JPH1183490A - 圧電振動ジャイロ用圧電振動子 - Google Patents
圧電振動ジャイロ用圧電振動子Info
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- JPH1183490A JPH1183490A JP9239835A JP23983597A JPH1183490A JP H1183490 A JPH1183490 A JP H1183490A JP 9239835 A JP9239835 A JP 9239835A JP 23983597 A JP23983597 A JP 23983597A JP H1183490 A JPH1183490 A JP H1183490A
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Abstract
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。 【解決手段】 この圧電振動子1では、厚さ方向に分極
軸成分を有する圧電板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電極1
1,12,13が形成され、電極11,12,13のう
ちの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ている。圧電板10は主面における
中央部近傍の電極11,12,13の端部によって囲ま
れる局部に励振振動の方向に対して対称な形状を有する
平坦部10b及びこれの周囲に形成された窪み部10a
を有し、電極11,12,13の端部は窪み部10a内
に延在して成るため、エネルギー閉込めの状態(集中
度)が良好になる。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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11,1
2,13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。
0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10
b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。
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11,1
2,13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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2からそれぞれ抵抗器20,21を介して検出用電極1
2,13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。
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1
1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。
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。
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35,3
6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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
したものでは電極11,12,13の端部が窪み部10
a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。
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。
電振動子の基本構成を示した斜視図である。
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。
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。
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。
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。
圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
成を示した斜視図である。
Claims (1)
- 【請求項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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP23983597A JP3690448B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 圧電振動ジャイロ用圧電振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP23983597A JP3690448B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 圧電振動ジャイロ用圧電振動子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1183490A true JPH1183490A (ja) | 1999-03-26 |
JP3690448B2 JP3690448B2 (ja) | 2005-08-31 |
Family
ID=17050576
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP23983597A Expired - Fee Related JP3690448B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 圧電振動ジャイロ用圧電振動子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3690448B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6526826B2 (en) | 2000-03-17 | 2003-03-04 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Angular speed sensor device |
-
1997
- 1997-09-04 JP JP23983597A patent/JP3690448B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6526826B2 (en) | 2000-03-17 | 2003-03-04 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Angular speed sensor device |
Also Published As
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JP3690448B2 (ja) | 2005-08-31 |
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