JPH0720140A

JPH0720140A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH0720140A
Application number: JP5188854A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Kobayashi; 忠彦小林; Isao Sakai; 勲酒井; Tomoki Funayama; 知己船山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で精密に角速度を検出できる実用的な角
速度センサを提供する。【構成】希土類金属と遷移金属との金属間化合物を主
相とする超磁歪材料からなる振動体１１と、振動体１１
に磁界を印加して磁歪により振動を発生させる駆動コイ
ル１２と、振動体１１に角速度が加わったときの振動変
化に相当する磁化変化を検出する検出コイル１３ａ，１
３ｂ及び検出回路とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動体として超磁歪材料
を用いた角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から角速度の検出には多くの方式が
実用化されている。例えば、圧電型、導電型、歪ゲージ
型、半導体ゲージ型などの方式が挙げられる。これらの
うちでも、圧電セラミックを用いた角速度センサは、構
造が簡単であることから、各種機械の振動検出に広く使
用されている。

【０００３】図１１を参照して従来の圧電型角速度セン
サについて説明する。この角速度センサは、高弾性金属
材料からなる４角柱状の振動体１の４つの側面に、それ
ぞれ短冊状の圧電素子２を接着した構造を有する。この
角速度センサでは、互いに対向する２対の圧電素子２の
うち、一方の圧電素子２対に駆動信号を印加し、これに
よって振動体１を屈曲振動させる。いま、図中矢印で示
すようにこの振動体１の軸を中心として回転角速度が加
わると、振動体１の振動方向に直交する方向にコリオリ
力が生じる。この結果、無回転時の振動方向と比較し
て、回転角速度に見合う新たな振動の作用によって振動
体１の振動方向にずれが生じる。この新たな振動成分
を、他方の圧電素子２対によって検知する。なお、図１
１に示したもの以外にも、スペイリ音叉型又はワトソン
音叉型などの角速度センサもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の圧電型
角速度センサには、以下のような種々の欠点がある。す
なわち、この角速度センサは構造的には振動体に圧電素
子を接着したものであるため、小型化が困難である、再
現性が悪い、振動体と圧電素子との熱膨張係数の差に起
因して温度変動が生じるなどの問題がある。また、圧電
素子に接続されたリード線から電圧を印加して動作させ
る必要があるため、リード線を通じて振動漏洩が生じ、
角速度を精密に検出することができない。さらに、圧電
素子自体に関しても、動作させるために高電圧を要す
る、電極の作製に煩雑な工程が必要となる、材質が脆い
などの問題がある。本発明は上記問題点を解決するため
になされたものであり、小型で精密に角速度を検出でき
る実用的な角速度センサを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサ
は、希土類金属と遷移金属との金属間化合物を主相とす
る超磁歪材料からなる振動体と、前記振動体に磁界を印
加して磁歪により振動を発生させる手段と、前記振動体
に角速度が加わったときの振動変化に相当する磁化変化
を検出する手段とを具備したことを特徴とするものであ
る。

【０００６】本発明に用いられる超磁歪材料を構成する
希土類金属−遷移金属系の金属間化合物としては、磁歪
量が大きい希土類・鉄系ラーベス相金属間化合物が好ま
しい。希土類・鉄系ラーベス型金属間化合物は、１００
０ｐｐｍを超える飽和磁歪（λ_s）を有することが報告
されている（特公昭６１−３３８９２号など）。このよ
うな超磁歪材料は、一般的に下記（Ｉ）式で表される。

【０００７】ＲＦｅ_z （Ｉ）（ＲはＹを含む希土類金属すなわちＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，
Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅ
ｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｙからなる群より選択される少
なくとも１種であり、１．５≦ｚ≦２．５を満足す
る）。本発明に用いられる超磁歪材料では、Ｆｅの一部
をＣｏで置換してもよい。Ｆｅの一部をＣｏで置換する
と、低温での使用が可能になり、また耐食性も改善でき
る。ただし、磁歪特性の観点から、ＣｏによるＦｅの置
換量は９５ａｔ％以下であることが好ましい。

