、図５に示す様に、ｙ軸
方向において互いに振動子の中心線に対して対称な（つ
まり互いに逆相の）屈曲振動をするモード（駆動共振モ
ード）にて共振する。

【００４６】この駆動共振モードにおける振幅に比例し
た電流をモニタ電極２１からの出力としてチャージアン
プ１００で電圧に変換し、ＡＧＣ回路１０１によりこの
電圧、すなわちモニタ信号が常に一定となるようにモニ
タしながら、一定電圧の信号（駆動信号）を駆動電極２
０に印加する。以上の閉じた系にて自励発振が行われ、
駆動用梁部３、４において駆動振動が行われる。

【００４７】この駆動共振モードにおいてｚ軸回りの角
速度入力が０ならば、検出用梁部（外側一対の梁部）
２、５は、ほとんどｙ軸方向に振動しないため、角速度
検出電極２２〜２４からの出力即ちノイズＮは極めて小
さい。例えば、駆動用梁部３、４の振幅に比べて検出用
梁部２、５の振幅は約１／２００程度である。これは、
上記駆動共振モード（駆動振動）の共振周波数と、検出
用梁部２、５がｙ軸方向に屈曲振動するモードの共振周
波数とを異ならせるように、駆動用梁部３、４の長さＬ
１と検出用梁部２、５の長さＬ２とを異ならせる等、寸
法及び形状を設定しているためである。

【００４８】従って、駆動共振モードにおいては、実質
的には駆動用梁部３、４の駆動振動だけが行われている
状態となる。そして、駆動振動中に、振動子１にｚ軸回
りの角速度が入力された場合、振動している駆動用梁部
３、４にはコリオリ力が発生する。すると、駆動用梁部
３、４は、駆動振動方向（駆動共振モードの方向）と直
交するｘ軸方向において、各駆動用梁部３、４が互いに
逆方向に力を受ける。この力によって、連結部６のうち
梁部３の支持部位近傍と梁部４の支持部位近傍とにおい
ても、ｘ軸方向（図５において紙面垂直方向）に互いに
逆方向の力が発生する。

【００４９】従って、連結部６が捩じられてｘ軸方向に
たわむため、その反作用で検出用梁部２、５も連成して
ｘ軸方向に互いに逆方向に振動し、振動子１全体のｘ軸
方向への振動モード（検出共振モード）は、図６（ａ）
に示す様に、上述の第１の検出共振モードとなる。つま
り、隣接する梁部２〜５同士がｘ軸方向において互いに
逆方向へ振動する。

【００５０】ここで、検出用梁部２、５のｘ軸方向への
互いに逆相の振動を検知振動として、その角速度に比例
した振幅を角速度検出電極２２〜２４からの出力（電
流）として電流−電圧変換回路１０２にて電圧に変換す
る。この電圧を、移相回路１０５からのフィードバック
信号（モニタ信号）を基準に同期検波回路１０３にて検
波処理を行い、ＬＰＦ１０４を通して平滑化された信号
を最終出力とする。この最終出力は角速度に比例したＤ
Ｃ出力（角速度信号）を発生する。

【００５１】なお、梁部２側における角速度検出電極２
３、２４と共通電極３１との位置関係は、梁部５側にお
ける角速度検出電極２２と共通電極２８、２９との位置
関係の逆の位置関係としている。そのため、梁部２と梁
部５とが互いに逆方向に対称に（逆相に）振動するよう
な上記検知振動においては、角速度検出電極２２と角速
度検出電極２３及び２４とから検出される電流は同位相
となる。

【００５２】ところで、本実施形態によれば、第１の検
出共振モードを用いているため、上述した寸法の一例の
如く、駆動用梁部３、４の振幅ＸＵと検出用梁部２、５
の振幅ＸＳとの振幅比ＸＵ／ＸＳを１０以下とするよう
に、シミュレーション等により振動子１及び支持部７の
寸法を設定している。なお、本発明者の検討によれば、
内側一対の梁部３、４の中心軸間隔ＷＵと外側一対の梁
部２、５の中心軸間隔ＷＳの間隔比ＷＳ／ＷＵを所定の
範囲（本実施形態では約１．６）とすれば、他の寸法に
関係なく、振幅比ＸＵ／ＸＳを１０以下とすることがで
きることを確認している。

【００５３】ここで、上記振幅比ＸＵ／ＸＳと上記間隔
比ＷＳ／ＷＵとの関係について、上記した従来技術（特
開平８−２７８１４１号公報）の４脚音叉振動子にも言
及しつつ述べる。本実施形態においては、上記検出共振
モードにおいて、上記振幅比ＸＵ／ＸＳが１０以下とな
るように振動子１とトーションビーム８の寸法が形成さ
れているのが特徴であり、Ｓ／Ｎ比を向上させるポイン
トである。

