JPH08327369A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ ２軸の角速度の検出ができる小型軽量で組立
性が良くかつ信頼性の高い角速度センサを得る。 ［構成］ 板状の振動体、および該振動体の片面若しく
は両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくとも
励振用電極と検出用電極を形成し、ノード部を支持する
支持部材を有する角速度センサにおいて、該振動体に突
起部を設け、該突起部が重錘体を兼ねるようにした。ま
た振動体に設けた突起部により圧電素子が位置決めされ
る。さらに感度向上のために重錘体を設ける場合は重錘
体も突起部により位置決めされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電振動型角速度センサ
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。

【０００５】一つの角速度センサーで２軸の角速度を検
出できるものが望まれていたが、この要望に応えるもの
として、振動体の表面に圧電素子を貼付して角速度によ
り圧電素子が変形することで変化する電荷の量を測定し
て角速度を検出するセンサが開発された。図２はその角
速度センサを斜め上から見た分解斜視図である。図３は
同じ角速度センサを斜め下から見た分解斜視図である。
振動体１は中央部に複数のスリット（又は凹部）４が設
けられている。振動体１の上面には、下面に電極６を設
け上面に４つの励振電極を兼ねる検出電極５を設けた圧
電素子２が貼付されている。振動体１の下面には、上面
に電極７を設け下面に帰還電極８を設けた圧電素子３が
貼付されている。帰還電極８の下面には重錘体９が貼付
されセンサ部が構成されている。センサ部は円筒状支持
部材１０によりベンディング振動のノード部を固定され
ている。

【０００６】電極６と振動体１は電気的に接続されて接
着されているので、振動体と励振電極を兼ねる検出電極
５に交流をかけると圧電素子２が振動し振動体１も一緒
に振動する。円筒状支持部材１０で支持しており４つの
励振用電極を兼ねる検出電極５は円筒状支持部材１０の
内径より内側に設けてある。円筒状支持部材１０は図の
如く２ヵ所をワイヤー１１で固定し、ワイヤー１１の他
端を基板に固定するものである。

【０００７】角速度センサに角速度が作用するとコリオ
リ力により重錘体９が移動することでセンサ部が変形し
検出電極に電荷が発生する。４つの検出電極５に発生す
る電荷の量により角速度の方向と強さが検出できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】励振および検出共振周
波数を安定させるためには、各共振モードでの振動姿態
が乱れないようにしなければならない。また角速度の検
出精度を上げるためには各部材間の位置決めを正確にす
ることが重要である。組立位置精度を上げるためには専
用の組立装置が必要となり、精度を上げれば上げるほど
組立装置は複雑かつ高価になり、製造コストも高くな
る。本発明は各部品それ自体によりお互いの位置決めが
正確にできること、また部材の一部を一体化することで
課題を解決しようとするものである。

【０００９】

【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、小型であり軽
量、組立性の良い安価で信頼性の高い角速度センサを提
供する。

【００１０】板状の振動体、および該振動体の片面若し
くは両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくと
も励振用電極と検出用電極を形成し、ノード部を支持す
る支持部材を有する角速度センサにおいて、該振動体に
突起部を設け該突起部が重錘体を兼ねる構造とした。さ
らに検出感度を上げたい場合には、振動体に突起部を設
け該突起部により重錘体が位置決め固定される構造とし
た。また振動体に設けた突起部を圧電素子の位置決めガ
イドとして用いて前述の課題を解決しようとするもので
ある。

【００１１】

【実施例】本発明を図面に基き詳細に説明する。図４は
本発明の第一実施例で断面図である。図５は本発明の第
一実施例で下面図である。図６は本発明の第一実施例で
Ａ方向より見た断面図である。円盤状をした振動体２１
は振動体２１の平面に垂直で面上中心を通る軸に関して
対称に突起部２１ａおよび４カ所の突起部２１ｃが設け
られている。振動体２１は金属材料を用い、突起部は絞
り加工により形成した。振動体２１の上面には、下面に
電極２７を設け上面に帰還電極２８を設けた円盤状の圧
電素子２３が貼付されている。振動体２１の下面には、
上面に電極２６を設け下面に４つの励振電極を兼ねる検
出電極２５を設けたいわゆるドーナツ状をした圧電素子
２２が貼付されている。圧電素子２２には、振動体２１
の突起部２１ｃと一致するように４カ所に凹部２２ｃが
形成されている。圧電素子２２を振動体２１に貼付する
時、突起部２１ｃと凹部２２ｃにより位置決めが正確に
なされることになる。振動体２１、圧電素子２２、圧電
素子２３によりセンサ部が構成され、円筒状支持部材３
０は、該センサ部のベンディング振動のノード部に接着
固定されている。

