JP3724403B2 - 振動子およびそれを用いた振動ジャイロおよびそれを用いた電子装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は振動子およびそれを用いた振動ジャイロおよびそれを用いた電子装置、たとえばビデオカメラの手ぶれ補正装置やナビゲーションシステムなどに用いられる振動ジャイロ用の振動子およびそれを用いた振動ジャイロおよびそれを用いた電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の振動ジャイロ用の振動子としては、たとえば特開平7−151552号公報に開示された振動子(以下、従来例1とする)や特開平7−332988号公報に開示された振動子(以下、従来例2とする)などがある。
【0003】
従来例1においては、圧電体からなる円柱状の振動体の表面に櫛歯電極を対向させた交差指電極を形成し、櫛歯電極間に電圧を印加することによってその間の圧電体に分極を施し、さらにこの分極の施された櫛歯電極間に交流電圧を印加して振動させ、かつコリオリ力の検出を行っている。
【0004】
従来例2においては、互いに逆方向に分極された2つの圧電体基板を貼り合わせて振動子を形成し、その両面に形成された電極間に交流電圧を印加して振動させ、かつコリオリ力の検出を行っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例1の振動子においては、曲面に交差指電極を形成する必要があるために、電極形成に手間がかかり、コストアップの原因になるという問題がある。また、交差指電極からのリード線の取り出しも立体的なものになるため、取付に手間がかかったり、振動を妨げる原因になったりするという問題もある。
【0006】
一方、従来例2の振動子においては、2つの圧電体基板を貼り合わせる必要があるために、適切な接着条件が得られない場合には、雰囲気温度や湿度、経時変化などによって接着層の接合状態が変化する可能性がある。この場合には振動子の振動状態が変化し、コリオリ力の検出精度が変化するという問題が発生する。また、支持部材がリード線を兼ねているために、振動子の両面に支持部材を設ける必要があるが、これが組立工数を増加させるためにコストアップの原因になるという問題もある。
【0007】
本発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、電極形成が容易で、しかも組立工数も少なくて済む振動子およびそれを用いた振動ジャイロおよびそれを用いた電子装置を提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の振動子は、圧電体からなる柱状の振動体と、該振動体の表面にその長手方向に沿って形成された駆動電極、およびそれぞれ該駆動電極に隣接して形成された2つの検出電極とを備え、前記駆動電極と前記検出電極は、歯の方向が前記振動体の長手方向に直交する櫛歯電極を互いに対向させてなる交差指電極部を有し、前記振動体が長手方向に分極処理されているとともに、前記交差指電極部において前記駆動電極が前記検出電極に対して前記振動体の長手方向に偏って形成されていることを特徴とする。
【0010】
さらに、前記振動体が長手方向に沿った平面部を有し、該平面部に前記駆動電極および前記検出電極が形成されていることを特徴とする。
【0012】
また、本発明の振動子は、圧電体からなる柱状の振動体と、該振動体の表面にその長手方向に沿って形成された駆動電極、該駆動電極に隣接して形成された基準電極、およびそれぞれ該基準電極に隣接して形成された2つの検出電極とを備え、前記駆動電極と前記基準電極、および前記基準電極と前記検出電極は、歯の方向が前記振動体の長手方向に直交する櫛歯電極を互いに対向させてなる交差指電極部を有し、前記振動体は長手方向に分極処理されているとともに、前記交差指電極部において前記駆動電極および前記検出電極が前記基準電極に対して前記振動体の長手方向に偏って形成されていることを特徴とする。
【0013】
そして、前記振動体が長手方向に沿った平面部を有し、該平面部に前記駆動電極、前記基準電極および前記検出電極が形成されていることを特徴とする。
【0014】
また、本発明の振動子は、上記の各振動子において、前記振動体の振動のノードの近傍において、支持部材が前記平面部に貼り付けて設けられていることを特徴とする。
