JP3685224B2 - 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 - Google Patents

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カメラの手ぶれ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じ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およ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転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およ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４は，従来の圧電振動ジャイロの構造を示す斜視図である。図４に示すように，圧電振動ジャイロ１００は，正方形断面形状を有する金属角柱１０１の隣合う面のほぼ中央部に，圧電セラミックス薄板１０２，１０３が接合され，角柱振動子を構成している。これらの圧電セラミックス薄板１０２，１０３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おり，一面に引き出し用のリード端子１０４，１０５が形成されている。
【０００５】
正方形断面の金属角柱１０１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１０２にこの金属角柱１０１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，圧電セラミックス薄板１０２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１０１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１０１は，圧電セラミックス薄板１０３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１０３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１０２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（Ω）の大きさに比例する。
【０００６】
従って，圧電セラミックス薄板１０２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１０３に発生する電圧は，金属角柱１０１の回転角速度（Ω）に比例した電圧となる。
【０００７】
また，ＦＭラジオやテレビの中間周波数フィルタに広く用いられている圧電振動子として，図５（ａ）の平面図，及び図５（ｂ）の断面図に示すようなエネルギー閉じ込め振動を行う圧電振動子が知られている。ここで，エネルギー閉じ込め振動とは，振動のエネルギーが駆動電極近傍に集中している振動モードで，圧電板１０の厚さ方向の縦振動やすべり振動，圧電矩形板の幅方向の縦振動やすべり振動など多くの振動モードがある。また，図６は図５（ａ）及び（ｂ）に示された圧電振動子を用いたフィルタの側面図である。
【０００８】
図５（ａ）及び（ｂ）を参照すると，エネルギー閉じ込め振動は，振動のエネルギーが駆動電極の近傍に集中しているため，例えば，図５において，６ｍｍ×６ｍｍで厚さ０．２ｍｍの圧電板１０を用いて，そのほぼ中央部の直径１．５ｍｍの領域に駆動電極５１，５２，および５３を形成したＦＭラジオ用１０．７ＭＨｚセラミックフィルタを形成した場合において，図６に示すように，駆動電極５１，５２，および５３を中心として直径約３ｍｍの領域の両面に空洞部分５４を形成すれば，その他の部分を樹脂層５５で固定しても振動子特性にほとんど影響を与えない。すなわち，リード端子の形成が自由で，支持による影響の無い圧電振動子あるいはそれを利用したフィルタが得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述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，角柱振動子の支持，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角柱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。
【００１０】
したがって，上記図５（ａ）及び（ｂ）に示したセラミックフィルタ用の圧電振動子を圧電振動ジャイロに適用できれば，図４の角柱振動子を用いたジャイロの欠点を解決することができるものと考えられる。
【００１１】
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，検出回路を圧電振動ジャイロを構成した同一基板上に構成することができる小形，薄形の圧電振動ジャイロを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，厚さ方向に分極軸を有する圧電板の一面のほぼ中央部に所定の間隔を隔てて対向する第１の電極対と，前記第１の電極対を略９０度回転させた位置に対向する第２の電極対とを形成し，前記圧電板の他面の前記第１及び第２の電極対が形成された領域と対向する位置に，前記第１の電極対の対向する方向と略４５度の方向に，互いに対向する第３の電極対を形成し，前記第３の電極対間に励振用の電圧を印加し，前記圧電板を前記一面と略直交する軸の回りに回転させたときに前記第１および第２の電極対間に発生する出力電圧の差の電圧を検出するように構成したことを特徴と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が得られる。
【００１３】
また，本発明によれば，前記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において，前記圧電板として圧電セラミックスを用い，前記第１乃至第３の電極対が形成された領域近傍のみを厚さ方向に分極したことを特徴と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が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は，本発明の一実施の形態によるエネルギー閉じ込めモードを利用した圧電振動ジャイロ１（以下，単に圧電振動ジャイロ１と呼ぶ）の構造を示す斜視図である。図１に示すように，厚さ方向に分極軸を有する圧電板１０の一方の主面のほぼ中央部に所定の間隔を隔てて対向する第１の電極対１１ａ，１１ｂと，この第１の電極対１１ａ，１１ｂを９０度回転させた位置に対向する第２の電極対１２ａ，１２ｂが形成され，この圧電板１０の他方の面の前記第１および第２の電極対１１ａ，１１ｂ，及び１２ａ，１２ｂが形成された領域と対向する位置に，図において破線で示すように第１の電極対１１ａ，１１ｂの対向する方向と４５度の方向に対向する第３の電極対１３ａ，１３ｂが形成されている。
