JP2006084193A - Oscillator and angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、航空機,船舶,自動車などの姿勢制御や位置検出などに利用される回転系内の回転角速度を検出するセンサに適用できる振動子及び角速度センサに関する。 The present invention relates to a vibrator and an angular velocity sensor that can be applied to a sensor that detects a rotational angular velocity in a rotating system used for attitude control and position detection of an aircraft, a ship, an automobile, and the like.
角速度センサには様々な種類があるが、組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、振動型の角速度センサがある。従来よりある振動型の角速度センサは、四角柱に加工した振動子を振動させて回転に伴って働くコリオリ力を検出するものである。 Although there are various types of angular velocity sensors, there is a vibration-type angular velocity sensor that satisfies the requirement of being thin, small and lightweight for incorporation. Conventional vibration-type angular velocity sensors detect a Coriolis force that works with rotation by vibrating a vibrator processed into a square pole.
このような従来の角速度センサとして、音叉型振動子を用いたものがある(特許文献1参照)。
また、円板型の振動子により回転軸方向の高さを低くした振動型ジャイロスコープ(角速度センサ)が提案されている(特許文献2参照)。これは、円板状の屈曲振動板(膜)の中央部に慣性体を付加した構造の振動子を用いている。この構造の振動子では、節直径が一本となる振動板の面垂直屈曲振動に伴い、付加慣性体の重心は面内方向に変位する。またこの場合には、節直径が90度直交する同型モードが存在する。
As such a conventional angular velocity sensor, there is one using a tuning fork type vibrator (see Patent Document 1).
In addition, a vibratory gyroscope (angular velocity sensor) has been proposed in which the height in the rotation axis direction is lowered by a disc-shaped vibrator (see Patent Document 2). This uses a vibrator having a structure in which an inertial body is added to the central portion of a disc-shaped flexural vibration plate (membrane). In the vibrator having this structure, the center of gravity of the additional inertial body is displaced in the in-plane direction along with the surface vertical bending vibration of the diaphragm having a single node diameter. In this case, there is an isomorphous mode in which the node diameter is 90 degrees orthogonal.
従って、一方を駆動モードとすれば、振動板面の垂直軸に関する回転角速度の印加によって、付加慣性体での面内方向へのコリオリ力が、他方の直交モードを誘起することにより、センサ動作が得られる。また、特許文献2に示されている振動子によれば、駆動及び検出のために広い面積が利用でき、感度の向上が期待されている。 Therefore, if one is set as the drive mode, the Coriolis force in the in-plane direction of the additional inertial body induces the other orthogonal mode by the application of the rotational angular velocity with respect to the vertical axis of the diaphragm surface, so that the sensor operation is performed. can get. Further, according to the vibrator disclosed in Patent Document 2, a large area can be used for driving and detection, and an improvement in sensitivity is expected.
ところで、振動型の角速度センサでは、最小限の駆動エネルギーで大きな振幅を得て、僅かな慣性力を感度良く検出するために共振を用いる。
例えば、一般には、共振状態となる固有振動モードうちの1つを駆動モードとして選択し、その振動モードを共振周波数で駆動する。加えて、駆動モードと振動変位が直交する検出モードの共振周波数が、駆動モードの共振周波数と一致するように振動子の形状を設計する。
By the way, in the vibration type angular velocity sensor, resonance is used in order to obtain a large amplitude with a minimum driving energy and detect a small inertia force with high sensitivity.
For example, in general, one of the natural vibration modes in a resonance state is selected as the drive mode, and the vibration mode is driven at the resonance frequency. In addition, the shape of the vibrator is designed so that the resonance frequency of the detection mode in which the drive mode and vibration displacement are orthogonal to each other matches the resonance frequency of the drive mode.
共振子としてよく用いられている水晶は、異方性材料であるため、振動子の形状を調整することで共振周波数を一致させている。幾つかの振動モードの共振周波数を一致させることを振動モードを縮退させるという。
前述した円板型の振動子をジャイロスコープに適用する場合、同型縮退モードを利用することになる。
Since quartz that is often used as a resonator is an anisotropic material, the resonance frequency is matched by adjusting the shape of the vibrator. Matching the resonance frequencies of several vibration modes is said to degenerate the vibration modes.
When the disk-shaped vibrator described above is applied to a gyroscope, the same-type degenerate mode is used.
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
ところが、同型縮退モードが利用できるのは、該当する直行方向への振動特性が等しい場合に限られる。このため、円板型の振動子による振動型ジャイロスコープには、水晶などの異方性材料の適用が容易ではない。また、一般に、円板型では、共振による感度向上を得るための最適な支持状態を得ることが容易ではない。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、回転軸方向の高さを小さくした振動子による角速度センサに、水晶などの異方性材料を容易に適用できるようにすることを目的とする。
However, the same-type degenerate mode can be used only when the vibration characteristics in the corresponding orthogonal direction are equal. For this reason, it is not easy to apply an anisotropic material such as quartz to a vibrating gyroscope using a disk-type vibrator. In general, in the disk type, it is not easy to obtain an optimal support state for obtaining sensitivity improvement by resonance.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an anisotropic material such as quartz can be easily applied to an angular velocity sensor using a vibrator having a reduced height in the rotation axis direction. The purpose is to.
本発明に係る振動子は、所定の軸を中心に少なくとも3回の対称性を有する圧電材料から構成され、上述した軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々120°異なる方向に延在する3つの脚部と、3つの脚部の一端に設けられた脚部より厚く形成された慣性体とを備えるようにしたものである。 The vibrator according to the present invention is made of a piezoelectric material having symmetry at least three times around a predetermined axis, and one end thereof is connected to each other in the same plane having the above-mentioned axis as a normal, and each 120 ° Three leg portions extending in different directions and an inertial body formed thicker than the leg portions provided at one end of the three leg portions are provided.
この振動子では、上述した平面内において、いずれか1つの脚部を通る線分に重心で直交する駆動中心線を回転中心とし、3つの脚部を振動させる(励振する)ことで駆動すると、3つ脚部の振動に伴い、慣性体の重心が、面内の方向に変位する。この状態で、慣性体の重心を通る面の法線であるZ軸を回転中心とした回転運動が発生すると、慣性体における面内方向へのコリオリ力が、励振の振動方向と直交するモードを誘起する。 In this vibrator, when driven by oscillating (exciting) the three legs with the drive center line orthogonal to the center of gravity at the center of gravity as a line segment passing through any one leg in the plane described above, As the three legs vibrate, the center of gravity of the inertial body is displaced in the in-plane direction. In this state, when a rotational motion occurs around the Z axis, which is the normal to the surface passing through the center of gravity of the inertial body, the mode in which the Coriolis force in the in-plane direction of the inertial body is orthogonal to the vibration direction of excitation. Induce.
上記3つの脚部の他端の部分に接続する枠部を備えるようにしてもよい。また、枠部は、3つの脚部の他端より所定距離内側において、3つの脚部の側面に設けられた連結部を介して接続しているようにすることで、脚部の不動となる点に近い部分を枠部に連結されることができる。 A frame portion connected to the other end portion of the three leg portions may be provided. Further, the frame portion is fixed to the other end of the three leg portions, and the leg portions are fixed by being connected via a connecting portion provided on the side surface of the three leg portions within a predetermined distance. A portion close to a point can be connected to the frame portion.
本発明に係る角速度センサは、所定の軸を中心に少なくとも3回の対称性を有する圧電材料から構成され、軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々120°異なる方向に延在する第1脚部,第2脚部,及び第3脚部と、第1脚部,第2脚部,及び第3脚部の一端に設けられた第1脚部,第2脚部,及び第3脚部より厚く形成された慣性体と、第1脚部の一方の面の左側端部から第2脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された第1駆動電極と、第1脚部の一方の面の右側端部から第3脚部の一方の面の右側端部にかけて配置された第2駆動電極と、第2脚部の一方の面の右側端部から第3脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された検出電極と、互いに連結されている一端より放射状に延在して第1脚部,第2脚部,第3脚部の中央部に配設された共通電極とを備えるものである。 The angular velocity sensor according to the present invention is composed of a piezoelectric material having symmetry at least three times around a predetermined axis, and one ends thereof are connected to each other in the same plane having the axis as a normal line, and directions different from each other by 120 °. A first leg, a second leg, and a third leg, and a first leg and a second leg provided at one end of the first leg, the second leg, and the third leg. And an inertial body formed thicker than the third leg, and a first drive electrode disposed from the left end of one surface of the first leg to the left end of one surface of the second leg The second drive electrode disposed from the right end of one surface of the first leg to the right end of one surface of the third leg, and the second drive electrode from the right end of one surface of the second leg A detection electrode disposed over the left end of one surface of the three legs, and a first leg, a second leg extending radially from one end connected to each other; Disposed in the central portion of the third leg portion is intended and a common electrode.
以上説明したように、本発明では、構成する圧電材料の3回対称性の軸を法線とする同一の平面内で各々120°異なる方向に延在する3つの脚部と、3つの脚部の一端に設けられた脚部より厚く形成された慣性体とを備えるようにした。この結果、平面内において、いずれか1つの脚部を通る線分に重心で直交する駆動中心線を回転中心とし、3つの脚部を振動させることで、慣性体の重心を通るZ軸を回転中心とした回転運動が検出できるので、回転軸方向の高さを小さくした振動子による角速度センサに、水晶などの異方性材料を容易に適用できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, in the present invention, three legs extending in directions different from each other by 120 ° in the same plane with the three-fold symmetry axis of the piezoelectric material constituting the normal as a normal, and three legs And an inertial body formed to be thicker than the leg portion provided at one end. As a result, in the plane, the Z axis passing through the center of gravity of the inertial body is rotated by oscillating the three legs with the drive center line perpendicular to the center of gravity as the line passing through one of the legs. Since the rotational motion around the center can be detected, an excellent effect that an anisotropic material such as quartz can be easily applied to an angular velocity sensor using a vibrator having a reduced height in the rotational axis direction can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態における振動子の構成例を示す斜視図である。図1に示す振動子は、例えば水晶から構成され、中央部(連結部)101より各々120°異なる方向に延在する同一の長さの3つの脚部121,122,123と、各脚部の外側部分に接続する枠部103とから構成されたものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a vibrator according to an embodiment of the present invention. The vibrator shown in FIG. 1 is made of, for example, crystal, and has three
このように、本振動子は、所定の軸を中心に少なくとも3回の対称性を有する圧電材料から構成され、上記軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々120°異なる方向に延在する3つの脚部121,122,123と、各脚部を接続している枠部103とを備えるようにしたものである。各脚部121,122,123は、一端が中央部101で連結され、他端が枠部103に接続している。
As described above, this vibrator is composed of a piezoelectric material having symmetry at least three times around a predetermined axis, and one ends thereof are connected to each other within the same plane having the axis as a normal line, and each 120 ° Three
また、中央部101は、脚部121,122,123より厚く形成され、慣性体として機能する。例えば、脚部121,122,123は、厚さ0.1mm程度に形成され、中央部101は、厚さ0.4mm程度に形成されている。脚部121,122,123は、長さ1.5mm程度、幅0.6mm程度に形成されている。また、中央部101の中心部から枠部103の外周までは、長さ2mm程度に形成されている。なお、枠部103は、中央部101と同様の厚さ0.4mm程度に形成されている。
Further, the
図1に示す振動子では、例えば、脚部121,122,123が配置されている面内において、脚部121を通る線分に重心で直交する駆動中心線を回転中心とし、脚部121,122,123を振動させる(励振する)ことで駆動できる。この駆動による脚部121,122,123の振動に伴い、慣性体である中央部101の重心が、上記面内の方向に変位する。
In the vibrator shown in FIG. 1, for example, in a plane where the
この状態で、中央部101の重心を通る上記面の法線であるZ軸を回転中心とした回転運動が発生すると、中央部101における上記面内方向へのコリオリ力が、励振の振動方向と直交するモードを誘起する。誘起されたモードの振動が、脚部121,122,123のいずれかに設けた検出電極により検出される。
In this state, when a rotational motion about the Z axis that is the normal line of the surface passing through the center of gravity of the
例えば、図2に示すように、駆動電極201,駆動電極202,検出電極203,共通電極204が、形成された状態とすることで、上述した角速度センサの動作を行うことが可能である。図2は、図1に示した振動子の構成を示す平面図であり、各電極は、図2に示されている面(裏面とする)に形成されている状態とする。
For example, as shown in FIG. 2, by setting the
駆動電極201は、脚部121から脚部122にかけて形成され、駆動電極202は、脚部121から脚部123にかけて形成されている。駆動電極201は、図2において、脚部121の裏面の左側端部から脚部122の裏面の左側端部にかけて配置されている。一方、駆動電極202は、図2において、脚部121の裏面の右側端部から脚部123の裏面の右側端部にかけて配置されている。従って、駆動電極201と駆動電極202とは、脚部121の中央部を通る線分に線対称な関係であり、本振動子の中心(重心)で点対称な関係である。
The
また、検出電極203は、図2において、脚部122の裏面の右側端部から脚部123の裏面の左側端部にかけて配置されている。検出電極203は、駆動電極201と脚部122の中央部を通る線分に線対称な関係である。また、検出電極203は、駆動電極202と脚部123の中央部を通る線分に線対称な関係である。また、検出電極203は、駆動電極201及び駆動電極202と、本振動子の中心(重心)で点対称な関係である。
Further, in FIG. 2, the
また、共通電極204は、中央部101より放射状に延在するように、各脚部121,122,123の中央部に配設され、また、駆動電極201,駆動電極202,及び検出電極203とは、各々離間している。
上述したように各電極を配設した状態で、図3(a)に示すように検出回路に接続することで、本振動子に加わるZ軸回転角速度に応じた出力信号が得られる。
The
As described above, with the electrodes arranged, by connecting to the detection circuit as shown in FIG. 3A, an output signal corresponding to the Z-axis rotation angular velocity applied to the vibrator can be obtained.
例えば、発振回路301より、図3(b)に示すように変化する電圧の駆動信号を印加し、駆動モードが励振された状態とする。図3(b)の実線で示す電圧を駆動電極201に印加し、図3(b)の点線で示す電圧を駆動電極202に印加する。
この駆動状態において、Z軸に関する回転角速度が印加されると、駆動信号と同じ周波数で角速度によって振幅と位相が変化する、基準電位を基準とした検出信号が検出電極203に生じる。
For example, a drive signal having a voltage that changes as shown in FIG. 3B is applied from the
In this driving state, when a rotational angular velocity with respect to the Z axis is applied, a detection signal based on a reference potential whose amplitude and phase change with the angular velocity at the same frequency as the driving signal is generated at the
検出電極203に生じた検出信号を、増幅回路302により増幅した後、駆動信号を位相回路303を通して参照信号とする同期検波回路304により検波処理することで、加わった回転角速度に比例した出力信号(直流)が得られる。このようにして得られるZ軸周りの回転角速度は、X軸及びY軸による他軸出力に対し、感度が1000倍以上と良好である。
After the detection signal generated at the
次に、本発明の実施の形態における振動子の他の構成例について説明する。図4は、本発明の実施の形態における振動子の他の構成例を示す斜視図である。
図4に示す振動子は、例えば水晶から構成され、中央部(連結部)401より各々120°異なる方向に延在する同一の長さの3つの脚部421,422,423を備えている。
Next, another configuration example of the vibrator according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a perspective view showing another configuration example of the vibrator according to the embodiment of the present invention.
The vibrator shown in FIG. 4 is made of, for example, quartz, and includes three
言い換えると、図4に示す振動子においても、所定の軸を中心に少なくとも3回の対称性を有する圧電材料から構成され、上記軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々120°異なる方向に延在する3つの脚部421,422,423を備えている。3つの脚部421,422,423は、一端が中央部401に連結されている。
In other words, the vibrator shown in FIG. 4 is also composed of a piezoelectric material having symmetry at least three times around a predetermined axis, and one ends thereof are connected to each other in the same plane having the axis as a normal line. Three
また、本振動子においても、中央部401は、脚部421,422,423より厚く形成され、慣性体として機能する。例えば、脚部421,422,423は、厚さ0.1mm程度に形成され、中央部401は、厚さ0.4mm程度に形成されている。また、脚部421,422,423は、中央部401から端部までの長さが2mm程度に形成され、幅が0.6mm程度に形成されている。
Also in this vibrator, the central portion 401 is formed thicker than the
また、図4の振動子では、脚部421,422,423の他端より所定距離内側(中央部401の側)において、脚部421,422,423が枠部403に連結部404を介して接続している。脚部421,422,423は、他端の領域において、他端より所定距離内側において、側面において連結部404を介して枠部403に固定されている。
Further, in the vibrator of FIG. 4, the
図4に示す振動子では、脚部421,422,423の内部の振動要素を考慮した場合の、不動となる点に近い部分が、連結部404により固定されている。この結果、支持による影響が緩和されるようになり、Q値の向上が図れる。
また、本振動子においても、図2と同様に各電極を配設し、図3と同様の回路を用いることで、角速度センサとして用いることができる。
In the vibrator shown in FIG. 4, a portion close to a point that does not move when the vibration elements inside the
In addition, this vibrator can also be used as an angular velocity sensor by disposing each electrode similarly to FIG. 2 and using a circuit similar to FIG.
101…中央部(連結部)、103…枠部、121,122,123…脚部。
101... Central portion (connecting portion) 103.
Claims (4)
前記軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々120°異なる方向に延在する3つの脚部と、
3つの前記脚部の前記一端に設けられた前記脚部より厚く形成された慣性体と
を備えることを特徴とする振動子。 A piezoelectric material having at least three-fold symmetry about a predetermined axis;
Three legs that are connected to each other in the same plane with the axis as a normal and extend in directions different from each other by 120 °;
And an inertial body formed thicker than the legs provided at the one end of the three legs.
3つの前記脚部の他端の部分に接続する枠部を備える
ことを特徴とする振動子。 The vibrator according to claim 1,
A vibrator comprising a frame portion connected to the other end portion of the three leg portions.
前記枠部は、3つの前記脚部の他端より所定距離内側において、3つの前記脚部の側面に設けられた連結部を介して接続している
ことを特徴とする振動子。 The vibrator according to claim 2, wherein
The frame portion is connected via a connecting portion provided on a side surface of the three leg portions on a predetermined distance inside from the other ends of the three leg portions.
前記軸を法線とする同一の平面内で一端が互いに連結されて各々120°異なる方向に延在する第1脚部,第2脚部,及び第3脚部と、
前記第1脚部,第2脚部,及び第3脚部の前記一端に設けられた前記第1脚部,第2脚部,及び第3脚部より厚く形成された慣性体と、
前記第1脚部の一方の面の左側端部から前記第2脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された第1駆動電極と、
前記第1脚部の一方の面の右側端部から前記第3脚部の一方の面の右側端部にかけて配置された第2駆動電極と、
前記第2脚部の一方の面の右側端部から前記第3脚部の一方の面の左側端部にかけて配置された検出電極と、
互いに連結されている一端より放射状に延在して前記第1脚部,前記第2脚部,前記第3脚部の中央部に配設された共通電極と
を備えることを特徴とする角速度センサ。
A piezoelectric material having at least three-fold symmetry about a predetermined axis;
A first leg, a second leg, and a third leg, one end of which is connected to each other in the same plane having the axis as a normal and extends in directions different from each other by 120 °;
An inertial body formed thicker than the first leg, the second leg, and the third leg provided at the one end of the first leg, the second leg, and the third leg;
A first drive electrode disposed from a left end portion of one surface of the first leg portion to a left end portion of one surface of the second leg portion;
A second drive electrode disposed from a right end portion of one surface of the first leg portion to a right end portion of one surface of the third leg portion;
A detection electrode disposed from a right end portion of one surface of the second leg portion to a left end portion of one surface of the third leg portion;
An angular velocity sensor comprising: a common electrode extending radially from one end connected to each other and disposed at a central portion of the first leg portion, the second leg portion, and the third leg portion. .
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