JPH1114369A - 圧電振動ジャイロ用圧電振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で構造及び製造が簡単であり、しかも高
い検出精度が得られる圧電振動ジャイロ用圧電振動子を
提供すること。 【解決手段】 この圧電振動子は、圧電セラミックス矩
形板１の一方の主面上の局部領域内で一軸方向を対称軸
とする一軸対称な形状を成す分極用の電極素部（図示せ
ず）が分極された後のその局部が互いに対称軸に対称と
なるように配置された駆動用及び検出用を含む電極１
１，１２，１３と、各電極１１，１２，１３からそれぞ
れ外方へと延在して端辺まで延びて配置された端子部１
４，１５，１６とを有し、更に、駆動用の電極１１が一
軸方向に配置されると共に、駆動用の電極１１への電源
供給による駆動に際して圧電セラミックス矩形板１に関
する変位方向が一方の主面に平行で、且つ伝播方向が板
厚方向である厚み滑り振動モードの厚み滑り振動型圧電
板１０から成っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として自動車の
ナビゲーションシステムやカメラ一体型ＶＴＲカメラの
手振れ補正装置等に用いられるジャイロスコープに属さ
れると共に、圧電振動子の超音波振動を利用した圧電振
動ジャイロ用圧電振動子に関し、詳しくは振動モードと
してエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動
ジャイロ用圧電振動子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、圧電振動ジャイロスコープ（以
下、圧電振動ジャイロと呼ぶ）では、圧電振動子が一定
方向の励振方向に励振された状態で回転角速度が加えら
れ、その振動方向に直角な方向の回転軸の回りに回転し
た際、振動方向に直角な方向（即ち、励振方向及び回転
軸に直角な方向）に生ずるコリオリ力を検知して回転角
速度を検出するようになっている。

【０００３】このような圧電振動ジャイロとしては、例
えば特開昭６２−１６２９１５号公報に開示されている
ように、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もの
が知られている。こうし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（エネルギー閉じ込め振
動モード型圧電振動ジャイロ）では、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
持が容易にして簡単であり、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】このエネルギー閉じ込め振動モード型圧電
振動ジャイロの場合、振動エネルギーを局部に閉じ込め
るため、圧電振動子の厚みを局部的に厚く形成してその
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構成としてい
る。又、他の構成例として、駆動電極及び検出電極を圧
電板の一面に設け、駆動電極間に検出電極として交差指
電極を設けている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したエネルギー閉
じ込め振動モード型圧電振動ジャイロの場合、圧電振動
子の支持を容易にして簡単に行うことができ、遊離して
いるリード線が不要となるという利点がある反面、圧電
板の厚みを局部的に厚くする必要や交差指電極を形成す
る必要があり、これらの構成上の要件を満たすように製
造を行わなければならない点で製造上に難点がある。

【０００６】又、上述したエネルギー閉じ込め振動モー
ド型圧電振動ジャイロの場合、一対の駆動電極及び一対
の検出電極が互いに近傍に設けられているため、駆動電
極から圧電板内へ印加した駆動電界が検出電極に影響さ
れて駆動電界方向が変化してしまうことにより、高い検
出精度を得難いという欠点がある。

【０００７】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、小型で構造及び製
造が簡単であり、しかも高い検出精度が得られる圧電振
動ジャイロ用圧電振動子及びその製造方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電セ
ラミックス矩形板の一方の主面上の局部領域内で一軸方
向を対称軸とする一軸対称な形状を成す分極用の電極素
部が分極された後の該電極素部の局部が互いに該対称軸
に対称となるように分散されて配置された駆動用及び検
出用を含む複数の電極と、圧電セラミックス矩形板の一
方の主面上で複数の電極からそれぞれ外方へと延在して
端辺まで延びて配置された複数の端子部とを有し、更
に、複数の電極のうちの駆動用のものが一軸方向に配置
されると共に、該複数の電極のうちの駆動用のものへの
電源供給による駆動に際して圧電セラミックス矩形板に
関する変位方向が一方の主面に平行であって、且つ伝播
方向が板厚方向である厚み滑り振動モードの厚み滑り振
動型圧電板から成る圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得
られる。

