JPS61258110A - Angular velocity sensor - Google Patents

Angular velocity sensor

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Publication number
JPS61258110A
JPS61258110A JP60099634A JP9963485A JPS61258110A JP S61258110 A JPS61258110 A JP S61258110A JP 60099634 A JP60099634 A JP 60099634A JP 9963485 A JP9963485 A JP 9963485A JP S61258110 A JPS61258110 A JP S61258110A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
angular velocity
voltage
circuit
detection
Prior art date
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Pending
Application number
JP60099634A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hajime Tachikawa
立川 肇
Hiroo Nakamura
啓夫 中村
Toshiya Shinozaki
篠崎 利也
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP60099634A priority Critical patent/JPS61258110A/en
Publication of JPS61258110A publication Critical patent/JPS61258110A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To detect with a high accuracy an angular velocity of a rotating body by detecting a magnitude of the angular velocity and a direction of the angular velocity, from a ratio of a detecting signal obtained from a detecting element and a driving signal of the detecting element, and from a phase relation of the detecting signal and the driving signal, respectively. CONSTITUTION:A detecting element 1 has a driving part 2 and a detecting part 3, and rotates as one body with a rotating body. A driving circuit 4 supplies a driving signal VI to the driving part 2, and vibrates the detecting part 3. A signal VS which is detected 5 in accordance with a Corioli's force from the detecting part, generated thereby is brought to a full-wave rectification 11 through an amplifying circuit 9, and a DC voltage VS3 is outputted. An amplitude ratio of the voltage VS3, and a DC voltage VI4 obtained by half-wave-rectifying 10 and smoothing 13 the signal VI is detected by a logarithmic amplifying circuit (LAMP) 17, and on the other hand, as for the signal VI, the frequency is detected by a LAMP 16. An output VI3 of the circuit 17 and an output VL4 of the LAMP 16 are added 18, and the adding part 18 outputs a signal V01 corresponding to a magnitude of an angular velocity of the rotating body. On the other hand, a phase of an output VI3 of the half-wave rectifying circuit 10 and an output VS2 of the circuit 9 is detected 14, and a phase detecting circuit 14 outputs a signal VP for showing a direction of an angular velocity.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、回転体の角速度な検出するための角速度セン
サに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to an angular velocity sensor for detecting the angular velocity of a rotating body.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

近年、自動車やロボットなどの分野において。 In recent years, in fields such as automobiles and robots.

角速度センサに対する要望が高まっている。その中でも
、寿命などの点から、特に、振動式のものが注目されて
い/)。この振動式Q角速度センサの一例が特開昭58
−174854号公報に開示されているが、この従来例
は、−万ケ検出用とし。
Demand for angular velocity sensors is increasing. Among these, vibrating types are attracting particular attention due to their longevity. An example of this vibration type Q angular velocity sensor is
Although disclosed in Japanese Patent No. 174854, this conventional example is for detecting 10,000 objects.

他方を駆動用とした2枚の圧電素子を結合して一対とな
し、かかる対の圧電素子馨2個用いて音叉形状に検出素
子χ形成し、この検出゛素子を測定しようとする回転体
と一体に回転させるとともに、これら駆動用の圧電素子
を同一振幅、同一周波数でかつ位相viso@異ならせ
て振動させて夫々の検出用圧電素子にコリオリの力を生
じさせ、これらコリオリの力?検出してそこに含まれる
回転体の角速度Y電気的処理でもって検出部Φものであ
る。検出素子χこりように構成丁Φことにより、直線的
な振動や加速度、さらVCt工、駆動用の圧電素子が発
生する音響振動の影響が取り除かれ、高い精度で角速度
が検出される。
Two piezoelectric elements, the other of which is used for driving, are combined to form a pair, and the two piezoelectric elements of the pair are used to form a detection element χ in the shape of a tuning fork, and this detection element is connected to the rotating body to be measured. While rotating them together, these drive piezoelectric elements are vibrated with the same amplitude, the same frequency, and different phases to generate a Coriolis force in each detection piezoelectric element, and these Coriolis forces? The detection unit Φ detects the angular velocity Y of the rotating body contained therein by electrical processing. By configuring the detection element χ to Φ, the effects of linear vibration, acceleration, VCt, and acoustic vibration generated by the drive piezoelectric element are removed, and angular velocity can be detected with high accuracy.

しかしながら、検出用圧電素子から検出するコリオリの
力は駆動用圧電素子の振動振幅、振動周波数に依存し、
また、これらは駆動用圧電素子の駆動信号の振幅、周波
数(依存するから、この駆動信号の振幅や周波数が変化
すると、検出されたコリオリの力も変動して正確な角速
度の検出が行なえない。
However, the Coriolis force detected by the detection piezoelectric element depends on the vibration amplitude and vibration frequency of the drive piezoelectric element.
Furthermore, since these depend on the amplitude and frequency of the drive signal of the drive piezoelectric element, if the amplitude or frequency of this drive signal changes, the detected Coriolis force will also change, making it impossible to accurately detect the angular velocity.

