JP3360478B2 - セラミック圧電複合形角速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は航空機・自動車・船舶・
車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーションシステムあ
るいはカメラやビデオカメラ等の手振れ防止用、オーデ
ィオ；ビデオ機器、パソコン等の遠隔操作のリモコン用
あるいは回転を伴う動きを検出するシステム等に用いる
セラミック圧電複合形角速度センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の角速度センサとしては種々の形態
があるが、先行技術として、音叉全体がセラミック圧電
体で形成される視点から、特開平３−１２０４１５号公
報に、２本の矩形状腕部分と、これらの腕部分をそれら
の下端部で相互連結する基台部分とを圧電材料にて一体
成形して全体形状を音叉状とし、基台部分をＹ軸方向に
分極させた振動ジャイロが開示されている。

【０００３】以下に、この従来の角速度センサを図を用
いて説明する。図１５は、特開平３−１２０４１５号公
報に開示された単一形状音叉の斜視図である。

【０００４】分極方向は、基台部分をＹ軸方向に、駆動
側振動腕はＸ軸方向に直交した分極をする発明である。
また、駆動電極３，４は振動腕の約半分の部分電極であ
り、駆動力は四側面全部利用から見れば、２／８倍とな
る。

【０００５】また、コリオリの力によって振動腕１，２
はＸ方向に逆相の屈曲振動するから基台部分５にＹ軸回
りの捩れモーメントが発生する。検出電極６，７は基台
部分５の捩れ振動を検出するもので、共振周波数が高
く、出力感度が低いものである。

【０００６】１は駆動側振動腕、２は安定振動するため
のモニタ振動腕であり、分極方向を明示してないが、そ
の機能上Ｘ方向と思われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１５
は振動腕１，２を駆動用に、基台部分５を検出用に、そ
の役割機能を分離しており、基台部分５の取り付けある
いは保持方法が開示されていないので類推の域を出ない
が、（１）駆動振動（Ｙ方向の互いに逆相の屈曲振動）
による基台部分５内の振動成分と、（２）コリオリの力
が働いた時のＸ方向の互いに逆相の屈曲振動による基台
部分５内の振動成分と、（３）基台部分５のＹ軸回りの
捩れ振動成分と、（４）保持部分からの外乱ノイズ成分
とがミックスし、複雑な振動姿態となることが予想され
る。４つの各振動成分の分離回路が複雑となる。音叉の
基台部分の振動解析は、今日の機械振動工学でも明らか
にされていなくその制御は困難と思われる。従って、振
動分離が困難なため、実用面でジャイロとしての誤動作
を起こす原因となる。特に保持部分から伝達する外乱ノ
イズに弱く自動車等への実用化が困難であった。

【０００８】捩れ振動は片持支持棒の屈曲振動に比べ共
振周波数が高く振動振幅が小さいため感度が小さい。従
って、出力感度が低下すれば、温度ドリフト（入力角速
度が０のとき、周囲の温度変化による検出値変動）の原
因になっていた。

【０００９】さらに、図１０の駆動電極３，４は振動腕
のＹ軸方向の先端まで設けているから、音叉の振動理論
によれば、先端２０〜３０％は浮遊容量として働き、何
ら駆動力に寄与せず、電気ノイズを拾う原因となり、検
出信号と電気系のノイズの比（以下、Ｓ／Ｎという）を
悪くしていた。

【００１０】上記従来の課題を解決するために本発明
は、振動姿態の複雑な基台部分、即ち支持部を検出用に
使わず、駆動側音叉と検出側音叉の機能を独立分離し、
支持部の機械的結合振動の除去、駆動信号の検出側への
回り込み防止やドリフト性能向上のために、音叉振動の
安定な部分の振動腕を使うものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のセラミック圧電複合形角速度センサは、平板
状のセラミック圧電材料から成る４本の平行な振動腕と
音叉支持部を共通とした櫛形状の音叉を一体形成し、三
次元座標系のＸ軸を振動腕及び支持部の幅方向に、Ｙ軸
を振動腕の長手方向に、Ｚ軸を音叉全体の厚み方向とし
て、振動腕及び支持部のＹ軸に沿った一部分を外部印加
電圧によりＸ方向に予め部分分極を行い、外側の２本組
を駆動側音叉、内側の２本組を検出側音叉とし、あるい
は内側の２本組を駆動側音叉、外側の２本組を検出側音
叉とし、櫛形状の音叉の駆動側振動腕及び支持部の一部
分の表裏面、側面にはＹ軸に沿った駆動電極を、検出側
振動腕及び支持部の一部分の表裏面にはＹ軸に沿った２
分割の検出電極を部分分極部に対応して配設し、前記駆
動側音叉の駆動電極に交流信号を印加して、Ｘ方向に互
いに逆相の屈曲振動（以下Ｘ_Dモードという）を発生さ
せ、前記検出側音叉に支持部の機械的結合を介して互い
に逆相の屈曲振動（以下Ｘ_Sモードという）を誘起さ
せ、外部から印加されるＹ軸回りの回転角速度に基づく
コリオリの力によって発生するＺ軸方向の互いに逆相の
屈曲振動（以下Ｚ_Sモードという）によって発生した電
荷量を検出側音叉の検出電極により検出する構成とした
ものである。

