JP3172944B2 - 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 - Google Patents

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カメラの手ブレ補
正などに用いられるジャイロスコープの内、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】圧電振動ジャイロとは、振動している物
体に回転角速度が加えられると、その振動方向と直角な
方向にコリオリ力を生ずると言う力学現象を利用したジ
ャイロスコープである。

【０００３】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、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。

【０００４】図７は、従来の圧電振動ジャイロの構造を
示す斜視図であり、図７を参照すると、正方形断面形状
を有する金属柱５１の隣合う面のほぼ中央部に、圧電セ
ラミックス薄板５２，５３が接合されている。これらの
圧電セラミックス薄板５２，５３は、それぞれ両面に電
極が形成され、厚さ方向に分極されている。

【０００５】正方形断面の金属角柱５１には、互いに直
交する二つの屈曲振動モードが存在し、材料の特性が均
質である場合には、二つの屈曲振動モードの共振周波数
はほぼ等しくなることが知られている。従って、圧電セ
ラミックス薄板５２に、この金属角柱の屈曲振動の共振
周波数にほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、圧電セ
ラミックス５２を接合した面が凹凸となる方向（ｙ軸方
向）に屈曲振動する。

【０００６】この状態で、金属角柱５１を長さ方向と平
行な軸（ｚ軸）の回りに回転させると、コリオリ力の作
用により、金属角柱５１は、圧電セラミックス薄板５３
を接合した面が凹凸となる方向（ｘ軸方向）にも屈曲振
動し、圧電効果により、圧電セラミックス薄板５３に電
圧が発生する。この電圧の大きさは、圧電セラミックス
薄板５２により励振されている振動の大きさと印加した
回転角速度の大きさに比例する。従って、圧電セラミッ
クス薄板５２に印加する励振電圧の大きさを一定とすれ
ば、圧電セラミックス薄板５３に発生する電圧は、金属
角柱５１の回転角速度に比例した電圧となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図７に示した従来の圧
電振動ジャイロにおいては、金属角柱の屈曲振動モード
を利用しているため、振動子の支持、固定は振動の節の
位置で行われなければならない。また、従来の圧電振動
ジャイロにおいて、駆動、検出回路と振動子の電極をリ
ード線で接続する必要があり、接続の状態のばらつきに
よる特性のばらつきを抑えることが難しかった。さら
に、駆動、検出回路の構成された基板の上に、保持具に
より支持された振動子を載せて組み立てるため、小形、
薄形の圧電振動ジャイロを構成することが困難であっ
た。

【０００８】そこで、本発明の技術的課題は、以上に示
した従来の圧電振動ジャイロにおける欠点を除去し、構
造が簡単で、入出力用の端子をリード線を用いないで接
続することが可能で、駆動、検出回路を振動ジャイロを
構成した基板上に構成した、小形、薄形の圧電振動ジャ
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
向に分極軸を有する圧電板の少なくとも一方の面のほぼ
中央部に、少なくとも一個の駆動電極と偶数個の検出用
電極を形成し、前記複数個の検出電極を前記駆動電極に
より生じる励振振動方向に対して対称に配置し、前記駆
動及び検出電極に囲まれた部分の少なくとも一方の面の
厚さを局部的に薄くしたことを特徴とするエネルギー閉
じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが得られ
る。

【００１０】さらに、本発明によれば、局部的に薄くし
た領域の形状を、前記複数個の検出電極の対称軸と同じ
軸に対して、線対称の形状としたことを特徴とする請求
項１に記載のエネルギー閉じ込め振動モードを利用した
圧電振動ジャイロが得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明する
前に、圧電単結晶板を用いた平行電界励振型エネルギー
閉込厚みすべり振動子について説明する。

【００１２】図１（ａ）及び（ｂ）は、平行電界励振型
厚みすべりエネルギー閉じ込め振動子の基本構造を夫々
示す平面図及び電極部分のみを示す断面図である。図１
（ａ）及び（ｂ）を参照すると、厚さ方向（ｚ軸方向）
に分極軸成分を有する圧電単結晶板１０の中央部の同一
面上に、ｘ軸方向に対向する部分電極１０１，１０２が
形成されている。部分電極１０１，１０２に挟まれてい
る部分には、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の分
極との相互作用により、部分電極１０１，１０２の寸法
を、使用する圧電材料の特性に合わせて適当に設計する
と、この部分に平行電界励振型厚みすべりエネルギー閉
じ込め振動子を構成することができる。厚みすべり振動
とは、変位の方向が板面に平行で、波の伝搬方向が板の
厚さ方向の振動である。図２に示すように、半波長で共
振している場合、厚さ方向（ｚ軸方向）の変位分布を示
す。

【００１３】このような圧電振動子のエネルギー閉込め
現象は、注目している弾性波に関して局部的な伝搬特性
の差があることに起因している。

【００１４】圧電材料として圧電セラミックスを用いた
場合には、駆動及び検出に使用する領域だけを分極する
ことにより、分極の有無による伝搬特性の局部的な変化
を生じさせることが可能となり良好なエネルギー閉じ込
め振動子を得ることができる。一方圧電セラミックス材
料は、焼結された多結晶体であるため、単結晶と比較し
て材料内部の特性が不均一であること、周囲温度変化に
よる特性の変動が大きく、しかもその変化率自体のばら
つきも大きいなどの欠点を有している。

【００１５】一方、圧電単結晶として良く知られてい
る。ＬｉＮｂＯ₃ やＬｉＴａＯ₃ は、切断の方位を選ぶ
ことにより、温度特性の安定なものが得られており、表
面波デバイスなどに広く使用されているが、分極処理に
より伝搬特性の異なる領域を作ることは不可能である。

【００１６】従来、垂直電界励振においては、電極部の
質量付加効果や電極短絡効果により電極部と無電極部と
の間に周波数差が生じるために、電極部でのエネルギー
閉込めが可能となる。また、逆に電極部を、他の部分よ
り薄くすることにより、電極部での無電極部との間に周
波数差が生じるために、電極部でのエネルギー閉込めが
可能となる。

【００１７】図３は、本発明に関わる平行電界励振型エ
ネルギー閉じ込め厚みすべり振動子の断面図である。対
向する電極に囲まれる領域について、圧電板の一部を削
り、薄くしているため、電極に囲まれた領域の厚み振動
の共振周波数が高くなり、無電極の領域の伝播特性と異
なるため、良好なエネルギー閉込め振動子を得ることが
できる。

【００１８】振動ジャイロにおいては、一般的に複数個
の検出電極を励振振動方向に対して対称に配置する必要
がある。このことは、振動子が形状的に対称で、特性的
に均一であることを前提としている。従って、本発明の
場合、検出電極を励振振動方向に対して対称に配置する
ためには、振動子の形状を対称にする必要がある。

【００１９】この条件を満たす形状の例を図８に示す。

【００２０】図８に示したように局部的に薄くした領域
の形状を、（ａ）長方形、（ｂ）二等辺三角形、（ｃ）
楕円、等の複数個の検出電極の対称軸と同じ軸に対し
て、線対称の形状とすれば、複数個の検出電極を励振振
動方向に対して対称に配置されることになり、良好なエ
ネルギー閉込め振動子を得ることができる。

【００２１】図４は、本発明の実施の形態によるエネル
ギー閉じ込め型圧電振動ジャイロの圧電振動子の構造を
示す斜視図である。図４において、圧電振動子１には、
厚さ方向に分極軸成分を有する圧電単結晶板１０の一方
の主面のほぼ中央部のおよそ二等辺三角形を構成する各
頂点の位置に第１の電極１１、第２の電極１２、及び第
３の電極１３が形成されており、これら第１、第２及び
第３の電極に囲まれる領域は、その厚さが局部的に薄く
なっている。図５は図４の圧電振動子１を用いて構成し
た本発明の圧電振動ジャイロの一実施例の構成を示す回
路構成を含めたブロック図である。

【００２２】図５を参照すると、圧電振動子１は、第１
の電極１１が接地されており、第２及び第３の電極１２
及び１３には、それぞれ抵抗２０，２１を介して交流電
源２２が接続され、第２及び第３の電極１２及び１３
は、それぞれ差動増幅回路２３の入力端子にも接続され
ている。差動増幅回路２３の出力端子は、検波回路２４
を介して、圧電振動ジャイロのセンサ出力となる。

【００２３】図４、図５において、第１の電極１１を頂
角の位置に、第２の電極１２及び第３の電極１３をそれ
ぞれ底角の位置に配置し、第１の電極１１を接地し、第
２の電極１２及び第３の電極１３は、それぞれ抵抗２０
及び２１を介して交流電源２２に接続する。

【００２４】交流電源からそれぞれ抵抗２０及び２１を
介して、第２の電極１２及び第３の電極１３に前記圧電
単結晶板の厚みすべり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、第１、第２、
及び第３の電極１１，１２及び１３によって囲まれる領
域に、第１の電極１１の中心と第２の電極１２の中心を
結ぶ方向のエネルギー閉じ込め振動モードのすべり振動
と第１の電極１１の中心と第３の電極１３の中心を結ぶ
方向のエネルギー閉じ込め振動モードのすべり振動が発
生し、これらの振動は合成されて第１の電極１１の中心
と、第２及び第３の電極１２及び１３の中心を結ぶ直線
の中点を結ぶ直線の方向のエネルギー閉じ込め振動モー
ドのすべり振動が発生する。この状態で、前記圧電単結
晶板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。

【００２５】このコリオリ力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１３間のインピーダンスが
変化し、その結果として、前記第２の電極１２及び第３
の電極１３の端子電圧が変化する。インピーダンスの変
化は励振の電圧が一定の場合、加えられた回転角速度に
比例する。

【００２６】従って、前記第２の電極１２及び第３の電
極１３の端子電圧の差を差動増幅回路２３により検出
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。

【００２７】図６は、図４の圧電振動子１を用いて構成
した本発明の圧電振動ジャイロの他の実施例の構成を示
す回路構成を含めたブロック図である。

【００２８】図６において、圧電振動子１の第１の電極
１１には抵抗３４を介して駆動電圧が印加され、第２及
び第３の電極１２及び１３には仮想接地機能を有する第
１の電流検出回路３５及び第２の電流検出回路３６がそ
れぞれ接続されている。第１の電流検出回路３５及び第
２の電流検出回路３６の出力電圧端子はそれぞれ差動増
幅回路３７の入力端子に接続されている。差動増幅回路
３７の出力端子は、検波回路３８に接続され、圧電振動
ジャイロのセンサ出力となる。

【００２９】以下、図４を用いて説明したのと同様の原
理で、第１の電極１１の中心と第２及び第３の電極１２
及び１３の中心を結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向のエ
ネルギー閉じ込め振動モードのすべり振動が発生し、こ
の状態で、前記圧電単結晶板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。このコリオリ力により発生
した厚みすべり振動により、第２の電極及び第３の電極
からそれぞれ仮想接地機能を有する電流検出回路３５及
び３６に流れ込む電流に変化を生じ、電流検出回路３５
及び３６の出力電圧の差の電圧を検出することにより加
えられた回転角速度を検出することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば、
構造が簡単で、入出力用の端子をリード線を用いないで
接続することが可能で、支持、固定によるジャイロ特性
への影響がほとんど無く、強固に支持することが可能
で、耐振動、耐衝撃特性の優れた小形の圧電振動ジャイ
ロが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】平行電界励振型厚みすべりモードエネルギー閉
じ込め振動子の駆動原理を説明するための基本構成を示
す図である。

【図２】厚みすべりモードエネルギー閉じ込め振動子の
変位分布を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態によるエネルギー閉じ込め
型振動ジャイロの圧電振動子を示す断面図である。

【図４】本発明の実施の形態によるエネルギー閉じ込め
型振動ジャイロの圧電振動子を示す斜視図である。

【図５】図４の圧電振動子１を用いて構成した本発明の
圧電振動ジャイロの一実施例の構成を示す回路構成を含
めたブロック図である。

【図６】図４の圧電振動子１を用いて構成した本発明の
圧電振動ジャイロの他の実施例の構成を示す回路構成を
含めたブロック図である。

【図７】従来の圧電振動ジャイロの斜視図である。

【図８】削除部の形状例を示す図である。

【符号の説明】

１ 圧電振動子 １０ 圧電単結晶板 １１ 第１の電極 １２ 第２の電極 １３ 第３の電極 １０１，１０２ 部分電極 ２０，２１ 抵抗 ２２ 交流電源 ２３，３７ 差動増幅回路 ２４，３８ 検波回路 ３５，３６ 電流検出回路 ５１ 金属角柱 ５２，５３ 圧電セラミックス薄板 ５４，５５ リード端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−162915（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−322580（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−264281（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−23280（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さ方向に分極軸を有する圧電板の少な
   くとも一方の面のほぼ中央部に、少なくとも一個の駆動
   電極と偶数個の検出用電極を形成し、前記複数個の検出
   電極を前記駆動電極により生じる励振振動方向に対して
   対称に配置し、前記駆動及び検出電極に囲まれた部分の
   少なくとも一方の面の厚さを局部的に薄くしたことを特
   徴とする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。
2. 【請求項２】 前記局部的に薄くした領域の形状を、前
   記複数個の検出電極の対称軸と同じ軸に対して、線対称
   の形状としたことを特徴とする請求項１に記載のエネル
   ギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロ。