JPH04295715A - 角速度センサ - Google Patents

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】本発明は圧電振動型の角速度セン
サに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ジャイロスコープを用いた慣性航
法装置を使用した飛行機，船舶のような移動する物体の
方位を知る手段として機械式の回転ジャイロが主に使わ
れている。

【０００３】これは安定した方位が得られるが機械式で
あることから装置が大掛かりであり、コストも高く、小
型化が望まれる機器への応用は困難であった。

【０００４】一方、回転力を使わずに物体を振動させて
、振動された検知素子からコリオリの力を検出する振動
型角速度センサがあり、これらの多くは圧電式と電磁式
のメカニズムを採用している構造のものである。これら
はジャイロを構成する質量の運動が一定速度の運動では
なく振動になっているので、角速度が加わった場合、コ
リオリの力は、質量の振動数と、等しい振動数の振動ト
ルクとして生じるものであり、このトルクによる振動を
検出することにより角速度を検出するのが振動型角速度
センサの原理で、とくに圧電体を用いたセンサが多く考
案されている（日本航空宇宙学会誌第２３巻第２５７号
３３９〜３５０ページ参照）。

【０００５】このような従来の音叉構造振動型角速度セ
ンサについて図４〜図６を用いて説明する。

【０００６】図４は従来の音叉構造振動型角速度センサ
の構成を示す斜視図であり、主に４つの圧電バイモルフ
からなる駆動素子１０１、モニタ素子１０２、第１及び
第２の検知素子１０３，１０４で構成され、駆動素子１
０１と第１の検知素子１０３と接合部１０５で直交接合
した第１の振動ユニット１０９と、モニタ素子１０２と
第２の検知素子１０４とを接合部１０６で直交接合した
第２の振動ユニット１１０とを連結板１０７で連結し、
この連結板１０７を支持棒１０８で一点支持した音叉構
造となっている。

【０００７】このように構成された従来の音叉構造振動
型角速度センサの駆動素子１０１に正弦波振動を与える
と、逆圧電効果により第１の振動ユニット１０９が振動
を始め。音叉振動により第２の振動ユニット１１０も振
動を開始する。したがってモニタ素子１０２の圧電効果
によってモニタ素子１０２表面に発生する電荷は駆動素
子１０１に印加している正弦波電圧振動に比例する。こ
のモニタ素子１０２に発生する電荷を検出し、これが一
定振幅になるように駆動素子１０１に印加する正弦波電
圧をコントロールすることにより安定した音叉振動を得
ることができる。

【０００８】この振動型角速度センサが角速度に比例し
た出力を発生させるメカニズムを図５及び図６を用いて
説明する。

【０００９】図５は前記図４に示した振動型角速度セン
サを上から見た状態を示すもので、速度ｖで振動してい
る第１の検知素子１０３に角速度ωの回転が加わると、
第１の検知素子１０３にはコリオリの力が生じる。この
コリオリの力は速度ｖに垂直で大きさは２ｍｖω（ｍは
第１の検知素子１０３の先端の等価質量）である。第１
の検知素子１０３は音叉振動をしているので、ある時点
で速度ｖで振動しているとすれば、第２の検知素子１０
４は速度−ｖで振動しており、コリオリの力は−２ｍｖ
ωである。よって第１及び第２の検知素子１０３，１０
４は図６のように互いにコリオリの力が働く方向に変形
し、第１，第２の検知素子１０３，１０４の表面には圧
電効果によって電荷が生じる。ここでｖは音叉振動によ
って生じる運動であり、音叉振動が ｖ＝ａ・ｓｉｎωｏｔ　　　　　　　　　ａ：音叉振動
の振幅ωｏ：音叉振動の周期 であるとすればコリオリの力は Ｆｃ＝ａ・ω・ｓｉｎωｏｔ となり、角速度ω及び音叉振幅ａに比例しており、第１
，第２の検知素子１０３，１０４の表面電荷ＱはＱ∝ａ
・ω・ｓｉｎωｏｔ となり音叉振幅ａが一定にコントロールされているとす
れば、 Ｑ∝ω　　ｓｉｎωｏｔ となり第１，第２の検知素子１０３，１０４に発生する
表面電荷量Ｑは角速度ωに比例した出力として得られ、
この信号をωｏｔで同期検波すれば角速度ωに比例した
直流信号が得られるように構成されたものであった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、圧電バイモルフの機械的性能が温度により
変化することから振動型角速度センサとしての特性が不
安定になるという課題を有していた。

【００１１】本発明は上記従来の課題を解決するもので
温度特性の安定な角速度センサを提供することを目的と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明による角速度センサは、ほぼＵ字形状の金属板
の対向面の外側面に圧電素子を接合した音叉構造の駆動
側振動体と、この駆動側振動体のそれぞれの先端部にほ
ぼ直交するように結合され、かつ圧電素子を接合した金
属板よりなる検知側振動体とを有し、前記駆動側振動体
と検知側振動体のうち少なくとも一方の金属板の両側面
に前記圧電素子接合部の中心位置とほぼ同一線上に中心
を有する切欠部を設けた構成としたものである。

【００１３】

【作用】この構成により音叉構造の駆動側振動体もしく
は検知側振動体が金属板であるために振動状態における
機械的性能の温度特性が圧電バイモルフに比べて安定し
、センサの温度特性が改善される。

【００１４】また、金属板の一部分に幅を狭くするよう
にした切欠部を設けて機械的応力を集中させるとともに
、その切欠部近傍に圧電素子を貼り付けることにより小
型の圧電体でも十分な出力信号を得ることができる。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。図１は本発明の第一の実施例によ
る角速度センサの構成を示す斜視図である。

【００１６】図１において１はほぼＵ字形状の金属板の
相対向する面のそれぞれの外側面に圧電素子を接合した
音叉構造の駆動側振動体、２及び３はこの駆動側振動体
のそれぞれの先端部にほぼ直交するように結合されかつ
金属板に圧電素子を接合して構成した検知側振動体、４
は駆動用圧電素子、５はモニタ用圧電素子、６及び７は
第１，第２の検知用圧電素子をそれぞれ示すものである
。また、８は金属板の両側面に形成した切欠部であり、
上記圧電素子４〜７接合部の中心位置とほぼ同一線上に
中心を有するように設けられている。

【００１７】このように構成された角速度センサについ
て図２を用いてその動作を説明する。まず図２（ａ）に
示すように一般的に音叉の振動は音叉の湾曲部の屈曲運
動であるため湾曲部以外の場所に駆動用圧電素子４及び
モニタ用圧電素子５を接合しても効率良く振動させるこ
とができない。ところが同図（ｂ）に示すように音叉の
両翼の一部分に幅の狭い切欠部８を設けるとその点に機
械的応力が集中し、音叉振動をするための屈曲運動はそ
の幅狭部分が支配的になる。この部分に圧電素子を接合
することにより小型の圧電体でも効率良く音叉振動をさ
せることができる。ただし幅を狭くしすぎたり幅狭部分
が湾曲部から離れすぎると音叉のとも振インピーダンス
が高くなってしまう。

【００１８】また、検知側振動体２，３は同図（ｃ）に
示すように結合部１０に接続される根元部分が一番大き
な折り曲げ力を受けるが、この部分に圧電体を接合する
ことはできない。ところが同図（ｄ）に示すように検知
側振動体２，３の金属板の一部に幅の狭い切欠部８を設
けるとともにその切欠部８に圧電素子を結合した構成と
することによって効率良くコリオリの力を圧電変換する
ことができる。

【００１９】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
による角速度センサについて図３を用いて説明する。

【００２０】図３は本発明の第２の実施例による角速度
センサの構成を示す斜視図であり、前記第１の実施例の
図１で説明した角速度センサとほぼ同じ構成であるが、
駆動側振動体１ならびに第１，第２の検知側振動体２，
３を形成する金属板の圧電素子４〜７を接合した面の裏
面に、上記圧電素子４〜７接合部の中心位置とほぼ同一
線上に水平に凹部９を設けた構成にしたものである。こ
の凹部９を設けることにより前記実施例１で説明した切
欠部８と同様に機械的応力が集中し、音叉振動をするた
めの屈曲運動の支点となり、同様の効果を得ることがで
きるものである。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明による角速度センサ
は、駆動側振動体ならびに検知側振動体を金属板に圧電
素子を接合して形成し、かつ金属板に切欠部あるいは凹
部を設けて機械的応力の集中を図った構成とすることに
より、金属板に接合する圧電素子を小型化するとともに
、角速度センサ全体の小型化を可能とし、温度変化など
の信頼性向上を実現することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における角速度センサの
構成を示す斜視図

【図２】（ａ），（ｂ）同実施例における駆動側振動体
の働きを説明するための斜視図 （ｃ），（ｄ）同実施例における検知側振動体の働きを
説明するための斜視図

【図３】本発明の第２の実施例による角速度センサの構
成を示す斜視図

【図４】従来の角速度センサの構成を示す斜視図

【図５
】音叉構造振動型角速度センサの動作原理を説明する主
要部平面図

【図６】音叉構造振動型角速度センサの動作原理を説明
する主要部斜視図

【符号の説明】

１　　音叉構造の駆動側振動体 ２　　第１の検知側振動体 ３　　第２の検知側振動体 ４　　駆動用圧電素子 ５　　モニタ用圧電素子 ６　　検知用圧電素子 ７　　検知用圧電素子 ８　　切欠部 ９　　凹部 １０　　結合部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ほぼＵ字形状の金属板の対向面の外側面に
   圧電素子を接合した音叉構造の駆動側振動体と、この駆
   動側振動体のそれぞれの先端部にほぼ直交するように結
   合され、かつ圧電素子を接合した金属板よりなる検知側
   振動体とを有し、前記駆動側振動体と検知側振動体のう
   ち少なくとも一方の金属板の両側面に前記圧電素子接合
   部の中心位置とほぼ同一線上に中心を有する切欠部を設
   けて構成された角速度センサ。
2. 【請求項２】駆動側振動体と検知側振動体のうち少なく
   とも一方の金属板の圧電素子を接合した面の裏面に、上
   記圧電素子接合部の中心位置とほぼ同一線上に水平に凹
   部を設けて構成された請求項１記載の角速度センサ。