JP3511142B2 - 圧電振動ジャイロ用振動子 - Google Patents

圧電振動ジャイロ用振動子

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JP3511142B2 JP34583692A JP34583692A JP3511142B2 JP 3511142 B2 JP3511142 B2 JP 3511142B2 JP 34583692 A JP34583692 A JP 34583692A JP 34583692 A JP34583692 A JP 34583692A JP 3511142 B2 JP3511142 B2 JP 3511142B2
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、例えばカメラ一体型V
TRの手振れ防止装置や自動車のナビゲーションシステ
ム等に用いられるジャイロスコープであって、詳しくは
棒状屈曲振動構造を成す圧電振動ジャイロ用の振動子に
関する。 【0002】 【従来の技術】一般に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じるという力学現象を利用し
たジャイロスコープに属される。このジャイロスコープ
では、互いに直交する二つの方向の励振とその検出とが
可能である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、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
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
電圧が一定の場合には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4は従来の圧電振動ジャイロに用いられ
る圧電振動子を斜視図により示したものである。この圧
電振動子は、円柱状圧電セラミック1の外周面上におけ
る円周を6等分する位置に、円柱状圧電セラミック1の
長さ方向と平行に6本の帯状電極2,3,4,5,6,
7が設けられている。尚、図中において帯状電極2,
6,7は、円柱状圧電セラミック1の背後に隠れてい
る。 【0004】圧電振動子は、これらの各帯状電極に対
し、互いに一つおきに接続を行うことで2端子構成と成
す分極処理を施した後、一つおきの帯状電極2,4,6
の両側を接続して共通アース用とすると共に、残りの帯
状電極のうちの帯状電極3を駆動用とし、更に帯状電極
5及び帯状電極7を検出用としている。ここで、圧電振
動子における各帯状電極は、共通アース用帯状電極2,
4,6が形成する間隔内に駆動用帯状電極3と検出用の
帯状電極5,7とが配置されている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】上述した圧電振動子の
場合、各帯状電極を円柱状圧電セラミックに設ける際
に、各帯状電極の振動方向を合致させることが煩雑な作
業になっている。通常は圧電振動ジャイロとして構成さ
れるときに、各リード線用接続端子側からみた共振周波
数をできるだけ一致させる方法により、実効的に各帯状
電極の振動方向を駆動電極の振動方向に合わせている。 【0006】図5は図4に示した圧電振動子を用いて構
成した圧電振動ジャイロの特性,即ち、駆動用帯状電極
3及び検出用帯状電極5,7のインピーダンス[Ω]−
周波数[Hz]特性を示したもの(但し、横軸の周波数
は30Hz間隔のリニア表示になっている)である。圧
電振動ジャイロを構成する場合、圧電振動子の各帯状電
極におけるインピーダンス特性ができるだけ一致してい
ることが望ましく、更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。 【0007】一般に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とが存在するが、これら
のfx,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、振動方向を所望と
する任意な方向に固定することができる。 【0008】しかしながら、実際の円柱状圧電セラミッ
クでは僅かな非対称性を有する場合が多く、こうした場
合にはfx,fyが異なると共に、その振動方向が特定
の方向に限定される。 【0009】図6は、同一平面上における二つの振動モ
ードと駆動用帯状電極及び検出用帯状電極との関係を示
したもので、同図(a)はfxの振動方向と駆動用帯状
電極3の中心とが一致している場合を示し、同図(b)
はfxの振動方向が駆動用帯状電極3の中心から角度に
してδ度分ずれている場合を示している。 【0010】即ち、図5で説明すれば、ずれ角度δがほ
ぼ15度であって、fx,fyの共振周波数がそれぞれ
30.242[kHz],30.265kHz[kH
z]で、これらの共振周波数が23Hzの相違を持って
いる。円柱状圧電セラミックが非対称性であると、この
場合の如く各帯状電極におけるインピーダンス特性は正
確には一致しなくなる。因みに、この圧電振動子におい
て、fxのメカニカル品質係数Qc とfyのメカニカル
品質係数Qs とは900で、fxの電気容量γcとfy
の電気容量γs とは60[μF]で、fxに対するfy
の共振比ωs /ωc は約1.001である。 【0011】ところで、圧電振動ジャイロは、上述した
如くfxの振動方向に励振している状態で、圧電振動子
が回転させられた場合に、fyの振動が励振され、この
fyの振動の大きさを検出用帯状電極で検出するもので
あるから、特性的に要求される基本条件としては以下に
述べる二点が挙げられる。 【0012】第1の条件は、fxの振動に対して二つの
検出用帯状電極が対称的に配置され、圧電振動子が回転
されない場合、これらの検出用帯状電極から発生する電
圧の振幅及びその位相が一致していることである。又、
第2の条件は、fyができるだけfxと一致しているこ
とである。 【0013】これらの条件のうちでは、第1の条件の方
が第2の条件より重要である。第1の条件を満たすため
には圧電振動子が回転しないときの出力電圧(ヌル電
圧)をできるだけ零に近づければ良い。又、第2の条件
は振動ジャイロの感度に関する条件であり、fxとfy
とが一致する程、感度が良くなる。 【0014】このような構成の圧電振動子においては、
共通アース用帯状電極を除く他の3つの電極である駆動
用帯状電極及び検出用帯状電極に関する振動方向の固
定,即ち、これらの電極に対応する3つのリード端子側
からみた共振周波数の合致させる工程に時間がかかり過
ぎ、その組み立て工程における作業性が悪くなるという
問題がある。 【0015】本発明は、かかる問題点を解決すべくなさ
れたもので、その技術的課題は、駆動用及び検出用帯状
電極に対する振動方向の固定を簡易に行い得ると共に、
組み立てを精度良く行い得る圧電振動ジャイロ用振動子
を提供することにある。 【0016】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数個
の帯状電極が円柱状圧電セラミックの外周面に、該円柱
状圧電セラミックの長さ方向と平行に設けられた圧電振
動ジャイロ用振動子において、圧電振動ジャイロ用振動
子は、2つの直交する振動方向を固定,制御するために
長さ方向と平行に直線状平面部がただ1個所形成された
回転体であり、前記複数個の帯状電極のうちの駆動用帯
状電極は、前記直線状平面部上に設けられることで振動
方向を駆動方向に固定したことを特徴とする圧電振動ジ
ャイロ用振動子が得られる。 【0017】 【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明の圧電振動ジャ
イロ用振動子について図面を参照して詳細に説明する。 【0018】図1は、本発明の一実施例に係る圧電振動
ジャイロ用振動子に用いられる電極配置前の円柱状圧電
セラミック10を斜視図により示したものである。この
円柱状圧電セラミック10においては、その外周面であ
って、円柱状圧電セラミック10の長さ方向と平行な位
置に一つの直線状平面部8が設けられている。この直線
状平面部8は、2つの直交する振動モードを固定,制御
するために円柱状圧電セラミック10の外周面の一部を
切り欠いて円柱状圧電セラミック10を非対称形な回転
体となるように形成したもので、その外周の面積全体に
おいては微小部分を占めている。 【0019】図2は、図1に示す円柱状圧電セラミック
10に複数の帯状電極が設けられた状態の電極配置後の
圧電振動子を平面断面図により示したものである。この
圧電振動子においては、円柱状圧電セラミック10の外
周面上における円周を6等分する位置に、円柱状圧電セ
ラミック10の長さ方向と平行に直線状平面部8を基準
として6本の帯状電極20,30,40,50,60,
70が設けられている。このうち、駆動用とする帯状電
極30は直線状平面部8上に設けられている。 【0020】ところで、円柱状圧電セラミック10の外
周面の一部に直線状平面部8を形成した圧電振動子は、
圧電振動子本体の対称性が崩れる。この場合、図2に示
す如く、同一平面上における直線状平面部8の中心と円
柱状圧電セラミック10の断面円における中心とを結ぶ
方向の屈曲振動fx′と、これと直角な方向の屈曲振動
fy′との共振周波数が僅かにずれる(fx′<fy′
となる)が、fx′の振動方向に関しては、直線状平面
部8の中心と圧電セラミック円柱10の断面円における
中心とを結ぶ方向に正確に固定される。 【0021】そこで、円柱状圧電セラミック10の外周
面上に各帯状電極を形成する際には、先ず駆動振動の方
