JPS62228111A - 圧電体角速度センサ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いた撮動形の角速度センサーに関す
るものである。

従来の技術 従来、角速度を測定するセンサーとしては回転形のジＶ
イロや振動ジＶイロなどが知られている。

前者はロータを高速度で回転させ、その周囲に設りられ
たジンバルの角度変化を検出するものであるが、ジンバ
ル機構や角度変化検出器などの構成部品が多く、構造が
複雑なため、装置の形状・寸法・重量等が大きくなり、
高価なものであった。

また、後者は形状等は小さく簡単な構造であるが、セン
サーとしての性能は回転形ジャイロの方が浸れているた
め、高性能かつ安価な振動ジャイロ川角速度センサーの
開発が望まれている。

従来の振動形角速度センサーの一例を第２図に示す。

図において、１は圧電体バイモルフからなる駆動部、２
は同じく検知部で、これらは端部で直角に突合わされ、
接着剤３で接合されている。駆動部１および検知部２は
それぞれ中央の金属板１ａ。

２ａの両面に圧電体１ｂ、１ｃおよび２　ｂ、　２ｃを
接着剤で張合わせた通常のバイモルフ構造となっている
。圧電体１　ｂ、１　ｃ、２ｂ、２ｃには駆動部１や検
知部２の表面のみならず、金属板１ａ、２ａに接触する
面にも金属Ｍ着や焼付けなどの方法で電極被膜が形成さ
れている。駆動部１の両面には導線４゜４′がハング付
され、外部交流電源（図示せず）に接続されている。検
知部２の両面には導線５．５′がハンダ付され、外部検
知回路（図示せず）と接続されている。また、駆動部１
の下部（よ接着斉１、ハンダ付その他の方法で支持部６
に固定されている。

この装置において、駆動部１に電圧が印加されて圧電体
１ｂが長さ方向に伸びるとき、対向する圧電体１Ｃは収
縮するように動作する。交流電圧を印加すると駆動部１
はｘ−ｘ’軸方向に屈曲振動し、従って、検知部２を含
めた全体（以下、振動子という）もｘ７ｘ’軸方向に振
動する。図中のＺ軸まわりに回転角速度Ωが与えられる
とＹ−Ｙ′軸方向にはΩの大きさに比例したコリオリカ
が動くから、検知部２はＹ−Ｙ’軸方向に屈曲振動する
。この検知部２は駆動部１と同様のバイモルフ構造であ
り、Ｙ−Ｙ’軸方向に屈曲すると駆動部２の両表面間に
圧電現象によって電荷が発生し、これを電圧として外部
回路で測定し、角速度を計測する。

第２図に示した撮動形角速度センサーは１個の駆動部と
検知部で構成された場合であるが、特開昭５８−１７１
１８５４号公報に示されているように、第２図の振動子
を２本平行に配置したり、米国特許第２．５４４，６４
６号公報に述べられているように２本平行配置に加えて
４本配置とし、それぞれの駆動部を１８０度の位相差で
撮動させて不要振動を補償する方法も提案されている。

発明が解決しようとする問題点 従来の振動形角速度センサーにおいては、Ｘ軸方向に励
振してＹ軸方向に生じるコリオリカを検知する手段とし
て平板状のバイモルフを用いるが、第２図に示した如く
、２個のバイモルフの端部で、これらを互いに直角に突
合せ接合する必要があった。この直交度が不正確な場合
は検知部がＹ軸方向にも若干励振されるため、非回転時
における検知部の出力電圧（以下、零出力という）が増
大し、回転時の出力電圧の検出を著しく阻害し、検知回
路のＳＮ比が低下した。高精度で直交突合せすることは
極めて困難で作業性も悪く、たとえ高精１文で接合して
も、長期間にわたって作動させると突合せ部分の接着剤
が経時的に劣化変形して直交精度が低下し、零出力が増
大した。

温度変化に対しては、接着剤３が伸縮したり、機械的強
度、硬さなどが変化するため、共振周波数の変動も極め
て大きかった。一定の周波数で駆動すると振幅が変化し
、それに応じて検出電圧も変化するから、センサーの感
度が温度に対して変動することになる。

さらに、前述の如く、不要振動を補償するために第２図
の振動子２本を用いてセンサーを構成する場合は極めて
高精度で平行配置１Ｊおよび支持・固定しなければなら
ない。なおかつ、それぞれの振動子の固有振動数が一致
していなければ、屈曲撮動の振幅を完全に同じにするこ
とが困難で、その結果センサーは加速度や外部の不要１
辰肋の影響を受けやすくなる。また同一の振動子２本を
支持・固定するには、支持部材として駆動部の材質と異
なる金属材料や合成樹脂等を使用したり、接着剤を用い
たりして複惟な支持構造とする必要がある。

この場合、支持部付近に′おいて振動の伝達が吸収・妨
害され、その結果センサーの零出力の経時的変動や温度
ドリフトなどを引起こす原因となる。

問題点を解決するための手段 本発明は音叉形振動子を撮動形色速度センサーに用いる
もので、音叉のアーム部分を薄い全８層の両面に圧電体
を配置したバイモルフ構造とし、音叉のベース部分はア
ーム部分と同一組成の圧電体で一体に形成する。また、
音叉の両アームの側面には励振駆動用の圧電体を接着剤
等で張付けることにより駆動部を形成する。矩形断面を
有するアームに駆動部を設け、Ｘ軸方向に励撮し、同時
にバイモルフを構成した検知部において、Ｘ軸に垂直な
Ｙ軸方向に働くコリオリカが検知できる。

本発明の音叉形振動子の２本のアーム部はベース部分で
つながっており、振動子全体は同一材質の圧電体によっ
て一体として構成されているので、検知部が２つに分れ
ていても１つの固有振動数で共撮しやすい。

実施例 第１図は本発明の一実施例を示すもので、以下図に従っ
て説明する。

１、丁は圧電体からなる駆動部、２．２′は同じく圧電
体バイモルフからなる検知部である。駆動部１．下は音
叉のアーム部分またはベース部分の側面に接着剤で張付
けられており、駆動部１１丁を構成する圧電体の両表面
には銀その他の電極１ａ、１ｂおよび丁ａ９丁ｂＩｆｉ
設けられている。これらの電極には導線４．４′がハン
ダ付などで接続されている。音叉を駆動する場合は、電
極１ａ　−１ｂ問および丁ａ−１’ｂ間に交流電圧を印
加する。駆動部１と同時に駆動部丁も伸縮するから検知
部を含めた音叉形振動子全体はｘ−ｘ’軸方向に屈曲振
動することになる。検知部２，２′の中央部の金属！２
ａ、２’ａは音叉のアーム下部付近に到るまで設けられ
ている。検知部２．２′の圧電体表面には該金属層と相
対面するように同一面積を有する電極２ｂ、２’ｂが設
けられ、反対側の圧電体表面にも前記電極２ｂ、２’ｂ
と同じ大きさの電極（図示しない）が対称的に配置され
ている。検知部２．２′の圧？Ｒ体は中央台ｆｆ１ｆｆ
１２ａと２’ａを対称面として図中のｏ、ｏ’の矢印方
向に分極されている。

駆動部１の収縮によって検知部２がＸ方向へ、また丁の
収縮によって検知部２′がＸ′力方向屈曲しているとき
に、Ｚ軸まわりの回転角速度Ωが与えられると、検知部
２はＹ方向、検知部２′はＹ′方向のコリオリカを受け
る。この結果、検知部２のＴ１極２ｂの表面が伸びて負
電荷が発生し、電極２ｂの反対側の圧電体表面電極には
正電荷が発生する。もう一方の検知部２′の電極２’ｂ
の表面は収縮して正電、荷が、これと反対側の圧電体表
面電極には負電荷が発生する。従って、音叉形振動子に
おいて、角速度Ωを検知する場合の検知部導線の配線は
必然的に図中の５．５′の如くとなり、導線５には正電
荷が、導線５′には負電荷が発生する。

