JP3698840B2 - 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装置等に用いられるジャイロスコープに属されると共に、超音波振動を利用した圧電振動ジャイロ用圧電振動子に関し、詳しくは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た圧電振動ジャイロ用圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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する。
【０００３】
一般に、圧電振動ジャイロは、互いに直交する２つの方向の励振とその検出とが可能であるように構成した複合振動系において、一方の入力側で振動を励振した状態で圧電振動子を回転させると、上述したコリオリ力の作用によって、この振動と直角な方向に力が作用し、他方の出力側で振動が励振される。ここで、出力側に励振される振動の大きさは、入力側の振動の振幅（大きさ）及び圧電振動子の回転角速度に比例するため、入力側の振動振幅（駆動電圧）を一定にした場合、出力側から得られる出力電圧（検出電圧）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４は、従来の圧電振動ジャイロ用圧電振動子１００の基本構成を示した斜視図である。この圧電振動子１００は、正方形断面形状を有する金属角柱１０１の隣合う面のほぼ中央部に圧電セラミックス薄板１０２，１０３が接合されている。これらの圧電セラミックス薄板１０２，１０３は、それぞれ両面に電極が形成されて厚さ方向に分極されており、それぞれの一面（表面）に引き出し用のリード端子１０４，１０５が形成されている。
【０００５】
正方形断面の金属角柱１０１には、互いに直交する２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２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１０２に金属角柱１０１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１０２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１０１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って金属角柱１０１は圧電セラミックス薄板１０３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、こうした圧電効果によって圧電セラミックス薄板１０３に電圧が発生する。
【０００６】
ここで発生する電圧の大きさは、圧電セラミックス薄板１０２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。従って、圧電セラミックス薄板１０２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１０３に発生する電圧は、金属角柱１０１の回転角速度に比例した電圧となる。
【０００７】
ところで、ＦＭラジオやテレビの中間周波数フィルタには、エネルギー閉じ込め振動モードを利用した構造の振動子（以下、単にエネルギー閉じ込め型振動子と呼ぶ）が用いられている。
【０００８】
図５は、従来のエネルギー閉じ込め型振動子の基本構成を示したものであり、同図（ａ）はその平面図に関するもの，同図（ｂ）はその断面図に関するものである。
【０００９】
但し、ここで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を示すものであり、これには圧電板１０の厚さ方向の縦振動や滑り振動の他、圧電矩形板の縦振動や滑り振動等がある。
【００１０】
図５（ａ），（ｂ）を参照すると、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５（ａ）に示されるように、縦６ｍｍ×横６ｍｍで厚さ０．２ｍｍの圧電板１０を用いて、一方の主面のほぼ中央部の直径１．５ｍｍの領域に駆動電極５１，５２を形成すると共に、他方の主面に駆動電極５１，５２に対向する部分から延在する領域に駆動電極５３を形成してＦＭラジオ用１０．７Ｍｈｚセラミックフィルタを得たとする。
【００１１】
この場合のセラミックフィルタ（エネルギー閉じ込め型振動子）の支持構造は、図６に示されるように、駆動電極５１，５２，５３を中心として直径約３ｍｍの領域の両面に空洞部５４を形成するものとして、その他の部分を樹脂５５で固定すれば良い。こうした構造としても振動子特性には殆ど影響を与えない。即ち、このエネルギー閉じ込め型振動子の場合、リード端子の形成が自由であり、支持構造による影響の無いフィルタとすることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した図４に示す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、圧電振動子の支持，固定を振動の節の位置で行わなければならず、この作業が煩雑である上、圧電振動ジャイロを組み立てる製造工程で駆動・検出回路と圧電振動子の電極とをリード線で接続する際、接続状態にばらつきがあるとジャイロ特性がばらつくことになるため、ばらつきを抑制し得るように精度良く接続を行わなければならないが、こうした接続作業には困難を伴う他、駆動・検出回路を配備した基板上に、保持具により支持された圧電振動子を載せて組み立てを行うため、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がある。
【００１３】
これに対し、図５（ａ），（ｂ）に示したエネルギー閉じ込め型圧電振動子の場合には、こうした問題が解決され、入出力用端子をリード線を用いないで接続することが可能である上、駆動・検出回路を配備した基板上に圧電振動子を組み合わせて圧電振動ジャイロを構成することが容易になると類推されるが、ここでの圧電振動子は構造的に電極の配置等の細部構成が圧電振動ジャイロ用ではないため、そのままでは適用できないという問題がある。
