WO1998007005A1 - Detecteur de vitesse angulaire - Google Patents

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WO1998007005A1
WO1998007005A1 PCT/JP1997/002756 JP9702756W WO9807005A1 WO 1998007005 A1 WO1998007005 A1 WO 1998007005A1 JP 9702756 W JP9702756 W JP 9702756W WO 9807005 A1 WO9807005 A1 WO 9807005A1
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WO
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vibrating
vibration
vibrator
angular velocity
excitation
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Application number
PCT/JP1997/002756
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nobuyoshi Sugitani
Yutaka Nonomura
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity detecting device used for a navigation system or attitude control of an automobile, and more particularly to a vibration type angular velocity detecting device.
  • a vibration type angular velocity detecting device that utilizes the fact that when a vibrating body is rotated, a new force is generated according to the rotational angular velocity due to the force of the coil.
  • an angular velocity detecting device there is, for example, a rotational speed sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-54979.
  • the vibrator used in this rotational speed sensor has two excitation branches projecting from one side of the rectangular frame in the + Y direction on the XY plane, and one Y direction from the opposite side of the frame. It has a structure where two pick-up branches protrude.
  • the excitation branch when the excitation branch is excited in the X direction, the excitation branch vibrates also in the Z direction due to Coriolis force generated by the rotation of the vibrator, and the vibration in the Z direction is transmitted to the pickup branch. .
  • the pickup branch detects the transmitted vibration in the Z direction, and derives the rotational angular velocity of the vibrator from the detection result.
  • the vibrations in the ⁇ direction of the excitation branch and the big-up branch are generated at the center of the frame as a fulcrum regardless of whether they are leakage vibration or vibration based on Coriolis force. Become. In other words, when the excitation branch swings upward, ie, in the + Z direction, the pick-up branch swings downward, ie, in the direction of 1Z.
  • the conventional rotational speed sensor described above does not consider the vibration balance between the excitation branch and the big-up branch at all, so that the frame serving as the fulcrum of both branches depends on the vibration of both branches. Shaking in the direction. This shaking hinders the transmission of vibration in the Z direction from the excitation branch to the pickup branch, and reduces the detection accuracy of vibration in the big-bub branch. In particular, when the excitation phases of the two excitation branches are opposite phases, the frame is twisted, and the detection accuracy is further reduced. Disclosure of the invention
  • the angular velocity detection device of the present invention has been made to solve such a problem, and a detection target that extends in the X direction on the XY plane h in the XYZ three-dimensional coordinate space to detect the angular velocity
  • vibration The shape and dimensions of the first and second vibrating reeds are determined so that the child base does not vibrate in the Z direction.
  • the shape and dimensions of the first and second vibrating reeds are based on the joint between the first and second vibrating reeds and the vibrator base due to the Z-direction vibration of the first vibrating reed when the first or second vibrating reed is excited by the excitation means.
  • the rotational inertia force is determined to be substantially equal to the rotational inertia force at the joint of the second vibrating piece and the vibrator base due to the vibration in the Z direction of the second vibrating piece.
  • the rotational inertia force of the vibrating reed is obtained by dividing the vibrating reed into minute parts (mass points) and calculating the product of the square of the mass and the amplitude at each mass point from the coupling point between the vibrating reed and the vibrator base. The sum of the values divided by the distance to
  • the vibrator is composed of one thin substrate, only the vibrations in the Z direction are transmitted in opposite phases to each other. That is, the first vibrating reed and the second vibrating reed are coupled with respect to the vibration in the Z direction.
  • the rotational inertia force of the first vibrating piece and the rotational inertial force of the second vibrating piece when the first and second vibrating pieces are excited by the exciting means are substantially equal, so that the two vibrating pieces have opposite phases in the Z direction.
  • the vibrator base which is the fulcrum of the vibration in the Z direction of both vibrating pieces, does not swing (vibrate) in the Z direction. Therefore, there is almost no loss in the Z-direction vibration of the first and second vibrating bars due to the Z-direction vibration of the vibrator base.
  • the first vibrating bar and the second vibrating bar will have an amplitude corresponding to the rotational angular velocity. Vibrates in the Z direction in opposite phases to each other, but the Z direction vibration hardly decreases, so this Z direction vibration can be detected with high sensitivity.
  • the second vibrating reed is thinner and longer than the first vibrating reed, and two pairs of the first vibrating reed and the second vibrating reed are provided for the vibrator base, and the vibrator base is a support rod.
  • the support rod is fixed to the object to be detected through a pair of vibrating bar pairs. It is preferable that between the vibrating end and the other vibrating piece pair, the tip extends from the base in the Y direction and is fixed to the object to be detected, and the two first vibrating pieces are excited in mutually opposite phases.
  • the width W in the X direction of the first vibrating piece is set to 0.7 times or less the thickness D in the ⁇ direction, the amount of the X direction vibration of the first vibrating piece leaking into the ⁇ direction vibration can be sharply reduced. ⁇ Can be reduced. If the leakage vibration in the ⁇ direction decreases, the vibration component in the ⁇ direction based on the Coriolis force relatively increases, and the detection accuracy improves.
  • the self-excited vibration causes the first vibrating piece and the second vibrating piece ′ to have the same phase and coupled vibration in the ⁇ direction.
  • the phase of excitation is adjusted by providing a feedback function, the first vibrating reed and the second vibrating reed can be vibrated in opposite directions to each other in the ⁇ direction.
  • the vibrator base does not swing in the right direction.
  • FIG. 1 is a plan view showing a vibrator of the angular velocity detecting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a sectional view taken along line BB in FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line C-C in FIG. 1A.
  • FIG. 2 shows an excitation circuit 50 and a detection circuit used in the angular velocity detection device of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a 60 and an angular velocity calculation circuit 70, and showing a connection relationship between these circuits and electrodes 21 to 28 and 31 to 38 provided on vibrating bars 12 to 15.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view for explaining the inverse piezoelectric effect in the first vibrating bars 12 and 13.
  • FIG. 3B is a perspective view for explaining the inverse piezoelectric effect in the first vibrating bars 12 and 13.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view for explaining a piezoelectric effect in the second vibrating bars 14 and 15.
  • FIG. 4B is a perspective view for explaining a piezoelectric effect in the second vibrating bars 14 and 15.
  • FIG. 5A is a diagram showing the movement of the vibrator 10 of the present embodiment.
  • FIG. 5B is a top view showing the movement of the vibrator 10 of the present embodiment.
  • FIG. 6A shows a fourth embodiment in place of the oscillator 10 for comparison with the oscillator 10 of the present embodiment.
  • FIG. 9 is a view showing the movement of a vibrator 10a in which the rotational inertia forces of the first vibrating piece and the second vibrating piece do not match with each other.
  • FIG. 6B shows a second embodiment in place of the oscillator 10 for comparison with the oscillator 10 of the present embodiment.
  • the surface 1 shows the movement thereof.
  • FIG. 7 is a plan view showing dimensions of the vibrator of the present embodiment.
  • FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between A / Bfi and the Q value of the Z-direction vibration.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the ratio W / D of the length D and the width W of the resonator element to the ratio H / C of the component in the Z direction when excited in the X direction.
  • FIG. 10 shows the relationship between the length ratio L1 / L2 and the width ratio W1 / W2 of the first and second vibrating bars, and the conditions under which the rotational inertia forces of the first and second vibrating bars match. It is the characteristic diagram shown.
  • FIG. 11 is a plan view showing a resonator element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view showing a modified example of the resonator element of the first or second embodiment.
  • FIG. 13 is a plan view showing a resonator element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14A is a cross-sectional view showing the electrodes of the resonator element according to the third embodiment.
  • FIG. 14B is a cross-sectional view illustrating another electrode of the resonator element according to the third embodiment.
  • FIG. 15 is a circuit diagram illustrating a signal processing circuit according to the third embodiment.
  • FIG. 16A is a diagram showing a vibrator according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16B is an operation diagram showing the state of the vibration.
  • FIG. 17 is a principle diagram for explaining the rotational inertia force.
  • FIG. 8 is a principle diagram for explaining the rotational inertia force.
  • FIG. 1A is a ⁇ plane view showing a vibrator 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the vibrator 10 includes a vibrating base 11 extending in the X-axis direction, first vibrating pieces 12 and 13 for excitation extending in the + + direction from the vibrator base 11, and a vibrator. Between the second vibrating bars 14 and 15 and the second vibrating bars 14 and 15 for detection extending in the direction of ⁇ coaxially with the first vibrating bars 12 and 13 from the substrate 11 respectively.
  • a support ⁇ ⁇ ⁇ 16 extending in the direction of — from the vibrator base 11, and a fixing plate 17 provided at an end of the support rod 16 are integrally formed by a single crystal substrate of quartz.
  • Natural quartz is generally a columnar crystal, and the central axis in the longitudinal direction of the columnar crystal, that is, the ⁇ 001> crystal axis is defined as an axis or an optical axis, and each surface of the columnar crystal passes through the ⁇ axis.
  • the line perpendicular to the axis is defined as the axis or the machine axis.
  • a line passing through the ⁇ axis and orthogonal to the vertical ridge line of the columnar crystal is defined as an X axis or an electric axis.
  • the single crystal substrate used for the vibrator 10 is a substrate called a Z plate, which is a single-piece substrate cut out on a plane perpendicular or substantially perpendicular to the Z axis. Therefore, in the present embodiment, the Z-axis of the crystal orientation and the above-described Z-axis indicating the arrangement direction of the vibrator 10 on the drawing coincide with each other. Also, since the crystal has a three-fold symmetrical crystal structure with respect to the Z axis, there are three sets of X and Y axes that are orthogonal to each other. The X axis and the Y axis indicating the direction are aligned. Note that the relationship between the crystal orientation and the direction of the vibrator 10 is the same in other embodiments described later.
  • the crystal used for the vibrator 10 is human crystal, but its structure is the same as natural crystal.
  • the first vibrating bars 12 and 13 have the same dimensions as each other, and are both used as vibrating bars for excitation in the present embodiment.
  • the second vibrating bars 14 and 15 also have the same dimensions, and are both used as detecting vibrating bars.
  • the second vibrating bars 14 and 15 are thinner and longer than the first vibrating bars 12 and 13, so that the natural frequencies f xl of the first vibrating bars 12 and 13 in the X direction are
  • the two vibrating bars 14 and 15 have different natural frequencies f X 2 in the X direction.
  • the natural frequency in the Z direction is also different between the first vibrating piece and the second vibrating piece, but the vibration in the Z direction is due to the combined vibration of the first vibrating piece and the second vibrating piece. There is a coupled natural frequency.
  • the vibration in the X direction there is almost no coupled vibration because the transmissibility of the vibration between the first vibrating piece and the second vibrating piece is very low.
  • the first vibrating piece and the second vibrating piece are not coupled for the vibration in the X direction, and the first vibrating piece and the second vibrating piece are coupled for the vibration in the Z direction.
  • the whole 10 is integrally formed of a very thin quartz substrate, and this is due to the shape that the width of the resonator base 11 in the Y direction is sufficiently large with respect to the thickness of the quartz substrate.
  • the values of the natural frequency f xl of the first vibrating bars 12 and 13 in the X direction and the natural frequency fz of the coupling are adjusted to be very close.
  • the rotational inertia around the joint with the vibrator base 11 due to the vibration of the first vibrating reed 12 in the Z direction is provided.
  • the force is substantially equal to the rotational inertia force about the joint between the second vibrating reed 14 and the vibrator base 11 due to the vibration in the Z direction.
  • the rotational inertia force of the joint between the first vibrating reed 13 and the vibrator base 11 due to the & Z motion in the Z direction as a fulcrum and the vibrator base 11 due to the Z-directional vibration of the second vibrating reed 15 and the vibrator base 11 The rolling inertia force with the joint as the fulcrum is approximately equal.
  • the rotational inertia forces in the ⁇ -direction vibration during excitation of the first and second vibrating pieces that are paired on the same axis are substantially equal, the first and second vibrating pieces are When coupled with each other and vibrates in opposite phases, the vibrator base 11 does not swing in the positive direction based on the vibration.
  • the rotational inertia force of the vibrating reed in the present invention is obtained by dividing the vibrating reed into minute parts (mass points) and calculating the product of the square of the mass and the amplitude at each mass point. Is the sum of values divided by the distance from the connection point to the mass point. The details will be described here.
  • the centrifugal force F 2 acting on the mass M 2 is a centrifugal force
  • Equation (3) is
  • FIG. 17 does not consider the warpage due to vibration.
  • the actual vibration of the resonator element as shown in FIG. 1 is deformed, for example, as shown in FIG. That is, since the constituent material of the vibrating reed is an elastic body, it cannot be regarded as a rigid body, and warping due to vibration occurs as shown in FIG. Due to this warpage, there is a difference between the mass Ml and the angular velocity ⁇ , at 2.
  • each M 2 is here c corresponding to the mass point one when divided into a first vibrating bars 1 2 and the second vibrating bars 14 minute portion respectively of Figure 1, the mass points Ml,
  • the angular velocities ⁇ , ⁇ 2 at the midpoint of the vibration of M2 are represented using the amplitude Al, ⁇ 2 of each mass point.
  • the displacement in the vibration direction Z l, ⁇ 2 is the frequency ⁇ .
  • ⁇ 1 ⁇ 1 sinQ. t... (5)
  • R 2 ⁇ 2 A 2 QoCosQo t... (8)
  • the product of the square of the mass ⁇ '' of each mass point and the amplitude Ai, ⁇ '' of each mass point when the first and second vibrating pieces are divided into minute parts is given by
  • the distance from the fulcrum, that is, the connecting point between the two resonator elements and the resonator base, is divided by Ri, so that the sum of the values is substantially equal.
  • the first vibrating bars 12 and 13 are excited in mutually opposite phases in the X direction, but part of the energy of the vibration is replaced by vibration in the Z direction. Leakage vibration oscillating in the direction occurs.
  • the amplitude value of the leakage vibration in the Z direction is determined by the excitation amplitude value. If the amplitude value is the amplitude A i, ⁇ in the above equation (11), and the rotational inertia forces of the first and second vibrating bars are obtained, Good.
  • the vibration in the Z direction includes, in addition to the leakage of the excitation vibration, vibration due to the Coriolis force generated by the rotation of the vibrator as described later. Is necessary to detect the angular velocity, but the amplitude of the Z-direction vibration due to the Coriolis force is much smaller than the amplitude of the Z-direction vibration due to the leakage of the excitation, and the rotational inertia of the first and second vibrating pieces The conditions for making the forces approximately equal can be ignored as the amplitude A i, ⁇ ”in Eq. (11).
  • each vibrating reed is provided with an electrode corresponding to its use. That is, the first vibrating bars 12 and 13 are provided with excitation electrodes, and the second vibrating bars 14 and 15 are provided with detection electrodes.
  • the arrangement of the electrodes is omitted in FIG. 1A in order to avoid a fine depiction of the drawing, and is displayed using FIGS. 1B and 1C instead.
  • FIG. 1B and FIG. 1C are a cross-sectional view taken along the line BB and a line CC in FIG. 1A, respectively.
  • the first vibrating reed 13 has four poles 21 to 24 on its four surfaces, that is, an upper surface, a lower surface, and a side surface.
  • the length of the vibrating piece extends to about 2/3 to 3/4 of the total length of the vibrating piece.
  • Similar electrodes 31 to 34 are provided on the first resonator element 12 as well.
  • the second vibrating reed 15 has four electrodes 25, each of which has four corners or ridges of a rectangular cross section. 28 are from the joint with the transducer base 11 to the tip of the second vibrating piece 15, that is, in the direction of Y, about 2/3 to 3/4 of the total length of the vibrating piece. Extends.
  • the same electrodes 35 to 38 are provided on the second vibrating reed 14 as well.
  • Each of the electrodes c has a two-layer structure of chromium and gold.
