JP3741027B2 - 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に関する。
【0002】
【従来の技術】
厚み方向に分極されるとともに一方主面に分割電極が形成された第1の圧電体基板、および、厚み方向に分極されるとともに一方主面に共通電極が形成された第2の圧電体基板を、他方主面同士で貼り合せてなる圧電振動子およびそれを用いた振動ジャイロに関しては特開平7−332988号公報に開示されている。
【0003】
この構成の圧電振動子においては、その厚み方向の屈曲振動である縦振動、および幅方向の屈曲振動である横振動のそれぞれにおいて、共振周波数と反共振周波数を有している。この場合の、圧電振動子の厚み方向および幅方向とは、第1および第2の圧電体基板の厚み方向および幅方向と同じ方向を意味している。
【0004】
なお、本願においては、圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差を縦DF、横振動における共振周波数と反共振周波数の差を横DFと定義する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来は第1の圧電体基板と第2の圧電体基板に同じ圧電体材料を用いていた。その場合、圧電振動子の縦DFと横DFの関係は、縦DFが横DFのほぼ2倍になることが分かっている。
【0006】
このような圧電振動子においては、ヒートショックなどによって圧電体基板のデポールがわずかながら発生すると、これによって縦DFと横DFが同じ割合で変化する。縦DFと横DFが大きく異なっていると、その変化量も大きく異なるため、縦振動と横振動の共振周波数の変化量も異なり、その差が変化してしまう。そして、縦振動と横振動の共振周波数の差が変化することによって、圧電振動子の特性が変化してしまうという問題がある。
【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、ヒートショックなどによるデポールがおきても特性変化の少ない圧電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、本発明の圧電振動子は、厚み方向に分極されるとともに一方主面に分割電極が形成された第1の圧電体基板、および、厚み方向に分極されるとともに一方主面に共通電極が形成された第2の圧電体基板を、他方主面同士で貼り合せてなる圧電振動子であって、前記第1の圧電体基板の材料を第1の材料、前記第2の圧電体基板の材料を第2の材料とし、前記第1および第2の圧電体基板を前記第1の材料のみで作ったときの圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差が、前記第1および第2の圧電体基板を前記第2の材料のみで作ったときの圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差より大きくなるように、前記第1および第2の材料が選定されていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の圧電振動子は、前記第1および第2の圧電体基板を前記第1および第2の材料のみでそれぞれ作ったときの圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差の平均値が、前記第1および第2の圧電体基板を前記第1の材料で作ったときの圧電振動子の横振動における共振周波数と反共振周波数の差に略一致するように、前記第1および第2の材料が選定されていることを特徴とする。
【0011】
また、本発明の振動ジャイロは、上記の圧電振動子と、該圧電振動子を縦振動させるための駆動手段と、前期圧電振動子の横振動を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
【0012】
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。
【0013】
このように構成することにより、本発明の圧電振動子においては、ヒートショックなどによるデポールがおきても特性変化が少ない。
【0014】
また、本発明の振動ジャイロおよび電子装置においては、環境変化による特性の変動が少ない。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の圧電振動子の一実施例の斜視図を示す。図1において、圧電振動子1は、一方主面に分割電極3および4を形成した第1の圧電体基板2と、一方主面に共通電極6を形成した第2の圧電体基板5が、それぞれ他方主面同士を中間電極7を介して貼り合されて構成されている。第1及び第2の圧電体基板2、5の形状は、いずれも幅が1.0mm、長さが13mm、厚みが0.5mmとなっている。第1の圧電体基板2には第1の材料である材料Aが用いられており、第2の圧電体基板5には第2の材料である材料Bが用いられている。このうち、材料Aは屈曲振動に関する圧電定数である圧電定数(d31)が−101pC/Nのものであり、材料Bは同じく圧電定数(d31)が−59.3pC/Nのものである。
【0016】
ここで、第1の圧電体基板と第2の圧電体基板を同じ材料Aで同じ形状に作った場合を考えると、図2に示すように、その圧電振動子の縦DF(縦DFa)は665Hz、横DF(横DFa)は365Hzで、両者の比率は1.82倍となる。これより、縦DFaが横DFaの約2倍であることが分かる。また、第1の圧電体基板2と第2の圧電体基板5を同じ材料Bで同じ形状に作った場合を考えると、同じく図2に示すように、その圧電振動子の縦DF(縦DFb)は325Hz、横DF(横DFb)は172Hzで、両者の比率は1.89倍となる。これより、縦DFbが横DFbの約2倍であることが分かる。
【0017】
