JPH1123286A - 圧電振動ジャイロ - Google Patents
圧電振動ジャイロInfo
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- JPH1123286A JPH1123286A JP9193181A JP19318197A JPH1123286A JP H1123286 A JPH1123286 A JP H1123286A JP 9193181 A JP9193181 A JP 9193181A JP 19318197 A JP19318197 A JP 19318197A JP H1123286 A JPH1123286 A JP H1123286A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 圧電素子の接着、振動体の支持、リード線等
を必要としない圧電基板上の直交する厚みすべり振動を
用いて圧電振動ジャイロを実現する。 【解決手段】 三方晶系の回転Ｙ板のＸ軸及びＺ’軸に
対して主表面がほぼ平行になるように切り出された平板
状圧電単結晶振動子において、前記Ｚ’軸方向変位及び
前記Ｘ軸方向変位の二つの直交する厚みすべり振動を利
用することを特徴とする回転角速度検出用圧電振動ジャ
イロ。
を必要としない圧電基板上の直交する厚みすべり振動を
用いて圧電振動ジャイロを実現する。 【解決手段】 三方晶系の回転Ｙ板のＸ軸及びＺ’軸に
対して主表面がほぼ平行になるように切り出された平板
状圧電単結晶振動子において、前記Ｚ’軸方向変位及び
前記Ｘ軸方向変位の二つの直交する厚みすべり振動を利
用することを特徴とする回転角速度検出用圧電振動ジャ
イロ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電形振動ジャイロ
スコープ（以下、圧電振動ジャイロと称す）に関し、特
にＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3等の三方晶系の圧電結晶板
に、垂直電界及び平行電界を印加し二つの直交する厚み
すべり振動を励起し、それを用いて構成した圧電ジャイ
ロに関する。
スコープ（以下、圧電振動ジャイロと称す）に関し、特
にＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3等の三方晶系の圧電結晶板
に、垂直電界及び平行電界を印加し二つの直交する厚み
すべり振動を励起し、それを用いて構成した圧電ジャイ
ロに関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電振動ジャイロは角速度センサとし
て、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等様々な分野に利用され、性能
の向上、価格の低下、小型化等によりその用途はますま
す広がっている。圧電振動ジャイロは、直交する２つの
振動モードのうち一方の振動モードを駆動し、回転角速
度が作用した時にコリオリ力によって他方の振動モード
が励振されることを利用した角度センサである。このよ
うな圧電振動ジャイロを構成するとき、振動子は２つの
直交する振動モードを電気的に独立に駆動、検出するこ
とができ、且つそれらの共振周波数が互いに近接してい
ることがのぞましい。
て、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等様々な分野に利用され、性能
の向上、価格の低下、小型化等によりその用途はますま
す広がっている。圧電振動ジャイロは、直交する２つの
振動モードのうち一方の振動モードを駆動し、回転角速
度が作用した時にコリオリ力によって他方の振動モード
が励振されることを利用した角度センサである。このよ
うな圧電振動ジャイロを構成するとき、振動子は２つの
直交する振動モードを電気的に独立に駆動、検出するこ
とができ、且つそれらの共振周波数が互いに近接してい
ることがのぞましい。
【０００３】図１０（ａ）は従来の圧電振動ジャイロ２
０の一例を示す斜視図であり、座標軸（ｘ、ｙ、ｚ）を
同図に示すように選ぶ。細角柱２１は恒弾性材料（合
金）より加工された振動体であり、ｘ軸、ｙ軸方向の寸
法はほぼ等しくし、ｚ軸方向の寸法はｘ軸、ｙ軸方向の
寸法に比べ充分に長く設定する。細角柱２１のｘ面及び
ｙ面のほぼ中央に圧電セラミック等で形成した圧電素子
２２、２３を接着剤等で接着固定する。図１０（ｂ）は
ｚ軸方向から見た圧電振動ジャイロ２０の平面図で、同
（ｃ）はｘ軸方向の屈曲振動ｆｘモードとｙ軸方向の屈
曲振動ｆｙモードの模式的振動姿態を示している。細角
柱２１の振動の節点で支持すると共に接地し、圧電素子
２２に交流電圧を印加すると、Ｘ軸方向に変位速度ｄｘ
／ｄｔで共振する屈曲振動ｆｘモードが励起される。こ
の状態の下で圧電ジャイロ２０を支持する支持体が、ｚ
軸の周りに角速度Ω0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ｆｙモードが
励起され変位速度ｄｙ／ｄｔで振動する。ここで、ｙ軸
方向の変位速度ｄｙ／ｄｔは角速度Ω0に比例するか
ら、変位速度ｄｙ／ｄｔを測定することにより角速度Ω
0を求めることができる。また、該角速度Ω0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。
０の一例を示す斜視図であり、座標軸（ｘ、ｙ、ｚ）を
同図に示すように選ぶ。細角柱２１は恒弾性材料（合
金）より加工された振動体であり、ｘ軸、ｙ軸方向の寸
法はほぼ等しくし、ｚ軸方向の寸法はｘ軸、ｙ軸方向の
寸法に比べ充分に長く設定する。細角柱２１のｘ面及び
ｙ面のほぼ中央に圧電セラミック等で形成した圧電素子
２２、２３を接着剤等で接着固定する。図１０（ｂ）は
ｚ軸方向から見た圧電振動ジャイロ２０の平面図で、同
（ｃ）はｘ軸方向の屈曲振動ｆｘモードとｙ軸方向の屈
曲振動ｆｙモードの模式的振動姿態を示している。細角
柱２１の振動の節点で支持すると共に接地し、圧電素子
２２に交流電圧を印加すると、Ｘ軸方向に変位速度ｄｘ
／ｄｔで共振する屈曲振動ｆｘモードが励起される。こ
の状態の下で圧電ジャイロ２０を支持する支持体が、ｚ
軸の周りに角速度Ω0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ｆｙモードが
励起され変位速度ｄｙ／ｄｔで振動する。ここで、ｙ軸
方向の変位速度ｄｙ／ｄｔは角速度Ω0に比例するか
ら、変位速度ｄｙ／ｄｔを測定することにより角速度Ω
0を求めることができる。また、該角速度Ω0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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
圧電振動ジャイロにおいては屈曲振動子が用いられてい
るが、屈曲振動子は圧電素子の接着、支持、リード線の
取り出しといったアセンブリの状態によって圧電振動ジ
ャイロ特性のばらつきや劣化が生じやすく、感度向上の
ためのトリミングが不可欠であるといった問題があっ
た。また、素子は測定すべき回転角速度の軸方向に所定
の長さを必要とするため低背化を図る場合に限界がある
という問題もあった。また最近、厚み方向に分極された
圧電セラミック板の片面にのみ３個乃至は４個の電極を
配置し、二つの直交する厚みすべり振動をいずれも面に
平行な（互いに直交した）電界で駆動、検出する平行電
界励振方式のエネルギー閉じ込め型振動ジャイロが報告
されている。この振動ジャイロでは駆動側と検出側が互
いに直交する電界で励振、検出する方式になっているた
め、電極の静電容量を大きくするのが難しく、電極間の
洩れ容量のため効率の良い駆動、検出がしにくいという
問題がある。また、セラミックを用いるので共振のＱが
あまり高くならないと問題もある。本発明は上記問題を
解決するためになされたものであって、圧電素子の接着
の必要もなく、支持が容易で製造が簡単な薄形の圧電振
動ジャイロを提供すると共に、共振のＱが高く、電極の
配置に無理がなく、電極容量も大きくでき且つ、高効率
で駆動、検出できる垂直電界励振と平行電界励振を用い
た圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
圧電振動ジャイロにおいては屈曲振動子が用いられてい
るが、屈曲振動子は圧電素子の接着、支持、リード線の
取り出しといったアセンブリの状態によって圧電振動ジ
ャイロ特性のばらつきや劣化が生じやすく、感度向上の
ためのトリミングが不可欠であるといった問題があっ
た。また、素子は測定すべき回転角速度の軸方向に所定
の長さを必要とするため低背化を図る場合に限界がある
という問題もあった。また最近、厚み方向に分極された
圧電セラミック板の片面にのみ３個乃至は４個の電極を
配置し、二つの直交する厚みすべり振動をいずれも面に
平行な（互いに直交した）電界で駆動、検出する平行電
界励振方式のエネルギー閉じ込め型振動ジャイロが報告
されている。この振動ジャイロでは駆動側と検出側が互
いに直交する電界で励振、検出する方式になっているた
め、電極の静電容量を大きくするのが難しく、電極間の
洩れ容量のため効率の良い駆動、検出がしにくいという
問題がある。また、セラミックを用いるので共振のＱが
あまり高くならないと問題もある。本発明は上記問題を
解決するためになされたものであって、圧電素子の接着
の必要もなく、支持が容易で製造が簡単な薄形の圧電振
動ジャイロを提供すると共に、共振のＱが高く、電極の
配置に無理がなく、電極容量も大きくでき且つ、高効率
で駆動、検出できる垂直電界励振と平行電界励振を用い
た圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る圧電単結晶の厚みすべり振動を用いた圧
電振動ジャイロの請求項１記載の発明は、結晶座標系
（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のＺ軸方向に自発分極を有する三方晶系
の圧電単結晶から、前記座標系をそのＸ軸の周りに０度
乃至１８０度の範囲で回転させた座標系（Ｘ、Ｙ’、
Ｚ’）のＸ軸及びＺ’軸に対して主表面がほぼ平行にな
