JPH10160480A

JPH10160480A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH10160480A
Application number: JP8332969A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Terao; 博明寺尾; Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Tomoo Namiki; 智雄並木; Minoru Hatakeyama; 稔畠山; Kazutoyo Ichikawa; 和豊市川; Yoshiya Okada; 恵也岡田; Masato Handa; 正人半田
Original assignee: Miyota KK; Miyota Co Ltd
Current assignee: Miyota KK; Miyota Co Ltd
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】２軸の角速度の検出ができる小型軽量で検
出感度、検出精度ともに高い角速度センサを得る。【解決手段】板状の振動体と、少なくとも励振用電極お
よび検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両面
に貼付される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持す
る支持部材とを有する角速度センサにおいて、該振動体
のベンディング振動のノード部近傍に溝を形成するとと
もに該支持部材は該溝を支持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電振動型角速度セ
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、振動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振動特性の不一
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。

【０００５】一つの角速度センサで２軸回りの角速度を
検出できるものが望まれていた。（以下、２軸回りの角
速度を検出できる角速度センサを２軸角速度センサと呼
ぶ。）この要望に応えるものとして、振動体の表面に圧
電素子（以下、圧電効果を示す材料を総称して圧電素子
という。）を貼付して角速度により圧電素子が変形する
ことで変化する電荷の量を測定して角速度を検出するセ
ンサが開発された。図２はその角速度センサを斜め上か
ら見た分解斜視図である。図３は同じ角速度センサを斜
め下から見た分解斜視図である。振動体１の上面には、
下面に電極６を設け上面に４つの励振電極を兼ねる検出
電極５を設けた圧電素子２が貼付されている。振動体１
の下面には、上面に電極７を設け下面に帰還電極８を設
けた圧電素子３が貼付されている。帰還電極８の下面に
は重錘体９が貼付されセンサ部が構成されている。セン
サ部は円筒状支持部材１０によりベンディング振動のノ
ード部４を固定されている。

【０００６】電極６と振動体１は電気的に接続されて接
着されているので、振動体１と励振電極を兼ねる検出電
極５に交流をかけると圧電素子２が振動し振動体１も一
緒に振動する。４つの励振電極を兼ねる検出電極５は円
筒状支持部材１０の内径より内側に設けてある。円筒状
支持部材１０は図の如く２ヵ所をＬ字型をしたワイヤー
１１で固定し、ワイヤー１１の他端を基板に固定するも
のである。

【０００７】角速度センサに角速度が作用するとコリオ
リ力により重錘体９が移動することでセンサ部が変形し
４つの検出電極５に電荷が発生する。４つの検出電極５
に発生する電荷の量により角速度の方向と強さが検出で
きる。

【０００８】振動体１を含む平面の中心に原点を定め、
同平面上にＸ軸、同平面上でＸ軸に直交するＹ軸、Ｘ
軸、Ｙ軸に直交するＺ軸を設定する。振動モードは何種
類も存在するが、角速度センサとして用いる振動モード
は、図４、図５に示すように重錘体９が縦方向に振れる
Ｚ軸方向（縦方向）の振動モードと、図６、図７に示す
ように重錘体９が横方向に振れるＸ、Ｙ軸方向（横方
向）の振動モードを用いる。

【０００９】図４はＺ軸方向の振動モードを示した断面
図でＺ軸プラス方向に振れている状態を示している。図
５はＺ軸方向の振動モードを示した断面図でＺ軸マイナ
ス方向に振れている状態を示している。Ｚ軸方向の振動
モードにおける共振周波数をＺ軸方向の共振周波数と言
う。Ｚ軸方向の振動モードは駆動（励振）モードとして
用いられる。ノード部４は図の如く振動体１の内部に存
在する。この従来例はノード部４を円筒状支持部材１０
で間接的に支持している。

