(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板の厚み方向に分極を有する領域における該圧電板の主面上に形成された駆動電極対ならびに検出電極対を有する圧電振動子と、
前記駆動電極対間に駆動電圧をかけて前記圧電板の該駆動電極対間の領域を前記厚み方向に直角な第１の方向に励振しておき、該圧電板が該厚み方向に平行な回転軸を中心にして回転したときに該厚み方向および前記第１の方向に直角な第２の方向に生ずるコリオリ力による振動に対応した信号を検出電極対から入力信号として受けて該入力信号から回転角速度を検出する検出回路とを有するエネルギー閉じ込め振動を利用した圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記駆動電極対間の領域外における前記圧電板の主面上に形成され、該圧電板を前記第２の方向に励振するためのテスト用補助電極を有することを特徴とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコープ。
【請求項２】
請求項１の圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記駆動電極対の一方に接続され前記駆動電圧を発生する駆動源と、該駆動源からの駆動電圧を前記補助電極に選択的に印加するスイッチと、前記検出回路の出力に接続され、前記駆動源が前記補助電極に接続されているときの検出出力の異常を判定するための判定回路を有することを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
【請求項３】
請求項２の圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記駆動電極対は、
前記主面上であって第１の方向に互いに所定間隔離れた二位置の内、一方の位置に前記第１の方向と直角の方向に延在させて設けたストリップ状の第１の電極と、
他方の位置に前記第１の方向とほぼ直角方向に互いに間隔をおいて延在して設けたストリップ状の第２および第３の電極とからなり、
前記補助電極は、前記第１の電極と前記第２及び第３の電極との間の領域に沿って前記第１の方向と平行に延在して設けられており、
前記第１の電極と前記第２及び第３の電極との間に励振用の駆動電圧を印加するようになすとともに、前記第２及び第３の電極を、前記第２の方向に生ずる振動に対応した出力電圧を得る前記検出電極対として用い、
前記第１の電極と前記第２及び第３の電極との間に生じる厚みすべり振動のエネルギーの閉じ込めモードを利用したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
【請求項４】
請求項３の圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記第２及び第３の電極はそれぞれ仮想接地機能を備えた第１及び第２の電流検出回路に接続してあり、前記第１の電極に励振用の駆動電圧を印加し、前記第１及び第２の電流検出回路出力間に生ずる差電圧から検出出力を得るように構成したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
【請求項５】
請求項４の圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記検出回路は、前記第１及び第２の電流検出回路の出力間に接続され該両電流検出回路の出力電圧の差を検出するための差動回路と、該差動回路出力に接続された同期検波回路と、該同期検波回路の出力に接続された整流回路とからなり、前記判定回路は、前記整流回路の出力に接続されており、前記駆動源は、前記第１及び第２の電流検出回路の出力間に接続され自励振駆動用周波数の信号を発振するための発振回路と、該発振回路の出力に接続され前記自励振駆動用周波数の交流電圧を前記駆動電圧として出力する駆動回路とからなることを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記圧電板として圧電セラミックスを用い、該圧電セラミックスの前記第１乃至第３の電極間及びその近傍の領域のみを厚さ方向に分極したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
【請求項７】
