JPH08166243A

JPH08166243A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH08166243A
Application number: JP6333886A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田; Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Hiroaki Terao; 博明寺尾; Toshiyasu Shigeta; 利靖重田; Minoru Hatakeyama; 稔畠山; Tomoo Namiki; 智雄並木
Original assignee: Miyota KK; Wako KK
Current assignee: Miyota KK; Wako KK
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】［目的］２軸の角速度を検出できる角速度センサを得
る。［構成］円板形振動基板の上面に、上面中央部に励振
電極を設け、該励振電極の外周部に円板の中心で直交す
る２対の検出電極を円板の中心に対して点対称に設け、
下面に少なくとも前記電極に対向して電極を設けた円板
形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下面に、下面中央
部に帰還電極を設け上面には少なくとも帰還電極と対向
する電極を設けた円板形圧電素子を貼付したセンサ部を
円筒支持した角速度センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は角速度センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】姿勢制御、位置制御が可能な角速度セン
サは、ビデオカメラの手ぶれ防止や、自動車のナビゲー
ションに使うことを目的に小型化、高性能化の開発が行
われている。角速度センサにもいろいろあるが、サイズ
やコストの面では圧電振動型の角速度センサが有利であ
り、音叉型、音片型（四角柱）、円柱型、三角柱型等が
製品化されている。

【０００３】図１は音片型圧電振動角速度センサを説明
するための構造図である。圧電振動型角速度センサの原
理は、振動している振動子の中心軸（Ｚ軸）回りに、回
転角速度（ω0）が加わると、もとの振動方向（Ｘ軸）
に対し、直角方向（Ｙ軸）に回転角速度に比例したコリ
オリ力（Ｆc）が生じる力学現象を利用したもので、駆
動用圧電セラミックを用いてＸ軸に振動を与え、Ｙ軸に
設けた検出用圧電セラミックによってコリオリ力を電圧
として検出するものである。コリオリ力は一般に次式に
より求められる。Ｆc＝２ｍ×ｖ×ω0 ｍは質量、ｖ
は速度、ω0は角速度である。

【０００４】振動周波数が同じであればＸ軸の振幅が大
きいほどＹ軸変位は大きく、検出電圧（感度）を高める
にはＸ軸の振幅が大きく、Ｙ軸の検出効率を高めた共振
型振動角速度センサが有利である。音片型振動角速度セ
ンサは共振型であり、感度は高くできるが、駆動辺と検
出辺の振動姿勢を崩さず、共振周波数を正確に調整する
ことが難しく、しかも駆動辺と検出辺の共振特性の不一
致やズレによる顕著な特性変化や高機械的品質係数（Ｑ
ｍ）がゆえに応答速度が遅いなど問題も多い。前記問題
を解決する角速度センサとして、駆動辺と検出辺との分
離構成ではなく、駆動と検出を一辺（体）化することに
より、同一共振系による駆動・検出を可能にした正三角
形音片振動角速度センサを構成し、共振特性に不一致や
ズレの難題を克服した製品が開発された。

【０００５】図２は正三角形音片型振動角速度センサの
構造図である。一辺をａとし、長さをｌとした正三角形
音片振動子の共振周波数ｆΔは、数１で求めることが出
来る。

【０００６】

【数１】

【０００７】ｍは定数、Ｅはヤング率、ρは密度であ
る。振動子は恒弾性金属材料（エリンバ材）で作製し、
各辺の中央部に圧電セラミックをエポキシ系接着剤で貼
り合わせた。ノード点は有限要素法によるシミュレーシ
ョンより求め、Ｙ軸モードの完全ノード点にあたる稜線
部分で理想的支持を行った。また、組み合わせる圧電セ
ラミックの負の熱弾性係数を考慮して、エリンバ材の析
出効果を利用した時効処理を施し、正の弾性係数と組み
合わせ、周波数温度特性が、±１ｐｐｍ／°Ｃ以下の良
好な特性と振動子自体の検出電圧が数百ｍＶと従来の非
共振型振動角速度センサと比較してけた違いの高感度
（高出力）が得られた。（電子情報通信学会誌、１／’
９３、圧電振動ジャイロスコープ、中村武）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】周波数温度特性が良
く、高感度角速度センサにより、カメラ一体型ビデオカ
メラの手ぶれ防止用角速度センサとして有用であるが、
一つのセンサで一軸の角速度の検出しかできないという
欠点があり、二軸の角速度を検出するには２個のセンサ
を必要とし、組立工数の増加、組立部品数の増加は免れ
なかった。二軸で有れば、単純にみても２倍のコストに
なる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は従来の角速度セ
ンサの課題を解決するためのものであり、小型であり、
高感度ながら安価な角速度センサを提供する。

