| 【発明の名称】 |
エネルギー閉じ込め圧電振動子及びジャイロスコープ |
| 【発明者】 |
【氏名】宮崎 紀子
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| 【要約】 |
【課題】振動子の支持によるＱの低下が少なく、簡単に信号入力、出力がとれる、かつ、振動子の支持およびリード線接続による振動子の特性のばらつきをおさえたエネルギー閉じ込め圧電振動子を得る。
【解決手段】少なくとも１個の駆動電極１１と少なくとも２個の検出電極１２、１３が、圧電セラミック板６の少なくとも一方の面に形成されているエネルギー閉じ込め圧電振動子１であって、前記駆動電極１１および検出電極１２、１３のそれぞれから引き出された外部接続用電極部１１ａ、１２ａ、１３ａを、導電性軟弾性体１４、１５、１６を介して外部接続用端子２７，２８，２９が圧着しているエネルギー閉じ込め圧電振動子とし、前記圧電セラミック板６は、厚み方法に分極されていて、厚み振動モードを発生しているエネルギー閉じ込め圧電振動子とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 少なくとも１個の駆動電極と少なくとも２個の検出電極が圧電セラミックス板の少なくとも一方の面に形成されているエネルギー閉じ込め振動子であって、前記駆動電極および検出電極から引き出された外部接続用電極部を、導電性軟弾性体を介して外部接続用端子が圧着していることを特徴とするエネルギー閉じ込め圧電振動子。
【請求項２】 前記圧電セラミック板は、厚み方向に分極されていて、駆動電極に加えられる電圧により厚みすべり振動モードを発生していることを特徴とする請求項１記載のエネルギー閉じ込め圧電振動子。
【請求項３】 請求項１または２記載のエネルギー閉じ込め圧電振動子において、少なくとも２個の検出電極から引き出された外部接続用電極部は、外部接続用端子にて後段のそれぞれの電流検出回路に接続されていて、発振回路、駆動回路、駆動電極をループとして自励発振回路を構成しており、前記自励発信回路内の駆動回路の出力電圧が、駆動電極の上の外部接続用電極部に接続されていることを特徴とするエネルギー閉じ込め圧電振動子。
【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のエネルギー閉じ込め圧電振動子を用いたことを特徴とするジャイロスコープ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲーションシステムやカメラ一体型ＶＴＲカメラの手ブレ補正などに用いられるジャイロスコープおよびそれに使用されるエネルギー閉じ込め圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の圧電振動子の例を、以下に説明する。
【０００３】図７は、従来の圧電振動子の構造を示す斜視図であり、圧電振動ジャイロに用いられるものを示す。図７を参照すると、正方形断面形状を有する金属角柱５１の隣合う面の中央部に、圧電セラミック薄板５２、５３が接合されている。これらの圧電セラミック薄板５２、５３は、それぞれ両面に電極が形成され、厚さ方向に分極されている。
【０００４】正方形断面の金属角柱５１には、互いに直交する二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、二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、圧電セラミック薄板５２に、この金属角柱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、圧電セラミック薄板５２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。
【０００５】この状態で、金属角柱５１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り、金属角柱５１は、圧電セラミック薄板５３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、圧電効果により、圧電セラミック薄板５３に電圧が発生する。この電圧の大きさは、圧電セラミック薄板５２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に比例する。
【０００６】従って、圧電セラミック薄板５２に印加する励振電圧の大きさを一定とすれば、圧電セラミック薄板５３に発生する電圧は、金属角柱５１の回転角速度に比例した電圧となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ここで、図７に示した従来の圧電振動子においては、以下の問題点があった。
【０００８】■金属角柱５１の屈曲振動モードを利用しているため、振動子の支持、固定は振動の節の位置で行わなければならず、組立に制約があった。
【０００９】■また、駆動回路、検出回路と振動子の電極をリード線５４，５５で接続する必要があったが、はんだ付けは時間がかかり、また、接続状態のばらつきを抑えることが難しかった。
【００１０】■また、実際には、振動子を点または線で支持、固定することができず、どうしても面で支持、固定することになり、その結果、機械的なＱの低下は避けられなかった。
【００１１】従って、本発明の目的は、振動子の支持による機械的なＱの低下が少なく、簡単に信号入力、出力がとれる、かつ、振動子の支持およびリード線接続による振動子の特性のばらつきをおさえたエネルギー閉じ込め圧電振動子を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なくとも１個の駆動電極と少なくとも２個の検出電極が圧電セラミック板のー方の面に形成されている厚みすべり振動モードを利用したエネルギー閉じ込め圧電振動子において、前記駆動電極および検出電極から引き出された外部接続用電極部に、導電性軟弾性体を介して導通する外部接続端子により導通をとったことを特徴とするエネルギー閉じ込め圧電振動子を提供するものである。
【００１３】即ち、本発明によれば、少なくとも１個の駆動電極と少なくとも２個の検出電極が圧電セラミックス板の少なくとも一方の面に形成されているエネルギー閉じ込め振動子であって、前記駆動電極および検出電極から引き出された外部接続用電極部を、導電性軟弾性体を介して外部接続用端子が圧着しているエネルギー閉じ込め圧電振動子である。
【００１４】また、本発明は、前記圧電セラミック板は、厚み方向に分極されていて、駆動電極に加えられる電圧により厚みすべり振動モードを発生しているエネルギー閉じ込め圧電振動子である。
【００１５】また、本発明は、前記エネルギー閉じ込め圧電振動子において、少なくとも２個の検出電極から引き出された外部接続用電極部は、外部接続用端子にて後段のそれぞれの電流検出回路に接続されていて、発振回路、駆動回路、駆動電極をループとして自励発振回路を構成しており、前記自励発信回路内の駆動回路の出力電圧が、駆動電極の上の外部接続用電極部に接続されているエネルギー閉じ込め圧電振動子である。
【００１６】また、本発明は、前記エネルギー閉じ込め圧電振動子を用いたジャイロスコープである。
【００１７】
【実施例】本発明の実施例によるエネルギー閉じ込め圧電振動子について、以下に説明する。
【００１８】図１は、本発明のエネルギー閉じ込め圧電振動子を示す図であり、特に、圧電振動ジャイロ等に使用されるエネルギー閉じ込め圧電振動子を示す。
【００１９】図１に示すように、エネルギー閉じ込め圧電振動子１は、厚さ方向に分極軸を有する圧電セラミック板６の一方の面の中央部のおよそ二等辺三角形を構成する各頂点の位置に、駆動電極１１、第１の検出電極１２、および第２の検出電極１３が形成されている。また、第１の検出電極１２と第２の検出電極１３とは、駆動電極１１に対向して平行に配置されており、一方、前記駆動電極１１は、Ｘ方向の振動が励振できるように、長て方向をＹ方向に合わせるように配置されている。
【００２０】前記の駆動電極１１と第１の検出電極１２と第２の検出電極１３からは、それぞれ外部接続用電極部１１ａ、１２ａ、１３ａが引き出されており、外部接続用端子２７，２８，２９が、それぞれ導電性軟弾性体１４，１５，１６をはさみ込んで圧着されている。
【００２１】図２は、図１のエネルギー閉じ込め圧電振動子１に接続される後段の処理回路全体を示すブロック図である。
【００２２】図２に示すごとく、エネルギー閉じ込め圧電振動子１の第１の検出電極１２は、電流検出回路１８に電気的に接続され、第２の検出電極１３は、電流検出回路１９に電気的に接続されている。ここで、電流検出回路１８、１９の出力は、差動増幅回路２２が接続され、同期検波回路２３、整流回路２４を介して、圧電振動ジャイロの出力電圧となる。
【００２３】一方、電流検出回路１８，１９の出力は、発振回路２５に接続され、駆動回路２６を介して駆動電極１１に接続されていて、自励発振回路１００を構成している。この自励発振回路１００によりエネルギー閉じ込め圧電振動子１の厚みすべり振動の共振周波数に等しい周波数の交流電圧が駆動電極１１に印加されている。
【００２４】図３は、図１のエネルギー閉じ込め圧電振動子に用いた仮想接地機能を有する電流検出回路の構成例を示す図である。演算増幅器の非反転入力端子は、基準電圧に接地されており、演算増幅器の出力端子から反転入力端子に抵抗器が接続されており、演算増幅器の仮想接地機能により、反転入力端子は常に基準電圧に保たれる。
【００２５】この反転端子に電流が流入すると、抵抗器により電圧に変換される。よって、図２に示す電流検出回路１８、１９は、機能的には、入力インピーダンスが、ほぼ零で、入力電流に比例した出力電圧を得ることができる。
【００２６】次に、更に、本発明の実施例によるエネルギー閉じ込め圧電振動子の駆動原理を図面を参照して以下に説明する。
【００２７】図４は、平行電界励振型で、厚みすべり振動を起こすエネルギー閉じ込め圧電振動子の基本構造を示す図であり、図４（ａ）は平面図、および図４（ｂ）は正面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）を参照すると、厚さ方向（ｚ軸方向）に分極された圧電セラミック板１０の中央部の同一面上に、ｘ軸方向に対向する部分電極３０，３１が形成されている。
【００２８】部分電極３０，３１に挟まれている部分には、板の面に平行な方向（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３０，３１の寸法を、使用する圧電材料の特性に合わせて設計すると、この部分に厚みすべり振動を起こす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。
