JP2869514B2 - 1-axis angular velocity / acceleration sensor - Google Patents

1-axis angular velocity / acceleration sensor

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JP2869514B2
JP2869514B2 JP5271797A JP27179793A JP2869514B2 JP 2869514 B2 JP2869514 B2 JP 2869514B2 JP 5271797 A JP5271797 A JP 5271797A JP 27179793 A JP27179793 A JP 27179793A JP 2869514 B2 JP2869514 B2 JP 2869514B2
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acceleration
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displacement
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久 矢部
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、1軸角速度/加速度
センサに関し、特に屈曲式音叉型水晶振動子を具備して
小型、軽量、安価、長寿命、高信頼性を示す1軸角速度
/加速度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a one-axis angular velocity / acceleration sensor, and more particularly to a one-axis angular velocity / acceleration sensor equipped with a bending type tuning fork type quartz resonator, which is compact, lightweight, inexpensive, has a long life and high reliability. Related to sensors.

【0002】[0002]

【従来の技術】1軸角速度/加速度センサの従来例を図
1および図2を参照して説明する。図1は回転ビーム型
1軸角速度/加速度センサを示す。円筒ケース11の両
端板11aおよび11bに軸受12および13が固着せ
しめられており、これらの軸受に軸支された回転軸21
に圧電ビーム回転体20が固定されている。圧電ビーム
回転体20は2本のビーム状圧電検出器22aおよび2
2bより成り、これらは回転軸21に直角であると共に
対称的に支持板24を介して回転軸21に固定されてい
る。圧電検出器22aおよび22bは例えば、バイモル
フ圧電結晶ビームの両面に電極25aおよび25bを形
成したものとすることができる。圧電検出器22aおよ
び22bの自由端には角速度検出感度を向上せしめるた
めの錘23aおよび23bが具備される。14はスピン
・モータのステータ、15はそのロータであり、このロ
ータ15により回転軸21を高速回転させる。圧電検出
器22aおよび22bの電極25aおよび25bにより
検出される検出出力は回転軸21内の配線を介してスリ
ップ・リング24a、24bおよび24cに到達し、こ
こからブラシ16a、16bおよび16c、プリアンプ
31aおよび31bを介して信号処理回路に送り込まれ
る。
2. Description of the Related Art A conventional example of a one-axis angular velocity / acceleration sensor will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a rotating beam type one-axis angular velocity / acceleration sensor. Bearings 12 and 13 are fixed to both end plates 11a and 11b of the cylindrical case 11, and a rotating shaft 21 supported by these bearings is provided.
Is fixed to the piezoelectric beam rotating body 20. The piezoelectric beam rotator 20 includes two beam-shaped piezoelectric detectors 22a and 22a.
2b, which are perpendicular to the rotating shaft 21 and symmetrically fixed to the rotating shaft 21 via the support plate 24. The piezoelectric detectors 22a and 22b can be, for example, those in which electrodes 25a and 25b are formed on both surfaces of a bimorph piezoelectric crystal beam. The free ends of the piezoelectric detectors 22a and 22b are provided with weights 23a and 23b for improving the angular velocity detection sensitivity. Reference numeral 14 denotes a stator of the spin motor, and 15 denotes its rotor. The rotor 15 rotates the rotating shaft 21 at high speed. The detection output detected by the electrodes 25a and 25b of the piezoelectric detectors 22a and 22b reaches the slip rings 24a, 24b and 24c via the wiring in the rotating shaft 21, from which the brushes 16a, 16b and 16c, the preamplifier 31a And 31b to the signal processing circuit.

【0003】図2(a)についてみるに、X軸は圧電検
出器22aおよび22bの共面内にある軸であり、Z軸
はX軸に直交する軸であって回転軸21と同軸状態にあ
る。角速度/加速度センサのケース11をX軸を中心に
角速度Ωx で回転させると、Z軸を中心に角速度Ωz で
高速回転している圧電検出器22aおよび22bにはコ
リオリ力が作用し、圧電検出器22aおよび22bは図
2(a)において鎖線により示される如くに互いに逆位
相にたわむ。その結果、圧電検出器22aおよび22b
から、図2(b)に示されるが如き、振幅が相等しく位
相が180°の正弦波電圧信号Xa、Xbが得られる。
ここで、圧電検出器22aおよび22bの出力電圧信号
の差をとればX軸回転角速度成分X=Xa−Xbが得ら
れる。
Referring to FIG. 2A, the X axis is an axis lying on the same plane as the piezoelectric detectors 22a and 22b, and the Z axis is an axis orthogonal to the X axis and coaxial with the rotation axis 21. is there. When the case 11 of the angular velocity / acceleration sensor is rotated at an angular velocity Ωx about the X axis, Coriolis force acts on the piezoelectric detectors 22a and 22b rotating at a high speed at an angular velocity Ωz about the Z axis. 22a and 22b bend in opposite phases as indicated by the dashed line in FIG. 2 (a). As a result, the piezoelectric detectors 22a and 22b
Thus, as shown in FIG. 2B, sine wave voltage signals Xa and Xb having the same amplitude and the same phase of 180 ° are obtained.
Here, if the difference between the output voltage signals of the piezoelectric detectors 22a and 22b is calculated, an X-axis rotation angular velocity component X = Xa-Xb is obtained.

【0004】圧電検出器22aおよび22bにZ軸方向
の振動加速度αが加わると、圧電検出器22aおよび2
2bは図2(c)において鎖線により示される如くに同
相にたわむ。その結果、圧電検出器22aおよび22b
からは、図2(d)に示されるが如く、振幅が相等しく
同相の正弦波電圧信号Za、Zbが得られる。ここで圧
電検出器22aおよび22bの出力電圧信号の和をとれ
ば、Z軸方向加速度成分Z=Za+Zbが得られる。
When a vibration acceleration α in the Z-axis direction is applied to the piezoelectric detectors 22a and 22b, the piezoelectric detectors 22a and 22b
2b bends in phase as indicated by the dashed line in FIG. 2 (c). As a result, the piezoelectric detectors 22a and 22b
Thus, as shown in FIG. 2D, sinusoidal voltage signals Za and Zb having the same amplitude and the same phase are obtained. Here, by taking the sum of the output voltage signals of the piezoelectric detectors 22a and 22b, the Z-axis direction acceleration component Z = Za + Zb is obtained.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】図1に示される1軸角
速度/加速度センサは角速度/加速度を検出する材料と
して圧電検出器22aおよび22bを使用したものであ
るが、図示される通り部品点数が多く、構造が複雑であ
り、そして、スピン・モータを使用してその回転部の軸
受け12および13の摩耗、摩滅による寿命の制約のあ
るものである。
The one-axis angular velocity / acceleration sensor shown in FIG. 1 uses piezoelectric detectors 22a and 22b as a material for detecting angular velocity / acceleration. In many cases, the structure is complicated, and the life of the bearings 12 and 13 of the rotating parts thereof is limited due to wear and abrasion by using a spin motor.

【0006】この発明は、摩耗、摩滅する部材を使用す
るものではなく、屈曲式音叉型水晶振動子を使用して上
述の通りの問題を解消した1軸角速度/加速度センサを
提供するものである。
The present invention provides a uniaxial angular velocity / acceleration sensor that does not use a member that wears and wears, but that solves the above-described problem by using a bending-type tuning fork-type crystal resonator. .

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】請求項1:2本のビーム
より成る音叉を構成する水晶薄板をその両側から2枚の
水晶板により挟み込み、2本のビームが1軸角速度/加
速度により変位する量を検出する検出電極を2本のビー
ムおよび両側の2枚の水晶板に形成した屈曲式音叉型水
晶振動子により形成される静電容量を可変静電容量型変
位検出器の静電容量とし、可変静電容量型変位検出器を
2組具備し、屈曲式音叉型水晶振動子の発振周波数と比
較して充分に高い安定化された変位検出器駆動用の交流
電圧発振器を具備し、2組の可変静電容量型変位検出器
の検出信号出力の差を求める回路 を具備し、2組の可変
静電容量型変位検出器の出力の和を求める回路を具備す
る1軸角速度/加速度センサを構成した。
Means for Solving the Problems Claim 1: Two beams
The quartz thin plate constituting the tuning fork consisting of
Sandwiched between quartz plates, the two beams are uniaxial angular velocity /
A detection electrode for detecting the amount of displacement by speed is
Type tuning fork type water formed on the crystal and two quartz plates on both sides
Variable the capacitance formed by the crystal oscillator
The variable capacitance type displacement detector is used as the capacitance of the position detector.
Oscillation frequency and ratio of two sets of bendable tuning fork crystal units
AC for driving a stabilized displacement detector that is sufficiently high in comparison
Equipped with a voltage oscillator, two sets of variable capacitance displacement detectors
Circuit for determining the difference between the detection signal outputs of
Equipped with a circuit for calculating the sum of the outputs of the capacitance type displacement detector
A one-axis angular velocity / acceleration sensor was constructed.

【0008】そして、請求項2:請求項1に記載される
1軸角速度/加速度センサにおいて2枚の水晶板は水晶
薄板より剛性が高く、ビームの振動を妨げることのない
様にビームの周囲に僅かの間隙を保持して水晶薄板支持
部のみに接する様に水晶薄板を挟み込んだ1軸角速度/
加速度センサを構成した。
[0008] Claim 2: Claim 1
In the uniaxial angular velocity / acceleration sensor, the two quartz plates are quartz
Higher rigidity than thin plate, does not interfere with beam vibration
Support a thin quartz plate with a small gap around the beam
1-axis angular velocity with a thin quartz plate sandwiched only in contact with the part
An acceleration sensor was configured.

【0009】更に、請求項3:請求項1および2の何れ
かに記載される1軸角速度/加速度センサにおいて、角
速度の印加によるビームの歳差運動に伴う振動成分およ
び加速度印加によるビームの変位成分を可変静電容量型
変位検出器の交流信号出力として検出し、これら交流信
号出力について角速度に対する信号処理は差動回路12
0に入力して2組の可変静電容量型変位検出器の出力の
差を求め、同期検波回路130に水晶発振回路140の
発振周波数を印加してして同期検波を行い、平滑回路1
50で駆動交流電圧の残留成分を平滑化し、
Further, claim 3: any one of claims 1 and 2
In the one-axis angular velocity / acceleration sensor described in
Vibration component and beam precession caused by application of velocity
Variable displacement component of beam caused by application of acceleration and acceleration
Detected as the AC signal output of the displacement detector,
The signal processing for the angular velocity with respect to the
0 and the output of the two sets of variable capacitance displacement detectors
The difference is obtained and the synchronous detection circuit 130
The synchronous detection is performed by applying the oscillation frequency, and the smoothing circuit 1
At 50, the residual component of the drive AC voltage is smoothed,

【0010】加速度に対する信号処理は2組の可変静電
容量型変位検出器の内の一方の交流信号出力を差動回路
121に入力すると共に可変静電容量型変位検出器の内
の他方の交流信号出力を反転回路170を介して差動回
路121に入力して和を求め、平滑回路151で駆動交
流電圧の残留成分を平滑化する1軸角速度/加速度セン
サを構成した。
The signal processing for acceleration is performed by two sets of variable electrostatic
A differential circuit is used to output the AC signal output of one of the capacitive displacement detectors.
Of the variable capacitance type displacement detector
The other AC signal output of the
The signal is input to the path 121 to obtain the sum, and the driving
One-axis angular velocity / acceleration sensor for smoothing residual components of the stream voltage
Configured.

【0011】[0011]

【実施例】この発明の1軸角速度/加速度センサに採用
される屈曲式音叉型水晶振動子を図3(a)を参照して
説明する。図3(a)は屈曲式音叉型水晶振動子の分解
斜視図である。この屈曲式音叉型水晶振動子は屈曲式音
叉型振動をする2本のビーム42およびビーム42’よ
り成る音叉を形成する水晶薄板40、および水晶薄板4
0をその両側から挟み込む2枚の水晶板50および水晶
板60より成る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A bending type tuning-fork type crystal resonator used in a uniaxial angular velocity / acceleration sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3A is an exploded perspective view of a bending type tuning fork type crystal resonator. The bent tuning-fork type quartz vibrator is composed of a quartz thin plate 40 and a quartz thin plate 4 forming a tuning fork composed of two beams 42 and 42 ′ vibrating in a bent tuning fork type.
It is composed of two quartz plates 50 and 60 sandwiching 0 from both sides.

【0012】水晶薄板40は、屈曲式音叉型振動せしめ
られる2本のビーム42およびビーム42’およびその
支持枠41を残して一部切除することにより音叉を形成
するものである。音叉を構成する2本のビーム42およ
びビーム42’の双方には1軸角速度/加速度が加えら
れた時、これにより変位する変位量を検出するための変
位検出電極が表裏両面に形成されている。即ち、ビーム
42の表裏両面には変位検出電極として表電極43およ
び裏電極33が形成されており、ビーム42’の表裏両
面には表電極43’および裏電極33’が形成されてい
る。ここで、変位検出電極とは別の互いに対向する2枚
の励振電極を水晶板或はビームの対向する2表面に形成
し、励振電極間に交流電圧を印加することにより必ず機
械的共振を生起せしめることができる。
The thin quartz plate 40 forms a tuning fork by partially cutting off the two beams 42 and 42 'which are caused to vibrate in a bending-type tuning fork type and the supporting frame 41 thereof. Displacement detecting electrodes are formed on both front and rear surfaces for detecting the amount of displacement caused by uniaxial angular velocity / acceleration applied to both of the two beams 42 and 42 'forming the tuning fork when an angular velocity / acceleration is applied thereto. . That is, a front electrode 43 and a back electrode 33 are formed on both front and back surfaces of the beam 42 as displacement detection electrodes, and a front electrode 43 'and a back electrode 33' are formed on both front and back surfaces of the beam 42 '. Here, two sheets facing each other different from the displacement detection electrodes
Excitation electrodes are formed on two opposite surfaces of a quartz plate or beam
The AC voltage between the excitation electrodes.
Mechanical resonance can be caused.

