JPH04372814A - 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から多
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】このように構成された
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、温度変化などの環境条件
の変化において、角速度検出信号即ち感度の変化、セン
サ間の特性ばらつき等の問題がある。

【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、センサ間の特性ばらつきの小さい
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】本発明は上記目的を達成
するために、本発明の角速度センサは、交流駆動電圧の
印加により振動駆動される駆動用圧電素子を有する駆動
部と、その振動方向と直交する方向の屈曲状態を電気的
に検出する検知用圧電素子とを有する検知部とを互いに
直交するように配置し、前記検知部の厚み方向の機械的
質係数（ＱＳ）が５０以上５００以下で、かつ前記検知
部の厚み方向の固有振動数（ｆＳ）と前記駆動部の厚み
方向の固有振動数（ｆＤ）の比（ｆＳ／ｆＤ）が、以下
の（数２）を満たすように構成したものである。

【０００７】

【数２】

【０００８】

【作用】本発明によれば、角速度センサの検知部の厚み
方向の機械的質係数（ＱＳ）が５０以上５００以下で、
かつ前記検知部の厚み方向の固有振動数（ｆＳ）と前記
駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆＤ）の比（ｆＳ／ｆ
Ｄ）が、（数２）を満たすように設定することによって
、駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆＤ）が検知部の厚
み方向の共振特性の平坦な領域即ち検知部の感度変化の
小さい領域に設定されているために、角速度センサの駆
動周波数が変化しても検知部の感度変化を小さくできる
ので検出精度の高い角速度センサを提供でき、さらにセ
ンサ間のばらつきを低減することができる。

【０００９】

【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。

【００１０】（実施例１）図２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２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、シム材の両面に検知用圧電素
子を貼り合わせてなる第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。

【００１１】この振動型角速度センサセンサの動作原理
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２の根元付近にハン
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る。

【００１３】さらに、感度の変化、センサ間の特性ばら
つきについては、角速度センサの検知部の厚み方向の固
有振動数（ｆＳ）と駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆ
Ｄ）の比（ｆＳ／ｆＤ）、即ち検知部の共振周波数と駆
動周波数の比が影響する。

【００１４】そこで本実施例では、図１に示すように、
角速度センサの検知部の厚み方向の固有振動数（ｆＳ）
と駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆＤ）の比（ｆＳ／
ｆＤ）が１．２となるように設定した。検知部の厚み方
向の機械的質係数（ＱＳ）は２２０、検知部の厚み方向
の固有振動数（ｆＳ）は１８３０Ｈｚ、駆動部の厚み方
向の固有振動数（ｆＤ）は１５２０Ｈｚである。本セン
サ作製においての駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆＤ
）のばらつきは設定周波数を中心に±３％であり、セン
サ感度のばらつきは平均値±４％であった。２５℃から
７０℃の温度変化で感度は１．０５倍以内であった。ば
らつきが小さいのは検知部の厚み方向の共振特性の平坦
な領域（図１の斜線の領域）即ち検知部の利得変化の小
さい領域に設定されているために、角速度センサの駆動
周波数が変化しても検知部の感度変化を小さくできるの
である。

【００１５】検知部の厚み方向の共振特性の平坦でない
領域で角速度センサを駆動させると、検知部の利得変化
が大きいためにセンサ感度がばらつき、さらに温度変化
，経時変化等の環境条件の変化によって、駆動周波数の
変化によりセンサ感度が変化してしまう。例えば、検知
部の厚み方向の固有振動数（ｆＳ）と駆動部の厚み方向
の固有振動数（ｆＤ）の比（ｆＳ／ｆＤ）が１．０５と
なるように設定すると、ｆＳ／ｆＤが１に近いため高感
度が得られるものの、センサ感度のばらつきが平均値±
５０％、２５℃から７０℃の温度変化で感度が３倍と大
きく変化した。検知部の厚み方向の固有振動数（ｆＳ）
と駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆＤ）の比（ｆＳ／
ｆＤ）が１．６となるように設定すると、センサ感度の
ばらつきが平均値±９％、２５℃から７０℃の温度変化
で感度が１．１５倍と変化した。

【００１６】本実施例による検知部の厚み方向の機械的
質係数（ＱＳ）と検知部の利得変化の小さいｆＳ／ｆＤ
領域との関係を一例として（表１）に示し、同時にその
関係は（数２）で表すことができる。

【００１７】

【表１】

【００１８】この（表１）から明らかなように、本実施
例による検知部の厚み方向の機械的質係数（ＱｆＳ）と
検知部の利得変化の小さいｆＳ／ｆＤ領域との関係は（
数１）で表され、（数１）を満たすように設定すること
でセンサ感度がばらつき、温度変化，経時変化等の環境
条件の変化によるセンサ感度の変化を小さくできるとい
う優れた効果が得られる。

【００１９】なお、本実施例では（図１）に示すような
音叉構造の角速度センサを用いたが、検知部の厚み方向
の固有振動数（ｆＳ）と駆動部の厚み方向の固有振動数
（ｆＤ）が異なることを特徴とする構造を有する角速度
センサであればよいことは言うまでもない。すなわち、
本実施例の検知部をユニモルフタイプに置換しても構わ
ない。また、検知部，駆動部共、一体の音叉構造体に貼
り合わせた角速度センサ，検知部，駆動部共ユニモルフ
あるいはバイモルフタイプの圧電素子を用いて接合した
角速度センサについても適用できる。またＨ型タイプの
角速度センサについても、同様に適用できる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、交流駆動
電圧の印加により前記駆動部を振動駆動される駆動用圧
電素子を有する駆動部と、その振動方向と直交する方向
の屈曲状態を電気的に検出する検知用圧電素子とを有す
る検知部とを互いに直交するように配置し、前記検知部
の厚み方向の機械的質係数（ＱＳ）が５０以上５００以
下で、かつ前記検知部の厚み方向の固有振動数（ｆＳ）
と前記駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆＤ）の比（ｆ
Ｓ／ｆＤ）が、（数２）を満たすように、即ち駆動部の
厚み方向の固有振動数（ｆＤ）が検知部の厚み方向の共
振特性の平坦な領域即ち検知部の感度変化の小さい領域
に設定することにより、角速度センサの駆動周波数が変
化しても検知部の感度変化を小さくできるので、センサ
感度のばらつきの低減、温度変化，経時変化等の環境条
件の変化によるセンサ感度の変化を小さくできるという
優れた効果を実現するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の角速度センサにおける検知
部の共振周波数の特性と駆動周波数の関係の説明図

【図
２】本発明の一実施例における角速度センサの斜視図

【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４　　接
合部材 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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流駆動電圧の印加により振動駆動される
   駆動用圧電素子を有する駆動部と、その振動方向と直交
   する方向の屈曲状態を電気的に検出する検知用圧電素子
   とを有する検知部とを互いに直交するように配置し、前
   記検知部の厚み方向の機械的質係数（ＱＳ）が５０以上
   ５００以下で、かつ前記検知の厚み方向の固有振動数（
   ｆＳ）と前記駆動部の厚み方向の固有振動数（ｆＤ）の
   比（ｆＳ／ｆＤ）が、以下の（数１）を満たすように構
   成された角速度センサ。 【数１】