【００１０】図６はＸ軸方向の振動モードを示した断面
図でＸ軸プラス方向に振れている状態を示している。図
７はＸ軸方向の振動モードを示した断面図でＸ軸マイナ
ス方向に振れている状態を示している。Ｙ軸に関しても
同様であるのでＸ軸方向のみを図示した。Ｘ、Ｙ軸方向
の振動モードにおける共振周波数を重錘体の共振周波数
と言う。Ｘ、Ｙ軸方向の振動モードは検出モードとして
用いられる。一般的に、共振型角速度センサでは駆動モ
ードと検出モードの共振周波数が近いと検出感度が高く
なる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】共振型角速度センサの
場合、検出感度を上げるためには、前述したように、駆
動（励振）モードと検出モードの共振周波数を、たとえ
ば重錘体にレーザ光を照射しトリミングする方法で近く
するとよい。その前提として、機械的品質係数（Ｑｍ）
はある程度高く設定する必要がある。機械的品質係数
（Ｑｍ）が高すぎると応答速度が遅くなるという問題も
あるが、ある程度高い場合は振動姿態が安定し検出感度
は上がる。逆に、機械的品質係数（Ｑｍ）が低ければ駆
動モードはもちろん、検出モードにおいても共振の強さ
が小さくなり、圧電素子に十分な変形を与えることがで
きない。従って、検出電極より得られる発生電荷が少な
くなり、検出感度は低下することになる。従来例では、
円筒状支持部材１０が、センサ部のノード部を圧電素子
３を介して間接的に支持しているため、励振時に円筒状
支持部材１０も周期的に変形する。それゆえ機械的品質
係数（Ｑｍ）は支持する前に比べて低くなる。加えて組
立誤差が大きい場合は、ノード部からさらにはずれた部
分を支持することとなり機械的品質係数（Ｑｍ）は著し
く低下する。また、検出精度を上げるためには振動姿態
を安定化させる必要がある。

【００１２】

【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、軽量で
検出感度、検出精度の高い角速度センサを提供する。

【００１３】板状の振動体と、少なくとも励振用電極お
よび検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両面
に貼付される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持す
る支持部材とを有する角速度センサにおいて、該振動体
のベンディング振動のノード部近傍に溝を形成するとと
もに該支持部材は該溝を支持するようにする。このよう
な構成をとることでノード部を支持部材がほぼ直接支持
することができ、振動姿態を安定させ、機械的品質係数
（Ｑｍ）の低下を抑えることができる。これにより検出
感度、検出精度ともに向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明を図面に基き詳細に説明す
る。図８は本発明の第一実施例で上面図である。図９は
本発明の第一実施例で正面断面図である。図８、図９の
如くＸＹＺ三次元直交座標系を設定する。振動体２１を
含む平面の面上中心に原点２２を定め、同平面上にＸ
軸、同平面上でＸ軸に直交するＹ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に直交
するＺ軸を設定する。振動体２１の上面には、円板状の
圧電素子２３が、その面上中心と原点２２とが一致する
ように貼付されている。圧電素子２３の上面には４つの
扇型をした励振電極を兼ねる検出電極２４と略十字型を
した帰還電極２５がノード部２６の付近から内側に設け
られている。４つの励振電極を兼ねる検出電極２４はＸ
軸、Ｙ軸上に配置され、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対して線対
称に形成されている。略十字型をした帰還電極２５もＸ
軸、Ｙ軸に対して略対称に形成されている。圧電素子２
３の下面には原点２２を中心とし４つの励振電極を兼ね
る検出電極２４の外形よりやや大きい円形をした電極２
７が設けられている。

【００１５】振動体２１の下面には重錘体２８が貼付さ
れ、重錘体２８の中心軸はＺ軸と一致している。ここで
重錘体２８は、２つの円柱を中心軸を一致させて重ね合
わせた形状に形成されている。第一実施例では重錘体に
円柱を組み合わせた形状のものを用いたが、その中心軸
上に重心があるように形成されていれば形状は問わな
い。しかしながら、簡単に精度よく加工するには円柱ま
たは円柱を組み合わせた形状のものが好ましい。固定方
法は溶接等でもかまわない。振動体２１と圧電素子２３
と重錘体２８とでセンサ部２０が構成される。振動体２
１には、ノード部２６近傍にコの字型をした溝２１ａが
設けられている。センサ部２０の形状によりノード部２
６の位置が異なるため、センサ部２０の形状により溝２
１ａの形状は決定される。円筒状支持部材２９は溝２１
ａを支持している。円筒状支持部材２９の固定方法は接
着剤を用いたが、溶接等でもかまわない。また、接着剤
は溝２１ａに充填されていてもかまわない。ここで、た
とえば弾性接着剤を用いると振動漏れを軽減することが
できる。溝２１ａはノード部２６を円筒状支持部材２９
が直接支持できる位置に形成するのがもっとも好まし
い。実際には加工誤差、組立誤差により、ノード部２６
の位置は微妙に変化し、円筒状支持部材２９がノード部
２６を直接支持することは難しいが、溝２１ａがノード
部に近ければ近いほど円筒状支持部材２９に漏れる振動
が少なくなり、振動姿態が安定する。