【０００８】また、Ｆｅの一部をＭｎで置換してもよ
い。Ｆｅの一部をＭｎで置換すると、高磁界から低磁界
までの広い磁界領域で大きな磁歪値を示す。Ｍｎによる
Ｆｅの置換量は０．５〜５０ａｔ％であることが好まし
い。置換量が０．５ａｔ％未満では添加効果がなく、置
換量が５０ａｔ％を超えるとキュリー温度が低下して実
用温度領域での磁歪特性が劣化する。

【０００９】さらに、Ｆｅの一部を、Ｎｉ，Ｍｇ，Ａ
ｌ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｃｕ，
Ａｇ，Ｓｎ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｐｄ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｉ
ｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｂ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｂ，Ｐ，Ｃなどの
元素で置換してもよい。これらの元素は、材料強度、耐
食性、飽和磁歪、電気機械結合係数などの向上又は弾性
率の調整を目的として添加される。これらの元素による
Ｆｅの置換量は、Ｍｎによる置換量との合計で０．５〜
５０ａｔ％であることが好ましい。置換量が０．５ａｔ
％未満では添加効果がなく、置換量が５０ａｔ％を超え
ると磁歪値などの特性が劣化する。

【００１０】希土類金属とＦｅとの原子比ｚは、１．５
≦ｚ≦２．５に設定される。１．５未満又は２．５を超
えると、磁歪特性を担うラーベス相が減少するため十分
な磁歪特性が得られない。ｚは１．７≦ｚ≦２．２の範
囲がより好ましい。（Ｉ）式で表される超磁歪材料のう
ちでも、磁歪が大きく保磁力の小さいものは下記(II)式
で表される。

【００１１】Ｒ_1-xＺｒ_x（Ｆｅ_1-yＭｎ_y）_z (II) （ＲはＹを含む希土類元素のうち少なくとも１種、０．
００５≦ｘ≦０．５、０．００５≦ｙ≦０．５、１．５
≦ｚ≦２．５）。Ｚｒは保磁力を低下させる効果を有す
る。なお、Ｓｃ，Ｈｆを用いてもＺｒと同様の効果が得
られることから、同程度の量まで添加してもよい。ｘが
０．００５未満では添加効果が得られず、ｘが０．５を
超えると磁歪量が低下する。Ｍｎの作用及びｙ、ｚの限
定理由は前記の通りである。

【００１２】表１に、(II)式で表される超磁歪材料（Ｎ
ｏ．１〜１０）と(II)式の範囲外の超磁歪材料（Ｎｏ．
１１〜１６）とについて、保磁力などの特性をまとめて
示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】また、（Ｉ）式で表される超磁歪材料のう
ちでも、特に良好な磁歪特性を有するものは下記(III)
式で表される。Ｔｂ_1-aＤｙ_a（Ｆｅ_1-yＭｎ_y）_z (III) ここで、０．３≦ａ≦０．７より好ましくは０．５≦ａ
≦０．６、０．００５≦ｙ≦０．５より好ましくはｙは
０．１近傍、１．５≦ｚ≦２．５より好ましくは１．７
≦ｚ≦２．２さらに好ましくは１．９≦ｚ≦１．９５で
ある。

【００１５】本発明において、超磁歪材料からなる振動
体の形状は、円筒形、又は３角柱・４角柱・多角柱など
の角柱形でもよいが、特に振動の発生及び検出が容易な
コの字型又は十字型が好ましい。コの字型の振動体は、
２つの脚部を屈曲振動するように節（連結部）を設けて
連結したものとみなすことができる。十字型の振動体
は、２つの軸を屈曲振動するように節（連結部、交点）
を設けて連結したものとみなすことができる。

【００１６】本発明において、振動体に磁界を印加して
磁歪により振動させる手段としては、例えば振動体の一
部の周囲に非接触で設けられた駆動コイル及びこの駆動
コイルに接続された交流電源が用いられる。なお、線電
流によって発生する周回磁界により振動体を駆動するよ
うにしてもよい。本発明において、振動体に角速度が加
わったときの振動変化に相当する磁化変化を検出する手
段としては、例えば振動体の一部の周囲に非接触で設け
られた検出コイル及びこの検出コイルに接続された検出
回路が用いられる。

