(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動させている物体（以後、この励振する振動の方向をＸ方向と記す）に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向（以後、この振動の方向をＹ方向と記す）にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交する前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、前記振動子は、前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向に平行な最低１つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該Ｘ方向又は該Ｙ方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型における双方の共振部に対してそれぞれ３本ずつの帯状電極として形成されていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項２】
振動させている物体（以後、この励振する振動の方向をＸ方向と記す）に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向（以後、この振動の方向をＹ方向と記す）にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交する前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、前記振動子は、前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向に平行な最低１つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該Ｘ方向又は該Ｙ方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型におけるベース部に該振動子を回路基板と電気的に接続及び固定するために設けられた接続用ランド部に接続されるように設けられていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項３】
請求項１記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記３本ずつの帯状電極における真ん中の１本は、第１の駆動端子、並びに第２の駆動端子として振動子駆動回路に接続されると共に、該第１の駆動端子と該第２の駆動端子とには逆位相の駆動電圧が印加されることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項４】
請求項１記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記３本ずつの帯状電極に含まれる２本の検出端子は、それぞれ電流検出回路を構成するオペアンプの反転端子に接続されると共に、電位がオペアンプの仮想接地機能により駆動検出回路の基準電位に固定されており、更に、前記基準電位と駆動端子との間に電圧を印加することで振動子を駆動し、前記２本の検出端子に接続された電流検出回路の出力を用いて前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向の振動を検出できるように構成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項５】
請求項１記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記３本ずつの帯状電極に含まれる検出端子のうち、前記振動子における外側にある検出端子同士及び内側にある検出端子同士は、該振動子のベース部又は接続する回路基板上で接続して用いられることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項６】
請求項２記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記接続用ランド部は、回路基板に設けられて直接的に電気的な接続及び固定を行うものであることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項７】
請求項６記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記回路基板には、前記振動子における振動部分を確保するための切り欠きが該回路基板に対して接触しないように設けられていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶や自動車等の移動体自身及びこれに搭載される機器の姿勢制御や自動車のナビゲーションシステムなどに用いられるジャイロスコープの内、特に圧電振動子の超音波振動を用いた、いわゆる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与えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープである。互いに直交する二つの方向の励振と検出が可能であるように構成した振動系において、一方の振動を励振した状態で、振動子自身を二つの振動面が交わる線を中心軸として回転させると、前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。この振動の大きさは、入力側の振動の大きさ及び回転角速度に比例するため、入力電圧を一定にした状態では、この振動の大きさに比例した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。
【０００３】
係る従来の圧電振動ジャイロに用いられている圧電振動子の構造の概略を図８に示す。
【０００４】
図８に示すように、この圧電振動子は、エリンバー等の恒弾性金属で構成される音叉型の圧電振動子１００のＸ方向の面１０２，Ｙ方向の面１０４に、それぞれ圧電素子１０６，１０８が設けられ、これら圧電素子１０６，１０８と駆動・検出部（図示せず）との電気的な接続にはリード線１１０，１１２を用いている。この圧電振動子においては、Ｘ方向の面１０２に設けられている圧電素子１０６にリード線１１０を介して電圧を印加し、Ｘ方向の振動を励振した状態で回転角速度が加わると、コリオリ力によってＹ方向の振動が励起され、このＹ方向の振動を、Ｙ方向の面１０４に設けられた圧電素子１０８によって電圧の変化に変換し、リード線１１２を介してこの検出電圧から回転角速度を検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の圧電振動ジャイロに用いられている圧電振動子１００においては、Ｘ方向の面１０２及びＹ方向の面１０４それぞれに圧電素子１０６，１０８を設けているため、圧電振動子１００に圧電素子１０６，１０８を接着する等の加工が難しく、圧電振動子１００を小型化することが困難であった。また、接着位置のずれ等の影響により精度が低下し、更に、接着層の影響によって精度の低下を招くこともあった。一方、電気的な接続にリード線１１０，１１２を用いているので、組立が容易ではなく、安価な圧電振動ジャイロを製造する妨げになっている。
【０００６】
本発明の目的は、以上に示した従来の圧電振動ジャイロの欠点を除去し、圧電素子の接着による影響を受けない簡易な構成で量産性が良く、小型で高精度な圧電振動ジャイロを得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、圧電素子単体からなる音叉型振動子の一つの面のみに電極が配置されている簡易な構成で圧電振動子におけるベース部に接続用ランドを設けることによって電気的な接続及び固定を同時に行い得る圧電振動ジャイロを提供する。
【０００８】
即ち、本発明によれば、振動させている物体（以後、この励振する振動の方向をＸ方向と記す）に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向（以後、この振動の方向をＹ方向と記す）にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交するＸ方向及びＹ方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、振動子は、Ｘ方向又はＹ方向に平行な最低１つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該Ｘ方向又は該Ｙ方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型における双方の共振部に対してそれぞれ３本ずつの帯状電極として形成されている圧電振動ジャイロが得られる。
【０００９】
一方、本発明によれば、振動させている物体（以後、この励振する振動の方向をＸ方向と記す）に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向（以後、この振動の方向をＹ方向と記す）にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交するＸ方向及びＹ方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、振動子は、Ｘ方向又はＹ方向に平行な最低１つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該Ｘ方向又は該Ｙ方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型におけるベース部に該振動子を回路基板と電気的に接続及び固定するために設けられた接続用ランド部に接続されるように設けられている圧電振動ジャイロが得られる。
【００１０】
前者の圧電振動ジャイロにおいて、３本ずつの帯状電極における真ん中の１本は、第１の駆動端子、並びに第２の駆動端子として振動子駆動回路に接続されると共に、該第１の駆動端子と該第２の駆動端子とには逆位相の駆動電圧が印加されること、或いは３本ずつの帯状電極に含まれる２本の検出端子は、それぞれ電流検出回路を構成するオペアンプの反転端子に接続されると共に、電位がオペアンプの仮想接地機能により駆動検出回路の基準電位に固定されており、更に、基準電位と駆動端子との間に電圧を印加することで振動子を駆動し、２本の検出端子に接続された電流検出回路の出力を用いてＸ方向及びＹ方向の振動を検出できるように構成されたこと、或いは３本ずつの帯状電極に含まれる検出端子のうち、振動子における外側にある検出端子同士及び内側にある検出端子同士は、該振動子のベース部又は接続する回路基板上で接続して用いられることは、何れも好ましい。
