JPH0663773B2 - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は自動車や船舶の移動方向の検出及びビデオカメ
ラなどの手ぶれや振動の検出などに用いられる圧電振動
子の超音波振動を用いた，いわゆる圧電振動ジャイロに
関し，特に構造が簡単な捩り−拡がり複合振動子型圧電
振動ジャイロに関する。

（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，その振動と直角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。

一般に，直交する二つの異なる方向の振動を励動可能に
構成した複合振動系において，一方の振動を入力として
励振させた状態で振動子を回転させると，前述したコリ
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出力される。出力側の振動の大き
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，出力の大きさから回転角速度の大きさを知ることが
出来る。

第５図は従来の圧電振動ジャイロの一例の構造概略図で
ある。第５図において，音叉振動子の各々の振動音片5
1,51′の先端に振動音片51,51′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52,52′が付加されて
いる。振動音片51,51′及び52,52′は金属で構成され、
各々の音片には厚さ方向に分極された圧電セラミック薄
板53,54,55,56が接合されている。入力側の圧電セラミ
ック薄板53,54に，先端の振動音片52,52′を含めた振動
音片51,51′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51,51′を励振する。このとき振動音
片52,52′はそれぞれ振動音片51,51′と一緒に振動する
が，振動音片52,52′自身は振動音片51,51′の振動方向
と直角な方向には振動しないため，出力側の圧電セラミ
ック薄板55,56には電圧が発生しない。しかし，この状
態で音叉振動子を振動音片51,51′の方向を軸にして回
転すると，コリオリ力の作用により振動音片51,51′の
振動方向と直角な方向に力が発生し，この力が振動音片
52,52′を振動させる。その結果，出力側の圧電セラミ
ック薄板55,56には回転角速度に比例した電圧が発生す
る。

第６図は従来の圧電振動ジャイロの他の一例の構造概略
図であり，正方形断面形状を有する金属角柱57の隣り合
う面に，厚さ方向に分極された圧電セラミックス薄板5
8,59が接合されている。金属角柱57は互いに直角な二つ
の方向に，ほぼ同じ共振周波数で屈曲振動が可能であ
り，圧電セラミックス薄板58にこの共振周波数に等しい
周波数の電圧を印加すると，圧電セラミックス薄板58を
接した面が凹凸となる方向に屈曲振動する。この状態で
は金属角柱57の圧電セラミックス薄板59には電圧が発生
しないが，金属角柱57を長さ方向を軸に回転させると，
コリオリ力の作用により金属角柱57は圧電セラミックス
薄板59を接合した面が凹凸となる方向に屈曲振動し，圧
電セラミックス薄板59に回転角速度に比例した電圧が発
生する。

（発明が解決しようとする課題） 第５図及び第６図に示した従来の圧電振動ジャイロにお
いては，いずれも，金属音片と圧電セラミックスを接着
材を用いて接合しており，接着位置のばらつきあるいは
接着層のばらつきなどにより，圧電振動ジャイロの特性
が変動するという欠点があった。

また，第５図に示した音叉振動子を用いた方式では，振
動音片51,51′と52,52′を直角に接合する必要があり，
この作業は非常に難しい作業であった。

そこで，本発明の技術的課題は，以上に示した従来の圧
電振動ジャイロにおける欠点を除去し，加工が簡単で，
接着工程のない，ばらつきの少ない圧電振動ジャイロを
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば，圧電セラミックス中空円柱の軸方向の
略中央部分の外周面に全周にわたって前記圧電セラミッ
クス中空円柱の軸方向に対して傾斜した第１及び第２の
斜め電極を施して夫々第１の二端子とし，該第１の二端
子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を
施し，前記圧電セラミックス中空円柱の一方の端部近傍
に前記圧電セラミックス中空円柱の軸方向に沿う方向に
長い第１及び第２の縦電極を施して夫々を第２の二端子
とし，該第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中
空円柱の一方の端部近傍に分極処理を施し，前記第１及
び第２の二端子のいずれか一方を入力端子とし，他方を
出力端子としたことを特徴とする圧電振動ジャイロが得
られる。

更に，本発明によれば，圧電セラミックス中空円柱の軸
方向の略中央部分の外周面に全周にわたって前記圧電セ
ラミックス中空円柱の軸方向に対して傾斜した第１及び
第２の斜め電極を施して夫々を第１の二端子とし，該第
１の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分
極処理を施し，前記圧電セラミックス中空円柱の一方の
端部近傍に前記圧電セラミックス中空円柱の円周方向に
沿う方向に長い第１及び第２の周電極を施して夫々を第
２の二端子とし，該第２の二端子を用いて前記圧電セラ
ミックス中空円柱の一方の端部近傍に分極処理を施し，
前記第１及び第２の二端子のいずれか一方を入力端子と
し，他方を出力端子としたことを特徴とする圧電振動ジ
ャイロが得られる。

