JPH0462414A

JPH0462414A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH0462414A
Application number: JP2173465A
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: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1992-02-27

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、そのための各種センサの
要求が高くなって来ている。角速度センサの応用も電装
品におけるナビケーンヨンシステム　ロボットの方向探
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かかりであり、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）か提案されて
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。この構造の原形は米国特許２５
４４６４６号に見ることができる。

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（Ｖ
）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
ンサについて説明スる。

第３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り、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、この一対を駆動及
び、駆動用圧電バイモルフ素子１０８，１０４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１０９０間を一本の金属弾性部材
１０８にて支持接合し、駆動用圧電バイモルフ素子１０
３，１０４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、出力が得られるように構成したものである。

次に動作回路について説明を行なう。まず、駆動用圧電
バイモルフ素子１０３に駆動信号を印加し、振動させる
ことにより、駆動用圧電バイモルフ素子１０４が共振し
、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検出する駆動モニタ
回路１１２で検出し、基準電圧１１３で比較し、自動利
得調整回路（ＡＧＣ回路）１１４をへて駆動回路１１５
ヘフイードバツクし、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
号を利用してセンサ素子１０１．１０２から得た信号を
、前記駆動モニタ回路１１２の出力信号で、検波回路１
１０により、同期検波し、フィルター回路１１１で角速
度成分を抽出するのである。

ところで、これら従来例のセンサでは部材の不均一性な
どにより、駆動用圧電バイモルフ素子１０３゜１０４や
、検知用圧電バイモルフ素子１０１，１０２の振動伝達
によって生じる不要輻射振動（スプリアス）、寄生振動
さらに、高次振動が生じたり、また音叉振動のバランス
のずれによる不均一な振動が生じたり、さらに、音叉振
動系全体に不要な振動が伝搬するために、結果として、
角速度信号成分を抽出した時に、第４図のように出力信
号に経時ドリフトが生じる。又、温度変化に対し、出力
にも、温度ドリフト変動が生じ易いのである。

すなわち、角速度センサとして、大きな性能指数の１つ
であるドリフト特性に大きく影響を与える。

発明が解決しようとする課題従来の角速度センサのドリフトとなる原因の１つは、特
に、部材の均一性によって不要な微振動発生や振動伝搬
などにより、ドリフトが発生するとされている。

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、本発明は小型で回転力を使わない振動ジャイロ
において、不要な振動伝搬により生じるドリフトを低減
させた低ドリフト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そこで本発明は、前記課題を解決するための手段として
、理論密度８５％となる焼成温度よりも、２００℃低い
温度から理論密度９６％となる焼成温度までの温度範囲
で、最高圧３００〜５０００気圧の条件下で１時間以上
の等万態間静水圧プレスした圧電セラミックスを検知用
及び駆動用の素子として用い、その素子を互に直交接合
したものを音叉構造とすることにより、不要な振動の発
生を抑え、低ドリフトで高精度かつ、機械的衝撃強度に
優れた高信頼性の角速度センサを得るものである。

作用すなわち、本発明は、音叉振動系における不要な微振動
の発生や伝搬、反射等によって不要な振動成分を発生し
ないような作用効果をもたらす。

すなわち、音叉構造体からなる振動部素体の圧電セラミ
ックスをより高密度化の向上とマイクロポアーの低減を
行ったものを用いることにより、この不要振動を吸収、
又は阻止するのである。

さらに、機械的強度が向上することである。具体向には
、等万態間静水圧プレスによって焼結した圧電セラミッ
クスを検知用、駆動用圧電バイモルフとして用い、かつ
音叉構造とすることによって、不要な振動成分の発生が
なく、また不要振動成分の伝搬も阻止され、その結果、
低ドリフトの角速度センサが実現されることとなる。