【0013】一方、音叉を構成する水晶薄板40をその
両側から挟み込む2枚の水晶板50および水晶板60に
ついてであるが、これらは互いに同一の形状構造に形成
されており、図示される通り互いに対向して水晶薄板4
0をその両側から挟み込む様にして屈曲式音叉型水晶振
動子を構成する水晶板である。この水晶板50の表面に
は、水晶薄板40のビーム42に形成される裏電極33
に対向してこれと共働する変位検出電極51が形成され
ると共に、ビーム42’に形成される裏電極33’に対
向してこれと共働する変位検出電極51’が形成されて
いる。同様に、水晶板60の裏面には、水晶薄板40の
ビーム42に形成される表電極43に対向してこれと共
働する変位検出電極61が形成されると共に、ビーム4
2’に形成される表電極43’に対向してこれと共働す
る変位検出電極61’が形成されている。水晶薄板4
0、水晶板50および水晶板60は図3(a)に示され
る順序で互いに一体に接合される。ただし、この接合は
2本のビーム42およびビーム42’が水晶板50およ
び水晶板60に触れてその振動が妨げられることのない
様になされる。そのためには、例えば水晶薄板40の2
本のビーム42およびビーム42’の厚さを水晶薄板4
0自体の厚さより薄く切り出して、水晶薄板40と水晶
板50および水晶板60との接合がなされた時に水晶薄
板40と水晶板50および水晶板60との間に僅かの空
間が形成される様にする。
On the other hand, the two quartz plates 50 and 60 sandwiching the quartz thin plate 40 constituting the tuning fork from both sides thereof are formed in the same shape and structure as shown in FIG. Opposite quartz thin plate 4
This is a quartz plate that constitutes a bending-type tuning-fork-type quartz resonator by sandwiching “0” from both sides thereof. The back electrode 33 formed on the beam 42 of the thin quartz plate 40 is provided on the surface of the quartz plate 50.
And a displacement detection electrode 51 'cooperating therewith is formed, and a displacement detection electrode 51' cooperating with the back electrode 33 'formed on the beam 42' is formed. Similarly, a displacement detection electrode 61 is formed on the back surface of the quartz plate 60 so as to face and cooperate with the front electrode 43 formed on the beam 42 of the thin quartz plate 40, and the beam 4
A displacement detection electrode 61 'is formed opposite to and cooperates with the front electrode 43' formed in 2 '. Quartz sheet 4
The quartz plate 50, the quartz plate 50 and the quartz plate 60 are integrally joined to each other in the order shown in FIG. However, this joining is performed so that the two beams 42 and 42 'do not touch the quartz plate 50 and the quartz plate 60 and the vibration thereof is not hindered. For this purpose, for example, the quartz thin plate 40-2
The thickness of the beam 42 and the beam 42 ′ is
0 is cut out to be thinner than the thickness of itself, and when the thin quartz plate 40 is joined to the quartz plate 50 and the quartz plate 60, a small space is formed between the quartz thin plate 40, the quartz plate 50 and the quartz plate 60. To

【0014】図4を参照して屈曲式音叉型水晶振動子の
振動を説明するに、図4(a)において、水晶薄板40
の音叉を構成するビーム42およビームび42’が互い
に逆向き、逆位相に速度Vの単振動をしている無入力の
場合、音叉に図示される如き向きの角速度ωの回転が加
えられると、ビームにはそれぞれ図示される向きのコリ
オリ力F=2mVω(mはビームの質量)が生じ、ビー
ムは角速度ωに比例する量だけコリオリ力Fの向きに変
位するに到る。そして、図4(b)において、水晶薄板
40の振動子である2本のビーム42およびビーム4
2’が互いに逆向き、逆位相に速度Vの単振動をしてい
無入力の場合、音叉に図において上向きの力F即ち直
線加速度が加わると、ビームは下向きに屈曲する。
Referring to FIG. 4, the vibration of the bending-type tuning fork type quartz vibrator will be described .
Beams 42 and 42 ′ constituting the tuning fork of FIG.
Reverse, the case of no input has a single vibration speed V to the opposite phase, when the rotation angular velocity ω of such is illustrated in the tuning fork direction is applied, Coriolis force in a direction illustrated respectively the beam F on the = 2 mVω (m is the mass of the beam), and the beam is displaced in the direction of the Coriolis force F by an amount proportional to the angular velocity ω . Then, in FIG.
40 transducers, two beams 42 and 4
2 ′ are opposite to each other and have a simple vibration of velocity V in opposite phase.
In the case of no input, when an upward force F, that is, a linear acceleration in the figure is applied to the tuning fork, the beam bends downward.

【0015】ここで、図5に示される可変静電容量型変
位検出器のブロック図を参照する。図3(a)により図
示説明される屈曲式音叉型水晶振動子は、可変静電容量
型変位検出器の可変容量C1 、C2 、C3 およびC4 を
形成するものである。これについて、図3(b)をも含
めて更に説明すると、可変容量C1 はビーム42に形成
される表電極43と水晶板60に形成される検出電極6
1とにより形成され、可変容量C2 はビーム42に形成
される裏電極33と水晶板50に形成される検出電極5
1により形成され、可変容量C3 はビーム42’に形成
される表電極43’と水晶板60に形成される検出電極
61’により形成され、そして可変容量C4 はビーム4
2’に形成される裏電極33’と水晶板50に形成され
る検出電極51’により形成される。この屈曲式音叉型
水晶振動子により形成される可変容量C1 、C2 、C3
およびC4 は差動ブリッジ接続されると共に、その接続
端子Aおよび接続端子B間は交流電圧発振器100によ
り交流駆動される。
Here, a block diagram of the variable capacitance type displacement detector shown in FIG. 5 will be referred to. The bending-type tuning-fork type crystal resonator illustrated and described with reference to FIG. 3A forms variable capacitors C1, C2, C3 and C4 of a variable capacitance type displacement detector. This will be further described with reference to FIG. 3B. The variable capacitance C1 includes a front electrode 43 formed on the beam 42 and a detection electrode 6 formed on the quartz plate 60.
The variable capacitance C2 is formed by the back electrode 33 formed on the beam 42 and the detection electrode 5 formed on the quartz plate 50.
1, the variable capacitor C3 is formed by the front electrode 43 'formed on the beam 42' and the detection electrode 61 'formed on the quartz plate 60, and the variable capacitor C4 is formed by the beam 4'.
It is formed by a back electrode 33 'formed on 2' and a detection electrode 51 'formed on the quartz plate 50. Variable capacitors C1, C2, C3 formed by this bending type tuning fork type quartz resonator
And C4 are connected in a differential bridge, and their connection terminals A and B are AC driven by an AC voltage oscillator 100.

