JPH1054724A - Angular velocity detecting device - Google Patents

Angular velocity detecting device

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Publication number
JPH1054724A
JPH1054724A JP8212616A JP21261696A JPH1054724A JP H1054724 A JPH1054724 A JP H1054724A JP 8212616 A JP8212616 A JP 8212616A JP 21261696 A JP21261696 A JP 21261696A JP H1054724 A JPH1054724 A JP H1054724A
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JP
Japan
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vibrating
angular velocity
vibrator
axis
vibration
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Application number
JP8212616A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Seiya Sato
誠也 佐藤
Atsushi Tsukada
厚志 塚田
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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Publication of JPH1054724A publication Critical patent/JPH1054724A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a torsional force from being generated within an oscillator by the Coriolis force generated according to rotation, and perform a highly efficient detection free from vibration leakage by arranging four parallel vibrating pieces one-side ends of which are commonly fixed so that the adjacent pieces have a substantially equal space. SOLUTION: An oscillator 1 is formed of a square pole fixing base 10, and four vibrating plates 2-5 fixed to the side surfaces thereof by non-elastic solder glass. The vibrating plates 2-5 are formed of thin monocrystal bases of quartz, and have the same plane form in which slender vibrating pieces 6-9 are protruded from one-side short edges of rectangular base parts, respectively. The vibrating pieces 6-9 are arranged so as to have the same distance from a virtual axis parallel to a rotating shaft having a detected angle speed and an equal space, and an equal space between the adjacent ones. An exciting circuit excites the vibrating pieces 6-9 so that each is vibrated in the same direction with the reverse phase to the vibrating piece opposed thereto, and in the orthogonal direction,to the vibrating piece adjacent thereto. Thus, no torsional force is generated in the commonly fixed part of the vibrating pieces 6-9 by the effect of the generated Coriolis' force.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステムや姿勢制御などに用いられる角速度検出
装置に関するものであり、特に、振動型の角速度検出装
置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity detecting device used for an automobile navigation system and attitude control, and more particularly to a vibration type angular velocity detecting device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、振動体に回転を加えるとコリ
オリの力によって回転角速度に応じた新たな振動が発生
することを利用した振動型角速度検出装置が知られてい
る。振動子として4本の振動片をもつものとして、たと
えば、特開平6−331362号公報に開示されたいわ
ゆるH型のものがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a vibration type angular velocity detecting apparatus utilizing the fact that when a vibrating body is rotated, a new vibration corresponding to the rotational angular velocity is generated by Coriolis force. As a vibrator having four vibrating reeds, there is, for example, a so-called H-type vibrator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-331362.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】この種のH型振動子は
振動モードとして種々のモードが考えられるが、いずれ
にしても励振振動またはそれと直交するコリオリの力に
基づく振動のいずれかによって、支持部にねじれが生じ
る。このねじれ振動は外部への振動漏れの原因となりや
すく、ノイズの原因となることもある。
In this type of H-type vibrator, various modes can be considered as vibration modes. In either case, the H-type vibrator is supported by either excitation vibration or vibration based on Coriolis force orthogonal to the vibration. The part is twisted. This torsional vibration is likely to cause vibration leakage to the outside, and may also cause noise.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明の角速度検出装置
はこのような問題を解決するためのものであり、振動子
と、この振動子を励振する励振手段と、この励振手段に
より励振された振動子が回転することに伴って発生する
コリオリの力に基づく振動の振幅を検出する検出手段
と、この検出手段により検出された振幅の大きさから回
転の角速度を演算する角速度演算手段とを備えた角速度
検出装置において、振動子は一端が共通に固定された互
いに平行な4本の振動片を備え、この4本の振動片は検
出角速度の回転軸に平行な仮想軸から略等距離で隣同士
が略等間隔になるように配置されており、さらに、励振
手段は4本の振動片をそれぞれが仮想軸を介して対向す
る振動片とは同方向且つ逆相となり、隣り合う振動片と
は直交する方向となるように励振するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION An angular velocity detecting device according to the present invention is provided to solve such a problem, and includes a vibrator, an exciting means for exciting the vibrator, and an exciting means for exciting the vibrator. A detecting means for detecting the amplitude of the vibration based on the Coriolis force generated as the vibrator rotates; and an angular velocity calculating means for calculating the angular velocity of rotation from the magnitude of the amplitude detected by the detecting means. In the angular velocity detecting device described above, the vibrator includes four parallel vibrating pieces having one end fixed in common, and the four vibrating pieces are adjacent to each other at substantially equal distances from a virtual axis parallel to the rotation axis of the detected angular velocity. Are arranged so as to be substantially equidistant from each other. Further, the excitation means sets the four vibrating pieces in the same direction and in the opposite phase to the vibrating pieces facing each other via the virtual axis, and Are orthogonal directions It is intended to excite so.

【0005】また、励振手段を、振動片のうち隣り合う
任意の2本の振動片を同一方向で逆相に励振し、残りの
2本の振動片を同一方向で逆相に且つ他の2本の振動片
とも逆相に励振するものとしてもよい。
Further, the exciting means excites any two adjacent vibrating bars among the vibrating bars in the same direction in opposite phases, and excites the remaining two vibrating bars in the same direction in opposite phases and the other two vibrating bars. Both of the vibrating pieces may be excited in opposite phases.

