JPH07139951A

JPH07139951A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH07139951A
Application number: JP5253039A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ito; 岳志伊藤; Muneo Yorinaga; 宗男頼永; Tomoyuki Kanda; 知幸神田
Original assignee: Nippon Soken Inc; NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1992-10-13
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1995-06-02

Abstract

(57)【要約】【目的】振動体のバランスが崩れていても振動体を確
実に支持できるとともに、振動の漏れが少なく効率良く
振動させることができる角速度センサを提供することに
ある。【構成】角柱音叉型圧電振動ジャイロは、基台部１に
対し角柱状の支持部２にて２本の角柱３，４が支持され
ている。この基台部１，支持部２，角柱３，４はそれぞ
れ断面が正方形をなしている。各角柱３，４の直交する
面に駆動用圧電素子５，６、フィードバック用圧電素子
９，１０と検知用圧電素子７，８とがそれぞれ止着され
ている。そして、支持部２の幅を５ｍｍ以下としてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電振動型ジャイロ
を用いて角速度を測定する角速度センサに係り、同セン
サは車両・船舶・飛行機・ロボット等の運動体の運動状
態を測定する際に用いられ、例えば、車両の姿勢制御の
ための車両旋回角速度を測定するために用いられるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、角速度センサとして角柱音叉型圧
電振動ジャイロを用いたものがある。これは、図２３に
示すように、基台部３１に対し支持部３２にて２本の角
柱３３が支持され、各角柱３３の直交する面に駆動用圧
電素子３４と検知用圧電素子３５とがそれぞれ止着され
ている。この際、図２３のように支持部３２としてピン
構造で振動の節を支持したり、図２４のように支持部を
設けない構造のものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図２３のよ
うに断面が円形状のピン（３２）のような細い部材で節
を支えた場合、製造時のバラツキなどにより振動体のバ
ランスが崩れている時には、不要振動が支持部３２に発
生し、振動体をしっかりと支持することができない。

【０００４】又、図２４のように支持部を設けず振動体
を固定すると、振動のモレが大きく、効率良く振動させ
ることができない。更に、この振動モレは、センサ出力
のオフセット信号にも影響を与え、振動モレが温度の変
化によって変わることにより、オフセットの温度ドリフ
トを引き起こすと考えられている。

【０００５】そこで、この発明の目的は、振動体のバラ
ンスが崩れていても振動体を確実に支持できるととも
に、振動の漏れが少なく効率良く振動させることができ
る角速度センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、基台部に
対し角柱状の支持部にて２本の角柱が支持され、当該角
柱の直行する面に駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを
それぞれ止着した角柱音叉型圧電振動ジャイロを用いた
角速度センサにおいて、前記角柱に設けられた前記駆動
用圧電素子による前記角柱の振動による前記基台部の振
動が１．５％以下である角速度センサを提供することを
要旨とする。

【０００７】第２の発明は、基台部に対し角柱状の支持
部にて２本の角柱が支持され、当該角柱の直行する面に
駆動用圧電素子と検知用圧電素子とをそれぞれ止着した
角柱音叉型圧電振動ジャイロを用いた角速度センサにお
いて、前記支持部の幅を５ミリメートル以下とする角速
度センサを提供する。第３の発明は、前記支持部の厚み
は、前記角柱の厚みと略同一である角速度センサを提供
する。

【０００８】さらに、第４の発明は、前記支持部の幅
は、５ミリメートル以下かつ０．５ミリメートル以上の
範囲内である角速度センサを提供する。また、第５の発
明は、基台部に対し角柱状の支持部にて２本の角柱が支
持され、当該各角柱の直交する面に駆動用圧電素子と検
知用圧電素子とをそれぞれ止着した角柱音叉型圧電振動
ジャイロを用いた角速度センサにおいて、支持部の幅を
Ａミリメートルとし、角柱の幅をＢミリメートルとし、
支持部の長さをＣミリメートルとしたとき、

【０００９】

【数３】Ａ≦０．４×Ｃ＋Ｂを満足させるようにした角速度センサをその要旨とす
る。又、第６の発明は、基台部に対し角柱状の支持部に
て２本の角柱が支持され、当該各角柱の直交する面に駆
動用圧電素子と検知用圧電素子とをそれぞれ止着した角
柱音叉型圧電振動ジャイロを用いた角速度センサにおい
て、支持部の幅をＡミリメートルとし、角柱の幅をＢミ
リメートルとし、支持部の長さをＣミリメートルとした
とき、

