JP2000009473A

JP2000009473A - ２軸ヨーレートセンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000009473A
Application number: JP10174787A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Iwata; 仁岩田
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 2000-01-14
Also published as: WO1999067598A1; DE19982627T1; US6539804B1; DE19982627C2

Abstract

(57)【要約】【課題】部品点数を少なくした簡単な構造を備えること
により、製造コストを低減できる２軸ヨーレートセンサ
及びその製造方法を提供する。【解決手段】リング支持板１１にて支持された振動リン
グ１５の４方向に配置された各駆動面１６ａ〜１６ｄに
は振動リング１５の径方向に振動させるためのＰＺＴ薄
膜が形成され、各駆動面１６ａ〜１６ｄのＰＺＴ薄膜上
に駆動電極膜１９ａ〜１９ｄが設けられている。各駆動
面１６ａ〜１６ｄには第２連結部２２を介してマス２１
が駆動面１６ａ〜１６ｄの振動方向とは直交する方向に
揺動自在に配置されている。第２連結部２２にはＰＺＴ
薄膜が配置されている。そのＰＺＴ薄膜上には検出電極
膜２４ａ〜２４ｄが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は２軸ヨーレートセンサ及
びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ヨーレートセンサとしては、
音叉型、或いは、振動リング型ものが知られている。従
来の音叉型、或いは振動リング型のヨーレートセンサ
は、多くの部材を組み合わせた構成とされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヨーレート
センサで互いに直交するＸ軸とＹ軸の回りのそれぞれの
軸の角速度とそれぞれの軸の回りの回転方向とを同時に
検出するための２軸ヨーレートセンサが要望されてい
る。しかし、２軸ヨーレートとして、単に従来の１軸回
りの角速度及び回転方向を検出することができるヨーレ
ートセンサを組み合わせたのでは、構造が複雑となり、
又、部品点数も多くなりコスト高となる問題がある。

【０００４】又、本発明の目的は、部品点数を少なくし
た簡単な構造を備えることにより、製造コストを低減で
きる２軸ヨーレートセンサ及びその製造方法を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、周方向に第１乃至第４
駆動面を有するリング状部材を備え、前記第１駆動面と
第３駆動面は、リング状部材の中心を通り径方向に延び
る第１共通軸上において、互いに反対方向に振動可能に
配置され、前記第２駆動面と第４駆動面は、前記第１共
通軸に対し直交し、リング状部材の中心を通り径方向に
延びる第２共通軸上において、互いに反対方向に振動可
能に配置され、前記各駆動面には、同駆動面を前記リン
グ状部材の径方向に振動させるための圧電部材が形成さ
れ、前記各駆動面には連結部を介して重り部材が前記駆
動面の振動方向とは直交する方向に揺動自在に配置さ
れ、前記連結部には、歪検出部材が配置され、前記リン
グ状部材は各駆動面間の支持部位において、支持される
ことを特徴とする２軸ヨーレートセンサを要旨とするも
のである。

【０００６】請求項２の発明は、請求項１において、前
記リング状部材と重り部材とは、共通の金属板から形成
されている２軸ヨーレートセンサを要旨とするものであ
る。請求項３の発明は、請求項１又は請求項２におい
て、前記リング状部材内には支持部材が配置され、同支
持部材は、リング状部材の各駆動面間の支持部位に対し
て一体に連結されて、リング状部材とは共通の金属板か
ら形成されている２軸ヨーレートセンサを要旨とするも
のである。

【０００７】請求項４の発明は、請求項２の２軸ヨーレ
ートセンサの製造方法において、平板状の金属板を打ち
抜き加工して所定形状のリング状部材、及び重り部材を
形成する工程と、リング状部材の各駆動面となる面を、
リング状部材の中心から放射方向に向かうように、又
は、前記中心に向かうように配置し、その後、重り部材
を、放射方向、又は中心方向に向かうように配置する工
程と、前記リング状部材の各駆動面となる面、及び重り
部材の連結部に対してチタン膜を形成する工程と、前記
チタン膜上に圧電膜を形成する工程と、前記各駆動面の
圧電膜及び連結部の圧電膜上に対して、それぞれ電極を
形成する工程とを含むことを特徴とする２軸ヨーレート
センサの製造方法を要旨とするものである。

【０００８】請求項５の発明は、請求項３の２軸ヨーレ
ートセンサの製造方法において、平板状の金属板を打ち
抜き加工して所定形状のリング状部材、支持部材及び重
り部材を形成する工程と、リング状部材の各駆動面とな
る面を、リング状部材の中心から放射方向に向かうよう
に、又は、前記中心に向かうように配置し、その後、重
り部材を、放射方向、又は中心方向に向かうように配置
する工程と、前記リング状部材の各駆動面となる面、及
び重り部材の連結部に対してチタン膜を形成する工程
と、前記チタン膜上に圧電膜を形成する工程と、前記各
駆動面の圧電膜及び連結部の圧電膜上に対して、それぞ
れ電極を形成する工程とを含むことを特徴とする２軸ヨ
ーレートセンサの製造方法を要旨とするものである。

【０００９】（作用）請求項１に記載の発明によると、
２軸ヨーレートセンサは、リング状部材の各駆動面間の
支持部位において、支持された状態で使用される。

【００１０】２軸ヨーレートセンサの第１共通軸上に位
置する第１駆動面と第３駆動面の圧電部材に対して、交
番電圧を印加する。又、第２共通軸上に位置する第２駆
動面と第４駆動面の圧電部材に対しては、第１駆動面と
第３駆動面とはその振動方向が逆となるように前記第１
駆動面と第３駆動面に印加した交番電圧とは位相をずら
した交番電圧を印加する。なお、ここでいう振動方向と
は、駆動面が径方向において、膨張する方向（放射方
向）と、収縮する方向（求心方向）の２方向をいう。従
って、振動方向が互いに逆とは、放射方向と求心方向の
関係をいう。

【００１１】このため、第１駆動面と第３駆動面が、放
射方向に膨らんで振動するときは、第２駆動面と第４駆
動面は、リング状部材の中心方向に向かって振動する。
又、逆に第１駆動面と第３駆動面が、リング状部材の中
心に向かって振動するときは、第２駆動面と第４駆動面
とは、放射方向に膨らんで振動する。この結果、リング
状部材は、第１駆動面と第３駆動面との間が長径，短径
の振動が行なわれるとともに、第２駆動面と第４駆動面
との間が逆に短径，長径の振動が行なわれる。このと
き、各駆動面に連結された重り部材も同じ方向に移動す
る。

【００１２】この振動時において、第１共通軸の回りで
角速度ωが加わったときのコリオリの力Ｆｃは第１駆動
面と第３駆動面に連結される重り部材（検出部）に対し
てそれぞれ互いに逆方向に加わる。

【００１３】このことを図１３を参照して説明すると、
図１３では、ｍをヨーレートセンサの重り部材の質量と
し、第１共通軸の回りに角速度ωが加わったときの模式
図を示している。各重り部材（検出部）の振動方向が図
に示すように互いに逆方向になっているとき、それぞれ
の重り部材（検出部）に加わるコリオリの力Ｆｃが加わ
る方向は図のように振動方向に対して直角になり、か
つ、リング状部材の中心を中止として１８０度反対側に
位置する他の重り部材（検出部）とは逆方向となる。

【００１４】そして、このコリオリの力が第１駆動面と
第３駆動面の重り部材に対して加わったとき、同重り部
材の連結部に伸び（歪み）又は縮み（歪）が生じ、その
上の歪検出部材にも同様に歪が発生する。この結果、こ
の歪検出部材の伸びによる歪信号、及び縮みによる歪信
号が得られる。

【００１５】そして、第１駆動面と第３駆動面の重り部
材において、各圧電膜から得られた出力の差分を取る
と、この出力は２倍となり、高感度の出力が得られる。
一方、第２共通軸の回りに角速度ωが加わったときにお
いても、第１共通軸の回りに角速度ωが加わったときと
同様である。

【００１６】すなわち、コリオリの力が第２駆動面と第
４駆動面の重り部材に対して加わったとき、同重り部材
の連結部に伸び（歪み）又は縮み（歪）が生じ、その上
の歪検出部材にも同様に歪が発生する。この結果、この
歪検出部材の伸びによる歪信号、及び縮みによる歪信号
が得られる。従って、第２駆動面と第４駆動面の重り部
材において、各歪検出部材から得られた出力の差分を取
ると、この出力は２倍となり、高感度の出力が得られ
る。

【００１７】なお、第１共通軸及び第２共通軸に対して
直交する方向の軸に沿って、加速度が加わった場合、検
出部である各重り部材に加わるコリオリの力Ｆｃは同方
向となり、互いに反対方向に位置する重り部材の連結部
に設けられた歪検出部材からの両出力の差分は０とな
り、同加速度による出力をキャンセルすることができ
る。

【００１８】請求項２の発明によれば、リング状部材と
重り部材とが、共通の金属板から形成されていることに
より、リング状部材と重り部材とが、始めから連結した
構成とすることが可能となる。

【００１９】請求項３の発明によれば、リング状部材、
重り部材、支持部材とが、共通の金属板から形成されて
いることにより、リング状部材、重り部材及び支持部材
とが、始めから連結した構成とすることが可能となる。

【００２０】請求項４の発明によれば、平板状の金属板
を打ち抜き加工して所定形状のリング状部材、及び重り
部材を形成し、リング状部材の各駆動面となる面を、リ
ング状部材の中心から放射方向に向かうように、又は、
前記中心に向かうように配置し、その後、重り部材を、
放射方向、又は中心方向に向かうように配置する。そし
て、前記リング状部材の各駆動面となる面に対してチタ
ン膜を形成し、前記チタン膜上に圧電膜を形成する。続
いて、前記各駆動面の圧電膜及び連結部の圧電膜上に対
して、それぞれ電極を形成することにより、請求項２の
２軸ヨーレートセンサを得る。

【００２１】請求項５の発明によれば、平板状の金属板
を打ち抜き加工して所定形状のリング状部材、支持部材
及び重り部材を形成する。次に、リング状部材の各駆動
面となる面を、リング状部材の中心から放射方向に向か
うように、又は、前記中心に向かうように配置し、その
後、重り部材を、放射方向、又は中心方向に向かうよう
に配置する。続いて、前記リング状部材の各駆動面とな
る面に対してチタン膜を形成する。さらに、前記チタン
膜上に圧電膜を形成し、前記各駆動面の圧電膜及び連結
部の圧電膜上に対して、それぞれ電極を形成することに
より、請求項３の２軸ヨーレートセンサを得る。

【００２２】

【実施の形態】以下、本発明の実施形態のヨーレートセ
ンサを図１乃至図４、図６、図７を参照して説明する。

【００２３】図１は２軸ヨーレートセンサ（以下、単に
ヨーレートセンサという）１の斜視図を示している。図
１に示すようにヨーレートセンサ１は、リング支持板１
１と、前記リング支持板１１に支持された振動リング１
５と、同振動リング１５に対し設けられたマス２１とを
備えている。前記リング支持板１１、振動リング１５、
マス２１は弾性金属としてのステンレスから一体に形成
されている。この実施形態では、厚みが０．５ｍｍ以下
の金属板としてのステンレス板にて形成されている。前
記振動リング１５はリング状部材を構成する。

【００２４】リング支持板１１は、互いに直交するよう
に配置された４個の直交支持片１２にて略十字状に形成
され、その中央下面には、固定ポスト１４がカシメ着さ
れている。振動リング１５は、低円筒状に形成され、４
個の振動部１６と、互いに隣接する振動部１６を連結す
る幅狭部１７とから構成されている。前記幅狭部１７
は、振動部１６よりも図１及び図２に示すようにその上
下長さが短くされている。そして、振動リング１５は各
幅狭部１７にて前記リング支持板１１の直交支持片１２
に対し第１連結部１３を介して一体に連結支持されてい
る。又、前記第１連結部１３は、有弾性を備えており、
波形状に形成されている。この構成により、振動リング
１５の各振動部１６は第１連結部１３の連結点を支点
（支持部位）として、振動自在とされている。

