JPH11337343A - 角速度センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より簡単な構成で量産効果が期待でき、角速
度センサーとして本質的な特性を左右する振動子の寸法
精度も比較的容易に満足できる検出感度に優れた角速度
センサーを提供することを目的としている。 【解決手段】 角速度センサー１は、フェライト部２と
圧電体である圧電セラミック部３ａとを積層してなる四
角柱状の振動子１ａと、振動子１ａにおいて対向するフ
ェライト部２の側面２ａの電極４及び圧電体セラミック
部３ａの側面３ａ１に配される電極３ｂ，３ｃと当該圧
電セラミック部２とにより構成される圧電素子３とを備
えている。そして、この角速度センサー１は、電極４及
び電極３ｂ，３ｃとの間に電圧を印加して、圧電素子３
により振動子１ａを振動させるとともに、振動子１ａに
生じるコリオリ力を上記圧電素子により検出すること
で、角速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ビデオカ
メラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置におけ
る動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方
向検知等に用いられる角速度センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、民生用の角速度センサーとして
は、棒状の振動子を所定の共振周波数で振動させてお
き、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子
等で検出することによって角速度を検出する、いわゆる
振動ジャイロ型の角速度センサーが広く使用されてい
る。

【０００３】このような角速度センサーにおいて、振動
子を駆動する方法としては、他励発振型駆動回路による
方法と、自励発振型駆動回路による方法とがある。しか
しながら、他励発振型駆動回路による方法は、振動子等
の温度特性によって発振周波数と振動子の共振周波数と
にずれが生じると急激にコリオリ力の検出感度が低下す
るという問題があり、実用化に至っていない。

【０００４】そこで、現在は、図３又は図４に示すよう
に、移相発振回路のループに振動子を組み入れた自励発
振型駆動回路による角速度センサーが一般的になってい
る。このような角速度センサーでは、振動子の共振周波
数で自励発振するので、温度特性による感度変化が少な
く、広温度範囲において感度の安定した角速度出力を得
ることができる。

【０００５】図３に示す従来の角速度センサーは、三角
柱状の恒弾性振動子１００の側面に、電極１０１ａ及び
圧電体１０１ｂからなる第１の圧電素子１０１と、電極
１０２ａ及び圧電体１０２ｂからなる第２の圧電素子１
０２と、電極１０３ａ及び圧電体１０３ｂからなる第３
の圧電素子１０３とがそれぞれ取り付けられた三角柱状
の振動子１０４を備えている。例えば、上記恒弾性振動
子１００は、恒弾性金属振動子である。

【０００６】また、この従来の角速度センサーは、第１
の圧電素子１０１に接続された増幅器１０５と、増幅器
１０５に接続された移相器１０６と、第２の圧電素子１
０２及び第３の圧電素子１０３に接続された差動増幅器
１０７と、差動増幅器１０７に接続された同期検波器１
０８と、同期検波器１０８に接続されたローパスフィル
タ１０９とを備えている。この従来の角速度センサーに
おいて、第２の圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０
３は、自励発振のために振動子１０４の振動を検出する
とともに、振動子１０４に生じるコリオリ力を検出す
る。

【０００７】このような三角柱状の振動子１０４を用い
た角速度センサーは、現在のところ最も感度が高く、主
流となっている。しかしながら、このような角速度セン
サーでは、構造が複雑なために、製造工程における量産
効果を出すことが難しいという問題があった。例えば、
三角形状に形成されている恒弾性振動子の一つ一つに圧
電素子を接着する工程が必要になり、量産効果を出すこ
とができないといった問題がある。また、小型化に伴い
支持機構の精度や恒弾性金属振動子への圧電素子の接着
精度が要求され、且つその接着による接着層の当該振動
子に与える影響が増大するため、小型化による生産効率
が悪く、コストアップが著しくなるという問題があっ
た。

【０００８】また、図４に示す従来の角速度センサー
は、円柱状の圧電セラミック振動子１１０の側面に６つ
の電極１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１
６が印刷された振動子１１７を備えている。ここで、第
１乃至第３の電極１１１，１１２，１１３はそれぞれ独
立した電極とされ、第４乃至第５の電極１１４，１１
５，１１６は共通のグランド電位に接続される。また、
この角速度センサーは、第１の電極１１１に接続された
増幅器１１８と、増幅器１１８に接続された移相器１１
９と、移相器１１９に接続された加算機１２０と、第２
及び第３の電極１１２，１１３に接続された差動増幅器
１２１と、差動増幅器１２１に接続された同期検波器１
２２と、同期検波器１２２に接続されたローパスフィル
タ１２３とを備えている。この角速度センサーでは、第
１の電極１１１に電圧を印加することにより、振動子１
１７を振動させるとともに、第２及び第３の電極１１
２，１１３によって、振動子１１７に生じるコリオリ力
を検出する。

