JP2008082841A - 角速度センサ素子および角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】角速度を検出するために特殊な回路を必要とせず、大きな検出信号を得られるようにする。
【解決手段】角速度センサ素子１０は、第１、第２の振動片として音叉型の振動片１２ａ、１２ｂを備えている。各振動片１２（１２ａ、１２ｂ）の振動腕１６、１８は、励振されると円振動をする。振動片１２ａ、１２ｂは、それぞれの振動腕１６、１８が同じ方向に向けてあるとともに、感応軸である中心線３４、３６が平行して配置してある。また、振動片１２ａ、１２ｂは、振動腕１６、１８の円振動における円の回転方向が相互に逆方向となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度を検出するための角速度センサ素子に係り、特に振動片を用いた振動式角速度センサ素子および角速度センサに関する。

近年、振動体を用いた振動ジャイロと呼ばれる角速度センサの普及が著しい。振動ジャイロの主な構成部品である振動体は、小型化が可能で量産性に優れており、安価であるところから圧電振動片が多く採用されている。そして、角速度センサ用の圧電振動片（角速度センサ素子片）としては、特許文献１に記載されている音叉型圧電振動片が知られている。
特開２００５−２４１６０６号公報

しかし、特許文献１に記載の振動片（角速度センサ素子片）は、一対の腕の一方のみを駆動腕として励振し、他方の腕を検出腕としている。そして、駆動腕に作用するコリオリ力による振動の状態が基部を介して検出腕に伝達され、その反力として検出腕を撓ませ、撓んだ検出腕に生ずる電荷を検出するようにしている。このため、検出腕の撓み量が小さく、撓み量に基づく電荷を検出するためには、大きなゲインを必要とするとともに、ノイズから電荷量に相当する信号電圧を得るためにロックインアンプなどの特殊な回路を必要とし、検出回路が高価となる。

また、特許文献１に記載の振動片は、一対の腕の一方を駆動腕とし、他方の腕を検出腕としているため、駆動腕に駆動電圧を印加するための一対の駆動用端子と、検出腕に生ずる電荷を検出するための一対の検出用端子との４つの端子を必要とする。したがって、特許文献１に記載の振動片は、通常の２端子（一対）である音叉型圧電振動片と形状が同じであるが、４端子としなければならない。このため、特許文献１に記載の振動片は、通常の音叉型圧電振動片と同一の製造工程で製造することができない。

しかも、特許文献１に記載の振動片は、一対の腕のうち一方のみを駆動（励振）させるようにしているために、ＣＩ値が大きくなり、駆動し難い。そして、このような振動片は、ますます要求が強くなっている小型化を進めると、ＣＩ値がさらに大きくなり、大きな駆動電力を必要とする等の副作用が発生してしまう。したがって、特許文献１に記載の振動片は、このような副作用を好まない場合では充分に小型化を図ることができない。また、特許文献１に記載の振動片（角速度センサ素子片）は、検出腕に生ずる電荷を検出するためのアナログの検出回路を必要とし、検出回路を構成する集積回路（ＩＣ）が大型化する。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、角速度を検出するために特殊な回路を必要とせず、大きな検出信号が得られるようにすることを目的としている。
そして、本発明は、角速度を高精度で検出できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、定角速度を検出できるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、振動片が必要とする端子の数を２つにし、振動片を通常の音叉型圧電振動片と同一の工程で製造できるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る角速度センサ素子は、円振動する第１振動片と、前記第１振動片の円振動と円の回転方向が逆の円振動をする第２振動片とを有し、前記第１振動片と前記第２振動片とは、向きが同方向であって、感応軸が同軸または平行配置されている、ことを特徴としている。

このようになっている本発明は、検出腕に生ずる微小な電荷を検出するのと異なり、円振動の変化を検出するため、ロックインアンプなどの特殊な回路を必要とせず、検出回路を簡素化でき、安価にすることができる。しかも、円の回転方向が相互に逆である２つの振動片の向きを同じにして感応軸を同軸にまたは平行配置したことにより、検出信号の大きさが２倍となって、角速度を高精度で検出することができる。すなわち、感応軸と直交した面内において角速度が作用すると、一方の振動片は円振動が助長され、他方の振動片の円振動が抑制されるため、両者の円振動の変化を差動的に得ることができ、検出信号の大きさを２倍にすることができる。また、本発明は、２つの振動片の向きを同じにして感応軸を同軸または平行配置したことにより、一定の大きさの角速度（定角速度）が作用した場合であっても、両振動片の円振動の差を求めることにより、定角速度を検出することができる。
なお、本発明においては、円振動という場合、楕円振動を含んでいる。

