JPH0791962A - 振動子および角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動の振幅を大きくし、検出感度を向上させ
る。 【構成】 振動子１０の振動部３２，３４の接合部３
０，３１を励振側アーム１２および検出側アーム２２を
形成する材料より剛性の低い材料により形成する。励振
用圧電素子１８ａに交流電圧を印加して振動部３２，３
４にｘ軸方向の振動を与えると、振動波形は、正弦波形
状より「く」の字形に近づいた波形となり、接合部３
０，３１での振幅は、同じ剛性の材料により形成した場
合に比べて大きくなる。この振動を与えた状態でｚ軸回
りに回転角速度を作用させると、振幅に比例したコリオ
リ力が振動部３２，３４に作用し、ｙ軸方向の振動が生
じ、検出用圧電素子２８ａ，２８ｂにより振動状態に応
じた電気信号が検出される。従って、接合部３０，３１
の剛性を低くすることにより振幅を大きくし、検出され
る電気信号を大きくして、検出感度を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動子および角速度セ
ンサに関し、詳しくは少なくとも２箇所の支持部を有す
る振動子および該振動子に作用するコリオリ力に基づい
て回転角速度を求める角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、コリオリ力を利用して回転角速度
を検出する角速度センサの振動子として音叉形の振動子
が広く用いられている。音叉形の振動子は、（１）支持
部が１つで片持ち状態となるため、固定を安定させ、衝
突に耐えるようにするためには、支持部を強固にする必
要があり、その結果、振動振幅の減少や振動もれの原因
となり、出力の減少や不安定性引き起こしていたこと、
（２）検出感度を向上させるのに振動子の励振方向およ
び検出方向の共振周波数を合わせ込みが必要であり、こ
のため、アームの切削等の工程を有し、製造工程が複雑
となること、（３）大型となり、構造が複雑となるため
他の装置等への支持が容易でないこと等の欠点を有して
いた。この音叉形の振動子の欠点を克服するために、
「ロ」字形の振動子が提案されている（特開昭６２−１
０６３１５）。この振動子は、形状を「ロ」字形とした
ことにより、音叉形の振動子に比べて、振動のバランス
が良く、小型で製造や支持が容易である。また、両端支
持なため、簡単な支持で耐衝撃性の高い安定な支持が可
能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種の角速度センサ
は、コリオリ力が振動子に作用することにより生じる振
動子の振動状態を検出することにより回転角速度ωを求
めるものである。検出される振動状態の大きさは、コリ
オリ力の大きさに基づくので、検出感度を高くするため
には、振動子に作用するコリオリ力を大きくする必要が
ある。このコリオリ力Ｆは、振動部分の質量ｍ，振動部
分の速度Ｖ，回転角速度ωに比例し（Ｆ＝２ｍＶ・
ω）、振動部分の速度Ｖは、回転角速度ωが一定のとき
には振幅Ａに比例する（Ｖ＝Ａω・ｃｏｓωｔ）。した
がって、振幅Ａを大きくして振動部分の速度Ｖを大きく
することによりコリオリ力Ｆを大きくすることができ
る。

【０００４】しかしながら、「ロ」字形の如く少なくと
も２箇所の支持部を有する振動子は、振動部が支持部に
連結されており、例えば棒状振動体の両端固定と略同様
な状態となるため、自由端を有する音叉形の振動子に比
べて、振幅が小さくなり、振動子に作用するコリオリ力
が小さくなるという問題があった。この振幅が小さくな
るという問題点は、「ロ」字形の如く少なくとも２箇所
の支持部を有する振動子であれば、角速度センサ以外に
用いられるものについても同様である。

【０００５】本発明の振動子および角速度センサは、こ
うした問題を解決し、振動子の振幅を大きくし、検出感
度の高い角速度センサとすることを目的としてなされ、
次の構成を採った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の振動子
は、少なくとも２箇所の支持部を有する振動子におい
て、該振動子を振動させたときに振動の腹となる部分
に、他の部分より剛性の低い部分を設けたことを特徴と
する。

