JP2557286B2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は船舶や自動車等の移動体
に搭載される機器の姿勢制御システムや自動車のナビゲ
ーションシステムなどに用いられるジャイロスコープの
内、圧電振動子の超音波振動を用いた、いわゆる圧電振
動ジャイロに関し、特に圧電セラミックス単体振動子を
用いた構造が簡単な圧電セラミックス振動ジャイロに関
する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動ジャイロは、振動している物体
に回転加速度を与えられると、その振動方向と直角な方
向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャ
イロスコープである。

【０００３】一般に直交する二つの異なる方向の振動を
励振可能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、振動子を回転させると、前述のコリオ
リ力の作用によりこの振動と直角な方向に力が働き、他
方の振動が励振される。この振動の大きさは入力側の振
動の大きさおよび回転角速度に比例するため、入力電圧
を一定にした状態では、この振動の大きさに比例した出
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
出来る。

【０００４】図９は圧電振動ジャイロの第１の従来例の
構造概略図であり、音叉振動子を構成する振動音片１０
１，１０１′の先端に振動音片１０１，１０１′の振動
方向と直角に振動するように構成された振動音片１０
２，１０２′が付加されている。振動音片１０１，１０
１′および１０２，１０２′は金属で構成され、各々の
音片には両面に電極が形成され、厚さ方向に分極された
圧電セラミックス薄板１０３，１０４，１０５，１０６
が接合されている。

【０００５】入力側の圧電セラミックス薄板１０３，１
０４に、先端部の振動音片１０２，１０２′を含めた振
動音片１０１，１０１′の共振周波数に等しい周波数の
駆動電圧を印加して振動音片を１０１，１０１′を励振
する。このとき振動音片１０２，１０２′はそれぞれ振
動音片１，１′と一緒に振動するが、振動音片１０２，
１０２′自身は振動音片１０１，１０１′の振動方向と
直角な方向には振動しない。しかし、この状態で音叉振
動子を図に示すように振動音片１０１，１０１′，１０
２，１０２′の中心を軸にして回転させると、コリオリ
力の作用により振動音片１０１，１０１′の振動方向と
直角な方向に力が作用し振動音片１０２，１０２′を振
動させる。その結果、出力側の圧電セラミックス薄板１
０５，１０６には回転角速度に比例した電圧が発生す
る。

【０００６】図１０は圧電振動ジャイロの第２の従来例
の構造概略図である。この圧電振動ジャイロは、断面が
正方形である金属角柱１０７の隣合う面に、両面に電極
が形成されるとともに厚さ方向に分極された圧電セラミ
ックス薄板１０８，１０９が接合されている。金属角柱
１０７は互いに直角な二つの方向に、ほぼ同じ共振周波
数で屈曲振動が可能であり、かつ、圧電セラミックス薄
板１０８にこの共振周波数に等しい周波数の電圧を印加
すると、圧電セラミックス薄板１０８を接合した面が凹
凸となる方向に屈曲振動する。この状態では金属角柱１
０７の圧電セラミックス薄板１０９には電圧が発生しな
いが、金属角柱１０７を長さ方向を軸として回転させる
と、コリオリ力の作用により金属角柱１０７は圧電セラ
ミックス薄板１０９を接合した面が凹凸となる方向に屈
曲振動し、圧電セラミックス１０９に回転角速度に比例
した電圧が発生する。

【０００７】図１１は、圧電振動ジャイロの第３の従来
例を示す概略図である。この圧電振動ジャイロは、断面
が正三角形である金属三角柱１１０の三つの面のほぼ中
央部に、それぞれ両面に電極が形成されているととも
に、厚さ方向に分極された圧電セラミックス薄板１１
１，１１２，１１３が接合されている。金属三角柱１１
０はそれぞれの辺とこれに向かい合う頂点を結ぶ方向
に、ほぼ同じ共振周波数で屈曲振動が可能であり、図１
２に示すように、一枚の圧電セラミックス薄板１１１に
この共振周波数にほぼ等しい周波数の電圧を印加する
と、圧電セラミックス薄板１１１を接合した面が凹凸と
なる方向に屈曲振動する。

【０００８】図１３を参照して、隣合う２つの圧電セラ
ミックス薄板１１１，１１２に同一振幅、同一位相の金
属三角柱１１０の共振周波数に等しい周波数の電圧を印
加すると、金属三角柱１１０は圧電セラミックス薄板１
１１を接合した面が凹凸となる方向の屈曲振動と圧電セ
ラミックス薄板１１２を接合した面が凹凸となる方向の
屈曲振動とが合成されて、残りの圧電セラミックス薄板
１１３を接合した面が凹凸となる方向（矢印方向）に屈
曲振動する。