【００１６】
ここで，駆動原理は後で詳述するように，第３の電極対１３ａ，１３ｂ間に，周波数が圧電板１０の厚みすべりモードの共振周波数にほぼ等しい励振用の交流電圧を印加すると，第３の電極対１３ａ，１３ｂが対向する領域に，これらの電極対が対向する方向のエネルギー閉じ込め振動モードのすべり振動が発生する。この状態で，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，励振されている厚みすべり振動モード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１の電極対１１ａ，１１ｂ間および第２の電極対１２ａ，１２ｂ間の夫々に電圧を発生するが，第１の電極対１１ａ，１１ｂに発生した電圧と第２の電極対１２ａ，１２ｂに発生した電圧は，それぞれの電極対が前記励振されている厚みすべり振動の方向に対して，それぞれ±４５度だけ方向がずれているため，振幅が等しく，互いに１８０度位相の異なった電圧となる。
【００１７】
従って，これらの電極対間に発生した電圧の差の電圧を検出し，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。
【００１８】
ここで，本発明の実施の形態において，重要な点は，各電極対が対向する領域に不要振動の無いきれいなエネルギー閉じ込め振動を励振することであり，特に圧電板１０として圧電セラミックスを用いた場合には，第１から第３の電極対が形成された領域近傍のみを厚さ方向に分極することにより，この目的を達成することが出来る。
【００１９】
さらに，本発明の実施の形態に用いたエネルギー閉じ込めモードを利用した圧電ジャイロの圧電振動子の動作原理について，図２及び図３を用いて詳しく説明する。
【００２０】
図２（ａ）及び（ｂ）は，図１の圧電振動ジャイロの圧電振動子を更に単純化した構造の圧電振動子の平面図および断面図であり，このような圧電振動子は，平行電界励振型厚みすべりエネルギー閉じ込め振動子と呼ばれている。また，図３は図２（ａ）及び（ｂ）に示した圧電振動子の厚さ方向の変位を示す図である。図２（ａ）及び（ｂ）を参照すると，厚さ方向（ｚ軸）に分極された圧電板１０の中央部の同一面上に，ｘ軸方向に互いに対向するように部分電極１４ａ，１４ｂが形成されている。これら部分電極１４ａ，１４ｂに挟まれている部分には，ほぼ圧電板１０の一面に平行な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の分極との相互作用により，部分電極１４ａ，１４ｂの寸法を，使用する圧電材料の特性に合わせて適当に設計すると，この部分に平行電界励振型厚みすべりエネルギー閉じ込め振動子を構成することができる。さらに，圧電振動ジャイロの駆動，検出回路をこの振動子を形成した同一基板上に構成することができるので，小形で薄形の圧電振動ジャイロが得られる。
【００２１】
図３は，図２（ａ）及び（ｂ）の圧電振動子の半波長で共振している場合の厚さ方向の変位分布が示され，ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸は図２（ａ）のｘ軸，ｙ軸，ｚ軸方向と夫々対応している。上述の厚みすべり振動とは，変位が板面に平行で，波の伝搬方向が板の厚さ方向の振動である。
【００２２】
【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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるエネルギー閉じ込めモードを利用した圧電振動ジャイロの構造を示す斜視図である。
【図２】図１の圧電振動ジャイロに用いる平行電界励振型厚みすべりモードエネルギー閉じ込め振動子の動作原理の説明に供せられる図であり，（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図である。
【図３】図２の厚みすべりモードエネルギー閉じ込め振動子の変位分布である。
【図４】従来の圧電振動ジャイロの説明に供せられる斜視図である。
【図５】従来のエネルギー閉じ込め振動子の一例を示す図であり，（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図である。
【図６】図５のエネルギー閉じ込め振動子の支持構造図である。
【符号の説明】
１，１００ 圧電振動ジャイロ
１０ 圧電板
１１ａ，１１ｂ 第１の電極対
１２ａ，１２ｂ 第２の電極対
１３ａ，１３ｂ 第３の電極対
１４ａ，１４ｂ 部分電極
５１，５２，５３ 駆動電極
５５ 樹脂層
１０１ 金属角柱
１０２，１０３ 圧電セラミックス薄板
１０４，１０５ リード端子

Claims (2)

1. 厚さ方向に分極軸を有する圧電板の一面のほぼ中央部に所定の間隔を隔てて対向する第１の電極対と，前記第１の電極対を略９０度回転させた位置に対向する第２の電極対とを形成し，前記圧電板の他面の前記第１及び第２の電極対が形成された領域と対向する位置に，前記第１の電極対の対向する方向と略４５度の方向に，互いに対向する第３の電極対を形成し，前記第３の電極対間に励振用の電圧を印加し，前記圧電板を前記一面と略直交する軸の回りに回転させたときに前記第１および第２の電極対間に発生する出力電圧の差の電圧を検出するように構成したことを特徴と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。
2. 請求項１記載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において，前記圧電板として圧電セラミックスを用い，前記第１乃至第３の電極対が形成された領域近傍のみを厚さ方向に分極したことを特徴と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。

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