るように切り出された平板状圧電単結晶振動子におい
て、前記Ｚ’軸方向変位及び前記Ｘ軸方向変位の二つの
直交する厚みすべり振動を利用することを特徴とする回
転角速度検出用圧電振動ジャイロである。請求項２記載
の発明は、前記平板上圧電振動子の両主面に電極を付
け、その一方の電極を前記Ｚ’軸に平行に２つまたは３
つに分割した振動子であって、両面の電極間に印加する
電圧によりＺ’方向変位の厚みすべり振動を駆動、検出
し、前記分割電極間に印加する電圧によりＸ軸方向の電
界を生じさせてＸ軸方向変位の厚みすべり振動を駆動、
検出することを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャ
イロである。請求項３記載の発明は、前記圧電単結晶振
動子の切断方位の微調整ならびに両主面上の電極の厚
さ、形状の調整により、前記Ｚ’軸変位及びＸ軸変位の
厚みすべり振動の共振周波数をそれぞれ調整し互いに接
近させたことを特徴とする請求項１乃至２記載の圧電振
動ジャイロである。請求項４記載の発明は、前記の互い
に直交する変位の２つの厚みすべり振動のエネルギーを
電極の付加質量効果と圧電反作用効果を利用して電極付
近に閉じ込めたことを特徴とする請求項１乃至３記載の
圧電振動ジャイロである。請求項５記載の発明は、前記
圧電単結晶振動子において、結晶がニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3）であり、前記Ｘ軸の周りの回転角θが
１５０度乃至１７５度であることを特徴とする請求項１
乃至請求項４記載の圧電振動ジャイロである。請求項６
記載の発明は、前記圧電単結晶振動子において、結晶が
タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）であり、前記Ｘ軸
の周りの回転角θが１５０度乃至１７５度であることを
特徴とする請求項１乃至請求項４記載の圧電振動ジャイ
ロである。
に本発明に係る圧電単結晶の厚みすべり振動を用いた圧
電振動ジャイロの請求項１記載の発明は、結晶座標系
（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のＺ軸方向に自発分極を有する三方晶系
の圧電単結晶から、前記座標系をそのＸ軸の周りに０度
乃至１８０度の範囲で回転させた座標系（Ｘ、Ｙ’、
Ｚ’）のＸ軸及びＺ’軸に対して主表面がほぼ平行にな
るように切り出された平板状圧電単結晶振動子におい
て、前記Ｚ’軸方向変位及び前記Ｘ軸方向変位の二つの
直交する厚みすべり振動を利用することを特徴とする回
転角速度検出用圧電振動ジャイロである。請求項２記載
の発明は、前記平板上圧電振動子の両主面に電極を付
け、その一方の電極を前記Ｚ’軸に平行に２つまたは３
つに分割した振動子であって、両面の電極間に印加する
電圧によりＺ’方向変位の厚みすべり振動を駆動、検出
し、前記分割電極間に印加する電圧によりＸ軸方向の電
界を生じさせてＸ軸方向変位の厚みすべり振動を駆動、
検出することを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャ
イロである。請求項３記載の発明は、前記圧電単結晶振
動子の切断方位の微調整ならびに両主面上の電極の厚
さ、形状の調整により、前記Ｚ’軸変位及びＸ軸変位の
厚みすべり振動の共振周波数をそれぞれ調整し互いに接
近させたことを特徴とする請求項１乃至２記載の圧電振
動ジャイロである。請求項４記載の発明は、前記の互い
に直交する変位の２つの厚みすべり振動のエネルギーを
電極の付加質量効果と圧電反作用効果を利用して電極付
近に閉じ込めたことを特徴とする請求項１乃至３記載の
圧電振動ジャイロである。請求項５記載の発明は、前記
圧電単結晶振動子において、結晶がニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3）であり、前記Ｘ軸の周りの回転角θが
１５０度乃至１７５度であることを特徴とする請求項１
乃至請求項４記載の圧電振動ジャイロである。請求項６
記載の発明は、前記圧電単結晶振動子において、結晶が
タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）であり、前記Ｘ軸
の周りの回転角θが１５０度乃至１７５度であることを
特徴とする請求項１乃至請求項４記載の圧電振動ジャイ
ロである。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示した実施の
形態に基づいて詳細に説明する。本発明は２つの振動モ
ードとして圧電基板の互いに直交する厚みすべり振動を
用いた圧電振動ジャイロに関する。図１（ａ）は本発明
に係る圧電単結晶の厚みすべり振動を用いた圧電ジャイ
ロの一実施例の構成を示す斜視図であって、圧電基板
１、例えばＬｉＮｂＯ3の回転Ｙ板上面のほぼ中央に、
同図に示す座標軸のＸ軸方向に沿って電極２、３、４を
近接配置すると共に基板１の下面に電極２、３、４に対
向して電極５を付着する。電極２、３、４から圧電基板
１の端部に向かってそれぞれリード電極を延在し、その
