JPH09196685A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２軸の角速度の検出ができる小型軽量で検出
感度、検出精度ともに高い角速度センサを得る。 【解決手段】 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し、該圧電素子の外形
を振動体の外形より小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００５】一つの角速度センサーで２軸回りの角速度
を検出できるものが望まれていた。（以下、２軸回りの
角速度を検出できる角速度センサを２軸角速度センサと
呼ぶ。）この要望に応えるものとして、振動体の表面に
圧電素子（以下、圧電効果を示す材料を総称して圧電素
子という。）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１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。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Ｌ字型をしたワイヤ
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５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】共振型角速度センサの
場合、検出感度を上げるためには、駆動（励振）モード
と検出モードの振動周波数を、たとえば重錘体にレーザ
光を照射しトリミングする方法で近くするとよい。その
前提として、機械的品質係数（Ｑｍ）はある程度高く設
定する必要がある。機械的品質係数（Ｑｍ）が高すぎる
と応答速度が遅くなるという問題もあるが、ある程度高
い場合は振動姿態が安定し検出感度は上がる。逆に、機
械的品質係数（Ｑｍ）が低ければ駆動モードはもちろ
ん、検出モードにおいても共振の強さが小さくなり、圧
電素子に十分な変形を与えることができない。従って、
検出電極より得られる発生電荷が少なくなり、検出感度
は低下することになる。また振動体、圧電素子単体で比
較をすると、振動体の方が機械的品質係数（Ｑｍ）が高
いため、圧電素子は振動体より小さい方がセンサ部とし
ての機械的品質係数（Ｑｍ）が上がる。

【０００９】検出精度を上げるためには振動姿態を安定
化させるとともに、励振周波数を安定化させるとよい。
特に温度変化に対して振動体、圧電素子の弾性率が変化
し（温度変化に対する弾性率変化の比率を、弾性率の温
度係数という）、励振周波数が不安定になりやすい。安
定化させるためには、振動体と圧電素子を合わせた弾性
率の温度係数を０に近づければよい。一般的に圧電素子
（ＰＺＴ）の弾性率の温度係数はマイナスである。この
ため振動体にエリンバ材のような恒弾性金属材料を使用
し、熱処理により弾性率の温度係数をプラスに設定し
て、振動体と圧電素子を組み合わせた弾性率の温度係数
を０に近づけている。しかしながら振動体と圧電素子は
接着剤で接着されているため、振動体と圧電素子の弾性
率の温度係数を設定しても、接着剤の介在により励振周
波数が不安定になりやすい。できるだけ接着剤の占める
部分は小さいことが望ましい。

【００１０】振動体と圧電素子の接着層は圧電素子の貼
付面全体にわたり均一になっていることが望ましい。た
とえば接着層にボイド（接着が回り込まないで空間が生
じている部分）が存在すると、励振周波数が不安定とな
る。また検出時には変形により生じる応力分布が不均一
となるため発生電荷も不均一となり角速度センサ個体間
のバラツキが大きくなる。そのためには接着剤を塗布し
て圧電素子全面を加圧しながら硬化させる。塗布量は接
着剤が圧電素子より少しはみ出す程度である。ところが
振動体の外周よりはみ出して接着剤が硬化した場合は、
組立において都合が悪い。センサ部は振動体あるいは圧
電素子の外形を基準にして組み立てられるため、はみ出
した接着剤により各部材間の相互位置関係を所定の位置
に決めることができない。組立精度が悪いと工程内にお
ける調整時間が増え、性能面、製造コスト面ともに不利
になる。さらにコスト面において部品単価を下げるため
に、各部材は加工しやすい形状が望ましい。

【００１１】

【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、軽量で
検出感度、検出精度の高い角速度センサを提供する。

