JPH04348219A - 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、ジャイロスコープ、と
く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。

【０００２】

【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
を知る手段として主に機械式の回転ジャイロが使われて
いる。

【０００３】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。

【０００４】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。したが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、とく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ページ参照）。

【０００５】角速度センサの組み立てをはじめ、多くの
電子部品などの組立，実装の過程ではんだ付け，接着を
問わず、面接合が行われている。

【０００６】従来、面接合の際、面接合される２つの被
接合部材の間に接合剤を置き、２つの被接合部材の外側
から加圧しながら、接合剤を接合面全体に行き渡らせる
ようにしていた。

【０００７】上記の原理に基づく従来の角速度センサの
構造を図４に示す。図４に示すように、検知用圧電素子
２１と駆動用圧電素子２２は接合部材２６で接合され電
極ブロック２３により、この接合された素子の一対を音
叉構造に接合している。また図中の２４は支持棒、２５
はベースである。上記構成の製造過程で駆動用圧電素子
２２と電極ブロック２３とを面接合する必要があり、は
んだ付けで接合していた。駆動用圧電素子２２と電極ブ
ロック２３とは、接合面での幅は等しく、はんだ付けは
、一対の駆動用圧電素子２２と電極ブロック２３との間
にそれぞれはんだを置き、一対の駆動用圧電素子２２の
外側から加圧しながら、電極ブロック２３を加熱すると
いう方法を用いていた。

【０００８】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２２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
れ外側の電極面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２２は電極ブロック２３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。

【０００９】速度υで振動している検知用圧電素子２１
に角速度ωの回転が加わると、検知用圧電素子２１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（ｍは検知用圧電
素子２１の先端の等価質量である。）。音叉素子は音叉
振動をしているので、ある時点で一方の検知用圧電素子
２１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２１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２１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。

【００１０】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・ｓｉｎ　　ωｏｔ υｏ：音叉振動速度振幅 ωｏ：音叉振動の角周期 であるとすれば『コリオリの力』は Ｆｃ＝２ｍ・υｏ・ω・ｓｉｎ　　ωｏｔとなり角速度
ωおよび、音叉振動速度υｏに比例しており、検知用圧
電素子２１をそれぞれ面方向に変形させる力となる。し
たがって検知用圧電素子２１の表面電荷量Ｑｃは Ｑｃ∝υｏ・ω・ｓｉｎ　　ωｏｔ となり音叉振動速度振幅υｏが一定にコントロールされ
ているとすれば Ｑｃ∝ω・ｓｉｎ　　ωｏｔ となり検知用圧電素子２１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。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の角速
度センサは、（１）その音叉構造をセラミック圧電バイ
モルフなどの圧電素子で構成されているために機械的強
度が弱い、（２）圧電素子を使用するためコスト高にな
ってしまう、（３）共振インピーダンスが高く温度ドリ
フトが大きい、という問題を有していた。

【００１２】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、機械的強度が強く、温度ドリフトの小さい角速度
センサを得ることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の角速度センサは、駆動用圧電素子を片面に
接着固定した駆動用金属板と、検知用圧電素子を片面あ
るいは両面に接着固定した検知用金属板と、前記駆動用
金属板と検知用金属板とを接合する接合部材と、前記接
合された素子を接合して音叉構造とする弾性接合部材と
を具備し、かつ前記駆動用金属板と前記検知用金属板を
振動方向がほぼ直交するよう積み上げて前記接合部材で
接合するとともに、前記接合された素子の一対を前記駆
動用金属板の端部で前記弾性接合部材により接合して音
叉構造とし、かつ前記弾性接合部材と駆動用金属板との
接合部分の縦寸法を１とすると前記駆動用金属板の端部
から前記駆動用圧電素子の接着位置までの寸法は１／２
以上となるように構成されているものである。

【００１４】

【作用】この構成によって、本発明の角速度センサは音
叉の基本の振動構造に金属板を使用し、その駆動用金属
板表面に駆動用圧電素子を接着し振動させる構成である
ため機械的強度が大きくなる。しかも前記弾性接合部材
と駆動用金属板との接合部分の縦寸法を１とすると前記
駆動用金属板の端部から駆動用圧電素子の接着位置まで
の寸法は１／２となるように構成されていることで、共
振インピーダンスを下げることができるので、駆動電圧
を下げることが可能となり、結果的に温度ドリフトを軽
減させることができるという非常に高精度で安定，安価
な角速度センサを提供することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例の角速度センサについ
て、図面を参照しながら説明する。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る。

