JPH08292031A - Vibration gyro device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、振動ジャイロ装置に関
し、特に、振動子を基板に搭載して被嵌するケース内部
の音響干渉を小さくして小型化を図った振動ジャイロ装
置に係わる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibrating gyro device, and more particularly to a vibrating gyro device in which a vibrator is mounted on a substrate to reduce acoustic interference inside a case to be fitted to achieve miniaturization.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、カメラの手振れ防止、飛行
体、船舶、車両、ロボット等の各種運動体の位置、姿勢
制御、カーナビゲーション等に適した角速度を測定する
振動ジャイロとして、図22(a)、(b)に示すよう
に、x軸方向に屈曲運動している物体にz軸回りに角速
度Ωが加わるとy軸方向にコリオリの力Fcが発生する
ことが知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a vibration gyro for measuring an angular velocity suitable for preventing camera shake of a camera, position and attitude control of various moving bodies such as flying bodies, ships, vehicles and robots, car navigation, etc., FIG. ), (B), it is known that Coriolis force Fc is generated in the y-axis direction when an angular velocity Ω is applied around the z-axis to an object bending in the x-axis direction.
【0003】この原理を利用して、支持ピン20で支持
された振動子21の直交して隣り合う2面21a、21
bに一対のトランスデューサ22、23からx軸方向に
振動を加え屈曲振動を起こさせて速度を与え、z軸回り
に角速度Ωを受けたときにy軸方向に発生するコリオリ
の力Fcにより起きる屈曲振動を一対のトランスデュー
サ22、23から検知して角速度Ωを測定する振動ジャ
イロが提案されている。Utilizing this principle, the vibrator 21 supported by the support pins 20 has two surfaces 21a, 21 that are adjacent to each other at a right angle.
The pair of transducers 22, 23 vibrates in the x-axis direction to cause a bending vibration to give a velocity, and the bending caused by the Coriolis force Fc generated in the y-axis direction when the angular velocity Ω is received about the z-axis. A vibration gyro has been proposed which detects a vibration from a pair of transducers 22 and 23 to measure an angular velocity Ω.
【0004】振動ジャイロをその振動子に着目すれば音
叉型や図示のような音片型等色々の種類があるが、何れ
も振動子21にトランスデューサによりx軸方向または
y軸方向に屈曲運動の振動を起こさせ、z軸回りに角速
度Ωを受けたときにy軸方向またはx軸方向に発生する
コリオリの力Fcにより起きる振動をトランスデューサ
により検知し、角速度Ωを測定するものである。この振
動ジャイロにおいては従来から次のようにケースに被嵌
されて製品化されている。There are various types of vibration gyros such as a tuning fork type and a tuning piece type as shown in the figure when focusing on the vibrator. In each case, the transducer 21 has a bending motion in the x-axis direction or the y-axis direction by a transducer. The vibration is caused and the vibration caused by the Coriolis force Fc generated in the y-axis direction or the x-axis direction when the angular velocity Ω is received around the z-axis is detected by the transducer, and the angular velocity Ω is measured. This vibrating gyro has been commercialized by fitting it to a case as follows.
【0005】(1)支持ピン20で支持された振動子2
1は図23(a)、(b)に示すように、基板24に搭
載されてケース25に被嵌される。ケース25には穴2
6、26を特に底部に穿設し、音圧の密封化を防いだ。 (2)支持ピン20で支持された振動子21は図24に
示すように、基板24に搭載し、これに柔軟な材料のダ
ンパー27を設けてケース25に被嵌することにより振
動し易くした。(1) Transducer 2 supported by support pins 20
As shown in FIGS. 23 (a) and 23 (b), 1 is mounted on a board 24 and fitted in a case 25. Hole 2 in case 25
6 and 26 were drilled especially at the bottom to prevent the sound pressure from being sealed. (2) As shown in FIG. 24, the vibrator 21 supported by the support pins 20 is mounted on a substrate 24, and a damper 27 made of a flexible material is provided on the vibrator 24 to fit the case 25 to facilitate vibration. .
【0006】(1)、(2)何れの場合においても、振
動ジャイロの感度が低下し、したがってケース25の幅
2L2、高さh(図23(a))をあまり小さくはでき
ず、空気中の音速をS、振動子から伝播される振動の波
長をλ(=S/f0、なお、f0は振動子21の振動周波
数)とすると、明確な設計理論は公表されていないが、
一般的には 2L2、h>λ/2 であった。In both cases (1) and (2), the sensitivity of the vibrating gyroscope is lowered, and therefore the width 2L 2 and height h (FIG. 23A) of the case 25 cannot be reduced so much that the air If the speed of sound inside is S and the wavelength of the vibration propagated from the oscillator is λ (= S / f 0 , where f 0 is the oscillation frequency of the oscillator 21), a clear design theory has not been published,
Generally, it was 2L 2 and h> λ / 2.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】このように従来の振動
ジャイロでは上記(1)、(2)の何れにおいても、振
動ジャイロの効率が低下するという難点がある。また、
最近では振動ジャイロの磁気遮蔽等の要求からもケース
により完全密閉が要望されている。As described above, in the conventional vibrating gyroscope, there is a problem that the efficiency of the vibrating gyroscope is lowered in any of the above (1) and (2). Also,
Recently, there is a demand for perfect sealing with a case because of the demand for magnetic shielding of the vibration gyro.
【0008】[0008]
【目的】本発明は叙上の難点に鑑みなされたもので、そ
の目的は、振動子を基板に搭載して被嵌するケース内部
の音響干渉を小さくして小型化を図った振動ジャイロ装
置を提供せんとするものである。[Object] The present invention has been made in view of the above drawbacks, and an object of the present invention is to provide a vibration gyro device in which acoustic interference in a case in which a vibrator is mounted on a substrate is fitted and which is to be fitted is reduced to achieve miniaturization. It is intended to be provided.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の振動ジャイロ装置は、6面体の1つを開口部
とし側壁、頂壁からなるケースに、振動子を基板に搭載
して開口部が基板に配置されるように振動子を被嵌し、
振動子を所定周波数で駆動して駆動振動方向に屈曲振動
させ、回転運動を受けたときに発生するコリオリの力に
より起きる検出振動方向の屈曲振動を検出することによ
り回転角速度を測定するものである。In order to achieve this object, a vibrating gyro device of the present invention has a vibrator mounted on a substrate in a case having one side of a hexahedron as an opening and a side wall and a top wall. Fit the vibrator so that the opening is placed on the substrate,
The rotational angular velocity is measured by driving the vibrator at a predetermined frequency to cause bending vibration in the driving vibration direction, and detecting bending vibration in the detection vibration direction caused by the Coriolis force generated when receiving rotational motion. .
