JP2001241954A - 圧電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、圧電振動体の所定振動に対してダン
ピングが発生しにくく、安定した特性が導出でき、且つ
外部回路との接続が容易な圧電センサを提供する。 【解決手段】 本発明は、円板状圧電セラミック基板１
０の上面の外周側に振動駆動電極１１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の下面の中央部に錘部材３を貼着し、異
なる２つの振動モードを用いて角速度を検出する圧電セ
ンサである。そして、前記振動駆動電極１１と振動検出
電極１５〜１８との間に非分極領域を設けるとともに、
前記圧電セラミック基板１０の両主面側から挟持固定す
るバネ性を有する支持部材２を接合した。

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、姿勢制御、位置制
御に必要な角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。

【０００３】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ている。この要望に応えるものと
して、角速度（基本振動に対して発生するコリオリ力）
により基本振動動作の圧電素子に発生する歪みを測定し
て、角速度の変化を求めるセンサが既に提案されてい
る。

【０００４】図４は従来の圧電センサの断面構造図であ
り、図５は部分拡大図であり、図6は平面概略図であ
る。

【０００５】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１１０上にに形
成された８つの電極１１１〜１１８とから構成されてい
る。電極１１１〜１１８は、図６に示すように、圧電セ
ラミック基板１１０の内周側領域と外周側領域に分割さ
れ、さらに、圧電セラミック基板１１０の中心で直交す
る２軸の正負方向にそれぞれ分かれて配置されている。

【０００６】例えば、内周側領域の４つの電極は、振動
検出電極１１５〜１１８であり、外周側領域の側の４つ
の電極は振動駆動電極１１１〜１１４である。各電極１
１１〜１１８は、例えば信号側櫛型電極とグランド側櫛
型電極とが円周方向に沿って延び、且つ両櫛型電極が噛
み合うように構成となっている。尚、図６図では、櫛型
電極の形状を省力して各象限毎をブロックとして表示し
ている。また、圧電セラミック基板１１０は、素子表面
で放射方向に分極処理が施されている。

【０００７】さらに、圧電振動体１００の下部の中央に
は、円柱状の錘部材１０３が貼着されており、また、振
動駆動電極１１１〜１１４と振動検出電極１１５〜１１
８との間の領域で、圧電セラミック基板１１０の裏面側
（電極が形成されていない面側）に円筒状固定部材１０
２が接合されている。

【０００８】また、振動駆動電極１１１〜１１４と振動
検出電極１１５〜１１８との間には、例えば外部回路と
接続するための配線パターン１１９、１２０が形成され
ており、この配線パターン１１９、１２０にボンディン
グワイヤＷが接合されている。

【０００９】このような圧電センサにおいて、ボンディ
ングワイヤＷを介して外部回路より振動駆動電極１１１
〜１１４に駆動信号を供給すると、圧電振動体１００に
厚み撓み振動が発生し、錘部材１０３が縦振動を起こす
（基本縦振動モード）。そして、基本縦振動が発生して
いる状態で圧電センサ１００に角速度が生じると、これ
によって、コリオリ力が発生する。このコリオリ力は、
縦振動の錘部材１０３に横方向の振動を加えるように働
き（横振動モード）、その結果、圧電振動体１００に歪
みを発生させる。この歪を各々の振動検出電極部１１５
〜１１８より検出する。尚、振動検出電極部１１５〜１
１８より検出された各々の電荷の強弱を外部検出回路に
よって解析することにより、簡単に角速度の大きさ及び
その方向を検出する。

【００１０】また、別の構造では、圧電セラミック基板
を金属振動板に貼着して、圧電振動体を構成し、該金属
振動板の下面の中央部に錘部材を接合していた。

【００１１】上述の何れの構造であっても、振動検出電
極１１５〜１１８から得られる検出信号を感度良く検出
するには、縦振動及び横振動（２つの振動モード）の共
振周波数を互いに一致される必要がある。このため、縦
振動に大きな影響をあたえる錘部材１０３の質量を、錘
部材１０３の下端面を除去して調整していた。

【００１２】また、上述し圧電振動体１００の支持手段
として、一般に、圧電セラミック基板１１０の下面で円
筒状固定部材１０２がを接合して構成していた。例え
ば、この円筒状固定部材１０２の材料を、弾性に優れた
シリコーン樹脂のブロック体等が例示できる。そして、
シリコーン樹脂材料と相性の良好なシリコーン接着剤を
用いて、圧電振動体１００と円筒状固定部材１０２とを
接合していた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の圧電振
動体１００の保持構造は、円筒状固定部材１０２に弾性
を有する材料を用いていたとしても、圧電振動体１００
が、円筒状固定部材１０２上に載置している構造であ
り、圧電振動体１００の所定振動（基本駆動振動や検出
振動）にダンピングを発生させてしまう。

【００１４】また、シリコーン樹脂からなる円筒状固定
部材１０２を、圧電セラミック基板１０２に接着固定す
るための接着剤では、相性の良好なシリコーン樹脂接着
剤が多用されるが、この接着剤は、耐湿性に弱く、経時
的に接着強度が低下してしまい、外部衝撃により、圧電
振動体１００と円筒状固定部材１０２との剥離が発生し
てしまうという問題があった。

【００１５】この耐衝撃性に劣ることは、圧電センサと
しては決定的な致命傷となる。即ち、この圧電センサ
は、手ブレなどによる位置ずれなどを検出するジャイロ
として、例えば携帯型撮影装置などに用いられる。

【００１６】このような位置ずれが発生し易い装置は、
逆に外部より衝撃が付与される易い装置に他ならないた
めである。

【００１７】また、従来技術では、圧電振動体１００を
支持する円筒状固定部材１０２は、純粋に固定部材とし
て機能し、この固定部材とは別に各電極１１１〜１１８
に信号を外部回路から供給し、また、外部回路に導出す
るリード線などが必要であった。

【００１８】本発明は、上述の課題に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、圧電振動体の所定振動に対し
てダンピングが発生しにくく、安定した特性が導出で
き、且つ外部回路との接続が容易な圧電センサを提供す
ることにある。

【００１９】

【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
ク基板の下面の中央部に錘部材を貼着し、異なる２つの
振動モードを用いて角速度を検出する圧電センサであ
り、第１の発明は、前記振動駆動電極と振動検出電極と
の間に非分極領域を設けるとともに、該非分割領域に前
記圧電セラミック基板の両主面側から挟持固定するバネ
性を有する支持部材を接合した圧電センサである。

【００２０】また、第２の発明は、前記圧電セラミック
基板の上面側に接合する支持部材が、振動駆動電極及び
検出駆動電極の一部と接続するリード端子である圧電セ
ンサである。

【００２１】さらに、第３の発明は、前記支持部材が、
エポキシ系樹脂接着剤を介して接合されている圧電セン
サである。

【作用】本発明によれば、圧電セラミック基板に各電極
及び錘部材を有する圧電振動体の支持構造が、圧電振動
体を構成する圧電セラミック基板の非分極領域の上下面
側から、弾性を有する支持部材でもって挟持固定されて
いる。

【００２２】従って、圧電振動体は、支持部材によっ
て、中空部内で保持されるようになる。

【００２３】従って、圧電振動体に所定振動（基本駆動
振動及びコリオリ力が検出できる検出横振動）が発生し
ても、支持部材でこの振動を吸収されることなく、この
振動に合わせて協動することなになる。

【００２４】これにより、圧電振動体の所定振動に対し
てダンピングが発生しにくく、安定した特性が導出でき
る。

【００２５】また、圧電セラミック基板の上面側に接合
する支持部材が、振動駆動電極及び検出駆動電極の一部
と接続するリード端子である。

【００２６】このため、外部回路と接続する手段と、圧
電振動体を機械的に支持する手段が同一構造となるなる
ため、ボンディングワイヤなどによって接続するより
も、外部回路との安定した接続が可能となり、また、所
定振動が発生しても、接続断線が発生することがない。

【００２７】また、前記支持部材が、エポキシ系樹脂接
着剤を介して接合されているため、支持部材と圧電振動
体ととの接合が、経時変化によって劣化することがな
く、また、強固に接合ができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電センサを図面
に基づいて説明する。

【００２９】図１は本発明の圧電センサの断面構造図で
あり、図２は図１の要部拡大図であり、図３は、圧電セ
ンサの電極構造を示す平面図である。

【００３０】圧電センサは、圧電振動体１、複数の弾性
を有する支持部材２、錘部材３とから構成されている。

【００３１】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基板１０と各電極１１
〜１８とから構成されている。尚、圧電セラミック基板
１０は、基本振動として基板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、図３に示すように、全体電極構造が、平面
でみたとき、内周側（振動検出電極１５〜１８）と外周
側（振動駆動電極１１）との二重構造となっており、さ
らに、振動検出電極１５〜１８は、各方向性での比較を
行うため、例えば４つの領域に区分されている。そし
て、各電極１１、１５〜１８は、円周方向と平行になる
ように信号側、グランド側の一対の櫛型電極で形成され
ている。そして、分極処理は、この櫛型電極を用いて処
理するため、圧電セラミック基板１の中心点から放射状
の方向となる。

【００３２】例えば、図３において、圧電セラミック基
板１０の外周領域には、信号側、グランドの一対の櫛型
電極からなる振動駆動電極１１が配置されている。ま
た、内周領域には、例えば第１象限〜第４象限に区画さ
れて、信号側、グランドの一対の櫛型電極からなる振動
検出電極１５〜１８が配置されている。

【００３３】そして、振動駆動電極１１の一方の櫛型電
極は、圧電セラミック基板１０の半径方向の略中央部に
配置した電極パッドａ（例えば駆動信号側の電極パッ
ド）に接続し、振動駆動電極１１の他方の櫛型電極は、
圧電セラミック基板１０の半径方向の略中央部で、駆動
信号側の電極パッドａに対象に形成されたグランド電位
側の電極パッドｂに接続されている。

【００３４】また、４つの区分に配置された振動検出電
極１５〜１８において、信号側となる一方の櫛型電極
は、圧電セラミック基板１０の半径方向の略中央部に配
置した各電極パッドｃ、ｄ、ｅ、ｆ（夫々検出側の電極
パッド）に接続し、他方の櫛型電極は、電極パターンの
制御により、上述のグランド電位側の電極パッドＢに接
続されている。

【００３５】このように、外周領域に振動駆動電極１１
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。

【００３６】そして、この振動駆動電極１１と振動検出
電極振動１５〜１８との間の電極パッドａ〜ｆ部分は、
分極電圧が供給されにくい部分となり、非分極領域とな
る。尚、この部分は、基本縦振動及び検出振動のノーダ
ル点になる部分に設定する。

【００３７】このような圧電振動体１は、圧電セラミッ
ク基板１０の表裏両主面から弾性を有する対をなす支持
部材２で挟持されて構成されている。

【００３８】支持部材２は、接合端面が平面状に加工さ
れたバネ性（弾性金属部材）、例えばリン青銅などで形
成したリード端子であり、その接合にあたっては、例え
ば、エポキシ樹脂接着剤を介して接合されている。

【００３９】そして、支持部材２は上面側の支持部材と
下面側の支持部材とが一対となり、圧電セラミック基板
１０の上下面側から挟持するように接合される。

【００４０】具体的には、図３に示すように、圧電セラ
ミック基板１０の各電極パッドａ〜ｆで支持固定してい
る。例えば、電極パッドｃにおいては、図２に示すよう
に、上面側の電極力パッドＣ及び下綿側のダミーパッド
ｃ‘にエポキシ樹脂を介して接合している。尚、エポキ
シ樹脂は、図示していない。同様に、他の電極パッド
a、b、d〜fにも同様に、圧電基板10の上下面より、支持
部材２が挟持接合されている。

【００４１】これにより、圧電振動体１は全体で上面側
６箇所、下面側６箇所で挟持接合され、これにより固定
されている。

【００４２】即ち、６対の支持部材２によって、圧電振
動体１は、中空内に吊り下げ保持されるように保持・固
定されている。

【００４３】この支持部材２は、特に、上面側において
は、外部回路から駆動信号（グランド電位）を供給し、
また、外部回路に検出信号を供給する手段を兼ねてい
る。

【００４４】尚、振動駆動電極１１は、その極性が
「正」、「負」となる。

【００４５】この櫛型電極の電極幅は、３０〜１００μ
ｍ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
クリーン印刷またはフォトエッチングまたは転写印刷で
形成される。また、金属電極の蒸着、及びホトエッチン
グによって形成される。

【００４６】図３において、電極パッドaには、駆動側
信号の信号電位を供給する支持部材２が接合される。ま
た、電極パッドbには、全体の基準電位であるグランド
電位を供給する支持部材2が接合される。電極パッドｃ
〜ｆは、各振動駆動電極１５〜１８から検出された信号
電位を出力する支持部材２が接合される。

【００４７】この圧電セラミック基板１０と支持部材２
との接合には、エポキシ樹脂をベースとした熱硬化性接
着剤が用いられる。そして、少なくとも上面側の支持部
材２を接合する場合には、銀などの導電性粉末を添加し
たエポキシ樹脂接着剤が用いられる。

【００４８】このようなエポキシ系接着剤は、剛性の高
い接合層を形成でき、経時的な変化でも、接合強度が劣
化しにくいものである。

【００４９】上述の構造の圧電センサでは、圧電振動体
１がリード端子を兼ねた複数対の支持部材２によって、
中空内に吊り下げられた状態で挟持・保持されている。
これにより、所定振動（駆動基本振動や検出振動）が発
生した場合や外部から衝撃が印加された場合、各支持部
材２の弾性によって、圧電振動体１の振動・衝撃に同期
して協動することになる。

【００５０】従って、所定振動を吸収したり、ダンピン
グや減衰などを発生させることを有効に抑えることがで
きる。また、衝撃によって所定振動が大きく影響される
ことがない。

【００５１】また、圧電セラミック基板１０と支持部材
２と接合が、エポキシ系樹脂をベースとした接着剤で行
っている。従って、支持部材２の材料に制約されること
がなくなり、強固な接合が達成できる。

【００５２】しかも、耐湿性がよいためシリコーン樹脂
接着剤のように、湿気に極端に弱く、接合強度の劣化に
よる支持部材２の接合部分の剥離現状が有効に防止でき
る。

【００５３】また、圧電セラミック基板１０の上面側に
接合する支持部材２が、振動駆動電極１１及び検出駆動
電極１５〜１８の一部と接続するリード端子であり、外
部回路と接続する手段として作用するため、支持部材２
とは別の接続構造、例えばボンディングワイヤＷなどが
不要となり、外部回路との安定した接続が可能となる。
また、接続手段によって、所定振動に対しても、振動ダ
ンピングが発生することがない。

【００５４】これは、この複数の支持部材２が接合する
領域、即ち、駆動振動電極１１〜１４、検出振動電極１
5〜１８との間の領域を、非分極領域（電極パッドａ〜
ｆ）としていることにも起因する。

【００５５】本発明では、このように分極処理されてい
ない領域に、支持部材２が配置されることになるため、
これによって、実質的には振動は発生しない。また、基
本縦振動のノーダル点となる位置に設定しているため、
仮に振動がもれても、支持部材２を安定且つ強固に接合
か達成される。

【００５６】このように振動駆動電極１１と振動検出電
極１５〜１８との間は、上述のように、支持部材２の接
合領域の確保と、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両振動の悪影響を
低減されている。

【００５７】尚、圧電セラミック基板１０の上面側に接
合し、接続手段を兼ねた支持部材２に、外部駆動回路よ
り駆動信号を供給する。

【００５８】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を含む圧電セラミック基板１０は、基本縦振動を
起こす。この状態で所定角速度が加わると、基本縦振動
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に横振動が発生する。そして、この基本縦振
動モードと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。

【００５９】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。

【００６０】本発明者は、従来のようにシリコーンブロ
ック体から成る円筒状固定部材１０２を用い、圧電セラ
ミック基板１１０の下面にのみ接合した従来構造の圧電
センサと、圧電セラミック基板１０の両主面より弾性金
属で形成した支持部材２で挟持固定した圧電センサとを
夫々作成して両者を比較検討した。従来の圧電センサで
は、圧電セラミック基板１１０の下面側から円筒状固定
部材１０２で支持する配置固定型である。これに対し
て、本発明は、複数の弾性を有する支持部材２によっ
て、中空内に吊り下げ保持するものである。

【００６１】従って、本発明では、圧電振動体１の自由
度がまし、上述したように、所定振動を支持部材２で吸
収されたり、ダンピングや減衰が発生しにくいものとな
る。また、外部からの衝撃が、支持部材２と圧電セラミ
ック基板１０との接合部分に集中することがなく、圧電
振動体１が中空内で自由に協動することになり、耐衝撃
性が向上する。

【００６２】また、従来の圧電センサでは、シリコーン
樹脂ブロック体で円筒状固定部材１０２を構成し、圧電
セラミック基板１１０と接着するための接着剤に、シリ
コーン樹脂ブロック体と相性の良いシリコーン樹脂接着
剤が用いている。これは、シリコーン系樹脂の円筒状固
定部材１０２と相性の良好なためである。即ち、本発明
のように、エポキシ樹脂系接着剤を用いることができな
い。

【００６３】従って、従来においては、湿気によってそ
の接着層の強度が極端に低下して、経時的に、圧電セラ
ミック基板１０と円筒状固定部材の剥離が発生していた
が、本発明では、エポキシ系樹脂接着剤を用いることが
でぎ、経時的変化において接合強度が劣化しない。同時
に、エポキシ系樹脂接着剤の採用により、剛性の高い強
固に接着が達成できる。

【００６４】一般に、剛性が高く、強固な接着層は、振
動を吸収してしまい、ダンピングの原因となり敬遠され
ていた。しかし、本発明では、複数の弾性を有する支持
部材による吊り下げ保持により、その振動の吸収を有効
に防止し、しかも、外部の衝撃による剥離現象を防止す
ることができるようになった。

【００６５】尚、本発明においては、圧電セラミック基
板１０の上面側に接合される支持部材２は、非分極領域
の引回しパターン（電極パッドａ〜ｆ）上、即ち、金属
被膜上に接合される。これに対して、圧電セラミック基
板１０の下面側の支持部材２は、直接、圧電セラミック
基板１０に接合される。このため、より接合強度を向上
させるため、圧電セラミック基板１０の下面側の接合部
位に、ダミー接合パッドを設けても構わない。このよう
にすれば、接合方法をエポキシ系接着剤以外に半田など
を用いて、耐衝撃性に優れた半田接合を行っても構わな
い。

【００６６】本発明の説明では、電極の構造が、圧電セ
ラミック基板１０の上面に形成した振動駆動電極１１、
振動検出電極１５〜１８で構成されているが、図６に示
すように、振動駆動電極を第１〜第４象限間で区分して
も構わない。

【００６７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、圧電振動
体の圧電セラミック基板の上下面側から複数対の弾性を
有する支持部材で挟持・固定している。これにより、圧
電振動体は、中空内で吊り下げらて保持されるため、所
定振動や外部からの衝撃に対して、圧電振動体が追随し
て動作することになるため、所定振動吸収やダンピング
及び衝撃による破損などが有効に抑えることができ、安
定した特性が導出できる。

【００６８】また、圧電セラミック基板の上面側に接合
する支持部材が、外部回路との接続手段を兼ねているた
め、別の接続手段が不要となり、これよっても、接続信
頼性を向上させ、また、不要な振動ダンピングを防止で
きる。

【００６９】さらに、前記支持部材が、エポキシ系樹脂
接着剤を介して接合されているため、支持部材の材料に
よって接着剤の節約を受けることがなく、圧電振動体と
の接合が経時変化によって劣化することがなく、また、
耐衝撃性に優れた強固な接合が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電センサの断面構造図である。

【図２】図１の丸部分の拡大図である。

【図３】本発明の圧電センサの電極構造を示す概略平面
図である。

【図４】従来の圧電センサの断面構造図である。

【図５】図４の丸印部分の拡大図である。

【図６】従来の圧電センサの概略平面図である。

【符号の説明】

１ ・・・圧電振動体 １０・・・圧電セラミック基板 １１・・振動駆動電極 １５〜１８・・振動検出電極 ２・・・支持部材 ３・・・錘部材

Claims (3)

【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の中央部に錘
   部材を貼着し、異なる２つの振動モードを用いて角速度
   を検出する圧電センサにおいて、 前記振動駆動電極と振動検出電極との間の領域に、前記
   圧電セラミック基板の両主面側から挟持固定するバネ性
   を有する支持部材を接合したことを特徴とする圧電セン
   サ。
2. 【請求項２】 前記圧電セラミック基板の上面側に接合
   する支持部材が、振動駆動電極及び検出駆動電極の一部
   と接続するリード端子であることを特徴とする請求項１
   記載の圧電センサ。
3. 【請求項３】 前記支持部材が、エポキシ系樹脂接着剤
   を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載
   の圧電センサ。