JP2590553Y2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、自動車のナビゲーショ
ンシステムやカメラ一体型ＶＴＲの手ブレ補正などに用
いられるジャイロスコープのうち、圧電振動子の超音波
振動を用いた圧電振動ジャイロに関し、特に、圧電振動
子の振動モードとしてエネルギー閉じ込め振動をモード
を用いた、構造が簡単で支持が容易な小型の圧電振動ジ
ャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロは、振動している物体
に回転角速度が加えられると、その振動方向と直角な方
向にコリオリ力を生じるという力学現象を利用したジャ
イロスコープである。

【０００３】一般に、互いに直交する２つの異なる方向
の振動を励振可能に構成した復合振動系において、一方
の振動を励振した状態で、振動子を回転させると、上述
のコリオリ力の作用により、この振動と直角な方向に力
が働き、他方の振動が励振される。

【０００４】ここで、その振動の大きさは、入力側の振
動子の振動の大きさ及び回転角速度に比例するため、こ
の入力側の振動子の振動の大きさを一定にすることによ
って、その出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを
求めることができる。

【０００５】従来の圧電振動ジャイロは、図７に示すよ
うに、断面形状が正三角形の金属三角柱１１０のそれぞ
れの側面の略中央部に、それぞれの両面に電極が形成さ
れて厚さ方向に分極された３個の圧電セラミックス薄板
１１１，１１２，１１３を接合して構成されている。

【０００６】ここで、金属三角柱１１０は、図８に示す
ように、それぞれの辺と、この辺に向かい合う頂点とを
結ぶ方向に、略同じ共振周波数で屈曲振動が可能であ
り、図８において、１枚の圧電セラミックス薄板１１１
に、この金属三角柱１１０の共振周波数と略等しい周波
数の電圧を印加すると、この金属三角柱１１０の圧電セ
ラミックス薄板１１１の接合されている面が、この面と
垂直な方向に屈曲振動する。

【０００７】また、この金属三角柱１１０は、図９に示
すように、互いに隣合った２枚の圧電セラミックス薄板
１１１，１１２に、この金属三角柱１１０の共振周波数
と略等しい同一振幅で同一位相の周波数の電圧を印加す
ると、この金属三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１
１１の接合されている面に垂直な方向の屈曲振動と、こ
の金属三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１１２の接
合されている面に垂直な方向の屈曲振動とが、互いに合
成されて、この金属三角柱１１０の他の圧電セラミック
ス薄板１１３の接合されている面が、この面と垂直な方
向に屈曲振動する。

【０００８】更に、この金属三角柱１１０は、図１０に
示すように、互いに隣合った２枚の圧電セラミックス薄
板１１１，１１２に、この金属三角柱１１０の共振周波
数と略等しい同一振幅で逆位相の周波数の電圧を印加す
ると、この金属三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１
１１の接合されている面に垂直な方向の屈曲振動と、こ
の金属三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１１２の接
合されている面に垂直な方向の屈曲振動とが、互いに合
成されて、この金属三角柱１１０の他の圧電セラミック
ス薄板１１３の接合されている面が、この面と平行な方
向に屈曲振動する。

【０００９】一方、図９に示した状態で、金属三角柱１
１０の長さ方向の中心を回転軸として、この金属三角柱
１１０を回転させると、この金属三角柱１１０は、上述
のコリオリ力の作用により、図１１に示すように、この
金属三角柱１１０の他の圧電セラミックス薄板１１３の
接合されている面が、この面に垂直な方向と直角な方向
とに屈曲振動する。

【００１０】ここで、図１０に示したように、この金属
三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１１３が接合され
ている面と平行な方向の屈曲振動は、互いに隣合った２
枚の圧電セラミックス薄板１１１，１１２に、この金属
三角柱１１０の共振周波数と略等しい同一振幅で逆位相
の周波数の電圧を印加することによって得られるので、
この金属三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１１３が
接合されている面と平行な方向に、この金属三角柱１１
０を屈曲振動させた場合には、その逆作用によって、他
の２枚の圧電セラミックス薄板１１１，１１２に、同一
振幅で逆位相の電圧が発生し、駆動のために各圧電セラ
ミックス薄板１１１，１１２に印加されている一方の電
圧がその分だけ減少し、他方の電圧がその分だけ増加す
る。

【００１１】従って、これらの圧電セラミックス薄板１
１１，１１２のそれぞれの端子電圧の差の電圧は、この
金属三角柱１１０の回転角速度に比例した電圧となる。

【００１２】

【考案が解決しようとする課題】ところで、図７乃至図
１１に示した従来の圧電振動ジャイロにおいては、柱状
片の屈曲振動モードを利用しているため、その振動子の
支持・固定は、その振動の節の位置で行なわれなければ
ならない。

