JPH03113310A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はジャイロスコープ（方位センサ）等に用いられ
る角速度センサに関する。

（従来の技術） 本発明に係わる従来技術として、特開昭６２−２２９０
２４号公報に記載されたものがある。この従来技術の角
速度センサは第７図に示すごとくリードビン５０ａ、５
０ｂ、５０ｃ、５０ｄおよび金属弾性部材５１を備えた
ベース５２、金属弾性部材５１に固定された駆動用圧電
バイモルフ素子５３．５４との先端に接合部材５５を介
して取り付けられた検知用圧電バイモルフ素子５６．５
７から構成されている。

ベース５２には半田付用ラウンド５８．５９が設けられ
ており、この半田付用ラウンド５８，５９と検知用圧電
バイモルフ素子５６．５７との間にはワイヤ６０．６１
が配線、接続されている。

（発明が解決しようとする課題） 以上の従来技術では、固定部分であるベースと、可動部
分となる検知用圧電バイモルフ素子がワイヤによって相
互に接続されているため、検知部である検知用圧電バイ
モルフ素子が振動する際にワイヤが振り回される状態と
なって振動を規制する原因となり精度の高い信号を検出
することができないという問題を抱えていた。さらに、
ワイヤと検知用圧電バイモルフ素子が常に振動をする部
分で接続されているため、接続部分の耐久性を十分確保
するために強固に接続しなければならず、検知部の重量
が大きくなり角速度の検出に誤差を生じさせる可能性が
あった。

本発明は以上のような従来技術を解決するために成され
たものであって、検知部分から出力される信号の精度を
確保する角速度センサとすることを技術的課題とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） このような技術的課題を解決するために講じた技術的手
段は、支持部材と、該支持部材に支持された連結部材と
、該連結部材に支持された板状の振動部材と、該振動部
材に固着された圧電素子と、前記連結部材に固定された
前記振動部材のねじれを検出するねじれ検出手段を備え
る角速度センサにおいて、前記振動部材に薄膜導電層を
形成するとともに該薄膜導電層と前記圧電素子をワイヤ
により導通させた、ことである。

（作用） 以上の技術的手段を講じたことによって、本発明では振
動部材に形成された薄膜導電層と圧電素子との間をワイ
ヤによって導通させたため、振動部材に振動が加わって
もワイヤの重量が振動に影響を及ぼすことはなく角速度
検出のための高情度な出力信号を圧電素子から得ること
ができる。

（実施例） 第１図に、本発明の一実施例を示す。第１図を参照する
と、各軸Ｘ、ＹおよびＺは、互いの軸に対して９０度傾
いた軸をそれぞれ示している。支持部材１０は、板状の
金属をコの字状に曲げて形成しである。４はその全体に
渡って周面に螺子が形成された断面が円形のロッド（連
結部材）であり、金属で形成されている。このロッド４
は、前記支持部材１０は、その一端１０ａから他端１０
ｂまで貫通する状態で設けられており、ロッド４の一端
は、支持部材の一端１０ａの両面で、それぞれ固定機構
８によって支持部材の他端１０ｂの両面で、それぞれ固
定機構９によって支持部材１０に固定されている。ロッ
ド４は、この例ではＹ軸に沿って配置されている。

固定機構９は、ロッド４の螺子と螺合するロックナツト
９ａ、　ワッシャ９ｂおよびインシュレータ９Ｃで構成
されている。固定機構８および後述する固定機構７も同
様な構成である。

ロッド４の中央部には、ねじれ検出器３（ねじれ検出手
段）が配置され、該ねじれ検出器３の厚み方向（Ｙ軸方
向）の一端にインシュレータ６を介して、それと面接触
する状態に音叉１　（振動部材）が配置されており、ね
じれ検出器３の厚み方向の他端にも、同様に、ねじれ検
出器３に連接されるインシュレータ５を介して音叉２（
振動部材）が配置されている。ロッド４は、ねじれ検出
器３、インシュレータ５．６、音叉１及び２にそれぞれ
設けた図示しない穴を貫通する形で、それらを支持して
いる。

音叉１の支持部材１０の一端１０ａと対向する面、及び
音叉２の支持部材ｌＯの他端１０ｂと対向する面には、
それぞれ固定機構７が設けられており、それらの締め付
けによって、音叉ｌ、インシュレーク６、ねじれ検出器
３．インシュレータ５及び音叉２が、両端から互いに押
し付けられて一体に固定されている。但し、これらはＹ
軸方向に対し、僅かにねじれ変形が可能な状態になって
いる。

音叉ｌは、その長手方向がＺ軸方向に向けられた矩形の
薄板状に形成された金属製の振動板１ａを備えている。

この振動板１ａは、その長手方向の一端近傍で、ロッド
４に支持されている。また、振動板１ａの厚み方向の両
方の面には、それぞれ薄板状矩形の圧電セラミック（圧
電素子）ｌｂおよび１ｃが固着されている。また、圧電
セラミックｉｂおよび１ｃは、それらの厚み方向に分極
されている。従って、これらの圧電セラミックに交流電
圧を印加すれば、それらは厚み方向に歪みを生じるし、
逆に厚み方向の歪みを受けるとそれに電圧が発生する。

