JPH1054726A

JPH1054726A - 振動ジャイロおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH1054726A
Application number: JP8227681A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Fujimoto; 本克己藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1998-02-24
Also published as: EP0823616A3; EP0823616A2; US6145177A; EP0823616B1; DE69726655T2; KR19980018514A; KR100233465B1; US6013971A; DE69726655D1

Abstract

(57)【要約】【課題】振動体のＱが高く、実用温度範囲内において
Ｑが低下しない振動ジャイロを得る。また、支持部材か
らの振動漏れが少なく、支持強度の大きい振動ジャイロ
を得る。【解決手段】振動ジャイロ１０は、互いに逆向きに分
極した２つの圧電体基板１４，１６を金属層１８で接合
した振動体１２を含む。圧電体基板１４，１６の外側主
面に、電極２０，２４を形成する。電極２０は、６つの
電極部分２０ａ〜２０ｆに分割する。金属層１８として
は、圧電体基板１４，１６のキュリー点より低い融点を
有する材料を用いる。圧電体基板１４，１６の接合面側
に切り込み部を形成し、その部分に高温の金属線などを
通して支持部材２８とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロおよ
びその製造方法に関し、特にたとえば、カメラの手振れ
防止、カーナビゲーションシステム、ポインティングデ
バイスなどに使用される振動ジャイロおよびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４は従来の振動ジャイロの一例を示
す斜視図である。振動ジャイロ１は、振動体２を含む。
振動体２は、第１の圧電体基板３および第２の圧電体基
板４を接着することによって形成される。第１の圧電体
基板３および第２の圧電体基板４は、たとえばエポキシ
樹脂などの樹脂層５によって接着される。第１の圧電体
基板３および第２の圧電体基板４は、矢印で示すよう
に、互いに逆向きの厚み方向に分極される。

【０００３】第１の圧電体基板３の外側主面には、分割
された電極６が形成される。電極６は、第１の圧電体基
板３の長手方向に延びる溝によって、幅方向に２分割さ
れている。さらに、電極６は、振動体２のノード点付近
において第１の圧電体基板３の幅方向に延びる２つの溝
によって、長手方向に３分割されている。つまり、電極
６は、６つの部分に分割されている。さらに、第２の圧
電体基板４の外側主面の全面に、別の電極７が形成され
る。振動体２のノード点付近において、電極７に支持部
材８が取り付けられる。支持部材８は、たとえば金属線
などで形成される。この支持部材８が、半田付けや導電
ペーストなどによって電極７に取り付けられる。

【０００４】この振動ジャイロ１では、電極６の長手方
向の中央部にある２つの電極部分６ａ，６ｂと、それに
対向する電極７との間に、駆動信号が印加される。第１
の圧電体基板３および第２の圧電体基板４は、互いに逆
向きに分極されているため、振動体２はバイモルフ構造
となっており、駆動信号によって振動体２が電極６，７
形成面に直交する向きに屈曲振動する。このとき、振動
体２は、その長手方向の両端から少し内側にある２つの
ノード点を中心として屈曲振動する。このとき、電極部
分６ａ，６ｂからは同じ信号が出力されるため、これら
の電極部分６ａ，６ｂから出力される信号の差をとれ
ば、２つの出力信号が相殺されて０となる。

【０００５】振動体２の軸を中心として回転すると、振
動体２の屈曲振動に直交する向きにコリオリ力が働く。
そのため、振動体２の屈曲振動の方向が変わり、電極部
分６ａ，６ｂの出力信号が変化する。つまり、一方の電
極部分６ａからの出力信号がコリオリ力に対応して増加
すると、他方の電極部分６ｂからの出力信号はコリオリ
力に対応して減少する。したがって、これらの電極部分
６ａ，６ｂからの出力信号の差をとれば、コリオリ力に
対応した信号のみを得ることができる。このように、電
極部分６ａ，６ｂの出力信号の差を測定することによっ
て、振動ジャイロ１に加わった回転角速度を検出するこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２つの
圧電体基板を接合するためのエポキシ樹脂にはガラス転
移点が存在し、８０℃以上になると軟化がはじまり、Ｑ
が低下して振動ジャイロの感度が低下してしまう。ま
た、圧電体基板の材料として、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａ
Ｏ₃などの高キュリー点を有する材料を用いた場合、高
温での温度特性劣化は素材のもつ高耐熱性のメリットを
損なう。さらに、これらの材料はＱの高い素材である
が、エポキシ樹脂のＱは低く、振動体全体としてのＱは
低くなってしまう。また、振動体の真のノード点は、振
動体の中心軸上にあるため、振動体の表面に支持部材を
取り付けると、支持部材からの振動漏れを避けることが
できない。しかも、支持部材を振動体表面の電極に取り
付けると、その支持強度は電極と圧電体基板との密着強
度以上にすることができず、落下などの衝撃によって支
持部材が脱落する可能性がある。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、振
動体のＱが高く、実用温度範囲内においてＱが低下しな
い振動ジャイロを提供することである。また、この発明
の目的は、支持部材からの振動漏れが少なく、支持強度
の大きい振動ジャイロを提供することである。さらに、
この発明の目的は、上述のような特徴を有する振動ジャ
イロを製造するための製造方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、２つの圧電
体基板を金属層で接合した振動体と、２つの圧電体基板
の外側主面に形成され、少なくとも一方が分割された対
向電極とを含み、金属層は２つの圧電体基板のキュリー
点より低い融点を有する材料で形成された、振動ジャイ
ロである。この振動ジャイロにおいて、振動体のノード
点付近において、２つの圧電体基板の接合面側に切り込
み部が形成されてもよい。振動体を支持するために、振
動体のノード点付近において金属層に支持部材が配設さ
れる。この支持部材は、振動体のノード点付近において
金属層に金属線を圧入することによって形成される。ま
た、この発明は、２つの圧電体基板を準備する工程と、
２つの圧電体基板のキュリー点より低い融点を有する金
属材料で形成された金属層により２つの圧電体基板を接
合して振動体を得る工程と、振動体のノード点付近にお
いて、高温にした金属線を金属層に圧入して支持部材を
形成する工程とを含む、振動ジャイロの製造方法であ
る。この振動ジャイロの製造方法において、２つの圧電
体基板を接合する前に振動体のノード点となる位置にお
いて圧電体基板に切り込み部を形成し、高温にした金属
線が切り込み部における金属層に圧入される。

【０００９】２つの圧電体基板を接合するための金属層
は、エポキシ樹脂に比べて高いＱを有しており、しかも
振動ジャイロの実用温度範囲では軟化しない。さらに、
圧電体基板の接合面側に切り込み部を形成すれば、圧電
体基板を接合するときに溶融した金属が切り込み部に入
り、圧電体基板の接合面の外に流れ出すことを防止する
ことができる。また、圧電体基板を接合したのち、切り
込み部に高温にした金属線を圧入すれば、切り込み部に
存在する金属層が溶融して金属線が振動体内部に挿入さ
れる。そののち、冷却されて金属層が固化することによ
り、金属線は金属層によって固定され、支持部材として
用いられる。この支持部材は、振動体の真のノード点に
近い部分に配設される。なお、圧電体基板を接合する時
に、溶融した金属が用いられるが、その融点は圧電体基
板のキュリー点より低いため、圧電体基板の分極が除去
されない。

【００１０】

【発明の効果】この発明によれば、高いＱを有する金属
層で圧電体基板が接合されているため、振動体全体のＱ
を高く保つことができる。しかも、圧電体基板を接合す
るときに分極が除去されず、実用温度範囲において、金
属層が軟化したりしないため、振動ジャイロの使用中に
Ｑが低下せず、感度の高い振動ジャイロを得ることがで
きる。また、圧電体基板の接合面側に切り込み部を形成
することにより、振動体表面に接合用金属が付着するの
を防ぐことができ、特性の劣化を抑えることができる。
さらに、この金属層で支持部材を固定することにより、
支持部材と振動体との間の接合強度を大きくすることが
できる。そのため、たとえば振動ジャイロが落下したり
して大きい衝撃が加わったとしても、支持部材が振動体
から脱落することを防止することができる。さらに、振
動体の表面に支持部材を取り付ける場合に比べて、振動
体の中心軸上にある真のノード点に近い部分で支持でき
るため、支持部材からの振動漏れを少なくすることがで
き、良好な特性を有する振動ジャイロを得ることができ
る。

【００１１】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の振動ジャイロの
一例を示す斜視図である。振動ジャイロ１０は、振動体
１２を含む。振動体１２は、第１の圧電体基板１４およ
び第２の圧電体基板１６を含む。第１の圧電体基板１４
および第２の圧電体基板１６としては、たとえば圧電セ
ラミックやＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃などの単結晶な
どが用いられる。第１の圧電体基板１４および第２の圧
電体基板１６は、金属層１８で接合される。このとき、
第１の圧電体基板１４と第２の圧電体基板１６とは、図
１の矢印に示すように、互いに逆向きの厚み方向に分極
される。したがって、振動体１２は、バイモルフ構造と
なる。金属層１８としては、第１の圧電体基板１４およ
び第２の圧電体基板１６のキュリー点より低い融点を有
する金属材料が用いられる。そのような材料としては、
半田などが用いられるが、それ以外にも、Ｂｉ系材料、
Ｉｎ系材料およびＡｇろうなどが使用可能である。

【００１３】第１の圧電体基板１４の外側主面には、第
１の電極２０が形成される。第１の電極２０には、第１
の圧電体基板１４の長手方向に延びる溝２２ａと、第１
の圧電体基板１４の幅方向に延びる２つの溝２２ｂとが
形成される。溝２２ｂは、振動体１２が屈曲振動すると
きのノード点に対応する部分、つまり第１の圧電体基板
１４の長手方向の両端から少し内側に入った部分に形成
される。これらの溝２２ａ，２２ｂによって、第１の電
極２０が６つの電極部分２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０
ｄ，２０ｅおよび２０ｆに分割される。さらに、第２の
圧電体基板１６の外側主面には、その全面に第２の電極
２４が形成される。

【００１４】このような振動ジャイロ１０を作製するに
は、図２に示すように、２枚の大きい圧電体基板３０，
３２が準備される。圧電体基板３０，３２の両面には、
電極３４，３６が形成されている。圧電体基板３０，３
２のそれぞれの一方の主面には、クリーム半田３８が印
刷される。そして、加熱することによってクリーム半田
３８を溶融し、さらに冷却することによって、圧電体基
板３０，３２上に半田層が形成される。つぎに、圧電体
基板３０と圧電体基板３２は、それぞれの半田層どうし
が密着するように貼り合わされた後、再度加熱して半田
層を溶融し、２つの圧電体基板３０，３２がすり合わさ
れて圧着される。圧着された圧電体基板３０，３２を冷
却することによって、図３に示すように、金属層１８で
接合された大きい積層基板４０が得られる。そして、振
動ジャイロ１０の溝２２ａ，２２ｂを形成するために、
積層基板４０上に、所定の間隔で溝２２が形成される。
そののち、図３の一点鎖線で示すように、ダイシングカ
ットなどによって積層基板４０が切断され、図１に示す
ような振動ジャイロ１０が作製される。なお、振動ジャ
イロ１０を作製する工程において、金属層１８を形成す
る半田としては、圧電体基板３０，３２のキュリー点よ
り低い融点を有するものが使用されるため、圧電体基板
３０，３２の分極が除去されることはない。

【００１５】この振動ジャイロ１０を使用するには、図
４に示すように、第１の電極２０の長手方向の中央部に
ある２つの電極部分２０ａ，２０ｂに抵抗４２，４４が
接続される。これらの抵抗４２，４４と第２の電極２４
との間に発振回路４６が接続される。発振回路４６は、
たとえば増幅回路と位相補正回路とを含み、第２の電極
２４から出力される信号が発振回路４６に帰還される。
そして、増幅回路および位相補正回路によって、帰還さ
れた信号のレベルおよび位相が調整され、第１の電極２
０の電極部分２０ａ，２０ｂに与えられる。

【００１６】また、第１の電極２０の電極部分２０ａ，
２０ｂは、差動回路４８の入力端に接続される。差動回
路４８の出力端は、同期検波回路５０に接続される。同
期検波回路５０では、たとえば発振回路４６の信号に同
期して、差動回路４８の出力信号が検波される。同期検
波回路５０は平滑回路５２に接続され、さらに平滑回路
５２は増幅回路５４に接続される。

【００１７】この振動ジャイロ１０は、発振回路４６に
よって自励振駆動される。このとき、振動体１２はバイ
モルフ構造であるため、第１の圧電体基板１４がその主
面に平行する向きに延びたとき、第２の圧電体基板１６
はその主面に平行する向きに縮む。逆に、第１の圧電体
基板１４がその主面に平行する向きに縮んだとき、第２
の圧電体基板１６はその主面に平行する向きに延びる。
そのため、振動体１２は、第１および第２の電極２０，
２４形成面に直交する向きに屈曲振動する。

【００１８】回転角速度が加わっていないとき、電極部
分２０ａ，２０ｂから出力される信号は同じであり、差
動回路４８で相殺されるため、差動回路４８からは信号
が出力されない。振動体１２の軸を中心として回転する
と、屈曲振動の向きに直交する向きにコリオリ力が働
く。このコリオリ力により、振動体１２の屈曲振動の向
きが変わる。そのため、電極部分２０ａ，２０ｂから出
力される信号が変わる。たとえば、電極部分２０ａから
出力される信号が大きくなったとき、電極部分２０ｂか
ら出力される信号は小さくなる。したがって、差動回路
４８から、２つの電極部分２０ａ，２０ｂの出力信号の
差が得られる。電極部分２０ａ，２０ｂの出力信号の変
化は、振動体１２の屈曲振動の向きの変化、すなわちコ
リオリ力に対応している。したがって、差動回路４８か
らは、コリオリ力に対応したレベルの信号が出力され
る。

【００１９】差動回路４８の出力信号は、同期検波回路
５０において、発振回路４６の信号に同期して検波され
る。このとき、差動回路４８の出力信号の正部分のみま
たは負部分のみが検波される。同期検波回路５０で検波
された信号は、平滑回路５２で平滑され、さらに増幅回
路５４で増幅される。したがって、増幅回路５４の出力
信号を測定することにより、振動ジャイロ１０に加わっ
た回転角速度を検出することができる。

【００２０】回転角速度の向きが逆の場合、振動体１２
の屈曲振動の向きの変化も逆になり、電極部分２０ａ，
２０ｂの出力信号の変化は逆となる。そのため、差動回
路４８から出力される信号は逆位相となり、同期検波回
路５０で検波される信号も逆極性となる。そのため、増
幅回路５４からの出力信号の極性も逆となる。したがっ
て、増幅回路５４の出力信号の極性から、回転角速度の
方向を検出することができる。

【００２１】この振動ジャイロ１０では、第１の圧電体
基板１４と第２の圧電体基板１６とを接合するために半
田などの金属層１８が用いられており、金属層１８は、
従来のエポキシ樹脂層に比べてＱが高い。そのため、振
動体１２全体のＱが高く、感度の良好な振動ジャイロ１
０を得ることができる。また、エポキシ樹脂は、８０℃
付近に軟化点があるが、金属層１８は−４０℃〜８０℃
の実用温度範囲において軟化しないため、第１の圧電体
基板１４と第２の圧電体基板１６とが温度変化によりず
れることがなく、振動ジャイロ１０の感度の低下を抑え
ることができる。

【００２２】また、図５に示すように、第１の圧電体基
板１４および第２の圧電体基板１６の接合面側に、切り
込み部２６を形成してもよい。切り込み部２６は、振動
体１２の２つのノード点に対応する位置に形成される。
これらの切り込み部２６は、第１および第２の圧電体基
板１４，１６の幅方向に延びる溝状に形成される。

【００２３】このような振動ジャイロ１０を作製するに
は、図６に示すように、大きい圧電体基板３０，３２が
準備される。これらの圧電体基板３０，３２の接合面側
に、切り込み部２６が形成される。圧電体基板３０，３
２の両面には、電極３４，３６が形成されている。そし
て、図７に示すように、圧電体基板３０，３２の接合面
には、クリーム半田３８が印刷される。そして、加熱す
ることによってクリーム半田３８を溶融し、さらに冷却
することによって、圧電体基板３０，３２上に半田層が
形成される。

【００２４】つぎに、図８に示すように、圧電体基板３
０と圧電体基板３２は、それぞれの半田層どうしが密着
するように貼り合わされ、２つの圧電体基板３０，３２
が加熱圧着される。このとき、圧電体基板３０，３２は
すり合わされるが、あふれた溶融半田は切り込み部２６
内にたまり、圧電体基板３０，３２の外部に流れ出るこ
とが防止される。圧着された圧電体基板３０，３２を冷
却したのち、圧電体基板３０上の電極３４に溝２２を形
成し、ダイシングカットなどによって切断して、図５に
示すような振動ジャイロ１０が作製される。この振動ジ
ャイロ１０では、切り込み部２６によって、半田が振動
体１２の外側に付着しないため、振動ジャイロ１０の特
性を良好に保つことができる。

【００２５】この振動ジャイロ１０では、図９に示すよ
うに、切り込み部２６に支持部材２８を取り付けること
ができる。この支持材２８は、たとえば金属線で形成さ
れる。支持部材２８を取り付けるには、図１０に示すよ
うに、加熱供給機５６で支持部材２８を保持し、支持部
材２８を高温に保つ。この支持部材２８を切り込み部２
６部分の金属層１８に突き刺すことにより、金属層１８
が溶融し、支持部材２８が貫通する。そして、溶融した
金属層２８が冷却されて固化することによって、支持部
材２８が固定される。なお、支持線２８を高温にした状
態でフラックスが塗布され、切り込み部２６部分の金属
層１８に突き刺されてもよい。

【００２６】この振動ジャイロ１０では、支持部材２８
が振動体１２内を貫通して、金属層１８で固定されてい
るため、振動体表面に支持部材を半田付けした従来の振
動ジャイロに比べて、固着強度を大きくすることができ
る。そのため、たとえば振動ジャイロ１０が落下して衝
撃が加わっても、支持部材２８が外れたりすることを防
止することができる。

【００２７】また、この振動ジャイロ１０では、支持部
材２８が振動体１２の真のノード点を貫通しているた
め、図１１に示すように、支持部材２８を中心として振
動体１２を屈曲振動させることができる。それに対し
て、振動体表面に支持部材を取り付けた従来の振動ジャ
イロでは、図１２に示すように、屈曲振動の中心となる
ノード点が支持部材からずれたところにある。そのた
め、この発明の振動ジャイロ１０は、従来の振動ジャイ
ロに比べて、支持部材２８からの振動漏れが少なく、安
定した特性を得ることができる。

【００２８】なお、支持部材２８としては、図１３に示
すように、板状の支持部材２８を用いてもよい。この例
では、先端が細くなるように板材を打ち抜き、その先端
部を振動体１２の切り込み部２６部分に挿入している。
この場合も、支持部材を加熱して切り込み部２６部分に
押しつけることにより、金属層１８が溶融して、支持部
材２８の先端部が振動体１２内部に入り込む。そして、
溶融金属が冷却されることによって固化し、支持部材２
８が金属層１８によって固定される。この振動ジャイロ
１０では、支持部材２８が貫通していないが、支持部材
２８が振動体１２内部に入り込むとともに金属層１８に
よって固定され、図９に示す振動ジャイロ１０と同様の
効果を得ることができる。また、切り込み部２６は、実
施例に示す４角状のほかに、Ｖ字状や樋状などであって
もよい。

【００２９】なお、上述の振動ジャイロ１０では、第１
の電極２０のみが分割されたが、第２の電極２４も同様
に分割されてもよい。このような電極構造であっても、
２つの電極２０，２４間に駆動信号を与えることによ
り、振動体１２を屈曲振動させることができる。この場
合、回転角速度に対応した信号は、第１の電極２０の分
割部分から取り出してもよいし、第２の電極２４の分割
部分から取り出してもよい。

【００３０】さらに、２つの圧電体基板１４，１６の分
極方向としては、両方とも同じ方向に分極してもよい。
この場合、たとえば金属層１８を共通電極として使用
し、この金属層１８からの出力信号が発振回路４６に帰
還される。そして、発振回路４６からの信号を第１の電
極２０および第２の電極２４に与えることにより、振動
体１２を屈曲振動させることができる。このように構成
することにより、単位電圧あたりの変位を大きくするこ
とができ、感度がさらに向上する。つまり、低電圧でも
十分な感度が得られることになり、省電力タイプのジャ
イロが得られる。そのうえ、共通電極である金属層１８
に設けられている支持部材２８をリード線として用いる
ことができ、リード線の取付工程も簡略化することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図で
ある。

【図２】図１に示す振動ジャイロを作製するための圧電
体基板を示す斜視図である。

【図３】図２に示す圧電体基板を積層した状態を示す斜
視図である。

【図４】図１に示す振動ジャイロを使用するときの回路
を示すブロック図である。

【図５】この発明の振動ジャイロの他の例を示す斜視図
である。

【図６】図５に示す振動ジャイロを作製するための圧電
体基板を示す斜視図である。

【図７】図６に示す圧電体基板にクリーム半田を塗布し
た状態を示す図解図である。

【図８】２つの圧電体基板を圧着した状態を示す図解図
である。

【図９】図５に示す振動ジャイロに支持部材を取り付け
た例を示す斜視図である。

【図１０】図９に示す振動ジャイロを作製するときの状
態を示す斜視図である。

【図１１】図９に示す振動ジャイロが屈曲振動するとき
の様子を示す図解図である。

【図１２】図１１と比較するために従来の振動ジャイロ
の屈曲振動の状態を示す図解図である。

【図１３】図９に示す振動ジャイロの変形例を示す図解
図である。

【図１４】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】１０振動ジャイロ１２振動体１４第１の圧電体基板１６第２の圧電体基板１８金属層２０第１の電極２２ａ，２２ｂ溝２４第２の電極２６切り込み部２８支持部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの圧電体基板を金属層で接合した振
動体、および前記２つの圧電体基板の外側主面に形成さ
れ、少なくとも一方が分割された対向電極を含み、前記金属層は前記２つの圧電体基板のキュリー点より低
い融点を有する材料で形成された、振動ジャイロ。
【請求項２】前記振動体のノード点付近において、前
記２つの圧電体基板の接合面側に切り込み部が形成され
た、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】前記振動体を支持するために、前記振動
体のノード点付近において前記金属層に配設される支持
部材を含む、請求項１または請求項２に記載の振動ジャ
イロ。
【請求項４】前記支持部材は、前記振動体のノード点
付近において前記金属層に金属線を圧入することによっ
て形成される、請求項３に記載の振動ジャイロ。
【請求項５】２つの圧電体基板を準備する工程、前記２つの圧電体基板のキュリー点より低い融点を有す
る金属材料で形成された金属層により前記２つの圧電体
基板を接合して振動体を得る工程、および前記振動体の
ノード点付近において、高温にした金属線を前記金属層
に圧入して支持部材を形成する工程を含む、振動ジャイ
ロの製造方法。
【請求項６】前記２つの圧電体基板を接合する前に前
記振動体のノード点となる位置において前記圧電体基板
に切り込み部を形成し、高温にした前記金属線を前記切
り込み部における前記金属層に圧入した、請求項５に記
載の振動ジャイロの製造方法。