[go: up one dir, main page]

JP4668441B2 - Vibrating gyro - Google Patents

Vibrating gyro Download PDF

Info

Publication number
JP4668441B2
JP4668441B2 JP2001081992A JP2001081992A JP4668441B2 JP 4668441 B2 JP4668441 B2 JP 4668441B2 JP 2001081992 A JP2001081992 A JP 2001081992A JP 2001081992 A JP2001081992 A JP 2001081992A JP 4668441 B2 JP4668441 B2 JP 4668441B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibration
detection
foot
driving
vibrating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001081992A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002277247A (en
JP2002277247A5 (en
Inventor
徹 柳沢
泉 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Citizen Holdings Co Ltd
Citizen Watch Co Ltd
Original Assignee
Citizen Holdings Co Ltd
Citizen Watch Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Citizen Holdings Co Ltd, Citizen Watch Co Ltd filed Critical Citizen Holdings Co Ltd
Priority to JP2001081992A priority Critical patent/JP4668441B2/en
Publication of JP2002277247A publication Critical patent/JP2002277247A/en
Publication of JP2002277247A5 publication Critical patent/JP2002277247A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4668441B2 publication Critical patent/JP4668441B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から機械式の回転ジャイロスコープが、飛行機や船舶の慣性航行装置として使われているが、装置が大きく、価格が高く、従って小型の電子機器や小型の輸送機械に組み込むことは困難である。
【0003】
しかし近年、ジャイロスコープも小型化の研究が進み、圧電素子で振動体を励振し、振動体に設けた別の圧電素子で振動体が回転により受けるコリオリ力で起きる振動により発生する電圧を検出する振動ジャイロの実用化が進み、自動車のナビゲーションシステムやビデオカメラの手振れ検出装置等に使われている。
【0004】
特に圧電性単結晶を用いた振動ジャイロは、構造が簡単で、調整もしやすく、また温度特性に優れ、有望視されている。以下に圧電性単結晶を使用した例として、水晶を用いた音叉型振動ジャイロの構造を図面を用いて説明する。図5は音叉型の振動ジャイロを示す斜視図である。
【0005】
図5において、音叉J10は水晶を一体加工したものに、駆動検出電極を蒸着した構造を有している。すなわち音叉J10は、平行に配置された第1の足J11及び第2の足J12が、基部J15に結合した構造を持つものである。第1の足J11には、駆動電極J3及びJ4が蒸着されており、第2の足J12には、検出電極J6,J7及びJ8が蒸着されている。基部J15の底面は、支持に用いられる。ここで、足の伸びた方向をY’方向、2本の足の並ぶ方向をX方向、X及びY’方向に直交する方向をZ’方向とする。
【0006】
作用について説明する。図6は、従来の音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明する為の、断面及び駆動検出回路の模式図である。図6において、左側に記す第1の足J11の断面には、駆動電極J1,J2,J3及びJ4の断面が配置され、右側に記す第2の足J12の断面には検出電極J5,J6,J7及びJ8の断面が配置されている。
【0007】
まず、第1の足J11が例えば第2の足J12に向かってX方向に屈曲すると、電極J2近傍がY’方向に伸び、電極J4近傍がY’方向に縮むが、この時水晶内部では圧電効果により電極J2近傍ではX方向に、また電極J4近傍では−X方向に電界が発生する。この時電界の向きを考慮すると電極J2及びJ4は同電位で、足の中央より例えば高い電位となる。X方向に見ると、足の中央付近に配置された電極J1及びJ3は、相対的に電極J2及びJ4より低い電位となるので、電極J2及びJ4と、電極J1及びJ3の間には、電位差が発生する。圧電効果は可逆的なので、電極J2及びJ4と、電極J1及びJ3の間に電位差を与えれば、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、第1の足J11はX方向に屈曲することになる。これらのことから、例えば電極J1及びJ3の電位を参照として発振条件を超える増幅率でアンプJGを用いて増幅し、発振条件を満足する位相に移相回路JPで整えて電極J2及びJ4に戻すことにより、第1の足J11の屈曲に伴う機械的な戻り力と電気的な力の間でエネルギーの交換が起こり、第1の足J11をX方向に自励発振させることができる。
【0008】
音叉J10全体で見ると、第1の足J11及び第2の足J12の運動量をバランスさせる為、第1の足J11がX方向に動く時、第2の足J12は−X方向に動き、第1の足J11が−X方向に動く時、第2の足J12がX方向に動く動作となるが、これを、通常の音叉が1つの面内で振動を行うのを理想とする慣例から、面内屈曲振動と呼ぶが、第1の足J11,アンプJG及び移相回路JPで発生させる振動は面内屈曲振動と同じ動作であり、その周波数は、音叉J10の面内屈曲振動の共振周波数とほぼ一致する。
【0009】
この状態で音叉J10全体をY’軸の回りに角速度Ωで回転させると、音叉J10の2つの足には、面内屈曲振動と直交するZ’方向にコリオリ力FCが働く。コリオリ力FCは以下の式で表すことができる。
FC=2MΩV (1)
ここで、Mは第1の足J11又は第2の足J12の質量であり、Vは第1の足J11又は第2の足J12の速度である。このコリオリ力FCは、第1の足J11及び第2の足J12に、面内屈曲振動の動作方向であるX方向と直交する、Z’方向に変位する屈曲振動を励起する。以下これを面外屈曲振動と呼ぶ。また、コリオリ力は変位でなく、速度に比例する力なので、コリオリ力により発生する面外屈曲振動は、面内屈曲振動より90度位相が遅れて発生する。
【0010】
この面外屈曲振動により、例えば第2の足J12の電極J5及びJ8の近傍はY’方向に伸び縮みし、電極J6及びJ7の近傍は電極J5及びJ8の近傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極J5及びJ8の近傍がY’方向に伸びている時、第2の足J12の内部の電極J5及びJ8の近傍では、X方向に電界が発生し、この時電極J6及びJ7の近傍はY’方向に縮むので、第2の足12の内部の電極J6及びJ7の近傍では、−X方向に電界が発生する。すなわち電極J5の電位が電極J8の電位より高い時、電極J7の電位は電極J6の電位より高い状態となる。また、電極J5及びJ8の近傍がY’方向に縮んでいる時、第2の足J12の内部の電極J5及びJ8の近傍では、−X方向に電界が発生し、この時電極J6及びJ7の近傍はY’方向に伸びるので、第2の足12の内部の電極J6及びJ7の近傍では、X方向に電界が発生する。すなわち電極J5の電位が電極J8の電位より低い時、電極J7の電位は電極J6の電位より低い状態となる。
【0011】
面外屈曲振動により発生するこれら電極J5及びJ8と、電極J6及びJ7の間の電位差は、Z’方向に振れる第2の足J12の方向に従って変化する。見方を変えると、例えば電極J5が高電位の時電極J7も高電位であり、この時電極J6及び電極J8は低電位であり、電極J5が低電位の時電極J7も低電位であり、この時電極J6及び電極J8は高電位である。コリオリ力は、電極J5又は電極J7と、電極J6又は電極J8の間の電位差として現れる。
【0012】
コリオリ出力の検出信号は、電極J5及び電極J7を一方の入力信号とし、電極J6及び電極J8を他方の入力信号とした、差動バッファJDを経て乗算回路JMに導かれ、面内屈曲振動の発振系の出力を、コリオリ力が90度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプJGの出力を、移相回路JP2により90度移相し、コンパレータJCにより2値化した参照信号により乗算され、乗算により検波された結果は、更に積分回路JSにより平滑化され、正確な直流出力として検出できる。この直流出力はコリオリ力FCに比例し、コリオリ力FCは角速度Ωに比例するので、この直流出力により角速度Ωを知ることができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧電性単結晶を用いた音叉型の振動ジャイロには以下のような課題がある。一般に振動ジャイロの性能はS/Nで測られるが、圧電性単結晶を用いる場合は、出力Sの大きな共振型とすることができないので、S/Nを向上させるのが難しい。この事情を詳しく説明する。
【0014】
振動ジャイロの出力の大きさSに関しては、コリオリ力による検出振動系の強制励振と見ると良く説明できる。以下、T.IEEEJapan,Vol.118−E,No.7/8,’98「振動形マイクロジャイロの設計指針」にある議論に沿って説明する。
【0015】
駆動振動と検出振動はその方向が直交しており、コリオリ力が駆動振動に直交する検出力方向へ力を配分することを既に述べた。ここで、検出足の駆動方向への時間変位を振幅Dの正弦波で表現するとDSIN(ωt)と書ける。ここに、ωは駆動振動の共振周波数を現す。速度Vはこれを時間微分したものであるから、V=DωCOS(ωt)となる。これを前記式(1)のコリオリ力の定義に代入すると
FC=2MΩV=2MΩDωCOS(ωt) (2)
となる。ここでは振動方向が検出方向に変わっている。ここで、例えば第2の足J12の検出振動について、コリオリ力による強制振動の運動方程式を立てる。
(d^2/dt^2+(ωZ/QZ)d/dt+ωZ^2)ξ(t)
=2DΩωCOS(ωt) (3)
ここでωZは検出振動の共振周波数であり、QZは検出振動のQ値であり、ξ(t)は第2の足J12の重心のZ’方向への時間的変位を現す関数である。QZ’の大きい場合に適当な初期条件で解いたこの方程式の解は次のようなものとなる。
ξ(t)=(ωZ/ωd)Aexp(―ωZt/2QZ)COS(ωd−φ)
+ACOS(ωt−Ψ) (4)
振動の移相については議論しないので単にφ,Ψと記した。ここで、振幅Aは以下のように現される。
A=2DΩ(1/ωZ)Δω((1−Δω^2)^2
+(Δω/QZ)^2)^(−1/2) (5)
また、Q値QZに関連する周波数ωdは以下のように現される。
ωd=(1−(1/2QZ)^2)^(1/2) (6)
ここで、駆動振動の共振周波数ωと検出振動の共振周波数ωZの比ω/ωZを周波数比Δωとしている。
【0016】
式(5)は、振幅AがΔω=1、言い換えると、共振型となる、ω=ωZの時に最大化することを示しており、一般に用いられる離調度|ω−ωZ|/ωが小さいほどジャイロの出力が大きいと言う経験的事実を良く表現している。さて、文献によれば式(4)の右辺第1項はコリオリ力を現す過渡解であり、第2項はコリオリ力を現す定常解であり、式(5)に示す振幅Aがその大きさを現すものとされる。過渡解が存在すると振動ジャイロの出力が角速度のみに比例したものとならないので、過渡解は除去しなければならない。過渡解は、文献によればQ値QZが大きければ周波数差|ω−ωZ|におよそ等しい|ω−ωd|を遮断する位相検波により除去できるとあるが、これは駆動と検出の周波数差以上の周波数応答をジャイロに期待できないことを示している。
【0017】
しかしながら、一般的な共振型と呼ばれる振動ジャイロは性能を稼ぐ為に非常に小さな離調度を利用しながら、実用的な応答性も得ている。これは次のような理由による。過渡解の指数関数に注目すると、この項は周波数ωZが大きいか、Q値QZが小さいと急速に減少する事を示している。圧電性単結晶を除いて一般的にジャイロに使用されるPZT等の振動体のQ値は1000以下であり、仮にQ値が300とすると、一般的な使用周波数10kHz程度では、過渡解は指数関数項により0.1秒程度で5%以下に減衰するので、離調度を気にしなくてよい。一方、多くの圧電性単結晶では、Q値は優に5000を上回る。この場合は指数関数の項による過渡項の減衰はもはや期待できない。高いQ値を持つ圧電性単結晶を用いたジャイロにおいては、一度出た出力はなかなか鳴り止まず、これを除外するためには、離調度を大きく取り、位相検波に頼るしかない。10kHzの振動ジャイロで10Hzの応答を得るには、最低でも1000PPMの倍以上の離調を必要とする。即ち応答性を考慮すると、圧電性単結晶を用いた振動ジャイロでは式(5)に示すような、Δωを小さくして出力を大きくするような方法による高性能化は実用的でなくなり、離調度を大きくした非共振型とせざるを得ず、大きな出力Sを期待することができない。
【0018】
[発明の目的]
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、S/Nが高く、検出精度の良い、振動ジャイロを提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明の振動ジャイロは、下記の構成を採用する。
【0020】
水晶で構成され、駆動足を有する第1の振動体と、非圧電材料で構成され、検出足を有し、前記第1の振動体より低いQ値を有する第2の振動体とを結合した複合振動子と、前記駆動足を駆動振動させる発振手段と、前記複合振動子の回転によるコリオリ力によって、前記検出足に発生する検出振動を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
【0021】
[作用]
本発明による振動ジャイロは、高いQ値を持つ物質で構成された振動子と、低いQ値を持つ振動子から構成し、極めてQ値が高く外部への振動漏れの少ない駆動振動を用いてノイズNを低減し、また駆動振動によって振動しない検出部を用いることにより更にノイズNを低減し、低いQ値を持つ振動子を検出に使用して検出振動のみ低いQ値を実現し、更に検出振動発生中には駆動振動発生用の振動子が検出方向へ変形しない構成とすることにより、応答性を犠牲にすること無く離調度を小さくした共振型を実現し、大きな出力Sを獲得し、結果として高いS/Nを実現する。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の振動ジャイロを実施するための最良の形態による実施の形態を図面を基に説明する。図1〜図4は本発明の実施の形態である振動ジャイロであり、図1は以後複合音叉10と呼ぶ、H型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図であり、図2は複合音叉10の平面図,回路ブロック及び配線模式図であり、図3は複合音叉10の駆動振動を示す駆動足の断面の動作説明図であり、図4は複合音叉10の検出振動を示す検出足の断面の動作説明図である。
【0023】
[振動ジャイロの構造説明:図1及び図2]
本実施の形態においては、駆動振動発生には圧電性単結晶の中で特にQ値の高い水晶を使用する。更に具体的には、品質の安定した時計用の発振器に用いる発振周波数32.768kHzの206型水晶振動子を用いる。以後、この水晶振動子を206型振動子11と呼ぶ。また、検出振動発生には、プレス加工で成形した温度特性の良いエリンバの板に、圧電効率の良いPZTを貼付したものを用いる。そして、これらを結合して複合音叉10を構成する。
【0024】
図1は、複合音叉10を斜めから見た図である。図1に示すように、複合音叉10は206型振動子11とPZTを貼付したエリンバの板から構成される。複合音叉10は全体として平面形状をなしている。以後の説明の便宜上、足の伸びた方向にY軸を取り、足の並んだ方向にX軸を取り、厚み方向にZ軸を設けた。206型振動子は弾性と圧電性を持つ水晶からなり、互いに平行に並んだ2本の足1及び2の端が、矩形の基部に同方向から接合した音叉形状であり、エリンバの板は互いに平行に並んだ3本の足の端が矩形の基部に同方向から接合した、今後その形状が山という漢字の形状に類似していることから山型振動子12と呼ぶ3脚音叉の形状であり、中央の足5を除く両側の足3及び4の上面には、両面を金属膜を蒸着し、面に垂直な方向に分極したPZTの板6及び7が、エリンバに対して導電性を持たせて貼り付けてある。そして206型振動子11及び山型振動子12は、互いに足の伸びた方向を逆方向にして配置され、各々の基部底面は互いに接合してある。
