JP2001153660A

JP2001153660A - 圧電センサ

Info

Publication number: JP2001153660A
Application number: JP33997699A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Kitanishi; 真一路北西; Takeshi Hariki; 剛針木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、圧電振動体の駆動周波数を２０ｋ
Ｈｚ以上となり、音声ノイズによる影響を防止すること
ができる圧電センサを提供する。【解決手段】円板状の圧電セラミック基板１０の一方主
面に振動駆動電極１１〜１４及び振動検出電極１５〜１
８を形成し、異なる２つの振動モードを利用し、角速度
の変化によるコリオリ力を検出する圧電センサである。
前記圧電セラミック基板１０の振動領域の直径をＤ、基
板の厚みＴとの関係を、Ｄ＜Ｋ×Ｔ（Ｋは定数で２６）
となるように設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角速度を検出する圧
電センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電センサは、圧電セラミック基
板の片面もしくは両面に電極を配置し、圧電素子に発生
する電荷により加速度及び角速度を検出するセンサが開
発されている。

【０００３】例えば特開平８−２８５６０８号、特開平
５−２６７４４号等に開示されている。これらのセンサ
は、加速度や角速度の感度を向上させるため、圧電振動
体を有効に撓ませるために２つの振動モード（基本縦振
動モードと横振動モード）の共振周波数を合わせるた
め、圧電振動体の下面の中央部分（振動の中心部分）に
錘部材に接合されている。

【０００４】これらの共振周波数を合わせるため（一般
に縮退させると呼ばれている）、錘部分の一部分を削り
取り、錘部材の重心や重量を変化させていた。

【０００５】図７は従来技術の角速度センサので断面図
である。

【０００６】具体的には、圧電振動体１００は円板状金
属基板１０２上に圧電セラミック基板１０１を貼着して
いた。この圧電セラミック基板１０１上には、振動駆動
電極または振動検出電極などの電極１０３が形成されて
いた。そして、圧電振動体の下面の中央部分、即ち、金
属基板１０２の下面には、錘部材体１０５が貼着されて
いた。また、圧電振動体１００の下面の周囲には、円筒
状固定部材１０４が固定されていた。即ち、円筒状固定
部材１０４の一方の開口上に、圧電振動体１００が配置
されており、また、円筒状固定部材１０４の中空部内
に、圧電振動体１００に吊り下がる錘部材１０５が収容
された構造であった。

【０００７】このような圧電セラミック基板１０１の表
面には、基準振動モード（圧電振動体１００が上下方向
に撓む縦振動）で振動するように振動電極１０３が形成
されている。例えば、圧電セラミック基板の表面をＸＹ
平面とし、その原点Ｏを振動中心（圧電セラミック基板
の中心）とした、ＸＹＺの３次元座標軸を設定した場
合、基本的な振動に角速度が加わると、錘部材体１０５
のＸ軸もしくはＹ軸方向にコリオリ力が発生する。そし
て、このコリオリ力による圧電セラミック基板１０１の
歪み振動を圧電セラミック基板１０１上の振動検出電極
１０３から発生する電圧で検出する。

【０００８】ところで、このセンサ部の固有振動数は、
金属基板１０２、電極１０３を含む圧電セラミック基板
１０１、錘部材１０５の形状及び材質、さらに、圧電セ
ラミック基板１０１上に形成された電極１０３の形成領
域、即ち振動部領域の形状によって変化決定される。

【０００９】センサの感度を向上させるには、Ｘ軸、Ｙ
軸方向に揺れる振動の固有振動数と縦振動の固有振動数
を合わせることが重要である。即ち、錘部材１０５の形
状、圧電セラミック基板１０１の磁器厚み、振動部領域
の径等を調整し、適切な関係に設計する必要があった。

【００１０】圧電セラミック基板１０１は、最適な振動
を得るための機械的Ｑ値と駆動周波数の２つを調整する
必要がある。そのため、圧電セラミック基板１０１の磁
器厚みＴ、錘部材１０５の重量Ｗ及び振動部領域の径Ｄ
の３つを調整しなくてはならない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】また、圧電振動体１０
０の駆動周波数帯域は、音声（可聴）周波数帯域の一部
に重なってしまう。このため、圧電振動体１００の駆動
周波数が、音声ノイズと重ならないように、また、音声
が圧電振動体１００の動作に誤動作を発生させるノイズ
とならないように、圧電振動体１００の駆動周波数を、
２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ以外に設定する必要がある。

【００１２】即ち、センサの駆動周波数が２０ｋＨｚ以
上の周波数となるよう磁器厚みＴと振動部領域の径Ｄ及
び錘部材体１０５の重さＷを、縮退に合う条件に決定し
なければならないが、最適な条件を見つけることことは
非常に困難であった。

【００１３】ここで、コリオリ力は、錘部材１０５の重
量、振動変位、周波数、与える角速度に比例する。

【００１４】この関係より、錘部材１０５を重くすると
周波数が低くなり、その結果、コリオリ力が低下してし
まう。また、周波数を上げるためには、振動部領域の直
径を小さくするか、もしくは磁器厚みを厚くする必要が
あった。

【００１５】しかし、振動部領域の径を小さくしたり、
磁器厚みを厚くすると、振動変位が小さくなり、最適な
条件設計が困難になる。

【００１６】本発明は、上述の知見に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、圧電振動体の駆動周波数を２
０ｋＨｚ以上となり、音声ノイズによる影響を防止し、
同時に、人体に不快な駆動音が発生することを防止する
ことができる圧電センサを提供するものである。

【００１７】また、基本的な振動である縦振動と、角速
度の変化が生じた時の横揺れ振動との共振周波数を合わ
せることができる錘部材の形状の範囲を限定して、安定
した特性を出力することができる圧電センサを提供する
ものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、円板状圧電セ
ラミック基板の一方主面に振動駆動電極及び振動検出電
極を形成して成り、異なる２つの振動モードを利用し、
角速度の変化によるコリオリ力を検出する圧電センサに
おいて、前記圧電セラミック基板の振動領域の直径を
Ｄ、セラミック基板の厚みをＴとした時、直径Ｄ、厚み
Ｔとの関係が、Ｄ＜Ｋ×Ｔ（但し、Ｋは定数であり、Ｋ
Ｄ＜Ｋ×Ｔ（Ｋは定数であり、Ｋ＝２６）であることを
特徴とする圧電センサである。

【００１９】また、圧電セラミック基板の他方主面の振
動領域の中心部分に、錘部材を配置してなるとともに、
前記圧電セラミック基板の振動領域の直径をＤ、セラミ
ック基板の厚みＴ、錘部材の重量Ｗとの関係が、Ｄ＝Ｋ
×Ｔ−ｋ（Ｗ）で表したとき、ｋ（Ｗ）の値が０．５〜
２．０となるよう設定したことである。

【００２０】

【作用】円板状の圧電セラミック基板の一方主面に、振
動駆動電極及び振動検出電極を形成し、異なる２つの振
動モードを利用し、角速度の変化によるコリオリ力を検
出する圧電センサである。そして、圧電セラミック基板
の振動部領域の直径をＤ、セラミック基板の厚みＴとの
関係が、Ｄ＜Ｋ×Ｔ（Ｋは定数で２６）としている。こ
のようすれば、錘部材の重量に関係なく、駆動周波数を
２０ｋＨｚ以上に設定することが容易となる。

【００２１】これにより、駆動周波数を２０ｋＨｚ以上
で動作させることができるため、圧電振動体の駆動周波
数を２０ｋＨｚ以上となり、音声ノイズによる影響を防
止し、同時に、人体に不快な駆動音が発生することを防
止することができる圧電センサとなる。

【００２２】また、さらに、上述のＤ＜Ｋ×Ｔ（Ｋは定
数で２６）との関係において、錘部材の重量ｋ（ｗ）を
含めて、Ｄ＝Ｋ×Ｔ−ｋ（Ｗ）（Ｋは定数で２６：ｋ
（Ｗ）０．５〜２．０）としたため、上述の作用に加え
て、さらに、コリオリ力の検出感度を向上させることが
できる。

【００２３】そして、ｋ（ｗ）が０．５未満であると、
一般に知られているＦ＝ｍ×ａ（Ｆ＝力、ｍ＝質量、ａ
＝加速度）のｍが小さくなり、その結果、圧電振動体を
歪ませるに充分な力が得られず、検出感度が低下してし
まう。

【００２４】錘部材が圧電振動体の振動の支点となり、
基本縦振動モードの基準となる屈曲振動（ベンディング
振動）が安定して得られず、検出感度が低下してしま
う。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電センサを図面
に基づいて詳説する。

