JPH10206161A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子を対称に配するとともに、衝撃等に
対して安定性が向上した角速度センサを提供する。 【解決手段】 上面が平坦面とされ、柱状体に形成され
る振動子と、上記振動子の側面に取り付けられ、振動子
を所定の方向に振動させ、又は振動子の回転を検出する
圧電素子と、振動子の一対の振動ノード点にそれぞれ取
り付けられ、振動子を基台上に支持する一対の支持部材
とを備える。そして、この角速度センサは、支持部材の
中央部が所定の角度をもって折曲され、その折曲点が振
動子の上面に取り付けられることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カーナビゲーショ
ンシステム等に用いられる方向検知や、カメラ一体型ビ
デオテープレコーダ等の手振れ検知に用いられる角速度
センサに関し、特に、圧電素子を用いた角速度センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、角速度センサは、航空機等に
用いられて慣性座標系の角速度を検出し、航空機等の進
行方向を算出するといった用途に用いられている。しか
し、近年、角速度センサは、自動車に搭載されるナビゲ
ーションシステムの補助機能として、又はカメラ一体型
ビデオテープレコーダの手振れ防止機能の手振れ検出等
にも応用されており、その需要が急上昇している。

【０００３】このような角速度センサは、図６及び図７
に示すように、略三角柱状の振動子１００と、この振動
子１００の３つの側面に配設された３つの圧電素子１０
１と、この振動子１００を支持する一対の支持部材１０
２とを備える。この角速度センサにおいて、３つの圧電
素子１０１は、振動子１００の側面よりやや小とされる
略矩形とされ、それぞれ略同形とされている。

【０００４】一方、一対の支持部材１０２は、振動子１
００の長手方向の振動ノード点付近を支持している。従
来の角速度センサでは、図６に示すように、一対の支持
部材１０２としては、それぞれ一対の脚部１０２Ａを有
するように形成されるものがある。この場合、一対の支
持部材１０２は、振動子１００の隣合う側面が形成する
辺に対して突き当てられるように、振動子１００を支持
している。

【０００５】また、従来の角速度センサでは、図７に示
すように、一対の支持部材１０２がそれぞれ一本の棒状
に形成されるものもある。この場合、一対の支持部材１
０２は、それぞれの先端部が振動子１００の振動ノード
点近傍に溶接されて振動子１００を支持している。

【０００６】このように構成された従来の角速度センサ
は、３つの圧電素子１０１のうち１つを振動子１００を
励振駆動させるための駆動用圧電素子１０１Ａに用い、
残りの２つを検出用圧電素子１０１Ｂとして用いてい
る。すなわち、この角速度センサでは、支持部材１０２
で支持された辺と対向する側面に配設された圧電素子１
０１を駆動用圧電素子１０１Ａとし、それ以外の側面に
配設された２つの素子を検出用圧電素子１０１Ｂとして
いる。

【０００７】したがって、この振動子１００は、駆動用
圧電素子１０１Ａに駆動信号が供給されると、図６及び
図７中矢印Ｓで示す方向に、支持部材１０２により支持
されている点を振動ノード点として屈曲振動をする。こ
の状態で、角速度センサが振動子１００の軸を中心とす
る回転運動をすると、屈曲振動の振動方向に対して直交
する方向にコリオリ力が発生する。そして、この角速度
センサでは、このコリオリ力により屈曲振動の振動方向
が変化することとなる。

【０００８】この角速度センサは、コリオリ力による屈
曲運動の振動方向の変化を感知することによって、その
回転角速度を検出することができる。この角速度センサ
では、一対の検出用圧電素子１０１Ｂからの出力電圧の
差動をとることによって、コリオリ力による屈曲運動の
振動方向の変化を感知する。

【０００９】一対の検出用圧電素子１０１Ｂは、角速度
センサが駆動用圧電素子１０１Ａによる屈曲運動のみを
している場合、それぞれ同程度の出力電圧を発生する。
したがって、このとき、一対の検出用圧電素子１０１Ｂ
では、それぞれの出力電圧の差動をとると、略々０とな
る。