【0010】この場合、駆動振動方向のケースの側壁内
面間の寸法および検出振動方向の基板の内面とケースの
頂壁内面との間の寸法の少なくとも1つはλ/4(ここ
に、λは振動子から伝播される振動の波長で、λ=S/
f0であり、Sは空気中の音速である)以下とされる。
特に、駆動振動方向のケースの側壁内面間の寸法はλ/
4以下とされる。In this case, at least one of the dimension between the inner surface of the side wall of the case in the drive vibration direction and the dimension between the inner surface of the substrate and the inner surface of the top wall of the case in the detection vibration direction is λ / 4 (where λ is The wavelength of the vibration propagated from the oscillator, λ = S /
f 0 and S is the speed of sound in air).
In particular, the dimension between the side wall inner surfaces of the case in the driving vibration direction is λ /
4 or less.
【0011】[0011]
【作用】この振動ジャイロ装置において、6面体の1つ
を開口部とし、側壁、頂壁からなるケースに、振動子を
基板に搭載して開口部が基板に配置されるように振動子
を被嵌し、振動子を所定周波数で駆動して駆動振動方向
に屈曲振動させ、回転運動を受けたときに発生するコリ
オリの力により起きる検出振動方向の屈曲振動を検出す
ることにより回転角速度が測定される。In this vibrating gyro device, one of the hexahedrons is used as an opening, and the vibrator is mounted on a substrate in a case consisting of a side wall and a top wall so that the opening is arranged on the substrate. The rotational angular velocity is measured by fitting and driving the vibrator at a predetermined frequency to cause bending vibration in the driving vibration direction, and detecting bending vibration in the detection vibration direction caused by the Coriolis force generated when receiving rotational motion. It
【0012】この場合、駆動振動方向のケースの側壁内
面間の寸法および検出振動方向の基板の内面とケースの
頂壁内面との間の寸法の少なくとも1つはλ/4(ここ
に、λは振動子から伝播される振動の波長で、λ=S/
f0であり、Sは空気中の音速である)以下とされるこ
とにより、ケースの内部で音波干渉なく励振できる。In this case, at least one of the dimension between the inner surface of the side wall of the case in the drive vibration direction and the dimension between the inner surface of the substrate and the inner surface of the top wall of the case in the detection vibration direction is λ / 4 (where λ is The wavelength of the vibration propagated from the oscillator, λ = S /
f 0 and S is the speed of sound in the air), so that the inside of the case can be excited without sound wave interference.
【0013】[0013]
【実施例】以下、本発明の振動ジャイロ装置を音片型振
動子に適用した一実施例につき図面を参照して説明す
る。図17(a)、(b)、(c)に示すように、本発
明の振動ジャイロ装置は、この実施例において横断面4
角形の直方体の音片で構成された振動子1の直交して隣
り合う2面1a、1bに一対のトランスデューサ10
a、10bが貼着されている。この配置により、振動子
1の振動方向は対角モードに設定される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the vibrating gyro device of the present invention is applied to a sound piece type vibrator will be described below with reference to the drawings. As shown in FIGS. 17 (a), (b), and (c), the vibrating gyro device of the present invention has a cross section 4 in this embodiment.
A pair of transducers 10 are provided on two orthogonally adjacent two surfaces 1a and 1b of a vibrator 1 formed of a rectangular parallelepiped sound piece.
a and 10b are attached. With this arrangement, the vibration direction of the vibrator 1 is set to the diagonal mode.
【0014】この振動子1は温度特性を考慮して一般的
には恒弾性のNi−SPAN−Cまたはエリンバなどの
金属で構成される。また、特殊な例として石英、水晶、
セラミックなどの電気絶縁物で構成されることもある。
恒弾性の電気絶縁物としてはヤング率の温度係数が小さ
く線膨張係数が小さい絶縁物で、ガラスが好適に採用さ
れる。ガラスは恒弾性である他、メカニカルQが大きく
等方的であり、振動子として必要な特性を備えている。The vibrator 1 is generally made of a metal such as constant elasticity Ni-SPAN-C or Elinba in consideration of temperature characteristics. Also, as a special example, quartz, crystal,
It may be composed of an electrical insulator such as ceramic.
As the constant elastic electric insulator, Young's modulus has a small temperature coefficient and a small linear expansion coefficient, and glass is preferably used. In addition to the constant elasticity of glass, the mechanical Q is large and isotropic, and the glass has the necessary characteristics as a vibrator.
【0015】トランスデューサ10a、10bとして
は、PZT系、ZnO系、BaTiO3系などのセラミック
圧電素子が使用される。この振動ジャイロ装置は、一対
のトランスデューサ10a、10bに電気信号を同時に
印加し、これらのトランスデューサ10a、10bから
振動子1に対角方向であるy軸方向に振動を加え、z軸
回りに角速度Ωを受けたときに、この対角方向と直交す
る対角方向であるx軸方向に発生するコリオリの力Fc
により起きる振動をこれらの一対のトランスデューサ1
0a、10bから検知することにより、この角速度Ωを
測定するものである。As the transducers 10a and 10b, ceramic piezoelectric elements such as PZT type, ZnO type and BaTiO 3 type are used. This vibrating gyro device applies electric signals to a pair of transducers 10a and 10b at the same time, applies vibrations from these transducers 10a and 10b to a vibrator 1 in a y-axis direction which is a diagonal direction, and an angular velocity Ω about a z-axis. When receiving, Coriolis force Fc generated in the x-axis direction which is the diagonal direction orthogonal to this diagonal direction
The vibration caused by the pair of transducers 1
The angular velocity Ω is measured by detecting from 0a and 10b.
【0016】図17(b)に示すように、一対のトラン
スデューサ10a、10bを振動子1の直交して隣り合
う2面1a、1bに貼着して振動子1の振動方向(y方
向)を対角モードに設定すれば、所定周波数f0での駆
動時においてトランスデューサ10a、10bに現われ
る電圧Vmはトランスデューサ10a、10bではそれ
ぞれ等しい。即ち、電圧Vmはそれぞれ Vm1=Vm2 である。なお、4aは中立線を示している。As shown in FIG. 17 (b), a pair of transducers 10a and 10b are attached to two surfaces 1a and 1b of the vibrator 1 which are adjacent to each other at right angles, and the vibration direction (y direction) of the vibrator 1 is set. When the diagonal mode is set, the voltages Vm appearing on the transducers 10a and 10b during driving at the predetermined frequency f 0 are equal in the transducers 10a and 10b. That is, the voltages Vm are Vm 1 = Vm 2 , respectively. In addition, 4a has shown the neutral line.
【0017】一方、図17(c)に示すように、振動子
1に角速度Ωが加わったときコリオリの力Fc(x方
向)により発生する電圧Vcはトランスデューサ10
a、10bで極性が逆である。即ち、 Vc1=−Vc2 である。なお、4bは中立線を示している。したがっ
て、振動子1に角速度Ωが加わったときトランスデュー
サ10a、10bに現われる出力信号V1、V2はそれぞ
れ V1=Vm+Vc V2=Vm−Vc となり、(V1+V2)/2=Vmで一定であり、振動子
1に角速度Ωが加わったときでもトランスデューサ10
a、10bに現われる出力信号V1、V2の和の平均値信
号Vmは変化しないので、従来のように振動子に角速度
が加わったとき出力側の電圧、位相が変化して励起レベ
ルが不安定になったり、また外部振動に対しても不安定
となることは回避される。On the other hand, as shown in FIG. 17C, the voltage Vc generated by the Coriolis force Fc (in the x direction) when the angular velocity Ω is applied to the transducer 1 is the transducer 10.
The polarities of a and 10b are opposite. That is, Vc 1 = -Vc 2. In addition, 4b has shown the neutral line. Therefore, when the angular velocity Ω is applied to the vibrator 1, the output signals V 1 and V 2 appearing on the transducers 10a and 10b are V 1 = Vm + Vc V 2 = Vm−Vc, respectively, and (V 1 + V 2 ) / 2 = Vm It is constant, and even when the angular velocity Ω is applied to the transducer 1, the transducer 10
Since the average value signal Vm of the sum of the output signals V 1 and V 2 appearing in a and 10b does not change, when the angular velocity is applied to the vibrator as in the conventional case, the voltage and phase on the output side change and the excitation level becomes unstable. Stabilization and instability with respect to external vibrations are avoided.
【0018】一方、振動子1に貼着されたトランスデュ
ーサ10a(10b)に電気信号を印加すれば、そのト
ランスデューサ10a(10b)を含む振動子1のイン
ピーダンス変化は電気信号の周波数に応じて図18に示
すような特性を呈する。即ち、振動子1は抵抗、容量、
誘導成分を有しているので、インピーダンスは直列共振
点で極小、並列共振点で極大になる。さらに、両共振点
においては容量、誘導成分はなく、純抵抗である。On the other hand, when an electric signal is applied to the transducer 10a (10b) attached to the vibrator 1, the impedance change of the vibrator 1 including the transducer 10a (10b) changes according to the frequency of the electric signal. It exhibits the characteristics shown in. That is, the vibrator 1 has resistance, capacitance,
Since it has an inductive component, the impedance becomes minimum at the series resonance point and maximum at the parallel resonance point. Furthermore, at both resonance points, there is no capacitance or inductive component, and it is pure resistance.
【0019】図19に示すように、トランスデューサ1
0a(10b)に入力抵抗Rを直列接続して、入力抵抗
R側から駆動信号Vinを印加すれば、トランスデューサ
10a(10b)に現われる電圧Vmは並列共振点で極
大となり、入力抵抗Rの電圧降下は極小となり、直列共
振点で極小となり、入力抵抗Rの電圧降下は極大とな
り、インピーダンスは純抵抗のみとなるから位相も所定
周波数f0の駆動信号Vinと同相である。As shown in FIG. 19, the transducer 1
If the input resistance R is connected in series to 0a (10b) and the drive signal Vin is applied from the input resistance R side, the voltage Vm appearing in the transducer 10a (10b) becomes maximum at the parallel resonance point, and the voltage drop of the input resistance R occurs. Becomes a minimum, becomes a minimum at the series resonance point, the voltage drop of the input resistance R becomes a maximum, and the impedance is only a pure resistance, so that the phase is also in phase with the drive signal Vin of the predetermined frequency f 0 .
【0020】図20に示すように、トランスデューサ1
0a(10b)に直列接続した入力抵抗Rから駆動信号
Vinが印加され、トランスデューサ10a(10b)に
現われる電圧の平均値(V1+V2)/2である平均値信
号Vmと所定周波数f0の駆動信号Vinを差信号として増
幅器15で差動増幅し、ローパスフイルタ又はバンドパ
スフイルタ16で振動子1の共振点の基本波だけを振動
させオーバートーンが振動しないようにし、移相器17
で位相を調整して正帰還させる自励発振ループ回路を形
成することにより振動子1が実質的に直列共振する共振
周波数で振動子1を駆動する駆動回路を構成することが
できる。このようにしてトランスデューサ10a(10
b)の駆動信号を得ることができる。As shown in FIG. 20, the transducer 1
A drive signal Vin is applied from an input resistor R connected in series to 0a (10b), and an average value signal Vm which is an average value (V 1 + V 2 ) / 2 of a voltage appearing in the transducer 10a (10b) and a predetermined frequency f 0 . The drive signal Vin is differentially amplified by the amplifier 15 and the low pass filter or the band pass filter 16 vibrates only the fundamental wave at the resonance point of the vibrator 1 to prevent the overtone from vibrating, and the phase shifter 17
By forming a self-excited oscillation loop circuit that adjusts the phase and positively feeds back, it is possible to configure a drive circuit that drives the vibrator 1 at a resonance frequency at which the vibrator 1 substantially resonates in series. In this way, the transducer 10a (10
The drive signal of b) can be obtained.
