JPH085382A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】駆動用圧電素子及び検知用圧電素子を同一面に
形成することにより従来より格段に構造を簡単とするこ
とが可能な角速度センサを提供する。 【構成】回動軸心に略平行な支持主面２０を有する振動
板２の上記支持主面２０に一乃至複数の駆動用圧電素子
３及び一乃至複数の検知用圧電素子４ａ、４ｂを配設す
る。駆動用圧電素子３に電界を印加すれば、駆動用圧電
素子３はその支持主面２０と平行な方向すなわちｚ軸方
向へ伸縮し、その結果、振動板２はｙ軸方向へ撓み、振
動板２に角加速度が作用すると、上記撓み方向と直角方
向のコリオリ力が振動板２に加えられ、振動板２に配設
された検知用圧電素子４ａ，４ｂがこのコリオリ力に応
じて信号電圧を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動体に圧電素子が配
置された圧電振動型の角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子を用いた振動式角速度センサの
従来技術として、特開昭６１−１８０１０７がある。こ
れは、金属板で構成された音叉片の両脚部の側面に駆動
用圧電素子を装着し、上記側面と直交する面に検知用の
バイモルフを装着し、前記両脚部に生じるコリオリ力に
よる振動を検出することにより、角速度を検出してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の角速度センサては、駆動と直交した方向に発生するコ
リオリカを検出する為、駆動用素子と検知用素子とを互
いに直交する面内に配置する必要があった。しかしなが
ら、このように２種類の圧電素子を直交配置するために
は、振動板に精密かつ互いに直交する二対の平面を加工
せねばならず、又、前記圧電素子を直交配置する為の工
程が必要の為、構造、工程が複雑となるという問題があ
った。

【０００４】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、駆動用圧電素子及び検知用圧電素子を同一面に形
成することにより従来より格段に構造を簡単とすること
が可能な角速度センサを提供することをその目的として
いる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサの
第１の構成は、回動軸心に略平行な支持主面を有する振
動板と、一方の電極面が前記支持主面に固定される検知
用圧電素子と、一方の電極面が前記検知用圧電素子と異
なる部位にて前記支持主面に固定されるとともに電界が
印加される駆動用圧電素子とを備えることを特徴として
いる。

【０００６】本発明の第２の構成は、上記第１の構成に
おいて更に、前記振動板のコリオリ力により逆方向の撓
みを受ける一対の検知用圧電素子を有することを特徴と
している。本発明の第３の構成は、上記第２の構成にお
いて更に、前記振動板が前記両検知素子の間にて前記回
動軸心に平行なスリット分割された一対の片を有し、前
記検知用圧電素子は前記両片に個別に配設されることを
特徴としている。

【０００７】本発明の第４の構成は、上記第２の構成に
おいて更に、前記振動板が前記回動軸心に平行な音叉片
を有する音叉形状を有し、前記音叉片の少なくとも一つ
又は両方に検知用圧電素子が配設されることを特徴とし
ている。本発明の第５の構成は、上記第３又は第４の構
成において更に、前記駆動用圧電素子が、振動板の前記
片又は音叉片又は基部に配設されることを特徴としてい
る。

【０００８】本発明の第６の構成は、上記第１の構成に
おいて更に、一対の前記駆動用圧電素子が前記振動板の
支持主面に配設され、前記両駆動用圧電素子が、共通の
圧電板と、前記圧電板の一主面の左右に配設された一対
の電極膜とを有することを特徴としている。本発明の第
７の構成は、上記第１の構成において更に、前記駆動用
圧電素子による前記振動板の振動を検出するための参照
用圧電素子が前記音叉片の前記支持主面に配設されるこ
とを特徴としている。

【０００９】

【作用及び発明の効果】本発明の第１の構成では回動軸
心に略平行な振動板の支持主面に検知用圧電素子及び駆
動用圧電素子が配設される。この駆動用圧電素子にその
厚さ方向すなわちｚ軸方向（電極膜が形成される主面と
直角な方向）へ電界を印加すれば、駆動用圧電素子はそ
の支持主面と平行な方向すなわちｘ軸方向又はｙ軸方向
へ伸縮し、その結果、振動板はｘ軸方向又はｙ軸方向へ
撓み、その結果、振動板に角加速度が作用すると、上記
ｘ軸方向又はｙ軸方向の内、上記撓み方向と直角方向の
コリオリ力が振動板に加えられ、振動板に配設された検
知用圧電素子がこのコリオリ力に応じて信号電圧を発生
する。

