JP2909851B2 - 圧電型振動ジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コリオリの力を利用し
た圧電型振動ジャイロに関するもので、このような振動
ジャイロは、角速度または角加速度等の検出に用いられ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電型ジャイロとして、例えば図
９に示したように、コの字形に屈曲形成した本体ｂと、
その両腕部ｃ_１，ｃ_２の上端（自由端）より突出する振
動片ｄ_１，ｄ_２とを具えた音叉ａより構成され、前記両
腕部ｃ_１，ｃ_２の一側面には、音叉本体ｂが三元座標に
おけるＹ方向に振動するよう駆動用圧電素子ｅ_１，ｅ_２
を貼着し、更に前記振動片ｄ_１，ｄ_２の片面には、該振
動片が三元座標におけるＸ方向に振動するよう検出用圧
電素子ｆ_１，ｆ_２を貼着している。

【０００３】そしてこのジャイロによる角速度もしくは
角加速度の検出は、音叉駆動回路（図示しない）から所
定周波数の交流信号を駆動用圧電素子ｅ_１，ｅ_２に印加
することにより両腕部ｃ_１，ｃ_２をＹ方向に振動させ
る。この状態では振動片ｄ_１，ｄ_２は励振されず、検出
用圧電素子ｆ_１，ｆ_２からは信号を生じないが、ジャイ
ロの支持点ｇ、即ち、三元座標のＺ方向の回りに角速度
または角加速度が加わると、コリオリの力により前記両
腕部の振動方向とは直角な方向、即ちＸ方向の振動が誘
起され、これにより振動片ｄ_１，ｄ_２が振動し、検出用
圧電素子ｆ_１，ｆ_２よりコリオリの力に比例した大きさ
の信号を生じ、この信号より角速度または角加速度を検
出するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】而るに上記従来の音叉
型ジャイロにあっては、コの字形本体ｂと振動片ｄ_１，
ｄ_２の合体構造よりなる音叉ａの形状が極めて複雑にな
るため、その製作が面倒で高価となるだけでなく、検出
部が、金属の振動片ｄ_１，ｄ_２にセラミックの圧電素子
ｆ_１，ｆ_２を貼着したものであるから、両者の熱膨張差
により、接着過程あるいは周囲の温度変化により反りや
捩じれを生じ、振動片の振感方向がコリオリの力の方向
と一致しなくなり、検出精度を劣下する問題があった。

【０００５】更に駆動用圧電素子ｅ_１，ｅ_２と検出用圧
電素子ｆ_１，ｆ_２は、いずれも音叉本体ｂおよび振動片
ｄ_１，ｄ_２に単に接着しているだけであるから、使用
中、接着面の剥離により容易に脱落したり、外的衝撃に
より容易に破損し、耐久性の面でも問題があった。

【０００６】本発明は、このような問題をもたない新規
な構成の圧電型振動ジャイロを提供することを目的とす
る。

【０００７】この目的を達成するために、本発明は、三
元座標のＹ方向に二分割され、該分割された圧電領域の
分極方向を異にする圧電素子を有する駆動用電歪要素を
第１の挟持体と第２の挟持体との間に挟み、更に三元座
標のＸ方向に二分割され、該分割された圧電領域の分極
方向を異にする圧電素子を有する検出用圧電要素を前記
第２の挟持体と第３の挟持体との間に挟み、これらを一
体に結合してなる棒状撓み振動子を用い、かつこの撓み
振動子の軸線を三元座標のＺ方向に一致させたことを特
徴としている。

【０００８】更に本発明では、前記第２の挟持体の一部
に径小部を設けたり、第１、第２、第３の各挟持体と、
これら挟持体間に挟持された駆動電歪要素と検出圧電要
素とを、ねじ要素により一体に結合することも特徴とす
るものである。

【０００９】

【作用】上記本発明の構成において、振動体としての棒
状撓み振動子の形状が、音叉型に比べ単純構造であり、
簡単かつ安価に製作できる。また駆動用電歪要素と検出
用圧電要素は、各挟持体間に挟持されているので、温度
変化を受けても反りや捩じりを起こすようなことは一切
ない。また強度の小さい圧電素子は、挟持体により補強
されているので、外的衝撃を受けても容易に破損するよ
うなことはない。

【００１０】

【実施例】図１、図２は本発明の一実施例に用いる円柱
状撓み振動子を示し、第１の挟持体１と第２の挟持体ロ
ック２との間に駆動用電歪要素４を、前記第２の挟持体
２と第３の挟持体３との間に検出用圧電要素５をそれぞ
れ挟持し、これら積層物を適当な接着剤を用いて一体に
結合した構成よりなる。前記第１、第２、第３の各挟持
体１〜３は、ステンレス等の金属やアルミナ、窒化珪素
等の高強度磁器より製作されている。また前記駆動用電
歪要素４は、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電磁器よりな
り、その表裏面に電極薄層を被着した圧電素子４ｐに対
し、三元座標のＹ方向に沿って形成した絶縁スリット４
ｅ_１、４ｅ_２により前記電極薄層を４ａ_１，４ａ_２、４
ｂ_１，４ｂ_２に二分割し、これによって形成された左右
対称の圧電領域４ｃ，４ｄを分極方向（矢印）が異なる
よう分極処理し、この圧電素子４ｐの二枚を、各圧電領
域４ｃ，４ｄの分極方向が上下方向で逆になるように、
電極板４ｔを介して電気的並列に積層したものである。
また検出用圧電要素５は、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧
電磁器よりなり、その表裏面に電極薄層を被着した圧電
素子５ｐに対し、三元座標のＸ方向に沿って形成した絶
縁スリット５ｅ_１、５ｅ_２により前記電極薄層を５
ａ_１，５ａ_２、５ｂ_１，５ｂ_２二分割し、これによって
形成された左右対称の圧電領域５ｃ，５ｄを分極方向が
異なるよう分極処理し、この圧電素子５ｐの二枚を、各
圧電領域５ｃ，５ｄの分極方向が上下方向で逆になるよ
うに、電極板５ｔを介して電気的並列に積層したもので
ある。

【００１１】上記円柱状撓み振動子の全長は、使用する
撓み共振周波数の波長の整数倍長さに設定され、かつそ
の軸線が三元座標のＺ方向と一致するように第３の挟持
体３を、固定台６の上に直立状態で保持固定する。

【００１２】本実施例の動作について説明する。駆動回
路７より所定共振周波数の交流信号を駆動用電歪要素４
に印加すると、交流信号の正過程では圧電素子４ｐの一
方の圧電領域４ｃには分極方向と順方向の電圧が、他方
の圧電領域４ｄには逆方向の電圧がそれぞれ加えられ
て、図３Ａのように変位し、交流信号の負過程では前記
とは逆に図３Ｂのように変位し、全体として図１ｂに図
示した撓み振動モードでＸ方向に振動する。一方、検出
用圧電要素５にあっては振動子の振動により電荷を発生
するが、圧電素子の分割電極５ａ_１，５ａ_２、５ｂ_１，
５ｂ_２が振動子の振動方向に対し直交するため、各圧電
領域５ｃ，５ｄにはそれぞれ異符号の発生電荷が発生
し、互いにキャンセルされる。従ってこの振動状態では
検出用圧電要素５からは出力信号は発生しない。

【００１３】いま、上記振動状態にある撓み振動子の軸
線、即ち、三元座標のＺ方向の回りに、角速度または角
加速度が与えると、その振動方向とは直角のＹ方向にコ
リオリの力が発生し、このコリオリの力により振動子が
Ｙ軸方向に撓み振動を呈し、検出用圧電要素５よりコリ
オリの力の大きさに比例した出力信号を生じ、出力端子
８ａ，８ｂより角速度または角加速度を検出する。

【００１４】図４は本発明に用いる他の形態の円柱状撓
み振動子を示し、第２の挟持体２の一部に径小部２ａを
設けた以外の構成は、図１の撓み振動子と同一形態であ
る。この実施例の場合、径小部２ａにより振動子の質量
を減じて撓み共振周波数を下げることができるため、径
小部を設けないものに比し、同一共振周波数の設計の下
で、振勤子の全長を短くでき、振動子を小型化できる利
点がある。

【００１５】図５は本発明に用いる更に他の形態の円柱
状撓み振動子を示し、第１の挟持体１と第２の挟持体２
の対向面中央に雌ねじ孔９ａと９ｂを、第２の挟持体２
と第３の挟持体３の対向面中央に雌ねじ孔９ｃと９ｄを
それぞれ設け、更に前記各挟持体間に挟持される駆動用
電歪要素４と検出用圧電要素５の各中央にも内孔１０
ａ、１０ｂを設け、別に準備した両端ねじ付き植え込み
ボルト１１ａ、１１ｂを各要素４、５の内孔１０ａ、１
０ｂを挿通すると共にその両端を第１、第２、第３の各
挟持体の雌ねじ孔９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに螺合するこ
とによって、これら積層物を一体に結合したものであ
る。この実施例の場合、接着剤により結合した図１に示
す振動子に比し強固に結合することができるだけでな
く、温度特性の悪い接着剤を使用しないので、使用温度
範囲を広める利点がある。