【００１６】振動体２１は恒弾性材料としてエリンバ材
を用い、圧電素子２３はＰＺＴを用いた。振動体２１と
圧電素子２３はエポキシ系の接着剤を用いて接着した。
圧電素子２３の平面上に蒸着によりＡｇ−Ｃｒ、あるい
はＮｉ−Ｃｒ等の合金の薄膜にて電極を形成した。電極
形成は、スパッタ、スクリーン印刷などの方法を用いて
もかまわない。重錘体２８と円筒状支持部材２９はエリ
ンバ材を用いた。材質は所定の機能を満たすものであれ
ば、これに限定されるものではない。

【００１７】電極２７と振動体２１は電気的に接続され
て接着されているので、振動体２１と４つの励振電極を
兼ねる検出電極２４に交流をかけると、圧電素子２３
は、径方向に伸縮することにより振動体２１と一緒にＺ
軸方向に振動する。円筒状支持部材２９で支持してお
り、４つの励振用電極を兼ねる検出電極２４は円筒状支
持部材２９の内径付近から内側に設けてある。

【００１８】角速度センサに角速度が作用するとコリオ
リ力により重錘体２８が移動することでセンサ部２０が
変形し４つの励振電極を兼ねる検出電極２４に電荷が発
生する。４つの励振電極を兼ねる検出電極２４に発生す
る電荷の量により角速度の方向と大きさが検出できる。

【００１９】図１０は本発明の第二実施例で上面図であ
る。図１１は本発明の第二実施例で正面断面図である。
第一実施例は圧電素子を１枚用いたが、第二実施例は圧
電素子を２枚用いてセンサ部を構成したものである。

【００２０】図１０、図１１の如くＸＹＺ三次元直交座
標系を設定する。振動体４１を含む平面の面上中心に原
点４２を定め、同平面上にＸ軸、同平面上でＸ軸に直交
するＹ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸を設定する。振動
体４１の上面には、円板状の圧電素子４３が、その面上
中心と原点４２とが一致するように貼付されている。圧
電素子４３の上面には４つの扇型をした検出電極４４と
略十字型をした帰還電極４５がノード部４６の付近から
内側に設けられている。４つの検出電極４４はＸ軸、Ｙ
軸上で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対して線対称に形成されて
いる。略十字型をした帰還電極２５もＸ軸、Ｙ軸に対し
て略対称に形成されている。圧電素子４３の下面には原
点４２を中心とし４つの検出電極４４の外形よりやや大
きい円形をした電極４７が設けられている。

【００２１】振動体４１の下面には、後述する円筒状支
持部材５２の内径より径の小さい円板状で、かつ、中心
部分に貫通穴を設けたドーナツ状の圧電素子４８が、そ
の面上中心と原点４２と一致するように貼付されてい
る。圧電素子４８の上面には、その面上中心を中心とす
る円環形状をした電極４９が設けられている。圧電素子
４８の下面には、その面上中心を中心とする円環形状を
した励振電極５０が設けられている。さらに、振動体４
１の下面には重錘体５１が貼付され、重錘体５１の中心
軸はＺ軸と一致している。ここで重錘体５１は、２つの
円柱５１ａと５１ｂの中心軸を一致させて重ね合わせた
形状に形成されている。また、圧電素子４８の貫通穴は
円柱５１ａの径より大きく形成されている。第二実施例
でも重錘体に円柱を組み合わせた形状のものを用いた
が、第一実施例で述べたように、その中心軸上に重心が
あるように形成されていれば形状は問わない。固定方法
は溶接等でもかまわない。振動体４１と圧電素子４３、
４８と重錘体５１とでセンサ部４０が構成される。振動
体４１には、ノード部４６近傍にコの字型をした溝４１
ａが設けられている。センサ部４０の形状によりノード
部４６の位置が異なるため、センサ部４０の形状により
溝４１ａの形状は決定される。円筒状支持部材５２は溝
４１ａを支持している。支持方法は接着剤を用いたが、
溶接等でもかまわない。また、接着剤は溝４１ａに充填
されていてもかまわない。ここで、たとえば弾性接着剤
を用いると振動漏れを軽減することができる。溝４１ａ
はノード部４６を円筒状支持部材５２が直接支持できる
位置に形成するのがもっとも好ましい。実際には加工誤
差、組立誤差により、ノード部４６の位置は微妙に変化
し、円筒状支持部材５２がノード部４６を直接支持する
ことは難しいが、溝４１ａがノード部に近ければ近いほ
ど円筒状支持部材５２に漏れる振動が少なくなり、振動
姿態が安定する。

【００２２】振動体４１は恒弾性材料としてエリンバ材
を用い、圧電素子４３、４８はＰＺＴを用いた。振動体
４１と圧電素子４３、４８はエポキシ系の接着剤を用い
て接着した。圧電素子４３、４８の平面上に蒸着により
Ａｇ−Ｃｒ、あるいはＮｉ−Ｃｒ等の合金の薄膜にて電
極を形成した。電極形成は、スパッタ、スクリーン印刷
などの方法を用いてもかまわない。重錘体５１と円筒状
支持部材５２はエリンバ材を用いた。材質は所定の機能
を満たすものであれば、これに限定されるものではな
い。

【００２３】電極４９と振動体４１は電気的に接続され
て接着されているので、振動体４１と励振電極５０に交
流をかけると、圧電素子４８は、径方向に伸縮すること
により振動体４１と一緒にＺ軸方向に振動する。円筒状
支持部材５２で支持しており、４つの検出電極４４は円
筒状支持部材５２の内径付近から内側に設けてある。

【００２４】角速度センサに角速度が作用するとコリオ
リ力により重錘体５１が移動することでセンサ部４０が
変形し４つの検出電極４４に電荷が発生する。４つの検
出電極４４に発生する電荷の量により角速度の方向と大
きさが検出できる。

【００２５】

【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振動体に溝を設け、該溝を支持することで、ノード
部を支持部材がほぼ直接支持することができ振動姿態が
安定する。２機械的品質係数（Ｑｍ）の低下を抑えることができ
る。３検出感度、検出精度ともに向上する。

【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】本発明に係る角速度センサの従来例を斜め上か
ら見た分解斜視図。

【図３】本発明に係る角速度センサの従来例を斜め下か
ら見た分解斜視図。

【図４】本発明に係る角速度センサの従来例のＺ軸方向
の振動モードを示した断面図。

【図５】本発明に係る角速度センサの従来例のＺ軸方向
の振動モードを示した断面図。

【図６】本発明に係る角速度センサの従来例のＸ、Ｙ軸
方向の振動モードを示した断面図。

【図７】本発明に係る角速度センサの従来例のＸ、Ｙ軸
方向の振動モードを示した断面図。

【図８】本発明に係る角速度センサの第一実施例で上面
図。

【図９】本発明に係る角速度センサの第一実施例で正面
断面図。

【図１０】本発明に係る角速度センサの第二実施例で上
面図。

【図１１】本発明に係る角速度センサの第二実施例で正
面断面図。

【符号の説明】

１振動体２圧電素子３圧電素子４ノード部５励振電極を兼ねる検出電極６電極７電極８帰還電極９重錘体１０円筒状支持部材１１ワイヤー２０センサ部２１振動体２１ａ溝２２原点２３圧電素子２４励振電極を兼ねる検出電極２５帰還電極２６ノード部２７電極２８重錘体２９円筒状支持部材４０センサ部４１振動体４１ａ溝４２原点４３圧電素子４４検出電極４５帰還電極４６ノード部４７電極４８圧電素子４９電極５０励振電極５１重錘体５１ａ円柱５１ｂ円柱５２円筒状支持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者市川和豊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)発明者岡田恵也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)発明者半田正人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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の振動体と、少なくとも励振用電極
および検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両
面に貼付される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持
する支持部材とを有する角速度センサにおいて、該振動
体のベンディング振動のノード部近傍に溝を形成すると
ともに該支持部材は該溝を支持することを特徴とする角
速度センサ。