JP2006266969A

JP2006266969A - 音叉形圧電振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2006266969A
Application number: JP2005087657A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Chiba; 光晴千葉; Koichi Shuda; 浩一習田; Akiko Oshima; 亜希子大島; Takeshi Mizuno; 豪水野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】圧電振動子の支持や実装が容易で、小型化に伴うＳＮ比の性能低下を抑制した量産性に優れる音叉形圧電振動ジャイロを提供する。
【解決手段】音叉形圧電振動子の面内方向に結晶の分極軸を設定することで、圧電振動子の幅方向の電界による圧電横効果をより大きくし、圧電振動子の１側面だけで電極を構成できるようにした。さらに、音叉形圧電振動子と対向する方向に一体化されたベースフレーム１を介して、面外振動モードの安定化を図るバランス用音叉形圧電振動子を配置し、これらのアーム２，３の先端に圧電振動子の共振周波数を低下させる幅広部２００，２０１を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電振動ジャイロに関し、特に、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラー体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープに好適な音叉型圧電振動ジャイロに関するものである。

振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。

振動ジャイロの中でも、電気的信号と機械的振動の変換を圧電効果で行うものを圧電振動ジャイロと呼び、電気的な信号を印加することで機械的な振動（駆動モード）を励起できる。予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、コリオリの作用による駆動振動と直交する方向の機械的な振動（検出モード）が発生し、その大きさを出力電圧として電気的に検出できる。検出された出力電圧は、駆動モードの大きさ及び角速度に比例する。また、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。

音叉形状の圧電振動子は、比較的支持が容易で、特に単結晶材料を用いた圧電振動ジャイロでは、単結晶材料の高いＱ値を活かして駆動振動の振動速度を速めることができるので、現在、圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子の形状は、音叉形、もしくは、変形音叉形が広く用いられている。

しかしながら、実際は比較的支持が容易なはずの音叉形の圧電振動子にも複雑な支持構造を必要とする。駆動モードとして用いる音叉のアームが左右対称に結晶の面内で振動する音叉振動モードは、圧電振動子のベースフレームに振動が漏れ難いので、支持が容易であるが、検出モードとして用いる音叉振動モードと直交する方向に振動する面外振動モードは、圧電振動子のベースフレームにねじれが生じるので、支持が困難となる。

音叉形圧電振動ジャイロに用いられる振動子の形状を改良することで安定な支持構造とする技術が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

２つの音叉形圧電振動子を接続し、Ｈ形の形状の構成で支持の安定化を図った技術が、特許文献１に開示されている。図６は、従来例２の圧電振動子の斜視図である。ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶のＸ軸に関して１３０°回転したＹ板の音叉形圧電振動子が２つ接続され、Ｈ形の形状の圧電振動子を構成する構造となっている。音叉振動を駆動するための電極が上部のアームに配置され、音叉振動と直交した方向への上下のアームの振動（面外方向の振動）を検出するための電極が下部アームに配置されている。この構造では、上下のアームの電極構成が異なるので、上下の音叉振動の共振周波数が一致しない。また、中央の胴体部が十分に長いので、上部アームの駆動電極で上部アームのみを音叉振動させることができる。この状態で圧電振動子の長さ方向の軸に角速度を印加すると、音叉振動および角速度の軸と直交した方向にコリオリ力が働き、結晶の面外方向の上下および左右で逆方向の振動が発生し、振動子のねじれの少ない振動となる。その結果、振動子の胴体部の側面中央付近での支持が可能となり、安定な支持特性が得られる。

また、圧電振動ジャイロの安定な支持構造に関する技術が、特許文献２に開示されている。図５は、従来例１の圧電振動子の斜視図である。圧電振動ジャイロ３１０は、２つの圧電振動子３１２ａおよび３１２ｂを備えた音叉形振動子を構成している。４角柱状の２つのねじれ防止用のアーム３３４ａおよび３３４ｂが、２つの圧電振動子３１２ａおよび３１２ｂの両側に基台３２４と一体化される。回転角速度が加わらない場合には、圧電振動子が基台の面内で振動するので、基台およびねじれ防止用のアームが動かない。それに対して、回転角速度が加わる場合には、ねじれ防止用のアームが圧電振動子に働くコリオリ力の反作用で自由振動を起こし、基台がねじれるエネルギーを閉じ込める。その結果、基台がねじれず、動かないので、圧電振動子の振動をダンピングすることなく、圧電振動ジャイロをより安定に基台に支持できる。