【００１０】振動基板の両面に、両面に電極を設けた圧
電素子を貼付する。上面に貼付する圧電素子は、上面に
は中央部に励振電極、その外周には４つの検出電極（円
板型振動基板の中心で直交する２対の検出電極）を設け
る。下面（振動基板に貼付する面）には少なくとも前記
励振電極と検出電極に対向する電極を設け圧電素子は励
振電極側が伸びたときに励振電極にプラスの電荷が発生
するように分極する。検出電極は振動板の振動ノードの
内側に配置し、励振電極からは引き出し電極を振動ノー
ドまで出し、各電極と回路との接続を振動ノード上で行
う。

【００１１】下面に貼付する圧電素子は、振動基板に貼
付する面（上面）には少なくとも下面電極に対向する電
極を設け、下面には中央部に帰還用電極を設ける。前記
の構成のセンサ部の下面の振動ノード部を円筒部材の開
口部に固定する。

【００１２】圧電素子の励振電極に交流をかけると圧電
素子が振動し、それとともに貼付されている振動基板が
振動する。圧電素子の歪みにより検出電極に電荷が発生
する。対向する検出電極は分極方位を逆にして接続され
ているので励振状態では発生電荷が相殺される。振動状
態でセンサに角速度が作用すると、センサ部にコリオリ
力が生じ、センサ部の歪みが変化するので、検出電極に
電荷が発生する。

【００１３】

【実施例】図３は本発明の第一実施例の角速度センサの
側面断面図であり、図４（ａ）は本発明の第一実施例の
角速度センサの上面図であり、図４（ｂ）は本発明の第
一実施例の角速度センサの下面図である。図５（ａ）は
本発明の第二実施例の角速度センサの側面断面図であ
り、図５（ｂ）は本発明の第二実施例の角速度センサの
下面図である。図３、図４、図５に於いて符号は共通で
ある。図７は本発明の角速度センサを励振するための回
路図である。

【００１４】最初に第一実施例について説明する。圧電
素子である例えばセラミック（ＰＺＴ）の円板１の上面
には引き出し電極４ａを有する励振電極４と４つの検出
電極６、７、８、９が形成される。それぞれの電極には
引き出し電極６ａ、７ａ、８ａ，９ａを有する。４つの
電極は図示のごとくＸ軸、Ｙ軸上に対称に且つ同心円状
にする。（本実施例では同心円状であるが同心円でなく
とも点対称であればよい。）下面には電極５が検出電極
６、７、８、９の外周円と対向する径で形成されてい
る。形成方法は真空蒸着、スパッタリング等でよく、本
実施例の電極膜厚は４５００オングストロームである。
電極形成後セラミックの分極を行うが、図中の＋、−の
ようにする。検出電極６と７及び検出電極８と９は接続
され一対でＸ軸、Ｙ軸の角速度検出電極となる。コリオ
リ力の作用しない状態（角速度の作用しない状態）で
は、お互いの発生電荷が相殺される。セラミック（ＰＺ
Ｔ）の円板３の上面には帰還用電極１０と対向して電極
１１が形成され、下面には、中央に帰還用電極１０が形
成されている。分極は電極１０が＋で行う。本実施例で
は励振電極と帰還用電極が＋にしてあるが、両電極が−
分極でもよい。セラミックの外径は２０ｍｍ，厚さ０．
１ｍｍ，励振電極、帰還電極は直径９ｍｍ、検出電極の
内径部は１１ｍｍ，同外径部は１３．５ｍｍである。

