JPH04232416A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体の慣性角速度を検出
するジャイロスコープ、特に圧電振動子を用いた角速度
センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、飛行機・船舶のような移動する物
体の方位を検出する方法としてジャイロスコープを用い
た慣性航法装置がある。その方位センサとして主に機械
式の回転ジャイロ、レーザを用いたレーザジャイロが使
われている。これは安定した方位が得られるが、機械式
、光学式であることから、装置が大掛かりであり、コス
トも高く、小型化が望まれる民生用機器への応用は困難
である。

【０００３】一方、回転力、レーザを用いずに物体を振
動させて励振された検知用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り、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がある。これら
はジャイロを構成する質量の運動が、一定角速度の回転
運動ではなく、振動によっていることが特徴である。し
たがって、ωなる角速度が加わった場合、コリオリの力
が質量の振動数と等しい振動トルクとして生じるもので
ある。ここでコリオリの力は入力慣性角速度と駆動速度
の積に比例するので、検知用圧電素子に作用するコリオ
リの力は瞬時駆動速度と入力慣性角速度の両者に直交し
た方向に作用する。このコリオリの力によるトルクを振
動によって検出し、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（例えば、日本航空宇宙学会誌　　第２
３巻　　第２５７号３３９〜３５０ページ）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に音叉構造を有す
る振動型角速度センサは、高感度，小型，低消費電力，
安価という特徴を有しているが、温度変化、時間変化な
どの環境条件の変化において、角速度検出信号に対して
非常に大きなオフセット電圧が発生し、ゼロ点がドリフ
トするという問題があり、この信号がナビゲーションシ
ステム等に応用された場合、測定誤差として現れるので
致命的欠陥となる。

【０００５】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、ゼロ点ドリフトの小さい角速度センサを提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の角速度センサは、第１，第２の駆動用圧電素
子を有する恒弾性合金からなる音叉構造体と、この音叉
構造体の先端部に検知軸とほぼ平行でかつ互いにほぼ直
交するようにそれぞれ接合した第１，第２の検知用圧電
バイモルフ素子とを備えたものである。

【０００７】

【作用】本発明によれば、角速度センサの駆動部を第１
，第２の駆動用圧電素子を有する音叉構造の恒弾性合金
で一体化することによって、機械的Ｑ値が高まり、左右
のセンサ素子の振動を整合させることができる。さらに
、検知素子が圧電バイモルフ素子であるため、大きな感
度を得ることができる。よって角速度センサの精度を向
上させ、温度変化，時間変化等の環境変化においてゼロ
点ドリフトを少なくでき、外乱振動に実用上影響されな
いので検出精度の高い角速度センサを提供できる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の角速度センサの一実施例を説
明する。

【０００９】（実施例１）図１は本発明の一実施例にお
ける角速度センサの斜視図であり、図１において第１，
第２の駆動用圧電素子１を有する恒弾性合金からなる音
叉構造体２の先端部には、第１，第２の検知用圧電バイ
モルフ素子３が、検知軸とほぼ平行でかつ互いにほぼ直
交するようにそれぞれ接合部材４にて接合されている。 ５はこの音叉構造体２を支持する弾性部材、６は角速度
センサ全体のベース、７は第１，第２の検知用圧電バイ
モルフ素子３から引き出した出力リード、８は第１，第
２の駆動用圧電素子１から引き出した駆動用リード、９
はこれらのリード７、８が接続されるリードピンである
。

【００１０】この振動型角速度センサの動作原理は、ま
ず第１，第２の駆動用圧電素子１を有する音叉構造体２
を駆動するために、対向している面を共通電極として、
それぞれ外側の面との間に交流信号を印加する。その時
の駆動用リード８はできるだけ細い銅線を用いて振動に
影響を与えにくい音叉構造体の恒弾性合金の根元付近に
ハンダ付けされる。

【００１１】信号が印加された第１，第２の駆動用圧電
素子１を有する音叉構造体２は１８０度の位相にて振動
を始める。いわゆる音叉振動である。

【００１２】センサの性能は、第１，第２の検知用圧電
バイモルフ素子３、第１，第２の駆動用圧電素子１を有
する音叉構造体２、接合部材４、そして接合に用いる接
着剤等の総合的な性能で決まる。小振幅領域ではこの差
があまり問題とならないが、大振幅時にはこれらが影響
し、角速度センサの精度を決定づけ、ゼロ点の経時ドリ
フト、温度ドリフトとして現れる。

【００１３】そこで本実施例では、図１に示すように、
第１，第２の駆動用圧電素子１を有する音叉構造体２を
用いることによって、伝達損失が小さく、機械的Ｑ値が
高く、左右の振動素子の整合性の高い衝撃に強い駆動用
の音叉型振動子を得、さらに第１，第２の検知用圧電バ
イモルフ素子３を用いることによって、検知用圧電バイ
モルフ素子のコリオリの力方向の厚みを３５０μｍ以下
に薄くできるため、微小なコリオリの力に対して、高感
度、高精度の角速度センサを得ることができる。また、
第１，第２の検知用圧電バイモルフ素子３を用いること
によって、検知部を軽量化することができ、駆動部への
負荷を低減でき、従来の駆動部と検知部が恒弾性合金で
一体化された角速度センサより、機械的Ｑ値が高くなる
。

【００１４】図２は従来例での駆動部と検知部が恒弾性
合金で一体化された角速度センサの共振周波数特性図、
図３は本実施例での角速度センサの共振周波数特性図で
ある。また、図４，図５はそれぞれ従来例、本実施例の
機械的Ｑ値を導く説明図である。

【００１５】この時の検知用圧電バイモルフ素子の自由
端の振幅量は、従来例、本実施例共に２０μｍ程度にな
るように駆動用圧電素子をドライブしている。これは角
速度センサの感度として十分なものである。機械的Ｑ値
は図４，図５からｆ、Δｆを読み取り以下のように算出
する。従来例では、Ｑ＝ｆ／Δｆ＝１９９１．３／０．
８≒２４８９、本実施例ではＱ＝ｆ／Δｆ＝２３９６．
６／０．８９≒２７８７となる。すなわち従来例で２５
００程度、本実施例で２８００程度である。

【００１６】本実施例は、機械的Ｑ値が大きいことから
、周波数のズレがほとんどなく、そのため安定した振動
が得られ、従来例に比べ経時ドリフトが小さくなる。 また機械的Ｑ値及びアドミッタンスが高いことから低電
圧で駆動でき、低消費電力である。また第１，第２の駆
動用圧電素子を有する音叉構造の恒弾性合金２の機械的
Ｑ値が恒弾性合金の機械的Ｑ値に依存するため、温度変
化の影響が小さく温度変化によるゼロ点ドリフトは従来
例より低減した。

【００１７】なお、本実施例では第１，第２の駆動用圧
電素子１を有する恒弾性合金の音叉構造体２と、第１，
第２の検知用圧電バイモルフ素子３とを接合部材４を用
いて接合したが、図６に示すように、第１，第２の駆動
用圧電素子１を有する音叉構造体２と、第１，第２の検
知用圧電バイモルフ素子３とを直接導電性接着剤１０に
より接合してもよい。図６は接合部分の斜視図で、１１
は圧電セラミック板、１２は中間電極板で、この中間電
極板１２の両面に圧電セラミック板１１が貼合わせられ
、これにより第１，第２の検知用圧電バイモルフ素子３
が構成されている。図中の斜線部は銀電極部分、矢印は
圧電セラミックの分極方向を示す。

【００１８】図６において、第１，第２の検知用圧電バ
イモルフ素子３の中間電極板１２と音叉構造体２を電気
的に結合することができ、第１，第２の検知用圧電バイ
モルフ素子３のパラレル接続が容易に可能となる。また
、駆動用圧電素子１は恒弾性合金の音叉構造体２両面に
接着し、パラレル接続にしてもよい。

【００１９】（実施例２）本発明の第２の実施例を図７
に示している。すなわち、図７に示すように、第１，第
２の駆動用圧電素子１を有する恒弾性合金の音叉構造体
２の振動方向に平行な面に、第１，第２の検知用圧電バ
イモルフ素子３の出力リード７が絶縁体１３、例えば合
成ゴム系接着剤により固定されている。合成ゴム系接着
剤の接着幅は５００μｍ程度、リードの径は５０μｍ程
度で、リードはポリウレタンで被覆された銅線を用いて
いる。

【００２０】第１，第２の検知用圧電バイモルフ素子３
の出力リード７を第１図のようにリードピン９と第１，
第２の検知用圧電バイモルフ素子３とを直接リードで接
続すると、外乱振動が直接第１，第２の検知用圧電バイ
モルフ素子３に伝達されたり、第１，第２の検知用圧電
バイモルフ素子３の振動により出力リード７が振動し、
それにより、角速度センサの振動が乱れ、ゼロ点のドリ
フトが発生する。出力リード７は、角速度センサの振動
に影響を与えない部分、すなわち図７のように第１，第
２の駆動用圧電素子１を有する音叉構造体２の振動方向
に平行な面で音叉の根元部分から取り出す必要がある。 また、出力リード７を圧電素子部に接着剤により固定す
ると、接着剤を介して駆動電圧が容量結合により出力リ
ード７に漏れるため、角速度検出信号にに対して非常に
大きなオフセット電圧が発生し、正確な角速度検出を行
うことができない。本実施例では接地された恒弾性合金
部に出力リードを誘電率の小さい絶縁体により少なくと
も１点で固定するため、オフセット電圧の発生を防ぐこ
とができる。よって、ゼロ点の経時ドリフト、温度ドリ
フトが低減できる。