【0006】振動片をこのように配置して励振すること
により、4本の振動片が共通に固定されている部分に
は、励振振動によっても、また、この励振振動に直交す
る方向に発生するコリオリの力による検出すべき振動
(検出振動)によっても、各振動片からの力が相互に相
殺されてねじれ力が生じない。
By oscillating the vibrating reeds in such a manner, the vibration is generated in the portion where the four vibrating reeds are fixed in common, also in the direction orthogonal to the exciting vibrations. Even from vibration to be detected by Coriolis force (detection vibration), the forces from the respective vibrating pieces cancel each other out, and no torsional force is generated.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】図1は本発明の角速度検出装置に
用いられる振動子を示す斜視図である。振動子1は四角
柱の固定台10の4つの側面に、それぞれ4枚の振動板
2〜5を非揮発性のはんだガラスのようなもので固定し
たものである。振動板2〜5は水晶の薄い単結晶基板で
あり、図示のように平面形状において長方形の基部の一
つの短辺から細長い振動片6〜9がそれぞれ突出した同
一の形状を有する。
FIG. 1 is a perspective view showing a vibrator used in an angular velocity detecting device according to the present invention. The vibrator 1 has four vibrating plates 2 to 5 fixed to the four side surfaces of a fixed base 10 of a quadrangular prism with non-volatile solder glass or the like, respectively. The vibrating plates 2 to 5 are thin single crystal substrates made of quartz, and have the same shape in which elongated vibrating pieces 6 to 9 project from one short side of a rectangular base in a planar shape as shown in the figure.

【0008】図2は振動板2を振動板2〜5を代表して
示した斜視図である。振動片6の4つ角部には励振用電
極20a〜20d(ただし、電極20cは裏側にあるた
めこの図では見えていない)がそれぞれ設けられてい
る。また、振動片6の4つの側面には検出用電極21a
〜21d(ただし、電極21cおよび21dは裏側のた
めこの図では見えていない)がそれぞれ設けられてい
る。これらの電極は、クロムと金の2層構造となってお
り、振動片6の表面にこれらの金属を蒸着した後に、フ
ォトリソグラフィ技術を用いて適宜分離すると共に所望
の形状にパターニングすることにより得られる。また、
各電極は振動板2の基部に設けられている図示省略した
ボンディングパッドのいずれかと電気的に接続され、そ
こからさらにボンディングワイヤ等を介して後述する信
号処理回路に接続される。
FIG. 2 is a perspective view showing the diaphragm 2 as a representative of the diaphragms 2-5. Exciting electrodes 20a to 20d (note that the electrode 20c is on the back side and is not visible in this drawing) are provided at the four corners of the vibrating bar 6, respectively. In addition, detection electrodes 21a are provided on the four side surfaces of the vibrating piece 6.
To 21d (however, the electrodes 21c and 21d are not visible in this figure because they are on the back side). These electrodes have a two-layer structure of chromium and gold, and are obtained by depositing these metals on the surface of the resonator element 6 and then separating them appropriately using photolithography and patterning them into a desired shape. Can be Also,
Each electrode is electrically connected to one of the bonding pads (not shown) provided at the base of the diaphragm 2, and further connected to a signal processing circuit to be described later via a bonding wire or the like.

【0009】ここで、振動板2を構成する水晶の単結晶
基板について説明する。天然の水晶は、一般に柱状結晶
であり、この柱状結晶の縦方向の中心軸すなわち<00
01>結晶軸はZ軸または光軸と規定され、Z軸を通り
柱状結晶の各表面に垂直に交わる線はY軸または機械軸
と規定される。また、Z軸を通りこの柱状結晶の縦方向
の稜線と直交する線はX軸または電気軸と規定される。
振動板2に用いられている単結晶基板はZ板と呼ばれる
基板であり、Z軸に垂直ないし略垂直な面で切り出され
た単結晶基板である。水晶のX軸およびY軸は互いに直
交するものが3組あり、そのうちの一組のXY座標のY
軸を振動片6の長手方向と一致させ、振動片6の突出方
向を+Yの向きと一致させている。図2に示すXYZ座
標軸はこれを示している。なお、この振動板2に用いら
れる水晶は、人工水晶であるがその構造は天然の水晶と
同じである。
Here, a single crystal substrate of quartz constituting the diaphragm 2 will be described. Natural quartz is generally a columnar crystal, and the longitudinal central axis of the columnar crystal, ie, <00
01> The crystal axis is defined as a Z axis or an optical axis, and a line passing through the Z axis and perpendicular to each surface of the columnar crystal is defined as a Y axis or a mechanical axis. A line passing through the Z axis and orthogonal to the vertical ridge line of the columnar crystal is defined as an X axis or an electric axis.
The single crystal substrate used for the diaphragm 2 is a substrate called a Z plate, which is a single crystal substrate cut out in a plane perpendicular or substantially perpendicular to the Z axis. There are three sets of X-axis and Y-axis of the crystal which are orthogonal to each other.
The axis is aligned with the longitudinal direction of the vibrating bar 6, and the projecting direction of the vibrating bar 6 is matched with the + Y direction. The XYZ coordinate axes shown in FIG. 2 indicate this. The quartz used for the diaphragm 2 is an artificial quartz, but its structure is the same as a natural quartz.