【００１７】駆動コイル及び検出コイルとしては、ソレ
ノイドコイル、平面コイルなどが用いられる。検出回路
は、同期検波回路、ブリッジ回路、整流回路などの回路
で構成される。コの字型振動体に対しては、例えば節
（連結部）の周囲に駆動コイルを、脚部の周囲に検出コ
イルを配置する。また、２個のコの字型振動体を振動が
伝わるように互いに重ねて、一方のコの字型振動体の周
囲に駆動コイルを、他方のコの字型振動体の周囲に検出
コイルを配置してもよい。十字型振動体に対しては、例
えば一方の軸の周囲に駆動コイルを、他方の軸の周囲に
検出コイルを配置する。

【００１８】以下、本発明の角速度センサの動作を説明
する。まず、振動体の一部の周囲に非接触で配置された
駆動コイルに所定周波数の交流電流を印加して振動体を
励磁する。超磁歪材料からなる振動体は、磁歪効果によ
り屈曲振動するので、これを基本振動とする。いま、振
動体に回転角速度が加わると、それに対応してコリオリ
力が発生し、振動体の振動は基本振動からずれる。この
ような振動変化が生じると、振動体の一部の周囲に非接
触で配置された検出コイルには逆磁歪効果によりインピ
ーダンス変化が生じる。この変化量を検出回路により電
気信号に変換する。ここで得られた信号の振幅及び位相
差により角速度の大きさあるいは方向を識別することが
できる。

【００１９】本発明の角速度センサにおいては、コの字
型又は十字型の振動体に、希土類磁石、フェライト磁
石、金属磁石などにより磁気バイアスを加えてもよい。
このような構成では、磁歪と磁界（電流）との関係が直
線的でありかつ最大磁歪率を示す領域で振動体を動作さ
せることができるため、センサ特性の直線性及びセンサ
感度が向上する。

【００２０】本発明の角速度センサは、以下に説明する
ように、圧電型角速度センサで生じる各種の問題を容易
に回避できる。まず、本発明の角速度センサでは、屈曲
振動時の共振周波数を低減したり、振動体を小さくする
ことができるという利点がある。ここで、棒状の振動体
が縦振動する場合の共振周波数は、下記の式で与えられ
る。

【００２１】ω＝（ｉπ／ｌ）×（Ｅ／ρ）^1/2 上式において、ωは振動数、ｉは振動の次数、ｌは長
さ、Ｅは材料の弾性率、ρは密度である。超磁歪材料の
弾性率（Ｅ＝２〜３×１０¹⁰Ｎ／ｍ²）は、圧電材料の
弾性率（Ｅ＝７×１０¹⁰Ｎ／ｍ²）に比べ約１／２〜１
／３の小さい値である。上式からもわかるように、Ｅが
小さいと振動数を低減でき、実用的な周波数帯域で動作
させることができる。逆に、振動数を一定にした場合、
棒状の振動体の長さを短くすることができるため、全体
を小型化することができる。

【００２２】また、低インピーダンスのコイルを用いて
振動を発生させるため低電圧駆動が可能である。駆動コ
イル及び検出コイルが振動体に非接触であるため、リー
ド線を通じた振動漏洩を絶縁することができ、検出精度
を向上することができる。振動体に圧電素子を接着する
ような工程がなくなるため、製作工程を簡略化でき、再
現性も高い。圧電素子の場合のように、振動体との熱膨
張差に起因する温度変動も解消できる。さらに、超磁歪
材料は圧電材料に比べ、機械強度にも優れている。

【００２３】なお、本発明に用いられる超磁歪材料は、
一般的に磁歪の異方性が大きい。そこで、高性能の素子
を得るためには、超磁歪材料の結晶方位を制御し、素子
の動作方向と大きな磁歪値が得られる結晶方位とを一致
させることが好ましい。本発明の素子に関しては、振動
発生方向が超磁歪材料の＜１１１＞〜＜１１０＞の範囲
になるように動作させることが好ましい。これは、超磁
歪材料の磁化容易軸方向及び磁歪による変形方向が＜１
１１＞であることによる。超磁歪材料の結晶方位を制御
するために、浮遊帯域溶解法（ＦｌｏａｔｉｎｇＺｏ
ｎｅ法）（特開昭６２−１０９９４６号公報、米国特許
４６０９４０２号明細書）や、改良ブリッジマン法（特
開昭６３−２４２４４２号公報、ヨーロッパ公開特許２
８２０５９）を用いてロッドを作製する方法が知られて
いる。

