JP3511243B2 - 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】本発明は、主として船舶や自動車
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
等に用いられると共に、圧電セラミックス単体振動子の
超音波振動を用いて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に
係る基本構成を一部透視して示した斜視図である。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３つの側面におけるほぼ中央部分にそれぞ
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１１１，１１２，１１３が
接合されている。金属三角柱１１０はそれぞれの側面と
それらが向かい合う頂点（稜部の稜線）とを結ぶ方向に
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、接地接続された金属三角柱１
１０の１つの側面に設けられた圧電セラミックス薄板１
１１と接続された入力端子ＩＮから共振周波数とほぼ等
しい周波数の電圧を圧電セラミックス薄板１１１に対し
て印加すると、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（図９中の矢印方向）へ屈曲振動す
る。 【０００５】又、図１０に示すように、接地接続された
金属三角柱１１０の隣合う２つの側面に設けられた圧電
セラミックス薄板１１１，１１２と纏めて接続された入
力端子ＩＮから同一な振幅で同一の位相であって、金属
三角柱１１０の共振周波数に等しい周波数の電圧を圧電
セラミックス薄板１１１，１１２に対して印加すると、
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１１
３を接合した面が凹凸となる方向（図１０中の矢印方
向）へ屈曲振動する。 【０００６】更に、図１１に示すように、接地接続され
た金属三角柱１１０の隣合う２つの側面に設けられた圧
電セラミックス薄板１１１，１１２と別々に接続された
入力端子ＩＮからそれぞれ同一な振幅で逆位相であっ
て、金属三角柱１０の共振周波数に等しい周波数の電圧
を印加すると、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（図１１中
の矢印方向）に屈曲振動する。 【０００７】ところで、図１０に示す状態で金属三角柱
１１０を長さ方向の中心軸の回りに回転させると、図１
２に示される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（図１２中の矢印
方向）とこれに直角な方向（図１２中の点線矢印方向）
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１１３と平行な方向の屈曲振動は、図
１１で説明した場合のように圧電セラミックス薄板１１
１，１１２に同一な振幅で逆位相の電圧を印加すること
で得られる。 【０００８】又、逆効果として、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
な振幅で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に印加されている電圧
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】上述した圧電振動ジャ
イロの場合、圧電振動子の作製時に金属三角柱の側面に
対して接着剤を用いて圧電セラミックス薄板を接合して
いる構成であるため、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、その結果として方
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、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、圧電セラミックス
薄板の接着が不要で方向角変化の検出を高精度に行い得
る簡素な構造の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、セラミ
ックス素材から形成された断面形状が正多角形の圧電振
動子多角柱表面の稜部及び側面に稜線延在方向に対して
平行に複数の帯状電極が設けられるとともに、該複数の
帯状電極を用いて該圧電振動子多角柱に分極処理を施し
た後に該複数の帯状電極を選択的に駆動用、検出用、及
びアース用としてなり、更に、前記複数の帯状電極は、
前記稜部に対して前記稜線の延在方向と平行であって、
且つ該稜線を基準線として隣り合う２つの側面に跨がっ
て線対称形に一体的に設けられた第１の帯状電極と、前
記側面に対して前記稜線から隔てられて該稜線の延在方
向と平行に設けられた第２の帯状電極とを含んで成る圧
電振動ジャイロにおいて、前記圧電振動子多角柱は、断
面形状が正三角形の圧電振動子三角柱であり、前記第1
の帯状電極は、前記圧電振動子三角柱表面の３つの稜部
にそれぞれ設けられ、前記第２の帯状電極は、前記圧電
振動子三角柱表面の３つの側面のうちの２つの隣り合う
ものに対して該２つの隣り合うもの同士の間に挟まれる
１つの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にそれぞれ設けられたことを特徴