第１振動片と第２振動片とは、水晶の結晶軸をＸ、Ｙ、Ｚとした場合、ＸＹ平面に対するＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、
−１８０°＜θ＜＋１８０° （ただし、θ＝０°、±９０°を除く）
である水晶板からなる音叉型振動片として形成できる。

上記のカット角を有する水晶板からなる音叉型振動片は、振動腕を励振（駆動）すると、振動腕は、音叉型振動片の面（主面）内における通常の屈曲振動と、ウォーキングモードと呼ばれる振動片の主面に直交した方向の屈曲振動とを合成した円振動を行なう。したがって、上記したカット角の水晶板からなる音叉型振動片の駆動腕は、通常に励振するだけで円振動させることができる。そして、一対の振動腕の両方を駆動することができるため、ＣＩ値を小さくすることができ、消費電力の低減を図ることができるとともに、より小型化を図ることができる。

第１振動片の回転角度θをθ１、第２振動片の回転角度θをθ２としたときに、｜θ１｜＝｜θ２｜（ただし、θ１≠θ２）であることが望ましい。
水晶板のカット角θ（ＸＹ面に対する回転角度）は、ＸＹ面に対して反時計回りの＋であるか、時計回りの−であるかによって、音叉型振動片の振動腕は、反時計回りの円振動を行なうか、時計回りの円振動を行なうか一意的に定まる。したがって、一方の振動片の回転角度θをθ１、他方の振動片の回転角度θをθ２とした場合、｜θ１｜＝｜θ２｜（ただし、θ１≠θ２）とすれば、円の回転方向が相互に反対方向の円振動をする音叉型振動片からなる角速度センサ素子を容易に得ることができる。

第１振動片と第２振動片とは、円振動の振動数が同じにしてあることが望ましい。一対の振動片の円振動の振動数（周波数）は、異なっていてもよいが、周波数が同じであると、作用する角速度に対して同じように（対称的に）変化するため、検出回路の形成が容易となるので周波数を同じにすることが望ましい。

本発明に係る角速度センサは、上記したいずれかの第１振動片と第２振動子とのいずれか一方を励振する発振回路と、上記したいずれかの第１振動片と第２振動子とのいずれか他方を励振する電圧制御発振回路と、前記発振回路と前記電圧制御発振回路との出力信号の位相差を求め、前記位相差に応じた信号を出力する位相比較器と、前記位相比較器の出力信号を直流にし、前記電圧制御発振回路に与えるとともに、角速度情報として外部に出力するローパスフィルタと、を有することを特徴としている。これにより、角速度情報を容易に得ることができる。

発振回路と電圧制御発振回路との少なくともいずれか一方は、温度補償回路を有するようにすることが望ましい。
角速度センサ素子片を構成する振動片は、製造のばらつきなどによって、個々の周波数温度特性（周波数の温度依存性）が異なるのが普通である。そこで、発振回路または電圧制御発振回路の少なくとも一方に温度補償回路を設けて、発振器と温度補償型発振器との周波数温度特性を合わせるようにする。これにより、２つの発振器の周波数温度特性を容易に一致させることができ、角速度の検出精度を向上させることができる。

本発明に係る角速度センサ素子および角速度センサの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る角速度センサ素子の蓋体を省略した平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。これらの図において、角速度センサ素子１０は、一対の振動片１２（１２ａ、１２ｂ）を備えている。振動片１２は、実施形態の場合、圧電体基板によって音叉型に形成してある。すなわち、振動片１２は、略矩形状に形成した基部１４と、基部１４の一辺から同方向に平行させて突設した一対の振動部となる振動腕１６、１８とからなっている（振動片１２は、振動腕１６の一方端と振動腕１８の一方端とは、基部１４に結合し、振動腕１６の他方端と振動腕１８の他方端とは独立した構造。）。

これらの振動片１２は、パッケージ本体２０の収容凹部２２に並べて実装してある。パッケージ本体２０は、図２に示してあるように、例えば多層構造をなしている。すなわち、パッケージ本体２０は、例えばセラミックからなるベースシート２４とマウントシート２６とフレームシート２８とを積層して焼成し、収容凹部２２を有する直方体状の箱型に形成してある。マウントシート２６は、収容凹部２２内にパッケージ本体２０の底面２９より高い段状のマウント部３０を形成する。マウント部３０の上面には、図示しない接合端子が形成してあり、この接合端子に振動片１２の後述する引出し電極が導電性接着剤３２を介して接合される。また、パッケージ本体２０の下面の四隅には、電子機器のマザーボードなどの端子部（導電性パターンのランド部）に接合する外部端子３５が設けてある。これらの外部端子３５は、図示しないスルーホールや配線パターンを介して、マウント部３０の上面に設けた接合端子に電気的に接続してある。

