JP2005077290A - Elastic surface wave gyroscope - Google Patents

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明法 山田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a means for generating Coriolis force only at one desired axis that generates when torque is applied to a gyroscope. <P>SOLUTION: A plurality of IDT electrodes are arranged on the main surface of a piezoelectric substrate LiNbO<SB>3</SB>, and then, under the condition that an elastic surface wave W is excited, the Euler angles of the piezoelectric substrate LiNbO<SB>3</SB>are set to (0°, 43.2°, 0°) or (0°, 158.9°, 0°) in an elastic surface wave gyroscope using the difference in speed between the speed of an elastic wave C generated with the Coriolis force that is produced by applying the torque to the piezoelectric substrate and the speed of elastic surface wave W. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、弾性表面波ジャイロスコープに関し、特に圧電基板を特定の角度で切断することにより、直交する3軸の中、所望の軸の回転角速度のみを検出するようにした弾性表面波ジャイロスコープに関するものである。   The present invention relates to a surface acoustic wave gyroscope, and more particularly to a surface acoustic wave gyroscope that detects only the rotational angular velocity of a desired axis among three orthogonal axes by cutting a piezoelectric substrate at a specific angle. Is.

圧電振動ジャイロススコープは角速度センサとして、VTR画像の手ぶれ補正、姿勢制御システム、カーナビゲーションシステム等さまざまな分野に利用され、性能の向上、価格の低下、小型化等によりその用途はますます広がっている。
圧電振動ジャイロスコープは、2つの振動モードのうち一方の振動モードを駆動し、回転角速度が作用した時にコリオリ力によって他方の振動モードが励振されることを利用した角度センサである。このような圧電振動ジャイロスコープを構成するとき、振動子は2つの振動モードを電気的に独立に駆動、検出することができ、且つそれらの共振周波数が互いに近接していることが望ましい。
Piezoelectric vibratory gyroscopes are used as angular velocity sensors in various fields such as camera shake compensation for VTR images, attitude control systems, car navigation systems, etc., and their applications are becoming increasingly widespread due to improved performance, lower prices, and smaller size. Yes.
The piezoelectric vibration gyroscope is an angle sensor that drives one vibration mode of two vibration modes and that the other vibration mode is excited by Coriolis force when a rotational angular velocity is applied. When configuring such a piezoelectric vibration gyroscope, it is desirable that the vibrator can electrically drive and detect two vibration modes independently, and that their resonance frequencies are close to each other.

図4は、特開平9−264745号公報に開示された弾性表面波ジャイロスコープの構成を示す概略平面図である。ジャイロスコープ11は検出素子12、高周波電源13、遅延回路14、電子回路15等から構成されている。そして、検出素子12は、圧電基板16、例えば128°YカットLiNbOの主表面上に、図に示すX軸方向に沿ってIDT電極17(駆動用)を配置すると共に、該IDT電極16と所定の間隙Lを隔してIDT電極18(検出用)を配設する。IDT電極17、18はそれぞれ互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対のくし形電極より構成され、それぞれのIDT電極の電極ピッチλは同一とする。さらに、間隙Lは駆動用IDT電極17に対し、検出用IDT電極18が空間的に90°位相がずれるように設定してある。つまり、駆動用IDT電極17に入力された高周波の位相と、検出用IDT電極18で検出される交流信号の位相との位相差が90°になるような位置に、両IDT電極17、18を配置する。 FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of a surface acoustic wave gyroscope disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-264745. The gyroscope 11 includes a detection element 12, a high frequency power supply 13, a delay circuit 14, an electronic circuit 15 and the like. The detection element 12 has an IDT electrode 17 (for driving) disposed on the main surface of the piezoelectric substrate 16, for example, 128 ° Y-cut LiNbO 3 , along the X-axis direction shown in FIG. An IDT electrode 18 (for detection) is disposed with a predetermined gap L therebetween. Each of the IDT electrodes 17 and 18 is composed of a pair of comb-shaped electrodes having a plurality of electrode fingers interleaved with each other, and the electrode pitch λ of each IDT electrode is the same. Further, the gap L is set such that the detection IDT electrode 18 is spatially shifted by 90 ° with respect to the driving IDT electrode 17. That is, the IDT electrodes 17 and 18 are placed at positions where the phase difference between the high-frequency phase input to the driving IDT electrode 17 and the phase of the AC signal detected by the detection IDT electrode 18 is 90 °. Deploy.

