JPH1183495A - 圧電振動子およびこの圧電振動子を用いた圧電振動角速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転角速度の検出効率が良好であり、なおか
つ低コストで量産できる圧電体振動子を得る。 【解決手段】 四角柱状に形成され、長手方向軸と直角
な方向に分極処理がなされた圧電体１０１により圧電振
動子１００が構成される。圧電体１０１における長手方
向軸と平行な四つの側面のうちの分極処理方向と平行な
二つの対向側面の一方に、長手方向軸と平行に延びる一
対の駆動信号入力用電極１０５，１０７を離間形成し、
且つこれらの間において幅方向中央を長手方向軸と平行
に延びる駆動用基準電極１０６を形成する。さらに、上
記二つの対向側面の他方に、長手方向軸と平行に延びる
一対のコリオリ信号検出用電極１０２，１０４を離間形
成し、且つこれらの間において幅方向中央を長手方向軸
と平行に延びる基準電極１０３を形成している。

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、
或いはスチールカメラ、ビデオカメラの手振れや振動感
知に使用される圧電振動角速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動角速度計は、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形でコリオリ力が発生
し、振動子の振動方向と直角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。
なお、このコリオリの力は次式（１）で示される。

【０００３】

【数１】Ｆｃ＝２ｍ・（ｖ×Ω） （１） 但し、Ｆｃ： コリオリの力、 ｍ ： 振動子の質量、 ｖ ： 振動子の振動速度 Ω ： 回転角速度

【０００４】振動角速度計としては、従来より圧電正
（直接）効果、圧電逆効果を利用した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良く知られて
いる。

【０００５】ＧＥタイプの圧電振動角速度計は図１６に
示すように金属（例えば、エリンバ等の恒弾性体）でで
きた棒状の振動子５２０に圧電セラミックス板５２３を
接着し、この圧電セラミックス板５２３により、金属振
動子５２０を励振するとともに振動子５２０の回転に伴
い励振方向と垂直な方向に生じるコリオリ力を検出す
る。なお、振動子５２０の振動モードは無拘束の基本モ
ード横振動であり通常は振動の節点において振動子５２
０を基体に固定して使用される。

【０００６】ワトソンタイプの圧電振動角速度計は、図
１７に示すように４枚の圧電セラミックスバイモルフ５
２１，５２２を２枚ずつ互いに直交するように重ねて音
叉形状とし、駆動用の圧電バイモルフ５２１で音叉全体
を励振し、回転に伴って生じるコリオリの力を検出用バ
イモルフ５２２により検知する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＧＥタイプの圧電振動
角速度計のように、振動子として金属を用いる場合には
振動子に圧電素子（圧電セラミックス等）を接合する必
要があり、また、ワトソンタイプの圧電振動角速度計の
ように、振動子をバイモルフ型構造にする場合にも圧電
セラミックス同士を接合する必要がある。そのため、振
動子の励振時には、その接着剤も共に振動し検出の効率
を下げたり、温度による接着剤の変化により振動状態が
変化して角速度検出感度の変動を引き起こしたりしてい
た。さらに、これら接合工程を有するタイプでは、振動
子毎に圧電素子を一つ一つ接合して行かなければなら
ず、接合工程が量産時の生産効率を考えるうえでの阻害
要因となるばかりか、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もなっていた。

【０００８】特に構造が簡単で小型化に適したＧＥタイ
プの圧電振動角速度計では、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が、三角柱状の
金属振動子を用い、その側面に圧電素子を接着するもの
は上記問題点に加えてさらに振動子量産時の製造工程に
も複雑化を招いており、また、円柱状の圧電セラミック
ス振動子を用いる場合は円柱状側面にロールタイプの印
刷機等を用いて電極形成をし、その後に個別に分極処理
を行なわなければならない等、電極形成や分極処理にお
ける困難性が量産時の生産効率を悪くしており、共に安
価に振動子を製作することにおいて問題点を有するもの
であった。特に、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後分極処理できる範囲が少なく、
その結果検出効率が悪くなるという欠点もあった。

【０００９】本発明は、上記のような従来の圧電振動角
速度計用振動子の量産上、特性上の欠点を改良し、回転
角速度の検出効率が良好であり、なおかつ低コストで量
産できる圧電体振動子を提供することを目的とするもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的達成のた
め、本発明においては、四角柱状に形成されるとともに
長手方向軸と直角な方向に分極処理がなされた圧電体か
ら圧電振動子が構成され、さらに、圧電体における長手
方向軸と平行な四つの側面のうちの分極処理方向と平行
な二つの対向側面の少なくともいずれかに電極が形成さ
れる。

【００１１】この場合の電極形成例として、上記二つの
対向側面の一方に、長手方向軸と平行に延びるとともに
幅方向に対称な一対の駆動信号入力用電極を離間形成
し、且つこれら一対の駆動信号入力用電極の間において
幅方向中央を長手方向軸と平行に延びる駆動用基準電極
を形成し、さらに、上記二つの対向側面の他方に、長手
方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対のコ
リオリ信号検出用電極を離間形成し、且つこれら一対の
コリオリ信号検出用電極の間において幅方向中央を長手
方向軸と平行に延びる基準電極を形成するものがある。

