JPH11201758A - 圧電振動子及びこれを用いた圧電振動角速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度の検出効率が良く、低コストで量産で
きる圧電振動子を提供する。 【解決手段】 振動子１００は、四角柱の圧電体１０１
と、その表面に圧電体１０１の長手方向に延びるように
形成された４つの電極１０１〜１０４とを有する。圧電
体１０１における第１の部分であって圧電体１０１の長
手方向軸と直角な幅方向の左側において長手方向軸と平
行に延びる第１の部分は、下向きに分極処理がなされ
る。圧電体１０１における第２の部分であって圧電体１
０１の幅方向の右側において長手方向軸と平行に延びる
第２の部分は、上向きに分極処理がなされる。電極１０
３，１０４は前記第１の部分を挟むように形成され、電
極１０２，１０５は前記第２の部分を挟むように形成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機、船舶、自
動車等のナビゲーションシステムやこれらの姿勢制御
等、あるいはスチールカメラ、ビデオカメラの手振れや
振動感知などに使用する圧電振動角速度計で使用する圧
電振動子及びこれを用いた圧電振動角速度計に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロは、振動状態にある振
動子に対して回転運動に伴う角速度が与えられた場合、
振動方向と角速度の外積というかたちでコリオリ力が発
生し、振動子の振動方向とは垂直な方向にコリオリ力に
よる振動が発生するという現象を利用した角速度計であ
る。

【０００３】振動角速度計では、従来、正、逆圧電効果
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周りに回転が起こる
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。

【０００４】

【数１】Ｆｃ＝２ｍ［ｖ・Ω］

【０００５】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。

【０００６】ＧＥタイプの圧電振動角速度計では、金属
でできた棒状振動子に圧電セラミックス板を接着し、こ
れにより金属振動子を励振するとともに、振動子の回転
に伴い、駆動方向と垂直な方向に生じるコリオリ力を検
出する。使われる振動のモードは無拘束の横振動で、普
通、振動の節点で振動子を基体に固定する。ワトソンタ
イプの圧電振動角速度計では、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
じるコリオリ力を検出用バイモルフで検知する。

【０００７】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
を用いる場合、エリンバ等の高弾性体に圧電セラミック
スを貼り付けた構造が採用されている。円柱状の圧電セ
ラミックス振動子を用いる場合、円柱状の圧電セラミッ
クスに電極を形成した構造が採用されている。また、圧
電セラミックス同士を貼り合わせたバイモルフ型構造が
採用された振動子も提供されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属棒
に接着剤で圧電セラミックスを貼り付けた振動子や圧電
セラミックス同士を貼り合わせたバイモルフ型構造の振
動子では、その接着剤が励振、検出の効率を下げたり、
温度変化により振動状態が変化し、角速度検出感度の変
動を引き起こしていた。さらに、これらの接合工程を有
するタイプの振動子では、量産を行う際に接合工程が生
産効率を考える上での阻害要因になるばかりか、個々の
振動子の特性のばらつきを発生させる大きな要因になっ
てしまう。また、円柱状の圧電セラミックスに電極を形
成したものは、電極形成および、分極処理を振動子個々
に行わなければならないため量産時の製造工程が複雑で
ある。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、角速度の検出効率が良く、低コストで量産で
きる圧電振動子及びこれを用いた圧電振動角速度計を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による圧電振動子は、四角柱状
の圧電体と、該圧電体の表面に形成された電極群とを有
し、該圧電体の長手方向軸回りの回転速度を検出する圧
電振動子であって、前記圧電体が、前記圧電体における
第１の部分であって前記長手方向軸と直角な第１の方向
の一方の側において前記長手方向軸と平行に延びる第１
の部分と、前記圧電体における第２の部分であって前記
第１の方向の他方の側において前記長手方向軸と平行に
延びる第２の部分とにおいて、前記長手方向軸及び前記
第１の方向と直角な第２の方向に互いに逆向きに分極処
理がなされたものである。