端部電極パッドをＰｉｃｋ−ｕｐ１、ＧＮＤ、Ｐｉｃｋ
−ｕｐ２とする。さらに、電極５から圧電基板１の端部
に向かってリード電極を延ばし、その端部電極パッドを
Ｄｒｉｖｅとする。
形態に基づいて詳細に説明する。本発明は２つの振動モ
ードとして圧電基板の互いに直交する厚みすべり振動を
用いた圧電振動ジャイロに関する。図１（ａ）は本発明
に係る圧電単結晶の厚みすべり振動を用いた圧電ジャイ
ロの一実施例の構成を示す斜視図であって、圧電基板
１、例えばＬｉＮｂＯ3の回転Ｙ板上面のほぼ中央に、
同図に示す座標軸のＸ軸方向に沿って電極２、３、４を
近接配置すると共に基板１の下面に電極２、３、４に対
向して電極５を付着する。電極２、３、４から圧電基板
１の端部に向かってそれぞれリード電極を延在し、その
端部電極パッドをＰｉｃｋ−ｕｐ１、ＧＮＤ、Ｐｉｃｋ
−ｕｐ２とする。さらに、電極５から圧電基板１の端部
に向かってリード電極を延ばし、その端部電極パッドを
Ｄｒｉｖｅとする。
【０００７】ここで、本発明にかかる圧電振動ジャイロ
の動作の理解を助けるため垂直電界励振と平行電界励振
によって励振される振動モードについて少しく説明す
る。図２（ａ）は圧電基板１、例えばＬｉＮｂＯ3の回
転Ｙ板の主面上下に互いに対向する一対の電極９、１０
を配置した場合の斜視図であり、座標軸を同図のように
選ぶと電界の向き１１は圧電基板１の主面に垂直で、所
謂垂直電界励振となる。この垂直電界励振により、厚み
縦振動、Ｘ軸方向に変位を有する厚みすべり振動及び
Ｚ’軸方向に変位を有する厚みすべり振動１２が励振さ
れる。ＬｉＮｂＯ3の回転Ｙ板については回転角（DEGRE
ES θ）に対する垂直電界励振の実効的電気機械結合係
数（COUPLING FACTOR ｋeff）の依存性についてはWarne
rらが計算しており、図３（ａ）に示すような特性を呈
することが知られている。実線は厚み縦振動（EXTENSIO
NAL）、点線はＺ’軸方向に変位を有する厚みすべり振
動１２（SHEAR）をそれぞれ示している。１６３度回転Y
板は垂直電界励振によるＺ’軸方向に変位を有する厚み
すべり振動１２の実効的電気機械結合係数が０．６２と
大きく、また、厚み縦振動とＸ軸方向変位の厚みすべり
振動の実効的電気機械結合係数が０となるため、Ｚ’軸
方向に変位を有する厚みすべり振動１２のみが強勢に励
振できる。
の動作の理解を助けるため垂直電界励振と平行電界励振
によって励振される振動モードについて少しく説明す
る。図２（ａ）は圧電基板１、例えばＬｉＮｂＯ3の回
転Ｙ板の主面上下に互いに対向する一対の電極９、１０
を配置した場合の斜視図であり、座標軸を同図のように
選ぶと電界の向き１１は圧電基板１の主面に垂直で、所
謂垂直電界励振となる。この垂直電界励振により、厚み
縦振動、Ｘ軸方向に変位を有する厚みすべり振動及び
Ｚ’軸方向に変位を有する厚みすべり振動１２が励振さ
れる。ＬｉＮｂＯ3の回転Ｙ板については回転角（DEGRE
ES θ）に対する垂直電界励振の実効的電気機械結合係
数（COUPLING FACTOR ｋeff）の依存性についてはWarne
rらが計算しており、図３（ａ）に示すような特性を呈
することが知られている。実線は厚み縦振動（EXTENSIO
NAL）、点線はＺ’軸方向に変位を有する厚みすべり振
動１２（SHEAR）をそれぞれ示している。１６３度回転Y
板は垂直電界励振によるＺ’軸方向に変位を有する厚み
すべり振動１２の実効的電気機械結合係数が０．６２と
大きく、また、厚み縦振動とＸ軸方向変位の厚みすべり
振動の実効的電気機械結合係数が０となるため、Ｚ’軸
方向に変位を有する厚みすべり振動１２のみが強勢に励
振できる。
【０００８】次に、図２（ｂ）に示すように、圧電基板
１、例えばＬｉＮｂＯ3の回転Ｙ板の主面上に一対の対
向する電極１３、１４を配置した場合の斜視図である。
座標軸を同図に示したように選ぶと、電界の向き１５は
Ｘ軸に平行で、所謂平行電界励振となる。平行電界励振
の場合の回転角（DEGREES θ）に対する平行電界励振の
実効的電気機械結合係数（COUPLING FACTORｋeff）を計
算してみると、厚み縦振動およびＺ’軸方向に変位を有
する厚みすべり振動の電気機械結合係数はすべての切断
角度で０となり、Ｘ軸方向変位の厚みすべり振動１６
（SHEAR）のみが強勢に励振できることが分かる。図３
（ｂ）はＸ軸方向に変位を有する厚みすべり振動１６の
実効的電気機械結合係数ｋeffの回転角依存性を示した
ものである。ＬｉＮｂＯ3の１６３度回転Y板では、Ｘ軸
方向に変位を有する厚みすべり振動１６の実効的電気機
械結合係数は０．５６と大きいことが分かる。
１、例えばＬｉＮｂＯ3の回転Ｙ板の主面上に一対の対
向する電極１３、１４を配置した場合の斜視図である。
座標軸を同図に示したように選ぶと、電界の向き１５は
Ｘ軸に平行で、所謂平行電界励振となる。平行電界励振
の場合の回転角（DEGREES θ）に対する平行電界励振の
実効的電気機械結合係数（COUPLING FACTORｋeff）を計
算してみると、厚み縦振動およびＺ’軸方向に変位を有
する厚みすべり振動の電気機械結合係数はすべての切断