請求項３から５のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記圧電板として厚み方向に分極軸を有する圧電結晶板を用いたことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転角速度を検出するためのジャイロスコープに関し、特に、圧電振動子のエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動ジャイロスコープ（以下簡単のために圧電振動ジャイロと呼ぶ）は、圧電振動子を一定方向に励振しておいた状態で、該圧電振動子がその励振方向に直角な方向の軸の周りにに回転した際、その励振方向及び回転軸に直角の方向に生ずるコリオリ力を検知して、回転角速度を検出するもので、種々の応用があるが、最近では、例えば、自動車のナビゲーションシステムや、ＶＴＲカメラの手振れ補正機構などに用いられるようになって来ている。
【０００３】
圧電振動ジャイロとして、振動のエネルギーが駆動電極近傍に集中しているエネルギー閉じ込め振動モードで振動する圧電振動子を用いたエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが、例えば、特開昭６２−１６２９１５号や特開平５−３２２５８０号に提案されている。
【０００４】
エネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロは、振動エネルギーが圧電振動子の局部に集中しているので、圧電振動子の支持が簡単容易であり、遊離しているリード線を不要とするとの利点がある。
【０００５】
特開昭６２−１６２９１５号は、振動エネルギーを局部に閉じ込めるために、振動子の厚みを局部的に厚く形成しその部分を厚み方向に分極し、厚い局部の対向端面に駆動電極を設け、対向側面に検出電極を設けたものを開示している。また、他の例として、駆動電極と検出電極を圧電板の一面に設け、駆動電極間に検出電極として交差指電極を設けたものを開示している。
【０００６】
特開平５−３２２５８０号は、圧電板の一部領域を厚み方向に分極し、その分極領域の主面上に２組の対向電極を、対向方向を直角にして設け、一方の対向電極を駆動電極に、他方の対向電極を検出電極とした圧電振動ジャイロを開示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の圧電振動ジャイロでは、圧電板の分極方向と直角の方向に一対の駆動電極で圧電板を励振しておき、分極方向の回転が加わった時、分極方向と励振方向に直角の方向に生じたコリオリ力による振動に対応した出力信号を一対の検出電極からえて、この出力信号から検出回路で回転角速度を検出回路で検出しているが、回転が加わらないとコリオリ力による振動が発生しないために、回転を加えないで圧電振動ジャイロが正しく動作しているか否かをテストすることができない。
【０００８】
また、特開昭６２−１６２９１５号に開示したエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロは、圧電板の厚みを局部的に厚くしなければならないとか交差指電極を形成しなければならないといった製造上の難点がある。また、一対の駆動電極と一対の検出電極が互いに近傍に設けられているので、駆動電極から圧電板内に印加した駆動電界が検出電極に影響され、駆動電界方向が変化することにより精度が低くなるとの欠点が見られる。
【０００９】
特開平５−３２２５８０号に開示したエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロは、構成は簡単で製造も容易であるが、一対の駆動電極と一対の検出電極が互いに近傍に設けられているので、駆動電極から圧電板内に印加した駆動電界が検出電極に影響され、駆動電界方向が変化し、精度の良い検出出力を得ることが困難である。
【００１０】
従って、本発明は、圧電板に回転を加えることなく、圧電ジャイロが正しく動作するか否かをテストできる機能を有するエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、上記の目的を達成すると共に、圧電板の主面の限定された領域に出力電極を駆動電極の一部に共用することによって、出力電極が駆動電界に悪影響を与えないようにした、構造簡単、小型、高精度のエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電板の厚み方向に分極を有する領域における該圧電板の主面上に形成された駆動電極対ならびに検出電極対を有する圧電振動子と、
