JP3690449B2

JP3690449B2 - Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro

Info

Publication number: JP3690449B2
Application number: JP24425597A
Authority: JP
Inventors: 紀子宮崎; 康村上
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH1183493A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車のナビゲーションシステムやカメラ一体型ＶＴＲカメラの手振れ補正機構等に用いられるジャイロスコープに属される超音波振動を利用した振動ジャイロ用圧電振動子であって、詳しくは振動モードとして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用圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧電振動ジャイロスコープ（ここでは、単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圧電振動子がその振動方向に直角な方向の軸のまわりに回転した際、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ようになっている。
【０００３】
このような圧電振動ジャイロとして、最近では圧電振動子の振動モードとして、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を利用した圧電振動ジャイロ（以下、エネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロと呼ぶ）が開発されている。このエネルギー閉じ込め型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ため、圧電振動子の支持構造を簡単にして容易にでき、遊離しているリード線が不要となる等の利点がある上、耐振動特性及び耐衝撃性にも優れている。
【０００４】
例えば、特開昭６２−１６２９１５号公報に開示されたエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロでは、圧電振動子の振動エネルギーを局部に閉じ込めるために、圧電振動子の厚みを局部的に厚く形成し、その厚目の部分を厚み方向に分極し、厚い局部の対向端面の一方の面に駆動電極，他方の面に検出電極を設けている。尚、その他の例としては、駆動電極及び検出電極を圧電板の一面に設け、駆動電極間に検出電極として交差指電極を設けた構成のものが挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した既存のエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロ用圧電振動子の場合、圧電板の厚みを局部的に厚くする必要があったり、或いは交差指電極を形成しなければならないという要件があるため、製造が困難になっている。
【０００６】
又、圧電板において一対の駆動電極と一対の検出電極とが互いに近傍に設けられた構成の場合、駆動電極から圧電板内に印加した駆動電界が検出電極に影響され、駆動電界方向が変化して高い精度が得られなくなってしまうという欠点もある。
【０００７】
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、小型で構造及び製造が簡単であり、エネルギー閉じ込め振動の集中度が高くて優れたジャイロ特性を有するエネルギー閉じ込め振動型圧電振動ジャイロ用圧電振動子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板の少なくとも一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた駆動用及び検出用を含む複数の電極が形成されると共に、平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を利用した振動ジャイロ用圧電振動子において、圧電板は、円形を含む楕円形又は６角以上の多角形による略円形である圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【０００９】
又、本発明によれば、上記圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、圧電板の主面における中央部近傍の複数の電極の局部によって囲まれた平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を生じさせるための振動領域のみを円形状を含む楕円形状又は６角以上の多角形状による略円形状に分極した圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の圧電振動ジャイロ用圧電振動子について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子１の基本構成を示したもので、同図（ａ）はその平面図に関するもの，同図（ｂ）はその一方向からの側面図に関するものである。
【００１２】
この圧電振動子１は、後述する平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を利用するもので、厚さ方向に分極軸成分を有する円形の圧電板１０の一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた駆動用及び検出用を含む複数（ここでは３つ）の電極１１，１２，１３が形成されている。
【００１３】
又、この圧電振動子１では、円形の圧電板１０の主面における中央部近傍の電極１１，１２，１３の局部（即ち、ここでは電極１１，１２，１３のそれぞれにおける端子部１１ａ，１２ａ，１３ａを示す）によって囲まれた平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を生じさせるための振動領域Ｅのみを円形状に分極している。
【００１４】
具体的に云えば、円形の圧電板１０は、例えばＰＺＴやチタン酸バリウム等の圧電セラミックス板から成り、図１に破線で示されるように、中央部の円形状の振動領域Ｅのみが厚さ方向に分極軸成分を有している。この圧電板１０の一方の主面における中央部には、ストリップ状で同じ大きさの３つの電極１１，１２，１３が正三角形の各頂点で垂直二等分線を軸に線対称となるような位置に形成され、これらの電極にはそれぞれ外部に導出するための端子部１１ａ，１２ａ，１３ａが接続されている。
【００１５】
ここで、圧電板１０に設けられる電極１１，１２，１３及び端子部１１ａ，１２ａ，１３ａは、蒸着やスパッタリングで例えばＮｉ−Ｃｕ−Ａｇ多層膜を成膜して形成するのが適しているが、これ以外にも銀ペースト等を印刷して形成することも可能である。又、外部への導出を行うための端子部１１ａ，１２ａ，１３ａは圧電振動子１上（圧電板１０面上）に設けず、これに代えてリード線を接続するようにしても良い。