  • each electrode is electrically connected to any of the bonding pads 81 to 88 provided on the fixed plate 17, and further connected to a signal processing circuit described later.
  • the wiring between each electrode on the resonator element and the bonding pad is provided on the surface of the support rod 16 by a film forming technique, though not shown.
  • FIG. 2 shows an excitation circuit 50, a detection circuit 60, and an angular velocity calculation circuit 70 used in the angular velocity detection device of the present embodiment, and these circuits and the electrodes 21 provided on the resonator elements 12 to 15 are shown.
  • 28 is a block diagram showing a connection relationship with to 28 and 31 to 38.
  • FIG. FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the inverse piezoelectric effect in the first vibrating bars 12 and 13, and FIGS. 4A and 4B are second vibrating bars 14 and 1.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a piezoelectric effect in FIG.
  • the excitation circuit 50 includes a current-voltage conversion circuit 51, an automatic gain control circuit 52, and a driving circuit 53
  • the detection circuit 60 includes a current-voltage conversion circuit 61 and a differential amplification circuit 62.
  • a circuit 63 and a synchronous detection circuit 64 are provided.
  • the drive circuit 53 outputs a pulse wave having an amplitude corresponding to the output voltage value of the automatic gain control circuit 52 and having a predetermined repetition frequency as an excitation signal, and a signal that is 90 degrees out of phase with the output signal.
  • Is output as a detection signal of the synchronous detection circuit 64, and its output terminal is connected to the electrodes 22 and 24 on the side surface of the first vibrating piece 13 and the first vibrating piece 12 via the terminal 54.
  • the lower electrodes 31 and 33 are commonly connected.
  • the remaining electrodes 2 1, 2 3, 3 2, 3 4 of the first vibrating bars 1 2 and 1 3 are commonly connected to the input terminal of the current-voltage conversion circuit 51 via the terminal 55.
  • Drive circuit 53 It is fixed at the intermediate potential of the output pulse wave.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate the excitation operation of the first vibrating piece by the excitation circuit 50
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the first vibrating piece 13 cut along the ZX plane. , ⁇ 1B.
  • FIG. 3B is a perspective view showing the bending operation of the first resonator element 13.
  • the output pulse of the driving circuit 53 is At the mouth level, a voltage as shown in Fig.
  • the electrode 24 side of the resonator element 13 contracts and the electrode 22 side expands, so that the resonator element 13 bends with the electrode 24 inside.
  • the resonator element 13 bends with the electrode 22 inside, according to the same principle. Therefore, when one end of the resonator element 13 is fixed and a pulse signal of a predetermined frequency is applied from the drive circuit 53 to the electrodes 21 and 23, the resonator element 13 vibrates in the X direction as shown in FIG. 3B. I do.
  • the upper and lower electrodes 21 and 23 of the vibrating bar 13 and the left and right electrodes 32 and 34 of the vibrating bar 12 are connected in common, and the vibrating bar 1 Since the left and right electrodes 2 2 and 24 of 3 and the upper electrodes 3 1 and 3 3 of the vibrating reed 1 2 are connected in common, the vibrating reeds 1 and 1 and 3 have opposite phases in the X direction.
  • Vibrates at The vibration information in the X direction of the first moving pieces 12 and 13 is calculated using the torrent voltage conversion circuit 51 and This is fed back via the dynamic gain control circuit 52.
  • the current-to-voltage conversion circuit 51 converts the amount of change in the electric charge generated at the electrodes 21, 23, 32, 34 into a voltage value by the piezoelectric effect caused by the bending of the first vibrating bars 12, 23. Circuit.
  • the automatic gain control circuit 52 receives the voltage signal output from the current-voltage conversion circuit 51, and decreases the output voltage value when the input voltage value increases, and decreases the output voltage value when the input voltage value decreases. Work to be bigger. Therefore, if the vibration amplitude of the first vibrating bars 12 and 13 increases, the charges generated on the electrodes 21, 23, 32, and 34 also increase, and the output voltage of the current-voltage conversion circuit 51 also increases. Become. As a result, the output voltage value of the automatic gain control circuit 52 decreases, and the amplitude of the output pulse of the drive circuit 53 decreases. Thus, the amplitude of the pulse signal output from the drive circuit 53 is feedback-controlled, and the oscillation amplitude of the first vibrating bars 12 and 13 is always stable.
  • a detection circuit 60 for detecting the Z-direction vibration of the second vibrating reed as shown in FIGS. 4A and 4B will be described.
  • the upper half of the vibrating bar 15 contracts in the Y direction and the lower half in the Y direction. Stretches. Due to the piezoelectric effect of quartz, contraction in the Y direction causes dielectric polarization in the X direction, and extension in the Y direction causes dielectric polarization in the opposite X direction. Since the strength of the dielectric polarization depends on the magnitude of expansion and contraction, it appears strongly on the upper or lower surface, and becomes weaker toward the middle.
  • the dielectric polarization appears concentrated at the four corners of the resonator element 15, and the positive or negative charges as shown are collected at the electrodes 25 to 28 provided at the corners by the dielectric polarization. . That is, the electrodes 25 and 27 have the same polarity, and these polarities are opposite to the polarities of the electrodes 26 and 28.
  • the resonator element 15 swings downward, a polarity completely opposite to that described above appears based on the same principle.
  • the detection circuit 60 detects the amount of change in electric charge in each electrode of the vibrating bar 15 generated as described above, and outputs a signal corresponding to the vibration amplitude of the second vibrating bar.
  • the first resonator elements 12 and 13 are excited in the X direction in mutually opposite phases, and the first resonator element and the second resonator element are excited. Since the moving piece and the moving piece are caused to vibrate in opposite phases in the Z direction, the second fe moving pieces 14 and 15 vibrate in opposite phases in the Z direction.
  • ⁇ ] are as follows: the X-directional excitation vibration of the first vibrating bars 12 and 13 leaked as ⁇ -directional vibration, and the vibrator 10 rotated.
  • Electrodes 36 and 37 of the second vibrating reed 14, which are plane-symmetric with respect to 25 and 28, are connected in common and further connected to the terminal 65 of the detection circuit 60. .
  • the remaining electrodes 26, 27, 35, and 38 are commonly connected to a terminal 66 of the detection circuit 60.
  • the current-voltage conversion circuit 61 converts the change in electric charge at the electrodes 25, 28, 36, and 37 into a voltage value.
  • the current-voltage conversion circuit 62 includes the electrodes 26, 27, and 3 This is a circuit that converts the amount of change in charge in 5, 38 into a voltage value.
  • the differential amplifier circuit 63 receives the output signals of the current-voltage conversion circuits 61 and 62 and amplifies the potential difference between the two signals. The amplitude of this output signal is It corresponds to a vibration amplitude of 15.
  • the WJ-phase detection circuit 64 uses the AC voltage signal output from the differential amplifier circuit 63 as a detection signal by using a pulse signal 90 degrees out of phase with respect to the excitation signal from the drive circuit 53 as a detection signal. After that, integration processing is performed, and this is a circuit in which an integration circuit is added to a normal synchronous detection circuit.
  • the vibration in the Z direction due to leakage of the X excitation is in phase with the excitation, and the vibration in the Z direction due to the Coriolis force is 90 degrees out of phase with respect to the excitation.Therefore, the former is always zero by synchronous detection and integration. And the latter is the integral value of full-wave rectification. That is, the output signal voltage of the synchronous detection circuit 64 indicates the vibration amplitude in the Z direction due to the Coriolis force of the second vibrating bars 14 and 15.
  • the angular velocity calculation circuit 70 is a detection circuit that indicates the vibration amplitude of the second vibrating bars 14 and 15. A circuit for calculating a rotational angular velocity about an axis parallel to the Y-axis of the vibrator 10 based on an output signal of the vibrator 60 based on a relational expression between an angular velocity and a Coriolis force described later. Next, the operation of the angular velocity detecting device configured as described above will be described.
  • the excitation circuit 50 outputs, from the drive circuit 53, an excitation signal ⁇ having a frequency corresponding to the natural frequency f xl in the X direction of the first vibrating bars 12 and 13 (this is referred to as a first natural frequency).
  • the first vibrating bars 12 and 13 vibrate in the X direction at the natural frequency f x , due to the inverse piezoelectric effect.
  • the phases of the resonator element 12 and the resonator element 13 are opposite to each other as described above.
  • F occurs in the Z direction.
  • m is the mass of the resonator element
  • V is the vibration velocity.
  • the first vibrating bars 12 and 13 vibrate in the Z direction 90 degrees out of phase with respect to the vibration in the X direction. That is, the first vibrating bars 12 and 13 also vibrate in opposite directions at the excitation frequency (first natural frequency) in the direction. Since this frequency substantially matches the coupled natural frequency of the first and second vibrating bars in the Z direction, the frequency is efficiently transmitted to the second vibrating bars 14 and 15.
  • the X-direction excitation applied to the first vibrating bars 12 and 13 leaks as the in-phase excitation in the Z-direction, and this vibration is also transmitted to the second vibrating bars 14 and 15 by coupling.
  • the vibration energy the leakage vibration is much larger than the vibration due to the Coriolis force, so the Z-direction vibration of the second vibrating reed is due to the Coriolis force 90 degrees out of phase with the leakage vibration. The vibration is superimposed.
  • FIGS. 5A and 5B show the movement of the vibrator 10 of the present embodiment.
  • FIGS. 6A and 6B show a first vibrating piece instead of the vibrator 10 for comparison with the vibrator 10 of the present embodiment. Assuming a vibrator 10a in which the rotational inertia force of the second vibrating bar does not match the rotational inertia force of the second vibrating reed, the movement is shown.
  • 5A and 6A are plan views schematically showing the vibrator 10 or 10a, and the vibrating bars 12 to 15 or 12a to l shown in black.
  • FIG. 5a shows the state when the vibrating bar swings in the up / down, left / right reversed phases, and the four vibrating bars shown by dotted lines show the state when not vibrating. However, the operation of X-direction vibration is ignored.
  • the coordinate system here is the same as in Fig. 1A.
  • 5B and 6B are front views of the vibrator 10 or 1 Oa viewed from the tip (Y direction).
  • the two vibrating reeds 12 and 14 are connected to the vibrator base 11. The forces in the Z direction applied to the part cancel each other out, and substantially no force is applied in the Z direction.
  • the rotational inertia of the first vibrator element 12a does not match the rotational inertia of the second vibrator element 14a. Vibrates in the same direction as In this example, since the first moving piece has a smaller rotational inertia force than the second vibrating piece, when the first vibrating piece 12a swings in the ⁇ Z direction, the vibrator base 11 also becomes one. It swings in the Z direction. At this time, since the right vibrating piece pair formed by the first vibrating piece 13a and the second vibrating piece 15a is vibrating in opposite phases to the left and right, the rotor base 11 swings in the + Z direction.
  • the vibrator base 11 is supported by the support rod 16 connected to the center thereof.
  • the support rod 16 since the vibration leakage from the support rod is small, the vibrator base 11 is supported.
  • the method is less restricted, and sufficiently good detection sensitivity can be obtained with other support methods.
  • a support rod extending in the direction of + X or 1X from the vibrator base 11 and having a fixed plate at its tip may be used instead of the support rod 16.
  • the support rods may be extended in two directions of + X and -X, and fixed plates may be provided at the respective ends, and fixed at two places.
  • a support rod may be extended in two directions of + Y and ⁇ Y from the center of the vibrator base 11 and a fixing plate may be provided at each end thereof.
  • the vibrations in the Z direction generated in the first vibrating bars 12 and 13 are transmitted to the second vibrating bars 14 and 15 satisfactorily.
  • the vibrations of the second vibrating reeds 14 and 15 in the Z direction generate changes in electric charges on the electrodes 25 to 28 and 35 to 38, and based on this, the detection circuit 60 generates a second vibrating reed 1
  • the vibration amplitude in the Z direction due to the Coriolis force of 4, 15 is detected.
  • FIG. 7 shows the dimensional results determined based on this design method.
  • the natural frequency fn in the Z direction of the second vibrating bar that is thinner and longer than the first vibrating bar is determined.
  • the natural frequency fn is determined based on the following equation. fn Eg
  • the natural frequency of the coupling is closer to the natural frequency of the second vibrating piece that is thinner and longer than the natural frequency of the first vibrating piece that is relatively thick and shorter. This is probably because the thin and long second vibrating reed has a larger amplitude and stress than the thick and short first vibrating reed. Therefore, with respect to the Z direction, it can be assumed that the natural frequency of the interaction between the first vibrating bar and the second vibrating bar is equal to the natural frequency of the second vibrating bar.
  • the natural frequency in the X direction of the first vibrating piece equal to the natural frequency in the Z direction of the second vibrating piece (that is, the coupled natural frequency).
  • the direction width is Wl
  • the length is Ll
  • the vibration amplitude in the Z direction is Zl
  • the width of the second vibrating piece in the X direction is W2
  • the length is L2
  • the vibration amplitude in the Z direction is Z2
  • the vibrator Let h be the thickness of
  • FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the A / B value and the Q value of the Z-direction vibration.
  • the horizontal axis indicates the A / B value.
  • the difference ⁇ ⁇ between the natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Z direction at this time is 1/1000 of the excitation frequency. From this characteristic diagram, it can be seen that as the value of ⁇ / ⁇ increases, the dynamic leakage to the outside increases and the Q value of vertical vibration decreases. A decrease in the Q value lowers the sensitivity as an angular velocity detector.
  • the problem is how much to adjust the rotational inertia force, that is, how much the value of A / ⁇ is allowed. 1:
  • a / B is 0.1, and judging from FIG. 8, the Q value is about 10% lower than the ideal oscillator Q value.
  • the vibrator 10 is manufactured by etching a Z plate of quartz. However, a peak extending in the Y direction remains on the side surface of each resonator element due to anisotropy of etching. This is why vibration leakage from the X-direction vibration to the Z-direction vibration occurs.
  • the natural frequency in the X direction of the first vibrating piece is designed to be close to the combined natural frequency in the Z direction of the first and second vibrating pieces.
  • the coupled natural frequency in the Z direction is close to the natural frequency in the Z direction of the thin and long second vibrating reed having relatively large vibration stress.
  • the natural frequency in the Z direction and the natural frequency in the X direction of the ⁇ ⁇ moving piece are relatively far apart. Therefore, the coupling between the X-direction vibration and the ⁇ -direction vibration in the first vibrating piece is weak, and the leakage of the X-direction excitation vibration to the ⁇ -direction vibration is small.
  • this leakage vibration is nothing but noise, and therefore, the smaller the number, the higher the detection sensitivity.
  • Fig. 9 is a graph showing the relationship between the ratio W / D of the thickness D to the width W and the ratio H / C of the ⁇ component when excited in the X direction.
  • a plurality of vibrating bars with the same length and different widths W are mounted on a quartz substrate with a thickness of 0.3 mm. It measures the vibration component in the z direction when vibrated in the X direction.
  • W / D is set to 0.7 or less, the vibration leakage sharply decreases.
  • W / D since W is 0.2 and D is 0.3, W / D is 0.67, which indicates that vibration leakage is extremely small.
  • the basic structure of the vibrator of the second embodiment is the same as the vibrator 10 of the first embodiment shown in FIG. 1A. That is, a vibrator base extending in the X-axis direction, two relatively thick and short first vibrating reeds extending in the + Y direction from the vibrator base, and a first vibrating reed from the vibrator base, respectively.
  • a vibrator base extending in the X-axis direction
  • two relatively thick and short first vibrating reeds extending in the + Y direction from the vibrator base
  • a first vibrating reed from the vibrator base respectively.
  • a fixing plate provided at the end of the support rod are integrally formed by a single crystal substrate of quartz to form a vibrator.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that a thin and long second vibrating reed is excited in the X direction.
