JPH04364417A - 角速度センサ - Google Patents

角速度センサ

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JPH04364417A
JPH04364417A JP3138780A JP13878091A JPH04364417A JP H04364417 A JPH04364417 A JP H04364417A JP 3138780 A JP3138780 A JP 3138780A JP 13878091 A JP13878091 A JP 13878091A JP H04364417 A JPH04364417 A JP H04364417A
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JP
Japan
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thermal expansion
coefficient
angular velocity
sensing
tuning fork
Prior art date
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Application number
JP3138780A
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English (en)
Inventor
Masanori Yoshida
雅憲 吉田
Munehiro Tabata
宗弘 田端
Ryo Kimura
涼 木村
Hiroshi Fukushima
寛 福島
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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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23
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、温度変化等の環境条件の変化
において、角速度検出信号すなわち感度の変化、オフセ
ット電圧の発生によるゼロ点ドリフト等の問題があり、
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、感度の温度変化が小さく、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、シム材に圧電素子を貼り合
わせてなる駆動素子と検知素子とが互いにほぼ直交しか
つそれぞれ検知軸とほぼ平行となるように接合して構成
されるセンサ素子を音叉構造となるようにそれぞれの駆
動用圧電バイモルフ素子の自由端を導電部材で接合して
構成し、前記駆動素子のシム材は、その検知軸方向の熱
膨張係数が駆動用の圧電素子の熱膨張係数より小さく、
かつ前記シム材の検知軸方向に垂直な方向の熱膨張係数
より小さいという異方性を有するものである。
【0007】
【作用】本発明によれば、駆動用素子のシム材の検知軸
方向の熱膨張係数が駆動用の圧電素子の熱膨張係数より
小さく、かつ前記シム材の検知軸方向に垂直な方向の熱
膨張係数より小さいという異方性を有するものを用いる
ことによって、感度の温度変化に線形性を持たせ、サー
ミスタで補正可能にできる。さらに、シム材の異方性に
より検知軸に垂直な方向のたわみの変位が小さく、検知
軸方向のたわみの変位が大きくなることから高感度,低
損失の角速度センサ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、温度変化等の環境変化におい
てゼロ点ドリフトを小さくできる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、本発明の一実施例の角速度センサにつ
いて詳述する。
【0009】まず特許請求の範囲第1項〜第4項に対応
する実施例について説明する。 (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においてシム材の検知軸方向
の熱膨張係数が駆動用圧電素子の熱膨張係数より小さく
、かつ前記シム材の検知軸方向に垂直な方向より小さい
という異方性を有するシム材の両面に駆動用圧電素子を
貼り合わせた第1,第2の駆動用圧電バイモルフ素子2
と、第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1とを、検
知軸とほぼ平行でかつ前記第1,第2の駆動用圧電バイ
モルフ素子2と前記第1,第2の検知用圧電バイモルフ
素子1とが互いにほぼ直交するようにそれぞれ接合部材
3にて接合し、第1,第2のセンサ素子を構成し、この
第1,第2のセンサ素子が音叉構造となるように第1,
第2の駆動用圧電バイモルフ素子2のそれぞれの自由端
を導電部材4にて接合している。5はこの角速度センサ
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1から引き
出した出力リード、8は第1,第2の駆動用圧電バイモ
ルフ素子から引き出した駆動リード、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】なお駆動素子,検知素子としては、シム材
の片面に圧電素子を貼り合わせたユニモルフタイプであ
ってもよい。