【００１２】このような構成の圧電振動子を用いた圧電
振動角速度計としては、上記一対の駆動信号入力用電極
に同位相の駆動交流信号を印加させて圧電振動子を分極
方向に屈曲振動させる励振駆動回路と、一対のコリオリ
信号検出用電極からの出力信号の差を検出してコリオリ
信号を検出するコリオリ信号検出回路とを備えてなるも
のがある。

【００１３】この場合、励振駆動回路は、上記一対の駆
動信号入力用電極に同位相で且つ圧電振動子の屈曲方向
における一次の共振周波数の駆動交流信号を印加し、コ
リオリ信号検出用電極はフィードバック用電極を兼用
し、コリオリ信号検出用電極の検出信号をフィードバッ
ク信号として励振駆動回路による駆動信号入力用電極に
印加する駆動交流信号をコントロールして圧電振動子を
一次の共振周波数で自励振振動させるように構成するこ
とができる。

【００１４】一方、上記構成の圧電振動子を用いた圧電
振動角速度計を、上記一対の駆動信号入力用電極に逆位
相の駆動交流信号を印加させて圧電振動子を前記分極方
向と直角な方向に屈曲振動させる励振駆動回路と、上記
一対のコリオリ信号検出用電極からの同位相の出力信号
を検出してコリオリ信号を求めるコリオリ信号検出回路
とを備えて構成することもできる。

【００１５】また、圧電体の二つの対向側面の一方に、
長手方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対
の駆動信号入力用電極兼フィードバック用基準電極を離
間形成し、且つこれら一対の駆動信号入力用電極の間に
おいて幅方向中央を長手方向軸と平行に延びるフィード
バック電極兼駆動用基準電極を形成し、上記二つの対向
側面の他方に、長手方向軸と平行に延びるとともに幅方
向に離間してコリオリ信号検出用電極および基準電極を
形成して、圧電振動子を構成しても良い。

【００１６】この圧電振動子を用いた圧電振動角速度計
は、上記一対の駆動信号入力用電極兼フィードバック用
基準電極に同位相の駆動交流信号を印加させて圧電振動
子を分極方向に屈曲振動させる励振駆動回路と、コリオ
リ信号検出用電極からの出力信号を検出してコリオリ信
号を求めるコリオリ信号検出回路とを備えて構成され
る。

【００１７】圧電体の二つの対向側面の一方に、長手方
向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対の駆動
信号入力用電極兼コリオリ検出用電極を離間形成し、且
つこれら一対の駆動信号入力用電極兼コリオリ検出用電
極の間において幅方向中央を長手方向軸と平行に延びる
基準電極を形成し、上記二つの対向側面の他方に、長手
方向軸と平行に延びるとともに幅方向に離間してフィー
ドバック用電極およびフィードバック基準電極を形成し
て圧電振動子を構成しても良い。

【００１８】この圧電振動子を用いた圧電振動角速度計
は、上記一対の駆動用電極兼コリオリ検出用電極に逆位
相の駆動交流信号を印加させて圧電振動子を分極方向と
直角な方向に屈曲振動させる励振駆動回路と、上記一対
の駆動用電極兼コリオリ検出用電極に発生する同位相の
交流信号からコリオリ信号を求めるコリオリ信号検出回
路とを備えて構成される。

【００１９】圧電体の二つの対向側面の一方に、長手方
向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対のフィ
ードバック用電極兼コリオリ検出用電極を離間形成し、
且つこれら一対のフィードバック用電極兼コリオリ検出
用電極の間において幅方向中央を長手方向軸と平行に延
びる基準電極を形成し、上記二つの対向側面の他方に、
長手方向軸と平行に延びるとともに幅方向に離間して駆
動信号入力用電極および基準電極を形成して圧電振動子
を構成しても良い。

【００２０】この圧電振動子を用いた圧電振動角速度計
は、駆動用電極に駆動交流信号を印加させて圧電振動子
を分極方向と直角な方向に屈曲振動させる励振駆動回路
と、上記一対のフィードバック用電極兼コリオリ検出用
電極に発生する同位相の交流信号からコリオリ信号を求
めるコリオリ信号検出回路とを備えて構成することがで
きる。

【００２１】圧電体の二つの対向側面の一方のみに、長
手方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対の
フィードバック及びコリオリ信号検出用電極兼駆動用基
準電極を離間形成し、且つこれら一対のフィードバック
及びコリオリ信号検出用電極兼駆動用基準電極の間にお
いて幅方向中央を前記長手方向軸と平行に延びる駆動信
号入力用電極兼フィードバック及びコリオリ信号検出用
基準電極を形成して圧電振動子を構成しても良い。

