JP3398852B2 - エネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコープ - 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、回転角速度を検出
するためのジャイロスコープに関し、特に、圧電振動子
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
ャイロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロスコープ（以下簡単の
ため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、該圧電振動子がその励振
方向に直角な方向の軸の周りにに回転した際、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力を検知
して、回転角速度を検出するもので、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る
ようになって来ている。

【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号や特開平５−３２２５
８０号に提案されている。

【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利点がある。

【０００５】特開昭６２−１６２９１５号は、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を開示している。

【０００６】特開平５−３２２５８０号は、圧電板の一
部領域を厚み方向に分極し、その分極領域の主面上に２
組の対向電極を、対向方向を直角にして設け、一方の対
向電極を駆動電極に、他方の対向電極を検出電極とした
圧電振動ジャイロを開示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６２−１６２９
１５号に開示し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
しなければ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る。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
いとの欠点が見られる。

【０００８】特開平５−３２２５８０号に開示したエネ
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、構成は簡単で製造も容易であるが、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、精度の良い検出出力
を得ることが困難である。

【０００９】従って、本発明は、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を目的とする。

【００１０】本発明は、圧電板の主面の限定された領域
に出力電極を駆動電極の一部に共用することによって、
出力電極が駆動電界に悪影響を与えないようにしたエネ
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
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電板の平面
に沿った一方向に励振し、該圧電板の回転によって生じ
るコリオリ力による振動を検知して回転角速度を検出す
る圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記圧電板の厚
さ方向に分極を有する部分の主面上であって前記励振方
向に互いに所定間隔離れた二位置の内、一方の位置に前
記励振方向に直角の方向にストリップ状の第１の電極を
設けると共に、他方の位置に前記励振方向とほぼ直角の
方向に互いに間隔をおいて延在するストリップ状の第２
および第３の電極を形成し、前記第１の電極と前記第２
及び第３の電極との間に励振用の駆動電圧を印加し、前
記第２及び第３の電極に生ずる前記コリオリ力による振
動に対応した起電力を検出するようにし、前記第１の電
極と前記第２および第３の電極との間に生ずる厚みすべ
り振動のエネルギー閉じ込めモードを利用したことを特
徴とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコー
プである。

【００１２】本発明の圧電振動ジャイロスコープにおい
ては、前記第２及び第３の電極はそれぞれ仮想接地機能
を備えた第１及び第２の電流検出回路に接続してあり、
前記第１の電極に励振用の駆動電圧を印加し、前記第１
及び第２の電流検出回路出力間に生ずる差電圧からを検
出出力を得る構成とする。

【００１３】本発明の圧電振動ジャイロスコープは、駆
動及び検出回路として、前記第１及び第２の電流検出回
路の出力間に接続され該両電流検出回路の出力電圧の差
を検出するための差動回路と、該差動回路出力に接続さ
れた同期検波回路と、該同期検波回路の出力に接続され
た整流回路と、前記第１及び第２の電流検出回路の出力
間に接続され自励振駆動用周波数の信号を発振するため
の発振回路と、該発振回路の出力に接続され前記自励振
駆動用周波数の交流電圧を前記第１の電極に印加する駆
動回路とを備えると良い。

【００１４】前記圧電板としては、圧電セラミックスを
用い、該圧電セラミックスの前記第１乃至第３の電極間
及びその近傍の領域のみを厚さ方向に分極するものとす
る。

【００１５】また、前記圧電板として厚み方向に分極軸
を有する圧電結晶板を用いることもできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例におけ
るエネルギ一閉じ込め型振動ジャイロの振動子の構成を
示す斜視図である。図１に示すように、圧電振動子は、
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の第１の電極１１が設けられてい
る。この第１の電極１１と所定距離だけ離れた位置に該
第１の電極と平行に、第２の電極１２および第３の電極
１３が互いに離れて形成されている。これら電極１１、
１２、１３には、外部に導出するための端子部１４、１
５、１６が接続されている。なお、これら電極および端
子部は、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。外
部に導出するための端子部は、振動子上に設けずに、リ
ード線を用いても良い。

【００１７】図示のとおり、厚み方向をＺ軸、電極の対
向方向をＸ軸、これらに直交する方向をＹ軸とする三次
元座標を決める。

【００１８】第１の電極１１と第２および第３の電極と
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軸の周りに回
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および第３の電極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、回転角速度を検出す
ることができる。

【００１９】なお、振動のエネルギーは圧電板の前記中
央部に閉じ込められ、周辺に及ばないので、圧電板の周
辺部を支持することが容易である。

【００２０】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を参照をすると、
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がそれぞれ接続されている。電
流検出回路１８、１９の出力側には、差動回路２２が接
続され、同期検波回路２３、整流回路２４を介して、圧
電振動ジャイロの検出出力が得られる。一方、電流検出
回路１８、１９は自励発振条件を満たすための発振回路
２５に接続され、Ｘ方向振動を与えるための駆動回路２
６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
子の厚みすベり振動の共振周波数にほぼ等しい周波数の
交流電圧が電極１１に印加される。

【００２１】図３は、図２の電流検出回路１８および１
９の構成例を示す図で、第２および第３の電極１２およ
び１３を仮想的に接地させる機能を備えるものである。
この回路は、演算増幅器３１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３１の出力端子
から反転入力端子に抵抗器Ｒが接続されている。反転入
力端子（−）は，演算増幅器の仮想接地機能により常に
前記の接地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Ｒにより電圧に変換される。すなわ
ち、Ｖｏｕｔ＝−ｉＲなる出力を得る。すなわち、この
電流検出回路は、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。

【００２２】この電流検出回路を図２の電流検出回路１
８および１９に用いる。その際、反転入力端子（−）を
第２および第３の電極１２および１３に接続する。これ
により、駆動電圧は、第１の電極１１と第２および第３
の電極１２および１３との間に加わることになり、第２
および第３の電極１２および１３間の起電力は、電流検
出回路１８および１９の出力間の電位差として検出でき
ることになる。

【００２３】次に、本発明の上記実施の形態における圧
電振動子の駆動原理を、図面を参照して具体的に説明す
る。

【００２４】図４（ａ）及び（ｂ）は、図１および図２
に示したエネルギー閉じ込め型振動子の基本構造をそれ
ぞれ示す平面図及び電極部分のみを示す断面図である。
図４（ａ）及び（ｂ）を参照すると、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
軸方向に間隔を持って対向するスリット状の電極Ｄ１お
よびＤ２が形成されている。なお、Ｔ１およびＴ２は端
子部である。端子Ｔ１およびＴ２間に電圧を印加する
と、対向する電極Ｄ１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方向にひずみが生ずることになる。電極Ｄ１、
Ｄ２の寸法を圧電板１０の特性に合わせて設計し、印加
電圧を電極間領域の共振周波数に合った周波数の交流電
圧とすると、電極間領域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囲には減衰して
伝搬せずに閉じ込められる。すなわちエネルギー閉じ込
め振動子を構成することができる。また、この振動は、
圧電板の面に平行な電界によって生ずる厚みすべり振動
であるので、平行電界励振型厚みすべり振動と呼ばれ
る。なお、厚みすべり振動とは、圧電板の変位の方向が
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。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。

【００２５】図１および図２の振動子は、上の基本構造
を利用したものである。すなわち、第１の電極１１がＤ
１電極であり、これと対向する、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の電極１２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。従って、第１の電極１１に前記圧電
板の厚みすベ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によって囲まれる領域（電極間領域）に、第１の
電極１１の中心と、第２および第３の電極１２および１
３の中心を結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向（Ｘ方向）
のエネルギー閉じ込め振動モードの厚みすベり振動が発
生する。

【００２６】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たると、コリオリ力の作用
により、前記励振されている厚みすベり振動の方向と直
角な方向（Ｙ方向）の厚みすベり振動が発生する。この
コリオリ力により発生した厚みすベり振動により、第１
の電極１１と第２の電極１２の間、および第１の電極１
１と第３の電極１３との間のインピーダンスが変化し、
その結果として、前記電流検出回路１８及び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１
３は前述したように、励振されている厚みすベり振動の
方向（Ｘ方向）に対して対称に配置されているため、電
流検出回路１８、１９に流れ込むコリオリ力による振動
によって変化する電流は、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、電流検出回路１
８および１９の出力電圧も、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をを差動回路２
２により差電圧として検出し、同期検波回路２３によっ
てこの電圧を所定のタイミングで同期検波し、整流回路
２４で整流することにより、印加した回転角速度に比例
した直流の出力電圧を検出出力として得ることが出来
る。

【００２７】一方、電流検出回路１８、１９は自励発振
条件を満足するための発振回路２５と振動子駆動回路２
６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
迫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。

【００２８】図６は、他の回路構成を示すもので、第１
の電極１１を接地し、第２および第３の電極間に抵抗Ｒ
１およびＲ２の直列回路からなる分圧回路を接続し、そ
の分圧電圧で発振駆動回路２７を制御する。この発振駆
動回路は、接地され、これにより、第１の電極１１と第
２および第３の電極との間に駆動電圧が印加される。な
お、発振駆動回路２７は図２の発振回路２５と駆動回路
２６とからなるものである。分圧回路の両端は、差動増
幅回路２２に接続される。この差動増幅回路２２、検波
回路２３、整流回路２４は、図２と同様である。

【００２９】ここで、本発明に用いる圧電板が「厚み方
向の分極を有する」とは、厚み方向にのみ分極されてい
るものに限定するものではなく、厚み方向の分極成分を
有するものも含むものとする。もちろん厚み方向の分極
成分の大きな方が良いので、厚み方向のみに分極されて
いるものが最も有利である。

【００３０】圧電板１０として圧電セラミックスを用い
た場合には、公知のように分極処理を必要とするが、分
極領域は、圧電板の全体に亘っても良いし、振動を閉じ
込める領域のみに限っても良い。

【００３１】圧電板１０として、圧電結晶板（例えば水
晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴＯ３等）を用いることができ
る。その場合、厚み方向の分極軸を持たせるために、Ｚ
カットの板が最も好ましいが、回転Ｙカットの板を用い
ることもできる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、圧電板の主面上に平行
に配置した１対のスリット状電極のみを用いて駆動を行
い、該一対の電極の内の一方の電極を２分割して検出電
極として検出を行うので、駆動電界が検出電極の存在に
よって悪影響を受けず、Ｘ方向振動を励振するための電
界を保ったままＹ方向振動を検出することができ、高精
度高感度の振動ジャイロを得ることができる。又、エネ
ルギ一閉じ込め振動を用いているから支持が容易で、信
頼性の高いジャイロを得ることができる。

【００３３】又、圧電板を局部的に厚みを変化させた
り、複雑な電極構造を形成する必要もなく、振動子とし
ては任意形状の圧電板の所定領域に１対の平行電極（但
し一方は２分割する必要があるが）を形成するのみで良
いので、構造および製造も簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による圧電振動子の構成を
示す斜視図である。

【図２】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および図２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、電極
の端子部を除いた側面図である。

【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】圧電振動子を用いたジャイロの他の回路構成を
示すブロック図である。

【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、１５、１６ 端子部 １８ 電流検出回路 １９ 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 発振駆動回路 ３１ 演算増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−68625（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−47967（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−148526（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−148527（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−322580（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電板の平面に沿った一方向に励振し、
   該圧電板の回転によって生じるコリオリ力による振動を
   検知して回転角速度を検出する圧電振動ジャイロスコー
   プにおいて、前記圧電板の厚さ方向に分極を有する部分
   の主面上であって前記励振方向に互いに所定間隔離れた
   二位置の内、一方の位置に前記励振方向と直角の方向に
   ストリップ状の第１の電極を設けると共に、他方の位置
   に前記励振方向とほぼ直角方向に互いに間隔をおいて延
   在するストリップ状の第２および第３の電極を形成し、
   前記第１の電極と前記第２及び第３の電極との間に励振
   用の駆動電圧を印加し、前記第２及び第３の電極に生ず
   る前記コリオリ力による振動に対応した起電力を検出す
   るようにし、前記第１の電極と前記第２および第３の電
   極との間に生ずる厚みすべり振動のエネルギー閉じ込め
   モードを利用したことを特徴とするエネルギー閉じ込め
   型圧電振動ジャイロスコープ。
2. 【請求項２】 請求項１の圧電振動ジャイロスコープに
   おいて、前記第２及び第３の電極はそれぞれ仮想接地機
   能を備えた第１及び第２の電流検出回路に接続してあ
   り、前記第１の電極に励振用の駆動電圧を印加し、前記
   第１及び第２の電流検出回路出力間に生ずる差電圧から
   検出出力を得るように構成したことを特徴とする圧電振
   動ジャイロスコープ。
3. 【請求項３】 請求項２の圧電振動ジャイロスコープに
   おいて、前記第１及び第２の電流検出回路の出力間に接
   続され該両電流検出回路の出力電圧の差を検出するため
   の差動回路と、該差動回路出力に接続された同期検波回
   路と、該同期検波回路の出力に接続された整流回路と、
   前記第１及び第２の電流検出回路の出力間に接続され自
   励振駆動用周波数の信号を発振するための発振回路と、
   該発振回路の出力に接続され前記自励振駆動用周波数の
   交流電圧を前記第１の電極に印加する駆動回路とを備え
   ていることを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載の圧電
   振動ジャイロスコープにおいて、前記圧電板として圧電
   セラミックスを用い、該圧電セラミックスの前記第１乃
   至第３の電極間及びその近傍の領域のみを厚さ方向に分
   極したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
5. 【請求項５】 請求項１から３のいずれかに記載の圧電
   振動ジャイロスコープにおいて、前記圧電板として厚み
   方向に分極軸を有する圧電結晶板を用いたことを特徴と
   する圧電振動ジャイロスコープ。