JPH05264282A - 角速度センサ - Google Patents

角速度センサ

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JPH05264282A
JPH05264282A JP4059934A JP5993492A JPH05264282A JP H05264282 A JPH05264282 A JP H05264282A JP 4059934 A JP4059934 A JP 4059934A JP 5993492 A JP5993492 A JP 5993492A JP H05264282 A JPH05264282 A JP H05264282A
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JP
Japan
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driving
angular velocity
velocity sensor
detecting
piezoelectric
Prior art date
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Pending
Application number
JP4059934A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroshi Takenaka
寛 竹中
Jiro Terada
二郎 寺田
Masaharu Ushihara
正晴 牛原
Masami Tamura
雅巳 田村
Toshihiko Ichise
俊彦 市瀬
Sumitake Yoshida
純威 吉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 駆動用素子と検知用素子を音叉型に組み合わ
せた角速度センサにおいて、小電力でかつ最大感度が得
られる高性能の角速度センサを提供する。 【構成】 圧電素子7を有する駆動用素子8の先端に圧
電素子5を有する検知用素子6を互いに直交させて配置
し接合した直交体2個が接合部材19を介して音叉状に
接合され、検知用素子6の厚みは駆動用素子8の厚みよ
り薄く、検知用素子6の共振周波数は駆動用素子8の共
振周波数と異なる構成とすることにより、検知用素子6
の厚みが薄いので感度の大きなものが得られ、また両者
の共振周波数が異なるので駆動周波数が多少ずれても検
知用素子6の感度は変動しない。

