JP3172924B2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents
圧電振動ジャイロInfo
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- JP3172924B2 JP3172924B2 JP06491192A JP6491192A JP3172924B2 JP 3172924 B2 JP3172924 B2 JP 3172924B2 JP 06491192 A JP06491192 A JP 06491192A JP 6491192 A JP6491192 A JP 6491192A JP 3172924 B2 JP3172924 B2 JP 3172924B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は船舶や自動車等の移動体
自身およびこれに搭載される機器の姿勢制御や自動車の
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圧電振動ジ
ェイロに関し、特に圧電振動子の振動モードとしてエネ
ルギ閉じ込め厚みすべり振動モードを用いた、構造が簡
単で支持が容易な圧電振動ジャイロに関する。
自身およびこれに搭載される機器の姿勢制御や自動車の
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圧電振動ジ
ェイロに関し、特に圧電振動子の振動モードとしてエネ
ルギ閉じ込め厚みすべり振動モードを用いた、構造が簡
単で支持が容易な圧電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
に回転角速度が与えられると、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。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、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。
に回転角速度が与えられると、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。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、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。
【０００３】図５は、従来の圧電振動ジャイロの構造を
示す斜視図であり、正三角形断面形状を有する金属三角
柱５１０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、厚さ方向に分極された圧電セラミックス
薄板５１１、５１２、５１３が接合されている。金属三
角柱５１０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６に示すように、一枚の圧電セラミックス薄板５
１１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５１１を接合した面が凹
凸となる方向に屈曲振動する。また、図７に示すよう
に、隣合う２枚の圧電セラミックス薄板５１１、５１２
に同一振幅、同一位相の金属三角柱５１０の共振周波数
にほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、金属三角柱５
１０は、圧電セラミックス薄板５１１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５１２
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５１３を接合した面が
凹凸となる方向に屈曲振動する。一方、図８に示すよう
に、隣合う２枚の圧電セラミックス薄板５１１、５１２
に同一振幅、逆位相の金属三角柱５１０の共振周波数に
ほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、金属三角柱５１
０は、圧電セラミックス薄板５１１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５１２
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５１３を接合した面と
平行な方向に屈曲振動する。
示す斜視図であり、正三角形断面形状を有する金属三角
柱５１０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、厚さ方向に分極された圧電セラミックス
薄板５１１、５１２、５１３が接合されている。金属三
角柱５１０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６に示すように、一枚の圧電セラミックス薄板５