【0025】
図2は複合音叉10の平面図,回路ブロック及び配線模式図を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示す。駆動回路は、206型振動子11の2つの駆動電極8及び9の何れか一方からの信号をアンプG及び移相回路Pを用いて他方の電極に返す自励発振回路で構成され、検出回路は、山型振動子12に貼り付けられた2つの圧電素子6及び7の上面の金属膜からの信号を検出する差動バッファD、アンプGの出力の位相を変化させる移相回路P2、位相検出回路の信号を2値化するコンパレータC、差動バッファDの出力を移相回路P2の出力と乗算する乗算回路M、及び乗算結果を積分して直流化する積分回路Sで構成される。
3電源系の回路を構成する場合、エリンバはグランドに接地する。
【0026】
[振動ジャイロの動作・作用説明:図2,図3及び図4]
以下、図3及び図4を用いて複合音叉10の駆動及び検出振動を説明し、図2を用いて、電気的に複合音叉10を駆動し、複合音叉10のY軸方向の回転の結果である電圧出力から角速度を知る方法を説明する。
【0027】
振動ジャイロにおける理想は、振動体内で自己完結的な振動モードのみを利用し、この振動モードにおける振動の節を支持する事により、外部環境に依存しない安定した振動ジャイロを得る事である。一例として、このような振動体は2組の2脚音叉を対向して配置した形状であるH型音叉の、一組の2脚音叉の足の間を支持することにより実現することができる。2脚音叉は2本の足が決定する平面内で2本の足が相反する方向へバランスを取りながら1次屈曲振動する、いわゆる面内振動において、最も優れた振動体の1つであるが、H型音叉の1組の足の対は2脚音叉を構成しており、これを実現して優れた振動体となり得る。また、H型音叉の4本の足は面内振動に直交する方向への、いわゆる面外振動においても優れた振動体となる。このようなH型の振動体は1970年のUSP3515914に既に提案されている。本実施の形態においてはUSP3515914に示されたような振動体を、振動ジャイロの駆動検出振動に用いる。
【0028】
また、振動ジャイロにおいては、駆動振動が発生している間に、検出部がコリオリ力に無関係な出力を発生しないことが、高いS/Nと厄介な無回転時の出力のドリフトを抑える点で有効である。無回転時に出力が無ければ、ドリフトは存在しないからである。コリオリ力に無関係な出力は、駆動と検出振動の直交性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動振動が検出振動を機械的に発生させ、駆動用振動子の電極の対称性が不完全であれば、振動する検出部において、駆動出力が検出出力を電気的に発生させるので、有限な加工精度で製作された振動体としては、回転のない時は、駆動振動発生時に、駆動振動と無関係に検出部が静止しており、回転による検出振動の発生時は、検出部が検出振動の振動体の一部として大きく振動するような構造が望ましい。本実施の形態においては、発振器用の206型振動子11と、山型振動体12を結合して全体として前記H型の振動体を構成し、山型振動体12の中央の足の先端を支持する事で、上記の望ましい事項を全て満足する振動体を提供する。
【0029】
図3を用いて、複合音叉10の駆動振動を説明する。図3は206型振動子11の駆動足1及び2の断面図であり、ある瞬間の足の屈曲の方向と大きさを矢印で表現してある。駆動足1及び2はX方向に対向して動作する。
【0030】
図4を用いて、複合音叉10の検出振動を説明する。図4は山型振動子12の検出足3及び4と、支持に用いる中央足5の断面図であり、ある瞬間の足の屈曲の方向と大きさを矢印で表現してある。また図4に示した振動は、複合音叉10のようなH型振動体の持ついくつかの振動モードの中で、本実施の形態で検出振動として用いる、両側の2本の足が厚み方向に対向して屈曲振動を行う固有振動モードである。本実施の形態においては、この振動モードの周波数を32.768kHzに調整して検出振動として利用する。この検出振動が発生すると、複合音叉10は全体としてY軸足方向、即ちZX面内の回転力を受ける。
【0031】
複合音叉10の検出振動においては、検出足3及び4の長さと基部の長さを変化させて、複合音叉10全体の回転モーメントと検出足3及び4の屈曲が複合音叉10に与えるモーメントを調整することにより、検出足の屈曲振動の節をY方向に見て支持に用いる中央足の付け根付近に移動させることにより、複合音叉10全体の回転モーメントが支持部に伝わるのを防ぐことができる。このような工夫により支持部として用いる山型振動子12の中央足5全体を振動の節とすることができ、検出振動も外部に振動漏れを起こさない優れた振動体とすることができる。また、検出足3及び4の巾と厚みを調整することにより、駆動振動発生時に検出足3及び4がX方向に屈曲変形しない様に調整することができる。
【0032】
次に、検出振動発生中の複合音叉10の駆動足1及び2の様子を説明する。複合音叉10に使用する206振動子11は厚みが230μmであり、足の巾が380μmなので,足部のみに注目すると、駆動方向への屈曲振動の共振周波数とこれに直交する方向への共振周波数は6割近くも隔たっており、駆動周波数において駆動足がZ方向へは殆ど変形しない。
【0033】
次に、駆動振動及び検出振動と、コリオリ力の関係について説明する。駆動振動を行う複合音叉10において、この時複合音叉10を足Y軸方向に角速度Ωで回転すると、速度VXで運動する駆動足1には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力FCが働き、速度−VXで運動する駆動足2には、駆動振動に直交する方向にコリオリ力−FCが働く。即ち、コリオリ力FC及び−FCは、駆動振動に直交する方向に、駆動振動の周波数で複合音叉10の駆動足1及び2に働く。しかしながら、上述のようにこの周波数では駆動足1及び2はZ軸方向へは殆ど屈曲変位しないので、コリオリ力は駆動足1及び2の付け根を通して基部に回転振動を与え、複合音叉10全体に回転振動が励振される。検出足の共振周波数を32.768kHz直近に調整しておくと、回転のない場合には静止していた山音叉の両側の足3及び4には、コリオリ力により大きな検出振動が発生する。
【0034】
次に、実際の駆動検出回路を用いた、電気的な駆動検出方法について説明する。図2には複合音叉10の平面図,回路ブロック及び配線模式図を示し、各電極の接続関係及び駆動検出回路を示してある。まず、206型振動子11の一方の駆動電極9からの電圧をアンプGに入力し、移相回路PでアンプGの出力を移相して、他方の駆動電極8に印加する事により、駆動振動を自励発振させる。
【0035】
この状態で複合音叉10全体をY軸方向に角速度Ωで回転させると、複合音叉10の駆動足1及び2の運動は、コリオリ力を介して、複合音叉10に、既に述べた様に回転振動が発生し、回転のない場合には静止していた山振動子12の検出足3及び4には、面外振動が発生する。足3が検出振動する場合を説明する。足3が検出方向に屈曲すると、例えば圧電素子6が縮む。この時圧電効果により、圧電素子6には分極方向によるが、例えば正電圧が発生する。このとき他方の圧電素子7は伸びる。圧電効果により、この圧電素子7は負電圧が発生する。圧電素子6及び7は導電性を持たせてエリンバに貼り付けてあるので、検出振動は、エリンバの電位を基準として、2つの圧電素子の金属膜に生じる互いに逆方向の電圧として検出できる。勿論、エリンバを使用せずに、直接に電極間の電圧を測定しても良い。
【0036】
コリオリ力の検出信号は、エリンバをグランドに接続して基準電圧を作り、2つの圧電素子6及び7の金属膜の電圧を差動バッファDに入力し、差動バッファDを経て乗算回路Mに導き、駆動振動の発振出力を、コリオリ力が90度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプGの出力を、移相回路P2により90度移相し、コンパレータCにより2値化した参照信号により乗算し、乗算により検波した結果は、更に積分回路Sにより平滑化し、正確な直流出力として検出できる。この直流出力はコリオリ力に比例し、コリオリ力は角速度Ωに比例するので、この直流出力により角速度Ωを知ることができる。ここで、検出に差動検出を用いたのは、回路の対称性を向上し、回路系のドリフトを低減する為である。
【0037】
図4に示した複合音叉10の検出足3及び4の検出振動は、図3に示した駆動足1及び足2の対向動作である駆動振動から、コリオリ力を媒介として励振されるものであり、この時、駆動足1及び2の動作に注目すると、検出振動においては、駆動足1及び2は駆動振動に直交する方向へはあまり曲がることができず、殆ど変形できないと述べた。このことは、コリオリ力により発生する振動が、高いQ値を持つ振動体の部分を殆ど屈曲変形させず、低いQ値を持つ振動体の部分だけを屈曲変形させることを意味している。言い換えると、コリオリ力に起因する振動は、極めて速やかに減衰する。従って、本実施の形態における複合音叉10は、ノイズの少ない高いQ値を持つ振動体で駆動しながら、駆動振動と検出振動の周波数を一致させた、高い出力を保証する共振型の設計においても、実用的な応答性を持つ振動ジャイロを実現できる。
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明による振動ジャイロは、高いQ値を持つ物質で構成された振動子と、低いQ値を持つ振動子から構成し、極めてQ値が高く外部への振動漏れの少ない駆動振動を用いてノイズNを低減し、また駆動振動によって振動しない検出部を用いることにより更にノイズNを低減し、低いQ値を持つ振動子を検出に使用して検出振動のみ低いQ値を実現し、更に検出振動発生中には駆動振動発生用の振動子が検出方向へ変形しない構成とすることにより、応答性を犠牲にすること無く離調度を小さくした共振型を実現し、大きな出力Sを獲得し、結果として高いS/Nを実現している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態であるH型の振動ジャイロの外観を示し、以後説明に用いる座標を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施の形態である複合音叉の正面を示し,回路ブロック及び配線を示す模式図である。
【図3】本発明の実施の形態であるH型振動体の駆動振動を示す動作説明図である。
【図4】本発明の実施の形態であるH型振動体の検出振動を示す動作説明図である。
【図5】従来の音叉型の水晶ジャイロの外観を示し、座標を示し、電極の一部を示し、異方性結晶の回転方向を示す斜視図である。
【図6】従来の音叉型水晶ジャイロの、足の断面及び駆動検出回路の配線模式図である。
【符号の説明】
1〜5 足
6,7 PZT
8,9 電極
10 H型の振動ジャイロ
11 音叉型振動子
12 山型振動子
C コンパレータ
D 差動バッファ
G アンプ
M 乗算回路
P ,P2 移相回路
S 積分回路
FC,−FC コリオリ力
VX,−VX 速度
J1〜J8 電極
J10 音叉型振動体
J11 第1の足
J12 第2の足
J15 基部
JC コンパレータ
JD 差動バッファ
JG アンプ
JM 乗算回路
JP ,JP2 移相回路
JS 積分回路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibrating gyroscope that detects angular velocity.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a mechanical rotary gyroscope has been used as an inertial navigation device for airplanes and ships, but the device is large and expensive, so it is difficult to incorporate it into a small electronic device or a small transport machine.
[0003]
In recent years, however, research on miniaturization of gyroscopes has progressed, and a vibrating body is excited by a piezoelectric element, and a voltage generated by vibration caused by Coriolis force that the vibrating body receives by rotation is detected by another piezoelectric element provided on the vibrating body. Vibrating gyros have been put into practical use and are used in automobile navigation systems and video camera shake detection devices.
[0004]
In particular, a vibrating gyroscope using a piezoelectric single crystal has a simple structure, is easy to adjust, and has excellent temperature characteristics, and is considered promising. As an example using a piezoelectric single crystal, the structure of a tuning fork type vibration gyro using quartz will be described below with reference to the drawings. FIG. 5 is a perspective view showing a tuning fork type vibration gyro.
[0005]
In FIG. 5, the tuning fork J10 has a structure in which a drive detection electrode is vapor-deposited on an integrally processed quartz. That is, the tuning fork J10 has a structure in which the first foot J11 and the second foot J12 arranged in parallel are coupled to the base portion J15. Drive electrodes J3 and J4 are vapor-deposited on the first leg J11, and detection electrodes J6, J7 and J8 are vapor-deposited on the second leg J12. The bottom surface of the base J15 is used for support. Here, the extending direction of the foot is defined as the Y ′ direction, the direction in which the two feet are aligned is defined as the X direction, and the direction orthogonal to the X and Y ′ directions is defined as the Z ′ direction.
[0006]
The operation will be described. FIG. 6 is a schematic view of a cross section and a drive detection circuit for explaining a drive detection method of a conventional tuning fork type crystal gyro. In FIG. 6, the cross section of the drive electrodes J1, J2, J3 and J4 is arranged on the cross section of the first leg J11 shown on the left side, and the detection electrodes J5, J6 and J6 are shown on the cross section of the second leg J12 shown on the right side. Cross sections of J7 and J8 are arranged.
[0007]