【００２５】前記振動部１６の外周面は駆動面とされ、
図１において、Ｙ軸上の反Ｙ方向に向かう駆動面を第１
駆動面１６ａとし、Ｙ軸と直交するＸ軸上のＸ方向に向
かう駆動面を第２駆動面１６ｂとし、Ｙ軸上のＹ方向に
向かう駆動面を第３駆動面１６ｃとし、Ｘ軸上の反Ｘ方
向に向かう駆動面を第４駆動面１６ｄとして配置されて
いる（図３参照、なお、図３においてはマス２１は説明
の便宜上省略されている。）。

【００２６】図７はヨーレートセンサ１の作用を示す模
式図であり、同図においては、各駆動面が振動している
状態を示しているが、同図に示すように、前記第１駆動
面１６ａと、第３駆動面１６ｃとは、Ｘ軸及びＹ軸上の
交点を直交するＺ軸（固定ポスト１４の中心軸と共通）
を中心として、１８０度反対側に位置する。又、第２駆
動面１６ｂと、第４駆動面１６ｄとは同じくＺ軸を中心
として、１８０度反対側に位置している。

【００２７】振動リング１５、リング支持板１１、マス
２１、後記する第１連結部１３、及び第２連結部２２の
全面には、スパッタリング等によって、図示しないチタ
ン膜がコーティングされている。同チタン膜により、ベ
ース面が構成されている。同チタン膜の表面全体には厚
さ数十μｍのＰＺＴ薄膜１８（図３参照）が形成されて
いる。ＰＺＴ薄膜１８は、強誘電体膜（圧電膜）を構成
する。図１１では、ＰＺＴ薄膜１８内において、矢印は
ＰＺＴ薄膜１８の分極方向を示す。

【００２８】図３に示すように、第１駆動面１６ａ乃至
第４駆動面１６ｄのＰＺＴ薄膜１８上には、互いに同面
積の第１駆動電極膜１９ａ乃至第４駆動電極膜１９ｄが
形成されている（図１においては、第１駆動面５側のみ
図示）。各駆動電極膜（電極）は厚さ数μｍを有するア
ルミニウムからなる。

【００２９】前記第１駆動面１６ａ乃至第４駆動面１６
ｄ上のＰＺＴ薄膜１８は本発明の圧電部材を構成する。
なお、図３においては、ＰＺＴ薄膜１８及び各駆動電極
膜１９ａ〜１９ｄの厚みは、説明の便宜上、実際のもの
より適宜拡大して図示されている。

【００３０】前記マス２１は各振動部１６の上部中央か
ら第２連結部２２を介して外方へ張り出し形成されてい
る。マス２１は略三角板形状をなし、その平面がＺ軸に
対して直交するように配置されている。又、各マス２１
は互いに同重量を有するように形成され、本発明の重り
部材を構成する。又、第２連結部２２は連結部を構成す
る。

【００３１】第２連結部２２は、マス２１の基端よりも
幅狭く形成され、弾性を有している。同各第２連結部２
２上のＰＺＴ薄膜（圧電膜）１８には互いに同一面積を
有する第１検出電極膜２４ａ〜第４検出電極膜２４ｄが
形成されている。各検出電極膜（電極）２４ａ〜２４ｄ
は厚さ数μｍを有するアルミニウムからなる。図１にお
いて、Ｙ軸上の反Ｙ方向に向かう検出電極膜を第１検出
電極膜２４ａとし、Ｙ軸と直交するＸ軸上のＸ方向に向
かう駆動面を第２検出電極膜２４ｂとし、Ｙ軸上のＹ方
向に向かう検出電極膜を第３検出電極膜２４ｃとし、Ｘ
軸上の反Ｘ方向に向かう検出電極膜を第４検出電極膜２
４ｄとして配置されている。

【００３２】前記第２連結部２２上のＰＺＴ薄膜１８は
検出部を構成するとともに、歪検出部材を構成する。次
に、上記ヨーレートセンサ１の製造方法を図９及び図１
０を参照して説明する。

【００３３】厚み０．５ｍｍ以下のステンレスからなる
平板状の基材を、まず、図９に示すように打ち抜き加工
する。この打ち抜き加工により、図９に示すように直交
支持片１２にて十字状をなすリング支持板１１が形成さ
れる。さらに、直交支持片１２の第１連結部１３にて連
結された円形リング状の振動リング１５が形成される。
又、リング支持板１１の中央部には、貫通孔１１ａが形
成される。

【００３４】振動リング１５の振動部１６は振動リング
１５の中心を中心にして４方に形成され、振動部１６の
各駆動面１６ａ〜１６ｄは図９において紙面側に向かっ
て形成される。又、マス２１は第２連結部２２を介して
リング支持板１１側に向けて形成される。

【００３５】次に、打ち抜き形成された図９の基材の全
表面に対して酸等で、クリーニングし、スパッタリン
グ、又は蒸着等の物理的成膜法にてチタン膜を成膜す
る。次に、図１０に示すようにリング支持板１１の第１
連結部１３に対して振動リング１１を９０度折曲げ加工
する。さらに、折曲げ加工した振動リング１１に対して
第２連結部２２を外方へ９０度折曲げ加工し、各振動部
１６のマス２１を前記貫通孔１１ａを中心にして放射方
向へ向ける。この折曲げ加工により、各振動部１６の外
周面が、それぞれ第１駆動面１６ａ〜１６ｄとなる。

