JPH04276558A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はジャイロスコープ、特に
圧電素子振動を用いた角速度センサに関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】従来、ジャイロスコープを用いた慣性航
法装置として飛行機，船舶のような移動する物体の方位
を知る方法として機械式の回転ジャイロが主に使われて
いる。

【０００３】これは安定した方位が得られるが機械式で
あることから装置が大がかりであり、コストも高く、小
型化が望まれる機器への応用は困難である。

【０００４】一方、回転力を使わずに物体を振動させて
、振動された検知素子から『コリオリの力』を検出する
振動型角速度センサがある。多くは圧電式と電磁式のメ
カニズムを採用している構造のものである。これらはジ
ャイロを構成する質量の運動が一定速度の運動ではなく
振動になっている。従って角速度が加わった場合、『コ
リオリの力』は、質量の振動数と等しい振動数の振動ト
ルクとして生じるものである。このトルクによる振動を
検出することによって角速度を測定するのが振動型角速
度センサの原理であり、特に圧電体を用いたセンサが多
く考案されている（日本航空宇宙学会誌第２３巻第２５
７号３３９〜３５０ページ）。

【０００５】上記の原理に基づき先願特許（特願昭６２
−１２６２０６号）の角速度センサを発明しているが、
その構造を図７に示す。図７において、１０１は検知用
圧電素子、１０２は接合部材、１０３は駆動用圧電素子
、１０４ａ，１０４ｂは信号線、１０５は駆動用電極、
１０６は弾性接合部材、１０７はリードワイヤ、１０８
はリードピン、１０９は支持ピン、１１０はベースを示
す。

【０００６】以上のように構成された従来の角速度セン
サを動作させるには、まず一対の駆動用圧電素子１０３
を駆動するために対向している面を共通電極としてそれ
ぞれ外側の面の駆動用電極１０５との間に交流信号をか
ける。信号を印加された駆動用圧電素子１０３は弾性結
合部材１０６を中心にして対称な振動を始める、いわゆ
る音叉振動である。

【０００７】速度υで振動している検知用圧電素子１０
１に角速度ωの回転が加わると、検知用圧電素子１０１
には『コリオリの力』が生じる。この『コリオリの力』
は速度υに垂直で大きさは２ｍυωである。音叉振動を
しているので、ある時点で一方の検知用圧電素子１０１
が速度υで振動しているとすれば、他方の検知用圧電素
子１０１は速度−υで振動しており『コリオリの力』は
−２ｍυωである。一対の検知用圧電素子１０１には、
互いに逆向きの『コリオリの力』が働き、互いに逆向き
の方向に変形し、素子表面には圧電効果によって電荷が
生じる。一対のセンサ素子は『コリオリの力』による発
生電荷が、互いに加算されるように結線されている。

【０００８】それゆえ、このセンサに角速度以外の並進
運動を与えても一対の検知用圧電素子１０１の表面には
同極性の電荷が生ずるため、互いに打ち消しあって出力
は出ないようになっている。

【０００９】ここでυは音叉振動によって生じる速度で
あり、音叉振動速度が υ＝υｏ・ｓｉｎ　　ωｏｔ υｏ：音叉振動速度振幅 ωｏ：音叉振動の角周期 であるとすれば、『コリオリの力』は、Ｆｃ＝２ｍ・υ
ｏ・ω・ｓｉｎ　　ωｏｔとなり、角速度ω及び音叉振
動速度υｏに比例しており、検知用圧電素子１０１をそ
れぞれ面方向に変形させる力となる。従って検知用圧電
素子１の表面電荷量Ｑｃは Ｑｃ∝υｏ・ω・ｓｉｎ　　ωｏｔ となり、音叉振動速度振幅υｏが一定にコントロールさ
れているとすれば、 Ｑｃ∝ω・ｓｉｎ　　ωｏｔ となり、検知用圧電素子１０１に発生する表面電荷量Ｑ
は角速度ωに比例した出力として得られる。

【００１０】また、駆動用圧電素子１０３上の駆動用電
極１０５には、駆動用圧電素子１０３の変形に応じて電
荷が発生するが、それぞれの駆動用電極１０５とはその
形状を対称にし、面積を等しくしているので、発生電荷
は等しいから、差動入力により、信号処理することで、
発生電荷をキャンセルしている。

