JPH04299214A - 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。

【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、各種センサに対する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，駆動装置のスタビライ
ザー装置などがあり、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、安定した方位を
知ることができるが、機械式であるので、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った。

【０００４】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情
報を検出する振動ジャイロ（特願昭５９−５５４２０号
公報）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、駆動用圧電バイモルフ（励振用）と検知用圧電バイ
モルフを直線的かつ直交接合させたもので、速度（ｃｍ
／Ｓ）を持った検知用圧電バイモルフに働くコリオリの
力を検出するものであった。

【０００５】このように構成された従来の角速度センサ
について、以下に図面を参照しながら説明する。

【０００６】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を示すものである。角速度
センサは駆動用圧電バイモルフ素子１０３，１０４と接
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から主要部を形成され
、この一対を上記駆動用圧電バイモルフ素子１０３，１
０４の一端にて支持体１０７で接合した振動子としてい
る。

【０００７】この振動子を１本の金属弾性部材１０８を
介してベース１０９に連結し、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
であった。

【０００８】このように構成された角速度センサの駆動
用圧電バイモルフ素子１０３へ駆動回路１１０から信号
を印加すること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
ニター１１３と駆動用圧電バイモルフ素子１０４，１０
３とから形成されるフィードバックループで音叉振動を
開始し、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１１０へフィードバックし、音叉振動の振
幅を一定にしている。

【０００９】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１０４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
フィルタ回路１１６により、角速度に対応した直流検出
信号を検出す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
の角速度センサでは、圧電バイモルフ素子１０１〜１０
４自身が構造体でもあるために、弾性体として機械的な
外力が加わった場合、圧電バイモルフ素子１０１〜１０
４は非常に大きなストレスを受けやすく、残留ストレス
や永久歪、あるいはマイクロクラックなどが発生し、こ
れらの機械的なストレスによって、角速度検出信号のオ
フセット電圧の変動が発生する。

【００１１】すなわち、これらの歪は、音叉を振動させ
た時、不要信号成分として発生し、これらが、オフセッ
ト電圧の変化の一部として出力されるものである。従っ
て、従来の圧電バイモルフ素子１０１〜１０４を構造体
とした構成の角速度センサにおいては外部からのストレ
スによって、大きな性能指数の一つであるドリフト特性
に大きく影響を与えるという課題を有するものであった
。

【００１２】本発明は上記従来の課題を解決し、外部か
らの機械的ストレスに対してドリフトの発生が少なく、
安定した性能を発揮することが可能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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明による角速度センサは、Ｕ字型音叉の対向する
外側面に両面に電極が形成された圧電素子をそれぞれ接
合した駆動部と、上記Ｕ字型音叉の両先端部に音叉振動
方向と直交し、かつ両面に電極が形成された圧電素子を
接合した一対の振動検知板を導電性を有する接合部材を
介してそれぞれ接合した検知部から構成され、上記Ｕ字
型音叉の駆動部と振動検知板を電気的に接続すると共に
、上記Ｕ字型音叉の中央部にリード端子を結合し、この
リード端子の他端をベースに結合して支持する構成にし
たものである。

【００１４】

【作用】このような構成により、圧電素子が主構造部材
でなくなるために、音叉振動に関して圧電素子の弾性特
性が直接音叉振動に影響することがなくなり、不要振動
のない極めて安定した振動を行うことができるようにな
る。

【００１５】また、導電性の接合部材を介して振動検知
板とＵ字型音叉の駆動部とを接合する構成とすることに
より、振動検知板とＵ字型音叉の駆動部とが電気的に導
通し、リード線の取り出しを共有させることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例による角速度センサ
について、図面を参照しながら説明する。

【００１７】図１は本発明による角速度センサの構成を
示す斜視図であり、恒弾性導電体を用いＵ字形状に形成
され、対向する内面あるいは外側面に圧電素子６，７を
エポキシ系接着剤を用いて接着したＵ字型音叉部５の両
先端部に恒弾性導電体よりなり、両端に凹部をそれぞれ
直交するように設けた接合部材８，９を導電性接着剤ま
たは半田にて接合し、さらに、圧電素子１，３をそれぞ
れ接合し、恒弾性導電体（材料……エリンバー）からな
る振動検知板２，４を上記接合部材８，９の他端にＵ字
型音叉部５の振動方向と直交するように配置して導電性
接着剤または半田付けにて接合し主要部を形成している
。

