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JP3682664B2 - Piezoelectric vibration gyro - Google Patents

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JP3682664B2
JP3682664B2 JP28081695A JP28081695A JP3682664B2 JP 3682664 B2 JP3682664 B2 JP 3682664B2 JP 28081695 A JP28081695 A JP 28081695A JP 28081695 A JP28081695 A JP 28081695A JP 3682664 B2 JP3682664 B2 JP 3682664B2
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JP
Japan
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piezoelectric
vibrator
vibration
vibration gyro
electrodes
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洋 阿部
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Tokin Corp
Original Assignee
NEC Tokin Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶や自動車等の移動体自身及びこれに搭載される機器の姿勢制御や自動車のナビゲーションシステムなどに用いられるジャイロスコープの内、特に圧電振動子の超音波振動を用いた、いわゆる圧電振動ジャイロに関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転角速度が与えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープである。互いに直交する二つの方向の励振と検出が可能であるように構成した振動系において、一方の振動を励振した状態で、振動子自身を二つの振動面が交わる線を中心軸として回転させると、前述のコリオリ力の作用により、この振動と直角な方向に力が働き、他方の振動が励振される。この振動の大きさは、入力側の振動の大きさ及び回転角速度に比例するため、入力電圧を一定にした状態では、この振動の大きさに比例した出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。
【0003】
係る従来の圧電振動ジャイロに用いられている圧電振動子の構造の概略を図8に示す。
【0004】
図8に示すように、この圧電振動子は、エリンバー等の恒弾性金属で構成される音叉型の圧電振動子100のX方向の面102,Y方向の面104に、それぞれ圧電素子106,108が設けられ、これら圧電素子106,108と駆動・検出部(図示せず)との電気的な接続にはリード線110,112を用いている。この圧電振動子においては、X方向の面102に設けられている圧電素子106にリード線110を介して電圧を印加し、X方向の振動を励振した状態で回転角速度が加わると、コリオリ力によってY方向の振動が励起され、このY方向の振動を、Y方向の面104に設けられた圧電素子108によって電圧の変化に変換し、リード線112を介してこの検出電圧から回転角速度を検出している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の圧電振動ジャイロに用いられている圧電振動子100においては、X方向の面102及びY方向の面104それぞれに圧電素子106,108を設けているため、圧電振動子100に圧電素子106,108を接着する等の加工が難しく、圧電振動子100を小型化することが困難であった。また、接着位置のずれ等の影響により精度が低下し、更に、接着層の影響によって精度の低下を招くこともあった。一方、電気的な接続にリード線110,112を用いているので、組立が容易ではなく、安価な圧電振動ジャイロを製造する妨げになっている。
【0006】
本発明の目的は、以上に示した従来の圧電振動ジャイロの欠点を除去し、圧電素子の接着による影響を受けない簡易な構成で量産性が良く、小型で高精度な圧電振動ジャイロを得ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、圧電素子単体からなる音叉型振動子の一つの面のみに電極が配置されている簡易な構成で圧電振動子におけるベース部に接続用ランドを設けることによって電気的な接続及び固定を同時に行い得る圧電振動ジャイロを提供する。
【0008】
即ち、本発明によれば、振動させている物体(以後、この励振する振動の方向をX方向と記す)に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向(以後、この振動の方向をY方向と記す)にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交するX方向及びY方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、振動子は、X方向又はY方向に平行な最低1つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該X方向又は該Y方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型における双方の共振部に対してそれぞれ3本ずつの帯状電極として形成されている圧電振動ジャイロが得られる。
【0009】