【００３６】次に水熱法で、チタン膜上にＰＺＴ薄膜１
８を形成する。この水熱法は２つの段階からなってい
る。（第１段階）基材、原材料としてのオキシ塩化ジルコニ
ウム（ＺｒＯＣｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ
₃）₂）の水溶液、及びＫＯＨ（８Ｎ）溶液をテフロン
瓶（図示しない）に投入し、攪拌する。なお、ＰＺＴ薄
膜１８の圧電性は、ＰＺＴ薄膜１８におけるチタン酸
鉛，ジルコン酸鉛の構成組成比によって決まるため、後
にできあがるＰＺＴ薄膜１８の圧電性に応じてオキシ塩
化ジルコニウムと硝酸鉛とのモル比を決めればよい。

【００３７】次に、図示しない圧力容器内において、基
材を上方に配置し、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯＣ
ｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）、硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ₃）₂）の水溶
液、及びＫＯＨ（８Ｎ）溶液を攪拌しながら、加熱・加
圧する。なお、ここでいう加圧とは、加熱された溶液の
蒸気圧よる加圧のことである。温度条件は１５０℃で、
４８時間この状態を継続する。なお、攪拌は、３００ｒ
ｐｍで行う。

【００３８】この結果、過飽和状態で、基材のチタン膜
表面にＰＺＴの種子結晶（核）が形成される。上記時間
の経過後、基材を圧力容器から取り出し、水洗・乾燥す
る。

【００３９】（第２段階）次に、種子結晶が核付けされ
た基材、原材料としてのオキシ塩化ジルコニウム（Ｚｒ
ＯＣｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ₃）₂）の
水溶液、四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）及びＫＯＨ（４
Ｎ）溶液をテフロン瓶（図示しない）に投入し、攪拌す
る。なお、ＰＺＴ薄膜１８の圧電性は、ＰＺＴにおける
チタン酸鉛，ジルコン酸鉛の構成組成比によって決まる
ため、後にできあがるＰＺＴの圧電性に応じてオキシ塩
化ジルコニウムと四塩化チタンと硝酸鉛とのモル比を決
めればよい。

【００４０】次に、図示しない圧力容器内において、基
材を上方に配置し、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯＣ
ｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）、硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ₃）₂）の水溶
液、四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）及びＫＯＨ（４Ｎ）溶
液を攪拌しながら、加熱・加圧する。なお、ここでいう
加圧とは、加熱された溶液の蒸気圧よる加圧のことであ
る。温度条件は１２０℃で、４８時間この状態を継続す
る。なお、攪拌は、３００ｒｐｍで行う。

【００４１】この結果、過飽和状態で、基材全部の表面
にＰＺＴ薄膜１８所定厚み（この実施形態では数十μ
ｍ）で形成される。上記時間の経過後、基材を圧力容器
から取り出し、水洗・乾燥する。この後、マスクを除去
する。

【００４２】そして、各振動部１６の第１駆動面１６ａ
〜第４駆動面１６ｄ上のＰＺＴ薄膜１８面、及び第２連
結部２２上のＰＺＴ薄膜１８面にアルミニウムをスパッ
タリングや真空蒸着等の物理的成膜法により形成した
後、パターニングし、不必要な部分を除去して、第１駆
動電極膜１９ａ〜第４駆動電極膜１９ｄ、第１検出電極
膜２４ａ〜第４検出電極膜２４ｄを形成し、ヨーレート
センサ１を形成する。このヨーレートセンサ１を使用す
るときは、前記リング支持板１１の貫通孔１１ａに対し
て固定ポスト１４をカシメ着する。

【００４３】次に、図１１及び図１２を参照して、上記
ヨーレートセンサ１を採用したヨーレートセンサ装置４
１を説明する。ヨーレートセンサ装置４１は、前記ヨー
レートセンサ１、回路基板２５、ステイケース２９を備
えている。ステイケース２９は、図１１に示すように、
無蓋箱状に形成されて収納凹部３０を備え、同収納凹部
３０の底面中央部にヨーレートセンサ１を支持する固定
ポスト１４が立設されている。回路基板２５は、ステイ
ケース２９の上方を覆うようにステイケース２９の側壁
に固設されている。回路基板２５の中央は、ヨーレート
センサ１を収納するための収納孔２６が透設されてい
る。同収納孔２６は、ヨーレートセンサ１の振動リング
１５の振動を許容する大きさに形成されている。

【００４４】又、ヨーレートセンサ１の各電極膜１９ａ
〜１９ｄ、２４ａ〜２４ｄ上のパッド部分と、回路基板
２５の接続パッド２７（入力端子及び出力端子）との間
には接続ワイヤ２８がハンダ付けされている。

【００４５】次に、前記回路基板２５に設けられる電気
回路を図１２を参照して説明する。ヨーレートセンサ装
置４１は、ドライバ信号・検波信号発生回路４０と、検
出回路５０Ａ，５０Ｂとを備えている。

【００４６】ドライバ信号・検波信号発生回路４０は、
図１２に示すように発振回路４２と、増幅回路４３、イ
ンバータ４４とを備えている。同発振回路４２は図５に
示すように所定周波数の電圧信号を発振し、増幅回路４
３及びインバータ４４に出力する。増幅回路４３はドラ
イバ信号を第２駆動電極膜１９ｂ，第４駆動電極膜１９
ｄに出力し、インバータ４４は、発振回路４２からの信
号を基準電位（Ｖｃｃ／２）を中心に反転した上でドラ
イバ信号として第１駆動電極膜１９ａ．第３駆動電極膜
１９ｃに出力する。前記ドライバ信号は、交番電圧に相
当し、ドライバ信号の周波数は、ヨーレートセンサ１の
共振系に合わせた周波数とされている。

【００４７】なお、図１２に示すように電源Ｖｃｃと接
地線間には、一対の抵抗Ｒ１が直列に接続され、接地側
の抵抗Ｒ１のプラス端子は、電圧ホロワ５１を構成する
演算増幅器の非反転入力端子に接続されている。そし
て、電圧ホロワ５１の出力端子は、ヨーレートセンサ１
の基材に接続されている。

【００４８】すなわち、基材側は、基準電位ＶA （本実
施形態では２．５Ｖ＝Ｖｃｃ／２）に設定されている。
前記発振回路４２、増幅回路４３、インバータ４４とに
より、ドライバ信号・検波信号発生回路４０が構成され
ている。