  • the vibration in the Z direction generated by the Coriolis force is detected by the second vibrating reed similarly to the first embodiment. That is, in this vibrator, the X-direction excitation and the Z-direction vibration detection are performed by the same vibrating piece. Therefore, the same electrodes as the excitation electrodes 21-24, 31 to 34 described in the first embodiment are provided at the distal end side of the second vibrating reed, and the detection electrodes 25-27, 35 37 are provided on the root side of the second resonator element.
  • the design is made so that the natural frequency in the X direction of the second vibrating piece and the coupled natural frequency in the Z direction of the first and second vibrating pieces substantially coincide with each other.
  • the coupled natural frequency is a value close to the natural frequency in the Z direction of the thin and long second moving piece as described in the first embodiment. That is, the X-direction natural frequency and the Z-direction natural frequency of the second vibrating reed are close values. Therefore, the force in the second resonator element
  • the coupling (vibration transmission) is strong, and the vibration energy in the Z direction is transmitted from the vibration in the X direction in the same second vibrating piece.
  • the rotational inertia of the piece and the second vibrating piece can be matched.
  • the coupled natural frequency in the Z direction can be adjusted by mass-adjusting the first vibrating reed which is not directly used for both excitation and detection. Further, in the case of a vibrating bar having different excitation and detection, the vibration is transmitted between the two vibrating bars, so that the vibrating bar is easily affected by the temperature characteristics of the transmission. Since the vibrating piece for excitation and the vibrating piece for excitation are the same, it is hardly affected by temperature changes and the like, and the detection reliability is high.
  • E the modulus of longitudinal elasticity of the crystal
  • r the density of the crystal
  • person n the constant of the primary vibration
  • g the gravitational acceleration
  • E 7.99 x 10 9 Kg / m 2
  • r 2.65 ⁇ 10 3 Kg / m 3
  • input n l.85
  • g 9.8.
  • fn 598.7 Hz.
  • the vibrating reed has the same width and thickness, that is, the vibrating reed has a square cross section, the natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Z direction match.
  • the thickness is set to about 6/5 of the width, the natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Z direction will match. According to Therefore, the thickness is 0.3 mm.
  • Fig. 10 shows the conditions under which the rotational inertia forces of the first and second vibrating bars coincide with each other in the relationship between the length ratio L1 / L2 and the width ratio W1 / W2 of the first and second vibrating bars. It is a thing.
  • the length L2 of the thin and long second vibrating piece is set to 6.0 mm and the width W2 is set to 0.25 mm.
  • the rotational inertia force-matches the width ratio W1 / W2 is 2.05 and W1 is 0.5 lmm.
  • FIG. 11 is a plan view of the vibrator thus dimensioned with dimensions displayed.
  • the vibration of the same second vibrating piece in the Z direction is detected while the second vibrating piece is excited in the X direction.
  • the detection electrode is left as it is on the first vibrating piece.
  • the excitation vibrating reed and the detection vibrating reed are different from each other, as in the first embodiment, so that the excitation and detection electrodes can be large, and the efficiency is high. Further, since the number of wirings on one vibrating piece is smaller than that of the basic form of the second embodiment, wiring is easy and the size is easy to reduce. In addition, it is possible to reduce signal crosstalk due to the influence of the wiring capacitor component and the like. Furthermore, the detection electrode ideally detects only vibration in the Z direction, but actually has some sensitivity in the X direction, so the detection and excitation are the same vibrator. As compared with, the S / N of the present modified example in which the vibration in the X direction is not placed on the detecting vibrator is higher in terms of electrode sensitivity.
  • either the first or the second vibrating piece is excited in the X direction. It is desirable not to transmit as much as possible to the other vibrating reed sandwiching the body.
  • the transmission of X-direction vibration between the first vibrating piece and the second vibrating piece It became clear that it could be suppressed.
  • vibration in the Z direction requires coupled vibration of the first and second vibrating bars facing each other, the first and second vibrating bars are integrated with the vibrator base interposed. Is desirable.
  • the width of the through hole in the X direction is smaller than both the inner wall distance between the two first vibrating bars and the inner distance between the two second vibrating bars. If the through hole has such a size and its center coincides with the center of the vibrator base, the first vibrating piece and the second vibrating piece are connected almost linearly via the vibrator base, and a strong coupling is obtained. Can be
  • the axes of the first vibrating piece 12 and the second vibrating piece 14 in the longitudinal direction (Y direction) are almost coincident with each other.
  • the longitudinal axis (Y direction) of the piece 13 and the second vibrating piece 15 is almost coincident, but as shown in FIG. 12, the longitudinal direction of the first vibrating piece and the second vibrating piece facing each other.
  • the axes may be shifted on the XY plane while maintaining the parallelism. With this configuration, transmission of the X-direction vibration can be more strongly prevented.
  • the indignation properties M of the first and second resonator elements are Ml and M2, respectively, and the amplitudes of the first and second resonator elements are P1 and P2, respectively.
  • the arrangement of the support rod 16 and the measuring table 17 is basically the same as in the first and second embodiments.
  • the difference from the first and second embodiments is the excitation direction.
  • the excitation is always in the X direction, but in the present embodiment, the two second vibrating bars are inverted from each other.
  • Excitation in the Z direction in the phase. If the left and right opposite phases of the Z-direction excitation are simply performed, that is, if mere self-excitation is performed, the first vibration piece and the second vibration piece vibrate in a coupled manner, but the Z-direction vibration during the X-direction excitation Unlike this, a phenomenon occurs in which the phases of the paired first and second resonator elements are in phase.
  • the present invention prevents the vibration of the vibrator base in the Z direction when the first vibrating piece and the second vibrating piece vibrate in the opposite directions in the Z direction by matching the rotational inertia force, thereby reducing the Coriolis.
  • the present invention is not effective when the first and second vibrating pieces vibrate in the same phase because the first and second vibrating pieces vibrate in the same phase because vibration is prevented from leaking due to force. Therefore, in the present embodiment, the feedback means relating to the phase is employed as the excitation means, and the first and second vibrating pieces are excited in opposite phases.
  • the second resonator element is excited in the Z direction, and this vibration is transmitted to the first resonator element.
  • the vibrator rotates about an axis parallel to the Y-axis in this state, the X-direction vibration is generated in the first vibrating reed by the Coriolis force.This amplitude is detected, and the rotational angular velocity is calculated from the detection result. Is what you want.
  • FIGS. 14A and 14B are diagrams showing electrodes provided on the first and second vibrating bars, respectively, and FIG. 15 is a diagram showing a circuit for excitation and detection connected to these electrodes. It is.
  • FIG. 14B shows electrodes for exciting the second vibrating bars 14 and 15 in the Z direction, and has the same electrode arrangement as the detection electrodes of the first embodiment.
  • P When a positive potential is applied to the + terminal 101 and a negative potential is applied to the P-terminal 102, an electric field is generated in the upper half of the second vibrating reed 14 from the electrode 11 ° to 112, and in the lower half, the electrode 11 1 An electric field is generated, which goes from Then, since the upper half expands in the Y direction and contracts in the lower half in the Y direction due to the piezoelectric effect of the quartz crystal, the second vibrating reed 14 bends in the direction of 1Z (down).
  • the second vibrating piece 15 Since a voltage having a polarity opposite to that of the second vibrating piece 14 is applied to the second vibrating piece 15, the second vibrating piece 15 is bent in the + Z direction. Therefore, when the polarities of the terminals 101 and 102 are alternately switched, the second vibrating bars 14 and 15 vibrate in the Z direction in opposite phases to each other.
  • FIG. 14A shows electrodes for detecting the vibrations of the first vibrating bars 12 and 13 in the Z and X directions.Each vibrating bar is provided with six electrodes extending in the Y direction. I have. That is, as shown, one electrode 121, 122, 131, 132 is provided on each side, and two electrodes 123, 125, 124, 126, 133, 135, 134, 136 are provided on each of the upper and lower surfaces. It is provided.
  • the bending (vibration) in the Z direction of the first resonator element is detected by the electrodes 123 to 126 and the electrodes 133 to 136.
  • the first resonator element 12 bends in the + Z direction, the upper half shrinks in the Y direction, and the ⁇ on the c side expands in the Y direction.
  • contraction in the Y direction causes dielectric polarization in the X direction
  • extension in the Y direction causes dielectric polarization in the opposite X direction, which concentrates on the upper and lower surfaces.
  • charges of the same polarity are collected on the electrodes 123 and 124, and charges of the opposite polarity are collected on the electrodes 125 and 126.
  • the vibration in the Z direction is detected by the signal processing circuit shown in FIG. Similarly, the Z-direction vibration of the first vibrating reed 13 detects the Z-direction vibration from a change in the charge amount of the electrodes 133 to 136.
  • the bending (vibration) in the X direction of the first vibrating bars 12 and 13 is detected by all the electrodes 121 to 126 and the electrodes 131 to 136.
  • it bends in the X direction it rises due to the piezoelectric effect due to the reverse mechanism of the inverse piezoelectric effect described with reference to FIGS. 3A and 3B.
  • Charges of the same polarity are collected on the lower surface, and charges of opposite polarity are collected on the left and right side electrodes. From this change in electric charge, the vibration in the X direction is detected by the circuit in Fig. 15.
  • the excitation circuit 201 applies excitation signals having frequencies substantially equal to the coupled solid frequency of the oscillator 10 in the Z direction to the terminals 101 and 102 in opposite phases.
  • the second vibrating bars 14 and 15 vibrate in the Z direction in opposite phases, and the vibrations are transmitted to the pair of first vibrating bars 12 and 13 respectively.
  • the vibration in the Z direction of the first vibrating reed is caused by the change in the charge appearing at terminals 105 and 107 in phase (waveform 220) and the change in charge appearing at terminals 106 and 108 in phase ( The difference from the waveform 2 2 1) is obtained and synthesized (waveform 2 2 2) and input to the pulse shaping circuit 202.
  • the pulse shaping circuit 202 converts this into a rectangular pulse 222 and inputs it to the excitation circuit 201 as the vibration phase information of the first vibrating bars 12 and 13.
  • the excitation circuit 201 outputs a drive signal with a phase opposite to that of the rectangular pulse 222 fed back from the pulse shaping circuit 202.
  • the paired first vibrating reed and the second vibrating reed vibrate in opposite phase with each other.
  • a pulse signal 224 having a phase shifted by 90 degrees from the phase of the Z-direction vibration is input from the phase conversion circuit 203, and the human-power signal 232 is synchronously detected with this signal to obtain a waveform 233.
  • the input signal 232 is a combination of the leakage component of the excitation and the component based on the Coriolis force, as described above.
  • the output signal 232 of the 1 "] phase detection circuit 204 has a full-wave rectified component based on the Coriolis force.
  • the excitation leakage component, which is the major component of the detection signal 232, and the detection pulse 224 are 90 degrees out of phase, so that a sawtooth waveform is shown as a waveform 233.
  • this waveform 233 is integrated by the integration circuit 205, the leakage component of the excitation becomes zero, and only the X component due to the Coriolis force remains.
  • This signal has the offset component removed by the offset removal circuit 206, and the amplifying circuit The signal is amplified at 207 and output from terminal 208.
  • the natural frequency f ⁇ of the second vibrating bars 14 and 15 in the ⁇ direction is determined.
  • the equation (12) used in the description of the first embodiment may be applied.
  • the length L 2 of the second vibrating piece is 6 mm
  • the thickness h of the quartz substrate is 0.4 mm. .
  • the calculated result and the actual natural frequency are well calculated if it is calculated as a vibrator having a thickness of 5/6 of the actual thickness. Since it is empirically known that they match, h is 0.33 mm.
  • the combined rigid right frequency of the Z direction by the first and second vibrating pieces The value is close to the natural frequency of the second vibrating reed which has a large stress due to its long length. Therefore, the natural frequency in the X direction of the first vibrating piece is made closer to the coupled natural frequency in the Z direction, that is, the natural frequency in the Z direction of the second vibrating piece. for that purpose,
  • Wl and L1 are the width and height of the first resonator element, respectively.
  • the condition under which the rotational inertia forces of the first and second vibrating bars match each other is as follows.
  • the vibrating reed is excited in the Z direction, and the vibration in the X direction generated by the Coriolis force is detected.
  • X-direction vibration of the piece is detected.
  • the vibrating bars for excitation and detection are not limited to the second vibrating bar and the first vibrating bar, respectively. That is, the second vibration piece may be excited in the Z direction and the same vibration of the second vibration piece in the X direction may be detected.
  • the first vibration piece may be excited in the Z direction and the X direction of the second vibration piece may be detected. It may detect ⁇ fc motion.
  • FIG. 16A is a plan view of the vibrator 10, and the basic configuration of the vibrator 10 is the same as in the first to third embodiments.
  • two thick and short first vibrating bars 1 2 and 13 protruding in the + Y direction from the vibrator base 11, and two thin vibrating bars protruding in the Y direction
  • the vibrators generated by the vibrations in the Z direction of the first vibrating reeds 12, 13 and the rotary vibrating force with the joint of the vibrator base 11 as a fulcrum and the second vibrating reed 14
  • the arrangement of the support rod 16 and the fixing base 17 is basically the same as in the first to third embodiments.
  • the second vibrating piece that is thinner and longer than the first moving piece is vibrated in the secondary vibration mode.
  • the first vibrating bars 12 and 13 are excited in the X direction in mutually opposite phases.
  • the Z-direction vibration is generated in the first vibrating reed by the Coriolis force generated by the rotation of the vibration f.
  • the Z-direction vibration of the first vibrating bar due to the Coriolis force is transmitted to the second vibrating bar because the paired first and second vibrating bars are coupled in the Z-direction vibration. You. Further, leakage vibration in the Z direction of the first vibrating piece is also transmitted to the second vibrating piece.
  • the excitation frequency and the size of the vibrating piece are determined so that the vibration in the Z direction of the second vibrating piece is in the second vibration mode. Therefore, the second moving piece is naturally in the Z direction in the second vibration mode.
  • C The vibrations in the Z direction of the second vibrating bars 14 and 15 are in opposite phases because the excitations in the X direction with respect to the l th moving bars 12 and 13 are in opposite phases.
  • FIG. 16B is a side view of the vibrator 10 of FIG. 16A as viewed in the X direction, and shows a state of vibration of the vibrating piece in the Z direction.
  • the first vibrating bar 1 The first and second vibrating bars 14 and 15 are indicated by solid lines, the first vibrating bar 13 and the second vibrating bar 15 paired on the right are indicated by broken lines, and the first vibrating bar 12 swings in the + Z direction. This shows a state when the first resonator element 13 swings in the ⁇ Z direction.
  • the tip of the second vibrating bar 14 swings in the + Z direction, and the vicinity of the center swings in the 1Z direction.
  • the tip of the second vibrating bar 15 swings in the direction of -Z, and near the center swings in the direction of + Z.
  • the X-direction excitation electrodes provided on the first vibrating bars 12 and 13 of the vibrator 10 may be arranged in the same manner as the excitation electrodes of the first embodiment. Further, as the electrodes for detecting the Z-direction vibration provided on the second vibrating bars 14 and 15, the same electrodes as in the first embodiment are arranged shifted in the Y-direction. In other words, the detection electrode is desirably provided at a position where the internal stress due to vibration appears strongly. Therefore, the detection electrode is provided at the root side in the first embodiment. It is provided so that it may be located in the part. Next, a method for designing the dimensions of the vibrator 10 of the present embodiment will be described.
  • the second natural frequency f n 2 in the Z direction of the second resonator element is determined.
  • the natural frequency: n 2 is determined based on the following equation in which the primary oscillation constant ⁇ of the equation (12) used in the first embodiment is replaced by the secondary oscillation constant n 2.
  • E is the longitudinal elastic modulus of the crystal
  • r is the density of the crystal
  • person n 2 is the constant of the secondary vibration
  • g is the gravitational acceleration
  • L 2 is the length of the second vibrating bar
  • h is the thickness of the vibrating bar. (Thickness of the vibrator).
  • n 2 the natural frequency f n in the X direction of the first vibrating reed.