【0011】この角速度センサの動作原理は、まず第1
,第2の駆動用圧電バイモルフ素子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。その時のリード線はでき
るだけ細い銅線を用いて振動に影響を与えにくい導電部
材4付近にハンダ付けされる。信号を印加された第1,
第2の駆動用圧電バイモルフ素子を有する第1,第2の
センサ素子は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】センサの感度の温度特性は、第1,第2の
駆動用圧電バイモルフ素子2の共振周波数、振幅量の温
度変化、第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1の圧
電定数(d31)の温度変化によってほぼ決まる。
【0013】なぜなら、感度は入力慣性角速度と駆動速
度の積に比例し、駆動速度は第1,第2の駆動用圧電バ
イモルフ素子2の共振周波数と振幅量の積に比例する。 また、振幅量は圧電定数(d31)の逆数に比例する。 この場合、入力慣性角速度は一定であるので、問題とな
るのは駆動速度であり、第1,第2の検知用圧電バイモ
ルフ素子1単体の感度の温度変化が一定の場合は、本セ
ンサの感度はこの駆動速度の温度変化に追従し、また駆
動速度が一定の場合は、本センサの感度は第1,第2の
検知用圧電バイモルフ素子1単体の感度すなわち圧電定
数の温度変化に追従することになる。
【0014】そこで、本実施例の第1,第2の駆動用圧
電バイモルフ素子2を用いることによって、駆動速度を
調整することができ、感度の温度変化に線形性を持たせ
、平易にサーミスタ等で補正可能の角速度センサを得る
ことができる。
【0015】図2は本実施例での第1,第2の検知用圧
電バイモルフ素子1、第1,第2の駆動用圧電バイモル
フ素子2に用いた圧電素子の圧電定数(d31)と共振
周波数(fr)の温度変化を示す図、図3は従来例での
圧電素子の熱膨張係数とほぼ等しい恒弾性合金をシム材
に用いた角速度センサの感度と共振周波数の温度変化を
示す図、図4は本実施例での角速度センサの感度と共振
周波数の温度変化を示す図である。
【0016】第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1
、第1,第2の駆動用圧電バイモルフ素子2に用いた圧
電素子は、従来例,本実施例ともに同一のものを用い、
圧電素子の熱膨張係数は8×10−6/℃である。また
、第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1のシム材は
圧電素子の熱膨張係数とほぼ等しい恒弾性合金板を用い
た。本実施例の異方性を有するシム材は、線径10μm
のカーボンファイバーを用いた厚みが50μmのプリプ
レグを2枚クロスさせたもので、検知軸方向の熱膨張係
数が0.5×10−6/℃、検知軸に垂直な方向の熱膨
張係数が18×10−6/℃である。
【0017】図3,図4より従来例では、高温側で共振
周波数が低下し、駆動速度が低下するために感度が落ち
ているが、本実施例では、高温側で共振周波数が上昇し
、駆動速度が増加するために、感度が落ちず、直線的に
変化している。よって、サーミスタ等により平易に補正
することが可能である。
【0018】また、従来例,本実施例ともに同一の寸法
,形状であるにもかかわらず、異方性を有するシム材を
用いた本実施例の方が1.1〜1.2倍の高感度が得ら
れ、振幅量が大きくなっていることがわかる。よって、
SN比を大きくすることができ、ゼロ点ドリフトを小さ
くすることができる。
【0019】(実施例2)本発明の第2の実施例での角
速度センサの感度の温度変化を図5に示している。本セ
ンサの構成は、第1,第2の駆動用圧電バイモルフ素子
2は実施例1に示した従来例と同一の材料構成で、第1
,第2の検知用圧電バイモルフ素子1のシム材は、その
検知軸方向の熱膨張係数が圧電素子より小さく5×10
−6/℃程度の恒弾性合金を用いている。
【0020】図3の従来例と比較すると、本実施例は感
度の温度変化が小さくなっている。 (実施例3)本発明の第3の実施例での角速度センサの
感度の温度変化を図6に示している。図6のaの曲線は
第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1のシム材をカ
ーボンファイバーのプリプレグ(厚み50μm)を2枚
クロスさせ、検知軸方向の熱膨張係数が0.5×10−
6/℃、検知軸に垂直な方向の熱膨張係数が18×10
−6/℃のものを用いた角速度センサの感度の温度変化
で、bはカーボンファイバーのプリプレグ(厚み50μ
m)を2枚一方向で重ねた、検知軸方向の熱膨張係数が
−0.5×10−6/℃、検知軸に垂直な方向の熱膨張
係数が30×10−6/℃のものを用いた角速度センサ
の感度の温度変化である。
【0021】実施例2と本実施例を比較すると、検知軸
方向の熱膨張係数が小さくなるにつれ、感度の温度変化
を示す曲線の傾きが正から負に変化していることがわか
る。また、aとbの角速度センサの25℃における感度
は、aよりbの方が1.1倍程度の高感度が得られた。 よって、本実施例では、感度の温度変化が小さいことを
重視する角速度センサが必要ならばaを、高感度を得て
ゼロ点の経時ドリフト,温度ドリフトの低減を重視する
角速度センサが必要ならばbを選択すればよい。よって
、第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1のシム材に
