JP2001108443A - Energy enclosure type piezoelectric vibration gyroscope - Google Patents
Energy enclosure type piezoelectric vibration gyroscopeInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、回転角速度を検出
するためのジャイロスコープに関し、特に、圧電振動子
のエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジ
ャイロスコープの支持構造に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyroscope for detecting a rotational angular velocity, and more particularly, to a support structure for a piezoelectric vibratory gyroscope utilizing a trapped energy mode of a piezoelectric vibrator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】圧電振動ジャイロスコープ（以下簡単の
ために圧電振動ジャイロと呼ぶ）は、圧電振動子を一定
方向に励振しておいた状態で、該圧電振動子がその励振
方向に直角な方向の軸の周りに回転した際、その励振方
向及び回転軸に直角の方向に生ずるコリオリ力を検知し
て、回転角速度を検出するもので、種々の応用がある
が、最近では、例えば、自動車のナビゲーションシステ
ムや、ＶＴＲカメラの手振れ補正機構などに用いられて
いる。2. Description of the Related Art A piezoelectric vibrating gyroscope (hereinafter referred to as a piezoelectric vibrating gyroscope for simplicity) is a state in which a piezoelectric vibrator is excited in a certain direction, and the piezoelectric vibrator is driven in a direction perpendicular to the excitation direction. It detects the rotational angular velocity by detecting the excitation direction and the Coriolis force generated in the direction perpendicular to the rotation axis when rotated about the axis of the motor, and has various applications. It is used for a navigation system and a camera shake correction mechanism of a VTR camera.
【０００３】圧電振動ジャイロとして、振動のエネルギ
ーが駆動電極近傍に集中しているエネルギー閉じ込め振
動モードで振動する圧電振動子を用いたエネルギー閉じ
込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが、例え
ば、特開昭６２−１６２９１５号や特開平３−３２２５
８０号に提案されている。As a piezoelectric vibrating gyroscope, a piezoelectric vibrating gyroscope utilizing an energy trapping vibration mode using a piezoelectric vibrator vibrating in an energy trapping vibration mode in which vibration energy is concentrated in the vicinity of a driving electrode is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. Sho. 62-162915 and JP-A-3-3225
No. 80.
【０００４】エネルギー閉じ込め振動モードを利用した
圧電振動ジャイロは、振動エネルギーが圧電振動子の局
部に集中しているので、圧電振動子の支持が簡単容易で
あり、遊離しているリード線が不要となるとの利点があ
る。In the piezoelectric vibrating gyroscope utilizing the energy trapping vibration mode, since the vibration energy is concentrated on a local portion of the piezoelectric vibrator, the support of the piezoelectric vibrator is easy and easy, and the need for a separated lead wire is eliminated. There are advantages.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電振
動子のエネルギー閉じ込め振動モードを利用していると
いっても、振動子の端部からの振動漏れは完全にゼロで
はない。特に小型の圧電振動ジャイロにおいては振動漏
れは大きくなる。However, even if the energy trapping vibration mode of the piezoelectric vibrator is used, the vibration leakage from the end of the vibrator is not completely zero. In particular, in a small-sized piezoelectric vibrating gyroscope, vibration leakage increases.
【０００６】一方、外部の振動が圧電振動ジャイロに伝
達されると、圧電振動子自体の振動に影響し、測定精度
を落とす結果となる。On the other hand, when the external vibration is transmitted to the piezoelectric vibrating gyroscope, it affects the vibration of the piezoelectric vibrator itself, resulting in a decrease in measurement accuracy.
【０００７】従って、本発明の課題は、外部への振動の
漏れを防止すると共に、外部の振動が伝達されることを
極力防止した圧電振動ジャイロを提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrating gyroscope that prevents leakage of external vibrations and minimizes transmission of external vibrations.
【０００８】特に、本発明は、圧電振動ジャイロの振動
子の改良された支持構造を提供することを目的とする。In particular, it is an object of the present invention to provide an improved support structure for a vibrator of a piezoelectric vibrating gyroscope.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電板
の厚み方向に分極を有する領域の主面上に駆動／検出用
の平行電極を形成して該平行電極間にエネルギー閉じ込
め厚みすベり振動を励振し、該圧電板に厚み方向を回転
軸とした回転が加わったときに生じるコリオリ力による
振動に対応した起電力を検知して回転角速度を検出する
圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記平行電極同士
は、前記圧電板の中心を通る軸線の方向において互いに
間隔を有し、且つそれぞれ該軸線に関して対称に形成さ
れ、これにより、前記エネルギー閉じ込め厚みすベり振
動のモード軸を該軸線と一致させ、前記圧電板の周辺部
で前記軸線に関して対称な部分を支持体で固定支持した
ことを特徴とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイ
ロスコープが得られる。According to the present invention, a driving / detecting parallel electrode is formed on a main surface of a region having polarization in a thickness direction of a piezoelectric plate, and energy is confined between the parallel electrodes. A piezoelectric vibration gyroscope that excites vibration and detects a rotational angular velocity by detecting an electromotive force corresponding to vibration due to Coriolis force generated when a rotation about a thickness direction is applied to the piezoelectric plate. The parallel electrodes are spaced apart from each other in the direction of the axis passing through the center of the piezoelectric plate, and are formed symmetrically with respect to the respective axes, whereby the mode axis of the energy-trapped thickness-shear vibration is defined by the axis and the axis. And an energy trapping type piezoelectric vibrating gyroscope, wherein a portion symmetrical with respect to the axis at the peripheral portion of the piezoelectric plate is fixedly supported by a support. That.
