JPH10239061A - 圧電振動角速度計用振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電振動角速度計用振動子の量産上の欠点を
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。 【解決手段】 四角柱状をなす圧電材料により構成され
た振動子を回転中心に垂直な平面で左領域と右領域に区
分し、左右２領域でそれぞれ異なった方向に分極処理す
る。このとき、特にそれぞれの領域の分極方向が互いに
直交する方向であり、かつ共に回転中心に直交する方向
となるようにする。一方の領域を圧電体振動子を励振す
る駆動領域として使用し、他方の領域を回転により生じ
るコリオリ力の検出領域として使用する。そして、検出
領域の分極方向を振動子の励振駆動方向に一致させるこ
とにより、検出領域からは圧電横効果によるコリオリ力
のみが検出できるように構成する。

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使用される圧電体振
動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動子に固有振動を励起し回転中心の周
りに回転運動が加えらると、振動方向及び回転中心方向
に垂直な方向に次式で示されるコリオリの力が発生す
る。 Ｆｃ＝２ｍ[ｖ×Ω] ここで、Ｆｃはコリオリの力、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。振動角速度
計は振動子に生じたコリオリの力による振動を検出する
ことにより回転角速度を測定するものである。

【０００３】振動角速度計では、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。ＧＥタイプの圧電振動角速度計は図７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２０に圧電セラミックス板２３を接着し、これに
より金属振動子２０を励振するとともに、振動子２０の
回転にともない、励振方向と垂直な方向に生じるコリオ
リ力を検出する。振動子２０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
２０を基体に固定して使用される。

【０００４】ワトソンタイプの圧電振動角速度計は、図
８に示すように４枚の圧電セラミックスバイモルフ２
１、２２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２１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２２から検知する。

【０００５】

【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（圧電セラミックス板２３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板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正確な位置合わせを
して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。

【０００６】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
は上記接合の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に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、量産時の生産効
率が悪く、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。

【０００７】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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る圧電振動角速度計用振動子は四角柱状
をなす圧電材料により構成する。そして、この振動子を
回転中心に垂直な平面で左領域と右領域に区分し、この
左右２領域でそれぞれ異なった方向に分極処理する。こ
のとき、特にそれぞれの領域の分極方向が互いに直交す
る方向であり、かつ共に回転中心に直交する方向である
ことが望ましい。さらに、この振動子を直方体状に形成
し、一方の領域の分極方向を回転中心の方向に沿って伸
びる平行な２側面の幅方向にし、他方の領域の分極方向
を前記側面と直交する他の平行な２側面の幅方向にする
ことが最適である。

【０００９】本発明に係る圧電振動角速度計用振動子
は、前述した２つの領域においてそれぞれ異なった方向
に分極処理を施したうえで、一方の領域を圧電体振動子
の励振を行う駆動領域として使用し、他方の領域を回転
により生じるコリオリ力の検出領域として使用する。特
に最適な実施の形態では検出領域の分極方向を振動子の
励振方向に一致させることにより、検出領域からは励振
信号が重畳していないコリオリ力による信号のみが検出
できるように構成している。

【００１０】回転角速度検出のために、振動子の駆動領
域側に振動子の励振を行うための自励振用電極群とフィ
ードバックを行うための帰還用電極群が形成され、振動
子の検出領域側にコリオリ力の検出のための検出用電極
群が形成されるが、これら総ての電極が圧電体振動子の
回転中心方向に沿って平行に伸びた相対向する２つの側
面上にのみ形成され、これら２側面と交差する他の２つ
の側面上には電極群が全く配置されないように構成され
ている。また、本発明では同一側面上に形成された二つ
の電極間に駆動源を接続して振動子が励振される。

【００１１】このように構成された本発明に係る圧電振
動角速度計用振動子では、圧電体振動子の圧電横効果を
利用して、駆動領域においては電気−機械エネルギ変換
を、検出領域においては機械−電気エネルギ変換を行う
ことにより、コリオリ力の検出を効率よく行おうとする
ものである。すなわち、自励振用電極群を通して交流電
圧を振動子の駆動領域に印加すると圧電横効果により駆
動領域における電気−機械エネルギ変換が行われ、振動
子には相対する電極面方向に基本モードの屈曲振動が励
起される。なお、検出効率をより高めるため、前記屈曲
振動が振動子の機械的共振周波数の振動若しくはそれに
近い振動となるように交流電圧の発振周波数を決定す
る。

【００１２】この状態で回転中心の周りに回転が生じる
と励振速度ｖと加えられた回転角速度Ωに比例したコリ
オリ力が発生し、このコリオリ力により振動子は電極面
に平行な平面内で屈曲共振振動を行う。コリオリ力によ
るこの屈曲共振振動が生じると圧電横効果に基づいて検
出領域において機械−電気エネルギ変換が行われ、検出
用電極面内に分極電荷が誘起される。従って、この発生
電荷を測定することにより回転角速度を評価することが
できる。なおこの場合、コリオリ力による分極電荷は圧
電横効果により検出用電極面と垂直な方向に誘起される
ので検出効率を落とすことがないし、またコリオリ力に
よる振動が共振振動となるように振動子の断面形状も決
定され、検出効率が高められる。

【００１３】なお、本発明に係る圧電振動角速度計用振
動子では、駆動領域と検出領域において異なった方向で
あり、且つそれぞれ直交する方向に分極処理がなされて
いる。従って、各領域で圧電横効果を利用することによ
り四角柱状の振動子の相対する２側面上に電極群をまと
めて形成することができる。その結果、製造時において
は平板状の圧電材料の相対する側面に反応性エッチング
による電極パターンが形成されたものを切断することに
より、接着剤の使用されていない圧電体振動子を一度に
多量に作成することができ、また、精密切断機による切
断を行えば、極めて小型の圧電体振動子を再現性よく量
産することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明に係る
最適な実施の形態を説明する。図１に本発明に基づく圧
電振動角速度計用振動子の最適な基本構成を示す。この
圧電体振動子１０は圧電材料としてハード系のＰＺＴセ
ラミックスを用い、断面がほぼ正方形であって振動子軸
１に沿って伸びた長尺状の直方体に形成されている。振
動子１０は振動子軸１の軸方向のほぼ中央を境に２つの
領域（図面上、左右の領域）に区分されており、一方の
領域（本実施例では左側領域）を駆動領域とし、他方の
領域（本実施例では右側領域）を検出領域として使用す
る。なお、いずれを駆動領域とするかは自由である。

【００１５】駆動領域となる左側領域では図１及び図２
に示すように、回転中心１に沿って伸びる振動子１０の
一側面を上面とし、この上面に励振駆動用電極１２が形
成される。電極の形成は銀ペースト等のスクリーン印
刷、若しくはスパッタ、蒸着、メッキ等により行うこと
ができる。この励振駆動用電極１２は振動子１０の上面
において、回転中心１を中心として左右に分割して形成
されており、一方が駆動信号入力用電極１２ａ、他方が
駆動用基準電極１２ｂとして使用される。

【００１６】一方、この上面と平行に相対向する振動子
１０の駆動領域下面には励振信号の帰還用電極１３が形
成される。この帰還用電極１３も図１及び図２に示すよ
うに、振動子１０の下面において振動子軸１方向を中心
として左右に分割して形成されており、上面に形成され
た駆動信号入力用電極１２ａに相対向し振動子１０の同
じ側面側に位置する電極が帰還信号出力用電極１３ａと
して、駆動用基準電極１２ｂと相対向し振動子１０の同
じ側面側に位置する電極が帰還用基準電極１３ｂとして
使用される。

【００１７】振動子１０の回転中心１の方向に垂直な平
面で分けられた他の半分の領域、すなわち、検出領域と
なる右側領域では図１及び図２に示すように、コリオリ
信号検出用電極１４が形成される。このコリオリ信号検
出用電極１４も励振駆動用電極１２と同様に振動子１０
の検出領域上面において、回転中心１の方向を対称軸と
して左右に分割して形成されており、一方がコリオリ信
号出力用電極１４ａとして、他方がコリオリ信号用基準
電極１４ｂとして使用される。さらに、この検出領域上
面と平行に相対向する振動子１０の検出領域下面には基
準電極１１が下面全面に形成されている。そして、これ
らの電極群はそれぞれが絶縁された状態で振動子１０の
側面上に配置されている。