特開平１０―３８５７９号公報特開２０００―２５８１６４号公報

上述した特許文献１では、音叉形圧電振動子を２つ接続した構造なので、圧電振動子の長さが重要な特性パラメーターとなる。音叉形圧電振動子と同じ共振周波数であるＨ形の形状の圧電振動子を構成した場合には、音叉形圧電振動子に較べて、２倍以上の圧電振動子の長さが必要になるという問題があった。また、音叉形圧電振動子と同じ長さの圧電振動子を構成した場合には、音叉形圧電振動子に較べて、２倍以上の共振周波数になり、ＳＮ比の性能が低下するという問題があった。

上述した特許文献２では、基本的に片持ち梁の構造なので、実装時のバランスが悪く、実装方法に工夫が必要になるという問題があった。また、アームの先端に幅広部を形成することで共振周波数を低下させる構造にした場合には、直方体の４本のアームを平行に配置し、４本のアームの先端が隣り合う構造なので、効率良くその空間を利用できず、小型化に制約を与えるという問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、圧電振動子の支持や実装が容易で、小型化に伴うＳＮ比の性能低下を抑制した量産性に優れる音叉形圧電振動ジャイロを提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、第１および第２のアームと前記アームを基部で接続すると共に、取り囲むようにベースフレームが圧電体で一体化して形成され、前記第１および前記第２のアームに駆動および検出用の電極が施された音叉形圧電振動子を用いる音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記音叉形圧電振動子の主面の長さ方向に前記音叉形圧電振動子と対向させて、前記ベースフレームに一体化して形成された第３および第４のアームを備えた音叉形圧電振動ジャイロである。

第１の発明では、音叉形圧電振動子だけでなく、一体化されたベースフレームを介してバランス用音叉形圧電振動子を対向させて配置することで、音叉形圧電振動子の音叉振動モードだけでなく、面外振動モードの安定化も実現できる。音叉形圧電振動子は、ベースフレームの端部のみで支持可能であるのに対して、本発明では、ベースフレーム全体での支持が可能となり、圧電振動子の外周部全体を支持することで、より安定な支持が実現できる。

上記目的を達成するための第２の発明は、前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける先端部の側面は、前記第１および前記第２のアームの中心側から外側に向かった幅広部が設けられ、前記第３および第４のアームにおける先端部の側面には、前記第３および第４のアームの外側から中心側に向かった幅広部を設けられてなる音叉形圧電振動ジャイロである。

第２の発明では、本発明の圧電振動子は、アームの先端に共振周波数を低下させるための幅広部を形成する場合に第１および第２のアームの先端と第３および第４のアームの先端が隣り合って配置されないので、効率良くその空間を利用でき、圧電振動子の長手方向の長さを抑制でき、小型化に適した圧電振動子の提供を可能にする。

上記目的を達成するための第３の発明は、前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける主面に、各々第１、第２および第３の帯状電極を前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける主面の長手方向と平行に形成し、前記アームの長手方向と垂直な方向に電界を印加することで、音叉振動および前記音叉振動と直交した面外振動を励振または検出する音叉形圧電振動子を備えてなる音叉形圧電振動ジャイロである。

第３の発明では、圧電振動子の主面にだけ電極が配置されているので、非常に量産性に優れ、電極が他方の主面に配置されていないので、圧電振動子のトリミング等により自由度の高い構造になる。

上記目的を達成するための第４の発明は、前記圧電体からなる前記音叉形圧電振動子は、前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける主面と平行な方向に前記圧電体の分極軸を向けた音叉形圧電振動ジャイロである。

第４の発明では、アームの長手方向と垂直な方向の電界による圧電横効果がより大きくなる構造なので、より効率の良い圧電振動ジャイロを構成できる。

比較的支持が容易で共振周波数を低く設計できる音叉形圧電振動子を選択し、圧電振動子の面内方向に結晶の分極軸を設定することで、圧電振動子の幅方向の電界による圧電横効果をより大きくし、圧電振動子の１側面だけで電極を構成できるようにした。さらに、音叉形圧電振動子と対向する方向に一体化されたベースフレームを介して、面外振動モードの安定化を図るバランス用音叉形圧電振動子を配置することで、音叉形圧電振動子の面外振動モードで圧電振動子のベースフレームがねじれるのを防止でき、より安定な支持特性を得ることができる。また、これらのアームの先端に圧電振動子の共振周波数を低下させる幅広部を形成し、音叉形圧電振動子とバランス用音叉形圧電振動子の先端が隣り合わない構造なので、より効率良くその空間を利用でき、圧電振動ジャイロの小型化に有利である。

その結果、圧電振動子の表裏1面のみの電極配置でも十分な感度が得られる圧電振動ジャイロを構成でき、面外振動モードによるねじれを抑制したより安定な支持構造を実現し、圧電振動子の長手方向の長さを抑制した設計を可能とする。

本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動ジャイロは、以下に図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動ジャイロで使用する振動モードを示した斜視図である。図２は、本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動子の斜視図である。図３は、本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動ジャイロの圧電振動子の駆動および検出方法を示す図である。

最初に、本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動ジャイロの基本的な動作原理について説明する。音叉振動モードおよび面外振動モードに結合した電極を図１のような音叉形の圧電体に配置することで、励振および検出可能な音叉形圧電振動子を構成する。音叉振動モードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を電極に印加することで音叉振動モードを励振する。音叉振動モードの励振状態で圧電振動子の長さ方向の軸に角速度を印加する場合には、その角速度に比例したコリオリ力が働き、圧電振動子に面外振動モードが生じる。

この面外振動モードで発生する角速度に比例した電気信号を電極から取り出すことで、圧電振動ジャイロとして機能する。ここでは、駆動モードに音叉振動モード、検出モードに面外振動モードを利用しているが、駆動モードに面外振動モード、検出モードに音叉振動モードと入れ替えても利用できる。

平行で左右対称に配置された２本のアーム２および３とそれらを接続したベースフレーム１の圧電体を形成する。アーム２の長手方向と平行に駆動電極６とその左右に検出電極１０と基準電位電極９をアーム２に配置する。同様に、アーム３の長手方向と平行に駆動電極５とその左右に検出電極７と基準電位電極８をアーム３に配置する。結晶のＹ軸がＸ軸に関して圧電振動子の長手方向に４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板または圧電振動子の結晶のＹ軸がＸ軸に関して圧電振動子の長手方向に５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板を圧電体として使用する。その結果、圧電振動子の幅方向の電界に対しての圧電横効果が大きくなる。

圧電振動子の幅方向に電界を印加することで、圧電振動子の長手方向に歪を生じさせ、アームを屈曲できる。また、２本のアーム２および３と対向する方向にバランス用アーム２０４および２０５を配置する。バランス用アーム２０４および２０５は、アーム２および３の面外振動モード励振時に微小に変位する。この微小な変位により、圧電振動子のねじれを抑圧でき、ベースフレーム１での安定な支持が容易になる。

また、４本のアームの先端に形成した幅広部２００、２０１、２０２、２０３は、音叉振動モードおよび面外振動モードの共振周波数を低下させる効果がある。

一般に、圧電振動ジャイロのＳＮ比は、共振周波数に反比例する。これらの幅広部により圧電振動ジャイロの小型化にともなう高周波数化を回避でき、ＳＮ比の性能低下を抑制できる。さらに、本発明の構成では、音叉形圧電振動子のアームの先端とバランス用アームの先端が隣り合わないので、図２に示したように、より効率良く空間を利用できる。

本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。図４は、本発明の実施例における音叉形圧電振動ジャイロの回路構成を示すブロック図である。

本発明の実施例では、図２に示すように平行で左右対称に配置された２本のアーム２および３とそれらを接続したベースフレーム１の圧電体を形成した。アーム２の長手方向と平行に駆動電極６とその左右に検出電極１０と基準電位電極９をアーム２に配置した。同様に、アーム３の長手方向と平行に駆動電極５とその左右に検出電極７と基準電位電極８をアーム３に配置した。結晶のＹ軸がＸ軸に関して圧電振動子の長手方向に４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板または圧電振動子の結晶のＹ軸がＸ軸に関して圧電振動子の長手方向に５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板を圧電体として使用した。また、２本のアーム２および３と対向する方向にバランス用アーム２０４および２０５を配置した。

本発明の実施例では、圧電振動子の厚さを０．２５ｍｍ、アーム２および３の幅を９．２２ｍｍ、アーム２および３の長さを０．２４ｍｍ、幅広部２００および２０１の長さを０．８９ｍｍ、幅広部２００および２０１の幅を０．６６ｍｍ、バランス用アーム２０４および２０５の長さを１．９３ｍｍ、バランス用アーム２０４および２０５の幅を０．３３ｍｍ、幅広部２０２および２０３の長さを０．８９ｍｍおよび幅広部２０２および２０３の幅を０．７４ｍｍとした。

その結果、より効率良く空間を利用できるので、圧電振動子全体の幅を４．７５ｍｍ、圧電振動子全体の長さを３．４ｍｍの小型化を実現した。このように小型でありながら、共振周波数は、音叉振動モードおよび面外振動モードともに約２０ｋＨｚと低くできた。なお、図１（ｃ）に示した不要なバランスアームの音叉振動モードは、約４５ｋＨｚと高く設計している。

駆動電極６と検出電極１０および基準電位電極９の間に駆動電圧を印加することで図３（ａ）のような電界が発生した。その結果、駆動電極６の左右では、逆向きの電界になり、一方は長さ方向に伸び、もう一方は長さ方向に縮んだ。この結果より、音叉振動モードを駆動電極６で励振できることを確認した。同様に、駆動電極５と検出電極７および基準電位電極８の間に駆動電極６に加えた電圧と逆位相の電圧を印加することで、音叉振動モードを２倍の効率で励振できることを確認した。