【0021】なお、ループゲインは直列共振のとき1よ
り大とされる。また、この移相器7は必ずしも必要では
なく、位相条件が合うようにフイルタを付加することに
より位相を調整して正帰還させるようにしてもよい。ま
た、両トランスデューサ10a(10b)に現われる出
力信号V1、V2を差動増幅して差信号をとれば、 V1−V2=2Vc となり、角速度Ωの検出信号が生成される。The loop gain is set to be larger than 1 at the time of series resonance. Further, this phase shifter 7 is not always necessary, and a positive feedback may be performed by adjusting the phase by adding a filter so that the phase condition is met. Further, if the output signals V 1 and V 2 appearing on both transducers 10 a (10 b) are differentially amplified to obtain a difference signal, then V 1 −V 2 = 2 Vc, and a detection signal of angular velocity Ω is generated.
【0022】このように本発明の振動ジャイロ装置は、
振動子1を所定周波数f0で駆動して駆動振動方向Xに
屈曲振動させ、回転運動を受けたときに発生するコリオ
リの力Fcにより起きる検出振動方向Yの屈曲振動を検
出することにより回転角速度を測定するものである。本
発明の特徴によれば、図21に示すように振動子1は支
持ピン2で支持され基板4に搭載される。基板4に搭載
された振動子1は、6面体の1つを開口部M1とし、側
壁M2、M3、頂壁M6からなるケースMに、開口部M1が
基板4に配置されるように被嵌される。この場合、振動
子1の中心は、ケースMの対向側壁M2−M3の内面間の
中央および基板4の内面4aとケースMの頂壁M6の内
面との間の中央にそれぞれ配置される。As described above, the vibrating gyro device of the present invention is
The angular velocity of rotation is detected by driving the vibrator 1 at a predetermined frequency f 0 to cause bending vibration in the driving vibration direction X, and detecting bending vibration in the detection vibration direction Y caused by Coriolis force Fc generated when receiving a rotational motion. Is measured. According to the feature of the present invention, as shown in FIG. 21, the vibrator 1 is supported by the support pins 2 and mounted on the substrate 4. Vibrator 1 mounted on the substrate 4, one of the hexahedron is the opening M1, the side wall M 2, M 3, the case M consisting of the top wall M 6, the opening M 1 is disposed on the substrate 4 To be fitted. In this case, the center of the vibrator 1 are respectively disposed in the center between the central and the inner surface of the top wall M 6 of the inner surface 4a and the case M of the substrate 4 between the inner surfaces of opposed side walls M2-M 3 cases M .
【0023】この場合、駆動振動方向XのケースMの側
壁M2−M3の内面間の寸法2Lxおよび検出振動方向Y
の基板4の内面4aとケースMの頂壁M6の内面との間
の寸法2Lyの少なくとも1つはλ/4以下とされる。
ここに、λは振動子から伝播される振動の波長で、λ=
S/f0であり、Sは空気中の音速である。特に、駆動
振動方向XのケースMの側壁M2−M3の内面間の寸法2
Lxはλ/4以下とされる。In this case, the dimension 2Lx between the inner surfaces of the side walls M 2 -M 3 of the case M in the driving vibration direction X and the detection vibration direction Y
At least one of the dimensions 2Ly between the inner surface 4a of the substrate 4 and the inner surface of the top wall M 6 of the case M is set to λ / 4 or less.
Where λ is the wavelength of the vibration propagated from the oscillator, and λ =
S / f 0 , where S is the speed of sound in the air. In particular, the dimension 2 between the inner surfaces of the side walls M 2 -M 3 of the case M in the driving vibration direction X is 2
Lx is set to λ / 4 or less.
【0024】[実験][Experiment]
【0025】[実験目的]密閉したケース中で振動子を
振動させたとき、自己励起した音圧が自己の振動に及ぼ
す音響効果を測定する。[Experimental Purpose] The acoustic effect of the self-excited sound pressure on the self vibration is measured when the vibrator is vibrated in a closed case.
【0026】[実験装置]図1(a)、(b)に示すよ
うに、頂壁3、基板4、側壁7、8および頂壁3、基板
4、側壁7、8に挟まれて対称に移動可能なスライド側
壁5、6によりケースMを構成する。振動子1は支持ピ
ン2により支持されて基板4に搭載されケースMに被嵌
される。振動子1の中心はケースMの側壁の寸法2L1
の中央に配置される。[Experimental Apparatus] As shown in FIGS. 1A and 1B, the top wall 3, the substrate 4, the side walls 7, 8 and the top wall 3, the substrate 4, the side walls 7, 8 are symmetrically sandwiched between them. The case M is composed of the movable slide side walls 5 and 6. The vibrator 1 is supported by the support pins 2, mounted on the substrate 4, and fitted in the case M. The center of the vibrator 1 is the size of the side wall of the case M 2L 1
Placed in the center of.
【0027】[実験1]図1(a)、(b)に示す振動
子1上の一対の圧電トランスデューサ10、10に端子
9、9を介して図3のように抵抗R0を通して周波数f0
の交流電源V=vcosωt、V’=−vcosωtを印加する。
このとき、振動する振動子1の等価回路を図4に示す。
一対のトランスデューサ10、10によって励起される
振動をインダクタンスL、容量C、抵抗Rの直列共振回
路で置き換えてある。なお、容量C0は共振容量を示
す。[0027] [Experiment 1] FIG. 1 (a), the frequency f 0 through the resistor R 0 as shown in FIG. 3 through the terminal 9, 9 a pair of piezoelectric transducers 10 and 10 on the vibrator 1 shown in (b)
AC power source V = vcosωt, V ′ = − vcosωt is applied.
FIG. 4 shows an equivalent circuit of the vibrator 1 that vibrates at this time.
Vibrations excited by the pair of transducers 10 and 10 are replaced by a series resonance circuit of an inductance L, a capacitance C and a resistance R. The capacitance C 0 represents a resonance capacitance.
【0028】ここで一対のトランスデューサ10、10
に印加する電源V、V’をV=−V’つまり、位相反転
させてある。こうすることによって振動子1はX軸方向
に励起される。また、印加電源の角周波数ω(=2πf
0)を図に示す直列共振 ω0=1/√L・C(f0=30KHz) とした。X軸に寸法2L1(スライド5、6の位置)を
とり、Y軸に寸法2L1を変化させたことによるタップ
Tp1、Tp2の電圧E1、E2(図4)の変化を、寸法2L
1=∞(即ち、スライド除去したE点)のときの値E0を
基準としてEL1/E0(dB)をとると、図5の如き特
性を示した。ここで、EL1/E0が最大のとき(図5の
a点近傍)に振動の共振尖鋭度Qは最小(振動しにくい
状態)であり、最小のとき(図5のb近傍)に共振尖鋭
度Qは最大(振動し易い状態)である。Here, a pair of transducers 10, 10
The power supplies V and V'applied to V = -V ', that is, the phases are inverted. By doing so, the vibrator 1 is excited in the X-axis direction. Also, the angular frequency ω of the applied power source (= 2πf
0 ) is the series resonance ω 0 = 1 / √L · C (f 0 = 30 KHz) shown in the figure. Take dimension 2L 1 (position of the slide 5 and 6) to the X-axis, the change of the voltage E 1 of dimension 2L 1 tap Tp 1 due to varying, Tp 2, E 2 (Fig. 4) in the Y-axis, Dimension 2L
When E L1 / E0 (dB) is taken with reference to the value E 0 when 1 = ∞ (that is, point E after slide removal), the characteristic as shown in FIG. 5 is shown. Here, the resonance sharpness Q of the vibration is the minimum when E L1 / E 0 is the maximum (near point a in FIG. 5), and the resonance sharpness Q is the resonance when the minimum (near b in FIG. 5). The sharpness Q is the maximum (a state in which it easily vibrates).
【0029】[結果の検討]表1に示すケースM内での
音速と温度の関係から図5のa点では図2(a)の如く
λ/4の音圧の定在波が発生しているものと考えられ
る。同様にb点は図2(b)の如く波長λ/2の音圧の
定在波が発生していると考えられる。図2のaから音圧
最小の位置(λ/4)に音圧が位置してるときに共振尖
鋭度Qが最小であり、bの如く最大の位置(λ/2)に
位置しているときに共振尖鋭度Qが最大となり、一見矛
盾した結果が得られる。[Examination of Results] From the relationship between the sound velocity and the temperature in case M shown in Table 1, at point a in FIG. 5, a standing wave with a sound pressure of λ / 4 is generated as shown in FIG. 2 (a). It is believed that Similarly, at point b, a standing wave having a sound pressure of wavelength λ / 2 is considered to be generated as shown in FIG. When the sound pressure is located at the position (λ / 4) where the sound pressure is minimum from FIG. 2A, the resonance sharpness Q is at the minimum and when it is located at the maximum position (λ / 2) as shown at b. The resonance sharpness Q becomes maximum, and a seemingly contradictory result is obtained.
【0030】[0030]
【表1】 [Table 1]
【0031】[実験2]図1に示す振動子1上のトラン
スデューサ10、10に端子9、9を介して図6の如く
抵抗R0を通して交流電源V=vcosωtを印加する。この
ときの等価回路を図7に示す。実験1と異なり、一対の
トランスデューサ10、10には同相の交流電流Vを印
加するため振動子1はY軸方向に励起される。ここで振
動子1に図6の如きケースMごと回転させて回転角速度
ωを加える。そのときにタップTp1、Tp2の電圧E1、
E2を測定して、差電圧Ej=E1−E2を求めると、この
差電圧Ejがジャイロ出力となる。角速度ωを一定にし
たまま寸法L1の値を変化させ、差電圧Ejの値をプロッ
トしたものが図8である。[Experiment 2] An AC power supply V = vcosωt is applied to the transducers 10 and 10 on the vibrator 1 shown in FIG. 1 through terminals 9 and 9 through a resistor R 0 as shown in FIG. The equivalent circuit at this time is shown in FIG. Unlike the experiment 1, the transducer 1 is excited in the Y-axis direction because the in-phase alternating current V is applied to the pair of transducers 10 and 10. Here, the vibrator 1 is rotated together with the case M as shown in FIG. 6 to apply the rotational angular velocity ω. At that time, the voltage E 1 of the taps Tp 1 and Tp 2 ,
When E 2 is measured and the difference voltage E j = E 1 −E 2 is obtained, this difference voltage E j becomes the gyro output. FIG. 8 is a graph in which the value of the difference voltage E j is plotted by changing the value of the dimension L 1 while keeping the angular velocity ω constant.
【0032】[結果の検討]図8から解るように、寸法
L1=6〜7mmの間で差電圧Ejは最大となり、寸法L
1=3mm近傍でEjは最小を示している。この値は実験
1の共振尖鋭度Qの変化と相関していることが解る。こ
こでY軸方向の励起によっても図9の如くX軸方向への
分力(鎖線−−−で示す)によってX軸方向への定在波
が発生すると考えれば理解が容易である。[Examination of Results] As can be seen from FIG. 8, the differential voltage E j becomes maximum between the dimension L 1 = 6 to 7 mm, and the dimension L
E j with 1 = 3 mm near shows a minimum. It can be seen that this value correlates with the change in the resonance sharpness Q of Experiment 1. It is easy to understand if a standing wave is generated in the X-axis direction due to a component force in the X-axis direction (shown by a chain line ---) as shown in FIG. 9 even when excitation is performed in the Y-axis direction.
【0033】[動作の解明]実験1、2から自己励起に
よってケースM内に発生し自己励起を妨害する音圧が最
小の点(λ/4)に振動子1を置いたときがQ最小(自
己励起が妨害されている)であり、最大(λ/2)の点
に置いたときがQ最大(自己励起が妨害されていない)
であることが解る。この事実は一見矛盾してみえる。こ
の事実を解明した文献は見当らない。そこで発明等は次
のように考えた。[Clarification of operation] From Experiments 1 and 2, when the oscillator 1 is placed at a point (λ / 4) at which the sound pressure generated in the case M by self-excitation and disturbing the self-excitation is minimum (λ / 4), Q minimum ( Self-excitation is disturbed), and Q max when placed at the maximum (λ / 2) point (self-excitation is not disturbed)
It turns out that This fact seems to be contradictory. There is no literature that clarifies this fact. Therefore, the invention and the like were considered as follows.
