JPH04337414A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば船舶や自動車等
の移動体に対する姿勢制御やナビゲーションシステム等
に用いられ、圧電セラミックス単体振動子の超音波振動
を用いた方向角変化を検出可能な圧電振動ジャイロに関
する。

【０００２】

【従来の技術】通常、ジャイロスコープとして知られる
圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転加速度が
与えられることにより、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に基づいて方向角変化
の検出を行っている。

【０００３】具体的に云えば、直交する二つの方向の振
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、その振動子を回転させると、上述
したコリオリ力の作用により、この振動と直角な方向に
力が働いて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及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、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。

【０００４】図８は、従来の圧電振動ジャイロの一例を
概略的に示すものである。この圧電振動ジャイロは、断
面形状が正三角形である金属三角柱１１０の三つの側面
のほぼ中央部に、それぞれ両面に電極が形成されている
と共に、厚さ方向に分極された圧電セラミックス薄板１
１１，１１２，１１３が接合されている。金属三角柱１
１０はそれぞれの辺と、これに向かい合う頂点（稜部の
稜線）を結ぶ方向に、ほぼ同じ共振周波数で屈曲振動が
可能である。そして、例えば図９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供給ＩＮ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（矢印方向）
に屈曲振動する。

【０００５】又、図１０に示すように、隣合う２つの圧
電セラミックス薄板１１１，１１２に同一振幅、同一位
相であって、金属三角柱１１０の共振周波数に等しい周
波数の電圧を供給ＩＮ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た結果、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（矢印方向）に屈曲振動する。

【０００６】一方、図１１に示すように、隣合う２つの
圧電セラミックス薄板１１１，１１２に同一振幅、逆位
相であって、金属三角柱１０の共振周波数に等しい周波
数の電圧を供給ＩＮ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た結果、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（矢印方向）に屈曲振動する。

【０００７】即ち、図１０に示す状態で金属三角柱１１
０を長さ方向の中心を軸にして回転させると、図１２に
示すように、点線曲り矢印方向に働くコリオリ力の作用
により、金属三角柱１１０には、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（矢印方向）とこ
れに直角な方向（点線矢印方向）とに屈曲振動する。こ
のとき、金属三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１１
３と平行な方向の屈曲振動は、図１１に示したように圧
電セラミックス薄板１１１，１１２に同一振幅、逆位相
の電圧を供給することによって得られる。

【０００８】又、逆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した場
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、その駆動のために圧電セラ
ミックス薄板１１１，１１２に供給されている電圧の一
方が発生電圧分減少し、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の端子電圧の電
圧差は金属三角柱１１０の回転角速度に比例した電圧と
なるので、圧電振動ジャイロ自体の方向角変化を検出す
ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電振動ジャイ
ロの場合、金属三角柱の表面と圧電セラミックス薄板と
を接着剤を用いて接合している為、圧電セラミックス薄
板の接着位置やその接着層にばらつきを生じ易く、結果
として、方向角変化の検出感度特性が変動し易いという
欠点があった。

【００１０】本発明はかかる事情によりなされたもので
、その目的は、簡素な構成により接着工程を不要にでき
ると共に、方向角変化の検出を高精度に行い得る圧電振
動ジャイロを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、断面形
状が正多角形な圧電振動子多角柱と、この圧電振動子多
角柱の表面稜部に前記稜部の稜線延在方向に対して平行
に設けられた複数個の帯状電極とから成り、複数個の帯
状電極を用いて圧電振動子多角柱に分極処理を施すこと
により、かかる複数個の帯状電極を用いて駆動及び検出
を行い得るようにした圧電振動ジャイロが得られる。

【００１２】

【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明の圧電振動ジャ
イロについて詳細に説明する。

【００１３】図２は本発明の圧電振動ジャイロに用いら
れる圧電セラミックス三角柱１０を示すものである。こ
の圧電セラミックス三角柱１０は、断面形状が正三角形
であると共に、その３つの稜部に稜線の延在方向と平行
に帯状電極１１，１２及び１３が折曲されて設けられて
いる他、１稜部に設けられた帯状電極１２を挟んで隣合
う２つの側面上に、かかる２つの側面に挟まれる稜部の
稜線からの距離が等しく、それぞれ残りの２つの稜部の
帯状電極１１及び１３に近接する位置にも、稜線の延在
方向と平行に帯状電極１４及び１５が設けられている。

