JPH04216409A

JPH04216409A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH04216409A
Application number: JP2403076A
Authority: JP
Inventors: Jiro Terada; 二郎寺田; Kazumitsu Ueda; 上田　和光; Hiroshi Takenaka; 寛竹中; Toshihiko Ichise; 俊彦市瀬
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-12-18
Filing date: 1990-12-18
Publication date: 1992-08-06
Also published as: US5216315A

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】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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、そのた
めの各種センサの要求が高くなってきている。角速度セ
ンサの応用も電装品におけるナビゲーションシステム，
ロボットなどの方向探知、駆動装置のスタピライザ装置
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。

【０００３】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とき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。

【０００４】以下に図面を参照しながら、従来の角速度
センサについて説明する。図７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１０５，１０６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、前記振動素子とベース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に、角速度出力が得られ
るように構成したものである。

【０００５】つぎ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１１０
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ＡＧＣ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１０４，１０
３とによるフィードバックルー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（ＡＧＣ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。

【０００６】また、駆動用圧電バイモルフ素子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
パスフィルタ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、圧電バイモルフ素子に自己バイアスが印加
されたことになり、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）特性に、圧電振動子の焦電
効果は大きく影響を与えるのである。

【０００７】

【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熱膨張による効果や焦電効果現象が
ある。そして、機械的強度が低い、圧電振動子に遠赤外
線照射や温度変化を与えると起電力が発生する。すなわ
ち、従来の振動タイプ角速度センサは、この温度ドリフ
トのため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。

【０００８】本発明は、上記課題に留意し、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
しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、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、この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を振動方向が直交するよう積み
上げて接合する第１の接合部材と、前記接合された素子
の一対を音叉構造に接合する第２の接合部材とを具備し
、駆動用圧電バイモルフ素子と検知用圧電バイモルフ素
子の少なくともいずれか一方が圧電体の分極方向が同一
となるように恒弾性導電体と中間電極とを介して２枚貼
り合わせた圧電バイモルフ素子であるとともに、この２
枚貼り合わせた圧電バイモルフ素子の両面にある両側電
極を電気的に接続したものであり、その接続方法は導電
性ペイントなど圧電素子表面に導電路を形成する導電性
膜電極構造で電気的接続を行うのである。

【００１０】また、圧電バイモルフ素子の両側電極の片
方の一部を分割し、電気的に独立した小電極を設け、こ
の小電極を圧電バイモルフ素子の恒弾性導電体と中間電
極とを、上記導電性電極で電気的に接続することにより
、駆動用圧電バイモルフ素子としては駆動用の電極とし
て用い、検知用圧電バイモルフ素子においては検知信号
の出力電極として用いるものである。

【００１１】

【作用】従来の角速度センサの課題であるオフセット電
圧の変動の原因は圧電素子と恒弾性導電体と熱膨張効果
と焦電効果であるが、この焦電効果とは、単位時間当り
熱的変化に対応して圧電バイモルフ材料に発生する電荷
と、さらに、熱膨張差による応力で発生する電荷であり
、この電荷により発生する電圧がオフセット電圧の温度
特性変化をもたらすのである。そこで圧電体を同一分極
方向で中間電極を介して２枚貼り合わせ、かつ外側面に
設けてなる両電極間を導電性膜で形成する電極で接続し
、また２枚の圧電体に設けたおのおのの電極の面積をほ
ぼ同等にすることにより、２枚の圧電体より発生した電
荷量はほぼ同等にすることができるので、電荷は相殺し
、中和される。

【００１２】さらに、圧電素子と、恒弾性体との熱膨張
差による歪によって生じる電荷とで、さらに、中和され
、その結果、不要な電荷発生を防ぐことができる。また
、駆動時の振動も、左右対称性が保てるので振動の振幅
を安定させることができる。

【００１３】したがって、この不要な電荷発生の防止と
安定した振幅の振動によって、この構成の圧電バイモル
フ素子を用いた音叉構造からなる角速度センサで検出し
た角速度検出情報の出力信号は、温度変化に対し、安定
した特性が得られ非常に優れたものとなる。