【００１０】一方、角速度センサがコリオリ力により屈
曲運動の振動方向に変化を生じると、一対の検出用圧電
素子１０１Ｂから発生する出力電圧は、振動方向と検出
用圧電素子１０１Ｂとがなす角度に応じて変化する。こ
の場合、一対の検出用圧電素子１０１Ｂは、それぞれの
検出用圧電素子１０１Ｂと振動方向とのなす角度が異な
るため、それぞれ異なる出力電圧を生じる。そして、こ
の角速度センサでは、一対の検出用圧電素子１０１Ｂか
らの出力電圧の差動をとることにより、振動方向の変化
を感知することができる。これにより、角速度センサ
は、その回転角速度を検出することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の角速
度センサにおいては、図８に示すように、振動子１００
として略四角柱状のものを用いて図６に示すような支持
部材１０２で支持することが考えられる。しかしなが
ら、このような場合、一対の検出用圧電素子１０１Ｂ
は、支持部材１０２が取り付けられた振動ノード点に対
して対称な位置とはならない。すなわち、従来の角速度
センサでは、略四角柱の振動子１００を用いた場合、一
対の検出用圧電素子１０１Ｂの対称性が失われ、振動に
対する信号を良好に出力できなかった。

【００１２】これによって、この角速度センサにおい
て、図８に示したような略四角柱の振動子１００を用い
た場合、一対の検出用圧電素子１０１Ｂでコリオリ力に
よる屈曲運動の振動方向変化を検出し難いものとなって
しまう。したがって、図６に示したような支持部材１０
２と略四角柱の振動子１００とを用いた場合は、角速度
センサとして利用できるものではなかった。

【００１３】これに対して、略四角柱の振動子１００を
用いた角速度センサにおいて、一対の検出用圧電素子１
０１Ｂの対称性を維持するために、図７に示したような
支持部材１０２を用いて振動子１００を支持することが
考えられる。この場合、一対の支持部材１０２は、振動
子１００の４側面のうちで、圧電素子１０１が配されて
ない面内に突き当てられるように取り付けられる。ま
た、一対の支持部材１０２は、取り付けられる面内の幅
方向の略中心部で振動ノード点となる部分に取り付けら
れる。

【００１４】このように構成された場合、角速度センサ
では、横方向に強い衝撃が加えられると、支持部材１０
２が湾曲するような運動を起こしてしまう。この運動
は、角速度センサがコリオリ力による屈曲運動の振動方
向変化を検出する際に不必要な力を検出用圧電素子１０
１Ｂに加えることとなる。

【００１５】すなわち、略四角柱の振動子１００を用い
た角速度センサにおいて、支持部材１０２が一対の検出
用圧電素子１０１Ｂの対称性を考慮したかたちで振動子
１００を支持すると、不測の衝撃等に不安定なものとな
ってしまう。

【００１６】上述したように、従来の角速度センサにお
いては、検出用圧電素子１０１Ｂの振動ノード点に対す
る対称性と不測の衝撃に対する安定性とを両立させるこ
とが困難であるといった問題点があった。

【００１７】そこで、本発明は、上述のような問題点に
鑑みてなされたものであり、圧電素子を対称に配すると
ともに、衝撃等に対して安定性が向上した角速度センサ
の提供を目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成した本
発明に係る角速度センサは、上面が平坦面とされ、柱状
体に形成される振動子と、上記振動子の側面に取り付け
られ、上記振動子を所定の方向に振動させ、又は上記振
動子の回転を検出する圧電素子と、上記振動子の一対の
振動ノード点にそれぞれ取り付けられ、上記振動子を基
台上に支持する一対の支持部材とを備える。そして、こ
の角速度センサは、上記支持部材の中央部が所定の角度
をもって折曲され、その折曲点が上記振動子の上面に取
り付けられることを特徴とする。

【００１９】以上のように構成された本発明に係る角速
度センサでは、振動ノード点に取り付けられた一対の支
持部材の中央部が折曲するように形成されている。すな
わち、この角速度センサにおいて、支持部材は、両端部
が基台等に埋設され、その略中央部の折曲された部分に
振動子が釣り下げられるように取り付けられている。

【００２０】これにより、この角速度センサにおいて
は、振動ノード点に対して対称性をもって圧電素子を配
設することができる。さらに、この角速度センサでは、
一対の支持部材の両端部が埋設されることにより振動子
を固定している。このため、この角速度センサでは、不
測の衝撃に対して十分な剛性を有するものとなる。

【００２１】また、本発明に係る角速度センサは、上記
振動子が略四角柱とされるものであってもよい。そし
て、この角速度センサにおいて、圧電素子は、上記振動
子の３面にそれぞれ取り付けられ、対向して配される一
対の圧電素子で上記振動子の回転を検出するとともに、
残りの圧電素子で上記振動子を所定の方向に振動させる
ようなものであってもよい。

【００２２】以上のように構成された本発明に係る角速
度センサは、対向して配される一対の圧電素子が振動ノ
ード点に対して対称性を有することとなる。これによ
り、この角速度センサは、対向して配される一対の圧電
素子の差動をとることによって、コリオリ力による屈曲
運動の振動方向変化を検出するこができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る角速度センサ
の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００２４】本実施の形態に係る角速度センサ１は、図
１、図２及び図３に示すように、柱状体に形成される振
動子２と、この振動子２の側面に取り付けられてこの振
動子２を所定の方向へ励振させる駆動用圧電素子３と、
この振動子２の側面に取り付けられてこの振動子２の回
転を検出する一対の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂとを備え
る。また、この角速度センサ１は、振動子２の振動のノ
ード付近（以下、振動ノード点と呼ぶ。）に取り付けら
れて振動子２を支持する一対の支持部材５Ａ，５Ｂを備
える。なお、以下の説明において、駆動用圧電素子３と
一対の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂとをまとめて、単に
「圧電素子」と称する。

【００２５】この角速度センサ１において、振動子２
は、図２に示すように、例えば、略四角柱に形成されて
いる。この振動子２は、例えば、エリンバ等の一般に機
械的な振動を生じるような恒弾性材料から形成される。
なお、この振動子２では、加工後に真空で４００〜６０
０℃に加熱することによって、検出感度の温度特性を調
節することができる。

【００２６】この角速度センサ１において、振動子２
は、４つの側面を有して構成されており、その４つの側
面のうち３つの側面に圧電素子を備えるような構成とな
っている。これらの圧電素子は、図４に示すように、圧
電特性を有する圧電層６と、この圧電層６の両面に形成
された一対の電極層７Ａ，７Ｂとから構成されている。
そして、この圧電素子は、略矩形状とされ、振動子２の
側面よりもやや小となるように形成されている。

【００２７】圧電素子を構成する圧電層６は、例えばＰ
ＺＴ等の圧電セラミックスを加工することにより形成さ
れるが、その材料には限定されるものではない。圧電素
子を構成する電極層７Ａ，７Ｂは、例えば金のような導
電体からなり、無電解メッキ等の手法により圧電層６の
両面に形成される。

【００２８】そして、この圧電素子は、振動子２の側面
に対して、エポキシ樹脂等の接着剤により熱硬化工程を
経て接着される。この角速度センサ１において、振動子
２は、詳細を後述する一対の支持部材５Ａ，５Ｂにより
支持された状態で、両側面と下面とに圧電素子を配設す
るような構成とされる。これら圧電素子は、両側面に配
設された一対を検出用圧電素子４Ａ，４Ｂとして用い、
また、下面に配設されたものを駆動用圧電素子３として
用いている。

【００２９】そして、この角速度センサ１には、振動子
２の一対の振動ノード点にそれぞれ支持部材５Ａ，５Ｂ
が取り付けられている。これら一対の支持部材５Ａ，５
Ｂは、全体略Ｍ字状となるように構成されている。すな
わち、この一対の支持部材５Ａ，５Ｂは、線材で形成さ
れ、その両端部８，９が取付け基台Ｂに埋設され、その
略中央部が折曲されてなる。そして、この一対の支持部
材５Ａ，５Ｂは、その折曲点１０が振動子２の上面と接
続されることにより振動子２を支持している。

【００３０】このとき、一対の支持部材５Ａ，５Ｂは、
振動子２の幅の略中央部と折曲点１０とが接続されるよ
うに位置決めされてる。且つ、一対の支持部材５Ａ，５
Ｂは、折曲点と振動ノード点とが接続されるように位置
決めされている。このため、この角速度センサ１では、
一対の支持部材５Ａ，５Ｂが振動子２をバランスよく支
持している。