【００５４】上記従来技術の実施例に記載されている振
動子は検出共振モードにおいて振幅比ＸＵ／ＸＳが１
０．７以上と大きい。このような形状の場合、駆動用梁
部（駆動用振動子）にコリオリ力が入力された時、梁の
配列方向に直交する方向への振幅は非常に小さく、それ
に伴い検出用梁部（検出用振動子）の振幅も小さくな
る。これは外側一対の梁部を駆動用、内側一対の梁部を
検出用とした場合もしくはその逆の場合でも同じであ
る。

【００５５】これでは従来の２脚の音叉に対してコリオ
リ力入力時の振幅は１／１０以下しか得られず、即ち感
度は１／１０以下しか得られない。また、駆動用と検出
用の梁部（振動子）を分離した効果についても、２脚
音叉に対しノイズ低減効果は１／５であり、感度の低下
分と合わせると、従来技術記載の構造ではＳ／Ｎ向上は
十分ではない。また、例えば感度Ｓが低下するため。外
部Ｇに対しても感度Ｓの低下分だけ弱くなり、例えば車
載を考えた場合はセンサの適用は困難となる。

【００５６】感度という問題に対し、振動子の構造につ
いて研究した結果、高感度化を達成するためには検出共
振モードにおける内側一対の梁部の検出方向の振幅ＸＵ
と外側一対の梁部の振幅ＸＳの比である上記振幅比ＸＵ
／ＸＳが重要であることを解明した。そして、振幅比Ｘ
Ｕ／ＸＳを小さくしていくと、検出用梁部（検出用振動
子）にも振動エネルギーが分配され、コリオリ力入力時
に検出用梁部の検出方向の振幅が大きくなる、即ち感度
が大きくなり、従来の問題点を解決し、センサのＳ／Ｎ
を向上することができる。

【００５７】４脚音叉の機械インピーダンスを低減し、
コリオリ力に対するレスポンスを向上させ感度を向上さ
せるという観点から検討した結果、振幅比ＸＵ／ＸＳを
小さくしていくことにより、駆動用音叉（駆動用梁部）
と検出用音叉（検出用梁部）にコリオリ力による振動エ
ネルギーが分散され感度を大きくでき、また、振幅比Ｘ
Ｕ／ＸＳを小さくしていくと、振動子全体のエネルギー
が大きくなる即ち振動子の機械インピーダンスを低減で
きることがわかった。以上より、振幅比ＸＵ／ＸＳを小
さくすることにより、振動子の機械インピーダンスを低
減でき、高感度な振動子が得られることが分かり、高感
度なセンサを得るには振幅比ＸＵ／ＸＳを１０以下にす
る必要がある。

【００５８】次に、具体的に振幅比ＸＵ／ＸＳを小さく
する方法として、上記間隔比ＷＳ／ＷＵを小さくするこ
とが効果的であることがわかった。振幅比ＸＵ／ＸＳを
小さくする（即ち、内側一対の梁部３、４と外側一対の
梁部２、５のｘ軸方向の振幅を同じにする）には、これ
ら２つの一対の梁部２〜５の回転振動のしやすさを合わ
せる、即ち両者の慣性モーメントを合わせるという考え
に着目し、それぞれの回転の腕の長さを合わせる即ち上
記間隔比ＷＳ／ＷＵを小さくすることを検討した。その
結果、高感度な振動子を実現するには、間隔比ＷＳ／Ｗ
Ｕを２．５以下にすることが望ましいことを見いだし
た。

【００５９】また、駆動用梁部（内側一対の梁部）３、
４にコリオリ力が入力された時に検出用梁部（外側一対
の梁部）２、５に発生する捩れ回転力即ちトルクを大き
くするため、内側一対の梁部３、４の間隔ＷＵを大きく
することが望ましく、該間隔ＷＵは、図２に示す各梁部
２〜５の幅Ｗ１のうちの内側一対の梁部３、４の幅ＨＵ
に対し、２．５以上にすることが望ましい。

【００６０】上記従来技術記載の実施例においては間隔
比ＷＳ／ＷＵが２．８２であり、トーションビームを有
していないため、慣性モーメントが大きく、振幅比ＸＵ
／ＸＳは１０．７程度であり、高感度を得ることができ
ない。これに対し、本実施形態では、上記間隔比ＷＳ／
ＷＵを１．６とし且つトーションビーム８を有している
ため、振幅比ＸＵ／ＸＳは１．６と小さくなり、従来技
術よりも１桁以上大きな感度を得ることができる、即
ち、本実施形態は、振動エネルギーが効率良く検出梁部
に伝達されて利得が得られる構造である。

【００６１】また、本実施形態においては、トーション
ビーム８により振動子１が支持されていることによる効
果は、上記の感度向上効果のみならず、上記検出共振モ
ードを安定して実現させることができるという効果も有
する。トーションビーム以外、例えば振動子の下部をリ
ジッドに固定したり、上記従来技術の実施例の一部にお
いて振動子の板厚方向に円柱型の支持用の穴を設けるこ
とが記載されている。

【００６２】しかし、後者の場合、円柱状のピンをこの
穴に接合し、振動子を側面から支持した場合、上記従来
技術に記載されている検出共振モードは発生するが、本
発明にて提案している検出共振モードは発生しないか、
安定して得ることができない。更に追記するならば、上
記従来技術において、振動子の支持方法は明記されてお
らず、振動子の支持方法は、振動子の構造と同レベルな
ほど重要な要素であり、相互が一体となって構成される
べきものである。そして、本実施形態では、振動子の支
持方法と振動子の構造とが一体となった構成を提供する
ものである。

【００６３】また、本実施形態においては、実質的に振
動子１の中心線上に位置するトーションビーム８により
振動子１が支持されていることも特徴である。このトー
ションビーム８は、連結部６の略中央部位から、ｚ軸方
向において梁部２〜５とは反対側に延びるように位置
し、そのｙ軸方向の幅は、検出用梁部（外側１対の梁
部）２、５の配列間隔よりも狭いものとしている。

【００６４】そのため、上述したように角速度入力時に
連結部６がｘ軸方向へたわむ際に、トーションビーム８
を軸として連結部６がたわむから、このたわみは阻害さ
れない。従って、検出用梁部２、５の検知振動の振幅を
大きくすることができる。更に、本実施形態では、駆動
用梁部２、５と検出用梁部３、４の幅Ｗ１を同じとし、
且つ駆動用梁部２、５の長さＬ１と検出用梁部３、４の
長さＬ２とを異なるものとしている。そのため、駆動共
振モードにおいて互いの屈曲モードの共振周波数が異な
り、駆動用梁部３、４の駆動振動（例えばｆｄ＝６４３
９Ｈｚ）が伝達されたとしても検出用梁部２、５の屈曲
振動（例えばｆｄ₀＝４４２９Ｈｚ）は減衰しＳ／Ｎを
向上させることができる。

【００６５】また、本実施形態では、駆動振動の共振周
波数（駆動共振周波数）ｆｄと検知振動の共振周波数
（検知共振周波数）ｆｓの比ｆｄ／ｆｓを、例えば１．
０４となるように振動子１及びトーションビーム８の寸
法を設定している為、駆動共振モードと検出共振モード
の連成を抑制しＳ／Ｎを向上させることができる。な
お、本発明者の検討によれば、上記両モードの連成を抑
制するには、比ｆｄ／ｆｓが、０．８≦ｆｄ／ｆｓ≦
０．９９又は１．０１≦ｆｄ／ｆｓ≦１．２、の関係に
あることが好ましい。

【００６６】また、本実施形態において、トーションビ
ーム８を梁部２〜５と反対方向に配置する構成とするこ
とにより振動子１とトーションビーム８を別体で形成し
接合しやすくなるため、構造的に最も弱いトーションビ
ームを金属で形成することができ、耐衝撃性を向上する
ことが出来る。なお、本実施形態において、他の圧電材
料、例えばＺカット水晶をエッチングしたり、ニオブ酸
リチウムやランガサイトをダイシングしたりすることよ
り、振動子１を形成してもよい。また、半導体を用いた
振動子についても適用できるものである。

【００６７】また、本実施形態において、振動子１をト
ーションビーム８を介して支持しなくても、振動子１の
底部すなわち連結部６をクランプして支持するものとし
ても、従来より高いＳ／Ｎが得られる。また、２０をモ
ニタ電極とし、２１を駆動電極としてもよい。その場合
には制御回路Ａ１０との結線を適宜変えることは勿論で
ある。

【００６８】なお、振動子１の厚さの限定は記述してい
ないが、体格上の制約や駆動周波数、そして製造上から
考えた常識から梁部の幅（Ｗ１）は０．０１〜５ｍｍを
前提に考えており、ｆｓとｆｄとの関係から、厚さは、
その半分から２倍即ち０．００５〜１０ｍｍを前提に考
えている。（第２実施形態）上記第１実施形態では、検出共振モー
ドとして、第１の検出共振モード、すなわち隣接する梁
部２〜５同士がｘ軸方向において互いに逆方向へ振動す
るモードを用いたが、本実施形態は、検出共振モード
を、図６（ｂ）に示す第２の検出共振モードとした点が
上記第１実施形態と異なる。

【００６９】本実施形態の第２の検出共振モードでは、
内側一対の梁部（駆動用梁部）３、４が互いに逆相振動
し、外側一対の梁部（検出用梁部）２、５が互いに逆相
振動しつつ、４本の梁部のうちｚ軸の片側の２本の梁部
２、３と他側の２本の梁部４、５とがｘ軸方向において
互いに逆方向へ振動する。この第２の検出共振モードを
実現するには、上記振動子１において、上記第１実施形
態よりも、各梁部２〜５の幅Ｗ１（図２参照）を小さく
すればよい。また、本実施形態においては、振動子１等
の寸法は、内側の一対の梁部３、４の振幅ＸＵと外側の
一対の梁部２、５の振幅ＸＳとの比ＸＳ／ＸＵが１０以
下とすること、及び上記第１実施形態にて述べた制約条
件、を満足するように設定されている。

【００７０】この第２の検出共振モードは、第１の検出
共振モードに対し、同じ大きさの振動子でも低い共振周
波数を有するため、振動子の低周波数化が可能である。
そのため、低周波振動が要求される検出回路（制御回路
の検出系Ａ１２）構成やセンサの応答性等に応じて使用
することが出来る。（第３実施形態）本実施形態は、上記第１及び第２実施
形態と比べて、主として、上記支持部７の代わりに、振
動子と一体成形された２本のトーションビームで振動子
１が支持されてた構造であることが異なる。本実施形態
の基本構成を図７に示す。図７は本実施形態の角速度セ
ンサの斜視図である。なお、以下、主として上記第１及
び第２実施形態と異なる点について述べ、同一部分には
図中同符号を付して説明を省略する。

【００７１】本実施形態の振動子１も上記第１実施形態
と同様の構成であり、略平行に配列された４本の四角柱
状の梁部２、３、４、５を有し、内側一対の梁部３、４
が駆動用梁部、外側一対の梁部２、５が検出用梁部とし
て構成されている。各梁部２〜５は、片端部を共通の連
結部６にて固定支持されており、振動子１は櫛形音叉形
状を成している。ここで、振動子１とｘｙｚ直交座標系
の各軸との関係は、上記第１実施形態と同様である。

【００７２】図７に示す様に、本実施形態では２本のト
ーションビーム５０、５１がある。第１トーションビー
ム５０は、連結部６の略中央部位（すなわち内側の１対
の梁部３、４の支持部位の間の略中央部位）から、ｚ軸
方向において梁部２〜５とは反対側に延びるように位置
する。第２トーションビーム５１は、連結部６の略中央
部位から、ｚ軸方向において梁部２〜５と同一方向に延
びるように位置する。そして、両トーションビーム５
０、５１は振動子１の中心線（すなわちｚ軸）上に位置
する。

【００７３】また、両トーションビーム５０、５１のう
ち連結部６とは反対側の端部は、それぞれ、後述するフ
レーム５２に接続される接続部５０ａ、５１ａとして構
成される。両トーションビーム５０、５１のうち接続部
５０ａ、５１ａ以外の部分は、上記第１実施形態と同じ
く、ｙ軸方向の幅が内側の１対の梁部３、４の配列間隔
よりも狭いものとしている。

【００７４】本実施形態の振動子１も第１実施形態同
様、圧電体から構成されるが、振動子１及び両トーショ
ンビーム５０、５１を一体成形するため、例えばｘカッ
トの水晶のような圧電体をダイシングすることにより一
体形成することが好ましい。なお、水晶の軸はｘｙｚ直
交座標系とは無関係であり、所望の方向とする。そし
て、振動子１及び両トーションビーム５０、５１は、ガ
ラス製のフレーム５２に対して、化学的な結合により結
合されており振動子１は自由に振動出来るように浮遊し
た状態としている。

【００７５】本実施形態においても、検出共振モードと
して上記第１及び第２の検出共振モードが使用可能であ
るが、上記第１及び第２実施形態と同様にして、用いる
検出共振モードに応じた振動子１及び両トーションビー
ム５０、５１の寸法を設定することができることは勿論
である。以下、第２の検出共振モードを用いるものとし
て説明する。

【００７６】次に、振動子１上の電極構成について説明
する。振動子１におけるＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２面は上
記第１実施形態と同様であり、図８において（ａ）はＸ
１面、（ｂ）はＸ２面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２
面の電極構成を示す。以下、図８を参照して説明する。
６０及び６１は駆動電極（駆動手段）であり、Ｘ１面に
おいて、それぞれ、梁部３の外周側部位及び梁部４の外
周側部位に形成されている。６２はモニタ電極（モニタ
手段）であり、Ｘ１面において梁部４の内周側部位に形
成されている。

【００７７】６３及び６４は、角速度検出用の角速度検
出電極（角速度検出手段）である。角速度検出電極６３
は、Ｙ１面において梁部５の略全域に渡って形成されて
おり、角速度検出電極６４は、Ｙ２面において梁部２の
略全域に渡って形成されている。そして、Ｘ１面におい
て、両駆動電極６０、６１は、連結部６に形成された引
出し電極６５と連結部６及びトーションビーム５１に形
成された引出し電極６６とによって、接続部５１ａに形
成されたパット電極６７に電気的に接続されている。ま
た、Ｘ１面において、モニタ電極６２は、連結部６から
トーションビーム５１に渡って形成された引出し電極６
８によって、接続部５１ａに形成されたパット電極６９
に電気的に接続されている。

【００７８】そして、角速度検出電極６３は、Ｙ１面に
形成された引出し電極７０及びＸ１面において連結部６
及びトーションビーム５０に形成された引出し電極７１
を介して、接続部５０ａに形成されたパット電極７２と
電気的に接続されている。一方、角速度検出電極６４
は、Ｙ２面に形成された引出し電極７３及びＸ１面にお
いて連結部６及びトーションビーム５０に形成された引
出し電極７４を介して、接続部５０ａに形成されたパッ
ト電極７５と電気的に接続されている。