【００１６】
即ち、この圧電振動子１の場合、圧電板１０において３つの電極１１，１２，１３で囲まれるほぼ円形の領域だけが振動領域Ｅとして圧電板１０の厚さ方向に分極されているが、このように電極１１，１２，１３で囲まれるほぼ円形の振動領域Ｅだけを分極した場合、分極されている振動領域Ｅと分極されていない領域との圧電的特性が変化するため、エネルギー閉じ込めの状態（集中度）が良好になる。
【００１７】
図２は図１に示す圧電振動子１を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の構成を示したブロック図である。この電気回路では、圧電振動子１における電極１２，１３にそれぞれ電流検出回路１８，１９が接続され、これらの電流検出回路１８，１９の出力側には差動回路２２が接続され、更に差動回路２２に接続された同期検波回路２３及びこの同期検波回路２３に接続された整流回路２４を介してセンサ出力が得られるようになっている。
【００１８】
一方、電流検出回路１８，１９はそれぞれ自励発振条件を満たすための発振回路２５に接続され、この発振回路２５及び電極１１にＸ軸方向振動用の駆動回路２６が接続されることにより、自励発振回路を構成している。この自励発振回路によって、圧電振動子１の厚み滑り振動の共振周波数にほぼ等しい周波数の交流駆動電圧が電極１１に印加される。
【００１９】
図３は、電流検出回路１８，１９の細部構成を例示した回路図である。ここでは、演算増幅器２７の正極側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２７の出力端子と負極側の反転入力端子との間に抵抗器Ｒが接続されており、演算増幅器２７の仮想接地機能により反転入力端子が常に基準電位に保たれるようになっている。
【００２０】
この反転入力端子に入力電流ｉを流入すると、抵抗器Ｒにより電圧に変換されるため、演算増幅器２７では入力電流ｉに比例した出力電圧Ｖ_OUTとして、Ｖ_OUT＝−ｉ・Ｒを得ることができる。従って、電流検出回路１８，１９の出力電圧Ｖ_OUTは−ｉ・Ｒとして得られる。
【００２１】
このような圧電振動子１及び電気回路を備える圧電振動ジャイロでは、電極１１と電極１２，１３との間に駆動交流電圧を印加すると、Ｘ方向の振動が励振され、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、これによって電極１２，１３間に起電力が発生する。従って、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から回転角速度を検知することができる。
【００２２】
尚、上述した一実施例では圧電板１０を円形としたが、圧電板１０の形状は例えば楕円形や６角以上の多角形であっても良い。そこで、円形を含む楕円形又は６角以上の多角形を略円形と表現すれば、円形の圧電板１０の形状がその他の略円形である場合、その振動領域のみをその他の略円形状（楕円形状や６角以上の多角形状を示す）に分極すれば良い。
【００２３】
図４は、図１に示した圧電振動子１に採用される平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を説明するために構造を簡易化した圧電振動子１´の基本構成を示したもので、同図（ａ）はその平面図に関するもの，同図（ｂ）その一方向における側面図に関するものである。
【００２４】
この圧電振動子１´では、矩形（長方形）の圧電板１０´が用いられている。圧電板１０´は、厚さ方向（Ｚ軸方向）に分極されており、中央部の同一面上にＸ軸方向に所定の間隔を有して対向するストリップ状の電極Ｄ１，Ｄ２が形成されている。ここで、対向する電極Ｄ１，Ｄ２のそれぞれの端子部Ｔ１，Ｔ２の間に電圧を印加すると、電極Ｄ１，Ｄ２の間の圧電板１０´の局部領域（電極間領域）には、ほぼ板面に平行な方向（Ｘ軸方向）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方向に歪みが生じることになる。
【００２５】
そこで、電極Ｄ１，Ｄ２の寸法を圧電板１０´の特性に合わせて適当に設計すると、この歪み部分に厚み滑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辺には減衰して伝搬せずに閉じ込められるため、結果としてエネルギー閉じ込め振動子を成すことができる。又、この厚み滑り振動は、変位方向が板面に平行で波の伝搬方向が板厚方向の振動であるが、ここでは圧電板１０´の板面に平行な電界によって生じるため、平行電界励振型厚み滑り振動とみなすことができる。
【００２６】
図５は、圧電板１０´の厚み滑り振動の変位分布を示したものである。一般に圧電板の場合、厚み滑り振動の変位分布は励振部分から端面に向かうに従って指数関数的に減衰するが、圧電板が有限であれば、端面において変位が０とはならない。このため、漏れによって種々の副振動が生じる。
【００２７】
図７は、副振動の発生を説明するために圧電板内における電気力線の分布を示したものである。ここでは、圧電板の分極方向が白抜き矢印の方向で示される場合、電極間の矢印の方向で示される電気力線の分布による電界が完全に板面に平行ではなく、厚み方向（分極方向）成分を持つ部分があり、これにより輪郭振動（副振動）が生じる。
【００２８】
矩形の圧電板１０´の場合には副振動が相殺されないため、インピーダンス特性にスプリアスが多く現われる。しかし、円形の圧電板１０の場合、副振動が相殺されるため、厚み滑り振動の変位分布は無限遠に近似されたもの、つまり漏れの影響の無い振動子を形成することができる。
【００２９】
図６は、異なる形状の圧電板の厚み滑り振動のインピーダンス特性を比較して示したもので、同図（ａ）は矩形の圧電板１０´に関するもの，同図（ｂ）は略円形（１６角形）の圧電板に関するものである。ここでは、周波数ｆ（ｋＨｚ）に対するインピーダンスＺの絶対値（ｋΩ）に関して、矩形の圧電板１０´の場合には主振動以外にも副振動のものがかなり大きく現われているが、略円形（１６角形）の圧電板の場合には主振動を残して副振動のみが抑制されていることを示している。
【００３０】
図８は、異なる形状の圧電板の両面に電極を設けた場合の厚み滑り振動のインピーダンス特性を比較して示したもので、同図（ａ）は矩形の圧電板に関するもの，同図（ｂ）は円形の圧電板に関するものである。但し、ここではインピーダンス特性の測定に際して、図９に示されるように、圧電板の上下面に電極を設けてリード端子を接続し、各電極間での測定を行う。
【００３１】
図８（ａ）及び（ｂ）からは、周波数ｆに対するインピーダンスＺの絶対値に関して、矩形の圧電板の場合には低周波側の輪郭振動領域Ｅ１において輪郭振動にスプリアスが乗っているが、円形の圧電板の場合には綺麗な単振動となっており、スプリアスが図７に示した電界の厚み方向成分における輪郭振動の要因によるものであることが判る。又、図８（ａ）及び（ｂ）からは、厚み振動領域Ｅ２において厚み振動が矩形の圧電板の場合には安定しないが、円形の圧電板の場合には安定して現われていることが判る。
【００３２】
因みに、圧電振動ジャイロを構成する場合、圧電板の面内で互いに直交する二つの方向の振動特性を等しくすることが要求されるため、分極領域の形状を少なくとも１軸対称な形状とすることが望ましく、圧電板の形状としては図１に示したような円形が最も適している。
【００３３】
【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圧電振動子によれば、圧電板の形状を略円形としてその中央近傍の電極の局部によって囲まれる領域のみを略円形状に分極するようにしているため、エネルギー閉じ込め振動の集中度を高めることができ、振動漏れに起因する輪郭振動等の副振動が無く、単一振動が励振される対称性に優れた高精度なものとなる。結果として、小型で構造及び製造が簡単であり、静止時の出力のばらつきが極めて抑制された優れたジャイロ特性を有するエネルギー閉じ込め振動型圧電振動ジャイロが得られるようになる。
【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用圧電振動子の基本構成を示したもので、（ａ）はその平面図に関するもの，（ｂ）はその一方向からの側面図に関するものである。
【図２】図１に示す圧電振動ジャイロ用圧電振動子を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の構成を示したブロック図である。
【図３】図２に示す電気系回路で用いられる電流検出回路の細部構成を例示した回路図である。
【図４】図１に示す圧電振動ジャイロ用圧電振動子に採用される平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を説明するために構造を簡易化した圧電振動子の基本構成を示したもので、（ａ）はその平面図に関するもの，（ｂ）その一方向における側面図に関するものである。
【図５】図４に示した圧電板の厚み滑り振動の変位分布を示したものである。
【図６】異なる形状の圧電板圧電板の厚み滑り振動のインピーダンス特性を比較して示したもので、（ａ）は矩形の圧電板に関するもの，（ｂ）は略円形（１６角形）の圧電板１０に関するものである。
【図７】副振動の発生を説明するために圧電板内における電気力線の分布を示したものである。
【図８】異なる形状の圧電板の両面に電極を設けた場合の厚み滑り振動のインピーダンス特性を比較して示したもので、（ａ）は矩形の圧電板に関するもの，（ｂ）は円形の圧電板に関するものである。
【図９】図８（ａ）及び（ｂ）のインピーダンス特性の測定を行う場合の圧電板の上下面に電極を設けてリード端子を接続した様子を示した側面図である。
【符号の説明】
１，１´ 圧電振動子
１０，１０´ 圧電板
１１，１２，１３電極
１１ａ，１２ａ，１３ａ端子部
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
２７演算増幅器
Ｅ振動領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric vibrator for a vibration gyro that uses ultrasonic vibration belonging to a gyroscope mainly used in an automobile navigation system, a camera shake correction mechanism of a camera-integrated VTR camera, and the like. The present invention relates to a piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro using a confinement vibration mode.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of piezoelectric vibratory gyroscope (herein simply referred to as a piezoelectric vibratory gyroscope) has an axis in a direction perpendicular to the vibration direction of the piezoelectric vibrator while the piezoelectric vibrator is excited in a certain direction. When rotating around, the rotational angular velocity is detected by detecting the Coriolis force generated in the excitation direction and the direction perpendicular to the rotation axis.
[0003]
As such a piezoelectric vibration gyro, recently, as a vibration mode of a piezoelectric vibrator, a piezoelectric vibration gyro using an energy confinement vibration mode in which vibration energy is concentrated near the drive electrode (hereinafter referred to as an energy confinement type piezoelectric vibration gyro). Has been developed). In this energy confinement type piezoelectric vibration gyro, the vibration energy is concentrated on the local part of the piezoelectric vibrator, so that the support structure of the piezoelectric vibrator can be simplified and made easy, and there is no need for a free lead wire. In addition to its advantages, it has excellent vibration resistance and impact resistance.
[0004]