もう一方の音叉２は、音叉１と同様に、振動板２ａと、
その両方の面にそれぞれ固着された圧電セラミック（圧
電素子）　２ｂ、　　２’ｃ−ｔ−備えている。

第２図、および第３図は音叉の構成を示したものである
が、音叉１，２の構成は全く同一であるため、実施例で
は音叉ｌの構成のみについて説明する。音叉１にはロッ
ド４が挿通される穴１ｄが形成されている。そして、振
動板１ａの表面には金属材料の電極部１ｅ（薄膜導電層
）がスパッタ等によって薄膜形成されている。この電極
部１ｅの膜厚は０．３〜１μｍの厚さとして、金属材料
としては鉄、ニッケルあるいはアルミニウムが使用され
ている。電極部１ｅを形成する際、振動板１ａの中央部
にも導体部１ｆを形成する。電極部１ｅはこの導体部１
ｆを取り囲むようにコの字型に形成パターンされている
。

第３図は第２図のＩ　−Ｉ　ｖＡに沿う断面図であり、
最初に振動板１ａの表面に酸化シリコンの絶縁膜を振動
板１ａの両面に最大７μｍの厚さになるまで形成する。

この絶縁膜１ｇ上に前述した電極部１ｅと導体部１ｆを
両面に薄膜形成する。導体部ｌｆ上には圧電セラミック
ｌｂ、ｌｃが固定されている。圧電セラミックｌｂ、ｌ
ｃと電極部１ｅとの間には導電性のワイヤ１ｈが配設さ
れ、−端は電極部１ｅ（第２図中上部）と超音波接合さ
れ、他端は圧電セラミックと超音波接合されている。圧
電セラミックｌｂ、ｌｃの表面には、恨ペーストが塗布
され、このｉ艮ペーストとワイヤ１ｈが接続されている
。

第４図にねじれ検出器３の構成を示す。第４図を参照す
ると、この検出器３は、筒状の絶縁チューブ３ａと、そ
の外周に装着された、圧電体３ｂ３Ｃ１電極３ｄ、３ｅ
および３ｆで構成されている。圧電体３ｂは電極３ｄと
３０とで挟まれ、圧電体３Ｃは電極３ｅと３ｒで挾まれ
ている。絶縁チューブ３ａの内部を前述のロッド４が貫
通する。

圧電体３ｂは、図示のように、円筒状に形成されている
が、これは各々９０度の円弧状に形成された４つの圧電
素子３　ｂ＋、３　ｂｚ、３　ｂａおよび３ｂ４を組み
合わせて構成しである。また、各々の圧電素子は、矢印
で示す周方向に、それぞれ分極されである。もう一方の
圧電体３Ｃも圧電体３ｂと同一の構成になっている。圧
電体３ｂおよび３Ｃは、それがロッド４の軸方向、即ち
、Ｙ軸方向に対してねじる方向（周方向）に力を受ける
と、その大きさに応じた電圧を出力する。

第１図を参照して、電極３ｄおよび３ｆは互いに共通に
接続され、アースと接続されている。そして、２つの圧
電体３ｂ、３ｃの中央に配置した電極３ｅから、このね
じれ検出器３の信号Ｓ３が取り出される。つまり、この
ねじれ検出器３の場合、その厚み方向の両端が設置され
ているので、その部分とたの部分との絶縁については特
別に考慮しなくてもよい。従って、この実施例では電極
３ｄとインシュレータ６、ならびに電極３ｆとインシュ
レータ５との間には特別な電気絶縁部材を設けていない
。

ロッド４の螺子と固定機構７のロックナツト７ａによっ
て、第１図のＹ軸方向に動かないように音叉１．２とね
じれ検出器３とを一体に動かないように音叉１．２とね
じれ検出器３を一体にとめる構成にすれば接着材を用い
て止める場合のように、接合面の厚みにばらつきが生じ
る恐れが殆どなくなるため、装置の検出特性が極めて均
一になる。インシュレータ５，６．９ｃ等は、機械的な
振動が不要な箇所に伝達されるのを防止する機能を有し
ている。

発振回路１１の出力信号Ｓ１が音叉１の圧電セラミック
ｌｂおよび２ｂに、付勢信号として印加されている。ま
た、音叉２の圧電セラミック２ｃから出力される信号Ｓ
２が、フィードバック信号として発振回路１！に印加さ
れている。

発振回路１１は、第５図に示されるように構成されてお
り、付勢信号Ｓ１として周波数および振幅の安定化され
た正弦波を出力する。図中、ＡＧＣは自動利得制御装置
を示している。フィードバック信号Ｓ２は、発振を安定
化させ安定した音叉振動を得るために利用されている。

