JP3830056B2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents
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Description
【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ー体型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圧電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】
圧電振動ジャイロスコープ（以下，単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，その圧電振動子がその振動方向に直角な方向の軸の回りに回転した際，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号公報（以下，従来技術１と呼ぶ）に提案されている。こ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という利点がある。
【０００４】
従来技術１には，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が開示されている。また，他の例として，駆動電極と検出電極を圧電矩形板の一面に設け，駆動電極間に検出電極として交差指電極を設けたものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１に開示され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，圧電矩形板の厚みを局部的に厚くしなくてはならないとか，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，駆動電極から圧電矩形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いう欠点が見られる。
【０００６】
従って，本発明の技術的課題は，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にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、厚さ方向に分極軸成分を有する圧電矩形板の一方の主面に，頂点の角度を二等分する線が前記圧電矩形板のいずれか一方の辺に平行になるように配置した正三角形を含む二等辺三角形の各頂点の位置に３個の部分電極を形成し、前記３個の部分電極の内の等辺同士の交点となる頂点に位置する部分電極を一方の駆動用電極とし、残りの２個の部分電極を他方の駆動用電極として、前記一方及び他方の駆動電極間に駆動電圧を印加して当該矩形板に振動を励振するとともに、前記残りの２個の部分電極を前記励振とコリオリ力とによって生じた振動を前記残りの２個の部分電極間の電位差として検知する検出用電極としたことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【０００８】
また、本発明によれば、前記圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の主面の一辺と平行に配置した正三角形を含む２等辺三角形の各頂点の位置の部分電極のうち、前記頂点の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して当該圧電矩形板の４辺の内の近い方の端面近傍まで、１個の外部接続用電極を引き出すとともに、前記底角の位置の部分電極から当該底角の二等分線を延長してそれぞれ前記４辺の内の近い方の端部近傍に更に２個の外部接続用電極を前記圧電矩形板の前記頂点の角度を二等分する線に沿う方向に延在する前記矩形板の主面の中心線に対して略対称に引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【０００９】
また，本発明によれば，前記圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の長辺と平行に配置した正三角形を含む二等辺三角形の頂点の位置の部分電極の内前記頂角の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して，近い方の前記矩形圧電板の端部近傍まで外部接続用電極を引き出すとともに，前記二等辺三角形の底角の位置の部分電極から引き出された２個の外部接続電極を更に，前記矩形圧電板の反対側の端部近傍まで，前記圧電矩形板の主面の長さの中心線に対して略対称に引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。また，本発明によれば，前記圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の短辺と平行に配置した正三角形を含む二等辺三角形の頂点の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して，近い方の前記圧電矩形板の側部近傍に至り両端部近傍まで，外部接続用の電極を引き出すとともに，前記二等辺三角形の底角の位置の部分電極からは夫々近い方の前記圧電矩形板の端部近傍に向けて更に２個の外部接続用電極を，前記頂点の角度を二等分する線に対して略対称に引き出し，さらに，前記２個の外部接続用電極を夫々近い方の端部まで延長して引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１０】
また，本発明によれば，前記いずれかの圧電振動ジャイロにおいて，前記圧電矩形板の長辺方向の両端部だけを支持固定したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１１】
さらに，本発明によれば，前記いずれかの圧電振動ジャイロにおいて，前記圧電矩形板の前記３個の部分電極を含み且つこれらの部分電極で囲まれた領域のみが厚さ方向に分極されていることを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は，本発明の第１の実施の形態によるエネルギー閉じ込め形圧電振動ジャイロの圧電振動子の構成を示す平面図である。図１に示すように，圧電振動子１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，中央部のみが厚さ方向に分極された圧電矩形板１０を用いる。この圧電矩形板１０の前記中央部の主面上に，ストリップ状で，夫々同じ大きさの電極を正三角形の少なくとも一つの頂点の垂直二等分線に対して対称となるような位置に，第１，第２，及び第３の部分電極１１，１２，１３が形成され，このとき前記垂直二等分線が前記圧電矩形板１０のいずれか一方の辺と平行になるように構成されている。
【００１４】
これら第１，第２，及び第３の部分電極１１，１２，１３には，外部に導出するための第１，第２，及び第３の引出電極部１４，１５，１６が接続されている。このとき，圧電矩形板１０は，図１において破線で示すように，３つの第１乃至第３の部分電極１１，１２，１３で囲まれる領域だけが圧電矩形板１０の厚さ方向に分極されている。このように，第１乃至第３の部分電極１１，１２，１３で囲まれる領域だけを分極した場合，分極されている領域と分極されていない領域の圧電的特性が変化するため，エネルギー閉じ込めの状態が良くなる。
【００１５】
なお，これら第１乃至第３の部分電極１１，１２，１３および第１乃至第３の引出電極部１４，１５，１６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用いることができる。尚，図１において，斜線は部分電極と引出電極部を示している。
【００１６】
図１に示す通り，厚み方向をＺ軸，第１の電極の正面方向をＸ軸，これらに直交する方向をＹ軸とする三次元座標を定める。第１の部分電極１１と，第２及び第３の部分電極１２，１３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。この状態で圧電矩形板１０がＺ軸のまわりに回転すると，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及び第３の部分電極１２，１３の間に電位差が発生する。この電位差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知することができる。
【００１７】
なお，振動のエネルギーは圧電矩形板の前記中央部に閉じ込められ，周辺に及ばないので，圧電矩形板１０の周辺部を支持することが容易である。
【００１８】
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を参照すると，圧電振動子１の第２及び第３の部分電極１２，１３には，第１及び第２の電流検出回路１８，１９がそれぞれ接続されている。第１及び第２の電流検出回路１８，１９の出力側には，差動増幅回路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センサ出力となる。
【００１９】
一方，第１及び第２の電流検出回路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振動駆動回路２６を介して第１の部分電極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１の厚みすべり振動の共振周波数に略等しい周波数の交流電圧が第１の部分電極１１に印加されている。
【００２０】
図３は図２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に用いた仮想接地機能を有する電流検出回路の構成例を示す図である。演算増幅器２７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２７の出力端子から反転入力端子に抵抗器が接続されており，演算増幅器２７の仮想接地機能により反転入力端子は常に基準電位に保たれる。この反転入力端子に電流が流入すると，抵抗器により電圧に変換される。よって図３に示す第１及び第２の電流検出回路１８，１９は，機能的には入カインピーダンスが略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。
【００２１】
図４は，本発明の第２の実施の形態による圧電振動ジャイロの構造を示す平面図である。図４に示すように，圧電セラミックスからなる圧電矩形板３０の一方の面の略中央部に，頂点の角度を二等分する線が前記圧電矩形板３０の長辺と平行になるように配置された正三角形の各頂点の位置に，第１，第２，及び第３の部分電極３１，３２，３３が形成され，各部分電極３１，３２，３３からそれぞれ近い方の端部近傍に第１，第２，及び第３の外部接続用電極３４，３５，３６が，前記頂点の角度を二等分する線に沿う方向に延在する、即ち、前記圧力矩形板の長手方向に沿って延在する前記圧電矩形板３０の主面の中心線に対して略対称に引出されている。前述したように，第１の部分電極３１に駆動電圧を印加し，第２及び第３の部分電極３２，３３をアース電極を兼ねた検出電極とすることにより，圧電振動ジャイロを構成することが出来る。各部分電極３１，３２，３３を図４に示すように配置すると，励振振動方向は圧電矩形板３０の長さ方向と平行になり，この励振振動に対して二つの検出電極が幾何学的に対称となるため，圧電振動ジャイロ自身を静止させた状態において，励振振動により検出電極に発生する電圧の振幅と位相が等しくなる。尚，符号３７ａ，３７ｂは，圧電矩形板３０の両端を支持する支持部材の端部を示している。
【００２２】
図５は本発明の第３の実施の形態による圧電振動ジャイロの構造を示す平面図である。図５に示すように，圧電セラミックスからなる圧電矩形板３０の一方の面の略中央部に，頂点の角度を二等分する線が前記圧電矩形板の短辺と平行になるように配置された正三角形の各頂点の位置に，第１，第２，及び第３の部分電極４１，４２，４３が形成され，頂点の位置の部分電極４１からは両端部近傍に向け，また底角の位置の部分電極からはそれぞれ近い方の端部近傍に向けて第１の外部接続用電極４４及び４５，第２及び第３の外部接続用電極４７，４６が，前記頂点の角度を二等分する線に沿って延在する前記圧電矩形板３０の主面の中心線に対して略対称に引出されている。前述したように，第１の部分電極４１に駆動電圧を印加し，第２及び第３の部分電極４２，４３をアース電極を兼ねた検出電極とすることにより，圧電振動ジャイロを構成することが出来る。
【００２３】
各部分電極を図５に示すように配置すると，励振振動方向は圧電矩形板３０
の長さ方向と垂直な方向となり，この励振振動に対して二つの検出電極としての第２及び第３の部分電極４２，４３が幾何学的に対称となるため，圧電振動ジャイロ自身を静止させた状態において，励振振動により検出電極に発生する電圧の振幅と位相が等しくなる。
【００２４】
図６は本発明の実施の形態による圧電振動ジャイロの支持構造を示す斜視図である。図６に示すように，圧電振動ジャイロの構造を図４及び図５に示したような構造とした場合，圧電振動ジャイロは，圧電矩形板３０の両端部を図６に示すように，支持部材３７の両端に設けられた段部３７ｄ，３７ｄに載せて，支持部の底部３７ｃと圧電セラミック矩形板３０との中央部との間に隙間３７ｅを設けて支持することが可能となる。
【００２５】
また，圧電矩形板３０の形状を図４及び図５に示したような形状とした場合，振動エネルギーは幅方向の端面で反射し，純粋なエネルギー閉込め振動ではなくなるが，幅寸法と電極寸法を適当に選択することにより，実用的に使用可能な特性が得られる。
【００２６】
以上説明したように，本発明の圧電振動ジャイロにおいては，前述したように，検出する回転軸は圧電矩形板１０又は３０の厚さ方向の軸であり，例えば，自動車の横転を検出しようとする用途においては，圧電矩形板１０又は３０の厚さ方向を自動車の進行方向に合わせる必要があり，このような用途においては，図４及び図５に示したような構造とした場合，幅方向がデバイスの高さを決めることになり，低背の圧電振動ジャイロが得られるメリットがある。
【００２７】
以上の説明では，圧電矩形板として圧電セラミックスを用いて，駆動及び検出用の部分電極に囲まれた領域のみを分極して，エネルギー閉込め条件を改善した場合の例について説明を行ったが，圧電体として圧電単結晶を用いても良いし，部分分極を行う代わりに，駆動及び検出用の部分電極に囲まれた領域のみを局部的に厚さを異ならせる方法などによりエネルギー閉込め条件を改善することも可能である。
【００２８】
さらに，本発明の実施の形態においては，圧電体の形状として，矩形板について説明をおこなったが，これは，製造を考慮した場合に，最も作りやすい構造の代表としたものであり，円板や楕円板さらに極端に言えば二等辺三角形の形をしていても，線対称な形状の圧電体を用いて，その対称線に合わせるように励振振動軸を構成すれば，圧電矩形板１０を用いたものと同様な効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による圧電振動ジャイロの圧電振動子の構成を示す平面図である。
【図２】図１の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】本発明の第２の実施の形態による圧電振動子の構造を示す平面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による圧電振動子の構造を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態による圧電振動ジャイロの支持構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
１０，３０ 圧電矩形板
１１，３１，４１ 第１の部分電極
１２，３２，４２ 第２の部分電極
１３，３３，４３ 第３の部分電極
１４，３４，４４，４５ 第１の引出電極部
１５，３５，４７ 第２の引出電極部
１６，３６，４６ 第３の引出電極部
１８ 第１の電流検出回路
１９ 第２の電流検出回路
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 演算増幅器
３０ａ 長辺
３０ｂ 短辺
３７ 支持部材
３７ａ，３７ｂ 端部
３７ｃ 底部
３７ｄ 段部
３７ｅ 隙間
【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ー体型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圧電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】
圧電振動ジャイロスコープ（以下，単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，その圧電振動子がその振動方向に直角な方向の軸の回りに回転した際，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号公報（以下，従来技術１と呼ぶ）に提案されている。こ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という利点がある。
【０００４】
従来技術１には，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が開示されている。また，他の例として，駆動電極と検出電極を圧電矩形板の一面に設け，駆動電極間に検出電極として交差指電極を設けたものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１に開示され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，圧電矩形板の厚みを局部的に厚くしなくてはならないとか，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，駆動電極から圧電矩形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いう欠点が見られる。
【０００６】
従って，本発明の技術的課題は，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にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、厚さ方向に分極軸成分を有する圧電矩形板の一方の主面に，頂点の角度を二等分する線が前記圧電矩形板のいずれか一方の辺に平行になるように配置した正三角形を含む二等辺三角形の各頂点の位置に３個の部分電極を形成し、前記３個の部分電極の内の等辺同士の交点となる頂点に位置する部分電極を一方の駆動用電極とし、残りの２個の部分電極を他方の駆動用電極として、前記一方及び他方の駆動電極間に駆動電圧を印加して当該矩形板に振動を励振するとともに、前記残りの２個の部分電極を前記励振とコリオリ力とによって生じた振動を前記残りの２個の部分電極間の電位差として検知する検出用電極としたことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【０００８】
また、本発明によれば、前記圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の主面の一辺と平行に配置した正三角形を含む２等辺三角形の各頂点の位置の部分電極のうち、前記頂点の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して当該圧電矩形板の４辺の内の近い方の端面近傍まで、１個の外部接続用電極を引き出すとともに、前記底角の位置の部分電極から当該底角の二等分線を延長してそれぞれ前記４辺の内の近い方の端部近傍に更に２個の外部接続用電極を前記圧電矩形板の前記頂点の角度を二等分する線に沿う方向に延在する前記矩形板の主面の中心線に対して略対称に引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【０００９】
また，本発明によれば，前記圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の長辺と平行に配置した正三角形を含む二等辺三角形の頂点の位置の部分電極の内前記頂角の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して，近い方の前記矩形圧電板の端部近傍まで外部接続用電極を引き出すとともに，前記二等辺三角形の底角の位置の部分電極から引き出された２個の外部接続電極を更に，前記矩形圧電板の反対側の端部近傍まで，前記圧電矩形板の主面の長さの中心線に対して略対称に引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。また，本発明によれば，前記圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の短辺と平行に配置した正三角形を含む二等辺三角形の頂点の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して，近い方の前記圧電矩形板の側部近傍に至り両端部近傍まで，外部接続用の電極を引き出すとともに，前記二等辺三角形の底角の位置の部分電極からは夫々近い方の前記圧電矩形板の端部近傍に向けて更に２個の外部接続用電極を，前記頂点の角度を二等分する線に対して略対称に引き出し，さらに，前記２個の外部接続用電極を夫々近い方の端部まで延長して引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１０】
また，本発明によれば，前記いずれかの圧電振動ジャイロにおいて，前記圧電矩形板の長辺方向の両端部だけを支持固定したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１１】
さらに，本発明によれば，前記いずれかの圧電振動ジャイロにおいて，前記圧電矩形板の前記３個の部分電極を含み且つこれらの部分電極で囲まれた領域のみが厚さ方向に分極されていることを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は，本発明の第１の実施の形態によるエネルギー閉じ込め形圧電振動ジャイロの圧電振動子の構成を示す平面図である。図１に示すように，圧電振動子１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，中央部のみが厚さ方向に分極された圧電矩形板１０を用いる。この圧電矩形板１０の前記中央部の主面上に，ストリップ状で，夫々同じ大きさの電極を正三角形の少なくとも一つの頂点の垂直二等分線に対して対称となるような位置に，第１，第２，及び第３の部分電極１１，１２，１３が形成され，このとき前記垂直二等分線が前記圧電矩形板１０のいずれか一方の辺と平行になるように構成されている。
【００１４】
これら第１，第２，及び第３の部分電極１１，１２，１３には，外部に導出するための第１，第２，及び第３の引出電極部１４，１５，１６が接続されている。このとき，圧電矩形板１０は，図１において破線で示すように，３つの第１乃至第３の部分電極１１，１２，１３で囲まれる領域だけが圧電矩形板１０の厚さ方向に分極されている。このように，第１乃至第３の部分電極１１，１２，１３で囲まれる領域だけを分極した場合，分極されている領域と分極されていない領域の圧電的特性が変化するため，エネルギー閉じ込めの状態が良くなる。
【００１５】
なお，これら第１乃至第３の部分電極１１，１２，１３および第１乃至第３の引出電極部１４，１５，１６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用いることができる。尚，図１において，斜線は部分電極と引出電極部を示している。
【００１６】
図１に示す通り，厚み方向をＺ軸，第１の電極の正面方向をＸ軸，これらに直交する方向をＹ軸とする三次元座標を定める。第１の部分電極１１と，第２及び第３の部分電極１２，１３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。この状態で圧電矩形板１０がＺ軸のまわりに回転すると，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及び第３の部分電極１２，１３の間に電位差が発生する。この電位差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知することができる。
【００１７】
なお，振動のエネルギーは圧電矩形板の前記中央部に閉じ込められ，周辺に及ばないので，圧電矩形板１０の周辺部を支持することが容易である。
【００１８】
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を参照すると，圧電振動子１の第２及び第３の部分電極１２，１３には，第１及び第２の電流検出回路１８，１９がそれぞれ接続されている。第１及び第２の電流検出回路１８，１９の出力側には，差動増幅回路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センサ出力となる。
【００１９】
一方，第１及び第２の電流検出回路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振動駆動回路２６を介して第１の部分電極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１の厚みすべり振動の共振周波数に略等しい周波数の交流電圧が第１の部分電極１１に印加されている。
【００２０】
図３は図２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に用いた仮想接地機能を有する電流検出回路の構成例を示す図である。演算増幅器２７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２７の出力端子から反転入力端子に抵抗器が接続されており，演算増幅器２７の仮想接地機能により反転入力端子は常に基準電位に保たれる。この反転入力端子に電流が流入すると，抵抗器により電圧に変換される。よって図３に示す第１及び第２の電流検出回路１８，１９は，機能的には入カインピーダンスが略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。
【００２１】
図４は，本発明の第２の実施の形態による圧電振動ジャイロの構造を示す平面図である。図４に示すように，圧電セラミックスからなる圧電矩形板３０の一方の面の略中央部に，頂点の角度を二等分する線が前記圧電矩形板３０の長辺と平行になるように配置された正三角形の各頂点の位置に，第１，第２，及び第３の部分電極３１，３２，３３が形成され，各部分電極３１，３２，３３からそれぞれ近い方の端部近傍に第１，第２，及び第３の外部接続用電極３４，３５，３６が，前記頂点の角度を二等分する線に沿う方向に延在する、即ち、前記圧力矩形板の長手方向に沿って延在する前記圧電矩形板３０の主面の中心線に対して略対称に引出されている。前述したように，第１の部分電極３１に駆動電圧を印加し，第２及び第３の部分電極３２，３３をアース電極を兼ねた検出電極とすることにより，圧電振動ジャイロを構成することが出来る。各部分電極３１，３２，３３を図４に示すように配置すると，励振振動方向は圧電矩形板３０の長さ方向と平行になり，この励振振動に対して二つの検出電極が幾何学的に対称となるため，圧電振動ジャイロ自身を静止させた状態において，励振振動により検出電極に発生する電圧の振幅と位相が等しくなる。尚，符号３７ａ，３７ｂは，圧電矩形板３０の両端を支持する支持部材の端部を示している。
【００２２】
図５は本発明の第３の実施の形態による圧電振動ジャイロの構造を示す平面図である。図５に示すように，圧電セラミックスからなる圧電矩形板３０の一方の面の略中央部に，頂点の角度を二等分する線が前記圧電矩形板の短辺と平行になるように配置された正三角形の各頂点の位置に，第１，第２，及び第３の部分電極４１，４２，４３が形成され，頂点の位置の部分電極４１からは両端部近傍に向け，また底角の位置の部分電極からはそれぞれ近い方の端部近傍に向けて第１の外部接続用電極４４及び４５，第２及び第３の外部接続用電極４７，４６が，前記頂点の角度を二等分する線に沿って延在する前記圧電矩形板３０の主面の中心線に対して略対称に引出されている。前述したように，第１の部分電極４１に駆動電圧を印加し，第２及び第３の部分電極４２，４３をアース電極を兼ねた検出電極とすることにより，圧電振動ジャイロを構成することが出来る。
【００２３】
各部分電極を図５に示すように配置すると，励振振動方向は圧電矩形板３０
の長さ方向と垂直な方向となり，この励振振動に対して二つの検出電極としての第２及び第３の部分電極４２，４３が幾何学的に対称となるため，圧電振動ジャイロ自身を静止させた状態において，励振振動により検出電極に発生する電圧の振幅と位相が等しくなる。
【００２４】
図６は本発明の実施の形態による圧電振動ジャイロの支持構造を示す斜視図である。図６に示すように，圧電振動ジャイロの構造を図４及び図５に示したような構造とした場合，圧電振動ジャイロは，圧電矩形板３０の両端部を図６に示すように，支持部材３７の両端に設けられた段部３７ｄ，３７ｄに載せて，支持部の底部３７ｃと圧電セラミック矩形板３０との中央部との間に隙間３７ｅを設けて支持することが可能となる。
【００２５】
また，圧電矩形板３０の形状を図４及び図５に示したような形状とした場合，振動エネルギーは幅方向の端面で反射し，純粋なエネルギー閉込め振動ではなくなるが，幅寸法と電極寸法を適当に選択することにより，実用的に使用可能な特性が得られる。
【００２６】
以上説明したように，本発明の圧電振動ジャイロにおいては，前述したように，検出する回転軸は圧電矩形板１０又は３０の厚さ方向の軸であり，例えば，自動車の横転を検出しようとする用途においては，圧電矩形板１０又は３０の厚さ方向を自動車の進行方向に合わせる必要があり，このような用途においては，図４及び図５に示したような構造とした場合，幅方向がデバイスの高さを決めることになり，低背の圧電振動ジャイロが得られるメリットがある。
【００２７】
以上の説明では，圧電矩形板として圧電セラミックスを用いて，駆動及び検出用の部分電極に囲まれた領域のみを分極して，エネルギー閉込め条件を改善した場合の例について説明を行ったが，圧電体として圧電単結晶を用いても良いし，部分分極を行う代わりに，駆動及び検出用の部分電極に囲まれた領域のみを局部的に厚さを異ならせる方法などによりエネルギー閉込め条件を改善することも可能である。
【００２８】
さらに，本発明の実施の形態においては，圧電体の形状として，矩形板について説明をおこなったが，これは，製造を考慮した場合に，最も作りやすい構造の代表としたものであり，円板や楕円板さらに極端に言えば二等辺三角形の形をしていても，線対称な形状の圧電体を用いて，その対称線に合わせるように励振振動軸を構成すれば，圧電矩形板１０を用いたものと同様な効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による圧電振動ジャイロの圧電振動子の構成を示す平面図である。
【図２】図１の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】本発明の第２の実施の形態による圧電振動子の構造を示す平面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による圧電振動子の構造を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態による圧電振動ジャイロの支持構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
１０，３０ 圧電矩形板
１１，３１，４１ 第１の部分電極
１２，３２，４２ 第２の部分電極
１３，３３，４３ 第３の部分電極
１４，３４，４４，４５ 第１の引出電極部
１５，３５，４７ 第２の引出電極部
１６，３６，４６ 第３の引出電極部
１８ 第１の電流検出回路
１９ 第２の電流検出回路
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 演算増幅器
３０ａ 長辺
３０ｂ 短辺
３７ 支持部材
３７ａ，３７ｂ 端部
３７ｃ 底部
３７ｄ 段部
３７ｅ 隙間
Claims (6)
- 厚さ方向に分極軸成分を有する圧電矩形板の一方の主面に，頂点の角度を二等分する線が前記圧電矩形板のいずれか一方の辺に平行になるように配置した正三角形を含む二等辺三角形の各頂点の位置に３個の部分電極を形成し、前記３個の部分電極の内の等辺同士の交点となる頂点に位置する部分電極を一方の駆動用電極とし、残りの２個の部分電極を他方の駆動用電極として、前記一方及び他方の駆動電極間に駆動電圧を印加して当該矩形板に振動を励振するとともに、前記残りの２個の部分電極を前記励振とコリオリ力とによって生じた振動を前記残りの２個の部分電極間の電位差として検知する検出用電極としたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
- 請求項１記載の圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の主面の一辺と平行に配置した正三角形を含む２等辺三角形の各頂点の位置の部分電極のうち、前記頂点の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して当該圧電矩形板の４辺の内の近い方の端面近傍まで、１個の外部接続用電極を引き出すとともに、前記底角の位置の部分電極から当該底角の二等分線を延長してそれぞれ前記４辺の内の近い方の端部近傍に更に２個の外部接続用電極を前記圧電矩形板の前記頂点の角度を二等分する線に沿う方向に延在する前記矩形板の主面の中心線に対して略対称に引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
- 請求項２記載の圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の長辺と平行に配置した正三角形を含む二等辺三角形の頂点の位置の部分電極の内前記頂角の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して、近い方の前記矩形圧電板の端部近傍まで外部接続用電極を引き出すとともに，前記二等辺三角形の底角の位置の部分電極から引き出された２個の外部接続電極を更に、前記矩形圧電板の反対側の端部近傍まで、前記圧電矩形板の主面の長さの中心線に対して略対称に引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
- 請求項２記載の圧電振動ジャイロにおいて，前記頂点の角度を二等分する線を前記圧電矩形板の短辺と平行に配置した正三角形を含む二等辺三角形の頂点の位置の部分電極から前記頂点の角度を二等分する線を延長して，近い方の前記圧電矩形板の側部近傍に至り両端部近傍まで，外部接続用の電極を引き出すとともに，前記二等辺三角形の底角の位置の部分電極からは夫々近い方の前記圧電矩形板の端部近傍に向けて更に２個の外部接続用電極を，前記頂点の角度を二等分する線に対して略対称に引き出し，さらに，前記２個の外部接続用電極を夫々近い方の端部まで延長して引き出したことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
- 請求項１乃至４の内のいずれかに記載の圧電振動ジャイロにおいて，前記圧電矩形板の長辺方向の両端部だけを支持固定したことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
- 請求項１乃至５の内のいずれかに記載の圧電振動ジャイロにおいて，前記圧電矩形板の前記３個の部分電極を含み且つこれらの部分電極で囲まれた領域のみが厚さ方向に分極されていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
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| JPH10260044A (ja) | 1998-09-29 |
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