一方、本発明によれば、振動させている物体(以後、この励振する振動の方向をX方向と記す)に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向(以後、この振動の方向をY方向と記す)にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交するX方向及びY方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、振動子は、X方向又はY方向に平行な最低1つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該X方向又は該Y方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型におけるベース部に該振動子を回路基板と電気的に接続及び固定するために設けられた接続用ランド部に接続されるように設けられている圧電振動ジャイロが得られる。
【0010】
前者の圧電振動ジャイロにおいて、3本ずつの帯状電極における真ん中の1本は、第1の駆動端子、並びに第2の駆動端子として振動子駆動回路に接続されると共に、該第1の駆動端子と該第2の駆動端子とには逆位相の駆動電圧が印加されること、或いは3本ずつの帯状電極に含まれる2本の検出端子は、それぞれ電流検出回路を構成するオペアンプの反転端子に接続されると共に、電位がオペアンプの仮想接地機能により駆動検出回路の基準電位に固定されており、更に、基準電位と駆動端子との間に電圧を印加することで振動子を駆動し、2本の検出端子に接続された電流検出回路の出力を用いてX方向及びY方向の振動を検出できるように構成されたこと、或いは3本ずつの帯状電極に含まれる検出端子のうち、振動子における外側にある検出端子同士及び内側にある検出端子同士は、該振動子のベース部又は接続する回路基板上で接続して用いられることは、何れも好ましい。
【0011】
後者の圧電振動ジャイロにおいて、接続用ランド部は、回路基板に設けられて直接的に電気的な接続及び固定を行うものであること、更に、回路基板には、振動子における振動部分を確保するための切り欠きが該回路基板に対して接触しないように設けられていることはそれぞれ好ましい。
【0012】
【実施例】
以下、本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロについて図面を参照して詳細に説明する。
【0013】
図1は、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子を示す斜視図であり、図2は図1に示した圧電振動子の電極配置及び分極方向を示す断面図である。図2内の矢印は、圧電振動子の分極方向を示している。
【0014】
図1に示すように、この圧電振動子は、PZT等の圧電セラミックスからなる音叉型の圧電振動子1のX方向の片面3にスクリーン印刷等により帯状電極5,7,9,11,13,15が形成されており、また、この圧電振動子の分極方向は、図2の矢印に示す方向に分極処理が施されている。本実施例では帯状電極5,15、帯状電極9,11は、圧電振動子におけるベース部又は接続される回路基板部で接続して用いる場合について示すが、それぞれ独立して用いる構成としても良い。即ち、ここでの圧電振動子は、X方向又はY方向に平行な最低1つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、X方向又はY方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ電極が音叉型における双方の共振部に対してそれぞれ3本ずつの帯状電極5,7,9と帯状電極11,13,15として形成されている。
【0015】
帯状電極5,7,9,11,13,15の端部は、圧電振動子1のベース部に圧電振動子を回路基板と電気的に接続及び固定するために設けられた設けられた接続用ランド部17に接続されるように延在している。圧電振動子1は、図5に示すような切り欠き部19と圧電振動子取り付けランド21をもつ回路基板23に半田付け等により電気的に接続され固定される。即ち、ここでの振動子取り付け用ランド21は、回路基板23に設けられて圧電振動子1を支持具やリード線等を用いず、接続用ランド部17との間で直接的に半田等により電気的な接続及び固定を行うためのものである。このため、回路基板23には、圧電振動子1における振動部分を確保するための切り欠きが回路基板23に対して接触しないように設けられている。
【0016】
図6に、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために圧電振動子に対して適用される駆動検出回路を示す。
【0017】
圧電振動子1に設けられた帯状電極5,15は、そのベース部又は回路基板上で接続され、第1の電流検出回路31に接続されており、同様に帯状電極9と11は第2の電流検出回路32に接続されている。第1の電流検出回路31及び第2の電流検出回路32の出力は差動回路33に接続され、差動回路33の出力はこれに接続された同期検波回路34及び整流回路35に送出されている。
【0018】
以下、本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロの動作について図面を用いて詳細に説明する。
【0019】
帯状電極5,7間と帯状電極7,9間、帯状電極11,13間、及び帯状電極13,15間とはそれぞれ独立して電気−機械変換素子として動作する。帯状電極5,7間と帯状電極7,9間に同相の電圧を印加すれば、圧電振動子1は、X方向に振動する。
【0020】
X方向の振動(図3における矢印方向の振動)に対しては、帯状電極5,7間及び帯状電極7,9間と、帯状電極11,13間及び帯状電極13,15間とには、図3に示すように同相の電界が発生する。即ち、帯状電極5,7間及び帯状電極7,9間には−(マイナス)の電界が発生し、帯状電極11,13間及び帯状電極13,15間には+(プラス)の電界が発生する。
【0021】
一方、Y方向の振動(図4における矢印方向の振動)に対しては、帯状電極5,7間及び帯状電極7,9間と、帯状電極11,13間及び帯状電極13,15間とには、図4に示すように逆相の電界が発生する。即ち、帯状電極5,7間,帯状電極7,9間にはそれぞれプラスとマイナスとの電界が発生し、帯状電極11,13間,帯状電極13,15間にはそれぞれマイナスとプラスとの電界が発生する。
【0022】
帯状電極5,9,11,15は、上述した第1の電流検出回路31及び第2の電流検出回路32の入力端子に接続されている。これらの第1の電流検出回路31及び第2の電流検出回路32における各々入力端子は、それぞれ図7に示すようにオペアンプ41の反転端子に接続されており、オペアンプ41は抵抗器42で負帰還がかかっており、非反転端子が第1の駆動回路36及び第2の駆動回路37の基準電位に接続されることで、上述した第1電流検出回路31及び第2の電流検出回路32を構成している。第1の電流検出回路31及び第2の電流検出回路32のそれぞれの入力端子、即ち、オペアンプ41の反転端子の電位は、オペアンプ41の仮想接地機能により非反転端子と同電位となり、基準電位に固定されている。
【0023】
帯状電極7は第1の駆動回路36に接続され、帯状電極13は第2の駆動回路37に接続されている。帯状電極7及び帯状電極13には、それぞれ略逆位相で圧電振動子1の共振周波数に略等しい周波数の交流電圧が印加され、図3に矢印で示すようなX方向の振動が励起される。
【0024】
このようなX方向の振動に対して、図3に示すように、帯状電極5,15からは逆相の電流が出力されるが、帯状電極5,15は接続されているため、この逆相の電流は相殺されて第1の電流検出回路31からは出力されない。同様に帯状電極9,11からも逆相の電流が出力され、帯状電極9,11は接続されているため、この逆相の電流は相殺されて、第2の電流検出回路32からは出力されない。
【0025】
図3に矢印で示す方向に振動させている状態でZ軸方向を軸として回転角速度が加わると、コリオリ力により図4に矢印で示すようなY方向の振動が励起される。Y方向の振動に対して、図4中に示すように帯状電極5,15からは同位相の電流が出力され、第1の電流検出回路31には帯状電極5,15の出力電流を足しあわせた(約2倍の)出力が得られる。同様に帯状電極9,11には同位相の電流が出力されるから、第2の電流検出回路32には帯状電極9,11の出力を足しあわせた出力が得られる。ここで、図4図中に示すように、電極5,15と電極9,11は互いに逆相の出力となるから、第1の電流検出回路31と第2の電流検出回路32とはそれぞれ逆相の出力となる。
【0026】
第1の電流検出回路31及び第2の電流検出回路32の出力は差動回路33に入力され、同期検波回路34及び整流回路35によって同期整流され、コリオリ力に比例した直流電圧、即ち、回転角速度に比例した出力電圧を得ることができる。
【0027】
【発明の効果】
本発明の圧電振動ジャイロを構成した場合、圧電振動子は「振動体」という機械的な機能と、振動の駆動・検出を行う「電気−機械変換素子」としての機能を単一素子において実現できることにより、接着層を持たずに圧電振動子の構成が簡易となる。また、電極が片面のみに設けられる構成上、電極の形成や分極処理が容易となり、小型で安価な圧電振動ジャイロを得ることができる。しかも、本発明の圧電振動ジャイロの場合、圧電振動子と回路基板との電気的な接続は、リード線等を用いることなく、回路基板と圧電振動子の接続用ランド部とを直接半田付けすることによって行うことができ、同時に半田によって回路基板と圧電振動子とが固定されることにより、組立が非常に容易で、小型で安価な圧電振動ジャイロを作製することができる。また、接着層を持たないので、圧電素子の接着誤差や、接着層の影響を受けず、更にリード線もないから従来よりも高精度で信頼性の高い圧電振動ジャイロを得ることができる。更に、駆動検出回路では、外乱等により二つの共振部に同相に発生する振動に対して回路部内で相殺できることにより、外乱の影響の少なく、即ち、高精度な圧電振動ジャイロを得ることができる。結果として、従来の圧電振動ジャイロの欠点を解消し、圧電素子の接着による影響を受けない簡易な構成で量産性が良く、小型で高精度な圧電振動ジャイロを作製することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例に係る圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子を示す斜視図である。
【図2】 図1に示した圧電振動子の電極配置及び分極方向を示す断面図である。
【図3】 図1に示した圧電振動子の励振方向(X方向)の振動方向及びその振動による電極の出力を示す断面図である。
【図4】 図1に示した圧電振動子の検出方向(X方向)の振動(コリオリ力による振動)方向及びその振動による電極の出力を示す断面図である。
【図5】 一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために図1に示した圧電振動子に対して適用される回路基板の形状、並びに圧電振動子と回路基板との接続状態を示す斜視図である。
【図6】 一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために図1に示した圧電振動子に対して適用される駆動検出回路を示すブロック図である。
【図7】 一実施例に係る圧電振動ジャイロを作製するために図1に示した圧電振動子に対して適用される電流検出回路を例示した回路図である。
【図8】 従来の圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 圧電振動子
5,7,9,11,13,15 帯状電極
17 接続用ランド部
19 切り欠き部
21 圧電振動子取り付けランド
23 回路基板
31 第1の電流検出回路
32 第2の電流検出回路
33 差動回路
34 同期検波回路
35 整流回路
36 第1の駆動回路
37 第2の駆動回路
41 オペアンプ
42 抵抗器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a so-called piezoelectric device that uses ultrasonic vibration of a piezoelectric vibrator, in particular, in a gyroscope used for attitude control of a moving body itself such as a ship or an automobile and equipment mounted thereon, an automobile navigation system, or the like. It relates to a vibrating gyroscope.
[0002]
[Prior art]
A piezoelectric vibrating gyroscope is a gyroscope that utilizes a dynamic phenomenon that when a rotating angular velocity is applied to a vibrating object, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the vibrating direction. In a vibration system configured so that excitation and detection in two directions orthogonal to each other are possible, in a state where one vibration is excited, when the vibrator itself is rotated about a line where two vibration surfaces intersect, Due to the action of the aforementioned Coriolis force, a force acts in a direction perpendicular to this vibration, and the other vibration is excited. Since the magnitude of this vibration is proportional to the magnitude of the vibration on the input side and the rotational angular velocity, when the input voltage is constant, the magnitude of the rotational angular velocity is determined from the magnitude of the output voltage proportional to the magnitude of this vibration. Can be requested.
[0003]
An outline of the structure of a piezoelectric vibrator used in such a conventional piezoelectric vibration gyro is shown in FIG.
[0004]
As shown in FIG. 8, this piezoelectric vibrator has piezoelectric elements 106 and 108 on the surface 102 in the X direction and the surface 104 in the Y direction of the tuning fork type piezoelectric vibrator 100 made of a constant elastic metal such as Elinvar, respectively. Lead wires 110 and 112 are used for electrical connection between the piezoelectric elements 106 and 108 and a drive / detection unit (not shown). In this piezoelectric vibrator, when a voltage is applied to the piezoelectric element 106 provided on the surface 102 in the X direction via the lead wire 110 and vibration in the X direction is excited and a rotational angular velocity is applied, the Coriolis force causes The vibration in the Y direction is excited, the vibration in the Y direction is converted into a change in voltage by the piezoelectric element 108 provided on the surface 104 in the Y direction, and the rotational angular velocity is detected from the detected voltage via the lead wire 112. ing.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the piezoelectric vibrator 100 used in the conventional piezoelectric vibration gyro described above, the piezoelectric elements 106 and 108 are provided on the surface 102 in the X direction and the surface 104 in the Y direction, respectively. Processing such as bonding 106 and 108 is difficult, and it is difficult to downsize the piezoelectric vibrator 100. Further, the accuracy is lowered due to the influence of the displacement of the bonding position and the like, and the accuracy is sometimes lowered due to the influence of the adhesive layer. On the other hand, since the lead wires 110 and 112 are used for electrical connection, it is not easy to assemble and obstructs the manufacture of an inexpensive piezoelectric vibrating gyroscope.
[0006]
The object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the conventional piezoelectric vibration gyro described above, and to obtain a small and highly accurate piezoelectric vibration gyro with a simple structure that is not affected by the adhesion of the piezoelectric element and has good mass productivity. It is in.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, electrical connection and fixing are achieved by providing a connection land on the base portion of the piezoelectric vibrator with a simple configuration in which electrodes are arranged only on one surface of a tuning fork vibrator made of a single piezoelectric element. A piezoelectric vibration gyro capable of simultaneously performing the above is provided.
[0008]
That is, according to the present invention, when a rotational angular velocity is given to a vibrating object (hereinafter, this excited vibration direction is referred to as X direction), a direction perpendicular to the excitation direction (hereinafter referred to as this vibration direction). Among the gyroscopes using a mechanical phenomenon that generates Coriolis force in the Y direction), a vibrator configured to be able to excite and detect the X and Y directions orthogonal to each other using piezoelectric characteristics. In the piezoelectric vibration gyro configured by using the vibrator, the vibrator is composed of a tuning fork type piezoelectric element including at least one surface parallel to the X direction or the Y direction, and is parallel to either the X direction or the Y direction. An electrode is provided on only one surface, and a piezoelectric vibration gyro is obtained in which the electrodes are formed as three strip electrodes for each of the resonance parts of the tuning fork type.
