JPH02306110A

JPH02306110A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH02306110A
Application number: JP1126968A
Authority: JP
Inventors: Jiro Terada; 二郎寺田; Mikio Nozu; 野津　幹雄; Hiroshi Senda; 千田　博史; Yasuto Osada; 長田　康人; Toshihiko Ichise; 俊彦市瀬; Takahiro Manabe; 真鍋　高広; Kazumitsu Ueda; 上田　和光; Hiroshi Takenaka; 寛竹中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1989-05-19
Publication date: 1990-12-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明はジャイロスコープなどに用いられる角速度セン
サに関するものである。

従来の技術近年、コンピュータ技術が発展し、多くの機能を有した
製品が商品化されるようになり、そのだめの各種センサ
の要求が高くなって来ている。角速度センサの応用も電
装品におけるナピゲーシコンシステム、ロボットなどの
方向探知、駆動装置のスタビライザ装置などがあり、い
ずれも小型で高性能なものがこれから必要となってくる
。

従来、ジャイロスコープを用いた慣性航法装置として、
飛行機・船舶のような移動する物体の方位を知る方法が
主に使われている。これは、安定した方位が得られるが
、機械式であるから装置が大がかりであり、コストも高
く、小型化が望まれる民生用機器への応用は困難である
。一方、回転力を使わずに物体を振動させて角速度が発
生した時に生じるコリオリの力から角速度を検出する振
動ジャイロ（特願昭５９−５５４２０号）が提案されて
いる。この振動ジャイロは音叉構造を有した振動センサ
と考えることができる。これによれば、駆動用弾性体（
励振用）と検知用弾性体の矩形板を直線的かつ直交接合
させたもので、速度（ｍ／ｓ）を持った検知用弾性体に
働くコリオリの力を検出するものである。

以下に図面を参照しながら、従来の角速度センナについ
て説明する。

第６図は従来の角速度センサと駆動回路を含めたブロッ
クダイヤグラムの構成図を示すものである。駆動用圧電
バイモルフ素子１０３，１０４と検知用圧電バイモルフ
素子１０１．１０２を検知軸に平行でかつ互いに接合部
材１０５，１０８を介して直交接合された検知用圧電バ
イモルフ素子１０１．１０２があり、この一対を駆動お
よび、駆動用圧電バイモルフ素子１０３，１０４の一端
にて支持体１０７で接合された振動素子とする。

そして、前記振動素子とペース１０９の間を１本の金属
弾性部材１０８にて支持接合し、駆動用圧電バイモルフ
素子１０３，１０４を振動させることで音叉振動をさせ
、検知用圧電バイモルフ素子１０１．１０２に角速度が
加わった場合Ｋ、角速度出力が得られる様に構成したも
のである。

次に動作回路について説明を続ける。まず、駆動用圧電
バイモルフ素子１０３へ駆動回路１１゜からの信号によ
り、駆動用圧電バイモルフ素子１０４が共振し、駆動回
路１１０とムＧＣ回路１１１と駆動モニタ回路、そして
駆動用圧電バイモルフ素子１０４，１０３とによるフィ
ードバックル−プで音叉振動を開始する。そして、駆動
用圧電バイモルフ素子１０４から得られた振幅信号を自
動利得調整回路（ムＧＯ回路）１１１をへて駆動回路へ
フィードバックし、音叉振動の振幅を一定にしている。

また、駆動用圧電バイモルフ１０３から得られる位相信
号を利用して検知用圧電バイモルフ素子１０１．１０２
から角速度信号成分を駆動モニター１１３から１駆動用
圧電バイモルフに生じた検出信号の位相信号情報の一部
を取り出し、検波回路１１５とローパスフィルり１１６
により角速度に対応した直流検出信号を検出している。

ところで、このような角速度センサは温度変化を与える
と、温度変化率に対応した熱的焦電効果により、角速度
センサの検出情報信号（オフセット出力電圧）は大きく
変動する。すなわち、同じ温度変化幅でも、ゆっくりし
たスロープの温度変化を加えた場合、角速度検出信号の
オフセット電圧の変動は小さいが、温度変化をステップ
状に加えた場合、前記オフセット電圧の変動は、第６図
のように非常に大きく変動する。すなわち、角速度セン
サとして大きな性能指数の１つである温度ドリフト（オ
フセット電圧の変動）％性に、圧電振動子の焦電効果は
大きく影響を与えるのである。

発明が解決しようとする課題従来の圧電振動子を用いた音叉型角速度センサは、温度
ドリフトの原因の１つに圧電振動子特有の焦電効果現象
がある。すなわち、圧電振動子に遠赤外線を照射すると
起電力が発生することであ°る。すなわち、従来の振動
タイプ角速度センサは高精度センサとして限界があり、
高精度化への改善が難しいとされていた。

