JPH0650759A - 圧電振動体の保持構造及びそれを用いた圧電ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属保持部材の取り付けが容易でありかつ圧
電振動体の振動特性に対する影響が少ない接合が可能な
圧電振動体の保持構造及びそれを用いた圧電ジャイロを
提供する。 【構成】 円筒状の圧電振動体１の貫通穴に通した金属
保持部材２にバネ性金具１４を取り付け、圧電振動体１
のノード点Ａ，Ｂで圧電振動体１の内面から保持した保
持構造であり、また、この保持構造に使用された金属保
持部材２を、外装ケース４に固定して、圧電振動体１を
外装ケース４内に吊設した圧電ジャイロである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、円筒状圧電振動体の保
持構造及び特にそれを用いた圧電ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の自立航法装置や姿勢制御装置、
カメラの手振れ防止機構等には、角速度センサが用いら
れている。角速度センサとしては、ガスレートセンサ、
光ファイバージャイロ、圧電振動ジャイロ等が使用され
ている。この中で圧電振動ジャイロが最も小型で安価に
製造できるため広く利用されようとしている。

【０００３】従来の圧電ジャイロの圧電振動体として、
三角柱状の音片を利用したものが知られている（日経エ
レクトロニクス１９９０年１１月２６日号Ｎｏ．５１
４、１８３〜１９１頁、特開平２−２２３８１７号）。
この圧電振動体は、三角柱状に加工されたエリンバー合
金等の金属棒を用いており、その３側面に圧電磁器を接
着している。また、振動のノード点位置に、保持部材を
溶接し、アース電極を兼ねている。３側面に接着された
圧電磁器の電極には、細い導線をノード点付近で半田接
合し、保持部付近まで延長し、そこから発振回路等の外
部回路へ引き出している。

【０００４】このような圧電振動体では、エリンバー合
金という高価で加工が困難な材料を用いており、部品コ
スト、加工コストが高いという問題があり、さらに３側
面に圧電磁器を接着しているため、接着材の硬さや厚
み、接着位置のずれなどにより圧電振動体の振動特性が
変動してしまうという問題があった。

【０００５】このような問題を解決するために、本発明
者は先に、三角柱状の金属棒を用いず、主として、圧電
磁器のみで圧電振動体を形成した圧電ジャイロ用振動体
を提案した（特願平３−２１８７０６号、実願平３−７
９１５９号）。即ち、この圧電ジャイロ用振動体は、円
筒状の円筒状圧電磁器と、前記円筒状圧電磁器の貫通穴
内周面に形成された内部電極と、前記円筒状圧電磁器の
外周面の周方向に分割された複数の外部電極とを備えて
いた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
円筒状の圧電振動体の保持は、周囲に出力端子が植設さ
れた円柱状ベース磁器上に、円筒状の圧電振動体を立設
していた。このため、ベース磁器に圧電振動体が機械的
に接触しているため、圧電振動体の振動特性に影響を与
えてしまい、また、圧電振動体の内部電極との導通を行
うためには外部電極の一つを端面で、内部電極につな
ぎ、ノード点近傍から引き出していたため、分割した外
部電極に制限が生じること、また接続作業が煩雑であっ
た。さらに歩留りが悪かった。

【０００７】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、圧電振動体の支持が容易であ
りかつ振動特性に対する影響が少ない圧電振動体の保持
構造を提供することにある。

【０００８】また、別の目的は、上述の圧電振動体の保
持構造に適し、振動特性の変動が少ない圧電ジャイロを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、円筒状
圧電磁器と、前記圧電磁器の貫通穴内周面に形成された
内部電極と、前記円筒状圧電磁器の外周面の周方向に分
割された複数の外部電極とを備えた圧電振動体の保持構
造であって、前記圧電振動体のノード点付近で保持する
金具を備えた金属保持部材を、前記圧電振動体の貫通穴
に挿通して、圧電振動体の貫通穴内面で圧電振動体を保
持した圧電振動体の保持構造である。

【００１０】また、第２の本発明は、円筒状圧電磁器
と、前記圧電磁器の貫通穴内周面に形成された内部電極
と、前記円筒状圧電磁器の外周面の周方向に分割された
複数の外部電極とを備えた圧電振動体を、該圧電振動体
の貫通穴内で保持した金属保持部材を用いて、外装ケー
スに収納した圧電ジャイロであって、前記圧電振動体を
外装ケース内に吊設するとともに、前記内部電極と外部
回路との接続を前記金属保持部材を介して行い、前記外
部電極と外部回路との接続を圧電振動体のノード点付近
の外部電極と接続する接続細線を介して行った圧電ジャ
イロである。

【００１１】

【作用】第１の発明である圧電振動体の保持構造では、
円筒状の圧電振動体のノード点付近の貫通穴内面で保持
する金具を備えた金属保持部材によって、圧電振動体が
保持されるため、圧電振動体がバネ性金具以外に何も接
触することがないため、圧電振動体の振動特性が極めて
良好なものとなる。また、この圧電振動体の貫通穴内面
に形成した内部電極が、バネ性金具を介して導通してい
るため、外部回路との接続が容易となる。

【００１２】第２の発明は、上述の圧電振動体の保持構
造を利用して、金属保持部材によって外装ケース内に吊
設されているため、圧電振動体の振動特性が極めて良好
となる。

【００１３】また圧電振動体の内部電極は、金属保持部
材を介して外部回路に接続され、また、圧電振動体の外
部電極は、圧電振動体のノード点付近の外部電極に接続
するワイヤボンディング細線などの接続細線を介して外
部回路に接続されるため、外部回路との接続が容易とな
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて詳説する。

【００１５】図１〜図３は、本発明の第１の発明である
圧電振動体の保持構造を説明するための図であり、図４
〜図７は圧電振動体の保持構造を用いた圧電ジャイロを
説明するための図である。

【００１６】図１において、圧電振動体の保持構造は、
圧電振動体１と金属保持部材２とから主に構成されてい
る。

【００１７】圧電振動体１は、図１、図２に示すよう
に、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）製の円筒状の圧電磁
器１０と、この圧電磁器１０の貫通穴１３の内周面に形
成されたＣｕ、Ａｕメッキ又はＣｕ、Ａｕ等のペースト
焼付けによる内部電極１１と、圧電磁器１０の外周面に
Ｃｕを蒸着又は焼付けして形成した外部電極１２とから
成っている。内部電極１１は、後述する金属保持部材２
を介して外部回路のアース電位にに接続されている。ま
た、外部電極１２は、圧電磁器１０の外表面に周方向に
分割され、長手方向に延びる複数の所定のパターンで被
着されている。尚、図では、外部電極１２は同一パター
ンの例を示したが、外部電極１２の幅を交互に変化させ
ても構わない。

【００１８】金属保持部材２は、４２アロイ、コバール
等の金属から成る線状体であり、圧電磁器１０と熱膨張
係数が比較的近いものが用いられる。金属保持部材２
は、圧電振動体１の貫通穴１３の内径よりも小さい外径
を有し、圧電振動体１よりも長い全長を有している。

【００１９】金属保持部材２には左右１対のバネ性金具
１４、１４が配置されている。バネ性金具１４は、図６
に示すように金属保持部材２の外周部にあって折曲げ爪
を有する複数の弾性小片１４ａが、一端を締結具１４ｂ
によって束ねられた構造であり、この締結具１４ｂによ
って金属保持部材２に強固に固定されている。また、弾
性小片１４ａの表面には、１０〜２０μｍの厚みを有す
る半田メッキ層が被着されている。

【００２０】金属保持部材２に固定されたバネ性金具１
４、１４は、弾性小片１４ａの外径部が圧電振動体１の
貫通穴１３に形成された内部電極１１と確実に圧接さ
れ、且つ金属保持部材２を圧電振動体１の貫通穴１３に
挿通した時に、内部電極１１を破損しない程度に摺動可
能な弾性を有している。

【００２１】バネ性金具１４、１４が固定される位置
は、金属保持部材２が圧電振動体１の貫通穴１３の所定
位置に配置された時、圧電振動体１の実質的にノード
点、すなわち、圧電磁器１０の全長をＬとするときに圧
電磁器１０の端面より０．２２５Ｌに対応する位置Ａ、
Ｂとなるようにする。

【００２２】次に、このように構成された圧電振動体の
保持構造の組立手順について説明する。

【００２３】まず、圧電磁器１０の表面に内部電極１１
及び外部電極１２が被着された圧電振動体１を用意す
る。

【００２４】次に、金属保持部材２の端部から所定位
置、即ち、圧電振動体１のノード点に対応する位置にバ
ネ性金具１４、１４を固定する。

【００２５】次に、バネ性金具１４の配置された金属保
持部材２を圧電振動体１の貫通穴１３に挿通する。そし
て、バネ性金具１４、１４が圧電振動体１の各ノード点
に達し時点で、挿通を停止する。このとき、バネ性金具
１４、１４は金属保持部材２と圧電振動体１の貫通穴１
３の内面との間でバネ性金具１４、１４の弾性力が作用
し圧電振動体１と金属保持部材２に対し圧接状態となる
ので、ノード点の位置決めが正確かつ容易に行われる。

【００２６】次に、金属保持部材２が配置された圧電振
動体１を、リフロー炉に通し、約３００℃の熱処理を行
う。これにより、バネ性金具１４、１４の弾性小片１４
ａに被着された半田メッキ層が溶融し、圧電振動体１の
内面のＡｕメッキ層との間で半田付けが行われる。この
とき、金属保持部材２のバネ性金具１４、１４が圧電振
動体１の貫通穴１３の内面に設定されたノード点に仮留
めされているので、位置ずれなく金属保持部材２と圧電
振動体１の一体化とが強固に達成される。

【００２７】実装時には、種々の手段が可能であるが、
例えば、金属保持部材２の両端部にステイ１５、１５
（図では点線で示した）を接合し、外部回路などが形成
されたベース基板（図示せず）上方に圧電振動体１を該
基板と平行に配置することができる。尚、外部電極１２
と外部回路との接続は、外部電極１２上の圧電振動体１
のノード点付近で結線すればよい。

【００２８】このように第１の発明によれば、金属保持
部材２に配置したバネ性金具１４により、圧電振動体１
の実質的にノード点における仮留めが容易となり、半田
付けによる両部材１、２の接合が容易、且つ強固に行え
る。

【００２９】また、外周部に弾性小片１４ａが配置され
たバネ性金具１４により、両部材の当接位置が軸回りに
均等に配置される。したがって、圧電振動体１の振動特
性に対する影響は少なくなる。

【００３０】さらに、圧電振動体１の保持が金属保持部
材２に配置したバネ性金具１４によって行われるため、
圧電振動体１のノード点以外に他の構成部品と接触する
ことがないため、圧電振動体１の振動特性が非常に向上
する。

【００３１】このような第１の発明の圧電振動体１の保
持構造は、図４〜図７に示す第２の発明である圧電ジャ
イロに使用される。

【００３２】図４は、本発明の圧電ジャイロの平面図で
あり、図５は図４中Ｘ−Ｘ線断面図であり、図６は図４
中Ｙ−Ｙ線断面図であり、図７は圧電ジャイロに用いる
外装ケースの斜視図である。尚、図８は、角速度を検出
するための外部回路図である。

【００３３】圧電ジャイロ４０は、円筒状の圧電振動体
１、金属保持部材２、接続端子体３及び外装ケース４と
から主に構成されている。尚、圧電振動体１、金属保持
部材２は上述したように、金属保持部材２に固定したバ
ネ性金具１４、１４によって、圧電振動体１のノード点
付近で、圧電振動体１の貫通穴１３内面で保持されてい
る。

【００３４】接続端子体３は、アルミナなどの絶縁材料
の円筒状を成している。接続端子体３は、圧電振動体１
が非接触状態で挿通される貫通部３０を有している。ま
た、接続端子体３は、圧電振動体１がその貫通部３０内
に配置された時、圧電振動体１の両端から０．２２５Ｌ
の位置にあるノード点が露出される程度の長さ、即ち圧
電振動体１の長さＬに対して０．５５Ｌ（Ｌ−０．２２
５Ｌ×２）よりも若干短い長さを有している。

【００３５】この接続端子体３は、接続端子体３から延
びる金属支持棒３１、３１及び外装ケース４の底面から
内面に延びる保持突起４１、４１によって外装ケース４
内の所定位置に固定されている。

【００３６】また、接続端子体３の外周表面には、圧電
振動体１の外部電極１２のノード点付近と接続細線、例
えばワイヤボンディング細線Ｗを介して接続する電極パ
ッド３２・・・、外部接続端子３３・・・、電極パッド
３２・・・と外部接続端子３３・・・とを接続する配線
導体３４・・・及び金属支持棒３１を半田接合するため
の固定用パッド３５、３５が被着されている。

【００３７】電極パッド３２・・・は、外部電極１２と
同一の数だけ、対応する外部電極１２に近傍するように
接続端子体３の端部に形成されている。図では、６つの
電極パッド３２・・を例示し、その３つの電極パッド３
２・・が図５中手前の左側の端部に配置され、残りの３
つの電極パッド３２・・・が図５中奥側（図には現れな
い）の右側の端部に配置されている。

【００３８】また、６つの外部接続端子３３・・・は、
接続端子体３の上部に夫々配置され、電極パッド３２・
・・と配線導体３４・・・を介して接続されている。
尚、接続端子体３の上部の外部接続端子３３・・・は、
外装ケース４の開口面と同一高さに設定することが望ま
しい。

【００３９】固定用パッド３５、３５は、接続端子体３
の側部に形成され、配線導体３４・・・を回避して形成
されており、図５中手前の側部では、右寄りに、図５中
奥側の側部では、左寄りに形成されている。この固定用
パッド３５、３５には外装ケース４の側壁に嵌合される
金属支持棒３１、３１が半田接合されている。

【００４０】外装ケース４は、銅などの金属部材で形成
されており、図７に示すように概ね図中上面が開口した
箱形状となっている。

【００４１】外装ケース４の長手方向に対向する２つの
側壁４２ａ、４２ｂには、金属保持部材２の端部が嵌合
される溝４３ａ、４３ｂが、開口面から所定深さにまで
形成されている。この深さは、溝４３ａ、４３ｂに金属
保持部材２の両端を嵌合させた時、即ち圧電振動体１が
所定位置に保持された時、圧電振動体１の外周面が接続
端子体３の貫通部３０の内面に接触しないように、より
好ましくは圧電振動体１と接続端子体３とが同心円とな
るように設定されている。

【００４２】また、外装ケース４の幅方向に対向する２
つの側壁４４ａ、４４ｂには、接続端子体３から延びる
金属支持棒３１、３１の端部が嵌合される溝４５ａ、４
５ｂが所定深さまで形成されている。溝４５ａ、４５ｂ
の深さは、溝４５、４５の最下部にまで嵌合された時、
接続端子体３の貫通部３０内周面と圧電振動体１外周面
とが接触しないように、より好ましくは圧電振動体１と
接続端子体３とが同心円となるように設定されている。

【００４３】また、側壁４４ａ、４４ｂには、接続端子
体３の電極パッド３２・・・と圧電振動体１の外部電極
１２とをワイヤボンディングなどで接続処理を容易にす
るための窓部４６ａ、４６ｂが形成されている。窓部４
６ａ、４６ｂは、接続端子体３の電極パッド３２・・・
及び圧電振動体１のノード点付近の外部電極１２が露出
し、さらに接続処理が可能な程度に開口している。尚、
窓部４６ａ、４６ｂは、最終的には図４に図示する絶縁
性シール部材４７ａ、４７ｂによって閉塞される。

【００４４】このような溝４５ａ、４５ｂ及び窓部４６
ａ、４６ｂは、接続端子体３から延びる金属支持棒３
１、３１及び電極パッド３２・・・の形成位置に対応す
るようになっており、側面４４ａ、４４ｂが対象状態と
なっている。

【００４５】また、外装ケース４の底面には、接続端子
体３の下部及び又は端部と当接し、位置決めを確実を行
うための保持突起４１、４１が形成されている。

【００４６】次に、本発明の圧電ジャイロの組立方法を
説明する。

【００４７】まず、金属保持部材２に保持された圧電振
動体１、接続端子体３、及び外装ケース４を用意する。

【００４８】次に、接続端子体３の固定用パッド３５、
３５に金属支持棒３１、３１を半田接合し、接続端子体
３の貫通部３０、金属保持部材２に保持された圧電振動
体１を挿通する。

【００４９】この状態で、金属保持部材２の両端が側面
４２ａ、４２ｂの溝４３ａ、４３ｂに嵌合し、且つ接続
端子体３の金属支持棒３１、３１の端部が側面４４ａ、
４４ｂの溝４５ａ、４５ｂに嵌合するように、外装ケー
ス４の上面開口より、接続端子体３の貫通部３０に挿通
した圧電振動体１を配置する。そして、金属保持部材２
及び金属支持棒３１、３１を溝４３ａ、４３ｂ、４５
ａ、４５ｂの最下部にまで位置させ、保持突起４１、４
１とともに接続端子体３を所定位置に保持する。

【００５０】次に、外装ケース４の窓部４６ａ、４６ｂ
から接続端子体３の端部に形成した電極パッド３２と接
続すべき圧電振動体１の外部電極１２が現れるように圧
電振動体１を保持する金属保持部材２を回動制御する。

【００５１】次に、溝４３ａ、４３ｂ内の金属保持部材
２の端部を、半田接合又は導電性接着材によって、外装
ケース４に固定する。また、溝４５ａ、４５ｂ内の金属
支持棒３１、３１の端部を半田接合又は接着材によっ
て、外装ケース４に固定する。

【００５２】これにより、圧電振動体１は、圧電振動体
１と接続端子体３とが互いに接触することなく、且つ圧
電振動体１の外部電極１２と接続端子体３の電極パッド
３２・・・が最も近接した状態で、外装ケース４内に吊
設されることになる。

【００５３】次に、外装ケース４の側壁４４ａ、４４ｂ
には形成した窓部４６ａ、４６ｂを介して、接続端子体
３の電極パッド３２・・・と圧電振動体１のノード点付
近の外部電極１２とをワイヤボンディング細線を用いて
接続処理する。

【００５４】最後に、窓部４６ａ、４６ｂをシール部材
４７で閉塞して、圧電ジャイロ４０が完成する。

【００５５】上述の圧電ジャイロ４０は、圧電振動体１
が外装ケース４内に、金属保持部材２によって吊設され
て収納されており、圧電振動体１の接触部材が、圧電振
動体１がノード点付近で、貫通穴１３内面から圧接した
バネ性金具１４、１４、及び外部電極１２とのワイヤボ
ンディング細線Ｗのみであり、機械的に圧電振動体１と
一切接触がないため、圧電振動体１の振動特性が良好に
保たれることになり、従来に比較して圧電ジャイロ４０
としての特性が大幅に向上する。

【００５６】また、図８のに示す発振回路８０、作動増
幅回路８１、同期検波回路８２、直流増幅回路８３など
からなる外部回路との接続において、圧電振動体１の外
部電極１２はワイヤボンディング細線Ｗ−電極パッド３
２・・・−配線導体３４−外部接続端子３３・・・を介
して行われ、また、圧電振動体１の内部電極１１はバネ
性金具１４、１４−金属保持部材２−外装ケース４を介
して行われることになり、この外装ケース４の開口面と
外部接続端子３３・・・とを同一平面となるように設定
しておけば、外部回路を形成した回路基板（図示せず）
などに簡単に接合することができる。尚、この時、回路
基板上の外部接続端子３３・・・と接続する配線パター
ンは、外装ケース４を横切る時には、シールド部材４７
で横切るようにすれば、内部電極１１と外部電極１２と
の短絡が防止できる。

【００５７】〔他の実施例〕 （ａ） 第１の発明の本実施例では、バネ性金具１４と
内部電極１１の接続にリフロー半田を用いたが、クリー
ム半田を用いてもよい。

【００５８】（ｂ） 第１の発明の本実施例において
は、バネ性金具１４、１４の双方に半田付けを行うが、
２つのバネ性金具１４、１４のうち一方にだけ半田付け
を行い、他方は金具の弾性だけで保持固定する構成とし
てもよい。

【００５９】（ｃ） 第２の発明の本実施例では、外装
ケース４の側面４２ａ、４２ｂの溝４３ａ、４３ｂで保
持部材２を固定しているが、外装ケース４の底面から複
数の支柱を立設して、この支柱で保持部材２の両端を固
定してもよい。

【００６０】（ｄ） 第２の発明の本実施例では、接続
端子体３は、圧電振動体１が貫挿される円筒状部材で形
成したが、貫通部が形成された角柱状にしてもよく、ま
た接続端子体３を外装ケース４の底面や側面に直接固定
しても構わない。

【００６１】（ｅ） 第２の発明の組立工程において、
外装ケース４の側壁４２ａ、４２ｂの何れかに圧電振動
体１が横方向から挿通可能な大きな穴を形成しておき、
この外装ケース４に先に接続端子体３を固定しておき、
側壁４２ａ、４２ｂの何れかに形成した穴を介して圧電
振動体１を接続端子体３の貫通部３０に配置するなど種
々の変更が可能である。

【００６２】

【発明の効果】本発明に係る圧電振動体の保持構造によ
れば、円筒状の圧電振動体が内部電極を形成した貫通穴
内面のノード点付近で金属保持部材で保持され、さらに
この金属保持部材に設けられたバネ性金具が半田メッキ
されているため、加熱処理のみにより、機械的な保持及
び電気的接続が確実に行え、圧電振動体の振動特性が良
好に維持できる。

【００６３】また、本発明に係る圧電ジャイロは、外装
ケース内に、金属保持部材で保持された圧電振動体が吊
設され、かつ電気的な導通が金属保持部材及び圧電振動
体の外部電極のノード点付近で接合する接続細線によっ
て行われているので、圧電振動体の振動特性を損なうこ
とがなく、外部回路との接続が容易に達成でき、角速度
センサとして良好な特性が導出できる圧電ジャイロとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の本発明である圧電振動体の保持構造に係
わる外観斜視図である。

【図２】図１のＺ−Ｚ線断面図である。

【図３】金属保持部材とバネ性金具を説明するための概
略図である。

【図４】第２の本発明である圧電ジャイロの平面図であ
る。

【図５】図４のＸ−Ｘ線断面図である。

【図６】図４のＹ−Ｙ線断面図である。

【図７】本発明の圧電ジャイロに用いる外装ケースの一
例を示す斜視図である。

【図８】本発明の圧電ジャイロに用いた角速度検出回路
を示す図である。

【符号の説明】

１・・・圧電振動体 ２・・・金属保持部材 ３・・・接続端子体 ４・・・外装ケース １４・・・バネ性金具 Ｗ・・・ワイヤボンディング細線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状圧電磁器と、前記圧電磁器の貫通穴
   内周面に形成された内部電極と、前記円筒状圧電磁器の
   外周面の周方向に分割された複数の外部電極とを備えた
   圧電振動体の保持構造であって、 前記圧電振動体のノード点付近で保持する金具を備えた
   金属保持部材を、前記圧電振動体の貫通穴に挿通して、
   圧電振動体の貫通穴内面で圧電振動体を保持したことを
   特徴とする圧電振動体の保持構造。
2. 【請求項２】円筒状圧電磁器と、前記圧電磁器の貫通穴
   内周面に形成された内部電極と、前記円筒状圧電磁器の
   外周面の周方向に分割された複数の外部電極とを備えた
   圧電振動体を、該圧電振動体の貫通穴内で保持した金属
   支持部材を用いて、外装ケースに収納した圧電ジャイロ
   であって、 前記圧電振動体を外装ケース内に吊設するとともに、前
   記内部電極と外部回路との接続を前記金属保持部材を介
   して行い、前記外部電極と外部回路との接続を圧電振動
   体のノード点付近の外部電極と接続する接続細線を介し
   て行ったことを特徴とする圧電ジャイロ。