【００１０】前記支持体は、振動を吸収する弾力性ある
材料で構成するとよい。あるいは、硬い材料で構成する
ことによって、強固に固定して、振動の伝達を阻止して
も良い。The support is preferably made of a resilient material that absorbs vibration. Alternatively, it may be made of a hard material and firmly fixed to prevent transmission of vibration.
【００１１】また、前記支持体を、前記圧電板に直接強
固に固定された硬い材料から成る固定素子と、該固定素
子に取り付けられて振動を吸収する弾力性ある材料から
なる弾性支持素子とで構成して、振動の吸収と伝達阻止
との両方を同時に行うようにしても良い。In addition, the support is composed of a fixed element made of a hard material directly and firmly fixed to the piezoelectric plate, and an elastic support element made of an elastic material attached to the fixed element and absorbing vibration. The configuration may be such that both the absorption of vibration and the prevention of transmission are performed simultaneously.
【００１２】なお、前記平行電極の一方は、前記主面上
で前記軸線の方向に所定間隔だけ離れた二位置の内、一
方の位置に前記軸線の方向と直角の方向に延在したスト
リップ状の第１の電極として形成され、他方の電極は、
他方の位置に前記第１のストリップ状の電極とほぼ平行
な方向に互いに間隔をおいて延在したストリップ状の第
２および第３の電極として形成されており、前記第１の
電極と前記第２及び第３の電極とを前記駆動用の平行電
極として励振用の駆動電圧を印加し、前記コリオリ力に
よる振動に対応した起電力を前記第２及び第３の電極か
ら電圧として検知するようにすると、より構造簡単で、
高精度なエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコー
プを得ることができる。One of the parallel electrodes has a strip shape extending in a direction perpendicular to the axis at one of two positions separated by a predetermined distance in the direction of the axis on the main surface. Is formed as a first electrode, and the other electrode is
The other position is formed as strip-shaped second and third electrodes extending at a distance from each other in a direction substantially parallel to the first strip-shaped electrode. A driving voltage for excitation is applied using the second and third electrodes as the parallel electrodes for driving, and an electromotive force corresponding to the vibration caused by the Coriolis force is detected as a voltage from the second and third electrodes. Then, the structure is simpler,
A highly accurate energy trap type piezoelectric vibration gyroscope can be obtained.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態の一
例におけるエネルギ一閉じ込め型振動ジャイロの振動子
の構成を示す斜視図である。図１に示すように、圧電振
動子１は、矩形の圧電板１０の中央部分を厚さ方向に分
極したものを用いる。この圧電板１０の前記中央部の主
面上にストリップ状の第１の電極１１が設けられてい
る。この第１の電極１１と所定距離だけ離れた位置に該
第１の電極と平行に、第２の電極１２および第３の電極
１３が互いに離れて形成されている。これら電極１１、
１２、１３には、外部に導出するための端子部１４、１
５、１６が接続されている。FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a vibrator of an energy-trap type vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrator 1 uses a rectangular piezoelectric plate 10 whose central part is polarized in the thickness direction. A strip-shaped first electrode 11 is provided on the main surface of the central portion of the piezoelectric plate 10. A second electrode 12 and a third electrode 13 are formed apart from each other at a position separated from the first electrode 11 by a predetermined distance in parallel with the first electrode. These electrodes 11,
12 and 13 have terminal portions 14 and 1 for leading out to the outside.
5 and 16 are connected.
【００１４】ここで、図示のとおり、圧電板１０の厚み
方向をＺ軸、電極１１と電極１２および１３との対向方
向をＸ軸、これらに直交する方向をＹ軸とする三次元座
標を決める。なお、ここでは、Ｘ軸およびＹ軸は、圧電
板１０の矩形の隣接する２つの辺にそれぞれ平行であ
る。Here, as shown in the figure, three-dimensional coordinates are determined in which the thickness direction of the piezoelectric plate 10 is the Z axis, the direction in which the electrode 11 faces the electrodes 12 and 13 is the X axis, and the direction orthogonal thereto is the Y axis. . Here, the X axis and the Y axis are respectively parallel to two adjacent sides of the rectangular shape of the piezoelectric plate 10.
【００１５】矩形の圧電板１０の中心を通るX軸方向の
線をOsとして、第1の電極１１はこの軸線Osに直角の方
向に延在し、且つ軸線Osに関して対称に形成されてい
る。また、第2および第3の電極１２および１３は、電極
１１に平行に延在し、且つ軸線Osに直角の方向において
互いに離間すると共に軸線Osに関して互いに対称な位置
に形成されている。With a line in the X-axis direction passing through the center of the rectangular piezoelectric plate 10 as Os, the first electrode 11 extends in a direction perpendicular to the axis Os and is formed symmetrically with respect to the axis Os. The second and third electrodes 12 and 13 extend in parallel with the electrode 11 and are spaced apart from each other in a direction perpendicular to the axis Os, and are formed at positions symmetric with respect to the axis Os.