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、特に
圧電素子の振動を利用し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
体の方位を知る手段としての慣性航法装置には機械式の
回転ジャイロスコープが主に使われている。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。
【0003】一方、回転力を使わずに振動させた検知用
素子により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。これらはジャイロスコープを構
成する質量の運動が一定速度の運動ではなくて振動にな
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、特に圧電体を用いた角速度センサが多く
考案されている(たとえば、日本航空宇宙学会誌第23
巻第257号339〜350頁に記載のもの)。
【0004】上記の原理に基づいた従来の角速度センサ
の一例として特開昭63−290911号公報に記載の
角速度センサを取り上げ、以下に説明する。
【0005】図5はその角速度センサの斜視図である。
図5において、101は検知用圧電素子、102は接合
部材、103は駆動用圧電素子、104a,104bは
信号線、105は駆動用電極であり、これらの部材は対
をなして左右対称に配置されている。106は左右の駆
動用圧電素子103を連結する弾性接合部材、107は
リードワイヤ、108はリードピン、109は支持ピ
ン、110はベースである。
【0006】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103
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
ぞれ外側の面の駆動用電極105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103は弾性結
合部材106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。
【0007】駆動用圧電素子103により速度υで振動
させられた質量mの検知用圧電素子101に角速度ωの
回転が加わると、検知用圧電素子101にコリオリの力
が生じる。このコリオリの力は速度υに垂直な方向にあ
り、その大きさは2mυωである。検知用圧電素子10
1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101が速度υが振動しているとすれば、他方
の検知用圧電素子101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1
01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てその表面には圧電効果によって
電荷が生じる。一対の検知用圧電素子101にはコリオ
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。
【0008】それゆえ、この角速度センサに角速度以外
の並進運動を支えても一対の検知用圧電素子101の表
面には同極性の電荷が生じるため、互いに打ち消しあっ
て出力は出ないようになっている。
【0009】ここで表面電荷について説明すると、υは
音叉振動によって生じる速度であり、音叉振動速度υが υ=υ0・sinω0t υ0:音叉振動速度振幅 ω0:音叉振動の角周期 であるとすれば、コリオリの力は、 Fc=2m・υ0・ω・sinω0t となり、角速度ωおよび音叉振動速度υ0に比例してい
て検知用圧電素子101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101は表面電荷
量Qcは Qc∝υ0・ω・sinω0t となり、音叉振動速度振幅υ0が一定にコントロールさ
れているとすれば、 Qc∝ω・sinω0t となり、検知用圧電素子101に発生する表面電荷量Q
cは角速度ωに比例した出力として得られる。
【0010】また、駆動用圧電素子103上の駆動用電
極105には、駆動用圧電素子103の変形に応じて電
荷が発生するが、それぞれの駆動用電極105とはその
形状を対称にして面積を等しくしているので発生電荷は
等しい。したがって、差動入力により信号処理をするこ
とで発生電荷をキャンセルしている。
【0011】また、この角速度センサでは、図6
(a),(b)に示す接続回路図のうち、バイモルフ接
続方式のものでは図6(b)に示すパラレル接続を採っ
ている。図6(a)に示すシリアル接続とは異なり、パ
ラレル接続では焦電効果により発生する電荷が打ち消し
あい、また差動インピーダンスが1/4になり、変化率
が小さくなる。よってオフセット電圧の低減、耐熱衝撃
性の改善、温度変動に対する追従性改善が実現できる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】従来のように圧電バイ
モルフ素子を組み合わせて音叉構造とした角速度センサ
では、構造が非常に複雑で製造し難く、しかも絶縁用に
接着剤を用いたり、結線に銀ペーストを使用するので信
頼性に欠ける構造であった。また、圧電素子は強度が弱
いために耐衝撃性に問題があった。これを解決するため
に音叉構造そのものを恒弾性金属板で構成し、駆動用素
子と検知用素子に圧電素子を貼り付けたものが考案され
ている。
【0013】しかし、この恒弾性金属板で構成される角
速度センサは全体を圧電バイモルフ素子のみで構成され
ているのと比べて感度が小さいという問題点を有してい
た。また、感度を大きくするため検知用素子の面積を大
きくするのでは、駆動周波数が低下してしまうため角速
度センサの応答特性が遅くなり好ましくない。したがっ
て、角速度センサのノイズ信号成分すなわち温度ドリフ
トの原因になっている漏れ電圧が相対的に大きくなって
しまう。
【0014】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、応答特性や耐衝撃性を損なうことなく小電力でか
つ最大感度が得られる高性能の角速度センサを得ること
を目的としている。
【0015】
【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、表面に駆動用圧電素子を設
けた平板状の駆動用素子の先端に表面に検知用圧電素子
を設けた平板状の検知用素子を互いの厚み方向を直交さ
せて配置し接合した直交体2個が接合部材を介して音叉
状に接合され、前記駆動用素子と前記検知用素子の少な
くとも一方は恒弾性金属板からなる角速度センサにおい
て、前記検知用素子の厚みは前記駆動用素子の厚みより
薄く、かつ前記検知用素子の共振周波数は前記駆動用素
子の共振周波数と異なる構成を有している。
【0016】
【作用】この構成によって本発明の角速度センサは、駆
動用素子による安定した駆動と、薄い検知用素子による
コリオリの力を受けたときの大きい感度を得ることがで
きる。しかも、検知用素子の共振周波数は駆動用素子の
共振周波数と異ならせているため、外乱振動等により駆
動周波数が左右にずれても検知用素子の感度は変動しな
いので、高感度でしかも安定した角速度感度をもった角
速度センサを得ることができる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の一実施例における角速度セン
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、図2は
その正面図、図3はその側面図である。
【0018】図1,図2,図3に示すように、検知用圧
電素子1を貼り付けた平板状の検知用素子2と駆動用圧
電素子3を貼り付けた平板状の駆動用素子4とを厚み方
向が互いに直交するように積み合わせた構造で接合し、
同様にして検知用圧電素子5を貼り付けた検知用素子6
と駆動用圧電素子7を貼り付けた駆動用素子8とを厚み
方向が直交するように積み合わせた構造で接合したこれ
