JPH1038579A

JPH1038579A - 圧電ジャイロ

Info

Publication number: JPH1038579A
Application number: JP8191076A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ono; 正明小野; Noboru Wakatsuki; 昇若月
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】不要な電気−機械結合が小さく、不要な機械
的結合も小さく、支持による影響も少なく、感度も高
く、作りやすい構成の圧電ジャイロを提供することを目
的とし、【解決課題】ベース部と、そこから延びる２本のアー
ムを持ち、該アームの面内振動モードを駆動振動とし、
面垂直振動を検出振動とする圧電単結晶音さ形振動ジャ
イロであって、面内振動の振動変位が、該アームのある
反対側の該ベース端部で無視できるように、該ベース部
の長さを該アームの長さ以上に設定するとともに、該ベ
ース部の底部中央にスリットを設け、該底部付近を面垂
直振動によって振動させることを特徴とする圧電ジャイ
ロ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】圧電ジャイロは、物体の運動を並
進運動と切り離して、回転運動のみを検出できるセンサ
である。自動車のヨウレート検出用、カメラの手振れ検
出用、移動体の位置検出用などに用いられ、小形化、高
感度化、高安定化が強く求められている。

【０００２】本発明は、小形で堅牢な角速度センサーで
ある圧電振動ジャイロの設計、製造技術に関する。

【０００３】

【従来の技術】圧電振動ジャイロとして、音片形、音さ
形、Ｈ形などがある。振動ジャイロでは、直交した２つ
の振動モードを利用している。一方を駆動して、他方を
検出モードとして利用することが多い。しかし、駆動電
極と検出電極とが回転を与えられない条件でも、電気
的、機械的に結合して漏れ出力を発生することが多く、
ジャイロ特性の高感度化や高安定化の障害であった。

【０００４】圧電単結晶を用いた振動ジャイロは構造が
単純で小形化が期待されるが、感度や安定度では問題が
あった。これまで報告されている圧電ジャイロの構成は
金属棒や金属音さに圧電振動子が接着されたタイプが多
い。しかし、安定度の点から圧電単結晶や圧電セラミッ
クなどの圧電材料そのものに電極を形成して、ジャイロ
を構成する場合も多く、音片形振動子、音さ形振動子、
Ｈ形振動子が多く用いられている。

【０００５】代表的な音さ形圧電単結晶ジャイロの構成
例を図１に示した。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】図１に示される駆
動電極２〜５と検出電極６〜９との間には、図２に示す
ような、４種類の不要な結合がある。すなわち、静電結合による漏れｆx モード駆動用電極とｆz モード間の電気−機械
的結合による漏れ信号ｆx モードとｆz モード間の機械的結合による漏れ
信号ｆz モード検出用電極とｆx モード間の電気−機械
的結合による漏れ信号これらの不要な結合の低減が圧電振動ジャイロの性能向
上には重要である。

【０００７】図３、図４は、図１において１で示される
部分をタンタル酸リチウムを用いた音さ形振動子の長さ
方向位置における面内振動及び面垂直振動、各モードの
振動変位（図３，４（ａ））、応力（図３，４
（ｂ））、電荷（図３，４（ｃ））について有限要素法
で解析した結果を示す。図３は、音さ形圧電ジャイロの
面内振動のについての解析結果で、振動変位や応力が、
ベースの底部（端部）すなわちＬY ＝０付近ではほとん
どゼロであることがわかる。また，先端部の変位は，ほ
とんど面内（Ｘ−Ｙ面）である。

【０００８】通常、面内振動を駆動を行う場合、応力が
発生する部分（図３（ｂ）ＬY ＝５〜１４ｍｍ）に電極
２〜５を形成する必要があるが、同時に、図４（ｂ）に
示す通り、面垂直振動に対しても応力の発生部分とな
り、面垂直振動への不要な結合が生じる。（前述の漏れ
結合に相当）また図４は、面垂直振動に対する有限要素法解析結果で
あり、面垂直振動の場合には、振動変位も応力も底部付
近でゼロにはならない。さらに先端部（ＬY ＝１４）の
変位は、面に垂直な成分（Ｚ−Ｙ面）のみならず、Ｘ方
向成分も含み、面内振動と機械的な結合が存在すること
を示しており、わずかに、すりこぎ運動をしている。

