JPH03113374A - 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】 産業上の利用分野 本発明はジャイロスコープ、特に圧電素子振動を用いた
角速度センサに関するものである。

従来の技術 従来、ジャイロスコープを用いた慣性航法装置として飛
行機、船舶のような移動する物体の方位を知る方法とし
て機械式の回転ジャイロが主に使用されている。

これは安定した方位が得られるが、機械式であることか
ら装置が大がかりであシ、コストも高く、小型化が望ま
れる機器への応用は困難である。

一方、回転力を使わずに物体を振動させ、振動する検知
素子から「コリオリの力」を検出する振動型角速度セン
サがある。多くは圧電式と電磁式のメカニズムを採用し
ている構造のものである。

これらはジャイロを構成する質量の運動が一定速度の運
動ではなく、振動になっている。従って、角速度が加わ
った場合、コリオリの力は、質量の振動数と等しい振動
数の振動トルクとして生じるものである。このトルクに
よる振動を検出することによって角速度を測定するのが
振動型角速度セ／すの原理であり、特に圧電体を用いた
センサが多く考案されている。（日本航空宇宙学会誌第
２３巻第２６７号３３９−３５０ページ） 上記の原理に基づき先願特許（特願昭６２−１２６２０
６号）の角速度センサを発明しているが、その構造を第
２図に示す。第２図において。

１は検知用圧電素子、２は結合部材、３は駆動用圧電素
子であり、この駆動用圧電素子３と検知用圧電素子１と
は結合部材２により互いに直交させて接続することによ
りセンサ素子が構成されている。そして、この一対のセ
ンサ素子を、前記駆動用圧電素子３の端部において、弾
性結合部材４により音叉構造となるように接合すること
により、音叉素子が構成されている。さらに、この音叉
素子は、弾性結合部材４のほぼ中心部に一端が結合され
る支持ビン６により支持されてベースｅ上に取付けられ
ている。７は駆動用圧電素子３０両面に相対するように
形成した駆動用電極、８はこの駆動用電極７の外側に配
設されるように駆動用圧電素子３に形成した信号引出線
で、前記検知用圧電素子１の電極からのリード引出しを
行うためのものである。９はこの、駆動用電極７、信号
引出線８とベース６に植設したリードビン１０とを接続
するリードワイヤである。

以上のように構成された従来の角速度センサを動作させ
るには、まず一対の駆動用圧電素子３を駆動するために
対向している面を共通電極としてそれぞれ外側の面の駆
動用電極γとの間に交流信号をかける。信号を印加され
た駆動用圧電素子３は弾性結合部材４を中心にして対称
な振動を始める、いわゆる音叉振動である。

速度υで振動している検知用圧電素子１に角速度ωの回
転が加わると、検知用圧電素子１には「コリオリの力」
が生ずる。この「コリオリの力」は速度υに垂直で大き
さは２ｍυωである。音叉振動をしているので、ある時
点で一方の検知用圧電素子１が速度υで振動していると
すれば、他方の検知用圧電素子１は速度−〇で振動して
＄−シ、「コリオリの力」は−２ｍυωである。一対の
検知用圧電素子１には、互いに逆向きの「コリオリの力
」が働き、互いに逆向きの方向に変形し、素子表面には
圧電効果によって電荷が生じる。一対のセンサ素子は「
コリオリの力」による発生電荷が、互いに加算されるよ
うに結線されている。

それゆえ、このセンサに角速度以外の並進運動を与えて
も一対の検知用圧電素子１０表面には同極性の電荷が生
ずるため、互に打ち消しあって出力は出ない様になって
いる。

ここで、υは音叉振動によって生じる速度であり、音叉
振動速度が υ＝υｏ−５ｉｎωｏｔ　Ｏｏ：音叉振動速度振幅ω０
：音叉振動の角周期 であるとすれば、「コリオリの力」は ｙ　＝２ｍ−ｖ。−ω・ｓｉｎ　ωｏｔとなり、角速度
ω及び音叉振動速度υ。に比例しており、検知用圧電素
子１をそれぞれ面方向に変形させる力となる。従って検
知用圧電素子１の表面電荷量Ｑｃは ＱＣＯＣυ。・ω・ｓｉｎωｏ１ となり音叉振動速度振幅υ０が一定にコントロールされ
ているとすれば Ｑｃｏｃａ＋−８ｉｎω。ｔ となり検知用圧電素子１に発生する表面電荷量Ｑは角速
度ωに比例した出力として得られる。

また、駆動用圧電素子３上の駆動用電極７には、駆動用
圧電素子３の変形に応じて電荷が発生するが、両側の駆
動用電極７はその形状を対称にし、面積を等しくしてい
るので、発生電荷は等しいから、差動入力により、信号
処理することで、発生ｔＪをキャンセルしている。

