JPH10260046A - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で構造及び製造が簡単，高精度のエネル
ギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロを
提供すること。 【解決手段】 厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板１
０の少なくとも一方の主面のほぼ中央部に，駆動あるい
は検出用の複数の第１乃至第３の電極１１，１２，１３
を形成して構成した平行電界励振型エネルギー閉じ込め
厚みすべり振動を利用した圧電振動ジャイロにおいて，
複数の第１乃至第３の電極１１，１２，１３を含むエネ
ルギー閉じ込め振動の生ずる振動領域２のみを，略円形
に分極した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，自動車のナビゲー
ションシステムやカメラー体型ＶＴＲカメラの手ブレ補
正などに用いられるジヤイロスコープの内，圧電振動子
の超音波振動を利用した振動ジャイロに関し，特に圧電
振動子の振動モードとしてエネルギー閉じ込め振動モー
ドを利用し，構造が簡単で支持が容易な耐振動特性及び
耐衝撃性に優れた圧電振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロスコープ（以下，単に
圧電振動ジャイロと呼ぶ）は，圧電振動子を一定方向に
励振しておいた状態で，その圧電振動子がその振動方向
に直角な方向の軸のまわりに回転した際，その励振方向
及び回転軸に直角の方向に生ずるコリオリカを検知し
て，回転角速度を検出するものである。この圧電振動ジ
ャイロは，種々の応用があるが，最近では，例えば，自
動車のナビゲーションシステムや，ＶＴＲカメラの手振
れ補正機構などに用いられている。

【０００３】圧電振動ジャイロとして，振動のエネルギ
ーが駆動電極近傍に集中しているエネルギー閉じ込め振
動モードで振動する圧電振動子を用いたエネルギー閉じ
込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが，例え
ば，特開昭６２−１６２９１５号公報（以下，従来技術
１と呼ぶ）に提案されている。

【０００４】エネルギー閉じ込め振動モードを利用した
圧電振動ジャイロは，振動エネルギーが圧電振動子の局
部に集中しているので，圧電振動子の支持が簡単容易で
あり，遊離しているリード線が不要となるという利点が
ある。

【０００５】従来技術１には，振動エネルギーを局部に
閉じ込めるために，振動子の厚みを局部的に厚く形成し
その部分を厚み方向に分極し，厚い局部の対向端面に駆
動電極を設け，対向側面に検出電極を設けたものを開示
している。また，他の例として，駆動電極と検出電極を
圧電板の一面に設け，駆動電極間に検出電極として交差
指電極を設けたものも開示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１に開示され
たエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジ
ャイロは，圧電板の厚みを局部的に厚くしなくてはなら
ないとか交差指電極を形成しなければならないといった
製造上の難点があった。

【０００７】また，一対の駆動電極と一対の検出電極が
互いに近傍に設けられているので，駆動電極から圧電板
内に印加した駆動電界が検出電極に影響され，駆動電界
方向が変化して精度が得られないという欠点が見られ
る。

【０００８】従って，本発明の技術的課題は，小型で構
造及び製造が簡単，高精度のエネルギー閉じ込め振動モ
ードを利用した圧電振動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】本発明によれば，厚さ方
向に分極軸成分を有する圧電板の少なくとも一方の主面
に，駆動あるいは検出用の複数の電極を形成して構成し
た平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚みすべり振動を
利用した振動ジャイロにおいて，電極を含むエネルギー
閉じ込め振動の生ずる振動領域のみを，略円形に分極し
た振動ジャイロが得られる。ここで，本発明において，
略円形とは，真円形は勿論のこと，円の一部を直径方向
に沿って切除した形，楕円，及びトラック形も含む。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施の形態における
エネルギー閉じ込め形圧電振動ジャイロの圧電振動子の
構成を示す図であり，（ａ）は平面図及び（ｂ）は横断
面図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように，圧電
振動子１は，例えば，ＰＺＴやチタン酸バリウムなどの
圧電セラミックス板で構成した，中央部が厚さ方向に分
極軸成分を有する圧電板１０を用いる。この圧電板１０
の前記中央部の主面上に，ストリップ状で同じ大きさの
電極を正三角形の各頂点で，垂直二等分線を軸に線対称
となるような位置に，３個の第１乃至第３の電極１１，
１２，１３が形成されている。これら第１，第２，及び
第３の電極１１，１２，１３には，外部に導出するため
の第１，第２，及び第３の端子部１４，１５，１６が，
夫々接続されている。図１においては，電極及び端子部
を併せて細線の斜線で示している。このとき，圧電板１
０は図１において破線２で示すように，３つの第１，第
２，及び第３の電極１１，１２，１３で囲まれる円形の
領域だけが圧電板１０の厚さ方向に分極されている。こ
のように，第１，第２，及び第３の電極１１，１２，１
３で囲まれる円形の領域だけを分極した場合，分極され
ている領域と分極されていない領域の圧電的特性が変化
するため，エネルギー閉じ込めの状態が良くなる。

【００１２】さらに，振動ジャイロを構成する場合に
は，圧電板１０の面内で互いに直交する二つの方向の振
動特性を等しくすることが要求されるため，分極領域の
形状を円形とすることにより，全ての方向の対称性が確
保され，振動ジャイロの特性を向上させることが出来
る。なお，これら第１乃至第３の電極１１〜１３および
第１乃至第３の端子部１４〜１６は，銀ペーストあるい
は金スパッタで構成されると良い。もちろん他の導電膜
を採用することができる。さらに，外部に導出するため
の第１乃至第３の端子部１４〜１６は，圧電振動子１上
に設けず，リード線を用いても良い。

【００１３】図１に示す圧電振動ジャイロの圧電振動子
１の動作は次の通りである。図１に示す通り，厚み方向
をＺ軸，第１の電極１１の正面の方向をＸ軸，これらに
直交する方向をＹ軸とする三次元座標を定める。ここ
で，第１の電極１１と，第２及び第３の電極１２，１３
との間に駆動電圧（交流）を印加すると，Ｘ方向の振動
が励振される。この状態で圧電板１０がＺ軸のまわりに
回転すると，Ｙ方向にコリオリ力による振動が発生し，
これにより，第２及び第３の電極１２，１３間に起電力
が発生する。この起電力を検知することによってコリオ
リ力による振動の大きさを，したがって回転角速度を検
知することができる。

【００１４】なお，振動のエネルギーは，圧電板１０の
前記中央に閉じ込められ，周辺に及ばないので，圧電板
１０の周辺部を支持することが容易である。

【００１５】図２は図１の圧電振動子１に接続される回
路構成を示すブロック図である。図２を参照すると，圧
電振動子１の第２及び第３の電極１２及び１３には，電
流検出回路１８，１９（以下，説明の便宜上，夫々第１
及び第２の電流検出回路と呼ぶ）がそれぞれ接続されて
いる。第１及び第２の電流検出回路の出力側には，差動
増幅回路２２が接続され，同期検波回路（図では単に同
期検波と示す）２３，整流回路２４を介して，圧電振動
ジャイロのセンサ出力となる。一方，第１及び第２の電
流検出回路は，自励発振条件を満たすための発振回路２
５に夫々接続され，Ｘ振動駆動回路２６を介して第１の
電極１１に接続されており，自励発振回路を構成してい
る。この自励発振回路により圧電振動子１の厚みすべり
振動の共振周波数にほぼ等しい周波数の交流電圧が第１
の電極１１に印加される。

【００１６】図３は，図２のエネルギー閉じ込め振動モ
ードを利用した圧電振動ジャイロに用いた仮想接地機能
を有する電流検出回路の構成例を示す図である。演算増
幅器２７の非反転入力端子は，基準電圧に接地されてお
り，演算増幅器２７の出力端子から反転入力端子に抵抗
器Ｒが接続されており，演算増幅器２７の仮想接地機能
により反転入力端子は常に基準電位に保たれる。この反
転端子に電流が流入すると，抵抗器により電圧に変換さ
れる。よって図３に示す電流検出回路１８，１９は，機
能的には入カインピーダンスがほぼ０で，入力電流に比
例した出力電圧を得ることが出来る回路である。

【００１７】次に，更に具体的に，本発明の第１の実施
の形態による圧電振動子の駆動原理を図面を参照して説
明する。

【００１８】図４（ａ）及び（ｂ）は，図１に示した平
行電界励振型厚みすべりエネルギー閉じ込め形圧電振動
ジャイロの圧電振動子１´の基本構造を示す図であり，
（ａ）は平面図及び（ｂ）は端子部を除いた電極部分の
みを示す側面図である。図４（ａ）及び（ｂ）を参照す
ると，圧電振動子１´は，厚さ方向（Ｚ軸方向）に分極
された圧電板１０の中央部の同一面上に，Ｘ軸方向に間
隔をもって対向するストリップ状の電極Ｄ１およびＤ２
が形成されている。符号Ｔ１およびＴ２は，電極Ｄ１お
よびＤ２に夫々接続された端子部を示している。端子部
Ｔ１およびＴ２間に電圧を印加すると，対向する電極Ｄ
１およびＤ２の間の圧電板１０の領域（電極間領域）に
は，ほぼ板の面に平行な方向（Ｘ軸方向）の電界が印加
されるため，この電界と直交する厚さ方向（Ｚ軸方向）
の分極との相互作用により，電極間領域にはＸ方向にひ
ずみが生じることになる。ここで，電極Ｄ１，Ｄ２の寸
法を，圧電板１０の特性に合わせて適当に設計すると，
この部分に厚みすべり振動を励起することができる。そ
の振動は電極間領域の周辺には減衰して伝搬せずに閉じ
込められる。すなわちエネルギー閉じ込め形の圧電振動
子１´を構成することができる。また，この振動は圧電
板１０の面に平行な電界によって生じる厚みすべり振動
なので，平行電界励振形厚みすべり振動とよばれる。な
お，厚みすべり振動とは，変位の方向がに板面に平行
で，波の伝搬方向が板の厚さ方向のな振動である。この
振動の様子を図解するために，図５に半波長で共振して
いる場合の厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位分布を示す。

【００１９】図１の圧電振動子１は図４及び図５に示し
た基本構造を利用したものである。すなわち，第１の電
極１１がＤ１電極であり，第２の電極１２および第３の
電極１３がＤ２電極である。Ｄ２電極は検出電極を構成
するために２分割され，第２の１２電極および第３の電
極１３を構成し，それぞれ仮想接地機能を備える電流検
出回路１８および１９に接続している。これにより，第
２の電極１２および第３の電極１３は仮想的に基準電位
に保たれているから，電位的には接地端子とみなすこと
ができる。したがって，図１の第１の電極１１に前記圧
電板の厚みすべり振動モードの共振周波数にほぼ等しい
周波数の励振用の駆動電圧を印加すると，図４の振動子
と同様に，第１，第２，および第３の電極１１，１２，
および１３を含むとともにこれらによって囲まれる円形
領域に，第１の電極１１の矢印方向（Ｘ方向）のエネル
ギー閉じ込め振動モードの厚みすべり振動が発生する。

【００２０】この状態で，前記圧電板１０をその主面と
直交する軸の回りに回転させると，コリオリ力の作用に
より，前記励振されている厚みすべり振動の方向と直角
な方向の厚みすべり振動が発生する。このコリオリカに
より発生した厚みすべり振動により，第１の電極１１と
第２の電極１２間，及び第１の電極１１と第３の電極１
３間のインピーダンスが変化し，その結果として，第１
及び第２の電流検出回路１８，１９に流れ込む電流値が
変化する。第２の電極１２と第３の電極１３は励振され
ている厚みすべり振動の方向に対して対称に配置されて
いるため，コリオリ力により変化する電流は，振幅が等
しく，互いに１８０度位相の異なった電流となる。従っ
て，第１及び第２の電流検出回路（電流検出回路１８及
び１９）の出力電圧も振幅が等しく，互いに１８０度位
相の異なった電圧となり，これらの出力電圧の差の電圧
を検出し，この電圧を所定のタイミングで同期検波をす
ることにより，印加した回転角速度に比例した出力電圧
を得ることが出来る。

【００２１】一方，第１及び第２の電流検出回路は自励
発振条件を満足するための発振回路２５と駆動回路２６
を介して電極１１に接続され，自励発振ループを構成し
ている。これにより，振動子の共振周波数を自動的に追
尾して効率よく振動子を駆動できるから，高感度なジャ
イロを得ることができる。

【００２２】エネルギー閉じ込め厚みすべり振動の変位
分布は，図６に示すように，Ｘ方向に対して対称であ
り，Ｚ軸のまわりに回転するとＹ方向にも対称な分布を
なす。よって，分極域を円形にすることで対称性が良く
なり，反射波などによる振動ジャイロ特性に与える影響
がキャンセルされる。

【００２３】以上の説明は，３電極構成について行った
が，圧電力振動子の電極構成については，図７に本発明
の第２の実施の形態として，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの４電極の
場合の電極構成例を示されている。図７を参照すると，
Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの４電極３１〜３４の電極構成が，圧電
板１０の面内にあるーつの直線，例えば，Ｅ電極３１と
Ｇ電極３３との対向方向に対称であるか，又はＦ電極３
２とＨ電極３４との対向方向に対して対称に構成し，励
振振動をこの直線に沿って励振する構成とすることによ
り，図１に示した圧電振動子１と同様の効果が得られ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上，説明したように，本発明において
は，小型で構造及び製造が簡単，高精度のエネルギー閉
じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による圧電振動子の
構成を示す（ａ）平面図及び（ｂ）断面図である。

【図２】図１の圧電振動子を用いたジャイロの回路構成
を示すブロック図である。

【図３】図２の回路で用いる電流検出回路の一例を示す
回路図である。

【図４】図１の圧電振動子に採用した振動子基本構造を
示す図で，（ａ）は平面図，（ｂ）は側面図である。

【図５】図４の基本構造の振動子の厚みすべり振動にお
ける厚み方向の変位分布を示す図である。

【図６】厚みすべり振動の変位分布を示す図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態による圧電振動子の
電極の構成例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 圧電振動子 １０ 圧電板 １１ 第１の電極 １２ 第２の電極 １３ 第３の電極 １４ 第１の端子部 １５ 第２の端子部 １６ 第３の端子部 １８，１９ 電流検出回路（第１及び第２の電流検出
回路） ２２ 差動回路 ２３ 同期検波回路 ２４ 整流回路 ２５ 発振回路 ２６ 駆動回路 ２７ 演算増幅器 ３０ 圧電振動子 ３１，３２，３３，３４ Ｅ，Ｆ，Ｇ，及びＨ電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板の
   少なくとも一方の主面に，駆動あるいは検出用の複数の
   電極を形成して構成した平行電界励振型エネルギー閉じ
   込め厚みすべり振動を利用した振動ジャイロにおいて，
   前記複数の電極を含むエネルギー閉じ込め振動の生ずる
   振動領域のみを，略円形に分極したことを特徴とする振
   動ジャイロ。