異方性を持たせることによって、目的に応じた角速度セ
ンサを得ることができる。
【0022】(実施例4)本発明の第4の実施例での角
速度センサの感度の温度変化を図7に示している。この
角速度センサは、実施例1のシム材が異方性を有する第
1,第2の駆動用圧電バイモルフ素子2と実施例2のシ
ム材の熱膨張係数が圧電素子より小さい第1,第2の検
知用圧電バイモルフ素子1との組合せで構成してある。
【0023】本センサの感度の温度変化は、実施例1よ
り感度の温度変化が直線的であり、しかも低減している
【0024】(実施例5)本発明の第5の実施例での角
速度センサの感度の温度変化を図8に示している。実施
例4の第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1のシム
材を熱膨張係数を検知軸方向が0.5×10−6/℃、
検知軸と垂直な方向が18×10−6/℃とすることに
より、実施例4よりもさらに感度の温度変化を小さくす
ることができ、しかも1.1倍程度高感度となるのでS
N比が向上し、ゼロ点ドリフトも低減できる。
【0025】次に特許請求の範囲第5項〜第8項および
第12,13項に対応する実施例について説明する。
【0026】(実施例6)図9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において部材の
検知軸方向の熱膨張係数が側面に貼り付けられている第
1,第2の駆動用圧電素子11の熱膨張係数より小さく
、かつ検知軸に垂直な方向の熱膨張係数より小さいとい
う異方性を有する部材からなる音叉構造片12の先端部
には、第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子13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14にて接合されており、音叉構造体とし
ている。15はこの音叉構造片12を支持する弾性部材
、16は角速度センサ全体のベース、17は第1,第2
の検知用圧電バイモルフ素子13から引き出した出力リ
ード、18は第1,第2の駆動用圧電素子1から引き出
した駆動リード、19はこれらのリード17,18が接
続されるリードピンである。
【0027】なお検知素子としては、シム材の片面に圧
電素子を貼り合わせたユニモルフタイプであってもよい
【0028】この角速度センサの動作原理は、まず部材
の検知軸方向の熱膨張係数が第1,第2の駆動用圧電素
子11の熱膨張係数より小さく、かつ検知軸に垂直な方
向の熱膨張係数より小さいという異方性を有する部材か
らなる音叉構造片12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。その時の駆動リード18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片12
の根元付近の第1,第2の駆動用圧電素子11にハンダ
付けされる。信号が印加された音叉構造片12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。
【0029】センサの感度の温度特性は、第1,第2の
駆動用圧電素子11を有する音叉構造片12の共振周波
数、振幅量の温度変化、第1,第2の検知用圧電バイモ
ルフ素子13の共振周波数、圧電定数(d31)の温度
変化によってほぼ決まる。
【0030】なぜなら、感度は入力慣性角速度と駆動速
度の積に比例し、駆動速度は第1,第2の駆動用圧電素
子11を有する音叉構造片12の共振周波数と振幅量の
積に比例する。また、振幅量は圧電定数(d31)の逆
数に比例する。この場合、入力慣性角速度は一定である
ので、問題となるのは駆動速度であり、第1,第2の検
知用圧電バイモルフ素子13単体の感度の温度変化が一
定の場合は、本センサの感度はこの駆動速度の温度変化
に追従し、また駆動速度が一定の場合は、本センサの感
度は第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子13単体の
感度すなわち圧電定数の温度変化に追従することになる
【0031】そこで、本実施例の音叉構造片12を用い
ることによって、駆動速度を調整することができ、感度
の温度変化に線形性を持たせ、平易にサーミスタ等で補
正可能の角速度センサを得ることができる。
【0032】図2は本実施例での第1,第2の駆動用圧
電素子11、第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1
3に用いた圧電素子の圧電定数(d31)と共振周波数
(fr)の温度変化を示す図、図10は従来例での第1
,第2の駆動用圧電素子11の熱膨張係数とほぼ等しい
恒弾性合金を音叉構造片に用いた角速度センサの感度と
共振周波数の温度変化を示す図、図11は本実施例での
角速度センサの感度と共振周波数の温度変化を示す図で
ある。
【0033】第1,第2の駆動用圧電素子11、第1,
第2の検知用圧電バイモルフ素子13に用いた圧電素子
は、従来例,本実施例ともに同一のものを用い、圧電素
子の熱膨張係数は8×10−6/℃である。また、第1
,第2の検知用圧電バイモルフ素子13のシム材は圧電
素子の熱膨張係数とほぼ等しい恒弾性合金板を用いた。 本実施例の異方性を有する部材は、線径10μmのカー
ボンファイバーを用いた厚みが50μmのプリプレグを
クロスさせながら積層し硬化させた積層板で、検知軸方
向の熱膨張係数が0.5×10−6/℃、検知軸に垂直
な方向の熱膨張係数が18×10−6/℃である。
【0034】図10,図11より従来例では、高温側で
共振周波数が低下し、駆動速度が低下するために感度が
落ちているが、本実施例では、高温側で共振周波数が上
昇し、駆動速度が増加するために、感度が落ちず、直線
的に変化している。よって、サーミスタ等により容易に
補正することが可能である。
【0035】(実施例7)本発明の第7の実施例での角
速度センサの感度の温度変化を図12に示している。本
センサの構成は、音叉構造片12は実施例6に示した従
来例と同一の材料構成で、第1,第2の検知用圧電バイ
モルフ素子13のシム材は、その検知軸方向の熱膨張係
数が5×10−6/℃程度の恒弾性合金を用いている。
【0036】図10の従来例と比較すると、本実施例は
感度の温度変化が小さくなっている。
【0037】(実施例8)本発明の第8の実施例での角
速度センサの感度の温度変化を図13に示している。図
13のaの曲線は第1,第2の検知用圧電バイモルフ素
子13のシム材をカーボンファイバーのプリプレグ(厚
み50μm)を2枚クロスさせ、検知軸方向の熱膨張係
数が0.5×10−6/℃、検知軸に垂直な方向の熱膨
張係数が18×10−6/℃のものを用いた角速度セン
サの感度の温度変化で、bはカーボンファイバーのプリ
プレグ(厚み50μm)を2枚一方向で重ねた、検知軸
方向の熱膨張係数が−0.5×10−6/℃、検知軸に
垂直な方向の熱膨張係数が30×10−6/℃のものを
用いた角速度センサの感度の温度変化である。
【0038】実施例7と比較すると、検知軸方向の熱膨
張係数が小さくなるにつれ、感度の温度変化の曲線の傾
きが正から負に変化していることがわかる。また、aと
bの角速度センサの25℃における感度は、aよりbの
方が1.1倍程度の感度が得られた。よって、本実施例
では、感度の温度変化が小さいことを重視する角速度セ
ンサが必要ならばaを、高感度を得てゼロ点の経時ドリ
フト,温度ドリフトの低減を重視する角速度センサが必
要ならばbを選択すればよい。よって、第1,第2の検
知用圧電バイモルフ素子13のシム材に異方性を持たせ
ることによって、目的に応じた角速度センサを得ること
ができる。
【0039】(実施例9)本発明の第9の実施例での角
速度センサの感度の温度変化を図14に示している。こ
の角速度センサは、実施例1の異方性を有する音叉構造
片12と実施例2の第1,第2の検知用圧電バイモルフ
素子との組合せで構成してある。
【0040】本センサの感度の温度変化は、第1,第2
の駆動用圧電素子11より熱膨張係数が小さな部材で音
叉構造片12を構成することにより、直線的に変化し、
第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子13のシム材の
熱膨張係数を小さくすることにより、感度の温度変化を
実施例1よりも低減させた。
【0041】(実施例10)本発明の第10の実施例で
の角速度センサの感度の温度変化を図15に示している
。実施例4の第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1
3のシム材を熱膨張係数を検知軸方向が0.5×10−
6/℃、検知軸と垂直な方向が18×10−6/℃とす
ることにより、実施例4よりもさらに感度の温度変化を
小さくすることができ、しかも1.1倍程度高感度とな
るのでSN比が向上し、ゼロ点ドリフトも低減できる。
【0042】(実施例11)本発明の第11の実施例を
図16に示している。すなわち、図16に示すように、
第1,第2の駆動用圧電素子11を有する音叉構造片1
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13の出力リード7を絶縁体20、例えば
合成ゴム系接着剤にて固定されている。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。
【0043】第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子1
3の出力リード17を図面を図1のようにリードピン1
9と第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子13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13に伝達されたり、第1,第
2の検知用圧電バイモルフ素子13の振動により出力リ
ード17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17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16のように第1,第2の駆動用圧電素子11を有す
る音叉構造片12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17を圧電
素子部に接着剤にて固定すると、接着剤を介して駆動電
圧が容量結合にて出力リード17に漏れるため、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
、正確な角速度検出を行うことができない。本実施例で
は接地された音叉構造片12に出力リード17を誘電率
の小さい絶縁体20より少なくとも一点で固定するため
、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。
【0044】(実施例12)本発明の第12の実施例を
図17により説明する。すなわち図17に示すように、