【０００９】図１４に示すように、隣合う２つの圧電セ
ラミックス薄板１１１，１１２に同一振幅、逆位相の金
属三角柱１０の共振周波数に等しい周波数の電圧を印加
すると、金属三角柱１１０は圧電セラミックス薄板１１
１を接合した面が凹凸となる方向の屈曲振動と圧電セラ
ミックス薄板１１２を接合した面が凹凸となる方向の屈
曲振動とが合成されて、残りの圧電セラミックス薄板１
１３を接合した面と平行な方向（矢印方向）に屈曲振動
する。

【００１０】図１３の状態で金属三角柱１１０を長さ方
向の中心を軸にして回転させるとコリオリ力の作用によ
り金属三角柱１１０には図１５に示すように、圧電セラ
ミックス薄板１１３を接合した面が凹凸となる方向と直
角な方向に屈曲振動する。図１４に示したように、金属
三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１１３と平行な方
向の屈曲振動は圧電セラミックス薄板１１１，１１２に
同一振幅、逆位相の電圧を印加することによって得られ
るため、逆の効果により金属三角柱１１０を圧電セラミ
ックス薄板１１３と平行な方向に屈曲振動した場合には
圧電セラミックス薄板１１１，１１２に印加されている
電圧の一方がその分減少し、他方がその分増加する。従
って、圧電セラミックス薄板１１１，１１２の端子電圧
の差の電圧は金属三角柱１１０の回転角速度に比例した
電圧となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電振動ジャイロにおいては、いずれも金属音片と圧電
セラミックス薄板とを接着剤を用いて接合しており、接
着位置のばらつきあるいは接着層のばらつきなどによ
り、圧電振動ジャイロの特性が変動するという欠点があ
った。

【００１２】また、音叉振動子を用いた第１の例では、
振動音片１０１，１０１′と１０２，１０２′を直角に
接合する必要があり、精度良く組み立てるのが難しいと
言う欠点があった。

【００１３】本発明の技術的課題は、構造が簡単で、接
着工程が不要で、かつ、特性のばらつきの少ない圧電振
動ジャイロを得ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電セ
ラミックス円柱の外周面に該圧電セラミックス円柱の周
方向のほぼ３分の２の領域に、該圧電セラミックス円柱
の長さ方向と平行な奇数個の帯状電極を等間隔に形成
し、これらの帯状電極を互いに一つおきに電気的に接続
して２端子として分極処理を施し、分極処理後、中央部
の帯状電極を含む端子をアース電極とし、中央部の帯状
電極を含まない帯状電極の組を中央部の帯状電極を中心
にして２つの組に電気的に分離して２個の入出力端子と
し、これら２個の入出力端子にそれぞれ位相および電圧
振幅が等しく、前記圧電セラミックス円柱の屈曲振動モ
ードの共振周波数にほぼ等しい周波数の励振用の交流電
圧を印加すると同時に、これら２個の入出力端子の差動
電圧を検出するように構成したことを特徴とする圧電振
動ジャイロが得られる。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例の圧電振動ジャイロを図面
を用いて説明する。図１は本発明の一実施例の圧電振動
ジャイロの要部を示す斜視図である。図１において符号
１０は本発明の圧電振動ジャイロに用いられる圧電セラ
ミックス円柱を示している。この圧電セラミックス円柱
の外周面には円周方向のほぼ３分の２の領域に長さ方向
と平行な奇数個の帯状電極Ｌが等間隔に形成されてい
る。これらの帯状電極は曲面スクリーン印刷で直接形成
するか、あるいはメッキ等で全面に形成された電極の不
要部分をフォトエッチングにより不要部分を除去するこ
とにより形成することが出来る。

【００１６】以下説明を簡単にするために圧電セラミッ
クス円柱１０に帯状電極５個の場合を示す一実施例を説
明する。図２は図１に示した圧電セラミックス円柱１０
の外周面に、５個の帯状電極１１，１２，１３，１４，
及び１５を形成し、かつ、これらを互いに１個おきに接
続して分極した場合に圧電セラミックス円柱１０の断面
方向における分極の向きを示す説明図であり、分極の向
きは点線で示されている。