  • the natural frequency f n in the X direction of the first resonator element is
  • Wl and L1 are the width and length in the X direction of the first resonator element.
  • W 1 and L 1 may be determined by providing a condition for matching the rotational inertial force of the first vibrating bar with the rotational inertial force of the second vibrating bar.
  • the first vibrating reed and the second vibrating reed since the length ratio of the first vibrating reed and the second vibrating reed is larger than in the case of the primary vibration mode (the first embodiment), the first vibrating reed and the (2) The difference between the natural frequencies in the X direction of the vibrating reed increases, and vibration transmission between the two vibrating reeds is strongly blocked. Therefore, the second vibrating reed vibrates purely in the Z direction and has high detection accuracy.
  • the detection electrode Since the internal stress concentration portion of the secondary vibration is located at the center of the vibrating reed, the detection electrode is located at the center of the vibrating reed. Electrode formation at the center is easier than at the root. You.
  • the vibrator is manufactured by etching the substrate, but the shape of the base of the resonator element is unstable due to the crystal orientation, while the center is stable.
  • the secondary vibration mode of the second vibrating reed is used, but a third to seventh higher vibration mode may be used.
  • the first vibrating bar is excited in the primary vibration mode in the X direction, and the vibration of the second vibrating bar in the secondary vibration mode in the Z direction is detected.
  • the piece can be excited in the primary vibration mode in the X direction, and the vibration in the Z direction of the second vibrating piece can be set in the secondary vibration mode.
  • the width of the second vibrating reed is set in two stages, the root side is wider than the tip side, the excitation electrode is provided in the narrow part on the front end side, and the detection electrode is wider on the root side. It is conceivable to provide it on the part or the first vibrating piece.
  • the vibrator has such a structure, for the vibration (excitation) in the X direction, the length of the narrow portion in the Y direction becomes the substantial length of the second vibrating reed, and for the vibration in the Z direction, However, since the entire length of the second vibrating reed is substantially equal to the same vibrating reed, the X-direction vibration can be set to the primary vibration mode and the Z-direction vibration can be set to the secondary vibration mode.
  • the ratio of the thickness to the width can be freely selected to some extent by changing the ratio of the width. Therefore, a thin crystal substrate that can be easily etched can be employed.
  • the first to fourth embodiments described above all have a vibrator having two first vibrating pieces and two second moving pieces, that is, a first vibrating piece that is substantially coaxially projected with a vibrating body interposed therebetween. It has two pairs of moving piece and second vibrating piece.
  • the present invention is not limited to this. If at least one pair of vibrating bars including the first vibrating bar and the second vibrating bar is provided, the function as a vibrator can be achieved. If the rotational inertial force in the Z direction of the piece and the rotational inertial force in the Z direction of the second vibrating piece match, a unique effect of the present invention is exhibited in that the vibrator base does not vibrate in the Z direction.
  • the vibrator Although a quartz single crystal substrate was used as the vibrator, other piezoelectric materials such as zirconate titanate alloy (PZT), lithium niobate, and lithium tantalate were used. May be used. Further, the vibrator may be a simple vibrator such as stainless steel, and the vibrator may be vibrated by using a piezoelectric excitation means instead of the electrode. Industrial applicability
  • the two vibrating pieces have opposite phases in the Z direction.
  • the vibrator base does not swing in the Z direction as a fulcrum of the vibration in the Z direction of both vibrating pieces. Therefore, the vibration f can be detected with high sensitivity because the vibration leakage from the base body is small and the vibration width caused by the Coriolis force is not attenuated. That is, the detection accuracy of the angular velocity ⁇ increases.

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Description

明細書 角速度検出装 技術分野
本発明は、 自動車のナビゲ一シヨンシステムや姿勢制御などに用いられる角速 度検出装置に関するものであり、 特に、 振動型の角速度検出装置に関するもので ある。 背景技術
従来から、 振動体に回転を加えるとコ^ォリの力によって回転角速度に応じた 新たな振動が発生することを利用した振動型角速度検出装置が知られている。 こ のような角速度検出装置の一例として、 たとえば、 特開平 7— 5 5 4 7 9号公報 に記載の回転速度センサがある。 この回転速度センサにおいて用いられている振 動子は、 X Y平面において、 矩形のフレームの一辺から + Yの向きに 2本の励振 枝が突出しており、 そのフレームの対向する辺から一 Yの向きに 2本ピックアツ プ枝が突出した構造をおしている。 この構造において、 励振枝を X方向に励振す ると、 振動子の回転に伴つて発生したコリオリの力によって励振枝が Z方向にも 振動し、 この Z方向の振動はピックアップ枝に伝達される。 ピックアップ枝側で は、 この伝達された Z方向の振動を検出し、 検出結果から振動子の回転角速度を 導く。
ところで、 この種の问転速度センサにおいては、 励振枝を X方向に励振しても その振動のエネルギの一部は Z方向の振動に置き換えられてしまい、 Z方向に振 動する漏れ振動が生じる。 そして、 この漏れ振動もコリオリの力に基づく Z方向 振動と同様にピックアップ枝に伝達される。 すなわち、 ピックアップ枝には漏れ 振動とコリオリの力に基づく振動が合成された Z方向振動が伝達される。 この漏れ振動の振幅は、 コリオリの力に基づく Z方向振動の振幅よりも遙かに 大きく、 コリオリの力に基づく 動にとって漏れ振動は大きなノイズとなる。 し かし、 漏れ振動とコリオリの力に基づく振動とは、 位相が互いに 9 0度ずれてい るので、 いずれの Ζ方向振動も互いに独、'/..に検出することができる。
このような励振枝とビックアップ枝の Ζ方向の振動は、 漏れ振動であるかコリ オリの力に基づく振動であるかにかかわらず、 フレームの中心部を支点として./ i いに逆相となる。 つまり、 励振枝が上向きすなわち + Zの向きに振れたときには、 ピックァッブ枝が下向きすなわち一 Zの^きに振れる。
このような Z方向振動に関して、 ヒ述した従来の回転速度センサでは、 励振枝 とビックアツプ枝の振動バランスについて何ら考慮していないため、 両枝の支点 となるフレームが両枝の振動に応じて Z方向に揺れる。 この揺れは、 励振枝から ピックァップ枝への Z方向の振動の伝達を妨げ、 ビックァッブ枝での振動の検出 精度を低下させる。 特に、 2本の励振枝の励振位相が逆相の場合にはフレームに ねじれが生じ、 検出精度の低下は一層大きなものとなる。 発明の開示
本発明の角速度検出装置は、 このような問題を解決するためになされたもので あり、 X Y Z三次元座標空間において、 X Y 面 hの X方 Ιή】に延在し角速度を検 出すべき被検出体に固定される振動子基体と、 この振動子基体から + Υの向きに 突出し X方向の第 1固有振動数を有する第 1振動片と、 振動子基体から— Υの向 きに突出し第 1 IS1有振動数と異なる X方向の第 2固有振動数を有する第 2振動片 とを有する振動子と、 第 1または第 2振動片のいずれかを Ζ方向または X方向に 励振する励振手段と、 第 1または第 2振動片における励振手段による振動の励振 方向と Υ方向との双方に直交する振動の振幅を検出する検出？段と、 検出手段に より検出された振幅の大きさから Υ方向を軸とする回転角速度を演算する角速度 演算 Τ-段とを備え、 励振手段により第 1または第 2振動片を励振したときに振動 子基体が Z方向に振動しないように第 1および第 2振動片の形状寸法が決定され ている。
すなわち、 第 1および第 2振動片の形状寸法は、 励振手段により第 1または第 2振動片を励振したときの第 1振動片の Z方向の振動による振動子基体との結合 部を支点とした回転慣性力と、 第 2振動片の Z方向の振動による振動子基体との 結合部を支点とした回転慣性力とを略等しくなるように決定されている。
ここに、 振動片の回転慣性力とは、 振動片を微小部分 （質点） に分け、 各質点 における質量と振幅の自乗との積を、 振動片と振動子基体との結合点から当該質 点までの距離で除した値の総和のことを う。
このように構成すると、 X方向の第 1固有振動数と第 2固有振動数とが異なる 値なので、 第 1振動片と第 2振動片との間の X方向の振動伝達はほとんどなされ ない。 そして、 振動子を 1枚の薄い基板で構成すれば、 Z方向の振動のみが互い に逆相で伝達される。 すなわち、 第 1振動片と第 2振動片は Z方向の振動につい ては連成する。 しかも、 励振手段で第 1および第 2振動片を励振したときの第 1 振動片の回転慣性力と第 2振動片の回転慣性力とが略等しいので、 両振動片が Z 方向において互いに逆相で振動した場合、 両振動片の Z方向の振動の支点となつ ている振動子基体が Z方向に揺動 （振動） することがない。 そのため、 振動子基 体の Z方向振動に起因する第 1および第 2振動片の Z方向振動の損失がほとんど ない。
したがって、 たとえば、 第 1振動片を X方向に励振した場合に、 振動子が Y軸 に平行な軸を中心に回転すると、 第 1振動片および第 2振動片が回転角速度に応 じた振幅で互いに逆相で Z方向に振動するが、 その Z方向振動はほとんど減袞し ないので、 この Z方向振動を感度よく検出することができる。
また、 第 2振動片が第 1振動片よりも細くて長いものであり、 第 1振動片と前 記第 2振動片の対が振動子基体に対して 2組設けられ、 振動子基体は支持棒を介 して被検出体に固定されており、 この支持棒は 2組の振動片対の一方の振動片対 と他方の振動片対との間において振動了-基体から Y方向に延びその先端が被検出 体に固定され、 2本の第 1振動片を互いに逆相で励振させることが望ましい。 このように構成すると、 X方向の振動を の¾動片対と他方の扳動片対とで 互いに相殺し合うため、 振動子基体の X方向の揺れもなくなる。
さらに、 第 1振動片の X方向の幅 Wを Ζ方向の厚み Dの 0 . 7倍以下とするこ とにより、 第 1振動片の X方向の振動が Ζ方向の振動に漏れる量を急激に减少さ せることができる。 Ζ方向の漏れ振動が少なくなれば、 相対的にコリオリの力に 基づく Ζ方向の振動成分が増大し、 検出精度が向上する。
