JP3690448B2 - 圧電振動ジャイロ用圧電振動子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車のナビゲーションシステムやカメラ一体型ＶＴＲカメラの手振れ補正機構等に用いられるジャイロスコープに属される超音波振動を利用した振動ジャイロ用圧電振動子であって、詳しくは振動モードとして平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を利用した振動ジャイロ用圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧電振動ジャイロは、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いう力学現象を利用したジャイロスコープに属されるものとして知られている。
【０００３】
一般に、圧電振動ジャイロでは、圧電振動子に関して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圧電振動子を回転させると、コリオリ力の作用によりその振動方向と直角な方向に力が働いて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、出力電圧の大きさに基づいて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８は、従来の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。この圧電振動子は、正方形断面形状を有する金属角柱５１の隣り合う二つの面のほぼ中央部に、それぞれ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。又、圧電セラミックス薄板５２，５３には、それぞれ引き出し用のリード線５４，５５が接続されている。
【０００５】
この圧電振動子において、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。
【０００６】
そこで、例えば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）の周りのΩ方向に回転させると、金属角柱５１はコリオリ力の作用により圧電セラミックス薄板５３を接合した面も凹凸となる方向（ｘ軸方向）に屈曲振動し、圧電効果によって圧電セラミックス薄板５３に出力電圧が発生する。
【０００７】
この出力電圧の大きさは、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とに比例するため、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に発生する出力電圧が金属角柱５１の回転角速度に比例した電圧となる。尚、圧電振動ジャイロを構成する場合には、このような圧電振動子と駆動・検出機能を備えた電気回路とを組み合わせる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した圧電振動ジャイロ用圧電振動子の場合、金属角柱の屈曲振動モードを利用しているため、圧電振動ジャイロを構成するときに圧電振動子に関する支持や固定を振動の節の位置で行わなければならなず、組み立てに手間がかかってしまうという問題がある。
【０００９】
又、圧電振動ジャイロを構成する場合、駆動・検出機能を備えた電気回路と圧電振動子の電極とをリード線で接続する必要があるが、このときの接続状態のばらつきによるジャイロ特性のばらつきを抑制し難いという問題もある。
【００１０】
更に、圧電振動ジャイロを構成する場合、駆動・検出機能を備えた電気回路を有する基板上に圧電振動子を載せて保持具により支持して組み立てを行うため、その構成により小形で薄形の圧電振動ジャイロを構成することが困難であるという問題もある。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、リード線を用いないで入出力用端子への接続が可能な簡単な構造を有し、小型で薄型の高性能な圧電振動ジャイロ用圧電振動子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、厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板の少なくとも一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた少なくとも一つの駆動用及び偶数の検出用を含む複数の電極が形成されると共に、該偶数の検出用電極を該駆動用電極への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置した平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を利用した圧電振動ジャイロにおいて、圧電板は、主面における中央部近傍の複数の電極の端部によって囲まれる局部に励振振動の方向に対して対称な形状を有する平坦部及び該平坦部の周囲に形成された窪み部を有する圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の圧電振動ジャイロ用圧電振動子について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子１の基本構成を示した斜視図である。この圧電振動子１は、後述する平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を利用するもので、厚さ方向に分極軸成分を有する矩形（長方形）の圧電板１０の一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた駆動用及び検出用を含む複数（ここでは３つ）の電極１１，１２，１３が形成され、これらの電極１１，１２，１３のうちの２つ（偶数）の検出用電極１２，１３が駆動用電極１１への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置されている。
【００１５】
又、この圧電振動子１において、圧電板１０には主面のほぼ中央部近傍におおよそ二等辺三角形を構成する各頂点の位置に駆動用電極１１及び検出用電極１２，１３が形成されており、主面における中央部近傍の電極１１，１２，１３の端部によって囲まれる局部に駆動用電極１１への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な形状を有する矩形の平坦部１０ｂ及びこれの周囲に形成された矩形の窪み部１０ａを有し、電極１１，１２，１３の端部は窪み部１０ａ内に延在して成っている。
【００１６】
即ち、この圧電振動子１では、対向する駆動用電極１１と検出用電極１２，１３とにより囲まれる領域について、駆動用電極１１への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な形状を有する平坦部１０ｂを残し、その周囲に窪み部１０ａを形成していることにより、２つの検出用電極１２，１３と窪み部１０ａ及び平坦部１０ｂとが励振振動の方向に対して対称な形状（２つの検出用電極１２，１３の対称軸と同じ軸に対して線対称の形状）を有するため、電極１１，１２，１３に囲まれた領域の厚み振動の共振周波数が低くなり、無電極の領域における伝播特性と異なるため、結果としてエネルギー閉込めの状態（集中度）が良好になる。
【００１７】
一般に、振動ジャイロ用圧電振動子においては、複数の検出電極を励振振動の方向に対して対称に配置する必要があるが、これは圧電振動子が形状的に対称であって、且つ特性的に均一であることを前提としているためであり、ここでの圧電振動子１の場合も、検出用電極１２，１３を励振振動の方向に対して対称に配置させるために圧電振動子１の形状を対称にする必要がある。
【００１８】
圧電振動子１に発生するエネルギー閉じ込め現象は、注目している弾性波に関して端部的な伝搬特性の差があることに起因している。因みに、一般的な圧電振動子の場合、垂直電界励振において電極部の質量付加効果や電極短絡効果により電極部と無電極部との間に周波数差が生じるため、電極部でのエネルギー閉じ込めが可能となる。
【００１９】
ところで、圧電板１０の材料として圧電セラミックスを用いた場合、駆動及び検出に使用する領域だけを分極すれば、分極の有無による伝搬特性の端部的な変化を生じさせることが可能となるため、エネルギー閉じ込め状態を良好にすることができる。
【００２０】
但し、圧電セラミックス材料は焼結された多結晶体であるため、単結晶体と比較して材料内部の特性が不均一であり、周囲温度の変化による温度特性の変動が大きい上、その変化率自体のばらつきが大きい等の諸点で欠点がある。
【００２１】
これに対し、圧電単結晶体として知られるＬｉＮｂＯ₃ やＬｉＴａＯ₃ は、切断の方位を選ぶことにより、温度特性の安定なものが得られており、表面波デバイス等に広く使用されているが、分極処理により伝搬特性の異なる領域を作ることは不可能になっている。
【００２２】
ここでの圧電振動子１の場合、圧電板１０の主面における中央部近傍の電極１１，１２，１３の端部によって囲まれる局部に平坦部１０ｂの周囲に窪み部１０ａを形成する細部構造を改良しているため、圧電単結晶体を用いることも有効であり、特に材料は限定されない。何れにせよ、このような圧電振動子１を駆動及び検出機能を有する電気回路を備えた基板上に搭載すれば、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が得られる。
【００２３】
図２は、図１に示す圧電振動子１を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の一例に係る構成を示したブロック図である。この電気回路では、圧電振動子１における駆動用電極１１が接地接続されており、検出用電極１２，１３にはそれぞれ抵抗器２０，２１を介して交流電源２２が接続されている。又、検出用電極１２，１３の出力側はそれぞれ差動増幅回路２３の入力端子に接続され、差動増幅回路２３の出力側は検波回路２４を介して出力端子（圧電振動ジャイロのセンサ出力となる）に接続されている。
【００２４】
即ち、ここでは、圧電振動子１において駆動用電極１１を頂角の位置に配置すると共に、検出用電極１２，１３をそれぞれ底角の位置に配置し、駆動用電極１１を接地した上で、検出用電極１２，１３にそれぞれ抵抗器２０，２１を介して交流電源２２を接続している。
【００２５】
この圧電振動ジャイロの場合、交流電源２２からそれぞれ抵抗器２０，２１を介して検出用電極１２，１３に圧電板１０の厚み滑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、電極１１，１２，１３によって囲まれる領域に駆動用電極１１の中心と検出用電極１２の中心とを結ぶ方向のエネルギー閉じ込め滑り振動と、駆動用電極１１の中心と検出用電極１３の中心とを結ぶ方向のエネルギー閉じ込め滑り振動とが発生し、これらの振動が合成されて駆動用電極１１の中心と、検出用電極１２，１３の中心とを結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向のエネルギー閉じ込め滑り振動が発生する。
【００２６】
この状態で、図１に示されるように、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滑り振動の方向と直角な方向の厚み滑り振動が発生する。このコリオリ力により発生した厚み滑り振動により駆動用電極１１及び検出用電極１２の間と、駆動用電極１１及び検出用電極１３の間とにおけるインピーダンスが変化し、その結果として検出用電極１２，１３の端子電圧が変化する。
【００２７】
この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ため、検出用電極１２，１３の端子電圧の差を差動増幅回路２３により検出し、この電圧を検波回路２４により所定のタイミングで同期検波することにより、印加した回転角速度に比例した出力電圧を得ることができる。
【００２８】
図３は、図１に示す圧電振動子１を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の他例に係る構成を示したブロック図である。この電気回路では、圧電振動子１における駆動用電極１１は抵抗器３４及び交流電源２２を介して接地接続され、検出用電極１２，１３にはそれぞれ仮想接地機能を有する電流検出回路３５，３６が接続されている。又、電流検出回路３５，３６の出力側はそれぞれ差動増幅回路３７の入力側に接続され、差動増幅回路３７の出力側は検波回路３８に接続されている。ここでは検波回路３８の出力が圧電振動ジャイロのセンサ出力となる。
【００２９】
この圧電振動ジャイロの場合も上述した場合と同様に、交流電源２２から抵抗器３４を介して駆動用電極１１に圧電板１０の厚み滑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、駆動用電極１１の中心と検出用電極１２，１３の中心とを結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向にエネルギー閉じ込め滑り振動が発生する。
【００３０】
この状態で、図１に示されるように、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滑り振動の方向と直角な方向の厚み滑り振動が発生するため、このコリオリ力により発生した厚み滑り振動により検出用電極１２，１３からそれぞれ仮想接地機能を有する電流検出回路３５，３６に流れ込む電流に変化を生じ、電流検出回路３５，３６の出力電圧の差の電圧を差動増幅回路３７で検出し、この電圧を検波回路３８により所定のタイミングで同期検波することにより、印加した回転角速度に比例した出力電圧を得ることができる。
【００３１】
図４は、図１に示した圧電振動子１に採用される平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を説明するために構造を簡易化した圧電振動子の基本構成を示したもので、同図（ａ）はその平面図に関するもの，同図（ｂ）はその一方向からの側面図に関するものである。
【００３２】
この圧電振動子では、厚さ方向（ｚ軸方向）に分極軸成分を有する矩形の圧電板１００の中央部の同一面上にｘ軸方向に所定の間隔を有して対向するストリップ状の部分電極１０１，１０２が形成されている。部分電極１０１，１０２に挟まれている部分には、ほぼ板面に平行方向（ｘ軸方向）に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、電極間領域にはｘ方向に歪みが生じることになる。
【００３３】
そこで、部分電極１０１，１０２の寸法を使用する圧電板の特性に合わせて適当に設計すると、この歪み部分に厚み滑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辺には減衰して伝搬せずに閉じ込められるため、結果としてエネルギー閉じ込め振動子を成すことができる。又、この厚み滑り振動は、変位方向が板面に平行で波の伝搬方向が板厚方向の振動であるが、ここでは圧電板の板面に平行な電界によって生じるため、平行電界励振型厚み滑り振動とみなすことができる。
【００３４】
図５は、図４に示す圧電板１００が半波長で共振している場合の厚さ方向（ｚ軸方向）における変位分布を示したものである。ここでは、圧電板１００の変位が優れた対称性を示していることが判る。
【００３５】
図６は、本発明の他の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子１´の基本構成を示した斜視図である。
【００３６】
この圧電振動子１の場合も、図１に示したものと比べて基本構成は同じであるが、圧電板１０の主面の中央部近傍に残した平坦部１０ｂ及びその周囲の窪み部１０ａの形状が台形となっている。この圧電振動子１においても、図１に示したものの場合と同様に、２つの検出用電極１２，１３が駆動用電極１１への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置され、窪み部１０ａ及び平坦部１０ｂの形状が励振振動の方向に対して対称な形状（２つの検出用電極の対称軸と同じ軸に対して線対称の形状）を有するため、エネルギー閉込め状態（集中度）が良好になる。
【００３７】
図７は、本発明の別の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子１´の基本構成を示した斜視図である。
【００３８】
この圧電振動子１の場合、図１や図６に示したものでは電極１１，１２，１３の端部が窪み部１０ａ内に延在していたが、ここでは電極１１，１２，１３の端部が窪み部１０ａ内には進入しておらず、その周囲に沿うように延在している。この圧電振動子１においても、図１や図６に示したものの場合と同様に、２つの検出用電極１２，１３が駆動用電極１１への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置され、窪み部１０ａ及び平坦部１０ｂの形状が励振振動の方向に対して対称な形状（２つの検出用電極の対称軸と同じ軸に対して線対称の形状）を有するため、エネルギー閉込め状態（集中度）が良好になる。
【００３９】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明の圧電振動ジャイロ用圧電振動子によれば、リード線を用いないで入出力用端子への接続が可能な簡単な構造を有し、小型で薄型の高性能なものとして構成されるため、支持や固定によるジャイロ特性への影響が殆ど無く、強固に支持することが可能となり、結果として耐振動特性や耐衝撃特性に優れた高性能な圧電振動ジャイロが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【図２】図１に示す圧電振動子を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の一例に係る構成を示したブロック図である。
【図３】図１に示す圧電振動子を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の他例に係る構成を示したブロック図である。
【図４】図１に示した圧電振動子に採用される平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を説明するために構造を簡易化した圧電振動子の基本構成を示したもので、（ａ）はその平面図に関するもの，（ｂ）はその一方向からの側面図に関するものである。
【図５】図４に示す圧電板が半波長で共振している場合の厚さ方向（ｚ軸方向）における変位分布を示したものである。
【図６】本発明の他の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【図７】本発明の別の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【図８】従来の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
１０，１００ 圧電板
１０ａ 窪み部
１０ｂ 平坦部
１１ 駆動用電極
１２，１３ 検出用電極
１０１，１０２ 部分電極
２０，２１，３４ 抵抗器
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
５４，５５ リード端子

Claims (1)

1. 厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板の少なくとも一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた少なくとも一つの駆動用及び偶数の検出用を含む複数の電極が形成されると共に、該偶数の検出用電極を該駆動用電極への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置した平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を利用した圧電振動ジャイロにおいて、前記圧電板は、前記主面における前記中央部近傍の前記複数の電極の端部によって囲まれる局部に前記励振振動の方向に対して対称な形状を有する平坦部及び該平坦部の周囲に形成された窪み部を有することを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子。

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