ら2組の直交体の端部を接合部材19で接合して音叉型
に組立てて、支持ピン9によりベース10に固定された
構造になっている。ただし、ここで検知用素子2,6の
厚みは駆動用素子4,8の厚みより薄く、また、これら
両者の共振周波数は互いに異なる値になるように設定し
ている。
【0019】そして、検知用圧電素子1,5および駆動
用圧電素子3,7の表側電極からの各々の信号は、リー
ド線11,12,13,14を介してベース10に埋設
固定されているリードピン15,16,17,18から
入出力できる構成になっている。また、4枚の圧電素子
1,3,5,7と各リード線11,12,13,14と
の接合およびリード線11,12,13,14とリード
ピン15,16,17,18との接合は、半田付けされ
ている。
【0020】なお、検知用素子2,6、駆動用素子4,
8および接合部材19は導電性を有する恒弾性金属板か
らなっているので、4枚の圧電素子1,3,5,7の裏
面電極(接着面側)は支持ピン9に電気的に接続されて
いる。
【0021】電気的には、駆動用圧電素子3,7の表裏
側電極に交流電圧が印加され、駆動用素子4,8が振動
し、いわゆる音叉振動が起こる。この駆動用圧電素子
3,7と直交接続されている検知用圧電素子1,5もそ
れにともない振動することになる。この音叉振動で生じ
る速度をυとして検知用圧電素子1,5に発生する角速
度に比例した出力が得られる原理は、従来例で示したも
のと同じなのでその説明は省略する。
【0022】このように構成された角速度センサにおい
て、検知用素子2,6の厚みと駆動用素子4,8の厚み
との比を種々変えたサンプルを作製し、その感度を測定
した。なおサンプルは本実施例の両者の厚みの比が1.
0より小さいものだけでなく、比較のために両者の厚み
が等しい従来例のものおよび両者の厚みの比が1.0よ
り大きい比較例のものも作製した。図4にこれらのサン
プルの感度の測定結果を示す。
【0023】図4は、検知用素子2,6の厚みと駆動用
素子4,8の厚みとの比に対する感度の変化を示す図
で、同図における白丸印は本実施例、黒丸印は従来例、
三角印は比較例のそれぞれ感度を示す。なお、感度は従
来例の感度を1としてその相対感度で表わしている。
【0024】図4から明らかなように、本実施例のもの
は従来例のものよりも感度が大きく、特に両者の厚みの
比が0.5以下の本実施例のものは従来例のものに対し
て2倍以上の感度が得られる。
【0025】以上のように本実施例の角速度センサは、
検知用素子2,6の厚みは駆動用素子4,8の厚みより
薄くすることでコリオリの力によるたわみ量が大きく得
られる高感度の角速度センサが実現できる。
【0026】しかも本実施例の場合は、音叉構造全体は
恒弾性金属板で形成されているので、組立精度や作業性
もよく、また耐衝撃性も強くなり、安価な角速度センサ
を得ることができるという効果も得られる。特に検知用
素子2,6と駆動用素子4,8とを恒弾性金属板で一体
に形成した場合、さらに音叉構造全体を一体に形成した
場合は、接合部分が少なくなってこれらの効果はより顕
著になる。
【0027】また、検知用素子2,6の共振周波数は駆
動用素子4,8の共振周波数と異ならせているため、駆
動周波数がずれても安定した感度を維持することができ
る。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、検知用素
子の厚みを駆動用素子の厚みより薄くすることで高感度
の角速度センサが得られ、しかも駆動用素子の共振周波
数と検知用素子の共振周波数を異ならせていることで安
定な感度を得ることができ、また、音叉構造全体を恒弾
性金属板で形成しているので、耐衝撃性に優れかつ組立
精度や作業性が良好で安価な角速度センサが実現できる
ものである。
【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】同角速度センサの正面図
【図3】同角速度センサの側面図
【図4】検知用素子の厚みと駆動用素子の厚みとの比に
対する感度の変化を示す図
【図5】従来の角速度センサの斜視図
【図6】(a)は角速度センサの第1の接続回路図 (b)は同第2の接続回路図
【符号の説明】
1,5 検知用圧電素子 2,6 検知用素子 3,7 駆動用圧電素子 4,8 駆動用素子 19 接合部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 雅巳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 市瀬 俊彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 吉田 純威 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面に駆動用圧電素子を設けた平板状の駆
    動用素子の先端に表面に検知用圧電素子を設けた平板状
    の検知用素子を互いの厚み方向を直交させて配置し接合
    した直交体2個が接合部材を介して音叉状に接合され、
    前記駆動用素子と前記検知用素子の少なくとも一方は恒
    弾性金属板からなる角速度センサにおいて、前記検知用
    素子の厚みは前記駆動用素子の厚みより薄く、かつ前記
    検知用素子の共振周波数は前記駆動用素子の共振周波数
    と異なることを特徴とする角速度センサ。
  2. 【請求項2】駆動用素子と検知用素子とが恒弾性金属板
    で一体に形成された請求項1記載の角速度センサ。
  3. 【請求項3】駆動用素子、検知用素子および接合部材が
    恒弾性金属板で一体に形成された請求項1記載の角速度
    センサ。
JP4059934A 1992-03-17 1992-03-17 角速度センサ Pending JPH05264282A (ja)

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JP4059934A JPH05264282A (ja) 1992-03-17 1992-03-17 角速度センサ

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5679888A (en) * 1994-10-05 1997-10-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Dynamic quantity sensor and method for producing the same, distortion resistance element and method for producing the same, and angular velocity sensor
WO2006070059A1 (en) * 2004-12-31 2006-07-06 Vti Technologies Oy Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity
JP2015099072A (ja) * 2013-11-19 2015-05-28 京セラクリスタルデバイス株式会社 圧電センサ及びその製造方法

Cited By (4)

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WO2006070059A1 (en) * 2004-12-31 2006-07-06 Vti Technologies Oy Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity
US7454971B2 (en) 2004-12-31 2008-11-25 Vti Technologies Oy Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity
JP2015099072A (ja) * 2013-11-19 2015-05-28 京セラクリスタルデバイス株式会社 圧電センサ及びその製造方法

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