JPH06194176A - 振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 励振用の第１の電極５、６、７、８と、第１
の電極上に設ける圧電素子９、１０、１１、１２と、圧
電素子上に設ける第３の電極１３、１４、１５、１６
と、第１の電極と直角方向に設ける第２の電極１、２、
３、４とを有する。 【効果】 全体を一体構造としており、量産性が良好で
あるという効果がある。また、本発明による振動子を用
いれば、帰還回路に伝達率の低下や位相遅れの変動をも
たらす移相回路を持たない高安定な発振回路を構成でき
る。さらにまた、角速度の検出に専用の圧電素子を設け
たため、検出出力が大きくなり、測定精度が著しく高く
なるという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動子の構成に関し、と
くに振動子ジャイロスコープに用いられる振動子の構成
に関する。

【０００２】従来から機械式の回転式ジャイロスコープ
が、飛行機や船舶の慣性航法装置として使われている。
これは安定した性能をもっているが、装置も大きくな
り、価格も高く、小型機器へ組み込むことは困難であ
る。

【０００３】また、近年物体を振動させて、振動する物
体上の検出素子からコリオリの力を検出する振動型角速
度センサーの実用化が進んでいる。

【０００４】これらはジャイロスコープを構成する質量
を一定の振動数で振動させている。したがって、回転力
が加わると、コリオリの力は、質量の振動数と同じ振動
数で振動方向に直角な力として生じる。

【０００５】この力による振動を検出することによっ
て、角速度を測定するのが振動型角速度センサーの原理
である。

【０００６】上記の原理に基づいた角速度センサーの一
例として、特開平３−２２６６２１号公報で開示されて
いる複合振動子の例を図３の斜視図に示す。

【０００７】図３の斜視図に示すように、角速度センサ
ーは、回転力に基づく振動を検出する検出用圧電素子３
１、３２と、結合部材３３、３４と、駆動用圧電素子３
５、３６と、弾性結合部材３７と、支持ピン３８とを備
える。

【０００８】ここで一対の駆動用圧電素子３５、３６を
駆動するために、対向面を共通電極として、駆動用圧電
素子３５、３６の外側の面に設ける図示していない駆動
用電極との間に交流信号を印加すると、支持ピン３８で
支持する弾性結合部材３７を中心にして、複合振動子は
音叉振動を始める。

【０００９】検出用圧電素子３１、３２は、駆動用圧電
素子３５、３６と、結合部材３３、３４を介して結合し
ている。

【００１０】質量ｍの検出用圧電素子３１が速度ｖで振
動しているとき、角速度ωの回転が加わると、検出用圧
電素子３１に、速度ｖに垂直で大きさ２ｍｖωのコリオ
リの力が生じる。

【００１１】角速度センサーは、音叉振動をしているの
で、他方の検出用圧電素子３２は速度−ｖで振動してお
り、検出用圧電素子３２におけるコリオリの力は−２ｍ
ｖωである。

【００１２】すなわち、一対の検出用圧電素子３１、３
２には、逆向きのコリオリの力が働き、互いに逆方向に
変形し、表面には圧電効果によって電圧が発生する。

【００１３】従来、振動子としてはエリンバーなどの恒
弾性金属、またはＰＺＴ系の圧電セラミックスを用いて
いる。ここで恒弾性金属を用いた振動子の場合は、励振
用に金属の表面に電極を形成し、その励振用の電極上に
検出用および駆動用にそれぞれ薄い圧電素子を接着し、
さらにその上に電極を形成している。

【００１４】また、振動子を発振させる発振回路は、原
理的には増幅器と帰還回路とで構成される。

【００１５】一般に、増幅器の増幅率をα、増幅器の位
相遅れをθ１、帰還回路の伝達率をβ、位相遅れをθ２
とすると、発振回路の発振条件は ｜α｜・｜β｜＞１ （１） θ１＋θ２＝３６０° （２） である。