角度で０となり、Ｘ軸方向変位の厚みすべり振動１６
（SHEAR）のみが強勢に励振できることが分かる。図３
（ｂ）はＸ軸方向に変位を有する厚みすべり振動１６の
実効的電気機械結合係数ｋeffの回転角依存性を示した
ものである。ＬｉＮｂＯ3の１６３度回転Y板では、Ｘ軸
方向に変位を有する厚みすべり振動１６の実効的電気機
械結合係数は０．５６と大きいことが分かる。
【０００９】一方、垂直電界励振（PERPENDICULAR）に
おける共振（Resonance）および反共振周波数（Anti-re
sonance ）と平行電界励振（LATERAL）における共振周
波数（Resonance）の回転角依存性は、図４に示すよう
になる。実際の垂直電界励振エネルギー閉じ込め振動の
共振周波数は図４の共振周波数（実線）と反共振周波数
(一点鎖線)の間に存在するものと考えられる。１６３度
回転Y板では平行電界励振の共振周波数（点線）はその
中間に位置しており、二つの直交するエネルギー閉じ込
め厚みすべり振動の共振周波数はほぼ一致させることが
できる。
おける共振（Resonance）および反共振周波数（Anti-re
sonance ）と平行電界励振（LATERAL）における共振周
波数（Resonance）の回転角依存性は、図４に示すよう
になる。実際の垂直電界励振エネルギー閉じ込め振動の
共振周波数は図４の共振周波数（実線）と反共振周波数
(一点鎖線)の間に存在するものと考えられる。１６３度
回転Y板では平行電界励振の共振周波数（点線）はその
中間に位置しており、二つの直交するエネルギー閉じ込
め厚みすべり振動の共振周波数はほぼ一致させることが
できる。
【００１０】以上のことを考慮すると、エネルギー閉じ
込め形圧電振動ジャイロには、例えばＬｉＮｂＯ3の１
６３度回転Y板が適していると云えよう。以上の考察を
ふまえて図１（ａ）の動作態様について詳細に説明す
る。図５（ａ）は図１（ａ）の詳細な平面図を示したも
のであり、電極２、３、４のＸ軸方向の幅をそれぞれａ
２、ａ１、ａ２とし、Ｚ’軸方向の奥行きをｗとする。
また、電極２、３、４のそれぞれの間隙をｇとする。図
５（ａ）に示すように電極２のＰｉｃｋ−ｕｐ１と電極
４のＰｉｃｋ−ｕｐ２の間に電極３のＧＮＤを設けてい
る。図５（ｂ）は図１（ａ）下面の詳細平面図であり、
電極５の幅（Ｘ軸方向）をｂとし、奥行き（Ｚ’軸方
向）ｗとし、端子Ｄｒｉｖｅを設けている。エネルギー
閉じ込め形圧電振動ジャイロの駆動はＤｒｉｖｅ−ＧＮ
Ｄ間に電圧を印加して行い、検出はＰｉｃｋ−ｕｐ１と
Ｐｉｃｋ−ｕｐ２との間で出力を取り出す構成になって
いる。
込め形圧電振動ジャイロには、例えばＬｉＮｂＯ3の１
６３度回転Y板が適していると云えよう。以上の考察を
ふまえて図１（ａ）の動作態様について詳細に説明す
る。図５（ａ）は図１（ａ）の詳細な平面図を示したも
のであり、電極２、３、４のＸ軸方向の幅をそれぞれａ
２、ａ１、ａ２とし、Ｚ’軸方向の奥行きをｗとする。
また、電極２、３、４のそれぞれの間隙をｇとする。図
５（ａ）に示すように電極２のＰｉｃｋ−ｕｐ１と電極
４のＰｉｃｋ−ｕｐ２の間に電極３のＧＮＤを設けてい
る。図５（ｂ）は図１（ａ）下面の詳細平面図であり、
電極５の幅（Ｘ軸方向）をｂとし、奥行き（Ｚ’軸方
向）ｗとし、端子Ｄｒｉｖｅを設けている。エネルギー
閉じ込め形圧電振動ジャイロの駆動はＤｒｉｖｅ−ＧＮ
Ｄ間に電圧を印加して行い、検出はＰｉｃｋ−ｕｐ１と
Ｐｉｃｋ−ｕｐ２との間で出力を取り出す構成になって
いる。
【００１１】直交する２つの共振周波数、即ち垂直電界
による共振周波数と平行電界による共振周波数とを近接
させるため種々の実験を行った。試作した圧電振動ジャ
イロは圧電基板として厚さ２ｍｍのＬｉＮｂＯ3１６３
度回転Y板を用い、電極には、クロム−金（Ｃｒ−Ａ
ｕ）の蒸着膜を用いた。圧電振動ジャイロの電極形状を
変化させたときの二つの直交する厚みすべり振動の共振
周波数をアドミタンスの測定より求めた。垂直電界励振
のアドミタンスはＰｉｃｋ−ｕｐ１およびＰｉｃｋ−ｕ
ｐ２をＧＮＤと短絡し、Ｄｒｉｖｅ−ＧＮＤ間で測定し
た。また、平行電界励振のアドミタンス特性は、Ｄｒｉ
ｖｅ−ＧＮＤ間を短絡し、 Ｐｉｃｋ−ｕｐ１とＰｉｃ
ｋ−ｕｐ２との間で測定した。圧電基板上面中央のＧＮ
Ｄ電極の幅ａ１、下面のＤｒｉｖｅ電極の幅ｂ、上面の
電極の奥行きｗを変化させた時の共振周波数を、それぞ
れ図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図６（ａ）から
ＧＮＤ電極の幅ａ１が小さいほど、また同（ｂ）からＤ
ｒｉｖｅ電極の幅ｂが大きいほど二つの共振周波数、即
ち垂直電界励振の共振周波数と平行電界励振の共振周波
数が接近することが分かる。図６（ｃ）は、二つの共振
周波数の差が奥行きｗでほとんど変化しないことを示し
ている。これらの結果から垂直電界励振と平行電界励振
の共振周波数を互いに近接させ得ることが分かる。
による共振周波数と平行電界による共振周波数とを近接
させるため種々の実験を行った。試作した圧電振動ジャ
イロは圧電基板として厚さ２ｍｍのＬｉＮｂＯ3１６３
度回転Y板を用い、電極には、クロム−金（Ｃｒ−Ａ
