1995-183587号ねじり圧電素子およびその分極処理方法、並びにねじり振動装置

出願人	キヤノン株式会社
発明者	前野隆司、是枝進一、丸山裕
出願日	1993年12月22日（25年5ヶ月経過）	出願番号	1993-325435
公開日	1995年7月21日（23年10ヶ月経過）	公開番号	1995-183587
状態	未査定
技術分野	平均速度の測定；速度、加速度の試験較正、ジャイロスコープ、圧電、電歪、磁歪装置
主要キーワード	中心ボルト、分極強度、軸対称形状、周方向距離、分極温度、高圧電流、分極効果、電圧印加方向
関連する未来課題	環境にやさしいエネルギーを実現する、高い食料自給率を実現する、サイバー攻撃のない社会を実現する、犯罪者のいない都市を実現する
重要な関連分野	平均速度の測定；速度、加速度の試験較正、ジャイロスコープ、圧電、電歪、磁歪装置

※この項目の情報は公開日時点（1995年7月21日）のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

目的

歩留が良く、分極処理時間を短縮できるねじり圧電素子およびその分極処理方法を提供することにある。

構成

本発明のねじり圧電素子は、周方向に分極処理がなされた複数の電極を有し、隣接する電極間の分極強度が異なることを特徴とし、このねじり圧電素子の分極処理は、例えば、軸対称形状の圧電素子の上下面あるいは側面、又はその両者に、複数の分極処理用の電極２ｃ、２ｄ、２ｅを周方向距離が互い違いに異るように設け、その隣接する電極に互い違いに電圧を加え、全体が周方向に十分に分極されるまで分極を行った後、加える電圧を反転させ、電極間隔の狭い間（２ｃ−２ｄ）のみが十分に分極されるまでの時間分極し、その後上下面全面に駆動電圧印加用の電極を設けたことを特徴とするものである。

概要

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背景

ねじり振動を利用する用途は幅広く、超音波モータ、振動ジャイロ、工作機械等がある。このような目的のために、周方向に分極をほどこし、厚み方向に駆動電圧を印加して周方向にすべり振動を発生させる電歪素子を用い、この電歪素子をその両側より金属材にて一体的に挟持して共振振動させるものが提案されている。この従来の電歪素子の一例を図６に基いて説明する。即ち、円環状電歪素子１の一方の面から側面をえて他表面にわたる多数の電極２を周方向に対して均等に設け、隣合う電極間に直流高電圧を印加して矢印のごとくに周方向に順次全ての電極について分極を行い、全周の分極後、全ての電極を除去し、しかるのちに、両面を再ラップして分極による面の荒れを修正し、再度両面に電極を設けて電歪素子を形成しているものである。そして、ねじり振動発生体としては、特公昭５０−９１５９号公報にみられるように、複数枚の電歪素子を電気的に並列に重ね合せ、その両面に金属材を接合させて中心ボルト等により一体的に締着しているものである。

概要

歩留が良く、分極処理時間を短縮できるねじり圧電素子およびその分極処理方法を提供することにある。

目的

効果

実績

技術文献被引用数: 1件
牽制数: 0件

この技術が所属する分野

（分野番号表示ON）※整理標準化データをもとに当社作成

2F053平均速度の測定；速度、加速度の試験較正
2F105ジャイロスコープ
5F050圧電、電歪、磁歪装置

請求項1

上下面全面に電極を有し、周方向に分極処理がなされたことを特徴とするねじり圧電素子。

請求項2

請求項１に記載のねじり圧電素子の分極処理方法であって、軸対称形状の圧電素子の上下面あるいは側面、又はその両者に、複数の分極処理用の電極を周方向距離が互い違いに異るように設け、その隣接する電極に互い違いに電圧を加え、全体が周方向に十分に分極されるまで分極を行った後、加える電圧を反転させ、電極間隔の狭い間のみが十分に分極されるまでの時間分極し、その後上下面全面に駆動電圧印加用の電圧を設けたことを特徴とする圧電素子の分極処理方法。

請求項3

請求項１に記載した圧電素子によりその軸回りのねじり振動を検出し、あるいは該圧電素子によりねじり振動を発生させることを特徴とするねじり振動装置。

技術分野

0001

本発明は、ねじり圧電素子およびその分極処理方法、および超音波モータ、振動ジャイロ、工作機械などに用いるねじり振動装置に関する。

背景技術

0002

図６

0003

しかしながら、前述の電歪素子においては、周方向に残留分極を与えるためには隣合う電極間の分極処理を分極の数の回数だけ行わなければならない。しかも、周方向に揃えて分極しようとすれば、分割数が多くなり、その作業は非常に大変になる。

0004

また、分極形成時においては、部分的に行われるために分極歪みによる材料の割れが発生して歩止まりを低下させる。さらに、分割数が少ない場合ほど周方向の回り込みにより必要な分極を打ち消す形で他の部分に逆方向に電界を生じ、分極効果を低下させる。例えば、図６のように周方向に分極処理が８分割されている場合、電極２ａ，２ｂ間に高圧電流の電圧を印加して分極を行うと、電極２ａ−２ｂ間が矢印の方向に分極されたとき、近似的には他の７か所は１／７の強度で逆方向に分極されてしまう。従って、電圧を印加する箇所を順次変えて、同じ操作を繰り返すと、結果として、電極間、例えば電極２ａ−２ｂ間の分極の強度は
１−（１／７）×７＝０
のように、０となってしまう。

