JP3640003B2 - 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カメラの手ブレ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及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６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６を参照すると，正方形断面形状を有する金属角柱５１の隣合う面のほぼ中央部に，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。
【０００５】
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。従って，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）の回りに回転させると，コリオリ力の作用により，金属角柱５１は，圧電セラミックス薄板５３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５３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に比例する。従って，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に発生する電圧は，金属角柱５１の回転角速度に比例した電圧となる。
【０００６】
一方，ＦＭラジオやテレビの中間周波数フィルタには，図７（ａ）の平面図，図７（ｂ）の断面図，及び図８の側面図に示すようなエネルギー閉じ込め振動型フィルタが用いられている。この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。
【０００７】
図７（ａ）及び（ｂ）を参照して，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，図に示すように，６ｍｍ×６ｍｍで厚さ０．２ｍｍの圧電板６１を用いて，そのほぼ中央部の直径１．５ｍｍの領域に駆動電極６２，６３及び６４を形成したＦＭラジオ用１０．７ＭＨｚセラミックフィルタにおいて，図８に示すように，駆動電極６２，６３及び６４を中心として直径約３ｍｍの両面に空洞部分６６を形成すれば，その他の部分を樹脂６５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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示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，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。
【０００９】
一方，図７に示した圧電振動子を用いることができれば，上記したように小形，薄形であるという課題を解決できるものと考えられる。
【００１０】
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，検出回路を振動ジャイロを構成した基板上に構成した，小形，薄形の圧電振動ジャイロを提供することにある。
【００１１】
【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方の主面のほぼ中央部のおよそ二等辺三角形を構成する各頂点の位置に第１，第２，及び第３の電極を形成し，前記第１の電極を頂角の位置，前記第２及び第３の電極をそれぞれ底角の位置に配置し，前記第２及び第３の電極をそれぞれ仮想接地機能を有する第１及び第２の電流検出回路に接続し，前記第１の電極に励振用の駆動電圧を印加し，前記圧電板を主面と直交する軸の回りに回転させたときに前記第１及び第２の電流検出回路出力間に生ずる差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。
【００１２】
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請求項１に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が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は，本発明の実施の形態によるエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロの圧電振動子の構造を示す斜視図である。図１に示すように，圧電振動子１は，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の及び二等辺三角形を構成する各頂点の位置に第１の電極１１，第２の電極１２，及び第３の電極１３が形成されている。
【００１５】
図２は図１の圧電振動子１に接続される回路構成を示すブロック図である。図２を参照すると，圧電振動子１は，第１の電極１１には，交流電源２１が接続され，第２及び第３の電極１２及び１３に，電流検出回路１８，１９がそれぞれ接続されている。電流検出回路１８，１９の出力側には，差動増幅回路２２が接続され，検波回路２３を介して，圧電振動ジャイロのセンサ出力となる。
【００１６】
図３は，図２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用いた仮想接地機能を有する電流検出回路の構成例を示す図である。図３に示す電流検出回路１８，１９は，機能的には入力インピーダンスがほぼ０で，入力電流に比例した出力電圧を得ることが出来る回路である。
【００１７】
次に更に具体的に本発明の実施の形態による圧電振動子の駆動原理を図面を参照して説明する。
【００１８】
図４（ａ）及び（ｂ）は，図１及び２に示した平行電界励振型厚みすべりエネルギー閉じ込め振動子の基本構造を夫々示す平面図及び電極部分のみを示す断面図である。図４（ａ）及び（ｂ）を参照すると，厚さ方向（ｚ軸方向）に分極された圧電板１０の中央部の同一面上に，ｘ軸方向に対向する部分電極１４，１５が形成されている。部分電極１４，１５に挟まれている部分には，ほぼ板の面に平行な方向（ｘ軸方向）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１４，１５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。この厚みすべり振動とは，変位方向が板面に平行で，波の伝搬方向が板の厚さ方向の振動である。図５に示すように，半波長で共振している場合，厚さ方向（ｚ）の変位分布が示されている。
【００１９】
図１に戻って，第１の電極１１を頂角の位置に，第２の電極１２及び第３の電極１３をそれぞれ底角の位置に配置し，第２の電極１２及び第３の電極１３をそれぞれ仮想接地機能を有する電流検出回路１８及び１９に接続する。第２の電極１２及び第３の電極１３は，仮想接地回路に接続されているため，電位的にはアース端子とみなすことができる。
【００２０】
従って，第１の電極１１に圧電板１０の厚みすべりモードの共振周波数にほぼ等しい周波数の励振用の駆動電圧を印加すると，第１，第２，及び第３の電極１１，１２及び１３によって囲まれる領域に，第１の電極１１の中心と，第２及び第３の電極１２及び１３の中心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１１と第２の電極１２間及び第１の電極１１と第３の電極１３間のインピーダンスが変化し，その結果として，電流検出回路１８及び１９に流れ込む電流値が変化する。第２の電極１２と第２の電極１３は，前述したように，励振されている厚みすべり振動の方向に対して対称に配置されているため，コリオリ力により変化する電流は，振幅が等しく，互いに１８０度位相の異なった電圧となる。
【００２１】
従って，電流検出回路１８及び１９の出力電圧も振幅が等しく，互いに１８０度位相の異なった電圧となり，これらの出力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。
【００２２】
従って，本発明において，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１１，１２，１３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。
【００２３】
【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型振動ジャイロの圧電振動子を示す斜視図である。
【図２】図１の圧電振動子に接続される回路構成を示すブロック図である。
【図３】図２のエネルギー閉じ込め型振動ジャイロに用いた仮想接地機能を有する電流検出回路の一例を示す回路図である。
【図４】図１及び図２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駆動原理を説明するための基本構成を示す図である。
【図５】図４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を示す図である。
【図６】従来の圧電振動ジャイロの一例を示す斜視図である。
【図７】従来のエネルギー閉じ込め振動子の構造図であり，（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図である。
【図８】図７のエネルギー閉じ込め振動子の支持構造を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
１０，６１ 圧電板
１１ 第１の電極
１２ 第２の電極
１３ 第３の電極
１４，１５ 部分電極
１８，１９ 電流検出回路
２１ 交流電源
２２ 差動増幅回路
２３ 検波回路
５１ 金属角柱
５２，５３ 圧電セラミックス薄板
５４，５５ リード端子
６２，６３，６４ 駆動電極
６５ 樹脂
６６ 空洞

Claims (2)

1. 厚さ方向に分極軸を有する圧電板の一方の主面のほぼ中央部のおよそ二等辺三角形を構成する各頂点の位置に第１，第２，及び第３の電極を形成し，前記第１の電極を頂角の位置，前記第２及び第３の電極をそれぞれ底角の位置に配置し，前記第２及び第３の電極をそれぞれ仮想接地機能を有する第１及び第２の電流検出回路に接続し，前記第１の電極に励振用の駆動電圧を印加し，前記圧電板を主面と直交する軸の回りに回転させたときに前記第１及び第２の電流検出回路出力間に生ずる差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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