JPH1172330A - 角速度センサ - 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、検出
感度もより優れた角速度センサを提供する。 【解決手段】 本発明の角速度センサは、互いに略平行
な第１の側面と第２の側面とを少なくとも有する角柱状
の圧電振動子と、上記圧電振動子の第１の側面に取り付
けられた少なくとも一対の駆動用電極と、上記圧電振動
子の第１の側面に取り付けられた少なくとも一つの検出
用電極と、上記圧電振動子の第２の側面に取り付けられ
た少なくとも一対の駆動用電極と、上記圧電振動子の第
２の側面に取り付けられた少なくとも一つの検出用電極
とを有し、上記各駆動用電極を用いて上記圧電振動子を
所定の方向に駆動させ、上記圧電振動子に生ずるコリオ
リ力を上記検出用電極を用いて検出することを特徴とす
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
向検知に用いられる角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在最も普及している角速度センサは、
角柱状の振動子を所定の共振周波数で駆動させておき、
振動子に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。

【０００３】従来、このような角速度センサとしては、
三角柱の恒弾性金属振動子に圧電素子を接着した構造
や、円柱圧電セラミックに電極を印刷した構造の振動ジ
ャイロ型角速度センサが実用化されている。また、これ
らの角速度センサの駆動方式としては、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
角速度センサが一般的になっている。この自励発振型駆
動回路による角速度センサでは、振動子の共振周波数で
自励発振するため、温度特性による感度変化が少なく、
高温度範囲で感度の安定した角速度出力を得ることがで
きる。

【０００４】図７に、従来の角速度センサの一例を示
す。この角速度センサに用いられている振動子１０１
は、図８及び図９に示すように、三角柱状の恒弾性金属
振動子１０２の側面に、電極１０３ａと圧電体１０３ｂ
とからなる第１の圧電素子１０３と、電極１０４ａと圧
電体１０４ｂとからなる第２の圧電素子１０４と、電極
１０５ａと圧電体１０５ｂとからなる第３の圧電素子１
０５とがそれぞれ取り付けられている。

【０００５】また、この角速度センサは、第１の圧電素
子１０３に接続された増幅器１０６と、増幅器１０６に
接続された移相器１０７と、第２の圧電素子１０４及び
第３の圧電素子１０５に接続された差動増幅器１０８
と、差動増幅器１０８に接続された同期検波器１０９
と、同期検波器１０８に接続されたローパスフィルタ１
１０とを備えている。

【０００６】このような三角柱状の振動子を用いた角速
度センサは、現在のところ最も感度が高く、主流となっ
ている。この角速度センサでは、第２の圧電素子１０４
及び第３の圧電素子１０５が、駆動回路を自励発振させ
るために振動子１０１の駆動を検出するとともに、振動
子１０１に生じるコリオリ力を検出する。すなわち、こ
の角速度センサでは、駆動回路を自励発振させるため
に、振動子１０１の駆動を検出するための素子と、コリ
オリ力を検出するための素子とが、共通の圧電素子とな
る。

【０００７】このため、この角速度センサでは、コリオ
リ力の検出電圧が、振動子の駆動電圧や電源電圧等によ
って制限されてしまい、圧電素子の検出能力を十分に利
用することができない。しかも、恒弾性金属音片への圧
電素子の接着や振動子の支持機構など構造が複雑なた
め、量産効率を上げることは難しく、小型化するにした
がって、量産効率を上げることはさらに難しくなる。

【０００８】ところで、従来の角速度センサとしては、
図７に示したものの他に、図１０に示すような角速度セ
ンサも挙げられる。図１０に示すような角速度センサ
は、円柱状の振動子２０１を有している。この振動子２
０１は、図１１及び図１２に示すように、円柱圧電セラ
ミック振動子２０２の側面に印刷された６つの電極を備
えている。第１の電極２０３、第２の電極２０４、及び
第３の電極２０５はそれぞれ独立し、第４の電極２０
６、第５の電極２０７、及び第６の電極２０８は共通グ
ラウンドに接地されている。また、この角速度センサ
は、第１の電極２０３に接続された増幅器２０９と、増
幅器２０９に接続された移相器２１０と、移相器２１０
に接続された加算器２１１と、第２の電極２０４と第３
の電極２０５とに接続された差動増幅器２１２と、差動
増幅器２１２に接続された同期検波器２１３と、同期検
波器２１３に接続されたローパスフィルタ２１４とを備
えている。

【０００９】この円柱状の振動子２０１を用いた角速度
センサでは、第１の電極２０３によって振動子２０１を
駆動させ、第２の電極２０４及び第３の電極２０５によ
って、駆動回路を自励発振させるために振動子２０１の
駆動を検出し、同時に第２の電極２０４及び第３の電極
２０５によって、振動子２０１に生じるコリオリ力を検
出する。

【００１０】このような円柱状圧電セラミック振動子を
用いた角速度センサは、圧電素子の接着に伴う問題など
はない。しかし、一本一本曲面に電極を印刷するため、
量産効果は期待できない構造である。さらに、小型化す
ると、円柱状圧電セラミック振動子や曲面への電極の印
刷の精度確保が困難になる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、恒弾性
金属振動子に圧電素子を接着した構造の角速度センサ
は、感度は優れているが、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。また、小型化に
伴って支持機構の精度や、圧電素子の接着精度、振動子
の接着層が振動子に与える影響が増大するため、小型化
による歩留まり低下と、コストアップが著しい。

【００１２】一方、円柱状圧電セラミック振動子を用い
た構造の角速度センサは、一見シンプルな構造をしてい
るが、小型化するに従って、精度の高い円柱状圧電セラ
ミック振動子の製造や曲面への高精度の印刷が困難とな
り、量産効果も期待できない。

【００１３】本発明は、上述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、角速度センサの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より
優れた角速度センサを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサ
は、互いに略平行な第１の側面と第２の側面とを少なく
とも有する角柱状の圧電振動子と、上記圧電振動子の第
１の側面に取り付けられた少なくとも一対の駆動用電極
と、上記圧電振動子の第１の側面に取り付けられた少な
くとも一つの検出用電極と、上記圧電振動子の第２の側
面に取り付けられた少なくとも一対の駆動用電極と、上
記圧電振動子の第２の側面に取り付けられた少なくとも
一つの検出用電極とを有することを特徴とする。本発明
の角速度センサは、上記各駆動用電極を用いて上記圧電
振動子を所定の方向に駆動させ、上記圧電振動子に生ず
るコリオリ力を上記検出用電極を用いて検出するもので
ある。

【００１５】以上のような本発明に係る角速度センサで
は、上記駆動用電極によって上記圧電振動子に電圧を加
えて、上記圧電振動子を所定の方向に駆動させる。ま
た、上記検出用電極では、少なくとも二つの検出用電極
間に生ずる電圧差を検出することにより、上記圧電振動
子に生ずるコリオリ力を検出する。

【００１６】本発明の角速度センサは、上記圧電振動子
と、上記圧電振動子に取り付けられた各駆動用電極と
を、コルピッツ発振回路のインピーダンス素子として機
能させることが好ましい。本発明の角速度センサでは、
圧電振動子と各駆動用電極とがコルピッツ発振回路のイ
ンピーダンス素子として機能することで、自励発振型駆
動回路を構成する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施の形
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
とはいうまでもない。

【００１８】図１に、本発明を適用した角速度センサの
一例について、その構成を示す。この角速度センサは、
図１に示すように、振動ジャイロ部分に振動子１を備え
ている。振動子１の斜視図を図２に示し、振動子１の中
央部分における断面図を図３に示す。

【００１９】上記振動子１は、図２及び図３に示すよう
に、例えば四角柱状に形成され、図３の矢印ａの方向に
分極された音片型の圧電セラミック振動子２と、圧電セ
ラミック振動子２の互いに略平行な２つの側面にそれぞ
れ取り付けられた電極とから構成されている。圧電セラ
ミック振動子２の分極方向は、矢印ａの逆方向でも動作
には支障はない。

【００２０】圧電セラミック振動子２の第１の側面２ａ
には、第１の電極３と、第２の電極４と、第３の電極６
と、第４の電極７と、第５の電極９と、第６の電極１０
とが、図２及び図３中、上からこの順に、圧電セラミッ
ク振動子２の長手方向に略平行に取り付けられている。

【００２１】そして、上述した第１の電極３から第６の
電極１０は、電極対を構成している。すなわち、第１の
電極３と第２の電極４とが第１の電極対５を構成する。
第３の電極６と第４の電極７とが第２の電極対８を構成
する。第５の電極９と第６の電極１０とが第３の電極対
１１を構成する。

【００２２】一方、上記第１の側面２ａと略平行な第２
の側面２ｂには、第７の電極１２と、第８の電極１３
と、第９の電極１５と、第１０の電極１６と、第１１の
電極１８と、第１２の電極１９とが、図２及び図３中、
上からこの順に、圧電セラミック振動子２の長手方向に
略平行に取り付けられている。

【００２３】そして、上述した第７の電極１２から第１
２の電極は、電極対を構成する。すなわち、第７の電極
１２と第８の電極１３とが第４の電極対１４を構成す
る。第９の電極１５と第１０の電極１６とが第５の電極
対１７を構成する。第１１の電極１８と第１２の電極１
９とが第６の電極対２０を構成する。

【００２４】ここで、第１の電極対５、第３の電極対１
１、第４の電極対１４、及び第６の電極対２０は、振動
子１を駆動するための駆動用電極として機能する。

【００２５】一方、第２の電極対８及び第５の電極対１
７は、振動子１に生じるコリオリ力を検出するための検
出用電極として機能する。

【００２６】本発明の角速度センサは、第１の電極３、
第２の電極４、第５の電極９、第６の電極１０、第７の
電極１２、第８の電極１３、第１１の電極１８、及び第
１２の電極１９、すなわち駆動用電極をコルピッツ発振
回路のインピーダンス素子として機能させることによっ
て構成された自励発振型駆動回路を備えている。

【００２７】そして、角速度センサを駆動する際は、こ
の自励発振型駆動回路によって自励発振を行い、振動子
１を駆動させる。自励発振型駆動回路においては、第１
の電極３と、第６の電極１０と、第７の電極１２と、第
１２の電極１９とが共通化され、また第２の電極４と、
第５の電極９と、第８の電極１３と、第１１の電極１８
とが共通化されている。自励発振型駆動回路において
は、共通化された電極が、合わせて１つのインピーダン
ス素子として働く。

【００２８】ここで、この自励発振型駆動回路の部分だ
けを抜き出した図を図４に示す。この図４に示すよう
に、この自励発振型駆動回路は、圧電セラミック振動子
２と、上述した駆動用電極と、抵抗２１と、インバータ
２２と、第１のコンデンサ２３と、第２のコンデンサ２
４とから構成されている。

【００２９】そして、第２の電極４と、第５の電極９
と、第８の電極１３と、第１１の電極１８とからの端子
は、抵抗２１の一端と、インバータ２２の入力側端子
と、第１のコンデンサ２３の一端とに接続されている。
また、第１の電極３と、第６の電極１０と、第７の電極
１２と、第１２の電極１９とからの端子は、抵抗２１の
他端と、インバータ２２の出力側端子と、第２のコンデ
ンサ２４の一端とに接続されている。第１のコンデンサ
２３の他端と、第２のコンデンサ２４の他端は接地され
ているこの自励発振型駆動回路において、抵抗２１の抵
抗値Ｒ、第１のコンデンサ２３の容量Ｃ₁及び第２のコ
ンデンサ２４の容量Ｃ₂は、電極が接続された圧電セラ
ミック振動子２の形状や材料特性によって決まる定数で
ある。

【００３０】そして、図２及び図３に示したような圧電
セラミック振動子２の固有の負荷容量をＣ_Lとすると、
Ｃ_Lと、第１のコンデンサの容量Ｃ₁及び第２のコンデン
サの容量Ｃ₂との間には、下記式（１）が成り立つ。

【００３１】１／Ｃ_L＝１／Ｃ₁＋１／Ｃ₂ （１） ところで、図２及び図３に示した圧電セラミック振動子
２は、直列共振周波数ｆｓと並列共振周波数ｆｐの付近
において、図５に示すようなインピーダンス特性を示
し、この等価回路は図６に示すように、等価並列容量Ｃ
ｐ、等価直列インダクタＬｓ、等価直列容量Ｃｓ及び等
価直列抵抗Ｒｓによって表される。これは、一般に使用
されている水晶振動子の等価回路と同様である。したが
って、水晶発振回路において広く使用されているコルピ
ッツ発振回路を、図２及び図３に示したような圧電セラ
ミック振動子２に対して応用することが可能である。す
なわち、図４に示したように回路を組み、駆動用電極を
コルピッツ発振回路のインピーダンス素子として機能さ
せることによって、自励発振回路を構成することができ
る。なお、図４に示した自励発振型駆動回路は、コルピ
ッツ発振回路の一例であり、本発明はこのような回路構
成に限定されるものではない。

【００３２】以上の回路構成によって、駆動用の各電極
対を構成する２つの電極の間に、交互に電界が印加され
る。このとき、第１の電極対５及び第４の電極対１４の
電界の向きと、第３の電極対１１及び第６の電極対２０
の電界の向きとは、互いに逆方向である。駆動用電極
は、振動子１に逆方向の電界を交互に印加することで、
振動子１を縦方向に駆動させる。

【００３３】一方、第２の電極対８及び第５の電極対１
７は、振動子１に生じるコリオリ力を検出するための検
出用電極である。

【００３４】第４の電極７及び第１０の電極１６は回路
上の中点基準電位に固定され、第３の電極６と第９の電
極１５は差動増幅器に接続される。本発明の角速度セン
サは、上述のような自励発振型駆動回路によって振動子
１を縦方向に駆動させているときに、振動子１に生じた
コリオリ力を第３の電極６及び第９の電極１５で、差動
電圧信号として検出する。

【００３５】本発明の角速度センサは、図１に示すよう
に、第３の電極６及び第９の電極１５に接続された差動
増幅器２５と、差動増幅器２５に接続された同期検波器
２６と、同期検波器２６に接続されたローパスフィルタ
２７とを備えており、振動子１の駆動を検出する検出部
として機能する。

【００３６】本発明の角速度センサでは、上述のような
自励発振型駆動回路により振動子１を駆動させていると
きに振動子１に生じるコリオリ力を、この検出部によっ
て差動電圧信号として検出し、検出されたコリオリ力に
基づいて角速度を検出する。

【００３７】上記検出部において、第３の電極６からの
端子は、差動増幅器２５のプラス側入力端子に接続され
ており、第９の電極１５からの端子は、差動増幅器２５
のマイナス側入力端子に接続されている。すなわち、第
３の電極６及び第９の電極１５からの出力が差動増幅器
２５に入力され、それらの差動が差動増幅器２５によっ
て取られる。そして、差動増幅器２５からの出力は、同
期検波器２６に入力され、同期検波が行われる。ここ
で、同期検波器２６には、同期検波を行うために、自励
発振型駆動回路のインバータ２２からの出力も入力され
る。そして、同期検波器２６からの出力が、ローパスフ
ィルタ２７を介して、振動子１に生じたコリオリ力を検
出した結果として出力され、角速度信号が得られる。

【００３８】本発明の角速度センサは、四角柱圧電セラ
ミック振動子の略平行な２つの側面に電極を取り付けた
非常にシンプルな構造を有するため、製造工程におい
て、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非常に難しい工程は必要ない。
圧電セラミックウェハの両面に電極をフォトリソグラフ
ィー技術によって高度に精密化された電極を取り付けた
後、個々の四角柱圧電セラミック振動子として切り出す
だけでよい。そのため、非常に精度の高い振動子の形成
が可能で、超小型化が可能な上に量産効果を上げること
も可能である。

【００３９】曲面への印刷では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が、既
にＬＳＩやヘッド加工などで確立された微細加工技術が
応用できるため、このような問題も解決できる。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となる。

【００４０】また、従来の角速度センサでは、金属振動
子に圧電体と電極とからなる圧電素子を接着していたた
め、圧電素子の接着位置ズレによる振動子のアンバラン
ス、接着剤の振動、温度特性等が検出感度に影響を及ぼ
していた。本発明の角速度センサは、圧電セラミック振
動子を用いるとともに、圧電セラミック振動子に電極を
印刷しているため、上述したような、検出感度に及ぼす
問題がない。

【００４１】本発明の角速度センサは、自励発振型駆動
回路を応用することで、回路を簡単な構成とすることが
できるばかりでなく、感度に対する温度特性の影響がな
い、高感度な角速度センサを構成することができる。

【００４２】なお、本実施の形態では、圧電セラミック
振動子の互いに略平行な２つの側面に、二組の一対の駆
動用電極と一対の検出用電極とをそれぞれ取り付けた構
成を示したが、本発明の角速度センサはこれに限らず、
圧電振動子の互いに略平行な２つの側面に一対の駆動用
電極と一つの検出用電極とをそれぞれ取り付けたもので
も構わない。この場合、検出用電極を一方の駆動用電極
と他方の駆動用電極との間に配してもよいし、二つの駆
動用電極を並べて配してもよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明では、圧電振動子上に電極を取り
付けることで、簡単な構成で、しかも、検出感度や温度
特性に優れた角速度センサを実現している。本発明によ
れば、角速度センサの更なる小型化や、量産効率を上げ
ることが可能である。

【００４４】したがって、本発明の角速度センサは、ビ
デオカメラ、バーチャルリアリティ装置の更なる小型
化、ハイコストパフォーマンスを実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の角速度センサの一例を示す図である。

【図２】図１に示した角速度センサに使用される振動子
を示す斜視図である。

【図３】図１に示した角速度センサに使用される振動子
について、その中央部分における断面を示す図である。

【図４】図１に示した角速度センサの自励発振型駆動回
路の部分を示す図である。

【図５】図１に示した角速度センサに使用される振動子
のインピーダンス特性を示す図である。

【図６】図１に示した角速度センサに使用される振動子
の等価回路を示す図である。

【図７】従来の角速度センサの一例を示す図である。

【図８】図７に示した角速度センサに使用される振動子
を示す斜視図である。

【図９】図７に示した角速度センサに使用される振動子
について、その中央部分における断面を示す図である。

【図１０】従来の角速度センサの一例を示す図である。

【図１１】図１０に示した角速度センサに使用される振
動子を示す斜視図である。

【図１２】図１０に示した角速度センサに使用される振
動子について、その中央部分における断面を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 振動子、 ２ 圧電セラミック振動子、 ３ 第１
の電極、 ４ 第２の電極、 ６ 第３の電極、 ７
第４の電極、 ９ 第５の電極、 １０ 第６の電極、
１２ 第７の電極、 １３ 第８の電極、 １５ 第
９の電極、 １６ 第１０の電極、 １８ 第１１の電
極、 １９ 第１２の電極、 ２１ 抵抗、 ２２ イ
ンバータ、 ２３ 第１のコンデンサ、 ２４ 第２の
コンデンサ、 ２５ 差動増幅器、 ２６ 同期検波
器、 ２７ ローパスフィルタ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに略平行な第１の側面と第２の側面
   とを少なくとも有する角柱状の圧電振動子と、 上記圧電振動子の第１の側面に取り付けられた少なくと
   も一対の駆動用電極と、 上記圧電振動子の第１の側面に取り付けられた少なくと
   も一つの検出用電極と、 上記圧電振動子の第２の側面に取り付けられた少なくと
   も一対の駆動用電極と、 上記圧電振動子の第２の側面に取り付けられた少なくと
   も一つの検出用電極と、を有し、 上記各駆動用電極を用いて上記圧電振動子を所定の方向
   に駆動させ、上記圧電振動子に生ずるコリオリ力を上記
   各検出用電極を用いて検出することを特徴とする角速度
   センサ。
2. 【請求項２】 上記圧電振動子は、略四角柱状であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 上記圧電振動子と、上記圧電振動子に取
   り付けられた各駆動用電極とを、コルピッツ発振回路の
   インピーダンス素子として機能させることを特徴とする
   請求項１記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】 上記圧電振動子の第１の側面には、一対
   の駆動用電極が２組取り付けられており、 上記圧電振動子の第２の側面には、一対の駆動用電極が
   ２組取り付けられていることを特徴とする請求項１記載
   の各速度センサ。
5. 【請求項５】 上記圧電振動子の第１の側面に取り付け
   られた検出用電極は、当該第１の側面に取り付けられた
   ２組の一対の駆動用電極のうちの一方の一対の駆動用電
   極と、他方の一対の駆動用電極との間に配されており、 上記圧電振動子の第２の側面に取り付けられた検出用電
   極は、当該第２の側面に取り付けられた２組の一対の駆
   動用電極のうちの一方の一対の駆動用電極と、他方の一
   対の駆動用電極との間に配されていることを特徴とする
   請求項４記載の角速度センサ。
6. 【請求項６】 上記圧電振動子は、略四角柱状であるこ
   とを特徴とする請求項５記載の角速度センサ。