とする圧電振動ジャイロが得られる。 【００１２】 【００１３】 【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、図面を参照して詳細に説明する。 【００１４】図２は、後述する一実施例に係る圧電振動
ジャイロに用いられる圧電セラミックス三角柱１０を示
した斜視図である。この圧電セラミックス三角柱１０
は、例えば断面形状が正三角形となるように整形された
ダイスを用いてセラミックス素材を押出成形法で押出成
形した後、所定の長さに切断することによって断面形状
が正三角形の圧電振動子三角柱として得られたものに対
し、更にその表面の稜部及び側面に稜線延在方向に対し
て平行に複数個（ここでは総計５個）の帯状電極１１〜
１５を３つの稜部の稜線の延在方向と平行に且つ同じ長
さで設けて構成さている。これらの各帯状電極１１〜１
５は、圧電セラミックス三角柱１０における３つの稜部
にそれぞれ設けられた第１の帯状電極１１，１２，１３
と、３つの側面のうちの２つの隣り合うものに対して２
つの隣り合うもの同士の間に挟まれる１つの稜部の稜線
からの距離が等しく、且つ残りの２つの稜部に近接する
位置にそれぞれ設けられた第２の帯状電極１４，１５と
を含んでいる。これらの各帯状電極１１〜１５を用いて
圧電セラミックス三角柱１０に分極処理を施した後、各
帯状電極１１〜１５を選択的に駆動用，検出用，及びア
ース用とすれば、圧電振動ジャイロ用圧電振動子を得る
ことができる。 【００１５】このうち、各帯状電極１１〜１５は、それ
ぞれ圧電セラミックス三角柱１０表面の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。因みに、ここで
各稜部に形成された第１の帯状電極１１〜１３のうちの
帯状電極１１，１３は、後述する分極処理後に駆動用，
帯状電極１２はアース用として用いられ、２つの側面に
形成された第２の帯状電極１４，１５は、同様に後述す
る分極処理後に方向角変化の検出用として用いられる。 【００１６】図３は、この圧電セラミックス三角柱１０
の分極処理を説明するために示した平面図である。ここ
では、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１１，１３を電
気的に接続し、直流高電圧を印加して接地された帯状電
極１２との間で分極処理を施したときの圧電セラミック
ス三角柱１０の断面方向における分極の向き（図３中の
点線矢印で示される）を示している。尚、ここで帯状電
極１４，１５は浮遊電極となっているが、これらの浮遊
電極は帯状電極１２からの距離が帯状電極１１，１３と
の間で形成される距離に比べて大きいため、印加電圧の
半分以上が印加されることになる。 【００１７】図４〜６は、このような分極処理された圧
電セラミックス三角柱１０を圧電振動ジャイロとしてそ
れぞれ異なる形態で動作させるための様子を説明するた
めに示した平面図である。但し、各図共、帯状電極１
１，１４の間、帯状電極１４，１２の間、帯状電極１
２，１５の間，帯状電極１５，１３の間、帯状電極１
３，１１の間に形成される各間隙部をそれぞれＧ１，Ｇ
２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５としている。先ず、図４を参照す
れば、この形態では帯状電極１１を入力端子ＩＮと接続
し、帯状電極１２を接地接続しており、帯状電極１１，
１２の間の側面、即ち間隙部Ｇ１，Ｇ２の間に交流電圧
を印加すると、発生する電界の向きが分極の向きと等し
い場合には間隙部Ｇ１，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には間隙部Ｇ１，
Ｇ２に縮み歪が発生する。 【００１８】そこで、間隙部Ｇ１，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印加すると、圧電セラ
ミックス三角柱１０は、圧電横効果により間隙部Ｇ１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、ほぼ図４中の矢印で示される方向に屈曲振
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が図４中の矢印方向に振動している場合、圧
電効果により間隙部Ｇ１，Ｇ２に電圧が発生する。 【００１９】次に、図５を参照すれば、この形態では接
地接続された帯状電極１２を挟む帯状電極１１，１３を
入力端子ＩＮと接続し、帯状電極１１，１３と帯状電極
１２との間に交流電圧を印加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。即ち、ここでは間隙部Ｇ１，Ｇ２と、
間隙部Ｇ３，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ため、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印加すると、圧電セラミッ
クス三角柱１０には図５中に矢印で示されるような方向
の同じ向きの振動駆動力が発生し、これらが図５中に示
すように合成される。これにより、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，Ｇ２と間隙部Ｇ４，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。 【００２０】更に、図６を参照すれば、この形態では帯
状電極１１，１３を分離してそれぞれ異なる極性の入力
端子ＩＮと接続し、帯状電極１１及び接地接続された帯
状電極１２の間と帯状電極１２，１３との間に印加する
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。即ち、ここでは間隙部Ｇ１，Ｇ２と間隙部Ｇ