（作 用） 本発明の圧電振動ジャイロにおいては，まず圧電セラミ
ックス中空円柱の外周面に該中空円柱の軸方向に対して
傾斜する（好ましくは45゜）方向に第１及び第２の斜め
電極を施して夫々第１の二端子とし，次に，第１の二端
子を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に直流高電圧
を印加して分極処理を施すと分極方向は前記第１及び第
２の斜め電極に沿う方向と直角な方向となる。

この状態で前記第１の二端子間に電圧を印加すると，電
圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向
に伸び歪みが発生し，電圧の極性が分極時の電圧の極性
と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。分極方
向に伸びあるいは縮み歪みが発生した場合は分極方向と
直角な方向にはそれぞれこれらと反対に縮みあるいは伸
び歪みが発生する。以上の結果として前記圧電セラミッ
クス中空円柱に捩り変位が発生する。

また，本発明の圧電振動ジャイロにおいては，圧電セラ
ミックス中空円柱の外周面にこの中空円柱の軸方向に沿
う方向に第１及び第２の縦電極を施して夫々第２の二端
子とし，次にこの第２の二端子間に直流高電圧を用いて
前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施すと分極
方向は前記第１及び第２の周電極に沿う方向と直角な方
向即ち中空円柱の円周に沿う方向となる。この状態で前
記第２の交差指電極に電圧を印加すると，縦効果によ
り，電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極
の方向に伸び歪みが発生し，電圧の極性が分極時の電圧
の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。
即ち，中空円柱の直径が大きくなったり，小さくなった
りする。

更に，本発明の圧電振動ジャイロにおいては，圧電セラ
ミックス中空円柱の外周面の一方の端部に，上記縦電極
の代わりに，この中空円柱の円周に沿う方向に長い第１
及び第２の周電極を施して夫々を第２の二端子とし，つ
ぎにこの第２の二端子間の直流高電圧を印加して前記圧
電セラミックス中空円柱に分極処理を施すと分極方向は
前記第１及び第２の周電極に沿う方向と直角な方向即ち
中空円柱の軸方向となる。この状態で前記第２の二端子
間に電圧を印加すると，電圧の極性が分極時の電圧の極
性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが発生し，電圧の
極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮
み歪みが発生する。その結果，横効果により中空円柱の
直径が大きくなったり，小さくなったりする。

この様な捩り−拡がり複合振動子の第１及び第２の端子
のうちの一方を入力端子，他方を出力端子とすれば，出
力端から複合振動子の変位に応じた出力信号を取出すこ
とができる。

（実施例） 以下，本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の圧電振動ジャイロの一実施例の構造を
示す斜視図であり，圧電セラミックス中空円柱14のほぼ
中央部の外周面に軸方向に対して45゜の角度となるよう
に，互いに平行に長い複数の第１及び第２の斜め電極15
及び16が形成され,1つおきに互いに異なる端部が接続さ
れるように同じ番号の電極の同じ側の端部を第１及び第
２の共通電極15′及び16′に夫々接続され，第１の二端
子を構成している。

更に，圧電セラミックス中空円柱14の一方の端部近傍
に，軸に沿う方向に長い複数の第１及び第２の縦電極1
7,及び18が互いに平行に形成され，それぞれ同じ番号の
縦電極が一つおきにその異なる端部を，第１及び第２の
結合電極17′及び18′に電気的に接続され，第２の二端
子を構成している。

第１図において，第１及び第２の共通電極15′及び16′
間，即ち，第１の二端子間に直流高電圧を印加して分極
処理を施した後，複合振動子の振りモードの共振周波数
に等しい周波数の交流電圧をこの第１の二端子間に印加
すれば圧電セラミックス中空円柱14は両端部が捩れるよ
うに共振する。この時圧電セラミックス中空円柱14を円
柱の軸を中心にして回転させると，コリオリ力の作用に
より，圧電セラミックス中空円柱14の端部近傍に捩り変
位方向と直角な方向，即ち，中空円柱の直径を大きくし
たり，小さくしたりするようないわゆる拡がり振動が発
生する。

