JPH08201067A

JPH08201067A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH08201067A
Application number: JP7031366A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Hiroaki Terao; 博明寺尾; Tomoo Namiki; 智雄並木; Toshiyasu Shigeta; 利靖重田; Minoru Hatakeyama; 稔畠山; Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: Miyota KK; Wako KK
Current assignee: Miyota KK; Wako KK
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】［目的］２軸の角速度を検出できる角速度センサを得
る。［構成］振動ノード部を円筒支持する円板形振動基板
の振動ノードより内側に複数個のスリットを設け、該円
板形振動基板の上面に、上面に励振電極を兼ねる検出電
極を設け下面には少なくとも前記電極に対向して電極を
設けた円板形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下面
に、下面中央部に帰還電極を設け上面には少なくとも該
帰還電極と対向する電極を設けた円板形圧電素子を貼付
したセンサ部の中央部に重錘体を設けた。

Description

【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に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】姿勢制御、位置制御が可能な角速度セン
サは、ビデオカメラの手ぶれ防止や、自動車のナビゲー
ションに使うことを目的に小型化、高性能化の開発が行
われている。角速度センサにもいろいろあるが、サイズ
やコストの面では圧電振動型の角速度センサが有利であ
り、音叉型、音片型（四角柱）、円柱型、三角柱型等が
製品化されている。

【０００３】図１は音片型圧電振動角速度センサを説明
するための構造図である。圧電振動型角速度センサの原
理は、振動している振動子の中心軸（Ｚ軸）回りに、回
転角速度（ω0）が加わると、もとの振動方向（Ｘ軸）
に対し、直角方向（Ｙ軸）に回転角速度に比例したコリ
オリ力（Ｆc）が生じる力学現象を利用したもので、駆
動用圧電セラミックスを用いてＸ軸に振動を与え、Ｙ軸
に設けた検出用圧電セラミックスによってコリオリ力を
電圧として検出するものである。コリオリ力は一般に次
式により求められる。Ｆc＝２ｍ×ｖ×ω0 ｍは質
量、ｖは速度、ω0は角速度である。

【０００４】振動周波数が同じであればＸ軸の振幅が大
きいほどＹ軸変位は大きく、検出電圧（感度）を高める
にはＸ軸の振幅が大きく、Ｙ軸の検出効率を高めた共振
型振動角速度センサが有利である。音片型振動角速度セ
ンサは共振型であり、感度は高くできるが、駆動辺と検
出辺の振動姿勢を崩さず、共振周波数を正確に調整する
ことが難しく、しかも駆動辺と検出辺の共振特性の不一
致やズレによる顕著な特性変化や高機械的品質係数（Ｑ
ｍ）がゆえに応答速度が遅いなど問題も多い。前記問題
を解決する角速度センサとして、駆動辺と検出辺との分
離構成ではなく、駆動と検出を一辺（体）化することに
より、同一共振系による駆動・検出を可能にした正三角
形音片振動角速度センサを構成し、共振特性に不一致や
ズレの難題を克服した製品が開発された。

【０００５】図２は正三角形音片型振動角速度センサの
構造図である。一辺をａとし、長さをｌとした正三角形
音片振動子の共振周波数ｆΔは、数１で求めることが出
来る。

【０００６】

【数１】ｍは定数、Ｅはヤング率、ρは密度である。振動子は恒
弾性金属材料（エリンバ材）で作製し、各辺の中央部に
圧電セラミックスをエポキシ系接着剤で貼り合わせた。
ノード点は有限要素法によるシミュレーションより求
め、Ｙ軸モードの完全ノード点にあたる稜線部分で理想
的支持を行った。また、組み合わせる圧電セラミックス
の負の熱弾性係数を考慮して、エリンバ材の析出効果を
利用した時効処理を施し、正の弾性係数と組み合わせ、
周波数温度特性が、±１ｐｐｍ／℃以下の良好な特性と
振動子自体の検出電圧が数百ｍＶと従来の非共振型振動
角速度センサと比較してけた違いの高感度（高出力）が
得られた。（電子情報通信学会誌、１／’９３、圧電振
動ジャイロスコープ、中村武）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】周波数温度特性が良
く、高感度角速度センサにより、カメラ一体型ビデオカ
メラの手ぶれ防止用角速度センサとして有用であるが、
一つのセンサで一軸の角速度の検出しかできないという
欠点があり、二軸の角速度を検出するには２個のセンサ
を必要とし、組立工数の増加、組立部品数の増加は免れ
なかった。二軸で有れば、単純にみても２倍のコストに
なる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は従来の角速度セ
ンサの課題を解決するためのものであり、小型であり、
高感度ながら安価な角速度センサを提供する。

【０００９】振動基板の両面に、両面に電極を設けた圧
電素子を貼付する。上面に貼付する圧電素子は、上面に
は励振電極（または帰還電極）を兼ねる検出電極を設け
下面（振動基板に貼付する面）には少なくとも前記検出
電極に対向する電極を設ける。検出電極は振動基板の振
動ノードの内側（内径部）に配置し、検出電極からは引
出電極を振動ノードまで出し、電極と回路との接続を振
動ノード上で行う。

【００１０】下面に貼付する圧電素子は、振動基板に貼
付する面（上面）には、少なくとも下面に形成する励振
電極（または帰還電極）に対向する電極を設け、下面に
は中央部に励振電極（または帰還電極）を設ける。前記
の構成のセンサ部に重錘体を設ける。前記センサ部の振
動ノード部を円筒部材の開口部に固定する。

【００１１】圧電素子の励振電極と対向電極に交流をか
けると圧電素子が振動し、それとともに貼付されている
振動基板が振動する。圧電素子の歪みにより検出電極に
電荷が発生する。振動状態でセンサに角速度が作用する
と、センサ部にコリオリ力が生じ、センサ部の歪みが変
化するので、検出電極にコリオリ力による電荷が発生す
る。センサ部には重錘体が設けてあるので質量ｍが大き
くなり、発生するコリオリ力が大きくなる。

【００１２】

【実施例】図３は本発明の一実施例の角速度センサの分
解斜視図である。図４は図３とは反対側から見た分解斜
視図である。

【００１３】圧電素子である例えば圧電セラミックス
（ＰＺＴ）の円板１の上面には夫れ夫れ引出電極６ａ、
７ａ、８ａ、９ａを有する４つの検出電極６、７、８、
９が形成される。４つの電極は図示のごとくＸ軸、Ｙ軸
上に対称にする。振動基板の中心に対して（本実施例で
は同心円状であるが同心円でなくとも点対称であればよ
い。）下面には電極１１が検出電極６、７、８、９の外
周円と対向する径以上の径で形成されている。電極１１
からは上面に続く接続電極４が形成されている。電極は
真空蒸着、スパッタリング等で形成されている。

【００１４】電極形成後圧電セラミックスの分極を行う
が、４つの検出電極６、７、８、９をプラス、電極１１
をマイナスにして行う。

【００１５】振動基板２は、常温で熱膨張係数が少ない
金属板であり、図のように両面に圧電セラミックス１、
３が貼付される。

【００１６】電極１１と振動基板２は電気的に接続され
て接着されるので、振動基板２と励振電極を兼ねる検出
電極６、７、８、９（６、７、８、９は結線）に交流を
かけると圧電セラミックス１が振動し振動基板２も一緒
に振動する。円筒支持部材で支持をすると振動ノードは
図３の点線１３近傍（振動基板２の外径をＤとすると
０．５４〜０．７０Ｄの部分に発生応力の小さい部分が
ある）に現れるので、円筒状の支持部材１２の開口部
（好ましくはナイフエッジにする）で支持する。図８は
円筒支持径と支持部に発生する応力の関係を示すグラフ
である。振動基板や圧電素子、電極により発生する応力
は変化するが０．５４〜０．７０Ｄ付近に発生応力の小
さい部分が出る。本実施例で使用する振動は圧電セラミ
ックスの径振動であり、支持することによりいわゆるベ
ンデイング振動となる。振動ノード付近で支持すること
により振動漏れを少なく抑えることが出来る。検出電極
６、７、８、９は円筒支持の内側に設けている。尚、セ
ンサ部の支持は上下どちらでも良い。検出電極６、７、
８、９は励振電極を兼ねており電極１０が帰還電極にし
てあるが、検出電極に帰還電極を兼ねさせることもで
き、その場合は電極１０は励振電極とする。

【００１７】振動ノード部を円筒支持し支持部材を基板
に固定するとセンサ部と支持部材の位置ずれ、センサ部
や支持部材のバラツキ等により振動漏れが発生する。本
実施例では円筒支持部材の２箇所をワイヤー１４、１
４’で固定し（突き当ててレーザー溶接している）ワイ
ヤーの他端を基板に固定する構造とした。図５は円筒支
持部材とワイヤーの固定の別構造である。２本のワイヤ
ーａ、ｂを並行に配置し、円筒支持部材１２をはさみ込
むような形態で円筒支持部材を支持する構造である。図
中×印の部分をレーザー溶接等で固定する。

【００１８】角速度センサに角速度が作用すると、重錘
体にコリオリ力が生じ、その影響で角速度センサの圧電
素子が変形する。検出電極６、７、８、９で得られる電
圧が変化し、Ｘ軸、Ｙ軸に作用した角速度が検出でき
る。円筒支持した場合に振動基板２と圧電素子１、３で
構成されているセンサ部は変形しにくいので、本実施例
では振動基板２に複数のスリット２８を設け変形しやす
くしている。図６はスリット２８の形状を示す平面図で
ある。大小１６のスリット２８が振動基板の中心点に対
して点対称に設けてある。スリット２８の代わりに凹部
（溝部）を設ければ同心円にすることができるのでセン
サの方向性の影響をなくすことができる。

【００１９】次に第二実施例について断面図である図７
を参照して説明する。第二実施例が第一実施例と異なる
のは重錘体が支持部材と反対側に配されている点であり
円筒支持部材も短くできる。回路基板１５には重錘体１
６を収納する穴１５ａが形成されており、センサ全体と
しての薄型化、小型化が可能な構造である。

【００２０】次に本発明で角速度の検出が出来る理論に
ついて説明する。図９はＹ軸の回りに角速度ωが作用し
た状態の側面断面図である。コリオリ力により重錘体が
移動することでセンサ部が変形し検出電極６、７には図
のごとくプラスとマイナスの電荷が発生する。

【００２１】図１０は発生した電荷から角速度を検出す
る回路の構成図である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向の回転角
速度に比例したコリオリ力を検出する回路ブロック図で
あるが、Ｘ軸、Ｙ軸とも同じ信号処理をするのでＸ軸方
向にコリオリ力が発生した場合を例に取り説明する（Ｙ
軸回りに回転角速度が作用した場合）。検出電極６、
７、８、９はインピーダンス変換回路に接続され、イン
ピーダンス変換回路の出力は差動増幅回路に接続されて
いる。

【００２２】増幅回路２５、位相補正回路２６を介して
駆動信号を印加してセンサ部を励振する。検出電極６、
７はそれぞれ同方向に分極されているので、出力する駆
動信号は同位相のものである。この状態で回転が加わる
と回転角速度に比例したコリオリ力によって発生した電
荷が電圧として駆動信号に重畳する。そのときコリオリ
力による相対する検出電圧が同位相となるため、出力電
圧１７及び１８のように電圧出力に差が生じる。差動増
幅回路１９によって減算されると駆動信号は相殺されて
コリオリ力によって発生した電圧２０のみ取り出すこと
ができる。このコリオリ力によって発生した電圧を同期
検波回路２１によって半波整流し、フィルター２７を通
した後出力電圧２２が得られる。この出力電圧を直流増
幅回路２３によって平滑して回転角速度に比例した出力
電圧２４が得られる。

【００２３】

【発明の効果】本発明は前記のような構成にすることで
次のような効果が生じる。１一つのセンサで２軸の角速度を測定できる。２円板状平板と円筒の組み合わせであり、加工と組立
が容易である。３センサ部の円筒支持部材部をワイヤーで吊り固定し
たので漏れ振動が減衰され、角速度センサの信頼性が高
い。４振動基板にスリットを設けたのでセンサ部が変形し
やすく圧電素子に発生する電荷が多くなり、各速度の検
出が容易になる。５重錘体を付けることでコリオリ力の作用が大きくな
り検出が容易になる。６検出電極と励振電極または検出電極と帰還電極を兼
ねるので電極構造が簡単になる。７重錘体を回路側に設けることにより薄型化が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】音片型圧電振動角速度センサを説明するための
構造図

【図２】正三角形音片型振動角速度センサの構造図

【図３】本発明の第一実施例の角速度センサの分解斜視
図

【図４】本発明の第一実施例の角速度センサの分解斜視
図

【図５】円筒支持部材とワイヤーの固定構造図で斜視図

【図６】スリット形状を示す平面図

【図７】本発明の第二実施例の角速度センサの断面図

【図８】円筒支持径と支持部に発生する応力の関係を示
すグラフ

【図９】本発明の理論を説明するための状態図

【図１０】角速度検出回路構成図

【符号の説明】

１セラミックス円板２金属板３セラミックス円板４電極５電極６検出電極７検出電極６ａ引き出し電極７ａ引き出し電極８ａ引き出し電極９ａ引き出し電極８検出電極９検出電極１０電極１１電極１２支持部材１３振動ノード１４ワイヤー１４’ ワイヤーａワイヤーｂワイヤー１５回路基板１５ａ収納穴１６重錘体１７出力電圧波形１８出力電圧波形１９差動増幅回路２０電圧波形２１同期検波回路２２出力電圧波形２３直流増幅回路２４出力電圧波形２５増幅回路２６位相補正回路２７フィルター２８スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者並木智雄長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者重田利靖長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者畠山稔長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者岡田和廣埼玉県上尾市菅谷４丁目73番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円板形振動基板の上面に、上面に励振電
極を兼ねる検出電極を設け下面には少なくとも前記電極
に対向して電極を設けた円板形圧電素子を貼付し、前記
円板形振動基板の下面に、下面中央部に帰還電極を設け
上面には少なくとも該帰還電極と対向する電極を設けた
円板形圧電素子を貼付したセンサ部の中央部に重錘体を
設けたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】振動ノード部を円筒支持する円板形振動
基板の振動ノードより内側に複数個のスリットを設け、
該円板形振動基板の上面に、上面に励振電極を兼ねる検
出電極を設け下面には少なくとも前記電極に対向して電
極を設けた円板形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下
面に、下面中央部に帰還電極を設け上面には少なくとも
該帰還電極と対向する電極を設けた円板形圧電素子を貼
付したセンサ部の中央部に重錘体を設けたことを特徴と
する角速度センサ。
【請求項３】円板形振動基板の上面に、上面に帰還電
極を兼ねる検出電極を設け下面には少なくとも前記電極
に対向して電極を設けた円板形圧電素子を貼付し、前記
円板形振動基板の下面に、下面中央部に励振電極を設け
上面には少なくとも該励振電極と対向する電極を設けた
円板形圧電素子を貼付したセンサ部の中央部に重錘体を
設けたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】振動ノード部を円筒支持する円板形振動
基板の振動ノードより内側に複数個のスリットを設け、
該円板形振動基板の上面に、上面に帰還電極を兼ねる検
出電極を設け下面には少なくとも前記電極に対向して電
極を設けた円板形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下
面に、下面中央部に励振電極を設け上面には少なくとも
該励振電極と対向する電極を設けた円板形圧電素子を貼
付したセンサ部の中央部に重錘体を設けたことを特徴と
する角速度センサ。
【請求項５】センサ部を円筒支持したことを特徴とす
る請求項１または請求項３の角速度センサ。
【請求項６】円筒支持部材を２本のワイヤで吊り固定
したことを特徴とする請求項２、４または請求項５の角
速度センサ。
【請求項７】センサ部の片面に円筒支持部材、反対面
に重錘体を設けたことを特徴とする請求項７の角速度セ
ンサ。