JPH10148533A - 角速度センサの駆動回路及び角速度センサ - 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
精度の高い角速度センサを得る。 ［解決手段］ 少なくとも、板状の振動体と、励振用電
極、検出用電極及び帰還電極が形成され該振動体の片面
または両面に貼付される圧電素子と、該圧電素子の貼付
された振動体の振動ノード部を支持する支持部材とで構
成される角速度センサ部を駆動する発振回路を有する角
速度センサの駆動回路において、角速度センサ部の帰還
電極と発振回路は、固定抵抗または可変抵抗とインピー
ダンス変換回路を介して接続される。

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
ンサの駆動回路及び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が貼付され角速度センサ
部が構成されている。角速度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４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。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１
１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が移動することで角速度センサ部が
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】図４は角速度センサを駆動させる回路図で
ある。振動体１に貼付された圧電素子２に形成されてい
る４つの励振電極を兼ねる検出電極５のそれぞれの励振
電極を兼ねる検出電極５ａ〜５ｄに抵抗１２ａ〜１２ｄ
が接続される。抵抗１２ａ〜１２ｄは、発振回路１３に
接続されている。圧電素子３に形成されている帰還電極
８にはインピーダンス変換回路１４が接続され、インピ
ーダンス変換回路１４は発振回路１３に接続される。

【０００９】振動体１を含む平面の中心に原点を定め、
同平面上にＸ軸、同平面上でＸ軸に直交するＹ軸、Ｘ
軸、Ｙ軸に直交するＺ軸を設定する。振動モードは何種
類も存在するが、角速度センサとして用いる振動モード
は、図５、図６に示す如く重錘体９が縦方向に振れるＺ
軸方向の振動モード（励振）と、図７、図８に示す如く
重錘体９が横方向に振れるＸ、Ｙ軸方向（横方向）の振
動モード（検出）を用いる。図５はＺ軸方向の振動モー
ドを示した断面図でＺ軸プラス方向に振れている状態を
示している。図６はＺ軸方向の振動モードを示した断面
図でＺ軸マイナス方向に振れている状態を示している。
Ｚ軸方向の振動モードにおける振動周波数をＺ軸方向の
共振周波数と言う。Ｚ軸方向の振動モードは駆動モード
として用いられる。図７はＸ、Ｙ軸方向の振動モードを
示した断面図でＸ軸プラス方向に振れている状態を示し
ている。図８はＸ、Ｙ軸方向の振動モードを示した断面
図でＸ軸マイナス方向に振れている状態を示している。
Ｘ、Ｙ軸方向の振動モードにおける振動周波数を重錘体
の共振周波数と言う。Ｘ、Ｙ軸方向の振動モードは検出
モードとして用いられる。一般的に、共振型角速度セン
サでは駆動モードと検出モードの振動周波数（共振周波
数）が近いと検出感度が高くなる。従って、Ｚ軸方向の
共振周波数と重錘体の共振周波数を近づけることで検出
感度を上げることができる。

【００１０】Ｚ軸方向の共振周波数と重錘体の共振周波
数とが離れていて、かつ、Ｚ軸方向の共振周波数が重錘
体の共振周波数より大きい場合、重錘体９の端面をレー
ザ光線を照射してトリミング（質量の除去）することに
より両者の共振周波数を近づけることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】Ｚ軸方向の共振周波数
と重錘体の共振周波数を近づけることで検出感度を上げ
ることができる。その方法として前述したように、たと
えば重錘体の端面にレーザ光線を照射してトリミング
（質量の除去）する方法がある。ところが、この方法で
あると概略の調整はしやすいが、微調整はレーザ光線を
照射する位置や照射量をその都度計算して求め、少しず
つ共振周波数を所定の値（周波数差）に合わせ込まなけ
ればならない。そのため数Ｈｚレベルでの調整ははなは
だ困難であり、共振周波数調整には時間がかかる。本発
明はこのような課題を解決するためのものである。