First, when the first leg J11 is bent in the X direction, for example, toward the second leg J12, the vicinity of the electrode J2 extends in the Y ′ direction and the vicinity of the electrode J4 contracts in the Y ′ direction. Due to the effect, an electric field is generated in the X direction in the vicinity of the electrode J2, and in the -X direction in the vicinity of the electrode J4. At this time, considering the direction of the electric field, the electrodes J2 and J4 have the same potential, for example, a higher potential than the center of the foot. When viewed in the X direction, the electrodes J1 and J3 disposed in the vicinity of the center of the foot have a relatively lower potential than the electrodes J2 and J4, and therefore there is a potential difference between the electrodes J2 and J4 and the electrodes J1 and J3. Occurs. Since the piezoelectric effect is reversible, if a potential difference is applied between the electrodes J2 and J4 and the electrodes J1 and J3, an electric field corresponding to this is generated inside the crystal, and the first foot J11 bends in the X direction. It will be. From these things, for example, the potential of the electrodes J1 and J3 is used as a reference to amplify with the amplifier JG at an amplification factor exceeding the oscillation condition, and adjusted to a phase satisfying the oscillation condition by the phase shift circuit JP and returned to the electrodes J2 and J4. As a result, energy exchange occurs between the mechanical return force and the electric force accompanying the bending of the first foot J11, and the first foot J11 can oscillate in the X direction.
[0008]
Looking at the tuning fork J10 as a whole, when the first foot J11 moves in the X direction to balance the momentum of the first foot J11 and the second foot J12, the second foot J12 moves in the -X direction, When the first foot J11 moves in the -X direction, the second foot J12 moves in the X direction. This is because it is ideal that a normal tuning fork vibrates in one plane. Although referred to as in-plane bending vibration, the vibration generated by the first foot J11, the amplifier JG and the phase shift circuit JP is the same operation as the in-plane bending vibration, and the frequency thereof is the resonance frequency of the in-plane bending vibration of the tuning fork J10. Almost matches.
[0009]
When the entire tuning fork J10 is rotated around the Y ′ axis at an angular velocity Ω in this state, the Coriolis force FC acts on the two legs of the tuning fork J10 in the Z ′ direction orthogonal to the in-plane bending vibration. The Coriolis force FC can be expressed by the following equation.
FC = 2MΩV (1)
Here, M is the mass of the first foot J11 or the second foot J12, and V is the velocity of the first foot J11 or the second foot J12. This Coriolis force FC excites bending vibration displaced in the Z ′ direction perpendicular to the X direction, which is the operation direction of in-plane bending vibration, on the first foot J11 and the second foot J12. Hereinafter, this is referred to as out-of-plane bending vibration. Further, since the Coriolis force is not a displacement but a force proportional to the velocity, the out-of-plane bending vibration generated by the Coriolis force is generated with a phase delay of 90 degrees from the in-plane bending vibration.
[0010]
By this out-of-plane bending vibration, for example, the vicinity of the electrodes J5 and J8 of the second foot J12 expands and contracts in the Y ′ direction, and the vicinity of the electrodes J6 and J7 expands and contracts in a phase opposite to that of the vicinity of the electrodes J5 and J8. For example, when the vicinity of the electrodes J5 and J8 extends in the Y ′ direction, an electric field is generated in the X direction in the vicinity of the electrodes J5 and J8 inside the second foot J12. At this time, in the vicinity of the electrodes J6 and J7 Is contracted in the Y ′ direction, an electric field is generated in the −X direction in the vicinity of the electrodes J6 and J7 inside the second leg 12. That is, when the potential of the electrode J5 is higher than the potential of the electrode J8, the potential of the electrode J7 is higher than the potential of the electrode J6. When the vicinity of the electrodes J5 and J8 is contracted in the Y ′ direction, an electric field is generated in the −X direction in the vicinity of the electrodes J5 and J8 inside the second foot J12. At this time, the electrodes J6 and J7 Since the vicinity extends in the Y ′ direction, an electric field is generated in the X direction in the vicinity of the electrodes J6 and J7 inside the second leg 12. That is, when the potential of the electrode J5 is lower than the potential of the electrode J8, the potential of the electrode J7 is lower than the potential of the electrode J6.
[0011]
The potential difference between the electrodes J5 and J8 and the electrodes J6 and J7 generated by the out-of-plane bending vibration changes according to the direction of the second foot J12 that swings in the Z ′ direction. In other words, for example, when the electrode J5 is at a high potential, the electrode J7 is also at a high potential. At this time, the electrodes J6 and J8 are at a low potential, and when the electrode J5 is at a low potential, the electrode J7 is also at a low potential. The hour electrode J6 and the electrode J8 are at a high potential. The Coriolis force appears as a potential difference between the electrode J5 or the electrode J7 and the electrode J6 or the electrode J8.
[0012]
The detection signal of the Coriolis output is guided to the multiplication circuit JM through the differential buffer JD with the electrodes J5 and J7 as one input signal and the electrodes J6 and J8 as the other input signal, and the in-plane bending vibration is detected. The output of the amplifier JG is shifted by 90 degrees by the phase shift circuit JP2 and multiplied by the reference signal binarized by the comparator JC for the purpose of correcting the generation of the Coriolis force delayed by 90 degrees. The result detected by multiplication is further smoothed by the integrating circuit JS and can be detected as an accurate DC output. Since this DC output is proportional to the Coriolis force FC, and the Coriolis force FC is proportional to the angular velocity Ω, the angular velocity Ω can be known from this DC output.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the tuning fork type vibration gyro using the conventional piezoelectric single crystal has the following problems. In general, the performance of a vibrating gyroscope is measured by S / N. However, when a piezoelectric single crystal is used, it is difficult to improve the S / N because a resonance type having a large output S cannot be obtained. This situation will be described in detail.
[0014]
The magnitude S of the output of the vibration gyro can be well explained when viewed as forced excitation of the detection vibration system by Coriolis force. Hereinafter, T.W. IEEE Japan, Vol. 118-E, no. 7/8, '98 “Design Guidelines for Vibrating Micro Gyro”
[0015]
It has already been described that the directions of the drive vibration and the detection vibration are orthogonal, and the Coriolis force distributes the force in the detection force direction orthogonal to the drive vibration. Here, when the time displacement of the detection foot in the driving direction is expressed by a sine wave of amplitude D, it can be written as DSIN (ωt). Here, ω represents the resonance frequency of the drive vibration. Since the speed V is obtained by time differentiation, V = DωCOS (ωt). Substituting this into the definition of the Coriolis force in the equation (1), FC = 2MΩV = 2MΩDωCOS (ωt) (2)
