JP3547736B2 - Tuning fork type piezoelectric vibration gyro - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転角速度を検出するジャイロに関し、より詳細には圧電体を用いた音叉型の音叉型圧電振動ジャイロに関する。
【0002】
近年の車載ナビゲーションやカメラの手振れ防止等に使用されるジャイロにおいて、高精度化や高感度化が求められている。このため、圧電振動ジャイロに関する技術開発が活発化している。
【0003】
【従来の技術】
圧電振動ジャイロは、所定振動している際に回転角速度が加わると、その振動と直角の方向にコリオリ力が生じることを利用している。このような圧電振動ジャイロとして種々のタイプが提案されている。このうち、音叉型圧電振動はコストパフォーマンスが比較的高いので、注目されている。特に最近では、圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動ジャイロの研究開発が活発である。
【0004】
このような圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動ジャイロは、例えば米国特許第5、329、816号に開示されている。図33に示すように、音叉型圧電振動ジャイロ(又はジャイロ素子とも言う)は2つのアーム10、12とこれらを支持するベース14とを有し、これらは圧電単結晶で一体的に形成されている。また、一方のアームに音叉振動を駆動する駆動電極18を設け、他方のアームに回転角速度を検出する検出電極16を設けている。なお、便宜上、図で現われている面をジャイロの表面とし、この表面に対向する面を裏面とする。駆動電極18は、表面に2つ設けられている。
【0005】
図34は、電極構成が異なる従来の音叉型圧電振動ジャイロを示す図で、例えば米国特許5、251、483に開示されている。この電極構成は、アーム10と12の各々に検出電極16と駆動電極18とを設けたものである。図34では、検出電極16を各アーム10、12の先端側に設け、駆動電極18をベース14側に設けた構成である。また図35では、検出電極16を各アーム10、12のベース14側に設け、駆動電極18を先端側に設けた構成である。
【0006】
なお、図33、図34及び図35にはそれぞれの容量比の一例を示してある。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図33〜図35に示す従来の音叉型圧電振動ジャイロは、次の問題点を有する。
【0007】
図33に示す構成は電極がほぼ対称に設けられているため、駆動及び検出の容量比バランスが良いという半面、屈曲振動等の不要振動が出力されてしまうという問題点がある。
【0008】
この問題点を図36を参照して説明する。図36の(a)は図16に示すジャイロの斜視図で不要振動を示す図、(b)は側面図、(c)は(a)に示す不要振動を示す図、及び(d)は不要振動によるアーム内部の電界を示す図である。なお、図(a)〜(c)では電極は省略してある。また、図(d)で白抜き部分の電極は互いに同電位であり、ハッチング部分の電極は互いに同電位である。図33に示す構成では、図36で示すような同相の不要振動が発生する。検出電極は2つのアームの一方に設けられているため、図36の(d)で示す電界による電位差を検出してしまう。この電位差は雑音となり、検出精度を劣化させる。また、不要振動には温度ドリフトの原因となるねじり振動等もある。更に、駆動側のアームと検出側のアームとの機械的結合や静電結合に起因するもれ出力も存在する。
【0009】
図34に示す構成は駆動側容量比が小さいため低駆動電圧化が可能である。また、両方のアーム10、12に検出電極16を設けているため不要振動を相殺でき、またもれ出力も小さい。しかしながら、アーム10、12の先端部の共振子の容量比がその根元部の共振子に比べ約20倍と大きいため、検出感度が小さいという問題点を有する。また、各アーム10、12に検出電極16と駆動電極18とを設けているため配線が複雑となり、量産性に難がある。
【0010】
図35に示す構成は検出側容量比が小さいため高感度化が可能である。しかしながら、駆動側容量比が大きいため高い駆動電圧が必要となってしまうという問題点がある。更に、各アーム10、12に検出電極16と駆動電極18とを設けているため配線が複雑となり、量産性に難がある。
【0011】
したがって、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、高感度、高精度で量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、第1のアーム、第2のアーム及びこれらを支持するベースを有する音叉型圧電振動ジャイロにおいて、前記第1及び第2のアームのそれぞれの所定の2面にのみ音叉振動を駆動させる駆動電極と、回転角速度を検出する検出電極と、基準電位に設定された接地電極とを設け、前記駆動電極、検出電極、接地電極は前記音叉型圧電振動ジャイロの駆動振動の中心面に対し対称に配置されるとともに、前記第1及び第2のアームのそれぞれの所定の2面の、各々の面には前記駆動電極、検出電極、接地電極のうち二種類の電極のみが配置され、前記第1のアーム、第2のアーム及びこれらを支持するベースは、圧電単結晶で一体的に形成されていることを特徴とする。これにより、必要な感度を維持でき、簡単な電極構成でより量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロを提供することができる。
【0013】
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記駆動電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、前記検出電極は前記第1の面に対向する第1及び第2のアームの各々の第2の面に設けられ、角速度に応じた電圧は、第1及び第2のアームの第2の面にそれぞれ設けられた検出電極間の電位差として得られることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロである。
【0014】
請求項3に記載の発明は、請求項1において、前記駆動電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、前記検出電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、角速度に応じた電圧は、第1及び第2のアームの第1の面にそれぞれ設けられた検出電極間の電位差として得られることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロである。
【0015】
請求項4に記載の発明は、請求項1において、前記駆動電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、前記検出電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面、並びに前記第1の面に対向する第1及び第2のアームの各々の第2の面に設けられ、角速度に応じた電圧は、第1のアームの第1及び第2の面に設けられた検出電極と、第2のアームの第1及び第2の面に設けられた検出電極との間の電位差として得られることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロである。
【0019】
請求項5に記載の発明は、請求項1において、前記圧電単結晶はLiTaO3340°±20°回転Z板であることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロである。
【0020】
請求項6に記載の発明は、請求項1において、前記圧電単結晶はLiTaO3350°±20°回転Z板であることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロである。
【0021】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の参考例を図1を参照して説明する。本発明の参考例の音叉型圧電振動ジャイロは、図1(a)に示すように、圧電単結晶からなるアーム20、22及びベース24とを有する。圧電単結晶としては圧電横効果の結合係数が大きいものが好ましく、例えば、LiTaO3140°±20°回転Y板(LiTaO340°±20°回転Z板)、LiNbO3130°±20°回転Y板(LiNbO350°±20°回転Z板)、水晶Xカット板等を用いることができる。なお、圧電単結晶の結晶方位はその厚み方向におけるものである。
【0022】
図1に示す構成では、駆動電極28a及び28bをベース24の表面及び裏面(ジャイロの厚み方向に対向する面)に設けてある。駆動電極28a及び28bの位置は、アーム20、22の根元付近(支点付近)の領域である。この駆動電極28a及び28bに図1(b)に示すように駆動電源OSCを接続して駆動すると、図1(a)及び(c)に示すような音叉振動がアーム20と22に起きる。この状態にあるジャイロを駆動モードにあるという。この駆動振動は圧電横効果により、ベース24の上面(アーム20、22が設けられている面)が矢印Aで示すように振動するものである。これにより、アーム20、22は図1(a)の破線で示すように振動する。このような振動モードにある状態で振動軸に回転運動が加わると、次式の運動方程式で表される振動方向と垂直方向にコリオリ力が発生する。
Zx ηx ≒Fx +2my Ω0 ηy
Zy ηy ≒Fy −2mx Ω0 ηx
ここで、Zx 、Zy はそれぞれx軸及びy軸方向(図(e)参照:x軸方向はジャイロの幅方向に相当し、y軸方向はジャイロの厚み方向に相当する)の機械的インピーダンス、ηx 、ηy はそれぞれx軸及びy軸方向の速度、Fx 、Fy はそれぞれx軸及びy軸方向のコリオリ力、mx 、my はそれぞれx軸及びy軸方向の質量、Ω0 は角速度である。
【0023】
そこで、アーム20と22に上記の音叉振動(fx モード振動とも言う)の垂直方向振動(fy モード振動とも言う)を検出(又は励振)する電極を構成しておけが、コリオリ力を受けて互いにたわんだアームから電気的出力を得ることができる。ここで、図16に示すような一方のアームを駆動用とし、他方のアームを検出用とすると、コリオリ力に起因する以外の屈曲振動まで検出してしまうので、検出誤差が発生したり温度ドリフトの原因となるねじり振動等の不要振動成分も検出してしまう。
【0024】
この点を考慮して、図2(b)に示すように、本発明の参考例ではアーム20と22の両方に検出電極を設けることで、同相方向の振動(図2(a))による出力を検知することなく、互いに逆方向に振動するモード(図1(e))だけを検出する。すなわち、2つのアーム20と22は互いに位相反転するように検出電極を設けている。図2(b)に示すように、同相方向の振動による検出出力はアーム20と22でどちらもプラスで同一電圧値であり、アーム20と22の出力を差動増幅することで、相殺することができる。
【0025】
図3(a)は駆動モードの状態で角速度が加わった時のアーム20、22の振動(逆相の振動)を示し、図3(b)はこれによる内部電界を示す。図2(b)で示す結線された電極以外の電極はグランド(基準電位)に設定する。すなわち、アーム20と22は互いに同位相信号出力となるように検出電極を設けてある。これにより、角速度に起因する電圧はグランド電位に対し一方のアームでプラスとなり、他方のアームでマイナスとなる(すなわち、差動増幅)。この場合、図2を参照して説明したように、同相の振動による検出出力は相殺されて出力端子には現われない。
【0026】