【０００９】この従来の角速度センサーでは、上述した
ように電極１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，
１１６を振動子１１７に印刷されているために、振動子
１１７に圧電素子を接着する必要がなく、比較的にシン
プルな構造となっている。しかしながら、この従来の角
速度センサーでは、特に小型化を図った場合に、圧電セ
ラミック振動子１１０の製造、並びに当該圧電セラミッ
ク振動子１１０への電極の印刷を精度良く行うことが難
しいという問題があった。

【００１０】すなわち、この従来の角速度センサーで
は、円柱状の圧電セラミック振動子１１０を用いている
が、三角柱状や四角柱状のものに比べて、円柱状の圧電
セラミック振動子１１０を精度良く製造することは難し
い。しかも、この角速度センサーでは、曲面上に電極を
精度良く印刷することは容易ではない。

【００１１】このように、この角速度センサーでは、円
柱状の圧電セラミック振動子１１０を用いるために製造
が難しく、量産効果が期待できない構造となっており、
たとえ量産したとしても低コスト化を図ることは難し
い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、他励発
振型駆動回路による方法では、温度特性による感度変化
が問題となる。そして、この問題を解決するために、自
励発振型駆動回路を採用した角速度センサーが提案され
ているが、これら従来の角速度センサーにおいても、上
述したように様々な問題が残されている。

【００１３】すなわち、図３に示したような従来の角速
度センサーでは、恒弾性金属振動子への上記圧電素子の
接着や振動子支持機構などの構造が複雑になってしま
う。また、図４に示すような従来の角速度センサーで
は、円柱状の圧電セラミック振動子を用いるため、振動
子１１０を精度良く製造することは難しく、しかも、曲
面上に電極を精度良く印刷することは容易ではない。

【００１４】そこで、本発明は、以上のような従来の実
情に鑑みて提案されたものであり、より簡単な構成で量
産効果が期待でき、角速度センサーとして本質的な特性
を左右する振動子の寸法精度も比較的容易に満足できる
検出感度に優れた角速度センサーを提供することを目的
としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る角速度セン
サーは、上述の課題を解決するために、低電気抵抗と圧
電体とを積層してなる四角柱状の振動子と、振動子にお
いて対向するフェライトの側面及び圧電体の側面に配さ
れる電極と当該圧電体とにより構成される圧電素子とを
備えている。この角速度センサーは、圧電素子によって
振動子を振動させるとともに、振動子に生じるコリオリ
力を上記圧電素子により検出することで、角速度を検出
する。

【００１６】本発明に係る角速度センサーは、低電気抵
抗体と圧電体とを積層してなる四角柱状の振動子と、こ
の振動子の対向される低電気抵抗体及び圧電体の各側面
に配した電極とからなる構成としているので、恒弾性金
属振動子に圧電素子を接着したり、曲面に電極を印刷す
るといった工程を要することなく製造される。さらに、
低電気抵抗体のウェハと圧電セラミック等といった圧電
体のウェハを接着した後に、両面電極メッキを施し、こ
この四角柱振動子として切り出すだけで、非常に精度の
高い振動子の形成が可能になる。また、超小型化が可能
なうえに、量産効果も得易くなる。そして、これによ
り、振動子の超小型化が可能になり、さらに量産効果も
得ることができる。また、圧電素子が振動子に精度良く
取り付けられた状態とされることで、圧電素子の接着位
置ずれによる振動子のアンバランスが生じることもな
い。

【００１７】そして、本発明に係る角速度センサーは、
対向されて配されている電極の間の振動子が低電気抵抗
体部分を含んで構成しているので、圧電体部分に当該振
動子の駆動のための駆動電界を効率よく印加することが
できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明
は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うま
でもない。

【００１９】図１に、本発明を適用した角速度センサー
の一例について、その基本構成を示す。この角速度セン
サー１は、図１及び図２に示すように、振動ジャイロと
して動作する振動子１ａを備えている。