【００１１】この第１の態様によれば、圧電体が前述し
たような分極処理がなされたものであるので、電極群を
圧電体の上下二面にのみ形成することができる。このた
め、製造時に板状の圧電体に対して電極形成、分極処理
を行った後、所定の振動子形状に切断することで量産を
行うことができる。したがって、振動子個々に対して、
電極形成を行ったり分極処理を行ったりする必要がな
く、バッチ処理で同時に多量の振動子を製造することが
できる。また、前記第１の態様では、圧電体の接合工程
がなく、このことも製造工程の簡略化、低コスト化に有
利であるばかりか、接着剤層の存在に伴う振動子の性能
の劣化や個々のばらつきを最小限に抑えることができ
る。

【００１２】ところで、従来の技術常識からは圧電体の
各部分において互いに平行で逆向きの分極処理を行うこ
とは全く考えられなかったが、前記第１の態様では、こ
のような分極処理を行うことによって、角速度の検出効
率を一層高めることができる。すなわち、圧電体の全体
において同じ向きの分極処理を行うとすれば、圧電体の
同一面内に形成した２つの電極間に生ずる信号によりコ
リオリ力（すなわち、角速度）の検出を行うことになる
が、この場合には、当該電極間の距離が小さくならざる
を得ないため、角速度の検出効率をさほど高くすること
ができない。これに対し、前記第１の態様によれば、圧
電体の各部分において互いに平行で逆向きの分極処理を
行っているので、圧電体の２つの対向面にそれぞれ形成
した２つの電極間に生ずる信号によりコリオリ力（すな
わち、角速度）の検出を行うことができ、当該電極間の
距離を大きくすることができ、したがって、角速度の検
出効率を一層高めることができる。

【００１３】本発明の第２の態様による圧電振動子は、
前記第１の態様による圧電振動子において、前記圧電体
における前記長手方向軸と平行な４つの側面のうちの２
つの対向側面が前記第２の方向と直角をなし、前記電極
群は、前記２つの対向側面のうちの一方の側面上に前記
長手方向軸と平行に延びるように形成された第１の電極
であって、前記第１の方向の一方の側に形成された第１
の電極と、前記２つの対向側面のうちの前記一方の側面
上に前記長手方向軸と平行に延びるように形成された第
２の電極であって、前記第１の方向の他方の側に形成さ
れた第２の電極と、前記２つの対向側面のうちの他方の
側面上に前記長手方向軸と平行に延びるように形成され
た第３の電極であって、前記第１の方向の一方の側に形
成された第３の電極と、を含むものである。

【００１４】この第２の態様は、前記第１の態様におけ
る電極群の電極の配置例を示すものである。

【００１５】本発明の第３の態様による圧電振動子は、
前記第２の態様による圧電振動子において、前記電極群
は、前記２つの対向側面のうちの他方の側面上に前記長
手方向軸と平行に延びるように形成された第４の電極で
あって、前記第１の方向の他方の側に形成された第４の
電極を含むものである。

【００１６】この第３の態様のような第４の電極は動作
上必ずしも必要なものではないが、圧電体の分極処理時
に当該第４の電極を利用することができる。

【００１７】本発明の第４の態様による圧電振動角速度
計は、前記第１乃至第３のいずれかの態様による圧電振
動子と、前記圧電振動子を自励振駆動する自励振駆動回
路と、前記振動子から発生する交流信号であって前記振
動子の回転角速度に応じて変化する交流信号に基づい
て、前記振動子の回転角速度に応じた検出信号を得る検
出回路と、を備えたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態によ
る圧電振動角速度計について、図面を参照して説明す
る。

【００１９】本実施の形態による圧電振動角速度計にお
いて用いられる振動子は、圧電効果による電気−機械エ
ネルギー変換と機械−電気エネルギー変換の両方を用い
ることで、交流電荷を印加することで一次の屈曲共振振
動を励振し、それによる振動速度ｖと加えられた角速度
Ωとに比例して発生するコリオリ力Ｆｃを、コリオリ力
Ｆｃによって励振される一次の屈曲共振振動による発生
電荷を測定することによって評価するものである。