【００１２】

【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、安価で検出精
度の高い角速度センサを提供する。

【００１３】少なくとも、板状の振動体と、励振用電
極、検出用電極及び帰還電極が形成され該振動体の片面
または両面に貼付される圧電素子と、該圧電素子の貼付
された振動体の振動ノード部を支持する支持部材とで構
成される角速度センサ部を駆動する発振回路を有する角
速度センサの駆動回路において、角速度センサ部の帰還
電極と発振回路は、固定抵抗または可変抵抗とインピー
ダンス変換回路を介して接続する。また、少なくとも、
板状の振動体と、励振用電極、検出用電極及び帰還電極
が形成され該振動体の片面または両面に貼付される圧電
素子と、該圧電素子の貼付された振動体の振動ノード部
を支持する支持部材とで構成される角速度センサ部を駆
動する回路部を有する角速度センサにおいて、前記帰還
電極と該回路部の発振回路は、固定抵抗または可変抵抗
とインピーダンス変換回路を介して接続する。抵抗値を
適切に選択してやることでＺ軸方向の共振周波数と重錘
体の共振周波数を変化させることにより、両者の周波数
差を小さくでき、所定の周波数差に調整できる。抵抗は
可変抵抗であると好ましい。これによりさらに微調整が
簡単に正確にできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基き
詳細に説明する。図９は本発明の第一実施例で上面図で
ある。図１０は本発明の第一実施例で正面断面図であ
る。図１１は本発明の第一実施例で回路図である。振動
体２１の上面には、下面に電極２３を設け上面に４つの
励振電極を兼ねる検出電極２４と、十字型をした帰還電
極２５を設けた円板状の圧電素子２２がエポキシ系の接
着剤により貼付されている。さらに、振動体２１の面上
中心と圧電素子２２の面上中心が一致するように配置さ
れ貼付されている。振動体２１の下面には、重錘体２７
が振動体２１の面上中心と重錘体２７の中心軸が一致す
るように配置され貼付されている。重錘体２７は、二つ
の直径の異なる円柱を中心軸を一致させて重ね合わせた
形状に形成されている。振動体２１に小さい直径の円柱
の端面が貼付される。振動体２１と、重錘体２７は恒弾
性材料であるエリンバ材を用いた。圧電素子２２は圧電
セラミックスであるＰＺＴを用い、電極は蒸着によりＡ
ｇ−Ｃｒ合金で形成した。振動体２１と重錘体２７は溶
接等により接合してもよい。

【００１５】振動体２１、圧電素子２２、重錘体２７に
より角速度センサ部が構成される。円筒状支持部材２６
は、該角速度センサ部のベンディング振動のノード部２
８に接着固定されている。円筒状支持部材２６は恒弾性
材料であるエリンバ材を用いた。なお円筒状支持部材２
６は振動体２１と一体加工により形成してもよい。部材
の材質は角速度センサとしての機能を満たすものであれ
ばこれらに限定されるものではない。

【００１６】電極２３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２１と４つの励振電極を
兼ねる検出電極２４に交流をかけると、圧電素子２２
は、径方向に伸縮することにより振動体２１と一緒にＺ
軸方向に振動する。円筒状支持部材２６で支持してお
り、４つの励振用電極を兼ねる検出電極２４は円筒状支
持部材２６の内径付近に設けてある。

【００１７】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２７が移動することで角速度センサ部
が変形し検出電極に電荷が発生する。４つの検出電極２
４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。

【００１８】ここで検出感度を上げるには、Ｚ軸方向の
共振周波数と重錘体の共振周波数とを近づけ所定の周波
数差にする必要がある。従来は重錘体２７の端面にレー
ザ光線を照射（トリミング）して調整をしていた。本発
明では、回路側の調整によりＺ軸方向の共振周波数と重
錘体の共振周波数とを所定の周波数差に調整する。以下
その回路と調整方法について詳述する。

【００１９】図１１をもとに回路の説明をする。これは
発振回路に共振周波数調整用の抵抗を取り付けた実施例
である。振動体２１に貼付された圧電素子２２に形成さ
れている４つの励振電極を兼ねる検出電極２４のそれぞ
れの励振電極を兼ねる検出電極２４ａ〜２４ｄに抵抗２
９ａ〜２９ｄが接続される。抵抗２９ａ〜２９ｄは、発
振回路３０に接続されている。圧電素子２２に形成され
ている帰還電極２５には可変抵抗３１が直列に接続され
ている。可変抵抗３１にはインピーダンス変換回路３２
が接続され、インピーダンス変換回路３２は発振回路３
０に接続される。

【００２０】可変抵抗３１を変化させると等価回路上の
等価抵抗を調整することができる。共振回路におけるＱ
値は Ｑ＝ω0Ｌ／Ｒで表される。ここでω0は共振角周
波数、Ｌはインダクタンス、Ｒは抵抗である。Ｒを変化
させることで、Ｑも変化し、Ｒ、Ｑの両者が変化するこ
とにより、共振角周波数ω0も変化する。図１２は帰還
電極に接続した抵抗値とＺ軸方向の共振周波数のと関係
を示すグラフである。図１３は帰還電極に接続した抵抗
値と重錘体の共振周波数のと関係を示すグラフである。
グラフより抵抗値が大きくなるとＺ軸方向の共振周波数
は小さくなり、重錘体の共振周波数はほとんど変化しな
いことがわかる。この性質を利用して共振周波数を調整
するものである。