【００３１】この支持部材５Ａ，５Ｂは、例えば、タン
グステン・ワイヤにニッケルで鍍金したタングステン・
ワイヤや金属線等からなり、いわゆるスポットウエルデ
ィング等の手法により振動子２に対して溶接される。

【００３２】このように、一対の支持部材５Ａ，５Ｂ
は、振動子２の上面を２点で支持することとなる。これ
により、振動子２は、一対の支持部材５Ａ，５Ｂにより
釣り下げられるようなかたちで支持されることとなる。
なお、これらの支持部材５Ａ，５Ｂは、振動子２に対し
て導電性ペースト等を用いて固着されても良い。そし
て、これらの支持部材５Ａ，５Ｂは、角速度センサ１に
おけるアース端子として用いられても良い。

【００３３】以上のように構成された本発明に係る角速
度センサ１は、振動子２の屈曲運動の振動方向が変化す
る際、振動子２に働くコリオリ力を検出する。

【００３４】この駆動用圧電素子３は、一対の支持部材
５Ａ，５Ｂが取り付けられた上面とは反対の面、すなわ
ち下面に配設されているため、駆動信号が印加されると
図１中Ｓで示す方向に振動子２を駆動させる。また、こ
の角速度センサ１では、両側面に一対の検出圧電素子４
Ａ，４Ｂが振動ノード点に対して対称な位置に取り付け
られている。すなわち、この角速度センサ１では、一対
の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂが図１中Ｓで示す方向と平
行に配設されている。

【００３５】上述した角速度センサ１において、駆動用
圧電素子３に駆動信号が印加された状態で図１中Ｓで示
す方向にのみ振動している場合、一対の検出用圧電素子
４Ａ，４Ｂは、それぞれ同様に屈曲するために、それぞ
れ同様な正弦波を出力する。したがって、これら一対の
検出用圧電素子４Ａ，４Ｂからの出力電圧の差動を取る
と、ほぼ０となる。すなわち、角速度センサ１は、２枚
の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂからの出力の差動が０であ
ることを確認すれば、無回転を検出することができる。

【００３６】一方、角速度センサ１は、外部からの震動
等が加えられると、振動子２の中心を軸として回転運動
をする。このとき、角速度センサ１には、無回転時の振
動方向に対して略直交する方向にコリオリ力が発生す
る。そのため、角速度センサ１の振動方向は、無回転時
の振動方向からずれることとなる。

【００３７】このとき、一対の検出用圧電素子４Ａ，４
Ｂは、振動子２の振動方向が変化するため、それぞれの
検出用圧電素子４Ａ，４Ｂが異なった屈曲を起こすこと
となる。このため、それぞれの検出用圧電素子４Ａ，４
Ｂからは、異なった正弦波を出力することとなる。すな
わち、これら一対の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂのうち、
例えば、一方からの出力電圧が他方からの出力電圧と比
較して大となる。

【００３８】したがって、この角速度センサ１では、こ
れら一対の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂの出力の差動をと
ると、所定の値を示す出力信号を検出することができ
る。そして、この出力信号は、振動子２の振動方向変化
の度合いに応じて変化する。具体的には、振動子２の振
動方向の変化が大きい場合には、大きな出力信号とな
る。これにより、この角速度センサ１では、出力信号を
測定することにより振動方向の変化を測定することがで
きる。

【００３９】このようにコリオリ力を検出することがで
きる角速度センサ１では、振動ノード点に取り付けられ
た一対の支持部材５Ａ，５Ｂが、上述したように、略Ｍ
字状となるように形成されている。このため、この角速
度センサ１では、振動ノード点に対して一対の検出用圧
電素子４Ａ，４Ｂの対称性を維持するような構成を有す
ることができる。

【００４０】また、この角速度センサ１では、一対の支
持部材５Ａ，５Ｂの両端部８，９が基台に埋設されてい
る。これにより、この角速度センサ１では、振動子２の
側面方向からの不測の衝撃に対して、一対の支持部材５
Ａ，５Ｂが振動してしまうようなことはない。したがっ
て、角速度センサ１は、振動子２が不測の衝撃に対して
良好な耐性を有するために、コリオリ力を正確に検出す
ることができる。