この結果圧電セラミックス中空円柱14の端部近傍に形成
されている第１及び第２の縦電極17,18間に出力電圧を
発生する。即ち，第１及び第２の結合電極を二端子とし
た第２の二端子間で検出される。

検出される出力電圧の大きさは，捩り振動の大きさ及び
回転角速度の大きさに比例するため，捩り振動の大きさ
を一定に制御することにより，回転角速度を検出するこ
とが出来る。

第２図は本発明の圧縮振動ジャイロの他の実施例の構造
を示す斜視図であり，圧電セラミックス中空円柱14′の
ほぼ中央部の外周面に軸方向に対して45゜の角度となる
ように，互いに平行に複数の第１及び第２の斜め電極19
及び20が形成され，第１図の圧電振動ジャイロと同様に
それぞれ第１及び第２の共通電極19′及び20′に接続さ
れ，第１の二端子を構成している。

さらに，圧電セラミックス中空円柱14′一方の端部近傍
に，円周方向に沿って長く，互いに平行な複数の第１及
び第２の周電極21,22が形成され，それぞれ同じ番号の
周電極が第１及び第２の接続電極21′及び22′により，
電気的に接続され，第２の二端子を構成している。

第２図において，第１の二端子間，即ち，第１及び第２
の共通電極19′及び20′間と，第２の二端子間，即ち，
第１及び第２の接続電極21′及び22′間とに直流高電圧
を印加して分極処理を施した後，この第１の二端子間に
複合振動子の捩りモードの共振周波数に等しい周波数の
交流電圧を印加すれば圧電セラミックス中空円柱14′両
端部が捩じれるように共振する。この時圧電セラミック
ス中空円柱14′を円柱の軸を中心にして回転させると，
コリオリ力の作用により，圧電セラミックス中空円柱1
4′の端部近傍に捩り変位方向と直角な方向，即ち，中
空円柱14′の直径を大きくしたり，小さくしたりするよ
うないわゆる拡がり振動が発生する。この結果，圧電セ
ラミックス中空円柱14′の端部近傍に形成されている第
１及び第２の周電極21,22間に出力電圧を発生する。

即ち，第１及び第２の結合電極を二端子とした第２の二
端子間で検出される。

検出される出力電圧の大きさは，捩り振動の大きさ及び
回転角速度の大きさに比例するため，捩り振動の大きさ
を一定に制御することにより，第１図の圧電振動ジャイ
ロと同様に回転角速度を検出することが出来る。

次に、本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロの動作原
理について図面を用いて更に詳しく説明する。

第３図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明の第１
又は第２の実施例に係る圧電振動ジャイロに用いる交差
指電極型圧電捩り−拡がり複合振動子の動作原理の説明
図である。

第３図（ａ）において、圧電セラミックス板10の一方の
面には互いに平行に複数個の電極11,12が形成され，そ
れぞれ一つおきに共通電極11′,12′に接続され，一対
の交差指電極を構成している。

第３図（ｂ）は第３図（ａ）の圧電セラミックス板を模
式的に示す図である。

第３図（ｂ）において，破線の矢印１は一対の交差指電
極を二端子5,6として用いて分極処理を施したときの分
極の向きを示している。

第３図（ｃ），（ｄ）は第３図（ｂ）のように分極処理
された圧電セラミックス板10に端子5,6を用いて直流電
圧を印加した場合に発生する歪みの状態を示しており，
実線の矢印２は電界の向きを示している。

第３図（ｃ），（ｄ）から分かるように，電圧の極性が
分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪み
が発生し，電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合
は分極の方向に沿って縮み歪みが発生する。

第４図は中空円柱13の両端面が図の矢印のように捩じれ
ている場合に，中空円柱13の外周面に発生する歪みの状
態を示しており，中空円柱13の軸方向に対して45゜の角
度の方向で，しかも捩じれの矢印の向きに伸び歪みが発
生し，これと直角な方向に縮み歪みが発生している。

従って圧電セラミックス中空円柱の外周面に，第３図
（ａ）に示したような一対の交差指電極11,12を指電極
の長さ方向が圧電セラミックス中空円柱の軸方向に対し
て45゜の角度となるように形成し，この一対の交差指電
極を用いて分極処理を行い，同じ交差指電極に直流電圧
を印加すると，電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ
場合に中空円柱は一方向に捩じれ，電圧の極性が分極時
の電圧の極性と逆の場合は逆方向に捩じれる。

また，圧電セラミックス中空円柱の外周面に，第３図
（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示したような交差
指電極11,12を交差指の方向が圧電セラミックス中空円
柱の軸方向に沿うように形成したものが，第１図の捩り
−拡がり複合振動子で，この交差指電極を用いて分極処
理を行い，同じ交差指電極に直流電圧を印加すると，縦
効果により，電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場
合に中空円柱の直径が大きくなり，電圧の極性が分極時
の電圧の極性と逆の場合は逆に直径が小さくなる。

一方，圧電セラミックス中空円柱の外周面に，第３図
（ａ）に示したような交差指電極を指電極の長さ方向圧
が電セラミックス中空円柱の円周方向に沿う方向に形成
したものが，第２図の捩り−拡がり複合振動子で，この
交差指電極を用いて分極処理を行い，同じ交差指電極に
直流電圧を印加すると，電圧の極性が分極時の電圧の極
性と同じ場合に中空円柱の長さが伸び，電圧の極性が分
極時の電圧の極性と逆の場合は中空円柱の長さが縮み，
横効果により，中空円柱の直径が小さくなったり大きく
なったりする。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば，圧電振動ジャイロ
を構成するための振動モードとして捩り振動と拡がり振
動を利用し，通常一般的に適用されているプレス成型技
術により容易に製造することが可能な圧電セラミックス
中空円柱を用いて，これらの外周面にこれも一般的な技
術である電極印刷を施すことにより圧電捩り振動子及び
圧電拡がり振動子が一体形状として得られるため，製造
が容易で，接着工程や複雑な加工工程による特性のばら
つきの少ない圧電捩り−拡がり複合振動子が得られる。
また，この圧電捩り−拡がり複合振動子を用いて圧電振
動ジャイロを構成すれば構造が簡単で，特性のばらつき
の少ない圧電振動ジャイロが得られ，実用的な効果が大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電振動ジャイロの一構造例を示す斜
視図，第２図は本発明の圧電振動ジャイロの他の構造例
を示す斜視図，第３図は交差指電極を用いて分極及び電
圧印加を行った場合の歪みの発生状態の説明図，第４図
は中空円柱状弾性体を捩ったときの歪みの発生状態の説
明図，第５図は従来の圧電振動ジャイロの一例である音
叉型圧電振動ジャイロの構造を示す斜視図，第６図は従
来の圧電振動ジャイロの他の一例である角柱音片型圧電
振動ジャイロの構造を示す斜視図である。 図中,10……圧電セラミックス板,11,12……交差指電極,
11′,12′……共通電極,13……中空円柱状弾性体,14…
…圧電セラミックス中空円柱,15,16,19,20……斜め電極
（捩り振動子用交差指電極）,15′,16′,19′,20′……
共通電極,17,18……縦電極（縦効果拡がり振動子用交差
指電極）,17′,18′……結合電極,21,22……周電極（横
効果拡がり振動子用交差指電極）,21′,22′……接続電
極,51,51′……駆動用振動音片,52,52′……検出用振動
音片,53,54,55,56,58,59……圧電セラミックス薄板,57
……金属角柱。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許3182512（ＵＳ，Ａ) 米国特許4655081（ＵＳ，Ａ) 英国特許2061502（ＧＢ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電セラミックス中空円柱の軸方向の略中
   央部分の外周面に全周にわたって前記圧電セラミックス
   中空円柱の軸方向に対して傾斜した第１及び第２の斜め
   電極を施して夫々第１の二端子とし，該第１の二端子を
   用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施
   し，前記圧電セラミックス中空円柱の一方の端部近傍に
   前記圧電セラミックス中空円柱の軸方向に沿う方向に長
   い第１及び第２の縦電極を施して夫々を第２の二端子と
   し，該第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中空
   円柱の一方の端部近傍に分極処理を施し，前記第１及び
   第２の二端子のいずれか一方を入力端子とし，他方を出
   力端子としたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
2. 【請求項２】圧電セラミックス中空円柱の軸方向の略中
   央部分の外周面に全周にわたって前記圧電セラミックス
   中空円柱の軸方向に対して傾斜した第１及び第２の斜め
   電極を施して夫々を第１の二端子とし，該第１の二端子
   を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に分極処理を施
   し，前記圧電セラミックス中空円柱の一方の端部近傍に
   前記圧電セラミックス中空円柱の円周方向に沿う方向に
   長い第１及び第２の周電極を施して夫々を第２の二端子
   とし，該第２の二端子を用いて前記圧電セラミックス中
   空円柱の一方の端部近傍に分極処理を施し，前記第１及
   び第２の二端子のいずれか一方を入力端子とし，他方を
   出力端子としたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。