【００１４】また、圧電バイモルフ素子の両側電極の片
方の一部を分割した小電極と中間電極を、導電性膜で形
成する電極で電気的接続を行うとともに、入出力用の電
極として用いることにより、駆動用圧電バイモルフ素子
においては駆動用電極となり、検知用圧電バイモルフ素
子においては、信号検出用電極となる。

【００１５】駆動用電極は圧電バイモルフ素子の中間電
極に接続されているので、中間電極と両側電極間に駆動
電圧を印加することになり、低電圧で駆動できる。検知
用圧電バイモルフ素子の信号検出用電極を設けることに
より、中間電極部に発生する焦電効果による電荷が放電
され、影響を少なくする。

【００１６】

【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。

【００１７】図１に示すように、圧電バイモルフ素子１
，２，３，４で角速度センサが構成されている。また、
本実施例では、この圧電バイモルフ素子１，２，３，４
にはＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３，ＰｂＴｉＯ３
，ＰｂＺｒＯ３の３成分を主体とする圧電セラミック材
料を用いている。

【００１８】本実施例では、圧電バイモルフ素子１，２
を検知用圧電バイモルフ素子、圧電バイモルフ素子３，
４を駆動用圧電バイモルフ素子で構成している。

【００１９】検知用圧電バイモルフ素子１，２は、図２
（ａ）のように、外形寸法９×１．６×０．３５ｍｍと
なるように加工し、両側電極と中間電極である電極１ａ
には材料はＡｇを用い、検知用圧電セラミック１ｂを恒
弾性体１ｃを中間に介して２枚貼り合わせて、かつ、圧
電素子の分極方向は同一方向とする。そして圧電バイモ
ルフ素子３，４は、図２（ｂ）に示すように、外形寸法
９×１．６×０．５ｍｍとなるように加工し、検知用と
同様に、電極１ｄにはＡｇを用い、駆動用圧電セラミッ
ク１ｅを恒弾性導電体１ｆを中間に介して２枚貼り合わ
せてかつ、圧電素子の分極方向は同一方向とする。尚、
図２（ａ），（ｂ）の図中の矢印の方向は分極の方向を
示し、恒弾性導電体はＦｅ・Ｎｉの合金を用いた。そし
て、電極１ａ，１ｄは、圧電素子の電極の片面のみが一
部分割された構成で、電気的には不導通である。つぎに
、検知用圧電バイモルフ素子は、図３（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ）のように圧電バイモルフ素子側面にＡｇ
またはＣｕ導電性ペーストを塗布し、導通電極１ｇとし
た。これにより圧電バイモルフ素子の中央部の挟まれた
電極（以下、中間電極と呼ぶ）と一部分割された電極と
を電気的接続される。これは検知出力用の電極である。一方バイモルフ先端部の中間電極部は絶縁体であるエポ
キシ系樹脂１ｈを用いて絶縁し、この絶縁体を介して圧
電バイモルフ素子の外面両電極間をＡｇまたはＣｕ導電
性ペーストで塗布し、外の両側電極間を電気接続する導
通電極１ｉとしている。これで検知用圧電バイモルフ素
子１，２が完成する。

【００２０】また駆動用圧電バイモルフ素子は図４（ａ
），（ｂ），（ｃ），（ｄ）のように圧電バイモルフ素
子端側面にＡｇまたはＣｕの導電性ペーストを塗布し、
導通電極１ｊとした。これにより圧電バイモルフ素子の
中間電極と一部分割された電極とを接続している。この電極は駆動用電極である。一方圧電バイモルフ素子
先端部より、中央寄り側面部には絶縁体のエポキシ系樹
脂１ｋを用いて絶縁し、この絶縁体を介して圧電バイモ
ルフの外面両電極間にＡｇまたはＣｕ導電性ペーストを
塗布し、外の両側電極間を電気接続する導通電極１ｌと
している。これで検知用圧電バイモルフ素子３，４が完
成する。