３，Ｇ４とにそれぞれの分極の向きに対して逆向きの電
界が生じるため、圧電セラミックス三角柱１０には図４
で説明した場合の矢印で示した向きと逆向きの振動駆動
力が発生し、これらが図６中に示されるように合成され
る、これにより、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，
Ｇ２と間隙部Ｇ４，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。 【００２１】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一実施例に係る圧
電振動ジャイロの基本構成を示した電気回路である。図
１中において、帯状電極１２は共通アース用のアース端
子であり、帯状電極１１，１３は互いに入力端子ＩＮと
接続されて駆動用とされ、帯状電極１１，１３と帯状電
極１２との間に配備された帯状電極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て検出用と
され、こうした構成で圧電セラミックス三角柱１０に励
振用の交流電圧が印加されるようになっている。但し、
ここで印加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る
ものとするが、この場合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１
２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。 【００２２】このような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１
２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１４，１５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な振幅で同一の位相の電圧
と、これと直角な方向の振動による同一な振幅で逆位相
の電圧が合成された電圧とが発生する。加えて、帯状電
極１４，１５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って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１４，１
５の出力電圧から方向角変化の検出を行うことができ
る。 【００２３】尚、上述した一実施例に係る圧電振動ジャ
イロの圧電振動子には、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
がそれ以上の正多角形（但し、正方形を除くものとす
る）の圧電セラミックス多角柱を用いることもできる。 【００２４】具体的に言えば、例えば図７に示されるよ
うに断面形状が正六角形の圧電セラミックス六角柱１０
０を代用させることもできる。この圧電セラミックス六
角柱１００は、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セラミックス素材を押出成形
法で押出成形した後、所定の長さに切断することによっ
て断面形状が正三角形の圧電振動子六角柱として得られ
たものの表面に対し、各帯状電極として６つの稜部に対
してそれぞれ稜線の延在方向と平行であって、且つ稜線
を基準線として６つの側面のうちの２つの隣り合うもの
に跨がって線対称形に一体的に設けられた第１の帯状電
極１〜６（５，６は図示されていない）と、その表面の
６つの側面に対して稜線から隔てられて稜線の延在方向
と平行に選択的に設けられた図示されない第２の帯状電
極とを有している。これらの各帯状電極を用いて圧電セ
ラミックス六角柱１００に分極処理を施した後、各帯状
電極を選択的に駆動用及び検出用とすれば、他の形態に
係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子を得ることができ
る。即ち、ここでの圧電セラミックス六角柱１００の場
合のように、断面形状が正多角形なものに関しては、各
稜部に設けた各帯状電極を分極処理に用いた後、各帯状
電極のうちの所定なものを選定して電気処理用へ割り付
けることができる。何れにしても、これらの圧電振動子
多角柱に配設される各帯状電極の場合も、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。 【００２５】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（但し、正方形を除く）のセラミッ
クス素材から成る圧電振動子多角柱表面の稜部及び側面
に稜線延在方向に対して平行に複数個の帯状電極が設け
られ、これらの各帯状電極が稜部に対して稜線の延在方
向と平行であって、且つ稜線を基準線として隣り合う２
つの側面に跨がって線対称形に一体的に設けられた第１
の帯状電極と、側面に対して稜線から隔てられて稜線の
延在方向と平行に（選択的に）設けられた第２の帯状電
極とを含む構成とした上、各帯状電極を用いて圧電振動
子多角柱に分極処理を施した後に各帯状電極を選択的に
駆動用及び検出用とすれば良いものである。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、圧電振動ジャイロに用い
る好適な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。 【００２６】尚、上述した一実施例の圧電振動ジャイロ
に用いた圧電セラミックス三角柱１０、並びに図７で説
明したそれに代用可能な圧電セラミックス六角柱１００
において形成した各帯状電極の数やその形成位置は変更
可能である上、基本的に図４や図５で説明した動作理を
充足するものであれば良いので、本発明は必ずしも上述
した形態のものに限定されない。 【００２７】 【発明の効果】以上に説明したように、本発明の圧電振
動ジャイロによれば、圧電振動子を断面形状が正三角形
の圧電振動子三角柱としてセラミックス素材を用いてそ
の形成を長尺であっても押出成形法による押出成形で容
易に行い得るようにしていると共に、圧電振動子三角柱
表面の稜部および側面に形成される各帯状電極として、
各稜部に対してそれぞれ稜線の延在方向に平行であっ
て、且つ稜線を基準として複数の側面のうちの２つの隣
り合うものに跨って線対称形に一体的に設けられた第1
の帯状電極と、側面に対して稜線から隔てられて稜線の
延在方向と平行に（選択的に）設けられた第２の帯状電
極とを用いて圧電振動子三角柱に分極処理を施した後、
各帯状電極を選択的に駆動用、検出用、及びアース用と
してなる構成としているので、圧電セラミックス薄板の
接着が不要で方向角変化の検出を高精度に行いうる簡素
な構造の圧電振動ジャイロを作製できるようになる。こ
れにより特に圧電振動子三角柱表面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
成した後にフォトエッチングやスクリーン印刷等により
容易にして精度良く行うことができるようになり、しか
も圧電振動子三角柱の素材にセラミックスを用いている
ために押出成形法により容易にその寸法精度を高めて材
質特性的に均質なものにできるため、結果として直交す
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
を簡単に作製できるようになる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロの基
本構成を電気回路を含めて示した概略図である。 【図２】図１に示す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示した斜視図である。 【図３】図２に示す圧電セラミックス三角柱の分極処理
を説明するために示した平面図である。 【図４】図３で説明した圧電セラミックス三角柱を圧電
振動ジャイロとして一形態で動作させる場合を説明する
ために示した平面図である。 【図５】図３で説明した圧電セラミックス三角柱を圧電
振動ジャイロとして他形態で動作させる場合を説明する
ために示した平面図である。 【図６】図３で説明した圧電セラミックス三角柱を圧電
振動ジャイロとして別形態で動作させる場合を説明する
ために示した平面図である。 【図７】図１〜図６に示した圧電振動ジャイロに備えら
れる圧電セラミックス三角柱に代用可能な圧電セラミッ
クス六角柱を示した斜視図である。 【図８】従来の圧電振動ジャイロの一例に係る基本構成
を一部透視して示した外観図である。 【図９】図８に示す圧電振動ジャイロを一形態で動作さ
せた場合を説明するために示した平面図である。 【図１０】図８に示す圧電振動ジャイロを他形態で動作
させた場合を説明するために示した平面図である。 【図１１】図８に示す圧電振動ジャイロを別形態で動作
させた場合を説明するために示した平面図である。 【図１２】図１０に示す圧電振動ジャイロにコリオリ力
が作用した場合の動作を説明するために示した平面図で
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 金属三角柱 １１１，１１２，１１３ 圧電セラミックス薄板 Ｇ１〜Ｇ５ 間隙部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 「交差指電極を用いた圧電磁器単体音 片ジャイロ」、尾山茂他２名、電子情報 通信学会技術研究報告、ＵＳ87−27〜34 （信学技報Ｖｏｌ．87Ｎｏ．176) （1987年９月21日）、第19頁〜第26頁 「圧電形の振動ジャイロ・方向センサ ー」、近野正、昭和61年度文部省科学研 究費補助金（一般研究（Ｂ））研究成果 報告書（課題番号Ｎｏ．60460142）、第 41頁〜第46頁

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 セラミックス素材から形成された断面形
   状が正多角形の圧電振動子多角柱表面の稜部及び側面に
   稜線延在方向に対して平行に複数の帯状電極が設けられ
   るとともに、該複数の帯状電極を用いて該圧電振動子多
   角柱に分極処理を施した後に該複数の帯状電極を選択的
   に駆動用、検出用、及びアース用としてなり、更に、前
   記複数の帯状電極は、前記稜部に対して前記稜線の延在
   方向と平行であって、且つ該稜線を基準線として隣り合
   う２つの側面に跨がって線対称形に一体的に設けられた
   第１の帯状電極と、前記側面に対して前記稜線から隔て
   られて該稜線の延在方向と平行に設けられた第２の帯状
   電極とを含んで成る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の圧電振動子三
   角柱であり、前記第 1 の帯状電極は、前記圧電振動子三
   角柱表面の３つの稜部にそれぞれ設けられ、前記第２の
   帯状電極は、前記圧電振動子三角柱表面の３つの側面の
   うちの２つの隣り合うものに対して該２つの隣り合うも
   の同士の間に挟まれる１つの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にそれぞれ
   設けられたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。