【００１４】これら帯状電極１１〜１５は、それぞれ圧
電セラミックス三角柱１０の３つの稜部及び２つの側面
に対し、各稜線の長さ以下の所定の寸法で所定位置に印
刷法やマスクを用いたフォトエッチング法を適用するこ
とによって形成されている。尚、稜部に形成された帯状
電極１１〜１３は駆動用であり、側面状に形成された帯
状電極１４及び１５は方向角変化の検出用である。

【００１５】図３は、図２で説明したように、各帯状電
極１１〜１５が形成された後の圧電セラミックス三角柱
１０において、帯状電極１１及び１３を電気的に接続し
、直流高電圧を供給して接地された帯状電極１２との間
で分極処理を施した時の圧電セラミックス三角柱１０の
断面方向における分極の向きを示すものである。尚、こ
こでは分極の向きが点線矢印で示されている。図３にお
いて、帯状電極１４及び１５は浮遊電極となっているが
、これらの帯状電極１２からの距離は、帯状電極１１及
び１３との間で形成される距離に比べて大きいため、供
給電圧の半分以上がこれらの帯状電極１４及び１５に供
給されることになる。

【００１６】図４〜６は、かかる構成による圧電セラミ
ックス三角柱１０を圧電振動ジャイロとして動作させる
ための原理を説明するためのものである。各図共、帯状
電極１１と１４との間，１４と１２との間，１２と１５
との間，１５と１３との間，１３と１１との間に形成さ
れる各間隙を、それぞれＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４及びＧ
５としている。先ず、図４に示す如く、帯状電極１１及
び１２の間の側面、即ち間隙部Ｇ１及びＧ２の間に交流
電圧を供給すると、発生する電界の向きが分極の向きと
等しい場合は、間隙部Ｇ１及びＧ２に伸び歪が発生する
が、電界の向きが分極の向きと逆向きの場合は、間隙部
Ｇ１及びＧ２に縮み歪が発生する。

【００１７】しかして、間隙部Ｇ１及びＧ２に圧電セラ
ミックス三角柱１０の屈曲振動モードの共振周波数にほ
ぼ等しい周波数の励振用の交流電圧を供給すると、圧電
セラミックス三角柱１０は、圧電横効果により間隙部Ｇ
１の中心線と角柱の中心軸とを含む面の方向と、間隙部
Ｇ２の中心線と角柱の中心軸とを含む面の方向との屈曲
振動が合成され、ほぼ矢印の方向に屈曲振動する。又、
ここで別の駆動源により圧電セラミックス三角柱１０が
矢印の方向に振動している場合、圧電効果により間隙部
Ｇ１及びＧ２に電圧が発生する。

【００１８】次に、図５は帯状電極１２を挟む帯状電極
１１及び１３を接続し、帯状電極１２との間に交流電圧
を供給した場合に圧電セラミックス三角柱１０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。ここ
では、間隙部Ｇ１及びＧ２と、間隙部Ｇ３及びＧ４との
それぞれの分極の向きに対して発生する電界の極性が同
じになる為、圧電セラミックス三角柱１０の屈曲振動モ
ードの共振周波数にほぼ等しい周波数の励振用の交流電
圧を供給すると、圧電セラミックス三角柱１０には図５
にそれぞれ矢印で示すような方向の同じ向きの振動駆動
力が発生し、これらが図５中に示すように合成され、圧
電セラミックス三角柱１０は、ほぼ帯状電極１２が形成
された稜部の稜線と角柱の中心軸とを含む矢印の面の方
向に屈曲振動する。又、別の駆動源により圧電セラミッ
クス三角柱１０が矢印の方向に振動している場合、圧電
効果により間隙部Ｇ１及びＧ２と間隙部Ｇ４及びＧ３と
に帯状電極１２を基準としてそれぞれ同相の電圧が発生
する。

