JPH10300477A

JPH10300477A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH10300477A
Application number: JP9121703A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Namiki; 智雄並木; Yoshiya Okada; 恵也岡田; Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Hiroaki Terao; 博明寺尾; Minoru Hatakeyama; 稔畠山; Kazutoyo Ichikawa; 和豊市川; Masato Handa; 正人半田
Original assignee: Miyota KK; Miyota Co Ltd
Current assignee: Miyota KK; Miyota Co Ltd
Priority date: 1997-04-23
Filing date: 1997-04-23
Publication date: 1998-11-13

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、検出精度ともに高い角速度センサを得る。【解決手段】板状の振動体と、少なくとも励振用電極
および検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両
面に固定される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持
する支持部材とを有する角速度センサにおいて、該圧電
素子は該振動体にろう付けにより固定されている。また
は、該重錘体は該振動体にろう付けにより固定されてい
る。または、該重錘体は該圧電素子にろう付けにより固
定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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】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軸回りの角速度
を検出できるものが望まれていた。（以下、２軸回りの
角速度を検出できる角速度センサを２軸角速度センサと
呼ぶ。）この要望に応えるものとして、振動体の表面に
圧電素子（以下、圧電効果を示す材料を総称して圧電素
子という。）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が樹脂系の接着剤により
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が樹脂系の接
着剤により貼付されている。帰還電極８の下面には重錘
体９が樹脂系の接着剤により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５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】

【発明が解決しようとする課題】共振型角速度センサの
場合、検出感度を上げるためには、駆動（励振）モード
と検出モードの振動周波数を、たとえば重錘体にレーザ
光を照射しトリミングする方法で近くするとよい。その
前提として、機械的品質係数（Ｑｍ）はある程度高く設
定する必要がある。機械的品質係数（Ｑｍ）が高すぎる
と応答速度が遅くなるという問題もあるが、ある程度高
い場合は振動姿態が安定し検出感度は上がる。逆に、機
械的品質係数（Ｑｍ）が低ければ駆動モードはもちろ
ん、検出モードにおいても共振の強さが小さくなり、圧
電素子に十分な変形を与えることができない。従って、
検出電極より得られる発生電荷が少なくなり、検出感度
は低下することになる。振動体、圧電素子、重錘体をそ
れぞれ固定する際には樹脂系の接着剤（たとえばエポキ
シ系）が用いられる。ところが、樹脂系の接着剤は振動
体、圧電素子、重錘体に比べて柔らかいため、これが介
在すると機械的品質係数（Ｑｍ）が下がる。

【０００９】検出精度を上げるためには振動姿態を安定
化させるとともに、励振周波数を安定化させるとよい。
特に温度変化に対して振動体、圧電素子の弾性率が変化
し（温度変化に対する弾性率変化の比率を、弾性率の温
度係数という）、励振周波数が不安定になりやすい。安
定化させるためには、振動体と圧電素子を合わせた弾性
率の温度係数を０に近づければよい。一般的に圧電素子
（ＰＺＴ）の弾性率の温度係数はマイナスである。この
ため振動体にエリンバ材のような恒弾性金属材料を使用
し、熱処理により弾性率の温度係数をプラスに設定し
て、振動体と圧電素子を組み合わせた弾性率の温度係数
を０に近づけている。しかしながら、樹脂系の接着剤は
高温になるに従って弾性率が急激に下がる。それゆえ、
振動体と圧電素子の弾性率の温度係数を設定しても、温
度変化に対し励振周波数が不安定になりやすい。

【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
検出感度、検出精度の高い角速度センサを提供する。

【００１１】板状の振動体と、少なくとも励振用電極お
よび検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両面
に貼付される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持す
る支持部材とを有する角速度センサにおいて、該圧電素
子は該振動体にろう付けにより固定する。または、板状
の振動体と、少なくとも励振用電極および検出用電極が
形成され該振動体の片面若しくは両面に貼付される圧電
素子と、重錘体と、ノード部を支持する支持部材とを有
する角速度センサにおいて、該重錘体は該振動体にろう
付けにより固定する。または、板状の振動体と、少なく
とも励振用電極および検出用電極が形成され該振動体の
片面若しくは両面に貼付される圧電素子と、重錘体と、
ノード部を支持する支持部材とを有する角速度センサに
おいて、該重錘体は該圧電素子にろう付けにより固定す
る。ろう材は、一般的には樹脂系の接着剤より硬く弾性
係数も高いので、圧電素子から振動体へ振動が伝わる際
のエネルギの減衰が少なくなる。従って、各部材をろう
付けにより固定すると、樹脂系の接着剤を用いた場合よ
りも機械的品質係数（Ｑｍ）が向上し振動姿態が安定す
る。また、ろう材は温度が高くなっても弾性率は急激に
は変化せず徐々に低下するため、温度変化に対し励振周
波数が安定する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
き詳細に説明する。図４は本発明の第一実施例で上面図
である。図５は本発明の第一実施例で正面断面図であ
る。図４、図５の如くＸＹＺ三次元直交座標系を設定す
る。振動体２１を含む平面の面上中心に原点２２を定
め、同平面上にＸ軸、同平面上でＸ軸に直交するＹ軸、
Ｘ軸とＹ軸に直交するＺ軸を設定する。振動体２１の上
面には、円板状の圧電素子２３が、その面上中心がＺ軸
を通るように貼付されている。圧電素子２３の上面には
４つの扇型をした励振電極を兼ねる検出電極２４と略十
字型をした帰還電極２５がノード部２６の付近から内側
に設けられている。４つの励振電極を兼ねる検出電極２
４はＸ軸、Ｙ軸上に配置され、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対し
て線対称に形成されている。略十字型をした帰還電極２
５もＸ軸、Ｙ軸に対して略対称に形成されている。圧電
素子２３の下面には原点２２を中心とし４つの励振電極
を兼ねる検出電極２４の外形よりやや大きい円形をした
電極２７が設けられている。圧電素子２３は振動体２１
に、ろう材２８によりろう付けされて固定されている。