そこで、かかる問題点?解消するために、センナ技術編
集部情報調査会発行:センサデバイスノ・ンドブツク(
1983,11,15)pP、193−194「49.
角速度センサ」の項に警工、検出素子の駆動回路に駆動
信号の振幅を一定にするための自動利得制御方式を採用
し、かつ周波数V 一定に丁6ための補償用コンデンサ
を設げた技術が開示されている。
So, what are the problems? In order to solve the problem, published by Senna Technology Editorial Department Information Research Committee: Sensor Device No.
1983, 11, 15) pP, 193-194 "49.
In the section "Angular Velocity Sensor", the police engineer introduced a technology that adopted an automatic gain control method to keep the amplitude of the drive signal constant in the drive circuit of the detection element, and installed a compensation capacitor to keep the frequency V constant. Disclosed.

しかしながら、かかる従来技術において管工、やはり検
出用圧電素子から検出される信号はこの圧電素子の振動
振幅や振動周波数に依存しており、かつ、駆動信号の振
幅や周波数を所望の値に正確に設定することは困難であ
るから、補償が不充分であるし、また、自動利得制御の
ための補正量の調整は非常に難かくし、高度の熟練と手
間ケ必要としていた。さらに、検出用圧電素子から検出
された信号から回転体の角速度の太きさや向きY検出す
るため(、この信号を同期検波しているが、このための
基準クロックは上記駆動1号と所定電圧とを比較するこ
と[よって形成している。したがって、駆動信号の振幅
や周波数が所望の値からづれていたり、変動したりする
と、基準クロックのパルス幅や位相が変動丁Φことにな
り、こり結果、得られる角速度の大きさに誤差が生ずる
ことになる。
However, in such conventional technology, the signal detected from the pipework, also from the detection piezoelectric element, depends on the vibration amplitude and vibration frequency of this piezoelectric element, and the amplitude and frequency of the drive signal cannot be accurately adjusted to the desired value. Since it is difficult to set, compensation is insufficient, and adjustment of the correction amount for automatic gain control is extremely difficult and requires a high degree of skill and effort. Furthermore, in order to detect the thickness and direction of the angular velocity of the rotating body from the signal detected from the detection piezoelectric element (this signal is synchronously detected, the reference clock for this is the drive No. 1 mentioned above and a predetermined voltage). Therefore, if the amplitude or frequency of the drive signal deviates from the desired value or fluctuates, the pulse width or phase of the reference clock will fluctuate, causing distortion. As a result, an error occurs in the magnitude of the obtained angular velocity.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、高い
精度で回転体Q角速度?検出丁すことができるようにし
た角速度センサ?提供するにある。
An object of the present invention is to solve the problems of the above-mentioned prior art, and to measure the angular velocity of a rotating body Q with high precision. An angular velocity sensor that can be detected? It is on offer.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

この目的を達成するために、本発明シエ、検出素子から
得られた検出信号と該検出素子の駆動信号との比から角
速度の大きさ?検出し、これとは独立に、該検出信号と
該駆動信号の位相関係から該角速度の向きを検出するよ
うにした点に特徴がある。
To achieve this objective, the present invention calculates the magnitude of angular velocity from the ratio of the detection signal obtained from the detection element and the drive signal of the detection element. The present invention is characterized in that the direction of the angular velocity is detected and independently from this, the direction of the angular velocity is detected from the phase relationship between the detection signal and the drive signal.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

まず、第5図によって本発明Q厘埋Y説明する。 First, the present invention will be explained with reference to FIG.

互いに直交するY軸、Y軸、Z軸からなる三次元座標系
において、Y軸とY軸とからなるX−Y平面上gZ軸Y
中心として角速度Ωで物体Mが回転しており、この物体
Mが画く軌道ハ原点Oからの半径Rの円軌道であるもの
とし、この物体MがさらにX−Y平面内で振動している
ものとすると、この物体Mには、その振動方向と2軸に
平行な方向とに垂直な方向に次に示すコリオリの力F。
In a three-dimensional coordinate system consisting of the Y-axis, Y-axis, and Z-axis that are orthogonal to each other, on the X-Y plane consisting of the Y-axis and the Y-axis gZ-axis Y
An object M is rotating at an angular velocity Ω around the center, and the orbit drawn by this object M is a circular orbit with a radius R from the origin O, and this object M is also vibrating within the X-Y plane. Then, this object M is subjected to the following Coriolis force F in a direction perpendicular to its vibration direction and a direction parallel to the two axes.

が生ずる。occurs.

FC=zm(¥x7) ここで、m tz物体Mの質量%vは物体M 17)振
動による速度ベクトル、″7!ハ角速変成クトルで方向
はZ軸方向である。ここで、物体Mを原点O方向大−に
に振動させるものとし、これによるコリオリの力Ycは
回転軌道の接線方向B−B/に生ずる。
FC=zm (¥x7) Here, m tz The mass %v of the object M is the object M. 17) Velocity vector due to vibration, "7! H is an angular velocity transformation vector, and the direction is the Z-axis direction.Here, the object M is caused to vibrate greatly in the direction of the origin O, and the resulting Coriolis force Yc is generated in the tangential direction B-B/ of the rotating orbit.

いま、質量MがA−に方向にr sinωtで変位(振
動)しているとすると、コリオリの力fCの大きさFC
は次式で表わされる。なお、ωは2πfであって、fは
振動周波数である。
Now, if the mass M is displaced (vibrated) in the direction A- by r sin ωt, then the magnitude of the Coriolis force fC is FC
is expressed by the following equation. Note that ω is 2πf, and f is the vibration frequency.

