JP4351346B2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車用ナビゲーションシステムやカメラ一体型VTR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、圧電材料により構成された棒状屈曲振動子を用いた圧電振動ジャイロに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転角速度が与えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力が生じるという力学現象を利用したジャイロスコープとして知られている。
【0003】
一般に、圧電振動ジャイロは、互いに直交する2つ異なる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、一方の振動を励振した状態で圧電振動子自体を2つの振動面が交わる線と平行な軸を中心軸として回転させると、上述した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、その方向に新たに他方の振動が励振される。この新たな振動の大きさは、入力側の振動の大きさ及び圧電振動子に加えられた回転角速度に比例するため、入力電圧を一定にした場合、出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。因みに、圧電振動子に電極パターンが形成された状態では、入力側の振動の大きさは圧電振動子の駆動電極に印加される入力電圧としての駆動電圧により発生する駆動振動の振幅を示し、出力電圧は圧電振動子の検出電極から得られる検出電圧となる。
【0004】
図5は、従来の圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子100の外観構成を示した斜視図である。又、図6は、この圧電振動子100の電極パターンを展開して示した平面図である。
【0005】
この圧電振動子100は、一軸方向に延びた円柱状圧電セラミックス51の外周面上における円周を6等分する位置であって、且つ円柱状圧電セラミックス51の一軸方向(長さ方向)と平行な位置に電極パターンとして6本の帯状電極を形成した後、これらの帯状電極を互いに一つおきに接続して2端子として分極処理を施すことにより、円柱状圧電セラミックス51の一軸方向における端側(ここでは両端側)で互いに円周方向に沿って接続された3本の共通アース電極52,54,56と、共通アース電極52,54の間に配置された1本の駆動電極53と、共通アース電極54,56の間に配置された1本の検出電極55と、共通アース電極56を挟んで検出電極55とほぼ線対象な位置に配置された1本の検出電極57とを構成している。
【0006】
この圧電振動子100では、各電極を成す6本の帯状電極を円柱状圧電セラミックス51の円周方向に均一に6等分した位置であると共に、円柱状圧電セラミックス51の一軸方向の長さにおいて同一に配置しているため、分極を施した際に分極状態が均一になる。即ち、圧電振動子100では、分極状態が均一であることにより音速も均一になり、駆動方向の共振周波数と検出方向の共振周波数とがほぼ同一になる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述した圧電振動子の場合、理論的には分極状態が均一であって音速を均一できる構成となっているが、実際には円柱状圧電セラミックス材料や電極パターンのばらつきの他、形状,寸法の精度のばらつきが生じたり、或いは分極状態のばらつき等が生じるため、若干ではあるが音速が不均一となり、本来同一な筈の駆動方向の共振周波数と検出方向の共振周波数とに差が生じてしまう。こうした場合、圧電振動子を励振させると、振動方向に軸ズレが発生する(但し、逆に駆動方向であるX方向の共振周波数と検出方向であるY方向の共振周波数との差を50Hz程度以上持たると軸ズレが起こらず圧電振動子として良好な特性が得られる)ことになり、静止状態でも2つの検出出力の出力や位相に差が出ることになる。
【0008】
そこで、実際の圧電振動子作製時の仕上げ段階では、共振周波数の差を抑制するため、圧電振動子に機械的加工を加え、共振周波数を合わせる等の仕上げ加工を実施するようにしている。
【0009】
ところが、このような仕上げ加工は、圧電振動子に機械的加工を加えるもので、完成品の外観上の品質を劣化させることにもなるため、余り好ましくないという問題がある。
【0010】
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、圧電振動子に機械的加工を加えること無く振動方向の軸ズレの発生を極力抑制できる良好な振動特性を有する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、一軸方向に延びた円柱状圧電体の外周面上における円周を等分する位置であって、且つ該円柱状圧電体の該一軸方向と平行な位置に電極パターンとして形成された複数の帯状電極が該円柱状圧電体の該一軸方向における端側で互いに円周方向に沿って接続された複数の共通アース電極と、
前記複数の共通アース電極のうちの一対の組のものの間に配置された駆動電極と、
前記複数の共通アース電極のうちの他の一対の組のものの間に配置された検出電極を含み、
前記駆動電極及び前記共通アース電極の該駆動電極と隣り合うもので構成される駆動部の電極パターンと、前記検出電極と前記共通アース電極の該検出電極と隣り合うもので構成される検出部の電極パターンとの形状が、前記検出部の前記共通アース電極の一軸方向における中央部分において欠かれていることにより異なっており、これにより前記駆動部の共振周波数と前記検出部の共振周波数とが差を有していることを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動が得られる。
【0012】
また、本発明によれば、一軸方向に延びた円柱状圧電体の外周面上における円周を等分する位置であって、且つ該円柱状圧電体の該一軸方向と平行な位置に、電極パターンによって形成され、前記円柱状圧電体の一軸方向における端側で互いに円周方向に沿って接続された複数の共通アース電極と、
前記共通アース電極の隣り合う電極パターン間に配置された駆動電極と、
前記共通アース電極のうち、前記駆動電極が配置されていない前記共通アース電極の電極パターン間に配置されて検出電極を備え、
前記駆動電極及び前記共通アース電極の該駆動電極と隣り合うもので構成される駆動部の電極パターンと、前記検出電極と前記共通アース電極の該検出電極と隣り合うもので構成される検出部の電極パターンとの形状が、前記検出部の前記共通アース電極の電極パターンが、前記他の共通アース電極の電極パターンの略半分の長さであり、且つ、残りの部分が欠かれていることにより、異なっており、これにより前記駆動部の共振周波数と前記検出部の共振周波数とが差を有していることを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【0013】
更に、本発明によれば、前記駆動電極、前記検出電極、及び、前記共通アース電極は、前記円柱状圧電体を6等分する位置に配置された、前記一軸方向に延びる6本の帯状電極パターンによって構成されており、前記6本の帯状電極パターンの1本は前記駆動電極、2本は前記検出電極、及び、残りの3本は前記共通アース電極であり、前記1本の駆動電極及び前記2本の検出電極は前記共通アース電極の間に、配置されていることを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【0014】
加えて、本発明によれば、前記駆動電極,前記2本の検出電極,及び前記3本の共通アース電極は、前記円柱状圧電体の振動節点の近傍に形成されると共に、外部の電気回路と電気的に接続するための電気的接続点をそれぞれ一つずつ有して成ることを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【0015】
本発明によれば、前記2本の検出電極は、前記円柱状圧電体の円周方向において対称な位置を含むように該円周方向に沿って延びた局部を有し、且つ前記2本の検出電極の電気的接続点を該局部の該円周方向において、前記円周上の対称な位置に形成したことを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【0016】
本発明によれば、前記外部の電気回路を含むと共に、前記電気的接続点を用いて該電気回路との間で導電性部材を接続し、当該導電性部材は、機械的支持及び電気的接続の機能を兼ね備えていることを特徴とする圧電振動ジャイロ振動子が得られる。
【0017】
【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について、図面を参照して詳細に説明する。
【0018】
図1は、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子に形成される電極パターンを展開して示した平面図である。ここでの圧電振動子の場合も、図6に示した従来の電極パターンと比べ、一軸方向に延びた円柱状圧電セラミックスの外周面上における円周を6等分する位置であって、且つ円柱状圧電セラミックスの一軸方向(長さ方向)と平行な位置に電極パターンとして6本の帯状電極を形成した後、これらの帯状電極を互いに一つおきに接続して2端子として分極処理を施すことにより、円柱状圧電セラミックスの一軸方向における端側(ここでは両端側)で互いに円周方向に沿って接続された3本の共通アース電極12,14,16と、共通アース電極12,14の間に配置された1本の駆動電極13と、共通アース電極14,16の間に配置された1本の検出電極15と、共通アース電極16を挟んで検出電極15とほぼ線対象な位置に配置された1本の検出電極17とを構成している点は、基本構成上において同じである。
【0019】
但し、ここでの電極パターンの形状、即ち、駆動電極13及びこの駆動電極13と隣り合う共通アース電極12,14で構成される駆動部の電極パターンの形状と、検出電極15及びこの検出電極15と隣り合う共通アース電極14,16で構成される検出部の電極パターンの形状とが、共通アース電極16の一軸方向における略中央部分が欠かれていることにより異なっており、これにより駆動部の共振周波数と検出部の共振周波数とが差を有するようになっている。
【0020】
