JPH09126783A

JPH09126783A - 圧電振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH09126783A
Application number: JP7280816A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Abe; 洋阿部
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1997-05-16
Anticipated expiration: 2015-10-27
Also published as: JP3682664B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子の接着による影響を受けない簡易な
構成の圧電振動ジャイロ用振動子を提供することによ
り、量産性が良く、小型で高精度な圧電振動ジャイロを
得る。【解決手段】Ｘ方向に振動させている物体に回転角速
度が与えられると、その励振方向と直角なＹ方向にコリ
オリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープの
うち、圧電特性を用いて互いに直交するＸ方向及びＹ方
向の励振と検出が可能であるように構成された圧電振動
子１を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、圧
電振動子１は、Ｘ方向又はＹ方向に平行な最低１つの面
を含む音叉型の圧電素子からなり、Ｘ方向又はＹ方向の
何れかに平行な一つの面３のみに帯状電極５，７，９，
１１，１３，１５が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、船舶や自動車等の
移動体自身及びこれに搭載される機器の姿勢制御や自動
車のナビゲーションシステムなどに用いられるジャイロ
スコープの内、特に圧電振動子の超音波振動を用いた、
いわゆる圧電振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロは、振動している物体
に回転角速度が与えられると、その振動方向と直角な方
向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャ
イロスコープである。互いに直交する二つの方向の励振
と検出が可能であるように構成した振動系において、一
方の振動を励振した状態で、振動子自身を二つの振動面
が交わる線を中心軸として回転させると、前述のコリオ
リ力の作用により、この振動と直角な方向に力が働き、
他方の振動が励振される。この振動の大きさは、入力側
の振動の大きさ及び回転角速度に比例するため、入力電
圧を一定にした状態では、この振動の大きさに比例した
出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めること
ができる。

【０００３】かかる従来の圧電振動ジャイロに用いられ
ている圧電振動子の構造の概略を図８に示す。

【０００４】図８に示すように、この圧電振動子は、エ
リンバー等の恒弾性金属で構成される音叉型の圧電振動
子１００のＸ方向の面１０２及びＹ方向の面１０４に、
それぞれ圧電素子１０６，１０８が設けられ、これら圧
電素子１０６，１０８と駆動・検出部（図示せず）との
電気的な接続にはリード線１１０，１１２を用いてい
る。この圧電振動子においては、Ｘ方向の面１０２に設
けられている圧電素子１０６にリード線１１０を介して
電圧を印加し、Ｘ方向の振動を励振した状態で回転角速
度が加わると、コリオリ力によってＹ方向の振動が励起
され、このＹ方向の振動を、Ｙ方向の面１０４に設けら
れた圧電素子１０８によって電圧の変化に変換し、リー
ド線１１２を介してこの検出電圧から回転角速度を検出
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の圧電振
動ジャイロに用いられている圧電振動子１００において
は、Ｘ方向の面１０２及びＹ方向の面１０４それぞれに
圧電素子１０６，１０８を設けているため、圧電振動子
１００に圧電素子１０６，１０８を接着する等の加工が
難しく、圧電振動子１００を小型化することが困難であ
った。また、接着位置のずれ等の影響により精度が低下
し、更に、接着層の影響によって精度の低下を招くこと
もあった。一方、電気的な接続にリード線１１０，１１
２を用いているので、組立が容易ではなく、安価な圧電
振動ジャイロを製造する妨げになっている。

【０００６】本発明の目的は、以上に示した従来の圧電
振動ジャイロの欠点を除去し、圧電素子の接着による影
響を受けない簡易な構成の圧電振動ジャイロ用振動子を
提供することにより、量産性が良く、小型で高精度な圧
電振動ジャイロを得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、圧電
素子単体からなる音叉型振動子の一つの面のみに電極が
配置されている簡易な構成の圧電振動ジャイロ用振動子
を構成する。

