JP2007071757A - Vibrating body and vibration gyroscope using the same - Google Patents

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貞男 堀内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibrating body and a vibration gyroscope, which are highly sensitive and can prevent destruction of environment, and whose outputs and sensitivity are excellent in temperature stability. <P>SOLUTION: The vibration body comprises: a substrate; at least two arm sections extending from the substrate; a driving-use piezo-electric vibrating element and a driving-use electrode which are disposed on the main face or the side face of the arm sections in order to bend and vibrate the arm sections; and a detection-use piezo-electric vibrating element and a detection-use electrode which detect the vibration in a direction perpendicular to the plane of above bending vibration excited by the driving-use piezo-electric vibrating element. The driving-use piezo-electric vibrating element and the detection-use piezo-electric vibrating element are made of a ferroelectric material in a bismuth layer-shaped structure having anisotropic crystal grain. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は車載用カーナビゲーションやロボット、航空機、自動車などの姿勢制御あるいはカメラの手ぶれ補正などのための回転角速度を検出するための振動体からなる振動ジャイロに関する。   The present invention relates to a vibrating gyroscope comprising a vibrating body for detecting a rotational angular velocity for posture control or camera shake correction of a vehicle-mounted car navigation system, a robot, an aircraft, an automobile, and the like.

振動ジャイロは、感度や分解能は光の干渉を利用したリングレートジャイロや光ファイバジャイロに比べて劣るものの、中精度の性能を持ち、構造が簡素で、部品点数を少なくできるため小型で、安価である。圧電振動ジャイロは、自動車のナビゲーション用の回転角速度センサやハンディカメラ、スチルカメラ、デジタルカメラの手振れ検出などの民生用として市場を拡大している。   Vibrating gyros are inferior in sensitivity and resolution to ring-rate gyros and fiber optic gyros that make use of optical interference, but have medium-precision performance, a simple structure, and a small number of parts, so they are small and inexpensive. is there. Piezoelectric vibration gyros are expanding the market for consumer use such as rotational angular velocity sensors for automobile navigation, hand-held camera, still camera, and camera shake detection for digital cameras.

一般的に、単一振動をしている質点が回転するときに発生するコリオリ力Fcは、次のような式で示される。
Fc=−2mvΩ
なお、mは振動ジャイロの質量、vは振動ジャイロの振動速度、Ωは振動ジャイロのZ軸回りの角速度である。
In general, the Coriolis force Fc generated when a mass point that makes a single vibration rotates is expressed by the following equation.
Fc = -2mvΩ
Here, m is the mass of the vibrating gyroscope, v is the vibrating velocity of the vibrating gyroscope, and Ω is the angular velocity around the Z axis of the vibrating gyroscope.

そして、前記質量m、振動速度vが既知であれば、角速度Ωを導出することが可能となる。振動ジャイロでは、コリオリ力による振動体の変位を、検出用圧電振動素子に発生する電荷で検出している。   If the mass m and the vibration velocity v are known, the angular velocity Ω can be derived. In the vibrating gyroscope, the displacement of the vibrating body due to the Coriolis force is detected by the electric charge generated in the detecting piezoelectric vibrating element.

図11は、従来の音叉型の振動ジャイロの一例を示す斜視図である。振動ジャイロは、振動体101を含む。振動体101は、直方体状に基部102、基部102から同じ方向に延びる2本の腕部103a、103bとで、音叉型に形成されている。振動体101はたとえばシリコンなどの金属および非圧電体で構成され、その腕部の主面や側面に圧電振動素子104を形成する。   FIG. 11 is a perspective view showing an example of a conventional tuning fork type vibration gyro. The vibrating gyroscope includes a vibrating body 101. The vibrating body 101 is formed in a tuning fork shape with a base 102 in a rectangular parallelepiped shape and two arms 103a and 103b extending from the base 102 in the same direction. The vibrating body 101 is made of, for example, a metal such as silicon and a non-piezoelectric body, and the piezoelectric vibrating element 104 is formed on the main surface or side surface of the arm portion.

圧電振動素子104の主成分として鉛を含むPbTiO3、PbZrO3の2成分で構成されるPZT系材料やPbTiO3、PbZrO、Pb(Mg0.5Nb0.5)TiOの成分で構成される材料などで構成されている。また振動体101を水晶、ランガサイト系圧電体などの圧電単結晶材料で形成し、その主面および側面に電極が形成されている。 Composed of two components of PbTiO 3, PbZrO3 containing lead as the main component of the piezoelectric vibrating element 104 PZT-based material and PbTiO 3, PbZrO 3, Pb ( Mg 0.5 Nb 0.5) is composed of components of TiO 3 It is made up of materials. The vibrating body 101 is formed of a piezoelectric single crystal material such as quartz or a langasite-type piezoelectric body, and electrodes are formed on the main surface and side surfaces thereof.

振動体101を圧電単結晶材料で形成する場合、振動体側面に電極を形成するとともに電極に対向する電極が形成されている。このような振動ジャイロでは、圧電振動素子や電極などは、腕部103a、103bの主面、側面の一部に形成、または腕部103a、103bの主面、側面の全体に形成される。   When the vibrating body 101 is formed of a piezoelectric single crystal material, an electrode is formed on the side surface of the vibrating body and an electrode facing the electrode is formed. In such a vibration gyro, the piezoelectric vibration element, the electrode, and the like are formed on a part of the main surfaces and side surfaces of the arm portions 103a and 103b, or formed on the main surfaces and side surfaces of the arm portions 103a and 103b.

この振動ジャイロでは、駆動用圧電振動素子に形成された駆動用電極に駆動信号を入力することにより、腕部103a、103bが開閉するようにY軸方向へ屈曲振動する。この状態で、腕部103a、103bと平行なZ軸を中心として角速度Ωが加わると、コリオリ力Fcによって腕部103a、103bの振動方向が変化しX軸方向へ屈曲振動する。   In this vibration gyro, when a drive signal is input to a drive electrode formed on the drive piezoelectric vibration element, the arm portions 103a and 103b bend and vibrate in the Y-axis direction so as to open and close. In this state, when an angular velocity Ω is applied around the Z axis parallel to the arm portions 103a and 103b, the vibration direction of the arm portions 103a and 103b is changed by the Coriolis force Fc and bends and vibrates in the X axis direction.

この腕部103a、103bの振動方向の変化に対応した信号が、検出用電極から出力される。したがって、コリオリ力Fcに対応した腕部103a、103bの振動の変化に
ともない、検出用圧電振動素子に形成された電極から出力される信号を測定することにより、角速度Ωに対応した信号を得ることができる。
A signal corresponding to the change in the vibration direction of the arms 103a and 103b is output from the detection electrode. Therefore, a signal corresponding to the angular velocity Ω is obtained by measuring a signal output from the electrode formed on the piezoelectric detecting element for detection in accordance with a change in the vibration of the arm portions 103a and 103b corresponding to the Coriolis force Fc. Can do.

従来の音叉型の薄膜振動ジャイロとしては、特許文献1に記載されたものが知られている。この薄膜振動ジャイロについて、図12を用いて説明する。図12は薄膜振動ジャイロの斜視図である。   As a conventional tuning fork type thin-film vibration gyro, the one described in Patent Document 1 is known. This thin film vibration gyro will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a perspective view of a thin film vibrating gyroscope.

図12において、薄膜振動ジャイロの振動体201は2つの腕部202a,202bを備えた非圧電材からなり、腕部202a,202bの主面上にそれぞれ駆動用の薄膜圧電振動素子203a、203bを配置する。各薄膜圧電振動素子203a、203bへそれぞれ下部電極204a、204b、上部電極205a、205b、205c、205dを配置する。   In FIG. 12, a vibrating body 201 of a thin film vibration gyro is made of a non-piezoelectric material having two arm portions 202a and 202b, and driving thin film piezoelectric vibration elements 203a and 203b are respectively provided on the main surfaces of the arm portions 202a and 202b. Deploy. Lower electrodes 204a and 204b and upper electrodes 205a, 205b, 205c, and 205d are disposed on the thin film piezoelectric vibration elements 203a and 203b, respectively.

上部電極205a、205b、205c、205dに交流電圧を印加することにより振動体201が共振する。そして、主面または裏面に配置された検出用圧電振動素子に形成された電極から出力された信号を測定する。   By applying an AC voltage to the upper electrodes 205a, 205b, 205c, and 205d, the vibrating body 201 resonates. And the signal output from the electrode formed in the piezoelectric vibration element for a detection arrange | positioned at the main surface or the back surface is measured.

薄膜圧電振動素子203a、203bおよび検出用圧電振動素子は圧電定数が大きい鉛を含むPZT系および基板上にエピタキシャル成長させた圧電単結晶薄膜などで構成されている。   The thin film piezoelectric vibration elements 203a and 203b and the detection piezoelectric vibration element are composed of a PZT system containing lead having a large piezoelectric constant and a piezoelectric single crystal thin film epitaxially grown on a substrate.

