JPH08271266A - 角速度センサの電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ ２軸の角速度を検出できる小型の角速度セン
サの検出感度を向上する。 ［構成］ 円状支持する円形の内側にスリットを形成し
た板状の振動体、該振動体の表面に板状の圧電素子を貼
付し、該振動体に直接又は板状の圧電素子を介して重錘
体を設けて角速度を検出する角速度センサの電極構造に
おいて、該圧電素子の中心で直交する２軸の正負方向に
各２つずつ合計８つの検出電極を形成し、２つの検出電
極の配置場所は角速度が作用したときに圧電素子に発生
する応力の正負の異なる位置とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電振動型角速度センサ
の電極構造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。また、角
速度の検出も一方向しか出来ず使い勝手の面でも問題が
有った。

【発明が解決しようとする課題】

【０００５】所謂１軸検出の角速度センサは複数の軸方
向の角速度を検出するには複数個組み合わせて使用しな
ければならない。２軸であれば２個、３軸であれば３個
である。軽薄短小化が進んでいるポータブルな製品に使
用するには都合の悪いことであった。本発明は１つの角
速度センサーで２軸の角速度を検出できる圧電振動型角
速度センサの電極構造に関し、小型化でき検出感度を向
上することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【０００６】板状の振動体、該振動体の表面に板状の圧
電素子を貼付し、該圧電素子の中心で直交する２軸の正
負方向に２つずつ合計８つの検出電極を形成し、８つの
検出電極の周囲に帰還電極を形成する。圧電素子の振動
により振動体を振動させ、角速度により生じたコリオリ
力による振動体の歪を圧電素子の歪みとして、歪みによ
り変化する電荷の発生量で角速度の大きさを検出する。

【０００７】円状支持する円形の内側にスリットを形成
した板状の振動体、該振動体の表面に板状の圧電素子を
貼付し、該振動体に直接又は板状の圧電素子を介して重
錘体を設けて角速度を検出する角速度センサの電極構造
において、該圧電素子の中心で直交する２軸の正負方向
に各２つずつ合計８つの検出電極を形成し、２つの検出
電極の配置場所は角速度が作用したときに圧電素子に発
生する応力の正負の異なる位置とする。またそれぞれの
電極で圧電素子の分極方向を逆にして圧電素子上で接続
することにより回路を簡素化する。

【０００８】本発明では、円状支持する円形の内側にス
リットを形成した板状の振動体、該振動体の表面に板状
の圧電素子を貼付し、該振動体に直接又は板状の圧電素
子を介して重錘体を設けて角速度を検出する角速度セン
サが、振動体の中心より支持部までの間で発生する応力
が反転していることが分析されたことで本発明が完成す
るに至った。

【実施例】

【０００９】図２は本発明による角速度センサを上面側
から見た分解斜視図である。図３は下面側から見た分解
斜視図である。

【００１０】板状の振動体１の中央部には振動体１が容
易に変形するように複数の溝又は凹部１１が形成してあ
る。板状の圧電素子２の下面には８つの検出用電極５ａ
〜５ｈと帰還電極４が形成される。圧電素子の面上中心
で直交する２軸（Ｘ、Ｙ）の正負方向に２つずつ合計８
つの検出電極５ａ〜５ｈを円筒状支持部材１０の内側
に、且つ中央に円状部を残して同心円状に形成し、円筒
状支持部材１０の外側と前記中央の円状部に帰還電極４
を形成した。さらに重錘体９が貼付されている。重錘体
９はコリオリ力の作用を感度良く検出するためのもので
ある。板状圧電素子２の上面には電極６が形成される。
板状の圧電素子３の下面には電極７が形成され、上面に
は励振電極８が形成される。

【００１１】図４は本発明の基礎と成る角速度センサの
応力発生の分布を示す図。図５は本発明の電極構造と圧
電素子の分極方向を示す模式図。図６は本発明による角
速度センサにより角速度を電圧信号として検出するため
の回路でブロック図。図７は本発明の角速度センサの電
極構造の他の実施例で正面図。

【００１２】図４は本発明の角速度センサに角速度が作
用した時に圧電素子に発生する応力分布を示すもので縦
軸に応力、横軸に圧電素子の中心から外周までの寸法を
示している。半径Ｒの圧電素子の中心部に直径０．１５
Ｒの重錘体を設け、直径１．２Ｒの円筒状支持部材で支
持した場合の応力分布である。図からわかるように０．
４Ｒ付近で応力が反転している。支持部の外側と重錘体
の中央部では殆ど応力が発生していない。

【００１３】図５は図４により解析された結果から圧電
素子に形成した電極形状と分極方向を示す図で正面図と
断面図。支持部の内側で応力の反転する境界Ａの両側に
検出電極を設ける。合計で８つの検出電極１５ａ〜１５
ｈのうち、Ｘ軸、Ｙ軸の正負方向で境界Ａをはさんでそ
れぞれ対になっている電極部は圧電素子の分極が逆に施
されており、細い電極で接続してある。対の電極を圧電
素子上で接続しているので後述する角速度検出回路が簡
素化できる。説明の便宜上電極部に＋としているのは圧
電素子に＋の応力が発生したときに＋の電荷が発生し、
電極部に−としているのは圧電素子に−の応力が発生し
たときに＋の電荷が発生することを示している。境界
Ａ、支持部を図５に合わせた電極構造にすると＋の電極
部で＋の電荷が発生し、−の電極部でも＋の電荷が発生
するのでお互いを接続することで大きな＋の電荷が発生
し角速度の検出効率が上がる。

