JPH074973A - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円柱の屈曲振動における互いに直交する振動
モードの周波数の差を所定の範囲内に入れた状態で振動
方向を一定の方向に固定できる圧電振動ジャイロを提供
すること。 【構成】 圧電セラミック円柱２０の外周面に形成する
複数の帯状電極１１〜１７の位置を適切に配置すること
により意図的に円柱の対称性をくずし、振動モードｆｘ
とｆｙの差を所定の範囲内に入れた状態で振動方向を一
定の方向に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカメラ一体型ＶＴＲの手
振れ防止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に関し、特に圧電セラミック円
柱からなる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。互いに直交する二つの方向の励振
と検出とを可能なように構成した振動系において、一方
の振動を励振した状態で、振動子自身を二つの振動面が
交わる線と平行な軸を中心軸として回転させると、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及び回転角速度に比例するため、入
力電圧が一定の場合、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出来る。

【０００３】図７は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概略図であり、圧電セラミック
円柱１０の外周面上の円周を６等分する位置に長さ方向
と平行な６本の帯状電極１、２、３、４、５、６が形成
されている。これらの帯状電極を互いに一つおきに接続
して２端子として分極処理を施し、分極処理後、一つお
きの帯状電極２、４、６を接続して共通アース電極と
し、残りの帯状電極の内、帯状電極１を駆動電極、帯状
電極３及び５を検出用電極として圧電振動ジャイロを構
成することが出来る。

【０００４】図８は図７に示した圧電振動子における駆
動用の帯状電極１及び検出用の帯状電極３、５からみた
インピーダンスの周波数特性例である。圧電振動ジャイ
ロを構成する場合、これらのインピーダンス特性ができ
るだけ一致することが望ましく、特にそれぞれの共振周
波数（インピーダンスが極小になる周波数）を一致させ
る必要がある。

【０００５】円柱の屈曲振動においては互いに直交する
振動モードｆｘとｆｙが存在し、振動モードｆｘとｆｙ
が完全に一致（縮退）し、円柱が形状的にも、弾性的に
も完全に対称である場合には、これらの振動方向は注目
する任意の方向に固定することが可能である。しかし、
現実には僅かの非対称性から振動モードｆｘとｆｙが異
なると共にその振動方向も特定の方向に限定される。

【０００６】図９はこの二つの振動モードと駆動及び検
出用の帯状電極との関係を示すモデルである。図９
（ａ）は振動モードｆｘの振動方向と駆動用の帯状電極
の中心とが一致している場合であり、図９（ｂ）は振動
モードｆｘの振動方向が駆動用の帯状電極の中心から角
度δだけずれている場合を示している。

【０００７】図８に示した例は、振動モードｆｘとｆｙ
がそれぞれ３０．２６７ＫＨｚと３０．２４２ＫＨｚ、
すなわち共振周波数が２５Ｈｚ異なっており、角度δが
ほぼ１０度ずれている場合のインピーダンス特性に相当
する。

【０００８】圧電振動ジャイロは前述したように振動モ
ードｆｘの振動方向に励振している状態で、振動子が回
転させられた場合に、振動モードｆｙの振動が励振さ
れ、このｆｙの振動の大きさを検出用の帯状電極で検出
するものであり、以下のような基本条件が要求される。

【０００９】第１の基本条件は、振動モードｆｘの振動
に対して二つの検出用の帯状電極が対称的に配置され、
回転させない場合に発生する電圧の振幅及び位相が一致
していることであり、第２の基本条件は、振動モードｆ
ｙができるだけｆｘと一致していることである。

【００１０】この二つの基本条件の中で、第１の条件が
より重要であり、回転しない場合の出力電圧（ヌル電
圧）をできるだけゼロに近づける条件となっている。第
２の条件は圧電振動ジャイロの感度に関する条件であ
り、振動モードｆｘとｆｙが一致するほど感度が大きく
なる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電セラミック
円柱を用いた圧電振動ジャイロにおいては、特に振動方
向を制御することが難しく、各端子からみた共振周波数
をできるだけ一致させる方法で実効的に振動方向を駆動
用の電極に合わせている。このため、３つの端子からみ
た共振周波数の調整に時間がかかり作業性が悪かった。

【００１２】本発明の主たる課題は、圧電セラミック円
柱の外周面に形成する帯状電極の位置を適切に配置する
ことにより意図的に圧電セラミック円柱の対称性をくず
し、振動モードｆｘとｆｙの差を所定の範囲内に入れた
状態で振動方向を一定の方向に固定することができるよ
うにすることにある。