【００２４】しかし、これらの方法によって作製された
超磁歪ロッドは、保磁力（Ｈｃ）が大きく、素子に組み
込んだときの変位特性のヒステリシスが大きいため、微
小変位の制御性や周波数特性などに劣っている。この材
料系での保磁力増加の原因は、結晶粒界や異相などの介
在物でのピン止めによるものである。また、浮遊帯域溶
解法で得られる超磁歪合金の最大ロッド径は１０ｍｍが
限界であり、大型化が困難である。さらに、ブリッジマ
ン法ではルツボ内で合金を溶解するため、合金とルツボ
との反応を回避することが困難であり、しかも量産化に
適していない。

【００２５】以上のような問題を解決するためには、超
磁歪材料に最適な熱処理を施すことが考えられる。例え
ば、超磁歪材料を共晶温度以上かつ融点未満の温度に加
熱して所定時間保持した後、５００℃／ｈ以下の冷却速
度で徐冷する方法を好ましく用いることができる。この
熱処理方法についてさらに説明する。

【００２６】まず、所望の組成が得られるように各構成
元素を調合し、高周波誘導溶解などにより溶解する。得
られたインゴット、又はインゴットから切削加工などに
より適当な形状に加工した試料を、その合金の共晶温度
以上、融点未満の温度まで速やかに加熱して所定時間保
持する。このときの保持時間は、０．０１〜５００ｈが
好ましい。その後、５００℃／ｈ以下の冷却速度で徐冷
する。冷却速度は２００℃／ｈ以下がより好ましい。こ
れらの熱処理は、真空中、又は窒素、アルゴンなどの不
活性ガス雰囲気中で施すことが好ましい。

【００２７】このような熱処理が施された超磁歪材料は
保磁力が著しく低下する。これは以下に示すように保磁
力増加の原因となる異相などの介在物を除去でき、かつ
結晶粒成長により結晶粒界を減少できるためである。ま
ず、共晶温度以上に加熱すると、異相などの介在物を除
去できる。加熱温度が共晶温度未満であると、異相など
の介在物を除去することができない。しかも、後の徐冷
工程においても、これらの介在物が結晶粒成長を阻害す
るため、所望の効果が得られない。次に、５００℃／ｈ
以下の冷却速度で徐冷すると結晶粒が成長するため、保
磁力増加の原因となる結晶粒界が相対的に減少する。な
お、冷却速度が５００℃／ｈよりも速い場合には、十分
な結晶粒成長が起こらない。

【００２８】以下、この熱処理方法の具体例を説明す
る。まず、アルミナるつぼを使用しアルゴン雰囲気中で
高周波誘導溶解を行い、共晶温度が８９０℃であるＤｙ
Ｆｅ₂を作製した。この合金を、アルゴンガス中で共晶
温度以上の温度である１０００℃に加熱して１時間保持
した後、１００℃／ｈ、２００℃／ｈ、５００℃／ｈ、
又は１０００℃／ｈの冷却速度で冷却した。この後、５
ｍｍ径、１ｍｍ厚さに切り出して、保磁力測定用の試料
を作製した。各試料について、振動試料型磁力計を用い
て磁化−磁界曲線を測定し、保磁力を求めた。これらの
結果を図９に示す。図９から、冷却速度が５００℃／ｈ
以下の場合には、１０〜３０Ｏｅの低保磁力を示すこと
がわかる。比較のために、ＤｙＦｅ₂合金の加熱温度を
共晶温度未満の温度である７５０℃とした以外は、前記
と同様な実験を行った。これらの結果を図１０に示す。
図１０から、加熱温度が共晶温度未満である場合には、
冷却速度にかかわらず８０〜１２０Ｏｅと保磁力が高い
ことがわかる。

【００２９】また、別の熱処理として、所望の組成を有
する多結晶超磁歪合金インゴットを作製し、融点未満の
温度範囲で２０℃／ｃｍ以上の温度勾配を有する炉中に
おいて、合金インゴットと加熱炉との相対的な移動速度
を５〜４００ｍｍ／ｈに設定して相対移動させて冷却す
る方法を用いてもよい。熱処理条件を規定した理由は以
下の通りである。加熱温度が融点以上ではルツボとの反
応が生じる。また、温度勾配が２０℃／ｃｍ未満では合
金インゴットと加熱炉との相対的な移動速度を５ｍｍ／
ｈ未満の低速にしなければならず、生産性に問題が生じ
る。合金インゴットと加熱炉との相対的な移動速度が５
ｍｍ／ｈ未満では生産性に問題が生じ、一方４００ｍｍ
／ｈを超えると結晶方位を制御することができない。こ
の方法では、ルツボを用いずに加熱炉中で合金インゴッ
トの片端又は両端を固定して保持してもよいし、安価な
ルツボ材料を選択したりルツボを再利用することもでき
る。

【００３０】なお、合金インゴットとして、５００℃以
上、融点未満の温度範囲で押出加工、引き抜き加工、圧
延などの塑性変形加工を施したものを用いてもよい。ま
た、合金インゴットを金属パイプに入れ、両者を同時に
塑性変形加工したものを用いてもよい。この場合、被覆
用の金属パイプとしては、加工温度以上の融点を有する
金属又は合金（例えばステンレスなど）を用いる。塑性
変形加工の温度については、５００℃未満では十分な塑
性変形能が得られず、融点以上では合金の形状を保てな
くなる。より好ましい温度範囲は、８００〜１２００℃
である。このように塑性変形加工を施すと結晶粒が微細
化し、引き続き熱処理を施すと結晶粒が粗大化するの
で、結晶方位の制御が容易になる。また、塑性変形加工
を複数回行うことにより、大きな形状のインゴットから
細いワイヤー状のロッドを作製することも可能となる。
なお、塑性変形加工及び熱処理は、真空中又はアルゴ
ン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で行うことが好
ましい。

【００３１】以下、この熱処理方法の具体例を説明す
る。例１：原子比でＴｂ_0.4Ｄｙ_0.6（Ｆｅ_0.95Ｍｎ_0.05）
_1.93となるように、各元素を配合し、アルゴン雰囲気中
でアルミナルツボを使用して高周波誘導溶解した後、石
英ルツボに鋳込むことにより、外径１５ｍｍ、長さ２０
０ｍｍの合金ロッドを得た。得られた合金ロッドをアル
ミナルツボ中に保持し、１１３０℃から９８０℃の範囲
の温度勾配を５０℃／ｃｍとした加熱炉中を７０ｍｍ／
ｈの速度で下降させた。熱処理後の合金ロッドを７ｍｍ
の立方体に加工し、室温下で歪みゲージを用いてロッド
軸方向とその直交方向の磁歪特性を評価した。磁界は対
極型磁石により発生させ、２ｋＯｅ磁界での磁歪（λ
_2kOe）を測定した。その結果、ロッド軸方向では９５０
ｐｐｍ、その直交方向では３８０ｐｐｍという低い値で
あり、磁歪の異方性が大きい合金ロッドを得ることがで
きた。

【００３２】例２：原子比でＴｂ_0.5Ｄｙ_0.5（Ｆｅ
_0.9Ｍｎ_0.1）_1.95となるように、各元素を配合し、ア
ルゴン雰囲気中でアルミナルツボを使用して高周波誘導
溶解した後、カーボンヒーターにより１１００℃に加熱
した内径３０ｍｍのアルミナ鋳型中に鋳造し、さらに冷
却板に水冷銅板を使用して炉冷することにより、合金イ
ンゴットを得た。得られた超磁歪インゴットを加工温度
１０８０℃、圧力４トン／ｃｍ²で熱間押出加工して、
直径１０ｍｍの超磁歪合金ロッドを得た。得られた合金
ロッドの下端を保持して、１１５０℃から１０００℃の
範囲の温度勾配を７０℃／ｃｍとした加熱炉中を１００
ｍｍ／ｈの速度で下降させた。熱処理後の合金ロッドを
６ｍｍの立方体に加工し、室温下で歪みゲージを用いて
押し出し軸方向とその直交方向の磁歪特性を評価した。
磁界は対極型磁石により発生させ、２ｋＯｅ磁界での磁
歪（λ_2kOe）を測定した。その結果、押し出し軸方向で
は１０５０ｐｐｍ、その直交方向では３５０ｐｐｍとい
う低い値であり、磁歪の異方性が大きい合金ロッドを得
ることができた。