１１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５１１を接合した面が凹
凸となる方向に屈曲振動する。また、図７に示すよう
に、隣合う２枚の圧電セラミックス薄板５１１、５１２
に同一振幅、同一位相の金属三角柱５１０の共振周波数
にほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、金属三角柱５
１０は、圧電セラミックス薄板５１１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５１２
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５１３を接合した面が
凹凸となる方向に屈曲振動する。一方、図８に示すよう
に、隣合う２枚の圧電セラミックス薄板５１１、５１２
に同一振幅、逆位相の金属三角柱５１０の共振周波数に
ほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、金属三角柱５１
０は、圧電セラミックス薄板５１１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５１２
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５１３を接合した面と
平行な方向に屈曲振動する。
【０００４】図７の状態で、金属三角柱５１０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５１０には、図９に示すように圧電セラ
ミックス薄板５１３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８に示したように、金属三
角柱５１０の圧電セラミックス薄板５１３と平行な方向
の屈曲振動は、圧電セラミックス薄板５１１、５１２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５１０を圧電セラ
ミックス薄板５１３と平行な方向に屈曲振動させた場合
には、圧電セラミックス薄板５１１、５１２に同一振
幅、逆位相の電圧が発生し、駆動のために圧電セラミッ
クス薄板５１１、５１２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５１１、５１２の端子電圧の差の電圧
は、金属三角柱５１０の回転角速度に比例した電圧とな
る。
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５１０には、図９に示すように圧電セラ
ミックス薄板５１３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８に示したように、金属三
角柱５１０の圧電セラミックス薄板５１３と平行な方向
の屈曲振動は、圧電セラミックス薄板５１１、５１２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５１０を圧電セラ
ミックス薄板５１３と平行な方向に屈曲振動させた場合
には、圧電セラミックス薄板５１１、５１２に同一振
幅、逆位相の電圧が発生し、駆動のために圧電セラミッ
クス薄板５１１、５１２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５１１、５１２の端子電圧の差の電圧
は、金属三角柱５１０の回転角速度に比例した電圧とな
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図５〜図９に示した従
来の圧電振動ジャイロにおいては、振動子の屈曲振動モ
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ない。しかし、振動の節点
は理論的に、幅あるいは面積を持たない、点あるいは線
となるため、有限の寸法の線等で支持した場合、支持の
影響を受けることは避けられず、ジャイロ特性の劣化を
生じていた。さらに、支持の影響を少なくしようとし
て、支持線の線径を細くすると外部からの振動や衝撃に
対する耐久性が悪くなると言う欠点を有していた。
来の圧電振動ジャイロにおいては、振動子の屈曲振動モ
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ない。しかし、振動の節点
は理論的に、幅あるいは面積を持たない、点あるいは線
となるため、有限の寸法の線等で支持した場合、支持の
影響を受けることは避けられず、ジャイロ特性の劣化を
生じていた。さらに、支持の影響を少なくしようとし
て、支持線の線径を細くすると外部からの振動や衝撃に
対する耐久性が悪くなると言う欠点を有していた。
【０００６】本発明の課題は、従来の圧電振動ジャイロ
における欠点を除去し、構造が簡単で、支持、固定によ
るジャイロ特性への影響が少なく、強固に支持すること
が可能で、耐振動、耐衝撃特性の優れた圧電振動ジャイ
ロを提供することである。
における欠点を除去し、構造が簡単で、支持、固定によ
るジャイロ特性への影響が少なく、強固に支持すること
が可能で、耐振動、耐衝撃特性の優れた圧電振動ジャイ
ロを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、互いに
対向する主面の一方にそれぞれ電極が形成され、かつ、
前記主面に平行な方向に分極された２つの圧電板を有
し、該２つの圧電板は、前記電極と対向する位置に配さ
れた電極を介し、前記分極の方向を互いに直交させるよ
うに、前記主面の他方が互いに接合されていることを特
徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
対向する主面の一方にそれぞれ電極が形成され、かつ、
前記主面に平行な方向に分極された２つの圧電板を有
し、該２つの圧電板は、前記電極と対向する位置に配さ
れた電極を介し、前記分極の方向を互いに直交させるよ
うに、前記主面の他方が互いに接合されていることを特
徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【０００８】即ち、本発明によれば、分極方向が板面に
平行な圧電板のほぼ中央部に対向する部分電極を形成し
て構成した厚みすべりモードのエネルギ閉じ込め振動子
２個を前記分極方向が互いに直交するように接合して構
成したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
平行な圧電板のほぼ中央部に対向する部分電極を形成し
て構成した厚みすべりモードのエネルギ閉じ込め振動子
２個を前記分極方向が互いに直交するように接合して構
成したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【０００９】
【作用】ところで、ＦＭラジオやテレビの中間周波数フ
ィルタは、前述した屈曲振動モードとは異なる、エネル
ギ閉じ込め振動モードを利用したものである。エネルギ
閉じ込め振動モードは、振動のエネルギが駆動電極近傍
に集中している振動モードであり、圧電板の厚さ方向の
縦振動やすべり振動、圧電矩形板の幅方向の縦振動やす
べり振動など多くの振動モードに細分される。
ィルタは、前述した屈曲振動モードとは異なる、エネル
ギ閉じ込め振動モードを利用したものである。エネルギ
閉じ込め振動モードは、振動のエネルギが駆動電極近傍
に集中している振動モードであり、圧電板の厚さ方向の
縦振動やすべり振動、圧電矩形板の幅方向の縦振動やす
べり振動など多くの振動モードに細分される。
【００１０】図１０は、ＦＭラジオ用１０．７MHz セラ
ミックフィルタに含まれるエネルギ閉じ込め型振動子の
構造を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１
０（ａ）および（ｂ）において、この振動子は、６mm×
６mmで厚さ０．２mmの圧電板１０のほぼ中央部の直径約
１．５mmの領域に、駆動電極１１、１１′及び１２が形
成されている。
ミックフィルタに含まれるエネルギ閉じ込め型振動子の
構造を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１
０（ａ）および（ｂ）において、この振動子は、６mm×
６mmで厚さ０．２mmの圧電板１０のほぼ中央部の直径約
１．５mmの領域に、駆動電極１１、１１′及び１２が形
成されている。
【００１１】ＦＭラジオ用１０．７MHz セラミックフィ
ルタは、この振動子に樹脂等の被覆が施されて成る。こ
こで、前述したようにエネルギ閉じ込め振動は、振動の
エネルギが駆動電極の近傍に集中しているため、例え
ば、図１１に示すように、駆動電極１１、１１′及び１
２を中心に直径３mmの領域の両面に空洞部分を形成すれ
ば、その他の部分を樹脂１３で固定しても振動子特性に
ほとんど影響を与えない。即ち、リード端子の形成が自
由で支持による影響の無いフィルタが得られる。
ルタは、この振動子に樹脂等の被覆が施されて成る。こ
こで、前述したようにエネルギ閉じ込め振動は、振動の
エネルギが駆動電極の近傍に集中しているため、例え
ば、図１１に示すように、駆動電極１１、１１′及び１
２を中心に直径３mmの領域の両面に空洞部分を形成すれ
ば、その他の部分を樹脂１３で固定しても振動子特性に
ほとんど影響を与えない。即ち、リード端子の形成が自
由で支持による影響の無いフィルタが得られる。
【００１２】本発明による圧電振動ジャイロは、このよ
うなエネルギ閉じ込め振動モードを利用している。
うなエネルギ閉じ込め振動モードを利用している。
【００１３】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例による
圧電振動ジャイロを説明する。
圧電振動ジャイロを説明する。
【００１４】まず、本圧電振動ジャイロに用いられる振
動子（圧電板）の動作を説明する。図３は、エネルギ閉
じ込め型厚みすべり振動子の構造を示す平面図（ａ）及
び断面図（ｂ）である。図３（ａ）および（ｂ）におい
て、分極方向が、面と平行な圧電板１０′の中央部に、
