JPH03181814A - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は自動車や船舶の移動方向の検出及びビデオカメ
ラなどの手ぶれや振動の検出などに用いられる圧電振動
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、特に構造が簡単な捩り一拡がり複合振動子型圧電
振動ジャイロに関する。

（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、その振動と直角方向にコリオリカを生ず
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動可能に
構成した複合振動系において、一方の振動を入力として
励振させた状態で振動子を回転させると、前述したコリ
オリカ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出力される。出力側の振動の大き
さは入力側の振動の大きさ及び回転角速度に比例するた
め、出力の大きさから回転角速度の大きさを知ることが
出来る。

第５図は従来の圧電振動ジャイロの一例の構造概略図で
ある。第５図において、音叉振動子の各々の振動音片５
１．５１’の先端に振動音片５１゜５１′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５２．５２’
が付加されている。振動音片５１．５１’及び５２．５
２’は金属で構成され、各々の音片には厚さ方向に分極
された圧電セラミック薄板５３，５４，５５．５６が接
合されている。入力側の圧電セラミック薄板５３゜５４
に、先端の振動音片５２．５２’を含めた振動音片５１
．５１’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５１．５１’を励振する。このとき振動音
片５２．５２’はそれぞれ振動音片５１．５１’　と−
緒に振動するが、振動音片５２．５２’　自身は振動音
片５１．５１’の振動方向と直角な方向には振動しない
ため、出力側の圧電セラミック薄板５５．５６には電圧
が発生しない。しかし、この状態で音叉振動子を振動音
片５１．５１’　の方向を軸にして回転すると。

コリオリカの作用により振動音片５１．５１’の振動方
向と直角な方向に力が発生し、この力が振動音片５２．
５２’　を振動させる。その結果、出力側の圧電セラミ
ック薄板５５．５６には回転角速度に比例した電圧が発
生する。

第６図は従来の圧電振動ジャイロの他の一例の構造概略
図であり、正方形断面形状を有する金属角柱５７の隣り
合う面に、厚さ方向に分極された圧電セラミックス薄板
５８．５９が接合されている。金属角柱５７は互いに直
角な二つの方向に。

はぼ同じ共振周波数で屈曲振動が可能であり、圧電セラ
ミックス薄板５８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５８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５７の圧電セラミックス薄板５つには電圧が発生し
ないが、金属角柱゛５７を長さ方向を軸に回転させると
、コリオリカの作用により金属角柱５７は圧電セラミッ
クス薄板５つを接合した面が凹凸となる方向に屈曲振動
し、圧電セラミックス薄板５９に回転角速度に比例した
電圧が発生する。

（発明が解決しようとする課題） 第５図及び第６図に示した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を接着
材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。

また、第５図に示した音叉振動子を用いた方式では、振
動音片５１．５１’　と５２．５２’を直角に接合する
必要があり、この作業は非常に難しい作業であった。

そこで１本発明の技術的課題は２以上に示した従来の圧
電振動ジャイロにおける欠点を除去し。

加工が簡単で、接着工程のない、ばらつきの少ない圧電
振動ジャイロを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、圧電セラミックス中空円柱の軸方向の
略中央部分の外周面に全周にわたって前記圧電セラミッ
クス中空円柱の軸方向に対して傾斜した第１及び第２の
斜め電極を施して夫々第１の二端子とし、該第１の二端
子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を
施し、前記圧電セラミックス中空円柱の一方の端部近傍
に前記圧電セラミックス中空円柱の軸方向に沿う方向に
長い第１及び第２の縦電極を施して夫々を第２の二端子
とし、該第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中
空円柱の一方の端部近傍に分極処理を施し、前記第１及
び第２の二端子のいずれか一方を入力端子とし、他方を
出力端子としたことを特徴とする圧電振動ジャイロが得
られる。

更に２本発明によれば、圧電セラミックス中空円柱の軸
方向の略中央部分の外周面に全周にわたって前記圧電セ
ラミックス中空円柱の軸方向に対して傾斜した第１及び
第２の斜め電極を施して夫々を第１の二端子とし、該第
１の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分
極処理を施し。

前記圧電セラミックス中空円柱の一方の端部近傍に前記
圧電セラミックス中空円柱の円周方向に沿う方向に長い
第１及び第２の周電極を施して夫々を第２の二端子とし
、該第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空円
柱の一方の端部近傍に分極処理を施し、前記第１及び第
２の二端子のいずれか一方を入力端子とし、他方を出力
端子としたことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られ
る。

（作　用） 本発明の圧電振動ジャイロにおいては、まず圧電セラミ
ックス中空円柱の外周面に該中空円柱の軸方向に対して
傾斜する（好ましくは４５°）方向に第１及び第２の斜
め電極を施して夫々第１の二端子とし１次に、第１の二
端子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に直流高電
圧を印加して分極処理を施すと分極方向は前記第１及び
第２の斜め電極に沿う方向と直角な方向となる。

この状態で前記第１の二端子間に電圧を印加すると、電
圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向
に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧の極性
と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。分極方
向に伸びあるいは縮み歪みが発生した場合は分極方向と
直角な方向にはそれぞれこれらと反対に縮みあるいは伸
び歪みが発生する。以上の結果として前記圧電セラミッ
クス中空円柱に捩り変位が発生する。

また１本発明の圧電振動ジャイロにおいては。

圧電セラミックス中空円柱の外周面にこの中空円柱の軸
方向に沿う方向に第１及び第２の縦電極を施して夫々第
２の二端子とし１次にこの第２の二端子間に直流高電圧
を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施
すと分極方向は前記第１及び第２の周電極に沿う方向と
直角な方向即ち中空円柱の円周に沿う方向となる。この
状態で前記第２の交差指電極に電圧を印加すると、縦効
果により、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合
は分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極侍
の電圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生
する。即ち、中空円柱の直径が大きくなったり、小さく
なったりする。

更に１本発明の圧電振動ジャイロにおいては。

圧電セラミックス中空円柱の外周面の一方の端部に、上
記縦電極の代わりに、この中空円柱の円周に沿う方向に
長い第１及び第２の周電極を施して夫々を第２の二端子
とし、つぎにこの第２の二端子間の直流高電圧を印加し
て前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施すと分
極方向は前記第１及び第２の周電極に沿う方向と直角な
方向即ち中空円柱の軸方向となる。この状態で前記第２
の二端子間に電圧・を印加すると、電圧の極性が分極時
の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが発生
し、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は分極
の方向に縮み歪みが発生する。その結果、横効果により
中空円柱の直径が大きくなったり、小さくなったりする
。

この様な捩り一拡がり複合振動子の第１及び第２の２端
子のうちの一方を入力端子、／ｌｈ方を出力端子とすれ
ば、出力端から複合振動子の変位に応じた出力信号を取
出すことができる。

（実施例） 以下１本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の圧電振動ジャイロの一実施例の構造を
示す斜視図であり、圧電セラミックス中空円柱１４のほ
ぼ中央部の外周面に軸方向に対して４５°の角度となる
ように、互いに平行に長い複数の第１及び１２の斜め電
極１５及び１６が形成され、１つおきに互いに異なる端
部が接続されるように同じ番号の電極の同じ側の端部を
第１及び第２の共通電極１５′及び１６′に夫々接続さ
れ、第１の二端子を構成している。

更に、圧電セラミックス中空円柱１４の一方の端部近傍
に、軸に沿う方向に長い複数の第１及び第２の縦電極１
７．及び１８が互いに平行に形成され、それぞれ同じ番
号の縦電極が一つおきにその異なる端部を、第１及び第
２の結合電極１７′及び１８′に電気的に接続され１第
２の二端子を構成している。

第１図において、第１及び第２の共通電極１５′及び１
６′間、即ち、第１の二端子間に直流高電圧を印加して
分極処理を施した後、複合振動子の捩りモードの共振周
波数に等しい周波数の交流電圧をこの第１の二端子間に
印加すれば圧電セラミックス中空円柱１４は両端部が捩
れるように共振する。この時圧電セラミックス中空円柱
１４を円柱の軸を中心にして回転させると、コリオリカ
の作用により、圧電セラミックス中空円柱１４の端部近
房に捩り変位方向と直角な方向、即ち、中空円柱−の直
径を大きくしたり、小さくしたりするようないわゆる拡
がり振動が発生する。

この結果圧電セラミックス中空円柱１４の端部近傍に形
成されている第１及び第２の縦電極１７゜１８間に出力
電圧を発生する。即ち、第１及び第２の結合電極を二端
子とした第２の二端子間で検出される。

検出される出力電圧の大きさは、捩り振動の大きさ及び
回転角速度の大きさに比例するため、捩り振動の大きさ
を一定に制御することにより１回転角速度を検出するこ
とが出来る。

第２図は本発明の圧電振動ジャイロの他の実施例の構造
を示す斜視図であり、圧電セラミックス中空円柱１４′
のほぼ中央部の外周面に軸方向に対して４５″の角度と
なるように、互いに平行に複数の第１及び第２の斜め電
極１９及び２０が形成され、第１図の圧電振動ジャイロ
と同様にそれぞれ第１及び第２の共通電極１９′及び２
０’に接続され、第１の二端子を構成している。

さらに、圧電セラミックス中空円柱１４′一方の端部近
傍に１円周方向に沿って長く、互いに平行な複数の第１
及び第２の周電極２１．２２が形成され、それぞれ同じ
番号の周電極が第１及び第２の接続電極２１′及び２２
′により、電気的に接続され、′Ｍ２の二端子を構成し
ている。

第２図において、＊ｉの二端子間、即ち、′Ｍ１及び第
２の共通電極１９′及び２０′間に直流高電圧を印加し
て分極処理を施した後、この第１の二端子間に複合振動
子の捩りモードの共振周波数に等しい周波数の交流電圧
を印加すれば圧電セラミックス中空円柱１４′両端部が
捩じれるように共振する。この時圧電セラミックス中空
円柱１４′を円柱の袖を中心にして回転させると、コリ
オリカの作用により、圧電セラミックス中空円柱１４′
の端部近傍に捩り変位方向と直角な方向。

即ち、中空円柱１４′の直径を大きくしたり、小さくし
たりするようないわゆる拡がり振動が発生する。この結
果、圧電セラミックス中空円柱１４′の端部近傍に形成
されている第１及び第２の周電極２１．２２間に出力電
圧を発生する。

即ち、第１及び第２の結合電極を二端子とした第２の二
端子間で検出される。

検出される出力電圧の大きさは、捩り振動の大きさ及び
回転角速度の大きさに比例するため、捩り振動の大きさ
を一定に制御することにより、第１図の圧電振動ジャイ
ロと同様に回転角速度を検出することが出来る。

次に１本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロの動作原
理について図面を用いて更に詳しく説明する。

第３図（ａ）　＝　（ｂ）　、（ｃ）　、（ｄ）は本発
明の第１又は第２の実施例に係る圧電振動ジャイロに用
いる交差指電極型圧電捩り一拡がり複合振動子の動作原
理の説明図である。

第３図（ａ）において、圧電セラミックス板１０の一方
の面には互いに平行に複数個の電極１１゜１２が形成さ
れ、それぞれ一つおきに共通電極１１’、１２’に接続
され、一対の２季指電極を構成している。

第３図（ｂ）は第３図（ａ）の圧電セラミックス板を模
式的に示す図である。

第３図（ｂ）において、破線の矢印１は一対の交差指電
極を二端子５，６として用いて分極処理を施したときの
分極の向きを示している。

第３図（ｃ）　、　（ｄ）は第３図（ｂ）のように分極
処理された圧電セラミックス板１０に端子５，６を用い
て直流電圧を印加した場合に発生する歪みの状態を示し
ており、実線の矢印２は電界の向きを示している。

第３図（ｃ）　、　（ｄ）から分かるように、電圧の極
性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び
歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の
場合は分極の方向に沿って縮み歪みが発生する。

第４図は中空円柱１３の両端面が図の矢印のように捩じ
れている場合に、中空円柱１３の外周面に発生する歪み
の状態を示しており、中空円柱１３の軸方向に対して４
５°の角度の方向で、しかも捩じれの矢印の向きに伸び
歪みが発生し、これと直角な方向に縮み歪みが発生して
いる。

従って圧電セラミックス中空円柱の外周面に。

第３図（ａ）に示したような一対の交差指電極１１゜１
２を指電極の長さ方向が圧電セラミックス中空円柱の軸
方向に対して４５″の角度となるように形成し、この一
対の交差指電極を用いて分極処理を行い、同じ交差指電
極に直流電圧を印加すると。

電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合に中空円柱
は一方向に捩じれ、電圧の極性が分極時の電圧の極性と
逆の場合は逆方向に捩じれる。

また、圧電セラミックス中空円柱の外周面に。

第３図（ａ）　、　（ｂ）　、（ｃ）及び（ｄ）に示し
たような交差指電極１１．１２を交差指の方向が圧電セ
ラミックス中空円柱の軸方向に沿うように形成したもの
が、第１図の捩り一拡がり複合振動子で、この交差指電
極を用いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧
を印加すると、縦効果により、ｍ圧の極性が分極時の電
圧の極性と同じ場合に中空円柱の直径が大きくなり、電
圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は逆に直径が
小さくなる。

