JP3211183B2 - エネルギー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロ - Google Patents
エネルギー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロInfo
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステムやカメラ一体型VTRカメラの手ブレ補
正などに用いられるジャイロスコープの内、圧電振動子
の超音波振動を利用した振動ジャイロに関し、特に圧電
振動子の振動モードとしてエネルギー閉込め振動モード
を利用し、構造が簡単で支持が容易な耐振動特性及び耐
衝撃性に優れた圧電振動ジャイロに関する。
ションシステムやカメラ一体型VTRカメラの手ブレ補
正などに用いられるジャイロスコープの内、圧電振動子
の超音波振動を利用した振動ジャイロに関し、特に圧電
振動子の振動モードとしてエネルギー閉込め振動モード
を利用し、構造が簡単で支持が容易な耐振動特性及び耐
衝撃性に優れた圧電振動ジャイロに関する。
【0002】
【従来の技術】圧電振動ジャイロとは、振動している物
体に回路角速度が加えられると、その振動方向と直角な
方向にコリオリ力を生ずると言う力学現象を利用したジ
ャイロスコープである。
体に回路角速度が加えられると、その振動方向と直角な
方向にコリオリ力を生ずると言う力学現象を利用したジ
ャイロスコープである。
【0003】一般に、直交する二つの異なる方向の振動
を励振可能に構成した複合振動系において、一方の振動
を励振した状態で、振動子を回転させると、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作用
し、他方の振動が励振される。この振動の大きさは、入
力側の振動の振幅及び回転角速度に比例するため、入力
側の振動振幅を一定にした場合、出力電圧の大きさから
印加された回転角速度の大きさを求めることができる。
を励振可能に構成した複合振動系において、一方の振動
を励振した状態で、振動子を回転させると、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作用
し、他方の振動が励振される。この振動の大きさは、入
力側の振動の振幅及び回転角速度に比例するため、入力
側の振動振幅を一定にした場合、出力電圧の大きさから
印加された回転角速度の大きさを求めることができる。
【0004】図6は、従来の圧電振動ジャイロの構造を
示す斜視図であり、図6を参照すると、正方形断面形状
を有する金属角柱51の隣合う面のほぼ中央部に、圧電
セラミックス薄板52,53が接合されている。これら
の圧電セラミックス薄板52,53は、それぞれ両面に
電極が形成され、厚さ方向に分極されている。
示す斜視図であり、図6を参照すると、正方形断面形状
を有する金属角柱51の隣合う面のほぼ中央部に、圧電
セラミックス薄板52,53が接合されている。これら
の圧電セラミックス薄板52,53は、それぞれ両面に
電極が形成され、厚さ方向に分極されている。
【0005】正方形断面の金属角柱51には、互いに直
交する二つの屈曲振動モードが存在し、材料の特性が均
質である場合には、二つの屈曲振動モードの共振周波数
はほぼ等しくなることが知られている。従って、圧電セ
ラミックス薄板52に、この金属角柱の屈曲振動の共振
周波数にほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、圧電セ
ラミックス52を接合した面が凹凸となる方向(y軸方
向)に屈曲振動する。この状態で、金属角柱51を長さ
方向と平行な軸(z軸)の回りに回転させると、コリオ
リ力の作用により、金属角柱51は、圧電セラミックス
薄板53を接合した面が凹凸となる方向(x軸方向)に
も屈曲振動し、圧電効果により、圧電セラミックス薄板
53に電圧が発生する。この電圧の大きさは、圧電セラ
ミックス薄板52により励振されている振動の大きさと
印加した回転角速度の大きさに比例する。従って、圧電
セラミックス薄板52に印加する励振電圧の大きさを一
定とすれば、圧電セラミックス薄板53に発生する電圧
は、金属角柱51の回転角速度に比例した電圧となる。
交する二つの屈曲振動モードが存在し、材料の特性が均
質である場合には、二つの屈曲振動モードの共振周波数
はほぼ等しくなることが知られている。従って、圧電セ
ラミックス薄板52に、この金属角柱の屈曲振動の共振
周波数にほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、圧電セ
ラミックス52を接合した面が凹凸となる方向(y軸方
向)に屈曲振動する。この状態で、金属角柱51を長さ
方向と平行な軸(z軸)の回りに回転させると、コリオ
リ力の作用により、金属角柱51は、圧電セラミックス
薄板53を接合した面が凹凸となる方向(x軸方向)に
