JP2007071692A - Oscillator for piezoelectric oscillation gyro - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、柱状屈曲振動を利用した圧電振動ジャイロ用の圧電振動子に関し、特にカメラやカメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ)の手振れ防止や自動車のナビゲーションシステム等に用いられるジャイロスコープ或いはジャイロセンサーに好適な圧電振動子に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro using columnar flexural vibration, and more particularly to a gyroscope or a gyro sensor used for camera shake prevention of a camera or a camera-integrated VTR (video tape recorder), an automobile navigation system, or the like. The present invention relates to a suitable piezoelectric vibrator.
圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転の角速度が与えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープに属する。互いに直交する二つの方向において、一方を励振側として振動可能とし、他方を出力側として出力電圧の検出を可能とした振動系において、励振側を振動させた状態で、二つの振動面が交わる線と平行な軸を中心軸として振動子自身を回転させると、前述のコリオリ力の作用により、励振側の振動方向に対して直角な方向に力が働き、出力側に振動が励振される。この出力側に励振される振動の大きさは、回転角速度に比例するため、前記出力側の圧電現象によって生じる出力電圧の大きさから、回転角速度の大きさを求めることができる。 Piezoelectric vibratory gyros belong to a gyroscope that utilizes a dynamic phenomenon in which, when an angular velocity of rotation is given to a vibrating object, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the vibration direction. In a vibration system in which vibration can be detected with one side as the excitation side and output voltage can be detected with the other as the output side in two directions orthogonal to each other, the line where the two vibration surfaces intersect with the excitation side vibrated When the vibrator itself is rotated with the axis parallel to the center axis as a central axis, a force acts in a direction perpendicular to the vibration direction on the excitation side by the action of the Coriolis force described above, and vibration is excited on the output side. Since the magnitude of the vibration excited on the output side is proportional to the rotational angular velocity, the magnitude of the rotational angular velocity can be obtained from the magnitude of the output voltage generated by the piezoelectric phenomenon on the output side.
図1は、従来の圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図であり、図2は、従来の圧電振動ジャイロ用振動子の中心軸に対して垂直な中央部の断面図である。図1及び図2を参照しながら従来の圧電振動ジャイロ用振動子について説明する。従来の圧電振動ジャイロ用振動子の構造は、円柱状圧電セラミックス1の外周面2の円周を6等分する位置に、円柱の中心軸9と平行な帯状の駆動電極3と、帯状の検出電極5及び7と、帯状のアース電極4、6及び8とが形成されている。さらに、アース電極4、6及び8の長手方向の両端部は、円柱状圧電セラミックス1の外周面の円周上を1周する環状電極10及び11で電気的に接続している。尚、図1では検出電極7とアース電極8は円柱状圧電セラミックス1の背後に隠れているため、図示しない。前記アース電極4、6及び8を共通にしている環状電極10又は11を共通のアースとして、前記駆動電極3と前記検出電極5と前記検出電極7の各々に、直流の電圧を印加して分極処理を施すことにより、圧電振動ジャイロ用振動子を成す。
FIG. 1 is a perspective view showing a conventional piezoelectric vibration gyro vibrator, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a central portion perpendicular to the central axis of the conventional piezoelectric vibration gyro vibrator. A conventional piezoelectric vibration gyro vibrator will be described with reference to FIGS. The structure of the conventional vibrator for piezoelectric vibration gyro has a belt-
前記駆動電極3に駆動信号を入力すると、図2に示すX方向に振動が励起される。この状態において、中心軸9を回転の軸とした回転力が働くと前記コリオリ力が発生し、図2に示すY方向に振動が励起される。このY方向の振動により生じた電圧を、検出電極5と検出電極7から取り出し、検出することで円柱状圧電セラミックス1に付与された回転角速度の大きさを知ることができる。
When a drive signal is input to the
圧電振動ジャイロ用振動子に求められる性能は、回転角速度の検出感度や精度、環境に対する安定性等が挙げられる。たとえば、検出感度を上げる方法としては、検出電極の長さを駆動電極より短くして、駆動部の電気機械結合係数kxと検出部の電気機械結合係数kyの関係をkx>kyとすることで可能とする提案がなされている。このような圧電振動ジャイロ用振動子は特許文献1に開示されている。
