JP2000249553A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的安価で高感度・高検出精度が得られる
角速度センサを提供することを目的とする 【解決手段】 圧電素子１１，１２を貼り合わせバイモ
ルフを構成し、貼り合わせ接合面Ａに直交するＢ面を底
面とする正三角柱を切り出し形成し、正三角柱を圧電素
子と一体もしくは別材の台１５上に固定し、接合面Ａ及
び正三角柱の各面Ｂ，Ｃ１，Ｃ２に独立した電気的電極
Ａｄ，Ｂｄ，Ｃ１ｄ，Ｃ２ｄを構成し、正三角柱の各面
の電極Ｂｄ，Ｃ１ｄ，Ｃ２ｄと接合面の電極Ａｄとの間
に分極を施し、各部電極への交流電圧印加により、接合
面Ａ方向に駆動し励振状態とし、この励振方向と直交方
向のバイモルフの各々の電極Ｃ１ｄ，Ｃ２ｄでの起電力
の出力差を、抵抗を介して取り出すことによりコリオリ
力による出力を取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両等における車
体制御システム、ナビゲーションシステム等に有効な角
速度を検出する角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来の角速度センサの構成例を示
している。図７（ａ）において、１はＵ字型の金属振動
板であり、上部にこれと直角に配置された二枚の金属振
動板２，３を有しており、各々の金属振動板には圧電素
子１ａ，１ｂ，２ａ，３ａが接着剤等により固定されて
いる。４はこれらの振動板を固定支持する固定軸であ
り、つまり金属振動板は音叉を構成していることにな
る。圧電素子１ａはこの音叉を駆動（励振）するための
駆動用素子であり、交流電圧の印加により駆動する。１
ｂも駆動用に用いても良いが、一般的にはこの出力を利
用し、振動を安定化するためのモニター用に使用され
る。駆動周波数は、振幅を大きくするために、金属振動
板の共振周波数に合わせ駆動するのが一般的であり、５
のような方向に振動が得られる。６は回転検出軸であ
り、図に示すような方向に回転を与えたとすると、図７
（ｂ）のようなコリオリ力Ｆｃが発生し、金属振動板
２，３を振動させるため、圧電素子２ａ，３ａには各々
逆相の起電力が得られることになる。従って、この各々
の検出出力の差動をとることにより、角速度に比例した
出力を得ることができるものである。

【０００３】一般的に、コリオリ力による出力は非常に
小さいため、極力大きな出力を得るためには、コリオリ
力の発生する金属振動板部の共振周波数を駆動部金属振
動板の音叉周波数に合わせるように構成する。尚、図７
において、ωは角速度、ｖは振動速度、ｍは振動板の質
量を示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の角速度センサにおいては、次のような課題がある。 １）音叉駆動のための金属振動板とコリオリ力検出のた
めの金属振動板が同一構造体で作られてはいるが、駆動
部と検出部が同一金属振動板ではなく、各々の共振周波
数を一致させることが非常に難しいため、検出感度を上
げることが困難となる。 ２）金属振動板の形状が複雑なため、高い加工精度を要
求され、コストアップおよび検出精度のバラツキを避け
ることができない。 ３）圧電素子を金属振動板に接着剤等で固定しているの
で、その固定バラツキは大きく、検出精度・温度特性等
に影響を与え易い。 ４）検出部の金属振動板が二個にあるため、振動による
同方向への変形に関しては差動で打ち消し合うが、コリ
オリ力と同等な逆方向への変形に関しては出力として検
知してしまう。従って、回転モーメントを伴う振動ノイ
ズに対しては弱い欠点がある。

【０００５】本発明、上記従来の問題を解決するもの
で、比較的安価で高感度・高精度の優れた角速度センサ
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明は、圧電素子を２枚貼り合わせバイモルフを構
成し、その貼り合わせ接合面に直交する面を底面とする
正三角柱を切り出し、その接合面および正三角柱の各面
に各々独立した電極を設け、かつ分極を施し、各部電極
へ交流電圧印加により接合面方向に駆動、励振し、この
振動方向と直交方向のバイモルフの各電極面の出力差に
よりコリオリ力の出力を取り出すように構成したもので
ある。つまり、振動体が圧電素子自体であり、駆動と検
出を同一振動体で構成していることになる。