【００１０】すなわち、本構成の角速度センサは同一面
に両圧電素子を配設することができ、従来のように振動
板に一対の面を互いに高精度に直角に設ける必要が無
く、前記圧電素子を直交配置する為の工程が不要の為、
構造、組立が格段に簡単となる。本発明の第２の構成で
は、上記第１の構成において更に、振動板のコリオリ力
により逆方向の撓みを受ける一対の検知用圧電素子の出
力電圧の和を出力する。

【００１１】このようにすれば、信号電圧を増大するこ
とができる。特に、上記両検知素子に加えられる駆動素
子による撓みは同一方向であると、この駆動素子による
撓みにより検知素子に生じる同相電圧をキャンセルする
ことができるという優れた効果を奏する。本発明の第３
又は５の構成では、上記第２の構成において更に、両検
知素子の間の振動板の部分にスリットを設けるので、振
動板の駆動素子により撓められる方向及びそれと直角の
コリオリ力により撓められる方向の剛性が低下し、感度
が向上する。

【００１２】本発明の第４又は５の構成では、上記第２
の構成において更に、音叉構造の振動板を採用するの
で、振動板の固有振動数での共振を利用でき、感度の一
層の向上が実現する。本発明の第６の構成は、上記第１
の構成において更に、一対の駆動用圧電素子を振動板の
同一の支持主面に配設し、これら駆動用圧電素子対を逆
方向に伸縮させて支持主面と平行方向に撓み振動を発生
させるに際し、両駆動用圧電素子を共通の圧電板とその
一主面の左右に配設された一対の電極膜とにより一体化
しているので、駆動用圧電素子対の製造、固着が簡単、
高精度とすることができる。

【００１３】本発明の第９の構成では、上記第１の構成
において更に、駆動用圧電素子による振動板の振動を検
出するための参照用圧電素子を駆動用圧電素子や検知用
圧電素子と同一の支持主面に配設するので、製造、組立
が簡単なのにもかかわらず精度向上を実現することがで
きる。

【００１４】

【実施例】本発明の角速度センサの各実施例を図面を参
照して説明する。 （実施例１）本実施例の角速度センサは、図１に示すよ
うに、回動軸心Ｍを中心とする支持台１と、支持台１の
上面から回動軸心Ｍと平行に立設される振動板２と、振
動板２の支持主面２０に固着される駆動素子３及び検知
素子４ａ、４ｂとを有している。支持主面２０は回動軸
心Ｍに平行に形成されている。駆動素子３は回動軸心Ｍ
と平行に配設されている。検知素子４ａ、４ｂは回動軸
心Ｍと平行に配設されている。検知素子４ａ、４ｂは、
支持主面２０の両長辺から個別に等距離位置に配設さ
れ、かつ、支持主面２０の先端側短辺から等距離位置に
配設されている。

【００１５】駆動素子３及び検知素子４ａ、４ｂはＰＺ
Ｔなどの圧電板の両主面に電極膜を被着してなり、一方
の電極膜は恒弾性合金等からなる振動板２の支持主面２
０に固着されている。次に、この角速度センサの作動を
説明する。駆動素子３の両電極膜間に一定周波数の交流
電圧を印加すると、駆動用圧電素子３は支持主面２０と
平行（ｚ方向）に伸縮し、その結果、振動板２は、駆動
用圧電素子３の伸長時に支持主面２０が凸面となる向き
に、駆動用圧電素子３の収縮時に支持主面２０が凹面と
なる向きに湾曲し、結局、振動板２は支持主面２０と直
角方向（すなわち振動板２の厚さ方向、ｙ方向）に湾曲
振動（以下、撓み振動ともいう）する。ここで、支持台
１をｚ軸に平行な回動軸心Ｍを中心として回動すると、
振動板２に作用するコリオリ力により、振動板２は支持
主面２０の短辺方向（ｘ方向）に撓み振動し、これによ
り検知素子４ａ、４ｂに信号電圧が発生する。