ｕ）の蒸着膜を用いた。圧電振動ジャイロの電極形状を
変化させたときの二つの直交する厚みすべり振動の共振
周波数をアドミタンスの測定より求めた。垂直電界励振
のアドミタンスはＰｉｃｋ−ｕｐ１およびＰｉｃｋ−ｕ
ｐ２をＧＮＤと短絡し、Ｄｒｉｖｅ−ＧＮＤ間で測定し
た。また、平行電界励振のアドミタンス特性は、Ｄｒｉ
ｖｅ−ＧＮＤ間を短絡し、 Ｐｉｃｋ−ｕｐ１とＰｉｃ
ｋ−ｕｐ２との間で測定した。圧電基板上面中央のＧＮ
Ｄ電極の幅ａ１、下面のＤｒｉｖｅ電極の幅ｂ、上面の
電極の奥行きｗを変化させた時の共振周波数を、それぞ
れ図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図６（ａ）から
ＧＮＤ電極の幅ａ１が小さいほど、また同（ｂ）からＤ
ｒｉｖｅ電極の幅ｂが大きいほど二つの共振周波数、即
ち垂直電界励振の共振周波数と平行電界励振の共振周波
数が接近することが分かる。図６（ｃ）は、二つの共振
周波数の差が奥行きｗでほとんど変化しないことを示し
ている。これらの結果から垂直電界励振と平行電界励振
の共振周波数を互いに近接させ得ることが分かる。
【００１２】以上の結果を基にして、ａ＝１２ｍｍ、ａ
１＝３ｍｍ、ａ２＝４．３ｍｍ、ｂ＝１２ｍｍ、ｗ＝１
０ｍｍの圧電振動ジャイロを試作した。図７は、この圧
電振動ジャイロ振動子の垂直電界励振時（Perpendicula
r）の共振周波数と平行電界励振時（Lateral）の周波数
（Frequency）−アドミタンス（Admittance (S)）特性
を示したものである。図７（ａ）は圧電振動ジャイロ振
動子の周辺部に吸音材を付けない時、同（ｂ）は吸音材
を付けた時の特性である。吸音材を付けた場合、厚みす
べり振動の主共振のＱはあまり変化していないがスプリ
アスレスポンスは小さくなっている。従って、主共振の
振動エネルギーは中央の電極付近に閉じ込められている
と考えられる。また、垂直電界励振と平行電界励振の共
振周波数はほぼ一致していることが分かる。なお、図７
（ｂ）において、垂直電界励振の特性には厚みすべり振
動の主振動の他に高周波側にも比較的大きな共振が現れ
ている。これは1次の非調和高次モードと思われる。こ
のモードは、比較的周波数が離れているので圧電振動ジ
ャイロ特性にあまり影響を与えない。
１＝３ｍｍ、ａ２＝４．３ｍｍ、ｂ＝１２ｍｍ、ｗ＝１
０ｍｍの圧電振動ジャイロを試作した。図７は、この圧
電振動ジャイロ振動子の垂直電界励振時（Perpendicula
r）の共振周波数と平行電界励振時（Lateral）の周波数
（Frequency）−アドミタンス（Admittance (S)）特性
を示したものである。図７（ａ）は圧電振動ジャイロ振
動子の周辺部に吸音材を付けない時、同（ｂ）は吸音材
を付けた時の特性である。吸音材を付けた場合、厚みす
べり振動の主共振のＱはあまり変化していないがスプリ
アスレスポンスは小さくなっている。従って、主共振の
振動エネルギーは中央の電極付近に閉じ込められている
と考えられる。また、垂直電界励振と平行電界励振の共
振周波数はほぼ一致していることが分かる。なお、図７
（ｂ）において、垂直電界励振の特性には厚みすべり振
動の主振動の他に高周波側にも比較的大きな共振が現れ
ている。これは1次の非調和高次モードと思われる。こ
のモードは、比較的周波数が離れているので圧電振動ジ
ャイロ特性にあまり影響を与えない。
【００１３】図８は、本発明に係る圧電振動ジャイロを
用いた回路ブロック図の一例である。この測定回路は、
駆動するための発振回路（Oscillation Circuit）と検
出のための電流−電圧変換回路（Current detection Ci
rcuit）、差動検出回路（Differential Amplifier）、
ＡＣ−ＤＣコンバータ（AC-DC Convertor）から構成さ
れている。ＡＣ−ＤＣコンバータの出力には、圧電振動
ジャイロが回転された時の角速度に比例した直流電圧が
現れる。この測定回路を圧電振動ジャイロ振動子と共に
接地したアルミケース内に入れ、電磁モータで回転させ
た。図９に振動ジャイロの角速度（Angular Velocity）
に対する出力電圧（Output Voltage）の特性を示す。測
定値にばらつきはあるものの角速度に対して出力電圧が
ほぼ比例した圧電振動ジャイロ装置が得られた。
用いた回路ブロック図の一例である。この測定回路は、
駆動するための発振回路（Oscillation Circuit）と検
出のための電流−電圧変換回路（Current detection Ci
rcuit）、差動検出回路（Differential Amplifier）、
ＡＣ−ＤＣコンバータ（AC-DC Convertor）から構成さ
れている。ＡＣ−ＤＣコンバータの出力には、圧電振動
ジャイロが回転された時の角速度に比例した直流電圧が
現れる。この測定回路を圧電振動ジャイロ振動子と共に
接地したアルミケース内に入れ、電磁モータで回転させ
た。図９に振動ジャイロの角速度（Angular Velocity）
に対する出力電圧（Output Voltage）の特性を示す。測