For example, in the energy confinement type piezoelectric vibration gyro disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-162915, in order to confine the vibration energy of the piezoelectric vibrator locally, the thickness of the piezoelectric vibrator is locally increased, The eye portion is polarized in the thickness direction, and a drive electrode is provided on one surface of the opposed end surface of the thick local portion, and a detection electrode is provided on the other surface. As another example, there is a configuration in which a drive electrode and a detection electrode are provided on one surface of a piezoelectric plate and a cross finger electrode is provided as a detection electrode between the drive electrodes.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the piezoelectric vibrator for the existing energy confinement type piezoelectric vibration gyro described above, it is necessary to locally increase the thickness of the piezoelectric plate or to form a cross finger electrode. It has become difficult.
[0006]
In addition, when the piezoelectric plate has a configuration in which a pair of drive electrodes and a pair of detection electrodes are provided in the vicinity of each other, the drive electric field applied from the drive electrodes into the piezoelectric plate is affected by the detection electrodes, and the drive electric field direction changes. In addition, there is a disadvantage that high accuracy cannot be obtained.
[0007]
The present invention has been made to solve such problems, and its technical problem is that it is small in size, simple in structure and manufacture, has a high concentration of energy confinement vibrations, and has excellent gyro characteristics. An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator for a confinement vibration type piezoelectric vibration gyro.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a plurality of electrodes including driving and detection electrodes extending from the outside toward the vicinity of the central portion are formed on at least one main surface of the piezoelectric plate having a polarization axis component in the thickness direction, In the piezoelectric vibrator for vibrating gyroscope using the parallel electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration, the piezoelectric plate is obtained as a piezoelectric vibrator for piezoelectric vibrating gyroscope having an elliptical shape including a circular shape or a substantially circular shape with six or more polygons. It is done.
[0009]
According to the present invention, in the piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro, the parallel electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration surrounded by the local portions of the plurality of electrodes in the vicinity of the central portion of the main surface of the piezoelectric plate is generated. A piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro in which only the vibration region is polarized into an elliptical shape including a circular shape or a substantially circular shape having a polygonal shape of six or more corners is obtained.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 shows a basic configuration of a piezoelectric vibrator 1 for a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) relates to a plan view thereof, and FIG. It is related with the side view from.
