JP2000321074A - 圧電振動子及びこれを利用した信号検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来は２つの出力電極間にアース電極を有す
る構成であったため、出力電極とアース電極間の沿面距
離を均等に形成する必要があった。 【解決手段】 三脚音叉型圧電振動子の各振動脚１１
ｕ，１１ｖおよび１１ｗの一方の面の電極（駆動電極）
ｃ１，ｄ１，ｃ，ｄ，ｃ２およびｄ２に駆動信号を与え
る。他方の面の電極（出力電極）ａ１，ｂ１，ａ，ｂ，
ａ２およびｂ２のうち、出力電極ａおよびｂをＩ／Ｖ変
換手段１２，１３にそれぞれ接続する。出力電極ａおよ
びｂは、Ｉ／Ｖ変換手段１２，１３においてイマジナリ
ーショートされるため、出力電極ａとｂとの間にアース
電極を設け必要がなくなる。これにより、電極製造工程
を簡素化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロスコープ
などに使用される圧電振動子に係わり、特に電極を削減
した圧電振動子およびこれを利用した信号検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１５Ａは従来の三脚音叉型の圧電振動
子の一方の面を示す斜視図、図１５Ｂは他方の面を示す
斜視図、図１６は図１５Ａを矢印１６方向から見た圧電
振動子の正面図である。

【０００３】振動体１は、全体が、板状の圧電セラミッ
クまたは水晶などの圧電材料で形成されたものであり、
その先部は溝１Ａ，１Ａで分離されて３個の振動脚１
ａ，１ｂ，１ｃが一体に形成されている。各振動脚１
ａ，１ｂ，１ｃでの圧電材料の誘電分極方向は図１６に
おいて矢印で示す通りであり、左右両側の振動脚１ｂと
１ｃとで誘電分極方向が同じであり、中央の振動脚１ａ
では、左右の振動脚１ｂおよび１ｃに対し、誘電分極方
向が左右および上下に対称な向きである。

【０００４】各振動脚１ａ，１ｂ，１ｃでは下面側にそ
れぞれ一対の駆動電極２，２，…が導電性材料により形
成されており、この駆動電極２，２，…は、図１５Ｂに
示すように、振動体１の基端部１Ｂまで延びている。上
記駆動電極２，２，…は図示しない配線により、交流駆
動電源３に接続され、交流駆動電源３から各駆動電極
２，２，…に同電位の駆動電圧が与えられる。

【０００５】振動体１の上面では、左右の振動脚１ｂ，
１ｃに一対のアース電極４，４，…が、中央の振動脚１
ａに１本のアース電極４が形成されている。各アース電
極４，４，…は、振動体１の基端部１Ｂに延びている。
図１５Ａに示す振動体１の表面では、基端部１Ｂに集約
パターン４ａが形成されて、全てのアース電極４は集約
パターン４ａに接続されている。図示しない配線経路に
より、各アース電極４，４，…は接地電位となってい
る。

【０００６】前記駆動電極２、２、…とアース電極４，
４，…とで、駆動手段である圧電材料に対して駆動電圧
が与えられる。図１６に示す誘電分極構造にしたがっ
て、左右の振動脚１ｂと１ｃは、Ｘ方向へ同位相で振動
駆動され、中央の振動脚１ａは、左右の振動脚１ｂ，１
ｃと逆の位相（１８０度相違する位相）により同じくＸ
方向へ振動駆動される。すなわち、ある時点において、
左右の振動脚１ｂ，１ｃのＸ方向への振幅と振動脚１ａ
のＸ方向への振幅とは逆方向である。

【０００７】中央の振動脚１ａの上面には、一対の検出
電極５ａと５ｂが形成されている。各検出電極５ａと５
ｂは、振動体１の後方にて基端部１Ｂよりも手前の位置
まで延びており、それぞれの検出電極５ａおよび５ｂに
はランド部５ａ1と５ｂ1が一体に形成されている。

【０００８】振動脚１ａ，１ｂ，１ｃがＸ方向へ駆動さ
れている状態で、振動体１がＺ軸回りの角速度ωを有す
る回転系内に置かれると、コリオリ力により、各振動脚
１ａ，１ｂ，１ｃがＹ方向の振動成分を持つ。両側の振
動脚１ｂおよび１ｃと、中央の振動脚１ａとでは、駆動
電圧による振動の位相が逆であるため、コリオリ力によ
る振動の位相も、振動脚１ｂ，１ｃと、振動脚１ａとで
逆である。すなわち、ある時点において、振動脚１ｂと
１ｃのコリオリ力によるＹ軸での振幅成分の方向が同じ
であり、中央の振動脚１ａのＹ軸での振幅成分の方向は
振動脚１ｂ，１ｃと逆方向である。

【０００９】検出電極５ａと５ｂは、中央の振動脚１ａ
の同じ面（同じ振動面）に形成されており、中央の振動
脚１ａの圧電材料がコリオリ力の検出手段として機能す
る。この検出電極５ａと５ｂが形成されている部分の圧
電材料の誘電分極方向が互いに逆である。したがって、
交流駆動電源３からの駆動信号により各振動脚１ａ，１
ｂ，１ｃがＸ方向へ振動駆動され、且つ角速度ωが与え
られると、コリオリ力によるＹ方向への振動によるコリ
オリ出力成分が、検出電極５ａからの検出出力Ｃと検出
電極５ｂからの検出出力Ｄとの間に位相差がφ生じる。