【0015】
また、本発明の振動ジャイロは、上記の振動子を用いたことを特徴とする。
【0016】
また、本発明の電子装置は、上記の振動ジャイロを用いたことを特徴とする。
【0017】
このように構成することにより、本発明の振動子においては、低コスト化と性能の安定化を図ることができる。
【0018】
また、本発明の振動ジャイロにおいては、低コスト化と高性能化を図ることができる。
【0019】
また、本発明の電子装置においても、低コスト化と高性能化を図ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の振動子の一実施例の斜視図を示す。図1において、振動子1は、圧電体からなる四角柱状の振動体2と、振動体2の1つの平面部2aに形成された駆動電極3および検出電極4、5と、振動体2の振動のノードの近傍において、平面部2aに貼り付けて設けられた金属からなる導電性の支持部材6、7、8から構成されている。
【0021】
このうち、駆動電極3は振動体2の長手方向に沿って形成され、検出電極4、5は駆動電極3の両側に隣接して、駆動電極3と同様に振動体2の長手方向に沿って形成されている。そして、駆動電極3と検出電極4、および駆動電極3と検出電極5はいずれも歯の方向が振動体2の長手方向に直交する櫛歯電極を互いに対向させてなる交差指電極部を有している。さらに、駆動電極3は支持部材6の貼り付けられた位置まで延びて形成され、支持部材6と電気的に接続されており、検出電極4、5はそれぞれ支持部材7、8の貼り付けられた位置まで延びて形成され、支持部材7、8と電気的に接続されている。なお、支持部材6、7、8の端部は、振動子1を支持する支持基板あるいはたとえば枠状の筐体などに固定されることになり、このため、振動体2は支持部材6、7、8によって中空に支持されることになる。
【0022】
ここで、図2に、図1の振動子1における駆動電極3と検出電極4、5の部分拡大図を示す。ここで、矢印は各電極が形成された表面およびその近傍における振動体2を構成する圧電体の分極方向を示している。図2を見てわかるように、振動子1においては、検出電極4および5から駆動電極3に向かって圧電体が分極されている。このような圧電体の分極は、振動体2に駆動電極3と検出電極4、5を形成した後に、駆動電極3と検出電極4、5との間に大きな電圧を印加することによって実現される。
【0023】
振動子1において、駆動電極3と検出電極4、5との間に交流電圧を印加すると、駆動電極3と検出電極4、5が振動体2の長手方向に関して対向している部分において、その間の圧電体が長手方向に伸縮する。これによって、振動子1は平面部2aの面に直交する方向に屈曲する両端開放屈曲振動を行う。なお、駆動電極3と検出電極4、5は振動体2の幅方向にも対向する部分があるが、振動体2の長手方向に関して対向する部分に比べて対向部分の電極の長さが短いために、実質的に幅方向にはほとんど屈曲することはない。
【0024】
このように構成された振動子1においては、振動体2が単一の圧電体から構成されているために、2つの圧電体を貼り合わせる場合のような不都合は発生しない。また、振動体2の1つの平面部2aに電極を形成しているために、曲面に形成する場合に比べて電極形成が非常に容易になる。さらに、支持部材6、7、8が振動体2の1つの平面部2aのみに貼り付けられる構成になっているため、支持部材の取付が非常に簡単になる。
【0025】
ここで、図3に、本発明の振動ジャイロの一実施例のブロック図を示す。ここでは、図1に示した本発明の振動子1を用いている。なお、図3においては、振動子1は平面図で記載している。
【0026】
図3に示した振動ジャイロ10において、検出電極4はリードとしての支持部材7を介して負荷抵抗11の一端に接続されており、負荷抵抗11の他端は接地されている。また、検出電極5もリードとしての支持部材8を介して負荷抵抗12の一端に接続されており、負荷抵抗12の他端は接地されている。負荷抵抗11の一端と負荷抵抗12の一端はそれぞれ加算回路13の2つの入力に接続され、加算回路13の出力はAGC回路14と位相回路15を順に介して、さらにリードとしての支持部材6を介して駆動電極3に接続されている。負荷抵抗11の一端と負荷抵抗12の一端はさらにそれぞれ差動回路16の2つの入力にも接続されており、差動回路16の出力は同期検波回路17に接続されている。同期検波回路17にはAGC回路14の出力も同期信号(検波信号)を入力するために接続されている。同期検波回路17の出力は平滑回路18と増幅回路19を順に介して出力端子20に接続されている。