[0009]
On the other hand, according to the present invention, when a rotational angular velocity is given to a vibrating object (hereinafter, the direction of vibration to be excited is referred to as X direction), a direction perpendicular to the excitation direction (hereinafter, direction of this vibration). Among the gyroscopes using a mechanical phenomenon that generates Coriolis force in the Y direction), a vibrator configured to be able to excite and detect the X and Y directions orthogonal to each other using piezoelectric characteristics. In the piezoelectric vibration gyro configured by using the vibrator, the vibrator is composed of a tuning fork type piezoelectric element including at least one surface parallel to the X direction or the Y direction, and is parallel to either the X direction or the Y direction. An electrode is provided only on one surface, and the electrode is connected to a connection land portion provided to electrically connect and fix the vibrator to the circuit board on the base portion of the tuning fork type. Established as In which the piezoelectric vibration gyro is obtained.
[0010]
In the former piezoelectric vibration gyro, the middle one of the three strip electrodes is connected to the vibrator drive circuit as a first drive terminal and a second drive terminal, and the first drive terminal and A drive voltage having an opposite phase is applied to the second drive terminal, or two detection terminals included in each of the three strip electrodes are connected to the inverting terminals of the operational amplifiers constituting the current detection circuit, respectively. In addition, the potential is fixed to the reference potential of the drive detection circuit by the virtual ground function of the operational amplifier, and further, the vibrator is driven by applying a voltage between the reference potential and the drive terminal. The configuration is such that vibration in the X direction and the Y direction can be detected using the output of the current detection circuit connected to the detection terminal, or among the detection terminals included in each of the three strip electrodes, the outside of the vibrator Detection terminals are in some sense terminal other and inside, be used to connect on a circuit board to the base portion or connecting of the transducer are both preferred.
[0011]
In the latter piezoelectric vibration gyro, the connection land portion is provided on the circuit board for direct electrical connection and fixation, and the circuit board secures a vibration portion in the vibrator. It is preferable that the notch for the contact is provided so as not to contact the circuit board.
[0012]
【Example】
Hereinafter, a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator used in a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing an electrode arrangement and a polarization direction of the piezoelectric vibrator shown in FIG. is there. The arrows in FIG. 2 indicate the polarization direction of the piezoelectric vibrator.
[0014]
As shown in FIG. 1, this piezoelectric vibrator has band-like electrodes 5, 7, 9, 11, 13, and the like by screen printing on one side 3 in the X direction of a tuning fork type piezoelectric vibrator 1 made of piezoelectric ceramics such as PZT. 15 is formed, and the piezoelectric vibrator is polarized in the direction indicated by the arrow in FIG. In this embodiment, the strip electrodes 5 and 15 and the strip electrodes 9 and 11 are shown as being connected to each other at the base portion of the piezoelectric vibrator or the circuit board portion to be connected, but may be configured to be used independently. That is, the piezoelectric vibrator here is composed of a tuning fork type piezoelectric element including at least one surface parallel to the X direction or the Y direction, and the electrode is formed only on one surface parallel to either the X direction or the Y direction. The electrodes are formed as three strip electrodes 5, 7, 9 and strip electrodes 11, 13, 15 for each of the resonance parts of the tuning fork type.
[0015]
The end portions of the strip electrodes 5, 7, 9, 11, 13, 15 are provided for connection to the base portion of the piezoelectric vibrator 1 so as to electrically connect and fix the piezoelectric vibrator to the circuit board. It extends so as to be connected to the land portion 17. The piezoelectric vibrator 1 is electrically connected and fixed by soldering or the like to a circuit board 23 having a notch portion 19 and a piezoelectric vibrator mounting land 21 as shown in FIG. That is, the vibrator mounting land 21 here is provided on the circuit board 23, and the piezoelectric vibrator 1 is directly connected to the connecting land portion 17 by solder or the like without using a support or a lead wire. For electrical connection and fixing. For this reason, the circuit board 23 is provided with a notch for securing a vibration part in the piezoelectric vibrator 1 so as not to contact the circuit board 23.
[0016]
FIG. 6 shows a drive detection circuit applied to a piezoelectric vibrator in order to produce a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention.
[0017]
The strip electrodes 5 and 15 provided in the piezoelectric vibrator 1 are connected on the base portion or the circuit board, and are connected to the first current detection circuit 31. Similarly, the strip electrodes 9 and 11 are connected to the second electrode 9 and 11 respectively. The current detection circuit 32 is connected. The outputs of the first current detection circuit 31 and the second current detection circuit 32 are connected to a differential circuit 33, and the output of the differential circuit 33 is sent to a synchronous detection circuit 34 and a rectifier circuit 35 connected thereto. Yes.
[0018]
Hereinafter, the operation of the piezoelectric vibrating gyroscope according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
Between the strip electrodes 5 and 7 and between the strip electrodes 7 and 9, between the strip electrodes 11 and 13, and between the strip electrodes 13 and 15, each operates independently as an electro-mechanical conversion element. When an in-phase voltage is applied between the strip electrodes 5 and 7 and between the strip electrodes 7 and 9, the piezoelectric vibrator 1 vibrates in the X direction.
[0020]
For vibration in the X direction (vibration in the direction of the arrow in FIG. 3), between the strip electrodes 5 and 7 and between the strip electrodes 7 and 9, between the strip electrodes 11 and 13 and between the strip electrodes 13 and 15, As shown in FIG. 3, an in-phase electric field is generated. That is, a-(minus) electric field is generated between the strip electrodes 5 and 7 and between the strip electrodes 7 and 9, and a + (plus) electric field is generated between the strip electrodes 11 and 13 and between the strip electrodes 13 and 15. To do.
[0021]
On the other hand, with respect to the vibration in the Y direction (vibration in the arrow direction in FIG. 4), between the strip electrodes 5 and 7 and between the strip electrodes 7 and 9, and between the strip electrodes 11 and 13 and between the strip electrodes 13 and 15. As shown in FIG. 4, a reverse phase electric field is generated. That is, a positive and negative electric field is generated between the strip electrodes 5 and 7 and between the strip electrodes 7 and 9, and a negative and positive electric field is generated between the strip electrodes 11 and 13 and between the strip electrodes 13 and 15, respectively. Will occur.
[0022]
The strip electrodes 5, 9, 11, 15 are connected to the input terminals of the first current detection circuit 31 and the second current detection circuit 32 described above. Each input terminal in the first current detection circuit 31 and the second current detection circuit 32 is connected to the inverting terminal of the operational amplifier 41 as shown in FIG. 7, and the operational amplifier 41 is negatively fed back by the resistor 42. And the non-inverting terminal is connected to the reference potential of the first drive circuit 36 and the second drive circuit 37, thereby configuring the first current detection circuit 31 and the second current detection circuit 32 described above. doing. The potential of each input terminal of the first current detection circuit 31 and the second current detection circuit 32, that is, the inverting terminal of the operational amplifier 41 becomes the same potential as the non-inverting terminal by the virtual ground function of the operational amplifier 41, and becomes the reference potential. It is fixed.
[0023]
The strip electrode 7 is connected to the first drive circuit 36, and the strip electrode 13 is connected to the second drive circuit 37. The strip electrode 7 and the strip electrode 13 are each applied with an alternating voltage having a substantially opposite phase and a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 1, thereby exciting vibrations in the X direction as indicated by arrows in FIG. 3.
[0024]
With respect to the vibration in the X direction, as shown in FIG. 3, a reverse phase current is output from the strip electrodes 5 and 15, but the strip electrodes 5 and 15 are connected. Are canceled out and are not output from the first current detection circuit 31. Similarly, reverse-phase currents are output from the strip electrodes 9 and 11, and the strip-shaped electrodes 9 and 11 are connected. Therefore, the reverse-phase currents are canceled and are not output from the second current detection circuit 32. .
[0025]
When a rotational angular velocity is applied with the Z-axis direction as an axis while vibrating in the direction indicated by the arrow in FIG. 3, the vibration in the Y direction as indicated by the arrow in FIG. 4 is excited by the Coriolis force. With respect to the vibration in the Y direction, currents of the same phase are output from the strip electrodes 5 and 15 as shown in FIG. 4, and the output current of the strip electrodes 5 and 15 is added to the first current detection circuit 31. Output (about twice). Similarly, since currents in the same phase are output to the strip electrodes 9 and 11, the output obtained by adding the outputs of the strip electrodes 9 and 11 is obtained in the second current detection circuit 32. Here, as shown in FIG. 4, the electrodes 5 and 15 and the electrodes 9 and 11 output in opposite phases, so that the first current detection circuit 31 and the second current detection circuit 32 are opposite to each other. The output of the phase.
[0026]
Outputs of the first current detection circuit 31 and the second current detection circuit 32 are input to the differential circuit 33, and are synchronously rectified by the synchronous detection circuit 34 and the rectification circuit 35, and are directly proportional to the Coriolis force, that is, rotate. An output voltage proportional to the angular velocity can be obtained.
[0027]
【The invention's effect】
When the piezoelectric vibration gyro of the present invention is configured, the piezoelectric vibrator can realize a mechanical function called “vibrating body” and a function as an “electro-mechanical conversion element” for driving and detecting vibration in a single element. This simplifies the configuration of the piezoelectric vibrator without having an adhesive layer. In addition, since the electrodes are provided only on one side, the electrodes can be easily formed and polarized, and a small and inexpensive piezoelectric vibration gyro can be obtained. Moreover, in the piezoelectric vibration gyro according to the present invention, the electrical connection between the piezoelectric vibrator and the circuit board is performed by directly soldering the circuit board and the connection land portion of the piezoelectric vibrator without using a lead wire or the like. At the same time, the circuit board and the piezoelectric vibrator are fixed with solder, so that a piezoelectric vibration gyro that is very easy to assemble, is small, and inexpensive can be manufactured. Further, since there is no adhesive layer, there is no influence of the adhesive error of the piezoelectric element, the influence of the adhesive layer, and there is no lead wire, so that a piezoelectric vibration gyro with higher accuracy and higher reliability than before can be obtained. Further, in the drive detection circuit, it is possible to cancel out the vibration generated in the same phase in the two resonance parts due to a disturbance or the like in the circuit part, thereby obtaining a piezoelectric vibration gyro with less influence of the disturbance, that is, a high accuracy. As a result, it is possible to eliminate the disadvantages of the conventional piezoelectric vibration gyro, and to produce a small and highly accurate piezoelectric vibration gyro with a simple structure that is not affected by the adhesion of the piezoelectric elements and has good mass productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator used in a piezoelectric vibration gyro according to a first embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing an electrode arrangement and a polarization direction of the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view showing a vibration direction in an excitation direction (X direction) of the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1 and an output of an electrode due to the vibration.
4 is a cross-sectional view showing the direction of vibration (vibration due to Coriolis force) in the detection direction (X direction) of the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1 and the output of an electrode due to that vibration. FIG.
5 is a perspective view showing a shape of a circuit board applied to the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1 and a connection state between the piezoelectric vibrator and the circuit board in order to produce a piezoelectric vibrating gyroscope according to one embodiment. FIG.
6 is a block diagram showing a drive detection circuit applied to the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1 in order to produce a piezoelectric vibration gyro according to one embodiment.
7 is a circuit diagram illustrating a current detection circuit applied to the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1 in order to produce a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment.
FIG. 8 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator used in a conventional piezoelectric vibration gyro.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 5, 7, 9, 11, 13, 15 Strip electrode 17 Connection land part 19 Notch part 21 Piezoelectric vibrator attachment land 23 Circuit board 31 1st current detection circuit 32 2nd current detection circuit 33 Differential circuit 34 Synchronous detection circuit 35 Rectifier circuit 36 First drive circuit 37 Second drive circuit 41 Operational amplifier 42 Resistor

Claims (7)