【００２１】調整方法を説明する。可変抵抗３１の値を
０としてＺ軸方向の共振周波数と重錘体の共振周波数を
測定する。ここで、重錘体の共振周波数がＺ軸方向の共
振周波数より大きい場合はレーザ光線を照射等のトリミ
ングをして、Ｚ軸方向の共振周波数が重錘体の共振周波
数より大きくなるように概略調整をする。概略調整がで
きないものは不良として取り除く。重錘体の共振周波数
の変化はＺ軸方向の共振周波数に比べて、抵抗値を大き
くしても周波数の減少が小さいためである。Ｚ軸方向の
共振周波数が重錘体の共振周波数より大きい場合は、可
変抵抗３１の値を大きくするとともに、測定をしながら
所定の周波数差になるように調整する。Ｚ軸方向の共振
周波数よりも重錘体の共振周波数が大きくなった場合
は、可変抵抗３１の値を小さくして所定の周波数差にあ
わせこむ。従って、回路をこのように構成する事によっ
て、Ｚ軸方向の共振周波数は帰還電極２５に接続した可
変抵抗３１を調整することで重錘体の共振周波数に極め
て容易にかつ正確に所定の周波数差に合わせ込むことが
できる。

【００２２】図１４は本発明の第二実施例で上面図であ
る。図１５は本発明の第二実施例で正面断面図である。
図１６は本発明の第二実施例で回路図である。第二実施
例は、圧電素子を２枚用いたものである。振動体４１の
上面には、下面に電極４３を設け上面に４つの励振電極
を兼ねる検出電極４４を設けた円板状の圧電素子４２が
エポキシ系の接着剤により貼付されている。さらに、振
動体４１の面上中心と圧電素子４２の面上中心が一致す
るように配置され貼付されている。振動体４１の下面に
は、上面に電極４５を設け下面に帰還電極４６を設けた
円板状の圧電素子４７がエポキシ系の接着剤により貼付
されている。さらに、振動体４１の面上中心と圧電素子
４７の面上中心が一致するように配置され貼付されてい
る。圧電素子４７の下面には重錘体４８が振動体４１の
面上中心と重錘体４８の中心軸が一致するように配置さ
れ貼付されている。重錘体４８は、二つの直径の異なる
円柱を中心軸を一致させて重ね合わせた形状に形成され
ている。圧電素子４７に小さい直径の円柱の端面が貼付
される。振動体４１と、重錘体４８は恒弾性材料である
エリンバ材を用いた。圧電素子４２、圧電素子４７は圧
電セラミックスであるＰＺＴを用い、電極は蒸着により
Ａｇ−Ｃｒ合金で形成した。

【００２３】振動体４１、圧電素子４２、圧電素子４
７、重錘体４８により角速度センサ部が構成される。円
筒状支持部材４９は、該角速度センサ部のベンディング
振動のノード部５０上に接着固定されている。円筒状支
持部材４９は恒弾性材料であるエリンバ材を用いた。部
材の材質は角速度センサとしての機能を満たすものであ
ればこれらに限定されるものではない。

【００２４】電極４３と振動体４１は電気的に接続され
て接着されているので、振動体４１と４つの励振電極を
兼ねる検出電極４４に交流をかけると、圧電素子４２
は、径方向に伸縮することにより振動体４１と一緒にＺ
軸方向に振動する。円筒状支持部材４９で支持してお
り、４つの励振用電極を兼ねる検出電極４４は円筒状支
持部材４９の内径より内側に設けてある。

【００２５】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４８が移動することで角速度センサ部
が変形し検出電極に電荷が発生する。４つの検出電極４
４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。

【００２６】図１６をもとに回路の説明をする。振動体
４１に貼付された圧電素子４２に形成されている４つの
検出電極を兼ねる励振電極４４のそれぞれの励振電極を
兼ねる検出電極４４ａ〜４４ｄに抵抗５１ａ〜５１ｄが
接続される。抵抗５１ａ〜５１ｄは、発振回路５２に接
続されている。圧電素子４７に形成されている帰還電極
４６には可変抵抗５３が直列に接続されている。可変抵
抗５３にはインピーダンス変換回路５４が接続され、イ
ンピーダンス変換回路５４は発振回路５２に接続され
る。

【００２７】調整方法は第一実施例と同じであるので省
略する。また第一実施例、第二実施例では抵抗として可
変抵抗を用いた例を示したが固定抵抗を用いることも可
能である。Ｚ軸方向の共振周波数と重錘体の共振周波数
の周波数差がわかっている場合には、あらかじめ実験に
より抵抗値とＺ軸方向の共振周波数、重錘体の共振周波
数との関係を求めておくことにより（たとえば図１２、
図１３）、両者の共振周波数と周波数差より使用する抵
抗が決定される。それを回路の可変抵抗に替えて取り付
ければよい。さらに共振周波数の調整は、レーザ光線に
よる方法（トリミング、質量の除去等）と組み合わせて
行ってもよい。いずれにしても角速度センサの種類によ
って調整時間が短くなる方法を適当に組み合わせるよう
にすれば安価に製造することができる。

【００２８】

【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 帰還用電極に接続した抵抗の値、または可変抵抗を
用いて調整することにより容易にかつ正確にＺ軸方向の
共振周波数を調整できる。 ２ 調整時間が短縮され安価に製造できる。 ３ 検出感度が上がる。

【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従来例で回路図。

【図５】本発明に係る角速度センサの従来例のＺ軸方向
の振動モードを示した断面図。

【図６】本発明に係る角速度センサの従来例のＺ軸方向
の振動モードを示した断面図。

【図７】本発明に係る角速度センサの従来例のＸ、Ｙ軸
方向の振動モードを示した断面図。

【図８】本発明に係る角速度センサの従来例のＸ、Ｙ軸
方向の振動モードを示した断面図。

【図９】本発明に係る角速度センサの第一実施例で上面
図。

【図１０】本発明に係る角速度センサの第一実施例で正
面断面図。

【図１１】本発明に係わる角速度センサの第一実施例で
回路図。

【図１２】本発明に係る角速度センサの帰還電極に接続
した抵抗値とＺ軸方向の共振周波数との関係を示すグラ
フ。

【図１３】本発明に係る角速度センサの帰還電極に接続
した抵抗値とＸ、Ｙ軸方向の共振周波数との関係を示す
グラフ。

【図１４】本発明に係る角速度センサの第二実施例で上
面図。

【図１５】本発明に係る角速度センサの第二実施例で正
面断面図。

【図１６】本発明に係る角速度センサの第二実施例で回
路図。

【符号の説明】 １ 振動体 ２ 圧電素子 ３ 圧電素子 ４ ノード部 ５ 励振電極を兼ねる検出電極 ５ａ 励振電極を兼ねる検出電極 ５ｂ 励振電極を兼ねる検出電極 ５ｃ 励振電極を兼ねる検出電極 ５ｄ 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 ワイヤー １２ａ 抵抗 １２ｂ 抵抗 １２ｃ 抵抗 １２ｄ 抵抗 １３ 発振回路 １４ インピーダンス変換回路 ２１ 振動体 ２２ 圧電素子 ２３ 電極 ２４ 励振電極を兼ねる検出電極 ２４ａ 励振電極を兼ねる検出電極 ２４ｂ 励振電極を兼ねる検出電極 ２４ｃ 励振電極を兼ねる検出電極 ２４ｄ 励振電極を兼ねる検出電極 ２５ 帰還電極 ２６ 円筒状支持部材 ２７ 重錘体 ２８ ノード部 ２９ａ 抵抗 ２９ｂ 抵抗 ２９ｃ 抵抗 ２９ｄ 抵抗 ３０ 発振回路 ３１ 可変抵抗 ３２ インピーダンス変換回路 ４１ 振動体 ４２ 圧電素子 ４３ 電極 ４４ 励振電極を兼ねる検出電極 ４４ａ 励振電極を兼ねる検出電極 ４４ｂ 励振電極を兼ねる検出電極 ４４ｃ 励振電極を兼ねる検出電極 ４４ｄ 励振電極を兼ねる検出電極 ４５ 電極 ４６ 帰還電極 ４７ 圧電素子 ４８ 重錘体 ４９ 円筒状支持部材 ５０ ノード部 ５１ 抵抗 ５１ａ 抵抗 ５１ｂ 抵抗 ５１ｃ 抵抗 ５１ｄ 抵抗 ５２ 発振回路 ５３ 可変抵抗 ５４ インピーダンス変換回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、板状の振動体と、励振用電
   極、検出用電極及び帰還電極が形成され該振動体の片面
   または両面に貼付される圧電素子と、該圧電素子の貼付
   された振動体の振動ノード部を支持する支持部材とで構
   成される角速度センサ部を駆動する発振回路を有する角
   速度センサの駆動回路において、角速度センサ部の帰還
   電極と発振回路は、固定抵抗または可変抵抗とインピー
   ダンス変換回路を介して接続されることを特徴とする角
   速度センサの駆動回路。
2. 【請求項２】 少なくとも、板状の振動体と、励振用電
   極、検出用電極及び帰還電極が形成され該振動体の片面
   または両面に貼付される圧電素子と、該圧電素子の貼付
   された振動体の振動ノード部を支持する支持部材とで構
   成される角速度センサ部を駆動する回路部を有する角速
   度センサにおいて、前記帰還電極と該回路部の発振回路
   は、固定抵抗または可変抵抗とインピーダンス変換回路
   を介して接続されていることを特徴とする角速度セン
   サ。