また、フィードバック信号Ｓ２は検出される信号を処理
する整流回路１２で同期をとるために利用される。

発振回路１１によって生成される正弦波の付勢信号Ｓ１
が印加される２つの圧電セラミック１ｂおよび２ｂは、
各々その厚み方向に分極されているので、付勢信号Ｓ１
によって、それらの厚み方向に歪みを発生し、その歪み
の方向が交互に切り換わるので、厚み方向に振動し、そ
の振動に共振するように振動板１ａおよび２ａ、即ち、
音叉１および２が振動する。したがって、音叉ｌおよび
２の振動の方向は、第１図の矢印Ｆ　、、即ち、Ｙ軸方
向である。但し、音叉１と音叉２の振動の方向は逆にな
っており、音叉１が音叉２に近づ（方向に撓むときは、
音叉２も音叉１から離れる方向に撓む。

このように、音叉１および音叉２を定常的に振動させた
状態では、この検出装置に慣性力が働くので、この装置
がＹ軸を中心として回転した場合、２つの音叉１および
２には、それぞれＸ軸方向に回転の角速度ωに応じた大
きさのコリオリの力Ｆｃが作用する。音叉ｌに働く力Ｆ
ｃと音叉２に働く力Ｆｃは互いに方向が逆であり、音叉
１がＸ軸の正方向はＸ軸の負方向になる。

従って、インシュレータ６を介して音叉１に接続された
、ねじれ検出器３の厚み方向の一方の面と、インシュレ
ータ５を介して音叉２に接続された、ねじれ検出器３の
厚み方向の他方の面とには、この装置のＹ軸まわりの回
転によって、互いに逆方向の、Ｙ軸回りに回転する力が
加わる。つまりこれによって、ねじれ検出器３は、Ｙ軸
に沿ってねじられることになる。ねじれ検出器３は、前
述したようにその周方向に分極されているので、ねじれ
方向の力を受けると、その力に応じた電気信号を出力す
る。従って、ねじれ検出器３から出力される信号Ｓ３の
振幅の大きさはＹ軸まわりの角速度ωに対応する。

ねじれ検出器３の中央の電極３ｅから出力される信号Ｓ
３が、整流回路１２の入力端子に接続されており、また
、整流回路１２の同期入力端子にフィードバック信号Ｓ
２が印加されている。

整流回路１２の動作を第６図に示した。第６図から、ね
じれ検出器３から出力される信号Ｓ３は正弦波であり、
フィードバック信号Ｓ２と同期して現れる。Ｙ軸まわり
の角速度ωの方向が時計回り（ＣＷ）の場合と、反時計
回り（ＣＣＷ）の場合とでは、信号Ｓ３の位相が互いに
反転する。整流回路１２は、フィードバック信号Ｓ２に
基づいて、矩形波Ｓ５をその内部で生成し、その信号に
同期して信号Ｓ３を処理し、整流された信号Ｓ４を出力
する。つまり第４Ｃ図に示すように、信号Ｓ４の整流波
形は、ＣＷ力方向角速度に対しては正極側になり、ＣＣ
Ｗ方向の角速度に対しては負極側となる。

整流回路１２の出力する信号Ｓ４は、平滑回路１３で平
均化され、直流電圧として出力される。

従って、平滑回路１３から出力される直流電圧は、角速
度ωの大きさと方向を示すことになる。

〔発明の効果〕

本発明のような構成としたことによって、特有の効果を
得ることができる。

即ち、検知用圧電素子に接続されるワイヤが固定部材に
接続されないため、（圧電素子と共に振動する）ワイヤ
の張力が検知用圧電素子の振動を抑制することがなく精
度の高い検出信号を得ることができる。

また、ワイヤと振動板が共に振動するため、ワイヤと圧
電素子、電極部との接合部分が振動によって断線するこ
とがなくセンサの耐久性を高めることができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による角速度センサの斜視図、第２図は
音叉部分の正面図、第３図は第２図のＩ−１線に沿う断
面図、第４図はねじれ検出器の斜視図、第５図は発振回
路と圧電セラミックとの接続を示すブロック図、第６図
は整流回路の動作を示すタイミングチャート図、第７図
は従来技術の角速度センサを示す斜視図である。 １０　・　・　・ ４　・　・　・ １、２　・　・ ｌｂ、ｌｃ ３　・　・　・ ｅ 支持部材、 連結部材、 ・振動部材１ ．２ｂｌ　　２Ｃ・・・圧電素子、 ねじれ検出手段、 薄膜導電層、 ■ ｈ ・ワイヤ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 支持部材と、該支持部材に支持された連結部材と、該連
   結部材に支持された板状の振動部材と、該振動部材に固
   着された圧電素子と、前記連結部材に固定された前記振
   動部材のねじれを検出するねじれ検出手段を備える角速
   度センサにおいて、前記振動部材に薄膜導電層を形成す
   るとともに該薄膜導電層と前記圧電素子をワイヤにより
   導通させたことを特徴とする角速度センサ。