JPH1089971A

JPH1089971A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH1089971A
Application number: JP8250659A
Authority: JP
Inventors: Mineo Yorizumi; 美根生頼住; Toshinori Takahashi; 敏則高橋; Toshiyuki Kawamura; 俊行川村; Keiichi Kagami; 慶一鏡; Katsuyoshi Kawamata; 勝好川俣
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】感度が振動方向に依存することなく、検出感
度の向上が図られた角速度センサを提供する。【解決手段】角速度センサ１は、柱状体に形成され、
断面形状が略Ｔ字状とされる振動子２と、この振動子２
の側面に取り付けられて振動子２を所定の方向に励振さ
せる駆動用圧電素子３と、この振動子２の側面に取り付
けられて振動子２の回転を検出する一対の検出用圧電素
子４Ａ，４Ｂとを備える。この角速度センサ１は、検出
用圧電素子３が振動子２に発生するコリオリ力に対して
略垂直に配されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カーナビゲーショ
ンシステム等に用いられる方向検知や、カメラ一体型ビ
デオテープレコーダ等の手振れ検知に用いられる角速度
センサに関し、特に、圧電素子を用いた角速度センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、角速度センサは、航空機等に
用いられて慣性座標系の角速度を検出し、航空機等の進
行方向を算出するといった用途に用いられている。しか
し、近年、角速度センサは、自動車に搭載されるナビゲ
ーションシステムの補助機能として、又はカメラ一体型
ビデオテープレコーダの手振れ防止機能の手振れ検出等
にも応用されており、その需要が急上昇している。

【０００３】このような角速度センサは、図４に示すよ
うに、略三角柱状の振動子１００と、この振動子１００
の３つの側面に配設された３つの圧電素子１０１と、こ
の振動子１００を支持する一対の支持部材１０２とを備
える。この角速度センサにおいて、３つの圧電素子１０
１は、振動子１００の側面よりやや小とされる略矩形と
され、それぞれ略同形とされている。また、一対の支持
部材１０２は、振動子１００の長手方向の振動のノード
付近を支持している。このとき、支持部材１０２は、振
動子１００の隣合う側面が形成する辺に接するように、
振動子１００を支持している。

【０００４】このように構成された従来の角速度センサ
は、３つの圧電素子１０１のうち１つを振動子１００を
励振駆動させるための駆動用圧電素子１０１Ａに用い、
残りの２つを検出用圧電素子１０１Ｂとして用いてい
る。すなわち、この角速度センサでは、支持部材１０２
で支持された辺と対向する側面に配設された圧電素子１
０１を駆動用圧電素子１０１Ａとし、それ以外の側面に
配設された２つの素子を検出用圧電素子１０１Ｂとして
いる。

【０００５】したがって、この振動子１００は、駆動用
圧電素子１０１Ａに駆動信号が供給されると、支持部材
１０２により支持されている点を支点として屈曲振動を
する。この状態で、角速度センサが振動子１００の図４
中Ｚ軸を中心とする回転運動をすると、屈曲振動の振動
方向に対して直交する方向にコリオリ力が発生する。そ
して、この角速度センサでは、このコリオリ力により屈
曲振動の振動方向が変化することとなる。

【０００６】この角速度センサは、コリオリ力による屈
曲運動の振動方向の変化を感知することによって、その
回転角速度を検出することができる。この角速度センサ
では、一対の検出用圧電素子１０１Ｂからの出力電圧の
差動をとることによって、コリオリ力による屈曲運動の
振動方向の変化を感知する。

【０００７】角速度センサは、駆動信号が駆動用圧電素
子１０１Ａに印加されると、図４中矢印Ｓで示す方向に
振動する。一対の検出用圧電素子１０１Ｂは、角速度セ
ンサが駆動用圧電素子１０１Ａによる屈曲運動のみをし
ている場合、それぞれ同程度の出力電圧を発生する。し
たがって、このとき、一対の検出用圧電素子１０１Ｂで
は、それぞれの出力電圧の差動をとると、略々０とな
る。