【００１０】

【数４】０．４×Ｃ＋Ｂ−１≦Ａ≦０．４×Ｃ＋Ｂ＋１を満足させるようにした角速度センサをその要旨とする
ものである。。

【００１１】

【作用】前記支持部材の幅を５ミリメートル以下とする
場合、又、前記数３式あるいは数４式を満足させる寸法
とすることにより、振動体が安定に支持される。つま
り、ジャイロの製造工程の加工寸法誤差などで左右の振
動子の寸法が違っても、音叉内部に振動エネルギーを効
果的に閉じ込めることができる。

【００１２】このため、不要な振動漏れが低減され、こ
れによるノイズの発生を抑えることができる。又、不要
な振動漏れが低減される結果、安定な振動状態となり、
温度の変化に対して安定であり温度特性が良い。

【００１３】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
振動体のバランスが崩れていても振動体を確実に支持で
きるとともに、振動のモレが少なく効率良く振動させる
ことができる優れた効果を発揮する。

【００１４】

【実施例】

（第１実施例）以下、この発明を具体化した一実施例を
図面に従って説明する。図１には、本実施例の角柱音叉
型圧電振動ジャイロを用いた角速度センサを示す。基台
部１に対し角柱状の支持部２にて２本の角柱３，４が支
持されている。

【００１５】基台部１と支持部２と角柱３，４とは、断
面が正方形に形成されているとともに、その厚みは、略
同一となっている。角柱３の右側面下部には駆動用圧電
素子５が貼り付けられるとともに角柱４の右側面下部に
は駆動用圧電素子６が貼り付けられている。そして、駆
動用圧電素子５，６に交流電圧を印加すると、角柱３，
４が図１において左右方向に振動するようになってい
る。

【００１６】又、角柱３の正面上部には検知用圧電素子
７が貼り付けられるとともに、角柱４の正面上部にも検
知用圧電素子８が貼り付けられている。そして、検知用
圧電素子７，８は、角柱３，４（振動子）の中心軸に回
転角速度が加わると、駆動用圧電素子５，６の交流電圧
印加による角柱３，４の振動に伴い図１において前後方
向に作用するコリオリ力を電圧として検出する。

【００１７】又、フィードバック用圧電素子９，１０が
駆動用素子５，６の上部に貼られている。このフィード
バック用圧電素子９，１０は、振動状態をモニターし、
自励発振させるのに用いられる。センサの動作として
は、駆動用圧電素子５，６に交流電圧が供給されると、
同素子５，６が伸縮し、角柱３，４が駆動振動方向に屈
曲振動する。この状態において、角柱３，４（振動子）
の中心軸に回転角速度が加わると、コリオリの力により
検知振動が発生し、屈曲振動による信号が検知用圧電素
子７，８に発生する。そして、この検知用圧電素子７，
８の信号に基づいて角速度が検出される。

【００１８】ここで、支持部２の幅Ａは、３ミリメート
ルとした。以下に各種の実験結果を示す。図１に示す角
速度センサは、左右の角柱３，４の形状寸法誤差や左右
の圧電素子（駆動用圧電素子５，６、検知用圧電素子
７，８）の質量誤差を有する場合、振動の安定性を十分
に引き出すことができない。このことは基台部１の振幅
として現れてしまう。

【００１９】本実施例では、図２に示すように、左側の
角柱３の幅を３．０ｍｍ、右側の角柱４の幅を２．７ｍ
ｍとした。即ち、正規値の角柱の幅３．０ｍｍに対しマ
イナス側に１０％ずらすことによって、右側の角柱４の
幅が２．７ｍｍとなった場合を想定した。そして、基台
部１の所定の一か所をＸ点として、各種の実験を行っ
た。

【００２０】図３〜図７は、角柱音叉型圧電振動ジャイ
ロの各部寸法を変えた場合の基台部１の振幅と、支持部
幅Ａとの相関を示すものである。各実験時における角速
度センサの寸法を図にあわせ示した。ここで、図１に示
すように、角柱（振動子）３，４の離間距離をＷとし、
角柱３，４の幅をＢ，長さをＬおよび支持部長さをＣと
し、角柱３，４の根元部分の長さをＤとする。

