JP2009074996A - Piezoelectric vibration gyro - Google Patents

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Koichi Shuda
浩一 習田
Akiko Oshima
亜希子 大島
Mitsuharu Chiba
光晴 千葉
Takeshi Mizuno
豪 水野
Koichi Okamoto
幸一 岡本
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Tokin Corp
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NEC Tokin Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost and compact piezoelectric vibration gyro needing no large space, capable of detecting angular velocities of two axes by using one vibrator which can be driven by one drive signal. <P>SOLUTION: The two-axis detection type vibrator 1 comprises: four sets of tuning forks composed of arms 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g and 2h; a base 4 positioned at the center; a coupling part for coupling the base with these tuning forks; a frame 5 disposed around the base 4; and beams 3a, 3b, 3c and 3d for connecting the base 4 and the frame 5. These are formed integrally by applying a penetration process using a sandblasting method to a flat plate made of silicon. The four sets of tuning forks are coupled with the base 4 in a radial cross-joint shape through the coupling part 6. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、自動車のナビゲーションシステム装置や電化製品の姿勢制御装置に内蔵される、加速度を検出するセンサに関し、特にカメラ一体型VTR、デジタルカメラ等の手振れを検出するシステムに使用されるジャイロスコープに好適な、音叉型圧電振動子を用いる圧電振動ジャイロに関する。   The present invention relates to a sensor for detecting acceleration, which is built in a navigation system device of an automobile or an attitude control device of an electric appliance, and more particularly to a gyroscope used in a system for detecting camera shake such as a camera-integrated VTR and a digital camera. The present invention relates to a piezoelectric vibration gyro using a tuning fork type 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、一方を励振部として振動可能とし、他方を検出部として出力電圧の検出を可能とした圧電振動子において、励振部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圧電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、励振部の振動方向に対して直角な方向に力が働き、検出部に振動が励振される。この検出部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、前記検出部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。なお、励振部の振動を駆動振動、検出部の振動を検出振動と呼んでいる。   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 two directions orthogonal to each other, in a piezoelectric vibrator that allows one to vibrate as an excitation unit and the other as a detection unit to detect an output voltage, the two vibration surfaces intersect with the excitation unit vibrated. When the piezoelectric vibrator itself is rotated about the axis parallel to the line as a central axis, the above-mentioned Coriolis force causes a force to act in a direction perpendicular to the vibration direction of the excitation unit, thereby exciting the detection unit. . Since the magnitude of the vibration excited by the detector 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 of the detector. The vibration of the excitation unit is called drive vibration, and the vibration of the detection unit is called detection vibration.

圧電振動ジャイロは小型で安価に製造できることから特にカメラの手振れ補正装置に使用されている。カメラの手振れ補正装置では、一般にピッチ方向とヨー方向の角速度検出が必要とされ、従来までは1軸検出型の圧電振動ジャイロが2個使用されてきた。近年では、更なる小型化・低価格化のニーズに応えるため、2軸検出型ジャイロの開発が盛んに進められるようになっている。   Piezoelectric vibration gyros are particularly used in camera shake correction devices because they are small and inexpensive to manufacture. Camera shake correction devices generally require detection of angular velocities in the pitch direction and yaw direction, and conventionally, two single-axis detection type piezoelectric vibration gyros have been used. In recent years, the development of two-axis detection type gyros has been actively promoted in order to meet the needs for further miniaturization and price reduction.

2軸検出型ジャイロには、1軸の角速度を検出する振動子を2個使用する方式と、1個の振動子で2軸の角速度を検出する方式がある。いずれも2軸検出分の駆動検出回路を同一基板上に形成でき、あるいは1チップの集積回路にでき、また振動子や回路を収納するパッケージも1個にすることができるため、1軸検出型ジャイロを2個使用する場合と比較し、小型化・低価格化できるメリットがある。   Two-axis detection type gyros include a method using two vibrators for detecting a uniaxial angular velocity and a method for detecting a biaxial angular velocity using a single vibrator. In either case, the drive detection circuit for two-axis detection can be formed on the same substrate, or it can be formed as a one-chip integrated circuit, and the number of packages containing the vibrator and circuit can be reduced to one. Compared to the case where two gyros are used, there is an advantage that the size and price can be reduced.

更に、1軸の角速度を検出する振動子を2個使用する方式と、1個の振動子で2軸の角速度を検出する方式とを比較すると、1個の振動子で2軸の角速度を検出する方式の方が、1個の発振回路で振動子を駆動できることから、駆動検出回路が簡素に構成できる。加えて、振動子においては、一般的に振動子のアームを連結する基部を1箇所で共用できることから形状も小さくできる。   Furthermore, when comparing a method that uses two vibrators that detect angular velocity of one axis and a method that detects angular velocity of two axes with one vibrator, it detects angular velocity of two axes with one vibrator. In this method, since the vibrator can be driven by one oscillation circuit, the drive detection circuit can be configured simply. In addition, the shape of the vibrator can be reduced because the base for connecting the arms of the vibrator can be commonly used at one place.

ここで、振動子の形状と実装面積の観点から、振動子の種類は、音片と音叉の2種類に大きく分けられる。音片の場合は、振動を阻害しないよう振動の節で支持固定する必要があるが、振動ジャイロのように駆動振動と検出振動といった2つ以上の方向の振動を扱う場合、振動子の節は内部に存在しているため完全な節は振動子の表面にはない。つまり、支持固定によって多かれ少なかれ振動に影響を及ぼすこととなる。そこで、極力影響を少なくするため、振動の節となる近傍を、バネ材等の弾性体で支持固定するのが一般的である。従って、音片の振動子を振動ジャイロとして使用する際には、支持部材のスペースは振動子のスペースよりもかなり大きなスペースを必要とし、音片振動子の支持固定の問題はジャイロセンサを小型化するための障害となっている。   Here, from the viewpoint of the shape and mounting area of the vibrator, the kind of the vibrator is roughly divided into two types, a sound piece and a tuning fork. In the case of a sound piece, it is necessary to support and fix it with a vibration node so as not to inhibit the vibration. However, when dealing with vibrations in two or more directions such as a drive vibration and a detection vibration like a vibration gyro, the vibration node is There is no perfect node on the surface of the vibrator because it exists inside. That is, the support and fixation influences vibration more or less. Therefore, in order to reduce the influence as much as possible, it is general to support and fix the vicinity of the vibration node with an elastic body such as a spring material. Therefore, when using the resonator of a sound piece as a vibration gyro, the space for the support member needs to be much larger than the space of the vibrator, and the problem of fixing the support of the sound piece resonator is a miniaturization of the gyro sensor. It has become an obstacle to do.

それに対し音叉の場合は、音叉面内での振動となる面内振動は、音叉の構成要素であるアームに振動エネルギーが閉じこもっているため、アームが連結される基部は広い範囲で振動の節となり、特別な支持部材を必要とせず、容易に支持固定することができる。しかしながら、面内振動と垂直方向の面外振動は、基部を支持固定することで初めて存在できる振動モードであって、基部の支持固定状態は、振動に対して大きく影響を及ぼすこととなる。一般に、面外振動を安定化させるためには、支持固定は完全に固定されることが好ましく、振動部の振動モーメントに対し、十分大きな質量をもって固定する必要がある。音叉振動子を振動ジャイロとして使用する際も、振動子を支持固定するのに必要となる大きな固定用重石が振動ジャイロを小型化するための障害となっている。   On the other hand, in the case of a tuning fork, in-plane vibration, which is vibration in the tuning fork plane, is confined to the arm, which is a component of the tuning fork, so that the base to which the arm is connected becomes a vibration node in a wide range. Thus, it can be easily supported and fixed without requiring a special support member. However, the in-plane vibration and the out-of-plane vibration in the vertical direction are vibration modes that can exist only when the base is supported and fixed, and the support and fixing state of the base greatly affects the vibration. In general, in order to stabilize out-of-plane vibration, it is preferable that the support and fixing be completely fixed, and it is necessary to fix the vibration part with a sufficiently large mass with respect to the vibration moment of the vibration part. When a tuning fork vibrator is used as a vibrating gyroscope, a large fixing weight necessary for supporting and fixing the vibrator is an obstacle to miniaturizing the vibrating gyroscope.

図7は、従来の振動子の構造を示す斜視図である。図7に示すように、音叉振動子の基部63を共通の基部となるように、アーム64a,64bおよびアーム64c,64dを一体的に連結しており、音叉61と音叉62をそれぞれ固有の共振周波数で駆動し、2軸検出を実現している(例えば、特許文献1参照)。   FIG. 7 is a perspective view showing the structure of a conventional vibrator. As shown in FIG. 7, the arms 64a and 64b and the arms 64c and 64d are integrally connected so that the base 63 of the tuning fork vibrator becomes a common base, and each of the tuning fork 61 and the tuning fork 62 has its own resonance. Driving at a frequency realizes two-axis detection (see, for example, Patent Document 1).

