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
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Description
【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)
- 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。
- 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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