駆動用IDT電極17のくし形電極に高周波電源13から高周波電圧を印加すると、弾性表面波W(レイリー波)が励振され、該弾性表面波WはX軸方向に伝搬し、検出用IDT電極18にて弾性振動は電気信号として受信される。この信号の電圧波形は弾性表面波Wに基づくものであるから、交流波形となる。圧電基板16を弾性表面波Wにて振動させた状態で、この圧電基板16に回転運動が加わるとコリオリ力ベクトルFが作用する。このコリオリ力ベクトルFは圧電基板16の粒子密度ρ、楕円運動している粒子の振動速度ベクトルv、圧電基板16の回転角速度ベクトルΩに関係し、次式で表されることはよく知られている。   When a high frequency voltage is applied to the comb electrode of the driving IDT electrode 17 from the high frequency power supply 13, a surface acoustic wave W (Rayleigh wave) is excited, the surface acoustic wave W propagates in the X-axis direction, and the detection IDT electrode 18 The elastic vibration is received as an electrical signal. Since the voltage waveform of this signal is based on the surface acoustic wave W, it becomes an AC waveform. When a rotational motion is applied to the piezoelectric substrate 16 in a state where the piezoelectric substrate 16 is vibrated by the surface acoustic wave W, a Coriolis force vector F acts. It is well known that this Coriolis force vector F is related to the particle density ρ of the piezoelectric substrate 16, the vibration velocity vector v of the elliptically moving particles, and the rotational angular velocity vector Ω of the piezoelectric substrate 16 and is expressed by the following equation. Yes.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

ここで、太字はベクトルであることを示している。   Here, bold indicates a vector.

図4のように直交座標系(X、Y、Z)を設定すると、弾性表面波W(レイリー波)の粒子は、周知のようにXZ面内で進行方向と逆の楕円運動をする。この粒子速度ベクトルvはX軸方向の成分v(P波)とZ軸方向の成分v(SV波)とに分離することができる。ここで、Z軸の回りに回転角速度Ωzの回転運動が圧電基板16に加えられたものとする。粒子の振動速度成分vの方向と回転軸方向とが平行であるから、速度成分vに対してのみ、図5に示すようなコリオリ力Fy(=2ρ・v・Ωz)が作用する。このコリオリ力Fyは弾性表面波Wに基づいて発生するので、図6に示すように該弾性表面波Wと同期して伝搬する弾性波となる。 When the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) is set as shown in FIG. 4, the particles of the surface acoustic wave W (Rayleigh wave) make an elliptical motion opposite to the traveling direction in the XZ plane as is well known. This particle velocity vector v can be separated into a component v x (P wave) in the X-axis direction and a component v z (SV wave) in the Z-axis direction. Here, it is assumed that a rotational motion with a rotational angular velocity Ωz is applied to the piezoelectric substrate 16 around the Z axis. Because there is a rotation axis direction to the direction of the vibration velocity component v z of the particles is parallel, only the velocity components v x, the Coriolis force Fy (= 2ρ · v x · Ωz) as shown in FIG. 5 is applied . Since the Coriolis force Fy is generated based on the surface acoustic wave W, the Coriolis force Fy becomes an acoustic wave that propagates in synchronization with the surface acoustic wave W as shown in FIG.

