JP3690448B2 - Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro - Google Patents

Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro Download PDF

Info

Publication number
JP3690448B2
JP3690448B2 JP23983597A JP23983597A JP3690448B2 JP 3690448 B2 JP3690448 B2 JP 3690448B2 JP 23983597 A JP23983597 A JP 23983597A JP 23983597 A JP23983597 A JP 23983597A JP 3690448 B2 JP3690448 B2 JP 3690448B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
vibration
piezoelectric vibrator
electrodes
vibration gyro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP23983597A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH1183490A (en
Inventor
寿洋 石川
紀子 宮崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokin Corp
Original Assignee
NEC Tokin Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Tokin Corp filed Critical NEC Tokin Corp
Priority to JP23983597A priority Critical patent/JP3690448B2/en
Publication of JPH1183490A publication Critical patent/JPH1183490A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3690448B2 publication Critical patent/JP3690448B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車のナビゲーションシステムやカメラ一体型VTRカメラの手振れ補正機構等に用いられるジャイロスコープに属される超音波振動を利用した振動ジャイロ用圧電振動子であって、詳しくは振動モードとして平行電界励振型エネルギー閉じ込め厚み滑り振動を利用した振動ジャイロ用圧電振動子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転角速度が加えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープに属されるものとして知られている。
【0003】
一般に、圧電振動ジャイロでは、圧電振動子に関して直交する二つの異なる方向の振動を励振可能に構成した複合振動系において、一方の振動を励振した状態で圧電振動子を回転させると、コリオリ力の作用によりその振動方向と直角な方向に力が働いて他方の振動が励振される。この振動の大きさは入力側の振動の振幅及び回転角速度に比例するため、入力側の振動振幅を一定にした場合、出力電圧の大きさに基づいて印加された回転角速度の大きさを求めることができる。
【0004】
図8は、従来の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。この圧電振動子は、正方形断面形状を有する金属角柱51の隣り合う二つの面のほぼ中央部に、それぞれ圧電セラミックス薄板52,53が接合されている。これらの圧電セラミックス薄板52,53は、それぞれ両面に電極が形成され、厚さ方向に分極されている。又、圧電セラミックス薄板52,53には、それぞれ引き出し用のリード線54,55が接続されている。
【0005】
この圧電振動子において、正方形断面の金属角柱51には、互いに直交する二つの屈曲振動モードが存在し、材料の特性が均質である場合には、二つの屈曲振動モードの共振周波数はほぼ等しくなることが知られている。
【0006】
そこで、例えば圧電セラミックス薄板52に、この金属角柱の屈曲振動の共振周波数にほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、圧電セラミックス52を接合した面が凹凸となる方向(y軸方向)に屈曲振動する。この状態で、金属角柱51を長さ方向と平行な軸(z軸)の周りのΩ方向に回転させると、金属角柱51はコリオリ力の作用により圧電セラミックス薄板53を接合した面も凹凸となる方向(x軸方向)に屈曲振動し、圧電効果によって圧電セラミックス薄板53に出力電圧が発生する。
【0007】
この出力電圧の大きさは、圧電セラミックス薄板52により励振されている振動の大きさと印加した回転角速度の大きさとに比例するため、圧電セラミックス薄板52に印加する励振電圧の大きさを一定とすれば、圧電セラミックス薄板53に発生する出力電圧が金属角柱51の回転角速度に比例した電圧となる。尚、圧電振動ジャイロを構成する場合には、このような圧電振動子と駆動・検出機能を備えた電気回路とを組み合わせる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述した圧電振動ジャイロ用圧電振動子の場合、金属角柱の屈曲振動モードを利用しているため、圧電振動ジャイロを構成するときに圧電振動子に関する支持や固定を振動の節の位置で行わなければならなず、組み立てに手間がかかってしまうという問題がある。
【0009】
又、圧電振動ジャイロを構成する場合、駆動・検出機能を備えた電気回路と圧電振動子の電極とをリード線で接続する必要があるが、このときの接続状態のばらつきによるジャイロ特性のばらつきを抑制し難いという問題もある。
【0010】
更に、圧電振動ジャイロを構成する場合、駆動・検出機能を備えた電気回路を有する基板上に圧電振動子を載せて保持具により支持して組み立てを行うため、その構成により小形で薄形の圧電振動ジャイロを構成することが困難であるという問題もある。
【0011】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、リード線を用いないで入出力用端子への接続が可能な簡単な構造を有し、小型で薄型の高性能な圧電振動ジャイロ用圧電振動子を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板の少なくとも一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた少なくとも一つの駆動用及び偶数の検出用を含む複数の電極が形成されると共に、該偶数の検出用電極を該駆動用電極への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置した平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を利用した圧電振動ジャイロにおいて、圧電板は、主面における中央部近傍の複数の電極の端部によって囲まれる局部に励振振動の方向に対して対称な形状を有する平坦部及び該平坦部の周囲に形成された窪み部を有する圧電振動ジャイロ用圧電振動子が得られる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の圧電振動ジャイロ用圧電振動子について、図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
図1は、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子1の基本構成を示した斜視図である。この圧電振動子1は、後述する平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を利用するもので、厚さ方向に分極軸成分を有する矩形(長方形)の圧電板10の一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた駆動用及び検出用を含む複数(ここでは3つ)の電極11,12,13が形成され、これらの電極11,12,13のうちの2つ(偶数)の検出用電極12,13が駆動用電極11への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置されている。
【0015】
又、この圧電振動子1において、圧電板10には主面のほぼ中央部近傍におおよそ二等辺三角形を構成する各頂点の位置に駆動用電極11及び検出用電極12,13が形成されており、主面における中央部近傍の電極11,12,13の端部によって囲まれる局部に駆動用電極11への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な形状を有する矩形の平坦部10b及びこれの周囲に形成された矩形の窪み部10aを有し、電極11,12,13の端部は窪み部10a内に延在して成っている。
【0016】
即ち、この圧電振動子1では、対向する駆動用電極11と検出用電極12,13とにより囲まれる領域について、駆動用電極11への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な形状を有する平坦部10bを残し、その周囲に窪み部10aを形成していることにより、2つの検出用電極12,13と窪み部10a及び平坦部10bとが励振振動の方向に対して対称な形状(2つの検出用電極12,13の対称軸と同じ軸に対して線対称の形状)を有するため、電極11,12,13に囲まれた領域の厚み振動の共振周波数が低くなり、無電極の領域における伝播特性と異なるため、結果としてエネルギー閉込めの状態(集中度)が良好になる。
【0017】
一般に、振動ジャイロ用圧電振動子においては、複数の検出電極を励振振動の方向に対して対称に配置する必要があるが、これは圧電振動子が形状的に対称であって、且つ特性的に均一であることを前提としているためであり、ここでの圧電振動子1の場合も、検出用電極12,13を励振振動の方向に対して対称に配置させるために圧電振動子1の形状を対称にする必要がある。
【0018】
圧電振動子1に発生するエネルギー閉じ込め現象は、注目している弾性波に関して端部的な伝搬特性の差があることに起因している。因みに、一般的な圧電振動子の場合、垂直電界励振において電極部の質量付加効果や電極短絡効果により電極部と無電極部との間に周波数差が生じるため、電極部でのエネルギー閉じ込めが可能となる。
【0019】
ところで、圧電板10の材料として圧電セラミックスを用いた場合、駆動及び検出に使用する領域だけを分極すれば、分極の有無による伝搬特性の端部的な変化を生じさせることが可能となるため、エネルギー閉じ込め状態を良好にすることができる。
【0020】
但し、圧電セラミックス材料は焼結された多結晶体であるため、単結晶体と比較して材料内部の特性が不均一であり、周囲温度の変化による温度特性の変動が大きい上、その変化率自体のばらつきが大きい等の諸点で欠点がある。
【0021】
これに対し、圧電単結晶体として知られるLiNbO3 やLiTaO3 は、切断の方位を選ぶことにより、温度特性の安定なものが得られており、表面波デバイス等に広く使用されているが、分極処理により伝搬特性の異なる領域を作ることは不可能になっている。
【0022】
ここでの圧電振動子1の場合、圧電板10の主面における中央部近傍の電極11,12,13の端部によって囲まれる局部に平坦部10bの周囲に窪み部10aを形成する細部構造を改良しているため、圧電単結晶体を用いることも有効であり、特に材料は限定されない。何れにせよ、このような圧電振動子1を駆動及び検出機能を有する電気回路を備えた基板上に搭載すれば、構造が簡単で支持が容易な耐振動特性及び耐衝撃性に優れた圧電振動ジャイロが得られる。
【0023】
図2は、図1に示す圧電振動子1を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の一例に係る構成を示したブロック図である。この電気回路では、圧電振動子1における駆動用電極11が接地接続されており、検出用電極12,13にはそれぞれ抵抗器20,21を介して交流電源22が接続されている。又、検出用電極12,13の出力側はそれぞれ差動増幅回路23の入力端子に接続され、差動増幅回路23の出力側は検波回路24を介して出力端子(圧電振動ジャイロのセンサ出力となる)に接続されている。