発明が解決しようとする課題 上記の構成による角速度センサには、下記のような課題
があった。

音叉素子からのリードワイヤの引出しは、その細さが有
限であることから、必ず振動を阻害する。

従って、音叉振動の安定した駆動を実現すると共に、リ
ードワイヤの断線の危険性を低くする必要があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、このような
問題転を解決できる角速度センサを得ることを目的とし
ている。

課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するだめに、弾性接合部材を
絶縁物とし、音叉の対称面付近に設けた電極を介してセ
ンサ素子からのリードを引出したものである。

作用 上記の構成により音叉振動を安定させ、リード断線の危
険性をなくし、耐振性を上げることが可能となる。

実施例 第１図は本発明による角速度センサの一実施例を示す構
造図であり、第２図と同一部分については同一番号を付
している。

１１は検知用圧電バイモルフ素子、１２は駆動用圧電バ
イモルフ素子であり、この駆動用圧電・くイモルフ素子
１２と検知用圧電バイモルフ素子１１とは結合部材２に
よシ互いに直交させて接続することによりセンサ素子が
構成されている。そして、この一対のセンサ素子を、前
記駆動用圧電バイモルフ素子１２の端部をそれぞれ弾性
結合部材１３の凹部１３１Ｌに嵌合させて音叉構造とな
るように接合することによシ、音叉素子が構成されてい
る。

さらに、この音叉素子は、弾性結合部材１３のほぼ中心
部に一端が結合される支持ピン５によシ支持されてベー
ス６上に取付けられている。

また、弾性結合部材１３はセラミックスにより構成され
、そしてセンサ素子を接合した端面とは異なる相対する
端面のほぼ中央部にはリード引出し用の電極１４が設け
られ、センサ素子の電極から引出したり−ド１６が接続
されるとともに、リードピン１０との間の接続を行うリ
ードワイヤ９が接続されている。

１６は検知用圧電バイモルフ素子１１、駆動用圧電バイ
モルフ素子１２の中間電極である。

以上のように構成された本実施例の角速度センサについ
て以下その動作を説明する。

角速度検出の原理は、従来例と同じなので省略する。

本実施例での駆動用圧電バイモルフ素子１２の大きさは
、長さ９１１幅２．５ＮＮ厚み０．６朋であり、検知用
圧電バイモルフ素子１１の大きさは、長さ９１１Ｍ幅１
．６３ｆｌ厚み０．３５朋である。駆動用圧電ノくイモ
ルフ素子１２を構成する圧電セラミックスの圧電定数が ｄ３１＝−１６０×１０−１２ｍ／ｖ とすれば、検知用圧電バイモルフ素子１１の先端振幅６
０μｍを得るためには駆動電圧は約２ｖ、。

が必要であり、温度変化により共振インピーダンスが倍
増しても電源電圧６ｖで一定振幅を得ることができる。

音叉素子からのリードワイヤ９の引出しは、リードワイ
ヤ９の細さが有限であることから、必ず振動を阻害する
。従来のように、駆動用圧電バイモルフ素子１２の端部
から引出した場合、φ０．６顛のピンを用いると、共振
インピーダンスは増加し駆動電圧９Ｖ、、では、６０μ
ｍの振幅が得られない。ところが本発明のように、音叉
の対称面付近にφ０．６Ｍ１１のピンを接合しても、共
振インピーダンスはほとんど増加せず、約２　Ｖ、、で
駆動することができる。従って、本発明のように弾性接
合部材１３の音叉の対称面付近にリード引出し用電極１
４を設けることによりリードワイヤ９の断線の危険性を
少なくすることができる。

また、本実施例では、検知用圧電ノ９イモルフ素子１１
と駆動用圧電バイモルフ素子１２の信号引出線８との結
線や、リード引出し用電極１４の形成及び、この電極１
４と駆動用圧電バイモルフ素子１２との結線に、焼付は
銀ペーストによるリード１６を用いている。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、弾性接合部材の音叉
の対称面付近に電極を設けた構造により、音叉素子から
のリードワイヤ引出しを音叉振動のほとんど無視できる
部位より行なうことができるので、駆動が安定し、出力
が安定する。また、リードワイヤ断線の危険性が無くな
り、耐振性等の信頼性の高い角速度センサを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における角速度センサの構造
を示す斜視図、第２図は従来の角速度センサの構造を示
す斜視図である。 ３・・・・・・結合部材、６・・・・・・支持ピン、６
・・・・・・ベース、９・・・・・・リードワイヤ、１
ｏ甲゛パリードビン１１・・・・・・検知用圧電バイモ
ルフ素子、１２・・・・・駆動用圧電バイモルフ素子、
１３・・・・・・弾性結合部材、１ ４・・ ・・リード弓 出し用電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを接続部材を介して
   互に直交接続した一対のセンサ素子を前記駆動用圧電素
   子の端部で弾性接合部材により接合して音叉素子を構成
   し、かつ前記弾性接合部材を絶縁物により構成するとと
   もに、この弾性接合部材における音叉の対称面付近に設
   けた電極を介して前記センサ素子からのリードを引出し
   たことを特徴とする角速度センサ。