[0012]
This piezoelectric vibrator 1 uses parallel electric field excitation type energy confinement thickness-shear vibration described later. From one outer surface of a circular piezoelectric plate 10 having a polarization axis component in the thickness direction to the vicinity of the center portion. A plurality (three in this case) of electrodes 11, 12, and 13 including driving and detection extending in the direction are formed.
[0013]
Further, in this piezoelectric vibrator 1, the local portions of the electrodes 11, 12, 13 near the central portion of the main surface of the circular piezoelectric plate 10 (that is, the terminal portions 11 a, 12 a, 13a), only the vibration region E for generating the parallel electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration is polarized in a circular shape.
[0014]
More specifically, the circular piezoelectric plate 10 is made of, for example, a piezoelectric ceramic plate such as PZT or barium titanate, and as shown by a broken line in FIG. It has a polarization axis component in the direction. In the central portion of one main surface of the piezoelectric plate 10, the strip-shaped three electrodes 11, 12, and 13 are symmetrical with respect to the vertical bisector at each vertex of the equilateral triangle. These electrodes are connected to terminal portions 11a, 12a, and 13a for leading to the outside.
[0015]
Here, the electrodes 11, 12, 13 and the terminal portions 11a, 12a, 13a provided on the piezoelectric plate 10 are suitable to be formed by depositing, for example, a Ni—Cu—Ag multilayer film by vapor deposition or sputtering. Besides this, it is also possible to form by printing silver paste or the like. Further, the terminal portions 11a, 12a, and 13a for leading to the outside are not provided on the piezoelectric vibrator 1 (on the surface of the piezoelectric plate 10), but instead, lead wires may be connected.
[0016]
That is, in the case of this piezoelectric vibrator 1, only a substantially circular region surrounded by the three electrodes 11, 12, 13 in the piezoelectric plate 10 is polarized in the thickness direction of the piezoelectric plate 10 as a vibration region E. Thus, when only the substantially circular vibration region E surrounded by the electrodes 11, 12, 13 is polarized, the piezoelectric characteristics of the polarized vibration region E and the non-polarized region change, so that the energy confinement state (Concentration) is improved.
[0017]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an electric circuit when the piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. 1 is applied to a piezoelectric vibration gyro. In this electric circuit, current detection circuits 18 and 19 are connected to the electrodes 12 and 13 of the piezoelectric vibrator 1, respectively, and a differential circuit 22 is connected to the output side of these current detection circuits 18 and 19. A sensor output is obtained through a synchronous detection circuit 23 connected to the circuit 22 and a rectifier circuit 24 connected to the synchronous detection circuit 23.
[0018]
On the other hand, each of the current detection circuits 18 and 19 is connected to an oscillation circuit 25 for satisfying the self-excited oscillation condition, and the oscillation circuit 25 and the electrode 11 are connected to the drive circuit 26 for vibration in the X-axis direction. An excitation oscillation circuit is configured. By this self-excited oscillation circuit, an AC drive voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the thickness shear vibration of the piezoelectric vibrator 1 is applied to the electrode 11.
[0019]
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of the current detection circuits 18 and 19. Here, the non-inverting input terminal on the positive side of the operational amplifier 27 is grounded to the reference voltage, and a resistor R is connected between the output terminal of the operational amplifier 27 and the inverting input terminal on the negative side, so that The virtual ground function of the amplifier 27 ensures that the inverting input terminal is always kept at the reference potential.
[0020]
When the input current i flows into the inverting input terminal, it is converted into a voltage by the resistor R. Therefore, the operational amplifier 27 can obtain V _OUT = −i · R as the output voltage V _OUT proportional to the input current i. it can. Therefore, the output voltage V _OUT of the current detection circuits 18 and 19 is obtained as −i · R.
[0021]
In the piezoelectric vibration gyro having such a piezoelectric vibrator 1 and an electric circuit, when a driving AC voltage is applied between the electrode 11 and the electrodes 12 and 13, vibration in the X direction is excited, and in this state, the piezoelectric plate 10 When rotating around the Z axis, vibration due to Coriolis force is generated in the Y direction, and an electromotive force is generated between the electrodes 12 and 13. Therefore, by detecting this electromotive force, the rotational angular velocity can be detected from the magnitude of vibration caused by the Coriolis force.
[0022]
In the embodiment described above, the piezoelectric plate 10 is circular, but the shape of the piezoelectric plate 10 may be, for example, an ellipse or a polygon having six or more corners. Therefore, if an elliptical shape including a circular shape or a polygon having six or more corners is expressed as a substantially circular shape, when the shape of the circular piezoelectric plate 10 is another substantially circular shape, only the vibration region is limited to another substantially circular shape (elliptical shape). The shape or a polygonal shape of 6 or more corners).