【００１３】本発明は、更に、圧電セラミック円柱の外
周面に長手方向に平行な溝を形成して振動方向を固定す
る場合に、電気的な特性変化を少なくすることを課題と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電セ
ラミック円柱と、この円柱外周面にその長手方向と平行
かつ周方向に間隔をおいて順に形成された第１乃至第７
の帯状電極とを有し、前記第１の帯状電極の中心線と前
記圧電セラミック円柱の中心軸を含む面に対して対称な
位置にそれぞれ前記第２及び第７の帯状電極、前記第３
及び第６の帯状電極、前記第４及び第５の帯状電極を形
成し、前記第１、第３及び第６の帯状電極を共通接続す
るとともに、前記第２、第４、第５、第７の帯状電極を
共通接続してこれらの２組の共通接続電極を２端子とし
て前記圧電セラミック円柱に分極処理を施した後、前記
第２、第４、第５、第７の帯状電極を共通アース電極、
前記第１の帯状電極を駆動電極、前記第３及び第６の帯
状電極をそれぞれ検出用電極としたことを特徴とする圧
電振動ジャイロが得られる。

【００１５】本発明によれば、また、圧電セラミック円
柱と、この円柱外周面にその長手方向と平行かつ周方向
に間隔をおいて順に形成された第１乃至第６の帯状電極
とを有し、これらの帯状電極を用いて分極処理した後、
前記第１、第３及び第５の帯状電極を電気的に接続して
共通アース電極とし、前記第４の帯状電極を駆動電極、
前記第２及び第６の帯状電極を検出用電極とした圧電振
動ジャイロにおいて、前記第４の帯状電極は前記圧電セ
ラミック円柱の中心に関して前記第１の帯状電極と対称
の位置に形成され、前記第１の帯状電極の中心線と前記
圧電セラミック円柱の中心線を含む面に対して対称な位
置にそれぞれ前記第２、第６の帯状電極及び第３、第５
の帯状電極が形成され、前記圧電セラミック円柱の屈曲
振動共振時の振動の節線上の前記第１の帯状電極の中心
線と前記圧電セラミック円柱の中心軸を含む面に対して
対称な位置に前記第１及び第２の外部リード接続用端子
が形成され、これらの第１及び第２の外部リード接続用
端子が前記検出用の第２及び第６の帯状電極にそれぞれ
接続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。

【００１６】本発明によれば、更に、圧電セラミック円
柱と、この円柱外周面にその長手方向と平行かつ周方向
に間隔をおいて順に形成された第１乃至第６の帯状電極
とを有し、これらの帯状電極を用いて分極処理した後、
前記第１、第３及び第５の帯状電極を電気的に接続して
共通アース電極とし、前記第４の帯状電極を駆動電極、
前記第２及び第６の帯状電極を検出用電極とした圧電振
動ジャイロにおいて、前記第４の帯状電極は前記圧電セ
ラミック円柱の中心に関して前記第１の帯状電極と対称
の位置に形成され、前記第１の帯状電極の中心線と前記
圧電セラミック円柱の中心軸を含む第１の面に対して対
称で、前記圧電セラミック円柱の中心軸を含み、前記第
１の面に直交する第２の面に非対称な位置にそれぞれ前
記第２、第６の帯状電極及び第３、第５の帯状電極が形
成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。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。図１は本発明の圧電振動ジャイロの一実施例
を示す斜視図であり、圧電セラミック円柱２０の外周面
上に長さ方向と平行かつ周方向に間隔をおいて第１〜第
７の帯状電極１１，１２，１３，１４，１５，１６，１
７が形成されている。これらの位置関係は、帯状電極１
１の中心線と圧電セラミック円柱２０の中心軸を含む面
に対して対称な位置にそれぞれ帯状電極１２と１７、１
３と１６及び１４と１５を形成する。しかも、帯状電極
１１，１３，１６及び帯状電極１２，１４，１５，１７
をそれぞれ電気的に接続して２端子として分極処理を施
した後、帯状電極１２，１４，１５，１７を共通アース
電極、帯状電極１１を駆動用電極とし、帯状電極１３及
び１６をそれぞれ検出用電極としている。

【００１８】図７に示した従来の圧電振動ジャイロ用振
動子おいては、帯状電極１を駆動用電極とすると、前述
したように振動方向は帯状電極１の中心線と圧電セラミ
ック円柱１０の中心線を含む面の方向と必ずしも一致し
ない。しかし、図１の場合は、駆動用の帯状電極１１の
中心線と圧電セラミック円柱２０の中心線を含む面に対
して接続用の電極も含めて全ての帯状電極は対称的に形
成されており、しかも、圧電セラミック円柱２０の中心
線を含む面で対称な面はこの面以外に存在しない。

【００１９】従って、図２に示すように、屈曲振動ｆ
ｘ’の振動方向が圧電セラミック円柱２０の中心軸を含
む面の方向に固定され、これと直角な方向の屈曲振動ｆ
ｙ’の共振周波数がずれる。更に、本発明の圧電振動ジ
ャイロに用いる振動子では、帯状電極１４と１５の間の
部分に圧電セラミック円柱２０の長さ方向に沿った細い
溝（図示せず）を形成することにより、駆動用電極方向
の共振周波数を下げ、同時に振動の方向をより固定する
ことが出来る。ところが、帯状電極１４，１５はいずれ
も共通アース電極に接続されているため、溝を形成して
も電気的な特性がほとんど変化しない。一方、検出用の
帯状電極１３と１６はｆｘ’の振動方向に対して対称な
位置に配置されているため、前述した第１の基本条件を
満たし、ほぼ無調整あるいはほんの微調整だけで良好な
ジャイロ特性を得ることができる。

【００２０】表１に本発明の圧電振動ジャイロに用いる
圧電振動子の帯状電極の具体例を示す。また、表２に振
動子特性例を示す。表２中には比較のために７個の帯状
電極を等間隔に形成した従来の振動子の例も示してい
る。表２からわかるように、本発明によれば、駆動端子
から駆動した場合の共振周波数と検出端子，から
駆動した場合の共振周波数には約５０Ｈｚの差がある
が、検出端子，の間の共振周波数の差はほとんど１
Ｈｚ以下であり、振動の方向が検出用電極に対してほぼ
対称になっていることを示している。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】図３は本発明の圧電振動ジャイロの他の実
施例を示す斜視図で、図１の構成と対応する構成部分に
は同一符号を付して説明する。圧電セラミック円柱２０
の外周面上に長さ方向と平行かつ周方向に間隔をおいて
第１〜第６の帯状電極１１，１２，１３，１４，１５，
１６を形成している。帯状電極１４は帯状電極１１と圧
電セラミック円柱２０の中心軸に関して対称の位置に形
成され、帯状電極１１の中心線と圧電セラミック円柱２
０の中心軸を含む面に対して対称な位置にそれぞれ帯状
電極１２，１６及び１３，１５が形成されている。

【００２４】更に、圧電セラミック円柱２０の屈曲振動
共振時の振動の節線上で、帯状電極１１の中心線と圧電
セラミック円柱２０の中心線を含む面に対して対称でそ
れぞれ、前記中心線を含む面からの角度が約３０°の位
置に外部リード接続用端子２２，２６が形成され、それ
ぞれ検出用の帯状電極１２，１６と接続用電極で接続さ
れている。

【００２５】図３においては外部リード接続用端子２２
及び２６が圧電セラミック円柱２０の中心軸に対して角
度が６０°しか離れていないため、両者に挟まれるアー
ス用の帯状電極１４を短く構成して、駆動及び検出用の
電極とアース用の電極との間隔を所定の間隔に保ってい
る。

【００２６】図７に示した従来の圧電振動ジャイロ用振
動子においては帯状電極４を駆動用電極とすると、前述
したように振動方向は帯状電極４の中心線と圧電セラミ
ック円柱２０の中心線を含む面の方向と必ずしも一致し
ない。しかし、図３の場合は、駆動用の帯状電極１４の
中心線と圧電セラミック円柱２０の中心線を含む面に対
して外部リード接続用端子も含めて全ての帯状電極は対
称的に形成されており、しかも、圧電セラミック円柱２
０の中心線を含む面で対称な面はこの面以外に存在しな
い。

【００２７】従って、図４に示すように屈曲振動ｆｘ’
の振動方向が圧電セラミック円柱２０の中心軸を含む面
の方向に固定され、これと直角な方向の屈曲振動ｆｙ’
の共振周波数がずれる（ｆｘ’＞ｆｙ’）。しかし、検
出用の電極１２と１６はｆｘ’の振動方向に対して対称
な位置に配置されていため、前記第１の基本条件を満た
し、ほぼ無調整あるいはほんの微調整だけで良好なジャ
イロ特性を得ることができる。