【0034】音片型振動ジャイロの等価回路は図10で
表わされる。図10においてZx、ZYはそれぞれ振動子
1がX軸方向へ振動しているとき及びY軸方向へ振動し
ているときのメカニカルインピーダンスを示し、マトリ
クスのGx -1、GYはジャイロ変換係数を示す。いま回転
角速度ωを ω=0 にし、振動子1をX軸方向に振動させたとき(実験1)
の等価回路は上記妨害音圧を無視すると図11の如く表
わせる。次に妨害音圧を考慮に入れると、ケースM内で
の音圧、粒子速度の分布は図13となり、ケースM内の
密閉音圧による空気の波動インピーダンスzx1は zx1=jZ0cotkL1 と表せる。ここにkは、空気中の音波の伝搬定数、Z0
は空気の音響インピーダンスをそれぞれ示す。この振動
子1の長さ方向と直角の方向へのインピーダンスは振動
子1の長さ方向に分布定数的に加わると考えられる。等
価回路を簡単にするために、図12の如くzx1をZxに
並列に接続したと考える。いま振動子1が図11におけ
るインダクタンスL、容量Cが周波数f0(=1/√L
C)で励起されていたとすると、その等価回路は図14
となる。図14においてR01は共振抵抗を示し、R01∝
1/Q0であり、Q0は振動子1のみの共振尖鋭度(zx1
を無視したときの共振尖鋭度)を示す。ここで振動子1
を周波数f0で励起したまま図1の振動子1の中心から
ケースMの側壁までの寸法L1の値を変化させれば、イ
ンピーダンスzx1=jZ0cotkL1において kL1=λ/4のとき zx1=0 (1) kL1=λ/2のとき zx1=無限大 (2) となる。An equivalent circuit of the sound piece type vibration gyro is shown in FIG. In FIG. 10, Z x and Z Y represent mechanical impedances when the vibrator 1 is vibrating in the X-axis direction and when vibrating in the Y-axis direction, and G x −1 and G Y of the matrix are gyroscopes. The conversion coefficient is shown. When the rotational angular velocity ω is set to ω = 0 and the vibrator 1 is vibrated in the X-axis direction (Experiment 1)
The equivalent circuit of can be expressed as shown in FIG. 11 when the disturbing sound pressure is ignored. Next, when the disturbing sound pressure is taken into consideration, the sound pressure and particle velocity distributions in the case M are shown in FIG. 13, and the wave impedance z x1 of air due to the closed sound pressure in the case M is z x1 = jZ 0 cotkL 1 Can be expressed as Where k is the propagation constant of a sound wave in air, Z 0
Indicates the acoustic impedance of air, respectively. It is considered that the impedance in the direction perpendicular to the length direction of the vibrator 1 is distributed constant in the length direction of the vibrator 1. In order to simplify the equivalent circuit, it is considered that z x1 is connected in parallel with Z x as shown in FIG. Now, the oscillator 1 has the inductance L and the capacitance C of the frequency f 0 (= 1 / √L in FIG. 11).
If it is excited in C), its equivalent circuit is shown in FIG.
Becomes In FIG. 14, R 01 represents resonance resistance, and R 01 ∝
1 / Q 0 , and Q 0 is the resonance sharpness (z x1
Resonance sharpness when is ignored. Oscillator 1
The By changing the value of the dimension L 1 from the center of the vibrator 1 remains 1 was excited at a frequency f 0 to the sidewall of the case M, the impedance z x1 = jZ 0 cotkL 1 kL 1 = λ / 4 of the When z x1 = 0 (1) When kL 1 = λ / 2, z x1 = infinity (2).
【0035】つまり、(1)式のとき(kL1=λ/
2)、等価回路は図15となりzx1は並列共振状態とな
り振動子の振動への影響は少ない。同様に、(2)式の
とき(kL1=λ/4)、等価回路は図16となり、こ
の回路の全共振尖鋭度Qは1/Q=1/Q0+1/
Q’、つまりQ=Q0Q’/(Q0+Q’)となるので全
共振尖鋭度Qが低下することになる。ここにQ’はケー
スM内の空気中定在波共振尖鋭度を示す。That is, in the case of the equation (1) (kL 1 = λ /
2), the equivalent circuit is as shown in FIG. 15, and z x1 is in a parallel resonance state, and has little influence on the vibration of the vibrator. Similarly, in the case of equation (2) (kL 1 = λ / 4), the equivalent circuit is shown in FIG. 16, and the total resonance sharpness Q of this circuit is 1 / Q = 1 / Q 0 + 1 /
Since Q ′, that is, Q = Q 0 Q ′ / (Q 0 + Q ′), the total resonance sharpness Q is lowered. Here, Q ′ indicates the standing wave resonance sharpness in the air in the case M.
【0036】また表1よりλ/4のときは寸法L1=3
mm、λ/2のときは寸法L1=6mmと求まる。以上
の結果から図5で寸法L1=3mmの点でEL1/E0が最
大(Q最小)、寸法L1=6mmのときで最小(Q最
大)となることが理解できる。これらの実験において、
振動子1の中心はケースMの側壁内面間の寸法2L1の
中央に配置し、振動子1から側壁内面までの寸法L1に
ついて計測したので、ケースの側壁内面間における寸法
はその2倍(=2L1)となる。Further, from Table 1, when λ / 4, the dimension L 1 = 3
When mm and λ / 2, the dimension L 1 = 6 mm. E L1 / E 0 is the largest in terms of dimension L 1 = 3 mm in FIG. 5 from the above results (Q min), it can be seen that the minimum (Q max) when the dimension L 1 = 6 mm. In these experiments,
Center of the vibrator 1 is placed in the center of dimension 2L 1 between the inner surface of the side wall of the case M, since the measurement for the dimensions L 1 from the transducer 1 to the sidewall inner surface, the case dimension between the inner surface of the side wall of double that ( = 2L 1 ).
【0037】なお、以上の実施例では駆動振動方向をX
に、検出振動方向をYに設定したが、その逆に設定する
こともできる。さらに、以上の実施例では振動子1の中
心をケースMの側壁内面間の寸法2L1の中央に配置
し、振動子1から側壁内面までの寸法L1について計測
した例(図21のLx)について説明したが、振動子1
の中心を基板4の内面4aとケースMの頂壁M6の内面
との間の寸法2Lyの中央に配置し、振動子1から頂壁
M6の内面との間の寸法に適用した場合にも同様の効果
を生じるものである。In the above embodiment, the driving vibration direction is X.
Although the detection vibration direction is set to Y in the above, it may be set in the opposite direction. Example Further, in the above embodiment is arranged the center of the vibrator 1 in the center of dimension 2L 1 between the inner surface of the side wall of the case M, was measured for the dimension L 1 from the transducer 1 to the sidewall inner surface (Lx in FIG. 21) The oscillator 1
When the center of is arranged at the center of the dimension 2Ly between the inner surface 4a of the substrate 4 and the inner surface of the top wall M 6 of the case M, and is applied to the dimension between the vibrator 1 and the inner surface of the top wall M 6. Also produces a similar effect.
【0038】また、以上の実施例では振動ジャイロ装置
を4角形の直方体振動子を使用した音片型に適用した例
について説明したが、本発明の振動ジャイロ装置は横断
面n角形(nは3または5以上)の多辺体の音片型にも
適用でき、さらに音叉型等に応用する場合についても等
しく適用できる。この場合、叙上のx軸方向、y軸方向
とはその横断面n角形のx軸方向、y軸方向成分をいう
ものとする。また、以上の実施例では横断面4角形の直
方体の音片で構成された振動子の直交して隣り合う2面
に一対のトランスデューサを貼着したが、3以上のトラ
ンスデューサを貼着して駆動・検出を行なうこともでき
る。Further, in the above embodiment, an example in which the vibrating gyro device is applied to a voice piece type using a rectangular parallelepiped rectangular parallelepiped vibrator has been described. (Or 5 or more), it can be applied to a polyhedron tone piece type, and can be equally applied to the case of applying to a tuning fork type or the like. In this case, the above-mentioned x-axis direction and y-axis direction refer to the x-axis direction component and the y-axis direction component of the n-sided cross section. Further, in the above embodiment, the pair of transducers are attached to the two adjacent faces of the vibrator which are composed of rectangular parallelepiped sound pieces each having a quadrangular cross section, but the three or more transducers are attached and driven.・ Detection can be performed.
【0039】[0039]
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の振動ジャイロ装置によれば、振動子を基板に搭載し
て被嵌するケース内部の音響干渉を小さくして小型化を
図ることができる。As is apparent from the above description, according to the vibrating gyro device of the present invention, it is possible to reduce the acoustic interference inside the case in which the vibrator is mounted on the substrate and to be fitted therein, thereby achieving miniaturization. You can
【図1】図1(a)、(b)はそれぞれ本発明を実験装
置として組立て検証した振動ジャイロ装置の上面説明
図、平面説明図。1A and 1B are a top view and a plan view, respectively, of a vibration gyro device in which the present invention is assembled and verified as an experimental device.
【図2】図2(a)、(b)はそれぞれ振動ジャイロ装
置の振動子、ケースの寸法および定在波の関係を示す特
性図。FIG. 2A and FIG. 2B are characteristic diagrams showing a relationship between a vibrator of a vibrating gyro device, dimensions of a case, and standing waves, respectively.
【図3】振動ジャイロ装置の振動子をX軸方向に励起す
る回路図。FIG. 3 is a circuit diagram for exciting a vibrator of the vibration gyro device in the X-axis direction.
【図4】X軸方向に励起された振動子の等価回路図。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a vibrator excited in the X-axis direction.
【図5】ケースの寸法を変化したときの出力電圧特性
図。FIG. 5 is an output voltage characteristic diagram when the dimensions of the case are changed.
【図6】振動ジャイロ装置の振動子をY軸方向に励起す
る回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for exciting a vibrator of the vibrating gyro device in the Y-axis direction.
【図7】Y軸方向に励起された振動子の等価回路図。FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a vibrator excited in the Y-axis direction.
【図8】ケースの寸法を変化したときの出力電圧特性
図。FIG. 8 is an output voltage characteristic diagram when the dimensions of the case are changed.
【図9】振動ジャイロ装置の振動子をY軸方向に励起し
たときに発生するX軸方向への分力を示す説明図。FIG. 9 is an explanatory diagram showing a component force in the X-axis direction generated when a vibrator of the vibrating gyro device is excited in the Y-axis direction.
【図10】振動ジャイロ装置の等価回路図。FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the vibration gyro device.
【図11】振動ジャイロ装置の振動子をX軸方向に振動
させ妨害音圧を無視したときの振動ジャイロ装置の等価
回路図。FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of the vibration gyro device when the vibrator of the vibration gyro device is vibrated in the X-axis direction and the interfering sound pressure is ignored.
【図12】図11に示す等価回路図を簡単化して描いた
振動ジャイロ装置の等価回路図。12 is an equivalent circuit diagram of the vibration gyro device, which is drawn by simplifying the equivalent circuit diagram shown in FIG.
【図13】妨害音圧を考慮に入れてケース内での音圧、
粒子速度の分布を示す図。FIG. 13: Sound pressure in the case, taking into account the disturbing sound pressure,
The figure which shows distribution of particle velocity.
【図14】振動ジャイロ装置の振動子を図11における
インダクタンスL、容量Cの周波数f0(=1/√L
C)で励起したときの振動ジャイロ装置の等価回路図。FIG. 14 shows a vibrator of the vibration gyro device with a frequency f 0 (= 1 / √L) of the inductance L and the capacitance C in FIG.
The equivalent circuit diagram of the vibration gyro device when excited by C).
【図15】寸法の値を変化させ、特定の値のときの振動
ジャイロ装置の等価回路図。FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of the vibration gyro device when the value of the dimension is changed and the value is a specific value.
【図16】寸法の値を変化させ、特定の値のときの振動
ジャイロ装置の等価回路図。FIG. 16 is an equivalent circuit diagram of the vibration gyro device when the dimension value is changed and the value is a specific value.
【図17】図17(a)は本発明における振動ジャイロ
装置の振動子、トランスデューサの概略斜視図、図17
(b)は図17(a)に示す振動ジャイロ装置の駆動時
のトランスデューサの振動方向、電圧を示す説明図、図
17(c)は図17(a)に示す振動ジャイロ装置の角
速度発生時のコリオリの力の発生方向、電圧を示す説明
図。17 (a) is a schematic perspective view of a vibrator and a transducer of the vibration gyro device according to the present invention, FIG.
17B is an explanatory diagram showing the vibration direction and voltage of the transducer when the vibration gyro device shown in FIG. 17A is driven, and FIG. 17C is a graph showing the angular velocity of the vibration gyro device shown in FIG. Explanatory drawing which shows the generation | occurrence | production direction of Coriolis force, and voltage.
【図18】振動ジャイロ装置に使用されるトランスデュ
ーサを含む振動子のインピーダンス変化と励起信号の周
波数との関係を示す特性図。FIG. 18 is a characteristic diagram showing the relationship between the impedance change of a transducer including a transducer used in a vibration gyro device and the frequency of an excitation signal.
【図19】本発明の振動ジャイロ装置の駆動・角速度検
出の概念を示す回路図。FIG. 19 is a circuit diagram showing the concept of drive / angular velocity detection of the vibration gyro device of the present invention.
【図20】本発明の振動ジャイロ装置の駆動回路の原理
を示す回路図。FIG. 20 is a circuit diagram showing the principle of a drive circuit of the vibration gyro device of the present invention.
【図21】図21は本発明における振動ジャイロ装置の
振動子とケースの寸法を示す説明図。FIG. 21 is an explanatory view showing dimensions of a vibrator and a case of the vibration gyro device according to the present invention.
【図22】図22(a)、(b)はそれぞれ従来の振動
ジャイロ装置の振動子、トランスデューサの概略斜視
図、平面図。22 (a) and 22 (b) are respectively a schematic perspective view and a plan view of a vibrator and a transducer of a conventional vibrating gyro device.
【図23】図23(a)、(b)はそれぞれ従来の振動
ジャイロ装置のケースに被嵌した状態を示す平面説明
図、底面説明図。23A and 23B are a plan view and a bottom view, respectively, showing a state in which the case is fitted in a case of a conventional vibrating gyro device.
【図24】従来の他の振動ジャイロ装置のケースに被嵌
した状態を示す平面説明図。FIG. 24 is an explanatory plan view showing a state of being fitted in the case of another conventional vibration gyro device.
1……振動子 4……基板 4a……基板の内面 X……駆動振動方向 Y……検出振動方向 M……ケース M1……開口部 M2、M3……側壁 M6……頂壁 2Lx、2Ly……寸法 f0……周波数 λ……波長 S……空気中の音速 Fc……コリオリの力1 ...... vibrator 4 ...... substrate 4a ...... inner surface of the substrate X ...... driving vibration direction Y ...... detecting vibration direction M ...... case M 1 ...... opening M 2, M 3 ...... sidewall M 6 ...... top wall 2Lx, the force of the speed of sound Fc ...... Coriolis 2Ly ...... dimension f 0 ...... frequency λ ...... wavelength S ...... in the air
フロントページの続き (72)発明者 金野 吉剛 神奈川県川崎市川崎区小田栄2丁目1番1 号 昭和電線電纜株式会社内 (72)発明者 横山 武男 神奈川県川崎市川崎区小田栄2丁目1番1 号 昭和電線電纜株式会社内Front Page Continuation (72) Inventor Yoshitaka Kanano 2-1-1 Oda Sakae, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Within Showa Electric Wire & Cable Co., Ltd. (72) Takeo Yokoyama 2-1-1 Oda, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa No. 1 Showa Electric Cable Co., Ltd.
Claims (2)
なるケースに、振動子を基板に搭載して前記開口部が前
記基板に配置されるように前記振動子を被嵌し、前記振
動子を所定周波数(f0)で駆動して駆動振動方向に屈
曲振動させ、回転運動を受けたときに発生するコリオリ
の力により起きる検出振動方向の屈曲振動を検出するこ
とにより回転角速度を測定する振動ジャイロであって、 前記駆動振動方向の前記ケースの側壁内面間の寸法およ
び前記検出振動方向の前記基板の内面と前記ケースの頂
壁内面との間の寸法の少なくとも1つをλ/4(ここ
に、λは振動子から伝播される振動の波長で、λ=S/
f0であり、Sは空気中の音速である)以下としたこと
を特徴とする振動ジャイロ装置。1. A vibrator is mounted on a substrate, and the vibrator is fitted in a case consisting of a side wall and a top wall with one of the hexahedrons as an opening and the opening is arranged on the substrate. , The rotational angular velocity by detecting the bending vibration in the detection vibration direction caused by the Coriolis force generated when the vibrator is driven by the predetermined frequency (f 0 ) A vibration gyro for measuring at least one of a dimension between a side wall inner surface of the case in the driving vibration direction and a dimension between an inner surface of the substrate and a top wall inner surface of the case in the detection vibration direction. / 4 (where λ is the wavelength of the vibration propagated from the oscillator, and λ = S /
f 0 and S is the speed of sound in the air) or less).
間の寸法をλ/4以下としたことを特徴とする請求項1
記載の振動ジャイロ装置。2. The dimension between the inner surfaces of the side walls of the case in the driving vibration direction is set to λ / 4 or less.
The described vibration gyro device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7098587A JPH08292031A (en) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Vibration gyro device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7098587A JPH08292031A (en) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Vibration gyro device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08292031A true JPH08292031A (en) | 1996-11-05 |
Family
ID=14223786
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7098587A Withdrawn JPH08292031A (en) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Vibration gyro device |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH08292031A (en) |
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JP2010032555A (en) * | 2009-11-16 | 2010-02-12 | Sony Corp | Angular velocity sensor |
-
1995
- 1995-04-24 JP JP7098587A patent/JPH08292031A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010032555A (en) * | 2009-11-16 | 2010-02-12 | Sony Corp | Angular velocity sensor |
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