【００２１】図３は、支持部長さＣを変化させた場合の
図２の基台部１のＸ点における振幅である基台部１の振
動と、支持部幅Ａとの相関を示すものである。図３より
明らかなように、支持部幅Ａが小さい程、振幅差が最も
小さくなる。従って、支持部幅Ａが小さい程、振動が安
定することが分かった。図４は、角柱３，４の幅Ｂを変
化させた場合の基台部１のＸ点における振動と支持部幅
Ａとの相関を示す。図５には角柱３，４の離間距離Ｗを
変化させた場合の基台部１のＸ点における振動と支持部
幅Ａとの相関を示す。図６には角柱３，４の長さＬを変
化させた場合の基台部１のＸ点における振動と支持部幅
Ａとの相関を示す。さらに、図７には角柱３，４の根元
部分の長さＤを変化させた場合の基台部１のＸ点におけ
る振動と支持部幅Ａとの相関を示す。

【００２２】これら、図３乃至７から、基台部１のＸ点
における振幅に対し、角柱３，４の離間距離Ｗ，角柱
３，４の長さＬ，角柱３，４の根元部分の長さＤ，角柱
の幅Ｂ，支持部長さＣによる影響はないことが判明し
た。以上、どのような寸法の場合においても、支持部幅
Ａが小さい程、基台部１の振幅が小さいことが分かっ
た。即ち、支持部幅Ａは、基台部の振幅に対しての支配
的要因であり、支持部幅Ａが小さい程、基台部の振幅が
小さくなることが判明した。

【００２３】また、ジャイロの重要な特性である、零点
の温度ドリフト特性と支持部幅Ａとの対応関係は、図８
のようになった。図８より明らかなように、基台部１の
振動の結果と同様、支持部２の幅Ａが小さい方が温度ド
リフトが小さく、良い特性となっている。また、支持部
幅が５ｍｍ以下において、十分な温度ドリフト特性を得
ることがわかった。そして、この結果を基台部１の振動
の結果に照らし合わせてみると、支持部幅Ａが５ｍｍ以
下であるということは、基台部１の振幅が先端振幅の
１．５％以下に対応している。

【００２４】そこで、基台振幅を１．５％以下となるよ
うに、支持部形状を設計すれば、特性の良いセンサが得
られると考えられる。その一手段として、温度ドリフト
特性の良い振動ジャイロを得るためには、支持部の幅Ａ
を小さくすることが図３乃至図７からも容易に理解でき
る。しかし、実際のセンサ製造工程からの制限があり、
支持部２が太くならざる得ない場合には、振動モレによ
る基台部１の振動が１．５％以下となるように、支持部
２の形状を設計すれば良い。

【００２５】このように、振動型ジャイロの支持部２の
形状を、基台部１の振動が１．５％以下となるように、
そして具体的には、５ｍｍ以下に設計することにより、
振動安定性の高いジャイロを得ることができる。このよ
うに本実施例では、角柱３，４に設けられた駆動用圧電
素子５，６による角柱３，４の振動による基台部１の振
幅が角柱３，４の振幅の１．５％以下となるように設計
した時、具体的には、支持部２の幅を５ミリメートル以
下とすることにより、振動体が安定に支持される。

【００２６】つまり、ジャイロの製造工程の加工寸法誤
差などで左右の角柱３，４（振動子）の寸法が違って
も、音叉内部に振動エネルギーを効果的に閉じ込めるこ
とができる。このため、不要な振動漏れが低減され、こ
れによるノイズの発生を抑えることができる。又、不要
な振動漏れが低減される結果、安定な振動状態となり、
温度の変化に対して安定であり温度特性が良くなる。こ
のように、振動体のバランスが崩れていても振動体を確
実に支持できるとともに、振動の漏れが少なく効率良く
振動させることができる。

【００２７】（第２実施例）次に我々は、さらに鋭意研
究を行った。用いた角速度センサは、図２に示すのもの
と同一のものを使用した。以下に各種の実験結果を示
す。図９は、左右の角柱（振動子）３，４の先端での振
幅差と、支持部幅Ａとの相関を示すものである。支持部
幅Ａが３．０ｍｍの時に振幅差が最も小さくなる。従っ
て、支持部幅Ａが３．０ｍｍの時に振動が安定すること
が分かった。

【００２８】図１０〜図１６は、角柱（振動子）３，４
の幅Ｂと支持部長さＣを変えた場合の、左右の角柱（振
動子）３，４の先端振幅差と、支持部幅Ａとの相関を示
すものである。その結果、角柱（振動子）３，４の先端
での振幅差を最小とする寸法関係が存在することが分か
った。ここで、それぞれの箇所のＷ，Ｌ，Ｄは、第１実
施例と同一の箇所を示すものとする。

【００２９】図１０には角柱３，４の幅Ｂを変化させた
場合（規定値１．５ｍｍ，３ｍｍ，５ｍｍに対しマイナ
ス側に１０％ズレた場合）の振幅差と支持部幅Ａとの相
関を示す。また、図１１乃至図１３には支持部２の長さ
Ｃを変化させた場合の振幅差と支持部幅Ａとの相関を示
す。尚、変化寸法は、各図に示した。この図１０乃至１
３から、左右の振幅誤差に対し、支持部幅Ａ，角柱３，
４の幅Ｂ，支持部２の長さＣによる影響を受けることが
判明した。

【００３０】図１４には角柱３，４の離間距離Ｗを変化
させた場合の振幅差と支持部幅Ａとの相関を示す。又、
図１５には角柱３，４の長さＬを変化させた場合の振幅
差と支持部幅Ａとの相関を示す。さらに、図１６には角
柱３，４の根元部分の長さＤを変化させた場合の振幅差
と支持部幅Ａとの相関を示す。この図１４乃至図１５か
ら、左右の振幅差に対し、角柱３，４の離間距離Ｗ，角
柱３，４の長さＬ，角柱３，４の根元部分の長さＤによ
る影響はないことが判明した。

【００３１】これらの条件の場合における振動差の最小
値をまとめたものが、図１７である。これら最小値のプ
ロット点は、次の条件式にまとめることができた。

【００３２】

【数５】Ａ≦０．４×Ｃ＋Ｂただし、Ａ；支持部２の幅（ミリメートル）Ｂ；角柱３，４の幅（ミリメートル）Ｃ；支持部２の長さ（ミリメートル）さらに、

【００３３】

【数６】０．４×Ｃ＋Ｂ−１≦Ａ≦０．４×Ｃ＋Ｂ＋１とすることが好ましい。ここで、上式において（０．４
×Ｃ＋Ｂ）に対し±１ｍｍの幅を設けたのは、角柱（振
動子）３，４の先端での振幅差が１０％以下となるよう
にしたものである。

【００３４】このように、振動型ジャイロの支持部形状
を、上式のように設計することにより、振動安定性の高
いジャイロを得ることができる。つまり、ジャイロの製
造工程の加工寸法誤差などで左右の角柱３，４（振動
子）の寸法が違っても、音叉内部に振動エネルギーを効
果的に閉じ込めることができる。このため、不要な振動
漏れが低減され、これによるノイズの発生を抑えること
ができる。又、不要な振動漏れが低減される結果、安定
な振動状態となり、温度の変化に対して安定であり温度
特性が良くなる。このように、振動体のバランスが崩れ
ていても振動体を確実に支持できるとともに、振動の漏
れが少なく効率良く振動させることができる。

【００３５】次に、駆動振動と検知振動の共振周波数の
差Δｆと、感度の関係について説明する。Δｆを小さく
すれば感度は大きくなる。例えば、図１８に示す角速度
センサにおいて、角柱の厚みを３ｍｍ、角柱の長さＬを
３５ｍｍとした場合で、Δｆと感度を検討した結果、図
１９のような関係が得られた。

【００３６】即ち、Δｆを小さくする程、感度を高くす
ることができる。しかし、Δｆを小さくすると以下に述
べるような問題があることが判明した。（１）共振周波数の差Δｆが小さい場合には感度は高い
が、共振周波数の温度変化によって感度の変化やオフセ
ットの変動を起こしやすく、温度特性は悪化する。（２）又、角速度が周期的に加わる場合、例えば、車の
姿勢制御に用いようとすれば、実用上０〜４０Ｈｚ程度
の応答性が必要とされる。しかしながら、図２０に示す
ように、応答特性は、角速度周波数ｆo と周波数差Δｆ
が等しくなる点でピークを持つ。図２１のように、共振周波数を合わ込んだジャイロでは
フラットな応答性を持たない。４０Ｈｚまでの周波数で
フラットな応答性をジャイロに持たせるためには、図２
２のようにΔｆは６０Ｈｚ以上が必要である。

【００３７】このように、共振周波数の差Δｆはある程
度以上の値にする必要があり、具体的には６０Ｈｚ以上
にするのが望ましい。又、逆に、Δｆがあまり大きくな
ると感度が低下するためにあまり大きくできず、具体的
には２００Ｈｚ以下が望ましい。従って、特性の良い角
柱音叉型ジャイロを作るためには、駆動と検知の共振周
波数の差をある程度設ける必要があり、具体的には６０
〜２００Ｈｚ程度が望ましい。

【００３８】このように駆動振動と検知振動の共振周波
数を完全に一致させず、ある程度の差を設ける、より具
体的には６０〜２００Ｈｚとする。ここで、６０〜２０
０Ｈｚはプラス・マイナスいずれでもよい。その結果、
駆動と検知の共振周波数がある程度近いため、高感度で
ある。又、共振周波数の合せ込みのための微調整が必要
でなく、低コストで生産できる。さらに、共振周波数へ
の温度変化による影響が少ないため、温度特性の良いジ
ャイロを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の角速度センサを示す斜視図である。

【図２】角速度センサの正面図である。

【図３】支持部幅と基台部振幅との関係を示す線図であ
る。

【図４】支持部幅と基台部振幅との関係を示す線図であ
る。

【図５】支持部幅と基台部振幅との関係を示す線図であ
る。

【図６】支持部幅と基台部振幅との関係を示す線図であ
る。

【図７】支持部幅と基台部振幅との関係を示す線図であ
る。

【図８】支持部幅と温度ドリフトとの関係を示す線図で
ある。

【図９】支持部幅と振幅差との関係を示す線図である。

【図１０】支持部幅と振幅差との関係を示す線図であ
る。

【図１１】支持部幅と振幅差との関係を示す線図であ
る。

【図１２】支持部幅と振幅差との関係を示す線図であ
る。

【図１３】支持部幅と振幅差との関係を示す線図であ
る。

【図１４】支持部幅と振幅差との関係を示す線図であ
る。

【図１５】支持部幅と振幅差との関係を示す線図であ
る。

【図１６】支持部幅と振幅差との関係を示す線図であ
る。

【図１７】支持部長さと支持部幅との関係を示す線図で
ある。

【図１８】角速度センサを示す斜視図である。

【図１９】周波数差Δｆと感度との関係を示す線図であ
る。

【図２０】角速度周波数とゲインとの関係を示す線図で
ある。

【図２１】周波数と応答性との関係を示す線図である。

【図２２】周波数と応答性との関係を示す線図である。

【図２３】従来の角速度センサを示す斜視図である。

【図２４】従来の角速度センサを示す斜視図である。

【符号の説明】

１基台部２支持部３角柱４角柱５駆動用圧電素子６駆動用圧電素子７検知用圧電素子８検知用圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神田知幸愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基台部に対し角柱状の支持部にて２本の
角柱が支持され、当該角柱の直行する面に駆動用圧電素
子と検知用圧電素子とをそれぞれ止着した角柱音叉型圧
電振動ジャイロを用いた角速度センサにおいて、前記角柱に設けられた前記駆動用圧電素子による前記角
柱の振動による前記基台部の振動が前記角柱の振幅の
１．５％以下であることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】基台部に対し角柱状の支持部にて２本の
角柱が支持され、当該角柱の直行する面に駆動用圧電素
子と検知用圧電素子とをそれぞれ止着した角柱音叉型圧
電振動ジャイロを用いた角速度センサにおいて、前記支持部の幅を５ミリメートル以下とすることを特徴
とする角速度センサ。
【請求項３】前記支持部の厚みは、前記角柱の厚みと
略同一であることを特徴とする請求項１記載の角速度セ
ンサ。
【請求項４】前記支持部の幅は、５ミリメートル以下
かつ０．５ミリメートル以上の範囲内であることを特徴
とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項５】基台部に対し角柱状の支持部にて２本の
角柱が支持され、当該各角柱の直交する面に駆動用圧電
素子と検知用圧電素子とをそれぞれ止着した角柱音叉型
圧電振動ジャイロを用いた角速度センサにおいて、支持部の幅をＡミリメートルとし、角柱の幅をＢミリメ
ートルとし、支持部の長さをＣミリメートルとしたと
き、【数１】Ａ≦０．４×Ｃ＋Ｂを満足させるようにしたことを特徴とする角速度セン
サ。
【請求項６】基台部に対し角柱状の支持部にて２本の
角柱が支持され、当該各角柱の直交する面に駆動用圧電
素子と検知用圧電素子とをそれぞれ止着した角柱音叉型
圧電振動ジャイロを用いた角速度センサにおいて、支持部の幅をＡミリメートルとし、角柱の幅をＢミリメ
ートルとし、支持部の長さをＣミリメートルとしたと
き、【数２】０．４×Ｃ＋Ｂ−１≦Ａ≦０．４×Ｃ＋Ｂ＋１を満足させるようにしたことを特徴とする角速度セン
サ。