【0024】
即ち、ここでは、圧電振動子1において駆動用電極11を頂角の位置に配置すると共に、検出用電極12,13をそれぞれ底角の位置に配置し、駆動用電極11を接地した上で、検出用電極12,13にそれぞれ抵抗器20,21を介して交流電源22を接続している。
【0025】
この圧電振動ジャイロの場合、交流電源22からそれぞれ抵抗器20,21を介して検出用電極12,13に圧電板10の厚み滑り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、電極11,12,13によって囲まれる領域に駆動用電極11の中心と検出用電極12の中心とを結ぶ方向のエネルギー閉じ込め滑り振動と、駆動用電極11の中心と検出用電極13の中心とを結ぶ方向のエネルギー閉じ込め滑り振動とが発生し、これらの振動が合成されて駆動用電極11の中心と、検出用電極12,13の中心とを結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向のエネルギー閉じ込め滑り振動が発生する。
【0026】
この状態で、図1に示されるように、圧電板10をその主面と直交する軸の回りに回転させると、コリオリ力の作用により励振されている厚み滑り振動の方向と直角な方向の厚み滑り振動が発生する。このコリオリ力により発生した厚み滑り振動により駆動用電極11及び検出用電極12の間と、駆動用電極11及び検出用電極13の間とにおけるインピーダンスが変化し、その結果として検出用電極12,13の端子電圧が変化する。
【0027】
このインピーダンスの変化は励振の電圧が一定の場合、加えられた回転角速度に比例するため、検出用電極12,13の端子電圧の差を差動増幅回路23により検出し、この電圧を検波回路24により所定のタイミングで同期検波することにより、印加した回転角速度に比例した出力電圧を得ることができる。
【0028】
図3は、図1に示す圧電振動子1を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の他例に係る構成を示したブロック図である。この電気回路では、圧電振動子1における駆動用電極11は抵抗器34及び交流電源22を介して接地接続され、検出用電極12,13にはそれぞれ仮想接地機能を有する電流検出回路35,36が接続されている。又、電流検出回路35,36の出力側はそれぞれ差動増幅回路37の入力側に接続され、差動増幅回路37の出力側は検波回路38に接続されている。ここでは検波回路38の出力が圧電振動ジャイロのセンサ出力となる。
【0029】
この圧電振動ジャイロの場合も上述した場合と同様に、交流電源22から抵抗器34を介して駆動用電極11に圧電板10の厚み滑り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、駆動用電極11の中心と検出用電極12,13の中心とを結ぶ直線の中点を結ぶ直線の方向にエネルギー閉じ込め滑り振動が発生する。
【0030】
この状態で、図1に示されるように、圧電板10をその主面と直交する軸の回りに回転させると、コリオリ力の作用により励振されている厚み滑り振動の方向と直角な方向の厚み滑り振動が発生するため、このコリオリ力により発生した厚み滑り振動により検出用電極12,13からそれぞれ仮想接地機能を有する電流検出回路35,36に流れ込む電流に変化を生じ、電流検出回路35,36の出力電圧の差の電圧を差動増幅回路37で検出し、この電圧を検波回路38により所定のタイミングで同期検波することにより、印加した回転角速度に比例した出力電圧を得ることができる。
【0031】
図4は、図1に示した圧電振動子1に採用される平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を説明するために構造を簡易化した圧電振動子の基本構成を示したもので、同図(a)はその平面図に関するもの,同図(b)はその一方向からの側面図に関するものである。
【0032】
この圧電振動子では、厚さ方向(z軸方向)に分極軸成分を有する矩形の圧電板100の中央部の同一面上にx軸方向に所定の間隔を有して対向するストリップ状の部分電極101,102が形成されている。部分電極101,102に挟まれている部分には、ほぼ板面に平行方向(x軸方向)に電界が印加されるため、この電界と直交する厚さ方向の分極との相互作用により、電極間領域にはx方向に歪みが生じることになる。
【0033】
そこで、部分電極101,102の寸法を使用する圧電板の特性に合わせて適当に設計すると、この歪み部分に厚み滑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辺には減衰して伝搬せずに閉じ込められるため、結果としてエネルギー閉じ込め振動子を成すことができる。又、この厚み滑り振動は、変位方向が板面に平行で波の伝搬方向が板厚方向の振動であるが、ここでは圧電板の板面に平行な電界によって生じるため、平行電界励振型厚み滑り振動とみなすことができる。
【0034】
図5は、図4に示す圧電板100が半波長で共振している場合の厚さ方向(z軸方向)における変位分布を示したものである。ここでは、圧電板100の変位が優れた対称性を示していることが判る。
【0035】
図6は、本発明の他の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子1´の基本構成を示した斜視図である。
【0036】
この圧電振動子1の場合も、図1に示したものと比べて基本構成は同じであるが、圧電板10の主面の中央部近傍に残した平坦部10b及びその周囲の窪み部10aの形状が台形となっている。この圧電振動子1においても、図1に示したものの場合と同様に、2つの検出用電極12,13が駆動用電極11への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置され、窪み部10a及び平坦部10bの形状が励振振動の方向に対して対称な形状(2つの検出用電極の対称軸と同じ軸に対して線対称の形状)を有するため、エネルギー閉込め状態(集中度)が良好になる。
【0037】
図7は、本発明の別の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子1´の基本構成を示した斜視図である。
【0038】
この圧電振動子1の場合、図1や図6に示したものでは電極11,12,13の端部が窪み部10a内に延在していたが、ここでは電極11,12,13の端部が窪み部10a内には進入しておらず、その周囲に沿うように延在している。この圧電振動子1においても、図1や図6に示したものの場合と同様に、2つの検出用電極12,13が駆動用電極11への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置され、窪み部10a及び平坦部10bの形状が励振振動の方向に対して対称な形状(2つの検出用電極の対称軸と同じ軸に対して線対称の形状)を有するため、エネルギー閉込め状態(集中度)が良好になる。
【0039】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明の圧電振動ジャイロ用圧電振動子によれば、リード線を用いないで入出力用端子への接続が可能な簡単な構造を有し、小型で薄型の高性能なものとして構成されるため、支持や固定によるジャイロ特性への影響が殆ど無く、強固に支持することが可能となり、結果として耐振動特性や耐衝撃特性に優れた高性能な圧電振動ジャイロが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【図2】図1に示す圧電振動子を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の一例に係る構成を示したブロック図である。
【図3】図1に示す圧電振動子を圧電振動ジャイロに適用した場合の電気回路の他例に係る構成を示したブロック図である。
【図4】図1に示した圧電振動子に採用される平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を説明するために構造を簡易化した圧電振動子の基本構成を示したもので、(a)はその平面図に関するもの,(b)はその一方向からの側面図に関するものである。
【図5】図4に示す圧電板が半波長で共振している場合の厚さ方向(z軸方向)における変位分布を示したものである。
【図6】本発明の他の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【図7】本発明の別の実施例に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【図8】従来の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の基本構成を示した斜視図である。
【符号の説明】
1 圧電振動子
10,100 圧電板
10a 窪み部
10b 平坦部
11 駆動用電極
12,13 検出用電極
101,102 部分電極
20,21,34 抵抗器
22 交流電源
23,37 差動増幅回路
24,38 検波回路
35,36 電流検出回路
51 金属角柱
52,53 圧電セラミックス薄板
54,55 リード端子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric vibrator for a vibration gyro that uses ultrasonic vibration belonging to a gyroscope used mainly in an automobile navigation system or a camera shake correction mechanism of a camera-integrated VTR camera. The present invention relates to a piezoelectric vibrator for a vibration gyro using electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of piezoelectric vibrating gyroscope is known to belong to a gyroscope that utilizes a mechanical phenomenon in which when a rotating angular velocity is applied to a vibrating object, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the vibrating direction. ing.
[0003]
In general, in a piezoelectric vibration gyro, in a composite vibration system configured to be able to excite vibrations in two different directions orthogonal to the piezoelectric vibrator, when the piezoelectric vibrator is rotated with one vibration excited, the action of the Coriolis force is exerted. Thus, a force acts in a direction perpendicular to the vibration direction, and the other vibration is excited. Since the magnitude of this vibration is proportional to the amplitude and rotational angular velocity of the input side, the magnitude of the applied rotational angular velocity should be determined based on the output voltage when the input side vibration amplitude is constant. Can do.
[0004]
FIG. 8 is a perspective view showing a basic configuration of a conventional piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro. In this piezoelectric vibrator, piezoelectric ceramic thin plates 52 and 53 are bonded to substantially the center of two adjacent surfaces of a metal prism 51 having a square cross section. Each of these piezoelectric ceramic thin plates 52 and 53 has electrodes formed on both surfaces and is polarized in the thickness direction. In addition, lead wires 54 and 55 for lead-out are connected to the piezoelectric ceramic thin plates 52 and 53, respectively.
[0005]
In this piezoelectric vibrator, the metal prism 51 having a square cross section has two bending vibration modes orthogonal to each other, and the resonance frequencies of the two bending vibration modes are substantially equal when the material characteristics are uniform. It is known.
[0006]
Therefore, for example, when a voltage having a frequency approximately equal to the resonance frequency of the bending vibration of the metal prism is applied to the piezoelectric ceramic thin plate 52, the piezoelectric ceramic 52 is bent and vibrated in a direction (y-axis direction) where the surface on which the piezoelectric ceramic 52 is bonded becomes uneven. In this state, when the metal prism 51 is rotated in the Ω direction around the axis (z axis) parallel to the length direction, the surface of the metal prism 51 joined to the piezoelectric ceramic thin plate 53 by the action of the Coriolis force becomes uneven. The piezoelectric ceramic thin plate 53 generates an output voltage by bending vibration in the direction (x-axis direction).
[0007]
Since the magnitude of the output voltage is proportional to the magnitude of vibration excited by the piezoelectric ceramic thin plate 52 and the magnitude of the applied rotational angular velocity, if the magnitude of the excitation voltage applied to the piezoelectric ceramic thin plate 52 is constant. The output voltage generated in the piezoelectric ceramic thin plate 53 becomes a voltage proportional to the rotational angular velocity of the metal prism 51. When a piezoelectric vibration gyro is configured, such a piezoelectric vibrator is combined with an electric circuit having a drive / detection function.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the piezoelectric vibrator for the piezoelectric vibration gyro described above, since the bending vibration mode of the metal prism is used, when the piezoelectric vibration gyro is configured, the piezoelectric vibrator must be supported and fixed at the position of the vibration node. Therefore, there is a problem that it takes time to assemble.
[0009]
In addition, when configuring a piezoelectric vibration gyro, it is necessary to connect the electrical circuit having a drive / detection function and the electrode of the piezoelectric vibrator with a lead wire. However, variations in the gyro characteristics due to variations in the connection state at this time are required. There is also a problem that it is difficult to suppress.
[0010]
Furthermore, when a piezoelectric vibration gyro is configured, a piezoelectric vibrator is mounted on a substrate having an electric circuit having a drive / detection function and supported by a holder for assembly. There is also a problem that it is difficult to construct a vibrating gyroscope.
[0011]
The present invention has been made to solve such problems, and its technical problem is that it has a simple structure that can be connected to an input / output terminal without using a lead wire, and is small and thin. A high-performance piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro is provided.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a plurality of electrodes including at least one drive and an even number of detection electrodes extending from the outside toward the vicinity of the central portion on at least one main surface of the piezoelectric plate having a polarization axis component in the thickness direction are provided. A parallel electric field excitation type energy confinement thickness-shear vibration is formed, and the even number of detection electrodes are arranged symmetrically with respect to the direction of the excitation vibration caused by the application of the drive voltage to the drive electrode. In the piezoelectric vibration gyro, the piezoelectric plate is formed around a flat portion having a symmetrical shape with respect to the direction of excitation vibration in a local portion surrounded by ends of a plurality of electrodes in the vicinity of the central portion of the main surface. A piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro having a hollow portion is obtained.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of a piezoelectric vibrator 1 for a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention. This piezoelectric vibrator 1 uses parallel electric field excitation type energy confinement thickness-shear vibration described later, and is applied to one main surface of a rectangular (rectangular) piezoelectric plate 10 having a polarization axis component in the thickness direction from the outside. A plurality (three in this case) of electrodes 11, 12, 13 including driving and detection extending toward the vicinity of the central portion are formed, and two (even) of these electrodes 11, 12, 13 are formed. The detection electrodes 12 and 13 are arranged at positions symmetrical with respect to the direction of excitation vibration generated by applying a drive voltage to the drive electrode 11.
[0015]
In the piezoelectric vibrator 1, the driving electrode 11 and the detection electrodes 12 and 13 are formed on the piezoelectric plate 10 at the positions of the apexes that form an isosceles triangle approximately in the vicinity of the center of the main surface. A rectangular flat portion having a shape symmetric with respect to the direction of the excitation vibration generated by the application of the drive voltage to the drive electrode 11 at the local portion surrounded by the ends of the electrodes 11, 12, 13 in the vicinity of the central portion of the main surface 10b and the rectangular hollow part 10a formed in the circumference | surroundings, and the edge part of the electrodes 11, 12, and 13 has extended in the hollow part 10a.
[0016]
That is, in this piezoelectric vibrator 1, the region surrounded by the opposing drive electrode 11 and detection electrodes 12 and 13 is symmetric with respect to the direction of the excitation vibration generated by the application of the drive voltage to the drive electrode 11. By leaving the flat portion 10b having a shape and forming a recess 10a around it, the two detection electrodes 12, 13 and the recess 10a and the flat portion 10b are symmetrical with respect to the direction of the excitation vibration. Since it has a shape (a shape that is line-symmetric with respect to the same axis as the symmetry axis of the two detection electrodes 12 and 13), the resonance frequency of the thickness vibration in the region surrounded by the electrodes 11, 12, and 13 is reduced. Since it is different from the propagation characteristics in the region of the electrode, the energy confinement state (concentration) is improved as a result.
[0017]
Generally, in a piezoelectric vibrator for a vibrating gyroscope, it is necessary to arrange a plurality of detection electrodes symmetrically with respect to the direction of excitation vibration. This is because the piezoelectric vibrator is symmetrical in shape and characteristically. This is because it is assumed to be uniform. In the case of the piezoelectric vibrator 1 as well, the shape of the piezoelectric vibrator 1 is changed in order to arrange the detection electrodes 12 and 13 symmetrically with respect to the direction of the excitation vibration. It needs to be symmetric.
[0018]
The energy confinement phenomenon that occurs in the piezoelectric vibrator 1 is due to the difference in the end-point propagation characteristics with respect to the elastic wave of interest. Incidentally, in the case of a general piezoelectric vibrator, a frequency difference occurs between the electrode part and the non-electrode part due to the mass addition effect of the electrode part or the electrode short-circuit effect in vertical electric field excitation, so that energy confinement at the electrode part is possible It becomes.
[0019]
By the way, when piezoelectric ceramic is used as the material of the piezoelectric plate 10, if only the region used for driving and detection is polarized, it becomes possible to cause an end change in propagation characteristics due to the presence or absence of polarization. The energy confinement state can be improved.
[0020]
However, since the piezoelectric ceramic material is a sintered polycrystalline body, the internal characteristics of the material are non-uniform compared to a single crystal body, the temperature characteristics vary greatly due to changes in the ambient temperature, and the rate of change There are drawbacks in various aspects such as large variations.
[0021]
In contrast, LiNbO 3 and LiTaO 3 known as piezoelectric single crystals have been obtained with stable temperature characteristics by selecting the cutting orientation, and are widely used in surface wave devices, It is impossible to create regions with different propagation characteristics by polarization processing.
[0022]
In the case of the piezoelectric vibrator 1 here, a detailed structure in which a recess 10 a is formed around the flat portion 10 b in a local portion surrounded by the ends of the electrodes 11, 12, 13 in the vicinity of the central portion of the main surface of the piezoelectric plate 10. Since it is improved, it is also effective to use a piezoelectric single crystal, and the material is not particularly limited. In any case, if such a piezoelectric vibrator 1 is mounted on a substrate having an electric circuit having a driving and detecting function, the piezoelectric vibration having a simple structure and easy support and excellent vibration resistance and shock resistance. A gyro is obtained.
[0023]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration according to an example of an electric circuit when the piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. 1 is applied to a piezoelectric vibration gyro. In this electric circuit, the drive electrode 11 in the piezoelectric vibrator 1 is grounded, and the AC electrodes 22 are connected to the detection electrodes 12 and 13 via resistors 20 and 21, respectively. The output sides of the detection electrodes 12 and 13 are connected to the input terminals of the differential amplifier circuit 23, respectively. The output side of the differential amplifier circuit 23 is connected to the output terminal (sensor output of the piezoelectric vibration gyro and the sensor output) via the detection circuit 24. Connected).
[0024]
That is, here, in the piezoelectric vibrator 1, the driving electrode 11 is arranged at the apex angle position, the detection electrodes 12 and 13 are arranged at the base angle positions, and the driving electrode 11 is grounded. An AC power source 22 is connected to the detection electrodes 12 and 13 via resistors 20 and 21, respectively.
[0025]
In the case of this piezoelectric vibration gyro, when an excitation drive voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the thickness-slip mode of the piezoelectric plate 10 is applied from the AC power source 22 to the detection electrodes 12 and 13 via the resistors 20 and 21, respectively. , Energy confining slip vibration in a direction connecting the center of the drive electrode 11 and the center of the detection electrode 12 to a region surrounded by the electrodes 11, 12, and 13, and the center of the drive electrode 11 and the center of the detection electrode 13. Energy confining slip vibration in the direction connecting the two, and these vibrations are combined and energy in the direction of the straight line connecting the midpoint of the straight line connecting the center of the drive electrode 11 and the centers of the detection electrodes 12 and 13. Confinement sliding vibration occurs.
[0026]
In this state, as shown in FIG. 1, when the piezoelectric plate 10 is rotated around an axis orthogonal to the principal surface, the thickness in a direction perpendicular to the direction of the thickness-shear vibration excited by the action of the Coriolis force. Sliding vibration occurs. The impedance between the drive electrode 11 and the detection electrode 12 and between the drive electrode 11 and the detection electrode 13 is changed by the thickness shear vibration generated by the Coriolis force, and as a result, the detection electrodes 12 and 13 are changed. The terminal voltage changes.
[0027]
Since this change in impedance is proportional to the applied rotational angular velocity when the excitation voltage is constant, the difference between the terminal voltages of the detection electrodes 12 and 13 is detected by the differential amplifier circuit 23, and this voltage is detected by the detection circuit 24. By performing synchronous detection at a predetermined timing, an output voltage proportional to the applied rotational angular velocity can be obtained.
[0028]
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration according to another example of an electric circuit when the piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. 1 is applied to a piezoelectric vibration gyro. In this electric circuit, the drive electrode 11 in the piezoelectric vibrator 1 is grounded via a resistor 34 and an AC power supply 22, and the detection electrodes 12 and 13 have current detection circuits 35 and 36 each having a virtual ground function. It is connected. The output sides of the current detection circuits 35 and 36 are respectively connected to the input side of the differential amplifier circuit 37, and the output side of the differential amplifier circuit 37 is connected to the detection circuit 38. Here, the output of the detection circuit 38 becomes the sensor output of the piezoelectric vibration gyro.
[0029]
In the case of this piezoelectric vibration gyro, similarly to the case described above, an excitation drive voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the thickness-slip mode of the piezoelectric plate 10 is applied to the drive electrode 11 from the AC power source 22 via the resistor 34. When applied, energy trapping sliding vibration occurs in the direction of a straight line connecting the midpoints of the straight lines connecting the center of the drive electrode 11 and the centers of the detection electrodes 12 and 13.
[0030]
In this state, as shown in FIG. 1, when the piezoelectric plate 10 is rotated around an axis orthogonal to the principal surface, the thickness in a direction perpendicular to the direction of the thickness-shear vibration excited by the action of the Coriolis force. Since the slip vibration is generated, the current flowing from the detection electrodes 12 and 13 to the current detection circuits 35 and 36 having the virtual ground function is changed by the thickness slip vibration generated by the Coriolis force, and the current detection circuits 35 and 36 are generated. The differential amplifier circuit 37 detects the voltage difference between the output voltages, and this voltage is synchronously detected at a predetermined timing by the detection circuit 38, whereby an output voltage proportional to the applied rotational angular velocity can be obtained.
[0031]
FIG. 4 shows a basic configuration of a piezoelectric vibrator having a simplified structure for explaining the parallel electric field excitation type energy confinement thickness-shear vibration employed in the piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. The figure (a) relates to the plan view, and the figure (b) relates to the side view from one direction.
[0032]
In this piezoelectric vibrator, strip-shaped portions facing each other at a predetermined interval in the x-axis direction on the same surface of the central portion of the rectangular piezoelectric plate 100 having a polarization axis component in the thickness direction (z-axis direction). Electrodes 101 and 102 are formed. Since an electric field is applied to the portion sandwiched between the partial electrodes 101 and 102 in a direction substantially parallel to the plate surface (x-axis direction), the electrode is affected by the interaction with the polarization in the thickness direction perpendicular to the electric field. In the inter-region, distortion occurs in the x direction.
[0033]
Therefore, if the dimensions of the partial electrodes 101 and 102 are appropriately designed in accordance with the characteristics of the piezoelectric plate using the thickness, the thickness shear vibration can be excited in the distorted portion. The vibration is damped around the interelectrode region and confined without propagating, and as a result, an energy confined oscillator can be formed. This thickness shear vibration is a vibration in which the displacement direction is parallel to the plate surface and the wave propagation direction is in the plate thickness direction, but here it is caused by an electric field parallel to the plate surface of the piezoelectric plate. It can be regarded as sliding vibration.
[0034]
FIG. 5 shows a displacement distribution in the thickness direction (z-axis direction) when the piezoelectric plate 100 shown in FIG. 4 resonates at half wavelength. Here, it can be seen that the displacement of the piezoelectric plate 100 exhibits excellent symmetry.
[0035]
FIG. 6 is a perspective view showing a basic configuration of a piezoelectric vibrator 1 ′ for a piezoelectric vibration gyro according to another embodiment of the present invention.
[0036]
The basic configuration of the piezoelectric vibrator 1 is the same as that shown in FIG. 1, but the flat portion 10 b left in the vicinity of the central portion of the main surface of the piezoelectric plate 10 and the hollow portion 10 a around it. The shape is trapezoid. In the piezoelectric vibrator 1 as well, as in the case shown in FIG. 1, the two detection electrodes 12 and 13 are positioned symmetrically with respect to the direction of the excitation vibration generated by the application of the drive voltage to the drive electrode 11. The recesses 10a and the flat portions 10b are symmetrical with respect to the direction of excitation vibration (a shape symmetrical with respect to the same axis as the symmetry axis of the two detection electrodes). The filling state (concentration) is improved.
[0037]
FIG. 7 is a perspective view showing a basic configuration of a piezoelectric vibrator 1 ′ for a piezoelectric vibration gyro according to another embodiment of the present invention.
[0038]
In the case of the piezoelectric vibrator 1, the end portions of the electrodes 11, 12, and 13 extend into the recessed portion 10 a in the case shown in FIGS. 1 and 6, but here, the ends of the electrodes 11, 12, and 13 are extended. The part does not enter the recessed part 10a, but extends along the periphery thereof. In the piezoelectric vibrator 1 as well, as in the case shown in FIGS. 1 and 6, the two detection electrodes 12 and 13 are driven in the direction of the excitation vibration caused by the application of the drive voltage to the drive electrode 11. Since the recesses 10a and the flat portions 10b are arranged in symmetrical positions, the shapes of the recesses 10a and the flat portions 10b are symmetrical with respect to the direction of excitation vibration (a shape symmetrical with respect to the same axis as the symmetry axis of the two detection electrodes) , Energy confinement (concentration) becomes better.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro of the present invention, it has a simple structure that can be connected to an input / output terminal without using a lead wire, and is small and thin with high performance. As a result, it is possible to provide a strong support with little influence on the gyro characteristics due to support and fixing, and as a result, a high-performance piezoelectric vibration gyro with excellent vibration resistance and shock resistance can be obtained. Be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of a piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing a configuration according to an example of an electric circuit when the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1 is applied to a piezoelectric vibration gyro;
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration according to another example of an electric circuit when the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1 is applied to a piezoelectric vibration gyro;
FIG. 4 shows a basic configuration of a piezoelectric vibrator having a simplified structure for explaining parallel electric field excitation type energy confinement thickness-shear vibration employed in the piezoelectric vibrator shown in FIG. ) Relates to the plan view, and (b) relates to the side view from one direction.
FIG. 5 shows a displacement distribution in the thickness direction (z-axis direction) when the piezoelectric plate shown in FIG. 4 resonates at half wavelength.
FIG. 6 is a perspective view showing a basic configuration of a piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing a basic configuration of a piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a basic configuration of a conventional piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator | oscillator 10,100 Piezoelectric plate 10a Depression part 10b Flat part 11 Drive electrode 12,13 Detection electrode 101,102 Partial electrode 20,21,34 Resistor 22 AC power supply 23,37 Differential amplification circuit 24,38 Detection circuits 35, 36 Current detection circuit 51 Metal prisms 52, 53 Piezoelectric ceramic thin plates 54, 55 Lead terminals

