角速度検出装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は角速度センサー及びそれを使った角速度検出装置並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術としては、トーションバータイプ音叉型振動ジャイロがよく知られている。図１９にこの従来例の概念図を示す。
【０００３】図１９に於いて１９１及び１９２は金属音叉の腕である。１９１及び１９２の先端にはそれぞれＭ／２なる質量として、１９４及び１９５が付いている。Ｘ，Ｙ，Ｚは座標軸である。この金属音叉の腕１９１及び１９２には圧電振動板が張り付けられておりこれによってＹＺ面内で前記腕は音叉屈曲振動をしている。更にこの１９１及び１９２の音叉は音叉根元部でトーションバー１９３により支持されている。このトーションバーには捩り歪を電気的に検出できるように圧電振動板が張り付けてある。図中ｄｒ／ｄｔは前記音叉屈曲振動のＹ軸方向速度で、Ωは測定しようとする角速度で、Ｚ軸方向に回転する角速度である。図中Ｆｃはｄｒ／ｄｔ に働くコリオリ力で Ｆｃ＝−２（Ｍ／２）（ベクトルΩ）×（ベクトルｄｒ／ｄｔ） 式（１）
図中音叉の各質点１９４及び１９５の速度ベクトルｄｒ／ｄｔの方向は互いに反対であるから、コリオリ力Ｆｃは腕１９１及び１９２に対してＸＺ面内で反対方向に作用する。このため音叉はＸＺ面内で互いに逆相の屈曲振動を始める。このＸＺ面内の屈曲振動の角周波数は明らかにωである。又、これはトーションバー１９３の接合部を中心に捩れ振動を起こす。このＦｃによる偶力の為に捩られる捩りトルクＴは Ｔ＝２・ｒ・Ｆｃ＝−２ｒ（ｄｒ／ｄｔ）ＭΩ 式（２）
音叉の中立位置のアーム幅をＲ、音叉の振動振幅を△Ｒ、音叉の振動角速度をωとして、音叉の腕の変位ｒを ｒ＝Ｒ＋△Ｒ・ｓｉｎ（ωｔ） 式（３）
とおき、２倍波の項を無視すると前記トルクＴは Ｔ＝−２ＭＲ・△Ｒ・ωΩｃｏｓ（ωｔ） 式（４）
このトルクが図１９のトーションバー１９３に作用するから、トーションバーの運動方程式は Ｉ（ｄ2θ／ｄｔ2）＋Ｃ（ｄθ／ｄｔ）＋Ｋθ＝Ｔ 式（５）
ここで Ｉ；Ｚ軸回りの慣性モーメント，Ｃ；減衰係数，Ｋ；トーションバーの捩りばね定数，θ；トーションバーの捩れ角である。
【０００４】この定常解は位相角をφとすると θ＝−２ＭＲ・△Ｒ・ωΩ ・ｓｉｎ（ ωｔ＋φ）／｛（Ｋ−ω2Ｉ）2＋ Ｃ2ω2｝1/2 式（６）
従ってトーションバーの捩れ角θは音叉の角周波数ωで振動し、入力角速度Ωに比例する。この捩れ角をトーションバーに張り付けられた圧電振動板で捉える事によりθに比例した電圧信号が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従来の方式に於いては以下のような問題点を有している。
【０００６】■上式に於いてθの感度を最大にしようとすると、ｋ＝ω2Ｉにし音叉の共振角周波数とトーションバーの共振角周波数を一致させる必要がある。しかし、実際には音叉振動とトーションバーの振動は弾性的に結合しており同じ共振角周波数にする事は出来ず、そのためずらした共振角周波数で使い、コリオリ力による振幅がとれず感度に限界があった。図２０はこの様子を表すもので、二つの共振振動が弾性的に結合した時、それが共振角周波数へ及ぼす影響を説明するモードチャートである。図１９のトーションバー１９３の長さをＬとした時、１／Ｌを図２０の横軸としている。図２０の縦軸は角周波数ωである。図中、Ｌが長いときには音叉の共振角周波数は２０１の線上にあり、一方トーションバーの共振角周波数は２０２の線上にある。Ｌが短くなってくると各々の共振角周波数は線上を右へ移動する。Ｌ＝Ｌ0の時、もし音叉振動とトーションバーの捩れ振動が弾性的に結合していない仮想の状態を考えると図中点２０５で両者は同じ共振角周波数をとる。しかし現実には音叉振動と捩れ振動は一つの合成された振動系で起きているため両者の振動は弾性的に結合しており図２０の実線上を各々の共振角周波数は動く。すなわち音叉振動は２０１から２０３の線上に移り、一方捩れ振動は２０２から２０４の線上に移る。従ってＬ＝Ｌ0点でもＫ＝ω2Ｉにはならず厳密には感度を最大にする事は出来なかった。
【０００７】■θを検出するために音叉の振動系の他に更にトーションバーの振動系を付加した構造になっており構造的に非常に複雑で外部からの衝撃に弱い欠点があった。
【０００８】■音叉振動を起こすために音叉の腕に圧電振動板を張り付けなければならず、製造上手間が掛かり又圧電振動板のばらつきや張り付ける位置のばらつきにより特性が安定しない欠点があった。
【０００９】■θを検出するために、トーションバーにも圧電振動板を張り付ける必要がありこのための作業手間の増大や検出信号がばらつくと言う問題があった。
【００１０】■音叉、トーションバーなどの振動系が金属で出来ているため温度によってそれぞれその共振周波数が大きく変動し検出信号が温度によってドリフトする欠点を持っている。
【００１１】■構造が音叉とトーションバーの複合振動系と成っておりこの複雑な構造体を精度良くしかも安価に加工するのは非常に困難で一様な特性の物を大量に生産する事が困難であった。
【００１２】■構造が音叉とトーションバーの複合振動系から成る複雑な構造をしているためその構造体の大きさは大きく小型電子機器に搭載するには大きすぎる欠点を持っていた。
【００１３】そこで、本発明はこれらの問題をことごとく解決することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の角速度検出装置は、音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記上下表面電極を構成する上表面電極と下表面電極とを腕の幅方向に相互にずらして上下非対称な位置に配置し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする。
【００１５】さらに、本発明の角速度検出装置は、音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記左右表面電極を構成する右側面電極と左側面電極の上下表面への露出部の面積を上下で異なるように設定し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
【００１７】（実施例１）図１は本発明の実施例で音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーの外観図である。図中１１は金属カプセルで、ベース１７にかぶせて真空封止されている。カプセルの中は必ずしも真空の必要はなくガスを充填する構造も可能である。リード１３、１４はベース１７とハーメチックシールされている。カプセル１１の中に音叉型水晶振動子１２が封入された構造となっている。音叉型水晶振動子１２はリード１３及び１４とそれぞれ１５及び１６の部分に於いて半田または導電ペースト等により接着固定されている。リード１３及び１４は発振回路に接続される構造となっている。本具体例に於いてはカプセル１１の寸法は円柱の高さが６ｍｍ程度、直径が２ｍｍ程度で非常に小さいものである。
【００１８】音叉型水晶振動子１１はフォトリソグラフィー技術を使った製造プロセスにより外形はエッチングで作られている。エッチング液としては沸酸や沸化アンモニウム等の混合液が用いられる。形状及び音叉の向きはフォトマスクにより任意に作る事が出来、小型に出来る事と後述するように寸法を精密に出す事が出来る。
【００１９】図２は音叉型水晶振動子を用いた本実施例の角速度センサーの原理説明図である。図中、Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’，は水晶の結晶軸を表しておりそれぞれ電気軸、機械軸、光軸である。この結晶軸に於いてＺ’軸を中心に角度αだけ回転し、Ｚ’軸よりＹ軸がβだけ傾いた新しい座標系をＸ，Ｙ，Ｚとし、本発明の音叉型水晶振動子はこのＸＹ面内の水晶薄板からフォトリソグラフィー技術により音叉型の外形が作られたものである。αの具体例としては後述するように純粋縦波が発生するカット角で、例えば０度、３０度、６０度、９０度付近がある。当然水晶の結晶はＺ’軸に対して３回回転対称であるから上述のαの具体例は結晶の対称性を考慮したそれらも含むものである。βの具体例としては、後述するように純粋縦波が発生するカット角で例えば０度、２０度、５０度、７０度、９０度、１１０度、１３０度、１６０度、１８０度付近である。当然、結晶の対称性を考慮した他の角度も同様である。
【００２０】この音叉型水晶振動子はＸＹ面内で音叉屈曲振動をする構造となっている。Ｙ軸回りに角速度Ωが印加されると、変位Ｕｘの時間微分に比例したコリオリ力ＦＺがＺ軸方向に働く。音叉の質量をｍとして Ｆｚ＝−２ｍΩ（ｄＵx／ｄｔ） 式（７）
簡単にするために位相角を零としてＵｘを Ｕｘ＝Ｕ0ｓｉｎ（ωｔ） 式（８）
とすると、ｄＵx／ｄｔ はｄＵx／ｄｔ＝Ｕ0ωｃｏｓ（ωｔ） となり、式（７）は Ｆｚ＝−２ｍΩωＵ0ｃｏｓ（ωｔ） 式（９）
この力は左右の腕に対して図示の通り逆方向に働き、二つの音叉腕にＹＺ面内で互いに逆相の屈曲振動を引き起こす。その角周波数はＸＹ面内の屈曲振動の角周波数と同じωである。
【００２１】Ｆｚを大きくするためにＵ0を大きくする必要があり、ＸＹ面内の屈曲振動は共振角周波数で励振する構造と成っている。
【００２２】図３は本発明の実施例で、音叉型水晶振動子の外形寸法図である。図中、Ｌは腕の長さ、Ｗは腕の幅、Ｔは腕の厚みである。図中、ＴとＷはほぼ等しい構造となっている。ＸＹ面内の音叉屈曲振動の共振角周波数はＷ／Ｌ2に比例する。一方、ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数はＴ／Ｌ2に比例する。このＹＺ面内における屈曲振動は図２におけるコリオリ力Ｆｚによって生ずる。Ｆｚによって励振されるＹＺ面内の屈曲振動の変位を大きくするためにこの屈曲振動も共振点で振動するような構造にする事が理想的には望まれる。即ちＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数とＹＺ面内の共振角周波数を同じにする事が感度を上げるために望まれる。
【００２３】図４は本発明に係るモードチャートである。上述の如くＴとＷをほぼ等しく（Ｗ／Ｔ＝１）し、図中４５の点でＸＹ面内の屈曲振動とＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数を一致させたものである。ちなみにＴ／Ｗ＜１の時はＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数は４１の線上の値を取り、ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数は４２の線上の値を取る。一方、Ｔ／Ｗ＞１の時はそれぞれ４３及び４４の値を取る。これは後述する本発明のカット角α、βにおいてのみ可能となる。
【００２４】図５は本発明の実施例でカット角α及びβを与えるグラフである。δは縦波の進行方向と音叉の腕の方向（図２に於けるＹ方向）とのなす角である。図中βは図２のカット角βである。５１はα＝０度の時、５２はα＝１５度の時、５３はα＝３０度の時、５４はα＝９０度の時のδの値を表している。図中の黒丸印の点に於いてδ＝０となる。即ちこの点に於いては縦波の進行方向は音叉の腕方向と完全に一致しており純粋縦波が発生している。このような黒丸印を与えるカット角αとβの組み合わせが本発明である。上記はαとβのいくつかの具体例を示したがαとβの組み合わせは上述した例のみに限らない事は言うまでもない。
【００２５】図４に於ける４５の点の状態は本発明のカット角α、βにおいてのみ可能となる。何故なら図２１はこれを説明するための図で、ＸＹ面内の屈曲振動とＹＺ面内の屈曲振動が弾性的に結合した従来のカット角、即ち上述のαとβの組み合わせ以外の時、それが各々の共振角周波数に及ぼす影響を説明するためのモードチャートである。横軸はＴ／Ｗで、縦軸は屈曲振動の共振角周波数である。図中Ｔを変えてＴがＷより小さいとき（Ｔ／Ｗ＜１）は、ＹＺ面内の屈曲振動のωは２１２の線上を動き、一方ＸＹ面内の屈曲振動のωは２１１の線上を動く。ＴがＷより大きい時（Ｔ／Ｗ＞１）、ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数ωは２１４の線上の値をとり、一方ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数は２１３の線上の値をとる。ＴとＷが一致したとき（Ｔ／Ｗ＝１）、二つの屈曲振動の共振角周波数ωは同じ値（図中２１５の点）を取る事はなく、各々曲線上の２１６、２１７の点の二つのωの値をとる。この現象は前述したように前記二つの屈曲振動が純粋縦波によって生じていないときに起こり、弾性的に結合しているために起こる。又Ｔ／Ｗ＝１付近のＴとＷの値で設計するとＸＹ面内の屈曲振動を励振するだけでＹＺ面内の屈曲振動も弾性的結合により励振され、角速度Ωによるコリオリ力Ｆｃが無くてもＹＺ面に変位が出てしまう。この為、Ｔ／Ｗの値を１に近づけて感度を上げようとすると誤差が出てしまい精度が悪くなる。このような問題に対して本発明はＴ／Ｗを１にし、共通のωをとることのできる特殊なカットアングルを提案するものである。
【００２６】図２２は本発明の実施例に係る振動の変位説明図である。横軸は時間ｔである。図中２２１は図２におけるコリオリ力Ｆｚで、Ｆｚによって生じるＹＺ面内の変位もこの２２１と同様の波形となる。ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数はコオリ力Ｆｚの角周波数ωである。又前述の如くＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数とＹＺ面内のそれが完全に一致しているためＹＺ面内の屈曲振動の変位は非常に大きくなり、大きな感度が得られる。
【００２７】図６は本発明の実施例で電極構造の断面図及び配線模式図である。本図は音叉の先端から見たＹ断面図である。
【００２８】６０４、６０５はそれぞれ水晶音叉の左右の腕であり、６０６、６１０は上電極、６０７、６１１は下電極、６０８、６１２は左側面電極、６０９、６１３は右側面電極、６０１、６０２は音叉腕の屈曲振動の中立線、６０３は発振回路である。図の外側の線は各電極間の配線を模式的に表したものであり、それぞれは発振回路６０３に接続されている。ＵｘはＸＹ面内のＸ方向の変位を表している。図中にＸＹＺ座標図を記してある。又、図中＋＋＋＋や−−−−は或瞬間の電極の電圧極性を模式的に表したものである。その時の電界の様子をやはり模式的に表したものがＥｘ1，Ｅｘ2，Ｅｘ3，Ｅｘ4である。図中上電極６０６は腕６０２の上面に於いて左にずれており、一方下電極６０７は腕の下面の中央部に配置されている。右腕６０５においては上電極６１０は腕の上面に於いて右側へずれた構造となっており、そのずれ量は前述の左腕の上電極６０６が左にずれている量と同じである。右腕の下電極６１１は腕の下面に於いて中央部に配置されている。左右の腕ではそれぞれ対応する電極においてその極性が逆となるよう結線された構造となっている。従って、左腕のＸ方向の屈曲変位と右腕のＸ方向の屈曲変位は逆方向となる。この構成により本発明の各速度センサーとしての音叉型水晶振動子はＸＹ面内で音叉屈曲振動をする。角速度Ωが加わったとき、左右の腕は互いに逆相でＺ方向の屈曲振動をする。このＺ方向屈曲振動の歪は水晶の圧電定数ｄ11を介して電荷を生じさせ、ひいては電極間の電界の変化を生じ電極電圧の変化となる。この電極電圧の変化は本発明の電極構成で検出でき、これが角速度Ωに対応した量で角速度Ωが測れる事に成る。
【００２９】更に、左腕と右腕の電極配置が対称になっている事と電極の極性が逆相になっている構成により角速度Ω以外の物理量には反応しにくい構造となっている。例えばＺ方向の加速度や衝撃によって音叉はＺ方向にたわみこれによって電荷が生じるがこれは左腕、右腕とも同じ方向にたわむため、逆相になるよう電極結線されている電極の電圧変化の総和は打ち消されて表へは電圧変化として出てこない利点がある。
【００３０】尚、本図以下における発明の実施例の電極はフォトリソグラフィー技術を使った製造プロセスにより外形が作られている。そのエッチング液としては電極金属を溶解する液で、使用する金属の種類によって異なる。本発明に於いてはＣｒとＡｕを使っており、重クロム酸カリウム溶液や王水等を用いる。これにより任意の位置に任意形状の電極を作成できる。
【００３１】図７は本発明の動作原理を詳細説明するための説明図である。
【００３２】本図は音叉の腕の一方を取りだした部分図で更に音叉の先端からみた左腕のＹ断面図と成っている。図中Ｘ，Ｙ，Ｚは座標軸でありＵｘ，Ｕｚは変位方向を表している。７００は音叉の片方の腕で、７０１、７０２は上下電極、７０３、７０４は側面電極７０５は音叉の腕の屈曲振動の中立線、７０６は発振回路、７０７は電圧信号の変化の検出回路を表している。図中上電極７０１は腕７００の上面に於いて左にずれており、一方下電極７０２は腕の下面の中央部に配置されている。今、電極の極性が図のようになった瞬間を考える。
【００３３】Ｙ方向歪をεYとすると、 εY ∝ −ｄ11Ｅｘ 式（１０）
但しｄ11＝−０．１７１（ｃ／ｍ2）＜０腕の左半分ではＥｘ１＞０，Ｅｘ３＞０だからＹ方向の歪εYは εY＞０となり、結局腕の左側は伸びる。一方腕の右側はＥｘ２＜０，Ｅｘ４＜０だから、εY＜０となり腕の右側は縮む事になる。従ってＵｘはＸの負の方向に屈曲する。図７の左腕について説明したが、右腕は電界方向が上記と逆のため（図６参照）、左腕とは逆方向に屈曲変位するのは明かである。さて図７に戻って、Ｙの正方向にΩが加わったときコリオリ力は前述の式（７）から図中Ｚ軸の負方向に働き、これにともなって図の如くＺ軸の負方向に変位Ｕｚを生じる。このＵｚにより腕の上半分は伸び下半分は縮む。つまり、上半分のεY＞０、下半分のεY＜０、即ち圧電定数と歪の式（１０）から上半分の伸び歪によって誘起されるＥｘは正、下半分の縮み歪によって誘起されるＥｘは負で、図中のＥｘ５，Ｅｘ６，Ｅｘ７，Ｅｘ８のようになる。この誘起される電界の大きさは式（１０）で表される。これらを総合して電極間の電圧は変位Ｕｚによって変調される事になる。
【００３４】本発明の構造は上述したように上電極が中心位置よりずれている事に特徴があり、その作用と効果は以下のようである。
【００３５】図８は本発明の効果を説明するための電極構造の断面図である。上電極と下電極が共に中央部に設定されており図示の如く上下左右に対称な構造となっている。よく知られている通常の音叉型水晶振動子においてはこのような電極構造となっている。しかしこのような配置では図７に示したようにＵｚの発生にともなって腕の上半分と下半分に誘起される逆極性の電荷は各電極間に同じ大きさのＥｘ５（正），Ｅｘ６（正），Ｅｘ７（負），Ｅｘ８（負）を発生しこれらの総和は零となり総和の電圧としては検出されない。本発明に於いては既述の通り上電極が中心部よりずれているため、Ｅｘ５≠Ｅｘ６，Ｅｘ５≠Ｅｘ７，Ｅｘ５≠Ｅｘ８ で、たとえＥｘ７＝Ｅｘ８であっても総和として電圧が発生する。
【００３６】（実施例２）
図９は本発明になる他の実施例で、電極配置断面図である。本図は図７と同様に或瞬間の状態を表したものであり時間と共に正弦的に変化するものである。図中、９０９は発振器、９０１，９０２は左腕の上電極と下電極、９０３，９０４は側面電極、９０５，９０６は右腕の上電極及び下電極、９０７，９０８は右腕の側面電極である。図中、ＸＹＺ座標軸も併記してある。９０９の＋−は或瞬間の発振器両端の電圧極性で、それに伴う水晶振動子に配置された電極の極性が電極９０１、９０２、９０３、９０４、９０５、９０６、９０７、９０８のそれぞれの上に＋＋＋＋または−−−−で表示してある。Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｘ３，Ｅｘ４は各電極の電荷によって発生したＸ方向の電界を表し、ＵｘはＸＹ面内の屈曲変位を表している。本図に於いて上電極９０１及び９０５は中央部になく左右にずれた構成であると同時に下電極９０２、９０６も中央部になく左右にずれた構造を有している。この構造によっても前述の実施例図７と同様の作用で角速度Ωが加わるとＺ方向にコリオリ力が働き、これによるＺ方向の変位によって発振器両端には当初の正弦波信号に変調信号が重畳された変調のかかった電圧信号が得られる。
【００３７】図１０は上記Ｕｚによって誘起される電界を示した模式図で、本発明の動作原理を詳細説明するための説明図である。図中、１００は音叉の片方の腕で、１０１、１０２は上電極、１０３、１０４は側面電極、１０５は音叉の腕の屈曲振動の中立線、１０６は発振回路、１０７は電圧信号の変化の検出回路を表している。本構造の効果は本発明になる実施例である図７において説明した事と同様である。
【００３８】（実施例３）
図１１は本発明の他の実施例で本発明になるＸＹ面上の電極の構造を示した電極構造の図である。図中、１１１、１１２、１１３は図２、図７と同様に＋Ｚ側の面の電極を＋Ｚ側からから見た電極構造の平面図、１１４、１１５、１１６は−Ｚ側の面の電極を−Ｚ側から見た電極構造の平面図である。即ち、１１２は表面の中央電極、１１１は左側面電極の表平面部の形状、１１４は左側面電極の裏平面部の形状、１１３は右側面電極の表平面部の形状、１１６は右側面電極の裏平面部の形状を表している。音叉の右腕については図示していないがこれについては音叉の又の中心線に対して対称のパターンとなっている。本図の作用及び効果は、本発明になる図７の説明と同様である。つまり＋Ｚ面の電極について左右の側面電極１１１、１１３の面積が異なるためＵｚによって生じる中央電極１１２との間にできる電界が異なり電圧信号としてピックアップできる。
【００３９】（実施例４）
図１２は本発明の他の実施例で本発明になるＸＹ面上の電極の構造を示した電極構造の図である。図中、１２１、１２２、１２３は図２、図８と同様に＋Ｚ側の面の電極を＋Ｚ側からから見た電極構造の平面図、１２４、１２５、１２６は−Ｚ側の面の電極を−Ｚ側から見た電極構造の平面図である。即ち、１２２は表面の中央電極、１２１は左側面電極の表平面部の形状、、１２４は左側面電極の裏平面部の形状、１２３は右側面電極の表平面部の形状、１２６は右側面電極の裏平面部の形状を表している。音叉の右腕については図示していないがこれについては音叉の又の中心線に対して対称のパターンとなっている。本図の作用及び効果は、本発明になる図８R>８の説明と同様である。つまり＋Ｚ面の電極について左右の側面電極１２１、１２３の面積が異なるためＵｚによって生じる中央電極１２２との間にできる電界が異なり電圧信号としてピックアップできる。更に裏面についても側面電極１２４と１２６の面積が異なるためＵｚによって生じる中央電極１２５との間にできる電界が異なり電圧信号としてピックアップできる。
【００４０】（実施例５）
図１３は本発明の実施例で、角速度検出装置の回路構成図である。図中、１３１は本発明になる音叉型水晶振動子を用いた角速度センサー、１３２は位相比較器、１３３は位相電圧変換器、１３４は基準発振器である。Ｖ1は変調信号、ψは基準発振器１３４からの基準信号とＶ1との位相差である。Ｖ3はψの大きさに比例する大きさの電圧信号。図中の増幅器は本発明の実施例図６の６０３，図７の７０６，図９の９０９，図１０の９０６の発振器として機能し、対応している。
【００４１】（実施例６）
図１４は本発明の更なる実施例で、角速度検出装置の回路構成図である。図中、１４１は本発明になる音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーでり、本発明になる実施例の図１，図２，図３，図４、図５、図６，図７，図８R>８、図９，図１０図１１、図１２に対応している。１４２はＰＬＬ位相比較回路、１４３は位相電圧変換器、１４４は基準発振器である。Ｖ1は変調信号、ψは基準発振器１４４からの基準信号とＶ1との位相差である。Ｖ3はψの大きさに比例する大きさの電圧信号。図中の増幅器は本発明の実施例の図６の６０３，図７の７０６，図９の９０９，図１０の９０６等の発振器として機能し、対応している。
【００４２】実施例５、実施例６の機能を以下図により説明する。
【００４３】図１５は上記実施例の信号波形図である。横軸はωｔで単位はラジアン、縦軸は振幅で単位は相対値である。図中、１５１の実線は角速度Ωが零の時の図１３１３、図１４におけるＶ1である。１５２は角速度Ωにより変調度０．２５の振動が図２，図３，図６，図７，図９，図１０におけるＹＺ面に生じたときのＶ1の波形である。何故なら、図２，図３，図６，図７，図９，図１０１０におけるＸＹ面の音叉屈曲変位は式（８）より Ｕｘ＝Ｕ0ｓｉｎ（ωｔ） 式（８）
角速度Ωによって生じるコリオリ力は式（９）より Ｆｚ＝−２ｍΩωＵ0ｃｏｓ（ωｔ） 式（９）
これによりＹＺ面に生じる変位ＵｚはＦｚに比例するので Ｕｚ＝Ｕ1ｃｏｓ（ωｔ） 式（１１）
と書ける。角速度Ωが零の時信号Ｖ１はＵｘに比例するので式（８）よりＶ1∝ｓｉｎωｔ角速度Ωが加わり上記Ｕｚが生じると前述したようにＵｚに比例した電荷が発生し、それによる電圧が電極に重畳される。今、図３における腕の厚みｔが腕の幅ｗと同じで、Ｕｚの共振角周波数がωの時、この共振信号による重畳信号の振幅の相対値を０．２５として ０．２５ｃｏｓωｔ とするとこの時Ｖ１は相対値としてＶ１＝ｓｉｎωｔ＋０．２５ｃｏｓωｔ即ちこれが前述の変調度０．２５の振動が生じたときの図中の実線１５２の事である。図１３のＶ１の信号を同図の位相比較器１３２に入れると図１７の１７１の点が得られる。これはまさに位相差ψと外から印加された回転角速度Ωとの関係である。この信号を位相電圧変換器にかけ直流電圧にしたものが図１８の点１８１である。 図１５の１５３はコリオリ力による変調が更に大きくなって変調度０．５の時のＶ１である。１５４はコリオリ力による変調が更に大きくなって変調度１の時のＶ１である。これらの時の位相比較器の出力ψの値がそれぞれ図１７の１７２、１７３である。この１７２、１７３が図１３の位相電圧変換器を通った後の信号Ｖ３が図１８R>８の１８２、１８３である。
【００４４】図１６は回転角速度Ωが負の場合のＶ１の波形図である。１６１は角速度Ωが０で変調度が０の時、１６２は変調度が０．２５の時、１６３は変調度が０．５の時、１６４は変調度が１の時の例である。図からわかるように角速度が負の時は位相ψが遅れ前述の角速度が正の時にψが進のとは逆になる。従って本発明によれば角速度の大きさばかりではなく、その符号をも検出する事ができる。図１７の１７４、１７５、１７６はこれを表す。前述と同様にψの信号は電圧Ｖ３に変換される。
【００４５】以上図１３について説明してきたが図１４についても全く同様の事が言える。図１４は位相比較器としてＰＬＬを用いたものであるがこの場合はチャージポンプ出力がＶ３である。非常に簡単なＩＣにより構成される。
【００４６】
【発明の効果】近年、電子機器の小型化は目ざましいものがあり、これに伴い角速度検出器にたいしても小型化、定価格化が強く要求されている。即ち、今や角速度検出器も船舶、航空機、自動車等の航行制御用に使われるばかりではなくカムコーダー（ハンディービデオカメラ）の手振れ検出装置として使われたり手書き文字入力用センサーとして検討されたりその応用分野が急速に小型携帯機器市場へと向かっている。この要求に応えるために小型、高精度、安価な角速度検出装置を提供する事が本発明の目的であり、本発明の効果はこの意味で絶大である。即ち、■コリオリ力によって励振される屈曲振動の共振角周波数を元の音叉屈曲振動の角周波数に完全に一致させることによりコリオリ力によって励振される屈曲振動の振幅を大きくする事が出来、その結果検出感度を上げる事ができる。
【００４７】■トーションバーのような複雑な振動系を付加する必要がなく、単なる音叉型振動子の構造のため外部からの衝撃に非常に強く、小型携帯機器用のセンサーとして最適である。
【００４８】■角速度センサーとして水晶振動子を用いる事により、従来のように音叉振動を起こすために圧電振動板を音叉の腕に張り付ける必要がなく、製造が非常に容易でしかも張り付け作業のばらつきによる特性の不安定や特性ばらつきも無い。
【００４９】■振動系が水晶で構成されているため周囲温度によって振動の共振周波数が変動することもなく、従って検出信号が温度によってドリフトする事が無い。
【００５０】■従来の角速度センサーが複雑な構造をしていて安価に大量に生産するのが困難であったのに対して、本発明の音叉型水晶振動子センサーは形が簡単なため既存の水晶振動子製造ラインで作る事が出来、安価に大量に生産する事が可能である。
【００５１】■従来の角速度センサーは複雑な構造の為その外形が大きかったのに比べて本発明のセンサーは例えば直径２ｍｍ、長さ６ｍｍの大きさで、非常に小型にできる。
【００５２】■従来の角速度センサーにおいては励振用電極と検出用電極が別々に必要であったが、本発明の角速度センサーからの出力は音叉屈曲振動の励振信号に重畳されてくるため電極は励振用電極だけでよく、しかも信号処理回路もシンプルである。
【００５３】■信号処理回路が単純な発振回路、位相比較回路、位相電圧変換回路で構成されているため、容易にＩＣ化しやすく、きわめて小さくしかも安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係り、本発明になる音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーの外観図。
【図２】本発明の音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーの原理説明図。
【図３】本発明の実施例１に係り、本発明の音叉型水晶振動子の外形寸法図。
【図４】ＸＹ面内の屈曲振動とＹＺ面内の共振角周波数を示すモードチャート。
【図５】本発明の実施例１に係り、本発明になるカット角を示すグラフ。
【図６】本発明の実施例１に係り、本発明になる電極構造の断面図及び配線模式図。
【図７】本発明の動作原理を詳細説明するための説明図。
【図８】本発明の効果を説明するための電極構造の断面図。
【図９】本発明の実施例２に係り、電極配置断面図である。
【図１０】本発明の動作原理を詳細説明するための説明図。
【図１１】本発明の実施例３に係り、ＸＹ面上の電極の構造を示した電極構造図。
【図１２】本発明の実施例４に係り、ＸＹ面上の電極の構造を示した他の電極構造図。
【図１３】本発明の実施例５に係り、角速度検出装置の回路構成図。
【図１４】本発明の実施例６に係り、角速度検出装置の他の回路構成図。
【図１５】実施例５及び実施例６のＶ１の信号波形図。
【図１６】実施例５及び実施例６のＶ１の他の信号波形図。
【図１７】実施例５及び実施例６のψの信号波形図。
【図１８】実施例５及び実施例６のΩとＶ３の関係図。
【図１９】従来例の概念図。
【図２０】従来例に於いて、二つの振動が弾性的に結合した時の共振角周波数を示すモードチャート。
【図２１】従来例に於いて、二つの振動が弾性的に結合した時の共振角周波数を示すモードチャート。
【図２２】Ｕｘ、Ｆｚ，Ｕｚの波形図。
【符号の説明】
１１ 金属カプセル
１２ 音叉型水晶振動子
１３ リード
１４ リード
１５ 接着固定部
１６ 接着固定部
１７ ベース
４１ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
４２ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
４３ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
４４ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
４５ 二つの共振角周波数が同じ値を取る点
５１ α＝０度の時のδの値を示すグラフ
５２ α＝１５度の時のδの値を示すグラフ
５３ α＝３０度の時のδの値を示すグラフ
５４ α＝９０度の時のδの値を示すグラフ
６０１ 音叉腕の屈曲振動の中立線
６０２ 音叉腕の屈曲振動の中立線
６０３ 発振回路
６０４ 音叉の左腕
６０５ 音叉の右腕
６０６ 上電極
６０７ 下電極
６０８ 左側面電極
６０９ 右側面電極
６１０ 上電極
６１１ 下電極
６１２ 左側面電極
６１３ 右側面電極
７００ 音叉の片方の腕
７０１ 上電極
７０２ 下電極
７０３ 側面電極
７０４ 側面電極
７０５ 音叉の腕の屈曲振動の中立線
７０６ 発振回路
７０７ 電圧信号の変化の検出回路
９０１ 左腕の上電極
９０２ 左腕の下電極
９０３ 左腕の側面電極
９０４ 左腕の側面電極
９０５ 右腕の上電極
９０６ 右腕の下電極
９０７ 右腕の側面電極
９０８ 右腕の側面電極
９０９ 発振回路
１００ 音叉の片方の腕
１０１ 上電極
１０２ 下電極
１０３ 側面電極
１０４ 側面電極
１０５ 音叉の腕の屈曲振動の中立線
１０６ 発振回路
１０７ 電圧信号の変化の検出回路
１１１ 左側面電極の表平面部の形状
１１２ 表面の中央電極
１１３ 右側面電極の表平面部の形状
１１４ 左側面電極の裏平面部の形状
１１５ 裏面の中央電極
１１６ 右側面電極の裏平面部の形状
１２１ 左側面電極の表平面部の形状
１２２ 表面の中央電極
１２３ 右側面電極の表平面部の形状
１２４ 左側面電極の裏平面部の形状
１２５ 裏面の中央電極
１２６ 右側面電極の裏平面部の形状
１３１ 角速度センサー
１３２ 位相比較器
１３３ 位相電圧変換器
１３４ 基準発振器
１４１ 角速度センサー
１４２ ＰＬＬ
１４３ 位相電圧変換器
１４４ 基準発振器
１５１ 角速度が零の時のＶ１
１５２ 角速度が正、コリオリ力による直交方向の振幅が０．２５の時のＶ１
１５３ 角速度が正、コリオリ力による直交方向の振幅が０．５の時のＶ１
１５４ 角速度が正、コリオリ力による直交方向の振幅が１の時のＶ１
１６１ 角速度が零の時のＶ１
１６２ 角速度が負、コリオリ力による直交方向の振幅が０．２５の時のＶ１
１６３ 角速度が負、コリオリ力による直交方向の振幅が０．５の時のＶ１
１６４ 角速度が負、コリオリ力による直交方向の振幅が１の時のＶ１
１７１ 信号が１５２の時の位相ψとΩの値
１７２ 信号が１５３の時の位相ψとΩの値
１７３ 信号が１５４の時の位相ψとΩの値
１７４ 信号が１６２の時の位相ψとΩの値
１７５ 信号が１６２の時の位相ψとΩの値
１７６ 信号が１６２の時の位相ψとΩの値
１８０ 角速度が零の時のＶ３
１８１ ψが１７１の時のΩとＶ３
１８２ ψが１７２の時のΩとＶ３
１８３ ψが１７３の時のΩとＶ３
１８４ ψが１７４の時のΩとＶ３
１８５ ψが１７５の時のΩとＶ３
１８６ ψが１７６１の時のΩとＶ３
１９１ 金属音叉の腕
１９２ 金属音叉の腕
１９３ トーションバー
１９４ 質量２／Ｍの質点
１９５ 質量２／Ｍの質点
２０１ 音叉屈曲振動の共振角周波数
２０２ トーションバーの共振角周波数
２０３ 音叉屈曲振動の共振角周波数
２０４ トーションバーの共振角周波数
２０５ 二つの共振角周波数が同じ値を取る仮想の点
２１１ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１２ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１３ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１４ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１５ 二つの共振角周波数が同じ値を取る仮想の点
２１６ 共振角周波数
２１７ 共振角周波数
２２１ コリオリ力の波形
ω 角周波数
Ω 印加される角速度
ｒ 音叉の中心から腕までの距離
ｄｒ／ｄｔ ｒの時間微分
Ｆｃ コリオリ力
Ｘ 座標軸
Ｙ 座標軸
Ｚ 座標軸
Ｌ 音叉の腕の長さ
Ｌ0 二つの共振角周波数が等しくなるＬの値
Ｔ 音叉の厚み
Ｗ 音叉の幅
Ｕｚ コリオリ力によるＺ方向の変位
Ｕｘ Ｘ方向の変位
ｔ 時間
Ｆｚ Ｚ方向に働くコリオリ力
Ｘ’ 水晶の電気軸
Ｙ’ 水晶の機械軸
Ｚ’ 水晶の光軸
α Ｚ’軸を中心に回転して出来たＸ軸とＸ’軸のなす角
β Ｘ軸を中心にＺ’軸とＹ軸のなす角
δ 音叉のＹ方向と縦波の進行方向のなす角
Ｅｘ１ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ２ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ３ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ４ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ５ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｅｘ６ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｅｘ７ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｅｘ８ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｖ１ 発振器の信号
Ｖ３ 位相の大きさを電圧に変換した信号
ψ Ｖ１と基準発振器の信号との位相差
＋＋＋＋ 正電荷
−−−− 負電荷
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は角速度センサー及びそれを使った角速度検出装置並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術としては、トーションバータイプ音叉型振動ジャイロがよく知られている。図１９にこの従来例の概念図を示す。
【０００３】図１９に於いて１９１及び１９２は金属音叉の腕である。１９１及び１９２の先端にはそれぞれＭ／２なる質量として、１９４及び１９５が付いている。Ｘ，Ｙ，Ｚは座標軸である。この金属音叉の腕１９１及び１９２には圧電振動板が張り付けられておりこれによってＹＺ面内で前記腕は音叉屈曲振動をしている。更にこの１９１及び１９２の音叉は音叉根元部でトーションバー１９３により支持されている。このトーションバーには捩り歪を電気的に検出できるように圧電振動板が張り付けてある。図中ｄｒ／ｄｔは前記音叉屈曲振動のＹ軸方向速度で、Ωは測定しようとする角速度で、Ｚ軸方向に回転する角速度である。図中Ｆｃはｄｒ／ｄｔ に働くコリオリ力で Ｆｃ＝−２（Ｍ／２）（ベクトルΩ）×（ベクトルｄｒ／ｄｔ） 式（１）
図中音叉の各質点１９４及び１９５の速度ベクトルｄｒ／ｄｔの方向は互いに反対であるから、コリオリ力Ｆｃは腕１９１及び１９２に対してＸＺ面内で反対方向に作用する。このため音叉はＸＺ面内で互いに逆相の屈曲振動を始める。このＸＺ面内の屈曲振動の角周波数は明らかにωである。又、これはトーションバー１９３の接合部を中心に捩れ振動を起こす。このＦｃによる偶力の為に捩られる捩りトルクＴは Ｔ＝２・ｒ・Ｆｃ＝−２ｒ（ｄｒ／ｄｔ）ＭΩ 式（２）
音叉の中立位置のアーム幅をＲ、音叉の振動振幅を△Ｒ、音叉の振動角速度をωとして、音叉の腕の変位ｒを ｒ＝Ｒ＋△Ｒ・ｓｉｎ（ωｔ） 式（３）
とおき、２倍波の項を無視すると前記トルクＴは Ｔ＝−２ＭＲ・△Ｒ・ωΩｃｏｓ（ωｔ） 式（４）
このトルクが図１９のトーションバー１９３に作用するから、トーションバーの運動方程式は Ｉ（ｄ2θ／ｄｔ2）＋Ｃ（ｄθ／ｄｔ）＋Ｋθ＝Ｔ 式（５）
ここで Ｉ；Ｚ軸回りの慣性モーメント，Ｃ；減衰係数，Ｋ；トーションバーの捩りばね定数，θ；トーションバーの捩れ角である。
【０００４】この定常解は位相角をφとすると θ＝−２ＭＲ・△Ｒ・ωΩ ・ｓｉｎ（ ωｔ＋φ）／｛（Ｋ−ω2Ｉ）2＋ Ｃ2ω2｝1/2 式（６）
従ってトーションバーの捩れ角θは音叉の角周波数ωで振動し、入力角速度Ωに比例する。この捩れ角をトーションバーに張り付けられた圧電振動板で捉える事によりθに比例した電圧信号が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従来の方式に於いては以下のような問題点を有している。
【０００６】
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】そこで、本発明はこれらの問題をことごとく解決することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の角速度検出装置は、音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記上下表面電極を構成する上表面電極と下表面電極とを腕の幅方向に相互にずらして上下非対称な位置に配置し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする。
【００１５】さらに、本発明の角速度検出装置は、音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記左右表面電極を構成する右側面電極と左側面電極の上下表面への露出部の面積を上下で異なるように設定し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
【００１７】（実施例１）図１は本発明の実施例で音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーの外観図である。図中１１は金属カプセルで、ベース１７にかぶせて真空封止されている。カプセルの中は必ずしも真空の必要はなくガスを充填する構造も可能である。リード１３、１４はベース１７とハーメチックシールされている。カプセル１１の中に音叉型水晶振動子１２が封入された構造となっている。音叉型水晶振動子１２はリード１３及び１４とそれぞれ１５及び１６の部分に於いて半田または導電ペースト等により接着固定されている。リード１３及び１４は発振回路に接続される構造となっている。本具体例に於いてはカプセル１１の寸法は円柱の高さが６ｍｍ程度、直径が２ｍｍ程度で非常に小さいものである。
【００１８】音叉型水晶振動子１１はフォトリソグラフィー技術を使った製造プロセスにより外形はエッチングで作られている。エッチング液としては沸酸や沸化アンモニウム等の混合液が用いられる。形状及び音叉の向きはフォトマスクにより任意に作る事が出来、小型に出来る事と後述するように寸法を精密に出す事が出来る。
【００１９】図２は音叉型水晶振動子を用いた本実施例の角速度センサーの原理説明図である。図中、Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’，は水晶の結晶軸を表しておりそれぞれ電気軸、機械軸、光軸である。この結晶軸に於いてＺ’軸を中心に角度αだけ回転し、Ｚ’軸よりＹ軸がβだけ傾いた新しい座標系をＸ，Ｙ，Ｚとし、本発明の音叉型水晶振動子はこのＸＹ面内の水晶薄板からフォトリソグラフィー技術により音叉型の外形が作られたものである。αの具体例としては後述するように純粋縦波が発生するカット角で、例えば０度、３０度、６０度、９０度付近がある。当然水晶の結晶はＺ’軸に対して３回回転対称であるから上述のαの具体例は結晶の対称性を考慮したそれらも含むものである。βの具体例としては、後述するように純粋縦波が発生するカット角で例えば０度、２０度、５０度、７０度、９０度、１１０度、１３０度、１６０度、１８０度付近である。当然、結晶の対称性を考慮した他の角度も同様である。
【００２０】この音叉型水晶振動子はＸＹ面内で音叉屈曲振動をする構造となっている。Ｙ軸回りに角速度Ωが印加されると、変位Ｕｘの時間微分に比例したコリオリ力ＦＺがＺ軸方向に働く。音叉の質量をｍとして Ｆｚ＝−２ｍΩ（ｄＵx／ｄｔ） 式（７）
簡単にするために位相角を零としてＵｘを Ｕｘ＝Ｕ0ｓｉｎ（ωｔ） 式（８）
とすると、ｄＵx／ｄｔ はｄＵx／ｄｔ＝Ｕ0ωｃｏｓ（ωｔ） となり、式（７）は Ｆｚ＝−２ｍΩωＵ0ｃｏｓ（ωｔ） 式（９）
この力は左右の腕に対して図示の通り逆方向に働き、二つの音叉腕にＹＺ面内で互いに逆相の屈曲振動を引き起こす。その角周波数はＸＹ面内の屈曲振動の角周波数と同じωである。
【００２１】Ｆｚを大きくするためにＵ0を大きくする必要があり、ＸＹ面内の屈曲振動は共振角周波数で励振する構造と成っている。
【００２２】図３は本発明の実施例で、音叉型水晶振動子の外形寸法図である。図中、Ｌは腕の長さ、Ｗは腕の幅、Ｔは腕の厚みである。図中、ＴとＷはほぼ等しい構造となっている。ＸＹ面内の音叉屈曲振動の共振角周波数はＷ／Ｌ2に比例する。一方、ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数はＴ／Ｌ2に比例する。このＹＺ面内における屈曲振動は図２におけるコリオリ力Ｆｚによって生ずる。Ｆｚによって励振されるＹＺ面内の屈曲振動の変位を大きくするためにこの屈曲振動も共振点で振動するような構造にする事が理想的には望まれる。即ちＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数とＹＺ面内の共振角周波数を同じにする事が感度を上げるために望まれる。
【００２３】図４は本発明に係るモードチャートである。上述の如くＴとＷをほぼ等しく（Ｗ／Ｔ＝１）し、図中４５の点でＸＹ面内の屈曲振動とＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数を一致させたものである。ちなみにＴ／Ｗ＜１の時はＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数は４１の線上の値を取り、ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数は４２の線上の値を取る。一方、Ｔ／Ｗ＞１の時はそれぞれ４３及び４４の値を取る。これは後述する本発明のカット角α、βにおいてのみ可能となる。
【００２４】図５は本発明の実施例でカット角α及びβを与えるグラフである。δは縦波の進行方向と音叉の腕の方向（図２に於けるＹ方向）とのなす角である。図中βは図２のカット角βである。５１はα＝０度の時、５２はα＝１５度の時、５３はα＝３０度の時、５４はα＝９０度の時のδの値を表している。図中の黒丸印の点に於いてδ＝０となる。即ちこの点に於いては縦波の進行方向は音叉の腕方向と完全に一致しており純粋縦波が発生している。このような黒丸印を与えるカット角αとβの組み合わせが本発明である。上記はαとβのいくつかの具体例を示したがαとβの組み合わせは上述した例のみに限らない事は言うまでもない。
【００２５】図４に於ける４５の点の状態は本発明のカット角α、βにおいてのみ可能となる。何故なら図２１はこれを説明するための図で、ＸＹ面内の屈曲振動とＹＺ面内の屈曲振動が弾性的に結合した従来のカット角、即ち上述のαとβの組み合わせ以外の時、それが各々の共振角周波数に及ぼす影響を説明するためのモードチャートである。横軸はＴ／Ｗで、縦軸は屈曲振動の共振角周波数である。図中Ｔを変えてＴがＷより小さいとき（Ｔ／Ｗ＜１）は、ＹＺ面内の屈曲振動のωは２１２の線上を動き、一方ＸＹ面内の屈曲振動のωは２１１の線上を動く。ＴがＷより大きい時（Ｔ／Ｗ＞１）、ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数ωは２１４の線上の値をとり、一方ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数は２１３の線上の値をとる。ＴとＷが一致したとき（Ｔ／Ｗ＝１）、二つの屈曲振動の共振角周波数ωは同じ値（図中２１５の点）を取る事はなく、各々曲線上の２１６、２１７の点の二つのωの値をとる。この現象は前述したように前記二つの屈曲振動が純粋縦波によって生じていないときに起こり、弾性的に結合しているために起こる。又Ｔ／Ｗ＝１付近のＴとＷの値で設計するとＸＹ面内の屈曲振動を励振するだけでＹＺ面内の屈曲振動も弾性的結合により励振され、角速度Ωによるコリオリ力Ｆｃが無くてもＹＺ面に変位が出てしまう。この為、Ｔ／Ｗの値を１に近づけて感度を上げようとすると誤差が出てしまい精度が悪くなる。このような問題に対して本発明はＴ／Ｗを１にし、共通のωをとることのできる特殊なカットアングルを提案するものである。
【００２６】図２２は本発明の実施例に係る振動の変位説明図である。横軸は時間ｔである。図中２２１は図２におけるコリオリ力Ｆｚで、Ｆｚによって生じるＹＺ面内の変位もこの２２１と同様の波形となる。ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数はコオリ力Ｆｚの角周波数ωである。又前述の如くＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数とＹＺ面内のそれが完全に一致しているためＹＺ面内の屈曲振動の変位は非常に大きくなり、大きな感度が得られる。
【００２７】図６は本発明の実施例で電極構造の断面図及び配線模式図である。本図は音叉の先端から見たＹ断面図である。
【００２８】６０４、６０５はそれぞれ水晶音叉の左右の腕であり、６０６、６１０は上電極、６０７、６１１は下電極、６０８、６１２は左側面電極、６０９、６１３は右側面電極、６０１、６０２は音叉腕の屈曲振動の中立線、６０３は発振回路である。図の外側の線は各電極間の配線を模式的に表したものであり、それぞれは発振回路６０３に接続されている。ＵｘはＸＹ面内のＸ方向の変位を表している。図中にＸＹＺ座標図を記してある。又、図中＋＋＋＋や−−−−は或瞬間の電極の電圧極性を模式的に表したものである。その時の電界の様子をやはり模式的に表したものがＥｘ1，Ｅｘ2，Ｅｘ3，Ｅｘ4である。図中上電極６０６は腕６０２の上面に於いて左にずれており、一方下電極６０７は腕の下面の中央部に配置されている。右腕６０５においては上電極６１０は腕の上面に於いて右側へずれた構造となっており、そのずれ量は前述の左腕の上電極６０６が左にずれている量と同じである。右腕の下電極６１１は腕の下面に於いて中央部に配置されている。左右の腕ではそれぞれ対応する電極においてその極性が逆となるよう結線された構造となっている。従って、左腕のＸ方向の屈曲変位と右腕のＸ方向の屈曲変位は逆方向となる。この構成により本発明の各速度センサーとしての音叉型水晶振動子はＸＹ面内で音叉屈曲振動をする。角速度Ωが加わったとき、左右の腕は互いに逆相でＺ方向の屈曲振動をする。このＺ方向屈曲振動の歪は水晶の圧電定数ｄ11を介して電荷を生じさせ、ひいては電極間の電界の変化を生じ電極電圧の変化となる。この電極電圧の変化は本発明の電極構成で検出でき、これが角速度Ωに対応した量で角速度Ωが測れる事に成る。
【００２９】更に、左腕と右腕の電極配置が対称になっている事と電極の極性が逆相になっている構成により角速度Ω以外の物理量には反応しにくい構造となっている。例えばＺ方向の加速度や衝撃によって音叉はＺ方向にたわみこれによって電荷が生じるがこれは左腕、右腕とも同じ方向にたわむため、逆相になるよう電極結線されている電極の電圧変化の総和は打ち消されて表へは電圧変化として出てこない利点がある。
【００３０】尚、本図以下における発明の実施例の電極はフォトリソグラフィー技術を使った製造プロセスにより外形が作られている。そのエッチング液としては電極金属を溶解する液で、使用する金属の種類によって異なる。本発明に於いてはＣｒとＡｕを使っており、重クロム酸カリウム溶液や王水等を用いる。これにより任意の位置に任意形状の電極を作成できる。
【００３１】図７は本発明の動作原理を詳細説明するための説明図である。
【００３２】本図は音叉の腕の一方を取りだした部分図で更に音叉の先端からみた左腕のＹ断面図と成っている。図中Ｘ，Ｙ，Ｚは座標軸でありＵｘ，Ｕｚは変位方向を表している。７００は音叉の片方の腕で、７０１、７０２は上下電極、７０３、７０４は側面電極７０５は音叉の腕の屈曲振動の中立線、７０６は発振回路、７０７は電圧信号の変化の検出回路を表している。図中上電極７０１は腕７００の上面に於いて左にずれており、一方下電極７０２は腕の下面の中央部に配置されている。今、電極の極性が図のようになった瞬間を考える。
【００３３】Ｙ方向歪をεYとすると、 εY ∝ −ｄ11Ｅｘ 式（１０）
但しｄ11＝−０．１７１（ｃ／ｍ2）＜０腕の左半分ではＥｘ１＞０，Ｅｘ３＞０だからＹ方向の歪εYは εY＞０となり、結局腕の左側は伸びる。一方腕の右側はＥｘ２＜０，Ｅｘ４＜０だから、εY＜０となり腕の右側は縮む事になる。従ってＵｘはＸの負の方向に屈曲する。図７の左腕について説明したが、右腕は電界方向が上記と逆のため（図６参照）、左腕とは逆方向に屈曲変位するのは明かである。さて図７に戻って、Ｙの正方向にΩが加わったときコリオリ力は前述の式（７）から図中Ｚ軸の負方向に働き、これにともなって図の如くＺ軸の負方向に変位Ｕｚを生じる。このＵｚにより腕の上半分は伸び下半分は縮む。つまり、上半分のεY＞０、下半分のεY＜０、即ち圧電定数と歪の式（１０）から上半分の伸び歪によって誘起されるＥｘは正、下半分の縮み歪によって誘起されるＥｘは負で、図中のＥｘ５，Ｅｘ６，Ｅｘ７，Ｅｘ８のようになる。この誘起される電界の大きさは式（１０）で表される。これらを総合して電極間の電圧は変位Ｕｚによって変調される事になる。
【００３４】本発明の構造は上述したように上電極が中心位置よりずれている事に特徴があり、その作用と効果は以下のようである。
【００３５】図８は本発明の効果を説明するための電極構造の断面図である。上電極と下電極が共に中央部に設定されており図示の如く上下左右に対称な構造となっている。よく知られている通常の音叉型水晶振動子においてはこのような電極構造となっている。しかしこのような配置では図７に示したようにＵｚの発生にともなって腕の上半分と下半分に誘起される逆極性の電荷は各電極間に同じ大きさのＥｘ５（正），Ｅｘ６（正），Ｅｘ７（負），Ｅｘ８（負）を発生しこれらの総和は零となり総和の電圧としては検出されない。本発明に於いては既述の通り上電極が中心部よりずれているため、Ｅｘ５≠Ｅｘ６，Ｅｘ５≠Ｅｘ７，Ｅｘ５≠Ｅｘ８ で、たとえＥｘ７＝Ｅｘ８であっても総和として電圧が発生する。
【００３６】（実施例２）
図９は本発明になる他の実施例で、電極配置断面図である。本図は図７と同様に或瞬間の状態を表したものであり時間と共に正弦的に変化するものである。図中、９０９は発振器、９０１，９０２は左腕の上電極と下電極、９０３，９０４は側面電極、９０５，９０６は右腕の上電極及び下電極、９０７，９０８は右腕の側面電極である。図中、ＸＹＺ座標軸も併記してある。９０９の＋−は或瞬間の発振器両端の電圧極性で、それに伴う水晶振動子に配置された電極の極性が電極９０１、９０２、９０３、９０４、９０５、９０６、９０７、９０８のそれぞれの上に＋＋＋＋または−−−−で表示してある。Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｘ３，Ｅｘ４は各電極の電荷によって発生したＸ方向の電界を表し、ＵｘはＸＹ面内の屈曲変位を表している。本図に於いて上電極９０１及び９０５は中央部になく左右にずれた構成であると同時に下電極９０２、９０６も中央部になく左右にずれた構造を有している。この構造によっても前述の実施例図７と同様の作用で角速度Ωが加わるとＺ方向にコリオリ力が働き、これによるＺ方向の変位によって発振器両端には当初の正弦波信号に変調信号が重畳された変調のかかった電圧信号が得られる。
【００３７】図１０は上記Ｕｚによって誘起される電界を示した模式図で、本発明の動作原理を詳細説明するための説明図である。図中、１００は音叉の片方の腕で、１０１、１０２は上電極、１０３、１０４は側面電極、１０５は音叉の腕の屈曲振動の中立線、１０６は発振回路、１０７は電圧信号の変化の検出回路を表している。本構造の効果は本発明になる実施例である図７において説明した事と同様である。
【００３８】（実施例３）
図１１は本発明の他の実施例で本発明になるＸＹ面上の電極の構造を示した電極構造の図である。図中、１１１、１１２、１１３は図２、図７と同様に＋Ｚ側の面の電極を＋Ｚ側からから見た電極構造の平面図、１１４、１１５、１１６は−Ｚ側の面の電極を−Ｚ側から見た電極構造の平面図である。即ち、１１２は表面の中央電極、１１１は左側面電極の表平面部の形状、１１４は左側面電極の裏平面部の形状、１１３は右側面電極の表平面部の形状、１１６は右側面電極の裏平面部の形状を表している。音叉の右腕については図示していないがこれについては音叉の又の中心線に対して対称のパターンとなっている。本図の作用及び効果は、本発明になる図７の説明と同様である。つまり＋Ｚ面の電極について左右の側面電極１１１、１１３の面積が異なるためＵｚによって生じる中央電極１１２との間にできる電界が異なり電圧信号としてピックアップできる。
【００３９】（実施例４）
図１２は本発明の他の実施例で本発明になるＸＹ面上の電極の構造を示した電極構造の図である。図中、１２１、１２２、１２３は図２、図８と同様に＋Ｚ側の面の電極を＋Ｚ側からから見た電極構造の平面図、１２４、１２５、１２６は−Ｚ側の面の電極を−Ｚ側から見た電極構造の平面図である。即ち、１２２は表面の中央電極、１２１は左側面電極の表平面部の形状、、１２４は左側面電極の裏平面部の形状、１２３は右側面電極の表平面部の形状、１２６は右側面電極の裏平面部の形状を表している。音叉の右腕については図示していないがこれについては音叉の又の中心線に対して対称のパターンとなっている。本図の作用及び効果は、本発明になる図８R>８の説明と同様である。つまり＋Ｚ面の電極について左右の側面電極１２１、１２３の面積が異なるためＵｚによって生じる中央電極１２２との間にできる電界が異なり電圧信号としてピックアップできる。更に裏面についても側面電極１２４と１２６の面積が異なるためＵｚによって生じる中央電極１２５との間にできる電界が異なり電圧信号としてピックアップできる。
【００４０】（実施例５）
図１３は本発明の実施例で、角速度検出装置の回路構成図である。図中、１３１は本発明になる音叉型水晶振動子を用いた角速度センサー、１３２は位相比較器、１３３は位相電圧変換器、１３４は基準発振器である。Ｖ1は変調信号、ψは基準発振器１３４からの基準信号とＶ1との位相差である。Ｖ3はψの大きさに比例する大きさの電圧信号。図中の増幅器は本発明の実施例図６の６０３，図７の７０６，図９の９０９，図１０の９０６の発振器として機能し、対応している。
【００４１】（実施例６）
図１４は本発明の更なる実施例で、角速度検出装置の回路構成図である。図中、１４１は本発明になる音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーでり、本発明になる実施例の図１，図２，図３，図４、図５、図６，図７，図８R>８、図９，図１０図１１、図１２に対応している。１４２はＰＬＬ位相比較回路、１４３は位相電圧変換器、１４４は基準発振器である。Ｖ1は変調信号、ψは基準発振器１４４からの基準信号とＶ1との位相差である。Ｖ3はψの大きさに比例する大きさの電圧信号。図中の増幅器は本発明の実施例の図６の６０３，図７の７０６，図９の９０９，図１０の９０６等の発振器として機能し、対応している。
【００４２】実施例５、実施例６の機能を以下図により説明する。
【００４３】図１５は上記実施例の信号波形図である。横軸はωｔで単位はラジアン、縦軸は振幅で単位は相対値である。図中、１５１の実線は角速度Ωが零の時の図１３１３、図１４におけるＶ1である。１５２は角速度Ωにより変調度０．２５の振動が図２，図３，図６，図７，図９，図１０におけるＹＺ面に生じたときのＶ1の波形である。何故なら、図２，図３，図６，図７，図９，図１０１０におけるＸＹ面の音叉屈曲変位は式（８）より Ｕｘ＝Ｕ0ｓｉｎ（ωｔ） 式（８）
角速度Ωによって生じるコリオリ力は式（９）より Ｆｚ＝−２ｍΩωＵ0ｃｏｓ（ωｔ） 式（９）
これによりＹＺ面に生じる変位ＵｚはＦｚに比例するので Ｕｚ＝Ｕ1ｃｏｓ（ωｔ） 式（１１）
と書ける。角速度Ωが零の時信号Ｖ１はＵｘに比例するので式（８）よりＶ1∝ｓｉｎωｔ角速度Ωが加わり上記Ｕｚが生じると前述したようにＵｚに比例した電荷が発生し、それによる電圧が電極に重畳される。今、図３における腕の厚みｔが腕の幅ｗと同じで、Ｕｚの共振角周波数がωの時、この共振信号による重畳信号の振幅の相対値を０．２５として ０．２５ｃｏｓωｔ とするとこの時Ｖ１は相対値としてＶ１＝ｓｉｎωｔ＋０．２５ｃｏｓωｔ即ちこれが前述の変調度０．２５の振動が生じたときの図中の実線１５２の事である。図１３のＶ１の信号を同図の位相比較器１３２に入れると図１７の１７１の点が得られる。これはまさに位相差ψと外から印加された回転角速度Ωとの関係である。この信号を位相電圧変換器にかけ直流電圧にしたものが図１８の点１８１である。 図１５の１５３はコリオリ力による変調が更に大きくなって変調度０．５の時のＶ１である。１５４はコリオリ力による変調が更に大きくなって変調度１の時のＶ１である。これらの時の位相比較器の出力ψの値がそれぞれ図１７の１７２、１７３である。この１７２、１７３が図１３の位相電圧変換器を通った後の信号Ｖ３が図１８R>８の１８２、１８３である。
【００４４】図１６は回転角速度Ωが負の場合のＶ１の波形図である。１６１は角速度Ωが０で変調度が０の時、１６２は変調度が０．２５の時、１６３は変調度が０．５の時、１６４は変調度が１の時の例である。図からわかるように角速度が負の時は位相ψが遅れ前述の角速度が正の時にψが進のとは逆になる。従って本発明によれば角速度の大きさばかりではなく、その符号をも検出する事ができる。図１７の１７４、１７５、１７６はこれを表す。前述と同様にψの信号は電圧Ｖ３に変換される。
【００４５】以上図１３について説明してきたが図１４についても全く同様の事が言える。図１４は位相比較器としてＰＬＬを用いたものであるがこの場合はチャージポンプ出力がＶ３である。非常に簡単なＩＣにより構成される。
【００４６】
【発明の効果】近年、電子機器の小型化は目ざましいものがあり、これに伴い角速度検出器にたいしても小型化、定価格化が強く要求されている。即ち、今や角速度検出器も船舶、航空機、自動車等の航行制御用に使われるばかりではなくカムコーダー（ハンディービデオカメラ）の手振れ検出装置として使われたり手書き文字入力用センサーとして検討されたりその応用分野が急速に小型携帯機器市場へと向かっている。この要求に応えるために小型、高精度、安価な角速度検出装置を提供する事が本発明の目的であり、本発明の効果はこの意味で絶大である。即ち、
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係り、本発明になる音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーの外観図。
【図２】本発明の音叉型水晶振動子を用いた角速度センサーの原理説明図。
【図３】本発明の実施例１に係り、本発明の音叉型水晶振動子の外形寸法図。
【図４】ＸＹ面内の屈曲振動とＹＺ面内の共振角周波数を示すモードチャート。
【図５】本発明の実施例１に係り、本発明になるカット角を示すグラフ。
【図６】本発明の実施例１に係り、本発明になる電極構造の断面図及び配線模式図。
【図７】本発明の動作原理を詳細説明するための説明図。
【図８】本発明の効果を説明するための電極構造の断面図。
【図９】本発明の実施例２に係り、電極配置断面図である。
【図１０】本発明の動作原理を詳細説明するための説明図。
【図１１】本発明の実施例３に係り、ＸＹ面上の電極の構造を示した電極構造図。
【図１２】本発明の実施例４に係り、ＸＹ面上の電極の構造を示した他の電極構造図。
【図１３】本発明の実施例５に係り、角速度検出装置の回路構成図。
【図１４】本発明の実施例６に係り、角速度検出装置の他の回路構成図。
【図１５】実施例５及び実施例６のＶ１の信号波形図。
【図１６】実施例５及び実施例６のＶ１の他の信号波形図。
【図１７】実施例５及び実施例６のψの信号波形図。
【図１８】実施例５及び実施例６のΩとＶ３の関係図。
【図１９】従来例の概念図。
【図２０】従来例に於いて、二つの振動が弾性的に結合した時の共振角周波数を示すモードチャート。
【図２１】従来例に於いて、二つの振動が弾性的に結合した時の共振角周波数を示すモードチャート。
【図２２】Ｕｘ、Ｆｚ，Ｕｚの波形図。
【符号の説明】
１１ 金属カプセル
１２ 音叉型水晶振動子
１３ リード
１４ リード
１５ 接着固定部
１６ 接着固定部
１７ ベース
４１ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
４２ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
４３ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
４４ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
４５ 二つの共振角周波数が同じ値を取る点
５１ α＝０度の時のδの値を示すグラフ
５２ α＝１５度の時のδの値を示すグラフ
５３ α＝３０度の時のδの値を示すグラフ
５４ α＝９０度の時のδの値を示すグラフ
６０１ 音叉腕の屈曲振動の中立線
６０２ 音叉腕の屈曲振動の中立線
６０３ 発振回路
６０４ 音叉の左腕
６０５ 音叉の右腕
６０６ 上電極
６０７ 下電極
６０８ 左側面電極
６０９ 右側面電極
６１０ 上電極
６１１ 下電極
６１２ 左側面電極
６１３ 右側面電極
７００ 音叉の片方の腕
７０１ 上電極
７０２ 下電極
７０３ 側面電極
７０４ 側面電極
７０５ 音叉の腕の屈曲振動の中立線
７０６ 発振回路
７０７ 電圧信号の変化の検出回路
９０１ 左腕の上電極
９０２ 左腕の下電極
９０３ 左腕の側面電極
９０４ 左腕の側面電極
９０５ 右腕の上電極
９０６ 右腕の下電極
９０７ 右腕の側面電極
９０８ 右腕の側面電極
９０９ 発振回路
１００ 音叉の片方の腕
１０１ 上電極
１０２ 下電極
１０３ 側面電極
１０４ 側面電極
１０５ 音叉の腕の屈曲振動の中立線
１０６ 発振回路
１０７ 電圧信号の変化の検出回路
１１１ 左側面電極の表平面部の形状
１１２ 表面の中央電極
１１３ 右側面電極の表平面部の形状
１１４ 左側面電極の裏平面部の形状
１１５ 裏面の中央電極
１１６ 右側面電極の裏平面部の形状
１２１ 左側面電極の表平面部の形状
１２２ 表面の中央電極
１２３ 右側面電極の表平面部の形状
１２４ 左側面電極の裏平面部の形状
１２５ 裏面の中央電極
１２６ 右側面電極の裏平面部の形状
１３１ 角速度センサー
１３２ 位相比較器
１３３ 位相電圧変換器
１３４ 基準発振器
１４１ 角速度センサー
１４２ ＰＬＬ
１４３ 位相電圧変換器
１４４ 基準発振器
１５１ 角速度が零の時のＶ１
１５２ 角速度が正、コリオリ力による直交方向の振幅が０．２５の時のＶ１
１５３ 角速度が正、コリオリ力による直交方向の振幅が０．５の時のＶ１
１５４ 角速度が正、コリオリ力による直交方向の振幅が１の時のＶ１
１６１ 角速度が零の時のＶ１
１６２ 角速度が負、コリオリ力による直交方向の振幅が０．２５の時のＶ１
１６３ 角速度が負、コリオリ力による直交方向の振幅が０．５の時のＶ１
１６４ 角速度が負、コリオリ力による直交方向の振幅が１の時のＶ１
１７１ 信号が１５２の時の位相ψとΩの値
１７２ 信号が１５３の時の位相ψとΩの値
１７３ 信号が１５４の時の位相ψとΩの値
１７４ 信号が１６２の時の位相ψとΩの値
１７５ 信号が１６２の時の位相ψとΩの値
１７６ 信号が１６２の時の位相ψとΩの値
１８０ 角速度が零の時のＶ３
１８１ ψが１７１の時のΩとＶ３
１８２ ψが１７２の時のΩとＶ３
１８３ ψが１７３の時のΩとＶ３
１８４ ψが１７４の時のΩとＶ３
１８５ ψが１７５の時のΩとＶ３
１８６ ψが１７６１の時のΩとＶ３
１９１ 金属音叉の腕
１９２ 金属音叉の腕
１９３ トーションバー
１９４ 質量２／Ｍの質点
１９５ 質量２／Ｍの質点
２０１ 音叉屈曲振動の共振角周波数
２０２ トーションバーの共振角周波数
２０３ 音叉屈曲振動の共振角周波数
２０４ トーションバーの共振角周波数
２０５ 二つの共振角周波数が同じ値を取る仮想の点
２１１ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１２ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１３ ＸＹ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１４ ＹＺ面内の屈曲振動の共振角周波数
２１５ 二つの共振角周波数が同じ値を取る仮想の点
２１６ 共振角周波数
２１７ 共振角周波数
２２１ コリオリ力の波形
ω 角周波数
Ω 印加される角速度
ｒ 音叉の中心から腕までの距離
ｄｒ／ｄｔ ｒの時間微分
Ｆｃ コリオリ力
Ｘ 座標軸
Ｙ 座標軸
Ｚ 座標軸
Ｌ 音叉の腕の長さ
Ｌ0 二つの共振角周波数が等しくなるＬの値
Ｔ 音叉の厚み
Ｗ 音叉の幅
Ｕｚ コリオリ力によるＺ方向の変位
Ｕｘ Ｘ方向の変位
ｔ 時間
Ｆｚ Ｚ方向に働くコリオリ力
Ｘ’ 水晶の電気軸
Ｙ’ 水晶の機械軸
Ｚ’ 水晶の光軸
α Ｚ’軸を中心に回転して出来たＸ軸とＸ’軸のなす角
β Ｘ軸を中心にＺ’軸とＹ軸のなす角
δ 音叉のＹ方向と縦波の進行方向のなす角
Ｅｘ１ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ２ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ３ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ４ 発振器によって印加される電圧により生じるＸ方向電界
Ｅｘ５ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｅｘ６ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｅｘ７ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｅｘ８ Ｕｚによって生じるＸ方向電界
Ｖ１ 発振器の信号
Ｖ３ 位相の大きさを電圧に変換した信号
ψ Ｖ１と基準発振器の信号との位相差
＋＋＋＋ 正電荷
−−−− 負電荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】 音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記上下表面電極を構成する上表面電極と下表面電極とを腕の幅方向に相互にずらして上下非対称な位置に配置し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】 音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記左右表面電極を構成する右側面電極と左側面電極の上下表面への露出部の面積を上下で異なるように設定し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項１】 音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記上下表面電極を構成する上表面電極と下表面電極とを腕の幅方向に相互にずらして上下非対称な位置に配置し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】 音叉型水晶振動子を角速度センサーとして用い、前記音叉型水晶振動子の音叉屈曲振動面に平行な角速度ベクトルを検出する角速度検出装置において、前記音叉型水晶振動子を、音叉の腕に沿って純粋縦波が生じるカット角と音叉の向きで、水晶結晶から切り出すとともに、前記音叉型水晶振動子の腕厚み寸法と腕幅寸法とをほぼ同寸法とし、音叉の腕の上下表面及び左右表面に音叉屈曲振動を励振するための上下表面電極及び左右表面電極を配置し、前記音叉型水晶振動子の一つの腕において、前記左右表面電極を構成する右側面電極と左側面電極の上下表面への露出部の面積を上下で異なるように設定し、前記上下表面電極と前記左右表面電極との間に、前記音叉型水晶振動子を発振させるための増幅器を接続し、前記増幅器の出力端に発生する位相変化量を電圧に変換する位相電圧変換器と、を備え、前記位相電圧変換器の出力から角速度を得ることを特徴とする角速度検出装置。
【図１４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１９】
【図１３】
【図１５】
【図２０】
【図２１】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１９】
【図１３】
【図１５】
【図２０】
【図２１】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２２】
【特許番号】特許第３２６９１６７号（Ｐ３２６９１６７）
【登録日】平成１４年１月１８日（２００２．１．１８）
【発行日】平成１４年３月２５日（２００２．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−７０３７８
【出願日】平成５年３月２９日（１９９３．３．２９）
【公開番号】特開平６−２８１６６４
【公開日】平成６年１０月７日（１９９４．１０．７）
【審査請求日】平成１１年４月５日（１９９９．４．５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【参考文献】
【文献】特開 平６−２５８３３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開４９４５８８（ＥＰ，Ａ１）
【登録日】平成１４年１月１８日（２００２．１．１８）
【発行日】平成１４年３月２５日（２００２．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成５年３月２９日（１９９３．３．２９）
【公開番号】特開平６−２８１６６４
【公開日】平成６年１０月７日（１９９４．１０．７）
【審査請求日】平成１１年４月５日（１９９９．４．５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【参考文献】
【文献】特開 平６−２５８３３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開４９４５８８（ＥＰ，Ａ１）
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