JP3665978B2 - Energy-confined piezoelectric vibration gyroscope - Google Patents

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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ためのジャイロスコープに関し、特に、圧電振動子のエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロスコープに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
圧電振動ジャイロスコープ(以下簡単のために圧電振動ジャイロと呼ぶ)は、圧電振動子を一定方向に励振しておいた状態で、該圧電振動子がその励振方向に直角な方向の軸の周りにに回転した際、その励振方向及び回転軸に直角の方向に生ずるコリオリ力を検知して、回転角速度を検出するもので、種々の応用があるが、最近では、例えば、自動車のナビゲーションシステムや、VTRカメラの手振れ補正機構などに用いられるようになって来ている。
【0003】
圧電振動ジャイロとして、振動のエネルギーが駆動電極近傍に集中しているエネルギー閉じ込め振動モードで振動する圧電振動子を用いたエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロが、例えば、特開昭62−162915号や特開平5−322580号に提案されている。
【0004】
エネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロは、振動エネルギーが圧電振動子の局部に集中しているので、圧電振動子の支持が簡単容易であり、遊離しているリード線が不要であるとの利点がある。
【0005】
特開昭62−162915号は、振動エネルギーを局部に閉じ込めるために、振動子の厚みを局部的に厚く形成しその部分を厚み方向に分極し、厚い局部の対向端面に駆動電極を設け、対向側面に検出電極を設けたものを開示している。また、他の例として、駆動電極と検出電極を圧電板の一面に設け、駆動電極間に検出電極として交差指電極を設けたものを開示している。
【0006】
特開平5−322580号は、圧電板の一部領域を厚み方向に分極し、その分極領域の主面上に2組の対向電極を、対向方向を直角にして設け、一方の対向電極を駆動電極に、他方の対向電極を検出電極とした圧電振動ジャイロを開示している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭62−162915号に開示したエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロは、圧電板の厚みを局部的に厚くしなければならないとか交差指電極を形成しなければならないといった製造上の難点がある。また、一対の駆動電極と一対の検出電極が互いに近傍に設けられているので、駆動電極から圧電板内に印加した駆動電界が検出電極に影響され、駆動電界方向が変化して精度が得られないとの欠点が見られる。
【0008】
特開平5−322580号に開示したエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロは、構成は簡単で製造も容易であるが、一対の駆動電極と一対の検出電極が互いに近傍に設けられているので、駆動電極から圧電板内に印加した駆動電界が検出電極に影響され、駆動電界方向が変化し、精度の良い検出出力を得ることが困難である。
【0009】
従って、本発明は、小型で、構造及び製造が簡単、高精度のエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
【0010】
本発明は、圧電板の主面の限定された領域に出力電極を駆動電極の一部に共用することによって、出力電極が駆動電界に悪影響を与えないようにしたエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電板の厚さ方向に分極を有する部分の主面上であって第一の方向に互いに所定間隔離れた二位置の内、一方の位置に前記第一の方向に直角の方向にストリップ状の第1の電極を設けると共に、他方の位置に前記第一の方向とほぼ直角の方向に互いに間隔をおいて延在したストリップ状の第2および第3の電極を形成し、前記第1の電極と前記第2及び第3の電極との間に励振用の駆動電圧を印加し、前記第2及び第3の電極に生じるコリオリ力による振動に対応した起電力を検出するようにし、前記第1の電極と前記第2および第3の電極との間に生ずる厚みすべり振動のエネルギー閉じ込めモードを利用した圧電振動ジャイロスコープであって、前記第1、第2および第3の電極で囲まれたエネルギー閉じ込め振動の生ずる振動領域上のみに、質量付加用の絶縁膜を設けたことを特徴とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコープである。
【0012】
本発明の圧電振動ジャイロスコープにおいては、前記第2及び第3の電極はそれぞれ仮想接地機能を備えた第1及び第2の電流検出回路に接続してあり、前記第1の電極に励振用の駆動電圧を印加し、前記第1及び第2の電流検出回路出力間に生ずる差電圧から検出出力を得る構成とする。
【0013】
本発明の圧電振動ジャイロスコープは、駆動及び検出回路として、前記第1及び第2の電流検出回路の出力間に接続され該両電流検出回路の出力電圧の差を検出するための差動回路と、該差動回路出力に接続された同期検波回路と、該同期検波回路の出力に接続された整流回路と、前記第1及び第2の電流検出回路の出力間に接続され自励振駆動用周波数の信号を発振するための発振回路と、該発振回路の出力に接続され前記自励振駆動用周波数の交流電圧を前記第1の電極に印加する駆動回路とを備えると良い。
【0014】
前記圧電板としては、圧電セラミックスを用い、該圧電セラミックスの前記第1乃至第3の電極間及びその近傍の領域のみを厚さ方向に分極するものとする。
【0015】