【００２６】図１は、本発明の圧電センサの外観斜視図
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。

【００２７】圧電センサは、圧電振動体１、円筒状固定
部材２、錘部材３とから構成されている。

【００２８】圧電振動体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）等の円板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１１〜１８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、初期状態において、基板１０に縦振動が発
生するように分極処理（分極方向）及び電極構造が設定
されている。例えば、電極の構造が円周方向と平行にな
るように櫛型電極を形成した場合に、その分極処理は、
圧電基板１の中心点から放射状方向となる。

【００２９】また、圧電基板１の表面に形成された電極
１１〜１８は、図に示すように、内周側領域と外周側領
域の二重領域を有しており、さらに、夫々の内周側領域
及び外周側領域が４分割されている。例えば、図１にお
いて、圧電基板１０の右上領域（第１象限という）の外
周側には振動駆動電極１１が被着形成され、内周側には
振動検出電極１５が被着形成されている。図１におい
て、圧電基板１０の左上領域（第２象限という）の外周
側には振動駆動電極１２が被着形成され、内周側には振
動検出電極１６が被着形成されている。図１において、
圧電基板１０の左下領域（第３象限という）の外周側に
は振動駆動電極１３が被着形成され、内周側には振動検
出電極１７が被着形成されている。図１において、圧電
基板１０の右下領域（第４象限という）の外周側には振
動駆動電極１４が被着形成され、内周側には振動検出電
極１８が被着形成されている。

【００３０】各振動電極１１〜１４は、駆動電極の信号
側櫛型電極１１ａ〜１４ａ、グランド側櫛型電極１１ｂ
〜１４ｂから成り、両櫛型電極１１ａ〜１４ａ、１１ｂ
〜１４ｂが互いに噛み合う構成となっている。尚、両櫛
型電極１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂの延出方向は、
円周方向に沿って延びている。

【００３１】各検出電極１５〜１８は、検出電極の信号
側櫛型電極１５ａ〜１８ａ、グランド側櫛型電極１５ｂ
〜１８ｂから成り、両櫛型電極１５ａ〜１８ａ、１５ｂ
〜１８ｂが互いに噛み合う構成となっている。尚、両櫛
型電極１５ａ〜１８ａ、１５ｂ〜１８ｂの延出方向は、
円周方向に沿って延びている。以上の構成は、図３の第
１象限部分のみで示す。

【００３２】ここで、振動駆動電極１１と検出駆動電極
１５において、両電極１１、１５のグランド側櫛型電極
１１ｂ、１５ｂどうしは共通導体膜を介して接続されて
おり、外周側領域の振動駆動電極１１の外部にグランド
電極パッド１１ｄが形成されている。また、同時に、振
動駆動電極１１の信号側櫛型電極１１ａの一部は、振動
駆動電極１１の外部に入力側電極パッド１１ｃが形成さ
れている。同時に、振動駆動電極１５の信号側櫛型電極
１５ａの一部は、振動駆動電極１１の外部に延出され
て、出力側電極パッド１５ｃと接続されている。このグ
ランド電極パッド１１ｄ、出力側電極パッド１５ｃに接
続する導体膜は、４分割された電極１１〜１４、１５〜
１８との間の間隙に形成されている。これらの電極１１
〜１４、１５〜１８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。

【００３３】尚、入力側電極パッド１１ｃ及びグランド
電極パッド１１ｄは外部駆動回路に、出力側電極パッド
１５及びグランド電極パッド１１ｄは外部検出回路にボ
ンディングワイヤやリード線を介して接続している。そ
して，各電極１１〜１４の信号側櫛型電極１１ａ〜１４
ａは、互いに同期して、その極性が「正」、「負」とな
る。

【００３４】圧電セラミック基板１０の下面の中心部分
には、錘部材３が貼着されている。

【００３５】錘部材３は、圧電セラミック基板１０に比
重が７．５〜９．０程度のステンレス、銅系材料、４２
アロイなどのニッケル合金系などからなり、圧電セラミ
ック基板１０に有機系接着材、半田付け、溶接などによ
って貼着固定される。その寸法は、例えば直径２ｍｍ程
度、長さ３．５ｍｍとなっている。

【００３６】円筒状固定部材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、圧電セラミック基板１０の下面の外周部に接合され
る。

【００３７】具体的には、円筒状固定部材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、円筒状固定部材２の円筒高さ
寸法は、錘部材３の長い寸法となっている。