【0010】つぎに、振動片6のZ方向励振動作を図3
を用いて説明する。同図(a)は振動片6をXZ平面で
切った断面図であり、同図(b)は振動片6の屈曲動作
を示した斜視図である。いま、図3(a)に示すような
極性の電圧が印加されている状態を考える。すなわち、
電極20aと20cに負、電極20bと20dに正の電
圧を与える。水晶の圧電効果はZ軸方向には現れないの
でZ軸方向の電界を無視すると、圧電効果に影響を与え
る有効電界は矢印31および32で示すように上側には
−Xの向きに、下側には+Xの向きに電界が生じる。水
晶の結晶は逆圧電効果により、X軸の正の向きに電界が
与えられるとY軸方向に伸び、X軸の負の向きに電界が
与えらるとY軸方向に縮む。したがって、図3(a)の
状態では、振動片6の上半分が縮み下半分が伸びるた
め、振動片6は上向きに屈曲する。電極20aから20
dに対する印加電圧の極性が逆転すると、同様の原理に
より振動片6は下向きに屈曲する。この極性反転を繰り
返すことにより、振動片6は図3(b)に示すようにZ
方向に振動する。
Next, the Z-direction excitation operation of the resonator element 6 will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a cross-sectional view of the resonator element 6 taken along the XZ plane, and FIG. 4B is a perspective view illustrating a bending operation of the resonator element 6. Now, consider a state in which a voltage having a polarity as shown in FIG. That is,
A negative voltage is applied to the electrodes 20a and 20c, and a positive voltage is applied to the electrodes 20b and 20d. Since the piezoelectric effect of quartz does not appear in the Z-axis direction, ignoring the electric field in the Z-axis direction, the effective electric field that affects the piezoelectric effect is -X on the upper side as indicated by arrows 31 and 32, and lower on the lower side. Generates an electric field in the direction of + X. Due to the inverse piezoelectric effect, the crystal of quartz expands in the Y-axis direction when an electric field is applied in the positive direction of the X-axis, and contracts in the Y-axis direction when an electric field is applied in the negative direction of the X-axis. Therefore, in the state shown in FIG. 3A, the upper half of the vibrating reed 6 contracts and the lower half extends, so that the vibrating reed 6 bends upward. Electrodes 20a to 20
When the polarity of the applied voltage with respect to d is reversed, the resonator element 6 bends downward according to the same principle. By repeating this polarity reversal, the vibrating reed 6 becomes Z as shown in FIG.
Vibrates in the direction.

【0011】検出用電極21aから21dは、振動片6
のX方向の振動振幅を検出するための電極である。図4
はその検出原理を説明するためのものである。振動片6
が図4(b)に示すようにX方向に振動して、+Xの向
きに屈曲すると、振動片6の電極21b側がY方向に伸
び、電極21d側がY方向に縮む。水晶の圧電効果によ
り、Y方向に縮むとX方向の誘電分極41が生じ、Y方
向に伸びると逆向きのX方向の誘電分極42が生じる。
これによって、電極21aおよび21cに正の電荷が集
まり、電極21bおよび21dに負の電荷が集まる。こ
の電荷量は屈曲が大きくなれば大きな値となる。振動片
6が−Xの向きに屈曲すると、同様の原理に基づいて上
述したものと全く逆の極性が現れる。振動板3〜5は結
晶方位および電極配置も含めて振動板2と全く同一の構
造であり、+Zの向きがすべて外側を向くように、また
各振動片のY方向の位置が揃うように固定台10の4つ
側面に固定されている。したがって、振動片6〜9は互
いに平行で、固定台10の長手方向の中心軸19に対し
てすべて等距離にある。
The detecting electrodes 21a to 21d are
Are electrodes for detecting the vibration amplitude in the X direction. FIG.
Is for explaining the detection principle. Vibrating piece 6
When vibrating in the X direction and bending in the + X direction as shown in FIG. 4B, the electrode 21b side of the vibrating reed 6 extends in the Y direction, and the electrode 21d side contracts in the Y direction. Due to the piezoelectric effect of the crystal, dielectric contraction in the Y direction causes dielectric polarization 41 in the X direction, and expansion in the Y direction causes dielectric polarization 42 in the opposite X direction.
As a result, positive charges collect on the electrodes 21a and 21c, and negative charges collect on the electrodes 21b and 21d. This charge amount becomes large as the bending becomes large. When the resonator element 6 bends in the -X direction, a polarity completely opposite to that described above appears based on the same principle. The vibration plates 3 to 5 have exactly the same structure as the vibration plate 2 including the crystal orientation and the electrode arrangement, and are fixed so that the + Z directions are all outward and the positions of the respective vibrating pieces in the Y direction are aligned. The base 10 is fixed to four side surfaces. Therefore, the vibrating bars 6 to 9 are parallel to each other and are all equidistant from the central axis 19 in the longitudinal direction of the fixed base 10.

【0012】図5は本実施形態の励振回路50、検出回
路60および角速度演算回路70を示すと共に、これら
の回路と振動片6〜9に設けられた電極20a〜20d
および21a〜21dとの接続関係を示すブロック図で
ある。
FIG. 5 shows an excitation circuit 50, a detection circuit 60 and an angular velocity calculation circuit 70 according to the present embodiment. These circuits and electrodes 20a to 20d provided on the vibrating bars 6 to 9 are shown.
And FIG. 21 is a block diagram showing a connection relationship between the communication device and 21a-21d.

【0013】励振回路50は、電流電圧変換回路51と
自動利得制御回路52と駆動回路53とを備えている。
The excitation circuit 50 includes a current-voltage conversion circuit 51, an automatic gain control circuit 52, and a drive circuit 53.