【００４１】一方、本発明は、上述した角速度センサ１
において、一対の支持部材５Ａ，５Ｂの折曲点１０を構
成する角度に限定されるものではない。すなわち、一対
の支持部材５Ａ，５Ｂは、折曲点１０を構成する角度に
よらず、振動子２を支持するものであればよい。

【００４２】この折曲点１０は、構成する角度が大きい
場合には振動子２の上面と接触する面積が大きくなり、
構成する角度が小さくなれば振動子２の上面と小さい面
積で接触することとなる。したがって、この角速度セン
サ１では、折曲点１０を構成する角度を規定する際、振
動子１及び圧電素子の重量や振動子２に与えられる振動
の大きさ等を考慮する必要がある。

【００４３】具体的に、この角速度センサ１において、
折曲点１０を構成する角度を大きくするには、一対の支
持部材５Ａ，５Ｂの両端部８，９をさらに離間して埋設
するとよい。または、一対の支持部材５Ａ，５Ｂの両端
部８，９の距離を等しくしてその上部を低くすることに
よって、屈曲点１０を構成する角度を大きくすることが
できる。

【００４４】また、本発明は、上述した実施の形態に示
した角速度センサ１に限定されるものではなく、例え
ば、図５に示すような角速度センサ１１であってもよ
い。なお、この角速度センサ１１において、上述した角
速度センサ１と同一の部材は同一の符号を付することに
より、その詳細な説明は省略する。

【００４５】この角速度センサ１１は、振動子２を支持
する一対の支持部材１２Ａ，１２Ｂの上部が基台等と略
平行となるように構成されている。この場合も、角速度
センサ１１は、一対の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂの対称
性を維持すると同時に、振動子２の側面方向からの不測
の衝撃に対して良好な耐性を有することとなる。

【００４６】さらに、この角速度センサ１１では、図５
中破線で示すように、屈曲点１０を構成する角度を様々
な値とした場合でも、一対の支持部材１２Ａ，１２Ｂの
外形寸法は、変化しない。したがって、この角速度セン
サ１１は、振動子２及び圧電素子の重量や振動子２に与
えられる震動の大きさ等を考慮しても、大型化すること
なく形状を維持することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
係る角速度センサでは、振動子の振動ノード点に、略中
央部が所定の角度をもって折曲されてなる折曲点が取り
付けられることによって、一対の支持部材が振動子を支
持している。このため、この角速度センサは、振動子の
側面に一対の検出用の圧電素子の対称性を維持すること
ができる。また、この角速度センサは、一対の支持部材
の略中心部で振動子と接続し、一対の支持部材の両端部
が基台に確実に固定された状態で振動子を支持してい
る。このため、この角速度センサは、圧電素子の対称性
を維持できるとともに、不測の衝撃等に強く安定性が向
上したものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る角速度センサの要部斜視図であ
る。

【図２】本発明に係る角速度センサの要部側面図であ
る。

【図３】本発明に係る角速度センサの要部上面図であ
る。

【図４】本発明に係る角速度センサの要部断面図であ
る。

【図５】本発明に係る他の角速度センサの要部断面図で
ある。

【図６】従来の角速度センサの要部斜視図である。

【図７】従来の角速度センサの要部斜視図である。

【図８】従来の角速度センサの要部斜視図である。

【符号の説明】

１ 角速度センサ、２ 振動子、３ 駆動用圧電素子、
４ 検出用圧電素子、５支持部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状に形成され、上面が平坦面とされた
   振動子と、 上記振動子の側面に取り付けられ、上記振動子を所定の
   方向に振動させ、及び上記振動子の回転を検出する圧電
   素子と、 上記振動子の一対の振動ノード点にそれぞれ取り付けら
   れ、上記振動子を基台上に支持する一対の支持部材とを
   備え、上記支持部材は、その中央部が所定の角度をもっ
   て折曲され、その折曲点が上記振動子の上面に取り付け
   られることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 上記支持部材は、タングステン・ワイヤ
   にニッケルで鍍金してな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】 上記振動子の断面形状が略矩形とされる
   ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】 上記圧電素子は、上記振動子の３面にそ
   れぞれ取り付けられ、 対向して配される一対の圧電素子で上記振動子の回転を
   検出するとともに、残りの圧電素子で上記振動子を所定
   の方向に振動させることを特徴とする請求項３記載の角
   速度センサ。