【０００７】本発明の第２の振動子は、少なくとも２箇
所の支持部を有する振動子において、該振動子を振動さ
せたときに振動の腹となる部分に、他の部分より断面積
の小さい部分を設けたことを特徴とする。

【０００８】本発明の角速度センサは前記第１または第
２の振動子と、該振動子を所定方向に励振する加振手段
と、該励振された振動子に作用するコリオリ力に基づい
て該振動子に生じる振動状態を検出する検出手段と、該
検出された振動状態に基づいて回転角速度を演算する演
算手段とを備えたことを要旨とする。

【０００９】

【作用】以上のように構成された本発明の第１の振動子
は、振動子を励振すると、剛性の低い振動の腹となる部
分が、剛性の高い他の部分の屈曲に比べて大きく屈曲す
ることにより、振動子の振幅は大きくなる。

【００１０】ここで、振動の腹とは、通常、定常振動時
に振幅が最大となる位置をいい、例えば、両端固定の棒
形の振動子の場合には中央部をいう。本発明の場合に
は、振幅が最大になる位置またはその周辺をも含んだ位
置を意味する。また、剛性とは、曲げ剛性をいい、弾性
材料による梁では、弾性係数に断面２次モーメントを乗
じた値として表わされる。

【００１１】本発明の第２の振動子は、振動子を励振す
ると、断面積が小さい振動の腹となる部分が、断面積の
大きな他の部分の屈曲に比べて大きく屈曲することによ
り、振動子の振幅は大きくなる。

【００１２】本発明の角速度センサでは、本発明の第１
または第２の振動子を用いることにより、大きなコリオ
リ力が振動子に作用し、角速度の検出感度を向上させ
る。

【００１３】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の好適な一実施例である角速度
センサに用いられる振動子１０の概略を示した説明図で
ある。振動子１０は、励振側アーム１２と、検出側アー
ム２２と、励振側アーム１２と検出側アームとを接合す
る接合部３０，３１とにより構成されている。

【００１４】励振側アーム１２は、音叉形をしており、
２つの振動片１３，１４と、中央部に位置する支持部１
５と、支持部１５の先に位置する固定用ベース１６とか
ら構成されている。検出側アーム２２も励振側アーム１
２と同様の形状をしており、２つの振動片２３，２４
と、中央部に位置する支持部２５と、支持部２５の先に
位置する固定用ベース２６とから構成されている。

【００１５】励振側アーム１２の振動片１３，１４の先
端部と、検出側アーム２２の振動片２３，２４の先端部
は、それぞれ接合部３０，３１により接合されており、
全体として振動子１０は、「ロ」字形を形成している。
また、振動片１３と接合部３０と振動片２３とで振動部
３２を構成し、振動片１４と接合部３１と振動片２４と
で振動部３４を構成している。

【００１６】励振側アーム１２および検出側アーム２２
は、鉄・ニッケル・コバルト系の合金により形成されて
おり、各振動片の図１中ｘ−ｙ平面に平行な断面は略正
方形に形成されている。励振側アーム１２の振動片１３
と振動片１４には、図１中ｘ軸方向の側面にそれぞれ一
対の励振用圧電素子１８ａと一対の励振用圧電素子１８
ｂが接着・固定されている。この励振用圧電素子１８
ａ，１８ｂは、交流電圧を印加すると、逆圧電効果によ
りｚ軸方向に伸縮する圧電素子であり、図示しない導電
ラインにより、後述する励振側回路４０に接続されてい
る。

【００１７】一方、検出側アーム２２の振動片２３と振
動片２４には、図１中ｙ軸方向の側面にそれぞれ一対の
検出用圧電素子２８ａと一対の検出用圧電素子２８ｂが
接着・固定されている。この検出用圧電素子２８ａ，２
８ｂも、圧電素子であり、図示しない導電ラインによ
り、後述の検出側回路５０に接続されている。

【００１８】接合部３０，３１は、励振側アーム１２お
よび検出側アーム２２の各振動片のｘ−ｙ平面に平行な
断面と同一の断面形状をしており、励振側アーム１２お
よび検出側アーム２２を形成する合金より剛性の低いア
ルミニウム・銅系の合金により形成されている。接合部
３０，３１は、振動片１３，１４の先端部および振動片
２３，２４の先端部に接着剤またはろう付け等により接
合されている。

【００１９】このように接合部３０，３１を剛性の低い
材料により形成することにより、振動部３２，３４に振
動を与えた際の接合部３０，３１での振幅は大きくな
る。接合部３０，３１を各振動片と同じ材料により形成
し、振動部３２，３４を励振すると、その振動波形は正
弦波形状となる。しかし、接合部３０，３１を各振動片
より剛性の低い材料により形成して励振すると、接合部
３０，３１での屈曲が大きくなり、その振動は正弦波形
状とならず、正弦波形状から「く」の字形に近づいた形
態となる。このため、振動部３２，３４の振幅は、接合
部３０，３１を各振動片と同じ材料で形成した場合に比
べて大きくなる。

【００２０】図２は、上述した二対の励振用圧電素子１
８ａ，１８ｂに接続した励振側回路４０と、検出用圧電
素子２８ａ，２８ｂに接続した検出側回路５０とを例示
したブロック図である。

【００２１】励振側回路４０は、一対の励振用圧電素子
１８ａに交流電圧を印加する励振回路４２と、一対の励
振用圧電素子１８ｂが圧電効果により生じる電気信号の
位相を揃える検出バランス調整回路４４と、入力した電
気信号のレベルにかかわらず一定の出力レベルとするオ
ートマティックゲインコントローラ（ＡＧＣ）４６と、
振動部３２および３４の共振周波数を中心とした所定幅
の周波数の電気信号を選別するバンドパスフィルタ４８
とから構成される。

【００２２】一方、検出側回路５０は、二対の検出用圧
電素子２８ａ，２８ｂの圧電効果により生じる電気信号
（交流電圧）の位相の調整および振動子１０に横加速度
が作用した際の振動部３２，３４のたわみにより検出さ
れる電気信号の相殺を行なう検出バランス調整回路５２
と、検出バランス調整回路５２により調整された電気信
号の出力レベルを増幅する増幅回路５４と、励振回路４
２からの参照信号に同期し、交流電圧である電気信号を
同期整流する同期検波回路５６と、正電圧化された電気
信号を整流電圧の電気信号とする積分回路５８と、整流
電圧の電気信号の出力レベルを増幅する増幅出力回路６
０とから構成される。

【００２３】以下に、励振側回路４０による振動子１０
の動作および回転角速度が作用したときの振動子１０と
検出側回路５０の動作について説明する。

【００２４】励振側回路４０の励振回路４２から一対の
励振用圧電素子１８ａのそれぞれに位相が１８０度異な
る交流電圧を印加すると、一対の励振用圧電素子１８ａ
の各素子は逆圧電効果により電圧に応じて伸縮する。各
素子の伸縮は、各素子へ印加される交流電圧の位相が１
８０度異なることから、一方が伸びるときに他方が縮
み、一方が縮むときに他方が伸びることとなり、この結
果、振動部３２をｘ軸方向に沿って振動させる。振動部
３２の振動は、振動部３４に伝播し、振動部３４を共振
させる。

【００２５】振動部３４が振動すると、一対の励振用圧
電素子１８ｂは振動に伴って伸縮し、圧電効果により各
素子の伸縮に応じた交流電圧の電気信号を生じる。励振
用圧電素子１８ｂの各素子の伸縮は互いに逆となるの
で、生じる電気信号は、位相が１８０度異なる交流電圧
となる。この電気信号は、検出バランス調整回路４４に
より一方の電気信号を反転して位相が揃えられ、ＡＧＣ
４６により出力レベルを一定にされる。そして、バンド
パスフィルタ４８により共振周波数を中心とした所定幅
の電気信号が選別され、励振回路４２により選別された
電気信号が励振用圧電素子１８ａに印加される。

