JP3292934B2 - 圧電振動ジャイロ及び圧電振動ジャイロの共振周波数の調整方法 - 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、特に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】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
動を励振および検出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
さを求めることができる。

【０００３】図５は特願平２−３３５９８７号出願に係
る圧電振動ジャイロに用いられている圧電振動子８の構
造例を示す斜視図である。圧電振動子８は、圧電セラミ
ックス円柱９と、圧電セラミックス円柱９の外周面上の
円周を等分する位置に長さ方向と平行に設けられ、その
長さが圧電セラミックス円柱９の軸方向長の約７０％の
帯状電極１０とで形成されている。帯状電極１０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
より除去することにより容易に得られる。

【０００４】以下、帯状電極１０の数が６個の場合につ
いて、図６を参照して従来の圧電振動ジャイロの動作を
説明する。圧電セラミックス円柱９（図５参照）に、６
個の帯状電極１１，１２，１３，１４，１５及び１６を
形成した場合に、互いに一つおきの帯状電極１１，１
３，１５および１２，１４，１６を電気的に接続して２
端子として分極処理を施す。このときの円柱の断面方向
の分極の向きは破線矢印で示されたとうりである。

【０００５】図７は、従来の圧電振動子の動作原理の説
明図である。図７において、各帯状電極の間隙部をそれ
ぞれＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５及びＧ６とする。
今、帯状電極１２を挾む帯状電極１１および１３を接続
して共通アースとし、帯状電極１２に交流電圧を印加し
た場合に圧電セラミックス円柱９の断面方向に発生する
歪の状態及び振動方向を示している。間隙部Ｇ１部とＧ
２部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９の屈
曲振動モードの共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９にはそれ
ぞれ実線の矢印で示すようにほぼ間隙部Ｇ１及びＧ２の
中心線と円柱の中心軸を含む面の方向の同じ向きの振動
駆動力が発生し、これらが合成されて圧電セラミックス
円柱９はほぼ帯状電極１２の中心線と円柱の中心軸とを
含む面の方向（Ｒ１の方向）に屈曲振動する。図７にお
いて別の駆動源により圧電セラミックス円柱９が矢印Ｒ
１の方向に振動している場合、圧電効果により帯状電極
１２に出力電圧が発生する。

【０００６】図８には帯状電極１１，１３と１５を接続
し、帯状電極１４及び１６に逆極性の交流電圧を印加し
た場合に圧電セラミックス円柱９の断面方向に発生する
歪の状態及び振動方向が示されている。図８に示すよう
に、帯状電極１４の中心線と円柱の中心軸とを含む面の
方向（実線矢印の方向）の振動駆動力と帯状電極１６の
中心線と円柱の中心軸とを含む面の方向（実線矢印の方
向）の振動駆動力が発生し、これらが合成されて圧電セ
ラミックス円柱９はほぼ帯状電極１２の中心線と円柱の
中心軸とを含む面の方向と直角な方向（Ｒ２方向）に屈
曲振動する。図８において、別の駆動源により圧電セラ
ミックス円柱９が矢印Ｒ２の方向に振動している場合、
圧電効果により帯状電極１４及び１６に逆相の電圧が発
生する。

【０００７】図９は上記した６本の帯状電極を有する圧
電セラミックス円柱９を用いて構成されている圧電振動
ジャイロの動作原理の説明図である。図９において、帯
状電極１１，１３および１５は接続されて共通アースと
されており、帯状電極１２に励振用の交流電圧が印加さ
れている。この時、印加電圧の周波数は圧電セラミック
ス円柱９の屈曲モードの共振周波数にほぼ一致してい
る。この時の圧電セラミックス円柱９の振動方向は、ほ
ぼ帯状電極１２の中心線と圧電セラミックス円柱９の中
心軸とを含む面の方向（Ｒ３方向）となる。

【０００８】図９において、圧電セラミックス円柱９を
円柱の軸を回転軸として回転させると、振動方向と直角
な方向にコリオリ力が発生し、圧電セラミックス円柱９
は、帯状電極１２の中心線と圧電セラミックス円柱９の
中心軸と含む面の方向（Ｒ３方向）と直角な方向に振動
する。従って、図７及び図８で説明したように、帯状電
極１４と１６には、帯状電極１２の中心線と圧電セラミ
ックス円柱９の中心軸とを含む面の方向（Ｒ３方向）の
振動による同一振幅、同一位相の電圧と、これと直角な
方向の振動による同一振幅、逆位相の電圧が合成された
電圧が発生する。従って、帯状電極１４と１６をそれぞ
れ差動増幅器２０の入力端子に接続すると、差動増幅器
２０の出力はコリオリ力により発生した振動成分に伴う
電圧となり、加えられた回転角速度に比例した電圧とな
る。

【０００９】図８および図９に示した圧電振動ジャイロ
においては、帯状電極１１，１３および１５を共通アー
ス端子とし、入・出力端子として用いる帯状電極１２，
１４および１６の各端子それぞれから駆動した場合の共
振周波数ｆｒ１，ｆｒ２およびｆｒ３の値が出来るだけ
一致していることが望ましい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上に示した従来の圧
電振動ジャイロにおいては、駆動端子とした帯状電極の
中心線と圧電セラミックス円柱の中心軸とを含む面の方
向に屈曲振動するため、その方向の屈曲振動の共振周波
数を調整するためには、駆動端子とした帯状電極あるい
はこの帯状電極と圧電セラミックス円柱の中心軸に関し
て対称の位置にある帯状電極（アース電極となってい
る）の少なくともいずれか一方の帯状電極の中央部を機
械的に削る必要がある。しかし、帯状電極そのものを削
ると電極面積が変化して、静電容量の値が変化したジャ
イロ特性に悪い影響を与えてしまうため、帯状電極の中
央部を機械的に削ることはできない。

【００１１】本発明の課題は、ジャイロ特性に悪い影響
を与えず、各共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２およびｆｒ３を
容易に一致させることができる圧電振動ジャイロを提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、円柱状
または円筒状の圧電セラミックス体と、該圧電セラミッ
クス体の外周面上に軸方向と平行に設けられた複数個の
帯状電極とからなり、該帯状電極を用いて分極及び駆動
・検出を行う圧電振動ジャイロにおいて、前記帯状電極
はその中央部に無電極部を有し、前記複数個の帯状電極
中、少なくとも１つの帯状電極の無電極部に露出された
前記圧電セラミックス体の表面に溝を形成することによ
って、前記帯状電極を傷つけることなく共振周波数調整
を容易に行うことができることを特徴とする圧電振動ジ
ャイロが得られる。

【００１３】又、本発明によれば、円柱状または円筒状
の圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体の外周
面上に軸方向と平行に設けられた複数個の帯状電極とか
らなり、該帯状電極を用いて分極及び駆動・検出を行う
圧電振動ジャイロにおいて、前記帯状電極はその中央部
に無電極部を有し、前記複数個の帯状電極の間隙に露出
された前記圧電セラミックス体の表面に少なくとも１つ
の溝を形成することによって、前記帯状電極を傷つける
ことなく共振周波数調整を容易に行うことができること
を特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。

【００１４】

【００１５】又、本発明によれば、中央部にあらかじめ
所定領域の貫通孔で規定される無電極部を有する帯状電
極を複数個、円柱状または円筒状の圧電セラミックス体
の外周面上に、軸方向と平行になるように設けて圧電振
動子を形成し、前記複数個の帯状電極の間隙に露出され
た前記圧電セラミックス体の表面に少なくとも１つ以上
の溝を形成し、該溝によって、該溝と前記圧電セラミッ
クス体の断面の中心とを結ぶ方向と垂直な方向の帯状電
極から見た共振周波数を一定に保ち、それ以外の帯状電
極から見た共振周波数を減少させ、切削による共振周波
数調整工程において前記帯状電極を傷つけることなく共
振周波数調整を容易に行うことができることを特徴とす
る圧電振動ジャイロの共振周波数の調整方法が得られ
る。

【００１６】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図４を参照して詳
細に説明する。図１は、本発明の圧電振動ジャイロの帯
状電極１０（図５参照）の構造を示す平面図である。円
柱状または円筒状の圧電セラミックス体１の外周面に
は、従来と同じように複数個の帯状電極２が形成されて
いる。すなわち、これらの帯状電極２は、圧電セラミッ
クス体１の外周面に、軸方向と平行に、圧電セラミック
ス体１の長さ方向の中心に形成されている。これらの帯
状電極２の中央部には、無電極部３が形成され、さらに
無電極部３には溝が設けられている。

【００１７】図２は図６に示す帯状電極１２の無電極部
に溝を形成したときの無電極部の中に設けられた溝の長
さの変化に応じた各共振周波数の変化を示したグラフで
ある。共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２およびｆｒ３は、それ
ぞれ前述したように、帯状電極１１，１３および１５を
共通アース電極とし、帯状電極１２，１４および１６か
ら駆動した場合の共振周波数である。

【００１８】図２からわかるように、帯状電極１２に無
電極部を形成し、該無電極部に溝を設け、該溝の軸方向
長を徐々に大きくしていった場合、即ち該溝の軸方向長
を０mm〜３mmの間で変化させていった場合、共振周波数
ｆｒ１の値が最も大きく減少し、共振周波数ｆｒ２，ｆ
ｒ３の変化量は非常に小さくなっている。これは、圧電
振動子８（図５参照）の形状が円柱であり、６個の帯状
電極は円柱の外周面にほぼ等間隔に形成されているため
である。帯状電極１２，１４に無電極部を形成した場合
にも上記同様な特性を示す。すなわち、共振周波数ｆｒ
１を変化させて共振周波数ｆｒ２，ｆｒ３と一致させる
場合、共振周波数ｆｒ１の変化と直接関係をもつ電極１
２の無電極部に溝を形成することによって、共振周波数
ｆｒ１のみを減少させる。同様に共振周波数ｆｒ２のみ
を変化させたいときは、共振周波数ｆｒ２の変化と直接
関係をもつ電極１４の無電極部に溝を形成することによ
って、共振周波数ｆｒ２のみを減少させる。

【００１９】又、帯状電極１４および帯状電極１６に無
電極部を設け、該無電極部に溝を形成し、該溝の長さを
調整することにより、それぞれ共振周波数ｆｒ２および
ｆｒ３だけを独自に減少させる方向に調整することもで
きる。

【００２０】次に、本発明の第二の実施例を図３，図４
を参照して説明する。図３は本発明の他の実施例を示す
圧電振動子の断面図である。帯状電極１２，１４，１６
は、駆動あるいは検出用の電極であり、矢印３１，３
２，３３は、それぞれ帯状電極１２，１４，１６から駆
動した場合の圧電セラミックス円柱の振動方向を示して
いる。

【００２１】帯状電極１１と帯状電極１２の間の無電極
部，帯状電極１１と帯状電極１６の間の無電極部，帯状
電極１６と帯状電極１５の間の無電極部には、それぞれ
溝４１，溝４２，溝４３が形成されている。

【００２２】図４は、本発明の他の実施例における共振
周波数の変化を示すグラフである。共振周波数ｆｒ１１
は、帯状電極１６から駆動したときに生ずる圧電振動子
の屈曲振動方向（矢印３１）における共振周波数であ
り、共振周波数ｆｒ１２は、帯状電極１２から駆動した
ときに生ずる圧電振動子の屈曲振動方向（矢印３２）に
おける共振周波数であり、共振周波数ｆｒ１３は、帯状
電極１４から駆動したときに生ずる圧電振動子の屈曲振
動方向（矢印３３）における共振周波数である。

【００２３】全く溝を形成しない状態での共振周波数ｆ
ｒ１１，ｆｒ１２及びｆｒ１３の値（初期値）を測定
し、これを測定１とする。次に、帯状電極１１と帯状電
極１２の間に溝４１を形成したときの共振周波数ｆｒ１
１，ｆｒ１２及びｆｒ１３の値を測定し、これを測定２
とする。

【００２４】測定前において、共振周波数ｆｒ１１の初
期値と共振周波数ｆｒ１２の初期値とは互いに異なって
いるが、ここで、帯状電極１１と帯状電極１２の間に溝
４１を形成すると、溝４１と圧電セラミックス体の断面
の中心とを結ぶ方向と垂直な方向（矢印３１）に設けら
れている帯状電極１６から見た共振周波数ｆｒ１１は一
定に保たれ、それ以外の駆動電極としての帯状電極１
２，１４から見た共振周波数ｆｒ１２，ｆｒ１３は減少
する。従って、図４に示すように、共振周波数ｆｒ１１
はほとんど変化しないで、共振周波数ｆｒ１２及びｆｒ
１３は減少し、その結果、共振周波数ｆｒ１３の値はｆ
ｒ１１の値と一致する。ここで、共振周波数ｆｒ１２は
共振周波数ｆｒ１３の減少分とほぼ同じ量だけ減少す
る。これは、共振周波数ｆｒ１２，ｆｒ１３の溝４１と
圧電セラミックス体の断面の中心とを結ぶ方向における
成分が同じであるためである。

【００２５】次に、帯状電極１１と帯状電極１６の間に
溝４２を形成したときの共振周波数ｆｒ１１，ｆｒ１２
及びｆｒ１３の値を測定し、これを測定３とする。この
場合、上記測定１の共振周波数変化の原理と同様の原理
により、共振周波数ｆｒ１２はほとんど変化せず、共振
周波数ｆｒ１１，ｆｒ１３はそれぞれほぼ同じ量だけ減
少し、その結果、共振周波数ｆｒ１１，ｆｒ１３の値は
ｆｒ１２の値と一致する。即ち、圧電振動子の無電極部
一か所に溝４１を形成するだけで、２つの共振周波数、
即ちｆｒ１１とｆｒ１３の値を一致させることができ
る。さらにもう一か所に溝４２を形成するだけで、３つ
の共振周波数、即ちｆｒ１１，ｆｒ１２，ｆｒ１３の値
を一致させることができる。

【００２６】尚、２つの溝を設けても各共振周波数ｆｒ
１１，ｆｒ１２，ｆｒ１３が互いに一致しないときは、
さらにもう一か所、即ち帯状電極１５と帯状電極１６の
間にに溝４３を形成し、ｆｒ１３をほとんど変化させ
ず、ｆｒ１１とｆｒ１２はほぼ同じ量だけ減少させて一
致させることもできる。又、溝の長さおよび幅さらには
溝の深さにより各共振周波数の変化量は異なるので、あ
らかじめ一致させるのに必要な各共振周波数の変化量を
求めておいて、長さ、幅および深さの内できるだけ１つ
の要因だけを変化させて共振周波数を調整するのが望ま
しい。

【００２７】又、本実施例の場合は、溝を２つ設けて各
共振周波数を一致させるものであるが、最初から各共振
周波数が一致している場合には、当然の如く溝を設ける
必要はない。さらに、溝１個だけでも各共振周波数が一
致する場合もある。このように適宜溝の数を変化させて
各共振周波数を一致させることが必要である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、帯状電極に無電極部を
形成し、少なくとも１個の無電極部に露出された圧電セ
ラミックス体の表面に溝を形成し、該溝の長さを調整す
ることにより、各帯状電極の静電容量を変化させること
なく、各共振周波数を独自に減少させる方向に調整する
ことができる。即ち、あらかじめ適当な面積を有する帯
状電極の中央部に無電極部を形成し、該無電極部に溝を
形成することによって、圧電ジャイロの特性を変化させ
ず、各共振周波数を容易に一致させることができ、高精
度の圧電振動ジャイロを得ることができる。

【００２９】又、帯状電極の間隙に露出された圧電セラ
ミックス体の表面に溝を形成することによって、該溝と
前記圧電セラミックス体の断面の中心とを結ぶ方向と垂
直な方向の帯状電極から見た共振周波数を一定に保ち、
それ以外の帯状電極から見た共振周波数を減少させるこ
とができるので、各共振周波数が異なっていても適宜各
共振周波数のいずれかを減少させたり、それ以外のいず
れかの共振周波数を一定に保たせたりして、圧電ジャイ
ロの特性を変化させずに各共振周波数を一致させること
ができる。従って、帯状電極の間隙に露出された圧電セ
ラミックス体の表面に溝を形成することによって、帯状
電極部に溝を形成したことと等価な効果を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電振動ジャイロの一実施例を示す部
分平面図である。

【図２】本発明の圧電振動ジャイロの一実施例における
共振周波数の変化を示すグラフである。

【図３】本発明の圧電振動ジャイロの他の実施例を示す
断面図である。

【図４】図３に示す圧電振動ジャイロを動作させたとき
の共振周波数の変化を示すグラフである。

【図５】従来の圧電振動ジャイロに用いられている圧電
振動子の構造を示す斜視図である。

【図６】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するため
の図である。

【図７】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するため
の図である。

【図８】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するため
の図である。

【図９】従来の圧電振動ジャイロの動作を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１，９ 圧電セラミックス体 ２，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６ 帯
状電極 ３ 無電極部 ８ 圧電振動子 ４１，４２，４３ 溝

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−150914（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106407（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106408（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−331312（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−307322（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−67921（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3520195（ＵＳ，Ａ) 近野正，圧電形の振動ジャイロ・方向 センサー，昭和61年度文部省科学研究費 補助金（一般研究（Ｂ））研究成果報告 書（課題番号Ｎｏ60460142），日本 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円柱状または円筒状の圧電セラミックス
   体と、該圧電セラミックス体の外周面上に軸方向と平行
   に設けられた複数個の帯状電極とからなり、該帯状電極
   を用いて分極及び駆動・検出を行う圧電振動ジャイロに
   おいて、 前記帯状電極はその中央部に無電極部を有し、 前記複数個の帯状電極中、少なくとも１つの帯状電極の
   無電極部に露出された前記圧電セラミックス体の表面に
   溝を形成することによって、前記帯状電極を傷つけるこ
   となく共振周波数調整を容易に行うことができることを
   特徴とする圧電振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 円柱状または円筒状の圧電セラミックス
   体と、該圧電セラミックス体の外周面上に軸方向と平行
   に設けられた複数個の帯状電極とからなり、該帯状電極
   を用いて分極及び駆動・検出を行う圧電振動ジャイロに
   おいて、 前記帯状電極はその中央部に無電極部を有し、 前記複数個の帯状電極の間隙に露出された前記圧電セラ
   ミックス体の表面に少なくとも１つの溝を形成すること
   によって、前記帯状電極を傷つけることなく共振周波数
   調整を容易に行うことができることを特徴とする圧電振
   動ジャイロ。
3. 【請求項３】 中央部にあらかじめ所定領域の貫通孔
   で規定される無電極部を有する帯状電極を複数個、円柱
   状または円筒状の圧電セラミックス体の外周面上に、軸
   方向と平行になるように設けて圧電振動子を形成し、 前記複数個の帯状電極の間隙に露出された前記圧電セラ
   ミックス体の表面に少なくとも１つ以上の溝を形成し、 該溝によって、該溝と前記圧電セラミックス体の断面の
   中心とを結ぶ方向と垂直な方向の帯状電極から見た共振
   周波数を一定に保ち、それ以外の帯状電極から見た共振
   周波数を減少させ、切削による共振周波数調整工程において 前記帯状電極を
   傷つけることなく共振周波数調整を容易に行うことがで
   きることを特徴とする圧電振動ジャイロの共振周波数の
   調整方法。