JP3819339B2 - Columnar vibrator for piezoelectric vibration gyro - Google Patents
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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姿勢制御、カメラー体型VTRの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープの内、特に圧電振動ジャイロ用柱状振動子に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。
【0003】
電気的な信号を印加することで機械的な振動(駆動振動)を励起させることができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動(検出振動)の大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動を励起させた状態で、駆動振動面と検出振動面が交わる線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出振動が発生し、出力電圧として検出される。検出された出力電圧は、駆動振動の大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動の大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。
【0004】
振動ジャイロ用振動子には、様々な形状の振動子が提案されているが、圧電体からなる柱状の音片振動子は、形状が簡素なことから、小形で安価な振動ジャイロによく利用されている。
【0005】
図4は、従来の振動ジャイロ用柱状振動子を示す断面図である。ここで、図4は、特開平9−126785号に記載されている。図2にて、電極23,24,25,27が形成された圧電基板21及び22からなるバイモルフ柱状振動子において、支持部材31に施した突起部34により支持部材31と電極23との間に隙間をもたせ、突起部34周辺にて半田35で半田付けした後、隙間を弾性接着剤32で固定し、バイモルフの柱状振動子の屈曲振動を外部に漏らさないようにし、温度ドリフトを低減する技術が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4に示す従来の柱状振動子では、突起部34の微細加工が必要となる上、半田等の接続の他に、弾性接着剤32による接合工程が新たに付加され、生産性上に悪影響を及ぼすといった問題点を抱えていた。ところで、振動ジャイロの温度ドリフトは、振動子の屈曲振動モードにおける機械的品質係数Qm及び共振周波数frの温度依存性によることが知られている。従って、温度ドリフトを低減するには、振動ジャイロの構造に工夫を施す他に、柱状振動子自体の温度特性を改良する方法もある。
【0007】
しかしながら、PZT系等の圧電体には、電気機械変換効率が高い利点がある反面、水晶等の単結晶からなる圧電体と比較し、Qm及びfrの温度依存性が大きいと言った欠点があった。また、PZT系等の圧電体には、その組成により温度依存性が少ないものも存在するが、Qm及びfr共に温度依存性が少ないものとなると際立ったものが存在しなかった。
【0008】
本発明の課題は、柱状振動子自体の温度特性を改良することで、構成部材を増やすことなく、また、生産性を損なうことなく、温度ドリフトを低減できる圧電振動ジャイロ用柱状振動子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電振動ジャイロ用柱状振動子では、表裏面に電極が形成され厚み方向に分極処理された第1の圧電基板及び第2の圧電基板を、互いに分極方向が反転する向きに重ね合わせ接合し、前記第1の圧電基板の接合されていない側の電極を前記第1の圧電基板の長手方向に平行に2分割した圧電振動ジャイロ用柱状振動子において、前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板とが異なる組成の圧電材料からなる圧電振動ジャイロ用柱状振動子とする。
【0010】
さらに、本発明の圧電振動ジャイロ用柱状振動子は、前記第1の圧電基板の屈曲振動モードにおける機械的品質係数Qmと、前記第2の圧電基板の該機械的品質係数Qmとは、温度依存性が異なり、一方の圧電基板は25℃より低い温度で該Qmがピークをとり、他方の圧電基板は25℃より高い温度で前記Qmがピークをとる圧電振動ジャイロ用柱状振動子としたものである。
【0011】
また、本発明の圧電振動ジャイロ用柱状振動子は、前記第1の圧電基板の屈曲振動モードにおける共振周波数fr1と、前記第2の圧電基板の共振周波数fr2とは、温度依存性が異なり、一方の圧電基板は25℃より低い温度で共振周波数fr1がピークをとり、他方の圧電基板は25℃より高い温度で共振周波数fr2がピークをとる圧電振動ジャイロ用柱状振動子としたものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による圧電振動ジャイロ用柱状振動子について、以下に説明する。
【0013】
図1は、本発明の実施の形態による圧電振動ジャイロ用柱状振動子の断面図である。本発明の圧電振動ジャイロ用柱状振動子は、厚み方向に分極処理された互いに異なる組成の圧電材料からなる圧電基板1と圧電基板2を、図中の矢印が示すように互いに分極方向が反転する向きに重ね合わせ接合し、圧電基板1の表面に検出電極4及び5を設け、圧電基板2の表面に駆動電極3を設けたものである。
【0014】
因みに、圧電基板1及び2との接合面における分極性電極7は、分極処理を施す上で設けたものであって、振動子としての機能上必要とするものではない。駆動電極3と検出電極4及び5間に交流電圧を印加することで駆動振動が励起でき、それと直交する方向の検出振動に対しては、検出電極4と5に発生する電圧の差を測ることで検出を可能とし、圧電振動ジャイロ用柱状振動子としての機能を果たすものである。
【0015】
図2及び図3には、バイモルフ柱状振動子の温度特性を示す。変化曲線11は、圧電材料Aからなる圧電基板1と同じく圧電材料Aからなる圧電基板2を接合したバイモルフ柱状振動子の屈曲振動モードにおける機械的品質係数Qm及び共振周波数frの温度依存性を示すものである。また、変化曲線12は、圧電材料Bからなる圧電基板1と同じく圧電材料Bからなる圧電基板2を接合したバイモルフ柱状振動子のものである。そして、変化曲線13は、圧電材料Aからなる圧電体基板1と圧電材料Bからなる圧電基板2を接合した本実施の形態のバイモルフ柱状振動子の特性である。
【0016】
図2及び図3に示すように、圧電材料Aの単一材料を用いたバイモルフ柱状振動子は、frの温度依存性が少なく、Qmのピーク温度が25℃より低く、Qmの温度依存性が大きい。一方、圧電材料Bの単一材料を用いたバイモルフ柱状振動子は、frの温度依存性が大きく、Qmのピーク温度が25℃より高く、Qmの温度依存性が小さい。それに対し、圧電材料AとBを複合させたバイモルフ柱状振動子は、各々のピーク温度の相違が温度依存性曲線を平らにし、単一材料では得られないほどQmの温度依存性が少なく、また、frの温度依存性も、圧電材料Aの単一材料を用いたバイモルフ柱状振動子のものより少ない。
【0017】
本実施の形態では、Qmのピークをとる温度が異なる圧電材料を複合させた場合について説明したが、frのピークをとる温度が異なる圧電材料を複合させた場合も同様の結果が得られており、本発明によりfrの温度依存性も大幅に低減させることができる。
【0018】
振動ジャイロの温度ドリフトは、振動子の屈曲振動モードにおけるQm及びfrの温度変化に伴う特性変化に依存するため、Qm及びfrの温度依存性の少ない本発明の柱状振動子は、圧電振動ジャイロ用柱状振動子として適したものとなる。
【0019】
【発明の効果】
本発明における圧電振動ジャイロ用柱状振動子によれば、Qm及びfrの両方の温度依存性を同時に少なくでき、構成部材を増やすことなく、また、生産性を損なうことなく、温度ドリフトを低減できる圧電振動ジャイロ用柱状振動子を提供できる。
【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ジャイロ用柱状振動子の断面図。
【図2】本発明に係わる圧電振動ジャイロ用柱状振動子のQmの温度依存性を示す図。
【図3】本発明に係わる圧電振動ジャイロ用柱状振動子のfrの温度依存性を示す図。
【図4】従来の振動ジャイロ用柱状振動子を示す断面図。
【符号の説明】
1,2 圧電基板
3 駆動電極
4,5 検出電極
7 分極用電極
11 (圧電材料Aの)変化曲線
12 (圧電材料Bの)変化曲線
13 (圧電材料AB複合の)変化曲線
21,22 圧電基板
23 共通電極
24,25 駆動兼用検出電極
27 電極
31 支持部材
32 弾性接着剤
34 突起部
35 半田[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro, in particular, a gyroscope used for a navigation system of an automobile, attitude control, a camera shake prevention device for a camera body type VTR, and the like.
[0002]
[Prior art]
A piezoelectric vibration gyro is an angular velocity sensor that utilizes a dynamic phenomenon in which when an angular velocity is applied to an object having velocity, a Coriolis force is generated in the object itself in a direction perpendicular to the velocity direction.
[0003]
Mechanical vibration (drive vibration) can be excited by applying an electrical signal, and the magnitude of mechanical vibration (detection vibration) in the direction orthogonal to the drive vibration can be detected electrically. When the angular velocity about the axis parallel to the line where the drive vibration surface and the detection vibration surface intersect is given with the drive vibration excited in advance, the detection vibration is caused by the action of the Coriolis force described above. Generated and detected as an output voltage. Since the detected output voltage is proportional to the magnitude and angular velocity of the drive vibration, the magnitude of the angular velocity can be obtained from the magnitude of the output voltage when the magnitude of the drive vibration is constant.
[0004]
Various types of vibrators have been proposed for vibratory gyro vibrators, but columnar sound piece vibrators made of piezoelectric materials are simple in shape and are often used for small and inexpensive vibratory gyros. ing.