【００４９】次に検出回路５０Ａについて説明する。検
出回路５０Ａは、センサ信号増幅回路５２、同期検波回
路５３、ローパスフィルタ回路５４とから構成されてい
る。

【００５０】センサ信号増幅回路５２は、図１２に示す
ように第１演算増幅器５５、第２演算増幅器５６、抵抗
ＲＳ、負帰還抵抗Ｒｆからなる。第２検出電極膜２４ｂ
は、第１演算増幅器５５の非反転入力端子に接続されて
いる。第１演算増幅器５５は、抵抗Ｒｓ、負帰還抵抗Ｒ
f で設定される増幅度で、第２検出電極膜２４ｂからの
圧電電圧信号（歪信号）を増幅し、抵抗Ｒｓを介して第
２演算増幅器５６の反転入力端子に出力する。なお、第
１演算増幅器５５の非反転入力端子は抵抗Ｒ２を介して
電圧ホロワ５１の出力端子に接続されている。

【００５１】又、第４検出電極膜２４ｄは、第２演算増
幅器５６の非反転入力端子に接続されている。第２演算
増幅器５６は、抵抗Ｒｓ、負帰還抵抗Ｒf で設定される
増幅度（増幅率）で、第４検出電極膜２４ｄからの圧電
電圧信号（歪信号）を増幅し、次段の同期検波回路５３
に出力する。なお、第２演算増幅器５６の非反転入力端
子は抵抗Ｒ２を介して電圧ホロワ５１の出力端子に接続
されている。

【００５２】同期検波回路５３は、発振回路４２からの
検波信号に基づいて、センサ信号増幅回路５２からの圧
電電圧信号を検波し、Ｘ軸回りの回転方向を検波する。
すなわち、Ｘ軸において、反時計回り方向の角速度が加
わった場合と、時計回り方向の角速度が加わった場合と
では、同期検波回路５３からは角速度の回転方向に応じ
て基準電位（この実施形態ではＶｃｃ／２）よりも大き
い電圧信号か、基準電位よりも小さ電圧信号のいずれか
の電圧信号が出力される。この基準電位と出力された電
圧信号との大小によって、Ｘ軸回り角速度の回転方向が
判別できる。

【００５３】又、第２演算増幅器５６の出力端子はロー
パスフィルタ回路５４に接続されている。ローパスフィ
ルタ回路５４の出力端子は、Ｖｘout 端子に接続されて
いる。同ローパスフィルタ回路５４は、同期検波回路５
３からの圧電電圧信号のうち、所定の周波数を濾波し、
かつ平滑することにより、ヨーレートセンサ１に働くＸ
軸回りの角速度の大きさに応じた信号を出力する。

【００５４】又、この出力の大きさは、角速度の大きさ
に比例したものであり、この出力値によって、角速度の
大きさが検出できる。なお、検出回路５０Ｂは、Ｙ軸回
りに働く角速度の回転方向及び角速度の大きさを検出す
るための回路であり、前記Ｘ軸回りに働く角速度の回転
方向及び角速度の大きさを検出するための検出回路５０
Ａと同様な構成のため、同一構成に対しては同一符号を
付してその説明を省略する。

【００５５】そして、検出回路５０Ｂのローパスフィル
タ回路５４からは、第１検出電極２４ａ，第３検出電極
２４ｃからの圧電電圧信号（歪信号）に基づいて、同期
検波回路５３からの圧電電圧信号のうち、所定の周波数
を濾波し、かつ平滑することにより、ヨーレートセンサ
１に働くＹ軸回りの角速度の大きさに応じた信号をＶｙ
out 端子から出力する。

【００５６】さて、上記のように構成されたヨーレート
センサ装置４１の作用について説明する。第２駆動電極
膜１９ｂ，第４駆動電極膜１９ｄに対して、ドライバ信
号・検波信号発生回路４０の増幅回路４３を介してそれ
ぞれドライバ信号を同期して印加する。又、一方、第１
駆動電極膜１９ａ，第３駆動電極膜１９ｃに対してドラ
イバ信号・検波信号発生回路４０のインバータ４４を介
してそれぞれドライバ信号を同期して印加する。

【００５７】図６は、第４駆動電極膜１９ｄにおける振
動部１６の第４駆動面１６ｄを示すとともに、ＰＺＴ薄
膜１８の分極方向が矢印で示すように基材から駆動電極
膜方向である場合の振動部１６での振動状態を示してい
る。いずれも振動部１６は基準電圧Ｖｃｃ／２とされて
いる。

【００５８】この状態で、図６（ａ）に示すように、ド
ライバ信号により、基準電位（Ｖｃｃ／２）よりも大き
な電位に印加されたときのＰＺＴ薄膜１８は外側へ引き
伸ばされ、図６（ｃ）に示すように基準電位（Ｖｃｃ／
２）よりも小さな電位側に印加されたときのＰＺＴ薄膜
１８は内側へ縮小する。図６（ｂ）は、振動リング１５
（基材）と、同電位の電圧が印加された場合であり、図
６（ａ）と図６（ｃ）との中間位置に振動部１６が位置
する。

【００５９】このように、ドライバ信号の基準電位（Ｖ
ｃｃ／２＞０）を挟んだ電位の変化によって、振動部１
６の第１駆動面１６ａ，第３駆動面１６ｃは、互いに同
期して、Ｙ軸に沿って、互いにＹ方向、反Ｙ方向、或い
は、反Ｙ方向、Ｙ方向に振動する。一方、ドライバ信号
の基準電位（Ｖｃｃ／２＞０）を挟んだ電位の変化によ
って、振動部１６の第２駆動面１６ｂ，第４駆動面１６
ｄは、互いに同期して、Ｘ軸に沿って、Ｘ方向、反Ｘ方
向、或いは、反Ｘ方向、Ｘ方向に振動する。すなわち、
放射方向と求心方向に交互に振動する。