【0016】図4(a)において、音叉を構成する2本
のビーム42およびビーム42’が単に互に逆位相に速
度Vの単振動をしている場合、何れの可変容量Cにも容
量変化は生じない。従って、ビーム42およびビーム4
2’双方の差動ブリッジ回路は平衡状態にあり、接続端
子C、D、C’、D’の電圧は、図6(a)に示される
如く振幅一定の単振動出力電圧波形となる。ところが、
図示される向きの角速度ωの回転が加えられると、2本
のビーム42およびビーム42’に図示される向きのコ
リオリ力Fが加えられるので、これらビームは図4
(a)の鎖線に示される如く上下方向に変位するに到
る。2本のビーム42およびビーム42’が以上の変位
をすると、可変容量C1 の静電容量は増加すると共に可
変容量C2 の静電容量は逆に減少する一方、可変容量C
4 の静電容量は増加すると共に可変容量C3 の静電容量
は減少する。図示される向きとは逆向きの角速度ωの回
転が加えられると、可変容量C1 の静電容量は減少する
と共に可変容量C2 の静電容量は逆に増加する一方、可
変容量C4 の静電容量は減少すると共に可変容量C3 の
静電容量は増加する。可変容量C1 ないし可変容量C4
の静電容量が上述した通りに変化することにより、接続
端子C、Dの電圧は図6(b)に示される如く振動子の
振動周波数により振幅変調された様な電圧波形となる。
接続端子C’、D’の電圧は図6(c)に示される如く
振動子の振動周波数により振幅変調された様な電圧波形
となる。図6(b)に示される電圧波形と図6(c)に
示される電圧波形とは互いに逆位相である。
In FIG . 4 (a), two pieces forming a tuning fork
Beam 42 and beam 42 'are simply out of phase with each other.
In the case of simple vibration of degree V, any variable capacitance C
No change in volume occurs. Therefore, beam 42 and beam 4
2 'Both differential bridge circuits are in a balanced state,
The voltages of the children C, D, C ′, D ′ are shown in FIG.
A simple oscillation output voltage waveform having a constant amplitude is obtained. However,
When a rotation at an angular velocity ω in the illustrated direction is applied, Coriolis force F in the illustrated directions is applied to the two beams 42 and the beam 42 ′, so that these beams are separated from each other in FIG.
As shown by the chain line in FIG.
You. The two beams 42 and 42 'are displaced more than
Then, the capacitance of the variable capacitor C1 increases and
On the other hand, the capacitance of the variable capacitor C2 decreases, while the variable capacitor C2 decreases.
4 increases and the capacitance of the variable capacitor C3 increases.
Decreases. Time of angular velocity ω opposite to the direction shown
When the rolling is applied, the capacitance of the variable capacitor C1 decreases.
The capacitance of the variable capacitor C2 increases with the
The capacitance of the variable capacitor C4 decreases and the capacitance of the variable capacitor C3 decreases.
The capacitance increases. Variable capacitance C1 to variable capacitance C4
6B, the voltages at the connection terminals C and D have a voltage waveform that is amplitude-modulated by the vibration frequency of the vibrator as shown in FIG. 6B.
As shown in FIG. 6C, the voltages at the connection terminals C ′ and D ′ have a voltage waveform that is amplitude-modulated by the vibration frequency of the vibrator. The voltage waveform shown in FIG. 6B and the voltage waveform shown in FIG. 6C have opposite phases.