【００１３】振動体２１の下面には、重錘体２９がろう
材３０によりろう付けされて固定されている。ここで重
錘体２９は、２つの径の異なる円柱の中心軸を一致させ
て重ね合わせた形状をしている。また、重錘体２９の中
心軸はＺ軸と一致している。振動体２１と圧電素子２３
と重錘体２９とでセンサ部２０が構成される。

【００１４】振動体２１は恒弾性材料であるエリンバ材
を用い、圧電素子２３はＰＺＴを用いた。圧電素子２３
の平面上にスパッタによりＡｇ−Ｃｒ、あるいはＮｉ−
Ｃｒ等の金属、または合金の薄膜にて電極を形成した。
電極形成は、蒸着、スクリーン印刷などの方法を用いて
もかまわない。重錘体２９はエリンバ材を用いた。材質
は所定の機能を満たすものであれば、これに限定される
ものではない。振動体２１と圧電素子２３はろう材２８
を用いて固定した。振動体２１と重錘体２９は、ろう材
３０を用いて固定した。ろう材にはいろいろな種類があ
るが、低融点（２００℃〜３００℃）で接合するタイプ
のものはＰｂーＳｎ系、ＡｕーＳｎ系などがある。それ
より高融点で、６００℃前後に融点のあるＡｌ系、さら
に高融点で７００℃以上に融点のあるＡｇ系等の種類が
ある。スパッタや、蒸着で形成された電極膜は高温下で
はダメージを受けやすいので、ろう材は低融点のものを
用いるのが好ましい。第一実施例ではＰｂ−Ｓｎ系のろ
う材を使用した。また、振動体２１と圧電素子２３を接
合させるための処理として、振動体２１にはＮｉメッキ
による表面処理を施し、圧電素子２３に形成されている
電極２７は、Ｃｒを下地層とし、その上にＮｉ層をスパ
ッタにより形成した。振動体２１と重錘体２９を接合さ
せるための処理として、両者にＮｉメッキによる表面処
理を施した。

【００１５】検出動作について説明する。電極２７と振
動体２１はろう材２８により電気的に接続されて固定さ
れている。電極２７（振動体２１）と４つの励振電極を
兼ねる検出電極２４に交流をかけると、圧電素子２３
は、径方向に伸縮することにより振動体２１と一緒にＺ
軸方向に振動する。センサ部２０はノード部２６を円筒
状支持部材３１で支持されており、４つの励振電極を兼
ねる検出電極２４は円筒状支持部材３１の内径付近から
内側に設けてある。

【００１６】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２９が移動することでセンサ部２０が
変形し４つの励振電極を兼ねる検出電極２４に電荷が発
生する。４つの励振電極を兼ねる検出電極２４に発生す
る電荷の量により角速度の方向と大きさが検出できる。

【００１７】図６は本発明の第二実施例で上面図であ
る。図７は本発明の第二実施例で正面断面図である。第
二実施例は圧電素子を振動体の両面に貼付した例であ
る。図６、図７の如くＸＹＺ三次元直交座標系を設定す
る。振動体４１を含む平面の面上中心に原点４２を定
め、同平面上にＸ軸、同平面上でＸ軸に直交するＹ軸、
Ｘ軸とＹ軸に直交するＺ軸を設定する。振動体４１の上
面には、円板状の圧電素子４３が、その面上中心がＺ軸
を通るように貼付されている。圧電素子４３の上面には
４つの扇型をした励振電極を兼ねる検出電極４４がノー
ド部４５の付近から内側に設けられている。４つの励振
電極を兼ねる検出電極４４はＸ軸、Ｙ軸上に配置され、
かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対して線対称に形成されている。圧
電素子４３の下面には原点４２を中心とし４つの励振電
極を兼ねる検出電極４４の外形よりやや大きい円形をし
た電極４６が設けられている。圧電素子４３は振動体４
１に、ろう材４７によりろう付けされて固定されてい
る。振動体４１の下面には、円板状の圧電素子４８が、
その面上中心がＺ軸を通るように固定されている。圧電
素子４８の上面には原点４２を中心とする電極４９が設
けられている。圧電素子４８の下面には原点４２を中心
とする帰還電極５０が設けられている。圧電素子４８は
振動体４１に、ろう材５１によりろう付けされて固定さ
れている。