第1の圧電体基板を第1の材料で作り、第2の圧電体基板を第2の材料で作ったこの構成の圧電振動子においては、縦DFは第1および第2の圧電体基板を第1および第2の材料のみでそれぞれ作ったときの縦DFのほぼ平均値になるという性質を持っている。これより、第1の材料で第1および第2の圧電体基板を作ったときの縦DFが、第2の材料で第1および第2の圧電体基板を作ったときの縦DFより大きくなるように第1および第2の材料を選ぶことによって、第1の圧電体基板を第1の材料で作り、第2の圧電体基板を第2の材料で作った圧電振動子の縦DFを、第1の材料で第1および第2の圧電体基板を作ったときの縦DFより小さくすることができる。
【0018】
一方、第1の圧電体基板を第1の材料で作り、第2の圧電体基板を第2の材料で作ったこの構成の圧電振動子においては、横DFは、第1および第2の圧電体基板を第1の材料で作ったときの横DFにほぼ一致し、第1および第2の圧電体基板を第2の材料で作ったときの横DFにはほとんど影響されないという性質を持っている。
【0019】
そのため、第1の材料で第1および第2の圧電体基板を作ったときの縦DFが、第2の材料で第1および第2の圧電体基板を作ったときの縦DFより大きくなるように第1および第2の材料を選ぶことによって、第1の圧電体基板を第1の材料で作り、第2の圧電体基板を第2の材料で作った圧電振動子の縦DFを、第1および第2の圧電体基板を第1の材料で作ったときの横DFに近づけることができる。
【0020】
ここで、第1の材料として材料Aを、第2の材料として材料Bを用いる場合を考える。
【0021】
第1の圧電体基板と第2の圧電体基板を材料Aで作った場合の縦DF(縦DFa)と、第1の圧電体基板と第2の圧電体基板を材料Bで作った場合の縦DF(縦DFb)の平均値は、(665+325)÷2=495Hzとなる。また、第1の圧電体基板と第2の圧電体基板を材料Aで作った場合の横DF(横DFa)は、上記のように365Hzである。両者の比率は1.35倍程度となり、従来の約2倍に比較してかなり近い値となり、略一致することが分かる。
【0022】
実際に、第1の圧電体基板2に材料Aを用い、第2の圧電体基板5に材料Bを用いたときの圧電振動子1の縦DF(縦DFab)は467Hz、横DF(横DFab)は356Hzとなり、上記の計算にほぼ一致し、従来に比べて両者が近接していることが分かる。
【0023】
図2に、上記の関係を表すグラフを示す。図2において、横軸は第1および第2の誘電体基板に用いる材料の組み合わせを示しており、縦軸は縦DFおよび横DFを示している。材料の組み合わせにおいて、AAとBBは第1および第2の誘電体基板のそれぞれ材料Aを用いたものを、ABは第1の誘電体基板に材料Aを用い第2の誘電体基板に材料Bを用いた場合を示している。図2からも、第1および第2の圧電体基板の材料を異ならせたときの縦DFは、第1および第2の圧電体基板を第1および第2の材料のみでそれぞれ作ったときの縦DFのほぼ平均値になり、横DFは、第1および第2の圧電体基板を第1の材料で作ったときの横DFにほぼ一致することが分かる。
【0024】
なお、第1の誘電体基板に材料Bを用い第2の誘電体基板に材料Aを用いた場合は、縦DFと横DFの差が逆に広がる方向となるために、ここでは採用できない。
【0025】
このように、第1の圧電体基板2と第2の圧電体基板5の材料を異ならせることによって、圧電振動子の縦DFと横DFを略一致させることができ、それによって、ヒートショックなどによって圧電体基板のデポールが進んでも、縦振動と横振動の共振周波数の変化量がほぼ一致し、その差があまり変化しないようになる。その結果、環境の変化に対する圧電振動子の特性の変化が少なくなるというメリットを有する。
【0026】
なお、上記の例では縦DFと横DFは完全には一致していないが、図2より予想できるように、材料Bとして縦DFがもっと小さくなる材料を選ぶことによって完全に一致させることも可能である。
【0027】
また、このように第1の誘電体基板と第2の誘電体基板の材料を異ならせることによって、縦DFと横DFを一致させることに限らず、必ずしも縦DFと横DFを一致させなくて構わないときには、圧電振動子の特性のバリエーションを材料の種類以上に広げることができ、材料の組み合わせによっては、例えば特性が良く、しかも低価格な圧電振動子を実現することも期待できる。
【0028】
図3に、本発明の振動ジャイロの一実施例の概略ブロック図を示す。図3において、圧電振動子1に関しては図1と同じであるため、説明を省略する。
【0029】
図3において、振動ジャイロ10は、圧電振動子1、抵抗11および12、加算回路13、AGCアンプ14、差動回路15、同期検波回路16、平滑回路17、および増幅回路18から構成されている。ここで、圧電振動子1の2つの分割電極3および4はそれぞれ抵抗11、12を介して基準電圧に接続されている。また、圧電振動子1の2つの分割電極3および4は加算回路13に接続され、加算回路13の出力はAGCアンプ14を介して圧電振動子1の共通電極6に接続されている。また、圧電振動子1の2つの分割電極3および4は差動回路15にも接続され、差動回路15の出力は同期検波回路16、平滑回路17、および増幅回路18を順に介して出力端子に接続されている。加算回路13の出力は同期検波回路16にも入力されている。
【0030】
このように構成された振動ジャイロ10において、2つの分割電極3および4から出力される信号は加算回路13で加算され、AGCアンプ14で増幅されて共通電極6に印加される。これによって圧電振動子1は厚み方向の屈曲振動である縦振動をするように駆動される。したがって、加算回路13、AGCアンプ14は圧電振動子1を振動させるための駆動手段19を構成していることになる。なお、抵抗R11、12は信号検出に用いられているので、これを駆動手段に含めることもできる。
【0031】
2つの分割電極3および4はほぼ対称に形成されているため、角速度が印加されない状態では2つの分割電極3および4から出力される信号は等しくなる。なお、圧電振動子1、加算回路13、AGCアンプ14からなる駆動ループには、必要に応じて位相を調整するための移相回路が挿入されることもある。
【0032】
圧電振動子1に、その長手方向を回転の軸とする角速度が印加されると、圧電振動子1には、コリオリ力によってその幅方向の屈曲振動である横振動が励起される。圧電振動子1が横振動すると、2つの分割電極3および4から出力される信号に、コリオリ力の大きさに応じて一方が大きくなれば一方が小さくなるような差が生じる。
【0033】
2つの分割電極3および4から出力される信号に差が生じても、互いに逆方向の変動であるため、加算回路13で加算された信号では互いに打ち消され、角速度が印加されない状態の時と同じである。一方、2つの分割電極3および4から出力される信号は差動回路15にも入力される。差動回路15からは2つの信号の差、すなわちコリオリ力に応じた信号が出力される。差動回路15から出力された信号は同期検波回路16で加算回路13から出力された信号によって同期検波され、平滑回路17で平滑され、増幅回路18で増幅されて出力される。したがって、差動回路15、後期検波回路16、平滑回路17、増幅回路18は圧電振動子1の横振動を検出する検出手段20を構成していることになる。なお、抵抗R11、12は信号検出に用いられているので、これを検出手段に含めることもできる。
【0034】
このように構成された振動ジャイロ10においては、ヒートショックなどによるデポールがおきても特性変化が少ない本発明の圧電振動子1を用いているため、環境変化による特性の変動が少ないという優れた性質を持っている。
【0035】
図4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4において、ビデオカメラ30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。
【0036】
このように構成されたビデオカメラにおいては、振動ジャイロ10によっててぶれ補正ができるだけではなく、環境変化による特性の変動の少ない本発明の振動ジャイロを用いることによって、環境変化によるビデオカメラ自身の性能の劣化が少ないという優れた性質を持っている。
【0037】
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、同じく振動ジャイロを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。
【0038】
【発明の効果】
本発明の圧電振動子によれば、厚み方向に分極されるとともに一方主面に分割電極が形成された第1の圧電体基板、および、厚み方向に分極されるとともに一方主面に共通電極が形成された第2の圧電体基板を、他方主面同士で貼り合せてなる圧電振動子であって、第1および第2の圧電体基板の材料を異ならせてなることによって、特に、第1の圧電体基板の材料を第1の材料、前記第2の圧電体基板の材料を第2の材料とし、第1および第2の圧電体基板を第1および第2の材料のみでそれぞれ作ったときの圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差の平均値が、第1および第2の圧電体基板を第1の材料で作ったときの圧電振動子の横振動における共振周波数と反共振周波数の差に略一致するように、第1および第2の材料を選定することによって、ヒートショックなどによるデポールがおきても特性変化が少ないものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電振動子の一実施例を示す斜視図である。
【図2】本発明の圧電振動子の、第1および第2の圧電体基板の材料の組み合わせと縦DFおよび横DFの関係を示すグラフである。
【図3】本発明の振動ジャイロの一実施例を示す概略ブロック図である。
【図4】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…圧電振動子
2…第1の圧電体基板
3、4…分割電極
5…第2の圧電体基板
6…共通電極
7…中間電極
10…振動ジャイロ
19…駆動手段
20…検出手段
30…ビデオカメラ
Claims (4)
- 厚み方向に分極されるとともに一方主面に分割電極が形成された第1の圧電体基板、および、厚み方向に分極されるとともに一方主面に共通電極が形成された第2の圧電体基板を、他方主面同士で貼り合せてなる圧電振動子であって、
前記第1の圧電体基板の材料を第1の材料、前記第2の圧電体基板の材料を第2の材料とし、
前記第1および第2の圧電体基板を前記第1の材料のみで作ったときの圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差が、前記第1および第2の圧電体基板を前記第2の材料のみで作ったときの圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差より大きくなるように、前記第1および第2の材料が選定されていることを特徴とする、圧電振動子。 - 前記第1および第2の圧電体基板を前記第1および第2の材料のみでそれぞれ作ったときの圧電振動子の縦振動における共振周波数と反共振周波数の差の平均値が、前記第1および第2の圧電体基板を前記第1の材料で作ったときの圧電振動子の横振動における共振周波数と反共振周波数の差に略一致するように、前記第1および第2の材料が選定されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電振動子。
- 請求項1または2に記載の圧電振動子と、該圧電振動子を縦振動させるための駆動手段と、前期圧電振動子の横振動を検出する検出手段とを有することを特徴とする振動ジャイロ。
- 請求項3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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