JP4258466B2 - 圧電ジャイロ素子及び圧電ジャイロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、２軸方向の角速度を検出するための圧電ジャイロ素子及びこれを用いた圧電ジャイロスコープに関する。

従来より、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御やナビゲーションシステム、ビデオカメラ等の手振れ防止及び検出等における回転角速度センサとして、また３次元立体マウス等の回転方向センサなどに圧電ジャイロスコープが広く利用されている。従来の多くの圧電ジャイロセンサは、一平面内の回転即ち一軸方向の角速度を検出する構造のものであり、２軸方向の角速度を検出するためには、２個の圧電ジャイロセンサを使用しかつ直交する向きに配置して使用しなければならない。

そこで、１個の圧電ジャイロセンサで２軸方向の角速度を検出することができる様々な構造のものが開発・提案されている。例えば、互いに直交する２軸を有する十字型の振動弾性体を有し、その２軸方向に互いに逆位相となるような屈曲振動モードで励振させる振動子を備えた振動ジャイロが知られている（特許文献１を参照）。このような構造の振動ジャイロも、装置全体が大型化し、コストが高くなる。

また、振動検出用の振動部材の一端を固定しかつ他端を回転運動させることにより、簡単な構造の１つのセンサで２軸の角速度を同時に検出できる角速度センサが提案されている（特許文献２を参照）。この角速度センサは、可撓性を有する柱体状の振動部材の各側面に圧電体と電極とをそれぞれ１対ずつ貼り付け、９０°位相をずらした駆動出力信号で振動させることにより振動部材の自由端を回転運動即ち円運動させ、その際に作用した外力で発生するコリオリ力を利用して角速度を検出する、というものである。

特開平８−２７１２５６号公報 特許第３３６８００６号公報（特開平７−９２１７５）

しかしながら、上記特許文献２に記載される従来技術の角速度センサは、振動部材自体が収縮するのではなく、その側面に貼着したシート状圧電体を収縮させることにより振動させるので、圧電体の貼着状態によって振動ロスを生じ、駆動効率が低下する虞がある。更に、高い周波数で振動させると、圧電体が振動部材表面から剥離して、検出感度が大幅に低下したり喪失する虞がある。これらの問題は、振動部材を圧電材料に変えれば解消できるが、この従来の角速度センサの駆動電極構造では、圧電材料からなる振動部材を同様に円運動させることはできない。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電材料からなる角柱状の振動体を有する比較的簡単な構造で、小型化、低コスト化を図ることができ、２軸方向の角速度を同時にかつ高い駆動効率で高精度に検出することができる圧電ジャイロ素子及び圧電ジャイロスコープを提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、断面矩形の角柱状をなし、その一端で固定される圧電振動体と、圧電振動体の対向する第１の側面に形成した第１の駆動電極と、圧電振動体の対向する第２の側面に、その幅方向に分離させて形成した第２及び第３の駆動電極と、圧電振動体の対向する第１の側面に形成した第１の検出電極と、圧電振動体の対向する前記第２の側面に形成した第２の検出電極とを備え、各駆動電極に位相差をもって駆動電流を印加することにより、圧電振動体がその他端で円運動するように振動させ、その振動の回転中心軸に関して直交する向きに作用するトルクにより生じる圧電振動体の撓みを検出電極から出力するようにした圧電ジャイロ素子が提供される。

第１〜第３の駆動電極にそれぞれ位相の異なる３相の駆動信号を印加することにより、圧電振動体自体に所望の円運動を起こさせることができ、高い駆動効率で高精度な検出が可能になる。しかも、構造が簡単で部品点数を少なく、低コスト化と共に、これを用いた圧電ジャイロスコープの小型化を図ることができる。また、発振周波数を高くしても従来技術のような剥離の問題が生じないので、高い設計自由度が得られる。特に圧電振動体が水晶で形成される場合、その外形はウエットエッチングにより加工でき、かつ各電極は蒸着により成膜することができ、高い加工精度をもって製造することができる。

或る実施例では、圧電振動体の対向する第２の側面に、その幅方向に第２及び第３の駆動電極と分離させて形成した第４の駆動電極を更に有する。この場合、圧電振動体は、第１〜第４の駆動電極にそれぞれ位相の異なる４相の駆動信号を印加することによって、その振動をより高精度に制御し、所望の円運動を起こすことができる。

本発明の別の側面によれば、上述した本発明の圧電ジャイロ素子と、該圧電ジャイロ素子の各駆動電極に駆動信号を印加するための駆動回路と、各検出電極からの出力を検出する検出回路とを備え、より構造が簡単かつ小型化が可能で低コストの圧電ジャイロスコープが提供される。

以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明による圧電ジャイロ素子の第１実施例を概略的に示している。この圧電ジャイロ素子１は、断面正方形の角柱状をなす圧電振動体２と、その一端に一体に形成された基部３とを有する。使用時、圧電ジャイロ素子１は基部３において固定され、圧電振動体２の他端が自由端として振動可能に保持される。

本実施例の圧電ジャイロ素子１は水晶からなり、例えば適当な厚さの水晶ウエハをウエットエッチングすることにより、容易に所望の外形形状に加工することができる。特に本実施例では、水晶の結晶軸のｚ軸が直交する面で切り出した所謂ｚ板と呼ばれる水晶ウエハを使用し、圧電振動体２の中心軸を水晶の結晶軸のｙ軸と一致させる。

ｚ軸に直交するｚ面である圧電振動体２の対向する側面２１には、その長手方向に沿って前記自由端側に１対の第１の駆動電極４Ａが対向する位置に形成されている。ｘ軸に直交するｘ面である圧電振動体２の対向する側面２２には、その長手方向に沿って前記自由端側に各１対の第２〜第４の駆動電極４Ｂ〜４Ｄが形成されている。第２〜第４の駆動電極４Ｂ〜４Ｄは各側面２２の幅方向に互いに僅かに離隔され、中央の第２の駆動電極４Ｂが互いに対向し、その両側で第３の駆動電極４Ｃと第４の駆動電極４Ｄとが互いに対向するように配置されている。

更に圧電振動体２の対向する側面２１には、その長手方向に沿って基部３側に１対の第１の検出電極５Ａが対向する位置に形成されている。同様に圧電振動体２の対向する側面２２には、その長手方向に沿って基部３側に１対の第２の検出電極５Ｂが対向する位置に形成されている。

圧電ジャイロ素子１の前記各駆動電極に、後述するような駆動回路を接続し、前記検出電極に検出回路を接続する。これにより、本発明の圧電ジャイロスコープが得られる。

図２は、図１の圧電ジャイロ素子に使用する駆動回路の構成を例示している。本実施例の駆動回路６は、発振・駆動回路７と位相シフタ回路８とを有する。第１の駆動電極４Ａは発振・駆動回路７と直接接続されている。第３及び第４の駆動電極４Ｄは、位相シフタ回路８を介して発振・駆動回路７と接続されている。第２の駆動電極４Ｂは接地されている。

本実施例では、図２の駆動回路を用いて図３（ａ）に示すような駆動信号を前記各駆動電極に印加し、圧電振動体２を振動させる。同図に示すように、第３の駆動電極４Ｃ及び第４の駆動電極４Ｄの駆動信号は、互いに位相を１８０°シフトさせる。第１の駆動電極４Ａの駆動信号は、第３の駆動電極４Ｃから位相を９０°シフトさせる。第２の駆動電極４Ｂの駆動信号は、上述したように接地されているので常に０である。

このように各駆動信号を印加したとき、図３（ａ）の時刻ｔ１において、圧電振動体２には、図３（ｂ１）に矢印で示すように各第２〜第４の駆動電極４Ｂ〜４Ｄから隣接する第１の駆動電極４Ａに向かう電界が発生する。これにより、圧電振動体２は、図中左側の側面２２が収縮して右側の側面２２が伸長するので、図中左側に撓む。時刻ｔ２では、第４の駆動電極４Ｄから第３の駆動電極４Ｃに向かう電界のみが発生する。これにより、圧電振動体２は、図中上側の側面２１が収縮して下側の側面２１が伸長するので、図中上側に撓む。時刻ｔ３では、第１の駆動電極４Ａから隣接する第２〜第４の駆動電極４Ｂ〜４Ｄ向かう電界が発生する。これにより、圧電振動体２は、図中右側の側面２２が収縮して左側の側面２２が伸長するので、図中右側に撓む。時刻ｔ４では、第３の駆動電極４Ｃから第４の駆動電極４Ｄに向かう電界のみが発生する。これにより、圧電振動体２は、図中下側の側面２１が収縮して上側の側面２１が伸長するので、図中下側に撓む。

このようにして圧電振動体２は、前記駆動信号の変化に従ってｘ方向及びｚ方向に連続的に伸縮するように振動する。その振幅を一定に制御することにより、圧電振動体２の前記自由端は、その中心Ｏが図１（ｂ）に実線で示す軌跡を描いて、ｙ軸を中心として円運動する。

このｙ軸を中心に回転する状態で、圧電振動体２にトルクがｙ軸即ち回転中心軸に直交する向きに作用すると、その力の向きと９０°異なる方向に回転中心軸が回転するプリセッションが起こる。その結果、圧電振動体２の前記自由端は、図１（ｂ）に破線で示すように、その中心Ｏの軌跡がシフトする。本発明のジャイロスコープは、この円運動のシフトにより生じる圧電振動体２の伸縮の変化が、電圧の変化として第１及び第２の検出電極５Ａ，５Ｂから出力されることにより、角速度を検出することができる。

図４（ａ）は、図１の圧電ジャイロ素子に使用する別の駆動回路の構成を示している。この実施例の駆動回路６は、第１の駆動電極４Ａ及び第２の駆動電極４Ｂが、発振・駆動回路７と直接接続されている。第３及び第４の駆動電極４Ｄは、同様に位相シフタ回路８を介して発振・駆動回路７と接続されている。

このような構成の駆動回路６では、図４（ｂ）に示すような駆動信号を前記各駆動電極に印加して、圧電振動体２を振動させる。同図に示すように、第１の駆動電極４Ａ及び第２の駆動電極４Ｂの駆動信号は、互いに位相を１８０°シフトさせる。第３の駆動電極４Ｃ及び第４の駆動電極４Ｄの駆動信号は、同様に互いに位相を１８０°シフトさせる。第１の駆動電極４Ａと第３の駆動電極４Ｃとは、位相を９０°シフトさせる。

このような駆動信号を印加することによって、同様に圧電振動体２をその自由端が円運動するように振動させることができる。本実施例では、第２の駆動電極４Ｂを接地させる図２の場合と比して、より小さい駆動電流で効率良く圧電振動体２を発振させることができる。

図５は、図１の圧電ジャイロ素子に使用する更に別の駆動回路の構成を示している。この実施例の駆動回路６は、図２の駆動回路の位相シフタ回路８に代えて位相シフタ励振駆動回路９と、更に振幅検出回路１０及びＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路１１とを有する。第１の駆動電極４Ａは、同様に発振・駆動回路７と直接接続されている。第２の駆動電極４Ｂは、振幅検出回路１０及びＡＧＣ回路１１を介して発振・駆動回路７と接続されている。第３の駆動電極４Ｃは、位相シフタ励振駆動回路９を介して発振・駆動回路７と接続されている。第４の駆動電極４Ｄは、振幅検出回路１０及びＡＧＣ回路１１と位相シフタ励振駆動回路９とを介して、発振・駆動回路７と接続されている。

このような構成の駆動回路６では、図５（ｂ）に示すように駆動信号を前記各駆動電極に印加して、圧電振動体２を振動させる。同図の駆動信号は図４（ｂ）の場合と同じであり、同様に圧電振動体２をその自由端が円運動するように振動させることができる。本実施例では、ＡＧＣ回路１１を設けたことによって、各駆動信号の強度を安定させることができる。

図６（ａ）は、本発明の第２実施例による圧電ジャイロ素子の圧電振動体及びその駆動回路を示している。第２実施例の圧電振動体２は、第１実施例における第４の駆動電極４Ｄを省略し、駆動電極の構造及びそれに使用する駆動回路の構造を簡単にしている。第２実施例の駆動回路６は、図２の駆動回路と同様に、第１の駆動電極４Ａが発振・駆動回路７と直接接続されている。第３及び第４の駆動電極４Ｄは、位相シフタ回路８を介して発振・駆動回路７と接続され、第２の駆動電極４Ｂは接地されている。

本実施例では、図６（ｂ）に示すような駆動信号を前記各駆動電極に印加し、圧電振動体２を振動させる。同図に示すように、第１の駆動電極４Ａの駆動信号は、第３の駆動電極４Ｃから位相を９０°シフトさせる。第２の駆動電極４Ｂの駆動信号は、接地されているので常に０である。これにより、図３に関連して上述した場合に同様の振動を圧電振動体２に発生させ、その自由端を円運動させることができる。

また、第２実施例では、第１の駆動電極４Ａと第３の駆動電極４Ｃの結線を逆にすることができる。本実施例では、基本的に共振Ｑ値が大きい方の駆動電極を発振・駆動回路に接続して発振させ、共振Ｑ値が小さい方の駆動電極を９０°シフトした位相で励振することが好ましい。これは、共振Ｑ値が大きい方がより安定した発振が得られ、その結果良好な温度特性及び周波数特性が得られるからである。

図７は、第２実施例の圧電ジャイロ素子に使用する別の駆動回路の構成を示している。この実施例の駆動回路６は、振幅検出回路１０、ＡＧＣ回路１１及び同期検波回路１２を更に有する。第１の駆動電極４Ａは、同様に発振・駆動回路７と直接接続されている。第２の駆動電極４Ｂは、振幅検出回路１０、同期検波回路１２及びＡＧＣ回路１１を介して発振・駆動回路７と接続されている。第３の駆動電極４Ｃは、位相シフタ回路８、ＡＧＣ回路１１及び同期検波回路１２を介して発振・駆動回路７と接続されている。

この駆動回路６により、図６（ｂ）と同様の駆動信号を前記各駆動電極に印加して、圧電振動体２を振動させることにより、圧電振動体２をその自由端が円運動するように振動させることができる。本実施例では、ＡＧＣ回路１１を設けたことによって、各駆動信号の強度を安定させることができる。

図８は、本発明による圧電ジャイロ素子の異なる形態を示している。同図の圧電ジャイロ素子３１は、２つの圧電振動体３２を基部３３から同じ向きに平行に延出させた音叉型の構造を有する。各圧電振動体３２は、それぞれ上述した図１及び図６と同じ構成を有する。この実施例では、各圧電振動体３２の自由端が互いに逆向きに円運動を行う。その結果、基部３３においてそれぞれの振動を打ち消すような作用が生じるので、振動漏れが小さい利点がある。

図９は、本発明による圧電ジャイロ素子の別の異なる形態を示している。同図の圧電ジャイロ素子４１は、２つの圧電振動体４２を基部４３から互いに逆向きに直線状に延出させ、かつ基部４３をフレーム４４で支持固定した構造を有する。各圧電振動体４２は、それぞれ上述した図１及び図６と同じ構成を有する。この実施例では、各圧電振動体４２の自由端は互いに同じ向きに円運動を行う。この場合にも、基部４３においてそれぞれの振動を打ち消すような作用が生じるので、振動漏れが小さい利点がある。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、上記実施例は、いずれも圧電ジャイロ素子を水晶で形成したが、従来様々な圧電デバイスに使用されている圧電材料を同様に用いることができる。また、上記実施例の圧電振動体は、断面正方形の角柱状に形成したが、別の実施例では、断面長方形の角柱状に形成することもできる。この場合、ｘ方向とｚ方向の駆動力が均等になるように、各駆動電極に印加する駆動信号の振幅を調整すれば、同様の円運動を得ることができる。また、音叉型圧電振動子のように、圧電振動体の自由端に錘を付加することによって、その慣性力による振動振幅を大きくし、検出効率を高めることができる。

（ａ）図は本発明による圧電ジャイロ素子の第１実施例を示す概略斜視図、（ｂ）図は円運動する圧電振動体の自由端の軌跡を示す説明図。 図１の圧電ジャイロ素子の圧電振動体及びその駆動回路を示すブロック図。 （ａ）図は図２の駆動回路から印加される駆動信号を示す線図、（ｂ１）〜（ｂ４）図は（ａ）図の駆動信号により発振される圧電振動体の振動を時間の変化に沿って示す説明図。 （ａ）図は図１の圧電ジャイロ素子の別の駆動回路を示すブロック図、（ｂ）図はその駆動信号を示す線図。 （ａ）図は図１の圧電ジャイロ素子の更に別の駆動回路を示すブロック図、（ｂ）図はその駆動信号を示す線図。 （ａ）図は本発明の第２実施例による圧電ジャイロ素子の圧電振動体及びその駆動回路を示すブロック図、（ｂ）図はその駆動信号を示す線図。 （ａ）図は第２実施例の圧電ジャイロ素子の別の駆動回路を示すブロック図、（ｂ）図はその駆動信号を示す線図。 本発明による圧電ジャイロ素子の異なる形態を示す概略斜視図。 本発明による圧電ジャイロ素子の別の異なる形態を示す概略斜視図。

符号の説明

１，３１，４１…圧電ジャイロ素子、２，３２，４２…圧電振動体、３，３３，４３…基部、４Ａ〜４Ｄ…駆動電極、５Ａ，５Ｂ…検出電極５、６…駆動回路、７…発振・駆動回路、８…位相シフタ回路、９…位相シフタ励振駆動回路、１０…振幅検出回路、１１…ＡＧＣ回路、１２…同期検波回路、２１，２２…側面、４４…フレーム。

Claims (3)

1. 断面矩形の角柱状をなし、その一端で固定される圧電振動体と、前記圧電振動体の互いに対向する１対の第１の側面に形成した１対の第１の駆動電極と、前記圧電振動体の互いに対向する１対の第２の側面に、それぞれその幅方向に沿って互いに分離させて形成した各１対の第２乃至第４の駆動電極と、前記圧電振動体の互いに対向する前記第１の側面に形成した１対の第１の検出電極と、前記圧電振動体の互いに対向する前記第２の側面に形成した１対の第２の検出電極とを備え、
   各前記第２の側面において、その幅方向の中央に前記第２の駆動電極が配置され、かつ該第２の駆動電極の両側に前記第３及び第４の駆動電極が配置されると共に、互いに対向する前記第２の側面間において、前記第２の駆動電極同士が互いに対向するように配置され、かつ前記第３の駆動電極と第４の駆動電極とが互いに対向するように配置され、
   前記各駆動電極に位相差をもって駆動電流を印加することにより、前記圧電振動体をその他端で円運動するように振動させ、
   その振動の回転中心軸に関して直交する向きに作用するトルクにより生じる前記圧電振動体の撓みを前記検出電極から出力するようにしたことを特徴とする圧電ジャイロ素子。
2. 前記第２の駆動電極が接地されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電ジャイロ素子。
3. 請求項１記載の圧電ジャイロ素子と、前記圧電ジャイロ素子の前記各駆動電極に駆動信号を印加するための駆動回路と、前記各検出電極からの出力を検出する検出回路とを備えることを特徴とする圧電ジャイロスコープ。

Images