JP3240416B2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

圧電振動ジャイロ

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JP3240416B2 JP13256592A JP13256592A JP3240416B2 JP 3240416 B2 JP3240416 B2 JP 3240416B2 JP 13256592 A JP13256592 A JP 13256592A JP 13256592 A JP13256592 A JP 13256592A JP 3240416 B2 JP3240416 B2 JP 3240416B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】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の手ブレ補正などに用
いられるジャイロスコープのうち、圧電振動子の超音波
振動を用いた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
に回転角度速度が加えられると、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、入力側の振動の大きさを一定にした場合、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でき
る。
【0003】図7は従来の圧電振動ジャイロの構造を示
す斜視図である。図7に示すように、正三角形断面形状
を有する金属三角柱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、厚さ方向に分極された
圧電セラミックス薄板111,112,113が接合さ
れている。金属三角柱110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8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。
【0004】また、図9に示すように、隣合う2枚の圧
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の共振周波数にほぼ等しい周波数
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111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に屈曲
振動する。
【0005】一方、図10に示すように、隣合う2枚の
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110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110は圧電セラミッ
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を接合した面と平行な方向に屈曲振動
する。
【0006】図9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11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10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させた場合には
圧電セラミックス薄板111,112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
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。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図7〜図11に示した
従来の圧電振動ジャイロにおいては、柱状音辺の屈曲振
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とようと
して、支持線の線径を細くすると外部からの振動や衝撃
に耐する耐久性が悪くなるという問題を有していた。
【0008】図12は従来の型のエネルギー閉じ込め振
動子の構造を示す平面図である。図13は従来の型のエ
ネルギー閉じ込め振動子の構造を示す断面図である。エ
ネルギー閉じ込め振動とは、振動のエネルギーが駆動電
極近傍に集中している振動モードで、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があり、FMラジオや
テレビの中間周波数フィルタに広く用いられている。エ
ネルギー閉じ込め振動は前述したように、振動のエネル
ギーが駆動電極の近傍に集中しているため、例えば、図
12に示すような、6mm×6mmで厚さ0.2mmの
圧電板10を用いて、そのほぼ中央部の直径1.5mm
の領域に駆動電極11,11′及び12を形成したFM
ラジオ用10.7MHzセラミックフィルタにおいて、
図14に示すように、前記駆動電極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。すなわち、リード端子の形成
が自由で支持による影響の無い圧電振動子が得られる。
しかし、この圧電振動子は、圧電振動ジャイロを構成す
ることが困難であるという問題がある。
【0009】本発明の課題は、構造が簡単で、入出力用
のリード端子の取り出しおよび支持および固定によるジ
ャイロ特性への影響が少ない、強固に支持することが可
能で、かつ、耐振動および耐衝撃特性の優れた圧電振動
ジャイロを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、厚さ方
向に分極軸を有する圧電板に所定間隔を隔てて対向する
第一の一対の部分電極を形成し、該第一の一対の部分電
極の一方を同一平面上および反対平面上のいずれか一方
に配置して第一の平行電界励振型厚みすべりモードのエ
ネルギー閉じ込め振動子を構成し、かつ、前記第一の一
対の部分電極が形成する対向線に直交する方向に所定間
隔を隔てて対向する第二の一対の部分電極を形成、該
第二の一対の部分電極の一方を同一平面上および反対平
面上のいずれか一方に配置して第二の平行電界励振型厚
みすべりモードのエネルギー閉じ込め振動子を構成し
前記第一および前記第二それぞれの一対の部分電極の少
なくとも一方が互いに異なる平面に配置されたことを特
徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【0011】
【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基いて詳細に
説明する。
【0012】まず、本発明に用いる平行電界励振型厚み
すべりモードのエネルギー閉じ込め振動子について図1
〜図3に基いて説明する。図1および図2に示すよう
に、分極方向が厚さ方向の圧電板14の中央部の同一面
上に、一対の部分電極15,15´が対向するように形
成されている。部分電極15,15´に挟まれている部
分にはほぼ圧電板14の面に平行な方向の電界が印加さ
れるため、直交する厚さ方向の分極との相互作用によ
り、部分電極15,15´の寸法、使用する圧電材料の
特性に合わせて適当に設計すると、この部分に平行電界
励振型厚みすべりエネルギ−閉じ込め振動子を構成する
ことができる。厚みすべり振動とは、変位及び波の伝搬
方向が共に板面に平行な振動であり、その半波長で共振
している場合の厚さ方向の変位分布は図3に示すように
なる。
【0013】図4は、上述した原理により二対の電極を
組み合わせた圧電振動ジャイロの構造例を示す斜視図で
ある。図4に示すように、分極方向が厚さ方向の圧電板
14のほぼ中央部の一面に、第一の一対の部分電極1
5,15′が所定間隔を隔てて対向するように形成され
ている。また、前記圧電板14のほぼ中央部の一面に
は、第二の一対の部分電極16,16′が前記第一の一
対の部分電極15,15を結ぶ線と直交する方向に所定
間隔を隔てて対向するように形成されている。図4にお
いては、部分電極15,15′により変位方向すなわち
振動方向が前記部分電極15,15′の対向する方向の
第一の厚みすべりモードエネルギー閉じ込め振動子が構
成できると同時に、部分電極16,16′により同様に
振動方向が前記部分電極16,16′の対向する方向の
第二の厚みすべりモードエネルギー閉じ込め振動子が構
成された複合振動子17を得ることができる。厚みすべ
りモードの共振周波数は材料が同じ場合、ほぼ厚さによ
って決定されるため、第一と第二の厚みすべりモードエ
ネルギー閉じ込め振動子の共振周波数はそれぞれ等しく
なる。
【0014】図4において、一方の部分電極15,1
5′間に、厚みすべりモードの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、電極の近傍のみに厚み
すべり振動が励振される。その時の変位の方向は図5に
示すように励振している部分電極15,15′の対向し
ている方向と一致し、x方向となる。この状態では部分
電極16,16′間にはほとんど出力電圧が発生しな
い。今、この複合振動子17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
と直角なy方向の振動が発生する。この振動方向は部分
電極16,16′による振動方向と同じになるため、部
分電極16,16′間に回転角速度に比例した電圧が発
生する。
【0015】図4に示した複合振動子17は、エネルギ
ー閉じ込めモードで振動するため、図11に基いて説明
したように、部分電極15,15´,16,16´の面
積のおよそ2倍の径の部分に空洞部が形成された樹脂で
複合振動子17を固定すれば、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。
【0016】ここで、図6を参照して、本発明の圧電振
動ジャイロの一実施例について説明する。図6におい
て、分極方向が厚さ方向の圧電板14のほぼ中央部の一
方の面に、第一の一対の部分電極18,18′が所定間
隔を隔てて対向するように形成されている。また、前記
圧電板14のほぼ中央部の他方の面には、第二の一対の
部分電極19,19′が前記第一の一対の部分電極1
8,18を結ぶ線と直交する方向に所定間隔を隔てて対
向するように形成されている。これらの圧電板14と第
一の一対の部分電極18,18′と第二の一対の部分電
極19,19′とにより複合振動子17´が構成され
る。
【0017】図6に示す実施例においても、図4に示し
構成例と同様に、一方の部分電極18,18′間に、
厚みすべりモードの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、電極の近傍のみに厚みすべり振動
が励振される。その時の変位の方向は図5の場合と同様
に部分電極18,18′の対向している方向と一致し、
x方向となる。この状態では部分電極19,19′間に
はほとんど出力電圧が発生しない。今、この複合振動子
17′を圧電板14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、やは
り図5の場合と同様に、励振している振動方向と直角な
y方向の振動が発生する。この振動方向は部分電極1
9,19′による振動方向と同じになるため、部分電極
19,19′間に回転角速度に比例した電圧が発生す
る。
【0018】図6に示した実施例では第一の一対の部分
電極と第二の一対の部分電極を圧電板14の異なる面に
形成したが、これに限定されず、第一の一対の部分電極
と第二の一対の部分電極のそれぞれ一方を圧電板14の
異なる面に形成してもよい。
【0019】
【発明の効果】本発明の圧電振動ジャイロは、構造が簡
単で、支持および固定によるジャイロ特性への影響がほ
とんど無く、強固に支持することが可能で、かつ、耐振
動および耐衝撃特性の優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられる平行電界励振型厚みすべり
モードのエネルギー閉じ込め振動子を示す平面図であ
る。
【図2】本発明に用いられる平行電界励振型厚みすべり
モードのエネルギー閉じ込め振動子を示す断面図であ
る。
【図3】本発明に用いられる平行電界励振型厚みすべり
モードのエネルギー閉じ込め振動子における変位分布を
説明するための説明図である。
【図4】図1から図3までのエネルギー閉じ込め振動子
を用いた圧電振動ジャイロの一構成例を示す斜視図であ
る。
【図5】本発明の圧電振動ジャイロにおける変位分布を
説明するための説明図である。
【図6】本発明の圧電振動ジャイロの一実施例を示す斜
視図である。
【図7】従来の圧電振動ジャイロの構造及び動作原理を
説明するための説明図である。
【図8】従来の圧電振動ジャイロの構造及び動作原理を
説明するための説明図である。
【図9】従来の圧電振動ジャイロの構造及び動作原理を
説明するための説明図である。
【図10】従来の圧電振動ジャイロの構造及び動作原理
を説明するための説明図である。
【図11】従来の圧電振動ジャイロの構造及び動作原理
を説明するための説明図である。
【図12】従来のエネルギー閉じ込め振動子を示す平面
図である。
【図13】従来のエネルギー閉じ込め振動子を示す断面
図である。
【図14】従来のエネルギヘ閉じ込め振動子の支持手段
を示す断面図である。
【符号の説明】
14 圧電板 15〜19,15′〜19′ 部分電極 17,17′ 複合振動子

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 厚さ方向に分極軸を有する圧電板に所定
    間隔を隔てて対向する第一の一対の部分電極を形成し
    該第一の一対の部分電極の一方を同一平面上および反対
    平面上のいずれか一方に配置して第一の平行電界励振型
    厚みすべりモードのエネルギー閉じ込め振動子を構成
    し、かつ、前記第一の一対の部分電極が形成する対向線
    直交する方向に所定間隔を隔てて対向する第二の一対
    の部分電極を形成、該第二の一対の部分電極の一方を
    同一平面上および反対平面上のいずれか一方に配置し
    第二の平行電界励振型厚みすべりモードのエネルギー閉
    じ込め振動子を構成し、前記第一および前記第二それぞ
    れの一対の部分電極の少なくとも一方が互いに異なる平
    面に配置されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
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