JP2557287B2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は圧電振動ジャイロに関
し、より詳しくは、船舶や自動車などの移動体に搭載さ
れる機器の姿勢制御システム、あるいは自動車のナビゲ
ーションシステム等に使用されるジャイロスコープであ
って、特に圧電セラミックス単体からなる圧電振動子を
用いて構成される構造が簡単な圧電セラミックス振動ジ
ャイロに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧電振動ジャイロでは、振動し
ている物体に回転加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じるという力学現象を利
用している。

【０００３】即ち、一般に直交する二つの異なる方向の
励振を励起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
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および回転角速度に比例するため、
入力電圧が一定の状態において、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示
したもので、音叉振動子を構成する金属製の振動音片１
０１、１０１’の先端に振動音片１０１、１０１’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１０
２、１０２’が付加されている。振動音片１０１、１０
１’および１０２、１０２’は金属で構成され、夫々の
音片には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１０３〜１０６がそれぞれ接合さ
れている。

【０００５】この圧電振動ジャイロにおいて、その入力
側の圧電セラミックス薄板１０３、１０４に、先端部の
振動音片１０２、１０２’を含めた振動音片１０１、１
０１’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１０１、１０１’を励振する。このとき、振
動音片１０２、１０２’は夫々振動音片１０１、１０
１’と一緒に振動するが、振動音片１０２、１０２’自
身は振動音片１０１、１０１’の振動方向と直角な方向
には振動しない。ところが、この状態で音叉振動子を図
のように振動音片１０１、１０１’、１０２、１０２’
の中心を軸として回転させると、コリオリ力の作用によ
って、振動音片１０１、１０１’の振動方向と直角な方
向に力が作用し、振動音片１０２、１０２’が振動し、
この結果、出力側の圧電セラミックス薄板１０５、１０
６には回転角速度に比例した電圧が発生する。

【０００６】図９は従来の圧電振動ジャイロの他例を示
したものである。この圧電振動ジャイロでは、断面が正
方形である金属角柱１０７の隣り合う面に、両面に電極
が形成されるとともに厚さ方向に分極された圧電セラミ
ックス薄板１０８、１０９が接合された構造を備えてい
る。金属角柱１０は互いに直角な二つの方向に、略同じ
共振周波数で屈曲振動が可能であり、且つ圧電セラミッ
クス薄板１０８にこの共振周波数に等しい周波数の電圧
を印加した場合には、圧電セラミックス薄板１０８を接
合した面が凹凸となる方向に屈曲振動する。そしてこの
状態では金属角柱１０７の圧電セラミック薄板１０９に
は電圧が発生しないが、金属角柱１０７をその長さ方向
を軸として回転させると、コリオリ力の作用によって、
金属角柱１０７は圧電セラミックス薄板１０９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
１０９には回転角速度に比例した電圧が発生する。

【０００７】図１０は、従来の圧電振動ジャイロのその
他の例を示したものである。この圧電振動ジャイロで
は、断面が正三角形である金属三角柱１１０の三つの面
の略中央部にはそれぞれ、両面に電極が形成されており
且つその厚さ方向に分極された圧電セラミックス薄板１
１１〜１１３が接合されている。金属三角柱１１０は夫
々の辺とこれに向い合う頂点を結ぶ方向に、略同じ共振
周波数で屈曲振動が可能であり、また図１１のように、
一枚の圧電セラミックス薄板１１１にこの共振周波数に
略等しい周波数の電圧を印加した場合には、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に屈曲
振動する。

【０００８】また図１２に示すように、隣り合う二つの
圧電セラミックス薄板１１１、１１２に、同一振幅で同
一位相であり且つ金属三角柱１１０の共振周波数に等し
い周波数の電圧をそれぞれ印加した場合、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る結果、金属三角柱１
１０は、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。

【０００９】更に、図１３のように隣り合う二つの圧電
セラミックス薄板１１１、１１２に同一振幅で逆位相で
あり且つ金属三角柱１１０の共振周波数に等しい周波数
の電圧をそれぞれ印加した場合、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る結果、金属三角柱１１０は残
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。

【００１０】一方、図１２の状態で金属三角柱１１０を
その長さ方向の中心を軸にして回転させると、コリオリ
力の作用によって、金属三角柱１１０は、図１４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１３の通
り、金属三角柱１１０の圧電セラミックス薄板１１３と
平行な方向への屈曲振動は圧電セラミックス薄板１１
１、１１２に同一振幅、逆位相の電圧を印加することで
得られるから、これとは逆に金属三角柱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。それ故、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訳である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上説
明した従来の圧電振動ジャイロでは、金属製の振動音片
（あるいは金属角柱，金属三角柱）と圧電セラミックス
薄板を接着剤により接合された構造であるため、接着位
置のばらつきや接着層のばらつきなどによって圧電振動
ジャイロの特性が変動するという欠点がある。

【００１２】また例えば図８の音叉振動子を用いた構造
の場合、振動音片１０１、１０１’と１０２、１０２’
を直角に接合する必要があるが、これを精度良く組立る
のが難しいという欠点がある。

【００１３】この発明は、上記のような接着構造が不要
で、それ故に特性のばらつきが少なく、また組立が容易
である圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。

【００１４】

【問題点を解決するための手段】この発明によれば、圧
電セラミックス円柱の外周面に、前記圧電セラミックス
円柱の長さ方向と平行な３個の帯状電極を等間隔に形成
し、両側の帯状電極を接続する接続電極を形成し、更に
中央の帯状電極と両側の帯状電極の間で中央の帯状電極
からの距離が等しい位置に２個の帯状電極を形成し、中
央の帯状電極と前記両側の帯状電極との間で分極処理を
施すとともに、前記中央の帯状電極をアース端子とし、
前記両側の帯状電極をそれぞれ入力端子とし、前記２個
の帯状電極を出力端子とし、前記入力端子に、前記圧電
セラミックス円柱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極を印加し、前記２個の
出力端子の差動電圧を検出することを特徴とする圧電振
動ジャイロが得られる。

【００１５】

【作用】この発明の圧電振動ジャイロで、圧電セラミッ
クス円柱の外周面に電極を形成した圧電振動子を用いた
構造であるから、構造が簡単であり、また従来の圧電振
動ジャイロのような接着作業が不要であり、よって接着
位置や接着層のばらつきなどに起因する特性のばらつき
をなくすことができる。

【００１６】また圧電セラミックス円柱を用いているた
め、従来の振動音片や金属角柱などを用いた場合に比べ
て、寸法精度の高い振動子が得られる。尚、本発明の圧
電振動ジャイロにおいては、圧電セラミックス円柱など
を材料特性的に均質な材料により構成することで、後述
するような直交する二つの振動モードの特性を精度良く
合せることができる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の実施例の圧電振動ジャイロの
実施例の要部を示したもので、この圧電振動ジャイロに
用いられる圧電セラミックス円柱１０の外周面には、そ
の円周方向の略３分の２の領域において圧電セラミック
ス円柱１０の長さ方向と平行な３個の帯状電極１１〜１
３が等間隔で形成されている。

【００１８】帯状電極１１と１３は接続電極１４によっ
て電気的に接続されている。また帯状電極１１と１２の
間および帯状電極１２と１３の間の、帯状電極１２から
の距離が等しい位置には、２個の帯状電極１５、１６が
それぞれ形成されている。これらの帯状電極１５、１６
は曲面スクリーン印刷で直接印刷したり、あるいはメッ
キなど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で形成される。

【００１９】上記の圧電セラミックス円柱１０で、中央
の帯状電極１２と接続電極１４に接続された両側の帯状
電極１１、１３との間に直流の高電圧を印加して分極処
理を施した場合、図２のように圧電セラミックス円柱１
０の断面方向において帯状電極１２から帯状電極１５，
１６の向き、並びに帯状電極１５，１６から帯状電極１
１，１３の向きに破線で示した分極が生じる。