【００１２】

【作用】上記構成とすることにより、振動伝達効率を良
くし、検出感度の向上が図れ、駆動信号の回り込みを防
止し、電気的、機械的Ｓ／Ｎの改善が図れ、高性能で安
定なものとすることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明のセラミック圧電複合形角速度
センサについて説明する。

【００１４】本発明の基本とするところは、振動姿態の
複雑な基台部分、即ち、支持部を検出用に使わず、駆動
側音叉と検出側音叉の機能を独立分離し、支持部の機械
的結合振動の除去、駆動信号の機械的結合振動の除去、
駆動信号の検出側への回り込み防止やドリフト性能向上
のため、音叉振動の安定な部分の振動腕を使うものであ
る。

【００１５】次に、振動工学の理論によれば、振動腕全
体を分極せず、その長さの約半分〜８０％、正確には機
械振動学の規準関数、及び容量比（棒の機械的コンプラ
イアンスと電気的静電容量の比）から６２％を分極し、
その分極に相当する部分に駆動電極面積や検出電極面積
を配設すれば、駆動力による振動振幅や検出感度を最大
にする電極面積の最適化をすることができる。

【００１６】さらに、共振周波数に寄与する音叉振動腕
の有効長さは、振動腕の長さだけでなく支持部も振動し
ており、古典力学によれば振動腕の支持部付け根からの
長さにほぼ振動腕の幅に相当した長さを加算すれば、特
異な形状の音叉でない限り、設計的に共振周波数を的中
することができる。従って、振動腕の有効長さに相当す
る部分を分極し電極を配設すれば、無駄無く出力を取り
出すことができるものであり、また不要な駆動振動を起
こすこともないものである。

【００１７】また、駆動振動や検出振動に寄与しない余
分な所に分極や電極が無いから、電極の引き回しによる
電気結合による回り込み信号の防止、浮遊容量によるＳ
／Ｎ悪化の防止ができる特徴があり、この効果をも狙っ
たものである。

【００１８】上記記載の機械振動学の規準関数と共振素
子の等価回路における容量比を考慮した部分分極及び部
分電極の手段は水晶材料に適用できないもので、セラミ
ック圧電材料でのみその効力を発揮する。

【００１９】さらに、機械的結合振動の除去や温度ドリ
フト性能の向上には、音叉の安定駆動が非常に重要であ
る。本発明においてはモニタ電極に発生する電流（以
下、モニタ電流とする）を電圧零で検出する電流増幅
器、その電流増幅器の出力をその振幅に比例した直流電
圧信号に変換する交直変換器、電流増幅器の出力を変換
器の出力に応じて増幅し、駆動電極への印加電圧（以
下、駆動電圧とする）とすることにより、モニタ電流、
すなわち駆動振幅を常に一定にする働きをもつ駆動レベ
ルコントローラを備える。

【００２０】また、角速度入力に比例した信号を検出用
電極電流（以下、検出電流とする）信号から抽出する手
段として直交検波方式が用いられており、検波のための
タイミング信号が必要となる。本発明においては、前記
電流アンプの出力信号の零クロスを検出する零クロスコ
ンパレータによりこのタイミング信号を得る。

【００２１】本発明は、従来の振動腕と支持部の分極方
向を異ならせ、支持部を検出音叉としたセラミック圧電
材料の一体構成の角速度センサの課題を解決するため
に、セラミック圧電材料から、櫛形状の複合音叉を一体
形成し、複合音叉に適用できる部分分極、部分電極の方
式で、出力電圧の最適化を狙って、支持部の複雑な振動
を分離した構成で具現化するものである。

【００２２】ここで、部分分極、部分電極の作用、効果
について図１３、図１４を用いて説明する。

【００２３】図１３は音叉の振動腕と支持部の極一部を
片持支持棒と仮定したとき、その棒の長手方向（即ち、
音叉の長手方向）をｘ軸、ｘ軸と直交する上下振動の振
幅をξ、腕の付け根をｘ＝０、振動腕の先端をｘ＝ｌと
置けば、その振幅ξ及び棒内に生じた歪みδは、振動工
学理論より、ハイパボリックｓｉｎ，ｃｏｓで表され、
図１４に示すように一次関数で表されない。但し、縦軸
はモード関数を基準化し、ξ＝１、δ＝１とした。

【００２４】これよりセラミック圧電棒の歪みδに比例
した検出電荷は、ｘ＝０に近い所ほど出力が大きく、先
端にいくほど出力が小さくなり、ｘ＝ｌで出力はゼロと
なる。

【００２５】一方、電気−機械圧電変換器の理論より、
出力電圧は振動腕の容量比γに反比例し、静電容量が小
さければ良いと言う条件がある。この歪みδ曲線と容量
比γ関数を演算すれば、出力の最適化ができ、一般にｘ
＝０．６２ｌの時、最大となる。従ってｘ＝０．６２ｌ
の所まで分極し、即ち先端の約３８％は非分極部分と
し、同じく電極も配設しないで済むので、先端部の浮遊
容量が無くなりＳ／Ｎが向上する。