【００１７】図３は、本発明の圧電振動ジャイロの動作
原理の基本原理の説明図である。図３において、帯状電
極１１，１２，１３，１４，１５の間に位置する圧電セ
ラミックス円柱１０の帯状電極間隙部をそれぞれＧ１，
Ｇ２，Ｇ３，及びＧ４とする。今、間隙部Ｇ１に交流電
圧を印加すると、印加電界の向きが分極の向きと等しい
場合は間隙部Ｇ１に伸び歪が発生し、印加電界の向きが
分極の向きと逆向きの場合は間隙部Ｇ１に縮み歪が発生
する。従って帯状電極間隙部Ｇ１に圧電セラミックス円
柱１０の屈曲振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波
数の励振用の交流電圧を印加すると圧電セラミックス円
柱１０は圧電横効果によりほぼ帯状電極間隙部Ｇ１の中
心線と圧電セラミックス円柱の中心軸とを含む面に沿う
矢印方向に屈曲振動する。図３において別の駆動源によ
り圧電セラミックス円柱１０が矢印方向に振動している
場合、圧電効果により帯状電極１１−１２間に電圧が発
生する。

【００１８】図４は帯状電極１２を挟む帯状電極１１お
よび１３を接続し、これらの帯状電極１１および１３と
帯状電極１２との間に交流電圧を印加した場合に圧電セ
ラミックス円柱１０の断面方向に発生する歪の状態及び
振動方向を示す説明図である。図４に示すように、間隙
部Ｇ１部とＧ２部のそれぞれの分極の向きに対して印加
する電界の極性を同じになるようにして、圧電セラミッ
クス円柱１０の屈曲振動モードの共振周波数にほぼ等し
い周波数の励振用の交流電圧を印加すると圧電セラミッ
クス円柱１０には図３で説明したように、それぞれ実線
の矢印で示すようにほぼ帯状電極間隙部Ｇ１及びＧ２の
中心線圧電セラミックス円柱の中心軸とを含む面に沿う
方向と同じ向きの振動駆動力が発生し、これらが図５に
示すように合成されて圧電セラミックス円柱１０はほぼ
帯状電極１２の中心線と圧電セラミックス円柱の中心軸
とを含む面に沿う矢印方向に屈曲振動する。図４におい
て別の駆動源により圧電セラミックス円柱１０が矢印方
向に振動している場合、圧電効果により帯状電極１１と
１２の間および帯状電極１２と１３の間に帯状電極１２
を基準として同相の電圧が発生する。

【００１９】図６は、一方の帯状電極１２及び１４と他
方の帯状電極１１、１３、及び１５との間に交流電圧Ｖ
ｉを印加し、他方の帯状電極１１、１３、及び１５とを
アースする。これにより、圧電セラミックス円柱１０の
断面に実線の矢印Ｘ′、Ｙ′の方向に歪みが夫々生じ
る。これら歪みＸ′、Ｙ′が合成されて白抜きの矢印
Ｒ′で示された屈曲振動が発生する。逆に、外力を加え
ることによりこの屈曲振動を起こすと、一方の帯状電極
１２及び１４と他方の帯状電極１１、１３、及び１５と
の間に交流電圧Ｖｉが発生する。 図７を参照して、交流
電圧Ｖｉと逆相のＶｉ′を帯状電極１４とアースとの間
に印加した場合が示され、圧電効果により歪みＹ″が発
生する。この場合、圧電セラミックス円柱１０が白抜き
の矢印Ｒ″方向に振動する。逆に、外力を加えることに
よりこの振動を起こすと、アースに対して一方の帯状電
極１２には交流電圧Ｖｉが発生し、他方の帯状電極１４
には交流電圧Ｖｉと逆相の電圧が発生する。

【００２０】図８は、前述の５個の帯状電極を有する圧
電セラミックス円柱１０を用いて構成した本発明の圧電
振動ジャイロの動作原理を説明するための説明図であ
る。図８に示す実施例においては、アースされている帯
状電極１１，１３および１５と帯状電極１２，１４との
間に上述した交流電圧Ｖｉを印加する。この状態は図６
と同様であるから、圧電セラミックス円柱１０は白抜き
の矢印Ｒ′の方向に振動する。

【００２１】この状態で圧電セラミックス円柱１０をこ
れの軸を中心として矢印Ａの方向に９０°回転させる
と、矢印Ｒ′の振動方向と直角な方向にコリオリ力が発
生し、圧電セラミックス円柱１０は、矢印Ｃの方向に振
動する。この場合、図７で示された状態になり、帯状電
極１２と１４とには、この矢印Ｃの方向の振動のレベル
に比例するレベルの互いに逆位相の電圧が発生し、帯状
電極１２と１４とに接続されている差動増幅器２０の入
力端子に入力され、差動増幅器２０の出力端子にはコリ
オリ力により発生した矢印Ｒ′の方向の振動のレベルに
比例した電圧、即ち、加えられた回転速度に比例した電
圧が出力される。