【0014】駆動回路53は、自動利得制御回路52の
出力電圧値に応じた振幅で所定の繰り返し周波数のパル
ス波を励振信号として出力するとともに、その出力信号
と90度位相のずれた信号を同期検波回路64の検波信
号として出力する回路であり、その出力端子は端子54
を介して振動片6〜9の励振用電極の中から2つが選択
され図示のように接続されている。振動片6〜9の残り
の励振用電極は、互いに共通に端子55を介して電流電
圧変換回路51の入力端子に接続されることにより、駆
動回路53が出力するパルス波の中間電位に固定され
る。このような接続のもとで、振動片6〜9に振動片の
固有振動数に近い励振周波数の励振信号が励振回路50
から与えられると、振動片6〜9はそれぞれ矢印11〜
14で代表されるような位相で励振される。すなわち、
振動片6および8は図1における上下方向に互いに逆相
で励振され、振動片7および9は図1における左右方向
に互いに逆相で励振される。しかも、振動片6および8
が矢印11および13に示すように外側に広がった時に
は振動片7および9が矢印12および14に示すように
内側に閉じるようなタイミングで励振される。
The driving circuit 53 outputs a pulse wave having an amplitude corresponding to the output voltage value of the automatic gain control circuit 52 and having a predetermined repetition frequency as an excitation signal, and synchronizes the output signal with a signal having a phase shifted by 90 degrees. The detection circuit 64 outputs a detection signal as a detection signal.
, Two of the excitation electrodes of the vibrating bars 6 to 9 are selected and connected as shown. The remaining excitation electrodes of the vibrating bars 6 to 9 are connected to the input terminal of the current-to-voltage conversion circuit 51 via the terminal 55 in common with each other, so that they are fixed at the intermediate potential of the pulse wave output from the drive circuit 53. You. Under such a connection, an excitation signal having an excitation frequency close to the natural frequency of the resonator element is applied to the resonator elements 6 to 9.
, The vibrating bars 6 to 9 respectively have arrows 11 to 11
It is excited with a phase as represented by 14. That is,
The vibrating bars 6 and 8 are excited in opposite phases in the vertical direction in FIG. 1, and the vibrating bars 7 and 9 are excited in opposite phases in the left and right direction in FIG. Moreover, the vibrating bars 6 and 8
Is spread outward as shown by arrows 11 and 13, the vibrating pieces 7 and 9 are excited at a timing such that they close inward as shown by arrows 12 and 14.

【0015】振動片の励振振動情報は、電流電圧変換回
路51および自動利得制御回路52を介してフィードバ
ックされる。電流電圧変換回路51は、振動片6〜9の
Z軸方向の屈曲に伴う圧電効果によって励振電極に発生
した電荷の変化量を電圧値に変換する回路である。
The excitation vibration information of the resonator element is fed back via a current-voltage conversion circuit 51 and an automatic gain control circuit 52. The current-voltage conversion circuit 51 is a circuit that converts the amount of change in the charge generated in the excitation electrode by the piezoelectric effect accompanying the bending of the vibrating bars 6 to 9 in the Z-axis direction into a voltage value.

【0016】自動利得制御回路52は、電流電圧変換回
路51から出力された電圧信号を入力し、その入力電圧
値が大きくなると出力電圧値を小さくし、入力電圧値が
小さくなると出力電圧値が大きくなるように動作する。
したがって、振動片6〜9の励振振動振幅が大きくなれ
ば、励振電極に発生する電荷も大きくなり、電流電圧変
換回路51の出力電圧も大きくなる。これによって、自
動利得制御回路52の出力電圧値は低くなり、駆動回路
53の出力パルスの振幅は小さくなる。このように、駆
動回路53から出力されるパルス信号の振幅はフィード
バック制御され、振動片6〜9の励振振幅は常に安定す
る。
The automatic gain control circuit 52 receives the voltage signal output from the current-voltage conversion circuit 51, and decreases the output voltage value when the input voltage value increases, and increases the output voltage value when the input voltage value decreases. It works to be.
Therefore, when the excitation vibration amplitude of the vibrating bars 6 to 9 increases, the electric charge generated in the excitation electrode also increases, and the output voltage of the current-voltage conversion circuit 51 also increases. As a result, the output voltage value of the automatic gain control circuit 52 decreases, and the amplitude of the output pulse of the drive circuit 53 decreases. In this way, the amplitude of the pulse signal output from the drive circuit 53 is feedback-controlled, and the excitation amplitude of the vibrating bars 6 to 9 is always stable.

【0017】つぎに、各振動片6〜9のX軸方向の振動
を検出する検出用電極の結線および検出回路60を説明
する。振動片6〜9に設けられた検出用電極は図5に示
すように結線され端子65および66に接続されてい
る。振動片6〜9を矢印11〜14のような位相で励振
しつつ振動子1が軸19を中心に回転すると、コリオリ
の力に基づくX軸結晶方向の振動が矢印15〜18に示
すような位相で発生する。このX方向振動に基づいて各
検出用電極には図4で説明したような電荷の変化が生じ
るので、この変化を検出回路60で検出する。検出用電
極は、励振振動との位相関係に基づいて、同極の電荷同
士が重畳されるように結線されている。
Next, the connection of the detection electrodes for detecting the vibration of the vibrating bars 6 to 9 in the X-axis direction and the detection circuit 60 will be described. The detection electrodes provided on the vibrating bars 6 to 9 are connected as shown in FIG. 5 and connected to terminals 65 and 66. When the vibrator 1 is rotated about the axis 19 while exciting the vibrating bars 6 to 9 in phases as indicated by arrows 11 to 14, vibration in the X-axis crystal direction based on the Coriolis force is as shown by arrows 15 to 18. Occurs in phase. The change in the electric charge as described with reference to FIG. 4 occurs in each detection electrode based on the X-direction vibration, and this change is detected by the detection circuit 60. The detection electrodes are connected such that charges of the same polarity are superimposed on the basis of the phase relationship with the excitation vibration.