さらに、アームの長手方向の軸に角速度を加えると、図３（ｂ）のようにコリオリ力の作用により圧電振動子の面と垂直方向に左右のアームが逆向きの振動（面外振動モード）が生じた。検出電極１０と基準電位電極９および検出電極７と基準電位電極８の間の信号差としてこの振動を検出できる。なお、面外振動モードで発生する検出電極７と検出電極１０の信号は、同振幅、同位相であった。

この実施例では、駆動モードに音叉振動モード、検出モードに面外振動モードを利用して圧電振動ジャイロを構成した場合について説明しているが、駆動モードと検出モードを入れ替えた場合も同様に使用できる。

図４に示すように、自励発振回路１０２から出力される信号を駆動電極６に印加すると同時に自励発振回路１０２から出力される信号を移相回路１００で位相を反転した信号を駆動電極５に印加して、音叉振動モードを励振した。検出電極７および１０には、オペアンプ１１と抵抗器１３およびオペアンプ１２と抵抗器１４で構成した電流検出回路を接続した。オペアンプの仮想接地で検出電極の電位は、基準電位に固定され、検出電極７および１０は、面外振動モードの検出と同時に駆動電界を印加するための基準電位を作ることができた。

また、２つの電流検出回路の出力は、加算回路１０１と自励発振回路１０２に入力され、加算回路１０１に入力された２つの信号の音叉振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相であった。その結果、加算回路１０１から同期検波回路１０３に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力の作用により発生した面外振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ１０４から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となった。

なお、自励発振回路１０２から出力された信号は、駆動電極６と移相回路１００に帰還されると同時に同期検波回路１０３の参照信号として利用される。

以上のとおり、本発明は、圧電振動子の表裏１面のみの電極配置でも十分な感度を有する音叉形圧電振動ジャイロを構成でき、面外振動モードによるねじれを抑圧し、より安定な支持構造を実現できた。さらに、低い共振周波数を維持しながら圧電振動子の長手方向の長さを抑制した設計を実現した。

すなわち、本発明により、圧電振動子の支持や実装が容易で、小型化に伴うＳＮ比の性能低下を抑制した量産性に優れる音叉形圧電振動ジャイロを提供できることを確認した。

本発明における音叉形圧電振動ジャイロの振動モードを示す斜視図。図１（ａ）は音叉振動モードの状態を示す図、図１（ｂ）は、面外振動モードの状態を示す図、図１（ｃ）は、バランスアーム音叉振動モードの状態を示す図。本発明における音叉形圧電振動ジャイロの振動子構成を示す斜視図。本発明における音叉形圧電振動ジャイロの圧電振動子の駆動および検出方法を示す図。図３（ａ）は音叉振動モードの励振の状態を示す図、図３（ｂ）は、面外振動モードの検出の状態を示す図。本発明の音叉形圧電振動ジャイロにおける実施例を示すブロック図。従来例１の圧電振動子の斜視図。従来例２の圧電振動子の斜視図。

符号の説明

１ベースフレーム
２，３アーム
５，６駆動電極
７，１０検出電極
８，９基準電位電極
１１，１２オペアンプ
１３，１４抵抗器
１００移相回路
１０１加算回路
１０２同期検波回路
１０３自励発振回路
１０４ローパスフィルタ
２００，２０１，２０２，２０３幅広部
２０４，２０５バランス用アーム

Claims

第１および第２のアームと前記アームを基部で接続すると共に、取り囲むようにベースフレームが圧電体で一体化して形成され、前記第１および前記第２のアームに駆動および検出用の電極が施された音叉形圧電振動子を用いる音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記音叉形圧電振動子の主面の長さ方向に前記音叉形圧電振動子と対向させて、前記ベースフレームに一体化して形成された第３および第４のアームを備えたことを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロ。
前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける先端部の側面は、前記第１および前記第２のアームの中心側から外側に向かった幅広部が設けられ、前記第３および第４のアームにおける先端部の側面には、前記第３および第４のアームの外側から中心側に向かった幅広部を設けられてなることを特徴とする請求項１記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける主面に、各々第１、第２および第３の帯状電極を前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける主面の長手方向と平行に形成し、前記アームの長手方向と垂直な方向に電界を印加することで、音叉振動および前記音叉振動と直交した面外振動を励振または検出する音叉形圧電振動子を備えてなることを特徴とした請求項１または２記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
前記圧電体からなる前記音叉形圧電振動子は、前記第１のアームおよび前記第２のアームにおける主面と平行な方向に前記圧電体の分極軸を向けたことを特徴とする請求項３記載の音叉形圧電振動ジャイロ。