また、図4に示す電極構成でも、角速度に起因した逆相の振動による出力のみを検出することができる。図4(a)に示す逆相振動に対し図4(b)に示す電極構成で差動出力が得られる。同相振動による電圧は図4(b)の結線でプラス成分とマイナス成分とが相殺され、出力端子には現われない。
【0027】
以上のように、本発明の参考例では圧電単結晶の圧電横効果を利用して駆動振動を発生させ、角速度の検出は角速度に起因した逆相振動のみを検出するような電極構成を採用している。
【0028】
以上説明した駆動電極及び検出電極をまとめた電極構成を、本発明の参考例として図5に示す。図5(a)は音叉型圧電振動ジャイロの正面図、図5(b)は平面図である。駆動電極28a及び28bはそれぞれ、ベース24の表面及び裏面上に設けられ、かつアーム20及び22の根元部分に近接して位置している。換言すれば、駆動電極28a及び28bは、アーム20と22の支点部分を含む領域に設けられているとも言える。アーム20の4面には検出電極26a、26b、26c及び26dが設けられ、アーム22の4面には検出電極27a、27b、27c及び27dが設けられている。これらの検出電極は、例えば図3(b)又は図4(b)の通り結線されている。後述するように、同相振動を検出せず、逆相振動のみを検出するためには図5に示す8枚の検出電極を用いる必要はない。
【0029】
なお、駆動電極28a及び28bの面積は、ジャイロの素子特性に応じて適宜選択する。また、容量比は例えば、駆動電極側で478で検出電極側で221であり、従来構成のように駆動側と検出側で容量比が大きくことなるようなことはない。
【0030】
ここで、図5に示す電極構造をベースに、特に検出電極構成の変形例について、図6及び図7を参照して説明する。図6の(a)〜(l)は前述した図3(b)の検出電極構成を利用したもので検出電極を2つのグループに分け、図7(a)〜(h)は前述した図4(b)の検出電極構成を利用したもので検出電極を3つのグループに分けたものである。図を分かりやすくするために、アーム20と22に設けられた電極の参照番号は省略する。
【0031】
図6(a)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向両面から引き出した電極と、もう一方のアームの厚み方向両面から引き出した電極とが基準電位と接続され、出力は検出電極のうちの一方のアームの幅方向表裏面から引き出した電極(図中の●)と、もう一方のアームの幅方向表裏面から引き出した電極(○)との電位差を検出する。
【0032】
図6(b)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向表裏面から引き出した電極が、もう一方のアームの幅方向表裏面から引き出した電極と基準電位とに接続され、出力は検出電極のうちの一方のアームの厚み方向両面から引き出した電極(○)と、もう一方のアームの厚み方向両面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0033】
図6(c)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極が、もう一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と基準電位とに接続され、出力は検出電極のうちの一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極(○)と、もう一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。図6(d)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極が、もう一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と基準電位とに接続され、出力は検出電極のうちの一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極(○)と、もう一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。図6(e)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極が、もう一方のアームの厚み方向外側面から引き出した電極と基準電位とに接続され、出力は検出電極のうちの一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極(●)と、もう一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極(○)との電位差を検出する。
【0034】
図6(f)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向外側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極が、もう一方のアームの幅方向外側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極と基準電位とに接続され、出力は検出電極のうちの一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極(○)と、もう一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0035】
図6(g)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向内側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極が、もう一方のアームの幅方向内側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極と基準電位とに接続され、出力は検出電極のうちの一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極(●)と、もう一方のアームの幅方向内側面(○)から引き出した電極との電位差を検出する。
【0036】
図6(h)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向内側面と他方のアームの幅方向内側面とから引き出した電極が基準電位に接続され、出力は一方のアームの幅方向外側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極(○)と、もう一方のアームの幅方向外側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0037】
図6(i)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向外側面と他方のアームの幅方向外側面とから引き出した電極が基準電位に接続され、出力は一方のアームの幅方向内側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極(○)と、もう一方のアームの幅方向内側面及び厚み方向表裏面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0038】
図6(j)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向両面と厚み方向裏面と他方のアームの幅方向両面と厚み方向表面とから引き出した電極が基準電位に接続され、出力は一方のアームの厚み方向表面から引き出した電極(○)と、もう一方のアームの厚み方向裏面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0039】
図6(k)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表面と他方のアームの厚み方向表面とから引き出した電極が基準電位に接続され、一方のアームの幅方向両面と厚み方向裏面から引き出した電極(●)と他方のアームの幅方向両面と厚み方向裏面とから引き出した電極(○)との電位差を検出する。
【0040】
図6(l)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向内側面と他方のアームの幅方向内側面とから引き出した電極が基準電位に接続され、一方のアームの厚み方向表裏面とから引き出した電極(○)と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0041】
次に、図4(b)の検出電極構成を利用した電極構成を図7(a)〜(h)を参照して説明する。
【0042】
図7(a)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と他方のアームの幅方向両面から引き出した電極とを接続して第1の検出電極(図の○)を構成し、一方のアームの幅方向両面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極とを接続して第2の検出電極(図の●)を構成し、第1及び第2の検出電極の電位差を検出する。
【0043】
図7(b)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と他方のアームの幅方向外側面から引き出した電極とを接続して第1の検出電極(○)を構成し、一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極とを接続して第2の検出電極(●)を構成し、第1及び第2の検出電極の電位差を検出する。
【0044】
図7(c)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と他方のアームの幅方向内側面から引き出した電極とを接続して第1の検出電極(○)を構成し、一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極とを接続して第2の検出電極(●)を構成し、第1及び第2の検出電極の電位差を検出する。
【0045】
図7(d)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向裏面から引き出した電極と他方のアームの幅方向両面から引き出した電極とを接続して第1の検出電極(○)を構成し、一方のアームの幅方向両面面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表表面から引き出した電極とを接続して第2の検出電極(●)を構成し、第1及び第2の検出電極の電位差を検出する。
【0046】
図7(e)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極と他方のアームの幅方向外側面と厚み方向表裏面とから引き出した電極とを接続して第1の検出電極(○)を構成し、一方のアームの幅方向外側面と厚み方向表裏面とから引き出した電極と他方のアームの幅方向内側面から引き出した電極とを接続して第2の検出電極(●)を構成し、第1及び第2の検出電極の電位差を検出する。
【0047】
図7(f)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向両面と幅方向内側面とから引き出した電極と他方のアームの幅方向外側面とから引き出した電極とを接続して第1の検出電極(○)を構成し、一方のアームの幅方向外側面と他方の電極の厚み方向表裏面とから引き出した電極と他方のアームの幅方向内側面とから引き出した電極とを接続して第2の検出電極(●)を構成し、第1及び第2の検出電極の電位差を検出する。
【0048】