【００１３】また、前記従来の圧電振動ジャイロでは、
その駆動・検出回路と振動子の電極とをリード線で接続
する必要があり、このリード線の接続状態のバラツキに
よる特性の変動を抑えることが難しかった。

【００１４】更に、従来の圧電振動ジャイロは、駆動・
検出回路の構成された基板の上に、保持部材により支持
された振動子を載せて組み立てられているため、小型、
薄型の圧電振動ジャイロを構成することが困難であっ
た。

【００１５】本考案は、上述の点に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、駆動・検出回路と振動子の電極
とをリード線を使用せずに接続できる、構造が簡素な小
型で薄型の圧電振動ジャイロを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本考案によれば、圧電板
の一部分に、互いに対向した対向電極及び該対向電極の
結ぶ方向と直交する方向に存在する少なくとも一つの電
極を備え、前記圧電板の厚み方向に分極し、エネルギー
閉じ込め振動モードを利用してなるエネルギー閉じ込め
振動子と、前記圧電板上の他の部分に設けられた駆動回
路及び検出回路を備え、前記対向電極間に電圧を印加し
て該対向電極を結ぶ方向に前記圧電板を励振させ、その
励振方向と直交する方向の振動を前記対向電極の結ぶ方
向と直交する方向に存在する電極にて検出することを特
徴とする圧電振動ジャイロが得られる。又、本発明によ
れば、圧電板の一部分に、互いに対向した第１の対向電
極及び該第１の対向電極の結ぶ方向と直交する方向に存
在する第２の対向電極を備え、前記圧電板の厚み方向に
分極し、エネルギー閉じ込め振動モードを利用してなる
エネルギー閉じ込め振動子と、前記圧電板上の他の部分
に設けられた駆動回路及び検出回路を備え、前記第１の
対向電極間に電圧を印加して該第１の対向電極を結ぶ方
向に前記圧電板を励振させ、その励振方向と直交する方
向の振動を前記第２の対向電極にて検出することを特徴
とする圧電振動ジャイロが得られる。

【００１７】

【実施例】以下、本考案の実施例を図によって詳細に説
明する。

【００１８】但し、本実施例の記述から明らかに想起し
得る範囲の構成および作用等については、説明の煩雑化
を避ける上から、その図示並びに開示を省略、もしくは
簡略化する。

【００１９】実施例の説明に先立って、本考案の圧電振
動ジャイロに使用されるエネルギー閉じ込め振動子につ
いて説明する。

【００２０】ここで、エネルギー閉じ込め振動とは、振
動のエネルギーが駆動電極の近傍に集中している振動モ
ードで、圧電板の厚さ方向の縦振動や、滑り振動、圧電
矩形板の幅方向の縦振動や、滑り振動など、多くの振動
モードがあり、一般に、ＦＭラジオやテレビの中間周波
数フィルタに広く用いられている。

【００２１】このエネルギー閉じ込め振動は、上述のよ
うに、振動のエネルギーが駆動電極の近傍に集中してい
るため、例えば、図１２及び図１３に示すような、６ｍ
ｍ×６ｍｍで厚さ０．２ｍｍの電圧板１０を用いて、そ
の略中央部の直径１．５ｍｍの領域に、駆動電極１１
ａ，１１ｂ、及び１２を形成したＦＭラジオ用１０．７
ＭＨｚセラミックフィルタにおいて、その駆動電極１１
ａ，１１ｂ、及び１２を中心として、直径３ｍｍの領域
の両面に空間部分を形成すれば、図１４に示すように、
その他の部分を樹脂１３で固定しても、その振動子特性
に殆ど影響を与えない。

【００２２】従って、このように、圧電板１０の駆動電
極１１ａ，１１ｂ、及び１２を中心として、所定の領域
の両面に空間部分を形成することにより、駆動電極１１
ａ，１１ｂ、及び１２のリード端子の形成が自由で、支
持構造による振動子特性への影響の無い圧電振動子ある
いはそれを利用したフィルタが得られる。

【００２３】図１及び図２に、本考案の圧電振動ジャイ
ロに使用される平行電界励振型厚み滑りモードエネルギ
ー閉じ込め振動子の一例を示す。

【００２４】このエネルギー閉じ込め振動子は、分極方
向が厚さ方向となるように形成された圧電板１００の同
一面上に、互いに対向する部分電極１４ａ，１４ｂが形
成されている。

