JPH08201068A

JPH08201068A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH08201068A
Application number: JP7031539A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Hiroaki Terao; 博明寺尾; Tomoo Namiki; 智雄並木; Toshiyasu Shigeta; 利靖重田; Minoru Hatakeyama; 稔畠山; Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: Miyota KK; Wako KK
Current assignee: Miyota KK; Wako KK
Priority date: 1995-01-26
Filing date: 1995-01-26
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】［目的］２軸の角速度を検出できる角速度センサを得
る。［構成］円板形振動基板の上面に、上面中央部に励振
電極を設け、該励振電極の外周部に円板の中心で直交す
る２対の検出電極を円板の中心に対して点対称に設け、
下面に少なくとも前記電極に対向して電極を設けた円板
形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下面に、下面中央
部に帰還電極を設け上面には少なくとも帰還電極と対向
する電極を設けた円板形圧電素子を貼付したセンサ部に
重錘体を設け円筒支持した角速度センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は角速度センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】姿勢制御、位置制御が可能な角速度セン
サは、ビデオカメラの手ぶれ防止や、自動車のナビゲー
ションに使うことを目的に小型化、高性能化の開発が行
われている。角速度センサにもいろいろあるが、サイズ
やコストの面では圧電振動型の角速度センサが有利であ
り、音叉型、音片型（四角柱）、円柱型、三角柱型等が
製品化されている。

【０００３】図１は音片型圧電振動角速度センサを説明
するための構造図である。圧電振動型角速度センサの原
理は、振動している振動子の中心軸（Ｚ軸）回りに、回
転角速度（ω0）が加わると、もとの振動方向（Ｘ軸）
に対し、直角方向（Ｙ軸）に回転角速度に比例したコリ
オリ力（Ｆc）が生じる力学現象を利用したもので、駆
動用圧電セラミックスを用いてＸ軸に振動を与え、Ｙ軸
に設けた検出用圧電セラミックスによってコリオリ力を
電圧として検出するものである。コリオリ力は一般に次
式により求められる。Ｆc＝２ｍ×ｖ×ω0 ｍは質
量、ｖは速度、ω0は角速度である。

【０００４】振動周波数が同じであればＸ軸の振幅が大
きいほどＹ軸変位は大きく、検出電圧（感度）を高める
にはＸ軸の振幅が大きく、Ｙ軸の検出効率を高めた共振
型振動角速度センサが有利である。音片型振動角速度セ
ンサは共振型であり、感度は高くできるが、駆動辺と検
出辺の振動姿勢を崩さず、共振周波数を正確に調整する
ことが難しく、しかも駆動辺と検出辺の共振特性の不一
致やズレによる顕著な特性変化や高機械的品質係数（Ｑ
ｍ）がゆえに応答速度が遅いなど問題も多い。前記問題
を解決する角速度センサとして、駆動辺と検出辺との分
離構成ではなく、駆動と検出を一辺（体）化することに
より、同一共振系による駆動・検出を可能にした正三角
形音片振動角速度センサを構成し、共振特性に不一致や
ズレの難題を克服した製品が開発された。

【０００５】図２は正三角形音片型振動角速度センサの
構造図である。一辺をａとし、長さをｌとした正三角形
音片振動子の共振周波数ｆΔは、数１で求めることが出
来る。

【０００６】

【数１】ｍは定数、Ｅはヤング率、ρは密度である。振
動子は恒弾性金属材料（エリンバ材）で作製し、各辺の
中央部に圧電セラミックスをエポキシ系接着剤で貼り合
わせた。ノード点は有限要素法によるシミュレーション
より求め、Ｙ軸モードの完全ノード点にあたる稜線部分
で理想的支持を行った。また、組み合わせる圧電セラミ
ックスの負の熱弾性係数を考慮して、エリンバ材の析出
効果を利用した時効処理を施し、正の弾性係数と組み合
わせ、周波数温度特性が、±１ｐｐｍ／℃以下の良好な
特性と振動子自体の検出電圧が数百ｍＶと従来の非共振
型振動角速度センサと比較してけた違いの高感度（高出
力）が得られた。（電子情報通信学会誌、１／’９３、
圧電振動ジャイロスコープ、中村武）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】周波数温度特性が良
く、高感度角速度センサにより、カメラ一体型ビデオカ
メラの手ぶれ防止用角速度センサとして有用であるが、
一つのセンサで一軸の角速度の検出しかできないという
欠点があり、二軸の角速度を検出するには２個のセンサ
を必要とし、組立工数の増加、組立部品数の増加は免れ
なかった。二軸で有れば、単純にみても２倍のコストに
なる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は従来の角速度セ
ンサの課題を解決するためのものであり、小型であり、
高感度ながら安価な角速度センサを提供する。