【００２１】（実施例３）本発明の第３の実施例を図８
により説明する。すなわち、図８に示すように、第１，
第２の駆動用圧電素子１を有する恒弾性合金の音叉構造
体２の振動方向に平行な面に溝部１４を設け、第１，第
２の検知用圧電バイモルフ素子３の出力リード７を絶縁
体１５により埋め込んでいる。溝部１４の幅、深さはと
もに２００μｍ程度、リードの径は５０μｍ程度である
。第１，第２の駆動用圧電素子１を有する音叉構造体２
は、アースに接地されている。

【００２２】本実施例では出力リード７の三方がアース
に接地された恒弾性合金に囲まれているため、第１，第
２の駆動用圧電素子１から、第１，第２の検知用圧電バ
イモルフ素子３の出力リード７に駆動電圧が漏れること
がなく、実施例２より経時ドリフト、温度ドリフトが低
減する。恒弾性合金との接着面積も実施例２より大きく
、しかも埋め込まれているために接着強度も向上する。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、角速度センサの検知部を圧電バイモルフ素子と
し、駆動部を第１，第２の駆動用圧電素子を有する恒弾
性合金の音叉構造体で一体化することによって、小振幅
から大振幅にかけて広い範囲で共振周波数、共振インピ
ーダンスの完全整合された振動モードの振動子が得られ
る。これにより、駆動部の機械的Ｑ値が大きくなり第１
，第２の検知用圧電バイモルフ素子に左右対称性の速度
（ｖ）を付与することができ、コリオリの力の検知を左
右で等しい検出を行い、外乱ノイズに対しては完全にキ
ャンセルできるという優れた効果が得られる。そして、
この効果により、経時ドリフト、温度ドリフトが小さく
検出精度の高い角速度センサが得られる。

【００２４】さらに、第１，第２の検知用圧電バイモル
フ素子の出力リードを、接地された音叉構造体の振動方
向に平行な面に、誘電率の小さい絶縁体により少なくと
も１点で固定、または第１，第２の駆動用圧電素子を有
する音叉構造の恒弾性合金を接地し、その振動方向に平
行な面に溝部を設け、第１，第２の検知用圧電バイモル
フ素子の出力リードを誘電率の小さい絶縁体により覆い
固定することによって、オフセット電圧の発生を防止で
きるという優れた効果が得られる。この効果により、経
時ドリフト、温度ドリフトが小さく、さらに外乱振動に
実用上影響されないので、検出精度の高い角速度センサ
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における角速度センサの斜視
図

【図２】従来の駆動用振動子の大振幅時における共振周
波数の特性図

【図３】本発明のセンサにおける駆動用振動子の大振幅
時における共振周波数の特性図

【図４】従来の機械的Ｑ値を導く説明図

【図５】本実施
例の機械的Ｑ値を導く説明図

【図６】本発明の他の実施
例における音叉構造体と第１，第２の検知用圧電バイモ
ルフ素子との接合部分の斜視図

【図７】本発明の他の実施例における角速度センサの斜
視図

【図８】本発明の他の実施例における角速度センサの音
叉構造体要部の断面図

【符号の説明】

１　　第１，第２の駆動用圧電素子 ２　　音叉構造体 ３　　第１，第２の検知用圧電バイモルフ素子７　　出
力リード １３，１５　　絶縁体 １４　　溝部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１，第２の駆動用圧電素子を有する恒弾
   性合金からなる音叉構造体と、この音叉構造体の先端部
   に検知軸とほぼ平行でかつ互いにほぼ直交するようにそ
   れぞれ接合した第１，第２の検知用圧電バイモルフ素子
   とを備えた角速度センサ。
2. 【請求項２】第１，第２の駆動用圧電素子を有する音叉
   構造体を接地し、その振動方向に平行な面に、第１，第
   ２の検知用圧電バイモルフ素子から引き出した出力リー
   ドを誘電率の小さい絶縁体により少なくとも１点で固定
   した請求項１記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】音叉構造体の振動方向に平行な面に溝部を
   設け、第１，第２の検知用圧電バイモルフ素子の出力リ
   ードを誘電率の小さい絶縁体により覆い固定した請求項
   ２記載の角速度センサ。