前記駆動電極対間に駆動電圧をかけて前記圧電板の該駆動電極対間の領域を前記厚み方向に直角な第１の方向に励振しておき、該圧電板が該厚み方向に平行な回転軸を中心にして回転したときに該厚み方向および前記第１の方向に直角な第２の方向に生ずるコリオリ力による振動に対応した信号を検出電極対から入力信号として受けて該入力信号から回転角速度を検出する検出回路とを有するエネルギー閉じ込め振動を利用した圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記駆動電極対間の領域外における前記圧電板の主面上に形成され、該圧電板を前記第２の方向に励振するためのテスト用補助電極を有することを特徴とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコープである。
【００１３】
本発明の圧電振動ジャイロスコープは、更に、前記駆動電極対の一方に接続され前記駆動電圧を発生する駆動源と、該駆動源からの駆動電圧を前記補助電極に選択的に印加するスイッチと、前記検出回路の出力に接続され、前記駆動源が前記補助電極に接続されているときの検出出力の異常を判定するための判定回路を有していても良い。
【００１４】
本発明の一態様によれば、前記駆動電極対は、前記主面上であって第１の方向に互いに所定間隔離れた二位置の内、一方の位置に前記第１の方向と直角の方向に延在させて設けたストリップ状の第１の電極と、他方の位置に前記第１の方向とほぼ直角方向に互いに間隔をおいて延在して設けたストリップ状の第２および第３の電極とからなり、前記補助電極は、前記第１の電極と前記第２及び第３の電極との間の領域に沿って前記第１の方向と平行に延在して設けられており、前記第１の電極と前記第２及び第３の電極との間に励振用の駆動電圧を印加するようになすとともに、前記第２及び第３の電極を、前記第２の方向に生ずる振動に対応した出力電圧を得る前記検出電極対として用い、前記第１の電極と前記第２及び第３の電極との間に生じる厚みすべり振動のエネルギーの閉じ込めモードを利用したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープが得られる。
【００１５】
前記第２及び第３の電極はそれぞれ仮想接地機能を備えた第１及び第２の電流検出回路に接続してあり、前記第１の電極に励振用の駆動電圧を印加し、前記第１及び第２の電流検出回路出力間に生ずる差電圧から検出出力を得る構成とすると良い。
【００１６】
前記回路は、前記第１及び第２の電流検出回路の出力間に接続され該両電流検出回路の出力電圧の差を検出するための差動回路と、該差動回路出力に接続された同期検波回路と、該同期検波回路の出力に接続された整流回路とで構成し、前記判定回路は該整流回路の出力に接続し、前記駆動源は、前記第１及び第２の電流検出回路の出力間に接続され自励振駆動用周波数の信号を発振するための発振回路と、該発振回路の出力に接続され前記自励振駆動用周波数の交流電圧を前記駆動電圧として出力するための駆動回路とで構成すると良い。
【００１７】
前記圧電板としては、圧電セラミックスを用い、該圧電セラミックスの前記第１乃至第３の電極間及びその近傍の領域のみを厚さ方向に分極するものとする。
【００１８】
また、前記圧電板として厚み方向に分極軸を有する圧電結晶板を用いることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例におけるエネルギ一閉じ込め型振動ジャイロの振動子の構成を示す斜視図である。図１に示すように、圧電振動子は、例えば、ＰＺＴやチタン酸バリウムなどの圧電セラミックス板で構成した、中央部が厚さ方向に分極軸を有する圧電板１０を用いる。この圧電板１０の前記中央部の主面上にストリップ状の第１の電極１１が設けられている。この第１の電極１１と所定距離だけ離れた位置に該第１の電極と平行に、第２の電極１２および第３の電極１３が互いに離れて形成されている。これら電極１１、１２、１３には、外部に導出するための端子部１４、１５、１６が接続されている。
【００２０】