【００２０】図３は本発明の圧電振動ジャイロの動作の
基本原理を示したもので、説明の便宜上、この図３の圧
電ジャイロでは上記の図１，２に示した実施例において
接続電極１４および帯状電極１５、１６を外してある。
また、帯状電極１１と１２および帯状電極１２と１３の
間に位置する圧電セラミックス円柱１０の帯状電極間隙
部をそれぞれＧ１およびＧ２としてある。そして、この
圧電振動ジャイロにおいて、帯状電極間隙部Ｇ１に交流
電圧を印加すると、この交流電圧によって生じる印加電
界の向きが圧電セラミックス円柱１０における分極の向
きと等しい場合には帯状電極間隙部Ｇ１に伸び歪が発生
し、一方印加電界と分極とが逆向きの場合には帯状電極
間隙部Ｇ１には縮み歪が発生する。

【００２１】従って、帯状電極間隙部Ｇ１に圧電セラミ
ックス円柱１０の屈曲振動モードの共振周波数に略等し
い周波数の励振用の交流電圧を印加することで、圧電セ
ラミックス円柱１０を圧電横効果によって帯状電極間隙
部Ｇ１の中心線と圧電セラミックス円柱の中心軸とを含
む面にほぼ沿った矢印Ｉの方向に屈曲振動させることが
できる。またこれとは逆に、図３において別の駆動源に
より圧電セラミックス円柱１０を矢印Ｉ方向に振動させ
れば、圧電効果によって帯状電極１１と１２の間に電圧
が発生する。

【００２２】図４は図１，２に示した、接続電極１４に
よって帯状電極１２を挟む帯状電極１１と１３を接続電
極１４により接続した実施例の圧電振動ジャイロにおい
て、帯状電極１１および１３と帯状電極１２との間に圧
電セラミックス円柱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印加した場合
における、圧電セラミックス円柱１０の断面方向に発生
する歪みの状態および振動方向を示す説明図である。

【００２３】図４においては、帯状電極間隙部Ｇ１部と
Ｇ２部の夫々の分極の向きに対して印加される電界の極
性が同じになるため、圧電セラミックス円柱１０には図
３で説明したように、帯状電極間隙部Ｇ１およびＧ２の
中心線と圧電セラミックス円柱１０の中心軸とを含む面
にほぼ沿う方向と同じ向きの振動駆動力ｉ，iiがそれぞ
れ発生し、これらが合成される結果、図４のように、帯
状電極１２の中心線と圧電セラミックス円柱１０の中心
軸とを含む面にほぼ沿った矢印IIの方向に、圧電セラミ
ックス円柱１０は屈曲振動する。また逆に、図４におい
て別の駆動源により圧電セラミックス円柱１０が実線の
矢印II方向に振動している場合、帯状電極１１と１２の
間および帯状電極１２と３の間には、圧電効果によっ
て、帯状電極１２を基準として同相の電圧が発生する。

【００２４】図５に、図４において帯状電極１１と１３
の接続を分離し、また帯状電極１１と１２、および１１
と１３との間に印加する交流電圧の極性を逆にした場合
において、圧電セラミックス円柱１０の断面方向に発生
する歪みの状態および振動方向を示した。

【００２５】即ち、この場合には、帯状電極間隙部Ｇ１
とＧ２のそれぞれの分極の向きに対して印加する電界の
極性が逆向きであるため、圧電セラミックス円柱１０に
は帯状電極間隙部Ｇ１あるいはＧ２の中心線と圧電セラ
ミックス円柱１０の中心軸を含む面に沿う方向の一方が
逆向きの振動駆動力ｉ，iii が発生し、これらが図５の
ように合成される結果、帯状電極１２の中心線と圧電セ
ラミックス円柱１０の中心軸とを含む面に沿った方向と
ほぼ直角な方向III に、圧電セラミックス円柱１０は屈
曲振動する。また逆に、別の駆動源により圧電セラミッ
クス円柱１０を矢印III 方向に振動させた場合、圧電効
果によって帯状電極１１と１２の間および帯状電極１２
と１３の間には、帯状電極１２を基準として逆相の電圧
が発生する。