第1,第2の駆動用圧電素子11を有する音叉構造片1
2の振動方向に平行な面に溝部12aを設け、第1,第
2の検知用圧電バイモルフ素子13の出力リード17を
絶縁体20にて埋め込んでいる。溝部12a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11を有する音叉構
造片12は、アースに接地されている。
【0045】本実施例では出力リード17の三方がアー
スに接地された部材に囲まれているため、第1,第2の
駆動用圧電素子11から、第1,第2の検知用圧電バイ
モルフ素子13の出力リード17に駆動電圧が漏れるこ
とがなく、実施例11より経時ドリフト,温度ドリフト
が低減した。恒弾性合金との接着面積も実施例11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
した。
【0046】次に特許請求の範囲第9項〜第13項に対
応する実施例について説明する。 (実施例13)図18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18において部材の検知軸
方向の熱膨張係数が側面に貼り付けられている第1,第
2の駆動用圧電素子22の熱膨張係数より小さいという
部材の音叉構造体23に、検知軸とほぼ平行で、かつ互
いにほぼ直交するように第1,第2の駆動用圧電素子2
2を貼り合わせされている。21は第1,第2の検知用
圧電素子、24は角速度センサを支持する弾性部材、2
5は角速度センサ全体のベース、26は第1,第2の検
知用圧電素子1から引き出した出力リード、27は第1
,第2の駆動用圧電素子から引き出した駆動リード、2
8はこれらのリード26,27が接続されるリードピン
である。
【0047】この角速度センサの動作原理は、まず部材
の検知軸方向の熱膨張係数が第1,第2の駆動用圧電素
子22の熱膨張係数より小さいという部材の音叉構造体
23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
の時の駆動リード27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23の根元付近の第1
,第2の駆動用圧電素子22にハンダ付けされる。信号
が印加された音叉構造体23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。
【0048】センサの感度の温度特性は、第1,第2の
駆動用圧電素子22を有する音叉構造体23の共振周波
数、振幅量の温度変化、第1,第2の検知用圧電素子2
2の共振周波数,圧電定数(d31)の温度変化によっ
てほぼ決まる。
【0049】なぜなら、感度は入力慣性角速度と駆動速
度の積に比例し、駆動速度は第1,第2の駆動用圧電素
子22を有する音叉構造体23の共振周波数と振幅量の
積に比例する。また、第1,第2の駆動用圧電素子22
の振幅量は圧電定数(d31)の逆数に比例する。この
場合、入力慣性角速度は一定であるので、問題となるの
は駆動速度であり、第1,第2の検知用圧電素子21の
感度の温度変化が一定の場合は、本センサの感度はこの
駆動速度の温度変化に追従し、また駆動速度が一定の場
合は、本センサの感度は第1,第2の検知用圧電素子2
1の感度すなわち圧電定数の温度変化に追従することに
なる。
【0050】そこで、本実施例の音叉構造体23を用い
ることによって、駆動速度を調整することができ、感度
の温度変化に線形性を持たせ、平易にサーミスタ等で補
正可能の角速度センサを得ることができる。
【0051】図2は本実施例での第1,第2の検知用圧
電素子21の圧電定数(d31)と共振周波数(fr)
の温度変化を示す図、図19は第1,第2の駆動用圧電
素子22の圧電定数(d31)と共振周波数(fr)の
温度変化を示す図、図20は従来例での第1,第2の駆
動用圧電素子22の熱膨張係数より小さくない、ほぼ1
0×10−6/℃程度の恒弾性合金を音叉構造体23の
部材に用いた角速度センサの感度と共振周波数の温度変
化を示す図、図21は本実施例での角速度センサの感度
と共振周波数の温度変化を示す図である。
【0052】第1,第2の検知用圧電素子21および第
1,第2の駆動用圧電素子22は、従来例,本実施例と
もにそれぞれ同一のものを用い、熱膨張係数は第1,第
2の検知用圧電素子21で5.2×10−6/℃、第1
,第2の駆動用圧電素子2で8×10−6/℃である。 本実施例の部材の検知軸方向の熱膨張係数が第1,第2
の駆動用圧電素子22の熱膨張係数より小さいという音
叉構造体23には、熱膨張係数が7×10−6/℃で、
第1,第2の検知用圧電素子21より大きく、第1,第
2の駆動用圧電素子22より小さい恒弾性合金を用いた
【0053】従来例と本実施例を比較すると、図20,
図21より従来例では、高温側で共振周波数が低下し、
駆動速度が低下するために感度が落ちているが、本実施
例では、高温側で共振周波数が上昇し、駆動速度が増加
するために、従来例と異なり感度が落ちず、従来例より
線形的に変化をしている。よって、サーミスタ等により
平易に補正することが可能である。
【0054】(実施例14)本発明の第14の実施例で
の角速度センサの感度と共振周波数の温度変化を図22
に示している。本センサの構成は、第1,第2の検知用
圧電素子21には実施例1で用いた第1,第2の駆動用
圧電素子22を、第1,第2の駆動用圧電素子22には
実施例13で用いた第1,第2の検知用圧電素子21と