【００１６】従来は発振条件の第（２）式を満たすため
に、増幅回路で位相を１８０°遅らせ、さらに複数の抵
抗と容量との組み合わせの移相回路で位相を９０°遅ら
せ、最後に抵抗と圧電素子自身の容量で９０°位相を遅
らせて、１ループを３６０°としている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の複合振動子は検出用圧電素子３１、３２と駆動
用圧電素子３５、３６とを結合部材３３、３４で結合
し、さらに、二つの駆動用圧電素子３５、３６を弾性結
合部材３７で結合する必要がある。このため、高い組立
精度が要求され、量産するのは難しいといわざるをえな
い。

【００１８】またさらに、従来の発振回路は上述したよ
うに、移相回路、および抵抗と圧電素子自身の容量によ
る位相シフトが必要である。このため、温度の変化によ
る移相回路の常数変化によって、帰還回路の伝達率β、
位相遅れθ２が変化して発振が不安定になる。

【００１９】したがって、回転力が加わったとき、コリ
オリの力により振動子に発生する振動自体も不安定にな
り、検出精度を著しく悪くするという課題がある。

【００２０】これらの課題を解決するために、本発明の
目的は、簡単な構成の発振回路で高安定に発振し、量産
性に適した測定精度の高い振動子を提供することにあ
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の振動子においては、下記記載の構成を採用
する。

【００２２】本発明の振動子においては、励振用の第１
の電極と、第１の電極上に設ける圧電素子と、圧電素子
上に設ける第３の電極と、第１の電極と直角方向に設け
る第２の電極とを有することを特徴とする。

【００２３】本発明の振動子においては、励振用の複数
の第１の電極と、第１の電極上に設ける圧電素子と、圧
電素子上に設ける第２の電極とを有することを特徴とす
る。

【００２４】

【作用】本発明の振動子において、振動子を励振させる
ための第１の電極と、この第１の電極と直角方向に配置
する第２の電極とを有する水晶振動子の第１の電極上に
圧電素子を設け、この圧電素子上に第３の電極を形成す
る。

【００２５】そして第１の電極を反転増幅器の出力に接
続し、第２の電極を反転増幅器の入力に接続して、発振
回路を構成する。さらに、第３の電極を差動増幅器の入
力に接続して回転力に基づく振動を検出する。

【００２６】あるいは、振動子を励振させるための複数
の第１の電極を有する水晶振動子の第１の電極上に圧電
素子を設け、この圧電素子上に第２の電極を形成する。

【００２７】そして、複数の第１の電極の一つの電極を
反転増幅器の入力に接続し、複数の第１の電極の他の電
極を反転増幅器の出力に接続して、発振回路を構成す
る。さらに、第２の電極を差動増幅器の入力に接続し
て、回転力に基づく振動を検出する。

【００２８】周波数３２ＫＨｚ近傍で発振する水晶振動
子による帰還回路は、増幅率｜β｜が０．２〜０．９程
度になり、位相遅れθ２はほぼ１８０°になる。また、
これより高い周波数帯でも、周波数を選択すれば同じよ
うな条件が得られる。

【００２９】一方、反転増幅器の増幅率は、一般に２０
〜３０ｄｂ以上あり、３０ＫＨｚ程度の周波数では、一
般の反転増幅器の位相反転はほとんど１８０゜に近いか
ら、前述の第（１）式および第（２）式の発振条件を満
たす。

【００３０】したがって、本発明の振動子は、発振回路
に移相回路を必要としないため、温度変化により発振が
不安定になることがない。

【００３１】また、回転力による振動を検出するため
に、振動子の励振とは独立した圧電素子を設けており、
このため出力電圧を大きくとることができる。

【００３２】回転力が加わって、コリオリの力により振
動子に発生する振動も安定化され、検波出力にドリフト
が発生することを防止することが可能となり、出力電圧
も大きくとれるため、回転角速度の検出精度が著しく向
上する。

【００３３】

【実施例】以下、本発明による一実施例を図面を用いて
説明する。図１は本発明における第１の実施例における
振動子を示す斜視図であり、図２は本発明の第１の実施
例における振動子に設ける電極を示す断面図である。さ
らに、図４は本発明の実施例における振動子を用いた角
速度検出回路を示す回路図である。以下、図１と図２と
図４とを交互に用いて、本発明の第１の実施例における
振動子の構成を説明する。

【００３４】図１と図２とに示すように、水晶振動子
は、Ｘ軸（電気軸）に関して、ＸＹ面を角度０〜１０゜
回転してＹ軸（機械軸）をＹ´軸としたＸＹ´面で水晶
を切断し、Ｙ´軸方向の伸縮を振動の中立面２４の両側
に起こさせる電極配置をした、いわゆるＸカット水晶振
動子である。ここに、Ｙ´軸に直行するＺ軸（光軸）を
Ｚ´軸とする。

【００３５】図１に示すように、水晶振動子は枝部２
１、２２と基部２３とからなる。そして枝部２１、２２
に電極を、図２に示すように形成する。図１に示す水晶
振動子は、一つの水晶基板から写真製版技術とエッチン
グ技術、あるいはワイヤーソー加工技術によって、一体
に形成されている。

【００３６】図２に示すように、音叉のＹ´Ｚ´面に平
行な一方の枝部２２の面に電極１を設け、この電極１の
対向面に電極２を設ける。さらに、音叉のＹ´Ｚ´面に
平行な他方の枝部２１の面に電極３を設け、この電極３
の対向面に電極４を設ける。そして電極１と電極２、電
極３と電極４は、それぞれ水晶振動子内で接続し、各々
外部に端子２０、１９を設ける。

【００３７】またさらに、ＸＹ´面に平行な一方の枝部
２２の面に電極５を設け、電極５の対向面に電極６を設
ける。さらにＸＹ´面に平行な他方の枝部２１の面に電
極７を設け、電極７の対向面に電極８を設ける。この電
極５、６、７、８が振動子を励振するための電極とな
る。そして電極５と電極６とを外部の端子１９にいたる
振動子内部の配線に接続する。さらに電極７と電極８と
を外部の端子２０にいたる振動子内部の配線に接続す
る。

【００３８】枝部２２の電極５を設けた面または電極５
の上と、電極６を設けた面または電極６の上とにそれぞ
れ薄板状の圧電素子９、１０を接着して設ける。また、
枝部２１の電極７を設けた面または電極７の上と、電極
８を設けた面または電極８の上とにそれぞれ薄板状の圧
電素子１１、１２を接着して設ける。

【００３９】さらに、これらの圧電素子９、１０、１
１、１２の上に、それぞれ電極１３、１４、１５、１６
を設ける。そして、電極１３と電極１６、電極１４と電
極１５を、それぞれ振動子内部で接続して、各々外部に
端子１７、１８を設ける。これらの電極１〜８、１３〜
１６は、クロムと金（Ａｕ）などの金属膜を真空蒸着法
により形成している。

【００４０】これらの端子１９、２０を、図４に示す角
速度検出回路の発振回路５０に接続する。すなわち図４
に示すように、水晶振動子４０の端子１９を、発振回路
５０のＣＭＯＳトランジスタ（相補型電界効果トランジ
スタ）で構成された反転増幅器であるインバータ５２の
出力に接続し、水晶振動子４０の端子２０をインバータ
５２の入力に接続する。

【００４１】発振回路５０はインバータ５２の他に、帰
還抵抗５１、入力容量５３、出力容量５２を有し、これ
らは水晶振動子４０と共に帰還回路を形成する。ここに
反転増幅器としてＣＭＯＳトランジスタからなるインバ
ータの例をしめしたが、入力抵抗が高い増幅器なら何で
もよい。

【００４２】本発明においては前記の発振条件の第
（１）式、第（２）式を充分満たしているため、電圧を
印加すると、図２の実線で示す矢印の方向に電界が印加
され、発振回路５０は発振して直ちに定常状態になり、
図１に示すＸ軸方向に、ある共振周波数で自励振動す
る。

【００４３】この水晶振動子に角速度ωの回転力がＹ´
軸まわりに加わると、それに対応してコリオリの力Ｆｃ
が両方の音叉の枝部２１、２２に、互いに平行でかつ反
対方向に発生する。

【００４４】ここで、振動している枝部の振動の速度ｖ
を ｖ＝ａ・ｓｉｎω。ｔ （３） ａ：振動音叉の振幅 ω。：振動の周期 ｔ：時間 とすれば、一つの音叉に働くコリオリの力Ｆｃは下記の
ようになる。 Ｆｃ＝２ｍω・ａ・ｓｉｎω。ｔ （４） ｍ：音叉の振動部の質量