【００２６】これは理想の片持支持棒として解析してい
るが、実際には音叉形状により異なり、本発明では振動
の節線α上で、支持部の下端を保持し、且つ支持部は機
械的結合の作用が有るので、僅かばかり振動しており、
古典的な片持支持棒としての解析が取り扱えない。そこ
で、シミュレーションと実験により、本発明では、おお
よそｘ＝０．５〜０．８ｌの範囲とした。

【００２７】同様に、支持部についても振動に寄与しな
い部分の分極や電極配設を避ける方が不要振動の検出
や、不要駆動が無くなり、Ｓ／Ｎを大幅に改善できるも
のである。

【００２８】本発明の第２の特徴として、セラミック圧
電材料から成る一体形成の櫛形状の音叉に有る。即ち、
体積の大きい外側を駆動側音叉とし、面積あるいは体積
の小さい内側を検出側音叉とする構成に特徴を有するも
ので、外側の大きい駆動側音叉の上に内側の小さい検出
側音叉が乗る形態であるから、駆動側音叉振動を効率良
く検出側音叉に伝達することができる。駆動側音叉を親
亀とし、検出側音叉を子亀とすれば、俗に言う親亀の上
に子亀が乗った格好になって振動する音叉である。

【００２９】あるいは逆に、内側の２本組を駆動側音叉
とし、外側の２本組を検出側音叉とした場合でも、その
作用は同じで、俗に言う親亀の両肩に子亀が乗った格好
になっている。この場合は内側音叉の寸法を大きくする
か、印加電圧を高くするかして、駆動力を大きくする必
要があり、特に音叉の付け根の形状を考慮することが望
ましい。

【００３０】本発明の第３の特徴は、自励発振回路によ
るモニタ駆動方式は単一音叉より各機能を分離した複合
音叉が適している。その作用は電圧零で検出するモニタ
電流の振幅は純粋に音叉の振動レベル（速度）に比例し
ている。前記手段によると交直変換器出力はモニタ電流
に比例し、コントローラは交直変換器出力を常に一定に
なるようにドライブ電圧を調整する。

【００３１】音叉の振動レベルはドライブ電圧に比例し
て変化するので、結果として音叉の振動レベルは常に一
定に保たれる。この結果、音叉振動は安定し、ドリフト
性能が向上する。

【００３２】以下に、本発明のセラミック圧電複合形角
速度センサの具体的な実施例について、図面を参照しな
がら説明する。

【００３３】まず、図１は平板状のセラミック圧電材料
から成る４本の平行な振動腕１１，１２，１３，１４で
振動腕１１，１２が駆動用、振動腕１３，１４は検出用
として利用され、この振動腕１１〜１４と音叉の支持部
１５，１６を共通とした櫛形状の音叉を一体形成した実
施例で、三次元座標系のＸ軸を振動腕及び支持部の幅方
向に、Ｙ軸を櫛形状の長手方向に、Ｚ軸を音叉全体の厚
み方向として部分分極する部分と寸法記号を示す。

【００３４】ｌ_Dおよびｌ_Sは夫々駆動側振動腕１１，１
２、検出側振動腕１３，１４の長さを表し、振動腕１
１，１２の付け根１７，１７′及び振動腕１３，１４の
付け根１８から先端までの長さである。ｌ_SBは検出側音
叉の支持部１６の長さを示し、付け根１７と１８の距離
である。

【００３５】Ｗ_Dは駆動側振動腕１１，１２の幅、Ｗ_Sは
検出側振動腕１３，１４の幅、ｔは振動腕１１〜１４、
支持部１５，１６すなわち音叉全体の厚み、ｇ₁は駆動
側振動腕１１，１２のスリット間隔、ｇ₂は検出側振動
腕１３，１４のスリット間隔を夫々示す。１９はコリオ
リの力が働いた時のＺ軸方向の逆相屈曲振動、即ち、Ｚ
_Sモードの振動の節線α（図１では点線で示す）上にあ
って、支持部１５の下部に設けた切欠き部であり、角速
度センサを保持あるいは取り付け用に供するものであ
る。また、１９は切欠きでなく小孔であってもその作用
は同じである。

【００３６】白抜きの矢印が分極方向を示し、斜線部が
分極部分を、白抜き部が非分極部を示す。即ち、外側２
本組の駆動側音叉にあっては振動腕１１，１２の約０．
７ｌ _Dと支持部１５側に約Ｗ_Dの長さを、内側２本組の検
出側音叉にあっては振動腕１３，１４の約０．７ｌ_Sと
支持部１６側にｌ_SB＋約Ｗ_Dの長さからできた体積部分
を、直流電圧が３〜４ＫＶ／ｍｍの外部印加電圧により
Ｘ方向に貫通するように予め部分分極を行う。

【００３７】図２は部分分極後の駆動電極、検出電極の
構成を示し、基本的には図１の分極部分に対応して電極
が設けられる。駆動電極に関しては分極電極をそのまま
利用できるが、内側の検出側音叉の振動腕１３，１４の
側面に分極電極を設け、分極後は取り除かれる。図は取
り除かれた後の状態を示している。また、駆動電極の支
持部側の長さは振動腕の幅Ｗ_Dの約０．５〜１倍が望ま
しい。

【００３８】図２において、駆動側振動腕１１，１２の
４面には＋側と−側の駆動電極２０，２１が形成され、
検出側振動腕１３，１４の表面と裏面には＋側と−側の
検出電極２２，２３が並んで形成されている。