【0018】検出回路60は、電流電圧変換回路61お
よび62と作動増幅回路63と同期検波回路64とを備
えている。
The detection circuit 60 includes current-voltage conversion circuits 61 and 62, an operation amplification circuit 63, and a synchronous detection circuit 64.

【0019】電流電圧変換回路61は、その入力端子に
振動片6〜9の検出用電極の中からそれぞれ2つずつ選
択された合計8つの電極が図示のように共通に接続され
ており、これらの電極での電荷の変化量を増幅して電圧
値に変換する回路であり、電流電圧変換回路62は残り
の検出用電極での電荷の変化量を増幅して電圧値に変換
する回路である。作動増幅回路63は電流電圧変換回路
61および62のそれぞれの出力信号を入力し、両信号
の電位差を増幅する回路であり、この出力信号の振幅変
化は振動片6〜9の振動振幅変化に比例している。
The current-to-voltage conversion circuit 61 has a common input terminal connected to a total of eight electrodes, two of which are selected from the detection electrodes of the vibrating bars 6 to 9 as shown in FIG. Is a circuit that amplifies the amount of change in the electric charge at the electrode and converts it to a voltage value. The current-voltage conversion circuit 62 is a circuit that amplifies the amount of change of the electric charge at the remaining detection electrodes and converts it to a voltage value. . The operation amplification circuit 63 is a circuit which receives the output signals of the current-voltage conversion circuits 61 and 62 and amplifies the potential difference between the two signals, and the amplitude change of this output signal is proportional to the vibration amplitude change of the vibrating bars 6 to 9. doing.

【0020】同期検波回路64は作動増幅回路63から
出力された交流電圧信号を駆動回路53からの励振信号
に対して90度位相のずれたパルス信号を生成し、その
パルス信号を検波信号として用いて同期検波を行った
後、積分処理を行うものであり、通常の同期検波回路に
積分回路が付加された回路である。コリオリの力による
X軸方向の振動は励振に対して90度位相がずれている
ため、この同期検波および積分により、全波整流の積分
値となる。すなわち、同期検波回路64の出力信号電圧
は、振動片6〜9のコリオリの力によるX軸方向の振動
振幅を示している。なお、X軸方向の振動にはZ軸方向
の励振の漏れによるものも含まれているが、その振動は
励振振動と同相であるため、同期検波の際に零となって
しまう。
The synchronous detection circuit 64 generates a pulse signal which is 90 degrees out of phase with respect to the excitation signal from the drive circuit 53 by using the AC voltage signal output from the operation amplification circuit 63, and uses the pulse signal as a detection signal. This is a circuit in which integration processing is performed after synchronous detection is performed, and an integration circuit is added to a normal synchronous detection circuit. Since the vibration in the X-axis direction due to the Coriolis force is 90 degrees out of phase with respect to the excitation, the synchronous detection and integration result in an integrated value of full-wave rectification. That is, the output signal voltage of the synchronous detection circuit 64 indicates the vibration amplitude in the X-axis direction due to the Coriolis force of the vibrating bars 6 to 9. Although the vibration in the X-axis direction includes a vibration due to the leakage of the excitation in the Z-axis direction, the vibration has the same phase as the excitation vibration, and thus becomes zero during synchronous detection.

【0021】角速度演算回路70は、振動片6〜9の振
動振幅を示す検出回路60の出力信号に基づいて、振動
子1の軸19またはこれに平行な軸を中心とする回転角
速度を後述する角速度とコリオリの力との関係式を基に
して算出する回路である。
The angular velocity calculation circuit 70 calculates a rotational angular velocity about the axis 19 of the vibrator 1 or an axis parallel to the axis based on the output signal of the detection circuit 60 indicating the vibration amplitude of the vibrating bars 6 to 9. This is a circuit for calculating based on a relational expression between the angular velocity and the Coriolis force.

【0022】次に、以上のように構成された角速度検出
装置の動作を説明する。励振回路50は、振動片6〜9
の固有振動数にほぼ一致した周波数の励振信号を駆動回
路53から出力する。これにより振動片6〜9は逆圧電
効果により自励振する。振動片6〜9の振動位相は矢印
11〜14に示すように、各振動片が軸19を介して対
向する振動片とは同方向且つ逆相となり、隣り合う振動
片とは直交する方向となるように励振する。
Next, the operation of the angular velocity detecting device configured as described above will be described. The excitation circuit 50 includes the vibrating pieces 6 to 9
The driving circuit 53 outputs an excitation signal having a frequency substantially equal to the natural frequency of. Accordingly, the vibrating bars 6 to 9 self-excited due to the inverse piezoelectric effect. As shown by arrows 11 to 14, the vibration phases of the vibrating bars 6 to 9 are in the same direction and opposite phases to the vibrating bars in which the vibrating bars oppose each other via the shaft 19, and in the direction orthogonal to the adjacent vibrating bars. Excitation to become.

【0023】この状態で、振動子1が軸19またはこれ
に平行な軸を中心として角速度ωで回転すると、各振動
片6〜9には、F=2mV・ωで表されるコリオリの力
Fが各振動片のX結晶軸方向に発生する。ここに、mは
振動片の質量、Vは振動速度である。このコリオリの力
Fの発生によって、振動片6〜9はZ結晶軸方向の振動
に対して90度位相がずれてX結晶軸方向に振動する。
検出回路60はこの振動振幅を検出して角速度演算回路
70に与え、角速度演算回路70ではF=2mV・ωに
基づいてωを算出する。
In this state, when the vibrator 1 rotates at an angular velocity ω about the axis 19 or an axis parallel thereto, each of the vibrating bars 6 to 9 applies a Coriolis force F expressed by F = 2 mV · ω. Are generated in the X crystal axis direction of each resonator element. Here, m is the mass of the resonator element, and V is the vibration speed. Due to the generation of the Coriolis force F, the vibrating pieces 6 to 9 vibrate in the X crystal axis direction with a phase shift of 90 degrees with respect to the vibration in the Z crystal axis direction.
The detection circuit 60 detects this vibration amplitude and supplies it to the angular velocity calculation circuit 70, which calculates ω based on F = 2 mV · ω.

