JP5349199B2 - Angular velocity sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect an angular velocity around 3 axes with high precision by a time sharing detection operation. <P>SOLUTION: An oscillator is bonded to the central portion of a lower face of a flexible supporter extending to an XY plane and a sensor body 300 having a drive element group and a detection element group on the top face thereof is prepared. A driving signal DrZ for Z-axis exciting the oscillator at a first-half period and a drive signal DrX for X-axis exciting the oscillator at a second-half period are generated by an operating signal generator 100 and supplied to the drive element group through a matrix converter 200. Each displacement S&Delta;x, S&Delta;y, S&Delta;z of the oscillator in each axial direction is detected by a signal from the detection element group and transmitted to an AM detector AMD and a synchronous detector SD synchronous with the driving signal at only a vibration stabilization period through a switch SW. An amplitude Fxa and a phase Fxp of X-axis vibration and an amplitude Fza and a phase Fzp of Z-axis vibration are fed back to the operating signal generator 100 for feedback control and signals outputted from the predetermined synchronous detector SD are outputted as angular velocities &omega;x, &omega;y, &omega;z of 3 axes. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、角速度センサに関し、特に、独立した3軸まわりの角速度を検出することができる角速度センサに用いる信号処理回路に関する。   The present invention relates to an angular velocity sensor, and more particularly to a signal processing circuit used for an angular velocity sensor that can detect angular velocities around three independent axes.

産業機器や民生用機器の分野では、内蔵用の小型角速度センサの需要が高まっている。角速度も、加速度や力と同様にベクトル量であるため、実用上は、三次元空間において独立した3軸まわりの角速度を検出可能な三次元角速度センサが望まれている。たとえば、下記の特許文献1には、三次元の加速度とともに、三次元の角速度を検出することが可能な静電容量型センサおよび圧電型センサが開示されている。   In the field of industrial equipment and consumer equipment, the demand for a built-in small angular velocity sensor is increasing. Since the angular velocity is also a vector quantity as with acceleration and force, a three-dimensional angular velocity sensor capable of detecting angular velocities about three independent axes in a three-dimensional space is desired in practice. For example, Patent Document 1 below discloses a capacitive sensor and a piezoelectric sensor that can detect a three-dimensional angular velocity as well as a three-dimensional acceleration.

一般的な角速度センサの検出原理は、三次元直交座標系において、振動子を第1の座標軸方向に振動させた状態において、当該振動子に対して第2の座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、第3の座標軸まわりの角速度を求める、というものである。このような検出原理では、振動子の振動方向に直交する2つの座標軸まわりの角速度検出は可能であるが、振動子の振動方向を向いた座標軸まわりの角速度検出を行うことはできない。したがって、3軸まわりの角速度を検出するためには、振動子を2通りの座標軸に沿って振動させる必要がある。   The detection principle of a general angular velocity sensor is to measure the Coriolis force acting on the vibrator in the second coordinate axis direction in a state where the vibrator is vibrated in the first coordinate axis direction in a three-dimensional orthogonal coordinate system. By doing so, the angular velocity around the third coordinate axis is obtained. With such a detection principle, angular velocity detection around two coordinate axes orthogonal to the vibration direction of the vibrator is possible, but angular velocity detection around the coordinate axis facing the vibration direction of the vibrator cannot be performed. Therefore, in order to detect angular velocities around three axes, it is necessary to vibrate the vibrator along two coordinate axes.

前掲の特許文献1の<§7.2>には、3軸まわりの角速度検出を行うための時分割検出動作が開示されている。この検出動作では、まず、振動子を第1の座標軸方向に振動させた状態で、第2の座標軸まわりの角速度および第3の座標軸まわりの角速度を検出し、続いて、振動子を第2の座標軸方向に振動させた状態で、第1の座標軸まわりの角速度を検出することになる。同文献の<§7.3>には、そのような時分割検出動作を行うための検出回路も開示されている。   <§7.2> of Patent Document 1 described above discloses a time-division detection operation for detecting angular velocities around three axes. In this detection operation, first, the angular velocity around the second coordinate axis and the angular velocity around the third coordinate axis are detected in a state where the vibrator is vibrated in the first coordinate axis direction, and then the vibrator is moved to the second coordinate axis. The angular velocity around the first coordinate axis is detected in the state of being oscillated in the coordinate axis direction. <§7.3> of the same document also discloses a detection circuit for performing such a time division detection operation.

WO94/023272号公報WO94 / 023272

上述したとおり、時分割検出動作により3軸まわりの角速度検出を行う機能をもった角速度センサは、前掲の特許文献1に示すように公知のものである。しかしながら、このような機能をもった角速度センサに用いる従来の信号処理回路には、精度の高い検出値を得ることができないという問題がある。すなわち、時分割検出動作では、振動子を第1の軸方向に振動させながら行う検出動作と、振動子を第2の軸方向に振動させながら行う検出動作と、を交互に繰り返し行う必要があるが、振動子の振動方向を交互に変える運用をとると、振動子の運動が不安定になり、正確な測定を行うことができない。   As described above, an angular velocity sensor having a function of detecting angular velocities around three axes by a time-division detection operation is known as shown in Patent Document 1 described above. However, the conventional signal processing circuit used for the angular velocity sensor having such a function has a problem that a highly accurate detection value cannot be obtained. That is, in the time division detection operation, it is necessary to alternately perform a detection operation performed while vibrating the vibrator in the first axial direction and a detection operation performed while vibrating the vibrator in the second axial direction. However, if the vibration direction of the vibrator is changed alternately, the movement of the vibrator becomes unstable and accurate measurement cannot be performed.

そこで本発明は、時分割検出動作により3軸まわりの角速度を高い精度で検出可能な角速度センサを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can detect angular velocities around three axes with high accuracy by a time-division detection operation.

(1) 本発明の第1の態様は、XYZ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側駆動用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側駆動用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側駆動用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側駆動用素子と、によって構成され、X軸正側駆動用素子とX軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がX軸に沿って振動し、Y軸正側駆動用素子とY軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がY軸に沿って振動し、4組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がZ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
検出用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側検出用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側検出用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側検出用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側検出用素子と、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となるように配置されたZ軸変位検出用素子と、によって構成され、X軸正側検出用素子とX軸負側検出用素子とは、振動子がX軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Y軸正側検出用素子とY軸負側検出用素子とは、振動子がY軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Z軸変位検出用素子は、振動子がZ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
検出回路は、
第1の半周期T1と第2の半周期T2とによって構成される周期Tについて、周期的動作を実行する機能を有し、
第1の半周期T1には、特定の駆動素子に振動子を第1の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、第2の半周期T2には、特定の駆動素子に振動子を第2の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、
第1の半周期T1において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第1の座標軸方向に関する安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第3の座標軸まわりの角速度を検出するとともに、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第2の座標軸まわりの角速度を検出し、
第2の半周期T2において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第2の座標軸方向に関する安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第1の座標軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is an angular velocity sensor for detecting an angular velocity around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional coordinate system.
A flexible support having an upper surface passing through the Z-axis at a central position and parallel to the XY plane;
A vibrator bonded to the center of the lower surface of the flexible support;
A fixing member for fixing the periphery of the flexible support;
A drive element group disposed above the flexible support;
A group of detection elements disposed above the flexible support;
An AC drive signal is supplied to the drive element group to vibrate the vibrator in a predetermined coordinate axis direction, and an electrical signal indicating an angular velocity around each coordinate axis is detected using a detection signal obtained from the detection element group at a predetermined timing. A detection circuit for outputting a signal;
Provided,
The drive element group includes an X-axis positive drive element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative drive element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. , A Y-axis positive drive element arranged in the Y-axis positive area, and a Y-axis negative drive element arranged in the Y-axis negative area, and the X-axis positive drive element and X When an AC drive signal is supplied to the negative axis driving element, the vibrator vibrates along the X axis, and when an AC drive signal is supplied to the Y axis positive driving element and the Y axis negative driving element, the vibrator Oscillates along the Y-axis, and when the AC drive signal is supplied to all of the four sets of driving elements, the vibrators oscillate along the Z-axis. Has the function of causing
The detection element group includes an X-axis positive detection element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative detection element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. The Y-axis positive side detection element arranged in the Y-axis positive area and the Y-axis negative side detection element arranged in the Y-axis negative area are symmetrical with respect to both the XZ plane and the YZ plane. The Z-axis displacement detection element is arranged, and the X-axis positive side detection element and the X-axis negative side detection element are formed on the flexible support when the vibrator is displaced in the X-axis direction. Due to the bending that occurs, the detection signal having an absolute value corresponding to the displacement and having opposite polarities is output. The Y-axis positive detection element and the Y-axis negative detection element are arranged in the Y-axis direction. Due to the bending that occurs in the flexible support when it is displaced in the direction of The Z-axis displacement detection element has an absolute value corresponding to the displacement and a polarity corresponding to the displacement direction due to the bending that occurs in the flexible support when the vibrator is displaced in the Z-axis direction. The function of outputting the detection signal of
The detection circuit
Having a function of executing a periodic operation for a period T constituted by the first half period T1 and the second half period T2,
In the first half cycle T1, a drive signal for vibrating the vibrator in the first coordinate axis direction is supplied to the specific drive element, and in the second half cycle T2, the vibrator is moved to the specific drive element. Supplying a drive signal for vibrating in the second coordinate axis direction;
During the period of the stable vibration period in the first coordinate axis direction in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the first half cycle T1, the second due to the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group. Based on the detected value indicating the displacement in the coordinate axis direction, the angular velocity around the third coordinate axis is detected, and the displacement in the third coordinate axis direction caused by the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group is indicated. Based on the detected value, the angular velocity around the second coordinate axis is detected,
During the period of the stable vibration period with respect to the second coordinate axis direction in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the second half cycle T2, the third due to the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group. The angular velocity around the first coordinate axis is detected based on the detection value indicating the displacement in the coordinate axis direction.

(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る角速度センサにおいて、
検出回路が、検出用素子群から得られる信号に基づいて振動子の位相および振幅を測定する機能と、この測定値に基づいて、振動子の位相および振幅に対するフィードバック制御を行う機能と、を有するようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first aspect described above,
The detection circuit has a function of measuring the phase and amplitude of the vibrator based on a signal obtained from the detection element group, and a function of performing feedback control on the phase and amplitude of the vibrator based on the measurement value. It is what I did.

(3) 本発明の第3の態様は、上述した第1または第2の態様に係る角速度センサにおいて、
特定の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、(1/f0)×50≦α≦(1/f0)×125の範囲に設定するようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first or second aspect described above,
When the resonance frequency of the vibrator with respect to a specific vibration direction is f0, the time when the vibrator is expected to be in a stable vibration state from the start of supplying a drive signal for vibrating the vibrator in the vibration direction The period α is set in the range of (1 / f0) × 50 ≦ α ≦ (1 / f0) × 125.

(4) 本発明の第4の態様は、上述した第3の態様に係る角速度センサにおいて、
第1の座標軸方向についての振動子の共振周波数をf1とし、第2の座標軸方向についての振動子の共振周波数をf2とした場合に、第1の半周期T1を、(1/f1)×100≦T1≦(1/f1)×250の範囲に設定し、第2の半周期T2を、(1/f2)×100≦T2≦(1/f2)×250の範囲に設定するようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the third aspect described above,
When the resonance frequency of the vibrator in the first coordinate axis direction is f1, and the resonance frequency of the vibrator in the second coordinate axis direction is f2, the first half cycle T1 is (1 / f1) × 100. ≦ T1 ≦ (1 / f1) × 250, and the second half cycle T2 is set to a range of (1 / f2) × 100 ≦ T2 ≦ (1 / f2) × 250 It is.

(5) 本発明の第5の態様は、XYZ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側駆動用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側駆動用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側駆動用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側駆動用素子と、によって構成され、X軸正側駆動用素子とX軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がX軸に沿って振動し、Y軸正側駆動用素子とY軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がY軸に沿って振動し、4組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がZ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を果たし、
検出用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側検出用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側検出用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側検出用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側検出用素子と、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となるように配置されたZ軸変位検出用素子と、によって構成され、X軸正側検出用素子とX軸負側検出用素子とは、振動子がX軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Y軸正側検出用素子とY軸負側検出用素子とは、振動子がY軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Z軸変位検出用素子は、振動子がZ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を果たし、
検出回路は、
第1の半周期T1と第2の半周期T2とによって構成される周期Tについて、周期的動作を実行する機能を有するようにし、更に、
第1の半周期T1には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、第2の半周期T2には、何ら交流信号が配されていない、第1の駆動信号を発生する第1の駆動信号発生部と、
第1の半周期T1には、何ら交流信号が配されておらず、第2の半周期T2には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第2の駆動信号を発生する第2の駆動信号発生部と、
第1の半周期T1には、第1の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第1の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期T2には、第2の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第2の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する正側同期検波信号発生部と、
第1の半周期T1には、第1の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第1の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期T2には、第2の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第2の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する負側同期検波信号発生部と、
第1の半周期T1において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第1の安定振動期を示す第1の検波イネーブル信号を発生する第1の検波イネーブル信号発生部と、
第2の半周期T2において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第2の安定振動期を示す第2の検波イネーブル信号を発生する第2の検波イネーブル信号発生部と、
第1の半周期T1には、振動子を第1の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第1の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、第2の半周期T2には、振動子を第2の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第2の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
第1の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第3の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第1の角速度検出部と、
第1の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第2の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第2の角速度検出部と、
第2の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第1の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第3の角速度検出部と、
第1の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第1の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する第1の振幅測定部と、
第1の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第1の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する第1の位相測定部と、
第2の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する第2の振幅測定部と、
第2の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する第2の位相測定部と、
第1の振幅測定部によって測定された振幅および第1の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第1の駆動信号発生部が発生する第1の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、第2の振幅測定部によって測定された振幅および第2の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第2の駆動信号発生部が発生する第2の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えるようにしたものである。
(5) The fifth aspect of the present invention is an angular velocity sensor for detecting an angular velocity around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional coordinate system.
A flexible support having an upper surface passing through the Z-axis at a central position and parallel to the XY plane;
A vibrator bonded to the center of the lower surface of the flexible support;
A fixing member for fixing the periphery of the flexible support;
A drive element group disposed above the flexible support;
A group of detection elements disposed above the flexible support;
While performing control based on the detection signal obtained from the detection element group, an AC drive signal is supplied to the drive element group to vibrate the vibrator in a predetermined coordinate axis direction, and from the detection element group at a predetermined timing. A detection circuit that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around each coordinate axis using the obtained detection signal;
Provided,
The drive element group includes an X-axis positive drive element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative drive element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. , A Y-axis positive drive element arranged in the Y-axis positive area, and a Y-axis negative drive element arranged in the Y-axis negative area, and the X-axis positive drive element and X When an AC drive signal is supplied to the negative axis driving element, the vibrator vibrates along the X axis, and when an AC drive signal is supplied to the Y axis positive driving element and the Y axis negative driving element, the vibrator Oscillates along the Y-axis, and when the AC drive signal is supplied to all of the four sets of driving elements, the vibrators oscillate along the Z-axis. It plays the function of causing the bending of
The detection element group includes an X-axis positive detection element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative detection element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. The Y-axis positive side detection element arranged in the Y-axis positive area and the Y-axis negative side detection element arranged in the Y-axis negative area are symmetrical with respect to both the XZ plane and the YZ plane. The Z-axis displacement detection element is arranged, and the X-axis positive side detection element and the X-axis negative side detection element are formed on the flexible support when the vibrator is displaced in the X-axis direction. Due to the bending that occurs, the detection signal having an absolute value corresponding to the displacement and having opposite polarities is output. The Y-axis positive detection element and the Y-axis negative detection element are arranged in the Y-axis direction. Due to the bending that occurs in the flexible support when it is displaced in the direction of The Z-axis displacement detection element has an absolute value corresponding to the displacement and a polarity corresponding to the displacement direction due to the bending that occurs in the flexible support when the vibrator is displaced in the Z-axis direction. The function to output the detection signal of
The detection circuit
For the period T constituted by the first half period T1 and the second half period T2, it has a function of executing a periodic operation, and
An AC signal having a predetermined frequency and amplitude is arranged in the first half cycle T1, and a first drive signal is generated in the second half cycle T2, in which no AC signal is arranged. A first drive signal generator that
In the first half cycle T1, no AC signal is arranged, and in the second half cycle T2, an AC signal having a predetermined frequency and amplitude is arranged. A second drive signal generator for generating;
In the first half cycle T1, pulses having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the first drive signal are periodically arranged at a position synchronized with the positive peak of the first drive signal. In the second half cycle T2, pulses having a pulse width of 1/2 or less of the cycle of the second drive signal are periodically arranged at positions synchronized with the positive peak of the second drive signal. A positive side synchronous detection signal generating unit for generating a positive side synchronous detection signal;
In the first half cycle T1, pulses having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the first drive signal are periodically arranged at a position synchronized with the negative peak of the first drive signal. In the second half cycle T2, pulses having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the second drive signal are periodically arranged at a position synchronized with the negative peak of the second drive signal. A negative side synchronous detection signal generating unit for generating a negative side synchronous detection signal;
A first detection enable signal generator for generating a first detection enable signal indicating a first stable oscillation period in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the first half period T1,
A second detection enable signal generator for generating a second detection enable signal indicating a second stable oscillation period in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the second half period T2,
In the first half cycle T1, the first drive signal or its phase inversion signal is supplied to the drive element necessary to vibrate the vibrator in the first coordinate axis direction, and in the second half cycle T2, A matrix converter that supplies a second drive signal or a phase inversion signal thereof to a drive element necessary for vibrating the vibrator in the second coordinate axis direction;
In the period of the first stable oscillation period, the displacement in the second coordinate axis direction due to the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal is shown. A first angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around the third coordinate axis based on the detected value;
In the period of the first stable oscillation period, the displacement in the third coordinate axis direction due to the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal is shown. A second angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around the second coordinate axis based on the detected value;
In the period of the second stable oscillation period, the displacement in the third coordinate axis direction caused by the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal is shown. A third angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around the first coordinate axis based on the detected value;
A first amplitude measurement unit that measures the amplitude of the vibrator based on a detection value indicating displacement of the vibrator in the first coordinate axis direction obtained from the detection element group during the first stable vibration period;
Based on the detected value indicating the displacement of the transducer in the first coordinate axis direction obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable vibration period. A first phase measuring unit for measuring the phase of the vibrator;
A second amplitude measuring unit for measuring the amplitude of the vibrator based on a detection value indicating displacement of the vibrator in the second coordinate axis direction obtained from the detection element group during the second stable vibration period;
Based on the detection value indicating the displacement of the vibrator in the second coordinate axis direction obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the second stable vibration period. A second phase measurement unit for measuring the phase of the vibrator;
Based on the amplitude measured by the first amplitude measurement unit and the phase measured by the first phase measurement unit, the frequency and amplitude of the first drive signal generated by the first drive signal generation unit is a predetermined reference. The feedback control is performed so that the frequency and the reference amplitude are obtained, and the second drive signal generation unit is generated based on the amplitude measured by the second amplitude measurement unit and the phase measured by the second phase measurement unit. A feedback control unit that performs feedback control so that the frequency and amplitude of the second drive signal become a predetermined reference frequency and reference amplitude;
Is provided.

(6) 本発明の第6の態様は、XYZ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側駆動用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側駆動用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側駆動用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側駆動用素子と、によって構成され、X軸正側駆動用素子とX軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がX軸に沿って振動し、4組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がZ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を果たし、
検出用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側検出用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側検出用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側検出用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側検出用素子と、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となるように配置されたZ軸変位検出用素子と、によって構成され、X軸正側検出用素子とX軸負側検出用素子とは、振動子がX軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Y軸正側検出用素子とY軸負側検出用素子とは、振動子がY軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Z軸変位検出用素子は、振動子がZ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を果たし、
検出回路は、
第1の半周期Tzと第2の半周期Txとによって構成される周期Tについて、周期的動作を実行する機能を有するようにし、更に、
第1の半周期Tzには、所定の周波数fzおよび振幅Azをもった交流信号が配されており、第2の半周期Txには、何ら交流信号が配されていない、Z軸駆動信号DrZを発生するZ軸駆動信号発生部と、
第1の半周期Tzには、何ら交流信号が配されておらず、第2の半周期Txには、所定の周波数fxおよび振幅Axをもった交流信号が配されている、X軸駆動信号DrXを発生するX軸駆動信号発生部と、
第1の半周期Tzには、Z軸駆動信号DrZの正側のピークに同期した位置にZ軸駆動信号DrZの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期Txには、X軸駆動信号DrXの正側のピークに同期した位置にX軸駆動信号DrXの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号SdAを発生する正側同期検波信号発生部と、
第1の半周期Tzには、Z軸駆動信号DrZの負側のピークに同期した位置にZ軸駆動信号DrZの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期Txには、X軸駆動信号DrXの負側のピークに同期した位置にX軸駆動信号DrXの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号SdBを発生する負側同期検波信号発生部と、
第1の半周期Tzにおいて振動子がZ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第1の安定振動期βzを示すZ軸検波イネーブル信号EnZを発生するZ軸検波イネーブル信号発生部と、
第2の半周期Txにおいて振動子がX軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第2の安定振動期βxを示すX軸検波イネーブル信号EnXを発生するX軸検波イネーブル信号発生部と、
第1の半周期Tzには、4組の駆動用素子のすべてにZ軸駆動信号DrZを供給し、第2の半周期Txには、X軸正側駆動用素子にX軸駆動信号DrXを供給しX軸負側駆動用素子にX軸駆動信号DrXの位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
第1の安定振動期βzの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、X軸正側検出用素子の検出信号とX軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Y軸まわりの角速度ωyを示す電気信号を出力するY軸まわり角速度検出部と、
第1の安定振動期βzの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Y軸正側検出用素子の検出信号とY軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、X軸まわりの角速度ωxを示す電気信号を出力するX軸まわり角速度検出部と、
第2の安定振動期βxの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Y軸正側検出用素子の検出信号とY軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Z軸まわりの角速度ωzを示す電気信号を出力するZ軸まわり角速度検出部と、
第1の安定振動期βzの期間、Z軸変位検出用素子から得られる振動子のZ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のZ軸方向の振幅を測定するZ軸振幅測定部と、
第1の安定振動期βzの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Z軸変位検出用素子から得られる振動子のZ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のZ軸方向の位相を測定するZ軸位相測定部と、
第2の安定振動期βxの期間、X軸正側検出用素子の検出信号とX軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のX軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のX軸方向の振幅を測定するX軸振幅測定部と、
第2の安定振動期βxの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、X軸正側検出用素子の検出信号とX軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のX軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のX軸方向の位相を測定するX軸位相測定部と、
Z軸振幅測定部によって測定された振幅およびZ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、Z軸駆動信号発生部が発生するZ軸駆動信号DrZの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、X軸振幅測定部によって測定された振幅およびX軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、X軸駆動信号発生部が発生するX軸駆動信号DrXの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えるようにしたものである。
(6) The sixth aspect of the present invention is an angular velocity sensor for detecting an angular velocity around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional coordinate system.
A flexible support having an upper surface passing through the Z-axis at a central position and parallel to the XY plane;
A vibrator bonded to the center of the lower surface of the flexible support;
A fixing member for fixing the periphery of the flexible support;
A drive element group disposed above the flexible support;
A group of detection elements disposed above the flexible support;
While performing control based on the detection signal obtained from the detection element group, an AC drive signal is supplied to the drive element group to vibrate the vibrator in a predetermined coordinate axis direction, and from the detection element group at a predetermined timing. A detection circuit that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around each coordinate axis using the obtained detection signal;
Provided,
The drive element group includes an X-axis positive drive element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative drive element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. , A Y-axis positive drive element arranged in the Y-axis positive area, and a Y-axis negative drive element arranged in the Y-axis negative area, and the X-axis positive drive element and X When an AC drive signal is supplied to the negative shaft side drive element, the vibrator vibrates along the X axis, and when an AC drive signal is supplied to all of the four sets of drive elements, the vibrator vibrates along the Z axis. As described above, each of the arrangement positions of the flexible support functions to cause a specific deflection,
The detection element group includes an X-axis positive detection element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative detection element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. The Y-axis positive side detection element arranged in the Y-axis positive area and the Y-axis negative side detection element arranged in the Y-axis negative area are symmetrical with respect to both the XZ plane and the YZ plane. The Z-axis displacement detection element is arranged, and the X-axis positive side detection element and the X-axis negative side detection element are formed on the flexible support when the vibrator is displaced in the X-axis direction. Due to the bending that occurs, the detection signal having an absolute value corresponding to the displacement and having opposite polarities is output. The Y-axis positive detection element and the Y-axis negative detection element are arranged in the Y-axis direction. Due to the bending that occurs in the flexible support when it is displaced in the direction of The Z-axis displacement detection element has an absolute value corresponding to the displacement and a polarity corresponding to the displacement direction due to the bending that occurs in the flexible support when the vibrator is displaced in the Z-axis direction. The function to output the detection signal of
The detection circuit
A function of executing a periodic operation for the period T constituted by the first half period Tz and the second half period Tx;
In the first half cycle Tz, an AC signal having a predetermined frequency fz and amplitude Az is arranged, and in the second half cycle Tx, no AC signal is arranged, a Z-axis drive signal DrZ A Z-axis drive signal generator for generating
No AC signal is arranged in the first half cycle Tz, and an X-axis drive signal in which an AC signal having a predetermined frequency fx and amplitude Ax is arranged in the second half cycle Tx. An X-axis drive signal generator for generating DrX;
In the first half cycle Tz, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the Z-axis drive signal DrZ is periodically arranged at a position synchronized with the positive peak of the Z-axis drive signal DrZ. In the second half cycle Tx, pulses having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the X-axis drive signal DrX are periodically arranged at a position synchronized with the positive peak of the X-axis drive signal DrX. A positive side synchronous detection signal generating unit for generating a positive side synchronous detection signal SdA;
In the first half cycle Tz, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the Z-axis drive signal DrZ is periodically arranged at a position synchronized with the negative peak of the Z-axis drive signal DrZ. In the second half cycle Tx, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the X-axis drive signal DrX is periodically arranged at a position synchronized with the negative peak of the X-axis drive signal DrX. A negative side synchronous detection signal generator for generating a negative side synchronous detection signal SdB;
A Z-axis detection enable signal generator for generating a Z-axis detection enable signal EnZ indicating a first stable vibration period βz that is expected to maintain a stable vibration state along the Z-axis in the first half period Tz. When,
X-axis detection enable signal generator for generating an X-axis detection enable signal EnX indicating a second stable vibration period βx that is expected to maintain a stable vibration state along the X-axis in the second half period Tx When,
In the first half cycle Tz, the Z-axis drive signal DrZ is supplied to all four sets of drive elements, and in the second half cycle Tx, the X-axis drive signal DrX is supplied to the X-axis positive drive element. A matrix converter for supplying and supplying a phase inversion signal of the X-axis drive signal DrX to the X-axis negative drive element;
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable vibration period βz, the detection signal of the X axis positive detection element and the detection signal of the X axis negative detection element are A Y-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating the angular velocity ωy around the Y-axis based on the detected value indicating the difference;
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable oscillation period βz, the detection signal of the Y axis positive detection element and the detection signal of the Y axis negative detection element are An X-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity ωx around the X axis based on a detected value indicating the difference;
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the second stable oscillation period βx, the detection signal of the Y axis positive detection element and the detection signal of the Y axis negative detection element are A Z-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity ωz around the Z-axis based on a detected value indicating the difference;
Z-axis amplitude for measuring the amplitude of the vibrator in the Z-axis direction based on the detected value indicating the displacement of the vibrator in the Z-axis direction obtained from the Z-axis displacement detection element during the first stable vibration period βz A measuring section;
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable vibration period βz, a detection value indicating the displacement in the Z-axis direction of the vibrator obtained from the Z-axis displacement detection element is obtained. Based on the Z-axis phase measurement unit for measuring the phase of the vibrator in the Z-axis direction,
A detected value indicating the displacement of the vibrator in the X-axis direction obtained as a difference between the detection signal of the X-axis positive detection element and the detection signal of the X-axis negative detection element during the second stable vibration period βx An X-axis amplitude measurement unit that measures the amplitude of the vibrator in the X-axis direction,
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the second stable oscillation period βx, the detection signal of the X axis positive detection element and the detection signal of the X axis negative detection element are An X-axis phase measurement unit that measures the phase of the vibrator in the X-axis direction based on a detection value indicating the displacement of the vibrator in the X-axis direction obtained as a difference;
Based on the amplitude measured by the Z-axis amplitude measurement unit and the phase measured by the Z-axis phase measurement unit, the frequency and amplitude of the Z-axis drive signal DrZ generated by the Z-axis drive signal generation unit are set to a predetermined reference frequency and reference. The feedback control is performed so as to obtain the amplitude, and the X-axis drive signal DrX generated by the X-axis drive signal generation unit is based on the amplitude measured by the X-axis amplitude measurement unit and the phase measured by the X-axis phase measurement unit. A feedback control unit that performs feedback control so that the frequency and amplitude become a predetermined reference frequency and reference amplitude;
Is provided.