【０００９】面垂直振動を検出する為には、面内振動を
駆動する場合と同様、応力が発生する部分に電極６〜９
を配置する必要が有るが、当該位置では、面内振動の応
力も発生する部分となり、不要振動を励振させる。（前
述の漏れ結合に相当）図５（ａ）に、タンタル酸リチウムを用いた音さ形振動
子の駆動と検出電極側から見たインピーダンス特性を、
図５（ｂ）には駆動・検出電極間の伝達特性を示す。何
れの場合にも不要な電気−機械結合による漏れ応答が見
られる。

【００１０】また、結晶の異方性や形状等によって、両
モードの機械的結合（前述の漏れ結合）が発生し、図
６、図７に示すように、結晶方位や音さアーム間のギャ
ップを変化させても大きな改善の様子は見られない。図
８には、Ｈ形振動子の例を示す。２脚音さを上下に接続
した構成であり、４本のアームが対称に振動するもの
で、支持が容易で、動作が安定あることから、各種振動
子として多用されてきた。（ａ）は駆動側が面内振動、
検出側が面垂直振動するタイプ、（ｂ）は駆動側が面垂
直振動、検出側が面内振動するタイプである。

【００１１】これらの、音さ形ジャイロや、Ｈ形ジャイ
ロ等、従来の圧電ジャイロでは、駆動モードの変位が存
在する位置に、検出電極を配置することがほとんどであ
り、また、不要な機械的結合の原因となる両モードの変
位を完全に直交させるのも難しかった。また、振動子の
支持において、両モードに影響を与えない位置での支持
が難しかった。

【００１２】一般には、不要な結合による漏れ出力が発
生して、感度や安定度を劣化させている。これらの直交
する振動モードの漏れ出力を低減するためには、電極の
動作トリミングやアーム部コーナのトリミングが必要だ
った。また、音さ形振動子では、ベース部をある長さ以
上にすれば、ベース端部において、面内振動がほとんど
存在せずに、面垂直振動のみが存在する。このことを利
用して、端部を支持した支持基板の一部の調整によっ
て、面垂直振動の共振周波数やＱ値を調整する手法は知
られていた。

【００１３】本発明の目的は、不要な電気−機械結合が
小さく、不要な機械的結合も小さく、支持による影響も
少なく、感度も高く、作りやすい構成の圧電ジャイロを
提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、図９に示され
るように、上記課題を解決するために、音さ形振動子の
ベース部を十分に長くして、面内振動がほとんど存在し
ない部分を形成して、さらに、そのベースの端部にスリ
ットを入れて、面垂直振動のみが対称に振動し易くした
ものである。

【００１５】以下に本発明の作用を説明する。図１０
に、ベース部を長くして、その部分にスリットを入れた
本提案のジャイロ構成について、面内振動モードと面垂
直振動モードの振動解析結果を示す。スリットを入れる
と、面内振動に関しては従来の音さ形と全く同じと言え
る。一方、面垂直振動は、上下左右が対称に振動するこ
とになり、Ｘ成分は低減する。また、中央のスリットの
存在しない部分およびスリット部でも大きなすべり応力
が観測され、検出電極１４〜１７を配置すればコリオリ
力が検出できる。

【００１６】本発明の構成によれば、駆動電極１０〜１
３は、駆動する面内振動モードと、コリオリ力により発
生する面垂直振動モードの両者が存在するアーム部に設
置するが、検出電極は、面垂直モードのみが存在する場
所（図１０のＬY ＝０〜１２ｍｍの部分）に設置できる
ので、検出電極と駆動モードとの不要な電気−機械結合
は存在しないことになる。

【００１７】なお、応力の分布から、電極の分離が必要
であるが、応力の極性に合わせて同電位とする構成にす
ればよい。更に、面内振動を駆動する側の電極１０〜１
３についても面垂直振動の応力の総和がゼロ（図１０の
ＬY ＝１3.５〜１5.５ｍｍの部分）となる部分に設置す
れば、駆動電極１４〜１７と面垂直振動成分との不要な
電気−機械結合も存在しないことになる。

【００１８】また、図１０のＬY ＝7.３及び8.７付近で
は面内振動と面垂直振動の応力がゼロとなるので、この
部分を支持する事も可能となる。（特に、ＬY ＝8.７付
近では両モードの変位もゼロとなるので支持に最適であ
る。）一方、スリットが無い場合には、面内振動および面垂直
振動に対して応力および変位が共にゼロとなる理想支持
のＬY の条件は存在しない。また、面内振動の応力がゼ
ロとなる駆動電極部分での面垂直振動の応力の総和も小
さく、駆動効率も劣る。

【００１９】本発明の構成では、さらに、検出モードの
上下、左右の対称性が良いので、面垂直振動の変位は面
に垂直な成分がほとんどで、漏れ出力の原因となる面内
振動との機械的な結合も減少する。また、駆動電極と、
検出電極を分離して配置し、対称な左右の振動を差動的
に駆動したり、検出することができる。その結果、感度
が向上するだけでなく、外部振動などの不要な振動へ応
答しにくくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を以下に示す。図
１１は１ｍｍ□の矩形断面のアームを有し、全長２１ｍ
ｍ，アーム長およびスリット深さが７ｍｍ，アーム間ギ
ャップおよびスリット幅が0.３ｍｍの１３０°Ｙタンタ
ル酸リチウム圧電ジャイロについての電極構成例を示
す。図１１（ａ），（ｂ）は面垂直振動検出用電極１４
〜１７の構成例を示すものであり、面内振動の応力がゼ
ロとなる部分Ｌy ＝０〜7.２ｍｍおよび8.７〜１２ｍｍ
に設置した例である。ＬY ＝7.２〜8.７ｍｍにおいて
も、面内振動の応力がゼロとなる同様効果が得られる
が、前者に比べ、応力の極性が反対で、応力の総和が小
さく、（ａ），（ｂ）の場合にに比べ、効率は劣る。図
１１（ｃ）は電極を（ａ）、（ｂ）の両位置に形成さ
せ、検出効率を上げた例である。これらの検出電極１４
〜１７は図１３に示すように接続され、面垂直振動を検
出する。なお、面垂直振動検出電極の場合、図１３
（ａ）のように、素子の側面にも電極を形成する必要が
ある。

【００２１】図１１（ｄ）は面内振動駆動用電極２２〜
２５の構成例を示すもので、面垂直振動の応力の総和が
ゼロとなる部分ＬY ＝１3.５〜１5.７ｍｍに設置した例
である。これらの電極２２〜２５は、図１３（ｂ）に示
すように接続され、面内振動を駆動する。図１１（ｅ）
は、面内振動駆動用電極１４〜１７及び面垂直振動検出
電極２２〜２５を具備した最終的なジャイロ素子の電極
構成である。

【００２２】駆動電極および検出電極の間に静電的結合
が問題となる場合には、図１１（ｆ）に示す通り、両電
極間にシールド電極２６を設ける事も可能であり、面内
振動および面垂直振動の応力の総和がゼロとなる部分Ｌ
Y ＝7.３〜１０ｍｍの範囲に設置した例を示した。この
シールド電極２６，３３は図１２（ｃ）に示されるよう
に通常接地させて使用する。

【００２３】また、これらのジャイロは、図１３（ａ）
のように検出電極１４〜１７を分離して配置し、対称な
左右の振動を差動的に検出することにより感度が向上
し、外部振動などの不要な振動をキャンセルさせること
ができる。図１３（ｂ）は、面内振動を駆動するための
電極接続配線を示し、図１３（ｃ）は、面垂直振動を検
出するための電極接続配線を示す。

【００２４】支持の方法を図１４に示した。ベース中央
には面内振動の変位は存在せず、面垂直振動は図１４
（ａ）に示すように、中心に対して対称な４点３５〜３
８で支持すれば、支持に加わる並進力もモーメントも総
和はゼロとなる。図１４（ｂ）の５３５〜３９点支持
の場合も同様である。図１４（ｃ）は、面垂直振動と面
内振動の応力がゼロとなる点（４０（ＬY ＝７．２）４
１（ＬY ＝８．７））を支持するケースである。これら
の支持方法は、支持の影響を最小限に抑えることができ
る。

【００２５】また、図１５に示すように、接続にハンダ
を使い、振動子側も基板４６側にパターニング４２〜４
５を行えば、両者の位置関係はセルフアラインメント効
果によって位置合わせも正確に行うことができる。な
お、電気的な接続も同時に行える。さらに、支持を強固
にするためには、基板４６，５３と表裏対称に接続する
のが有効である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
検出側電極には、面内振動成分が現れず、面垂直振動成
分のみを検出でき、また、駆動電極は面垂直振動の励振
が無く、面内振動のみを駆動させる事が可能な為、漏れ
出力が低減し、高感度で分解能の高い角速度センサーの
提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】単結晶音さ形ジャイロの構成

【図２】各種漏れ結合の信号フロー

【図３】音さ形振動子の面内振動解析結果（ａ）変位、（ｂ）すべり応力、（ｃ）発生電荷

【図４】音さ形振動子の面垂直振動解析結果（ａ）変位、（ｂ）すべり応力、（ｃ）発生電荷

【図５】面内振動と面垂直振動のインピーダンス特性お
よび伝達特性

【図６】結晶切断方位に対する、漏れ振動の変位

【図７】音さアーム間ギャップに対する、漏れ振動の変
位

【図８】Ｈ形振動ジャイロの振動モード

【図９】本提案による圧電ジャイロの構成例

【図１０】本提案による圧電ジャイロの検出側面垂直振
動モードおよび駆動側面内振動モードの変位、応力、発
生電荷

【図１１】本提案による面内振動駆動用および面垂直振
動検出用電極の配置例

【図１２】面内振動駆動用および面垂直振動検出用電極
の接続例

【図１３】差動形ジャイロ構成

【図１４】支持ポイント

【図１５】実装例

【符号の説明】

１圧電単結晶２、３、４、５、１０、１１、１２、１３、２２、２
３、２４、２５、２９、３０、３１、３２・・・・・・・・
面内振動（ｆx モード) を駆動する電極６、７、８、９、１４、１５、１６、１７、１８、１
９、２０、２１、２７、２８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
面垂直振動（ｆz モード) を検出する電極２６、３３、・・・・・・・シールド電極３４・・・・・・・・・・・・・・差動アンプ３５〜４５・・・・・・支持点４２、４３、４４、４５・・・・・・・・・・・・・・・半田付けパッ
ト４６、５３・・・・・・・・・・・・・・・実装基板４７、４８、４９、５０、５１、５２・・・・・・・・・半田

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベース部と、そこから延びる２本のアー
ムを持ち、該アームの面内振動モードを駆動振動とし、
面垂直振動を検出振動とする圧電単結晶音さ形振動ジャ
イロであって、面内振動の振動変位が、該アームのある反対側の該ベー
ス端部で無視できるように、該ベース部の長さを該アー
ムの長さ以上に設定するとともに、該ベース部の底部中
央にスリットを設け、該底部付近を面垂直振動によって
振動させることを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項２】前記面内振動を駆動する電極が、前記面
垂直振動に対する応力または、電荷の総和がゼロとなる
位置に形成され、面内振動に対する応力の総和の絶対値
が最大となる電極寸法を有することを特徴とする請求項
１記載の圧電ジャイロ。
【請求項３】前記面垂直振動を検出する電極が、前記
面内振動に対する応力または、電荷の総和がゼロとなる
位置に形成され、面垂直振動に対する応力の総和の絶対
値が最大となる電極寸法を有することを特徴とする請求
項１記載の圧電ジャイロ。
【請求項４】前記面垂直振動と面内振動に対する応力
または電荷の総和がゼロとなる音さの前記ベース部に駆
動および検出電極間の静電結合を低減するためのシール
ド電極を有すること特徴とする請求項１記載の圧電ジャ
イロ。
【請求項５】前記面垂直振動と面内振動に対する応力
がゼロとなる部分を支持して実装基板に実装すること特
徴とする請求項１記載の圧電ジャイロ。
【請求項６】前記アーム間の間隔と前記ベースのスリ
ット幅が同一であることを特徴とする請求項１記載の圧
電ジャイロ。
【請求項７】前記ベース部の表面で面垂直振動の振動
変位が、スリットの入っていない前記ベース部の中心に
対し対称な位置を保持することを特徴とする請求項１〜
６記載の圧電ジャイロ。
【請求項８】前記面内振動を駆動する電極は前記２本
のアーム部の前記スリットの中心線に対し対称に配置さ
れ、前記面垂直振動を検出する電極は前記ベース部に形
成することを特徴とする請求項１記載の圧電ジャイロ。
【請求項９】前記スリット部を含めて前記ベース部の
電極を多分割したことを特徴とする請求項８記載の圧電
ジャイロ。