[0023]
FIG. 4 shows a basic configuration of a piezoelectric vibrator 1 ′ having a simplified structure for explaining the parallel electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration employed in the piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. The figure (a) relates to the plan view, and the figure (b) relates to the side view in the one direction.
[0024]
In this piezoelectric vibrator 1 ′, a rectangular (rectangular) piezoelectric plate 10 ′ is used. The piezoelectric plate 10 ′ is polarized in the thickness direction (Z-axis direction), and strip-like electrodes D 1 and D 2 that are opposed to each other with a predetermined interval in the X-axis direction are formed on the same surface of the central portion. ing. Here, when a voltage is applied between the respective terminal portions T1 and T2 of the opposing electrodes D1 and D2, the local region (interelectrode region) of the piezoelectric plate 10 ′ between the electrodes D1 and D2 is substantially plate-shaped. Since an electric field in the direction parallel to (X-axis direction) is applied, distortion in the X direction occurs in the interelectrode region due to the interaction with the polarization in the thickness direction (Z-axis direction) orthogonal to the electric field. become.
[0025]
Therefore, if the dimensions of the electrodes D1 and D2 are appropriately designed in accordance with the characteristics of the piezoelectric plate 10 ', the thickness shear vibration can be excited in the distorted portion. The vibration is damped around the interelectrode region and confined without propagating, and as a result, an energy confined oscillator can be formed. This thickness shear vibration is a vibration in which the displacement direction is parallel to the plate surface and the wave propagation direction is in the plate thickness direction, but here it is caused by an electric field parallel to the plate surface of the piezoelectric plate 10 ′. It can be regarded as mold thickness sliding vibration.
[0026]
FIG. 5 shows the displacement distribution of the thickness shear vibration of the piezoelectric plate 10 ′. In general, in the case of a piezoelectric plate, the displacement distribution of thickness shear vibration attenuates exponentially as it goes from the excitation portion toward the end surface. However, if the piezoelectric plate is finite, the displacement does not become zero at the end surface. For this reason, various side vibrations are generated by leakage.
[0027]
FIG. 7 shows the distribution of electric lines of force in the piezoelectric plate in order to explain the occurrence of the secondary vibration. Here, when the polarization direction of the piezoelectric plate is indicated by the direction of the white arrow, the electric field due to the distribution of the electric field lines indicated by the arrow direction between the electrodes is not completely parallel to the plate surface, but the thickness direction (polarization direction). ) Component, which causes contour vibration (secondary vibration).
[0028]
In the case of the rectangular piezoelectric plate 10 ′, side vibrations are not canceled out, so that many spurious appear in the impedance characteristics. However, in the case of the circular piezoelectric plate 10, the secondary vibration is canceled out, so that the displacement distribution of the thickness-shear vibration is approximated to infinity, that is, a vibrator having no influence of leakage can be formed.
[0029]
6A and 6B show comparison of impedance characteristics of thickness-shear vibration of piezoelectric plates having different shapes. FIG. 6A shows a rectangular piezoelectric plate 10 ′, and FIG. 6B shows a substantially circular shape (16). Square-shaped piezoelectric plate. Here, with respect to the absolute value (kΩ) of the impedance Z with respect to the frequency f (kHz), in the case of the rectangular piezoelectric plate 10 ′, the secondary vibrations appear considerably large in addition to the main vibrations, but are substantially circular (16 In the case of a (rectangular) piezoelectric plate, it is shown that only the secondary vibration is suppressed leaving the main vibration.
[0030]
FIG. 8 shows a comparison of impedance characteristics of thickness-shear vibration when electrodes are provided on both surfaces of differently shaped piezoelectric plates. FIG. 8A shows a rectangular piezoelectric plate, and FIG. ) Relates to a circular piezoelectric plate. However, here, when measuring the impedance characteristics, as shown in FIG. 9, electrodes are provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric plate, lead terminals are connected, and measurement is performed between the electrodes.