【００１１】
後者の圧電振動ジャイロにおいて、接続用ランド部は、回路基板に設けられて直接的に電気的な接続及び固定を行うものであること、更に、回路基板には、振動子における振動部分を確保するための切り欠きが該回路基板に対して接触しないように設けられていることはそれぞれ好ましい。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロについて図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子を示す斜視図であり、図２は図１に示した圧電振動子の電極配置及び分極方向を示す断面図である。図２内の矢印は、圧電振動子の分極方向を示している。
【００１４】
図１に示すように、この圧電振動子は、ＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる音叉型の圧電振動子１のＸ方向の片面３にスクリーン印刷等により帯状電極５，７，９，１１，１３，１５が形成されており、また、この圧電振動子の分極方向は、図２の矢印に示す方向に分極処理が施されている。本実施例では帯状電極５，１５、帯状電極９，１１は、圧電振動子におけるベース部又は接続される回路基板部で接続して用いる場合について示すが、それぞれ独立して用いる構成としても良い。即ち、ここでの圧電振動子は、Ｘ方向又はＹ方向に平行な最低１つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、Ｘ方向又はＹ方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ電極が音叉型における双方の共振部に対してそれぞれ３本ずつの帯状電極５，７，９と帯状電極１１，１３，１５として形成されている。
【００１５】
帯状電極５，７，９，１１，１３，１５の端部は、圧電振動子１のベース部に圧電振動子を回路基板と電気的に接続及び固定するために設けられた設けられた接続用ランド部１７に接続されるように延在している。圧電振動子１は、図５に示すような切り欠き部１９と圧電振動子取り付けランド２１をもつ回路基板２３に半田付け等により電気的に接続され固定される。即ち、ここでの振動子取り付け用ランド２１は、回路基板２３に設けられて圧電振動子１を支持具やリード線等を用いず、接続用ランド部１７との間で直接的に半田等により電気的な接続及び固定を行うためのものである。このため、回路基板２３には、圧電振動子１における振動部分を確保するための切り欠きが回路基板２３に対して接触しないように設けられている。
【００１６】
図６に、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために圧電振動子に対して適用される駆動検出回路を示す。
【００１７】
圧電振動子１に設けられた帯状電極５，１５は、そのベース部又は回路基板上で接続され、第１の電流検出回路３１に接続されており、同様に帯状電極９と１１は第２の電流検出回路３２に接続されている。第１の電流検出回路３１及び第２の電流検出回路３２の出力は差動回路３３に接続され、差動回路３３の出力はこれに接続された同期検波回路３４及び整流回路３５に送出されている。
【００１８】
以下、本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロの動作について図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
帯状電極５，７間と帯状電極７，９間、帯状電極１１，１３間、及び帯状電極１３，１５間とはそれぞれ独立して電気−機械変換素子として動作する。帯状電極５，７間と帯状電極７，９間に同相の電圧を印加すれば、圧電振動子１は、Ｘ方向に振動する。
【００２０】
Ｘ方向の振動（図３における矢印方向の振動）に対しては、帯状電極５，７間及び帯状電極７，９間と、帯状電極１１，１３間及び帯状電極１３，１５間とには、図３に示すように同相の電界が発生する。即ち、帯状電極５，７間及び帯状電極７，９間には−（マイナス）の電界が発生し、帯状電極１１，１３間及び帯状電極１３，１５間には＋（プラス）の電界が発生する。
【００２１】
一方、Ｙ方向の振動（図４における矢印方向の振動）に対しては、帯状電極５，７間及び帯状電極７，９間と、帯状電極１１，１３間及び帯状電極１３，１５間とには、図４に示すように逆相の電界が発生する。即ち、帯状電極５，７間，帯状電極７，９間にはそれぞれプラスとマイナスとの電界が発生し、帯状電極１１，１３間，帯状電極１３，１５間にはそれぞれマイナスとプラスとの電界が発生する。
【００２２】
帯状電極５，９，１１，１５は、上述した第１の電流検出回路３１及び第２の電流検出回路３２の入力端子に接続されている。これらの第１の電流検出回路３１及び第２の電流検出回路３２における各々入力端子は、それぞれ図７に示すようにオペアンプ４１の反転端子に接続されており、オペアンプ４１は抵抗器４２で負帰還がかかっており、非反転端子が第１の駆動回路３６及び第２の駆動回路３７の基準電位に接続されることで、上述した第１電流検出回路３１及び第２の電流検出回路３２を構成している。第１の電流検出回路３１及び第２の電流検出回路３２のそれぞれの入力端子、即ち、オペアンプ４１の反転端子の電位は、オペアンプ４１の仮想接地機能により非反転端子と同電位となり、基準電位に固定されている。