【００２２】この圧電振動子を用いた圧電振動角速度計
は、駆動信号入力用電極兼フィードバック及びコリオリ
信号検出用基準電極に駆動交流信号を印加させて圧電振
動子を分極方向と直角な方向に屈曲振動させる励振駆動
回路と、上記一対のフィードバック及びコリオリ信号検
出用電極兼駆動用基準電極に発生する同位相の交流信号
からコリオリ信号を求めるコリオリ信号検出回路とを備
えて構成することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の好ま
しい実施形態について説明する。上述のように、本発明
の振動子は、圧電効果による電気−機械エネルギー変換
および機械−電気エネルギー変換の両方を用いるもので
あり、交流電荷を印加して一次の屈曲共振振動を励振
し、それによる振動子の振動速度ｖと加えられた角速度
Ωに比例して発生するコリオリ力Ｆを、コリオリ力Ｆ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。そこでま
ず、この基本動作原理を以下に説明する。

【００２４】図６は、圧電振動ジャイロの動作原理を示
す図であり、いずれも振動子の長手方向から見た断面図
である。この振動子では幅方向に分極がなされ、上面に
三つの電極が設けられる。

【００２５】図６（Ａ）は、横方向の屈曲振動の原理を
説明している。上面の三つの電極のうち、真ん中のもの
を基準電極として、左右二つの電極に正の電圧を印加し
た場合、電界は図に示されるとおり左右対称に発生し、
このとき、中心より左側の部分において分極方向への伸
びが発生し、右側の部分において分極方向への縮みが発
生する。このため、振動子の長手方向に対しては、中心
線の左側が縮み、右側が伸び、振動子は左側に向かって
屈曲変形する。

【００２６】したがって、左右の二枚電極に、同位相の
交流電圧を、振動子の横方向の一次の屈曲振動の共振周
波数ｆ0 で入力すると、圧電体振動子に横方向の一次の
屈曲共振振動が励振されることになる。このことは、上
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、中心線の左側が縮むとともに右側
が伸びるため、分極方向においては、左側で伸びが発生
して右側で縮みが発生する。このため、振動子上面の三
つの電極のうちの真ん中のものを基準電極とした場合、
電界は図に示されるとおり左右対称に発生し、左右二つ
のの電極には正の電荷が発生する。従って、振動子が横
方向に屈曲振動しているときには、左右の電極に同位相
の交流電荷が発生することになる。

【００２７】図６（Ｂ）もまた横方向の屈曲振動の例で
ある。上部の三つの電極のうち左右の二つを基準電極と
して真ん中の電極に正の電圧を印加した場合も、電界は
図に示されるとおり左右対称に発生する。このとき、中
心線の左側では分極方向への縮みが起こり、右側では分
極方向への伸びが起こる。このため、振動子の長手方向
に対しては、中心線の左側が伸びるとともに右側が縮
み、振動子は右側に向かって屈曲変形する。従って、真
ん中の電極に交流電圧を、振動子の一次の屈曲振動の共
振周波数ｆ0 で入力すると、振動子に横方向の一次の屈
曲共振振動が励振されることになる。同様に、振動子が
横方向に屈曲振動をしているとき、真ん中の電極には振
動の周波数で交流電荷が発生することになる。

【００２８】一方、図６（Ｃ）には、縦方向の屈曲振動
の原理を示している。上部の三つの電極のうち真ん中の
ものを基準電極として、左右の二つの電極のうち左側電
極に正の電圧を印加するとともに右側電極に負の電圧を
印加した場合、電界は図示のように左右非対称に発生
し、このとき中心線の上側では分極方向に伸び、下側で
は分極方向に縮む。このため、振動子の長手方向に対し
ては、中心線の上側で縮みが発生し、下側では延びが発
生することになり、振動子は上側に向かって屈曲変形す
る。従って、この二枚の電極に逆位相の交流電圧を、振
動子の縦方向の一次の屈曲振動の共振周波数ｆ0 で入力
すると、圧電体振動子に一次の屈曲共振振動が励振され
ることになる。

【００２９】このように、励振フィードバック信号出力
用電極からは、励振された屈曲共振振動に伴う圧電縦効
果による誘起電荷が出力され、この信号を回路を介して
正帰還することで振動子が自励振する。この場合も、上
記のような電気−機械変換だけでなく、機械−電気変換
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、上部の三
つの電極のうち真ん中のものを基準電極とした場合、電
界は図に示されるとおり左右非対称に発生し、左側の電
極には正の電荷が、右側の電極には負の電荷が発生す
る。従って、振動子が縦横方向に屈曲振動しているとき
には、左右の電極に逆位相の交流電荷が発生することに
なる。

【００３０】ここで第１実施例としての圧電体振動子を
図１〜図４に示し、この圧電体振動子を用いて圧電振動
角速度計を構成する信号処理回路を図５に示している。
この例で用いられる圧電体振動子１００は幅方向に分極
処理を施された四角柱状の圧電体１０１を有し、その相
対する二つの面（図１における上下面）に、それぞれ３
個ずつ、計６個の電極を持っている。駆動を行う側の面
（図１における下面）には、駆動信号入力用電極１０
５，１０７と、駆動用基準電極１０６の３枚の電極があ
り、反対側の面（図２における上面）には、コリオリ信
号検出用兼フィードバック用電極１０２，１０４と、基
準電極１０３の３枚の電極がある。

