JPH04364417A - 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

【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

【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。