特開平6−294654号公報JP-A-6-294654

しかしながら、前述の従来の技術では、駆動回路部が2個必要な点や、単純音叉の構造をしているため、検出したい面外振動を安定化させるには、大きな固定用重石を必要とするため小型化が図れず、固定用重石の大型化に伴って製造コストも増大するという問題があった。   However, the above-described conventional technology requires two driving circuit sections and a simple tuning fork structure, so a large fixing weight is required to stabilize the out-of-plane vibration to be detected. Therefore, there is a problem that the size cannot be reduced and the manufacturing cost increases with the increase in the size of the fixing weight.

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、1つの駆動信号で駆動できる1つの振動子によって、2軸の角速度を検出することを可能にし、大きなスペースを必要としない小型・低価格の圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and enables a two-axis angular velocity to be detected by one vibrator that can be driven by one drive signal, and does not require a large space. An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration gyro.

本発明は、2個のアームが一端側で連結されたアームセットからなる音叉が基部に連結され、4組の前記音叉が単一平面上且つ十字放射状に配置された振動子を有し、前記音叉における2個の前記アームを、各々逆位相で前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させると共に、十字放射状態で対向配置された一対の前記音叉同士が、前記アームを各々逆位相となるように前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させる駆動手段を有し、前記駆動手段によって得られる振動と垂直となる2方向の振動をそれぞれ検出する検出手段を有することを特徴とする圧電振動ジャイロである。   The present invention includes a vibrator in which a tuning fork comprising an arm set in which two arms are connected at one end is connected to a base, and four sets of the tuning forks are arranged in a single plane and in a cross-radiation manner, The two arms in the tuning fork are bent and oscillated in a direction perpendicular to the single plane with opposite phases, respectively, and a pair of tuning forks arranged opposite to each other in a cross-radiating state causes the arms to have opposite phases. And a driving means for bending and vibrating in a direction perpendicular to the single plane, and a detecting means for detecting vibrations in two directions perpendicular to the vibration obtained by the driving means. It is a piezoelectric vibration gyro.

また、本発明は、前記振動子において、4組の前記音叉は、前記基部から単一平面上且つ十字放射状に延在する連結部により前記基部に連結され、前記基部と前記連結部と前記音叉は一体的に形成されていることを特徴とする圧電振動ジャイロである。   In the vibrator according to the present invention, the four sets of tuning forks may be connected to the base by a connecting portion extending in a single plane and in a cross radial shape from the base, and the base, the connecting portion, and the tuning fork. Is a piezoelectric vibration gyro characterized by being integrally formed.

また、本発明は、前記振動子は、前記基部の周辺に配置される枠体に、前記基部から延在してなるビームにて連結され、前記枠体及び前記ビームは前記単一平面に前記基部と一体的に形成され、前記基部と前記枠体は少なくとも2箇所にて連結することによって、前記基部は前記枠体に支持固定されてなることを特徴とする圧電振動ジャイロである。   Further, according to the present invention, the vibrator is connected to a frame disposed around the base by a beam extending from the base, and the frame and the beam are in the single plane. The piezoelectric vibration gyro is formed integrally with a base, and the base is supported and fixed to the frame by connecting the base and the frame at at least two locations.

本発明によれば、1個の振動子で2軸の角速度を検出でき、1つの発振回路で振動子を駆動できることから駆動検出回路が簡単な構成となる。更には、2軸検出分の駆動検出回路を同一基板上に形成でき、あるいは1チップの集積回路にできる。また、振動子や回路を収納するパッケージも1つにすることができる。加えて、振動子において、アームセットからなる音叉を連結する基部を一つにし共用できることから、振動子自体の形状も小さくできる。   According to the present invention, since the angular velocity of two axes can be detected by one vibrator and the vibrator can be driven by one oscillation circuit, the drive detection circuit has a simple configuration. Furthermore, a drive detection circuit for two-axis detection can be formed on the same substrate, or can be formed as a one-chip integrated circuit. Further, the number of packages for storing the vibrators and circuits can be reduced to one. In addition, in the vibrator, since the base for connecting the tuning fork composed of the arm set can be shared by one, the shape of the vibrator itself can be reduced.

また、振動子の駆動及び2つの検出振動の振動エネルギーはいずれもアーム内と基部に閉じこもっており、外周を囲う枠体には振動が漏れない。従って、枠体をバネ材等の弾性体を用いることなく容易に支持固定でき、これらを支持固定する固定用重石においても特に大きな質量を必要とすることもないので、必要最小限の大きさで構わない。以上のことから、本発明により、従来と比較して大幅に小型で薄型の特性の安定した圧電振動ジャイロを提供することができる。   In addition, the vibration energy of the drive of the vibrator and the two detected vibrations is confined in the arm and the base, and the vibration does not leak to the frame surrounding the outer periphery. Therefore, the frame can be easily supported and fixed without using an elastic body such as a spring material, and the fixing weight for supporting and fixing the frame does not require a particularly large mass. I do not care. From the above, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric vibration gyro which is significantly smaller and thinner than conventional ones and has stable characteristics.

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る振動子構造を表す上面図である。この振動子は、複数のアーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hと基部4、複数の連結部6、枠体5、複数のビーム3a,3b,3c,3dで構成される。また、この図の振動子の上面もしくは裏面には、図示していないが、駆動および検出するための圧電膜または電極が形成される。ここでは、振動子の上面のことを主面と呼ぶ。この振動子の主面と垂直方向に駆動振動することで、2軸検出を実現する振動ジャイロが構成される。   FIG. 1 is a top view showing a vibrator structure according to an embodiment of the present invention. This vibrator is composed of a plurality of arms 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, a base 4, a plurality of connecting portions 6, a frame 5, and a plurality of beams 3a, 3b, 3c, 3d. The In addition, although not shown, a piezoelectric film or an electrode for driving and detecting is formed on the upper surface or the rear surface of the vibrator in this figure. Here, the upper surface of the vibrator is called a main surface. A vibration gyro that realizes two-axis detection is configured by driving vibration in a direction perpendicular to the main surface of the vibrator.

振動子1は、中央に位置する基部4と、2つのアーム(2aと2b)で構成されるアームセットである音叉と、2つのアーム(2cと2d)で構成されるアームセットである音叉と、2つのアーム(2eと2f)で構成されるアームセットである音叉と、2つのアーム(2gと2h)で構成されるアームセットである音叉の合計4組の音叉が基部4に対して十字放射状に延在する連結部6により連結され、またこの基部4は、周囲に配置される枠体5とビーム3a,3b,3c,3dとで連結されたものであり、これらは同一平面上に形成されている。これらの振動子1が、厚さ0.05〜0.3mm程度のシリコンやニオブ酸リチウム等からなる平板にサンドブラスト法やドライエッチング法、ウェットエッチング法、レーザ法で貫通加工を施すことで一体的に形成される。アーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hは幅0.05〜0.3mm程度である。   The vibrator 1 includes a base 4 located in the center, a tuning fork that is an arm set including two arms (2a and 2b), and a tuning fork that is an arm set including two arms (2c and 2d). The tuning fork, which is an arm set composed of two arms (2e and 2f), and the tuning fork, which is an arm set composed of two arms (2g and 2h), are crossed with respect to the base 4. The base 4 is connected by a radially extending connecting portion 6 and is connected by a frame 5 arranged around and the beams 3a, 3b, 3c, 3d, which are on the same plane. Is formed. These vibrators 1 are integrated by subjecting a flat plate made of silicon, lithium niobate, or the like having a thickness of about 0.05 to 0.3 mm to penetration processing by a sandblast method, a dry etching method, a wet etching method, or a laser method. Formed. The arms 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g and 2h have a width of about 0.05 to 0.3 mm.