【００１６】上記した配置を取るために、検知素子４
ａ、４ｂの一方には圧縮応力、他方には引張応力が発生
する。よって合成信号電圧が増加する向きに検知素子４
ａ、４ｂの信号電圧を加算することにより角速度を検出
することができ、同相ノイズ電圧（例えばｙ方向の撓み
振動）をキャンセルすることができる。一方、検知素子
４ａ、４ｂの信号電圧を減算すると（ｘ方向の撓み振動
による信号電圧を相殺する向きに接続すると）、ｙ方向
への撓み振動による応力から信号電圧が得られ、駆動の
状態を参照することができる。

【００１７】図１の（ｂ）に、検知素子４ａ、４ｂの信
号電圧を加減算する具体回路例を示す。 （実施例２）他の実施例の角速度センサを図２により説
明する。この実施例は、図１の構造において更に、振動
板２１の先端（上端）の幅方向中央部から回動軸心Ｍに
沿ってスリット２１を凹設したものであって、これによ
り、振動板２の上半分は左片２２と右片２３とが並立す
る構造となっている。

【００１８】左片２２には検知素子４ａが、右片２３に
は検知素子４ｂが固着されている。作動原理そのものは
実施例１と同じであるが、振動板２１のｘ方向への屈曲
に対する剛性が低下する分だけ検出感度が向上する。な
お、検知素子４ａ、４ｂは、コリオリ力による屈曲の応
力中心軸よりずらして固着されており、これにより、両
者の素子により効果的に圧縮応力または引張応力が加わ
る様にすることで、検出感度の向上を図っている。すな
わち、この実施例では検知素子４ａ、４ｂは支持主面２
０の内辺Ｌ，外辺Ｒにより近接して配設されている。一
方、次に説明する実施例３では検知素子４ａ、４ｂはそ
れぞれ支持主面２０の外辺寄りに配設されている。 （実施例３）他の実施例の角速度センサを図３により説
明する。

【００１９】この実施例は、振動板２を、音叉形状と
し、更に、振動板２の音叉片をなす左片２２に検知素子
４ａと駆動素子３ａとを配設し、振動板２の音叉片をな
す右片２３に検知素子４ｂと駆動素子３ｂとを配設した
ものである。各検知素子４ａ、４ｂ及び駆動素子３ａ，
３ｂは同一面即ち支持主面２０に配設されることは上記
実施例と同じである。

【００２０】左片２２及び右片２３はｙ軸方向へ撓み振
動に対して等しい固有振動数を有している。いま、駆動
素子３ａ、３ｂに互いに逆位相の交流電圧を印加すれ
ば、左片２２及び右片２３の上端部は互いに逆の位相で
ｙ軸方向へ撓み振動し、共振する。ここにｚ軸回りの角
速度が加わると、左片２２及び右片２３にはｘ軸方向に
かつ互いに逆方向へコリオリ力が発生し、音叉すなわち
振動板２がｘ軸の対称振動モードにて振動する。

【００２１】検知素子４ａ、４ｂは屈曲の応力中心軸よ
りずらすことにより、両者により効果的に圧縮応力また
は引張応力が加わる様にすることで、検知感度の向上を
図ることは実施例２と同じである。なお、ここで上述の
左片２２及び右片２３のｘ軸及びｙ軸の対称振動の周波
数をなるべく近接させるように振動板２の寸法を選定し
てやれば、共振倍率により、更に一層、検出感度を向上
することができる。 （実施例４）他の実施例の角速度センサを図４により説
明する。

【００２２】この実施例は、図３の構造において振動板
２を三本音叉形状とし、その左片２２に駆動素子３ａ
を、その右片２３に駆動素子３ｂを、その中央片２４に
駆動素子３ｃを配設したものである。検知素子４ａ、４
ｂは、振動板２の基部２５に個別に配設され、特に各片
２２〜２４の境界部すなわち音叉の股部に配設されてい
る。

【００２３】以下、このセンサの動作を説明する。駆動
素子３ａ，３ｂに支持主面２０側の電極を基準として同
一位相で交流電界を印加すると、左片２２及び右片２３
は同一位相で（同方向へ）ｙ軸方向に振動する。一方、
中央片２４は左片２２及び右片２３と逆位相でｙ軸方向
に振動する。ここに、ｚ軸回りの角速度が加わると、各
片２２〜２４には、ｘ軸方向にコリオリ力が発生し、左
片２２及び右片２３は同一位相で（同方向へ）ｘ軸方向
に振動し各々の片は、ｙ軸方向へ交互に屈曲する。よっ
て、検知素子４ａ、４ｂの片方にはｘ軸方向の圧縮応力
が、もう一方には引張応力が加わる。そこで、検知素子
４ａ、４ｂのコリオリ力により生じる信号電圧を加算す
れば良好に角速度を検出することができる。 （実施例５）他の実施例の角速度センサを図５により説
明する。