振動させている物体(以後、この励振する振動の方向をX方向と記す)に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向(以後、この振動の方向をY方向と記す)にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交する前記X方向及び前記Y方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、前記振動子は、前記X方向又は前記Y方向に平行な最低1つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該X方向又は該Y方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型における双方の共振部に対してそれぞれ3本ずつの帯状電極として形成されていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。  When a rotational angular velocity is given to a vibrating object (hereinafter, the direction of vibration to be excited is referred to as X direction), Coriolis is in a direction perpendicular to the excitation direction (hereinafter, the direction of vibration is referred to as Y direction). Of a gyroscope that uses a mechanical phenomenon that generates a force, a piezoelectric element that is configured using a vibrator that is configured to be able to excite and detect the X and Y directions orthogonal to each other using piezoelectric characteristics. In the vibration gyro, the vibrator is composed of a tuning fork type piezoelectric element including at least one surface parallel to the X direction or the Y direction, and one surface parallel to either the X direction or the Y direction. The piezoelectric vibrating gyroscope is characterized in that electrodes are provided only on each of the electrodes, and the electrodes are formed as three band-like electrodes for each of the resonance parts of the tuning fork type. 振動させている物体(以後、この励振する振動の方向をX方向と記す)に回転角速度が与えられると、その励振方向と直角な方向(以後、この振動の方向をY方向と記す)にコリオリ力を生ずる力学現象を利用したジャイロスコープのうち、圧電特性を用いて互いに直交する前記X方向及び前記Y方向の励振と検出が可能であるように構成された振動子を用いて構成される圧電振動ジャイロにおいて、前記振動子は、前記X方向又は前記Y方向に平行な最低1つの面を含む音叉型の圧電素子から成ると共に、該X方向又は該Y方向の何れかに平行な一つの面のみに電極が設けられており、且つ該電極が該音叉型におけるベース部に該振動子を回路基板と電気的に接続及び固定するために設けられた接続用ランド部に接続されるように設けられていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。  When a rotational angular velocity is given to a vibrating object (hereinafter, the direction of vibration to be excited is referred to as X direction), Coriolis is in a direction perpendicular to the excitation direction (hereinafter, the direction of vibration is referred to as Y direction). Of a gyroscope that uses a mechanical phenomenon that generates a force, a piezoelectric element that is configured using a vibrator that is configured to be able to excite and detect the X and Y directions orthogonal to each other using piezoelectric characteristics. In the vibration gyro, the vibrator is composed of a tuning fork type piezoelectric element including at least one surface parallel to the X direction or the Y direction, and one surface parallel to either the X direction or the Y direction. The electrode is provided only on the base, and the electrode is provided so as to be connected to the connection land portion provided to electrically connect and fix the vibrator to the circuit board on the base portion of the tuning fork type. Is The piezoelectric vibrating gyro, characterized in that there. 請求項1記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記3本ずつの帯状電極における真ん中の1本は、第1の駆動端子、並びに第2の駆動端子として振動子駆動回路に接続されると共に、該第1の駆動端子と該第2の駆動端子とには逆位相の駆動電圧が印加されることを特徴とする圧電振動ジャイロ。  2. The piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein the middle one of the three strip-like electrodes is connected to the vibrator drive circuit as a first drive terminal and a second drive terminal, and the first A piezoelectric vibration gyro, wherein a drive voltage having an opposite phase is applied to the drive terminal and the second drive terminal. 請求項1記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記3本ずつの帯状電極に含まれる2本の検出端子は、それぞれ電流検出回路を構成するオペアンプの反転端子に接続されると共に、電位がオペアンプの仮想接地機能により駆動検出回路の基準電位に固定されており、更に、前記基準電位と駆動端子との間に電圧を印加することで振動子を駆動し、前記2本の検出端子に接続された電流検出回路の出力を用いて前記X方向及び前記Y方向の振動を検出できるように構成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。  2. The piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein two detection terminals included in each of the three strip-shaped electrodes are connected to an inverting terminal of an operational amplifier constituting a current detection circuit, respectively, and the potential is a virtual ground of the operational amplifier. It is fixed to the reference potential of the drive detection circuit by the function, and further, the vibrator is driven by applying a voltage between the reference potential and the drive terminal, and the current detection connected to the two detection terminals. A piezoelectric vibration gyro configured to detect vibrations in the X direction and the Y direction using an output of a circuit. 請求項1記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記3本ずつの帯状電極に含まれる検出端子のうち、前記振動子における外側にある検出端子同士及び内側にある検出端子同士は、該振動子のベース部又は接続する回路基板上で接続して用いられることを特徴とする圧電振動ジャイロ。  2. The piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein among the detection terminals included in each of the three strip-shaped electrodes, the detection terminals on the outer side and the detection terminals on the inner side of the vibrator are a base portion of the vibrator. Alternatively, the piezoelectric vibration gyro is used by being connected on a circuit board to be connected. 請求項2記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記接続用ランド部は、回路基板に設けられて直接的に電気的な接続及び固定を行うものであることを特徴とする圧電振動ジャイロ。  3. The piezoelectric vibration gyro according to claim 2, wherein the connection land portion is provided on a circuit board and directly performs electrical connection and fixation. 請求項6記載の圧電振動ジャイロにおいて、前記回路基板には、前記振動子における振動部分を確保するための切り欠きが該回路基板に対して接触しないように設けられていることを特徴とする圧電振動ジャイロ。  7. The piezoelectric vibration gyro according to claim 6, wherein the circuit board is provided with a notch for securing a vibration part in the vibrator so as not to contact the circuit board. Vibration gyro.
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