図7(g)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向両面と幅方向外側面とから引き出した電極と他方のアームの幅方向外側面とから引き出した電極とを接続して第1の検出電極(○)を構成し、一方のアームの幅方向内側面と他方の電極の厚み方向表裏面と幅方向内側面とから引き出した電極とを接続して第2の検出電極(●)を構成し、第1及び第2の検出電極の電位差を検出する。
【0049】
以上のように、検出電極を各アームの4面又は3面に設けて上述の配線とすることで、簡単な構成で回転角速度を精度良く検出することができる。
【0050】
図8には、図7(g)に示す電極構成を有する音叉型圧電振動ジャイロの構成を示す図である。なお、電極構成を分かりやすくするために、電極の厚み等は強調して図示してある。図8(a)は正面図、図8(b)は右側面図、図8(c)は裏面図、及び図8(d)は平面図である。
【0051】
検出電極26a、26b及び26dは一体的に形成され、引き出し線31を介してベース24の表面上に設けられた外部接続用の端子33に接続されている。同様に、検出電極27a、27b及び27dは一体的に形成され、引き出し電極線32を介してベース24の表面上に設けられた外部接続用の端子34に接続されている。検出電極26cは引き出し電極線35を介して、外部接続用の端子37に接続されている。同様に、検出電極27cは引き出し電極線36を介して、外部接続用の端子38に接続されている。駆動電極28aは引き出し電極線40を介して、外部接続用の端子39に接続されている。ベース24の裏面に形成された駆動電極28bは、ベース24に設けられたスルーホール43及びベース24の表裏面を通る引き出し電極線42を介して、ベース24の表面に設けられた外部接続用の端子41に接続されている。
【0052】
次に、上述した電極構成とは異なる電極構成について説明する。
【0053】
上述した電極構成では、駆動電極28a及び28bはベース24の表裏面上であって、アーム20と22の根元付近に設けられていた。以下に説明する電極構成では、駆動電極をアーム20と22の夫々の表裏面上の内側に設けて、圧電単結晶の横圧電効果を利用して駆動振動を起こすことを特徴とする。
【0054】
図9は、この電極構成を示す図である。図9(a)はジャイロの正面図、図9(b)はジャイロの平面図である。略U字状パターンの駆動電極48a及び48bが、ジャイロの表面及び裏面に図示するように設けられている。駆動電極48aは、アーム20及び22の表面上の内側部分及びベース24の表面上の根元付近に設けられている。同様に、駆動電極48bは、アーム20及び22の裏面上の内側部分及びベース24の裏面上の根元付近に設けられている。
【0055】
このような構成の駆動電極48a及び48bに駆動電源OSCで駆動信号を与えると、図9(b)の直線状の矢印で示すような内部電界が発生し、図9(a)に示すような伸び振動(音叉振動)が発生する。この状態(振動モードにある状態)で回転角速度が加わると、図9(b)に示す変位に起因して曲線状の矢印で示すような内部電界が発生する。従って、この内部電界による電圧を検出することで回転角速度を検出することができる。この電圧を検出ための検出電極を、アーム20及び22の表裏面の各々の外側部分に設けることができる。
【0056】
このような電極構成を図10に示す。図10(a)は上記電極構成を有する音叉型圧電振動ジャイロの正面図、図10(b)は右側面図、図10(c)は平面図である。駆動電極48a及び48bは前述したように設けられてる。図示する電極構成では、各アームごとに3つの検出電極が設けられている。アーム20の厚み方向表裏面及び幅方向外側面にはそれぞれ、検出電極46a、46b及び46cが設けられている。同様に、アーム22の厚み方向表裏面及び幅方向外側面にはそれぞれ、検出電極47a、47b及び47cが設けられている。検出電極46aと46bはそれぞれ、アーム20の表面及び裏面の外側部分に配置されている。これにより、アーム20の表面及び裏面では夫々、内側に駆動電極が外側に検出電極が位置するようにこれらの電極が並んで設けられている。アーム22においても同様である。なお、図10では、引き出し電極線や外部接続用端子等は便宜上省略してある。
【0057】
なお、図10に示す構成において、容量比は一例として、駆動電極側で136であり、検出電極側で278であり、従来構成のように駆動側と検出側で容量比が大きくことなるようなことはない。
【0058】
図11は図10に示す電極配置における電極構成を示す図である。図11(a)は2つの検出電極間の電位差で回転角速度を検出する構成であり、図11(b)、(c)は基準電極に対する2つの電極の電位差(差動増幅)で回転角速度を検出する構成である。
【0059】
図11(a)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と他方のアームの幅方向外側面から引き出した電極とを接続した第1の検出電極(○)と、一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極とを接続した第2の検出電極(●)との電位差を検出する。図11(b)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極とを基準電位に接続し、一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極(○)と、他方のアームの幅方向外側面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0060】
図11(c)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向外側面から引き出した電極と他方のアームの幅方向外側電極から引き出した電極とを基準電位に接続し、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極(●)と、他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極(○)との電位差を検出する。
【0061】
図12は図10に示す音叉型圧電振動ジャイロの変形例であり、(a)は正面図、(b)は右側面図、(c)は平面図である。駆動電極58aと58bはそれぞれジャイロの厚み方向表面と裏面に設けられており、かつ各アーム内側に設けられた部分を有する。また、駆動電極58aと58bのベース24の表裏面上に設けられた部分58a’と58b’は、図5に示す駆動電極に類似している。すなわち、駆動電極58aと58bはベース24及びアーム20、22の内側で作用する圧電横効果による音叉振動を駆動する。駆動電極58aは引き出し電極線61を介して外部接続用端子60に接続されている。また、駆動電極58bは引き出し電極線68及びベース24に設けられたスルーホール66を介して、ベース24の表面に設けられた外部接続用端子67に接続されている。
【0062】
各アーム20、22に対しそれぞれ3つの検出電極が設けられている。アーム20の厚み方向表裏面及び幅方向外側面にはそれぞれ、検出電極56a、56b及び56cが設けられている。同様に、アーム22の厚み方向表裏面及び幅方向外側面にはそれぞれ、検出電極57a、57b及び57cが設けられている。これらの検出電極は、前述の図11(a)に示すように接続されている。検出電極56aは引き出し電極線63を介して外部接続用端子62に接続され、検出電極56bは引き出し電極線70及びスルーホール69を介して引き出し電極線63に接続されている。また、検出電極56cは引き出し電極線74を介して外部接続用端子73に接続されている。同様に、検出電極57aは引き出し電極線65を介して外部接続用端子64に接続され、検出電極57bは引き出し電極線72及びスルーホール71を介して引き出し電極線65に接続されている。また、検出電極57cは引き出し電極線76を介して外部接続用端子75に接続されている。
駆動電極は各アーム20、22の表裏面の内側部分ではなく、外側部分に設ける構成であっても、圧電横効果による音叉振動を駆動することができる。
【0063】
図13は、この電極構成を有する音叉型圧電振動ジャイロを示す図であり、(a)は正面図、(b)は平面図である。アーム20、22の表裏面の外側及びベース24の表裏面にそれぞれ、一体的に駆動電極78a及び78bが設けられている。この駆動電極78aと78bに図13(b)に示すように駆動電源OSCを接続すると、圧電横効果により図13(b)の直線の矢印で示す内部電界が発生し、これによりアーム20と22が図13(a)で示すようにたわみ、音叉振動が発生する。この状態(駆動モード)で回転角速度がジャイロに加わると、図13(b)に示す曲線の矢印のように内部電界が発生する。この内部電界による電圧を検出することで、回転角速度を検出できる。
【0064】
アーム20の厚み方向表裏面にはそれぞれ、検出電極76a及び76bが設けられ、幅方向内側面には検出電極76cが設けられている。同様に、アーム22の厚み方向表裏面にはそれぞれ、検出電極77a及び77bが設けられ、幅方向内側面には検出電極77cが設けられている。
【0065】
図14は、上記検出電極の接続を示す図である。図14(a)は2つの検出電極間の電位差で回転角速度を検出する構成であり、図14(b)、(c)は基準電極に対する2つの電極の電位差(差動増幅)で回転角速度を検出する構成である。
【0066】
図14(a)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と他方のアームの幅方向内側面から引き出した電極とを接続した第1の検出電極(○)と、一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極とを接続した第2の検出電極(●)との電位差を検出する。図14(b)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極と他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極とを基準電位に接続し、一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極(○)と、他方のアームの幅方向内側面から引き出した電極(●)との電位差を検出する。
【0067】
図14(c)に示す電極構成は次の通りである。アーム20と22に設けた検出電極のうち、一方のアームの幅方向内側面から引き出した電極と他方のアームの幅方向内側電極から引き出した電極とを基準電位に接続し、一方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極(●)と、他方のアームの厚み方向表裏面から引き出した電極(○)との電位差を検出する。
【0068】
図15は、図14(b)に示す電極構成を有する音叉型圧電振動ジャイロを示す図であり、(a)は正面図、(b)は平面図である。駆動電極88a及び88bはそれぞれ、ジャイロの表面及び裏面に図示するように設けられている。駆動電極88bは、ベース24に設けられたスルーホール94を通る引き出し電極線95を介して、外部接続用の端子96に接続されている。また、アーム20及び22の表面に設けられる検出電極は、ベース24の表面に設けられた接続部分を介して一体的に構成された検出電極86aである。同様に、アーム20及び22の裏面に設けられる検出電極は、ベース24の裏面に設けられた接続部分を介して一体的に構成された検出電極86bである。検出電極86bはスルーホール90を通る引き出し電極線91を介して外部接続用端子92に接続されている。また、検出電極86aは引き出し電極線93を介して外部接続用端子92に接続されている。
【0069】