同様に、X軸の回りの回転角速度Ωx、Y軸の回りの回転角速度Ωyが圧電基板16に加わると、それぞれコリオリ力Fx、Fy、Fzが生成される。X、Y、Z軸の回りの回転角速度成分(Ωx、Ωy、Ωz)と、発生するコリオリ力ベクトルF(Fx、Fy、Fz)との関係は、単位ベクトルを(i、i、i)とすると、次式のように表せる。 Similarly, when a rotational angular velocity Ωx around the X axis and a rotational angular velocity Ωy around the Y axis are applied to the piezoelectric substrate 16, Coriolis forces Fx, Fy, and Fz are generated, respectively. The relationship between the rotational angular velocity components (Ωx, Ωy, Ωz) around the X, Y, and Z axes and the generated Coriolis force vector F (Fx, Fy, Fz) is expressed by the unit vectors (i x , i y , i z ), it can be expressed as:

Figure 2005077290
Figure 2005077290

なお、図7に示すように、コリオリ力ベクトルFに起因する弾性波Cは弾性表面波Wに対して位相が90°ずれて発生し、弾性表面波Wの振幅が零となる瞬間にコリオリ力に起因する弾性波の振幅が最大になる。     As shown in FIG. 7, the elastic wave C caused by the Coriolis force vector F is generated 90 ° out of phase with the surface acoustic wave W, and the Coriolis force is generated at the moment when the amplitude of the surface acoustic wave W becomes zero. The amplitude of the elastic wave resulting from is maximized.

弾性表面波ジャイロスコープとして機能させるには、検出用IDT電極18で受信した信号を検出素子12の外部に付加した電子回路で電気的に処理して、各軸の回転角速度、回転角度を検出するようにしたものである。
特開平9−264745号公報 「A Method for Estimating Optical Crystal Cuts and Propagation Directions for Excitation of Piezoelectric Waves」J.J. Campbell, IEEE Transaction on Sonics and Ultrasonics,vol.su-15,no.4,Oct. '68
In order to function as a surface acoustic wave gyroscope, a signal received by the detection IDT electrode 18 is electrically processed by an electronic circuit added to the outside of the detection element 12 to detect the rotation angular velocity and rotation angle of each axis. It is what I did.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-264745 `` A Method for Estimating Optical Crystal Cuts and Propagation Directions for Excitation of Piezoelectric Waves '' JJ Campbell, IEEE Transaction on Sonics and Ultrasonics, vol.su-15, no.4, Oct. '68

解決しようとする問題点は、上記のように従来例では3軸(X、Y、Z)方向の回転運動に応じてそれぞれのコリオリ力が発生し、これらを各軸方向の成分に分離して処理するには、外部に付加する電子回路が複雑になり、コストを低減できない点である。 The problem to be solved is that, as described above, in the conventional example, each Coriolis force is generated according to the rotational motion in the three-axis (X, Y, Z) directions, and these are separated into components in the respective axial directions. For processing, an electronic circuit added to the outside becomes complicated, and the cost cannot be reduced.

本発明は、圧電基板LiNbOの主表面上に複数のIDT電極を配置し、弾性表面波Wを励振させた状態で、圧電基板に回転力を加えて圧電基板の粒子速度と回転角速度とで生じるコリオリ力により生成する弾性波Cの速度と、前記弾性表面波Wの速度との速度差を利用した弾性表面波ジャイロスコープにおいて、前記圧電基板LiNbOのオイラー角を(0°,θ,0°)としたとき、θを43.2°、158.9°に設定することを特徴とする。 In the present invention, a plurality of IDT electrodes are arranged on the main surface of the piezoelectric substrate LiNbO 3 and a surface acoustic wave W is excited, and a rotational force is applied to the piezoelectric substrate to obtain a particle velocity and a rotational angular velocity of the piezoelectric substrate. In a surface acoustic wave gyroscope using a speed difference between the velocity of the elastic wave C generated by the generated Coriolis force and the velocity of the surface acoustic wave W, the Euler angles of the piezoelectric substrate LiNbO 3 are set to (0 °, θ, 0 )), Θ is set to 43.2 ° and 158.9 °.