【００３９】図３は分極方向をすべてＺ方向、即ち、音
叉の厚み方向に施した実施例であり、その分極部分は図
１と同様である。分極方向がＺ軸方向の場合は、駆動と
検出電極の構成が逆になり、図４に示すように駆動電極
２０，２１は振動腕１１，１２のＹ軸方向に２分割電
極、検出電極２２，２３は振動腕１３，１４の表裏面、
両側面に電極を設けることが必要となる。

【００４０】図５、図６は図１、図３に対応した電極構
成と結線図を示している。これについて説明する。

【００４１】図５に示すように、駆動側振動腕１２の表
裏面を＋側の駆動電極２０、側面を−側の駆動電極２１
とし、駆動側振動腕１１はその逆で、表裏面が−側の駆
動電極２１、側面が＋側の駆動電極２０となるように共
通結線し、センサの入力端子２４を駆動信号の正極、入
力端子２５を負極とする。入力端子２４，２５間に交流
信号を印加し続ければ、駆動側振動腕１１，１２はＸ軸
のｉ，ｊ方向に、互いに逆相の屈曲振動（Ｘ_Dモード）
を持続する。このＸ_Dモードの振動が支持部１５，１６
の機械的結合を介して検出側振動腕１２，１３のＸ軸の
ｑ，ｒ方向に、互いに逆相の屈曲振動（Ｘ_Sモード）を
誘起する。

【００４２】検出側音叉の振動腕１３，１４の表裏面の
みに２分割の検出電極２２，２３を施し、Ｙ軸回りに外
部から回転角速度（ω）が加わると、コリオリの力によ
り、振動腕１３は矢印ｋ方向に動けば、振動腕１４は矢
印ｐ方向に動く（Ｚ_Sモード）ので、図５に示すように
振動腕１３の表面の検出電極２２，２３には（−，＋）
の、その裏面の検出電極２２，２３には（＋，−）の逆
の電荷が発生する。

【００４３】一方、振動腕１４の表面の検出電極２２，
２３には上記と全く逆で（＋，−）の、その裏面の検出
電極２２，２３には（−，＋）の電荷が発生する。これ
等の電荷の同極どうしを結線して、＋側を検出端子２６
に、−側を検出端子２７に接続すれば、検出端子２６，
２７間の電位差として検出できる。

【００４４】図６の駆動電極２０，２１は２分割電極で
あり、振動腕１２の表裏面の対角どうしを＋側の駆動電
極２０、−側の駆動電極２１とし、振動腕１１はそれと
対称に、＋側の駆動電極２０、−側の駆動電極２１とな
るように共通結線し、センサの入力端子２４を駆動信号
の正極、入力端子２５を負極とする。入力端子２４，２
５間に交流信号を印加し続ければ、振動腕１１，１２，
１３，１４は図５と同様に、ｉ，ｊ方向の振動（Ｘ_Dモ
ード）により、ｑ，ｒ方向の振動（Ｘ_Sモード）を誘起
する。

【００４５】検出側音叉の振動腕１３，１４の表裏面、
側面に検出電極２２，２３を施し、Ｙ軸回りに外部から
回転角速度（ω）が加わると、コリオリの力により、振
動腕１３，１４はｋ，ｐ方向に逆相の振動（Ｚ_Sモー
ド）を起こし、振動腕１３の表裏面には（＋）の、両側
面には（−）の電荷が発生し、振動腕１４には全く逆の
電荷が発生する。これらの電荷の同極どうしを結線し、
＋側を検出端子２６に、−側を検出端子２７に接続すれ
ば検出端子２６，２７間の電位差として検出できる。

【００４６】図３の実施例について具体的な設計寸法の
１例を次に示し、保持、あるいは取り付け位置は小孔１
９（図７参照）で実施した。

【００４７】 ＊駆動側振動腕１１，１２の長さ ……………… ｌ_D ＝２０ｍｍ、 ＊音叉の厚み ……………………………………… ｔ ＝１．５ｍｍ、 ＊駆動側振動腕１１，１２の幅 ………………… Ｗ_D ＝２．９ｍｍ、 ＊検出側振動腕１３，１４の幅 ………………… Ｗ_S ＝２．０ｍｍ、 ＊検出側振動腕１３，１４の長さ ……………… ｌ_S ＝１７ｍｍ、 ＊検出側音叉の支持部１６の長さ ……………… ｌ_SB＝３．１ｍｍ、 ＊駆動側振動腕１１，１２のスリット間隔 …… ｓ₁ ＝３．０ｍｍ、 ＊検出側振動腕１３，１４のスリット間隔 …… ｓ₂ ＝４．０ｍｍ、 の寸法に設定し、トリミングにより共振周波数を調整
し、Ｘ_Dモードの共振周波数ｆ_DX＝９８３０Ｈｚ、ｆ_SZ
＝５３３５Ｈｚに設定した。この実施例は駆動共振周波
数ｆ_DXと検出共振周波数ｆ_SZとが異なる場合である。こ
のセラミック材料はＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−Ｐｂ
ＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃の三成分を主成分とする組成（以
下ＰＣＭ系という）からなり、焼結させて得たものであ
る。このＰＣＭ系のＸ方向ヤング率Ｅ_X＝７．９４５×
１０¹¹（Ｎ／ｍ²）、Ｚ方向ヤング率Ｅ _Z＝７．８６２×
１０¹¹（Ｎ／ｍ²）、密度ρ＝７．６４５×１０³（ｋｇ
／ｍ³）を使用した。

