JP3178446B2 - 圧電ジャイロセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電ジャイロセ
ンサに係り、詳しくは、胴部の左右両側から２本ずつの
アームが延びているＨ字型の圧電ジャイロセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から圧電ジャイロセンサは、振動し
ている物体に角速度Ωが加わると、この振動に略垂直な
方向に慣性力であるコリオリ力Ｆｃが生じることを利用
している。このような従来の音片型圧電ジャイロセンサ
の一例を図１６（ａ）乃至（ｃ）に示す。図１６（ａ）
は、従来の圧電ジャイロセンサの全体構成を示す斜視図
である。同図に示すように、ジャイロセンサ５００は、
Ｚ軸方向に長い断面が正方形状を有する四角柱状の恒弾
性金属（例えばエリンバ）１００のＸ軸に垂直な両面に
ＸＺ面内の屈曲振動ｆｘを駆動する圧電磁器板１０２が
形成され、恒弾性金属１００のＹ軸に垂直な両面にコリ
オリ力ＦｃによるＹＺ面内の屈曲振動ｆｙを検出する圧
電磁器板１０１が形成されている。そして、圧電磁器板
１０２に駆動用電気端子１０４が接続され、圧電磁器板
１０１に検出用電気端子１０３が接続されている。

【０００３】また、この圧電ジャイロセンサ５００は、
Ｘ軸に垂直な面上とＹ軸に垂直な面上にある振動の節部
となる２箇所の支持部１０５，１０６で支持され、固定
される。同図（ｂ）は、同図（ａ）で示した圧電ジャイ
ロセンサの中央部のＸＹ面に平行な断面図である。図
中、Ｘ軸方向に向く矢印は駆動される駆動屈曲振動ｆｘ
の方向を示し、Ｙ軸方向に向く矢印はＺ軸の周りに角速
度Ωが生じたときに働くコリオリ力Ｆｃによる検出屈曲
振動ｆｙの方向を示す。同図（ｃ）の左側の図は駆動に
より生じるＸＺ面内の屈曲振動ｆｘのモードを示し、右
側の図は検出すべきＹＺ面内の屈曲振動ｆｙのモードを
示す。

【０００４】図１７は、従来のＨ字型圧電ジャイロセン
サの平面図である。同図に示すように、胴体部１１１か
ら２本ずつ四角柱状のアーム１０７，１０８及び１０
９，１１０が相互に反対方向に延び、胴体部１１１と共
にＨ字状を形成している。駆動用電極１１３，１１４が
それぞれ片側のアーム１０７，１０８の主面に形成さ
れ、検出用電極１１５，１１６がそれぞれもう一方の片
側のアーム１０９，１１０の主面に形成されている。さ
らに、胴部１１１の両横に突起を有し、ここがＨ字型圧
電ジャイロセンサを支持し、固定する支持部１１２とな
る。このＨ字型圧電ジャイロセンサは、駆動によりアー
ム１０７，１０８と、アーム１０９，１１０とが面内で
位相が１８０°異なる開閉振動をする。図１８（ａ）
は、駆動振動モードである面内振動モードであり、アー
ム１０７，１０８が面方向に閉じ、アーム１０９，１１
０が同じ面内方向に開いている状態を示している。この
ような駆動状態でＺ軸の周りに角速度Ωが生じると、ア
ーム１０７，１０８と、アーム１０９，１１０はコリオ
リ力Ｆｃを受けて面内振動方向に垂直な方向に振動す
る。同図（ｂ）は、検出振動モードである面垂直振動モ
ードであり、アーム１０７，１０９が前方に屈曲し、ア
ーム１０８，１１０が後方に屈曲している状態を示して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のジャイロセンサは、予め定められた方向に振動させ
ておき、角速度Ωで系全体が回転するときに慣性力であ
るコリオリ力Ｆｃは駆動振動方向に対して、直角に働く
ことを利用したもので、いずれもＺ軸方向に長手方向有
し、Ｚ軸方向にたてる縦置き型であり、その結果高さの
高い形状にならざるを得なかった。他のＩＣなどの電気
部品に比べて高さが高く、実装に不向きであり、高さの
低いジャイロセンサが望まれている。

【０００６】これに対して、高さが低い横置き型が開発
されており、その一例として特開平１０−１７０２７０
号公報がある。この公報には胴部から２本ずつのアーム
が相互に反対方向に出ているＨ字型圧電ジャイロセンサ
が開示されているが、圧電ジャイロセンサの重心位置と
支持・固定位置とが異なるため、振動や衝撃に対して励
振される屈曲振動が微妙に影響を受け、信頼性と安定性
のある実装が妨げられる虞がある。

【０００７】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、高さが低く、かつ重心位置と支持・固定箇所と
が略一致し、信頼性と安定性のある実装が比較的容易な
圧電ジャイロセンサを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、圧電ジャイロセンサに係
り、長さと幅と厚さとを有する胴部と、上記胴部から上
記長さ方向に２本ずつ互いに反対方向に延びて上記胴部
と共にＨ字状を形成している４本のアームと、上記胴部
を挟んで上記長さ方向に連なる２本のアームを１組とし
て上記胴部の中心を通る長さ方向の軸を挟む２組のアー
ムに上記厚さ方向に略垂直な面内で上記長さ方向の軸に
対して略対称な面内屈曲振動を生じさせる駆動用電極
と、上記面内屈曲振動が生じているとき、上記胴部の中
心を通る幅方向の軸の周りに角速度が生じると、上記面
内屈曲振動の生ずる面に略垂直な面内であって上記幅方
向に略平行な面内に生じる、上記胴部の左右で１８０°
位相が異なる幅屈曲振動を検出する検出用電極とを有し
てなることを特徴としている。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の圧
電ジャイロセンサに係り、上記胴部の中心が上記圧電ジ
ャイロセンサの重心と略一致し、該重心が支持され、又
は固定されていることを特徴としている。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の圧電ジャイロセンサに係り、上記４本のアームの先
端部に該アームの他の部分よりも上記幅方向に広くなっ
ている幅広部が設けられてなることを特徴としている。

【００１１】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
何れか一に記載の圧電ジャイロセンサに係り、上記面内
屈曲振動の共振周波数と上記幅屈曲振動の共振周波数と
を微調整するために上記胴部の幅寸法を調整することを
可能にする幅広部を設けたことを特徴としている。

【００１２】請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の
何れか一に記載の圧電ジャイロセンサに係り、上記駆動
用電極が、上記４本のアームそれぞれの上記厚さ方向の
中央部であって、上記各アームの上記厚さ方向に略垂直
な２つの主面に略平行な面に上記各アームの幅方向の外
側及び内側に形成された駆動用内部電極と、該駆動用内
部電極に相対向するように上記各アームにそれぞれ形成
された駆動用外部電極とから構成され、上記外側に設け
られた上記駆動用外部電極と上記駆動用内部電極の間の
分極は上記駆動用内部電極から上記駆動用外部電極に向
かう方向に分極処理が行われ、かつ上記内側に設けられ
た上記駆動用外部電極と上記駆動用内部電極の間の分極
は上記駆動用外部電極から上記駆動用内部電極に向かう
方向に分極処理が行われ、上記略対称な面内屈曲振動を
励振できるように電気的に配線されてなることを特徴と
している。

【００１３】請求項６記載の発明は、請求項１乃至４の
何れか一に記載の圧電ジャイロセンサに係り、上記駆動
用電極が、上記４本のアームの厚さ方向の中央部であっ
て、該各アームの上記厚さ方向に略垂直な２つの主面に
略平行な面内に上記各アームの幅方向の外側に形成され
た駆動用内部電極と、該駆動用内部電極に相対向するよ
うに上記各アームにそれぞれ形成された駆動用外部電極
とから構成され、上記駆動用外部電極と上記駆動用内部
電極の間の分極は上記駆動用内部電極から上記駆動用外
部電極に向かう方向に分極処理が行われ、上記略対称な
面内屈曲振動を励振できるように電気的に配線されてな
ることを特徴としている。

【００１４】請求項７記載の発明は、請求項５又は６記
載の圧電ジャイロセンサに係り、上記駆動用外部電極が
上記各アームの両主面上に設けられてなることを特徴と
している。

【００１５】請求項８記載の発明は、請求項５又は６記
載の圧電ジャイロセンサに係り、上記駆動用外部電極が
上記アームの主面近傍の内部であって、上記アームの主
面と略平行な面内に設けられてなることを特徴としてい
る。

【００１６】請求項９記載の発明は、請求項１乃至８の
何れか一に記載の圧電ジャイロセンサに係り、上記一方
のアームの付け根の胴部において、厚さ方向の中央部分
であって該胴部の上記厚さ方向に略垂直な２つの主面に
略平行な面内に検出用内部電極を設け、該検出用内部電
極に相対向するように該検出用内部電極の両側に検出用
外部電極を設け、上記検出用内部電極から上記主面方向
に分極処理が行われ、他方のアームの付け根の胴部にお
いて、厚さ方向の中央部分であって該胴部の２つの主面
に略平行な面内に検出用内部電極を設け、該検出用内部
電極に相対向するように該検出用内部電極の両側に検出
用外部電極を設け、上記主面から上記検出用内部電極に
向かって分極処理が行われ、上記幅屈曲振動を検出でき
るように電気的に結線されてなることを特徴としてい
る。

【００１７】請求項１０記載の発明は、請求項１乃至８
の何れか一に記載の圧電ジャイロセンサに係り、上記一
方のアームの付け根の胴部において、厚さ方向の中央部
分であって該胴部の上記厚さ方向に略垂直な２つの主面
に略平行な面内に検出用内部電極を設け、該検出用内部
電極に相対向するように該検出用内部電極の両側に検出
用外部電極を設け、厚み方向の下から上の方向に略一様
に分極処理が行われ、他方のアーム部に近い部分の胴部
において、厚さ方向の中央部分であって該胴部の主面に
略平行な面内に検出用内部電極を設け、該検出用内部電
極に相対向するように該検出用内部電極の両側に検出用
外部電極を設け、厚み方向の上から下の方向に略一様に
分極処理が行われ、上記幅屈曲振動を検出できるように
電気的に結線されてなることを特徴としている。

【００１８】また、請求項１１記載の発明は、請求項９
又は１０記載の圧電ジャイロセンサに係り、上記検出用
外部電極が上記胴部の両主面上に設けられてなることを
特徴としている。

【００１９】また、請求項１２記載の発明は、請求項９
又は１０記載の圧電ジャイロセンサに係り、上記検出用
外部電極が上記主面近傍の胴部の内部に上記主面と平行
に設けられてなることを特徴としている。

【００２０】

【作用】この発明の圧電ジャイロセンサの構成において
は、長さと幅と厚さとを有する胴部から長さ方向に２本
ずつ反対方向に延びて胴部と共にＨ字状を形成している
４本のアームと、胴部を挟んで長さ方向に連なる２本の
アームを１組として胴部の中心を通る長さ方向の軸を挟
む２組に、厚さ方向に略垂直な面内で長さ方向の軸に対
して略対称な面内屈曲振動を生じさせる駆動用電極と、
面内屈曲振動が生じているとき、胴部の中心を通る幅方
向の軸の周りに角速度が生じると、面内屈曲振動の生ず
る面に略垂直な面内であって上記幅方向に略平行な面内
に生じる、上記胴部の左右で１８０°位相が異なる幅屈
曲振動を検出する検出用電極とを有している。すなわ
ち、胴部を挟んで長さ方向に連なる２本のアームを組と
して長さ方向の軸を挟む２組に長さ方向の軸に対して略
対称な面内屈曲振動をさせておくと、ジャイロセンサの
幅方向の軸の周りに角速度Ωが生じたとき、胴部の左右
２本ずつのアームを組とする２組のアーム同士に、面内
屈曲振動が生ずる面に垂直な方向に、１８０°位相が異
なる捩れモーメントが働く。この捩れモーメントは面内
屈曲振動の生ずる面に略垂直な面内であって幅方向に略
平行な面内に、胴部の左右で１８０°位相が異なる幅屈
曲振動を生じさせる。したがって、胴部の付け根部に検
出用電極を設けることにより幅屈曲振動の検出が可能と
なる。さらに、この場合、胴部の中心、すなわち圧電ジ
ャイロセンサの重心位置は面内屈曲振動及び幅屈曲振動
の節部となる。したがって、この重心部を支持し、固定
することで、振動・衝撃に対して安定性のある、かつ再
現性の高い実装が可能となる。

【００２１】また、このＨ字型圧電ジャイロセンサで
は、幅方向にたてて置くことにより幅方向の軸の周りの
角速度を検出できるので、従来の長さ方向にたてる圧電
ジャイロセンサに比べて高さを低くすることが可能であ
る。また、アームの先端部の幅寸法を広くし、幅方向の
軸の周りに角速度Ωが生じたとき、この幅広のアームの
先端部はアームの屈曲振動と捩り振動の結合を強める働
きをし、このため、検出感度をさらに高めることができ
る。また、胴体部の幅寸法を広くして、幅寸法を調整す
ることにより駆動共振周波数と検出共振周波数の微調整
を行うことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。 ◇第１の実施の形態 図１は、この発明の第１の実施の形態であるＨ字型の圧
電ジャイロセンサの全体の構成について示す斜視図であ
る。この形態の圧電ジャイロセンサは、図１に示すよう
に、厚さＴ（Ｘ軸方向），長さ（Ｙ軸方向），幅（Ｚ軸
方向）を有する直方体状の胴部１５の幅方向にたてて置
く横置き型である。胴部１５から右側長さ方向に２本の
アーム１１，１２が出ており、同じく左側長さ方向に２
本のアーム１３，１４が出ている。胴部１５やアーム１
１乃至１４の圧電磁器材料として、例えば恒弾性金属
（例えばエリンバ）が用いられている。このジャイロセ
ンサの重心１６は胴部１５の中心に略一致し、このジャ
イロセンサは重心１６を通る長さ方向の軸（ｄ−ｄ線で
示す。）、及び幅方向の軸（ｃ−ｃ線で示す。）に対し
て対称な構造（Ｈ字型の構造）を有する。

【００２３】次に、図２を参照して、具体的な駆動用電
極の配置について説明する。図２は、図１（ａ）のａ−
ａ線よりも左側のアーム１３，１４をアーム先端部から
見た側面図である。このアーム１３，１４の厚さ（Ｔ）
方向に垂直な上下２つの表面をアーム１３，１４それぞ
れの２つの主面とすると、図２に示すように、アーム１
３の一方の主面に駆動用外部電極２３，２４が形成さ
れ、他方の主面に駆動用外部電極２３，２４と対向する
駆動用外部電極２７，２８が形成されている。駆動用外
部電極（駆動用外側外部電極）２３，２７は主面上幅方
向の外側に、駆動用外部電極（駆動用内側外部電極）２
４，２８は主面上幅方向の内側にそれぞれ形成されてい
る。また、もう一つのアーム１４の２つの主面にもアー
ム１３の場合と同じ構成で駆動用外部電極３３，３４，
３０，２９が形成されている。駆動用外部電極（駆動用
外側外部電極）３３，３０は主面上幅方向の外側に、駆
動用外部電極（駆動用内側外部電極）３４，２９は主面
上幅方向の内側にそれぞれ形成されている。

【００２４】さらに、アーム１３には駆動用外部電極２
３，２４及び駆動用外部電極２７，２８に対向する駆動
用外側内部電極２６，駆動用内側内部電極２５がアーム
１３の厚さ方向の中央部に主面に平行に形成されてい
る。アーム１４には駆動用外部電極３３，３４及び駆動
用外部電極３０，２９に対向する駆動用外側内部電極３
１，駆動用内側内部電極３２がアーム１４の厚さ方向の
中央部に主面に平行に形成されている。そして、アーム
１３，１４の主面の駆動用外部電極２３，２４，２７，
２８，３３，３４，３０，２９は全て一つの駆動用電気
端子３５に接続され、駆動用内部電極２６，２５，３
１，３２は、全て別の一つの駆動用電気端子３６に接続
されている。

【００２５】また、アーム１３，１４の材料である圧電
磁器は、図２中白抜き矢印で示した方向に分極されてい
る。すなわち、アーム１３において駆動用外側外部電極
２３，２７と駆動用外側内部電極２６とに挟まれた圧電
磁器の分極と、アーム１４において駆動用外側外部電極
３３，３０と駆動用外側内部電極３１とに挟まれた圧電
磁器の分極は、いずれも内部電極側から外部電極側に向
くように付与されている。一方、アーム１３において駆
動用内側外部電極２４，２８と駆動用内側内部電極２５
とに挟まれた圧電磁器の分極と、アーム１４において駆
動用内側外部電極３４，２９と駆動用内側内部電極３２
に挟まれた圧電磁器の分極は、いずれも逆に外部電極側
から内部電極側に向くように付与されている。なお、図
１（ａ）のｂ−ｂ線よりも右側のアーム１１，１２にお
ける具体的な駆動用電極の配置や配線、及び分極方向に
ついても上記の駆動用電極の配置や配線、及び分極方向
と同じように設定されている。

【００２６】図３は、幅屈曲振動を検出する検出用電極
の構成を示す図で、具体的には、同図（ａ）は、図１
（ａ）におけるＨ字型圧電ジャイロセンサの左側からみ
た側面形状を示し、同図（ｂ）は、図１（ａ）における
Ｈ字型圧電ジャイロセンサの右側からみた側面形状を示
す。厚さ方向に垂直な胴部１５の前後の２つの表面を２
つの主面とすると、図３（ａ）の検出用外部電極４１，
４２が図１（ａ）のａ−ａ線近傍であってアーム１３，
１４の付け根の胴部１５の２つの主面に設けられてい
る。また、図３（ｂ）の検出用外部電極４７，４８が図
１（ａ）のｂ−ｂ線近傍であってアーム１１，１２の付
け根の胴部１５の２つの主面に設けられている。なお、
検出用外部電極４１，４２及び４７，４８に対向するよ
うに胴部１５の厚さ方向の中央部分に形成されている内
部電極４０ａ及び４６ａは分極Ｐを付与するためだけに
用いられるものである。

【００２７】検出用外部電極４１，４２と内部電極４０
ａとに挟まれた胴部１５の材料である圧電磁器には、内
部電極側から外部電極側に向くように分極Ｐが付与され
ている。検出用外部電極４７，４８と内部電極４６ａと
に挟まれた胴部１５の材料である圧電磁器には、逆に外
部電極側から内部電極側に向くように分極Ｐが付与され
ている。そして、検出用外部電極４１，４２にはそれぞ
れ検出用電気端子４３，４４が接続され、検出用外部電
極４７，４８にはそれぞれ検出用電気端子４９，５０が
接続されている。

【００２８】図４は、駆動によりアーム１１，１２，１
３，１４に励起される面内屈曲振動の共振周波数Ｆｄ及
び胴部１５に励起される検出すべき幅屈曲振動の共振周
波数Ｆｐとアーム１１，１２，１３，１４及び胴部１５
の板厚Ｔとの関係を示すグラフである。縦軸は共振周波
数を示し、横軸は板厚Ｔを示す。図４に示すように、面
内屈曲振動の共振周波数Ｆｄはアーム１１，１２，１
３，１４の板厚Ｔが変化してもほとんど変化しないが、
幅屈曲振動の共振周波数Ｆｐは、胴部１５の板厚Ｔを増
すにつれて比例して上昇することが判る。図４におい
て、Ｅ点は共振周波数ＦｄとＦｐが略一致しているとこ
ろ（縮退という。）を示し、このＥ点においてこのＨ字
型圧電ジャイロセンサは最大の検出感度を有する。しか
しながら、周波数応答の範囲が１０Ｈｚ以下と小さくな
る。カーナビゲーションなどに使用する目的では、周波
数応答の範囲を１００Ｈｚ程度まで広げる必要があるた
め共振周波数ＦｄとＦｐの差を１００Ｈｚ程度離し（離
調）、多少の感度の低下は犠牲にして、平坦な周波数応
答特性を得るようにすることが望ましい。

【００２９】したがって、この圧電ジャイロセンサを作
成する場合、予め圧電ジャイロセンサの厚さＴを所望の
値に鏡面研磨した後に駆動用外部電極２３，２４，２
７，２８及び３０，２９，３３，３４や検出用外部電極
４１，４２及び４７，４８を形成する。

【００３０】次に、図１，図２，図３，及び図５を参照
して、上記圧電ジャイロセンサの駆動方法について説明
する。図５は角速度Ωと検出される直流電圧との関係に
ついて示すグラフであり、縦軸は検出される直流電圧
（ｍＶ）を示し、横軸は角速度Ω（°／sec）を示す。
まず、厚さ調整により予め共振周波数の調整を行う。続
いて、図２及び図３のように結線して、電気端子３５，
３６から交流信号を印加すると、圧電横効果によりアー
ム１１乃至１４を繰り返しＹ軸方向に伸縮させる。この
とき、電界の方向と分極の方向がアーム１１乃至１４の
幅方向外側と内側で互いに異なるため、伸縮はアーム１
１乃至１４の幅方向外側と内側で互いに逆となる。これ
により、面内屈曲振動が励振される。

【００３１】図１（ａ）の点線で示す曲線は、胴部１５
を挟んで長さ方向に連なる上側２本のアーム１２，１３
と下側２本のアーム１１，１４をそれぞれ１組としてそ
れら２組に、重心１６を通る長さ方向の軸（ｄ−ｄ線で
示す。）に対して対称で、かつ位相が１８０°異なって
いる面内屈曲振動を励起させたときのアーム１２，１３
とアーム１１，１４の変位分布を示す。このとき、重心
１６は面内屈曲振動の節部となる。

【００３２】このような状態で、このＨ字型圧電ジャイ
ロセンサがＺ軸周りに角速度Ωで回転したとき、コリオ
リ力Ｆｃによって胴部１５の右側のアーム１１，１２の
組と左側のアーム１３，１４の組に、図中の実線の矢印
で示すような互いに逆方向の捩りモーメントが生じる。
この捩りモーメントがＨ字型圧電ジャイロセンサの胴部
１５に伝わり、ａ−ａ線及びｂ−ｂ線に近い胴部１５に
図１（ｂ）に示すような、面内屈曲振動と同じ周波数の
屈曲振動（幅屈曲振動と称する。）が誘起される。この
場合、捩りモーメントの方向に対応するように幅屈曲振
動の位相はａ−ａ線付近とｂ−ｂ線付近で位相が１８０
°異なる。この結果、重心１６は駆動用面内屈曲振動の
節部となると共に、検出用幅屈曲振動の節部ともなる。
この幅屈曲振動は検出用電極４１，４２，４７，４８に
よって交流電圧として検出され、直流電圧に変換され
る。図５に示すように、この直流電圧の大きさから角速
度Ωを評価することができる。

【００３３】このように、こ形態のＨ字型ジャイロセン
サの構成によれば、胴部１５の中心、すなわち重心１６
を通る長さ方向の軸に対して対称なアームの面内屈曲振
動を励起する様な駆動用電極２３，２４，２７，２８，
３３，３４，３０，２９の構成を有し、かつ左右のアー
ムの付け根部の胴部１５の主面に検出用電極４１，４
２，４７，４８を設けているので、面内屈曲振動を励起
した状態で角速度Ωが生じたとき面内屈曲振動の生ずる
面に略垂直な面内であって幅方向に略平行な面内に、胴
部１５の左右で角速度Ωの大きさに応じた１８０°位相
が異なる幅屈曲振動を生じさせると共に、検出用電極４
１，４２，４７，４８により幅屈曲振動を検出できる。
さらに、胴部１５の中心部、すなわち圧電ジャイロセン
サの重心１６位置は面内屈曲振動及び幅屈曲振動共通の
節部となっているので、この重心部を支持し、固定する
ことで、振動・衝撃に対して安定性のある、かつ再現性
の高い実装が可能となる。また、このＨ字型圧電ジャイ
ロセンサでは、幅方向にたてて置くことにより幅方向の
軸の周りの角速度Ωを検出できるので、従来の長さ方向
にたてる圧電ジャイロセンサに比べて高さを低くでき
る。

【００３４】◇第２の実施の形態 図６は、第２の実施の形態であるＨ字型の圧電ジャイロ
センサの駆動用電極の配置や配線、及び分極Ｐについて
示す側面図である。この第２の実施の形態が、上述した
第１の実施の形態（図２）と大きく異なるところは、図
６に示すように、点線ａ−ａから左側のアーム１３の駆
動用外部電極２３，２４，２７，２８、及びアーム１４
の駆動用外部電極２９，３０，３３，３４をアーム１
３，１４の主面の近傍であってアーム１３，１４内部に
主面に平行に設けるようにした点である。それゆえ、図
６において、図２の構成部分と対応する各部には同一の
符号を付してその説明を省略する。なお、点線ｂ−ｂか
ら右側のアーム１１，１２の駆動用外部電極も同じよう
な構成とすることができる。

【００３５】この形態の圧電ジャイロセンサを作成する
場合、駆動用外部電極２３，２４，２７，２８や駆動用
外部電極２９，３０，３３，３４を形成し、さらに圧電
磁器で被覆し、焼結した後に分極処理を行い、鏡面研磨
する。この場合、アーム１１，１２，１３，１４の材料
である圧電磁器の焼結歪み（１０μｍ程度）を平行平面
研磨を行って取り除くと共に、同時に厚さＴを調整して
共振周波数ＦｄとＦｐの適切な設定を行うことができ
る。

【００３６】◇第３の実施の形態 図７は、この発明の第３の実施の形態であるＨ字型の圧
電ジャイロセンサの駆動用電極の別の構成について示す
側面図であり、図１（ａ）のＨ字型圧電ジャイロセンサ
の点線ａ−ａの左側アーム部を左側からみた電極配置及
び分極方向を示している。この第３の実施の形態が、上
述した第１の実施の形態（図２）と大きく異なるところ
は、図７に示すように、第１に、駆動用外部電極２３，
２４，２７，２８，３３，３４，３０，２９や駆動用内
部電極２６，２７，３１，３２のうち、アーム主面上幅
方向の内側の駆動用外部電極や駆動用内部電極を省略
し、外側にのみ駆動用外部電極２３，２７，３３，３０
や駆動用内部電極２６，３１を設けるようにした点、第
２に、アーム１３，１４の面内屈曲振動の中性線、すな
わち、面内屈曲振動させたときに歪みが零となるアーム
１３，１４の幅方向の中央部分まで駆動用外部電極２
３，２７，３３，３０や駆動用内部電極２６，３１を設
けるようにした点である。この形態の圧電ジャイロセン
サを駆動する場合、駆動用外部電極２３，２７，３３，
３０や駆動用内部電極２６，３１の形成部分の圧電磁器
を圧電効果によりＹ軸方向に伸縮させることにより、Ｙ
Ｚ面内でアームの面内屈曲振動を励振させる。これによ
り、Ｚ軸の周りに角速度Ωが生じた場合、胴部１５の両
側のＸＺ面内で互いに逆位相の幅屈曲振動を励振させる
ことができる。このように、この第３の実施の形態によ
れば、駆動用電極の配置及び電気的結線方法をより簡素
化することができる。この場合、アーム１３，１４の面
内屈曲振動の中性線まで延ばした駆動用電極を形成する
ことにより、効率良く面内屈曲振動を励振することが可
能となる。

【００３７】◇第４の実施の形態 図８は、この発明の第４の実施の形態であるＨ字型の圧
電ジャイロセンサの駆動用電極の別の構成について示す
側面図であり、図１（ａ）の点線ａ−ａから左側のアー
ム１３，１４の電極構造を示す。図８と図７とで異なる
ところは、駆動用外部電極２３，２７，３０，３３がア
ーム１３，１４の主面近傍であってアーム１３，１４内
部に主面に平行に設けられている点である。図８におい
て図２の構成部分と対応する各部には同一の符号を付し
てその説明を省略する。この場合も、図６の場合と同様
に、焼結後に分極処理を行い、鏡面研磨しながら、所望
の面内対称屈曲共振周波数に周波数調整を行うことがで
きる。なお、図１（ａ）の点線ｂ−ｂから右側のアーム
１１，１２の電極構造も図８に示した電極構造、分極方
向、電気的結線方法をそのまま適用できる。

【００３８】◇第５の実施の形態 図９（ａ），（ｂ）は、第５の実施の形態であるＨ字型
の圧電ジャイロセンサの検出用電極の別の構成について
示す側面図である。この第５の実施の形態が、上述した
第１の実施の形態と大きく異なるところは、図９
（ａ），（ｂ）に示すように、検出用外部電極４１，４
２及び４７，４８が胴部１５の内部の主面近傍に主面と
平行に設けられている点である。この場合も、図６の場
合と同様に、焼結後に分極処理を行い、鏡面研磨しなが
ら、所望の幅屈曲振動の共振周波数に周波数調整を行う
ことができる。

【００３９】◇第６の実施の形態 図１０（ａ），（ｂ）は、第６の実施の形態であるＨ字
型の圧電ジャイロセンサの検出用電極の別の構成につい
て示す側面図であり、それぞれ、図１のａ−ａ近傍及び
ｂ−ｂ近傍の胴部１５に形成された幅屈曲振動を検出す
る別の検出用電極である。図１０（ａ），（ｂ）におい
て、図３（ａ），（ｂ）と相違するところは、内部電極
４０，４６を検出用電極として用いており、検出用外部
電極４１，４２及び４７，４８と検出用内部電極４０，
４６との間で検出電気端子４３，４４が設けられている
点である。さらに、図１０（ａ），（ｂ）において、図
３（ａ），（ｂ）と異なるところは、検出用外部電極４
１，４２及び４７，４８と検出用内部電極４０，４６と
に挟まれた圧電磁器の分極方向が、厚さ方向の一方の側
で内部電極側から外部電極側に向かい、もう一方の側で
外部電極側から内部電極側に向かっている点である。
すなわち、胴部１５の左右で分極の方向を逆に向けてい
る。

【００４０】◇第７の実施の形態 図１１（ａ），（ｂ）は、第７の実施の形態であるＨ字
型の圧電ジャイロセンサの検出用電極の別の構成につい
て示す側面図である。図１１（ａ），（ｂ）において、
図１０（ａ），（ｂ）と異なる点は、検出用電極４１，
４２，４７，４８が胴部１５の主面近傍であって胴部１
５の内部に主面に平行に形成されている点である。図１
０、図１１に示した電極構成及び電気的結線と、図３、
図９に示した電極構成及び電気的結線を比べてみると、
図１０及び図１１に示した構成は、図３、図９に示した
構成のインピーダンスの約４分の１となり、出力電圧は
２分の１となる反面、出力電流は２倍になる。

【００４１】◇第８の実施の形態 図１２は、この発明の第８の実施の形態であるＨ字型圧
電磁器ジャイロセンサの構成について示す斜視図であ
る。この実施の形態が、第１の実施の形態と大きく異な
るところは、図１２に示すように、アーム１１，１２，
１３，１４の先端に先端幅広部１７，１８，１９，２０
を有している点である。これらの先端幅広部１７，１
８，１９，２０はアーム１１，１２，１３，１４の屈曲
振動を捩り振動に変換する場合、屈曲振動と捩り振動を
結合させ、図１に示した第１の実施の形態のＨ字型圧電
ジャイロセンサに比べて角速度Ωに対してさらに感度を
向上させることができる。

【００４２】次に、図５を参照して、図１に示した第１
の実施の形態のジャイロセンサと図１２に示した第８の
実施の形態のジャイロ特性を比較する。図１に示したジ
ャイロセンサと図１２に示したジャイロセンサとを同一
の長さ２０ｍｍに設定し、胴部の幅を８ｍｍとして駆動
モードである面内屈曲振動の共振周波数と検出モードで
ある胴部１５の幅屈曲振動の共振周波数を５０Ｈｚ離し
てジャイロ特性を比較してみた。なお、この第８の実施
の形態において図１２のアーム１１，１２，１３，１４
の先端部１７，１８，１９，２０の幅寸法は胴部１５近
くのアームの幅より３ｍｍほど広くした。また、どちら
のジャイロセンサも駆動用電極の構成は、図２に示した
構成で行い、検出用電極の構成はいずれも図３（ａ），
（ｂ）に示した構成とした。このときの角速度Ωに対す
るロックインアンプ（ゲインを同一に設定）からの直流
電圧の特性を図５に示す。図５から、第８の実施の形態
のＨ字型圧電磁器ジャイロセンサのアーム１１，１２，
１３，１４の先端部１７，１８，１９，２０の幅を広げ
た方が高感度特性が得られることが判る。

【００４３】◇第９の実施の形態 図１３は、この発明の第９の実施の形態であるＨ字型圧
電ジャイロセンサの構成について示す斜視図である。図
１４は図１３に示すＨ字型圧電ジャイロセンサの平面図
である。第９の実施の形態が、第８の実施の形態と大き
く異なるところは、この第９の実施の形態では、図１
３，図１４に示すように、胴部１５の幅方向に突出して
いる凸部（胴部幅広部）２１，２２が胴部１５の長さと
同じ長さに形成されている点である。両方の凸部２１，
２２の幅寸法はこのＨ字型圧電ジャイロセンサの対称性
を保つため同じ幅ｄとする。この凸部２１，２２の幅ｄ
を調整することにより駆動モードであるアーム１１乃至
１４部分の面内屈曲振動の共振周波数Ｆｄと角速度Ωの
検出モードである胴部の幅屈曲振動の共振周波数Ｆｐを
微調整することができる。図１５は、凸部２１，２２の
幅ｄを変えていったときの駆動モード共振周波数Ｆｄと
検出モードの共振周波数の変化を示すグラフである。縦
軸は共振周波数を示し、横軸は凸部２１，２２の幅ｄを
示す。この実施の形態によれば、凸部２１，２２の幅ｄ
を増すと、面内屈曲振動の共振周波数Ｆｄはやや高くな
るが、幅屈曲振動の共振周波数Ｆｐは逆にやや低くなる
ことが分かる。これにより、両共振周波数の微調整が可
能となり、ジャイロセンサの要求に見合った離調を精密
に行うことができる。

【００４４】以上、この発明の実施の形態を図面により
詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限ら
れるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の
設計変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上
述の実施の形態では、胴部１５やアーム１１乃至１４の
圧電磁器材料として、恒弾性金属（例えばエリンバ）が
用いられているが、他の種類の圧電磁器材料を用いるこ
ともできる。さらに、アーム１１，１２，１３，１４や
胴部１５の厚さＴを調整して離調の程度を５０Ｈｚとし
ているが、必要により任意に設定することができる。ま
た、この発明の目的を達成できる限り、駆動用電極や検
出用電極に挟まれた圧電磁器の分極方向は必要に応じて
変更し得る。さらに、胴部１５左右のアーム１１，１
２，１３，１４の方向を長さ方向に平行に形成している
が、胴部１５の中心を通る長さ方向の軸（図１のｄ−ｄ
線）に対して対称となるように配置できれば、長さ方向
の軸に対して一定の角度を有していても良い。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の圧電ジ
ャイロセンサの構成によれば、胴部と共にＨ字状を形成
する４本のアームを有し、胴部の中心を通る長さ方向の
軸に対して略対称な面内屈曲振動をアームに起こさせる
駆動用電極と、面内屈曲振動によってアームの付け根の
左右の胴部に励起される互いに逆位相の幅屈曲振動を検
出する検出用電極とを有するので、胴部の中心、すなわ
ち圧電ジャイロセンサの重心位置は面内屈曲振動及び幅
屈曲振動の節部となる。したがって、この重心部を支持
し、固定することで、振動・衝撃に対して安定性のあ
る、かつ再現性の高い実装が可能となる。また、このＨ
字型圧電ジャイロセンサでは、幅方向にたてて置くこと
により幅方向の軸の周りの角速度を検出できるので、従
来の長さ方向にたてる圧電ジャイロセンサに比べて高さ
を低くすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は、この発明の第１の実施の形態で
あるＨ字型圧電ジャイロセンサの構成を示す斜視図、同
図（ｂ）は、同図（ａ）の胴部の部分斜視図である。

【図２】同Ｈ字型圧電ジャイロセンサの駆動用電極の配
置と結線、及び駆動用電極に挟まれたアームに付与され
た分極の方向を示す側面図である。

【図３】図３（ａ）は、同Ｈ字型圧電ジャイロセンサの
胴部左側の検出用電極の配置と結線、及び駆動用電極に
挟まれたアームに付与された分極の方向を示す側面図、
同図（ｂ）は、同Ｈ字型圧電ジャイロセンサの胴部右側
の検出用電極の配置と結線、及び駆動用電極に挟まれた
アームに付与された分極の方向を示す側面図である。

【図４】同Ｈ字型圧電ジャイロセンサのアーム及び胴部
の板厚Ｔとアームに励振される面内屈曲振動の共振周波
数Ｆｄ及び胴部に励振される幅屈曲振動の共振周波数Ｆ
ｐとの関係を示すグラフである。

【図５】この発明の第１及び第８の実施の形態であるＨ
字型圧電ジャイロセンサの角速度Ωと検出される直流電
圧との関係を示すグラフである。

【図６】この発明の第２の実施の形態であるＨ字型圧電
ジャイロセンサの駆動用電極の配置と結線、及び駆動用
電極に挟まれたアームに付与された分極の方向を示す側
面図である。

【図７】この発明の第３の実施の形態であるＨ字型圧電
ジャイロセンサの駆動用電極の配置と結線、及び駆動用
電極に挟まれたアームに付与された分極の方向を示す側
面図である。

【図８】この発明の第４の実施の形態であるＨ字型圧電
ジャイロセンサの駆動用電極の配置と結線、及び駆動用
電極に挟まれたアームに付与された分極の方向を示す側
面図である。

【図９】図９（ａ）は、この発明の第５の実施の形態で
あるＨ字型圧電ジャイロセンサの胴部左側の検出用電極
の配置と結線、及び駆動用電極に挟まれたアームに付与
された分極の方向を示す側面図、同図（ｂ）は、胴部右
側の検出用電極の配置と結線、及び駆動用電極に挟まれ
たアームに付与された分極の方向を示す側面図である。

【図１０】図１０（ａ）は、この発明の第６の実施の形
態であるＨ字型圧電ジャイロセンサの胴部左側の検出用
電極の配置と結線、及び駆動用電極に挟まれたアームに
付与された分極の方向を示す側面図、同図（ｂ）は、胴
部右側の検出用電極の配置と結線、及び駆動用電極に挟
まれたアームに付与された分極の方向を示す側面図であ
る。

【図１１】図１１（ａ）は、この発明の第７の実施の形
態であるＨ字型圧電ジャイロセンサの胴部左側の検出用
電極の配置と結線、及び駆動用電極に挟まれたアームに
付与された分極の方向を示す側面図、同図（ｂ）は、胴
部右側の検出用電極の配置と結線、及び駆動用電極に挟
まれたアームに付与された分極の方向を示す側面図であ
る。

【図１２】この発明の第８の実施の形態であるＨ字型圧
電ジャイロセンサの構成を示す斜視図である。

【図１３】この発明の第９の実施の形態であるＨ字型圧
電ジャイロセンサの構成を示す斜視図である。

【図１４】同Ｈ字型圧電ジャイロセンサの構成を示す正
面図である。

【図１５】同Ｈ字型圧電ジャイロセンサの胴部の幅広部
の幅ｄとアームに励振される面内屈曲振動の共振周波数
Ｆｄ及び胴部に励振される幅屈曲振動の共振周波数Ｆｐ
との関係を示すグラフである。

【図１６】図１６（ａ）は、従来例であるＨ字型圧電ジ
ャイロセンサの構成を示す斜視図、同図（ｂ）は、図１
６（ａ）の胴部の中央部の断面図であり、同図（ｃ）
は、図１６（ａ）の胴部に励振される駆動屈曲振動ｆｘ
とコリオリ力Ｆｃによる検出屈曲振動ｆｙを示す斜視図
である。

【図１７】従来例である他のＨ字型圧電ジャイロセンサ
の構成を示す正面図である。

【図１８】図１８（ａ）は、図１７のＨ字型圧電ジャイ
ロセンサの駆動モードを示す斜視図、同図（ｂ）は、同
じく検出モードを示す斜視図である。

【符号の説明】

１１，１２，１３，１４ アーム １５ 胴部 １６ 重心 １７，１８，１９，２０ アーム先端幅広部 ２１，２２ 凸部（胴部幅広部） ２３，２７，３０，３３ 駆動用外側外部電極 ２４，２８，２９，３４ 駆動用内側外部電極 ２５，３２ 駆動用内側内部電極 ２６，３１ 駆動用外側内部電極 ３５，３６ 駆動用電気端子 ４０，４６ 検出用内部電極 ４１，４２，４７，４８ 検出用外部電極 ４３，４４，４９，５０ 検出用電気端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−74673（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−75474（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−351877（ＪＰ，Ａ) 特開2000−2545（ＪＰ，Ａ) 特開2000−65579（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−170270（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−152328（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−29012（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72 G01P 9/04

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長さと幅と厚さとを有する胴部と、 前記胴部の左右両側に２本ずつ配列されて前記胴部と共
   にＨ字状を形成している４本のアームと、前記胴部を挟
   んで前記長さ方向に連なる２本のアームを１組として前
   記胴部の中心を通る長さ方向の軸を挟む２組のアームに
   前記厚さ方向に略垂直な面内で前記長さ方向の軸に対し
   て略対称な面内屈曲振動を生じさせる駆動用電極と、前
   記面内屈曲振動が生じているとき、前記胴部の中心を通
   る幅方向の軸の周りに角速度が生じると、前記面内屈曲
   振動の生ずる面に略垂直な面内であって前記幅方向に略
   平行な面内に生じる、前記胴部の左右で１８０°位相が
   異なる幅屈曲振動を検出する検出用電極とを備えてなる
   ことを特徴とする圧電ジャイロセンサ。
2. 【請求項２】 前記胴部の中心が前記圧電ジャイロセン
   サの重心と略一致し、該重心が支持され、又は固定され
   ていることを特徴とする請求項１記載の圧電ジャイロセ
   ンサ。
3. 【請求項３】 前記４本のアームの先端部に該アームの
   他の部分よりも前記幅方向に広くなっている幅広部が設
   けられてなることを特徴とする請求項１又は２記載の圧
   電ジャイロセンサ。
4. 【請求項４】 前記面内屈曲振動の共振周波数と前記幅
   屈曲振動の共振周波数とを微調整するために、前記胴部
   の幅寸法を調整することを可能にする幅広部を設けたこ
   とを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の圧電
   ジャイロセンサ。
5. 【請求項５】 前記駆動用電極が、前記４本のアームそ
   れぞれの前記厚さ方向の中央部であって、前記各アーム
   の前記厚さ方向に略垂直な２つの主面に略平行な面に前
   記各アームの幅方向の外側及び内側に形成された駆動用
   内部電極と、該駆動用内部電極に相対向するように前記
   各アームにそれぞれ形成された駆動用外部電極とから構
   成され、前記外側に設けられた前記駆動用外部電極と前
   記駆動用内部電極の間の分極は前記駆動用内部電極から
   前記駆動用外部電極に向かう方向に分極処理が行われ、
   かつ前記内側に設けられた前記駆動用外部電極と前記駆
   動用内部電極の間の分極は前記駆動用外部電極から前記
   駆動用内部電極に向かう方向に分極処理が行われ、前記
   略対称な面内屈曲振動を励振できるように電気的に配線
   されてなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一
   に記載の圧電ジャイロセンサ。
6. 【請求項６】 前記駆動用電極が、前記４本のアームの
   厚さ方向の中央部であって、該各アームの前記厚さ方向
   に略垂直な２つの主面に略平行な面内に前記各アームの
   幅方向の外側に形成された駆動用内部電極と、該駆動用
   内部電極に相対向するように前記各アームにそれぞれ形
   成された駆動用外部電極とから構成され、前記駆動用外
   部電極と前記駆動用内部電極の間の分極は前記駆動用内
   部電極から前記駆動用外部電極に向かう方向に分極処理
   が行われ、前記略対称な面内屈曲振動を励振できるよう
   に電気的に配線されてなることを特徴とする請求項１乃
   至４の何れか一に記載の圧電ジャイロセンサ。
7. 【請求項７】 前記駆動用外部電極が前記各アームの両
   主面上に設けられてなることを特徴とする請求項５又は
   ６記載の圧電ジャイロセンサ。
8. 【請求項８】 前記駆動用外部電極が前記アームの主面
   近傍の内部であって、前記アームの主面と略平行な面内
   に設けられてなることを特徴とする請求項５又は６記載
   の圧電ジャイロセンサ。
9. 【請求項９】 前記一方のアームの付け根の胴部におい
   て、厚さ方向の中央部分であって該胴部の前記厚さ方向
   に略垂直な２つの主面に略平行な面内に検出用内部電極
   を設け、該検出用内部電極に相対向するように該検出用
   内部電極の両側に検出用外部電極を設け、前記検出用内
   部電極から前記主面方向に分極処理が行われ、他方のア
   ームの付け根の胴部において、厚さ方向の中央部分であ
   って該胴部の２つの主面に略平行な面内に検出用内部電
   極を設け、該検出用内部電極に相対向するように該検出
   用内部電極の両側に検出用外部電極を設け、前記主面か
   ら前記検出用内部電極に向かって分極処理が行われ、前
   記幅屈曲振動を検出できるように電気的に結線されてな
   ることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一に記載の
   圧電ジャイロセンサ。
10. 【請求項１０】 前記一方のアームの付け根の胴部にお
    いて、厚さ方向の中央部分であって該胴部の前記厚さ方
    向に略垂直な２つの主面に略平行な面内に検出用内部電
    極を設け、該検出用内部電極に相対向するように該検出
    用内部電極の両側に検出用外部電極を設け、厚み方向の
    下から上の方向に略一様に分極処理が行われ、他方のア
    ーム部に近い部分の胴部において、厚さ方向の中央部分
    であって該胴部の主面に略平行な面内に検出用内部電極
    を設け、該検出用内部電極に相対向するように該検出用
    内部電極の両側に検出用外部電極を設け、厚み方向の上
    から下の方向に略一様に分極処理が行われ、前記幅屈曲
    振動を検出できるように電気的に結線されてなることを
    特徴とする請求項１乃至８の何れか一に記載の圧電ジャ
    イロセンサ。
11. 【請求項１１】 前記検出用外部電極が前記胴部の両主
    面上に設けられてなることを特徴とする請求項９又は１
    ０記載の圧電ジャイロセンサ。
12. 【請求項１２】 前記検出用外部電極が前記主面近傍の
    胴部の内部に前記主面と平行に設けられてなることを特
    徴とする請求項９又は１０記載の圧電ジャイロセンサ。