[0031]
From FIGS. 8A and 8B, regarding the absolute value of the impedance Z with respect to the frequency f, in the case of a rectangular piezoelectric plate, spurious is riding on the contour vibration in the contour vibration region E1 on the low frequency side. In the case of the piezoelectric plate, it is clear that the vibration is simple, and it is understood that the spurious is caused by the contour vibration factor in the thickness direction component of the electric field shown in FIG. 8A and 8B, the thickness vibration in the thickness vibration region E2 is not stable in the case of a rectangular piezoelectric plate, but appears stably in the case of a circular piezoelectric plate. I understand.
[0032]
Incidentally, when a piezoelectric vibration gyro is configured, it is required to equalize the vibration characteristics in two directions orthogonal to each other in the plane of the piezoelectric plate, so that the shape of the polarization region should be at least one axis symmetrical. Desirably, a circular shape as shown in FIG. 1 is most suitable as the shape of the piezoelectric plate.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro of the present invention, the shape of the piezoelectric plate is substantially circular, and only the region surrounded by the local portion of the electrode near the center is polarized into a substantially circular shape. Therefore, the concentration of the energy confining vibration can be increased, there is no side vibration such as contour vibration due to vibration leakage, and high accuracy with excellent symmetry in which a single vibration is excited. As a result, it is possible to obtain an energy confinement vibration type piezoelectric vibration gyro which is small in size, simple in structure and manufacture, and has excellent gyro characteristics in which variations in output when stationary are extremely suppressed.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a basic configuration of a piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a side view from one direction; Is.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an electric circuit when the piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro shown in FIG. 1 is applied to the piezoelectric vibration gyro.
3 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of a current detection circuit used in the electrical circuit shown in FIG. 2;
FIG. 4 shows a basic configuration of a piezoelectric vibrator having a simplified structure for explaining parallel electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration adopted in the piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro shown in FIG. (A) relates to the plan view, and (b) relates to the side view in the one direction.
5 shows the displacement distribution of thickness shear vibration of the piezoelectric plate shown in FIG.
6A and 6B show a comparison of impedance characteristics of thickness-shear vibration of piezoelectric plates having different shapes; FIG. 6A shows a rectangular piezoelectric plate, and FIG. 6B shows a substantially circular (hexagonal) piezoelectric plate. This relates to the plate 10.
FIG. 7 shows the distribution of lines of electric force in the piezoelectric plate in order to explain the occurrence of secondary vibration.
FIGS. 8A and 8B show a comparison of impedance characteristics of thickness-shear vibration when electrodes are provided on both surfaces of differently shaped piezoelectric plates. FIG. 8A shows a rectangular piezoelectric plate, and FIG. 8B shows a circular shape. The present invention relates to a piezoelectric plate.
FIG. 9 is a side view showing a state in which electrodes are provided on the upper and lower surfaces of a piezoelectric plate and lead terminals are connected when the impedance characteristics of FIGS. 8A and 8B are measured.
[Explanation of symbols]
1, 1 'Piezoelectric vibrator 10, 10' Piezoelectric plates 11, 12, 13 Electrodes 11a, 12a, 13a Terminal portions 18, 19 Current detection circuit 22 Differential circuit 23 Synchronous detection circuit 24 Rectifier circuit 25 Oscillation circuit 26 Drive circuit 27 Operational amplifier E Vibration area

Claims

厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板の少なくとも一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた駆動用及び検出用を含む複数の電極が形成されると共に、平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を利用した振動ジャイロ用圧電振動子において、前記圧電板は、円形を含む楕円形又は６角以上の多角形による略円形であることを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子。A plurality of electrodes including driving and detection electrodes extending from the outside toward the vicinity of the central portion are formed on at least one main surface of the piezoelectric plate having a polarization axis component in the thickness direction, and parallel electric field excitation type energy confinement A piezoelectric vibrator for a vibrating gyroscope using thickness shear vibration, wherein the piezoelectric plate is an elliptical shape including a circular shape or a substantially circular shape having six or more polygons.

請求項１記載の圧電振動ジャイロ用圧電振動子において、前記圧電板の前記主面における前記中央部近傍の前記複数の電極の局部によって囲まれた前記平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を生じさせるための振動領域のみを円形状を含む楕円形状又は６角以上の多角形状による略円形状に分極したことを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子。2. The piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein the parallel electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration surrounded by local portions of the plurality of electrodes in the vicinity of the central portion of the main surface of the piezoelectric plate is generated. A piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro, wherein only a vibration region for polarization is polarized into an elliptical shape including a circular shape or a substantially circular shape having a polygonal shape of six or more corners.