図16は、本発明の参考例の音叉型圧電振動ジャイロの出力電圧を検出する検出回路の構成及び動作を説明するための図である。図16中、参照番号100は、前述した本発明の音叉型圧電振動ジャイロである。検出回路は、演算増幅器OP1、OP2、OP3と、抵抗R1〜R10と、キャパシタC1〜C3とを有する。ジャイロ100の出力out1及びout2はそれぞれ、抵抗R2及びR3を介して演算増幅器OP1及びOP2の非反転入力端子に与えられる。演算増幅器OP3の出力端子は、検出回路の出力端子を構成する。
【0070】
発振器OSCで矩形波をジャイロ100に与えると、その出力電圧波形は静電結合等によるもれ出力成分を含む。演算増幅器OP1及びOP2はそれぞれ、ジャイロ100の出力out1及びout2を増幅し、演算増幅器OP3は演算増幅器OP1及びOP2の出力を差動増幅する。演算増幅器OP3の出力波形から分かるように、静電結合等のもれを差動増幅により取り去る(キャンセルする)ことができる。
【0071】
以上、本発明の参考例を説明した。上記の参考例からわかるように、従来技術に比べ簡単な構成で不要振動を検出することなく高精度かつ回転角速度を検出できる。また、配線は簡単であり、量産化に適している。
【0072】
ところで、上記の参考例では検出電極を各アームの4面又は3面に設ける必要があるが、本発明者は各アームの2面にのみ駆動電極及び検出電極を設け、必要な感度を維持でき、簡単な電極構成で量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロの構成を検討した。この検討は、図17に示す事項をベースに図18に示す駆動モードと検出モードとの電界分布の違いに着目したものである。以下の説明は、既に説明した事項と一部重複する部分を含むが、これは説明を判りやすくするためである。
【0073】
まず、図17(a)、(c)はそれぞれ同一の音叉型圧電振動ジャイロを示す斜視図である。なお、圧電単結晶等の圧電体で構成される素子部分のみを示し、電極の図示は省略してある。音叉型圧電振動ジャイロ100は2つのアーム112、114とこれらと一体的に形成されたベース116とを有する。
【0074】
図17(a)に示すアーム112、114の表面及び裏面の外側部分に、図17(b)に示すように電極131、132、137、138を設け、電極131と132との間及び電極137と138との間に駆動電圧を印加すると、図17(b)のアーム112、114内に示す矢印の通り電界が発生し、図17(a)及び(b)の矢印で示すように、圧電横効果によりアーム112、114の外側部分が伸縮運動をする。この伸縮運動により、アーム112、114に音叉振動(面内振動又はfxモード振動ともいう)が励振できる。
【0075】
この音叉振動の振動軸に回転運動が加わると、次式の運動方程式のような振動方向と垂直方向にコリオリ力が発生する。
Zx ηx ≒Fx +2my Ω0 ηy
Zy ηy ≒Fy −2mx Ω0 ηx
ここで、Zx 、Zy はそれぞれ図19に示すX軸及びY軸方向の機械的インピーダンス、ηx 、ηy はそれぞれx軸及びy軸方向の速度、Fx 、Fy はそれぞれX軸及びY軸方向のコリオリ力、mx 、my はそれぞれx軸及びy軸方向の質量、Ω0 は角速度である。なお、図18に示す音叉は圧電単結晶からなり、回転軸をX軸として、例えば、LiTaO340°±20°回転Z板やLiNbO350°±20°回転Z板等の三方晶を用いることができる。なお、圧電単結晶の結晶方位はその厚み方向におけるものである。
【0076】
そこで、図17(d)に示すように、2つのアーム112、114に上記音叉振動に垂直な方向の振動(面垂直振動又はfyモード振動ともいう)を検出する電極133、134、135、136を構成しておけば、コリオリ力を受けて互いに逆方向にたわんだアームから電気的出力(角速度に比例した電圧)を得ることができる。
【0077】
この場合において、本発明者は図18に示す駆動モードと検出モードとの電荷分布の違いに着目して、電荷分布の大きい箇所に電極を配置することで、4面又は3面といった電極は必要なく、各アームの2面のみで検出モードを受けることができることを見い出した。
【0078】
図18(A)は、fxモードの電界分布を示し、図18(B)はfyモードの電界分布を示す。図18(A)、(B)において、記号A〜Hはそれぞれ、アーム112、114内に発生した電荷分布(及びそのポテンシャル)を示し、”+”と”−”はそれぞれ電荷の極性を示す。また、矢印は電界を示す。
【0079】
図18(A)は、図17(b)に示す電極構成で音叉振動を駆動した場合を示す。また、図18(B)は、図18(A)に示す状態で角速度によるコリオリ力が発生した場合の電荷分布を示す。異方性に起因して発生する電荷の発生場所、極性及び電荷量が図示するようになることが判った。本発明では、図18(B)に示す電荷分布において、電荷の最大又は比較的大きい場所と最低又は比較的小さい場所に電極を設け、ここに発生する電位差を出力することにより角速度を検出する。例えば、図18(B)の電荷分布AとEの電位差を検出するように電極を配列する。より特定すれば、アーム112と114の上面(図18(B)において電界分布A、E側を上面、電界分布C、G側を下面とする)の内側部分に電極を設ける。この電極構成は、図17(d)に示す電極133と135に相当する。原理的には、この電極133と135のみでコリオリ力による発生した電位差を検出できるが、図17(d)に示す電極134と136を設けて電界分布CとGの電位差を検出するようにすることで、感度は向上する。
【0080】
なお、図18(A)において、A〜Hをポテンシャル(電位)とすると、これらの大小関係は次の通りである。
【0081】
A=−D=−E=H>−B=C=F=−G
また、図18(B)において、電位A〜Hの大小関係は次の通りである。
【0082】
A=−E>−B=−D=F=H>C=G
なお、図18に示す電荷分布からは、必ずしも図17(d)に示すように内側部分の電極からコリオリ力による電位差を検出することに限られるものではなく、図17(b)に示すような外側部分の電極を用いて電位差を検出しても良いことが判る。例えば、上記外側部分の電極を検出電極として用いて電荷分布AとEのポテンシャル差を検出する場合には、外側部分には電荷分布AとEの広がりが内側部分に比べて小さいので検出感度は落ちるが、電荷分布AとEのポテンシャル差を検出できる。
【0083】
以上のように、4面又は3面に検出電極を設けることなく、検出電極と駆動電極を各アームの2面のみに設けることで、コリオリ力による電位差(角速度に比例した電圧)を検出することができる。
【0084】
図20は、上記電極131〜138を有する本発明の音叉型圧電振動ジャイロの斜視図である。図20では、電極131〜138が設けられたアーム112、114の表面に対向する裏面に設けられた同様の電極は見えないが、電極131〜138と同様に設けられている。なお、参照番号141〜144はそれぞれ電極132、134、136、138の引き出し電極であり、また参照番号145〜148はそれぞれ引き出し電極141〜144に接続された外部接続用の端子である。
【0085】
以下、図18に基づく第1ないし第9電極構成例について説明する。
【0086】
図21は、第1の電極構成例を示す図である。同図において、アーム112、114の中心より内側に位置する電極134、136は検出電極として機能し、外側に位置する電極131、137は駆動電極として機能する。検出電極134、136と駆動電極131、137とはアーム112、114の異なる面側に設けられている。その他の電極は接地電位を基準電位とする接地電極として機能する。破線の矢印は電界を示す。駆動電極131及び137に駆動電圧を印加すると矢印の電界が発生してアーム112、114が振動する。この状態でコリオリ力を検出すると、電極134と136の間にコリオリ力による角速度に比例した電位差が生じる。なお、電極133と135を接地しているので、アーム112と114との間の電気的結合を小さく抑さえることができる。
【0087】
図22は、第2の電極構成例を示す図である。同図において、アーム112、114の中心より外側に位置する電極132、138は検出電極として機能し、内側に位置する電極133、135は駆動電極として機能する。検出電極132、138と駆動電極133、135とはアーム112、114の異なる面側に設けられている。その他の電極は接地電極として機能する。図22に示すように、検出電極132、138をアーム112、114の外側に設けても、これらの電極間にコリオリ力による角速度に比例した電位差が発生する。
【0088】
図23は、第3の電極構成例を示す図である。図23に示すように、電極133と134は相互に接続され、電極135と136は相互に接続され、検出電極を構成する。電極131、137は駆動電極として機能する。また、電極132、138は接地電極として機能する。検出電極133と134を接続することで図18(B)の電極分布AとCの電荷が加算され、検出電極135と136を接続することで図18(B)の電極分布EとGの電荷が加算される。よって、図23の電極構成は、図21や図22の電極構成に比べ検出感度が高い。
【0089】
図24は、電極構成の参考例を示す図である。図24に示す構成は図21及び図22に示す構成とは異なり、検出電極及び駆動電極ともアーム112、114の同一面側に設けられており、更にアーム112、114のそれぞれの反対側のほぼ面に電極132A、電極138Aを設けたことを特徴とする。電極131と137は駆動電極として用いられ、電極133と135は検出電極として用いられる。更に、電極132Aと138A(以下、全面電極ともいう)は接地電極として用いられる。アーム112からアーム114方向に電界が発生し、角速度に比例した電極133と135との間の電位差を検出できる。
【0090】
図25は、電極構成の参考例を示す図である。図25に示す構成は、電極133と135が駆動電極と検出電極を兼ねることを特徴とする。以下、このような電極を共通電極ともいう。矩形波を発生する駆動源151の一端は接地され、他端は演算増幅器(以下、オペアンプという)152、153の非反転入力端子に接続されている。オペアンプ152、153の反転入力端子はそれぞれ電極133、135に接続されている。電極131、132A、137及び138は接地されている。
【0091】
図26は、図25に示すオペアンプ153及びその周辺回路素子(図25では省略してある)からなる差動増幅回路を示す図である。オペアンプ153の出力電圧は抵抗R1とR2で抵抗分割され、分圧電圧が反転入力端子に与えられる。オペアンプ152の周辺回路も、図26に示すように構成されている。オペアンプ152、153の非反転入力端子及び反転入力端子はイマジナリーショートの状態にあるので、駆動源151が出力する矩形波の駆動電圧はオペアンプ152、153を通して電極133、135に与えられる。この状態でコリオリ力が作用すると、アーム112と114の電極に符号の異なる電荷が蓄積される。図25の2本の横方向矢印は、この蓄積された電荷による電界を示す。これをオペアンプ152、153で矩形波と比較することで、電極133と135との間の電位差に相当する電圧、すなわち角速度に比例する電圧A−Bが得られる。
【0092】
図27は、電極構成の参考例を示す図である。図27に示す構成は、アーム112と114に蓄積される電荷の電荷量に起因した電位差を、各アーム112、114の両面から検出するものである。このために、先に説明したオペアンプ152、153に加え新たにオペアンプ154、155を設けている。オペアンプ154、155の非反転入力端子はオペアンプ152、153の非反転入力端子とともに接地され、反転入力端子はそれぞれ電極132A、138Aに接続されている。駆動電圧は電極131と137に与えられる。コリオリ力に起因してアーム112に発生した電荷量はオペアンプ152、154の出力の和(A+C)に相当し、アーム114に発生した電荷量はオペアンプ153、155の出力の和(B+D)に相当する。よって、角速度に比例した検出出力は(A+C)−(B+D)となる。図27に示す構成は図25に示す構成に比べて回路が多少複雑になるが、検出感度は向上する。