一対の音叉型振動片１２ａ、２１ｂは、それぞれの振動腕１６、１８を同じ方向に向けて収容凹部２２に実装（固着）してある。そして、各振動片１２は、それぞれの感応軸となる長手方向に沿った中心線３４、３６を平行にしてパッケージ本体２０内に実装してある。振動片１２を収容したパッケージ本体２０の上面には、図２の２点鎖線で示したように、蓋体３８が接合される。蓋体３８は、金属板やセラミック板、ガラス板などから形成され、振動片１２を収容したパッケージ本体２０の収容凹部２２を真空または不活性ガスの雰囲気に気密に封止する。

各振動片１２は、実施形態の場合、水晶板から形成してある。水晶の結晶軸をＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｚ軸（光軸）とした場合、振動片１２を形成する水晶板は、振動腕１６、１８が円振動を行なうように、図３に示したように、ＸＹ平面に対してＹ軸回りに角度＋θまたは−θ回転させたカット角となっている。ここに、Ｙ軸回りの回転角度θは、−１８０°＜θ＜＋１８０°（ただし、θ＝０°、±９０°を除く）である。ただし、図３において、反時計方向の回転角度をプラス（＋）、時計方向の回転角度をマイナス（−）としている。

振動片１２を形成する水晶板のカット角θを−１８０°＜θ＜＋１８０°（ただし、θ＝０°、±９０°を除く）とした理由は、次のとおりである。θ＝０°、±１８０°の場合、振動腕１６、１８を励振すると、音叉型振動片の面内（Ｘ軸方向）における屈曲振動のみを行ない、振動片の面（主面）に直交した方向（Ｚ軸方向）の振動成分を含まず、またθ＝＋９０°、−９０°の場合、振動腕１６、１８を励振すると、音叉型振動片の面に直行した方向（Ｚ軸方向）における屈曲振動のみを行ない、振動片の面内（Ｘ軸方向）の振動成分を含まず、後述する円振動を行なわせることができない。これに対して、θ＝０°、±９０°を除くカット角（主面）が−１８０°＜θ＜＋１８０°である水晶板は、音叉型振動片を形成して振動腕を駆動（励振）した場合、主面に沿った方向に２本の振動腕が対称的に動揺する音叉としての屈曲振動の振動成分と、水晶板の主面に直交した方向に２本の振動腕が互いに相反する方向に動揺するいわゆるウォーキングモードと呼ばれる屈曲振動の振動成分とが合成された円振動を行なう。

そして、一方の（第１）振動片１２ａ（または振動片１２ｂ）は、図３に示したように、水晶のＺ板４０となるＸＹ面に対してＹ軸回りに＋側にθ１（ただし、θ１＝０°、＋９０°、＋１８０°を除く）回転させた水晶板４２から形成してある。そして、水晶板４２の面が、振動片１２ａ（または振動片１２ｂ）の主面となっている。他方の（第２）振動片１２ｂ（または振動片１２ａ）は、ＸＹ面に対してＹ軸回りに−側にθ２（ただし、θ２＝０°、−９０°、−１８０°を除く）回転させた水晶板４４から形成してある。そして、水晶板４４の面が、振動片１２ｂ（または振動片１２ａ）の主面となっている。また、実施形態の場合、｜θ１｜＝｜θ２｜（ただし、θ１≠θ２）にしてある。これにより、振動片１２ａ、１２ｂは、周波数温度特性を同じにできるとともに、それぞれの振動腕１６、１８が励振されると、円の回転方向が相互に逆方向の円振動を行なう。しかも、振動片１２ａ、１２ｂを同じ寸方形状に形成した場合、円振動の振動数（周波数）を同じにすることができ、角速度の検出が容易となり、検出回路を簡素にすることができる。

各振動片１２の振動腕１６、１８には、駆動（励振）するための励振電極が形成してある。すなわち、振動片１２は、図４に示したように、一対の振動腕１６、１８が略角柱状に形成してあり、それぞれ振動腕１６、１８には、励振電極が設けてある。励振電極は、振動腕１６、１８のそれぞれの表裏主面に形成した主面電極４６、４８（裏面は、図示せず）と、主面に直交した両側面に形成した側面電極５０、５２（図４の左側側面は、図示せず）とからなっている。各振動腕１６、１８のそれぞれの左右側面電極は、振動腕１６、１８のそれぞれの主面先端部に形成した先端連結電極部５４、５６を介して相互に接続してある。さらに、一方の振動腕１６の主面に形成した主面電極４６は、基部１４に設けた導電パターン５８を介して、他方の振動腕１８の両側面に形成した側面電極５２に接続してある。そして、主面電極４６と側面電極５２とは、基部１４に設けた引出し電極６０と一体に形成してある。同様に、他方の振動腕１８の主面電極４８は、一方の振動腕１６の側面電極５０に導電パターン６２を介して接続してある。そして、主面電極４８と側面電極５０とは、基部１４に設けた引出し電極６４と一体に形成してある。