【００１５】振動基板２は、常温で熱膨張係数が少な
い厚さ０．１ｍｍの金属板（例えばＳｕｐｅｒ−Ｉｎｖ
ａｒ日本金属学会・日本鉄鋼協会編「鉄鋼材料便覧」）
であり、図のように両面にセラミック１、３が貼付され
る。接着剤は図示していないが、セラミック側には例え
ばロックタイト社のＬＩＤ１３１６（ＵＶ嫌気性接着
剤）、金属板側にはロックタイト社のプライマー７６４
９（反応促進剤）を塗布して接着するとよい。接着後紫
外線を照射すると硬化する。

【００１６】励振電極４と電極５に交流をかけると振動
する。円筒で支持をすると振動ノードは図４の点線１３
（振動基板２の外径をＤとすると０．７Ｄの部分に発生
応力の小さい部分がある）に現れるので、円筒状の支持
部材１２の開口部（好ましくは端部をナイフエッジにす
る）で支持する。図６は円筒支持径と支持部に発生する
応力の関係を示すグラフである。振動基板や圧電素子、
電極により発生する応力は変化するがグラフの曲線は同
じであり０．７Ｄ付近に最小値が出る。本実施例で使用
する振動はセラミックの径振動であり、支持することに
よりいわゆるベンデイング振動となる。支持部の径は１
４．０ｍｍである。振動ノードで支持することにより振
動漏れを最小限に抑えることが出来る。尚、センサ部の
支持は上下どちらでも良い。

【００１７】角速度センサを図７に示す帰還回路に接続
する。帰還電極１０は増幅器１４に接続する。増幅器１
４の出力は位相補正回路１５に入力し、位相補正回路１
５の出力は励振電極４と接続している。帰還電極１０で
得られる信号は増幅器１４で増幅されると共に位相が１
８０度反転した矩形波になる。矩形波は位相補正回路１
５で位相が９０度遅れる。さらに角速度センサの圧電素
子で位相が９０度遅れ帰還電極１０より信号として取り
出される。

【００１８】角速度センサに角速度が作用すると、コリ
オリ力が生じ、その影響で角速度センサの圧電素子が変
形する。検出電極６、７、８、９で得られる電圧が変化
し、Ｘ軸、Ｙ軸に加わった角速度が検出できる。

【００１９】次に第二実施例について図５を参照して説
明する。第二実施例が第一実施例と異なるのは電極５、
１１が全面電極であることと、検出電極を帰還電極の周
囲にも設けている点である。図５に於いて電極６’７’
は上部の電極６、７と相対向して配置され、分極は逆に
してある。検出電極を両側に設けて接続することで検出
感度が倍になる。

【００２０】次に本発明で角速度の検出が出来る理論に
ついて説明する。図８は本発明に係わる角速度センサの
センサ部が振動している一状態の側面断面図であり、励
振電極側が縮んでいる。図９はＹ軸の回りに角速度ωが
作用した状態の側面断面図である。図８に於いて電極７
には＋の電荷、電極６には−の電荷が発生している。こ
の状態で図９の如くＹ軸の回りに角速度ωが作用する
と、角速度センサはコリオリの力Ｆｃにより変形し、電
極７にはより大きな＋が発生し、電極６に発生する−は
小さくなる。

【００２１】図１０は発生した電荷から角速度を検出す
る回路の構成図である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向の回転角
速度に比例したコリオリ力を検出する回路ブロック図で
あるが、Ｘ軸、Ｙ軸とも同じ信号処理をするのでＸ軸方
向にコリオリ力が発生した場合を例にとり説明する（Ｙ
軸の回りに回転角速度が作用した場合）。検出電極６、
７、８、９はインピーダンス変換回路に接続され、イン
ピーダンス変換回路の出力は加算回路に接続されてい
る。

【００２２】増幅回路１４、位相補正回路１５を介して
駆動信号を印加してセンサ部を励振する。検出電極６、
７はそれぞれ逆方向に分極されているため、出力する駆
動信号は１８０度位相が反転したものである。この状態
で回転が加わると回転角速度に比例したコリオリ力によ
って発生した電荷が電圧として駆動信号に重畳する。そ
のときコリオリ力による相対する検出電圧が同位相とな
るため、出力電圧１７および１８の様に電圧出力に差を
生じる。加算回路１９によって加算されると駆動信号は
相殺されてコリオリ力によって発生した電圧２０のみ取
り出すことが出来る。このコリオリ力によって発生した
電圧を同期検波回路２１によって半波整流し、出力電圧
２２が得られる。この出力電圧を直流増幅回路２３によ
って平滑して回転角速度に比例した出力電圧２４が得ら
れる。