また、検知部２がＸ方向と反対のＸ′力方向、検知部２
′がＸ方向に屈曲するときは導線５には負電荷が、導６
５’には正電荷が発生する。従って、アーム部がｘ−ｘ
’力方向撮動しているときにＺ軸まわりに回転角速度Ω
を受けると、検知部２．２′の導線５−５′間には交流
電圧が発生し、この大きさはΩに比例するから、角速度
が計測できる。

本発明の音叉形振動子の下部ベース部分は接着、締付け
、その他の方法で支持部６に堅固に固定されている。

音叉形振動子の検知部を構成するには、２枚の圧電体の
間に金属層を挾んで一体に形成した、いわゆる内部電極
形バイモルフを用いた。これは２枚の未焼成圧電体シー
トの中央に数μｍ程度の金属電極層を形成した模、同時
焼成を行なって一体焼結したバイモルフである。

発明の効果 本発明の音叉形振動子は内部金１ｉｉ［１と圧電体を一
体化したバイモルフからなる音叉のアームまたはベース
側面に駆動部を設けるだけで角速度が計測でき、従来の
振動形色速度センサーの如く、二枚の平板状バイモルフ
を端部で直角に突合わせ接合する必要がなく、極めて作
業性が良い。また、音叉の一対のアーム部の矩形断面は
一般的な切断加工によって容易に得られ、励振方向であ
るＸ＠と検知方向であるＹ軸は完全な直角をなすため、
センサーの零出力は小さくなる。さらに、従来形撮動子
の如（、直交突合わせ部分や、そのための接着剤が存在
しないので、経時的な零出力変動がなく、温度変化に対
する共振周波数の変動も従来センサーに比べて１相手さ
い。

本発明の音叉形振動子は２個の検知部を有しているが、
ベース部を含めて同一材質の圧電体で一体構成され、撮
動子はそれ自体で平行配置になっており、両検知部はす
でにベース部で連結されているから、簡単な支持ｌｌｌ
造でよく、２個の検知部は同一の共振周波数を有しやす
いから、加速度や不要撮動による影響を受けない。さら
に、支持構造が簡単なため、経時および温度変化に対し
ても極めて安定な撮動状態を保つことができ、零出力の
経時変化や温度ドリフトも小さい。

本発明の音叉形振動子はほとんど全てを同一素材の圧電
体のみで一体に音叉を構成するものであって、音叉形に
加工された金属ブロックの各部に小片の圧電体を多数接
着した従来公知の音叉形振動子とは構造的に異質のもの
である。すなわち、本発明の１Ｉｉｉ！１１子は一部電
極層を除き、金属材料を使用せず、内部電橋形のバイモ
ルフ構造を用いて接着剤の使用を極力減らすことで、熱
膨張係数の差や接着剤の劣化等に起因する温度や経時的
な影響を少なくしたものである。

以上述べた如く、本発明の音叉形振動子を用いた角速度
センサーの零出力は経時的に安定で、温度ドリフトも少
なく、加速度や外部振動の影響も受けにくい。ざらに、
構造が簡単なため大量生産に適し、組立作業も容易で、
安価な角速度センサーを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の音叉形振動子を用いた角速度センサー
の実施例を示す斜視図、第２図は従来の撮動子を用いた
角速度センサーの一例を示す斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 全体が圧電体からなる音叉形振動子のアーム部分を中央
   金属層と圧電体とが一体焼結によって構成されたバイモ
   ルフ構造にして検知部となし、該アーム部またはベース
   部の両側面に圧電体からなる駆動部を設けたことを特徴
   とする圧電体角速度センサー。