It becomes. Here, the vibration direction is changed to the detection direction. Here, for example, an equation of motion of forced vibration due to Coriolis force is established for the detected vibration of the second foot J12.
(D ^ 2 / dt ^ 2 + (ωZ / QZ) d / dt + ωZ ^ 2) ξ (t)
= 2DΩωCOS (ωt) (3)
Here, ωZ is the resonance frequency of the detected vibration, QZ is the Q value of the detected vibration, and ξ (t) is a function representing the temporal displacement of the center of gravity of the second foot J12 in the Z ′ direction. The solution of this equation solved under appropriate initial conditions when QZ 'is large is as follows.
ξ (t) = (ωZ / ωd) Aexp (−ωZt / 2QZ) COS (ωd−φ)
+ ACOS (ωt−Ψ) (4)
Since the phase shift of vibration is not discussed, it is simply written as φ and Ψ. Here, the amplitude A is expressed as follows.
A = 2DΩ (1 / ωZ) Δω ((1-Δω ^ 2) ^ 2
+ (Δω / QZ) ^ 2) ^ (-1/2) (5)
Further, the frequency ωd related to the Q value QZ is expressed as follows.
ωd = (1- (1 / 2QZ) ^ 2) ^ (1/2) (6)
Here, the ratio ω / ωZ of the resonance frequency ωZ of the drive vibration and the resonance frequency ωZ of the detection vibration is the frequency ratio Δω.
[0016]
Equation (5) indicates that the amplitude A is Δω = 1, in other words, the resonance type is maximized when ω = ωZ, and the generally used detuning degree | ω−ωZ | / ω is smaller. The empirical fact that the output of the gyro is large is well expressed. According to the literature, the first term on the right side of equation (4) is a transient solution that expresses the Coriolis force, the second term is a steady solution that expresses the Coriolis force, and the amplitude A shown in equation (5) is the magnitude thereof. It is supposed to show. If a transient solution exists, the output of the vibrating gyroscope does not become proportional only to the angular velocity, so the transient solution must be removed. According to the literature, the transient solution can be removed by phase detection that blocks | ω−ωd |, which is approximately equal to the frequency difference | ω−ωZ |, if the Q value QZ is large, but this is greater than the frequency difference between driving and detection. This indicates that the gyro cannot expect the frequency response.
[0017]
However, a vibration gyro called a general resonance type obtains practical responsiveness while utilizing a very small degree of detuning in order to obtain performance. This is due to the following reason. Focusing on the exponential function of the transient solution, this term shows that it rapidly decreases when the frequency ωZ is large or the Q value QZ is small. Except for piezoelectric single crystals, the vibration factor such as PZT generally used for gyros has a Q value of 1000 or less. If the Q value is 300, the transient solution is exponential at a general frequency of use of about 10 kHz. Since it attenuates to 5% or less in about 0.1 seconds depending on the function term, it is not necessary to worry about the degree of detuning. On the other hand, in many piezoelectric single crystals, the Q value is well over 5000. In this case, the decay of the transient term due to the exponential term can no longer be expected. In a gyro using a piezoelectric single crystal having a high Q value, the output once emitted does not stop, and in order to exclude this, there is no choice but to rely on phase detection with a large degree of detuning. In order to obtain a response of 10 Hz with a vibration gyro of 10 kHz, a detuning of at least twice as much as 1000 PPM is required. In other words, in consideration of responsiveness, in a vibrating gyroscope using a piezoelectric single crystal, it is not practical to improve the performance by reducing Δω and increasing the output, as shown in Equation (5). Therefore, a large output S cannot be expected.
[0018]
[Object of invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a vibrating gyroscope having a high S / N and good detection accuracy.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above object, the vibration gyro of the present invention employs the following configuration.
[0020]
A first vibrating body made of crystal and having a driving foot is combined with a second vibrating body made of a non-piezoelectric material, having a detection foot and having a lower Q value than the first vibrating body. It is characterized by comprising: a composite vibrator; an oscillating means for driving and vibrating the drive leg; and a detecting means for detecting a detection vibration generated on the detection leg by a Coriolis force generated by the rotation of the composite vibrator .
[0021]
[Action]
The vibration gyro according to the present invention is composed of a vibrator made of a material having a high Q value and a vibrator having a low Q value, and uses a driving vibration having an extremely high Q value and little vibration leakage to the outside. By using a detector that reduces N and does not vibrate due to drive vibration, noise N is further reduced, a vibrator having a low Q value is used for detection, and only the detected vibration has a low Q value. By constructing the vibrator for generating the driving vibration not to be deformed in the detection direction during the generation, a resonance type with a small detuning degree is realized without sacrificing responsiveness, and a large output S is obtained. High S / N is realized.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment according to the best mode for carrying out a vibrating gyroscope of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 4 show a vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an H-type vibrating gyro, which will be referred to as a composite tuning fork 10 hereinafter, and coordinates used for the following description. 2 is a plan view, circuit block, and wiring schematic diagram of the composite tuning fork 10, FIG. 3 is an operation explanatory view of the cross section of the drive foot showing the drive vibration of the composite tuning fork 10, and FIG. It is operation | movement explanatory drawing of the cross section of the detection leg | foot which shows a vibration.
[0023]
[Structural description of vibrating gyroscope: FIGS. 1 and 2]
In the present embodiment, a crystal having a particularly high Q value is used among the piezoelectric single crystals for generating the drive vibration. More specifically, a 206 type crystal resonator having an oscillation frequency of 32.768 kHz used for a clock oscillator with stable quality is used. Hereinafter, this crystal resonator is referred to as a 206 type resonator 11. In order to generate the detection vibration, a plate of Erinba with good temperature characteristics formed by press working and PZT with good piezoelectric efficiency is pasted. These are combined to form a composite tuning fork 10.
[0024]
FIG. 1 is a view of the composite tuning fork 10 as viewed from an oblique direction. As shown in FIG. 1, the composite tuning fork 10 is composed of an Erinba plate to which a 206-type vibrator 11 and PZT are attached. The composite tuning fork 10 has a planar shape as a whole. For convenience of the following description, the Y axis is taken in the direction in which the legs are extended, the X axis is taken in the direction in which the legs are lined up, and the Z axis is provided in the thickness direction. The 206 type vibrator is made of quartz having elasticity and piezoelectricity, and has a tuning fork shape in which the ends of two legs 1 and 2 arranged in parallel to each other are joined to a rectangular base from the same direction. The end of three parallel legs are joined to the rectangular base from the same direction, and in the future the shape resembles the shape of a Chinese character called a mountain. There are PZT plates 6 and 7 with metal films deposited on both sides except for the center foot 5 and deposited in a direction perpendicular to the surface, and are electrically conductive to the elimba. It is stuck and pasted. The 206-type vibrator 11 and the mountain-shaped vibrator 12 are arranged with their legs extending in opposite directions, and the bottom surfaces of the bases are joined to each other.
