JP2001183141A - 圧電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、基本駆動縦振動と検出横振動との
共振周波数及び支持部材の支持位置を最適化することに
より、両振動の感度が劣化することがない圧電センサを
提供する。 【解決手段】 円板状圧電セラミック基板１０の上面
の外周側に振動駆動電極１１〜１４を、内周側に振動検
出電極１５〜１８を夫々配置するとともに、圧電セラミ
ック基板１０の下面に支持部材を貼着して成り、駆動縦
振動と検出横振動を利用してセンサの変位状態を検出す
る圧電センサにおいて、前記駆動縦振動と検出横振動
は、互いの共振周波数を一致させ、且つ両振動における
節部分を前記振動駆動電極１１〜１４と前記振動検出電
極１５〜１８との境界領域に存在させるとともに、前記
支持部材２は、該境界領域の下面に貼着されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度や加速度な
どのセンサの変位状態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】従来より、圧電センサは、姿勢制御、位
置制御に必要な角速度や加速度を検出するものであり、
例えばビデオカメラの手ぶれ防止や自動車のナビゲーシ
ョンに多用されている。そして、機器の小型化、多機能
化に伴い、圧電センサについても小型化、高性能化が希
求されている。１つのセンサで、２つの軸方向の角速度
を検出できるものが望まれている。この要望に応えるも
のとして、角速度（基本駆動縦振動に対して発生するコ
リオリ力）により発生する圧電振動体の振動( 検出横振
動) を測定して、角速度の変化を求めるセンサが既に提
案されている。

【０００３】圧電センサにおいては、１つのセンサにて
２つの軸の角速度を検出できるものが既に考案されてい
る。

【０００４】図５は、従来の圧電センサの断面構造図で
あり、図６はその平面図である。圧電振動体１００は円
板状の圧電セラミック基板１１０と該圧電セラミック基
板上に形成された電極１１１〜１１８とから構成されて
いる。また圧電振動体１００の下面中央下部には、基本
駆動縦振動を助長されるための錘１０３が貼着されてい
る。この圧電振動体１００は、例えば、円筒状の支持部
材１０２に支持されている。具体的には、圧電セラミッ
ク基板１１０の下面に、例えば尖った先端部にエポキシ
などの接着剤で貼着していた。この支持位置は、圧電セ
ラミック基板１１０の基本駆動縦振動の「節」となるノ
ーダルポイントに貼着されされていた。

【０００５】また、別の位置として、外周側の振動駆動
電極１１１〜１１４の外周部に貼着していた。

【０００６】一般的には、基本駆動縦振動のノーダルポ
イントを支持する方が、外的ノイズや外的応力等による
特性変動に安定することから、多用されている。

【０００７】この圧電センサの動作原理は、振動駆動電
極１１１〜１１４に交流電圧を与え、基準振動となる縦
方向の振動（基本駆動縦振動）を起こした状態に、ある
方向から角速度の変化が加わると、横揺れ振動が起き
て、錘部材１０３のＸ軸もしくはＹ軸にコリオリ力が発
生する。そしてこの横揺れ（検出横振動）による圧電セ
ラミック基板のひずみが、内周側の振動検出電極１１５
〜１１８の電圧となり、この電圧を測定し、外部検出回
路により解析して、角速度の大きさ、方向を検出すると
いうものである。

【０００８】尚、この基本駆動縦振動のノーダルポイン
トは、振動駆動電極、振動検出電極を含む圧電セラミッ
ク基板の厚みと径、錘部材の重量、重心によって決定さ
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、基本駆動縦振
動のノーダルポイントの他に、検出の振動である検出検
出横振動のノーダルポイントも存在する。そのため、従
来、基本駆動縦振動のみノーダルポイントを考慮して設
定した支持部材１０２の支持位置では、検出横振動がダ
ンピングされてしまうことがあり、出力感度が劣化して
しまうという問題があった。例えば、図７に示すよう
に、基本駆動縦振動にコリオリ力が作用し、検出横振動
が発生する。実線はある瞬間における圧電振動体１００
の変位状態であり、点線は次の瞬間の圧電振動体１００
の動作である。

【００１０】図７のように、支持部材１０２の先端部分
の圧電セラミック基板１０の変位が実線と点線とで相違
している。しかし、実際には、支持部材１０２の先端部
分は、圧電振動体１００の固定端となる。従って、この
支持部材１０２の先端部分の圧電セラミック基板１０の
変位が実線と点線とで相違による応力が、基本駆動縦振
動にダンピングを与える応力となり、また、検出横振動
の安定した動作を阻害することになる。

