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技術 エネルギー閉じ込め圧電振動子及びジャイロスコープ

出願人 株式会社トーキン
発明者 宮崎紀子
出願日 1999年7月8日 (20年11ヶ月経過) 出願番号 1999-194294
公開日 2001年1月26日 (19年5ヶ月経過) 公開番号 2001-021361
状態 未査定
技術分野 平均速度の測定;速度、加速度の試験較正 ジャイロスコープ 圧電振動子 圧電・機械振動子,遅延・フィルタ回路
主要キーワード 軟弾性体 圧接機構 励振電圧 リード線接続 剛性体 クリップ状 圧電セラミックス板 厚み振動モード
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この項目の情報は公開日時点(2001年1月26日)のものです。
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図面 (8)

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。

概要

背景

従来の圧電振動子の例を、以下に説明する。

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。

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電圧印加すると、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。

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。

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。

概要

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。

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。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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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

技術分野

背景技術

0002

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電圧印加すると、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。

発明が解決しようとする課題

0007

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。

課題を解決するための手段

0012

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

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。演算増幅器非反転入力端子は、基準電圧接地されており、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。

発明の効果

0040

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。

図面の簡単な説明

0041

図1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構成を示す図。
図2図1のエネルギー閉じ込め圧電振動子に接続される後段の処理回路全体を示すブロック図。
図3図2の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。
図4平行電界励振型厚みすべりエネルギー閉じ込め振動子の基本構造を夫々示す説明図。図4(a)は平面図、図4(b)は正面図。
図5図4の圧電振動子の厚さ方向(z軸方向)の変位分布を示す図。
図6図4の圧電振動子の面方向の変位分布を示す図。
図7従来の圧電振動子の構成を示す説明図。

--

0042

1エネルギー閉じ込め圧電振動子
6、10圧電セラミック板
11駆動電極
11a,12a,13a外部接続用電極部
12 第1の検出電極
13 第2の検出電極
14、15、16導電性軟弾性体
27、28、29外部接続用端子
30,31部分電極
18,19電流検出回路
22差動増幅回路
23同期検波回路
24整流回路
25発振回路
26駆動回路
51 金属角柱
52、53圧電セラミック薄板
54、55リード線
100 自励発振回路

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