【００３１】コリオリ信号検出用兼フィードバック用電
極１０２，１０４はそれぞれ、オペアンプ１ａ，１ｂの
−（マイナス）入力端子に接続される。また、−入力端
子は、帰還抵抗を介してそれぞれのオペアンプの出力端
子に接続されており、それぞれのオペアンプの＋出力端
子は基準電位に接続されている。すなわち、コリオリ信
号検出用兼フィードバック用電極１０２，１０４は仮想
接地されており、この構成により公知の電流電圧変換器
１が構成されている。また、本実施例では、帰還抵抗と
並列にコンデンサを接続することによってオペアンプの
発振を防止している。

【００３２】ここで、駆動信号入力用電極１０５，１０
７に、振動子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６から駆動交流信号を入力することによ
り、振動子が横方向に励振する。それに伴って電流電圧
変換器からは同位相の励振電圧が出力される。この二つ
の電流電圧変換器はそれぞれの和を和をとる和動回路２
及び差をとる差動回路２０と接続されている。和動回路
はその出力位相をシフトさせる移相器３に接続され、移
相器３の出力はある規定電圧と比較するための比較器４
に接続され、比較器４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５に接続され、モニター
信号を信号発生回路に正帰還することによって、振動子
は自励振駆動する。

【００３３】比較器は、例えばオープンコレクタ形式の
コンパレータ４ａからなり、コンパレータの−入力端子
には移相器の出力が接続され、＋入力端子には規定電圧
を入力する。また、コンパレータの出力端子には抵抗器
５ａが接続されている。抵抗器５ａの他端には、抵抗器
５ａよりおよそ一桁大きい抵抗値を有する抵抗器５ｂが
直列接続されており、抵抗器５ｂの他端はプルアップさ
れている。また、抵抗器５ｂと並列に適切な容量のコン
デンサ５ｃが接続されている。これら抵抗器５ａ，５ｂ
およびコンデンサ５ｃから構成される部分がモニター信
号発生回路である。

【００３４】比較器は規定電圧よりも移相器の出力が大
きいときにＬＯＷとなり、小さいときにＨＩＧＨとなる
が、コンデンサの効果により、ＨＩＧＨのレベルは、移
相器の出力が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は、やはりコン
デンサの効果により、比較器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、規定電圧よりも移相器の出力が大きけ
れば大きいほど小さくなる。このモニター信号は信号発
生回路６ａに入力される。

【００３５】この信号発生回路６ａによって、モニター
信号を振動子の共振周波数でスイッチングし、モニター
信号から矩形波を生成し、その矩形波を積分回路６ｂで
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、規定電圧よりも移相器の出力が大きけれ
ば大きいほど小さくなる。そして、この三角波を振動子
の駆動信号入力用電極１０５，１０７に接続し、移相回
路の移相量を最適に設定し、三角波の移相を信号発生回
路からの信号と同移相になるようにすると、振動子は横
方向に自励振駆動する。

【００３６】この場合、振動子固体間の駆動効率にばら
つきがあったとしても、移相器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、移相器の出力が一定になるの
で）、そのばらつきを吸収できる。

【００３７】また、その他の例として、１０２，１０４
からの励振信号の位相と振幅を比較し、駆動用電極１０
５，１０７への駆動電圧の振幅と位相をコントロールす
ることにより、横方向の一次屈曲振動を安定して自励振
駆動するような（一次屈曲共振振動が意図する方向にの
み発生するようにし、それとは直角な方向（コリオリ力
を受ける方向）の成分が発生しないように制御すること
ができる）駆動回路構成も考えられるがここでは図示し
ていない。

【００３８】前述の作動原理（図６（Ａ）を用いて説明
した作動原理）から良く分かるように、駆動信号入力用
電極１０５，１０７に、同位相の交流電圧を振動子の横
方向の一次の共振周波数ｆ0 で入力することにより、振
動子１００に横方向の屈曲共振振動を励振させることが
できる。これにより、上面のコリオリ信号検出要件フィ
ードバック用電極１０２，１０４に圧電正効果による同
位相の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。さらに、この二つの電極１０２，１０４からのフィ
ードバック信号の位相と振幅を比較し、駆動信号入力用
電極１０５，１０７への入力をコントロールすることに
より、横方向の一次屈曲振動を安定して励振することも
できる。すなわち、一次の屈曲共振振動が、意図する方
向にのみ発生するようにし、それに垂直な方向（コリオ
リ力を受ける方向）の成分が発生しないように制御する
ことができる。

【００３９】この一次の屈曲共振振動は図１の矢印ｖで
示すされる運動を与えることになる。このとき、圧電体
振動子１０１の長手方向の軸のまわりで回転運動が起こ
り、矢印Ωで示される角速度が与えられると、圧電振動
子１００には矢印Ｆｃで示されるようなコリオリの力が
作用する。従って、このコリオリ力Ｆｃを測定すれば、
振動子の長手方向のまわ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。

【００４０】圧電体振動子１００にかかるコリオリ力Ｆ
ｃは、前述の式（１）からも分かるように、ｖで表され
る振動子の振動の速度の大きさと方向で決定される。本
振動子の場合、一次の屈曲運動をしているため、ｖの方
向は振動子の両端で同じ方向、中央部で逆方向になる。
従って、コリオリ力Ｆｃの方向もこれを反映して振動子
の両端で同方向、中央部でこれとは逆方向となり、しか
も、ｖに連動して周波数ｆ0 で変動する。そのため、圧
電体振動子１００は、コリオリ力Ｆｃによって、ｖとは
垂直な面内でも周波数ｆ0 で一次の屈曲振動が励振され
ることになる。さらに、本実施例では、圧電体振動子の
ｖ方向の屈曲振動と、これと垂直なＦｃ方向の屈曲振動
の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、ｖ方向と同様に共振振動
が励振される。

【００４１】従って、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により、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、圧電体振動子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
の屈曲振動によって発生する応力誘起電荷を測定するこ
とによって評価できる。

【００４２】コリオリ力による発生電荷の検出は、前述
の図６（ｃ）を用いて説明した原理によって行う。コリ
オリ力による屈曲振動は、励振駆動による屈曲運動に対
して垂直となる縦方向に発生するため、上面側の二枚の
コリオリ信号検出用電極１０２，１０４に、逆位相の交
流電圧が発生することになる。これらは、大きさが同じ
で逆位相のコリオリ信号であるため、電極１０２，１０
４からの信号の差をとることで、逆位相であるコリオリ
信号を取り出すとともに、同位相である駆動励振のフィ
ードバック成分をキャンセルすることができる。逆に、
電極１０２，１０４からの信号の和をとれば、逆位相で
あるコリオリ信号を全てキャンセルし、同位相である駆
動励振のフィードバック成分のみを取り出すことができ
る。

【００４３】実際には、差動回路２０によって電流電圧
変換器の出力の差をとることにより逆位相のコリオリ交
流電流信号のみを取り出し、さらにそれを同期検波回路
３０により同期検波することで回転角速度に応じた交流
電流信号を直流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６０によってコリオリ信号
と同位相にする。さらに、レベルの低い直流電圧信号を
アンプ４０によって増幅し、フィルター５０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比の良
い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。

【００４４】本実施例は、駆動信号入力用の電極１０
５，１０７に逆相の交流電圧を印加することで、振動子
に縦方向の屈曲共振振動を励振させ、横方向に発生する
コリオリ力を電極１０２，１０４に発生する同相の交流
電圧を検出することにより、駆動と検出の方向を入れ替
えて利用することもできる。

【００４５】本発明の第２実施例に用いられる振動子を
図７〜図１０に示し、その処理回路のブロック図を図１
１から図１３に示す。なお、図１１〜図１３の処理回路
において、前述の第１実施例と同一の要素については同
一番号を付して説明する。振動子２００は、幅方向に分
極処理を施された四角柱の圧電体２０１を有し、その一
つの面に三分割された電極を持ち、裏面に二分割された
電極を持っている。駆動を行う三分割電極側は、駆動信
号入力用電極兼フィードバック用基準電極２０２，２０
４と、フィードバック電極兼駆動用基準電極２０３の三
枚の電極があり、その反対側の面にはコリオリ信号検出
用電極２０６と、基準電極２０５の二枚の電極がある。

【００４６】まず図１１の構成の場合を説明する。フィ
ードバック電極兼駆動用基準電極２０３はオペアンプ１
ａの−入力端子に接続される。また、この−入力端子は
帰還抵抗を介してオペアンプ１ａの出力端子に接続され
ており、オペアンプの＋端子は基準電位に接続されてい
る。すなわち、フィードバック電極兼駆動用基準電極２
０３は仮想接地されており、この構成は公知の電流電圧
変換器１となっている。また、帰還抵抗と並列にコンデ
ンサを接続することによってオペアンプの発振を防止し
ている。また、駆動信号入力用兼フィードバック用基準
電極２０２，２０４に振動子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６から同位相の駆動交流
信号を入力することにより、振動子が横方向に励振す
る。これに伴って電流電圧変換器１からは、励振に伴う
励振電圧が出力される。この励振電圧を、第１実施例と
同様に、移相回路３、比較器４、モニター信号発生回路
５を介して信号発生回路６に正帰還をかけることによ
り、振動子は横方向に自励振振動する。

【００４７】この状態において、回転軸のまわりに回転
角速度が加わってコリオリ力が発生すると、コリオリ力
による屈曲振動は駆動による屈曲振動とは直角な方向で
ある縦方向に発生し、このときコリオリ信号検出用電極
２０６には交流電圧が発生することになる。ここから
は、コリオリ信号のみが検出され、駆動励振の励振信号
は検出されない。

【００４８】コリオリ信号検出用電極２０６は電流電圧
変換器に接続されており、コリオリ電流信号のみを電圧
変換する。以下、第１実施例と同様に、同期検波３０、
アンプ４０、フィルター５０を順次接続することによ
り、回転角速度が検出できる。なお、コリオリ信号検出
用電極２０６に接続している増幅器７０は、電流電圧変
換器もしくは電圧増幅器である。

【００４９】本実施例は、図１２に示すように、電極２
０３を基準電極とし、電極２０２，２０４を駆動用電極
兼コリオリ検出用電極として逆位相の交流電圧を印加す
ることで、振動子に縦方向の屈曲共振振動を励振させ、
横方向に発生するコリオリ力を電極２０２，２０４に発
生する同位相の交流信号を検出することにより、駆動と
検出の振動方向を入れ替えて利用することもできる。こ
のとき、反転増幅器７をどちらか一方の電極と信号発生
回路の間に接続する。また、裏面に電極２０５，２０６
は縦方向の駆動振動を自励振させるためのフィードバッ
ク用電極として利用される。

【００５０】また、本実施例は、図１３に示すように、
電極２０３を基準電極とし、電極２０２，２０４をフィ
ードバック用電極兼コリオリ検出用電極とし、裏面の電
極２０５，２０６間に交流駆動電圧を印加することで、
振動子に縦方向の屈曲共振振動を励振させ、縦方向の駆
動振動を電極２０２，２０４に発生する逆位相の交流信
号の差をとってそれを正帰還して自励振駆動させ、横方
向に発生するコリオリ力を電極２０２，２０４に発生す
る同位相の交流信号の和をとって検出することもでき
る。この場合には、電極２０２，２０４のそれぞれに
は、電流電圧変換器もしくは反転増幅器のどちらかを経
由した後、和動及び差動回路に接続されるか、または直
接、和動及び差動回路に接続しても良い。なお、図にお
いては、電流電圧変換器を経由した後、和動及び差動回
路に接続している。

【００５１】第３実施例に用いられる振動子を図１４に
示し、その処理回路のブロック図を図１５に示す。この
振動子３００は、幅方向に分極処理を施された四角柱状
の圧電体からなり、その一つの面にのみ三分割の電極を
持っている。これら三つの電極は、それぞれフィードバ
ック及びコリオリ信号検出用電極兼駆動用基準電極３０
２，３０４と、駆動信号入力用電極兼フィードバック及
びコリオリ信号検出用基準電極３０３である。

【００５２】フィードバック及びコリオリ信号検出用電
極兼駆動用基準電極３０２，３０４は、図５と同様に、
それぞれ二つのオペアンプの−入力端子に接続される。
また、−入力端子は帰還抵抗を介してオペアンプの出力
端子に接続されており、オペアンプの＋端子は基準電位
に接続されている。すなわち、フィードバックおよびコ
リオリ信号検出用電極兼駆動用基準電極３０２，３０４
はそれぞれ仮想接地されており、この構成は公知の電流
電圧変換器１となっている。また、帰還抵抗と並列にコ
ンデンサを接続することによってオペアンプの発振を防
止している。

【００５３】ここで、信号発生回路６から、駆動信号入
力用電極兼フィードバック及びコリオリ信号検出用基準
電極３０３に交流電圧を、振動子の横方向の一次の屈曲
振動の共振周波数ｆ0 で入力することにより、振動子に
横方向の屈曲共振振動を励振させることができる。これ
に伴って電流電圧変換器１からは、励振に伴う励振電圧
が出力される。このそれぞれの励振電圧の和をとってや
り、その和電圧を、第１実施例と同様に、移相回路３、
比較器４、モニター信号発生回路５を介して信号発生回
路６に正帰還をかけることにより、振動子は横方向に自
励振振動する。

【００５４】この状態において、回転軸のまわりに回転
角速度が加わってコリオリ力が発生すると、コリオリ力
による屈曲振動は駆動による屈曲振動とは直角な方向で
ある縦方向に発生し、このときフィードバック及びコリ
オリ信号検出用電極兼駆動用基準電極３０２，３０４に
は逆位相の交流電圧が発生する。これらは大きさが同じ
で逆位相のコリオリ信号であるため、電極３０２，３０
４からの信号の差動をとることで、逆位相であるコリオ
リ信号を全て取り出すことができるとともに、同位相で
ある駆動励振の励振信号をキャンセルすることかでき
る。

【００５５】本実施例は、電極３０２，３０４を駆動用
電極兼コリオリ信号検出用電極兼フィードバック用基準
電極として逆位相の交流電圧を印加することで、振動子
に縦方向の屈曲共振振動を励振させ、横方向に発生する
コリオリ力を電極３０２，３０４に発生する同位相の交
流信号を検出することにより、駆動と検出の振動方向を
入れ替えて利用することもできる。このとき、電極３０
３はフィードバック用電極兼駆動用及びコリオリ信号検
出用基準電極として利用される。

【００５６】なお、これらの実施例では、圧電体として
ハード系のＰＺＴセラミックスを用い、駆動信号として
三角波を入力したところ、フィードバック信号としてサ
イン波が検出され、屈曲共振振動が励振されていること
が確認された。さらに、振動子の長手方向のまわりで回
転運動を行い、一定の角速度を与えたところ、コリオリ
信号として角速度の大きさに対応する出力が得られた。

【００５７】また、振動子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分極処理、
電極形成を行った後に、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。従って、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作ること
ができる。また、本実施例では、圧電体の接合工程が泣
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低限に抑えることができる。特
に、第３実施例では電極が振動子の一つの面にしか存在
しないため、振動子の製造プロセスがより簡略化される
だけでなく、これを用いるときの配線等も簡略化が可能
で、角速度センサとして用いるときの工程も簡略化され
る。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
四角柱状の圧電体に長手方向軸と直角な方向の分極処理
を行うとともに長手方向軸および分極処理方向に平行な
２面の少なくとも一方の面に電極を形成して圧電振動子
を構成しているので、圧電体振動子に銀ペーストによる
スクリーン印刷や蒸着、メッキ等によって電極を形成で
きるため、振動子表面に接着剤部分が存在せず、従って
振動子の個々の特性のばらつきによる検出精度への悪影
響、さらに接着剤や圧電体のの温度変化による検出精度
への悪影響を受ける恐れも極めて少ない。また、振動子
は四角柱状の圧電体単体であり、電極面も上下側面に設
けるだけで済むため、小型の振動子を再現性よく低コス
トで量産することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に基づく圧電振動角速度
計用の振動子の構成例を示す斜視図である。

【図２】第１実施形態に係る振動子の電極配置を示す三
面図である。

【図３】第１実施形態に係る振動子の分極方向を示す二
面図である。

【図４】第１実施形態に係る振動子の側面図である。

【図５】第１実施形態に係る振動子を用いた圧電振動角
速度計の構成の第１例を示す電気回路図である。

【図６】本発明に係る振動子の励振原理を説明するため
の側面図である。

【図７】本発明の第２実施形態に基づく圧電振動角速度
計用の振動子の構成を示す斜視図である。

【図８】第２実施形態に係る振動子の電極配置を示す三
面図である。

【図９】第２実施形態に係る振動子の分極方向を示す二
面図である。

【図１０】第２実施形態に係る振動子の側面図である。

【図１１】本発明の第２実施形態に基づく圧電振動子を
用いた圧電振動角速度計の構成の第２例を示す電気回路
図である。

【図１２】本発明の第２実施形態に基づく圧電振動子を
用いた圧電振動角速度計の構成の第３例を示す電気回路
図である。

【図１３】本発明の第２実施形態に基づく圧電振動子を
用いた圧電振動角速度計の構成の第４例を示す電気回路
図である。

【図１４】本発明の第３実施形態に基づく圧電振動角速
度計用の振動子の構成を示す斜視図である。

【図１５】第３実施形態に係る振動子を用いた圧電振動
角速度計の構成の第５例を示す電気回路図である。

【図１６】従来の振動角速度計の概念図である。

【図１７】従来の振動角速度計の概念図である。

【符号の説明】

２０ 差動回路 ３０ 同期検波回路 ４０ アンプ ５０ フィルター ６０ 移相回路 １００ 圧電振動子 １０１ 圧電体 １０２，１０４ フィードバック用電極 １０３ 基準電極 １０５，１０７ 駆動信号入力用電極 １０６ 駆動用基準電極

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 四角柱状の圧電体により構成され、長手
   方向軸まわりの回転角速度を検出する圧電振動子であっ
   て、 前記圧電体が前記長手方向軸と直角な方向に分極処理が
   なされ、 前記圧電体における前記長手方向軸と平行な四つの側面
   のうちの前記分極処理方向と平行な二つの対向側面の少
   なくともいずれかに、各種電極が形成されてなることを
   特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】 前記二つの対向側面の一方に、前記長手
   方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対の駆
   動信号入力用電極が離間形成され、且つこれら一対の駆
   動信号入力用電極の間において幅方向中央を前記長手方
   向軸と平行に延びる駆動用基準電極が形成され、 前記二つの対向側面の他方に、前記長手方向軸と平行に
   延びるとともに幅方向に対称な一対のコリオリ信号検出
   用電極が離間形成され、且つこれら一対のコリオリ信号
   検出用電極の間において幅方向中央を前記長手方向軸と
   平行に延びる基準電極が形成されてなることを特徴とす
   る請求項１に記載の圧電振動子。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の圧電振動子と、 前記一対の駆動信号入力用電極に同位相の駆動交流信号
   を印加させて前記圧電振動子を前記分極方向に屈曲振動
   させる励振駆動回路と、 前記一対のコリオリ信号検出用電極からの出力信号の差
   を検出してコリオリ信号を検出するコリオリ信号検出回
   路とを備えてなることを特徴とする圧電振動角速度計。
4. 【請求項４】 前記励振駆動回路は、前記一対の駆動信
   号入力用電極に同位相で且つ前記圧電振動子の前記屈曲
   方向における一次の共振周波数の駆動交流信号を印加
   し、 前記コリオリ信号検出用電極はフィードバック用電極を
   兼用し、前記コリオリ信号検出用電極の検出信号をフィ
   ードバック信号として前記励振駆動回路による前記駆動
   信号入力用電極に印加する前記駆動交流信号をコントロ
   ールして前記圧電振動子を一次の共振周波数で自励振振
   動させるようになっていることを特徴とする請求項３に
   記載の圧電振動角速度計。
5. 【請求項５】 請求項２に記載の圧電振動子と、 前記一対の駆動信号入力用電極に逆位相の駆動交流信号
   を印加させて前記圧電振動子を前記分極方向と直角な方
   向に屈曲振動させる励振駆動回路と、 前記一対のコリオリ信号検出用電極からの同位相の出力
   信号を検出してコリオリ信号を求めるコリオリ信号検出
   回路とを備えてなることを特徴とする圧電振動角速度
   計。
6. 【請求項６】 前記二つの対向側面の一方に、前記長手
   方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対の駆
   動信号入力用電極兼フィードバック用基準電極が離間形
   成され、且つこれら一対の駆動信号入力用電極の間にお
   いて幅方向中央を前記長手方向軸と平行に延びるフィー
   ドバック電極兼駆動用基準電極が形成され、 前記二つの対向側面の他方に、前記長手方向軸と平行に
   延びるとともに幅方向に離間してコリオリ信号検出用電
   極および基準電極が形成されてなることを特徴とする請
   求項１に記載の圧電振動子。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の圧電振動子と、 前記一対の駆動信号入力用電極兼フィードバック用基準
   電極に同位相の駆動交流信号を印加させて前記圧電振動
   子を前記分極方向に屈曲振動させる励振駆動回路と、 前記コリオリ信号検出用電極からの出力信号を検出して
   コリオリ信号を求めるコリオリ信号検出回路とを備えて
   なることを特徴とする圧電振動角速度計。
8. 【請求項８】 前記二つの対向側面の一方に、前記長手
   方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対の駆
   動信号入力用電極兼コリオリ検出用電極が離間形成さ
   れ、且つこれら一対の駆動信号入力用電極兼コリオリ検
   出用電極の間において幅方向中央を前記長手方向軸と平
   行に延びる基準電極が形成され、 前記二つの対向側面の他方に、前記長手方向軸と平行に
   延びるとともに幅方向に離間してフィードバック用電極
   およびフィードバック基準電極が形成されてなることを
   特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の圧電振動子と、 前記一対の駆動用電極兼コリオリ検出用電極に逆位相の
   駆動交流信号を印加させて前記圧電振動子を前記分極方
   向と直角な方向に屈曲振動させる励振駆動回路と、 前記一対の駆動用電極兼コリオリ検出用電極に発生する
   同位相の交流信号からコリオリ信号を求めるコリオリ信
   号検出回路とを備えてなることを特徴とする圧電振動角
   速度計。
10. 【請求項１０】 前記二つの対向側面の一方に、前記長
    手方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一対の
    フィードバック用電極兼コリオリ検出用電極が離間形成
    され、且つこれら一対のフィードバック用電極兼コリオ
    リ検出用電極の間において幅方向中央を前記長手方向軸
    と平行に延びる基準電極が形成され、 前記二つの対向側面の他方に、前記長手方向軸と平行に
    延びるとともに幅方向に離間して駆動信号入力用電極お
    よび基準電極が形成されてなることを特徴とする請求項
    １に記載の圧電振動子。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の圧電振動子と、 前記駆動用電極に駆動交流信号を印加させて前記圧電振
    動子を前記分極方向と直角な方向に屈曲振動させる励振
    駆動回路と、 前記一対のフィードバック用電極兼コリオリ検出用電極
    に発生する同位相の交流信号からコリオリ信号を求める
    コリオリ信号検出回路とを備えてなることを特徴とする
    圧電振動角速度計。
12. 【請求項１２】 前記二つの対向側面の一方のみに、前
    記長手方向軸と平行に延びるとともに幅方向に対称な一
    対のフィードバック及びコリオリ信号検出用電極兼駆動
    用基準電極が離間形成され、且つこれら一対のフィード
    バック及びコリオリ信号検出用電極兼駆動用基準電極の
    間において幅方向中央を前記長手方向軸と平行に延びる
    駆動信号入力用電極兼フィードバック及びコリオリ信号
    検出用基準電極が形成されてなることを特徴とする請求
    項１に記載の圧電振動子。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の圧電振動子と、 前記駆動信号入力用電極兼フィードバック及びコリオリ
    信号検出用基準電極に駆動交流信号を印加させて前記圧
    電振動子を前記分極方向と直角な方向に屈曲振動させる
    励振駆動回路と、 前記一対のフィードバック及びコリオリ信号検出用電極
    兼駆動用基準電極に発生する同位相の交流信号からコリ
    オリ信号を求めるコリオリ信号検出回路とを備えてなる
    ことを特徴とする圧電振動角速度計。