【００１０】これら検出出力Ｃ，Ｄは、図示しない位相
差検出手段において位相差φに相当する直流電圧が検出
され、この直流電圧から角速度ωが求められ、さらにこ
の角速度ωを数値積分することにより角度が求められ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のジ
ャイロスコープにおける信号検出方法では、以下に示す
ような問題がある。

【００１２】第１に、中央の振動脚１ａでは、その狭い
表面上に検出電極５ａと検出電極５ｂ以外にアース電極
４を設ける構成であり、しかもこのアース電極４は振動
脚１ａの先端から基端部１Ｂまで検出電極５ａおよび検
出電極５ｂに対し平行に形成する必要がある。

【００１３】しかし、振動脚の先端から基端部１Ｂまで
の間、一律にアース電極４を検出電極５ａと５ｂの両者
から等間隔で形成することが難しい。したがって、アー
ス電極４と検出電極５ａとの間の沿面距離Ｗａと、アー
ス電極４と検出電極５ｂとの間の沿面距離Ｗｂとが異な
ると、アース電極４と検出電極５ａとの間、またはアー
ス電極４と検出電極５ｂとの間に絶縁破壊が起りやすく
なるという問題がある。

【００１４】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、従来必要とされていたアース電極を削減し
て、製造工程を簡素化することのできる圧電振動子を提
供することを目的としている。

【００１５】また本発明は、振動脚上の好適な電極配置
を行い、位相差を確実に検出することができる圧電振動
子及びこの圧電振動子を利用した信号検出装置を提供す
ることを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転系におけ
るコリオリ力に比例した角速度を出力する圧電振動子で
あって、断面が長方形または正方形の振動脚と、この振
動脚の駆動方向に延びる面において前記駆動方向へ間隔
を開けて且つ振動脚の長手方向に延設された一対の駆動
電極が設けられ、前記振動脚の前記駆動電極が形成され
た面と逆側の面には前記駆動電極に対向する一対の出力
電極のみが振動脚の長手方向へ延設されており、前記駆
動電極に駆動電力が与えられると圧電効果により振動脚
が振動駆動され、前記コリオリ力に比例した角速度成分
が、圧電効果により前記一対の出力電極から得られるこ
とを特徴とするものである。

【００１７】本発明では、振動脚の一方の面に一対の駆
動電極、他方の面に一対の出力電極をそれぞれ形成すれ
ばよく、出力電極と出力電極との間にアース電極を設け
る必要がない。よって、両出力電極とアース電極との間
の沿面距離を均等にしなければならないという従来の問
題をなくすことができる。よって、電極間の絶縁破壊の
問題を解消することができる。

【００１８】また、一対の出力電極の間に設けていた接
地用のアース電極を不要とすることが可能となるため、
電極を形成する製造工程を簡素化することができるよう
になる。

【００１９】上記において、振動子には分岐形成された
３個の振動脚が設けられ、前記駆動電極および出力電極
は全ての振動脚に設けられており、前記駆動電極と出力
電極との間に駆動信号が与えられ、前記出力電極のうち
少なくとも一組の出力電極からコリオリ力に比例した角
速度成分が検出されるものが好ましい。

【００２０】図２に示す圧電振動子を用いて説明する
と、上記一組の出力電極は、中央の振動脚（１１ｖ）に
設けられた一対の出力電極ａとｂの組合せが最も好まし
いが、その他例えば左側の振動脚（１１ｕ）の出力電極
ａ１とｂ１との組合せや、右側の振動脚（１１ｗ）の出
力電極ａ２とｂ２との組合せであってもよく、あるいは
左側の振動脚（１１ｕ）の出力電極ａ１と右側の振動脚
（１１ｗ）の出力電極ｂ２との組合せ、左側の振動脚
（１１ｕ）の出力電極ｂ１と右側の振動脚（１１ｗ）の
出力電極ｂ２との組合せであってもよい。また出力電極
ａ１とａ２の出力と出力電極ｂ１とｂ２の出力とで１組
の出力電極とすることも可能である。

【００２１】また前記１組の出力電極以外の出力電極
が、不変電位に固定されているものが好ましい。

【００２２】例えば、前記不変電位は、接地電位であ
り、その他変動しない電位であれば、電源電圧や中点電
位（電源電圧の１／２）などであってもよい。

【００２３】また各振動脚の幅方向の中心を通り長手方
向に延びる軸を各振動脚の中心軸としたときに、前記出
力電極が、振動脚の面において前記中心軸から最も離れ
た位置に設けられているものが好ましい。

【００２４】振動駆動された圧電振動子が回転系に置か
れると、各振動脚にコリオリ力が作用し、各振動脚の運
動は楕円運動となる。したがって、コリオリ力による振
動子の変位が最大となる位置が、各振動脚の中心軸から
最も離れた位置となるため、この位置に出力電極を設け
ておくことにより、コリオリ力をより高い感度で検出す
ることが可能である。

【００２５】さらに、前記出力電極から得られる電流出
力を電圧出力に変換するＩ／Ｖ変換手段を有し、出力電
極が前記Ｉ／Ｖ変換手段におけるイマジナリーショート
を介してそれぞれ接地されているものが好ましく、これ
を利用した信号検出装置である。