【００２１】つぎに、このようにして得た圧電バイモル
フ素子１，２，３，４は、図５のように構成する。第１
の接合部材である絶縁体ジョイント５，６はポリアミド
のプラスチックからなり、中央部の凹形状の溝を設けて
いる。そして、この絶縁体ジョイント５，６の凹部に圧
電バイモルフ１と圧電バイモルフ３、そして圧電バイモ
ルフ２と圧電バイモルフ４をそれぞれ互いに直交させ接
着接合している。

【００２２】つぎに、このようにして得られた圧電バイ
モルフ素子の直交体の２組を第２の接合部材である導電
体接合部材７（たとえば、真鍮製ブロックの中央に穴加
工を施した部材）で、図５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素子３，４の間に
挿入し、それぞれの圧電バイモルフ素子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。

【００２３】つぎに、リード端子８，１１，１２，１３
，１４，１５，１６は圧電バイモルフ素子１，２，３，
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９，１７，１８，１９，２０，２１，２２
を介して、Ｆｅを主体とした支持ベース１０から絶縁し
、かつ支持ベース１０を貫通するように、支持ベース１
０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。また、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。

【００２４】つぎに、中継基板２３は、リード端子１３
，１４，１５，１６を支持し、検知用圧電バイモルフ素
子１，２を電気的に結線するための中継基板２３であり
、リード端子１３，１４，１５，１６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図１に示す
。

【００２５】中継基板２３はフェノールを用い、外形寸
法φ７．０，厚み０．６ｍｍに加工し、リード端子部が
通る部分４ヶ所に貫通孔を設け、その貫通孔にリード端
子１３，１４，１５，１６を貫通させ保持する。

【００２６】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。

【００２７】つぎに、検知用圧電バイモルフ素子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。なお、リードワイヤ２４は検知用圧電バ
イモルフ素子１上に設けられた導通電極１ｇに接続され
、検知信号出力を得る。また、検知用圧電バイモルフ素
子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。なお、リードワイヤ２６は検知用圧電バイモルフ素子１
と同様に検知用圧電バイモルフ素子２上に設けられた導
通電極１ｇに接続される。つぎに駆動用圧電バイモルフ
素子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。このリードワイヤ２９が接続されるのは、駆動用圧
電バイモルフ素子４の上に設けられた導通電極１ｊに接
続され、駆動電圧が加えられる。この導通電極１ｊは駆
動用圧電バイモルフ素子４の中間電極に接続されている
ので、駆動電圧は中間電極と両外側電極に加えられるこ
とになるので低い電圧で駆動することができる。また、
駆動用圧電バイモルフ素子３は前記と同様に圧電バイモ
ルフ素子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、このよう
にして作成したものをＦｅからなる有底筒状の缶ケース
３０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。

【００２８】そして、この気密封止するときに、缶ケー
ス３０内部には気密充填ガス３１を充填している。

【００２９】つぎに、このように構成した実施例の圧電
バイモルフ素子１，２，３，４を用いた角速度センサの
特性について以下に説明する。

【００３０】本実施例の特性チェックのため資料サンプ
ルを４種作成した。この資料サンプル４種の内容を（表
１）に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】この資料サンプル４種の角速度センサの特
性チェックのため、図７の動作回路を用いた。図７中の
センサ部分を（表１）に示す資料サンプル４種（資料記
号Ａ〜Ｄ）におのおの置き換えてセンサのオフセット電
圧の変動を調べた。なお、資料サンプル４種について、
恒温槽を用いて、温度２０℃から３０℃へのセンサ外周
部の雰囲気温度を変えて、そのオフセット電圧を測定し
た。そのオフセット電圧の変化を経温時間との関連で調
べた結果を図６に示す。

【００３３】図６の結果によると、資料サンプルＡは圧
電セラミックを逆向きの分極軸方向に直列に２枚貼り合
わせてなる従来のタイプのものを検知用と駆動用にそれ
ぞれ用いて作成した比較のためのものである。