同一材料をそれぞれ用い、部材の検知軸方向の熱膨張係
数が第1,第2の検知用圧電素子21の熱膨張係数より
小さいという部材の音叉構造体23には、実施例13と
同じく熱膨張係数が7×10−6/℃で、第1,第2の
駆動用圧電素子22より大きく、第1,第2の検知用圧
電素子21より小さい恒弾性合金を用いた。
【0055】従来例と本実施例を比較すると、本実施例
では、高温側で共振周波数が従来例より低下し駆動速度
が低下するために感度が落ちるが、第1,第2の検知用
圧電素子21より熱膨張係数が小さい恒弾性合金を用い
ている効果のために、−20℃〜80℃の感度変化率は
小さくなっている。
【0056】(実施例15)本発明の第15の実施例で
の角速度センサの感度と共振周波数の温度変化を図23
に示している。本センサの構成は、第1,第2の検知用
圧電素子21、第1,第2の駆動用圧電素子22には、
実施例14と同一のものを用い、部材の検知軸方向の熱
膨張係数が第1,第2の駆動用圧電素子22、かつ第1
,第2の検知用圧電素子21の熱膨張係数より小さいと
いう音叉構造体23には熱膨張係数が4.4×10−6
/℃の恒弾性合金を用いた。
【0057】本実施例では、音叉構造体23の熱膨張係
数が第1,第2の駆動用圧電素子22より小さいという
効果で、従来例より高温側での共振周波数の低下が小さ
くなり感度がほぼ線形的な変化をし、さらに第1,第2
の検知用圧電素子21より小さいという効果で変化率が
小さくなっている。
【0058】本実施例では、第1,第2の検知用圧電素
子21と第1,第2の駆動用圧電素子22とで異なる材
料を用いたが、同一の圧電素子を用いてもよい。例えば
、第1,第2の検知用圧電素子21と第1,第2の駆動
用圧電素子22として図2に示す熱膨張係数が5.2×
10−6/℃の圧電素子を用いた場合は、音叉構造体2
3には熱膨張係数が4.4×10−6/℃の恒弾性合金
を、図19に示す熱膨張係数が8×10−6/℃の圧電
素子を用いた場合は、音叉構造体23には熱膨張係数が
7×10−6/℃恒弾性合金を用いれば、本実施例と同
等の効果が得られる。つまり、第1,第2の検知用圧電
素子21と第1,第2の駆動用圧電素子22より熱膨張
係数の小さい恒弾性合金を音叉構造体23に用いること
がポイントである。
【0059】(実施例16)本発明の第16の実施例で
の角速度センサの感度と共振周波数の温度変化を図24
に示している。本センサの構成は、第1,第2の検知用
圧電素子21として図2に示す熱膨張係数が5.2×1
0−6/℃の圧電素子を用い、第1,第2の駆動用圧電
素子22として図19に示す熱膨張係数が8×10−6
/℃の圧電素子を用い、異方性を有する音叉構造体23
として線径10μmのカーボンファイバーを用いた厚み
が50μmのプリプレグをクロスさせながら積層し硬化
させた積層板で、検知軸方向の熱膨張係数が0.5×1
0−6/℃、検知軸に垂直な方向の熱膨張係数が18×
10−6/℃である。
【0060】本実施例では、実施例15より音叉構造体
23の熱膨張係数が第1,第2の駆動用圧電素子22よ
り小さいという効果で、実施例15より高温側で共振周
波数が増加し感度が線形的な変化をし、さらに第1,第
2の検知用圧電素子21より小さいという効果で変化率
が小さくなっている。
【0061】さらに部材の異方性により、検知軸と垂直
方向のたわみの変位が小さくなり、検知軸方向のたわみ
の変位が大きくなることから、実施例15より25℃に
おいて1.2倍高感度で低損失の角速度センサが得られ
た。よって、ゼロ点の経時ドリフト,温度ドリフトが低
減した。
【0062】本実施例では、第1,第2の検知用圧電素
子21と第1,第2の駆動用圧電素子22とで異なる材
料を用いたが、同一の圧電素子を用いてもよい。つまり
、第1,第2の検知用圧電素子21と第1,第2の駆動
用圧電素子22より熱膨張係数の小さい異方性を有する
音叉構造体23に用いることがポイントである。また、
カーボンファイバーのプリプレグをさまざまな方向で重
ね合わせることで、異方性を有する音叉構造体23の熱
膨張係数を自由に変えることができ、第1,第2の検知
用圧電素子21と、第1,第2の駆動用圧電素子22の
熱膨張係数,圧電定数等の諸特性に合わせて、角速度セ
ンサの特性を変えることができる。
【0063】第1,第2の検知用圧電素子21と第1,
第2の駆動用圧電素子22を音叉構造体23に貼り合わ
せる位置は、感度の温度変化に影響しないのでどこに貼
り合わせてもよい。また、音叉構造体23は、より高感
度,低損失を得るために図25のような構造にしてもよ
い。
【0064】(実施例17)本発明の第17の実施例を
図26に示している。すなわち、図26に示すように、
音叉構造体23の振動方向に平行な面に、第1,第2の
検知用圧電素子21の出力リード6を絶縁体29、例え
ば合成ゴム系接着剤にて固定されている。合成ゴム系接
着剤の接着幅は1mm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。
【0065】第1,第2の検知用圧電素子21の出力リ
ード26を図18のようにリードピン28と第1,第2
の検知用圧電素子21とを直接リードで接続すると、外
乱振動が直接第1,第2の検知用圧電素子21に伝達さ
れたり、第1,第2の検知用圧電素子21の振動により
出力リード26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