【００２６】本発明では、振動脚の一方の面に一対の駆
動電極、他方の面に一対の出力電極が形成され、前記駆
動電極に交流駆動信号を与え、他方の面のうち、両側の
振動脚に配設された各一対の電極を接地電位、あるいは
不変電位に接続することにより、両側の振動脚を同相で
振動駆動させることができる。また中央の振動脚に配設
された電極は、演算増幅器などから構成されるＩ／Ｖ
（電流／電圧）変換手段に接続されるが、Ｉ／Ｖ変換手
段を構成する演算増幅器の反転端子と非反転端子間はイ
マジナリーショートにより、反転端子が接地電位となる
ため、従来のようにアース電極を形成しなくても中央の
振動脚を振動駆動させることが可能となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。

【００２８】図１はジャイロスコープにおける圧電振動
子の斜視図、図２は図１の矢印２方向から見た圧電振動
子の正面図、図３はその他の圧電振動子の分極状態を示
す正面図、図４Ａは圧電振動子にＸ方向の振動を与えた
場合の各振動脚の正面図、図４Ｂは圧電振動子を回転系
に置いた場合の各振動脚の正面図である。

【００２９】図１に示すように、圧電振動子１１は全体
がＰＺＴや水晶などからなる圧電材料の板材により形成
されたものであり、圧電振動子１１の先端には３つの振
動脚１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗが分岐形成されてい
る。

【００３０】各振動脚１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗでの
圧電材料の誘電分極方向は、図２において矢印で示す通
りである。すなわち、左右両側の振動脚１１ｕと１１ｗ
とで誘電分極方向が同じであり、中央の振動脚１１ｖで
は、左右の振動脚１１ｕおよび１１ｗに対し、誘電分極
方向が左右および上下に対称な向きである。

【００３１】なお、以下では図２に示す中央の振動脚１
１ｖにおいて、出力電極ｂから出力電極ａに向かう分極
をＰ_xa，駆動電極ｄから駆動電極ｃに向かう分極を
Ｐ_xb，出力電極ｂから駆動電極ｃに向かう分極をＰ_ya，
駆動電極ｄから出力電極ａに向かう分極をＰ_ybとする。

【００３２】図２および図４に示すように、各振動脚１
１ｕ、１１ｖおよび１１ｗの一方の面（＋Ｙ側）には、
各振動脚の先端から基端方向に銀系サーメット導電体や
銅箔などの導電性材料からなる駆動電極ｃ１，ｄ１，
ｃ，ｄ，ｃ２，ｄ２がそれぞれプリント形成（延設）さ
れている。同様に、他方の面（−Ｙ側）には、前記各駆
動電極に対応する電極ｂ１，ａ１，ｂ，ａ，ｂ２，ａ２
がそれぞれプリント形成されている。

【００３３】図２に示すように、前記駆動電極ｃ１，ｄ
１，ｃ，ｄ，ｃ２，ｄ２は、交流駆動信号源Ｅに接続さ
れている。また両側の振動脚１１ｕおよび１１ｗの出力
電極ｂ１，ａ１，ｂ２，ａ２は、接地電位（０ボルト）
に接続されている。なお、電極ｂ１，ａ１，ｂ２，ａ２
は、常に一定の電位（不変電位）に固定されていていれ
ば、接地電位以外の電位、例えば中点電位に接続されて
いてもよい。

【００３４】また中央の振動脚１１ｖの電極ａおよびｂ
は出力電極である。出力電極ａおよびｂは、電流出力を
電圧出力に変換するためのＩ／Ｖ変換手段１２，１３に
それぞれ接続されている。Ｉ／Ｖ変換手段１２，１３
は、オペアンプなどの演算増幅器１２Ａ，１３Ａを主体
に構成されており、出力電極ａおよびｂの電流出力Ｉ_a
およびＩ_bを電圧出力Ｖ_aおよびＶ_bにそれぞれ変換す
る。

【００３５】演算増幅器１２Ａ，１３Ａの非反転端子
（＋端子）は接地されており、演算増幅器１２Ａ，１３
Ａ自体の入力インピーダンスは極めて大きいが、Ｉ／Ｖ
変換手段１２，１３としての入力インピーダンスはきわ
めて小さくなる。これにより、電流出力Ｉ_aおよびＩ
_bは、そのほとんどが外付け抵抗Ｒ１，Ｒ２にそれぞれ
流れるため、電圧出力Ｖ_aおよびＶ_bはそれぞれＶ_a＝−
Ｒ１・Ｉ_aおよびＶ_b＝−Ｒ２・Ｉ_bとなっている。

【００３６】また反転端子（−端子）と非反転端子（＋
端子）間がイマジナリーショート（仮想接地）されるこ
とにより、反転端子の電位はほぼ接地電位となる。した
がって、従来のように出力電極ａとbとの間にアース電
極Ｇを設け、このアース電極Ｇと接地電位とを直接接続
しなくとも電圧出力Ｖ_aおよびＶ_bを得ることができる。
よって、出力電極aとｂ間のアース電極Ｇを不要とする
ことができる。

【００３７】なお、各振動脚１１ｕ、１１ｖおよび１１
ｗの分極配置および交流駆動電源との接続は例えば図３
に示すようなものであってもよい。すなわち、各振動脚
１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗの分極をすべて同じ方向と
した場合には、中央の振動脚１１ｖに与える駆動信号と
両側の振動脚１１ｕ、１１ｗに与える駆動信号とは、互
いに位相が１８０度異なる電源Ｅ１およびＥ２を使用す
ればよい。あるいは、１つの交流駆動電源Ｅの駆動信号
から位相が１８０度異なる駆動信号を生成し、これらを
上記同様に加えてもよい。