【００３４】資料サンプルＢは検知用圧電バイモルフ素
子１，２を用いた音叉構造の角速度センサであり、資料
サンプルＣは駆動用圧電バイモルフ素子３，４を用いた
角速度センサである。そして、サンプルＤは検知用圧電
バイモルフ素子１，２と駆動用圧電バイモルフ素子３，
４を同時に用いた角速度センサである。すなわち、検知
用、または駆動用圧電バイモルフ素子のいずれかを用い
たことによって、角速度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図６よりわかる。すな
わち、センサ外周部に温度変化を与えたとき、オフセッ
ト電圧の変動が小さいことが大きな特徴である角速度セ
ンサが実現できる。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように本発明に
よれば、センサ外周部に温度変化を与えた場合、圧電バ
イモルフ素子を含めた音叉構造体は、センサ外周部から
の熱伝導により発生する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を、
大きく低減されると言う効果が得られた。また、本発明
による焦電効果をキャンセルするための導電性電極によ
る電気接続と同様な方法で片持支持部側で中間電極とバ
イモルフ素子外側両電極の片方の一部を分割した小電極
と電気接続した端子をリード電極端子として取り出し、
駆動用圧電バイモルフ素子の駆動電極とすることができ
るため、圧電バイモルフ素子の中心に対して振動振幅の
アンバランスがなく安定した振動を得ることができると
ともに、低い電圧で駆動できるので、その結果、圧電バ
イモルフ素子の不要振動によって生じるオフセット電圧
のドリフト変動も除去できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の角速度センサの一部を破断
して示す斜視図

【図２】（ａ），（ｂ）は同実施例に用いる圧電バイモ
ルフ素子の製造過程を示す斜視図

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は同実施例に
用いる検知用圧電バイモルフ構造を示す斜視図，正面図
，左側面図及び右側面図

【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は同実施例に
用いる駆動用圧電バイモルフ構造を示す斜視図，正面図
，左側面図及び右側面図

【図５】同実施例の角速度センサの組立途中状態を示す
斜視図

【図６】周囲温度を変化させたときの角速度センサのオ
フセット電圧の経過時間ごとの変化を示す特性図

【図７
】従来の角速度センサの駆動回路のブロック図

【符号の説明】

１，２　　検知用圧電バイモルフ素子３，４　　駆動用圧電バイモルフ素子５，６　　絶縁体ジョイント（第１の接合部材）７　　
導電体接合部材（第２の接合部材）１ａ，１ｄ　　電極１ｇ，１ｉ，１ｊ，１ｌ　　導通電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、前記駆動用圧電バイモルフ素子と前
記検知用圧電バイモルフ素子を振動方向が直交するよう
積み上げ接合する第１の接合部材と、前記接合された素
子の一対を音叉構造に接合する第２の接合部材とを具備
し、前記駆動用圧電バイモルフ素子と前記検知用圧電バ
イモルフ素子の少なくともいずれか一方が圧電体を同一
分極方向で恒弾性導電体と中間電極とを介して２枚貼り
合わせた圧電バイモルフ素子であるとともに、前記２枚
貼り合わせた圧電バイモルフ素子の両側電極を電気的に
接続した構成である角速度センサ。
【請求項２】駆動用圧電バイモルフ素子と検知用圧電バ
イモルフ素子の両側電極を、導電性膜電極により電気的
に接続した請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】駆動用圧電バイモルフ素子と検知用圧電バ
イモルフ素子の少なくともいずれか一方は、圧電バイモ
ルフ素子の両側電極のいずれか一方の電極の一部に電気
的に切り離した小電極を有し、かつ前記小電極と前記圧
電バイモルフ素子の中間電極を導電性膜電極により電気
的に接続し、前記導電性膜電極を前記圧電バイモルフ素
子の入出力用電極とした請求項１記載の角速度センサ。