【００２０】ここで、本実施の形態による圧電振動角速
度計において用いられる圧電振動子の基本動作原理につ
いて、図１を参照して説明する。

【００２１】図１は、本実施の形態の圧電振動角速度計
で用いる圧電振動子の動作原理を示す図である。図１
（ａ）〜（ｃ）は、いずれも振動子をその長手方向（図
１中の紙面と垂直な方向）から見た断面図である。この
振動子は、四角柱の圧電体と、該圧電体の表面に形成さ
れた３つの電極とを持っている（図１では、３つの電極
のうちの１つを省略して示している。）。圧電体の図１
中の左側部分は、紙面に対して垂直な長手方向軸の方向
の全体に渡って、厚さ方向（図１中の上下方向）に下向
きに分極処理がなされている。また、圧電体の図１中の
右側部分は、紙面に対して垂直な長手方向軸の方向の全
体に渡って、厚さ方向（図１中の上下方向）に上向きに
分極処理がなされている。圧電体の図１中の上側の側面
の左側及び右側にはそれぞれ電極が形成され、圧電体の
図１中の下側の側面の左側には電極が形成されている。
これらの３つの電極は、圧電体の長手方向に延びてい
る。

【００２２】この場合、図１（ａ）に示されるように上
部の２つの電極間方向の電界のみを考えると、分極方向
と電界方向とは直交するため、期待できる圧電効果は振
動子の軸周りでの剪断変形のみであり、しかもそれは左
右の部分で互いに打ち消すように発生し、振動子の屈曲
変形は期待できない。ところが、実際には、上部の一方
の電極を基準電極として上部の他方の電極に交流電界を
印加することにより振動子に縦方向の屈曲振動が発生す
ることが確認された。これは、以下に説明する図１
（ｂ）の原理によるものである。

【００２３】図１（ｂ）は、振動子の縦方向の屈曲振動
の原理を説明している。上部の２つの電極のうち左側の
ものを基準電極として右側の電極に負の電圧を印加した
場合、電界は図１（ｂ）に示される通り圧電体の内部に
回り込むように発生し、この時、図１（ｂ）中の中心線
の上側で且つ左寄りの所では印加電界の下方成分が下向
きの分極部分を伸張し、当該中心線の上側で且つ右寄り
の所では印加電界の上方成分が上向きの分極部分を伸張
することになり、結果的に、振動子の上半分は厚さ方向
に伸びることになる。したがって、振動子の上半分では
長手方向に対する縮みが起こり、振動子は上側に向かっ
て屈曲変形する。したがって、上部の２つの電極間に交
流電圧を、振動子の縦方向の１次の屈曲振動の共振周波
数ｆ０で入力すると、振動子に縦方向の１次の屈曲共振
振動が励振されることになる。このことは、前述したよ
うな電気−機械エネルギー変換（圧電逆効果）だけでは
なく、機械−電気エネルギー変換（圧電正効果）による
電荷の発生についても同様のことが言える。つまり、振
動子が上側に向かって屈曲変形すると、振動子の長手方
向に対しては図１（ｂ）中の中心線の上側では縮みが起
こるため、厚み方向へは伸びが起こり、上部の左側の電
極を基準電極とした場合、上部の右側の電極には負の電
荷が発生する。したがって、振動子が縦方向に屈曲振動
しているときには、上部の左右の電極間に交流電荷が発
生することになる。

【００２４】図１（ｃ）は、横方向の屈曲振動の原理を
説明している。上部の左側の電極を基準電極として下部
の左側の電極に負の電圧を印加した場合、電界は図１
（ｃ）に示される通り圧電体の左寄りの下向き分極部分
を伸張し、圧電体の左半分は分極方向（厚さ方向）に伸
びることになる。したがって、振動子の左半分では長手
方向に対する縮みが起こり、振動子は左側に向かって屈
曲変形する。したがって、上部左側の電極と下部左側の
電極との間に交流電圧を、振動子の横方向の１次の屈曲
振動の共振周波数ｆ０で入力すると、振動子に横方向の
１次の屈曲共振振動が励振されることになる。このこと
は、前記のような電気−機械エネルギー変換（圧電逆効
果）だけではなく、機械−電気エネルギー変換（圧電正
効果）による電荷の発生についても同様のことが言え
る。つまり、振動子が左側に向かって屈曲変形すると、
振動子の長手方向に対しては図１（ｃ）の中心線の左側
では縮みが起こるため、厚み方向へは伸びが起こり、上
部の左側の電極を基準電極とした場合、下部の左側の電
極には負の電荷が発生する。したがって、振動子が横方
向に屈曲振動しているときには、上部左側の電極と下部
左側の電極との間に交流電荷が発生することになる。

【００２５】次に、本実施の形態において用いられる圧
電振動子１００の具体的な構造について、図２を参照し
て説明する。図２は、この振動子１００の具体的な構造
を示す斜視図である。

【００２６】この振動子１００は、四角柱の圧電体１０
１と、該圧電体１０１の表面に形成された電極群を構成
する４つの電極１０２〜１０５とを持っている。

【００２７】圧電体１０１における第１の部分であって
圧電体１０１の長手方向軸と直角な幅方向（図２中の左
右方向）の左側において長手方向軸と平行に延びる第１
の部分（図２中の左側部分）と、圧電体１０１における
第２の部分であって圧電体１０１の幅方向の右側におい
て長手方向軸と平行に延びる第２の部分（図２中の右側
部分）とにおいて、長手方向軸及び幅方向と直角な厚み
方向（図２中の上下方向）に互いに逆向きに分極処理が
なされ、前記第１の部分（図２中の左側部分）は下向き
に、前記第２の部分（図２中の右側部分）は上向きに分
極処理がなされている。したがって、前記第１の部分は
下向きの分極が支配的な領域、前記第２の部分は上向き
の分極の支配的な領域となっている。

【００２８】前記電極１０２〜１０５は、圧電体１０１
の長手方向に延びるように形成されている。電極１０２
は圧電体１０１の長手方向軸と平行な４つの側面のうち
の図１中の上側の側面の幅方向の右側に形成され、電極
１０３は圧電体１０１の上側の側面の幅方向の左側に形
成され、電極１０４は圧電体１０１の下側の側面の幅方
向の左側に形成され、電極１０５は圧電体１０１の下側
の右側に形成されている。すなわち、本実施の形態で
は、電極１０３，１０４は前記第１の部分を挟むように
形成され、電極１０２，１０５は前記第２の部分を挟む
ように形成されている。本実施の形態では、後述する回
路説明からわかるように、電極１０２は駆動信号入力用
電極兼フィードバック用基準電極として、電極１０３は
フィードバック用電極兼駆動用基準電極として、電極１
０５はブランク電極（動作に関与しない電極）として、
それぞれ用いられる。電極１０５は、動作に関与しない
ので、除去してもよいが、製造時に圧電体１０１の前記
第２の部分の分極処理のために用いられ、本実施の形態
ではそのまま残されている。

【００２９】この圧電振動子１００では、例えば、同一
面内の電極１０２，１０３を用いて縦方向の屈曲振動で
ある駆動振動を励振し、厚さ方向の分極を挟んだ２枚の
電極１０３，１０４を用いて横方向の屈曲振動であるコ
リオリ振動の検出を行うものである。これにより、本振
動子１００はコリオリ力の検出において検出用電極１０
３，１０４間に圧電体１０１の厚さ分の距離を持つこと
ができ、同一面内に検出用電極がある場合に比較して効
率の高い検出を行うことができる。

【００３０】次に、本実施の形態による圧電振動角速度
計の動作原理について説明する。振動子１００の駆動励
振は、前述した図１（ｂ）の原理を用いて行う。駆動信
号入力用電極兼フィードバック用基準電極１０２に交流
電圧を、振動子１００の縦方向の１次の屈曲振動の共振
周波数ｆ０で入力することにより、振動子１００に縦方
向の屈曲共振振動を励振させることができる。このと
き、フィードバック用電極兼駆動用基準電極１０３に圧
電正効果による交流電荷が発生する。この交流信号をフ
ィードバック信号とすることで振動子を自励振させるこ
とができる。基準電極はいずれも仮想接地の状態で利用
される。

【００３１】この１次の屈曲共振振動は図２のｖで示さ
れる運動を与えることになる。この時、圧電体振動子の
長手方向の軸の周りで回転運動が起こり、図２中で示さ
れるようにΩという角速度があたえられると、圧電体振
動子には図２のＦｃで示されるような力がかかることに
なる。この力はコリオリ力であり、次の数２で与えられ
る。

【００３２】

【数２】Ｆｃ＝２ｍ（ｖ×Ω）

【００３３】ここで、ｍは振動子１００の質量であり、
振動速度ｖは振動子１００の１次屈曲共振周波数ｆ０と
振動子１００の屈曲振動の振幅の積の２倍で決まる量で
ある。したがって、このコリオリ力Ｆｃを測定すること
によって、振動子１００の長手方向の軸の回りに与えら
れた回転運動の角速度Ωを評価することができる。

【００３４】圧電振動子１００にかかるコリオリ力Ｆｃ
は、前記の数２からも言えるように、振動子１００の振
動の速度ｖの大きさと方向で決定される。本実施の形態
における振動子１００の場合、一次の屈曲振動をしてい
るため、振動速度ｖの方向は振動子１００の両端で同じ
方向、中央部で逆方向になる。したがって、コリオリ力
Ｆｃの方向もそれを反映して振動子１００の両端で同じ
方向、中央部で逆方向をとり、しかも振動速度ｖに連動
して周波数ｆ０で変動する。そのため、圧電振動子１０
０はコリオリ力Ｆｃによって、振動速度ｖとは垂直な面
内においても、周波数ｆ０で一次の屈曲振動が励振され
ることになる。さらに本実施の形態では、圧電振動子１
００の振動速度ｖの方向の屈曲振動と、それと垂直なコ
リオリ力Ｆｃの方向の屈曲振動の共振周波数が等しくな
るように設計することにより、コリオリ力Ｆｃによる屈
曲振動も、振動速度ｖの方向と同様に共振振動が励振さ
れる。

【００３５】したがって、このコリオリ力Ｆｃによる一
次の屈曲共振振動の大きさを評価することが、すなわち
与えられた角速度Ωを評価することになる。この屈曲振
動の大きさの評価には、圧電振動子１００の圧電効果が
利用される。つまり、コリオリ力Ｆｃの大きさは、それ
による振動子１００の屈曲振動によって発生する応力誘
起電荷の測定によって決定される。

【００３６】コリオリ力Ｆｃによる発生電荷の検出は、
厚さ方向の分極を挟んだ２枚の電極１０３，１０４を用
いて図１（ｃ）の原理を利用して行う。この時、電極１
０３は検出用の基準電極として利用される。コリオリ力
Ｆｃによる屈曲振動は駆動による屈曲振動とは垂直な方
向である横方向に起こるため、電極１０４に交流電圧が
発生することになる。

【００３７】以下に、本実施の形態による圧電振動角速
度計に用いられる処理回路の一例について、図３を参照
して説明する。図３は、本実施の形態による圧電振動角
速度計を示す回路図である。

【００３８】本実施の形態による圧電振動角速度計は、
図３に示すように、前記振動子１００の他に、処理回路
として、振動子１００を自励振駆動する自励振駆動回路
１１０と、振動子１００から発生する交流信号であって
振動子１００の回転角速度に応じて変化する交流信号に
基づいて、振動子１００の回転角速度に応じた検出信号
を得る検出回路とを、備えている。

【００３９】前記自励振駆動回路１１０は、電流電圧変
換器１０と、移相器２０と、比較器３０と、モニタ信号
発生回路４０と、矩形波発生回路５０−１及び三角波発
生回路５０−２からなる信号発生回路５０とから構成さ
れている。

【００４０】前記検出回路は、電流電圧変換器１２０
と、該電流電圧変換器１２０の出力を同期検波する同期
検波回路１３０と、該同期検波回路１３０の出力を増幅
する直流増幅器１４０と、フィルタ１５０と、前記同期
検波回路１３０の検波のタイミングを決める移相器１６
０とから構成されている。

【００４１】前記電流電圧変換器１０，１２０は、それ
ぞれオペアンプ２，３、帰還抵抗４，５及びコンデンサ
６，７で構成されている。前記フィードバック用電極兼
駆動用基準電極１０３、コリオリ信号検出用電極１０４
はそれぞれオペアンプ２，３の−入力端子に接続され、
ブランク電極１０５は基準電位に接続されている。な
お、ブランク電極１０５は必ずしも基準電位に接続する
必要はなく、電気的に浮いていてもよい。また、前記オ
ペアンプ２，３の−入力端子はそれぞれ帰還抵抗４，５
を介してそれぞれのオペアンプ２，３の出力端子に接続
されており、それぞれのオペアンプ２，３の＋入力端子
は基準電位に接続されている。すなわち、前記フィード
バック用電極兼駆動用基準電極１０３、コリオリ信号検
出用電極１０４は仮想接地されている。また、本実施の
形態では、帰還抵抗４，５と並列にコンデンサ６，７を
接続することによってオペアンプ２，３の発振を防止し
ている。

【００４２】ここで、前記駆動信号入力用電極兼フィー
ドバック用基準電極１０２に、振動子１００を励振振動
させるための駆動信号を発生する信号発生回路５０から
駆動交流信号を入力することにより、振動子１００が縦
方向に励振する。それに伴って前記オペアンプ２，３の
出力端からは逆相の励振電圧が出力される。電流電圧変
換器１０の出力部（すなわち、オペアンプ２の出力端
子）は、その出力の位相をシフトさせる移相器２０に接
続され、移相器２０の出力はある規定電圧と比較するた
めの比較器３０に接続され、比較器３０はその出力から
モニター信号を発生させるモニター信号発生回路４０に
接続され、前記モニター信号を前記信号発生回路５０に
正帰還することによって、前記振動子は自励振駆動され
る。

【００４３】比較器３０は、例えばオープンコレクタ形
式のコンパレータ３１からなり、コンパレータ３１の−
入力端子には前記移相器２０の出力が接続され、コンパ
レータ３１の＋入力端子には、分圧抵抗３２，３３によ
る規定電圧が入力されている。

【００４４】また、コンパレータ３１の出力端子には抵
抗器４１の一端が接続されており、抵抗器４１の他端に
は抵抗値が抵抗器４１よりおおよそ１桁大きい抵抗器４
２が直列接続されており、抵抗器４２の他端はプルアッ
プされている。また、抵抗器４２と並列に適切な容量の
コンデンサ４３が接続されている。これらの抵抗器４
１，４２及びコンデンサ４３が、モニター信号発生回路
４０を構成している。比較器３０は、前記規定電圧より
も移相器２０の出力が大きいときにはローとなり、小さ
いときにはハイとなるが、そのハイのレベルは、コンデ
ンサ４３の効果により、移相器２０の出力が前記規定電
圧よりも大きければ大きいほど小さくなる。そして、モ
ニター信号発生回路４０は、やはりコンデンサ４３の効
果により比較器３０の出力を積分するため、平滑化され
たモニター信号を出力する。このため、モニター信号の
レベルは、前記規定電圧よりも移相器２０の出力が大き
ければ大きいほど小さくなる。このモニター信号が前記
信号発生回路５０に入力される。

【００４５】信号発生回路５０は、矩形波発生回路５０
−１によって前記モニター信号を振動子１００の共振周
波数でスイッチングして前記モニター信号から矩形波を
生成し、その矩形波を三角波発生回路５０−２によって
積分することにより三角波を生成する。ここでも三角波
のレベルは前記規定電圧よりも移相器２０の出力が大き
ければ大きいほど小さくなる。そして、この三角波を振
動子１００の駆動信号入力用電極兼フィードバック用基
準電極１０２に接続し移相回路２０の移相量を最適に設
定し、三角波の位相を信号発生回路５０からの信号と同
位相になるようにすると、振動子１００は縦方向に自励
振駆動される。そして、振動子１００の個体間の駆動効
率にバラツキがあったとしても、前記移相器２０の出力
を一定にするように動作するので（駆動効率が悪いもの
は駆動三角波のレベルが大きくなり効率の良いものは駆
動三角波のレベルが小さくなることで、移相器２０の出
力が一定になるので）そのばらつきを吸収できる。

【００４６】なお、矩形波発生回路５０−１は、オペア
ンプ５１、抵抗器５２〜５４、トランジスタ５５〜５７
及びコンデンサ５８が図３に示すように接続された構成
となっている。また、三角波発生回路５０−２は、オペ
アンプ５９、抵抗器６０，６１及びコンデンサ６２が図
３に示すように接続された構成となっている。

【００４７】さて、前述した自励振駆動による振動子１
００の１次の屈曲共振振動は、図２中の励振速度（振動
速度）ｖで示される運動を与えることになる。この時、
圧電体振動子の長手方向の軸の周りで回転運動が起こ
り、図２中で示されるようにΩという角速度Ωが与えら
れると、圧電振動子１００には図２中に示される力Ｆｃ
がかかることになる。この力Ｆｃはコリオリ力であり、
次の数３で与えられる。

【００４８】

【数３】Ｆｃ＝２ｍ（ｖ×Ω）

【００４９】ここで、ｍは振動子１００の質量であり、
振動速度ｖは振動子１００の１次屈曲共振周波数ｆ０と
振動子１００の屈曲振動の振幅の積の２倍で決まる量で
ある。したがって、このコリオリ力Ｆｃを測定すること
によって、振動子１００の長手方向の軸の周りで与えら
れた回転運動の角速度Ωを評価することができる。

【００５０】圧電振動子１００にかかるコリオリ力Ｆｃ
は、前記の数３からも言えるように、振動子１００の振
動の速度ｖの大きさと方向で決定される。本実施の形態
における振動子１００の場合、一次の屈曲振動をしてい
るため、振動速度ｖの方向は振動子１００の両端で同じ
方向、中央部で逆方向になる。したがって、コリオリ力
Ｆｃの方向もそれを反映して振動子１００の両端で同じ
方向、中央部で逆方向をとり、しかも振動速度ｖに連動
して周波数ｆ０で変動する。そのため、圧電振動子１０
０はコリオリ力Ｆｃによって、振動速度ｖとは垂直な面
内においても、周波数ｆ０で一次の屈曲振動が励振され
ることになる。さらに本実施の形態では、圧電振動子１
００の振動速度ｖの方向の屈曲振動と、それと垂直なコ
リオリ力Ｆｃの方向の屈曲振動の共振周波数が等しくな
るように設計することにより、コリオリ力Ｆｃによる屈
曲振動も、振動速度ｖの方向と同様に共振振動が励振さ
れる。

【００５１】したがって、このコリオリ力Ｆｃによる一
次の屈曲共振振動の大きさを評価することが、すなわち
与えられた角速度Ωを評価することになる。この屈曲振
動の大きさの評価には、圧電振動子１００の圧電効果が
利用される。つまり、コリオリ力Ｆｃの大きさは、それ
による振動子１００の屈曲振動によって発生する応力誘
起電荷の測定によって決定される。

【００５２】コリオリ力による発生電荷の検出は、図１
（ｃ）の原理を利用して行う。コリオリ力による屈曲振
動は駆動による屈曲振動とは垂直な方向である横方向に
起こり、その結果コリオリ信号検出用電極１０４からは
コリオリ信号に相当する信号が出力発生する。よって、
オペアンプ１２０の出力を同期検波回路１３０により同
期検波することで回転角速度に応じた交流電流信号をＤ
Ｃ電圧信号に変換する。このとき、同期検波のタイミン
グは移相回路１６０によってコリオリ信号と同位相にす
る。さらに、そのレベルの低いＤＣ電圧信号をアンプ１
４０によって増幅し、フィルター１５０によって不要な
周波数のノイズをカットすることでＳ／Ｎの良い電圧信
号を取り出すことができ、角速度の検出精度を向上させ
ることができる。

【００５３】以上説明した本実施の形態によれば、圧電
振動子１００において、圧電体１０１の上下二面にしか
電極が存在しないため、製造時に板状の圧電体に対して
電極形成、分極処理を行った後、所定の振動子形状に切
断することで量産を行うことができる。したがって、振
動子個々に対して、電極形成を行ったり分極処理を行っ
たりする必要がなく、バッチ処理で同時に多量の振動子
を製造することができる。また、本実施の形態では、圧
電体の接合工程がなく、このことも製造工程の簡略化、
低コスト化に有利であるばかりか、接着剤層の存在に伴
う振動子の性能の劣化や個々のばらつきを最小限に抑え
ることができる。

【００５４】また、本実施の形態では、圧電体１０１の
各部分において互いに平行で逆向きの分極処理が行われ
ているので、角速度の検出効率が一層高まる。すなわ
ち、圧電体の全体において同じ向きの分極処理を行うと
すれば、圧電体の同一面内に形成した２つの電極間に生
ずる信号によりコリオリ力（すなわち、角速度）の検出
を行うことになるが、この場合には、当該電極間の距離
が小さくならざるを得ないため、角速度の検出効率をさ
ほど高くすることができない。これに対し、本実施の形
態によれば、圧電体１０１の各部分において互いに平行
で逆向きの分極処理が行われているので、圧電体１０１
の上下面にそれぞれ形成した２つの電極１０３，１０４
間に生ずる信号によりコリオリ力（すなわち、角速度）
の検出を行うことができ、当該電極１０３，１０４間の
距離を圧電体１０１の厚みの分とすることができて大き
くすることができ、したがって、角速度の検出効率を一
層高めることができる。

【００５５】以上、本発明の一実施の形態による圧電振
動角速度計について説明したが、本発明はこの実施の形
態に限定されるものではない。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
角速度の検出効率が良く、低コストで量産できる圧電振
動子及びこれを用いた圧電振動角速度計を提供すること
ができる。特に、本発明によれば、コリオリ力の検出に
用いる電極間の距離を十分に確保することができ、角速
度の検出効率を一層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による圧電振動角速度計
で用いる圧電振動子の動作原理を示す図である。

【図２】本発明の一実施の形態による圧電振動角速度計
で用いる圧電振動子の具体的な構造を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明の一実施の形態による圧電振動角速度計
を示す回路図である。

【符号の説明】

１０，１２０ 電流電圧変換器 ２０ 移相器 ３０ 比較器 ４０ モニター信号発生回路 ５０ 信号発生回路 ５０−１ 矩形波発生回路 ５０−２ 三角波発生回路 １１０ 自励振駆動回路 １３０ 同期検波回路 １４０ アンプ １５０ フィルタ １６０ 移相器 １００ 圧電振動子 １０１ 圧電体 １０２〜１０５ 電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 四角柱状の圧電体と、該圧電体の表面に
   形成された電極群とを有し、該圧電体の長手方向軸回り
   の回転速度を検出する圧電振動子であって、 前記圧電体が、前記圧電体における第１の部分であって
   前記長手方向軸と直角な第１の方向の一方の側において
   前記長手方向軸と平行に延びる第１の部分と、前記圧電
   体における第２の部分であって前記第１の方向の他方の
   側において前記長手方向軸と平行に延びる第２の部分と
   において、前記長手方向軸及び前記第１の方向と直角な
   第２の方向に互いに逆向きに分極処理がなされたことを
   特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】 前記圧電体における前記長手方向軸と平
   行な４つの側面のうちの２つの対向側面が前記第２の方
   向と直角をなし、 前記電極群は、前記２つの対向側面のうちの一方の側面
   上に前記長手方向軸と平行に延びるように形成された第
   １の電極であって、前記第１の方向の一方の側に形成さ
   れた第１の電極と、前記２つの対向側面のうちの前記一
   方の側面上に前記長手方向軸と平行に延びるように形成
   された第２の電極であって、前記第１の方向の他方の側
   に形成された第２の電極と、前記２つの対向側面のうち
   の他方の側面上に前記長手方向軸と平行に延びるように
   形成された第３の電極であって、前記第１の方向の一方
   の側に形成された第３の電極と、を含むことを特徴とす
   る請求項１記載の圧電振動子。
3. 【請求項３】 前記電極群は、前記２つの対向側面のう
   ちの他方の側面上に前記長手方向軸と平行に延びるよう
   に形成された第４の電極であって、前記第１の方向の他
   方の側に形成された第４の電極を含むことを特徴とする
   請求項２記載の圧電振動子。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電
   振動子と、前記圧電振動子を自励振駆動する自励振駆動
   回路と、前記振動子から発生する交流信号であって前記
   振動子の回転角速度に応じて変化する交流信号に基づい
   て、前記振動子の回転角速度に応じた検出信号を得る検
   出回路と、を備えたことを特徴とする圧電振動角速度
   計。