【００２０】この角速度センサー１は、フェライト部２
と圧電体である圧電セラミック部３ａとを積層してなる
四角柱状の振動子１ａと、振動子１ａにおいて対向する
フェライト部２の側面２ａの電極４及び圧電体セラミッ
ク部３ａの側面３ａ_１に配される電極３ｂ，３ｃと当該
圧電セラミック部２とにより構成される圧電素子３とを
備えている。そして、この角速度センサー１は、上記電
極４及び電極３ｂ，３ｃとの間に電圧を印加して、圧電
素子３により振動子１ａを振動させるとともに、振動子
１ａに生じるコリオリ力を上記圧電素子により検出する
ことで、角速度を検出する。

【００２１】ここで、上記フェライト部２と圧電セラミ
ック部３ａとを積層しててなる振動子１ａは、長手方向
に対して垂直な平面で切断したときの断面の形状（以
下、単に断面形状と称する。）が矩形となるように形成
されている。この振動子１ａは、四角柱状に形成されて
なる。

【００２２】また、上記フェライト部２は、低電気抵抗
特性を有するフェライト材料からなる部分である。例え
ば、フェライト材料は、Ｍｎ−Ｚｎ系の単結晶フェライ
ト材料といった電気抵抗率の低い材料を用いる。

【００２３】角速度センサー１は、上述の形成された振
動子１ａの側面側であって、圧電セラミック部３ａの側
面３ａ_１に電極３ｂ，３ｃが配されて圧電素子３を構成
している。そして、角速度センサー１は、この圧電素子
３に対向するように、フェライト部２の側面２ａに電極
４を有している。

【００２４】上記圧電素子３は、フェライト部２の側面
２ｂに積層された圧電セラミック３ａの側面３ａ_１に電
極３ｂ，３ｃが配されて構成されている。そして、電極
３ｂ，３ｃについては、振動子１ａの長手方向に平行に
二等分割されて第１及び第２の電極部を構成している。
この圧電素子３は、圧電体３ａ上に配されている外側電
極３ｃ，３ｄから端子Ａ，Ｂが導出されている。

【００２５】また、上記電極４は、上記圧電体３とによ
りフェライト部２をはさみ込むように当該フェライト部
２の側面２ａに配されている。そして、この電極４から
は端子Ｃが導出されている。

【００２６】そして、角速度センサー１は、加算器１０
と、増幅器１１と、位相器１２とを備えており、これら
と、圧電素子３の電極３ｂ，３ｃとが、振動子１ａを振
動させる振動駆動部として機能する。また、この角速度
センサー１は、差動増幅器１３と、上記加算器１０の出
力に接続されている同期検波器１４と、ローパスフィル
タ１５とを備えており、これらと、圧電素子３の外側電
極３ｂ，３ｃとが、非圧電セラミック振動子２の振動を
検出する検出部として機能する。すなわち、角速度セン
サー１の圧電素子３は、振動駆動機能及びその振動を検
出する機能を合わせ持っている。これにより、角速度セ
ンサー１は、振動駆動機能により振動させているときに
振動子１ａが回転することによって生じたコリオリ力を
検出機能により検出する。

【００２７】詳しくは、振動駆動部において、圧電素子
３の外側電極３ｂ，３ｃからの端子Ａ，Ｂは、加算器１
０に接続されている。すなわち、圧電素子３の電極３
ｂ，３ｃからの出力は加算器１０に入力され、それらの
加算値が加算器１０によって取られる。そして、加算器
１０からの出力は、増幅器１１に入力され、入力信号の
増幅が行われる。そして、増幅器１１からの出力が、移
相器１２によってその位相が推移され、外側電極３ｂ，
３ｃに出力される。これは、いわゆる移相発振回路を構
成するものであって、角速度センサー１は、これにより
振動子１ａを自励振動させる。この振動駆動部による振
動子１ａの振動方向は、圧電素子３が振動子１ａに対し
て垂直な方向であり、なお、以下では振動方向と称す
る。

【００２８】また、検出部において、圧電素子３の外側
電極３ｂからの端子Ａは、差動増幅器１３のプラス側入
力端子に接続されており、圧電素子３の外側電極３ｃか
らの端子Ｂは、差動増幅器１３のマイナス側入力端子に
接続されている。なお、圧電素子３に対向して上記フェ
ライト部２の側面２ａに配されている電極４からの端子
Ｃは静止時の出力電圧である回路の基準電圧端子に接続
されている。すなわち、圧電素子３の電極３ｂ，３ｃか
らの出力はそれぞれ差動増幅器１３に入力され、それら
の差動が差動増幅器１３によって取られる。換言すれ
ば、この角速度センサー１は、振動子１ａを振動方向に
振動させているときに、振動子１ａが回転することによ
って当該振動子１ａに生じたコリオリ力を、圧電素子３
によって検出し、それらの差動を差動増幅器１３によっ
てとる。

【００２９】そして、差動増幅器１３から出力は、同期
検波器１４に入力され、同期検波が行われる。このと
き、同期検波器１４には、同期検波を行うために、加算
器１０からの出力が同期信号として供給される。そし
て、同期検波器１４からの出力が、ローパスフィルタ１
５を介して、振動子１ａに生じたコリオリ力を検出する
ことにより得られた角速度信号として出力される。な
お、このように構成された角速度センサー１において、
圧電素子３によって検出されるコリオリ力は、フェライ
ト部２が当該圧電素子３に向かう方向、すなわち、フェ
ライト部２の側面２ｂに対して略垂直方向に働く力であ
る。

【００３０】以上のように、この角速度センサー１で
は、圧電素子３を用いて振動子１ａを振動させるととも
に、そのときに振動子１ａに生じるコリオリ力を当該圧
電素子３によって検出し、この圧電素子３によって検出
されたコリオリ力に基づいて角速度を検出することがで
きる。

【００３１】この角速度センサー１は、フェライト部２
と圧電セラミック部３ａとが積層されて振動子１ａを構
成している。そして、角速度センサー１は、フェライト
部２の側面２ａに電極４を配し、この電極４とから振動
子１ａをはさみ込むように圧電セラミック部３ａの側面
３ａ_１に電極３ｂ，３ｃを配している。

【００３２】このように構成することにより、電極３
ａ，３ｂと電極４間に印加された電圧による電界は、圧
電セラミック部３ａに集中して印加されることになり、
その結果、角速度センサー１は、振動子１ａの振動とこ
のときのコリオリ力の検出の効率が向上し、高感度の検
出が可能になる。

【００３３】そして、角速度センサー１は、振動子１ａ
上であって、上記積層されてなる圧電セラミック部３ａ
上に電極３ｂ，３ｃが配されて圧電素子３を形成してい
る。

【００３４】これにより、例えば、この角速度センサー
１の製造工程における振動子１ａの製造においては、ま
ず、フェライト・ウェハと圧電セラミック・ウェハとを
積層させてこれらを接着する。そして、これらに両面電
極メッキを施して、四角柱状として個々に切り出す。こ
のような工程により、上述したような四角柱状の振動子
１ａが製造される。このような工程によって製造される
振動子１ａは、非常に精度が高く、かつ超小型化が可能
とされる。さらに量産効果も得やすい構造とされる。ま
た、圧電素子の接着位置ずれにといった問題も解決する
ことができる。また、フェライトは、上記圧電セラミッ
クと略同様の切削加工性を有していることから、フェラ
イト・ウェハと圧電セラミック・ウェハとから上述した
ように、振動子としての切り出しが容易とされる。

【００３５】さらに、従来のように、恒弾性金属振動子
に圧電素子を接着したり、曲面に電極を印刷するといっ
た難しい工程を設ける必要がなくなる。

【００３６】そして、抵抗率の低いフェライト材料を使
用することで、電極を対向する圧電セラミック面とフェ
ライト面に配置しても、圧電セラミック層部分に効率よ
く駆動電界を印加することが可能になり、感度向上を図
ることが可能になる。

【００３７】また、当然、小型化に伴って技術的な難し
さが増し、精度を確保することが困難になると考えかえ
られるが、既にＬＳＩやヘッド加工などで確立されてい
る微細加工技術が応用することにより、このような問題
はクリアできる。従って、高精度の寸法精度が得られる
ため、振動子の周波数調整も簡略化することが可能にな
る。

【００３８】また、この角速度センサー１に、自励発振
型駆動回路を応用することにより、非常に簡単な回路に
よって高精度な角速度センサーを構成することができ
る。

【００３９】また、角速度センサー１は、自励発振型な
ので、他励発振型の角速度センサーのように温度特性の
影響によって感度が低下してしまうようなこともない。

【００４０】以上のような説明から明らかなように、角
速度センサー１は、非常にシンプルな構造を有し、小型
化を進めても、精度を損なわず、量産効果も期待でき、
コストパフォーマンスが高く、高感度のものとなる。