【００２６】図６は、図１および図２に示された実施例
の圧電振動ジャイロにおける動作原理の説明図である。
この実施例において、帯状電極１２をアース端子とし、
また帯状電極１１、１３に同一振幅で同一位相であり且
つその周波数が圧電セラミックス円柱１０の屈曲振動モ
ードの共振周波数にほぼ一致させた励振用の交流電圧を
印加した場合、図４で説明したように、ほぼ帯状電極１
２の中心線と圧電セラミックス円柱１０の中心軸とを含
む面にほぼ沿った方向の振動と帯状電極１２の中心線と
圧電セラミックス円柱１０の中心軸とを含む面にほぼ沿
った方向の振動が合成される結果、圧電セラミックス円
柱１０は、帯状電極１２の中心線と圧電セラミックス円
柱１０の中心軸とを含む面に沿う方向IIに振動する。

【００２７】図６において、帯状電極１５と１６には駆
動のための帯状電極１１と１３に印加されている電圧が
それぞれ、帯状電極１１と１５間の静電容量Ｃ１５と帯
状電極１５と１２間の静電容量Ｃ５２、および帯状電極
１３と１６間の静電容量Ｃ３６と帯状電極１６と１２間
の静電容量Ｃ６２により分圧されて発生している。そし
て、圧電セラミックス円柱１０をその軸を中心として回
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、この結果、圧電セラミックス円柱１０は、帯状電極
１２の中心線と圧電セラミックス円柱１０の中心軸とを
含む面にほぼ沿った方向と直角な方向IIにも振動する。

【００２８】従って、図５で説明したように、帯状電極
１１と１３に、この振動による同一振幅、逆位相の電圧
が発生すると同時に帯状電極１５と１６にもこの振動に
よる同一振幅、逆位相の電圧が発生する。そしてこの場
合には、帯状電極１５、１６に発生する電圧の一方がそ
の分減少し、他方がその分増加するから、帯状電極１５
と１６をそれぞれ差動増幅器２０の入力端子に接続すれ
ば、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、かつ加えられた回転角速度
に比例した電圧となる。

【００２９】図７はこの実施例の圧電振動ジャイロにお
いて、圧電セラミックス円柱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その
入力端子に印加する方法の一例を示す説明図である。即
ち、この場合には、検出用の帯状電極１５の出力を位相
回路２１を介して増幅器２２に接続し、増幅器２２の出
力を圧電振動ジャイロの駆動用電圧として帯状電極１１
および１３に印加することにより、自励発振回路を構成
すれば良い。そしてこの構成とすれば、周囲の温度変化
に伴う圧電セラミックス円柱１０の屈曲振動モードの共
振周波数の変化に自動的に追尾することができ、安定な
圧電振動ジャイロを形成することができる。

【００３０】このような自励発振回路の構成手段として
は、上記以外には例えば、帯状電極１５と１６に発生す
る電圧の和を位相回路２１を介して増幅回路２２に接続
する構成としても良い。更に、帯状電極１２およびこれ
と接続電極１４により接続された帯状電極１１、１３と
を２端子とする圧電振動子とし、従来より一般的に構成
される圧電式自励発振回路を構成することもできる。

【００３１】ところで、本発明の圧電振動ジャイロにお
いては、圧電セラミックス円柱の外周面に形成する３つ
の帯状電極（実施例における帯状電極１１〜１３）は、
圧電セラミックス円柱１０の外周面の、円周方向の略３
分の２の領域に形成するのが好ましい。