【００３８】このような構造の圧電センサにおいて、圧
電振動体１の各４つの振動駆動電極１１〜１４に駆動信
号を供給し、振動駆動電極の信号側櫛型電極１１ａ〜１
４ａとグランド側櫛型電極１１ｂ〜１４ｂとの間で所定
電荷を生じさせることにより、圧電セラミック基板１０
に基板の厚み方向に撓み振動を発生させる。即ち、圧電
セラミック基板１０の中心点に貼着した錘部材３が縦振
動を行うことになる。

【００３９】そして、この状態で圧電センサに角速度
（角速度の変化）が変化した時、その角速度の方向にコ
リオリ力が発生し、これより、圧電セラミック基板１０
に歪みが発生する。この歪が圧電セラミック基板１０の
内周領域に形成された振動検出電極１５〜１８より、歪
みに対応した電荷が発生し、これを外部検出回路により
解析することにより、角速度の方向、角速度の変化量を
検出することができる。

【００４０】このような圧電センサにおいて、音声ノイ
ズを減少させなくてはならない。即ち、圧電センサの駆
動周波数を可聴周波数帯域である概略２０Ｈｚ〜２０ｋ
Ｈｚをかけなくてはならない。これより、音声に対する
ノイズが減少でき、同時に、駆動に対して音声がノイズ
となることがない。

【００４１】このような駆動周波数は、大きく圧電振動
体１（圧電セラミック基板の厚みＴと振動部領域の径
Ｄ）の設計によって大きくは決定される。

【００４２】本発明者は、圧電セラミック基板１０の厚
みＴ（単位ｍｍ）と、その圧電セラミック基板１０の表
面に形成された振動駆動電極１１〜１４による振動部領
域の径Ｄ（単位ｍｍで実質的に外周側の振動駆動電極１
１〜１４の差し渡し値に相当）との関係を調べた。

【００４３】その結果、図４に示すように、駆動周波数
が２０ＫＨｚとなる関係を調べると、圧電セラミック基
板１０の厚み（磁器厚み）Ｔと振動部領域の径（磁器振
動部径）Ｄとの間には、一定の比例定数でもって比例す
ることを知見した。その特性線を線Ｘで示す。

【００４４】この比例定数Ｋを求めると、Ｋが２６であ
った。即ち、圧電振動体１の駆動周波数を２０ｋＨｚ以
上とするには、比例定数Ｋを２６未満とすること（線ｘ
よりも下側の領域で用いる）が重要である。即ち、圧電
セラミック基板１０の厚みをＴ、振動部領域の径をＤと
すると、Ｄ＜Ｋ×Ｔ（Ｋは比例定数であり、Ｋ＝２６）
となる。

【００４５】このように設計することにより、圧電振動
体１の駆動周波数を２０ｋＨｚ以上にすることができ
る。これにより、圧電センサが動作している場合でも、
その駆動周波数による振動音が、音声に対してノイズと
なることが一切ない。しかも、音声が、圧電振動体に対
して誤動作を与えるノイズとなることが一切ない。

【００４６】上述のように、圧電振動体１の圧電セラミ
ック基板１０の厚みＴ、振動部領域の径Ｄの最適な設計
により、ノイズの少ない、また、誤動作の少ない圧電セ
ンサが達成できる。

【００４７】また、圧電センサにおいては、上述のノイ
ズ対策が施されるとともに、特性的には、角速度の変化
（コリオリ力）を感度よく検出できることが望ましい。

【００４８】コリオリ力は、錘部材の重量ｍ、振動変
位、与える角速度の大きさによって、決定される。

【００４９】本発明は者は、先の圧電セラミック基板１
０の厚みＴ、振動部領域の径Ｄとの関係により、コリオ
リ力の感度を向上させ得る錘部材３の重量ｍも大きく関
係する。そこで、本発明者は、錘部材３の重量ｍを考慮
して、Ｄ＜Ｋ×Ｔ（Ｋは比例定数であり、Ｋ＝２６）の
適正な範囲を調べた。

【００５０】図５には、錘部材３の重量ｍを、振動部領
域の径Ｄ、磁器厚みＴとに換算した値ｋ（Ｗ）におい
て、Ｄ＝Ｋ×Ｔ−ｋ（Ｗ）（Ｋは比例定数であり、Ｋ＝
２６）で、ｋ（Ｗ）が０．５〜２．０であると、コリオ
リ力を感度良く検出できることになる。

【００５１】この図５を、圧電セラミック基板１０の厚
み（磁器厚み）Ｔと振動部領域の径（磁器振動部径）Ｄ
との関係に照らし合わせると、図６のように、線ｙと線
ｚとの間に挟まれた領域とすることが望ましい。

【００５２】図６において、線ｙよりも上側の領域で
は、図５の適正の範囲の左側領域に相当し、圧電セラミ
ック基板１０に対して錘部材３の重量が相対的に小さい
ため、角速度の検出に必要な充分な横振動モードによる
歪が発生しにくい。

【００５３】また、線Ｚよりも下側の領域では、図５の
適正の範囲の右側領域に相当し、圧電セラミック基板１
０に対して錘部材３の重量が相対的に大きくなり、安定
した基本振動モード（磁器の厚み方向に屈曲するベンデ
ィング振動）が得られない。

【００５４】その結果、この線ｙ、ｚから外れると、何
れの場合でもコリオリ力の感度が低下してしまう。

【００５５】以上のように、駆動周波数を２０ｋＨｚ以
上で動作し、感度の高いコリオリ力の検出を達成するた
めには、図６に示す線ｙ、ｚの間の領域内の関係を維持
するように圧電セラミック基板１０の厚み（磁器厚み）
Ｔ、振動部領域の径（磁器振動部径）Ｄ、錘部材３の重
量ｍを決定すればよい。

【００５６】尚、上述の実施例において、振動駆動電
極、振動検出電極がインターデジタル電極構造である
が、圧電セラミック基板を挟持するように電極を形成し
ても構わない。

【００５７】また、円筒状固定部材２として、ステンレ
ス、４２アロイ（鉄−ニッケル合金）などの金属部材で
説明しているが、バネ性のあるリン青銅などのソフト支
持部材としても構わない。

【００５８】

【発明の効果】以上、本発明によれは、圧電振動体の圧
電セラミック基板の厚みＴ、振動部領域の径Ｄとの関係
を適正化することにより、人体に不快な音を与えたり、
また、音声周波数がセンサの誤動作となったりすること
がない圧電センサとなる。

【００５９】また、振動部領域の径Ｄと圧電セラミック
基板の厚みＴとの関係に、錘部材の重量に関係するパラ
メータにより、関係式をＤ＝Ｋ×Ｔ一ｋ（Ｗ）、Ｋの値
が２６で、ｋ（ｗ）を０．５〜２．０とすることによ
り、コリオリ力の検出を感度よく安定して検出すること
が可能となる圧電センサとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電センサの外観斜視図である。

【図２】本発明の圧電センサの断面構造図である。

【図３】本発明の圧電センサの電極構造を説明するため
の部分平面図である。

【図４】本発明の圧電センサにおける圧電セラミック基
板の振動部領域の径Ｄと圧電セラミック基板の厚みＴと
の関係を示す特性図である。

【図５】本発明の圧電センサにおける圧電セラミック基
板の振動部領域の径Ｄと圧電セラミック基板の厚みＴと
の関係において、錘部材の重量ｍの関数ｋ（Ｗ）とコリ
オリ力の感度を示す特性図である。

【図６】図４に示した特性図に、最適領域を示した特性
図である。

【図７】従来の圧電センサの断面構造図である。

【符号の説明】

１・・・圧電振動体１０・・・圧電セラミック基板１１〜１４・・振動駆動電極１５〜１８・・振動検出電極２・・・円筒状固定部材３・・・錘部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円板状圧電セラミック基板の一方主面に
振動駆動電極及び振動検出電極を形成して成り、異なる
２つの振動モードを利用して、角速度の変化によるコリ
オリ力を検出する圧電センサにおいて、前記圧電セラミック基板の振動領域の直径をＤ、セラミ
ック基板の厚みをＴとした時、直径Ｄ、厚みＴとの関係
が、Ｄ＜Ｋ×Ｔ（但し、Ｋは定数であり、ＫＤ＜Ｋ×Ｔ
（Ｋは定数であり、Ｋ＝２６）であることを特徴とする
圧電センサ。
【請求項２】前記圧電セラミック基板の他方主面で振
動領域の中心部分に、錘部材を貼着して成り、前記圧電
セラミック基板の振動領域の直径をＤ、セラミック基板
の厚みＴ、錘部材の重量Ｗとの関係が、Ｄ＝Ｋ×Ｔ−ｋ
（Ｗ）で表したとき、ｋ（Ｗ）の値が０．５〜２．０と
なるよう設定したことを特徴とする請求項１記載の圧電
センサ。