JPH03140004A - 圧電振動子の励振回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、温度変化があっても、圧電振動子を安定に動
作させることのできる励振条件をそなえた励振回路に関
する。

【従来の技術】

圧電現象は、誘電体に電圧をかけると歪みを生じ、歪み
を与えると分極を生ずる現象である。圧電現象を生ずる
結晶は圧電結晶という。圧電結晶に電極を付は周波数ｆ
の交流電圧を印加すると、圧電結晶が周波数ｆで膨脹収
縮する。これが圧電振動子である。圧電振動子は共振周
波数ｆ０を存する。 圧電振動子の共振周波数ｆ。の近傍での機械的変位（歪
み）の振幅ａと、入力信号に対する位相φの周波数依存
性は第２図に示すようになる。 機械的変位の振幅ａは、励振周波数ｆが共振周波数ｆ。 に一致する時に最も大きい。ｆ、からずれると振幅が急
速に減少する。また位相差φは電気信号と機械的歪みの
位相の差として定義されるが、これは共振周波数ｆ。の
時に０であり、ｆ。 からずれるとφが０からずれてゆ（。このようなことは
良く知られている。 励振周波数ｆが共振周波数ｆ。に一致するときに最も振
幅が大きく能率が良い。このため従来の励振回路は、圧
電振動子の共振周波数ｆ。に一致する周波数の電気信号
により圧電振動子を励振していた。励振のための電力を
最少にてき育効であるからである。