【００４５】コリオリの力Ｆｃにより、ある瞬間に、図
１に示す枝部２２がＺ´方向に変位し、枝部２１が−Ｚ
´方向に変位すると、圧電素子９、１２は圧縮力を受
け、圧電素子１０、１１は伸張力を受ける。その結果、
圧電素子９、１２の上に設ける電極１３、１６には圧電
効果によって、ほぼ同じ大きさの電位が発生し、これに
対して圧電素子１０、１１の上に設ける電極１４、１５
には異符号の同じ大きさの電位が発生する。

【００４６】これらの電位を、端子１７、１８を介して
図４に示す角速度検出回路の差動増幅回路６０の入力に
印加する。差動増幅回路６０の出力は、角速度ωによる
発生電界に依存するもののみとなる。さらに、差動増幅
回路６０の出力は検波回路７０の入力に印加され、発振
回路５０の出力電圧の位相を移相回路９０によって差動
増幅回路６０の出力電圧の位相と同じにして、検波す
る。

【００４７】検波回路７０の出力は、平滑回路を含む出
力増幅回路８０の入力に接続され、出力増幅回路８０の
出力は回転角速度に比例した直流電圧となる。この値の
大きさから回転角速度を知ることができ、角速度検出装
置（ジャイロスコープ）を実現することができる。

【００４８】つぎに、本発明の振動子における他の実施
例を説明する。図５は本発明による第２の実施例の振動
子を示す斜視図であり、図６は本発明の第２の実施例に
おける電極を示す断面図である。以下、図５と図６を用
いて、本発明の第２の実施例における振動子の構成を説
明する。

【００４９】図５と図６とに示す振動子は、Ｘ軸（電気
軸）に関して、ＸＹ面を２〜１０°の角度で回転し、Ｙ
Ｚ面を角度５０〜６０°回転して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に
対応するそれぞれの軸をＸ′軸、Ｙ′軸、Ｚ′軸とし
て、Ｚ′Ｙ′面で水晶を切断して、Ｚ′方向の伸縮を振
動の中立面６１に起こさせる電極配置をした水晶振動子
である。

【００５０】図５に示すように、水晶振動子は枝部２
１、２２と基部２３からなる。この枝部２１、２２に電
極を図６のように形成する。図６において、音叉のＺ′
Ｙ′面に平行な一方の枝部２２の面に電極３１、３２を
設け、この電極３１、３２の対向面に電極３３、３４を
設ける。さらにＺ′Ｙ′面に平行な他方の枝部２１の面
に電極３５、３６を設け、電極３５、３６の対向面に電
極３７、３８を設ける。そして電極３１と電極３４と電
極３６と電極３７とを、またさらに、電極３２と電極３
３と電極３５と電極３８とを振動子内で接続して、各々
外部に端子１９、２０を設ける。この電極３１〜３８が
振動子を励振するための電極となる。

【００５１】水晶振動子の枝部２２の電極３１、３２を
設けた面あるいは電極３１、３２の上と、電極３３、３
４を設けた面あるいは電極３３、３４の上とに、それぞ
れ薄板状の圧電素子３９、４０、４１、４２を接着して
設ける。また、枝部２１の電極３５、３６を設けた面ま
たは電極３５、３６の上と、電極３７、３８を設けた面
または電極３７、３８上とに、各々薄板状の圧電素子４
３、４４、４５、４６を接着して設ける。

【００５２】圧電素子３９、４０、４１、４２、４３、
４４、４５、４６の上に、それぞれ電極４７、４８、４
９、５０、５１、５２、５３、５４を設け、電極４７と
電極４８と電極５３と電極５４とを、また電極４９と電
極５０と電極５１と電極５２とをそれぞれ振動子内部で
接続し、それぞれ外部に端子１８、１７を設ける。これ
らの電極３１〜３８、４７〜５４は、クロムと金（Ａ
ｕ）などの金属膜を真空蒸着法により形成している。

【００５３】角速度検出回路は第１の実施例と同じ図４
の回路を用いる。上記の端子１９、２０を図４に示す発
振回路５０に接続する。本実施例においても前記の発振
条件の第（１）式、第（２）式を充分満たしている。こ
のため、電圧を印加すると、図６の実線で示す矢印の方
向に電界が印加され、発振回路５０は発振して直ちに定
常状態になり、図５に示すＺ′方向に、ある共振周波数
で自励振動する。

【００５４】この水晶振動子に角速度ωの回転力がＹ′
軸まわりに加わると、第１の実施例と同じように、コリ
オリの力Ｆｃが両方の音叉の枝部２１、２２に互いに平
行でかつ反対方向に発生する。

【００５５】コリオリの力Ｆｃによって、ある瞬間に
は、図５に示す枝部２２がＸ′方向に変位し、枝部２１
が−Ｘ′方向に変位する。このときに、圧電素子３９、
４０、４５、４６は圧縮力を受け、これに対して圧電素
子４１、４２、４３、４４は伸張力を受ける。その結
果、圧電素子３９、４０、４５、４６の上に形成した電
極４７、４８、５３、５４にはほぼ同じ大きさの電位が
発生して、これに対して圧電素子４１、４２、４３、４
４の上に設ける電極４９、５０、５１、５２には異符号
の同じ大きさの電位が発生する。

【００５６】これを端子１７、１８を介して、図４の角
速度検出回路の差動増幅回路６０の入力に印加する。差
動増幅回路６０の出力は、角速度ωによる発生電界に依
存するもののみとなる。以下は第１の実施例と同じよう
にして、回転角速度を知ることができる。

【００５７】以上説明した実施例では反転増幅器として
ＣＭＯＳトランジスタで構成されたインバータの例を示
したが、他の回路をすべてＣＭＯＳトランジスタで構成
することも可能である。

【００５８】さらに、以上説明した実施例では、３２Ｋ
Ｈｚ近傍の発振周波数の水晶振動子の例を示したが、こ
れより高い周波数帯の振動子でも、周波数を選択すれ
ば、同じ構成の発振回路でも発振が可能である。

【００５９】またさらに、振動子の基板の材料が水晶の
例を示したが、タンタル酸リチウム単結晶や、ニオブ酸
リチウム単結晶や、ホウ酸リチウム単結晶など圧電性を
示す材料でもよい。振動子としては、音叉型振動子を例
にして説明したが、屈曲振動を行う音片振動子でも本発
明は適用することができる。

【００６０】本実施例に使用する圧電素子は、圧電セラ
ミックス（チタン酸バリウム、ジルコチタン酸鉛、多成
分系固容体セラミックス）や、チタン酸バリウム単結晶
やロッシェル塩など圧電性を示す物質なら何でもよい。
さらに薄板状の圧電素子を振動子に接着して設ける例で
説明したが、圧電素子は真空蒸着法やスパッタリング法
や気相成長法によって形成してもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よる振動子は、全体を一体構造としており、量産性が良
好であるという効果がある。また、本発明による振動子
を用いれば、帰還回路に伝達率の低下や位相遅れの変動
をもたらす移相回路を持たない高安定な発振回路を構成
できる。さらにまた、角速度の検出に専用の圧電素子を
設けたため、検出出力が大きくなり、測定精度が著しく
高くなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における振動子を示す斜
視図である。

【図２】本発明の第１の実施例における振動子の電極を
示す断面図である。

【図３】従来例における振動子を示す斜視図である。

【図４】本発明の振動子に適用する角速度検出回路を示
す回路図である。

【図５】本発明の第２の実施例における振動子を示す斜
視図である。

【図６】本発明の第２の実施例における振動子の電極を
示す断面図である。

【符号の説明】

４０ 水晶振動子 ５０ 発振回路 ６０ 差動増幅回路 ７０ 検波回路 ８０ 出力増幅回路 ９０ 移相回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励振用の第１の電極と、第１の電極上に
   設ける圧電素子と、圧電素子上に設ける第３の電極と、
   第１の電極と直角方向に設ける第２の電極とを有するこ
   とを特徴とする振動子。
2. 【請求項２】 励振用の複数の第１の電極と、第１の電
   極上に設ける圧電素子と、圧電素子上に設ける第２の電
   極とを有することを特徴とする振動子。