【０００９】一方、本発明によれば、上記圧電振動ジャ
イロ用圧電振動子と、圧電振動ジャイロ用圧電振動子に
おける複数の電極のうちの駆動用のものへ電源供給とし
て厚み滑り振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波数
の交流電圧を印加すると共に、該複数の電極のうちの検
出用のものから電流検出を行う圧電振動ジャイロ用駆動
検出回路とを備えて成る圧電振動ジャイロが得られる。

【００１０】他方、本発明によれば、圧電セラミックス
矩形板の一方の主面上の局部領域内で一軸方向を対称軸
とする一軸対称な形状を成す分極用の電極素部，並びに
該一方の主面上で該電極素部からそれぞれ外方へと延在
して端辺まで延びた複数の端子部を形成すると共に、該
圧電セラミックス矩形板の他方の主面上で該電極素部に
対向する位置に該電極素部と同じ形状の分極用の対向電
極素部を形成する電極素部形成工程と、電極素部及び対
向電極素部に電源電圧を供給して圧電セラミックス矩形
板の板厚方向に分極を行う分極工程と、電極素部及び対
向電極素部をエッチングして該電極素部の局部を互いに
一軸対称で分散されて配置された駆動用及び検出用を含
む複数の電極と成し、該複数の電極のうちの該一軸方向
に配置された駆動用のものへの電源供給による駆動に際
して圧電セラミックス矩形板に関する変位方向が一方の
主面及び他方の主面に平行であって、且つ伝播方向が板
厚方向である厚み滑り振動モードの厚み滑り振動型圧電
板を得るエッチング工程とを含む圧電振動ジャイロ用圧
電振動子の製造方法が得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に実施例を挙げ、本発明の圧
電振動ジャイロ用圧電振動子及びその製造方法につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施例に係る圧電振動
ジャイロ用エネルギー閉じ込め型圧電振動子の基本構成
を示したもので、同図（ａ）はその平面図に関するも
の，同図（ｂ）はその側面断面に関するものである。

【００１３】この圧電振動子は、圧電セラミックス矩形
板１の一方の主面上の局部領域内（図中では点線で示す
円領域内）で一軸方向を対称軸とする一軸対称な形状を
成す分極用の電極素部（図示せず）が分極された後のそ
の局部が互いに対称軸に対称となるように分散されて配
置された駆動用及び検出用を含む複数（ここでは３つ）
の電極１１，１２，１３と、圧電セラミックス矩形板１
の一方の主面上で各電極１１，１２，１３からそれぞれ
外方へと延在して端辺まで延びて配置された複数（ここ
では３つ）の端子部１４，１５，１６とを有し、更に、
駆動用の電極（例えば電極１１）が一軸方向に配置され
ると共に、駆動用の電極への電源供給による駆動に際し
て圧電セラミックス矩形板１に関する変位方向が一方の
主面に平行であって、且つ伝播方向が板厚方向である厚
み滑り振動モードの厚み滑り振動型圧電板１０から成っ
ている。

【００１４】即ち、この圧電振動子の場合、圧電板１０
は略中央部（円形領域）が圧電セラミックス矩形板１の
板厚方向に分極軸成分を有し、圧電セラミックス矩形板
１の板材料には例えばＰＺＴやチタン酸バリウム等が用
いられている。各電極１１，１２，１３は、圧電セラミ
ックス矩形板１の一方の主面上にストリップ状で同じ形
状及び大きさで参考図の正三角形における各頂点で互い
に垂直二等分線を一軸線として線対称となるような位置
に形成されている。これらの電極１１，１２，１３には
それぞれ外部へ導電部を得るための端子部１４，１５，
１６が接続されている。

【００１５】ところで、この圧電板１０では、３つの電
極１１，１２，１３で囲まれる円形領域だけが圧電セラ
ミックス矩形板１の板厚方向に分極されているが、この
ように各電極１１，１２，１３で囲まれる円形領域だけ
を分極した場合、分極されている円形領域と分極されて
いない他の領域との圧電的特性が変化するため、エネル
ギー閉じ込め状態が改善される。又、ジャイロ特性を確
保するためには、圧電セラミックス矩形板１の一方の主
面内で互いに直交する二つの方向の振動特性を等しくす
ることが要求されるため、分極領域の形状を少なくとも
１軸対称な形状とすることが望ましいが、特にこうした
意味では円形が最も適している。

【００１６】尚、電極１１，１２，１３及び端子部１
４，１５，１６に関しては、蒸着やスパッタリングで例
えばＮｉ−Ｃｕ−Ａｇ多層膜を形成することが適する
が、銀ペースト等を印刷して形成しても良く、端子部１
４，１５，１６に関してはリード線を代用させる構成で
あっても良い。

【００１７】このような圧電板１０の場合、電極１１と
電極１２及び電極１３との間に駆動電圧（交流電圧）を
印加すると、Ｘ軸方向の振動が励振される。この状態で
圧電板１０がＺ軸方向の回りに回転すると、Ｙ軸方向に
コリオリ力による振動が発生し、これによって電極１
２，１３間に起電力が発生する。この起電力を検知する
ことによってコリオリ力による振動の大きさ（即ち、回
転角速度）を検知することができる。

【００１８】尚、この圧電板１０の場合、振動のエネル
ギーは中央部に閉じ込められ、周辺に及ばないため、圧
電振動ジャイロの構成に際して周辺部を支持することが
容易となっている。

【００１９】図２は、エネルギー閉じ込め型圧電振動ジ
ャイロを構成する場合に適用される図１に示した圧電板
１０に接続される圧電振動ジャイロ用駆動検出回路の構
成を示した回路ブロック図である。

【００２０】この駆動検出回路は、圧電板１０における
駆動用の電極（例えば電極１１）へ電源供給として厚み
滑り振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の交流
電圧を印加すると共に、検出用の電極（例えば電極１
２，１３）から電流検出を行うものである。

【００２１】具体的に云えば、圧電板１０の電極１２，
１３には電流検出回路１８，１９がそれぞれ接続され、
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、この差動増幅回路２２の増幅出力が同期検
波回路２３及び整流回路２４を通して回転角速度の検知
出力となる。

【００２２】一方、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、更に発振
回路２５がＸ軸方向振動用の駆動回路２６を介して電極
１１に接続されることによって、自励発振回路を成して
いる。この自励発振回路により圧電板１０の厚み滑り振
動の共振周波数にほぼ等しい周波数の交流電圧を電極１
１に印加するようになっている。

【００２３】図３は、この駆動検出回路における仮想接
地機能を有する電流検出回路１８，１９の細部を例示し
た回路図である。

【００２４】電流検出回路１８，１９では、演算増幅器
の非反転入力端子が基準電圧に接地され、演算増幅器の
出力端子側及び反転入力端子側の間に抵抗値Ｒの抵抗器
が接続されており、演算増幅器の仮想接地機能によって
反転入力端子は常に基準電位に保たれる。このような構
成では、反転入力端子に電流ｉが流入すると抵抗器によ
って電圧に変換され、機能的には入力インピーダンスが
ほぼ０で、入力電流ｉに比例した出力電圧Ｖ_OUT ＝−ｉ
・Ｒが得られるようになっている。

【００２５】図４は、上述した圧電板１０を製造する場
合の各工程を説明するために示した斜視図であり、同図
（ａ）は素板準備工程に関するもの，同図（ｂ）は電極
素部形成工程に関するもの，同図（ｃ）は分極工程に関
するもの，同図（ｄ）はエッチング工程に関するもの，
同図（ｅ）は配線工程に関するものである。

【００２６】ここでは、先ず素板準備工程で図４（ａ）
に示されるような未分極の圧電セラミックス矩形板１を
用意し、次に電極素部形成工程で図４（ｂ）に示される
ように、圧電セラミックス矩形板１の一方の主面上のほ
ぼ中央の局部（正三角形状）領域内で一軸方向を対称軸
とする一軸対称な形状を成す正三角形状の分極用の電極
素部２０，並びに一方の主面上で電極素部２０からそれ
ぞれ外方へと延在して端辺まで延びた３つの端子部１
３，１４，１５を形成すると共に、圧電セラミックス矩
形板１の他方の主面上で電極素部２０に対向する位置に
電極素部２０と同じ正三角形状の分極用の対向電極素部
２１を形成する。即ち、ここでは電極素部２０及び対向
電極素部２１が圧電セラミックス矩形板１の板厚方向に
対向するが、入力及び出力用の引き出し電極である端子
部１３，１４，１５は互いに板厚方向に対向しない位置
に形成する。

【００２７】次に、分極工程で図４（ｃ）に示されるよ
うに、対向する電極素部２０及び対向電極素部２１に電
源電圧を供給して圧電セラミックス矩形板１の板厚方向
に分極を行った後、エッチング工程で図４（ｄ）に示さ
れるように、電極素部２０及び対向電極素部２１をエッ
チングして電極素部２０の局部（正三角形の各辺部）を
互いに一軸対称で分散されて配置された駆動用及び検出
用を含む３つの電極１１，１２，１３と成す。但し、こ
のとき各電極１１，１２，１３は各端子部１３，１４，
１５にそれぞれ接続された形態とすると共に、各電極１
１，１２，１３のうちの駆動用の電極１１を一軸方向に
配置することによって、この駆動用の電極１１への電源
供給による駆動に際して圧電セラミックス矩形板１に関
する変位方向が一方の主面及び他方の主面に平行であっ
て、且つ伝播方向が板厚方向である厚み滑り振動モード
の厚み滑り振動型圧電板１０を得る。

【００２８】更に、配線工程で図４（ｅ）に示されるよ
うに、各端子部１３，１４，１５にリード線を接続す
る。

【００２９】このようにして、平行電界励振型エネルギ
ー閉じ込め厚み滑り振動を利用した圧電振動ジャイロ用
圧電振動子が作製される。

【００３０】尚、図４（ａ）〜（ｄ）では、分極用の対
向する電極素部２０及び対向電極素部２１（分極電極）
の形状を正三角形としたが、これ以外にも例えば円形，
二等辺三角形状等の少なくとも一軸方向を対称軸とする
形状とすることができるが、何れの場合も駆動用の電極
１１と検出用の電極１２，１３とが対称軸に対して対称
に配置されるようにすれば良い。

【００３１】図５は、図１に示した圧電板１０の平行電
界励振型厚み滑りエネルギー閉じ込め滑り振動を簡易に
説明するために示した圧電振動子（圧電板１０´）の概
略構成図であり、同図（ａ）はその平面図に関するも
の，同図（ｂ）はその側面図に関するものである。

【００３２】この圧電板１０´では、圧電セラミックス
矩形板１における板厚方向（Ｚ軸方向）に分極された中
央部の同一面上に、Ｘ軸方向に間隔を有して対向するス
トリップ状の電極Ｄ１，Ｄ２が形成され、電極Ｄ１，Ｄ
２からはそれぞれ端子部Ｔ１，Ｔ２が延在している。端
子部Ｔ１，Ｔ２間に電圧を印加すると、対向する電極Ｄ
１，Ｄ２間の領域には、ほぼ板面に平行な方向（Ｘ軸方
向）の電界が印加されるため、この電界と直交する板厚
方向（Ｚ軸方向）の分極との相互作用により、電極Ｄ
１，Ｄ２間の領域にはＸ軸方向に歪みが生じることにな
る。そこで、電極Ｄ１，Ｄ２の寸法を圧電板１０´の特
性に合わせて適当に設計すると、この部分に厚み滑り振
動を励起することができ、その厚み滑り振動は電極Ｄ
１，Ｄ２間の領域の周辺には減衰して伝搬せずに閉じ込
められるため、エネルギー閉じ込め振動子を構成するこ
とができる。又、厚み滑り振動は圧電板１０´の面に平
行な電界によって生じる振動であるため、平行電界励振
型厚み滑り振動と呼ぶことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の圧電振
動ジャイロ用圧電振動子によれば、圧電セラミック矩形
板の局部のみを分極しているためにエネルギー閉込め振
動の集中度を高めることができ、更に分極領域の形状を
一軸方向を対称軸とする一軸対称な形状とし、駆動用及
び検出用の電極をこの分極領域の対称軸に対して対称に
配置しているため、ジャイロ特性としての対称性に優
れ、静止時のジャイロ出力のばらつきの少ない圧電振動
ジャイロが得られるようになる。又、本発明の圧電振動
ジャイロ用圧電振動子の製造方法の場合、分極工程で分
極したときに用いた分極用の電極素部をエッチングする
だけで駆動用及び検出用を含む入出力電極を形成できる
ため、作業性が改善されるようになる。結果として、小
型で構造及び製造が簡単であり、しかも高い検出精度が
得られると共に、耐振動特性及び耐衝撃性に優れた圧電
振動ジャイロが得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用エ
ネルギー閉じ込め型圧電振動子（圧電板）の基本構成を
示したもので、（ａ）はその平面図に関するもの，
（ｂ）はその側面図に関するものである。

【図２】エネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロを構成
する場合に適用される図１に示した圧電板に接続される
圧電振動ジャイロ用駆動検出回路の構成を示した回路ブ
ロック図である。

【図３】図２に示す圧電振動ジャイロ用駆動検出回路に
用いられる電流検出回路の細部を示した回路図である。

【図４】図１に示す圧電板を製造する場合の各工程を説
明するために示した斜視図であり、（ａ）は素板準備工
程に関するもの，（ｂ）は電極素部形成工程に関するも
の，（ｃ）は分極工程に関するもの，（ｄ）はエッチン
グ工程に関するもの，（ｅ）は配線工程に関するもので
ある。

【図５】図１に示した圧電板の平行電界励振型厚み滑り
エネルギー閉じ込め滑り振動を簡易に説明するために示
した圧電振動子の概略構成図であり、（ａ）はその平面
図に関するもの，（ｂ）はその側面図に関するものであ
る。

【符号の説明】

１ 圧電セラミックス矩形板 １０，１０´ 圧電板 １１，１２，１３ 電極 １４，１５，１６ 端子部 １８ 電流検出回路 １９ 電流検出回路 ２０ 電極素部 ２１ 対向電極素部 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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックス矩形板の一方の主面上
   の局部領域内で一軸方向を対称軸とする一軸対称な形状
   を成す分極用の電極素部が分極された後の該電極素部の
   局部が互いに該対称軸に対称となるように分散されて配
   置された駆動用及び検出用を含む複数の電極と、前記圧
   電セラミックス矩形板の一方の主面上で前記複数の電極
   からそれぞれ外方へと延在して端辺まで延びて配置され
   た複数の端子部とを有し、更に、前記複数の電極のうち
   の駆動用のものが前記一軸方向に配置されると共に、該
   複数の電極のうちの電源供給による駆動用のものへの駆
   動に際して前記圧電セラミックス矩形板に関する変位方
   向が前記一方の主面に平行であって、且つ伝播方向が板
   厚方向である厚み滑り振動モードの厚み滑り振動型圧電
   板から成ることを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振
   動子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電振動ジャイロ用圧電
   振動子と、前記圧電振動ジャイロ用圧電振動子における
   前記複数の電極のうちの駆動用のものへ前記電源供給と
   して前記厚み滑り振動モードの共振周波数にほぼ等しい
   周波数の交流電圧を印加すると共に、該複数の電極のう
   ちの検出用のものから電流検出を行う圧電振動ジャイロ
   用駆動検出回路とを備えて成ることを特徴とする圧電振
   動ジャイロ。
3. 【請求項３】 圧電セラミックス矩形板の一方の主面上
   の局部領域内で一軸方向を対称軸とする一軸対称な形状
   を成す分極用の電極素部，並びに該一方の主面上で該電
   極素部からそれぞれ外方へと延在して端辺まで延びた複
   数の端子部を形成すると共に、該圧電セラミックス矩形
   板の他方の主面上で該電極素部に対向する位置に該電極
   素部と同じ形状の分極用の対向電極素部を形成する電極
   素部形成工程と、前記電極素部及び前記対向電極素部に
   電源電圧を供給して前記圧電セラミックス矩形板の板厚
   方向に分極を行う分極工程と、前記電極素部及び前記対
   向電極素部をエッチングして該電極素部の局部を互いに
   前記一軸対称で分散されて配置された駆動用及び検出用
   を含む複数の電極と成し、該複数の電極のうちの該一軸
   方向に配置された駆動用のものへの電源供給による駆動
   に際して前記圧電セラミックス矩形板に関する変位方向
   が前記一方の主面及び前記他方の主面に平行であって、
   且つ伝播方向が板厚方向である厚み滑り振動モードの厚
   み滑り振動型圧電板を得るエッチング工程とを含むこと
   を特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子の製造方
   法。