JPH08271261A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２軸の角速度の検出ができる小型軽量でかつ
信頼性の高い角速度センサを得る。 【構成】 板状の振動体、および該振動体の片面若しく
は両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくとも
励振用電極と検出用電極を形成し、重錘体と円筒状支持
部材を貼付した。重錘体は単位長さの質量が、該重錘体
の接合面より他の部分が大きくなるようにし、円筒状支
持部材と小さなクリアランスをもつように配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電振動型角速度センサ
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。

【０００５】一つの角速度センサーで２軸の角速度を検
出できるものが望まれていたが、この要望に応えるもの
として、振動体の表面に圧電素子を貼付して角速度によ
り圧電素子が変形することで変化する電荷の量を測定し
て角速度を検出するセンサが開発された。図２はその角
速度センサを斜め上から見た分解斜視図である。図３は
同じ角速度センサを斜め下から見た分解斜視図である。
振動体１は中央部に複数のスリット（又は凹部）４が設
けられている。振動体１の上面には、下面に電極６を設
け上面に４つの励振電極を兼ねる検出電極５を設けた圧
電素子２が貼付されている。振動体１の下面には、上面
に電極７を設け下面に帰還電極８を設けた圧電素子３が
貼付されている。電極８の下面には重錘体９が貼付され
センサ部が構成されている。センサ部は円筒状支持部材
１０によりベンディング振動のノード部を固定されてい
る。

【０００６】電極６と振動体１は電気的に接続されて接
着されているので、振動体と励振電極を兼ねる検出電極
５に交流をかけると圧電素子２が振動し振動体１も一緒
に振動する。円筒状支持部材１０で支持しており４つの
励振用電極を兼ねる検出電極５は円筒状支持部材１０の
内径より内側に設けてある。円筒状支持部材１０は図の
如く２ヵ所をワイヤー１１で固定し、ワイヤー１１の他
端を基板に固定するものである。

【０００７】角速度センサに角速度が作用するとコリオ
リ力により重錘体９が移動することでセンサ部が変形し
検出電極に電荷が発生する。４つの検出電極に発生する
電荷の量により角速度の方向と強さが検出できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】角速度は重錘体に働く
コリオリ力と重錘体の重心と回転中心までの距離の積に
よるモーメントの作用でセンサ部が変形することにより
検出する。角速度の検出感度を上げるにはセンサ部の変
形が大きくなれば良い。そのためには重錘体を重くかつ
長くすれば良いが小型軽量化するのが難しい。逆に、前
述の課題が解決された場合、大きな角速度あるいは加速
度が加わると、今度はセンサ部の変形が大きくなりすぎ
破壊に到る場合もある。本発明は１つの角速度センサで
２軸の角速度を検出できる圧電振動型角速度センサに関
し、角速度の検出感度を上げながらかつ小型軽量化し、
過大な変形からセンサ部の破壊を防ぐことを目的として
いる。

【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、小型であり軽
量、高感度ながら安価で信頼性の高い角速度センサを提
供する。

【００１０】板状の振動体、および該振動体の片面若し
くは両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくと
も励振用電極と検出用電極を形成し、重錘体を設けた角
速度センサにおいて、重錘体の単位長さの質量が、その
接合面の部分よりも他の部分の方が大きくなるようにす
る。重錘体の形状を変えること、あるいは密度の異なる
材料を用いることで前述した条件を満たすことができ
る。重錘体の質量を減少させても重錘体の重心の位置を
変えることにより、重錘体にかかるコリオリ力はより大
きなモーメントを生じ、センサ部の変形をより大きくす
る。角速度センサの検出感度が上がり、小型軽量であり
ながら検出感度の高い角速度センサを得ることができ
る。

【００１１】さらに重錘体の側面の一部あるいは全部と
該円筒状支持部材の内面に所定のクリアランスを設け、
重錘体の振れの大きさは円筒状支持部材により規制され
角速度センサの破壊を防いでいる。

【実施例】

【００１２】本発明を図面に基き詳細に説明する。図２
は本発明に係わる角速度センサを上面側から見た分解斜
視図である。図３は本発明に係わる角速度センサを下面
側から見た分解斜視図である。図４は本発明に係わる角
速度センサの断面図である。ここで重錘体９は円柱形状
をしている。構成は従来の技術で説明してあるものと全
く同じである。従って、ここではその説明を省略する。
図５は本発明の第一実施例で断面図である。図４とは重
錘体２１が異なる。

【００１３】図６は重錘体９の詳細図で、直径はｄ、長
さはｌ、密度はρ9である。図７は重錘体２１の詳細図
で、円柱２１ａ、円柱２１ｂ、円柱２１ｃにより構成さ
れ、それらの中心軸は一致している。円柱２１ａの直径
はｄ0、長さはｌ0、密度はρ21である。円柱２１ｂの直
径はｄ1、長さはｌ1、密度はρ21である。円柱２１ｃの
直径はｄ2、長さはｌ2、密度はρ21である。

【００１４】図６、図７において重錘体の接合平面を基
準面に定め、その法線方向をΖ軸、下向きを正方向とす
る。重錘体のΖ方向の重心と質量を求める。重錘体９の
重心Ｚ9、質量ｍ9は Ｚ9＝ｌ／２ ｍ9＝πｄ2ρ9ｌ／４ である。 重錘体２１のＺ方向の重心Ｚ21、質量ｍ21は Ｚ21＝｛ｄ0ｌ02＋ｄ1ｌ1（２ｌ0＋ｌ1）＋ｄ2ｌ2（２ｌ0＋２ｌ1＋ｌ2） ｝ ／（ｄ0ｌ0＋ｄ1ｌ1＋ｄ2ｌ2）／２ ｍ21＝πρ21（ｄ02ｌ0＋ｄ12ｌ1＋ｄ22ｌ2）／４ である。 本発明では、 Ｚ21＞Ｚ9 ｍ21＜ｍ9 ｍ21（Ｚ21＋α21）＞ｍ9（Ｚ9＋α9） ｌ0＋ｌ1＋ｌ2＜ｌ ｄ2＞ｄ0＞ｄ1 ， ｄ0＝ｄ を満たす各ディメンジョンを設定した。ここで、α21は
重錘体の接合面から回転中心２２までの距離である。α
9は重錘体の接合面から回転中心１２までの距離であ
る。

【００１５】図８は第二実施例で重錘体２３の詳細図で
ある。第一実施例の重錘体２１の変形例である。円柱２
３ａ、円柱２３ｂにより構成され、それらの中心軸は一
致している。円柱２３ａの直径はｄ3、長さはｌ3、密度
はρ23である。円柱２３ｂの直径はｄ4、長さはｌ4、密
度はρ23である。

【００１６】図８において重錘体の接合平面を基準面に
定め、その法線方向をΖ軸、下向きを正方向とする。重
錘体のΖ方向の重心と質量を求める。重錘体２３の重心
Ｚ23、質量ｍ23は Ｚ23＝｛ｄ3ｌ32＋ｄ4ｌ4（２ｌ3＋ｌ4）｝／（ｄ3ｌ3＋ｄ4ｌ4）／２ ｍ23＝πρ23（ｄ32ｌ3＋ｄ42ｌ4）／４ である。 本発明では、 Ｚ23＞Ｚ9 ｍ23＜ｍ9 ｍ23（Ｚ23＋α23）＞ｍ9（Ｚ9＋α9） ｌ3＋ｌ4＜ｌ ｄ4＞ｄ＞ｄ3 を満たす各ディメンジョンを設定した。ここで、α23は
重錘体の接合面から回転中心２４までの距離である。

【００１７】図９は第三実施例で重錘体２５の詳細図で
ある。第一実施例の重錘体２１の変形例である。円錘台
２５ａ、円柱２５ｂにより構成され、それらの中心軸は
一致している。円錐台２５ａの第一直径（小）はｄ5、
第二直径（大）はｄ6、長さはｌ5、密度はρ25である。
円柱２５ｂの直径はｄ7、長さはｌ6、密度はρ25であ
る。

【００１８】図９において重錘体の接合平面を基準面に
定め、その法線方向をΖ軸、下向きを正方向とする。重
錘体のΖ方向の重心と質量を求める。重錘体２５のＺ方
向の重心Ｚ25、質量ｍ25は Ｚ25＝｛ｌ52（２ｄ5＋ｄ6）＋３ｄ7ｌ6（２ｌ5＋ｌ6）｝ ／｛ｌ5（ｄ6＋ｄ5）＋２ｄ7ｌ6｝／３ ｍ25＝πρ25｛４ｌ5（ｄ52＋ｄ5ｄ6＋ｄ62）＋３ｄ72ｌ6｝／１２ であ る。 本発明では、 Ｚ25＞Ｚ9 ｍ25＜ｍ9 ｍ25（Ｚ25＋α25）＞ｍ9（Ｚ9＋α9） ｌ5＋ｌ6＜ｌ ｄ7＞ｄ＞ｄ6＞ｄ5 を満たす各ディメンジョンを設定した。ここで、α25は
重錘体の接合面から回転中心２６までの距離である。

【００１９】解は無数に存在するため、その都度用途に
合わせて決めればよい。本発明の第一実施例では、円筒
状支持部材１０の内径Ｄと、円柱２１ｃの直径ｄ2の差
Ｄ−ｄ2＝βなるクリアランスをとってある。本発明の
第二実施例では、円筒状支持部材１０の内径Ｄと、円柱
２３ｂの直径ｄ4の差Ｄ−ｄ4＝βなるクリアランスをと
ってある。本発明の第三実施例では、円筒状支持部材１
０の内径Ｄと、円柱２５ｂの直径ｄ7の差Ｄ−ｄ7＝βな
るクリアランスをとってある。従って、重錘体２１およ
び重錘体２３および重錘体２５は、β／２の範囲内で移
動することができ、それ以上移動するような角速度、加
速度が加わっても、円筒支持部材１０がストッパーとな
り、前記センサ部の過大な変形を抑制している。

【００２０】このようにして、小型軽量かつ信頼性の高
い角速度センサを得ることができた。また、円柱２１ｃ
あるいは円柱２３ｂあるいは円柱２５ｂのみ密度の大き
な材料を用いることで、さらに小型化が可能となる。

【００２１】

【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 重錘体に働くコリオリ力によるモーメントを大きく
することで、検出感度を上げ、かつ、小型軽量かができ
る。 ２ 円筒状支持部材と重錘体との間に小さなクリアラン
スを設けることで、過大な角速度、加速度が加わっても
センサ部が破壊されず信頼性が高い。

【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】本発明に係る角速度センサを斜め上から見た分
解斜視図

【図３】本発明に係る角速度センサを斜め下から見た分
解斜視図

【図４】本発明に係る角速度センサの断面図

【図５】本発明に係る角速度センサの第一実施例で断面
図

【図６】重錘体詳細図

【図７】重錘体詳細図

【図８】本発明に係る角速度センサの第二実施例で重錘
体詳細図

【図９】本発明に係る角速度センサの第三実施例で重錘
体詳細図

【符号の説明】

１ 振動体 ２ 圧電素子 ３ 圧電素子 ４ スリット ５ 励振電極を兼ねる検出電極 ６ 電極 ７ 電極 ８ 帰還電極 ９ 重錘体 １０ 円筒状支持部材 １１ ワイヤ １２ 回転中心 ２１ 重錘体 ２１ａ 円柱 ２１ｂ 円柱 ２１ｃ 円柱 ２２ 回転中心 ２３ 重錘体 ２３ａ 円柱 ２３ｂ 円柱 ２４ 回転中心 ２５ 重錘体 ２５ａ 円錐台 ２５ｂ 円柱 ２６ 回転中心 Ｚ9 重心の位置 Ｚ21 重心の位置 Ｚ23 重心の位置 Ｚ25 重心の位置 ｄ 重錘体の直径 ｄ0 円柱の直径 ｄ1 円柱の直径 ｄ2 円柱の直径 ｄ3 円柱の直径 ｄ4 円柱の直径 ｄ5 円錐台の直径 ｄ6 円錐台の直径 ｄ7 円柱の直径 ｌ 重錘体の長さ ｌ0 円柱の長さ ｌ1 円柱の長さ ｌ2 円柱の長さ ｌ3 円柱の長さ ｌ4 円柱の長さ ｌ5 円錐台の長さ ｌ6 円柱の長さ α9 重錘体の接合平面から回転中心までの距離 α21 重錘体の接合平面から回転中心までの距離 α23 重錘体の接合平面から回転中心までの距離 α24 重錘体の接合平面から回転中心までの距離 β クリアランス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (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 岡田 和廣 埼玉県上尾市菅谷４丁目73番地

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の振動体、および該振動体の片面若し
   くは両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくと
   も励振用電極と検出用電極を形成し、重錘体を設けた角
   速度センサにおいて、該重錘体の単位長さの質量が、該
   重錘体の接合面より他の部分が大であることを特徴とす
   る角速度センサ。
2. 【請求項２】板状の振動体、若しくは圧電素子に円筒状
   支持部材を貼付し、重錘体の側面の一部あるいは全部と
   該円筒状支持部材の内面が所定のクリアランスを持つこ
   とを特徴とする請求項１の角速度センサ。