【００１６】なお、圧電板１０として、例えば、ＰＺＴ
やチタン酸バリウムなどの圧電セラミックス板を用い、
電極１１、１２、１３および端子部１４、１５、１６
は、銀ペーストあるいは金スパッタで構成されると良
い。もちろん他の導電膜を採用することができる。As the piezoelectric plate 10, for example, PZT
And a piezoelectric ceramics plate such as barium titanate
Electrodes 11, 12, 13 and terminals 14, 15, 16
Is preferably composed of silver paste or gold sputter. Of course, other conductive films can be employed.
【００１７】外部に導出するための端子部１４、１５、
１６は圧電板１０上に設けず、電極１１、１２、１３に
それぞれ接続されて圧電板１０から離れて引き出したリ
ード線としても良い。Terminal parts 14, 15, for leading out to the outside
The lead 16 may not be provided on the piezoelectric plate 10, but may be a lead wire connected to the electrodes 11, 12, and 13, respectively, and drawn away from the piezoelectric plate 10.
【００１８】動作を説明すると、第１の電極１１と第２
および第３の電極１２および１３との間に駆動電圧（交
流）を印加すると、第１の電極１１と第２および第３の
電極１２および１３との間の圧電板の領域（電極間領
域）にＸ方向の振動が励振される。従って、軸線Osは振
動のモード軸ということができる。In operation, the first electrode 11 and the second electrode 11
When a drive voltage (alternating current) is applied between the first electrode 11 and the third electrodes 12 and 13, the area of the piezoelectric plate between the first electrode 11 and the second and third electrodes 12 and 13 (inter-electrode area) Then, vibration in the X direction is excited. Therefore, the axis Os can be said to be the mode axis of vibration.
【００１９】この状態で、圧電板１０がＺ軸の周りに回
転すると、Ｙ方向にコリオリ力による振動が発生し、こ
れにより、第２および第３の電極間に起電力が発生す
る。この起電力を検知することによって、コリオリ力に
よる振動の大きさを、したがって、回転角速度を検出す
ることができる。In this state, when the piezoelectric plate 10 rotates around the Z axis, a vibration is generated in the Y direction by a Coriolis force, thereby generating an electromotive force between the second and third electrodes. By detecting this electromotive force, it is possible to detect the magnitude of the vibration due to the Coriolis force, and thus the rotational angular velocity.
【００２０】特に、圧電板１０が、縦横（図でＸおよび
Ｙ方向）寸法Ｌ１×Ｌ２、厚みｔを有するものとし、電
極１１と電極１２および１３とは寸法Ｌ１を持つＸ方向
で対向し、その対向間距離ｄは、ｄ／ｔ＜７およびＬ１
／ｄ≧３を満足するように選ばれていると、非調和高次
モードの振動がなく、スプリアスの少ない圧電振動ジャ
イロが実現される。In particular, it is assumed that the piezoelectric plate 10 has dimensions L1 × L2 in the vertical and horizontal directions (X and Y directions in the figure) and a thickness t, and the electrode 11 and the electrodes 12 and 13 face each other in the X direction having the dimension L1. The distance d between the opposed sides is d / t <7 and L1
When / d ≧ 3 is selected, a piezoelectric vibrating gyroscope having no harmonic higher-order mode vibration and less spurious is realized.
【００２１】振動のエネルギーは圧電板１０の前記中央
部分に閉じ込められ、周辺に及ばないので、圧電板１０
の周辺部を支持体１７で支持することが容易である。支
持の位置としては、図示のように、軸線Osに関して対称
な端縁、即ち、Y軸方向の両端縁とする。これにより、
支持による圧電振動ジャイロ特性に与える影響がキャン
セルされる。Since the energy of the vibration is confined in the central portion of the piezoelectric plate 10 and does not reach the periphery, the piezoelectric plate 10
Is easily supported by the support 17. As shown in the figure, the supporting position is an edge symmetric with respect to the axis Os, that is, both ends in the Y-axis direction. This allows
The effect of the support on the piezoelectric vibrating gyroscope characteristics is canceled.
【００２２】支持体の材料としては、ゴムやエラストマ
ーなどの弾性を有する材料を用いることにより、圧電板
１０から漏れる振動を吸収し、他方、外部から圧電板１
０に伝達する振動を吸収することができる。By using an elastic material such as rubber or elastomer as a material of the support, vibrations leaking from the piezoelectric plate 10 are absorbed, and on the other hand, the piezoelectric plate 1 is externally provided.
Vibration transmitted to zero can be absorbed.
【００２３】逆に、硬い材料、例えば、ガラス、金属、
硬質プラスチックなどを用いることにより、圧電板を堅
固に固定して、漏れ振動を押え止めできる。Conversely, hard materials such as glass, metal,
By using a hard plastic or the like, the piezoelectric plate can be firmly fixed and leakage vibration can be suppressed.
【００２４】支持体１７の形状としては、この例では、
矩形棒状のブロック形状のものを用い、ブロックの側面
に設けた圧電板嵌合用スロット１７aに圧電板の端縁を
嵌合して支持している。In this example, the shape of the support 17 is as follows.
A rectangular bar-shaped block is used, and the edge of the piezoelectric plate is fitted and supported in a piezoelectric plate fitting slot 17a provided on the side surface of the block.