本発明の検出素子用圧電基板は、特定の角度で切断してあるため、所望の軸の回りの回転角速度のみを検出することができるので、外部に付加する信号処理用の電子回路が簡単になり、コストが低減できるという利点がある。   Since the piezoelectric substrate for detecting element of the present invention is cut at a specific angle, only the rotational angular velocity around a desired axis can be detected, so that an electronic circuit for signal processing to be added to the outside can be easily obtained. There is an advantage that the cost can be reduced.

図1は本発明に係る弾性表面波ジャイロスコープの検出素子の概略平面図であって、圧電基板1の主表面上に図中に示す直交座標(X、Y、Z)のX軸方向に沿って励起した弾性表面波が伝搬するように、IDT電極2(駆動用)を配置すると共に、該IDT電極2と所定の間隙Lを隔してIDT電極3(検出用)を配設する。IDT電極2、3はそれぞれ互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対のくし形電極より構成され、それぞれのIDT電極の電極ピッチλは同一とする。さらに、間隙Lは駆動用IDT電極2に対し、検出用IDT電極3が空間的に90°位相がずれるように設定する。 FIG. 1 is a schematic plan view of a detection element of a surface acoustic wave gyroscope according to the present invention, and is along the X-axis direction of orthogonal coordinates (X, Y, Z) shown in the figure on the main surface of a piezoelectric substrate 1. The IDT electrode 2 (for driving) is disposed so that the excited surface acoustic wave propagates, and the IDT electrode 3 (for detection) is disposed with a predetermined gap L from the IDT electrode 2. Each of the IDT electrodes 2 and 3 is composed of a pair of comb-shaped electrodes having a plurality of electrode fingers interleaved with each other, and the electrode pitch λ of each IDT electrode is the same. Furthermore, the gap L is set so that the detection IDT electrode 3 is spatially 90 ° out of phase with the driving IDT electrode 2.

図2は圧電基板1としてニオブ酸リチウム(LiNbO)を用い、該圧電基板1のオイラー角を(0,θ,0)と表現し、θを変化させた場合、各軸(X、Y、Z)の回りに回転角速度Ωiで回転したときのコリオリ力感度を示している。コリオリ力感度Sは次式のように定義した。
=(ΔV/V)・ω/Ωi
ここで、Vは圧電基板1上に励起される弾性表面波の位相速度、ωは角周波数、Ωi(i=X、Y、Z)は各軸の回りの回転角速度、ΔVはコリオリ力により生じる弾性波Cの速度と前記Vとの速度差である。
FIG. 2 uses lithium niobate (LiNbO 3 ) as the piezoelectric substrate 1 and represents the Euler angles of the piezoelectric substrate 1 as (0, θ, 0). When θ is changed, each axis (X, Y, The Coriolis force sensitivity is shown when rotating at a rotational angular velocity Ωi around Z). Coriolis force sensitivity S F was defined as the following equation.
S F = (ΔV / V) · ω / Ωi
Here, V is the phase velocity of the surface acoustic wave excited on the piezoelectric substrate 1, ω is the angular frequency, Ωi (i = X, Y, Z) is the rotational angular velocity around each axis, and ΔV is generated by the Coriolis force. The velocity difference between the velocity of the elastic wave C and the V.

図2より明らかなように、オイラー角(0,θ,0)のθがどのように設定されていても、X軸の回りの回転に対するコリオリ力感度Sは零となる。θを43.2°あるいは158.9°に設定すると、Z軸の回りのコリオリ力感度Sは零となり、Y軸の回転角速度のみを検出することができる。また、θを130.3°あるいは167.7°に設定すると、Z軸の回転角速度のみを検出することが可能となる。このように、θを上述した4つのいずれかに設定することにより、単一の軸回りのコリオリ力だけを検出することができるので、部電子回路に各軸の回転角速度成分を分離する回路を付加する必要が無く、外部電子回路を簡単にすることができ、コスト低減を図ることが可能となった。
望ましくは、θを43.2°に設定した場合がY軸の回りの感度が最大となる。
As apparent from FIG. 2, Euler angles (0, θ, 0) be set how theta is, Coriolis force sensitivity S F for rotation about the X axis is zero. Setting θ to 43.2 ° or 158.9 °, the Coriolis force sensitivity S F around the Z axis can be detected only the rotation angular velocity of zero next, Y-axis. If θ is set to 130.3 ° or 167.7 °, only the rotational angular velocity of the Z axis can be detected. Thus, by setting θ to one of the above four, only the Coriolis force around a single axis can be detected, so a circuit that separates the rotational angular velocity component of each axis in the partial electronic circuit is provided. There is no need to add, the external electronic circuit can be simplified, and the cost can be reduced.
Desirably, the sensitivity around the Y axis is maximized when θ is set to 43.2 °.

