JP3732601B2 - 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を不要とするとの利点がある。
【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】
上記従来の圧電振動ジャイロでは、圧電板の分極方向と直角の方向に一対の駆動電極で圧電板を励振しておき、分極方向の回転が加わった時、分極方向と励振方向に直角の方向に生じたコリオリ力による振動に対応した出力信号を一対の検出電極からえて、この出力信号から検出回路で回転角速度を検出回路で検出しているが、回転が加わらないとコリオリ力による振動が発生しないために、回転を加えないで圧電振動ジャイロが正しく動作しているか否かをテストすることができない。
【0008】
また、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することにより精度が低くなるとの欠点が見られる。
【0009】
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。
【0010】
従って、本発明は、圧電板に回転を加えることなく、圧電ジャイロが正しく動作するか否かをテストできる機能を有する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】
また、本発明は、上記の目的を達成すると共に、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、構造簡単、小型、高精度のエネルギー閉じ込め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】
本発明は、圧電板の厚み方向に分極を有する領域における該圧電板の主面上に形成された駆動電極対ならびに検出電極対を有する圧電振動子と、
前記駆動電極対間に駆動電圧をかけて前記圧電板の該駆動電極対間の領域を前記厚み方向に直角な第1の方向に励振しておき、該圧電板が該厚み方向に平行な回転軸を中心にして回転したときに該厚み方向および前記第1の方向に直角な第2の方向に生ずるコリオリ力による振動に対応した信号を検出電極対から入力信号として受けて該入力信号から回転角速度を検出する検出回路とを有するエネルギー閉じ込め振動を利用した圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記駆動電極対間の領域外における前記圧電板の主面上に形成され、該圧電板を前記第2の方向に励振するためのテスト用補助電極を有する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。
【0013】
本発明の圧電振動ジャイロスコープは、更に、前記駆動電極対の一方に接続され前記駆動電圧を発生する駆動源と、該駆動源からの駆動電圧を前記補助電極に選択的に印加するスイッチと、前記検出回路の出力に接続され、前記駆動源が前記補助電極に接続されているときの検出出力の異常を判定するための判定回路を有していても良い。
【0014】
本発明の一態様によれば、前記駆動電極対は、前記主面上であって第1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1の方向と直角の方向に延在させて設けたストリップ状の第1の電極と、他方の位置に前記第1の方向とほぼ直角方向に互いに間隔をおいて延在して設けたストリップ状の第2および第3の電極とからなり、前記補助電極は、前記第1の電極と前記第2及び第3の電極との間の領域に沿って前記第1の方向と平行に延在して設けられており、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するようになすとともに、前記第2及び第3の電極を、前記第2の方向に生ずる振動に対応した出力電圧を得る前記検出電極対として用い、前記第1の電極と前記第2及び第3の電極との間に生じる厚みすべり振動のエネルギーの閉じ込めモードを利用したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープが得られる。
【0015】
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と良い。
【0016】
前記回路は、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で構成し、前記判定回路は該整流回路の出力に接続し、前記駆動源は、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駆動電圧として出力するための駆動回路とで構成すると良い。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
【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されている。これら電極11、12、13には、外部に導出するための端子部14、15、16が接続されている。
【0020】
更に、第1の電極11と第2および第3の電極12および13との間の領域外に、この領域に沿って延在するように補助電極21が設けられている。この補助電極21にも端子部23が接続されている。
【0021】
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ることもできる。
【0022】
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。
【0023】
動作を説明すると、第1の電極11と第2および第3の電極12、13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。
【0024】
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。
【0025】
次に、圧電振動子1が回転を加わえられず静止している状態で、駆動電圧を第1の電極11に供給すると共に補助電極21にも印加すると、駆動電界が補助電極21と第2および第3の電極12および13との間に加わるので、圧電板10はほぼY方向に励振されることになる。この結果、X方向に駆動しているときに回転が加わったときと等価のY方向の振動が発生する。この結果、第2および第3の電極からこのY方向の振動に応じた出力信号を得ることができる。この出力信号から、圧電振動ジャイロ、中でも、振動子に接続された検出回路が正常か否かを判定することができる。すなわち駆動電圧の印加を補助電極に切り換えて、圧電振動ジャイロのテストを行うことができる。
【0026】
図2は図1の圧電振動子1の変形で、テスト用の補助電極として、図1の補助電極21に対向してもう一つの補助電極22とこれに接続された端子部24を設けたものである。補助電極21および22を、それぞれ、第1および第2の補助電極と呼ぶことにする。駆動電圧の印加を第1の補助電極21から第2の補助電極22に切り換えることによって、反対回りの回転が与えられたと等価となり、これにより、圧電振動ジャイロに反対回りの回転を与えたと等価のテストを行うことができる。
【0027】
図3は、図1あるいは図2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3を参照をすると、圧電振動子10の第2及び第3の電極12及び13には、電流検出回路31、32がそれぞれ接続されている。電流検出回路31、32の出力側には、差動増幅回路33が接続され、同期検波回路34、整流回路35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31、32は自励発振条件を満たすための発振回路36に接続され、X方向振動を与えるためのX振動駆動回路37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。また、発振回路36の主力には、Y方向振動を与えるためのY振動駆動回路38が接続され、その出力は、スイッチ回路39を介して、補助電極21(または22)に選択的に接続される。なお、整流回路35の出力側には、その検出出力からこの圧電振動ジャイロが正常に動作しているか否かを判定する判定回路40が接続されている。