特開2003−227719号JP 2003-227719 A

上記従来の振動ジャイロを構成する振動体201の駆動用および検出用の圧電振動素子は、圧電単結晶材料、圧電セラミックス材料が広く応用されている。振動体201を構成する圧電単結晶材料は圧電セラミックス材料に比べて、生産コストが高く大量生産には向かず、また加工が困難であることから小型化に限界がある。   Piezoelectric single crystal materials and piezoelectric ceramic materials are widely applied to the piezoelectric vibrating elements for driving and detecting the vibrating body 201 constituting the conventional vibrating gyroscope. The piezoelectric single crystal material constituting the vibrating body 201 has a production cost higher than that of the piezoelectric ceramic material, is not suitable for mass production, and is difficult to process, so there is a limit to downsizing.

また、従来の振動体201を構成する圧電セラミックス材料の主成分は鉛を含む化合物であり、PbTiO3、PbZrOの2成分で構成されるPZT系材料やPbTiO3、PbZrO、Pb(Mg0.5Nb0.5)TiOの3成分で構成される材料などが使用されている。これらの材料は、原料全体で酸化鉛に換算して自重の60%以上も鉛が含まれている。したがって、近年における鉛による環境破壊が問題視されていることから非鉛系圧電セラミックス材料が強く要求されている。 Further, the main component of the piezoelectric ceramic material constituting the conventional vibration body 201 is a compound containing lead, PbTiO 3, PbZrO 3 of 2 components configured PZT material and PbTiO 3, PbZrO 3, Pb ( Mg 0 A material composed of three components of 0.5 Nb 0.5 ) TiO 3 is used. These materials contain lead as much as 60% or more of their own weight in terms of lead oxide as a whole raw material. Therefore, in recent years, environmental destruction due to lead has been regarded as a problem, and thus lead-free piezoelectric ceramic materials are strongly demanded.

鉛系圧電セラミックス材料のほとんどは機械的品質係数Qが低く、駆動用圧電体材料と用いる場合には感度が低下してしまう。そこで駆動用圧電体材料の機械的品質係数Qを大きくすることが望ましく、また起動時間に対して材料の機械的品質係数Qが影響するため自由に駆動用圧電体材料の機械的品質係数Qを調整できると都合が良い。   Most of the lead-based piezoelectric ceramic materials have a low mechanical quality factor Q, and the sensitivity decreases when used as a driving piezoelectric material. Therefore, it is desirable to increase the mechanical quality factor Q of the piezoelectric material for driving, and since the mechanical quality factor Q of the material affects the start-up time, the mechanical quality factor Q of the piezoelectric material for driving can be freely set. It is convenient to be able to adjust.

圧電セラミックスは結晶構造相転移点が存在し、その温度になると圧電性が消滅する。鉛系圧電セラミックス材料は比較的低温に結晶構造相転移点が存在し、PZT系材料の場合には300℃程度であり高温で圧電性が劣化するために高温での使用に不向きである。また−25度から+125度の温度範囲で共振周波数の温度安定性が圧電単結晶材料に比べると劣り、圧電材料の材料特性の変化によって出力と感度の温度安定性が劣化してしまう。   Piezoelectric ceramics have a crystal structure phase transition point, and the piezoelectricity disappears at that temperature. Lead-based piezoelectric ceramic materials have a crystal structure phase transition point at a relatively low temperature. In the case of PZT-based materials, the temperature is about 300 ° C., and the piezoelectricity deteriorates at a high temperature. Further, the temperature stability of the resonance frequency is inferior to that of the piezoelectric single crystal material in the temperature range of −25 degrees to +125 degrees, and the temperature stability of the output and sensitivity is deteriorated due to the change in the material characteristics of the piezoelectric material.

本発明の目的は、環境破壊を防止でき、高感度で出力と感度の温度安定性が優れた振動
体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することである。
An object of the present invention is to provide a vibrating body that can prevent environmental destruction and has high sensitivity and excellent temperature stability of output and sensitivity, and a vibrating gyroscope using the vibrating body.

上記課題を解決するために本発明の振動体は、基部とこの基部から延出する少なくとも2本の腕部と、これらの腕部を屈曲振動させるために腕部の主面上または側面上に設けられた駆動用圧電振動素子及び駆動用電極と、駆動用圧電振動素子によって励振される屈曲振動と直交する振動を検出する検出用圧電振動素子及び検出用電極とを有する振動体において、駆動用圧電振動素子及び検出用圧電振動素子は、それぞれ結晶粒子が異方性を有するビスマス層状構造強誘電体であることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a vibrating body according to the present invention includes a base portion, at least two arm portions extending from the base portion, and a main surface or a side surface of the arm portion for bending vibration of these arm portions. A vibrating body having a driving piezoelectric vibration element and a driving electrode provided, and a detection piezoelectric vibration element and a detection electrode for detecting vibration orthogonal to bending vibration excited by the driving piezoelectric vibration element. Each of the piezoelectric vibrating element and the detecting piezoelectric vibrating element is a bismuth layered structure ferroelectric having crystal grains having anisotropy.

この構成により、振動体の駆動用及び検出用の圧電振動素子に鉛を含まない材料を用いることができ、環境破壊を防止できる。また、結晶粒子が大きな異方性を有していることから結晶粒子を同一方向に向くように容易に整列させることができ、高感度で出力と感度の温度安定性に優れた振動体を提供できる。   With this configuration, a material that does not contain lead can be used for the piezoelectric vibration element for driving and detecting the vibrating body, and environmental destruction can be prevented. In addition, since crystal grains have great anisotropy, crystal grains can be easily aligned in the same direction, providing a vibrator with high sensitivity and excellent temperature stability of output and sensitivity. it can.

また、結晶粒子は、少なくとも1つの軸が同一方向に向くように略整列した状態を有することを特徴とする。   In addition, the crystal grains are characterized by having a substantially aligned state so that at least one axis is oriented in the same direction.

この構成により、機械的品質係数Q、電気機械結合係数k、共振周波数の温度特性TC−frを制御することができる。その結果、高感度で出力と感度の温度安定性の優れた振動体を提供することができる。   With this configuration, the mechanical quality factor Q, the electromechanical coupling factor k, and the temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency can be controlled. As a result, it is possible to provide a vibrating body with high sensitivity and excellent temperature stability of output and sensitivity.

また、駆動用圧電振動素子において、結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をX線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Iと、駆動用電極と平行する面でIと同じ角度2θにおけるピーク強度Iとの比I/Iが、1.0より小さく、駆動用圧電振動素子において、結晶粒子はランダムに存在する状態より駆動用電極に対して垂直方向でc軸方向に多く配置されていることを特徴とする。 Further, in the piezoelectric vibrating element for driving, the strongest peak intensity I 0 when the piezoelectric vibrating element in which crystal grains are present at random is measured by the X-ray diffraction method, and the same angle as I 0 on the plane parallel to the driving electrode. The ratio I D / I 0 with respect to the peak intensity I D at 2θ is smaller than 1.0, and in the piezoelectric vibration element for driving, the crystal particles are in a c-axis direction perpendicular to the driving electrode from a state in which they are present at random. It is characterized by being arranged in large numbers.

この構成により、機械的品質係数Qを改善することができ高感度を有する振動体を提供することができる。   With this configuration, the mechanical quality factor Q can be improved and a vibrator having high sensitivity can be provided.

また、検出用圧電振動素子において、結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をX線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Iと、検出用電極と平行する面でIと同じ角度2θにおけるピーク強度Iとの比I/Iが、1.0より小さく、検出用圧電振動素子において、結晶粒子はランダムに存在する状態より検出用電極に対して垂直方向でa及びb軸方向に多く配置されていることを特徴とする。 Further, in the piezoelectric vibration element for detection, the strongest peak intensity I 0 when a piezoelectric vibration element in which crystal particles are randomly present is measured by the X-ray diffraction method, and the same angle as I 0 on a plane parallel to the detection electrode The ratio I S / I 0 to the peak intensity I S at 2θ is smaller than 1.0, and in the piezoelectric vibrating element for detection, a and b are perpendicular to the detection electrode in a direction perpendicular to the detection electrode in a state where the crystal particles are randomly present. It is characterized by being arranged in a large amount in the axial direction.

この構成により、電気機械結合係数k、共振周波数の温度特性TC−frを改善することができ、出力と感度の温度安定性が優れた振動体を提供することができる。   With this configuration, it is possible to improve the temperature characteristic TC-fr of the electromechanical coupling coefficient k and the resonance frequency, and it is possible to provide a vibrating body with excellent temperature stability of output and sensitivity.

