JP2001124562A

JP2001124562A - 圧電ジャイロ

Info

Publication number: JP2001124562A
Application number: JP30837199A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Kitanishi; 真一路北西
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、感度が高く、且つノイズの少ない
圧電ジャイロを提供する。【解決手段】本発明は、円筒状固定脚体部２と、該円筒
脚体部２の一方の開口周縁部に固定され、且つ表面に駆
動及び検出電極が形成されて横揺れ振動を発生する円板
状の圧電基板１０と、前記円板状の圧電基板１０の両主
面に、その重心が圧電基板１０の中心点をとおる上下方
向の一直線上に、且つ該中心点に対して対称となるよう
に各々配置して成る錘部材３、４を有する圧電ジャイロ
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基本振動が角速度
の変化に伴うコリオリ力を、圧電基板の歪による電荷で
検出して、角速度を測定する圧電ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば加速度センサ、角速度セン
サなどに使用される圧電ジャイロは、図４に示す構造が
知られている。

【０００３】この圧電ジャイロは、円板状の圧電セラミ
ックス板（圧電基板）１１０と、この圧電基板１１０を
補強する起歪体１１１と、起歪体１１１に固定された圧
電基板１１０を固定する固定脚体部１１２とから構成さ
られている。

【０００４】歪み検知部材である円状圧電基板１１０の
表裏両面に互いに対向しあうように、複数対の電極１１
３、１１４、１１５、１１６が形成されている。

【０００５】この起歪体１１１の周縁部には、円筒状固
定脚体部１１２が固着されている。

【０００６】また起歪体１１１の裏面中央部には、錘部
材１１７が固定されている。

【０００７】そして、圧電基板１１０には、一対の振動
駆動側電極（駆動電極）１１３、１１４と、一対の振動
検出側電極（検出電極）１１５、１１６とが配置されて
いる。尚、図４では断面図であるが、円板状の圧電基板
１１０を平面的に４分割して第１象限〜第４象限とする
と、例えば、第１象限及び第３象限に駆動電極が、第２
象限及び第４象限に検出電極がそれぞれ配置されてい
る。

【０００８】そして、駆動電極１１３、１１４に所定振
動信号を印加している状態で、水平方向の加速度に加速
度が作用すると、それによる慣性力が錘部材１１７に作
用し、圧電基板板１１０にＳ字状の歪みを発生させる。
圧電基板板１１０の表面の引張又は圧縮状態と、圧電基
板１１０の分極方向によって、基板の厚み所定厚み方向
に電荷が発生する。そして、その電荷を、例えば検出電
極１１５、１１６により電位として検出するものであ
る。

【０００９】即ち、圧電基板１１０が表面側の検出電極
１１５部分が引張側となり、電荷が生じて、例えば
「−」となり、その裏面側の検出電極１１６が「＋」と
なる。また、この圧電基板１１０の１８０°反対側の電
極部や位相が１８０°ずれると、圧縮部分となって電極
１１５が「＋」、電極１１６が「−」となる。

【００１０】そして、この電極１１５、１１６を差動ア
ンプに接続する。これより、例えばＸ軸方向の歪みによ
る電位が、その加速度に比例して得られ、差動アンプか
ら増幅率Ａで出力された結果に基づいて、加速度や変位
量が求められる。また、Ｘ軸方向と同じ平面内で直交す
るＹ軸方向の加速度も、同様に検出される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の圧電ジ
ャイロでは、以下の２つの要因により検出感度の低下し
てしまうという問題点があった。

【００１２】錘部材１１７が圧電基板１１０の下面に配
置された起歪体１１１下部に接合されている。この錘部
材１１７による振り子運動による圧電基板１１０の歪み
が比較的小さいものであった。

【００１３】また、圧電基板１１０の下面にガラスなど
の起歪体１１１が被着されているため、逆に起歪体１１
１が圧電基板１１０の振動及び歪みの妨げとなってい
た。

【００１４】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、その目的は感度が高く、且つノイズの少ない圧
電ジャイロを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、円筒状の固
定脚体部と、該固定脚体部の一方の開口周縁部に固定さ
れ、且つ表面に駆動及び検出電極が形成されるととも
に、横揺れ定常振動を行う円板状の圧電基板と、前記円
板状の圧電基板の両主面に貼着された上下錘部材とから
成り、前記上下錘部材の重心が、該圧電基板の中心点で
あることを特徴とする圧電ジャイロである。

【００１６】

【作用】本発明によれば、圧電基板に錘部材及び筒状固
定脚体部とが直接接合されており、ガラス基板などが介
在されていない。従って、圧電基板と錘部材とによる理
想的な定常振動を発生させることができる。

【００１７】また、上下の錘部材の両者の重心が、圧電
基板の平面方向及び厚み方向の中心点（即ち、横揺れ振
動の節となる部分) になるように貼着されている。従っ
て、圧電基板の定常的な振幅及び発生応力を飛躍的に向
上させることかできる。そして、角速度によるコリオリ
力による圧電基板の横揺れによる歪みが助長されること
になる。