定値にばらつきはあるものの角速度に対して出力電圧が
ほぼ比例した圧電振動ジャイロ装置が得られた。
【００１４】また、図１（ｂ）は本発明に係る他の実施
例であり、圧電基板１の主面ほぼ中央に、Ｘ軸方向に沿
って電極６、７を配置すると共に基板１の下面に電極
６、７に対向して電極８を付着する。電極６、７から圧
電基板１の端部に向かってそれぞれリード電極を延在
し、その端部電極パッドをＰｉｃｋ−ｕｐ１、 Ｐｉｃ
ｋ−ｕｐ２とする。さらに、電極８から圧電基板１の端
部に向かってリード電極を延ばし、その端部電極パッド
をＤｒｉｖｅとする。図１（ｂ）の構成では、駆動はＤ
ｒｉｖｅとＰｉｃｋ−ｕｐ１及びＰｉｃｋ−ｕｐ２との
間に電圧を印加して行い（正確にはＤｒｉｖｅとアース
電位点の間に電圧を印加する）、検出はＰｉｃｋ−ｕｐ
１とＰｉｃｋ−ｕｐ２との間で差動的に出力を取り出す
構成になっている。この変形例の構成においても圧電振
動ジャイロとしての機能が確認された。
例であり、圧電基板１の主面ほぼ中央に、Ｘ軸方向に沿
って電極６、７を配置すると共に基板１の下面に電極
６、７に対向して電極８を付着する。電極６、７から圧
電基板１の端部に向かってそれぞれリード電極を延在
し、その端部電極パッドをＰｉｃｋ−ｕｐ１、 Ｐｉｃ
ｋ−ｕｐ２とする。さらに、電極８から圧電基板１の端
部に向かってリード電極を延ばし、その端部電極パッド
をＤｒｉｖｅとする。図１（ｂ）の構成では、駆動はＤ
ｒｉｖｅとＰｉｃｋ−ｕｐ１及びＰｉｃｋ−ｕｐ２との
間に電圧を印加して行い（正確にはＤｒｉｖｅとアース
電位点の間に電圧を印加する）、検出はＰｉｃｋ−ｕｐ
１とＰｉｃｋ−ｕｐ２との間で差動的に出力を取り出す
構成になっている。この変形例の構成においても圧電振
動ジャイロとしての機能が確認された。
【００１５】以上の説明では圧電基板にＬｉＮｂＯ3を
用いて説明したが、これに限ることなく、ＬｉＴａ
Ｏ3、セラミック、水晶等の圧電材料に適用できること
は云うまでもない。また、上記説明ではＸ軸の周りの回
転（回転Ｙ板）、即ち１軸回転について説明したが、回
転は１軸回転に限ることなく２軸回転等で二つの直交す
るすべり振動が利用できるものであればよい。また、電
極材料にクロム−金（Ｃｒ−Ａｕ）の例をあげたが、他
の金属でよいことは説明するまでもない。
用いて説明したが、これに限ることなく、ＬｉＴａ
Ｏ3、セラミック、水晶等の圧電材料に適用できること
は云うまでもない。また、上記説明ではＸ軸の周りの回
転（回転Ｙ板）、即ち１軸回転について説明したが、回
転は１軸回転に限ることなく２軸回転等で二つの直交す
るすべり振動が利用できるものであればよい。また、電
極材料にクロム−金（Ｃｒ−Ａｕ）の例をあげたが、他
の金属でよいことは説明するまでもない。
【００１６】
【発明の効果】本発明は、以上説明したようにＬｉＮｂ
Ｏ3回転Y板を圧電基板に用いてエネルギー閉じ込め型振
動ジャイロを構成したので、従来の屈曲振動を用いた振
動ジャイロと比べて、支持が容易、トリミングが不要、
薄形、製造が簡単などの優れた効果を発揮する。更に、
基板に圧電単結晶を用いているので共振のＱが高いと共
に駆動、検出の一方に垂直電界励振を他方に平行電界励
振を用いているので、電極の配置に無理がなく、電極容
量を大きくでき、且つ高効率に駆動、検出できるという
優れた効果を発揮する。
Ｏ3回転Y板を圧電基板に用いてエネルギー閉じ込め型振
動ジャイロを構成したので、従来の屈曲振動を用いた振
動ジャイロと比べて、支持が容易、トリミングが不要、
薄形、製造が簡単などの優れた効果を発揮する。更に、
基板に圧電単結晶を用いているので共振のＱが高いと共
に駆動、検出の一方に垂直電界励振を他方に平行電界励
振を用いているので、電極の配置に無理がなく、電極容
量を大きくでき、且つ高効率に駆動、検出できるという
優れた効果を発揮する。
【図１】（ａ）は本発明に係る圧電単結晶の厚みすべり
振動を用いた圧電振動ジャイロの実施の一形態例を示す
斜視図、（ｂ）は他の実施例である。
振動を用いた圧電振動ジャイロの実施の一形態例を示す
斜視図、（ｂ）は他の実施例である。
【図２】本発明を説明する図で、（ａ）は垂直電界励振
の電界方向と振動方向、（ｂ）は平行電界励振の電界方
向と振動方向である。
の電界方向と振動方向、（ｂ）は平行電界励振の電界方
向と振動方向である。
【図３】ＬｉＮｂＯ3回転Ｙ板の、（ａ）は垂直電界励
振時の回転角と電気機械結合係数の関係を示す図、
（ｂ）は平行電界励振時の回転角と電気機械結合係数の
関係を示す図である。
振時の回転角と電気機械結合係数の関係を示す図、
（ｂ）は平行電界励振時の回転角と電気機械結合係数の
関係を示す図である。
【図４】本発明に係る振動ジャイロを垂直電界で励振し
た時の共振、反共振周波数と平行電界で励振した場合の
共振周波数を示す図である。
た時の共振、反共振周波数と平行電界で励振した場合の
共振周波数を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は本発明係る圧電振動ジャイロ
の電極寸法を示す図である。
の電極寸法を示す図である。
【図６】本発明係る圧電振動ジャイロの電極寸法を変化