【０００８】また、かかる圧電振動子の振動子ベース部
に接続用ランドを設けることによって電気的な接続と固
定を同時に行える構成とした圧電振動ジャイロを提供す
る。

【０００９】即ち、本発明によれば、振動させている物
体（以後、この励振する振動の方向をＸ方向と記す）に
回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向
（以後、この振動の方向をＹ方向と記す）にコリオリ力
を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープの
うち、圧電特性を用いて互いに直交するＸ，Ｙ方向の励
振と検出が可能であるように振動子を構成される、いわ
ゆる圧電振動ジャイロにおいて、前記圧電振動ジャイロ
の振動子は、Ｘ方向又はＹ方向に平行な最低１つの面を
含む音叉型の形状を持つ圧電素子からなり、Ｘ方向又は
Ｙ方向、何れかに平行な一つの面のみに、電極を設けら
れていることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が
得られる。

【００１０】また、本発明によれば、前記圧電振動ジャ
イロ用振動子は、音叉型振動子の双方の共振部にそれぞ
れ３本ずつの電極が形成されていることを特徴とする圧
電振動ジャイロ用振動子が得られる。

【００１１】また、本発明によれば、前記圧電振動ジャ
イロ用振動子の電極は、音叉型の振動子のベース部に振
動子を回路基板と電気的に接続及び固定に用いられるラ
ンドが設けられていることを特徴とする圧電振動ジャイ
ロ用振動子が得られる。

【００１２】また、本発明によれば、前記請求項２の振
動子の３本の電極の内、真ん中の１本は駆動端子として
振動子駆動回路に接続され、第１の駆動端子と第２の駆
動端子には、逆位相の駆動電圧を印加する事を特徴とす
る圧電振動ジャイロ用駆動回路が得られる。

【００１３】また、本発明によれば、前記請求項２の２
本の検出端子は、それぞれ電流検出回路を構成するオペ
アンプの反転端子に接続され、２本の検出端子の電位
は、オペアンプの仮想接地機能により駆動検出回路の基
準電位に固定されており、この基準電位と駆動端子の間
に電圧を印加することで振動子を駆動し、前記２本の検
出端子に接続された電流検出回路の出力を用いてＸ方向
及びＹ方向の振動を検出できるように構成したことを特
徴とする圧電振動ジャイロ駆動検出回路が得られる。

【００１４】また、本発明によれば、前記請求項２の検
出端子のうち、振動子の外側にある検出端子同士及び内
側にある検出端子同士は、振動子のベース部又は接続す
る回路基板上で接続して用いられることを特徴とする圧
電振動ジャイロ用振動子の電極構造が得られる。

【００１５】また、本発明によれば、前記請求項３の振
動子取り付け用ランドは、支持具やリード線等を用い
ず、回路基板に設けられたランドに直接半田付け等によ
って電気的接続及び固定を行うことを特徴とした振動ジ
ャイロの構造が得られる。

【００１６】また、本発明によれば、前記請求項７の回
路基板の振動子部に、切り欠きが設けられ、振動子の振
動する部分と回路基板が接触しないようにされているこ
とを特徴とする振動ジャイロの回路基板構造が得られ
る。

【００１７】

【作用】本発明の圧電振動ジャイロ用振動子及び駆動検
出回路を用いて圧電振動ジャイロを構成した場合、本発
明の圧電振動ジャイロ用振動子は「振動体」という機械
的な機能と、振動の駆動と検出を行う「電気−機械変換
素子」としての機能を単一素子において実現できるか
ら、接着層を持たず、圧電振動子の構成は簡易となる。

【００１８】また、電極が片面のみに設けられるから、
電極の形成や分極処理が容易となり、小型で安価な圧電
振動ジャイロを得ることができる。

【００１９】本発明の圧電振動ジャイロによれば、圧電
振動子と回路基板の電気的な接続は、リード線等を用い
ることなく、回路基板と圧電振動子の接続用ランド部を
直接半田付けすることによって行うことができ、同時に
半田によって回路基板と圧電振動子が固定されるから、
組立が非常に容易で、小型で安価な圧電振動ジャイロを
提供することができる。また、接着層を持たないので、
圧電素子の接着誤差や、接着層の影響を受けず、更にリ
ード線もないから従来よりも高精度で信頼性の高い圧電
振動ジャイロを得ることができる。

【００２０】また、本発明の圧電振動ジャイロ駆動検出
回路を用いれば、外乱等により二つの共振部に同相に発
生する振動に対しては、検出回路部で相殺されるから、
外乱の影響の少ない即ち高精度な圧電振動ジャイロを得
ることができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例に係る圧電振動ジャイ
ロについて図面を参照して詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明の一実施例に係る圧電振動
ジャイロ用振動子を示す斜視図であり、図２は図１に示
した圧電振動子の電極配置及び分極方向を示す断面図で
ある。図２内の矢印は、圧電振動子の分極方向を示して
いる。

【００２３】図１に示すように、この圧電振動子は、Ｐ
ＺＴ等の圧電セラミックスからなる音叉型の圧電振動子
１のＸ方向の片面３にスクリーン印刷等により帯状電極
５，７，９，１１，１３，１５が形成されており、ま
た、この圧電振動子の分極方向は、図２の矢印に示す方
向に分極処理が施されている。本実施例では帯状電極５
と１５、帯状電極９と１１は、振動子ベース部又は接続
される回路基板部で接続して用いる場合について示す
が、それぞれ独立して用いてもよい。

【００２４】帯状電極５，７，９，１１，１３，１５の
端部は、圧電振動子１のベース部に設けられたランド１
７に接続されている。圧電振動子１は、図５に示すよう
な切り欠き部１９と圧電振動子取り付けランド２１をも
つ回路基板２３に半田付け等により電気的に接続され固
定される。

【００２５】図６に、本発明の一実施例における圧電振
動ジャイロの駆動検出回路を示す。

【００２６】圧電振動子１に設けられた帯状電極５と１
５は振動子ベース部又は回路基板上で接続され、第１の
電流検出回路３１に接続されており、同様に帯状電極９
と１１は第２の電流検出回路３２に接続されている。第
１及び第２の電流検出回路３１と３２の出力は差動回路
３３に接続され、差動回路３３の出力は同期検波回路３
４及び整流回路３５に接続されている。

【００２７】以下、本発明の実施例に係る圧電振動ジャ
イロの動作について図面を用いて詳細に説明する。

【００２８】帯状電極５，７間と帯状電極７，９間、帯
状電極１１，１３間、帯状電極１３，１５間はそれぞれ
独立して電気−機械変換素子として動作する。帯状電極
５，７間と帯状電極７，９間に同相の電圧を加えれば、
圧電振動子１は、Ｘ方向に振動する。

【００２９】Ｘ方向の振動（図３における矢印方向の振
動）に対しては、帯状電極５，７間と帯状電極７，９
間、帯状電極１１，１３間と帯状電極１３，１５間に
は、図３に示すように同相の電界が発生する。即ち、帯
状電極５，７間と帯状電極７，９間には−（マイナス）
の電界が発生し、帯状電極１１，１３間と帯状電極１
３，１５間には＋（プラス）の電界が発生する。

【００３０】一方、Ｙ方向の振動（図４における矢印方
向の振動）に対しては、帯状電極５，７間と帯状電極
７，９間、帯状電極１１，１３間と帯状電極１３，１５
間には、図４に示すように逆相の電界が発生する。即
ち、帯状電極５，７間と帯状電極７，９間にはそれぞれ
プラスとマイナスの電界が発生し、帯状電極１１，１３
間と帯状電極１３，１５間にはそれぞれマイナスとプラ
スの電界が発生する。

【００３１】帯状電極５，９，１１，１５は、上述した
第１及び第２の電流検出回路３１と３２の入力端子に接
続されている。これら第１及び第２の電流検出回路３１
と３２各々の入力端子は、それぞれ、図７に示すよう
に、オペアンプ４１の反転端子に接続されており、オペ
アンプ４１は抵抗器４２で負帰還がかかっており、非反
転端子が第１及び第２の駆動回路３６と３７の基準電位
に接続されることで、上述した第１及び第２の電流検出
回路３１と３２を構成している。第１及び第２の電流検
出回路３１と３２それぞれの入力端子、即ちオペアンプ
４１の反転端子の電位は、オペアンプ４１の仮想接地機
能により非反転端子と同電位となり、基準電位に固定さ
れている。

【００３２】帯状電極７は第１の駆動回路３６に接続さ
れ、帯状電極１３は第２の駆動回路３７に接続されてい
る。帯状電極７及び帯状電極１３には、それぞれ略逆位
相で圧電振動子１の共振周波数に略等しい周波数の交流
電圧が印加され、図３に矢印で示すようなＸ方向の振動
が励起される。

【００３３】このようなＸ方向の振動に対して、図３に
示すように、帯状電極５と１５からは逆相の電流が出力
されるが、帯状電極５と１５は接続されているため、こ
の逆相の電流は相殺されて、第１の電流検出回路３１か
らは出力されない。同様に帯状電極９と１１からも逆相
の電流が出力され、帯状電極９と１１は接続されている
ため、この逆相の電流は相殺されて、第２の電流検出回
路３２からは出力されない。

【００３４】図３に矢印で示す方向に振動させている状
態でＺ軸方向を軸として回転角速度が加わると、コリオ
リ力により図４に矢印で示すようなＹ方向の振動が励起
される。Ｙ方向の振動に対して、図４の図中に示すよう
に帯状電極５と１５からは同位相の電流が出力され、第
１の電流検出回路３１には帯状電極５と１５の出力電流
を足しあわせた（約２倍の）出力が得られる。同様に帯
状電極９と１１には同位相の電流が出力されるから、第
２の電流検出回路３２には帯状電極９と１１の出力を足
しあわせた出力が得られる。ここで、図４図中に示すよ
うに、電極５，１５と電極９，１１は互いに逆相の出力
となるから、第１の電流検出回路３１と第２の電流検出
回路３２はそれぞれ逆相の出力となる。

【００３５】第１の電流検出回路３１及び第２の電流検
出回路３２の出力は差動回路３３に入力され、同期検波
回路３４及び整流回路３５によって同期整流され、コリ
オリ力に比例した直流電圧、即ち回転角速度に比例した
出力電圧を得ることができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の圧電振動ジャイロを構成した場
合、圧電振動ジャイロ用振動子は「振動体」という機械
的な機能と、振動の駆動と検出を行う「電気−機械変換
素子」としての機能を単一素子において実現できるか
ら、接着層を持たず、圧電振動子の構成は簡易となる。

【００３７】また、電極が片面のみに設けられるから、
電極の形成や分極処理が容易となり、小型で安価な圧電
振動ジャイロを得ることができる。

【００３８】本発明の圧電振動ジャイロによれば、圧電
振動子と回路基板の電気的な接続は、リード線等を用い
ることなく、回路基板と圧電振動子の接続用ランド部を
直接半田付けすることによって行うことができる。同時
に半田によって回路基板と圧電振動子が固定されるか
ら、組立が非常に容易で、小型で安価な圧電振動ジャイ
ロを提供できる。

【００３９】また、接着層を持たないので、圧電素子の
接着誤差や、接着層の影響を受けず、更にリード線もな
いから従来よりも高精度で信頼性の高い圧電振動ジャイ
ロを得ることができる。

【００４０】また、本発明の圧電振動ジャイロを用いれ
ば、駆動検出回路において外乱等により二つの共振部に
同相に発生する振動に対しては、検出回路部で相殺され
るから、外乱の影響の少ない、即ち高精度な圧電振動ジ
ャイロを得ることができる。

【００４１】以上のように、本発明によれば、小型で高
精度な圧電振動ジャイロを得ることができるので、その
工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る圧電振動ジャイロ
における圧電振動子を示す斜視図である。

【図２】図１に示した実施例の電極配置及び分極方向を
示す断面図である。

【図３】図１に示した実施例における圧電振動ジャイロ
用振動子の励振方向（Ｘ方向）の振動方向及びその振動
による電極の出力を示す断面図である。

【図４】図１に示した実施例における圧電振動ジャイロ
用振動子の検出方向（Ｘ方向）の振動（コリオリ力によ
る振動）方向及びその振動による電極の出力を示す断面
図である。

【図５】図１に示した実施例における圧電振動ジャイロ
の回路基板の形状と、圧電振動子と回路基板の接続状態
を示す斜視図である。

【図６】図１に示した実施例における圧電振動ジャイロ
の駆動検出回路を示すブロック図である。

【図７】図１に示した実施例における圧電振動ジャイロ
の電流検出回路の構成例を示す回路図である。

【図８】従来の圧電振動ジャイロにおける圧電振動子を
示す斜視図である。

【符号の説明】

１圧電振動子５，７，９，１１，１３，１５帯状電極１７ランド１９切り欠き部２１圧電振動子取り付け
ランド２３回路基板３１第１の電流検出回路３２第２の電流検出回路３３差動回路３４同期検波回路３５整流回路３６第１の駆動回路３７第２の駆動回路４１オペアンプ４２抵抗器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動させている物体（以後、この励振す
る振動の方向をＸ方向と記す）に回転角速度が与えられ
ると、その励振方向と直角な方向（以後、この振動の方
向をＹ方向と記す）にコリオリ力を生ずる力学現象を利
用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互い
に直交する前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向の励振と検出が可
能であるように構成された振動子を用いて構成される圧
電振動ジャイロにおいて、前記振動子は、前記Ｘ方向又
は前記Ｙ方向に平行な最低１つの面を含む音叉型の圧電
素子からなり、前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向の何れかに平
行な一つの面のみに電極を設けられていることを特徴と
する圧電振動ジャイロ。
【請求項２】請求項１記載の圧電振動ジャイロにおい
て、前記振動子は、音叉型振動子の双方の共振部にそれ
ぞれ３本ずつの帯状電極が形成されていることを特徴と
する圧電振動ジャイロ。
【請求項３】請求項１記載の圧電振動ジャイロにおい
て、前記振動子の電極は、音叉型の振動子のベース部に
振動子を回路基板と電気的に接続及び固定に用いられる
振動子取り付け用ランドが設けられていることを特徴と
する圧電振動ジャイロ。
【請求項４】請求項２記載の圧電振動ジャイロにおい
て、前記振動子の３本の電極の内、真ん中の１本は駆動
端子として振動子駆動回路に接続され、第１の駆動端子
と第２の駆動端子には、逆位相の駆動電圧を印加するこ
とを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項５】請求項２記載の圧電振動ジャイロにおい
て、前記２本の検出端子は、それぞれ電流検出回路を構
成するオペアンプの反転端子に接続され、２本の検出端
子の電位は、オペアンプの仮想接地機能により駆動検出
回路の基準電位に固定されており、この基準電位と駆動
端子の間に電圧を印加することで振動子を駆動し、前記
２本の検出端子に接続された電流検出回路の出力を用い
てＸ方向及びＹ方向の振動を検出できるように構成した
ことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項６】請求項２記載の圧電振動ジャイロにおい
て、前記検出端子のうち、振動子の外側にある検出端子
同士及び内側にある検出端子同士は、振動子のベース部
又は接続する回路基板上で接続して用いられることを特
徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項７】請求項３記載の圧電振動ジャイロにおい
て、前記振動子取り付け用ランドは、支持具やリード線
等を用いず、回路基板に設けられたランドに直接半田付
け等によって電気的接続及び固定を行うことを特徴とす
る圧電振動ジャイロ。
【請求項８】請求項７記載の圧電振動ジャイロにおい
て、前記回路基板の振動子部に、切り欠きが設けられ、
振動子の振動する部分と回路基板が接触しないようにさ
れていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。