【００１９】更に、図６は帯状電極１１，１３の接続を
分離し、帯状電極１１及び１２の間と帯状電極１２及び
１３との間に供給する交流電圧の極性を逆にした場合に
圧電セラミックス三角柱１０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。ここでは、間隙部Ｇ１
及びＧ２と間隙部Ｇ３及びＧ４とにそれぞれの分極の向
きに対して逆向きの電界が生じる為、圧電セラミックス
三角柱１０には、図４で説明したように、それぞれ矢印
で示すような逆向きの振動駆動力が発生し、これらが図
６に示すように合成され、圧電セラミックス三角柱１０
は、ほぼ帯状電極１２の中心線と角柱の中心軸とを含む
面の方向と直角な矢印で示す方向に屈曲振動する。又、
ここでも別の駆動源により圧電セラミックス三角柱１０
が矢印の方向に振動している場合、圧電効果により間隙
部Ｇ１及びＧ２と間隙部Ｇ４及びＧ３とに帯状電極１２
を基準としてそれぞれ逆相の電圧が発生する。

【００２０】図１は以上に説明した圧電セラミックス三
角柱１０を用いて構成した本発明の圧電振動ジャイロの
一実施例となる電気回路を示したものである。図１にお
いて、帯状電極１２はアース端子であり、帯状電極１１
及び１３は接続されて入力端子ＩＮとされ、帯状電極１
１，１３と帯状電極１２との間に置かれる帯状電極１４
，１５はそれぞれ差動増幅器２０の正極と負極とに接続
され、圧電セラミックス三角柱１０に励振用の交流電圧
が供給されるようになっている。そして、供給する交流
電圧の周波数は、圧電セラミックス三角柱１０の屈曲モ
ードの共振周波数にほぼ一致されている。ここでの圧電
セラミックス三角柱１０の振動方向は、図５で説明した
ように、ほぼ帯状電極１２の形成された稜線と圧電セラ
ミックス三角柱１０の中心軸とを含む面の方向となる。

【００２１】かかる構成による圧電振動ジャイロは、圧
電セラミックス三角柱１０を角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、圧電セラミックス三角柱１０は、帯状電極１２の稜
線と圧電セラミックス三角柱１０の中心軸とを含む面の
方向と直角な方向に振動する。従って、図６で説明した
ように、帯状電極１４及び１５には、帯状電極１２の稜
線と圧電セラミックス三角柱１０の中心軸とを含む面の
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。加えて、帯状電極１４及び１５
がそれぞれ差動増幅器２０の入力端子に接続されている
ので、差動増幅器２０の出力はコリオリ力により発生し
た振動成分に伴い、且つ加えられた回転角速度に比例し
た電圧となる。結果として、帯状電極１４及び１５の出
力電圧から方向角変化の検出を行うことができる。

【００２２】尚、上述した圧電振動ジャイロには、断面
形状が正三角形の圧電セラミックス三角柱１０を用いた
が、これに代えて断面形状が正四角形や正五角形或いは
それ以上の正多角形な圧電セラミックス多角柱を用いる
こともできる。

【００２３】具体的に云えば、図７に示す如く、断面形
状が正六角形の圧電セラミックス六角柱１００を代用さ
せることができる。この圧電セラミックス六角柱１００
は、それ自体が有する６つの稜部のうち、隣合う４つの
稜部に、互いに隣合う２つの側面に挟まれる稜部の稜線
に対して対称形に帯状電極１〜４を設けている。即ち、
圧電セラミックス六角柱１００の如く、断面形状が正多
角形なものに関しては、稜部に対する帯状電極を選択的
に行うことができる。この場合も、例えば断面形状が正
六角形となるように整形されたダイスを用いて押出成形
法によりその断面形状を成形した後、所定の長さに切断
されることによって得られるものである。又、帯状電極
１〜４も、印刷法やマスクを用いたフォトエッチング法
を適用することによって形成されるものである。

【００２４】要するに、本発明の圧電振動ジャイロは、
断面形状が正多角形な圧電セラミックス多角柱を用い、
この圧電セラミックス角柱の各稜部と、その各側面上に
稜部の稜線の延在方向とは平行に複数の帯状電極を形成
することを基本的な構成としている。但し、角数の多い
圧電セラミックス多角柱は、外形寸法や電極間隙部の寸
法を精度良くすることが難しくなる上、電界が圧電セラ
ミックス多角柱の表面層にしか作用しなくなる傾向が現
れ、結果として、方向角変化の検出感度が低下するとい
う問題を生ずる。従って、本発明の圧電振動ジャイロ用
に用いる圧電セラミックス多角柱は、正六角柱程度まで
に止めるのが望ましい。