【００３３】以上のような熱処理方法では、比較的大型
の合金インゴットを用いても、これを溶融しないのでル
ツボとの反応を避けることができ、しかも結晶方位を制
御することができる。なお、超急冷技術により得られる
超磁歪材料の箔体を用いてもよい。この場合、非晶質化
元素としてＢ，Ｐ，Ｃ，Ｓｉなどを含む組成が好まし
い。

【００３４】以上のような方法により得られた超磁歪材
料は、角速度センサ以外にも、各種磁気−機械変位変換
デバイスに応用できる。例えば、磁歪振動子としてスピ
ーカー、ソナー、パーツフィーダー、超音波加工機、モ
ーターの除振・防振機構などへの応用、変位制御アクチ
ュエータとして精密位置決め機構、バルブ制御弁、機械
スイッチ、マイクロポンプ、プリンタヘッドなどへ応
用、磁歪センサとして圧力センサ、ノックセンサ、音圧
センサなどへの応用、さらに表面弾性波応用素子への応
用などが考えられる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。実施例１図１に本実施例における角速度センサの斜視図、図２に
この角速度センサの回路のブロック図を示す。

【００３６】図１において、角速度センサを構成するコ
の字型振動体１１は、Ｔｂ_0.3Ｄｙ_0.7Ｆｅ_1.9なる組
成の超磁歪材料からなっており、ブリッジマン法により
製造した＜１１２＞配向の棒状合金から、ダイヤモンド
加工により成形したものである。コの字型振動体１１の
２つの脚部を連結する連結部の周囲には駆動コイル１２
が、２つの脚部の周囲には検出コイル１３ａ，１３ｂ
が、それぞれ非接触で巻回されている。

【００３７】図２に示すように、駆動コイル１２は発振
回路１４に接続され、発振回路１４は同期検波回路１７
に接続されている。検出コイル１３ａ，１３ｂは、それ
ぞれ増幅器１５ａ，１５ｂに接続されている。これらの
増幅器１５ａ，１５ｂは差動増幅器１６に接続され、さ
らに差動増幅器１６は同期検波回路１７に接続されてい
る。

【００３８】この角速度センサの動作を説明する。発振
回路１４により駆動コイル１２へ約１０Ｖ程度の交流電
圧を印加し、駆動コイル１２より発生する励磁界を振動
体１１に与えてこれを屈曲振動させる。また、発振器１
４から同期検波回路１７へ、位相の基準となる参照信号
を直接供給する。このように振動体１１が振動している
ので、振動体１１の脚部においては逆磁歪効果によって
磁化が生じる。この磁化に応じた信号が検出コイル１３
ａ，１３ｂに接続された増幅器１５ａ，１５ｂで増幅し
て検出され、両者の信号の差が差動増幅器１６で増幅さ
れ、さらにこの信号が同期検波回路１７で同期整流され
る。

【００３９】上記の説明からわかるように、振動体１１
に回転角速度が加わっていない場合には、両方の検出コ
イル１３ａ，１３ｂからの信号は相殺されて出力は生じ
ない。一方、屈曲振動している振動体１１に、例えば図
中矢印で示すような鉛直軸回りの回転角速度が加わる
と、振動体１１の脚部の振動方向に直交する方向にコリ
オリ力が生じる。この結果、脚部の振動方向が基本振動
方向からずれ、このずれに起因して脚部に働く応力が変
化し、さらに逆磁歪効果によって生じる磁化が変化す
る。したがって、検出コイル１３ａ，１３ｂにおけるイ
ンピーダンス変化が回転角速度に対応する出力として得
られる。