【００１６】尚、上記各実施例において、駆動用電歪要
素と検出用圧電要素に使用した圧電素子４ｐ、５ｐに
は、図６に示したように、円板状圧電磁器の表裏面に被
着形成された電極薄層を、絶縁スリット４ｅ_１，４
ｅ_２、５ｅ_１，５ｅ_２により二分割することにより左右
対称で分極方向を異にする圧電領域４ｃ，４ｄ、５ｃ，
５ｄに区画したものを用いたが、図７に示したように円
板状圧電磁器を、その中央部で切断すると共に一方の半
割り片を他方の半割れ片に対し表裏反転して分極方向を
異にする圧電領域４ｃ，４ｄ、５ｃ，５ｄを形成したも
のを用いてもよい。

【００１７】更に上記各実施例において、棒状撓み振動
子として円柱状のものを用いたが、角柱状に形成したも
のを用いもよく、この場合、駆動用電歪要素と検出用圧
電要素の圧電素子４ｐ、５ｐは、図８に示すように外形
状が方形となり、方向性のない円形に比し、駆動用電歪
要素と検出用圧電要素を所定の方向に正確かつ容易位置
決めすることができる。

【００１８】更に上記各実施例では、駆動用電歪要素と
検出用圧電要素に、二枚の圧電素子を電気的並列に対向
したものを用いたが、一枚でもよく、この場合、一方の
電極薄層が他方の電極薄層に対し短絡しないよう電気絶
縁部材により絶縁する必要がある。

【００１９】尚、上記本発明において、第１の挟持体と
第２の挟持体との間および第２の挟持体と第３の挟持体
との間に挟持される駆動用電歪要素と検出用圧電要素を
逆にしたり、また駆動用電歪要素と検出用圧電要素の圧
電素子の分割方向を逆にしてもよいことは勿論である。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、温度特
性、耐久性に富んだ圧電型ジャイロを安価に供し得ると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明に用いる棒状撓み振動子の概略図であ
る。

【図１Ｂ】図１Ａに示した振動子の撓み振動モードの曲
線図である。

【図２】図１Ａに示した振動子の要部分解斜視図であ
る。

【図３Ａ】図１Ａに示した振動子に交流信号の正信号を
印加したときの変位状態を示す概略図である。

【図３Ｂ】図１Ａに示した振動子に交流信号の負信号を
印加したときの変位状態を示す概略図である。

【図４】本発明に用いる他の形態を示す棒状撓み振動子
の斜視図である。

【図５】本発明に用いる更に他の形態を示す棒状撓み振
動子の断面図である。

【図６】図１Ａの振動子に圧電素子の斜視図である。

【図７】圧電素子の他の形態を示す斜視図である。

【図８】圧電素子の更に他の形態を示す斜視図である。

【図９】従来の圧電型振動ジャイロを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 第１の挟持体 ２ 第２の挟持体 ３ 第３の挟持体 ４ 駆動用電歪要素 ５ 検出用圧電要素

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三元座標のＹ方向に二分割され、該分割
   された圧電領域の分極方向を異にする圧電素子を有する
   駆動用電歪要素を第１の挟持体と第２の挟持体との間に
   挟み、更に三元座標のＸ方向に二分割され、該分割され
   た圧電領域の分極方向を異にする圧電素子を有する検出
   用圧電要素を前記第２の挟持体と第３の挟持体との間に
   挟み、これらを一体に結合してなる棒状撓み振動子を用
   い、かつこの撓み振動子の軸線を三元座標のＺ方向に一
   致させたことを特徴とする圧電型振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記第３の挟持体の一部に径小部を設け
   たことを特徴とする請求項１記載の圧電型振動ジャイ
   ロ。
3. 【請求項３】 前記第１、第２、第３の各挟持体と、こ
   れら挟持体によって挟持された駆動用電歪要素と検出用
   圧電要素とを、ねじ要素により一体に結合したことを特
   徴とする請求項１及び請求項２記載の圧電型振動ジャイ
   ロ。