即ち、この圧電振動子では、各電極を成す6本の帯状電極を円柱状圧電セラミックスの円周方向に均一に6等分した位置に形成していても、円柱状圧電セラミックスの一軸方向の長さにおいて共通アース電極16を他の共通アース電極12,14と比べて短くしているため、こうした電極パターンで分極を施した場合には分極状態が不均一になる。
【0021】
図2は、ここで説明した圧電振動ジャイロ用圧電振動子の端面に平行な一平面上における断面図を示したものである。ここでは、圧電振動子において、駆動電極13を上面に配置して共通アース電極16を下面に位置させ、駆動電極13及び共通アース電極16を結ぶ方向を駆動方向のX方向とし、それに直交するY方向を検出方向とした場合、圧電振動子の上側の分極状態に比べて下側の分極状態が弱くなること、即ち、圧電振動子のX方向の分極状態がY方向の分極状態に比べて弱くなることにより、X方向の音速がY方向の音速に比べて早くなり、結果として共振周波数に置き換えると、X方向の共振周波数がY方向の共振周波数に比べて高くなってX方向の共振周波数とY方向の共振周波数とに差が出ることを示している。
【0022】
ところで、図1に示した圧電振動子の電極パターンを変形し、例えば共通アース電極16を他の共通アース電極12,14と同じ長さにし、且つ検出電極15,17の長さを駆動電極13の長さよりも短く構成したり、或いは共通アース電極16の長さを変えずに駆動電極13と対向する共通アース電極12,14の長さを短く変化させる構成としても、同様にX方向の共振周波数とY方向の共振周波数とに差が出るという効果が得られる。一般に、こうした共振周波数の差は短くする電極の長さにより変化し、他の電極との長さの比でその差が決まる。
【0023】
図3は、共通アース電極16の長さを変えずに駆動電極13と対向する他の共通アース電極12,14の長さを短く変化させた場合の他の共通アース電極12,14の長さの比(%)に対する駆動側X方向及び検出側Y方向の共振周波数差(Hz)の関係を示したものである。但し、ここでは駆動側X方向の共振周波数を26kHzとしており、他の共通アース電極12,14の長さが共通アース電極16の長さと同じである場合の他の共通アース電極12,14の長さの比を100%としている。
【0024】
ここでは、他の共通アース電極12,14の長さの比を共通アース電極16の長さの約70%近傍以下にすれば、共振周波数差50Hz以下とすることができることを示している。こうした共振周波数差50Hz以下の圧電振動子の場合、圧電振動子に機械的加工を加えること無く振動方向の軸ズレの発生を極力抑制でき、良好な振動特性を有するものとなる。
【0025】
図4は、本発明の他の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子に形成される電極パターンを展開して示した平面図である。
【0026】
ここでの圧電振動子の場合も、図6に示した従来の電極パターンと比べ、一軸方向に延びた円柱状圧電セラミックスの外周面上における円周を6等分する位置であって、且つ円柱状圧電セラミックスの一軸方向(長さ方向)と平行な位置に電極パターンとして6本の帯状電極を形成した後、これらの帯状電極を互いに一つおきに接続して2端子として分極処理を施すことにより、円柱状圧電セラミックスの一軸方向における端側(ここでは片端側)で互いに円周方向に沿って接続された3本の共通アース電極32,34,36と、共通アース電極32,34の間に配置された1本の駆動電極13と、共通アース電極34,36の間に配置された1本の検出電極35と、共通アース電極36を挟んで検出電極35とほぼ線対象な位置に配置された1本の検出電極37とを構成している点は、基本構成上において同じである。
【0027】
但し、ここでの電極パターンの形状、即ち、駆動電極13及びこの駆動電極13と隣り合う共通アース電極32,34で構成される駆動部の電極パターンの形状と、検出電極35及びこの検出電極35と隣り合う共通アース電極34,36で構成される検出部の電極パターンの形状とが、共通アース電極36の一軸方向における検出電極37寄りの略半分が欠かれていることにより異なっており、更に、検出電極35,37が円柱状圧電セラミックスの円周方向において対称な位置を含むように円周方向に沿って延びた局部(即ち、延長部)を有し、駆動電極13と検出電極35,37と共通アース電極32,34,36とが円柱状圧電セラミックスの円周方向で対称な位置(回転対称な位置)にあり、且つ長さ方向で振動節点の近傍の上下各2箇所となる合計4箇所に形成されると共に、外部の電気回路と電気的に接続するための電気的接続点13a,35a,37a,36aをそれぞれ一つずつ有して成る(但し、ここで検出電極35,37の電気的接続点35a,37aは局部の円周方向において上下の対称な位置に形成される)ことにより、駆動部(駆動側X方向)の共振周波数と検出部(検出側Y方向)の共振周波数とが差を有するようになっている。
【0028】
一般に、このような構成の圧電振動子を用いて圧電振動ジャイロを作製する場合、圧電振動子をシリコンゴム等の支持部材で機械的に支持し、各電極と電気回路とをリード線等で電気的に接続するように構成されるが、ここでの圧電振動子においては、各電極が圧電振動子の円周方向で対称な位置(回転対称な位置)にあり、且つ長さ方向で振動節点に位置される電気的接続点13a,35a,37a,36aをそれぞれ一つずつ有するため、各電気的接続点13a,35a,37a,36aを用いて電気回路との間で金属板等の導電性部材により圧電振動子における上下方向並びに左右方向での電気的接続及び機械的支持を兼用することで容易に圧電振動ジャイロを作製することができる。
【0029】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の圧電振動ジャイロによれば、既存の圧電振動ジャイロ用圧電振動子(円柱状圧電体)に形成される電極パターンを改良し、駆動電極及び共通アース電極の駆動電極と隣り合うもので構成される駆動部の電極パターンと、検出電極及び共通アース電極の検出電極と隣り合うもので構成される検出部の電極パターンとの形状を異なるようにして駆動部(駆動側X方向)の共振周波数と検出部(検出側Y方向)の共振周波数との差を適度(50Hz程度以上)に持たせて良好な振動特性を得られるようにしているので、圧電振動子に機械的加工を加えること無く振動方向の軸ズレの発生を極力抑制できるようになる。又、他の形態の圧電振動子(円柱状圧電体)では、電極パターンとして形成される各電極が円柱状圧電体の円周方向で対称の頂点にあり、且つ長さ方向で振動節点に位置される電気的接続点をそれぞれ一つずつ有する構成としており、圧電振動子を用いて圧電振動ジャイロを作製する際、電気的接続点を用いて電気回路との間で導電性部材により圧電振動子における電気的接続及び機械的支持を兼用して圧電振動ジャイロを容易に作製可能にしているため、結果としてジャイロ特性の優れた圧電振動ジャイロを量産できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子に形成される電極パターンを展開して示した平面図である。
【図2】図1で説明した圧電振動ジャイロ用圧電振動子の端面に平行な一平面上における断面図である。
【図3】図1で説明した圧電振動ジャイロ用圧電振動子の電極パターンにおける特定の共通アース電極の長さを変えずに駆動電極と対向する他の共通アース電極の長さを短く変化させた場合の他の共通アース電極の長さの比に対する駆動側X方向及び検出側Y方向の共振周波数差の関係を示したものである。
【図4】本発明の他の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子に形成される電極パターンを展開して示した平面図である。
【図5】従来の圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子の外観構成を示した斜視図である。
【図6】図5に示す圧電振動子の電極パターンを展開して示した平面図である。
【符号の説明】
12,14,16,32,34,36,52,54,56 共通アース電極
13,53 駆動電極
15,17,35,37,55,57 検出電極
13a,35a,36a,37a 電気的接続点
51 円柱状圧電セラミックス
100 圧電振動子
Claims (2)
- 一軸方向に延びた円柱状圧電体の外周面上における円周を等分する位置であって、且つ該円柱状圧電体の該一軸方向と平行な位置に電極パターンとして形成された複数の帯状電極が該円柱状圧電体の該一軸方向における端側で互いに円周方向に沿って接続された複数の共通アース電極と、
前記複数の共通アース電極のうちの一対の組のものの間に配置された駆動電極と、
前記複数の共通アース電極のうちの他の一対の組のものの間に配置された検出電極を含み、
前記駆動電極及び前記共通アース電極の該駆動電極と隣り合うもので構成される駆動部の電極パターンと、前記検出電極と前記共通アース電極の該検出電極と隣り合うもので構成される検出部の電極パターンとの形状が、前記検出部の前記共通アース電極の一軸方向における中央部分において欠かれていることにより異なっており、これにより前記駆動部の共振周波数と前記検出部の共振周波数とが差を有していることを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子。 - 一軸方向に延びた円柱状圧電体の外周面上における円周を等分する位置であって、且つ該円柱状圧電体の該一軸方向と平行な位置に、電極パターンによって形成され、前記円柱状圧電体の一軸方向における端側で互いに円周方向に沿って接続された複数の共通アース電極と、
前記共通アース電極の隣り合う電極パターン間に配置された駆動電極と、
前記共通アース電極のうち、前記駆動電極が配置されていない前記共通アース電極の電極パターン間に配置されて検出電極を備え、
前記駆動電極及び前記共通アース電極の該駆動電極と隣り合うもので構成される駆動部の電極パターンと、前記検出電極と前記共通アース電極の該検出電極と隣り合うもので構成される検出部の電極パターンとの形状が、前記検出部の前記共通アース電極の電極パターンが、前記他の共通アース電極の電極パターンの略半分の長さであり、且つ、残りの部分が欠かれていることにより、異なっており、これにより前記駆動部の共振周波数と前記検出部の共振周波数とが差を有している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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