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図はセンサ部の構造を示す。まず第２図の
方より説明する。第２図の１．２．３４は圧電バイモル
フであり、Ｐｂ　（Ｍｇｌ／３゜Ｎｂ２／３）０３．Ｐ
ｂＴ　ｉｏ３．ＰｂＺｒＯ３の３成分を主体とする圧電
材料を用いた。ここでは圧電バイモルフ１．２を検知用
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。

まず、前記、３成分が主体となる原料粉末を、直径２５
画高さ３０ｍの円柱状に成形し、この成形体を８０１１
ｆｉφの管状炉中で１１５０℃、２時間の予備焼成を行
なった。

これによって得た密度は理論密度の８７％であった。こ
のようにして得られた予備焼成体をアルゴンガスと酸素
ガスの体積比が９０　：　１０からなる不活成ガスと酸
素ガスの混合ガス２を圧力媒体にして、最高温度１１０
０℃、最高圧力１０００気圧の条件で２時間の等万態間
静水圧プレス処理を行ない圧電セラミックスを得た。そ
して、この圧電セラミックスは、圧電バイモルフとして
次のように加工した。

検知用圧電バイモルフ１２は寸法９Ｘ１．６Ｘ０．３５
ｍｍに加工し、そして、また、駆動用圧電バイモルフ３
，４は寸法９　Ｘ　１．６　Ｘ　Ｏ，５０順に同様加工
する。絶縁体ジヨイント５．６はポリアミドのプラスチ
ックでφ１．６　Ｘ　２の凹部を設けている。そして、
この絶縁体ジヨイント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結合した。

次に、このようにして得られた圧電バイモルフの直交体
（１，５，３）　　　（２，６，４）の２組を導電体接
合部材７、たとえば、寸法１．９　Ｘ　１．６×１．６
印の真鍮製ブロックの中央にφ０．６の穴加工をし、第
２図の音叉構造となるように導電接合する。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、圧電バイモルフの内面電極とが電気的に導通し
、機械的にも接着している。

次に、リード端子部８，１１．１２，１３，１４゜１５
．１６は圧電バイモルフ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　２１２２を介して、Ｆｅを主
体とした支持ベース１０に絶縁した状態で貫通させて取
り付け、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は導電体接合部材７の中央穴部に挿入
し、接着固定している。

次に、中継基板２３は、リード端子１３，１４１５．１
６を支持し、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を取り付は完
成品とした状態を第１区に示す。

以下、第１図について説明する。

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φ７．５．厚み０．６ｎｍ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、リード端
子４本を貫通させ保持する。

中継基板２３の保持は前記中継基板２３の貫通孔４ケ所
上部の周囲に銅箔を設け、この部分に半田付を行ない、
半田付接合にて中継基板２３を保持固定する。

次に検知用圧電バイモルフ１とリード端子１３１６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とを前記同様にリードワイヤ２６２７にて結線する
。結線は前記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２
９により半田付結線する。又、駆動用圧電バイモルフ３
は前記同様に圧電バイモルフ３の外側の電極部とリード
端子１１との間をリードワイヤ２８により半田付結線す
る。

このようにして作成した物を、Ｆｅ缶ケース３０（寸法
φ８．２Ｘ２８ｍ＋ｎ）で封缶し、ベース１０と缶ケー
ス３０との接触部をスポット電気溶接にて接合した。資
料サンプルは比較のため、従来法の空気中加熱処理で得
た圧電バイモルフを用いた音叉構造の角速度センサも合
せて試作した。

以上のようにして得た資料サンプル２種（資料番号１〜
２）とセンサの出力信号の経時及び温度ドリフト特性を
表１に示した。

経時ドリフト特性は、第３図で示す従来の角速度センサ
の部分を、前記、資料サンプル番号１ど２に置き替えて
特性評価を行なった。ところで、本発明で示した表１の
経時ドリフト特性値は、実施例サンプルのセンサを１０
分間静止させ駆動させた詩に、角速度検出信号成分中の
０．１〜１０１（ｚの電圧信号レベル比で表わした。こ
の電圧信号レベル比は、従来の方法で作成した圧電バイ
モルフで構成した比較例サンプル番号２の経時ドリフト
値をＯｄｂとした時の値で示したものである。温度ドリ
フトは、温度−３５℃〜８５℃にした時のセンサのオフ
セット変動率を示したもので、従来比較例の基準を０％
としたものである。

表１この表１から明らかなように、本発明の角速度センサは
従来例のものに比較して、経時ドリフト変動値は、−３
０ｄｂと非常に低い。また、本発明のセンサでは、不要
な振動レベルが低いため、温度変化に対しても、従来の
構成によって得られたセンサより、温度ドリフト（温度
変動−３５〜８５℃に対する出力オフセット電圧の変化
）変動は従来と比較して４０％も改善される。さらに、
機械的な衝撃に対しても３０％の強度向上が得られる。

すなわち、等万態間静水圧プレスを行って得た圧電体セ
ラミックスを用いて構成したことによって、経時ドリフ
ト変動及び、温度ドリフト変動さらには機械的な衝撃強
度の向上を図ることができ、信頼性の高い特性に優れた
角速度センサを得ることができる。

ところで、圧電バイモルフの圧電体セラミックスの等万
態間静水圧プレスの処理理由は次に示した３つの理由に
よる。

（１）　　第１の理由として理論密度８５％となる焼成
電度よりも２００℃以下の焼成温度、または加圧条件が
３００気圧以下においては緻密な圧電セラミックスが得
られず、温度ドリフトの低減については大きな効果が得
られない。

（２）　　第２の理由として、理論密度９６％以上の焼
成温度で熱間静水圧プレス処理すると、圧電セラミック
スの組成が部分的に不安定な組成が生じ、センサとして
は音叉振動の機能が低下する。

（３）　　第３の理由として、等万態間静水圧プレスの
加圧が５０００気圧以上では、セラミックスとしてより
緻密化の効果向上が得られず、センサ特性において、効
果が飽和するという理由によるものである。

発明の効果以上のように本発明の角速度センサは、従来例のものに
比較して、経時ドリフト変動値が低くなり、また、本発
明のセンサでは、不要な振動レベルが低いため、温度変
化に対しても、従来の構成によって得られたセンサより
も、温度ドリフト（温度変動−３５〜８５℃に対する出
力オフセット電圧の変化）変動が改善され、さらに、機
械的な衝撃に対しても強度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の一実施例による角
速度センサの構造を示す一部切欠斜視図及び分解斜視図
、第３図は従来の角速度センサと駆動回路を示すブロッ
クダイヤグラム、第４図は従来の角速度センサの経時ド
リフト特性図である。１．２・・・・・・検知用圧電バイモルフ、３４・・・
・・・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、８，１
１，１２１３．１４．１５．１６・・・・・・リード端
子部、９１７．１８，１９，２０，２１．２２・・・・
・・絶縁ガラス、１０・・・・・・支持ベース、２３・
・・・・・中継基板、２４、　　２５．　　２６．　　
２７．　　２８．　　２９　　・・・　・・・　リ　−
　ドワイヤ、３０・・・・・・缶ケース。代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名！、　／／
、　／／、〃、摩、　／ｊ、　Ｉｔリード鯖子ｅｐ！、／７．　／／、　！ｌ　／／、　／／、　／／Ｓ台
、繍乃１ラス／／　支Ｊ（ベース〃　中超墓抜１４、、’、ｒ、／／、／り、／／、、ＰＰリードワイ
ヤＪ／　伝ケース

Claims

【特許請求の範囲】

理論密度８５％となる焼成温度よりも、２００℃低い温
度から理論密度９６％となる焼成温度までの温度範囲で
、最高３００〜５０００気圧の条件下で１時間以上の等
方熱間静水圧プレスした圧電セラミックスを検知用及び
駆動用の素子として用い、その素子を互に直交接合して
音叉構造としたことを特徴とする角速度センサ。