JPH08271265A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２軸の角速度の検出ができる小型軽量でかつ
信頼性の高い角速度センサを得る。 【構成】 板状の振動体、および該振動体の片面若しく
は両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくとも
励振用電極と検出用電極を形成し、重錘体と電極パター
ンを設けた支持部材を貼付した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電振動型角速度センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】姿勢制御、位置制御が可能な角速度セン
サは、ビデオカメラの手ぶれ防止や、自動車のナビゲー
ションに使うことを目的に小型化、高性能化の開発が行
われている。角速度センサにもいろいろあるが、サイズ
やコストの面では圧電振動型の角速度センサが有利であ
り、音叉型、音片型（四角柱）、円柱型、三角柱型等が
製品化されている。

【０００３】図１は音片型圧電振動角速度センサを説明
するための構造図である。圧電振動型角速度センサの原
理は、振動している振動子の中心軸（Ｚ軸）回りに、回
転角速度（ω0）が加わると、もとの振動方向（Ｘ軸）
に対し、直角方向（Ｙ軸）に回転角速度に比例したコリ
オリ力（Ｆc）が生じる力学現象を利用したもので、駆
動用圧電セラミックを用いてＸ軸に振動を与え、Ｙ軸に
設けた検出用圧電セラミックによってコリオリ力を電圧
として検出するものである。コリオリ力は一般に次式に
より求められる。 Ｆc＝２ｍ×ｖ×ω0 ｍは質量、ｖ
は速度、ω0は角速度である。

【０００４】振動周波数が同じであればＸ軸の振幅が大
きいほどＹ軸変位は大きく、検出電圧（感度）を高める
にはＸ軸の振幅が大きく、Ｙ軸の検出効率を高めた共振
型振動角速度センサが有利である。音片型振動角速度セ
ンサは共振型であり、感度は高くできるが、駆動辺と検
出辺の振動姿勢を崩さず、共振周波数を正確に調整する
ことが難しく、しかも駆動辺と検出辺の共振特性の不一
致やズレによる顕著な特性変化や高機械的品質係数（Ｑ
ｍ）がゆえに応答速度が遅いなど問題も多い。

【０００５】一つの角速度センサーで２軸の角速度を検
出できるものが望まれていたが、この要望に応えるもの
として、振動体の表面に圧電素子を貼付して角速度によ
り圧電素子が変形することで変化する電荷の量を測定し
て角速度を検出するセンサが開発された。図２はその角
速度センサを斜め上から見た分解斜視図である。図３は
同じ角速度センサを斜め下から見た分解斜視図である。
振動体１は中央部に複数のスリット（又は凹部）４が設
けられている。振動体１の上面には、下面に電極６を設
け上面に４つの励振電極を兼ねる検出電極５を設けた圧
電素子２が貼付されている。振動体１の下面には、上面
に電極７を設け下面に帰還電極８を設けた圧電素子３が
貼付されている。電極８の下面には重錘体９が貼付され
センサ部が構成されている。センサ部は円筒状支持部材
１０によりベンディング振動のノード部を固定されてい
る。

【０００６】電極６と振動体１は電気的に接続されて接
着されているので、振動体と励振電極を兼ねる検出電極
５に交流をかけると圧電素子２が振動し振動体１も一緒
に振動する。円筒状支持部材１０で支持しており４つの
励振用電極を兼ねる検出電極５は円筒状支持部材１０の
内径より内側に設けてある。円筒状支持部材１０は図の
如く２ヵ所をワイヤー１１で固定し、ワイヤー１１の他
端を基板に固定するものである。

【０００７】圧電素子２の上面には検出電極５よりノー
ド部１２を越えるように細い電極が伸ばされ、引き出し
パターン５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが形成されている。圧
電素子２の下面に形成されている電極６から上面へ細い
電極が伸ばされ、該上面でノード部１２を越えるように
引き出しパターン６ａが形成されている。圧電素子３の
下面に帰還電極８よりノード部１２を越えるように細い
電極が伸ばされ、引き出しパターン８ａが形成されてい
る。圧電素子３の上面に形成されている電極７から下面
へ細い電極が伸ばされ、該下面でノード部１２を越える
ように引き出しパターン７ａが形成されている。引き出
しパターン５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、８ａのノード部１
２上あるいはその近傍にリード線がハンダづけされ、該
リード線の他端は回路基板にハンダづけされている。引
き出しパターン６ａ、７ａの一方あるいは両方のノード
部１２上あるいはその近傍にリード線がハンダづけさ
れ、該リード線の他端は回路基板側にハンダづけされて
いる。これにより圧電素子の電極と回路基板とは電気的
に接続される。

【０００８】角速度センサに角速度が作用するとコリオ
リ力により重錘体９が移動することでセンサ部が変形し
検出電極に電荷が発生する。４つの検出電極５に発生す
る電荷の量により角速度の方向と強さが検出できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】圧電素子に形成された
電極と回路基板とはリード線により電気的に接続されて
いる。リード線の固定は一般的にはハンダづけで行わ
れ、励振周波数を安定させるためにはセンサ部のノード
部にすることが望ましい。しかし実際には理想的にノー
ド部にハンダづけすることは難しくその回りにまでハン
ダづけ部分は広がってしまう。またリード線自体のもつ
バネ性の影響により励振周波数が不安定となる。本発明
は前述した課題を解決しようとしたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は従来の角速度セ
ンサの課題を解決するためのものであり、小型であり軽
量、高感度ながら安価で信頼性の高い角速度センサを提
供する。

【００１１】板状の振動体、および該振動体の片面若し
くは両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくと
も励振用電極と検出用電極を形成し、重錘体を設け、ノ
ード部を支持する支持部材を有する角速度センサにおい
て、該支持部材に電極パターンを形成する。前記圧電素
子に形成された電極より引出しパターンをノード部を越
えるまで伸ばし、前記支持部材の電極と該引出しパター
ンを電気的に接続して固定した。

【００１２】

【実施例】本発明を図面に基き詳細に説明する。図４は
本発明の第一実施例で、斜め上から見た分解斜視図であ
る。 図５は本発明の第一実施例で、斜め下から見た分
解斜視図である。図６は、本発明の第一実施例で断面図
であり、図７は、本発明の第一実施例で下面図である。
振動体２１は中央部に複数のスリット（又は凹部）２４
が設けられている。振動体２１の下面には、上面に電極
２６を設け下面に４つの励振電極を兼ねる検出電極２５
を設けた圧電素子２２が貼付されている。振動体２１の
上面には、下面に電極２７を設け上面に帰還電極２８を
設けた圧電素子２３が貼付されている。圧電素子２２の
下面には重錘体２９が貼付されセンサ部が構成されてい
る。ここで重錘体２９と検出電極２５とは電気的に接続
されていない。センサ部は円筒状支持部材３０によりベ
ンディング振動のノード部を固定されている。

【００１３】電極２６と振動体２１は電気的に接続され
て接着されているので、振動体と励振電極を兼ねる検出
電極２５に交流をかけると圧電素子２２が振動し振動体
２１も一緒に振動する。円筒状支持部材３０で支持して
おり４つの励振用電極を兼ねる検出電極２５は円筒状支
持部材３０の内径より内側に設けてある。円筒状支持部
材３０は図の如く２ヵ所をワイヤー３１で固定し、ワイ
ヤー３１の他端を基板に固定するものである。

【００１４】圧電素子２２の下面には検出電極２５より
ノード部３２を越えるように細い電極が伸ばされ、引き
出しパターン２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが形成さ
れている。圧電素子２２の上面に形成されている電極２
６から下面へ細い電極が伸ばされ、該下面でノード部３
２を越えるように引き出しパターン２６ａが形成されて
いる。圧電素子２３の上面に帰還電極２８よりノード部
３２を越えるように細い電極が伸ばされ、引き出しパタ
ーン２８ａが形成されている。圧電素子２３の下面に形
成されている電極２７から上面へ細い電極が伸ばされ、
該上面でノード部３２を越えるように引き出しパターン
２７ａが形成されている。引き出しパターン２７ａ、２
８ａはノード部３２にリード線３３がハンダづけされ、
リード線３３の他端は回路基板側にハンダづけされてい
る。これにより圧電素子２３の電極と回路基板とは電気
的に接続される。

【００１５】円筒状支持部材３０は非導電性の材質を用
い、その上端面、外側面、下端面に電極パターン３５
ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３６ａを形成した。電極
パターンは銀ペーストを用いスクリーン印刷にて形成し
た。蒸着、スパッタ等の方法でももちろんかまわない。
円筒状支持部材３０は前記センサ部のノード部３２の位
置に、電極パターン３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、
３６ａの上端面部分と、引き出しパターン２５ａ、２５
ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２６ａとが電気的に接続して接着
固定されている。図中では便宜上電極パターンの厚みを
大きく表現しているが、実際には十分に小さく形成さ
れ、円筒状支持部材はノード部を押さえるように接着さ
れている。

【００１６】リード線３４の一端は、電極パターン３５
ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３６ａの外側面あるいは
下端面にハンダづけにより固定され、他端は基板の電極
パターンにハンダ付けされている。これにより回路基板
と圧電素子の電極とが電気的に接続される。

【００１７】図８は本発明の第二実施例で上面図であ
る。図９は本発明発明の第二実施例でＡＡで切った断面
図である。第一実施例で説明したセンサ部に、さらに電
極パターンを形成した円筒状支持部材を貼付して構成さ
れているものである。円筒状支持部材４０は非導電性の
材質を用い、その上端面、外側面、下端面に電極パター
ン４７ａ、４８ａを形成した。円筒状支持部材４０は前
記センサ部のノード部３２の位置に、電極パターン４７
ａ、４８ａの下端面部分と、引き出しパターン２７ａ、
２８ａとが電気的に接続して接着固定されている。

【００１８】リード線４３の一端は、電極パターン４７
ａ、４８ａの外側面あるいは上端面にハンダづけにより
固定され、他端は基板の電極パターンにハンダ付けされ
ている。これにより回路基板と圧電素子の電極とが電気
的に接続される。

【００１９】円筒状支持部材に導電材料（たとえば金
属）を用いた場合は、その表面上に絶縁コーティングを
し、さらにその上に電極パターンを形成しても良い。ま
た電極パターンの形成場所は円筒状支持部材の内側面で
もかまわない。

【００２０】

【発明の効果】本発明は前記のような構成にすることで
次のような効果が生じる。 １ 支持部材に電極パターンを設けそこからリード線を
だすことで励振周波数が安定する。 ２ 支持部材の電極パターンよりリード線を出すこと
で、組立が容易である。 ３ リード線を直接圧電素子の電極パターンにハンダづ
けしないため、圧電素子の電極に与えるダメージが少な
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】音片型圧電振動角速度センサを説明するための
構造図

【図２】本発明に係る角速度センサの従来例を斜め上か
ら見た分解斜視図

【図３】本発明に係る角速度センサを従来例を斜め下か
ら見た分解斜視図

【図４】本発明に係る角速度センサの第一実施例を斜め
上から見た分解斜視図

【図５】本発明に係る角速度センサを第一実施例を斜め
下から見た分解斜視図

【図６】本発明に係る角速度センサの第一実施例で断面
図

【図７】本発明に係る角速度センサの第一実施例で断面
図

【図８】本発明に係る角速度センサの第二実施例で上面
図

【図９】本発明に係る角速度センサの第二実施例でＡＡ
で切った断面図

【符号の説明】

１ 振動体 ２ 圧電素子 ３ 圧電素子 ４ スリット ５ 励振電極を兼ねる検出電極 ５ａ 引き出しパターン ５ｂ 引き出しパターン ５ｃ 引き出しパターン ５ｄ 引き出しパターン ６ 電極 ６ａ 引き出しパターン ７ 電極 ７ａ 引き出しパターン ８ 帰還電極 ８ａ 引き出しパターン ９ 重錘体 １０ 円筒状支持部材 １１ ワイヤ １２ ノード部 ２１ 振動体 ２２ 圧電素子 ２３ 圧電素子 ２４ スリット ２５ 励振電極を兼ねる検出電極 ２５ａ 引き出しパターン ２５ｂ 引き出しパターン ２５ｃ 引き出しパターン ２５ｄ 引き出しパターン ２６ 電極 ２６ａ 引き出しパターン ２７ 電極 ２７ａ 引き出しパターン ２８ 帰還電極 ２８ａ 引き出しパターン ２９ 重錘体 ３０ 円筒状支持部材 ３１ ワイヤ ３２ ノード部 ３３ リード線 ３４ リード線 ３５ａ 電極パターン ３５ｂ 電極パターン ３５ｃ 電極パターン ３５ｄ 電極パターン ３６ａ 電極パターン ４０ 円筒状支持部材 ４３ リード線 ４７ａ 電極パターン ４８ａ 電極パターン ＡＡ 切断線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 並木 智雄 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 重田 利靖 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 畠山 稔 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 岡田 和廣 埼玉県上尾市菅谷４丁目73番地

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の振動体、および該振動体の片面若し
   くは両面に圧電素子を貼付し、該圧電素子には少なくと
   も励振用電極と検出用電極を形成し、重錘体を設け、ノ
   ード部を支持する支持部材を有する角速度センサにおい
   て、該支持部材に電極パターンを形成したことを特徴と
   する角速度センサ。
2. 【請求項２】支持部材に形成された電極パターンと圧電
   素子に形成された電極が電気的に接続されてなる請求項
   １の角速度センサ。