【００４１】また、角速度センサーは、低コスト化、小
型化、高感度化をさらに推進することを可能にするるの
で、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置等のさら
なる小型化・ハイコストパフォーマンスの要求に応える
ことができる。

【００４２】なお、低電気抵抗体として本例のようにフ
ェライトを用いことに限定されることはない。すなわ
ち、低電気抵抗特性を有していることは条件となるが、
圧電体と略同様な加工特性を有するような材料を選択す
ることもできる。また、コリオリ力は、振動子の重さ
（質量）に比例して大きくなるので、質量の大きい材料
の方がセンサとして感度が上がるので、このようなこと
を考慮に入れて材料を選択してもよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明に係る角速度センサーは、上述の
課題を解決するために、低電気抵抗体と圧電体とを積層
してなる四角柱状の振動子と、振動子において対向する
フェライトの側面及び圧電体の側面に配される電極と当
該圧電体とにより構成される圧電素子とを備えている。
この角速度センサーは、電極間に電圧を印加して、圧電
素子により振動子を振動させるとともに、振動子に生じ
るコリオリ力を上記圧電素子により検出することで、角
速度を検出する。

【００４４】本発明に係る角速度センサーは、対向され
て配されている電極の間の振動子が低電気抵抗体部分を
含んで構成しているので、圧電体部分に当該振動子の駆
動のための駆動電界を効率よく印加することができる。

【００４５】本発明に係る角速度センサーは、低電気抵
抗体と圧電体とを積層してなる四角柱状の振動子と、こ
の振動子の対向される低電気抵抗体及び圧電体の各側面
に配した電極とからなる構成としているので、恒弾性金
属振動子に圧電素子を接着したり、曲面に電極を印刷す
るといった工程を要することなく製造される。さらに、
低電気抵抗体のウェハと圧電セラミック等といった圧電
体のウェハを接着した後に、両面電極メッキを施し、こ
この四角柱振動子として切り出すだけで、非常に精度の
高い振動子の形成が可能になる。また、超小型化が可能
なうえに、量産効果も得易くなる。そして、これによ
り、振動子の超小型化が可能になり、さらに量産効果も
得ることができる。また、圧電素子が振動子に精度良く
取り付けられた状態とされることで、圧電素子の接着位
置ずれによる振動子のアンバランスが生じることもな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した角速度センサーの一例を示す
図である。

【図２】上記角速度センサーの非圧電セラミック振動子
の部分を示す斜視図である。

【図３】従来の角速度センサーの一例を示す図であり、
（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図であ
り、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｃ）
は振動子の中央部分における断面を示す断面図である。

【図４】従来の角速度センサーの他の例を示す図であ
り、（ａ）は当該角速度センサーの全体構成を示す図で
あり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、
（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 角速度センサー、１ａ 振動子、２ フェライト
部、３ 圧電素子、３ａ圧電セラミック部、３ｂ，３ｃ
電極、４ 電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低電気抵抗体と圧電体とを積層してなる
   四角柱状の振動子と、 上記振動子において対向する上記フェライトの側面及び
   上記圧電体の側面に配される電極と、当該圧電体とによ
   り構成される圧電素子とを備え、 上記電極間に電圧を印加して、上記圧電素子により上記
   振動子を振動させるとともに、上記振動子に生じるコリ
   オリ力を上記圧電素子により検出することで、角速度を
   検出することを特徴とする角速度センサー。
2. 【請求項２】 上記圧電体の側面に配されている上記電
   極により上記振動子を駆動し、当該振動子に生じるコリ
   オリ力を当該電極により検出することを特徴とする請求
   項１記載の角速度センサー。
3. 【請求項３】 上記圧電体の側面に配される上記電極
   は、上記振動子の長手方向に平行に二等分割された第１
   及び第２の電極部からなり、 上記角速度の検出は、第１及び第２の電極部の検出結果
   に基づいて行うことを特徴とする請求項２記載の角速度
   センサー。
4. 【請求項４】 上記圧電素子を振動駆動素子として機能
   させる移相発振回路により構成される自励発振型駆動回
   路を備えることを特徴とする請求項３記載の角速度セン
   サー。
5. 【請求項５】 上記低電気抵抗体は、フェライトからな
   ることを特徴とする請求項１記載の角速度センサー。
6. 【請求項６】 上記圧電体は、圧電セラミックであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の角速度センサー。