【0017】ここで、図5を参照して可変静電容量型変
位検出器の検出信号処理を説明するに、ビーム42およ
びビーム42を含む2組の可変静電容量型変位検出器の
検出信号出力の差を差動回路120により求め、両変位
検出器の検出信号出力の差を水晶発振回路140の発振
周波数で同期検波回路130において同期検波し、検波
出力を平滑回路150に入力し駆動交流電圧の残留成分
を平滑化する。一方、加速度に対する信号処理は2組の
可変静電容量型変位検出器の出力の和を反転回路170
を介して差動回路121により求め、平滑回路151で
駆動交流電圧の残留成分を平滑化する。 以下、波形図回
路各部の波形を参照して説明する。以上の検出信号処理
には水晶発振回路140の発振周波数で同期検波を行う
同期検波回路130が具備され、角速度ωの極性、向き
を判別する。これら電圧波形を半波整流回路110によ
り半波整流した結果の電圧である点F、E、J、Hの電
圧は図7(a)〜図7(d)に示される如きものとな
る。差動回路の出力である点Gおよび点Kの電圧を図8
(a)および図8(b)に示すが、これを入力電圧とす
る差動回路120の出力電圧である点Lの電圧は図8
(c)に示されるが如きものである。ここで、図8
(c)は角速度ωの極性に左右されて、振動子の発振周
波数と点Lの電圧とが同相である場合を示す。これは図
8(a)と相似形である。振動子の発振周波数と点Lの
電圧とが逆相である場合は図8(c)とは逆になり丁度
図8(b)と相似形となる。位相弁別器130の出力電
圧である点Nの電圧は、図8(c)の場合は図9(a)
に示されるが如きものであり、図8(c)と逆の場合は
図9(b)に示されるが如きものである。図9(a)お
よび図9(b)において、直線Pは角速度ωに比例した
電圧を示す。
Here, referring to FIG.
In order to explain the detection signal processing of the position detector, the beams 42 and
Of two sets of variable capacitance displacement detectors including
The difference between the detection signal outputs is obtained by the differential circuit 120, and both displacements are obtained.
The difference in the detection signal output of the detector is
Synchronous detection is performed by the synchronous detection circuit 130 at the frequency.
The output is input to the smoothing circuit 150 and the residual component of the driving AC voltage
Is smoothed. On the other hand, signal processing for acceleration
Inverting circuit 170 for sum of outputs of variable capacitance type displacement detector
Is obtained by the differential circuit 121 through the
The residual component of the driving AC voltage is smoothed. Below, the waveform diagram
A description will be given with reference to waveforms at various parts of the road. Above detection signal processing
Performs synchronous detection at the oscillation frequency of the crystal oscillation circuit 140
A synchronous detection circuit 130 is provided, and the polarity and direction of the angular velocity
Is determined. The voltages at points F, E, J, and H, which are the voltages resulting from half-wave rectification of these voltage waveforms by the half-wave rectifier circuit 110, are as shown in FIGS. 7A to 7D. The voltages at points G and K, which are the outputs of the differential circuit, are shown in FIG.
8 (a) and FIG. 8 (b), the voltage at the point L which is the output voltage of the differential circuit 120 with this input voltage is shown in FIG.
It is as shown in (c). Here, FIG.
(C) shows the case where the oscillation frequency of the vibrator and the voltage at the point L are in phase, depending on the polarity of the angular velocity ω. This is similar to FIG. When the oscillation frequency of the vibrator and the voltage at the point L are in opposite phases, the waveform is opposite to that of FIG. The voltage at the point N, which is the output voltage of the phase discriminator 130, is as shown in FIG.
The case opposite to that of FIG. 8 (c) is as shown in FIG. 9 (b). 9A and 9B, a straight line P indicates a voltage proportional to the angular velocity ω.

【0018】振動子に直線加速度が加わった場合、振動
子は図4(b)に示される如く屈曲する。この場合、可
変容量C1 および可変容量C3 の静電容量は共に減少す
る結果、接続点CおよびC’の電圧は中立点にある場合
より上昇する。即ち、図10に示される如く(a)は点
C、C’の電圧、(b)は点D、D’の電圧である。こ
れらを半波整流した点F、E、J、Hの電圧は図11
(a)〜図11(d)に示されるが如きものである。差
動回路121の出力電圧である点Rの電圧は、図12
(a)に示される点Gの電圧に、反転回路を介して図1
2(b)に示される点Kの電圧を相加したものに等価的
に等しい。この点Rの電圧は図12(c)に示されるが
如きものである。なお、相加することにより角速度成分
相殺されて加速度の測定に無関係になる。従って、加
速度零の状態における電圧を基準とすれば、加速度によ
り変化した信号を求めることができる。
When a linear acceleration is applied to the vibrator, the vibrator bends as shown in FIG. In this case, the capacitances of the variable capacitors C1 and C3 both decrease, and as a result, the voltages at the connection points C and C 'increase as compared with those at the neutral point. That is, as shown in FIG. 10, (a) shows the voltages at points C and C ', and (b) shows the voltages at points D and D'. The voltages at points F, E, J and H obtained by half-wave rectification of these are shown in FIG.
This is as shown in FIGS. The voltage at the point R, which is the output voltage of the differential circuit 121, is shown in FIG.
1A is applied to the voltage at point G shown in FIG.
It is equivalent to the sum of the voltages at the point K shown in FIG. The voltage at this point R is as shown in FIG. Note that the addition cancels out the angular velocity component and becomes irrelevant to the acceleration measurement. Therefore, if the voltage in a state where the acceleration is zero is used as a reference, a signal changed by the acceleration can be obtained.

【0019】以上は、可変静電容量型変位検出器の駆動
を交流電圧発振器100により行う場合についてのもの
であるが、駆動を直流電圧により行うと下記の通りにな
る。即ち、振動子に角速度が加わった場合、振動子はコ
リオリ力により必ず直角方向にも振動成分を持つに到る
ので、直流電界中においても検出電極に交流電圧を発生
する。しかし、加速度が加わった場合は、加速度の周波
数が低いと電極に電圧が発生しにくいことから、加速度
信号の検出には交流電圧駆動を採用することが好適であ
る。
The above description relates to the case where the variable capacitance type displacement detector is driven by the AC voltage oscillator 100. When the drive is performed by the DC voltage, the following is obtained. That is, when an angular velocity is applied to the vibrator, the vibrator always has a vibration component also in the right-angle direction due to Coriolis force, so that an AC voltage is generated on the detection electrode even in a DC electric field. However, when acceleration is applied, if the frequency of the acceleration is low, it is difficult to generate a voltage at the electrode, and therefore, it is preferable to employ the AC voltage drive for detecting the acceleration signal.
You.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上の通りであって、この発明は、音叉
を構成する水晶薄板40をその両側から2枚の水晶板5
0および水晶板60挟み込むという簡単な構成の屈曲式
音叉型水晶振動子を使用して可変静電容量型変位検出器
の可変静電容量を形成することにより1軸角速度/加速
度を検出するセンサ部とするため、機構的に極く簡素で
ありながら、小型、軽量、安価、長寿命、高信頼性を示
す1軸角速度/加速度センサを提供することができる。
As described above, according to the present invention, the quartz thin plate 40 constituting the tuning fork is replaced with the two quartz plates 5 from both sides thereof.
A sensor unit for detecting one-axis angular velocity / acceleration by forming a variable capacitance of a variable capacitance type displacement detector using a bending-type tuning fork type crystal resonator having a simple configuration of sandwiching a zero and a quartz plate 60. Therefore, it is possible to provide a one-axis angular velocity / acceleration sensor which is extremely simple mechanically, yet has small size, light weight, low cost, long life, and high reliability.

【0021】この発明は、音叉の2本のビームの位置変
化をそれぞれ独立して可変静電容量型変位検出器および
電気回路により検出、信号処理することを可能とするも
のであるので、それぞれの信号差から1軸角速度を、そ
してそれぞれの信号和から1軸加速度を正確に検出する
ことができる。
The present invention enables the position change of the two beams of the tuning fork to be detected and signal-processed independently by the variable capacitance type displacement detector and the electric circuit. The one-axis angular velocity can be accurately detected from the signal difference, and the one-axis acceleration can be accurately detected from the sum of the signals.

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

【図1】1軸角速度/加速度センサの従来例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a conventional example of a one-axis angular velocity / acceleration sensor.

【図2】圧電ビーム回転体を説明する図。FIG. 2 is a diagram illustrating a piezoelectric beam rotating body.

【図3】屈曲式音叉型水晶振動子を説明する図であり、
(a)はその全体の分解斜視図(b)は音叉の斜視図。
FIG. 3 is a view for explaining a bending type tuning fork type crystal resonator;
(A) is an exploded perspective view of the whole, and (b) is a perspective view of a tuning fork.

【図4】屈曲式音叉型水晶振動子の音叉の振動態様を説
明する図。
FIG. 4 is a view for explaining a vibration mode of a tuning fork of a bending type tuning fork type crystal resonator.

【図5】可変静電容量型変位検出器のブロック図。FIG. 5 is a block diagram of a variable capacitance type displacement detector.

【図6】可変静電容量型変位検出器中の点の電圧を示す
図であり、(a)は2本のビームが上下方向に変位して
いない場合のC、D、C’、D’点の電圧、(b)は2
本のビームが上下方向に単振動している場合のC、D’
点の電圧、(c)は2本のビームが上下方向に単振動し
ている場合のC’、D点の電圧を示す図。
6A and 6B are diagrams showing voltages at points in a variable capacitance type displacement detector, and FIG. 6A shows C, D, C ′, and D ′ when two beams are not displaced vertically. Point voltage, (b) is 2
C, D 'when the book beam vibrates vertically in a single direction
FIG. 4C is a diagram showing voltages at points C ′ and D when two beams vibrate in a single direction in the vertical direction.

【図7】出力電圧波形を半波整流回路により半波整流し
た結果の電圧であり、(a)は点Fの電圧、(b)は点
Eの電圧、(c)は点Jの電圧、(d)は点Hの電圧を
示す図。
7A and 7B are voltages obtained as a result of half-wave rectification of an output voltage waveform by a half-wave rectifier circuit, where FIG. 7A shows a voltage at a point F, FIG. 7B shows a voltage at a point E, FIG. (D) is a diagram showing the voltage at point H.

【図8】(a)は点Gの電圧、(b)は点Kの電圧、
(c)は点Lの電圧を示す図。
8 (a) is the voltage at point G, FIG. 8 (b) is the voltage at point K,
(C) is a diagram showing the voltage at point L.

【図9】位相弁別器の出力電圧である点Nの電圧を示
し、(a)は図8(a)に対応する図、(b)は図8
(b)に対応する図。
9A and 9B show a voltage at a point N which is an output voltage of the phase discriminator. FIG. 9A is a diagram corresponding to FIG. 8A, and FIG.
The figure corresponding to (b).

【図10】(a)は点C、C’の電圧、(b)は点D、
D’の電圧。
10 (a) is a voltage at points C and C ′, and FIG.
D 'voltage.