[0025]
FIG. 2 shows a plan view, a circuit block, and a schematic wiring diagram of the composite tuning fork 10, and shows the connection relationship between the electrodes and the drive detection circuit. The drive circuit is composed of a self-excited oscillation circuit that returns a signal from one of the two drive electrodes 8 and 9 of the 206-type vibrator 11 to the other electrode using the amplifier G and the phase shift circuit P. Are a differential buffer D for detecting signals from the metal films on the upper surfaces of the two piezoelectric elements 6 and 7 attached to the mountain-shaped vibrator 12, a phase shift circuit P2 for changing the phase of the output of the amplifier G, and a phase. It comprises a comparator C that binarizes the signal of the detection circuit, a multiplication circuit M that multiplies the output of the differential buffer D by the output of the phase shift circuit P2, and an integration circuit S that integrates the multiplication result into a direct current.
When configuring a three-power-supply circuit, the elimber is grounded.
[0026]
[Description of operation and action of vibrating gyroscope: FIGS. 2, 3 and 4]
Hereinafter, the driving and detection vibration of the composite tuning fork 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 4, and the composite tuning fork 10 will be electrically driven using FIG. 2 and the result of the rotation of the composite tuning fork 10 in the Y-axis direction will be described. A method for determining the angular velocity from a certain voltage output will be described.
[0027]
The ideal in a vibration gyro is to obtain a stable vibration gyro that does not depend on the external environment by using only a self-contained vibration mode in the vibration body and supporting the vibration node in this vibration mode. As an example, such a vibrating body can be realized by supporting between the legs of a pair of two-leg tuning forks, an H-shaped tuning fork having a shape in which two pairs of two-leg tuning forks are arranged to face each other. The two-leg tuning fork is one of the most excellent vibrating bodies in the so-called in-plane vibration in which the primary bending vibration occurs while balancing the two legs in the opposite directions in the plane determined by the two legs. The pair of legs of the H-shaped tuning fork constitutes a two-leg tuning fork, which can be realized as an excellent vibrator. Further, the four legs of the H-type tuning fork are excellent vibrators even in the so-called out-of-plane vibration in the direction orthogonal to the in-plane vibration. Such an H-shaped vibrator has already been proposed in US Pat. No. 3,515,914 in 1970. In this embodiment, a vibrating body as shown in US Pat. No. 3,515,914 is used for drive detection vibration of a vibrating gyroscope.
[0028]
Moreover, in the vibration gyro, the detection unit does not generate an output irrelevant to the Coriolis force while the drive vibration is occurring, which suppresses high S / N and troublesome output drift at the time of no rotation. It is valid. This is because there is no drift if there is no output during no rotation. If the orthogonality between the drive and detection vibrations is incomplete, the output irrelevant to the Coriolis force will cause the drive vibration to mechanically generate the detection vibration in the vibrating detector, and the symmetry of the electrodes of the drive vibrator will be If it is incomplete, the detection output that vibrates will generate the detection output electrically, so the vibrating body manufactured with finite machining accuracy will be driven when driving vibration occurs when there is no rotation. A structure in which the detection unit is stationary regardless of vibration and the detection unit vibrates greatly as a part of the vibration body of the detection vibration when detection vibration is generated by rotation is desirable. In the present embodiment, the 206-type vibrator 11 for an oscillator and the mountain-shaped vibrating body 12 are combined to form the H-shaped vibrating body as a whole, and the tip of the foot at the center of the mountain-shaped vibrating body 12 is formed. By supporting, a vibrating body that satisfies all of the above-mentioned desirable matters is provided.
[0029]
The drive vibration of the composite tuning fork 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the driving feet 1 and 2 of the 206-type vibrator 11, and the direction and magnitude of the foot bending at a certain moment are represented by arrows. The driving feet 1 and 2 are opposed to each other in the X direction.
[0030]
The detected vibration of the composite tuning fork 10 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the detection legs 3 and 4 of the mountain-shaped vibrator 12 and the center leg 5 used for support, and the direction and magnitude of the leg bending at a certain moment are represented by arrows. In addition, the vibration shown in FIG. 4 includes two legs on both sides in the thickness direction, which are used as detection vibrations in the present embodiment among several vibration modes of an H-shaped vibrating body such as the composite tuning fork 10. This is a natural vibration mode in which bending vibration is performed oppositely. In this embodiment, the frequency of this vibration mode is adjusted to 32.768 kHz and used as detected vibration. When this detected vibration occurs, the composite tuning fork 10 receives the rotational force in the Y-axis foot direction, that is, the ZX plane as a whole.
[0031]
In the detection vibration of the composite tuning fork 10, the length of the detection feet 3 and 4 and the length of the base are changed to adjust the rotation moment of the entire composite tuning fork 10 and the moment that the bending of the detection feet 3 and 4 gives to the composite tuning fork 10. By doing so, it is possible to prevent the rotational moment of the entire composite tuning fork 10 from being transmitted to the support portion by moving the bending vibration node of the detection foot in the Y direction to the vicinity of the base of the central foot used for support. By such a device, the entire center foot 5 of the mountain-shaped vibrator 12 used as the support portion can be used as a vibration node, and the detected vibration can be an excellent vibration body that does not cause vibration leakage to the outside. Further, by adjusting the width and thickness of the detection legs 3 and 4, the detection legs 3 and 4 can be adjusted so as not to bend and deform in the X direction when a drive vibration occurs.
[0032]
Next, the state of the driving feet 1 and 2 of the composite tuning fork 10 during detection vibration generation will be described. Since the 206 vibrator 11 used in the composite tuning fork 10 has a thickness of 230 μm and a foot width of 380 μm, when attention is paid only to the foot portion, the resonance frequency of the bending vibration in the driving direction and the resonance frequency in the direction orthogonal thereto Are separated by nearly 60%, and the driving foot is hardly deformed in the Z direction at the driving frequency.
[0033]
Next, the relationship between drive vibration and detection vibration and Coriolis force will be described. In the composite tuning fork 10 that performs drive vibration, when the composite tuning fork 10 is rotated at an angular velocity Ω in the foot Y-axis direction at this time, the Coriolis force FC acts in the direction orthogonal to the drive vibration on the drive foot 1 that moves at the speed VX. A Coriolis force -FC acts on the driving foot 2 moving at a speed -VX in a direction orthogonal to the driving vibration. That is, the Coriolis forces FC and -FC act on the driving feet 1 and 2 of the composite tuning fork 10 in the direction orthogonal to the driving vibration at the frequency of the driving vibration. However, as described above, at this frequency, the driving feet 1 and 2 hardly bend and displace in the Z-axis direction. Therefore, the Coriolis force gives rotational vibration to the base through the roots of the driving feet 1 and 2, and rotates the composite tuning fork 10 as a whole. Vibration is excited. If the resonance frequency of the detection foot is adjusted to be closest to 32.768 kHz, a large detection vibration is generated by the Coriolis force on the feet 3 and 4 on both sides of the mountain- shaped tuning fork that is stationary when there is no rotation.
[0034]
Next, an electrical drive detection method using an actual drive detection circuit will be described. FIG. 2 shows a plan view, a circuit block, and a wiring schematic diagram of the composite tuning fork 10, and shows the connection relationship between the electrodes and the drive detection circuit. First, the voltage from one drive electrode 9 of the 206-type vibrator 11 is input to the amplifier G, the output of the amplifier G is phase-shifted by the phase shift circuit P, and applied to the other drive electrode 8. Make the vibration self-oscillate.
[0035]
When the entire composite tuning fork 10 is rotated in the Y-axis direction at an angular velocity Ω in this state, the movement of the driving feet 1 and 2 of the composite tuning fork 10 is caused to rotate to the composite tuning fork 10 via the Coriolis force as described above. Occurs, and out-of-plane vibration is generated in the detection legs 3 and 4 of the mountain- shaped vibrator 12 that is stationary when there is no rotation. The case where the foot 3 vibrates by detection will be described. When the foot 3 bends in the detection direction, for example, the piezoelectric element 6 contracts. At this time, due to the piezoelectric effect, for example, a positive voltage is generated in the piezoelectric element 6 depending on the polarization direction. At this time, the other piezoelectric element 7 extends. Due to the piezoelectric effect, this piezoelectric element 7 generates a negative voltage. Since the piezoelectric elements 6 and 7 are attached to the elember with conductivity, the detection vibration can be detected as voltages in opposite directions generated in the metal films of the two piezoelectric elements with reference to the potential of the elember. Of course, you may measure the voltage between electrodes directly, without using an erimba.
[0036]
The detection signal of the Coriolis force is obtained by connecting the elimber to the ground to generate a reference voltage, inputting the voltages of the metal films of the two piezoelectric elements 6 and 7 to the differential buffer D, and passing through the differential buffer D to the multiplication circuit M. The reference of the output of the amplifier G is shifted 90 degrees by the phase shift circuit P2 and binarized by the comparator C for the purpose of correcting the oscillation output of the driving vibration to be delayed by 90 degrees. The result of multiplication by the signal and detection by multiplication can be further smoothed by the integration circuit S and detected as an accurate DC output. Since this DC output is proportional to the Coriolis force, and the Coriolis force is proportional to the angular velocity Ω, the angular velocity Ω can be known from this DC output. Here, the reason why the differential detection is used for the detection is to improve the symmetry of the circuit and reduce the drift of the circuit system.
[0037]
The detection vibrations of the detection feet 3 and 4 of the composite tuning fork 10 shown in FIG. 4 are excited by the Coriolis force as a medium from the drive vibration that is the opposing operation of the drive feet 1 and 2 shown in FIG. At this time, paying attention to the operation of the driving feet 1 and 2, in the detected vibration, the driving feet 1 and 2 cannot bend so much in the direction orthogonal to the driving vibration, and are hardly deformed. This means that the vibration generated by the Coriolis force bends and deforms only the portion of the vibrating body having a low Q value, while hardly bending the portion of the vibrating body having a high Q value. In other words, the vibration caused by the Coriolis force attenuates very quickly. Therefore, the composite tuning fork 10 according to the present embodiment is also used in a resonance type design that guarantees a high output by driving a vibration body having a low Q and a high Q value while matching the frequencies of the drive vibration and the detection vibration. A vibration gyro with practical response can be realized.
【The invention's effect】
As apparent from the above description, the vibration gyro according to the present invention is composed of a vibrator made of a material having a high Q value and a vibrator having a low Q value, and has a very high Q value and vibration to the outside. Noise N is reduced by using drive vibration with less leakage, noise N is further reduced by using a detection unit that does not vibrate due to drive vibration, and only the detected vibration is low by using a vibrator having a low Q value for detection. By realizing a Q value and further preventing the vibration for driving vibration from being deformed in the detection direction during detection vibration generation, a resonance type with low detuning can be realized without sacrificing responsiveness. A large output S is obtained, and as a result, a high S / N is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an H-type vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention and showing coordinates used for the following description.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a front side of a composite tuning fork according to an embodiment of the present invention, and showing circuit blocks and wiring.
FIG. 3 is an operation explanatory diagram showing drive vibration of the H-type vibrating body according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an operation explanatory view showing detected vibration of the H-shaped vibrating body according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing the appearance of a conventional tuning-fork type crystal gyro, showing coordinates, showing a part of an electrode, and showing the rotation direction of an anisotropic crystal.
FIG. 6 is a schematic diagram of a cross section of a foot and a wiring of a drive detection circuit of a conventional tuning fork type crystal gyro.
[Explanation of symbols]
1-5 feet 6,7 PZT
8, 9 Electrode 10 H-type vibration gyro 11 Tuning fork type vibrator 12 Mountain type vibrator C Comparator D Differential buffer G Amplifier M Multiplying circuit P, P2 Phase shift circuit S Integration circuit FC, -FC Coriolis force VX, -VX Speed J1 to J8 Electrode J10 Tuning fork type vibrator J11 First leg J12 Second leg J15 Base JC Comparator JD Differential buffer JG Amplifier JM Multiplication circuit JP, JP2 Phase shift circuit JS Integration circuit

Claims (7)

水晶で構成され、駆動足を有する第1の振動体と、非圧電材料で構成され、検出足を有し、前記第1の振動体より低いQ値を有する第2の振動体とを結合した複合振動子と、
前記駆動足を駆動振動させる発振手段と、
前記複合振動子の回転によるコリオリ力によって、前記検出足に発生する検出振動を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする振動ジャイロ。
A first vibrating body made of crystal and having a driving foot is combined with a second vibrating body made of a non-piezoelectric material, having a detection foot and having a lower Q value than the first vibrating body. A composite oscillator,
Oscillating means for driving and vibrating the driving foot;
A vibration gyro comprising: detection means for detecting a detection vibration generated in the detection foot by a Coriolis force generated by the rotation of the composite vibrator .
前記第1の振動体は、前記駆動足の厚みと幅を異なるようにして駆動方向への屈曲振動の共振周波数とこれに直交する方向への共振周波数とを離すことで、前記検出振動の発生時における検出方向への屈曲を抑制したことを特徴とする請求項1に記載の振動ジャイロ。 The first vibrating body generates the detected vibration by separating the resonance frequency of the bending vibration in the driving direction and the resonance frequency in a direction orthogonal to the bending frequency in the driving direction by making the thickness and width of the driving foot different. 2. The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein bending in the detection direction at the time is suppressed. 前記第2の振動体は、前記検出足の厚みと幅を異なるようにすることで、前記駆動振動の発生時における駆動方向への屈曲を抑制したことを特徴とする請求項1または2に記載の振動ジャイロ。The said 2nd vibrating body suppressed the bending to the drive direction at the time of the generation | occurrence | production of the said drive vibration by making the thickness and width | variety of the said detection leg | foot differ. Vibration gyro. 前記第1の振動体は前記駆動足を2本有し、
前記第2の振動体は前記検出足を2本有し、
前記複合振動子は、前記第1の振動体と前記第2の振動体の基部同士を結合したことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
The first vibrating body has two driving feet,
The second vibrating body has two detection legs,
4. The vibration gyro according to claim 1, wherein the composite vibrator is formed by coupling bases of the first vibration body and the second vibration body .
記第2の振動体は、前記2本の検出足の間に配置され、前記検出足よりも長い中央足を備え、前記中央足の先端を支持することを特徴とする請求項4に記載の振動ジャイロ。Before Stories second vibrator is disposed between the two detection leg includes a long central legs than the detection leg, according to claim 4, characterized in that for supporting the distal end of said central leg Vibration gyro. 前記駆動足と前記検出足とは、それぞれの厚みが異なることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the driving foot and the detection foot have different thicknesses. 前記第2の振動体は、表面にPZTが設けられたエリンバで構成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。The vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 6, wherein the second vibrating body is formed of an erinba having a surface provided with PZT .
JP2001081992A 2001-03-22 2001-03-22 Vibrating gyro Expired - Fee Related JP4668441B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001081992A JP4668441B2 (en) 2001-03-22 2001-03-22 Vibrating gyro