【００４０】なお、図１では駆動コイルとしてソレノイ
ドコイルが用いたが、その代わりに図３に示すように線
電流１８によって発生する周回磁界を用いても同様の効
果が得られる。ただし、この構成では、ソレノイドコイ
ルを用いた場合と比較して、約１０倍の電流が必要とな
る。

【００４１】実施例２図４に本実施例における角速度センサの分解斜視図を示
す。図４の角速度センサにおいては、板状のサマリウム
・コバルト磁石２２の上に、第１及び第２のコの字型振
動体１１及び２１が順次重ねて載せられている。これら
のコの字型振動体１１，２１は、Ｔｂ_0.4Ｄｙ_0.6（Ｆ
ｅ_0.9Ｍｎ_0.1）_1.95なる組成の超磁歪材料からなって
おり、ブリッジマン法により製造した＜１１０＞配向の
棒状合金から、ダイヤモンド加工により成形したもので
ある。第１のコの字型振動体１１の２つの脚部の周囲に
は駆動コイル１２ａ，１２ｂが非接触で巻回され、第２
のコの字型振動体２１の２つの脚部の周囲には検出コイ
ル１３ａ、１３ｂが非接触で巻回されている。板状のサ
マリウム・コバルト磁石２２は、振動体に磁気バイアス
を加えるために設けられている。磁気バイアスは、振動
体が磁歪率最大の領域で動作するように、予め最適値に
設定されている。

【００４２】この角速度センサでは、駆動コイル１２
ａ，１２ｂで第１のコの字型振動体１１を屈曲振動さ
せ、この振動を第２のコの字型振動体２１に伝えてこれ
を屈曲振動させ、回転角速度が加わることによって第２
のコの字型振動体２１に生じる振動変化を検出コイル１
３ａ，１３ｂ及び実施例１と同様な検出回路により回転
角速度に対応する出力として得る。また、サマリウム・
コバルト磁石２２により振動体にバイアス磁界を加えて
いるので、磁歪と磁界（電流）との関係が直線的であり
かつ最大磁歪率を示す領域で動作させることができ、セ
ンサ特性の直線性及びセンサ感度が向上する。

【００４３】実施例３図５に本実施例における角速度センサの斜視図図、図６
にこの角速度センサの回路のブロック図を示す。図５に
おいて、角速度センサを構成する十字型振動体３１は、
Ｔｂ_0.35Ｄｙ_0.65（Ｆｅ_0.9Ｍｎ_0.05Ａｌ_0.05）_1.93な
る組成の超磁歪材料からなっており、ブリッジマン法に
より製造した＜１１２＞配向の棒状合金をダイヤモンド
加工により０．１ｍｍ厚さにスライスした後、十字型に
成形したものである。十字型振動体３１の一方の軸の周
囲には駆動コイル３２ａ，３２ｂが、他方の軸の周囲に
は検出コイル３３ａ，３３ｂが、それぞれ非接触で巻回
されている。

【００４４】図６に示すように、駆動コイル３２ａ，３
２ｂは発振回路３４に接続され、発振回路３４は同期検
波回路３７に接続されている。検出コイル３３ａ，３３
ｂは、それぞれ増幅器３５ａ，３５ｂに接続されてい
る。これらの増幅器３５ａ，３５ｂは差動増幅器３６に
接続され、さらに差動増幅器３６は同期検波回路３７に
接続されている。

【００４５】この角速度センサでは、発振回路３４によ
り駆動コイル３２ａ，３２ｂへ約１０Ｖ程度の交流電圧
を印加し、駆動コイル３２ａ，３２ｂより発生する励磁
界を振動体３１に与えてこれを屈曲振動させる。また、
発振器３４から同期検波回路３７へ、位相の基準となる
参照信号を直接供給する。いま、屈曲振動している振動
体３１に回転角速度が加わると、振動体３１の振動方向
に直交する方向にコリオリ力が生じる。この結果、振動
体３１の振動方向が基本振動方向からずれ、このずれに
起因して振動体３１に働く応力が変化し、さらに逆磁歪
効果によって生じる磁化が変化する。したがって、検出
コイル３３ａ，３３ｂにおけるインピーダンス変化が回
転角速度に対応する出力として得られる。

