JPH11281370A - 二軸角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】角速度センサの感度を上げる。 【解決手段】エリンバ材で形成された振動基板１１は直
径１０．２ｍｍ、厚さ０．４５ｍｍであり、ベンディン
グ振動のノード部（直径６ｍｍ）を支持部材１３により
固定されている。振動基板１１の下面には直径３．５ｍ
ｍで幅０．２ｍｍ、深さ０．１５ｍｍの凹部１５が形成
されている。圧電素子１２は圧電セラミックス（ＰＺ
Ｔ）で、直径６．２ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍであり、エ
ポキシ系樹脂により振動基板１１に接着されている。振
動基板の下面中央部にはＳＵＳ３０４で直径２．５ｍｍ
に形成された重錘体１４が固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は二軸角速度センサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カメラの撮影時の手ぶれ防止や自動車の
ナビゲーションシステム等が普及するに伴い角速度セン
サの小型化と感度向上さらに安価であることが要求され
てきている。当初は一軸の角速度センサの小型化が実現
されたが、三次元空間内において自由運動をする物体に
は任意の回転方向の角速度が作用するため、ＸＹＺ三次
元座標系における各座標軸まわりの角速度をそれぞれ独
立して検出する必要がある。しかし、ＸＹＺ三次元座標
系における各座標軸まわりの角速度をそれぞれ独立して
検出する小型の角速度センサの実現は困難であり、量産
化は実現されていない。

【０００３】角速度センサの用途は多様化しているが、
実際にＸＹＺ三軸の角速度を検出しなければならない用
途もあるが、実用上ＸＹの二軸の角速度を検出できれば
問題無い用途も多いため、小型で高感度な二軸角速度セ
ンサの開発が進められている。二軸角速度センサの実現
可能な発明として本出願人は特開平８−２８５６０８を
出願している。

【０００４】前記発明の主旨は、ＸＹＺ三次元座標系に
おけるＸ軸周りの角速度ΩｘおよびＹ軸周りの角速度Ω
ｙを検出する２軸角速度センサであって、ＸＹ平面に沿
って延びた板状形状を有し、前記座標系の原点に位置す
る中心部を、所定の円周をノードとする振動モードでＺ
軸方向に振動させることができる可撓性をもった振動基
板と、この振動基板に積層するように接合された板状の
圧電素子と、前記振動基板の下面を円周に沿ったノード
位置において直接もしくは他の構成要素を介して間接的
に支持する台座と、前記振動基板の中心部に直接もしく
は他の構成要素を介して間接的に接合された重錘体と、
振動基板の上方に所定距離だけ離れて配置された支持基
板と、所定の運動自由度を確保した状態で、台座を支持
基板に吊着するワイヤ部材と、前記圧電素子に交流電圧
を印加することにより、前記重錘体がＺ軸方向に振動す
るような周期的な撓みを前記圧電素子に生じさせる励振
手段と、前記励振手段により前記重錘体をＺ軸方向に振
動させた状態において、前記重錘体に作用するＸ軸方向
のコリオリ力およびＹ軸方向のコリオリ力を、前記圧電
素子に発生する電荷の分布に基づいて検出するコリオリ
力検出手段と、検出したＸ軸方向のコリオリ力に基づい
てＹ軸周りの角速度Ωｙを演算し、検出したＹ軸方向の
コリオリ力に基づいてＸ軸周りの角速度Ωｘを演算する
演算手段を備えた角速度センサである。

【０００５】振動基板には、同心円状の複数のスリット
を形成した可撓性基板を使用することで、中心部の各方
向への変位を容易にし、効率的な振動および検出を可能
とするものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１は本発明に係わる
角速度センサの側面断面図である。振動基板１の上面と
下面には圧電素子２、２’が貼付され、下面圧電素子
２’中央には重錘体４が固定されている。振動基板１の
ベンディング振動ノード部を円筒状の支持部材３で支持
した構造である。圧電素子２には振動基板１を励振する
ための電極と、角速度を検出するための電極が形成され
ている（不図示）。説明のため、三次元座標を図のよう
に定義する。

【０００７】図２、図３はＸ軸まわりの角速度Ωｘおよ
びＹ軸まわりの角速度Ωｙ検出の原理を説明するための
図である。図２に示すように、重錘体４を用意し、図示
するような方向にＸ、Ｙ、Ｚ軸を定義したＸＹＺ三次元
座標系とする。重錘体４をＺ軸方向に往復運動（振動）
させて、振動Ｕｚを与えておく。重錘体４にＸ軸まわり
に回転させるような角速度Ωｘが作用すると、Ｙ軸方向
のコリオリ力Ｆｙが発生する。同様に図３において、重
錘体４にＹ軸まわりに回転させるような角速度Ωｙが作
用すると、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｘが発生する。コリ
オリ力Ｆｘ、Ｆｙは Ｆｘ＝２ｍＶｚΩｙ Ｆｙ＝２ｍＶｚΩｘ で表される。ここで、ｍは重錘体４の質量、Ｖｚは重錘
体４の振動についての瞬時の速度である。

【０００８】角速度センサの重錘体のＸ軸正方向に＋Ｆ
ｘ、負の方向に−Ｆｘが作用した場合を考える。図４は
＋Ｆｘが作用したとき、図５は−Ｆｘが作用したときの
模式図である。ダイヤフラム１０は、圧電素子２、２’
振動基板１の３層構造である。Ｆｘが作用したとき、ダ
イヤフラム１０は図４のように変形する（破線はもとの
基準状態を示す）。圧電素子２に作用する応力の分布は
図４の各グラフに示すようになる。支持部材３で支持さ
れている位置はノードであるから応力は０になり、ノー
ド位置を境界として一方の側では正の応力、他方の側で
は負の応力が作用することになる。−Ｆｘが作用したと
きは図５のように変形する。この場合、圧電素子２に作
用する応力の分布は図５の各グラフに示すようになる。
Ｙ軸に関しても同様である。

【０００９】前記の＋Ｆｘまたは−Ｆｘが作用した後、
作用が解除されると、重錘体４はダイヤフラム１０、支
持部材３等を含むセンサ体としての固有振動でＸ軸方向
に振動する（検出振動モードという）。同時にＺ軸方向
に励振されて振動している（励振振動モードという）。
圧電素子は変位が大きいほど発生電荷が多く、結果とし
て検出感度がよくなる。振動基板の変位と圧電素子の変
位は比例するので、振動基板の変位を大きくするために
複数のスリットを形成し、振動基板の剛性を下げるのが
前述の出願であった。

【００１０】しかし、振動基板の剛性を下げると、検出
振動モードによる変位量は大きくなるが、振動周波数が
下がることになる。また、励振振動モードでは変位量は
あまり変化しないが、振動周波数が下がることになる。
ベンディング振動の周波数は振動基板の厚みに反比例す
るが、スリットを形成することは、振動基板の厚みを薄
くしたことと等価になるからである。コリオリ力は振動
の速度に比例し、振動の速度は振動の変位量と振動周波
数の積に比例する。すなわち、振動周波数が下がるのは
重錘体の速度が下がることであるから、同じ角速度でも
発生するコリオリ力が小さくなり、検出感度が低下する
ことになる。結果として、振動基板の剛性を下げて検出
振動モードでの変位量を大きくして感度を上げたものと
相殺されてしまうことになっていた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】ＸＹＺ三次元座標系にお
けるＸ軸周りの角速度ΩｘおよびＹ軸周りの角速度Ωｙ
を検出する二軸角速度センサであって、ＸＹ平面に沿っ
て延びた板状形状を有し、前記座標系の原点に位置する
中心部を、所定の円周をノードとする振動モードでＺ軸
方向に振動させることができる可撓性をもった振動基板
と、この振動基板に積層するように接合された板状の圧
電素子と、前記振動基板の下面を前記ノード位置におい
て直接もしくは他の構成要素を介して間接的に支持する
台座と、前記振動基板の中心部に直接もしくは他の構成
要素を介して間接的に接合された重錘体と、前記圧電素
子に交流電圧を印加することにより、前記重錘体がＺ軸
方向に振動するような周期的な撓みを前記圧電素子に生
じさせる励振手段と、前記励振手段により前記重錘体を
Ｚ軸方向に振動させた状態において、前記重錘体に作用
するＸ軸方向のコリオリ力およびＹ軸方向のコリオリ力
を、前記圧電素子に発生する電荷の分布に基づいて検出
するコリオリ力検出手段と、検出したＸ軸方向のコリオ
リ力に基づいてＹ軸周りの角速度Ωｙを演算し、検出し
たＹ軸方向のコリオリ力に基づいてＸ軸周りの角速度Ω
ｘを演算する演算手段を備える二軸角速度センサにおい
て、前記振動基板が励振手段による励振モードの振動ノ
ード部と重錘体の接合部の間で重錘体に作用するコリオ
リ力によりもっとも歪の大きくなる近傍に（のみ）、座
標系の原点に対して同心円状の凹部を形成する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
き詳細に説明する。図６は振動基板の歪の最大位置近傍
に凹部を形成した角速度センサの側面断面図である。エ
リンバ材で形成された振動基板１１は直径１０．２ｍ
ｍ、厚さ０．４５ｍｍであり、ベンディング振動のノー
ド部（直径６ｍｍ）を支持部材１３により固定されてい
る。振動基板１１の下面には直径３．５ｍｍで幅０．２
ｍｍ、深さ０．１５ｍｍの凹部１５が形成されている。
圧電素子１２は圧電セラミックス（ＰＺＴ）で、直径
６．２ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍであり、エポキシ系樹脂
により振動基板１１に接着されている。振動基板の下面
中央部にはＳＵＳ３０４で直径２．５ｍｍに形成された
重錘体１４が固定されている。

【００１３】本実施例においては、図６に示した振動基
板に凹部１５を形成した角速度センサと、振動基板１１
に凹部１５が形成されていない点を除いて部材の構成が
全て図６と同じである角速度センサについて、それぞれ
励振振動モード、検出振動モードの共振周波数、振動の
変位量を測定し、共振周波数と振動の変位量の値から振
動の速度を求め、振動基板に凹部を形成する効果を確認
する実験を行った。

【００１４】励振振動モード、検出振動モードのそれぞ
れの共振周波数測定は、インピダンスアナライザを用い
て測定した。また、振動の変位量測定は、発振器よりそ
れぞれの振動の共振周波数、かつ振幅が１Ｖの正弦波の
交流電圧をセンサに入力してセンサを発振させ、その際
のセンサ部の各振動モードの変位が最大になる点の変位
量をレーザードップラー変位計で測定した。図７は本実
施例の角速度センサの励振振動モードの模式図である。
励振振動モードは振動基板の面上中心点が最大変位点と
なるのでその点の変位量Ａｚを測定した。図８は本実施
例の角速度センサの検出振動モードの模式図である。検
出振動モードは振動基板の面上中心点付近と、センサの
支持部付近に振動のノード点があるため、その中間近傍
が最も変位量が大きい点となるのでその点の変位量Ａｘ
を測定した。

【００１５】図９は本実施例の実験結果を示した表であ
る。振動基板に凹部１５を形成した場合としない場合の
角速度センサについて、励振振動モードの共振周波数ｆ
ｚ、変位量Ａｚ及び振動の速度Ｖｚと、検出振動モード
の共振周波数ｆｘ、変位量Ａｘ及び振動の速度Ｖｘを示
した。

【００１６】振動基板への凹部の形成の有無による特性
の差を比較すると、励振振動モードについては変位量は
ほとんど差がないが、凹部を形成した方が１７％程度周
波数が低くなっている。したがって励振振動モードの振
動の速度Ｖｚも１７％程度低くなっている。検出振動モ
ードについても凹部を形成した方が共振周波数が低くな
っているが、変位量が凹部を形成していないものの約２
倍となっている。検出振動モードの振動の速度Ｖｘは凹
部を形成していないものに対して約６８％高くなってい
る。

【００１７】これより励振振動モードと検出振動モード
を総合して評価すると、振動基板に凹部を形成した場
合、励振振動モードの振動の速度Ｖｚは低くなるもの
の、センサにコリオリ力が作用した際の検出振動モード
の変位量がより大きくなることから、振動基板に凹部を
形成したほうが約４０％程検出感度が高くなる。

【００１８】

【発明の効果】本発明は前記のような構造にすることに
より、角速度センサの検出振動モードの変位量が大きく
なり、検出感度が向上するという効果が生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる角速度センサの側面断面図

【図２】Ｘ軸まわりの角速度Ωｘの検出原理を説明する
ための図

【図３】Ｙ軸まわりの角速度Ωｙの検出原理を説明する
ための図

【図４】重錘体に＋Ｆｘが作用したときの模式図

【図５】重錘体に−Ｆｘが作用したときの模式図

【図６】振動基板の歪の最大位置に凹部を形成した角速
度センサの側面断面図

【図７】本発明を適用した角速度センサの実施例におけ
る励振振動モードの模式図

【図８】本発明を適用した角速度センサの実施例におけ
る検出振動モードの模式図

【図９】本発明を適用した角速度センサの実施例におけ
る実験結果を示す表

【符号の説明】

１ 振動基板 ２ 圧電素子 ２’ 圧電素子 ３ 支持部材 ４ 重錘体 １０ ダイヤフラム １１ 振動基板 １２ 圧電素子 １３ 支持部材 １４ 重錘体 １５ 振動基板に形成された座標系の原点に対して同心
円状の凹部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸周りの角
   速度ΩｘおよびＹ軸周りの角速度Ωｙを検出する二軸角
   速度センサであって、 ＸＹ平面に沿って延びた板状形状を有し、前記座標系の
   原点に位置する中心部を、所定の円周をノードとする振
   動モードでＺ軸方向に振動させることができる可撓性を
   もった振動基板と、 この振動基板に積層するように接合された板状の圧電素
   子と、 前記振動基板の下面を前記ノード位置において直接もし
   くは他の構成要素を介して間接的に支持する台座と、 前記振動基板の中心部に直接もしくは他の構成要素を介
   して間接的に接合された重錘体と、 前記圧電素子に交流電圧を印加することにより、前記重
   錘体がＺ軸方向に振動するような周期的な撓みを前記圧
   電素子に生じさせる励振手段と、 前記励振手段により前記重錘体をＺ軸方向に振動させた
   状態において、前記重錘体に作用するＸ軸方向のコリオ
   リ力およびＹ軸方向のコリオリ力を、前記圧電素子に発
   生する電荷の分布に基づいて検出するコリオリ力検出手
   段と、 検出したＸ軸方向のコリオリ力に基づいてＹ軸周りの角
   速度Ωｙを演算し、検出したＹ軸方向のコリオリ力に基
   づいてＸ軸周りの角速度Ωｘを演算する演算手段を備え
   る二軸角速度センサにおいて、 前記振動基板が励振手段による励振モードの振動ノード
   部と重錘体の接合部の間で重錘体に作用するコリオリ力
   によりもっとも歪の大きくなる近傍に（のみ）、座標系
   の原点に対して同心円状の凹部を形成したことを特徴と
   する二軸角速度センサ。