【００１８】また、上記Ｕ字型音叉部５はその構成をよ
りわかりやすくするために図３（ａ），（ｂ）を用いて
示し、このＵ字型音叉部５全体を支持するために、中央
部にリード端子２０を貫通するための穴を設けた構造と
している。

【００１９】また、上記圧電素子１，３，６，７は図２
に示すようにＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３，Ｐｂ
ＴｉＯ３，ＰｂＺｒＯ３の３成分を主体とした圧電セラ
ミックスを用いたものであり、この圧電体セラミックス
３０（寸法１．６×６×０．２）両面に焼付銀電極３１
を設けた構成としたものである。

【００２０】つぎに、リード端子１４，１５，１６，１
７は圧電素子６，１，３，７をそれぞれ電気的に接続す
るためのものであり、それぞれ絶縁ガラス２１，２２，
２３，２４を介して、Ｆｅを主体とした支持ベース２８
から絶縁し、かつ支持ベース２８を貫通するように取付
けられている。また、リード端子１４，１５，１６，１
７は外部との電気的接続用リード端子を兼ねた構造とし
ている。

【００２１】また、リード端子２０はＵ字型音叉部５を
１点支持し、かつ電気的に接続するためのものであり、
上記Ｕ字型音叉部５の中央部に設けた穴にリード端子２
０を貫通させ、電気的導通を得るために半田付けにて接
合し、他端は絶縁ガラス２７を介して結合している。

【００２２】なお、リード端子１８，１９は未使用の端
子である。上記圧電素子６，１，３，７とリード端子１
４，１５，１６，１７との接続は、絶縁被覆リードワイ
ヤ１０，１１をＵ字型音叉部５の側面にエポキシ系接着
剤にて接着し、各両端を圧電素子１，３とリード端子１
５，１６へそれぞれ接続し、半田付にて結線する。また
、Ｕ字型音叉部５に設けた圧電素子６からリード端子１
４へ、圧電素子７からリード端子１７へと、それぞれ、
絶縁被覆リードワイヤ１２，１３を用いて同様に半田付
けにて結線する。

【００２３】このようにして作成した角速度センサをＦ
ｅを主体とした有底筒状の缶ケース２９に収納し、支持
ベース２８と缶ケース２９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。この気密封止に
関しては、缶ケース２９内部に気密充填ガスを充填して
行っている。

【００２４】このようにして構成した本実施例の角速度
センサの特性について、以下に説明する。

【００２５】なお、本実施例による角速度センサの特性
と比較するため、従来の圧電バイモルフタイプの角速度
センサの特性と比較する。この資料サンプルの内容を（
表１）に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】この（表１）に示す資料サンプルの特性を
チェックするため、図４に示す動作回路を用いた。図４
は基本的には、従来例の特性チェックに用いた図６に示
す動作回路と同等である。また、特性チェックは、図４
中のセンサ部分を前記（表１）に示す資料サンプル２種
（資料番号Ａ，Ｂ）におのおの置き換えて角速度センサ
の経時ドリフト電圧の変動を調べたものであり、従来の
角速度センサの経時ドリフト変化量を０ｄＢとして基準
にした時、本実施例の角速度センサ（資料番号Ｂ）の経
時ドリフト変化量を示して比較を行った。

【００２８】この時の経時ドリフト特性を図５に示す。 図５のＸ軸は動作時からの経過時間、Ｙ軸は経時ドリフ
ト変化量を示すものであり、本実施例による角速度セン
サは従来品と比較して、経時ドリフト値が約−２０ｄＢ
低いことが（表１）及び図５より明らかである。