【0027】
このように構成された振動ジャイロ10において、振動子1、加算回路13、AGC回路14、位相回路15で構成される閉ループによって自励発振回路が構成され、それによって振動子1は平面部2aに垂直な方向に屈曲振動する。屈曲振動する振動子1に対して振動体2の長手方向を回転の軸とする角速度が印加されると、振動子1はコリオリ力によって幅方向(振動体2の長手方向に直交し、かつ平面部2aの面に平行な方向)に振動する。この幅方向の振動によって、検出電極4と5からは、駆動による屈曲振動に基づく同相の信号に加えて、コリオリ力による互いに位相の反転した信号が出力される。そして、差動回路16でこのコリオリ力による信号のみが取り出され、同期検波回路17で同期検波され、平滑回路18で平滑され、増幅回路19で増幅されて、出力端子20からコリオリ力に応じた直流電圧として取り出される。
【0028】
このように構成された振動ジャイロ10においては、本発明の振動子1を用いているために、低コスト化と高性能化を図ることができる。
【0029】
図4に、本発明の振動子の別の実施例を示す。図4においては、交差指電極部における駆動電極3と検出電極4、5の部分拡大図のみを示しているが、振動子の全体的な構成は図1に示した振動子1と同じである。ここでは、これを振動子25とする。
【0030】
図4に示した振動子25において、駆動電極3の櫛歯電極は検出電極4、5の櫛歯電極に対して振動体の長手方向に偏って形成されている。しかも、振動子1における振動体2の場合とは異なり、少なくとも電極の形成された面において振動体の圧電体は全て同じ方向である振動体の長手方向に分極されている。このような圧電体の分極は、振動子1の場合とは異なり、駆動電極3や検出電極4、5を利用して分極を行うということはせず、電極形成の前あるいは後において何らかの手段で振動体2の長手方向に電圧を印加することによって実現される。
【0031】
振動子25において、駆動電極3と検出電極4、5との間に交流電圧を印加すると、駆動電極3と検出電極4、5の間の両者が振動体の長手方向に関して対向している部分において、両者が近接しているところと離れているところでは伸縮の方向が逆になる。しかしながら、駆動電極3と検出電極4、5が近接しているところにおいては両者の間の圧電体が長手方向に強く伸縮し、逆に、駆動電極3と検出電極4、5が離れているところにおいては両者の間の圧電体が長手方向に弱く伸縮するため、実質的に駆動電極3と検出電極4、5が近接しているところにおける伸縮が支配的になる。これは2つの電極が近接している方が圧電体に加わる電界が強くなるためである。これによって、振動子25は、振動体の平面部の面に直交する方向に屈曲する両端開放屈曲振動を行う。
【0032】
このように構成された振動子25においては、構成的には振動子1とほとんど変わることがないため、振動子1と同様の作用効果を奏することができる。
【0033】
なお、上記の2つの実施例においては、柱状の振動子に形成された平面部に駆動電極と検出電極を形成していたが、必ずしもそれに限るものではなく、たとえば円柱状の振動子の側面に各電極を形成しても構わないものである。
【0034】
図5に、本発明の振動ジャイロの別の実施例のブロック図を示す。ここで、振動ジャイロ30には、本発明の振動子のさらに別の実施例である振動子31が用いられている。図5においては、振動子31は平面図で記載している。なお、図5において、図3と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【0035】
図5において、振動子31は、圧電体からなる四角柱状の振動体32と、振動体32の1つの平面部32aに形成された駆動電極33、基準電極34、および検出電極35、36と、振動体32の振動のノードの近傍において、平面部32aに貼り付けて設けられた金属からなる導電性の支持部材37、38、39、40から構成されている。
【0036】
ここで、図6に、図5の振動子31における駆動電極33と基準電極34と検出電極35、36の部分拡大図を示す。図6において、駆動電極33と基準電極34、基準電極34と検出電極35、および基準電極34と検出電極36はいずれも歯の方向が振動体32の長手方向に直交する櫛歯電極を互いに対向させてなる交差指電極部となっている。そして、矢印は各電極が形成された表面部分における振動体32を構成する圧電体の分極方向を示している。図6を見てわかるように、振動体32の少なくとも交差指電極部の形成された表面およびその近傍においては、駆動電極33と検出電極35および36から基準電極34に向かって圧電体が分極されている。このような圧電体の分極は、振動体32に駆動電極33と基準電極34と検出電極35、36を形成した後に、駆動電極33および検出電極35、36と基準電極34との間に大きな電圧を印加することによって実現される。
【0037】
このように構成された振動子31においても、振動子1の場合と同様に2つの圧電体を貼り合わせる場合のような不都合は発生しない。また、振動体32の1つの平面部32aに電極を形成しているために、電極形成が非常に容易になる。さらに、支持部材37、38、39、40が振動体32の1つの平面部32aに貼り付けられる構成になっているため、支持部材の取付が非常に簡単になる。
【0038】
振動子31において、駆動電極33と基準電極34との間に交流電圧を印加すると、平面部32aの両者が振動体32の長手方向に関して対向している部分において、間の圧電体が長手方向に伸縮する。これによって、振動子31は平面部32aの面に直交する方向に屈曲する両端開放屈曲振動を行う。なお、駆動電極33と基準電極34は振動体32の幅方向にも対向する部分があるが、振動体32の長手方向に関して対向する部分に比べて長さが短いために、幅方向にはほとんど屈曲することはない。
【0039】
屈曲振動する振動子31に、振動体32の長手方向を回転の軸とする角速度が印加されると、振動子31はコリオリ力によって幅方向にも屈曲振動する。この幅方向の屈曲振動によって、検出電極35と基準電極34の間、および検出電極36と基準電極34の間には、駆動による屈曲振動に基づく同相の信号に加えて、コリオリ力による互いに位相の反転した信号が発生する。
【0040】
ここで、振動ジャイロ30の説明に戻る。図5に示した振動ジャイロ30において、検出電極35はリードとしての支持部材39を介してチャージアンプ41に接続されており、その出力は加算回路13と差動回路16にそれぞれ接続されている。また、検出電極36もリードとしての支持部材40を介してチャージアンプ42に接続されており、その出力は加算回路13と差動回路16にそれぞれ接続されている。また、位相回路15の出力はリードとしての支持部材37を介して駆動電極33に接続されている。そして、基準電極34はリードとしての支持部材38を介して接地されている。
【0041】
このように構成された振動ジャイロ30においても、振動ジャイロ10の場合と同様に振動子31を自励発振によって屈曲振動させ、コリオリ力に応じた出力を得ることができる。そして、振動ジャイロ30においては、本発明の振動子31を用いているために、低コスト化と高性能化を図ることができる。
【0042】
なお、振動子31においては、振動子1の場合と同様に電極形成の後で圧電体の分極を行う構成としたが、振動子1に対応する振動子25と同様に、振動体の圧電体を、少なくとも電極の形成された面において振動体の長手方向に分極し、それとともに基準電極の櫛歯電極に対して駆動電極と検出電極の櫛歯電極を振動体の長手方向に偏って形成したものであっても構わないもので、振動子31の場合と同様の作用効果を奏するものである。
【0043】
しかも、上記のように振動体の圧電体を長手方向に分極する場合には、各電極は必ずしも振動子の平面部に形成されなければならないものではなく、たとえば円柱状の振動子の側面に各電極を形成しても構わないものである。
【0044】
図7に、本発明の電子装置の一実施例であるビデオカメラの斜視図を示す。図7において、ビデオカメラ50は、手ぶれ補正用に本発明の振動ジャイロ10を備えている。
【0045】
このように構成されたビデオカメラ50においては、本発明の振動ジャイロ10を備えているために低コスト化と高性能化を図ることができる。
【0046】
なお、本発明の電子装置としては、ビデオカメラに限られるものではなく、振動ジャイロを同じく手ぶれ補正用に用いるデジタルカメラや、位置検出に用いるナビゲーションシステム、自動車の横転検出システムなど、振動ジャイロを用いるあらゆる電子装置を含むものである。
【0047】
【発明の効果】
本発明の振動子によれば、圧電体からなる柱状の振動体と、その表面にその長手方向に沿って形成された駆動電極、およびそれぞれ駆動電極に隣接して形成された2つの検出電極とを備え、また必要に応じて駆動電極と検出電極の間に設けられる基準電極を備え、しかもそれらが歯の方向が振動体の長手方向に直交する櫛歯電極を互いに対向させてなる交差指電極部となっており、さらに特にそれらの電極を振動体に設けられた平面部に形成することによって、低コスト化と性能の安定化を図ることができる。
【0048】
また、本発明の振動ジャイロによれば、本発明の振動子を用いることによって、低コスト化と高性能化を図ることができる。
【0049】
また、本発明の電子装置によれば、本発明の振動ジャイロを用いることによって、低コスト化と高性能化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の振動子の一実施例を示す斜視図である。
【図2】図1の振動子の電極を示す部分拡大図である。
【図3】本発明の振動ジャイロの一実施例を示すブロック図である。
【図4】本発明の振動子の別の実施例の電極を示す部分拡大図である。
【図5】本発明の振動ジャイロの別の実施例を示すブロック図である。
【図6】図5の振動ジャイロに含まれる本発明のさらに別の振動子の電極を示す部分拡大図である。
【図7】本発明の電子装置の一実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1、25、31…振動子
2、32…振動体
2a、32a…平面部
3、33…駆動電極
4、5、35、36…検出電極
6、7、8、37、38、39、40…支持部材
10、30…振動ジャイロ
11、12…負荷抵抗
13…加算回路
14…AGC回路
15…位相回路
16…差動回路
17…同期検波回路
18…平滑回路
19…増幅回路
20…出力端子
41、42…チャージアンプ
50…ビデオカメラ
Claims (7)
- 圧電体からなる柱状の振動体と、該振動体の表面にその長手方向に沿って形成された駆動電極、およびそれぞれ該駆動電極に隣接して形成された2つの検出電極とを備え、
前記駆動電極と前記検出電極は、歯の方向が前記振動体の長手方向に直交する櫛歯電極を互いに対向させてなる交差指電極部を有し、
前記振動体は長手方向に分極処理されているとともに、前記交差指電極部において前記駆動電極が前記検出電極に対して前記振動体の長手方向に偏って形成されていることを特徴とする、振動子。 - 前記振動体は長手方向に沿った平面部を有し、該平面部に前記駆動電極および前記検出電極が形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の振動子。
- 圧電体からなる柱状の振動体と、該振動体の表面にその長手方向に沿って形成された駆動電極、該駆動電極に隣接して形成された基準電極、およびそれぞれ該基準電極に隣接して形成された2つの検出電極とを備え、
前記駆動電極と前記基準電極、および前記基準電極と前記検出電極は、歯の方向が前記振動体の長手方向に直交する櫛歯電極を互いに対向させてなる交差指電極部を有し、
前記振動体は長手方向に分極処理されているとともに、前記交差指電極部において、前記駆動電極および前記検出電極が前記基準電極に対して前記振動体の長手方向に偏って形成されていることを特徴とする振動子。 - 前記振動体は長手方向に沿った平面部を有し、該平面部に前記駆動電極、前記基準電極および前記検出電極が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の振動子。
- 前記振動体の振動のノードの近傍において、支持部材が前記平面部に貼り付けて設けられていることを特徴とする、請求項2または4に記載の振動子。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の振動子を用いたことを特徴とする振動ジャイロ。
- 請求項6に記載の振動ジャイロを用いたことを特徴とする電子装置。
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