【００２２】以上の説明は帯状電極１１〜１５の数が５
個の場合について行ったが、帯状電極の数を３個、７個
などの奇数個とすることにより、同様の原理の圧電振動
ジャイロが得られる。ただし、この場合に、これらの帯
状電極を圧電セラミックス円柱１０の外周面の内、ほぼ
円周方向の３分の２の領域に形成する必要がある。これ
は、本発明の圧電振動ジャイロにおいては、帯状電極を
中央部の帯状電極に対して両側の２つの帯状電極の組に
分けて考えた時、それぞれの帯状電極の組のほぼ中心線
と圧電セラミックス円柱１０の中心軸とを含む面に沿う
方向の２つ屈曲振動の和が合成されて駆動用の振動が励
振され、２つの屈曲振動の差が合成されて、圧電セラミ
ックス円柱１０をこれの軸を中心として回転させたとき
のコリオリ力にともなう出力電圧を検出しており、駆動
される振動振幅はそれぞれの帯状電極の組が形成された
面積が広い方が大きくなるが、各々の帯状電極を形成す
る領域をほぼ円周方向の３分の１以上の領域にすると駆
動用の２つの屈曲振動の方向の間の角度が１２０°以上
となり、合成された振動の振幅は、ベクトルの合成の法
則から明らかなように、一方の駆動用の振動振幅より小
さくなるためである。

【００２３】また帯状電極の個数については、個数を増
すことにより、静電容量が大きくなり、インピーダンス
が小さくなって、ノイズに対する信号の取扱が有利にな
るが、これを余り多くすると電極形成精度を高くするこ
とが難しくなったり、印加電界が圧電セラミックス円柱
１０の表面層にしか作用しなくなり、検出感度が低下す
るなどのデメリットが生ずる。

【００２４】

【発明の効果】以上示したよう本発明によれば、圧電振
動子が、圧電セラミックス単体円柱を用いているため、
寸法精度の高い振動子が得られ、材質特性的に均質な材
利用を用いることにより、直交する二つの振動モードの
特性を精度良く合わせることができ、構造が簡単である
上に、接着剤が不要で、接着位置や接着層のばらつきな
どによる特性のばらつきの無い圧電振動ジャイロが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の圧電振動ジャイロに用いら
れる圧電セラミックス円柱１０を示す斜視図である。

【図２】図１の圧電セラミックス円柱１０の他の実施例
を示し、断面方向の分極の向きを説明するための説明図
である。

【図３】本発明の動作を説明するための説明図である。

【図４】本発明の動作を説明するための説明図である。

【図５】本発明の動作を説明するための説明図である。

【図６】本発明の動作を説明するための説明図である。

【図７】本発明の動作を説明するための説明図である。

【図８】本発明の動作を説明するための説明図である。

【図９】圧電振動ジャイロの第１の従来例を示す概略図
である。

【図１０】従来の圧電振動ジャイロの第２の従来例を示
す概略図である。

【図１１】従来の圧電振動ジャイロの第３の従来例を示
す概略図である。

【図１２】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するた
めの説明図である。

【図１３】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するた
めの説明図である。

【図１４】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するた
めの説明図である。

【図１５】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するた
めの説明図である。

【符号の説明】

１０ 圧電セラミックス円柱 １１〜１５ 帯状電極（Ｌ） ２０ 差動増幅器 １０１，１０１′，１０２，１０２′ 金属音片振動
子 １０３，１０４，１０５，１０６ 圧電セラミックス
薄板 １０７ 金属角柱 １０８，１０９ 圧電セラミックス薄板 １１０ 金属三角柱 １１１，１１２，１１３ 圧電セラミックス薄板

フロントページの続き (72)発明者 増子 力 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (56)参考文献 特開 平５−79844（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106407（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−82164（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−130611（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−266214（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックス円柱の外周面に該圧電
   セラミックス円柱の周方向のほぼ３分の２の領域に、該
   圧電セラミックス円柱の長さ方向と平行な奇数個の帯状
   電極を等間隔に形成し、これらの帯状電極を互いに一つ
   おきに電気的に接続して２端子として分極処理を施し、
   分極処理後、中央部の帯状電極を含む端子をアース電極
   とし、中央部の帯状電極を含まない帯状電極の組を中央
   部の帯状電極を中心にして２つの組に電気的に分離して
   ２個の入出力端子とし、これら２個の入出力端子にそれ
   ぞれ位相および電圧振幅が等しく、前記圧電セラミック
   ス円柱の屈曲振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波
   数の励振用の交流電圧を印加すると同時に、これら２個
   の入出力端子の差動電圧を検出するように構成したこと
   を特徴とする圧電振動ジャイロ。