【００１２】板状の振動体、および該振動体の片面若し
くは両面に板状の圧電素子を貼付し、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、ノード部を支持部材で支持する。支持部材は円筒形
状が好ましい。円筒形状の加工は簡単であり、安価に製
造できる。前記圧電素子の外形は前記振動体の外形より
小さく、かつ、前記圧電素子は前記振動体の外周からは
み出さないように貼付する。好ましくは圧電素子をベン
ディング振動のノード部より内側に貼付する。前記振動
体はベンディングしやすくなり、前記圧電素子と前記振
動体との間に介在する接着剤の量（面積）が少なくなる
ため、温度変化に対する励振周波数の変化が小さくなり
励振周波数が安定し検出精度が向上する。また振動体よ
り接着剤がはみ出さず、組立精度が向上する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明を図面に基き詳細に説明す
る。図４は本発明の実施例で一部断面をとった上面図で
ある。図５は本発明の実施例で断面図である。円板状の
振動体２１の上面には、下面に電極２６を設け上面に４
つの励振電極を兼ねる検出電極２５を設けた円板状の圧
電素子２２が圧電素子２２の面上中心と振動体２１の面
上中心とが一致するように貼付されている。振動体２１
の下面には、上面に電極２７を設け下面に帰還電極２８
を設けた円板状の圧電素子２３が圧電素子２３の面上中
心と振動体２１の面上中心が一致するように貼付されて
いる。帰還電極２８の下面には重錘体２９が、重錘体２
９の中心軸が圧電素子２３の面上中心を通るように貼付
されセンサ部が構成されている。円筒状支持部材３０
は、前記センサ部のベンディング振動のノード部２４上
に固定される。円筒支持部材は部分的であってもノード
部を支持していればよい。変形例として図６に示すよう
な開口部に凹部を設けたものであっても良い。圧電素子
２２、圧電素子２３の直径はノード部２４の直径より小
さくなるように設定されている。このため、はみ出した
接着剤３３は振動体２１の外周部分までは到らない。

【００１４】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は２ヵ所を
ワイヤー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。

【００１５】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２９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。実施例は圧電素子２枚を用いた例であるが、電極配
置を工夫することで１枚であってもかまわない。むしろ
接着剤の介在している部分が少ないので温度変化に対し
ては、圧電素子１枚の方が有利である。

【００１６】振動体２１は恒弾性材料としてエリンバ材
を用い、圧電素子２２、２３はＰＺＴを用いた。振動体
２１と圧電素子２２、２３はエポキシ系の接着剤を用い
て接着した。圧電素子２２、２３の平面上に蒸着により
Ａｇ−Ｃｒ、あるいはＮｉ−Ｃｒ等の合金の薄膜にて電
極を形成した。電極形成は、スパッタ、スクリーン印刷
などの方法を用いても、もちろんかまわない。重錘体２
９はＳＵＳ３０３を、円筒支持部材３０はバネ性のある
金属材料（たとえばリン青銅）、ワイヤー３１はタング
ステンを用いた。材質は所定の機能を満たすものであれ
ば、これに限定されるものではない。また組立における
固定方法 は接着、溶接等でよい。

【００１７】

【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 圧電素子の外形を振動体の外形より小さくすること
で、機械的品質係数（Ｑｍ）が上がり、検出感度が高く
なる。 ２ 圧電素子の外形を振動体の外形より小さくすること
で、温度変化に対して励振周波数が安定し、検出精度が
高くなる。 ３ 圧電素子の外形を振動体の外形より小さくすること
で、圧電素子を振動体に貼付する際、接着剤が振動体よ
りはみ出さず、振動体の外形を基準として精度よく組立
ができる。 ４ 圧電素子を小さくでき製品自体の重量を小さくでき
る。 ５ 圧電素子を小さくでき部品コストが下がる。 ６ 円筒支持部材としたことで部品加工が容易となり、
製造コストが下がる。

【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実施例で一部断面
をとった上面図。

【図５】本発明に係る角速度センサの実施例で断面図。

【図６】本発明に係る角速度センサの変形例で斜め上か
ら見た斜視図。

【符号の説明】

１ 振動体 ２ 圧電素子 ３ 圧電素子 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 ２２ 圧電素子 ２３ 圧電素子 ２４ ノード部 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 ３３ 接着剤

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 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 奥野 正敏 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
   しくは両面に板状の圧電素子を貼付し、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、該圧電素子の外形は該振動体の外形より小
   さく、かつ、該圧電素子は該振動体の外周からはみ出さ
   ないように貼付されることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 支持部材は円筒形状であることを特徴と
   する請求項１記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 板状の圧電素子はセンサ部のベンディン
   グ振動のノード部の内側に貼付されることを特徴とする
   請求項１、または請求項２記載の角速度センサ。