26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26のように音叉構造体23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26を圧電素子部に接着剤にて固定すると、接
着剤を介して駆動圧電が容量結合にて出力リード26に
漏れるため、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、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音叉構造体23に出力
リード26を誘電率の小さい絶縁体29にて少なくとも
一点で固定するため、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。
【0066】(実施例18)本発明の第18の実施例を
図27により説明する。すなわち図27に示すように、
音叉構造体23の振動方向に平行な面に溝部23aを設
け、第1,第2の検知用圧電素子21の出力リード26
を絶縁体29にて埋め込んでいる。溝部23aの幅,深
さはともに500μm程度、リードの径は50μm程度
である。
【0067】本実施例では出力リード26の三方がアー
スに接地された部材に囲まれているため、第1,第2の
駆動用圧電素子22から、第1,第2の検知用圧電素子
21の出力リード26に駆動圧電が漏れることがなく、
実施例17より経時ドリフト,温度ドリフトが低減した
。音叉構造体23との接着面積も実施例17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した。
【0068】
【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、感度の温度変化に線形性を持たせ、また感度の
温度変化を小さくできる。さらに、また大きな感度を得
られ、かつSN比を向上させることができる。よって角
速度センサの感度の温度変化を小さくでき、さらに温度
変化,時間変化等の環境変化においてゼロ点ドリフトを
小さくできるので検出精度の高い角速度センサを提供で
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2】本実施例での第1,第2の検知用圧電バイモル
フ素子、第1,第2の駆動用圧電バイモルフ素子に用い
た圧電素子の圧電定数と共振周波数の温度変化を示す特
性図
【図3】従来例での第1,第2の検知用圧電バイモルフ
素子、第1,第2の駆動用圧電バイモルフ素子に用いた
圧電素子の熱膨張係数とほぼ等しい恒弾性合金板をそれ
ぞれのシム材に用いた角速度センサの感度と共振周波数
の温度変化を示す特性図
【図4】本実施例での角速度センサの感度と共振周波数
の温度変化を示す特性図
【図5】本発明の他の実施例における角速度センサの感
度の温度変化を示す特性図
【図6】本発明の他の実施例における角速度センサの感
度の温度変化を示す特性図
【図7】本発明の他の実施例における角速度センサの感
度の温度変化を示す特性図
【図8】本発明の他の実施例における角速度センサの感
度の温度変化を示す特性図
【図9】本発明の他の実施例における角速度センサの斜
視図
【図10】従来例での第1,第2の駆動用圧電素子の熱
膨張係数とほぼ等しい恒弾性合金を音叉構造体に用いた
角速度センサの感度と共振周波数の温度変化を示す特性
【図11】本実施例での角速度センサの感度と共振周波
数の温度変化を示す特性図
【図12】本発明の他の実施例における角速度センサの
感度の温度変化を示す特性図
【図13】本発明の他の実施例における角速度センサの
感度の温度変化を示す特性図
【図14】本発明の他の実施例における角速度センサの
感度の温度変化を示す特性図
【図15】本発明の他の実施例における角速度センサの
感度の温度変化を示す特性図
【図16】本発明の他の実施例における角速度センサの
斜視図
【図17】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
【図18】本発明の他の実施例における角速度センサの
斜視図
【図19】本実施例での第1,第2の駆動用圧電素子の
圧電定数と共振周波数の温度変化を示す特性図
【図20
】従来例での熱膨張係数が10×10−6/℃の恒弾性
合金を音叉構造体に用いた角速度センサの感度と共振周
波数の温度変化を示す特性図
【図21】本実施例での角速度センサの感度と共振周波
数の温度変化を示す特性図
【図22】本発明の他の実施例における角速度センサの
感度と共振周波数の温度変化を示す特性図
【図23】本
発明の他の実施例における角速度センサの感度と共振周
波数の温度変化を示す特性図
【図24】本発明の他の実
施例における角速度センサの感度と共振周波数の温度変
化を示す特性図
【図25】本発明の他の実施例における
角速度センサの斜視図
【図26】本発明の他の実施例における角速度センサの
斜視図
【図27】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の検知用圧電バイモルフ素子2  第
1,第2の駆動用圧電バイモルフ素子3  接合部材 4  導電部材 5  弾性部材 6  ベース 7  出力リード 8  駆動リード 9  リードピン 11  第1,第2の駆動用圧電素子 12  音叉構造片 12a  溝部 13  第1,第2の検知用圧電バイモルフ素子14 
 接合部材 15  弾性部材 16  ベース 17  出力リード 18  駆動リード 19  リードピン 20  絶縁体 21  第1,第2の検知用圧電素子 22  第1,第2の駆動用圧電素子 23  音叉構造体 23a  溝部 24  弾性部材 25  ベース 26  出力リード 27  駆動リード 28  リードピン 29  絶縁体

