JPH08122082A

JPH08122082A - 圧電振動角速度計

Info

Publication number: JPH08122082A
Application number: JP7115693A
Authority: JP
Inventors: Shunji Watanabe; 俊二渡辺; Tatsushi Nomura; 達士野村; Toru Fujii; 藤井　　透; Hisamitsu Fujio; 尚光藤生
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1996-05-17

Abstract

(57)【要約】【目的】理想的な振動状態を持った圧電振動角速度計
を提供する。【構成】一部または全部が圧電または電歪部材からな
る柱状の振動子と、振動子を励振させるための励振手段
と、振動子に発生するコリオリの力を検出するための検
出手段とを有する圧電振動角速度計であって、振動子の
一端を固定することにより、理想的な振動状態を達成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動角速度計、特に小
型で安価に量産できる圧電振動角速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動角速度計では、従来、正、逆の圧電
効果を利用したＧＥタイプとワトソンタイプの２種類の
圧電振動角速度計が主流となっていた。両タイプとも
に、振動子に固有振動を励起し振動子軸のまわりに回転
が起こると、両方向に垂直な方向にコリオリ力が発生す
る。この力は次式により表される。Ｆc＝２ｍ［Ｖ・Ω］・・・（１）ここで、Ｆcはコリオリ力、ｍは振動子の質量、ｖは振
動子の振動速度、Ωは回転角速度である。

【０００３】ＧＥタイプの圧電振動角速度計では図９に
示すように金属でできた棒状振動子（１６）に圧電セラ
ミックス板（１７、１８）を接着し、これにより金属振
動子を駆動するとともに、振動子の回転にともない駆動
方向と垂直な方向に生ずるコリオリ力を検出する。使わ
れる振動のモードは、無拘束の横振動で、通常、振動の
節点で振動を基体に固定する。

【０００４】ワトソンタイプの圧電振動角速度計では、
図１０に示すように、４枚の圧電セラミックバイモルフ
（１９、２０）を２枚ずつ互いに直交するように重ね音
叉形状とし、駆動用バイモルフで音叉全体を励振し、素
子の回転に伴い生ずるコリオリ力を検出用バイモルフで
検知する。特に、構造がより簡単で小型化に適したＧＥ
タイプの圧電振動角速度計は、最近になって、三角柱の
金属振動子を用いるもの、円柱状の圧電セラミックスを
振動子として用いるもの等が開発されている。金属振動
子を用いるものでは、振動の節点部位の金属表面あるい
は陵に支持用の金属棒を溶接等の方法で接合し、これに
より金属振動子を宙づりとして無拘束振動条件を実現し
ている。圧電セラミックス振動子を用いるものでは節点
部位を機械的はめ合わせにより固定するか、全体を比較
的柔らかい接着剤で固定する等の方法により無拘束振動
条件を作り出す。また、両者ともリード線を振動部位の
電極に接合し、駆動、検出系と接続する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の振動角速度計においては、無拘束振動を実現するため
の固定方法に問題があった。即ち、完全に振動の節点の
みで拘束しようとすると原理的には支持することが不可
能となる。なぜなら、図９に示すように、実際に振動子
を固定するためには、本来の振動子節点付近の側面に支
持部材を固定していた。駆動及びコリオリ力方向の振動
が生ずると、節点付近では回転の他に並進運動も起こる
ので、この様な固定方法では運動に対して拘束が生じ、
無拘束振動条件は実現されないからである。また、セラ
ミック振動子をはめ合わせにより固定する場合でも、機
械的に充分な固定を行うためにかえって振動を拘束して
しまう。さらに、振動子全体を柔らかい接着材等で包ん
で固定する場合には、振動子の位置決めに大きな問題が
生じると共に、接着剤の緩衝作用により振動特性が低下
する。従って、理想的な振動状態を得るのがきわめて困
難となる。また、これらの素子では振動子の振動部位に
リード線を接合することになるので振動状態はさらに悪
化する。本発明の目的は、この問題の解決にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、柱状振動子
を、振動子の一端を固定し他端を無拘束とする片持ち振
動条件で振動させれば、固定が容易であり、リード線を
固定部分の振動していない電極部分に接合することがで
きるので、ほぼ理想的な振動状態が得られることに着目
し、本発明を成すに至った。

【０００７】そこで、本発明は、「一部または全部が圧
電または電歪部材からなる柱状の振動子と、振動子を励
振させるための励振手段と、振動子に発生するコリオリ
の力を検出するための検出手段とを有し、振動子の一端
が固定されていることを特徴とする圧電振動角速度計」
を提供する。さらに、本発明の圧電振動角速度計の振動
子は、ユニモルフ構造あるいはバイモルフ構造を形成す
る。すなわち、「金属またはセラミックスからなる四角
柱形状の基体と、これに接合された四角柱形状の圧電ま
たは電歪部材とからなる振動子」あるいは、「圧電また
は電歪材料からなる四角柱形状の第１の部材と圧電また
は電歪材料からなる四角柱形状の第２の部材とからなる
振動子」を有する圧電振動角速度計を提供する。

【０００８】本発明において、セラミックスとは、ガラ
ス、及び多結晶焼結体、さらに合成単結晶等を意味する
ものである。

【０００９】

【作用】片持ち振動は固定が容易で、リード線も振動し
ない固定部分に付けられるため、より理想的な振動状態
を達成し易い。振動子の形状としては、四角柱、三角
柱、及び円柱であれば、共振周波数の調整がし易く、作
成が容易であるので好ましい。

【００１０】振動子の駆動（励振）及びコリオリ力の検
出は、圧電または電歪効果を利用して行う。圧電または
電歪セラミックス素材で振動子を構成する場合、分極処
理の容易さから、板状素材などの四角柱形状のものを用
いるのが好ましい。ユニモルフ形状の振動子とするとき
は、振動子近傍（振動子上、または振動子を固定するた
めの支持部）に励振手段として圧電または電歪素子を設
け、電圧を加えることによりユニモルフ形状の振動子に
基本片持ち振動を励起させる。

【００１１】バイモルフ形状の振動子とするときは、内
部電極をグランドとして用い、これと駆動すなわち励振
用の圧電または電歪部材上の外部電極との間に電圧を加
えることにより、いわゆる電圧横効果を利用してバイモ
ルフ振動子に基本片持ち振動を励起する。ユニモルフあ
るいはバイモルフいずれの場合も、振動は電極面に垂直
な方向に起こり、振動子の軸のまわりに回転が生ずる
と、コリオリ力により振動子が電極面内で屈曲する。分
割してある検出用の二つの外部電極に発生する信号は同
じ周波数で、コリオリ力に起因する信号は二つの電極間
で位相が反対となり、駆動に起因する信号は同位相であ
るので、両者の差動信号を取れば、ほぼコリオリ力に起
因する信号のみを得ることができる。

【００１２】圧電あるいは電歪部材上の外部電極が、三
分割されている場合には、中央の電極を励振用として使
い基本片持ち固有振動を励起する。両側の電極を検出用
として用い、両者の差動電圧を取れば、コリオリ力に起
因する信号を得ることができる。振動子断面を正方形と
し、コリオリ力方向と駆動方向の共振周波数を合わせる
ことができるときは、検出用電極からの出力を帰還すれ
ば、簡単な発振回路で振動子を共振周波数付近で駆動す
ることができ、従ってコリオリ力に基づく振動も共振状
態となり、検出感度が向上する。

【００１３】煩雑な共振周波数合わせのための処理をな
くすために、振動子断面を長方形とすることで、意図的
に両方向の共振周波数をずらし、駆動は共振とはならな
くても大きな振幅が得られるバイモルフ駆動とし、この
駆動のための交流電圧の周波数をコリオリ力方向の基本
片持ち振動の共振周波数とする。また、バイモルフ駆動
を行う際、片持ち振動の基本共振周波数より高い周波数
で駆動すると高次モードとのカップリング等が原因で安
定した振動が得られないため、振動子断面の形状はコリ
オリ力方向が短い長方形とすることが好ましい。

【００１４】さらに、二枚の圧電または電歪セラミック
ス板を接合する場合に、バイモルフの変位量を増すため
に、いわゆるシム材として金属板を間に挟むこともでき
る。このように、本発明によれば、理想的な振動状態を
持った振動角速度計を容易に提供することができる。ま
た、大型のセラミックス板に印刷あるいはフォトリソグ
ラフィー等の手法により複数の電極パターンを形成し、
この後金属あるいはセラミックスの板を接合し、最後に
切断すれば、大量に安価にしかも小型の振動子を作製す
ることができる。

【００１５】

【実施例１】以下に実施例により本発明についてさらに
詳細に説明する。図１は本発明に基づく圧電振動角速度
計の一例の基本構成である。ユニモルフ形状の振動子
は、圧電部材（１）と熱膨張係数が圧電部材と合った金
属部材（２）とを接合して作製する。圧電部材には二分
割された外部電極（３）とこの面に相対する側面全面に
内部電極（４）が形成されて、電極面に垂直に分極処理
が施されている。振動子は金属板（５）の上に接合さ
れ、金属板は両面に電極を伴った圧電部材からなる板
（６）に接合され、この圧電板は支持台（７）に固定さ
れている。振動子の形状は電極面の法線方向（図中Ｖで
示す方向）の共振周波数がほぼ等しくなるようにデザイ
ンされている。振動子の固定端部の分割電極部分からリ
ード（８）を取り、振動子金属部位及び金属板をグラン
ドとする。

【００１６】圧電板に、ユニモルフ振動子の基本片持ち
固有振動の共振周波数付近の交流電圧を加え、振動子に
共振振動を励起する。振動は電極面に垂直な方向（図中
Ｖ）に起こり振動子軸の回りに回転（図中Ω）が生ずる
とコリオリ力（図中Ｆc）により振動子は電極面で屈曲
する。この力により振動子の中心軸を基準として、振動
子の右側（３ａ）に圧縮応力が、左側（３ｂ）に引っ張
り応力が発生する。この時、検出用二分割電極から圧電
横効果により得られるコリオリ力に起因する圧電信号は
位相が反対となる。一方、振動子の駆動に伴う応力によ
り発生する圧電信号は二分割電極のそれぞれに同じ位相
で発生する。一般的には駆動により生ずる信号の方がコ
リオリ力による信号よりも大きいので、両者が合成され
た信号からコリオリ力を読みとるには困難が伴う。そこ
で二分割電極の各々から得られる信号の差を取りゲイン
及び位相を調整し、駆動に伴う圧電信号を相殺し、コリ
オリ力による信号のみを取り出すことができる。

【００１７】

【実施例２】図２に、本発明に基づく、ユニモルフ形状
の振動子を有する圧電振動角速度計の、他の例の基本構
成を示す。振動子を構成する圧電部材（９）には相対す
る側面に電極を形成してあり、外部電極（１０）となる
部分は振動子の中心軸を基準として３分割電極、内部電
極（１１）となる部分は全面電極となっている。分極処
理は電極面に垂直に施されている。この圧電部材は内部
電極を介して快削性セラミックスから作製した振動子の
一部及び支柱（１２）に接合されている。支柱はさらに
セラミックスからなる支持台（１３）に接着材を介して
はめ込みにより固定されている。振動子の固定端部の分
割電極の各電極部位からリード（１４）を取り、内部電
極からもリード（１５）を取りグランドとする。振動子
は、電極面の法線方向（図中Ｖで示す方向）とコリオリ
方向（図中Ｆcで示す方向）の共振周波数がほぼ等しく
なる形状としてある。中央の外部電極（１０ｂ）を駆動
用として用い、ユニモルフ振動子の基本固有振動の共振
周波数付近の交流電圧を加えると電極面の法線方向（図
中Ｖで示す方向）に共振振動が励起される。この時、振
動子の軸の回りに回転が生ずるとコリオリ力（図中Ｆ
c）により振動子は電極面内で屈曲する。この屈曲に伴
う応力により発生する圧電信号を外側の二つの電極の差
動をとることにより、実施例１で示したものと同じ方法
で検出し、コリオリ力を知ることができる。

【００１８】

【実施例３】図３は、本発明に基づく、バイモルフ形状
の振動子を有する圧電振動角速度計の一例の基本構成で
ある。電極を相対する二側面に形成した圧電材料からな
る直方体（３１及び３２）を電極面同士を合わせて接合
し、支持部（３４）に固定する。振動子の上面にある電
極（３３）は検出用として使い、振動子の中心軸を基準
として片側にずれている。支持部には圧電部材でできた
振動子の断面とほぼ同じ大きさの穴が形成し、振動子の
一端を穴に入れてはめ合わせ、接着、ネジ等の方法で支
持部に固定する。また、駆動、検出回路への接続は、振
動部分へのリード線の接合を避け、支持部内で固定され
ている圧電部材の電極表面からリードを取る。

【００１９】図４は、図３に示した振動角速度計を振動
子軸方向から見た図である。振動子断面の形状はほぼ正
方形となっており、振動子駆動方向（図中Ｖで示される
方向）とコリオリ力方向（図中Ｆcで示される方向）の
共振周波数はほぼ同じとなっている。駆動用（３１）、
検出用（３２）各圧電部材は図中矢印で示す方向に分極
処理されており、両部材の中間にある電極（３５）を駆
動及び検出の共通のグランドとして使用する。駆動用圧
電部材（３１）に片持ち振動の基本共振周波数付近の交
流電圧を加えると、駆動用圧電部材は圧電横効果により
加えられた交流電圧に対応して伸縮しようとする。この
とき、検出用圧電部材（３２）には駆動用電圧が加えら
れていないため部材の長さを変化させようという力は働
かないが、二つの圧電部材が接合した形の振動子は、い
わゆるユニモルフとなり図中Ｖで示した方向に振動子の
共振が励起される。

【００２０】ここで、振動子軸の回りに回転が生ずる
と、図中Ｆcで示した方向にコリオリ力が発生し、振動
方向と振動子軸方向の両者に垂直な方向に振動子が屈曲
する。コリオリ力方向の共振周波数は、駆動方向の共振
周波数と同じにしてあるため、この屈曲により検出用圧
電部材の電極に圧電横効果により発生する電圧を読めば
式（１）よりコリオリ力の大きさ、従って回転角速度を
求めることができる。図中Ｆcで表されるコリオリ力が
働くとき、振動子の中心軸を基準として、振動子の左側
に圧縮応力が、右側に引張応力が生ずる。このとき、検
出用電極が振動子の中心軸を基準として対称に配置され
ている場合には、圧縮応力と引張応力とでは発生する圧
電信号の位相が逆となり信号はほぼ相殺されて感度は極
めて低くなる。そこで、図４に示すように、検出用電極
（３３）を中心軸からずらして形成することにより、１
回の屈曲で圧縮あるいは引っ張りの片方のみの圧電信号
を主に取り出すことが可能となる。この際、駆動に伴う
応力により生ずる圧電信号も検出用圧電部材の電極に発
生する。コリオリ力にともなう信号は、駆動用交流電圧
と同じ周波数であり、両者が合成された信号が検出用電
極より得られる。

【００２１】

【実施例４】図５は、本発明に基づく、バイモルフ形状
の振動子を有する圧電振動角速度計の他の一例の基本構
成である。基本的には、図３及び図４に示した例と同様
の機構となっているが、検出用圧電部材上面に形成され
た検出用電極は振動子軸方向に２分割されている（３７
ａ、３７ｂ）。

【００２２】図６は、振動子軸方向から図５に示した振
動角速度計を見たものである。振動子断面の形状は電極
方向の辺がこれと垂直方向の辺よりも短くなっている。
駆動、検出原理は、基本的には図４に関して説明したも
のと同様である。但し、図中Ｖで表される駆動方向と図
中Ｆcで表されるコリオリ力方向の片持ち振動基本共振
周波数は、コリオリ力方向の厚さが薄いためこの方向の
共振周波数の方が駆動方向の共振周波数より低くなる。

【００２３】駆動用圧電部材（３１）に駆動用電極（３
６）を通じてコリオリ力方向の片持ち振動基本共振周波
数付近の交流電圧を加えると、Ｖで表される方向に振動
が励起される。このとき生ずる振動は、加える交流の周
波数が駆動方向の片持ち振動基本共振周波数より低いた
め、共振とはならないが、ユニモルフ構造となっている
ために適切な電圧さえ加えれば充分大きな振幅を与える
ことができる。

【００２４】振動子の軸の回りに回転が生じるとコリオ
リ力が発生するが、駆動に用いる交流電圧の周波数がコ
リオリ力方向の片持ち基本共振周波数であるため、一旦
コリオリ力による屈曲が発生すると共振状態となり、圧
電歪みにより得られる静的な振幅の振動のクオリティー
ファクター倍（数１０〜数１０００倍）の振幅が得られ
る。

【００２５】コリオリ力による信号の検出は、分割電極
により行われる。図中Ｆcで示すコリオリ力が働くと、
図６で振動子軸中心線を基準として振動子左側には圧縮
応力が、右側には引張応力が働く。従って、二つの分割
電極から得られる圧電信号は周波数が等しく、位相が反
対となる。一方、振動子の駆動に伴う応力により発生す
る信号の方がコリオリ力による信号よりも大きいので、
両者が合成された信号からコリオリ力を読みとるには困
難が伴う。そこで、二分割電極の各々から得られる信号
の差（ＯＵＴ１−ＯＵＴ２）を取り、ゲイン及び位相を
調整し、駆動に伴う圧電信号を相殺し、コリオリ力によ
る信号のみを取り出すことができる。

【００２６】以上の実施例では、四角柱形状の振動子を
用いた角速度計について述べたが、図７及び図８に振動
子軸方向から見た図で示すように、振動子の形状が三角
柱あるいは円柱となっても、実施例３及び４に示したバ
イモルフ形状の振動子を有する振動角速度計の動作原理
を用いることが可能である。どちらの構造でも、駆動用
圧電部材と検出用圧電部材をグランド電極を介して接合
してあり、検出用電極は二分割してある。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明の圧電振動角速度
計によれば、圧電または電歪部材からなるユニモルフま
たはバイモルフ形状の柱状の振動子と、振動子を励振さ
せるための励振用電極と、振動子に発生するコリオリの
力を検出するための検出用電極とを有し、振動子の一端
を固定することにより、理想的な振動状態を達成するこ
とが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくユニモルフ形状の振動子を有
する振動角速度計の一例の斜視図である。

【図２】本発明に基づくユニモルフ形状の振動子を有
する振動角速度計のもう一つの例の斜視図である。

【図３】本発明に基づくバイモルフ形状の振動子を有
する振動角速度計の一例の斜視図である。

【図４】図３に示した振動角速度計を振動子軸方向か
らみたときの正面図である。

【図５】本発明に基づくバイモルフ形状の振動子を有
する振動角速度計のもう一つの例の斜視図である。

【図６】図５に示した振動角速度計を振動子軸方向か
ら見たときの正面図である。

【図７】本発明に基づくバイモルフ形状の振動子を有
する振動角速度計のもう一つの例の振動子軸方向から見
たときの正面図である。

【図８】本発明に基づくバイモルフ形状の振動子を有
する振動角速度計のもう一つの例の振動子軸方向から見
たときの正面図である。

【図９】従来の圧電振動角速度計の概念図である。

【図１０】従来の圧電振動角速度計の概念図である。

【符号の説明】

１圧電振動子部材２金属振動子部材３検出用外部電極４検出用内部電極５固定用金属板６駆動用圧電部材７支持台８リード９圧電振動子部材１０外部電極１２内部電極１２セラミックス振動子及び支柱１３支持台１４外部電極用リード１５内部電極用リード１６金属振動子１７駆動用圧電セラミックス１８検出用圧電セラミックス１９駆動用セラミックバイモルフ２０検出用セラミックバイモルフ３１駆動用圧電部材３２検出用圧電部材３３検出用電極（外部電極）３４支持部３５グランド用電極（内部電極）３６駆動用電極（外部電極）３７ａ、３７ｂ二分割電極（外部電極）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤生尚光東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一部または全部が圧電または電歪部材から
なる柱状の振動子と、振動子を励振させるための励振手
段と、振動子に発生するコリオリの力を検出するための
検出手段とを有し、振動子の一端が固定されていること
を特徴とする圧電振動角速度計。
【請求項２】請求項１に記載の圧電振動角速度計におい
て、振動子の形状が四角柱形状であることを特徴とする
圧電振動角速度計。
【請求項３】金属またはセラミックスからなる四角柱形
状の基体とこれに接合された四角柱形状の圧電または電
歪部材とからなる振動子と、基体と圧電または電歪部材
との間に形成された内部電極と、圧電または電歪部材
の、内部電極と相対する面に形成された外部電極とを有
し、振動子の一端が固定されている圧電振動角速度計で
あって、外部電極及び内部電極により、振動子に発生す
るコリオリの力を検出することを特徴とする圧電振動角
速度計。
【請求項４】請求項３に記載の圧電振動角速度計におい
て、圧電または電歪素子を振動子の近傍に配置して振動
子を励振し、振動子の外部電極を振動子軸方向の中心線
を基準として二分割し、該二分割した電極から得られる
信号の差動電圧を取りコリオリの力を検出することを特
徴とする圧電振動角速度計。
【請求項５】圧電または電歪材料からなる四角柱形状の
第１の部材と圧電または電歪材料からなる四角柱形状の
第２の部材とからなる振動子と、第１の部材と第２の部
材との間に形成された内部電極と、第１の部材及び第２
の部材の、内部電極と相対する面にそれぞれ形成された
外部電極とを有し、振動子の一端が固定されている圧電
振動角速度計であって、外部電極及び内部電極により、
振動子に発生するコリオリの力を検出することを特徴と
する圧電振動角速度計。
【請求項６】請求項５に記載の圧電振動角速度計におい
て、第１の部材に形成された外部電極を用いて振動子を
励振し、第２の部材に形成された外部電極を振動子軸方
向の中心線を基準として二分割し、該二分割した電極か
ら得られる信号の差動電圧を取りコリオリの力を検出す
ることを特徴とする圧電振動角速度計。
【請求項７】請求項３または請求項５に記載の圧電振動
角速度計において、前記外部電極を振動子の軸方向に三
分割し、そのうち中央部の電極を励振用電極とし、他の
２つの電極を検出用電極とし、該２つの検出用電極に差
動電圧を取りコリオリの力を検出することを特徴とする
圧電振動角速度計。