FC=2mΩr ωcos ωt      −−−−
(1)この式において、m、r、ωは単なる大きさを示
すものであるが、角速度Ωは向きにより正負の値?もっ
ている。したがって、コリオリの力FCは質量Mの変位
を表わすr sinωtに対して、その位相が角速度Ω
の向きによって90°遅れ、または90°進みとなる。
FC=2mΩr ωcos ωt -----
(1) In this equation, m, r, and ω simply indicate the size, but does the angular velocity Ω take a positive or negative value depending on the direction? I have it. Therefore, the Coriolis force FC has a phase with respect to r sin ωt representing the displacement of the mass M at the angular velocity Ω
Depending on the orientation, it will be delayed by 90 degrees or advanced by 90 degrees.

一万、もともとのA−A/方向の振動における半径方向
QカFAは、 Fh= mrω”sinωt となる。さらに、角速度Ωによる遠心力FCLは半径R
を、r71−「フ1−とすると、FcL= mΩ”  
(R+ rsiJ6) t )となり。したがって、A
−に方向に発生している力F、は、 F、=FA+FcL;−mr(ω2−Ω”)sincc
+t−1−mR122・・・・・・(2) となる。ここで、ω〉Ωと設定し、力FTの交流分χフ
ィルタによって抽出すると、その方F?□は、 FTA中−m r Q12sioωt =、pムとなる
。したがって、力FTA)二質量Mの変位を表わ丁r 
5iflωtに対して、その位相が180@ずれている
10,000, the radial Q force FA in the original vibration in the A-A/direction is Fh = mrω"sinωt.Furthermore, the centrifugal force FCL due to the angular velocity Ω is the radius R
, r71- "F1-, then FcL= mΩ"
(R+ rsiJ6) t). Therefore, A
The force F, which is generated in the direction of -, is: F, = FA + FcL; -mr(ω2-Ω") sincc
+t-1-mR122...(2) It becomes. Here, if we set ω〉Ω and extract the alternating current component of the force FT using a χ filter, then the direction F? □ is FTA-m r Q12sioωt =, pm. Therefore, the force FTA) represents the displacement of the two masses M and r
The phase is shifted by 180@ with respect to 5iflωt.

そこで、力FTAt?基準としてコリオリの力FcYみ
ると、その位相は角速度Ωり向きによって90°進み、
また!工90°遅れとなっているので、この位相χ検出
部会ことにより角速度Ωの向きが検出できる。また、力
FTAの振幅によってコリオリリカFcg)振幅を割算
すると、が得られΦ。さらに、これに力FTA のsi
nωtからωを抽出して掛算すると、質量Mの振幅rと
周波数fの変動にかかわらず角速度Ωの大きさを検出で
きる。
So, power FTAt? If we look at the Coriolis force FcY as a reference, its phase advances by 90° depending on the direction of the angular velocity Ω,
Also! Since the phase is delayed by 90 degrees, the direction of the angular velocity Ω can be detected by this phase χ detection section. Also, dividing the Coriolis Fcg) amplitude by the amplitude of the force FTA gives Φ. In addition, the power FTA si
By extracting ω from nωt and multiplying it, the magnitude of the angular velocity Ω can be detected regardless of fluctuations in the amplitude r and frequency f of the mass M.

以上が本発明の原理であるが、以下、かかる原理にもと
づ(本発明の実施例を図面によって説明する。
The above is the principle of the present invention. Hereinafter, based on this principle, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明による角速度センサリー実施例?示すブ
ロック図であって、1は検出素子、2は駆動部、3は検
出部、4は駆動回路、5は電荷増幅回路、6,7)Xバ
ンドパスフィルタ、8)X移相回路、9は増幅回路、1
0は半波整流回路、1工は全波整流回路、12は周波数
−電圧変換回路、13は平滑回路、14は位相検出回路
、15はプログラマブル・マルチファンクションリモジ
ュール、16は対数増幅回路、17は対数比増幅回路、
184!加算回路、19は逆対数増幅回路、20は反転
回路、21はアナログスイッチ、22は増幅回路、23
,24.25は出力端子である。
Is Fig. 1 an example of an angular velocity sensor according to the present invention? 1 is a block diagram showing a detection element, 2 a drive section, 3 a detection section, 4 a drive circuit, 5 a charge amplification circuit, 6, 7) an X bandpass filter, 8) an X phase shift circuit, 9 is an amplifier circuit, 1
0 is a half-wave rectifier circuit, 1 is a full-wave rectifier circuit, 12 is a frequency-voltage conversion circuit, 13 is a smoothing circuit, 14 is a phase detection circuit, 15 is a programmable multi-function remodule, 16 is a logarithmic amplifier circuit, 17 is a logarithmic ratio amplifier circuit,
184! Addition circuit, 19 is an anti-logarithm amplifier circuit, 20 is an inversion circuit, 21 is an analog switch, 22 is an amplifier circuit, 23
, 24 and 25 are output terminals.

同図において、駆動回路4は検出素子I C1)駆動部
21C駆動信号を供給し、検出部3を振動させる。
In the same figure, the drive circuit 4 supplies a drive signal to the detection element IC1) drive section 21C to vibrate the detection section 3.

検出素子1は、第2図に示すように、音叉形の圧電素子
(水晶振動子)からなる駆動部2と同じく音叉形の圧電
素子(水晶振動子)からなる検出部3とが、夫々り共振
波2Aと3A、共振波2Bと3Bとが互いに接合されて
一体となって構成されている。これら圧電素子は人工水
晶をフォ)IJノグラフイ技術で同一形状に加工し定も
のであるが、それらの結晶の機械軸が互いに直交するよ
うにカットされている。かかる構成の検出素子lには、
そり長さ方向に検出すべき角速度Ωを加える。
As shown in FIG. 2, the detection element 1 includes a driving section 2 made of a tuning fork-shaped piezoelectric element (crystal oscillator) and a detection section 3 made of a tuning fork-shaped piezoelectric element (crystal oscillator), respectively. The resonant waves 2A and 3A and the resonant waves 2B and 3B are joined together to form an integral structure. These piezoelectric elements are made by processing artificial quartz crystals into the same shape using photo-injection technology, but they are cut so that the mechanical axes of these crystals are orthogonal to each other. In the detection element l having such a configuration,
Add the angular velocity Ω to be detected in the warp length direction.

駆動部2には、第3図(a) vc示すように、夫々の
共振波2A、2B一方の面にアルミニウム蒸着による電
極26.27が設けられ、また、第3図(a)の分断線
C−C/に沿う断面?示す第3図(b)に示すよう和、
共振波2A、2Bり他方の面にも、電極26.27に対
向して電極26’、27’が設けられている。さらに、
I!3図(a)に示すように、共振波2A、2Bの先端
部(低融点金属の接着材28゜29が設けられている。
As shown in FIG. 3(a) vc, the drive unit 2 is provided with electrodes 26 and 27 made of aluminum evaporation on one surface of each of the resonant waves 2A and 2B, and the dividing line in FIG. 3(a) A cross section along C-C/? As shown in Figure 3(b), the sum,
Electrodes 26' and 27' are also provided on the other side of the resonant waves 2A and 2B, facing the electrodes 26 and 27. moreover,
I! As shown in FIG. 3(a), the tips of the resonant waves 2A and 2B (an adhesive material 28.degree. 29 made of a low melting point metal is provided).

ここで、第3図(b)に示す電極26と27′、電極2
7t26’を工夫々電気的に接続されており、電極26
.27間に駆動回路4から駆動信号が印加されて駆動部
2が振動する。
Here, electrodes 26 and 27' shown in FIG. 3(b), electrode 2
7t26' are electrically connected, and the electrode 26
.. During the period 27, a drive signal is applied from the drive circuit 4, and the drive section 2 vibrates.

この振動の分布は、共振波2人について示すと、第3図
(!l)の矢印30および破線31で示す工うになる。
The distribution of this vibration is shown by the arrow 30 and broken line 31 in FIG. 3 (!l) when shown for two resonance waves.

一方、検出部3は、第4図(a)およびその分断線D−
D/に沿う断面を示す第4図(blに示すように、共振
波3A、3Bの夫々の外側面f!15VC沿って互いに
連結した電極32と、同じく夫々の内側WJfIBに沿
って互いに連結した電極33とが設けられ、さらに、共
振波3A、3Bの先端部に低融点金属の接着材34.3
5が設けられていb0 0B図(a)に示す駆動部2の共振波2 A I)先端
部と第4図[a)に示す検出部3の共振波3A(1)先
端部とt接着材28.34で接着し、駆動部2の共振波
2 B cy)先端部と検出部3 (1)共振波3Bの
先端部とを接着材29.35で接着することにより、第
2図に示す検出素子lか得られる。そして、駆動!fl
s2に’矢印30および破線31に示す分布で角速度Ω
(第2図)の方向とt工直交する方向に振動させると、
検出T!i53には、第4図f1)に示すように、共振
枝3A、3Bに矢印36.破線37で示す方向および分
布でコリオリの力Fcが生ずる。電極32.33間には
、こりコリオリの力FcTlc比例した電圧が得られる
On the other hand, the detection unit 3 detects FIG. 4(a) and its dividing line D-
FIG. 4 shows a cross section along D/ (as shown in bl, the electrodes 32 are connected to each other along the outer surfaces f! Further, an adhesive 34.3 of a low melting point metal is provided at the tip of the resonant waves 3A and 3B.
5 is provided b0 0B Resonance wave 2 of the drive unit 2 shown in Figure (a) 2 A I) Resonance wave of the detection unit 3 shown in Figure 4 [a] 3A (1) Tip and the adhesive material 28.34, and the tip of the resonant wave 2B cy) of the drive unit 2 and the tip of the detection unit 3 (1) are bonded with the adhesive 29.35, as shown in FIG. A detection element 1 is obtained. And drive! fl
s2 has an angular velocity Ω with the distribution shown by the arrow 30 and the broken line 31.
When vibrating in the direction perpendicular to the direction of (Fig. 2),
Detection T! i53, as shown in Fig. 4 f1), there are arrows 36. A Coriolis force Fc is generated in the direction and distribution indicated by the broken line 37. A voltage proportional to the Coriolis force FcTlc is obtained between the electrodes 32 and 33.