一方、圧電セラミックス中空円柱の外周面に。

第３図（ａ）に示したような交差指電極を指電極の長さ
方向が圧電セラミックス中空円柱の円周方向に沿う方向
に形成したものが、第２図の捩り一拡がり複合振動子で
、この交差指電極を用いて分極処理を行い、同じ交差指
電極に直流電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電
圧の極性と同じ場合に中空円柱の長さが伸び、電圧の極
性が分極時の電圧の極性と逆の場合は中空円柱の長さが
縮み。

横効果により、中空円柱の直径が小さくなったり大きく
なったりする。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、圧電振動ジャイロ
を構成するための振動モードとして捩り振動と拡がり振
動を利用し１通常一般的に適用されているプレス成型技
術により容易に製造することが可能な圧電セラミックス
中空円柱を用いて。

これらの外周面にこれも一般的な技術である電極印刷を
施すことにより圧電捩り振動子及び圧電拡がり振動子が
一体形状として得られるため、製造が容易で、接着工程
や複雑な加工工程による特性のばらつきの少ない圧電捩
り一拡がり複合振動子が得られる。また、この圧電捩り
一拡がり複合振動子を用いて圧電振動ジャイロを構成す
れば構造が簡単で、特性のばらつきの少ない圧電振動ジ
ャイロが得られ、実用的な効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電振動ジャイロの一橋造例を示す斜
視図、第２図は本発明の圧電振動ジャイロの他の構造例
を示す斜視図、第３図は交差指電極を用いて分極及び電
圧印加を行った場合の歪みの発生状態の説明図、第４図
は中空円柱状弾性体を捩ったときの歪みの発生状態の説
明図、第５図は従来の圧電振動ジャイロの一例である音
叉型圧電振動ジャイロの構造を示す斜視図、第６図は従
来の圧電振動ジャイロの他の一例である角柱音片型圧電
振動ジャイロの構造を示す斜視図である。 図中、１０・・・圧電セラミックス板、１１．１２・・
・交差指電極、１１’　、１２’・・・共通電極、１３
・・・中空円柱状弾性体、１４・・・圧電セラミックス
中空円柱、１５，１６，１９．２０・・・斜め電極（捩
り振動子用交差指電極）、１５’　、１６’１９’、２
０’・・・共通電極、１７．１８・・・縦電極（縦効果
拡がり振動子用交差指電極）、１７＝１８＝・・・結合
電極、２１．２２・・・周電極（横効果拡がり振動子用
交差指電極）、２１−．２２−・・・接続電極、５１．
５１’　・・・駆動用振動音片、５２゜５２′・・・検
出用振動音片、５３，５４．５５゜５６．５８．５９・
・・圧電セラミックス薄板、５７・・・金属角柱。 誠

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電セラミックス中空円柱の軸方向の略中央部分の
   外周面に全周にわたって前記圧電セラミックス中空円柱
   の軸方向に対して傾斜した第１及び第２の斜め電極を施
   して夫々第１の二端子とし、該第１の二端子を用いて前
   記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施し、前記圧
   電セラミックス中空円柱の一方の端部近傍に前記圧電セ
   ラミックス中空円柱の軸方向に沿う方向に長い第１及び
   第２の縦電極を施して夫々を第２の二端子とし、該第２
   の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱の一方
   の端部近傍に分極処理を施し、前記第１及び第２の二端
   子のいずれか一方を入力端子とし、他方を出力端子とし
   たことを特徴とする圧電振動ジャイロ。 ２、圧電セラミックス中空円柱の軸方向の略中央部分の
   外周面に全周にわたって前記圧電セラミックス中空円柱
   の軸方向に対して傾斜した第１及び第２の斜め電極を施
   して夫々を第１の二端子とし、該第１の二端子を用いて
   前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施し、前記
   圧電セラミックス中空円柱の一方の端部近傍に前記圧電
   セラミックス中空円柱の円周方向に沿う方向に長い第１
   及び第２の周電極を施して夫々を第２の二端子とし、該
   第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱の
   一方の端部近傍に分極処理を施し、前記第１及び第２の
   二端子のいずれか一方を入力端子とし、他方を出力端子
   としたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。