Claims (1)

厚さ方向に分極軸成分を有する圧電板の少なくとも一方の主面に外側から中央部近傍へ向かって延びた少なくとも一つの駆動用及び偶数の検出用を含む複数の電極が形成されると共に、該偶数の検出用電極を該駆動用電極への駆動電圧の印加により生じる励振振動の方向に対して対称な位置に配置した平行電界励振型エネルギー閉込め厚み滑り振動を利用した圧電振動ジャイロにおいて、前記圧電板は、前記主面における前記中央部近傍の前記複数の電極の端部によって囲まれる局部に前記励振振動の方向に対して対称な形状を有する平坦部及び該平坦部の周囲に形成された窪み部を有することを特徴とする圧電振動ジャイロ用圧電振動子。A plurality of electrodes including at least one drive and an even number of detections extending from the outside toward the vicinity of the central portion are formed on at least one main surface of the piezoelectric plate having a polarization axis component in the thickness direction, In the piezoelectric vibration gyro using the parallel electric field excitation type energy confinement thickness shear vibration in which the even number of detection electrodes are arranged at positions symmetrical to the direction of the excitation vibration generated by applying the drive voltage to the drive electrode, The piezoelectric plate is formed in a local portion surrounded by the ends of the plurality of electrodes in the vicinity of the central portion on the main surface, and a flat portion having a symmetrical shape with respect to the direction of the excitation vibration, and around the flat portion. A piezoelectric vibrator for a piezoelectric vibration gyro characterized by having a recess.
JP23983597A 1997-09-04 1997-09-04 Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro Expired - Fee Related JP3690448B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23983597A JP3690448B2 (en) 1997-09-04 1997-09-04 Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23983597A JP3690448B2 (en) 1997-09-04 1997-09-04 Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH1183490A JPH1183490A (en) 1999-03-26
JP3690448B2 true JP3690448B2 (en) 2005-08-31

Family

ID=17050576

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23983597A Expired - Fee Related JP3690448B2 (en) 1997-09-04 1997-09-04 Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3690448B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001264072A (en) 2000-03-17 2001-09-26 Aisin Seiki Co Ltd Angular velocity sensor

Also Published As

Publication number Publication date
JPH1183490A (en) 1999-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR19990076780A (en) Vibrating gyroscope
KR100494967B1 (en) Piezoelectric vibrating gyroscope utilizing an energy-trapping vibration mode
JP3690448B2 (en) Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro
JP2001208545A (en) Piezoelectric vibration gyroscope
JP2003114127A (en) Oscillator, oscillation gyro using the same, and electronic apparatus using the same
JP3355998B2 (en) Vibrating gyro
JP3640004B2 (en) Piezoelectric vibration gyro using energy confinement vibration mode
JP3172943B2 (en) Piezoelectric vibratory gyro using energy trapped vibration mode
JP3640003B2 (en) Piezoelectric vibration gyro using energy confinement vibration mode
JP3240416B2 (en) Piezoelectric vibration gyro
JP3698840B2 (en) Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro
JP3172944B2 (en) Piezoelectric vibratory gyro using energy trapped vibration mode
JP4044519B2 (en) Tuning fork type piezoelectric vibration gyro
JP2590553Y2 (en) Piezoelectric vibration gyro
JP3172924B2 (en) Piezoelectric vibration gyro
JP3685224B2 (en) Piezoelectric vibration gyro using energy confinement vibration mode
JP3211183B2 (en) Piezoelectric vibratory gyroscope using energy trapped vibration mode
JP3958741B2 (en) Piezoelectric vibrator gyro vibrator
JP3690449B2 (en) Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyro
JP3521315B2 (en) Piezoelectric vibration gyro
JP4044547B2 (en) Piezoelectric vibration gyro
JP3766730B2 (en) Energy-confined piezoelectric vibration gyroscope
JPH1114369A (en) Piezoelectric vibrator for piezoelectric vibration gyroscope and manufacture therefor
JP2006284437A (en) Tuning fork form piezo-electric vibrating gyroscope
JPH10246638A (en) Piezoelectric oscillation gyro

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050526

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050601

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050607

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080624

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090624

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees