JP2001074466A - 圧電振動ジャイロ用振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な調整により高感度なエネルギー閉じこめ
振動モードを使った圧電振動ジャイロ用振動子を提供す
ることにある。 【解決手段】圧電基板２の両主面に一対の振動電極３，
４を２つ形成して成り、該各一対の振動電極３，４の振
動方向を互いに逆向きに振動させるとともに、圧電基板
２の分極方向に垂直な線を中心に圧電基板２が回転する
と生じる圧縮応力を各振動電極３，４間の検出電極６，
７で検出するように形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステムやカメラ一体型ＶＴＲの手ぶれ防止補正
などに用いられるジャイロスコープのうち、圧電基板の
エネルギー閉じこめ振動モードを利用した圧電振動ジャ
イロ用振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロとは、振動している物
体に回転角速度が加わると、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。一般に、直交する二つの異なる方向
の振動を励振可能に構成した複合振動系において、一方
の振動を励振した状態で、振動子を回転させると、上述
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
作用し、他方の振動が励振される。この振動の大きさ
は、入力側の振動の振幅及び回転角速度に比例するた
め、入力側の振動振幅を一定にした場合、出力電圧の大
きさから印加された回転角速度の大きさを求めることが
できる。

【０００３】このような圧電振動ジャイロの従来例とし
て特開平５−３２２５８０に示されている。図６は従来
のエネルギー閉じこめモードの圧電振動子を利用した圧
電振動ジャイロ用振動子であり、略正方形の圧電基板１
７の上面に、圧電基板１７の中央部を囲む形で二組の平
行電極対１５，１５´、１６、１６´が形成されてい
る。この二組の平行電極対１５，１５´、１６、１６´
は平行電極対１５，１５´を結ぶ直線と直交する方向に
平行電極対１６，１６´が直交配置されており、各平行
電極１５，１５´、１６、１６´の中央から四方に引き
出し電極が形成されている。

【０００４】平行電極１５，１５´、１６、１６´で囲
まれた部分の圧電基板１７には、圧電基板１７の厚み方
向に分極処理Ｐが施されており、Ｘ軸方向に対向する平
行電極間１５，１５´に交流信号を加えると平行電極１
５，１５´間で挟まれた領域に厚みすべり振動が発生
し、また隣接するＹ軸方向の平行電極１６，１６´間に
交流信号を加えるとほぼ同じ共振周波数で厚みすべり振
動させることができる構造になっている。

【０００５】いま、Ｘ軸方向の平行電極間１５，１５´
に駆動用の交流信号を加えて厚みすべり振動を発生させ
た状態で圧電基板１７に垂直なＺ軸の周りに回転が加わ
ったとき、コリオリ力によりＹ軸方向の平行電極１６，
１６´からコリオリ力の大きさに比例する交流信号を検
出できることになる。

【０００６】このような構造の圧電振動ジャイロは圧電
基板１７の一部に振動を閉じこめることができるため、
圧電基板の周辺を固定しても圧電振動に殆ど影響を与え
ず、これにより、セラミックパッケージなどに直接振動
子を固定することが可能になるというものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな二つの平行電極１５，１５´、１６，１６´を用い
た圧電振動ジャイロでは、感度を高めるために、Ｘ軸方
向、Ｙ軸方向の厚みすべり振動の共振周波数を合致させ
ることが重要であるため、平行電極１５，１５´、１
６，１６´間の距離や平行電極１５，１５´、１６，１
６´の線幅や長さなどを調整すべく平行電極の一部を切
除するという面倒な調整作業が必要であった。

【０００８】本発明は上述の問題点に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、簡単な調整により高感度なエ
ネルギー閉じこめ振動モードを使っ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】上述の課題を解決するた
めに本発明の圧電振動ジャイロ用振動子は、長さ方向も
しくは厚み方向に分極された矩形状圧電基板の両主面に
その厚み方向で対向する一対の振動電極を２つ形成する
とともに、該各一対の振動電極による圧電基板の振動方
向を互いに逆向きとして成り、前記圧電基板の分極方向
に垂直な線を中心に圧電基板が回転すると生じる圧縮応
力を前記各一対の振動電極間で検出するようにしたこと
にある。

【００１０】本発明の構成によれば、各一対の振動電極
の振動方向を互いに逆向きに振動させて各一対の振動電
極間で、圧電基板の回転により生じる圧縮応力の振動を
直接検出するようにしたために、従来の圧電振動ジャイ
ロ用振動子で、駆動に必要な振動電極により発生する振
動の共振周波数と、圧電基板が回転することで発生する
圧縮応力を検出した共振周波数とを合わせるという面倒
な作業が不要になる。また、各振動電極の共振周波数に
関係なく検出することができるため、これにより、製造
も簡単に行うことができ、使用中も安定した感度を保持
することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の圧
電振動ジャイロ用振動子について詳細に説明する。図１
は、本発明の一実施の形態に関わる圧電振動ジャイロ用
振動子（以下、圧電振動子という）１の基本構成を示し
た斜視図である。図２は動作説明のため中央部分を切断
した斜視図である。

【００１２】圧電振動子１は、圧電基板２の両主面に、
表裏同形状の電極パターンＡが形成されている。電極パ
ターンＡは駆動用平面電極３，４と検出電極６，７とか
ら構成されている。

【００１３】圧電基板２は厚みが３０μｍ程度の短冊状
のものが用いられ、その材質としてはＰＺＴ，ＰＴ等の
圧電セラミックから成り、予め二本線矢印Ｐの長さ方向
に高電圧を印加して分極処理が成されている。また、後
述する駆動用平面電極３，４に囲まれた領域において、
圧電基板２の厚み方向に圧縮応力が検出するための部分
分極処理Ｐ´図の方向に予め施されている。

【００１４】駆動用平面電極３、４は、矩形状に形成さ
れ、圧電基板２の中央付近に幅方向に延びて被着されて
いる。駆動用平面電極３，４の一端側からは引出しパタ
ーンが引き回され、端部付近に形成した接続用電極パッ
ド３−１、４−１に接続されている。この電極パッド４
−１と電極パッド５−１は不図示の回路基板上で共通に
接続される。即ち、電極パッド３−１（３−２）と電極
パッド４−１（４−２）が独立した電極となる。これら
電極パッド３−１，４−１，５−１は端面を経由して裏
面の電極パッド３−２，４−２，５−２（図示せず）に
接続されている。このような構成により、図２に示すよ
うに駆動用平面電極３と駆動用平面電極４は表面と裏面
に形成され、駆動用平面電極３と４が互いに対向するよ
うに形成されている。

【００１５】検出用電極６，７は、圧電基板２の幅方向
両端側に形成した駆動用平面電極３，４に挟まれる位置
に形成されており、適当な間隔をもって３本の平行直線
状の電極から形成されている。このように検出電極６，
７を互いに平行に形成することにより発生する電荷量を
検出電極６，７で充分に受けることができ、これによ
り、駆動用平面電極３，４から伝搬する幅方向の振動を
効率良く検出することができる。

【００１６】また、検出用電極７（裏面では８）は、略
主面の中心線上に設けられ、両側に等しい距離を挟んで
接地された検出用電極６，６が形成されている。このよ
うに検出用電極６，６の距離が検出用電極７（８）から
等しく形成しているのは、検出電極７（８）からできる
限り遠ざけてシールド効果を持たせるためである。

【００１７】検出用電極６，６の一端は配線パターンで
つながれ、検出電極７をコの字型に取り囲むとともに、
他端は下端側の中央にパターン引き回しされ電極パッド
６−１に接続されている。検出電極７も下端側にパター
ン引き回しされて電極パッド７−１に接続されている。

【００１８】また、検出用電極６は圧電振動ジャイロ回
路に接続されており、接地されている。検出用電極７に
対応する裏面の検出用電極８は圧電基板の下端に引き出
されて電極パッド８−１につながっている。

【００１９】検出用電極６，７の間隔を十分に取ること
によりその電極間に高電圧の信号を発生させることがで
きる。検出用電極６，７間、および検出用電極６，８間
には所定の直流電圧が印加され、図２に示す二本線矢印
で示す形で表層部分の電極間に部分的な分極処理が施さ
れている。主に幅方向の電極間の圧縮歪みを検出するこ
とができる。

【００２０】特に、検出用電極６，７の間の距離を十分
に取るようにすることで検出信号を大きくさせることが
できる。ただし、駆動用平面電極３，４より厚みすべり
振動が効果的に伝えられる範囲の距離に設定される。隣
り合う駆動用平面電極３，４の間隔は圧電基板２の厚み
の２〜２０倍にとるのが好ましい。