(7) 本発明の第7の態様は、上述した第6の態様に係る角速度センサにおいて、
マトリクス変換器が、
「DrZ+DrX」なる和信号を生成してX軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「DrZ−DrX」なる差信号を生成してX軸負側駆動用素子に供給する回路と、
「DrZ」をY軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「DrZ」をY軸負側駆動用素子に供給する回路と、
を有するようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the sixth aspect described above,
Matrix converter
A circuit that generates a sum signal “DrZ + DrX” and supplies the sum signal to the X-axis positive drive element;
A circuit that generates a difference signal “DrZ−DrX” and supplies the difference signal to the X-axis negative drive element;
A circuit for supplying “DrZ” to the Y-axis positive drive element;
A circuit for supplying “DrZ” to the Y-axis negative drive element;
It is made to have.

(8) 本発明の第8の態様は、上述した第5〜第7の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
正側積算器の積算値と負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路SDを有し、差分器によって求められた差に相当する電気信号を角速度を示す信号として出力するようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fifth to seventh aspects described above,
Angular velocity detector
A positive-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the positive-side synchronous detection signal is given;
A negative-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the negative-side synchronous detection signal is given; and
A differentiator that outputs the difference between the accumulated value of the positive-side integrator and the accumulated value of the negative-side integrator;
And an electric signal corresponding to the difference obtained by the differentiator is output as a signal indicating the angular velocity.

(9) 本発明の第9の態様は、上述した第8の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路SDに与えるゲートスイッチSWを、更に有するようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the eighth aspect described above,
The angular velocity detection unit further includes a gate switch SW that passes the detection value only during the period of the stable vibration period and supplies the detection value to the synchronous detection circuit SD.

(10) 本発明の第10の態様は、上述した第5〜第9の態様に係る角速度センサにおいて、
位相測定部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
正側積算器の積算値と負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路SDを有し、差分器によって求められた差に相当する電気信号を位相の測定値を示す信号として出力するようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fifth to ninth aspects described above,
Phase measurement unit
A positive-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the positive-side synchronous detection signal is given;
A negative-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the negative-side synchronous detection signal is given; and
A differentiator that outputs the difference between the accumulated value of the positive-side integrator and the accumulated value of the negative-side integrator;
And an electric signal corresponding to the difference obtained by the differentiator is output as a signal indicating a measured value of the phase.

(11) 本発明の第11の態様は、上述した第10の態様に係る角速度センサにおいて、
位相測定部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路SDに与えるゲートスイッチSWを、更に有するようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the tenth aspect described above,
The phase measurement unit further includes a gate switch SW that passes the detected value only during the period of the stable vibration period and supplies the detected value to the synchronous detection circuit SD.

(12) 本発明の第12の態様は、上述した第5〜第11の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能を有し、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力するようにしたものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fifth to eleventh aspects described above,
The angular velocity detection unit has a function to hold the previous detection value when it is no longer in the stable vibration period, and continuously output the detection value held until the next stable vibration period comes It is a thing.

(13) 本発明の第13の態様は、上述した第5〜第12の態様に係る角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、駆動信号の周波数がf0となるような制御を行うようにしたものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fifth to twelfth aspects described above,
When the feedback control unit performs feedback control for each half cycle, control is performed so that the frequency of the drive signal is f0 when the resonance frequency of the vibrator in the vibration direction of the half cycle is f0. It is a thing.

(14) 本発明の第14の態様は、上述した第5〜第12の態様に係る角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、駆動信号の周波数がf0の近傍の所定周波数(f0は除く)となるような制御を行うようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fifth to twelfth aspects described above,
When the feedback control unit performs feedback control for each half cycle and the resonance frequency of the vibrator in the vibration direction of the half cycle is f0, the frequency of the drive signal is a predetermined frequency in the vicinity of f0 (f0 is Except for the above control.

(15) 本発明の第15の態様は、上述した第13または第14の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、90°の位相差を生じるような周波数を、周波数f0とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the thirteenth or fourteenth aspect described above,
The frequency at which the phase of the driving signal and the phase of the vibrator measured by the phase measuring unit cause a phase difference of 90 ° is regarded as the frequency f0, and the frequency control for the driving signal is performed. is there.

(16) 本発明の第16の態様は、上述した第1〜第15の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された圧電素子からなるようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to fifteenth aspects described above,
The individual elements constituting the drive element group and the detection element group are made of piezoelectric elements fixed to the upper surface of the flexible support.

(17) 本発明の第17の態様は、上述した第1〜第15の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなるようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to fifteenth aspects described above,
The individual elements constituting the drive element group and the detection element group are constituted by a displacement electrode fixed on the upper surface of the flexible support and a fixed electrode fixed at a position facing the displacement electrode. It is made up of a capacitive element.

本発明に係る角速度センサによれば、振動子を、半周期ごとに、2つの座標軸方向に交互に振動させながら、振動安定期にのみコリオリ力に基づく変位成分を効率的に取り出すことができるため、時分割検出動作により3軸まわりの角速度を高い精度で検出することができる。   According to the angular velocity sensor of the present invention, the displacement component based on the Coriolis force can be efficiently extracted only during the vibration stabilization period while the vibrator is vibrated alternately in two coordinate axis directions every half cycle. The angular velocity around the three axes can be detected with high accuracy by the time division detection operation.

本発明の一実施形態に係る圧電素子を用いた角速度センサのセンサ本体部の構造を示す縦断面図であり、図2の構造体をXZ平面で切断した断面が示されている。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the sensor main-body part of the angular velocity sensor using the piezoelectric element which concerns on one Embodiment of this invention, and the cross section which cut | disconnected the structure of FIG. 2 by XZ plane is shown. 図1に示すセンサ本体部の構造を示す上面図である(ハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない)。It is a top view which shows the structure of the sensor main-body part shown in FIG. 1 (hatching is for showing the shape of each electrode clearly, and does not show a cross section). 本発明に係る角速度センサの検出回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the detection circuit of the angular velocity sensor which concerns on this invention. 図3に示す検出回路における動作信号発生器100から出力される各動作信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows each operation signal output from the operation signal generator 100 in the detection circuit shown in FIG. 図3に示す検出回路におけるマトリクス変換器200の演算機能を示す図である。It is a figure which shows the calculation function of the matrix converter 200 in the detection circuit shown in FIG. 図3に示す検出回路におけるマトリクス変換器200の具体的な構成例を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a specific configuration example of a matrix converter 200 in the detection circuit illustrated in FIG. 3. 図3に示す検出回路による、角速度が作用していない状態での振動子の駆動動作を説明する信号波形図である。FIG. 4 is a signal waveform diagram illustrating a driving operation of a vibrator in a state where an angular velocity is not acting by the detection circuit illustrated in FIG. 3. 図3に示す検出回路における同期検波回路SDの構成例を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of a synchronous detection circuit SD in the detection circuit shown in FIG. 3. 図3に示す検出回路において、正しい位相制御が行われているときの各信号波形を示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing signal waveforms when correct phase control is performed in the detection circuit shown in FIG. 3. 図3に示す検出回路において、位相が遅れているときの各信号波形を示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing signal waveforms when the phase is delayed in the detection circuit shown in FIG. 3. 図3に示す検出回路において、位相が進んでいるときの各信号波形を示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing signal waveforms when the phase is advanced in the detection circuit shown in FIG. 3. 図3に示す検出回路において、Y軸まわりの角速度が作用していない状態での動作を説明する信号波形図である。FIG. 4 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the detection circuit shown in FIG. 3 in a state where the angular velocity around the Y axis is not acting. 図3に示す検出回路において、Y軸まわりの角速度が作用している状態での動作を説明する信号波形図である。FIG. 4 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the detection circuit shown in FIG. 3 in a state where an angular velocity around the Y axis is acting. 本発明に係る角速度センサの全般動作を説明する信号波形図である。It is a signal waveform diagram explaining the general operation of the angular velocity sensor according to the present invention. 一般的な機械的振動系の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of a general mechanical vibration system. 本発明の別な実施形態に係る容量素子を用いたセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the sensor main-body part using the capacitive element which concerns on another embodiment of this invention. 図16に示すセンサ本体部の補助基板60の下面図である。FIG. 17 is a bottom view of the auxiliary substrate 60 of the sensor main body shown in FIG. 16.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

<<< §1.センサ本体部の基本構造 >>>
本発明に係る角速度センサは、センサ本体部と検出回路とによって構成される。ここでは、まず、センサ本体部の基本構造を説明する。センサ本体部は、振動子と、これを支持する可撓性支持体および固定部材と、振動子を振動させる駆動用素子群と、振動子の変位を検出する検出用素子群と、によって構成されている。
<<< §1. Basic structure of sensor body >>
The angular velocity sensor according to the present invention includes a sensor main body and a detection circuit. Here, first, the basic structure of the sensor main body will be described. The sensor main body includes a vibrator, a flexible support and a fixing member that supports the vibrator, a drive element group that vibrates the vibrator, and a detection element group that detects displacement of the vibrator. ing.

図1は、本発明の一実施形態に係る圧電素子を用いた角速度センサのセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。図示のとおり、このセンサ本体部は、可撓性支持体10、振動子20、固定部材30、圧電素子40、そして各電極(先頭にEがつく符号が付された要素)によって構成されている。ここでは、説明の便宜上、振動子20の重心位置に原点Oをとり、図の右方向にX軸、図の上方向にZ軸、図の紙面垂直奥方向にY軸をとったXYZ三次元座標系を定義することにする。この角速度センサは、このXYZ三次元座標系におけるX軸まわりの角速度ωx、Y軸まわりの角速度ωy、Z軸まわりの角速度ωzをそれぞれ独立して検出する機能を有する。   FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a structure of a sensor main body of an angular velocity sensor using a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the sensor main body is composed of a flexible support 10, a vibrator 20, a fixing member 30, a piezoelectric element 40, and electrodes (elements having a symbol with E at the beginning). . Here, for convenience of explanation, the origin O is set at the center of gravity of the vibrator 20, the X axis is in the right direction in the figure, the Z axis is in the upward direction in the figure, and the Y axis is in the vertical direction in the drawing. We will define a coordinate system. This angular velocity sensor has a function of independently detecting an angular velocity ωx around the X axis, an angular velocity ωy around the Y axis, and an angular velocity ωz around the Z axis in the XYZ three-dimensional coordinate system.

図2は、このセンサ本体部の構造を示す上面図である。なお、図2に示すX軸,Y軸,原点Oは、このセンサ本体部の上面に位置するものではなく、実際には、図1に示す原点Oの位置に配置されている。ただ、後述する電極配置の説明では、XY平面上に投影したときの各電極の位置に言及するため、図2では、便宜上、XY平面の投影像を描いてある。また、図2では、各電極の形状を明瞭に示すため、電極部分にハッチングを施して示してある(この図2におけるハッチングは断面を示すものではない)。図1に示す縦断面図は、この図2に示すセンサ本体部を、XZ平面で切断した断面を示している。   FIG. 2 is a top view showing the structure of the sensor body. Note that the X-axis, Y-axis, and origin O shown in FIG. 2 are not located on the upper surface of the sensor body, but are actually arranged at the position of the origin O shown in FIG. However, in the description of the electrode arrangement to be described later, in order to refer to the position of each electrode when projected onto the XY plane, in FIG. 2, a projected image on the XY plane is drawn for convenience. Further, in FIG. 2, in order to clearly show the shape of each electrode, the electrode portions are hatched (the hatching in FIG. 2 does not indicate a cross section). The longitudinal sectional view shown in FIG. 1 shows a cross section obtained by cutting the sensor main body shown in FIG. 2 along the XZ plane.

図示の可撓性支持体10は、可撓性をもった正方形状の基板状部材であり、中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有している。図1に示すように、この可撓性支持体10の下面中央には、円柱状の振動子20が接合されている。また、この可撓性支持体10の下面周囲には、固定部材30が接合されており、その底面は、図示されていないセンサ筐体に固定される。振動子20と固定部材30との間には、振動子20の周囲を取り囲むような環状溝部Gが形成されており、その上方に位置する可撓性支持体10の部分は、薄い板状部材を構成し、外力の作用によって撓みを生じる。   The illustrated flexible support 10 is a flexible substrate having a square shape, and has an upper surface that passes through the Z axis at the center position and is parallel to the XY plane. As shown in FIG. 1, a columnar vibrator 20 is bonded to the center of the lower surface of the flexible support 10. Further, a fixing member 30 is joined around the lower surface of the flexible support 10, and the bottom surface thereof is fixed to a sensor housing (not shown). An annular groove G is formed between the vibrator 20 and the fixing member 30 so as to surround the vibrator 20, and a portion of the flexible support 10 positioned above the groove 20 is a thin plate-like member. And bends due to the action of external force.

可撓性支持体10の上方には、駆動用素子群と検出用素子群とが配置されている。すなわち、図1に示すように、可撓性支持体10の上面には、共通電極Ecが形成され、更にその上面には、圧電素子40が配置され、この圧電素子40の上面には、合計12組の個別電極が形成されている。圧電素子40は、図2に示すとおり、円盤状の素子であり、たとえば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電セラミックスによって構成することができる。共通電極Ecは、この円盤状の圧電素子の下面に形成された円盤状の電極であり、右側には、配線の用に供する突起部が形成されている。図2の上面図にハッチングを施して示されている共通電極Ecは、この突起部の部分であり、実際には、共通電極Ecは円盤状の圧電素子40の下面全面に広がっている。   Above the flexible support 10, a drive element group and a detection element group are arranged. That is, as shown in FIG. 1, the common electrode Ec is formed on the upper surface of the flexible support 10, and the piezoelectric element 40 is disposed on the upper surface of the common electrode Ec. Twelve sets of individual electrodes are formed. As shown in FIG. 2, the piezoelectric element 40 is a disk-shaped element, and can be composed of, for example, piezoelectric ceramics such as PZT (lead zirconate titanate). The common electrode Ec is a disk-shaped electrode formed on the lower surface of the disk-shaped piezoelectric element, and a protrusion used for wiring is formed on the right side. The common electrode Ec shown by hatching in the top view of FIG. 2 is a portion of this protrusion, and actually the common electrode Ec extends over the entire lower surface of the disk-shaped piezoelectric element 40.

圧電素子40の上面に形成された12組の個別電極の形状および配置は、図2の上面図に示すとおりである。これら12組の個別電極は、いずれも、図1に示す環状溝部Gの上方に配置されている。別言すれば、可撓性支持体10のうち、外力の作用によって撓みが生じる部分に配置されている。   The shape and arrangement of the 12 sets of individual electrodes formed on the upper surface of the piezoelectric element 40 are as shown in the top view of FIG. All of these 12 sets of individual electrodes are arranged above the annular groove G shown in FIG. In other words, the flexible support 10 is disposed in a portion where the bending is caused by the action of an external force.

まず、駆動用素子群を構成する電極としては、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側駆動用電極Ex(+)と、X軸負の領域に配置されたX軸負側駆動用電極Ex(−)と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側駆動用電極Ey(+)と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側駆動用電極Ey(−)と、の4組が設けられている。   First, as the electrodes constituting the drive element group, when projected onto the XY plane, the X-axis positive drive electrode Ex (+) arranged in the X-axis positive region and the X-axis negative region are arranged. The X-axis negative drive electrode Ex (−) arranged, the Y-axis positive drive electrode Ey (+) arranged in the Y-axis positive area, and the Y-axis negative arranged in the Y-axis negative area Four sets of side drive electrodes Ey (−) are provided.

一方、検出用素子群を構成する電極としては、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側検出用電極Ex1と、X軸負の領域に配置されたX軸負側検出用電極Ex2と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側検出用電極Ey1と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側検出用電極Ey2と、の4組が設けられており、更に、4枚の電極からなるZ軸変位検出用電極Ez1〜Ez4が設けられている。ここで、この4枚のZ軸変位検出用電極Ez1〜Ez4は、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となるように配置された電極である。   On the other hand, as the electrodes constituting the detection element group, when projected on the XY plane, the X-axis positive detection electrode Ex1 arranged in the X-axis positive region and the X-axis negative region are arranged. 4 of X-axis negative side detection electrode Ex2, Y-axis positive side detection electrode Ey1 disposed in the Y-axis positive region, and Y-axis negative side detection electrode Ey2 disposed in the Y-axis negative region A set is provided, and further, Z-axis displacement detection electrodes Ez1 to Ez4 each including four electrodes are provided. Here, the four Z-axis displacement detection electrodes Ez1 to Ez4 are electrodes arranged so as to be symmetric with respect to both the XZ plane and the YZ plane.

図2に示すとおり、ここに示す実施形態の場合、この合計12組の個別電極からなる全体的な電極パターンは、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となっている。これは、後述する駆動信号や検出信号に対称性を確保するための配慮である。たとえば、X軸正側駆動用電極Ex(+)とX軸負側駆動用電極Ex(−)とが、YZ平面に関して対称性を有していれば、両電極に同一振幅の駆動信号を供給することにより、振動子を原点Oを中心として振動させることができる。   As shown in FIG. 2, in the case of the embodiment shown here, the overall electrode pattern consisting of a total of 12 individual electrodes is symmetrical with respect to both the XZ plane and the YZ plane. This is a consideration for ensuring symmetry in drive signals and detection signals described later. For example, if the X-axis positive drive electrode Ex (+) and the X-axis negative drive electrode Ex (−) have symmetry with respect to the YZ plane, drive signals having the same amplitude are supplied to both electrodes. By doing so, the vibrator can be vibrated around the origin O.

なお、ここに示す例では、検出用素子群を構成する8枚の電極Ex1,Ex2,Ey1,Ey2,Ez1〜Ez4の外側に、駆動用素子群を構成する4枚の電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)を配置する構成を採っているが、逆に、駆動用素子群を構成する電極を内側、検出用素子群を構成する電極を外側に配置してもかまわない。   In the example shown here, the four electrodes Ex (+), constituting the driving element group are arranged outside the eight electrodes Ex1, Ex2, Ey1, Ey2, Ez1 to Ez4 constituting the detection element group. Ex (-), Ey (+), and Ey (-) are arranged, but conversely, the electrodes constituting the driving element group are arranged on the inside and the electrodes constituting the detection element group are arranged on the outside. It doesn't matter.

ここで、圧電素子40の上面に形成された個々の個別電極と、当該個別電極の下方に位置する圧電素子40の一部分と、その下方に位置する共通電極Ecの一部分とによって、駆動用素子もしくは検出用素子が形成される。すなわち、ここに示す圧電型のセンサでは、上下一対の電極でサンドイッチされた圧電素子が、1つの駆動用素子もしくは検出用素子を構成することになる。   Here, each of the individual electrodes formed on the upper surface of the piezoelectric element 40, a part of the piezoelectric element 40 positioned below the individual electrode, and a part of the common electrode Ec positioned below the driving element or A detection element is formed. That is, in the piezoelectric sensor shown here, a piezoelectric element sandwiched between a pair of upper and lower electrodes constitutes one drive element or detection element.

具体的には、X軸正側駆動用電極Ex(+)とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりX軸正側駆動用素子が構成され、X軸負側駆動用電極Ex(−)とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりX軸負側駆動用素子が構成され、Y軸正側駆動用電極Ey(+)とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりY軸正側駆動用素子が構成され、Y軸負側駆動用電極Ey(−)とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりY軸負側駆動用素子が構成される。   More specifically, the X-axis positive drive electrode Ex (+), a part of the piezoelectric element 40 below the X-axis positive drive electrode, and a part of the common electrode Ec below the X-axis positive drive electrode constitute an X-axis negative drive element. The side drive electrode Ex (−), a part of the piezoelectric element 40 below the side drive electrode Ex (−) and a part of the common electrode Ec below the side drive electrode constitute an X-axis negative side drive element, and the Y-axis positive side drive electrode Ey (+). And a portion of the piezoelectric element 40 below it and a portion of the common electrode Ec below it constitute a Y-axis positive drive element, and the Y-axis negative drive electrode Ey (−) and the piezoelectric element 40 below it. The Y-axis negative side driving element is constituted by a part and a part of the common electrode Ec below the part.

同様に、X軸正側検出用電極Ex1とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりX軸正側検出用素子が構成され、X軸負側検出用電極Ex2とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりX軸負側検出用素子が構成され、Y軸正側検出用電極Ey1とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりY軸正側検出用素子が構成され、Y軸負側検出用電極Ey2とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりY軸負側検出用素子が構成され、Z軸変位検出用電極Ez1〜Ez4とその下方の圧電素子40の一部分とその下方の共通電極Ecの一部分とによりZ軸変位検出用素子が構成される。   Similarly, the X-axis positive side detection electrode Ex1, the part of the piezoelectric element 40 below it and the part of the common electrode Ec below it constitute an X-axis positive side detection element, and the X-axis negative side detection electrode Ex2 And a portion of the piezoelectric element 40 below it and a portion of the common electrode Ec below it constitute an X-axis negative detection element, a Y-axis positive detection electrode Ey1 and a portion of the piezoelectric element 40 below it, and The lower common electrode Ec constitutes a Y-axis positive detection element, and the Y-axis negative detection electrode Ey2, the lower piezoelectric element 40 and the lower common electrode Ec constitute a Y-axis. A negative-side detection element is configured, and the Z-axis displacement detection element is configured by the Z-axis displacement detection electrodes Ez1 to Ez4, a part of the piezoelectric element 40 therebelow and a part of the common electrode Ec therebelow.

ここで、たとえば、圧電素子40が、上面に正、下面に負の電圧を印加するとXY平面に沿って伸び、上面に負、下面に正の電圧を印加するとXY平面に沿って縮むような特性をもった素子であるとすると(あるいは、これとは全く逆の特性をもった素子でもよい)、共通電極Ecを接地基準電位として、X軸正側駆動用電極Ex(+)に所定の交流電圧を加え、X軸負側駆動用電極Ex(−)に逆位相の交流電圧を加えれば、可撓性支持体10のX軸正側の部分と負側の部分とが周期的に伸縮し、かつ、両者の伸縮状態が常に逆になるため、振動子20はX軸方向に振動することになる。   Here, for example, the characteristics of the piezoelectric element 40 such that when a positive voltage is applied to the upper surface and a negative voltage is applied to the lower surface, the piezoelectric element 40 expands along the XY plane, and when a negative voltage is applied to the upper surface and a positive voltage is applied to the lower surface, the piezoelectric element 40 contracts along the XY plane. (Or an element having completely opposite characteristics), the common electrode Ec is used as a ground reference potential, and a predetermined alternating current is applied to the X-axis positive drive electrode Ex (+). When a voltage is applied and an AC voltage having an opposite phase is applied to the X-axis negative drive electrode Ex (−), the X-axis positive side portion and the negative side portion of the flexible support 10 periodically expand and contract. And since the expansion / contraction state of both is always reversed, the vibrator 20 vibrates in the X-axis direction.

同様に、Y軸正側駆動用電極Ey(+)に所定の交流電圧を加え、Y軸負側駆動用電極Ey(−)に逆位相の交流電圧を加えれば、可撓性支持体10のY軸正側の部分と負側の部分とが周期的に伸縮し、かつ、両者の伸縮状態が常に逆になるため、振動子20はY軸方向に振動することになる。また、4枚の駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)に対して、同位相の交流電圧を加えると、各部が同一周期で伸縮するため、振動子20はZ軸方向に振動することになる。   Similarly, if a predetermined AC voltage is applied to the Y-axis positive drive electrode Ey (+) and an AC voltage having an opposite phase is applied to the Y-axis negative drive electrode Ey (−), the flexible support 10 Since the Y-axis positive side portion and the negative side portion periodically expand and contract, and the expansion / contraction state of both is always reversed, the vibrator 20 vibrates in the Y-axis direction. In addition, when an AC voltage having the same phase is applied to the four drive electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), and Ey (−), each part expands and contracts at the same period, so that vibration occurs. The child 20 vibrates in the Z-axis direction.

このように、4枚の駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)の一部もしくは全部に対して、様々な位相をもった交流駆動信号を供給することにより、振動子をX軸,Y軸,Z軸に振動させることができる。もっとも、後述する具体的な検出動作では、このうち、X軸方向への振動動作と、Z軸方向への振動動作のみを行い、Y軸方向への振動動作は行っていない。   As described above, AC drive signals having various phases are supplied to some or all of the four drive electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), and Ey (−). Thus, the vibrator can be vibrated in the X axis, the Y axis, and the Z axis. Of course, in a specific detection operation described later, only the vibration operation in the X-axis direction and the vibration operation in the Z-axis direction are performed, and the vibration operation in the Y-axis direction is not performed.

なお、圧電素子の特性は、製造工程において施す分極処理の極性に基づいて任意に設定することが可能である。したがって、図2に示す円盤状の圧電素子40の個々の部分ごとに、それぞれ異なる分極処理を施せば、部分ごとに特性を反転させることが可能である。このように、部分ごとに特性が反転した圧電素子を用いた場合、駆動のために供給する交流信号の位相は、上例の場合と異なることになる。   The characteristics of the piezoelectric element can be arbitrarily set based on the polarity of the polarization treatment applied in the manufacturing process. Therefore, if different polarization treatments are applied to the individual portions of the disk-like piezoelectric element 40 shown in FIG. 2, the characteristics can be reversed for each portion. As described above, when a piezoelectric element whose characteristics are inverted for each portion is used, the phase of the AC signal supplied for driving is different from that in the above example.

たとえば、X軸正側駆動用電極Ex(+)が形成されている領域と、X軸負側駆動用電極Ex(−)が形成されている領域とについて、圧電素子40に互いに逆極性の分極処理が施されていた場合、振動子20をX軸方向に振動させるには、両電極Ex(+),Ex(−)に同位相の交流電圧を加える必要がある(同位相の交流電圧を加えても、特性が逆であるため、一方が伸びれば、他方が縮む関係になる)。また、この場合、振動子20をZ軸方向に振動させるには、両電極Ex(+),Ex(−)には逆位相の交流電圧を加える必要がある。   For example, in the region where the X-axis positive drive electrode Ex (+) is formed and the region where the X-axis negative drive electrode Ex (−) is formed, the piezoelectric elements 40 are polarized with opposite polarities. In the case where the processing has been performed, in order to vibrate the vibrator 20 in the X-axis direction, it is necessary to apply an AC voltage having the same phase to both electrodes Ex (+) and Ex (−) (the AC voltage having the same phase is applied). Even if it is added, since the characteristics are reversed, if one of the two stretches, the other shrinks). In this case, in order to vibrate the vibrator 20 in the Z-axis direction, it is necessary to apply an AC voltage having opposite phases to both electrodes Ex (+) and Ex (−).

このように、各駆動用電極に供給する交流駆動信号の位相は、各駆動用電極の形成領域における圧電素子の分極特性に依存して決める必要があるが、ここでは、圧電素子40の全領域が同一の分極特性を有する典型的な実施例を用いた場合についての説明を行うことにする。   As described above, the phase of the AC drive signal supplied to each drive electrode needs to be determined depending on the polarization characteristics of the piezoelectric element in each drive electrode formation region. Will be described using a typical embodiment having the same polarization characteristics.