更に、第１の電極１１と第２および第３の電極１２および１３との間の領域外に、この領域に沿って延在するように補助電極２１が設けられている。この補助電極２１にも端子部２３が接続されている。
【００２１】
なお、これら電極および端子部は、銀ペーストあるいは金スパッタで構成されると良い。もちろん他の導電膜を採用することができる。外部に導出するための端子部は振動子上に設けずにリード線を用いることもできる。
【００２２】
図示のとおり、厚み方向をＺ軸、電極の対向方向をＸ軸、これらに直交する方向をＹ軸とする三次元座標を決める。
【００２３】
動作を説明すると、第１の電極１１と第２および第３の電極１２、１３との間に駆動電圧（交流）を印加すると、Ｘ方向の振動が励振される。この状態で、圧電板１０がＺ軸の周りに回転すると、Ｙ方向にコリオリ力による振動が発生し、これにより、第２および第３の電極間に起電力が発生する。この起電力を検知することによって、コリオリ力による振動の大きさを、したがって、回転角速度を検出することができる。
【００２４】
なお、振動のエネルギーは圧電板の前記中央部に閉じ込められ、周辺に及ばないので、圧電板の周辺部を支持することが容易である。
【００２５】
次に、圧電振動子１が回転を加わえられず静止している状態で、駆動電圧を第１の電極１１に供給すると共に補助電極２１にも印加すると、駆動電界が補助電極２１と第２および第３の電極１２および１３との間に加わるので、圧電板１０はほぼＹ方向に励振されることになる。この結果、Ｘ方向に駆動しているときに回転が加わったときと等価のＹ方向の振動が発生する。この結果、第２および第３の電極からこのＹ方向の振動に応じた出力信号を得ることができる。この出力信号から、圧電振動ジャイロ、中でも、振動子に接続された検出回路が正常か否かを判定することができる。すなわち駆動電圧の印加を補助電極に切り換えて、圧電振動ジャイロのテストを行うことができる。
【００２６】
図２は図１の圧電振動子１の変形で、テスト用の補助電極として、図１の補助電極２１に対向してもう一つの補助電極２２とこれに接続された端子部２４を設けたものである。補助電極２１および２２を、それぞれ、第１および第２の補助電極と呼ぶことにする。駆動電圧の印加を第１の補助電極２１から第２の補助電極２２に切り換えることによって、反対回りの回転が与えられたと等価となり、これにより、圧電振動ジャイロに反対回りの回転を与えたと等価のテストを行うことができる。
【００２７】
図３は、図１あるいは図２の圧電振動子１に接続される回路構成を示すブロック図である。図３を参照をすると、圧電振動子１０の第２及び第３の電極１２及び１３には、電流検出回路３１、３２がそれぞれ接続されている。電流検出回路３１、３２の出力側には、差動増幅回路３３が接続され、同期検波回路３４、整流回路３５を介して、圧電振動ジャイロの検出出力が得られる。一方、電流検出回路３１、３２は自励発振条件を満たすための発振回路３６に接続され、Ｘ方向振動を与えるためのＸ振動駆動回路３７を介して第１の電極１１に接続されており、自励発振回路を構成している。この自励発振回路により圧電振動子の厚みすベり振動の共振周波数にほぼ等しい周波数の交流電圧が電極１１に印加される。また、発振回路３６の主力には、Ｙ方向振動を与えるためのＹ振動駆動回路３８が接続され、その出力は、スイッチ回路３９を介して、補助電極２１（または２２）に選択的に接続される。なお、整流回路３５の出力側には、その検出出力からこの圧電振動ジャイロが正常に動作しているか否かを判定する判定回路４０が接続されている。
【００２８】
図４は、図３の電流検出回路３１および３２の構成例を示す図で、第２および第３の電極１２および１３を仮想的に接地させる機能を備えたものである。この回路は、演算増幅器４１の非反転入力端子（＋）は基準電圧に接地されており、演算増幅器４１の出力端子から反転入力端子に抵抗器Ｒが接続されている。反転入力端子（−）は，演算増幅器の仮想接地機能により常に前記の接地基準電位に保たれる。この反転端子に電流が流入すると、抵抗器Ｒにより電圧に変換される。すなわち、Ｖｏｕｔ＝−ｉＲなる出力を得る。すなわち、この電流検出回路は、機能的には入カインピーダンスがほぼ０で、入力電流に比例した出力電圧を得ることが出来る回路である。
【００２９】
この電流検出回路を図３の電流検出回路３１および３２に用いる。その際、反転入力端子（−）を第２および第３の電極１２および１３に接続する。これにより、駆動電圧は、第１の電極１１と第２および第３の電極１２および１３との間に加わることになり、第２および第３の電極１２および１３間の起電力は、電流検出回路３１および３２の出力間の電位差として検出できることになる。
【００３０】
次に、本発明の上記実施の形態における圧電振動子の駆動原理を、図面を参照して具体的に説明する。
【００３１】
図５（ａ）及び（ｂ）は、図１から図３に示したエネルギー閉じ込め型振動子の基本構造をそれぞれ示す平面図及び電極部分のみを示す断面図である。図５（ａ）及び（ｂ）を参照すると、厚さ方向（Ｚ軸方向）に分極された圧電板１０の中央部の同一面上に、Ｘ軸方向に間隔を持って対向するスリット状の電極Ｄ１およびＤ２が形成されている。なお、Ｔ１およびＴ２は端子部である。端子Ｔ１およびＴ２間に電圧を印加すると、対向する電極Ｄ１およびＤ２の間の圧電板１０の領域（電極間領域）には、ほぼ板の面に平行な方向（Ｘ方向）の電界が印加されるため、この電界と直交する厚さ方向（Ｚ軸方向）の分極との相互作用により、電極間領域にはＸ方向にひずみが生ずることになる。電極Ｄ１、Ｄ２の寸法を圧電板１０の特性に合わせて設計し、印加電圧を電極間領域の共振周波数に合った周波数の交流電圧とすると、電極間領域に厚みすべり振動を励起することができる。その振動は電極間領域の周囲には減衰して伝搬せずに閉じ込められる。すなわちエネルギー閉じ込め振動子を構成することができる。また、この振動は、圧電板の面に平行な電界によって生ずる厚みすべり振動であるので、平行電界励振型厚みすべり振動と呼ばれる。なお、厚みすべり振動とは、圧電板の変位の方向が板面に平行で、波の伝搬方向が板の厚さ方向の振動である。この振動の様子を図解するために、図６に半波長で共振している場合の厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位分布を示す。
【００３２】
図１から図３に示す振動子は、上の基本構造を利用したものである。すなわち、第１の電極１１がＤ１電極であり、これと対向する、第２の電極１２および第３の電極１３がＤ２電極である。Ｄ２電極は、検出電極を構成するために２分割され第２の電極１２および第３の電極１３を構成し、それぞれ仮想接地機能を備えた電流検出回路３１および３２に接続している。これにより、第２の電極１２および第３の電極１３は、仮想的に基準電位に保たれているから、電位的には接地端子とみなすことができる。従って、第１の電極１１に前記圧電板の厚みすベり振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の励振用の駆動電圧を印加すると、図５の振動子と同様に、第１、第２、および第３の電極１１、１２および１３によって囲まれる領域（電極間領域）に、第１の電極１１の中心と、第２および第３の電極１２および１３の中心を結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向（Ｘ方向）のエネルギー閉じ込め振動モードの厚みすベり振動が発生する。
【００３３】
この状態で、前記圧電板１０をその主面と直交する軸の回りに回転させたると、コリオリ力の作用により、前記励振されている厚みすベり振動の方向と直角な方向（Ｙ方向）の厚みすベり振動が発生する。このコリオリ力により発生した厚みすベり振動により、第１の電極１１と第２の電極１２の間、および第１の電極１１と第３の電極１３間のインピーダンスが変化し、その結果として、前記電流検出回路３１及び３２に流れ込む電流値が変化する。第２の電極１２と第３の電極１３は前述したように、励振されている厚みすベり振動の方向に対して対称に配置されているため、電流検出回路３１、３２に流れ込むコリオリ力による振動により変化する電流は、振幅が等しく、互いに１８０度位相の異なった電流となる。従って、電流検出回路３１および３２の出力電圧も、互いに１８０度位相の異なった電圧となり、これらの出力電圧の差を差動回路３３により差電圧として検出し、同期検波回路３４によってこの電圧を所定のタイミングで同期検波し、整流回路３５で整流することにより、印加した回転角速度に比例した直流の出力電圧として検出出力を得ることが出来る。
【００３４】
一方、電流検出回路３１、３２は自励発振条件を満足するための発振回路３６とＸ振動駆動回路３７を介して電極１１に接続され、自励発振ループを構成している。これにより、振動子の共振周波数を自動的に迫尾して効率よく振動子を駆動できるから、高感度なジャイロを得ることができる。
【００３５】
また、圧電振動子１に回転が加わらない静止状態のときに、スイッチ３９をオンしてＹ振動駆動電圧を補助電極２１に印加すると、前述したように、Ｙ方向振動が発生し、回転が加えられたときに等価の振動が生ずるので、整流回路３５から検出出力が得られる。判定回路４０は、Ｙ振動駆動電圧のレベルと、この検出出力に基づいて、正常に動作しているか否かを判定し、判定信号を出力する。
【００３６】
ここで、本発明に用いる圧電板が「厚み方向の分極を有する」とは、厚み方向にのみ分極されているものに限定するものではなく、厚み方向の分極成分を有するものも含むものとする。もちろん厚み方向の分極成分の大きな方が良いので、厚み方向のみに分極されているものが最も有利である。
【００３７】
圧電板１０として圧電セラミックスを用いた場合には、公知のように分極処理を必要とするが、分極領域は、圧電板の全体に亘っても良いし、振動を閉じ込める領域のみに限っても良い。
【００３８】
圧電板１０として、圧電結晶板（例えば水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴＯ３等）を用いることができる。その場合、厚み方向の分極軸を持たせるために、Ｚカットの板が最も好ましいが、回転Ｙカットの板を用いることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電振動子の駆動電極に駆動電圧を印加することによって、駆動電極間をＸ方向に励振させておき、圧電振動子に加わる回転により生じるコリオリ力に基くＹ方向振動を検出電極から出力信号として得て、該出力信号から検出回路に回転の角速度を検出するエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロにおいて、前記駆動電極間領域の外側で、該領域に沿ってＸ方向に延在する補助電極を設け、回転が加わらない状態で、該補助電極に駆動電圧を印加してＹ方向の振動を強制的に発生させるようにしたので、そのときの検出信号から、圧電振動ジャイロの動作が正常か否かを知ることができる。
【００４０】
更に、本発明によれば、圧電板の主面上に平行に配置した１対のスリット状電極のみを用いて駆動を行い、該一対の電極の内の一方の電極を２分割して検出電極として検出を行うので、駆動電界が検出電極の存在によって悪影響を受けず、Ｘ方向振動を励振するための電界を保ったままＹ方向振動を検出することができ、高精度高感度の振動ジャイロを得ることができる。又、エネルギ一閉じ込め振動を用いているから支持が容易で信頼性の高いジャイロを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電振動子の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の他の実施の形態による圧電振動子の構成を示す斜視図である。
【図３】圧電振動子を用いたジャイロの回路構成を示すブロック図である。
【図４】図３の回路で用いる電流検出回路の一例を示す回路図である。
【図５】図１および図２の圧電振動子に採用した振動子基本構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は、電極の端子部を除いた側面図である。
【図６】図５の基本構造の振動子の厚みすべり振動における厚み方向の変位分布を示す図である。
【符号の説明】
１      圧電振動子
１０    圧電板
１１    第１の電極
１２    第２の電極
１３    第３の電極
１４、１５、１６、２３、２４    端子部
２１    第１の補助電極
２２    第２の補助電極
３１    電流検出回路
３２    電流検出回路
３３    差動回路
３４    同期検波回路
３５    整流回路
３６    発振回路
３７    Ｘ振動駆動回路
３８    Ｙ振動駆動回路
３９    スイッチ
４０    判定回路
４１    演算増幅器
【図１】
0003732601.tif 000002
【図２】
0003732601.tif 000003
【図３】
0003732601.tif 000004
【図４】
0003732601.tif 000005
【図５】
0003732601.tif 000006
【図６】
0003732601.tif 000007