【００２３】
帯状電極７は第１の駆動回路３６に接続され、帯状電極１３は第２の駆動回路３７に接続されている。帯状電極７及び帯状電極１３には、それぞれ略逆位相で圧電振動子１の共振周波数に略等しい周波数の交流電圧が印加され、図３に矢印で示すようなＸ方向の振動が励起される。
【００２４】
このようなＸ方向の振動に対して、図３に示すように、帯状電極５，１５からは逆相の電流が出力されるが、帯状電極５，１５は接続されているため、この逆相の電流は相殺されて第１の電流検出回路３１からは出力されない。同様に帯状電極９，１１からも逆相の電流が出力され、帯状電極９，１１は接続されているため、この逆相の電流は相殺されて、第２の電流検出回路３２からは出力されない。
【００２５】
図３に矢印で示す方向に振動させている状態でＺ軸方向を軸として回転角速度が加わると、コリオリ力により図４に矢印で示すようなＹ方向の振動が励起される。Ｙ方向の振動に対して、図４中に示すように帯状電極５，１５からは同位相の電流が出力され、第１の電流検出回路３１には帯状電極５，１５の出力電流を足しあわせた（約２倍の）出力が得られる。同様に帯状電極９，１１には同位相の電流が出力されるから、第２の電流検出回路３２には帯状電極９，１１の出力を足しあわせた出力が得られる。ここで、図４図中に示すように、電極５，１５と電極９，１１は互いに逆相の出力となるから、第１の電流検出回路３１と第２の電流検出回路３２とはそれぞれ逆相の出力となる。
【００２６】
第１の電流検出回路３１及び第２の電流検出回路３２の出力は差動回路３３に入力され、同期検波回路３４及び整流回路３５によって同期整流され、コリオリ力に比例した直流電圧、即ち、回転角速度に比例した出力電圧を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の圧電振動ジャイロを構成した場合、圧電振動子は「振動体」という機械的な機能と、振動の駆動・検出を行う「電気−機械変換素子」としての機能を単一素子において実現できることにより、接着層を持たずに圧電振動子の構成が簡易となる。また、電極が片面のみに設けられる構成上、電極の形成や分極処理が容易となり、小型で安価な圧電振動ジャイロを得ることができる。しかも、本発明の圧電振動ジャイロの場合、圧電振動子と回路基板との電気的な接続は、リード線等を用いることなく、回路基板と圧電振動子の接続用ランド部とを直接半田付けすることによって行うことができ、同時に半田によって回路基板と圧電振動子とが固定されることにより、組立が非常に容易で、小型で安価な圧電振動ジャイロを作製することができる。また、接着層を持たないので、圧電素子の接着誤差や、接着層の影響を受けず、更にリード線もないから従来よりも高精度で信頼性の高い圧電振動ジャイロを得ることができる。更に、駆動検出回路では、外乱等により二つの共振部に同相に発生する振動に対して回路部内で相殺できることにより、外乱の影響の少なく、即ち、高精度な圧電振動ジャイロを得ることができる。結果として、従来の圧電振動ジャイロの欠点を解消し、圧電素子の接着による影響を受けない簡易な構成で量産性が良く、小型で高精度な圧電振動ジャイロを作製することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例に係る圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子を示す斜視図である。
【図２】  図１に示した圧電振動子の電極配置及び分極方向を示す断面図である。
【図３】  図１に示した圧電振動子の励振方向（Ｘ方向）の振動方向及びその振動による電極の出力を示す断面図である。
【図４】  図１に示した圧電振動子の検出方向（Ｘ方向）の振動（コリオリ力による振動）方向及びその振動による電極の出力を示す断面図である。
【図５】  一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために図１に示した圧電振動子に対して適用される回路基板の形状、並びに圧電振動子と回路基板との接続状態を示す斜視図である。
【図６】  一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために図１に示した圧電振動子に対して適用される駆動検出回路を示すブロック図である。
【図７】  一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために図１に示した圧電振動子に対して適用される電流検出回路を例示した回路図である。
【図８】  従来の圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  圧電振動子
５，７，９，１１，１３，１５  帯状電極
１７  接続用ランド部
１９  切り欠き部
２１  圧電振動子取り付けランド
２３  回路基板
３１  第１の電流検出回路
３２  第２の電流検出回路
３３  差動回路
３４  同期検波回路
３５  整流回路
３６  第１の駆動回路
３７  第２の駆動回路
４１  オペアンプ
４２  抵抗器
【図１】
0003682664.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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