【００２９】厚みすべり振動とは、変位の方向が板面に平行で、板の厚さ方向に伝搬する振動である。半波長で共振している場合、厚さ方向（ｚ軸方向）の変位分布は、図５のようになる。この振動の面方向の変位分布は、図６に示すように、電極間の分極部分でもっとも大きく、周辺に向かうに従い減少する。従って、振動エネルギーが中心部に閉じ込められ、周辺の支持などによる影響を受けない。
【００３０】図１に戻って、駆動電極１１を二等辺三角形の頂角の位置に、第１の検出電極１２および第２の検出電極１３をそれぞれ二等辺三角形の底角の位置で、かつ駆動電極１１と第１の検出電極１２と第２の検出電極１３電極が平行になるように配置し、第１の検出電極１２および第２の検出電極１３をそれぞれ仮想接地機能を有する電流検出回路１８および１９に電気的に接続する。
【００３１】第１の検出電極１２および第２の検出電極１３は、電流検出回路１８，１９の仮想接地機能により仮想的に基準電位に保たれている。従って、電位的には、両検出電極１２，１３は、アース端子とみなすことができる。
【００３２】ここで、駆動電極１１に、前記圧電セラミック板６の厚みすべり振動モードの共振周波数に等しい周波数の励振用の駆動電圧を印加すると、図４の圧電振動子１０との場合と同様に、駆動電極１１の中心と、第１の検出電極１２および第２の検出電極１３の中心を結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向にエネルギー閉じ込め振動モードの厚みすべり振動が発生する。
【００３３】この状態で、前記圧電セラミック板６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、前記励振されている厚みすべり振動の方向と直角な方向の厚みすべり振動が発生する。このコリオリ力により発生した厚みすべり振動により、駆動電極１１と第１の検出電極１２との間、および駆動電極１１と第２の検出電極１３との間のインピーダンスが変化し、その結果として、前記電流検出回路１８および１９に流れ込む電流値が変化する。
【００３４】第１の検出電極１２と第２の検出電極１３は、前述したように、励振されている厚みすべり振動の方向に対して対称に配置されているため、コリオリ力により変化する電流は、振幅が等しく、互いに１８０度位相の異なった電流となる。
【００３５】従って、電流検出回路１８および１９の出力電圧も、互いに１８０度位相の異なった電圧となる。これらの出力電圧を差動増幅回路２２により、検出電圧の差を検出し、同期検波回路２３によって、この電圧を所定のタイミングで同期検波し、整流回路２４で整流すると、印加した回転角速度に比例した直流の出力電圧が得られる。
【００３６】一方で、電流検出回路１８，１９は、自励発振条件を満足するための発振回路２５と駆動回路２６を介して駆動電極１１に接続され、自励発振回路１００を構成している。これにより、振動子の共振周波数を自動的に追尾して、効率よくエネルギー閉じ込め圧電振動子を駆動できる。
【００３７】更に、このエネルギー閉じ込め圧電振動子１と図２に示す後段の処理回路との接続において、駆動電極１１および第１の検出電極１２および第２の検出電極１３から引き出された外部接続用電極部１１ａ、１２ａ、１３ａに導電性軟弾性体１４，１５，１６を介して、外部接続用端子２７、２８、２９を圧着させる。これにより、密着性が良く、簡単に電気的に導通がとれ、特性のばらつきが改善されるものである。
【００３８】また、外部接続用端子２７、２８、２９は、圧電セラミック板６の支持も兼ねることができる。これにより、従来、剛性体でエネルギー閉じ込め圧電振動子を支持していた場合に問題としていた、圧電セラミック板の支持およびリード線接続による圧電振動の抑制の問題を解決することができる。
【００３９】以上の説明では、外部接続用端子としてクリップ状の圧接機構を用いた場合であるが、これとは別に、外部接続用端子の一部にコの字状部分を形成し導電性軟弾性体シートを介して挿入固定する構造としても良い。
【００４０】
【発明の効果】以上、本発明によれば、振動子の支持による機械的なＱの低下が少なく、簡単に信号入力、出力がとれる、かつ、振動子の支持およびリード線接続による振動子の特性のばらつきをおさえたエネルギー閉じ込め圧電振動子を提供できるものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３４２５７
【氏名又は名称】株式会社トーキン
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| 【出願日】 |
平成１１年７月８日（１９９９．７．８） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２１３６１（Ｐ２００１−２１３６１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月２６日（２００１．１．２６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１９４２９４ |
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