【００２３】図１１ａは無回転時での検出電極６、７か
ら出力する信号であり、検出電極６、７は分極が逆にな
っているため位相は１８０度反転した信号が出力する。
よって振幅をＡとした場合Ａ＋（−Ａ）＝０となり駆動
信号は相殺される。

【００２４】図１１ｂは回転時での検出電極６、７から
出力する駆動信号に重畳したコリオリ力による出力電圧
の振幅をａとした場合、検出電極６、７から出力される
信号を加算すると（Ａ＋ａ）＋（−Ａ＋ａ）＝２ａとな
りコリオリ力のみ検出される。同様に電極８、９に発生
する電荷を検出することで、Ｘ軸回りの角速度を検出す
ることが出来る。

【００２５】

【発明の効果】本発明は前記のような構成にすることで
次のような効果が生じる。１一つのセンサで２軸の角速度を測定できる。２円板状平板と円筒の組み合わせであり、加工と組立
が容易である。３センサ部を円筒支持するので強固な支持ができ、角
速度センサの信頼性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】音片型圧電振動角速度センサを説明するための
構造図

【図２】正三角形音片型振動角速度センサの構造図

【図３】本発明の第一実施例の角速度センサの側面断面
図

【図４】（ａ）は本発明の第一実施例の角速度センサの
上面図（ｂ）は本発明の第一実施例の角速度センサの下面図

【図５】（ａ）は本発明の第二実施例の角速度センサの
側面断面図（ｂ）は本発明の第二実施例の角速度センサの下面図

【図６】円筒支持位置と発生応力の関係を示すグラフ

【図７】本発明の角速度センサを励振するための回路図

【図８】本発明の理論を説明するための状態図

【図９】本発明の理論を説明するための状態図

【図１０】角速度検出回路構成図

【図１１】（ａ）は角速度が作用してない時の検出信号
の説明図（ｂ）は角速度が作用した時の検出信号の説明図

【符号の説明】

１セラミック円板２振動基板３セラミック円板４励振電極４ａ引き出し電極５電極６、６’検出電極７、７’検出電極６ａ引き出し電極７ａ引き出し電極８ａ引き出し電極９ａ引き出し電極８検出電極９検出電極１０帰還電極１１電極１２支持部材１３振動ノード１４増幅器１５位相補正回路１７出力電圧波形１８出力電圧波形１９加算回路２０電圧波形２１同期検波回路２２出力電圧波形２３直流増幅回路２４出力電圧波形

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【手続補正書】

【提出日】平成７年６月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図６】

【図８】

【図９】

【図５】

【図７】

【図１１】

【図１０】

フロントページの続き (72)発明者寺尾博明長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者重田利靖長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者畠山稔長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者並木智雄長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円板形振動基板の上面に、上面中央部に
励振電極を設け、該励振電極の外周部に円板の中心で直
交する２対の検出電極を円板の中心に対して点対称に設
け、下面には少なくとも前記電極に対向して電極を設け
た円板形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下面に、下
面中央部に帰還電極を設け上面には少なくとも帰還電極
と対向する電極を設けた円板形圧電素子を貼付したセン
サ部を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】円板形振動基板の上面に、上面中央部に
励振電極を設け、該励振電極の外周部に円板の中心で直
交する２対の検出電極を円板の中心に対して点対称に設
け、下面には少なくとも前記電極に対向して電極を設け
た円板形圧電素子を貼付し、前記振動基板の下面に、下
面中央部に帰還電極を設け、該帰還電極の外周部に円板
の中心で直交する２対の検出電極を円板の中心に対し点
対称に設け上面には少なくとも前記帰還電極と２対の検
出電極に対向した電極を設けた円板形圧電素子を貼付し
たセンサ部を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】センサ部を円筒支持したことを特徴とす
る請求項１又は請求項２の角速度センサ。
【請求項４】円板形振動基板の外径がＤのとき、円筒
支持部が０．７Ｄであることを特徴とする請求項３の角
速度センサ。