【００１１】また検出横振動のノーダルポイントで支持
すると、逆に、基本駆動縦振動がダンピングしてしま
い、駆動信号に対する感度が劣化してしまう。

【００１２】また、両振動モードのノーダルポイントが
合致していても、支持部材１０２の支持位置によって出
力特性が変わり、最適化が出来ていなかった。

【００１３】本発明は、上述の問題点に鑑みて案出され
たものであり、その目的は、基本駆動縦振動と検出横振
動との共振周波数及び支持部材の支持位置を最適化する
ことにより、両振動の利得が劣化することがなく、安定
した特性を導出できる圧電センサを提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、円板状圧電セ
ラミック基板の上面の外周側に振動駆動電極を、内周側
に振動検出電極を夫々配置するとともに、圧電セラミッ
ク基板の下面に支持部材を貼着して成り、駆動縦振動と
検出横振動を利用してセンサの変位状態を検出する圧電
センサにおいて、前記駆動縦振動と検出横振動は、互い
の共振周波数を一致させ、且つ両振動における節部分を
前記振動駆動電極と前記振動検出電極との境界領域に存
在させるとともに、前記支持部材の貼着位置を該境界領
域の下面としたことを特徴とする圧電センサである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、基本駆動縦振動モードと検出
横振動モードの共振周波数が合致させ、さらに、両振動
の節（ノーダルポイント）を、前記振動駆動電極と前記
振動検出電極との境界領域に存在させている。

【００１６】また、その境界領域の圧電セラミック基板
の下面を支持部材で貼着固定している。

【００１７】このため、基本駆動縦振動を発生させるべ
く、駆動信号を供給した場合、圧電基板の内周側に大き
な縦振動を発生させることができ、検出感度が大きく向
上させることができる。

【００１８】また、この基本駆動縦振動が発生している
状態で、角速度や加速度が変化して、検出横振動が発生
した場合でも、検出横振動と基本駆動縦振動とのノーダ
ルポイントが一致しているため、基本駆動縦振動にダン
ピングを発生させることがなく、基本駆動縦振動を継続
的に安定して発生させることができる。これより、検出
横振動が常に安定した条件で検出することができる。

【００１９】以上のように、本発明では、両振動のゲイ
ンが劣化することがなく、安定した特性を導出できる圧
電センサとなる。

【００２０】

【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。

【００２１】図１は、本発明の圧電センサの断面構造図
であり、図２は圧電センサの平面図であり、図３は圧電
振動体に基本駆動縦振動が発生している状態を示す概略
図であり、図４は、検出横振動が発生している状態の概
略図である。

【００２２】本発明の圧電センサは、圧電振動体１と支
持部材２、錘部材３とから主に構成されている。

【００２３】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の方向となる。

【００２４】また、圧電基板１の表面に形成された電極
１１〜１８は、図２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２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２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２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２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。

【００２５】各振動電極１１〜１４は、図では省略して
いるが、駆動電極の信号側櫛型電極、グランド側櫛型電
極から成り、両櫛型電極が互いに噛み合う構成となって
いる。尚、両櫛型電極の延出方向は、円周方向に沿って
延びている。

【００２６】各検出電極１５〜１８も、同様に、信号側
櫛型電極、グランド側櫛型電極から成り、両櫛型電極が
互いに噛み合う構成となっている。尚、両櫛型電極の延
出方向は、円周方向に沿って延びている。

【００２７】このように、外周領域に振動駆動電極１１
〜１４を配置するのは、圧電セラミック基板１０の振動
領域の直径を大きくして、圧電セラミック基板１０の基
本振動（基板の厚み方向の撓み振動）を大きくするため
である。

【００２８】また、外周領域の振動駆動電極１１〜１４
と、内周領域の振動検出電極１５〜１８との間には、複
数、例えば２本の配線パターン１９ａ、１９ｂから構成
されるグランド電位配線導体１９が配置されている。そ
して、２本の配線パターン１９ａ、１９ｂに挟まれた領
域は、未分極領域４どなっている。

【００２９】尚、図では省略しているが、各信号側力櫛
型電極やグランド側電極は、外部の駆動回路や外部検出
回路と接続する入出力、グランドパットを有しており、
ボンディングワイヤやリード線を介して接続している。

【００３０】そして、各駆動電極１１〜１４の信号側櫛
型電極は、互いに同期して、その極性が「正」、「負」
となる。尚、櫛型電極の電極幅３０〜１００μｍであ
り、電極間幅は３０〜１００μｍで設計されている。電
極材質は金、銀または銅から成り、形成方法はスクリー
ン印刷やフォトエッチングや転写印刷で形成される。

【００３１】また、圧電セラミック基板１０の分極処理
は、圧電セラミック基板１０の表面の各電極１１〜１８
を利用して行う。従って、この振動検出電極１１〜１
４、振動検出電極１５〜１８を用いて分極処理すること
により、実質的に複数のグランド電位の配線パターン間
１９ａ、１９ｂの領域４は分極のための電圧が印加され
ず未分極領域４となる。

【００３２】このように、振動駆動電極１１と振動検出
電極１５との間に、グランド電位の配線導体１９を配置
することにより、振動駆動電極１１と振動検出電極１５
との間に発生する電気的なノイズ及び振動そのもののノ
イズも低減している。

【００３３】また、圧電セラミック基板１０下面の中心
部には、円柱状の錘部材３が貼着されている。円柱状の
錘部材３は、駆動電極１１〜１５の駆動信号の供給によ
り、圧電セラミック基板１０が厚み方向に振動する縦振
動を大きくなるためのものである。

【００３４】このような圧電振動体１は、上述の駆動電
極１１〜１４に、外部駆動回路より駆動信号を供給す
る。これにより、各電極１１〜１４の信号側櫛型電極
は、互いに同期して、極性が「正」、「負」となる。こ
れより、圧電セラミック基板１０は、基板の厚み方向に
撓む方向の振動が発生し、その結果、錘部材３を含む圧
電振動体１は、基本駆動縦振動を起こす。この状態で所
定角速度が加わると、基本駆動縦振動に対して垂直方向
にコリオリ力が作用し、圧電セラミック基板１０に検出
横振動が発生する。そして、この基本駆動縦振動モード
と検出横振動モードが合成されて、圧電セラミック基板
１０に歪みが生じ、その結果、歪みの発生方向、歪みの
大きさに対応した電荷が検出振動電極１５〜１８の所定
電極から導出されることになる。

【００３５】そして、夫々の検出振動電極１５〜１８か
ら導出された電荷を外部解析回路で処理することによ
り、角速度の大きさ、その方向を検出することができ
る。

【００３６】本発明の圧電センサは、縦振動モードの共
振周波数と検出横振動の共振周波数を一致させている。
また、両振動のノーダルポイント（振動の節）を、外周
側の振動駆動電極１１〜１４と内周側の検出電極１５〜
１８との間の境界領域、即ち、未分極部分４に位置させ
ている。

【００３７】さらに、この外周側の振動駆動電極１１〜
１４と内周側の検出電極１５〜１８との間の境界領域の
下面に、例えば、４２ＦｅＮｉ、ＳＵＳなど円筒状の支
持部材２を貼着して支持している。この支持部材２の先
端部は、先細り形状となっており、圧電セラミック基板
１０の接触面積を低減し、その先端部と圧電セラミック
基板１０の下面とがエポキシなどの接着材で貼着されて
いる。

【００３８】上述の圧電センサの基本振動である縦振動
モードの共振周波数と検出時に使用する検出横振動の共
振周波数の制御について、縦振動モードの共振周波数が
検出横振動の共振周波数が低い周波数に位置している場
合には、錘部材３の重量を付加することにより、縦振動
モードの共振周波数と検出横振動モードの共振周波数と
を容易に一致させることができる。即ち、駆動振動電極
１１〜１４の直径の形状、錘部材３の質量などよって、
縦振動モードの共振周波数や検出横振動モードの共振周
波数を制御するすることができるが、特に上述したよう
に、錘部材３の質量を付加することにより、検出横振動
モードの共振周波数を低減できる。逆に、錘部材３の下
端面に凹部を形成し、錘部材３の質量を減少させると、
検出横振動モードの共振周波数を上昇させることができ
る。

【００３９】また、圧電セラミック基板１０における振
動駆動電極１１〜１４の形状（直径）や圧電セラミック
基板１０の基板の厚み、駆動電極１１〜１４の直径方向
の幅、駆動電極１５〜１８の直径方向の幅を最適に制御
を行うことにより、両振動モードの共振周波数を一致さ
せて、且つ、両振動の節（ノーダルポイント）を、圧電
セラミック基板１０の外周側の振動駆動電極１１〜１４
と外周側の検出電極１５〜１８との境界領域、即ち、未
分極処理領域に位置させることができる。例えば、駆動
電極１１〜１４の直径方向の幅と駆動電極１５〜１８の
直径方向の幅との比を１：１とすることにより、簡単に
両振動の節（ノーダルポイント）を圧電セラミック基板
１０の外周側の振動駆動電極１１〜１４と外周側の検出
電極１５〜１８との境界領域に位置させることができ
る。

【００４０】本発明者の行った実験では、圧電磁器径が
直径が８mm、磁器厚みが０．４ｍｍ、錘部３の重量が１
２６ｍｇ、重心が１．６５ｍｍの条件にすると、基本駆
動縦振動のノーダルポイントを圧電セラミック基板１０
の中心から４．０２ｍｍ、検出横振動のノーダルポイン
トを４．０３ｍｍとすることができる。そして、圧電セ
ラミック基板１０の中心から４．０２〜４．０３ｍｍ部
分に、支持部材２の先端が接触するように、支持部材２
を貼着する。

【００４１】この状態においては、基本駆動縦振動は、
図３に示すように、支持部材２を振動の節とした良好な
縦振動となる。即ち、圧電セラミック基板１０の中心部
分の変位が最大となり、錘部３の縦方向の変位を最大と
することができる。

【００４２】また、回転などの変位が発生した時の検出
横振動は、図４を示す。

【００４３】この状態では、支持部２の先端部を節とし
て、検出横振動することになるため、基本となる基本駆
動縦振動にダンピングを与えることがなく、感度の高い
検出が可能となる。

【００４４】また、支持部材２に係る機械的な応力を有
効に抑えることができるため、安定した支持も同時に可
能となる。

【００４５】本発明者の測定によれば、本発明の上述の
寸法の圧電センサと、従来の図７のように検出横振動で
変位する圧電センサにおいて、同一駆動条件で基本駆動
縦振動を発生させ、同一条件で回転（角速度の変位）を
与えたとき、出力感度が、本発明品で、１．０ｍＶ／ｄ
ｅｇ／ｓｅｃ、従来の圧電センサでは、０．５６ｍＶ／
ｄｅｇ／ｓｅｃとなり、７９％も向上することを確認し
た。

【００４６】また、本発明者は、基本駆動縦振動のノー
ダルポイントと検出横振動のノーダルポイントとを一致
させた上述の圧電磁器径が直径Ｌ１が８mm、磁器厚みが
０．４ｍｍ、錘部材３の重量が１２６ｍｇ、重心が１．
６５ｍｍの圧電センサを用いて、支持部材２の貼着位置
による出力特性の変化を調べた。即ち、圧電セラミック
基板１の中心からの距離Ｌ２である４．０ｍｍ（Ｌ２／
Ｌ１＝０．５）を１００％とし、Ｌ２／Ｌ１の比の変動
による出力特性の変動比率を調べた。

【００４７】その結果、Ｌ２／Ｌ１の比が０．３９の場
合、出力特性が５６％に低下し、０．５３の場合、出力
特性が９７％に低下し、０．６８の場合、出力特性が４
９％に低下する。

【００４８】出力特性を最大値の８０％以上とするに
は、Ｌ２／Ｌ１が０．４５〜０．６の範囲が好ましい。
この範囲を用いて、図２に示す駆動振動電極１１〜１４
と、検出振動電極１５〜１８の領域の幅を設定すればよ
い。

【００４９】

【発明の効果】以上、本発明の圧電センサでは、基本駆
動縦振動と検出横振動との共振周波数及び支持部材の支
持位置を最適化することにより、両振動の感度が劣化す
ることがなく、安定した特性を導出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電センサの断面図である。

【図２】本発明の圧電センサの平面図である。

【図３】本発明の圧電センサの基本駆動縦振動状態の概
略図である。

【図４】本発明の圧電センサの検出横振動状態の概略図
である。

【図５】従来の圧電センサの断面図である。

【図６】従来の圧電センサの平面図である。

【図７】従来の圧電センサにおける検出横振動状態の概
略図である。

【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 １９・・・・・グランド電位の配線導体 ２・・・円筒状固定部材 ３・・・錘部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円板状圧電セラミック基板の上面の外周
   側に振動駆動電極を、内周側に振動検出電極を夫々配置
   するとともに、圧電セラミック基板の下面に支持部材を
   貼着して成り、駆動縦振動と検出横振動を利用してセン
   サの変位状態を検出する圧電センサにおいて、 前記駆動縦振動と検出横振動は、互いの共振周波数を一
   致させ、且つ両振動における節部分を前記振動駆動電極
   と前記振動検出電極との境界領域に存在させるととも
   に、前記支持部材の貼着位置を該境界領域の下面とした
   ことを特徴とする圧電センサ。