【００７９】７６、７７及び７８は、上記駆動、モニ
タ、及び角速度検出電極６０〜６４の基準電位となる共
通電極である。共通電極７６はＸ１面において梁部２の
略全域から連結部６を通り梁部５の略全域に渡って連続
して形成されており、共通電極７７はＸ２面において梁
部２〜５の略全域及び連結部６に渡って連続して形成さ
れている。また、共通電極７８はＸ１面において梁部３
の内周側に形成され、梁部３において梁部４と対向する
面に形成された短絡用電極７８ａ（図７参照）によって
共通電極７７と導通している。

【００８０】各共通電極７６〜７８は、Ｙ１面に形成さ
れた引出し電極７９を介して導通しており、共通電極７
６は、Ｘ１面において連結部６に形成された引出し電極
８０を介して、接続部５０ａに形成されたパット電極８
１に電気的に接続されている。従って、パット電極６７
は駆動電極６０、６１と、パット電極６９はモニタ電極
６２と、パット電極７２は角速度検出電極６３と、パッ
ト電極７５は角速度検出電極６４と、パット電極８１は
共通電極７６〜７８と、それぞれ導通する形となる。こ
れらパット電極は、後述の制御回路（制御手段）Ｂ１０
とワイヤボンディングによって結線される部分である。
なお、上記各電極６０〜８１は、Ｃｒ、Ａｕ等の蒸着等
によって形成している。

【００８１】次に、本実施形態の角速度センサに備えら
れた上記制御回路Ｂ１０について、図９に示すブロック
図を参照して述べる。制御回路Ｂ１０は大きくは、駆動
用梁部３、４を自励発振（自励振動）によって駆動振動
させる駆動系Ｂ１１と、検出用梁部２、５の検知振動を
検知して角速度検出を行う検出系Ｂ１２とに分かれる。
振動子１はパット電極８１よりワイヤボンディング等で
回路に接続され基準電位に設置されている。

【００８２】駆動系Ｂ１１は、上記駆動系Ａ１１と同様
の構成であり、チャージアンプ１００とＡＧＣ回路１０
１とから構成される。ここで、チャージアンプ１００に
はモニタ電極６２の出力がパット電極６９から入力さ
れ、フィードバック信号によってＡＧＣ回路１０１から
はパット電極６７を通して駆動電極６０、６１に一定電
圧が印加される。

【００８３】検出系Ｂ１２は、パット電極７２、７５を
介して角速度検出電極６３、６４からの出力（電流）を
電圧に変換する電流−電圧変換回路２０２ａ、２０２ｂ
と、電流−電圧変換回路２０２ａ、２０２ｂからの出力
を減算処理する差動回路２０３と、差動回路２０３以降
に設けられた同期検波回路１０３と、ＬＰＦ１０４と、
移相回路１０５とから構成されている。すなわち、上記
検出系Ａ１２に比べて、電流−電圧変換回路が２つある
こと、及び差動回路２０３を有することが異なる。

【００８４】そして、電流−電圧変換回路２０２ａ、２
０２ｂからの出力は差動回路２０３で減算処理され、そ
して、上記第１実施形態と同様に、同期検波回路１０３
にて上記移相回路１０５で移相されたフィードバック信
号に基づき同期検波された後、ＬＰＦ１０４にて、平滑
化されて直流電圧に変換されて角速度信号として出力さ
れるようになっている。

【００８５】次に、本実施形態の作動について説明す
る。まず、Ｘ１面、Ｘ２面に形成された駆動電極６０、
６１と共通電極７７との間に交流電圧を印加することに
より、上記第１実施形態と同様に、駆動用梁部３、４
が、図５に示す様に、駆動共振モードにて共振する。こ
の駆動共振モードにおける振幅をモニタ電極６２からの
出力を、上記第１実施形態と同様にモニタして、自励発
振を行い、駆動用梁部３、４を駆動振動させる。

【００８６】本実施形態においても、駆動共振モード
（駆動振動）の共振周波数と、検出用梁部２、５がｙ軸
方向に屈曲振動するモードの共振周波数とを異ならせる
ように、駆動用梁部３、４の長さＬ１と検出用梁部２、
５の長さＬ２とを異ならせて設定している為、ｚ軸回り
の角速度入力が０ならば、検出用梁部２、５は、ほとん
どｙ軸方向に振動せず、角速度検出電極６３、６４から
の出力即ちノイズＮは極めて小さい。従って、駆動共振
モードにおいては、実質的には駆動用梁部３、４の駆動
振動だけが行われている状態となる。

【００８７】そして、駆動振動中に、振動子１にｚ軸回
りの角速度が入力された場合、上記第１実施形態と同様
に、振動している駆動用梁部３、４に発生するコリオリ
力によって連結部６のｘ軸方向へのたわみが生じ、検出
用梁部２、５のｘ軸方向への逆相の振動（検知振動）が
連成され、図６（ｂ）に示す第２の検出共振モードが発
生する。

【００８８】この検知振動により、角速度検出電極６
３、６４からはｘ軸方向への振幅、すなわち角速度に比
例した電流が発生する。その電流は、パット電極７２、
７５を介し、電流−電圧変換回路２０２ａ、２０２ｂに
て電圧に変換される。本実施形態の場合、角速度検出電
極６３、６４からの出力が逆相に発生するようになって
いるため、差動回路２０３にて減算処理を行い、移相回
路１０５からのフィードバック信号（モニタ信号）を基
準に同期検波回路１０３にて検波処理を行い、ＬＰＦ１
０４を通して平滑化された信号を最終出力とする。この
最終出力は角速度に比例したＤＣ出力（角速度信号）を
発生する。

【００８９】ところで、本実施形態では、第２の検出共
振モードを用いているため、駆動用梁部３、４の振幅Ｘ
Ｕと検出用梁部２、５の振幅ＸＳとの振幅比ＸＳ／ＸＵ
を１０以下とするように、上記梁部の間隔比ＷＳ／ＷＵ
等、振動子１及びトーションビーム５０、５１の寸法を
設定している。また、本実施形態においても、実質的に
振動子１の中心線上に位置するトーションビーム５０、
５１によって、角速度入力時の連結部６のたわみを阻害
することの無い振動子１の支持が実現でき、検出用梁部
２、５の検知振動の振幅を大きくすることができる。従
って、本実施形態でも、高Ｓ／Ｎを実現できる。

【００９０】さらに、本実施形態は、振動子１を両持ち
のトーションビーム５０、５１により支持しているため
片持ち支持に比べて耐衝撃性に優れていること、２つの
トーションビーム５０、５１に駆動系Ｂ１１と検出系Ｂ
１２の配線を分離出来るため耐電気ノイズに優れている
こと、及び、圧電体にて一体形成しているため安価であ
ることという特長を有する。

【００９１】また、本実施形態においても、駆動共振モ
ードと検出共振モードの連成を抑制するように、振動子
１及びトーションビーム５０、５１の寸法は設定されて
いる。なお、本実施形態において、第１の検出共振モー
ドを用いる場合は、上記第２実施形態とは逆に各梁部２
〜５の幅Ｗ１（図２参照）を大きくするとともに、上記
第１実施形態と同様に、比ＸＵ／ＸＳが１０以下となる
ように寸法設定すればよい。

【００９２】（第４実施形態）本実施形態の構成を図１
０に示す。本実施形態では、連結部６からｚ軸方向にお
いて４本の梁部２〜５の同一方向に延びるように、振動
子１と一体形成された１本のトーションビーム９０で、
振動子１を支持することが特徴である。このトーション
ビーム９０も、その中心軸（長軸）はｚ軸とほぼ一致
し、実質的に振動子１の中心線上に位置する。トーショ
ンビーム９０のうち連結部６とは反対側の端部は、上記
第１〜第３実施形態に記載のような基板もしくはフレー
ム等に接続される接続部９０ａとして構成されている。
そして、接続部９０ａ以外の部分において、ｙ軸方向の
幅は内側の１対の梁部３、４の配列間隔よりも狭いもの
としている。

【００９３】振動子１は、上記と同じく圧電体から構成
され、梁部２〜５及び連結部６を備える櫛形音叉形状を
成す。また、トーションビーム９０は、振動子１と同じ
圧電体（例えば水晶等）から一体成形されている。振動
子１上の電極構成は、基本的には、上記第３実施形態と
同様であるが、第３実施形態と比べて、梁部２〜５と反
対側のトーションビームが無いため、パット電極７２、
７５及び８１は、連結部６に形成され、引出し電極７
１、７４及び８０は連結部６にのみ形成されている。

【００９４】本実施形態においても、検出共振モードに
応じて上記各実施形態と同様に、Ｓ／Ｎ向上可能なよう
に寸法を設定し、又トーションビーム９０の効果も実現
できる。更に、本実施形態では、トーションビーム９０
を振動子１の重心位置で支持することができ、外部振動
に対し優れるという特長を有する。また、梁部２〜５と
反対側にトーションビームを有さず、スペース効率の高
い構成なため、トーションビームを長くとることが可能
であり、比ＸＵ／ＸＳもしくはＸＳ／ＸＵを小さくする
ことが出来る、即ち感度Ｓを大きくすることが出来ると
いう特長を有する。

【００９５】（他の実施形態）なお、上記各実施形態に
おいては内側一対の梁部３、４を駆動用梁部とし、外側
一対の梁部２、５を検出用梁部としたが、逆に、内側一
対の梁部３、４を検出用梁部とし、外側一対の梁部２、
５を駆動用梁部としても、同様の効果が得られる。

【００９６】また、振動子１の形状は図１１に示す様な
ものであってもよい。図１１においては、内側一対の梁
部３、４の間において、連結部６から各梁部２〜５と同
方向に延び且つ振動しない部分である非振動部Ｍ１が形
成されたものである。この非振動部Ｍ１を形成すること
により、振動子１の成形が簡単になる。

【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構
成を示す斜視図である。

【図２】図１の振動子及び支持部の各寸法を示す説明図
である。

【図３】図１の振動子上の電極構成を示す展開図であ
る。

【図４】上記第１実施形態における制御回路のブロック
図である。

【図５】本発明の駆動共振モードを示す説明図である。

【図６】本発明の検出共振モードを示す説明図である。

【図７】本発明の第３実施形態に係る角速度センサの構
成を示す斜視図である。

【図８】図７の振動子上の電極構成を示す展開図であ
る。

【図９】上記第３実施形態における制御回路のブロック
図である。

【図１０】本発明の第４実施形態に係る角速度センサの
構成を示す斜視図である。

【図１１】本発明の他の実施形態を示す図である。

【符号の説明】

１…振動子、２、５…駆動用梁部、３、４…検出用梁
部、６…連結部、８、９０…トーションビーム、２０、
６０、６１…駆動電極、２１…モニタ電極、２５、２
６、２７、６３、６４…角速度検出電極、５０…第１ト
ーションビーム、５１…第２トーションビーム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｘｙｚ直交座標系において、ｚ軸の両側
に２本ずつｙ軸方向に平行に配列された少なくとも４本
の梁部（２〜５）と、ｙ軸方向に延びるとともに前記４
本の梁部（２〜５）の片端部を連結支持する連結部
（６）とを有する櫛形音叉状に形成された振動子（１）
を備え、前記４本の梁部において内側の１対（３、４）及び外側
の１対（２、５）のうちどちらか一方の１対を駆動用梁
部（３、４）、他方の１対を検出用梁部（２、５）と
し、前記駆動用梁部には、前記駆動用梁部をｙ軸方向へ互い
に逆相に励振して駆動振動させるための駆動手段（２
０、６０、６１）が設けられ、前記検出用梁部には、ｚ軸回りの角速度入力時に発生す
る前記検出用梁部のｘ軸方向への互いに逆相な振動を検
知振動として検知して前記角速度を検出するための角速
度検出手段（２５〜２７、６３、６４）が設けられてい
る角速度センサであって、前記角速度入力時には、前記梁部（２〜５）のうち隣接
する梁部同士がｘ軸方向において互いに逆方向へ振動
し、且つこのｘ軸方向への振動において前記内側の一対
の梁部の振幅ＸＵと前記外側の一対の梁部の振幅ＸＳと
の比ＸＵ／ＸＳが、１０以下となるように前記振動子の
寸法が設定されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】ｘｙｚ直交座標系において、ｚ軸の両側
に２本ずつｙ軸方向に平行に配列された少なくとも４本
の梁部（２〜５）と、ｙ軸方向に延びるとともに前記４
本の梁部（２〜５）の片端部を連結支持する連結部
（６）とを有する櫛形音叉状に形成された振動子（１）
を備え、前記４本の梁部において内側の１対（３、４）及び外側
の１対（２、５）のうちどちらか一方の１対を駆動用梁
部（３、４）、他方の１対を検出用梁部（２、５）と
し、前記駆動用梁部には、前記駆動用梁部をｙ軸方向へ互い
に逆相に励振して駆動振動させるための駆動手段（２
０、６０、６１）が設けられ、前記検出用梁部には、ｚ軸回りの角速度入力時に発生す
る前記検出用梁部のｘ軸方向への互いに逆相な振動を検
知振動として検知して前記角速度を検出するための角速
度検出手段（２５〜２７、６３、６４）が設けられてい
る角速度センサであって、前記角速度入力時には、前記４本の梁部のうちｚ軸の片
側の２本（２、３）と他側の２本（４、５）とがｘ軸方
向において互いに逆方向へ振動し、且つこのｘ軸方向への振動において前記内側の一対の梁
部の振幅ＸＵと前記外側の一対の梁部の振幅ＸＳとの比
ＸＳ／ＸＵが、１０以下となるように前記振動子の寸法
が設定されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】ｘｙｚ直交座標系において、ｚ軸の両側
に２本ずつｙ軸方向に平行に配列された４本の梁部（２
〜５）と、ｙ軸方向に延びるとともに前記４本の梁部
（２〜５）の片端部を連結支持する連結部（６）とを有
する櫛形音叉状に形成された振動子（１）を備え、前記４本の梁部において内側の１対（３、４）及び外側
の１対（２、５）のうちどちらか一方の１対を駆動用梁
部（３、４）、他方の１対を検出用梁部（２、５）と
し、前記駆動用梁部には、前記駆動用梁部をｙ軸方向へ互い
に逆相に励振して駆動振動させるための駆動手段（２
０、６０、６１）が設けられ、前記検出用梁部には、ｚ軸回りの角速度入力時に発生す
る前記検出用梁部のｘ軸方向への互いに逆相な振動を検
知振動として検知して前記角速度を検出するための角速
度検出手段（２５〜２７、６３、６４）が設けられてい
る角速度センサであって、前記振動子（１）は、ｚ軸上に位置してｚ軸方向に延び
るように連結部（６）と接続されるとともにｙ軸方向の
幅が前記内側の１対の梁部（３、４）の配列間隔よりも