これらの引出し電極６０、６４は、振動腕１６、１８の駆動（励振）するための駆動用端子であるとともに、振動腕１６、１８の円振動の変化を検出するための検出用端子でもある。したがって、通常の音叉型圧電振動片と同様に、２端子とすることができ、通常の音叉型圧電振動片の製造工程において製造することができる。このため、角速度検出用の振動片１２の製造コストを低減することができる。なお、各引出し電極３６、４０は、基部１４の後端面６６を介して裏面側にも延在されている。そして、振動片１２の裏面には、表面と対称に電極が形成してある。また、これらの引出し電極６０、６４は、図１に示したように、導電性接着剤３２を介してパッケージ本体２０のマウント部３０の上面に設けた接合端子に接合される。

ＸＹ面に対して−１８０°＜θ＜＋１８０°(ただし、θ＝０°、±９０°を除く)の範囲にてθ回転させたカット角を有する水晶板４２または水晶板４４から形成した振動片１２は、振動腕１６、１８を駆動（励振）すると、振動腕１６、１８が振動腕の軸線回りに円振動を行なう。すなわち、振動片１２は、引出し電極６０、６４の間に所定周波数の電圧を印加すると、各振動腕１６、１８が主面に沿った方向の屈曲振動の振動成分と、主面に直交した方向の屈曲振動の振動成分（ウォーキングモード）とが合成された時計回り、または反時計回りの円振動を行なう。この円振動の円の回転方向は、θの回転方向、すなわち０°＜θ＜＋１８０°（ただし、θ＝＋９０°を除く）であるか、−１８０°＜θ＜０°（ただし、θ＝−９０°を除く）であるかによって一意に定まる。そして、実施形態の場合、振動腕１６、１８の主面に沿った方向の屈曲振動の周期と、主面に直交した方向の屈曲振動の周期とを略一致させている。この両周期の一致は、振動腕１６、１８の幅ｂと厚みｄとを調整することにより行なうことができる。また、振動片１２ａと振動片１２ｂとの周波数は、一致させてある。

振動腕１６、１８が円振動をしている場合、振動片１２の等価回路は、図５のように表すことができる。すなわち、振動腕１６、１８が円振動している振動片１２は、電気端子（引出し電極６０、６４）６８、６８から見た場合、振動片１２の主面に沿った方向の音叉の屈曲振動の等価成分７０と、振動片１２の主面に直交した方向のいわゆるウォーキングモードの屈曲振動の等価成分７２とが結合回路７４によって電気的に結合した状態とみなせる。そして、例えば、円振動の周波数（振動腕の回転速度）が変化するなどの円振動が変化した場合、結合回路７４の結合係数が変わったとみなすことができる。

例えば、振動片１２は、振動腕１６、１８が励振されて、図６に示したように、反時計回りの円振動をしているとする。このとき、振動片１２が、振動部である振動腕１６、１８の円振動の軸線に直交した面内において反時計回りの回転を受けたとする。すなわち、振動片１２は、感応軸である中心線３４（３６）と直交した面内における反時計回りの角速度ωが作用したとする。このとき、振動腕１６、１８は、角速度ωによって、円振動を妨げられるようなコリオリ力を受け、円振動の振幅が小さくなるとともに、円振動の振動数（周波数）が低下する。反対に、図６のように、振動腕１６、１８が反時計回りの振動をしているときに、時計回りの角速度の作用を受けると、円振動が助長され、円振動の振幅が大きくなるとともに周波数が高くなる。

円振動の円の回転方向が相互に反対方向となっている一対の振動片１２ａ、１２ｂの上記した円振動の変化（周波数の変化）は、図７に示したような回路によって検出され、図示しない変換回路（角速度演算回路）に角速度の情報として出力され、角速度演算器が角速度の作用する方向と大きさを演算して出力する。図７に示した回路は、周波数検出回路の一例である。音叉型振動片として形成された一方の振動片（例えば、振動片１２ａ）は、共振子として発振回路７６に接続され、発振回路７６とともに発振器７８を構成する。他方の振動片１２ｂは、共振子として電圧制御発振回路８０に接続され、電圧制御発振回路８０とともに電圧制御水晶（ＶＣＸＯ）発振器８２を形成する。