【００１２】電極２６と振動体２１は電気的に接続され
て接着されているので、振動体と励振電極を兼ねる検出
電極２５に交流をかけると圧電素子２２が振動し振動体
２１も一緒に振動する。円筒状支持部材３０で支持して
おり４つの励振用電極を兼ねる検出電極２５は円筒状支
持部材３０の内径より内側に設けてある。円筒状支持部
材３０は２ヵ所をワイヤ３１で固定し、ワイヤーの他端
を基板３２に固定するものである。

【００１３】角速度センサに角速度が作用するとコリオ
リ力により突起部２１ａが移動することでセンサ部が変
形し検出電極に電荷が発生する。４つの検出電極２５に
発生する電荷の量により角速度の方向と強さが検出でき
る。さらに検出感度を上げたい時には、空間部２１ｂに
重錘体を共振時の振動姿態を乱すことの無いように圧入
あるいは接着等の方法で固定すればよい。

【００１４】図７は本発明の第二実施例で断面図であ
る。図８は本発明の第二実施例で下面図である。図９は
本発明の第二実施例でＢ方向より見た断面図である。第
二実施例は、第一実施例で用いた振動体２１にかえ振動
体４１と重錘体２９を用いて構成されたものである。構
成は第一実施例と同じ部分が多いため、ここでは異なる
部分を説明する。また、角速度の検出動作は第一実施で
説明してあるものと同じであるので省略する。円盤状を
した振動体４１は振動体４１の平面に垂直で面上中心を
通る軸に関して対称に貫通穴を持つ突起部４１ａおよび
４カ所の突起部４１ｃが設けられている。突起部４１ｃ
は圧電素子２２の凹部２２ｃと一致するように形成さ
れ、圧電素子２２は突起部４１ｃにより位置決めされて
振動体４１に貼付されている。振動体４１は金属材料を
用い、突起部は絞り加工により形成した。重錘体２９は
共振時の振動姿態を乱すことの無いように突起部４１ａ
をガイドとし、振動体４１の平面に垂直で面上中心を通
る軸に関して対称に圧入固定されている。重錘体２９の
固定方法は接着等の方法を用いてももちろんかまわな
い。

【００１５】

【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 振動体の突起部が重錘体を兼ねることで部品が削減
でき、重錘体を貼付する組立装置および工程が不要とな
り、組立にかかる時間が削減され安価に製造できる。 ２ 振動体の突起部が重錘体を兼ねるため部品精度を管
理することで所定の性能を得ることができる。 ３ 振動体の突起部がガイドとして機能するため、重錘
体を正確に組み立てることができ、各共振モードで共振
姿態が安定し角速度の検出能力も上がる。

【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】本発明に係る角速度センサの従来例を斜め上か
ら見た分解斜視図

【図３】本発明に係る角速度センサを従来例を斜め下か
ら見た分解斜視図

【図４】本発明に係る角速度センサの第一実施例で断面
図

【図５】本発明に係る角速度センサを第一実施例で下面
図

【図６】本発明に係る角速度センサの第一実施例でＡ方
向より見た断面図

【図７】本発明に係る角速度センサの第二実施例で断面
図

【図８】本発明に係る角速度センサの第二実施例で下面
図

【図９】本発明に係る角速度センサの第二実施例でＢ方
向より見た断面図

【符号の説明】

１ 振動体 ２ 圧電素子 ３ 圧電素子 ４ スリット ５ 励振電極を兼ねる検出電極 ６ 電極 ７ 電極 ８ 帰還電極 ９ 重錘体 １０ 円筒状支持部材 １１ ワイヤ ２１ 振動体 ２１ａ 突起部 ２１ｂ 空間 ２１ｃ 突起部 ２２ 圧電素子 ２２ｃ 凹部 ２３ 圧電素子 ２５ 励振電極を兼ねる検出電極 ２６ 電極 ２７ 電極 ２８ 帰還電極 ２９ 重錘体 ３０ 円筒状支持部材 ３１ ワイヤ ３２ 基板 ４１ 振動体 ４１ａ 突起部 ４１ｃ 突起部

───────────────────────────────────────────────────── 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状の振動体、および該振動体の片面若
   しくは両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なく
   とも励振用電極と検出用電極を形成し、ノード部を支持
   する支持部材を有する角速度センサにおいて、該振動体
   に突起部を設け該突起部が重錘体を兼ねることを特徴と
   する角速度センサ。
2. 【請求項２】 板状の振動体、および該振動体の片面若
   しくは両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なく
   とも励振用電極と検出用電極を形成し、重錘体を設け、
   ノード部を支持する支持部材を有する角速度センサにお
   いて、該振動体に突起部を設け該突起部により重錘体が
   位置決めされてなることを特徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】 圧電素子が振動体の突起部により位置決
   めされてなる請求項１および請求項２の角速度センサ。