そこで、本発明は温度変化に対するオフセット電圧変動
が小さい角速度センサを提供することにある。

課題を解決するための手段この課題を解決するための手段として本発明は、駆動用
圧電バイモルフ素子と検知用圧電バイモルフ素子とを直
交接合したものを音叉構造となるように結合して構成し
た音叉構造体を有し、この音叉構造体を１気圧未満の圧
力で気密封止したものである。

作用ところで、焦電効果とは、単位時間当りの熱的変化に対
応して、前記圧電バイモルフ材料に発生する電荷であり
、これが温度特性変化の主原因である。この焦電効果は
、圧電バイモルフを含めた音叉構造体を常圧（１気圧）
未満の圧力で気密封止することにより、気密充填ガスの
圧力が低いほど、充填ガスの分子密度が下がるため、外
周囲からの熱的伝導を押さえることができる。その結果
、圧電パイモノレフ材料に生じる不用な電荷発生を防止
することができる。。

従って、この不用な電荷発生を防止することによって、
圧電バイモルフを用いた音叉構造からなる角速度センサ
で検出じた角速度検出情報の出力信号は温度変化に対す
る依存特性が非常に優れたものとなる。

実施例以下、本発明の角速度センサの一実施例について、図面
を参照しながら説明する。

第１図、第２図に本発明の一実施例による角速度センサ
の構造を示す。まず、第２図の方より説明する。第２図
において、１，２，３．４は圧電パイモＩＬ／　７で、
あり、本実施例では、Ｐｂ（ＭｇＸＡ。

Ｎｂ％）０５　、　ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３の３成
分を主体とする圧電材料を用いた。

本実施例では、圧電バイモルフ１．２を検知用圧電バイ
モルフ、圧電バイモルフ３．４を、駆動用圧電バイモル
フと呼ぶこととする。

検知用圧電バイモルフ１．２は両面にムｇ電極が取付け
られており、寸法９Ｘ１，６Ｘ０，３５ｆｆｆｆに加工
し、そして、駆動用圧電バイモルフ３，４は寸法９Ｘ１
，６Ｘ０，５ｆｆ同様に加工する。絶縁体ジヨイント６
．６はポリアミドのプラスチックスからなり、中央部に
凹形状の溝を設けている。そして、この絶縁体ジ町イン
トロ、６の凹部に圧電バイモルフ１と３、そして２と４
を互に直交させ接着接合している。

次に、この様にして得られた圧電バイモルフの直交体（
１，ｅ５，３）・（２，６，４）の２組を導電体接合部
材７、たとえば、真鍮製ブロックの中央に穴加工を施し
、第２図のような音叉構造となるように導電接合し、音
叉構造体を構成する。

すなわち、導電体接合部材７は駆動用圧電バイモルフ３
，４の間に挿入し、それぞれの圧電バイモルフ３．４の
内面電極と電気的に導通し、かつ機械的にも接着してい
る。

次に、リード端子８，１１．１２，１３，１４゜１５．
１６は圧電パイモ／ｌ’７１　．２．３．４を電気的に
接続するためのリード端子であり、それぞれ絶縁ガラス
９．１７，１８１１９．２０，２１゜２２を介して、Ｆ
ｅを主体とした支持ベース１゜から絶縁し、かつ支持ベ
ース１ｏを貫通するように、支持ベース１ｏに取付けら
れ、外部との電気的接続用リード端子としている。又、
リード端子８の一端は、導電体接合部材７の中央の穴部
に挿入し、接着固定している。

次に、中継基板２３は、リード端子１３，１４゜１５．
１６を支持しｒ、検知用圧電バイモルフを電気的に結線
するための中継基板であシ、リード端子１３，１４，１
５．１６に取り付けている。この中継基板２３が取り付
けられた状態を第１図に示す。

ところで、前記に説明した中継基板２３はフェノールを
用い、外形寸法φ乙６．厚みＱ、（３ｆｆに加工し、リ
ード端子部が通る部分４ケ所に貫通孔を設け、その貫通
孔にリード端子１３，１４，１５゜１６を貫通きせ保持
する。

中継基板２３の保持は、前記中継基板２３の貫通孔上部
の周囲に銅箔を設け、この部分にリード端子１３，１４
，１５．１６の先端を半田付けすることにより中継基板
２３を保持固定している。

