JPH0926321A - 角速度センサの電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ ２軸の角速度を検出できる小型の角速度セン
サを得る。 ［構成］ 板状の振動体、該振動体の表面に板状の圧電
素子を貼付し、該圧電素子の中心で直交する２軸の正負
方向に１つずつ合計４つの検出電極を形成し、４つの検
出電極の周囲に帰還電極を形成した。

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
の電極構造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。また、角
速度の検出も一方向しか出来ず使い勝手の面でも問題が
有った。

【発明が解決しようとする課題】

【０００５】所謂１軸検出の角速度センサは複数の軸方
向の角速度を検出するには複数個組み合わせて使用しな
ければならない。２軸であれば２個、３軸であれば３個
である。軽薄短小化が進んでいるポータブルな製品に使
用するには都合の悪いことであった。本発明は１つの角
速度センサーで２軸の角速度を検出できる圧電振動型角
速度センサの電極構造に関し、小型化でき検出感度を向
上することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【０００６】板状の振動体、該振動体の表面に板状の圧
電素子を貼付し、該圧電素子の中心で直交する２軸の正
負方向に１つずつ合計４つの検出電極を形成し、４つの
検出電極の周囲に帰還電極を形成する。圧電素子の振動
により振動体を振動させ、角速度により生じたコリオリ
力による振動体の歪を圧電素子の歪みとして、歪みによ
り変化する電荷の発生量で角速度の大きさを検出する。

【０００７】圧電素子を安定的に振動させるには励振用
の電極と帰還用の電極を必要とする。また、角速度を検
出するには検出用電極が必要である。そして、前記３つ
の電極は目的に応じて効率良く配置しなければならな
い。励振用電極は圧電素子と一緒に振動体を振動させる
ためのエネルギーを供給できれば良くある程度の大きさ
が確保できれば良い。検出用電極は圧電素子に発生する
わずかの電荷を検出しなければならないので、コリオリ
力により電荷の発生する場所に出来るだけ大きく形成す
るのが望ましい。帰還用電極は振動を安定させるための
ものであり角速度の検出とは直接関係のないものなの
で、検出電極形成部以外の場所で帰還電極として必要な
大きさを確保すれば良いが好ましくは中央にある方が良
い。

【０００８】本発明では、板状の振動体と板状の圧電素
子で構成されたセンサ部を円筒状支持部材で固定し、セ
ンサ部の下面に重錘体を設けた角速度センサの電極構造
において、圧電素子の中心で直交する２軸の正負方向に
１つずつ合計４つの検出電極を円筒状支持部材の内側に
中央に円状部を残して同心円状に形成し、円筒状支持部
材の外側と前記中央の円状部に帰還電極を形成した。角
速度により圧電素子に発生する電荷は円筒状支持部材の
内側に集中していることが分析されたことで本発明が完
成するに至った。

【実施例】

【０００９】図２は本発明による角速度センサを上面側
から見た分解斜視図である。図３は下面側から見た分解
斜視図である。

【００１０】板状の振動体１の中央部には振動体１が容
易に変形するように複数の溝又は凹部１１が形成してあ
る。板状の圧電素子２の下面には４つの検出用電極５と
帰還電極４が形成される。圧電素子の面上中心で直交す
る２軸（Ｘ、Ｙ）の正負方向に１つずつ合計４つの検出
電極５を円筒状支持部材１０の内側に、且つ中央に円状
部を残して同心円状に形成し、円筒状支持部材１０の外
側と前記中央の円状部に帰還電極４を形成した。板状圧
電素子２の上面には電極６が形成される。板状の圧電素
子３の下面には電極７が形成され、上面には励振電極８
が形成される。検出電極５の内側の円状部には帰還電極
４が形成され、さらに重錘体９が貼付されている。重錘
体９はコリオリ力の作用を感度良く検出するためのもの
である。

【００１１】図４は本発明に係わる角速度センサの励振
回路の一例である。図５は本発明による角速度センサに
より角速度を電圧信号として検出するための回路でブロ
ック図。角速度センサを図４に示す励振回路（帰還回
路）に接続する。帰還電極４は増幅器１２に接続する。
増幅器１２の出力は位相補正回路１３に入力し、位相補
正回路１３の出力は励振電極８と接続している。帰還電
極４で得られる信号は増幅器１２で増幅されると共に位
相が１８０度反転した矩形波になる。矩形波は位相補正
回路１３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４より信号として
取り出される。

【００１２】図５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するのでＸ軸方向に
コリオリ力が発生した場合を例にとり説明する（Ｙ軸の
回りに回転角速度が作用した場合）。検出電極５はそれ
ぞれインピーダンス変換回路１８に接続され、インピー
ダンス変換回路１８の出力は差動増幅回路１４に接続さ
れている。

【００１３】増幅回路１２、位相補正回路１３を介して
駆動信号を印加してセンサ部を励振する。４つの検出電
極５は同方向に分極されているので、出力する信号は同
位相のものである。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１９及び
２０のように電圧出力に差が生じる。差動増幅回路１４
によって減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のみ取りだすことが出来る。この
コリオリ力によって発生した電圧を同期検波回路１５に
よって半波整流し、フィルター１６を通した後出力信号
が得られる。この出力電圧を直流増幅回路１７によって
平滑して回転角速度に比例した出力電圧が得られる。

【００１４】図３を参照して本発明を詳細に説明する。
Ｙ軸の回りに角速度が作用するとＸ軸方向にコリオリの
力が作用し重錘体９の重心がＸ軸方向に移動する。重錘
体９は一端がセンサ部に固定されているので固定部には
重錘体９により回転モーメントが加わりセンサ部は変形
する。円筒状支持部材１０で固定されているセンサ部
は、円筒状支持部材１０の内径より内側に歪が発生し外
側には殆ど発生しない。特に本実施例で採用しているよ
うに振動体の中央部に溝又は凹部１１を形成している場
合は円筒状支持部材１０の内径より内側の歪により特性
が決まるとも言える。但し、重錘体９の一端面が固定さ
れている部分は殆ど歪まない。よって、検出用電極は円
筒状支持部材の内径より内側に、且つ重錘体の固定され
る中央部を除いて形成するのが良い。

【００１５】一方、帰還電極４は励振電極８と共同して
自励振回路を構成するので振動を安定するためにあるレ
ベルで電荷を集める必要がある。振動による圧電素子２
の歪みの大きい部分は圧電素子２の中央部であり、この
部分に帰還電極の一部を形成するのは効率が良い。

【００１６】重錘体を設けた本実施例では、コリオリの
力では重錘体の近傍では電荷の発生が少なく、センサ部
の振動では重錘体の近傍で電荷の発生が多いので電極の
配置を考慮することで効率の良い検出感度の高い角速度
センサを得ることが出来る。

【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 帰還電極を圧電素子の中央部と円筒状支持部材の外
側に設けたので安定した振動が得られる。 ２ 検出電極を円筒状支持部材の内側に設けたので小さ
な検出電極でも効率良く角速度を検出できる。 ３ 安定して発振するためドリフトが減少する。

【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斜め下から見た分
解斜視図。

【図４】励振回路

【図５】角速度検出回路

【符号の説明】

１ 振動体 ２ 圧電素子 ３ 圧電素子 ４ 帰還電極 ５ 検出電極 ６ 電極 ７ 電極 ８ 励振電極 ９ 重錘体 １０ 円筒状支持部材 １１ 溝 １２ 増幅回路 １３ 位相補正回路 １４ 差動増幅回路 １５ 同期検波回路 １６ フィルタ １７ 直流増幅回路 １８ インピーダンス変換回路 １９ 出力電圧 ２０ 出力電圧

───────────────────────────────────────────────────── 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の振動体、該振動体の表面に板状の圧
   電素子を貼付し、該圧電素子の中心で直交する２軸の正
   負方向に１つずつ合計４つの検出電極を形成し、４つの
   検出電極の周囲に帰還電極を形成したことを特徴とする
   角速度センサの電極構造。
2. 【請求項２】板状の振動体と板状の圧電素子で構成され
   たセンサ部を円筒状支持部材で固定し、センサ部の下面
   に重錘体を設けた角速度センサの電極構造において、圧
   電素子の中心で直交する２軸の正負方向に１つずつ合計
   ４つの検出電極を円筒状支持部材の内側に中央に円状部
   を残して同心円状に形成し、円筒状支持部材の外側と前
   記中央の円状部に帰還電極を形成したことを特徴とする
   角速度センサの電極構造。