【００１８】本発明に係る圧電振動角速度計の最適な実
施の形態では、以上のような電極配置を有する振動子１
０を、その駆動領域において図３に示すように、励振駆
動用電極１２の形成された上面及び帰還用電極１３の形
成された下面に平行であり、かつ回転中心１に垂直な方
向に分極処理し、その検出領域ではコリオリ信号検出用
電極１４の形成された上面及び基準電極１１の形成され
た下面に垂直であり、かつ回転中心１に垂直な方向に分
極処理している。すなわち、本発明に係る圧電振動角速
度計では、圧電体内部においてそれぞれ異なった方向に
分極処理された２つの分極分域をもつ構造となってい
る。

【００１９】特に図３に示す分極処理の実施例では、駆
動領域において分極方向を駆動信号入力用電極１２ａの
位置する側面側から駆動信号基準電極１２ｂの位置する
側面側へ向け、検出領域において分極方向を基準電極１
１の位置する下面側からコリオリ信号検出用電極１４の
位置する上面側に向けているが、これに限らず、それぞ
れ逆の方向に分極処理してもいいし、片方のみ分極処理
を逆にしても良い。なお、振動子１０の回転中心１に垂
直な断面は励振方向の共振周波数とコリオリ力による振
動が共振状態になり検出精度を上げることができるよう
にほぼ正方形に形成されている。

【００２０】以下に本発明に係る振動子の用いられた圧
電振動角速度計の動作原理を説明する。図４は振動子１
０が励振駆動されて振動を起こす動作原理を説明するた
めの図である。駆動信号入力用電極１２ａと駆動信号基
準電極１２ｂとの間に交流の励振電圧を印加すると、励
振駆動用電極１２下の振動子１０内部の上面部近傍に位
置する部分（図４の斜線部）に駆動信号入力用電極１２
ａから駆動信号基準電極１２ｂへ向かう交流電界が生じ
る。この交流電界により振動子１０の上面部近傍は分極
電荷を生じ、圧電横効果により振動子１０の回転中心１
の方向に伸縮運動を起こす。

【００２１】一方、帰還用電極１３に近い振動子１０内
部の下面部近傍に位置する部分（図４の白色部）には交
流電界による分極電荷は生ぜず、従って圧電横効果によ
る伸長収縮が生じないため自発的な変形は全く起こさな
い。このため、駆動信号用電極１２側の上面部近傍で起
きる振動子１０の伸縮運動を下面部近傍の自発変形を起
こさない部分が抑制するように働き、振動子１０の上下
方向、すなわち、電極群が形成された２側面方向に折れ
曲がる屈曲振動が生じる。

【００２２】従って、駆動信号入力用電極１２ａに圧電
体振動子１０の有する一次の機械的共振周波数ｆｏの交
流電圧を入力すれば、振動子１０の一部分の励振であっ
ても振動子１０全体に及ぶ一次の屈曲共振振動が励振さ
れることになる。このとき、振動子１０の下面に形成さ
れた帰還信号出力用電極１３ａから屈曲共振振動に伴う
誘起分極電荷が出力され、この信号を図示しない励振駆
動用電源に帰還すれば、振動子１０の機械的共振周波数
ｆｏで安定した振動を励起させることができる。

【００２３】この１次の屈曲共振振動は図１の振動速度
ｖで示される運動を与えることになる。そして、振動子
１０は振動の節点２を境に振動子１０の中央部分と端部
とで反対の向きの速度を持った無拘束条件横振動を行う
ことになる（図５（ａ）参照）。この振動状態において
振動子１０に回転中心１の周りに回転が生じ、回転角速
度Ωが与えられると振動子１０には電極面に平行な面内
において回転中心１に垂直な方向（図１に示されるＦｃ
の方向）にコリオリ力Ｆｃが発生する。

【００２４】振動子１０にかかるコリオリ力Ｆｃは、Ｆ
ｃ＝２ｍ（ｖ×Ω）で与えられることが知られており、
回転角速度Ωが一定の場合には振動子１０の振動速度ｖ
の大きさと方向で決定される。いま、励振信号により屈
曲共振振動を行っている振動子１０は振動の節点２を境
にその振動速度ｖが反対であるため、図５（ｂ）に示す
ように発生するコリオリ力Ｆｃの方向も反対となる。こ
のため、このコリオリ力Ｆｃは振動速度ｖに同期して電
極が形成された面に平行な面内において回転中心１に垂
直な方向の屈曲振動を励起する（図５（ｃ））。