【００６０】そして、振動部１６の第１駆動面１６ａ，
第３駆動面１６ｃに印加されるドライバ信号と、振動部
１６の第２駆動面１６ｂ，第４駆動面１６ｄに印加され
るドライバ信号とは、基準電位（Ｖｃｃ／２）を中心に
互いに反転しているため、図４に示すように振動リング
１５は、長径と短径となる振動を繰り返す。

【００６１】又、この振動により、各振動部１６におけ
るマス２１も各駆動面と同方向に従動する。そして、こ
の振動状態で、ヨーレートセンサ１にＸ軸の回りにおい
て角速度ωの回転が加わったときについて説明する。

【００６２】図７及び図８はＸ軸を中心に角速度ωで回
転した場合の説明図である。同図において、Ｘ軸を中心
にして角速度ωで図で示す方向に回転すると、Ｙ軸方向
に位置するマス２１は互いにＺ軸に沿った方向にコリオ
リの力Ｆｃが働き、第２連結部２２にて同方向に撓む。
すなわち、第１駆動面１６ａ側のマス２１に着目した場
合には、Ｙ軸の方向に沿って長楕円に延びたとき（図８
においては長径になったとき）、Ｚ方向に撓み、短楕円
に縮んだとき（図８においては短径になったとき）、反
Ｚ方向に第２連結部２２が撓む。このときの振幅は、コ
リオリの力Ｆｃに比例する。

【００６３】なお、第３駆動面１６ｃのマス２１に関し
ては、第１駆動面１６ａ側のマス２１とは逆の関係にな
る。このとき、Ｙ軸に回転成分及び他の加速度が加わっ
ていなければ、他の第２駆動面１６ｂ，第４駆動面１６
ｄのマス２１は撓まない。

【００６４】このことから、振動リング１５の振動を基
準としたマス２１の振動方向（位相）と、振幅により、
回転方向と角速度が分かる。Ｙ軸回りの角速度ωの回転
が加わったときにおいても、上記と同様の理由から振動
リング１５の振動を基準としたマス２１の振動方向（位
相）と、振幅により、回転方向と角速度が分かる。

【００６５】上記のことから、ヨーレートセンサ装置４
１では、マス２１の第２連結部２２の伸び・縮みが生ず
るそれぞれに部位に対応して配置された第１検出電極膜
２４ａ〜第４検出電極膜２４ｄがそのときにＰＺＴ薄膜
１８に発生した圧電電圧信号を各検出回路５０Ａ，５０
Ｂにおけるセンサ信号増幅回路５２に出力する。

【００６６】各検出回路５０Ａ，５０Ｂのセンサ信号増
幅回路５２は、第１検出電極膜２４ａ〜第４検出電極膜
２４ｄの圧電電圧信号（歪信号）を増幅し、次の同期検
波回路５３に出力する。

【００６７】そして、同期検波回路５３では、発振回路
４２から出力された検波信号と、センサ信号増幅回路５
２からの圧電信号とに基づいてヨーレートセンサ１に加
わった角速度に係る回転方向を検出すべく、その回転方
向を確定検波する。同期検波回路５３から出力された信
号は、ローパスフィルタ回路５４にて所定周波数が濾波
され、かつ平滑されて、角速度の大きさを検出する。

【００６８】この結果、ヨーレートセンサ１に働いた、
Ｘ軸回りの角速度、及びＹ軸回りの角速度の大きさ及び
回転方向を検出することが可能となる。さて、本実施形
態によると、次のような作用効果を奏する。

【００６９】（１）本実施形態では、周方向に第１駆動
面１６ａ乃至第４駆動面１６ｄを有する振動リング１５
を設け、振動リング１５の中心を通り径方向に延びるＹ
軸（第１共通軸）上において、第１駆動面１６ａと第３
駆動面１６ｃを互いに反対方向に振動可能に配置した。
又、Ｙ軸に対し直交し、振動リング１５の中心を通り径
方向に延びるＸ軸（第２共通軸）上において、第２駆動
面１６ｂと第４駆動面１６ｄを互いに反対方向に振動可
能に配置した。そして、各駆動面１６ａ〜１６ｄには、
同駆動面を振動リング１５の径方向に振動させるための
ＰＺＴ薄膜１８を形成し、各駆動面１６ａ〜１６ｄには
第２連結部（連結部）２２を介してマス（重り部材）２
２が前記駆動面１６ａ〜１６ｄの振動方向とは直交する
方向に揺動自在に配置した。又、第２連結部２２にも、
ＰＺＴ薄膜１８を設け、振動リング１５を各駆動面間の
支持部位において支持した。

【００７０】そして、Ｙ軸（第１共通軸）上に位置する
第１駆動面１６ａと第３駆動面１６ｃの第１駆動電極膜
１９ａ，第３駆動電極膜１９ｃに対して、交番電圧を印
加し、Ｘ軸（第２共通軸）上に位置する第２駆動面１６
ｂと第４駆動面１６ｄの第２駆動電極膜１９ｂ，第４駆
動電極膜１９ｄに対しては、第１駆動面と第３駆動面と
はその振動方向が逆となるように位相をずらした交番電
圧を印加することにより、振動リング１５を振動させた
状態で、Ｘ軸回り及びＹ軸回りの回転が加わったとき、
両軸回りの角速度の大きさ、及び回転方向を検出するこ
とができる。

【００７１】（２）各軸上のマス２１において、各検
出電極膜から得られた出力の差分を取ると、この出力は
２倍となり、高感度の出力を得ることができる。各軸に
対して直交する方向の軸に沿って、加速度が加わった場
合には、検出部である各マス２１に加わるコリオリの力
Ｆｃは同方向となり、互いに反対方向に位置するマス２
１の第２連結部２２に設けられた検出電極膜からの両出
力の差分は０となり、同加速度による出力をキャンセル
することができる。

【００７２】（３）本実施形態では、リング支持板
（支持部材）１１、振動リング１５（リング状部材）、
及びマス（重り部材）２１とは、共通のステンレス板
（金属板）から形成した。この結果、リング支持板１
１、振動リング１５、マス２１とは始めから連結した構
成となるため、各部材の組付け作業工程を簡略すること
ができる。