上記課題を解決するために本発明の振動ジャイロは、上記した振動体を用いて外部から印加された角速度を検出することを特徴とする。この構成により、機械的品質係数Q、電気機械結合係数k、共振周波数の温度特性TC−frを改善することができ、高感度で出力と感度の温度安定性が優れた振動ジャイロを提供することができる。   In order to solve the above problems, a vibrating gyroscope according to the present invention is characterized in that an angular velocity applied from the outside is detected using the vibrating body described above. With this configuration, it is possible to improve the mechanical quality factor Q, the electromechanical coupling factor k, the temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency, and provide a vibration gyro with high sensitivity and excellent temperature stability of output and sensitivity. Can do.

本発明によれば、環境破壊を防止でき、機械的品質係数Q、電気機械結合係数k、共振周波数の温度特性を改善することができ、高感度で出力と感度の温度安定性が優れた振動体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to prevent environmental destruction, improve the mechanical quality factor Q, the electromechanical coupling factor k, the temperature characteristics of the resonance frequency, vibration with high sensitivity and excellent temperature stability of output and sensitivity. A body and a vibrating gyroscope using the body can be provided.

図1は本発明の振動体の一例を示す斜視図である。振動体1は、直方体状の基部2を含む。基部2から延出し、互いに間隔を隔てて2本の腕部3a,3bが形成される。腕部3a,3bに、それぞれ駆動用下部電極4a、4b、4c、4dを配置する。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of a vibrating body according to the present invention. The vibrating body 1 includes a rectangular parallelepiped base 2. Two arms 3a and 3b are formed extending from the base 2 and spaced apart from each other. Driving lower electrodes 4a, 4b, 4c, and 4d are disposed on the arm portions 3a and 3b, respectively.

下部電極4a、4b、4c、4d上にビスマス層状構造強誘電体で構成された駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dを配置し、駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dに駆動用上部電極6a、6b、6c、6dを形成する。駆動用上部電極6a、6b、6c、6dより駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dに交流電圧を印加することにより振動体1が励振され屈曲振動する。このときに励振される腕部3a,3bを開閉させる屈曲振動の方向が面内方向である。   Driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, and 5d made of a bismuth layer structure ferroelectric material are disposed on the lower electrodes 4a, 4b, 4c, and 4d, and the driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, and 5d are arranged on the driving electrodes. Upper driving electrodes 6a, 6b, 6c and 6d are formed. By applying AC voltage to the driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c, and 5d from the driving upper electrodes 6a, 6b, 6c, and 6d, the vibrating body 1 is excited and flexurally vibrates. The direction of bending vibration that opens and closes the arm portions 3a and 3b excited at this time is the in-plane direction.

図2は図1に示す本発明の振動体1の腕部3a,3bの断面図である。駆動用下部電極4a、4b、4c、4dを配置し、駆動用下部電極4a、4b、4c、4dの上にビスマス層状構造強誘電体で構成された駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dを配置し、駆動用圧電振動体5a、5b、5c、5dの上に駆動用上部電極6a、6b、6c、6dを形成する。   2 is a cross-sectional view of the arm portions 3a and 3b of the vibrator 1 of the present invention shown in FIG. Driving lower electrodes 4a, 4b, 4c, 4d are arranged, and driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c, which are made of a bismuth layered ferroelectric on the driving lower electrodes 4a, 4b, 4c, 4d, The upper electrodes 6a, 6b, 6c, 6d for driving are formed on the piezoelectric vibrators 5a, 5b, 5c, 5d for driving.

駆動用上部電極6a、6b、6c、6d、駆動用下部電極4a、4b、4c、4dおよび駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dの対面に検出用下部電極7a、7bを配置し、検出用下部電極7a、7bの上に駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dとは配向軸の方向が異なるビスマス層状構造強誘電体で構成された検出用圧電振動素子8a、8bを配置し、検出用圧電振動素子8a、8bの上に検出用上部電極9a、9bを形成する。振動体1の腕部3bと腕部3aは同様な構造である。   The lower electrodes for detection 7a, 7b are arranged opposite to the upper electrodes for driving 6a, 6b, 6c, 6d, the lower electrodes for driving 4a, 4b, 4c, 4d and the piezoelectric vibrating elements for driving 5a, 5b, 5c, 5d, Detecting piezoelectric vibrating elements 8a and 8b made of a bismuth layer-structured ferroelectric having a different orientation axis from the driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c and 5d are disposed on the detecting lower electrodes 7a and 7b. Then, detection upper electrodes 9a and 9b are formed on the detection piezoelectric vibration elements 8a and 8b. The arm 3b and the arm 3a of the vibrating body 1 have the same structure.

ビスマス層状構造強誘電体は化学式(Bi2+(Am−13m+12−で表される。ただし、化学式中のAはAサイトに入る1、2、3価のイオンを示し、Bi、Ba、Sr、Ca、などの希土類元素およびこれらのイオンの組み合わせを示し、化学式中のBはBサイトに入る4、5、6価のイオンを示し、Ti、Nb、Ta、W、Fe、Co等の金属元素およびこれらのイオンの組み合わせを示しm=1から8の整数である。 The bismuth layer structure ferroelectric is represented by the chemical formula (Bi 2 O 2 ) 2+ (A m−1 B m O 3m + 1 ) 2− . However, A in the chemical formula represents 1, 2, and 3 valent ions entering the A site, represents rare earth elements such as Bi, Ba, Sr, and Ca, and combinations of these ions, and B in the chemical formula represents the B site. 4, 5, and 6-valent ions are included, and metal elements such as Ti, Nb, Ta, W, Fe, and Co and combinations of these ions are indicated, and m = 1 to 8 is an integer.

これらの化合物は、大部分が強誘電体であり、種々の特徴を有するため、圧電応用上幅広く利用されている化合物である。ビスマス層状構造強誘電体は、m=2および3のもの以外は単結晶の作製が困難である。ビスマス層状構造強誘電体の特徴は大きな結晶構造の異方性を持つことである。図3にm=3のビスマス層状構造強誘電体の結晶構造を示す。   Most of these compounds are ferroelectrics and have various characteristics, and thus are widely used for piezoelectric applications. Bismuth layer structure ferroelectrics are difficult to produce single crystals except for those with m = 2 and 3. A characteristic of bismuth layered structure ferroelectrics is that they have a large crystal structure anisotropy. FIG. 3 shows the crystal structure of a bismuth layer-structure ferroelectric having m = 3.

ビスマス層状構造強誘電体は、図3のように、比較的粗な充填をした(Bi2+層10と、密な充填をした(m−1)個の仮想ペロブスカイト格子(ABO)からなる擬ペロブスカイト層[(Am−13m+12−]11が交互に積み重なった結晶構造12をもち、mは酸素八面体の積み重なり数を表わし、全体でビスマス層状構造強誘電体の単位格子13を表す。これらの結晶構造の大きな特長は、a軸の格子定数とb軸の格子定数はほぼ同じであるがc軸の格子定数とa軸、b軸の格子定数の比は非常に大きく結晶異方性を有している。 As shown in FIG. 3, the bismuth layer structure ferroelectric has (Bi 2 O 2 ) 2+ layer 10 with relatively coarse filling and (m−1) virtual perovskite lattices (ABO 3 ) with close filling. ) Has a crystal structure 12 in which [(A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- ] 11 are alternately stacked, and m represents the number of stacked oxygen octahedrons, and the bismuth layer structure ferroelectricity as a whole. Represents the unit cell 13 of the field. The major features of these crystal structures are that the a-axis lattice constant and the b-axis lattice constant are substantially the same, but the ratio of the c-axis lattice constant to the a-axis and b-axis lattice constants is very large. have.

本発明に用いられる圧電振動素子の材料の例として、m=3のBiTi12においてはa軸の格子定数は5.46Å、b軸の格子定数は5.46Å、c軸の格子定数は32.9Åでありc軸がa軸、b軸のおよそ6倍である。m=5のSrBiTi18においてはc軸の格子定数は48.8Åでありc軸がa軸、b軸のおよそ10倍である。mが大きくなると、c軸の格子定数とa軸の格子定数の比が大きくなる傾向を示しm=
2から5にたいしてc軸の格子定数/a軸の格子定数は4から10倍程度になる。
As an example of the material of the piezoelectric vibration element used in the present invention, in Bi 4 Ti 3 O 12 with m = 3, the a-axis lattice constant is 5.46Å, the b-axis lattice constant is 5.46Å, and the c-axis lattice is The constant is 32.9 mm, and the c-axis is about 6 times the a-axis and b-axis. In Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 with m = 5, the c-axis lattice constant is 48.8., and the c-axis is about 10 times the a-axis and b-axis. As m increases, the ratio of the c-axis lattice constant to the a-axis lattice constant tends to increase.
From 2 to 5, the c-axis lattice constant / a-axis lattice constant is about 4 to 10 times.

駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電振動素子8a、8bとして用いられるビスマス層状構造強誘電体は金属元素が少なくともビスマスを含有する。   The bismuth layered structure ferroelectric used as the driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c, 5d and the detecting piezoelectric vibrating elements 8a, 8b contains at least a bismuth metal element.

