JPH09325033A

JPH09325033A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH09325033A
Application number: JP8165312A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Tomoo Namiki; 智雄並木; Minoru Hatakeyama; 稔畠山; Kazutoyo Ichikawa; 和豊市川; Masato Handa; 正人半田; Yoshiya Okada; 恵也岡田
Original assignee: Miyota KK
Current assignee: Miyota KK
Priority date: 1996-06-04
Filing date: 1996-06-04
Publication date: 1997-12-16

Abstract

(57)【要約】【課題】２軸の角速度の検出ができる小型軽量で検
出感度の高い角速度センサを得る。【解決手段】板状の振動体、および該振動体の片面に圧
電素子を貼付し、該圧電素子には少なくとも励振用電極
と検出用電極と帰還電極を形成し、重錘体を設けた角速
度センサにおいて、該振動体を含む平面にＸ軸、同平面
上でＸ軸に直交するＹ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸を
設定し、該Ｘ軸と該Ｙ軸を回転角速度検出軸に設定した
とき、該検出用電極と該帰還電極が、該Ｘ軸と該Ｙ軸と
に対し線対称に形成される。また、前記帰還電極は、前
記振動体を励振するときにできるノードの内側で、か
つ、前記圧電素子の外周側に形成される。

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スを用いてＸ軸に振動を与え、Ｙ軸
に設けた検出用圧電セラミックス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】共振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振動特性の不一
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で２軸回りの角速度を
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角速度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。帰還電極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１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。４つの励振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Ｌ字型をしたワイヤー
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５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】図４は、圧電素子を１枚使用した従来例で
上面図、図５は圧電素子を１枚使用した従来例で正面断
面図である。振動体２１の上面には、下面に電極２３を
設け上面に４つの励振電極を兼ねる検出電極２４と帰還
電極２５を設けた圧電素子２２が貼付されている。振動
体２１の下面には重錘体２６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２７によりベン
ディング振動のノード部を固定されている。帰還電極２
５は、十文字型の形状をしていて、２つの回転角速度検
出軸（Ｘ軸、Ｙ軸）に対して略線対称に形成されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】検出感度を向上させる
ためには、検出電極をできるだけ大きく、またコリオリ
力が働いたときに変形する圧電素子の応力が大きくなる
場所に形成するのが望ましい。従来例では、帰還電極の
面積が大きく、また、コリオリ力が働いたときに圧電素
子に発生する応力の大きな重錘体の外周近傍に形成され
ていたため、検出感度を十分に得ることができなかっ
た。本発明は、上述の課題を解決するためのものであ
る。

【００１０】

【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、軽量で
感度の高い角速度センサを提供する。

【００１１】板状の振動体、および該振動体の片面に圧
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、該振動体を含む平面にＸ軸、同平面上でＸ軸に
直交するＹ軸、Ｘ軸、Ｙ軸にに直交するＺ軸を設定し、
該Ｘ軸と該Ｙ軸を回転角速度検出軸に設定したとき、該
検出用電極と該帰還電極とを、該Ｘ軸と該Ｙ軸とに対し
線対称に形成する。前記帰還電極は、前記振動体を励振
するときにできるノードの内側で、かつ、前記圧電素子
の外周側に形成する。好ましくは、前記帰還電極は、ノ
ードの直径の約半分より外周側で、ノードの内側の範囲
で形成すると良い。これにより、ノードの直径の約半分
より内周側の検出電極の面積を大きく、さらに、コリオ
リ力が働いたときに圧電素子に発生する応力の大きな重
錘体の外周近傍に形成することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基き
詳細に説明する。図６は本発明を適用した角速度センサ
の実施例で上面図である。図７は本発明を適用した角速
度センサの実施例で正面断面図である。図６、図７の如
くＸＹＺ三次元直交座標系を設定する。ＸＹ平面上に円
板状の振動体３１の主面を設定し、原点３９に振動体３
１の面上中心を一致させて配置する。振動体３１の上面
には、下面に電極３３を設け、上面に４つの励振電極を
兼ねる検出電極３４と４つの帰還電極３５を設けた円板
状の圧電素子３２がその面上中心とＺ軸が一致するよう
に貼付されている。また、ここで４つの励振電極を兼ね
る検出電極３４の２軸回りの回転角速度の検出軸をそれ
ぞれＸ軸、Ｙ軸に設定する。Ｘ軸、Ｙ軸での検出感度に
差がでないように４つの検出電極３４はＸ軸、Ｙ軸に対
して線対称に形成されている。そして、４つの励振電極
を兼ねる検出電極３４を個々にみると、励振電極を兼ね
る検出電極３４ａはＸ軸上の正の位置に、励振電極を兼
ねる検出電極３４ｂはＹ軸上の正の位置に、励振電極を
兼ねる検出電極３４ｃはＸ軸上の負の位置に、励振電極
を兼ねる検出電極３４ｄはＹ軸上の負の位置にそれぞれ
配置されている。

【００１３】４つの帰還電極３５もＸ、Ｙ軸に対して４
５度傾いた位置に線対称に形成されている。さらに、帰
還電極３５は、振動体を励振するときにできるベンディ
ング振動のノード部３８の内側で、かつ、圧電素子３２
の外周側に形成されている。図面では４つの帰還電極３
５はノード部３８をまたいでいる。これは、各電極に発
生する電荷をリード線を用いて、検出回路に接続するた
めの引き出しパターンを兼ねるためである。リード線を
ノード部３８上からハンダ付け等の接続手段を用いて引
き出すことにより励振姿態が安定し、検出精度が上が
る。帰還電極３５は４箇所設けられているが、そのうち
のすべてを用いる必要はなく、少なくともそのうちのひ
とつを用いればよい。

【００１４】振動体３１の下面には重錘体３６が、重錘
体３６の中心軸がＺ軸と一致するように固定されセンサ
部が構成されている。重錘体３６は２つの円柱部３６ａ
（第一円柱部）、３６ｂ（第二円柱部）の中心軸が一致
するように構成されている。円筒状支持部材３７は、前
記センサ部のベンディング振動のノード部３８に接着固
定されている。

【００１５】振動体３１は恒弾性金属であるエリンバ材
を用い、圧電素子３２にはＰＺＴを、また、円筒状支持
部材３７と重錘体３６もエリンバ材を用いた。電極はＡ
ｇ、Ｃｒを用いて、蒸着にて形成した。接着剤はエポキ
シ系のものを用いた。

【００１６】電極３３と振動体３１は電気的に接続され
て接着されているので、振動体３１と４つの励振電極を
兼ねる検出電極３４に交流をかけると圧電素子３２が振
動し、振動体３１も一緒に振動する。４つの励振電極を
兼ねる検出電極３４は円筒状支持部材３７の内径より内
側に設けてある。

【００１７】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３６が移動することでセンサ部が変形
し４つの励振電極を兼ねる検出電極３４に電荷が発生す
る。４つの励振電極を兼ねる検出電極３４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。

【００１８】

【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検出電極の面積を大きくとることができ、検出感度
を大きくすることができる。２帰還電極を４箇所、２つの検出軸に対して対称に形
成したためバランスが良く励振が安定する。３Ｘ軸、Ｙ軸に線対称に検出電極を形成したため、Ｘ
軸、Ｙ軸回りの回転角速度の検出感度に差がでない。４帰還電極を４箇所設けたため、リード線の配線をそ
のうちのいずれかを使用すれば良いため、リード線の引
き回しを簡単にできる。

【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の従来例を斜め上か
ら見た分解斜視図。

【図３】本発明に係る角速度センサの従来例を斜め下か
ら見た分解斜視図。

【図４】本発明に係る角速度センサの圧電素子を１枚使
用した従来例で上面図。

【図５】本発明に係る角速度センサの圧電素子を１枚使
用した従来例で正面断面図。

【図６】本発明を適用した角速度センサの実施例で上面
図。

【図７】本発明を適用した角速度センサの実施例で正面
断面図。

【符号の説明】

１振動体２圧電素子３圧電素子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ワイヤー２１振動体２２圧電素子２３電極２４励振電極を兼ねる検出電極２５帰還電極２６重錘体２７円筒状支持部材３１振動体３２圧電素子３３電極３４励振電極を兼ねる検出電極３４ａ〜３４ｄ励振電極を兼ねる検出電極３５帰還電極３６重錘体３６ａ〜３６ｂ円柱部３７円筒状支持部材３８ノード部３９原点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者市川和豊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)発明者半田正人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)発明者岡田恵也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】板状の振動体、および該振動体の片面に圧
電素子を貼付し、該圧電素子には少なくとも励振用電極
と検出用電極と帰還電極を形成し、重錘体を設けた角速
度センサにおいて、該振動体を含む平面にＸ軸、同平面
上でＸ軸に直交するＹ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸を
設定し、該Ｘ軸と該Ｙ軸を回転角速度検出軸に設定した
とき、該検出用電極と該帰還電極が、該Ｘ軸と該Ｙ軸と
に対し線対称に形成され、該帰還電極は、該振動体を励
振するときにできるノードの内側で、かつ、該圧電素子
の外周側に形成されることを特徴とする角速度センサ。