【０００７】以上の構成により、駆動と検出の共振周波
数を一致することが比較的容易であり、圧電素子の張り
合わせはあるが接着剤等による固定がなく、加工精度も
切り出し加工のみであり、バラツキを抑えることも可能
であるため、比較的安価で高感度、高検出精度が得られ
る。振動の影響については、コリオリ方向の振動に関し
て多少振動ノイズの影響が発生し易いが、接合面方向等
はその影響も小さい。また、構成上、従来品に比して共
振周波数を高く設定できるので、振動の影響も受けにく
い特徴を有する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
圧電素子を２枚貼り合わせてバイモルフを構成し、前記
貼り合わせた接合面に直交する面を底面とし、これに隣
接する２辺を斜面とする正三角柱を切り出し、前記正三
角柱を圧電素子と一体もしくは別材の台上に固定し、か
つ、前記接合面および正三角柱の各面に各々独立した電
極を形成し、前記正三角柱の各面の電極と接合面の電極
との間に分極を施し、これら電極間に交流電圧を印加す
ることにより正三角柱を接合面の方向に駆動し励振状態
とし、この励振方向と直交する２つの斜面電極間の出力
差を抵抗を介して取り出すことにより、コリオリ力によ
る出力を取り出し可能としたことを特徴とする角速度セ
ンサであり、駆動と検出を同一振動体で構成しているの
で駆動と検出の共振周波数が合わせ易く、切り出し加工
のため加工精度も良いという作用を有し、コリオリ力の
出力を二つの電極の差動で取り出すため高感度が得られ
る。

【０００９】請求項２記載の発明は、正三角柱を接合面
の方向に複数個形成して隣接する正三角柱どうしで音叉
を構成し、駆動およびコリオリ力の出力を正三角柱の一
個もしくは複数個より取り出すように回路を構成をした
ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサであり、
複数の音叉構造により駆動振動（振幅）を大きくとれる
ため、コリオリの出力レベルをさらに大きくできるとい
う作用を有する。

【００１０】請求項３に記載の発明は、接合面に対し正
三角柱の各面の電極の分極方向が同一となるように構成
し、正三角柱の底面電極と２つの斜面電極との間に交流
電圧を印加して励振状態とすることを特徴とする請求項
１または２記載の角速度センサであり、底面電極と２つ
の斜面電極とに対する交流電圧の印加が直列接続で回路
構成が簡単になるため、比較的簡単に高性能な角速度セ
ンサが得られるという作用を有する。

【００１１】請求項４に記載の発明は、接合面に対し２
つの斜面電極の分極方向は同方向、底面電極は斜面電極
とは逆方向となるように構成し、接合面電極と底面電極
および２つの斜面電極との間に交流電圧を印加して励振
状態とすることを特徴とする請求項１または２記載の角
速度センサであり、底面電極と２つの斜面電極とに対す
る交流電圧の印加が並列接続となるため、駆動振動（振
幅）をより大きくでき、さらに高感度化が得られるとい
う作用を有する。

【００１２】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図６を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における
切削前の貼り合わせバイモルフ圧電素子材の構成を示す
斜視図であり、同図において１１，１２は圧電素子、Ａ
は接合面である。接合および電極形成は予め圧電素子の
素材の状態で焼成接合するものである。図２は接合面Ａ
の電極形成を示す図であり、図の如く電極部Ａｄは、予
め切り出し寸法部１３より小さく形成している。これは
後述する正三角柱の各面の電極とショートするのを防止
するためである。図３は図１のバイモルフ圧電素子材を
用いて切り出し加工により、一個の正三角柱を構成した
実施例である。正三角柱の底面であるＢ面は貼り合わせ
接合面Ａに直交するように構成されており、Ｃ１、Ｃ２
のバイモルフの切り出し面を有する。各々の面にはショ
ートしないように電極（斜線部）Ｂｄ，Ｃ１ｄ，Ｃ２ｄ
が印刷・メッキ等により形成されている。例えば、無電
解メッキ等で形成した場合は、各面のショート防止のた
めに正三角柱の頂点部１４等を削る必要があるが、わず
かであれば特性に大きな影響はない。また、接合面の電
極Ａｄは、台１５でスルーホール等を形成し取り出すこ
とが可能である。図３は台１５を圧電素子材で一体に形
成した場合の例であるが、正三角柱以外の台部を別材に
て作成し固定することも可能である。

【００１３】図４は本実施の形態における各部電極の回
路結線を示し、ワイヤーボンディング等を用いて結線さ
れている。同図において、図４（ａ）は分極方向を接合
面Ａに対し正三角柱の各面の電極部が同一となるように
構成し、Ｂ面とＣ１，Ｃ２面間に抵抗Ｒを介して交流電
圧を印加して励振状態とした場合である。１６は分極方
向を示し、コリオリ力による出力１７ａ，１７ｂを差動
アンプ１７を介して得るように構成されている。

【００１４】次に図４（ａ）を用いて動作について説明
する。励振用の交流電圧の印加はＢ面とＣ１，Ｃ２面で
は逆であり、分極方向は１６の如く同一のために圧電素
子の歪み方向は逆となり、かつ、正三角柱のために１８
の励振（振動）方向となる。従って、この正三角柱にω
なる回転（角速度）が与えられれば、コリオリ力１９が
発生し、圧電素子に歪みを与えることになり、出力１７
ａ，１７ｂが得られる。この出力は分極方向から考え逆
位相となるので、差動アンプ１７により取り出すことが
できる。

【００１５】図４（ｂ）は分極方向を接合面Ａに対し、
Ｃ１およびＣ２面間は同方向、Ｂ面間は上記Ｃ１、Ｃ２
面と逆方向となるように構成し、接合面ＡとＢ面間およ
びＣ１，Ｃ２面間に交流電圧を印加して励振状態とした
場合である。２０は分極方向を示す、その他図４（ａ）
と同一部分は説明を省略する。図４（ｂ）においても、
図４（ａ）と同様に、励振（振動）方向１８、コリオリ
力１９が得られる。違っている点は圧電素子への印加電
圧であり、図４（ａ）が直列なのに対し、図４（ｂ）で
は並列であり、当然同印加電圧の場合は図４（ｂ）の方
が効率が良いことになるので高感度化が可能となる。

【００１６】尚、本実施の形態１の場合、コリオリ力の
出力を取り出す圧電素子部の分極方向は逆のため、温度
変化等に対する焦電効果の影響は小さいといえる。ま
た、本実施の形態１では、図４の分極方向で説明してい
るが、各々分極方向が図例と逆になっても本発明の主旨
と同一であることはいうまでもない。

【００１７】（実施の形態２）図５は本発明の実施の形
態２を示す正三角柱三個の場合の斜視図であり、図６は
その回路結線図である。同図において、図３、図４と同
一部分は同一番号で示し省略している。本実施の形態２
の説明では、交流電圧の印加を並列接続した場合につい
て述べているが、図４（ａ）の如く直列接続に構成する
ことも当然可能である。本実施の形態２では、正三角柱
の接合面Ａ方向に三個形成して音叉構造を構成し、コリ
オリ力の出力を中央部の正三角柱から取り出した場合で
ある。このように構成した場合、音叉効果により駆動の
励振レベルを大きく上昇できるため、コリオリ力の出力
も大きく取り出すことが可能である。

【００１８】本実施の形態２では、正三角柱三個の構成
であるが、複数個構成では数・向き等により種々の方法
が考えられる。コリオリ力の出力取り出しも一個からで
はなく、複数個から取り出して合成することでき、ま
た、コリオリ力を取り出す正三角柱のＢ面電極（Ｘ印の
部分）を駆動用にせずに、モニター用として使用して安
定な励振レベルを得るように構成することもできる。し
かし、コスト等を含め効率的なことを考えれば、三個音
叉が適当であり、数が増加すれば最適点を見つけること
も難しくなる。また、実験によれば正三角柱のピッチ２
１（重心ピッチ）は小さい方が励振方向とコリオリ力方
向の共振周波数が一致し易く、また同ピッチの方が効率
が良くなることが分かった。

【００１９】尚、上記実施の形態１および２では、正三
角柱に着目しているが、これは励振方向とコリオリ力の
方向の共振周波数を一致させ易いためであり、多少の形
状の違いがあっても、また、多角柱を用いて構成して
も、本発明の主旨を逸脱するものではない。極端なこと
をいえば、貼り合わせて丸柱の圧電素子に構成し、励振
方向が接合面方向となるように、かつ、励振方向に直交
する位置にコリオリ力の検出電極を工夫して構成しても
良いことになる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明は、圧電素子を２枚
貼り合わせバイモルフを構成し、その貼り合わせ接合面
に直交する面を底面とする正三角柱を切り出し、その接
合面および正三角柱の各面に各々独立した電極を設け、
かつ分極を施し、各部電極へ交流電圧印加により接合面
方向に駆動、励振し、この振動方向と直交方向のバイモ
ルフの各電極面の出力差によりコリオリ力の出力を取り
出すように構成したので、駆動と検出の共振周波数を一
致する事が比較的容易であり、接着剤等による固定がな
く、加工精度も切り出し加工のみでありバラツキをおさ
えることも可能であるため、高感度で高い検出精度が得
られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１および２における貼り合
わせバイモルフ圧電素子材の斜視図