【００２５】図２は図１の圧電振動子１に接続される回
路構成を示すブロック図である。図２を参照をすると、
圧電振動子１の第２及び第３の電極１２及び１３には、
電流検出回路１８、１９がそれぞれ接続されている。電
流検出回路１８、１９の出力側には、差動増幅回路（差
動回路）２２が接続され、同期検波回路２３、整流回路
２４を介して、圧電振動ジャイロの検出出力が得られ
る。FIG. 2 is a block diagram showing a circuit configuration connected to the piezoelectric vibrator 1 of FIG. Referring to FIG.
The second and third electrodes 12 and 13 of the piezoelectric vibrator 1 include
Current detection circuits 18 and 19 are connected respectively. A differential amplifier circuit (differential circuit) 22 is connected to the output sides of the current detection circuits 18 and 19, and a detection output of the piezoelectric vibrating gyroscope is obtained via a synchronous detection circuit 23 and a rectification circuit 24.
【００２６】一方、電流検出回路１８、１９の出力は、
また、自励振動条件を満たす自励振動駆動用周波数を発
振するための発振回路２５に接続され、Ｘ方向振動を与
えるための駆動回路２６を介して第１の電極１１に接続
されており、自励振動ループを構成している。この自励
振動ループにより圧電振動子の厚みすベり振動の共振周
波数を自動的に追尾し、その共振周波数にほぼ等しい周
波数の交流電圧が電極１１に印加される。On the other hand, the outputs of the current detection circuits 18 and 19 are
Further, it is connected to an oscillation circuit 25 for oscillating a self-excited oscillation driving frequency satisfying the self-excited oscillation condition, and is connected to the first electrode 11 via a drive circuit 26 for giving X-direction oscillation. It constitutes a self-excited oscillation loop. The resonance frequency of the thickness shear vibration of the piezoelectric vibrator is automatically tracked by the self-excited vibration loop, and an AC voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency is applied to the electrode 11.
【００２７】図３は、図２の電流検出回路１８および１
９の構成例を示す図で、第２および第３の電極１２およ
び１３を仮想的に接地させる機能を備えるものである。
この回路では、演算増幅器３１の非反転入力端子（＋）
は基準電圧に接地されており、演算増幅器３１の出力端
子から反転入力端子に抵抗器Ｒが接続されている。反転
入力端子（−）は，演算増幅器の仮想接地機能により常
に前記の接地基準電位に保たれる。この反転端子に電流
iが流入すると、抵抗器Ｒにより電圧Voutに変換され
る。すなわち、Ｖｏｕｔ＝−ｉＲなる出力を得る。この
電流検出回路は、機能的には入カインピーダンスがほぼ
０で、入力電流に比例した出力電圧を得ることが出来る
回路である。FIG. 3 shows the current detection circuits 18 and 1 of FIG.
9 is a diagram showing a configuration example of No. 9 and has a function of virtually grounding the second and third electrodes 12 and 13.
In this circuit, the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 31
Is grounded to a reference voltage, and a resistor R is connected from the output terminal of the operational amplifier 31 to the inverting input terminal. The inverting input terminal (-) is always kept at the ground reference potential by the virtual ground function of the operational amplifier. The current is applied to this inverting terminal.
When i flows in, it is converted to a voltage Vout by the resistor R. That is, an output of Vout = −iR is obtained. This current detection circuit is a circuit capable of obtaining an output voltage proportional to the input current with a substantially zero input impedance.
【００２８】この電流検出回路を図２の電流検出回路１
８および１９に用いる際、反転入力端子（−）を第２お
よび第３の電極１２および１３に接続する。これによ
り、駆動電圧は、第１の電極１１と第２および第３の電
極１２および１３との間に加わることになり、第２およ
び第３の電極１２および１３間の起電力は、電流検出回
路１８および１９の出力間の電位差として検出できるこ
とになる。This current detecting circuit is the current detecting circuit 1 shown in FIG.
When used for 8 and 19, the inverting input terminal (-) is connected to the second and third electrodes 12 and 13. As a result, the driving voltage is applied between the first electrode 11 and the second and third electrodes 12 and 13, and the electromotive force between the second and third electrodes 12 and 13 is determined by current detection. It can be detected as a potential difference between the outputs of the circuits 18 and 19.
【００２９】次に、本発明の上記実施の形態における圧
電振動子の駆動原理を、図面を参照して具体的に説明す
る。Next, the driving principle of the piezoelectric vibrator in the above embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
【００３０】図４（ａ）及び（ｂ）は、図１および図２
に示したエネルギー閉じ込め型振動子の基本構造をそれ
ぞれ示す平面図及び電極部分のみを示す断面図である。
図４（ａ）及び（ｂ）を参照すると、厚さ方向（Ｚ軸方
向）に分極された圧電板１０の中央部の同一面上に、Ｘ
軸方向に間隔を持って対向するスリット状の電極Ｄ１お
よびＤ２が形成されている。なお、Ｔ１およびＴ２は端
子部である。FIGS. 4 (a) and 4 (b) correspond to FIGS.
FIG. 2 is a plan view showing a basic structure of the energy trap type vibrator shown in FIG.
Referring to FIGS. 4A and 4B, X is placed on the same plane at the center of the piezoelectric plate 10 polarized in the thickness direction (Z-axis direction).
Slit-shaped electrodes D1 and D2 facing each other with an interval in the axial direction are formed. T1 and T2 are terminal portions.
【００３１】端子部Ｔ１およびＴ２間に電圧を印加する
と、対向する電極Ｄ１およびＤ２の間の圧電板１０の領
域（電極間領域）には、ほぼ板の面に平行な方向（Ｘ方
向）の電界が印加されるため、この電界と直交する厚さ
方向（Ｚ軸方向）の分極との相互作用により、電極間領
域にはＸ方向にひずみが生ずることになる。電極Ｄ１、
Ｄ２の寸法を圧電板１０の特性に合わせて設計し、印加
電圧を電極間領域の共振周波数に合った周波数の交流電
圧とすると、電極間領域に厚みすべり振動を励起するこ
とができる。その振動は電極間領域の周囲には減衰して
伝搬せずに閉じ込められる。すなわちエネルギー閉じ込
め振動子を構成することができる。When a voltage is applied between the terminal portions T1 and T2, a region (inter-electrode region) of the piezoelectric plate 10 between the opposing electrodes D1 and D2 is substantially parallel to the plate surface (X direction). Since an electric field is applied, an interaction between the electric field and polarization in a thickness direction (Z-axis direction) orthogonal to the electric field causes a strain in the inter-electrode region in the X direction. Electrode D1,
If the dimension of D2 is designed according to the characteristics of the piezoelectric plate 10 and the applied voltage is an AC voltage having a frequency matching the resonance frequency of the inter-electrode region, thickness shear vibration can be excited in the inter-electrode region. The vibration is attenuated around the inter-electrode region and confined without propagating. That is, an energy trapping oscillator can be configured.
【００３２】この振動は、圧電板の面に平行な電界によ
って生ずる厚みすべり振動であるので、平行電界励振型
厚みすべり振動と呼ばれる。なお、厚みすべり振動と
は、圧電板の変位の方向が板面に平行で、波の伝搬方向
が板の厚さ方向の振動である。この振動の様子を図解す
るために、図５に半波長で共振している場合の厚さ方向
（Ｚ軸方向）の変位分布を示す。Since this vibration is a thickness shear vibration generated by an electric field parallel to the surface of the piezoelectric plate, it is called a parallel electric field excitation type thickness shear vibration. Note that the thickness shear vibration is vibration in which the direction of displacement of the piezoelectric plate is parallel to the plate surface and the direction of wave propagation is the thickness direction of the plate. In order to illustrate the state of this vibration, FIG. 5 shows a displacement distribution in the thickness direction (Z-axis direction) when resonating at a half wavelength.
【００３３】図１および図２の振動子は、上の基本構造
を利用したものである。すなわち、第１の電極１１がＤ
１電極であり、これと対向する、第２の電極１２および
第３の電極１３がＤ２電極である。Ｄ２電極は、検出電
極を構成するために２分割され第２の電極１２および第
３の電極１３を構成し、それぞれ仮想接地機能を備える
電流検出回路１８および１９に接続している。これによ
り、第２の電極１２および第３の電極１３は、仮想的に
基準電位に保たれているから、電位的には接地端子とみ
なすことができる。The vibrator shown in FIGS. 1 and 2 utilizes the above basic structure. That is, the first electrode 11
The second electrode 12 and the third electrode 13 which are one electrode and oppose this are D2 electrodes. The D2 electrode is divided into two to form a detection electrode and forms a second electrode 12 and a third electrode 13, which are respectively connected to current detection circuits 18 and 19 having a virtual ground function. Thus, the second electrode 12 and the third electrode 13 are virtually maintained at the reference potential, and thus can be regarded as a ground terminal in terms of potential.
【００３４】従って、第１の電極１１に前記圧電板の厚
みすベり振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の
励振用の駆動電圧を印加すると、図４の振動子と同様
に、第１、第２、および第３の電極１１、１２および１
３によって囲まれる領域（電極間領域）に、第１の電極
１１の中心と、第２および第３の電極１２および１３の
中心を結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向（Ｘ方向）のエ
ネルギー閉じ込め振動モードの厚みすベり振動が発生す
る。Accordingly, when an excitation drive voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the thickness-shear vibration mode of the piezoelectric plate is applied to the first electrode 11, the first and second electrodes 11 and 12 are driven similarly to the vibrator of FIG. Second and third electrodes 11, 12 and 1
The energy in the direction (X direction) of the straight line connecting the center of the first electrode 11 and the midpoint of the straight line connecting the centers of the second and third electrodes 12 and 13 is provided in a region surrounded by 3 (inter-electrode region). Thickness shear vibration in the confinement vibration mode occurs.
【００３５】この状態で、前記圧電板１０をその主面と
直交する軸の回りに回転させると、コリオリ力の作用に
より、前記励振されている厚みすベり振動の方向と直角
な方向（Ｙ方向）の厚みすベり振動が発生する。In this state, when the piezoelectric plate 10 is rotated around an axis perpendicular to the main surface thereof, the direction (Y) perpendicular to the direction of the excited thickness shear vibration is generated by the action of Coriolis force. Direction), thickness shear vibration occurs.
【００３６】このコリオリ力により発生した厚みすベり
振動により、第１の電極１１と第２の電極１２の間、お
よび第１の電極１１と第３の電極１３との間のインピー
ダンスが変化し、その結果として、前記電流検出回路１
８及び１９に流れ込む電流値が変化する。The thickness shear vibration generated by the Coriolis force changes the impedance between the first electrode 11 and the second electrode 12 and between the first electrode 11 and the third electrode 13. As a result, the current detection circuit 1
The current values flowing into 8 and 19 change.
【００３７】第２の電極１２と第３の電極１３は前述し
たように、励振されている厚みすベり振動の方向（Ｘ方
向）に対して対称に配置されているため、電流検出回路
１８、１９に流れ込むコリオリ力による振動によって変
化する電流は、振幅が等しく、互いに１８０度位相の異
なった電流となる。従って、電流検出回路１８および１
９の出力電圧も、互いに１８０度位相の異なった電圧と
なり、これらの出力電圧の差を差動回路２２により差電
圧として検出し、同期検波回路２３によってこの電圧を
所定のタイミングで同期検波し、整流回路２４で整流す
ることにより、印加した回転角速度に比例した直流の出
力電圧を検出出力として得ることが出来る。As described above, since the second electrode 12 and the third electrode 13 are arranged symmetrically with respect to the direction of the excited thickness shear vibration (X direction), the current detection circuit 18 , 19, which flow due to the vibration caused by the Coriolis force, have the same amplitude and are 180 degrees out of phase with each other. Therefore, the current detection circuits 18 and 1
9 also have voltages 180 degrees out of phase with each other, the difference between these output voltages is detected as a difference voltage by the differential circuit 22, and the voltage is synchronously detected at a predetermined timing by the synchronous detection circuit 23. By performing rectification by the rectifier circuit 24, a DC output voltage proportional to the applied rotational angular velocity can be obtained as a detection output.
【００３８】ここで、検出電極として使用する第２およ
び第３の電極１２および１３は、振動のモード軸である
軸線Osと対称の位置に設けられ、両電極から得られる電
圧の差を検出しているから、支持位置を軸線Osに対称の
位置とすることは、支持による圧電ジャイロ特性への影
響をキャンセルできることになる。Here, the second and third electrodes 12 and 13 used as detection electrodes are provided at positions symmetrical to the axis Os, which is the mode axis of vibration, and detect the difference between the voltages obtained from both electrodes. Therefore, setting the support position symmetrical with respect to the axis Os can cancel the influence of the support on the piezoelectric gyro characteristics.
【００３９】図１の実施例では、支持体１７として矩形
のブロックを用いたものを示したが、他の形態とするこ
とができ、また、硬い材料から成る素子と弾性を有する
素子との組み合わせ構造とすることもできる。In the embodiment shown in FIG. 1, a rectangular block is used as the support member 17. However, the support member 17 may be formed in other forms, and a combination of an element made of a hard material and an element having elasticity may be used. It can also be structured.
【００４０】図６は、圧電振動子１の電極１１、１２、
１３を有する主面とは反対の裏面に、硬い材料、例え
ば、硬質プラスチックから成るロ字形の枠１７１を接着
し、この枠の四隅にゴムから成る脚１７２を取り付けた
ものである。この構造では、支持体は硬い枠と弾性の脚
１７２で構成される。FIG. 6 shows the electrodes 11 and 12 of the piezoelectric vibrator 1.
A rectangular frame 171 made of a hard material, for example, hard plastic, is adhered to the back surface opposite to the main surface having the frame 13, and rubber legs 172 are attached to the four corners of the frame. In this configuration, the support comprises a rigid frame and elastic legs 172.
【００４１】図７の例は、圧電振動子１は、円板状の圧
電板１０'を用い、その上に電極１１、１２、１３を、
円の一直径方向の軸線Osに関して、図１に関して説明し
たものと同様の関係位置に設けて構成されている。圧電
板１０'の裏面で、軸線Osに対称な２位置に、特に、軸
線Osに直交する他の直径線上の位置に、ゴムから成る短
軸円柱形状の脚１７'を取り付けて、振動子１を弾性的
に支持している。In the example of FIG. 7, the piezoelectric vibrator 1 uses a disk-shaped piezoelectric plate 10 ', on which electrodes 11, 12, and 13 are placed.
The axis Os in one diameter direction of the circle is provided at the same relational position as that described with reference to FIG. At two positions symmetrical to the axis Os on the back surface of the piezoelectric plate 10 ′, in particular, at a position on another diameter line orthogonal to the axis Os, legs 17 ′ made of rubber and having a short axis cylindrical shape are attached to the vibrator 1. Are elastically supported.
【００４２】本発明に用いる圧電板が「厚み方向の分極
を有する」とは、厚み方向にのみ分極されているものに
限定するものではなく、厚み方向の分極成分を有するも
のも含むものとする。もちろん厚み方向の分極成分が大
きい方が良いので、厚み方向のみに分極されているもの
が最も有利である。The phrase "the piezoelectric plate used in the present invention has polarization in the thickness direction" is not limited to the one polarized only in the thickness direction, but includes those having a polarization component in the thickness direction. Of course, the larger the polarization component in the thickness direction, the better. Therefore, the one polarized only in the thickness direction is most advantageous.
【００４３】圧電板１０として圧電セラミックスを用い
た場合には、公知のように分極処理を必要とするが、分
極領域は、圧電板の全体に亘っても良いし、振動を閉じ
込める領域のみに限っても良い。When a piezoelectric ceramic is used as the piezoelectric plate 10, a polarization process is required as is well known. However, the polarization region may be over the entire piezoelectric plate, or may be limited to only a region for confining vibration. May be.
