JPH0448212A - 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】 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。

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王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。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ｉｉｔ磁弐のメカニズムを
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しるも
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、日本航空宇宙学会詰　
第２３巻　第２５７号３３９〜３５０ページ） 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、
ゼロ点が、温度変化、時間変化などの環境条件の変化に
おいてドリフトし、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。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、ゼロ点が
ドリフトすることの少ない角速度センサを提供すること
を目的とする。

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、圧電素子の片面を恒弾性合金板に貼り合わせて
構成した第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子と、第
１、第２の検知用圧電素子とを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て第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の駆動用圧電ユニモル
フ素子のそれぞれの自由端の恒弾性合金板を金属性の導
電部材で接合したものである。

作用 本発明によれば、第１、第２の駆動用圧電ユニ。

モルフ素子のそれぞれの自由端の恒弾性合金板を導電部
材で接合することによって、恒弾性合金板−導電部材間
の接合が金属−金属接合となる。従来センサ素子を音叉
構造とする接合部はセラミックー金属という異種接合で
あった本発明では同一接合となり、左右のセンサ素子の
振動を整合させることができる。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、検出精度の高い角速
度センサを提供できる。

実施例 以下、本発明の角速度センサの一実施例にて詳述する。

（実施例Ｉ） 本発明の一実施例について図面を用いて説明する。第１
図は本発明の一実施例における角速度センサの平面図を
示し、第２図はその側面図を示す。

図において１は第１、第２の検知用圧電素子、２は圧電
素子の片面を恒弾性合金板に貼り合わせて構成した第１
、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子、３は金属性の導電
部材、６は第１、第２の検知用圧電素子１と第１、第２
の駆動用圧電ユニモルフ素子２とを接合する接合部材で
ある。

第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子２と、第１、第
２の検知用圧電素子ｌとは検知軸にほぼ平行でかつ互い
に直交するように接合部材６にて接合されてセンサ素子
を構成し、このセンサ素子は第１、第２の駆動用圧電ユ
ニモルフ素子２の自由端で恒弾性合金板を導電部材３に
て接合し音叉構造としている。４はこの音叉構造体を支
持する弾性部材、５は角速度センサ全体のベースである
。

この角速度センサの動作原理は、まず第１、第２の駆動
用圧電ユニモルフ素子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３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
圧電ユニモルフ素子２は導電部材３をベースとして１８
０度の位相にて振動を始める。いわゆる音叉振動である
。

一般に片持ちぼり構造を有する圧電素子は材料の圧電定
数、寸法形状によって決定されるが、この場合にはセン
サの性能は第１、第２の検知用圧電素子１、第１、第２
の駆動用圧電ユニモルフ素子２、接合部材６、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
これらが影響し左右の振動条件に差がでてくる。これは
加工精度をい（ら高めても完全に合致させることは困難
であり、この差が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。そこで
本実施例では、Ｓ電部材３として黄銅型のブロックを用
いて第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子２の恒弾性
合金板は接合されている。この構成によってそりのない
第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子２が得られ、左
右の振動素子の整合性の高い衝撃に強い振動型角速度セ
ンサを作成することができる。ここで導電部材３として
は黄銅以外には金属材料であれば同しように用いること
は容易に類推できる。また、第１、第２の駆動用圧電ユ
ニモルフ素子２の恒弾性合金板の材質としては圧電素子
と熱膨張係数のほぼ等しいもの、例えばコバールが適し
ている。

第３図に従来例での角速度センサの共振周波数特性図、
第４図に本実施例での角速度センサの共振周波数特性図
である。また第５図、第６図はそれぞれ従来例、本実施
例の機械的Ｑ値を導く説明図である。この時の検知用圧
電素子の自由端の振幅量は、従来例、本実施例共に１２
０μｍ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値は第５図、第６図からｆ、八ｆを読み取り以
下のように算出する。従来例ではＱ＝ｆ／Δｆ　＝　３
８４１０．６″、６４０、本実施例ではＱ＝ｆ／Δｆ　
＝　３９６１０．３８ζ１０４２となる。すなわち従来
例で６００程度、本実施例で１０００程度である。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
アドミン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の駆動用圧電ユニモルフ
素子２の機械的Ｑ値が恒弾性合金板の機械的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。またさらに引っ張り
強度を調べると、従来は１．２ｋｇであったものが、本
実施例では５．６ｋｇとなり、機械的強度も増した。

（実施例２） 本発明の第２の実施例としては、第１、第２の駆動用圧
電ユニモルフ素子２の恒弾性合金板の質量を圧電素子の
質量の４倍以上にすることで、機械的Ｑ値がより高Ｑ［
１５００程度のものが得られ、経時ドリフトが実施例１
より低減した。第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子
２の機械的Ｑ値が実施例１に比べより恒弾性合金板の機
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実施例１より低減した。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によれば第１、
第２の駆動用圧電ユニモルフ素子のそれぞれの自由端の
恒弾性合金板を導電部材で接合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、第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素
子の機械的Ｑ値が大きくなり第１、第２の検知用圧電素
子に左右対称性の速度（Ｖ）を付与することができ、コ
リオリカ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、検出精度が高く、さらに機械的強度も大き
い角速度センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における角速度センサの正面
図、第２図は本発明の一実施例における角速度センサの
側面図、第３図は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、第４図は本発明の一実施例にお
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、第５図、第６図はそれぞれ従来及び本実施例の機械
的Ｑ値を導（説明図である。 １・・・・・・第１、第２の検知用圧電素子、２・・・
・・・第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子、３・・
・・・・導電部材、４・・・・・・弾性部材、５・・・
・・・ベース、６・・・・・・接合部材。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名＠　［９ｕ 偉」生部材 ベース ７壷、合部材 ５友　数　（）（１″１１Ｌ） ！ＩＬ数　ｃ＋＋ｉｚノ 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電素子の片面を恒弾性合金板に貼り合わせて構成した
   第１、第２の駆動用圧電ユニモルフ素子と、第１、第２
   の検知用圧電素子とを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て第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の駆動用圧電ユニモルフ素子の
   それぞれの自由端の恒弾性合金板を金属性の導電部材で
   接合した角速度センサ。