振動ジャイロの検出感度は周波数に反比例するため、アーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hの先端には負荷質量を有する拡張部が設けられており、アーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hが短くても共振周波数が低くなるようにしている。この結果、本実施の形態では枠体5の外形が2〜5mm程度と小型でありながら高感度となる。ここで、ビーム3a,3b,3c,3dの一端の各々は、四角形の基部4の角に連結されると共に、他端が方形環状の枠体5の内周側の角に連結される。従って、基部4は、ビーム3a,3b,3c,3dを介して枠体5に保持されていることになる。尚、外部からの耐衝撃や製造時の貫通加工精度ばらつき、耐疲労性等を考慮し、振動子1における例えば枠体5とビーム3a,3b,3c,3dとの接続部における鋭利な角部は角丸めやCカットを施す方が好ましい。ここでは、基部4と枠体5が4個のビームで連結される場合を説明したが、ビームは2個以上であればよく、すなわち、少なくとも2箇所で支持固定されていればよい。   Since the detection sensitivity of the vibration gyro is inversely proportional to the frequency, an extension part having a load mass is provided at the tip of the arms 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, and the arms 2a, 2b, 2c , 2d, 2e, 2f, 2g, and 2h, the resonance frequency is lowered. As a result, in the present embodiment, the outer shape of the frame 5 is as small as about 2 to 5 mm, but the sensitivity is high. Here, one end of each of the beams 3 a, 3 b, 3 c, 3 d is connected to a corner of the rectangular base portion 4, and the other end is connected to a corner on the inner peripheral side of the rectangular annular frame 5. Therefore, the base 4 is held by the frame 5 via the beams 3a, 3b, 3c, 3d. In consideration of impact resistance from the outside, variation in penetration processing accuracy during manufacturing, fatigue resistance, etc., a sharp corner portion in the connection portion of the vibrator 1 with, for example, the frame 5 and the beams 3a, 3b, 3c, 3d. Is preferably rounded or C-cut. Although the case where the base 4 and the frame 5 are connected by four beams has been described here, the number of beams may be two or more, that is, the base 4 and the frame 5 may be supported and fixed at least at two locations.

振動子の材料としては大きく2つの選択肢が考えられる。まず、実施の形態1では、振動体としてシリコン等を用いてそのアームの主面等に圧電体の薄膜と電極からなる圧電膜を形成した振動子を選択することができる。次に、実施の形態2では、振動体として、圧電単結晶である水晶やニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等を用いて、そのアームの主面等に電極を形成した振動子を選択することができる。   There are two major options for the material of the vibrator. First, in the first embodiment, it is possible to select a vibrator in which silicon or the like is used as a vibrating body and a piezoelectric film including a piezoelectric thin film and electrodes is formed on the main surface of the arm. Next, in the second embodiment, it is possible to select a vibrator in which electrodes are formed on the main surface of the arm or the like using quartz, lithium niobate, lithium tantalate, or the like that is a piezoelectric single crystal as the vibrator. it can.

図5は、アームの断面図であり、図5(a)はアーム主面に圧電膜が2箇所に分かれて形成された場合の説明図で、図5(b)はアーム主面に圧電膜が1箇所で形成された場合の説明図である。実施の形態1では、図5(a)と図5(b)のように、圧電膜を2箇所または1箇所に成形する。アーム主面に圧電膜が形成されたアームのうち、圧電膜が1箇所成形されたアームの圧電膜に駆動信号を供給することで、その音叉に面外振動を励起させることができる。1個の音叉の振動が励起されると、振動モード等の詳細は後述するが、基部4を介して十字の反対側に位置する音叉も振動し出す。後述する検出振動からの信号を受信するには、駆動信号を供給されたアームの属する音叉と基部4を介して十字の反対側に位置する2組の音叉のうち、少なくとも1箇所のアームの主面に2箇所の圧電膜が成形されるようにすればよい。なお、残り全てのアームについては、そのアームの主面に形成される圧電膜は1箇所でもよい。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the arm. FIG. 5A is an explanatory diagram in the case where the piezoelectric film is formed in two portions on the arm main surface, and FIG. 5B is a piezoelectric film on the arm main surface. It is explanatory drawing when is formed in one place. In the first embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, the piezoelectric film is formed in two places or one place. By supplying a drive signal to the piezoelectric film of the arm having a piezoelectric film formed on one of the arms having the piezoelectric film formed on the main surface of the arm, out-of-plane vibration can be excited on the tuning fork. When the vibration of one tuning fork is excited, the details of the vibration mode and the like will be described later, but the tuning fork located on the opposite side of the cross also starts to vibrate via the base 4. In order to receive a signal from a detection vibration described later, the main of at least one arm of the tuning fork to which the arm to which the drive signal is supplied belongs and the two tuning forks located on the opposite side of the cross via the base 4 is used. Two piezoelectric films may be formed on the surface. For all the remaining arms, one piezoelectric film may be formed on the main surface of the arm.

ここでは、振動子1のアーム2a,2b,2c,2dには、図5(a)に示すアーム17の主面において、平行な2本の、上部電極11aと圧電セラミックス12aおよび下部電極13aからなる圧電膜と、上部電極11bと圧電セラミックス12bおよび下部電極13bからなる圧電膜とが形成され、また、振動子1のアーム2e,2f,2g,2hには、図5(b)に示すアーム17の主面の全面において、上部電極14と圧電セラミックス15および下部電極16からなる圧電膜が形成される例を挙げる。前述の通り、例えば、アーム2a,2b,2c,2dに平行な2本の圧電膜が形成される場合とアーム2e,2f,2g,2hに全面の1本の圧電膜が形成される場合の組み合わせは、その他の例として、アーム2a,2b,2g,2hの場合とアーム2c,2d,2e,2fの場合や、アーム2a,2e,2c,2gの場合とアーム2b,2f,2d,2hの場合の組み合わせ、アーム2a,2cの場合とアーム2b,2d,2e,2f,2g,2hの場合の組み合わせ等やこれらの組み合わせが逆となる組み合わせであってもよい。分極方向については、図5(a)および図5(b)に示す通り、圧電膜の厚み方向Pとするとよい。   Here, the arms 2a, 2b, 2c, and 2d of the vibrator 1 include two parallel upper electrodes 11a, piezoelectric ceramics 12a, and lower electrodes 13a on the main surface of the arm 17 shown in FIG. And a piezoelectric film composed of an upper electrode 11b, a piezoelectric ceramic 12b, and a lower electrode 13b. The arms 2e, 2f, 2g, and 2h of the vibrator 1 have arms shown in FIG. An example in which a piezoelectric film composed of the upper electrode 14, the piezoelectric ceramic 15, and the lower electrode 16 is formed on the entire surface of the main surface 17 will be described. As described above, for example, when two piezoelectric films parallel to the arms 2a, 2b, 2c, and 2d are formed and when one piezoelectric film is formed on the entire surfaces of the arms 2e, 2f, 2g, and 2h. As other examples, the combination of the arm 2a, 2b, 2g, 2h and the arm 2c, 2d, 2e, 2f, or the arm 2a, 2e, 2c, 2g and the arm 2b, 2f, 2d, 2h In the case of the above, the combination of the case of the arms 2a and 2c and the case of the arms 2b, 2d, 2e, 2f, 2g and 2h, etc., or a combination in which these combinations are reversed may be used. The polarization direction is preferably the thickness direction P of the piezoelectric film, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).

各圧電膜は、シリコン平板をサンドブラスト法等で貫通加工する場合、この工程の前(即ちアームとして形状加工される前)に形成するのが適当である。圧電膜は、アーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hの主面もしくはその裏面に、予めチタンやクロム、ニッケル等を用いた下地に白金や金、銀、銅等の下部電極13a,13b,16をスパッタにて形成した後、その上にPZT(Pb・Zr・Ti)系の圧電セラミクス12a,12b,15をスパッタにて0.1〜2μm程度成膜し、更に、チタンやクロム、ニッケル等を用いた下地に白金や金、銀、銅等の上部電極11a,11b,14をスパッタにて形成する。つまり、圧電膜は3層構造となっている。尚、圧電セラミクスの成膜はスパッタ以外に、ゾルゲル法、水熱合成法、エアロゾルデポジション法、印刷後の熱処理等によっても成膜可能である。圧電膜の形成は、主面もしくはその裏面のどちらに形成してもよいが、製造上は、圧電膜は同時に形成することが可能なので、アーム毎に変えないで、一方の面に形成する方が製造工程数を減らすことができる。   Each piezoelectric film is suitably formed before this step (that is, before being formed into a shape as an arm) when a silicon flat plate is subjected to a penetration process by a sandblast method or the like. The piezoelectric film is formed on the main surface of the arms 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, and 2h or on the back surface thereof, and the lower surface of platinum, gold, silver, copper, or the like using titanium, chromium, nickel, or the like in advance. After the electrodes 13a, 13b, and 16 are formed by sputtering, PZT (Pb · Zr · Ti) -based piezoelectric ceramics 12a, 12b, and 15 are formed thereon by sputtering to a thickness of about 0.1 to 2 μm. Upper electrodes 11a, 11b, and 14 such as platinum, gold, silver, and copper are formed by sputtering on a base using titanium, chromium, nickel, or the like. That is, the piezoelectric film has a three-layer structure. The piezoelectric ceramic film can be formed by sputtering, sol-gel method, hydrothermal synthesis method, aerosol deposition method, heat treatment after printing, or the like. The piezoelectric film may be formed on either the main surface or the back surface thereof. However, since the piezoelectric film can be formed at the same time in manufacturing, it is formed on one surface without changing for each arm. However, the number of manufacturing processes can be reduced.