【００２６】従って、振動部３２には、振動部３４が振
動する周波数で、かつ一定レベルの振動振幅が得られる
ように交流電圧が印加される。このため、振動部３２，
３４は、共振周波数で一定の振幅の定常振動を起こす。
振動部３２，３４の接合部３０，３１での振幅は、上述
したように、接合部３０，３１を剛性の低い材料で形成
したことにより、同一材料により形成した場合より大き
な振幅となる。

【００２７】振動子１０が励振側回路４０による定常振
動の状態にあるときに、ｚ軸の回りに回転角速度ωを与
えると、振動子３２，３４に式Ｆ＝２ｍＶ・ωで表わさ
れるコリオリ力Ｆが図２の紙面に垂直方向（ｙ軸方向）
に作用する。ここで、ｍは振動部分の質量、Ｖは振動部
分の速度である。振動部分の速度Ｖは、式Ｖ＝Ａω・co
s ωｔで表わされ、回転角速度ωが一定のときには励振
側回路４０による振動の振幅Ａに比例する。従って、コ
リオリ力Ｆは励振側回路４０による振動の振幅Ａを大き
くすることにより大きくすることができる。

【００２８】振動部３２，３４は、コリオリ力Ｆが作用
することによりｙ軸方向に振動する。このため、振動部
３２，３４は、励振側回路４０によるｘ軸方向の振動と
ｙ軸方向の振動とにより、全体として楕円運動となる。

【００２９】振動部３２，３４が楕円運動をしてｙ軸方
向成分に振動が現われると、二対の検出用圧電素子２８
ａ，２８ｂがこの振動に伴って伸縮し、各素子の圧電効
果により各素子の伸縮に応じた交流電圧の電気信号が生
じる。この電気信号は、各素子の伸縮を反映したもので
あるので、伸縮が大きくなれば大きな出力レベルの電気
信号となる。従って、検出感度を高くするために電気信
号の出力レベルを大きくするには、検出用圧電素子２８
ａ，２８ｂを大きく伸縮させること、すなわちｙ軸方向
に大きな振幅を与えることが必要であり、振動部３２，
３４に大きなコリオリ力Ｆを作用させることが望まし
い。本実施例では、接合部３０，３１を剛性の低い材料
としたことにより励振側回路４０による振動の振幅が大
きくなり、振動部３２，３４に大きなコリオリ力Ｆが作
用する。また、接合部３０，３１を剛性の低い材料とし
たことにより、コリオリ力Ｆの作用によるｙ軸方向成分
の振動の振幅も大きくなる。この結果、検出用圧電素子
２８ａ，２８ｂが大きく伸縮し、大きな出力レベルの電
気信号となる。

【００３０】検出用圧電素子２８ａ，２８ｂにより生じ
た電気信号は、検出バランス調整回路５２に入力され
る。検出バランス調整回路５２では、各素子から生じる
電気信号の位相が揃えられると共に、横加速度による電
気信号が相殺される。増幅回路５４では、電気信号の出
力レベルが増幅される。同期検波回路５６では、励振回
路４２からの参照信号に対応した同期検波が行なわれて
正電圧となり、積分回路５８では、正電圧化された電気
信号は整流電圧の電気信号となる。整流電圧の電気信号
は、増幅出力回路６０により増幅されて出力される。本
実施例では、検出用圧電素子２８ａ，２８ｂにより生じ
る電気信号の出力レベルが大きいので、増幅回路５４で
の増幅率を小さくすることができる。なお、横加速度を
無視するのであれば、検出用圧電素子２８ａの一対で足
りる。

【００３１】以上説明した実施例の角速度センサに用い
られる振動子１０では、振動部３２，３４の振動の腹と
なる部分の接合部３０，３１を励振側アーム１２および
検出側アーム２２を形成する材料より剛性の低い材料で
形成したので、振動時に接合部３０，３１は大きく屈曲
し、振動の振幅は大きくなる。このため、角速度センサ
では、振動子１０に回転角速度を与えると、振動部３
２，３４に大きなコリオリ力Ｆが作用してｙ軸方向成分
の振動の振幅が大きくなる。この結果、検出用圧電素子
２８ａ，２８ｂにより生じる電気信号の出力レベルも大
きくなり、検出感度が向上する。したがって、検出側回
路５０での増幅率を低くできるので、ノイズやドリフト
などの影響を小さくでき、角速度センサとての、検出精
度を高くすることができる。

【００３２】もとより、振動子１０を「ロ」字形とした
ので、音叉形の振動子に比較してバランスの良い振動が
得られやすく、安定性を向上させることができる。ま
た、小型でかつ支持も容易とすることができ、製造も容
易とすることができる。さらに、振動子１０に横加速度
が作用した際に生じる電気信号を相殺するので、外乱の
影響を小さくすることができる。しかも、振動子の両端
で支持しているため、機械的安定度が高く耐久性もよ
い。

【００３３】なお、本実施例では、振動子１０を図３
（ａ）に示すように接合部３０，３１を励振側アーム１
２および検出側アーム２２の各振動片と同一の断面形状
とし、剛性の低い材料により形成する構成としたが、図
３（ｂ）に示した振動子１０ｂのように、接合部３０
ｂ，３１ｂを励振側アーム１２ｂおよび検出側アーム２
２ｂの各振動片と同一の材料または異なる材料とし、接
合部３０ｂ，３１ｂの断面形状を各振動片の断面より断
面積を小さくする構成も好適である。接合部３０ｂ，３
１ｂを同一の材料としても断面積を小さくすることによ
り剛性を低くすることができるので、励振による振動の
振幅を大きくすることができるからである。また、図３
（ｃ）に示した振動子１０ｃのように、接合部３０ｃ，
３１ｃを励振側アーム１２ｃおよび検出側アーム２２ｃ
の各振動片と同一の材料または異なる材料とし、その断
面積を滑らかに変化させた構成も好適である。このよう
に、断面形状を滑らかに変化させた場合には、断面形状
の急変部がなく応力集中を緩和できるので、振動子１０
ｃの強度上好ましい。

【００３４】さらに、図３（ｄ）に示した振動子１０ｄ
のように、断面形状を略長方形とし、ｘ軸方向の辺長が
ｙ軸方向の辺長より短くすることによりｘ軸方向の振動
が生じやすい振動片１３ｄ，１４ｄと、断面形状を略長
方形とし、ｘ軸方向の辺長がｙ軸方向の辺長より長くす
ることにより、ｙ軸方向の振動が生じやすい振動片２３
ｄ，２４ｄとを接合部３０ｄ，３１ｄにより接合した構
成も好適である。この振動子１０ｄでは、励振用圧電素
子１８ａ，１８ｂの逆圧電効果によるｘ軸方向の振動の
振幅を大きくすることができ、しかも、振動部３２ｄ，
３４ｄに作用するコリオリ力Ｆに基づいて生じるｙ軸方
向の振動を、更に大きくすることができる。

【００３５】また、本実施例では、励振側アーム１２お
よび検出側アーム２２を鉄・ニッケル・コバルト系の合
金により形成する構成としたが、この材料に限られるこ
となく、定常振動し得る材料であれば如何なる材料によ
り形成されたものであっても差し支えない。特に、良好
な振動特性を示す水晶により振動子１０を形成する構成
も好適である。水晶により振動子１０を形成した場合に
は、水晶の加工性を考慮し、接合部３０，３１を図４に
例示する構成としたものが望ましい。

【００３６】図４（ａ）に示した振動子１０ｅは、図４
（ａ）の紙面に垂直方向の厚みを同一とし、接合部３０
ｅ，３１ｅを、振動片１３ｅ，１４ｅと振動片２３ｅ，
２４ｅとの離隔距離より長い経路となる屈曲経路として
形成した構成である。接合部３０ｅ，３１ｅを屈曲経路
とすることにより、単に断面積を小さくして直線経路と
したものに比べて剛性を低くすることができる。接合部
３０，３１を屈曲経路として形成する場合、屈曲経路は
種々の形状が考えられ、図４（ａ）の他、図４（ｂ）に
示す振動子１０ｆのように、接合部３０ｆ，３１ｆをつ
づら折りの形状とする構成も好適である。また、図４
（ｃ）に示す振動子１０ｇのように、接合部３０ｇ，３
１ｇに貫通孔を設けた形状とすることもの可能であり、
貫通孔を設けた形状とすれば、接合部３０ｇ，３１ｇで
のねじれに対して高い剛性を保つことができる。

【００３７】また、本実施例では、振動子１０の形状を
「ロ」字形としたが、この形状に限られるものではな
く、図５（ａ）に示す振動子１０ｈのように楕円形であ
る構成、図５（ｂ）に示す振動子１０ｊのように棒形で
ある構成も好適である。その他、図５（ｃ）に示す振動
子１０ｋのように、両端が自由端で、振動の節となる位
置を支持部１５ｋおよび２５ｋとする構成も好適であ
る。

【００３８】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の振動
子では、振動子を振動させたときに腹となる部分の剛性
を、他の部分の剛性より低くしたので、他の部分の剛性
と同一とした場合に比べて振動の振幅を大きくすること
ができる。

【００４０】本発明の第２の振動子では、振動子を振動
させたときに腹となる部分の断面積を、他の部分の断面
積より小さくしたので、他の部分の断面積と同一とした
場合に比べて振動の振幅を大きくすることができる。

【００４１】本発明の角速度センサでは、本発明の第１
または第２の振動子を用いるので、振動子に励振の振幅
に応じた大きなコリオリ力を作用させることができ、検
出感度を高くすることができる。従って、演算手段での
増幅率を低くできるので、ノイズやドリフトなどの影響
を小さくでき、検出精度を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である角速度センサの振動子
１０の外観を示す外観説明図である。

【図２】励振用圧電素子１８ａ，１８ｂに接続した励振
側回路４０と、検出用圧電素子２８ａ，２８ｂに接続し
た検出側回路５０とを例示したブロック図である。

【図３】振動子１０の接合部３０，３１のバリエーショ
ンを例示した説明図である。

【図４】振動子１０の接合部３０，３１のバリエーショ
ンを例示した説明図である。

【図５】振動子１０の形状のバリエーションを例示した
説明図である。

【符号の説明】

１０…振動子 １２…励振側アーム １３，１４…振動片 １５…支持部 １６…固定用ベース １８ａ，１８ｂ…励振用圧電素子 ２２…検出側アーム ２３，２４…振動片 ２５…支持部 ２６…固定用ベース ２８ａ，２８ｂ…検出用圧電素子 ３０，３１…接合部 ３２，３４…振動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大▲桑▼ 政幸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 塚田 厚志 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２箇所の支持部を有する振動
   子において、 該振動子を振動させたときに振動の腹となる部分に、他
   の部分より剛性の低い部分を設けたことを特徴とする振
   動子。
2. 【請求項２】 少なくとも２箇所の支持部を有する振動
   子において、 該振動子を振動させたときに振動の腹となる部分に、他
   の部分より断面積の小さい部分を設けたことを特徴とす
   る振動子。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の振動子と、 該振動子を所定方向に励振する加振手段と、 該励振された振動子に作用するコリオリ力に基づいて該
   振動子に生じる振動状態を検出する検出手段と、 該検出された振動状態に基づいて回転角速度を演算する
   演算手段とを備える角速度センサ。