JP2000337882A - 角速度センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両等における車体制御システム、ナビゲー
ションシステム等に有効な角速度センサーにおいて、比
較的安価で高感度・高検出精度が得られる角速度センサ
ーを提供すること。 【解決手段】 水晶またはセラミック等の圧電素子材１
１から角柱１１ａ，１１ｂ，１１ｃを台１２と一体に切
り出し、各角柱の側面に電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを設けて交
流電圧を印加することによりその配列方向に駆動し励振
状態とし、真中の角柱１１ｂのこの励振方向と平行な側
面電極Ｂとの間にスペーサ１５により僅かな空隙を構成
して、表面にテフロン等の高分子材等からなるエレクト
レツト材１４を設けた対向電極１３を配置し、前記空隙
間の容量変化を電気インピーダンス変換器（ＦＥＴ）に
より電圧変化としてコリオリ力を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両等における車
体制御システム、ナビゲーションシステム等に有効な角
速度を検出する角速度センサー、特にエレクトレットコ
ンデンサ型の角速度センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来の角速度センサーの構成例を
示している。図７（ａ）において、１はＵ字型の金属振
動板であり、上部にこれと直角に配置された二枚の金属
振動板２，３を有しており、各々の金属振動板２，３に
は、圧電素子１ａ，１ｂ，２ａ，３ａが接着剤等により
固定されている。４はこれらの振動板を固定支持する固
定軸であり、つまり金属振動板は音叉状態を構成してい
ることになる。

【０００３】圧電素子１ａは、この音叉を駆動（励振）
するための駆動用素子であり、交流電圧の印加により駆
動する。１ｂも駆動用に用いても良いが、一般的にはこ
の出力を利用し、振動を安定化するためのモニター用に
使用される。駆動周波数は、振幅を大きくするために、
金属振動板の共振周波数に合わせて駆動するのが一般的
であり、５のような方向に振動が得られる。６は回転検
出軸であり、図に示すような時計回り方向に回転を与え
たとすると、図７（ｂ）に示すようなコリオリ力Ｆｃが
発生し、金属振動板２，３を振動させるため、圧電素子
２ａ，３ａには各々逆相の起電力が得られることにな
る。従って、この各々の検出出力の差動をとることによ
り、角速度に比例した出力を得ることができる。一般的
にコリオリ力による出力は非常に小さいため、極力大き
な出力を得るためには、コリオリ力の発生する金属振動
板部の共振周波数を駆動部金属振動板の音叉周波数に合
わせるように構成する。なお、図７において、ωは角速
度、ｖは振動速度、ｍは振動板の質量を示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の角速度センサーにおいては次のような課題がある。 １．音叉駆動のための金属振動板とコリオリ力検出のた
めの金属振動板が同一構造体で作られてはいるが、駆動
部と検出部が同一金属振動板ではないので、各々の共振
周波数を一致させることが非常に難しく、検出感度を上
げることが困難となる。 ２．金属振動板の形状が複雑なため、高い加工精度を要
求され、コストアップおよび検出精度のバラツキはやむ
を得ない。 ３．圧電素子を金属振動板に接着剤等で固定しているの
で、その固定バラツキは大きく、検出精度・温度特性等
に影響を与え易い。 ４．検出部の金属振動板が二個あるため、振動による同
方向への変形に関しては差動で打ち消し合うが、コリオ
リ力と同等な逆方向への変形に関しては出力として検知
してしまう。従って、回転モーメントを伴う振動ノイズ
に対しては弱い欠点がある。

【０００５】本発明、上記従来の問題を解決するもの
で、比較的安価で高感度・高精度の優れた角速度センサ
ーを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明は、水晶・セラミック等の圧電素子材を角柱に
切り出して形成し、前記角柱を１個もしくは複数個（音
叉状態）直線上に圧電素子と一体もしくは別材の台上に
固定し、角柱の各側面に電極を形成し、各部電極へ交流
電圧印加により、角柱の配列方向に駆動し励振状態と
し、この励振方向と平行に位置する角柱の側面電極の１
個もしくは複数個の各電極面との間に僅かな空隙を絶縁
構成するように、表面にテフロン等の高分子材等からな
るエレクトレット材を融着等により固定した対向電極を
設け、前記空隙間の容量変化を電圧変化として取り出す
電気インビーダンス変換器（ＦＥＴ）等を介して、コリ
オリ力による出力を取り出すように構成したものであ
り、振動体が水晶・セラミック等の圧電素子自体であ
り、駆動と検出を同一振動体で構成したものである。