ここで、図2に示したコリオリ力感度を求める手法について詳細に説明する。文献「A Method for Estimating Optical Crystal Cuts and Propagation Directions for Excitation of Piezoelectric Waves」Campbell et. alには、LiNbO上に電極が有る場合、無い場合の弾性表面波の伝搬速度等について詳しく検討されている。しかし、コリオリ力を考慮していないので、コリオリ力が生成される場合に伝搬速度等がどのように影響されるかについては記述されていない。そこで、Campbellの式にコリオリ力Fを加えた方程式を検討し、この解法を試みた。 Here, the method for obtaining the Coriolis force sensitivity shown in FIG. 2 will be described in detail. The paper “A Method for Estimating Optical Crystal Cuts and Propagation Directions for Excitation of Piezoelectric Waves”, Campbell et. Al, examines in detail the propagation velocity of surface acoustic waves in the absence and presence of electrodes on LiNbO 3 . . However, since the Coriolis force is not taken into account, it is not described how the propagation speed is affected when the Coriolis force is generated. Therefore, we examined an equation in which Coriolis force F was added to Campbell's equation and tried this solution.

高結合圧電振動理論を境界値問題としてみるとき基本となる微分方程式は機械系では運動方程式、電気系ではMaxwellの方程式であり、それをつなぐものとして材料定数が関係する圧電基本式がある。
歪みベクトルSと変位ベクトルuの関係式は
The differential equations that are fundamental when considering the high-coupled piezoelectric vibration theory as a boundary value problem are equations of motion in mechanical systems and Maxwell's equations in electrical systems, and there are piezoelectric basic equations related to material constants that connect them.
The relation between strain vector S and displacement vector u is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

電界ベクトルEと静電ポテンシアルΦの関係式は   The relational expression between electric field vector E and electrostatic potential Φ is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

歪みベクトルS、電界ベクトルEと応力ベクトルTの関係式は   The relationship between strain vector S, electric field vector E, and stress vector T is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

電気変位ベクトルD、電界ベクトルE、歪みベクトルSとの関係式は   The relational expression between the electric displacement vector D, the electric field vector E, and the distortion vector S is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

ここで、式4の中の「:」は行列の積を表す。
外力ベクトルF、粒子速度ベクトルv、応力ベクトルTによる運動方程式は
Here, “:” in Equation 4 represents a matrix product.
The equation of motion by external force vector F, particle velocity vector v, and stress vector T is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

電荷方程式は   The charge equation is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

粒子速度ベクトルv、回転角速度ベクトルΩとコリオリ力ベクトルFとの関係式は   The relational expression of particle velocity vector v, rotational angular velocity vector Ω and Coriolis force vector F is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

ここでcE、e、εs、ρはそれぞれ弾性定数、圧電定数、誘電率、質量密度である。ただし、外力ベクトルFによる回転角速度ベクトルΩと、弾性表面波の角周波数ωとは、次式の関係となる。 Here, c E , e, ε s and ρ are an elastic constant, a piezoelectric constant, a dielectric constant, and a mass density, respectively. However, the rotational angular velocity vector Ω by the external force vector F and the angular frequency ω of the surface acoustic wave have the following relationship.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

従って、遠心力は無視し、コリオリ力のみを考慮した。
図3に示す座標系で考えると、領域I(x>0)では圧電媒質中であるので、表面波の粒子変位uiと静電ポテンシャルΦを次式のように表す。
Therefore, the centrifugal force was ignored and only the Coriolis force was considered.
Considering the coordinate system shown in FIG. 3, since the region I (x 3 > 0) is in the piezoelectric medium, the particle displacement ui of the surface wave and the electrostatic potential Φ I are expressed as follows.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

一方、領域II(x<0)は真空(又は空気中)であるから変位は存在せず、次式のように静電ポテンシャルのみを考えればよい。 On the other hand, since the region II (x 3 <0) is a vacuum (or in the air), there is no displacement, and only the electrostatic potential should be considered as in the following equation.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

次に、図3に示す圧電媒質中(領域I)で成立する式は、式11を式3〜6に代入して応力ベクトルT、電気変位ベクトルDを求め、それを式7、8に代入することで得られ、振幅係数A〜Aについて整理すると次のように表される。 Next, in the piezoelectric medium (region I) shown in FIG. 3, the equation 11 is substituted into the equations 3 to 6 to obtain the stress vector T and the electric displacement vector D, and these are substituted into the equations 7 and 8. When the amplitude coefficients A 1 to A 4 are arranged, they are expressed as follows.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

ここで、行列Xijの各要素は次式のように表される。 Here, each element of the matrix X ij is expressed as follows.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

結晶の対称性によりc = ctであるので、回転角速度が零、即ち Since c = c t due to crystal symmetry, the rotational angular velocity is zero, i.e.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

ある場合には、   If there is

Figure 2005077290
Figure 2005077290

と対称となる。ここで、ct 、Xtの"t"は転置行列を表す。
式13におい零でない解A〜Aが存在するためには
And symmetric. Here, “t” in c t and X t represents a transposed matrix.
In order to have non-zero solutions A 1 to A 4 in Equation 13,

Figure 2005077290
Figure 2005077290

でなければならない。
この8次方程式を解くと、実数又は複素数の次式で表す8つの解が得られる。
Must.
Solving this quaternary equation gives eight solutions represented by the following real or complex equations.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

しかし、基板の深さ方向に減衰する解はα = b-jaの4根となる。従って、変位ベクトルuと静電ポテンシャルΦはこれら4根を用いた式11の線形和となる。
なお、式13からはA〜Aの比のみが分かるので、各根の比を次のように定義する。
However, the solution that decays in the depth direction of the substrate is the four roots of α = b-ja. Therefore, the displacement vector u and the electrostatic potential Φ are a linear sum of Expression 11 using these four roots.
Since only the ratio of A 1 to A 4 can be found from Equation 13, the ratio of each root is defined as follows.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

常にa4j=1とすると、 If always a 4j = 1,

Figure 2005077290
Figure 2005077290

が得られる。
次に領域II(x<0)は真空中であるから、静電ポテンシャルΦIIのみを考えればよい。真空中ではΦIIはラプラスの方程式
Is obtained.
Next, since the region II (x 3 <0) is in a vacuum, only the electrostatic potential Φ II needs to be considered. In vacuum, Φ II is Laplace's equation

Figure 2005077290
Figure 2005077290

を満足するので、これに式(1)を代入するとγ2 = 1を得る。ここで、表面にエネルギーを集中させる条件(γ>1)を満足する根を選択すると、ΦIIは次式のようになる。 Is satisfied, γ 2 = 1 is obtained by substituting Equation (1) into this. Here, when a root satisfying the condition for concentrating energy on the surface (γ> 1) is selected, Φ II is expressed by the following equation.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

ここで、x=+0に於いて機械的に自由、つまり応力が零となる。ここで、xの上の記号はx方向の単位ベクトルを表す。 Here, mechanically free at x 3 = + 0, that is, the stress becomes zero. Here, the symbol on the x 3 represents the unit vector in the x 3 direction.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

電気的境界条件としては、電気的に開放であるので   As an electrical boundary condition, it is electrically open.