【００１４】
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、入出力用端子をリード線を用いないで接続可能であると共に、簡素な構成で小形で薄形の圧電振動ジャイロを容易に製造し得るエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロ用圧電振動子を提供することにある。
【００１５】
【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と、圧電板の一方の主面の略中央部に所定の間隔を隔てて対向形成された第１の対電極と、圧電板の一方の主面の略中央部であって、第１の対電極に対して９０度回転させた位置に所定の間隔を隔てて対向形成された第２の対電極と、圧電板の他方の主面の略中央部であって、第１の対電極及び第２の対電極が形成された領域間の対向する位置に該第１の対電極及び該第２の対電極の延在する方向とは４５度ずれた方向に延在して所定の間隔を隔てて対向形成された第３の対電極とを含み、更に、第３の対電極間に励振用の電圧を印加し、圧電板を一方の主面及び他方の主面と直交する軸の回りに回転させたときに第１の対電極間及び第２の対電極間に発生する出力電圧の差の電圧を検出するように構成された圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、第３の対電極の間隔は、第１の対電極の間隔及び第２の対電極の間隔よりも大きい圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【００１６】
更に、本発明によれば、上記圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、圧電板における第１の対電極から第２の対電極が形成された領域近傍のみを厚さ方向に分極した圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【００１７】
加えて、本発明によれば、上記何れかの圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、圧電板には圧電セラミックスを用いた圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例に係るエネルギー閉じ込め型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。
【００２０】
この圧電振動子１は、厚さ方向に分極軸を有する圧電板１０に対し、その一方の主面の略中央部に所定の間隔を隔てて対向形成された第１の対電極１１ａ，１１ｂと、一方の主面の略中央部であって、第１の対電極１１ａ，１１ｂに対して９０度回転させた位置に所定の間隔を隔てて対向形成された第２の対電極１２ａ，１２ｂと、その他方の主面の略中央部であって、第１の対電極１１ａ，１１ｂ及び第２の対電極１２ａ，１２ｂが形成された領域間の対向する位置にこれらの対電極の延在する方向とは４５度ずれた方向に延在して形成された第３の対電極１３ａ，１３ｂ（破線で示す）とを含んで成っている。
【００２１】
但し、この圧電振動子１では、第３の対電極１３ａ，１３ｂ間に励振用の電圧を印加し、圧電板１０を一方の主面及び他方の主面と直交する軸の回りに回転させたときに第１の対電極１１ａ，１１ｂ間及び第２の対電極１２ａ，１２ｂ間に発生する出力電圧の差の電圧を検出するように構成されている。即ち、ここでは第３の対電極１３ａ，１３ｂが振動駆動用となっており、第１の対電極１１ａ，１１ｂ及び第２の対電極１２ａ，１２ｂが振動検出用となっている。
【００２２】
又、第１の対電極１１ａ，１１ｂ及び第２の対電極１２ａ，１２ｂと、第３の対電極１３ａ，１３ｂとの距離が近いと、これらの対電極を駆動・検出回路の接続して電位を固定した際、電解方向の乱れを生じてエネルギー閉じ込め振動モードの滑り振動を駆動・検出し難くなってしまうため、これを避けるために第３の対電極１３ａ，１３ｂの間隔を第１の対電極１１ａ，１１ｂの間隔及び第２の対電極１２ａ，１２ｂの間隔よりも大きくしており、これによって第３の対電極１３ａ，１３ｂにおいて接続される電位がエネルギー閉じ込め振動モードに影響し難くしている。
【００２３】
更に、ここでは圧電板１０に圧電セラミックスを用いており、圧電板１０における第１の対電極１１ａ，１１ｂから第２の対電極１２ａ，１２ｂが形成された領域近傍のみを厚さ方向に分極している。
【００２４】
この圧電振動子１における駆動原理は、後文で詳述するが、第３の対電極１３ａ，１３ｂ間に周波数が圧電板１０の厚み滑りモードの共振周波数にほぼ等しい励振用の交流電圧を印加すると、第３の対電極１３ａ，１３ｂが対向する領域に、これらの対電極１３ａ，１３ｂが対向する方向のエネルギー閉じ込め振動モードの滑り振動が発生する。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滑り振動モードの方向と直角な方向に厚み滑り振動が発生する。
【００２５】
このコリオリ力により発生した厚み滑り振動によって、第１の対電極１１ａ，１１ｂ間と第２の対電極１２ａ，１２ｂ間とのそれぞれに電圧を発生するが、第１の対電極１１ａ，１１ｂに発生した電圧と、第２の対電極１２ａ，１２ｂに発生した電圧とは、それぞれの対電極（１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂ）が励振されている厚み滑り振動の方向に対してそれぞれ±４５度だけ方向がずれているため、振幅が等しくて互いに１８０度位相の異なった電圧となる。
【００２６】
従って、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。
【００２７】
即ち、この圧電振動子１においては、上述したように振動駆動用の第３の対電極１３ａ，１３ｂの間隔を振動検出用である第１の対電極の間隔１１ａ，１１ｂ及び第２の対電極１２ａ，１２ｂの間隔よりも大きく設定することで駆動電極の電位が検出電極の出力に影響され難くしているが、これ以外にも特に圧電板１０として圧電セラミックスを用いた場合には、第１の対電極１１ａ，１１ｂから第２の対電極１２ａ，１２ｂが形成された領域近傍のみを厚さ方向に分極することで各対電極（１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂ）が対向する領域に不要振動の無い精度高いエネルギー閉じ込め振動を励振することが可能になるため、これも重要な要素となっている。