【００２５】この圧電板１００の部分電極１４ａ，１４
ｂに挾まれている部分には、圧電板１００の面に略平行
な方向の電界が印加される。

【００２６】これにより、使用する圧電板１００の圧電
材料の特性に合わせて、これらの部分電極１４ａ，１４
ｂ寸法を適切に設計することによって、その電界の方向
に直交する厚さ方向の分極との相互作用により、この圧
電板１００の部分電極１４ａ，１４ｂに挾まれている部
分に、平行電界励振型厚み滑りモードエネルギー閉じ込
め振動子を構成することができる。

【００２７】ここで、厚み滑り振動とは、変位及び波の
伝搬方向が、共に圧電板面に平行な振動であり、半波長
で共振している場合の圧電板の厚さ方向の変位分布は、
図９に示すようになる。

【００２８】図４に、本考案の圧電振動ジャイロに使用
されるエネルギー閉じ込め型復合振動子の他の例を示
す。

【００２９】この復合振動子は、分極方向が厚さ方向と
なるように形成された圧電板１１０の略中央の一方の面
上に、所定の間隔を隔てて互いに対向する部分電極１５
ａ，１５ｂ、及び１６ａ，１６ｂが形成されている。

【００３０】ここで、部分電極１６ａ，１６ｂは、他の
部分電極１５ａ，１５ｂと直交するように形成されてい
る。

【００３１】この構成によれば、図１に示した振動子と
同様に、部分電極１５ａ，１５ｂにより、変位方向すな
わち振動方向が、これらの部分電極１５ａ，１５ｂの対
向する方向となる、第１の厚み滑りモードエネルギー閉
じ込め振動子が構成されるとともに、この第１の振動子
と同様に、部分電極１６ａ，１６ｂにより、振動方向
が、これらの部分電極１６ａ，１６ｂの対向する方向と
なる、第２の厚み滑りモードエネルギー閉じ込め振動子
が構成されたエネルギー閉じ込め型復合振動子が得られ
る。

【００３２】ところで、上述の厚み滑りモードの共振周
波数は、その圧電板の厚さによって決定される。

【００３３】従って、この図４に示す振動子では、第１
の厚み滑りモードエネルギー閉じ込め振動子と、第２の
厚み滑りモードエネルギー閉じ込め振動子とが、共に同
一の圧電板１１０上に構成されるので、この第１の厚み
滑りモードエネルギー閉じ込め振動子の共振周波数と、
第２の厚み滑りモードエネルギー閉じ込め振動子の共振
周波数とがそれぞれ等しくなる。

【００３４】図４において、一方の部分電極１５ａ，１
５ｂ間に、厚み滑りモードの共振周波数に略等しい周波
数の交流電圧を印加すると、この部分電極１５ａ，１５
ｂの近傍のみに厚み滑り振動が励振される。

【００３５】この時の変位の方向は、図５に示すよう
に、励振している部分電極１５ａ，１５ｂの対向してい
る方向と一致したｘ軸方向となる。

【００３６】また、この状態では、部分電極１６ａ，１
６ｂの間には、殆ど出力電圧が発生しない。

【００３７】ここで、この復合振動子を圧電板１１０の
面と垂直なｚ軸方向を回転軸として回転させると、その
振動方向と直角な方向にコリオリ力が発生し、図５に示
すように、振動している振動方向とは直角なｙ軸方向の
振動が発生する。

【００３８】このコリオリ力による振動方向は、部分電
極１６ａ，１６ｂによる振動方向と同じになるので、こ
の部分電極１６ａ，１６ｂ間に、圧電板１１０の回転角
速度に比例した電圧が発生する。

【００３９】図６に、前述のエネルギー閉じ込め型復合
振動子を形成した本考案による圧電振動ジャイロの一実
施例を示す。

【００４０】この実施例では、分極方向が厚さ方向とな
るように形成された圧電板１２０の一部に、図４に示し
たように、所定の間隔を隔てて互いに対向する部分電極
１５ａ，１５ｂ、及び、１６ａ，１６ｂが、互いに直交
するように形成されることによってエネルギー閉じ込め
型復合振動子１７が形成されている。

【００４１】また、この実施例では、この復合振動子１
７が形成された圧電板１２０の同一面上に、この圧電振
動ジャイロの駆動・検出回路２０が形成されている。

【００４２】この圧電振動ジャイロの復合振動子１７を
形成する部分電極１５ａ，１５ｂ、及び、１６ａ，１６
ｂと駆動・検出回路２０との接続は、圧電板１２０上に
形成された薄膜あるいは厚膜からなる膜状導体１８，１
９で行なわれている。