【図11】(a)は点Fの電圧、(b)は点Eの電圧、
(c)は点Jの電圧、(d)は点Hの電圧を示す図。
11A is a voltage at a point F, FIG. 11B is a voltage at a point E,
(C) is a diagram showing the voltage at point J, and (d) is a diagram showing the voltage at point H.

【図12】(a)は点Gの電圧、(b)は点Kの電圧、
(c)は点Rの電圧を示す図。
12A is a voltage at a point G, FIG. 12B is a voltage at a point K,
(C) is a diagram showing the voltage at point R.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

40 水晶薄板 41 水晶薄板支持枠 42 ビーム 42’ ビーム 33 裏検出電極 43 表検出電極 51 検出電極 61 検出電極 50 水晶板 60 水晶板 100 交流電圧発振器 REFERENCE SIGNS LIST 40 Quartz thin plate 41 Quartz thin plate support frame 42 Beam 42 ′ beam 33 Back detection electrode 43 Front detection electrode 51 Detection electrode 61 Detection electrode 50 Quartz plate 60 Quartz plate 100 AC voltage oscillator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01C 19/56 G01P 9/04 G01P 15/125 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01C 19/56 G01P 9/04 G01P 15/125

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 2本のビームより成る音叉を構成する水1. Water forming a tuning fork consisting of two beams
晶薄板をその両側から2枚の水晶板により挟み込み、2A thin crystal plate is sandwiched between two quartz plates from both sides,
本のビームが1軸角速度/加速度により変位する量を検The amount of displacement of one beam due to one axis angular velocity / acceleration is detected.
出する検出電極を2本のビームおよび両側の2枚の水晶The output detection electrodes are two beams and two crystals on both sides.
板に形成した屈曲式音叉型水晶振動子により形成されるFormed by a bending-type tuning fork-type quartz oscillator formed on a plate
静電容量を可変静電容量型変位検出器の静電容量とし、Let the capacitance be the capacitance of the variable capacitance displacement detector,
可変静電容量型変位検出器を2組具備し、屈曲式音叉型Equipped with two sets of variable capacitance displacement detectors, bending type tuning fork type
水晶振動子の発振周波数と比較して充分に高い安定化さSufficiently high stability compared to the crystal oscillator frequency
れた変位検出器駆動用の交流電圧発振器を具備し、2組2 sets of AC voltage oscillators for driving the displacement detector
の可変静電容量型変位検出器の検出信号出力の差を求めThe difference between the detection signal outputs of the variable capacitance displacement detectors
る回路を具備し、2組の可変静電容量型変位検出器の出And two sets of variable capacitance displacement detectors
力の和を求める回路を具備することを特徴とする1軸角A single axis angle characterized by comprising a circuit for calculating the sum of forces
速度/加速度センサ。Speed / acceleration sensor.
【請求項2】 請求項1に記載される1軸角速度/加速2. The one-axis angular velocity / acceleration according to claim 1.
度センサにおいて、In the degree sensor, 2枚の水晶板は水晶薄板より剛性が高く、ビームの振動The two quartz plates are stiffer than the thin quartz plate, and the beam vibrates.
を妨げることのない様にビームの周囲に僅かの間隙を保Keep a small gap around the beam to prevent interference
持して水晶薄板支持部のみに接する様に水晶薄板を挟みHold the crystal sheet so that it only touches the crystal sheet support
込んだことを特徴とする1軸角速度/加速度センサ。A one-axis angular velocity / acceleration sensor, characterized in that:
【請求項3】 請求項1および2の何れかに記載される3. The method according to claim 1, wherein
1軸角速度/加速度センサにおいて、In one-axis angular velocity / acceleration sensor, 角速度の印加によるビームの歳差運動に伴う振動成分おOscillation component and beam precession caused by application of angular velocity
よび加速度印加によるビームの変位成分を可変静電容量Variable displacement component of beam due to acceleration and acceleration applied
型変位検出器の交流信号出力として検出し、これら交流These are detected as the AC signal output of the
信号出力について角速度に対する信号処理は差動回路にSignal output Signal processing for angular velocity is performed by a differential circuit.
入力して2組の可変静電容量型変位検出器の出力の差をInput and calculate the difference between the outputs of the two sets of variable capacitance displacement detectors.
求め、同期検波回路に水晶発振回路の発振周波数を印加And apply the oscillation frequency of the crystal oscillation circuit to the synchronous detection circuit
してして同期検波を行い、平滑回路で駆動交流電圧の残And perform synchronous detection.
留成分を平滑化し、加速度に対する信号処理は2組の可Signal components for acceleration and two sets of possible
変静電容量型変位検出器の内の一方の交流信号出力を差The AC signal output of one of the variable capacitance displacement
動回路に入力すると共に可変静電容量型変位検出器の内Of the variable capacitance type displacement detector
の他方の交流信号出力を反転回路を介して差動回路に入Input of the other AC signal to the differential circuit via the inverting circuit.
力して和を求め、平滑回路で駆動交流電圧の残留成分をTo obtain the sum, and the residual component of the drive AC voltage is
平滑化することを特徴とする1軸角速度/加速度セン1-axis angular velocity / acceleration sensor characterized by smoothing
サ。Sa.
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