一方、各検出用電極には、下方の可撓性支持体10の一部分の伸縮状態に基づき、共通電極Ecを接地基準電位として、正もしくは負の電圧が発生する。たとえば、振動子20がX軸方向に変位すると、可撓性支持体10のX軸正側の部分と負側の部分とにおける伸縮状態が逆になるので、X軸正側検出用電極Ex1とX軸負側検出用電極Ex2とには、互いに逆極性の電圧が発生する。このとき、発生電圧の極性は、振動子の変位方向に依存し、発生電圧の大きさは、振動子の変位量に依存する。したがって、X軸正側検出用電極Ex1の発生電圧とX軸負側検出用電極Ex2の発生電圧との差を示す検出値は、振動子20のX軸方向に関する変位(符号は変位方向、絶対値は変位量)を示す値になる。   On the other hand, on each detection electrode, a positive or negative voltage is generated with the common electrode Ec as the ground reference potential based on the stretched state of a part of the lower flexible support 10. For example, when the vibrator 20 is displaced in the X-axis direction, the expansion and contraction states of the flexible support 10 on the X-axis positive side portion and the negative-side portion are reversed, so that the X-axis positive side detection electrode Ex1 Voltages having opposite polarities are generated on the X-axis negative side detection electrode Ex2. At this time, the polarity of the generated voltage depends on the displacement direction of the vibrator, and the magnitude of the generated voltage depends on the displacement amount of the vibrator. Therefore, the detected value indicating the difference between the voltage generated at the X-axis positive side detection electrode Ex1 and the voltage generated at the X-axis negative side detection electrode Ex2 is the displacement in the X-axis direction of the vibrator 20 (the sign is the displacement direction, absolute The value is a value indicating the amount of displacement).

同様に、Y軸正側検出用電極Ey1の発生電圧とY軸負側検出用電極Ey2の発生電圧との差を示す検出値は、振動子20のY軸方向に関する変位(符号は変位方向、絶対値は変位量)を示す値になる。また、Z軸方向に関する変位に関しては、4枚のZ軸変位検出用電極Ez1〜Ez4に同等の電圧が発生するので、これら4枚の電極Ez1〜Ez4の発生電圧の総和を示す検出値は、振動子20のZ軸方向に関する変位(符号は変位方向、絶対値は変位量)を示す値になる。なお、振動子20のZ軸方向に関する変位は、X軸検出用電極Ex1,Ex2およびY軸検出用電極Ey1,Ey2の発生電圧の総和として検出することも可能である。   Similarly, the detected value indicating the difference between the generated voltage of the Y-axis positive side detection electrode Ey1 and the generated voltage of the Y-axis negative side detection electrode Ey2 is a displacement in the Y axis direction of the vibrator 20 (the sign is the displacement direction, The absolute value is a value indicating displacement). In addition, regarding the displacement in the Z-axis direction, an equivalent voltage is generated in the four Z-axis displacement detection electrodes Ez1 to Ez4. Therefore, the detection value indicating the sum of the generated voltages of these four electrodes Ez1 to Ez4 is: This is a value indicating the displacement of the vibrator 20 in the Z-axis direction (the sign is the displacement direction, and the absolute value is the displacement amount). The displacement of the vibrator 20 in the Z-axis direction can also be detected as the sum of the voltages generated by the X-axis detection electrodes Ex1 and Ex2 and the Y-axis detection electrodes Ey1 and Ey2.

このように、各検出用電極Ex1,Ex2,Ey1,Ey2,Ez1〜Ez4の発生電圧に対する加算や減算を行うことにより、振動子の各座標軸方向への変位を検出することができ、また、作用したコリオリ力を変位として検出することもできる。   As described above, by adding or subtracting the generated voltage of each of the detection electrodes Ex1, Ex2, Ey1, Ey2, Ez1 to Ez4, the displacement of the vibrator in each coordinate axis direction can be detected. The detected Coriolis force can also be detected as a displacement.

結局、ここに示すセンサ本体部を用いれば、次のような方法で、各座標軸まわりの角速度ωx,ωy,ωzの検出が可能である。たとえば、振動子20をX軸方向に振動させた状態で、振動子20のY軸方向への変位(Y軸方向に作用するコリオリ力)を検出すれば、当該変位はZ軸まわりの角速度ωzに対応し、振動子20のZ軸方向への変位(Z軸方向に作用するコリオリ力)を検出すれば、当該変位はY軸まわりの角速度ωyに対応することになる。   After all, if the sensor main body shown here is used, the angular velocities ωx, ωy, and ωz around each coordinate axis can be detected by the following method. For example, if a displacement in the Y-axis direction (Coriolis force acting in the Y-axis direction) of the transducer 20 is detected in a state where the transducer 20 is vibrated in the X-axis direction, the displacement is an angular velocity ωz around the Z-axis. If the displacement of the vibrator 20 in the Z-axis direction (Coriolis force acting in the Z-axis direction) is detected, the displacement corresponds to the angular velocity ωy about the Y-axis.

同様に、振動子20をY軸方向に振動させた状態で、振動子20のX軸方向への変位(X軸方向に作用するコリオリ力)を検出すれば、当該変位はZ軸まわりの角速度ωzに対応し、振動子20のZ軸方向への変位(Z軸方向に作用するコリオリ力)を検出すれば、当該変位はX軸まわりの角速度ωxに対応することになる。また、振動子20をZ軸方向に振動させた状態で、振動子20のX軸方向への変位(X軸方向に作用するコリオリ力)を検出すれば、当該変位はY軸まわりの角速度ωyに対応し、振動子20のY軸方向への変位(Y軸方向に作用するコリオリ力)を検出すれば、当該変位はX軸まわりの角速度ωxに対応することになる。続く§2で述べる検出回路は、このような検出動作を行うための回路である。   Similarly, if the displacement of the vibrator 20 in the X-axis direction (Coriolis force acting in the X-axis direction) is detected in a state where the vibrator 20 is vibrated in the Y-axis direction, the displacement is an angular velocity around the Z axis. If a displacement in the Z-axis direction of the vibrator 20 (Coriolis force acting in the Z-axis direction) is detected corresponding to ωz, the displacement corresponds to the angular velocity ωx around the X-axis. Further, if the displacement of the vibrator 20 in the X-axis direction (Coriolis force acting in the X-axis direction) is detected in a state where the vibrator 20 is vibrated in the Z-axis direction, the displacement is an angular velocity ωy around the Y-axis. If the displacement of the vibrator 20 in the Y-axis direction (Coriolis force acting in the Y-axis direction) is detected, the displacement corresponds to the angular velocity ωx around the X-axis. The detection circuit described in §2 is a circuit for performing such a detection operation.

<<< §2.検出回路の構成 >>>
図3は、本発明に係る角速度センサの検出回路の構成を示す回路図である。この検出回路は、§1で述べたセンサ本体部に対して所定の駆動信号を供給して振動子20を所定の座標軸方向に振動させながら、振動子20の所定の座標軸方向への変位を検出して、所定の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する機能を果たす。また、この検出回路は、振動子の振動状態をモニタしながら、基準の振動状態を維持するようフィードバック制御を行う機能も果たす。
<<< §2. Configuration of detection circuit >>
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a detection circuit of the angular velocity sensor according to the present invention. This detection circuit detects the displacement of the vibrator 20 in the predetermined coordinate axis direction while supplying the predetermined drive signal to the sensor main body described in §1 to vibrate the vibrator 20 in the predetermined coordinate axis direction. Thus, the electric signal indicating the angular velocity around the predetermined coordinate axis is output. The detection circuit also functions to perform feedback control so as to maintain the reference vibration state while monitoring the vibration state of the vibrator.

なお、図3の中央に示されているセンサ本体部300は、実際には、この検出回路の構成要素ではなく、§1で述べたセンサ本体部を示すものである。すなわち、図3のセンサ本体部300のブロックの上辺近傍に示されているEx(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)は、それぞれ図2に示す4枚の駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)に対応するものである。同様に、図3のセンサ本体部300のブロックの下辺近傍に示されているEx1,Ex2,Ey1,Ey2,Ez1〜Ez4は、それぞれ図2に示す8枚の検出用電極Ex1,Ex2,Ey1,Ey2,Ez1〜Ez4に対応するものである。そして、図3のセンサ本体部300のブロックの左辺近傍に示されているEcは、図2に示す共通電極Ecに対応するものであり、この共通電極Ecは、図示のとおり接地されている。   Note that the sensor main body 300 shown in the center of FIG. 3 is not actually a component of the detection circuit, but represents the sensor main body described in §1. That is, Ex (+), Ex (−), Ey (+), and Ey (−) shown near the upper side of the block of the sensor main body 300 in FIG. This corresponds to the electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), Ey (−). Similarly, Ex1, Ex2, Ey1, Ey2, and Ez1 to Ez4 shown in the vicinity of the lower side of the block of the sensor body 300 in FIG. 3 are the eight detection electrodes Ex1, Ex2, Ey1, and E1 shown in FIG. This corresponds to Ey2, Ez1 to Ez4. 3 corresponds to the common electrode Ec shown in FIG. 2, and this common electrode Ec is grounded as shown.

以下、この検出回路の各構成要素を順に説明する。まず、動作信号発生器100は、センサ本体部300に供給する駆動信号およびその他の回路要素に供給する種々の信号を発生する機能を有する。この動作信号発生器100は、図のブロック内に描かれているように、フィードバック制御部110と、各信号発生部120,130,140,150,160,170とを備えている。   Hereinafter, each component of the detection circuit will be described in order. First, the operation signal generator 100 has a function of generating a drive signal supplied to the sensor main body 300 and various signals supplied to other circuit elements. The operation signal generator 100 includes a feedback control unit 110 and signal generation units 120, 130, 140, 150, 160, and 170 as depicted in the block of the figure.

図4は、この動作信号発生器100から出力される各動作信号を示す波形図である。本発明に係る検出回路は、第1の半周期T1と第2の半周期T2とによって構成される周期Tについて、周期的動作を実行する機能を有する。特に、ここに示す実施形態の場合、第1の半周期T1は振動子20をZ軸方向に振動させながら検出を行う期間であり、第2の半周期T2は振動子20をX軸方向に振動させながら検出を行う期間であるため、以下、第1の半周期T1を半周期Tz、第2の半周期T1を半周期Txと呼ぶことにする。図4(1) には、時間軸上における半周期Tzの期間と半周期Txの期間とが示されている。両半周期Tz,Txによって検出回路の1周期Tが構成され、検出回路は、このような周期Tをもった周期的動作を行うことになる。   FIG. 4 is a waveform diagram showing each operation signal output from the operation signal generator 100. The detection circuit according to the present invention has a function of executing a periodic operation for a period T constituted by a first half period T1 and a second half period T2. In particular, in the embodiment shown here, the first half cycle T1 is a period in which detection is performed while vibrating the transducer 20 in the Z-axis direction, and the second half cycle T2 is performed in the X-axis direction. Since detection is performed while vibrating, the first half cycle T1 is hereinafter referred to as half cycle Tz, and the second half cycle T1 is referred to as half cycle Tx. FIG. 4 (1) shows a period of the half cycle Tz and a period of the half cycle Tx on the time axis. Both the half periods Tz and Tx constitute one period T of the detection circuit, and the detection circuit performs a periodic operation with such a period T.

ここに示す実施例の場合、T=12.5msに設定しており、80Hzの周波数で周期的動作が繰り返し実行される。また、各半周期が等しくなるような設定を行っているため、Tz=Tx=6.25msになる。もちろん、半周期Tz,Txは、必ずしも等しく設定する必要はない。後述するように、実用上、周期Tの値は、振動子の共振周波数に応じて最適な値に設定するのが好ましい。たとえば、振動子のZ軸方向の共振周波数とX軸方向の共振周波数とがほぼ等しいセンサの場合、当該共振周波数をf0として、周期Tを(1/f0)×200〜(1/f0)×500の範囲に設定すると、良好な検出が可能になる(詳細は§6で述べる)。   In the embodiment shown here, T is set to 12.5 ms, and the periodic operation is repeatedly executed at a frequency of 80 Hz. In addition, since setting is made so that each half cycle is equal, Tz = Tx = 6.25 ms. Of course, the half periods Tz and Tx are not necessarily set equal. As will be described later, in practice, the value of the period T is preferably set to an optimum value according to the resonance frequency of the vibrator. For example, in the case of a sensor in which the resonance frequency in the Z-axis direction and the resonance frequency in the X-axis direction of the vibrator are substantially equal, the resonance frequency is f0 and the period T is (1 / f0) × 200 to (1 / f0) ×. If the range is set to 500, good detection is possible (details will be described in §6).

動作信号発生器100内のZ軸駆動信号発生部150は、振動子20をZ軸方向へ振動させるためのZ軸駆動信号DrZを発生する機能を有する。このZ軸駆動信号DrZは、図4(2) に示すとおり、第1の半周期Tzには、所定の周波数fzおよび振幅Azをもった交流信号が配されており、第2の半周期Txには、何ら交流信号が配されていない信号である。一方、X軸駆動信号発生部140は、振動子20をX軸方向へ振動させるためのX軸駆動信号DrXを発生する機能を有する。このX軸駆動信号DrXは、図4(3) に示すとおり、第1の半周期Tzには、何ら交流信号が配されておらず、第2の半周期Txには、所定の周波数fxおよび振幅Axをもった交流信号が配されている信号である。   The Z-axis drive signal generator 150 in the operation signal generator 100 has a function of generating a Z-axis drive signal DrZ for vibrating the vibrator 20 in the Z-axis direction. As shown in FIG. 4 (2), the Z-axis drive signal DrZ includes an AC signal having a predetermined frequency fz and amplitude Az in the first half cycle Tz, and the second half cycle Tx. Is a signal to which no AC signal is arranged. On the other hand, the X-axis drive signal generator 140 has a function of generating an X-axis drive signal DrX for vibrating the vibrator 20 in the X-axis direction. As shown in FIG. 4 (3), the X-axis drive signal DrX has no AC signal arranged in the first half cycle Tz, and the second half cycle Tx has a predetermined frequency fx and An AC signal having an amplitude Ax is provided.

ここに示す実施例の場合、fz=fx=20kHz程度、Az=Ax=1.0V程度になるように設定してある。なお、図4では、図示の便宜上、1半周期TzもしくはTxの期間内に各駆動信号の5周期分のみが描かれているが、上述の数値設定の場合、実際には、1半周期TzもしくはTxの期間内には各駆動信号の125周期分が入ることになる。これは、後述する正側同期検波信号SdAや負側同期検波信号SdBの場合も同様である。   In the case of the embodiment shown here, it is set so that fz = fx = about 20 kHz and Az = Ax = 1.0 V. In FIG. 4, for convenience of illustration, only five cycles of each drive signal are drawn within a period of one half cycle Tz or Tx. However, in the case of the above numerical setting, actually, one half cycle Tz. Alternatively, 125 periods of each drive signal are included in the period of Tx. The same applies to a positive side synchronous detection signal SdA and a negative side synchronous detection signal SdB described later.

Z軸駆動信号DrZおよびX軸駆動信号DrXの周波数および振幅は、フィードバック制御部110による制御対象となり、後述するように、帰還信号と所定の基準値との偏差に基づいて随時調整される。なお、周波数fzとfxとは、必ずしも等しくなるような設定を行う必要はなく、同様に、振幅AzとAxとについても、必ずしも等しくなるような設定を行う必要はない。また、図示の例では、各駆動信号DrZ,DrXの振幅Az,Axは、常に一定値を維持させているが、振幅Az,Axは必ずしも一定値に保つ必要はなく、たとえば、各半周期の初頭の振幅をより大きくするような制御を行い、振動子の運動を早く安定させるような工夫をしてもよい。これら駆動信号DrX,DrZは、マトリクス変換器200を介して、センサ本体部300の各駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)に与えられる。   The frequencies and amplitudes of the Z-axis drive signal DrZ and the X-axis drive signal DrX are controlled by the feedback control unit 110 and are adjusted as needed based on the deviation between the feedback signal and a predetermined reference value, as will be described later. Note that the frequencies fz and fx need not be set to be equal, and similarly, the amplitudes Az and Ax need not be set to be equal. In the illustrated example, the amplitudes Az and Ax of the drive signals DrZ and DrX are always maintained at constant values, but the amplitudes Az and Ax are not necessarily maintained at constant values. It may be devised to control the vibrator to increase the initial amplitude and stabilize the movement of the vibrator quickly. These drive signals DrX, DrZ are given to the drive electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), Ey (−) of the sensor main body 300 via the matrix converter 200.

マトリクス変換器200は、上述したとおり、動作信号発生器100内のX軸駆動信号発生部140およびZ軸駆動信号発生部150から与えられるX軸駆動信号DrXおよびZ軸駆動信号DrZを、センサ本体部300の特定の駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)に与える処理を実行する。その具体的な動作については後述する。   As described above, the matrix converter 200 uses the X-axis drive signal DrX and the Z-axis drive signal DrZ supplied from the X-axis drive signal generator 140 and the Z-axis drive signal generator 150 in the operation signal generator 100 as the sensor body. The process given to the specific drive electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), Ey (−) of the unit 300 is executed. The specific operation will be described later.

一方、正側同期検波信号発生部160は、各駆動信号DrX,DrZの正側のピークに同期したパルスから構成される正側同期検波信号SdAを発生する機能を有し、負側同期検波信号発生部170は、各駆動信号DrX,DrZの負側のピークに同期したパルスから構成される負側同期検波信号SdBを発生する機能を有する。   On the other hand, the positive-side synchronous detection signal generator 160 has a function of generating a positive-side synchronous detection signal SdA composed of pulses synchronized with the positive-side peaks of the drive signals DrX and DrZ. The generation unit 170 has a function of generating a negative side synchronous detection signal SdB composed of pulses synchronized with the negative side peaks of the drive signals DrX and DrZ.

より具体的には、正側同期検波信号SdAは、図4(4) に示すとおり、第1の半周期Tzには、Z軸駆動信号DrZの正側のピークに同期した位置にZ軸駆動信号DrZの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期Txには、X軸駆動信号DrXの正側のピークに同期した位置にX軸駆動信号DrXの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている信号である。また、負側同期検波信号SdBは、図4(5) に示すとおり、第1の半周期Tzには、Z軸駆動信号DrZの負側のピークに同期した位置にZ軸駆動信号DrZの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期Txには、X軸駆動信号DrXの負側のピークに同期した位置にX軸駆動信号DrXの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている信号である。   More specifically, as shown in FIG. 4 (4), the positive side synchronous detection signal SdA is Z-axis driven at a position synchronized with the positive peak of the Z-axis drive signal DrZ in the first half period Tz. Pulses having a pulse width equal to or less than ½ of the period of the signal DrZ are periodically arranged, and in the second half period Tx, the X-axis drive is performed at a position synchronized with the positive peak of the X-axis drive signal DrX. This is a signal in which pulses having a pulse width of 1/2 or less of the period of the signal DrX are periodically arranged. Further, as shown in FIG. 4 (5), the negative side synchronous detection signal SdB has a cycle of the Z-axis drive signal DrZ at a position synchronized with the negative peak of the Z-axis drive signal DrZ in the first half cycle Tz. Of the X-axis drive signal DrX is periodically arranged at a position synchronized with the negative peak of the X-axis drive signal DrX in the second half-cycle Tx. This is a signal in which pulses having a pulse width less than or equal to 1/2 are periodically arranged.

各同期検波信号SdA,SdBの時間軸上でのパルスの中心位置は、各駆動信号のピーク位置に一致している。パルスの幅は、各駆動信号の周期の1/2以下となるような値に設定すればよいが、ここに示す実施例の場合、各駆動信号の周期の1/4程度に設定してある。これら同期検波信号SdA,SdBは、全同期検波器SDに与えられる。   The center position of the pulse on the time axis of each of the synchronous detection signals SdA and SdB matches the peak position of each drive signal. The pulse width may be set to a value that is ½ or less of the cycle of each drive signal, but in the embodiment shown here, it is set to about ¼ of the cycle of each drive signal. . These synchronous detection signals SdA and SdB are given to all synchronous detectors SD.

Z軸検波イネーブル信号発生部130は、振動子20のZ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間を示すZ軸検波イネーブル信号EnZを発生する機能を有し、X軸検波イネーブル信号発生部120は、振動子20のX軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間を示すX軸検波イネーブル信号EnXを発生する機能を有する。   The Z-axis detection enable signal generation unit 130 has a function of generating a Z-axis detection enable signal EnZ indicating a period in which the vibration of the vibrator 20 in the Z-axis direction is stable and detection processing is possible. The detection enable signal generation unit 120 has a function of generating an X-axis detection enable signal EnX that indicates a period during which the vibration in the X-axis direction of the transducer 20 is stable and detection processing is possible.

すなわち、Z軸検波イネーブル信号EnZは、図4(6) に示すとおり、第1の半周期Tzにおいて振動子20がZ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第1の安定振動期βzを示す信号である。ここで、図示の期間αzは、第1の半周期Tzにおいて振動子20のZ軸方向への振動状態が不安定であると予想される第1の不安定振動期ということになる。一方、X軸検波イネーブル信号EnXは、図4(7) に示すとおり、第2の半周期Txにおいて振動子20がX軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第2の安定振動期βxを示す信号である。ここで、図示の期間αxは、第2の半周期Txにおいて振動子20のX軸方向への振動状態が不安定であると予想される第2の不安定振動期ということになる。   That is, as shown in FIG. 4 (6), the Z-axis detection enable signal EnZ is a first stable vibration that is expected to maintain a stable vibration state along the Z-axis in the first half period Tz. It is a signal indicating the period βz. Here, the illustrated period αz is a first unstable vibration period in which the vibration state of the vibrator 20 in the Z-axis direction is expected to be unstable in the first half period Tz. On the other hand, as shown in FIG. 4 (7), the X-axis detection enable signal EnX is a second stable vibration that is expected to maintain a stable vibration state along the X-axis in the second half period Tx. It is a signal indicating the period βx. Here, the illustrated period αx is a second unstable vibration period in which the vibration state of the vibrator 20 in the X-axis direction is expected to be unstable in the second half period Tx.

既に述べたとおり、ここに示す実施例では、第1の半周期Tzでは、振動子20はZ軸に沿って駆動され、第2の半周期Txでは、振動子20はX軸に沿って駆動される。しかしながら、振動子20は、可撓性支持体10という機械的な構造体によって支持された物体であるため、駆動方向をZ軸からX軸へ、もしくは、X軸からZ軸へと、半周期ごとに90°切り替える操作を行ったとしても、実際の振動方向が直ちに切り替わるわけではないので、切替直後の実際の振動は不安定なものになる。振動状態が安定するまでに必要な時間は、個々のセンサ本体部の機械的構造に依存して定まるパラメータである。したがって、実際のセンサ本体部を用いた測定により(もしくは、コンピュータシミュレーションにより)、当該センサ本体部についての不安定振動期αz,αxを求めることができる。   As already described, in the embodiment shown here, the vibrator 20 is driven along the Z axis in the first half cycle Tz, and the vibrator 20 is driven along the X axis in the second half cycle Tx. Is done. However, since the vibrator 20 is an object supported by a mechanical structure called the flexible support body 10, the driving direction changes from the Z-axis to the X-axis or from the X-axis to the Z-axis in a half cycle. Even if the operation of switching 90 ° is performed every time, the actual vibration direction is not immediately switched, so that the actual vibration immediately after switching becomes unstable. The time required for the vibration state to stabilize is a parameter determined depending on the mechanical structure of each sensor main body. Therefore, the unstable vibration periods αz and αx for the sensor body can be obtained by measurement using the actual sensor body (or by computer simulation).

もちろん、各半周期Tz,Txは、これら不安定振動期αz,αxよりも長い期間に設定しておく必要がある。ここに示す実施例の場合、αz=αx=2.5msであった。したがって、Tz=Tx=6.25msに設定した場合、βz=βx=3.75msということになる。これら検波イネーブル信号EnX,EnZは、正確な検波が可能となる安定振動期βz,βxの期間を示す信号であり、それぞれ特定のゲートスイッチSWへ与えられる。   Of course, each half cycle Tz, Tx must be set to a period longer than these unstable oscillation periods αz, αx. In the example shown here, αz = αx = 2.5 ms. Therefore, when Tz = Tx = 6.25 ms is set, βz = βx = 3.75 ms. These detection enable signals EnX and EnZ are signals indicating periods of stable oscillation periods βz and βx in which accurate detection is possible, and are respectively given to specific gate switches SW.

以上、図3において、センサ本体部300の上方に描かれている要素が、この検出回路における振動子20を駆動する処理を行う回路である。この回路の働きにより、センサ本体部の振動子20は、前半周期Tzの期間中はZ軸方向に振動し、後半周期Txの期間中はX軸方向に振動することになる。続いて、振動子20が振動している状態において、振動子20の変位を検出する処理を行う回路について説明する。この回路は、図3において、センサ本体部300の下方に描かれている要素からなる。   As described above, in FIG. 3, the element drawn above the sensor main body 300 is a circuit that performs processing for driving the vibrator 20 in the detection circuit. Due to the action of this circuit, the vibrator 20 of the sensor main body vibrates in the Z-axis direction during the first half period Tz and vibrates in the X-axis direction during the second half period Tx. Next, a circuit that performs processing for detecting displacement of the vibrator 20 in a state where the vibrator 20 is vibrating will be described. This circuit is composed of elements drawn below the sensor main body 300 in FIG.

まず、差分器411は、X軸正側検出用電極Ex1に生じた電圧とX軸負側検出用電極Ex2に生じた電圧との差を求める機能を果たす。この差を示す信号SΔxは、前述したとおり、振動子20のX軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではX軸変位検出信号SΔxと呼ぶ。同様に、差分器412は、Y軸正側検出用電極Ey1に生じた電圧とY軸負側検出用電極Ey2に生じた電圧との差を求める機能を果たす。この差を示す信号SΔyは、前述したとおり、振動子20のY軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではY軸変位検出信号SΔyと呼ぶ。   First, the differentiator 411 functions to obtain a difference between the voltage generated at the X-axis positive detection electrode Ex1 and the voltage generated at the X-axis negative detection electrode Ex2. As described above, the signal SΔx indicating the difference becomes a detection value indicating the displacement of the vibrator 20 in the X-axis direction, and is referred to as an X-axis displacement detection signal SΔx here. Similarly, the differentiator 412 functions to obtain a difference between the voltage generated at the Y-axis positive detection electrode Ey1 and the voltage generated at the Y-axis negative detection electrode Ey2. As described above, the signal SΔy indicating this difference becomes a detection value indicating the displacement of the vibrator 20 in the Y-axis direction, and is referred to as a Y-axis displacement detection signal SΔy here.

また、加算器413は、4枚のZ軸変位検出用電極Ez1〜Ez4に生じた電圧の総和を求める機能を果たす。この総和を示す信号SΔzは、前述したとおり、振動子20のZ軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではZ軸変位検出信号SΔzと呼ぶ。   The adder 413 functions to obtain the sum of the voltages generated in the four Z-axis displacement detection electrodes Ez1 to Ez4. Since the signal SΔz indicating the sum is a detection value indicating the displacement of the vibrator 20 in the Z-axis direction as described above, it is referred to as a Z-axis displacement detection signal SΔz here.

差分器411から出力されたX軸変位検出信号SΔxは、ゲートスイッチ421を通してAM検波器431および同期検波器441に与えられ、ゲートスイッチ422を通して同期検波器442に与えられる。同様に、差分器412から出力されたY軸変位検出信号SΔyは、ゲートスイッチ423を通して同期検波器443に与えられ、ゲートスイッチ424を通して同期検波器444に与えられる。また、加算器413から出力されたZ軸変位検出信号SΔzは、ゲートスイッチ425を通して同期検波器445およびAM検波器432に与えられる。   The X-axis displacement detection signal SΔx output from the difference unit 411 is supplied to the AM detector 431 and the synchronous detector 441 through the gate switch 421, and is supplied to the synchronous detector 442 through the gate switch 422. Similarly, the Y-axis displacement detection signal SΔy output from the subtractor 412 is supplied to the synchronous detector 443 through the gate switch 423 and is supplied to the synchronous detector 444 through the gate switch 424. The Z-axis displacement detection signal SΔz output from the adder 413 is given to the synchronous detector 445 and the AM detector 432 through the gate switch 425.

ここで、ゲートスイッチ421,424は、X軸検波イネーブル信号発生部120によって発生されたX軸検波イネーブル信号EnXによって示された安定振動期βxの期間のみ(すなわち、X軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間のみ)、入力した検出値を通過させて出力する。一方、ゲートスイッチ422,423,425は、Z軸検波イネーブル信号発生部130によって発生されたZ軸検波イネーブル信号EnZによって示された安定振動期βzの期間のみ(すなわち、Z軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間のみ)、入力した検出値を通過させて出力する。したがって、各AM検波器431,432や、各同期検波器441〜445には、安定振動期の期間のみ、所定の検出値を示す信号が与えられることになり、当該期間のみ検波が行われる。   Here, the gate switches 421 and 424 are stable only during the stable oscillation period βx indicated by the X-axis detection enable signal EnX generated by the X-axis detection enable signal generator 120 (that is, the vibration in the X-axis direction is stable). And only during a period in which the detection process is enabled), the input detection value is passed and output. On the other hand, the gate switches 422, 423, and 425 are operated only during the stable oscillation period βz indicated by the Z-axis detection enable signal EnZ generated by the Z-axis detection enable signal generation unit 130 (that is, vibration in the Z-axis direction is not generated). Only during a period when the detection process is stable and stable), the input detection value is passed and output. Therefore, the AM detectors 431 and 432 and the synchronous detectors 441 to 445 are given a signal indicating a predetermined detection value only during the stable oscillation period, and detection is performed only during the period.