更に、圧電膜の下部電極および上部電極は、アーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hを経て基部4およびビーム3a,3b,3c,3dの表面を通って枠体5まで引き回される(図示せず)。枠体5には、アーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hから引き回された各々の電極と接続するためのパッド(図示せず)が設けられている。   Further, the lower electrode and the upper electrode of the piezoelectric film pass through the arms 4a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, and 2h, pass through the surface of the base 4 and the beams 3a, 3b, 3c, and 3d to the frame 5 Routed (not shown). The frame 5 is provided with pads (not shown) for connecting to the respective electrodes routed from the arms 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h.

次に、振動ジャイロとして、上述した実施の形態1の振動子1の動作を説明する。図6は、本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの回路ブロック図である。図6に示すように、前記回路は、自励発振回路と移相回路、電流検出回路、差動回路、同期検波回路、加算回路およびLPF(ローパスフィルター)回路等から構成される。また、圧電振動ジャイロの小型化を図るため、本発明の振動子1の枠体5上に引き回された各々の電極に接続されるパッドを、エポキシ系やシリコン系等の導電性接着材を用いて回路基板の各々の端子に接続されたパッドと電気的且つ機械的に直接接続し、振動子1を基板に支持固定するとよい。また、この接続方法は、接着剤による接続以外に、ハンダによる接続やワイヤボンディング等による接続でもよい。ここで、本発明の振動子1の場合は振動エネルギーを枠体5より内側に閉じ込めることができるので、枠体5まで振動エネルギーが伝わらず、減衰係数の比較的高いシリコン系の接着材を接触させても高い機械的品質係数Qm値を維持できる。   Next, the operation of the vibrator 1 according to the first embodiment will be described as a vibrating gyroscope. FIG. 6 is a circuit block diagram of the vibration gyro according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the circuit includes a self-excited oscillation circuit, a phase shift circuit, a current detection circuit, a differential circuit, a synchronous detection circuit, an addition circuit, an LPF (low-pass filter) circuit, and the like. Further, in order to reduce the size of the piezoelectric vibration gyro, the pads connected to the respective electrodes routed on the frame 5 of the vibrator 1 of the present invention are made of conductive adhesive such as epoxy or silicon. It is preferable that the vibrator 1 is supported and fixed to the substrate by directly electrically and mechanically connecting to a pad connected to each terminal of the circuit substrate. In addition to the connection using an adhesive, this connection method may be a connection using solder or wire bonding. Here, in the case of the vibrator 1 of the present invention, the vibration energy can be confined inside the frame body 5, so that the vibration energy is not transmitted to the frame body 5, and a silicon adhesive having a relatively high damping coefficient is contacted. Even if it is made, high mechanical quality factor Qm value can be maintained.

実施の形態1では、図5(a)と図5(b)のように、圧電膜を2箇所または1箇所に成形する。
後述する駆動振動モードの接続として、
アーム2e,2hの各々の上部電極14を端子51に接続し、
アーム2f,2gの各々の上部電極14を端子52に接続する。
アーム2e,2f,2g,2hの各々の下部電極16を基準電極とする。
In the first embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, the piezoelectric film is formed in two places or one place.
As connection of drive vibration mode described later,
The upper electrodes 14 of the arms 2e and 2h are connected to the terminal 51,
The upper electrodes 14 of the arms 2 f and 2 g are connected to the terminal 52.
The lower electrodes 16 of the arms 2e, 2f, 2g, and 2h are used as reference electrodes.

また、後述する検出振動モードの接続として、
アーム2dの上部電極11aを端子53に接続し、
アーム2dの上部電極11bを端子54に接続し、
アーム2cの上部電極11aを端子55に接続し、
アーム2cの上部電極11bを端子56に接続し、
アーム2bの上部電極11aを端子57に接続し、
アーム2bの上部電極11bを端子58に接続し、
アーム2aの上部電極11aを端子59に接続し、
アーム2aの上部電極11bを端子60に接続し、
アーム2a,2b,2c,2dの各々の下部電極13aおよび下部電極13bを基準電極とする。
In addition, as a detection vibration mode connection described later,
The upper electrode 11a of the arm 2d is connected to the terminal 53,
The upper electrode 11b of the arm 2d is connected to the terminal 54,
The upper electrode 11a of the arm 2c is connected to the terminal 55,
The upper electrode 11b of the arm 2c is connected to the terminal 56,
The upper electrode 11a of the arm 2b is connected to the terminal 57,
The upper electrode 11b of the arm 2b is connected to the terminal 58,
The upper electrode 11a of the arm 2a is connected to the terminal 59,
The upper electrode 11b of the arm 2a is connected to the terminal 60,
The lower electrode 13a and the lower electrode 13b of each of the arms 2a, 2b, 2c, 2d are used as reference electrodes.

図2は、本発明の実施の形態に係る駆動振動モードを表す斜視図である。駆動信号の周波数は、振動子1の駆動振動モードを示す図2の動作を可能とするよう、駆動振動モードの共振周波数近傍とする。尚、図2に示されるアームの振動の大きさは、分かりやすくするため、誇張して表現している。   FIG. 2 is a perspective view showing a drive vibration mode according to the embodiment of the present invention. The frequency of the drive signal is set near the resonance frequency of the drive vibration mode so that the operation of FIG. 2 showing the drive vibration mode of the vibrator 1 can be performed. Note that the magnitude of the vibration of the arm shown in FIG. 2 is exaggerated for easy understanding.

回路に電源を入れた際に生ずる信号から起こる初期の面外振動は、アーム2e,2hの各々の上部電極14に接続されている端子51から信号が送られることにより、アーム2e,2hのアームの組が面外の振動を起すことから始まる。端子51に接続される自励発振回路からは、0.2〜3Vpp(ボルト)程度の駆動信号が供給されるように回路を構成する。さらに、上記端子51に供給される信号とは180°位相が異なる反転信号を自励発振回路から移相回路を経て端子52に供給され、端子52に接続されているアーム2f,2gの振動が起こる。   The initial out-of-plane vibration caused by the signal generated when the circuit is turned on is sent from the terminal 51 connected to the upper electrode 14 of each of the arms 2e and 2h, so that the arms of the arms 2e and 2h. The pair starts with out-of-plane vibration. The circuit is configured so that a drive signal of about 0.2 to 3 Vpp (volts) is supplied from the self-excited oscillation circuit connected to the terminal 51. Further, an inverted signal having a phase difference of 180 ° from the signal supplied to the terminal 51 is supplied from the self-excited oscillation circuit to the terminal 52 via the phase shift circuit, and the vibrations of the arms 2f and 2g connected to the terminal 52 are caused. Occur.

音叉内のアーム2e,2fは、形成した圧電膜の伸びと縮みの位相関係に180°のずれが生じるので、図2のように、振動子1の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。同様に、音叉内のアーム2g,2hも振動子1の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。アーム2e,2fは、連結部6で連結されているので、この結果、音叉(アーム2e,2f)が振動子1の主面に対してねじれるように振動する。これは、他の音叉(アーム2g,2h)、他の音叉(アーム2a,2b)、他の音叉(アーム2c,2d)においても同様である。図2に示すような駆動振動モードの共振周波数の信号を供給すれば、音叉(アーム2e,2f)、音叉(アーム2g,2h)の振動が、基部4を介して十字の反対側に位置する音叉(アーム2a,2b)、音叉(アーム2c,2d)に伝わるので、基部4に連結された音叉(アーム2a,2b)と音叉(アーム2e,2f)の全体および基部4に連結された音叉(アーム2c,2d)と音叉(アーム2g,2h)の全体がねじられる構造となっている。   Since the arms 2e and 2f in the tuning fork have a 180 ° shift in the phase relationship between the expansion and contraction of the formed piezoelectric film, the direction perpendicular to the main surface of the vibrator 1 and opposite to each other as shown in FIG. It will vibrate at. Similarly, the arms 2g and 2h in the tuning fork also vibrate in a direction perpendicular to the main surface of the vibrator 1 and in mutually opposite phases. Since the arms 2e and 2f are connected by the connecting portion 6, as a result, the tuning fork (arms 2e and 2f) vibrates so as to be twisted with respect to the main surface of the vibrator 1. The same applies to other tuning forks (arms 2g and 2h), other tuning forks (arms 2a and 2b), and other tuning forks (arms 2c and 2d). If a signal having a resonance frequency in the drive vibration mode as shown in FIG. 2 is supplied, the vibrations of the tuning forks (arms 2e, 2f) and tuning forks (arms 2g, 2h) are located on the opposite side of the cross via the base 4. The tuning fork (arms 2a, 2b) and the tuning fork (arms 2e, 2f) connected to the base 4 and the tuning fork connected to the base 4 are transmitted to the tuning fork (arms 2a, 2b) and tuning fork (arms 2c, 2d). (Arms 2c, 2d) and the tuning fork (arms 2g, 2h) as a whole are twisted.

