JP2005009934A

JP2005009934A - 圧電センサ

Info

Publication number: JP2005009934A
Application number: JP2003172291A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Miyano; 雅一宮野; Katsumi Yamauchi; 克己山内
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】錘部の重量が大きい場合であっても、振動のノード点を支持することができる圧電センサを提供すること。
【解決手段】本発明の圧電センサ１は、振動板１０及び圧電素子２０によって構成された積層板３０と、圧電素子２０を励振させる励振用電極２４と、圧電素子２０に発生する電圧を検出する検出用電極２２ａ〜２２ｄと、積層板３０に垂下された主錘部４０と、積層板３０における主錘部４０の周囲に配された補助錘部５０とを備えている。補助錘部５０によって、振動のノード点Ｐを主錘部４０と補助錘部５０の間の領域に設定することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いた圧電センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子を用いた圧電センサは、様々な用途に適用されているが、その一例として振動式の角速度センサが挙げられる。この圧電振動型の角速度センサは、励振用電極及び検出用電極が搭載された圧電素子を振動板に貼り付けて積層板を構成し、この積層板の下面中心部に錘部を垂下させて成る。センサの駆動時には、励振用電極に印加される交流によって圧電素子は常時振動している。そして、角速度センサに角速度が作用すると、コリオリ力によって錘部が移動して、これにより圧電素子が変形する。この変形により圧電素子に電荷が発生し、このときの電圧値を検出用電極で検出することで、角速度の大きさを測定できるようになっている。
【０００３】
このような角速度センサは、その応用範囲が年々拡大しており、それに伴いセンサの検出感度を向上するための研究が日々進められている。検出感度を向上させるために、例えば、下記特許文献１に述べられているように、振動板に垂下された錘部（重錘体）を重く且つ長くしたり、或いは、錘体の単位長さの質量を接合面よりも他の部分の方が大きくなるように設定したりすることが考えられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２７１２６１号公報（段落０００８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の角速度センサには、次のような問題があった。すなわち、圧電振動型の角速度センサでは、振動板は振動のノード点（節）を例えば円筒状の支持体で支持された状態で、励振用電極を通じて振動させられる。この際、ノード点は振動しないことになる。そして、一般的にこのノード点は、その外側と内側の重量がおおむね等しくなるように位置決めされる。ところが、上記特許文献１のセンサでは、錘部が重すぎるために錘部が存在する領域にノード点が位置してしまい、錘部そのものが障害となってノード点を円筒状支持体で支持することができず、センサとしての機能を果たせないおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、錘部の重量が大きい場合であっても、振動のノード点を支持することができる圧電センサを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の圧電センサは、振動板、及び、この振動板の少なくとも一方の面に設けられた圧電素子によって構成された積層板と、圧電素子を励振させる励振用電極と、圧電素子に発生する電圧を検出する検出用電極と、積層板に垂下された主錘部と、積層板における主錘部の周囲に配された補助錘部とを備えることを特徴としている。
【０００８】
この圧電センサによれば、例えば角速度の検出感度を向上させるために主錘部を重くした場合であっても、主錘部の周囲に補助錘部が設けられているため、振動のノード点を主錘部と補助錘部の間の領域に位置させることができる。このため、主錘部の存在が障害となることなく支持体によってノード点を支持することができ、検出感度の高いセンサを実現することができる。
【０００９】
また、本発明の圧電センサにおいて、補助錘部は、リング状であることが好適である。主錘部の周囲全体を囲うように補助錘部を配することにより、作用した角速度の方向による検出誤差を抑えることができる。
【００１０】
本発明の圧電センサにおいて、積層板における主錘部と補助錘部との間の領域を支持する支持体を更に備えるようにしてもよい。この場合、支持体は、積層板の振動のノード点を支持するように設けられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る圧電センサの好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１〜図３は、それぞれ本実施形態の圧電センサ１を示す図であり、図１は縦断面図、図２は底面図、図３は平面図である。図１は、図２及び図３のＩ−Ｉ方向断面図となっている。圧電センサ１は、本実施形態では圧電振動型の角速度センサであり、自動車のナビゲーションシステム、二輪車傾斜測定、カメラの防振装置等に利用される。圧電センサ１は、振動板１０及びこの上面に貼り付けられた圧電素子２０で構成された積層板３０を備え、圧電素子２０の上面には、検出用電極２２ａ〜２２ｄ及び励振用電極２４が設けられている。一方、圧電素子２０の下面には、検出用電極２２ａ〜２２ｄ及び励振用電極２４の位置に対応するように円板状の裏面電極が設けられている（図示略）。また、積層板３０の下面中央部からは、例えばステンレス、鉄、セラミック等で形成される主錘部４０が垂下している。
【００１３】
図３に示すように、励振用電極２４は環状になっており、圧電センサ１の作動時には、該励振用電極２４と圧電素子２０の底面に配された裏面電極との間に交流が印加され、圧電素子２０を励振させることになる。
【００１４】
一方、各検出用電極極２２ａ〜２２ｄは扇状をしており、励振用電極２４の内側において互いに所定の間隔を隔てて圧電素子２０上に配置されている。本実施形態は２軸の各速度を検出できるように構成されており、検出用電極２２ａ，２２ｄの組がＸ軸方向の各速度を検出し、検出用電極２２ｂ，２２ｃの組がＹ軸方向の各速度を検出する。
【００１５】
再び図１を参照して、主錘部４０について説明する。主錘部４０は、圧電センサ１に角速度が作用した際にコリオリ力が働くポイントであり、角速度検出には重要な要素である。積層板３０の圧電素子２０は、この主錘部４０に働くコリオリ力と主錘部４０の重心から回転中心までの距離との積によるモーメント作用によって変形することになる。そして、その変形により生じる電圧値が検出用電極２２ａ〜２２ｄによって検出される。本実施形態では、主錘部４０に、積層板３０に接続された基部４０ａとこれに連続する大径部４０ｂを設け、角速度の検出感度を向上させている。検出感度を向上させる主錘部の例は、上記特許文献１に様々述べられている。
【００１６】
また、図１及び図２に示すように、主錘部４０の周囲であって且つ積層板３０の下面縁部には、リング状の補助錘部５０が配されている。補助錘部５０は、主錘部４０と同様にステンレス、鉄、セラミック等で形成することができる。補助錘部５０の重量、位置、及び形状は、次のようにして設定する。すなわち、圧電素子２０を励振させると積層板３０が励振するが、このとき振動しないノード点Ｐが存在する。積層板３０のノード点Ｐは、圧電センサにおけるその内側の重量と外側の重量とがおおむね等しくなるように設定される。そして、本実施形態では、補助錘部５０を、ノード点Ｐが主錘部４０と補助錘部５０の間の領域に位置するように設定する。好ましくは、ノード点Ｐが励振用電極２４の外側であって且つ補助錘部５０の内側に位置するように、補助錘部５０を配置する。圧電センサ１の作動時に、ノード点Ｐは円筒状の支持体６０で支持される（図２では支持体６０を省略している）。支持体６０は、例えばはんだ付け、溶接、接着剤等によって積層板３０に接続される。
【００１７】
以上が本実施形態の圧電センサ１の構成である。次に、圧電センサ１の動作を説明する。まず、積層板３０のノード点Ｐを支持体６０で支持した状態で、励振用電極２４に交流電圧を印加する。圧電センサ１の動作を開始して角速度が作用すると、コリオリ力により主錘部４０が移動し、これにより圧電素子２０が変形する。この変形に伴う圧電効果により圧電素子２０に電荷が発生し、このときの電圧値を検出用電極２２ａ〜２２ｄで検出する。そして、検出用電極２２ａからの電圧値と検出用電極２２ｄからの電圧値を比較してＸ軸方向の角速度を検出し、検出用電極２２ｂからの電圧値と検出用電極２２ｃからの電圧値を比較してＹ軸方向の角速度を検出することができる。
【００１８】
ここで、本実施形態では、補助錘部５０を設けることにより、振動のノード点Ｐを、主錘部４０が存在する部分ではなく、主錘部４０と補助錘部５０の間の領域に位置させているため、主錘部４０が妨げとなることなくノード点Ｐを支持体６０で支持することが可能となっている。このため、主錘部４０の重量を大きくして角速度の検出感度を向上させた場合であっても、何らの支障なくセンサの機能を実現することができる。
【００１９】
また、上記のように本実施形態では、補助錘部５０はリング状になっている。このように主錘部４０の周囲全体を囲うように補助錘部５０を配することにより、作用した角速度の方向による検出誤差を抑えることができる。もっとも、補助錘部５０をリング状にせずに、主錘部４０を囲うように複数個の補助錘部を配置してもよい。
【００２０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、振動板１０の一方の面のみではなく、両面に圧電素子２０を設けてもよい。
【００２１】
また、補助錘部５０を積層板３０の下面ではなく、主錘部４０の周囲であって且つ積層板３０の上面に設けてもよい。これにより、補助錘部５０が圧電素子の励振及び圧電効果を阻害することを抑止できる。
【００２２】
更に、ノード点を支持する支持体は、円筒状にするのではなく、複数箇所（例えば８箇所）において点接触で支持するようにしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る圧電センサによれば、錘部の重量が大きい場合であっても、振動のノード点を支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電センサの一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す圧電センサの底面図である。
【図３】図１に示す圧電センサの平面図である。
【符号の説明】
１…圧電センサ、１０…振動板、２０…圧電素子、２２ａ〜２２ｄ…検出用電極、２４…励振用電極、３０…積層板、４０…主錘部、４０ａ…基部、４０ｂ…大径部、５０…補助錘部、６０…支持体、Ｐ…ノード点。

Claims

振動板、及び、この振動板の少なくとも一方の面に設けられた圧電素子によって構成された積層板と、
前記圧電素子を励振させる励振用電極と、
前記圧電素子に発生する電圧を検出する検出用電極と、
前記積層板に垂下された主錘部と、
前記積層板における前記主錘部の周囲に配された補助錘部と、
を備えることを特徴とする圧電センサ。
前記補助錘部は、リング状であることを特徴とする請求項１記載の圧電センサ。
前記積層板における前記主錘部と前記補助錘部との間の領域に、振動のノード点が位置することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧電センサ。
前記積層板における前記主錘部と前記補助錘部との間の領域を支持する支持体を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載の圧電センサ。