【０００８】一方、角速度センサがコリオリ力により屈
曲運動の振動方向に変化を生じると、一対の検出用圧電
素子１０１Ｂから発生する出力電圧は、振動方向と検出
用圧電素子１０１Ｂとがなす角度に応じて変化する。こ
の場合、一対の検出用圧電素子１０１Ｂは、それぞれの
検出用圧電素子１０１Ｂと振動方向とのなす角度が異な
るため、それぞれ異なる出力電圧を生じる。そして、こ
の角速度センサでは、一対の検出用圧電素子１０１Ｂか
らの出力電圧の差動をとることにより、振動方向の変化
を感知することができる。これにより、角速度センサ
は、その回転角速度を検出することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな従来の角速度センサにおいては、振動子１００が略
正三角形の断面形状を有するような柱状体に形成され、
その側面部に検出用圧電素子１０１Ｂが配設されてい
た。このような従来の角速度センサでは、駆動用圧電素
子１０１Ａによる屈曲運動の振動方向に対して検出用圧
電素子１００Ｂが略３０゜の角度を有するように配設さ
れることとなる。

【００１０】この従来の角速度センサにおいては、一対
の検出用圧電素子１０１Ｂの配設される角度がコリオリ
力に対して６０゜とされている。このため、一対の検出
用圧電素子１０１Ｂは、コリオリ力を十分に感度よく検
出することが困難であった。

【００１１】本発明は、上述のような問題点に鑑みてな
されたものであり、コリオリ力に対して最適な位置に圧
電素子を配することにより、検出感度の向上が図られた
角速度センサの提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述の課
題を解決して上述の目的を達成せんものと鋭意検討を重
ねた結果、角速度センサの検出感度を向上させるには、
振動子の剛性を低めて角速度センサの振幅を高めること
によって、コリオリ力を高めることができることを見い
出し、本発明を完成するに至った。

【００１３】すなわち、本発明に係る角速度センサは、
柱状体に形成され、断面形状が略Ｔ字状とされる振動子
と、この振動子の側面に取り付けられて振動子を所定の
方向に励振させる駆動用圧電素子と、この振動子の側面
に取り付けられて振動子の回転を検出する一対の検出用
圧電素子とを備える。この角速度センサは、検出用圧電
素子が振動子に発生するコリオリ力に対して略垂直に配
されてなる。

【００１４】以上のように構成された本発明に係る角速
度センサでは、断面形状が略Ｔ字状を呈する振動子が用
いられているため、振動子の剛性が低くなっている。こ
のため、この角速度センサでは、駆動用圧電素子が振動
子を所定の方向に振動させる際、振動子の共振周波数が
低くなるために、その振動速度が大となる。したがっ
て、この角速度センサでは、コリオリ力を高めることが
でき、その結果、検出感度が向上したものとなる。

【００１５】また、本発明に係る角速度センサは、検出
用圧電素子がコリオリ力に対して略垂直な方向に配され
てなる。このため、検出用圧電素子は、振動時において
出力変位が大きくなる。したがって、この検出用圧電素
子は、感度良くコリオリ力を検出することがでる。これ
により、この角速度センサは、検出感度が向上したもの
となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る角速度センサ
の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００１７】本実施の形態に係る角速度センサ１は、図
１に示すように、柱状体に形成され、断面形状が略Ｔ字
状とされる振動子２と、この振動子２の側面に取り付け
られてこの振動子２を所定の方向へ励振させる駆動用圧
電素子３と、この振動子２の側面に取り付けられてこの
振動子２の回転を検出する一対の検出用圧電素子４Ａ，
４Ｂとを備える。また、この角速度センサ１は、振動子
２の長手方向の振動のノード付近に取り付けられて振動
子２を支持する一対の支持部材５Ａ，５Ｂを備える。な
お、以下の説明において、駆動用圧電素子３と一対の検
出用圧電素子４Ａ，４Ｂとをまとめて、単に「圧電素
子」と称する。

【００１８】この角速度センサにおいて、振動子２に
は、図２に示すように、その上面部２Ａに駆動用圧電素
子３が配設され、この上面部２Ａと略垂直に形成される
側面部２Ｂ，２Ｃに一対の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂが
配設される。

【００１９】この振動子２は、例えば、エリンバ等の一
般に機械的な振動を生じるような恒弾性材料から形成さ
れる。また、この振動子２では、加工後に真空で４００
〜６００℃に加熱することによって、検出感度の温度特
性を調節した。

【００２０】また、この角速度センサ１において、圧電
素子は、上述したように振動子２の上面部２Ａ及び側面
部２Ｂ，２Ｃの略中央部に取り付けられ、圧電特性を有
する圧電層６と、この圧電層６の両面に形成された一対
の電極層７Ａ，７Ｂとから構成されている。そして、こ
の圧電素子は、略矩形状とされ、振動子２の上面部２Ａ
及び側面部２Ｂ，２Ｃよりもやや小となるように形成さ
れている。

【００２１】圧電素子を構成する圧電層６は、例えばＰ
ＺＴ等の圧電セラミックスを加工することにより形成さ
れるが、その材料には限定されるものではない。圧電素
子を構成する電極層７Ａ，７Ｂは、例えば金のような導
電体からなり、無電解メッキ等の手法により圧電層６の
両面に形成される。そして、この圧電素子は、振動子２
の上面部２Ａ及び側面部２Ｂ，２Ｃに対して、エポキシ
樹脂等の接着剤により熱硬化工程を経て接着される。

【００２２】さらに、この角速度センサ１において、一
対の支持部材５Ａ，５Ｂは、上述した振動子２の振動ノ
ード付近に取り付けられ、振動子２を支持する。この支
持部材５Ａ，５Ｂは、例えば、金属線等からなり、いわ
ゆるスポットウエルディング等の手法により振動子２に
対して溶接される。このとき、一対の支持部材５Ａ，５
Ｂは、それぞれ振動子２の上面部２Ａと対向する位置に
取り付けられる。したがって、一対の支持部材５Ａ，５
Ｂは、振動子２を２点で支持することとなる。なお、こ
れらの支持部材５Ａ，５Ｂは、振動子２に対して導電性
ペースト等を用いて固着されても良い。そして、これら
の支持部材５Ａ，５Ｂは、角速度センサ１におけるアー
ス端子として用いられても良い。

【００２３】以上のように構成された本発明に係る角速
度センサ１は、図３に示すように、駆動検出回路１０に
接続され、圧電素子が振動子駆動用と振動検出用とに使
い分けられる。そして、角速度センサ１は、これらの駆
動用圧電素子３及び一対の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂを
後述する駆動検出回路１０に接続することによって、コ
リオリ力を検出することとなる。

【００２４】すなわち、本実施の形態に係る角速度セン
サ１では、上面部２Ａに配設された圧電素子を駆動用圧
電素子３とし、側面部２Ｂ，２Ｃに配設された残り２枚
の圧電素子を検出用圧電素子４Ａ，４Ｂとする。この駆
動用圧電素子３は、一対の支持部材５Ａ，５Ｂが取り付
けられた面、すなわち図１中ＹＺ平面と平行に圧電層６
が配置されるように構成されている。また、一対の検出
用圧電素子４Ａ，４Ｂは、図１中ＸＺ平面と平行な位置
に配置される。

【００２５】そして、この角速度センサ１が接続される
駆動検出回路１０は、駆動用圧電素子３が接続される発
振回路１１と、この発振回路１１を介して駆動用圧電素
子３が接続される位相補正回路１２と、一対の検出用圧
電素子４Ａ，４Ｂが接続される差動増幅回路１３と、こ
の差動増幅回路１３に接続された同期検波回路１４と、
この同期検波回路１４に接続された直流増幅回路１５と
から構成されている。

【００２６】上述した駆動検出回路１０において、発振
回路１１には、上述した駆動用圧電素子３が接続され
る。そして、駆動用圧電素子３には、駆動信号が発振回
路１１より供給される。これにより、駆動用圧電素子３
は、図１中Ｘ軸と平行な方向に、振動子２を安定的に振
動させることができる。

【００２７】また、差動増幅回路１３には、上述した２
枚の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂが接続される。そして、
差動増幅回路１３は、２枚の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂ
からの出力電圧をそれぞれ検出するとともに、これら出
力電圧の差動を取り、増幅する。

【００２８】このとき、２枚の検出用圧電素子４Ａ，４
Ｂは、位相補正回路１２に接続されており、この位相補
正回路１２に対しても出力電圧を供給する。すなわち、
これら２枚の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂは、帰還用の圧
電素子としても用いられている。したがって、位相補正
回路１２において，２枚の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂか
らの出力電圧は、合成されて上述した発振回路１１に供
給される。

【００２９】また、この位相補正回路１２は、同期検波
回路１４にも接続されており、出力電圧の合成を同期検
波回路１４に対して供給する。これにより、同期検波回
路１４では、差動増幅回路１３で検出された出力のうち
で駆動信号と同期した成分のみを検出する。さらに、こ
の同期検波回路１４は、直流増幅回路１５に接続されて
いる。したがって、同期検波回路１４で検出された信号
は、直流増幅回路１５で増幅されて出力信号となる。