【０００７】以上の構成により、駆動と検出の共振周波
数を一致させることが比較的容易であり、接着剤等によ
る固定がなく、加工精度も切り出し加工のみでありハラ
ツキを抑えることが可能である。また、駆動に高いＱを
有し励振効率の良い圧電素子を用い、コリオリ力検出に
圧電素子の高いＱの振幅を変換効率が高く構成が簡単な
エレクトレットコンデンサ方式を用いているため、比較
的安価で高感度・高検出精度が得られる。振動の影響に
ついては、コリオリ方向の振動に関して多少振動ノイズ
の影響が発生し易いが、励振方向等はその影響も小さ
い。また構成上、従来品に比して共振周波数を高く設定
できるので、振動の影響も受けにくい利点を有する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
台上に角柱を１個もしくは複数個を直線上に配置した圧
電素子材と、前記角柱の各側面に設けられて、交流電圧
印加により前記角柱の配列方向に駆動し励振する電極
と、前記角柱の励振方向と平行な側面に設けられた１個
もしくは複数個の前記電極面との間に僅かな空隙を構成
するように設けられた対向電極と、前記対向電極に接続
されて、前記空隙間の容量変化を電圧変化として取り出
してコリオリ力を検出する電気インビーダンス変換器と
を備えた角速度センサーであり、駆動と検出を同一振動
体で構成しているので各共振周波数が合わせやすく、コ
リオリ力検出に圧電素子の高いＱの振幅を効率よく変換
し、かつ構成が簡単なエレクトレツトコンデンサ方式を
用いているため、比較的安価で高感度・高検出精度が得
られるという作用を有する。

【０００９】本発明の請求項２記載の発明は、前記対向
電極が、前記角柱の励振方向と平行な両方の側面にそれ
ぞれ設けられた前記複数個の電極面との間に僅かな空隙
を構成するように設けられ、前記各対向電極に接続され
た電気インピーダンス変換器による前記空隙間の容量変
化の出力を差動回路を介して取り出すことを特徴とする
請求項１記載の角速度センサーであり、コリオリ力の出
力レベルをさらに大きくできるという作用を有する。。

【００１０】本発明の請求項３記載の発明は、前記角柱
を圧電素子材からの切り出しにより形成したことを特徴
とする請求項１または２記載の角速度センサーであり、
切り出し加工のため加工精度も良くバラツキが小さいと
いう作用を有する。

【００１１】本発明の請求項４記載の発明は、金属ケー
ス内に収容されてほぼ密閉状態に保たれるとともに、前
記ケースに設けた出力端子により出力を取り出し可能と
したことを特徴とする請求項１または２または３記載の
角速度センサーであり、高い信頼性を得ることができる
という作用を有する。

【００１２】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図６を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の第１の実施の形態にお
けるエレクトレットコンデンサ型の角速度センサーの斜
視図を示し、図２は図１における側面図を示している。
本実施の形態では、圧電素子材として水晶等の単結晶圧
電素子材を用いた場合を例にとって述べるが、セラミッ
ク圧電素子等を用いた場合についても、電極の構成・回
路構成等を変えることにより同様な作用効果を得ること
ができる。

【００１３】図１および図２において、Ｘは水晶等の場
合の一般的に言う電気軸であり、この軸方向を考慮して
切り出し加工することが望ましい。１１は切り出し加工
により、三個の角柱１１ａ，１１ｂ，１１ｃを台１２と
一体に構成した圧電素子材であり、台１２は角柱ｌ１
ａ，１１ｂ，１１ｃと一体でなく、別材にて作成し固定
構成することも可能である。複数個の角柱を形成する理
由は音叉状態を作り、駆動・励振の効果を最大限に発揮
させ大きな振幅を得るためであり、例えば、１個の角柱
でも本発明に含まれるものであり、効果の大小はあるが
実用化も可能である。

【００１４】電極（斜線部）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、各角柱
ｌ１ａ，１１ｂ，１１ｃの各面に印刷・蒸着・メツキ等
により形成されており、各部電極の回路結線は後述する
図３の結線の如く、ワイヤーボンディング等を用いて取
り出し行う。１３は対向電極であり、表面にテフロン等
の高分子フィルムからなるエレクトレット材１４を融着
等により固定しており、スぺーサ１５等により各角柱の
駆動・励振方向１６と平行に位置する側面電極Ｂとの間
に僅かな空隙を絶縁構成している。台１２と対向電極１
３は何らかの方法で固定されるものである。Ｐは角柱の
重心ピッチを示すものであり、このピッチ構成によって
も共振周波数の変化・励振効率等が変化を生ずるので、
最適な寸法に設定される。

【００１５】図３は図１に示した角速度センサーにおけ
る結線を示す回路図であり、Ｒは抵抗、ＯＳＣは発振器
を示す。２１は電界方向の例であり、２２はエレクトレ
ツトコンデンサの空間容量Ｃｏが非常に小さいため、そ
のインピーダンスが非常に高いので、その電気インビー
ダンスの変換を行い電圧出力を取り出すための電気イン
ピーダンス変換器であり、例えばＦＥＴ等が使用され
る。角柱ｌ１ａと１１ｃの電極ＡとＣおよび角柱１１ｂ
の電極ＢとＤは、それぞれ発振器ＯＳＣの一端に接続さ
れ、角柱ｌ１ａと１１ｃの電極ＢとＤおよび角柱１１ｂ
の電極ＡとＣは、それぞれ発振器ＯＳＣの他端に抵抗Ｒ
を介して接続されている。対向電極１３は電気インピー
ダンス変換器２２に接続され、電気インピーダンス変換
器２２の出力とアースとの間に検出出力が取り出され
る。

【００１６】次に本実施の形態における動作について説
明する。各角柱ｌ１ａ，１１ｂ，１１ｃの各電極Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄに発振器ＯＳＣにより駆動すると、各角柱ｌ
１ａ，１１ｂ，１１ｃは、矢印１６で示す方向に振動す
る。一方、エレクトレット材１４には電荷Ｑ（本例では
マイナス）が着電されている。つまり対向電極１３と角
柱１１ａ，１１ｂ，１１ｃの電極面Ｂとの間には空間の
容量Ｃｏが形成されており、例えば角柱１１ａ，１１
ｂ，１１ｃが励振方向１６と直角な方向（コリオリ力発
生方向１７）に振動した場合、この容量に△Ｃの変化が
生じ、エレクトレットの電荷により下記の如く電圧変化
△Ｖが発生する。 △Ｖ＝Ｑ／△Ｃ つまり、エレクトレットコンデンサ型の検知方式が実現
され、この方式は変換効率が高いことが知られている。

【００１７】図４は上記のように構成した角速度センサ
ー３０を金属ケース３１内に収容した場合の斜視図であ
る。図４（ａ）は縦型、図４（ｂ）は横型の例であり、
金属ケース３１には出力端子３２等が設けられ、ほぼ密
閉状態を保つように構成されている。エレクトレット型
の欠点は水・湿気に弱く、また、小さなゴミ等を吸着す
るために信頼性を悪化する点にある。しかし、上記の如
くケース内に収容することにより、何ら問題なく動作さ
せることが可能となる。

【００１８】以上のように、本実施の形態１によれば、
圧電素子材１１から台１２とともに切り出した３個の角
柱１１ａ，１１ｂ，１１ｃを直線上に配置し、これら角
柱の各側面に設けられた電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに発振器Ｏ
ＳＣを接続して励振させるとともに、真中の角柱１１ｂ
の一側面に設けられた電極Ｂとの間に、スペーサ１５に
より僅かな空隙を構成してエレクトレット材１４を介し
て対向電極１３を配置し、この対向電極１３に電気イン
ピーダンス変換器２２を接続して、前記空隙間の容量変
化を電圧変化として取り出すことにより、コリオリ力を
検出するようにしたので、駆動と検出の共振周波数を一
致させることが比較的容易であり、接着剤等による固定
がなく、加工精度も切り出し加工のみでありハラツキを
抑えることが可能であり、かつ、駆動に高いＱを有し励
振効率の良い圧電素子を用い、コリオリ力検出に圧電素
子の高いＱの振幅を変換効率が高く構成が簡単なエレク
トレットコンデンサ方式を用いているため、比較的安価
で高感度・高検出精度が得られる。

【００１９】（実施の形態２）図５は本発明の第２の実
施の形態を示す斜視図であり、図１および図２と同一部
分は同一符号で付している。本実施の形態２が実施の形
態１と異なるのは、エレクトレット材１４を介した対向
電極１３を、真中の角柱１１ｂの励振方向と平行な両方
の電極面Ｂ，Ｄに対向して配置したことであり、図６に
示すように、電極Ｂ側に配置された対向電極１３ａに電
気インピーダンス変換器２２を接続し、電極Ｄ側に配置
された対向電極１３ｂに同様な電気インピーダンス変換
器２３を接続し、両方の電気インピーダンス変換器２
２、２３の逆位相の出力差を差動回路２４から取り出す
ようにしたものであり、コリオリ力の出力をさらに大き
く取り出すことができるという利点を有する。

【００２０】以上の各実施の形態では、角柱は１１ａ，
１１ｂ，１１ｃの三個の場合であるが、複数個の構成で
は、数・向き等により種々の構成が考えられ、コリオリ
力の出力の取り出しも一個からではなく、複数個から取
り出して合成することもできる。しかし、コスト等を含
め効率的なことを考えれば、角柱１１ａ，１１ｂ，１１
ｃにより三個音叉を構成してその真中の角柱１１ｂから
検出するのが適当と考えられる。なお、検出電極数が増
加すれば最適点を見つけることも難しくなる。実験によ
れば角柱１１ａ，１１ｂ，１１ｃのピッチＰ（重心ピッ
チ）は小さい方が励振方向とコリオリ力方向の共振周波
数が一致しやすく、また同ピッチの方が効率が良くなる
ことが分かつた。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明は、水晶・セラミッ
ク等の圧電素子材を角柱に切り出して形成し、前記角柱
を１個もしくは複数個（音叉状態）直線上に圧電素子と
一体もしくは別材の台上に固定し、角柱の各側面に電極
を形成し、各部電極へ交流電圧印加により、角柱の配列
方向に駆動し励振状態とし、この励振方向と平行に位置
する角柱の側面電極の１個もしくは複数個の各電極面と
の間に僅かな空隙を絶縁構成するように、表面にテフロ
ン等の高分子材等からなるエレクトレット材を融着等に
より固定した対向電極を設け、前記空隙間の容量変化を
電圧変化として取り出す電気インビーダンス変換器（Ｆ
ＥＴ）等を介して、コリオリ力による出力を取り出すよ
うに構成したものであり、振動体が水晶・セラミック等
の圧電素子自体であり、駆動と検出を同一振動体で構成
したので、駆動と検出の共振周波数を一致させることが
比較的容易であり、接着剤等による固定がなく、加工精
度も切り出し加工のみでありハラツキを抑えることが可
能である。また、駆動に高いＱを有し励振効率の良い圧
電素子を用い、コリオリ力検出に圧電素子の高いＱの振
幅を変換効率が高く構成が簡単なエレクトレットコンデ
ンサ方式を用いているため、比較的安価で高感度・高検
出精度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における角速度センサー
の斜視図

【図２】本発明の実施の形態１における角速度センサー
の側面図

【図３】本発明の実施の形態１における角速度センサー
の回路図

【図４】本発明による角速度センサーをケース内に収容
した（ａ）縦型の場合と（ｂ）横型の場合を示す斜視図

【図５】本発明の実施の形態２における角速度センサー
の斜視図

【図６】本発明の実施の形態２における角速度センサー
の回路図

【図７】従来例における角速度センサーの斜視図（ａ）
と動作説明図（ｂ）

【符号の説明】

１１ 圧電素子材 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ 角柱 １２ 台 １３ 対向電極 １４ エレクトレット材 １５ スペーサ １６ 駆動・励振方向 １７ コリオリ力発生方向 ２１ 電界方向 ２２、２３ 電気インピーダンス変換器 ２４ 差動回路 ３０ 角速度センサー ３１ ケース ３２ 出力端子 Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 電極 Ｐ ピッチ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 台上に角柱を１個もしくは複数個を直線
   上に配置した圧電素子材と、前記角柱の各側面に設けら
   れて、交流電圧印加により前記角柱の配列方向に駆動し
   励振する電極と、前記角柱の励振方向と平行な側面に設
   けられた１個もしくは複数個の前記電極面との間に僅か
   な空隙を構成するように設けられた対向電極と、前記対
   向電極に接続されて、前記空隙間の容量変化を電圧変化
   として取り出してコリオリ力を検出する電気インビーダ
   ンス変換器とを備えた角速度センサー。
2. 【請求項２】 前記対向電極が、前記角柱の励振方向と
   平行な両方の側面にそれぞれ設けられた前記複数個の電
   極面との間に僅かな空隙を構成するように設けられ、前
   記各対向電極に接続された電気インピーダンス変換器に
   よる前記空隙間の容量変化の出力を差動回路を介して取
   り出すことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ
   ー。
3. 【請求項３】 前記角柱を圧電素子材からの切り出しに
   より形成したことを特徴とする請求項１または２記載の
   角速度センサー。
4. 【請求項４】 金属ケース内に収容されてほぼ密閉状態
   に保たれるとともに、前記ケースに設けた出力端子によ
   り出力を取り出し可能としたことを特徴とする請求項１
   または２または３記載の角速度センサー。