【００３２】つまり、本発明の圧電振動ジャイロでは、
中央部の帯状電極（帯状電極１２）に対して両側の２つ
の領域を考えた時、それぞれの領域のほぼ中心線と圧電
セラミックス円柱１０の中心軸とを含む面に沿う方向の
２つの屈曲振動の和が合成されて駆動用の振動が励振さ
れ、これら２つの屈曲振動の差が合成され、また圧電セ
ラミックス円柱１０をその軸を中心として回転させると
きのコリオリ力に伴う出力電圧を検出している。このた
め、それぞれの領域を広くするとそれぞれの方向の振動
を感度良く駆動ないし検出することができるが、この領
域が圧電セラミックス円柱の外周面の略円周方向の３分
の１以上であると、２つの屈曲振動の方向の間の角度が
１２０°以上となり、この結果、合成された振動の振幅
は、ベクトルの合成の法則から明らかなように、一方の
駆動用の振動振幅より小さくなるためである。

【００３３】

【発明の効果】以上の通り、この発明の圧電振動ジャイ
ロによれば、構造が簡単で、また接着位置や接着層のば
らつきなどに起因する特性のばらつきをなくすことがで
きるとともに、圧電セラミックス円柱を用いた構成であ
るので、従来に比べて寸法精度の高い振動子が得ること
ができる。

【００３４】更に、駆動用の帯状電極（入力端子）と検
出用の帯状電極（出力端子）とが分離しているため、駆
動用の帯状電極に同一位相で同一振幅の電圧を印加する
際に抵抗分圧やバッファ用アンプを使用することなしに
直接導体で接続することが可能となる結果、その分自励
発振回路を含めた回路構成が簡単になるという効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の圧電振動ジャイロの説明図で
ある。

【図２】実施例の圧電振動ジャイロにおいて圧電セラミ
ックス円柱の断面方向の分極の向きを説明するための説
明図である。

【図３】本発明の実施例の動作の説明図である。

【図４】本発明の実施例の動作の説明図である。

【図５】本発明の実施例の動作の説明図である。

【図６】本発明の実施例の動作の説明図である。

【図７】駆動検出回路を含めた本発明の実施例の圧電振
動ジャイロの説明図である。

【図８】従来の圧電振動ジャイロの一例を示す概略図で
ある。

【図９】従来の圧電振動ジャイロの他例を示す概略図で
ある。

【図１０】従来の圧電振動ジャイロのその他の例を示す
概略図である。

【図１１】従来の圧電振動ジャイロの動作の説明図であ
る。

【図１２】従来の圧電振動ジャイロの動作の説明図であ
る。

【図１３】従来の圧電振動ジャイロの動作の説明図であ
る。

【図１４】従来の圧電振動ジャイロの動作の説明図であ
る。

【符号の説明】

１０ 圧電セラミックス円柱 １１〜１３ 帯状電極 １４ 接続電極 １５，１６ 帯状電極 ２０ 差動増幅器 ２１ 位相回路 ２２ 増幅器 １０１，１０１’，１０２，１０２’ 振動音片 １０３，１０４，１０５，１０６，１０８，１０９ 圧
電セラミックス薄板 １０７ 金属角柱 １１０ 金属三角柱 １１１〜１１３ 圧電セラミックス薄板

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックス円柱の外周面に、前記
   圧電セラミックス円柱の長さ方向と平行な３個の帯状電
   極を等間隔に形成し、両側の帯状電極を接続する接続電
   極を形成し、更に中央の帯状電極と両側の帯状電極の間
   で中央の帯状電極からの距離が等しい位置に２個の帯状
   電極を形成し、中央の帯状電極と前記両側の帯状電極と
   の間で分極処理を施すとともに、前記中央の帯状電極を
   アース端子とし、前記両側の帯状電極をそれぞれ入力端
   子とし、前記２個の帯状電極を出力端子とし、前記入力
   端子に、前記圧電セラミックス円柱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極を印
   加し、前記２個の出力端子の差動電圧を検出することを
   特徴とする圧電振動ジャイロ。