【００７３】（４）本実施形態では、ステンレス板を
抜き打ち形成することにより、振動リング１５、マス２
１、リング支持板１１を形成した。この結果、各部材を
連結したまま、ワンショットで形成でき、効率良く製造
することができる。

【００７４】（５）本実施形態では、ヨーレートセン
サ１を製造する場合、平板状のステンレス板を打ち抜き
加工して所定形状の振動リング１５、リング支持板１１
及びマス２１を形成し、振動リング１５の各駆動面１６
ａ〜１６ｄとなる面を、振動リング１５の中心から放射
方向に向かうように配置し、その後、マス２１を放射方
に向かうように配置し、振動リング１５の各駆動面１６
ａ〜１６ｄとなる面、及びマス２１の第２連結部２２に
対してチタン膜を形成し、同チタン膜上にＰＺＴ薄膜１
８を形成し、ＰＺＴ薄膜１８上に対して、それぞれ駆動
電極膜１９ａ〜１９ｄ，検出電極膜２４ａ〜２４ｄを形
成するようにした。

【００７５】この結果、簡単な工程によって、ヨーレー
トセンサを得ることができる。（６）本実施形態では、ＰＺＴ薄膜１８を、水熱法に
よって得るようにした。この結果、同一工程（水熱法に
よる工程）で得られた振動部１６上のＰＺＴ薄膜１８、
及び検出用に第２連結部２２上に設けられるＰＺＴ薄膜
１８を備えたヨーレートセンサ１は、検出感度等の品質
を一定に、すなわち、均質なものとすることができる。
又、水熱法により、駆動用のＰＺＴ薄膜１８と、検出用
のＰＺＴ薄膜１８とが一度に形成できるため、別々に駆
動用、検出用のＰＺＴ薄膜を形成する場合と異なり、作
製工数を低減できる。

【００７６】本発明の実施形態は、上記実施形態以外に
次のように変更することも可能である。（１）前記実施形態では、マス２１を振動リング１５
の周部の上部から放射方向へ延設したが、振動リング１
５の下部から放射方向へ延設してもよい。

【００７７】（２）前記実施形態では、マス２１を振
動リング１５から放射方向に向かって延設したが、逆に
振動リング１５の中心方向に向かって延設してもよい。（３）前記実施形態では、振動リング１５、マス２
１、リング支持板１１を共通の金属板にて形成したが、
振動リング１５と、マス２１とを共通の金属板にて形成
し、別体に形成したリング支持板１１に対し接着剤、或
いは、半田付け、ロウ付け等により組付けてもよい。

【００７８】（４）前記実施形態では、リング支持板
１１を振動リング１５の内方に配置したが複数の支持部
材を振動リング１５の外方に配置して、個々の支持部材
にて振動リングを支持するようにしてもよい。

【００７９】（５）前記実施形態では、圧電膜をＰＺ
Ｔ薄膜としたが、圧電膜の形成のために他の圧電材料を
使用してもよい。（６）前記実施形態では、振動リング１５をステンレ
ス製としたが、他の金属でもよく、チタンとした場合
は、チタン膜の形成が不要となる。この場合、基振動リ
ング１５の表面がベース面を構成する。

【００８０】（７）前記実施形態では、電極膜は、マ
スキングしてスパッタリングを行なうことにより形成し
たが、その代わりに、導電性ペースト（例えば、Ａｇエ
ポキシ）のマスキングによるスプレー塗布で形成しても
よい。

【００８１】（８）前記実施形態では、ＰＺＴ薄膜１
８面に電極膜をスパッタリングや真空蒸着等の物理的成
膜法により形成した後、パターニングしたが、この代わ
りに、これらを導電性ペーストをスクリーン印刷法によ
って、印刷して形成してもよい。

【００８２】（９）前記実施形態では、電極膜をアル
ミニウムで形成したが、Ａｕ（金）にて形成してもよ
く、又、他の導電性金属にて形成してもよい。（１０）前記実施形態では、駆動面１６ａ〜１６ｄを
振動リング１５の中心から放射方向に向かうように振動
リング１５の外周面としたが、振動リング１５の各駆動
面となる面を、振動リング１５の中心に向かうように内
周面としてもよい。

【００８３】又、この場合において、マス２１を振動リ
ング１５の中心方向に向かって延設してもよい。（１１）前記実施形態では、振動リング１５を円形リ
ングとしたが、四角形リングとしてもよい。

【００８４】（１２）前記実施形態では、第２連結部
２２に圧電膜としてのＰＺＴ薄膜１８を形成したが、こ
の代わりに、バルクの圧電材料からなる歪センサを設け
たり、ピエゾ抵抗素子にて構成した歪センサを設けても
よい。

【００８５】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される
技術的思想をその効果とともに以下に挙げる。（１）請求項１乃至請求項３のうちいずれかにおい
て、駆動面は、リング状部材の外周面である２軸ヨーレ
ートセンサ。駆動面をリング状部材の外周面に設ける
と、リング状部材の内周面に設ける場合に比較して、圧
電膜に対する電極膜の形成を容易に行なうことができ
る。

【００８６】（２）請求項２の２軸ヨーレートセンサ
の製造方法において、平板状のチタン板を打ち抜き加工
して所定形状のリング状部材、及び重り部材を形成する
工程と、リング状部材の各駆動面となる面を、リング状
部材の中心から放射方向に向かうように、又は、前記中
心に向かうように配置し、その後、重り部材を、放射方
向、又は中心方向に向かうように配置する工程と、前記
チタン表面上に圧電膜を形成する工程と、前記各駆動面
の圧電膜及び連結部の圧電膜上に対して、それぞれ電極
を形成する工程とを含むことを特徴とする２軸ヨーレー
トセンサの製造方法。こうすることにより、チタン板に
て、リング状部材、及び重り部材とが一体となったを２
軸ヨーレートセンサを簡単に製造することができる。

