JP4514121B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、航空機，船舶，自動車などの姿勢制御や位置検出などに利用される回転系内の回転角速度を検出するセンサに適用できる角速度センサに関する。

角速度センサには様々な種類があるが、組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、振動型の角速度センサがある。従来よりある振動型の角速度センサは、四角柱に加工した振動子を振動させて回転に伴って働くコリオリ力を検出するものである。

このような従来の角速度センサとして、音叉型振動子を用いたものがある（特許文献１参照）。
また、円板型の振動子により回転軸方向の高さを低くした振動型ジャイロスコープ（角速度センサ）が提案されている（特許文献２参照）。これは、円板状の屈曲振動板（膜）の中央部に慣性体を付加した構造の振動子を用いている。この構造の振動子では、節直径が一本となる振動板の面垂直屈曲振動に伴い、付加慣性体の重心は面内方向に変位する。またこの場合には、節直径が９０度直交する同型モードが存在する。

従って、一方を駆動モードとすれば、振動板面の垂直軸に関する回転角速度の印加によって、付加慣性体での面内方向へのコリオリ力が、他方の直交モードを誘起することにより、センサ動作が得られる。また、特許文献２に示されている振動子によれば、駆動及び検出のために広い面積が利用でき、感度の向上が期待されている。

ところで、振動型の角速度センサでは、最小限の駆動エネルギーで大きな振幅を得て、僅かな慣性力を感度良く検出するために共振を用いる。
例えば、一般には、共振状態となる固有振動モードうちの１つを駆動モードとして選択し、その振動モードを共振周波数で駆動する。加えて、駆動モードと振動変位が直交する検出モードの共振周波数が、駆動モードの共振周波数と一致するように振動子の形状を設計する。

共振子としてよく用いられている水晶は、異方性材料であるため、振動子の形状を調整することで共振周波数を一致させている。幾つかの振動モードの共振周波数を一致させることを振動モードを縮退させるという。
前述した円板型の振動子をジャイロスコープに適用する場合、同型縮退モードを利用することになる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開２００２−３４０５５９号公報 特開平１１−１４２１５６号公報

ところが、同型縮退モードが利用できるのは、該当する直行方向への振動特性が等しい場合に限られる。このため、円板型の振動子による振動型ジャイロスコープには、水晶などの異方性材料の適用が容易ではない。また、一般に、円板型では、共振による感度向上を得るための最適な支持状態を得ることが容易ではない。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、回転軸方向の高さを小さくした振動子による角速度センサに、水晶などの異方性材料を容易に適用できるようにすることを目的とする。

本発明に係る角速度センサは、所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料から構成され、軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々１２０°異なる方向に延在する第１脚部，第２脚部，及び第３脚部と、第１脚部，第２脚部，及び第３脚部の一端に設けられた第１脚部，第２脚部，及び第３脚部より厚く形成された慣性体と、第１脚部の一方の面の左側端部から第２脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された第１駆動電極と、第１脚部の一方の面の右側端部から第３脚部の一方の面の右側端部にかけて配置された第２駆動電極と、第２脚部の一方の面の右側端部から第３脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された検出電極と、互いに連結されている一端より放射状に延在して第１脚部，第２脚部，第３脚部の中央部に配設された共通電極とを備えるものである。

以上説明したように、本発明では、構成する圧電材料の３回対称性の軸を法線とする同一の平面内で各々１２０°異なる方向に延在する３つの脚部と、３つの脚部の一端に設けられた脚部より厚く形成された慣性体とを備えるようにした。この結果、平面内において、いずれか１つの脚部を通る線分に重心で直交する駆動中心線を回転中心とし、３つの脚部を振動させることで、慣性体の重心を通るＺ軸を回転中心とした回転運動が検出できるので、回転軸方向の高さを小さくした振動子による角速度センサに、水晶などの異方性材料を容易に適用できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における振動子の構成例を示す斜視図である。図１に示す振動子は、例えば水晶から構成され、中央部（連結部）１０１より各々１２０°異なる方向に延在する同一の長さの３つの脚部１２１，１２２，１２３と、各脚部の外側部分に接続する枠部１０３とから構成されたものである。

このように、本振動子は、所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料から構成され、上記軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々１２０°異なる方向に延在する３つの脚部１２１，１２２，１２３と、各脚部を接続している枠部１０３とを備えるようにしたものである。各脚部１２１，１２２，１２３は、一端が中央部１０１で連結され、他端が枠部１０３に接続している。

また、中央部１０１は、脚部１２１，１２２，１２３より厚く形成され、慣性体として機能する。例えば、脚部１２１，１２２，１２３は、厚さ０．１ｍｍ程度に形成され、中央部１０１は、厚さ０．４ｍｍ程度に形成されている。脚部１２１，１２２，１２３は、長さ１．５ｍｍ程度、幅０．６ｍｍ程度に形成されている。また、中央部１０１の中心部から枠部１０３の外周までは、長さ２ｍｍ程度に形成されている。なお、枠部１０３は、中央部１０１と同様の厚さ０．４ｍｍ程度に形成されている。

図１に示す振動子では、例えば、脚部１２１，１２２，１２３が配置されている面内において、脚部１２１を通る線分に重心で直交する駆動中心線を回転中心とし、脚部１２１，１２２，１２３を振動させる（励振する）ことで駆動できる。この駆動による脚部１２１，１２２，１２３の振動に伴い、慣性体である中央部１０１の重心が、上記面内の方向に変位する。

この状態で、中央部１０１の重心を通る上記面の法線であるＺ軸を回転中心とした回転運動が発生すると、中央部１０１における上記面内方向へのコリオリ力が、励振の振動方向と直交するモードを誘起する。誘起されたモードの振動が、脚部１２１，１２２，１２３のいずれかに設けた検出電極により検出される。