【００４３】これにより、本実施例による圧電振動ジャ
イロは、駆動・検出回路２０を構成しているＩＣ、チッ
プ抵抗、チップコンデンサ等の表面実装部品と、復合振
動子１７を形成する部分電極１５ａ，１５ｂ、及び、１
６ａ，１６ｂとが、それぞれ直結された構造となる。

【００４４】この図６に示した圧電振動ジャイロは、そ
の復合振動子１７の部分が、前述の図１４に示したよう
なエネルギー閉じ込め振動モードの振動子で構成されて
いるので、その圧電板１２０の振動部分を除いた部分
に、支持部材や他の部品（本実施例では駆動・検出回路
２０）を取付けても、その振動子特性（ジャイロ特性）
に殆ど影響を与えない。

【００４５】また、本実施例では、圧電板１２０上に形
成された薄膜あるいは厚膜からなる膜状導体１８，１９
で、復合振動子１７を形成する部分電極１５ａ，１５
ｂ、及び、１６ａ，１６ｂと駆動・検出回路２０とを接
続しているので、従来のリード線を半田付けする接続方
法のように、そのジャイロ特性に悪影響を与えることが
無い。

【００４６】更に、本実施例では、圧電振動ジャイロの
駆動・検出回路２０が、復合振動子１７が形成された圧
電板１２０の同一面上に形成されているので、従来のよ
うに圧電振動ジャイロから独立した専用の基板上に駆動
・検出回路を形成する場合に比べて、その構造が簡素な
小型で薄型の圧電振動ジャイロを得ることができる。

【００４７】

【考案の効果】本考案によれば、上述したように、リー
ド線を使用せずに入出力用の端子を接続でき、且つ、そ
のジャイロ特性に影響を与えずに圧電振動ジャイロを強
固に支持・固定できるので、構造が簡単で、耐振動、耐
衝撃特性の優れた小型で薄型の圧電振動ジャイロが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の圧電振動ジャイロに使用される平行電
界励振型厚み滑りモードエネルギー閉じ込め振動子の概
略平面図である。

【図２】図１に示したエネルギー閉じ込め振動子の概略
断面図である。

【図３】図１に示したエネルギー閉じ込め振動子の変位
分布図である。

【図４】本考案の圧電振動ジャイロに使用される他の平
行電界励振厚み滑りモードエネルギー閉じ込め振動子の
概略斜視図である。

【図５】図４に示したエネルギー閉じ込め振動子の変位
分布図である。

【図６】本考案による圧電振動ジャイロの一実施例の概
略斜視図である。

【図７】従来の圧電振動ジャイロの概略斜視図である。

【図８】従来の圧電振動ジャイロの動作原理の説明図で
ある。

【図９】従来の圧電振動ジャイロの動作原理の他の説明
図である。

【図１０】従来の圧電振動ジャイロの動作原理の更に他
の説明図である。

【図１１】従来の圧電振動ジャイロの動作原理の更に他
の説明図である。

【図１２】従来のエネルギー閉じ込め振動子の概略平面
図である。

【図１３】図１２に示したエネルギー閉じ込め振動子の
概略断面図である。

【図１４】図１２に示したエネルギー閉じ込め振動子の
支持構造の概略断面図である。

【符号の説明】

１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ 部分電極 １７ 復合振動子 １８，１９ 膜状導体 ２０ 駆動・検出回路 １２０ 圧電板

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電板の一部分に、互いに対向した対向
   電極及び該対向電極の結ぶ方向と直交する方向に存在す
   る少なくとも一つの電極を備え、前記圧電板の厚み方向
   に分極し、エネルギー閉じ込め振動モードを利用してな
   るエネルギー閉じ込め振動子と、前記圧電板上の他の部
   分に設けられた駆動回路及び検出回路を備え、前記対向
   電極間に電圧を印加して該対向電極を結ぶ方向に前記圧
   電板を励振させ、その励振方向と直交する方向の振動を
   前記対向電極の結ぶ方向と直交する方向に存在する電極
   にて検出することを特徴とする圧電振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 圧電板の一部分に、互いに対向した第１
   の対向電極及び該第１の対向電極の結ぶ方向と直交する
   方向に存在する第２の対向電極を備え、前記圧電板の厚
   み方向に分極し、エネルギー閉じ込め振動モードを利用
   してなるエネルギー閉じ込め振動子と、前記圧電板上の
   他の部分に設けられた駆動回路及び検出回路を備え、前
   記第１の対向電極間に電圧を印加して該第１の対向電極
   を結ぶ方向に前記圧電板を励振させ、その励振方向と直
   交する方向の振動を前記第２の対向電極にて検出するこ
   とを特徴とする圧電振動ジャイロ。