【００８７】（３）請求項３の２軸ヨーレートセンサ
の製造方法において、平板状のチタン板を打ち抜き加工
して所定形状のリング状部材、支持部材及び重り部材を
形成する工程と、リング状部材の各駆動面となる面を、
リング状部材の中心から放射方向に向かうように、又
は、前記中心に向かうように配置し、その後、重り部材
を、放射方向、又は中心方向に向かうように配置する工
程と、前記チタン表面に圧電膜を形成する工程と、前記
各駆動面の圧電膜及び連結部の圧電膜上に対して、それ
ぞれ電極を形成する工程とを含むことを特徴とする２軸
ヨーレートセンサの製造方法。こうすることにより、リ
ング状部材、支持部材及び重り部材とが一体となったを
２軸ヨーレートセンサを簡単に製造することができる。

【００８８】（４）前記（２）又は（３）において、
前記圧電膜は、水熱法によって得られたＰＺＴ薄膜であ
る２軸ヨーレートセンサの製造方法。こうすることによ
り、上記（２）又は（３）の２軸ヨーレートの所定の箇
所にＰＺＴ薄膜を容易に得ることができる。

【００８９】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１の発明に
よれば、部品点数を少なくした簡単な構造とすることが
でき、又、このことにより、製造コストを低減できる。

【００９０】請求項２の発明によれば、リング状部材と
重り部材とが、共通の金属板から形成されているため、
リング状部材と重り部材とが、始めから連結した構成と
することでき、部品点数及び組付け工数を少なくでき
る。

【００９１】請求項３の発明によれば、リング状部材、
重り部材、支持部材とが、共通の金属板から形成されて
いるため、リング状部材、重り部材及び支持部材とが、
始めから連結した構成となり、部品点数及び組付け工数
を少なくできる。

【００９２】請求項４及び請求項５の発明によって、構
造が簡単な２軸ヨーレートセンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態の２軸ヨーレートセンサの斜視図。

【図２】同じく要部拡大斜視図。

【図３】振動リングの模式平面図。

【図４】振動リングの振動を表す説明図。

【図５】ドライバ信号の波形図。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は振動部の振動状態を示す模式
図。

【図７】マスの動作を示す説明図。

【図８】同じくマスの動作を示す説明図。

【図９】基材を打ち抜き加工した状態の平面図。

【図１０】基材を折曲げ加工した状態の斜視図。

【図１１】ヨーレートセンサ装置の一部切欠斜視図。

【図１２】２軸ヨーレートセンサ装置の電気回路。

【図１３】コリオリの力の作用説明図。

【符号の説明】

１…ヨーレートセンサ、１１…リング支持板（支持部材
を構成する。）、１２…直交支持片、１３…第１連結
部、１５…振動リング（リング状部材を構成する。）、
１６…振動部、１６ａ〜１６ｄ…第１駆動面〜第４駆動
面、１８…ＰＺＴ薄膜（圧電膜を構成する。）、１９ａ
〜１９ｄ…第１駆動電極膜〜第４駆動電極膜（電極を構
成する。）、２１…マス（重り部材を構成する。）、２
２…第２連結部（連結部を構成する。）、２４ａ〜２４
ｄ…第１検出電極膜〜第４検出電極膜（電極を構成す
る。）、４１…ヨーレートセンサ装置、４２…発振回
路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周方向に第１乃至第４駆動面を有するリ
ング状部材を備え、前記第１駆動面と第３駆動面は、リング状部材の中心を
通り径方向に延びる第１共通軸上において、互いに反対
方向に振動可能に配置され、前記第２駆動面と第４駆動面は、前記第１共通軸に対し
直交し、リング状部材の中心を通り径方向に延びる第２
共通軸上において、互いに反対方向に振動可能に配置さ
れ、前記各駆動面には、同駆動面を前記リング状部材の径方
向に振動させるための圧電部材が形成され、前記各駆動面には連結部を介して重り部材が前記駆動面
の振動方向とは直交する方向に揺動自在に配置され、前記連結部には、歪検出部材が配置され、前記リング状部材は各駆動面間の支持部位において、支
持されることを特徴とする２軸ヨーレートセンサ。
【請求項２】前記リング状部材と重り部材とは、共通
の金属板から形成されていることを特徴とする請求項１
に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項３】前記リング状部材内には支持部材が配置
され、同支持部材は、リング状部材の各駆動面間の支持部位に
対して一体に連結されて、リング状部材とは共通の金属
板から形成されていることを特徴とする請求項１又は請
求項２に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項４】請求項２の２軸ヨーレートセンサの製造
方法において、平板状の金属板を打ち抜き加工して所定形状のリング状
部材、及び重り部材を形成する工程と、リング状部材の各駆動面となる面を、リング状部材の中
心から放射方向に向かうように、又は、前記中心に向か
うように配置し、その後、重り部材を、放射方向、又は
中心方向に向かうように配置する工程と、前記リング状部材の各駆動面となる面、及び重り部材の
連結部に対してチタン膜を形成する工程と、前記チタン膜上に圧電膜を形成する工程と、前記各駆動面の圧電膜及び連結部の圧電膜上に対して、
それぞれ電極を形成する工程とを含むことを特徴とする
２軸ヨーレートセンサの製造方法。
【請求項５】請求項３の２軸ヨーレートセンサの製造
方法において、平板状の金属板を打ち抜き加工して所定形状のリング状
部材、支持部材及び重り部材を形成する工程と、リング状部材の各駆動面となる面を、リング状部材の中
心から放射方向に向かうように、又は、前記中心に向か
うように配置し、その後、重り部材を、放射方向、又は
中心方向に向かうように配置する工程と、前記リング状部材の各駆動面となる面、及び重り部材の
連結部に対してチタン膜を形成する工程と、前記チタン膜上に圧電膜を形成する工程と、前記各駆動面の圧電膜及び連結部の圧電膜上に対して、
それぞれ電極を形成する工程とを含むことを特徴とする
２軸ヨーレートセンサの製造方法。