第1図にもどって、駆動回路4は上記Q)J:5に構成
された駆動部2?Il−共振素子として発振回路Y構成
しており、したがって、こり駆動回路4を工、先に説明
した駆動素子1v回転半径方向す力FAおよび遠心力F
CLの和の力F、rに比例した駆動電圧vlY発生して
いる。この駆動電圧■xは、vXoc−mr(ω2−Ω
”)sinωt−4−mBΩ” ・−・−(3)で表わ
され、検出素子1の駆動部2に供給されるとともに、駆
動回路4中のバッファY介してバンドパスフィルタ6に
も供給される。
Returning to FIG. 1, the drive circuit 4 is the drive unit 2 configured in the above Q) J:5? The oscillation circuit Y is configured as an Il-resonant element, and therefore, the stiffness drive circuit 4 is designed to handle the rotational radial force FA and centrifugal force F of the drive element 1v explained earlier.
A driving voltage vlY proportional to the sum of forces F and r of CL is generated. This driving voltage x is vXoc-mr(ω2-Ω
")sinωt-4-mBΩ" - - (3) It is supplied to the drive section 2 of the detection element 1 and is also supplied to the bandpass filter 6 via the buffer Y in the drive circuit 4. Ru.

−万、先に説明したように、角速度Ωによる上記式(1
)のコリオリの力Fcによって、検出113の電極32
.33間に電荷が発生する。この電荷は電荷増幅回路5
Vc供給され、その出力電圧vsがバンドパスフィルタ
7へ供給される。しタカって、この電圧V8はコリオリ
の力Fcに対応する電圧となる。つまり、 V soe 2 rr)Ωra+cosωtとなる。
−10,000, as explained earlier, the above equation (1
) of the Coriolis force Fc, the electrode 32 of the detection 113
.. A charge is generated between 33 and 33. This charge is transferred to the charge amplification circuit 5
Vc is supplied, and its output voltage vs is supplied to the bandpass filter 7. Therefore, this voltage V8 becomes a voltage corresponding to the Coriolis force Fc. In other words, V soe 2 rr)Ωra+cosωt.

バンドパスフィルタ6.7は中心周波数Yfに設定した
ものであって、バンドパスフィルタ6を工電圧vXから
前記式(3)の第1項の成分Vll だけY通過させ、
バンドパスフィルタ7は電圧■8γバンドパスフィルタ
6と同じ時間だけ遅延して通過させる。そして、バンド
パスフィルタ6f工電圧v1□ を移相回路8に供給し
、バンドパスフィルタ7は電圧V8t’に’増幅回路9
に供給する。そこで、電圧V11  とv、1t’zそ
れぞれ以下の比例関係をもつことになる。
The band pass filter 6.7 is set to a center frequency Yf, and passes through the band pass filter 6 by Y of the component Vll of the first term of the equation (3) from the electrical voltage vX.
The band pass filter 7 allows the voltage to pass through with a delay of the same time as that of the band pass filter 6. Then, the band-pass filter 6f voltage v1□ is supplied to the phase shift circuit 8, and the band-pass filter 7 supplies the voltage V8t' to the amplifier circuit
supply to. Therefore, the voltage V11 has the following proportional relationship with each of v and 1t'z.

VIloc m、(ωx−Ωt)sinωt   ・・
・・−(4)V、  1 oe2mr  ΩωC05(
c)f                     ”
’  奉e・(5)なお、ω=2πfである。
VIloc m, (ωx-Ωt) sinωt...
...-(4)V, 1 oe2mr ΩωC05(
c) f”
' Hoe・(5) Note that ω=2πf.

次に、増幅回路9は電圧Vst’!’増幅して電圧V8
□ とし、これ乞全波整流回路11と位相検出回路14
にと供給する。また、移相回路8は電圧Vll の位相
を電圧v8よ とほぼ同相(または逆相)&CL、て電
圧VI2  とし、これt半波整流回路10に供給する
。半波整流回路10はレベルシフト部と理想化ダイオー
ド部からなり、電圧vX□の振幅な減衰させた後に半波
整流を行なって電圧V工slk:得、これを周波数−電
圧変換回路12゜平滑回路13.および位相検出回路1
4に供給丁b0また、全波整流回路11は絶対値回路部
と平滑部からなり、電圧vs□ を直流電圧V113 
 に変換する。この直流電圧V83はプログラマブル・
マルチファンクション拳モジュール(アナログデパイセ
ズ社製(1) 433 B ) 15の対数比増幅部1
7に供給する。ここで電圧vs3%1次の比例関係をも
っている。
Next, the amplifier circuit 9 receives the voltage Vst'! 'Amplify voltage V8
□ Assuming this, the full-wave rectifier circuit 11 and the phase detection circuit 14
supply. Further, the phase shift circuit 8 sets the phase of the voltage Vll to approximately the same phase (or opposite phase) &CL as the voltage v8, and supplies the voltage VI2 to the half-wave rectifier circuit 10. The half-wave rectifier circuit 10 consists of a level shift section and an idealization diode section, and after attenuating the amplitude of the voltage v Circuit 13. and phase detection circuit 1
Furthermore, the full-wave rectifier circuit 11 consists of an absolute value circuit section and a smoothing section, and converts the voltage vs□ into a DC voltage V113.
Convert to This DC voltage V83 is programmable.
Multi-function fist module (manufactured by Analog Devices (1) 433 B) 15 log ratio amplification section 1
Supply to 7. Here, there is a linear proportional relationship between voltage and 3%.

V B s Oe 2mrΩω        −−−
−−1(6)周波数−電圧変換回路工2は供給された電
圧VXS の周波数fに比例した直流電圧vrな形成し
、このモジュール15(1)対数増幅部16に供給する
。また、平滑回路13警工電王■IIWI’平滑して直
流電圧VI4形成し、これをモジュール15の対数比増
幅部17に供給する。ここで、電圧vrとVX、を工以
下の比例関係をもっている。すなわち、 v、ocω  (°、°ω=2rf)      ・−
・−・(’7)v、4ocmr(ω2−Ω2)    
  ・・・・・・(8)モジュール15において、対数
比増幅部17(工供給された電圧VB3 とVX4の対
数比をとって電圧VL、rx形成し、これt加算部18
に供給する。一方、対数増幅部16は供給された電圧■
2な対数に変換して電圧VL4v形成し、これを加算部
18に供給子b0加算部18は両電王v11とVL4 
 な加算して、電圧VL5 V得、これを逆対数増幅部
19に供給する。そして、逆対数増幅部19は電圧vL
sを逆対数変換して、電圧V。!を出力する。ここで、
電圧V。!警工。
V B s Oe 2mrΩω ---
--1(6) The frequency-voltage conversion circuit 2 forms a DC voltage vr proportional to the frequency f of the supplied voltage VXS, and supplies it to the logarithmic amplification section 16 of this module 15(1). Further, the smoothing circuit 13 smoothes the voltage to form a DC voltage VI4, which is supplied to the logarithmic ratio amplifying section 17 of the module 15. Here, the voltages vr and VX have a proportional relationship of less than 100 m. That is, v, ocω (°, °ω=2rf) ・−
・-・('7)v, 4ocmr(ω2-Ω2)
(8) In the module 15, the logarithmic ratio of the supplied voltages VB3 and VX4 is taken by the logarithmic ratio amplifying section 17 to form voltages VL and rx, which are added to the adding section 18.
supply to. On the other hand, the logarithmic amplifier 16 receives the supplied voltage
2 to form a voltage VL4v, which is supplied to the adder 18. The adder 18 converts both voltages v11 and VL4
A voltage VL5V is obtained by adding the voltage VL5, and this is supplied to the anti-logarithmic amplification section 19. Then, the anti-logarithmic amplification section 19 receives the voltage vL
The voltage V is obtained by performing anti-logarithmic transformation on s. ! Output. here,
Voltage V. ! Policeman.

であって、以乍に設定するものであり0vRFj F 
” 9 *  n =1v丁=v、、VzeVF1..
Vx=V、。
0vRFj F
”9*n=1vd=v,,VzeVF1..
Vx=V,.

したかつ【、上記式(6)−(8)から、電1Evo!
tz以下の比例関係で表わされる。つまり、 V   0CIO2mrΩω 01 ]璽”  mr(ω−Ω) となる。
Shikatsu [, from the above equations (6)-(8), electric 1Evo!
It is expressed by a proportional relationship less than or equal to tz. In other words, V 0CIO2mrΩω 01 ] mr(ω−Ω).

ところで、前記したように、検出すべき角速度Ωに対し
【振動周波数fを十分高い値に設定すると(つまり、ω
〉Ωと設定すると)、(ω!−、gりはω8¥C近似で
きる。例えば、角速度Ωを0.01度/secとした場
合に、振動周波数fを33KHzとすれば、ω;2πf
であり、2πを360 と置き換えると、約12X10
’度/secになる。したがって、上記のよ5に近似し
ても問題は生じない。そこで、前記の式(9)は、 20  ω8 Ω−ユLΩ vol   9   (、、9 となる。
By the way, as mentioned above, for the angular velocity Ω to be detected, if the vibration frequency f is set to a sufficiently high value (that is, ω
〉Ω), (ω!-, g can be approximated by ω8¥C. For example, if the angular velocity Ω is 0.01 degrees/sec and the vibration frequency f is 33KHz, then ω;2πf
, and if 2π is replaced with 360, it becomes approximately 12X10
'°/sec. Therefore, no problem arises even if the equation 5 is approximated as described above. Therefore, the above equation (9) becomes: 20 ω8 Ω−LΩ vol 9 (,,9).

さ【、このモジュール15の出力電圧V。1は出力端子
254反転回路20およびアナログスイッチ21に供給
される。そして、反転回路20は電圧V。!を逆極性に
して電圧■。!を形成し、七の電圧■o2Y:アナログ
スイッチ21に供給する。
[, the output voltage V of this module 15. 1 is supplied to the output terminal 254, the inverting circuit 20, and the analog switch 21. Then, the inverting circuit 20 receives the voltage V. ! Reverse the polarity and apply the voltage ■. ! 7 voltages o2Y: are supplied to the analog switch 21.

一方、位相検出回路14は同期検波部と比較部からなり
、電圧VK3 によって電圧v、2?同期検波し、この
同期検波した電圧を平滑した後に基準電圧(はぼOv)
と比較して高レベルまrs fZ低レベルの電圧V、r
e出力する。ここで、電圧V13は電圧vX2′lk:
半波整流したものどあり、電圧V12+z上記式(4)
お工び移相回路8によって、はぼ V 1 z oe −111r (ω2−Ω2)cns
ωtとなっていb6そして、電圧V、2tzVsエ (
式(5))と同様に、 V 8. oe 2 m rΩωcosωtであるので
、角速度Ωの向きによって、V  B  20e 2 
m  r  l  Ω l ωcos ω 1    
         −争・ ・壷jQ、1ま7%:は、 ”I 820C−2m rIΩ1ωcosωt    
−−−−−−Daとなっている。したがって、電圧vs
3%t[EEv!、で同期検波して得られた電圧vPの
正負(同相また%工逆相)のみが、角速度Ωの向きの検
出に有効なものとなっている。
On the other hand, the phase detection circuit 14 consists of a synchronous detection section and a comparison section, and depends on the voltage VK3, the voltage v, 2? After performing synchronous detection and smoothing this synchronously detected voltage, the reference voltage (HaboOv) is obtained.
High level or rs fZlow level voltage V,r compared to
eOutput. Here, the voltage V13 is the voltage vX2'lk:
Some are half-wave rectified, voltage V12 + z above formula (4)
By the engineered phase shift circuit 8, V 1 z oe -111r (ω2-Ω2)cns
ωt becomes b6 and the voltage V, 2tzVs d (
Similarly to equation (5)), V8. oe 2 m rΩωcosωt, so depending on the direction of the angular velocity Ω, V B 20e 2
m r l Ω l ωcos ω 1
-Conflict・・Url jQ, 1 or 7%: ``I 820C-2m rIΩ1ωcosωt
---------Da. Therefore, voltage vs
3%t[EEv! Only the positive and negative (in-phase or negative phase) of the voltage vP obtained by synchronous detection with , are effective for detecting the direction of the angular velocity Ω.

ところで、駆動部2あるいは駆動回路4が外部環境の影
響を受けて、駆動信号の振幅と周波数が変動すると、回
路自体の特性から位相検波回路14での同期検波のタイ
ミング(時間幅と位相)が変動する。こりため、同期検
波して平滑(積分)して得られた電圧V、のレベルも変
動することになる。しかしながら、電圧V8□、■13
間の位相が90°近く変動しなければ、式QG、(1υ
の電圧V、、g)正負の判定は行なえ、したがって角速
度Ωυ向きの検出を1行なえる。
By the way, when the drive section 2 or the drive circuit 4 is affected by the external environment and the amplitude and frequency of the drive signal fluctuate, the timing (time width and phase) of synchronous detection in the phase detection circuit 14 changes due to the characteristics of the circuit itself. fluctuate. Therefore, the level of the voltage V obtained by synchronous detection and smoothing (integration) also fluctuates. However, the voltage V8□, ■13
If the phase between
The voltage V, , g) can be determined as positive or negative, and therefore the direction of the angular velocity Ωυ can be detected once.

さて、位相検出回路14の出力電圧V、+z出力端子2
4とアナログスイッチ21に供給される。
Now, the output voltage V of the phase detection circuit 14, +z output terminal 2
4 and the analog switch 21.

アナログスイッチ21は、電EEvPが高レベルのとき
に、 電EEV0、Ye 低レベルのときにt工、電圧
V。、Y選択し、出力電EEVo、として増幅回路22
に供給する。増幅回路22はローパスフィルタ構成のも
ので、電圧V。、V増幅して電圧Vo4 v得、これを
出力端子23に供給する。
The analog switch 21 sets the voltage EEV0 and voltage V when the voltage EEvP is high, and the voltage V when the voltage EEvP is low. , Y is selected and the output voltage EEVo is set as the amplifier circuit 22.
supply to. The amplifier circuit 22 has a low-pass filter configuration and has a voltage of V. , V is amplified to obtain a voltage Vo4 v, which is supplied to the output terminal 23.

したがって、電圧VQ4k”L電81:Vo工(ocΩ
)?増幅したものであって、角速度Ωυ向きによって極
性がかわる電圧である。
Therefore, the voltage VQ4k”L voltage 81:Vo(ocΩ
)? It is an amplified voltage whose polarity changes depending on the direction of the angular velocity Ωυ.

ちなみにアナログのメータによる表示?行なうjJ%&
に電EEvo、Y用い、コンピュータなどに裏って角速
度Ω?検出、処理丁6場合に電圧V、とMo!’!’用
いる。
By the way, is it indicated by an analog meter? DojJ%&
Is the angular velocity Ω used in electronics EEvo, Y, computers, etc.? Detection, processing voltage V, and Mo! '! 'Use.

なお、位相検出回路14g)同期検波部は、アナログ乗
算器と積分器に置き換えることができる。
Note that the phase detection circuit 14g) synchronous detection section can be replaced with an analog multiplier and an integrator.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明によれば、検出素子から得
られるコリオリの力に応じた検出信号を全波整流し、こ
れICよって該検出信号の振@Y正確に表わすべく効率
よく得られた電圧信号と駆動信号との振幅比でもって検
出すべき角速度の大きさを検出するものであるから、検
出された角速度の大きさt!駆動信号の振幅2周波数お
よび位相や検出素子を構成する振動子の質量などの影響
を受ゆずに効率よく検出できるし、また、前記検出信号
χ前記駆動信号で同期検波部Φことにより、検出すべき
角速度の向きを検出するものであるから、前記検出信号
と前記駆動信号とり間の比較的広い範囲にわたる位相変
化に対しても角速度の向きの検出結果は影響されること
がなく、シたがって、角速度を常に高い精度で検出でき
るという優れた
As explained above, according to the present invention, the detection signal corresponding to the Coriolis force obtained from the detection element is full-wave rectified, and the IC can efficiently obtain the amplitude @Y of the detection signal accurately. Since the magnitude of the angular velocity to be detected is detected based on the amplitude ratio of the voltage signal and the drive signal, the magnitude of the detected angular velocity t! It is possible to efficiently detect the drive signal without being affected by the amplitude, frequency and phase of the drive signal, or the mass of the vibrator constituting the detection element. Furthermore, the detection signal χ is used by the synchronous detection unit Φ to detect the Since the direction of the power angular velocity is detected, the detection result of the direction of the angular velocity is not affected even by a phase change over a relatively wide range between the detection signal and the drive signal. , an excellent device that can always detect angular velocity with high accuracy.

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

を示すブロック図、第2図は第1図における検出素子の
一興体例Y示す概略構成図、第3図(atは第2図にお
ける駆動部の具体的構成?示す斜視図、第3図fb)は
第3図fa)の分断線C−C/に沿う断面図、I!4図
(a)は第2図におげ6検出部の具体的構成を示す斜視
図、wc4図(bl G! 第4図(a) a>分断線
D−D/に沿う断面図、第5図は本発明のN埋説明図で
ある0 1・・・・・・検出素子、2・・・・・・駆動部、3・
・・・・・検出部、4・・・・・・駆動回路、10・・
・・・・半波整流回路、11・・・・・・全波整流回路
、12・・・・・・周波数−電圧変換回路、13・・・
・・・平滑回路、14・・・・・・位相検出回路、16
・・・・・・対数増幅回路、17・・・・・・対数比増
幅回路、18・・・・・・加算回路、19・・・・・・
逆対数増幅回路。 第1図 第2図 第3図
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example Y of the detection element in FIG. 1, FIG. 3 is a perspective view showing the specific configuration of the drive section in FIG. 2, and FIG. is a sectional view taken along the dividing line C-C/ in Fig. 3 fa), I! Figure 4 (a) is a perspective view showing the specific configuration of the detecting section 6 in Figure 2, wc Figure 4 (bl G! Figure 5 is an N-embedded explanatory diagram of the present invention.
...Detection unit, 4...Drive circuit, 10...
... half-wave rectifier circuit, 11 ... full-wave rectifier circuit, 12 ... frequency-voltage conversion circuit, 13 ...
... Smoothing circuit, 14 ... Phase detection circuit, 16
...logarithmic amplifier circuit, 17...logarithmic ratio amplification circuit, 18...addition circuit, 19...
Anti-logarithm amplifier circuit. Figure 1 Figure 2 Figure 3

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  駆動部と検出部とを有し回転体と一体に回転する検出
素子と、該駆動部に駆動信号を供給し該検出部を振動さ
せる駆動手段と、該検出部からのコリオリの力に応じた
検出信号を全波整流する全波整流手段と、該全波整流手
段の出力信号と該駆動信号との振幅比を検出する振幅比
検出手段と、該駆動信号の周波数を検出する周波数検出
手段と、該振幅比検出手段の出力信号と該周波数検出手
段の出力信号とを乗算する乗算手段と、該駆動信号によ
つて該検出信号の位相を検出する位相検出手段とを備え
、該乗算手段が前記回転体の角速度の大きさに応じた信
号を出力し、該位相検出手段が該角速度の向きを表わす
信号を出力するように構成したことを特徴とする角速度
センサ。
a detection element that has a drive part and a detection part and rotates integrally with the rotating body; a drive means that supplies a drive signal to the drive part to vibrate the detection part; and a detection element that vibrates the detection part by supplying a drive signal to the drive part; full-wave rectification means for full-wave rectification of the detection signal; amplitude ratio detection means for detecting the amplitude ratio between the output signal of the full-wave rectification means and the drive signal; and frequency detection means for detecting the frequency of the drive signal. , comprising a multiplication means for multiplying the output signal of the amplitude ratio detection means and the output signal of the frequency detection means, and a phase detection means for detecting the phase of the detection signal based on the drive signal, the multiplication means An angular velocity sensor, characterized in that the angular velocity sensor is configured to output a signal corresponding to the magnitude of the angular velocity of the rotating body, and the phase detection means outputs a signal representing the direction of the angular velocity.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6484576B2 (en) 1996-02-21 2002-11-26 Fujitsu Limited Tuning-fork vibratory gyro
JP2009229447A (en) * 2008-02-29 2009-10-08 Seiko Epson Corp Physical quantity measuring device and electronic device
JP2015099072A (en) * 2013-11-19 2015-05-28 京セラクリスタルデバイス株式会社 Piezoelectric sensor and manufacturing method of the same
JP2017207440A (en) * 2016-05-20 2017-11-24 株式会社デンソー Gyro sensor device

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