図６

0005

本発明の目的を実現するねじり圧電素子の構成は、上下面全面に電極を有し、周方向に分極処理がなされたことを特徴とし、かかるねじり圧電素子の分極処理は、軸対称形状の圧電素子の上下面あるいは側面、又はその両者に、複数の分極処理用の電極を周方向距離が互い違いに異るように設け、その隣接する電極に互い違いに電圧を加え、全体が周方向に十分に分極されるまで分極を行った後、加える電圧を反転させ、電極間隔の狭い間のみが十分に分極されるまでの時間分極し、その後上下面全面に駆動電圧印加用の電極を設けたことを特徴とする。

0006

そして、このような分極処理方法により得られたねじり圧電素子は、その軸回りのねじり振動を検出し、あるいは該圧電素子によりねじり振動を発生させるねじり振動装置に用いることができる。

0007

図１は第１の実施例を示す。

図１

0008

ドーナツ状の電歪素子（以下ＰＺＴと略記）の表面から側面を経て裏面まで、８か所に電極２が設けられている。なお、裏面の電極パターンは表面と同じである。電極２は、隣合う電極間距離、即ち電極２ｃ−電極２ｄ間の距離と、電極２ｄ−電極２ｅ間の距離が異なるように配置されている。このようなＰＺＴに、図（ａ）のように、直流電圧Ｖ1 を加え、各電極間に矢印で示した方向の分極を行う。

0009

いま、分極の強度は、図１（ｃ）のように、時間の経過とともに強まり、ある一定値ａ2 に飽和する。電圧や分極温度が一定なら、電極間距離が短いとき、即ち電極２ｃ−電極２ｄ間のような場合には図１（ｃ）の実線のように早く飽和に達し、電極間距離が長い（２ｄ−２ｅ間）ならば、図１（ｃ）破線のように、飽和に達するまでに時間がかかる。そこで、図１の（ａ）の分極を、距離の短い電極間と長い電極間のどちらの電極間も飽和に達するまでの時間、即ちｔ2 以上、行う。その後に、図１の（ｂ）のように、分極方向を変え、今度はｔ1 までの時間Ｖ2 ＝Ｖ1 なる電圧を加え、分極する。すると、電極２ｃ−電極２ｄ間は飽和し、分極の強度は反時計まわりにａ2 となるが、電極２ｄ−電極２ｅの分極強度は、１度目の反時計まわりの分極強度ａ2 から、２度めの時計まわりの分極強度ａ1 を差し引いた値、即ち反時計まわりにａ2 −ａ1 となる。結果として、このＰＺＴには、全周に渡って反時計まわりの分極が行われたことになる。

図１

0010

なお、いまは分極電圧及び分極温度を一定として、分極時間をｔ2 及びｔ1 として２度の分極を行う例を示したが、分極電圧や分極温度を高くすると、飽和に達するまでの時間ｔ1 ，ｔ2 は短くなるので、１度めと２度めの電圧又は温度を変えてもよい。いずれにしても、１度めの分極では全体の分極強度が飽和するまで、２度めの分極では電極間隔の狭い部分のみが略飽和するまで、分極を行う。分極が終了したら図１に示した電極をとり除き、上下面全面に電極を設ける。すると、上下の電極間に電位差を加えると圧電素子は周方向にねじれ、逆に周方向にねじれると、上下の電極間に電位差が生じる。

図１

0011

図２には、図１の圧電素子を用いた２軸検出振動ジャイロの例を示す。ＰＺＴ３のうちの１枚又は数枚が図１のＰＺＴとなっており、ねじり振動の加振、検出に用いられている。

図１

図２

0012

本実施例による圧電素子１および曲げ振動を検出するための圧電素子１が振動体３および４に挟持されている。圧電素子１に電圧Ｖｃを印加すると、振動体５および６にはＺ軸回りのねじり振動が発生する。いま、ｘ軸又はｙ軸まわりに角速度が加わると、振動体３および４には上下方向のコリオリ力によってｘｚ面内又はｚｙ面内の曲げ振動が発生する。すると、圧電素子には角速度に比例した量の歪みに起因する電圧ＶＡ又はＶＢが発生する。このような作用により、ｘ軸およびｙ軸回りの角速度を検出することができる。

0013

図３は第２の実施例である。

図３

0014

第１の実施例では電極を多数個設けていたが、本実施例は電極を２か所２１ａ，２１ｂとしたもので、この場合、分極時の配線は単純化できるが、電極間距離は増大し、高電圧、高温、又は長時間の分極が必要である。この例の場合、１度めの分極は図３のように電圧を加えて全体の分極強度が飽和するまで分極する。その後Ｖ1 とグランドを逆にして、電極間隔の狭い手前の部分の分極強度が飽和するまで分極する。その結果、全体が時計回りに分極される。

図３

0015

図４は第３の実施例を示す。

図４

0016

第１の実施例では上面から側面を経て裏面まで電極が設けられていたが、この例では上下面のみに設けている。

0017

すなわち、側面に電極を設ける工程は複雑であって、この例では電極を設ける工程を単純化できる。

0018

図５は第４の実施例を示し、本実施例では側面のみに電極を設けている。

図５

0019