【００２８】
次に、このようなエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロ用圧電振動子の動作原理について、更に詳しく説明する。
【００２９】
図２は、上述した圧電振動ジャイロ用圧電振動子を単純化した場合の厚み滑りエネルギー閉じ込め型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）はその側面断面図に関するものである。又、図３は、図２に示した厚み滑りエネルギー閉じ込め型圧電振動子の厚さ方向（ｚ軸方向）における変位分布を示したものである。
【００３０】
この厚み滑りエネルギー閉じ込め型圧電振動子では、平行電解励振型と呼ばれるもので、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１４ａ，１４ｂが形成されている。これらの部分電極１４ａ，１４ｂに挟まれている部分には、ほぼ圧電板１０の一面に平行な方向（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１４ａ，１４ｂの寸法を使用する圧電材料の特性に合わせて適当に設定すると、この部分に平行電界励振型厚み滑りエネルギー閉じ込め圧電振動子を構成することができる。
【００３１】
この厚み滑りエネルギー閉じ込め型圧電振動子が半波長で共振している場合の厚さ方向の変位分布は、図３に示されるように、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸が図２（ａ）に示すｘ軸，ｙ軸，ｚ軸とそれぞれ対応しており、厚み滑り振動に関しては変位が圧電板１０の板面に平行であって、波の伝播方向が圧電板１０の厚さ方向（ｚ軸方向）の振動となる様子を示している。
【００３２】
【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、既成のエネルギー閉じ込め型圧電振動子を圧電振動ジャイロ用の構造に改造しており、駆動電極の電位が検出電極の出力に影響され難い電極パターンとして入出力用端子をリード線を用いないで接続可能となる上、支持，固定によるジャイロ特性への影響が殆ど無くなり、しかも強固に支持することが可能となるため、簡素な構成で小形で薄形の耐振動性及び耐衝撃性の優れた圧電振動ジャイロを容易に製造し得るようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係るエネルギー閉じ込め型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に示す圧電振動ジャイロ用圧電振動子を単純化した場合の厚み滑りエネルギー閉じ込め型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）はその側面断面図に関するものである。
【図３】 図２に示した厚み滑りエネルギー閉じ込め型圧電振動子の厚さ方向（ｚ軸方向）における変位分布を示したものである。
【図４】 従来の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の一例に係る基本構成を示した斜視図である。
【図５】 従来のエネルギー閉じ込め型振動子の基本構成を示したものであり、（ａ）はその平面図に関するもの，（ｂ）はその側面断面図に関するものである。
【図６】 図５に示すエネルギー閉じ込め型振動子の支持構造を示した側面図である。
【符号の説明】
１，１００ 圧電振動子
１０ 圧電板
１１ａ，１１ｂ 第１の対電極
１２ａ，１２ｂ 第２の対電極
１３ａ，１３ｂ 第３の対電極
１４ａ，１４ｂ 部分電極
５１，５２，５３ 駆動電極
５４ 空洞部
５５ 樹脂層
１０１ 金属角柱
１０２，１０３ 圧電セラミック薄板
１０４，１０５ リード端子

Claims (3)

1. 厚さ方向に分極軸を有する圧電板と、前記圧電板の一方の主面の略中央部に所定の間隔を隔てて対向形成された第１の対電極と、前記圧電板の一方の主面の略中央部であって、前記第１の対電極に対して９０度回転させた位置に所定の間隔を隔てて対向形成された第２の対電極と、前記圧電板の他方の主面の略中央部であって、前記第１の対電極及び前記第２の対電極が形成された領域間の対向する位置に該第１の対電極及び該第２の対電極の延在する方向とは４５度ずれた方向に延在して所定の間隔を隔てて対向形成された第３の対電極とを含み、更に、前記第３の対電極間に励振用の電圧を印加し、前記圧電板を前記一方の主面及び前記他方の主面と直交する軸の回りに回転させたときに前記第１の対電極間及び前記第２の対電極間に発生する出力電圧の差の電圧を検出するように構成された圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、前記第３の対電極の間隔は、前記第１の対電極の間隔及び前記第２の対電極の間隔よりも大きいことを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子。
2. 請求項１記載の圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、前記圧電板における前記第１の対電極から前記第２の対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圧電振動ジャイロ用圧電振動子。
3. 請求項１又は２記載の圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、前記圧電板には圧電セラミックスを用いた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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