【００４８】なお、上記実施例で用いた組成以外に、ペ
ロブスカイト型結晶構造のＰｂＴｉＯ₃、Ｐｂ（Ｚｒ−
Ｔｉ）Ｏ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃やタングステン
ブロンズ型結晶構造のＰｂＮｂ₂Ｏ₆などを主成分とする
組成、さらに、これらの複合金属酸化物も同様に用いる
ことができ、同じ効果を得ることができる。

【００４９】第２の具体的設計例として、ｆ_DX≠ｆ
_SXで、且つｆ_DX≒ｆ_SZの場合は上記の例で、振動腕の長
さを変えないで、便宜上Ｗ_Dで調節するとすれば、 ＊駆動側振動腕１１，１２の幅 ………………… Ｗ_D ＝１．６６ｍｍ、 ＊他の諸元 ………………………………………… 上記に全て同じ となり、共振周波数ｆ_DX＝５３４５Ｈｚ、ｆ_SZ＝５３３
５Ｈｚとなり、多少異なるのは、振動腕の幅Ｗ_D、Ｗ_S、
及び厚みｔによって振動腕の有効長さが異なるからで、
トリミングにより共振周波数ｆ_DX≒ｆ_SZ≒５３４２Ｈｚ
に設定した。

【００５０】尚、共振形の設計におけるｆ_DX≒ｆ_SZの近
似度は、外部から加わる入力角速度ωに対するセンサ出
力の周波数特性に応じて設定されるべきである。

【００５１】トリミングは、既に発表されている公知な
方法に従い、振動腕先端の角を斜めにカットしたり、振
動腕の付け根をＶ溝カットしたり、支持部の底部をカッ
トしたり、先端に小さい質量を接着添加する方法等で実
施した。

【００５２】次に、音叉を保持あるいは取り付ける位置
について図７を用いて説明する。図７は振動モードを説
明する図で、＋，−の符号はコリオリの力が働いた時、
検出側音叉のＺ_Sモードの振幅位相を表している。

【００５３】駆動側振動腕１１，１２がＸ方向の駆動モ
ード、即ちＸ_Dモードの時、検出側音叉の振動腕１３，
１４は内側に狭まるｑ，ｒの振動モード、即ちＸ_Sモー
ドが誘起される。この時Ｙ軸回りに外部からωなる角速
度が加わると、振動腕１３は手前のｋ方向に、振動腕１
４は向側のｐ方向に振動し、これをＺ_Sモードと定義す
ると、音叉の厚み方向のＺ_Sモードは音叉の中心線がＹ
軸方向の振動の節線α（点線で表示）となり、検出側音
叉の支持部１６はα線を境にして、左右の振幅位相は図
示したように、＋，−となり、振動腕１３，１４はその
逆相となる。このα線上を支持すれば、検出音叉の振動
を制動することなく、また、外部騒乱ノイズにも強い支
持方法と言える。さらに、駆動側の機械インピーダンス
に対しても影響の少ない場所は、α線上でできるだけ下
方が良い。

【００５４】現在、時計等に使われている音叉形水晶振
動子はＸ方向、即ち、音叉の幅方向だけの共振であるか
ら、音叉支持部の底面を固定しても、共振に与える影響
は殆ど無視できたが、Ｚ方向、即ち音叉の厚み方向の逆
相振動では、支持部の底面を固定あるいは支持すると共
振に非常に影響を与えるので、本発明の支持法が理にか
なった方法と言える。

【００５５】次に、参考までに、共振周波数の設計方法
を実施例の図１を用いて説明する。図１に示す音叉振動
腕は、「電気音響振動工学」の理論から片持支持棒とし
て取り扱えるが、音叉振動腕の有効長さはｌ_Dより長
く、ｈ_Dとすれば、そのＸ_Dモードの共振周波数をｆ
_DXは、（数１）で示すようになる。

【００５６】

【数１】

【００５７】Ｘ_Dモードにより誘起された検出音叉側の
Ｘ_Sモードの共振周波数ｆ_SXは、検出側振動腕の有効長
さをｈ_Sとすれば、同様に（数２）となる。

【００５８】

【数２】

【００５９】Ｘ_Sモードを誘起させるための音叉支持部
の機械結合の設計条件は、（数１）＝（数２）とすれば
良いから次の（数３）となる。

【００６０】

【数３】

【００６１】従って、音叉の形状寸法の設計目安とし
て、（数３）を満足するように設計すれば良いことが分
かる。

【００６２】又、３つの共振周波数の選択によるＷ_D、
Ｗ_S、ｌ_Dの設計によっては、 ｌ_S ≧ ｌ_D の場合もありうる。

【００６３】次に、Ｚモードの共振周波数ｆ_SZは、Ｚモ
ードの振動腕の有効長さは実験的にｈ_Sより長いことが
分かっているから、これをｈ_Zとすれば（数４）とな
る。