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シム材に圧電素子を貼り合わせてなる駆動
    素子と検知素子とが互いにほぼ直交しかつそれぞれ検知
    軸とほぼ平行となるように接合して構成されるセンサ素
    子を音叉構造となるようにそれぞれの駆動素子の自由端
    を接合して構成し、前記駆動素子のシム材は、その検知
    軸方向の熱膨張係数が駆動用の圧電素子の熱膨張係数よ
    り小さく、かつ前記シム材の検知軸方向に垂直な方向の
    熱膨張係数より小さいという異方性を有することを特徴
    とする角速度センサ。
  2. 【請求項2】シム材に圧電素子を貼り合わせてなる駆動
    素子と検知用圧電バイモルフ素子とが互いにほぼ直交し
    かつそれぞれ検知軸とほぼ平行となるように接合して構
    成されるセンサ素子を音叉構造となるようにそれぞれの
    駆動素子の自由端を導電部材で接合して構成し、前記検
    知素子のシム材は、その検知軸方向の熱膨張係数が検知
    用の圧電素子の熱膨張係数より小さいという異方性を有
    することを特徴とする角速度センサ。
  3. 【請求項3】駆動素子のシム材は、その検知軸方向の熱
    膨張係数が駆動用の圧電素子の熱膨張係数より小さく、
    かつ前記シム材の検知軸方向に垂直な方向の熱膨張係数
    より小さいという異方性を有することを特徴とする請求
    項2記載の角速度センサ。
  4. 【請求項4】検知素子のシム材は、その検知軸方向の熱
    膨張係数が検知軸と垂直の方向の熱膨張係数より小さい
    という異方性を有することを特徴とする請求項2または
    3記載の角速度センサ。
  5. 【請求項5】音叉構造片の両側面にそれぞれ駆動用圧電
    素子を貼り合わせた振動部材の先端に、検知素子を前記
    駆動用圧電素子と検知素子とが互いにほぼ直交しかつそ
    れぞれ検知軸とほぼ平行となるように接合して音叉構造
    体とし、前記音叉構造片は、その検知軸方向の熱膨張係
    数が前記駆動用圧電素子の熱膨張係数より小さく、かつ
    前記音叉構造片の検知軸に垂直な方向の熱膨張係数より
    小さいという異方性を有することを特徴とする角速度セ
    ンサ。
  6. 【請求項6】音叉構造片の両側面にそれぞれ駆動用圧電
    素子を貼り合わせた振動部材の先端に、シム材に検知用
    圧電素子を貼り合わせてなる検知素子とを、前記駆動用
    圧電素子と検知用圧電素子とが互いにほぼ直交しかつそ
    れぞれ検知軸とほぼ平行となるように接合して音叉構造
    体とし、前記検知素子のシム材は、その検知軸方向の熱
    膨張係数が検知用圧電素子の熱膨張係数より小さいとい
    う異方性を有することを特徴とする角速度センサ。
  7. 【請求項7】音叉構造片は、その検知軸方向の熱膨張係
    数が駆動用圧電素子の熱膨張係数より小さく、かつ前記
    音叉構造片の検知軸に垂直な方向の熱膨張係数より小さ
    いという異方性を有することを特徴とする請求項6記載
    の角速度センサ。
  8. 【請求項8】検知素子のシム材は、その検知軸方向の熱
    膨張係数が検知軸と垂直の方向の熱膨張係数より小さい
    という異方性を有することを特徴とする請求項6または
    7記載の角速度センサ。
  9. 【請求項9】2つの柱状片を備えた音叉構造体のそれぞ
    れの柱状片に駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを互い
    にほぼ直交しかつそれぞれ検知軸とほぼ平行となるよう
    に貼り合わせて構成し、前記音叉構造体の検知軸方向の
    熱膨張係数が前記駆動用圧電素子および検知用圧電素子
    の熱膨張係数より小さいという異方性を有することを特
    徴とする角速度センサ。
  10. 【請求項10】2つの柱状片を備えた音叉構造体のそれ
    ぞれの柱状片に駆動用圧電素子と検知用圧電素子とを互
    いにほぼ直交しかつそれぞれ検知軸とほぼ平行となるよ
    うに貼り合わせて構成し、前記音叉構造体は、その検知
    軸方向の熱膨張係数が前記駆動用圧電素子の熱膨張係数
    より小さいか、または検知用圧電素子の熱膨張係数より
    小さいという異方性を有することを特徴とする角速度セ
    ンサ。
  11. 【請求項11】音叉構造体の検知軸方向の熱膨張係数は
    、検知軸と垂直な方向の熱膨張係数より小さいという条
    件も満たすことを特徴とする請求項9または10記載の
    角速度センサ。
  12. 【請求項12】音叉構造体のこの振動方向に対して平行
    な面に、検知用圧電素子の出力リードを誘電率の低い絶
    縁体で固定し、かつ音叉構造体を接地したことを特徴と
    する請求項5,6,7,8,9,10または11に記載
    の角速度センサ。
  13. 【請求項13】検知用圧電素子の出力リードは、音叉構
    造体のこの振動方向に対して平行な面に設けた溝部には
    め込まれ、誘電率の低い絶縁体で充填して固定されてい
    ることを特徴とする請求項12記載の角速度センサ。
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