次に、検知用圧電バイモルフ１とリード端子１３．１６
とをリードワイヤ２４．２５にて結線する。結線はリー
ドワイヤ２４．２５の両端を半田付にて接合する。又、
検知用圧電バイモルフ２とリード端子１４．１５とを前
記と同様にリードワイヤ２６．２７にて結線する。結線
は、前記と同様に、リードワイヤ２６．２７の両端を半
田付にて接合する。次に駆動用圧電バイモルフ４の外側
の電極部と先端がＬ字型に曲がったリード端子１２との
間をリードワイヤ２９により半田付結線する。又、駆動
用圧電バイモμ）３は前記と同様に圧電バイモルフ３の
外側電極部とリード端子１１との間をリードワイヤ２８
により半田付結線する。そして、この様にして作成した
物をＦｅからなる有底筒状の缶ケース３ｏ内に収納し、
そして支持ベース１０と缶ケース３０の開口周縁部との
接触部をスポット電気溶接にて気密封止接合する。

そして、この気密封止する時に、缶ケース３０内部には
気密充填ガス３１を充填している。

ここで、この気密充填ガス３１として、空気；窒素につ
いて、それぞれ気密充填ガス圧を、０．１ＨＨｇ〜７６
０ｆｌＨｇまで変えて資料サンプル１４種作成した。こ
の資料サンプ／ｌ／１４種の内容を表１に示す。

（以下余白）表１この資料サンプル１４種忙ついて、第６図の動作回路を
用いて、第５図中のセンサ部分を前記資料サンプ）ｖ１
４種（資料・番号１〜１４）におのおの置き代えてセン
サのオフセット電圧の変動を調べた。なお、資料サンプ
／ｌ／１４種については、恒温槽を用いて、たとえば−
例として、温度２０’Ｃから温度３ｏ″Ｃへとセンサ外
周部の雰囲気温度を変えた。そして、この時の前記第５
図の動作回路のオフセット電圧を調べた結果を第３図、
第４図に示す。

第３図は資料サンプル１〜７、第４図は資料サンプＩし
８〜１４のそれぞれのオフセラ）１［圧を示す。

第３図、第４図の結果によると、資料サンプル１．８は
圧電バイモ／Ｉ／７を用いた音叉構造体部を１気圧の空
気又は窒素で封止した物であシ、資料サンプ／Ｌ’２．
３・・・７又は８，９・・・１４へと順次、封止のガス
圧力が低くなるに従って、センサのオフセット出力電圧
の変化値が小さくなっていることがわかる。すなわち、
センサ外周部に温度変化を与えた時、音叉構造体部を封
止するガス圧力は常圧（１気圧）より低い程オフセット
電圧の変動電圧が小さい。又、第３図、第４図の結果か
ら、充填するガスとして、空気又は窒素ガスでも同様の
効果が得られた。さらにはガス圧力として実施例では０
．ｌｆｆＨｇ以下は例示していないが、前記結果と同様
な結果が得られるものである。

発明の効果以上のように本発明によれば、圧電バイモルフを用いた
音叉構造体を１気圧以下のガス圧で気密封止することに
より、センサ外周部に温度変化を与えた場合、圧電バイ
モルフを含めた音叉構造体は、ガス密度が低いため、セ
ンサ外周部からの熱伝導が押えられ、圧電材料特有の焦
電効果によって引き起こるところのセンサのオフセット
電圧変動が大きく低減されると言う効果が得られる。又
、本発明は、気密封止ガスの圧力を１気圧より減圧して
封止することによって、外部からの音波等による振動伝
搬によるセンサへの不要信号成分によるオフセット電圧
のドリフト変動も除去できる効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による角速度センサの一部を
破断して示す斜視図、第２図は同センナの組立構造を示
す斜視図、第３図及び第４図は本発明のセンサの温度変
化に対するオフセット電圧の変化を示す特性図、第６図
は角速度センサの構成及び動作を説明するだめのブロッ
ク図、第６図は従来の角速度センサの温度変化に対する
オフセット電圧を示す特性図である。１．２・・・・・・検知用圧電バイモルフ、３，４・・
・・・・駆動用圧電バイモルフ、５．６・・・・・・絶
縁体ジヨイント、７・・・・・・導電体接合部材、１ｏ
・・・・・・支持ペース、３０・・・・・・缶ケース、
３１・・・・・・気密充填ガス。代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名１１
１５！Ｊ第２図第３図謄是ＪＩＭ（柩）第４図路ｉ博聞　（分Ｑ

Claims

【特許請求の範囲】

　駆動用圧電バイモルフ素子と検知用圧電バイモルフ素
子とを直交接合したものを音叉構造となるように結合し
て構成した音叉構造体を有し、この音叉構造体を１気圧
未満の圧力で気密封止したことを特徴とする角速度セン
サ。