JPH08210856A

JPH08210856A - 圧電振動子を使用した検出装置

Info

Publication number: JPH08210856A
Application number: JP6337139A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-08-20

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電振動子からの振動出力を検出する検出回
路において、圧電振動子の制動容量に流れる電流または
制動容量にかかる電圧および誘電体損失成分を打消しま
たは低減させて高感度な出力を得るようにする。【構成】交流駆動電源２１から駆動手段に電力が与え
られて振動型ジャイロスコープなどの弾性体が駆動され
る。コリオリ力などにより変形する弾性体の振動が圧電
振動子により検出されるが、圧電振動子の一方の電極１
１に、圧電振動子と同じ圧電材料により形成された基準
素子を直列に接続し、経路Ｌ２により基準素子にかかる
電圧を取り出しこれを増幅器２３により増幅する。差動
回路２４により、出力経路Ｌ１の検出電圧から前記増幅
された電圧を減じる。これにより圧電振動子の制動容量
および誘電体損失成分が、基準素子の容量および抵抗成
分により等価的に低減され、高感度の振動検出ができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動型ジャイロスコー
プや加速度センサなどの圧電振動子を使用した各種検出
装置に係り、特に圧電振動子の振動成分を感度よく検出
できるようにした検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子は、回転系の角速度を検出す
る振動型ジャイロスコープや、加速度センサなどに広く
使用されている。この種の検出装置では、圧電振動子の
振動に基づく電圧または電流が検出され、この検出出力
に基づいて、角速度や加速度の大きさが求められる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】圧電振動子は図１３
（Ａ）または（Ｂ）に示す等価回路で表わすことができ
る。この等価回路におけるＬｍ１，Ｌｍ２、Ｃｍ１，Ｃ
ｍ２、Ｒｍ１，Ｒｍ２はそれぞれ共振時（モーショナル
時）の等価インダクタンス、等価容量、および振動抵抗
であり、Ｃｄ１，Ｃｄ２は制動容量である。圧電振動子
を振動しないようにクランプした静的な状態で圧電振動
子に駆動電力を与えると、圧電振動子からは、制動容量
Ｃｄ１に加わる電圧Ｖｄまたは制動容量Ｃｄ２を流れる
電流Ｉｄが検出される。

【０００４】上記制動容量Ｃｄ１，Ｃｄ２は、圧電振動
子の自由アドミタンスおよび自由インピーダンスの係数
となり、共振周波数または反共振周波数に影響を与え
る。また自由容量の中の制動容量Ｃｄ１，Ｃｄ２の割合
が大きくなるにしたがって電気機械結合係数ｋが低下す
る。電気機械結合係数ｋが低下すると、圧電振動子に振
動を与えた場合に、圧電振動子から得られる検出電圧ま
たは検出電流が低減させられ、圧電振動子の振動を高感
度に検出できない問題がある。

【０００５】また、実際に圧電振動子として使用される
圧電材料（誘電体）では、環境温度などにより変化する
誘電体損失成分ｒが存在しており、この誘電体損失成分
ｒが、制動容量Ｃｄ２に流れる電流Ｉｄ、または制動容
量Ｃｄ１にかかる電圧Ｖｄに影響を与えることになる。

【０００６】本発明は上記課題を解決するものであり、
圧電振動子の制動容量による出力の低減分を回路上にて
打ち消しまたは低減させることができるようにして、高
感度な振動検出ができるようにした圧電振動子の検出装
置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、振動が
与えられる圧電振動子と、圧電振動子から電圧または電
流を検出する第１の検出経路と、圧電振動子に接続され
たもので前記圧電振動子と同じ圧電材料（誘電体材料）
の基準素子と、前記基準素子にかかる電圧を検出する第
２の検出経路と、第１の検出経路と第２の検出経路の検
出出力の差または和を求める手段とが設けられているこ
とを特徴とするものである。

【０００８】第１の本発明において、圧電振動子と基準
素子とが直列に接続され、圧電振動子と基準素子の中間
に第２の検出経路が接続されている場合に第２の検出経
路の検出電圧または電流を増幅する増幅器を設けること
が好ましい。ここで、基準素子の静電容量（基準容量）
Ｃｓを圧電振動子の制動容量のほぼｎ倍としたときに、
前記増幅器の増幅度を（ｎ＋１）倍とすることがさらに
好ましい。

【０００９】第２の本発明は、振動が与えられる圧電振
動子と、圧電振動子から電流または電圧を検出する第１
の検出経路と、圧電振動子に接続されたもので前記圧電
振動子と同じ圧電材料（誘電体材料）の基準素子と、こ
の基準素子を介して電流を検出する第２の検出経路と、
第１の検出経路と第２の検出経路の検出出力の差または
和を求める手段とが設けられていることを特徴とするも
のである。

【００１０】第２の本発明では、第１の検出経路または
第２の検出経路に増幅器を設け、基準素子の静電容量Ｃ
ｓを圧電振動子の制動容量のほぼｎ倍としたときに、第
１の検出経路に設けられた増幅器の増幅度をｎ倍とし、
あるいは第２の検出経路に設けられた増幅器の増幅度を
１／ｎ倍とすることが可能である。