また、 励振の振動方向を X方向に代えて Ζ方向にする場合には、 自励振では第 1振動片と第 2振動片'とが同相で Ζ方向に連成振動しやすいが、 励振手段にたと えばフィードバック機能を設けることにより励振の位相を調節すれば、 第 1振動 片と第 2振動片とを互いに逆相で Ζ方向に振動させることができる。 第 1振動片 と第 2振動片とを互いに逆相で Ζ方向に振動させることができれば、 第 1振動片 の Ζ方向の振動による振動子基体との結合部を支点とした回転慣性力と、 第 2振 動片の Ζ方向の振動による振動子基体との結合部を支点とした回転慣性力とを略 等しく してあるので、 振動子基体が Ζ方向に揺動しない。
さらに、 励振手段による励振の周波数を第 1または第 2振動片の Ζ方向の卨次 の固有振動数と一致させると、 Ζ 向の重心移動が少なくなつて振動子基体の Ζ 方向の揺動が一層抑えられ、 検出精度が高まる。 図面の簡単な説明
図 1 Αは、 本発明の第 1実施形態である角速度検出装置の振動子を示す平面図 である。
図 1 Bは、 図 1 Aにおける B— B断面図である。
図 1 Cは、 図 1 Aにおける C一 C断面図である。
図 2は、 第 1実施形態の角速度検出装置に用いられる励振回路 5 0、 検出回路 60および角速度演算回路 70を示すと共に、 これらの回路と振動片 12〜15 に設けられた電極 21〜28および 31〜38との接続関係を示すブロック図で ある。
図 3Aは、 第 1振動片 12および 13における逆圧電効果を説明するための断 面図である。
図 3Bは、 第 1振動片 12および 13における逆圧電効果を説明するための斜 視図である。
図 4 Aは、 第 2振動片 14および 15における圧電効果を説明するための断面 図である。
図 4Bは、 第 2振動片 14および 15における圧電効果を説明するための斜視 図である。
図 5Aは、 本実施形態の振動子 10の動きを示す図である。
図 5Bは、 本実施形態の振動子 10の動きを示す上面図である。
図 6Aは、 本実施形態の振動子 10と比較するために、 振動子 10に代えて第
1振動片と第 2振動片の回転慣性力が一致していない振動子 10 aを想定し、 そ の動きを示す図である。
図 6Bは、 本実施形態の振動子 10と比較するために、 振動子 10に代えて第
1振動片と^ 2振動片の回転慣性力が一致していない振動子 10 aを想定し、 そ の動きを示すヒ面 1である。
図 7は、 本実施形態の振動子の寸法が表記された平面図である。
図 8は、 A/Bfiと Z方向振動の Q値との関係を示す特性図である。
図 9は、 振動片の さ Dと幅 Wの比 W/Dと、 X方向励振のときの Z方向成分 の割合 H/Cとの関係を示すグラフである。
図 10は、 第 1および第 2振動片の長さ比 L 1/L2と幅比 W1/W2との関 係において、 第 1振動片と第 2振動片との回転慣性力が一致する条件を示した特 性図である。 図 1 1は、 本発明の第 2実施形態の振動片を示す平面図である。
図 1 2は、 第 1または第 2実施形態の振動片の変形例を示す平面図である。 図 1 3は、 本発明の第 3突施形態の振動片を示す平面図である。
図 1 4 Aは、 第 3実施形態の振動片の電極を示す断面図である。
図 1 4 Bは、 第 3実施形態の振動片の他の電極を示す断面図である。
図 1 5は、 第 3実施形態の信号処理回路を示す冋路図である。
図 1 6 Aは、 第 4実施形態の振動子を示す図である。
図 1 6 Bは、 その振動の様子を示す動作図である。
図 1 7は、 回転慣性力を説明するための原理図である。
8は、 回転慣性力を説明するための原理図である。 発明を実施するための最良の形態
図 1 Aは、 本発明の一実施形態における振動子 1 0を^す、 μ面図である。 この 図において、 左右方向を X軸とし右向きを正の向きにとり、 上下方向を γ軸とし 上向きを正の向きにとり、 紙面に垂直な方向を 軸とし表向きを正の向きにとつ ている。 振動子 1 0は、 X軸方向に延在する振動ィ-基体 1 1と、 ¾動子基体 1 1 から + Υの向きに延びる励振用の第 1振動片 1 2および 1 3と、 振動子基体 1 1 からそれぞれ第 1振動片 1 2および 1 3と同軸ヒで— Υの向きに延びる検出用の 第 2振動片 1 4および 1 5と、 第 2振動片 1 4および 1 5の間において振動子基 体 1 1から— Υの向きに延びる支持榉 1 6と、 支持棒 1 6の端部に設けられた固 定板 1 7とが水晶の単結晶基板で一体に構成されている。
ここで、 水晶の結晶軸について簡単に説明する。 天然の水晶は、 一般に柱状結 晶であり、 この柱状結晶の縦方向の中心軸すなわち < 0 0 0 1 >結晶軸は 軸ま たは光軸と規定され、 Ζ軸を通り柱状結晶の各表面に垂直に交わる線は Υ軸また は機械軸と規定される。 また、 Ζ軸を通りこの柱状結晶の縦方向の稜線と直交す る線は X軸または電気軸と規定される。 振動子 1 0に用いられている単結晶基板は Z板と呼ばれる基板であり、 Z軸に 垂直ないし略垂直な面で切り出された単結品基板である。 したがって、 本実施形 態においては、 結晶方位の Z軸と、 図面上の振動子 1 0の配置方向を示す上述し た Z軸とは一致している。 また、 水晶は Z軸に対して三回対称の結晶構造を持つ ため、 水晶の X軸および Y軸は互いに直交するものが 3組あり、 そのうちの一組 と図面上の振動子 1 0の配置方向を示す X軸および Y軸とがー致している。 なお この結晶方位と振動子 1 0の方向関係は、 後に述べる他の実施形態でも同様であ る。 また、 振動子 1 0に用いられる水晶は、 人 Γ.水晶であるがその構造は天然の 水晶と同じである。
第 1振動片 1 2および 1 3は互いに同一寸法であり、 本実施形態では共に励振 用の振動片として用いられる。 また、 第 2振動片 1 4および 1 5も互いに同一寸 法であり、 共に検出用の振動片として用いられる。 第 2振動片 1 4および 1 5は、 第 1振動片 1 2および 1 3に対して細くて長く、 そのために、 第 1振動片 1 2、 1 3の X方向の固有振動数 f x lと第 2振動片 1 4、 1 5の X方向の固有振動数 f X 2とが互いに異なっている。 Z方向の固有振動数も第 1振動片と第 2振動片とで は互いに異なっているが、 Z方向の振動については、 第 1振動片と第 2振動片と が連成して振動するため連成の固有振動数 が存在する。 X方向の振動につい ては第 1振動片と第 2振動片との間の振動の伝達率が非常に低いため連成振動は ほとんどない。 このように、 X方向の振動については第 1振動片と第 2振動片と が連成せず、 Z方向の振動については第 1振動片と第 2振動片とが連成するのは、 振動子 1 0全体が非常に薄い水晶基板で一体に形成されており、 振動子基体 1 1 の Y方向の幅が水晶基板の厚みに対して十分に広いという形状に起因している。 本実施形態では、 第 1振動片 1 2、 1 3の X方向の固有振動数 f x lと連成の固有 振動数 f z との値が非常に近い値になるように調整されている。
また、 後述する励振手段により第 1または第 2振動片を励振したときの第 1振 動片 1 2の Z方向の振動による振動子基体 1 1との結合部を支点とした回転慣性 力と、 第 2振動片 14の Z方向の振動による振動子基体 11との結合部を支点と した回転慣性力とが略等しくなつている。 同様に、 第 1振動片 13の Z方向の & 動による振動子基体 11との結合部を支点とした回転慣性力と、 第 2振動片 15 の Z方向の振動による振動子基体 1 1との結合部を支点とした冋転慣性力とが略 等しくなつている。 このように、 同一軸上で いに対になっている第 1ϋ動片と 第 2振動片の励振時の Ζ方向振動における回転慣性力が略等しいので、 第 1振動 片と第 2振動片が連成して互いに逆相に振動したときに、 この振動に基づいて振 動子基体 11が Ζ方向に揺動することがない。
本発明における振動片の回転慣性力というのは、 既に述べたように、 振動片を 微小部分 （質点） に分け、 各質点における質量と振幅の自乗との積を、 振動片と 振動子基体との結合点から当該質点までの距離で除した値の総和のことであり、 その詳細をここで説明する。
図 17に示すような質点 Ml、 M2が支点から距離 R l、 R 2離れて結合され、 一定角速度 Ωで質点 M 1、 M2が支点を中心にして回転している場合を考える。 このとき、 支点が動かずに一定回転が持続するためには、 両質点 Ml、 M2にそ れぞれ働く遠心力 F l、 F 2が支点でバランスしている必要がある。 これを式で 表すと、 質点 M 1に働く遠心力 F 1は、
F 1 =M 1 R 1 Ω2 … （ 1 )
質点 M 2に働く遠心力 F 2は、
F 2 =M2 R 2 Ω2 … （ 2 )
となり、 F 1と F 2は符号が反対で等しい値となるから、 次式 （3) の関係が導 かれます。
M 1 R 1 Ω2 = Μ2 R 2 Ω2 - (3)
ここで、 回転の角速度 Ωは等しいので式 （3) は、
Μ 1 R 1 =M2R 2 … （4)
となる。 ところが、 図 17では振動に伴う反りが考慮されていない。 図 1に示すような 実際の振動片の振動は、 例えば、 図 18に示すように変形する。 すなわち、 振動 片の構成材料は弾性体なので剛体とみなすことはできず、 ί 18のように振動に 伴う反りが発生する。 この反りがあるため、 質点 Ml， Μ2での角速度 Ω,、 に違いが生じる。 この図 18の質点 Ml、 M 2はそれぞれ、 図 1の第 1振動片 1 2及び第 2振動片 14をそれぞれ微小部分に分けたときの一つの質点に相当する c ここで、 各質点 Ml、 M2の振動中点での角速度 Ω,、 Ω2を各質点の振幅 Al、 Α2を用いて表す。 まず、 振動方向の変位 Z l、 Ζ 2は振動数 Ω。により、 各々 次式 （5) 、 (6) となる。
Ζ 1 =Α 1 sinQ。 t … (5)
Z 2 =A 2sinQ01 … (6)
したがって、 振動の速度 R 1 Ω 1、 Ι12Ω2は、 式 （5) 、 (6) を微分して、
R 1 Ω ! = Α 1 QoCosQo t … ( 7 )
R 2 Ω 2 = A 2 QoCosQo t … （8)
となる。 この式 （7) 、 (8) を用いた遠心力 F l、 F 2の釣り合いの式は、
M 1 R 1 (A 1 QoCosQo t/R 1 ) 2
= M2R 2 (A2 Q0cosQ。t/R 2) 2 … （ 9 )
となり、
M 1 A 12/R 1 =M2A22/R 2 - (10)
が導かれる。
実際の振動片は質点の集まりであるから、 第 1及び第 2振動片をそれそれ微小 部分に分割したときの各質点の質量 Μ」と各質点の振幅 Ai、 Α」の自乗の積 を、 支点すなわち両振動片と振動子基体との結合点からの距離 Ri、 で割った ものの総和が略等しくなるようにする。
したがって、 支点が動かない条件は
Figure imgf000012_0001
となり、 本発明では、 このことを 「回転慣性力が略等しい」 と呼んでいる。
本実施形態では、 後述するように第 1振動片 1 2、 1 3を X方向に互いに逆相 で励振させるが、 その振動のエネルギの一部は Z方向の振動に置き換えられてし まい、 Z方向に振動する漏れ振動が生じる。 この Z方向の漏れ振動の振幅値は、 励振振幅値で決定され、 この振幅値を上記 （ 1 1 ) 式の振幅 A i、 Α」として第 1 および第 2振動片の回転慣性力を求めればよい。
なお、 Z方向の振動には、 励振振動の漏れの他に、 後述するように振動子の回 転に伴って生じるコリオリの力による振動があり、 このコリオリの力による Z方 向振動の振幅値が角速度検出に必要なのであるが、 コリオリの力による Z方向振 動の振幅は、 励振の漏れによる Z方向振動の振幅に比べて非常に小さく、 第 1振 動片と第 2振動片の回転慣性力を略等しくするための条件である （ 1 1 ) 式の振 幅 A i、 Α」としては無視できる。
さて、 各振動片にはそれぞれの用途に応じた電極が設けられている。 すなわち、 第 1振動片 1 2および 1 3には励振用の電極が、 第 2振動片 1 4および 1 5には 検出用の電極がそれぞれ設けられている。 電極の配置については、 図面の微細描 写を避けるために、 図 1 Aでは省略されており、 これに代えて、 図 1 Bおよび図 1 Cを用いて表示されている。 図 1 Bおよび図 1 Cは、 それぞれ図 1 Aにおける B— B断面図および C— C断面図である。 図示のように、 第 1振動片 1 3には、 それぞれ上面、 下面および側面の 4つの面に ¾極 2 1〜2 4が、 振動子基体 1 1 との結合部から第 1振動片 1 3の先端部に向かって、 すなわち + Yの向きに、 振 動片全長の 2 / 3〜 3 / 4程度の長さに延在している。 第 1振動片 1 2にも同様 の電極 3 1〜3 4 (図 2参照） が設けられている。 一方、 第 2振動片 1 5には、 矩形断面の 4つの角部すなわち稜線部をそれぞれが ¾うように、 4つの電極 2 5 〜2 8が振動子基体 1 1との結合部から第 2振動片 1 5の先端部に向かって、 す なわち— Yの向きに、 振動片全長の 2 / 3 ~ 3 / 4程度の さに延在している。 なお、 第 2振動片 1 4にも同様の電極 3 5〜3 8 (図 2参照） が設けられている c 各電極は、 クロムと金の 2層構造となっており、 振動子 1 0の表面にこれらの 金属を蒸着した後に、 フォトリソグラフィ技術を用いて適宜分離すると共に所望 の形状にパ夕一ニングすることにより得られる。 また、 各電極は固定板 1 7に設 けられているボンディングパッ ド 8 1〜8 8のいずれかと電気的に接続され、 そ こからさらに後述する信号処理回路に接続される。 振動片上の各電極とボンディ ングパッ ドとの間の配線は、 図示していないが支持棒 1 6の表面に膜形成技術に より設けらている。
図 2は本実施形態の角速度検出装置に用いられる励振回路 5 0、 検出回路 6 0および角速度演算回路 7 0を示すと共に、 これらの回路と振動片 1 2〜 1 5に 設けられた電極 2 1〜2 8および 3 1〜3 8との接続関係を示すブロック図であ る。 また、 図 3 Aおよび図 3 Bは、 第 1振動片 1 2および 1 3における逆圧電効 果を説明するための図であり、 図 4 Aおよび図 4 Bは第 2振動片 1 4および 1 5 における圧電効果を説明するための図である。
励振回路 5 0は、 電流電圧変換回路 5 1と自動利得制御回路 5 2と駆動回路 5 3とを備えており、 検出回路 6 0は、 電流電圧変換回路 6 1および 6 2と差動増 幅回路 6 3と同期検波回路 6 4とを備えている。
駆動回路 5 3は、 自動利得制御回路 5 2の出力電圧値に応じた振幅で所定の繰 り返し周波数のパルス波を励振信号として出力するとともに、 その出力信号と 9 0度位相のずれた信号を同期検波回路 6 4の検波信号として出力する回路であり、 その出力端子は端子 5 4を介して第 1振動片 1 3の側面の電極 2 2、 2 4と第 1 振動片 1 2の上下面の電極 3 1、 3 3に共通に接続されている。 第 1振動片 1 2 および 1 3の残りの電極 2 1、 2 3、 3 2、 3 4は、 互いに共通に端子 5 5を介 して電流電圧変換回路 5 1の入力端子に接続されることにより、 駆動回路 5 3が 出力するパルス波の中間電位に固定される。
図 3 Aおよび図 3 Bは、 この励振回路 5 0による第 1娠動片の励振動作を説明 するものであり、 図 3 Aは第 1振動片 1 3を Z X平面で切った断面図であり、 冈 1 Bと同等の図である。 また、 図 3 Bは第 1振動片 1 3の屈曲動作を示した斜視 図である。 上述したように、 電極 2 1と 2 3が共通に端了 · 5 5に接続され、 電極 2 2と 2 4が共通に端子 5 6に接続されているので、 駆動回路 5 3の出力パルス が口一レベルであると、 図 3 Αに示すような電圧、 すなわち電極 2 2および 2 4 には相対的に負の電圧が、 電極 2 1および 2 3には」 Hの電圧がそれぞれ各電極に 与えられる。 駆動回路 5 3の出力パルスがハイレベルであれば、 その逆の極性が 与えられる。
いま、 図 3 Aのような電圧が印加されている状態を考えると、 振動片 1 3の内 部には矢印 9 1から 9 4で示したような電界が与えられることになる。 一方、 水 晶の圧電効果は Z軸方向には現れないので、 電効果に影響を与える右効電界は 矢印 9 5および 9 6となる。 水晶の結晶は逆圧電効果により、 X軸の正の向きに 電界が与えられると Y軸方向に伸び、 X軸の負の向きに電界が与えらると Y軸方 向に縮む。 したがって、 図 3 Aの状態では、 振動片 1 3の電極 2 4側が縮み、 電 極 2 2側が伸びるため、 振動片 1 3は電極 2 4を内側にして屈曲する。 電極 2 1 から 2 4に対する印加電圧の極性が逆転すると、 同様の原理により振動片 1 3は 電極 2 2を内側にして屈曲する。 したがって、 振動片 1 3の一端を固定して駆動 回路 5 3から所定周波数のパルス信 ¾を電極 2 1、 2 3に印加すると、 振動片 1 3は図 3 Bに示すように X方向に振動する。