例えば、図２に示すように、駆動電極２０１，駆動電極２０２，検出電極２０３，共通電極２０４が、形成された状態とすることで、上述した角速度センサの動作を行うことが可能である。図２は、図１に示した振動子の構成を示す平面図であり、各電極は、図２に示されている面（裏面とする）に形成されている状態とする。

駆動電極２０１は、脚部１２１から脚部１２２にかけて形成され、駆動電極２０２は、脚部１２１から脚部１２３にかけて形成されている。駆動電極２０１は、図２において、脚部１２１の裏面の左側端部から脚部１２２の裏面の左側端部にかけて配置されている。一方、駆動電極２０２は、図２において、脚部１２１の裏面の右側端部から脚部１２３の裏面の右側端部にかけて配置されている。従って、駆動電極２０１と駆動電極２０２とは、脚部１２１の中央部を通る線分に線対称な関係であり、本振動子の中心（重心）で点対称な関係である。

また、検出電極２０３は、図２において、脚部１２２の裏面の右側端部から脚部１２３の裏面の左側端部にかけて配置されている。検出電極２０３は、駆動電極２０１と脚部１２２の中央部を通る線分に線対称な関係である。また、検出電極２０３は、駆動電極２０２と脚部１２３の中央部を通る線分に線対称な関係である。また、検出電極２０３は、駆動電極２０１及び駆動電極２０２と、本振動子の中心（重心）で点対称な関係である。

また、共通電極２０４は、中央部１０１より放射状に延在するように、各脚部１２１，１２２，１２３の中央部に配設され、また、駆動電極２０１，駆動電極２０２，及び検出電極２０３とは、各々離間している。
上述したように各電極を配設した状態で、図３（ａ）に示すように検出回路に接続することで、本振動子に加わるＺ軸回転角速度に応じた出力信号が得られる。

例えば、発振回路３０１より、図３（ｂ）に示すように変化する電圧の駆動信号を印加し、駆動モードが励振された状態とする。図３（ｂ）の実線で示す電圧を駆動電極２０１に印加し、図３（ｂ）の点線で示す電圧を駆動電極２０２に印加する。
この駆動状態において、Ｚ軸に関する回転角速度が印加されると、駆動信号と同じ周波数で角速度によって振幅と位相が変化する、基準電位を基準とした検出信号が検出電極２０３に生じる。

検出電極２０３に生じた検出信号を、増幅回路３０２により増幅した後、駆動信号を位相回路３０３を通して参照信号とする同期検波回路３０４により検波処理することで、加わった回転角速度に比例した出力信号（直流）が得られる。このようにして得られるＺ軸周りの回転角速度は、Ｘ軸及びＹ軸による他軸出力に対し、感度が１０００倍以上と良好である。

次に、本発明の実施の形態における振動子の他の構成例について説明する。図４は、本発明の実施の形態における振動子の他の構成例を示す斜視図である。
図４に示す振動子は、例えば水晶から構成され、中央部（連結部）４０１より各々１２０°異なる方向に延在する同一の長さの３つの脚部４２１，４２２，４２３を備えている。

言い換えると、図４に示す振動子においても、所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料から構成され、上記軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々１２０°異なる方向に延在する３つの脚部４２１，４２２，４２３を備えている。３つの脚部４２１，４２２，４２３は、一端が中央部４０１に連結されている。

また、本振動子においても、中央部４０１は、脚部４２１，４２２，４２３より厚く形成され、慣性体として機能する。例えば、脚部４２１，４２２，４２３は、厚さ０．１ｍｍ程度に形成され、中央部４０１は、厚さ０．４ｍｍ程度に形成されている。また、脚部４２１，４２２，４２３は、中央部４０１から端部までの長さが２ｍｍ程度に形成され、幅が０．６ｍｍ程度に形成されている。

また、図４の振動子では、脚部４２１，４２２，４２３の他端より所定距離内側（中央部４０１の側）において、脚部４２１，４２２，４２３が枠部４０３に連結部４０４を介して接続している。脚部４２１，４２２，４２３は、他端の領域において、他端より所定距離内側において、側面において連結部４０４を介して枠部４０３に固定されている。

図４に示す振動子では、脚部４２１，４２２，４２３の内部の振動要素を考慮した場合の、不動となる点に近い部分が、連結部４０４により固定されている。この結果、支持による影響が緩和されるようになり、Ｑ値の向上が図れる。
また、本振動子においても、図２と同様に各電極を配設し、図３と同様の回路を用いることで、角速度センサとして用いることができる。

本発明の実施の形態における振動子の構成例を示す斜視図である。 図１に示した振動子の構成を示す平面図である。 図１に示した振動子を用いて角速度センサを構成するための電極の配置を示した平面図である。 本発明の実施の形態における振動子の他の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１０１…中央部（連結部）、１０３…枠部、１２１，１２２，１２３…脚部。

Claims (1)

1. 所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料から構成され、
   前記軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々１２０°異なる方向に延在する第１脚部，第２脚部，及び第３脚部と、
   前記第１脚部，第２脚部，及び第３脚部の前記一端に設けられた前記第１脚部，第２脚部，及び第３脚部より厚く形成された慣性体と、
   前記第１脚部の一方の面の左側端部から前記第２脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された第１駆動電極と、
   前記第１脚部の一方の面の右側端部から前記第３脚部の一方の面の右側端部にかけて配置された第２駆動電極と、
   前記第２脚部の一方の面の右側端部から前記第３脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された検出電極と、
   互いに連結されている一端より放射状に延在して前記第１脚部，前記第２脚部，前記第３脚部の中央部に配設された共通電極と
   を備えることを特徴とする角速度センサ。

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