【００１１】また、第１と第２の本発明において、圧電
振動子を形成する圧電材料は分極が施されたものとし、
基準素子を形成する圧電材料は分極が施されないものと
してもよい。あるいは、圧電振動子を弾性体の振動を生
じる部分に設置し、基準素子を同じ弾性体の振動を生じ
ない部分に静的に設置してもよい。例えば、圧電振動子
および基準素子を構成する圧電材料（誘電体材料）が圧
電セラミックの場合には、分極を施しまたは分極を施さ
ない構造を任意に設定できるので、圧電振動子を構成す
るものとして分極を施したものを使用し、基準素子を構
成するものとして分極を施さないものを使用することが
可能である。基準素子が分極を施さない誘電体材料によ
り形成される場合には、この基準素子を、弾性体の振動
部分と振動しない部分のいずれの位置に設置してもよ
い。また、圧電振動子および基準素子を構成する圧電材
料（誘電体材料）が、水晶やＬｉＮｂＯ₃などの単結晶
材料により形成されている場合には、永久分極されたも
のであるため、基準素子も分極されたものとなる。よっ
てこの分極された基準素子の場合には、振動を受けない
部分に静的に設置することが必要である。

【００１２】上記圧電振動子を使用した具体的な検出装
置としては、弾性体を振動させる駆動手段が設けられ、
回転系内に置かれた弾性体に作用するコリオリ力により
圧電振動子が設置されている部分の弾性体に振動が生じ
る振動型ジャイロスコープを例示できる。

【００１３】

【作用】本発明の検出装置は、振動が与えられる圧電振
動子の振動成分を電圧または電流値として検出するもの
である。図１３（Ａ）（Ｂ）において説明したように、
圧電振動子には、制動容量Ｃｄ１，Ｃｄ２があり、また
温度条件などにより制動容量に流れる電流Ｉｄまたは制
動容量Ｃｄにかかる電圧Ｖｄに影響を与える誘電体損失
成分ｒがある。本発明では、圧電振動子と同じ圧電材料
により形成された基準素子を使用し、この基準素子を流
れる電流Ｉｓまたは基準素子にかかる電圧Ｖｓにより、
前記制動容量を流れる電流Ｉｄまたは電圧Ｖｄを打消し
または低減させて、圧電振動子の電気機械結合係数ｋを
電気回路的に大きくし、振動検出を高感度にて行えるよ
うにしたものである。

【００１４】すなわち第１の本発明では、圧電振動子に
接続された基準素子にかかる電圧を第２の検出経路によ
り検出する。一方、圧電振動子にかかる電圧または電流
は第１の検出経路により検出し、例えば電流は電流−電
圧変換手段により電圧に変換し、差動手段として用いら
れる差動増幅器により、第１の検出経路の電圧から第２
の検出経路の電圧が差動される。これにより、振動検出
出力から制動容量にかかる電圧成分が打ち消されまたは
低減されて、高精度な振動検出が可能になる。また、第
１の検出経路の検出電圧と、第２の検出経路の検出電圧
の位相が相違するときには、いずれかの検出経路に位相
変換手段が設けられて位相が揃えられて差動手段により
差動出力が得られる。また、第１の検出経路の検出電圧
と第２の検出経路の検出電圧とで位相が例えば１８０度
相違するときには、差動手段の代わりに和動回路が使用
され、第１の検出経路の検出出力と第２の検出経路の検
出出力との和が求められる。

【００１５】圧電振動子と基準容量とが直列に接続さ
れ、圧電振動子と基準容量の中間に第２の検出経路が接
続されているときには、圧電振動子と基準容量の双方に
かかる電圧から、基準容量にかかる電圧の差が求められ
る。この場合に、図２において、基準素子の静電容量
（基準容量）Ｃｓが圧電振動子の制動容量Ｃｄ１のほぼ
ｎ倍である場合には、第２の検出経路にて検出される基
準素子にかかる電圧または電流を増幅器により（ｎ＋
１）倍に増幅することが好ましい。基準容量Ｃｓと制動
容量Ｃｄ１がほぼ同じである場合、増幅度は２倍であ
る。このように設定すると、検出出力（Ｖout）におい
て制動容量Ｃｄ１にかかる電圧がほぼ完全に打ち消され
る。

【００１６】また第２の本発明では、図１０の等価回路
に示すように、制動容量Ｃｄ２を流れる電流Ｉｄに対し
て基準素子を流れる電流Ｉｓを差動することにより、制
動容量Ｃｄ２による振動検出の影響を低減させることが
できる。ここで基準素子の基準容量Ｃｓが制動容量Ｃｄ
２のｎ倍である場合には、基準容量Ｃｓを流れる電流Ｉ
ｓまたは電圧を１／ｎ倍に増幅し、または圧電振動子に
流れる電流または電圧をｎ倍に増幅して差動を行うこと
が可能である。ただし、制動容量Ｃｄ２と基準容量Ｃｓ
がほぼ同じ値である場合には、前記増幅は不要である。

【００１７】第２の発明においても、第２の検出経路で
は、例えば基準素子を流れた電流が電流−電圧変換手段
により電圧に変換される。一方、第１の検出経路にて検
出される圧電振動子に流れる電流も電流−電圧変換手段
により電圧に変換される。あるいは圧電振動子にかかる
電圧がそのまま検出されてもよい。この場合に、第１の
検出経路に得られる検出電圧と、第２の検出経路に得ら
れる検出電圧との位相が相違するときには、いずれかの
検出経路に位相変換手段が設けられる。また第１の検出
経路の検出電圧と第２の検出経路の検出電圧とで、例え
ば位相が１８０度違う場合には、差動手段の代わりに和
動回路が設けられ、第１の検出経路と第２の検出経路の
検出出力の和が求められる。

【００１８】また、圧電セラミックのように分極を施さ
ないで使用できる圧電材料により基準素子を構成する場
合には、基準素子は誘電体材料により形成された単なる
容量素子として使用できることになり、よって基準素子
を振動部分に設置することが可能である。また、水晶や
ＬｉＮｂＯ₃などの単結晶材料の永久分極された材料に
より基準素子が構成される場合、この基準素子を単なる
容量素子として機能させることができるように、基準素
子を振動を受けない位置に静的に設置することが必要で
ある。

【００１９】本発明では、基準素子として、圧電振動子
と同じ圧電材料（誘電体材料）の基準素子を使用し、好
ましくはこの基準素子を、圧電振動子と同じ弾性体に設
置している。よって、圧電振動子と基準素子は常に同じ
温度環境下に置かれる。これにより、圧電振動子の前記
誘電体損失成分ｒと等価または近似した抵抗成分ｒｓ
を、基準素子に与えることが可能になる。この基準素子
にかかる電圧または電流に基づいて、圧電振動子からの
検出出力に対する差動を行うと、前記誘電体損失成分ｒ
が打ち消されまたは低減されて、温度環境に影響を受け
ない高精度な振動検出が可能になる。

【００２０】また、本発明の圧電振動子の検出装置は、
例えば振動型ジャイロスコープに使用できる。振動型ジ
ャイロスコープでは、駆動手段により弾性体が駆動さ
れ、この弾性体が回転系内に置かれると、コリオリ力に
より弾性体に振動が生じる。この振動が圧電振動子によ
り検出されるが、前述のように、基準素子を用いて圧電
振動子の制動容量および温度係数などに依存する誘電体
損失成分を打消しまたは低減させることにより、きわめ
て高精度で且つ使用環境により出力差の生じない角速度
検出が可能になる。

【００２１】ただし、本発明の検出装置は、振動型ジャ
イロスコープにのみ使用されるものではなく、加速度セ
ンサやその他の種々の振動を使用した検出装置に実施す
ることが可能である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は本
発明の第１実施例による圧電振動子を使用した検出装置
の回路図、図２は第１実施例での等価回路図、図３
（Ａ）（Ｂ）は、検出装置の全体の構造を示すものであ
り、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は右端面の拡大図、図４は
検出装置の振動モードを示す斜視図である。図３（Ａ）
（Ｂ）および図４に示す検出装置１０は、三脚型の振動
型ジャイロスコープである。

【００２３】図３（Ｂ）に示すように、この検出装置１
０は、エリンバなどの恒弾性材料の弾性板（弾性体）１
１の表裏両面に圧電材料１２，１２が積層されて構成さ
れている。検出装置１０は、溝１０ｄ，１０ｄで分離さ
れた３枚の振動板１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有してい
る。３枚の振動板１０ａ，１０ｂ，１０ｃの部分（イ）
が、弾性板（弾性体）１１の振動部分となる。また、検
出装置１０の基端は、支持部１９に剛体支持されてお
り、前記溝１０ｄ，１０ｄが形成されていない部分
（ロ）が振動を生じない（振動の影響がほとんど生じな
い）静的な部分である。上記振動板１０ａ，１０ｂ，１
０ｃの部分での、表裏両面の圧電材料１２，１２の誘電
分極の方向は図３（Ｂ）において矢印で示す方向であ
る。

【００２４】各振動板１０ａ，１０ｂ，１０ｃの幅方向
両縁部では、圧電材料１２，１２の表面にそれぞれ駆動
電極１３が積層されている。この駆動電極１３が表面に
積層されている範囲の圧電材料１２，１２が、振動板１
０ａ，１０ｂ，１０ｃを振動駆動するための駆動手段と
なる。また駆動電極１３は、表裏両面の圧電材料１２，
１２のそれぞれの表面に設けられており、それぞれの駆
動電極１３の相手側の電極となるのは弾性板１１であ
る。各駆動電極１３に交流駆動電力が印加されると、左
右両側の振動板１０ｂ，１０ｃと中央の振動板１０ａと
が、異なる位相で板面方向（ｘ方向）へ駆動される。あ
る時点で、両側の振動板１０ｂと１０ｃの振幅方向が＋
ｘ方向のとき、中央の振動板１０ａの振幅方向は−ｘ方
向である。

【００２５】この検出装置１０の振動板１０ａ，１０
ｂ，１０ｃが前記駆動手段によりｘ方向へ振動駆動され
ている状態で、Ｙ軸またはＹ軸と平行な軸を中心とする
角速度成分を有する回転系内に置かれると、コリオリ力
により、各振動板１０ａ，１０ｂ，１０ｃにｚ方向への
振動が発生する。このコリオリ力による振動モードは図
４に示す通りであり、左右両側の振動板１０ｂ，１０ｃ
と中央の振動板１０ａとは異なる位相の振動となり、あ
る時点で振動板１０ｂ，１０ｃの振幅方向が−ｚ方向の
とき、中央の振動板１０ａの振幅方向は＋ｚ方向であ
る。

【００２６】本発明では、図４に示すようにｚ方向へ振
動したときの振動成分が圧電材料１２，１２から検出さ
れる。この振動の検出のために、各振動板１０ａ，１０
ｂ，１０ｃの幅方向中央部にて、表裏の圧電材料１２，
１２のそれぞれの表面に検出電極１４が形成されてい
る。また、検出電極１４の相手側電極となるのは弾性板
１１である。この実施例では、弾性板１１自体が、駆動
電極１３と検出電極１４に対する共通電極（コモン電
極）となっている。また、振動板１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ（振動する部分（イ））において、検出電極１４が積
層されている部分の圧電材料１２，１２が本発明での圧
電振動子、すなわち振動が与えられる圧電振動子とな
る。

【００２７】また、検出装置１０では、振動を生じない
部分（ロ）に、基準電極１５が積層されている。この基
準電極１５は、表裏両面の圧電材料１２，１２のそれぞ
れの表面に形成されている。この基準電極１５の相手側
となる電極は、コモン電極となる前記弾性板１１であ
る。基準電極１５が積層されている部分の圧電材料１２
が基準素子となる。

【００２８】上記基準素子は、検出電極１４が積層され
た部分の圧電振動子の制動容量Ｃｄ１またはＣｄ２およ
び前記誘電体損失成分ｒを等価的に打ち消しまたは低減
させるものであるため、基準素子となる部分の圧電材料
１２が単なる容量素子として機能することが必要であ
る。図３（Ａ）に示す（ロ）の部分はほとんど振動を受
けない部分であるため、圧電材料１２を水晶やＬｉＮｂ
Ｏ₃などの永久分極された材料により形成しても、基準
素子として機能できるものとなる。あるいは、圧電材料
１２が圧電セラミックにより形成されている場合、振動
する部分（イ）と共に振動しない部分（ロ）において圧
電材料１２に分極が施されていてもよい。

【００２９】ただし、実際には、（ロ）の部分に、振動
板１０ａ，１０ｂ，１０ｃの振動がわずかに伝達される
おそれがある。したがって（ロ）の部分の圧電材料１２
に分極を施さないことが好ましい。圧電材料１２が圧電
セラミックの場合には、分極を施しまたは分極を施さな
いことを任意に設定できる。よって、（イ）の部分の圧
電材料１２に対し、図３（Ｂ）にて矢印で示す向きの分
極を施し、（ロ）の部分の圧電材料１２については分極
を施さない構成にすることが好ましい。また分極を施さ
ない圧電材料により基準素子を形成する場合、この基準
素子を振動板１０ａ，１０ｂ，１０ｃの部分（振動する
部分（イ））に設置しても、基準素子を単なる容量素子
として機能させることが可能になる。

【００３０】また、検出素子となる部分の圧電材料の基
準容量Ｃｓおよび抵抗成分ｒｓは、前記制動容量Ｃｄ１
またはＣｄ２および誘電体損失成分ｒと等価的であるこ
と（ほぼ等しいこと）が好ましい。圧電素子の静電容量
は電極面積に比例し、電極間距離（厚さ）に反比例す
る。図３に示した検出装置１０では、弾性板１１の表裏
に設けられた圧電材料１２，１２が均一な厚さであり、
検出電極１４が積層された部分である圧電振動子と、基
準電極１５が積層された部分である基準素子とで、圧電
材料１２の電極間距離が同じである。したがって、基準
素子を圧電振動子と等価的にするためには、個々の基準
電極１５の表面積が、検出電極１４の表面積になるべく
近いものであることが好ましい。ただし、振動板１０
ａ，１０ｂ，１０ｃからの振動を受ける圧電振動子と、
基準電極１５が設けられた基準素子とが、分離された圧
電材料層により別々に形成されるような場合、圧電振動
子と基準素子の膜厚を変えて、圧電振動子と基準素子と
を等価なものにすることも可能である。

【００３１】また、図１に示す回路構成では電圧増幅器
２３が設けられ、また、図８に示す回路では電圧増幅器
２９ａまたは２９ｂを設けることができるため、この各
電圧増幅器２３，２９ａ，２９ｂの増幅度を後述のよう
に適宜に設定することにより、圧電振動子と基準素子の
それぞれの容量が完全に等価でなくても、差動により制
動容量Ｃｄ１またはＣｄ２のほぼ完全な打消しが可能で
ある。すなわち、各電圧増幅器の増幅度を適宜に設定す
ることにより、基準電極１５の面積が、検出電極１４の
面積と相違していても、高感度の振動検出を実現するこ
とができる。

【００３２】図１に示すように、所定の周波数の交流駆
動電力を供給する交流駆動電源２１は、一端が接地され
他端が各駆動電極１３に接続されて、各駆動電極１３と
弾性板１１との間の圧電材料１２，１２に交流駆動電力
が与えられる。検出電極１４には第１の検出経路Ｌ１が
接続されている。第１の検出経路Ｌ１では、バッファア
ンプ（電圧フォロワ）２２が設けられている。

【００３３】検出用の圧電振動子（検出電極１４が積層
されている部分の圧電材料１２）と、基準素子（基準電
極１５が積層されている部分の圧電材料１２）は、コモ
ン電極となる弾性板１１により直列に接続されている。
また、基準素子の電極である前記基準電極１５は接地さ
れている。あるいは所定の電位に設定されている。弾性
板１１は、直列に接続された圧電振動子と基準素子との
中間に位置する電極となり、この弾性板１１に第２の検
出経路Ｌ２が接続されている。第２の検出経路Ｌ２には
電圧を増幅する増幅器２３が設けられている。そして、
差動手段である差動回路２４により、第１の検出経路Ｌ
１での検出電圧と、第２の検出経路Ｌ２での検出電圧の
差が求められ、検出出力（Ｖout）が得られる。

【００３４】図３と図４に示す検出装置（振動型ジャイ
ロスコープ）１０では、交流駆動電源２１から駆動電極
１３に与えられる電力により、各振動板１０ａ，１０
ｂ，１０ｃにｘ方向への振動が与えられる。このジャイ
ロスコープがｙ軸回りの回転系に置かれると、コリオリ
力により、各振動板１０ａ，１０ｂ，１０ｃが図４に示
す位相にてｚ方向へ振動する。このｚ方向の振動は、図
１に示す検出出力（Ｖout）として得られる。

【００３５】検出電極１４が積層された部分の圧電材料
１２で前記コリオリ力による振動が与えられる圧電振動
子と、基準電極１５が積層された部分の圧電材料１２で
ある基準素子の、等価回路を図２に示す。圧電振動子
は、振動時の等価インダクタンスＬｍ１、等価容量Ｃｍ
１および共振抵抗Ｒｍ１と、これらに直列な制動容量Ｃ
ｄ１を有するものとして表現できる。また制動容量Ｃｄ
１にかかる電圧または制動容量Ｃｄ１を流れる電流は、
圧電材料固有の性質および温度係数などの諸条件により
影響を受ける。この影響を与える誘電体損失成分をｒで
示している。

【００３６】基準素子は、図３（Ａ）にて（ロ）で示す
振動しない部分にて静的に設けられた圧電材料１２また
は、分極が施されていない圧電材料である。したがっ
て、この基準素子の等価回路には振動時（モーショナル
時）の等価インダクタンスＬｍ１、等価容量Ｃｍ１およ
び共振抵抗Ｒｍ１などは現れず、基準容量Ｃｓと抵抗成
分ｒｓのみとなる。また、基準容量Ｃｓにかかる電圧ま
たは基準容量Ｃｓを流れる電流は、圧電材料固有の性質
および温度係数などの諸条件の影響を受ける。この影響
を与える抵抗成分をｒｓで表現している。

【００３７】図２において、圧電振動子と基準素子との
中間のｅ点の電圧は、基準素子にかかる電圧Ｖｓであ
り、ｂ点の電圧は圧電振動子にかかる電圧と前記電圧Ｖ
ｓとの和の電圧Ｖｆである。前記基準素子の基準容量Ｃ
ｓが制動容量Ｃｄ１のｎ倍であるとすると、前記各電圧
ＶｆとＶｓは次の数１に示す通りである。なお、Ｃｍ
１，Ｌｍ１，Ｒｍ１が並列に接続されたものとして表現
できるモーショナルインピーダンスをＺ１で示してい
る。

【００３８】

【数１】

【００３９】ここで、前記電圧増幅器２３の増幅度を
（ｎ＋１）に設定すると、出力電圧（Ｖout）は数２に
示すものとなる。

【００４０】

【数２】

【００４１】数２から、出力電圧（Ｖout）では、制動
容量Ｃｄ１にかかる電圧が打ち消されていることが解
る。すなわち、図１と図２に示す装置では、制動容量Ｃ
ｄ１が打ち消されていることにより、電気機械結合係数
ｋが電気回路的に補償されて大きくなり、高感度の振動
検出ができるものとなる。また、実際には、電圧Ｖｆに
は圧電振動子の誘電体損失成分ｒにかかる電圧が含ま
れ、電圧Ｖｓには基準素子の抵抗成分ｒｓにかかる電圧
も含まれている。しかし差動回路２４により｛Ｖｆ−
（ｎ＋１）Ｖｓ｝の差動が行われることにより、誘電体
損失成分ｒにかかる電圧が抵抗成分ｒｓにかかる電圧に
より低減されることになる。

【００４２】また、図１では、圧電振動子を構成する圧
電材料と、基準素子を構成する圧電材料とがほぼ等価で
ある場合を仮定している。この場合、増幅器２３の増幅
度は２倍であり、出力電圧（Ｖout）は（Ｖｆ−２Ｖ
ｓ）である。また、圧電振動子と基準素子とをほぼ完全
に等価なものにし、増幅器２３の増幅度を２倍にしてお
くと、圧電振動子の誘電体損失成分ｒにかかる電圧は、
基準素子の抵抗成分ｒｓにかかる電圧によりほぼ相殺さ
れ、誘電体損失成分ｒの影響をきわめて効果的に除去で
きる。よって温度環境などの変化があっても、常に制動
容量Ｃｄ１の影響を最適な状態に打消し、または低減さ
せることができる。

【００４３】なお、基準容量Ｃｓの前記倍率ｎに対して
増幅器２３の増幅度が正確に（ｎ＋１）倍でなくても、
制動容量Ｃｄ１と誘電体損失成分ｒの低減の効果は期待
できる。すなわち、基準素子の基準容量Ｃｓと増幅器２
３の増幅度は厳密に定めなくても、検出感度を向上させ
る効果を期待できる。ただし、基準容量Ｃｓを制動容量
Ｃｄ１のｎ倍とし、増幅器２３の増幅度を（ｎ＋１）倍
とすることが好ましく、さらに好ましくはｎ＝１であ
る。

【００４４】図５ないし図７は、図１に示す第１実施例
の変形例を示している。図５では、第２の検出経路Ｌ２
により基準素子（静電容量Ｃｓ）にかかる電圧が検出さ
れ、この電圧が増幅器２３により（ｎ＋１）倍（例えば
ｎ＝１）に増幅される。一方、第１の検出経路Ｌ１で
は、検出電極１４から圧電振動子に流れる電流が検出さ
れ、これが電流−電圧変換回路２５により電圧に変換さ
れる。そして第１の検出経路Ｌ１にて電圧に変換された
出力と、第２の検出経路Ｌ２にて得られる検出電圧との
差が差動回路２４により求められ、出力（Ｖout）が得
られる。

【００４５】図５において、第１の検出経路Ｌ１から差
動増幅器２４に与えられる電圧と、第２の検出経路Ｌ２
から差動増幅器２４に与えられる電圧とで、位相が異な
る場合には、いずれかの経路Ｌ１またはＬ２に位相変換
手段を設け、差動増幅器２４に与えられる電圧の位相を
一致させることができる。また、両経路Ｌ１とＬ２の電
圧の位相が１８０度ずれている場合には、差動手段の代
わりに、両経路の電圧の和を求める和動回路が設けられ
てもよい。

【００４６】図６は、駆動手段となる駆動側の圧電素子
（ハ）により振動が発せられ、この振動により検出側の
圧電振動子（二）が振動させられる例について示してい
る。例えば、駆動側の圧電素子（ハ）が、圧電トランス
の１次側の圧電材料で、圧電振動子（二）が２次側の圧
電材料である場合である。あるいは、図３に示すような
三脚音叉型などの振動型ジャイロスコープにおいて、エ
リンバなどの弾性板に振動駆動用の圧電材料と、コリオ
リ力の検出用の圧電材料とが別個に設けられる場合があ
る。この場合に、駆動用の圧電材料が圧電素子（ハ）で
あり、検出用の圧電材料が圧電振動子（二）である。ま
た、基準素子（ホ）は、前記圧電振動子（二）と同じ圧
電材料（誘電材料）により形成され、この好ましくはエ
リンバなどの弾性板の振動を生じない部分に設置され
る。

【００４７】図６に示す回路構成は、図１に示すものに
おいて共通電極（１１）が設けられない場合に相当す
る。なお図６の例において、第１の検出経路Ｌ１の電圧
フォロワ２２の代わりに、図５に示す電流−電圧変換回
路２５を設けてもよい。

【００４８】図７に示す実施例では、検出側の圧電振動
子（二）と同じ圧電材料（誘電材料）により形成された
基準素子（ホ）が、圧電振動子（二）と直列に接続さ
れ、さらに圧電振動子（二）と並列な容量Ｃｓ１が設け
られている。基準素子（ホ）の静電容量Ｃｓと容量Ｃｓ
１を最適な組み合せに選び、また増幅器２３の増幅率を
最適な状態に設定することにより、出力（Ｖout）から
圧電振動子の制動容量Ｃｄ１にかかる電圧成分を低減し
あるいは除去することが可能である。

【００４９】図８は、本発明の第２実施例の検出装置の
回路図である。この第２実施例は、図３に示す検出装置
（振動型ジャイロスコープ）１０において、振動出力を
電流値として取り出すものである。この実施例では、図
１に示す実施例と同様に、交流駆動電源２１の駆動電力
が駆動電極１３に与えられ、振動板１０ａ，１０ｂ，１
０ｃが図３（Ａ）に示すようにｘ方向へ振動駆動され
る。

【００５０】この検出装置１０がｙ軸回りの回転系内に
置かれると、図４に示すように、各振動板１０ａ，１０
ｂ，１０ｃがコリオリ力によりｚ方向へ振動する。この
とき、検出電極１４が積層された部分の圧電材料１２
（圧電振動子）に与えられる振動を検出するために第１
の検出経路Ｌａと第２の検出経路Ｌｂが設けられてい
る。

【００５１】図８の実施例では、第１の検出経路Ｌａが
検出電極１４に接続され、この第１の検出経路Ｌａに
は、電流−電圧変換回路２５と、バッファアンプ（電圧
フォロワ）２６とが設けられている。弾性板１１は、検
出用の圧電振動子と、基準素子との共通電極となり、基
準素子の単独電極となる基準電極１５に第２の検出経路
Ｌｂが接続されている。この第２の検出経路Ｌｂには、
基準容量Ｃｓと抵抗成分ｒｓを通過する電流を電圧に変
換する電流−電圧変換回路２７およびバッファアンプ
（電圧フォロワ）２８が設けられている。そして差動手
段である差動回路２４により、第１の検出経路Ｌａの検
出出力（電圧）から第２の検出経路Ｌｂの検出出力（電
圧）が減算される。

【００５２】図１０は図８に示す検出装置における圧電
振動子（検出電極１４が形成されている部分の圧電材料
１２）と、基準素子（基準電極１５が形成されている部
分の圧電材料１２）の等価回路を示している。図１０で
は、基準素子の基準容量Ｃｓが制動容量Ｃｄ２のｎ倍で
あり、さらに基準容量Ｃｓを流れる電流Ｉｓが１／ｎ倍
に増幅されるものと仮定している。このとき各部分に流
れる電流は数３により表現できる。なお、以下では、Ｌ
ｍ２，Ｃｍ２，Ｒｍ２が直列に接続されたモーショナル
インピーダンスをＺ２で示している。

【００５３】

【数３】

【００５４】また、差動回路２４により作動された出力
電流（Ｉout）は数４に示す通りである。

【００５５】

【数４】

【００５６】上記数４から、差動出力には、制動容量Ｃ
ｄ２を流れる電流が現れず、制動容量による影響が回路
的に打ち消されていることが解る。よって電気機械結合
係数を高くして、高感度の振動検出が可能になる。ま
た、実際には、電流Ｉｄは誘電体損失成分ｒの影響を受
け、電流Ｉｓは基準素子の抵抗成分ｒｓの影響を受け
る。しかし、差動回路によるＩｄからＩｓが減算される
ことにより、誘電体損失成分ｒの影響を低減できること
になる。これは温度環境の影響が少なく、高感度の振動
検出が行われることを意味している。

【００５７】したがって、図８の回路構成において、基
準素子の基準容量Ｃｓが圧電振動子の制動容量Ｃｄ２の
ｎ倍である場合、電流−電圧変換回路２７により電圧に
変換された出力を１／ｎ倍に増幅する増幅器２９ａが設
けられることになる。または増幅器２９ａを設ける代わ
りに、第１の検出経路Ｌａの電流−電圧変換回路２５の
次段に、電圧をｎ倍に増幅する増幅器２９ｂを設けても
よい。

【００５８】また、基準容量Ｃｓが制動容量Ｃｄ２とほ
ぼ完全に等価である場合には、ｎ＝１となり、前記増幅
器２９ａまたは２９ｂを設ける必要はない。また、基準
素子と圧電振動子とがほぼ完全に等価のものである場合
には、誘電体損失成分ｒと抵抗成分ｒｓがほぼ等価であ
るため、数４で表現できる差動出力では誘電体損失成分
ｒの影響をほぼ完全に打ち消すことができ、温度環境の
変化に影響を受けない検出出力を得ることが可能にな
る。

【００５９】したがって、各振動板１０ａ，１０ｂ，１
０ｃがコリオリ力によりｚ方向へ振動した場合、圧電振
動子の制動容量Ｃｄ２の影響を受けることなく、高精度
な振動検出が可能になり、検出出力（Ｖout）により、
ｙ軸回りの角速度ωを高感度にて検出することが可能に
なる。

【００６０】図９は図８に示す第２実施例の変形例を示
している。図９に示す検出装置では、第１の検出経路Ｌ
ａと第２の検出経路Ｌｂの構成が図８に示す実施例と同
じ構成であり、第２の検出経路Ｌｂに基準素子が接続さ
れている点も同じである。ただし、図９では、圧電振動
子の電極１１と１５に対する各検出経路ＬａとＬｂの接
続極性が図８に示した実施例と逆になっている。したが
って、図９に示す回路を構成するためには、図３に示す
検出装置１０において、検出電極１４と基準電極１５を
導線または導電パターンにより導通させ、また基準電極
１５が形成された部分の圧電材料１２と弾性板１１との
間に、この弾性板１１と絶縁された他の電極１６を設
け、この電極１６を電流−電圧変換回路２７に接続する
ことが必要である。また、検出電極１４と基準電極１５
とを導通させる代わりに、振動部分（イ）に位置する検
出電極１４と振動しない部分（ロ）に位置する基準電極
１５を接続して一体の電極としても同じである。この場
合、（イ）の部分では圧電材料１２に分極を施し、
（ロ）の部分では分極を施さないものとすることが好ま
しい。

【００６１】図９に示す回路構成と図８に示す回路構成
とでは、制動容量Ｃｄを流れる電流Ｉｄを基準容量Ｃｓ
を流れる電流Ｉｓにより減じる点でその動作原理は同じ
である。ただし、図８と図９の各回路での検出出力（Ｖ
out）を比較すると、図８に示す実施例の方が高感度の
振動検出出力を得られることが確認できた。これは、駆
動電極１３に与えられる交流駆動電力との関係で、コモ
ン電極（弾性板１１）側から得られた電流を基準容量Ｃ
ｓに通過させ、これを単独電極（検出電極）１４側から
得られた出力から減じた方が、差動する信号どうしの位
相が一致しやすく、高い差動出力が得やすくなるからで
あると予測される。

【００６２】以上から図８に示すような電流検出方式の
検出装置では、駆動用圧電素子と検出用圧電振動子の共
通の電極となる側に、基準素子（基準容量Ｃｓと抵抗成
分ｒｓ）および第２の検出経路Ｌｂを接続することが好
ましいものとなる。ただし、図９の回路構成において、
第１の検出経路Ｌａの電流−電圧変換回路２５の次段、
または第２の検出経路Ｌｂの電流−電圧変換回路２７の
次段のいずれかに、位相変換手段を設け、差動回路（差
動増幅器）２４に与えられる２つの電圧の位相を揃える
ことにより、図８の回路に匹敵する検出出力を得るよう
にすることが可能である。

【００６３】また、図９に示す回路構成においても、基
準素子の基準容量Ｃｓが制動容量Ｃｄ２のｎ倍である場
合には、第２の検出経路Ｌｂに増幅器２９ａを設け、ま
たは第１の検出経路Ｌａに増幅器２９ｂを設けることが
好ましい。なお、図８においても同じであるが、増幅器
２９ａ，２９ｂを別個に設けることなく、電流−電圧変
換回路２５または２７において増幅率（ｎ倍または１／
ｎ倍）の設定を行うことは可能である。

【００６４】図１１と図１２は、図８に示す第２実施例
の変形例を示している。図１１に示す例では、第２の検
出経路Ｌｂにおいて、基準素子（静電容量Ｃｓ）を流れ
る電流が検出され、この電流が電流−電圧変換回路２７
により電圧に変換される。一方、第１の検出経路Ｌａに
は、バッファアンプ（電圧フォロワ）２６が設けられ、
圧電振動子にかかる電圧が検出電極１４から検出され
る。また差動手段である差動増幅器２４により、第１の
検出経路Ｌａにより検出された電圧と、第２の検出経路
Ｌｂにより検出された電流から変換された電圧との差が
求められる。ここで、差動増幅器２４に入力する電圧の
位相が、第１の検出経路Ｌａと第２の検出経路Ｌｂとで
相違しているときには、経路ＬａとＬｂのいずれかに、
電圧の位相を１８０度変化させる位相変換手段としてイ
ンバータ３０が設けられる。またはインバータ３０を設
けず、経路Ｌａの電圧と経路Ｌｂの電圧とが和動回路に
より加算されてもよい。すなわち和動回路が差動手段の
代わりとなる。

【００６５】図１２に示す回路は、駆動用の圧電素子
（ハ）と検出用の圧電振動子（二）が別々の圧電材料で
ある場合を示しており、基準素子（ホ）は圧電振動子
（二）と同じ圧電材料（誘電材料）により形成されてい
る。駆動側の圧電素子（ハ）は接地され、検出用の圧電
振動子（二）も接地され、あるいは所定の電位に設定さ
れている。第１の検出経路Ｌａと第２の検出経路Ｌｂ
は、圧電振動子（二）の同じ側の電極から取り出されて
いる。そして第１の検出経路Ｌａには電流−電圧変換回
路２５が、第２の検出経路Ｌｂには、容量Ｃｓと電流−
電圧変換回路２７とが設けられている。

【００６６】また、図８または図９に示す実施例におい
て、第１の検出経路Ｌａと第２の検出経路Ｌｂとが、同
じ検出電極１４に接続されていても同じである。さら
に、図１２において、電流−電圧変換回路２５を設けず
に、第１の検出経路Ｌａに電圧フォロワ（２６）が設け
られてもよい。

【００６７】なお、本発明では、図３に示すように、振
動を受ける圧電振動子の圧電材料と、基準素子の圧電材
料を同じ弾性体（弾性板１１）に設置し、圧電振動子の
圧電材料を弾性体の振動部分に、基準素子の圧電材料を
弾性体の振動しない部分にそれぞれ設置することが好ま
しい。このような構造とすることにより、温度環境など
の影響を受ける誘電体損失成分ｒと抵抗成分ｒｓとを同
じ環境下にて等価的なものにでき、環境温度などに作用
されない振動検出精度を得ることができるようになる。
ただし、圧電振動子が設置される弾性体から基準素子を
離して設け、例えば弾性体が設けられる部分に近接した
位置に配置された回路基板上に、基準素子を設置する構
造にしてもよい。

【００６８】また、本発明による検出装置は、振動型ジ
ャイロスコープに限られず、駆動手段により弾性体を振
動させ、この振動を受ける圧電振動子の振動成分を検出
する検出装置であれば、どのようなものであっても実施
可能であり、例えば加速度センサなどの構成にすること
が可能である。

【００６９】

【発明の効果】以上のように本発明では、圧電振動子の
制動容量にかかる電圧または電流を等価的な基準容量に
より打消しまたは低減することにより、高感度な振動検
出が可能になる。また、圧電振動子と同じ圧電材料（誘
電材料）により形成された基準素子を設けているため、
前記制動容量のみならず温度係数などの影響を受ける圧
電振動子の誘電体損失成分の打消しまたは低減が可能に
なり、高感度の検出装置が得られるようになる。特に、
圧電振動子と基準素子を同じ弾性体に設置することによ
り、上記温度係数などの影響を確実に打消しまたは低減
できるようになる。

【００７０】また、本発明の検出装置を例えば振動型ジ
ャイロスコープに設ければ、高感度な角速度検出が可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の検出装置の回路構成を示
す回路図、

【図２】図１に示す圧電振動子と基準素子の等価回路
図、

【図３】図１に示す検出装置である振動型ジャイロスコ
ープを示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は右端
面の拡大図、

【図４】振動型ジャイロスコープの振動変形モードを示
す斜視図、

【図５】図１に示す第１実施例の変形例を示す回路図、

【図６】図１に示す第１実施例の変形例を示す回路図、

【図７】図１に示す第１実施例の変形例を示す回路図、

【図８】本発明の第２実施例の検出装置の回路構成を示
す回路図、

【図９】第２実施例の変形例を示す回路図、

【図１０】図８に示す圧電振動子と基準素子の等価回路
図、

【図１１】第２実施例の変形例を示す回路図、

【図１２】第２実施例の変形例を示す回路図、

【図１３】（Ａ）（Ｂ）は圧電振動子の等価回路図、

【符号の説明】

１０検出装置（振動型ジャイロスコープ）１１弾性板１２圧電材料１３駆動電極１４検出電極１５基準電極２１交流駆動電源２２，２６，２８バッファアンプ２３増幅器２４差動回路２５，２７電流−電圧変換回路２９ａ，２９ｂ電圧増幅器Ｌ１，Ｌａ第１の検出経路Ｌ２，Ｌｂ第２の検出経路Ｃｄ制動容量Ｃｓ基準容量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動が与えられる圧電振動子と、圧電振
動子から電圧または電流を検出する第１の検出経路と、
圧電振動子に接続されたもので前記圧電振動子と同じ圧
電材料の基準素子と、前記基準素子にかかる電圧を検出
する第２の検出経路と、第１の検出経路と第２の検出経
路の検出出力の差または和を求める手段とが設けられて
いることを特徴とする圧電振動子を使用した検出装置。
【請求項２】基準素子が圧電振動子と直列に接続され
て、圧電振動子と基準素子の間に第２の検出経路が接続
され、基準素子の静電容量が圧電振動子の制動容量のｎ
倍であるときに、第２の検出経路では基準素子にかかる
電圧がほぼ（ｎ＋１）倍に増幅される請求項１記載の圧
電振動子を使用した検出装置。
【請求項３】振動が与えられる圧電振動子と、圧電振
動子から電流または電圧を検出する第１の検出経路と、
圧電振動子に接続されたもので前記圧電振動子と同じ圧
電材料の基準素子と、この基準素子に流れる電流を検出
する第２の検出経路と、第１の検出経路と第２の検出経
路の検出出力の差または和を求める手段とが設けられて
いることを特徴とする圧電振動子を使用した検出装置。
【請求項４】第１の検出経路または第２の検出経路に
増幅器が設けられ、基準素子の静電容量を圧電振動子の
制動容量のほぼｎ倍とし、第１の検出経路に設けられた
増幅器の増幅度をｎ倍とし、あるいは第２の検出経路に
設けられた増幅器の増幅度を１／ｎ倍とする請求項３記
載の圧電振動子を使用した検出装置。
【請求項５】圧電振動子を形成する圧電材料は分極が
施されたものであり、基準素子を形成する圧電材料は分
極が施されないものである請求項１ないし４のいずれか
に記載の圧電振動子を使用した検出装置。
【請求項６】圧電振動子は弾性体の振動を生じる部分
に設置され、基準素子は同じ弾性体の振動を生じない部
分に静的に設置される請求項１ないし４のいずれかに記
載の圧電振動子を使用した検出装置。
【請求項７】弾性体を振動させる駆動手段が設けら
れ、回転系内に置かれた弾性体に作用するコリオリ力に
より、圧電振動子が設置されている部分の弾性体に振動
が生じる請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電振動
子を使用した検出装置。