【００１８】結局、これにより角速度や変位による圧電
基板の歪みが大きくなり、感度が大きく向上する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電ジャイロを図
面に基づいて詳説する。

【００２０】図１は、本発明の圧電ジャイロの外観斜視
図であり、図２はその断面構造図であり、図３は圧電基
板の表面側電極の構造を示す１／４部分の平面図であ
る。

【００２１】圧電ジャイロは、圧電基体１、円筒状固定
脚体部２、上下の２つの錘部材３、４とから構成されて
いる。

【００２２】圧電基体１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン
酸鉛）、ＰＴ（チタン酸鉛、ＢＴ（チタン酸バリウム）
等の円状の圧電セラミック材料、圧電性単結晶基板から
なる圧電基板１０と各電極１１〜１４とから構成されて
いる。尚、圧電基板１０にセラミック材料を用いる場合
には、基板１０に横揺れの定常振動が発生するように分
極処理を施されている。また、圧電基板１つの表面に放
射状に、例えば４つの電極１１〜１４が形成されてい
る。

【００２３】２つの電極１１、１３は駆動側電極として
動作し、例えば、基板の中心点上をとおるＸ軸上に配置
されている。２つの電極１２、１４は、検出側電極とし
て動作し、例えば、基板の中心点をとおるＹ軸上に配置
されている。

【００２４】また、各電極１１〜１４は、グランド電位
と極性が反転する一対の電極指が噛み合って構成されて
いる。例えば、図３に示すように電極１１は、複数の互
いに噛み合う電極指１１ａ、１１ｂとから構成され、例
えば、電極指１１ｂはグランド電位であり、電極指１１
ａは外部駆動回路によって、その極性が「正」、「負」
となる。

【００２５】また、最外周部分には、外部駆動回路とボ
ンディングワイヤやリード線を介して接続する電極パッ
ド１１ｃ、１１ｄが形成されている。尚、最内周には、
上部錘部材４が接合される領域１５である。尚、他の駆
動電極１３についても、検出電極１２、１４について
も、グランド電位と極性が反転する一対の電極指が噛み
合って構成されている。尚、検出電極は、外部の検出回
路に接続され、検出電極から現れる定常の横揺れ振動に
コリオリ力が加わり、発生する圧電基板１の歪を電荷と
して検出するものである。これらの電極１１〜１４は、
銀や金などを材料とし、厚膜技法によって、また、薄膜
技法（導体膜の被着、エッチング）によって形成され
る。

【００２６】円筒状固定脚体部２は、例えばステンレ
ス、４２アロイ（鉄−ニッケル合金）などの金属部材か
らなり、圧電基体１の裏面の外周部に接合される。具体
的には、円筒状固定脚体部２の一方開口の周囲と、圧電
基体１の外周とがエポキシ樹脂などを介して接着されて
いる。尚、円筒状固定脚体部２の円筒高さ寸法は、下部
錘部材３の長い寸法となっている。

【００２７】また、下部錘部材３は、圧電基板１０の裏
面側の中心点に接着により接合されている。下部錘部材
３の形状は、概略円柱状であり、その上端面がエポキシ
樹脂接着材や半田などを介して圧電基板１０に貼着され
ている。下部錘部材３は、例えばステンレスや４２アロ
イ（鉄−ニッケル合金）などからなる。その寸法は、例
えば直径２ｍｍ程度、長さ３．５ｍｍとなっている。

【００２８】圧電基板１０との接合において、特に半田
を用いて接合する場合には、圧電基板１０側の接合部分
及び下部錘部材３の上端面には、半田接合可能な領域１
５を形成しておく必要がある。

【００２９】上部錘部材４は、圧電基板１０の表面側の
中心点に接着により接合されている。上部錘部材４の形
状は概略円柱状であり、その上端面がエポキシ樹脂接着
材や半田などを介して圧電基板１０に貼着されている。
上部錘部材４は、例えばステンレスや４２アロイ（鉄−
ニッケル合金）などからなる。その寸法は、例えば直径
２ｍｍ程度、長さ３．５ｍｍとなっている。圧電基板１
０との接合において、下部錘部材３と同様である。

【００３０】ここで、重要なことは、圧電基板１０を介
して、上下に接合される錘部材３、４の重心が、圧電基
板１０の中心点をとおる上下方向の直線が一致してい
る。そして両錘部材３、４の重心が圧電基板１０を中心
点から同一距離に位置している。即ち、両錘部材３、４
を一体的に考慮した時の重心が、圧電基板１０の平面方
向及び厚み方向の中心点となるように配置されている。

【００３１】以上のように圧電基板１０の中心点部分
に、上下に錘部材３、４が接合されているので、仮に、
圧電基体１に定常的な横揺れ振動を発生させるべく、駆
動電極１１、１３に電圧を供給する。これより、圧電基
体１を横揺れ振動する。

【００３２】この状態で、駆動電極１１、１３を通るＸ
軸方向に対して角速度の変化が発生すると、基板１０の
上下面に設けられた錘部材３、４にねじれるような力が
働く。このねじれるように働く力は、定常横揺れ振動に
角速度によるコリオリ力が作用して発生するものであ
り、これより、圧電基板１０に歪を発生させる。そし
て、駆動電極１１、１３に対して直交する方向に配置さ
れた検出電極１２、１４で逆起電力が生じ、この電荷を
外部検出回路により位相検波することにより、角速度に
対する信号が検出できる。

【００３３】上述のように、圧電基板１０の上下両主面
に、下部錘部材３及び上部錘部材４を接合しており、両
錘部材３、４ともにこの接合端を固定端として、下部錘
部材３の下端面及び上部錘部材４の上端面が楕円周また
は円周上を周回する運動（回転振り子振動）を行う。即
ち、圧電基板１０全体が大きく横揺れ振動を起こすこと
ができ、角速度に対する圧電基板１０の歪を助長させる
ことができる。これにより、非常に感度の高い振動が可
能となる。

【００３４】尚、圧電基板１０上に形成した電極形成領
域（電極１１〜１４の被着領域）の直径が６〜１８ｍｍ
では、圧電基板１０の厚みは３００〜６００μｍが好ま
しい。また、電極指１１ａ〜１４ａと１１ｂ〜１４ｂの
ピッチは、１０〜１００μｍの範囲が実用的である。

【００３５】本発明者は、図２に示す本発明の圧電ジャ
イロと、図４に示した従来の圧電ジャイロ（本発明の圧
電ジャイロで上部錘部材４を排除した）とにおいて、定
常振動時の圧電基板１０、１１０の横揺れ振動成分及び
縦揺れ振動成分の振幅、発生応力を調べた。尚、角速度
が与えられた時の振幅、発生応力は、定常振動時に比例
して発生するものである。

【００３６】例えば、従来の構造での横揺れ振動成分の
振幅は１．２４μｍであり、その発生応力は３．９２Ｍ
Ｐａであった。これに対して、同一条件の本発明の構造
では、横揺れ振動の振幅は２．０１μｍであり、発生応
力は６．２５ＭＰａとなる。

【００３７】また、従来の構造での縦揺れ振動成分の振
幅は、０．５８μｍであり、発生応力が１．４１ＭＰａ
であった。これに対して、同一条件下の本発明の構造で
は、縦揺れ振動の振幅は０．９９μｍであり、発生応力
は３．３８ＭＰａとなる。即ち、横揺れ振動成分及び縦
揺れ振動成分において、夫々の発生応力が１．５倍〜
２．３倍となる。従って、上述したように、角速度によ
りコリオリ力が作用し、圧電基板１０の歪も、応力に比
例することから、角速度の検出感動が飛躍的に向上す
る。

【００３８】以上のように、本発明において、圧電基板
１０の平面方向及び厚み方向の中心点を考慮して、各々
の錘部材３、４の重心をその圧電基板１０の中心点にな
るように配置してバランスを整合している。従って、角
速度による錘部材3 、4 の振動を極大化させて、錘部材
3 、4 の周囲の応力を非常に大きくすることができる。
これにより、角速度の検出感度が向上する。

【００３９】また、錘部材3 、4 の重心を、基板１０平
面方向及び厚み方向の中心点に位置させている。従っ
て、従来のように、基板１１０の一方主面のみの錘部材
１１７の接合することにより、基板１１０及び錘部材１
１７を含めた重心が基板の厚みの中心点よりも下側に移
動（変位）することが一切ないため、その変位に伴うノ
イズは一切ない。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明の圧電ジャイロで
は、簡単な構造で、上下の錘部材のバランスよく配置す
ることにより、圧電基板の定常波振動及び角速度の変化
による圧電基板の歪を助長し、検出信号を高感度に検出
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電ジャイロの外観斜視図である。

【図２】本発明の圧電ジャイロの断面構造図である。

【図３】本発明の圧電ジャイロに用いる圧電基板の電極
の構造を示す部分平面図である。

【図４】従来の圧電ジャイロの断面構造図である。

【符号の説明】

１０・・・圧電基板１１〜１４・・・電極１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂ・・・電極指２・・・円筒固定脚体部３・・・下部錘部材４・・・上部錘部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の固定脚体部と、該固定脚体部の一方の開口周縁部に固定され、且つ表面
に駆動及び検出電極が形成されるとともに、横揺れ定常
振動を行う円板状の圧電基板と、前記円板状の圧電基板の両主面に貼着された上下錘部材
とから成り、前記上下錘部材の重心が、該圧電基板の中
心点であることを特徴とする圧電ジャイロ。