【００２５】本振動子１０の場合、回転中心１に垂直な
平面はほぼ正方形に形成され、振動子１０の一次の屈曲
共振振動とコリオリ力Ｆｃによる屈曲振動の共振周波数
が等しくなるように決定されている。従って、コリオリ
力Ｆｃによる屈曲振動も励振屈曲振動と同様に共振振動
となり、振動子１０の両端で同じ方向、中央部で逆方向
をとり、しかも機械的な共振周波数ｆｏで変動すること
になる。

【００２６】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回転
角速度Ωを評価することになる。この屈曲共振振動の大
きさの評価には振動子１０の圧電横効果が利用される。
すなわち、コリオリ力Ｆｃの大きさは、圧電横効果に基
づく振動子１０の機械的な歪みにより発生する応力誘起
電荷を測定することにより決定される。

【００２７】コリオリ力Ｆｃにより発生する応力誘起電
荷の検出は振動子１０の電極面に対し垂直な方向に分極
処理されている検出領域のコリオリ信号検出用電極１４
を用いて行われる。検出領域における分極の方向は励振
駆動による振動方向と同一であり、従って、振動子１０
が励振駆動され上下方向（図面上、ｖの方向）に屈曲振
動しても圧電横効果による分極電荷は発生せず、この二
つのコリオリ信号検出用電極１４ａ、１４ｂから励振駆
動による励振信号の帰還信号が検出されることはない。

【００２８】一方、コリオリ力Ｆｃによる屈曲振動は励
振駆動による屈曲共振振動とは異なっり、これと垂直な
方向に起こるため、図５（ｃ）に示すように二つに分割
されたコリオリ信号検出用電極１４ａ、１４ｂの位置す
るそれぞれの側面側は交互に伸び縮みすることになる。
すなわち、振動子１０がコリオリ信号出力用電極１４ａ
側に屈曲するとその電極下の圧電体領域には圧縮応力
が、他方のコリオリ信号用基準電極１４ｂ側では伸長応
力が働き、圧縮応力側の出力用電極１４ａと基準電極１
１との間には正の分極電荷が発生し、それとは逆に、コ
リオリ信号用基準電極１４ｂと基準電極１１との間には
負の電圧が発生することになる。

【００２９】また、反対に振動子１０が前述したコリオ
リ信号用基準電極１４ｂ側に屈曲すると、その電極下の
圧電体領域には圧縮応力が、反対側のコリオリ信号出力
用電極１４ａ側では伸長応力が働き、圧縮応力側のコリ
オリ信号用基準電極１４ｂと基準電極１１との間には正
の分極電荷が発生し、それとは逆に、伸長応力側のコリ
オリ信号出力用電極１４ａと基準電極１１との間には負
の分極電荷が発生することになる。従って、二つのコリ
オリ信号検出用電極１４ａと１４ｂとの間ではそれぞれ
大きさが同じで符号が逆の電荷がコリオリ電圧として発
生することになる。

【００３０】このコリオリ電圧は、振動子１０の共振振
動に応じて発生するものであり、圧電体自身の濾過作用
によって共振周波数ｆｏの正弦波波形となり、その結
果、左右のコリオリ信号検出用電極１４ａ、１４ｂから
の出力は位相が互いに反転した正弦波として検出される
ことになる。そこで、２つのコリオリ信号検出用電極１
４ａ、１４ｂからの信号の差をとることで、励振駆動に
伴う同位相のノイズ信号を相殺することができると共
に、逆位相であるコリオリ信号のみを得ることができ
る。なお、励振駆動に用いる交流電圧の周波数がコリオ
リ力の発生する方向の圧電体の基本モードの共振周波数
とも一致しているため、一旦コリオリ力による屈曲が発
生するとこの振動も共振状態となり、コリオリ力検出の
精度を高めることができる。

【００３１】以上述べてきた振動子の実施の態様では駆
動領域と検出領域をほぼ同じ大きさに形成しているが、
本発明はこれに限らない。特に振動子１０の駆動を確実
にするために振動子中央部を駆動領域側に含めることも
効果的である。