【００２４】この実施例は、図１の構造において、駆動
素子３を駆動素子３ａ，３ｂに置換し、検知素子４ａ、
４ｂを検知素子４に置換したものであり、実施例１の駆
動素子３を検知素子４とし、実施例１の検知素子４ａ、
４ｂを駆動素子３ａ，３ｂとし、更に検知素子４と駆動
素子３ａ，３ｂとの位置関係を逆としたと見做すことが
できる。

【００２５】次に、この角速度センサの作動を説明す
る。駆動素子３ａ，３ｂの一方がｚ方向に伸長し、他方
がｚ方向に収縮するように駆動素子３ａ，３ｂに逆位相
の交流電界を印加すると、振動板２はｘ方向に撓み振動
する。ここに、ｚ軸回りの角速度が加わると、振動平板
２にｙ軸方向へコリオリ力が発生し、ｙ軸方向へ撓み振
動し、これを検知素子４で検出すれば、良好に角速度を
検出することができる。 （実施例６）他の実施例の角速度センサを図６により説
明する。

【００２６】この実施例は、図５の構造において、駆動
素子３ａ，３ｂを共通の圧電板３０を用いるとともに、
その表面の電極膜をスリット３３を挟んで左右二つの電
極膜３１、３２に分割したものである。すなわち、電極
膜３１及びそれに隣接する圧電板３０の部分が駆動素子
３ａを構成し、電極膜３２及びそれに隣接する圧電板３
０の部分が駆動素子３ｂを構成すると見做すことができ
る。

【００２７】電極膜３１、３２に隣接する圧電板３０の
一対の部分の一方がｚ方向に伸長し、他方がｚ方向に収
縮するように電極膜３１、３２に逆位相の交流電界を印
加するか、又は圧電板３０の各部を分極すると、実施例
５と同一の原理でｙ軸方向へコリオリ力が発生し、ｙ軸
方向に撓み振動が発生するので、これを検知素子４を用
いて検出すれば、良好に角速度を検出することができ
る。

【００２８】この実施例によれば、駆動素子は、１枚の
圧電板に電極スリット構造を設けるだけでよく、実施例
５のセンサより構造が簡単となる。また、駆動素子３
ａ，３ｂの位置のばらつきが低減することができ、駆動
振動を安定化できる。 （実施例７）他の実施例の角速度センサを図７により説
明する。

【００２９】この実施例は、図６の作動原理を図３の音
叉形状の振動板２に適用したものである。すなわち、左
片２２に駆動素子３５及び検知素子４ａを配設し、右片
２３に駆動素子３６及び検知素子４ｂを配設する。駆動
素子３５、３６はそれぞれ図６の駆動素子３と同じ構造
を有し同じ動作をする。ただし、駆動素子３５による左
片２２のｘ軸方向の振動と、駆動素子３６による左片２
２のｘ軸方向の振動とは逆位相となっており、かつ、振
動数は音叉のすなわち左片２２及び右片２３のｘ軸方向
の固有振動数に等しく設定される。

【００３０】このようにすれば、ｘ軸方向に共振が生
じ、ここにｚ軸回りの角速度が加わると、左片２２及び
右片２３にはｙ軸方向にかつ互いに逆方向へコリオリ力
が発生し、これにより両検知素子４ａ、４ｂに信号電圧
が発生するので、両信号電圧を加算すれば良好に角速度
を検出することができる。また、本構成において、駆動
素子３４、３５に与える電荷のバランスを適当に調整す
ることで、駆動により発生する不要ノイズを小さくする
ことも可能である。 （実施例８）他の実施例の角速度センサを図８により説
明する。

【００３１】この実施例は、図７において、振動板２の
ｘ方向の屈曲振動の中立軸６より検知素子４ａをｘ方向
にずらして支持主面２０に貼付けて参照素子５としたも
のである。このため、この参照素子５は、ｘ方向の撓み
振動に応じて信号電圧を発生することになり、参照素子
５によりｘ方向の撓み振動に応じた信号電圧を抽出する
ことができる。

【００３２】このため、参照素子５の信号電圧に基づい
て駆動素子３５，３６を制御することもでき、振動の安
定化を図ることができる。すなわち、参照素子５の信号
電圧に基づいて適当な電荷を駆動素子３５、３６に与
え、駆動振動の安定化が図られる。本構成により、従
来、検知素子とは別面に配設されていた参照素子を、検
知、駆動両素子と同一面内に配設することが可能とな
り、一層のコストダウンが可能となる。 （実施例９）他の実施例の角速度センサを図９により説
明する。

【００３３】この実施例は、図７において、駆動素子３
５の代わりに図８の参照用の参照素子５をｘ方向にずら
して支持主面２０に貼付けたものである。振動板２が音
叉形状に構成される為、右片の駆動素子３によって、左
片の駆動も励起される為、実施例７及び８と同様の効果
を奏することができる。上記説明した各実施例では、各
素子は同一の支持主面２０に固着されたが、支持主面２
０と平行な振動板２の他面に一部の素子を固着すること
もできる。

【００３４】また、各実施例において、駆動素子と検知
素子との位置を逆とすることもでき、振動板２の必要な
振動を抑制しない範囲で振動板２の支持を支持台１と異
なる支持形式で支持することもできる。 （実施例１０）他の実施例の角速度センサを図１０によ
り説明する。

【００３５】この実施例は、図２の振動板２を圧電板６
０に置換し、駆動用圧電素子３を圧電板６０の同位置の
両側に被着された一対の電極膜６３、６３（一方のみ可
視）とし、検知素子４ａを圧電板６０の同位置の両側に
被着された一対の電極膜６１、６１（一方のみ可視）と
し、検知素子４ｂを圧電板６０の同位置の両側に被着さ
れた一対の電極膜６２、６２（一方のみ可視）としたも
のである。

【００３６】動作としては図２のものと同じであるが、
振動板２が無いので、製造が極めて簡単である。もちろ
ん、図２すなわち実施例２以外の他の実施例の角速度セ
ンサの駆動用圧電素子及び検知用圧電素子をこの実施例
と同様に共通の圧電板で構成することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は実施例１の角速度センサの斜視図であ
り、（ｂ）はその信号処理用の回路を示すブロック回路
図である。

【図２】実施例２の角速度センサの斜視図である。

【図３】実施例３の角速度センサの斜視図である。

【図４】実施例４の角速度センサの斜視図である。

【図５】実施例５の角速度センサの斜視図である。

【図６】実施例６の角速度センサの斜視図である。

【図７】実施例７の角速度センサの斜視図である。

【図８】実施例８の角速度センサの斜視図である。

【図９】実施例９の角速度センサの斜視図である。

【図１０】実施例１０の角速度センサの斜視図である。

【符号の説明】

１は支持台、２は振動板、３、３ａ，３ｂは駆動用圧電
素子（駆動素子）、４、４ａ、４ｂは検知用圧電素子で
ある。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回動軸心に略平行な支持主面を有する振動
   板と、一方の電極面が前記支持主面に固定される検知用
   圧電素子と、一方の電極面が前記検知用圧電素子と異な
   る部位にて前記支持主面に固定されるとともに電界が印
   加される駆動用圧電素子とを備えることを特徴とする角
   速度センサ。
2. 【請求項２】前記振動板のコリオリ力により逆方向の撓
   みを受ける一対の検知用圧電素子を有する請求項１記載
   の角速度センサ。
3. 【請求項３】前記振動板は前記両検知素子の間にて前記
   回動軸心に平行なスリット分割された一対の片を有し、
   前記検知用圧電素子は前記両片に個別に配設される請求
   項２記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】前記振動板は前記回動軸心に平行な音叉片
   を有する音叉形状を有し、前記音叉片の少なくとも一つ
   又は両方に検知用圧電素子が配設される請求項２記載の
   角速度センサ。
5. 【請求項５】前記駆動用圧電素子は、振動板の前記片又
   は音叉片又は基部に配設される請求項３又は４記載の角
   速度センサ。
6. 【請求項６】一対の前記駆動用圧電素子が前記振動板の
   支持主面に配設され、前記両駆動用圧電素子は、共通の
   圧電板と、前記圧電板の一主面の左右に配設された一対
   の電極膜とを有する請求項１記載の角速度センサ。
7. 【請求項７】前記駆動用圧電素子による前記振動板の振
   動を検出するための参照用圧電素子が前記音叉片の前記
   支持主面に配設される請求項１記載の角速度センサ。