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001081992A JP4668441B2 (en) 2001-03-22 2001-03-22 Vibrating gyro

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2002277247A JP2002277247A (en) 2002-09-25
JP2002277247A5 JP2002277247A5 (en) 2008-03-13
JP4668441B2 true JP4668441B2 (en) 2011-04-13

Family

ID=18937995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001081992A Expired - Fee Related JP4668441B2 (en) 2001-03-22 2001-03-22 Vibrating gyro

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4668441B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006125917A (en) * 2004-10-27 2006-05-18 Kyocera Kinseki Corp Angular velocity sensor
JPWO2006075764A1 (en) * 2005-01-13 2008-06-12 日本電気株式会社 Vibrating gyroscope
US7392702B2 (en) * 2005-08-08 2008-07-01 Litton Systems Inc. Method for modifying the location of nodal points of a vibrating beam
JP4796805B2 (en) * 2005-08-30 2011-10-19 京セラキンセキ株式会社 Inertial sensor element
JP2009085715A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Tdk Corp Vibration gyro-sensor
WO2009057535A1 (en) * 2007-10-30 2009-05-07 Ngk Insulators, Ltd. Method for inspecting electromechanical characteristic of electromechanical conversion element

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07128068A (en) * 1993-10-28 1995-05-19 Toyota Motor Corp Oscillator
JPH08128830A (en) * 1994-11-01 1996-05-21 Fujitsu Ltd Tuning fork type vibration gyro and sensor system using the same
JPH1054725A (en) * 1996-08-12 1998-02-24 Toyota Motor Corp Angular velocity detector
JP2000009469A (en) * 1998-06-18 2000-01-14 Fujitsu Ltd Piezoelectric gyro and driving method thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07128068A (en) * 1993-10-28 1995-05-19 Toyota Motor Corp Oscillator
JPH08128830A (en) * 1994-11-01 1996-05-21 Fujitsu Ltd Tuning fork type vibration gyro and sensor system using the same
JPH1054725A (en) * 1996-08-12 1998-02-24 Toyota Motor Corp Angular velocity detector
JP2000009469A (en) * 1998-06-18 2000-01-14 Fujitsu Ltd Piezoelectric gyro and driving method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002277247A (en) 2002-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3973742B2 (en) Vibrating gyroscope
JP4068370B2 (en) Vibrating gyro
JP3492010B2 (en) Vibrating gyroscope and vibration isolator
JP3039860B2 (en) Monolithic vibration beam angular velocity sensor
JP3805837B2 (en) Angular velocity detector
CN100538272C (en) Piezoelectric Gyro Elements and Piezoelectric Gyroscopes
JP4668441B2 (en) Vibrating gyro
JP2007232710A (en) Oscillator for oscillating gyroscope
JPH08278146A (en) Vibrating gyro
JP2009074996A (en) Piezoelectric vibration gyro
JP4440682B2 (en) Vibrating gyro
JP2001194148A (en) Vibrating gyro
JPH11304494A (en) Vibration gyro and method of its use
JP3355998B2 (en) Vibrating gyro
JP4641107B2 (en) Vibrating gyro
JP2001116552A (en) Vibration gyro
JP2009063299A (en) Vibration gyroscope
JPH07190783A (en) Vibrational angular velocity meter
JP2001241953A (en) Vibrating gyro
JPH10170271A (en) Angular velocity detector
JPH07190782A (en) Vibrational angular velocity meter
JP3356012B2 (en) Vibrating gyro
JP2008256542A (en) Vibration gyro
JP2001324332A (en) Piezoelectric gyro
JPH11201758A (en) Piezoelectric vibrator and piezoelectric vibrational angular velocity meter

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20071129

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20071129

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080128

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100924

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101012

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101206

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110111

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110113

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140121

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees