JP2001194156A

JP2001194156A - 圧電振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2001194156A
Application number: JP2000005125A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Shibata; 明彦柴田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】支持および固定のジャイロ特性に対する影響
が少なく、互いに直交する２つの軸周りの回転を同時に
検出することが可能な、圧電振動ジャイロを提供する。【解決手段】圧電振動ジャイロ１０は、厚み方向に分
極された圧電基板１２を含む。圧電基板１２には、厚み
縦振動を励振するための一対の駆動電極１４，１６が厚
み方向に対向して形成される。また、駆動電極１４，１
６の対向部を取り囲むようにして第１の一対の検出電極
２２，２４および第２の一対の検出電極２６，２８が形
成される。第１の一対の検出電極２２，２４は、圧電基
板１２の厚み方向と直交する方向に対向して形成され
る。また、第２の一対の検出電極２６，２８は、圧電基
板１２の厚み方向と直交し、かつ第１の一対の検出電極
２２，２４が対向する方向とも直交する方向に対向して
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】本願発明は圧電振動ジャイロ
に関し、特にたとえば、ＶＴＲ画像の手ぶれ補正、姿勢
制御システム、カーナビゲーションシステムなどに用い
られる圧電振動を利用した角速度センサである圧電振動
ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の圧電振動ジャイロの一例を
示す斜視図である。この圧電振動ジャイロ１は、細角柱
状の振動体２を含む。振動体２は、恒弾性材料よりな
り、ｘ軸，ｙ軸方向の寸法はほぼ等しく形成され、ｚ軸
方向の寸法はｘ軸，ｙ軸方向の寸法に比べて充分に長く
形成される。振動体２は、振動の節点で支持されるとと
もに接地される。振動体２のｘ面およびｙ面のほぼ中央
には圧電セラミックなどで形成された圧電素子３，４が
接着剤などで固定される。そして、一方の圧電素子３に
交流電圧を印加すると、ｘ軸方向に共振する屈曲振動モ
ードが励振される。この状態下、圧電振動ジャイロ１
が、ｚ軸の周りに角速度Ωで回転されると、コリオリ力
が発生し、ｙ軸方向にほぼ同一周波数の屈曲振動モード
が励振され振動する。ここで、ｙ軸方向の変位速度は角
速度Ωに比例するから、変位速度を測定することにより
角速度Ωを求めることができる。また、該角速度Ωを電
気的に積分することにより角度の計測が可能となる。

【０００３】図６は従来の圧電振動ジャイロの別の例を
示す斜視図である。この圧電振動ジャイロ５は、厚みす
べり振動を利用している。この圧電振動ジャイロ５で
は、厚み方向に分極された圧電基板６の主面上に形成さ
れた一対の電極７，７′により厚みすべり振動が励振さ
れる。振動方向は圧電基板６の主面の延びる方向と平行
な方向である。この状態で圧電基板６の主面に直交する
方向に延びるｚ軸周りの回転を加えると、圧電基板６上
に一対の電極７，７′が互いに対向する方向と直交する
方向にコリオリ力による振動が励振され、この振動によ
り該方向に電界が生じる。これを該方向に対向して形成
された電極８，８′で電圧として検出し、角速度が求め
られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図５に示した圧電振動
ジャイロ１では、柱状音片の屈曲振動モードを利用して
いるため、振動体２の支持および固定を振動の節の位置
で行なければならない。しかし、振動の節点は、理論的
に幅あるいは面積を持たない点あるいは線であるため、
有限の寸法の線などで支持した場合、ジャイロ特性に対
する支持による悪影響が避けられず、ジャイロ特性の劣
化が生じていた。さらに、支持の影響を少なくするため
に支持線の線径を細くしようとすると、外部からの振動
や衝撃に対する耐久性が悪くなるという問題が生じた。

【０００５】一方、図６に示した圧電振動ジャイロ５で
は、厚みすべり振動のエネルギー閉じ込め現象を利用し
ているので、上記問題は解決できる。しかし、この圧電
振動ジャイロ５では、圧電基板６の主面に直交する方向
に延びるｚ軸周りの角速度しか検出できない。したがっ
て、互いに直交するｘ軸およびｙ軸周りの角速度を同時
に検出したい場合には、圧電振動ジャイロ５が２つ必要
であり、それらを互いに直交する向きに配置しなければ
ならなかった。

【０００６】それゆえに、本願発明の主たる目的は、支
持および固定のジャイロ特性に対する影響が少なく、互
いに直交する２つの軸周りの回転を同時に検出すること
が可能な、圧電振動ジャイロを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明は、厚み方向に
分極された圧電基板と、圧電基板の厚み方向に対向して
形成され厚み縦振動を励振するための一対の駆動電極
と、圧電基板の厚み方向と直交する方向に対向して一対
の駆動電極の両側に形成される第１の一対の検出電極
と、圧電基板の厚み方向と直交し、かつ第１の一対の検
出電極が対向する方向とも直交する方向に対向して一対
の駆動電極の両側に形成される第２の一対の検出電極と
を含む、圧電振動ジャイロである。また、本願発明にお
いて、圧電基板は、弾性定数の温度係数が互いに逆符号
の圧電体層と誘電体層とを積層して形成してもよい。

【０００８】本願発明にかかる圧電振動ジャイロでは、
一対の駆動電極で圧電基板に厚み縦振動が励振され、そ
の状態で圧電基板が厚み方向と直交する方向に延びる軸
周りに回転すると、該回転軸の延びる方向に直交する方
向にコリオリ力による振動が励振される。この振動によ
り該方向に電界が生じる。これを該方向に対向して形成
された一対の検出電極で電圧として検出することによ
り、角速度が求められる。この圧電振動ジャイロは第１
の一対の検出電極と第２の一対の検出電極とを備えるの
で、互いに直交する２方向の角速度を同時に検出するこ
とができる。また、圧電基板を弾性定数の温度係数が互
いに逆符号の圧電体層と誘電体層とを積層して形成する
ことにより、厚み縦振動の共振周波数の温度変動が相殺
されるので、温度変動に対して圧電振動ジャイロの出力
を安定化することができる。この場合において、圧電体
層と誘電体層との厚み比を調整すれば厚み縦振動の共振
周波数の温度係数を調整できる。

【０００９】本願発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】

【実施例１】図１は本願発明にかかる圧電振動ジャイロ
の一実施例を示す斜視図である。この圧電振動ジャイロ
１０は、厚み方向に分極されたＰＺＴなどの圧電基板１
２を含む。圧電基板１２の両主面には、圧電基板１２に
厚み縦振動を発生させるための駆動電極１４，１６が蒸
着、印刷などの手段で形成される。駆動電極１４，１６
は圧電基板１２の中央部で厚み方向に対向して形成され
る。駆動電極１４，１６が対向する部分に厚み縦振動が
励振される。駆動電極１４，１６からは圧電基板１２の
角部へ向かってそれぞれリード電極が形成され、該リー
ド電極の端部に外部から駆動のための交流電圧を印加す
るための端子電極１８，２０が形成される。端子電極１
８，２０は、厚み方向に対向しないように形成される。

【００１１】圧電基板１２の主面には、駆動電極１４，
１６の対向部を取り囲むようにして２対４個の検出電極
（２２，２４），（２６，２８）が蒸着、印刷などの手
段で形成される。第１の一対の検出電極２２，２４およ
び第２の一対の検出電極２６，２８はコリオリ力の作用
により生じた応力を、電圧として検出するためのもので
ある。第１の一対の検出電極２２，２４および第２の一
対の検出電極２６，２８からは、圧電基板１２の端部へ
向かってそれぞれリード電極が形成され、該リード電極
の端部に端子電極が形成される。なお、各電極を形成す
るための材料は、特に限定するものではないが、たとえ
ばＡｕ，Ａｇ，Ａｌなどで形成することができる。ま
た、この実施例では、第１の一対の検出電極２２，２４
および第２の一対の検出電極２６，２８は、圧電基板１
２の一方主面のみに形成したが、これに限るものでな
く、圧電基板１２の両主面に形成してもよい。

【００１２】圧電振動ジャイロ１０の支持および固定は
圧電基板１２の周辺部で行う。厚み縦振動のエネルギー
閉じ込め現象により駆動電極１４，１６対向部近傍に振
動が閉じ込められるため、圧電基板１２の周辺部を支持
および固定することにより、支持および固定のジャイロ
特性への影響を小さくできる。

【００１３】図２は図１に示す圧電振動ジャイロがｙ軸
周りに回転した際のコリオリ力の発生状況を示す模式図
である。図２を参照しながらこの圧電振動ジャイロ１０
の作動状況を説明する。圧電基板１２の厚み縦振動の共
振周波数に等しい周波数の交流電圧を一対の駆動電極１
４，１６に印加すると、共振により図２に黒矢印で示す
変位が生じる。この状態で圧電基板１２を角速度Ω＝
（Ω_x，Ω_y，Ω_z）で回転させる。厚み縦振動のｚ方
向の変位をｗとすると、回転により駆動電極１４，１６
対向部の圧電基板１２には、単位体積あたりコリオリ力が作用する。（ρ：圧電基板の密度，ｔ：時間）したがって、駆動電極１４，１６対向部にはｘおよびｙ
方向にそれぞれΩ_y，Ω_xに比例した応力が加わる。こ
の応力により、圧電基板１２のｘおよびｙ方向にはそれ
ぞれΩ_y，Ω_xに比例した電界が発生する。これをｘ方
向については第１の一対の検出電極２２，２４で、ｙ方
向については第２の一対の検出電極２６，２８で検出す
ることで、角速度Ωのｘ成分およびｙ成分を測定するこ
とが可能になる。

【００１４】厚み縦振動の励振された圧電振動ジャイロ
１０にｙ軸周りのみの回転を加えると、変位ｗの厚み縦
振動の振幅とｙ軸周りの角速度Ω_yとに比例したコリオ
リ力が図２に白矢印で示したようにｘ方向に作用する。
このコリオリ力により駆動電極１４，１６の対向部の圧
電基板１２は、ｘ軸方向への応力を受け、この方向へ角
速度に比例した大きさの電界を生じる。これを第１の一
対の検出電極２２，２４で電圧として検出する。電圧の
大きさと角速度は比例関係にあるため、ｙ軸周りにどの
程度の角速度で回転しているかがわかる。なお、このと
きｙ軸方向へはほとんど応力が作用しないため、第２の
一対の検出電極２６，２８にはほとんど電圧がかからな
い。

【００１５】この圧電振動ジャイロ１０がｘ軸周りのみ
に回転するときには、上述とは逆に第２の一対の検出電
極２６，２８に優勢に電圧が検出される。また、ｘｙ面
内に伸びる任意の軸周りに回転しているときは、角速度
ベクトルのｘ成分，ｙ成分に比例した大きさの電圧がそ
れぞれ第１の一対の検出電極２２，２４および第２の一
対の検出電極２６，２８で検出される。

【００１６】

【実施例２】図３は本願発明にかかる圧電振動ジャイロ
の他の実施例を示す斜視図である。図３に示す実施例２
の圧電振動ジャイロ３０が図１に示した実施例１の圧電
振動ジャイロ１０と異なるのは、圧電基板が圧電体層と
誘電体層とを積層した多層基板として構成されている点
である。この多層基板１３は、圧電体層１３ａと誘電体
層１３ｂとをたとえば接着剤により接着するか、陽極接
合などにより接合するか、またはゾルゲル法などで圧電
体層１３ａ上に誘電体層１３ｂもしくは誘電体層１３ｂ
上に圧電体層１３ａを形成するなどして作製される。

【００１７】多層基板１３上には実施例１と同様にして
一対の駆動電極１４，１６、第１の一対の検出電極２
２，２４、および第２の一対の検出電極２６，２８が形
成される。

【００１８】駆動電極１４，１６に印加する交流電圧の
周波数は、厚み縦振動の共振周波数と一致することが望
ましい。しかし、厚み縦振動の共振周波数が温度により
変動し、印加されている交流電圧の周波数とずれると厚
み縦振動の振幅が小さくなり、コリオリ力の作用も小さ
くなる。したがって、温度変化により検出される電圧に
も変動が生じる不都合がある。そこで、実施例２におい
て圧電基板を圧電体層と誘電体層とを積層した多層基板
１３とすることにより、厚み縦振動の共振周波数の温度
変動を抑制することができる。

【００１９】図４は、弾性定数の温度係数が−１６１
（ｐｐｍ／℃）の圧電体層と＋２３９（ｐｐｍ／℃）の
誘電体層とを積層してなる２層構造の多層基板における
圧電体層の厚み比と、厚み縦振動基本波のＴＣＦ（Temp
erature Coefficient of Frequency：周波数温度係数）
との関係を示したグラフである。図４において、（圧電
体層の厚み比）≡（圧電体層の厚み）／（圧電体層と誘
電体層との厚みの合計）である。ＴＣＦは、圧電体層と
誘電体層の厚み比により変化する。図４から厚み比６５
％付近で、ＴＣＦが０となっていることがわかる。した
がって、この場合、図３に示す構造において、駆動電極
１４，１６対向部の厚みを１００とすると、圧電体層が
６５、誘電体層が３５の割合になるように多層基板１３
を形成することにより、ＴＣＦを０とすることができ、
温度変動に対して安定な出力を行う圧電振動ジャイロ３
０を得ることができる。

【００２０】なお、圧電基板としての多層基板１３は２
層構造とすることに限るものではなく、２層以上の積層
構造としてもよい。また、この実施例では、多層基板１
３を形成してから駆動電極および検出電極を形成した
が、駆動電極および検出電極を圧電体層上に先に形成し
てから誘電体層を積層してもよい。具体的には実施例１
の圧電基板１２に誘電体層を接合して多層基板１３を構
成してもよい。いずれの場合でも、弾性定数の温度係数
が互いに逆符号である圧電体層と誘電体層との組み合わ
せで厚み比を適宜調整して実施することにより、実施例
２と同様の作用効果が得られる。

【００２１】

【発明の効果】本願発明によれば、ｘ軸およびｙ軸周り
の回転を１つの圧電振動ジャイロで同時に検出できる。
また、厚み縦振動のエネルギー閉じ込め現象により、駆
動電極対向部近傍に振動が限られるため、圧電基板の周
辺部を保持することにより、支持および固定によるジャ
イロ特性への影響を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明にかかる圧電振動ジャイロの一実施例
を示す斜視図である。

【図２】図１に示す圧電振動ジャイロがｙ軸周りに回転
した際のコリオリ力の発生状況を示す模式図である。

【図３】本願発明にかかる圧電振動ジャイロの他の実施
例を示す斜視図である。

【図４】図３に示す圧電振動ジャイロの多層基板の厚み
比による周波数温度係数の変化を示すグラフである。

【図５】従来の圧電振動ジャイロの一例を示す斜視図で
ある。

【図６】従来の圧電振動ジャイロの他の例を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１０圧電振動ジャイロ１２圧電基板１３多層基板１４，１６駆動電極１８，２０一対の端子電極２２，２４第１の一対の検出電極２６，２８第２の一対の検出電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚み方向に分極された圧電基板、前記圧電基板の厚み方向に対向して形成され厚み縦振動
を励振するための一対の駆動電極、前記圧電基板の厚み方向と直交する方向に対向して前記
一対の駆動電極の両側に形成される第１の一対の検出電
極、および前記圧電基板の厚み方向と直交し、かつ前記
第１の一対の検出電極が対向する方向とも直交する方向
に対向して前記一対の駆動電極の両側に形成される第２
の一対の検出電極を含む、圧電振動ジャイロ。
【請求項２】前記圧電基板は、弾性定数の温度係数が
互いに逆符号の圧電体層と誘電体層とを積層してなる、
請求項１に記載の圧電振動ジャイロ。