【００３８】図２において、交流駆動信号源Ｅから、前
記各駆動電極ｃ１，ｄ１，ｃ，ｄ，ｃ２およびｄ２に正
弦波状の交流駆動信号Ｓ（ドライブ信号）が与えられる
と、振動脚１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗは、圧電効果に
より各振動脚の並び方向となるＸ方向（＋Ｘ及び−Ｘ方
向）へ振動駆動される。

【００３９】各振動脚１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗは、
Ｘ方向へ一次または数次モードによる曲げ変形振動を生
じる。また、両側の振動脚１１ｕと１１ｗが同じ位相で
駆動され、中央の振動脚１１ｖは、両側の振動脚１１ｕ
および１１ｗと位相がπ（１８０度）相違するように駆
動される。すなわち、図４Ａに示すように、両側の振動
脚１１ｕと１１ｗのある時点での振幅の方向が＋Ｘ方向
のとき、中央の振動脚１１ｖの振幅方向は−Ｘ方向であ
る（点線の矢印）。また振動脚１１ｕと１１ｗとが共に
−Ｘ方向に振幅するとき、中央の振動脚１１ｖの振幅方
向は＋Ｘ方向である（実線の矢印）。

【００４０】ここで、各振動脚１１ｕ、１１ｖおよび１
１ｗの各中心軸をＯ_u，Ｏ_vおよびＯ _wとすると、振動が
生じていないときには中央の振動脚１１ｖの中心軸Ｏ_v
と圧電振動子１１の中立軸Ｏとが一致する。そして、振
動がＸ方向に生じると、中央の振動脚１１ｖの中心軸Ｏ
_vは中立軸Ｏを中心に＋Ｘ方向および−Ｘ方向に振動す
る。一方、両側の振動脚１１ｕと１１ｗは、中立軸Ｏに
対して左右対称にＸ方向に振動するため、中央の振動脚
１１ｖが左右均等に振動するためのバランサーとしての
役目を有している。

【００４１】図５Ａは中央の振動脚の端面を示す正面
図、図５Ｂは図５Ａの振動脚にＸ方向の振動を与えた場
合の中心軸と出力電極との相対距離の関係を示す図、図
６Ａは中央の振動脚の端面を示す正面図、図６Ｂは図６
Ａの振動脚にＸ方向の振動を与え且つ回転系に置いた場
合の中心軸と出力電極との相対距離の関係を示す図であ
る。

【００４２】図５Ａに示すように、中央の振動脚１１ｖ
に着目すると、Ｘ方向へ振動を生じている状態では、振
動脚１１ｖの中心軸Ｏ_vは、Ｘ軸上の座標（α，０）と
（−α，０）との間を往復移動する軌跡を描く。ここ
で、一方の出力電極ａを固定して考え、この出力電極ａ
と軌跡上の中心軸Ｏ_vとの間の相対距離Ｌを求めると、
図５Ｂに示すような右肩下がりの直線として示される。
ただし、図５Ａに示すように、中央の振動脚１１ｖの中
心軸Ｏ_vが中立軸Ｏに一致したときの中心軸Ｏ_vと出力電
極ａとの距離をＬ₀、振動脚１１ｖの中心軸Ｏ_vが中立軸
Ｏに対し最も＋Ｘ方向に移動した座標（α，０）にある
ときの中心軸Ｏ_vと出力電極ａとの距離をＬ₂、中心軸Ｏ
_vが中立軸Ｏに対し最も−Ｘ方向に移動した座標（−
α，０）にあるときの中心軸Ｏ_vと出力電極ａとの距離
をＬ₁としており、振動脚１１ｖの振幅は２α（＝α−
（−α））である。

【００４３】上記のようにＸ方向へ振動駆動された状態
で、圧電振動子１１をＺ軸回りの回転系に置くと、前記
圧電振動子１１はＹ軸方向成分のコリオリ力が作用す
る。すなわち、図４Ｂに示すように、圧電振動子１１に
例えば時計回り方向の回転を与えると、Ｘ方向への振動
にコリオリ力のＹ方向成分が合成されるため、各振動脚
１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗは時計回りの楕円運動とな
る。

【００４４】このとき中央の振動脚１１ｖに着目する
と、振動脚１１ｖの中心軸Ｏ_vは、図６Ａに実線で示す
ような楕円軌道を描く。また中心軸Ｏ_vと出力電極ａと
の間の距離は変わらないので、各出力電極ａ，ｂも図示
点線で示すような楕円軌道を描く。ここで、上記同様一
方の出力電極ａ固定して考え、この出力電極ａと楕円軌
跡上の中心軸Ｏ_vとの間の相対距離Ｌを求めると、図６
Ｂに示すように、上記図５Ｂに示した右肩下がりの直線
を長軸とする楕円軌道として示される。

【００４５】以上のことから、Ｘ軸方向に振動駆動され
ている圧電振動子１１をＺ軸回りの回転系におくと、こ
の回転によってコリオリ力がＸ軸方向と垂直となるＹ軸
方向に作用するが、この結果、振動脚１１ｖは中立軸Ｏ
を中心とする楕円軌道を描きながら振動駆動されること
がわかる。よって、回転系が時計回り方向である場合に
は、振動脚１１ｖは出力電極ａ→出力電極ｂ→駆動電極
ｃ→駆動電極ｄ→出力電極ａの順で楕円運動する。

【００４６】したがって、出力電極ａ側が圧縮状態にあ
る場合、その反対側に位置する駆動電極ｃ側は伸張状態
にある。また出力電極ｂ側は伸張状態から圧縮状態に移
行する状態にあり、駆動電極ｄ側は圧縮状態から伸張状
態に移行する状態にある。次に、出力電極ｂ側が圧縮状
態になると、駆動電極ｄ側は伸張状態にあり、出力電極
ａ側は圧縮状態から伸張状態へ、駆動電極ｃ側は伸張状
態から圧縮状態へ移行する状態にある。以下同様に、圧
電振動子１１の圧縮および伸張が楕円軌道に沿って繰り
返される。したがって、振動脚１１ｖが時計回り方向に
回転すると、各電極ではａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａの順に起電
力が発生する。

【００４７】また圧縮状態が出力電極ａ側から出力電極
ｂ側に移行するまで、あるいは伸張状態が出力電極ａ側
から出力電極ｂ側に移行するまでにはわずかに時間がか
かるため、出力電極ａで発生する起電力による出力信号
と出力電極ｂで発生する起電力による出力信号（電流出
力）との間にもわずかな時間的な遅れが生じる。そこ
で、電極ｃと電極ｄを駆動電極とし、且つ電極ａおよび
ｂを出力電極とした振動脚１１ｖを回転系に置くと、出
力電極ａの出力信号と出力電極ｂの出力信号との間に位
相差を検出することができる。そして、この位相差の大
きさが角速度に比例したものとなる。

【００４８】また回転系の回転力が大きいほど、コリオ
リ力が大きく作用し、楕円軌道は真円軌道に近付くこと
となり、圧縮又は伸張状態が出力電極ａから出力電極ｂ
に移行するまでの時間が長くなる。あるいは中心軸Ｏ_v
と出力電極ａまでの距離、中心軸Ｏ_vと出力電極ｂまで
の距離を長くすると大きな楕円運動となるため、圧縮又
は伸張状態が出力電極ａから出力電極ｂに移行するまで
の時間が長くなる。すなわち、コリオリ力が大きいほ
ど、または中心軸Ｏ_vと出力電極ａおよびｂまでの距離
が長いほど、出力電極ａの出力信号と出力電極ｂの出力
信号間の位相差が大きくなるので、この間の位相差を高
い精度で検出することができる。

【００４９】また、コリオリ力を駆動電極ｄと出力電極
ａとの間、および／または駆動電極ｃと出力電極ｂとの
間の電圧出力（振幅）の変化量として検出して角速度を
求めることも可能であるが、この場合交流駆動信号源の
電圧の変化や圧電材料の温度変化などにより、出力信号
の振幅が変化しやすい。このため、制御回路にＡＧＣ回
路などを付加して振幅を安定化する必要がある。しか
し、上記の場合、位相差には変化が生じないため、ＡＧ
Ｃ回路などを不要とすることができる。

【００５０】また、上記においては、出力電極ａと出力
電極ｂとが振動脚の同一面上に形成され、従来のように
この間にアース電極を形成する必要がないので製造工程
を簡素化することができる。よって、出力電極とアース
電極間の沿面距離の均一化を図る必要がなく絶縁破壊の
問題も生じない。

【００５１】以下においては、振動脚の楕円運動と出力
信号との関係を理論的に考察する。図７は、中央の振動
脚の端面の拡大図である。図７において、中心軸Ｏ_vが
描く楕円の長軸の長さを２α、短軸の長さを２β（α≧
β）、離心角をθとすると、楕円軌道上の任意の点Ｑの
座標（ｘ，ｙ）は、それぞれｘ＝αcosθ、y＝βcosθ
で表わされる。

【００５２】また、中心軸Ｏ_vから出力電極ａまでのＸ
軸方向の距離をＬ_xとすると、点Ｑと出力電極ａまでの
Ｘ軸方向の距離Ｘ_aは、Ｘ_a＝Ｌ_x−ｘ＝Ｌ_x−αcosθで
表わされる。また中心軸Ｏ_vから出力電極ａまでのＹ軸
方向の距離をＬ_yとすると、点Ｑと出力電極ａまでのＹ
軸方向の距離Ｙ_aは、Ｙ_a＝Ｌ_y−ｙ＝Ｌ_y−βcosθで表
わされる。よって、任意の点Ｑから出力電極ａまでの距
離Ｌ_aは数１のようになる。

【００５３】

【数１】

【００５４】同様に任意の点Ｑと出力電極ｂまでのＸ軸
方向の距離Ｘ_bは、出力電極ａとｂ位置との対称性より
Ｌ_y＝Ｌ_xとなるので、Ｘ_b＝Ｌ_y＋ｘ＝Ｌ_x＋αcosθで表
わされ、点Ｑと出力電極ｂまでのＹ軸方向の距離をＹ_b
（＝Ｙ_a）とすると、点Ｑから出力電極ｂまでの距離Ｌ_b
は数２のようになる。

【００５５】

【数２】

【００５６】次に、振動脚１１ｖがＸ方向およびＹ方向
への圧縮および伸張される場合について考える。

【００５７】振動脚１１ｖが＋Ｘ方向に振動駆動される
と、出力電極ａおよび駆動出力ｄ側が縮み、出力電極ｂ
および駆動電極ｃ側が伸びる。また振動脚１１ｖが−Ｘ
方向に振動駆動されると、出力電極ａおよび駆動出力ｄ
側が伸び、出力電極ｂおよび駆動電極ｃ側が縮む。この
様子は、振動脚１１ｖの各電極を固定して考え、中心軸
Ｏ_vのみが＋Ｘ方向又は−Ｘ方向に振動した場合と同様
と考えることができる。

【００５８】そこで、振動脚１１ｖの各電極を固定し、
中心軸Ｏ_vのみが楕円運動され、振動脚１１ｖに歪みが
生じた場合を想定すると、Ｘ方向への圧縮比Ｐ_xは、Ｐ_x
＝Ｌ _x／Ｘ_aと表わすことができる。また増加分ΔＰ_xの
みを考えると、ΔＰ_x＝１−Ｐ _xとなる。ここで、分極Ｐ
_xaの分極係数をＫ_xaとすると、Ｘ方向への歪みのによる
出力電極ａでの起電力Ｅ_axは、Ｅ_ax＝Ｋ_xa・ΔＰ_xと表
わすことができる。同様にＹ方向の圧縮比をＰ_yとする
とＰ_y＝Ｌ_y／Ｙ_a、増加分をΔＰ_yとするとΔＰ_y＝１−
Ｐ_yとなる。ここで分極Ｐ_yaの分極係数をＫ_yaとする
と、Ｙ方向への歪みによる出力電極ａでの起電力Ｅ
_ayは、Ｅ_ay＝Ｋ_ya・ΔＰ_yと表わされる。よって、出力
電極ａにおける全体の起電力をＥａとすると、Ｅ_a＝Ｅ
_ax＋Ｅ_ayと表わすことができる。

【００５９】さらに、出力電極ａに接続される外部回路
を考え、出力電極ａから外部回路に流れ出る電流をＩ_a
とすると、電流Ｉ_aは上記起電力Ｅ_aを用いて、Ｉ_a＝ｄ
Ｅ_a／ｄｔと表わすことができる。便宜上、分母のｄｔ
をΔdeg（degree：度）で考えると、数３のよう表わさ
れる。

【００６０】

【数３】

【００６１】次に、上記考察に基づいて、楕円軌道の長
軸α、短軸β、分極係数Ｋをパラメータとし、中心軸Ｏ
_vと出力電極ａおよび出力電極ｂとの距離Ｌ_a，Ｌ_b、出
力電極ａおよびｂにおける電圧出力および電流出力につ
いて数値計算を行なったので、以下に第１例乃至第７例
を用いて説明する。なお、各例におけるパラメータの値
を表１に示し、楕円軌道の長軸αと短軸βの値は、中立
軸Ｏから出力電極ａおよびｂの距離Ｌ_xおよびＬ_yをＬ_x
＝Ｌ_y＝５００とした場合に対する比である。

【００６２】また、中央の振動脚１ｖにＸ方向のみに正
弦波状の振動を与えたものであり、振動脚１ｖの各電極
を固定して考え、中心軸Ｏ_vが直線、楕円又は円軌道に
沿って移動した場合に各分極が圧縮又は伸張される場合
である。

【００６３】

【表１】

【００６４】第１例を図８Ａ，ＢおよびＣに示す。第１
例は、楕円軌道の長軸αと短軸βとの比がα：β＝１：
０の場合、すなわち圧電振動子１１が回転系に無い場合
における数値計算結果である。

【００６５】この第１例では、圧電振動子１１にコリオ
リ力が生じないため、振動脚１１ｖはＸ方向のみに直線
的に振動駆動された場合を示している。よって、図８Ａ
に示すように、中心軸Ｏ_vが直線軌跡上の任意の位置に
ある場合における出力電極ａと中心軸Ｏ_vとの距離Ｌ_aお
よび出力電極ｂと中心軸Ｏ_vとの距離Ｌ_bとの関係は、互
いに位相がπ（１８０度）だけずれたものとなる。この
ことは、＋Ｘ方向に生じる歪みと−Ｘ方向に生じる歪み
とは、互いに位相がπ（１８０度）だけずれていること
を意味している。

【００６６】また出力電極ａに対する分極Ｐ_xa，Ｐ
_ybと、出力電極ｂに対する分極Ｐ_xb，Ｐ _yaとでは分極方
向が異なってる。この点を考慮すると、＋Ｘ方向および
−Ｘ方向に振動駆動させると、出力電極ａおよびｂの出
力として図８Ｂに示すような同位相の電圧出力（起電
力）Ｖ_a，Ｖ_bを得る。

【００６７】ただし、実際の振動脚１１ｖの出力電極ａ
およびｂの出力は電流出力である（図２参照）。したが
って、図８Ｂに示す電圧出力Ｖ_a，Ｖ_bを変換することに
より、図８Ｃに示すような同位相の電流出力Ｉ_a，Ｉ_bが
求められる。なお、電流波形を電圧波形に変換すると、
その出力は反転するため、電圧波形は位相がπだけ遅れ
る。

【００６８】図９は第２例として楕円軌道の長軸αと短
軸βとの比をα：β＝１：０．０５とした場合、図１０
は第３例としてα：β＝１：０．１とした場合、図１１
は第４例としてα：β＝１：０．５とした場合、図１２
は第５例としてα：β＝１：１とした場合の各数値計算
の解析結果を示している。図９Ａ，図１０Ａ，図１１Ａ
および図１２Ａは、中心軸Ｏ_vが楕円又は円軌跡上の任
意の点に位置する場合の中立軸Ｏと出力電極ａとの距離
Ｌ_a、および中心軸Ｏ_vと出力電極ｂとの距離Ｌ _bとの関
係を示す図、図９Ｂ，図１０Ｂ，図１１Ｂおよび図１２
Ｂは各電圧出力Ｖ_aおよびＶ_bを示す図、図９Ｃ，図１０
Ｃ，図１１Ｃおよび図１２Ｃは各電流出力Ｉ_aおよびＩ_b
を示す図である。なお、図９の楕円軌跡が最も偏平度合
が高く、図１０、図１１となるにしたがって円に近付
き、図１２で真円となっている。

【００６９】図８Ａ，図９Ａ，図１０Ａ，図１１Ａおよ
び図１２Ａに示すように、直線的な振動駆動よりも偏平
な楕円軌道、偏平な楕円軌道よりも真円に近い軌道、真
円に近い楕円軌道よりも真円軌道の方が、距離Ｌ_aと距
離Ｌ_bとの間の位相差が大きく現れることが判る。

【００７０】また図８Ｂ，図９Ｂ，図１０Ｂ，図１１
Ｂ，図１２Ｂおよび図８Ｃ，図９Ｃ，図１０Ｃ，図１１
Ｃ，図１２Ｃに示すように、距離Ｌ_aと距離Ｌ_bとの間の
位相差が大きくなればなるほど、電圧出力Ｖ_aとＶ_bの間
および電流出力Ｉ_aとＩ_b間の互いの位相差が大きくなる
ことを波形的に確認することができる。

【００７１】これらのことは、圧電振動子１１が大きな
楕円運動を描くほど、すなわち振動脚１１ｖに大きなコ
リオリ力が作用して振動脚１１ｖ楕円軌道が真円に近付
くほど、電圧出力Ｖ_aとＶ_bの間および電流出力Ｉ_aとＩ_b
の間に大きな位相差を生じることを確認でき、これは実
測値と一致するものである。

【００７２】図１３は第６例を示し、楕円軌道の長軸α
と短軸βとの比をα：β＝２００：０とした場合であ
り、上記第１例（回転系に無い場合）の振幅を１とした
ときに振動脚１１ｖの振幅のみを２００倍したものに相
当する。

【００７３】図１３Ａに示すように、振動脚１１ｖの振
幅を単にＸ方向に大きくすると、距離Ｌ_aおよび距離Ｌ_b
が大きくなるが、互いの位相関係は変わらない。これに
より、第１例に比べ電圧出力Ｖ_a，Ｖ_bの出力そのものが
大きくなるが、電圧出力Ｖ_aは正方向に電圧出力Ｖ_bは負
方向にそれぞれバイアスされた出力となる。また電流出
力Ｉ_aおよびＩ_bも大きくなるが、その一方電流出力Ｉ_a
およびＩ_bに歪みが生じることを確認でき、これは実測
値と一致する。

【００７４】図１４は第７例を示し、楕円軌道の長軸α
と短軸βとの比がα：β＝１：１の場合、すなわち圧電
振動子１１が真円軌道を描く場合であって、且つＸ方向
の分極係数とＹ方向の分極係数との比を大きく変えた場
合を示している。

【００７５】図１４Ａに示すように、Ｘ方向とＹ方向と
の分極係数の比を変えても、距離Ｌ _aとＬ_bとの間の位相
差は変わらない。しかし、図１２に示す第５例と比較す
ると、電圧出力Ｖ_aとＶ_bとの間の位相差および電流出力
Ｉ_aとＩ_bとの間の位相差が小さくなる。

【００７６】このことから、電圧出力Ｖ_aとＶ_bとの間お
よび電流出力Ｉ_aとＩ_bとの間の位相差は、Ｘ方向の分極
係数（Ｐ_xa，Ｐ_xb）とＹ方向の分極係数（Ｐ_ya，Ｐ_yb）
の比が１：１の場合が最も大きく検出され、この比が崩
れるにしたがって小さく検出されることがわかり、これ
も実測値と一致する。

【００７７】以上の数値計算による解析の結果、上記考
察で示した数３は、ディメンジョンは異なるものの電流
出力Ｉ_aおよびＩ_bの波形を視覚的に把握するには妥当な
ものといえる。

【００７８】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、振動脚の
同一面上に出力電極ａと出力電極ｂとを形成するだけで
出力を得ることができるため、従来ようにアース電極を
形成する必要がない。よって電極の製造工程を簡素化す
ることができる。また出力電極とアース電極間の沿面距
離の均一化を図る必要がなくなるため、絶縁破壊の問題
も解決できる。

【００７９】さらに、中心軸から遠く離れた位置に各出
力電極を設けることにより、各電流出力間の位相差を確
実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ジャイロスコープにおける圧電振動子の斜視
図、

【図２】図１を矢印２方向から見た圧電振動子の正面
図、

【図３】他の圧電振動子の分極状態を示す正面図、

【図４】Ａは圧電振動子にＸ方向の振動を与えた場合の
各振動脚の正面図、Ｂは圧電振動子を回転系に置いた場
合の各振動脚の正面図、

【図５】Ａは中央の振動脚の正面図、ＢはＡの振動脚に
Ｘ方向の振動を与えた場合の中心軸と出力電極との相対
距離の関係を示す図、

【図６】Ａは中央の振動脚の端面を示す正面図、ＢはＡ
の振動脚にＸ方向の振動を与え且つ回転系に置いた場合
の中心軸と出力電極との相対距離の関係を示す図、

【図７】中央の振動脚の拡大正面図、

【図８】圧電振動子が回転系に無い場合の数値計算結果
を示し、Ａは中心軸と各出力電極との距離を示す図、

【図９】楕円軌道の長軸α：短軸β＝１：０．０５とし
た場合の数値計算結果を示し、Ａは中心軸と各出力電極
との距離を示す図、Ｂは電圧出力を示す図、Ｃは電流出
力を示す図、

【図１０】楕円軌道の長軸α：短軸β＝＝１：０．１と
した場合の数値計算結果を示し、Ａは中心軸と各出力電
極との距離を示す図、Ｂは電圧出力を示す図、Ｃは電流
出力を示す図、

【図１１】楕円軌道の長軸α：短軸β＝１：０．５とし
た場合の数値計算結果を示し、Ａは中心軸と各出力電極
との距離を示す図、Ｂは電圧出力を示す図、Ｃは電流出
力を示す図、

【図１２】楕円軌道の長軸α：短軸β＝１：１とした場
合の数値計算結果を示し、Ａは中心軸と各出力電極との
距離を示す図、Ｂは電圧出力を示す図、Ｃは電流出力を
示す図、

【図１３】楕円軌道の長軸α：短軸β＝２００：０とし
た場合の数値計算結果を示し、Ａは中心軸と各出力電極
との距離を示す図、Ｂは電圧出力を示す図、Ｃは電流出
力を示す図、

【図１４】真円軌道において、Ｘ方向の分極係数とＹ方
向の分極係数との比を大きく変えた場合の数値計算結果
を示し、Ａは中心軸と各出力電極との距離を示す図、Ｂ
は電圧出力を示す図、Ｃは電流出力を示す図、

【図１５】Ａは従来の三脚音叉型の圧電振動子の一方の
面を示す斜視図、Ｂは他方の面を示す斜視図、

【図１６】図１５Ａを矢印１６方向から見た圧電振動子
の正面図、

【符号の説明】

１１ 圧電振動子 １１ｕ，１１ｖ，１１ｗ 振動脚 １２，１３ Ｉ／Ｖ変換手段 １２Ａ，１３Ａ 演算増幅器 ｃ１，ｄ１，ｃ，ｄ，ｃ２，ｄ２ 駆動電極 ｂ１，ａ１，ｂ，ａ，ｂ２，ａ２ 出力電極 Ｉ_a，Ｉ_b 電流出力 Ｖ_a，Ｖ_b 電圧出力 Ｏ 圧電振動子の中立軸 Ｏ_u，Ｏ_v，Ｏ_w 振動脚の中心軸 Ｐ_xa，Ｐ_xb，Ｐ_ya，Ｐ_yb 分極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高井 大輔 東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプ ス電気株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 BB15 CC01 CC04 CD02 CD06 CD11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転系におけるコリオリ力に比例した角
   速度を出力する圧電振動子であって、断面が長方形また
   は正方形の振動脚と、この振動脚の駆動方向に延びる面
   において前記駆動方向へ間隔を開けて且つ振動脚の長手
   方向に延設された一対の駆動電極が設けられ、前記振動
   脚の前記駆動電極が形成された面と逆側の面には前記駆
   動電極に対向する一対の出力電極のみが振動脚の長手方
   向へ延設されており、前記駆動電極に駆動電力が与えら
   れると圧電効果により振動脚が振動駆動され、前記コリ
   オリ力に比例した角速度成分が、圧電効果により前記一
   対の出力電極から得られることを特徴とする圧電振動
   子。
2. 【請求項２】 振動子には分岐形成された３個の振動脚
   が設けられ、前記駆動電極および出力電極は全ての振動
   脚に設けられており、前記駆動電極と出力電極との間に
   駆動信号が与えられ、前記出力電極のうち少なくとも一
   組の出力電極からコリオリ力に比例した角速度成分が検
   出される請求項１記載の圧電振動子。
3. 【請求項３】 前記１組の出力電極以外の出力電極が、
   不変電位に固定されている請求項２記載の圧電振動子。
4. 【請求項４】 前記不変電位が、接地電位である請求項
   ３記載の圧電振動子。
5. 【請求項５】 各振動脚の幅方向の中心を通り長手方向
   に延びる軸を各振動脚の中心軸としたときに、前記出力
   電極が、振動脚の面において前記中心軸から最も離れた
   位置に設けられている請求項１ないし４のいずれかに記
   載の圧電振動子。
6. 【請求項６】 前記出力電極から得られる電流出力を電
   圧出力に変換するＩ／Ｖ変換手段を有し、出力電極が前
   記Ｉ／Ｖ変換手段におけるイマジナリーショートを介し
   てそれぞれ接地されている請求項１ないし５のいずれか
   に記載の圧電振動子を利用した信号検出装置。