【００１８】圧電素子４８の下面には、重錘体５２がろ
う材５３によりろう付けされて固定されている。ここで
重錘体５２は、２つの径の異なる円柱の中心軸を一致さ
せて重ね合わせた形状をしている。また、重錘体５２の
中心軸はＺ軸と一致している。振動体４１と圧電素子４
３、４８と重錘体５２とでセンサ部４０が構成される。

【００１９】振動体４１は恒弾性材料であるエリンバ材
を用い、圧電素子４３、４８はＰＺＴを用いた。圧電素
子４３、４８の平面上にスパッタによりＡｇ−Ｃｒ、あ
るいはＮｉ−Ｃｒ等の金属、または合金の薄膜にて電極
を形成した。電極形成は、蒸着、スクリーン印刷などの
方法を用いてもかまわない。重錘体５２はエリンバ材を
用いた。材質は所定の機能を満たすものであれば、これ
に限定されるものではない。振動体と圧電素子、または
圧電素子と重錘体は、第一実施例と同じろう材を用いて
固定した。また、振動体４１と圧電素子４３、４８を接
合させるための処理として、振動体４１にはＮｉメッキ
による表面処理を施し、圧電素子４３に形成されている
電極４６と圧電素子４８に形成されている電極４９に
は、Ｃｒを下地層とし、その上にＮｉ層をスパッタによ
り形成した。圧電素子４８と重錘体５２を接合させるた
めの処理として、重錘体５２にはＮｉメッキによる表面
処理を施し、圧電素子４８に形成されている帰還電極５
０には、Ｃｒを下地層とし、その上にＮｉ層をスパッタ
により形成した。

【００２０】検出動作について説明する。電極４６と振
動体４１はろう材４７により電気的に接続されて固定さ
れている。電極４６（振動体４１）と４つの励振電極を
兼ねる検出電極４４に交流をかけると、圧電素子４３
は、径方向に伸縮することにより振動体４１と圧電素子
４８は一緒にＺ軸方向に振動する。センサ部４０はノー
ド部４５を円筒状支持部材５４で支持されており、４つ
の励振電極を兼ねる検出電極４４は円筒状支持部材５４
の内径付近から内側に設けてある。

【００２１】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５２が移動することでセンサ部４０が
変形し４つの励振電極を兼ねる検出電極４４に電荷が発
生する。４つの励振電極を兼ねる検出電極４４に発生す
る電荷の量により角速度の方向と大きさが検出できる。

【００２２】

【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振動体と圧電素子、振動
体と重錘体、圧電素子と重錘体をろう付により固定した
ことで機械的品質係数（Ｑｍ）が向上し、振動姿態が安
定するため、検出感度が上がる。２ろう材を用いたこ
とで温度が高くなっても弾性率は急激には変化せず徐々
に低下するため、温度変化に対し励振周波数が安定す
る。従って、検出精度も向上する。

【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を従来例を斜め下か
ら見た分解斜視図。

【図４】本発明に係る角速度センサの第一実施例で上面
図。

【図５】本発明に係る角速度センサの第一実施例で正面
断面図。

【図６】本発明に係る角速度センサの第二実施例で上面
図。

【図７】本発明に係る角速度センサの第二実施例で正面
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２０センサ部２１振動体２２原点２３圧電素子２４励振電極を兼ねる検出電極２５帰還電極２６ノード部２７電極２８ろう材２９重錘体３０ろう材３１円筒状支持部材４０センサ部４１振動体４２原点４３圧電素子４４励振電極を兼ねる検出電極４５ノード部４６電極４７ろう材４８圧電素子４９電極５０帰還電極５１ろう材５２重錘体５３ろう材５４円筒状支持部材

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の振動体と、少なくとも励振用電極
および検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両
面に固定される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持
する支持部材とを有する角速度センサにおいて、該圧電
素子は該振動体にろう付けにより固定されていることを
特徴とする角速度センサ。
【請求項２】板状の振動体と、少なくとも励振用電極
および検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両
面に固定される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持
する支持部材とを有する角速度センサにおいて、該重錘
体は該振動体にろう付けにより固定されていることを特
徴とする角速度センサ。
【請求項３】板状の振動体と、少なくとも励振用電極
および検出用電極が形成され該振動体の片面若しくは両
面に固定される圧電素子と、重錘体と、ノード部を支持
する支持部材とを有する角速度センサにおいて、該重錘
体は該圧電素子にろう付けにより固定されていることを
特徴とする角速度センサ。