対向する部分電極１４、１４′が形成されている。部分
電極１４、１４′の寸法を、使用する圧電材料の特性に
合わせて適当に設計すると、エネルギ閉じ込め型厚みす
べり振動子を構成することができる。尚、厚みすべり振
動とは、変位の方向が板面に平行で、波の進行方向が厚
さ方向の振動であり、例えば、半波長で共振している場
合の厚さ方向の変位分布は図４に示すようになる。特
に、図４に示す振動子の場合、変位方向は分極の方向と
一致してｘ方向となる。
動子（圧電板）の動作を説明する。図３は、エネルギ閉
じ込め型厚みすべり振動子の構造を示す平面図（ａ）及
び断面図（ｂ）である。図３（ａ）および（ｂ）におい
て、分極方向が、面と平行な圧電板１０′の中央部に、
対向する部分電極１４、１４′が形成されている。部分
電極１４、１４′の寸法を、使用する圧電材料の特性に
合わせて適当に設計すると、エネルギ閉じ込め型厚みす
べり振動子を構成することができる。尚、厚みすべり振
動とは、変位の方向が板面に平行で、波の進行方向が厚
さ方向の振動であり、例えば、半波長で共振している場
合の厚さ方向の変位分布は図４に示すようになる。特
に、図４に示す振動子の場合、変位方向は分極の方向と
一致してｘ方向となる。
【００１５】図１は、本実施例による圧電振動ジャイロ
を示す斜視図である。図１において、本圧電振動ジャイ
ロは、圧電板１５および１６を有する。圧電板１５およ
び１６の板面の一方には、それぞれ駆動電極１９および
検出電極２０が形成されている。また、圧電板１５およ
び１６は、板面に平行な方向（図中、矢印で示す方向）
に分極されている。圧電板１５と１６とは、駆動電極１
９および検出電極２０と対向する位置に配された共通ア
ース電極１８を介し、それぞれの分極の方向を互いに直
交させるように、板面の他方が互いに接合されている。
を示す斜視図である。図１において、本圧電振動ジャイ
ロは、圧電板１５および１６を有する。圧電板１５およ
び１６の板面の一方には、それぞれ駆動電極１９および
検出電極２０が形成されている。また、圧電板１５およ
び１６は、板面に平行な方向（図中、矢印で示す方向）
に分極されている。圧電板１５と１６とは、駆動電極１
９および検出電極２０と対向する位置に配された共通ア
ース電極１８を介し、それぞれの分極の方向を互いに直
交させるように、板面の他方が互いに接合されている。
【００１６】次に、本ジャイロの動作を説明する。今、
駆動電極１９に図示しない励振用電源から、厚さｔに対
応した厚みすべりモードの１波長共振における共振周波
数にほぼ等しい周波数の交流電圧を印加すると、駆動電
極１９の近傍のみに厚みすべり振動が励振される。この
時の変位の方向は、図２に示すように励振している圧電
板１５の分極の方向と一致し、ｘ方向となる。この状態
で、圧電板１６も同じ方向に振動しているが、分極方向
が振動方向と直交しているため、この振動により、検出
用電極２０には、ほとんど出力電圧が発生しない。
駆動電極１９に図示しない励振用電源から、厚さｔに対
応した厚みすべりモードの１波長共振における共振周波
数にほぼ等しい周波数の交流電圧を印加すると、駆動電
極１９の近傍のみに厚みすべり振動が励振される。この
時の変位の方向は、図２に示すように励振している圧電
板１５の分極の方向と一致し、ｘ方向となる。この状態
で、圧電板１６も同じ方向に振動しているが、分極方向
が振動方向と直交しているため、この振動により、検出
用電極２０には、ほとんど出力電圧が発生しない。
【００１７】今、本ジャイロを圧電板の面と垂直な軸の
回りに回転させると、振動方向と直角な方向にコリオリ
力が発生し、図２に示すように、励振している振動方向
とは直角な方向（ｙ方向）の振動が発生する。この振動
方向は圧電板１６の分極方向と等しいため、検出用電極
２０に回転角速度に比例した電圧が発生する。
回りに回転させると、振動方向と直角な方向にコリオリ
力が発生し、図２に示すように、励振している振動方向
とは直角な方向（ｙ方向）の振動が発生する。この振動
方向は圧電板１６の分極方向と等しいため、検出用電極
２０に回転角速度に比例した電圧が発生する。
【００１８】本実施例による圧電振動ジャイロは、エネ
ルギ閉じ込めモードで振動するため、駆動電極１９およ
び検出電極２０部分の面積のおよそ２倍の径の部分に空
洞部を形成すれば、支持による振動特性の影響はほとん
ど無い。したがって、支持によるジャイロ特性の変化も
ほとんど無くなる。
ルギ閉じ込めモードで振動するため、駆動電極１９およ
び検出電極２０部分の面積のおよそ２倍の径の部分に空
洞部を形成すれば、支持による振動特性の影響はほとん
ど無い。したがって、支持によるジャイロ特性の変化も
ほとんど無くなる。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、互いに対向する主面の
一方にそれぞれ電極が形成され、かつ、前記主面に平行
な方向に分極された２つの圧電板を有し、該２つの圧電
板は、前記電極と対向する位置に配された電極を介し、
前記分極の方向を互いに直交させるように、前記主面の
他方が互いに接合されているため、構造が簡単で、支
持、固定によるジャイロ特性への影響が少なく、強固に
支持することが可能で、耐振動、耐衝撃特性に優れてい
る。
一方にそれぞれ電極が形成され、かつ、前記主面に平行
な方向に分極された２つの圧電板を有し、該２つの圧電
板は、前記電極と対向する位置に配された電極を介し、
前記分極の方向を互いに直交させるように、前記主面の
他方が互いに接合されているため、構造が簡単で、支
持、固定によるジャイロ特性への影響が少なく、強固に
支持することが可能で、耐振動、耐衝撃特性に優れてい
る。
【図１】本発明の一実施例による圧電振動ジャイロを示
す斜視図である。
す斜視図である。
【図２】図１に示す圧電振動ジャイロにおける変位分布
図である。
図である。
【図３】図１に示す圧電振動ジャイロに用いる厚みすべ
りモードエネルギ閉じ込め型振動子の構造例を示す図で
ある。
りモードエネルギ閉じ込め型振動子の構造例を示す図で
ある。
【図４】図３に示す厚みすべりモードエネルギ閉じ込め
型振動子の変位分布図である。
型振動子の変位分布図である。
【図５】従来の圧電振動ジャイロを示す斜視図である。
【図６】図５に示す圧電振動ジャイロの動作原理の説明
図である。
図である。
【図７】図５に示す従来の圧電振動ジャイロの動作原理
の説明図である。
の説明図である。
【図８】図５に示す従来の圧電振動ジャイロの動作原理
の説明図である。
の説明図である。
【図９】図５に示す従来の圧電振動ジャイロの動作原理
の説明図である。
の説明図である。
【図１０】ＦＭラジオ用１０．７MHz セラミックフィル
タに含まれるエネルギ閉じ込め型振動子の構造図であ
る。
タに含まれるエネルギ閉じ込め型振動子の構造図であ
る。
【図１１】図１０に示すエネルギ閉じ込め型振動子の支
持構造図である。
持構造図である。
１０ 圧電板 １１、１１′、１２ 駆動電極 １３ 樹脂 １４、１４′ 部分電極 １５、１６ 圧電板 １８ 共通アース電極 １９ 駆動電極 ２０ 検出電極 ５１０ 金属三角柱 ５１１、５１２、５１３ 圧電セラミックス薄板
Claims (1)
- 【請求項１】 互いに対向する主面の一方にそれぞれ電
極が形成され、かつ、前記主面に平行な方向に分極され
た２つの圧電板を有し、該２つの圧電板は、前記電極と
対向する位置に配された電極を介し、前記分極の方向を
互いに直交させるように、前記主面の他方が互いに接合
されていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06491192A JP3172924B2 (ja) | 1992-03-23 | 1992-03-23 | 圧電振動ジャイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06491192A JP3172924B2 (ja) | 1992-03-23 | 1992-03-23 | 圧電振動ジャイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05264281A JPH05264281A (ja) | 1993-10-12 |
| JP3172924B2 true JP3172924B2 (ja) | 2001-06-04 |
Family
ID=13271707
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06491192A Expired - Fee Related JP3172924B2 (ja) | 1992-03-23 | 1992-03-23 | 圧電振動ジャイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3172924B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07113644A (ja) * | 1993-10-19 | 1995-05-02 | Shimada Phys & Chem Ind Co Ltd | 振動ジャイロ及びその駆動方法 |
| JP2780643B2 (ja) * | 1994-06-03 | 1998-07-30 | 株式会社村田製作所 | 振動ジャイロ |
| US5887480A (en) * | 1996-06-20 | 1999-03-30 | Tokin Corporation | Piezoelectric vibratory gyroscope utilizing an energy-trapping vibration mode |
-
1992
- 1992-03-23 JP JP06491192A patent/JP3172924B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05264281A (ja) | 1993-10-12 |
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