【００４６】なお、図５では駆動コイルとしてソレノイ
ドコイルが用いたが、その代わりに図７に示すように線
電流３８によって発生する周回磁界を用いても同様の効
果が得られる。ただし、この構成では、ソレノイドコイ
ルを用いた場合と比較して、約１０倍の電流が必要とな
る。

【００４７】実施例４図８に本実施例における角速度センサの分解斜視図を示
す。図８の角速度センサにおいては、２つの板状のサマ
リウム・コバルト磁石４３，４３の上に、十字型振動体
４１とこれを保持する枠体４２とを一体化したもの、及
び十字型振動体４１に対応して平面型駆動コイル５２
ａ，５２ｂと平面型検出コイル５３ａ，５３ｂとが形成
されたポリイミドフィルム４４が順次重ねて載せられて
いる。十字型振動体４１及び枠体４２は、Ｔｂ_0.5Ｄｙ
_0.5（Ｆｅ_0.9Ｍｎ_0.1）_1.95なる組成の超磁歪材料か
らなっており、ブリッジマン法により製造した＜１１０
＞配向の棒状合金をダイヤモンド加工により０．１ｍｍ
厚さにスライスした後、レーザー加工により成形したも
のである。平面型駆動コイル５２ａ，５２ｂ及び平面型
検出コイル５３ａ，５３ｂの形状は、スパイラル状、矩
形状、ミアンダー状のいずれでもよく、半導体プロセス
により作製される。

【００４８】この角速度センサでは、平面型駆動コイル
５２ａ，５２ｂにより十字型振動体４２のＸ方向の軸を
振動させ、平面型検出コイル５３ａ，５３ｂ及び実施例
３と同様な検出回路によりＹ方向の軸の振動変化を回転
角速度に対応する出力として得る。また、サマリウム・
コバルト磁石４３，４３により振動体４１にバイアス磁
界を加えているので、磁歪と磁界（電流）との関係が直
線的でありかつ最大磁歪率を示す領域で動作させること
ができ、センサ特性の直線性及びセンサ感度が向上す
る。さらに、この角速度センサでは、十字型振動体４１
の交点４１ａの質量を最適化することにより、振動を増
大させたり、共振周波数を可変にできる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、小
型で精密に角速度を検出できる実用的な角速度センサを
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における角速度センサの斜視
図。

【図２】本発明の実施例１における角速度センサの回路
を示すブロック図。

【図３】本発明の実施例１の角速度センサの変形例の斜
視図。

【図４】本発明の実施例２における角速度センサの分解
斜視図。

【図５】本発明の実施例３における角速度センサの斜視
図。

【図６】本発明の実施例３における角速度センサの回路
を示すブロック図。

【図７】本発明の実施例３の角速度センサの変形例の斜
視図。

【図８】本発明の実施例４における角速度センサの分解
斜視図。

【図９】本発明に係る熱処理方法で熱処理された超磁歪
合金の保磁力を示す特性図。

【図１０】他の熱処理方法で熱処理された超磁歪合金の
保磁力を示す特性図。

【図１１】従来の圧電型角速度センサの斜視図。

【符号の説明】

１１、２１…コの字型振動体、１２，１２ａ，１２ｂ，
３２ａ，３２ｂ…駆動コイル、１３ａ，１３ｂ，３３
ａ，３３ｂ…検出コイル、１４，３４…発振回路、１５
ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂ…増幅器、１６，３６…差
動増幅器、１７，３７…同期検波回路、２２，４３…サ
マリウム・コバルト磁石、３１，４１…十字型振動体、
４２…枠体、４４…ポリイミドフィルム、５２ａ，５２
ｂ…平面型駆動コイル、５３ａ，５３ｂ…平面型検出コ
イル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希土類金属と遷移金属との金属間化合物
を主相とする超磁歪材料からなる振動体と、前記振動体
に磁界を印加して磁歪により振動を発生させる手段と、
前記振動体に角速度が加わったときの振動変化に相当す
る磁化変化を検出する手段とを具備したことを特徴とす
る角速度センサ。
【請求項２】前記振動体が、コの字型形状を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】前記振動体が、十字型形状を有すること
を特徴とする請求項１記載の角速度センサ。