AM検波器431は、X軸変位検出信号SΔxの振幅を求める機能を果たし、求めたX軸振幅測定値Fxaはフィードバック制御部110へ帰還され、AM検波器432は、Z軸変位検出信号SΔzの振幅を求める機能を果たし、求めたZ軸振幅測定値Fzaはフィードバック制御部110へ帰還される。一方、同期検波器441は、X軸変位検出信号SΔxの位相を求める機能を果たし、求めたX軸位相測定値Fxpはフィードバック制御部110へ帰還され、同期検波器445は、Z軸変位検出信号SΔzの位相を求める機能を果たし、求めたZ軸位相測定値Fzpはフィードバック制御部110へ帰還される。   The AM detector 431 performs a function of obtaining the amplitude of the X-axis displacement detection signal SΔx, and the obtained X-axis amplitude measurement value Fxa is fed back to the feedback control unit 110, and the AM detector 432 receives the Z-axis displacement detection signal SΔz. The function of obtaining the amplitude is performed, and the obtained Z-axis amplitude measurement value Fza is fed back to the feedback control unit 110. On the other hand, the synchronous detector 441 functions to obtain the phase of the X-axis displacement detection signal SΔx, and the obtained X-axis phase measurement value Fxp is fed back to the feedback control unit 110, and the synchronous detector 445 receives the Z-axis displacement detection signal. The function of obtaining the phase of SΔz is achieved, and the obtained Z-axis phase measurement value Fzp is fed back to the feedback control unit 110.

同期検波器442は、振動子20がZ軸方向に振動している前半周期Tzの間に、X軸変位検出信号SΔxに基づいて振動子20に作用したX軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をY軸まわりの角速度ωyとして出力する。一方、同期検波器443は、振動子20がZ軸方向に振動している前半周期Tzの間に、Y軸変位検出信号SΔyに基づいて振動子20に作用したY軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をX軸まわりの角速度ωxとして出力する。また、同期検波器444は、振動子20がX軸方向に振動している後半周期Txの間に、Y軸変位検出信号SΔyに基づいて振動子20に作用したY軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をZ軸まわりの角速度ωzとして出力する。   The synchronous detector 442 has a function of obtaining the Coriolis force in the X-axis direction applied to the transducer 20 based on the X-axis displacement detection signal SΔx during the first half period Tz in which the transducer 20 is vibrating in the Z-axis direction. The obtained value is output as the angular velocity ωy about the Y axis. On the other hand, the synchronous detector 443 obtains the Coriolis force in the Y-axis direction that has acted on the vibrator 20 based on the Y-axis displacement detection signal SΔy during the first half period Tz in which the vibrator 20 vibrates in the Z-axis direction. The function is performed, and the obtained value is output as the angular velocity ωx around the X axis. The synchronous detector 444 obtains the Coriolis force in the Y-axis direction that has acted on the transducer 20 based on the Y-axis displacement detection signal SΔy during the latter half period Tx in which the transducer 20 vibrates in the X-axis direction. The function is performed, and the obtained value is output as the angular velocity ωz around the Z axis.

なお、フィードバック制御部110は、帰還したX軸振幅測定値FxaおよびX軸位相測定値Fxpに基づいて、X軸駆動信号発生部140が発生するX軸駆動信号DrXの振幅および周波数が所定の基準振幅および基準周波数となるようなフィードバック制御を行うとともに、帰還したZ軸振幅測定値FzaおよびZ軸位相測定値Fzpに基づいて、Z軸駆動信号発生部150が発生するZ軸駆動信号DrZの振幅および周波数が所定の基準振幅および基準周波数となるようなフィードバック制御を行う。このようなフィードバック制御により、振動子20は、X軸方向およびZ軸方向に、それぞれ所定の基準振幅、所定の基準周波数で、振動するようになる。なお、同期検波信号SdA,SdBは、各駆動信号DrX,DrZに同期した信号であるから、同期検波信号発生部160,170が発生する同期検波信号SdA,SdBの周波数も、フィードバック制御部110による周波数制御を受けることになる。   The feedback control unit 110 determines the amplitude and frequency of the X-axis drive signal DrX generated by the X-axis drive signal generation unit 140 based on the X-axis amplitude measurement value Fxa and the X-axis phase measurement value Fxp that are fed back. The feedback control is performed so that the amplitude and the reference frequency are obtained, and the amplitude of the Z-axis drive signal DrZ generated by the Z-axis drive signal generator 150 based on the Z-axis amplitude measurement value Fza and the Z-axis phase measurement value Fzp that are fed back. Further, feedback control is performed so that the frequency becomes a predetermined reference amplitude and reference frequency. By such feedback control, the vibrator 20 vibrates in the X-axis direction and the Z-axis direction with a predetermined reference amplitude and a predetermined reference frequency, respectively. Since the synchronous detection signals SdA and SdB are signals synchronized with the drive signals DrX and DrZ, the frequency of the synchronous detection signals SdA and SdB generated by the synchronous detection signal generation units 160 and 170 is also determined by the feedback control unit 110. You will receive frequency control.

かくして、この図3に示す検出回路を用いれば、振動子20を、前半周期TzにおいてZ軸方向に振動させ、後半周期TxにおいてX軸方向に振動させる動作を繰り返し行いながら、前半周期Tzには、同期検波器442からY軸まわりの角速度ωyを示す電気信号を出力させるとともに、同期検波器443からX軸まわりの角速度ωxを示す電気信号を出力させ、後半周期Txには、同期検波器444からZ軸まわりの角速度ωzを示す電気信号を出力させることができる。しかも、これらの出力信号が示す検出値は、各検波イネーブル信号EnZ,EnXによって示される安定振動期βz,βxの期間に得られた値になるので、精度の高い正確な検出値になる。   Thus, when the detection circuit shown in FIG. 3 is used, the vibrator 20 is vibrated in the Z-axis direction in the first half cycle Tz and repeatedly in the X-axis direction in the second half cycle Tx. The synchronous detector 442 outputs an electrical signal indicating the angular velocity ωy around the Y axis, and the synchronous detector 443 outputs an electrical signal indicating the angular velocity ωx around the X axis. In the second half period Tx, the synchronous detector 444 is output. To output an electrical signal indicating the angular velocity ωz around the Z-axis. In addition, since the detection values indicated by these output signals are values obtained during the stable oscillation periods βz and βx indicated by the detection enable signals EnZ and EnX, they are accurate and accurate detection values.

<<< §3.振動子の運動 >>>
続いて、ここでは、図3に示す検出回路を用いて駆動される振動子20の運動について詳述する。前述したとおり、動作信号発生器100からマトリクス変換器200には、図4(2) に示すようなZ軸駆動信号DrZと、図4(3) に示すようなX軸駆動信号DrXとが供給される。
<<< §3. Oscillator movement >>>
Next, here, the movement of the vibrator 20 driven using the detection circuit shown in FIG. 3 will be described in detail. As described above, the operation signal generator 100 supplies the matrix converter 200 with the Z-axis drive signal DrZ as shown in FIG. 4 (2) and the X-axis drive signal DrX as shown in FIG. 4 (3). Is done.

マトリクス変換器200は、これら2通りの駆動信号DrZ,DrXを利用して、振動子20を、第1の半周期Tzの期間にはZ軸方向に振動させ、第2の半周期Txの期間にはX軸方向に振動させる動作を行う。具体的には、第1の半周期Tzには、4組の駆動用素子(4枚の駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−))のすべてにZ軸駆動信号DrZを供給し、第2の半周期Txには、X軸正側駆動用素子(X軸正側駆動用電極Ex(+))にX軸駆動信号DrXを供給し、X軸負側駆動用素子(X軸負側駆動用電極Ex(−))にX軸駆動信号DrXの位相反転信号を供給する。   The matrix converter 200 uses these two drive signals DrZ and DrX to vibrate the vibrator 20 in the Z-axis direction during the first half cycle Tz, and the second half cycle Tx. Is operated to vibrate in the X-axis direction. Specifically, in the first half cycle Tz, all four sets of driving elements (four driving electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), Ey (−)) are included. The Z-axis drive signal DrZ is supplied, and in the second half period Tx, the X-axis drive signal DrX is supplied to the X-axis positive drive element (X-axis positive drive electrode Ex (+)), and the X-axis A phase inversion signal of the X-axis drive signal DrX is supplied to the negative drive element (X-axis negative drive electrode Ex (−)).

そのような駆動動作を行うため、マトリクス変換器200は、図5に示すような演算により、X軸正側駆動信号Dx(+),X軸負側駆動信号Dx(−),Y軸正側駆動信号Dy(+),Y軸負側駆動信号Dy(−)を生成する機能を有している。ここで、X軸正側駆動信号Dx(+)は、Z軸駆動信号DrZとX軸駆動信号DrXとの和信号であり、X軸正側駆動用素子(X軸正側駆動用電極Ex(+))に与えられる。また、X軸負側駆動信号Dx(−)は、Z軸駆動信号DrZとX軸駆動信号DrXとの差信号であり、X軸負側駆動用素子(X軸負側駆動用電極Ex(−))に与えられる。一方、Y軸正側駆動信号Dy(+)およびY軸負側駆動信号Dy(−)は、いずれもZ軸駆動信号DrZそのものであり、それぞれY軸正側駆動用素子(Y軸正側駆動用電極Ex(+))およびY軸負側駆動用素子(Y軸負側駆動用電極Ex(−))に与えられる。   In order to perform such a driving operation, the matrix converter 200 performs an X-axis positive drive signal Dx (+), an X-axis negative drive signal Dx (−), and a Y-axis positive side by calculation as shown in FIG. It has a function of generating a drive signal Dy (+) and a Y-axis negative drive signal Dy (−). Here, the X-axis positive drive signal Dx (+) is a sum signal of the Z-axis drive signal DrZ and the X-axis drive signal DrX, and the X-axis positive drive element (X-axis positive drive electrode Ex ( +)). The X-axis negative drive signal Dx (−) is a difference signal between the Z-axis drive signal DrZ and the X-axis drive signal DrX, and is an X-axis negative drive element (X-axis negative drive electrode Ex (− )). On the other hand, the Y-axis positive drive signal Dy (+) and the Y-axis negative drive signal Dy (-) are both the Z-axis drive signal DrZ itself, and are respectively Y-axis positive drive elements (Y-axis positive drive). Electrode Ex (+)) and the Y-axis negative drive element (Y-axis negative drive electrode Ex (-)).

図6は、このマトリクス変換器200の具体的な構成例を示す回路図である。図の左側の2つの端子に、動作信号発生器100から与えられたZ軸駆動信号DrZおよびX軸駆動信号DrXを入力すると、図の左側の4つの端子から、それぞれ各駆動信号Dx(+),Dx(−),Dy(+),Dy(−)が出力されることになる。この回路は、4つのOPアンプ210〜240と、抵抗R1〜R10によって構成されている。   FIG. 6 is a circuit diagram showing a specific configuration example of the matrix converter 200. When the Z-axis drive signal DrZ and the X-axis drive signal DrX supplied from the operation signal generator 100 are input to the two terminals on the left side of the figure, the drive signals Dx (+) are respectively output from the four terminals on the left side of the figure. , Dx (−), Dy (+), and Dy (−) are output. This circuit includes four OP amplifiers 210 to 240 and resistors R1 to R10.

ここで、OPアンプ210は、「DrZ+DrX」なる和信号Dx(+)を生成してX軸正側駆動用素子(X軸正側駆動用電極Ex(+))に供給する回路であり、OPアンプ220および240は、「DrZ−DrX」なる差信号Dx(−)を生成してX軸負側駆動用素子(X軸負側駆動用電極Ex(−))に供給する回路である。また、OPアンプ230は、「DrZ」をY軸正側駆動用素子(Y軸正側駆動用電極Ey(+))とY軸負側駆動用素子(Y軸負側駆動用電極Ey(−))との双方に供給する回路である。   Here, the OP amplifier 210 is a circuit that generates a sum signal Dx (+) of “DrZ + DrX” and supplies it to the X-axis positive drive element (X-axis positive drive electrode Ex (+)). The amplifiers 220 and 240 are circuits that generate a difference signal Dx (−) of “DrZ−DrX” and supply it to the X-axis negative drive element (X-axis negative drive electrode Ex (−)). Further, the OP amplifier 230 converts “DrZ” into the Y-axis positive drive element (Y-axis positive drive electrode Ey (+)) and the Y-axis negative drive element (Y-axis negative drive electrode Ey (−) )) And a circuit supplied to both.

結局、図5の各式の右辺および図6の各右側端子に示されている駆動信号Dx(+),Dx(−),Dy(+),Dy(−)が、図2に示す駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)にそれぞれ与えられることになる。この場合、振動子20がどのような運動をするかを、第1の半周期Tzと第2の半周期Txとに分けて考えてみよう。   After all, the drive signals Dx (+), Dx (−), Dy (+), and Dy (−) shown on the right side of each equation in FIG. 5 and each right terminal in FIG. It is given to the electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), Ey (−), respectively. In this case, let us consider how the vibrator 20 moves by dividing it into a first half cycle Tz and a second half cycle Tx.

まず、第1の半周期Tzの期間は、図4に示すとおり、X軸駆動信号DrXは、実質的な信号としての有効成分を有していないので、有効成分を有する信号は、Z軸駆動信号DrZのみということになる。したがって、図2に示す共通電極Ecを接地した状態で、4枚の駆動用電極Ex(+),Ex(−),Ey(+),Ey(−)のそれぞれに、図4(2) に示すZ軸駆動信号DrZの交流信号が供給されることになるので、§1で説明したとおり、振動子20は当該交流信号に同期してZ軸方向に振動する。   First, during the period of the first half cycle Tz, as shown in FIG. 4, the X-axis drive signal DrX does not have an effective component as a substantial signal. This means only the signal DrZ. Therefore, with the common electrode Ec shown in FIG. 2 grounded, each of the four drive electrodes Ex (+), Ex (−), Ey (+), Ey (−) is shown in FIG. 4 (2). Since the AC signal of the Z-axis drive signal DrZ shown is supplied, the vibrator 20 vibrates in the Z-axis direction in synchronization with the AC signal as described in §1.

一方、第2の半周期Txの期間は、図4に示すとおり、Z軸駆動信号DrZは、実質的な信号としての有効成分を有していないので、有効成分を有する信号は、X軸駆動信号DrXのみということになる。したがって、図2に示す共通電極Ecを接地した状態で、X軸正側駆動用電極Ex(+)に、図4(3) に示すZ軸駆動信号DrZの交流信号が供給され、X軸負側駆動用電極Ex(−)に、その反転信号が供給されることになるので、§1で説明したとおり、振動子20は当該交流信号に同期してX軸方向に振動する。   On the other hand, during the period of the second half cycle Tx, as shown in FIG. 4, the Z-axis drive signal DrZ does not have an effective component as a substantial signal. This means only the signal DrX. Therefore, with the common electrode Ec shown in FIG. 2 grounded, the AC signal of the Z-axis drive signal DrZ shown in FIG. 4 (3) is supplied to the X-axis positive drive electrode Ex (+), and the X-axis negative drive electrode Ex (+) is supplied. Since the inverted signal is supplied to the side drive electrode Ex (−), the vibrator 20 vibrates in the X-axis direction in synchronization with the AC signal as described in section 1 above.

かくして、マトリクス変換器200は、振動子20を、第1の半周期Tzの期間にはZ軸方向に振動させ、第2の半周期Txの期間にはX軸方向に振動させる動作を行うことになる。   Thus, the matrix converter 200 vibrates the vibrator 20 in the Z-axis direction during the first half cycle Tz and in the X-axis direction during the second half cycle Tx. become.

図3に示す検出回路では、振動子20の各座標軸方向の変位は、それぞれ変位検出信号SΔx,SΔy,SΔzとして検出することができる。たとえば、X軸変位検出信号SΔxは、差分器411から出力される信号であり、X軸正側検出用電極Ex1の発生電圧とX軸負側検出用電極Ex2の発生電圧との差に相当する信号である。振動子20がX軸方向に関して変位していない場合(すなわち、振動子20の重心がYZ平面上に位置する場合)、両電極Ex1,Ex2の電位は等しくなるため、SΔx=0になる。振動子20がX軸方向に関して変位すると、両電極Ex1,Ex2の下方に位置する圧電素子の伸縮状態が互いに逆になるため、両電極Ex1,Ex2には互いに逆極性の電圧が発生し、両者の差に相当する信号SΔxが正もしくは負の値として出力される。よって、この検出信号SΔxの絶対値は、振動子20のX軸方向に関する変位量を示し、検出信号SΔxの符号は、変位方向(X軸正方向か、負方向か)を示すことになる。   In the detection circuit shown in FIG. 3, the displacements of the vibrator 20 in the coordinate axis directions can be detected as displacement detection signals SΔx, SΔy, SΔz, respectively. For example, the X-axis displacement detection signal SΔx is a signal output from the differentiator 411 and corresponds to the difference between the voltage generated at the X-axis positive detection electrode Ex1 and the voltage generated at the X-axis negative detection electrode Ex2. Signal. When the vibrator 20 is not displaced in the X-axis direction (that is, when the center of gravity of the vibrator 20 is located on the YZ plane), the potentials of both electrodes Ex1 and Ex2 are equal, so SΔx = 0. When the vibrator 20 is displaced in the X-axis direction, the expansion and contraction states of the piezoelectric elements located below the electrodes Ex1 and Ex2 are opposite to each other, and thus voltages having opposite polarities are generated on the electrodes Ex1 and Ex2. A signal SΔx corresponding to the difference is output as a positive or negative value. Therefore, the absolute value of the detection signal SΔx indicates the displacement amount of the vibrator 20 in the X-axis direction, and the sign of the detection signal SΔx indicates the displacement direction (X-axis positive direction or negative direction).

同様に、Y軸変位検出信号SΔyは、差分器412から出力される信号であり、Y軸正側検出用電極Ey1の発生電圧とY軸負側検出用電極Ey2の発生電圧との差に相当する信号である。やはり、この検出信号SΔyの絶対値は、振動子20のY軸方向に関する変位量を示し、検出信号SΔyの符号は、変位方向(Y軸正方向か、負方向か)を示すことになる。また、Z軸変位検出信号SΔzは、加算器413から出力される信号であり、4枚のZ軸変位検出用電極Ez1〜Ez4の発生電圧の総和に相当する信号である。やはり、この検出信号SΔzの絶対値は、振動子20のZ軸方向に関する変位量を示し、検出信号SΔzの符号は、変位方向(Y軸正方向か、負方向か)を示すことになる。   Similarly, the Y-axis displacement detection signal SΔy is a signal output from the differentiator 412 and corresponds to the difference between the voltage generated at the Y-axis positive detection electrode Ey1 and the voltage generated at the Y-axis negative detection electrode Ey2. Signal. Again, the absolute value of the detection signal SΔy indicates the displacement amount of the vibrator 20 in the Y-axis direction, and the sign of the detection signal SΔy indicates the displacement direction (whether the Y-axis is positive or negative). The Z-axis displacement detection signal SΔz is a signal output from the adder 413 and is a signal corresponding to the sum of the voltages generated by the four Z-axis displacement detection electrodes Ez1 to Ez4. Again, the absolute value of the detection signal SΔz indicates the amount of displacement of the transducer 20 in the Z-axis direction, and the sign of the detection signal SΔz indicates the displacement direction (whether the Y-axis is positive or negative).

図7は、図3に示す検出回路による、角速度が作用していない状態での振動子の駆動動作を説明する信号波形図である。図7(1) に示すとおり、周期Tは、第1の半周期Tzと第2の半周期Txによって構成される。そして、第1の半周期Tzの期間は、図7(2) に示すZ軸駆動信号DrZの供給により、振動子20はZ軸方向に駆動され、第2の半周期Txの期間は、図7(3) に示すX軸駆動信号DrXの供給により、振動子20はX軸方向に駆動される。   FIG. 7 is a signal waveform diagram for explaining the driving operation of the vibrator in the state where the angular velocity is not acting by the detection circuit shown in FIG. As shown in FIG. 7 (1), the period T is composed of a first half period Tz and a second half period Tx. Then, during the period of the first half cycle Tz, the vibrator 20 is driven in the Z axis direction by the supply of the Z axis drive signal DrZ shown in FIG. 7 (2), and the period of the second half cycle Tx is as shown in FIG. The vibrator 20 is driven in the X-axis direction by supplying the X-axis drive signal DrX shown in 7 (3).

一方、図7(4) は、このような駆動動作が行われているときに、加算器413から出力されるZ軸変位検出信号SΔzの波形を示している。この検出信号SΔzは、振動子20のZ軸に関する位置の変遷を示すものである。振動子20の位置の変遷は、図7(2) に示すZ軸駆動信号DrZの供給によるものであるが、振動子20およびこれを支持する可撓性支持体10からなる機械的振動系に固有の特性により、振動子20の実際の変位は、Z軸駆動信号DrZに対して位相遅れを生じることになる。後述するように、振動子20をZ軸方向に関する共振周波数で振動させた場合、振動子20の実際の変位は、Z軸駆動信号DrZに対して90°の位相遅れを生じる。図7(4) に示す検出信号SΔzの位相が、図7(2) に示す駆動信号DrZに対して位相遅れを生じているのはこのためである。   On the other hand, FIG. 7 (4) shows the waveform of the Z-axis displacement detection signal SΔz output from the adder 413 when such a driving operation is performed. This detection signal SΔz indicates the transition of the position of the vibrator 20 with respect to the Z axis. The transition of the position of the vibrator 20 is due to the supply of the Z-axis drive signal DrZ shown in FIG. 7 (2). However, the mechanical vibration system comprising the vibrator 20 and the flexible support 10 that supports the vibrator 20 is changed. Due to the inherent characteristics, the actual displacement of the vibrator 20 causes a phase lag with respect to the Z-axis drive signal DrZ. As will be described later, when the vibrator 20 is vibrated at a resonance frequency in the Z-axis direction, the actual displacement of the vibrator 20 causes a phase delay of 90 ° with respect to the Z-axis drive signal DrZ. This is why the phase of the detection signal SΔz shown in FIG. 7 (4) has a phase lag with respect to the drive signal DrZ shown in FIG. 7 (2).

また、図7(2) に示す駆動信号DrZの振幅Azが一定であるのに対して、図7(4) に示す検出信号SΔzの振幅が変動しているのは、質量をもった振動子20に慣性が作用するためである。すなわち、第1の半周期Tzの始期から駆動信号DrZ内の交流信号の供給が開始されても、Z軸方向に関しては静止していた振動子20が、Z軸方向に振動し始めるには、ある程度の時間を要することになる。このため、図示の第1の不安定振動期αzの期間は、振幅が徐々に増加してゆくことになる。図示の第1の安定振動期βzは、振動子20が一定の振幅で安定した振動動作を行うようになった後の期間である。   Further, the amplitude Az of the drive signal DrZ shown in FIG. 7 (2) is constant, whereas the amplitude of the detection signal SΔz shown in FIG. This is because inertia acts on 20. That is, even if the supply of the AC signal in the drive signal DrZ is started from the beginning of the first half cycle Tz, the vibrator 20 that is stationary in the Z-axis direction starts to vibrate in the Z-axis direction. It will take some time. For this reason, the amplitude gradually increases during the first unstable vibration period αz shown in the figure. The illustrated first stable vibration period βz is a period after the vibrator 20 starts a stable vibration operation with a constant amplitude.

続いて、第1の半周期Tzの終期において、駆動信号DrZ内の交流信号の供給が停止する。このため、第2の半周期Txの期間は、振動子20をZ軸方向に駆動するための信号は供給されない。しかしながら、運動中の振動子20は、慣性の作用により、振幅を徐々に減少させながら、しばらくの間はZ軸方向への振動状態を維持する。図7(4) に示す検出信号SΔzの振幅が、半周期Txの初頭に残っているのはこのためである。   Subsequently, at the end of the first half cycle Tz, the supply of the AC signal in the drive signal DrZ is stopped. For this reason, during the period of the second half cycle Tx, a signal for driving the transducer 20 in the Z-axis direction is not supplied. However, the vibrator 20 in motion maintains the vibration state in the Z-axis direction for a while while gradually decreasing the amplitude due to the inertial action. This is why the amplitude of the detection signal SΔz shown in FIG. 7 (4) remains at the beginning of the half cycle Tx.

結局、Z軸変位検出信号SΔzの振幅は、図7(4) に一点鎖線の包絡線で示すように、第1の半周期Tzの初頭から徐々に増加しながら一定値に達し、第2の半周期Txの初頭から徐々に減少しながら消滅することになる。ここで、期間αzは、第1の半周期Tzでありながら、振動が不安定である第1の不安定振動期であり、期間βzは、第1の半周期Tz内で、安定した振動が得られる第1の安定振動期である。前述したとおり、図4(6) に示すZ軸検波イネーブル信号EnZは、この第1の安定振動期βzを示す信号である。   Eventually, the amplitude of the Z-axis displacement detection signal SΔz reaches a constant value while gradually increasing from the beginning of the first half cycle Tz, as shown by the dashed-dotted envelope in FIG. 7 (4). It disappears while gradually decreasing from the beginning of the half cycle Tx. Here, the period αz is a first unstable vibration period in which the vibration is unstable while being the first half period Tz, and the period βz is a stable vibration within the first half period Tz. This is the first stable vibration period obtained. As described above, the Z-axis detection enable signal EnZ shown in FIG. 4 (6) is a signal indicating the first stable oscillation period βz.

同様に、図7(5) は、差分器411から出力されるX軸変位検出信号SΔxの波形を示している。この検出信号SΔxは、振動子20のX軸に関する位置の変遷を示すものである。振動子20の位置の変遷は、図7(3) に示すX軸駆動信号DrXの供給によるものであるが、振動子20およびこれを支持する可撓性支持体10からなる機械的振動系に固有の特性により、振動子20の実際の変位は、X軸駆動信号DrXに対して位相遅れを生じることになる。やはり、振動子20をX軸方向に関する共振周波数で振動させた場合、振動子20の実際の変位は、X軸駆動信号DrXに対して90°の位相遅れを生じる。   Similarly, FIG. 7 (5) shows the waveform of the X-axis displacement detection signal SΔx output from the differentiator 411. This detection signal SΔx indicates a change in position of the vibrator 20 with respect to the X axis. The transition of the position of the vibrator 20 is due to the supply of the X-axis drive signal DrX shown in FIG. 7 (3). However, the mechanical vibration system comprising the vibrator 20 and the flexible support 10 that supports the vibrator 20 is changed. Due to the inherent characteristics, the actual displacement of the vibrator 20 causes a phase lag with respect to the X-axis drive signal DrX. Again, when the vibrator 20 is vibrated at a resonance frequency in the X-axis direction, the actual displacement of the vibrator 20 causes a phase delay of 90 ° with respect to the X-axis drive signal DrX.

また、図7(5) に示す検出信号SΔxの振幅が、一点鎖線の包絡線で示すように、第2の半周期Txの初頭から徐々に増加しながら一定値に達し、第1の半周期Tzの初頭から徐々に減少しながら消滅するのは、振動子20の慣性の作用によるものである。ここで、期間αxは、第2の半周期Txでありながら、振動が不安定である第2の不安定振動期であり、期間βxは、第2の半周期Tx内で、安定した振動が得られる第2の安定振動期である。前述したとおり、図4(7) に示すX軸検波イネーブル信号EnXは、この第2の安定振動期βxを示す信号である。   Further, the amplitude of the detection signal SΔx shown in FIG. 7 (5) reaches a constant value while gradually increasing from the beginning of the second half cycle Tx, as shown by the dashed-dotted envelope, and the first half cycle The disappearance while gradually decreasing from the beginning of Tz is due to the inertial action of the vibrator 20. Here, the period αx is a second unstable vibration period in which the vibration is unstable while being in the second half period Tx, and the period βx is a stable vibration in the second half period Tx. This is the second stable vibration period obtained. As described above, the X-axis detection enable signal EnX shown in FIG. 4 (7) is a signal indicating the second stable oscillation period βx.