狭いトーションビーム（８、５０、５１、９０）により
支持されており、前記角速度入力時には、前記梁部（２〜５）のうち隣接
する梁部同士がｘ軸方向において互いに逆方向へ振動
し、且つこのｘ軸方向への振動において前記内側の一対
の梁部の振幅ＸＵと前記外側の一対の梁部の振幅ＸＳと
の比ＸＵ／ＸＳが、１０以下となるように前記振動子及
び前記トーションビームの寸法が設定されていることを
特徴とする角速度センサ。
【請求項４】ｘｙｚ直交座標系において、ｚ軸の両側
に２本ずつｙ軸方向に平行に配列された４本の梁部（２
〜５）と、ｙ軸方向に延びるとともに前記４本の梁部
（２〜５）の片端部を連結支持する連結部（６）とを有
する櫛形音叉状に形成された振動子（１）を備え、前記４本の梁部において内側の１対（３、４）及び外側
の１対（２、５）のうちどちらか一方の１対を駆動用梁
部（３、４）、他方の１対を検出用梁部（２、５）と
し、前記駆動用梁部には、前記駆動用梁部をｙ軸方向へ互い
に逆相に励振して駆動振動させるための駆動手段（２
０、６０、６１）が設けられ、前記検出用梁部には、ｚ軸回りの角速度入力時に発生す
る前記検出用梁部のｘ軸方向への互いに逆相な振動を検
知振動として検知して前記角速度を検出するための角速
度検出手段（２５〜２７、６３、６４）が設けられてい
る角速度センサであって、前記振動子（１）は、ｚ軸上に位置してｚ軸方向に延び
るように連結部（６）と接続されるとともにｙ軸方向の
幅が前記内側の１対の梁部（３、４）の配列間隔よりも
狭いトーションビーム（８、５０、５１、９０）により
支持されており、前記角速度入力時には、前記４本の梁部のうちｚ軸の片
側の２本（２、３）と他側の２本（４、５）とがｘ軸方
向において互いに逆方向へ振動し、且つこのｘ軸方向への振動において前記内側の一対の梁
部の振幅ＸＵと前記外側の一対の梁部の振幅ＸＳとの比
ＸＳ／ＸＵが、１０以下となるように前記振動子の寸法
が設定されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】前記内側の一対の梁部（３、４）の間隔
ＷＵと前記外側の一対の梁部（２、５）の間隔ＷＳとの
比ＷＳ／ＷＵが２．５以下であることを特徴とする請求
項１ないし４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
【請求項６】前記内側の一対の梁部（３、４）の間隔
ＷＵと前記内側の一対の梁部（３、４）の幅ＨＵとの比
ＷＵ／ＨＵが２．５以上１００以下であることを特徴と
する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の角速度セ
ンサ。
【請求項７】前記トーションビーム（５０、５１、９
０）と前記振動子（１）とは、圧電体により一体に形成
されていることを特徴とする請求項３または４に記載の
角速度センサ。
【請求項８】前記トーションビーム（８）は、前記振
動子（１）とは別体に形成され、前記振動子（１）と接
合されたものであることを特徴とする請求項３または４
に記載の角速度センサ。
【請求項９】前記トーションビーム（８、５０）は、
前記連結部（６）からｚ軸方向において前記４本の梁部
（２〜５）の反対方向に延びるように形成されているこ
とを特徴とする請求項７または８に記載の角速度セン
サ。
【請求項１０】前記トーションビーム（５１、９０）
は、前記連結部（６）からｚ軸方向において前記４本の
梁部（２〜５）の同一方向に延びるように形成されてい
ることを特徴とする請求項７または８に記載の角速度セ
ンサ。
【請求項１１】前記トーションビーム（５０、５１）
は２個であり、一方の前記トーションビーム（５１）
は、前記連結部（６）からｚ軸方向において前記４本の
梁部（２〜５）と同一方向に延び、他方の前記トーショ
ンビーム（５０）は、前記連結部（６）からｚ軸方向に
おいて前記４本の梁部（２〜５）と反対方向に延びるよ
うに形成されていることを特徴とする請求項７または８
に記載の角速度センサ。
【請求項１２】ｙ軸方向への振動モードの共振周波数
が、前記内側の一対の梁部（３、４）と前記外側の一対
の梁部（２、５）とで異なるようにしたことを特徴とす
る請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の角速度セ
ンサ。
【請求項１３】前記駆動用梁部（３、４）の駆動振動
の共振周波数ｆｄと前記検出用梁部（２、５）の検知振
動の共振周波数ｆｓの比ｆｄ／ｆｓが、０．８≦ｆｄ／ｆｓ≦０．９９、又は、１．０１≦ｆｄ
／ｆｓ≦１．２、の関係にあることを特徴とする請求項
１ないし１１のいずれか１つに記載の角速度センサ。
【請求項１４】前記駆動用梁部（３、４）には、前記
駆動振動をモニタするためのモニタ手段（２１、６２）
が設けられ、前記駆動振動において前記モニタ手段（２１、６２）か
らのモニタ信号に基づいて前記駆動用梁部を自励振動さ
せるようにしたことを特徴とする請求項１ないし１３の
いずれか１つに記載の角速度センサ。