【００２５】尚、実施例で開示した圧電セラミックス多
角柱に対する帯状電極の数や帯状電極を形成する位置に
ついては、基本的に図４乃至図５において説明した如く
動作原理を充足するものであれば良いので、必ずしも実
施例に限定されない。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、圧電振
動ジャイロを構成する圧電振動子の断面形状を正多角形
状とし、その形成を長尺角柱であっても押出成形法によ
り容易に行い得るようにしていると共に、かかる圧電振
動子多角柱に対する帯状電極の形成を、無電解メッキ等
により全外周面に導電薄膜層を形成した後、フォトエッ
チングやスクリーン印刷等により容易に、且つ精度良く
行い得るようにしているので、簡素な構成により接着工
程が不要であり、しかも方向角変化の検出をその感度に
ばらつきなく高精度に行い得るような圧電振動ジャイロ
が提供される。殊に本発明の圧電振動ジャイロは、圧電
振動子多角柱の素材にセラミックスを用いている為、押
出成形法によりその寸法精度を容易に高くすることがで
きるばかりでなく、材質特性的にも均質な振動子を得る
ことができる。このことは、直交する二つの振動モード
の特性を精度良く合わせた上で、従来になく方向角変化
の検出特性に優れた圧電振動ジャイロが得られることを
意味している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である圧電振動ジャイロの電
気回路を示したものである。

【図２】本発明の圧電振動ジャイロに用いられる圧電セ
ラミックス三角柱を斜視によって示すものである。

【図３】その圧電セラミックス三角柱の分極の向きを説
明するためのものである。

【図４】圧電セラミックス三角柱を圧電振動ジャイロと
して動作させるための説明図である。

【図５】圧電セラミックス三角柱を圧電振動ジャイロと
して他に動作させるための説明図である。

【図６】圧電セラミックス三角柱を圧電振動ジャイロと
して別に動作させるための説明図である。

【図７】圧電セラミックス三角柱に代用し得る圧電セラ
ミックス六角柱を斜視によって示すものである。

【図８】従来の圧電振動ジャイロに用いられる金属三角
形を斜視によって示すものである。

【図９】その金属三角形を圧電振動ジャイロとして動作
させるための説明図である。

【図１０】金属三角形を圧電振動ジャイロとして他に動
作させるための説明図である。

【図１１】金属三角形を圧電振動ジャイロとして別に動
作させるための説明図である。

【図１２】従来の圧電振動ジャイロの動作の概要を説明
するためのものである。

【符号の説明】

１〜４，１１〜１５　　帯状電極 １０　　圧電セラミックス三角柱 ２０　　差動増幅器 １００　　圧電セラミックス六角柱 １１０　　金属三角形 １１１，１１２，１１３　　圧電セラミックス薄板Ｇ１
〜Ｇ５　　間隙部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　断面形状が正多角形な圧電振動子多角
   柱と、前記圧電振動子多角柱の表面稜部に前記稜部の稜
   線延在方向に対して平行に設けられた複数個の帯状電極
   とから成り、前記複数個の帯状電極を用いて前記圧電振
   動子多角柱に分極処理を施すことにより、前記複数個の
   帯状電極を用いて駆動及び検出を行い得るようにしたこ
   とを特徴とする圧電振動ジャイロ。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の圧電振動ジャイロに
   おいて、前記圧電振動子多角柱は、素材がセラミックス
   であることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
3. 【請求項３】　　請求項１又は２に記載の圧電振動ジャ
   イロにおいて、前記複数個の帯状電極は、前記圧電振動
   子多角柱の互いに隣合う２つの側面に挟まれる稜部の稜
   線に対して対称形に形成されていることを特徴とする圧
   電振動ジャイロ。
4. 【請求項４】　　請求項１又は２に記載の圧電振動ジャ
   イロにおいて、前記複数個の帯状電極は、前記圧電振動
   子多角柱の側面に前記稜部の稜線延在方向に対して平行
   に設けられたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
5. 【請求項５】　　請求項１乃至４に記載の圧電振動ジャ
   イロにおいて、前記圧電振動子多角柱は、断面形状が正
   三角形な圧電振動子三角柱であり、前記複数個の帯状電
   極は、前記圧電振動子三角柱の３つの側面のうちの２つ
   の側面に、前記２つの側面に挟まれる稜部の稜線からの
   距離が等しく、且つ残りの２つの稜部に近接する位置と
   、前記圧電振動子三角柱の３つの稜部とにそれぞれ前記
   稜部の稜線延在方向に対して平行に且つ同じ長さで設け
   られたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。