させた場合の垂直電界および平行電界励振の共振周波数
の変動を示す図で、（ａ）は電極３の幅、（ｂ）は下面
の電極の幅、（ｃ）は奥行きをを変化させた場合の周波
数変動である。
させた場合の垂直電界および平行電界励振の共振周波数
の変動を示す図で、（ａ）は電極３の幅、（ｂ）は下面
の電極の幅、（ｃ）は奥行きをを変化させた場合の周波
数変動である。
【図７】本発明係る圧電振動ジャイロ振動子の垂直電
界、平行電界励振の時のアドミッタンス特性で、周辺部
に（ａ）吸音材を付けない場合、（ｂ）付けた場合であ
る。
界、平行電界励振の時のアドミッタンス特性で、周辺部
に（ａ）吸音材を付けない場合、（ｂ）付けた場合であ
る。
【図８】本発明に係る圧電振動ジャイロを用いた回路ブ
ロック図の一例である。
ロック図の一例である。
【図９】本発明に係る圧電振動ジャイロの角速度と出力
電圧の関係図である。
電圧の関係図である。
【図１０】従来の圧電ジャイロの一例で（ａ）は斜視
図、（ｂ）ｚ軸方向からみた平面図、（ｃ）は振動モー
ドを示す。
図、（ｂ）ｚ軸方向からみた平面図、（ｃ）は振動モー
ドを示す。
１・・・圧電基板 ２、３、４、５、６、７、８・・・電極 ９、１０、１３、１４・・・電極 １１、１５・・・電界方向 １２、１６・・・振動方向 pick-up1、pick-up2・・・出力端子 a、a1、a2、b・・・電極幅寸法 W・・・電極奥行き寸法 g・・・電極間隙
Claims (6)
- 【請求項１】 結晶座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のＺ軸方向に
自発分極を有する三方晶系の圧電単結晶から、前記座標
系をそのＸ軸の周りに０度乃至１８０度の範囲で回転さ
せた座標系（Ｘ、Ｙ’、Ｚ’）のＸ軸及びＺ’軸に対し
て主表面がほぼ平行になるように切り出された平板状圧
電単結晶振動子において、前記Ｚ’軸方向変位及び前記
Ｘ軸方向変位の二つの直交する厚みすべり振動を利用す
ることを特徴とする回転角速度検出用圧電振動ジャイ
ロ。 - 【請求項２】 前記平板上圧電振動子の両主面に電極を
付け、その一方の電極を前記Ｚ’軸に平行に２つまたは
３つに分割した振動子であって、両面の電極間に印加す
る電圧によりＺ’方向変位の厚みすべり振動を駆動、検
出し、前記分割電極間に印加する電圧によりＸ軸方向の
電界を生じさせてＸ軸方向変位の厚みすべり振動を駆
動、検出することを特徴とする請求項１記載の圧電振動
ジャイロ。 - 【請求項３】 前記圧電単結晶振動子の切断方位の微調
整ならびに両主面上の電極の厚さ、形状の調整により、
前記Ｚ’軸変位及びＸ軸変位の厚みすべり振動の共振周
波数をそれぞれ調整し互いに接近させたことを特徴とす
る請求項１乃至２記載の圧電振動ジャイロ。 - 【請求項４】 前記の互いに直交する変位の２つの厚み
すべり振動のエネルギーを電極の付加質量効果と圧電反
作用効果を利用して電極付近に閉じ込めたことを特徴と
する請求項１乃至３記載の圧電振動ジャイロ。 - 【請求項５】 前記圧電単結晶振動子において、結晶が
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）であり、前記Ｘ軸の
周りの回転角θが１５０度乃至１７５度であることを特
徴とする請求項１乃至請求項４記載の圧電振動ジャイ
ロ。 - 【請求項６】 前記圧電単結晶振動子において、結晶が
タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）であり、前記Ｘ軸
の周りの回転角θが１５０度乃至１７５度であることを
特徴とする請求項１乃至請求項４記載の圧電振動ジャイ
ロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9193181A JPH1123286A (ja) | 1997-07-03 | 1997-07-03 | 圧電振動ジャイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9193181A JPH1123286A (ja) | 1997-07-03 | 1997-07-03 | 圧電振動ジャイロ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1123286A true JPH1123286A (ja) | 1999-01-29 |
Family
ID=16303660
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9193181A Pending JPH1123286A (ja) | 1997-07-03 | 1997-07-03 | 圧電振動ジャイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1123286A (ja) |
-
1997
- 1997-07-03 JP JP9193181A patent/JPH1123286A/ja active Pending
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