Figure 2005077290
Figure 2005077290

電気的に短絡した場合には   In case of electrical short

Figure 2005077290
Figure 2005077290

式(3)からは   From equation (3)

Figure 2005077290
Figure 2005077290

が導出され、式(2)と、式(4)あるいは式(5)より、次式が導出される。   Is derived, and the following expression is derived from Expression (2) and Expression (4) or Expression (5).

Figure 2005077290
Figure 2005077290

ここで、行列Yijの各要素は次式のように表される。電気的に開放の場合には Here, each element of the matrix Y ij is expressed as follows. In case of electrical opening

Figure 2005077290
Figure 2005077290

電気的に短絡の場合には   In case of electrical short

Figure 2005077290
Figure 2005077290

式(6)において零でない解F〜Fが存在するためには To have non-zero solutions F 1 to F 4 in equation (6)

Figure 2005077290
Figure 2005077290

が成立しなければならない。そこで、弾性表面波の伝搬速度Vsを得るには、ニュートン法等を用いて式(7)を満足するようなVsを数値計算により求めればよいことになる。
図2に示した図はこのようにして数値解析結果をプロットしたものであり、図2から本発明の特徴である1軸のみにコリオリ力感度を示すジャイロスコープが
実現可能であることが判明した。尚、図2は上述した数値解析による結果であるため、実際のジャイロスコープ検出素子とのズレが生じると予想されるが、実質的に1軸のみにコリオリ力感度を呈するオイラー角の設定許容範囲は±2°程度であろうと推測する。
Must hold. Therefore, in order to obtain the propagation velocity Vs of the surface acoustic wave, Vs that satisfies Equation (7) may be obtained by numerical calculation using the Newton method or the like.
The diagram shown in FIG. 2 is a plot of the numerical analysis results in this way. From FIG. 2, it was found that a gyroscope showing Coriolis force sensitivity on only one axis, which is a feature of the present invention, can be realized. . Since FIG. 2 shows the result of the numerical analysis described above, it is expected that deviation from the actual gyroscope detection element will occur. Is estimated to be about ± 2 °.

本発明に係る弾性表面波ジャイロスコープの検出素子の構造を示した概略平面図である。It is the schematic plan view which showed the structure of the detection element of the surface acoustic wave gyroscope which concerns on this invention. オイラー角(0,θ,0)と角軸の回転軸感度Sとの関係を示す図である。Euler angles (0, θ, 0) is a diagram showing the relationship between the rotational axis sensitivity S F of the square shaft. 圧電基板上の座標軸設定を示す図であるIt is a figure which shows the coordinate axis setting on a piezoelectric substrate. 従来の弾性表面波ジャイロスコープの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional surface acoustic wave gyroscope. Z軸の回りに回転角速度が加えられたときの、粒子速度とコリオリ力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between particle velocity and Coriolis force when a rotation angular velocity is added around the Z-axis. コリオリ力の伝搬を示す図である。It is a figure which shows propagation of Coriolis force. 弾性表面波Wとコリオリ力により生成された弾性はCとの関係を示す図である。The elasticity generated by the surface acoustic wave W and the Coriolis force is a diagram showing a relationship with C.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電基板
2、3 IDT電極
λ IDT電極2より励起される弾性表面波の波長
L IDT電極2と3との間隙
、x、x 直交座標軸




Gap x 1 between the first piezoelectric substrate 2,3 IDT electrode λ wavelength L IDT electrodes 2 and 3 of the surface acoustic waves excited from the IDT electrodes 2, x 2, x 3 orthogonal axes




Claims (4)

圧電基板の主表面上に複数のIDT電極を配置し、弾性表面波Wを励振させた状態で、圧電基板に回転力を加えて圧電基板の粒子速度と回転角速度とで生じるコリオリ力により生成する弾性波Cの速度と、前記弾性表面波Wの速度との速度差を利用した弾性表面波ジャイロスコープにおいて、
前記圧電基板としてLiNbOを用い、そのオイラー角を(0°,θ,0°)としたとき、θを43.2°に設定したことを特徴とする弾性表面波ジャイロスコープ。
A plurality of IDT electrodes are arranged on the main surface of the piezoelectric substrate and generated by the Coriolis force generated by the particle velocity and the rotational angular velocity of the piezoelectric substrate by applying a rotational force to the piezoelectric substrate while exciting the surface acoustic wave W. In the surface acoustic wave gyroscope using the speed difference between the velocity of the acoustic wave C and the velocity of the surface acoustic wave W,
A surface acoustic wave gyroscope using LiNbO 3 as the piezoelectric substrate, wherein θ is set to 43.2 ° when Euler angles are (0 °, θ, 0 °).
圧電基板の主表面上に複数のIDT電極を配置し、弾性表面波Wを励振させた状態で、圧電基板に回転力を加えて圧電基板の粒子速度と回転角速度とで生じるコリオリ力により生成する弾性波Cの速度と、前記弾性表面波Wの速度との速度差を利用した弾性表面波ジャイロスコープにおいて、
前記圧電基板としてLiNbOを用い、そのオイラー角を(0°,θ,0°)としたとき、θを158.9°に設定したことを特徴とする弾性表面波ジャイロスコープ。
A plurality of IDT electrodes are arranged on the main surface of the piezoelectric substrate and generated by the Coriolis force generated by the particle velocity and the rotational angular velocity of the piezoelectric substrate by applying a rotational force to the piezoelectric substrate while exciting the surface acoustic wave W. In the surface acoustic wave gyroscope using the speed difference between the velocity of the acoustic wave C and the velocity of the surface acoustic wave W,
A surface acoustic wave gyroscope in which LiNbO 3 is used as the piezoelectric substrate and θ is set to 158.9 ° when its Euler angles are (0 °, θ, 0 °).
圧電基板の主表面上に複数のIDT電極を配置し、弾性表面波Wを励振させた状態で、圧電基板に回転力を加えて圧電基板の粒子速度と回転角速度とで生じるコリオリ力により生成する弾性波Cの速度と、前記弾性表面波Wの速度との速度差を利用した弾性表面波ジャイロスコープにおいて、
前記圧電基板としてLiNbOを用い、そのオイラー角を(0°,θ,0°)としたとき、θを130.3°に設定したことを特徴とする弾性表面波ジャイロスコープ。
A plurality of IDT electrodes are arranged on the main surface of the piezoelectric substrate and generated by the Coriolis force generated by the particle velocity and the rotational angular velocity of the piezoelectric substrate by applying a rotational force to the piezoelectric substrate while exciting the surface acoustic wave W. In the surface acoustic wave gyroscope using the speed difference between the velocity of the acoustic wave C and the velocity of the surface acoustic wave W,
A surface acoustic wave gyroscope wherein LiNbO 3 is used as the piezoelectric substrate, and θ is set to 130.3 ° when the Euler angles are (0 °, θ, 0 °).
圧電基板の主表面上に複数のIDT電極を配置し、弾性表面波Wを励振させた状態で、圧電基板に回転力を加えて圧電基板の粒子速度と回転角速度とで生じるコリオリ力により生成する弾性波Cの速度と、前記弾性表面波Wの速度との速度差を利用した弾性表面波ジャイロスコープにおいて、
前記圧電基板としてLiNbOを用い、そのオイラー角を(0°,θ,0°)としたとき、θを167.7°に設定したことを特徴とする弾性表面波ジャイロスコープ。



A plurality of IDT electrodes are arranged on the main surface of the piezoelectric substrate and generated by the Coriolis force generated by the particle velocity and the rotational angular velocity of the piezoelectric substrate by applying a rotational force to the piezoelectric substrate while exciting the surface acoustic wave W. In the surface acoustic wave gyroscope using the speed difference between the velocity of the acoustic wave C and the velocity of the surface acoustic wave W,
A surface acoustic wave gyroscope characterized in that LiNbO 3 is used as the piezoelectric substrate, and θ is set to 167.7 ° when its Euler angles are (0 °, θ, 0 °).



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