も屈曲振動し、圧電効果により、圧電セラミックス薄板
53に電圧が発生する。この電圧の大きさは、圧電セラ
ミックス薄板52により励振されている振動の大きさと
印加した回転角速度の大きさに比例する。従って、圧電
セラミックス薄板52に印加する励振電圧の大きさを一
定とすれば、圧電セラミックス薄板53に発生する電圧
は、金属角柱51の回転角速度に比例した電圧となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図6に示した従来の圧
電振動ジャイロにおいては、金属角柱の屈曲振動モード
を利用しているため、振動子の支持、固定は振動の節の
位置で行わなければならない。また、従来の圧電振動ジ
ャイロにおいて、駆動、検出回路と振動子の電極をリー
ド線で接続する必要があり、接続の状態のばらつきによ
る特性のばらつきを抑えることが難しかった。さらに、
駆動、検出回路の構成された基板の上に、保持具により
支持された振動子を載せて組み立てるため、小形、薄形
の圧電振動ジャイロを構成することが困難であった。
電振動ジャイロにおいては、金属角柱の屈曲振動モード
を利用しているため、振動子の支持、固定は振動の節の
位置で行わなければならない。また、従来の圧電振動ジ
ャイロにおいて、駆動、検出回路と振動子の電極をリー
ド線で接続する必要があり、接続の状態のばらつきによ
る特性のばらつきを抑えることが難しかった。さらに、
駆動、検出回路の構成された基板の上に、保持具により
支持された振動子を載せて組み立てるため、小形、薄形
の圧電振動ジャイロを構成することが困難であった。
【0007】そこで、本発明の技術的課題は、以上に示
した従来の圧電振動ジャイロにおける欠点を除去し、構
造が簡単で、入出力用の端子をリード線を用いないで接
続することが可能で、駆動、検出回路を振動ジャイロを
構成した基板上に構成した、小形、薄形の圧電振動ジャ
イロを提供することにある。
した従来の圧電振動ジャイロにおける欠点を除去し、構
造が簡単で、入出力用の端子をリード線を用いないで接
続することが可能で、駆動、検出回路を振動ジャイロを
構成した基板上に構成した、小形、薄形の圧電振動ジャ
イロを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、主面と
平行な分極軸成分を有する圧電板のほぼ中央部に対向し
て複数個の駆動及び検出用の電極が形成され、これら複
数個の電極のうち、検出用の偶数個の電極が、前記主面
と平行な分極軸成分の方向と平行な直線に関して対称に
形成され、一方の主面に第1の電極が形成され、他方の
面の前記第1の電極と対向するように、主面と平行な分
極軸成分の方向と平行な直線に関して対称な第2の電極
及び第3の電極が形成されたことを特徴とするエネルギ
ー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが得ら
れる。
平行な分極軸成分を有する圧電板のほぼ中央部に対向し
て複数個の駆動及び検出用の電極が形成され、これら複
数個の電極のうち、検出用の偶数個の電極が、前記主面
と平行な分極軸成分の方向と平行な直線に関して対称に
形成され、一方の主面に第1の電極が形成され、他方の
面の前記第1の電極と対向するように、主面と平行な分
極軸成分の方向と平行な直線に関して対称な第2の電極
及び第3の電極が形成されたことを特徴とするエネルギ
ー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが得ら
れる。
【0009】
【0010】また、本発明によれば、前記第2及び第3
の電極にそれぞれ抵抗を介して励振用の駆動電圧を印加
し、前記圧電板をその主面と直交する軸の回りに回転さ
せたときに生ずるコリオリ力の作用により前記第2及び
第3の電極に生ずる電圧の差を検出するように構成した
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のエネル
ギー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが得
られる。
の電極にそれぞれ抵抗を介して励振用の駆動電圧を印加
し、前記圧電板をその主面と直交する軸の回りに回転さ
せたときに生ずるコリオリ力の作用により前記第2及び
第3の電極に生ずる電圧の差を検出するように構成した
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のエネル
ギー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが得
られる。
【0011】さらに本発明によれば、前記第1の電極を
駆動電極とし、前記第2及び第3の電極にそれぞれ仮想
接地機能を有する第1及び第2の電流検出回路を接続
し、前記圧電板をその主面と直交する軸の回りに回転さ
せたときに生ずるコリオリ力の作用により生ずる前記第
1及び第2の電流検出回路の出力電圧の差を検出するよ
うに構成したことを特徴とする特許請求の範囲第1項に
記載のエネルギー閉込め振動モードを利用した圧電振動
ジャイロが得られる。
駆動電極とし、前記第2及び第3の電極にそれぞれ仮想
接地機能を有する第1及び第2の電流検出回路を接続
し、前記圧電板をその主面と直交する軸の回りに回転さ
せたときに生ずるコリオリ力の作用により生ずる前記第
1及び第2の電流検出回路の出力電圧の差を検出するよ
うに構成したことを特徴とする特許請求の範囲第1項に
記載のエネルギー閉込め振動モードを利用した圧電振動
ジャイロが得られる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明する
前に、圧電板を用いた垂直電界励振型エネルギー閉込厚
みすべり振動子について説明する。
前に、圧電板を用いた垂直電界励振型エネルギー閉込厚
みすべり振動子について説明する。
【0013】図1は垂直電界励振型厚みすべりエネルギ
ー閉込め振動子の基本構造を示す平面図及び電極部分の
みを示す断面図である。図1を参照すると、主面と平行
な方向(x軸方向)に分極軸成分を有する圧電板10の
ほぼ中央部に電極101が形成され、この電極101と
厚さ方向(z軸方向)に対向するように電極102が形
成されている。電極101と102により厚さ方向の電
界が印加されると、この電界と直交する主面と平行な方
向の分極成分との相互作用により、電極101と102
に挟まれる部分に、垂直電界励振型厚みすべりエネルギ
ー閉込み振動子を構成することができる。厚みすべり振
動とは、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。図2に示すように、半波長で
共振している場合、厚さ方向(z軸方向)の変位分布を
示す。
ー閉込め振動子の基本構造を示す平面図及び電極部分の
みを示す断面図である。図1を参照すると、主面と平行
な方向(x軸方向)に分極軸成分を有する圧電板10の
ほぼ中央部に電極101が形成され、この電極101と
厚さ方向(z軸方向)に対向するように電極102が形
成されている。電極101と102により厚さ方向の電
界が印加されると、この電界と直交する主面と平行な方
向の分極成分との相互作用により、電極101と102
に挟まれる部分に、垂直電界励振型厚みすべりエネルギ
ー閉込み振動子を構成することができる。厚みすべり振
動とは、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。図2に示すように、半波長で
共振している場合、厚さ方向(z軸方向)の変位分布を
示す。
【0014】このような圧電振動子のエネルギー閉込め
現象は、注目している弾性波に関して局部的な伝搬特性
の差があることに起因しており、図1に示したエネルギ
ー閉込め形振動子の場合は、電極101及び102によ
る質量付加効果及び電極の短絡効果により電極部の伝搬
特性が局部的に異なることを利用している。
現象は、注目している弾性波に関して局部的な伝搬特性
の差があることに起因しており、図1に示したエネルギ
ー閉込め形振動子の場合は、電極101及び102によ
る質量付加効果及び電極の短絡効果により電極部の伝搬
特性が局部的に異なることを利用している。
【0015】図3は、本発明の実施の形態によるエネル
ギー閉込め型圧電振動ジャイロの圧電振動子1の構造を
示す斜視図である。図3において、主面に平行な方向に
分極軸成分を有する圧電板10の一方の面に第1の電極
11が形成され、他方の面の前記第1の電極11と対向
するように、前記主面と平行な分極軸成分の方向と平行
な直線に関して対称な第2の電極12及び第3の電極1
3が形成されている。
ギー閉込め型圧電振動ジャイロの圧電振動子1の構造を
示す斜視図である。図3において、主面に平行な方向に
分極軸成分を有する圧電板10の一方の面に第1の電極
11が形成され、他方の面の前記第1の電極11と対向
するように、前記主面と平行な分極軸成分の方向と平行
な直線に関して対称な第2の電極12及び第3の電極1
3が形成されている。
【0016】図4は図3の圧電振動子1を用いて構成し
た本発明の圧電振動ジャイロの一実施例の構成を示す回
路構成を含めたブロック図である。
た本発明の圧電振動ジャイロの一実施例の構成を示す回
路構成を含めたブロック図である。
【0017】図4を参照すると、圧電振動子は、第1の
電極11が接地されており、第2及び第3の電極12及
び13には、それぞれ抵抗20,21を介して交流電源
22が接続され、第2及び第3の電極12及び13は、
それぞれ差動増幅回路23の入力端子にも接続されてい
る。差動増幅回路23の出力端子は、検波回路24を介
して、圧電振動ジャイロのセンサ出力となる。
電極11が接地されており、第2及び第3の電極12及
び13には、それぞれ抵抗20,21を介して交流電源
22が接続され、第2及び第3の電極12及び13は、
それぞれ差動増幅回路23の入力端子にも接続されてい
る。差動増幅回路23の出力端子は、検波回路24を介
して、圧電振動ジャイロのセンサ出力となる。
【0018】図3、図4において、第1の電極11を接
地し、第2の電極12及び第3の電極13は、それぞれ
抵抗20及び21を介して交流電源22に接続する。
地し、第2の電極12及び第3の電極13は、それぞれ
抵抗20及び21を介して交流電源22に接続する。
【0019】交流電源からそれぞれ抵抗20及び21を
介して、第2の電極12及び第3の電極13に前記圧電
板の厚みすべり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、第1の電極11と、
第2、及び第3の電極12及び13が対向する領域に、
前記主面に平行な分極軸成分の方向のエネルギー閉込め
振動モードのすべり振動が発生する。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
すべり振動の方向と直角な厚みすべり振動が発生する。
このコリオリ力により発生した厚みすべり振動により、
第1の電極11と第2の電極12間、及び第1の電極1
1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、前記第2の電極12及び第3の電極13の
端子電圧が変化する。インピーダンスの変化は励振の電
圧が一定の場合、加えられた回転角速度に比例する。
介して、第2の電極12及び第3の電極13に前記圧電
板の厚みすべり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、第1の電極11と、
第2、及び第3の電極12及び13が対向する領域に、
前記主面に平行な分極軸成分の方向のエネルギー閉込め
振動モードのすべり振動が発生する。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
すべり振動の方向と直角な厚みすべり振動が発生する。
このコリオリ力により発生した厚みすべり振動により、
第1の電極11と第2の電極12間、及び第1の電極1
1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、前記第2の電極12及び第3の電極13の
端子電圧が変化する。インピーダンスの変化は励振の電
圧が一定の場合、加えられた回転角速度に比例する。
【0020】従って、前記第2の電極12及び第3の電
極13の端子電圧の差を差動増幅回路23により検出
し、この電圧を所定のタイミングで同期検波をすること
により、印加した回転角速度に比例した出力電圧を得る
ことが出来る。
極13の端子電圧の差を差動増幅回路23により検出
し、この電圧を所定のタイミングで同期検波をすること
により、印加した回転角速度に比例した出力電圧を得る
ことが出来る。
【0021】図5は、図3の圧電振動子1を用いて構成
した本発明の圧電振動ジャイロの他の実施例の構成を示
す回路構成を含めたブロック図である。
した本発明の圧電振動ジャイロの他の実施例の構成を示
す回路構成を含めたブロック図である。
【0022】図5において、圧電振動子の第1の電極1
1には抵抗34を介して駆動電圧が印加され、第2の電
極12及び第3の電極13には仮想接地機能を有する第
1の電流検出回路35及び第2の電流検出回路36がそ
れぞれ接続されている。第1の電流検出回路35及び第
2の電流検出回路36の出力電圧端子はそれぞれ差動増
幅回路37の入力端子に接続されている。差動増幅回路
37の出力端子は、検波回路38に接続され、圧電振動
ジャイロのセンサ出力となる。
1には抵抗34を介して駆動電圧が印加され、第2の電
極12及び第3の電極13には仮想接地機能を有する第
1の電流検出回路35及び第2の電流検出回路36がそ
れぞれ接続されている。第1の電流検出回路35及び第
2の電流検出回路36の出力電圧端子はそれぞれ差動増
幅回路37の入力端子に接続されている。差動増幅回路
37の出力端子は、検波回路38に接続され、圧電振動
ジャイロのセンサ出力となる。
【0023】以下、図4を用いて説明したのと同様の原
理で、前記主面に平行な分極軸成分の方向のエネルギー
閉込め振動モードのすべり振動が発生し、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
厚みすべり振動の方向と直角な方向の厚みすべり振動が
発生する。このコリオリ力により発生した厚みすべり振
動により、第2の電極及び第3の電極からそれぞれ仮想
接地機能を有する電流検出回路35及び36に流れ込む
電流に変化を生じ、電流検出回路35及び36の出力電
圧の差の電圧を検出することにより加えられた回転角速
度を検出することができる。
理で、前記主面に平行な分極軸成分の方向のエネルギー
閉込め振動モードのすべり振動が発生し、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
厚みすべり振動の方向と直角な方向の厚みすべり振動が
発生する。このコリオリ力により発生した厚みすべり振
動により、第2の電極及び第3の電極からそれぞれ仮想
接地機能を有する電流検出回路35及び36に流れ込む
電流に変化を生じ、電流検出回路35及び36の出力電
圧の差の電圧を検出することにより加えられた回転角速
度を検出することができる。
【0024】
【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば、
構造が簡単で、入出力用の端子をリード線を用いないで
接続することが可能で、支持、固定によるジャイロ特性
への影響がほとんど無く、強固に支持することが可能
で、耐振動、耐衝撃特性の優れた小形の圧電振動ジャイ
ロが得られる。
構造が簡単で、入出力用の端子をリード線を用いないで
接続することが可能で、支持、固定によるジャイロ特性
への影響がほとんど無く、強固に支持することが可能
で、耐振動、耐衝撃特性の優れた小形の圧電振動ジャイ
ロが得られる。
【図1】垂直電界励振型厚みすべりモードエネルギー閉
込め振動子の駆動原理を説明するための基本構成を示す
図である。
込め振動子の駆動原理を説明するための基本構成を示す
図である。
【図2】厚みすべりモードエネルギー閉込め振動子の変
位分布を示す図である。
位分布を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態によるエネルギー閉込め型
振動ジャイロの圧電振動子を示す斜視図である。
振動ジャイロの圧電振動子を示す斜視図である。
【図4】図3の圧電振動子1を用いて構成した本発明の
圧電振動ジャイロの一実施例の構成を示す回路構成を含
めたブロック図である。
圧電振動ジャイロの一実施例の構成を示す回路構成を含
めたブロック図である。
【図5】図3の圧電振動子1を用いて構成した本発明の
圧電振動ジャイロの他の実施例の構成を示す回路構成を
含めたブロック図である。
圧電振動ジャイロの他の実施例の構成を示す回路構成を
含めたブロック図である。
【図6】従来の圧電振動ジャイロの構造例を示す斜視図
である。
である。
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 101,102 対向電極 20,21 抵抗 22 交流電源 23,37 差動増幅回路 24,38 検波回路 35,36 電流検出回路 51 金属角柱 52,53 圧電セラミックス薄板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−334330(JP,A) 特開 昭61−256217(JP,A) 特開 平7−283685(JP,A) 特開 平6−6174(JP,A) 特開 平6−216701(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 19/56 G01P 9/04
Claims (3)
- 【請求項1】 主面と平行な分極軸成分を有する圧電板
のほぼ中央部に対向して、複数個の駆動及び検出用の電
極が形成され、これら複数個の電極のうち、検出用の偶
数個の電極が、前記主面と平行な分極軸成分の方向と平
行な直線に関して対称に形成され、 一方の主面に第1の電極が形成され、他方の面の前記第
1の電極と対向し、主面と平行な分極軸成分の方向と平
行な直線に関して対称な第2の電極及び第3の電極が形
成されたことを特徴とするエネルギー閉込め振動モード
を利用した圧電振動ジャイロ。 - 【請求項2】 前記第2及び第3の電極にそれぞれ抵抗
を介して励振用の駆動電圧を印加し、前記圧電板をその
主面と直交する軸の回りに回転させたときに生ずるコリ
オリカの作用により前記第2及び第3の電極に生ずる電
圧の差を検出するように構成したことを特徴とする請求
項1に記載のエネルギー閉込め振動モードを利用した圧
電振動ジャイロ。 - 【請求項3】 前記第1の電極を駆動電極とし、前記第
2及び第3の電極にそれぞれ仮想接地機能を有する第1
及び第2の電流検出回路を接続し、前記圧電板をその主
面と直交する軸の回りに回転させたときに生ずるコリオ
リカの作用により前記第1及び第2の電流検出回路の出
力電圧の差を検出するように構成したことを特徴とする
請求項1に記載のエネルギー閉込め振動モードを利用し
た圧電振動ジャイロ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17670997A JP3211183B2 (ja) | 1997-07-02 | 1997-07-02 | エネルギー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17670997A JP3211183B2 (ja) | 1997-07-02 | 1997-07-02 | エネルギー閉込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロ |
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