【００１６】図１において１，２は駆動用金属板である
。３，４は、検知用金属板である。５，６はそれぞれ駆
動用金属板１，２に接着固定した駆動用圧電素子である
。７，８はそれぞれ検知用金属板３，４に接着固定した
検知用圧電素子である。９，１０は接合部材で、検知用
金属板３，４と駆動用金属板１，２をそれぞれ直交接合
している。１１，１２，１３，１４は、リード線で各圧
電素子５，６，７，８とベース１９に埋設されたリード
ピン１５，１６，１７，１８に接続されている。２０は
弾性接合部材である。

【００１７】そして接合部材２０と駆動用金属板１，２
との接合部分の縦寸法を１とすると駆動用金属板１，２
の端部から駆動用圧電素子５，６の接着位置までの寸法
は１／２以上となるように構成されている。

【００１８】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。

【００１９】駆動用圧電素子５にリード線１１を介して
リードピン１５から駆動電圧を印加すると、駆動用金属
板１が振動を始めて、対をなす駆動用金属板２が共振の
振動を始める。駆動用圧電素子２からリード線１２を介
して得られる発生電荷をリードピン１６からモニターし
て駆動用圧電素子５にフィードバックすることにより安
定した音叉振動状態が得られる。

【００２０】一方、検知信号は、図１の矢印方向に回転
角速度が生じるとそれに応じたコリオリの力が発生して
検知用金属板３，４がたわむので、圧電素子７，８から
発生する電荷を、リード線１３，１４、リードピン１７
，１８を介して計測することによって得られる。

【００２１】さて、駆動用圧電素子５，６の接着位置と
共振インピーダンスの関係を図３に示した。ここで図２
に示すように、弾性接合部材２０と駆動用金属板１，２
との接合部分の縦寸法を１とし、駆動用金属板１，２の
端部から駆動用圧電素子５，６の接着位置までの寸法を
χとしている。図３からわかるように共振インピーダン
スを下げることで振動効率が上がり、駆動電圧を下げる
ことができる。したがって、温度特性に影響を与える駆
動電圧の検知用圧電素子３，４への電圧のモレが抑えら
れ、結果的に温度ドリフトを小さくすることができる。

【００２２】また、駆動用金属板１，２、検知用金属板
３，４については、圧電素子と熱膨張係数が同じであれ
ば望ましく、恒弾性材として一般的なコバール，エリン
バといった合金材を使用すれば、より安定した振動が得
られ、かつ経時的疲労が少ないといった効果も得られる
。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように本発明に
よれば、機械的強度を大きくすることができ、しかも共
振インピーダンスを下げることで振動効率が上がり、駆
動電圧を下げることができる。

【００２４】したがって、温度特性に影響を与える駆動
電圧の検知用圧電素子への電圧のモレが抑えられ、結果
的に温度ドリフトを軽減させることができるという非常
に高精度で安定、安価な角速度センサを提供することが
できる。

【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】本実施例の角速度センサの正面図

【図３】本発
明の一実施例における角速度センサにおける駆動用圧電
素子の接着位置と共振インピーダンスの関係を示した特
性図

【図４】従来の角速度センサの正面図

【符号の説明】

１，２　　駆動用金属板 ３，４　　検知用金属板 ５，６　　駆動用圧電素子 ７，８　　検知用圧電素子 ９，１０　　接合部材 １１，１２，１３，１４　　リード線 １５，１６，１７，１８　　リードピン１９　　ベース ２０　　弾性接合部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動用圧電素子を片面に接着固定した駆動
   用金属板と、検知用圧電素子を片面あるいは両面に接着
   固定した検知用金属板と、前記駆動用金属板と検知用金
   属板とを接合する接合部材と、前記接合された素子を接
   合して音叉構造とする弾性接合部材とを具備し、かつ前
   記駆動用金属板と前記検知用金属板を振動方向がほぼ直
   交するよう積み上げて前記接合部材で接合するとともに
   、前記接合された素子の一対を前記駆動用金属板の端部
   で前記弾性接合部材により接合して音叉構造とし、かつ
   前記弾性接合部材と駆動用金属板との接合部分の縦寸法
   を１とすると前記駆動用金属板の端部から駆動用圧電素
   子の接着位置までの寸法は１／２以上となるように構成
   されていることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】駆動用金属板と検知用金属板は圧電素子と
   熱膨脹係数が同じであることを特徴とする請求項１記載
   の角速度センサ。
3. 【請求項３】駆動用金属板と検知用金属板をコバール，
   エリンバのいずれかで構成した請求項１記載の角速度セ
   ンサ。