【0024】ところで、この振動子1は、一端が共通に
固定された互いに平行な4本の振動片6〜9を備え、こ
の4本の振動片6〜9が検出角速度の回転軸に平行な軸
19から略等距離で隣同士が略等間隔になるように配置
されており、さらに軸19を介して対向する振動片とは
同方向且つ逆相となり、隣り合う振動片とは直交する方
向となるように励振される。すなわち、振動片6〜9
は、固定台10の中心軸19を中心として放射方向に、
且つ、対向するもの同士が逆相で振動するので、固定台
10に対してねじれ力が生じない。また、回転に伴って
軸19を中心とする円の接線方向(矢印15〜18)に
コリオリの力に基づく検出振動が発生するが、隣接する
振動片同士がねじれ力を相殺し合うため、やはり、ねじ
れ力は生じない。このように、本実施形態に用いられる
振動子によれば、励振振動によっても検出振動によって
もねじれ力が発生しない。また、重心も軸19上からは
ずれない。したがって、ねじれや重心移動に伴う外部へ
の振動漏れが発生せず、高い検出効率を保持できる。こ
の作用効果は、軸19を介して対向する振動片とは同方
向且つ逆相となり、隣り合う振動片とは直交する方向と
なるように励振すればよく、したがって、矢印11から
14の励振に代えて、矢印15から18のように励振し
てもよい。
The vibrator 1 has four parallel vibrating bars 6 to 9 whose one ends are fixed in common, and the four vibrating bars 6 to 9 are parallel to the rotation axis of the detected angular velocity. It is disposed so as to be substantially equidistant from the shaft 19 and to be substantially equidistant from each other, further in the same direction and the opposite phase to the vibrating piece opposed via the shaft 19, and in a direction orthogonal to the adjacent vibrating piece. It is excited to be That is, the vibrating bars 6 to 9
Is in the radial direction about the center axis 19 of the fixed base 10,
In addition, since the opposing members vibrate in opposite phases, no torsional force is generated on the fixed base 10. In addition, the detection vibration based on the Coriolis force is generated in the tangential direction (arrows 15 to 18) of the circle around the axis 19 with the rotation, but the adjacent vibrating pieces cancel out the torsional force. No twisting force occurs. As described above, according to the vibrator used in the present embodiment, no torsional force is generated by the excitation vibration or the detection vibration. Also, the center of gravity does not deviate from the axis 19. Therefore, there is no occurrence of vibration leakage to the outside due to torsion or movement of the center of gravity, and high detection efficiency can be maintained. This effect can be achieved by exciting the vibrating piece opposed via the shaft 19 in the same direction and the opposite phase, and in a direction orthogonal to the adjacent vibrating piece. Alternatively, excitation may be performed as indicated by arrows 15 to 18.

【0025】図6は本発明の第2実施形態に用いられる
振動子101を示す斜視図である。この振動子101は
固定台と配線基板とを兼ねた中間基板110の上下面に
それぞれ振動板102および103を固定したものであ
り、各振動板102および103にはそれぞれ2本の振
動片106、107および108、109が一体に設け
られている。振動板102および103と基板110と
の接着固定は、非揮発性はんだガラス等で固定されてい
るため、振動漏れを抑制するために真空密封容器内に収
納した場合でも、高分子接着剤のときのようなガスを発
生させることがない。
FIG. 6 is a perspective view showing a vibrator 101 used in the second embodiment of the present invention. The vibrator 101 has vibration plates 102 and 103 fixed to the upper and lower surfaces of an intermediate substrate 110 which also serves as a fixed base and a wiring substrate. Each of the vibration plates 102 and 103 has two vibrating pieces 106, 107, 108 and 109 are provided integrally. Since the vibration plates 102 and 103 and the substrate 110 are bonded and fixed with a non-volatile solder glass or the like, even when housed in a vacuum-sealed container to suppress vibration leakage, even when the polymer adhesive is used. No such gas is generated.

【0026】振動板102および103はいずれも水晶
単結晶のZ板であり、中間基板110も水晶基板で構成
されている。このように、振動板と中間基板とを同一の
材料で構成することにより、温度変化などによって振動
板に不要な応力が発生しない。そのため、不要な応力に
基づく振動漏れを防止できる。
Each of the vibration plates 102 and 103 is a Z plate made of a single crystal of quartz, and the intermediate substrate 110 is also made of a quartz substrate. Thus, by forming the diaphragm and the intermediate substrate from the same material, unnecessary stress is not generated in the diaphragm due to a temperature change or the like. Therefore, vibration leakage due to unnecessary stress can be prevented.