【００２８】表３に本発明の圧電振動ジャイロに用いる
圧電振動子の帯状電極の具体例を示す。また、表４に振
動子特性例を示す。表４中には比較のために６個の帯状
電極を等間隔に形成した従来の振動子の例も示してい
る。表４からわかるように、本発明によれば、駆動端子
から駆動した場合の共振周波数と検出端子，から
駆動した場合の共振周波数には２０〜３０Ｈｚ程度の差
があるが、検出端子，の間の共振周波数の差はほと
んど１Ｈｚ以下であり、振動の方向が検出電極に対して
ほぼ対称になっていることを示している。

【００２９】

【表３】

【００３０】

【表４】

【００３１】図５は本発明の圧電振動ジャイロ用振動子
の更に他の実施例を示す斜視図であり、図１の構成と対
応する構成部分には同一符号を付して説明する。圧電セ
ラミック円柱２０の外周面上に長さ方向と平行かつ周方
向に間隔をおいて第１〜第６の帯状電極１１，１２，１
３，１４，１５，１６が形成されている。帯状電極１４
は帯状電極１１と圧電セラミック円柱２０の中心軸に関
して対称な位置に形成され、帯状電極１１の中心線と圧
電セラミック円柱２０の中心軸を含む面に対して対称な
位置にそれぞれ帯状電極１２，１６及び１３，１５が形
成されている。このとき、帯状電極１２，１３及び１
５，１６はそれぞれ圧電セラミック円柱２０の中心線を
含み、前記対称面と直交する面に対しては非対称に形成
されている。

【００３２】図７に示した従来の圧電振動ジャイロ用振
動子おいては前述したように、帯状電極４を駆動用の電
極とすると、前述したように振動方向は帯状電極４の中
心線と圧電セラミック円柱１０の中心線を含む面の方向
と必ずしも一致しない。しかし、図５の場合は、駆動用
の帯状電極１４の中心線と圧電セラミック円柱２０の中
心線を含む面に対して接続用電極も含めて全ての帯状電
極は対称的に形成されており、しかも、圧電セラミック
円柱２０の中心線を含む面で対称な面は前記対称面以外
に存在しない。

【００３３】従って、図６に示すように屈曲振動ｆｘ’
の振動方向が圧電セラミック円柱２０の中心軸を含む面
の方向に固定され、これと直角な方向の屈曲振動ｆｙ’
の共振周波数がずれる。しかし、検出用の電極１２と１
６はｆｘ’の振動方向に対して対称な位置に配置されて
いるため、前記第１の基本条件を満たし、ほぼ無調整あ
るいはほんの微調整だけで良好なジャイロ特性を得るこ
とができる。

【００３４】表５に本発明の圧電振動ジャイロに用いる
圧電振動子の帯状電極の具体例を示す。また、表６に振
動子特性例を示す。表６中には比較のために６個の帯状
電極を等間隔に形成した従来の振動子の例も示してい
る。表６からわかるように、本発明によれば、駆動端子
から駆動した場合の共振周波数と検出端子，から
駆動した場合の共振周波数には２０〜３０Ｈｚ程度の差
があるが、検出端子，の間の共振周波数の差はほと
んど１Ｈｚ以下であり、振動の方向が検出電極に対して
ほぼ対称になっていることを示している。

【００３５】

【表５】

【００３６】

【表６】

【００３７】

【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば、
振動方向と対称な位置に検出用の電極が形成されている
ため、検出用の電極に発生する電圧の振幅及び位相がほ
ぼそろっており、最終的な共振周波数の調整が容易とな
ると共に圧電振動ジャイロの特性のばらつきも小さくな
る。

【００３８】また、本発明によれば、圧電セラミック円
柱に溝を形成して共振周波数の微調整を行う場合に、二
つのアース用の電極に挟まれた部分に溝を形成するた
め、溝形成による振動子の電気的特性の変化が少ない振
動子が得られる。

【００３９】更に、本発明によれば、振動方向と対称な
位置に検出用の電極が形成されているため、検出用の電
極に発生する電圧の振幅及び位相がほぼそろっており、
最終的な共振周波数の調整が容易となると共に、圧電振
動ジャイロの特性のばらつきも小さくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の一実施例
を示す概略斜視図である。

【図２】図１に示した圧電振動子の二つの振動モードと
駆動及び検出用の帯状電極との関係を示す圧電振動子の
断面図である。

【図３】本発明の圧電振動ジャイロの他の実施例を示す
概略斜視図である。

【図４】図３に示した圧電振動子の二つの振動モードと
駆動及び検出用の帯状電極との関係を示す圧電振動子の
断面図である。

【図５】本発明の圧電振動ジャイロの更に他の実施例を
示す概略斜視図である。

【図６】図５に示した圧電振動子の二つの振動モードと
駆動及び検出用の帯状電極との関係を示す圧電振動子の
断面図である。

【図７】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概略斜視図である。

【図８】図７に示した圧電振動子の駆動用の帯状電極及
び検出用の帯状電極から見たインピーダンスの周波数特
性図である。

【図９】図７に示した圧電振動子の二つの振動モードと
駆動及び検出用の帯状電極との関係を示す圧電振動子の
断面図である。

【符号の説明】

１１ 第１の帯状電極 １２ 第２の帯状電極 １３ 第３の帯状電極 １４ 第４の帯状電極 １５ 第５の帯状電極 １６ 第６の帯状電極 １７ 第７の帯状電極 ２０ 圧電セラミック円柱 ２２ 第１の外部リード端子 ２６ 第２の外部リード端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大槻 靖則 宮城県仙台市太白区太子堂21番１号 株式 会社トーキン内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミック円柱と、この円柱外周面
   にその長手方向と平行かつ周方向に間隔をおいて順に形
   成された第１乃至第７の帯状電極とを有し、前記第１の
   帯状電極の中心線と前記圧電セラミック円柱の中心軸を
   含む面に対して対称な位置にそれぞれ前記第２及び第７
   の帯状電極、前記第３及び第６の帯状電極、前記第４及
   び第５の帯状電極を形成し、前記第１、第３及び第６の
   帯状電極を共通接続するとともに、前記第２、第４、第
   ５、第７の帯状電極を共通接続してこれらの２組の共通
   接続電極を２端子として前記圧電セラミック円柱に分極
   処理を施した後、前記第２、第４、第５、第７の帯状電
   極を共通アース電極、前記第１の帯状電極を駆動電極、
   前記第３及び第６の帯状電極をそれぞれ検出用電極とし
   たことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 圧電セラミック円柱と、この円柱外周面
   にその長手方向と平行かつ周方向に間隔をおいて順に形
   成された第１乃至第６の帯状電極とを有し、これらの帯
   状電極を用いて分極処理した後、前記第１、第３及び第
   ５の帯状電極を電気的に接続して共通アース電極とし、
   前記第４の帯状電極を駆動電極、前記第２及び第６の帯
   状電極を検出用電極とした圧電振動ジャイロにおいて、
   前記第４の帯状電極は前記圧電セラミック円柱の中心に
   関して前記第１の帯状電極と対称の位置に形成され、前
   記第１の帯状電極の中心線と前記圧電セラミック円柱の
   中心線を含む面に対して対称な位置にそれぞれ前記第
   ２、第６の帯状電極及び第３、第５の帯状電極が形成さ
   れ、前記圧電セラミック円柱の屈曲振動共振時の振動の
   節線上の前記第１の帯状電極の中心線と前記圧電セラミ
   ック円柱の中心軸を含む面に対して対称な位置に前記第
   １及び第２の外部リード接続用端子が形成され、これら
   の第１及び第２の外部リード接続用端子が前記検出用の
   第２及び第６の帯状電極にそれぞれ接続されていること
   を特徴とする圧電振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 圧電セラミック円柱と、この円柱外周面
   にその長手方向と平行かつ周方向に間隔をおいて順に形
   成された第１乃至第６の帯状電極とを有し、これらの帯
   状電極を用いて分極処理した後、前記第１、第３及び第
   ５の帯状電極を電気的に接続して共通アース電極とし、
   前記第４の帯状電極を駆動電極、前記第２及び第６の帯
   状電極を検出用電極とした圧電振動ジャイロにおいて、
   前記第４の帯状電極は前記圧電セラミック円柱の中心に
   関して前記第１の帯状電極と対称の位置に形成され、前
   記第１の帯状電極の中心線と前記圧電セラミック円柱の
   中心軸を含む第１の面に対して対称で、前記圧電セラミ
   ック円柱の中心軸を含み、前記第１の面に直交する第２
   の面に非対称な位置にそれぞれ前記第２、第６の帯状電
   極及び第３、第５の帯状電極が形成されていることを特
   徴とする圧電振動ジャイロ。