[0005]
FIG. 4 is a sectional view showing a conventional columnar vibrator for a vibrating gyroscope. Here, FIG. 4 is described in JP-A-9-126785. In FIG. 2, in the bimorph columnar vibrator composed of the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional columnar vibrator shown in FIG. 4 requires fine processing of the
[0007]
However, while the piezoelectric material such as PZT has an advantage of high electromechanical conversion efficiency, it has a disadvantage that the temperature dependency of Qm and fr is larger than that of a piezoelectric material made of a single crystal such as quartz. It was. In addition, some piezoelectric materials such as PZT type have less temperature dependence depending on the composition, but there are no outstanding ones if both Qm and fr have less temperature dependence.
[0008]
An object of the present invention is to provide a columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro that can reduce temperature drift without increasing the number of components and without impairing productivity by improving the temperature characteristics of the columnar vibrator itself. There is.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The piezoelectric vibrating gyro columnar vibrator of the present invention, the first piezoelectric substrate and the second piezoelectric substrate on which the electrode on the front and back surface is polarized in the thickness direction is formed, superimposed in the direction in which the polarization direction is reversed with each other A columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro in which the electrodes on the unbonded side of the first piezoelectric substrate are divided into two parallel to the longitudinal direction of the first piezoelectric substrate. A columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro made of a piezoelectric material having a composition different from that of the second piezoelectric substrate is used .
[0010]
Further, in the columnar vibrator for piezoelectric vibration gyro of the present invention, the mechanical quality factor Qm in the bending vibration mode of the first piezoelectric substrate and the mechanical quality factor Qm of the second piezoelectric substrate are temperature dependent. different sex, but the on one piezoelectric substrate is lower than 25 ° C. temperature Qm takes the peak, the other piezoelectric substrate with a columnar vibrator piezoelectric vibrating gyro taking peak the Qm at a temperature higher than 25 ° C. is there.
[0011]
In the columnar vibrator for piezoelectric vibration gyro according to the present invention, the resonance frequency fr 1 in the bending vibration mode of the first piezoelectric substrate and the resonance frequency fr 2 of the second piezoelectric substrate are different in temperature dependency. those one piezoelectric substrate resonance frequency fr 1 at temperatures below 25 ° C. temperature takes a peak, the other piezoelectric substrate with a columnar vibrator piezoelectric vibrating gyro take resonance frequency fr 2 peaks at temperatures higher than 25 ° C. It is.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention will be described below.
[0013]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention. The columnar vibrator for piezoelectric vibration gyro of the present invention reverses the polarization direction of the
[0014]
Incidentally, the
[0015]
2 and 3 show temperature characteristics of the bimorph columnar vibrator. The
[0016]
As shown in FIGS. 2 and 3, the bimorph columnar vibrator using the single material of the piezoelectric material A has a low temperature dependence of fr, a Qm peak temperature lower than 25 ° C., and a temperature dependence of Qm. large. On the other hand, a bimorph columnar vibrator using a single material of the piezoelectric material B has a large temperature dependence of fr, a peak temperature of Qm higher than 25 ° C., and a small temperature dependence of Qm. On the other hand, in the bimorph columnar vibrator in which the piezoelectric materials A and B are combined, the difference in peak temperatures flattens the temperature dependence curve, and the temperature dependence of Qm is so small that it cannot be obtained with a single material. , Fr is also less temperature dependent than that of the bimorph columnar vibrator using a single material of the piezoelectric material A.
[0017]
In the present embodiment, the case where the piezoelectric materials having different temperatures at which the peak of Qm is different has been described, but the same result is obtained when the piezoelectric materials having different temperatures at which the peak of fr is combined. According to the present invention, the temperature dependence of fr can also be greatly reduced.
[0018]
Since the temperature drift of the vibration gyro depends on the characteristic change accompanying the temperature change of Qm and fr in the flexural vibration mode of the vibrator, the columnar vibrator of the present invention having little temperature dependency of Qm and fr is used for the piezoelectric vibration gyro. It is suitable as a columnar vibrator.
[0019]
【The invention's effect】
According to the columnar vibrator for piezoelectric vibration gyroscope of the present invention, the temperature dependence of both Qm and fr can be reduced at the same time, and the piezoelectric element can reduce temperature drift without increasing the number of components and without impairing productivity. A columnar vibrator for a vibrating gyroscope can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing the temperature dependence of Qm of a columnar vibrator for piezoelectric vibration gyro according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing the temperature dependence of fr of a columnar vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a conventional columnar vibrator for a vibrating gyroscope.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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