【００１１】また、この角速度センサでは、バイモルフ
接続方式のセンサ素子では、図８（ｂ）に示すパラレル
接続を採っている。図８（ａ）に示すシリアル接続とは
異なり、パラレル接続では焦電効果により発生する電荷
が打ち消しあい、また駆動インピーダンスが１／４にな
り、変化率が小さくなる。よってオフセット電圧の低減
、耐熱衝撃特性の改善、温度変動に対する追従性改善が
実現できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このパラレル接続をす
るには、図９に示すように検知用圧電素子１０１の表側
電極１０１ａと裏側電極１０１ｂ、駆動用圧電素子１０
３の表側電極１０３ａと裏側電極１０３ｂを電気的に接
続しなければならないが、この作業は極めて困難な作業
である。すなわち、図１０に示すように中間電極シム材
１０１ｃ，１０３ｃにこの配線が接触しないようにしな
ければならないめ、中間電極シム材１０１ｃ，１０３ｃ
に例えばエポキシ接着剤のような絶縁体ペースト１１１
を先に塗布し熱硬化してから、銀ペースト等の導電ペー
スト１１２を用いて電気的導通を図るという方法であっ
た。これはペーストの２度塗りという作業性の悪い方法
で、また絶縁体１１１にピンホールなどがあると導電ペ
ースト１１２が中間電極シム材１０１ｃ，１０３ｃと接
触したり、経時的に導電ペースト１１２の銀など金属成
分が絶縁体の中に拡散したりすることで、駆動用圧電素
子１０３が振動しなくなるという信頼性に欠ける接続方
法であるという問題を有していた。また熱硬化工程が２
度あるため、圧電素子にダメージを与えるということも
ある。

【００１３】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、駆動用圧電素子の裏側電極と表側電極との電気的
接続の作業性が高く、性能的にも信頼性の高い角速度セ
ンサを得ることを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、パラレル接合した駆動用圧電素子と検知
用圧電素子とを接合部材を介して互いに直交接続してセ
ンサ素子を構成し、このセンサ素子の一対を音叉構造と
なるように駆動用圧電素子の端部で弾性接合部材により
接合して構成され、かつ前記駆動用圧電素子の裏側電極
面と表側電極面とが前記接合部材に設けられた導電パタ
ーンを介して電気的に接続される構成を有している。

【００１５】

【作用】この構成によって、本発明の角速度センサは駆
動用圧電素子または検知用圧電素子の裏側電極と表側電
極とが接合部材に設けられた導電パターンを介して電気
的に接続されるため、圧電素子の中間電極シム材と接触
することなく電気的に接続される構成となる。すなわち
絶縁体ペーストを設けた上から導電ペーストを使って電
気的接続を図るという従来の接続方法が不要であり、作
業性のよい方法でしかも信頼性の高い角速度センサを得
ることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例の角速度センサにつ
いて、図１〜図６の図面を参照しながら説明する。

【００１７】（実施例１）図１は、本発明の一実施例の
角速度センサの斜視図である。図２は、本発明の一実施
例の角速度センサに用いられる接合部材５の斜視図、図
３は本発明の一実施例の角速度センサに用いられる接合
部材５に駆動用圧電素子３と検知用圧電素子１を接着固
定した部分の斜視図である。

【００１８】図１に示すように、検知用圧電素子１，２
と駆動用圧電素子３，４とを接合部材５，６で振動方向
が直交するように積み重ねた構造で接合し、この接合し
た素子の２組の駆動用圧電素子３，４の各々の端部を弾
性接合部材７で結合して音叉構造としている。そして検
知用圧電素子１，２の裏側電極及び表側電極からの各々
の信号は接合部材５，６に設けられた導電パターン２４
，２５を介して駆動用圧電素子３，４の表側電極面に設
けられたリードパターン８ａ，８ｂを介しさらにリード
ピン１０に取り出される構造になっている。

【００１９】また、駆動用圧電素子３，４の裏側電極（
図３には表わしていない）と表側電極３ａとの電気的接
続は接合部材５，６に設けられた突起２３に形成された
導電パターン２６を介して、この駆動用圧電素子３，４
の中間電極シム材と接触することなく電気的に接続され
る。

【００２０】なお、図２は接合部材５を示した斜視図で
ある。接合部材５には検知用圧電素子１を挿入し接着固
定する溝２１と、駆動用圧電素子３を挿入し接着固定す
る溝２２と、駆動用圧電素子の裏側電極と表側電極３ａ
とを電気的に接続するための導電パターン２６を形成し
た突起２３がある。また、前記したように、接合部材５
には導電パターンがメッキあるいは印刷によって設けら
れている。

【００２１】電気的には、駆動用圧電素子３，４の表裏
両側電極と中間電極シム材の間に交流電圧が印加され、
駆動用圧電素子３が振動し、いわゆる音叉振動が起こる
。この駆動用圧電素子３と直交接続されている検知用圧
電素子１もそれにともない振動することになる。この音
叉振動で生じる速度をυとして検知用圧電素子に発生す
る角速度に比例した出力が得られる原理は、従来例で示
したものと同じなので省略する。

【００２２】以上のように本実施例の角速度センサは、
パラレル接合した駆動用圧電素子３，４と検知用圧電素
子１，２とを接合部材５，６を介して互いに直交接続し
てセンサ素子を構成し、このセンサ素子の一対を音叉構
造となるように駆動用圧電素子３，４の端部で弾性接合
部材により接合して構成され、かつ駆動用圧電素子３，
４の裏側電極３ｂと表側電極３ａとが接合部材５，６に
設けられた突起２３に形成された導電パターン２６を介
して、前記駆動用圧電素子３，４の中間電極シム材と接
触することなく、電気的に接続した構成を有するもので
ある。すなわち絶縁体を設けた上から導電ペーストを使
って電気的接続を図るという必要性がなく、駆動用圧電
素子３，４の裏側電極３ｂと表側電極３ａとが電気的に
接続されるので、ペーストの２度塗りがない作業性のよ
い、かつ圧電素子にダメージを与えない方法で、しかも
信頼性の高い角速度センサを得ることができる。

【００２３】（実施例２）次に本発明の他の実施例につ
いて説明する。本実施例では、図４（ａ）〜（ｅ）に示
す接合部材を用いる。図４（ａ）は正面図、（ｂ）は背
面図、（ｃ）は左側面図、（ｄ）は右側面図、（ｅ）は
上面図である。斜線で示した部分が導電パターンであり
、この接合部材を用いて圧電素子を接合し導電ペースト
１２を用いれば、図５（ａ），（ｂ）に示すように検知
用圧電素子１の表面電極１ａと裏面電極１ｂ、駆動用圧
電素子３の表面電極３ａと裏面電極３ｂを電気的に接続
することができる。

【００２４】本実施例によれば、検知用圧電素子１，２
、駆動用圧電素子３，４のいずれも、表側電極，裏側電
極の接続が絶縁体ペーストを使用することなく実現でき
るため、第１の実施例以上に作業性の高い組立てが可能
となる。

【００２５】（実施例３）さらに、本発明の他の実施例
について説明する。本実施例では、接合部材に突起に設
けずに、図６に示すように駆動用圧電素子３の表側電極
３ａと裏側電極３ｂとの電気的接続を行う導電パターン
を接合部材の左側面１３に形成している。この接合部材
を用いても、第１，第２の実施例と同様の効果を得るこ
とができることは言うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、駆動用圧
電素子または検知用圧電素子の裏側電極と表側電極とが
接合部材に設けられた導電パターンを介して電気的に接
続されるため、圧電素子の中間電極シム材と接触するこ
となく電気的に接続される構成となる。すなわち絶縁体
ペーストを設けた上から導電ペーストを使って電気的接
続を図る従来の接続方法を採らないことにより、作業性
のよい方法でしかも信頼性の高い角速度センサを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の角速度センサの斜視図

【図
２】同実施例の接合部材の斜視図

【図３】同実施例の要部を示す斜視図

【図４】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の他の実施例
の接合部材の正面図，背面図，左側面図，右側面図，上
面図

【図５】（ａ），（ｂ）はそれぞれ同実施例の要部を示
す斜視図

【図６】本発明の他の実施例の要部を示す斜視図

【図７
】従来の角速度センサの斜視図

【図８】（ａ）は圧電素子のシリアル接続方式を示す説
明図 （ｂ）は圧電素子のパラレル接続方式を示す説明図

【図
９】パラレル接続方式の圧電素子の導通の様子を示す説
明図

【図１０】従来の角速度センサの表裏電極接続の様子を
示す斜視図

【符号の説明】

１，２　　検知用圧電素子 １ａ，３ａ　　表側電極 １ｂ，３ｂ　　裏側電極 ３，４　　駆動用圧電素子 ５，６　　接合部材 ７　　弾性接合部材 ８ａ，８ｂ　　リードパターン １２　　導電ペースト ２１，２２　　溝 ２３　　突起 ２４，２５，２６　　導電パターン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パラレル接合した駆動用圧電素子と検知用
   圧電素子とを接合部材を介して互いに直交接続してセン
   サ素子を構成し、このセンサ素子の一対を音叉構造とな
   るように駆動用圧電素子の端部で弾性接合部材により接
   合して構成され、かつ前記駆動用圧電素子または検知用
   圧電素子の裏側電極と表側電極とが前記接合部材に設け
   られた導電パターンを介して電気的に接続される構成を
   有することを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】接合部材には検知用圧電素子からの信号を
   取り出すための導電パターンが設けられていることを特
   徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】接合部材には突起が設けられ、この突起に
   導電パターンが形成されていることを特徴とする請求項
   １記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】接合部材には溝が設けられ、この溝に導電
   パターンとしてリードワイヤがはめ込まれていることを
   特徴とする請求項１記載の角速度センサ。