【0028】
図4は、図3の電流検出回路31および32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たものである。この回路は、演算増幅器41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41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。
【0029】
この電流検出回路を図3の電流検出回路31および32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31および32の出力間の電位差として検出できることになる。
【0030】
次に、本発明の上記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。
【0031】
図5(a)及び(b)は、図1から図3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5(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6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。
【0032】
図1から図3に示す振動子は、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た電流検出回路31および32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5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。
【0033】
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31及び32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に対して対称に配置されているため、電流検出回路31、32に流れ込むコリオリ力による振動により変化する電流は、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31および32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33により差電圧として検出し、同期検波回路34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35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として検出出力を得ることが出来る。
【0034】
一方、電流検出回路31、32は自励発振条件を満足するための発振回路36とX振動駆動回路37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。
【0035】
また、圧電振動子1に回転が加わらない静止状態のときに、スイッチ39をオンしてY振動駆動電圧を補助電極21に印加すると、前述したように、Y方向振動が発生し、回転が加えられたときに等価の振動が生ずるので、整流回路35から検出出力が得られる。判定回路40は、Y振動駆動電圧のレベルと、この検出出力に基づいて、正常に動作しているか否かを判定し、判定信号を出力する。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電振動子の駆動電極に駆動電圧を印加することによって、駆動電極間をX方向に励振させておき、圧電振動子に加わる回転により生じるコリオリ力に基くY方向振動を検出電極から出力信号として得て、該出力信号から検出回路に回転の角速度を検出するエネルギー閉じ込め型圧電振動ジャイロにおいて、前記駆動電極間領域の外側で、該領域に沿ってX方向に延在する補助電極を設け、回転が加わらない状態で、該補助電極に駆動電圧を印加してY方向の振動を強制的に発生させるようにしたので、そのときの検出信号から、圧電振動ジャイロの動作が正常か否かを知ることができる。
【0040】
更に、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。
【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】本発明の他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3】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4】図3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5】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6】図5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。
【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、23、24 端子部
21 第1の補助電極
22 第2の補助電極
31 電流検出回路
32 電流検出回路
33 差動回路
34 同期検波回路
35 整流回路
36 発振回路
37 X振動駆動回路
38 Y振動駆動回路
39 スイッチ
40 判定回路
41 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 has the advantage that the vibration energy is concentrated in the local area 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 is.
[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 to each other, 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]
In the conventional piezoelectric vibration gyro described above, when a piezoelectric plate is excited with a pair of drive electrodes in a direction perpendicular to the polarization direction of the piezoelectric plate, and the rotation of the polarization direction is applied, the direction is perpendicular to the polarization direction and the excitation direction. the resulting Te Coriolis force by the pair of detecting electrodes Karae an output signal corresponding to the vibration, although detected by the detecting circuit the rotation angle speed detecting circuit from the output signal, the rotation is not applied when vibration due to the Coriolis force is generated Therefore, it is not possible to test whether the piezoelectric vibration gyro is operating correctly without applying rotation.
[0008]
In addition, the piezoelectric vibration gyro using the energy confinement vibration mode disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-162915 has a need to locally increase the thickness of the piezoelectric plate or form a cross finger electrode. There are difficulties. 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 to the piezoelectric plate is affected by the detection electrodes, and the accuracy of the drive electric field changes due to the change of the drive field direction. The shortcoming is seen.
[0009]
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.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration gyro using an energy confinement vibration mode having a function of testing whether or not the piezoelectric gyro operates correctly without rotating the piezoelectric plate.
[0011]
In addition, the present invention achieves the above-described object and prevents the output electrode from adversely affecting the drive electric field by sharing the output electrode as a part of the drive electrode in a limited region of the main surface of the piezoelectric plate. It is an object of the present invention to provide an energy confinement piezoelectric vibration gyro with a simple structure, a small size, and high accuracy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a piezoelectric vibrator having a piezoelectric plate driving electrode pairs and detection electrode pairs are formed on the main surface of the region that having a polarization in the thickness direction of the piezoelectric plate,
Leave exciting the area between the drive electrode pairs of said piezoelectric plate in a first direction perpendicular to the thickness direction by applying a driving voltage to the driving electrode pairs, rotating parallel said piezoelectric plate is in the thick viewed direction rotation from the input signal by receiving a signal corresponding to the vibration due to the Coriolis force generated perpendicular second direction the thick viewed direction and said first direction when rotated about the shaft from the detection electrode pair as an input signal in the energy trapping piezoelectric vibrating gyroscope utilizing vibration and a detection circuit for detecting angular velocity,
It formed on a main surface of the piezoelectric plate in a region outside between the driving electrode pairs, energy-trap piezoelectric resonator, characterized in that it comprises a test auxiliary electrodes for exciting the piezoelectric plate in the second direction It is a gyroscope.
[0013]
The piezoelectric vibration gyroscope of the present invention further includes a drive source connected to one of the drive electrode pairs for generating the drive voltage, a switch for selectively applying the drive voltage from the drive source to the auxiliary electrode, which is connected to the output of the detection circuit, the drive source may be have a determining circuit for determining an abnormality of the detection output when connected to the auxiliary electrode.
[0014]
According to one aspect of the present invention, the drive electrode pair has a direction perpendicular to the first direction at one of two positions on the main surface and spaced apart from each other by a predetermined distance in the first direction. A strip-shaped first electrode provided to extend to the other, and strip-shaped second and third electrodes provided at the other position so as to extend at a distance from each other in a direction substantially perpendicular to the first direction. The auxiliary electrode is provided to extend in parallel with the first direction along a region between the first electrode and the second and third electrodes, together form so as to apply a driving voltage for excitation between the first electrode and the second and third electrodes, corresponding to the second and third electrodes, the vibration generated in said second direction the used as the detection electrode pair obtain the output voltage, between the first electrode and the second and third electrodes The piezoelectric vibrating gyroscope, characterized in that utilizing the energy confinement mode of thickness shear vibration that occurs can be obtained.
[0015]
The second and third electrodes are respectively connected to first and second current detection circuits having a virtual ground function, and an excitation drive voltage is applied to the first electrode, It is preferable that the detection output is obtained from the difference voltage generated between the outputs of the second current detection circuit.
[0016]
The circuit includes 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, and a synchronization circuit connected to the differential circuit output. A detection circuit; and a rectifier circuit connected to the output of the synchronous detection circuit; the determination circuit is connected to an output of the rectification circuit; and the drive source is the first and second current detection circuits. An oscillation circuit for oscillating a signal having a self-excitation drive frequency connected between the outputs, and a drive circuit for outputting an alternating voltage of the self-excitation drive frequency as the drive voltage connected to the output of the oscillation circuit; It is good to compose with.
[0017]
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.
[0018]
A piezoelectric crystal plate having a polarization axis in the thickness direction can also be used as the piezoelectric plate.
[0019]
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
[0020]
Furthermore, outside the region between the
[0021]
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 can also be used without providing a terminal portion for leading to the outside on the vibrator.