更に、励振された音叉(アーム2a,2b)の振動も、基部4を介して十字の反対側に位置する音叉(アーム2e,2f)に再度伝わるので、基部4に連結された音叉(アーム2a,2b)と音叉(アーム2e,2f)の全体および基部4に連結された音叉(アーム2c,2d)と音叉(アーム2g,2h)の全体が、更にねじられる構造となり、結果的に、図2に示すような駆動振動モードの振動を大きく励振させることが可能となる。その際、端子59に接続されたアーム2aの上部電極11aと、端子60に接続されたアーム2aの上部電極11bからは、この面外振動による同位相同振幅の共振周波数の電流信号が得られる。尚、後述するが、面内振動が生じた際には、各々逆位相同振幅の電流信号が得られる。これらの信号は各々図6の端子59と端子60に伝達され、電流検出回路を経由し電圧に変換された後、加算回路により面内振動成分を除去し、面外振動成分のみを出力し、自励発振回路に接続されると同時に移相回路を経て同期検波の参照信号として使用される。この結果、安定な自励発振を実現される。   Further, the vibration of the excited tuning fork (arms 2a, 2b) is transmitted again to the tuning fork (arms 2e, 2f) located on the opposite side of the cross via the base 4, so that the tuning fork (arm 2a) connected to the base 4 is also transmitted. , 2b) and the tuning fork (arms 2e and 2f) and the tuning fork (arms 2c and 2d) and the tuning fork (arms 2g and 2h) connected to the base 4 are further twisted. It is possible to greatly excite the vibration in the drive vibration mode as shown in FIG. At that time, a current signal having a resonance frequency of an isotopic amplitude due to this out-of-plane vibration is obtained from the upper electrode 11a of the arm 2a connected to the terminal 59 and the upper electrode 11b of the arm 2a connected to the terminal 60. As will be described later, when in-plane vibration occurs, current signals having the same phase and amplitude are obtained. These signals are respectively transmitted to terminals 59 and 60 in FIG. 6 and converted into voltage via a current detection circuit, and then the in-plane vibration component is removed by the addition circuit, and only the out-of-plane vibration component is output. At the same time as being connected to the self-excited oscillation circuit, it is used as a reference signal for synchronous detection via a phase shift circuit. As a result, stable self-excited oscillation is realized.

図3は、本発明の実施の形態に係る検出振動モード1を表す斜視図である。また、図4は、本発明の実施の形態に係る検出振動モード2を表す斜視図である。図3と図4は、図2と同様に、アームの振動の大きさは、分かりやすくするため、誇張して表現している。   FIG. 3 is a perspective view showing the detection vibration mode 1 according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a perspective view showing the detection vibration mode 2 according to the embodiment of the present invention. 3 and 4, like FIG. 2, the magnitude of arm vibration is exaggerated for easy understanding.

振動子1の駆動振動が励起された状態、つまり4組の音叉が面外振動している状態で、アーム2c,2d,2g,2hと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、つまり振動子1が前記中心軸を中心に回転した場合、図3の振動モード(以下、検出振動モード1と称する)が新たに励起され、アーム2a,2b,2e,2fと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、図4の振動モード(以下、検出振動モード2と称する)が新たに励起される。検出振動モード1および検出振動モード2はいずれも振動子1の主面面内の面内振動で、音叉のアームが音叉に対してV字型に開いたり、逆V字型に縮んだりする振動である。検出振動モード1および検出振動モード2とも実際には駆動振動モードの振動と混じり合って起きるため、角速度の大きさを知るには、各々の信号の分離が必要となる。検出振動モードが生じた際、例えばアーム2a,2bおよびアーム2c,2dの各々の上部電極11a,11bでは、一方が伸び、他方が縮む関係となる。従って、2本の上部電極11a,11bからは逆位相同振幅の電流信号が得られる。尚、駆動振動に対しては上部電極11a,11bから同位相同振幅の電流信号が得られるため、上部電極11a,11bからの信号の差をとれば、同位相の駆動振動成分は除去でき、検出振動モード1あるいは検出振動モード2のみを抽出することが可能となる。   When the angular velocity about the axis parallel to the arms 2c, 2d, 2g, 2h is applied in a state where the drive vibration of the vibrator 1 is excited, that is, in the state where the four sets of tuning forks vibrate out of plane, That is, when the vibrator 1 rotates around the central axis, the vibration mode in FIG. 3 (hereinafter referred to as detection vibration mode 1) is newly excited, and the axis parallel to the arms 2a, 2b, 2e, 2f is centered. When an angular velocity as an axis is added, the vibration mode in FIG. 4 (hereinafter referred to as detection vibration mode 2) is newly excited. Both the detection vibration mode 1 and the detection vibration mode 2 are in-plane vibrations in the main surface of the vibrator 1, and vibrations in which the arm of the tuning fork opens in a V shape with respect to the tuning fork or contracts in an inverted V shape. It is. Since both the detection vibration mode 1 and the detection vibration mode 2 are actually mixed with vibrations in the drive vibration mode, it is necessary to separate the signals in order to know the magnitude of the angular velocity. When the detection vibration mode occurs, for example, in each of the upper electrodes 11a and 11b of the arms 2a and 2b and the arms 2c and 2d, one is extended and the other is contracted. Therefore, current signals having the same phase and amplitude are obtained from the two upper electrodes 11a and 11b. In addition, since a current signal having the same homologous amplitude is obtained from the upper electrodes 11a and 11b with respect to the drive vibration, if the difference between the signals from the upper electrodes 11a and 11b is taken, the drive vibration component having the same phase can be removed and detected. Only vibration mode 1 or detection vibration mode 2 can be extracted.

端子59に接続されたアーム2aの上部電極11aと端子58に接続されたアーム2bの上部電極11bから生じた電流と、端子60に接続されたアーム2aの上部電極11bと端子57に接続されたアーム2bの上部電極11aから生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、LPF回路を通して整流される。この結果、アーム2a,2b,2e,2fと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Bが得られる。この出力Bは、アーム2a,2b,2e,2fがと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する。
The current generated from the upper electrode 11a of the arm 2a connected to the terminal 59 and the upper electrode 11b of the arm 2b connected to the terminal 58, and the upper electrode 11b of the arm 2a connected to the terminal 60 and the terminal 57 were connected. The current generated from the upper electrode 11a of the arm 2b is
It is converted into voltage via the current detection circuit, the mutual voltage signal is differentially amplified by the differential circuit, and is synchronously detected by the synchronous detection circuit with the aforementioned reference signal to reduce noise, and rectified through the LPF circuit. Is done. As a result, an output B proportional to the angular velocity added about the axis parallel to the arms 2a, 2b, 2e, 2f is obtained. This output B is proportional to the angular velocity applied around the axis parallel to the arms 2a, 2b, 2e, 2f.

同様に、
端子55に接続されたアーム2cの上部電極11aと端子54に接続されたアーム2dの上部電極11bから生じた電流と、端子56に接続されたアーム2cの上部電極11bと端子53に接続されたアーム2dの上部電極11aから生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、LPF回路を通して整流される。この結果、アーム2c,2d,2g,2hと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Aが得られる。この出力Aは、アーム2c,2d,2g,2hと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する。以上の構成で、振動子1の主面と平行な2つ軸の角速度は、出力Aおよび出力Bとして検出することができる。
Similarly,
The current generated from the upper electrode 11a of the arm 2c connected to the terminal 55 and the upper electrode 11b of the arm 2d connected to the terminal 54, and the upper electrode 11b of the arm 2c connected to the terminal 56 and the terminal 53 The current generated from the upper electrode 11a of the arm 2d is
It is converted into voltage via the current detection circuit, the mutual voltage signal is differentially amplified by the differential circuit, and is synchronously detected by the synchronous detection circuit with the above-mentioned reference signal to reduce noise, and rectified through the LPF circuit. Is done. As a result, an output A proportional to the angular velocity added about the axis parallel to the arms 2c, 2d, 2g, 2h is obtained. This output A is proportional to the angular velocity applied around the axis parallel to the arms 2c, 2d, 2g, 2h. With the above configuration, the angular velocities of two axes parallel to the main surface of the vibrator 1 can be detected as the output A and the output B.

なお、ここまで振動子の材料として、実施の形態1について説明したが、次に、実施の形態2について、アームの材料の代表例としてニオブ酸リチウムを用いてそのアームの主面に電極を形成した振動子について、特に異なる点について説明する。   Although the first embodiment has been described as the material of the vibrator so far, next, with respect to the second embodiment, an electrode is formed on the main surface of the arm using lithium niobate as a representative example of the material of the arm. Different points will be described with respect to the vibrator.

図5はアームの断面図であり、図5(c)はアーム主面に電極が3箇所に分かれて形成された場合の説明図で、図5(d)はアーム主面に電極が2箇所に分かれて形成された場合の説明図である。実施の形態2では、アーム主面に電極が形成されたアームのうち、電極が2箇所成形されたアームの電極に駆動信号を供給することで、その音叉に面外振動を励起させることができる。1個の音叉の振動が励起されると、基部4を介して十字の反対側に位置する音叉も振動し出す。検出振動からの信号を受信するには、駆動信号を供給されたアームの属する音叉と基部4を介して十字の反対側に位置する2組の音叉のうち、少なくとも1箇所のアームの主面に3箇所の電極が成形されるようにすればよい。なお、残り全てのアームについては、そのアームの主面に形成される電極は2箇所でもよい。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the arm. FIG. 5C is an explanatory diagram in the case where the electrode is divided into three parts on the main surface of the arm. FIG. It is explanatory drawing at the time of being divided and formed. In the second embodiment, out of the surface vibration can be excited on the tuning fork by supplying a drive signal to the electrode of the arm having two electrodes formed on the arm main surface. . When the vibration of one tuning fork is excited, the tuning fork located on the opposite side of the cross via the base 4 also starts to vibrate. In order to receive a signal from the detected vibration, the main surface of at least one arm of the tuning fork to which the drive signal is supplied and the two tuning forks located on the opposite side of the cross via the base portion 4 is provided. Three electrodes may be formed. For all remaining arms, two electrodes may be formed on the main surface of the arm.

ここでは、振動子1のアーム2a,2b,2c,2dには、図5(c)に示すアーム23の主面において、平行な3本の電極18,19,20が形成され、また、振動子1のアーム2e,2f,2g,2hには、図5(d)に示すアーム23の主面において、平行な2本の電極21,22が形成される例を挙げる。また、分極の方向は、結晶のカット角のとり方や、温度と電圧を加える等の分極反転技術を用いることで、多様な構成が考えられるが、電極21から電極22の方向に、また電極18,20から電極19の方向に分極した例で述べる。   Here, the arms 2a, 2b, 2c, and 2d of the vibrator 1 are formed with three parallel electrodes 18, 19, and 20 on the main surface of the arm 23 shown in FIG. In the arm 2e, 2f, 2g, and 2h of the child 1, an example in which two parallel electrodes 21 and 22 are formed on the main surface of the arm 23 shown in FIG. The polarization direction can be varied by using a polarization inversion technique such as taking the cut angle of the crystal and applying temperature and voltage, but in the direction from the electrode 21 to the electrode 22 and the electrode 18. , 20 to the electrode 19 will be described as an example.

ニオブ酸リチウム平板をサンドブラスト法で貫通加工する場合、この貫通加工の前に、アーム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2hの主面に、図5(c)、図5(d)のように予めチタンやクロム、ニッケル等を用いた下地に白金や金、銀、銅等の電極18,19,20を、スパッタ等にて厚み0.1〜2μm程度の状態で形成する。   When penetrating a lithium niobate flat plate by the sandblasting method, before this penetrating process, the main surfaces of the arms 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h are formed on the main surfaces of FIGS. As in d), electrodes 18, 19, and 20 such as platinum, gold, silver, and copper are formed in a thickness of about 0.1 to 2 [mu] m by sputtering or the like on a base using titanium, chromium, nickel, or the like in advance. .

ニオブ酸リチウムの結晶方位は、X軸135°回転Yの方向のものを用いて、図5(c)の厚み方向と、アーム2a,2b,2c,2dの長手方向の双方と垂直となるようにするとよい。この結果、アーム2e,2f,2g,2hに関しては、X軸45°回転Yの方向が、厚み方向およびアーム2e,2f,2g,2hの長手方向と垂直の関係となる。因みに、X軸135°回転Yの方向の結合係数k’23は0.5であり、極めて効率が良いが、それと垂直であるX軸45°回転Yの方向の結合係数k’23も0.3あり、角速度を検出するのに必要な効率を十分有する。尚、他の圧電単結晶を使用する場合も同様に、印加電界と垂直方向の変位に関する電気機械結合係数が比較的大きくとれる結晶方位を用いるのが好ましい。 The crystal orientation of lithium niobate is perpendicular to both the thickness direction of FIG. 5 (c) and the longitudinal direction of the arms 2a, 2b, 2c, and 2d, using the crystal orientation of the X axis 135 ° rotation Y. It is good to. As a result, regarding the arms 2e, 2f, 2g, and 2h, the direction of the X-axis 45 ° rotation Y is perpendicular to the thickness direction and the longitudinal direction of the arms 2e, 2f, 2g, and 2h. Incidentally, the coupling coefficient k ′ 23 in the direction of the X-axis 135 ° rotation Y is 0.5, which is very efficient, but the coupling coefficient k ′ 23 in the direction of the X-axis 45 ° rotation Y that is perpendicular thereto is also 0. 3 has sufficient efficiency to detect the angular velocity. Similarly, when other piezoelectric single crystals are used, it is preferable to use a crystal orientation in which an electromechanical coupling coefficient relating to displacement in a direction perpendicular to the applied electric field is relatively large.

なお、特に図示しないが、電極18,19,20,21,22は、基部4およびビーム3a,3b,3c,3dの表面を通って枠体5まで引き回されており、枠体5に設けられるパッドに接続されている。回路基板への接続等は実施の形態1と同じである。   Although not particularly shown, the electrodes 18, 19, 20, 21, and 22 are routed to the frame 5 through the base 4 and the surfaces of the beams 3a, 3b, 3c, and 3d. Connected to the pad. The connection to the circuit board is the same as in the first embodiment.

次に、振動ジャイロとして、上述した実施の形態2の振動子1の動作を説明する。回路構成は図6に示す通りである。   Next, the operation of the vibrator 1 according to the second embodiment described above as a vibrating gyroscope will be described. The circuit configuration is as shown in FIG.

実施の形態2では、図5(c)と図5(d)のように、電極を3箇所または2箇所に成形する。
駆動振動モードの接続として、
アーム2eの電極21を端子51に接続し、
アーム2fの電極21を端子52に接続し、
アーム2gの電極21を端子52に接続し、
アーム2hの電極21を端子51に接続し、
アーム2e,2f,2g,2hの各々の電極22を基準電極とする。
In the second embodiment, as shown in FIGS. 5C and 5D, the electrodes are formed at three or two locations.
As drive vibration mode connection,
The electrode 21 of the arm 2e is connected to the terminal 51,
The electrode 21 of the arm 2f is connected to the terminal 52,
The electrode 21 of the arm 2g is connected to the terminal 52,
The electrode 21 of the arm 2h is connected to the terminal 51,
The electrodes 22 of the arms 2e, 2f, 2g, 2h are used as reference electrodes.

また、検出振動モードの接続として、
アーム2dの電極18は端子53に接続し、
アーム2dの電極20は端子54に接続し、
アーム2cの電極18は端子55に接続し、
アーム2cの電極20は端子56に接続し、
アーム2bの電極18は端子57に接続し、
アーム2bの電極20は端子58に接続し、
アーム2aの電極18は端子59に接続し、
アーム2aの電極20は端子60に接続する。
アーム2a,2b,2c,2dの各々の電極19を基準電極とする。
In addition, as connection of detection vibration mode,
The electrode 18 of the arm 2d is connected to the terminal 53,
The electrode 20 of the arm 2d is connected to the terminal 54,
The electrode 18 of the arm 2c is connected to the terminal 55,
The electrode 20 of the arm 2c is connected to the terminal 56,
The electrode 18 of the arm 2b is connected to the terminal 57,
The electrode 20 of the arm 2b is connected to the terminal 58,
The electrode 18 of the arm 2a is connected to the terminal 59,
The electrode 20 of the arm 2 a is connected to the terminal 60.
The electrodes 19 of the arms 2a, 2b, 2c, 2d are used as reference electrodes.

回路に電源を入れた際に生ずる信号から起こる初期の面外振動は、アーム2eの電極21とアーム2hの電極21に接続されている端子51から信号が送られることにより、アーム2e,2hのアームの組が面外の振動を起すことから始まる。端子51に接続される自励発振回路からは、0.2〜3Vpp(ボルト)程度の駆動信号が供給されるように回路を構成する。さらに、上記端子51に供給される信号とは180°位相が異なる反転信号を自励発振回路から移相回路を経て端子52に供給され、端子52に接続されているアーム2f,2gの振動が起こる。   The initial out-of-plane vibration caused by the signal generated when the circuit is turned on is sent from the terminal 21 connected to the electrode 21 of the arm 2e and the electrode 21 of the arm 2h, so that the arms 2e and 2h It begins with the arm set causing out-of-plane vibrations. The circuit is configured so that a drive signal of about 0.2 to 3 Vpp (volts) is supplied from the self-excited oscillation circuit connected to the terminal 51. Further, an inverted signal having a phase difference of 180 ° from the signal supplied to the terminal 51 is supplied from the self-excited oscillation circuit to the terminal 52 via the phase shift circuit, and the vibrations of the arms 2f and 2g connected to the terminal 52 are caused. Occur.