なお、 本実施形態では、 図 2に示すように振動片 1 3の上下の電極 2 1および 2 3と振動片 1 2の左右の電極 3 2および 3 4とを共通に接続し、 振動片 1 3の 左右の電極 2 2および 2 4と振動片 1 2の上ドの電極 3 1および 3 3とを共通に 接続しているので、 振動片 1 2と 1 3は、 X方向に互いに逆相で振動する。 第 1搌動片 1 2と 1 3の X方向の振動情報は、 亀流電圧変換回路 5 1および 動利得制御回路 5 2を介してフィードバックされる。 電流電圧変換冋路 5 1は、 第 1振動片 1 2および 1 3の屈曲に伴う圧電効果によって電極 2 1、 2 3、 3 2、 3 4に発生した電荷の変化量を電圧値に変換する回路である。
自動利得制御回路 5 2は、 電流電圧変換回路 5 1から出力された電圧信号を入 力し、 その人力電圧値が大きくなると出力電圧値を小さくし、 入力電圧値が小さ くなると出力電圧値が大きくなるように動作する。 したがって、 第 1振動片 1 2 および 1 3の振動振幅が大きくなれば、 電極 2 1、 2 3、 3 2、 3 4に発生する 電荷も大きくなり、 電流電圧変換回路 5 1の出力電圧も大きくなる。 これによつ て、 自動利得制御回路 5 2の出力電圧値は低くなり、 駆動回路 5 3の出力パルス の振幅は小さくなる。 このように、 駆動回路 5 3から出力されるパルス信号の振 幅はフィードバック制御され、 第 1振動片 1 2および 1 3の振動振幅は常に安定 する。
つぎに、 図 4 A、 4 Bに示すような第 2振動片の Z方向の振動を検出する検出 回路 6 0を説明する。 第 2振動片 1 5が図 4 Bに示すように Z方向に振動して、 + Zの向きに屈曲すると、 振動片 1 5の上側の半分が Y方向に縮み、 下側の半分 が Y方向に伸びる。 水晶の圧電効果により、 Y方向に縮むと X方向の誘電分極が 生じ、 Y方向に伸びると逆向きの X方向の誘電分極が生じる。 そして、 誘電分極 の強さは伸縮の大きさに依存するので上面または下面において強く現れ、 中間部 に向かうほど弱い。 したがって、 誘電分極は振動片 1 5の 4つの角部に集中して 現れ、 この誘電分極によって角部に設けられた各電極 2 5〜2 8には図示のよう な正または負の電荷が集まる。 つまり、 電極 2 5と 2 7が同じ極性となり、 これ らの極性が電極 2 6と 2 8の極性と逆になる。 振動片 1 5が下側に振れると、 同 様の原理に基づいて上述したものと全く逆の極性が現れる。
検出回路 6 0は、 このようにして発生した振動片 1 5の各電極における電荷の 変化量を検出し、 第 2振動片の振動振幅に応じた信号を出力する。 本実施形態で は、 第 1振動片 1 2、 1 3を X方向に互いに逆相で励振し、 第 1振動片と第 2振 動片とを Z方向について互いに逆相で振動させるものなので、 第 2 fe動片 1 4と 1 5は Z方向に関して互いに逆相で振動する。 この第 2振動片 1 4、 1 5の 方 |ή】の振動は、 第 1振動片 1 2、 1 3の X方向励 振動が Υ方向振動として漏れた ものと、 振動子 1 0が回転したときに生じるコリオリの力に基づいて発^したも のとの合成振動であるが、 いずれの成分についても互いに逆相となる。 コリオリ の力に基づく Ζ方向振動の発生メカニズムの詳細については後述するが、 いずれ にしろ Ζ方向に関して いに逆相の振動が発生するので、 図 2に示すように第 2 振動片 1 5の電極 2 5と 2 8に対してこれらと面対称の位置にある第 2振動片 1 4の電極 3 6と 3 7が共通に接続され、 さらに検出回路 6 0の端子 6 5に接続さ れている。 そして、 残りの電極 2 6、 2 7、 3 5、 3 8が共通に検出回路 6 0の 端子 6 6に接続されている。
電流電圧変換回路 6 1は電極 2 5、 2 8、 3 6、 3 7での電荷の変化 ¾を電圧 値に変換する回路であり、 電流電圧変換回路 6 2は電極 2 6、 2 7、 3 5、 3 8 での電荷の変化量を電圧値に変換する回路である。 差動増幅问路 6 3は電流電圧 変換回路 6 1および 6 2のそれぞれの出力信号を入力し、 両信号の電位差を増幅 する回路であり、 この出力信号の振幅は第 2振動片 1 4および 1 5の振動振幅に 対応している。
[WJ期検波回路 6 4は差動増幅回路 6 3から出力された交流電圧信号を駆動回路 5 3からの励振信号に対して 9 0度位相のずれたパルス信号を検波信号として用 いて同期検波を行った後、 積分処理を行うものであり、 通常の同期検波回路に積 分回路が付加された回路である。 X励振の漏れによる Z方向振動は励振と同相で あり、 コリオリの力による Z方向の振動は励振に対して 9 0度位相がずれている ため、 同期検波および積分により、 前者は常に零の値となり、 後者は全波整流の 積分値となる。 すなわち、 同期検波回路 6 4の出力信号電圧は、 第 2振動片 1 4 および 1 5のコリオリの力による Z方向の振動振幅を示している。
角速度演算回路 7 0は、 第 2振動片 1 4および 1 5の振動振幅を示す検出回路 60の出力信号に基づいて、 振動子 10の Y軸に平行な軸を中心とする回転角速 度を後述する角速度とコリオリの力との関係式を基にして算出する回路である。 次に、 以上のように構成された角速度検出装置の動作を説明する。 励振回路 5 0は、 第 1振動片 12、 13の X方向の固有振動数 fxl (これを第 1固有振動数 という） に一致した周波数の励振信^を駆動回路 53から出力する。 これにより 第 1振動片 12、 13は逆圧電効果により、 X方向に固有振動数 fx,で振動する。 振動片 12と振動片 13の位相は上述したように互いに逆相である。
この状態で、 振動子 10が Y軸に平行な軸 （Y軸を含む） を中心として角速度 Ωで回転すると、 第 1振動片 12、 13には、 F= 2mV · Ωで表されるコリオ リのカ Fが Z方向に発生する。 ここに、 mは振動片の質量、 Vは振動速度である。 このコリオリの力 Fの発生によって、 第 1振動片 12、 13は X方向の振動に対 して 90度位相がずれて Z方向に振動する。 つまり、 第 1振動片 12、 13は 方向についても、 励振周波数 （第 1固有振動数） で互いに逆相で振動する。 この 周波数は、 Z方向の第 1および第 2振動片の連成固有振動数とほぼ一致している ので、 第 2振動片 14、 15に効率よく伝達される。
一方、 第 1振動片 12、 13に与えられる X方向励振が、 同相の Z方向の励振 として漏れ、 この振動も連成により第 2振動片 14、 15に伝達される。 振動ェ ネルギは、 漏れ振動の方がコリオリの力による振動よりも遙かに大きいため、 第 2振動片の Z方向の振動は、 漏れ振動上に 90度位相のずれたコリオリの力によ る振動が重畳しているものとなる。
ここで、 Z方向の振動に伴う振動子 10の動きを図 5 A、 5B、 6Aおよび 6 Bを用いて説明する。 図 5A、 5 Bは本実施形態の振動子 10の動きを示すもの であり、 図 6A、 6 Bは本実施形態の振動子 10と比較するために、 振動子 10 に代えて第 1振動片と第 2振動片の回転慣性力が一致していない振動子 10 aを 想定し、 その動きを示すものである。 図 5 A、 6 Aは振動子 10または 10 aを 簡略表示した平面図であり、 黒塗りで示した振動片 12〜15または 12a〜l 5 aは振動片が上下左右逆相に振れたときの状態を示しており、 点線で示した 4 本の振動片は振動していないときの状態を示している。 ただし、 X方向振動の動 作は無視している。 なお、 ここでの座標系は図 1 Aと同じである。 図 5B、 6B は振動子 10または 1 Oaを先端 （Y方向） からみた正面図である。
図 5A、 5B、 6 Aおよび 6 Bにおいて、 第 1振動片 12、 12aは一 Zの向 きに振れ、 第 2振動片 14, 14 aは +Zの向きに振れている。 また、 第 1振動 片 13， 13 aは +Zの向きに振れ、 第 2振動片 15， 15aは一 Zの向きに振 れている。 このとき、 本実施形態の振動子 10の場合は、 第 1振動片 12と第 2 振動片 14の回転慣性力が -致しているので、 両振動片 12および 14が振動子 基体 11との結合部に対して与える Z方向の力は互いに相殺され、 実質的に Z方 向には力が加わらない。 このことは、 第 1振動片 13、 15による右側の振動片 対に対してもいえる。 したがって、 図 5 Bに示すように、 各振動片 12〜15が Z方向に振れても、 振動子基体 11は Z方向に全く振れない。
一方、 図 6A、 6 Bに示す振動子 10 aでは、 第 1振動片 12 aと第 2振動片 14 aの回転慣性力が一致していないため、 振動子基体 11は回転慣性力の小さ な方と同方向に振動する。 この例では第 1 動片の方を第 2振動片よりも回転慣 性力を小さくしてあるため、 第 1振動片 12 aがー Zの向きに振れたときには、 振動子基体 1 1も一 Zの向きに振れてしまう。 このとき、 第 1振動片 13 aおよ び第 2振動片 15 aによる右側の振動片対については、 左右逆相に振動している ので、 動子基体 1 1は +Zの向きに振れる。 このように、 振動子基体 11の左 側は一 Zの向きに振れ、 右側は +Zの向きに振れるため、 振動片の振動に伴って 支持棒 16を捻るような力が加わる。 この捻り運動は振動の漏れを増長し、 安定 な振動を妨げる。
図 5A、 5Bを用いて説明したように、 本実施形態の振動子 10の場合には、 このような捻りが生じないため、 振動漏れが少なく、 安定した振動を維持するこ とができる。 このことは、 良好な感度の維持、 温度変化および経年変化に対する 安定性をもたらす。
また、 本実施形態では振動子基体 1 1をその中央部に連結する支持棒 1 6で支 持しているが、 上述したように支持棒からの振動漏れが少ないので振動子基体 1 1の支持方法の制約が少なくなり、 他の支持方法でも十分に良好な検出感度を得 ることができる。 たとえば、 支持棒 1 6に代えて、 振動子基体 1 1から + Xまた は一 Xの向きに延びその先端に固定板がある支持棒を用いてもよい。 もちろん、 + Xと— Xの 2つの向きに支持棒を延ばしそれぞれの先端に固定板を設けて 2力 所で固定してもよい。 その他にも、 振動子基体 1 1の中央部から + Yおよび— Y の 2つの向きに支持棒を延ばしそれぞれの先端に固定板があるものでもよいし、 本発明の従来技術として挙げた特開平 7— 5 5 4 7 9号に記載されたもののよう に振動子基体がフレーム形状になっておりその内側に固定板を配置し固定板とフ レームを支持棒で連結した構成でもよい。 さらに、 これら様々なバリエーション において支持棒の長さを適宜選択することが可能である。
このようにして、 第 1振動片 1 2、 1 3に発生した Z方向の振動は良好に第 2 振動片 1 4、 1 5に伝達される。 第 2振動片 1 4、 1 5の Z方向の振動は、 電極 2 5〜2 8、 3 5 ~ 3 8に電荷の変化を生成し、 これに基づいて検出回路 6 0で 第 2振動片 1 4、 1 5のコリオリの力による Z方向の振動振幅が検出される。 角 速度演算回路 7 0は、 検出回路 6 0が出力する第 2振動片 1 4、 1 5の振動振幅 情報から第 1振動片 1 2、 1 3に生じたコリオリの力 Fを求め、 さらに、 上述し た F = 2 mV . Ωの関係に基づいて、 振動子 1 0の Z軸に平行な軸を中心とする 回転角速度 Ωを算出する。
次に、 第 1振動片と第 2振動片の回転慣性力が一致した振動子の設計方法を説 明する。 図 7はこの設計方法に基づいて決定された寸法結果を示すものである。 まず、 第 1振動片よりも細くて長い第 2振動片の Z方向の固有振動数 f nを決め る。 固有振動数 f nは次の式に基づいて決定される。 fn E · g
(12)
27Γ · L22 12 ここで、 Eは水晶の縦弾性係数， rは水晶の密度、 ληは 1次振動の定数、 gは 重力加速度、 L 2は第 2振動片の長さ、 hは振動片の厚さ （振動子の厚さ） であ る。
水晶の材料定数等から
E = 7. 99 x 109Kg/m2
r = 2. 65 x 103Kg/m3
λη= 1. 85
g= 9. 8
である。
いま、 h=0. 3mmの水晶板を採用し、 L2 = 4. 14mmとする。 なお、 振動片の Z方向の振動は、 単一の振動子と考えた場合、 実際の厚さの 5/6の厚 さの振動子として計算すると、 計算結果と実際の固有振動数とがよく合致するこ とが経験的にわかっているので、 hは 0. 25mmとする。 これらの数値を、 上 言己 （ 12) 式に代入すると、 f n=12. 47KHzとなり、 第 2振動片は約 1 2. 5 KH zの固有振動数を持つことになる。 ところで、 既に延べたように本実 施形態では Z方向の振動について第 1振動片と第 2捩動片とが連成振動する。 そ して、 その連成の固有振動数は、 相対的に太くて短い第 1振動片の固有振動数よ りも細くて長い第 2振動片の固有振動数に近い値となる。 これは、 細くて長い第 2振動片の方が太くて短い第 1振動片ょりも振幅および応力が大きいからである と考えられる。 したがって、 Z方向に関しては、 第 1振動片と第 2振動片との迎 成の固有振動数は第 2振動片の固有振動数と等しいものと仮定することができる。 つぎに、 第 1振動片の X方向の固有振動数と第 2振動片の Z方向の固有振動数 (すなわち、 連成固有振動数） とを等しくする条件を考える。 第 1振動片の X方 向の幅を Wl、 長さを L l、 Z方向の振動振幅を Z l、 第 2振動片の X方向の幅 を W2、 長さを L 2、 Z方向の振動振幅を Z 2、 振動子の厚さを hとすると、 第
1振動片の X方向の固有振動数と第 2振動片の Z方向の固有振動数が等しいとい うことと、 （ 1 2) 式とから Wl/L 12 = h/L 22 が導き出される。 いま、 h=0. 25、 L 2 = 4. 14を代入すると
W1 = 0. 0 1459 L 12 · · · ( 1 3)
となる。
さらに、 第 1振動片の回転慣性力と第 2振動片の回転慣性力とを一致させる条 件を考えると、
L 12 - W 1 · - Z l = L 22 · W2 · h · Z 2
を満足させればよい。 いま、 第 1振動片と第 2振動片の Z方向の振幅の比、 すな わち Z 1 : Z 2を 4 : 5とし、 W2として 0. 1 2 mmを選択すると、
L 12 · W1 =4. 14 - 0. 1 2 - 5/4 · · · ( 14)
となる。
上記 （ 1 3) 式および （ 14) 式を解くと、 W1 =0. 194、 L 1 =3. 6 4となる。 なお、 実際には、 励振と検出の周波数を合わせるために、 FEMにて 解析を行い、 W 1 = 0. 2、 L 1 = 3. 69とした。 図 7の寸法図は以上の結果 を示すものである。
このようにして設計された振動子を作製して、 振動実験を行ったところ、 第 1 振動片の X方向の固有振動数と第 2振動片の Z方向の固有振動数の差 Δ f が 1 5 0H zで、 回転慣性力の合わせ度を表す A/Bの値が 0. 1より小さい値となつ た。 A/Bは、 振動片の先端の Z方向の最大変位量 （B) に対する振動片の根本 部の Z方向の最大変位量 （A) の比を表したものであり、 小さいほど回転慣性力 の合わせ度が高いといえる。
図 8は A/B値と Z方向振動の Q値との関係を示す特性図である。 縦軸は、 A /B = 0の理想的な振動子を基準にしたときの Z方向振動の Q値の変化量を百分 率で示しており、 横軸は A/B値を示している。 なお、 このときの X方向の固有 振動数と Z方向の固有振動数の差 Δ ΐは励振周波数の 1 / 1 0 0である。 この特 性図から Α/Βの値が大きくなると外部への 動漏れが大きくなり、 垂直振動 の Q値が低くなることが判る。 Q値の低下は、 角速度検出装置としての感度を低 Fさせることになる。 そこで、 回転慣性力合わせをどの程度まで行うか、 すなわ ち A / Βの値をどの程度まで許容するかが問題となる。 1:述した実施例では A / Bが 0 . 1であり、 図 8から判断すると Q値が理想的な振動子の Q値に対して一 1 0 %程度の低い値となるが、 これを自動車の姿勢制御のためのョ一レイ 卜セン サとして用いたところ、 ト分に満足のゆく感度を得ることができた。
つぎに、 励振用振動片である第 動片 1 2、 1 3における X方向振動の Z方 向振動への振動漏れについて説明する。 振動子 1 0は、 水晶の Z板をエッチング 加工して作製するものであるが、 各振動片の側面にはェッチングの異方性のため に Y方向に延びる峰が残ってしまう。 X方向振動の Z方向振動への振動漏れが生 じるのはこのためである。
一方、 本実施形態では第 1振動片の X方向の固有振動数と第 1および第 2振動 片の Z方向の連成固有振動数とが近い値となるように設計されている。 Z方向の 連成固有振動数は振動応力の比較的大きい細くて長い第 2振動片の Z方向の固有 振動数に近い。 換言すると第 Ι ί 動片の Z方向の固有振動数と X方向の固有振動 数とは比較的離れている。 そのため、 第 1振動片での X方向振動と Ζ方向振動と のカップリングが弱く、 X方向の励振振動の Ζ方向振動への漏れが少ない。 この 漏れ振動はコリォリの力による振動の検出を考えるとノィズに他ならず、 したが つて、 少なければ少ないほど検出感度を高めることができる。
第 1振動片 1 2、 1 3の X方向の固冇振動数と Ζ方向の固有振動数の差は、 振 動片の厚さ Dと幅 Wとの差に起因する。 図 9は厚さ Dと幅 Wの比 W/Dと、 X方 向に励振したときの Ζ方向成分の割合 H/ Cの関係を示すグラフである。 このグ ラフは、 厚さ 0 . 3 mmの水晶基板に長さが等しく幅 Wが異なる複数の振動片を 設け、 X方向に振動させたときの z方向振動成分を測定したものである。 このグ ラフから判るように、 W/Dを 0 . 7以下にすると急激に振動漏れが減少するこ とが判る。 図 7に示した実施例では、 Wが 0 . 2、 Dが 0 . 3であるから W/D が 0 . 6 7となり振動漏れが非常に少ないことが判る。
つぎに、 本発明の第 2実施形態を説明する。 第 2実施形態の振動子の基本構造 は、 図 1 Aに示す第 1実施形態の振動子 1 0と同じである。 すなわち、 X軸方向 に延在する振動子基体と、 振動子基体から + Yの向きに延び、 相対的に太くて短 い 2本の第 1振動片と、 振動子基体からそれぞれ第 1振動片と同軸上で— Yの向 きに延びる相対的に細くて長い 2本の第 2振動片と、 2本の第 2振動片の間にお いて振動子基体から一 Yの向きに延びる支持棒と、 支持棒の端部に設けられた固 定板とが水晶の単結晶基板で一体に構成され、 振動子を形成している。 そして、 第 1振動片の Z方向の振動による振動子基体との結合部を支点とした回転慣性力 と、 第 2振動片の Z方向の振動による振動子基体との結合部を支点とした回転慣 性力とを略等しくしてある。
この第 2実施形態が第 1実施形態と異なるのは、 細くて長い第 2振動片を X方 向に励振する点である。 コリオリの力により発生した Z方向の振動は、 第 1実施 形態と同様に第 2振動片で検出する。 すなわち、 この振動子では、 X方向励振と Z方向振動検出とを同一の振動片で行う。 そのため、 第 1実施形態で説明した励 振用電極 2 1 - 2 4 , 3 1〜3 4と同じものが第 2振動片の先端側に設けられ、 検出用電極 2 5 - 2 7 , 3 5〜3 7と同じものが第 2振動片の根本側に設けられ ている。
この実施形態では、 第 2振動片の X方向の固有振動数と第 1および第 2振動片 の Z方向の連成固有振動数とをほぼ一致させるように設計することになるが、 Z 方向の連成固有振動数は、 第 1実施形態で説明したように細くて長い第 2 ¾動片 の Z方向の固有振動数に近い値である。 つまり、 第 2振動片の X方向固有振動数 と Z方向固有振動数とが近い値となっている。 したがって、 第 2振動片内での力 ップリング （振動の伝達性） が強く、 Z方向の振動エネルギは同一の第 2振動片 内の X方向振動から伝達されたものであるから、 比較的容易な Z方向固有振動数 解析によって第 1振動片と第 2振動片の回転慣性力を一致させることができる。 また、 この実施形態によれば、 励振および検出のいずれにも直接用いられること がない第 1振動片をマス調整することにより、 Z方向の連成固有振動数を調整す ることができる。 さらに、 励振と検出が異なる振動片の場合には、 両振動片間で の振動の伝達が介在するために伝達の温度特性などの影響を受けやすいが、 本実 施形態の振動子は、 検出用の振動片と励振用の振動片とが同一であるので温度変 化等の影響を受けにくく、 検出の信頼性が高い。
つぎに、 具体的な寸法設計の手順を説明する。 まず、 第 2振動片の長さ L 2と 幅 W2を決める。 ここでは、 L2 = 6mm、 W2 = 0. 25mmとする。 これを 次式 （15) に代入して、 X方向の固有振動数を計算する。
Figure imgf000024_0001
ここで、 Eは水晶の縦弾性係数， rは水晶の密度、 人 nは 1次振動の定数、 g は重力加速度であり、 水晶の材料定数等から E = 7. 99 x 109Kg/m2 、 r = 2. 65 x 103Kg/m3 、 入 n= l. 85、 g=9. 8である。 これら も合わせて代入すると、 f n= 5938. 7 Hzとなる。
つぎに、 Z方向の振動について考える。 この振動子では既に延べたように第 2 振動片の X方向固有振動数と Z方向固荷振動数とを近づけたい。 理論的には幅と 厚さが等しい振動片、 すなわち断面形状が正方形の振動片とすれば、 X方向固有 振動数と Z方向固有振動数が一致するが、 経験的に例えば振動子基体から 2本の 振動片が突出したような音叉形状のときは、 幅の約 6 / 5に厚さを設定すると、 X方向固有振動数と Z方向固有振動数とがー致することが判っている。 したがつ て、 厚さは 0. 3mmとなる。
これで、 第 2振動片の形状は決まり、 つぎに第 1振動片の形状を决める。 振動 子全体を単一水晶基板で構成するので、 厚さは 0. 3mmに既に決まっており、 長さ L 1と幅 W1を决める必要がある。 図 10は、 第 1および第 2振動片の長さ 比 L 1/L2と幅比 W1/W2との関係において、 第 1振動片と第 2振動片との 回転慣性力が一致する条件を示したものである。 本実施例では細くて長い第 2振 動片の長さ L2を 6. 0mm、 幅 W2を 0. 25 mmに設定したので、 例えば、 太くて短い第 1振動片の長さ L 1を 5. 5mmにしたとすると長さ比 L 1/L 2 は 5. 5/6 = 0. 917となる。 これを図 10に当てはめると、 回転慣性力が -致するのは幅比 W 1/W2が 2. 05であり、 W1は 0. 5 lmmとなる。 図 11は、 このようにして寸法設計された振動子の寸法表示付きの平面図である。 この第 2実施形態では、 第 2振動片を X方向に励振しつつ、 同じ第 2振動片の Z方向の振動を検出しているが、 その変形例として検出電極を第 1振動片にその まま移動して設置することで、 第 2振動片励振および第 1振動片検出の振動子を 用いた角速度検出装置を提供することができる。
この変形例によれば、 第 1実施形態と同様に励振用振動片と検出用振動片とが 異なるので、 励振用、 検出用の電極を大きくとることができるという点から効率 がよい。 また、 1本の振動片上の配線数が第 2実施形態の基本形と比較すると少 ないので、 配線しやすく小型化しやすい。 しかも、 配線のコンデンサ成分等の影 響による信号のクロストークを少なくすることができる。 さらに、 検出用の電極 は理想的には Z方向の振動しか検出しないが、 実際には X方向にも若干の感度が あるため、 検出と励振が同一の振動子である第 2実施形態の基本形と比較すると、 X方向の振動が検出用振動子に載っていない本変形例の方が電極感度の点から S /Nが高い。
以上の第 1実施形態および第 2実施形態のいずれにおいても、 第 1または第 2 振動片のいずれかを X方向に励振するものであるが、 その X方向振動を振動子基 体を挟んだ他方の振動片にはできるだけ伝達しないことが望ましい。 かかる観点 から振動子の形状について研究を行った結果、 振動子基体の中央部に Z方向に員 通する穴を形成すると第 1振動片と第 2振動片との間の X方向振動の伝達が抑制 できることが明らかとなった。 一方、 Z方向の振動は互いに対向する第 1 ¾動片 と第 2振動片を連成振動させる必要があるため、 第 1振動片と第 2振動片は振動 子基体を介在させつつも一体化していることが望ましい。 そこで、 これを達成す るために貫通穴の X方向の幅は 2本の第 1振動片の内側壁問隔および 2本の第 2 振動片の内側間隔のいずれよりも狭いことが望ましい。 貫通穴をこのような寸法 にしてその中心を振動子基体の中心と 致させれば、 第 1振動片と第 2振動片が 振動子基体を介して略直線的に連続し強い連成が得られる。
また、 第 1および第 2実施形態では、 図 1に すように、 第 1振動片 1 2と第 2振動片 1 4の長手方向 （Y方向） の軸がほぼ一致しており、 第 1振動片 1 3と 第 2振動片 1 5の長手方向 （Y方向） の軸がほぼ一致しているが、 図 1 2に示す ように互いに対向する第 1振動片と第 2振動片の長手方向の軸を平行性を維持し たまま X Y平面上でずらしてもよい。 このように構成すると、 X方向振動の伝達 をさらに強く阻止することができる。 図 1 2では、 振動子基体の中心から第 1振 動片の Y軸までの距離を A、 第 2振動片の Y軸までの距離を Bとすると、 A > B としたものであるが、 逆に Aく Bとしても同様に X方向の振動を強く阻止するこ とができる。
なお、 第 1および第 2振動片の憤性質 Mをそれぞれ M lおよび M 2、 第 1およ び第 2振動片の振幅を P 1および P 2とし、 振動子の中心軸 （Y方向中心軸） で 回転しないように振動片の慣性質量を設定して、 振動バランスを合わせ、 A > B とすると、 第 2振動片の振幅を A = Bのときより大きくすることができる。 つぎに、 本発明の第 3実施形態を説明する。 振動子の基本構成は図 1 3に示す ように第 1および第 2実施形態と同様であり、 振動子基体 1 1から + Yの向きに 突出する太くて短い 2本の第 1振動片 1 2、 1 3と、 一 Yの向きに突出する細く て長い 2本の第 2振動片 1 4、 1 5とを有し、 第 1振動片 1 2、 1 3の Z方向の 振動による振動子基体 1 1との結合部を支点とした回転慣性力と、 第 2振動片 1 4、 1 5の Z方向の振動による振動子基体 1 1との結合部を支点とした回転慣性 力とを略等しくしたものである。 また、 支持棒 1 6と间定台 1 7の配置も基本的 には第 1および第 2実施形態と同じである。
第 1および第 2実施形態との相違点は励振方向であり、 第 1および第 2実施形 態では励振は常に X方向であつたが、 本実施形態では 2本の第 2振動片を互いに 逆相で Z方向に励振するものである。 この左右逆相の Z方向励振を単純に行った 場合、 すなわち単なる自励振を行うと、 第 1振動片と第 2振動片とが連成振動す るが、 X方向励振のときの Z方向振動とは異なり、 対となった第 1および第 2振 動片の位相が同相となるという現象が生じる。 本発明は、 第 1振動片と第 2振動 片が Z方向について互いに逆相に振動したときの振動子基体の Z方向の揺れを回 転慣性力を合わせることで防ぎ、 これによつてコリオリの力による振動の漏れを 防止して検出精度を高めようとするものであるから、 第 1および第 2振動片が同 相で振動する場合には、 本発明は有効ではない。 そこで、 本実施形態では、 励振 手段に位相に関するフィ一ドバック方式を採用して対になった第 1振動片と第 2 振動片とが逆相になるように励振する。
この実施形態では第 2振動片を Z方向に励振し、 この振動を第 1振動片へ伝達 する。 この状態で振動子が Y軸に平行な軸を中心として回転すると、 コリオリの 力によって第 1振動片に X方向の振動が発生するこのでこの振幅を検出し、 検出 結果から回転角速度を演算により求めるものである。
図 1 4 Aおよび図 1 4 Bはそれぞれ第 1および第 2振動片に設けられた電極を 示す図であり、 図 1 5はこれらの電極に接続された励振および検出のための回路 を示す図である。
図 1 4 Bは第 2振動片 1 4、 1 5を Z方向に励振させるための電極を示してお り、 第 1実施形態の検出電極と同様の電極配置となっている。 同図において、 P +端子 101に正の電位、 P—端子 102に負の電位が印加されると、 第 2振動 片 14の上半分には電極 11◦から 112に向かう電界が生じ、 下半分には電極 11 1から 113に向かう電界が生じる。 すると、 水晶の圧電効果により上半分 は Y方向に伸び下半分は Y方向に縮むため、 第 2振動片 14は一 Zの向き （下 き） に屈曲する。 一方、 第 2振動片 15には第 2振動片 14と逆の極性の電圧が 印加されるため、 +Zの向きに屈曲する。 したがって、 端子 101および 102 の極性を交互に切り替えると、 第 2振動片 14および 15は互いに逆相で Z方向 に振動する。
図 14 Aは第 1振動片 12および 13の Z方向および X方向の振動を検出する ための電極を示しており、 各振動片にそれぞれ Y方向に延在する 6本の電極が設 けられている。 すなわち図示のごとく、 各側面にそれぞれ 1本ずつ電極 121、 122、 131、 132が設けられ、 各上面および下面にそれぞれ 2本ずつ電極 123、 125、 124、 126、 133、 135、 134、 136が設けられ ている。
第 1振動片の Z方向の屈曲 （振動） は、 電極 123〜126および電極 133 ~136によって検出する。 第 1振動片 12が +Zの向きに屈曲すると、 上側の 半分が Y方向に縮み、 ド側の^分が Y方向に伸びる。 水品の圧電効果により、 Y 方向に縮むと X方向の誘電分極が生じ、 Y方向に伸びると逆向きの X方向の誘電 分極が生じ、 その分極は上面および下面に集中する。 これにより電極 123およ び 124に同極性の電荷が集まり、 電極 125および 126にはそれと反対の極 性の電荷が集まる。 この電荷量の変化から Z方向の振動を図 15に示す信号処理 回路により検出する。 同様に、 第 1振動片 13の Z方向の振動は電極 133〜1 36の電荷量の変化から Z方向の振動を検出する。
第 1振動片 12および 13の X方向の屈曲 （振動） は、 すべての電極 121~ 126および電極 131〜136によって検出する。 X方向に屈曲すると、 図 3 A、 3 Bを用いて説明した逆圧電効果の逆のメカニズムによる圧電効果により上 下面に同極の電荷が集まり、 左右側面の電極にそれとは逆極性の電荷が集まる。 この電荷の変化から X方向の振動を図 1 5の回路により検出する。
つぎに、 図 1 5の励振および検出回路を説明する。 励振回路 2 0 1は、 端子 1 0 1および 1 0 2に振動子 1 0の Z方向の連成固 振動数にほぼ一致した周波数 の励振信号を互いに逆相で印加する。 これによつて、 第 2振動片 1 4、 1 5は逆 相で Z方向に振動し、 その振動はそれぞれ対となった第 1振動片 1 2、 1 3に伝 達される。 第 1振動片の Z方向の振動は、 端子 1 0 5と 1 0 7に同相で現れる電 荷の変化 （波形 2 2 0 ) と端子 1 0 6と 1 0 8に同相で現れる電荷の変化 （波形 2 2 1 ) との差をとることで合成され （波形 2 2 2 ) 、 パルス成形回路 2 0 2に 入力される。
パルス成形回路 2 0 2では、 これを矩形パルス 2 2 3に変換して第 1振動片 1 2および 1 3の振動位相情報として励振回路 2 0 1に入力される。 励振回路 2 0 1では、 パルス成形回路 2 0 2からフィ一ドバックされる矩形パルス 2 2 3と逆 相の位相で駆動信号を出力する。 これにより、 対となった第 1振動片と第 2搌動 片とが互いに逆相で連成振動する。
第 1振動片が Z方向に振動した状態で、 振動子 1 0が Y軸に平行な軸に问転す ると、 その回転角速度 Ωに応じた振幅で第 1振動片が X方向に振動するので、 こ の X方向振動を検出する。 そのために、 端子 1 0 5および 1 0 6の信号が加算さ れた後に端子 1 0 3の信号との差が採られ第 2振動子 1 2の X方向の振動を示す 波形 2 3 0となる。 X方向振動は、 実際はほとんどが励振振動の漏れ成分であり、 そこに角速度 Ωに応じた 9 0度位相のずれたコリオリの力による X振動が重畳さ れている。 同様に、 端子 1 0 7と 1 0 8の信号が加算された後に端子 1 0 4の信 号との差が採られ第 2振動片 1 3の X方向の振動を示す波形 2 3 1となる。 この 波形は波形 2 3 0と 1 8 0度位相のずれたものであるから、 両波形の差をとるこ とにより、 第 2振動片 1 2および 1 3の両方の X方向振動を合わせた波形 2 3 2 が得られ、 同期検波回路 2 0 4に入力される。 同期検波回路 204では、 Z方向振動の位相と 90度位相のずれたパルス信号 224を位相変換回路 203から入力し、 この信号で人力信号 232を同期検波 して波形 233を得る。 入力信号 232は、 既に述べたように励振の漏れ成分と コリオリの力に基づく成分との合成であり、 1"]期検波回路 204の出力信号 23 2はコリオリの力に基づく成分が全波整流されたものである。 検出信号 232の 大部分の成分である励振の漏れ成分と検波用のパルス 224とは、 位相が 90度 ずれているので、 波形 233に示すように鋸歯状の波形となる。 この波形 233 を積分回路 205で積分すると、 励振の漏れ成分は零となり、 コリオリの力によ る X成分のみが残る。 この信号はオフセヅ ト除去回路 206でオフセヅ ト成分が 除去され、 増幅回路 207で増幅されて端子 208から出力される。
このようにして端子 208に得られるコリオリの力による X方向の振動振幅を 示す信号は、 さらに図示を省略した角速度演算回路に^えられ、 Y軸に平行な軸 を中心とした回転の角速度 Ωを F = 2mV · Ωの関係に基づいて算出する。 つぎに、 本実施形態の角速度検出装置に用いられる振動子 10の寸法設計方法 を説明する。
まず、 第 2振動片 14、 15の Ζ方向の固有振動数 f ηを決める。 これは、 第 1実施形態の説明で用いた （12) 式を適用すればよく、 ここでは、 第 2振動片 の長さ L 2を 6mmとし、 水晶基板の厚さ hを 0. 4mmとする。 なお、 振動片 の Z方向の振動は、 単一の振動子と考えた場合、 実際の厚さの 5/6の厚さの振 動子として計算すると計算結果と実際の固有振動数とがよく合致することが経験 的にわかっているので、 hは 0. 33 mmとする。 この L 2および hの値と、 水 品の材料定数等から定められる E=7. 99x l 09Kg/m2 、 r = 2. 65 x 10 !Kg/m3 , λη= 1. 85 、 g = 9. 8とを併せて （ 12 ) 式に代 入すると、 ； f n= 7839 Hzが得られる。 すなわち、 第 2振動片は、 約 7. 8 KHzの固有振動数を持つことになる。
第 1および第 2振動片による Z方 |ή』の連成固右振動数は、 第 1振動片ょりも細 くて長いために応力が大きい第 2振動片の固有振動数に近い値となる。 そこでつ ぎに、 第 1振動片の X方向の固有振動数を Z方向の連成固有振動数すなわち、 第 2振動片の Z方向の固有振動数に近づける。 そのためには、
Wl/L 12=h/L 22
を満足させればよい。 ここで、 Wl、 L 1は、 それぞれ第 1振動片の幅および さである。 h=0. 33、 L 2 = 6を代入すると
W1 = 0. 00926 L 12
となる。 ここで、 L 1を L 2よりも小さいという条件の下で任意の長さに設定す る。 いま、 L 1 = 5. 8とすると、 W 1は 0. 3 1 2となる。
つぎに、 第 1および第 2振動片の長さ比 L 1/L 2と幅比 W 1/W2との関係 において、 第 1振動片と第 2振動片との回転慣性力が一致する条件を示した図 1 0のグラフを適用して第 2振動片の幅 W2を求める。 L l/L 2= 5. 8/6= 0. 967であるので、 これを図 10に示す回転慣性カー致条件のグラフに当て はめると、 W l/W2 = 1. 75となる。 したがって、 W2 = 0. 3 1 2/1. 75 = 0. 1 78となる。
以上で、 第 1および第 2振動片の長さ、 幅、 厚さが決定した。 まとめると、 W 1 = 0. 3 1 2、 W2 = 0. 1 78、 L 1 = 5. 8、 L 2 = 6、 h= 0. 33 となる。
ところで、 これらの数値をより精密に算出するために、 一般的にはコンビユー 夕による FEM解析により計算する。 この方法によると振動子基体を含めた複雑 な形状の振動子においても精度よく計算することができる。 L l = 5. 8、 L 2 = 6、 h= 0. 3を条件にして計算したところ、 W 1 = 0. 3 1 6、 W 2 = 0. 207となった。 図 1 3には FEM解析の結果得られた寸法が mm単位で き込 まれている。
本実施形態は振動片を Z方向に励振し、 コリオリの力により発生した X方向の 振動を検出するものであり、 そのために第 2振動片を Z方向に励振し、 第 1振動 片の X方向の振動を検出している。 しかし、 励 および検出の振動片をそれぞれ 第 2振動片および第 1振動片に限定するものではない。 つまり、 第 2扳動片を Z 方向に励振し、 同じ第 2振動片の X方向の振動を検出するものでもよく、 第 1振 動片を Z方向に励振し、 第 2振動片の X方 ^fc動を検出するものでもよい。
つぎに、 本発明の第 4実施形態を図 1 6 A、 1 6 Bとともに説明する。 図 1 6 Aは振動子 1 0の平面図であり、 振動子 1 0の基本構成は第 1ないし第 3実施形 態と同様である。 すなわち、 振動子基体 1 1から + Yの向きに突出する太くて短 い 2本の第 1振動片 1 2、 1 3と、 一 Yの向きに突出する細くて^い 2本の第 2 振動片 1 4、 1 5とを苻し、 第 1振動片 1 2、 1 3の Z方向の振動による振動子 基体 1 1との結合部を支点とした回転慣性力と、 第 2振動片 1 4、 1 5の Z方向 の振動による振動子基体 1 1との結合部を支点とした以下に記述する高次振動モ ードでの回転慣性力とを略等しくしたものである。 また、 支持棒 1 6と固定台 1 7の配置も基本的には第 1ないし第 3実施形態と同じである。
第 1ないし第 3実施形態との相違点は、 第 1抿動片よりも細くて長い第 2振動 片を 2次振動モードで振動させる点である。 この実施形態では、 第 1振動片 1 2、 1 3を X方向に互いに逆相で励振させる。 すると、 振動 fの回転に伴って発生し たコリオリの力により第 1振動片に Z方向の振動が生じる。 このコリオリの力に よる第 1振動片の Z方向の振動は、 対になつた第 1振動片と第 2振動片が Z方向 の振動については連成することから、 第 2振動片へ伝達される。 また、 第 1振動 片の Z方向の漏れ振動も第 2振動片へ伝達される。 励振周波数および振動片寸法 は、 第 2振動片の Z方向の振動が 2次の振動モードとなるように定められており、 したがって、 当然のことながら第 2 動片は 2次振動モードで Z方向に振動する c 第 2振動片 1 4と 1 5の Z方向の振動は、 第 l fe動片 1 2および 1 3に対する X 方向の励振が互いに逆相であるため、 逆相となる。
図 1 6 Bは、 図 1 6 Aの振動子 1 0を X方向から見た側面図であり、 振動片の Z方向の振動の様子を示すものである。 同図では左側で対となった第 1振動片 1 2および第 2振動片 14を実線で示し、 右側で対となった第 1振動片 1 3および 第 2振動片 15を破線で示してあり、 第 1振動片 12が +Zの向きに振れ、 第 1 振動片 13がー Zの向きに振れているときの状態を示している。 このとき、 第 2 振動片 14および 15は 2次振動モードで振動していることから、 第 2振動片 1 4は先端が +Zの向きに、 中央付近が一 Zの向きに振れている。 第 2振動片 1 5 は逆に先端が— Zの向きに、 中央付近が +Zの向きに振れている。
振動子 10の第 1振動片 12、 13に設ける X方向励振用電極は、 第 1実施形 態の励振用電極と同様に配置すればよい。 また、 第 2振動片 14、 15に設ける Z方向振動の検出用電極は、 第 1実施形態と同様の電極を Y方向においてずらし て配置する。 すなわち、 検出用電極は振動による内部応力が強く現れる位置に設 けることが望ましいので、 第 1実施形態では根本側に設けたが、 本実施形態では それを中央付近にずらし、 2次振動の腹の部分に位置するように設けている。 つぎに本実施形態の振動子 10の寸法設計方法を説明する。 まず、 第 2振動片 の Z方向の 2次固有振動数 f n 2を決める。 固有振動数： n 2は第 1実施形態で 用いた （ 12) 式の 1次振動定数 ληを 2次振動定数え n 2に置き換えた次の式 に基づいて決定される。 n2 -h
fn2 = 厂 R S (16)
2τι ' T 12
ここで、 Eは水晶の縦弾性係数， rは水晶の密度、 人 n 2は 2次振動の定数、 g は重力加速度、 L 2は第 2振動片の長さ、 hは振動片の厚さ （振動子の厚さ） で ある。
水晶の材料定数等から
E = 7. 99 x 109Kg/m2
r = 2. 65 x 103Kg/m3 入 n = 4. 694
g= 9 - 8
である。 これらの数値と適当に選択した hおよび L 2の数値とを上記 （16) 式 に代入すると、 第 2振動片の Z方向の 2次固有振動数 f n 2が定まる。
つぎに、 この Z方向の 2次固有振動数: n 2と第 1振動片の X方向の固有振動 数 f nとを等しくする条件を考える。 第 1振動片の X方向の固有振動数 f nは、
s
27Γ · LT (17)
12 で与えられる。 ここに、 Wlおよび L 1は第 1振動片の X方向の幅および長さで あ 。
さて、 f n2 = f nを計算すると、
Figure imgf000034_0001
=6. 267 h/L 22
が得られる。
hおよび L 2はすでに適当な値が選択されているから、 Wl/L 12の値は定数 となる。
最後に、 第 1振動片の回転慣性力と第 2振動片の回転慣性力とを一致させる条 件を与えて W 1および L 1を決定すればよい。
この第 4実施形態によれば、 1次振動モードの場合 （第 1実施形態） と比較し て、 第 1振動片と第 2振動片の長さ比が大きくなるため、 第 1振動片と第 2振動 片の X方向固有振動数の差が大きくなり、 両振動片間の振動伝逮がー層強く遮断 される。 そのため、 第 2振動片は純粋に Z方向だけの振動となり検出精度が高い c また、 2次振動の内部応力集中部が振動片中央部となることから、 検出電極が 振動片中央部となる。 中央部への電極形成は根本部への形成と比較して容易であ る。 これは、 振動子は基板をエッチング加工して作製するのであるが、 結晶方位 の関係から振動片の根本部の形状は不安定であるのに対し、 中央部は安定である からである。 この第 4実施形態では第 2振動片の 2次振動モードを利用したが、 3次以七の高次の振動モ一ドを利用してもよい。 第 4突施形態は第 1振動片を X 方向に 1次振動モードで励振し、 第 2振動片の Z方向の 2次振動モ一ドでの振動 を検出するものであるが、 第 2振動片を X方向に 1次振動モードで励振すると共 に、 第 2振動片の Z方向の振動を 2次振動モードとすることもできる。 その場合、 第 2振動片の幅を 2段階にして、 根本側を先端側よりも広くし、 励振用電極を先 端側の幅の狭い部分に設け、 検出用電極を根本側の幅の広い部分、 または第 1振 動片に設けることが考えられる。 振動子をこのような構造にすると、 X方向の振 動 （励振） については、 幅の狭い部分の Y方向の長さが第 2振動片の実質的な長 さとなり、 Z方向の振動については、 第 2振動片全体の長さが実質的な長さとな るので、 同一振動片で X方向振動を 1次振動モード、 Z方向振動を 2次 ¾動モー ドとすることができる。
この第 4実施形態の変形例によれば、 幅の比を変えることにより、 厚さと横幅 の比をある程度自由に選択できる。 したがって、 エッチング加工の容易な薄い水 晶基板を採用できる。
上述してきた第 1〜第 4実施形態は、 すべて 2本の第 1振動片と 2本の第 2 動片を有する振動子、 つまり、 振動子基体を挟んでほぼ同軸上に突出した第 1振 動片と第 2振動片の対を 2組備えたものである。 しかし、 本発明はこれに限定さ れるものではなく、 第 1振動片および第 2振動片からなる振動片対が、 最低 1組 あれば振動子としての機能を発揮することができ、 第 1振動片の Z方向の回転慣 性力と第 2振動片の Z方向の回転慣性力が一致していれば、 振動子基体が Z方向 に振動しないという本発明特有の作用を呈する。
また、 振動子として水晶の単結晶基板が用いられたが、 他の圧電材料、 たとえ ば、 チタン酸ジルコン酸合金 （P Z T ) 、 ニオブ酸リチウム、 タンタル酸リチウ ム等でも構わない。 さらに、 振動子をステンレスのような単なる振動子とし、 電 極に代えて圧電体による励振手段を用いて振動させてもよい。 産業上の利用 能性
以上のように、 本発明の角速度検出装置によれば、 第 1振動片の问転慣性力と 第 2振動片の回転慣性力とが略等しいので、 両振動片が Z方向において互いに逆 相で fit動した場合、 両振動片の Z方向の振動の支点となって 、る振動子基体が Z 方向に揺動することがない。 したがって、 振動 f基体からの振動漏れが少なく、 コリオリの力によって生じた振動 ¾幅が減衰しないために、 その 動を高感度で 検出することができる。 すなわち、 角速度 Ωの検出精度が高くなる。

Claims

請求の範囲
1 . X Y Z三次元座標空間において、 Χ Υ平面上の X方向に延在し角速度を検 出すべき被検出体に固定される振動子 ¾体と、 この振動子基体から + Υの向きに 突出し X方向の第 1固有振動数を有する第 1振動片と、 前記振動子基体から一 Υ の向きに突出し前記第 1固有振動数と異なる X方向の第 2固有振動数を有する第 2振動片とを有する振動子と、 前記第 1または第 2振動片のいずれかを Ζ方向ま たは X方向に励振する励振手段と、 前記第 1または第 2振動片における前記励振 Τ-段による振動の励振方向と Υ方向との双方に直交する振動の振幅を検出する検 出手段と、 前記検出手段により検出された振幅の大きさから Υ方向を軸とする回 転角速度を演算する角速度演算手段とを備え、
前記励振手段により前記第 1または第 2振動片を励振したときに前記振動子基 体が Ζ方向に振動しないように前記第 1および第 2振動片の形状寸法が決定され ていることを特徴とする角速度検出装置。
2 . 請求頃 1において、 前記第 1および第 2振動片の形状寸法は、 前記励振手 段により前記第 1または第 2振動片を励振したときの前記第 1振動片の Ζ方向振 動による前記振動子基体との結合部を支点とした回転慣性力と、 前記第 2振動片 の Ζ方向の振動による前記振動子基体との結合部を支点とした回転慣性力とが略 等しくなるように決定されていることを特徴とする角速度検出装置。
3 . 請求項 2において、 前記第 1振動片と前記第 2振動片の対が前記振動子基 体に対して 2組設けられており、 前記振動子基体は支持棒を介して前記被検出休 に固定されており、 この支持棒は前記 2組の振動片対の一方の振動片対と他方の 振動片対との間において前記振動子基体から Υ方向に延びその先端が前記被検出 体に固定されるものであることを特徴とする記載の角速度検出装置。
4 . 請求項 1〜 3のいずれか一項において、 前記第 2振動片は前記第 1振動片 よりも細くて長いことを特徴とする角速度検出装置。
5 . 請求項 1〜 3のいずれか一項において、 前記励振手段は前記第 1振動片を X方向に励振させるものであることを特徴とする角速度検出装置。
6 . 請求項 3において、 前記励振手段は前記 2つの第 1振動片を X方向に互い に逆位相で励振させるものであることを特徴とする角速度検出装置。
7 . 請求項 3において、 第 1振動片の X方向の幅 Wは Z方向の厚み Dの 0 . 7 倍以下であることを特徴とする角速度検出装置。
8 . 請求項 1〜 3のいずれか一項において、 前記励振手段は前記第 1振動片ま たは第 2振動片のいずれかを Z方向に励振させるものであり、 前記第 1振動片の Z方向の振動と前記第 2振動片の Z方向の振動とが互いに逆相になるように前記 励振の位相を調整するものであることを特徴とする角速度検出装置。
9 . 請求項 1〜3のいずれか一項において、 前記対となった前記第 1振動片と 第 2振動片のそれぞれの: S手方向の中心軸が互いにずれており、 前記励振手段に より前記第 1または第 2振動片を励振したときの前記振動子基体の前記被検出体 に対する固定部を支点とする前記第 1振動片の回転慣性力と前記第 2振動片の回 転慣性力とが略等しいことを特徴とする角速度検出装置。
1 0 . 請求項 1〜 3のいずれか一項において、 励振手段による励振周波数を前 記第 1振動片または第 2振動片のいずれかの Z方向の高次振動モードの固有振動 数とほぼ一致させたことを特徴とする角速度検出装置。
1 1 . 請求項 1〜 1 0のいずれか一項において、 前記振動子を構成する前記振 動子基体と前記第 1および第 2振動片とが 1枚の等厚基板で形成されていること を特徴とする角速度検出装置。
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