JP2006084273A - Tuning fork type vibrator for piezoelectric vibration gyro - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御、カメラ一体型VTRの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープの構成部品である振動子、特に圧電振動ジャイロ用音叉形振動子に関するものである。 The present invention relates to a vibrator, particularly a tuning fork vibrator for a piezoelectric vibratory gyroscope, which is a component part of a gyroscope used mainly in an automobile navigation system, attitude control, a camera-integrated VTR camera shake prevention device, and the like.
振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。 A vibrating gyroscope is an angular velocity sensor that utilizes a dynamic phenomenon in which when an angular velocity is applied to an object having velocity, the object itself generates a Coriolis force in a direction perpendicular to the velocity direction.
さらに具体的には、電気的な信号を印加することで機械的な振動、つまり駆動振動を励起させることができ、かつ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動、つまり検出振動の大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動を励起させた状態で、駆動振動面と検出振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出振動が発生し、出力電圧として検出される。 More specifically, mechanical vibration, that is, driving vibration, can be excited by applying an electrical signal, and mechanical vibration in a direction orthogonal to the driving vibration, that is, magnitude of detected vibration. When the angular velocity about the axis parallel to the intersecting line of the drive vibration surface and the detection vibration surface is given in a state where the drive vibration is excited in advance in a system that can electrically detect the Coriolis force, As a result, detection vibration is generated and detected as an output voltage.
検出された出力電圧は、駆動振動の大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動の大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。このような構成の振動ジャイロの中でも、電気的信号と機械的振動の変換を圧電効果で行うものを圧電振動ジャイロと称する。 Since the detected output voltage is proportional to the magnitude and angular velocity of the drive vibration, the magnitude of the angular velocity can be obtained from the magnitude of the output voltage when the magnitude of the drive vibration is constant. Among the vibrating gyros having such a configuration, a piezoelectric gyro that performs conversion between an electrical signal and mechanical vibration by a piezoelectric effect is referred to as a piezoelectric vibrating gyro.
現在、圧電振動ジャイロに用いられている振動子としては、振動子本体が圧電体からなる構造のものが生産性及び精度に優れるため多用されている。圧電性を示す材料はこれまで盛んに開発報告されており、その数も多いが、実際に電子デバイスとして応用されている材料は数少ない。 At present, a vibrator having a structure in which a vibrator body is made of a piezoelectric material is frequently used as a vibrator used in a piezoelectric vibration gyro because it is excellent in productivity and accuracy. Materials that exhibit piezoelectricity have been actively developed and reported so far, and there are many materials, but there are few materials that are actually applied as electronic devices.
圧電振動ジャイロ用振動子に用いられる材料として、現在までに実用化に至っている圧電材料は、多結晶ではPZT系セラミックス、単結晶では水晶、ニオブ酸リチウムに留まっているのが現状である。また、これらの圧電材料には一長一短があり、圧電振動ジャイロの性能のみならず、形状や生産性に大きく影響を与えている。 As a material used for a vibrator for a piezoelectric vibration gyro, the piezoelectric materials that have been put to practical use so far are currently PZT ceramics for polycrystals, quartz for single crystals, and lithium niobate. In addition, these piezoelectric materials have advantages and disadvantages, greatly affecting not only the performance of the piezoelectric vibration gyro but also the shape and productivity.
ここで、小形で安価な圧電振動ジャイロを得るために、振動子を構成する圧電材料に必要な特性を挙げると、次のようになる。
(1)電気機械結合係数が大きいこと。
(2)温度変化に対し弾性及び圧電性が安定で、耐熱性に優れていること。
(3)音速が低いこと。
(4)加工性に優れること。
(5)材料自体が生産性に優れること。
Here, in order to obtain a small and inexpensive piezoelectric vibration gyro, characteristics required for the piezoelectric material constituting the vibrator are listed as follows.
(1) The electromechanical coupling coefficient is large.
(2) The elasticity and piezoelectricity are stable with respect to temperature changes, and the heat resistance is excellent.
(3) The sound speed is low.
(4) Excellent workability.
(5) The material itself is excellent in productivity.
そして、これらの理由は次のようである。第1に、電気機械結合係数が大きいと、所定の検出感度を得るのに、振動子の出力を低倍率の増幅で扱えることなどから、駆動検出の回路規模が小さくて済み、小形で安価な圧電振動ジャイロが得られる。第2に、温度変化に対し弾性及び圧電性の変化が小さい場合、特別な補正手段を用いなくとも、簡易的な回路で振動ジャイロ出力の温度安定性を向上でき、駆動検出の回路規模を小さくすることに寄与するとともに、耐熱性に優れていると、圧電振動ジャイロを容易にリフロー実装することができるようになり、圧電振動ジャイロの端子を表面実装形態にすることが可能で、実装面を含めた小形化が可能となる。 And these reasons are as follows. First, if the electromechanical coupling coefficient is large, a predetermined detection sensitivity can be obtained, and the output of the vibrator can be handled with low-amplification amplification. Therefore, the circuit scale for driving detection can be small, and it is small and inexpensive. A piezoelectric vibration gyro is obtained. Second, when the change in elasticity and piezoelectricity with respect to the temperature change is small, the temperature stability of the vibration gyro output can be improved with a simple circuit without using a special correction means, and the circuit scale for driving detection can be reduced. In addition to being excellent in heat resistance, the piezoelectric vibration gyro can be easily reflow mounted, and the terminals of the piezoelectric vibration gyro can be surface mounted. Miniaturization is possible.
第3に、音速が低いと、例えば屈曲振動を利用する振動子の小形化を考えた場合、振動子の形状を細長いものにしなくとも共振周波数を低くでき、つまりは感度を維持でき、強度面からも小さく設計し易くなる。第4に、加工性について言えば、例えば特許文献1に開示されているように、異方性エッチングが可能であればフォトリソグラフ技術を利用した微細加工による小形化が可能になることが知られている。
Third, if the sound velocity is low, for example, when considering the downsizing of a vibrator using bending vibration, the resonance frequency can be lowered without making the shape of the vibrator elongated, that is, the sensitivity can be maintained, Therefore, it becomes easy to design small. Fourthly, with regard to workability, as disclosed in
第5に、材料自体の生産性について言えば、基本的な条件である材料製造に関する技術完成度の高さ、原料の入手性、簡単なプロセスで製造でき安価であること、製造プロセスを含み材料の環境に対する負荷が小さいことは、重要な項目であり、材料選定上無視できない。 Fifth, regarding the productivity of the material itself, the basic conditions include the high level of technical perfection related to material production, the availability of raw materials, the ability to manufacture with a simple process and low cost, and the materials including the manufacturing process. It is an important item that the environmental load is small and cannot be ignored in selecting materials.
こうした観点から、圧電振動ジャイロ用振動子に実用化されている従来の圧電材料の特徴を以下に説明する。PZT系セラミックスは電気機械結合係数が大きいことから、駆動検出の回路規模が小さいもので所定の感度を得られる。また、音速も低いため、振動子の長さを短くでき小形化に有利である。しかしながら、化学的に安定な材料であることから、加工そのものは機械的なものに頼らざるを得ず、微細な加工には限度がある。更に、キュリー点が一般的に低く、リフロー等の高温環境下にさらされた場合、圧電特性の劣化が少なからず生じ、性能のばらつきに繋がる。 From this point of view, the characteristics of a conventional piezoelectric material that has been put to practical use in a vibrator for a piezoelectric vibration gyro will be described below. Since PZT ceramics have a large electromechanical coupling coefficient, a predetermined sensitivity can be obtained with a small drive detection circuit scale. In addition, since the speed of sound is low, the length of the vibrator can be shortened, which is advantageous for miniaturization. However, since it is a chemically stable material, the processing itself has to rely on mechanical ones, and there is a limit to fine processing. Furthermore, the Curie point is generally low, and when exposed to a high temperature environment such as reflow, there is a considerable deterioration in the piezoelectric characteristics, leading to variations in performance.
水晶は周波数の温度特性に優れるため、圧電振動ジャイロ用の振動子として使用した場合、温度変化に対し出力安定な、つまりは高精度な振動ジャイロが得られ易い。また水晶はフッ酸でのエッチングによる微細加工が可能であるため、振動子の小形化にも適した単結晶材料である。しかし電気機械結合係数が小さいため、振動子としての駆動振動及び検出振動の効率が低く、それを補うために回路構成が複雑になりがちで、結果的にデバイスサイズとしては小型化できない難点がある。 Since quartz is excellent in frequency temperature characteristics, when used as a vibrator for a piezoelectric vibration gyro, it is easy to obtain a vibration gyro that is stable in output with respect to temperature change, that is, with high accuracy. Quartz is a single crystal material suitable for miniaturization of a vibrator because it can be finely processed by etching with hydrofluoric acid. However, since the electromechanical coupling coefficient is small, the efficiency of drive vibration and detection vibration as a vibrator is low, and the circuit configuration tends to be complicated to compensate for it. As a result, the device size cannot be reduced. .
ニオブ酸リチウムは電気機械結合係数が大きく、また、多結晶体のPZT系セラミックスよりは一般的に温度変化に対し安定である利点もあり、回路規模が非常に小さくて済む単結晶材料である。しかし音速が高いため振動子の共振周波数が高くなり、小形化した際に感度の低下を招く問題があると同時に、PZTと同様にエッチング加工が困難な材料であるため、機械的加工に頼らざるを得ず、微細加工にも難がある。 Lithium niobate has a large electromechanical coupling coefficient, and is generally more stable than a polycrystalline PZT-based ceramic, and is a single crystal material that requires only a very small circuit scale. However, since the speed of sound is high, the resonance frequency of the vibrator becomes high, and there is a problem that the sensitivity is lowered when the size is reduced. At the same time, it is a material that is difficult to etch like PZT, so it does not rely on mechanical processing. There is also difficulty in microfabrication.
ケイ酸ランタンガリウム(La3Ga5SiO14:以下、ランガサイトと記す)単結晶は、水晶より電気機械結合係数が大きく、温度特性が優れていて音速が低く、しかもエッチングによる微細加工が可能であるため小型化に適した単結晶材料である。特許文献2には、圧電振動ジャイロ用振動子の材料として、ランガサイト単結晶板を適用する技術が開示されている。
Lanthanum gallium silicate (La 3 Ga 5 SiO 14 : hereinafter referred to as langasite) single crystal has a larger electromechanical coupling coefficient than quartz, excellent temperature characteristics, low sound speed, and enables fine processing by etching. Therefore, it is a single crystal material suitable for miniaturization.
また、一般的に圧電単結晶は異方性を示し、結晶方位によって弾性、圧電性、誘電性が異なる。特許文献2を始めとする文献には、前記のニオブ酸リチウムに関し、X軸回り±140°Y(またはX軸回り±50°Z)近傍の方位で、強い圧電特性を示すことが開示されている。
In general, a piezoelectric single crystal exhibits anisotropy, and its elasticity, piezoelectricity, and dielectric properties vary depending on the crystal orientation. Documents including
従って、ランガサイト単結晶についても、結晶方位と振動子の形状の整合を図ることで、ランガサイト単結晶が元来備えている特性を、十分に発現させることができる。しかしながら、ランガサイト単結晶の結晶方位を圧電振動ジャイロ用振動子に整合させた技術は、未だに開示されていないのが実状である。従って、本発明の課題は、前記の技術を検討することで、小型、高特性で、かつ低コストの圧電振動ジャイロ用音叉形振動子を提供することにある。 Therefore, the characteristics inherent to the langasite single crystal can be sufficiently exhibited by matching the crystal orientation and the shape of the vibrator with respect to the langasite single crystal. However, the technology of matching the crystal orientation of the langasite single crystal with the vibrator for a piezoelectric vibration gyro has not been disclosed yet. Accordingly, an object of the present invention is to provide a tuning fork vibrator for a piezoelectric vibration gyro having a small size, high characteristics, and low cost by examining the above-described technique.
本発明は、振動子におけるランガサイト単結晶の結晶方位の配置と圧電特性の関係を検討した結果なされたものである。 The present invention has been made as a result of examining the relationship between the crystal orientation of the langasite single crystal in the vibrator and the piezoelectric characteristics.
即ち、本発明は、ほぼ直方体形状の基部の一面から延長された複数のアーム部を有する音叉形振動子を、ランガサイト単結晶で形成し、複数のアーム部の軸を含む平面に平行な表面を主面、主面とほぼ直交する表面を側面としたときに、ランガサイト単結晶の結晶方位を、X軸がアーム部の軸方向と直交する方向で、かつY軸と主面のなす角度が−15°±10°となるように配置したことを特徴とする、圧電振動ジャイロ用音叉形振動子である。 That is, the present invention provides a tuning fork vibrator having a plurality of arm portions extended from one surface of a substantially rectangular parallelepiped base portion made of a langasite single crystal, and a surface parallel to a plane including the axes of the plurality of arm portions. Is the principal plane, and the crystal orientation of the langasite single crystal is the direction in which the X-axis is perpendicular to the axial direction of the arm portion and the angle between the Y-axis and the principal plane Is a tuning-fork vibrator for a piezoelectric vibration gyro, which is arranged to be -15 ° ± 10 °.
また、本発明は、前記の音叉形圧電振動ジャイロ用振動子において、主面または側面の少なくとも1面に、駆動用電極、検出用電極、基準電位用電極を形成し、電極間におけるアーム部の厚さ方向または幅方向の電界圧電横効果により、主面に平行な方向の面内振動と主面に直交する方向の面外振動を、励振及び検出することを特徴とするものである。 According to the present invention, in the tuning fork type piezoelectric vibration gyro vibrator, the driving electrode, the detection electrode, and the reference potential electrode are formed on at least one of the main surface and the side surface, and the arm portion between the electrodes is formed. An in-plane vibration in a direction parallel to the main surface and an out-of-plane vibration in a direction orthogonal to the main surface are excited and detected by an electric field piezoelectric lateral effect in the thickness direction or the width direction.
また、本発明は、前記の音叉形圧電振動ジャイロ用振動子において、2本のアーム部が基部と一体に形成され、2本のアームのそれぞれの主面に、互いに他方のアーム部に近い側から順に、第1の電極、第2の電極、第3の電極を形成し、主面に平行でアーム部の長手方向と直交する方向の電界による圧電横効果により、主面に平行な方向の面内振動と主面に直交する方向の面外振動を、励振及び検出することを特徴とするものである。この際、電極を形成する2つの主面は、同一側または互いに対向する側のいずれかとすることができる。 Further, according to the present invention, in the tuning fork-type piezoelectric vibration gyro vibrator, the two arm portions are integrally formed with the base portion, and the main surfaces of the two arms are close to each other on the main surface. The first electrode, the second electrode, and the third electrode are formed in this order, and in the direction parallel to the main surface due to the piezoelectric lateral effect due to the electric field in the direction parallel to the main surface and perpendicular to the longitudinal direction of the arm portion. An in-plane vibration and an out-of-plane vibration in a direction orthogonal to the main surface are excited and detected. At this time, the two main surfaces forming the electrodes can be either on the same side or on opposite sides.
本発明による圧電振動ジャイロ用音叉形振動子は、従来よりも高い電気機械結合係数と、安定した温度特性を具備していることから、小規模の回路で圧電振動ジャイロを構成することができる。つまり、圧電振動ジャイロの小型化に寄与する。しかも、振動子を構成するランガサイト単結晶にはエッチングを施すことが可能なので、機械加工よりも高い寸法精度で加工することが可能である。 Since the tuning fork vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to the present invention has a higher electromechanical coupling coefficient and more stable temperature characteristics than the conventional one, a piezoelectric vibration gyro can be configured with a small circuit. That is, it contributes to miniaturization of the piezoelectric vibration gyro. In addition, since the langasite single crystal constituting the vibrator can be etched, it can be processed with higher dimensional accuracy than mechanical processing.
また、本発明の結晶方位の配置によれば、主面に片側にのみ電極を形成しても、音叉形振動子として機能することから、電極形成の工程の簡略化に繋がり、製造コスト低減にも寄与する。即ち、従来よりもさらに小型で高精度、かつ安価な圧電振動ジャイロ用音叉形振動子を提供することができる。 In addition, according to the crystal orientation arrangement of the present invention, even if an electrode is formed only on one side on the main surface, it functions as a tuning fork vibrator, leading to simplification of the electrode forming process and reducing manufacturing costs. Also contribute. That is, it is possible to provide a tuning fork vibrator for a piezoelectric vibration gyro that is smaller, more accurate, and less expensive than the conventional one.
ランガサイト単結晶は、三方晶系32群に属する結晶構造である。従ってランガサイトは、点群32に属する対称性を示し、6つの独立な弾性定数と、2つの独立な圧電定数を示す。表1は弾性定数をマトリクスで表示した表、表2は圧電定数をマトリクスで表示した表、表3は誘電率をマトリクスで表示した表である。 The langasite single crystal has a crystal structure belonging to the trigonal group 32. Accordingly, the langasite exhibits symmetry belonging to the point group 32, and exhibits six independent elastic constants and two independent piezoelectric constants. Table 1 is a table in which elastic constants are displayed in a matrix, Table 2 is a table in which piezoelectric constants are displayed in a matrix, and Table 3 is a table in which dielectric constants are displayed in a matrix.
ランガサイト単結晶は、表1に示したような弾性定数、表2に示したような圧電定数、表3に示したような誘電率を発現し、圧電効果の強度の指標である電気機械結合係数kにおいて、表1に示した圧電定数の配置から、結晶方位の1軸に電界を印加して1方向に変位するk11、または2方向に変位するk12が圧電効果に有効である。つまり、結晶方位により電気機械結合係数が異なるため、結晶方位と振動方向の整合を図ることで、電気機械結合係数を大きくできる。 The langasite single crystal exhibits an elastic constant as shown in Table 1, a piezoelectric constant as shown in Table 2, and a dielectric constant as shown in Table 3, and is an electromechanical coupling that is an indicator of the strength of the piezoelectric effect. For the coefficient k, from the arrangement of the piezoelectric constants shown in Table 1, k 11 that is displaced in one direction by applying an electric field to one axis of crystal orientation, or k 12 that is displaced in two directions is effective for the piezoelectric effect. That is, since the electromechanical coupling coefficient differs depending on the crystal orientation, the electromechanical coupling coefficient can be increased by matching the crystal orientation and the vibration direction.
次に、本発明による実施の形態を具体的な例を挙げて説明する。本発明では、前記のように振動子を構成する材料として、ランガサイト単結晶を、結晶方位を最適化した状態で用いる。ここでは、ランガサイト単結晶で2本のアーム部を有する音叉形振動子を構成する例を説明する。図5は、音叉形振動子の形状と振動モードを説明するための図で、図5(a)は音叉形振動子の斜視図、図5(b)は面内振動、図5(c)は面外振動を示す図である。 Next, embodiments according to the present invention will be described with specific examples. In the present invention, the Langasite single crystal is used in a state where the crystal orientation is optimized as a material constituting the vibrator as described above. Here, an example will be described in which a tuning fork vibrator having two arm portions is formed of a langasite single crystal. FIG. 5 is a diagram for explaining the shape and vibration mode of a tuning fork vibrator, FIG. 5 (a) is a perspective view of the tuning fork vibrator, FIG. 5 (b) is in-plane vibration, and FIG. 5 (c). FIG. 4 is a diagram showing out-of-plane vibration.
このように、振動子形状として比較的支持が容易で共振周波数が低く設計できる音叉形状を選択し、2つの振動モードを利用し、圧電振動ジャイロ用音叉形振動子として機能させる。ここでは2つのアーム部を有する音叉形状で説明するが、3つ以上のアーム部を有する音叉形状にも適用可能である。 As described above, a tuning fork shape that can be designed to be relatively easy to support and have a low resonance frequency is selected as the vibrator shape, and functions as a tuning fork vibrator for a piezoelectric vibration gyro using two vibration modes. Here, the description will be given of a tuning fork shape having two arm portions, but the present invention can also be applied to a tuning fork shape having three or more arm portions.
以下、動作原理を説明する。選定した圧電単結晶材料の圧電性を示す結晶方位に基づき、面内振動モード及び面外振動モードに結合した電極を配置し、励振及び検出可能な音叉形圧電振動子を構成し、面内振動モードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を電極に印加し、面内振動モードを励振する。その状態で振動子の長さ方向を軸とした角速度を印加すると、振動子には角速度に比例したコリオリ力が働き、面外振動モードを生じる。 The operation principle will be described below. Based on the crystal orientation indicating the piezoelectricity of the selected piezoelectric single crystal material, an electrode coupled to the in-plane vibration mode and the out-of-plane vibration mode is arranged to form a tuning fork-type piezoelectric vibrator capable of excitation and detection, and in-plane vibration A drive signal having a frequency close to the mode resonance frequency is applied to the electrode to excite the in-plane vibration mode. In this state, when an angular velocity about the length direction of the vibrator is applied, a Coriolis force proportional to the angular velocity acts on the vibrator to generate an out-of-plane vibration mode.
この面外振動モードによって生じる電気信号を電極から取り出せば、角速度に比例した電気信号が得られ、圧電振動ジャイロとして機能させることができる。この場合は、駆動モードに面内振動モード、検出モードに面外振動モードを利用しているが、これらを入れ替えて駆動モードに面外振動モード、検出モードに面内振動モードを利用することも可能である。 If an electric signal generated by this out-of-plane vibration mode is taken out from the electrode, an electric signal proportional to the angular velocity can be obtained and function as a piezoelectric vibration gyro. In this case, the in-plane vibration mode is used for the drive mode and the out-of-plane vibration mode is used for the detection mode, but these may be switched to use the out-of-plane vibration mode for the drive mode and the in-plane vibration mode for the detection mode. Is possible.
前述の圧電振動ジャイロの基本的な動作原理、構成をもとに、本実施の形態では、圧電単結晶材料としてランガサイト単結晶を用い、電気機械結合係数k12を利用し、1主面にのみ電極を形成した音叉形圧電振動子を構成した。図1は、音叉形振動子の概略を示す斜視図であり、図1(a)は結晶軸のY軸と主面の角度を調整した本発明の音叉形振動子、図1(b)は比較例として結晶軸のY軸を主面と平行に調製した音叉形振動子である。図1において、11a,11bは基部、12a,12bはアーム部、13は電極である。 Based on the basic operating principle and configuration of the piezoelectric vibration gyro described above, in this embodiment, a langasite single crystal is used as the piezoelectric single crystal material, and an electromechanical coupling coefficient k 12 is used to form one main surface. A tuning fork type piezoelectric vibrator with only electrodes formed therein was constructed. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a tuning fork vibrator, FIG. 1 (a) is a tuning fork vibrator of the present invention in which the angle between the Y axis of the crystal axis and the principal surface is adjusted, and FIG. As a comparative example, a tuning fork type vibrator in which the Y axis of the crystal axis is prepared in parallel with the main surface. In FIG. 1, 11a and 11b are base parts, 12a and 12b are arm parts, and 13 is an electrode.
ここでは、図1(a)に示したように、結晶軸のY軸と主面のなす角度が−15°となるように音叉形振動子を調製した。この音叉形振動子について、有限要素法を用いた振動シミュレーションを実施した。なお、音叉形振動子の座標方向のX軸、Y軸、Z軸は便宜上それぞれ方向1〜3で定義している。図1(a)における、それぞれのアーム部12aの主面に3本の帯状に形成した電極13は、前記の面内振動モード、面外振動モードと結合するため、この音叉形振動子は、圧電振動ジャイロの構成要素として機能する。
Here, as shown in FIG. 1A, the tuning fork vibrator was prepared so that the angle formed between the Y axis of the crystal axis and the principal surface was −15 °. A vibration simulation using the finite element method was performed for this tuning fork vibrator. The X-axis, Y-axis, and Z-axis in the coordinate direction of the tuning fork vibrator are defined in
帯状の電極13は、両方のアーム部12aとも同一側の主面に形成する方が、製造、組立、配線で有利である。また、各アーム部の他方の主面には、さらに3本の帯状の電極をアーム部12aの長手方向と平行に形成しても良い。アーム部の両方の主面に電極を設けることにより、生産性は低下するが、駆動と検出の効率はそれぞれ2倍となり、高感度化が可能となる。
It is more advantageous in manufacturing, assembly, and wiring that the belt-
図2は、本実施の形態における、アーム部の主面に3本の帯状の電極を形成した音叉形振動子を示す斜視図である。図2において、21は基部、22a,22bはアーム部、23a,23bは駆動電極、24a,24bは検出電極、25a,25bは基準電位電極である。 FIG. 2 is a perspective view showing a tuning fork vibrator in which three strip electrodes are formed on the main surface of the arm portion in the present embodiment. In FIG. 2, 21 is a base, 22a and 22b are arm portions, 23a and 23b are drive electrodes, 24a and 24b are detection electrodes, and 25a and 25b are reference potential electrodes.
また、図3は、本実施の形態の音叉形振動子における振動モードを説明する図で、図3(a)は面内振動モード、図3(b)は面外振動モードを示す図である。この音叉形振動子においては、図3(a)に示したように、駆動電極23a,23bと、検出電極24a,24b及び基準電位電極25a,25bの間に駆動電圧を印加することで、図3(a)のような電界が発生する。その結果、駆動電極23a,23bの図における左右では、逆向きの電界となるため、アーム部内22a,22bの一方で長手方向に伸長が生じ、もう一方では長手方向に収縮が生じることになる。
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining vibration modes in the tuning fork vibrator according to the present embodiment. FIG. 3A shows an in-plane vibration mode, and FIG. 3B shows an out-of-plane vibration mode. . In this tuning fork vibrator, as shown in FIG. 3A, a drive voltage is applied between the
従って、面内振動モードを、駆動電極23a,23bにより励振することができる。また、同様に、駆動電極23a,23bと検出電極24a,24b及び基準電位電極25a,25bの間に、駆動電極23a,23bに加えた電圧と逆位相の電圧を印加することで、面内振動モードを2倍の効率で励振することができる。
Therefore, the in-plane vibration mode can be excited by the
ここで、アーム部22a,22bの長手方向の軸に角速度を加えると、図3(b)のように、コリオリ力よる面外振動モードが生じる。この振動は、音叉形振動子の主面の垂直方向に左右のアームが逆向きに変位する。この振動の検出には、検出電極24aと基準電位電極25a及び検出電極24bと基準電位電極25bの間の信号差として検出することができる。
Here, when an angular velocity is applied to the longitudinal axes of the
なお、面外振動モードによって生じる検出電極24a,24bの信号は、同振幅、同位相である。上記の説明では、駆動モードに面内振動モード、検出モードに面外振動モードを利用して、圧電振動ジャイロを構成する場合について説明したが、駆動モードと検出モードを入れ替えた場合も同様に音叉形振動子として使用することができる。
The signals of the
図4は、本実施の形態における回路構成を示すブロック図である。図4において、40は音叉形振動子、41は移相回路、42は加算回路、43は自励発振回路、44は同期検波回路、45はローパスフィルタ、46a、46bはオペアンプ、47a、47bは抵抗器、48は基準電位、49は出力部である。 FIG. 4 is a block diagram showing a circuit configuration in the present embodiment. In FIG. 4, 40 is a tuning fork vibrator, 41 is a phase shift circuit, 42 is an adder circuit, 43 is a self-excited oscillation circuit, 44 is a synchronous detection circuit, 45 is a low-pass filter, 46a and 46b are operational amplifiers, 47a and 47b are A resistor, 48 is a reference potential, and 49 is an output section.
ここでは、自励発振回路43から出力される信号を、駆動電極23bに印加し、同時に自励発振回路43から出力される信号を、移相回路41によって位相を反転して駆動電極23aに印加し、面内振動モードを励振する。検出電極24a、24bには、オペアンプ46bと抵抗器47b、及びおよびオペアンプ46aと抵抗器47aで構成される電流検出回路が接続されている。
Here, the signal output from the self-
これにより、検出電極24a,24bの電位は、オペアンプの仮想接地によって基準電位に固定される。その結果、検出電極24a,24bは、面外振動モードの検出と同時に、駆動電界を印加するための基準電位を作ることができる。2つの電流検出回路の出力は、加算回路42と自励発振回路43に入力される。
Thereby, the potentials of the
加算回路42に入力される2つの信号の面内振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相である。従って、加算回路42から同期検波回路44に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力によって生じる面外振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ45から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となる。
The in-plane vibration mode components of the two signals input to the
従って、角速度センサとして機能する。なお、自励発振回路43から出力された信号は、駆動電極23bと移相回路41に帰還されると同時に、同期検波回路44の参照信号として利用される。以上の動作原理で圧電振動ジャイロの構成部品として機能する音叉形振動子のシミュレーションを行った。
Therefore, it functions as an angular velocity sensor. The signal output from the self-
ここでは図1(a)に示した音叉形振動子と、図1(b)に示したランガサイト単結晶を結晶方位のY軸を主面に平行な方向に配置した(以下、Zカットと記す)従来の音叉形振動子を比較した。この解析モデルの寸法は、長手方向の全長が5.2mm、厚さが0.25mm、基部の幅が0.66mm、各アーム部の幅が0.22mm、アーム部の長さが3.2mmで、面内振動モード及び面外振動モードの共振周波数が約15kHzである。 Here, the tuning fork vibrator shown in FIG. 1A and the Langasite single crystal shown in FIG. 1B are arranged in a direction parallel to the principal plane of the Y axis of crystal orientation (hereinafter referred to as Z-cut and Note) A conventional tuning fork type vibrator was compared. The dimensions of this analysis model are as follows: the total length in the longitudinal direction is 5.2 mm, the thickness is 0.25 mm, the width of the base is 0.66 mm, the width of each arm is 0.22 mm, and the length of the arm is 3.2 mm. Thus, the resonance frequency of the in-plane vibration mode and the out-of-plane vibration mode is about 15 kHz.
評価項目は容量比γとした。容量比γは圧電振動子の電気エネルギーと機械エネルギーの変換効率を示す指標であり、小さい程、効率が高いことを示し、電気機械結合係数kの逆数に比例する。表4は、結晶方位によるγの変化を示したものである。ここでは従来のZカット圧電振動子のγを100とした相対値を示した。 The evaluation item was the capacity ratio γ. The capacity ratio γ is an index indicating the conversion efficiency between the electric energy and the mechanical energy of the piezoelectric vibrator. The smaller the capacity ratio γ, the higher the efficiency, which is proportional to the reciprocal of the electromechanical coupling coefficient k. Table 4 shows changes in γ depending on the crystal orientation. Here, the relative value where γ of the conventional Z-cut piezoelectric vibrator is 100 is shown.
表5は、各振動モードの共振周波数の変化率を示したものである。ここでもZカットの圧電振動子の共振周波数を100とした相対値を示した。 Table 5 shows the change rate of the resonance frequency in each vibration mode. Here, the relative value with the resonance frequency of the Z-cut piezoelectric vibrator as 100 is shown.
シミュレーションの結果から、従来のZカット音叉形振動子のよりも、ランガサイト単結晶の結晶方位のY軸を、X軸を回転軸として−15°回転させて構成した音叉形振動子の方が、γにおいては駆動振動モードおよび検出振動モードで、それぞれ約10%良好であった。また同様に共振周波数も約10%低くなることが分かった。 From the simulation results, the tuning fork vibrator configured by rotating the Y axis of the crystal orientation of the langasite single crystal by −15 ° about the X axis as the rotation axis is more than the conventional Z cut tuning fork vibrator. For γ and γ, the driving vibration mode and the detection vibration mode were about 10% better, respectively. Similarly, it was found that the resonance frequency was lowered by about 10%.
一般に圧電振動ジャイロのSN比は、駆動振動モードの励振効率と検出振動モードの検出効率に比例し、駆動周波数に反比例する。音叉形振動子のγが低いほど、また駆動周波数が低いほどSN比が向上する。従って、従来のZカット音叉形振動子よりも、結晶方位のY軸をX軸について−15°回転させた音叉形振動子を用いた方が、圧電振動ジャイロとしてのSN比は、約30%向上すると言える。 In general, the SN ratio of a piezoelectric vibration gyro is proportional to the excitation efficiency in the drive vibration mode and the detection efficiency in the detection vibration mode, and inversely proportional to the drive frequency. The S / N ratio is improved as γ of the tuning fork vibrator is lower and as the driving frequency is lower. Therefore, the S / N ratio as a piezoelectric vibration gyro is about 30% when a tuning fork vibrator in which the Y axis of crystal orientation is rotated by −15 ° about the X axis is used rather than a conventional Z cut tuning fork vibrator. It can be said that it improves.
以上、結晶方位をX軸について−15°±10°回転させたランガサイト単結晶で構成された音叉形振動子を用いた圧電振動ジャイロは、従来のZカット音叉形振動子を用いたものと比べると、駆動および検出効率の向上や、音叉形振動子の共振周波数を低く抑えることができることから回路規模が小さくできる。 As described above, the piezoelectric vibrating gyroscope using the tuning fork vibrator composed of the Langasite single crystal whose crystal orientation is rotated by −15 ° ± 10 ° about the X axis is the one using the conventional Z-cut tuning fork vibrator. In comparison, since the drive and detection efficiency can be improved and the resonance frequency of the tuning fork vibrator can be kept low, the circuit scale can be reduced.
また、材料自体の特徴から、エッチング加工が可能であるため、任意の形状で微細加工を施すことができる。さらに、単結晶内を伝播する音速も低いため、同一周波数の音叉形振動子を設計する場合に、音叉形振動子を小形にすることができる。したがって、本発明によって、従来に比べ、音叉形振動子を小型化でき、小規模な回路構成で圧電振動ジャイロを構成することができる。 In addition, since etching can be performed due to the characteristics of the material itself, fine processing can be performed in any shape. Furthermore, since the speed of sound propagating in the single crystal is low, the tuning fork vibrator can be made small when designing a tuning fork vibrator having the same frequency. Therefore, according to the present invention, the tuning fork vibrator can be reduced in size as compared with the prior art, and the piezoelectric vibration gyro can be configured with a small circuit configuration.
なお、特に例を示さなかったが、音叉形振動子の側面に電極を形成したり、個別のアーム部の対向する主面の1面にのみ電極を形成したりした場合でも、同様の効果が得られる。そして、本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。即ち、当業者であれば、なし得ると推定される各種変形、修正を含むことは勿論である。 Although no specific example is shown, the same effect can be obtained even when an electrode is formed on the side surface of the tuning fork vibrator or only on one of the opposing main surfaces of the individual arm portions. can get. And this invention is not limited to the said embodiment, Even if there is a design change of the range which does not deviate from the summary of this invention, it is contained in this invention. That is, it goes without saying that various modifications and corrections that can be made by those skilled in the art are included.
11a,11b,21,51 基部
12a,12b,22a,22b,52a,52b アーム部
13 電極
23a,23b 駆動電極
24a,24b 検出電極
25a,25b 基準電位電極
40,50 音叉形振動子
41 移相回路
42 加算回路
43 自励発振回路
44 同期検波回路
45 ローパスフィルタ
46a,46b オペアンプ
47a,47b 抵抗器
48 基準電位
49 出力部
11a, 11b, 21, 51
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JP2004268149A JP2006084273A (en) | 2004-09-15 | 2004-09-15 | Tuning fork type vibrator for piezoelectric vibration gyro |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007064826A (en) * | 2005-08-31 | 2007-03-15 | Kyocera Kinseki Corp | Inertial sensor element |
JP2008175578A (en) * | 2007-01-16 | 2008-07-31 | Nec Tokin Corp | Vibrator for piezoelectric vibrating gyroscope |
-
2004
- 2004-09-15 JP JP2004268149A patent/JP2006084273A/en active Pending
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