【発明が解決しようとする課Ｍ］ 圧電振動子の材料としては、水晶に代表されるような結
晶や、ＰｚＴで代表されるようなセラミックがある。結
晶の場合温度変化に対する共振周波数の変化は僅かであ
る。しかしセラミックの場合は周囲温度の変化とともに
材料定数が変化し、共振周波数がかなり変化する。 あるセラミック系の材料で作った圧電振動子は一３０℃
〜＋７０℃の間で、共振周波数が数％変化する。このセ
ラミック圧電振動子の振幅、位相の周波数依存性の温度
変化を第３図に示す。 ２５℃の共振周波数をｆ。とじているが、７０℃の共振
周波数はこれより大きい。−３０℃の共振周波数はｆ。 より小さい。同じように共振周波数というが温度により
異なる。 それぞれの温度において共振周波数を定義でき、共振周
波数に一致する励振周波数のときに振幅が大きくなる。 位相変化も第３図に示すように温度によって周波数に対
する依存性が異なる。 振幅、位相の周波数特性は、温度によって変わるが、共
振周波数の近傍でその変化の影響がもっとも端的に現れ
る。 このため従来のように、成る基準温度（例えば２５℃）
での共振周波数ｔ０で圧電振動子を励振させると、温度
が変化した場合、共振周波数がずれてゆくので、圧電振
動子の振動の振幅、位相が急激に変化してしまう。 圧電素子としてセラミックは低摩であり、種々の形状に
成形出来るので用途が広く重要である。 本発明はセラミック圧電振動子を対象とし温度変化に対
する安定性を高めることを目的とする。 温度による共振周波数の変化がどのような不都合をもた
らすか、光フアイバジャイロに用いられる位相変調器と
しての圧電振動子を例にしてさらに説明する。 光フアイバジャイロの位相変調器として用いられる素子
を第４図に示す。円筒状のセラミック製圧電振動子であ
る。内面と外面に電極をつけてあり半径方向に交番電界
を掛けることができる。外周に光ファイバが巻きつけで
ある。 内外の電極間に周波数ｆの励振電圧をかけると円筒形の
圧電振動子が半径方向に膨縮し、光ファイバに周波数ｆ
の周期的な応力変化を与える。 応力変化が加えられた光ファイバは、光弾性効果により
、屈折率ｎが変化する。また応力により伸縮するので長
さが変わる。 圧電振動子に巻き付けられた光ファイバの長さを！、伝
搬する光の真空中の波数をｋとすると圧電振動子を通過
する光の位相変化分ΦはΦ＝ｋｎｊ　　　　　　　　（
１） によって与えられるが、光ファイバ１つ加わる応力の変
化ｄＴにより、φが変化する １項目が屈折率の変化、２項目が長さの変化である。 位相変調方式光フアイバジャイロの基本形について、第
８図によって説明する。 これは、光フアイバセンサコイルの一方の端部の光ファ
イバを圧電素子に巻き付は位相変調を掛けるようにした
ものである。 発光素子１から出た可干渉光が、ビームスプリッタ２で
二つの光線に分けられる。 ひとつは、結合レンズ４によって絞られて、光ファイバ
５のＡ端に入射する。これは、センサコイル８の中を左
回りに伝搬する。 もうひとつの光線は、結合レンズ３によって絞られて、
Ｂ端から光ファイバ５に入射し、センサコイル６の中を
、右回りに伝搬する。 光ファイバ５は大部分がセンサコイル８になっているが
、Ｂ端に近い部分が圧電素子などに巻き付けられ、位相
変調部８を構成している。 発振器１８が、圧電素子に振動電圧を与えるから、圧電
素子が膨縮する。光ファイバの位相変調部８は圧電素子
に巻き付けられているので、圧電素子と共に膨縮し、光
信号に変調成分が含まれる事になる。 右回り光、左回り光は、位相変調部８とセンサコイル６
とを通り、他端から出射する。これ等はビームスプリッ
タ２で合一し、受光素子９に入射する。受光素子９は、
干渉光を二乗検波する。 位相変調部８が、光ファイバ５の全体からみて非対称の
位置に設けられているので、左回り光と、右回り光とが
、位相変調を受けるタイミングが異なる。 センサコイル６の光ファイバ長をＬとし、光フアイバコ
アの屈折率をｎとする。光がセンサコイル６を通過する
のに要する時間τは、Ｌ τ　　＝　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）で
与えられる。 位相変調部８を、Ｂ端の近くに設けると、左回り光は、
先に位相変調を受け、それからセンサコイル６に入る。 右回り光は、センサコイル６を通ってから、位相変調部
８に入る。 変調信号の角周波数をΩとする。位相変調部８で位相変
調を受けてから、受光素子９にはいるまでの時間の違い
がτであるので、干渉光に含まれる変調信号の位相差φ
は φ′＝　Ω　τ　　　　　　　（４） となる。 光フアイバコイルが回転していると、サニヤック効果に
よって、右回り光と、左回り光との間に回転角速度に比
例する位相差Δθを生ずる。位相変調によってさらに、
位相変調の部分が、φの位相差を持つのである。位相変
調部８の作用による位相変化の振幅をｂとする。 左回り光、右回り光の電界強度を、ＥＬｌＥＲとすると
、簡単のため振幅を何れも同じとして、（５） （６） となる。 このような電界強度を持つ左回り光、右回り光が受光素
子９で二乗検波される。受光素子９の出力Ｓ（Δθ、１
＞は 数成分を意味する。このように速い信号は受光素子９が
検出できないのでＯである。 こうして得られる信号の中に位相変調のφが含まれるの
で１位相差Δθを変調信号の振幅に関連づけて求めるこ
とができる。 直流成分を除き、Ｓ（Δθ、１＞を和の形に書き換える
と、 ２ （８） となる。これらを、ベッセル関数によって展開する。ベ
ッセル関数の母関数展開から、 となる。ここで、Ｄ、Ｃ，は、直流成分を意味する。ω
は、光の振動数で、２ωはこの２倍の振動である。ｊ＝
ｅｘｐ（ｉθ）と置くと、となる。この式の実数部虚数
部の展開から、Ｓ（Δθ、１）のｓｌｎ、ｃｏｓの部分
５ｓ１Ｓｃの級数展開を得る。 Ｓ（Δθ、１） ＝（Ｓ、ｃｏｓΔθ＋Ｓ、ｓｌｎΔθ）　ＥＯ２（１１
）というように定義する。 θ→θ＋π／２という変換をし、ベッセル関数の良く知
られた性質、 Ｊ−、（ｘ）　　＝　　（−１）　　″　Ｊ、　　（ｘ
）　　　　　（１２）（但し、ｎは正の整数）を使い、 φ′ ξ＝２ｂｓｌｎ　　− （１３） と置くと、 となる。これらの式を使って書き換えると、信号Ｓ（Δ
θ、１＞は、 Ｓ（Δθ、１＞ ＝（直流成分）＋（２ω成分） ＋Ｅｏ”Ｊｏ（ξ）ｃｏｓ　　Δθ ｎ＝１ ｎ：０ （１Ｂ） となる。これは変調周波数Ωの高調波による展開である
。フィルターを通すことによって、任意の高調波成分を
求める事ができる。これらのうち、Ωに関し１次の項を
基本波成分Ｐとして取り出すと、 Ｐ　（ｔ）”２Ｅｏ”Ｊｔ　（ξ）ｃｏｓΩｔｓｌｎΔ
θ　（１７）となるが、実際には此れに励振信号と機械
的振動の位相差φが入ってくるので、基本波成分の振幅
■は １＝２ＥＩ　　Ｅ２　　Ｊｌ（ξ　）　　ｃｏｇ　　φ
　５Ｉｒ１　Δ　θ　　　（夏８）ということになる。 ここで振幅は左回り光と右回り光について区別して書い
た。位相φはこれが０からずれてくるので考慮に入れな
ければならない。ベッセル関数Ｊ、、（ξ）の独立変数
ξに関する変化を第５図に示す。Ｊｎは第１種のベッセ
ル関数である。 ξと位相変調の振幅すとは（１３）によって関係付けら
れるが、ｂの値はξ：！、８の付近に設定される。これ
がＪｌ（ξ）を最大にするからである。位相φは通常Ｏ
になるように設定される。 ここで圧電振動子の温度特性により、振幅ａおよび位相
φが変化すると、同じΔθに対しても、式（１７）で与
えられる出力のレベルが変化する。 すなわち同じ角速度の回転を検出しているのに、出力が
温度によって異なることになる。 逆にいえば、一定の出力が得られていても、温度変動が
あれば、出力からこれを角速度に換算する係数が変動し
ている。このような問題をスケ−シフ１クタの変動とよ
ぶ。 通常は圧電振動子をその共振周波数の近くで励振する。 このときに振幅ａ１位相φの温度に対する変化率が最も
大きいので、スケ−シフ１クタの変動が最も大きいこと
になる。 例えば、ある圧電振動子を用いて、２５℃での共振周波
数で励振し、ξ＝１８、φ＝０に調整した場合、−３０
℃〜＋７０℃でのスケールファクタの変動は５０％以上
であった。 スケールファクタはジャイロの最も重要な特性の一つで
ある。これの５０％もの変動は許されないレベルである
。これを抑えるために、圧電振動子の振幅や位相を一定
にするためのフィードバック系あるいは、これらの変動
を補正するための補正系が必要となる。 しかしこれらのフィードバック系や、補正系は単純に構
成することはできず、大型になり高価になってしまう。 【課題を解決するための手段】 本発明の圧電振動子の励振回路は、圧電現象を利用した
振動子である圧電振動子の励振回路であって、圧電振動
子の弾性共振が生じる周波数をｆｏ、共振周波数の温度
による変化率をｋ、圧電振動子が置かれる環境温度変動
の幅をΔＴ１共振器のＱ値をＱとして、励振回路が圧電
振動子に与える信号の励振周波数ｆが または ５　ｋΔＴ　ｆ　。 ｆ＞ｆｏ　　＋ である事を特徴としている。

【作　　用】

本発明の目的は、圧電振動子の励振回路として、振動子
の共振点（ｆｏ）をはずした周波数（ｆ′）を用いる事
により、安定に圧動振動子（特に位相について）を駆動
させようとするものである。 共振周波数の温度による変化率をｋとする。すＯｄＴ これは、もちろん温度を含むが、これは最適温度（例え
ば２５°Ｃ）の値とする。 そして、圧電振動子が置かれている環境温度の変動幅を
ΔＴとする。圧電振動子のＱ値をＱとする。 同じｋの値であれば、位相の安定性は共振周波数から遠
ざかるほど安定する。このため位相（振幅も含む）の安
定性は Δｆ　Ｑ　　　　　　（２０） に比例する。ここでΔｆは励振周波数ｆ′と共振周波数
ｆ。の差で、 Δ　ｆ”ｔ”　　ｆｏ　　　　（２１）によって定義さ
れる。もちろんｆ′がｆ。から遠ざかる（Δｆが大きい
）に従って振幅が減少するが、安定な振動を得るために
振幅が多少犠牲になるのはやむを得ない。また位相の安
定性にＱが入るのは次の理由による。 Ｑは共振周波数ｆ。での振幅のピークの高さを、ピーク
の半値幅で割ったもので、ピークの鋭さを表す値である
。 Ｑが大きいほど、ピーク両側での振幅の減衰が速いわけ
である。振幅の減衰が速ければ、同じようにｆ。からｆ
′が離れていたとしても　ｆ　Ｉの近傍での位相や振幅
の変動が少なくなる。このためＱが（２０）に含まれる
。 一方温度変化ΔＴがあった時の共振周波数の変化は、 ｋｒｏΔＴ　　　　　　　　　（２２）によって与えら
れる。この値が先程の位相の安定性を決めるファクタに
対して成る関係式以下でなければならないとすれば、 ｋｒｏΔＴくαΔｆＱ　　（２３） という条件を課す事になる。 ただしαは定数であって、後に決定する。 αＱ である。 実験によって に＝０．２％／’Ｃ Δ’１’＝ｔｏｏ’ｃ （２５） （２６） としたとき、位相変動を１０ｄｅｇの間に抑えようとす
ると、α〉１１５でなければならないという事が分かっ
た。（２２）の不等式に対してはαの最小値が最も強い
条件を与える。そこでα＝１１５とする。 つまり本発明に於いては、 としてΔｆの値、つまり励振周波数ｆ′を決定するとい
う事である。実際はこれまでのΔｆは差の絶対値であっ
て　（Ｔについて条件を陽に書くと５にΔＴｔ。 ｆ’＜ｆｏ　　　　　　　　　　　　（２８）又は とする事である。 Δｆの絶対値を大きくする、つまりｆ。からｆ′を遠ざ
けると、振幅ａは減少するが、位相差の変動も減少し、
スケールファクタの変動が少なくなる。 つまり広い温度範囲で、圧電振動子の動作が安定になる
わけである。 第３図により、直感的に説明する。従来は、ｆ。 で圧電振動を励振していた。しかし本発明では、ピーク
からずれたｆ′で圧電振動子を励振する事になる。 圧電振動子の振幅は低下するが、温度変動があっても、
圧電振動子の位相、振幅が広い温度範囲で安定する。 現実の設計に於いては、与えられた圧電振動子に対して
、励振周波数を決めるというよりも、機械の設計で周波
数を決め、それに合った圧電振動子を選ぶという事にな
るが、その場合でも本発明に従って共振周波数をずらせ
た振動子を選べば良い。

【実施例】

本発明を光ファイバの位相変調器を励振するための回路
として用いた例について説明する。 光フアイバジャイロの構成の詳細は説明しないが第６図
のような構成になっている。 ２００ｍ＋の長さの光ファイバからなるファイバコイル
の一端付近を共振周波数が約７０ｋＨｚ　Ｎ　Ｑ　＝　
２０の円筒形の圧電振動子に巻き付けて位相変調器とし
ている。 これを従来のように圧電振動子の共振周波数ｆ。 （７０ｋＨｚ　）で励振した場合は、光ファイバの巻き
付は回数を５ターンとしたとき、ξ＝１．８を得るのに
必要な電圧は約ｏ　、５ｖｐｐであった。しかし、この
回路では温度変動が一３０〜＋７０゛Ｃであるとき、ス
ケールファクタの変動が約５０％であった。 本発明の条件に於いて、ｋ　：＝　０．００２７’　Ｃ
，ΔＴ＝ＩＱＯ’Ｃ、Ｑ＝２０、ｔｏ＝　７０ｋＨｚと
すると、Δｆ〉３．５ｋＨｚという事になる。 そこで、ｆ’＝ＧＧｋＨｚで励振することにした。する
と、圧電振動子の振幅が低下したが、変調の電圧を増加
して、同等の変調度ｂ（つまりξ）を得ることができた
。 このとき、圧電振動子の振幅及び位相は環境温度の変化
に対して非常に安定となった。圧電振動子の温度特性に
よるスケ−シフ１クタの変動幅は、−３０！＋７０’Ｃ
の温度範囲において１％以下であった。ｆ　’　＝　７
４ｋＨ２とした時も同様の効果が得られた。

【発明の効果】

本発明により殆どコストアップを生じず、また寸法の増
加も伴わない非常に簡単な構成で、広い温度範囲にわた
り極めて安定に圧電振動子を励振する事ができるように
なる。 さらにその結果、光フアイバジャイロなどの位相変調器
の励振に適用する事により、広い温度範囲にわたって、
スケールファクタの安定性が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は励振回路と圧電振動子の関係を示す構成図。 第２図はある温度での圧電振動子の振幅、位相の周波数
変化を示すグラフで、第２図（ａ）は振幅の、第２図（
ｂ）は位相の周波数変化を示す。 第３図は異なる温度での圧電振動子の振幅、位相の周波
数変化を示すグラフで、第３図（ａ）は振幅の、第３図
（ｂ）は位相の周波数変化を示す。 第４図は位相変調方式光フアイバジャイロで用いられる
圧電振動子の斜視図。 第５図はベッセル函数Ｊ、、（ξ）のグラフ。 第６図は位相変調方式光フアイバジャイロの構成図。 ■。 ２゜ ３、４゜ ５゜ ６゜ ８゜ ９゜ １８゜ 発　　明　　者 発光素子 ビームスプリッタ 結合レンズ 光ファイバ センサコイル 、位相変調部 、受光素子 発　　振　　器 西　　　浦　　　洋 １≧１狙 第 １ 図 第 図 圧電振動子″の振幅の周波数特性 （ａ） ＜ｂ＞圧電振動子・の周波数特性 第　　　３　　　図 圧電振動子の振幅の温度特性 （ａ） １ 周波数

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電現象を利用した振動子である圧電振動子の励
   振回路であって、圧電振動子の弾性共振が生じる周波数
   をｆ＿ｏ、共振周波数の温度による変化率をｋ、圧電振
   動子が置かれる環境温度変動の幅をΔＴ、共振器のＱ値
   をＱとして、励振回路が圧電振動子に与える信号の励振
   周波数ｆが ｆ＜ｆ＿ｏ−（５ｋΔＴｆ＿ｏ）／Ｑ または である事を特徴とする圧電振動子の励振回路。
2. （２）光ファイバを伝搬する光に変調を加えるために圧
   電振動子に光ファイバを巻き付けている事を特徴とする
   請求項１記載の圧電振動子の励振回路。
3. （３）圧電振動子に取り付けた光ファイバが光ファイバ
   ジャイロの光学系に於ける位相変調部であることを特徴
   とする請求項２記載の圧電振動子の励振回路。