[0022]
As shown in the figure, the three-dimensional coordinates are determined with the thickness direction being the Z axis, the opposing direction of the electrodes being the X axis, and the direction orthogonal to these being the Y axis.
[0023]
In operation, when a driving voltage (alternating current) is applied between the
[0024]
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.
[0025]
Next, when the driving voltage is supplied to the
[0026]
FIG. 2 is a modification of the
[0027]
FIG. 3 is a block diagram showing a circuit configuration connected to the
[0028]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the
[0029]
This current detection circuit is used for the
[0030]
Next, the driving principle of the piezoelectric vibrator in the above embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0031]
FIGS. 5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view showing only the electrode portion, respectively, showing the basic structure of the energy confinement type vibrator shown in FIGS. Referring to FIGS. 5 (a) and 5 (b), on the same surface of the central portion of the
[0032]
The vibrator shown in FIGS. 1 to 3 uses the above basic structure. That is, the
[0033]
In this state, when the
[0034]
On the other hand, the
[0035]
In addition, when the
[0036]
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.
[0037]
When a piezoelectric ceramic is used as the
[0038]
As the
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, the drive voltage is applied to the drive electrodes of the piezoelectric vibrator so that the drive electrodes are excited in the X direction, and the Y-direction vibration based on the Coriolis force generated by the rotation applied to the piezoelectric vibrator is detected. In an energy confinement type piezoelectric vibration gyro that is obtained as an output signal from the electrodes and detects the angular velocity of rotation from the output signal to the detection circuit, the auxiliary extending in the X direction along the region outside the region between the drive electrodes Since an electrode is provided and a drive voltage is applied to the auxiliary electrode without any rotation, the vibration in the Y direction is forcibly generated. Therefore, the operation of the piezoelectric vibration gyro is normal from the detection signal at that time. You can know whether or not.
[0040]
Furthermore, 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 detect electrodes. Therefore, the drive electric field is not adversely affected by the presence of the detection electrode, and the Y-direction vibration can be detected while maintaining the electric field for exciting the X-direction vibration. Obtainable. In addition, since energy-confined vibration is used, a gyro that is easy to support and highly reliable can be obtained.
[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 perspective view showing a configuration of a piezoelectric vibrator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a circuit configuration of a gyro using a piezoelectric vibrator.
4 is a circuit diagram showing an example of a current detection circuit used in the circuit of FIG. 3. FIG.
5A and 5B are diagrams showing a basic structure of a vibrator employed in the piezoelectric vibrator of FIGS. 1 and 2, wherein FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a side view excluding electrode terminal portions.
6 is a diagram showing a displacement distribution in the thickness direction in the thickness shear vibration of the vibrator having the basic structure of FIG. 5; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記駆動電極対間に駆動電圧をかけて前記圧電板の該駆動電極対間の領域を前記厚み方向に直角な第1の方向に励振しておき、該圧電板が該厚み方向に平行な回転軸を中心にして回転したときに該厚み方向および前記第1の方向に直角な第2の方向に生ずるコリオリ力による振動に対応した信号を検出電極対から入力信号として受けて該入力信号から回転角速度を検出する検出回路とを有するエネルギー閉じ込め振動を利用した圧電振動ジャイロスコープにおいて、
前記駆動電極対間の領域外における前記圧電板の主面上に形成され、該圧電板を前記第2の方向に励振するためのテスト用補助電極を有する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。A piezoelectric vibrator having a piezoelectric plate driving electrode pairs and detection electrode pairs are formed on the main surface of the region that having a polarization in the thickness direction of the piezoelectric plate,
Leave exciting the area between the drive electrode pairs of said piezoelectric plate in a first direction perpendicular to the thickness direction by applying a driving voltage to the driving electrode pairs, rotating parallel said piezoelectric plate is in the thick viewed direction rotation from the input signal by receiving a signal corresponding to the vibration due to the Coriolis force generated perpendicular second direction the thick viewed direction and said first direction when rotated about the shaft from the detection electrode pair as an input signal in the energy trapping piezoelectric vibrating gyroscope utilizing vibration and a detection circuit for detecting angular velocity,
They formed on a main surface of the piezoelectric plate in a region outside between the driving electrode pairs, energy-trap piezoelectric resonator, characterized in that it comprises a test auxiliary electrodes for exciting the piezoelectric plate in the second direction Gyroscope.
前記駆動電極対の一方に接続され前記駆動電圧を発生する駆動源と、該駆動源からの駆動電圧を前記補助電極に選択的に印加するスイッチと、前記検出回路の出力に接続され、前記駆動源が前記補助電極に接続されているときの検出出力の異常を判定するための判定回路を有することを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。The piezoelectric vibrating gyroscope of claim 1,
A drive source connected to one of the drive electrode pair for generating the drive voltage; a switch for selectively applying a drive voltage from the drive source to the auxiliary electrode; and an output of the detection circuit for connecting the drive A piezoelectric vibration gyroscope comprising: a determination circuit for determining an abnormality in detection output when a source is connected to the auxiliary electrode.
前記駆動電極対は、
前記主面上であって第1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1の方向と直角の方向に延在させて設けたストリップ状の第1の電極と、
他方の位置に前記第1の方向とほぼ直角方向に互いに間隔をおいて延在して設けたストリップ状の第2および第3の電極とからなり、
前記補助電極は、前記第1の電極と前記第2及び第3の電極との間の領域に沿って前記第1の方向と平行に延在して設けられており、
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するようになすとともに、前記第2及び第3の電極を、前記第2の方向に生ずる振動に対応した出力電圧を得る前記検出電極対として用い、
前記第1の電極と前記第2及び第3の電極との間に生じる厚みすべり振動のエネルギーの閉じ込めモードを利用したことを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。The piezoelectric vibrating gyroscope of claim 2,
The drive electrode pair is:
A strip-shaped first electrode provided on one of the two positions on the main surface and spaced apart from each other in a first direction by extending in a direction perpendicular to the first direction; ,
A strip-like second and third electrodes provided at the other position so as to extend in a direction substantially perpendicular to the first direction at a distance from each other;
The auxiliary electrode is provided to extend in parallel with the first direction along a region between the first electrode and the second and third electrodes,
Together form so as to apply a driving voltage for excitation between said first electrode and said second and third electrodes, said second and third electrodes, the vibration generated in said second direction used by said detecting electrode pair to obtain a corresponding output voltage,
A piezoelectric vibration gyroscope using an energy confinement mode of thickness-shear vibration generated between the first electrode and the second and third electrodes.
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。The piezoelectric vibrating gyroscope of claim 3,
The second and third electrodes are respectively connected to first and second current detection circuits having a virtual ground function, and an excitation drive voltage is applied to the first electrode, A piezoelectric vibration gyroscope configured to obtain a detection output from a differential voltage generated between outputs of a second current detection circuit.
前記検出回路は、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からなり、前記判定回路は、前記整流回路の出力に接続されており、前記駆動源は、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駆動電圧として出力する駆動回路とからなることを特徴とする圧電振動ジャイロスコープ。The piezoelectric vibrating gyroscope of claim 4,
The detection circuit is connected between the outputs of the first and second current detection circuits, and is connected to a differential circuit for detecting a difference in output voltage between the current detection circuits, and to the differential circuit output. A synchronous detection circuit; and a rectifier circuit connected to an output of the synchronous detection circuit, wherein the determination circuit is connected to an output of the rectifier circuit, and the drive source is the first and second currents An oscillation circuit for oscillating a self-excitation drive frequency signal connected between the outputs of the detection circuit, and a drive circuit connected to the output of the oscillation circuit and outputting an AC voltage of the self-excitation drive frequency as the drive voltage A piezoelectric vibration gyroscope characterized by comprising:
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。In the piezoelectric vibration gyroscope according to any one of claims 1 to 5,
A piezoelectric vibration gyroscope using piezoelectric ceramics as the piezoelectric plate, wherein only the region between and in the vicinity of the first to third electrodes of the piezoelectric ceramics is polarized in the thickness direction.
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。In the piezoelectric vibration gyroscope according to any one of claims 3 to 5,
A piezoelectric vibration gyroscope using a piezoelectric crystal plate having a polarization axis in the thickness direction as the piezoelectric plate.
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