音叉内のアーム2e,2fは、電極間の結晶の伸びと縮みの位相関係に180°ずれが生じるので、図2のように、振動子1の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。同様に、音叉内のアーム2g,2hも振動子1の主面に対し垂直な方向且つ互いに逆位相で振動するようになる。アーム2e,2fは、連結部6で連結されているので、この結果、音叉(アーム2e,2f)が振動子1の主面に対してねじれるように振動する。これは、他の音叉(アーム2g,2h)、他の音叉(アーム2a,2b)、他の音叉(アーム2c,2d)においても同様である。図2に示すような駆動振動モードの共振周波数の信号を供給すれば、音叉(アーム2e,2f)、音叉(アーム2g,2h)の振動が、基部4を介して十字の反対側に位置する音叉(アーム2a,2b)、音叉(アーム2c,2d)に伝わるので、基部4に連結された音叉(アーム2a,2b)と音叉(アーム2e,2f)の全体および基部4に連結された音叉(アーム2c,2d)と音叉(アーム2g,2h)の全体がねじられる構造となっている。   The arms 2e and 2f in the tuning fork have a 180 ° shift in the phase relationship between the extension and contraction of the crystal between the electrodes, so that the arms 2e and 2f are in a direction perpendicular to the main surface of the vibrator 1 and opposite in phase as shown in FIG. It comes to vibrate. Similarly, the arms 2g and 2h in the tuning fork also vibrate in a direction perpendicular to the main surface of the vibrator 1 and in mutually opposite phases. Since the arms 2e and 2f are connected by the connecting portion 6, as a result, the tuning fork (arms 2e and 2f) vibrates so as to be twisted with respect to the main surface of the vibrator 1. The same applies to other tuning forks (arms 2g and 2h), other tuning forks (arms 2a and 2b), and other tuning forks (arms 2c and 2d). If a signal having a resonance frequency in the drive vibration mode as shown in FIG. 2 is supplied, the vibrations of the tuning forks (arms 2e, 2f) and tuning forks (arms 2g, 2h) are located on the opposite side of the cross via the base 4. The tuning fork (arms 2a, 2b) and the tuning fork (arms 2e, 2f) connected to the base 4 and the tuning fork connected to the base 4 are transmitted to the tuning fork (arms 2a, 2b) and tuning fork (arms 2c, 2d). (Arms 2c, 2d) and the tuning fork (arms 2g, 2h) as a whole are twisted.

更に、励振された音叉(アーム2a,2b)の振動も、基部4を介して十字の反対側に位置する音叉(アーム2e,2f)に再度伝わるので、基部4に連結された音叉(アーム2a,2b)と音叉(アーム2e,2f)の全体および基部4に連結された音叉(アーム2c,2d)と音叉(アーム2g,2h)の全体が、更にねじられる構造となり、結果的に、図2に示すような駆動振動モードの振動を大きく励振させることが可能となる。その際、端子59に接続されたアーム2aの電極18と、端子60に接続されたアーム2aの電極20からは、この面外振動による同位相同振幅の共振周波数の電流信号が得られる。尚、面内振動が生じた際には、各々逆位相同振幅の電流信号が得られる。これらの信号は各々図6の端子59と端子60に伝達され、電流検出回路を経由し電圧に変換された後、加算回路により面内振動成分を除去し、面外振動成分のみを出力し、自励発振回路に接続されると同時に移相回路を経て同期検波の参照信号として使用される。この結果、安定な自励発振を実現される。   Further, the vibration of the excited tuning fork (arms 2a, 2b) is transmitted again to the tuning fork (arms 2e, 2f) located on the opposite side of the cross via the base 4, so that the tuning fork (arm 2a) connected to the base 4 is also transmitted. , 2b) and the tuning fork (arms 2e and 2f) and the tuning fork (arms 2c and 2d) and the tuning fork (arms 2g and 2h) connected to the base 4 are further twisted. It is possible to greatly excite the vibration in the drive vibration mode as shown in FIG. At that time, a current signal having a resonance frequency of the same homologous amplitude due to the out-of-plane vibration is obtained from the electrode 18 of the arm 2 a connected to the terminal 59 and the electrode 20 of the arm 2 a connected to the terminal 60. When in-plane vibration occurs, current signals having the same phase and amplitude are obtained. These signals are respectively transmitted to terminals 59 and 60 in FIG. 6 and converted into voltage via a current detection circuit, and then the in-plane vibration component is removed by the addition circuit, and only the out-of-plane vibration component is output. At the same time as being connected to the self-excited oscillation circuit, it is used as a reference signal for synchronous detection via a phase shift circuit. As a result, stable self-excited oscillation is realized.

振動子1の駆動振動が励起された状態、つまり4組の音叉が面外振動している状態で、アーム2c,2d,2g,2hと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、つまり振動子1が前記中心軸を中心に回転した場合、図3の検出振動モード1が新たに励起され、アーム2a,2b,2e,2fと平行な軸を中心軸とする角速度が加わった場合、図4の検出振動モード2が新たに励起される。検出振動モード1および検出振動モード2はいずれも振動子1の主面面内の面内振動で、音叉のアームが音叉に対してV字型に開いたり、逆V字型に縮んだりする振動である。検出振動モード1および検出振動モード2とも実際には駆動振動モードの振動と混じり合って起きるため、角速度の大きさを知るには、各々の信号の分離が必要となる。検出振動モードが生じた際、例えばアーム2a,2bおよびアーム2c,2dの各々の電極18,19と電極19,20との電極間の結晶では、一方が伸び、他方が縮む関係となる。従って、電極18と電極20からは逆位相同振幅の電流信号が得られる。尚、駆動振動に対しては電極18と電極20から同位相同振幅の電流信号が得られるため、電極18と電極20の信号の差をとれば、駆動振動成分は除去でき、検出振動モード1あるいは検出振動モード2のみを抽出することが可能となる。   When the angular velocity about the axis parallel to the arms 2c, 2d, 2g, 2h is applied in a state where the drive vibration of the vibrator 1 is excited, that is, in the state where the four sets of tuning forks vibrate out of plane, That is, when the vibrator 1 rotates around the central axis, the detection vibration mode 1 in FIG. 3 is newly excited, and an angular velocity about the axis parallel to the arms 2a, 2b, 2e, 2f is applied. The detection vibration mode 2 in FIG. 4 is newly excited. Both the detection vibration mode 1 and the detection vibration mode 2 are in-plane vibrations in the main surface of the vibrator 1, and vibrations in which the tuning fork arm opens in a V shape with respect to the tuning fork or contracts in an inverted V shape. It is. Since both the detection vibration mode 1 and the detection vibration mode 2 are actually mixed with vibrations in the drive vibration mode, it is necessary to separate the signals in order to know the magnitude of the angular velocity. When the detection vibration mode occurs, for example, in the crystals between the electrodes 18 and 19 and the electrodes 19 and 20 of each of the arms 2a and 2b and the arms 2c and 2d, one is extended and the other is contracted. Therefore, a current signal having opposite phase and same amplitude is obtained from the electrode 18 and the electrode 20. Since a current signal having the same homologous amplitude is obtained from the electrode 18 and the electrode 20 for the drive vibration, the drive vibration component can be removed by taking the difference between the signals of the electrode 18 and the electrode 20, and the detection vibration mode 1 or Only the detected vibration mode 2 can be extracted.

端子59に接続されたアーム2aの電極18と端子58に接続されたアーム2bの電極20から生じた電流と、端子60に接続されたアーム2aの電極20と端子57に接続されたアーム2bの電極18から生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、LPF回路を通して電子信号の出力が得られる。この結果、アーム2a,2b,2e,2fと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Bが得られる。
The current generated from the electrode 18 of the arm 2a connected to the terminal 59 and the electrode 20 of the arm 2b connected to the terminal 58, and the current of the electrode 2 of the arm 2a connected to the terminal 60 and the arm 2b connected to the terminal 57 The current generated from the electrode 18 is
The voltage is converted into a voltage via a current detection circuit, the mutual voltage signals are differentially amplified by a differential circuit, and are synchronously detected by a synchronous detection circuit using the above-mentioned reference signal in order to reduce noise. A signal output is obtained. As a result, an output B proportional to the angular velocity added about the axis parallel to the arms 2a, 2b, 2e, 2f is obtained.