また、前記圧電板として厚み方向に分極軸を有する圧電結晶板を用いることもできる。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施例におけるエネルギ一閉じ込め型振動ジャイロの振動子の構成を示す斜視図である。図1に示すように、圧電振動子は、例えば、PZTやチタン酸バリウムなどの圧電セラミックス板で構成した、中央部が厚さ方向に分極軸を有する圧電板10を用いる。この圧電板10の前記中央部の主面上にストリップ状の第1の電極11が設けられている。この第1の電極11と所定距離だけ離れた位置に該第1の電極と平行に、第2の電極12および第3の電極13が互いに離れて形成れている。これら電極11、12、13には、外部に導出するための端子部が14、15、16が接続されている。なお、これら電極および端子部は、銀ペーストあるいは金スパッタで構成されると良い。もちろん他の導電膜を採用することができる。外部に導出するための端子部は振動子上に設けずにリード線を用いても良い。
【0017】
圧電板のストリップ状の電極11、12および13で囲まれた振動領域の上(電極の部分も含む)には、振動領域に質量を付加するために、絶縁膜17が形成されている。この絶縁膜17としては、SiO2膜、MgF2膜、あるいは、フリットガラス等が適当である。
【0018】
もちろんその上から、圧電板の全面に亘って、保護用の絶縁膜を一様に施しても良い。
【0019】
今、図示のとおり、厚み方向をZ軸、電極の対向方向をX軸、これらに直交する方向をY軸とする三次元座標を決める。
【0020】
第1の電極11と第2および第3の電極との間に駆動電圧(交流)を印加すると、X方向の振動が励振される。この状態で、圧電板10がZ軸の周りに回転すると、Y方向にコリオリ力による振動が発生し、これにより、第2および第3の電極間に起電力が発生する。この起電力を検知することによって、コリオリ力による振動の大きさを、したがって、回転角速度を検出することができる。
【0021】
なお、振動のエネルギーは圧電板の前記中央部に閉じ込められ、周辺に及ばないので、圧電板の周辺部を支持することが容易である。
【0022】
なお、振動領域に絶縁膜17が存在することによって、効率良く振動エネルギーが閉じ込められるので、スプリアスが少なく、漏れ振動の少ないエネルギー閉じ込め振動が得られる。
【0023】
図2は図1の圧電振動子1に接続される回路構成を示すブロック図である。図2を参照をすると、圧電振動子1の第2及び第3の電極12及び13には、電流検出回路18、19がそれぞれ接続されている。電流検出回路18、19の出力側には、差動回路22が接続され、同期検波回路23、整流回路24を介して、圧電振動ジャイロの検出出力が得られる。一方、電流検出回路18、19は自励発振条件を満たすための発振回路25に接続され、X方向振動を与えるための駆動回路26を介して第1の電極11に接続されており、自励発振回路を構成している。この自励発振回路により圧電振動子の厚みすベり振動の共振周波数にほぼ等しい周波数の交流電圧が電極11に印加される。
【0024】
図3は、図2の電流検出回路18、19の構成例を示す図で、第2および第3の電極12および13を仮想的に接地させる機能を備えるものである。この回路は、演算増幅器31の非反転入力端子(+)は基準電圧に接地されており、演算増幅器31の出力端子から反転入力端子に抵抗器Rが接続されている。反転入力端子(−)は,演算増幅器の仮想接地機能により常に前記の接地基準電位に保たれる。この反転端子に電流が流入すると、抵抗器Rにより電圧に変換される。すなわち、Vout=−iRなる出力を得る。すなわち、この電流検出回路は、機能的には入カインピーダンスがほぼ0で、入力電流に比例した出力電圧を得ることが出来る回路である。
【0025】
この電流検出回路を図2の電流検出回路18および19に用いる。その際、反転入力端子(−)を第2および第3の電極12および13に接続する。これにより、駆動電圧は、第1の電極11と第2および第3の電極12および13との間に加わることになり、第2および第3の電極12および13間の起電力は、電流検出回路18および19の出力間の電位差として検出できることになる。
【0026】
次に、本発明の上記した実施の形態における圧電振動子の駆動原理を、図面を参照して具体的に説明する。
【0027】
図4(a)及び(b)は、図1および図2に示したエネルギー閉じ込め型振動子の基本構造をそれぞれ示す平面図及び電極部分のみを示す断面図である。図4(a)及び(b)を参照すると、厚さ方向(Z軸方向)に分極された圧電板10の中央部の同一面上に、X軸方向に間隔を持って対向するスリット状の電極D1およびD2が形成されている。なお、T1およびT2は端子部である。端子T1およびT2間に電圧を印加すると、対向する電極D1およびD2の間の圧電板10の領域(電極間領域)には、ほぼ板の面に平行な方向(X方向)の電界が印加されるため、この電界と直交する厚さ方向(Z軸方向)の分極との相互作用により、電極間領域にはX方向にひずみが生ずることになる。電極D1、D2の寸法を圧電板10の特性に合わせて設計し、印加電圧を電極間領域の共振周波数に合った周波数の交流電圧とすると、電極間領域に厚みすべり振動を励起することができる。その振動は電極間領域の周囲には減衰して伝搬せずに閉じ込められる。すなわちエネルギー閉じ込め振動子を構成することができる。また、この振動は、圧電板の面に平行な電界によって生ずる厚みすべり振動であるので、平行電界励振型厚みすべり振動と呼ばれる。なお、厚みすべり振動とは、圧電板の変位の方向が板面に平行で、波の伝搬方向が板の厚さ方向の振動である。この振動の様子を図解するために、図5に半波長で共振している場合の厚さ方向(Z軸方向)の変位分布を示す。
【0028】
図1および図2の振動子は、上の基本構造を利用したものである。すなわち、第1の電極11がD1電極であり、これと対向する、第2の電極12および第3の電極13がD2電極である。D2電極は、検出電極を構成するために2分割され第2の電極12および第3の電極13を構成し、それぞれ仮想接地機能を備える電流検出回路18および19に接続している。これにより、第2の電極12および第3の電極13は、仮想的に基準電位に保たれているから、電位的には接地端子とみなすことができる。従って、第1の電極11に前記圧電板の厚みすベり振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の励振用の駆動電圧を印加すると、図4の振動子と同様に、第1、第2、および第3の電極11、12および13によって囲まれる領域(電極間領域)に、第1の電極11の中心と、第2および第3の電極12および13の中心を結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向(X方向)のエネルギー閉じ込め振動モードの厚みすベり振動が発生する。
【0029】
この状態で、前記圧電板10をその主面と直交する軸の回りに回転させたると、コリオリ力の作用により、前記励振されている厚みすベり振動の方向と直角な方向(Y方向)の厚みすベり振動が発生する。このコリオリ力により発生した厚みすベり振動により、第1の電極11と第2の電極12の間、および第1の電極11と第3の電極13との間のインピーダンスが変化し、その結果として、前記電流検出回路18及び19に流れ込む電流値が変化する。第2の電極12と第3の電極13は前述したように、励振されている厚みすベり振動の方向(X方向)に対して対称に配置されているため、電流検出回路18、19に流れ込むコリオリ力による振動によって変化する電流は、振幅が等しく、互いに180度位相の異なった電流となる。従って、電流検出回路18および19の出力電圧も、互いに180度位相の異なった電圧となり、これらの出力電圧の差を差動回路22により差電圧として検出し、同期検波回路23によってこの電圧を所定のタイミングで同期検波し、整流回路24で整流することにより、印加した回転角速度に比例した直流の出力電圧を検出出力として得ることが出来る。
【0030】
一方、電流検出回路18、19は自励発振条件を満足するための発振回路25と駆動回路26を介して電極11に接続され、自励発振ループを構成している。これにより、振動子の共振周波数を自動的に迫尾して効率よく振動子を駆動できるから、高感度なジャイロを得ることができる。
【0031】
図6は、他の回路構成を示すもので、第1の電極11を接地し、第2および第3の電極間に抵抗R1およびR2の直列回路からなる分圧回路を接続し、その分圧電圧で発振駆動回路27を制御する。この発振駆動回路は、接地され、これにより、第1の電極11と第2および第3の電極との間に駆動電圧が印加される。なお、発振駆動回路27は図2の発振回路25と駆動回路26とからなるものである。分圧回路の両端は、差動回路22に接続される。この差動回路22、検波回路23、整流回路24は、図2と同様である。
【0032】
ここで、本発明に用いる圧電板が「厚み方向の分極を有する」とは、厚み方向にのみ分極されているものに限定するものではなく、厚み方向の分極成分を有するものも含むものとする。もちろん厚み方向の分極成分の大きな方が良いので、厚み方向のみに分極されているものが最も有利である。
【0033】
圧電板10として圧電セラミックスを用いた場合には、公知のように分極処理を必要とするが、分極領域は、圧電板の全体に亘っても良いし、振動を閉じ込める領域のみに限っても良い。
【0034】
圧電板10として、圧電結晶板(例えば水晶、LiNbO3、LiTO3等)を用いることができる。その場合、厚み方向の分極軸を持たせるために、Zカットの板が最も好ましいが、回転Yカットの板を用いることもできる。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電板の主面上に平行に配置した1対のスリット状電極のみを用いて駆動を行い、該一対の電極の内の一方の電極を2分割して検出電極として検出を行うので、駆動電界が検出電極の存在によって悪影響を受けず、X方向振動を励振するための電界を保ったままY方向振動を検出することができ、高精度高感度の振動ジャイロを得ることができる。又、エネルギ一閉じ込め振動を用いているから支持が容易で信頼性の高いジャイロを得ることができる。更に、振動領域のみに、質量付加用の絶縁膜を設けたので、振動が質量の増加した振動領域のみに集中しやすくなり、スプリアスの少ない且つ漏れ振動の少ないエネルギ一閉じ込め型振動子を実現できるので、支持などの固定による特性変化や外乱の影響の少ない、精度の良い圧電振動ジャイロが得られる。
【0036】
又、局部的に厚みの異なる圧電板を形成したり、複雑な電極構造を形成する必要もなく、振動子としては任意形状の圧電板の所定領域に1対の平行電極(但し一方は2分割する必要があるが)を形成し、振動領域に絶縁膜を塗布等により設けるのみで良いので、構造および製造も簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による圧電振動子の構成を示す斜視図である。
【図2】圧電振動子を用いたジャイロの回路構成を示すブロック図である。
【図3】図2の回路で用いる電流検出回路の一例を示す回路図である。
【図4】図1および図2の圧電振動子に採用した振動子基本構造を示す図で、(a)は平面図、(b)は、電極の端子部を除いた側面図である。
【図5】図4の基本構造の振動子の厚みすべり振動における厚み方向の変位分布を示す図である。
【図6】圧電振動子を用いたジャイロの他の回路構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 圧電振動子
10 圧電板
11 第1の電極
12 第2の電極
13 第3の電極
14、15、16 端子部
17 絶縁膜
18 電流検出回路
19 電流検出回路
22 差動回路
23 同期検波回路
24 整流回路
25 発振回路
26 駆動回路
27 発振駆動回路
31 演算増幅器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gyroscope for detecting a rotational angular velocity, and more particularly to a piezoelectric vibration gyroscope using an energy confinement vibration mode of a piezoelectric vibrator.
[0002]
[Prior art]
A piezoelectric vibration gyroscope (hereinafter referred to as a piezoelectric vibration gyro for the sake of simplicity) is a state where a piezoelectric vibrator is excited in a certain direction, and the piezoelectric vibrator is rotated around an axis perpendicular to the excitation direction. , The Coriolis force generated in the direction perpendicular to the excitation direction and the rotation axis is detected, and the rotational angular velocity is detected, and there are various applications. Recently, for example, a car navigation system, It has come to be used for a camera shake correction mechanism of a VTR camera.
[0003]
As a piezoelectric vibration gyro, a piezoelectric vibration gyro using an energy confinement vibration mode using a piezoelectric vibrator that vibrates in an energy confinement vibration mode in which vibration energy is concentrated in the vicinity of a drive electrode is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-162915. And Japanese Patent Laid-Open No. 5-322580.
[0004]
The piezoelectric vibration gyro using the energy confinement vibration mode is that the vibration energy is concentrated on the local part of the piezoelectric vibrator, so that the piezoelectric vibrator can be supported easily and easily, and there is no need for a free lead wire. There are advantages.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-162915 discloses that in order to confine vibration energy locally, the vibrator is locally thickened, the portion is polarized in the thickness direction, and a drive electrode is provided on the opposed end face of the thick local area. A device in which a detection electrode is provided on a side surface is disclosed. As another example, a drive electrode and a detection electrode are provided on one surface of a piezoelectric plate, and a cross finger electrode is provided as a detection electrode between the drive electrodes.
[0006]
In Japanese Patent Laid-Open No. 5-322580, a partial area of a piezoelectric plate is polarized in the thickness direction, two sets of counter electrodes are provided on the main surface of the polarization area, and the counter directions are perpendicular, and one counter electrode is driven A piezoelectric vibration gyro using the other counter electrode as a detection electrode is disclosed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The piezoelectric vibration gyro using the energy confinement vibration mode disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-162915 has a manufacturing difficulty in that the thickness of the piezoelectric plate must be locally increased or the cross finger electrode must be formed. There is. In addition, since the pair of drive electrodes and the pair of detection electrodes are provided in the vicinity of each other, the drive electric field applied from the drive electrodes into the piezoelectric plate is affected by the detection electrodes, and the direction of the drive electric field changes and accuracy is obtained. There is a drawback of not.
[0008]
The piezoelectric vibration gyro using the energy confinement vibration mode disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-322580 is simple in configuration and easy to manufacture, but a pair of drive electrodes and a pair of detection electrodes are provided in the vicinity of each other. The drive electric field applied from the drive electrode into the piezoelectric plate is affected by the detection electrode, the drive electric field direction changes, and it is difficult to obtain an accurate detection output.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration gyro using an energy confinement vibration mode that is small in size, simple in structure and manufacture, and highly accurate.
[0010]
The present invention provides a piezoelectric device using an energy confinement vibration mode in which an output electrode does not adversely affect a drive electric field by sharing an output electrode as a part of the drive electrode in a limited region of the main surface of the piezoelectric plate. An object is to provide a vibrating gyroscope.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a direction perpendicular to the first direction at one of two positions on the main surface of a portion having polarization in the thickness direction of the piezoelectric plate and spaced apart from each other by a predetermined distance in the first direction. A strip-shaped first electrode is provided on the other side, and strip-shaped second and third electrodes extending at a distance from each other in a direction substantially perpendicular to the first direction are formed at the other position, An excitation driving voltage is applied between the first electrode and the second and third electrodes, and an electromotive force corresponding to vibration caused by Coriolis force generated in the second and third electrodes is detected. A piezoelectric vibration gyroscope using an energy confinement mode of thickness shear vibration generated between the first electrode and the second and third electrodes, wherein the first, second and third electrodes Oscillation resulting in enclosed energy confinement oscillation Only on the region, is an energy-trap type piezoelectric vibrating gyroscope being characterized in that an insulating film for mass addition.
[0012]
In the piezoelectric vibrating gyroscope of the present invention, the second and third electrodes are respectively connected to first and second current detection circuits having a virtual ground function, and the first electrode is used for excitation. A driving voltage is applied, and a detection output is obtained from a differential voltage generated between the first and second current detection circuit outputs.
[0013]
A piezoelectric vibration gyroscope according to the present invention includes, as a drive and detection circuit, a differential circuit connected between outputs of the first and second current detection circuits for detecting a difference between output voltages of the current detection circuits. A self-excited driving frequency connected between the synchronous detection circuit connected to the differential circuit output, the rectifier circuit connected to the output of the synchronous detection circuit, and the outputs of the first and second current detection circuits. And an oscillation circuit for oscillating the above signal and a drive circuit connected to the output of the oscillation circuit and applying an alternating voltage of the self-excited drive frequency to the first electrode.
[0014]
As the piezoelectric plate, piezoelectric ceramics is used, and only the region between and in the vicinity of the first to third electrodes of the piezoelectric ceramics is polarized in the thickness direction.
[0015]
A piezoelectric crystal plate having a polarization axis in the thickness direction can also be used as the piezoelectric plate.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a vibrator of an energy-confined vibration gyro according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrator uses a piezoelectric plate 10 made of, for example, a piezoelectric ceramic plate such as PZT or barium titanate and having a polarization axis at the center in the thickness direction. A strip-shaped first electrode 11 is provided on the main surface of the central portion of the piezoelectric plate 10. A second electrode 12 and a third electrode 13 are formed apart from each other at a position separated from the first electrode 11 by a predetermined distance in parallel with the first electrode. These electrodes 11, 12 and 13 are connected to terminal portions 14, 15 and 16 for leading out to the outside. Note that these electrodes and terminal portions are preferably made of silver paste or gold sputtering. Of course, other conductive films can be used. A lead wire may be used without providing a terminal portion for leading to the outside on the vibrator.
[0017]
An insulating film 17 is formed on the vibration region surrounded by the strip-shaped electrodes 11, 12 and 13 of the piezoelectric plate (including the electrode portion) in order to add mass to the vibration region. As the insulating film 17, an SiO2 film, an MgF2 film, frit glass, or the like is appropriate.
[0018]
Of course, a protective insulating film may be uniformly applied over the entire surface of the piezoelectric plate.
[0019]
Now, as shown in the figure, the three-dimensional coordinates are determined with the thickness direction as the Z axis, the opposing direction of the electrodes as the X axis, and the direction perpendicular to these as the Y axis.
[0020]
When a driving voltage (alternating current) is applied between the first electrode 11 and the second and third electrodes, vibration in the X direction is excited. In this state, when the piezoelectric plate 10 rotates around the Z axis, vibration due to the Coriolis force is generated in the Y direction, and an electromotive force is generated between the second and third electrodes. By detecting this electromotive force, it is possible to detect the magnitude of vibration caused by the Coriolis force, and hence the rotational angular velocity.
[0021]
Since the vibration energy is confined in the central portion of the piezoelectric plate and does not reach the periphery, it is easy to support the peripheral portion of the piezoelectric plate.
[0022]
In addition, since the vibration energy is efficiently confined by the presence of the insulating film 17 in the vibration region, energy confinement vibration with less spurious and less leakage vibration can be obtained.
[0023]
FIG. 2 is a block diagram showing a circuit configuration connected to the piezoelectric vibrator 1 of FIG. Referring to FIG. 2, current detection circuits 18 and 19 are connected to the second and third electrodes 12 and 13 of the piezoelectric vibrator 1, respectively. A differential circuit 22 is connected to the output side of the current detection circuits 18 and 19, and a detection output of the piezoelectric vibration gyro is obtained via the synchronous detection circuit 23 and the rectification circuit 24. On the other hand, the current detection circuits 18 and 19 are connected to an oscillation circuit 25 for satisfying the self-excited oscillation condition, and are connected to the first electrode 11 via a drive circuit 26 for applying X-direction vibration. An oscillation circuit is configured. By this self-excited oscillation circuit, an AC voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the thickness shear vibration of the piezoelectric vibrator is applied to the electrode 11.
[0024]
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the current detection circuits 18 and 19 of FIG. 2 and has a function of virtually grounding the second and third electrodes 12 and 13. In this circuit, the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 31 is grounded to the reference voltage, and the resistor R is connected from the output terminal of the operational amplifier 31 to the inverting input terminal. The inverting input terminal (−) is always kept at the ground reference potential by the virtual ground function of the operational amplifier. When a current flows into the inverting terminal, it is converted into a voltage by the resistor R. That is, an output of Vout = −iR is obtained. In other words, this current detection circuit is a circuit that has an input impedance that is substantially zero and that can obtain an output voltage proportional to the input current.
[0025]
This current detection circuit is used for the current detection circuits 18 and 19 in FIG. At that time, the inverting input terminal (−) is connected to the second and third electrodes 12 and 13. As a result, the drive voltage is applied between the first electrode 11 and the second and third electrodes 12 and 13, and the electromotive force between the second and third electrodes 12 and 13 is detected by current detection. It can be detected as a potential difference between the outputs of the circuits 18 and 19.
[0026]
Next, the driving principle of the piezoelectric vibrator in the above-described embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0027]
FIGS. 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view showing only the electrode part, respectively, showing the basic structure of the energy confinement type vibrator shown in FIGS. Referring to FIGS. 4A and 4B, slit-like surfaces facing each other with a gap in the X-axis direction on the same surface of the central portion of the piezoelectric plate 10 polarized in the thickness direction (Z-axis direction). Electrodes D1 and D2 are formed. T1 and T2 are terminal portions. When a voltage is applied between the terminals T1 and T2, an electric field in a direction substantially parallel to the plane of the plate (X direction) is applied to the region (interelectrode region) of the piezoelectric plate 10 between the opposing electrodes D1 and D2. Therefore, strain in the X direction occurs in the inter-electrode region due to the interaction with the polarization in the thickness direction (Z-axis direction) orthogonal to the electric field. When the dimensions of the electrodes D1 and D2 are designed in accordance with the characteristics of the piezoelectric plate 10 and the applied voltage is an AC voltage having a frequency that matches the resonance frequency of the interelectrode region, thickness shear vibration can be excited in the interelectrode region. . The vibration is trapped without being attenuated and propagated around the area between the electrodes. That is, an energy confinement oscillator can be configured. Further, since this vibration is a thickness shear vibration caused by an electric field parallel to the surface of the piezoelectric plate, it is called a parallel electric field excitation type thickness shear vibration. The thickness shear vibration is vibration in which the direction of displacement of the piezoelectric plate is parallel to the plate surface and the wave propagation direction is in the thickness direction of the plate. In order to illustrate the state of this vibration, FIG. 5 shows a displacement distribution in the thickness direction (Z-axis direction) when resonating at a half wavelength.
[0028]
The vibrator shown in FIGS. 1 and 2 utilizes the above basic structure. That is, the 1st electrode 11 is D1 electrode, and the 2nd electrode 12 and the 3rd electrode 13 which oppose this are D2 electrodes. The D2 electrode is divided into two to constitute a detection electrode, constitutes a second electrode 12 and a third electrode 13, and is connected to current detection circuits 18 and 19 each having a virtual ground function. Thereby, since the second electrode 12 and the third electrode 13 are virtually maintained at the reference potential, they can be regarded as ground terminals in terms of potential. Therefore, when a driving voltage for excitation having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the thickness shear vibration mode of the piezoelectric plate is applied to the first electrode 11, the first, second, In addition, the middle point of the straight line connecting the center of the first electrode 11 and the centers of the second and third electrodes 12 and 13 is connected to a region (interelectrode region) surrounded by the third electrodes 11, 12 and 13. Thickness shear vibration in the energy confinement vibration mode in the direction of the straight line (X direction) occurs.
[0029]
In this state, when the piezoelectric plate 10 is rotated about an axis orthogonal to the principal surface, the direction of the thickness shear vibration that is excited (Y direction) is caused by the action of the Coriolis force. Thickness sliding vibration occurs. The thickness shear vibration generated by this Coriolis force changes the impedance between the first electrode 11 and the second electrode 12 and between the first electrode 11 and the third electrode 13, and as a result. As a result, the current value flowing into the current detection circuits 18 and 19 changes. As described above, the second electrode 12 and the third electrode 13 are arranged symmetrically with respect to the excited thickness-shear vibration direction (X direction). The currents that change due to the vibration caused by the flowing Coriolis force are equal in amplitude and different in phase by 180 degrees. Accordingly, the output voltages of the current detection circuits 18 and 19 are also voltages that are 180 degrees out of phase with each other, the difference between these output voltages is detected as a differential voltage by the differential circuit 22, and this voltage is determined by the synchronous detection circuit 23. Is detected at the same timing and rectified by the rectifier circuit 24, a DC output voltage proportional to the applied rotational angular velocity can be obtained as a detection output.
[0030]
On the other hand, the current detection circuits 18 and 19 are connected to the electrode 11 through an oscillation circuit 25 and a drive circuit 26 for satisfying the self-excited oscillation condition, and constitute a self-excited oscillation loop. As a result, the resonance frequency of the vibrator is automatically adjusted and the vibrator can be driven efficiently, so that a highly sensitive gyro can be obtained.
[0031]
FIG. 6 shows another circuit configuration, in which the first electrode 11 is grounded, and a voltage dividing circuit composed of a series circuit of resistors R1 and R2 is connected between the second and third electrodes. The oscillation drive circuit 27 is controlled by the voltage. This oscillation drive circuit is grounded, and thereby a drive voltage is applied between the first electrode 11 and the second and third electrodes. The oscillation drive circuit 27 includes the oscillation circuit 25 and the drive circuit 26 shown in FIG. Both ends of the voltage dividing circuit are connected to the differential circuit 22. The differential circuit 22, the detection circuit 23, and the rectifier circuit 24 are the same as those in FIG.
[0032]
Here, the phrase “having polarization in the thickness direction” of the piezoelectric plate used in the present invention is not limited to being polarized only in the thickness direction, but also includes one having a polarization component in the thickness direction. Of course, since the larger polarization component in the thickness direction is better, the one polarized only in the thickness direction is most advantageous.
[0033]
When a piezoelectric ceramic is used as the piezoelectric plate 10, polarization processing is required as is well known, but the polarization region may extend over the entire piezoelectric plate, or may be limited to only a region confining vibration. .
[0034]
As the piezoelectric plate 10, a piezoelectric crystal plate (for example, quartz, LiNbO3, LiTO3, etc.) can be used. In that case, in order to have a polarization axis in the thickness direction, a Z-cut plate is most preferable, but a rotating Y-cut plate can also be used.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, driving is performed using only a pair of slit-like electrodes arranged in parallel on the main surface of the piezoelectric plate, and one of the pair of electrodes is divided into two to be detected as detection electrodes. Therefore, the drive electric field is not adversely affected by the presence of the detection electrode, and the vibration in the Y direction can be detected while maintaining the electric field for exciting the vibration in the X direction, thereby obtaining a highly accurate and highly sensitive vibration gyro. Can do. In addition, since energy-confined vibration is used, a gyro that is easy to support and highly reliable can be obtained. Furthermore, since the insulating film for mass addition is provided only in the vibration region, it is easy to concentrate the vibration only in the vibration region where the mass is increased, and it is possible to realize an energy-confined resonator with less spurious and less leakage vibration. Therefore, an accurate piezoelectric vibration gyro with little influence of characteristic change and disturbance due to fixing of the support or the like can be obtained.
[0036]
In addition, it is not necessary to form piezoelectric plates with locally different thicknesses or to form complicated electrode structures. As a vibrator, a pair of parallel electrodes (one of which is divided into two) in a predetermined area of a piezoelectric plate of arbitrary shape. However, it is only necessary to form an insulating film in the vibration region by coating or the like, so that the structure and manufacture are simple.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a circuit configuration of a gyro using a piezoelectric vibrator.
3 is a circuit diagram showing an example of a current detection circuit used in the circuit of FIG. 2. FIG.
4A and 4B are diagrams showing a basic structure of a vibrator employed in the piezoelectric vibrator of FIGS. 1 and 2, wherein FIG. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a side view excluding electrode terminal portions.
5 is a diagram showing a displacement distribution in the thickness direction in the thickness shear vibration of the vibrator having the basic structure shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a block diagram showing another circuit configuration of a gyro using a piezoelectric vibrator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 10 Piezoelectric plate 11 1st electrode 12 2nd electrode 13 3rd electrodes 14, 15, 16 Terminal part 17 Insulating film 18 Current detection circuit 19 Current detection circuit 22 Differential circuit 23 Synchronous detection circuit 24 Rectification Circuit 25 Oscillation circuit 26 Drive circuit 27 Oscillation drive circuit 31 Operational amplifier

Claims (5)

圧電板の厚さ方向に分極を有する部分の主面上であって第一の方向に互いに所定間隔離れた二位置の内、一方の位置に前記第一の方向と直角の方向にストリップ状の第1の電極を設けると共に、他方の位置に前記第一の方向とほぼ直角方向に互いに間隔をおいて延在したストリップ状の第2および第3の電極を形成し、前記第1の電極と前記第2及び第3の電極との間に励振用の駆動電圧を印加し、前記第2及び第3の電極に生ずるコリオリ力による振動に対応した起電力を検出するようにし、前記第1の電極と前記第2および第3の電極との間に生ずる厚みすべり振動のエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動ジャイロスコープであって、前記第1、第2および第3の電極で囲まれたエネルギー閉じ込め振動の生ずる振動領域上のみに、質量付加用の絶縁膜を設けたことを特徴とするエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロスコープ。One of two positions on the main surface of the portion having polarization in the thickness direction of the piezoelectric plate and spaced apart from each other in the first direction by a strip shape in a direction perpendicular to the first direction. A first electrode is provided, and strip-like second and third electrodes extending at a distance from each other in a direction substantially perpendicular to the first direction are formed at the other position, and the first electrode and An excitation drive voltage is applied between the second and third electrodes, and an electromotive force corresponding to vibration caused by Coriolis force generated in the second and third electrodes is detected, and the first A piezoelectric vibration gyroscope using an energy confinement vibration mode of thickness shear vibration generated between an electrode and the second and third electrodes, wherein the energy is surrounded by the first, second and third electrodes On the vibration region where confinement vibration occurs Mini, energy trapping-type piezoelectric vibrating gyroscope being characterized in that an insulating film for mass addition. 請求項1の圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記第2及び第3の電極はそれぞれ仮想接地機能を備えた第1及び第2の電流検出回路に接続してあり、前記第1の電極に励振用の駆動電圧を印加し、前記第1及び第2の電流検出回路出力間に生ずる差電圧から検出出力を得るように構成したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。2. The piezoelectric vibration gyroscope according to claim 1, wherein the second and third electrodes are connected to first and second current detection circuits each having a virtual ground function, and the first electrode is used for excitation. A piezoelectric vibration gyroscope configured to apply a drive voltage and obtain a detection output from a difference voltage generated between the outputs of the first and second current detection circuits. 請求項2の圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記第1及び第2の電流検出回路の出力間に接続され該両電流検出回路の出力電圧の差を検出するための差動回路と、該差動回路出力に接続された同期検波回路と、該同期検波回路の出力に接続された整流回路と、前記第1及び第2の電流検出回路の出力間に接続され自励振駆動用周波数の信号を発振するための発振回路と、該発振回路の出力に接続され前記自励振駆動用周波数の交流電圧を前記第1の電極に印加する駆動回路とを備えていることを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。3. The piezoelectric vibration gyroscope according to claim 2, wherein the differential circuit is connected between outputs of the first and second current detection circuits for detecting a difference between output voltages of the two current detection circuits, and the differential circuit. A synchronous detection circuit connected to the output, a rectifier circuit connected to the output of the synchronous detection circuit, and an output of the self-excited drive frequency connected between the outputs of the first and second current detection circuits. And a drive circuit connected to an output of the oscillation circuit and applying an alternating voltage of the self-excited drive frequency to the first electrode. 請求項1から3のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記圧電板として圧電セラミックスを用い、該圧電セラミックスの前記第1乃至第3の電極間及びその近傍の領域のみを厚さ方向に分極したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。4. The piezoelectric vibrating gyroscope according to claim 1, wherein a piezoelectric ceramic is used as the piezoelectric plate, and only a region between and near the first to third electrodes of the piezoelectric ceramic is arranged in a thickness direction. A piezoelectric vibrating gyroscope characterized by polarization. 請求項1から3のいずれかに記載の圧電振動ジャイロスコープにおいて、前記圧電板として厚み方向に分極軸を有する圧電結晶板を用いたことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。4. The piezoelectric vibration gyroscope according to claim 1, wherein a piezoelectric crystal plate having a polarization axis in a thickness direction is used as the piezoelectric plate.
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