たとえばCaBiNb、SrBiNb、BaBiNb、CaBiTa、SrBiTa、BaBiTa、BiTiNbO、BiTiTaO、BiTi12、SrBiTiNbO12、BaBiTiNbO12、CaBiTi15、SrBiTi15、BaBiTi15、Na0.5Bi4.5Ti15、K0.5Bi4.5Ti15、CaBiTi18、SrBiTi18、BaBiTi18などがある。 For example, CaBi 2 Nb 2 O 9 , SrBi 2 Nb 2 O 9 , BaBi 2 Nb 2 O 9 , CaBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , BaBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 3 TiNbO 9 , Bi 3 TiTaO 9, Bi 4 Ti 3 O 12, SrBi 3 Ti 2 NbO 12, BaBi 3 Ti 2 NbO 12, CaBi 4 Ti 4 O 15, SrBi 4 Ti 4 O 15, BaBi 4 Ti 4 O 15, Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , Ca 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Ba 2 Bi 4 Ti 5 O 18, etc. .

mが大きくなると結晶構造の異方性が大きくなりより大きな配向度Fが得られることからm=2以上が好ましい。   As m increases, the anisotropy of the crystal structure increases and a greater degree of orientation F is obtained, so m = 2 or more is preferable.

ビスマス層状構造強誘電体は結晶異方性が大きく斜方晶でa軸方向に大きな自発分極をもち大きな圧電特性を示す。一方、c軸方向の自発分極は極めて小さいという性質を有するため、結晶がc軸方向に多く整列した場合、自発分極量が小さく圧電特性は小さい。   Bismuth layer structure ferroelectrics have large crystal anisotropy and are orthorhombic and have large spontaneous polarization in the a-axis direction and exhibit large piezoelectric characteristics. On the other hand, since the spontaneous polarization in the c-axis direction has a very small property, when many crystals are aligned in the c-axis direction, the amount of spontaneous polarization is small and the piezoelectric characteristics are small.

図4(a)は結晶粒子14が無配向の状態を示す図である。図4(b)は図2のA部拡大図であり、結晶粒子14がc軸方向に配向した状態を示している。図4(c)は、図2のB部拡大図であり、結晶粒子14がa軸およびb軸方向に配向した状態を示している。   FIG. 4A is a diagram showing a state in which the crystal grains 14 are not oriented. FIG. 4B is an enlarged view of part A in FIG. 2 and shows a state in which the crystal grains 14 are oriented in the c-axis direction. FIG. 4C is an enlarged view of part B of FIG. 2 and shows a state in which the crystal grains 14 are oriented in the a-axis and b-axis directions.

結晶粒子14とは、ビスマス層状構造強誘電体の単位格子13がいくつか結合して形成されるかたまりである。結晶粒子14は電子顕微鏡などで観察でき、結晶粒子14の縦長と横長のアスペクト比が大きい形状であることを確認することができる。   The crystal particle 14 is a mass formed by combining several unit cells 13 of a bismuth layered structure ferroelectric. The crystal particles 14 can be observed with an electron microscope or the like, and it can be confirmed that the crystal particles 14 have a shape having a large aspect ratio between the vertically long and the horizontally long.

また、配向とは、寸法異方性を有し、かつ結晶学的に異方性を有する結晶粒子14を含む多結晶体、もしくはセラミックスにおいて、結晶粒子14がそれらの軸が同一面内に対して全体的に整列している状態を示す。   In addition, the term “orientation” refers to a polycrystal or ceramic containing crystal grains 14 having dimensional anisotropy and crystallographic anisotropy, and the crystal grains 14 have their axes in the same plane. Shows the state of being aligned as a whole.

図4(a)は普通に焼成した圧電振動素子15を示し結晶粒子14のそれぞれの軸方向がランダムに存在している。普通に焼成したビスマス層状構造強誘電体は無配向の状態である。無配向の状態とはa軸、b軸、c軸のそれぞれの向きが同一面内でランダムに配置している状態を示す。   FIG. 4A shows a normally baked piezoelectric vibration element 15 in which each of the crystal grains 14 has a random axial direction. Ordinarily fired bismuth layered structure ferroelectrics are non-oriented. The non-oriented state indicates a state where the directions of the a-axis, b-axis, and c-axis are randomly arranged in the same plane.

図4(b)は図4(a)に示す無配向の圧電振動素子15よりc軸方向に多くの割合で結晶粒子14が配向した状態となっている。5aは駆動用圧電振動素子であり、4a、6aはそれぞれ下部電極、上部電極である。このように、駆動用圧電振動素子5aの結晶粒子14をc軸方向に整列した状態にすることで、機械的品質係数Qを改善することができ、高感度の振動体となる。   FIG. 4B shows a state in which the crystal grains 14 are oriented in a larger proportion in the c-axis direction than the non-oriented piezoelectric vibration element 15 shown in FIG. Reference numeral 5a denotes a driving piezoelectric vibration element, and reference numerals 4a and 6a denote a lower electrode and an upper electrode, respectively. Thus, by arranging the crystal particles 14 of the driving piezoelectric vibration element 5a in the c-axis direction, the mechanical quality factor Q can be improved and a highly sensitive vibration body is obtained.

図4(c)は図4(a)に示す無配向の圧電振動素子15より結晶粒子14が、a及びb軸方向に多くの割合で配向した状態となっている。8aは検出用圧電振動素子であり、7a、9aはそれぞれ下部電極、上部電極である。このように、駆動用圧電振動素子5aの結晶粒子14をa及びb軸方向に整列した状態にすることで、電気機械結合係数k、共振周波数の温度特性TC−frを改善することができ、出力と感度の温度安定性が優れた振動体となる。   FIG. 4C shows a state in which the crystal particles 14 are oriented in a larger proportion in the a and b axis directions than the non-oriented piezoelectric vibration element 15 shown in FIG. 8a is a piezoelectric vibration element for detection, and 7a and 9a are a lower electrode and an upper electrode, respectively. Thus, by arranging the crystal particles 14 of the driving piezoelectric vibration element 5a in the a and b axis directions, the electromechanical coupling coefficient k and the temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency can be improved. It becomes a vibrating body with excellent temperature stability of output and sensitivity.

バルク状の圧電体材料を配向させる方法としてホットフォージング(HF)法、Templated Grain Growth(TGG)法などが確立している。HF法とは、成形体を加圧しながら焼成する方法である。この方法では、配向度Fの高い配向セラミックが得られる。TGG法とは、あらかじめ成形前に異方性を有するセラミック結晶粒を混合しておく方法である。   As a method for orienting a bulk piezoelectric material, a hot forging (HF) method, a templated grain growth (TGG) method, and the like have been established. The HF method is a method in which a compact is fired while being pressed. With this method, an oriented ceramic with a high degree of orientation F can be obtained. The TGG method is a method in which ceramic crystal grains having anisotropy are mixed in advance before forming.

薄膜の圧電体材料を配向させる方法としては単結晶基板を用いてエピタキシャル成長せる方法がある。圧電特性の報告例として、ビスマス層状構造強誘電体を粒子配向することによって、33モードにおいて電気機械結合係数kが通常の無配向状態の圧電振動素子の約2倍に向上することが明らかになっている。よって結晶粒子の配向方向、度合いによって特性を制御できる可能性がある。   As a method of orienting a thin film piezoelectric material, there is a method of epitaxial growth using a single crystal substrate. As a report example of piezoelectric characteristics, it has been clarified that the grain-oriented bismuth layer structure ferroelectric improves the electromechanical coupling coefficient k in the 33 mode to about twice that of a normal non-oriented piezoelectric vibration element. ing. Therefore, there is a possibility that the characteristics can be controlled depending on the orientation direction and degree of crystal grains.

駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電振動素子8a、8bとして用いたビスマス層状構造強誘電体セラミックスの粉末の作製方法は、次の手順で行った。出発原料の酸化ビスマス、酸化チタンおよび酸化化合物および炭酸化合物を所定量の秤量をおこない、エタノール、ジルコニアンボールと共にボールミルで、10時間程度湿式粉砕混合し、原料を約4から5時間乾燥させ、乳鉢で1時間粉砕混合する。   The method for producing the powder of the bismuth layer structure ferroelectric ceramic used as the driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c, 5d and the detecting piezoelectric vibrating elements 8a, 8b was performed in the following procedure. Bismuth oxide, titanium oxide, oxide compound and carbonate compound as starting materials are weighed in a predetermined amount, wet-ground and mixed with ethanol and zirconia balls for about 10 hours in a ball mill, dried for about 4 to 5 hours, and dried in a mortar Grind and mix for 1 hour.

混合した原料を金型成型し、850℃から900℃で2時間程度電気炉をもちいて仮焼を行い、仮焼粉末を得た。仮焼後の粉末を、乳鉢で1時間粉砕混合し、再びエタノール、ジリコニアンボールと共にボールミルで、20時間程度湿式粉砕混合する。混合した原料を4から6時間乾燥させ、乳鉢で1時間粉砕混合する。   The mixed raw materials were molded and calcined at 850 ° C. to 900 ° C. for about 2 hours using an electric furnace to obtain a calcined powder. The calcined powder is pulverized and mixed in a mortar for 1 hour, and then wet-pulverized and mixed for about 20 hours in a ball mill together with ethanol and zirconia balls. The mixed raw materials are dried for 4 to 6 hours, and pulverized and mixed in a mortar for 1 hour.

無配向の圧電振動素子の作製方法はセラミックスの粉末を金型で40から50kg/mm程度でプレス成形し、900℃から1300℃で2時間程度電気炉を用いて焼成を行い、バルク試料を作製する。駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電振動素子8a、8bの作製方法は高い配向度を得るために焼成中に一軸性の圧力を加えることにより圧縮変形させるホットフォージング法で行う。 A non-oriented piezoelectric vibration element is produced by pressing a ceramic powder with a die at a rate of about 40 to 50 kg / mm 2 , firing at 900 ° C. to 1300 ° C. for about 2 hours using an electric furnace, Make it. The method for producing the driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c, 5d and the detecting piezoelectric vibrating elements 8a, 8b is a hot forging method in which a uniaxial pressure is applied during firing to obtain a high degree of orientation. To do.

ビスマス層状構造強誘電体のc面ですべりが起こり、最終的には圧力を加えた方向と平行にc軸がそろった粒子配向試料が得られる。粒子配向試料の作製は焼成中に5〜10kg/mm程度で一軸性の圧力を加えることにより圧縮変形させる。加える圧力を調整することにより任意の配向度の駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電振動素子8a、8bを作製する。作製された圧電振動素子は電極形成後に分極処理を行う。 Slip occurs on the c-plane of the bismuth layer structure ferroelectric, and finally a grain-oriented sample with the c-axis aligned in parallel with the direction in which pressure is applied is obtained. The particle-oriented sample is produced by compressive deformation by applying a uniaxial pressure at about 5 to 10 kg / mm 2 during firing. By adjusting the applied pressure, the driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c and 5d and the detection piezoelectric vibration elements 8a and 8b having an arbitrary degree of orientation are produced. The produced piezoelectric vibration element is subjected to polarization treatment after the electrodes are formed.

駆動用下部電極4a、4b、4c、4d、検出用下部電極7a、7bおよび駆動用上部電極6a、6b、6c、6d、検出用上部電極9a、9bは、それぞれAl、Pt、Au、Ag、Cr、Cu、Ti等の金属を用いることができる。また、電極材料の圧電振動素子への密着性を向上する観点から、各電極を形成する前に圧電振動素子上に接着層を形成しても良い。   The lower electrodes for driving 4a, 4b, 4c, 4d, the lower electrodes for detection 7a, 7b, the upper electrodes for driving 6a, 6b, 6c, 6d, and the upper electrodes for detection 9a, 9b are Al, Pt, Au, Ag, Metals such as Cr, Cu, and Ti can be used. Further, from the viewpoint of improving the adhesion of the electrode material to the piezoelectric vibration element, an adhesive layer may be formed on the piezoelectric vibration element before forming each electrode.

例えば、接着層としてクロムCr層を形成後その全面上にAu層を積層する二層構造として形成しても良い。電極の形成方法は金属ペーストの焼付けやスパッタリング法による形成などが有効である。   For example, a two-layer structure in which a chromium Cr layer is formed as an adhesive layer and then an Au layer is laminated on the entire surface may be formed. As an electrode forming method, baking of a metal paste or formation by sputtering is effective.

作製した駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電振動素子8a、8bの配向度Fを求めるためにX線回折を行った。X線はCuKα放射線でNiフィルタを通し、2θが10°から70°の範囲を1deg/minで測定した。   X-ray diffraction was performed in order to obtain the orientation degree F of the produced driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, and 5d and the detection piezoelectric vibration elements 8a and 8b. X-rays were passed through a Ni filter with CuKα radiation, and the range of 2θ from 10 ° to 70 ° was measured at 1 deg / min.

結晶粒子配向度合いを示す指標としてLotgering法を用いて配向度Fが算出される。配向度はF=(P−P)/(1−P)×100[%]で示され、Pは配向したときの、全てのX線回折パターンのピーク強度(hkl)とc軸のピーク強度(00l)の比を示し、Pは普通焼成法で作製した無配向のときの、全てのX線回折パターンのピーク強度(hkl)とc軸のピーク強度(00l)の比を示す。 The degree of orientation F is calculated using the Lottgering method as an index indicating the degree of crystal grain orientation. The degree of orientation is represented by F = (P−P 0 ) / (1−P 0 ) × 100 [%], where P 0 is the peak intensity (hkl) and c-axis of all X-ray diffraction patterns when oriented. The ratio of the peak intensity (00l) of the X-ray diffraction pattern is shown, and P is the ratio of the peak intensity (hkl) of all X-ray diffraction patterns to the peak intensity (00l) of the c-axis when non-oriented produced by the ordinary firing method. .

図5は配向度Fを算出する際に必要となる結晶粒子がランダムに存在する無配向の状態であるビスマス層状構造強誘電体のX線回折パターンの一例を示す。最も強度の強いピーク強度I16は2θが31°付近に存在する。 FIG. 5 shows an example of an X-ray diffraction pattern of a bismuth layered structure ferroelectric in a non-oriented state in which crystal grains necessary for calculating the degree of orientation F are present at random. The strongest peak intensity I 0 16 has 2θ around 31 °.

図6に駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dに用いたc軸に優先配向したビスマス層状構造強誘電体のX線回折パターンの一例を示す。同組成の結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をX線回折法で測定したときの最も強度の強いピーク強度I16と駆動用電極と平行する面でIと同じ角度2θにおけるピーク強度I17との比I/Iは1.0より小さい。得られたX線回折パターンより配向度FをLotgering法で算出し配向の度合いを確認することができる。 FIG. 6 shows an example of an X-ray diffraction pattern of a bismuth layered structure ferroelectric material preferentially oriented with respect to the c-axis used in the driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, and 5d. The highest intensity peak intensity I 0 16 when the piezoelectric vibration element in which crystal grains of the same composition exist randomly is measured by the X-ray diffraction method, and the peak intensity at the same angle 2θ as I 0 on the plane parallel to the driving electrode. The ratio I D / I 0 with I D 17 is less than 1.0. From the obtained X-ray diffraction pattern, the degree of orientation F can be calculated by the Lottgering method to confirm the degree of orientation.

図7に検出用圧電振動素子8a、8bに用いたa及びb軸方向に配向したビスマス層状構造強誘電体のX線回折パターンの一例を示す。同組成の結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子X線回折法で測定したときの最も強度の強いピーク強度I16と検出用電極と平行する面でIと同じ角度2θにおけるピーク強度I18との比I/Iは1.0より小さい FIG. 7 shows an example of an X-ray diffraction pattern of a bismuth layer-structured ferroelectric material oriented in the a- and b-axis directions used in the detection piezoelectric vibrating elements 8a, 8b. The peak intensity I 0 16 having the strongest intensity when measured by the piezoelectric vibration element X-ray diffraction method in which crystal grains of the same composition are present at random, and the peak intensity I at the same angle 2θ as I 0 on the plane parallel to the detection electrode The ratio I S / I 0 with S 18 is less than 1.0

図8は配向度Fと機械的品質係数Qの関係を示した図解図である。駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dにおいて駆動用電極6a、6b、6c、6dと平行する面をX線回折法で測定した場合に、最も強いピーク強度I17と、前記駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dと同組成の結晶がランダムに存在する圧電振動素子において最も強いピーク強度が得られる結晶面と同じ結晶面におけるピーク強度I16との比I/Iが、小さくなると配向度Fは大きくなる。 FIG. 8 is an illustrative view showing the relationship between the orientation degree F and the mechanical quality factor Q. When the planes parallel to the driving electrodes 6a, 6b, 6c, 6d in the driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, 5d are measured by the X-ray diffraction method, the strongest peak intensity I D 17 is obtained. The ratio I D / I between the crystal plane where the strongest peak intensity is obtained and the peak intensity I 0 16 in the same crystal plane in the piezoelectric vibrator in which crystals having the same composition as the piezoelectric vibrators 5a, 5b, 5c, 5d are present at random. When 0 becomes smaller, the orientation degree F becomes larger.

図8の中心はI/I=1.0は無配向の状態であり配向度F=0%を示し、無配向の状態から右側はc軸への配向性が大きくなり機械的品質係数Qは大きくなり、無配向から左側はa及びb軸方向への配向性Fが大きくなり機械的品質係数Qは小さくなる。ビスマス層状構造強誘電体を用いると、従来使用されていた鉛系の材料より高い機械的品質係数Qが得られる。 In the center of FIG. 8, I D / I 0 = 1.0 is a non-oriented state and shows an orientation degree F = 0%. From the non-oriented state, the right side has a larger orientation to the c-axis and the mechanical quality factor. Q increases, and the orientation F in the a and b axis directions increases from the non-oriented side to the left side, and the mechanical quality factor Q decreases. When a bismuth layered structure ferroelectric is used, a mechanical quality factor Q higher than that of a lead-based material conventionally used can be obtained.

このようにI/Iを1.0より小さくすることで、機械的品質係数Qを改善する効果があり、高感度を有する振動体となる。 Thus, by making I D / I 0 smaller than 1.0, there is an effect of improving the mechanical quality factor Q, and a vibrating body having high sensitivity is obtained.

配向度Fと電気機械結合係数kの関係は、無配向の状態から配向軸がc軸で配向度Fが大きくなり電気機械結合係数kは小さくなり、無配向から配向軸がa及びb軸で配向度Fが大きくなり電気機械結合係数kは大きくなる。配向度が90%程度でa及びb軸に配向した圧電振動素子は、無配向状態である圧電振動素子の2倍程度の電気機械結合係数kを示す。   The relationship between the degree of orientation F and the electromechanical coupling coefficient k is that, from the non-oriented state, the orientation axis is c-axis and the orientation degree F is large and the electromechanical coupling coefficient k is small. The degree of orientation F increases and the electromechanical coupling coefficient k increases. A piezoelectric vibration element having an orientation degree of about 90% and oriented along the a and b axes exhibits an electromechanical coupling coefficient k that is about twice that of a piezoelectric vibration element in an unoriented state.

図9は配向軸がa及びb軸の配向度Fと共振周波数の温度特性TC−frの関係を示した図解図である。共振周波数の温度特性はTC−fr=Δfr/(fr[20℃]×Δt)[ppm/℃]で算出され、Δfrは−25℃から125℃の温度範囲の共振周波数変化量を示し、fr[20℃]は20℃での共振周波数を示し、Δtは温度変化を示す。無配向の状態から配向方向がa及びb軸で配向度Fが大きくなると共振周波数の温度特性TC−f
rは改善される傾向を示す。
FIG. 9 is an illustrative view showing the relationship between the degree of orientation F with the orientation axes a and b and the temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency. The temperature characteristic of the resonance frequency is calculated as TC−fr = Δfr / (fr [20 ° C.] × Δt) [ppm / ° C.], where Δfr indicates the amount of change in resonance frequency in the temperature range from −25 ° C. to 125 ° C., fr [20 ° C.] represents a resonance frequency at 20 ° C., and Δt represents a temperature change. When the orientation direction is a and b axes from the non-oriented state and the orientation degree F increases, the temperature characteristic TC-f of the resonance frequency
r indicates a tendency to improve.

このようにI/Iを1.0より小さくすることで、電気機械結合係数kと共振周波数の温度特性TC−frを改善する効果があり、出力と感度の温度安定性が優れた振動体となる。 Thus, by making I S / I 0 smaller than 1.0, there is an effect of improving the temperature characteristic TC-fr of the electromechanical coupling coefficient k and the resonance frequency, and vibration with excellent temperature stability of output and sensitivity. Become a body.

配向度Fと機械的品質係数Q、電気機械結合係数k、共振周波数の温度特性TC−frの関係より、駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電素子8a、8bの配向度Fおよび配向方向を設定する。   From the relationship between the degree of orientation F, mechanical quality factor Q, electromechanical coupling factor k, and temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency, the orientation of the driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c, 5d and the detecting piezoelectric elements 8a, 8b. Degree F and orientation direction are set.

駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dは高感度にするためにできるだけ機械的品質係数Qは大きくするためにI/Iができるだけ小さく配向度Fが大きいことが望ましいが、c軸の配向度Fが大きくなると分極処理が困難になり良好な圧電性を示さず逆に機械的品質係数Qが劣化するので配向度Fが60%程度のc軸方向の配向度Fが妥当である。 It is desirable that the piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, and 5d for driving have as high a mechanical quality factor Q as possible in order to make them highly sensitive, so that I D / I 0 is as small as possible and the degree of orientation F is large. When the orientation degree F of the material increases, the polarization process becomes difficult and good piezoelectricity is not exhibited, and conversely the mechanical quality factor Q deteriorates. Therefore, the orientation degree F in the c-axis direction with an orientation degree F of about 60% is appropriate. .

検出用圧電振動素子8a、8bは大きな電気機械結合係数k、共振周波数の温度特性TC−frが良好である配向がa及びb軸方向でI/Iができるだけ小さく配向度Fが大きいほうが好ましい。しかし配向度Fが高すぎると結晶粒界面でのすべりが生じて機械的強度が劣化するので配向度Fが80%程度が妥当である。 The piezoelectric vibration elements for detection 8a and 8b have a large electromechanical coupling coefficient k and an orientation in which the temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency is good. In the a and b axis directions, I S / I 0 is as small as possible and the degree of orientation F is large. preferable. However, if the orientation degree F is too high, slipping at the crystal grain interface occurs and the mechanical strength deteriorates, so an orientation degree F of about 80% is appropriate.

本発明の振動体1の駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電振動素子8a、8bの特性の一例を示す。無配向状態の圧電振動素子の機械的品質係数Qは3800であるのに対し、I/Iは1.0より小さく、c軸方向の配向度Fが約60%の駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dの機械的品質係数Qはおよそ8000である。結晶異方性を制御することによって機械的品質係数Qは2倍程度改善される。 An example of the characteristics of the driving piezoelectric vibrating elements 5a, 5b, 5c, 5d and the detecting piezoelectric vibrating elements 8a, 8b of the vibrating body 1 of the present invention will be shown. The mechanical quality factor Q of the piezoelectric vibration element in the non-oriented state is 3800, whereas I D / I 0 is smaller than 1.0, and the piezoelectric vibration element for driving whose c-axis orientation degree F is about 60% The mechanical quality factor Q of 5a, 5b, 5c and 5d is approximately 8000. By controlling the crystal anisotropy, the mechanical quality factor Q is improved about twice.

無配向状態の圧電振動素子の共振周波数の温度特性TC−frはおよそ70ppm/℃であるのに対し、I/Iは1.0より小さく、a及びb軸の配向度Fが約80%の検出用圧電振動素子8a、8bの共振周波数の温度特性TC−frはおよそ40ppm/℃である。結晶異方性を制御することによって共振周波数の温度特性TC−frが40%程度改善される。 The temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency of the piezoelectric vibration element in the non-oriented state is about 70 ppm / ° C., whereas I S / I 0 is smaller than 1.0, and the degree of orientation F of the a and b axes is about 80. The temperature characteristic TC-fr of the resonant frequency of the% detecting piezoelectric vibrating elements 8a and 8b is approximately 40 ppm / ° C. By controlling the crystal anisotropy, the temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency is improved by about 40%.

本発明の振動ジャイロは振動体1を図10に示すように構成する。外側の駆動用上部電極6a、6dが、電源電圧の中間点に接続され、外側の駆動用上部電極6a、6dと内側の電極6b、6c間に発振回路20が接続される。発振回路20は、たとえば増幅回路と位相補正回路とを含み、外側の駆動用上部電極6a、6dから出力される信号を増幅し、位相補正して内側の電極6b、6cに与えられる。これにより、音叉状の2本の腕部3a、3bが開閉するようにして面内方向に屈曲振動する。   The vibrating gyroscope of the present invention has a vibrating body 1 as shown in FIG. The outer driving upper electrodes 6a and 6d are connected to the midpoint of the power supply voltage, and the oscillation circuit 20 is connected between the outer driving upper electrodes 6a and 6d and the inner electrodes 6b and 6c. The oscillation circuit 20 includes, for example, an amplifier circuit and a phase correction circuit, amplifies the signals output from the outer driving upper electrodes 6a and 6d, corrects the phase, and supplies the amplified signals to the inner electrodes 6b and 6c. As a result, the two tuning-fork-shaped arms 3a and 3b are flexibly vibrated in the in-plane direction so as to open and close.

また、検出用電極9a、9bは、差動回路21に接続される。差動回路21は、たとえばオペアンプや抵抗などによって構成される。さらに、差動回路21の出力端は、同期検波回路22に接続される。同期検波回路22では、たとえば発振回路20の信号に同期して、差動回路21の出力信号が検波される。同期検波回路22の出力信号は、積分回路23で直流信号に変換される。さらに、積分回路23の出力信号は、直流増幅回路24で増幅される。   The detection electrodes 9 a and 9 b are connected to the differential circuit 21. The differential circuit 21 is configured by, for example, an operational amplifier or a resistor. Further, the output terminal of the differential circuit 21 is connected to the synchronous detection circuit 22. In the synchronous detection circuit 22, for example, the output signal of the differential circuit 21 is detected in synchronization with the signal of the oscillation circuit 20. The output signal of the synchronous detection circuit 22 is converted into a DC signal by the integration circuit 23. Further, the output signal of the integration circuit 23 is amplified by the DC amplification circuit 24.

本発明の振動ジャイロでは、外側の駆動用上部電極6a、6dと内側の電極6b、6c間に互いに逆位相の駆動信号を与えることにより、腕部3a、3bが開閉するように面内方向に振動する。ここで与えられる駆動信号は、振動体1の共振周波数に相当する信号で
ある。この駆動信号によって、駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dには、屈曲振動が生じる。
In the vibrating gyroscope according to the present invention, drive signals having mutually opposite phases are given between the outer driving upper electrodes 6a and 6d and the inner electrodes 6b and 6c so that the arms 3a and 3b open and close in the in-plane direction. Vibrate. The drive signal given here is a signal corresponding to the resonance frequency of the vibrating body 1. By this drive signal, bending vibration is generated in the driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, and 5d.

このとき、外側の駆動用圧電振動素子5a、5dと内側の駆動用圧電振動素子5b、5c間には逆向きの変位が発生する。つまり、外側か内側の一方の駆動用圧電振動素子が厚み方向に伸びるとき、他方の駆動用圧電振動素子は厚み方向に縮む。逆に、一方の駆動用圧電振動素子が厚み方向に縮むとき、他方の駆動用圧電振動素子は厚み方向に伸びる。   At this time, a reverse displacement occurs between the outer driving piezoelectric vibrating elements 5a and 5d and the inner driving piezoelectric vibrating elements 5b and 5c. That is, when one of the outer or inner driving piezoelectric vibrating elements extends in the thickness direction, the other driving piezoelectric vibrating element contracts in the thickness direction. Conversely, when one driving piezoelectric vibration element contracts in the thickness direction, the other driving piezoelectric vibration element extends in the thickness direction.

そのため、腕部3a,3bは開閉するように屈曲振動する。このとき、振動体1の2つの腕部3a,3bは、分極方向に対して同じ状態で振動するため、検出用電極9a、9bから出力される信号は同じである。そのため、差動回路21からは、信号が出力されない。   Therefore, the arms 3a and 3b vibrate and vibrate so as to open and close. At this time, since the two arm portions 3a and 3b of the vibrating body 1 vibrate in the same state with respect to the polarization direction, the signals output from the detection electrodes 9a and 9b are the same. Therefore, no signal is output from the differential circuit 21.

振動体1の腕部3a,3bが開閉するように屈曲振動している状態で、腕部3a,3bが基部2から延出する向きのz軸を中心として回転角速度Ωが加わると、面内方向に直交する向きにコリオリ力Fcが働く。したがって、このコリオリ力Fcによって腕部3a,3bは、開閉する向きに加わる駆動力とコリオリ力Fcとが合成された向きに振動する。   When a rotational angular velocity Ω is applied about the z axis in the direction in which the arms 3a and 3b extend from the base 2 in a state where the arms 3a and 3b of the vibrating body 1 are bent and vibrated so as to open and close, Coriolis force Fc acts in a direction orthogonal to the direction. Therefore, the arms 3a and 3b vibrate in the direction in which the driving force applied in the opening / closing direction and the Coriolis force Fc are combined by the Coriolis force Fc.

コリオリ力Fcによって、腕部3a,3bは、検出用圧電振動素子8a、8bが並んだ向きに変位する。このような腕部3a,3bの変位により、一方の検出用圧電振動素子8aが厚み方向に伸びたとき、他方の検出用圧電振動素子8bは厚み方向に縮む。逆に、一方の検出用圧電振動素子8aが縮んだとき、他方の検出用圧電素子8bが伸びる。   By the Coriolis force Fc, the arm portions 3a and 3b are displaced in the direction in which the detecting piezoelectric vibrating elements 8a and 8b are arranged. Due to the displacement of the arm portions 3a and 3b, when one of the detection piezoelectric vibration elements 8a extends in the thickness direction, the other detection piezoelectric vibration element 8b contracts in the thickness direction. Conversely, when one of the detection piezoelectric vibration elements 8a is contracted, the other detection piezoelectric element 8b is extended.

そのため、無回転時に比べて、一方の検出用圧電振動素子8aの出力が増加したとき、他方の検出用圧電振動素子8bの出力が減少する。また、無回転時に比べて、一方の検出用圧電振動素子8aの出力が減少したとき、他方の検出用圧電振動素子8bの出力が増加する。したがって、差動回路21で検出用電極9a、9bの出力信号の差をとれば、コリオリ力に対応した大きい信号を得ることができる。   Therefore, when the output of one detection piezoelectric vibration element 8a is increased as compared with the non-rotation state, the output of the other detection piezoelectric vibration element 8b is decreased. Further, when the output of one of the detection piezoelectric vibration elements 8a is decreased as compared with the non-rotation state, the output of the other detection piezoelectric vibration element 8b is increased. Therefore, if the difference between the output signals of the detection electrodes 9a and 9b is obtained by the differential circuit 21, a large signal corresponding to the Coriolis force can be obtained.

差動回路21の出力信号は、同期検波回路22で、発振回路20の信号に同期して検波される。それにより、差動回路21の出力信号の正部分のみまたは負部分のみが検波される。同期検波回路22の出力信号は積分回路23で直流信号に変換され、さらに直流増幅回路24で増幅される。   The output signal of the differential circuit 21 is detected by the synchronous detection circuit 22 in synchronization with the signal of the oscillation circuit 20. Thereby, only the positive part or only the negative part of the output signal of the differential circuit 21 is detected. The output signal of the synchronous detection circuit 22 is converted into a DC signal by the integration circuit 23 and further amplified by the DC amplification circuit 24.

検出用電極9a、9bからの出力信号のレベルは、振動体1の腕部3a,3bの変位の大きさによって決まるため、大きいコリオリ力Fcが働くと、主力信号のレベルは大きくなる。したがって、直流増幅回路24の出力信号のレベルから、回転角速度Ωの大きさを検出することができる。   Since the level of the output signal from the detection electrodes 9a and 9b is determined by the magnitude of the displacement of the arm portions 3a and 3b of the vibrating body 1, when the large Coriolis force Fc works, the level of the main signal increases. Therefore, the magnitude of the rotational angular velocity Ω can be detected from the level of the output signal of the DC amplifier circuit 24.

また、回転角速度Ωが加わる方向によって、振動体1の2つの腕部3a,3bにかかるコリオリ力Fcの方向が変わる。そのため、2つの検出用電極9a、9bから出力される信号の位相も変わり、差動回路21からは、回転角速度Ωの方向によって、逆位相の信号が出力される。   Further, the direction of the Coriolis force Fc applied to the two arm portions 3a and 3b of the vibrating body 1 varies depending on the direction in which the rotational angular velocity Ω is applied. Therefore, the phases of the signals output from the two detection electrodes 9a and 9b also change, and the differential circuit 21 outputs a signal having an opposite phase depending on the direction of the rotational angular velocity Ω.

したがって、同期検波回路22では、一方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の正部分が検波されるとすると、他方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の負部分が検波される。そのため、回転角速度Ωの加わる方向によって、直流増幅回路24の出力信号の極性が変わる。つまり、直流増幅回路24の出力信号の極性から、回転角速度の加わった方向を知ることができる。   Therefore, in the synchronous detection circuit 22, if the positive portion of the signal is detected when the rotational angular velocity Ω is applied in one direction, the negative portion of the signal is detected when the rotational angular velocity Ω is applied in the other direction. Therefore, the polarity of the output signal of the DC amplifier circuit 24 changes depending on the direction in which the rotational angular velocity Ω is applied. That is, the direction in which the rotational angular velocity is applied can be known from the polarity of the output signal of the DC amplifier circuit 24.

/Iは1.0より小さく、c軸方向の配向度Fが60%程度の駆動用圧電振動体は、無配向状態より機械的品質係数Qが2倍程度向上し、図10の回路により得られた振動ジャイロの感度は向上する。 The drive piezoelectric vibrator having an I D / I 0 smaller than 1.0 and an orientation degree F in the c-axis direction of about 60% has a mechanical quality factor Q improved about twice as much as that in the non-oriented state. The sensitivity of the vibration gyro obtained by the circuit is improved.

/Iは1.0より小さく、a及びb軸方向の配向度Fが80%程度の検出用圧電振動体は、無配向状態より共振周波数の温度特性TC−frが小さくなり特性が40%程度改善され、図10の回路により得られた出力は温度安定性に優れている。駆動用圧電素子と前記検出用圧電素子は結晶方位面が異なることに特性を向上させる有効性が示された。 I S / I 0 is smaller than 1.0, and the piezoelectric vibrator for detection having an orientation degree F in the a- and b-axis directions of about 80% has a temperature characteristic TC-fr of the resonance frequency that is smaller than that in the non-oriented state. The output obtained by the circuit of FIG. 10 is improved by about 40% and has excellent temperature stability. The driving piezoelectric element and the detecting piezoelectric element have been shown to be effective in improving characteristics due to the different crystal orientation planes.

本発明の振動体1の駆動用圧電振動素子5a、5b、5c、5dおよび検出用圧電振動素子8a、8bはスパッタリング法、CVD法、ゾルゲル法などで作製された薄膜で構成してもよい。   The driving piezoelectric vibration elements 5a, 5b, 5c, and 5d and the detection piezoelectric vibration elements 8a and 8b of the vibrating body 1 of the present invention may be formed of a thin film formed by a sputtering method, a CVD method, a sol-gel method, or the like.

本発明の振動体の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the vibrating body of this invention. 図1に示す振動体の一例における断面図である。It is sectional drawing in an example of the vibrating body shown in FIG. ビスマス層状構造強誘電体の結晶構造を示す図解図である。It is an illustration figure which shows the crystal structure of a bismuth layer structure structure ferroelectric substance. (a)無配向、(b)c軸方向に配向、(c)a及びb軸方向に配向した結晶粒子の分布を示す図解図である。It is an illustrative view showing the distribution of crystal grains (a) non-oriented, (b) oriented in the c-axis direction, (c) oriented in the a- and b-axis directions. 無配向のビスマス層状構造強誘電体のX線回折図の一例である。It is an example of the X-ray diffraction pattern of a non-oriented bismuth layer structure ferroelectric substance. 本発明に用いた駆動用圧電振動体のX線回折図の一例である。It is an example of the X-ray diffraction diagram of the drive piezoelectric vibrating body used for this invention. 本発明に用いた検出用圧電体材料のX線回折図の一例である。It is an example of the X-ray-diffraction figure of the piezoelectric material for a detection used for this invention. 配向度Fと機械的品質係数Qの関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between an orientation degree F and a mechanical quality factor Q. 配向度Fと共振周波数の温度特性TC−frの関係図である。It is a relationship figure of orientation degree F and temperature characteristic TC-fr of resonance frequency. 図1に示す振動体を振動ジャイロとして使用するための回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit for using the vibrating body shown in FIG. 1 as a vibration gyro. 従来の振動ジャイロの振動体の斜視図である。It is a perspective view of the vibrating body of the conventional vibration gyro. 従来の薄膜振動ジャイロの振動体の斜視図である。It is a perspective view of the vibrating body of the conventional thin film vibration gyro.

符号の説明Explanation of symbols

1、101、201…振動体
2、102…基部
3a,3b、103a、103b、202a、202b…腕部
4a、4b、4c、4d…駆動用下部電極
5a、5b、5c、5d…駆動用圧電振動素子
6a、6b、6c、6d…駆動用上部電極
7a、7b…検出用下部電極
8a、8b…検出用圧電振動素子
9a、9b…検出用上部電極
10…ビスマス層状構造強誘電体の酸化ビスマス層(Bi2+
11…ビスマス層状構造強誘電体の擬ペロブスカイト層[(Am−13m+12−
12…擬ペロブスカイト層交互に積み重なった結晶構造
13…ビスマス層状構造強誘電体の単位格子
14…ビスマス層状構造強誘電体の結晶粒子
15…無配向状態の圧電振動素子
16…無配向状態の圧電振動素子のX線回折パターンの最も強いピーク強度I
17…駆動用圧電振動素子のIと同一結晶面でのX線回折パターンのピーク強度I
18…検出用圧電振動素子のIと同一結晶面でのX線回折パターンのピーク強度I
20…発振回路
21…差動回路
22…同期検波回路
23…積分回路
24…直流増幅回路
104…圧電振動素子
203a、203b…薄膜圧電振動素子
204a、204b…下部電極
205a、205b、205c、205d…上部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 101, 201 ... Vibrating body 2, 102 ... Base part 3a, 3b, 103a, 103b, 202a, 202b ... Arm part 4a, 4b, 4c, 4d ... Lower electrode 5a, 5b, 5c, 5d ... Drive piezoelectric Vibration element 6a, 6b, 6c, 6d ... Driving upper electrode 7a, 7b ... Detection lower electrode 8a, 8b ... Detection piezoelectric vibration element 9a, 9b ... Detection upper electrode 10 ... Bismuth layered structure ferroelectric bismuth oxide Layer (Bi 2 O 2 ) 2+
11. Pseudo-perovskite layer [(A m-1 B m O 3m + 1 ) 2− ] of bismuth layer structure ferroelectric
12. Pseudo-perovskite layer alternately stacked crystal structure 13. Bismuth layered structure ferroelectric unit cell 14 Bismuth layered structure ferroelectric crystal particle 15 Non-oriented piezoelectric vibration element 16 Non-oriented piezoelectric vibration The strongest peak intensity I 0 of the X-ray diffraction pattern of the device
17: Peak intensity I D of the X-ray diffraction pattern on the same crystal plane as I 0 of the driving piezoelectric vibration element
18: Peak intensity I S of the X-ray diffraction pattern on the same crystal plane as I 0 of the piezoelectric vibration element for detection
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Oscillation circuit 21 ... Differential circuit 22 ... Synchronous detection circuit 23 ... Integration circuit 24 ... DC amplification circuit 104 ... Piezoelectric vibration element
203a, 203b ... thin film piezoelectric vibration elements 204a, 204b ... lower electrodes 205a, 205b, 205c, 205d ... upper electrodes

Claims (7)

基部と、
この基部から延出する少なくとも2本の腕部と、
これらの腕部を屈曲振動させるために前記腕部の主面上または側面上に設けられた駆動用圧電振動素子及び駆動用電極と、
前記駆動用圧電振動素子によって励振される前記屈曲振動と直交する振動を検出する検出用圧電振動素子及び検出用電極と、
を有する振動体において、
前記駆動用圧電振動素子及び前記検出用圧電振動素子は、それぞれ結晶粒子が異方性を有するビスマス層状構造強誘電体であることを特徴とする振動体。
The base,
At least two arms extending from the base;
A driving piezoelectric vibration element and a driving electrode provided on a main surface or a side surface of the arm portion to bend and vibrate these arm portions;
A detection piezoelectric vibration element and a detection electrode for detecting vibration orthogonal to the bending vibration excited by the driving piezoelectric vibration element;
In a vibrating body having
The drive piezoelectric vibration element and the detection piezoelectric vibration element are each a bismuth layer-structure ferroelectric substance in which crystal grains have anisotropy.
前記結晶粒子は、少なくとも1つの軸が同一方向に向くように略整列した状態を有することを特徴とする請求項1に記載の振動体。   The vibrating body according to claim 1, wherein the crystal particles have a substantially aligned state so that at least one axis is oriented in the same direction. 前記駆動用圧電振動素子において、前記結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をX線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Iと、前記駆動用電極と平行する面で前記Iと同じ角度2θにおけるピーク強度Iとの比I/Iが、1.0より小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の振動体。 In the driving piezoelectric vibrating element, a piezoelectric vibration element in which the crystal grains are present randomly strongest peak intensity I 0 as measured by X-ray diffraction method, and the I 0 in a plane parallel to the driving electrodes 3. The vibrating body according to claim 1, wherein a ratio I D / I 0 to a peak intensity I D at the same angle 2θ is smaller than 1.0. 前記検出用圧電振動素子において、前記結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をX線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Iと、前記検出用電極と直交する面で前記Iと同じ角度2θにおけるピーク強度Iとの比I/Iが、1.0より小さいことを特徴とする、請求項1または2に記載の振動体。 In the detecting piezoelectric vibrating element, said piezoelectric vibrating element crystal particles are present in a random strongest peak intensity I 0 as measured by X-ray diffractometry, and the I 0 in the plane perpendicular to the detection electrode 3. The vibrating body according to claim 1, wherein a ratio I S / I 0 to a peak intensity I S at the same angle 2θ is smaller than 1.0. 前記駆動用圧電振動素子において、前記結晶粒子はランダムに存在する状態より前記駆動用電極に対して垂直方向でc軸方向に多く配置されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の振動体。   5. The drive piezoelectric vibration element according to claim 1, wherein the crystal grains are arranged in a larger amount in the c-axis direction in a direction perpendicular to the drive electrode than in a state of being present at random. The vibrating body according to one item. 前記検出用圧電振動素子において、前記結晶粒子はランダムに存在する状態より前記検出用電極に対して垂直方向でa及びb軸方向に多く配置されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の振動体。   5. The piezoelectric vibration element for detection according to claim 1, wherein the crystal particles are arranged more in the a- and b-axis directions in a direction perpendicular to the detection electrode than in a randomly existing state. The vibrating body according to any one of the above. 請求項1から6に記載の振動体を用いて、外部から印加された角速度を検出することを特徴とする振動ジャイロ。   A vibrating gyroscope that detects an angular velocity applied from the outside using the vibrating body according to claim 1.
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