同様に、
端子55に接続されたアーム2cの電極18と端子54に接続されたアーム2dの電極20から生じた電流と、端子56に接続されたアーム2cの電極20と端子53に接続されたアーム2dの電極18から生じた電流とが、
電流検出回路を経由して電圧に変換され、その互いの電圧信号が差動回路で差動増幅され、ノイズを低減させるため前述の参照信号で同期検波回路にて同期検波され、LPF回路を通して電子信号の出力が得られる。この結果、アーム2c,2d,2g,2hと平行な軸を中心に加わった角速度に比例する出力Aが得られる。
Similarly,
The current generated from the electrode 18 of the arm 2 c connected to the terminal 55 and the electrode 20 of the arm 2 d connected to the terminal 54, the electrode 20 of the arm 2 c connected to the terminal 56 and the arm 2 d connected to the terminal 53. The current generated from the electrode 18 is
The voltage is converted into a voltage via a current detection circuit, the mutual voltage signals are differentially amplified by a differential circuit, and are synchronously detected by a synchronous detection circuit using the above-mentioned reference signal in order to reduce noise. A signal output is obtained. As a result, an output A proportional to the angular velocity added about the axis parallel to the arms 2c, 2d, 2g, 2h is obtained.

振動子を、厚さ0.2mmのニオブ酸リチウムからなる平板を用いて、幅0.2mmのアームと、中央に位置する基部と、アームと基部を連結する連結部と、この基部の周囲に配置される枠体と、基部と枠体を連結するビームを、サンドブラスト法で貫通加工を施すことで一体的に形成した。枠体の縦横長さは3mmとし、アームの主面に、予めクロムを下地とした金の電極をスパッタにて形成した後、フォトリン技術を用いて所望の電極パターンを成形した。   Using a flat plate made of lithium niobate having a thickness of 0.2 mm, the vibrator is provided with an arm having a width of 0.2 mm, a base portion located in the center, a connecting portion connecting the arm and the base portion, and a periphery of the base portion. The arranged frame body and the beam connecting the base and the frame body were integrally formed by performing a penetration process by a sandblast method. The frame body was 3 mm in length and width, and a gold electrode having chromium as a base was formed on the main surface of the arm in advance by sputtering, and then a desired electrode pattern was formed using a photolin technique.

作製した振動子の共振時のインピーダンス特性を測定し、下記の計算式に基づいて機械的品質係数のQmを式(1)に求めた。   The impedance characteristics at the resonance of the manufactured vibrator were measured, and the mechanical quality factor Qm was obtained from the formula (1) based on the following formula.

Qm=2π×L×fr/R・・・・・・(1)   Qm = 2π × L × fr / R (1)

測定結果を下記の表1に示す。   The measurement results are shown in Table 1 below.

Figure 2009074996
Figure 2009074996

駆動振動モード、検出振動モード1、検出振動モード2のいずれにおいても、そのQmが、空気中において10,000を越えることになり、高い値が測定される結果となった。これは複数のアームの振動が互いのモーメント力をキャンセルし、振動エネルギーを枠体5より内側に閉じ込めることで、枠体5まで伝えていないため、減衰係数の比較的高いシリコン系の接着材の接触にも係わらず高いQm値を維持できている証拠である。   In any of the drive vibration mode, the detection vibration mode 1, and the detection vibration mode 2, the Qm exceeded 10,000 in the air, and a high value was measured. This is because the vibrations of a plurality of arms cancel each other's moment force, and the vibration energy is confined to the inner side of the frame body 5 so that it is not transmitted to the frame body 5. This is evidence that a high Qm value can be maintained despite contact.

以上により、振動ジャイロとして3〜4mm角の振動子をパッケージに収納し、4〜5mm角の製品サイズといった小型化が実現でき、同時に従来の1軸検出型振動ジャイロの音片式や音叉式と比較して、遜色ない高い感度の圧電振動ジャイロが得られた。   As described above, a 3-4 mm square vibrator can be housed in a package as a vibration gyro, and a product size of 4-5 mm square can be reduced. At the same time, the conventional single-axis detection type vibration gyro In comparison, a highly sensitive piezoelectric vibration gyro with high sensitivity was obtained.

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る圧電振動ジャイロの好適な実施形態について説明したが、本発明は、係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the piezoelectric vibration gyro according to the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明の実施の形態に係る振動子構造を表す上面図。FIG. 6 is a top view illustrating a vibrator structure according to an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係る駆動振動モードを表す斜視図。The perspective view showing the drive vibration mode which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る検出振動モード1を表す斜視図。The perspective view showing the detection vibration mode 1 which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る検出振動モード2を表す斜視図。The perspective view showing the detection vibration mode 2 which concerns on embodiment of this invention. アームの断面図。図5(a)はアーム主面に圧電膜が2箇所に分かれて形成された場合の説明図。図5(b)はアーム主面に圧電膜が1箇所で形成された場合の説明図。図5(c)はアーム主面に電極が3箇所に分かれて形成された場合の説明図。図5(d)はアーム主面に電極が2箇所に分かれて形成された場合の説明図。Sectional drawing of an arm. Fig.5 (a) is explanatory drawing at the time of forming a piezoelectric film in two places on the arm main surface. FIG. 5B is an explanatory diagram in the case where the piezoelectric film is formed at one place on the arm main surface. FIG.5 (c) is explanatory drawing when an electrode is divided and formed in three places on the arm main surface. FIG.5 (d) is explanatory drawing in case an electrode is divided and formed in the arm main surface at two places. 本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの回路ブロック図。1 is a circuit block diagram of a vibration gyro according to an embodiment of the present invention. 従来の振動子の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of the conventional vibrator | oscillator.

符号の説明Explanation of symbols

1 振動子
2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2h,64a,64b,64c,64d,17,23 アーム
3a,3b,3c,3d ビーム
4,63 基部
5 枠体
6 連結部
11a,11b,14 上部電極
12a,12b,15 圧電セラミックス
13a,13b,16 下部電極
18,19,20,21,22 電極
51,52,53,54,55,56,57,58,59,60 端子
61,62 音叉
67 設置電極
1 Vibrators 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 64a, 64b, 64c, 64d, 17, 23 Arms 3a, 3b, 3c, 3d Beams 4, 63 Base 5 Frame body 6 Connecting portion 11a , 11b, 14 Upper electrodes 12a, 12b, 15 Piezoelectric ceramics 13a, 13b, 16 Lower electrodes 18, 19, 20, 21, 22 Electrodes 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 Terminals 61, 62 Tuning fork 67 Installation electrode

Claims (3)

2個のアームが一端側で連結されてなる音叉が基部に連結され、4組の前記音叉が単一平面上且つ十字放射状に配置された振動子を有し、前記音叉における2個の前記アームを、各々逆位相で前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させると共に、十字放射状態で対向配置された一対の前記音叉同士が、前記アームを各々逆位相となるように前記単一平面に対して垂直方向に屈曲振動させる駆動手段を有し、前記駆動手段によって得られる振動と垂直となる2方向の振動をそれぞれ検出する検出手段を有することを特徴とする圧電振動ジャイロ。   A tuning fork formed by connecting two arms on one end side is connected to the base, and four sets of the tuning forks have vibrators arranged on a single plane and in a cross-radiating manner, and the two arms in the tuning fork Are bent and oscillated in a direction perpendicular to the single plane in opposite phases, and a pair of the tuning forks arranged opposite to each other in a cross-radiation state are arranged so that the arms are in opposite phases. A piezoelectric vibration gyro comprising drive means for bending vibration in a vertical direction with respect to each other and detection means for detecting vibrations in two directions perpendicular to the vibration obtained by the drive means. 前記振動子において、4組の前記音叉は、前記基部から単一平面上且つ十字放射状に延在する連結部により前記基部に連結され、前記基部と前記連結部と前記音叉は一体的に形成されていることを特徴とする請求項1記載の圧電振動ジャイロ。   In the vibrator, the four sets of the tuning forks are connected to the base by a connecting portion extending in a single plane and in a cross shape from the base, and the base, the connecting portion, and the tuning fork are integrally formed. The piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein 前記振動子は、前記基部の周辺に配置される枠体に、前記基部から延在してなるビームにて連結され、前記枠体及び前記ビームは前記単一平面に前記基部と一体的に形成され、前記基部と前記枠体は少なくとも2箇所にて連結することによって、前記基部は前記枠体に支持固定されてなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の圧電振動ジャイロ。   The vibrator is connected to a frame disposed around the base by a beam extending from the base, and the frame and the beam are formed integrally with the base on the single plane. 3. The piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein the base and the frame are connected to each other at least at two locations, so that the base is supported and fixed to the frame.
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