【００２９】また、本発明による角速度センサは、振動
検知板２，４とＵ字型音叉部５とを導電性の恒弾性接合
部材８，９を用いて接合することにより、圧電素子１，
３の片面が振動検知板２，４に接合されており、上記導
電性の恒弾性接合部材８，９を介してＵ字型音叉部５と
電気的に導通状態となり、振動検知板２，４からのリー
ドワイヤの取り出し数は従来方法であれば２本必要であ
るところが、圧電素子１，３の片面より１本で済む。従
って、一対の検知部より取り出すリードワイヤは、圧電
素子１，３からそれぞれ１本ずつの合計２本と、Ｕ字型
音叉部５の圧電素子６，７からそれぞれ１本ずつの合計
２本で、総合計４本で接続できるようになるものである
。

【００３０】なお、前記圧電素子６，７を接着する位置
としてＵ字型音叉部５の対向する内面に接着しても良い
。また、Ｕ字型音叉部５の形状は図６（ａ），（ｂ）に
示すような構造のものでも良い。

【００３１】

【発明の効果】本発明による角速度センサは、Ｕ字型音
叉の振動先端部に接合部材を介して振動方向と直角に振
動検知板を直交接合し一体化構成したことにより、音叉
振動の母体が、主に圧電素子ではなく、振動検知板とＵ
字型音叉との構成によるところが大きいので圧電素子に
よって引き起こるオフセット電圧の経時ドリフト電圧の
変動を大きく低減（約−２０ｄＢ）させるという効果が
得られる。

【００３２】また、Ｕ字型音叉部の中央部を一点支持す
ることにより、振動振幅のアンバランスがなくなり、不
要振動のないより安定な振動を得ることができ、音叉振
動の不要振動によって生じるオフセット電圧のドリフト
変動をさらに低くすることができる。

【００３３】また、接合部材を導電性の部材で構成する
ことによって、検知側の圧電素子からのリードワイヤ取
り出し数を２本減とすることができ、結線が簡単となる
と共に、音叉振動体として不要なものが減り、より剛体
に近づき、不要振動成分のない振動が得られ、結果的に
、より低ドリフトが得られる。

【００３４】また、振動検知板とＵ字型音叉部を接合部
材を介して一体化構成することにより、Ｕ字型音叉の振
動方向と振動検知板との直交度がより高精度に組立るこ
とができるため、振動方向の信号成分が振動検知側へ漏
洩しない。さらに、振動検知側の材質や形状サイズなど
の変更が容易であり、センサ設計に対し自由度が得られ
るなど多くの効果を得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による角速度センサの構成を
示す斜視図

【図２】同実施例に用いる圧電素子の構成を示す斜視図

【図３】（ａ）同実施例に用いるＵ字型音叉部の構成を
示す正面図 （ｂ）同側面図

【図４】同実施例に用いる駆動回路の構成を示すブロッ
クダイヤグラム

【図５】動作時の経過時間と角速度センサのオフセット
電圧とのドリフト変化を示す特性図

【図６】（ａ），（ｂ）本実施例によるＵ字型音叉部の
他の実施例を示す斜視図

【図７】従来例による角速度センサの駆動回路の構成を
示すブロックダイヤグラム

【符号の説明】

１，２　　圧電素子 ３，４　　振動検知板 ５　　Ｕ字型音叉部 ６，７　　圧電素子 ８，９　　導電性接合部材 １０〜１３　　絶縁被覆リードワイヤ １４〜２０　　リード端子 ２１〜２７　　絶縁ガラス ２８　　支持ベース ２９　　缶ケース

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｕ字型音叉の対向する外側面に両面電極の
   圧電素子をそれぞれ接合した駆動部と、両面電極の圧電
   素子をそれぞれ接合した一対の振動検知板を上記Ｕ字型
   音叉の両先端部に導電性を有する接合部材を介して音叉
   振動方向と直交するように接合した検知部から構成され
   、上記Ｕ字型音叉の振動部と振動検知板を電気的に接続
   してなる角速度センサ。
2. 【請求項２】Ｕ字型音叉の中央部にリード端子を結合し
   、このリード端子の他端をベースに結合して上記Ｕ字型
   音叉を支持した請求項１記載の角速度センサ。