なお、実施形態の場合、発振回路７６は、温度補償回路８４を有している。すなわち、発振器７８は、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）となっている。この温度補償回路８４は、発振器７８のうち特に振動片１２ａの周波数温度特性（周波数の温度依存性）を補償するものである。そして、発振器７８を基準信号源とするＰＬＬ制御により電圧制御水晶発振器８２の周波数温度特性の安定度は、発振器７８の周波数温度特性の安定度とほぼ一致する。すなわち、振動片は、水晶ブロックの相異や製造誤差などにより、個々の振動片の周波数温度特性が異なっているのが普通である。したがって、発振器の周波数温度特性も発振器ごとに異なる。そこで、実施形態においては、発振回路７６に温度補償回路８４を設けた周波数安定度の高い発振器７８を１つ設け、発振器７８の出力信号を基準にして電圧制御水晶発振器８２をＰＬＬ制御したものである。これにより、温度変動に伴い電圧制御水晶発振器８２の周波数が変動しても、発振器７８の出力信号を基準としたＰＬＬ制御が働くので、電圧制御水晶発振器８２の出力信号と発振器７８の出力信号との間の位相差を温度変動前の状態に戻すよう電圧制御水晶発振器８２の周波数が調整される。従って、電圧制御水晶発振器８２の周波数温度特性は発振器７８の周波数温度特性に依存することとなる。このような構成によれば電圧制御水晶発振器８２に温度補償回路を内蔵させる必要がないので、回路規模の簡素化による角速度センサの小型化及び低価格化に有利である。なお、振動片１２ａ、１２ｂを製造した段階において振動片１２ａ、１２ｂの周波数温度特性が一致しているとき、または両者の周波数温度特性が許容誤差の範囲内であるときは、温度補償回路８４を省略してよい。

即ち、振動片１２ａ、１２ｂの周波数温度特性が一致しているまたは、両者の周波数温度特性が許容誤差の範囲内であるときは、温度変動に伴う振動片１２ａ、１２ｂの周波数変化の傾向が等しいので発振器７８の出力信号と電圧制御水晶発振器８２の出力信号の周波数はほぼ一致するとともに、両信号間の位相差にも変動（狂い）は発生しない。
従って、温度補償回路８４を省略した構成の発振器７８を備えた角速度センサであっても温度変動が生じる環境下で使用することができる。
また、発振回路７６と電圧制御発振回路８０との両方に温度補償回路を設けてもよいし、電圧制御発振回路８０のみに温度補償回路を設けてもよい。

発振器７８と電圧制御発振回路８０との両方に温度補償回路を設けた構成であれば、大きな温度変動が起きても両発振器間の出力信号の周波数変動幅が大きくズレルことはないので、ＰＬＬ制御による電圧制御発振回路８０の周波数調整時間を短時間にすることができる。
従って、このような構成は、角速度センサの応答感度を高速化できるという利点がある。

発振器７８と電圧制御水晶発振器８２との出力信号は、位相比較器８６に入力する。位相比較器８６の出力側には、ローパスフィルタ８８が設けてある。ローパスフィルタ８８の出力側には、増幅器９０が接続してある。増幅器９０は、出力信号を電圧制御発振回路８０内の電圧制御型の可変容量素子に周波数制御電圧として入力する。また、増幅器９０の出力信号は、円振動の周波数情報（角速度情報）として角速度演算器（図示せず）に出力される。

このように構成した検出回路は、振動片１２ａ、１２ｂに角速度が作用していないときの、発振器７８の出力信号の周波数と電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）８２の出力信号の周波数とが一致させてある。また、図示しない位相調整回路により、位相比較器８６（例えば９０°位相比較器）に入力する発振器７８の出力信号と電圧制御水晶発振器８２の出力信号との初期位相（スイッチがオンされたときの位相）は９０°である。したがって、振動片１２の中心線３４、３６に直交した面内の角速度ωが作用していない場合、位相比較器８６に入力する発振器７８と電圧制御水晶発振器８２との出力信号は、周波数が同じであり、９０°位相差となる。このため、位相比較器８６の出力信号がデューティー比５０％のクロック波形であるから積分回路であるローパスフィルタ８８の出力は、位相比較器８６の出力信号の振幅に対してほぼ１／２のレベルの電圧信号（基準電圧信号）である。

角速度センサ素子１０に、振動片１２ａ、１２ｂの中心線（感応軸）３４、３６と直交した面内の成分を有する角速度ωが作用（反時計回りにスピードが上がる）すると、前記したように円振動の周波数（振動腕１４、１６の回転スピード）が変化する。このとき、振動片１２ａ、１２１ｂは、円振動の円の回転方向が相互に逆方向となっているため、いずれか一方の振動片（例えば、振動片１２ａ）の円振動の周波数が高くなり、他方の振動片１２ｂの円振動の周波数が低くなる。このため、位相比較器８６に入力する発振器７８の出力信号と電圧制御水晶発振器８２の出力信号との間の位相にずれを生じる。位相比較器８６は、この位相差に対応した位相差信号（電圧）を出力する。位相比較器８６の出力信号は、ローパスフィルタ８８によって高周波成分が除かれ、直流信号（直流電圧）にされる。この直流電圧は、角速度ωの影響によるの位相変動量に基づく値として、例えば基準電圧信号よりも高電位の電圧信号であり、増幅器９０によって増幅されて電圧制御水晶発振器８２の電圧制御発振回路８０に周波数制御電圧として与えられる。電圧制御水晶発振器８２は、電圧制御発振回路８０に入力する周波数制御電圧に応じて出力信号の周波数が高くなる。そして、周波数制御電圧は、角速度ωが上がりつづけている間は発振器７８の出力信号と電圧制御水晶発振器８２の出力信号との周波数が一致するまで電位が上がり続ける。
従って、周波数制御電圧の値の変化、すなわち増幅器９０の出力電圧の変化により角速度ωが上がりつづけていることを検知することができる。

一方、角速度ωが一定スピード（ω≠０）になると、発振器７８の出力信号と電圧制御水晶発振器８２の出力信号は、角速度ωが作用する前の周波数に戻るが、位相差は９０°に戻らず一定スピードに達した時点のズレ量を保ち発振する。
よって、増幅器９０の出力信号は角速度ωが一定スピードとなっても基準電圧信号には戻らず、一定スピードに達した時点の電圧信号（この場合、電圧信号は基準電圧信号よりも高い電位）である。
従って、増幅器９０の出力電圧が基準電圧信号よりも高い電位で一定値を保っていることで角速度ωが一定（ω≠０）であることが判る。

その後、角速度ωが下がると、上述の動作と逆の動作が発生するので角速度ωが下がりつづけている間は発振器７８の出力信号と電圧制御水晶発振器８２の出力信号との周波数が一致するまで周波数制御電圧が下がり続ける。
従って、周波数制御電圧の値の変化、すなわち増幅器９０の出力電圧の変化により角速度ωが下がりつづけていることを検知することができる。

一方、角速度ωがω＝０になると、発振器７８の出力信号と電圧制御水晶発振器８２の出力信号は、角速度ωが作用する前の周波数と位相差９０°の状態に戻る。
従って、増幅器９０の出力電圧が基準電圧信号の電位で一定値を保っていることで角速度ω＝０であることが判る。

なお、上述の構成では発振器７８と電圧制御水晶発振器８２の初期位相が９０°であるから、角速度ωの方向を検知することが可能である。
すなわち、上述の動作の説明に基づけば角速度ω＝０の状態から時計回りに角速度ωが作用すると増幅器９０の出力信号は基準電圧信号に対して低電位となり、また反時計回りに角速度ωが作用すると増幅器９０の出力信号は基準電圧信号に対して高電位となる。

従って、９０°位相比較器８６を用いた場合、初期位相が９０°となるように構成すれば、角速度センサの出力電位が基準電圧信号に対して高電位であれば反時計回り、低電位であれば時計回りに角速度ωが作用していることが判り、またその検知感度は反時計回り時計回りともに等しい。

また、増幅器９０が増幅したローパスフィルタ８８の出力信号は、図示しない角速度演算器に角速度情報として出力される。角速度演算器は、角速度センサ素子１０に作用する角速度の作用方向と大きさを求めて出力する。なお、角速度センサ素子１０は、大きさが一定の角速度（定角速度）が作用した場合、発振器７８と電圧制御水晶発振器８２との円振動の周波数がその定角速度に対応した周波数となるため、定角速度の検出が可能である。

このように、実施の形態に係る角速度センサ素子１０は、角速度の作用方向と大きさを振動腕１６、１８が行なう円振動の振動数（周波数）の変化として検出することができるため、ロックインアンプなどの特殊な回路を必要とせず、検出回路を安価に構成することができる。さらに、周波数を検出して角速度を求めることができるため、アナログ回路を必要とせず、Ａ／Ｄ変換器などを省略できて検出回路を小型化でき、容易にデジタル化することができる。また、加速度センサ素子１０は、振動腕１６、１８に生ずる円振動の円の回転方向を相互に逆にした２つの振動片１２ａ、１２ｂの振動腕１６、１８の向きを同じにするとともに、感応軸を平行にして配置したことにより、振動片が１つの場合に比較して、２倍の大きさの出力信号が得られ、角速度を高精度に検出することができる。しかも、角速度センサ素子１０は、振動片１２ａ、１２ｂの円振動の円の回転方向が相互に逆となっているため、定角速度を検出することができる。そして、角速度センサ素子１０を構成している振動片１２は、一対の振動腕１６、１８を励振するようにしているため、ＣＩ値を小さくすることができる。したがって、角速度センサ素子片１０は、ＣＩ値が小さいために消費電力を小さくすることができる。また、円振動の変化を周波数の変化として検出するため、ロックインアンプなどの特殊な回路を必要とせず、検出回路を安価に構成することができる。

図８は、第２実施形態に係る角速度センサ素子の説明図であって、（１）は蓋体を省略した平面図、（２）は図８（１）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図８において、角速度センサ素子１００は、音叉型に形成した第１と第２の振動片となる一対の振動片１２ａ、１２ｂを備えている。これらの振動片１２の振動腕１６、１８は、励振されて円振動をするように形成してある。また、振動片１２ａの振動腕１６、１８と振動片１２ｂの振動腕１６、１８とは、円振動の円の回転方向が相互に逆方向となっている。

これら一対の振動片１２は、同一のパッケージ本体１０２の内部に収容（実装）してある。パッケージ本体１０２は、細長い直方体状に形成してあって、長手方向の一側と中央部に底面１０４より高く段状に形成したマウント部１０６、１０８を有する。これらのマウント部１０６、１０８の上面には、図示しない接合電極が形成してある。これらの接合電極には、本図に図示しない導電性接着剤を介して振動片１２の基部１４が接合される。そして、振動片１２ａと振動片１２ｂとは、直線的に配置してある。すなわち、振動片１２ａと振動片１２ｂとは、実施形態の場合、それぞれの感応軸（中心線３４、３６）が一致させてある。なお、マウント部１０６、１０８の上面に設けた接合電極は、配線パターンやスルーホール（いずれも図示せず）を介して、パッケージ本体１０２の下面適宜の位置に形成した外部電極１１０に電気的に接続してある。この実施形態に係る角速度センサ素子１００においても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。

図９は、第３実施形態の要部を示す説明図である。図９に示した角速度センサ素子１２０は、パッケージ本体１２２がベースシート１２４と、第１マウントシート１２６と、第２マウントシート１２８と、フレームシート１３０とからなり、４層構造となっている。第１マウントシート１２６は、上面に振動片１２ａ、２ｂのいずれか一方を接合する第１マウント部１３２を形成する。さらに、第２マウントシート１２８は、第１マウント部１３２の上面に振動片１２を実装（固着）できるスペースを有するように第１マウント部１３２の上面を一部露出させた状態で、第１マウントシート１２６の上に配置される。そして、第２マウントシート１２８は、上面に他方の振動片１２を接合する第２マウント部１３４を形成する。

図１０は、第４実施形態の説明図である。この実施形態は、角速度センサ１４０の一例を示したものである。角速度センサ１４０は、図１に示した角速度センサ素子１０のパッケージ本体２０の底面２９に図７に示した電気回路（検出回路）を集積化した集積回路（ＩＣ）１４２が実装してある。この集積回路１４２は、パッケージ本体２０の下面に設けた外部端子３５に電気的に接続してあり、外部端子３５を介して給電され、検出信号を出力する。また、マウント部３０の上面に接合した振動片１２は、集積回路１４２に電気的に接続してあり、集積回路１４２により励振される。

角速度センサ１４０は、周波数の検出回路をＩＣ化してパッケージ本体２０内に実装したことにより、ユーザは角速度センサ１４０を実装するだけで角速度情報を容易に得ることができ、検出回路を形成する手間、面倒を省くことができる。もちろん、角速度演算器（角速度演算回路）をＩＣ化し、集積回路１４２と一体化させまたは別体でパッケージ本体２０内に実装してもよい。

上記の実施形態は、本発明の一態様であって、実施形態に限定されるものではない。例えば、前記各実施形態においては、振動体を音叉形状に形成した場合について説明したが、振動片は、単なる棒状などの円振動をさせられるものであればよい。また、前記実施形態においては、円振動の変化を周波数の変化として検出する場合について説明したが、円振動の変化は、周期の変化や振幅の変化として検出してもよい。そして、上記の実施形態における振動腕１６、１８の円振動は、楕円振動、真円振動も含まれる。特に、振動腕１６、１８を真円運動またはこれに近い円運動であるほど回転運動のバランスが良いので高感度特性を有する角速度センサ素子を得ることができる。

なお、上記実施形態では、初期位相を９０°として本発明を説明したが、例えば、何れか一方の回転方向に対して特に高い検知能力を必要とする場合であれば必ずしも９０°の位相差とする必要はない。
また、位相比較器８６として０°位相比較器を用いて初期位相を０°としても上記実施形態と同じ機能を得ることができる。

さらに、角速度ωに対して正確に検知結果を得る必要がある場合は、上記実施形態の如く振動片１２ａと振動片１２ｂとの向きが同方向であって、感応軸が同軸または平行配置されている構成である構成が有効である。
これは、感応軸方向に角速度センサの速度が変化した場合に、感応軸方向の速度変化に対する振動片１２ａと振動片１２ｂの周波数変化の傾向が同じであるために位相比較器の出力として現れないからである。

一方、上記実施形態と比較して角速度ωに対する検知結果の正確性は劣るものの感応軸方向に対しての加速度変化をも検知する必要がある場合には、振動片１２ａと振動片１２ｂとの向きを逆方向であって、感応軸が同軸または平行配置するよう振動片１２ａと振動片１２ｂとを配置し、且つ振動片１２ａの振動腕１６、１８と振動片１２ｂの振動腕１６、１８との円振動の円の回転方向を相互に同方向とすればよい。

本発明の第１実施形態に係る角速度センサ素子の蓋体を省略した平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 実施の形態に係る振動片を形成する水晶板のカット角の説明図である。 実施の形態に係る振動片の詳細斜視図である。 実施形態に係る振動片の等価回路図である。 実施形態に係る振動片の作用の説明図である。 実施形態に係る角速度センサ素子の角速度による周波数変化を検出する回路の一例を示す図である。 第２実施形態の説明図である。 第３実施形態の説明図である。 第４実施形態の説明図である。

符号の説明

１０………角速度センサ素子、１２ａ、１２ｂ………第１、第２振動片、１４………基部、１６、１８………振動腕、２０………パッケージ本体、３４、３６………感応軸（中心線）、３８………蓋体、４２、４４………水晶板、４６、４８………主面電極、５０、５２………側面電極、６０、６４………引出し電極（端子）、７６………発振回路、７８………発振器、８０………電圧制御発振回路、８２………電圧制御水晶発振器、８４………温度補償回路、８６………位相比較器、８８………ローパスフィルタ、１００、１２０………角速度センサ素子、１０２、１２２、………パッケージ本体、１４０………角速度センサ、１４２………集積回路。

Claims (6)

1. 円振動する第１振動片と、前記第１振動片の円振動と円の回転方向が逆の円振動をする第２振動片とを有し、
   前記第１振動片と前記第２振動片とは、向きが同方向であって、感応軸が同軸または平行配置されている、
   ことを特徴とする角速度センサ素子。
2. 請求項１に記載の角速度センサ素子において、
   前記第１振動片と前記第２振動片とは、水晶の結晶軸をＸ、Ｙ、Ｚとした場合、ＸＹ平面に対するＹ軸回りの回転角度をθとしたときに、
   −１８０°＜θ＜＋１８０° （ただし、θ＝０°、±９０°を除く）
   である水晶板からなる音叉型振動片であることを特徴とする角速度センサ素子。
3. 請求項２に記載の角速度センサ素子において、
   前記第１振動片の前記回転角度θをθ１、前記第２振動片の前記回転角度θをθ２としたときに、
   ｜θ１｜＝｜θ２｜ （ただし、θ１≠θ２）
   であることを特徴とする角速度センサ素子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の角速度センサ素子において、
   前記第１振動片と前記第２振動片とは、円振動の振動数が同じにしてあることを特徴とする角速度センサ素子。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の第１振動片と第２振動子とのいずれか一方を励振する発振回路と、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の第１振動片と第２振動子とのいずれか他方を励振する電圧制御発振回路と、
   前記発振回路と前記電圧制御発振回路との出力信号の位相差を求め、前記位相差に応じた信号を出力する位相比較器と、
   前記位相比較器の出力信号を直流にし、前記電圧制御発振回路に与えるとともに、角速度情報として外部に出力するローパスフィルタと、
   を有することを特徴とする角速度センサ。
6. 請求項５に記載の角速度センサにおいて、
   前記発振回路と前記電圧制御発振回路との少なくともいずれか一方は、温度補償回路を有している、
   ことを特徴とする角速度センサ。

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