【図２】図１おける接合面Ａの電極を示す側面図

【図３】本発明の実施の形態１における三角柱一個の場
合の斜視図

【図４】（ａ）本発明の実施の形態１における動作説明
のための分極・駆動方法の一例を示す簡略図 （ｂ）本発明の実施の形態１における動作説明のための
分極・駆動方法の別の例を示す簡略図

【図５】本発明の実施の形態２における三角柱三個の場
合の斜視図

【図６】本発明の実施の形態２における動作説明のため
の分極・駆動方法の一例を示す簡略図

【図７】（ａ）従来の角速度センサの動作説明（駆動）
のための構成例を示す斜視図 （ｂ）従来の角速度センサの動作説明（コリオリ力）の
ための構成例を示す斜視図

【符号の説明】

１１，１２・・・圧電素子材 １３・・・切削加工部 １５・・・台 Ａ・・・貼り合わせ接合面 Ａｄ・・・Ａ面の電極部 Ｂ・・・Ａ面に直交する正三角柱の底面 Ｂｄ・・・Ｂ面の電極 Ｃ１，Ｃ２・・・正三角柱のバイモルフ面 Ｃ１ｄ，Ｃ２ｄ・・・Ｃ１，Ｃ２面の電極 １６，２０・・・分極方向 １７・・・差動アンプ １７ａ，１７ｂ・・・コリオリ力の出力端子 １８・・・駆動（励振）方向 １９・・・コリオリ力の方向 ２１・・・正三角柱の重心ピッチ Ｘ・・・駆動モニター時のオープン端子点 Ｒ・・・抵抗 ＯＳＣ・・・・交流発振器

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月７日（１９９９．４．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
圧電素子を２枚貼り合わせてバイモルフを構成し、前記
貼り合わせた接合面に直交する面を底面とし、この底面
に隣接する２面を斜面とする正三角柱を切り出し、前記
正三角柱を圧電素子と一体もしくは別材の台上に固定
し、かつ、前記接合面および正三角柱の各面に各々独立
した電極を形成し、前記正三角柱の各面の電極と接合面
の電極との間に分極を施し、これら電極間に交流電圧を
印加することにより正三角柱を接合面の方向に駆動し励
振状態とし、この励振方向と直交する２つの斜面電極間
の出力差を抵抗を介して取り出すことにより、コリオリ
力による出力を取り出し可能としたことを特徴とする角
速度センサであり、駆動と検出を同一振動体で構成して
いるので駆動と検出の共振周波数が合わせ易く、切り出
し加工のため加工精度も良いという作用を有し、コリオ
リ力の出力を二つの電極の差動で取り出すため高感度が
得られる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】請求項２記載の発明は、正三角柱を接合面
の方向に複数個形成して隣接する正三角柱どうしで音叉
を構成し、駆動出力およびコリオリ力の出力を正三角柱
の一個もしくは複数個より取り出すように回路を構成を
したことを特徴とする請求項１記載の角速度センサであ
り、複数の音叉構造により駆動振動（振幅）を大きくと
れるため、コリオリの出力レベルをさらに大きくできる
という作用を有する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子を２枚貼り合わせてバイモルフ
   を構成し、前記貼り合わせた接合面に直交する面を底面
   とし、これに隣接する２辺を斜面とする正三角柱を切り
   出し、前記正三角柱を圧電素子と一体もしくは別材の台
   上に固定し、かつ、前記接合面および正三角柱の各面に
   各々独立した電極を形成し、前記正三角柱の各面の電極
   と接合面の電極との間に分極を施し、これら電極間に交
   流電圧を印加することにより正三角柱を接合面の方向に
   駆動し励振状態とし、この励振方向と直交する２つの斜
   面電極間の出力差を抵抗を介して取り出すことにより、
   コリオリ力による出力を取り出し可能としたことを特徴
   とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 正三角柱を接合面の方向に複数個形成し
   て隣接する正三角柱どうしで音叉を構成し、駆動および
   コリオリ力の出力を正三角柱の一個もしくは複数個より
   取り出すように回路を構成をした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】 接合面に対し正三角柱の各面の電極の分
   極方向が同一となるように構成し、正三角柱の底面電極
   と２つの斜面電極との間に交流電圧を印加して励振状態
   とすることを特徴とする請求項１または２記載の角速度
   センサ。
4. 【請求項４】 接合面に対し２つの斜面電極の分極方向
   は同方向、底面電極は斜面電極とは逆方向となるように
   構成し、接合面電極と底面電極および２つの斜面電極と
   の間に交流電圧を印加して励振状態とすることを特徴と
   する請求項１または２記載の角速度センサ。