JPH0390813A - 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われている。

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り、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て、振動された
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ンサの原
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２５７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
３図に示す。第３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、４ａ、４ｂは信号線
、５は駆動用電極、６は弾性結合部材、７はリードワイ
ヤ、８はリードビン、９は支持ピン、１０はベースを示
す。

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５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６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−υで振動しており「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。

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１の表面には同極性の電荷が生
ずるため、互い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＝υｏＩＩｓｉｎωｏｔ υ０：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、Ｆｃ＝２ｍ−υ
０・ω−５ｉｎωｏｔ となり、角速度ω及び音叉振動速度υ０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Ｑ３は ＱｅｏＣｊＪｏ”　（Ｌ）　・ｓｉｎ　ωｏｔとなり、
音叉振動速度振幅−が一定にコントロールされていると
すれば、 Ｑｃｏｃω・ｓｉｎ　ωｏｔ 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５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、それぞれ
の駆動用電極５と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、発生電荷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。

第３図に示すように駆動用圧電バイモルフ素子の電極を
分割し、駆動用電極の面積が小さくなれば、それに反比
例して共振インピーダンスが増加し駆動電圧は高くなる
。一般に電源電圧を低く抑えることが望ましいので上記
の構成の場合、特に電源電圧を低くしなければならなく
なる。

このタイプの角速度センサを汎用品として、展開する場
合、使用温度範囲を広げる必要があるが、従来品におい
ては一４０℃、−８５℃（各３０分）２０サイクルのヒ
ートサイクル試験で感度が１５％も劣化しており、また
高温下では、共振インピーダンスが大きくなる傾向にあ
った。また、出力が温度変化により変化し、使用温度範
囲の拡大ができなかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、このような
問題点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ために、駆動用圧電素子
を並列接合のバイモルフにより構成したものである。

また、検知用圧電素子を並列接合のバイモルフにより構
成したものである。

作用 上記の構成により電源電圧を下げ、耐熱衝撃性を上げる
ことが可能となる。

実施例 まず、バイモルフの構成について説明する。第２図は、
バイモルフの並列接合型と直列接合型の違いを説明する
図である。それぞれ圧電セラミックス２４が中間電極板
２５を間に介在させて接合した構成で、２枚の圧電セラ
ミックス２４に対し、電圧を並列接合型は並列に、直列
接合型は直列に印加するものである。前者は２枚の圧電
セラミックス２４の分極２６の向きは同じだが、印加さ
れる電圧の向きが異なっており、後者は印加される電圧
の向きが同じだが、２枚の圧電セラミックス２４の分極
２６の向きが異なっている。どちらも、一方の圧電セラ
ミックス２４が伸びた時に、他方が縮むので、縮んだ圧
電セラミックス２４の方にたわむことになる。たわんだ
ときに電圧の発生するのは上記の逆の効果である。

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
造図である。第１図において、１１は検知用圧電バイモ
ルフ素子、１２は結合部材、１３は銀ペースト焼付けに
よる電極、１４は駆動用圧電バイモルフ素子、１５ａ、
１５ｂは中間電極、１６ａ、１６ｂは信号線、１７は駆
動用電極、１８はセラミックスより構成されている弾性
結合部材、１９はリード引出し用電極、２０はリードワ
イヤ、２１はリードビン、２２は支持ビン、２３はベー
スを示す。

駆動用圧電バイモルフ素子１４の中間電極１５ｂからの
配線は図面の裏側から導電ペーストによりなされている
。

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１４の大きさは
、長さ９閣１幅２．５ｍｍ、厚み０．５閣であり、検知
用圧電バイモルフ素子１１の大きさは、長さ９ｎｙｘ、
幅１．６閣、厚み０．３５帥である。駆動用圧電バイモ
ルフ素子１４を構成する圧電セラミックスの圧電定数が ｄ３＋＝　　１５０　Ｘ　１０−”ｍ／　Ｖとすれば、
検知用圧電バイモルフ素子１１の先端振幅５０μｍを得
るためには従来の直列接合型では駆動電圧は約４ｖ、、
ｐ必要であったが、本発明による並列接合型では２Ｖ、
で可能となり、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。

検知用圧電バイモルフ素子１１が並列接合型で構成され
ているので、急激な温度変化が加わった時、検知用圧電
バイモルフ素子１１を構成するそれぞれの圧電セラミッ
クスは外部の回路を通して発生電荷はショートされ、高
電圧に帯電することがないので、検知用圧電バイモルフ
素子１１の感度を低下させることが少ない。−５５℃、
−１００℃（各３０分）２０サイクルの感度劣化は、従
来の直列接合型の場合、３５％であるのに比べ、本発明
の並列接合型では４％に抑えられている。

検知用圧電バイモルフ素子１１と駆動用圧電バイモルフ
素子１４の信号線１６ａ、１６ｂとの結線や、リード引
出し用電極１７の形成及び、この電極１７と駆動用圧電
バイモルフ素子１４との結線に焼付は銀ペーストを用い
ており、微細配線が可能となり、容易に自動化ができる
ことになる。

これらは、駆動用圧電バイモルフ素子１４の電極を分割
していないタイプの角速度センサにも応用できるのは言
うまでもない。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、駆動用圧電素子を並
列接合のバイモルフ素子により構成することで、従来に
比べ、等しい振幅を得るために約１７２の電圧で可能と
なり、電源電圧を下げることができ、また検知用圧電素
子を並列接合のバイモルフ素子により構成することで、
温度変化の際め圧電セラミックスの発生電荷を外部の回
路を通してショートすることができ、高電圧に帯電する
ことがないので、環境の温度変化による感度劣化が小さ
くなり、使用温度範囲が広く、消費電力の小さな角速度
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
図を示す斜視図、第２図ａ、ｂは圧電バイモルフ素子の
構造を示す概略図、第３図は従来の角速度センサの構造
を示す斜視図である。 １１・・・・・・検知用圧電バイモルフ素子、１２・・
・・・・結合部材、１３・・・・・・電極、１４・・・
・・・駆動用圧電バイモルフ素子、１５ａ、１５ｂ・・
・・・・中間電極、１６ａ、１６ｂ・・・・・・信号線
、１７・・・・・・駆動用電極、１８・・・・・・弾性
結合部材、１９・・・・・・リード引出し用電極、２０
・・・・・・リードワイヤ、２１・・・・・・り一ドビ
ン、２２・・・・・・支持ビン、２３・旧・・ヘース、
２４・・・・・・圧電セラミックス、２５・・・・・・
中間電極板、２６・・・・・・分極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを接続部材を
   介して互いに直交接続してセンサ素子を構成し、かつ前
   記駆動用圧電素子を並列接合したバイモルフ素子により
   構成したことを特徴とする角速度センサ。
2. （２）駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを接続部材を
   介して互いに直交接続してセンサ素子を構成し、かつ前
   記検知用圧電素子を並列接合したバイモルフ素子により
   構成したことを特徴とする角速度センサ。