【0027】振動板102および103はそれぞれ2本
の振動片を有する音叉型振動板であり、両者同一の形状
である。振動片106、107、108および109
は、すべて水晶のY結晶軸方向に突出しており、励振用
電極および検出用電極が設けられている。この振動子1
01では、4本の振動片106、107、108および
109をそれぞれが中心軸(4本の振動片からほぼ等距
離にある仮想軸)を介して対向する振動片とは同方向且
つ同相となり、隣り合う振動片とは同方向且つ逆相とな
るように励振する。ここでは、振動片106および10
7をX結晶軸方向に互いに逆相に励振し(矢印111お
よび112参照)、振動片108および109をX結晶
軸方向に互いに逆相に且つそれぞれの上方にある振動片
107および106とも逆相に励振する(矢印113お
よび114参照)。励振用電極は振動片の4つの側面に
配置される。一方、検出用電極は各振動片の4つの角部
に配置される。励振方向と励振用電極との関係、および
検出振動方向と検出用電極との関係は、図3および図4
を用いて説明した圧電効果に基づくものでり、ここで
は、詳しい説明は省略する。
The diaphragms 102 and 103 are tuning fork-type diaphragms each having two vibrating pieces, and have the same shape. Vibrating pieces 106, 107, 108 and 109
All project in the Y-crystal axis direction of the crystal, and are provided with an excitation electrode and a detection electrode. This vibrator 1
In 01, the four vibrating bars 106, 107, 108, and 109 are in the same direction and in phase with the vibrating bars facing each other via the central axis (a virtual axis substantially equidistant from the four vibrating bars), Excitation is performed so as to be in the same direction and opposite phase with the adjacent resonator element. Here, the vibrating bars 106 and 10
7 are excited in a direction opposite to each other in the X crystal axis direction (see arrows 111 and 112), and the vibrating pieces 108 and 109 are in a phase opposite to each other in the X crystal axis direction and also in a phase opposite to the vibrating pieces 107 and 106 located above, respectively. (See arrows 113 and 114). The excitation electrodes are arranged on four side surfaces of the resonator element. On the other hand, the detection electrodes are arranged at four corners of each resonator element. The relationship between the excitation direction and the excitation electrode, and the relationship between the detected oscillation direction and the detection electrode are shown in FIGS.
, And is not described here in detail.

【0028】中間基板110の両側部には配線用ピン1
21a〜121hが嵌合固定されている。振動片106
〜109の励振用電極および検出用電極は振動板102
および103上の配線および中間基板110上の配線を
経て配線用ピン121a〜121hに接続され、この配
線用ピン121a〜121hを介して外部に設けられた
励振回路および検出回路に接続される。振動板102お
よび103の配線と中間基板110上の配線とはボンデ
ィングワイヤで接続される。なお、振動板上および中間
基板上の配線、並びにボンディングワイヤは図示を省略
してある。配線用ピン121a〜121hは、ハーメチ
ックステム120に設けられた8つの貫通穴に先端が裏
面から突出するようにはめ込まれ、非揮発性の固着材で
密封固定されている。このように構成することにより、
配線用ピン121a〜121hを振動子1の取り付け固
定手段としても利用することができる。
On both sides of the intermediate substrate 110, wiring pins 1 are provided.
21a to 121h are fitted and fixed. Vibrating piece 106
The excitation electrode and the detection electrode of No.
Are connected to the wiring pins 121a to 121h via the wiring on the intermediate substrate 110 and the wiring on the intermediate substrate 110, and are connected to the externally provided excitation circuit and detection circuit via the wiring pins 121a to 121h. The wirings on the diaphragms 102 and 103 and the wiring on the intermediate substrate 110 are connected by bonding wires. The wiring on the diaphragm and the intermediate substrate and the bonding wires are not shown. The wiring pins 121a to 121h are fitted into eight through holes provided in the hermetic stem 120 such that the tips protrude from the back surface, and are hermetically fixed with a nonvolatile fixing material. With this configuration,
The wiring pins 121a to 121h can also be used as means for attaching and fixing the vibrator 1.

【0029】この振動子1の各振動片106〜109を
矢印111〜114のように励振しながら、振動片の長
手方向に平行な軸を中心に振動子1が回転すると、矢印
115〜118に示す方向および位相でコリオリの力に
よる振動が発生するので、検出電極に電荷の変化が生じ
る。これを第1実施形態と同様に検出回路で検出し、そ
の結果に基づいて角速度演算回路が角速度を算出する。
When the vibrator 1 is rotated about an axis parallel to the longitudinal direction of the vibrating piece while exciting the vibrating pieces 106 to 109 of the vibrator 1 as shown by arrows 111 to 114, the vibrating pieces become arrows 115 to 118. Vibration due to the Coriolis force occurs in the indicated direction and phase, so that the detection electrode changes in charge. This is detected by the detection circuit as in the first embodiment, and the angular velocity calculation circuit calculates the angular velocity based on the result.

【0030】本実施形態の場合も励振振動および検出振
動のいずれについてもねじれ力が発生せず、また、重心
の移動も中心軸から外れることがない。
Also in this embodiment, no torsional force is generated for both the excitation vibration and the detected vibration, and the center of gravity does not move from the center axis.

【0031】上記いずれの実施形態も、振動板は水晶の
Z板をパターニングしたものであるが、その他の圧電材
料、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やニオ
ブ酸リチウムやタンタル酸リチウムといったその他の圧
電材料を用いてもよい。さらに、振動板をステンレスの
ような単なる振動板とし、電極に代えて電歪手段を用い
て振動および検出させてもよい。
In each of the above embodiments, the vibration plate is formed by patterning a quartz Z plate, but other piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT), lithium niobate and lithium tantalate may be used. May be used. Furthermore, the diaphragm may be a simple diaphragm such as stainless steel, and may be vibrated and detected using electrostriction means instead of the electrodes.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の角速度検
出装置によれば、振動子の振動片が励振されているとき
に、励振振動によっても、また、回転に伴って発生した
コリオリの力によっても、振動子の内部にねじれ力が発
生せず、しかも、重心が検出回転の中心軸を外れない。
したがって、ねじれ力や重心移動に基づく振動漏れがな
く、ωの検出を高効率で達成することができる。
As described above, according to the angular velocity detecting device of the present invention, when the vibrating piece of the vibrator is excited, the Coriolis force generated by the excitation vibration and the rotation. Therefore, no torsional force is generated inside the vibrator, and the center of gravity does not deviate from the center axis of the detection rotation.
Therefore, there is no vibration leakage due to the torsional force or the movement of the center of gravity, and the detection of ω can be achieved with high efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態の角速度検出装置に用いら
れる振動子を示す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing a vibrator used in an angular velocity detecting device according to an embodiment of the present invention.

【図2】その振動子に用いられる振動板を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a diaphragm used for the vibrator.

【図3】振動片のZ軸方向の励振動作を説明するための
図。
FIG. 3 is a diagram for explaining an excitation operation of a resonator element in a Z-axis direction.

【図4】振動片のX軸方向の振動検出動作を説明するた
めの図。
FIG. 4 is a diagram for explaining an X-axis direction vibration detection operation of the resonator element.

【図5】第1実施形態の処理回路およびそれらと振動片
に設けられた電極との結線を示すブロック図。
FIG. 5 is a block diagram showing processing circuits according to the first embodiment and connections between the processing circuits and electrodes provided on a resonator element.

【図6】本発明の第2の実施形態の角速度検出装置に用
いられる振動子を示す斜視図。
FIG. 6 is a perspective view showing a vibrator used in an angular velocity detecting device according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、101…振動子、2〜5、102、103…振動
板、6〜9、106〜109…振動子、10…固定台、
110…中間基板、120…ステム、121a〜121
h…固定・配線用ピン。
1, 101: vibrator, 2 to 5, 102, 103: vibrating plate, 6 to 9, 106 to 109: vibrator, 10: fixed base,
110: intermediate substrate, 120: stem, 121a to 121
h… Fixing / wiring pins.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 振動子と、この振動子を励振する励振手
段と、この励振手段により励振された前記振動子が回転
することに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の
振幅を検出する検出手段と、この検出手段により検出さ
れた振幅の大きさから前記回転の角速度を演算する角速
度演算手段とを備えた角速度検出装置において、 前記振動子は一端が共通に固定された互いに平行な4本
の振動片を備え、この4本の振動片は検出角速度の回転
軸に平行な仮想軸から略等距離で隣同士が略等間隔にな
るように配置されており、 前記励振手段は、前記4本の振動片をそれぞれが前記仮
想軸を介して対向する振動片とは同方向且つ逆相とな
り、隣り合う振動片とは直交する方向となるように励振
するものであることを特徴とする角速度検出装置。
A vibrator; an exciting unit for exciting the vibrator; and a detection unit for detecting an amplitude of vibration based on Coriolis force generated by rotation of the vibrator excited by the exciting unit. Means and an angular velocity calculating means for calculating the angular velocity of rotation from the magnitude of the amplitude detected by the detecting means, wherein the vibrator includes four parallel vibrators having one end commonly fixed. The four vibrating bars are arranged so as to be substantially equidistant from each other at a substantially equal distance from an imaginary axis parallel to the rotation axis of the detected angular velocity, and to be adjacent to each other at substantially equal intervals. An angular velocity characterized in that the two vibrating bars are excited in the same direction and in opposite phase with respect to the vibrating bars facing each other via the virtual axis, and in a direction orthogonal to the adjacent vibrating bars. Detection device.
【請求項2】 振動子と、この振動子を励振する励振手
段と、この励振手段により励振された前記振動子が回転
することに伴って発生するコリオリの力に基づく振動の
振幅を検出する検出手段と、この検出手段により検出さ
れた振幅の大きさから前記回転の角速度を演算する角速
度演算手段とを備えた角速度検出装置において、 前記振動子は一端が共通に固定された互いに平行な4本
の振動片を備え、この4本の振動片は検出角速度の回転
軸に平行な仮想軸から略等距離で隣同士が略等間隔にな
るように配置されており、 前記励振手段は前記4本の振動片をそれぞれが前記仮想
軸を介して対向する振動片とは同方向且つ同相となり、
隣り合う振動片とは同方向且つ逆相となるように励振す
るものであることを特徴とする角速度検出装置。
2. A vibrator, exciting means for exciting the vibrator, and detection for detecting an amplitude of vibration based on Coriolis force generated by rotation of the vibrator excited by the exciting means. Means and an angular velocity calculating means for calculating the angular velocity of rotation from the magnitude of the amplitude detected by the detecting means, wherein the vibrator includes four parallel vibrators having one end commonly fixed. And the four vibrating bars are arranged so as to be substantially equidistant from each other at a substantially equal distance from an imaginary axis parallel to the rotation axis of the detected angular velocity. Are in the same direction and in phase with the vibrating pieces that are opposed to each other via the virtual axis,
An angular velocity detecting device for exciting adjacent vibrating bars in the same direction and in opposite phase.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998057124A1 (en) * 1997-06-13 1998-12-17 Citizen Watch Co., Ltd. Vibration gyroscope
US6281619B1 (en) 1997-05-09 2001-08-28 Citizen Watch Co., Ltd. Vibration gyro
JP2010230691A (en) * 2005-03-04 2010-10-14 Sony Corp Vibrating gyrosensor

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