【００６４】

【数４】

【００６５】若し、共振形の音叉設計を条件とするなら
ば、（数２）＝（数４）、あるいは（数１）＝（数４）
を満足させれば良い、即ち、（数５）、あるいは（数
６）となる。

【００６６】

【数５】

【００６７】

【数６】

【００６８】従って、検出側音叉の振動腕の厚み（ｔ）
と幅（Ｗ_S）、（Ｗ_D）の比は、そのヤング率Ｅ_Z、Ｅ_Xを
測定し、振動腕の有効長さ（ｈ_Z／ｈ_S）²、及び（ｈ_Z／
ｈ_D）²から求めることができる。

【００６９】（数３）及び（数５）の両方を満たす設計
条件、即ち、ｆ_DX、ｆ_SX、ｆ_SZの３つの周波数を等しく
すれば、高感度が期待できるが、製造での周波数調整に
手間どり、反ってコスト高になるので、ｆ_DX＝ｆ_SX≠ｆ
_SZとｆ_SZ＝ｆ_DX≠ｆ_SXの場合が望ましい。又、セラミッ
ク材料の共振のＱ値は水晶より低く、ここで使用したＰ
ＣＭ系材料ではＱ≒８００〜１０００位で、ｆ_DX＝ｆ_SX
とすることは製造的には水晶に比較して容易である。更
に縮退現象を利用して、近似的にｆ_DX≒ｆ_SXとすること
ができる。

【００７０】最後に、上記実施例のセラミック圧電材料
から成る角速度センサ素子と、それを駆動し、検出する
回路方式の実施例について図面を用いて説明する。図
８、図９は図５、図６に相当するモニタ方式の結線図で
ある。図８、図９は駆動、検出回路のブロック図、図１
０は各部の定性的な動作波形を示している。

【００７１】図８、図９において２８は信号の基準電位
となるＧＮＤ電極、２９は駆動電極、３０は検出電極、
３１はモニタ電極である。図１０において３２はモニタ
回路の電流増幅器、３３は検出回路の電荷増幅器、３
４，３５は交流電圧増幅器、３６は駆動電圧コントロー
ラ、３７は交直変換器、３８は零クロスコンパレータ、
３９は直交検波器、４０は積分直流増幅器である。

【００７２】図８、図９、図１０は自励発振を安定させ
る周知なモニタ方式であるが複合形のセラミック圧電音
叉に適用させ、新しい効果を得るのも本発明の特徴でも
ある。駆動電極２９に駆動電圧コントローラ３６より図
１１（ａ）に示す交流電圧を加えると、櫛形状の音叉の
振動腕はＸ_Dモード、Ｘ_Sモードの振動を、モニタ電極３
１に交流的に電荷が発生（発生によって流れる電流を、
以下モニタ電流という）し、電流増幅器３２によって電
圧零のまま電流検出され、交流電圧増幅器３４，３５、
駆動電圧コントローラ３６の作用を経て駆動電極２９に
正帰還される。音叉は共振周波数のみを増幅する一種の
機械フィルタであるから、振動腕１１から振動腕１２へ
の正帰還ループは先鋭度（Ｑ値）の非常に大きい共振周
波数自励発振回路となる。単一音叉では１本の振動腕で
モニタ電極と検出電極を配設しなければならず、またｆ
_DX＝ｆ_SZ方式（共振形の音叉設計）では信号処理の回路
が複雑となり、Ｓ／Ｎが悪くコストも高くなる欠点があ
った。

【００７３】次に図１１を含めて説明する。Ｘ方向と９
０°位相のずれたＺ_Sモードのコリオリ振動は図１１
（ｃ）に示すモニタ電流と９０°位相のずれた図１１
（ｄ）に示す検出電流（電圧零の電流）として、検出電
極３０によって検出される。

【００７４】一方、検出電極３０からはＸ_Dモード振動
と機械的に結合したＸ_Sモード結合振動（以下Ｚ_MSとい
う）によるモニタ電流と同相の電圧零の図１１（ｄ）に
示す結合検出電流ａ′も検出される。この結合検出電流
ａ′は通常コリオリの力による検出電流ａに比べて非常
に大きく、重畳して検出されるので両者を分離する必要
がある。そこで、両電流を電荷増幅器３３で積分して図
１１（ｅ）に示す電荷信号とし、次に図１１（ｃ）に示
すモニタ電流の同相比例信号から零クロスコンパレータ
３８を使って図１１（ｇ）に示す直交検波タイミング信
号を作る。これを検波信号として直交検波器３９によっ
て図１１（ｅ）の電荷信号を直交検波すると、図１１
（ｃ）のモニタ電流の零クロスポイントによって図１１
（ｅ）の電荷信号ｂは反転し、図１１（ｆ）の直交検波
出力ｃが得られる。これを積分直流増幅器４０に通すと
図１１（ｆ）の直交検波出力ｃに示すコリオリの力によ
る検出電流由来の波形は有効ＤＣ値として出力され、結
合電流由来の波形ｃ′は積分の結果、零となり両者は分
離される。

【００７５】図１２は本発明の第３の実施例で、振動腕
の内側の２本を駆動側振動腕１１，１２として駆動側音
叉とし、外側の２本を検出側振動腕１３，１４として検
出側音叉とし、且つ音叉の厚み方向（Ｚ軸方向）に部分
分極した場合である。電極番号は図９に対応している。

【００７６】以上の方法で実施したセラミック圧電複合
形角速度センサのコリオリの力による出力感度のＳ／Ｎ
は図１５の従来に比べ約１５〜１８ｄＢ改善され、温度
ドリフト（Ｓ／Ｎに起因するから）が格段に小さいセラ
ミック圧電複合形角速度センサを安価に提供できること
が確認できた。

【００７７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のセラミック
圧電複合形角速度センサは、櫛形状の音叉で、支持部を
共通として複数本の平行な音叉振動腕を有し、音叉長手
方向の振動の節線α上で、且つ支持部端面に近くを保持
して振動伝達効率を良くし、検出感度を向上させること
ができ、櫛形状の４本の振動腕の２本を駆動用に残り２
本を検出用にその機能を分離して使用して、検出側への
駆動信号の回り込みを防止し、セラミック圧電材料の特
徴を活かし、部分分極、部分電極方式で、浮遊容量の除
去、及び支持部の不要振動の除去により電気的、機械的
Ｓ／Ｎの飛躍的改善が図れ、セラミック一体形成の櫛形
状の音叉であるから、従来例と比べて、音叉の数が２倍
で、また屈曲振動で、且つ、ｆ_DX＝ｆ_SX、ｆ_DX＝ｆ_SZと
なるように音叉の形状寸法を設定しているから、感度向
上による温度ドリフトが非常に小さく、また駆動信号の
検出側への漏れ電流の抑圧等、高性能で、安定なセラミ
ック圧電複合形角速度センサを提供できる。

【００７８】また、複合形音叉に適したモニタ駆動方式
による安定な自励発振とＺ_MSに起因するモニタ電流の分
離によるＳ／Ｎの向上など実用的効果が期待でき、検出
側音叉のＺ_Sモードの振動の節線α上で、支持部の下部
あるいは両端を保持しているから、衝撃テストでは５０
００Ｇに耐え、又３ｍの落下テストにも耐えたので、自
動車用として使用でき、数量も期待でき、安価に製造で
き、工業的価値大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるセラミック圧電複合
形角速度センサに用いる櫛形状の音叉のＸ方向の部分分
極を示す斜視図

【図２】同櫛形状の音叉に電極を施した状態の斜視図

【図３】同櫛形状の音叉のＺ方向の部分分極を示す斜視
図

【図４】同櫛形状の音叉に電極を施した状態の斜視図

【図５】同Ｘ方向分極の電極構成と駆動、検出回路の結
線図

【図６】同Ｚ方向分極の電極構成と駆動、検出回路の結
線図

【図７】同音叉の振動モードと保持位置を説明する図

【図８】同Ｘ方向分極の場合の音叉のモニタ駆動、検出
方式の結線図

【図９】同Ｚ方向分極の場合の音叉のモニタ駆動、検出
方式の結線図

【図１０】同櫛形状の音叉の駆動、検出回路のブロック
図

【図１１】回路ブロックの各部の動作波形図

【図１２】本発明の他の実施例における内側音叉を駆動
用とし、厚み方向に分極した場合の斜視図

【図１３】部分分極、部分電極の理論を説明する図

【図１４】同特性を示す説明図

【図１５】従来の支持部の捩れ振動を検出側とした音叉
の斜視図

【符号の説明】

１１，１２ 駆動側振動腕 １３，１４ 検出側振動腕 １５ 駆動側音叉の支持部 １６ 検出側音叉の支持部 １７，１７′ 駆動振動腕の付け根部 １８ 検出振動腕の付け根部 １９ 支持部の下部の保持あるいは取り付け用の切欠き
部、小孔 ２０，２１ 駆動電極 ２２，２３ 検出電極 ２４，２５ 駆動電極の入力端子 ２６，２７ 検出電極の出力端子 ２８ ＧＮＤ電極 ２９ 駆動電極（Ｄ） ３０ 検出電極（Ｓ） ３１ モニタ電極 ３２，３３ モニタ回路の電流増幅器 ３４，３５ 交流電圧増幅器 ３６ 駆動電圧コントローラ ３７ 交直変換器 ３８ 零クロスコンパレータ ３９ 直交検波器 ４０ 積分直流増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 雅巳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−278142（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−83671（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−129514（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258083（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−324311（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−188975（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−6719（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状のセラミック圧電材料から成る４
   本の平行な振動腕と音叉支持部を共通とした櫛形状の音
   叉を一体形成し、三次元座標系のＸ軸を振動腕及び支持
   部の幅方向に、Ｙ軸を振動腕の長手方向に、Ｚ軸を音叉
   全体の厚み方向として、振動腕及び支持部のＹ軸に沿っ
   た一部分を外部印加電圧によりＸ方向に予め部分分極を
   行い、外側の２本組を駆動側音叉、内側の２本組を検出
   側音叉とし、あるいは内側の２本組を駆動側音叉、外側
   の２本組を検出側音叉とし、櫛形状の音叉の駆動側振動
   腕及び支持部の一部分の表裏面、側面にはＹ軸に沿った
   駆動電極を、検出側振動腕及び支持部の一部分の表裏面
   にはＹ軸に沿った２分割の検出電極を部分分極部に対応
   して配設し、前記駆動側音叉の駆動電極に交流信号を印
   加して、Ｘ方向に互いに逆相の屈曲振動（以下Ｘ_Dモー
   ドという）を発生させ、前記検出側音叉に支持部の機械
   的結合を介して互いに逆相の屈曲振動（以下Ｘ_Sモード
   という）を誘起させ、外部から印加されるＹ軸回りの回
   転角速度に基づくコリオリの力によって発生するＺ軸方
   向の互いに逆相の屈曲振動（以下Ｚ_Sモードという）に
   よって発生した電荷量を検出側音叉の検出電極により検
   出するセラミック圧電複合形角速度センサ。
2. 【請求項２】 平板状のセラミック圧電材料から成る４
   本の平行な振動腕と音叉支持部を共通とした櫛形状の音
   叉を一体形成し、三次元座標系のＸ軸を振動腕及び支持
   部の幅方向に、Ｙ軸を振動腕の長手方向に、Ｚ軸を音叉
   全体の厚み方向として、振動腕及び支持部のＹ軸に沿っ
   た一部分を外部印加電圧によりＺ方向に予め部分分極を
   行い、外側の２本組を駆動側音叉、内側の２本組を検出
   側音叉とし、あるいは内側の２本組を駆動側音叉、外側
   の２本組を検出側音叉とし、櫛形状の音叉の駆動側振動
   腕及び支持部の一部分の表裏面にはＹ軸に沿って２分割
   の駆動電極を、検出側振動腕の表裏面、側面と支持部の
   一部の表裏面にはＹ軸に沿った検出電極を部分分極部に
   対応して配設し、前記駆動側音叉の駆動電極に交流信号
   を印加して、Ｘ方向に互いに逆相の屈曲振動（以下Ｘ_D
   モードという）を発生させ、前記検出側音叉に支持部の
   機械的結合を介して互いに逆相の屈曲振動（以下Ｘ_Sモ
   ードという）を誘起させ、外部から印加されるＹ軸回り
   の回転角速度に基づくコリオリの力によって発生するＺ
   軸方向の互いに逆相の屈曲振動（以下Ｚ_Sモードとい
   う）によって発生した電荷量を検出側音叉の検出電極に
   より検出するセラミック圧電複合形角速度センサ。
3. 【請求項３】 駆動側振動腕については、Ｙ軸方向に駆
   動側振動腕の支持部の付け根からその長さの約半分〜８
   ０％位と付け根からＹ軸に沿って支持部方向に駆動側振
   動腕の幅に相当したおおよその長さを、検出側振動腕に
   ついては同じくＹ軸方向に検出側振動腕の支持部付け根
   から、その長さの約半分〜８０％位と検出側音叉付け根
   からＹ軸に沿って支持部全長に駆動側振動腕の幅に相当
   したおおよその長さを加算した寸法からできた体積部分
   をＸ方向あるいはＺ方向に貫通した部分分極した請求項
   １または請求項２記載のセラミック圧電複合形角速度セ
   ンサ。
4. 【請求項４】 駆動側音叉のＸ_Dモードの共振周波数と
   検出側音叉のＸ_Sモードの共振周波数を同じくし、且
   つ、コリオリの力によって発生したＺ_Sモードの共振周
   波数を近い値になるように、櫛形状の音叉の４本の振動
   腕及び支持部の形状寸法を設定した請求項１、２または
   ３記載のセラミック圧電複合形角速度センサ。
5. 【請求項５】 駆動側音叉のＸ_Dモードの共振周波数と
   検出側音叉のＸ_Sモードの共振周波数を同じくし、且
   つ、コリオリの力によって発生したＺ_Sモードの共振周
   波数を異ならせるように、櫛形状の音叉の４本の振動腕
   及び支持部の形状寸法を設定した請求項１、２または３
   記載のセラミック圧電複合形角速度センサ。
6. 【請求項６】 駆動側音叉のＸ_Dモードの共振周波数を
   検出側音叉のＸ_Sモードの共振周波数と異ならせ、且
   つ、コリオリの力によって発生したＺ_Sモードの共振周
   波数に近い値となるように、櫛形状の音叉の４本の振動
   腕及び支持部の形状寸法を設定した請求項１、２または
   ３記載のセラミック圧電複合形角速度センサ。
7. 【請求項７】 検出側音叉のＹ軸方向の振動の節線上に
   あって、駆動側音叉の支持部の下部に切欠き部あるいは
   小さい孔を設け、その切欠き部あるいは小さい孔を保持
   あるいは取り付け用に供する請求項１、２、３、４、５
   または６記載のセラミック圧電複合形角速度センサ。
8. 【請求項８】 駆動側音叉の片方の振動腕の片方の駆動
   電極に交流信号を印加し、駆動側音叉のもう一方の振動
   腕の他方のモニタ電極に誘起するＸ_Dモードの電流の交
   流振幅を一定に保持する定交流電流制御回路を持った請
   求項１、２、３、４、５、６または７記載のセラミック
   圧電複合形角速度センサ。
9. 【請求項９】 外部から印加されるＹ軸回りの回転角速
   度による誘起電流を検波抽出するためのタイミング信号
   をモニタ電極に誘起した電流の零クロス信号より発生す
   る請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載のセ
   ラミック圧電複合形角速度センサ。