【００３２】図６に本発明に係る圧電振動角速度計用振
動子の分極処理プロセスの一例を示す。直方体状の圧電
体３の上下面に、図６（ａ）に示すような縞模様状に配
列された銀電極４を形成する。この上下面に形成された
銀電極４に直流高電圧をかけ、およそ２Kv／mm程度の強
力な電界を圧電体３内に生じさせて上下方向に分極処理
する。その分極処理後、反応性イオンエッチングにより
銀電極４を取り除く。次に図６（ｂ）に示すように、前
記直方体状の圧電体３の左右側面に前記上下面に形成さ
れた銀電極４とはそれぞれ行を違えた位置に再び縞状に
銀電極５を形成する。そして、再び直流高電圧かけて圧
電体３の上下面に平行な方向に分極処理する。その後、
この銀電極５も反応性イオンエッチングにより取り除
く。

【００３３】分極処理後、圧電体３を図６（ｃ）に示す
ようにダイシングソーにて異なった一対の分極方向を有
するブロック６ごとに切断する。それをさらに必要な振
動子の厚さを有する圧電体板７にスライスする（図６
（ｄ））。そして、その後スライス面に等幅等間隔にパ
ターンニングされた短冊状の電極を形成する。ダイシン
グソーにて短冊状の電極パターンに沿って前記圧電体板
を切断することにより、２つの異なった分極方向を有す
る圧電体振動子１０を作製することができる（図６
（ｅ））。このようなプロセスによれば、直方体状の圧
電体３から数多くの小型振動子を再現性よく量産するこ
とができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明は金属振動子に接着剤で圧電素子
を接着するのではなく、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
することが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、さらに接着剤の温度変化による検出精度
への悪影響を受けるおそれも極めて少ない。さらに振動
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量産
することができ安価な振動子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく圧電振動角速度計の振動子の構
成例である。

【図２】前記構成例に係る振動子の電極配置を示す図で
ある。

【図３】前記構成例に係る振動子の分極方向を示す図で
ある。

【図４】前記構成例に係る振動子の励振原理を説明する
ための図である。

【図５】前記構成例に係る振動子の動作を説明するため
の図である。（ａ）は振動子の側面から励振に伴う変形
を示す図であり、（ｂ）は振動子の上部電極面側からコ
リオリ力による振動示すための図である。

【図６】本発明に係る圧電体振動子の作製方法を示す図
である。

【図７】従来の圧電振動角速度計の概念図である。

【図８】従来の圧電振動角速度計の概念図である。

【符号の説明】

１ 回転中心 ２ 振動の節点 ３ 圧電体 ４、５ 銀電極 １０ 振動子 １１ 基準電極 １２ 励振駆動用電極 １３ 帰還用電極 １４ コリオリ信号検出用電極 Ω 回転角速度

Claims (6)

【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
   方向中心線を回転中心として回転角速度を検出する圧電
   振動角速度計用振動子であって、 前記振動子が、前記回転中心に垂直な平面により区分さ
   れる２領域において、それぞれ異なった方向に分極方向
   を有することを特徴とする圧電振動角速度計用振動子。
2. 【請求項２】 前記２領域の前記分極方向が、互いに直
   交する方向であり、かつ共に前記回転中心に直交する方
   向であることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角
   速度計用振動子。
3. 【請求項３】 前記振動子が断面が矩形の四角柱状をな
   し、前記２領域の分極方向が、互いに直交する方向であ
   り、かつ一方の領域では前記回転中心の方向に沿って平
   行に伸びる側面の幅方向に分極方向を有し、他方の領域
   ではそれぞれ前記側面と直交する他の側面の幅方向に分
   極方向を有することを特徴とする請求項１又は請求項２
   に記載の圧電振動角速度計用振動子。
4. 【請求項４】 異なる方向に分極方向を有する前記２領
   域のうち、一方の領域が前記振動子を励振する駆動領域
   であり、他方の領域が回転により発生するコリオリの力
   を検出する検出領域であることを特徴とする請求項１か
   ら請求項３のいずれかに記載の圧電振動角速度計用振動
   子。
5. 【請求項５】 前記駆動領域に形成され前記振動子の励
   振を行うための自励振用電極及び励振信号の帰還を行う
   ための帰還用電極並びに前記検出領域に形成されるコリ
   オリ力の検出を行うための検出用電極群が、前記振動子
   の前記回転中心の方向に沿って平行に伸びた２側面上に
   のみ形成されることを特徴とする請求項１から請求項５
   のいずれかに記載の圧電振動角速度計用振動子。
6. 【請求項６】 前記自励振用電極が前記振動子の同一側
   面上に２分割して形成され、この分割された電極間に駆
   動源を接続して前記振動子を励振することを特徴とする
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電振動角速
   度計用振動子。