最後に示されている図7(6) は、差分器412から出力されるY軸変位検出信号SΔyの波形を示している。この検出信号SΔyは、振動子20のY軸に関する位置の変遷を示すものである。ここに示す実施例の場合、振動子20をY軸方向に振動させる動作は行われないので、角速度が作用していない状態では、図示のとおり、Y軸変位検出信号SΔyは零の状態を維持したままになる。   FIG. 7 (6) shown at the end shows the waveform of the Y-axis displacement detection signal SΔy output from the differentiator 412. The detection signal SΔy indicates a change in position of the vibrator 20 with respect to the Y axis. In the embodiment shown here, the vibrator 20 is not vibrated in the Y-axis direction. Therefore, when the angular velocity is not acting, the Y-axis displacement detection signal SΔy remains zero as shown in the figure. Will remain.

前述したとおり、個々のセンサについての安定振動期βz,βxは、実際のセンサ本体部を用いた測定や、コンピュータシミュレーションにより求めることができる。なお、図7では、図示の便宜上、1半周期TzもしくはTxの期間内に各駆動信号や各検出信号の5周期分のみが描かれているが、実際には、1半周期TzもしくはTxの期間内には各駆動信号や各検出信号のより多数の周期分(前掲の例の場合、125周期分)が入ることになる。   As described above, the stable vibration periods βz and βx for each sensor can be obtained by measurement using an actual sensor body or by computer simulation. In FIG. 7, for convenience of illustration, only five cycles of each drive signal and each detection signal are drawn within a period of one half cycle Tz or Tx. A greater number of cycles of each drive signal and each detection signal (125 cycles in the above example) are included in the period.

<<< §4.振幅および位相ならびにコリオリ力の検出 >>>
§2で述べたとおり、図3に示す検出回路において、センサ本体部300の下方に描かれている要素(400番台の符号が付された要素)は、振動子20のZ軸もしくはX軸方向に関する振動の振幅および位相と、振動子20に作用するX軸,Y軸,Z軸方向のコリオリ力とを検出する働きをする。以下、これらの各検出機能を個別に説明する。
<<< §4. Detection of amplitude and phase and Coriolis force >>>
As described in §2, in the detection circuit shown in FIG. 3, the elements drawn below the sensor main body 300 (elements with reference numerals in the 400s) are in the Z-axis or X-axis direction of the vibrator 20. And the Coriolis force in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions acting on the vibrator 20. Hereinafter, each of these detection functions will be described individually.

まず、ゲートスイッチ421には、図4(7) に示すX軸検波イネーブル信号EnXが与えられており、第2の安定振動期βxの期間のみ、与えられたX軸変位検出信号SΔxを通過させる機能を果たす。同様に、ゲートスイッチ422には、図4(6) に示すZ軸検波イネーブル信号EnZが与えられており、第1の安定振動期βzの期間のみ、与えられたX軸変位検出信号SΔxを通過させる機能を果たす。また、ゲートスイッチ423には、図4(6) に示すZ軸検波イネーブル信号EnZが与えられており、第1の安定振動期βzの期間のみ、与えられたY軸変位検出信号SΔyを通過させる機能を果たす。更に、ゲートスイッチ424には、図4(7) に示すX軸検波イネーブル信号EnXが与えられており、第2の安定振動期βxの期間のみ、与えられたY軸変位検出信号SΔyを通過させる機能を果たす。そして、ゲートスイッチ425には、図4(6) に示すZ軸検波イネーブル信号EnZが与えられており、第1の安定振動期βzの期間のみ、与えられたZ軸変位検出信号SΔzを通過させる機能を果たす。   First, the X-axis detection enable signal EnX shown in FIG. 4 (7) is given to the gate switch 421, and the given X-axis displacement detection signal SΔx is allowed to pass only during the second stable oscillation period βx. Fulfills the function. Similarly, the Z-axis detection enable signal EnZ shown in FIG. 4 (6) is given to the gate switch 422, and passes the given X-axis displacement detection signal SΔx only during the first stable oscillation period βz. Fulfills the function of The Z-axis detection enable signal EnZ shown in FIG. 4 (6) is given to the gate switch 423, and the given Y-axis displacement detection signal SΔy is allowed to pass only during the first stable oscillation period βz. Fulfills the function. Further, the X-axis detection enable signal EnX shown in FIG. 4 (7) is given to the gate switch 424, and the given Y-axis displacement detection signal SΔy is allowed to pass only during the second stable oscillation period βx. Fulfills the function. The gate switch 425 is supplied with the Z-axis detection enable signal EnZ shown in FIG. 4 (6), and passes the applied Z-axis displacement detection signal SΔz only during the first stable oscillation period βz. Fulfills the function.

続いて、AM検波器431,432の機能を説明する。まず、AM検波器431は、ゲートスイッチ421を通じて、第2の安定振動期βxの期間にのみ与えられたX軸変位検出信号SΔxの振幅Fxaを求める。具体的には、図7(5) に示す検出信号SΔxの安定振動期βxの振幅Fxaが求められることになる。こうして得られた振幅Fxaは、X軸振幅測定信号として、フィードバック制御部110へ帰還させられる。同様に、AM検波器432は、ゲートスイッチ425を通じて、第1の安定振動期βzの期間にのみ与えられたZ軸変位検出信号SΔzの振幅Fzaを求める。具体的には、図7(4) に示す検出信号SΔzの安定振動期βzの振幅Fzaが求められることになる。こうして得られた振幅Fzaは、Z軸振幅測定信号として、フィードバック制御部110へ帰還させられる。   Next, functions of the AM detectors 431 and 432 will be described. First, the AM detector 431 obtains the amplitude Fxa of the X-axis displacement detection signal SΔx given only during the second stable oscillation period βx through the gate switch 421. Specifically, the amplitude Fxa of the stable oscillation period βx of the detection signal SΔx shown in FIG. 7 (5) is obtained. The amplitude Fxa obtained in this way is fed back to the feedback controller 110 as an X-axis amplitude measurement signal. Similarly, the AM detector 432 obtains the amplitude Fza of the Z-axis displacement detection signal SΔz given through the gate switch 425 only during the first stable oscillation period βz. Specifically, the amplitude Fza of the stable oscillation period βz of the detection signal SΔz shown in FIG. 7 (4) is obtained. The amplitude Fza thus obtained is fed back to the feedback control unit 110 as a Z-axis amplitude measurement signal.

このように、AM検波器431,432は、検出信号SΔxの振幅Fxa,検出信号SΔzの振幅Fzaを求める機能を果たす回路であるが、一般的な交流信号についての振幅を求める回路は、様々な分野で利用されている公知の回路であるため、ここでは、AM検波器431,432の内部構成についての詳細な説明は省略する。   As described above, the AM detectors 431 and 432 are circuits that perform the function of obtaining the amplitude Fxa of the detection signal SΔx and the amplitude Fza of the detection signal SΔz, but there are various circuits for obtaining the amplitude of a general AC signal. Since this is a known circuit used in the field, a detailed description of the internal configuration of the AM detectors 431 and 432 is omitted here.

X軸変位検出信号SΔxの振幅Fxaは、振動子20のX軸方向に関する振動の振幅に対応するので、フィードバック制御部110は、この振幅Fxaが所定の基準振幅となるように、X軸駆動信号発生部140が発生させるX軸駆動信号DrXの振幅を調整する制御を行う。また、Z軸変位検出信号SΔzの振幅Fzaは、振動子20のZ軸方向に関する振動の振幅に対応するので、フィードバック制御部110は、この振幅Fzaが所定の基準振幅となるように、Z軸駆動信号発生部150が発生させるZ軸駆動信号DrZの振幅を調整する制御を行う。   Since the amplitude Fxa of the X-axis displacement detection signal SΔx corresponds to the vibration amplitude in the X-axis direction of the vibrator 20, the feedback control unit 110 determines that the amplitude Fxa is a predetermined reference amplitude. Control for adjusting the amplitude of the X-axis drive signal DrX generated by the generator 140 is performed. In addition, since the amplitude Fza of the Z-axis displacement detection signal SΔz corresponds to the amplitude of vibration in the Z-axis direction of the vibrator 20, the feedback control unit 110 sets the Z-axis displacement so that the amplitude Fza becomes a predetermined reference amplitude. Control for adjusting the amplitude of the Z-axis drive signal DrZ generated by the drive signal generator 150 is performed.

一方、同期検波器441〜445は、いずれも図8に示す回路によって構成されている。実際には、同期検波器441,445は、検出信号SΔx,SΔzの位相Fxp,Fzpを求める用途に利用され、同期検波器442,443,444は、検出信号SΔxもしくはSΔyに基づいて、X軸方向もしくはY軸方向に作用したコリオリ力を検出し、最終的に、それぞれ角速度ωy,ωx,ωzを求める用途に利用される。このように、同期検波器441,445と、同期検波器442,443,444とは、互いに用途は異なるが、いずれも図8に示す同一の回路によって構成することができる。   On the other hand, all of the synchronous detectors 441 to 445 are configured by the circuit shown in FIG. Actually, the synchronous detectors 441 and 445 are used for obtaining the phases Fxp and Fzp of the detection signals SΔx and SΔz, and the synchronous detectors 442, 443 and 444 are based on the detection signal SΔx or SΔy, and the X axis Coriolis force acting in the direction or the Y-axis direction is detected, and finally, it is used for obtaining angular velocities ωy, ωx, and ωz, respectively. As described above, the synchronous detectors 441 and 445 and the synchronous detectors 442, 443, and 444 have different uses, but can be configured by the same circuit shown in FIG.

図8に示す回路は、図の左側の端子に与えられた入力信号Sinに基づいて、図の右側の端子から出力信号Soutを出力する機能を有している。この回路は、図示のとおり、正側積算器K1、負側積算器K2、差分器K3によって構成されている。   The circuit shown in FIG. 8 has a function of outputting an output signal Sout from the right terminal in the drawing based on the input signal Sin given to the left terminal in the drawing. As shown in the figure, this circuit includes a positive-side integrator K1, a negative-side integrator K2, and a differentiator K3.

正側積算器K1は、正側同期検波信号SdAのパルスが与えられている間だけ信号を通過させるゲートスイッチGaと、通過した信号を積算するための抵抗R11〜R13,コンデンサC1〜C3,演算増幅器OP1によって構成され、与えられた入力信号Sinの信号値を、正側同期検波信号SdAのパルスが与えられている間だけ積算する機能を果たす。   The positive side accumulator K1 includes a gate switch Ga that allows a signal to pass only while the pulse of the positive side synchronous detection signal SdA is applied, and resistors R11 to R13 and capacitors C1 to C3 for accumulating the passed signals. The amplifier OP1 is configured to integrate the signal value of the given input signal Sin only while the pulse of the positive side synchronous detection signal SdA is given.

同様に、負側積算器K2は、負側同期検波信号SdBのパルスが与えられている間だけ信号を通過させるゲートスイッチGbと、通過した信号を積算するための抵抗R14〜R16,コンデンサC4〜C6,演算増幅器OP2によって構成され、与えられた入力信号Sinの信号値を、負側同期検波信号SdBのパルスが与えられている間だけ積算する機能を果たす。   Similarly, the negative-side integrator K2 includes a gate switch Gb that allows a signal to pass only while the pulse of the negative-side synchronous detection signal SdB is applied, resistors R14 to R16, and capacitors C4 to C4 that integrate the passed signals. C6 is configured by an operational amplifier OP2, and performs a function of integrating the signal value of the given input signal Sin only while the pulse of the negative side synchronous detection signal SdB is given.

一方、差分器K3は、参照電圧Refが与えられた差動増幅器DIF,抵抗R17,コンデンサC7によって構成され、正側積算器K1の積算値と負側積算器K2の積算値との差を出力する機能を果たす。   On the other hand, the differencer K3 is composed of a differential amplifier DIF to which a reference voltage Ref is applied, a resistor R17, and a capacitor C7, and outputs a difference between the integrated value of the positive integrator K1 and the integrated value of the negative integrator K2. Fulfills the function of

ここでは、図3に示す同期検波器445として図8に示す回路を用い、入力信号Sinとして、Z軸変位検出信号SΔzを与えた場合に、この回路から得られる出力信号Soutが、Z軸変位検出信号SΔzの位相の測定値を示す信号になる理由を簡単に説明しよう。   Here, when the circuit shown in FIG. 8 is used as the synchronous detector 445 shown in FIG. 3 and the Z-axis displacement detection signal SΔz is given as the input signal Sin, the output signal Sout obtained from this circuit becomes the Z-axis displacement. The reason why the signal indicates the measured value of the phase of the detection signal SΔz will be briefly described.

図9は、図3に示す検出回路において、正しい位相制御が行われているときの各信号波形を示す波形図である。図9(1) に示すとおり、この図における時間軸は、第1の半周期Tz内の安定振動期βzの一部分を示している。この期間内は、センサ本体部に対して、図9(2) に示すようなZ軸駆動信号DrZが与えられており、振動子20は、Z軸方向に振動している。このため、図9(3) に示すようなZ軸変位検出信号SΔzが得られている。前述したとおり、振動子20がZ軸方向に関する共振周波数で振動していれば、Z軸変位検出信号SΔzの位相は、Z軸駆動信号DrZの位相に対して90°遅れることになる。図9の各波形は、このときの状態を示している。   FIG. 9 is a waveform diagram showing signal waveforms when correct phase control is performed in the detection circuit shown in FIG. As shown in FIG. 9 (1), the time axis in this figure shows a part of the stable oscillation period βz in the first half period Tz. During this period, a Z-axis drive signal DrZ as shown in FIG. 9 (2) is given to the sensor main body, and the vibrator 20 vibrates in the Z-axis direction. Therefore, a Z-axis displacement detection signal SΔz as shown in FIG. 9 (3) is obtained. As described above, if the vibrator 20 vibrates at a resonance frequency in the Z-axis direction, the phase of the Z-axis displacement detection signal SΔz is delayed by 90 ° with respect to the phase of the Z-axis drive signal DrZ. Each waveform in FIG. 9 shows the state at this time.

一般に、このような振動系では、振動子を固有の共振周波数で振動させると、供給したエネルギーを最も効率的に利用した運動が可能になり、最も大きな振幅が得られることが知られている。また、このとき、駆動信号の位相に対して、実際の振動子の位相が90°遅れることも知られている。図9に示す波形図は、このように、振動子が理想的な振動状態で振動しているときに得られる各信号波形を示している。   In general, it is known that in such a vibration system, when the vibrator is vibrated at a specific resonance frequency, the movement using the supplied energy most efficiently is possible and the largest amplitude is obtained. At this time, it is also known that the actual phase of the vibrator is delayed by 90 ° with respect to the phase of the drive signal. The waveform diagram shown in FIG. 9 shows each signal waveform obtained when the vibrator vibrates in an ideal vibration state.

ここで、図9(4) に示す正側同期検波信号SdAは、Z軸駆動信号DrZの正側のピークに同期したパルス(正側のピーク位置に中心がくるパルス)をもつ検波信号であり、図9(5) に示す負側同期検波信号SdBは、Z軸駆動信号DrZの負側のピークに同期したパルス(負側のピーク位置に中心がくるパルス)をもつ検波信号である。そして、図8に示す正側積算器K1は、ゲートスイッチGaの機能により、正側同期検波信号SdAのパルス期間のみ、入力信号Sin、すなわち、Z軸変位検出信号SΔzの信号値を積算する機能を果たし、負側積算器K2は、ゲートスイッチGbの機能により、負側同期検波信号SdBのパルス期間のみ、入力信号Sin、すなわち、Z軸変位検出信号SΔzの信号値を積算する機能を果たす。   Here, the positive side synchronous detection signal SdA shown in FIG. 9 (4) is a detection signal having a pulse (pulse centered at the positive side peak position) synchronized with the positive side peak of the Z-axis drive signal DrZ. The negative side synchronous detection signal SdB shown in FIG. 9 (5) is a detection signal having a pulse synchronized with the negative peak of the Z-axis drive signal DrZ (pulse centered at the negative peak position). 8 is a function of integrating the input signal Sin, that is, the signal value of the Z-axis displacement detection signal SΔz only during the pulse period of the positive side synchronous detection signal SdA by the function of the gate switch Ga. The negative-side integrator K2 performs the function of integrating the input signal Sin, that is, the signal value of the Z-axis displacement detection signal SΔz only during the pulse period of the negative-side synchronous detection signal SdB by the function of the gate switch Gb.

図9(6) は、Z軸変位検出信号SΔzの信号値の積算プロセスを示している。すなわち、このグラフにハッチングを施して示す積算領域a,bは、正側積算器K1によって信号値の積算が行われる領域に対応し、積算領域c,dは、負側積算器K2によって信号値の積算が行われる領域に対応する。図9に示す例のように、Z軸変位検出信号SΔzの位相が、Z軸駆動信号DrZの位相に対して正確に90°遅れている場合、積算領域aの面積と積算領域bの面積とは等しくなり、積算領域cの面積と積算領域dの面積とは等しくなる。ただ、積算領域a,dは負の信号値、積算領域b,cは正の信号値を示す領域であるから、結局、正側積算器K1による積算値は零になり、負側積算器K2による積算値も零になり、差分器K3から出力される出力信号Soutは零になる。   FIG. 9 (6) shows the integration process of the signal value of the Z-axis displacement detection signal SΔz. That is, the integration areas a and b shown by hatching in this graph correspond to areas where signal values are integrated by the positive side integrator K1, and the integration areas c and d are signal values by the negative side integrator K2. This corresponds to the region where the integration is performed. As in the example shown in FIG. 9, when the phase of the Z-axis displacement detection signal SΔz is exactly 90 ° behind the phase of the Z-axis drive signal DrZ, the area of the integration region a and the area of the integration region b Are equal, and the area of the integration region c is equal to the area of the integration region d. However, since the integration areas a and d are areas showing negative signal values and the integration areas b and c are areas showing positive signal values, the integration value by the positive side integrator K1 eventually becomes zero, and the negative side integrator K2 The integrated value due to becomes zero, and the output signal Sout output from the differentiator K3 becomes zero.

したがって、図9(7) に示すように、同期検波器445から出力されるZ軸位相測定信号Fzp(図8の出力信号Sout)は、零を示す信号になる。これは、現在、振動子20が理想的な位相(すなわち、Z軸駆動信号DrZの位相に対して正確に90°遅れている位相)をもってZ軸方向に振動していることを示す。別言すれば、理想的な位相に対する位相差は0ということになる。このようなZ軸位相測定信号Fzpがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部110は、Z軸駆動信号発生部150に対して、発生するZ軸駆動信号DrZの周波数fzをそのまま維持させる制御を行う。   Therefore, as shown in FIG. 9 (7), the Z-axis phase measurement signal Fzp (output signal Sout in FIG. 8) output from the synchronous detector 445 becomes a signal indicating zero. This indicates that the vibrator 20 currently vibrates in the Z-axis direction with an ideal phase (that is, a phase that is exactly 90 ° behind the phase of the Z-axis drive signal DrZ). In other words, the phase difference with respect to the ideal phase is zero. When such a Z-axis phase measurement signal Fzp is fed back as a feedback signal, the feedback controller 110 controls the Z-axis drive signal generator 150 to maintain the frequency fz of the generated Z-axis drive signal DrZ as it is. I do.

次に、何らかの要因によって、振動子20のZ軸方向への振動位相が理想的な位相からずれた場合を考えてみよう。図10は、位相が若干遅れた場合の各信号波形を示す波形図である。すなわち、図10(2) に示すZ軸駆動信号DrZの位相に対する、図10(3) に示すZ軸変位検出信号SΔzの位相差は90°を越えており、理想的な振動状態から逸脱していることになる。この場合、図10(6) を見るとわかるとおり、グラフにハッチングを施して示す積算領域a,b,c,dの面積に変化が生じる。具体的には、積算領域a,cの面積は、積算領域b,dの面積よりも大きくなる。このため、各積算領域を符号を考慮して積算すれば、正側積算器K1による積算値(積算領域a,b)は負になり、負側積算器K2による積算値(積算領域c,d)は正になる。結局、差分器K3から出力される出力信号Soutは負になる。   Next, let us consider a case where the vibration phase of the vibrator 20 in the Z-axis direction deviates from an ideal phase due to some factor. FIG. 10 is a waveform diagram showing signal waveforms when the phase is slightly delayed. That is, the phase difference of the Z-axis displacement detection signal SΔz shown in FIG. 10 (3) with respect to the phase of the Z-axis drive signal DrZ shown in FIG. 10 (2) exceeds 90 °, and deviates from an ideal vibration state. Will be. In this case, as can be seen from FIG. 10 (6), the areas of the integration regions a, b, c, d shown by hatching the graph change. Specifically, the areas of the integration areas a and c are larger than the areas of the integration areas b and d. For this reason, if each integration region is integrated in consideration of the sign, the integration value (integration region a, b) by the positive side integrator K1 becomes negative, and the integration value by the negative side integrator K2 (integration region c, d). ) Becomes positive. Eventually, the output signal Sout output from the differentiator K3 becomes negative.

したがって、図10(7) に示すように、同期検波器445から出力されるZ軸位相測定信号Fzp(図8の出力信号Sout)は、負の値を示す信号になる(図10(7) の一点鎖線は、零の値を示す基準レベルであり、実線が信号Fzpの実際のレベルを示す)。これは、現在、振動子20が理想的な位相から遅れて振動していることを示す。別言すれば、図10(7) の一点鎖線レベルと実線レベルとの差が、理想的な位相に対する位相差ということになる。このようなZ軸位相測定信号Fzpがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部110は、Z軸駆動信号発生部150に対して、発生するZ軸駆動信号DrZの周波数fzを低め、位相遅延を解消させる制御を行う(本願発明者が行った実験では、周波数fzを低くすると、位相を進める制御が可能になることが確認できた)。   Therefore, as shown in FIG. 10 (7), the Z-axis phase measurement signal Fzp (output signal Sout in FIG. 8) output from the synchronous detector 445 becomes a signal indicating a negative value (FIG. 10 (7)). The one-dot chain line is a reference level indicating a value of zero, and the solid line indicates the actual level of the signal Fzp). This indicates that the vibrator 20 is oscillating with a delay from the ideal phase. In other words, the difference between the one-dot chain line level and the solid line level in FIG. 10 (7) is the phase difference with respect to the ideal phase. When such a Z-axis phase measurement signal Fzp is fed back as a feedback signal, the feedback controller 110 lowers the frequency fz of the generated Z-axis drive signal DrZ with respect to the Z-axis drive signal generator 150, thereby delaying the phase. (In an experiment conducted by the inventor of the present application, it has been confirmed that if the frequency fz is lowered, control for advancing the phase becomes possible).

逆に、図11は、位相が若干進んだ場合の各信号波形を示す波形図である。すなわち、図11(2) に示すZ軸駆動信号DrZの位相に対する、図11(3) に示すZ軸変位検出信号SΔzの位相差は90°を割っており、理想的な振動状態から逸脱していることになる。この場合、図11(6) を見るとわかるとおり、グラフにハッチングを施して示す積算領域a,b,c,dの面積に変化が生じる。具体的には、積算領域a,cの面積は、積算領域b,dの面積よりも小さくなる。このため、各積算領域を符号を考慮して積算すれば、正側積算器K1による積算値(積算領域a,b)は正になり、負側積算器K2による積算値(積算領域c,d)は負になる。結局、差分器K3から出力される出力信号Soutは正になる。   Conversely, FIG. 11 is a waveform diagram showing signal waveforms when the phase is slightly advanced. That is, the phase difference of the Z-axis displacement detection signal SΔz shown in FIG. 11 (3) with respect to the phase of the Z-axis drive signal DrZ shown in FIG. 11 (2) divides 90 °, and deviates from an ideal vibration state. Will be. In this case, as can be seen from FIG. 11 (6), the areas of the integration regions a, b, c, d shown by hatching the graph are changed. Specifically, the areas of the integration areas a and c are smaller than the areas of the integration areas b and d. For this reason, if each integration region is integrated in consideration of the sign, the integration value (integration region a, b) by the positive side integrator K1 becomes positive, and the integration value (integration region c, d) by the negative side integrator K2 is positive. ) Becomes negative. Eventually, the output signal Sout output from the differentiator K3 becomes positive.

したがって、図11(7) に示すように、同期検波器445から出力されるZ軸位相測定信号Fzp(図8の出力信号Sout)は、正の値を示す信号になる(図11(7) の一点鎖線は、零の値を示す基準レベルであり、実線が信号Fzpの実際のレベルを示す)。これは、現在、振動子20が理想的な位相から進んで振動していることを示す。別言すれば、図11(7) の一点鎖線レベルと実線レベルとの差が、理想的な位相に対する位相差ということになる。このようなZ軸位相測定信号Fzpがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部110は、Z軸駆動信号発生部150に対して、発生するZ軸駆動信号DrZの周波数fzを高め、位相進みを解消させる制御を行う(本願発明者が行った実験では、周波数fzを高くすると、位相を遅らせる制御が可能になることが確認できた)。   Therefore, as shown in FIG. 11 (7), the Z-axis phase measurement signal Fzp (output signal Sout in FIG. 8) output from the synchronous detector 445 becomes a signal indicating a positive value (FIG. 11 (7)). The one-dot chain line is a reference level indicating a value of zero, and the solid line indicates the actual level of the signal Fzp). This indicates that the vibrator 20 is currently oscillating from an ideal phase. In other words, the difference between the one-dot chain line level and the solid line level in FIG. 11 (7) is the phase difference with respect to the ideal phase. When such a Z-axis phase measurement signal Fzp is fed back as a feedback signal, the feedback control unit 110 increases the frequency fz of the generated Z-axis drive signal DrZ to the Z-axis drive signal generation unit 150 to advance the phase. (In an experiment conducted by the inventor of the present application, it has been confirmed that when the frequency fz is increased, it is possible to control to delay the phase).

以上、図3に示す同期検波器445によって、第1の安定振動期βzの期間、Z軸位相測定信号Fzpが得られる理由を説明したが、同様に、同期検波器441によって、第2の安定振動期βxの期間、X軸位相測定信号Fxpが得られることになる。こうして、得られた各位相測定信号Fzp,Fxpは、上述したとおり、フィードバック制御部110へと帰還され、フィードバック制御部110によって、これらの帰還信号の信号値が零になるように、Z軸駆動信号発生部150が発生させるZ軸駆動信号DrZおよびX軸駆動信号発生部140が発生させるZ軸駆動信号DrXの周波数を調整する制御が行われる。   The reason why the Z-axis phase measurement signal Fzp is obtained during the first stable oscillation period βz by the synchronous detector 445 shown in FIG. 3 has been described above. The X-axis phase measurement signal Fxp is obtained during the oscillation period βx. Thus, the obtained phase measurement signals Fzp and Fxp are fed back to the feedback control unit 110 as described above, and the feedback control unit 110 drives the Z-axis so that the signal values of these feedback signals become zero. Control is performed to adjust the frequencies of the Z-axis drive signal DrZ generated by the signal generator 150 and the Z-axis drive signal DrX generated by the X-axis drive signal generator 140.

続いて、図3に示す同期検波器442として図8に示す回路を用い、入力信号Sinとして、X軸変位検出信号SΔxを与えた場合に、この回路から得られる出力信号Soutが、振動子20に作用したX軸方向のコリオリ力、すなわち、Y軸まわりの角速度ωyを示す信号になる理由を簡単に説明しよう。   Subsequently, when the circuit shown in FIG. 8 is used as the synchronous detector 442 shown in FIG. 3 and the X-axis displacement detection signal SΔx is given as the input signal Sin, the output signal Sout obtained from this circuit is the transducer 20. The reason why the signal indicates the Coriolis force in the X-axis direction, that is, the angular velocity ωy around the Y-axis, which has been applied to is described briefly.

図12は、図3に示す検出回路において、Y軸まわりの角速度が作用していない状態での動作を説明する信号波形図である。図12(1) に示すとおり、この図における時間軸は、第1の半周期Tz内の安定振動期βzの一部分を示している。この期間内は、センサ本体部に対して、図12(2) に示すようなZ軸駆動信号DrZが与えられており、振動子20は、Z軸方向に振動している。このため、図12(3) に示すようなZ軸変位検出信号SΔzが得られている。前述したとおり、振動子20が理想的な態様で振動していれば、Z軸変位検出信号SΔzの位相は、Z軸駆動信号DrZの位相に対して90°遅れることになる。図12の各波形は、このときの状態を示している。   FIG. 12 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the detection circuit shown in FIG. 3 in the state where the angular velocity around the Y axis is not acting. As shown in FIG. 12 (1), the time axis in this figure shows a part of the stable oscillation period βz within the first half period Tz. During this period, a Z-axis drive signal DrZ as shown in FIG. 12 (2) is given to the sensor main body, and the vibrator 20 vibrates in the Z-axis direction. Therefore, a Z-axis displacement detection signal SΔz as shown in FIG. 12 (3) is obtained. As described above, if the vibrator 20 vibrates in an ideal manner, the phase of the Z-axis displacement detection signal SΔz is delayed by 90 ° with respect to the phase of the Z-axis drive signal DrZ. Each waveform in FIG. 12 shows the state at this time.

このように、振動子20がZ軸方向に振動している状態において、Y軸まわりの角速度が作用していなければ、X軸方向へのコリオリ力は作用しないので、振動子20がX軸方向に関して変位することはない。したがって、図12(6) に示すように、X軸変位検出信号SΔxは、零レベルを示す信号になる。同期検波器442には、このような零レベルを示すX軸変位検出信号SΔxが与えられるので、その出力信号、すなわち、Y軸まわりの角速度検出信号ωyは、図12(7) に示すように、零レベルを示す信号になる。   Thus, when the vibrator 20 is vibrating in the Z-axis direction, if the angular velocity around the Y-axis is not acting, the Coriolis force in the X-axis direction does not act, so the vibrator 20 is in the X-axis direction. There is no displacement with respect to. Therefore, as shown in FIG. 12 (6), the X-axis displacement detection signal SΔx is a signal indicating a zero level. Since the X-axis displacement detection signal SΔx indicating such a zero level is given to the synchronous detector 442, the output signal, that is, the angular velocity detection signal ωy around the Y-axis is as shown in FIG. 12 (7). , A signal indicating a zero level.

一方、図13は、図3に示す検出回路において、Y軸まわりの角速度が作用している状態での動作を説明する信号波形図である。振動子20がZ軸方向に振動している状態において、Y軸まわりの角速度が作用していると、X軸方向へのコリオリ力が作用し、振動子20はX軸方向に関して変位する。もっとも、コリオリ力が作用する方向は、振動子20の運動方向に依存するので、振動子20がZ軸正方向へ向かって運動しているときと、Z軸負方向へ向かって運動しているときとでは、Y軸まわりの角速度の向きや大きさが全く同じであっても、X軸方向へのコリオリ力の向きは逆転する。   On the other hand, FIG. 13 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the detection circuit shown in FIG. 3 in the state where the angular velocity around the Y axis is acting. When the vibrator 20 is vibrating in the Z-axis direction, if an angular velocity around the Y-axis is applied, a Coriolis force in the X-axis direction is applied, and the vibrator 20 is displaced in the X-axis direction. However, since the direction in which the Coriolis force acts depends on the movement direction of the vibrator 20, when the vibrator 20 is moving in the positive direction of the Z axis and in the negative direction of the Z axis. Sometimes, the direction of the Coriolis force in the X-axis direction is reversed even if the direction and magnitude of the angular velocity about the Y-axis are exactly the same.

たとえば、図13(3) のZ軸変位検出信号SΔzの信号値は、振動子20のZ軸に関する位置を示すものであるが、グラフ上の点P1は、Z=0の位置をZ軸正方向に向かって通過した瞬間を示し、点P2は、Z軸正方向の最大振幅地点に到達した瞬間を示し、点P3は、Z=0の位置をZ軸負方向に向かって通過した瞬間を示し、点P4は、Z軸負方向の最大振幅地点に到達した瞬間を示している。したがって、点P0〜P2へ移動する前半プロセスでは、振動子はZ軸正方向の速度成分をもって運動しており(点P1を通過する瞬間に正の最大速度をとる)、点P2〜P4へ移動する後半プロセスでは、振動子はZ軸負方向の速度成分をもって運動している(点P3を通過する瞬間に負の最大速度をとる)。   For example, the signal value of the Z-axis displacement detection signal SΔz in FIG. 13 (3) indicates the position of the vibrator 20 with respect to the Z-axis, but the point P1 on the graph indicates that the position of Z = 0 is the Z-axis positive. The point P2 indicates the moment when it reaches the maximum amplitude point in the positive direction of the Z axis, and the point P3 indicates the moment when it passes through the Z = 0 position in the negative direction of the Z axis. The point P4 indicates the moment when the maximum amplitude point in the negative Z-axis direction is reached. Therefore, in the first half process of moving to the points P0 to P2, the vibrator moves with a velocity component in the positive direction of the Z axis (takes the maximum positive velocity at the moment of passing through the point P1), and moves to the points P2 to P4. In the latter half process, the vibrator moves with a velocity component in the negative direction of the Z axis (takes the maximum negative velocity at the moment of passing through the point P3).

ここで、振動子に作用するX軸方向のコリオリ力は、振動子のZ軸方向の速度成分に比例したものになり、振動子のX軸方向への変位も、これに応じたものになるので、この場合、図13(6) に示すようなX軸変位検出信号SΔxが得られる。同期検波器442には、このようなX軸変位検出信号SΔxが与えられるので、その出力信号、すなわち、Y軸まわりの角速度検出信号ωyは、図13(7) に示すように、所定のレベルを示す信号になる。すなわち、図13(6) に示すように、正側積算器K1による積算値(積算領域e)は正になり、負側積算器K2による積算値(積算領域f)は負になるので、差分器K3から出力される両者の差に相当する出力信号Soutは正の値になる。図13(7) において、一点鎖線は零レベルを示しており、実線は、出力信号Soutのレベル、すなわち、Y軸まわりの角速度検出信号ωyを示している。   Here, the Coriolis force in the X-axis direction acting on the vibrator is proportional to the velocity component of the vibrator in the Z-axis direction, and the displacement of the vibrator in the X-axis direction is also in accordance with this. Therefore, in this case, an X-axis displacement detection signal SΔx as shown in FIG. 13 (6) is obtained. Since the X-axis displacement detection signal SΔx is given to the synchronous detector 442, the output signal, that is, the angular velocity detection signal ωy around the Y-axis, has a predetermined level as shown in FIG. 13 (7). It becomes the signal which shows. That is, as shown in FIG. 13 (6), the integrated value (integrated region e) by the positive integrator K1 becomes positive, and the integrated value (integrated region f) by the negative integrator K2 becomes negative. The output signal Sout corresponding to the difference between the two output from the device K3 has a positive value. In FIG. 13 (7), the alternate long and short dash line indicates the zero level, and the solid line indicates the level of the output signal Sout, that is, the angular velocity detection signal ωy around the Y axis.

以上、図3に示す同期検波器442によって、第1の安定振動期βzの期間、Y軸まわりの角速度検出信号ωyが得られる理由を説明したが、同様に、同期検波器443によって、第1の安定振動期βzの期間、X軸まわりの角速度検出信号ωxが得られ、同期検波器444によって、第2の安定振動期βxの期間、Z軸まわりの角速度検出信号ωzが得られる。   As described above, the reason why the angular velocity detection signal ωy around the Y axis can be obtained by the synchronous detector 442 shown in FIG. 3 during the first stable oscillation period βz has been described. An angular velocity detection signal ωx around the X axis is obtained during the stable vibration period βz, and the angular velocity detection signal ωz around the Z axis is obtained by the synchronous detector 444 during the second stable vibration period βx.

このように、図3に示す検出回路において、センサ本体部300の下方に描かれている400番台の符号が付された要素により、X軸振幅測定信号Fxa,X軸位相測定信号Fxp,Z軸振幅測定信号Fza,Z軸位相測定信号Fzp,X軸まわりの角速度検出信号ωx,Y軸まわりの角速度検出信号ωy,Z軸まわりの角速度検出信号ωzが得られることになる。しかも、これらの各信号は、X軸検波イネーブル信号EnXによって示される安定振動期βxもしくはZ軸検波イネーブル信号EnZによって示される安定振動期βzの期間のみについて、振動子の変位を検出して得られる信号であるので、振動子の振動が安定した期間についての正確な値になる。   As described above, in the detection circuit shown in FIG. 3, the X-axis amplitude measurement signal Fxa, the X-axis phase measurement signal Fxp, and the Z-axis are indicated by the elements having the 400th symbol drawn below the sensor body 300. The amplitude measurement signal Fza, the Z-axis phase measurement signal Fzp, the angular velocity detection signal ωx around the X axis, the angular velocity detection signal ωy around the Y axis, and the angular velocity detection signal ωz around the Z axis are obtained. Moreover, each of these signals is obtained by detecting the displacement of the vibrator only during the period of the stable oscillation period βx indicated by the X-axis detection enable signal EnX or the stable oscillation period βz indicated by the Z-axis detection enable signal EnZ. Since it is a signal, it is an accurate value for a period in which the vibration of the vibrator is stable.

結局、図3に示す検出回路におけるゲートスイッチ421とAM検波器431は、第2の安定振動期βxの期間、X軸正側検出用素子の検出信号とX軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のX軸方向への変位を示す検出値SΔxに基づいて、振動子のX軸方向の振幅Fxaを測定するX軸振幅測定部を構成し、ゲートスイッチ425とAM検波器432は、第1の安定振動期βzの期間、Z軸変位検出用素子から得られる振動子のZ軸方向への変位を示す検出値SΔzに基づいて、振動子のZ軸方向の振幅Fzaを測定するZ軸振幅測定部を構成することになる。   After all, the gate switch 421 and the AM detector 431 in the detection circuit shown in FIG. 3 are detected during the second stable oscillation period βx, the detection signal of the X-axis positive detection element and the detection signal of the X-axis negative detection element. Based on the detected value SΔx indicating the displacement of the vibrator in the X-axis direction obtained as a difference between the X-axis amplitude and the X-axis amplitude measurement unit that measures the amplitude Fxa of the vibrator in the X-axis direction. The detector 432 detects the amplitude of the vibrator in the Z-axis direction based on the detection value SΔz indicating the displacement of the vibrator in the Z-axis direction obtained from the Z-axis displacement detection element during the first stable vibration period βz. A Z-axis amplitude measuring unit that measures Fza is configured.

また、ゲートスイッチ421と同期検波器441は、第2の安定振動期βxの期間、正側同期検波信号SdAおよび負側同期検波信号SdBを利用することにより、X軸正側検出用素子の検出信号とX軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のX軸方向への変位を示す検出値SΔxに基づいて、振動子のX軸方向の位相Fxpを測定するX軸位相測定部を構成し、ゲートスイッチ425と同期検波器445は、第1の安定振動期βzの期間、正側同期検波信号SdAおよび負側同期検波信号SdBを利用することにより、Z軸変位検出用素子から得られる振動子のZ軸方向への変位を示す検出値SΔzに基づいて、振動子のZ軸方向の位相Fzpを測定するZ軸位相測定部を構成することになる。   Further, the gate switch 421 and the synchronous detector 441 detect the X-axis positive detection element by using the positive synchronous detection signal SdA and the negative synchronous detection signal SdB during the second stable oscillation period βx. X axis for measuring the phase Fxp of the vibrator in the X axis direction based on the detection value SΔx indicating the displacement of the vibrator in the X axis direction obtained as the difference between the signal and the detection signal of the X axis negative side detection element The phase measurement unit is configured, and the gate switch 425 and the synchronous detector 445 detect the Z-axis displacement by using the positive side synchronous detection signal SdA and the negative side synchronous detection signal SdB during the first stable oscillation period βz. Based on the detected value SΔz indicating the displacement of the vibrator in the Z-axis direction obtained from the element for use, a Z-axis phase measurement unit that measures the phase Fzp of the vibrator in the Z-axis direction is configured.

一方、ゲートスイッチ422と同期検波器442は、第1の安定振動期βzの期間、正側同期検波信号SdAおよび負側同期検波信号SdBを利用することにより、X軸正側検出用素子の検出信号とX軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値SΔxに基づいて、Y軸まわりの角速度ωyを示す電気信号を出力するY軸まわり角速度検出部を構成し、ゲートスイッチ423と同期検波器443は、第1の安定振動期βzの期間、正側同期検波信号SdAおよび負側同期検波信号SdBを利用することにより、Y軸正側検出用素子の検出信号とY軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値SΔyに基づいて、X軸まわりの角速度ωxを示す電気信号を出力するX軸まわり角速度検出部を構成し、ゲートスイッチ424と同期検波器444は、第2の安定振動期βxの期間、正側同期検波信号SdAおよび負側同期検波信号SdBを利用することにより、Y軸正側検出用素子の検出信号とY軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値SΔyに基づいて、Z軸まわりの角速度ωzを示す電気信号を出力するZ軸まわり角速度検出部を構成することになる。   On the other hand, the gate switch 422 and the synchronous detector 442 detect the X-axis positive detection element by using the positive synchronous detection signal SdA and the negative synchronous detection signal SdB during the first stable oscillation period βz. Based on the detection value SΔx indicating the difference between the signal and the detection signal of the X-axis negative side detection element, a Y-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating the angular velocity ωy around the Y-axis is configured, and the gate switch 423 And the synchronous detector 443 uses the positive side synchronous detection signal SdA and the negative side synchronous detection signal SdB during the first stable oscillation period βz, so that the detection signal of the Y axis positive side detection element and the Y axis negative detection signal Based on the detected value SΔy indicating the difference from the detection signal of the side detection element, an X-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating the angular velocity ωx around the X-axis is configured, and the gate switch 424 and the synchronous detector 44 are configured. Uses the positive side synchronous detection signal SdA and the negative side synchronous detection signal SdB during the second stable oscillation period βx, so that the detection signal of the Y axis positive detection element and the negative detection element of the Y axis are detected. Based on the detection value SΔy indicating the difference from the detection signal, the Z-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating the angular velocity ωz around the Z-axis is configured.

そして、図3に示すフィードバック制御部110は、Z軸振幅測定部によって測定された振幅FzaおよびZ軸位相測定部によって測定された位相Fzpに基づいて、Z軸駆動信号発生部150が発生するZ軸駆動信号DrZの周波数fzおよび振幅Azが所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、X軸振幅測定部によって測定された振幅FxaおよびX軸位相測定部によって測定された位相Fxpに基づいて、X軸駆動信号発生部140が発生するX軸駆動信号DrXの周波数fxおよび振幅Axが所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御する機能を果たす。   The feedback control unit 110 shown in FIG. 3 generates the Z generated by the Z-axis drive signal generation unit 150 based on the amplitude Fza measured by the Z-axis amplitude measurement unit and the phase Fzp measured by the Z-axis phase measurement unit. Feedback control is performed so that the frequency fz and the amplitude Az of the axis drive signal DrZ have a predetermined reference frequency and reference amplitude, and the amplitude Fxa measured by the X-axis amplitude measurement unit and the phase Fxp measured by the X-axis phase measurement unit Based on the above, the feedback control is performed so that the frequency fx and the amplitude Ax of the X-axis drive signal DrX generated by the X-axis drive signal generator 140 become the predetermined reference frequency and reference amplitude.

なお、このようなフィードバック制御の方法は、たとえば、抵抗、キャパシタンス、インダクタンスなどの回路要素を組み合わせた制御回路によるPID制御法や、マイクロプロセッサを用いた制御法などが公知であるため、ここでは詳しい説明は省略する。   As such feedback control method, for example, a PID control method using a control circuit combining circuit elements such as resistance, capacitance, and inductance, a control method using a microprocessor, and the like are well known. Description is omitted.

<<< §5.センサの全般動作 >>>
図14は、本発明に係る角速度センサの全般動作を説明する信号波形図である。既に述べたとおり、図3に示す検出回路は、図14(1) に示すように、両半周期Tz,Txによって構成される周期Tごとの繰り返し動作を行う機能を有しており、図14(2) ,(3) に示すように、Z軸駆動信号DrZとX軸駆動信号DrXを用いて、振動子をZ軸方向およびX軸方向に交互に振動させる。一方、検波動作は、図14(4) ,(5) に示すZ軸検波イネーブル信号EnZおよびX軸検波イネーブル信号EnXによって示される第1の安定振動期βzおよび第2の安定振動期βxの期間についてのみ行われる。
<<< §5. General sensor operation >>>
FIG. 14 is a signal waveform diagram for explaining the general operation of the angular velocity sensor according to the present invention. As described above, the detection circuit shown in FIG. 3 has a function of performing a repetitive operation for each period T constituted by both half periods Tz and Tx, as shown in FIG. 14 (1). As shown in (2) and (3), the vibrator is vibrated alternately in the Z-axis direction and the X-axis direction using the Z-axis drive signal DrZ and the X-axis drive signal DrX. On the other hand, the detection operation is performed during the period of the first stable vibration period βz and the second stable vibration period βx indicated by the Z-axis detection enable signal EnZ and the X-axis detection enable signal EnX shown in FIGS. 14 (4) and (5). Only done about.

したがって、図14(6) に示すとおり、Z軸振幅測定信号Fza,Z軸位相測定信号Fzp,X軸振幅測定信号Fxa,X軸位相測定信号Fxp,X軸まわりの角速度検出信号ωx,Y軸まわりの角速度検出信号ωy,Z軸まわりの角速度検出信号ωzは、それぞれ図にハッチングを施した期間のみ得られる。ここで、Z軸振幅測定信号FzaおよびZ軸位相測定信号Fzpは、振動子をZ軸方向に振動させるときの制御に利用されるため、図示のとおり、第1の安定振動期βzの間に得られていれば十分であり、また、X軸振幅測定信号FxaおよびX軸位相測定信号Fxpは、振動子をX軸方向に振動させるときの制御に利用されるため、図示のとおり、第2の安定振動期βxの間に得られていれば十分である。   Therefore, as shown in FIG. 14 (6), the Z-axis amplitude measurement signal Fza, the Z-axis phase measurement signal Fzp, the X-axis amplitude measurement signal Fxa, the X-axis phase measurement signal Fxp, the angular velocity detection signal ωx around the X axis, and the Y axis The angular velocity detection signal ωy around and the angular velocity detection signal ωz around the Z axis are obtained only during the hatched period in the figure. Here, since the Z-axis amplitude measurement signal Fza and the Z-axis phase measurement signal Fzp are used for control when the vibrator is vibrated in the Z-axis direction, as illustrated, during the first stable vibration period βz. It is sufficient if it is obtained, and the X-axis amplitude measurement signal Fxa and the X-axis phase measurement signal Fxp are used for control when the vibrator is vibrated in the X-axis direction. It is sufficient if it is obtained during the stable oscillation period βx.

これに対して、角速度検出信号ωx,ωy,ωzは、この角速度センサの主たる出力信号であり、実用上は、常に何らかの信号出力が得られるようにするのが好ましい。そこで、角速度検出部として機能する同期検波器442,443,444には、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能をもたせ、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力させるのが好ましい。   On the other hand, the angular velocity detection signals ωx, ωy, and ωz are main output signals of the angular velocity sensor, and it is preferable that, in practice, some signal output is always obtained. Therefore, the synchronous detectors 442, 443, and 444 functioning as the angular velocity detection unit have a function of holding the immediately preceding detection value when the stable vibration period is not reached, and the period until the next stable vibration period comes. It is preferable to continuously output the held detection value.

具体的には、図14(6) に示すとおり、角速度検出信号ωx,ωyの検出値は、図にハッチングを施して示す第1の安定振動期βzの期間内しか得られないが、第1の安定振動期βzの終期において、その時点の検出値を保持させておき、次の第1の安定振動期βzがくるまでの間、保持させておいた検出値をそのまま継続して出力させるようにすればよい。同様に、角速度検出信号ωzの検出値は、図にハッチングを施して示す第2の安定振動期βxの期間内しか得られないが、第2の安定振動期βxの終期において、その時点の検出値を保持させておき、次の第2の安定振動期βxがくるまでの間、保持させておいた検出値をそのまま継続して出力させるようにすればよい。   Specifically, as shown in FIG. 14 (6), the detected values of the angular velocity detection signals ωx and ωy are obtained only within the period of the first stable vibration period βz shown by hatching in the figure. At the end of the stable vibration period βz, the detected value at that time is held, and the detected value held until the next first stable vibration period βz comes to be output as it is. You can do it. Similarly, the detected value of the angular velocity detection signal ωz is obtained only within the period of the second stable vibration period βx shown by hatching in the figure, but at the end of the second stable vibration period βx, the detection at that time is detected. The value may be held, and the detected value held until the next second stable vibration period βx comes to be output as it is.

この場合、ハッチングを施した期間内は、リアルタイムで更新される正確な検出値が出力されるのに対して、それ以外の期間内は、保持されている過去の検出値が継続して出力されることになるため、検出値の精度は低下する。ただ、検出周期Tを、ある程度短い時間に設定しておけば、実用上、支障のない検出値を得ることができる。たとえば、上述の実施例の場合、T=12.5msなる設定を行っているので、保持した検出値を継続して出力するようにしても、一般的な用途に利用する上では何ら支障は生じない。   In this case, accurate detection values that are updated in real time are output during the hatched period, while past detected values that are retained are continuously output during other periods. As a result, the accuracy of the detected value decreases. However, if the detection cycle T is set to a relatively short time, a detection value that is practically satisfactory can be obtained. For example, in the case of the above-described embodiment, since T = 12.5 ms is set, even if the held detection value is continuously output, there is no problem in using it for general purposes. Absent.

既に述べたとおり、本発明に係る角速度センサにおいて、振動子を振動させる周波数は、振動方向に関して固有の共振周波数f0に設定するのが好ましい。図15は、一般的な機械的振動系の周波数特性を示すグラフである。グラフAは、振動周波数fに対する振幅を示すグラフである。同じエネルギーを供給して振動子を励振させたとしても、図示のとおり、共振周波数f0で振動させたときの振幅が最も大きくなる。したがって、フィードバック制御部110が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、駆動信号の周波数がf0となるような制御を行うようにすれば、非常に効率的な検出動作が可能になる。   As already described, in the angular velocity sensor according to the present invention, it is preferable that the frequency for vibrating the vibrator is set to a resonance frequency f0 unique to the vibration direction. FIG. 15 is a graph showing frequency characteristics of a general mechanical vibration system. Graph A is a graph showing the amplitude with respect to the vibration frequency f. Even when the same energy is supplied to excite the vibrator, the amplitude when the vibrator is vibrated at the resonance frequency f0 is the largest as shown in the figure. Therefore, when the feedback control unit 110 performs feedback control for each half cycle, when the resonance frequency of the vibrator with respect to the vibration direction of the half cycle is set to f0, the drive signal frequency is set to f0. If this is performed, a very efficient detection operation becomes possible.

振動子の共振周波数f0は、振動軸ごとにそれぞれ固有の値になる。上述した実施例の場合、Z軸方向に振動させる場合の共振周波数とX軸方向に振動させる場合の共振周波数とは、それぞれ別個の固有値になるので、第1の半周期Tzと第2の半周期Txとでは、それぞれ振動子は別個の周波数で振動させることになる。もちろん、センサ本体部の構造を適当に設計することにより、Z軸方向の共振周波数とX軸方向の共振周波数とを一致させることも可能である。   The resonance frequency f0 of the vibrator has a unique value for each vibration axis. In the case of the above-described embodiment, the resonance frequency in the case of vibrating in the Z-axis direction and the resonance frequency in the case of vibrating in the X-axis direction have different eigenvalues, and therefore, the first half cycle Tz and the second half cycle. In the period Tx, each vibrator vibrates at a separate frequency. Of course, the resonance frequency in the Z-axis direction and the resonance frequency in the X-axis direction can be matched by appropriately designing the structure of the sensor body.

一方、グラフBは、駆動信号と実変位との位相差を示すグラフであり、位相差は、左側に示す角度軸によって示されている。図示のとおり、共振周波数f0で振動させたとき、実変位の位相は、駆動信号の位相に対して90°だけ遅延することになる。§4で述べたように、フィードバック制御部110が、位相差を90°とするような周波数制御を行うのは、このためである。一般に、振動子の共振周波数は、製品ロットごとに異なり、また、温度などの利用環境によっても変化する。しかしながら、「共振周波数で振動させたとき、実変位の位相が、駆動信号の位相に対して90°だけ遅延する」ことは普遍である。したがって、駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、90°の位相差を生じるような周波数を、周波数f0とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うようにすればよい。本発明では、「位相差を90°に維持するフィードバック制御」を行っているため、どの製品ロットについても、どのような利用環境においても、常に理想的な振動状態を維持させる正しい制御が可能になる。   On the other hand, graph B is a graph showing the phase difference between the drive signal and the actual displacement, and the phase difference is indicated by the angle axis shown on the left side. As shown in the figure, when oscillating at the resonance frequency f0, the phase of the actual displacement is delayed by 90 ° with respect to the phase of the drive signal. This is why the feedback control unit 110 performs frequency control such that the phase difference is 90 ° as described in §4. In general, the resonance frequency of the vibrator differs for each product lot, and also changes depending on the usage environment such as temperature. However, it is universal that “when oscillated at a resonance frequency, the phase of the actual displacement is delayed by 90 ° with respect to the phase of the drive signal”. Therefore, the frequency at which the phase of the drive signal and the phase of the vibrator measured by the phase measurement unit cause a phase difference of 90 ° is regarded as the frequency f0, and the frequency control for the drive signal is performed. That's fine. In the present invention, “feedback control for maintaining the phase difference at 90 °” is performed, so that it is possible to perform correct control to always maintain an ideal vibration state for any product lot in any use environment. Become.

グラフCは、位相差を示す帰還信号、すなわち、§4に示す例における位相測定信号Fxp,Fzpを示している。振動子の実際の振動周波数が共振周波数f0からずれると、この帰還信号の値も基準値からずれることになる。フィードバック制御部110は、この帰還信号が示す位相差が90°となるような制御を行う。なお、図示する近傍周波数領域Nを外れると、周波数に対する位相差の増減関係が反転するため、正しい制御を行うことができなくなるので、フィードバック制御部110は、近傍周波数領域Nを逸脱しないような制御を行う必要がある。   Graph C shows the feedback signal indicating the phase difference, that is, the phase measurement signals Fxp and Fzp in the example shown in §4. When the actual vibration frequency of the vibrator deviates from the resonance frequency f0, the value of the feedback signal also deviates from the reference value. The feedback control unit 110 performs control such that the phase difference indicated by the feedback signal is 90 °. It should be noted that since the increase / decrease relationship of the phase difference with respect to the frequency is reversed if the frequency range outside the illustrated vicinity frequency region N is deviated, correct control cannot be performed. Therefore, the feedback control unit 110 does not deviate from the vicinity frequency region N. Need to do.

なお、実際には、振動子を正確に共振周波数f0で振動させると、系が非線形となり、効率的な制御を行うことができないことが知られている。したがって、実用上は、振動子の振動周波数を正確な共振周波数f0に一致させるような制御を行う代わりに、若干、共振周波数f0からずれた所定周波数に維持するような制御を行うのが好ましい。すなわち、フィードバック制御部110が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、駆動信号の周波数がf0の近傍の所定周波数(但し、当該周波数f0は除く別な周波数)となるような制御を行うようにすればよい。   Actually, it is known that when the vibrator is vibrated accurately at the resonance frequency f0, the system becomes nonlinear and efficient control cannot be performed. Therefore, in practice, it is preferable to perform control so that the vibration frequency of the vibrator is maintained at a predetermined frequency slightly shifted from the resonance frequency f0 instead of performing control so as to match the vibration frequency of the vibrator with the accurate resonance frequency f0. That is, when the feedback control unit 110 performs feedback control for each half cycle, and the resonance frequency of the vibrator in the vibration direction of the half cycle is f0, the frequency of the drive signal is a predetermined frequency near f0. However, it is only necessary to perform control such that the frequency f0 is another frequency.

上述したとおり、駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、90°の位相差を生じるような周波数で振動子が振動している場合、当該振動周波数は共振周波数f0になる。したがって、若干、共振周波数f0からずれた所定周波数に維持するような制御を行うには、位相差が90°の近傍(90°は除く)の所定値(たとえば、85°や95°)となるようなフィードバック制御を行えばよい。§4では、位相測定信号Fxp,Fzpの信号値を零にするようなフィードバック制御を行う制御動作を述べたが、位相差が85°や95°となるようなフィードバック制御を行う場合、位相測定信号Fxp,Fzpの信号値を零に近い正もしくは負の所定値に維持するようなフィードバック制御を行えばよい。   As described above, when the vibrator vibrates at a frequency that causes a phase difference of 90 ° between the phase of the drive signal and the phase of the vibrator measured by the phase measurement unit, the vibration frequency is the resonance frequency. f0. Therefore, in order to perform control to maintain a predetermined frequency slightly shifted from the resonance frequency f0, the phase difference becomes a predetermined value (for example, 85 ° or 95 °) in the vicinity of 90 ° (excluding 90 °). Such feedback control may be performed. In §4, the control operation for performing the feedback control so that the signal values of the phase measurement signals Fxp and Fzp are made zero is described. However, when the feedback control is performed so that the phase difference is 85 ° or 95 °, the phase measurement is performed. Feedback control may be performed so as to maintain the signal values of the signals Fxp and Fzp at a predetermined positive or negative value close to zero.

<<< §6.最適な期間設定 >>>
これまで述べたとおり、本発明における測定周期Tは、振動子を第1の座標軸方向に振動させる第1の半周期T1と、第2の座標軸方向に振動させる第2の半周期T2とによって構成される。そして、図4(6) ,(7) に示すように、各半周期T1,T2を、振動子の振動状態が不安定であると予想される不安定振動期αと、振動子が安定した振動状態を維持すると予想される安定振動期βとに分け、それぞれ安定振動期βの期間内に角速度の検出を行うことになる。
<<< §6. Optimal period setting >>>
As described above, the measurement cycle T in the present invention is configured by the first half cycle T1 for vibrating the vibrator in the first coordinate axis direction and the second half cycle T2 for vibrating in the second coordinate axis direction. Is done. Then, as shown in FIGS. 4 (6) and (7), each half cycle T1, T2 is divided into an unstable vibration period α in which the vibration state of the vibrator is expected to be unstable and the vibrator is stable. It is divided into the stable vibration period β that is expected to maintain the vibration state, and the angular velocity is detected within the period of the stable vibration period β.

前述した実施例の場合、T=12.5msに設定し、80Hzの周波数で周期的動作が繰り返し実行される。そして、各半周期が等しくなるような設定を行い、T1=T2=6.25msとしている。このような期間設定は、実用上、振動子の共振周波数に応じて最適な値に設定するのが好ましい。以下にその理由を説明する。   In the case of the embodiment described above, T = 12.5 ms is set, and the periodic operation is repeatedly executed at a frequency of 80 Hz. Then, settings are made so that each half cycle becomes equal, and T1 = T2 = 6.25 ms. In practice, such a period setting is preferably set to an optimum value according to the resonance frequency of the vibrator. The reason will be described below.

本願発明に係る角速度センサに用いられる機械的な構造体は、中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、この可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、によって構成される。そこで、本願発明者は、このような機械的構造体の試作品を複数種類(各部の寸法、形状、材質などを変えたもの)実際に作成し、あるいは、コンピュータシミュレーションプログラム上で設計し、それぞれの試作品について、特定の座標軸方向に関する共振周波数と当該軸方向に振動させた場合の不安定振動期αとの関係を実測、あるいは、シミュレーションによって調べてみた。   The mechanical structure used for the angular velocity sensor according to the present invention is joined to a flexible support having an upper surface parallel to the XY plane and a center at the lower surface of the flexible support. Vibrator, a fixing member for fixing the periphery of the flexible support, a drive element group disposed above the flexible support, and a detection element disposed above the flexible support And an element group. Therefore, the present inventor actually created a plurality of prototypes of such mechanical structures (changed dimensions, shapes, materials, etc. of each part) or designed them on a computer simulation program, With respect to the prototype, the relationship between the resonance frequency in a specific coordinate axis direction and the unstable vibration period α when vibrating in the axis direction was examined by actual measurement or simulation.

その結果、特定の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、不安定振動期の長さαは、(1/f0)×50〜(1/f0)×125の範囲に分布することが判明した。なお、振動子の振動状態が安定したと判断する時点としては、振幅値が「定常振幅値」の90%に到達した時点とした。ここで、「定常振幅値」とは、振動子を特定の振動方向に十分に長い期間(たとえば、数秒間)振動させ続け、振動子の振幅が一定となったときにおける当該振幅値をいう。「定常振幅値」に到達した時点で「振動が安定した」と判断する代わりに、その90%に到達した時点で「振動が安定した」と判断するようにしたのは、90%に到達した時点で得られた検出結果が、「定常振幅値」に到達した時点で得られた検出結果と、実用上、ほぼ同じになることが実験的に確認できたためである。   As a result, when the resonance frequency of the vibrator in a specific vibration direction is f0, the length α of the unstable vibration period is distributed in the range of (1 / f0) × 50 to (1 / f0) × 125. Turned out to be. Note that the time point at which the vibration state of the vibrator was determined to be stable was the time point at which the amplitude value reached 90% of the “steady amplitude value”. Here, the “steady amplitude value” refers to the amplitude value when the vibrator continues to vibrate in a specific vibration direction for a sufficiently long period (for example, several seconds), and the amplitude of the vibrator becomes constant. Instead of determining that “vibration was stable” when it reached “steady amplitude value”, it was determined that “vibration was stable” when it reached 90%. This is because it has been experimentally confirmed that the detection result obtained at the time point is practically the same as the detection result obtained when the “steady amplitude value” is reached.

このように、本願発明者が行った実験(実測およびシミュレーション)によれば、振動子の不安定振動期の長さαは、様々な機械的構造体によってバラツキがあるものの、振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合、概ね、α=(1/f0)×50〜(1/f0)×125の範囲に分布することになる。もちろん、「安定した測定を行う」という観点からは、不安定振動期の長さαは、いくら長く設定してもかまわない。実際、図4(6) ,(7) における期間αz,αxは、数秒に設定しても、数分に設定しても、角速度の検出は可能である。   As described above, according to experiments (actual measurement and simulation) conducted by the inventor of the present application, the length α of the unstable vibration period of the vibrator varies depending on various mechanical structures, but vibration in the vibration direction. When the resonance frequency of the child is f0, the distribution is approximately in the range of α = (1 / f0) × 50 to (1 / f0) × 125. Of course, from the viewpoint of “stable measurement”, the length α of the unstable oscillation period may be set as long as possible. Actually, the angular velocity can be detected regardless of whether the periods αz and αx in FIGS. 4 (6) and (7) are set to several seconds or minutes.

しかしながら、期間αz,αxを長く設定すればするほど、半周期Tz,Txも長くなるので、3つの座標軸まわりの角速度ωx,ωy,ωzが得られる周期が長くなり、検出値の時間軸上での分解能が低下することになり好ましくない。たとえば、半周期Tz,Txを数秒程度に設定した場合、理論的には角速度センサとして機能することになるが、そのようなセンサは、デジタルカメラの撮影時の手ぶれ検出などには到底利用することができず、実用上、商業的な製品としての価値をもたない。このように、時間軸上での分解能を高めるには、半周期Tz,Txをできるだけ短く設定するのが好ましく、そのためには、不安定振動期の長さαをできるだけ短く設定するのが好ましい。   However, as the periods αz and αx are set longer, the half periods Tz and Tx are also longer, so the period in which the angular velocities ωx, ωy, and ωz around the three coordinate axes are obtained becomes longer, and the detected value is on the time axis. This is not preferable because the resolution is reduced. For example, when the half periods Tz and Tx are set to about several seconds, the sensor functions theoretically as an angular velocity sensor, but such a sensor should be used to detect camera shake during shooting with a digital camera. It is not practical and has no value as a commercial product. As described above, in order to increase the resolution on the time axis, it is preferable to set the half periods Tz and Tx as short as possible. For this purpose, it is preferable to set the length α of the unstable oscillation period as short as possible.

結局、特定の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、(1/f0)×50≦α≦(1/f0)×125の範囲に設定すれば、どのような機械的構造体を採用するセンサについても、適切な検出動作を行うことが可能になる。したがって、本発明に係る角速度センサの検出回路を設計する上では、不安定振動期αの期間が上記範囲内となるような設計を行うのが好ましい。   Eventually, when the resonance frequency of the vibrator in a specific vibration direction is set to f0, it is expected that the vibrator will be in a stable vibration state from the start of supplying a drive signal for vibrating the vibrator in the vibration direction. If the period α up to the point in time is set within the range of (1 / f0) × 50 ≦ α ≦ (1 / f0) × 125, an appropriate detection operation can be performed for any sensor employing a mechanical structure. It becomes possible to do. Therefore, in designing the detection circuit of the angular velocity sensor according to the present invention, it is preferable to design so that the period of the unstable vibration period α is within the above range.

一方、安定振動期の長さβは、角速度の測定動作が行われる期間の長さを定めるパラメータになる。期間βを長く設定すればするほど、当該半周期において得られる検出値のサンプル数は増加することになるが、3つの座標軸まわりの角速度ωx,ωy,ωzが得られる周期が長くなり、検出値の時間軸上での分解能は低下する。本願発明者が行った実験によると、期間α=期間βに設定すると、最もバランスの良い適切な検出値を得ることができた。   On the other hand, the length β of the stable oscillation period is a parameter that determines the length of the period during which the angular velocity measurement operation is performed. The longer the period β is set, the greater the number of detected value samples obtained in the half cycle, but the longer the period in which the angular velocities ωx, ωy, and ωz around the three coordinate axes are obtained, the detected value The resolution on the time axis decreases. According to an experiment conducted by the present inventor, an appropriate detection value with the best balance could be obtained when the period α was set to the period β.

このように、期間α=期間βに設定することにすれば、半周期=α+β=2αに設定すればよいことになる。結局、第1の座標軸方向についての振動子の共振周波数をf1とし、第2の座標軸方向についての振動子の共振周波数をf2とした場合、不安定振動期の長さを、上述したとおり(1/f0)×50〜(1/f0)×125の範囲に設定することにすれば、第1の半周期T1を、(1/f1)×100≦T1≦(1/f1)×250の範囲に設定し、第2の半周期T2を、(1/f2)×100≦T2≦(1/f2)×250の範囲に設定すればよいことになる。振動子のZ軸方向の共振周波数f1とX軸方向の共振周波数f2とがほぼ等しいセンサの場合、当該共振周波数をf0として、周期Tを(1/f0)×200〜(1/f0)×500の範囲に設定すると、良好な検出が可能になる。   As described above, if the period α is set to the period β, the half cycle = α + β = 2α may be set. After all, when the resonance frequency of the vibrator in the first coordinate axis direction is f1, and the resonance frequency of the vibrator in the second coordinate axis direction is f2, the length of the unstable vibration period is as described above (1 / F0) × 50 to (1 / f0) × 125, the first half period T1 is set to a range of (1 / f1) × 100 ≦ T1 ≦ (1 / f1) × 250. And the second half cycle T2 may be set in the range of (1 / f2) × 100 ≦ T2 ≦ (1 / f2) × 250. In the case of a sensor in which the resonance frequency f1 in the Z-axis direction of the vibrator is substantially equal to the resonance frequency f2 in the X-axis direction, the resonance frequency is f0 and the period T is (1 / f0) × 200 to (1 / f0) ×. When the range is set to 500, good detection is possible.

<<< §7.その他の変形例 >>>
これまで、図1および図2に示す例のように、駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体10の上面に固定された圧電素子からなるセンサに本発明を適用した例を述べたが、本発明は、このような圧電素子を用いた角速度センサに限定されるものではない。たとえば、駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなる角速度センサについても、本発明は適用可能である。
<<< §7. Other variations >>
Until now, as in the example shown in FIG. 1 and FIG. 2, the individual elements constituting the driving element group and the detection element group are formed into piezoelectric sensors fixed to the upper surface of the flexible support 10. Although an example to which the present invention is applied has been described, the present invention is not limited to an angular velocity sensor using such a piezoelectric element. For example, each element constituting the drive element group and the detection element group includes a displacement electrode fixed to the upper surface of the flexible support and a fixed electrode fixed to a position facing the displacement electrode. The present invention can also be applied to an angular velocity sensor including a configured capacitive element.

図16は、このような容量素子を用いたセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。この図16に示すセンサ本体部において、可撓性支持体10、振動子20、固定部材30の構成は、図1に示すセンサ本体部と全く同じである。ただ、圧電素子40を設ける代わりに、容量素子が形成されている。すなわち、可撓性支持体10の上方に、台座50を介して補助基板60が接合されており、可撓性支持体10の上面に形成された共通電極Ecと、補助基板60の下面に形成された個々の個別電極とによって、個々の容量素子が形成されている。   FIG. 16 is a longitudinal sectional view showing a structure of a sensor main body using such a capacitive element. In the sensor main body shown in FIG. 16, the configurations of the flexible support 10, the vibrator 20, and the fixing member 30 are exactly the same as those of the sensor main body shown in FIG. However, instead of providing the piezoelectric element 40, a capacitive element is formed. That is, the auxiliary substrate 60 is bonded to the upper side of the flexible support 10 via the pedestal 50, and the common electrode Ec formed on the upper surface of the flexible support 10 and the lower surface of the auxiliary substrate 60 are formed. Individual capacitive elements are formed by the individual electrodes thus formed.

図17は、この図16に示すセンサ本体部の補助基板60の下面図である。補助基板60の下面に形成された12枚の電極の形状および配置は、図2に示す圧電素子10の上面に形成された12枚の電極の形状および配置と同一であり、ここでは、同一の符号を付して示してある。互いに対向する電極対によって、合計12組の容量素子群が形成される。これら12組の容量素子群は、図2に示す12組の圧電素子群とほぼ同じ機能を果たす。   FIG. 17 is a bottom view of the auxiliary substrate 60 of the sensor main body shown in FIG. The shape and arrangement of the twelve electrodes formed on the lower surface of the auxiliary substrate 60 are the same as the shape and arrangement of the twelve electrodes formed on the upper surface of the piezoelectric element 10 shown in FIG. It is shown with a reference numeral. A total of 12 capacitive element groups are formed by electrode pairs facing each other. These 12 sets of capacitive element groups perform substantially the same function as the 12 sets of piezoelectric element groups shown in FIG.

圧電素子は、上下の両電極間に電圧を印加することにより伸縮を生じる性質を有しているが、容量素子は、両電極間に電圧を印加することにより、クーロン力の作用を受け、電極間距離に変化が生じる性質を有している。したがって、各駆動用電極に交流駆動信号を与えれば、振動子を所定の座標軸方向に振動させることができる。また、圧電素子は、機械的に伸縮させる応力を受けると、上下の両電極間に電圧を発生させる性質を有しており、この性質を利用して、振動子の所定軸方向の変位を検出することができた。これに対して、上記容量素子は、可撓性支持体10を撓ませる応力を受けると、電極間距離に変化が生じ、静電容量値が変化する性質を有しており、この性質を利用して、振動子の所定軸方向の変位を検出することができる。   Piezoelectric elements have the property of causing expansion and contraction when a voltage is applied between the upper and lower electrodes. However, the capacitive element is subjected to the action of Coulomb force by applying a voltage between both electrodes. It has the property that the distance is changed. Therefore, if an AC drive signal is given to each drive electrode, the vibrator can be vibrated in a predetermined coordinate axis direction. In addition, the piezoelectric element has the property of generating a voltage between the upper and lower electrodes when subjected to mechanical expansion and contraction stress, and this property is used to detect the displacement of the vibrator in the predetermined axial direction. We were able to. On the other hand, when the capacitive element receives a stress that causes the flexible support 10 to bend, the distance between the electrodes changes, and the capacitance value changes. Thus, the displacement of the vibrator in the predetermined axis direction can be detected.

結局、図16,図17に示す容量式のセンサ本体部についても、図3に示す検出回路を適用して、これまで述べてきた方法と同じ検出動作を行うことが可能である。要するに、本発明は、中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、この可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、を備えたセンサ本体部について適用可能な技術ということができる。なお、可撓性支持体は、必ずしも平板状の基板である必要はなく、たとえば、複数の橋梁構造を備えた部材であってもかまわない。   As a result, the detection operation shown in FIG. 3 can be applied to the capacitive sensor main body shown in FIGS. 16 and 17 to perform the same detection operation as that described above. In short, the present invention relates to a flexible support having an upper surface that passes through the Z axis at the center and is parallel to the XY plane, a vibrator bonded to the center of the lower surface of the flexible support, and a flexible support. A sensor main body comprising: a fixing member for fixing the periphery of the body; a drive element group disposed above the flexible support; and a detection element group disposed above the flexible support. It can be said that the technology is applicable. The flexible support is not necessarily a flat substrate, and may be a member having a plurality of bridge structures, for example.

ここで、駆動用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側駆動用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側駆動用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側駆動用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側駆動用素子と、によって構成され、X軸正側駆動用素子とX軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がX軸に沿って振動し、Y軸正側駆動用素子とY軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がY軸に沿って振動し、4組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がZ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有していれば、圧電素子や容量素子、その他の素子であってもかまわない。   Here, the drive element group includes an X-axis positive drive element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative drive arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. And an Y-axis positive drive element arranged in the Y-axis positive area, and a Y-axis negative drive element arranged in the Y-axis negative area. When an AC drive signal is supplied to the element and the X-axis negative drive element, the vibrator vibrates along the X-axis, and an AC drive signal is supplied to the Y-axis positive drive element and the Y-axis negative drive element. Then, the vibrators vibrate along the Y-axis, and when the AC drive signal is supplied to all four driving elements, the vibrators vibrate along the Z-axis. As long as each of them has a function of causing specific bending, a piezoelectric element, a capacitive element, or another element may be used.

また、検出用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側検出用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側検出用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側検出用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側検出用素子と、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となるように配置されたZ軸変位検出用素子と、によって構成され、X軸正側検出用素子とX軸負側検出用素子とは、振動子がX軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Y軸正側検出用素子とY軸負側検出用素子とは、振動子がY軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Z軸変位検出用素子は、振動子がZ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有していれば、圧電素子や容量素子、その他の素子であってもかまわない。   The detection element group includes an X-axis positive detection element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative detection element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. The element, the Y-axis positive detection element arranged in the Y-axis positive area, the Y-axis negative detection element arranged in the Y-axis negative area, and the XZ plane and the YZ plane are symmetric. Z-axis displacement detecting elements arranged in such a manner that the X-axis positive side detecting element and the X-axis negative side detecting element are flexibly supported when the vibrator is displaced in the X-axis direction. Due to the bending that occurs in the body, the detection signals having the absolute values corresponding to the displacement and having the opposite polarities are output. The Y-axis positive side detection element and the Y-axis negative side detection element Detection of opposite polarities with absolute values corresponding to the displacement due to the bending that occurs in the flexible support when displaced in the axial direction The Z-axis displacement detecting element outputs an absolute value corresponding to the displacement and responds to the displacement direction due to the bending that occurs in the flexible support when the vibrator is displaced in the Z-axis direction. As long as it has a function of outputting a detection signal having a polarity, it may be a piezoelectric element, a capacitive element, or another element.

本発明の特徴は、検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する特有の検出回路を利用する点にある。   A feature of the present invention is that while performing control based on a detection signal obtained from the detection element group, an AC drive signal is supplied to the drive element group to vibrate the vibrator in a predetermined coordinate axis direction, and a predetermined timing is obtained. And using a specific detection circuit that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around each coordinate axis using a detection signal obtained from the detection element group.

図3に示す検出回路は、第1の半周期Tzに振動子をZ軸方向に振動させながら、X軸まわりの角速度ωxとY軸まわりの角速度ωyとを測定し、第2の半周期Txに振動子をX軸方向に振動させながら、Z軸まわりの角速度ωzを測定する回路であるが、本発明に用いる検出回路は、必ずしもこのような実施例の回路である必要はない。振動子をX軸方向に振動させながら、Z軸まわりの角速度ωzとともにY軸まわりの角速度ωyを測定することも可能であるし、振動子をY軸方向に振動させながら、X軸まわりの角速度ωxとともにZ軸まわりの角速度ωzを測定することも可能である。   The detection circuit shown in FIG. 3 measures the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis while vibrating the vibrator in the Z-axis direction during the first half cycle Tz, and the second half cycle Tx. Although the circuit measures the angular velocity ωz around the Z axis while vibrating the vibrator in the X axis direction, the detection circuit used in the present invention does not necessarily need to be a circuit of such an embodiment. It is possible to measure the angular velocity ωy around the Y axis as well as the angular velocity ωz around the Z axis while oscillating the vibrator in the X axis direction, and the angular velocity around the X axis while vibrating the vibrator in the Y axis direction. It is also possible to measure the angular velocity ωz about the Z axis together with ωx.

結局、本発明に用いる検出回路は、第1の半周期T1と第2の半周期T2とによって構成される周期Tについて、周期的動作を実行する機能を有しており、第1の駆動信号発生部、第2の駆動信号発生部、正側同期検波信号発生部、負側同期検波信号発生部、第1の検波イネーブル信号発生部、第2の検波イネーブル信号発生部、マトリクス変換器、第1の角速度検出部、第2の角速度検出部、第3の角速度検出部、第1の振幅測定部、第1の位相測定部、第2の振幅測定部、第2の位相測定部、フィードバック制御部を備えていればよい。   As a result, the detection circuit used in the present invention has a function of executing a periodic operation for the period T constituted by the first half period T1 and the second half period T2, and the first drive signal Generator, second drive signal generator, positive side synchronous detection signal generator, negative side synchronous detection signal generator, first detection enable signal generator, second detection enable signal generator, matrix converter, 1 angular velocity detection unit, second angular velocity detection unit, third angular velocity detection unit, first amplitude measurement unit, first phase measurement unit, second amplitude measurement unit, second phase measurement unit, feedback control What is necessary is just to have a part.

ここで、第1の駆動信号発生部は、第1の半周期T1には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、第2の半周期T2には、何ら交流信号が配されていない、第1の駆動信号を発生する構成要素であり、第2の駆動信号発生部は、第1の半周期T1には、何ら交流信号が配されておらず、第2の半周期T2には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第2の駆動信号を発生する構成要素である。   Here, in the first driving signal generator, an AC signal having a predetermined frequency and amplitude is arranged in the first half period T1, and no AC signal is present in the second half period T2. The second drive signal generation unit is a component that generates a first drive signal that is not arranged, and the second drive signal generation unit does not provide any AC signal in the first half cycle T1, and the second half In the period T2, an AC signal having a predetermined frequency and amplitude is provided and a component that generates a second drive signal.

また、正側同期検波信号発生部は、第1の半周期T1には、第1の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第1の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期T2には、第2の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第2の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する構成要素であり、負側同期検波信号発生部は、第1の半周期T1には、第1の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第1の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第2の半周期T2には、第2の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第2の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する構成要素である。   Further, the positive side synchronous detection signal generator generates a pulse width equal to or less than ½ of the period of the first drive signal at a position synchronized with the positive peak of the first drive signal in the first half period T1. Are periodically arranged, and in the second half cycle T2, the pulse width is ½ or less of the cycle of the second drive signal at a position synchronized with the positive peak of the second drive signal. The negative-side synchronous detection signal generator is a component that generates a positive-side synchronous detection signal in which pulses having a frequency are periodically arranged. A pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the first drive signal is periodically arranged at a position synchronized with the negative peak, and in the second half cycle T2, the second drive signal A pulse having a pulse width of 1/2 or less of the period of the second drive signal is periodically arranged at a position synchronized with the negative peak. That is a component that generates a negative-side synchronization detection signal.

一方、第1の検波イネーブル信号発生部は、第1の半周期T1において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第1の安定振動期を示す第1の検波イネーブル信号を発生する構成要素であり、第2の検波イネーブル信号発生部は、第2の半周期T2において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第2の安定振動期を示す第2の検波イネーブル信号を発生する構成要素である。   On the other hand, the first detection enable signal generator generates a first detection enable signal indicating a first stable oscillation period in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the first half period T1. The second detection enable signal generator is an element, and generates a second detection enable signal indicating a second stable oscillation period in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the second half period T2. It is a component to do.

また、マトリクス変換器は、第1の半周期T1には、振動子を第1の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第1の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、第2の半周期T2には、振動子を第2の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第2の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給する構成要素である。   The matrix converter supplies the first drive signal or its phase inversion signal to the drive element necessary for vibrating the vibrator in the first coordinate axis direction in the first half cycle T1, The second half cycle T2 is a component that supplies the second drive signal or its phase inversion signal to the drive element necessary for vibrating the vibrator in the second coordinate axis direction.

そして、第1の角速度検出部は、第1の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第3の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素であり、第2の角速度検出部は、第1の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第2の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素であり、第3の角速度検出部は、第2の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第1の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素である。   Then, the first angular velocity detection unit is caused by the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable vibration period. A component that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around the third coordinate axis based on a detection value indicating a displacement in the second coordinate axis direction. The second angular velocity detection unit is configured to output the first stable vibration period. Based on the detection value indicating the displacement in the third coordinate axis direction due to the Coriolis force of the transducer obtained from the detection element group by using the period, the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal, The third angular velocity detector uses a positive side synchronous detection signal and a negative side synchronous detection signal during the second stable vibration period. Depending on the detection element group Based on the detected values indicating displacement in the third coordinate axis direction due to the Coriolis force of the resulting transducer, is a component for outputting an electrical signal indicating the angular velocity around the first coordinate axis.

更に、第1の振幅測定部は、第1の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第1の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する構成要素であり、第1の位相測定部は、第1の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第1の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する構成要素である。   Furthermore, the first amplitude measurement unit calculates the amplitude of the vibrator based on the detection value indicating the displacement of the vibrator in the first coordinate axis direction obtained from the detection element group during the first stable vibration period. The first phase measurement unit is a component to be measured, and the first phase measurement unit uses the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the period of the first stable oscillation period. It is a component that measures the phase of the vibrator based on a detection value indicating displacement in the first coordinate axis direction.

一方、第2の振幅測定部は、第2の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する構成要素であり、第2の位相測定部は、第2の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する構成要素である   On the other hand, the second amplitude measuring unit calculates the amplitude of the vibrator based on the detection value indicating the displacement of the vibrator in the second coordinate axis direction obtained from the detection element group during the second stable vibration period. The second phase measurement unit is a component to be measured, and the second phase measurement unit uses a positive-side synchronous detection signal and a negative-side synchronous detection signal during the second stable oscillation period. A component that measures the phase of the vibrator based on a detection value indicating displacement in the second coordinate axis direction.

そして、フィードバック制御部は、第1の振幅測定部によって測定された振幅および第1の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第1の駆動信号発生部が発生する第1の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、第2の振幅測定部によって測定された振幅および第2の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第2の駆動信号発生部が発生する第2の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御する構成要素である。   The feedback control unit is configured to output the first drive signal generated by the first drive signal generation unit based on the amplitude measured by the first amplitude measurement unit and the phase measured by the first phase measurement unit. The feedback control is performed so that the frequency and the amplitude become the predetermined reference frequency and the reference amplitude, and the second measurement is performed based on the amplitude measured by the second amplitude measurement unit and the phase measured by the second phase measurement unit. This is a component that performs feedback control so that the frequency and amplitude of the second drive signal generated by the drive signal generation unit become a predetermined reference frequency and reference amplitude.

10:可撓性支持体
20:振動子
30:固定部材
40:圧電素子
50:台座
60:補助基板
100:動作信号発生器
110:フィードバック制御部
120:X軸検波イネーブル信号発生部
130:Z軸検波イネーブル信号発生部
140:X軸駆動信号発生部
150:Z軸駆動信号発生部
160:正側同期検波信号発生部
170:負側同期検波信号発生部
200:マトリクス変換器
210〜240:OPアンプ
300:センサ本体部
411:差分器
412:差分器
413:加算器
421〜425:ゲートスイッチ(SW)
431,432:AM検波器(AMD)
441〜445:同期検波器(SD)
Ax:X軸駆動信号の振幅
Az:Z軸駆動信号の振幅
AMD:AM検波器
a〜f:グラフの積算領域
C1〜C7:コンデンサ
DIF:差動増幅器
DrX:X軸駆動信号
DrZ:Z軸駆動信号
Dx(+):X軸正側駆動信号
Dx(−):X軸負側駆動信号
Dy(+):Y軸正側駆動信号
Dy(−):Y軸負側駆動信号
Ec:共通電極
EnX:X軸検波イネーブル信号
EnZ:Z軸検波イネーブル信号
Ex(+):X軸正側駆動用電極
Ex(−):X軸負側駆動用電極
Ey(+):Y軸正側駆動用電極
Ey(−):Y軸負側駆動用電極
Ex1:X軸正側検出用電極
Ex2:X軸負側検出用電極
Ey1:Y軸正側検出用電極
Ey2:Y軸負側検出用電極
Ez1〜Ez4:Z軸変位検出用電極
Fxa:X軸振幅測定信号
Fxp:X軸位相測定信号
Fza:Z軸振幅測定信号
Fzp:Z軸位相測定信号
f:周波数
f0:共振周波数
fx:X軸駆動信号の周波数
fz:Z軸駆動信号の周波数
G:環状溝部
Ga,Gb:ゲートスイッチ
K1:正側積算器
K2:負側積算器
K3:差分器
N:近傍周波数領域
O:XYZ三次元座標系の原点
OP1,OP2:演算増幅器
P0〜P4:グラフ上の点
R1〜R17:抵抗
Ref:参照電圧
SD:同期検波器
SdA:正側同期検波信号
SdB:負側同期検波信号
Sin:入力信号
Sout:出力信号
SW:ゲートスイッチ
SΔx:X軸変位検出信号
SΔy:Y軸変位検出信号
SΔz:Z軸変位検出信号
T:動作周期
Tx:第2の半周期
Tz:第1の半周期
X,Y,Z:三次元座標系の各座標軸
αx:第2の不安定振動期
αz:第1の不安定振動期
βx:第2の安定振動期
βz:第1の安定振動期
ωx,ωy,ωz:各座標軸まわりの角速度
10: flexible support 20: vibrator 30: fixing member 40: piezoelectric element 50: pedestal 60: auxiliary substrate 100: operation signal generator 110: feedback control unit 120: X-axis detection enable signal generation unit 130: Z-axis Detection enable signal generator 140: X-axis drive signal generator 150: Z-axis drive signal generator 160: Positive side synchronous detection signal generator 170: Negative side synchronous detection signal generator 200: Matrix converters 210 to 240: OP amplifier 300: Sensor body 411: Differencer 412: Differencer 413: Adders 421-425: Gate switch (SW)
431, 432: AM detector (AMD)
441-445: Synchronous detector (SD)
Ax: Amplitude of the X-axis drive signal Az: Amplitude of the Z-axis drive signal AMD: AM detectors a to f: Graph integration regions C1 to C7: Capacitor DIF: Differential amplifier DrX: X-axis drive signal DrZ: Z-axis drive Signal Dx (+): X-axis positive drive signal Dx (-): X-axis negative drive signal Dy (+): Y-axis positive drive signal Dy (-): Y-axis negative drive signal Ec: Common electrode EnX : X-axis detection enable signal EnZ: Z-axis detection enable signal Ex (+): X-axis positive drive electrode Ex (-): X-axis negative drive electrode Ey (+): Y-axis positive drive electrode Ey (-): Y-axis negative drive electrode Ex1: X-axis positive detection electrode Ex2: X-axis negative detection electrode Ey1: Y-axis positive detection electrode Ey2: Y-axis negative detection electrodes Ez1-Ez4 : Z-axis displacement detection electrode Fxa: X-axis amplitude measurement signal Fxp: X-axis phase measurement signal Fz : Z-axis amplitude measurement signal Fzp: Z-axis phase measurement signal f: Frequency f0: Resonance frequency fx: Frequency of X-axis drive signal fz: Frequency of Z-axis drive signal G: Annular groove Ga, Gb: Gate switch K1: Positive side Accumulator K2: Negative-side integrator K3: Differencer N: Near frequency region O: Origin XY, three-dimensional coordinate system OP1, OP2: Operational amplifiers P0 to P4: Points R1 to R17 on the graph: Resistance Ref: Reference voltage SD : Synchronous detector SdA: Positive synchronous detection signal SdB: Negative synchronous detection signal Sin: Input signal Sout: Output signal SW: Gate switch SΔx: X-axis displacement detection signal SΔy: Y-axis displacement detection signal SΔz: Z-axis displacement detection Signal T: Operation period Tx: Second half period Tz: First half period X, Y, Z: Each coordinate axis αx of the three-dimensional coordinate system: Second unstable vibration period αz: First unstable vibration period βx: second stable oscillation period β : First stable oscillation period ωx, ωy, ωz: angular velocity components about respective coordinate axes

Claims (15)

XYZ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側駆動用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側駆動用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側駆動用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記X軸正側駆動用素子と前記X軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がX軸に沿って振動し、前記Y軸正側駆動用素子と前記Y軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がY軸に沿って振動し、前記4組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がZ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側検出用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側検出用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側検出用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側検出用素子と、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となるように配置されたZ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記X軸正側検出用素子と前記X軸負側検出用素子とは、前記振動子がX軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Y軸正側検出用素子と前記Y軸負側検出用素子とは、前記振動子がY軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Z軸変位検出用素子は、前記振動子がZ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第1の半周期T1と第2の半周期T2とによって構成される周期Tについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第1の半周期T1には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、前記第2の半周期T2には、何ら交流信号が配されていない、第1の駆動信号を発生する第1の駆動信号発生部と、
前記第1の半周期T1には、何ら交流信号が配されておらず、前記第2の半周期T2には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第2の駆動信号を発生する第2の駆動信号発生部と、
前記第1の半周期T1には、前記第1の駆動信号の正側のピークに同期した位置に前記第1の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第2の半周期T2には、前記第2の駆動信号の正側のピークに同期した位置に前記第2の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する正側同期検波信号発生部と、
前記第1の半周期T1には、前記第1の駆動信号の負側のピークに同期した位置に前記第1の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第2の半周期T2には、前記第2の駆動信号の負側のピークに同期した位置に前記第2の駆動信号の周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する負側同期検波信号発生部と、
前記第1の半周期T1において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第1の安定振動期を示す第1の検波イネーブル信号を発生する第1の検波イネーブル信号発生部と、
前記第2の半周期T2において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第2の安定振動期を示す第2の検波イネーブル信号を発生する第2の検波イネーブル信号発生部と、
前記第1の半周期T1には、前記振動子を第1の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に前記第1の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、前記第2の半周期T2には、前記振動子を第2の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に前記第2の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
前記第1の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第3の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第1の角速度検出部と、
前記第1の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第2の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第2の角速度検出部と、
前記第2の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第3の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第1の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第3の角速度検出部と、
前記第1の安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第1の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の振幅を測定する第1の振幅測定部と、
前記第1の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第1の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の位相を測定する第1の位相測定部と、
前記第2の安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の振幅を測定する第2の振幅測定部と、
前記第2の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第2の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の位相を測定する第2の位相測定部と、
前記第1の振幅測定部によって測定された振幅および前記第1の位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記第1の駆動信号発生部が発生する前記第1の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、前記第2の振幅測定部によって測定された振幅および前記第2の位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記第2の駆動信号発生部が発生する前記第2の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする角速度センサ。
An angular velocity sensor for detecting an angular velocity around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional coordinate system,
A flexible support having an upper surface passing through the Z-axis at a central position and parallel to the XY plane;
A vibrator bonded to the center of the lower surface of the flexible support;
A fixing member for fixing the periphery of the flexible support;
A drive element group disposed above the flexible support;
A group of detection elements disposed above the flexible support;
While performing control based on a detection signal obtained from the detection element group, an AC drive signal is supplied to the drive element group to vibrate the vibrator in a predetermined coordinate axis direction, and the detection is performed at a predetermined timing. A detection circuit that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around each coordinate axis using a detection signal obtained from the device group;
With
The drive element group includes an X-axis positive drive element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative drive element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. And a Y-axis positive drive element arranged in the Y-axis positive area, and a Y-axis negative drive element arranged in the Y-axis negative area, and the X-axis positive drive element When the AC drive signal is supplied to the X-axis negative drive element, the vibrator vibrates along the X-axis, and the Y-axis positive drive element and the Y-axis negative drive element are AC driven. When the signal is supplied, the vibrator vibrates along the Y axis, and when the AC drive signal is supplied to all of the four sets of driving elements, the flexible vibrator so that the vibrator vibrates along the Z axis. Having a function of causing a specific deflection at each position of the support,
The detection element group includes an X-axis positive detection element arranged in an X-axis positive area and an X-axis negative detection element arranged in an X-axis negative area when projected onto the XY plane. And the Y-axis positive detection element arranged in the Y-axis positive region, the Y-axis negative detection element arranged in the Y-axis negative region, and both the XZ plane and the YZ plane are symmetric. Z-axis displacement detection element disposed on the X-axis, and the X-axis positive side detection element and the X-axis negative side detection element are arranged to be movable when the vibrator is displaced in the X-axis direction. Due to the bending generated in the flexible support, detection signals having absolute values corresponding to the displacement and having opposite polarities are output, and the Y-axis positive side detection element and the Y-axis negative side detection element are In response to the displacement due to the flexure generated in the flexible support when the vibrator is displaced in the Y-axis direction Detection signals having opposite values and having opposite polarities are output, and the Z-axis displacement detection element is caused by bending caused in the flexible support when the vibrator is displaced in the Z-axis direction. It has a function to output a detection signal having an absolute value corresponding to the displacement and a polarity corresponding to the displacement direction,
The detection circuit includes:
Having a function of executing a periodic operation for a period T constituted by the first half period T1 and the second half period T2,
A first drive signal in which an AC signal having a predetermined frequency and amplitude is arranged in the first half cycle T1, and no AC signal is arranged in the second half cycle T2. A first drive signal generator for generating
No AC signal is disposed in the first half cycle T1, and an AC signal having a predetermined frequency and amplitude is disposed in the second half cycle T2. A second drive signal generator for generating a signal;
In the first half cycle T1, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the first drive signal is periodically located at a position synchronized with the positive peak of the first drive signal. In the second half cycle T2, there is a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the second drive signal at a position synchronized with the positive peak of the second drive signal. Periodically arranged, positive side synchronous detection signal generating unit for generating positive side synchronous detection signal,
In the first half cycle T1, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the first drive signal is periodically provided at a position synchronized with the negative peak of the first drive signal. In the second half cycle T2, there is a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the second drive signal at a position synchronized with the negative peak of the second drive signal. The negative side synchronous detection signal generator that generates the negative side synchronous detection signal, which is periodically arranged,
A first detection enable signal generating unit for generating a first detection enable signal indicating a first stable vibration period in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the first half period T1;
A second detection enable signal generator for generating a second detection enable signal indicating a second stable vibration period in which the vibrator is expected to maintain a stable vibration state in the second half period T2,
In the first half cycle T1, the first driving signal or its phase inversion signal is supplied to the driving element necessary to vibrate the vibrator in the first coordinate axis direction, and the second half cycle T1. In the period T2, a matrix converter that supplies the second drive signal or a phase inversion signal thereof to a drive element necessary for vibrating the vibrator in the second coordinate axis direction;
The second coordinate axis resulting from the Coriolis force of the vibrator obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable oscillation period A first angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around the third coordinate axis based on a detected value indicating displacement in a direction;
The third coordinate axis resulting from the Coriolis force of the transducer obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable oscillation period A second angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around the second coordinate axis based on a detected value indicating displacement in a direction;
The third coordinate axis resulting from the Coriolis force of the transducer obtained from the detection element group by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the second stable oscillation period A third angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around the first coordinate axis based on a detected value indicating displacement in a direction;
Measuring the amplitude of the vibrator based on a detection value indicating displacement of the vibrator in the first coordinate axis direction obtained from the detection element group during the first stable vibration period; An amplitude measurement unit;
During the period of the first stable oscillation period, displacement of the vibrator obtained from the detection element group in the first coordinate axis direction by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal is performed. A first phase measurement unit for measuring the phase of the vibrator based on the detected value;
Measuring the amplitude of the vibrator based on a detection value indicating displacement of the vibrator in the second coordinate axis direction obtained from the detection element group during the second stable vibration period; An amplitude measurement unit;
During the period of the second stable oscillation period, displacement of the transducer obtained from the detection element group in the second coordinate axis direction by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal is performed. A second phase measuring unit for measuring the phase of the vibrator based on the detected value;
The frequency and amplitude of the first drive signal generated by the first drive signal generation unit based on the amplitude measured by the first amplitude measurement unit and the phase measured by the first phase measurement unit Is controlled so as to have a predetermined reference frequency and reference amplitude, and based on the amplitude measured by the second amplitude measuring unit and the phase measured by the second phase measuring unit, the second A feedback control unit that performs feedback control so that the frequency and amplitude of the second drive signal generated by the drive signal generation unit have a predetermined reference frequency and reference amplitude;
An angular velocity sensor comprising:
XYZ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にZ軸が通り、XY平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側駆動用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側駆動用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側駆動用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記X軸正側駆動用素子と前記X軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がX軸に沿って振動し、前記4組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がZ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、XY平面上に投影したときに、X軸正の領域に配置されたX軸正側検出用素子と、X軸負の領域に配置されたX軸負側検出用素子と、Y軸正の領域に配置されたY軸正側検出用素子と、Y軸負の領域に配置されたY軸負側検出用素子と、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称となるように配置されたZ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記X軸正側検出用素子と前記X軸負側検出用素子とは、前記振動子がX軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Y軸正側検出用素子と前記Y軸負側検出用素子とは、前記振動子がY軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Z軸変位検出用素子は、前記振動子がZ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第1の半周期Tzと第2の半周期Txとによって構成される周期Tについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第1の半周期Tzには、所定の周波数fzおよび振幅Azをもった交流信号が配されており、前記第2の半周期Txには、何ら交流信号が配されていない、Z軸駆動信号DrZを発生するZ軸駆動信号発生部と、
前記第1の半周期Tzには、何ら交流信号が配されておらず、前記第2の半周期Txには、所定の周波数fxおよび振幅Axをもった交流信号が配されている、X軸駆動信号DrXを発生するX軸駆動信号発生部と、
前記第1の半周期Tzには、前記Z軸駆動信号DrZの正側のピークに同期した位置に前記Z軸駆動信号DrZの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第2の半周期Txには、前記X軸駆動信号DrXの正側のピークに同期した位置に前記X軸駆動信号DrXの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号SdAを発生する正側同期検波信号発生部と、
前記第1の半周期Tzには、前記Z軸駆動信号DrZの負側のピークに同期した位置に前記Z軸駆動信号DrZの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第2の半周期Txには、前記X軸駆動信号DrXの負側のピークに同期した位置に前記X軸駆動信号DrXの周期の1/2以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号SdBを発生する負側同期検波信号発生部と、
前記第1の半周期Tzにおいて前記振動子がZ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第1の安定振動期βzを示すZ軸検波イネーブル信号EnZを発生するZ軸検波イネーブル信号発生部と、
前記第2の半周期Txにおいて前記振動子がX軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第2の安定振動期βxを示すX軸検波イネーブル信号EnXを発生するX軸検波イネーブル信号発生部と、
前記第1の半周期Tzには、前記4組の駆動用素子のすべてに前記Z軸駆動信号DrZを供給し、前記第2の半周期Txには、前記X軸正側駆動用素子に前記X軸駆動信号DrXを供給し前記X軸負側駆動用素子に前記X軸駆動信号DrXの位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
前記第1の安定振動期βzの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記X軸正側検出用素子の検出信号と前記X軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Y軸まわりの角速度ωyを示す電気信号を出力するY軸まわり角速度検出部と、
前記第1の安定振動期βzの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Y軸正側検出用素子の検出信号と前記Y軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、X軸まわりの角速度ωxを示す電気信号を出力するX軸まわり角速度検出部と、
前記第2の安定振動期βxの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Y軸正側検出用素子の検出信号と前記Y軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Z軸まわりの角速度ωzを示す電気信号を出力するZ軸まわり角速度検出部と、
前記第1の安定振動期βzの期間、前記Z軸変位検出用素子から得られる前記振動子のZ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のZ軸方向の振幅を測定するZ軸振幅測定部と、
前記第1の安定振動期βzの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Z軸変位検出用素子から得られる前記振動子のZ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のZ軸方向の位相を測定するZ軸位相測定部と、
前記第2の安定振動期βxの期間、前記X軸正側検出用素子の検出信号と前記X軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる前記振動子のX軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のX軸方向の振幅を測定するX軸振幅測定部と、
前記第2の安定振動期βxの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記X軸正側検出用素子の検出信号と前記X軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる前記振動子のX軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のX軸方向の位相を測定するX軸位相測定部と、
前記Z軸振幅測定部によって測定された振幅および前記Z軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記Z軸駆動信号発生部が発生する前記Z軸駆動信号DrZの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、前記X軸振幅測定部によって測定された振幅および前記X軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記X軸駆動信号発生部が発生する前記X軸駆動信号DrXの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする角速度センサ。
An angular velocity sensor for detecting an angular velocity around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional coordinate system,
A flexible support having an upper surface passing through the Z-axis at a central position and parallel to the XY plane;
A vibrator bonded to the center of the lower surface of the flexible support;
A fixing member for fixing the periphery of the flexible support;
A drive element group disposed above the flexible support;
A group of detection elements disposed above the flexible support;
While performing control based on a detection signal obtained from the detection element group, an AC drive signal is supplied to the drive element group to vibrate the vibrator in a predetermined coordinate axis direction, and the detection is performed at a predetermined timing. A detection circuit that outputs an electrical signal indicating an angular velocity around each coordinate axis using a detection signal obtained from the device group;
With
The drive element group includes an X-axis positive drive element arranged in the X-axis positive area and an X-axis negative drive element arranged in the X-axis negative area when projected onto the XY plane. And a Y-axis positive drive element arranged in the Y-axis positive area, and a Y-axis negative drive element arranged in the Y-axis negative area, and the X-axis positive drive element When the AC drive signal is supplied to the X-axis negative drive element, the vibrator vibrates along the X-axis, and when the AC drive signal is supplied to all of the four sets of drive elements, the vibrator Z Each has a function of causing a specific bending at each arrangement position of the flexible support so as to vibrate along an axis;
The detection element group includes an X-axis positive detection element arranged in an X-axis positive area and an X-axis negative detection element arranged in an X-axis negative area when projected onto the XY plane. And the Y-axis positive detection element arranged in the Y-axis positive region, the Y-axis negative detection element arranged in the Y-axis negative region, and both the XZ plane and the YZ plane are symmetric. Z-axis displacement detection element disposed on the X-axis, and the X-axis positive side detection element and the X-axis negative side detection element are arranged to be movable when the vibrator is displaced in the X-axis direction. Due to the bending generated in the flexible support, detection signals having absolute values corresponding to the displacement and having opposite polarities are output, and the Y-axis positive side detection element and the Y-axis negative side detection element are In response to the displacement due to the flexure generated in the flexible support when the vibrator is displaced in the Y-axis direction Detection signals having opposite values and having opposite polarities are output, and the Z-axis displacement detection element is caused by bending caused in the flexible support when the vibrator is displaced in the Z-axis direction. It has a function to output a detection signal having an absolute value corresponding to the displacement and a polarity corresponding to the displacement direction,
The detection circuit includes:
Having a function of executing a periodic operation for a period T constituted by the first half period Tz and the second half period Tx;
A Z-axis drive in which an AC signal having a predetermined frequency fz and amplitude Az is arranged in the first half cycle Tz, and no AC signal is arranged in the second half cycle Tx. A Z-axis drive signal generator for generating a signal DrZ;
In the first half cycle Tz, no AC signal is arranged, and in the second half cycle Tx, an AC signal having a predetermined frequency fx and amplitude Ax is arranged. An X-axis drive signal generator for generating a drive signal DrX;
In the first half cycle Tz, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the Z-axis drive signal DrZ is periodically provided at a position synchronized with the positive peak of the Z-axis drive signal DrZ. In the second half cycle Tx, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the X-axis drive signal DrX is located at a position synchronized with the positive peak of the X-axis drive signal DrX. A positive-side synchronous detection signal generator that generates a positive-side synchronous detection signal SdA that is periodically arranged;
In the first half cycle Tz, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the Z-axis drive signal DrZ is periodically provided at a position synchronized with the negative peak of the Z-axis drive signal DrZ. In the second half cycle Tx, a pulse having a pulse width equal to or less than ½ of the cycle of the X-axis drive signal DrX is located at a position synchronized with the negative peak of the X-axis drive signal DrX. A negative-side synchronous detection signal generator for generating a negative-side synchronous detection signal SdB, which is periodically arranged;
A Z-axis detection enable signal for generating a Z-axis detection enable signal EnZ indicating a first stable vibration period βz that is expected to maintain a stable vibration state along the Z-axis in the first half period Tz. Generating part;
X-axis detection enable signal for generating an X-axis detection enable signal EnX indicating a second stable oscillation period βx that is expected to maintain a stable vibration state along the X-axis in the second half period Tx. Generating part;
In the first half cycle Tz, the Z-axis drive signal DrZ is supplied to all of the four sets of drive elements, and in the second half cycle Tx, the X-axis positive drive element is supplied with the Z-axis drive signal DrZ. A matrix converter that supplies an X-axis drive signal DrX and supplies a phase inversion signal of the X-axis drive signal DrX to the X-axis negative drive element;
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable oscillation period βz, the detection signal of the X axis positive side detection element and the X axis negative side detection element A Y-axis angular velocity detection unit that outputs an electrical signal indicating the angular velocity ωy around the Y axis based on a detection value indicating a difference from the detection signal;
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable oscillation period βz, the detection signal of the Y axis positive detection element and the Y axis negative detection element An X-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity ωx around the X axis based on a detection value indicating a difference from the detection signal of
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the second stable oscillation period βx, the detection signal of the Y axis positive side detection element and the Y axis negative side detection element A Z-axis angular velocity detector that outputs an electrical signal indicating an angular velocity ωz around the Z-axis based on a detection value indicating a difference from the detection signal of
During the first stable oscillation period βz, the amplitude of the vibrator in the Z-axis direction is measured based on a detection value obtained from the Z-axis displacement detection element and indicating the displacement of the vibrator in the Z-axis direction. Z-axis amplitude measurement unit
Displacement of the vibrator in the Z-axis direction obtained from the Z-axis displacement detection element by using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the first stable vibration period βz. A Z-axis phase measuring unit that measures a phase of the vibrator in the Z-axis direction based on a detection value indicating:
Displacement in the X-axis direction of the vibrator obtained as a difference between the detection signal of the X-axis positive detection element and the detection signal of the X-axis negative detection element during the second stable vibration period βx An X-axis amplitude measurement unit that measures the amplitude of the vibrator in the X-axis direction based on a detection value indicating
By using the positive side synchronous detection signal and the negative side synchronous detection signal during the second stable oscillation period βx, the detection signal of the X axis positive side detection element and the X axis negative side detection element are used. An X-axis phase measuring unit that measures the phase of the vibrator in the X-axis direction based on a detection value indicating the displacement of the vibrator in the X-axis direction obtained as a difference from the detection signal of
Based on the amplitude measured by the Z-axis amplitude measurement unit and the phase measured by the Z-axis phase measurement unit, the frequency and amplitude of the Z-axis drive signal DrZ generated by the Z-axis drive signal generation unit are predetermined. The feedback control is performed so that the reference frequency and the reference amplitude are obtained, and the X-axis drive signal generation unit is generated based on the amplitude measured by the X-axis amplitude measurement unit and the phase measured by the X-axis phase measurement unit. A feedback control unit that performs feedback control so that the frequency and amplitude of the X-axis drive signal DrX have a predetermined reference frequency and reference amplitude;
An angular velocity sensor comprising:
請求項2に記載の角速度センサにおいて、
マトリクス変換器が、
「DrZ+DrX」なる和信号を生成してX軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「DrZ−DrX」なる差信号を生成してX軸負側駆動用素子に供給する回路と、
「DrZ」をY軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「DrZ」をY軸負側駆動用素子に供給する回路と、
を有することを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 2 ,
Matrix converter
A circuit that generates a sum signal “DrZ + DrX” and supplies the sum signal to the X-axis positive drive element;
A circuit that generates a difference signal “DrZ−DrX” and supplies the difference signal to the X-axis negative drive element;
A circuit for supplying “DrZ” to the Y-axis positive drive element;
A circuit for supplying “DrZ” to the Y-axis negative drive element;
An angular velocity sensor comprising:
請求項1〜3のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
前記正側積算器の積算値と前記負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路SDを有し、前記差分器によって求められた差に相当する電気信号を角速度を示す信号として出力することを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 3 ,
Angular velocity detector
A positive-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the positive-side synchronous detection signal is given;
A negative-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the negative-side synchronous detection signal is given; and
A subtractor that outputs a difference between the integrated value of the positive integrator and the integrated value of the negative integrator;
An angular velocity sensor comprising: a synchronous detection circuit SD comprising: an electrical signal corresponding to a difference obtained by the differentiator as a signal indicating an angular velocity.
請求項4に記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路SDに与えるゲートスイッチSWを、更に有することを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 4 ,
An angular velocity sensor, further comprising a gate switch SW that allows the angular velocity detection section to pass a detection value only during a period of a stable vibration period and applies the detection value to the synchronous detection circuit SD.
請求項1〜5のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
位相測定部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
前記正側積算器の積算値と前記負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路SDを有し、前記差分器によって求められた差に相当する電気信号を位相の測定値を示す信号として出力することを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 5 ,
Phase measurement unit
A positive-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the positive-side synchronous detection signal is given;
A negative-side integrator that integrates the signal value of the given signal only while the pulse of the negative-side synchronous detection signal is given; and
A subtractor that outputs a difference between the integrated value of the positive integrator and the integrated value of the negative integrator;
An angular velocity sensor comprising: a synchronous detection circuit SD comprising: an electrical signal corresponding to a difference obtained by the differentiator as a signal indicating a phase measurement value.
請求項6に記載の角速度センサにおいて、
位相測定部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路SDに与えるゲートスイッチSWを、更に有することを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 6 .
An angular velocity sensor characterized in that the phase measurement unit further includes a gate switch SW that allows a detected value to pass only during a stable vibration period and applies the detected value to the synchronous detection circuit SD.
請求項1〜7のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能を有し、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力することを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 7 ,
The angular velocity detector has a function to hold the previous detected value when it is no longer in the stable vibration period, and continuously output the held detection value until the next stable vibration period comes An angular velocity sensor.
請求項1〜8のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、駆動信号の周波数が前記f0となるような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 8 ,
When the feedback control unit performs feedback control for each half cycle, control is performed such that the frequency of the drive signal is f0 when the resonance frequency of the vibrator in the vibration direction of the half cycle is f0. An angular velocity sensor.
請求項1〜8のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、駆動信号の周波数が前記f0の近傍の所定周波数(前記f0は除く)となるような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 8 ,
When the feedback control unit performs feedback control for each half cycle, and the resonance frequency of the vibrator with respect to the vibration direction of the half cycle is f0, the frequency of the drive signal is a predetermined frequency near the f0 (the above-described frequency An angular velocity sensor that performs control such that f0 is excluded).
請求項9または10に記載の角速度センサにおいて、
駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、90°の位相差を生じるような周波数を、周波数f0とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 9 or 10 ,
The frequency control for the drive signal is performed by regarding the frequency at which the phase of the drive signal and the phase of the vibrator measured by the phase measurement unit cause a phase difference of 90 ° as the frequency f0. Angular velocity sensor.
請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された圧電素子からなることを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 11 ,
An angular velocity sensor, wherein each element constituting the drive element group and the detection element group is composed of a piezoelectric element fixed to the upper surface of the flexible support.
請求項1〜11のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなることを特徴とする角速度センサ。
In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 11 ,
The individual elements constituting the drive element group and the detection element group are constituted by a displacement electrode fixed on the upper surface of the flexible support and a fixed electrode fixed at a position facing the displacement electrode. An angular velocity sensor comprising a capacitive element.
請求項1〜13のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
特定の振動方向についての振動子の共振周波数をf0とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、(1/f0)×50≦α≦(1/f0)×125の範囲に設定したことを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 13 ,
When the resonance frequency of the vibrator with respect to a specific vibration direction is f0, the time when the vibrator is expected to be in a stable vibration state from the start of supplying a drive signal for vibrating the vibrator in the vibration direction The angular velocity sensor characterized in that the period α is set in the range of (1 / f0) × 50 ≦ α ≦ (1 / f0) × 125.
請求項14に記載の角速度センサにおいて、
第1の座標軸方向についての振動子の共振周波数をf1とし、第2の座標軸方向についての振動子の共振周波数をf2とした場合に、第1の半周期T1を、(1/f1)×100≦T1≦(1/f1)×250の範囲に設定し、第2の半周期T2を、(1/f2)×100≦T2≦(1/f2)×250の範囲に設定したことを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 14 ,
When the resonance frequency of the vibrator in the first coordinate axis direction is f1, and the resonance frequency of the vibrator in the second coordinate axis direction is f2, the first half cycle T1 is (1 / f1) × 100. ≦ T1 ≦ (1 / f1) × 250, and the second half cycle T2 is set to a range of (1 / f2) × 100 ≦ T2 ≦ (1 / f2) × 250 Angular velocity sensor.
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