【００３０】このように配設された駆動用圧電素子３
は、所定の駆動信号が印加されることにより振動子２を
所定の方向及び所定の強さで振動させる。このとき、振
動子２は、一対の支持部材５Ａ，５Ｂを振動ノード点と
して、図１中Ｘ軸と平行な方向に振動することとなる。

【００３１】このとき、２枚の検出用圧電素子４Ａ，４
Ｂは、それぞれ同様に屈曲するために、それぞれ同様な
正弦波を出力する。発振回路１１には、２枚の検出用圧
電素子４Ａ，４Ｂからの出力が位相補正回路１２にて合
成されたかたちで供給される。この場合、２枚の検出用
圧電素子４Ａ，４Ｂからの出力は、位相補正回路１２に
おいて、それぞれの間の電圧誤差や位相誤差が補正され
る。これにより、発振回路１１からは、所定の正弦波が
駆動用圧電素子３に出力される。

【００３２】また、２枚の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂか
らの出力は、差動増幅回路１３で差動を検出され、差動
増幅回路１３から差動のかたちで同期検波回路１４に出
力される。そして、差動増幅回路１３から出力された差
動信号は、同期検波回路１４において、上述した位相補
正回路１２からの信号と同期した成分のみ検波される。
この場合、角速度センサ１は、２枚の検出用圧電素子４
Ａ，４Ｂからの出力の差動が０であることを確認すれ
ば、無回転を検出することができる。

【００３３】一方、角速度センサ１は、外部からの振動
等が加えられると、図１中Ｚ軸を中心として回転する。
このとき、角速度センサ１には、無回転時の振動方向に
対して略直交する方向にコリオリ力が発生する。そのた
め、角速度センサ１の振動方向は、無回転時の振動方向
からずれることとなる。このとき、２枚の検出用圧電素
子４Ａ，４Ｂは、変化した振動方向とのなす角度がそれ
ぞれ異なるために、それぞれ異なる出力電圧を生じるこ
ととなる。

【００３４】例えば、一方の検出用圧電素子４Ａからの
出力電圧は大きくなり、逆に、他方の検出用圧電素子４
Ｂからの出力電圧は小さくなる。このとき、２枚の検出
用圧電素子４Ａ，４Ｂからの出力電圧の変化量の絶対値
は、ほぼ等しくなっている。このため、発振回路１１に
は、２枚の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂからの出力が合成
されたかたちで供給されるために無回転時と略同程度の
出力が供給される。したがって、この場合も、発振回路
１１からは、無回転時と同様に所定の正弦波が駆動用圧
電素子３に出力されることとなる。

【００３５】また、２枚の検出用圧電素子４Ａ，４Ｂか
らの出力は、上述した無回転時と同様に差動増幅回路１
３で差動を取られる。そして、上述した無回転時と同様
に同期検波回路１４において、位相補正回路１２からの
信号と同期した成分のみが検波される。このようにＺ軸
を中心に所定の角速度で回転する場合、２枚の検出用圧
電素子４Ａ，４Ｂからの出力が異なるため、検波された
信号は所定の値を有することとなる。そして、この信号
は、直流増幅回路１５において、増幅されて出力信号と
なる。

【００３６】そして、この角速度センサ１は、上述した
ように得られた出力信号を検出することによって、角速
度を感知することができる。すなわち、角速度センサ１
は、出力信号の極性から回転方向を感知することがで
き、出力信号の大きさから回転速度を感知することがで
きる。

【００３７】なお、この角速度センサ１は、上述したよ
うに、１枚の駆動用圧電素子３が振動子２の上面２Ａに
配設されるような構成に限定されるものではない。すな
わち、角速度センサ１は、振動子２の上面２Ａに複数枚
の駆動用圧電素子を配設するような構成であってもよ
い。この場合、駆動用圧電素子は、図１中ＸＺ平面を対
称面として対称に配されることによって、振動子２を図
１中Ｘ軸と平行な方向に安定的に振動させることができ
る。この場合、発振回路１１からの駆動信号は、複数枚
の駆動用圧電素子に対して同位相で供給されてもよい
し、振動子２を安定的に振動させるのであれば、異位相
で供給されてもよい。

【００３８】この角速度センサ１では、上述したよう
に、振動子２の断面形状が略Ｔ字状となるように構成さ
れているため、振動子２の剛性が低くなっている。これ
により、この角速度センサ１において、振動子２は、共
振周波数が低くなり、駆動信号により大きく振動するこ
ととなる。したがって、この角速度センサ１は、検出感
度が向上したものとなる。すなわち、本発明に係る角速
度センサ１は、従来のものと比較して出力信号の変化が
大きいものとなる。

【００３９】また、角速度センサ１において、一般に、
振動子２の側面に配設される駆動用圧電素子３及び検出
用圧電素子４Ａ，４Ｂは、全て共振周波数を略々同程度
に制御されてなくてはならない。すなわち、振動子２の
側面に配設される検出用圧電素子４Ａ，４Ｂは、共振周
波数を略同程度とすることによって、無回転時の出力電
圧が略々等しいものとなる。また、駆動用圧電素子３
は、共振周波数を略同程度とすることによって、振動子
２を安定的に振動させることができる。

【００４０】この角速度センサ１では、圧電素子の共振
周波数を容易に調節することができるため、圧電素子の
共振周波数が略々同程度とされる。この角速度センサ１
において、具体的には、圧電素子間の共振周波数のズレ
を±３Ｈｚ以内にすることによって、高い出力を得るこ
とができる。

【００４１】さらに、本発明に係る角速度センサ１は、
駆動用圧電素子３により振動する振動方向に対して検出
用圧電素子４Ａ，４Ｂが平行に配設されている。この角
速度センサ１において、コリオリ力は、駆動用圧電素子
３により振動する振動方向に対して垂直に発生する。し
たがって、コリオリ力は、検出用圧電素子４Ａ，４Ｂに
対して略直交する方向に発生することとなる。このた
め、この角速度センサ１では、コリオリ力に対する検出
用圧電素子４Ａ，４Ｂの感度が高い。したがって、この
角速度センサ１は、振動子２の振動方向の変化を高感度
に検出することができる。

【００４２】本発明に係る角速度センサは、図２に示し
た振動子２を有する角速度センサ１に限定されるもので
はなく、振動子が略Ｔ字状を呈しており、検出用圧電素
子がコリオリ力に対して略直交する方向に配されるよう
な構成を有していればよい。

【００４３】すなわち、本発明に係る角速度センサは、
駆動用圧電素子が配設される振動子の上面が傾斜面とさ
れるような構成であってもよい。この場合でも、振動子
は、駆動用圧電素子により所定の方向に振動される。そ
して、検出用圧電素子は、この振動方向に対して平行に
配設されることとなる。したがって、この場合でも、検
出用圧電素子は、振動子に発生するコリオリ力に対して
略直交する方向に配設されることとなる。したがって、
角速度センサは、駆動用圧電素子が配設される振動子の
上面が傾斜面とされていても振動子の振動方向の変化を
高感度に検出することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
係る角速度センサでは、振動子の剛性を低くすることに
より振動子の共振周波数を低くすることができる。これ
により、本発明に係る角速度センサは、駆動信号により
大きく振動することとなる。したがって、この角速度セ
ンサは、検出感度が向上したものとなる。

【００４５】また、本発明に係る角速度センサは、コリ
オリ力に対して略直交する方向に検出用圧電素子を配設
してなる。これにより、検出用圧電素子は、コリオリ力
を感度よく検出することができる。したがって、角速度
センサは、コリオリ力による振動子の振動方向変化を高
感度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の形態に示す角速度センサの
要部斜視図である。

【図２】図１に示す角速度センサの要部縦断面図であ
る。

【図３】図１及び図２に示す角速度センサの駆動検出回
路を説明するためのブロック図である。

【図４】従来の角速度センサの要部斜視図である。

【符号の説明】

１角速度センサ、２振動子、３駆動用圧電素子、
４検出用圧電素子、５支持部材、１０駆動検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鏡慶一東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者川俣勝好東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】柱状体に形成され、断面形状が略Ｔ字状
とされる振動子と、上記振動子の側面に取り付けられ、上記振動子を所定の
方向に励振させる駆動用圧電素子と、上記振動子の側面に取り付けられ、上記振動子の回転を
検出する少なくとも一対の検出用圧電素子とを備え、上記検出用圧電素子は、上記振動子に発生するコリオリ
力に対して略垂直に配されることを特徴とする角速度セ
ンサ。
【請求項２】上記振動子に所定の振動を発生させるた
めの信号を上記駆動用圧電素子に供給する発振回路と、上記検出用圧電素子が感知した上記振動子の振動に基づ
いて当該振動子の角速度を検出する振動検出回路とを備
え、上記検出用圧電素子は、上記発振回路への帰還を兼ねる
ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。