向を定める駆動用帯状電極30を直線状平面部8上に設
け、次いで検出用帯状電極50,70をこの駆動振動の
方向に対して対称な位置に形成する。これにより、共振
周波数が精度良く合致され、その調整を殆ど行わなくて
も済むようになる。尚、共通アース用帯状電極60は、
検出用帯状電極50,70を形成した後に設けられる。 【0022】このように、直線状平面部8上に設けた駆
動用帯状電極30を基準にして各帯状電極を固定する
と、上述したジャイロ特性として要求される基本条件の
うちの第1の条件(即ち、fx´の振動に対して二つの
検出用帯状電極が対称的に配置され、圧電振動子が回転
されない場合、これらの検出用帯状電極から発生する電
圧の振幅及びその位相が一致していること)を容易に満
たすことができる。 【0023】即ち、本発明においては意図的に円柱状圧
電セラミック10の対称性を崩し、fx´及びfy´に
係る共振周波数の僅小ずれ差を所定の範囲内に規定しつ
つ、fx´の振動方向を一定の方向に固定するものであ
る。実際には、更なる微調整を要するが、従来の場合と
比較すると、動鍵と微調整とは格段に短縮される。 【0024】従って、この実施例に係る圧電振動ジャイ
ロ用振動子は、駆動用及び検出用帯状電極に対する振動
方向の固定を簡易に行い得ると共に、組み立てを精度良
く行い得る。 【0025】 【0026】 【0027】 【0028】 【発明の効果】以上に述べた通り、本発明の圧電振動ジ
ャイロ用振動子によれば、円柱状圧電セラミックの長さ
方向と平行に設けられた圧電振動ジャイロ用振動子にお
いて、圧電振動ジャイロ用振動子は、2つの直交する振
動方向を固定,制御するために長さ方向と平行に直線状
平面部がただ1個所形成された回転体であり、前記複数
個の帯状電極のうちの駆動用帯状電極を前記直線状平面
部上に設けることで振動方向を駆動方向に固定した構成
としたもので、その駆動振動の方向に対して対称な位置
に検出用帯状電極を設けることによって、各帯状電極に
おける共振周波数が精度良く合致させることができ、そ
の調整を殆ど行わなくても済み、これによって圧電振動
ジャイロ用振動子の組み立てを精度良く行い得るように
なる。又、この圧電振動子は検出用帯状電極にて発生す
る電圧の振幅及びその位相がほぼ揃った状態となり、最
終的な共振周波数の調整を容易に行い得るため、ジャイ
ロ特性のばらつきを小さくして大量に圧電振動ジャイロ
を生産できるようになる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例であって、圧電振動ジャイロ
振動子に用いられる電極配置前の円柱状圧電セラミック
を示した斜視図である。 【図2】図1に示す円柱状圧電セラミックに複数の帯状
電極を配置した後の圧電振動子を示した平面断面図であ
る。 【図3】従来の圧電振動子を示した斜視図である。 【図4】図3に示す圧電振動子を用いて構成した圧電振
動ジャイロの特性であって、圧電振動子に備えられる駆
動用帯状電極と検出用帯状電極とに係るインピーダンス
[Ω]−周波数[Hz]特性を示したものである。 【図5】図3に示す圧電振動子の同一平面上おける二つ
の振動モードと駆動用帯状電極および検出用帯状電極と
の関係を示したもので、(a)はfxの振動方向と駆動
用帯状電極の中心とが一致している場合を示し、(b)
はfxの振動方向が駆動用帯状電極の中心から所定角度
分ずれている場合を示したものである。 【符号の説明】 1,10,100 円柱状圧電セラミック 2,4,6,20,40,60,200,400,60
0 共通アース用帯状電極 3,30,300 駆動用帯状電極 5,7,50,70,500,700 検出用帯状電
極 8 直線状平面部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−307322(JP,A) 特開 平4−331312(JP,A) 特開 平4−134208(JP,A) 特開 平2−231517(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 複数個の帯状電極が円柱状圧電セラミッ
    クの外周面に、該円柱状圧電セラミックの長さ方向と平
    行に設けられた圧電振動ジャイロ用振動子において、圧
    電振動ジャイロ用振動子は、2つの直交する振動方向
    固定,制御するために長さ方向と平行に直線状平面部が
    ただ1個所形成された回転体であり、前記複数個の帯状
    電極のうちの駆動用帯状電極は、前記直線状平面部上に
    設けられることで振動方向を駆動方向に固定したことを
    特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子。
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