【００１４】図７は本発明の角速度センサの電極構造の
他の実施例で正面図。図３に示した電極構造である。検
出電極の配置は前述の実施例と同じであるが、圧電素子
の分極方向は境界Ａの両側で同じにしてあり、対の検出
電極は接続されていない。

【００１５】図６は図７の電極構造と分極方位から発生
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
じ信号処理するのでＸ軸方向にコリオリ力が発生した場
合を例にとり説明する（Ｙ軸の回りに回転角速度が作用
した場合）。検出電極５ｂ、５ｃはインピーダンス変換
回路１８、検出電極５ａ、５ｄはインピーダンス変換回
路１８’に接続され、インピーダンス変換回路１８、１
８’の出力は差動増幅回路１４に接続されている。

【００１６】増幅回路１２、位相補正回路１３を介して
駆動信号を印加してセンサ部を励振する。８つの検出電
極５ａ〜５ｈは同方向に分極されているので、出力する
信号は同位相のものになるよう５ａと５ｄ、５ｂと５ｃ
を接続している。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、電圧出力に差が生じ
る。差動増幅回路１４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のみ取りだ
すことが出来る。このコリオリ力によって発生した電圧
を同期検波回路１９によって半波整流し、フィルター１
６を通した後出力信号が得られる。この出力電圧を直流
増幅回路１７によって平滑して回転角速度に比例した出
力電圧が得られる。

【００１７】図３、図４を参照して本発明を詳細に説明
する。Ｙ軸の回りに角速度が作用するとＸ軸方向にコリ
オリの力が作用し重錘体９の重心がＸ軸方向に移動す
る。重錘体９は一端がセンサ部に固定されているので固
定部には重錘体９により回転モーメントが加わりセンサ
部は変形する。円筒状支持部材１０で固定されているセ
ンサ部は、円筒状支持部材１０の内径より内側に歪が発
生し外側には殆ど発生しない。特に本実施例で採用して
いるように振動体の中央部に溝又は凹部１１を形成して
いる場合は円筒状支持部材１０の内径より内側の歪によ
り特性が決まるとも言える。但し、重錘体９の一端面が
固定されている中央部分は殆ど歪まない。また圧電素子
の中心部より０．４Ｒ近傍で応力の正負が反転する。よ
って、検出用電極は円筒状支持部材の内径より内側に、
且つ重錘体の固定される中央部を除いて形成するのが良
いが、応力の反転している部分を一緒の電極にすると発
生する電荷が相殺されてしまう。

【００１８】そのため、応力の反転する部分では分極方
向を変えて同じ電荷が発生するようにして接続するか、
分極方向は変えず同じ電荷の発生する電極部同志を接続
することで発生する電荷を角速度検出に有効に活用する
と良い。

【００１９】分極方向を揃えて製造するのは分極工程が
一度ですみセンサの製造は容易になるが電極と回路の接
続が複雑になり、分極を逆にして圧電素子上で電極を接
続するのは分極工程が２度になるが検出回路は簡素化で
きるという長所を持つ。

【００２０】

【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 検出電極を応力発生分布にあわせて設けたので角速
度の検出感度が向上する。２ 対の検出電極の分極方向
を逆にして圧電素子上で接続したので確実な接続が
でき、回路と電極の接続が減少し信頼性が増した。

【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】本発明に係る角速度センサを斜め上から見た分
解斜視図

【図３】本発明に係る角速度センサを斜め下から見た分
解斜視図

【図４】応力発生分布図。

【図５】本発明の電極構造と圧電素子の分極方向を示す
図で平面図と断面図

【図６】角速度検出回路のブロック図

【図７】本発明の電極構造と圧電素子の分極方向を示す
図で平面図と断面図

【符号の説明】

１ 振動体 ２ 圧電素子 ３ 圧電素子 ４ 帰還電極 ５ａ〜５ｈ 検出電極 ６ 電極 ７ 電極 ８ 励振電極 ９ 重錘体 １０ 円筒状支持部材 １１ 溝 １２ 増幅器 １３ 位相補正回路 １４ 差動増幅回路 １５ａ〜１５ｈ 検出電極 １６ フィルター １７ 直流増幅回路 １８ インピーダンス変換回路 １８’ インピーダンス変換回路 １９ 同期検波回路

───────────────────────────────────────────────────── 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円状支持する円形の内側にスリットを形
   成した板状の振動体、該振動体の表面に板状の圧電素子
   を貼付し、該振動体に直接又は板状の圧電素子を介して
   重錘体を設けて角速度を検出する角速度センサの電極構
   造において、該圧電素子の中心で直交する２軸の正負方
   向に各２つずつ合計８つの検出電極を形成し、２つの検
   出電極の配置場所は角速度が作用したときに圧電素子に
   発生する応力の正負の異なる位置としたことを特徴とす
   る角速度センサの電極構造。
2. 【請求項２】 ２つの電極部の圧電素子の分極方向を逆
   にしたことを特徴とする請求項１の角速度センサの電極
   構造。
3. 【請求項３】 ２つの電極を接続したことを特徴とする
   請求項２の角速度センサの電極構造。