【0093】
図28は、電極構成の参考例を示す図である。この電極構成は、図27に示す電極構成を簡素化したものに相当する。すなわち、オペアンプ152、153を取り除き、アーム112、114の一方の側からのみ検出電圧A−Bを得る構成である。図27に示す構成に比べ、図28に示す構成は簡略化されている半面、検出感度は多少劣化する。なお、端子133と135を接地しているので、アーム112と114との間の電気的結合を小さく抑さえることができる。
【0094】
図29は、電極構成の参考例を示す図である。この構成では、アーム112、114の両面の電極を共通電極として用い、共通電極を介して駆動電圧を印加し検出電圧を検出する。オペアンプ152の反転入力端子は電極133と132に接続され、オペアンプ153の反転入力端子は電極135と138に接続されている。また、オペアンプ154の反転入力端子は電極134と131に接続され、オペアンプ155の反転入力端子は電極136と137に接続されている。駆動電圧はアーム112、114の各々の両面から与えられるので、各アーム内には両方向に電界が発生する。コリオリ力によりアーム112、114の各々に発生した電荷量の差は、オペアンプ152〜155を介して検出出力(A+C)−(B+D)として得られる。図29に示す構成は、検出感度が良い半面、回路が多少複雑である。
【0095】
図30は、電極構成の参考例を示す図である。この構成は、図29に示す第8の電極構成例を簡略化したものに相当する。具体的には、駆動電圧をアーム112、114の一方からのみ与える構成である。駆動電圧はオペアンプ152、153を介して電極133、135に与えられる。また、電極133と135に対向するアーム112、114の面には、全面電極132A、138Aが設けられている。全面電極132Aはオペアンプ154の反転入力端子と電極131に接続されている。また、全面電極138Aはオペアンプ155の反転入力端子と電極137に接続されている。角速度に比例した検出出力は(A+C)−(B+D)となる。図30に示す構成は図29に示す構成よりも簡単である。
【0096】
なお、上記実施の形態では、各電極131〜138は同一サイズの電極パターンであり、また電極132A、138Aも同一サイズの電極パターンであるが、電荷分布等を考慮して、異なるサイズの電極パターンとしてもよい。
【0097】
図31は、電極サイズと3つのパラメータとの関係を示す図である。より詳細には、図31(a)は電極サイズと共振抵抗(kΩ)との関係、図31(b)は電極サイズと容量比(γ)との関係、図31(c)は電極サイズとQ値との関係を示すグラフである。電極サイズは、2つのアームの対向する2面の全面に電極を設け、レーザ光で2つのアームの電極を同じ量だけトリミングして次第に面積を縮小していった場合の各アームの各面毎の総面積である。Q値が最大で容量比(γ)が最小となるような面積が好ましい。今、電極サイズが2mm2とした場合、各アーム幅を1.0mmとし、アーム長さを7.5mmとすると、各アームの2つの対向する面の各々に設けられる電極は、アーム幅1.0mmの半分以下の大きさ(例えば0.3mm)で良いことがわかる。よって、各面の駆動電極の幅のトータルをアーム幅よりも小さくしても、良好にfxモードの振動を発生させることがわかる。
【0098】
図32は、検出電極サイズと上記3つのパラメータとの関係を示す図である。より詳細には、図32(a)は検出電極サイズと共振抵抗(kΩ)との関係、図31(b)は検出電極サイズと容量比(γ)との関係、図31(c)は検出電極サイズとQ値との関係を示すグラフである。検出電極サイズは、2つのアームの対向する2面の全面に電極を設け、レーザ光で2つのアームの電極を同じ量だけトリミングして次第に面積を縮小していった場合の各アームの各面毎の総面積である。Q値が最大で容量比(γ)が最小となるような面積が好ましい。図32から、検出電極はできるだけ大きいほうが上記条件を満足する。
【0099】
以上、図31及び図32から、駆動電極は相対的に小さく、検出電極は相対的に大きくすれば、検出電極の容量比を小さくする、すなわち感度を上げることができる。
【0100】
以上、本発明の実施の形態を説明した。上記の説明から分かるように、本発明では各アームの2面にのみ電極を設ける構成のため、必要な感度を維持でき、より簡単な電極構成でより量産化に適している。
【0101】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【0102】
請求項1に記載の発明によれば、第1のアーム、第2のアーム及びこれらを支持するベースを有する音叉型圧電振動ジャイロにおいて、前記第1及び第2のアームのそれぞれの所定の2面にのみ音叉振動を駆動させる駆動電極と、回転角速度を検出する検出電極と、基準電位に設定された接地電極とを設け、前記駆動電極、検出電極、接地電極は前記音叉型圧電振動ジャイロの駆動振動の中心面に対し対称に配置されるとともに、前記第1及び第2のアームのそれぞれの所定の2面の、各々の面には前記駆動電極、検出電極、接地電極のうち二種類の電極のみが配置されたことにより、必要な感度を維持でき、簡単な電極構成で量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロを提供することができる。
【0103】
請求項2に記載の発明によれば、前記駆動電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、前記検出電極は前記第1の面に対向する第1及び第2のアームの各々の第2の面に設けられ、角速度に応じた電圧は、第1及び第2のアームの第2の面にそれぞれ設けられた検出電極間の電位差として得られることとしたため、必要な感度を維持でき、簡単な電極構成で量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロを提供することができる。
【0104】
請求項3に記載の発明によれば、前記駆動電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、前記検出電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、角速度に応じた電圧は、第1及び第2のアームの第1の面にそれぞれ設けられた検出電極間の電位差として得られることとしたため、必要な感度を維持でき、簡単な電極構成で量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロを提供することができる。
【0105】
請求項4に記載の発明によれば、前記駆動電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、前記検出電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面、並びに前記第1の面に対向する第1及び第2のアームの各々の第2の面に設けられ、角速度に応じた電圧は、第1のアームの第1及び第2の面に設けられた検出電極と、第2のアームの第1及び第2の面に設けられた検出電極との間の電位差としたため、より感度が良く、簡単な電極構成で量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロを提供することができる。
【0109】
請求項5または6記載の発明によれば、容易に入手できる一般的な圧電物質を用いて、必要な感度を維持しつつ、簡単な電極構成で量産化に適した音叉型圧電振動ジャイロを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の参考例を説明するための図である。
【図2】本発明の参考例により不要振動が検出されない原理を説明する図である。
【図3】本発明の参考例により回転角速度を検出する電極構成を示す図である。
【図4】本発明の参考例により回転角速度を検出する別の電極構成を示す図である。
【図5】本発明の参考例を示す図である。
【図6】図5に示す検出電極の構成と配線例を示す図である。
【図7】図5に示す検出電極の別の構成と配線例を示す図である。
【図8】図7(g)に示す電極構成を有する音叉型圧電振動ジャイロの構成を示す図である。
【図9】音叉振動を駆動する駆動電極の別の構成例の原理を示す図である。
【図10】図9に示す構成に基づく音叉型圧電振動ジャイロの構成を示す図である。
【図11】図10に示す検出電極の構成と配線例を示す図である。
【図12】図10に示す構成の変形例を示す図である。
【図13】音叉振動を駆動する駆動電極の更に別の構成例の原理を示す図である。
【図14】図13に示す検出電極の構成と配線例を示す図である。
【図15】図13に示す構成に基づく音叉型圧電振動ジャイロの構成を示す図である。
【図16】本発明の参考例の音叉型圧電振動ジャイロの出力電圧を検出する検出回路の構成及び動作を説明するための図である。
【図17】音叉型圧電振動ジャイロの2面電極構成の動作原理を説明するための図である。
【図18】音叉型圧電振動ジャイロの振動モードの電荷分布を示す図である。
【図19】圧電単結晶の結晶方位を示す図である。
【図20】本発明の2面電極構成の一実施の形態を示す斜視図である。
【図21】本発明による第1の電極構成例を示す図である。
【図22】本発明による第2の電極構成例を示す図である。
【図23】本発明による第3の電極構成例を示す図である。
【図24】本発明による電極構成の参考例を示す図である。
【図25】本発明による電極構成の参考例を示す図である。
【図26】図9に示す構成で用いられる差動増幅回路を示す図である。
【図27】本発明による電極構成の参考例を示す図である。
【図28】本発明による電極構成の参考例を示す図である。
【図29】本発明による電極構成の参考例を示す図である。
【図30】本発明による電極構成の参考例を示す図である。
【図31】電極サイズと各パラメータとの関係を示す図である。
【図32】検出電極サイズと各パラメータとの関係を示す図である。
【図33】従来の音叉型圧電振動ジャイロの一構成例を示す図である。
【図34】従来の音叉型圧電振動ジャイロの別の構成例を示す図である。
【図35】従来の音叉型圧電振動ジャイロの更に別の構成例を示す図である。
【図36】従来技術の問題点を示す図である。
【符号の説明】
20 アーム
22 アーム
24 ベース
26a〜26d 検出電極
27a〜27b 検出電極
28a、28b 駆動電極
46a〜46c 検出電極
47a〜47c 検出電極
48a、48b 駆動電極
56a〜56c 検出電極
57a〜57c 検出電極
58a、58b 駆動電極
86a〜86c 検出電極
87a〜87c 検出電極
88a、88b 駆動電極
100 本発明の音叉型圧電振動ジャイロ
110 音叉型圧電振動ジャイロ
112 アーム
114 アーム
116 ベース
131〜138 電極
132A、138A 全面電極
141〜144 引き出し電極
145〜148 端子
151 駆動源
152〜155 演算増幅器(オペアンプ)
R1、R2 抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gyro for detecting a rotational angular velocity, and more particularly, to a tuning fork type piezoelectric vibration gyro using a piezoelectric body.
[0002]
In recent years, gyros used for in-vehicle navigation, camera shake prevention, and the like have been required to have higher precision and higher sensitivity. For this reason, technical development related to the piezoelectric vibrating gyroscope has been activated.
[0003]
[Prior art]
The piezoelectric vibrating gyroscope utilizes the fact that when a rotational angular velocity is applied during predetermined vibration, Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the vibration. Various types of such a piezoelectric vibrating gyroscope have been proposed. Among them, the tuning-fork type piezoelectric vibration has attracted attention because of its relatively high cost performance. Particularly recently, research and development of a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope using a piezoelectric single crystal has been actively conducted.
[0004]
A tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope using such a piezoelectric single crystal is disclosed in, for example, US Pat. No. 5,329,816. As shown in FIG. 33, the tuning-fork type piezoelectric vibration gyro (also referred to as a gyro element) has two
[0005]
FIG. 34 shows a conventional tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope having a different electrode configuration, which is disclosed in, for example, US Pat. No. 5,251,483. In this electrode configuration, a
[0006]
FIGS. 33, 34 and 35 show examples of respective capacitance ratios.
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional tuning-fork type piezoelectric vibration gyro shown in FIGS. 33 to 35 has the following problems.
[0007]
In the configuration shown in FIG. 33, since the electrodes are provided substantially symmetrically, there is a problem that although the capacitance ratio of drive and detection is well balanced, unnecessary vibration such as bending vibration is output.
[0008]
This problem will be described with reference to FIG. 36 (a) is a perspective view of the gyro shown in FIG. 16, showing unnecessary vibration, FIG. 36 (b) is a side view, FIG. 36 (c) is a diagram showing unnecessary vibration shown in FIG. 36 (a), and FIG. It is a figure showing an electric field inside an arm by vibration. Note that the electrodes are omitted in FIGS. In FIG. 4D, the electrodes in the white portions have the same potential, and the electrodes in the hatched portions have the same potential. In the configuration shown in FIG. 33, unnecessary vibration having the same phase as shown in FIG. 36 occurs. Since the detection electrode is provided on one of the two arms, the potential difference due to the electric field shown in FIG. 36D is detected. This potential difference becomes noise and degrades detection accuracy. Unwanted vibrations include torsional vibrations that cause temperature drift. In addition, there is leakage output due to mechanical coupling or electrostatic coupling between the driving arm and the detection arm.
[0009]
The configuration shown in FIG. 34 has a small driving-side capacitance ratio, so that a low driving voltage can be achieved. In addition, since the
[0010]
Since the configuration shown in FIG. 35 has a small detection-side capacitance ratio, high sensitivity can be achieved. However, there is a problem that a high drive voltage is required because the drive-side capacitance ratio is large. Further, since the
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a tuning fork type piezoelectric vibration gyro having high sensitivity, high accuracy, and suitable for mass production.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, in a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope having a first arm, a second arm, and a base for supporting the first arm and the second arm, only two predetermined surfaces of the first and second arms are provided. A drive electrode for driving the tuning fork vibration, a detection electrode for detecting a rotational angular velocity, and a ground electrode set to a reference potential are provided, and the drive electrode, the detection electrode, and the ground electrode are used for driving vibration of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro. Two predetermined surfaces of each of the first and second arms which are arranged symmetrically with respect to a center plane; Each aspect of Only the two types of electrodes among the drive electrode, the detection electrode, and the ground electrode are disposed, and the first arm, the second arm, and the base supporting these are integrally formed of a piezoelectric single crystal. It is characterized by having. As a result, a required sensitivity can be maintained, and a tuning fork type piezoelectric vibration gyro suitable for mass production can be provided with a simple electrode configuration.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the drive electrode is provided on a first surface of each of a first arm and a second arm, and the detection electrode is provided on a first surface facing the first surface. And a voltage corresponding to the angular velocity provided on the second surface of each of the second arms is obtained as a potential difference between detection electrodes provided on the second surfaces of the first and second arms, respectively. This is a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the drive electrode is provided on a first surface of each of the first and second arms, and the detection electrode is provided on each of the first and second arms. A tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope provided on a first surface, wherein a voltage corresponding to an angular velocity is obtained as a potential difference between detection electrodes provided on the first surface of the first and second arms, respectively. It is.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the drive electrode is provided on a first surface of each of the first and second arms, and the detection electrode is provided on each of the first and second arms. A first surface, and a second surface of each of the first and second arms opposed to the first surface, wherein a voltage corresponding to the angular velocity is applied to the first and second arms of the first arm. A tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope obtained as a potential difference between a detection electrode provided on a surface and detection electrodes provided on first and second surfaces of a second arm.
[0019]
[0020]
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the present invention Reference example Will be described with reference to FIG. Of the present invention Reference example As shown in FIG. 1A, the tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope has
[0022]
In the configuration shown in FIG. 1, the
Zx ηx ≒ Fx + 2my Ω0 ηy
Zy ηy ≒ Fy -2mx Ω0 ηx
Here, Zx and Zy are mechanical impedances in the x-axis direction and the y-axis direction (see FIG. (E): the x-axis direction corresponds to the gyro width direction, and the y-axis direction corresponds to the gyro thickness direction). ηx, ηy are velocities in the x-axis and y-axis directions, Fx, Fy are Coriolis forces in the x-axis and y-axis directions, mx, my are masses in the x-axis and y-axis directions, respectively, and Ω0 is an angular velocity.
[0023]
Therefore, an electrode that detects (or excites) the above-described tuning-fork vibration (also referred to as fx mode vibration) in the vertical direction (also referred to as fy mode vibration) should be formed on the
[0024]
In consideration of this point, as shown in FIG. Reference example By providing the detection electrodes on both the
[0025]
FIG. 3A shows the vibrations (opposite-phase vibrations) of the
[0026]
Further, even with the electrode configuration shown in FIG. 4, it is possible to detect only the output due to the opposite-phase vibration caused by the angular velocity. A differential output can be obtained with the electrode configuration shown in FIG. 4B with respect to the reverse phase vibration shown in FIG. The voltage due to the in-phase vibration cancels the plus component and the minus component by the connection in FIG. 4B and does not appear at the output terminal.
[0027]
As described above, the present invention Reference example In Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-207, the drive vibration is generated by utilizing the piezoelectric transverse effect of the piezoelectric single crystal, and the detection of the angular velocity employs an electrode configuration that detects only the reverse-phase vibration caused by the angular velocity.
[0028]
The electrode configuration combining the drive electrodes and the detection electrodes described above is Reference example FIG. FIG. 5A is a front view of the tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope, and FIG. 5B is a plan view. The
[0029]
The areas of the
[0030]
Here, based on the electrode structure shown in FIG. 5, a modified example of the detection electrode configuration will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. FIGS. 6 (a) to 6 (l) utilize the above-described detection electrode configuration of FIG. 3 (b) and divide the detection electrodes into two groups, and FIGS. 7 (a) to 7 (h) show the aforementioned FIG. The detection electrodes are divided into three groups using the detection electrode configuration of (b). For ease of illustration, reference numerals for the electrodes provided on the
[0031]
The electrode configuration shown in FIG. 6A is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0032]
The electrode configuration shown in FIG. 6B is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0033]
The electrode configuration shown in FIG. 6C is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0034]
The electrode configuration shown in FIG. 6 (f) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0035]
The electrode configuration shown in FIG. 6 (g) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0036]
The electrode configuration shown in FIG. 6H is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0037]
The electrode configuration shown in FIG. 6 (i) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0038]
The electrode configuration shown in FIG. 6 (j) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0039]
The electrode configuration shown in FIG. 6 (k) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0040]
The electrode configuration shown in FIG. 6 (l) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0041]
Next, an electrode configuration using the detection electrode configuration of FIG. 4B will be described with reference to FIGS.
[0042]
The electrode configuration shown in FIG. 7A is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0043]
The electrode configuration shown in FIG. 7B is as follows. Among the detection electrodes provided on the
[0044]
The electrode configuration shown in FIG. 7C is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0045]
The electrode configuration shown in FIG. 7D is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0046]
The electrode configuration shown in FIG. 7E is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0047]
The electrode configuration shown in FIG. 7 (f) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0048]
The electrode configuration shown in FIG. 7 (g) is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0049]
As described above, by providing the detection electrodes on the four or three surfaces of each arm and using the above-described wiring, it is possible to accurately detect the rotational angular velocity with a simple configuration.
[0050]
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a tuning fork type piezoelectric vibration gyro having the electrode configuration shown in FIG. 7 (g). In order to make the configuration of the electrodes easy to understand, the thickness of the electrodes and the like are emphasized. 8A is a front view, FIG. 8B is a right side view, FIG. 8C is a rear view, and FIG. 8D is a plan view.