【０００９】振動基板の両面に、両面に電極を設けた圧
電素子を貼付する。上面に貼付する圧電素子は、上面に
は中央部に励振電極、その外周には４つの検出電極（円
板形振動基板の中心で直交する２対の検出電極）を設け
る。下面（振動基板に貼付する面）には少なくとも前記
励振電極と検出電極に対向する電極を設け圧電素子は励
振電極側が伸びたときに励振電極にプラスの電荷が発生
するように分極する。検出電極は振動板の振動ノードの
内側に配置し、励振電極と各検出電極からは引き出し電
極を振動ノードまで出し、各電極と回路との接続を振動
ノード上で行う。

【００１０】下面に貼付する圧電素子は、振動基板に貼
付する面（上面）には、少なくとも下面電極に対向する
電極を設け、下面には中央部に帰還用電極を設ける。前
記の構成のセンサ部に重錘体を設ける。前記センサの振
動ノード部を円筒部材の開口部に固定する。

【００１１】圧電素子の励振電極と対向電極に交流をか
けると圧電素子が振動し、それとともに貼付されている
振動基板が振動する。圧電素子の歪みにより検出電極に
電荷が発生する。対向する検出電極は分極方位を逆にし
て接続されているので励振状態では発生電荷が相殺され
る。振動状態でセンサに角速度が作用すると、センサ部
にコリオリ力が生じ、センサ部の歪みが変化するので、
検出電極に電荷が発生する。センサ部には重錘体が設け
てあるので質量ｍが大きくなり、発生するコリオリ力が
大きくなる。

【００１２】

【実施例】図３は本発明の第一実施例の角速度センサの
側面断面図であり、図４は上面図であり、図５は下面図
である。図６は本発明の第二実施例の角速度センサの側
面断面図であり、図７は下面図である。図３、図４、図
５に於いて符号は共通である。図８は本発明の角速度セ
ンサを励振するための回路図である。

【００１３】最初に第一実施例について説明する。圧電
素子である例えば圧電セラミックス（ＰＺＴ）の円板１
の上面には引き出し電極４ａを有する励振電極４と４つ
の検出電極６、７、８、９が形成される。それぞれの検
出電極には引き出し電極６ａ、７ａ、８ａ、９ａを有す
る。４つの電極は図示のごとくＸ軸、Ｙ軸上に対称に且
つ同心円状にする。（本実施例では同心円状であるが同
心円でなくとも点対称であればよい。）下面には電極５
が検出電極６、７、８、９の外周円と対向する径で形成
されている。形成方法は真空蒸着、スパッタリング等で
よく、本実施例の電極膜厚は４５００オングストローム
である。

【００１４】電極形成後圧電セラミックスの分極を行う
が、電極４、６、８をプラス、電極５をマイナスにして
行う分極と、電極７、９をマイナスにして電極５をプラ
スにして行う分極の２回に分けて行う。検出電極６と７
及び検出電極８と９はセンサ上（圧電セラミックス上に
接続パターンを形成する）又は検出回路で接続され一対
でＸ軸、Ｙ軸の角速度検出電極となる。前記の分極によ
り、対になる検出電極に逆の電荷が発生することになる
のでコリオリ力の作用しない状態（角速度の作用しない
状態）では、お互いの発生電荷が相殺される。圧電セラ
ミックス（ＰＺＴ）の円板３の上面には帰還用電極１０
と対向して電極１１が形成され、下面には、中央に帰還
用電極１０が形成されている。分極は電極１０が電極４
と同じ方位になるように行う。本実施例では励振電極と
帰還用電極が＋にしてあるが、両電極が−分極でもよ
い。圧電セラミックスの外径は２０ｍｍ，厚さ０．１ｍ
ｍ，励振電極、帰還電極は直径９ｍｍ、検出電極の内径
部は１０ｍｍ，同外径部は１２ｍｍである。重錘体は直
径３ｍｍ、長さ３ｍｍである。