【００２１】以上のような電極パターンＡは、例えば、
クロム−銅−銀などの金属電極材料をパターンマスクを
重ねて蒸着法などで積層形成されている。また、銀パラ
ジウムなどの導電性ペーストを印刷法でパターン形成し
て焼き付けても良い。

【００２２】次に、圧電振動ジャイロ用圧電振動子１の
動作を説明する。駆動用平面電極３，４は幅方向の左右
に設けられているが、同形状の電極が表裏面にも形成さ
れている。図２に示すように厚み方向で対向する各駆動
用平面電極３又は駆動用平面電極４に交流電界を印加す
ると、圧電基板２が長さ方向に分極処理されていること
から、表裏の駆動用平面電極３，４で挟まれた圧電基板
２の部分に、長さ方向への厚みすべり振動が発生する。

【００２３】図２に示す圧電基板２の幅方向左側の駆動
用平面電極３，４に交流信号を加えたとき、圧電基板２
の表面が、例えば図中、奥向きのすべり振動が発生し、
裏面側は手前に向かうすべり振動を発生する。このとき
右側の駆動用平面電極３，４は左側の電極と逆極性に接
続されているので、逆極性の交流信号で駆動されて逆方
向の厚みすべり振動が発生することになる。

【００２４】このように、各駆動用平面電極３，４に交
流信号を印加して振動を発生させた状態で圧電基板２の
主面に垂直なＺ軸周りの回転が加わると、矢印に示すよ
うにコリオリ力により圧電基板２の幅方向（Ｘ軸方向）
に圧縮応力が発生するようになる。この場合、圧電基板
２の幅方向右左に形成した駆動用平面電極３，４は互い
に逆極性に駆動しているため、コリオリ力による圧縮応
力は幅方向（Ｘ軸方向）に、互いに逆向きに振動するこ
とになる。即ち、圧電基板２の表面側の幅方向で、左右
の平面電極３，４の周辺が互いに内側に寄ったり、外側
に移動するという厚みすべり振動が発生する。

【００２５】このとき表面側の左右の平面電極３，４に
挟まれた領域では、左右の駆動用平面電極３，４からコ
リオリ力に応じた圧縮応力を周期的に受けることにな
る。駆動用平面電極３，４から加わえられる圧縮応力の
状況は図２の中で、小さな一本線の矢印で示している。
この領域に設けられた検出用電極６，７は圧縮応力が検
出できるように部分分極処理Ｐ´が予め施されているの
で、コリオリ力により発生する圧縮応力を電気信号に変
えることができる。この電気信号は、駆動信号に対応す
る周波数を持った交流信号で、その電圧の大きさは回転
角速度に比例する。

【００２６】なお、圧電基板２の裏面にも表面と同様の
検出用電極６，８が形成されているので、表面の振動と
はちょうど逆の動作になる。即ち、圧電基板１の表面側
の幅方向左右で駆動用平面電極３，４がコリオリ力によ
り幅方向の中心向きに移動しようとするとき、圧電基板
２の裏面側の左右で駆動用平面電極３，４は逆に外向き
に移動しようとし、検出用電極部分には拡張しようとす
る応力が働くことになる。この結果、検出用電極６，７
とは逆極性の信号電圧が、検出用電極６，８の間に発生
することになる。

【００２７】図５の圧電振動ジャイロの制御ブロック図
に示すように、検出用電極６はアースにとり、検出用電
極７，８の信号を電流増幅器１００を介して差動増幅回
路１０１に通すことによって信号成分のみを取り出すこ
とができる。また駆動用交流信号器１０３を使って同期
検波することによって、位相検波器１０２でノイズのな
い角速度信号を取り出すことができる。

【００２８】感度を高めるためには互いに平行な検出電
極６，７、又は検出電極６，８の間のギャップを大きく
とることによって良好な感度を得ることができる。ただ
し左右の駆動用平面電極の間に挟まれる領域が広すぎる
と、コリオリ力による幅方向への厚みすべり振動が十分
に伝わらず検出電極の感度を高めることが出来ない。実
用的な範囲としては圧電基板厚みの２〜２０倍の間にと
ることが望ましい。

【００２９】圧電振動ジャイロ用振動子は、図４に示す
ような水晶発振器などで公知のセラミックパッケージ１
０に実装することができる。セラミックパッケージ１０
の中には、発振回路や検出回路を組み込んだＩＣ１１と
平滑用のコンデンサ１２を内蔵させ、段差部１３，１３
に設けられた電極パッドと圧電素子１の両端に設けられ
た電極パッドとを異方性導電ペーストで接続し、金属製
のリッド１４をシーム溶接して封止される。これによ
り、低背のジャイロ装置を達成することができる。

【００３０】次に他の実施の形態を図３に基づいて説明
する。圧電基板２は厚み方向の二重の矢印Ｐに分極処理
されている点が図２と異なるが、電極パターンはほぼ同
等の構成で達成することができるため、図２と同一部分
は同一の符号で説明する。

【００３１】駆動用平面電極３，４に交流信号を印加す
ると電極の周辺では厚み縦振動が発生する。圧電基板２
の幅方向の左右で逆極性の電圧印加を行うと、一方が厚
み方向に増加しようとするときに、他方は縮もうとす
る。この様子は図３の手前の断面図に垂直方向に小さな
矢印で示している。

【００３２】ここで振動子１の長手方向に平行な軸の周
り（Ｙ軸）に回転が加わると、厚み方向（Ｚ軸方向）だ
けでなく駆動用平面電極３，４の表面を中心に幅方向
（Ｘ軸方向）の厚みすべり振動が発生する。この場合も
図２の他の実施の形態と同様に右の駆動用平面電極３，
４、と左の駆動用平面電極３，４から検出電極を挟む形
で振動が発生し、圧電基板２の表面に形成した検出電極
６，７にコリオリ力に対応した信号が発生する。また、
圧電基板２の裏面の電極による効果も同様で、最終的に
検出電極７、８の間には逆位相のコリオリ信号が発生
し、先と同様の回路構成により検出信号として取り出す
ことができる。

【００３３】第２の実施例の特徴は、第１の実施例の回
転検出軸がＺ方向であるのに対し、第２の実施例ではＹ
軸方向の検出ができることである。すなわち外観上は第
１と第２はまったく同様の構造でもって平面内の軸と、
平面とは垂直な軸の周りの回転を検出できることであ
る。とくに低背構造のコンパクトなジャイロ部品を達成
できることである。

【００３４】また、第１と第２の実施例の圧電振動ジャ
イロを組み合わせることによって、装置の複数軸周りの
検出が、平板状の回路基板上で容易に達成でき、特別な
基板配置などが不要になる。とくに３軸の検出が必要な
場合も同一の基板上で達成することが可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明の構成によれば、各一対の振動電
極の振動方向を互いに逆向きに振動させて各一対の振動
電極間で、圧電基板の回転により生じる圧縮応力の振動
を直接検出するようにしたために、従来の圧電振動ジャ
イロ用振動子で、駆動に必要な振動電極により発生する
振動の共振周波数と検出する側の共振周波数とを合わせ
るという面倒な作業が不要になるだけでなく、各振動電
極の共振周波数に関係なく検出することができるため、
これにより、製造も簡単に行うことができ、使用中も安
定した感度を保持することができる。

【００３６】本発明の圧電振動ジャイロ用振動子はエネ
ルギー閉じこめ型の圧電振動子であるため、セラミック
パッケージを直接実装することが可能になり、小型低背
の圧電振動ジャイロを構成することができる。

【００３７】さらに、本発明の圧電振動ジャイロ用振動
子を組み合わせることにより、一つの回路基板上で任意
の回転検出軸を設定することが可能になり基板実装の自
由度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の斜視図で
ある。

【図２】図１の中央付近における断面図である。

【図３】本発明の圧電振動ジャイロにおける他の実施例
であり、中央断面の振動方向を示す説明図である。

【図４】本発明の圧電振動ジャイロ用振動子をセラミッ
クケースに実装した断面図である。

【図５】圧電振動ジャイロ用振動子を動作させるための
制御ブロック図である。

【図６】従来の圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１・・・圧電振動子 ２・・・圧電基板 Ａ・・・電極パターン ３，４・・駆動用平面電極 ６，７・・検出電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長さ方向もしくは厚み方向に分極された矩
   形状圧電基板の両主面にその厚み方向で対向する一対の
   振動電極を２つ形成するとともに、該各一対の振動電極
   による圧電基板の振動方向を互いに逆向きとして成り、
   前記圧電基板の分極方向に垂直な線を中心に圧電基板が
   回転すると生じる圧縮応力を前記各一対の振動電極間で
   検出するようにしたことを特徴とする圧電振動ジャイロ
   用振動子。