【００４４】圧電板１０として、圧電結晶板（例えば水
晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴＯ３等）を用いることができ
る。その場合、厚み方向の分極軸を持たせるために、Ｚ
カットの板が最も好ましいが、回転Ｙカットの板を用い
ることもできる。As the piezoelectric plate 10, a piezoelectric crystal plate (for example, quartz, LiNbO3, LiTO3, etc.) can be used. In that case, in order to have a polarization axis in the thickness direction, Z
Although a cut plate is most preferred, a rotational Y-cut plate can also be used.
【００４５】[0045]
【発明の効果】本発明によれば、圧電板の厚み方向に分
極を有する領域の主面上に駆動／検出用の平行電極を形
成して該平行電極間にエネルギー閉じ込め厚みすベり振
動を励振し、該圧電板に厚み方向を回転軸とした回転が
加わったときに生じるコリオリ力による振動に対応した
起電力を検知して回転角速度を検出する圧電振動ジャイ
ロスコープにおいて、前記平行電極同士を、前記圧電板
の中心を通る軸線の方向において互いに間隔をおき、且
つそれぞれ該軸線に関して対称に形成し、これにより、
前記エネルギー閉じ込め厚みすベり振動のモード軸を該
軸線と一致させ、前記圧電板の周辺部で前記軸線に関し
て対称な部分を支持体で固定支持したことにより、圧電
振動子からの振動の漏れを防止することができると共
に、外部振動による影響を阻止することができる。According to the present invention, drive / detection parallel electrodes are formed on the main surface of a region having polarization in the thickness direction of the piezoelectric plate, and energy-trapping thickness shear vibration is confined between the parallel electrodes. In a piezoelectric vibrating gyroscope that excites and detects an electromotive force corresponding to vibration caused by Coriolis force generated when a rotation with a thickness direction as a rotation axis is applied to the piezoelectric plate and detects a rotational angular velocity, the parallel electrodes are separated from each other. Are spaced from one another in the direction of an axis passing through the center of the piezoelectric plate, and are each formed symmetrically with respect to the axis, whereby
The mode axis of the energy confinement thickness shear vibration is made coincident with the axis, and a portion symmetrical with respect to the axis at the peripheral portion of the piezoelectric plate is fixed and supported by a support, thereby preventing vibration leakage from the piezoelectric vibrator. It is possible to prevent the influence of external vibrations.
【００４６】また、本発明によれば、電板の主面上に平
行に配置した１対のスリット状電極のみを用いて駆動を
行い、該一対の電極の内の一方の電極を２分割して検出
電極として検出を行うので、駆動電界が検出電極の存在
によって悪影響を受けず、Ｘ方向振動を励振するための
電界を保ったままＹ方向振動を検出することができ、小
型、構造が簡単、高精度、高感度の振動ジャイロを得る
ことができる。Further, according to the present invention, driving is performed using only a pair of slit-like electrodes arranged in parallel on the main surface of the electric plate, and one of the pair of electrodes is divided into two. Since the detection is performed as a detection electrode, the drive electric field is not adversely affected by the presence of the detection electrode, and the Y-direction vibration can be detected while maintaining the electric field for exciting the X-direction vibration. A high-precision, high-sensitivity vibration gyro can be obtained.
【図１】本発明の実施の形態による圧電振動子の構成を
示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention.
【図２】圧電振動子を用いたジャイロの回路構成を示す
ブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a circuit configuration of a gyro using a piezoelectric vibrator.
【図３】図２の回路で用いる電流検出回路の一例を示す
回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a current detection circuit used in the circuit of FIG. 2;
【図４】図１および図２の圧電振動子に採用した振動子
基本構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は、電極
の端子部を除いた側面図である。4A and 4B are diagrams showing a basic structure of a vibrator employed in the piezoelectric vibrator of FIGS. 1 and 2, wherein FIG. 4A is a plan view and FIG.
【図５】図４の基本構造の振動子の厚みすべり振動にお
ける厚み方向の変位分布を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a displacement distribution in a thickness direction in thickness shear vibration of the oscillator having the basic structure of FIG. 4;
【図６】本発明の他の実施の形態を示す図で、(a)は、
上面斜視図、（b）は裏面斜視図である。FIG. 6 is a diagram showing another embodiment of the present invention, wherein (a)
FIG. 4B is a top perspective view, and FIG.
【図７】本発明の更に他の実施の形態を示す図で、(a)
は、平面図、（b）は側面図である。FIG. 7 is a view showing still another embodiment of the present invention, in which (a)
Is a plan view, and (b) is a side view.