【００１５】振動基板２は、常温で熱膨張係数が少ない
厚さ０．１ｍｍの金属板（例えばＳｕｐｅｒ−Ｉｎｖａ
ｒ日本金属学会・日本鉄鋼協会編「鉄鋼材料便覧」）で
あり、図のように両面に圧電セラミックス１、３が貼付
される。接着剤は図示していないが、圧電セラミックス
側には例えばロックタイト社のＬＩＤ１３１６（ＵＶ嫌
気性接着剤）、金属板側にはロックタイト社のプライマ
ー７６４９（反応促進剤）を塗布して接着するとよい。
接着後紫外線を照射すると硬化する。同様に重錘体１６
も接着されている。

【００１６】電極５と振動基板２は電気的に接続されて
接着されるので、振動基板２と励振電極４に交流をかけ
ると圧電セラミックス１が振動し振動基板２も一緒に振
動する。円筒支持部材で支持をすると振動ノードは図４
の点線１３近傍（振動基板２の外径をＤとすると０．５
４〜０．７０Ｄの部分に発生応力の小さい部分がある）
に現れるので、円筒状の支持部材１２の開口部（好まし
くはナイフエッジにする）で支持する。図１２は円筒支
持径と支持部に発生する応力の関係を示すグラフであ
る。振動基板や圧電素子、電極により発生する応力は変
化するが０．５４〜０．７０Ｄ付近に発生応力の小さい
部分が出る。本実施例で使用する振動は圧電セラミック
スの径振動であり、支持することによりいわゆるベンデ
イング振動となる。支持部の径は１０．８〜１４．０ｍ
ｍである。振動ノード付近で支持することにより振動漏
れを少なく抑えることが出来る。検出電極は円筒支持の
内側に設けている。尚、センサ部の支持は上下どちらで
も良い。

【００１７】角速度センサを図８に示す帰還回路に接続
する。帰還電極１０は増幅器１４に接続する。増幅器１
４の出力は位相補正回路１５に入力し、位相補正回路１
５の出力は励振電極４と接続している。帰還電極１０で
得られる信号は増幅器１４で増幅されると共に位相が１
８０度反転した矩形波になる。矩形波は位相補正回路１
５で位相が９０度遅れる。さらに角速度センサの圧電素
子で位相が９０度遅れ帰還電極１０より信号として取り
出される。（図中重錘体は省略してある）

【００１８】角速度センサに角速度が作用すると、重錘
体にコリオリ力が生じ、その影響で角速度センサの圧電
素子が変形する。検出電極６、７、８、９で得られる電
圧が変化し、Ｘ軸、Ｙ軸に作用した角速度が検出でき
る。

【００１９】次に第二実施例について図６、図７を参照
して説明する。第二実施例が第一実施例と異なるのは電
極５、１１が全面電極であることと、検出電極６’、
７’、８’、９’を帰還電極の周囲にも設けている点で
ある。図６に於いて電極６’、７’は上部の電極６、７
と相対向して配置され、分極は逆にしてある。検出電極
８’、９’も同様である。図１１は検出電極の結線図で
あるが、検出電極を両側に設けて接続することで検出感
度が倍になる。

【００２０】次に本発明で角速度の検出が出来る理論に
ついて説明する。図９はＹ軸の回りに角速度ωが作用し
た状態の側面断面図である。コリオリ力により重錘体が
移動することでセンサ部が変形し検出電極６、６’、
７、７’には図のごとくプラスとマイナスの電荷が発生
する。即ち、電極６は引っ張りによりプラス、電極６’
は圧縮であるが分極が逆なのでやはりプラス、同様に電
極７、７’にはマイナスが発生する。

【００２１】図１０は発生した電荷から角速度を検出す
る回路の構成図である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向の回転角
速度に比例したコリオリ力を検出する回路ブロック図で
あるが、Ｘ軸、Ｙ軸とも同じ信号処理をするのでＸ軸方
向にコリオリ力が発生した場合を例に取り説明する（Ｙ
軸回りに回転角速度が作用した場合）。検出電極６、
７、８、９はインピーダンス変換回路に接続され、イン
ピーダンス変換回路の出力は加算回路（角速度センサ上
で対の検出電極が接続されている場合は必要ない）に接
続されている。

【００２２】増幅回路１４、位相補正回路１５を介して
駆動信号を印加してセンサ部を励振する。検出電極６、
７はそれぞれ逆方向に分極されているため、出力する駆
動信号は１８０度位相が反転したものである。（図１１
の結線では６、６’の結線した端子と７、７’の結線し
た端子を同様に考えれば良い）この状態で回転が加わる
と回転角速度に比例したコリオリ力によって発生した電
荷が電圧として駆動信号に重畳する。そのときコリオリ
力による相対する検出電圧が同位相となるため、出力電
圧１７及び１８のように電圧出力に差が生じる。加算回
路１９によって加算されると駆動信号は相殺されてコリ
オリ力によって発生した電圧２０のみ取り出すことがで
きる。このコリオリ力によって発生した電圧を同期検波
回路２１によって半波整流し、出力電圧２２が得られ
る。この出力電圧を直流増幅回路２３によって平滑して
回転角速度に比例した出力電圧２４が得られる。

【００２３】

【発明の効果】本発明は前記のような構成にすることで
次のような効果が生じる。１一つのセンサで２軸の角速度を測定できる。２円板状平板と円筒の組み合わせであり、加工と組立
が容易である。３センサ部を円筒支持するので強固な支持ができ、角
速度センサの信頼性が高い。４重錘体を付けることでコリオリ力の作用が大きくな
り検出が容易になる。５対になる検出電極の分極を２回に分けて行い、分極
方位を逆にすることで結線構造の簡略化と検出回路の簡
素化（加算回路を省略できる）ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】音片型圧電振動角速度センサを説明するための
構造図

【図２】正三角形音片型振動角速度センサの構造図

【図３】本発明の第一実施例の角速度センサの側面断面
図

【図４】本発明の第一実施例の角速度センサの上面図

【図５】本発明の第一実施例の角速度センサの下面図

【図６】本発明の第二実施例の角速度センサの側面断面
図

【図７】本発明の第二実施例の角速度センサの下面図

【図８】本発明の角速度センサを励振するための回路図

【図９】本発明の理論を説明するための状態図

【図１０】角速度検出回路構成図

【図１１】検出電極の結線図

【図１２】円筒支持位置と発生応力の関係を示すグラフ

【符号の説明】

１セラミックス円板２金属板３セラミックス円板４励振電極４ａ引き出し電極５電極６、６’検出電極７、７’検出電極６ａ引き出し電極７ａ引き出し電極８ａ引き出し電極９ａ引き出し電極８、８’検出電極９、９’検出電極１０帰還用電極１１電極１２支持部材１３振動ノード１４増幅器１５位相補正回路１６重錘体１７出力電圧波形１８出力電圧波形１９加算回路２０電圧波形２１同期検波回路２２出力電圧波形２３直流増幅回路２４出力電圧波形

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者並木智雄長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者重田利靖長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者畠山稔長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者岡田和廣埼玉県上尾市菅谷４丁目73番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円板形振動基板の上面に、上面中央部に
励振電極を設け、該励振電極の外周部に円板の中心で直
交する２対の検出電極を円板の中心に対して点対称に設
け、下面には少なくとも前記電極に対向して電極を設け
た円板形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下面に、下
面中央部に帰還電極を設け上面には少なくとも帰還電極
と対向する電極を設けた円板形圧電素子を貼付したセン
サ部の中央部に重錘体を設けたことを特徴とする角速度
センサ。
【請求項２】円板形振動基板の上面に、上面中央部に
励振電極を設け、該励振電極の外周部に円板の中心で直
交する２対の検出電極を円板の中心に対して点対称に設
け、下面には少なくとも前記電極に対向して電極を設け
た円板形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下面に、下
面中央部に帰還電極を設け、該帰還電極の外周部に円板
の中心で直交する２対の検出電極を円板の中心に対し点
対称に設け上面には少なくとも前記帰還電極と２対の検
出電極に対向した電極を設けた円板形圧電素子を貼付し
たセンサ部に重錘体を設けたことを特徴とする角速度セ
ンサ。
【請求項３】対の検出電極部の圧電素子の分極方位を
逆に分極し接続したことを特徴とする請求項１又は請求
項２の角速度センサ。
【請求項４】センサ部を円筒支持したことを特徴とす
る請求項１又は請求項２又は請求項３の角速度センサ。