[0051]
The
[0052]
Next, an electrode configuration different from the above-described electrode configuration will be described.
[0053]
In the above-described electrode configuration, the
[0054]
FIG. 9 is a diagram showing this electrode configuration. FIG. 9A is a front view of the gyro, and FIG. 9B is a plan view of the gyro.
[0055]
When a drive signal is applied to the
[0056]
FIG. 10 shows such an electrode configuration. 10A is a front view of a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope having the above-described electrode configuration, FIG. 10B is a right side view, and FIG. 10C is a plan view. The
[0057]
In the configuration shown in FIG. 10, the capacitance ratio is, for example, 136 on the drive electrode side and 278 on the detection electrode side, such that the capacitance ratio between the drive side and the detection side is large as in the conventional configuration. Never.
[0058]
FIG. 11 is a diagram showing an electrode configuration in the electrode arrangement shown in FIG. FIG. 11A shows a configuration in which the rotational angular velocity is detected by a potential difference between two detection electrodes. FIGS. 11B and 11C show a configuration in which the rotational angular velocity is determined by the potential difference (differential amplification) between the two electrodes with respect to a reference electrode. This is a configuration for detecting.
[0059]
The electrode configuration shown in FIG. 11A is as follows. Among the detection electrodes provided on the
[0060]
The electrode configuration shown in FIG. 11C is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0061]
12A and 12B show a modification of the tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope shown in FIG. 10, wherein FIG. 12A is a front view, FIG. 12B is a right side view, and FIG. 12C is a plan view. The
[0062]
Each of the
Even if the drive electrodes are provided not on the inside of the front and back surfaces of the
[0063]
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing a tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope having this electrode configuration, wherein FIG. 13A is a front view and FIG. 13B is a plan view.
[0064]
The
[0065]
FIG. 14 is a diagram showing the connection of the detection electrodes. FIG. 14A shows a configuration in which the rotational angular velocity is detected by a potential difference between two detection electrodes. FIGS. 14B and 14C show a configuration in which the rotational angular velocity is determined by a potential difference (differential amplification) between the two electrodes with respect to a reference electrode. This is a configuration for detecting.
[0066]
The electrode configuration shown in FIG. 14A is as follows. Among the detection electrodes provided on the
[0067]
The electrode configuration shown in FIG. 14C is as follows. Of the detection electrodes provided on the
[0068]
15A and 15B are diagrams showing a tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope having the electrode configuration shown in FIG. 14B, wherein FIG. 15A is a front view and FIG. 15B is a plan view. The
[0069]
FIG. Reference example It is a figure for explaining composition and operation of a detection circuit which detects an output voltage of a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope. In FIG. 16,
[0070]
When a rectangular wave is given to the
[0071]
As described above, the present invention Reference example Was explained. the above Reference example As can be seen from the above, the rotation angular velocity can be detected with high accuracy and with a simpler configuration than in the prior art without detecting unnecessary vibration. The wiring is simple and suitable for mass production.
[0072]
By the way, Reference example In this case, it is necessary to provide detection electrodes on four or three surfaces of each arm. However, the present inventor has provided drive electrodes and detection electrodes only on two surfaces of each arm, can maintain the required sensitivity, and has a simple electrode configuration. The configuration of a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope suitable for mass production was studied. This study focuses on the difference in electric field distribution between the drive mode and the detection mode shown in FIG. 18 based on the items shown in FIG. The following description includes portions that partially overlap with the items already described, but this is to make the description easier to understand.
[0073]
First, FIGS. 17A and 17C are perspective views showing the same tuning-fork type piezoelectric vibration gyro. It should be noted that only an element portion made of a piezoelectric material such as a piezoelectric single crystal is shown, and electrodes are not shown. The tuning fork type
[0074]
As shown in FIG. 17B,
[0075]
When a rotational motion is applied to the vibration axis of the tuning fork vibration, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the vibration direction as in the following equation of motion.
Zx ηx ≒ Fx + 2my Ω0 ηy
Zy ηy ≒ Fy -2mx Ω0 ηx
Here, Zx, Zy are the mechanical impedances in the X-axis and Y-axis directions shown in FIG. 19, ηx, ηy are the velocities in the x-axis and y-axis directions, respectively, and Fx, Fy are the Coriolis in the X-axis and Y-axis directions, respectively. Force, mx, and my are the masses in the x-axis and y-axis directions, respectively, and Ω0 is the angular velocity. The tuning fork shown in FIG. 18 is made of a piezoelectric single crystal, and has a rotation axis as an X axis. 3 40 ° ± 20 ° rotating Z plate and LiNbO 3 A trigonal crystal such as a 50 ° ± 20 ° rotating Z plate can be used. The crystal orientation of the piezoelectric single crystal is in the thickness direction.
[0076]
Therefore, as shown in FIG. 17D,
[0077]
In this case, the present inventor pays attention to the difference in the charge distribution between the drive mode and the detection mode shown in FIG. Instead, it was found that the detection mode could be received only on two surfaces of each arm.
[0078]
FIG. 18A shows the fx mode electric field distribution, and FIG. 18B shows the fy mode electric field distribution. In FIGS. 18A and 18B, symbols A to H indicate the charge distributions (and their potentials) generated in the
[0079]
FIG. 18A shows a case where the tuning fork vibration is driven by the electrode configuration shown in FIG. 17B. FIG. 18B shows a charge distribution when a Coriolis force due to angular velocity is generated in the state shown in FIG. It was found that the location, polarity and amount of charge generated due to the anisotropy are as shown in the figure. In the present invention, in the charge distribution shown in FIG. 18B, electrodes are provided at a position where the charge is maximum or relatively large and a position where the charge is minimum or relatively small, and an angular velocity is detected by outputting a potential difference generated here. For example, the electrodes are arranged so as to detect a potential difference between the charge distributions A and E in FIG. More specifically, electrodes are provided inside the upper surfaces of the
[0080]
Note that in FIG. 18A, when A to H are potentials (potentials), the magnitude relation between them is as follows.
[0081]
A = -D = -E = H> -B = C = F = -G
In FIG. 18B, the magnitude relation between the potentials A to H is as follows.
[0082]
A = -E> -B = -D = F = H> C = G
Note that the electric charge distribution shown in FIG. 18 is not necessarily limited to detecting the potential difference due to the Coriolis force from the inner electrode as shown in FIG. It can be seen that the potential difference may be detected using the electrodes on the outer part. For example, when the potential difference between the charge distributions A and E is detected using the electrodes in the outer portion as the detection electrodes, the detection sensitivity is lower because the spread of the charge distributions A and E is smaller in the outer portion than in the inner portion. Although falling, the potential difference between the charge distributions A and E can be detected.
[0083]
As described above, by providing the detection electrode and the drive electrode only on two surfaces of each arm without providing the detection electrodes on four or three surfaces, the potential difference (voltage proportional to the angular velocity) due to the Coriolis force can be detected. Can be.
[0084]
FIG. 20 is a perspective view of the tuning-fork type piezoelectric vibration gyro of the present invention having the
[0085]
Hereinafter, first to ninth electrode configuration examples based on FIG. 18 will be described.
[0086]
FIG. 21 is a diagram illustrating a first electrode configuration example. In the figure, the
[0087]
FIG. 22 is a diagram illustrating a second electrode configuration example. In the figure, the
[0088]
FIG. 23 is a diagram illustrating a third electrode configuration example. As shown in FIG. 23,
[0089]
FIG. Reference example of electrode configuration FIG. The configuration shown in FIG. 24 is different from the configurations shown in FIGS. 21 and 22 in that the detection electrode and the drive electrode are provided on the same surface side of the
[0090]
FIG. Reference example of electrode configuration FIG. Shown in FIG. The configuration is characterized in that the
[0091]
FIG. 26 is a diagram showing a differential amplifier circuit including the
[0092]
FIG. Reference example of electrode configuration FIG. The configuration shown in FIG. 27 detects a potential difference caused by the amount of charge stored in the
[0093]
FIG. Reference example of electrode configuration FIG. This electrode configuration corresponds to a simplified version of the electrode configuration shown in FIG. That is, the
[0094]
FIG. Reference example of electrode configuration FIG. In this configuration, electrodes on both surfaces of the
[0095]
FIG. Reference example of electrode configuration FIG. This configuration corresponds to a simplified version of the eighth electrode configuration example shown in FIG. Specifically, the driving voltage is applied only from one of the
[0096]
In the above embodiment, the
[0097]
FIG. 31 is a diagram showing the relationship between the electrode size and the three parameters. More specifically, FIG. 31A shows the relationship between the electrode size and the resonance resistance (kΩ), FIG. 31B shows the relationship between the electrode size and the capacitance ratio (γ), and FIG. It is a graph which shows the relationship with Q value. The electrode size is such that the electrodes are provided on the entire two opposing surfaces of the two arms, and the electrodes of the two arms are trimmed by the same amount with laser light to gradually reduce the area. Is the total area. An area that maximizes the Q value and minimizes the capacitance ratio (γ) is preferable. Now the electrode size is 2mm 2 When the width of each arm is 1.0 mm and the length of the arm is 7.5 mm, the electrodes provided on each of the two opposing surfaces of each arm have a size less than half the arm width of 1.0 mm. (For example, 0.3 mm). Therefore, it can be seen that even when the total width of the drive electrodes on each surface is smaller than the arm width, the fx mode vibration is favorably generated.
[0098]
FIG. 32 is a diagram showing the relationship between the detection electrode size and the above three parameters. More specifically, FIG. 32A shows the relationship between the detection electrode size and the resonance resistance (kΩ), FIG. 31B shows the relationship between the detection electrode size and the capacitance ratio (γ), and FIG. 5 is a graph showing a relationship between an electrode size and a Q value. The detection electrode size is such that electrodes are provided on the entire two opposing surfaces of the two arms, and the electrodes of the two arms are trimmed by the same amount with laser light to gradually reduce the area of each arm. It is the total area for each. An area that maximizes the Q value and minimizes the capacitance ratio (γ) is preferable. From FIG. 32, the larger the detection electrode is, the more the above condition is satisfied.
[0099]
As described above, from FIGS. 31 and 32, if the drive electrode is relatively small and the detection electrode is relatively large, the capacitance ratio of the detection electrode can be reduced, that is, the sensitivity can be increased.
[0100]
The embodiments of the present invention have been described above. As can be seen from the above description, in the present invention, since the electrodes are provided only on two surfaces of each arm, the required sensitivity can be maintained, and a simpler electrode configuration is more suitable for mass production.
[0101]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0102]
According to the first aspect of the present invention, in a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope having a first arm, a second arm and a base for supporting the first arm and the second arm, predetermined two surfaces of each of the first and second arms are provided. A driving electrode for driving the tuning fork vibration only, a detection electrode for detecting the rotational angular velocity, and a ground electrode set to a reference potential, wherein the driving electrode, the detection electrode, and the ground electrode drive the tuning fork type piezoelectric vibration gyro. The first arm and the second arm are arranged symmetrically with respect to a center plane of vibration. Each of the two specified surfaces Is provided with only two types of electrodes out of the drive electrode, the detection electrode, and the ground electrode, so that a required sensitivity can be maintained, and a tuning fork type piezoelectric vibration gyro suitable for mass production with a simple electrode configuration is provided. be able to.
[0103]
According to the invention described in
[0104]
According to the invention described in
[0105]
According to the invention described in
[0109]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a reference example of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a principle in which unnecessary vibration is not detected according to a reference example of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an electrode configuration for detecting a rotational angular velocity according to a reference example of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing another electrode configuration for detecting a rotational angular velocity according to a reference example of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a reference example of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration and a wiring example of a detection electrode illustrated in FIG. 5;
FIG. 7 is a diagram showing another configuration and a wiring example of the detection electrode shown in FIG.
8 is a diagram showing a configuration of a tuning fork type piezoelectric vibration gyro having the electrode configuration shown in FIG. 7 (g).
FIG. 9 is a diagram showing the principle of another configuration example of the drive electrode for driving the tuning fork vibration.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a tuning fork type piezoelectric vibration gyro based on the configuration shown in FIG. 9;
11 is a diagram showing a configuration and an example of wiring of a detection electrode shown in FIG.
FIG. 12 is a diagram showing a modification of the configuration shown in FIG. 10;
FIG. 13 is a diagram showing the principle of still another configuration example of the drive electrode for driving the tuning fork vibration.
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration and a wiring example of a detection electrode illustrated in FIG. 13;
15 is a diagram showing a configuration of a tuning-fork type piezoelectric vibration gyro based on the configuration shown in FIG.
FIG. 16 is a diagram for explaining the configuration and operation of a detection circuit for detecting the output voltage of the tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope according to the reference example of the present invention.
FIG. 17 is a diagram for explaining the operation principle of the two-sided electrode configuration of the tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope.
FIG. 18 is a diagram showing a charge distribution in a vibration mode of a tuning-fork type piezoelectric vibration gyro.
FIG. 19 is a diagram showing a crystal orientation of a piezoelectric single crystal.
FIG. 20 is a perspective view showing one embodiment of a two-surface electrode configuration of the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing a first electrode configuration example according to the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a second electrode configuration example according to the present invention.
FIG. 23 is a diagram showing a third electrode configuration example according to the present invention.
FIG. 24 according to the invention Reference example of electrode configuration FIG.
FIG. 25 according to the invention Reference example of electrode configuration FIG.
FIG. 26 is a diagram showing a differential amplifier circuit used in the configuration shown in FIG. 9;
FIG. 27 according to the invention Reference example of electrode configuration FIG.
FIG. 28 according to the invention Reference example of electrode configuration FIG.
FIG. 29 according to the invention Reference example of electrode configuration FIG.
FIG. 30 according to the invention Reference example of electrode configuration FIG.
FIG. 31 is a diagram showing a relationship between an electrode size and each parameter.
FIG. 32 is a diagram showing a relationship between a detection electrode size and each parameter.
FIG. 33 is a diagram showing a configuration example of a conventional tuning-fork type piezoelectric vibration gyro.
FIG. 34 is a diagram showing another configuration example of a conventional tuning-fork type piezoelectric vibration gyro.
FIG. 35 is a view showing still another configuration example of a conventional tuning-fork type piezoelectric vibration gyro.
FIG. 36 is a diagram showing a problem of the related art.
[Explanation of symbols]
20 arms
22 arm
24 base
26a-26d detection electrode
27a-27b Detection electrode
28a, 28b drive electrode
46a-46c detection electrode
47a-47c detection electrode
48a, 48b drive electrode
56a-56c detection electrode
57a-57c detection electrode
58a, 58b drive electrode
86a-86c detection electrode
87a-87c detection electrode
88a, 88b Drive electrode
100 The tuning fork type piezoelectric vibration gyro of the present invention
110 tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope
112 arm
114 arm
116 base
131-138 electrode
132A, 138A Full surface electrode
141-144 extraction electrode
145 to 148 terminals
151 drive source
152-155 Operational Amplifier (Op Amp)
R1, R2 resistance
Claims (6)
前記第1及び第2のアームのそれぞれの所定の2面にのみ音叉振動を駆動させる駆動電極と、回転角速度を検出する検出電極と、基準電位に設定された接地電極とを設け、前記駆動電極、検出電極、接地電極は前記音叉型圧電振動ジャイロの駆動振動の中心面に対し対称に配置されるとともに、前記第1及び第2のアームのそれぞれの所定の2面の、各々の面には前記駆動電極、検出電極、接地電極のうち二種類の電極のみが配置され、
前記第1のアーム、第2のアーム及びこれらを支持するベースは、圧電単結晶で一体的に形成されていることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ。In a tuning fork type piezoelectric vibrating gyroscope having a first arm, a second arm, and a base for supporting the first arm and the second arm,
A drive electrode for driving the tuning fork vibration only on predetermined two surfaces of the first and second arms, a detection electrode for detecting a rotational angular velocity, and a ground electrode set to a reference potential, wherein the drive electrode , The detection electrode and the ground electrode are arranged symmetrically with respect to the center plane of the driving vibration of the tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope, and each of the predetermined two surfaces of the first and second arms has Only two types of electrodes among the drive electrode, the detection electrode, and the ground electrode are arranged,
The tuning fork type piezoelectric vibration gyro, wherein the first arm, the second arm, and a base supporting the first arm and the second arm are integrally formed of a piezoelectric single crystal.
前記検出電極は前記第1の面に対向する第1及び第2のアームの各々の第2の面に設けられ、
角速度に応じた電圧は、第1及び第2のアームの第2の面にそれぞれ設けられた検出電極間の電位差として得られることを特徴とする請求項1記載の音叉型圧電振動ジャイロ。The drive electrode is provided on a first surface of each of the first and second arms,
The detection electrode is provided on a second surface of each of the first and second arms facing the first surface,
2. The tuning fork type piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein the voltage corresponding to the angular velocity is obtained as a potential difference between detection electrodes provided on the second surface of the first and second arms, respectively.
前記検出電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面に設けられ、
角速度に応じた電圧は、第1及び第2のアームの第1の面にそれぞれ設けられた検出電極間の電位差として得られることを特徴とする請求項1記載の音叉型圧電振動ジャイロ。The drive electrode is provided on a first surface of each of the first and second arms,
The detection electrode is provided on a first surface of each of the first and second arms,
2. The tuning-fork type piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein the voltage corresponding to the angular velocity is obtained as a potential difference between detection electrodes provided on the first surface of the first and second arms.
前記検出電極は第1及び第2のアームの各々の第1の面、並びに前記第1の面に対向する第1及び第2のアームの各々の第2の面に設けられ、
角速度に応じた電圧は、第1のアームの第1及び第2の面に設けられた検出電極と、第2のアームの第1及び第2の面に設けられた検出電極との間の電位差として得られることを特徴とする請求項1記載の音叉型圧電振動ジャイロ。The drive electrode is provided on a first surface of each of the first and second arms,
The detection electrode is provided on a first surface of each of the first and second arms, and on a second surface of each of the first and second arms opposed to the first surface,
The voltage corresponding to the angular velocity is a potential difference between the detection electrodes provided on the first and second surfaces of the first arm and the detection electrodes provided on the first and second surfaces of the second arm. The tuning-fork type piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein the gyro is obtained as:
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