The performance required for the vibrator for a piezoelectric vibration gyro includes detection sensitivity and accuracy of the rotational angular velocity, stability to the environment, and the like. For example, as a method for increasing the detection sensitivity, the length of the detection electrode is made shorter than that of the drive electrode, and the relationship between the electromechanical coupling coefficient kx of the drive unit and the electromechanical coupling coefficient ky of the detection unit is set to kx> ky. Proposals to make it possible have been made. Such a vibrator for a piezoelectric vibration gyro is disclosed in
また、感度の温度特性を改善する方法としては、圧電振動ジャイロ用振動子の持つ感度の温度特性を検出回路で補正する提案や、検出回路の持つ温度特性と相殺するような回路構成で感度の温度特性を改善する提案がなされている。このような振動ジャイロは特許文献2に開示されている。
In addition, as a method of improving the temperature characteristics of sensitivity, there are proposals for correcting the temperature characteristics of the sensitivity of the piezoelectric vibration gyro vibrator with a detection circuit, and circuit configurations that cancel the temperature characteristics of the detection circuit. Proposals have been made to improve temperature characteristics. Such a vibration gyro is disclosed in
従来の圧電振動ジャイロ用振動子は、少なからず周囲の温度変化による影響を受け、出力電圧が変動するという問題点がある。このため、前述したように、圧電振動ジャイロ用振動子が出力した電圧を回路で補正、或いは調整し、この温度変化による影響を見かけ上、低減することで、実用化している。近年、搭載されるカメラや電子機器等の小型化に伴い、ジャイロセンサーにも小型化が要求されている。しかしながら、圧電振動ジャイロ用振動子の小型化には、感度や精度の低下等の問題がある為、従来以上に、温度に対する出力電圧の変化を低減しなければならず、小型化する上での大きな問題点となっている。 A conventional vibrator for a piezoelectric vibration gyro has a problem that the output voltage fluctuates due to an influence of a change in ambient temperature. For this reason, as described above, the voltage output from the piezoelectric vibration gyro vibrator is corrected or adjusted by a circuit, and the effect due to this temperature change is apparently reduced, and thus is put into practical use. In recent years, with the miniaturization of mounted cameras and electronic devices, gyro sensors are also required to be miniaturized. However, the downsizing of a vibrator for a piezoelectric vibration gyro has problems such as a decrease in sensitivity and accuracy. Therefore, the change in the output voltage with respect to the temperature must be reduced more than before. It is a big problem.
従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、小型であっても出力電圧の温度による変化が少ない圧電振動ジャイロ用振動子を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art. Specifically, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration gyro vibrator that is small in size and has little change in output voltage due to temperature.
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、圧電振動ジャイロ用振動子の構造を、同一の圧電セラミックス内部に、ヤング率が違う部分を存在させる構造とした。さらに、そこから得られる動的な特性の温度特性を利用することで、圧電振動ジャイロを構成したときに、出力する電圧の温度による変化を低減させたことを、その要旨とする。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, according to the present invention, the structure of the vibrator for a piezoelectric vibration gyro is configured such that portions having different Young's moduli exist in the same piezoelectric ceramic. Further, the gist of the invention is that the change in the output voltage due to the temperature is reduced when the piezoelectric vibration gyro is configured by using the temperature characteristic of the dynamic characteristic obtained therefrom.
本発明によれば、柱状圧電セラミックスの外周面に、少なくとも1本以上の帯状の駆動電極と、少なくとも2本以上の帯状の検出電極と、少なくとも3本以上の帯状のアース電極とを有し、前記アース電極同士は隣接しないよう配されてなる圧電振動ジャイロ用振動子であって、前記柱状圧電セラミックス内部のヤング率が部分的に偏っていることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。 According to the present invention, at least one strip-shaped drive electrode, at least two strip-shaped detection electrodes, and at least three strip-shaped ground electrodes are provided on the outer peripheral surface of the columnar piezoelectric ceramic. A vibrator for a piezoelectric vibration gyro in which the ground electrodes are arranged not to be adjacent to each other, wherein a Young's modulus inside the columnar piezoelectric ceramic is partially biased. It is done.
従来の圧電振動ジャイロ用振動子の内部のヤング率は、厳密には、電極の在る部分と電極の無い部分とでは、極部的に違っているが、構造上、対称であったり、均等に電極が配されていたりするため、全体を見た場合、偏りは有していない。本発明では、柱状圧電セラミックスの製造段階、或いは後工程にて、予め柱状圧電セラミックス内部のヤング率が、全体を見ても部分的な偏りを設けたものである。 Strictly speaking, the Young's modulus inside a conventional piezoelectric vibration gyro vibrator is extremely different between a portion where an electrode is present and a portion where no electrode is present. Since the electrodes are arranged on the surface, there is no bias when viewed as a whole. In the present invention, the Young's modulus inside the columnar piezoelectric ceramic is preliminarily provided with a partial bias in advance in the manufacturing stage of the columnar piezoelectric ceramic or in a subsequent process.
また、本発明によれば、前記駆動電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数と、前記検出電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数とが異なることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。 According to the present invention, the piezoelectric vibration characterized in that the resonance frequency of the bending vibration generated between the drive electrode and the ground electrode is different from the resonance frequency of the bending vibration generated between the detection electrode and the ground electrode. A vibrator for gyro is obtained.
柱状圧電セラミックス内部でのヤング率の偏りによって、図2に示した従来の圧電振動ジャイロ用振動子におけるX方向とY方向との振動状態に違いが生じる。即ち、X方向のスティフネスとY方向のスティフネスが異なる結果、X方向振動の共振周波数とY方向振動の共振周波数は、異なる周波数を示す。そして、このX方向振動の共振周波数とY方向振動の共振周波数との差をΔfとすると、Δfは必然的に温度特性を持ち、このΔfの温度特性を利用することで、従来以上に、出力電圧の温度による変化が少ない圧電振動ジャイロ用振動子の提供が可能となる。 Due to the deviation of the Young's modulus inside the columnar piezoelectric ceramic, a difference occurs in the vibration state between the X direction and the Y direction in the conventional piezoelectric vibration gyro vibrator shown in FIG. That is, as a result of the difference between the stiffness in the X direction and the stiffness in the Y direction, the resonance frequency of the X direction vibration and the resonance frequency of the Y direction vibration show different frequencies. If the difference between the resonance frequency of the X-direction vibration and the resonance frequency of the Y-direction vibration is Δf, Δf inevitably has a temperature characteristic. By using the temperature characteristic of Δf, the output is more than conventional. It is possible to provide a vibrator for a piezoelectric vibration gyro with little change in voltage due to temperature.
また、本発明によれば、アース電極のうち、少なくとも1つが他のアース電極より長手方向寸法が短い事を特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。この構成は、他のアース電極より長手方向寸法が短いアース電極の電極が無い部分は、分極処理工程において、分極電圧が印加されず、分極処理されない。そのため、この分極処理されない部分のヤング率と、分極処理された部分のヤング率とは違い、柱状圧電セラミックス内部にヤング率の偏りが生じる。 In addition, according to the present invention, it is possible to obtain a vibrator for a piezoelectric vibration gyro characterized in that at least one of the ground electrodes has a shorter dimension in the longitudinal direction than the other ground electrodes. In this configuration, the portion where there is no electrode of the earth electrode whose longitudinal dimension is shorter than the other earth electrodes is not subjected to the polarization treatment because the polarization voltage is not applied in the polarization treatment process. Therefore, the Young's modulus of the part not subjected to the polarization treatment and the Young's modulus of the part subjected to the polarization treatment are different, and the Young's modulus is biased inside the columnar piezoelectric ceramic.
さらに、本発明によれば、駆動電極と対向する前記アース電極が他のアース電極より長手方向寸法が短い事を特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。駆動電極と対向するアース電極を短くして、前記分極処理がされない部分を設けることで、容易にヤング率の偏りを柱状圧電セラミックス内部に形成することが可能となる。また、アース電極を短くする理由は、駆動電極或いは検出電極を短くすることで駆動力或いは検出感度を減少させない為でもある。 Furthermore, according to the present invention, there is obtained a vibrator for a piezoelectric vibration gyro characterized in that the earth electrode facing the drive electrode has a shorter dimension in the longitudinal direction than other earth electrodes. By shortening the ground electrode facing the drive electrode and providing a portion that is not subjected to the polarization treatment, it is possible to easily form a Young's modulus bias in the columnar piezoelectric ceramic. The reason why the ground electrode is shortened is that the driving force or the detection sensitivity is not decreased by shortening the driving electrode or the detection electrode.
加えて、本発明によれば、上記に記載の圧電振動ジャイロ用振動子を使用したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。 In addition, according to the present invention, there is obtained a piezoelectric vibration gyro characterized by using the piezoelectric vibration gyro vibrator described above.
また、本発明によれば、前記駆動電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数と、前記検出電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数の差を検出して、出力電圧を補正することを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。前記圧電振動ジャイロ用振動子を使用することにより、前記Δfの温度による変化を検知して、出力電圧の補正ができ、従来以上に、出力電圧の温度による変化が低減する圧電振動ジャイロとなる。 According to the present invention, the difference between the resonance frequency of the bending vibration generated between the drive electrode and the ground electrode and the resonance frequency of the bending vibration generated between the detection electrode and the ground electrode is detected, and the output voltage is determined. A piezoelectric vibration gyro characterized by correction is obtained. By using the piezoelectric vibration gyro vibrator, a change in the Δf due to the temperature can be detected and the output voltage can be corrected, so that the piezoelectric vibration gyro can reduce the change in the output voltage due to the temperature.
前記の如く、本発明によれば、圧電振動ジャイロ用振動子において、前記X方向の共振周波数とY方向の共振周波数との差であるΔfの温度特性を利用可能とし、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子を使用することで、出力電圧の温度による変動が少ない圧電振動ジャイロの提供が可能となる。 As described above, according to the present invention, in the piezoelectric vibration gyro vibrator, the temperature characteristic of Δf which is the difference between the resonance frequency in the X direction and the resonance frequency in the Y direction can be used, and the piezoelectric vibration gyro according to the present invention is used. By using the vibrator for a device, it is possible to provide a piezoelectric vibration gyro with little fluctuation in output voltage due to temperature.
次に、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子について、図面に基づいて具体的に説明する。 Next, a vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図3は、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子を示す図である。図3(a)は側面図、図3(b)は、(a)におけるA1−A2の断面図である。円柱状圧電セラミックス1の外周面2の円周を6等分する位置に、円柱の中心軸9と平行な帯状の駆動電極3と、同じく帯状の検出電極5及び7と、同じく帯状のアース電極4、6及び8とが形成されている。さらに、アース電極4、6及び8の長手方向の両端部は、円柱状圧電セラミックス1の外周面の円周上を1周する環状電極10及び11で電気的に接続している。尚、図3(a)では検出電極5とアース電極4は円柱状圧電セラミックス1の背後に隠れているため、図示しない。
FIG. 3 is a diagram showing a piezoelectric vibration gyro vibrator according to the present invention. 3A is a side view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 in FIG. In the position which divides the circumference of the outer
図3(a)及び図3(b)の領域12は、円柱状圧電セラミックス1の内部においてヤング率の異なる部分を示している。この領域12は、予め、円柱状圧電セラミックス1の製造において、密度を変えることで形成できる。或いは、アース電極6を環状電極10から切り離し、さらに長手方向の中央で分断した後、環状電極11を共通のアースとして、前記駆動電極3と前記検出電極5と前記検出電極7の各々に、直流の電圧を印加して分極処理を施すことによっても、領域12を形成出来る。これは、アース電極6を前記の様に分離した為、領域12で示した部分が分極処理されない結果として、生じるものである。前記の場合、切り離したアース電極6は再度接続し直すと良いが、場合によっては、そのままの状態を維持しても良い。
このヤング率の異なる領域12が存在することで、図3(b)に示す、X方向とY方向との振動状態に違いが生じる。即ち、X方向のスティフネスとY方向のスティフネスが異なる結果、X方向振動の共振周波数とY方向振動の共振周波数が異なる周波数を示すことになる。そして、このX方向振動の共振周波数とY方向振動の共振周波数との差をΔfとすると、Δfは必然的に温度特性を持つ。このΔfの温度特性を利用することで、従来以上に、出力電圧の温度による変化が少ない圧電振動ジャイロ用振動子の提供が可能となる。
The presence of the
図3には円柱状の圧電セラミックスを示したが、柱状屈曲振動する構造であれば、円柱以外の多角柱でも同じ効果が得られる。また、図3に示した各電極の形状は基本的な形状を示したものであり、限定されるものではない。例えば、図4は、従来の圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの一例を示す図である。図4には、円柱状圧電セラミックスの曲面に印刷される電極パターンを展開した図として示してある。駆動電極13と、検出電極15及び17と、アース電極14、16及び18が平行に、等間隔で配置されている。アース電極14、16及び18は共通電極19に接続し、共通となっている。この電極が円柱状圧電セラミックスの曲面に印刷され、駆動電極13とアース電極16とが対向し、検出電極15とアース電極18とが対向し、検出電極17とアース電極14とが対向する配置となる。本発明においては、このような電極構造であっても前記同様の効果が得られる。
Although FIG. 3 shows a cylindrical piezoelectric ceramic, the same effect can be obtained with a polygonal column other than a column as long as it has a columnar bending vibration structure. Moreover, the shape of each electrode shown in FIG. 3 shows a basic shape, and is not limited. For example, FIG. 4 is a diagram showing an example of an electrode pattern of a conventional piezoelectric vibration gyro vibrator. FIG. 4 shows a developed view of the electrode pattern printed on the curved surface of the cylindrical piezoelectric ceramic. The
以下、具体的な例を挙げ、本発明の圧電振動ジャイロ用振動子についてさらに詳しく説明する。 Hereinafter, the piezoelectric vibrator gyro vibrator according to the present invention will be described in more detail with specific examples.
図5は、実施例1による圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図である。円柱状圧電セラミックス1は、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックス材料をプレス成型したものを焼結した後、円柱状に加工したものである。形状は直径1mmで長さ10mmとした。この円柱状圧電セラミックス1の外周面2に、検出電極25及び27や、アース電極26等の電極パターンを印刷し、分極処理をして、圧電振動ジャイロ用振動子とした。
FIG. 5 is a perspective view illustrating the piezoelectric vibration gyro vibrator according to the first embodiment. The cylindrical
図6は、実施例1による圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの平面展開図である。前記円柱状圧電セラミックス1の外周面2に印刷した電極は、駆動電極23、検出電極25及び27、アース電極24、26及び28が平行になる様に配置され、また、アース電極24、26及び28は共通電極29で電気的に共通となっている。さらに、アース電極26は、他のアース電極24或いは28に比べ長さを1/2とした。
FIG. 6 is a developed plan view of an electrode pattern of the piezoelectric vibration gyro vibrator according to the first embodiment. The electrodes printed on the outer
分極処理は、共通電極29を0V電位とし、駆動電極23、検出電極25及び27それぞれに高電圧を印加することで、分極処理とした。このとき、図5或いは図6に点線で示したアース電極の無い部分30は電圧が印加されない為、分極処理がされない。そのため、分極処理された部分に比べてヤング率が小さい部分が生じ、ヤング率の部分的な偏りが円柱状圧電セラミックス1の内部に生じる。
The polarization treatment was performed by setting the
この状態において、駆動電極23とアース電極26(又は共通電極29)間に生じる振動の共振周波数と、検出電極25及び27とアース電極24及び28(又は共通電極29)に生じる振動の共振周波数には差が生じる。この差をΔfとすると、Δfは必然的に温度特性を有する。
In this state, the resonance frequency of vibration generated between the
図7は、Δfの温度特性を示すグラフである。横軸は温度を示し、縦軸は25℃の時のΔfを基準として、各温度でのΔfの変化量を示している。比較の為、図4に示した電極パターンを有する、ヤング率の部分的な偏りを持たない従来の圧電振動ジャイロ用振動子のΔfの温度特性も併記した。図7のグラフから解るように、実施例1におけるΔfの温度による変化量は、従来品に比べ、非常に大きい。この結果は本発明における課題の解決に対して、一見、矛盾する結果のように見えるが、実は、この変化量が大きいということは、言い換えれば、温度に対して敏感に反応する、即ち、温度に対し高感度であることを示すものである。従って、この変化を利用して、出力を補正することで、温度変化に対して敏感で、出力変化が非常に少ない圧電振動ジャイロとなる。 FIG. 7 is a graph showing the temperature characteristic of Δf. The horizontal axis indicates the temperature, and the vertical axis indicates the amount of change in Δf at each temperature with reference to Δf at 25 ° C. For comparison, the temperature characteristics of Δf of the conventional piezoelectric vibration gyro vibrator having the electrode pattern shown in FIG. 4 and having no partial bias of Young's modulus are also shown. As can be seen from the graph of FIG. 7, the amount of change in Δf due to temperature in Example 1 is much larger than that of the conventional product. Although this result seems to be a contradictory result at first glance to the solution of the problem in the present invention, in fact, this large amount of change is sensitive to temperature, that is, temperature. This shows that the sensitivity is high. Therefore, by using this change to correct the output, the piezoelectric vibration gyro is sensitive to a temperature change and has a very small output change.
図8は、実施例2による圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図である。円柱状圧電セラミックス1は、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックス材料をプレス成型したものを焼結した後、円柱状に加工したものである。形状は直径1mmで長さ10mmとした。この円柱状圧電セラミックス1の外周面2に、検出電極35及び37や、アース電極36等の電極を印刷し、分極処理をして、圧電振動ジャイロ用振動子とした。
FIG. 8 is a perspective view illustrating the piezoelectric vibration gyro vibrator according to the second embodiment. The cylindrical
図9は、実施例2による圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの展開図である。前記円柱状圧電セラミックス1の外周面2に印刷した電極は、平面に展開すると、図9に示す様に、駆動電極33、検出電極35及び37、アース電極34、36及び38が平行になる様に配置され、また、アース電極34、36及び38は共通電極39で電気的に共通となっている。さらに、アース電極36は、他のアース電極34或いは38に比べ長さを3/4とした。
FIG. 9 is a development view of the electrode pattern of the vibrator for piezoelectric vibration gyro according to the second embodiment. When the electrode printed on the outer
分極処理は共通電極39を0V電位とし、駆動電極33、検出電極35及び37それぞれに高電圧を印加することで、分極処理とした。このとき、図8或いは図9に点線で示したアース電極の無い部分40は電圧が印加されない為、分極処理がされない。そのため、分極処理された部分に比べてヤング率が小さい部分が生じ、ヤング率の部分的な偏りが円柱状圧電セラミックス1の内部に生じる。
The polarization process was performed by setting the
この状態において、駆動電極33とアース電極36(又は共通電極39)間に生じる振動の共振周波数と、検出電極35及び37とアース電極34及び38(又は共通電極39)間に生じる振動の共振周波数とには差が生じる。この差をΔfとすると、Δfは必然的に温度特性を有する。
In this state, the resonance frequency of vibration generated between the
図10は、Δfの温度特性を示すグラフである。横軸は温度を示し、縦軸は25℃の時のΔfを基準として、各温度でのΔfの変化量を示している。比較の為、従来の圧電振動ジャイロ用振動子のΔfの温度特性も併記した。図10のグラフから解るように、実施例2におけるΔfの温度による変化量は、従来品に比べ、非常に大きい。前述の通り、この結果は本発明における課題の解決に対して、一見、矛盾する結果のように見えるが、この変化量が大きいということは、言い換えれば、温度に対して敏感に反応する、即ち、温度に対し高感度であることを示すものである。従って、この変化を利用して、出力を補正することで、温度変化に対して敏感で、出力変化が非常に少ない圧電振動ジャイロとなる。 FIG. 10 is a graph showing the temperature characteristic of Δf. The horizontal axis indicates the temperature, and the vertical axis indicates the amount of change in Δf at each temperature with reference to Δf at 25 ° C. For comparison, the temperature characteristic of Δf of a conventional piezoelectric vibration gyro vibrator is also shown. As can be seen from the graph in FIG. 10, the amount of change in Δf due to temperature in Example 2 is very large compared to the conventional product. As described above, this result seems to be contradictory to the solution of the problem in the present invention. However, the large amount of change means that the reaction is sensitive to temperature. , Indicating high sensitivity to temperature. Therefore, by using this change to correct the output, the piezoelectric vibration gyro is sensitive to a temperature change and has a very small output change.
また、実施例1のΔfの温度による変化量と、実施例2のΔfの温度による変化量とを比較すると、実施例1の変化量が大きいことが解る。この結果から、駆動電極に生じる振動の共振周波数と、出力電極に生じる振動の共振周波数との差であるΔfの温度特性は、アース電極の長さに依存し、アース電極の長さを変えることで、制御できることが解る。これは、アース電極の長さによって、円柱状圧電セラミックス1内部におけるヤング率の偏りの状態が変化することによる効果である。 Further, comparing the amount of change of Δf according to the temperature of Example 1 with the amount of change of Δf of Example 2 due to the temperature, it can be seen that the amount of change of Example 1 is large. From this result, the temperature characteristic of Δf, which is the difference between the resonance frequency of the vibration generated in the drive electrode and the resonance frequency of the vibration generated in the output electrode, depends on the length of the earth electrode and changes the length of the earth electrode. It turns out that it can be controlled. This is an effect by changing the state of bias of Young's modulus inside the cylindrical piezoelectric ceramic 1 depending on the length of the ground electrode.
図11は、実施例3による圧電振動ジャイロの構成を示すブロック図である。実施例3では、実施例1による圧電振動ジャイロ用振動子41と、駆動回路42と、温度補償回路43と、検出回路44とを備えた圧電振動ジャイロを試作し、評価した。
FIG. 11 is a block diagram illustrating the configuration of the piezoelectric vibration gyro according to the third embodiment. In Example 3, a piezoelectric vibration gyro provided with the piezoelectric
駆動回路42は自励発振回路からなり、実施例1による圧電振動ジャイロ用振動子41の駆動電極23に、駆動信号を供給し、圧電振動ジャイロ用振動子41を励振する回路である。検出回路44は、差動増幅回路を有し、実施例1による圧電振動ジャイロ用振動子41の検出電極25と検出電極27から出力される電圧を検出、増幅して、出力電圧Vを出力する回路である。温度補償回路43は駆動回路42から得られる振動の共振周波数と実施例1による圧電振動ジャイロ用振動子41の検出電極25と検出電極27から得られる振動の共振周波数の差であるΔfを検出し、基準となる温度でのΔfとの差を検出することで、温度による出力電圧の補正信号を検出回路44に供給する回路である。圧電振動ジャイロ用振動子41のアース電極24、26、28は回路のアースと接続してある。
The
図12は、実施例3による出力電圧の変化率を示すグラフである。このグラフは、横軸に温度を示し、縦軸には、25℃を基準としたときの各温度による出力電圧Vの変化率を示している。また、図12のグラフには比較するために、図4に示した電極パターンによる、円柱状圧電セラミックス1内部におけるヤング率の偏りが無い圧電振動ジャイロ用振動子を使用した従来品と、実施例2による圧電振動ジャイロ用振動子を使用した場合での圧電振動ジャイロの出力電圧の変化率も併記してある。
FIG. 12 is a graph showing the change rate of the output voltage according to the third embodiment. In this graph, the horizontal axis indicates the temperature, and the vertical axis indicates the rate of change of the output voltage V with respect to each temperature when 25 ° C. is used as a reference. For comparison, the graph of FIG. 12 shows a comparison between a conventional product using a vibrator for a piezoelectric vibrating gyroscope having no bias of Young's modulus inside the cylindrical piezoelectric ceramic 1 according to the electrode pattern shown in FIG. The change rate of the output voltage of the piezoelectric vibration gyro when the piezoelectric
グラフからも解るように、実施例3による圧電振動ジャイロの出力の温度変化は従来品に比べ変化が少なく、大きく改善されていることが解る。また、実施例2による圧電振動ジャイロ用振動子を使用した圧電振動ジャイロの出力の温度変化も従来品と比べ改善されている。 As can be seen from the graph, the temperature change of the output of the piezoelectric vibrating gyroscope according to the third embodiment is less changed than the conventional product and greatly improved. Further, the temperature change of the output of the piezoelectric vibration gyro using the piezoelectric vibration gyro vibrator according to the second embodiment is also improved as compared with the conventional product.
上記のごとく、本発明による、圧電振動ジャイロ用振動子は、円柱状圧電セラミックス内部にヤング率の偏りを設けたので、X方向振動の共振周波数とY方向振動の共振周波数とにΔfの差ができる。そのΔfの値は、温度に対し、敏感に変化するため、その性質を用いて、温度補正をすることにより、圧電振動ジャイロの出力電圧の温度による変化を著しく低減することが可能となる。 As described above, the piezoelectric vibration gyro vibrator according to the present invention is provided with a bias of Young's modulus inside the cylindrical piezoelectric ceramic. Therefore, there is a difference in Δf between the resonance frequency of the X direction vibration and the resonance frequency of the Y direction vibration. it can. Since the value of Δf changes sensitively with respect to temperature, it is possible to remarkably reduce a change in the output voltage of the piezoelectric vibrating gyroscope due to temperature by performing temperature correction using the property.
本発明による圧電振動ジャイロ用振動子及び圧電振動ジャイロは、カメラやカメラ一体型VTRの手振れ防止装置や回転角加速度の検出装置、あるいは自動車用のナビゲーションシステムのセンサー等に幅広く利用できる。 The piezoelectric vibration gyro vibrator and the piezoelectric vibration gyro according to the present invention can be widely used for a camera, a camera-integrated VTR camera shake prevention device, a rotational angular acceleration detection device, a car navigation system sensor, or the like.
1 円柱状圧電セラミックス
2 外周面
3,13,23,33 駆動電極
4,6,8,14,16,18,24,26,28,34,36,38 アース電極
5,7,15,17,25,27,35,37 検出電極
9 中心軸
10,11 環状電極
12 領域
19,29,39 共通電極
30,40 アース電極の無い部分
41 本発明による圧電振動ジャイロ用振動子
42 駆動回路
43 温度補償回路
44 検出回路
V 出力電圧
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