１、 圧電振動子 １０、１０' 圧電板 １１ 第１の電極 １２ 第２の電極 １３ 第３の電極 １４、１５、１６ 端子部 １７ 支持体 １７１ 枠（固定素子） １７２、１７' 脚 １８、１９ 電流検出回路 ２２ 差動回路 ２３ 同期検波回路 ２４ 整流回路 ２５ 発振回路 ２６ 駆動回路 ３１ 演算増幅器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, Piezoelectric vibrator 10, 10 'Piezoelectric plate 11 1st electrode 12 2nd electrode 13 3rd electrode 14, 15, 16 Terminal part 17 Supporter 171 Frame (fixed element) 172, 17' Leg 18, 19 Current detection circuit 22 Differential circuit 23 Synchronous detection circuit 24 Rectifier circuit 25 Oscillator circuit 26 Drive circuit 31 Operational amplifier
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 哲男 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 Ｆターム(参考） 2F105 AA02 AA08 BB03 BB11 BB14 CC04 CC20 CD02 CD06 CD11 CD13 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Tetsuo Yoshida 7-1 Koriyama 6-chome, Taishiro-ku, Sendai-shi, Miyagi F-term (reference) 2F105 AA02 AA08 BB03 BB11 BB14 CC04 CC20 CD02 CD06 CD11 CD13
Claims (5)
主面上に駆動／検出用の平行電極を形成して該平行電極
間にエネルギー閉じ込め厚みすベり振動を励振し、該圧
電板に厚み方向を回転軸とした回転が加わったときに生
じるコリオリ力による振動に対応した起電力を検知して
回転角速度を検出する圧電振動ジャイロスコープにおい
て、前記平行電極同士は、前記圧電板の中心を通る軸線
の方向において互いに間隔を有し、且つそれぞれ該軸線
に関して対称に形成され、これにより、前記エネルギー
閉じ込め厚みすベり振動のモード軸を該軸線と一致さ
せ、前記圧電板の周辺部で前記軸線に関して対称な部分
を支持体で固定支持したことを特徴とするエネルギー閉
じ込め型圧電振動ジャイロスコープ。1. A driving / detecting parallel electrode is formed on a main surface of a region having a polarization in a thickness direction of a piezoelectric plate to excite energy-confined thickness shear vibration between the parallel electrodes, and In a piezoelectric vibrating gyroscope that detects an electromotive force corresponding to vibration caused by Coriolis force generated when rotation with a thickness direction as a rotation axis is applied to the gyroscope, the parallel electrodes are located at the center of the piezoelectric plate. Are spaced from each other in the direction of the axis passing therethrough, and are each formed symmetrically with respect to the axis, whereby the mode axis of the energy-trapped thickness-shear vibration coincides with the axis, and the periphery of the piezoelectric plate An energy-trap type piezoelectric vibrating gyroscope, wherein a portion symmetrical with respect to the axis is fixedly supported by a support.
圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記支持体が振動
を吸収する弾力性ある材料で構成されていることを特徴
とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコー
プ。2. The energy trap type piezoelectric vibratory gyroscope according to claim 1, wherein said support is made of a resilient material that absorbs vibration.
圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記支持体が硬い
材料で構成されていることを特徴とするエネルギー閉じ
込め型圧電振動ジャイロスコープ。3. The energy trap type piezoelectric vibratory gyroscope according to claim 1, wherein the support is made of a hard material.
圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記支持体が、前
記圧電板に直接強固に固定された硬い材料から成る固定
素子と、該固定素子に取り付けられて振動を吸収する弾
力性ある材料からなる弾性支持素子とで構成されている
ことを特徴とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイ
ロスコープ。4. The energy trapping type piezoelectric vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the support is a fixing element made of a hard material directly and firmly fixed to the piezoelectric plate, and is attached to the fixing element. An energy-trap type piezoelectric vibration gyroscope, comprising: an elastic support element made of an elastic material that absorbs vibration.
エネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコープにおい
て、前記平行電極の一方は、前記主面上で前記軸線の方
向に所定間隔だけ離れた二位置の内、一方の位置に前記
軸線の方向と直角の方向に延在したストリップ状の第１
の電極として形成され、他方の電極は、他方の位置に前
記第１のストリップ状の電極とほぼ平行な方向に互いに
間隔をおいて延在したストリップ状の第２および第３の
電極として形成されており、前記第１の電極と前記第２
及び第３の電極とを前記駆動用の平行電極として励振用
の駆動電圧を印加し、前記コリオリ力による振動に対応
した起電力を前記第２及び第３の電極から電圧として検
知するようにしたことを特徴とするエネルギー閉じ込め
型圧電振動ジャイロスコープ。5. The energy trapping type piezoelectric vibrating gyroscope according to claim 1, wherein one of the parallel electrodes is separated from the main surface by a predetermined distance in a direction of the axis. A first strip-like shape extending in a direction perpendicular to the direction of the axis at one of the positions;
And the other electrode is formed at the other position as strip-shaped second and third electrodes extending at a distance from each other in a direction substantially parallel to the first strip-shaped electrode. The first electrode and the second electrode
And a third electrode are used as the driving parallel electrodes to apply a driving voltage for excitation, and an electromotive force corresponding to the vibration caused by the Coriolis force is detected as a voltage from the second and third electrodes. An energy trap type piezoelectric vibratory gyroscope characterized by the above.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28929399A JP2001108443A (en) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | Energy enclosure type piezoelectric vibration gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28929399A JP2001108443A (en) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | Energy enclosure type piezoelectric vibration gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001108443A true JP2001108443A (en) | 2001-04-20 |
Family
ID=17741316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28929399A Withdrawn JP2001108443A (en) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | Energy enclosure type piezoelectric vibration gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001108443A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005331258A (en) * | 2004-05-18 | 2005-12-02 | Denso Corp | Vibration angular-velocity sensor |
-
1999
- 1999-10-12 JP JP28929399A patent/JP2001108443A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005331258A (en) * | 2004-05-18 | 2005-12-02 | Denso Corp | Vibration angular-velocity sensor |
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